(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されていることを特徴とするセラミックスグロープラグ。
【請求項２】
前記被膜を構成するセラミックスはＳｉ3 Ｎ4 から成り、前記グロープラグ本体にＣＶＤ及び溶射のいずれかでコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスグロープラグ。
【請求項３】
緻密質セラミックスから作製した外殻、該外殻内に内包された発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、前記外殻内に充填され且つ前記金属コイルの間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ3 Ｎ4 を含むセラミックスから成る充填部材、及び前記金属コイルの表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜、から構成したことを特徴とするセラミックスグロープラグ。
【請求項４】
前記セラミックス被膜は電気泳動法により被覆されたＭｇＯ、ＺｒＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 の各層から構成され、前記各層はそれらの熱膨張係数が傾斜的になるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のセラミックスグロープラグ。
【請求項５】
前記充填部材を構成するセラミックスは、Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ｓｉ，Ｔｉから成るスラリーを反応焼結して構成した無収縮セラミックスから構成されていることを特徴とする請求項３に記載のセラミックスグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジン等に使用されるセラミックス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用グロープラグとしては、特開昭６２−１４１４２４号公報に開示されたものがある。該グロープラグは中空状ホルダの先端部に筒状セラミックスヒータを設けたものであり、該セラミックスヒータは、絶縁性セラミックスから成る薄板状絶縁体と該薄板状絶縁体の両側面及び一端部に積層される導電性セラミックスによる薄板状抵抗体とから成る積層体を幅方向に曲げて筒状体を形成し、該筒状体の後端側外周部に導電性セラミックスによる保護パイプを嵌装させて焼成して一体的に成形したものである。
【０００３】
また、自己電流制御型グロープラグとしては、タングステン線等による発熱線をセラミック材中に埋設した棒状セラミックスを用い、熱伝達効率を向上させ、発熱線への通電電力を自己制御して発熱特性を改善し、ヒータ部分での過熱を防止するものが知られている。例えば、自己電流制御型グロープラグとして、特公平４−３４０５２号公報、特公昭６０−１９４０４号公報、特開昭５９−１５７４２３号公報等に開示されたものがある。
【０００４】
また、特開平２−１８３７１８号公報に開示されたグロープラグは、ケーシングの先端側に発熱体がセラミックス焼結体に埋設された発熱部が設けられており、発熱体をタングステンから作製し、セラミックス焼結体を窒化アルミニウム焼結体の表面に気相法によって炭化ケイ素被覆層を形成したものである。
【０００５】
更に、特開平４−２５９７８１号公報に開示されたセラミックヒータは発熱体を埋設する発熱部が窒化アルミニウム質セラミックスで形成され、発熱部を支持する支持部が窒化ケイ素質セラミックスで形成されているものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のグロープラグでは、タングステン線等の高融点を有する金属線はホットプレスによりサンドイッチ状に窒化ケイ素等のセラミックス内に埋設されて一体化された構造を有している。そのため、従来のグロープラグでは、中心に温度勾配が付き、不均一な熱応力が発生し、金属線を埋め込んだセラミックスが割れ、クラック等を起こして破損し易いという問題を有している。
【０００７】
