JPWO2019102708A1

JPWO2019102708A1 - グロープラグ

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Publication number: JPWO2019102708A1
Application number: JP2019556117A
Authority: JP
Inventors: 趙　艱; 艱趙; アンドレアスライスナー; ディートマーハーン; 康夫豊島
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-10-22
Also published as: EP3736493B1; EP3736493A1; EP3736493A4; WO2019102708A1

Abstract

急速昇温を達成しつつ消費電力を抑える。本発明に係るグロープラグ（１）は、導電性セラミックス（１１）と、導電性セラミックス（１１）を覆う絶縁性セラミックス（１６）と、を有するセラミックヒータ（１０）を備え、導電性セラミックス（１１）は、先端に配置された発熱部（１２）と、発熱部（１２）の後端に接続されたリード（１４）と、を有し、絶縁性セラミックス（１６）は、セラミックヒータ（１０）の軸線と垂直な断面においてその外周面と発熱部（１２）とが最も近接する最薄肉部分（１６ａ）の厚さが０．５〜０．７ｍｍであることを特徴とする。

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの始動補助用に使用されるグロープラグとして、セラミックヒータ型グロープラグが知られている。このようなセラミックヒータ型グロープラグは、セラミックヒータと、少なくとも先端が露出するようにセラミックヒータの一部を収容する外筒と、を備えている。そしてセラミックヒータは、ヒータの先端に配置された発熱部と、発熱部の後端に接続されて発熱部よりも抵抗率が低いリードとを有し、これら発熱部及びリードは、絶縁性セラミックスによって覆われている。また、セラミックヒータの外周面と外筒の内周面とは、ろう付けなどの接合部を介して電気的に接続される（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−３３４７６８号公報

ところで、近年、内燃機関の始動時における燃焼室内の温度を急速に上げるようにすることが望まれている。しかし、セラミックヒータを急速昇温させるためには、例えば、通電初期において、リードを介して発熱部に大電流を流してヒータを急速昇温させることがあり電力消費が大きかった。

従来のセラミックヒータにおいては、セラミックヒータの急速昇温及び電力消費低減を達成するために、セラミックヒータにおける絶縁性セラミックスの外周面と、当該絶縁性セラミックスに埋設された導電性セラミックスとの間の絶縁性セラミックスの肉厚については考慮されていなかった。絶縁性セラミックスの肉厚を薄くすれば急速昇温に効果的であるとも考えられる。しかし、絶縁性セラミックスの経年劣化により、内部の発熱部が早期に露出するおそれがあり、単純に、肉厚を薄くすればよいという訳ではない。

また、セラミックヒータと外筒との接合部は、例えば、高熱伝導性のろう材により形成されているため、セラミックヒータから外筒へ熱が伝わりやすい。つまり、熱が接合部を介してセラミックヒータから逃げやすく、この点に着目して、セラミックヒータにおける発熱部の位置や、セラミックヒータと外筒の接合範囲等について急速昇温及び消費電力低減の観点から考慮されることはなかった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、急速昇温を達成しつつ消費電力を抑えることができるグロープラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を有するセラミックヒータを備え、前記導電性セラミックスは、先端に配置された発熱部と、前記発熱部の後端に接続されたリードと、を有し、前記絶縁性セラミックスは、前記セラミックヒータの軸線と垂直な断面においてその外周面と前記発熱部とが最も近接する最薄肉部分の厚さが０．５〜０．７ｍｍであることを特徴とする。

