(57)【要約】【課題】  金属リング、セラミックヒータの接合部の接触抵抗の上昇を抑制する効果を有するグロープラグを提供する。【解決手段】  グロープラグ５０は、自身の先端部に抵抗発熱体１１が埋設されているセラミックヒータ１を有する。また、抵抗発熱体１１に通電するための第１及び第２ヒータ端子１２ａ、１２ｂがセラミックヒータ１の外周面に露出形成されている。そして、セラミックヒータ１の外周面に露出している第１及び第２ヒータ端子１２ａ、１２ｂを覆うとともに、これと導通する金属嵌合部材としての第１及び第２端子リング１４、３が、セラミックヒータ１の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられている。さらに、第１及び第２端子リング１４、３の内周面にはイオン化傾向がＮｉ以下の金属層が形成されている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の形態を有するとともに自身の先端側に抵抗発熱体が埋設されたセラミックヒータと、該セラミックヒータの後端側外周面を取り込むように接合された第１金属嵌合部材と、該第１金属嵌合部材より先端側に配置され、該セラミックヒータの外周面を取り囲むように接合された第２金属嵌合部材と、それぞれの金属嵌合部材と前記抵抗発熱体とを電気的に接続するためにセラミックヒータに埋設されたＷ及びＭｏの少なくとも一方を含んでなる一対の導電体と、該導電体の一方に形成され第１金属嵌合部材と接合する第１露出部と、前記導電体の他方に形成され第２金属嵌合部材と接合する第２露出部と、を備えるグロープラグにおいて、
前記第１露出部及び前記第２露出部にそれぞれ対向する前記第１金属嵌合部材及び第２金属嵌合部材の内周面に、イオン化傾向がＮｉ以下の金属層が形成され、且つ該金属層は各露出部の面積に対して３０％以上の面積と当接することを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
前記金属層は、Ａｇ及びＡｕの少なくとも一方を含んでなるイオン化傾向がＨ以下の金属層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。
【請求項３】
前記金属層の厚さが０．２〜１０μｍである請求項１又は２に記載のグロープラグ。
【請求項４】
前記金属層の厚さが０．３〜１０μｍである請求項１ないし３に記載のグロープラグ。
【請求項５】
棒状の形態を有するとともに自身の先端側に抵抗発熱体が埋設されたセラミックヒータと、該セラミックヒータの後端側外周面を取り込むように接合された第１金属嵌合部材と、該第１金属嵌合部材より先端側に配置され、該セラミックヒータの外周面を取り囲むように接合された第２金属嵌合部材と、それぞれの金属嵌合部材と前記抵抗発熱体とを電気的に接続するためにセラミックヒータに埋設されたＷ及びＭｏの少なくとも一方を含んでなる一対の導電体と、該導電体の一方に形成され第１金属嵌合部材と接合する第１露出部と、前記導電体の他方に形成され第２金属嵌合部材と接合する第２露出部と、を備えるグロープラグの製造方法において、
前記第１露出部及び前記第２露出部にそれぞれ対向する前記第１金属嵌合部材及び第２金属嵌合部材の内周面に、イオン化傾向がＮｉ以下の金属層を形成する工程の後に、該金属層を各露出部に対して当接するように前記各金属嵌合部材を前記セラミックヒータに接合する工程を経て形成されるグロープラグの製造方法。
【請求項６】
前記金属層を形成する工程は、Ａｇ及びＡｕの少なくとも一方を含んでなるイオン化傾向がＨ以下の金属層を形成する工程であることを特徴とする請求項５に記載のグロープラグ。
【請求項７】
前記金属層と前記露出部とが３０％以上の面積をもって当接させ、接合させることを特徴とする請求項５又は６に記載のグロープラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン予熱用のグロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記のようなグロープラグとして、筒状の主体金具の先端部内側に、棒状のセラミックヒータの先端部を突出させる形で配置したものが広く使用されている。そして、セラミックヒータへの通電は、電源に接続される主体金具の後端部に設けられた金属軸から、該金属軸とセラミックヒータとを接続する金属リード部を通り、第１金属嵌合部材、セラミックヒータの導電体（導電部、抵抗発熱体、導電部）、第２金属嵌合部材、主体金具の順で通過し、エンジンヘッド等を介して行われる。そして、従来のグロープラグにおいてセラミックヒータと金属リード部との接続は、接触抵抗の増大を抑えるために、例えば、抵抗発熱体に接続される導電部のセラミックヒータから露出された部分（以後、単に露出部ともいう）に金属メッキを施し、金属リード部を接続した金属嵌合部材に内嵌めしたものがある（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１７５４１５号公報
【発明の開示】
