JPWO2013046650A1

JPWO2013046650A1 - セラミックグロープラグ

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Publication number: JPWO2013046650A1
Application number: JP2013503689A
Authority: JP
Inventors: 雅寛虎澤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: KR101579015B1; EP2762783A4; EP2762783A1; US20140196680A1; EP2762783B1; WO2013046650A1; KR20140057387A; US9644597B2; JP5632958B2

Abstract

埋設された抵抗体の一部が基体の一部に露出して電極取出部の露出面を形成する構成を備えたセラミックグロープラグであって、電極取出部における抵抗不良を生じさせることなく当該電極取出部近傍における耐折損性を向上させる。導電性セラミックからなる抵抗体は絶縁性セラミックからなる基体の内部に埋設される一方、自身の一部が前記基体の表面へ露出した露出面を有する。当該露出面と埋設された部位とでは基体へ及ぼす応力の相違があり、これに基づき電極取出部付近の耐折損性の低下が懸念されるところ、本発明は露出面の形状を軸方向及び周方向共に１．０ｍｍ以上１．８ｍｍ以下とすることによって当該問題を解決した。

Description

本発明は導電性セラミックからなる発熱素子が絶縁性セラミックからなる基体に埋設保持されてなる棒状のセラミックヒータ及び当該セラミックヒータを備えるグロープラグに係り、特に、前記発熱素子に接続され前記基体中に埋設された棒状の導電部から径方向外側に延設されセラミックヒータの外周面に露出する電極取出部を具備してなるとともに、前記セラミックヒータを径方向外側から嵌合保持する金属外筒の内周面と前記電極取出部とが導通した構造を有するセラミックグロープラグに関する。

従来、ディーゼルエンジンの始動補助等に用いられるグロープラグは、筒状の主体金具、棒状の中軸、通電により発熱する発熱素子を内蔵するヒータ、絶縁部材、外筒、接続端子等を備えている。ディーゼルエンジンが要する性能やコスト面からヒータを金属製シースヒータとするメタルグロープラグや、ヒータをセラミックヒータとするセラミックグロープラグが使用されている。

ところで、このセラミックグロープラグは概略次の構成を備えている。すなわち、主体金具の内周側には後端側へ一端を突出させた中軸が配設され、該中軸の先端側にはセラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）が設けられている。また、主体金具の先端部には金属製の外筒が接合され、この外筒によってヒータが保持されている。一方、主体金具の後端側においては、絶縁部材が中軸と主体金具との間隙に挿入され、絶縁部材の後端側には接続端子が絶縁部材を先端側に押圧した状態で中軸に固定されている。ヒータの保持に際してはヒータを外筒へ圧入する手法を好適に用いることができる。このとき、圧入を容易に行うために潤滑剤を用い、圧入を完了した後に当該潤滑剤を加熱して除去する手法も用いられる。こうしてヒータには外筒から径方向内向きの力が作用し強固に締め付けられ、保持される。

上記セラミックヒータは、導電性セラミックからなる発熱素子が、絶縁性セラミックからなる基体中に埋設されて保持されることで構成されている。この場合において、発熱素子に電圧を印加するための陰極・陽極の両電極取出部が後端側に設けられ、一方の電極取出部は主体金具に電気的に接続され、他方の電極取出部は中軸に電気的に接続される（例えば、特許文献１参照）。この電気的な接続は前述の圧入により実現されている。また、両電極取出部は一対の棒状の導電部により前記発熱素子の両端部に接続されている。両電極取出部及び一対の導電部は発熱素子同様に導電性セラミックから構成される（例えば特許文献２参照）。以降、電極取出部と導電部及び発熱素子を総称して抵抗体ともいう。

特開２００２−３６４８４２号公報特開２００７−２４００８０号公報

前記抵抗体については、当該抵抗体が導電性を有するように前記抵抗体の材料にはＷ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）等の金属成分が前記基体に比較して多量に含まれる構成を採る。このため、抵抗体は基体よりも大きい熱膨張係数を有する。熱膨張係数が異なるためセラミックヒータを焼成する際の冷却段階では、抵抗体の収縮量は基体よりも大きい。したがって、基体には軸方向に収縮するように熱応力（引張り応力）が生じる。これによりヒータの表面においては圧縮応力が作用した状態となるため、抵抗体が内在していない基体材料の焼結体と比較すると当該圧縮応力が作用している分だけ、見かけの上では高強度となる。

