JPH04268112A - 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導電性セラミ
ック材からなる第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の後端側には、合成樹脂材等からなる絶縁ブッシュ
１４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１
２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
物などが望ましいが、これに限定されるものではない。 また、図中１７はセラミックヒータ１２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導電性セラミック材（
たとえば上述した第１の発熱体２０を形成する導電性サ
イアロンよりも正の抵抗温度係数の大きい導電性サイア
ロン）により略直線薄板状に形成されている第２の発熱
体２１，２１を略平行して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２０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（ＳｉＡｌ
ＯＮ）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、図３に示し
たＴｉＮ量と抵抗比との関係によって表されている通り
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、上述した第１の発熱体
２０を形成する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い導電性セラミック材、たとえば第
１の発熱体２０に用いる導電性サイアロンとはＴｉＮ量
を変えて抵抗温度係数を異ならせた導電性サイアロンを
用いて形成するとよい。ここで、このような第２の発熱
体２１，２１を形成する導電性サイアロンとしては、図
３においてＴｉＮ量が２７．５ｖｏｌ％のもの、あるい
はそれ以上の添加量の大きいものを用いる一方、第１の
発熱体２０としてＴｉＮ量が２３．０ｖｏｌ％のものを
用いると、これら間での抵抗温度係数を大、小異ならせ
ることが可能である。なお、このような導電性セラミッ
ク材による第２の発熱体２１，２１を、絶縁性セラミッ
ク材中に埋設する際には、上述した第１の発熱体２０と
共に、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たりすればよい。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。これらのリード
部２２，２３としては、タングステン（Ｗ）等の金属材
で形成すればよいが、これに代えてたとえば上述した第
２の発熱体２１，２１を形成する導電性サイアロンと同
一材質のものを、断面積を大きくして用いてもよい。そ
して、このような導電性サイアロンで形成すれば、これ
らのリード部２２，２３を、第２の発熱体２１，２１と
一体的に製造できるばかりでなく、このセラミックヒー
タ１２全体を、金属材を全く含まないオールセラミック
にて形成でき、耐熱性、耐熱衝撃性等の面から有利なも
のとすることができる。さらに、これに加えて、セラミ
ックヒータ１２の基材部分を構成する絶縁性セラミック
材として、たとえば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）系のもの
を用いると、該ヒータ１２を全て窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ
４）系のもので構成でき、その利点は大きい。なお、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、
それぞれ突き当て状態で一連に接続した場合を例示して
いるが、これらの部分での接続手法としてはこれに限定
されず、これらの材質等に応じて所要の電気的接続状態
が得られるように適宜選択すればよいものである。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２０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の発熱体２０は勿論、第２の発熱体２１
，２１をも、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よりも外方に位置させるように配設し
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１８，１９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なるように、図３から明らかなよう
に、ＴｉＮの添加量を多くした導電性サイアロンを用い
て形成した場合を説明したが、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
度に大きい導電性セラミック材を用いて形成すればよい
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導電性セラミ
ック材からなる第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、電力制御
用抵抗体となる第２の発熱体をも含めて、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。

【図３】導電性サイアロンのＴｉＮ量と抵抗比との関係
を示す特性図である。

【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　　　　導電性セラミック材による第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導電性セラミッ
   ク材からなる第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。