JPH07151332A

JPH07151332A - セラミックグロープラグ

Info

Publication number: JPH07151332A
Application number: JP29782593A
Authority: JP
Inventors: Norio Okuda; 憲男奥田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-06-13

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミック発熱体の強度を電気絶縁性セラミッ
ク焼結体と同程度に向上し、ディーゼルエンジンの始動
性を向上するに十分な熱容量が得られ、かつセラミック
発熱体を所期の発熱温度に急速昇温することができ、飽
和温度におけるセラミック発熱体の円周方向の温度差も
小さく、複雑な構造を必要としない信頼性の高い耐久性
に優れたセラミックグロープラグを得る。【構成】電気絶縁性セラミック焼結体３中に、無機導電
材から成る発熱抵抗体２と、その端部に接続した高融点
金属線のリード線５を埋設したセラミック発熱体４を、
金具６に接続し、セラミック発熱体４が、０．０６＜ｄ
／Ｄ×ｌ／Ｌ≦０．６（但し、０．３＜ｄ／Ｄ＜０．
９、０．２＜ｌ／Ｌ＜１．０）の相関を満足したセラミ
ックグロープラグ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンの始
動時やアイドリング時に副燃焼室内を急速に予熱する自
己飽和型のセラミックグロープラグに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンの始動促進に
用いられるグロープラグとしては、耐熱金属製のシース
内に耐熱絶縁粉末を充填し、該耐熱絶縁粉末中にニッケ
ル（Ｎｉ）−クロム（Ｃｒ）等を主体とする高融点金属
線から成る発熱抵抗体を埋設したシーズヒーターが使用
されていた。

【０００３】しかしながら、前記シーズヒーターは、耐
熱金属製のシース内に充填された耐熱絶縁粉末を介して
発熱抵抗体の熱を伝えるため、短時間の急速昇温が困難
であり、その上、耐摩耗性や耐酸化性に劣るという問題
があった。

【０００４】そこで、短時間の急速昇温が可能で、耐摩
耗性と耐酸化性に優れた信頼性の高いグロープラグとし
て、無機導電材から成る発熱抵抗体をセラミック焼結体
中に埋設したセラミックグロープラグが、内燃機関のグ
ロープラグとして広く利用されるようになってきた。

【０００５】例えば、図４に示すように高強度で耐酸化
性に優れた窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とする電気
絶縁性セラミック焼結体１１中に、発熱抵抗体１２とし
てタングステンカーバイド（ＷＣ）等の導電性セラミッ
クスを埋設し、電気絶縁性セラミック焼結体１１と埋設
した導電性セラミックスからなる発熱抵抗体１２との熱
膨張差を考慮したセラミック発熱体１３が、セラミック
グロープラグ１４として好適であることが提案されてい
る（実開平２−２０２９３公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記セ
ラミック発熱体１３は、電気絶縁性セラミック焼結体１
１と発熱抵抗体１２を成す導電性セラミックスとが全く
種類の異なるセラミックスであることから、焼成一体化
する際に、前記導電性セラミックスの焼結が不足勝ちに
なり易く、このようなセラミック発熱体１３をグロープ
ラグとして用いた場合、不注意な取り扱いによる落下や
エンジンへの装着時、あるいはエンジンの運転時には、
機械的な片持ち曲げの応力がセラミック発熱体１３に加
わる結果、前記グロープラグは導電性セラミックス部分
を起点とし、片持ち抗折強度で６０ｋｇ／ｍｍ²未満の
低い応力でセラミック発熱体１３が破断する恐れがある
という課題があった。