抵抗体がヒータの軸方向に沿って一様に存在していれば、上記圧縮応力の作用による強度の向上を好適に利用できる。しかしながら、ヒータの外周面には電極取出部が露出形成されている。このため、基体のうち電極取出部の周囲の部分（以降、この部位を電極部ともいう）では当該電極取出部の露出部位からの引張り応力が作用する。すると、前記した圧縮応力の作用による強度の向上効果が相殺され、電極部は他の部位に比べて低強度となってしまう。

ところで、ヒータが外筒へ圧入される際に使用された潤滑剤を除去するため、ヒータと外筒の一体組立体は約３００℃に加熱される。外筒は金属製であるからその熱膨張係数はセラミックヒータよりも格段に大きい。したがって、潤滑剤除去の際の加熱によって外筒は熱膨張を生じ、この熱膨張のうち軸方向への膨張はヒータの軸方向の引張り応力を引き起こす。このときヒータには前述の圧入による径方向内向きの圧縮応力と、軸方向の引張り応力とが作用することとなる。前述の如くヒータの電極部は低強度となっているから、この圧縮応力と引張り応力とが相乗的に作用するために、当該電極部を起点としてセラミックヒータに破損が生じるおそれがある。

この破損を防ぐために、外筒の形状やヒータ圧入の際の圧入径差の設計或いは材料の選択により外筒がヒータを締め付ける力を弱くすることが考えられる。しかしながら、部品の公差を小さくすると生産性が損なわれたり、また電気的な接続不良等の問題が懸念されるため、外筒がヒータを締め付ける力を弱くすることは難しい。そこで、ヒータ単体で強度を向上する技術が求められる。

なお、上述の課題は、ヒータが外筒に圧入保持されるセラミックグロープラグに限られるものではなく、ヒータがロウ材層を介して外筒に保持されるセラミックグロープラグにおいても同様に生じるおそれがある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、抵抗体と基体とで熱膨張係数が異なるセラミックヒータを金属製の外筒が保持する構成を有するグロープラグであって、ヒータの構成材料の変更や外筒の寸法・材料等の変更を行うことなく、また電極取出部における外筒との電気的接続を損なわず、外筒と組み付けた後に生じ得るセラミックヒータの電極部における折損に対する耐性を向上しようとするものである。

構成１．上記課題を解決するために、本発明のセラミックグロープラグは、
絶縁性セラミックからなり軸方向に柱状をなす基体と、
導電性セラミックからなり前記基体の先端部に埋設され通電によって抵抗発熱する発熱素子と、当該発熱素子の両端部に接続され前記軸方向の後方へ向けて延設される導電部と、当該導電部の少なくとも一方から径方向へ向けて延設され前記基体の外周面へ露出する電極取出部とを備えてなる抵抗体と、
からなるセラミックヒータを備え、
自身の内部に前記セラミックヒータが保持され、前記電極取出部の露出面と接触して導通する金属製の筒状部材とを備えたセラミックグロープラグであって、
前記電極取出部の露出面の前記軸方向寸法及び前記周方向寸法が共に１．０〜１．８ｍｍであることを特徴とする。

構成２．本発明のセラミックグロープラグは、
前記基体のうち前記電極取出部の露出面の先端から０．３ｍｍ、及び当該露出面の後端から０．３ｍｍの特定領域における圧縮残留応力の、前記基体のうち前記特定領域外における圧縮残留応力に対する比が５０％以上であることを特徴とする。

