JPH0798121A

JPH0798121A - セラミックグロープラグ

Info

Publication number: JPH0798121A
Application number: JP24440193A
Authority: JP
Inventors: Kyoji Uchiyama; 京治内山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】発熱部を１０００〜１３００℃に昇温してもセ
ラミック発熱体と筒状金具のシール性を損なわず、良好
な急速昇温特性と高強度を備えた長期間の反復使用が可
能な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２中に、実効発熱
部の長さ５に対する電気絶縁性セラミック焼結体２の最
大外径６の比が５０〜１７８％、セラミック発熱体の露
出長さ７の比が１０〜６７％で、かつｌ／Ｌ≦（１／２
×ｌ／Ｄ）−５を満足する無機導電材から成る発熱抵抗
体３、及び高融点金属線材のリード部８、９、無機導電
材から成る複数個の電極取り出し部１０、１１を埋設し
たセラミック発熱体４を、筒状金具１３で取り付け金具
１４に電気的に接続する。

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】従来より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、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等が使
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、耐摩耗性や耐久性に劣るという問題が
あり信頼性に欠けるという欠点があった。

【０００４】そこで、短時間の急速昇温が可能で、耐摩
耗性と耐久性に優れた信頼性の高い発熱体として、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
したセラミック発熱体が、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】なかでも、耐熱衝撃性及び高温強度が他の
セラミックスより著しく優れた窒化珪素質焼結体等の非
酸化物系セラミックスを絶縁基体として使用し、一般に
タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金
属もしくはそれらの化合物より成る発熱抵抗体を前記基
体中に埋設したり、前記高融点金属もしくはそれらの化
合物、例えば図３に示すように炭化タングステン（Ｗ
Ｃ）等を主体とする発熱抵抗体ペーストを前記基体上に
印刷し、発熱部１８、リード部１９、２０及び電極取り
出し部２１、２２から成るパターンを形成し、その上に
別の基体を重ねて焼成一体化したセラミック発熱体２３
が提案されている（特開平２−７５１８８号公報参
照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記セ
ラミック発熱体を１０００〜１３００℃に及ぶ高温用の
グロープラグとして使用した場合には、発熱部１８、リ
ード部１９、２０及び電極取り出し部２１、２２を構成
する発熱抵抗体パターンの大きな導通抵抗のために、通
電すると各部で発熱してしまい、セラミック発熱体２３
をディーゼルエンジン本体に固定するための取り付け金
具２４と電気的に接続する筒状金具２５が、１０００℃
近くの温度にまで上昇してしまい、ディーゼルエンジン
の点火の度に、前記筒状金具２５が１０００℃近くの高
温度の繰り返し履歴を受けることになる。

【０００７】その結果、セラミック発熱体２３を筒状金
具２５に固着するろう材が溶融したり、酸化したりし
て、セラミック発熱体２３と筒状金具２５との間に隙間
を生じ、該隙間からディーゼルエンジンの燃焼ガスがリ
ークして燃焼室内の圧力が低下する他、前記隙間から酸
素や水分等の侵入により、発熱部１８等を構成する発熱
抵抗体自体にクラックを生じたり、短時間で断線してし
まう等の恐れがあるという課題があった。

【０００８】

【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１０００〜１３００℃に及ぶ高温用のグ
ロープラグとして、ろう材で固着した前記セラミック発
熱体と筒状金具のシール性を損なうことなく、長期間の
反復使用が可能である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。

