(57)【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部に抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が自身の外周面に露出形成されたセラミックヒータを有し、かつ、
前記セラミックヒータの外周面に露出している前記ヒータ端子を覆うとともにこれと導通する金属嵌合部材が、前記セラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられているグロープラグにおいて、
前記セラミックヒータから前記金属嵌合部材を取り外した分解状態にて、前記金属嵌合部材側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ1が、１１μｍ以下となり、かつ、前記セラミックヒータ側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ2が、５μｍ以下となることを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
前記分解状態にて、前記セラミックヒータ側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ2が、３μｍ以下となる請求項１に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、ディーゼルエンジン予熱用のグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。セラミックヒータへの通電は、主体金具の後端部に設けられた金属軸（電源に接続される）と、該金属軸及びセラミックヒータを接続する金属リード部を介して行われる。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、例えば特開平１０−２０５７５３号公報あるいは特開２０００−３５６３４３号公報に開示されているように、金属リード部の先端部をコイル状に形成し、ヒータ端子が露出形成されたセラミックヒータの後端部をその内側に挿入して、両者をろう付けすることにより行われてきた。また、セラミックヒータの他方の端子を、金属リングを介して主体金具に接続し、グロープラグが取り付けられるエンジンブロックを介して接地する構造も多く採用されているが、この金属リングもまた、ろう付けによりセラミックヒータに接合されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ろう付けによる接合形態は、ろう材を挟み込む形で被接合材を組み立てる工程や、ろう材を溶融させる加熱工程など工数が多いため能率が悪い欠点がある。また、セラミックと金属リードあるいは金属リング等の金属部材の接合であるため、高価な活性ろう材を使用しなければならず、さらにろう付けのための加熱温度や雰囲気等も調整が微妙であり、前記した工数増大の問題とも相俟って製造コストの高騰につながりやすい。そのため、特開２０００−３５６３４３号公報には、セラミックヒータの接地側端子への金属リングの組み付けを焼き嵌めにより行う方法が開示されている。このように、焼き嵌め、冷し嵌め、圧入等の締め嵌めにより金属リングとセラミックヒータとを嵌合すれば、上記工数の増大等の問題は解決することができるが、製品の信頼性向上等の課題が残る。
【０００４】
本発明の課題は、金属リング及びセラミックヒータの組付けが簡便であり、信頼性の良好な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】
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部に抵抗発熱体が埋設され、また、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が自身の外周面に露出形成されたセラミックヒータを有し、かつ、
前記セラミックヒータの外周面に露出している前記ヒータ端子を覆うとともにこれと導通する金属嵌合部材が、前記セラミックヒータの外周面に締まり嵌め状態にて取り付けられているグロープラグにおいて、
前記セラミックヒータから前記金属嵌合部材を取り外した分解状態にて、前記金属嵌合部材側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ1が、１１μｍ以下となり、かつ、前記セラミックヒータ側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ2が、５μｍ以下となることを特徴とする。
【０００６】
本発明のグロープラグは、例えば、セラミックヒータの外周面に、抵抗発熱体に通電するためのヒータ端子が露出形成されており、セラミックヒータの外周面に露出しているヒータ端子と導通するように、例えば金属リング等の金属嵌合部材が締り嵌めにより取り付けられている。従って、この両部材の間の緊束力が不充分であると、良好なグロープラグの使用が行なわれないという問題がある。例えば、ヒータ端子と金属嵌合部材との間の接触抵抗が増加して、抵抗発熱体を良好に発熱しにくくなるという問題も生じる。さらに、該グロープラグをエンジンヘッドに取付けたときに、エンジンルーム内のガスがリークし易くなり、気密性を損ねる場合がある。