構成３．本発明のセラミックグロープラグは、
前記電極取出部の露出面の前記軸方向寸法が前記周方向寸法に対して小さく形成されていることを特徴とする。

構成４．本発明のセラミックグロープラグは、
前記電極取出部の露出面の形状は、角部を持たないことを特徴とする。

構成５．本発明のセラミックグロープラグは、
前記セラミックヒータは、前記筒状部材の内部に圧入嵌合されることを特徴とする。

構成１のセラミックグロープラグによれば、抵抗体と基体とで熱膨張係数が異なっていても、電極取出部の露出面における軸方向寸法及び周方向寸法を共に１．０〜１．８ｍｍにすることで、電極取出部における筒状部材との電気的接続を損なうことなく、セラミックヒータの折損に対する耐性を向上させることができる。特に、抵抗体の熱膨張係数と基体の熱膨張係数とが０．３ｐｐｍ／Ｋ以上異なる場合に、上記作用効果をより一層発揮することができる。

構成２のセラミックグロープラグによれば、基体のうち特定領域における圧縮残留応力と特定領域外における圧縮残留応力との比（特定領域における基体の圧縮残留応力／特定領域外における基体の圧縮残留応力）が５０％以上であることから、露出面の周囲における基体の強度を向上させることができる。

構成３のセラミックグロープラグによれば、電極取出部の露出面における軸方向寸法が周方向寸法に対して小さく形成されていることから、セラミックヒータの折損に対する耐性をさらに向上させることができる。

構成４のセラミックグロープラグによれば、電極取出部の露出面が角部を持たない形状であることから、局所的な応力集中の発生を回避することができ、露出面の周囲における基体の強度をさらに向上させることができる。

セラミックヒータが筒状部材の内部に圧入嵌合されたセラミックグロープラグでは、電極取出部における筒状部材との電気的接続の確保とセラミックヒータの折損に対する耐性とを両立させることが難しい。このため、本構成５のようなセラミックグロープラグにおいて、上記構成１〜４は特に有効である。

本発明のセラミックグロープラグであって、（ａ）は正面図を、（ｂ）は縦断面図を示すものである。セラミックヒータを中心に示すグロープラグの部分拡大断面図である。セラミックヒータの製造方法の工順を示すフローチャートである。セラミックヒータにおける残留応力の影響を確認すべく測定したグラフである。本発明の要部である電極取出部の露出面及び残留応力測定領域を説明する図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、本発明に係るセラミックヒータ４を備えるセラミックグロープラグ１（以下、「グロープラグ１と称す」）について、図１（ａ），（ｂ）及び図２を参照しつつ説明する。図１（ａ）は、グロープラグ１の正面図であり、図１（ｂ）は、グロープラグ１の縦断面図である。また、図２は、セラミックヒータ４を中心に示す部分拡大断面図である。尚、図１，２においては、図の下側をグロープラグ１（セラミックヒータ４）の先端側、上側を後端側として説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、グロープラグ１は、主体金具２、中軸３、セラミックヒータ４、外筒５、接続端子６等を備えている。

主体金具２は、所定の金属材料（例えば、Ｓ４５Ｃ等の鉄系素材）によって形成されるとともに、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる軸孔７を有している。当該軸孔７の後端部には、先端側に向けて先細るテーパ部７ａが形成されている。また、軸孔７のうち前記テーパ部７ａよりも先端側はストレート状に（同一内径を有するように）形成されている。さらに、前記主体金具２の長手方向中央部外周には、グロープラグ１をエンジンのシリンダヘッドの取付孔に形成された雌ねじ部に取付けるための雄ねじ部８が形成されている。併せて、主体金具２の後端部外周には断面六角形状をなす鍔状の工具係合部９が形成されており、前記取付孔にグロープラグ１（雄ねじ部８）を取付ける際には、当該工具係合部９に使用される工具が係合されるようになっている。

また、主体金具２の軸孔７には、金属製で丸棒状をなす前記中軸３が収容されている。加えて、当該中軸３の先端部には、後端側と比較して小径に形成された先端小径部３ａが形成されている。さらに、前記中軸３は、金属材料（例えば、ＳＵＳ等の鉄系素材）によって形成された円筒状のリング部材１０を介して、前記セラミックヒータ４の後端部に対して接続されている。詳述すると、前記リング部材１０の内孔１０ａの先端部に前記セラミックヒータ４の後端部が圧入されるとともに、前記リング部材１０の内孔１０ａの後端部に対して前記先端小径部３ａが嵌め込まれた状態で、中軸３及びリング部材１０がレーザー溶接等によって接合されることによって、中軸３とセラミックヒータ４とがリング部材１０を介して機械的にかつ電気的に接続されている。