或いは、従来の金属コイルは、Ｆｅ−Ｃｒ合金でラッシュコイル即ち発熱体コイルを作製し、Ｎｉでブレーキコイル即ち電流制御コイルを作製し、異種金属から成る発熱体コイルと電流制御コイルとを直列に結線している。そして、従来のグロープラグは、上記金属コイルを金属鞘内部に配置し、空間部にＭｇＯ粉末を充填したものであるが、Ｆｅ−Ｃｒ合金及びＮｉは共融点が低く、一般に、セラミックスと一体焼結ができないものであり、Ｓｉと反応してシリサイドを形成し易い性質を有しており、熱膨張係数の差が大きいという問題を有している。
【０００８】
更に、従来のグロープラグで使用されているＡｌＮは、焼成時に１５〜２０％の収縮が発生する特性を有している。そのため、グロープラグを作製する工程におけるホットプレス焼成時に、コイルの形状が二次元形状にならざるを得ず、その結果、グロープラグの発熱では温度不均一になり、セラミックスの割れ、クラック等の発生原因になり、耐久性が低下するという問題がある。
【０００９】
また、従来の自己電流制御型グロープラグでは、タングステン線等の発熱線をセラミックス中に成形時に埋設して焼結するため、焼結は加圧焼結が必要となり、ホットプレス即ち一軸加圧焼結が通常行われている。そのため、セラミックス中に埋設される発熱線の形状が制限され、二次元の構造になることから、セラミックス製外殻の内壁面或いは内包のセラミックスと発熱線との間が離れ、熱伝達効率が低下し、セラミックスヒータの速熱性が低下するという問題がある。また、発熱部がタングステン線とＳｉ3 Ｎ4 とがホットプレス時に一体化された構造のセラミック製グロープラグでは、タングステン線とＳｉ3 Ｎ4 との境界に隙間が形成され、該隙間から水分或いは酸素が侵入し、腐食等が発生するという問題が発生する。特に、タングステン線とＳｉ3 Ｎ4 との境界の隙間から水分或いは酸素が侵入するのを防止するため、境界を密封しなければならないという問題がある。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、電流制御用コイルと発熱体コイルから成るタングステン線等の金属コイルを配置し、発熱部と電流制御部を流れる電流を調節して最適の発熱量を確保する自己電流制御型に構成し、金属コイルにＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ3 Ｎ4 から成るスラリーで肉付けし、反応焼結した後、反応焼結セラミックスの表面にＣＶＤ或いは溶射によってＳｉ3 Ｎ4 等の緻密なセラミックス被膜を形成し、金属コイルを三次元形状に構成でき、低コストで作製できるセラミックスグロープラグを提供することである。
【００１１】
この発明の別の目的は、緻密質セラミックスから外殻を作製し、該外殻内に電流制御用コイルと発熱体コイルから成る金属コイルを配置し、発熱部と電流制御部を流れる電流を調節して最適の発熱量を確保する自己電流制御型に構成し、焼成時に外殻内での収縮が発生しない反応焼結セラミックスを外殻内に充填し、該金属コイルを前記充填部材に内包すると共に、該充填部材に対する金属コイルの熱応力の緩和と反応防止のために金属コイルの外周面に傾斜材料からなるセラミックス膜を電気泳動法で被覆し、金属コイルを三次元形状に構成して均一加熱ができるように構成し、低コストで作製できるセラミックスグロープラグを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成されている。即ち、この発明は、発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されていることを特徴とするセラミックスグロープラグに関する。また、このセラミックスグロープラグにおいて、前記被膜を構成するセラミックスはＳｉ3 Ｎ4 から成り、前記グロープラグ本体にＣＶＤ及び溶射のいずれかでコーティングされているものである。
【００１３】