【発明の解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように導電部の露出した部分にメッキをするために、あらかじめメッキを施した導電部をセラミックヒータへ埋設する方法がある。しかし、この方法では、そのセラミックヒータの仕上げ研削工程や、金属嵌合部材、主体金具等とセラミックヒータとの接合工程時に露出部のメッキが凹んだり剥離したりするおそれがあり、導通が不安定となることがある。この問題を回避するために、導電部を埋設した後に露出部のみにメッキを施すことも考えられる。しかし、そのためにはセラミックヒータの露出部以外の部分がメッキされないようにマスキングをした上で、セラミックヒータ全体にメッキを施すことになる。即ちセラミックヒータ全体をメッキ液へ浸けることとなり、メッキ液に浸けられたセラミックは傷み、耐久性が落ちるということが発明者らの研究により明らかとなっている。
【０００５】
そして、上記のようなセラミックヒータの導電部は、Ｗ、Ｍｏを含んでなるものがある。これは、セラミックヒータの導電部として、適度な抵抗値を持ち、また、導電部を包含するセラミック基体に近い熱膨張係数を持つため、グロープラグとしての信頼性を十分に得ることができる。しかし、その一方で、ＷやＭｏを含んでなる導電部において、露出部がセラミックヒータの発する熱によって自身の表面に酸化膜を形成することがあり、その結果として、単純に露出部に金属メッキを施したものであっても、金属嵌合部材と露出部との間の接触抵抗が増大してしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明の課題は、導電体と金属嵌合部材との接触抵抗の増大を低減し、導通確実な信頼性の高いグロープラグを提供すること、及び、そのグロープラグの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明のグロープラグは、棒状の形態を有するとともに自身の先端側に抵抗発熱体が埋設されたセラミックヒータと、該セラミックヒータの後端側外周面を取り込むように接合された第１金属嵌合部材と、該第１金属嵌合部材より先端側に配置され、該セラミックヒータの外周面を取り囲むように接合された第２金属嵌合部材と、それぞれの金属嵌合部材と前記抵抗発熱体とを電気的に接続するためにセラミックヒータに埋設されたＷ及びＭｏの少なくとも一方を含んでなる一対の導電体と、該導電体の一方に形成され第１金属嵌合部材と接合する第１露出部と、前記導電体の他方に形成され第２金属嵌合部材と接合する第２露出部と、を備えるグロープラグにおいて、
前記第１露出部及び前記第２露出部にそれぞれ対向する前記第１金属嵌合部材及び第２金属嵌合部材の内周面に、イオン化傾向がＮｉ以下の金属層が形成され、且つ該金属層は各露出部の面積に対して３０％以上の面積と当接することを特徴とするグロープラグである。
【０００８】
上記本発明のグロープラグは金属嵌合部材内周面にイオン化傾向がＮｉ以下の金属層を形成することを特徴としている。このため、金属嵌合部材の内周表面を平滑化して、金属嵌合部材とセラミックヒータの前記露出部とを機械的に接合することとなり、その露出部と金属嵌合部材との接合部において確実な導通を図ることができる。そして前記金属層は酸素との反応性が十分に低いイオン化傾向がＮｉ以下の金属層とすることで、露出部の酸化を防止する効果を果たしている。なお、この効果をより高めるために、形状としては、金属層が環状に均一に形成されることが望ましく、材質としては、高温の水蒸気と反応しない、イオン化傾向がＨ以下の金属を用いることが望ましい。
【０００９】
さらに本発明のグロープラグは、金属層と露出部とが接合する面積が、各露出部の面積に対してそれぞれ３０％以上である。このため、露出部と金属層が効果的に接合でき、接触抵抗の増大を抑制でき、グロープラグとして求められる性能を十分に発揮することができる。なお３０％を満たさない場合、繰り返し使用するにしたがって、金属層の当接していない露出部が酸化してしまい、その酸化が当接面にまで浸食し、接触抵抗が増大してしまう。その結果、ヒータへの導通も不確実なものとなり、信頼性の高いグロープラグを提供することができない。
【００１０】
本発明のグロープラグは、前記金属層の厚さが０．２〜１０μｍであることが望ましい。
【００１１】
本発明のグロープラグにおいて、金属層の厚さが０．２〜１０μｍとなることで有効に接触抵抗の増大を抑制できる。なお、０．２μｍ未満では上記効果が乏しく、１０μｍを超えて金属層を形成しても効果が向上することなく、製造にかかるコストや時間が増大するのみである。該金属層の厚さがさらに望ましいのは０．３〜１０μｍである。厚さが０．２μｍであると、製品の信頼性には問題ない範囲であるものの若干接触抵抗が上昇することが確認できる。しかし、０．３μｍあれば、この問題を十分回避した製品を提供することができる。
【００１２】
本発明のグロープラグは、棒状の形態を有するとともに自身の先端側に抵抗発熱体が埋設されたセラミックヒータと、該セラミックヒータの後端側外周面を取り込むように接合された第１金属嵌合部材と、該第１金属嵌合部材より先端側に配置され、該セラミックヒータの外周面を取り囲むように接合された第２金属嵌合部材と、それぞれの金属嵌合部材と前記抵抗発熱体とを電気的に接続するためにセラミックヒータに埋設されたＷ及びＭｏの少なくとも一方を含んでなる一対の導電体と、該導電体の一方に形成され第１金属嵌合部材と接合する第１露出部と、前記導電体の他方に形成され第２金属嵌合部材と接合する第２露出部と、を備えるグロープラグの製造方法において、
前記第１露出部及び前記第２露出部にそれぞれ対向する前記第１金属嵌合部材及び第２金属嵌合部材の内周面に、イオン化傾向がＮｉ以下の金属層を形成する工程の後に、該金属層を各露出部に対して当接するように前記各金属嵌合部材を前記セラミックヒータに接合する工程を経て形成される。
