(57)【要約】【課題】セラミック発熱体と筒状金具及び取付金具との接合によるセラミック発熱体の割れや偏芯がなく、かつ使用中にセラミック発熱体中の発熱抵抗体が断線することなく、長時間の連続使用が可能である耐久性に優れたセラミックヒータ、ひいては安価に製造可能なセラミックグロープラグを提供することにある。【解決手段】先端側に備えた発熱抵抗体と、これに接続する電極引出部を備えた窒化珪素質セラミックスからなるセラミック発熱体の後端側に、前記電極引出部と接続する筒状金具を取り付けたセラミックヒータにおいて、前記筒状金具が、前記セラミック発熱体と接合する小径円筒部の外周面に連続してテーパー構造部と大径円筒部を順次有する二段円筒構造であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に備えた発熱抵抗体と、これに接続する電極引出部を備えた窒化珪素質セラミックスからなるセラミック発熱体の後端側に、前記電極引出部と接続する筒状金具を取り付けたセラミックヒータにおいて、前記筒状金具が、前記セラミック発熱体と接合する小径円筒部の外周面に連続してテーパー構造部と大径円筒部を順次有する二段円筒構造であることを特徴とするセラミックヒータ。
【請求項２】
前記筒状金具が、大径円筒部の外周面の段差部を起点として開放端に向かって縮径する嵌合部を有することを特徴とする請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
請求項２に記載のセラミックヒータにおける前記嵌合部を開放端面を有する取付金具の内周面に圧入し前記段差部と前記開放端面を当接させたことを特徴とするグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの始動促進用グロープラグや、各種燃焼機器の点火用ヒータ及び加熱機器の加熱用ヒータとして用いられるセラミックヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
年々、ディーゼルエンジンの始動促進用に用いられるグロープラグや、各種点火用及び加熱用ヒータとして、短時間の急速昇温ができ、電波障害がなく、確実に点火して安全かつ雰囲気を問わず長時間の使用が可能である耐摩耗性と耐久性に優れた信頼性の高いヒータとして、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ヒータが広く利用されるようになってきた。
【０００３】
前記セラミックヒータは、例えば図２に示すように、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これらの化合物より成る発熱抵抗体２をセラミック発熱体４３中に埋設したり、前記高融点金属もしくはこれらの化合物を主体とする発熱抵抗体ペーストを前記セラミック発熱体４３中にパターン印刷して焼成一体化したセラミック発熱体４３が筒状金具４６に接合されて、前記セラミック発熱体４３に埋設されている電極引出部一端（不図示）が電気的に接続され、更に筒状金具４６が取付金具５８と接合されて負電極を構成する。
【０００４】
一方、電極引出部他端（不図示）はセラミック発熱体４３の後端側４４に装着されたキャツプ状の電極取出金具６２に溶接されたリード線５４を介し、端子棒６６に接続されて正電極となるように構成されている。
【０００５】
この場合、一般にセラミック発熱体４３は、エンジンや各種燃焼加熱機器の高温燃焼ガスや高温雰囲気に耐えるように高融点ロウ材を用いて筒状金具４６にロウ接され、更に該筒状金具４６は前記高温燃焼ガスや高温雰囲気に直接曝されることがないために低融点ロウ材を用いて取付金具５８にロウ接されている（特許文献１参照）。
【０００６】
しかるに、前記セラミックヒータ４７は高融点ロウ材、低融点ロウ材のいずれを使用する場合でも、セラミック発熱体４３と筒状金具４６、及び筒状金具４６と取付金具５８のロウ接が局部的に加熱して接合されるため、筒状金具４６や取付金具５８とセラミック発熱体４３との熱膨張差からセラミック発熱体４３に引張応力が作用し、セラミック発熱体４３が割れる恐れがあった。また、接合時にセラミック発熱体４３に大きな割れを生じなくとも使用中に内在する微小な割れが進展し、セラミック発熱体４３中の発熱抵抗体（不図示）が断線するという不具合が発生する恐れがあった。
【０００７】
更に、ロウ接するためにはセラミック発熱体４３と筒状金具４６、及び筒状金具４６と取付金具５８の間にロウ材を流し込むための隙間が必要であり、このためにセラミック発熱体４３が偏芯して取り付けられる恐れがあり、エンジン本体や各種燃焼機器及び加熱機器にセラミックヒータを取り付ける際、前記エンジンや各種機器等の挿入孔に片当たりしてセラミック発熱体４３が破損するという課題もあった。