【０００７】

【発明の目的】本発明は前記欠点に鑑み開発されたもの
で、その目的は、電気絶縁性セラミック焼結体と、該セ
ラミック焼結体中に埋設する導電性セラミックスの設計
条件を最適化して、セラミック発熱体の強度を電気絶縁
性セラミック焼結体の強度と同程度に向上させ、信頼性
の高い耐久性に優れたセラミックグロープラグを提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックグロ
ープラグは、無機導電材から成る層状の発熱抵抗体を、
該発熱抵抗体に接続した高融点金属の線材から成るリー
ド線とともに、電気絶縁性セラミック焼結体中に埋設し
て成るセラミック発熱体横断面の発熱抵抗体を円で囲ん
だ時の最小径をｄ、少なくとも発熱抵抗体を埋設したセ
ラミック発熱体の最小の外径または厚さの最小値をＤ、
セラミック発熱体の先端から前記リード線と接続する発
熱抵抗体の端部までの長さをｌ、グロープラグの金具よ
り突出して露出したセラミック発熱体の長さをＬとした
時、０．０６＜ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌ≦０．６但し、０．３＜ｄ／Ｄ＜０．９０．２＜ｌ／Ｌ＜１．０の関係を満足するセラミック発熱体を発熱素子として具
備したことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明のセラミックグロープラグによれば、セ
ラミック発熱体横断面の発熱抵抗体を円で囲んだ時の最
小径をｄ、セラミック発熱体の最小の外径または厚さを
Ｄ、セラミック発熱体の先端からリード線と接続する発
熱抵抗体の端部までの長さをｌ、グロープラグの金具よ
り露出したセラミック発熱体の長さをＬとした時、発熱
抵抗体とセラミック発熱体の関係が、０．０６＜ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌ≦０．６但し、０．３＜ｄ／Ｄ＜０．９０．２＜ｌ／Ｌ＜１．０を満足するように構成したことから、セラミック発熱体
の強度劣化を防止するために、発熱抵抗体をセラミック
発熱体の先端寄りの中心部付近に埋設しても、１１Ｖ〜
２４Ｖの低電圧でもディーゼルエンジンの始動性を向上
するに十分な熱容量が得られ、セラミック発熱体の表面
を所期の発熱温度に昇温することができ、該発熱温度の
飽和時におけるセラミック発熱体の円周方向の温度差を
小さくし、かつ急速昇温特性を維持しながら、セラミッ
ク発熱体の強度が向上した耐久性及び信頼性に優れたセ
ラミックグロープラグが得られる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明のセラミックグロープラグの一
実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の
セラミックグロープラグを示す一部破断面図であり、図
２は図１のセラミックグロープラグの要部の縦断面を示
す図であり、図３は図２の発熱抵抗体を含む横断面を示
す図である。

【００１１】図１、図２及び図３において、１は電気絶
縁性セラミック焼結体３中に、無機導電材から成る発熱
抵抗体２と、発熱抵抗体２の各端部に接続した高融点金
属の線材から成るリード線５を埋設したセラミック発熱
体４を、筒状の金具６にろう接して一方の電極として接
続し、発熱抵抗体２とセラミック発熱体４の関係が、０．０６＜ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌ≦０．６但し、０．３＜ｄ／Ｄ＜０．９０．２＜ｌ／Ｌ＜１．０を満足した、電気絶縁性セラミック焼結体３の先端が略
球面で、少なくとも発熱抵抗体２を埋設した電気絶縁性
セラミック焼結体３の断面が円形を成すセラミックグロ
ープラグである。

【００１２】前記セラミックグロープラグにおいて、ｄ
／Ｄの値が０．３以下の場合には、１１〜２４Ｖの低電
圧では所期の発熱温度となるセラミック発熱体が得られ
ず、０．９以上の場合には、１４００℃の温度に昇温、
冷却を繰り返す耐久試験で発熱抵抗体の断線を生じる
他、強度が低く落下させるとセラミック発熱体が破損す
る恐れが大であり、ｄ／Ｄの値は０．３を越え、０．９
未満に限定される。

【００１３】また、前記ｌ／Ｌの値は、０．２以下では
１１〜２４Ｖの規定の電圧をセラミック発熱体に印加し
た時、電圧が１８Ｗ未満となり、十分な熱容量が得られ
ず、ディーゼルエンジンの始動性が悪くなり、一方、
１．０以上になるとセラミック発熱体をろう接した筒状
の金具６の温度が高温となり、前記高負荷条件である耐
久試験では勿論、実機搭載時においても、セラミックグ
ロープラグの筒状の金具が溶損または欠損したりするた
め、ｌ／Ｌの値は０．２を越え、１．０未満に限定され
る。

【００１４】以上の関係に基づき、前記ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌ
の値が０．０６以下の場合には、規定の印加電圧では十
分な熱容量が得られず、逆に０．６を越えると、セラミ
ック発熱体の強度が低くなり、取り扱い時に容易に破断
する恐れがあるため、ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌの値は、０．０６
を越え、０．６以下に特定される。

【００１５】尚、前記セラミックグロープラグ１は、無
機導電材から成る発熱抵抗体２及び高融点金属の線材か
ら成るリード線５とともに、各リード線５に接続する層
状の櫛歯状に分割した電極取り出し部７を電気絶縁性セ
ラミック焼結体３中に同時に埋設し、セラミック発熱体
４の端部より線材等の電極取り出し金具８を端子棒９に
電気的に接続して他方の電極とし、互いに絶縁材１０を
介して電気的に絶縁して構成されている。

【００１６】前記電気絶縁性セラミック焼結体３は、高
温での耐酸化性や強度に優れた窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
を主成分とする非酸化物系の焼結体が好適である。