【０００７】
そこで、本発明者らは、締り嵌めにより金属嵌合部材とセラミックヒータとを嵌合したグロープラグの信頼性を向上させるために、金属嵌合部材とセラミックヒータとの緊束力を向上させることに着目し、金属嵌合部材とセラミックヒータとの嵌合面における面粗さをある程度抑えることで、金属嵌合部材とセラミックヒータとの緊束力を向上できることを見出し、本発明の完成に至った。
【０００８】
すなわち、該グロープラグにおいて、金属嵌合部材からセラミックヒータを取り外し、該分解状態において、金属嵌合部材側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ1が１１μｍ以下となるようにする。さらに、上記分解状態において、セラミックヒータ側の嵌合面における十点平均粗さＲｚ2が５μｍ以下となるようにする。なお、金属嵌合部材及びセラミックヒータにおける嵌合面とは、両部材がそれぞれ嵌合されている状態（以下、嵌合状態ともいう）において、これら金属嵌合部材とセラミックヒータの両部材（以下、単に両部材ともいう）とが接触している面をいうものとする。
【０００９】
さらに、本発明者等によると、セラミッヒータ側の嵌合面における面粗さとグロープラグの耐久性との間に密接な関係があることがわかった。該面粗さが規定値以上となると、グロープラグの使用環境で長時間使用することにより、セラミックヒータと金属嵌合部材との嵌合部の先端側（以下、嵌合部口元ともいう）において、セラミックヒータの強度の劣化が生じる場合もある。これは、グロープラグの使用環境における熱履歴により、該嵌合部口元において応力が高く発生するためである。上記範囲にＲｚ2を設定し、セラミックヒータの嵌合面における面粗さを制限することで、金属嵌合部材とセラミックヒータの良好な嵌合が実現するとともに、上記のような、嵌合部口元における強度劣化を抑制することができる。
【００１０】
上記各嵌合面における十点平均粗さ（Ｒｚ1又はＲｚ2）が上記の各上限値を超えると、金属嵌合部材とセラミックヒータとが十分に接触せず、両部材の間に十分な緊束力が得られない。ひいては、接触抵抗の増加あるいは気密性の低下という不具合を招くこととなる。さらに、接触抵抗の増加の防止を特に考慮に入れる場合は、上記十点平均粗さＲｚ1、Ｒｚ2をそれぞれ、１０μｍ以下、３μｍ以下とするのが望ましい。なお、Ｒｚ2を３μｍ以下とすることにより、金属嵌合部材とセラミックヒータとの嵌合が十分に行なわれるとともに、セラミックヒータの強度の劣化を十分に抑制することができる。粗さの下限は特に限定しないが、０．１μｍ以上とすることが好ましい。表面粗さが０．１μｍ未満とすることは、砥石やバフ等を用いた研磨加工においては容易ではないためである。
【００１１】
なお、本明細書において面粗さＲｚ（Ｒｚ1及びＲｚ2）は、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（１９９４）に規定された方法により測定されたそれぞれの面の十点平均粗さ（Ｒｚ）をいう。なお、測定長さは３．２ｍｍ、カットオフ値は０．８ｍｍとする。また、各嵌合面における面粗さを規定するためには、上記十点平均粗さＲｚ以外に、算術平均粗さＲａ及び最大高さＲmax等を採用することも当然可能である。金属嵌合部材及びセラミックヒータの嵌合面における算術平均粗さ（Ｒａ1及びＲａ2）、及び最大高さ（Ｒmax1及びＲmax2）も同様に、上記ＪＩＳに規定された方法により測定されたものをいうものとし、カットオフ値、基準長さ及び評価長さは、上記ＪＩＳに規定されているものを用いるものとする。
【００１２】
また、嵌合面における十点平均粗さＲｚを上記の範囲に設定することにより、ヒータ端子と金属嵌合部材との接触抵抗を、例えば、５０ｍΩ以下に低減することが可能となる。これにより、抵抗発熱体への通電も良好に行なわれるとともに、ヒータ端子と金属嵌合部材との接触部分における発熱等を抑制することができる。なお、本明細書中において金属嵌合部材とヒータ端子との「接触抵抗」とは、金属嵌合部材がセラミックヒータに取り付けられている状態で、該金属嵌合部材を介して室温にて抵抗発熱体に通電する時の通電抵抗の測定値Ｒ1から、金属嵌合部材をセラミックヒータから取り外して、ヒータ端子をセラミックヒータの外周面に露出させ、該ヒータ端子から直接抵抗発熱体に通電するときの通電抵抗の測定値Ｒ2を引いた値（つまり、Ｒ1−Ｒ2）をいうものとする。
【００１３】
また、上記各嵌合面における十点平均粗さの測定は、嵌合状態の金属嵌合部材及びセラミックヒータとを分解した後（分解状態）の各嵌合面において行うものとする。金属嵌合部材とセラミックヒータとを嵌合する場合、これら両部材の嵌合面において両部材の間に摩擦が生じ（特に、金属嵌合部材とセラミックヒータとを圧入嵌合する場合には顕著に発生する）、その結果、金属嵌合部材の内周面あるいはセラミックヒータの外周面の面粗さが嵌合前と嵌合後において変化する場合がある。また、実際に嵌合状態の金属嵌合部材とセラミックヒータの緊束力に直接影響を与えるのは、嵌合状態における嵌合面の面粗さである。従って、嵌合状態における面粗さを規定するのがより好ましいが、両部材が嵌合した状態では面粗さの測定方法が困難であるため、嵌合状態の面粗さをより反映している分解後の十点平均粗さ（Ｒｚ1及びＲｚ2）を測定する。