また、前記最薄肉部分の厚さは、０．５７〜０．６６ｍｍであることが好ましい。

また、前記絶縁性セラミックスの前記外周面は、２．９〜３．１ｍｍの直径を有する円筒状であることが好ましい。

また、前記絶縁性セラミックスの先端から前記発熱部の後端までの軸線方向長さは４．５ｍｍ以下であることが好ましい。

上記目的を達成するために、さらに、本発明は、導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を有するセラミックヒータと、少なくとも先端が露出するように前記セラミックヒータの一部を収容し且つ前記セラミックヒータの外周面と接合部を介してその内周面が接合される外筒と、を備え、前記導電性セラミックスは、先端に配置された発熱部と、前記発熱部の後端に接続されたリードと、を有し、前記絶縁性セラミックスの先端から前記発熱部の後端までの軸線方向長さを、第１の長さＡ、前記絶縁性セラミックスの先端から前記接合部の先端までの軸線方向長さを第２の長さＢ、前記接合部の軸線方向長さを第３の長さＣ、したとき、以下の数式１及び数式２

を満たすことを特徴とする。

また、以下の数式３及び数式４

を満たすことが好ましい。

本発明によれば、急速昇温を達成しつつ消費電力を抑えることができる。

本実施の形態に係るグロープラグの構成を説明するための断面図である。図１に示すII−II線に沿った断面図である。図１に示すIII−III線に沿った断面図である。

本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施の形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施の形態をとりうる。図１は、グロープラグの構成を説明するための断面図である。図２は、図１に示すII−II線に沿った断面図である。図３は、図１に示すIII−III線に沿った断面図である。

グロープラグ１は、例えば、セラミックヒータ型グロープラグであり、図１に示すように、セラミックヒータ１０と、少なくとも先端が露出するようにセラミックヒータ１０の一部を収容し且つセラミックヒータ１０の外周面と、接合部２１を介してその内周面が接合される金属製の外筒２０と、ハウジング３０と、を備えている。

セラミックヒータ１０は、内燃機関の始動を補助するものであり、燃焼室内（予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室）に先端が挿入され、外筒２０を介してハウジング３０に固定されている。セラミックヒータ１０は、セラミックスにより形成されている。

セラミックヒータ１０は、導電性セラミックス１１と、導電性セラミックス１１を覆う絶縁性セラミックス１６と、を有する。

導電性セラミックス１１は、グロープラグ１において通電により加熱されるものであり、先端に配置されたＵ字状に成形された発熱部１２と、発熱部１２の後端に接続されたリード１４と、を有する。なお、セラミックヒータ１０の軸線ｘに垂直な断面視において発熱部１２の形状は、特に限定されず、円形、楕円形、長円形、多角形等の種々の形状をとり得る。

発熱部１２は、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って互いに平行に延在する一対の延在部１２ａ，１２ｂと、当該延在部１２ａ，１２ｂを連結する湾曲部１２ｃとを有する。発熱部１２は、絶縁性セラミックス１６の先端から４．５ｍｍの範囲内に位置しており、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って３．５ｍｍの長さｌ_１の寸法を有する。

発熱部１２は、リード１４に対して高抵抗性を有する発熱抵抗体であり、導電性セラミックスにより形成されている。発熱部１２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）などを含む炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とする材料により形成されている。発熱部１２は、特に、高い耐熱性を有するとともに、比抵抗が小さい点で無機導電性を有する炭化タングステン（ＷＣ）を含有することが好ましい。

発熱部１２は、上記主成分の他に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有しており、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が２０質量％以上であるものが好ましい。例えば、発熱部１２となる導体成分は、窒化珪素質セラミックスを含む絶縁性セラミックス１６中の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱部１２中に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を添加することにより、熱膨張率を絶縁性セラミックス１６の熱膨張率に近づけて、セラミックヒータ１０の昇温時及び降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。

また、発熱部１２に含まれる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が４０質量％以下であるときには、発熱部１２の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。したがって、発熱部１２に含まれる窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２０〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２５〜３５質量％がよい。

なお、発熱部１２への同様の添加物として、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の代わりに４〜１２質量％の窒化硼素（ＢＮ）を添加してもよい。さらに、発熱部１２には、元素周期表第４周期の４，５，６，７，８族の元素（チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ））のうち少なくとも一種類を含有していてもよい。

例えば、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）の元素の発熱部１２における含有率は、０．５モル％以下であることが好ましい。

