JPH04257615A - セラミックヒータ型グロープラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディ−ゼルエンジンの副
燃焼室または燃焼室内を予熱するために用いられるグロ
−プラグに関し、特に速熱性および自己温度制御性を有
し長時間にわたるアフターグローを達成し得る自己温度
制御型のセラミックヒータ型グロープラグの改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン用グロープラグとし
て従来から種々の構造を有するものが知られており、そ
の中で近年セラミックヒータ型のものが、速熱型として
機能し得る等の理由から注目を集めている。すなわち、
このようなセラミックヒータ型グロープラグとしては、
たとえば特開昭５７−４１５２３号公報などには、タン
グステン（Ｗ）やレニウム合金（Ｒｅ）等による発熱線
を絶縁性セラミック材中に埋設するようにしたセラミッ
クヒータを用いたものが知られており、従来一般的であ
ったシース型に比べ熱伝達効率の面で優れ、発熱特性や
温度立上り特性を向上させて速熱型としての性能を得て
いるものであった。しかし、このようなセラミックヒー
タを備えたグロープラグでは、ヒータ内には一種類の発
熱線が埋設されているだけであり、このヒータ単体で発
熱線での発熱特性を所要の昇温特性と飽和温度特性とを
有する状態に制御するという自己温度制御性を得ること
は困難で、通電回路上に電力制御用の抵抗線等を付設す
ることが必要となるものであった。このため、たとえば
特公昭６３−４７９６４号公報などによって、グロープ
ラグを構成する金属製ホルダ内で上述したセラミックヒ
ータの後端側に、ヒータ側への通電電力を制御し得る抵
抗体を内設してなる金属製シースによる補助ヒータを、
直列接続するようにした構成のものが、従来既に提案さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような構造によるグロープラグにあっては、セラミッ
クヒータと共に、シース型の補助ヒータを別個に用いる
ことが必要であり、全体の部品点数が多くなり、製造面
でも問題で、コスト高を招いてしまうものであった。ま
た、電力制御用のシース型補助ヒータを、グロープラグ
の金属製ホルダ内に配置させる構造であるために、温度
上昇が不要であるホルダ内が高温となり、各部の耐熱強
度面から問題となり、信頼性に欠けるばかりでなく、無
駄な電力消費を生じる等の問題を避けられないものであ
った。また、正の抵抗温度係数の異なる二種類の金属線
を、直列状態で接続して絶縁性セラミック材中に埋設し
てなるセラミックヒータ構造も、たとえば特開昭５８−
１１０９１９号公報等により提案されている。しかし、
このような構造を採用するにあたっては、絶縁性セラミ
ック材として例えば窒化ケイ素を用いた場合に、その焼
結温度が約１８００℃にも及ぶために、これに耐え得る
正の抵抗温度係数の小さい金属線材の選択が困難である
という問題を生じており、このような点をも考慮しなけ
ればならない。特に、近年この種のグロープラグにあっ
ては、エンジン始動後において一定時間の間グロープラ
グに対し通電状態を維持することでエンジン内部での燃
焼を円滑かつ適切に行なえるようにするという、いわゆ
るアフターグロー方式を採用することに対しての要求が
大きく、しかもそのアフターグロー時間を可能な限り長
時間にすることが必要とされている。そして、このよう
なアフターグロー時における通電制御を行なううえで上
述したような従来のセラミックヒータでは、耐熱強度等
を始めとして耐久性等の面で問題となるもので、このよ
うな点をも考慮し、速熱型としての機能や自己温度制御
機能を発揮させ得るとともに、全体の構造も簡素化し得
るような何らかの対策を講じることが望まれている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した要請に応えるた
めに本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグは、
絶縁性セラミック材による棒状セラミックヒータ内でそ
の先端側に、導電性セラミック材による第１の発熱体を
、抵抗体として埋設するとともに、該ヒータの後端側で
第１の発熱体に直列接続される抵抗体として、この第１
の発熱体よりも正の抵抗温度係数の大きな金属材からな
る第２の発熱体を埋設することにより、セラミックヒー
タを構成したものである。