【０００９】

【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
熱素子として使用したセラミックグロープラグにおい
て、実効発熱部の長さｌを無機導電材から成る発熱抵抗
体が９５０℃以上に発熱する長さとした場合、該実効発
熱部の長さｌが、セラミック発熱体をエンジン本体への
取り付け金具に電気的に接続するために用いる筒状金具
を固着する接合材の端面から突出した該セラミック発熱
体の露出長さＬの１０％から６７％であるとともに、少
なくとも該実効発熱部に相当する部分を含む電気絶縁性
セラミック焼結体が示す最大外径Ｄの５０％から１７８
％までであり、かつｌ／Ｌ≦（１／２×ｌ／Ｄ）−５の
関係式を満足することを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】本発明のセラミックグロープラグによれば、電
気絶縁性セラミック焼結体中に埋設した無機導電材から
成る発熱抵抗体の実効発熱部の長さｌを、金具より露出
したセラミック発熱体の長さＬの１０％から６７％とす
るとともに、電気絶縁性セラミック焼結体の少なくとも
実効発熱部に相当する部分の最大外径Ｄの５０％から１
７８％までとし、かつｌ／Ｌ≦（１／２×ｌ／Ｄ）−５
の関係式を満足することにより、発熱部を１０００〜１
３００℃の高温度に昇温させても筒状金具の昇温が抑え
られ、セラミック発熱体と筒状金具のシール性を損なう
ことがなく、耐久性が増すこととなる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のセラミックグロープラグを図
面に基づき説明する。図１は本発明のセラミックグロー
プラグの一実施例を示す断面図であり、図２は図１のセ
ラミックグロープラグの要部を拡大した断面図である。

【００１２】図１及び図２において、１は電気絶縁性セ
ラミック焼結体２中に、略平行な２層の無機導電材から
成る発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の各端部にそれぞれ
接続した高融点金属の線材から成るリード部８、９と、
リード部８、９にそれぞれ接続した無機導電材から成る
複数個の層状の電極取り出し部１０、１１を埋設したセ
ラミック発熱体４を、ろう材１２にて固着した筒状金具
１３を介して取り付け金具１４と電気的に接続したセラ
ミックグロープラグである。

【００１３】即ち、前記セラミック発熱体４を筒状金具
１３に外嵌めして一方の電極端子として導出し、該筒状
金具１３と取り付け金具１４を接続して負電極とし、セ
ラミック発熱体４の後端部には電極取り出し金具１５を
接続して他方の電極端子として導出するとともに、端子
棒１６とも接続して正電極とし、端子棒１６にベークラ
イト等の絶縁性ワッシャー１７を挿通して取り付け金具
１４の端部を加締めて固定することにより、取り付け金
具１４の負電極と端子棒１６の正電極とが互いに絶縁さ
れ、電気絶縁性セラミック焼結体の先端を略球面とし、
少なくとも発熱抵抗体３を埋設した部分の断面が円形を
成したセラミックグロープラグ１が構成されている。

【００１４】本発明のセラミックグロープラグ１は、ｌ
／Ｌ≦（１／２×ｌ／Ｄ）−５の関係式において、ｌ／
Ｌの値が（１／２×ｌ／Ｄ）−５で算出される値や６７
％を越える場合や、ｌ／Ｄの値が５０％未満の場合に
は、筒状金具が熱伝導により９５０℃以上となりシール
性を損なったり、短時間で断線する恐れがある。

【００１５】また、ｌ／Ｌの値が１０％未満になると所
定時間で所定温度に到達せず、急速昇温特性が劣った
り、シリンダーヘッドへの取り付け時等に容易にセラミ
ック発熱体が破損する等の恐れがあり、一方、ｌ／Ｄの
値が１７８％を越えると所定の印加電圧では１０００〜
１３００℃の温度に昇温することが困難となる。

【００１６】従って、本発明のセラミックグロープラグ
１は、ｌ／Ｌ≦（１／２×ｌ／Ｄ）−５の関係式を満足
し、ｌ／Ｌの値が１０％から６７％、より望ましくは２
２％から５６％で、かつｌ／Ｄが５０％から１７８％、
より望ましくは８９％から１４８％の範囲内となる。

【００１７】尚、電気絶縁性セラミック焼結体２として
は、高温での耐酸化性や強度の点から窒化珪素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）を主成分とする焼結体が好適である。