一方で、前記中軸３の後端部には、金属製の前記接続端子６が加締め固定されている。また、当該接続端子６の先端部及び前記主体金具２の後端部間には、両者間における直接的な電気的導通を防止すべく、絶縁性素材よりなる絶縁ブッシュ１１が設けられている。より詳しくは、前記絶縁ブッシュ１１は、自身の後端側において径方向外側に突出形成されたフランジ部１１ａと、自身の先端側において前記フランジ部１１ａよりも細径化して形成された小径部１１ｂとを有している。そして、絶縁ブッシュ１１は、前記小径部１１ｂが前記軸孔７の後端部に対して嵌合されるとともに、前記フランジ部１１ａが前記接続端子６及び主体金具２に挟まれた状態で設けられている。さらに、前記軸孔７内の気密性の向上等を図るべく、前記主体金具２及び前記中軸３の間には、前記テーパ部７ａに係止された形で、絶縁性素材からなるＯリング１２が設けられている。

さらに、前記中軸３の先端側には、その外径が先端側へと細径化されてなる括れ部３ｂが形成されている。当該括れ部３ｂによって、中軸３に伝わる応力の緩和等が図られている。

加えて、前記外筒５は、所定の金属材料（例えばＳＵＳ３１０）によって筒状に形成されている。また、当該外筒５は、前記セラミックヒータ４の軸線ＣＬ１方向に沿った中間部分を保持しており、セラミックヒータ４の先端部は前記外筒５の先端から露出した状態となっている。さらに、前記外筒５は、その先端側に比較的薄肉に形成された小径部５ａと、当該小径部５ａよりも後端側において先端側へと先細りするテーパ部５ｂと、当該テーパ部５ｂの後端から連続して形成され、前記主体金具２の先端の外径と略同一の外径を有する大径部５ｃと、当該大径部５ｃの後端側において前記軸孔７の先端部の内径と略同一の外径を有する係合部５ｄとを備えている。そして、前記係合部５ｄが前記軸孔７の先端部に嵌合された状態で、レーザー溶接等によって主体金具２及び前記外筒５の当接面に溶融部が形成されることによって、前記外筒５が前記主体金具２に対して接合されている。尚、グロープラグ１を内燃機関に取付けた際には、前記テーパ部５ｂが燃焼室との気密を確保するシールとしての役割を担うこととなる。

次に、セラミックヒータ４の詳細について、図２を主として参照しつつ説明する。セラミックヒータ４は、絶縁性セラミックによって構成されるとともに、軸線ＣＬ１方向に延びる略同径で丸棒状の基体２１を有し、その内部に、導電性セラミックよりなる長細いＵ字状をなす抵抗体２２が埋設状態で保持されている。ここで、セラミックヒータ４の外径は、例えば、２．５〜４．０ｍｍである。また、当該抵抗体２２は、一対の棒状の導電部２３，２４と、前記導電部２３，２４の先端部同士を連結する連結部２５とを備え、当該連結部２５のうち特に先端側の部分が発熱部２６となっている。発熱部は、いわゆる発熱抵抗体として機能し、曲面状に形成されたセラミックヒータ４の先端部分において、その曲面に沿うようにして断面略Ｕ字状をなしている。また、本実施形態においては、発熱部２６の断面積が導電部２３，２４の断面積よりも小さくなるようにして構成されており、通電時には、前記発熱部２６において積極的に発熱が行われるようになっている。なお、連結部２５が本発明における発熱素子に相当する。また、本実施形態では、基体２１を構成する絶縁性セラミック材料として、主としてＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）が用いられる。また、抵抗体２２を構成する材料として、窒化珪素を主成分とし、ＷＣ（タングステンカーバイト）を含有（例えば、窒化珪素及びタングステンカーバイドの合計を１００質量％とした場合、６０〜７０質量％含有）した導電性セラミック材料（焼成後に導電性を有する材料）が用いられる。ここで、基体２１の熱膨張係数は、例えば、３．３〜４．０ｐｐｍ／Ｋであり、抵抗体２２の熱膨張係数は、例えば、３．６〜４．２ｐｐｍ／Ｋとなっている。