【００１３】
本発明のグロープラグの製造方法は、第１金属嵌合部材、第２金属嵌合部材のそれぞれの内周面に金属層を形成する。このため、セラミックヒータの仕上げ研削工程時や金属嵌合部材とセラミックヒータとの接合工程時に露出部を傷つけてしまうようなおそれがなく、導通が不安定になる危険性を防ぐことができる。
【００１４】
そして、その金属層と露出部が３０％以上の面積をもって当接するようにすると、前述の効果をより有効に得ることができるグロープラグを製造することができる。
【００１５】
なお、金属嵌合部材に金属層を形成する方法としては、スパッタ法、メッキ法、真空蒸着法等のどのような薄膜形成法を用いてもよい。特に、メッキ法を用いて金属層を形成するとよい。メッキ法により金属層を形成することで、金属嵌合部材の内周面に一様に金属層が形成される。これにより、締まり嵌めにて金属嵌合部材と断面が円形であるセラミックヒータとを嵌合させるため、該金属嵌合部材にひずみを生じることがなく、金属嵌合部材に熱応力がかかったとしても、熱応力のかかる方向は一様となり、金属嵌合部材に亀裂が入ったり、グロープラグが破損したりする危険性を低減させることができる。
【発明の実施の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態の一例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のグロープラグの一例を、その内部構造とともに示すものである。また、図２は、その要部を拡大して示すものである。該グロープラグ５０は、セラミックヒータ１とこれを保持する主体金具４とを有する。セラミックヒータ１は棒状の形態を有し、自身の先端部２ｆに抵抗発熱体１１が埋設されている。また、抵抗発熱体１１に通電するための第１ヒータ端子（第１露出部）１２ａがセラミックヒータ１の後端部２ｒ外周面に露出形成されている。第２端子リング（第２金属嵌合部材）３は筒状に形成され、セラミックヒータ１を、自身の後端部２ｒ及び先端部２ｆをそれぞれ軸線Ｏ方向において突出させる形で自身の内側に保持している。主体金具４は、第２端子リング３に同軸的に結合される筒状に形成されている。
【００１７】
次に、主体金具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、取付部としてのねじ部５が形成され、後端部４ｒには金属軸６が取り付けられている。該金属軸６は棒状の形態をなし、主体金具４の後端部４ｒの内側に軸線Ｏ方向に挿入されるとともに、該軸線Ｏ方向において自身の先端面６ｆがセラミックヒータ１の後端面１ｒと対向する形で配置されている。他方、セラミックヒータ１の後端部２ｒの外周面には、第１ヒータ端子１２ａと導通する第１端子リング（第１金属嵌合部材）１４が、締まり嵌め状態にて該第１ヒータ端子１２ａを覆うように取り付けられている。そして、金属軸６と第１ヒータ端子１２ａとは、一端が第１端子リング１４に結合され、他端が金属軸６に結合された金属リード部１７により、電気的に接続されている。
【００１８】
セラミックヒータ１の外周面には、軸線Ｏ方向において第１ヒータ端子１２ａよりも前方側に、抵抗発熱体１１に通電するための第２ヒータ端子（第２露出部）１２ｂが露出形成されている。そして、該第２ヒータ端子１２ｂを覆うとともにこれと導通する円筒状の第２端子リング３が、セラミックヒータ１の後端部２ｒを自身の後方側に突出させた状態にて、該セラミックヒータ１の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられている。そして、主体金具４は、円筒状のヒータ保持面４ａにおいて該第２端子リング３の外周面に取り付けられている。
【００１９】
さらに、本発明においては、金属嵌合部材としての第１端子リング１４、第２端子リング３のそれぞれには、それらリングの内側表層部は、上記したようなイオン化傾向がＮｉ以下の例えばＣｕの金属層４１とされている。図８は、金属嵌合部材としての第１端子リング１４の軸断面を示すものである。図８に示すように、内周面４１ａからさらに第１端子リング１４の内部に向かって、厚さｗ（μｍ）の金属層４１が形成されている。なお、金属層４１の厚さｗは、０．２〜１０μｍとなっている。このような厚さの層を形成するには、たとえば、スパッタ法、メッキ法、真空蒸着法等の方法を好適に採用することができる。すなわち、セラミックヒータ１と端子リングとを締まり嵌めにより組み付けてグロープラグを作製したときに、各ヒータ端子１２ａ、１２ｂのそれぞれ対向する端子リングの内周部に、イオン化傾向がＮｉ以下の金属層４１が形成されればよいのである。
【００２０】
また、上記の金属層は一層のみ形成するようにしても良いし、複数層を形成するようにしてもよい。例えば、金属嵌合部材との密着性が悪い金属層を形成しようとした場合、まず、金属嵌合部材と比較的密着性のよい下地金属層を形成した後、所望の成分にてなる金属層を形成してもよい。例えば、金属嵌合部材の内周面上に薄いＮｉストライクメッキ層を形成した後、さらにＣｕメッキ層を形成するのが特に効果的である。なお、本実施形態においては端子リングの内周面に、電解メッキ法により金属層を形成したが、周知の無電解メッキ法、スパッタ法、蒸着法、印刷法、ＣＶＤ法によりセラミックヒータ１側に金属層を形成してもよい。