【０００８】
これらの問題に対し、例えば、図３に示すように、セラミック発熱体８３に段差部９２を有する筒状金具８６を接合するとともに、該筒状金具８６の段差部９２を取付金具９８に設けた段座９６に導電性ガスケット８９を介して、ロウ接せずに加圧接合して、当接するという方法が開示されている（特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特公平１−２９４２６号公報
【特許文献２】
特開平５−１８５３６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記特許文献１では、図３に示すように、筒状金具８６を接合したセラミック発熱体８３を導電性ガスケット８９を介して筒状金具８６の段差部９２と取付金具９８の段座９６にて当接し、セラミック発熱体８３の後端側８４に絶縁体１０４に挿通した端子棒１０６を連結し、取付金具９８の後端周縁１０９を絶縁体１０４の端面１１０で加締めて、筒状金具８６と取付金具９８をロウ接せずに加圧接合するため、加圧方向が使用時にかかる燃焼側からのガス圧の方向と反対方向であり、接合後における加圧力の度合いが、繰り返しの使用においてその気密性、及び強度に影響を与えるという恐れがあった。
【００１１】
更に、多種のエンジンに対応して、筒状金具８６及び取付金具９８はそれぞれ固有のものを、エンジンに対して設計及び取り付ける必要性があり、製造コストの高騰につながる問題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑みて本発明は、先端側に発熱抵抗体を備えた窒化珪素質セラミックスからなるセラミック発熱体の後端側に、前記発熱抵抗体と接続する電極引出部を具備した筒状金具を有するセラミックヒータにおいて、前記筒状金具が前記セラミック発熱体と接合する小径円筒部の外周面に連続してテーパー構造部と大径円筒部を順次有する二段円筒構造であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記大径円筒部の外周面に段差部を有し、開放端に向かって縮径する嵌合部が形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記嵌合部を開放端面を有する取付金具の内周面に圧入し前記段差部と前記開放端面を当接させたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のセラミックヒータ及びグロープラグによれば、先端側に発熱抵抗体を備えた窒化珪素質セラミックスからなるセラミック発熱体の後端側に、前記発熱抵抗体と接続する電極引出部を具備した筒状金具を有するセラミックヒータにおいて、前記筒状金具が前記セラミック発熱体と接合する小径円筒部の外周面に連続してテーパー構造部と大径円筒部を順次有する二段円筒構造である筒状金具の大径円筒部の外周面の段差部を起点として開放端に向かって縮径する嵌合部を開放端面を有する取付金具の内周面に圧入し前記段差部と前記開放端面を当接させたことことから、従来のセラミック発熱体付近での筒状金具と取付金具の高周波加熱コイル等による局部的な加熱によるロウ接を排除することが出来、セラミック発熱体の割れ、及び発熱抵抗体の断線を防止することが出来る。
【００１６】
また、筒状金具と取付金具の接合箇所は、従来のロウ接時の局部的加熱による残留歪み（応力）の低減に加えて、使用中の熱による残留歪みの解放も低減されるとともに、セラミック発熱体と取付金具の偏芯を低減することができ、エンジンや各種機器等の挿入孔にセラミック発熱体が片当たりすることによる破損を防止出来る。
【００１７】
また、本発明のグロープラグによれば、前記筒状金具と取付金具を圧入嵌合による接合方法としたことから、比較的容易な接合となり、製造コストの高騰を防止することが出来る。
【００１８】
圧入嵌合による接合前の位置合わせ（芯合わせ）が自然に嵌合部に沿って容易に出来、高い同軸度を有するグロープラグの製造が可能となる。
【００１９】
また、筒状金具の外周面に嵌合部を形成したことから、使用中の筒状金具の熱膨張により、嵌合部の締め代が強化される。
【００２０】
軸方向の長寸制御及びその確認が容易に出来る。
【００２１】