【０００５】

【作用】本発明によれば、通電初期においてはセラミッ
クヒータ先端側の第１の発熱体に対し大電力を供給し、
急速に発熱させて速熱型としての性能を発揮させ得ると
ともに、所定時間経過後において第１の発熱体への通電
電力を、セラミックヒータ後端側に埋設した電力制御用
抵抗体となる第２の発熱体により制御し、速熱型として
の機能を発揮し得るとともに、適切な飽和温度特性が得
られ、また長時間にわたるアフターグローを行なうこと
が可能となる。

【０００６】

【実施例】図１および図２は本発明に係るセラミックヒ
ータ型グロープラグの一実施例を示すものであり、まず
、全体を符号１０で示すグロープラグの概略構成を、図
２を用いて簡単に説明すると、このグロープラグ１０は
、二種類の発熱体とそのリード部とからなる抵抗体１１
を例えば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁性セラミッ
ク材中に埋設してなる棒状セラミックヒータ１２と、こ
のヒータ１２を先端部において保持する略管状を呈する
金属製ホルダ１３とを備えている。そして、このホルダ
１２後端側には、合成樹脂材等からなる絶縁ブッシュ１
４を介して外部接続端子１５が嵌め込まれて保持され、
またこの外部接続端子１５の内方端は、前記セラミック
ヒータ１２の後端部にフレキシブルワイヤ等の金属導線
１６を介して接続されている。なお、図中１６ａは金属
導線１６に嵌装された絶縁性スリーブ、さらに１３ａは
ホルダ１３外周に形成されたねじ部で、図示しないエン
ジンシリンダヘッド側のねじ孔に螺合され、ヒータ１２
先端を副燃焼室（燃焼室）内に突出させた状態で配置さ
せるためのものである。また、上述したセラミックヒー
タ１２は、断面が略楕円状を呈し、前記抵抗体１１を金
型内に保持した状態で充填されるセラミック粉末を成形
、焼結したり、あるいは一対の成形後のセラミック棒の
接合面間に抵抗体１１を挾み込んだ状態で加圧焼結した
りすることで形成される。この場合、このセラミックヒ
ータ１２の断面形状を略楕円形状としたのは、円形に比
べセラミック材の密度を向上させ、その強度、絶縁性、
熱伝導率をより効果的とするためで、これに限定される
ものではない。さらに、このセラミックヒータ１２の材
質としては、絶縁性、熱伝導率の優れたシリコン系非酸
化物、たとえば窒化ケイ素等のようなシリコン系窒化物
などが望ましい。また、図中１７はセラミックヒータ１
２の長手方向中央部に嵌装して固定された補強用の金属
製パイプで、ヒータ１２の断面形状に合わせた内孔を有
し、ヒータ１２の外周部に形成したニッケル等の金属メ
タライズ層により銀ろう付けなどにより固着されている
。なお、図中１８，１９はヒータ１２の中央部後端寄り
の部分と後端部とに嵌装され金属メタライズ層を介して
銀ろう付けされているターミナルキャップで、一方はリ
ード部１８ａを介して金属製パイプ１７に接続され、さ
らにろう付け等によりホルダ１３にアース接続されると
ともに、他方が前記金属導線１６と陽極接続されている
。