【００２１】
このような、金属層の形成により、金属嵌合部材としての第１端子リング１４及び第２端子リング３をセラミックヒータ１に嵌合することによるヒータ端子１２ａ，１２ｂとの接触抵抗を、１０ｍΩ以下に抑えることができる。このように接触抵抗を低減することができれば、セラミックヒータ１と各端子リング１４、３との間の発熱を抑制することができ、ひいては、使用状態における緊束力の低下を抑制する。
【００２２】
例えば、金属嵌合部材を第１端子リング１４としたときの該接触抵抗の測定方法は次のようにする。まず、図７（ａ）に示すように、グロープラグ５０から第１端子リング１４が取り付けられたままの状態のセラミックヒータ１を取り出す。このとき、第１ヒータ端子１２ａと第１端子リング１４とは導通状態である。ついで、第１端子リング１４と第２ヒータ端子１２ｂとの間に電流を通電し抵抗を測定して、その測定値を分解前抵抗Ｒ１（Ω）とする。次に、図７（ｂ）に示すように、嵌合している第１端子リング１４をセラミックヒータ１から取り外して分解状態とする。そして、セラミックヒータ１の外周面に露出された第１ヒータ端子１２ａと第２ヒータ端子１２ｂとの間の抵抗を測定し、分解後抵抗Ｒ２（Ω）とする。金属嵌合部材としての第１端子リング１４と第１ヒータ端子１２ａとの接触抵抗は、Ｒ２−Ｒ１（Ω）として表す。また、第２端子リング３においても、同様の方法において、接触抵抗を測定することができる。なお、分解前抵抗は、第１端子リング１４及び第２端子リング３とを取り付けたままでの通電抵抗として、これに基づいて第１端子リング１４及び第２端子リング３の両者に起因する接触抵抗を、本明細書中の接触抵抗としてもよい。そしてこの接触抵抗は、（Ｒ１−Ｒ２）／Ｒ２×１００≦２０（％）を満足するようにしてもよい。
【００２３】
次に、主体金具４と第２端子リング３との組み付け形態については、例えば両者の内外周面の隙間を充填する形でろう付けするか、あるいは主体金具４の先端４ｆ側開口内縁と第２端子リング３の外周面とを全周レーザー溶接する形で固定するようにしてもよいが、本実施形態では、主体金具４もヒータ保持面４ａにおいて、第２端子リング３の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けるようにしている。これにより、グロープラグ５０の組立て工程を一層簡略化することができる。もちろん、上記方法を組み合わせ、圧入前にろう付けしてもよい。この様にすれば、接合強度はより強固なものとなる。また、主体金具４の第２端子リング３に対する嵌合面（ヒータ保持面４ａ）が軸線Ｏ方向において、第２端子リング３とセラミックヒータ１との嵌合面と重なる形となるので、セラミックヒータ１に対する第２端子リング３の緊束力に主体金具４の緊束力が重畳され、第２端子リング３とセラミックヒータ１との嵌合の気密性を一層高めることができる。
【００２４】
セラミックヒータ１への各端子リング１４、３の組み付けは、例えば図４に示すように、個々の端子リング１４あるいは３をセラミックヒータ１に対し、端部から軸線方向に挿入しつつ圧入する方法で組み付けることができる。なお、圧入に替えて焼き嵌めを用いてもよい。このうち、第１端子リング１４については、第１ヒータ端子１２ａとの導通が確保できる程度の緊束力が得られればよい。他方、第２端子リング３については、第２ヒータ端子１２ｂとの導通確保に加え、嵌合面における気密性を確保する必要があることから、第１端子リング１４よりは強い緊束力が求められる。いずれも、室温ではもちろん、各部に熱膨張が生ずるセラミックヒータ１の温度上昇時においても、必要十分な緊束力が確保されていることが重要である。一般に、セラミックと金属を比較した場合、インバーなどの特殊な合金を除けば、金属のほうが線膨張係数は高く、端子リング１４、３は昇温時には緊束力が緩みやすくなる傾向にある。
【００２５】
図２に示すように、金属リード部１７は、金属軸６と第１端子リング１４との間で屈曲した形で配置されている。これにより、セラミックヒータ１の発熱により加熱／冷却サイクルが加わった場合でも、金属リード部１７は、その屈曲部分で膨張／収縮を吸収することができ、ひいては金属リード部１７と第１端子リング１４との接合部に過度の応力が集中して接触不良や断線等の不具合が生ずることを防止できる。他方、金属リード部１７と金属軸６との接合を容易にかつ強固に行うために、金属リード部１７の金属軸６との接合端部が金属軸６の外周面先端部に対し、平面状の接合面をもって結合されている。例えば、金属リード部１７と金属軸６とを抵抗溶接により接合する場合、接合面を平面状としておくことは、抵抗溶接時の加圧力を均等に付加し、欠陥の少ない溶接部を形成する上でも有利となる。
【００２６】
他方、金属リード部１７と第１端子リング１４との接合は、第１端子リング１４をセラミックヒータ１に圧入等により組み付ける際に邪魔とならないように、先に第１端子リング１４をセラミックヒータ１に組み付けておいてから、その組み付けられた第１端子リング１４の例えば外周面に金属リード部１７の末端部を接合することが望ましい。この場合、その接合方法としては、抵抗溶接やろう付けが採用可能である。
【００２７】