又は、この発明は、緻密質セラミックスから作製した外殻、該外殻内に内包された発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、前記外殻内に充填され且つ前記金属コイルの間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉを含むセラミックスから成る充填部材、及び前記金属コイルの表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜、から構成したことを特徴とするセラミックスグロープラグに関する。また、このセラミックスグロープラグにおいて、前記セラミックス被膜は電気泳動法により被覆されたＭｇＯ，ＺｒＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 の各層から構成され、前記各層はそれらの熱膨張係数が傾斜的になるように配置されている。また、前記充填部材を構成するセラミックスは、Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ｓｉ，Ｔｉから成るスラリーを反応焼結して構成した無収縮セラミックスから構成されているものである。
【００１４】
このセラミックスグロープラグは、発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されているので、前記金属コイルに電流を流せば、前記発熱体コイルで発生した熱は前記被膜を加熱して外部に放熱するのに対して前記電流制御用コイルでは温度上昇に伴って前記電流制御用コイルに流れる電流が抑制され、電流制御部を構成する。即ち、前記電流制御用コイルが高温になれば、その抵抗値が大きくなり、前記金属コイルに流れる電流が小さくなり、前記外殻からの発熱量が自己制御され、最適値に制御されることになる。
【００１５】
特に、このセラミックスグロープラグは、最外周部の前記被膜が薄膜であるのでその熱容量が小さく、しかも前記被膜の熱伝導率が高いので、急速な昇温が可能になる。また、前記グロープラグ本体を構成する反応焼結セラミックスは焼成時に収縮が発生せず、しかも金属コイルのコイル形状の自由度が大きくなり、最も形状の安定したコイル状の三次元形状に形成することができ、発熱時の温度分布が均一になって、割れ等が発生せず、低コストで製造できる。
【００１６】
特に、前記外殻内に充填した無収縮セラミックスは、Ｓｉ，Ｔｉ及びＳｉ3 Ｎ4 を含んでいる原料を緻密質のＳｉ3 Ｎ4 からなる外殻内に充填してＮ2 ガス内で反応焼成することによって、ＳｉとＴｉとをＳｉ3 Ｎ4 ，ＴｉＮ，ＴｉＯ2 ，ＴｉＯＮに変化させるものであり、前記外殻を緻密質Ｓｉ3 Ｎ4 で作製しておけば、焼成時にＴｉＮが膨張し、外殻のＳｉ3 Ｎ4 と反応Ｓｉ3 Ｎ4 とが密着することができ、しかも、加圧無しで焼成しても、ＴｉＮの膨張作用によって外殻と充填部材との間の境界に隙間が発生せず、前記金属コイルを三次元形状に形成しても該金属コイルと前記外殻との接触状態を悪化させることがなく、熱伝達効率を向上でき、発熱部での迅速な昇温を可能にする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明によるセラミックスグロープラグの実施例を説明する。図１はこの発明によるセラミックスグロープラグの一実施例を示す断面図、及び図２はセラミックスグロープラグについての通電時間と発熱部の表面温度との関係を示すグラフである。
【００１８】
このセラミックスグロープラグは、主として、ディーゼルエンジン等に組み込まれて始動補助装置として使用されるものであり、発熱体コイル５と電流制御用コイル４とを直列に接続し且つ端子となる接続線６，７を有する金属コイル３、該金属コイル３の周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体１、及び該グロープラグ本体１の外面である表面９に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜２から構成されている。被膜２を構成するセラミックスは、Ｓｉ3 Ｎ4 から成り、グロープラグ本体１の表面９にＣＶＤ法及び溶射法のいずれかでコーティングされた薄膜を構成するものである。このセラミックスグロープラグは、被膜２をコーティングしたグロープラグ本体１の先端側を発熱部８に構成したものである。
【００１９】
金属コイル３を埋設するグロープラグ本体１を構成するセラミックスは、焼成時に膨張するセラミックスを用い、被膜２を緻密質セラミックスで構成したものである。被膜２は、グロープラグ本体１の全表面９にコーティングされ、一端が閉鎖端部１０に形成され、他端が開放端部１１に形成された窒化ケイ素Ｓｉ3 Ｎ4 等の緻密質セラミックスから作製されている。
【００２０】