リード１４は、その先端が発熱部１２の後端に接続されるとともに、その後端が絶縁性セラミックス１６から露出している。リード１４は、正極側リード１４ａと、負極側リード１４ｂとを備える。

正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂはそれぞれ、発熱部１２に対して低抵抗性を有する導電性セラミックスにより形成されている。正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂは、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って互いに平行に延在している。正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂは、Ｕ字状に延在する発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂの両端にそれぞれ接続されている。

正極側リード１４ａは、先端で発熱部１２の延在部１２ａに接続される。正極側リード１４ａは、絶縁性セラミックス１６の後端まで絶縁性セラミックス１６の内部を延在している。セラミックヒータ１０の後端において正極側リード１４ａは、絶縁性セラミックス１６から露出してキャップ状の接続部１１４を介してリードワイヤ１１５に電気的に接続されている。

負極側リード１４ｂは、先端で発熱部１２の延在部１２ｂに接続され、後端で絶縁性セラミックス１６の外周面に一部露出した露出部１４ｃを有する。リード１４の露出部１４ｃは、後述する接合部２１を介して、外筒２０の内周面にろう付け等によって接合されている。リード１４は、露出部１４ｃを介して導電性を有する金属材料により形成された外筒２０に電気的に接続されている。リード１４の露出部１４ｃは、負極側電極として機能する。

リード１４は、無機導電体である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とし、これに窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有率が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率が増すにつれて正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂの熱膨張率を絶縁性セラミックス１６に含有される窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の熱膨張率に近づけることができる。

窒化珪素の含有率が４０質量％以下であるときには、正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂの抵抗値が小さくなるとともに安定する。したがって、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は１５〜４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の含有率は２０〜３５質量％とするのがよい。

さらに、リード１４には、元素周期表第４周期の４，５，６，７，８族の元素（チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ））のうち少なくとも一種類の酸化物及び／又は窒化物が含まれてもよい。例えば、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）の元素のリード１４における含有率は、０．５モル％以下であることが好ましい。

リード１４は、例えば、数十ＰＰＭ程度の酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素化合物を含む混合物であることが好ましく、焼結により形成された焼結体である。

リード１４は、発熱部１２と同じ材料により形成されているが、例えば、形成材料を発熱部１２よりも多く含んだり、発熱部１２よりも断面積を大きくしたりすることにより発熱部１２よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっている。

絶縁性セラミックス１６は、例えば、焼結により形成された外周面が円筒状の焼結体である。絶縁性セラミックス１６は、導電性セラミックス１１を被覆しており、より具体的には、絶縁性セラミックス１６は、発熱部１２及びリード１４を覆っている。換言すると、発熱部１２及びリード１４は、絶縁性セラミックス１６に埋設されている。

絶縁性セラミックス１６は、２．９〜３．１ｍｍの直径ｄを有し外周面が円筒状であり、特に、直径ｄは、２．９ｍｍであることが好ましい。ここで「絶縁性セラミックス１６の直径ｄ」は、円筒状の外周面の部分における直径であり、ドーム状の部分における直径は除かれる。なお、発熱部１２の湾曲部１２ｃの先端と、絶縁性セラミックス１６の先端との間の距離（長さ）ｌ_２は、約０．９７ｍｍである。

絶縁性セラミックス１６は、軸線ｘと垂直な断面において絶縁性セラミックス１６の外周面と発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂとが最も近接する薄肉部分（最薄肉部分）１６ａの厚さｔ_１が０．５〜０．７ｍｍの範囲内にある。薄肉部分１６ａの厚さｔ_１は、０．５７〜０．６６ｍｍであるとより好ましい。

ここで、本実施の形態において「最も近接する」とは、絶縁性セラミックス１６の外周面と発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂ（ここでは、延在部１２ａ，１２ｂの外周面）との間の絶縁性セラミックス１６の薄肉部分１６ａの厚さｔ_１が０．５〜０．７ｍｍの範囲内にあることを意味する。薄肉部分１６ａは、図２に示すように、軸線ｘに対して垂直をなす断面において、絶縁性セラミックス１６の外周面から発熱部１２の外周面までの最短距離となる厚さｔ_１が０．５〜０．７ｍｍとなる部分である。なお、薄肉部分１６ａの以外の部分であっても、０．５〜０．７ｍｍとなっていてもよい。