セラミックヒータ１は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に抵抗発熱体１１が埋設された棒状のセラミックヒータ素子として構成されている。本実施形態においては、セラミックヒータ１は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体１０が埋設されたものとして構成されている。セラミック抵抗体１０は、セラミックヒータ１の先端部２ｆに配置される第一導電性セラミックからなり抵抗発熱体として機能する第一抵抗体部分１１と、該第一抵抗体部分１１の後方側において、セラミックヒータ１の軸線Ｏ方向に延伸する形で配置され先端部が第一抵抗体部分１１の通電方向における両端部にそれぞれ接合されるとともに、第一導電性セラミックよりも抵抗率が低い第二導電性セラミックからなり導電部として機能する１対の第二抵抗体部分１２、１２とを有する。そして、セラミック抵抗体１０の１対の第二抵抗体部分１２、１２には、それぞれ軸線Ｏ方向における互いに異なる位置に分岐部が形成され、それら分岐部の、セラミックヒータ１の表面への露出部が、それぞれ第１ヒータ端子１２ａ及び第２ヒータ端子１２ｂを形成してなる。
【００２８】
なお、抵抗発熱体１１への通電は、例えば図６に示すように、セラミック基体１３中に埋設されるＷ及びＭｏの少なくとも一方を含んで成る合金等の高融点金属線材からなる埋設リード線１８、１９を介して行うこともできる。この場合、第１ヒータ端子は埋設リード線１８の、また第２ヒータ端子は埋設リード線１９の、各露出部１８ａ及び１９ａとして形成される。なお、この場合においても、第１端子リング１４及び第２端子リング３とセラミックヒータ１との間の接触抵抗は、本発明の範囲内となっている。
【００２９】
次に、セラミック基体１３を構成する絶縁性セラミックとして、本実施形態では窒化珪素質セラミックが採用されている。窒化珪素質セラミックの組織は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする主相粒子が、後述の焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、ＳｉあるいはＮの一部が、ＡｌあるいはＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであってもよい。
【００３０】
窒化珪素質セラミックには、周期律表の３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ（例えばＡｌ）及び４Ｂ（例えばＳｉ）の各族の元素群及びＭｇから選ばれる少なくとも１種を前記のカチオン元素として、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜１０質量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物の形で添加され、焼結体中においては、主に酸化物あるいはシリケートなどの複合酸化物の形態にて含有される。焼結助剤成分が１質量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、１０質量％を超えると強度や靭性あるいは耐熱性の不足を招く。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは２〜８質量％とするのがよい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。
【００３１】
次に、セラミック抵抗体１０を構成する第一抵抗体部分１１及び第二抵抗体部分１２、１２は、前記した通り電気抵抗率の異なる導電性セラミックにて構成されている。両導電性セラミックの電気抵抗率を互いに異なるものとする方法は特に限定されず、例えば、
ａ：同種の導電性セラミック相を用いつつ、その含有量を互いに異ならせる方法；
ｂ：電気抵抗率の異なる異種の導電性セラミック相を採用する方法；
ｃ：ａとｂの組み合わせによる方法；
等、種々例示できるが、本実施形態ではａの方法を採用している。
【００３２】
導電性セラミック相としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ２）等、周知のものを採用できる。本実施形態ではＷＣを採用している。なお、セラミック基体１３との線膨張係数差を縮小して耐熱衝撃性を高めるために、セラミック基体１３の主成分となる絶縁性セラミック相、ここでは窒化珪素質セラミック相を配合することができる。従って、絶縁性セラミック相と導電性セラミック相との含有比率を変化させることにより、抵抗体部分を構成する導電性セラミックの電気抵抗率を所望の値に調整することができる。
【００３３】
具体的には、抵抗発熱部をなす第一抵抗体部分１１の材質である第一導電性セラミックは、導電性セラミック相の含有率を１０〜２５体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が２５体積％を超えると、導電率が高くなりすぎて十分な発熱量が期待できなくなり、１０体積％未満になると逆に導電率が低くなりすぎ、同様に発熱量が十分に確保できなくなる。
【００３４】