また、このセラミックスグロープラグにおいて、グロープラグ本体１を構成する反応焼結セラミックスは、ＳｉとＴｉとの原料を焼成することによってＳｉ3Ｎ4 ，ＴｉＮ，ＴｉＯ2 ，ＴｉＯＮを含んでいる多孔質セラミックスに転化したものであり、焼成前のＳｉとＴｉとの原料の体積と焼成後のＳｉ3 Ｎ4 ，ＴｉＮ，ＴｉＯ2 ，ＴｉＯＮとの体積が実質的に同一であり、焼結収縮を起こさないものである。従って、緻密質Ｓｉ3 Ｎ4 の被膜２の内面１２と無収縮セラミックスのグロープラグ本体１の表面９との間の境界には隙間が存在しない。
【００２１】
また、金属コイル３は、高融点金属等のタングステン線で三次元形状のコイルに作製され、被膜２の内面１２に接触状態に配置されている部分が発熱体コイル５を構成し、また被膜２の内面１２から隔置状態に配置されている部分が電流制御用コイル４を構成しているものである。更に、金属コイル３は、発熱体コイル５の一端と電流制御用コイル４の一端とを接続する接続線１３、発熱体コイル５の他端に接続した被膜２内を延びてグロープラグ本体１から突出する接続線７、及び電流制御用コイル４の他端に接続して被膜２内を延びてグロープラグ本体１から突出する接続線６を有している。
【００２２】
次に、この発明によるセラミックスグロープラグを作製する方法の一実施例について説明する。このセラミックスグロープラグの製造方法において、高融点金属である１本のタングステン線を線径がφ０．２ｍｍのコイル状に巻き、発熱体コイル５となる部分を内径φ３．５ｍｍに形成し、電流制御用コイル４となる部分を若干小さい内径に形成して金属コイル３を作製した。金属コイル３を内径φ３．５ｍｍの穴部を有する石膏型内に配置し、石膏型内にＳｉ，Ｔｉから成るスラリーを充填し、該スラリーを固化した。石膏型から固化した成形体を取り出し、該成形体を乾燥させた後、該成形体をＮ2 ガス中で１４００℃で焼成してグロープラグ本体１となる焼結体即ち多孔質セラミックスを作製した。この多孔質セラミックスは、Ｓｉ，Ｔｉを含む原料から成るスラリーがＳｉ3 Ｎ4 ，ＴｉＮ，ＴｉＯ2 ，ＴｉＯＮからなる無収縮セラミックスに転化したものである。また、この状態では、発熱体コイル５となる部分の金属コイル３は多孔質セラミックスの表面に露出した状態であり、また、電流制御用コイル４となる部分の金属コイル３は多孔質セラミックス内部に埋め込まれた状態である。
【００２３】
次いで、グロープラグ本体１の表面９に被膜２を形成するため、ＣＶＤ法又は溶射法を適用できるが、この実施例ではＣＶＤ法で被膜２を形成した。即ち、ＳｉＣｌ4 ，ＮＨ3 ，Ｎ2 ，Ｈ2 （キャリアガス）を原料ガスとして、１５００℃のＣＶＤ炉内で金属コイル３を内包した多孔質セラミックスの表面９に約１５０μｍの厚みとなるように、ＣＶＤ−Ｓｉ3 Ｎ4 膜である緻密質Ｓｉ3 Ｎ4 の被膜２を形成してセラミックスグロープラグを作製した。
【００２４】
このセラミックスグロープラグについては、上記のＣＶＤの処理工程によって、グロープラグ本体１と被膜２とは密着した状態になって多孔質セラミックスを緻密質Ｓｉ3 Ｎ4 で密閉した状態になり、多孔質セラミックス内に存在するＯ2ガス濃度は、ほぼ零になり、金属コイル３を形成するタングステン線の酸化を防止できると共に、ＣＶＤ反応によって多孔質セラミックスの表面に存在する極めて小さな穴も閉塞され、多孔質セラミックス内への水分の混入等も防止することができる。また、ＣＶＤ−Ｓｉ3 Ｎ4 膜即ち被膜２には、その粒界に酸化物を含まない構造に構成される。
【００２５】
このセラミックスグロープラグについて、昇温特性を測定した結果を図２に示す。このセラミックスグロープラグ（本発明品）の昇温特性を、従来のＡｌＮの表面にＳｉＣをコーティングしたグロープラグ（従来品）の昇温特性と比較した。図２において、横軸に通電時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸に発熱部８の表面温度（℃）をとっている。図２から分かるように、本発明品は従来品に比較して通電時間が短くて所定の温度まで直ちに昇温しており、速熱性に優れていることが分かる。即ち、この発明によるセラミックスグロープラグは、最外周部が被膜２の薄膜で構成されているため、熱容量が小さく、また、高い熱伝導率であるため、急速に昇温できるものである。また、被膜２を構成するＣＶＤによるＳｉ3 Ｎ4は、粒界に助剤等の酸化物を含まず、この部分でフォノン散乱が生じ難く、熱が伝わり易くなる。また、ＣＶＤ−Ｓｉ3 Ｎ4 の結晶粒は、焼結Ｓｉ3 Ｎ4 が１０μｍ程度であるのに対して、５０μｍと大きいものであり、熱伝導率が高くなる要因と考えられる。しかるに、ＣＶＤ−Ｓｉ3 Ｎ4 の熱通過率Ｋは５０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対して、ホットプレス即ち焼結Ｓｉ3 Ｎ4 の熱通過率Ｋは２７Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２６】