また、前記導電部２３，２４は、それぞれセラミックヒータ４の後端側に向けて互いに略平行に延設されている。加えて、一方の導電部２３の後端寄り位置には、電極取出部２７が径方向に突設されている。そして、当該電極取出部２７は、セラミックヒータ４の外周面に露出している。同様に、他方の導電部２４の後端寄りの位置にも、電極取出部２８が径方向に突設されており、当該電極取出部２８が、セラミックヒータ４の外周面に露出している。尚、前記一方の導電部２３の電極取出部２７は、前記軸線ＣＬ１方向に沿って、前記他方の導電部２４の電極取出部２８よりも後端側に位置している。

加えて、電極取出部２７の露出部分は、前記リング部材１０の内周面に接触している。その結果、リング部材１０に接続された中軸３と前記導電部２３との電気的導通が図られている。また、前記電極取出部２８の露出部分は、外筒５の内周面に対して接触している。これにより、外筒５に接合された主体金具２と導電部２４との電気的導通が図られている。すなわち、本実施形態では、前記中軸３と主体金具２とが、グロープラグ１において、セラミックヒータ４の発熱部２６に通電するための陽極・陰極として機能するようになっている。本発明の主要な部位である電極取出部２８については製造方法の説明の後に評価結果と共に説明する。

なお、上述したグロープラグ１は、内燃機関のシリンダヘッドの取付孔に組付けられる。このとき前記外筒５は、前記シリンダヘッドに対して接触し、これにより、主体金具２は接地される。

次いで、上述したグロープラグ１の製造方法について説明する。尚、特に明記しない部位については、従来公知の方法により製造される。

まず、ＳＵＳ６３０等の鉄系素材からなるパイプ材を所定長さに切断した上で、所定の円筒形状に整えることにより前記リング部材１０を形成する。加えて、所定の金属材料（例えば、ＳＵＳ４３０）からなるパイプ材を切断し、切削加工を施すことによって、前記小径部５ａやテーパ部５ｂ等を備えた外筒５を形成する。さらに、リング部材１０及び外筒５の表面に、Ａｕメッキ等のメッキ加工を施す。

その後、前記リング部材１０の内孔１０ａの先端部に対して、別途製造したセラミックヒータ４の後端部を圧入する。加えて、セラミックヒータ４を前記外筒５の内孔に対して圧入する。このとき、外筒５は、前記リング部材１０と接触しないように軸線ＣＬ１方向に離間させて固定する。なお、セラミックヒータ４を外筒５へ圧入する際には潤滑剤として（パスキンＭ３０（商品名：共栄社化学（株））を適量塗布する。また、圧入して一体となったセラミックヒータ４と外筒５との一体組立体を加熱炉に投入し、約３００℃に加熱して当該潤滑剤の分解除去を行う。

次いで、前記内孔１０ａの後端部に対して予め製造した中軸３を嵌め込んだ上で、リング部材１０及び中軸３の当接面に沿ってレーザービームを照射し、リング部材１０及び中軸３を接合する。これにより、中軸３、セラミックヒータ４、外筒５、及び、リング部材１０が一体化して構成されることとなる。

一方で、主体金具２を製造しておく。すなわち、所定の金属材料からなるパイプ材を所定長さに切断した上で、切削加工や転造加工を施すことで、前記雄ねじ部８や前記工具係合部９を備えた主体金具２を得る。また必要に応じてメッキ等の防錆処理を行ってもよい。

次に、前記中軸３やセラミックヒータ４等が一体化された外筒５と前記主体金具２とを接合する。すなわち、外筒５の係合部５ｄを主体金具２の軸孔７に嵌合した上で、前記外筒５及び主体金具２の当接面に沿ってレーザービームを照射する。これにより、前記溶融部が形成され、中軸３やセラミックヒータ４等と一体化された外筒５及び主体金具２が接合される。