他方、第二抵抗体部分１２、１２は、その第一抵抗体部分１１に対する導通経路となるものであり、その材質である第二導電性セラミックは導電性セラミック相の含有率を１５〜３０体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が３０体積％を超えると焼成による緻密化が困難となり、強度不足を招きやすくなるほか、エンジン予熱のために通常使用される温度域に到達しても電気抵抗率の上昇が不十分となり、電流密度を安定化させるための自己飽和機能が実現できなくなる場合がある。他方、１５体積％未満では第二抵抗体部分１２、１２での発熱が大きくなりすぎて、第一抵抗体部分１１の発熱効率が悪化することにつながる。本実施形態では、第一導電性セラミック中のＷＣの含有率を１６体積％（５５質量％）、第二導電性セラミック中のＷＣの含有率を２０体積％（７０質量％）としている（残部いずれも窒化珪素質セラミック（焼結助剤含む））。
【００３５】
本実施形態においてセラミック抵抗体１０は、第一抵抗体部分１１がＵ字形状をなし、そのＵ字底部がセラミックヒータ１の先端２ｆ側に位置するように配置され、第二抵抗体部分１２、１２は、該Ｕ字形状の第一抵抗体部分１１の両端部からそれぞれ軸線Ｏ方向に沿って後方に延伸する、互いに略平行な棒状部とされている。
【００３６】
セラミック抵抗体１０において第一抵抗体部分１１は、動作時に最も高温となるべき先端部１１ａに対して電流を集中するために、該先端部１１ａを両端部１１ｂ、１１ｂよりも細径としている。そして、第二抵抗体部分１２、１２との接合面１５は、その先端部１１ａよりも径大となった両端部１１ｂ、１１ｂに形成されている。
【００３７】
なお、図６のように、埋設リード線１８、１９をセラミック中に配置する構造では、高温下でヒータ駆動用の電圧を印加したときに、埋設リード線１８、１９を構成する金属原子が、その電界勾配による電気化学的な駆動力を受けてセラミック側に強制拡散する、いわゆるエレクトロマイグレーション効果によって消耗し、断線等を生じやすくなる場合がある。しかし、図２の構成では埋設リード線が廃止されていることから、上記エレクトロマイグレーション効果の影響を本質的に受けにくい利点がある。
【００３８】
次に、図１に示すように、主体金具４の後端部４ｒ内側には、前述の通り、セラミックヒータ１に電力を供給するための金属軸６が主体金具４と絶縁状態にて配置されている。本実施形態では、金属軸６の後端側外周面と主体金具４の内周面との間にセラミックリング３１を配置し、その後方側にガラス充填層３２を形成して固定する形としている。なお、セラミックリング３１の外周面には、径大部の形でリング側係合部３１ａが形成され、主体金具４の内周面後端寄りに、周方向段部の形で形成された金具側係合部４ｅに係合することで、軸線方向前方側への抜け止めがなされている。また、金属軸６のガラス充填層３２と接触する外周面部分には、ローレット加工等による凹凸が施されている（図では網掛けを描いた領域）。さらに、金属軸６の後端部は主体金具４の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ８を介して端子金具７がはめ込まれている。該端子金具７は、周方向の加締め部９により、金属軸６の外周面に対して導通状態で固定されている。
【００３９】
グロープラグ５０は、主体金具４の取付部５において、セラミックヒータ１の先端部２ｆが燃焼室内に位置するようにディーゼルエンジンに取り付けられる。そして、端子金具７を電源に接続することで、金属軸６→金属リード１７→第１端子リング１４→セラミックヒータ１→第２端子リング３→主体金具４→（エンジンブロックを介して接地）の順序で電流が流れ、セラミックヒータ１の先端部２ｆが発熱して、燃焼室内の予熱を行うことができる。
【００４０】
以下、グロープラグ５０の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、セラミック抵抗体１０となるべき抵抗体粉末成形部３４を、射出成形により作成する。また、セラミック基体１３を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、上下別体に形成された基体成形体としての分割予備成形体３６、３７を用意しておく。これら分割予備成形体３６、３７には、上記抵抗体粉末成形部３４に対応した形状の凹部３７ａ（分割予備成形体３６側の凹部は図面に表れていない）をその合わせ面に形成しておき、ここに抵抗体粉末成形部３４を収容して分割予備成形体３６、３７を上記合わせ面において嵌め合わせ、さらにプレス・圧縮することにより、図３（ｂ）に示すように、これらが一体化された複合成形体３９を作る。
【００４１】
こうして得られた複合成形体３９を脱バインダ処理後、ホットプレス等により１７００℃以上、例えば約１８００℃前後で焼成することにより、焼成体とし、さらに外周面を円筒状に研磨にすればセラミックヒータ１が得られる。そして、図４に示す、あらかじめイオン化傾向がＮｉ以下（例えばＣｕ）のメッキ処理を内周面に施した第１端子リング１４及び第２端子リング３を該セラミックヒータ１に例えば圧入により締まり嵌め嵌合させ、さらに金属リード部１７及び主体金具４などの必要な部品を組み付ければ、図１に示すグロープラグ５０が完成する。上記メッキ処理は、第１ヒータ端子１２ａ、第２ヒータ端子１２ｂ、それぞれの露出部に対向する面に各露出部と当接するように金属層を形成すればよいが、実際には、図８に示す様に内周全面、若しくは内外周全面にわたってメッキ処理を行うのが容易であり、効果的である。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