【００１８】また、無機導電材から成る層状の発熱抵抗
体３あるいは電極取り出し部１０、１１の主成分は、タ
ングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒ
ｅ）等の高融点金属またはその合金の他、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を主成分とするもの等
があげられるが、とりわけタングステンカーバイド（Ｗ
Ｃ）が好適である。

【００１９】更に、電気絶縁性セラミック焼結体２が、
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とする焼結体である場
合には、前記発熱抵抗体３あるいは電極取り出し部１
０、１１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２の主成分である窒
化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末を添加混合したものが好まし
い。

【００２０】前記無機導電材から成る発熱抵抗体３は、
熱膨張の点からは炭化タングステン（ＷＣ）が７５〜９
０重量％、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が１０〜２５重量％
が最も好ましく、発熱抵抗体３の厚さは、一体的に焼成
する際、発熱抵抗体３にクラック等の不都合を発生しな
いようにするために薄くしなければならないが、導通抵
抗の点からは２層以上とし、前記厚さは１１μm 前後が
最も望ましい。

【００２１】一方、リード部８、９には、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（Ｒｅ）やその合金等があげられるが、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発熱体を評価するにあ
たり、先ず、高純度の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末８
８．４重量％に、焼結助剤としてイットリア（Ｙ
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、８０重量％のタングステンカーバイ
ド（ＷＣ）と２０重量％の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各
微粉末に溶媒を加えて調製したペーストを使用して、ス
クリーン印刷等の手法により設計抵抗値に基づき、実効
発熱部に該当する長さを種々設定した略Ｕ字状のパター
ンで、かつ該実効発熱部の先端がセラミック焼結体の先
端より５ｍｍ以内に位置するように、第１のセラミック
成形体上面に厚さ約４０μm の発熱抵抗体を形成した。
但し、実効発熱部の長さは、１．５ｍｍ未満では集中発
熱して発熱抵抗体が断線する恐れがあるため、１．５ｍ
ｍ以上となるとように設定した。

【００２４】一方、電極取り出し部は、８５重量％のタ
ングステンカーバイド（ＷＣ）と１５重量％の窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）の各微粉末から成るペーストを使用し、
前記セラミック成形体上の発熱抵抗体と反対側の他端、
両側方に、前記同様にして幅０．７ｍｍ、厚さ約７０μ
m のパターンをそれぞれ複数個、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】次に、発熱抵抗体と電極取り出し部をそれ
ぞれ印刷形成した第１のセラミック成形体と第２のセラ
ミック成形体との間に、直径０．２５ｍｍのタングステ
ン（Ｗ）線から成るリード部を、発熱抵抗体と各電極取
り出し部にそれぞれ接続するように挟み込み、更に、第
１のセラミック成形体と同様に形成した第２のセラミッ
ク成形体上の発熱抵抗体と各電極取り出し部にそれぞれ
接続するように、前記同様のタングステン（Ｗ）線から
成るリード部を、第３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。

【００２６】かくして得られたセラミック焼結体の周囲
を研磨加工し、発熱抵抗体側の先端を球面とするととも
に断面を円形に加工し、埋設した各電極取り出し部の端
面を円柱側面上に露出させ、直径約３．４ｍｍの評価用
のセラミック発熱体を準備した。

【００２７】その後、前記評価用のセラミック発熱体に
は、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、種々の長さの筒状金具をセラミック発熱体の
中間部寄りの電極取り出し部に接続するように外嵌めし
て該セラミック発熱体の露出長さを５〜１５ｍｍの範囲
で設定し、真空中で銀ろうにて接合して負電極とした。

【００２８】一方、前記セラミック発熱体の端部に露出
した電極取り出し部には、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】以上の工程を経て作製した評価用のセラミ
ックグロープラグを使用し、筒状金具より露出したセラ
ミック発熱体表面の温度分布を放射温度計にて非接触で
測定し、最高発熱温度が１４００℃となるように印加電
圧を調節し、１４００℃に保持した時の筒状金具先端の
温度を熱電対で測定した。