絶縁性セラミックス１６は、リード１４を覆う領域において、正極側リード１４ａ及び負極側リード１４ｂと、絶縁性セラミックス１６の外周面との間の絶縁性セラミックス１６の厚さｔ_２が０．２５〜０．４ｍｍの範囲内にある薄肉部分１６ｂを有する。薄肉部分１６ｂは、０．２５〜０．３５ｍｍであるとより好ましい。

薄肉部分１６ｂは、図３に示すように、軸線ｘに対して垂直をなす断面において、絶縁性セラミックス１６の外周面からリード１４の外周面までの最短距離となる厚さｔ_２が０．２５〜０．４ｍｍとなる部分である。

絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端、具体的には発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂの後端までの軸線ｘ方向長さ（第１の長さ）Ａは、約４．５ｍｍであり、絶縁性セラミックス１６の先端から後述する接合部２１の先端までの軸線ｘ方向長さ（第２の長さ）Ｂは、１２〜２０ｍｍであり、接合部２１の軸線ｘ方向長さ（第３の長さ）Ｃは、２．８〜１０．８ｍｍである。

絶縁性セラミックス１６の長さＢに対する長さＡが、以下の数式（数式１）を満たす。

絶縁性セラミックス１６の長さＢに対する長さＡが、以下の数式（数式３）を満たすことが好ましい。

また、絶縁性セラミックス１６の長さＢ、及び長さＣの合計の長さ（Ｂ＋Ｃ）に対する長さＣが、以下の数式（数式２）を満たす。

また、絶縁性セラミックス１６の長さＢ、及び長さＣの合計の長さ（Ｂ＋Ｃ）に対する長さＣが、以下の数式（数式４）を満たすことが好ましい。

また、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端、具体的には、発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂの後端までの軸線ｘ方向長さ（ｌ_１＋ｌ_２＝Ａ）は、４．５ｍｍ以下である。発熱部１２は、絶縁性セラミックス１６の先端から軸線ｘに沿ってその全体が４．５ｍｍの範囲内に位置している。

セラミックスにより形成された絶縁性セラミックス１６により、急速昇温時の信頼性が高いセラミックヒータ１０の提供が可能になる。セラミックスとして具体的には、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。

特に、窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性及び耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスは、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）、酸化エリビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、さらに焼結体に含まれる二酸化珪素（ＳｉＯ_２）量として１．５〜５質量％となるように二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を混合され、ホットプレス焼成することにより得られる。

また、絶縁性セラミックス１６として窒化珪素質セラミックスから成るものを用いる場合、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱部１２の熱膨張率に近づけることができ、セラミックヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

外筒２０は、例えば、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が円筒形状になって構成されている。図１に示すように、外筒２０は、セラミックヒータ１０を当該セラミックヒータ１０の先端部が露出した状態で収容するものである。セラミックヒータ１０を収容した状態において外筒２０の内周面には、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って所定の長さにわたってセラミックヒータ１０と外筒２０とを、例えば、銀ろう等のろう材を用いてろう付により接合する接合部２１が形成されている。

接合部２１は、絶縁性セラミックス１６の外周面に銀ろう等のろう材のろう付けによりメタライズすることにより形成されており、セラミックヒータ１０の軸線ｘに沿って所定の長さ（長さＣに相当。）だけセラミックヒータ１０の外周面と外筒２０の内周面との間に形成されている。本実施の形態において接合部２１は、外筒２０の先端から、絶縁性セラミックス１６が後端側で外筒２０の先端部２２の内周面と接触している位置まで形成されている。しかし、接合部２１は、その先端が軸線ｘにおいて外筒２０から進出していても、また、外筒２０内にあってもよい。