最後に、前記絶縁ブッシュ１１及びＯリング１２を、主体金具２及び中軸３間の所定位置に配置した上で、主体金具２の後端側から突出した中軸３の後端部に予め形成した接続端子６を加締め固定することでグロープラグ１が得られる。

ここでセラミックヒータ４の製造方法について説明する。本発明のセラミックヒータ４は電極取出部２８の形状こそ特徴的であるが、その他の構成については従前公知の製造方法を流用することができる。したがって、未焼成抵抗体の形成、基体材料との一体化、焼成、外形研磨の一連の工程を経て製造される（図３参照）。

セラミックヒータ４はホットプレス等の焼成工程時に収縮や変形を生じるから、未焼成抵抗体（焼成前の抵抗体）を射出成形にて製造する際は、後述する電極取出部の形状を呈するよう、当該収縮等を考慮して形成する。

こうして製造される本発明のセラミックグロープラグは、外筒との良好な電気的接続を実現し、かつ耐折損性にも優れた性能を有する。次に本発明によるセラミックグロープラグの評価試験及びその結果について説明する。

上述したように形成した試験品のセラミックヒータはいずれも外径が３．１ｍｍ、長さが４２ｍｍであった。なお、製造した試験品の電極取出部の露出面の形状はいずれも円或いは長楕円の形状である。このように本発明では露出面の形状として角部を持たない形状としている。またその寸法は、軸方向、周方向共にそれぞれの方向における長さの最大が、０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．８ｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍとし、これらの組み合わせの計２５パターンで評価試験を行った。また評価試験に際して製造したセラミックグロープラグに用いた外筒はセラミックヒータの電極取出部と接触する大径部の外径が８．０ｍｍ、内径が３．０５ｍｍ、長さが２５ｍｍであり、当該大径部の最大外径を有する部位の軸方向の長さは４．０ｍｍであった。

評価項目はヒータの折損耐性とともにヒータに抵抗不良が発生したか否かの確認を行っている。試験方法はそれぞれ次の通りである。

［ヒータの折損不良の発生率］
前述の外筒へセラミックヒータを圧入し、潤滑剤を加熱除去した。室温まで冷却した後にヒータに折損が生じているか否かを確認し、その本数をカウントして折損不良の発生率を算出した。この結果を表１に示す。なお、潤滑剤の除去は、大気雰囲気の加熱炉を用いてで３００℃に加熱し、その後室温まで自然冷却する方法を用いた。
［落下による抵抗不良の発生率］
上記折損不良の試験と同様の手順によりセラミックヒータを外筒へ圧入し、折損が生じていないものを用いて前述の手順によりグロープラグの完成品を製造する。完成したセラミックグロープラグを５０ｃｍの高さからコンクリート床へ落下させた後、セラミックグロープラグへ通電して抵抗値を測定し、落下前、すなわち設計抵抗値から２０％以上の抵抗値の上昇が生じた試験品の本数をカウントして抵抗不良の発生率を算出した。この結果を表２に示す。なお、両試験とも符号「○」は不良の発生率が０．１％以下、「△」は０．１％以上１％未満、「×」は１％以上であることを示している。また、評価本数はいずれも３００本であった。したがって、本評価試験においては符号「○」は不良が１本も発生していないことを意味し、符号「△」は不良の発生が１本又は２本であり、符号「×」は３本以上の不良が発生したことを意味している。

これらの結果に示されるように、ヒータの折損不良については電極取出部の露出面の形状が軸方向、周方向共に１．８ｍｍ以下であれば不良の発生率が極めて低く問題のないことがわかった。また抵抗不良については当該露出面の形状が共に１．０ｍｍ以上であるとよいことが確認された。なお、セラミックヒータの外径が２．５〜４．０ｍｍの場合において、上述の結果と同様な結果が得られることを確認している。

［ヒータ外径依存性確認］
上述の評価試験におけるヒータの外径に対する依存性について確認した。評価方法は上述の折損不良の発生率を確認した試験と同様であり、電極取出部の露出面の形状を軸方向に１．７ｍｍ、周方向に１．０ｍｍとした実施例１〜３と、軸方向に２．０ｍｍ、周方向に２．０ｍｍとした比較例１〜３のそれぞれにつき、ヒータの外径をφ３．１ｍｍ、φ３．３ｍｍ、φ３．５ｍｍとした計６パターンの試験品を準備して評価試験を行った。結果を表３に示す。