次に、図３、図４及び図５を参照して、この発明によるセラミックスグロープラグの別の実施例を説明する。この実施例のセラミックスグロープラグは、主として、緻密質セラミックスから作製した外殻２２、外殻２２内に内包された発熱体コイル２５と電流制御用コイル２４とを直列に接続し且つ端子２６，２７を有する金属コイル２３、及び外殻２２内に充填され且つ金属コイル２３の間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉを含むセラミックスから成る充填部材２１、及び金属コイル２３の表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜３２，３３，３４（総称は符号３０で示す）から構成されている。この実施例では、外殻２２の先端側が発熱体コイル２５が外殻２２に接触して発熱部２８を構成している。外殻２２は、発熱部２８側端部が閉鎖端部３５に形成され、また他端が開口端部３１に形成され、接続線２６，２７が延び出ている。
【００２７】
このセラミックスグロープラグにおいて、発熱体コイル２５がＦｅ−Ｃｒから作製され、電流制御用コイル２４がＮｉから作製されている。金属コイル２３は、発熱体コイル２５と電流制御用コイル２４とを直列に結線し、それらの表面にセラミックス被膜３２，３３，３４をコーティングして構成されている。Ｆｅ−Ｃｒの融点は１５１６℃であり、熱膨張係数αが１５×１０- 6 ／℃である。Ｎｉの融点は１４５５℃であり、熱膨張係数αが１３×１０- 6 ／℃である。また、金属コイル２３の表面に被覆された内部のセラミックス被膜３２はＭｇＯであり、中間のセラミックス被膜３３はＺｒＯ2 であり、また、外部のセラミックス被膜３４はＡｌ2 Ｏ3 である。ＭｇＯの熱膨張係数αが１３×１０- 6 ／℃であり、ＺｒＯ2 の熱膨張係数αが９．５×１０- 6 ／℃であり、Ａｌ2 Ｏ3 の熱膨張係数αが７．５×１０- 6 ／℃である。充填部材２１を構成するセラミックスは、Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ｓｉ，Ｔｉから成るスラリーを反応焼結して構成した無収縮セラミックスから構成されている。この無収縮セラミックスの熱膨張係数αが３×１０- 6 ／℃である。また、外殻２２を構成する緻密質セラミックスは、緻密質Ｓｉ3 Ｎ4 であり、その熱膨張係数αが３．５×１０- 6 ／℃である。
【００２８】
このセラミックスグロープラグは、上記の構成を有しており、金属コイル２３は充填部材２１を構成する無収縮セラミックスとの間で熱膨張係数が傾斜的に変化するセラミックス被膜３０で電気泳動法或いはゾル・ゲル法でコーティングされているので、無収縮セラミックスには熱応力が緩和され、耐久性に優れ、昇温特性も良好になる。また、ＭｇＯは金属部と他種材料との反応抑制の効果を有するものである。
【００２９】
次に、このセラミックスグロープラグは、次のようにして作製できる。まず、ラッシュコイル即ち発熱体コイル２５をＦｅ−Ｃｒによって作製し、ブレーキコイル即ち電流制御用コイル２４をＮｉ（正の抵抗温度係数を持つ）によって作製する。電流制御用コイル２４と発熱体コイル２５とを直列に接続して金属コイル２３を作製した。次いで、金属コイル２３の外周面を電気泳動法によってＭｇＯ，ＺｒＯ2 及びＡｌ2 Ｏ3 の順序で被覆し、金属コイル２３の表面に熱膨張係数が傾斜して変化するようにセラミックス被膜３２，３３，３４を被覆し、それぞれの厚さを５０μｍに形成した。一方、外殻２２を相対密度９９％以上のＳｉ3Ｎ4 でφ３．５に形成した。
【００３０】