【００１４】
なお、金属嵌合部材とセラミックヒータとを分解する方法としては、上記理由から、嵌合面の面粗さが嵌合状態と分解状態において変化しないような分解方法を採用する。具体的には、レーザー等の切断手段により金属嵌合部材の少なくとも一部を、セラミックヒータから取り外し可能に切断し、嵌合面における面粗さが変化しないように（摺動・摩擦しないように）、これらの両部材を取り外す方法を例示できるがこれに限られるものではない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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２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一ヒータ端子１２ａが自身の後端部外周面に露出形成されている。また、主体金具４は、セラミックヒータ１の外側を同軸的に覆う筒状に形成され、軸線Ｏ方向における内周面前端部がヒータ保持面４ａとされている。そして、該ヒータ保持面４ａにてセラミックヒータ１を、第二端子リング３を介して間接的に、かつ前記先端部２を突出させる形で保持している。さらに、ヒータ保持面４ａよりも後方側において、セラミックヒータ１の後端部外周面と主体金具４の内周面との間には、リング配置隙間Ｇが形成されている。
【００１６】
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２ｒと対向する形で配置されている。他方、リング配置隙間Ｇにおいてセラミックヒータ１の後端部外周面には、第一ヒータ端子１２ａと導通する第一端子リング１４が、締まり嵌め状態にて該第一ヒータ端子１２ａを覆うように取り付けられている。そして、金属軸６と第一ヒータ端子１２ａとは、一端が第一端子リング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。
【００１７】
セラミックヒータ１の外周面には、軸線Ｏ方向において第一ヒータ端子１２ａよりも前方側に、抵抗発熱体１１に通電するための第二ヒータ端子１２ｂが露出形成されている。そして、該第二ヒータ端子１２ｂを覆うとともにこれと導通する円筒状の第二端子リング３が、セラミックヒータ１の後端部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において該第二端子リング３の外周面に取り付けられている。
【００１８】
また、本発明においては、金属嵌合部材としての第一端子リング１４及び第二端子リング３を、セラミックヒータ１から取り外した後の図５のような分解状態にて、第一端子リング１４あるいは第二端子リング３の嵌合面４１ｂ、４１ａにおける十点平均粗さＲｚ1が１１μｍ以下となっている。さらに、該状態において、セラミックヒータ１側の嵌合面４２ｂ、４２ａにおける十点平均粗さＲｚ2が５μｍ以下となっている。さらに望ましくは、Ｒｚ2が３μｍ以下となっているのがよい。
【００１９】
さらに、上記分解状態にて、金属嵌合部材としての第一端子リング１４及び第二端子リング３（以下、端子リング１４、３ともいう）側の嵌合面４１ｂ、４１ａにおける算術平均粗さＲａ1が２．５μｍ以下となっていてもよく、また、上記分解状態にて、セラミックヒータ１側の嵌合面４２ｂ、４２ａにおける算術平均粗さＲａ2が１．４μｍ以下となっていてもよい。さらに、端子リング１４、３側の嵌合面４１ｂ、４１ａにおける最大高さＲmax1が２８μｍ以下、セラミックヒータ１側の嵌合面４２ｂ、４２ａにおける最大高さＲmax2が１２μｍ以下となっていても良好な緊束力を実現することができる。
【００２０】
また、グロープラグの気密性に影響を与えるのは、主に第一端子リング３の緊束力である。そのため気密性を考慮する場合は、第一端子リング３側の嵌合面４１ａにおいて、Ｒｚ1：１２μｍ以下、Ｒａ1：３μｍ以下、Ｒmax1：３５μｍ以下としてもよい。さらに、第一端子リング３と接触するセラミックヒータ１側の嵌合面４２ａにおいて、Ｒｚ2：８μｍ以下、Ｒａ2：２．３μｍ以下、Ｒmax2：２０μｍ以下としてもよい。
【００２１】
分解状態における上記各面粗さの嵌合面は、以下のようにして得ることができる。すなわち、金属嵌合部材としての第一端子リング１４及び第二端子リング３の内周面４１ａ，４１ｂにおいては、該リング形状に引き抜き加工、あるいは絞り加工、旋盤加工、鍛造加工等を施したままの内周面状態である。セラミックヒータ１の外周面４２ａ，４２ｂにおいては、センタレス研磨加工して、上記嵌合面における面粗さの各種パラメータを上記範囲に制限する。さらに、金属嵌合部材としての第一端子リング１４及び第二端子リング３においては、上記のようにリング形状に加工した後、該内周面に研磨加工を施すことにより、より一層該内周面の面粗さが改善されて、更なる高性能化が期待できる。
【００２２】