【００１７】また、無機導電材から成る発熱抵抗体２あ
るいは層状の電極取り出し部７の主成分は、タングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の
高融点金属やその合金の他、例えばタングステンカーバ
イド（ＷＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）や硼化ジルコニウ
ム（ＺｒＢ₂）等の第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の炭
化物または窒化物等があり、とりわけタングステンカー
バイド（ＷＣ）が好ましい。

【００１８】更に、電気絶縁性セラミック焼結体３が、
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とする焼結体の場合に
は、発熱抵抗体２あるいは電極取り出し部７はタングス
テンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、電気絶縁性セラ
ミック焼結体３の主成分である窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
粉末を、更に熱膨張を調整するために窒化硼素（ＢＮ）
を添加混合したものが好適である。

【００１９】前記無機導電材から成る発熱抵抗体２は、
熱膨張率の点から炭化タングステン（ＷＣ）が６５〜９
５重量％、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が５〜３５重量％の
組成から成るものが良く、とりわけ炭化タングステン
（ＷＣ）が７５〜９０重量％、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）
が１０〜２５重量％の組成が好ましく、また、前記発熱
抵抗体２の厚さは、発熱抵抗体層にクラック等の不都合
を発生しないようにするためには、少なくとも最高発熱
部で２．３〜１５０μm 、特に８〜５３μm の範囲が望
ましい。

【００２０】尚、電極取り出し部７の無機導電材の導通
抵抗は、発熱抵抗体２より低いことが必要であり、電極
取り出し部７は発熱抵抗体２を複数の層状に形成した場
合には、１層以上の層状に形成することが望ましく、ス
ルーホール等で電気的に接続するようにし、発熱抵抗体
２の層数より少なく形成しても良い。

【００２１】一方、リード線５は、高融点金属であるタ
ングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒ
ｅ）やその合金等が用いられるが、とりわけタングステ
ン（Ｗ）が好適である。

【００２２】本発明のセラミックグロープラグを評価す
るにあたり、先ず、高純度の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉
末に、焼結助剤として酸化イッテリビウム（Ｙｂ
₂Ｏ₃）や希土類元素の酸化物を添加混合して調製した
造粒体を使用し、プレス成形法等、周知の成形法により
平板状の窒化珪素を主成分とするセラミック成形体を作
製する。

【００２３】次に、タングステンカーバイド（ＷＣ）と
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各微粉末を所定量混合した原
料粉末に溶媒を加えてペーストを調製し、スクリーン印
刷法等により設計抵抗値に基づいた各種寸法の略Ｕ字形
状の発熱抵抗体パターンで、かつ該パターンの先端が電
気絶縁性セラミック焼結体の先端より５ｍｍ以内に位置
するように、セラミック成形体の表面に発熱抵抗体を形
成する。

【００２４】一方、電極取り出し部もタングステンカー
バイド（ＷＣ）と窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各微粉末か
ら成るペーストを使用して前記セラミック成形体の発熱
抵抗体部と反対側の端部表面に、それぞれ前記同様にし
て幅約０．７ｍｍ、厚さ約７０μm のパターンを４個、
セラミック成形体の側面まで平行に所定の配置で形成し
た。

【００２５】尚、前記発熱抵抗体及び電極取り出し部の
ペーストには窒化硼素（ＢＮ）を適宜添加して電気絶縁
性セラミック焼結体との熱膨張を調整しても良い。

【００２６】次に、発熱抵抗体と電極取り出し部を同一
面上にそれぞれ印刷形成したセラミック成形体と、他の
セラミック成形体との間に、リード線として直径０．２
５ｍｍのタングステン（Ｗ）線を発熱抵抗体と電極取り
出し部にそれぞれ接続するように挟み込み、更に、その
上に前記同様のタングステン（Ｗ）線から成るリード線
を発熱抵抗体と電極取り出し部を印刷形成しないもう一
つのセラミック成形体で挟み込み、炭素（Ｃ）を含む還
元性の雰囲気下、１７５０℃の温度で１時間、加圧焼成
した。

【００２７】得られたセラミック焼結体の周囲を研磨
し、発熱抵抗体側の先端を略球面とするとともに断面円
形に加工し、埋設した各電極取り出し部の端面を円柱側
面に露出させ、直径約３．５ｍｍのセラミック発熱体を
作製した。

【００２８】更に、前記セラミック発熱体に、少なくと
も電極取り出し部の露出部にメタライズ法やメッキ法等
によりニッケル（Ｎｉ）等の金属被膜を形成した後、セ
ラミック発熱体の側面に露出した一方の電極取り出し部
と接続するように筒状の金具を外嵌めし、該金具より露
出したセラミック発熱体の長さＬを約８〜１５ｍｍの範
囲となるように還元性の雰囲気中で銀ろうにて接合して
負電極とし、他方の電極取り出し部に、線材またはキャ
ップ状の金具より成る電極取り出し金具を前記同様に銀
ろうにて接合して正電極として接続し、正負の電極を導
出した評価用のセラミックグロープラグを作製した。