ハウジング３０は、図示しないエンジンのシリンダヘッドへの取付具であり、図１に示すように、セラミックヒータ１０を外筒２０とともに収容するものである。

ハウジング３０は、放熱性に優れた熱伝導性の金属材料から形成されている。ハウジング３０は、例えば、円筒状に形成されており、セラミックヒータ１０は、後端側が部分的に外筒２０に支持され、当該外筒２０がハウジング３０の内部に配置される。この状態において、セラミックヒータ１０の先端側は、ハウジング３０の先端から外側に突出している。

以下に、従来のグロープラグに基づく比較例と、上記実施の形態に係るグロープラグ１の具体的な実施例について説明する。また、本発明は、特にこれらの実施例に限定されることはない。なお、以下に示す数値は、シミュレーションにおいて得られた数値である。

表１にセラミックヒータ１０における絶縁性セラミックス１６の直径ｄ（ｍｍ）、発熱部１２と絶縁性セラミックス１６の外周面との間の薄肉部分１６ａの厚さｔ_１（ｍｍ）、及びリード１４と絶縁性セラミックス１６の外周面との間の薄肉部分１６ｂの厚さｔ_２（ｍｍ）が上記実施の形態の数値範囲となる実施例１，２と、それ以外の比較例１の各種諸元及び各種シミュレーションの結果について示す。

実施例１，２及び比較例１に係るグロープラグ１に、シミュレーション開始後、最初の２秒間は１１Ｖの電流を流し、その後は、７Ｖの電流を流した。

その結果、表１から分かるように、シミュレーション開始６０秒後の実施例１，２の消費電力は、それぞれ、３５．２Ｗ及び３４．５Ｗであり、比較例１の消費電力３５．６Ｗよりもいずれも低いことが分かった。

また、セラミックヒータ１０の直径ｄが３．２ｍｍより小さく、薄肉部分１６ａの厚さｔ_１が０．７ｍｍ未満である実施例１，２は、直径ｄが３．２ｍｍより大きく、薄肉部分１６ａの厚さｔ_１が０．７ｍｍを超える比較例１と比べて、１０００℃までの昇温時間が短かった。特に、直径ｄが２．９ｍｍ、厚さｔ_１が０．５７ｍｍの実施例２においては、１０００℃までの昇温時間が１秒を切っており、優れた昇温特性を示した。

さらに、通電２秒後の発熱部１２における実施例１，２の温度は、比較例１の温度と比べていずれも高く、実施例２においては１５００℃を超えており、実施例２が高い昇温特性を有しいていることが分かった。

絶縁性セラミックス１６の体積が大きいほど発熱部１２からの熱が拡散してしまうため
、実施例１，２のように、薄肉部分１６ａの厚さｔ_１が０．５〜０．７ｍｍの条件を満たすと昇温特性に優れていることが分かった。さらに、直径ｄが２．９〜３．１ｍｍの条件を満たすと、さらに好ましい。

なお、厚さｔ_１が０．５ｍｍ未満であると、時間の経過とともに絶縁性セラミックス１６の腐食が進んだ場合に、発熱部１２が早期に露出するおそれがある。発熱部１２が露出すると、発熱部１２の材料に含まれるタングステン（Ｗ）が酸化し、発熱部１２が破壊されるおそれがある。実施例２は、発熱部１２の早期露出を回避してグロープラグ１の長期寿命を達成しつつ、早期昇温及び消費電力低減を達成したものである。

次に、表２に実施例２と同じ絶縁性セラミックス１６の直径ｄ（ｍｍ）、発熱部１２と絶縁性セラミックス１６の外周面との間の薄肉部分１６ａの厚さｔ_１（ｍｍ）、及びリード１４と絶縁性セラミックス１６の外周面との間の薄肉部分１６ｂの厚さｔ_２（ｍｍ）を有し、絶縁性セラミックス１６の先端から接合部２１の先端までの軸線方向長さＢ、接合部２１の軸線方向長さＣがそれぞれ異なる実施例３〜５及び比較例２，３の各種諸元及び各種シミュレーションの結果を示す。なお、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端までの軸線方向長さＡは、実施例３〜５及び比較例１，２においては同じである。