そこで、外殻２２内にセラミックス被膜３２、３３、３４を被覆した金属コイル２３を入れ、外殻２２の空間部にＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ3 Ｎ4 粉末から成るスラリーを充填した。スラリーの乾燥後、Ｎ2 ガス中で１３００℃で反応焼結し、無収縮セラミックスを構成した。従って、外殻２２に充填された充填部材２１の表面２９は外殻２２の内壁面２０に密着し、しかも金属コイル２３の発熱体コイル２５も外殻２２の内壁面２０に密着する。それ故に、外殻２２と充填部材２１との境界には隙間が発生せず、しかも発熱体コイル２５で発生する熱は外殻２２の発熱部２８に良好に熱伝導し、速熱性を向上させる。
【００３１】
また、反応焼結する場合の温度は、１２００℃〜１４００℃であり、この実施例では１３００℃で反応焼結したものである。実際には、３Ｓｉ＋２Ｎ2 →Ｓｉ3 Ｎ4 の反応であり、発熱を伴うので、内部の温度は不明である。また、スラリーにＳｉ3 Ｎ4 粉末を混合することによって、焼結時の発熱量を小さくすることができる。言い換えれば、Ｓｉ3 Ｎ4 粉末を混合してスラリーを構成するＳｉ，Ｔｉの実質量を減少させることによって発熱量を低くできるものである。この時、金属コイル２３はセラミックス被膜３２，３３，３４で被覆されているので、無収縮セラミックスの充填部材２１内に金属コイル２３を内包した場合には、セラミックス被膜３２，３３，３４が充填部材２１に対して熱膨張係数緩和を行う機能を発揮し、充填部材２１の割れ、クラック等の発生を防止することができる。
【００３２】
この実施例のセラミックスグロープラグについて、昇温特性を測定した結果を図５に示す。このセラミックスグロープラグ（本発明品）の昇温特性を、従来のタングステンコイルを用いたグロープラグ（従来品）の昇温特性と比較した。図５において、横軸に通電時間（ｓｅｃ）をとり、縦軸に発熱部８の表面温度（℃）をとっている。図５から分かるように、本発明品は従来品に比較して通電時間が短くて所定の温度（１０００℃）まで同様に昇温しており、速熱性に優れていることが分かる。
【００３３】
また、本発明品とセラミックス被膜を行っていないＦｅ−Ｃｒコイルを用いた従来品との耐久性評価を行うため、室温から１０００℃までの昇温と降温とを５００サイクル繰り返した後、充填部材を構成するセラミックス及び金属コイルの観察を行った。本発明品では、充填部材２１には亀裂等の破損の発生は認められなかった。本発明品の金属コイル２３のコイル表面に反応層の発生は認められなかった。これに対して、従来品の充填部材を構成するセラミックスには亀裂が発生していることが認められた。また、セラミックス被膜を行っていないＦｅ−Ｃｒコイルでは、コイル表面にシリサイドの反応層の発生は認められた。シリサイドの厚さは５０μｍであった。即ち、本発明品は、従来品に比較して耐久性に富んでいることが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によるセラミックスグロープラグは、発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、該金属コイルの周囲をＳｉ，Ｔｉを含む気孔率が１０％以上の反応焼結セラミックスから成るグロープラグ本体、及び該グロープラグ本体の表面に形成された粒界に酸化物を含まないセラミックスから成る被膜から構成し、前記被膜は前記発熱体コイルに接して形成されているので、最外周部が被膜の薄膜であり、発熱体コイルに接触した状態になる。従って、被膜の熱容量が小さくなって高い熱伝導率であるので、発熱部が急速に昇温できる。また、被膜自体は、Ｓｉ3 Ｎ4 のＣＶＤ膜で構成でき、粒界に助剤等の酸化物を含んでおらず、被膜の部分でのフォノン散乱が生じ難く、熱が伝わり易い構造になっている。また、被膜では、その結晶粒も５０μｍと大きい構造であるので、熱伝導率が高くなる。
【００３５】
このセラミックスグロープラグについて、前記金属コイルに電流を流せば、前記発熱体コイルで発生した熱は前記被膜を加熱して外部に放熱するのに対して前記電流制御用コイルでは温度上昇に伴って前記電流制御用コイルに流れる電流が抑制され、電流制御部を構成する。即ち、前記電流制御用コイルが高温になれば、その抵抗値が大きくなり、前記金属コイルに流れる電流が小さくなり、前記外殻からの発熱量が自己制御され、発熱部が最適値に制御されることになる。
【００３６】