まず、図１に示す形態のセラミックヒータ１を、上記説明した方法により作製した。ただし、セラミックヒータ１の長さｌは４０ｍｍ、外径φは３．５ｍｍであり、第二抵抗体部分１２、１２の太さは１ｍｍ、さらに第１ヒータ端子１２ａは軸線Ｏ方向に沿った平行な線分（２．０ｍｍ）のそれぞれの先端側端点を連結する円弧ｒ（半径ｒ＝０．４ｍｍ）、それぞれの後端側端点を連結する円弧（同前）により規定された領域（例えば、陸上競技におけるトラックのような形状）、第２ヒータ端子１２ｂは直径Ｒ＝０．８ｍｍの円状領域とした。以後、記載の実施例においてセラミックヒータ１はすべて上記のものを使用した。寸法の詳細を図９（ａ）に示す。
【００４３】
（実験例１）
前述したＳＵＳ６３０を用いて第１、第２端子リング１４、３を作製した。第１端子リングは肉厚が０．２５ｍｍ、軸線方向への長さが０．５〜６ｍｍ（実験例Ａ：６．０ｍｍ、実験例Ｂ：２．８ｍｍ、実験例Ｃ：２．２ｍｍ、実験例Ｄ：１．３ｍｍ実験例Ｅ：０．８ｍｍ、実験例Ｆ：０．５ｍｍ）、内径ｄ１はφ３．４ｍｍとし、第２端子リング３は肉厚が０．８５ｍｍ、軸線Ｏ方向への長さが２０ｍｍ、内径ｄ１’が３．４ｍｍとなるものを用意した。次いで、セラミックヒータ１と嵌合する第１、第２端子リング１４、３の内周側に、周知の全塩化物浴を使用してＮｉストライクメッキ層を形成した後、さらに硫酸塩浴を使用してＣｕメッキ層を形成し、厚さ３．２μｍの金属層４１とした。
【００４４】
このようにして作製した第２端子リング３を治具で固定し、セラミックヒータ１の所定位置に圧入により組み付けた。この所定位置とは図４に示すような、第２端子リング内周面にメッキされた金属層が第２ヒータ端子１２ｂと完全に当接する形で、第２端子リング３が嵌合された状態である。
【００４５】
第１端子リング１４も同様に治具で固定し、セラミックヒータ１に圧入により組み付けた。この際、セラミックヒータ１の第１ヒータ端子１２ａの表面積をＳとし、第１端子リング（図示しない）内周面に設けられた金属層４１の前記第１ヒータ端子１２ａに当接する面積をｓとした時に、図９（ｂ）実験例Ａ、Ｂに示すＳ＝ｓとなるもの、実験例Ｃに示すＳ＞ｓ（＝０．８Ｓ）となるもの、実験例Ｄに示すＳ＞ｓ（＝０．５Ｓ）となるもの、実験例Ｅに示すＳ＞ｓ（＝０．３Ｓ）となるもの、実験例Ｆに示すＳ＞ｓ（＝０．２Ｓ）となるものをそれぞれ用意した。なお、圧入時においては、各リングの内面には潤滑剤（パスキンＭ３０（商品名：共栄社化学（株））を適量塗布し、圧入後に３００℃にて該潤滑剤の分解処理を行っている。
【００４６】
そして、上記圧入操作によってセラミックヒータ１に割れあるいはクラック等の欠陥が発生していないか評価したうえで次の加熱耐久試験を行った。上記セラミックヒータ１と金属嵌合部材との組立体を図示しない熱サイクル処理炉内に載置し、接合部温度が４５０℃になるよう３０秒間加熱した後、接合部が５０℃になるように３０秒間冷却を行う。これを１サイクルとし、接触抵抗が上昇するまで試験を延長した。その結果を図１０に示す。
【００４７】
第２端子リング３を第２ヒータ端子１２ｂの露出部面積Sより大なる面積ｓで金属層１４が当接するように嵌合させたように第１端子リング１４を第１ヒータ端子１２aより大なる面積の金属層が当接するように勘合させたもの、即ちＳ＝ｓなる図９（ｂ）の実験例Ａにおいては、８０万サイクルを超えても接触抵抗の上昇が全く見られず、導通確実なものであった。図９（ｂ）の実験例Ｂは実験例Ａと同様なＳ＝ｓであるが、第１ヒータ端子１２ａを覆いうる最小の大きさの金属層であったために、くり返し試験を行うことによって、第１ヒータ端子１２ａの最外縁（図９（ｂ）の実験例Ｂにおいて、図面上下端）より微少な酸化膜形成が認められた。故に実験例Ａよりも劣る結果となっているが、信頼性の高いグロープラグとしての判断基準は、本試験において２０万サイクルを超えても接触抵抗が上昇しないことであるため、接触抵抗の上昇を低減する効果は十分に有している。
【００４８】
得られた結果図１０より、第１ヒータ端子１２ａと当接する第１端子リング１４にメッキを施した部分は、該端子の表面積の３０％以上あることが接触抵抗の上昇を低減することができ、有効であることがわかる。もちろん、各露出部に対して３０％以下の金属層が当接する形態であっても接触抵抗の上昇を抑える効果はあるが、グロープラグとしては上記のように３０％以上であることが望ましい。そして、この結果は第２ヒータ端子１２ｂ及び第２端子リング３に対しても同様のことがいえる。
【００４９】
一方、図１０に示した実験例１ＦのＳ＞ｓ（＝０．２Ｓ）なるものは、第１露出部１２ａの第１端子リング１４の内周面に形成した金属層４１の当接していない露出部より酸化層の形成が認められた。この酸化層がくり返し試験によって前記ヒータ端子と金属層の当接部に侵入するために２０万サイクル以下で接触抵抗が上昇する結果となった。
【００５０】
（実験例２）
次に、金属嵌合部材内周面に施すメッキをイオン化傾向が最も小さいＡｕを例として上記実験と同様の測定をした。その結果を図１０にあわせて示す（２Ａ〜２Ｆ）。
【００５１】