表２から分かるように、シミュレーション開始６０秒後の、セラミックヒータ１０の先端から２ｍｍ地点における温度は、セラミックヒータ１０が外筒２０から露出している割合が大きい、つまり、外筒２０とろう付されているセラミックヒータ１０の領域が小さいほど高いことが分かった。

具体的には、実施例３〜５のように、絶縁性セラミックス１６における長さＢに対する長さＡの割合（Ａ／Ｂ）が、０．２〜０．４であり、かつ絶縁性セラミックス１６における長さＢ＋Ｃに対する長さＣの割合（Ｃ／Ｂ＋Ｃ）が、０．１〜０．５、という条件を満たすセラミックヒータ１０は、６０秒後における温度がほぼ１２００℃にまで達していた。

実施例３は、Ａ／Ｂの値が０．３７５であり、Ｃ／Ｂ＋Ｃの値が約０．４７４であり、実施例４は、Ａ／Ｂの値が約０．３２１であり、Ｃ／Ｂ＋Ｃの値が約０．３８６であり、実施例５は、Ａ／Ｂの値が０．２２５であり、Ｃ／Ｂ＋Ｃの値が約０．１２３であった。上記のいずれの割合の条件も満たしていない比較例２，３と実施例３〜５を比較しても、実施例３〜５において昇温特性が優れていることが分かった。

さらに、シミュレーション開始６０秒後の消費電力は、実施例３〜５のように上記の割合の条件を満たす場合に２９Ｗ以下となり、実施例３〜５における消費電力は、比較例２，３における消費電力と比較しても小さいことが分かった。

さらに、実施例３〜５においては、高熱伝導性の銀ろうにより形成された接合部２１とセラミックヒータ１０との接合面積が小さく抑えられたことにより、セラミックヒータ１０からの熱を逃しにくい構成になっている。そのため、発熱部１２付近における高い保温性を発揮することができている。

特に、実施例３〜５においては、発熱部１２付近の温度を高温に保つことができるので、負極側リード１４ｂと外筒２０との接合部２１における温度、つまり、リード１４の露出部１４ｃにおける温度を４５０℃未満に抑えることができた。これに対して、比較例２，３においては、リードの露出部における温度は４５０℃以上であった。以上より、実施例３〜５においては、接合部２１のろう材に与える熱による負の影響も小さくすることができていることが分かった。

次に、表３に実施例２と同じ絶縁性セラミックス１６の直径ｄ（ｍｍ）、発熱部１２と絶縁性セラミックス１６の外周面との間の薄肉部分の厚さｔ_１（ｍｍ）、及びリード１４と絶縁性セラミックス１６の外周面との間の薄肉部分１６ａの厚さｔ_２（ｍｍ）を有し、発熱部１２の長さｌ_１がそれぞれ異なる実施例６及び比較例４、並びに比較例１と同じ直径ｄ（ｍｍ）、厚さｔ_１（ｍｍ）、及び厚さｔ_２（ｍｍ）を有し、実施例６と同じ発熱部１２の長さｌ_１を有する比較例５の各種諸元及びシミュレーションの結果を示す。

表３から分かるように、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端までの軸線ｘ方向長さＡが４．５ｍｍ以下（Ａ≦４．５（ｍｍ））となる実施例６においては、１０００℃までの昇温時間が０．９８秒であり、１秒を切っていた。

これに対して、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端までの軸線方向長さＡが４．５ｍｍを超える（Ａ＞４．５（ｍｍ））比較例４においては、１０００℃までの昇温時間が１．０８秒であり、１秒を超えていた。

このことからも、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端までの軸線ｘ方向長さＡが４．５ｍｍ以下であると、セラミックヒータ１０における１０００℃までの昇温時間が短縮されていることが分かった。