このように両部材の各嵌合面における面粗さの各種パラメータを上記範囲にすることで、第一端子リング１４及び第二端子リング３（以下、単にリング１４、３ともいう）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（前述にて規定）を、例えば、５０ｍΩ以下に抑えることができる。
【００２３】
金属嵌合部材を第二端子リング３としたときの該接触抵抗の測定方法は次のようにする。先ず、図８（ａ）に示すように、グロープラグ５０から第二端子リング３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、第二ヒータ端子１２ｂと第二端子リング３とは導通状態である。ついで、第二端子リング３と第一ヒータ端子１２ａ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８（ｂ）に示すように、嵌合している第二端子リング３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二ヒータ端子１２ｂと第一ヒータ端子１２ａ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二端子リング３と第二ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗は、Ｒ2−Ｒ1（Ω）として表す。また、第一端子リング１４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、第一端子リング１４及び第二端子リング３とを取付けたままでの通電抵抗として、これに基づいて第一端子リング１４及び第二端子リング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。
【００２４】
また、金属嵌合部材としての第一及び第二端子リング１４、３等を構成する素材としては、高温強度と、材料コストとのバランスを考慮して、一定以上の硬さ及び耐熱性を有した、例えば、Ｆｅ系合金を使用するのが望ましい。特に、分解後締め代（金属嵌合部材とセラミックヒータ１とを分解した後の締め代）を高めて弾性緊束力を十分に確保するためには、ビッカース硬さ（ＪＩＳ：Ｚ２２４４（１９９８）に規定の方法により荷重１０Ｎにて測定した値）Ｈｖが１７０以上（望ましくは３５０以上）のＦｅ系合金の使用が推奨される。このようなＦｅ系合金として、ＳＵＳ６３０あるいはＳＵＳ６３１等の析出硬化系ステンレス鋼を好適に使用できる。例えばＳＵＳ６３０は、ＪＩＳＧ４３０３（１９８８）に規定されたＨ９００、Ｈ１０２５、Ｈ１０７５あるいはＨ１１０５のいずれかの熱処理により時効析出硬化させることができ、特にＨ９００処理を行ったものはＨｖ３５０以上を確保できる。他方、ＳＵＳ６３１は同規格のＴＨ１０５０あるいはＲＨ９５０の熱処理により時効析出硬化させることができ、いずれもＨｖ３５０以上を確保できる。また、硬さの点では若干劣るが、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼を使用することもできる。
【００２５】
なお、より高い耐熱性を確保し、また、高温での緊束力低下をさらに抑制することが要求される場合には、鉄基超耐熱合金（例えばインコロイ９０９（インコ社の商品名））の時効硬化品、Ｎｉ基超耐熱合金（例えばワスパロイ（ユナイテッド  テクノロジー社の商品名））の時効硬化品、あるいは非時効硬化型のＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５（インコ社の商品名））の加工硬化品等を使用することも可能である。ただし、これらの材質は高価であり、グロープラグの通常の使用環境であって、第一端子リング１４の到達温度が５０〜２００℃程度、第二端子リング３の到達温度が５００〜７００℃までの範囲に留まる場合は、前記した析出硬化型ステンレス鋼など、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＮｂあるいはＡｌなど、マトリックス固溶強化あるいは析出物形成のために添加する合金元素の合計含有量が、５０質量％以下の範囲に制限されたＦｅ系合金にて構成することが望ましい。ただし、これらの合計含有量は、高温強度あるいは耐食性確保の観点から、２０質量％以上は添加されていることが望ましい。
【００２６】
また、本実施形態においては、図５に示すように、セラミックヒータ１から金属嵌合部材としての第一端子リング１４あるいは第二端子リング３を取り外した分解状態において、該金属嵌合部材の内径をｄ１（ｄ１’）、同じく該分解状態における第一ヒータ端子１２ａ（第二ヒータ端子１２ｂ）の形成位置でのセラミックヒータ１の外径をｄ２（ｄ２’）として、ｄ２−ｄ１（ｄ２’−ｄ１’）（以下、分解後締め代という：本明細書では、室温状態での値を意味する）が８μｍ以上であって前記第一端子リング１４の取付位置における前記セラミックヒータ１の外径の２％以下の範囲に調整されていることが望ましい。さらには、８〜１００μｍの範囲内であるのが望ましい。また、後述するように、主体金具４を金属嵌合部材とする場合も同様に規定することが可能である。