【０００７】さて、本発明によれば、上述した構成によ
るセラミックヒータ型グロープラグ１０において、絶縁
性セラミック材による棒状セラミックヒータ１２内でそ
の先端側に、図１および図２から明らかなように、導電
性セラミック材として導電性サイアロンにより略Ｕ字状
を呈するように形成されている第１の発熱体２０を、発
熱用抵抗体として埋設するとともに、該ヒータ１２の後
端側で第１の発熱体２０の両端部にそれぞれ直列接続さ
れる電力制御用の抵抗体として、この第１の発熱体２０
よりも正の抵抗温度係数の大きな金属材、たとえばタン
グステン（Ｗ）による第２の発熱体２１，２１を埋設す
ることにより、セラミックヒータ１２を構成したところ
に特徴を有している。ここで、上述した第１の発熱体２
０を形成する導電性セラミック材として、たとえば窒化
ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とするβサイアロンまた
はαとβとの混相しているサイアロンに、導電性付与材
としての窒化チタン（ＴｉＮ）の含有量を増減すること
で、その固有抵抗を任意に選択して用いることができる
サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）等を用いるとよい。すなわ
ち、上述したサイアロンに対し、ＴｉＮを約２０％以上
添加すると、導電性を有すること（いわゆる導電性サイ
アロン）が確認されており、またそれ以上加えることに
より固有抵抗値が連続的に変化することが知られており
、上述したＴｉＮの含有率を選択したものを適宜利用す
ればよい。また、このとき、導電性サイアロンの抵抗温
度係数は、ＴｉＮ量と抵抗比との関係によって決定され
るものであり、この導電性サイアロンによる第１の発熱
体２０の正の抵抗温度係数を小さく｛（Ｒ１０００／Ｒ
２０）＜３｝なるように設定すればよいものである。し
かしながら、このような導電性セラミック材としては、
上述した導電性サイアロンに限定されず、要は高温状態
（たとえば１２００℃程度まで）でも性能的に安定し、
相対的に第２の発熱体２１よりも抵抗温度係数が小さく
、しかも耐熱衝撃性等に優れてなるセラミック材であれ
ばよく、たとえばＳｉＣおよび周期律表の４ａ族、５ａ
族または６ａ族元素の炭化物、ホウ化物、窒化物または
炭窒化物等の非酸化物導電材の群から選ばれた一種以上
と焼結結合材であるＡｌまたはＡｌ化合物等を含有する
サイアロン焼結体が考えられる。なお、このような導電
性セラミック材による第１の発熱体２０を、絶縁性セラ
ミック材中に埋設する際には、導電性セラミック材を粉
末状態のままで混入したり、予め成形したものを埋設し
てもよいものである。また、上述した第２の発熱体２１
，２１としては、上述した導電性サイアロンに比べて相
対的に正の抵抗温度係数が大きく｛（Ｒ１０００／Ｒ２
０）＞３｝なるように設定し得るタングステン（Ｗ）線
材で形成するとよい。なお、図中２２，２３は前記第２
の発熱体２１，２１の後端部から前記各ターミナルキャ
ップ１８，１９に接続されるように延設されているリー
ド部である。また、上述した第２の発熱体２１，２１は
、上述した第１の発熱体２０の両端部と各リード部２２
，２３の先端部とに、それぞれ巻き付けられた状態で接
続され、かつヒータ１２の長手方向に沿って螺旋状に形
成されて該ヒータ１２内に埋設されている。 しかし、このような接続手法にはこれに限定されず、第
１の発熱体２０を形成する導電性サイアロン中に埋め込
んで接続するようにしてもよく、これはリード部２２，
２３側でもその材質によって適宜の接続手法が考えられ
る。すなわち、この実施例では、リード部２２，２３と
して、ワイヤ状のものを例示し、リード部２２，２３に
対し充分に線径の大きいタングステン等を用いるとよい
。そして、このような構成による本発明によるセラミッ
クヒータ１２によれば、通電初期においてはセラミック
ヒータ１２先端側の第１の発熱体２０に対し大電力を供
給し、急速に発熱させて速熱型としての性能を発揮させ
得るとともに、所定時間経過後において第１の発熱体２
０への通電電力を、セラミックヒータ１２後端側に埋設
した電力制御用抵抗体となる第２の発熱体２１，２１に
より制御し、速熱型としての機能を発揮し得るとともに
、長時間にわたるアフターグローを行なうことが可能と
なるものである。また、本実施例では、セラミックヒー
タ１２において、第１および第２の発熱体２０，２１を
、金属製ホルダ１３先端部に保持するための金属製パイ
プ１７よりも外方に位置するように配設しており、これ
により両発熱体２０，２１の温度上昇によって、ヒータ
１２とパイプ１７との接合部や、ターミナルキャップ１
８，１９との接合部などに悪影響が及ばないようにし、
また電力制御用抵抗体としての第２の発熱体２１，２１
部分でのパイプ１７を介したホルダ１３側への伝熱を抑
制し、所要の温度上昇状態を得て電力制御機能を発揮し
得るように構成しており、その利点は明かであろう。そ
して、このような構成によれば、自己温度制御型のグロ
ープラグ１０を、必要最小限の部品点数によって簡単に
しかも安価に形成し得るばかりでなく、セラミックヒー
タ１２先端の発熱部分がセラミック材のみで構成される
ために、耐熱強度や耐久性の面で優れ、長時間にわたる
アフターグローが可能で、また該セラミック部分のみが
発熱するために、無駄な電力消費がなく、耐熱強度面で
の信頼性を確保できる等の利点を奏する。