この評価試験より、セラミックヒータの外径寸法に拠らず、電極取出部の露出面の形状に関して軸方向、周方向共に１．０ｍｍ〜１．８ｍｍとすることの有意性が確認された。詳細には、露出面の各方向の長さを１．０ｍｍ〜１．８ｍｍとした実施例１〜３についてはヒータの外径寸法がφ３．１ｍｍ、φ３．３ｍｍ、φ３．５ｍｍのいずれであっても、ヒータの折損不良の発生率が０．０１％以下と極めて良好であった。これに対して、露出面の各方向の長さが１．８ｍｍを超えた比較例１〜３については、ヒータが細い場合（φ３．３ｍｍ以下）には折損不良の発生率が高くなってしまった。この評価試験から、特にヒータの外径がφ３．３ｍｍ以下である時にはより一層、本発明が有効に奏効するものであることも確認された。

［露出面寸法比確認］
次いで、電極取出部の露出面における軸方向寸法と周方向寸法との関係を確認した試験について説明する。評価方法は上述の折損不良の発生率を確認した試験と同様である。ヒータの負荷に対する耐性を確認すべく潤滑剤の除去温度を３５０℃と過剰に上げてヒータの折損不良の発生率を確認した。結果を表４に示す。なお、露出面における軸方向寸法と周方向寸法との関係性を評価するために実施例４〜６の露出面の面積は同一となるよう、それぞれの寸法を設定した。

実施例４のグロープラグは潤滑剤の除去温度が異なる点を除いて前述の実施例１に相当するものである。前述のヒータ外径依存性確認試験では実施例４には折損不良が生じていなかったのに対して、潤滑剤の除去温度を過剰に上げた本試験の実施例４では折損不良が生じた。これに対して、実施例５及び６では折損不良が生じなかった。この結果から、露出面の軸方向寸法が周方向寸法に対して大きく形成された実施例４よりも、露出面の軸方向寸法が周方向寸法に対して小さく形成された実施例６の形状に近づくにつれて折損不良に対する耐久性が向上していることが確認された。この結果により、露出面の軸方向寸法が周方向寸法に対して小さく形成されることの有意性が確認された。これは、電極取出部の露出面が軸方向において露出面の境界に加える引張り応力が、主に露出面の軸方向寸法に依存しているための影響が生じているためであると考えられる。

さらに電極取出部の露出面の近傍における、露出面の境界からの距離とヒータの残留応力との関係について検討する。

［残留応力影響確認］
本発明のセラミックヒータは、導電部が基体に比較して多量の金属元素を含有するため、熱膨張係数も導電部の方が基体に比較して大きく構成されている。このため、ヒータの製造過程における焼成後の冷却段階では導電部の収縮量は基体のそれよりも多く、基体には引張り応力が生じる。ヒータ（基体）の表面では当該応力は圧縮応力として作用する。圧縮応力が作用しているので、当該部位、すなわち内部に導電部が埋設されている基体部位における強度は見かけ上では向上する。一方、導電部が露出された電極取出部（露出面）では、露出した部位の導電部（露出面）がその周囲の基体を引っ張るように収縮するため上述した圧縮応力を相殺してしまう。すなわち、露出面における基体との境界では上述の圧縮応力による強度の向上効果を期待することが難しい。

そこで本発明では露出面の面積を小さくすることで、上記圧縮応力の相殺される割合を減らす構成を採用している。つまり露出面の面積を小さくする構成により、当該露出面の周囲における強度向上を果たしているのである。この効果は、露出面の形状が角部を持たない構成、すなわち円・楕円に類する形状とすることにより、局所的な応力集中の発生を回避することができ、より一層有効に奏効するものである。