【００２７】
上記分解後締め代は、セラミックヒータ１から取り外したときのリング１４，３の弾性復帰量、つまり、リング１４、３によるセラミックヒータ１への弾性緊束力を反映したパラメータと見ることができる。該分解後締め代が８μｍ未満では、通常のグロープラグの使用温度範囲にリング３あるいは１４が昇温したとき、必要な緊束力が確保できなくなる。例えば、第一端子リング１４においては第一ヒータ端子１２ａとの接触抵抗の増大が、第二端子リング３においては第一ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗の増大と気密性の低下とが、具体的な不具合として発生することにつながる。他方、分解後締め代が１００μｍを超えるとセラミックヒータ１に過剰な緊束力が作用し、割れやクラック等の発生につながる場合がある。なお、リング３，１４の肉厚が小さい場合は、リング自体の塑性変形量が増加するため、分解後締め代を１００μｍ以上に設定することが本質的に不可能な場合がある。なお、上記分解後締め代ｄ２−ｄ１あるいはｄ２’−ｄ１’は、より望ましくは１５〜４０μｍの範囲に調整するのがよい。また、同じ分解後締め代の値であっても、弾性緊束力の値を高める観点においてはリングの肉厚が大きい方がより有利である。なお、本実施形態では、より気密性が要求される第二端子リング３の肉厚ｔ’を、第一端子リング１４の肉厚ｔよりも大きく設定している。
【００２８】
以上、金属嵌合部材として第一及び第二端子リング１４、３を考慮した場合を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、主体金具４を金属嵌合部材とした場合であっても同様に成り立つものである。
【００２９】
すなわち、図７に示すように、主体金具４のヒータ保持面４ａにおいて、セラミックヒータ１の外周面を、締まり嵌め嵌合により直接保持させる構成を採用することも可能である。この場合、主体金具４を金属嵌合部材とすることができる。リング配置隙間Ｇを形成するために、主体金具４の内周面の軸線Ｏ方向における先端部を、縮径部４ｒにより縮径し、その縮径部４ｒの内周面をヒータ保持面４ａとすることができる。なお、図１及び図２の構成においても、リング配置隙間Ｇを拡大するために、主体金具４に若干の縮径部４ｒ’を形成しているが、第二端子リング３の厚みを増すことで、該縮径部４ｒ’は省略することが可能である。
【００３０】
次に、主体金具４と第二端子リング３との組み付け形態については、本実施形態では、主体金具４もヒータ保持面４ａにおいて、第二端子リング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。また、主体金具４の第二端子リング３に対する嵌合面（ヒータ保持面４ａ）が、第二端子リング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に対する第二端子リング３の緊束力に主体金具４の緊束力が重畳され、第二端子リング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。
【００３１】
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、圧入に代えて焼き嵌めを用いてもよい。このうち、第一端子リング１４については、第一ヒータ端子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、第二端子リング３については、第二ヒータ端子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、第一端子リング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が高く、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。なお、端子リング１４，３の最高到達温度は、グロープラグ５０が取り付けられるエンジンの運転状況によっても異なるが、例えば５０〜２００℃程度である。
【００３２】
図２に示すように、金属リード部１７は、金属軸６と第一端子リング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と第一端子リング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なうために、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。
【００３３】
他方、金属リード部１７と第一端子リング１４との接合は、第一端子リング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、先に第一端子リング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一端子リング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等も採用可能である。
【００３４】