なお、比較例５のように絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の後端までの軸線方向長さＡが４．５ｍｍ以下（Ａ≦４．５（ｍｍ））であっても、直径ｄが３．２２ｍｍである（２．９ｍｍを超える）場合、１０００℃までの昇温時間は、１．３２秒であり実施例６に比べて昇温特性は劣っていることが分かった。

以上のようなグロープラグ１によれば、絶縁性セラミックス１６の外周面と発熱部１２とが近接する薄肉部分１６ａの厚さｔ_１が０．５〜０．７ｍｍの範囲内にあることにより、薄肉部分１６ａが上記範囲外にあるグロープラグと比べて昇温特性を大幅に向上させることができるとともに、消費電力を抑えることができる。薄肉部分１６ａの厚さｔ_１は、０．５７〜０．６６ｍｍであると好ましく、さらに、絶縁性セラミックス１６の直径ｄが２．９〜３．１ｍｍであることがより好ましい。

絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂの後端までの軸線ｘ方向長さＡが４．５ｍｍ以下、換言すると、絶縁性セラミックス１６の先端から４．５ｍｍの範囲内に発熱部１２全体が位置していることで、１０００℃に達するまでの時間を、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂの後端までの軸線ｘ方向長さＡが４．５ｍｍを超えた場合と比べて短縮することができる。

また、グロープラグ１によれば、絶縁性セラミックス１６の先端から発熱部１２の延在部１２ａ，１２ｂの後端までの軸線ｘ方向長さＡ、絶縁性セラミックス１６の先端から接合部２１の先端までの軸線ｘ方向長さＢ、接合部２１の軸線ｘ方向長さをＣが、以下の数式１及び数式２

を満たすと、昇温特性及び消費電力低減に加えて、負極側リード１４ｂの露出部１４ｃと外筒２０との接触部における温度を低くすることができる。これにより、セラミックヒータ１０と外筒２０とを接合する接合部２１のろう材への熱による負荷を軽減することができる。

また、以下の数式３及び数式４

を満たすことが、昇温特性及び消費電力低減の観点からさらに好ましい。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、軸線ｘに対して垂直なセラミックヒータ１０の断面形状は、円形に限られず、楕円、多角形といった他の形状であってもよい。また、発熱部１２及びリード１４の段面形状は、図２，３に示すように、楕円形に限られず、円形、矩形等の多角形といった他の形状であってもよい。

Claims

導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を有するセラミックヒータを備え、
前記導電性セラミックスは、先端に配置された発熱部と、前記発熱部の後端に接続されたリードと、を有し、
前記絶縁性セラミックスは、前記セラミックヒータの軸線と垂直な断面においてその外周面と前記発熱部とが最も近接する最薄肉部分の厚さが０．５〜０．７ｍｍである
ことを特徴とするグロープラグ。
前記最薄肉部分の厚さは、０．５７〜０．６６ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
前記絶縁性セラミックスの前記外周面は、２．９〜３．１ｍｍの直径を有する円筒状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のグロープラグ。
前記絶縁性セラミックスの先端から前記発熱部の後端までの軸線方向長さは４．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のグロープラグ。
導電性セラミックスと、前記導電性セラミックスを覆う絶縁性セラミックスと、を有するセラミックヒータと、
少なくとも先端が露出するように前記セラミックヒータの一部を収容し且つ前記セラミックヒータの外周面と接合部を介してその内周面が接合される外筒と、を備え、
前記導電性セラミックスは、先端に配置された発熱部と、前記発熱部の後端に接続されたリードと、を有し、
前記絶縁性セラミックスの先端から前記発熱部の後端までの軸線方向長さを、第１の長さＡ、
前記絶縁性セラミックスの先端から前記接合部の先端までの軸線方向長さを第２の長さＢ、
前記接合部の軸線方向長さを第３の長さＣ、
としたとき、以下の数式１及び数式２

を満たすことを特徴とするグロープラグ。
以下の数式３及び数式４

を満たすことを特徴とする請求項５に記載のグロープラグ。