【００３０】更に、１４Ｖの直流を１分間通電して１４
００℃まで急速昇温した後、通電を停止して１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２００００サイクルまで実施し、該高負
荷耐久試験後のセラミックグロープラグをセラミック発
熱体側より金具部に１５気圧の空気圧を加えながら水中
に浸漬し、空気の漏れの有無を測定するリーク試験を行
い、セラミック発熱体と筒状金具のシール性を評価し
た。

【００３１】尚、実効発熱部に該当する電気絶縁性セラ
ミック焼結体の最大外径、及び筒状金具を固着する接合
材の端面から突出したセラミック発熱体の露出長さは、
マイクロメーターで少なくとも３点測定するとともに、
Ｘ線透過撮影から接合材の端面が筒状金具の先端より内
側に位置する場合には、該端面からの距離を測定して平
均値を算出した。

【００３２】更に、前記Ｘ線透過撮影と温度分布測定結
果に基づき、発熱抵抗体の実効発熱部の長さを求め、最
大外径に対する実効発熱部の長さ、及びセラミック発熱
体の露出長さに対する実効発熱部の長さの比率ｌ／Ｄ及
びｌ／Ｌの値をそれぞれ算出した。

【００３３】以上の結果を表１及び表２に示す。また、
表１及び表２の結果に基づく実効発熱部の長さｌに対す
る最大外径Ｄの比と、実効発熱部の長さｌに対する露出
長さＬの比との関係を図４に記載し、本発明の請求範囲
内のものを●、請求範囲外のものを×で表示し、請求範
囲内を斜線で示すとともに、より望ましい範囲を斜線部
内に囲んで表示した。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】尚、本発明は前記実施例に限定されるもの
ではなく、例えば評価用のセラミック発熱体として、少
なくとも実効発熱部を含む電気絶縁性セラミック焼結体
の最大直径が３〜５ｍｍの範囲までは、前記実施例と同
一条件であれば同様の効果を奏する。

【００３７】

【発明の効果】叙上の如く、本発明のセラミックグロー
プラグは、電気絶縁性セラミック焼結体中に埋設した無
機導電材から成る発熱抵抗体の実効発熱部の長さｌを、
電気絶縁性セラミック焼結体の少なくとも実効発熱部に
相当する部分の最大外径Ｄの５０％から１７８％までと
し、かつ金具より露出したセラミック発熱体の長さＬの
１０％から６７％とし、かつｌ／Ｌ≦（１／２×ｌ／
Ｄ）−５の関係式を満足することから、発熱部を１００
０〜１３００℃の高温度に昇温させてもセラミック発熱
体と筒状金具のシール性を損なうことがなく、良好な急
速昇温特性と高強度を備えた長期間の反復使用が可能で
ある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の一実施例を
示す断面図である。

【図２】図１のセラミックグロープラグの要部を拡大し
た断面図である。

【図３】従来のセラミックグロープラグの要部を示す断
面図である。

【図４】実効発熱部の長さｌに対する最大外径Ｄの比
と、実効発熱部の長さｌに対する露出長さＬの比との関
係を示す図である。

【符号の説明】

１セラミックグロープラグ２電気絶縁性セラミック焼結体３発熱抵抗体４セラミック発熱体５実効発熱部の長さ６最大外径７セラミック発熱体の露出長さ

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、前記発
熱抵抗体の実効発熱部の長さをｌ、該実効発熱部を含む
電気絶縁性セラミック焼結体の最大外径をＤ、前記セラ
ミック発熱体の露出長さをＬとした時、ｌ／Ｌ≦（１／２×ｌ／Ｄ）−５但し、ｌ／Ｌ及びｌ／Ｄの値は百分率を示し、１０≦ｌ／Ｌ≦６７５０≦ｌ／Ｄ≦１７８を満足することを特徴とするセラミックグロープラグ。