さらには、多種のエンジンに対しても、筒状金具は固定化でき、取付金具の容易な設計変更による対応で、総合的に安価なグロープラグを提供することが出来る。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態をグロープラグを例に図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明のセラミックヒータ７をディーゼルエンジンに使用されるグロープラグに適用した一例をその内部構造とともに示すものである。セラミックヒータ７は窒化珪素質焼結体中に無機導電材からなる発熱抵抗体２を埋設したセラミック発熱体３で形成されたものである。
【００２４】
前記セラミックヒータ７には前記セラミック発熱体３と接合するための小径円筒部８とシール面となるテーパー構造部１０と該テーパー構造部に連続する大径円筒部とからなる二段円筒構造を形成した筒状金具６をロウ接することによりセラミック発熱体３に埋設された発熱抵抗体２の電極引出部５ａ、５ｂが電極端子として導出されている。
【００２５】
この構造により、取付金具２２の内周面１９及び開放端面２０の容易な設計変更だけで、筒状金具６の設計仕様を変更不要とし、互換性を高くすることが可能になった。
【００２６】
一方、セラミック発熱体３の後端側４には、筒状金具６と同時に電極取出金具２２がロウ接されている。
【００２７】
前記筒状金具６の前記大径円筒部１１の外周面には、段差部１２を有し、開放端１３に向かって縮径する嵌合部３１が形成されており、筒状金具６と取付金具１８は、該筒状金具６の該嵌合部３１と取付金具１８の内周面で圧入嵌合し、前記段差部１２を取付金具１８の開放端面２０に当接させて接合し、負電極とするとともに、電極取出金具２２に、ワッシャー等の導電性緩衝材２３を介して絶縁体２４に挿通したフランジ２５を有する端子棒２６が内挿されて連結され、取付金具１８の後端周縁２９を絶縁体２４の端面３０で加締めて固着し、セラミック発熱体３の後端側４にロウ接した電極取出金具２２と端子棒２６も同様に加圧接合して正電極とし、端子棒２６にベークライト等の絶縁性ワッシャー２７をナット２８で固定することにより、取付金具１８の負電極と、端子棒２６の正電極とが絶縁されてセラミックグロープラグ２１が構成されている。
【００２８】
前記導電性緩衝材２３は、接触抵抗を下げるために比抵抗が１０−２Ωｃｍ以下、ブリネル硬さが１００以下の特性を有する材料で形成された、例えば銅製品等が好適に用いられる。
【００２９】
また、端子棒２６は絶縁体２４に挿通して取付金具１８の後端周縁２９を絶縁体２４の端面３０で加締めることにより、電気的な絶縁性が確保されている。
【００３０】
前記端子棒２６を挿通する絶縁体２４は、取付金具１８の後端周縁２９の加締めに耐えられるように圧縮強度が５ＭＰａ以上である絶縁性碍子、例えばアルミナ製碍子、樹脂性碍子等が好適に用いられる。
【００３１】
更に、端子棒２６と絶縁体２４との間を接着剤、例えば嫌気性接着剤で固定することにより、その固着をより強固なものとすることができる。
【００３２】
尚、本発明のセラミックヒータにおいて、無機導電材からなる発熱抵抗体２としてはタングステン（Ｗ）、ミモリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の高融点金属の他、例えばタングステンカーバイト（ＷＣ）、窒化チタン（Ｔｉん）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ２）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も好適に用いられる。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明の実施例が以下に詳述するようにして評価した。
【００３４】
まず、窒化珪素粉末に希土類元素の酸化物等の焼結助剤を加えたセラミック粉末を周知のプレス成形法等で平板状の成形体に成形し、該成形体上にタングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とするペーストを用いてスクリーン印刷法により、Ｕ字状のパターンで発熱抵抗体を形成し、同様にして成形体の側面まで電極引出部を形成する。
【００３５】
次に、前記発熱抵抗体と電極引出部を電気的に接続するようにリードピンを載置し、その上に別の成形体を重ねた後、ホットプレス焼成法により、断面角状のセラミック発熱体を得た。（以上、不図示）
次に、図１のように前記断面角形状のセラミック発熱体を外径が２．９ｍｍとなるように丸め加工を施し、セラミック発熱体３を作製した。
【００３６】
次に、前記セラミック発熱体３に、筒状金具６と電極取出金具５ａ、５ｂを同時にロウ接し、本発明のセラミックヒータ７を作製した。
【００３７】