【００２９】前記評価用のセラミックグロープラグを使
用し、１１〜２４Ｖの直流電圧を印加して昇温させ、最
高発熱部の温度が１０００℃以上に到達したものを○、
到達しなかったものを×で表示して昇温特性の評価を行
った。

【００３０】更に、前記セラミックグロープラグに直流
電圧を６０秒間印加して１１５０℃まで昇温し、その時
の消費電力を測定した。

【００３１】次に、前記セラミックグロープラグのセラ
ミック発熱体が、１４００℃の温度で飽和する１１〜２
４Ｖの直流電圧を５分間通電した後、通電を停止して２
分間圧搾空気を吹きつけ強制冷却する工程を１サイクル
とする高負荷耐久試験を、１５０００サイクル実施し、
試験前後で測定したセラミックグロープラグの抵抗値
が、耐久試験後に１０％以上変化したものを×、変化し
なかったものを○で表示して耐久性を評価した。

【００３２】一方、直流電圧を印加して１４００℃の飽
和温度に到達させた後、放射温度計にて非接触で筒状金
具の先端の表面温度を測定した。

【００３３】また、前記セラミックグロープラグの金具
部を把持し、露出したセラミック発熱体先端に常温で荷
重を加えて破断強度を求め、片持ち抗折強度を算出する
とともに、破断面を観察して破壊の起点が発熱抵抗体で
あるものを×、発熱抵抗体以外であるものを○とした。

【００３４】更に、片持ち抗折強度が６０ｋｇ／ｍｍ²
未満のものは、同一仕様の評価用のセラミックグロープ
ラグ３本を用い、約１ｍの高さからセラミック発熱体を
先にしてコンクリート面に落下させたところ、いずれの
仕様でも少なくとも１本、セラミック発熱体が切損する
ことを確認した。

【００３５】尚、ｄ／Ｄ値及びｌ／Ｌ値は、それぞれセ
ラミック発熱体を切断した横断面からとＸ線透過写真よ
り各寸法を計測し、設計値を確認した。以上の結果を表
１及び表２に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】叙上の如く、本発明のセラミックグロー
プラグによれば、セラミック発熱体横断面の発熱抵抗体
を円で囲んだ時の最小径をｄ、セラミック発熱体の最小
の外径または厚さをＤ、セラミック発熱体の先端からリ
ード線と接続する発熱抵抗体の端部までの長さをｌ、グ
ロープラグの金具より露出したセラミック発熱体の長さ
をＬとした時、発熱抵抗体とセラミック発熱体の関係
が、０．０６＜ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌ≦０．６但し、０．３＜ｄ／Ｄ＜０．９０．２＜ｌ／Ｌ＜１．０を満足するように構成することから、発熱抵抗体をセラ
ミック発熱体の先端寄りの中心部付近に埋設しても、セ
ラミック発熱体の強度は電気絶縁性セラミック焼結体の
強度と同程度に向上するとともに、１１Ｖ〜２４Ｖの低
電圧でもディーゼルエンジンの始動性を向上するに十分
な熱容量が得られ、セラミック発熱体の表面を所期の発
熱温度に急速昇温することができ、該発熱温度の飽和時
におけるセラミック発熱体の円周方向の温度差も小さ
く、複雑な構造を必要としない信頼性の高い耐久性に優
れたセラミックグロープラグを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックグロープラグを示す一部破
断面図である。

【図２】図１のセラミックグロープラグの要部を示す縦
断面図である。

【図３】図２の発熱抵抗体を含む横断面を示す図であ
る。

【図４】従来の内燃機関のグロープラグに適用した自己
飽和型セラミックグロープラグの要部を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１セラミックグロープラグ２発熱抵抗体３電気絶縁性セラミック焼結体４セラミック発熱体５リード線６金具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無機導電材から成る発熱抵抗体を電気絶縁
性セラミック焼結体中に埋設したセラミック発熱体を発
熱素子とするセラミックグロープラグにおいて、セラミ
ック発熱体横断面の発熱抵抗体を円で囲んだ時の最小径
をｄ、セラミック発熱体の外径または厚さの最小値を
Ｄ、セラミック発熱体の先端からリード線と接続する発
熱抵抗体の端部までの長さをｌ、セラミック発熱体が金
具より露出した長さをＬとした時、０．０６＜ｄ／Ｄ×ｌ／Ｌ≦０．６但し、０．３＜ｄ／Ｄ＜０．９０．２＜ｌ／Ｌ＜１．０を満足することを特徴とするセラミックグロープラグ。