上記効果を確認する試験を行った。その結果を図４に示す。
評価試験に用いたサンプルは前述の実施例１と比較例１であった。それぞれのヒータについてヒータ単体の表面残留応力を測定した。測定方法はＸ線残留応力測定法を用い、２θ−ｓｉｎ２ψ線法を用いた。応力測定には、高角度側でピーク強度が高いβ-Ｓｉ_３Ｎ_４（２１２）の１３１．５５°を使用した。コリメーターはφ０．５ｍｍ、２θサンプリング幅は０．１°、計数時間は１０００秒であった。Ｘ線管球にはＣｒ−Ｋαを用いた。本方法では、複数の入射角でＸ線を照射し、回折角を得た。入射角に対する回折角から作成した、２θ−ｓｉｎ２ψ線図の傾きから残留応力を算出した。また残留応力の測定は、電極取出部における露出面と基体との境界を基点（図５におけるＳＴ１，ＳＴ２位置参照）とし、当該基点から軸方向に所定距離それぞれ離れた４点にて行った。

電極取出部の露出面と基体との境界の残留応力評価の為には、その境界の残留応力を測定するのが本来であるが、境界の残留応力を測定しようとすると露出面における電極取出部の構成材料による回折ピークが生じて、正確な２θ測定が出来ない。また、φ３．１ｍｍ程度の円柱状ヒータの側面を測定する為、コリメーター径が０．５ｍｍ以下ではピーク強度が低下し、信頼性のある応力測定ができない。そのため、境界の残留応力の目安として、測定範囲に電極材料を含まない最低距離であるコリメーター径の半径０．２５ｍｍ以上である、界面から０．３０ｍｍ位置の残留応力を測定した。

それぞれのサンプルにおける導電部に対する露出面境界の圧縮残留応力比は、実施例１が７１％、実施例２が５０％であり、比較例１では４５％であった。ここで、導電部とは露出面境界から十分に距離があり、応力が安定した位置のことを示す。

なお、本発明の露出面の形状において「角部を持たない」とは円或いは楕円に限定されるものではなく、例えば略矩形の角部に対してＲ面取りを行ったような形状でもよい。その際のＲの大きさ、すなわち曲率半径を例えば０．１ｍｍ以上とすれば「角部を持たない」に相当するのである。

上記本発明に拠ればヒータの構成材料の変更や外筒の寸法・材料等の変更を行うことなく、当該セラミックヒータの電極部における強度の向上を実現することが可能である。しかしながら、本発明はヒータの構成材料の変更や外筒の各種変更を制限するものではなく、セラミックヒータの電極部の強度を向上が求められる如何なるグロープラグにおいても採用することができる。

例えば、上記実施形態では、セラミックヒータ４が外筒５の内孔に圧入保持された構成となっているが、セラミックヒータがロウ材層を介して外筒の内孔に保持された構成を採用しても良い。

１セラミックグロープラグ
２主体金具
２１基体
２２抵抗体
２３，２４導電部
２５連結部
２６発熱部
３中軸
４セラミックヒータ
５外筒

Claims

絶縁性セラミックからなり軸方向に柱状をなす基体と、
導電性セラミックからなり前記基体の先端部に埋設され通電によって抵抗発熱する発熱素子と、当該発熱素子の両端部に接続され前記軸方向の後方へ向けて延設される導電部と、当該導電部の少なくとも一方から径方向へ向けて延設され前記基体の外周面へ露出する電極取出部とを備えてなる抵抗体と、
からなるセラミックヒータを備え、
自身の内部に前記セラミックヒータが保持され、前記電極取出部の露出面と接触して導通する金属製の筒状部材とを備えたセラミックグロープラグであって、
前記電極取出部の露出面の前記軸方向寸法及び前記周方向寸法が共に１．０〜１．８ｍｍであることを特徴とするセラミックグロープラグ。
前記基体のうち前記電極取出部の露出面の先端から０．３ｍｍ、及び当該露出面の後端から０．３ｍｍの特定領域における圧縮残留応力の、前記基体のうち前記特定領域外における圧縮残留応力に対する比が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックグロープラグ。
前記電極取出部の露出面の前記軸方向寸法が前記周方向寸法に対して小さく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックグロープラグ。
前記電極取出部の露出面の形状は、角部を持たないことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセラミックグロープラグ。
前記セラミックヒータは、前記筒状部材の内部に圧入嵌合されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のセラミックグロープラグ。