この結果と前実施例との比較により、金属層のイオン化傾向がより小さいほどヒータ端子の取り出し部分における接触抵抗の上昇を抑制する効果が大きいと言える。同様にイオン化傾向がＮｉ以下であるＮｉ、Ａｇについても、同図１０に示すように（Ｎｉ：３Ａ〜３Ｆ、Ａｇ：４Ａ〜４Ｆ）、イオン化傾向の大小に比例した性能が得られることがわかる。即ち、同じ使用状況下で比較をすれば、イオン化傾向が小さいほど長寿命化し、より高温の状況で使用しても同程度の耐久性が期待できると言える。しかし、実際にディーゼルエンジンに取り付け使用する場合には、イオン化傾向がＮｉ以下であれば十分に効果を得ることができ、性能、コストの両面を考慮するとＣｕメッキを施すのが適している。したがって、性能、寿命、コスト等を考慮して適宜イオン化傾向がＮｉ以下の金属、例えばＮｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等を金属層４１として利用することが可能であり、より高性能、長寿命を必要とする場合のみに上記したＡｕのようなイオン化傾向がＨ以下の、Ａｇ、Ａｕといった高温の酸素、水蒸気と反応しないようなものを用いればよい。
【００５２】
次に、前記金属層の厚さに関して検証した。まず、内径を３．３ｍｍとした第１端子リング１４に、実施例１と同様の方法により、金属層４１としてのメッキ層を種々の厚さに形成した。そしてこれらに、セラミックヒータを前記実施例１Ａの形態にて圧入により組み付けた。そして、前述した方法により、第１端子リング１４における接触抵抗を求めた。なお、比較例としてメッキ層を設けないものを用意し、同一の試験品を４セットについて、室温、４００℃で１００時間加熱後、５００℃で１００時間加熱後、６００℃で１００時間加熱後の接触抵抗を各々測定し、変化を調べた。結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
2004251613.tif 000003
【００５４】
金属層４１を形成していない比較例３−１については、室温（初期）での接触抵抗も金属層４１を形成した他の実施例（３−１〜３−７）に比べると若干劣り、熱試験を行うに伴って次第に抵抗値が増大した。これではグロープラグとしての十分な耐久性を期待することはできない。また、金属層４１を施したものであっても、実施例３−２に示した第１端子リング１４に施した金属層４１の厚さが０．１μｍのものでは十分な耐久性を持ち合わせていない。その厚さが０．２μｍ(実施例３−３)であれば、６００℃、１００時間後の熱試験後では若干接触抵抗が上昇するものの、グロープラグとして十分な耐久性を持っていることがわかる。もちろん、実施例３−４〜３−７に示す金属層４１の厚さが０．３〜１０μｍであれば、熱試験後であっても接触抵抗の上昇はほとんど無く（あったとしても微量増加であり、耐久性に問題を生じさせない。）、より望ましい。しかし、この金属層１４の厚さが１０μｍを超えてしまうと、金属層４１を施した第１端子リング１４とセラミックヒータ１とを勘合させる際に、クリアランスが不足するため、金属層４１が欠けてしまうという問題が生じる。たとえ金属層４１が欠けることが無く、熱試験における耐久性がグロープラグの耐久性として十分に満足するとしても、実質的な問題としてコストが嵩むという問題がある。したがってグロープラグとしては実施例３−２〜３−７に示す０．２〜１０μｍ程度の金属層４１が形成されていればよい。
【００５５】
また、金属層４１としてのメッキ層が０．２μｍよりも小さい場合は、金属層４１の厚さが不足し、クラックの発生を抑制する効果を持続できなくなり、抗折強度が低下する問題もある。一方、メッキ層の厚さが１０μｍを超えてしまうと、圧入時に一部メッキ層の剥がれ落ちが確認された。これは、メッキ層の厚さを１０μｍを超えて形成しても、メッキ工程に要する時間やコストを増大させるだけで、効果の向上は望めないことを裏付けている。
【００５６】
以上より、本発明においては金属層４１としてのメッキ層を０．２〜１０μｍの範囲内に調整して形成すれば、金属層４１の備える効果を存分に発揮させることができ、さらにはコストや要する時間も抑制できるといえる。
【００５７】
以上の実験結果からも、本発明のグロープラグ５０が長期にわたり高いレベルで信頼性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のグロープラグの一実施例を示す縦断面図。
【図２】図１の要部を示す縦断面図。
【図３】図１のグロープラグの製造工程の説明図。
【図４】図３に続く説明図。
【図５】分解後締め代の算出に使用する部位を説明する図。
【図６】図１のグロープラグの第一変形例を示す要部縦断面図。
【図７】接触抵抗の測定方法を説明する図。
【図８】第１端子リングの内周面領域に形成されている金属被覆層の形態を示す図。
【図９】実施例に用いたグロープラグの寸法の詳細を示す図、及び第１ヒータ端子に当接する金属層の割合を示す実験例の図。
【図１０】実験例の結果を示す図。
【符号の説明】
【００５９】
１  セラミックヒータ
２ｆ  セラミックヒータ先端部
２ｒ  セラミックヒータ後端部
３  第２端子リング（金属嵌合部材）
４  主体金具（金属嵌合部材）
４ｆ  主体金具先端部
４ｒ  主体金具後端部
１０  セラミック抵抗体
１１  第一抵抗体部分（抵抗発熱体）
１２、１２  第二抵抗体部分
１２ａ  第１ヒータ端子（ヒータ端子）
１２ｂ  第２ヒータ端子（ヒータ端子）
１４  第１端子リング（金属嵌合部材）
４１  金属層
４１ａ  嵌合面（金属層の表面）
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】
2004251613.tif 000010
【図８】
2004251613.tif 000011
【図９】
2004251613.tif 000012
【図１０】
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