【０００８】なお、上述した実施例では、第２の発熱体
２１，２１として、第１の発熱体２０を形成する導電性
セラミック材としての導電性サイアロンに比べ、正の抵
抗温度係数が大きく｛（Ｒ１０００／Ｒ２０）＞３｝な
るように設定し得るタングステン（Ｗ）線材で形成した
場合を示したが、これに限定されず、上述した第１の発
熱体２０を形成する導電性セラミック材よりも正の抵抗
温度係数が、上述した関係を維持できる程度に大きい金
属材、たとえばタングステン合金材等で形成してもよい
ことは言うまでもない。また、本発明は上述した実施例
構造に限定されず、グロープラグ１０各部の形状、構造
等を、適宜変形、変更することは自由であり、種々の変
形例が考えられよう。

【０００９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るセラミ
ックヒータ型グロープラグによれば、絶縁性セラミック
材による棒状セラミックヒータ内でその先端側に、導電
性セラミック材による第１の発熱体を、発熱用抵抗体と
して埋設するとともに、該ヒータの後端側で第１の発熱
体に直列接続される電力制御用抵抗体として、この第１
の発熱体よりも正の抵抗温度係数の大きな金属材からな
る第２の発熱体を埋設することで、セラミックヒータを
構成するようにしたので、簡単かつ安価な構成にもかか
わらず、通電初期においてはセラミックヒータ先端側の
第１の発熱体に対し大電力を供給し、急速に発熱させて
速熱型としての性能を発揮させ得るとともに、所定時間
経過後において第１の発熱体への通電電力を、セラミッ
クヒータ後端側に埋設した電力制御用抵抗体となる第２
の発熱体により制御し、迅速な赤熱化を得て速熱型とし
ての機能を発揮し得るとともに、適切な飽和温度特性が
得られ、自己温度制御型としての機能を発揮させること
ができ、またエンジンの排気、騒音対策としての長時間
にわたるアフターグローを行なうことが可能となる等の
種々優れた効果がある。特に、本発明によれば、発熱用
抵抗体としての第１の発熱体が、導電性セラミック材に
よって形成されていることから、耐熱強度面で優れ、耐
久性を向上させることが可能で、長時間にわたるアフタ
ーグローを図るうえで効果を発揮し得るものである。ま
た、グロープラグにおいてセラミックヒータ部分のみで
発熱することから、余分な個所での発熱は不要で、無駄
な電力消費がなく、耐熱強度等での信頼性の面でも優れ
ている等の利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグ
の一実施例を示し、要部とするセラミックヒータ部分を
拡大した概略断面図である。

【図２】図１におけるセラミックヒータを用いたグロー
プラグ全体の概略構成を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０　　　　セラミックヒータ型グロープラグ１１　　
　　抵抗体 １２　　　　セラミックヒータ １３　　　　金属製ホルダ １５　　　　外部接続端子 １７　　　　金属製パイプ ２０　　　　導電性セラミック材による第１の発熱体２
１　　　　金属材からなる第２の発熱体２２　　　　リ
ード部 ２３　　　　リード部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　抵抗体を絶縁性セラミック材中に埋設
   することにより形成されてなる棒状セラミックヒータを
   備えてなるセラミックヒータ型グロープラグにおいて、
   前記抵抗体を、前記セラミックヒータ先端側に埋設され
   る導電性セラミック材により形成されている第１の発熱
   体と、この第１の発熱体に直列接続されかつこの第１の
   発熱体よりも正の抵抗温度係数の大きな金属材からなる
   第２の発熱体とによって構成したことを特徴とするセラ
   ミックヒータ型グロープラグ。