かくして得られたセラミックヒータ７に先述の如き条件で取付金具１８等を圧入嵌合して組み立て、図１（ａ）に示すグロープラグ２１を作製した。
【００３８】
また、比較用に前記セラミック発熱体３を用い、前記グロープラグ２１と外寸が同様の図２（比較例１）及び図３（比較例２）に示すグロープラグ６１，１０１を作製した。
【００３９】
図４に示すように、上記各試料の評価は、最初に片持ち強度を取付金具１８及び筒状金具６のテーパー構造部１０までをより実機に近い形で筺体３２に固定し、１２７Ｎの荷重Ｎを加えて片持強度を評価した。
【００４０】
次に昇温特性を、印加電圧１１Ｖにて３．５秒後の温度をセラミック発熱体３の先端より２ｍｍの温度評価位置Ｔで測温評価した。
【００４１】
気密性は、ＪＩＳ−Ｄ５１０３に規定された気密漏洩試験により、セラミック発熱体３側から４ＭＰａのガス圧Ｐを１５秒間加えて、ガス漏れＲを測定した。
【００４２】
また、取付金具１８を基準にセラミック発熱体１３の同軸度を投影機で計測した。
【００４３】
Ｘ線透過検査により発熱抵抗体２やセラミック発熱体３の割れを検査した。
【００４４】
上記の結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１から判るように、片持ち強度及び昇温特性においては、構造が従来品と変わったことの影響が懸念されたが、比較例１，２と本発明品の実施例１，２は、その筒状金具６と取付金具２２の外径によらず、同等であることが認められた。また、Ｘ線透視検査でも、セラミック発熱体に割れは認められなかった。さらに、本発明品は、セラミック発熱体の取付金具との偏芯（同軸度）も極めて小さくなっていることが確認された。また、気密性においても、本発明品は極めて良好であることが認められた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、先端側に発熱抵抗体を備えた窒化珪素質セラミックスからなるセラミック発熱体の後端側に、前記発熱抵抗体と接続する電極引出部を具備し、前記電極引出部に筒状金具を有するセラミックヒータにおいて、前記筒状金具が前記セラミック発熱体と接合するための小径円筒部とエンジンのシリンダーヘッドのシート面と接触してシールするためのテーパー構造部と該テーパー構造部に接続される大径円筒部とからなる二段円筒構造体としたことから、セラミック発熱体付近での筒状金具と取付金具の高周波加熱コイル等による局部的な加熱によるロウ接を排除することが出来、セラミック発熱体の割れ、及び発熱抵抗体の断線を防止することが出来る。
【００４８】
しかも、前記大径円筒部の開放端側外周面が、該開放端に向かって縮径するテーパー面を有し、その拡径側外周面に軸方向に対して垂直な端面を形成したことから、取付金具の組み付け、接合時において、高い同軸度を有するグロープラグの製造が可能となる。さらには、多種のエンジンに対しても、筒状金具は固定化でき、取付金具の容易な設計変更による対応で、総合的に安価なグロープラグを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータをディーゼルエンジンに使用されるグロープラグに適用した要部の断面図であり、（ａ）（ｂ）は筒状金具より径の大きな取付金具で構成された断面図であり、（ｃ）（ｄ）は筒状金具より径の小さな取付金具で構成された断面図である。
【図２】従来のセラミックヒータをディーゼルエンジンに使用されるグロープラグに適用した要部であり、（ａ）は組み立て後、（ｂ）は組み立て前の断面図である。
【図３】従来の他のセラミックヒータをディーゼルエンジンに使用されるグロープラグに適用した要部であり、（ａ）は組み立て後、（ｂ）は組み立て前の断面図である。
【図４】片持強度、昇温特性、気密特性の測定方法を示す図である。
【符号の説明】
１：  先端側
２：  発熱抵抗体
３：  セラミック発熱体
４：  後端側
５ａ：電極引出部一端
５ｂ：電極引出部他端
６：  筒状金具
７：  セラミックヒータ
８：  小径円筒部
１０：テーパー構造部
１１：大径円筒部
１２：段差部
１３：開放端
１８：取付金具
１９：内周面
２０：開放端面
２１：グロープラグ
２２：取出金具
２３：導電性緩衝材
２４：絶縁体
２５：フランジ
２６：端子棒
２７：絶縁性ワッシャー
２８：ナット
２９：後端周縁
３０：絶縁体端面
３１：嵌合部
３２：筺体
５４：リード線
８９：導電性ガスケット
９５：先端内側
９６：段座
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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