また、このセラミックスグロープラグは、最外周部の前記被膜が薄膜であるのでその熱容量が小さく、しかも前記被膜の熱伝導率が高いので、急速な昇温が可能になる。また、前記グロープラグ本体を構成する反応焼結セラミックスは焼成時に収縮が発生せず、しかも金属コイルのコイル形状の自由度が大きくなり、最も形状の安定したコイル状の三次元形状に形成することができ、発熱体コイルはコイル状に形成されて被膜の内壁面に密着しており、通電時に温度が不均一になることがなく、発熱時の温度分布が均一になって、内部のグロープラグ本体の割れ等が発生せず、耐久性に富むと共に低コストで製造できる。
【００３７】
或いは、この発明によるセラミックスグロープラグは、緻密質セラミックスから作製した外殻、該外殻内に内包された発熱体コイルと電流制御用コイルとを直列に接続し且つ端子を有する金属コイル、前記外殻内に充填され且つ前記金属コイルの間隙に配置されているＳｉ，Ｔｉ，Ｓｉ3 Ｎ4 を含むセラミックスから成る充填部材、及び前記金属コイルの表面に形成されている熱膨張係数が異なる複数層のセラミックス被膜から構成したので、セラミックス被膜が前記金属コイルと前記充填部材との間の熱膨張差を吸収する熱膨張傾斜機能材即ち熱膨張差の緩和材として機能し、前記充填部材の割れ等の発生を防止でき、耐久性を向上でき、昇温特性も向上させることができる。更に、前記充填部材を作製する場合に、Ｓｉ3 Ｎ4 粉末を含んでいるので、焼結時の発熱量を小さくでき、前記充填部材を所望の多孔質の無収縮セラミックスに構成できる。
【００３８】
また、前記セラミックス被膜は電気泳動法により被覆されたＭｇＯ，ＺｒＯ2，Ａｌ2 Ｏ3 の各層から構成され、前記各層はそれらの熱膨張係数が傾斜的になるように配置されているので、前記セラミックス被膜を所望な熱膨張傾斜機能に形成できる。前記発熱体コイルが発熱部を構成するが、前記発熱体コイルが前記外殻の内壁面に接触して配置されているので、前記外殻全体が均一に温度上昇する。前記外殻の内壁面に前記発熱体コイルが密着し、前記発熱体コイルを埋める状態に前記充填部材が充填されているので、前記発熱部の熱伝導性が極めて良好になり、通電すると直ちに昇温し、速熱性を向上させることができる。
【００３９】
また、前記外殻内に充填した無収縮セラミックスは、Ｓｉ，Ｔｉ及びＳｉ3 Ｎ4 を含んでいる原料を緻密質のＳｉ3 Ｎ4 からなる外殻内に充填してＮ2 ガス内で反応焼成することによって、ＳｉとＴｉとをＳｉ3 Ｎ4 ，ＴｉＮ，ＴｉＯ2 ，ＴｉＯＮに変化させるものであり、前記外殻を緻密質Ｓｉ3 Ｎ4 で作製しておけば、焼成時にＴｉＮが膨張し、外殻のＳｉ3 Ｎ4 と反応Ｓｉ3 Ｎ4 とが密着することができ、しかも、加圧無しで焼成しても、ＴｉＮの膨張作用によって外殻と充填部材との間の境界に隙間が発生せず、前記金属コイルを三次元形状に形成しても該金属コイルと前記外殻との接触状態を悪化させることがなく、熱伝達効率を向上でき、発熱部での迅速な昇温を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるセラミックスグロープラグの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のセラミックスグロープラグにおける通電時間と発熱部の表面温度との関係を示すグラフである。
【図３】この発明によるセラミックスグロープラグの別の実施例を示す断面図である。
【図４】図３のセラミックスグロープラグの金属コイルと充填部材との境界を説明するための拡大断面図である。
【図５】図３のセラミックスグロープラグにおける通電時間と発熱部の表面温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    グロープラグ本体
２    被膜
３，２３  金属コイル
４，２４  電流制御用コイル
５，２５  発熱体コイル
６，７，２６，２７  接続線
８，２８  発熱部
９    グロープラグ本体の表面
１０，３５  閉鎖端部
１１，３１  開口端部
１２  被膜の内面
２１  充填部材
２２  外殻
２９  充填部材の表面
３０  セラミックス被膜
３２  ＭｇＯのセラミックス被膜
３３  ＺｒＯ2 のセラミックス被膜
３４  Ａｌ2 Ｏ3 のセラミックス被膜
【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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