(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設され、その両端に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備えたセラミックヒータにおいて、
前記セラミック発熱体は、一方の基端部から延び先端部で方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びるとともに、該方向変換部よりも大きい断面を有する２本の直線部とを備えてなり、
前記方向変換部内において、その先端部の断面積が前記基端部の断面積よりも大きく設定され、前記各基端部の断面幅Ａに対する前記先端部の幅Ｂの比Ｂ／Ａが、１．０〜２．５の範囲内で設定されたことを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
前記比Ｂ／Ａが、１．３〜１．７の範囲内で設定される請求項１記載のグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックヒータを用いたグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン等の始動促進に使用されるグロープラグとして、例えば図７に示すように、筒状の金属ホルダ１０１の先端にセラミックヒータ１０２を保持させたものが知られている。セラミックヒータ１０２は、例えば棒状の絶縁性セラミック基体１０３の先端部に、導電性セラミックスにより形成されたＵ字形のセラミック発熱体１０４を埋設し、その両端に接続された電極部１０５を介して通電することによりこれを抵抗発熱させるものとして構成される。ここで、セラミックヒータ１０２の先端部分における発熱効率を高めるために、そのＵ字底部を形成する方向変換部１０４ａが直線部１０４ｂよりも小さい断面積を有するように、セラミック発熱体１０４が形成される場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなグロープラグ１００に使用されるセラミックヒータ１０２においては、セラミック発熱体１０４を構成する導電性セラミックスと、セラミック基体１０３を構成する絶縁性セラミックスとの間で線膨張係数が異なるため、発熱・冷却のサイクルを繰り返すと、セラミック発熱体１０４の方向変換部１０４ａの先端近傍において、上記線膨張係数の差異に基づく応力集中が起こりやすい傾向にある。方向変換部１０４ａは、断面積が比較的小さく設定されていることも関係して、上述のような応力集中が起こると破断等を起こすことも考えられ、ひいてはセラミック発熱体１０４の寿命を縮めることにもつながる。
【０００４】
本発明の課題は、セラミック発熱体の耐久性に優れたグロープラグを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明は、セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設され、その両端に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備えたセラミックヒータを発熱素子とするグロープラグに係り、上述の課題を解決するために下記の特徴を有して構成される。すなわち、セラミック発熱体は、一方の基端部から延び先端部で方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部と、その方向変換部の各基端部から同方向に延びるとともに、該方向変換部よりも大きい断面を有する２本の直線部とを備えている。そして、その方向変換部内において、その先端部の断面積が基端部の断面積よりも大きく設定され、各基端部の断面幅Ａに対する先端部の幅Ｂの比Ｂ／Ａが、１．０〜２．５の範囲内で設定される。
【０００６】
すなわち、セラミック発熱体の方向変換部は、その先端部の断面積が基端部の断面積よりも大きく設定されており、応力集中が特に起こりやすい該先端部の強度が向上する。そして、各基端部の断面幅Ａに対する先端部の幅Ｂの比Ｂ／Ａを１．０〜２．５の範囲内で設定することで、上記先端部の強度を確保しつつ方向変換部全体を均一に発熱させることができ、温度ムラに基づく応力等も生じにくくなる。このようなことから、セラミックヒータの耐久性が向上し、ひいてはグロープラグの寿命を延ばすことができる。なお、上記比Ｂ／Ａは、１．３〜１．７の範囲内で設定することがより望ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、セラミックヒータ１の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属製の外筒３、さらにその外筒３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えており、セラミックヒータ１と外筒３との間及び外筒３と金属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合されている。また、セラミックヒータ１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウジング４内に挿通された金属軸６の一方の端部に嵌着されている。そして、金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジング４に対して固定されている。また、ナット７と金属ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、金属ハウジング４の外周面には、図示しないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するためのねじ部５ａが形成されている。
【０００８】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、一方の基端部から延び先端部で方向変換して他方の基端部へ至る方向変換部１０ａと、その各基端部から同方向に延びる直線部１０ｂとを備えたＵ字状のセラミック発熱体１０を備え、その両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設されている。そのセラミック発熱体１０は、セラミックヒータ１の先端部２において、ほぼ円形の断面を有するセラミック基体１３中に、その方向変換部１０ａがセラミックヒータ１の先端側を向くように埋設されている。また、セラミックヒータ１の先端部２における発熱効率を高めるために、方向変換部１０ａの断面積が直線部１０ｂの断面積よりも小さく設定されている。
【０００９】
また、各電極部１１及び１２は、セラミック基体１３中においてセラミック発熱体１０から離間する方向に延びるとともに、その一方のもの（１２）は外筒３内において、他方のもの（１１）はセラミック基体１３の他方の端部近傍において、それぞれその後端部がセラミック基体１３の表面に露出して、露出部１２ａ及び１１ａを形成している。
【００１０】
セラミック発熱体１０は、導電性を有するセラミックス、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、硅化モリブデン（Ｍｏ２Ｓｉ３）、炭化タングステンと窒化硅素（Ｓｉ３Ｎ４）との複合物等により構成されるが、炭化硅素（ＳｉＣ）など半導体セラミックスを使用することもできる。また、電極部１１及び１２はタングステン（Ｗ）あるいはタングステン−レニウム（Ｒｅ）合金等の高融点金属材料で構成される。一方、セラミック基体１３は、主に絶縁性のセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）、ジルコン（ＺｒＯ２・ＳｉＯ２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）、窒化硅素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等により構成される。
【００１１】
図２において、セラミック基体１３の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層を介してセラミック基体１３と外筒３とがろう付けにより接合されるとともに、電極部１２がその接合部を介して外筒３と導通している。また、電極部１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介してセラミック発熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、外筒３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。この通電により、セラミック発熱体１０は抵抗発熱することとなる。
【００１２】
ここで、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、セラミック発熱体１０の方向変換部１０ａは、先端部の断面積が基端部の断面積よりも大きく設定され、その先端部における断面幅Ｂと基端部における断面幅Ａとの比Ｂ／Ａが、１．０〜２．５の範囲内で設定される。Ｂ／Ａが１．０未満になると、方向変換部１０ａの先端部における強度が不足し、発熱・冷却のサイクルを繰り返した場合の応力集中により、該先端部において破断等を生ずる場合がある。一方、Ｂ／Ａが２．５を越えて設定されると、先端部近傍での抵抗発熱量が減少することから、方向変換部１０ａ全体の発熱温度分布にムラが生じ、該温度ムラに基づく熱応力のため方向変換部１０ａが破断する等の問題が生じうる。なお、Ｂ／Ａは、１．３〜１．７の範囲内で設定することがより望ましい。
【００１３】
セラミックヒータ１は、例えば下記のような方法により製造することができる。まず、図４（ａ）に示すように、セラミック発熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型３１に対し電極材３０を、その先端部が該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そして、その状態で、導電性セラミック粉末とバインダとを含有するコンパウンド３３を射出することにより、同図（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の導電性セラミック粉末成形部３４とが一体化された一体射出成形体３５を作成する。なお、導電性セラミック粉末成形部３４の断面寸法は、焼成後におけるセラミック発熱体１０の方向変換部１０ａの断面寸法が前述のものとなるように調整される。
【００１４】
一方これとは別に、セラミック基体１３を形成するセラミック粉末を予め金型プレス成形することにより、図５（ａ）に示すような、上下別体に形成された予備成形体３６及び３７を用意しておく。これら予備成形体３６及び３７は、セラミック基体１３を、その軸線とほぼ平行な断面により２分割したと仮定した場合の、その各分割部に対応する形状に形成されており、各々その分割面に相当する部分に、上記一体射出成形体３５に対応した形状の凹部３８が形成されている。そして、この凹部３８に一体射出成形体３５を収容し、上下の予備成形体３６及び３７を型合わせするとともに、その状態でこれら予備成形体３６、３７及び一体射出成形体３５をさらに金型を用いてプレス・一体化することにより、図５（ｂ）に示すような、複合成形体３９を作成する。
【００１５】
こうして得られた複合成形体３９は、成形のために原料粉体に添加されているバインダ成分を除去するために仮焼され、続いて図６（ａ）に示すように、グラファイト等で構成された成形型４０の間で加圧しながら所定の温度でホットプレス焼成を行うことにより、同図（ｂ）に示すような焼成体４１となる。このとき、図５（ｂ）に示す導電性セラミック粉末成形部３４がセラミック発熱体１０を、予備成形体３６及び３７がセラミック基体１３を、さらに電極材３０が電極部１１及び１２をそれぞれ形成することとなる。その後、焼成体４１の外面に、必要に応じて研磨等の加工を施すことにより、図２に示すようなセラミックヒータ１が得られる。
【００１６】
なお、図６（ａ）に示すように、複合成形体３９の断面形状を、Ｕ字型の導電性セラミック粉末成形部３４の２本の直線部（焼成後にセラミック発熱体１０の直線部１０ｂとなる部分）１０ｂの配列方向にその長軸が沿う楕円状に形成しておき、その長軸方向に圧力を付加しながら前述のホットプレス焼成を行うことができる。このようにすれば、同図（ｂ）に示すように、セラミック発熱体１０は、直線部１０ｂ及び方向変換部１０ａの断面が、焼成体４１の周方向に長軸が沿う楕円状に形成される。このような焼成体４１を使用すれば、セラミックヒータ１の表面からセラミック発熱体１０までの距離が均一化するので、セラミックヒータ１の表面の温度分布をより均一なものとすることができ、方向変換部１０ａの耐久性も一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一例を示す正面部分断面図。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。
【図３】セラミックヒータに使用されるセラミック発熱体の断面寸法設定の説明図。
【図４】セラミックヒータの製造工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】図５に続く工程説明図。
【図７】従来のグロープラグのセラミックヒータの構造を示す模式図。
【符号の説明】
１  セラミックヒータ
１０  セラミック発熱体
１０ａ  方向変換部
１０ｂ  直線部
１１、１２  電極部
１３  セラミック基体
５０  グロープラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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