次に、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、各々該第一抵抗体部分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、それぞれ第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂを形成してなる。
【００３５】
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を介して行なうこともできる。この場合、第一ヒータ端子は埋設リード線１８の、また第二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、第一端子リング１４及び第二端子リング３とセラミックヒータ１との間の接触抵抗は、５０ｍΩ以下となっているのがよい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、
▲１▼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；
▲２▼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；
▲３▼▲１▼と▲２▼の組合せによる方法；
等、種々例示できるが、本実施形態では▲１▼の方法を採用している。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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）。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
次に、図１に示すように、主体金具４の後端部内側には、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。
【００４６】
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２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→第一端子リング１４→セラミックヒータ１→第二端子リング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２が発熱して、燃焼室内の予熱を行なうことができる。
【００４７】
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。
【００４８】
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に示すように、該セラミックヒータ１に第一端子リング１４及び第二端子リング３を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。
【００４９】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。
（実施例１）
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の長さは４０ｍｍ、外径は３．５ｍｍであり、第二抵抗体部分１２、１２の太さは１ｍｍ、さらに第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂは、各々直径０．８ｍｍの円状領域とした。
【００５０】
他方、前記したＳＵＳ６３０（Ｈ９００時効硬化処理品：Ｈｖ＝約４００）を用いて第一端子リング１４及び第二端子リング３を作製した。第一端子リング１４の肉厚は０．３ｍｍとし、その内径ｄ１ｉは３．４５ｍｍとなるものを用意した。他方、第二端子リング３の肉厚は０．８５ｍｍとし、その内径ｄ１ｉ’が３．４５ｍｍとなるものを用意した。
【００５１】
これらの第一端子リング１４及び第二端子リング３を、実施例１としては、引き抜き加工により形成し、その内周面４１ａ，４１ｂの分解状態における面粗さが本発明範囲内となるようにした。なお、比較例１としては、旋盤加工により加工を行った。また、セラミックヒータ１の外周面４２ａにおいてセンタレス研磨を行い、セラミックヒータ１の外周面４２ａにおける分解状態での面粗さが本発明の範囲内となるようにしている。
【００５２】
ついで、上記の第一端子リング１４及び第二端子リング３を、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。なお、圧入時において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）社製）を適量塗布し、圧入後に３００℃にて該潤滑剤の分解処理を行なっている。
【００５３】
上記のような組み付け後のグロープラグ５０にさらに主体金具４を前述において説明した通りに組み付け、図１０に示すような方法にて気密性を評価した。すなわち、第一保持治具５１に形成されている貫通孔５２にグロープラグ５０をセラミックヒータ１側から挿入し、主体金具４の先端部により、貫通孔５２が塞がれるように保持させる。ついで、第二保持治具５３によりグロープラグ５０が加圧により移動しないように、主体金具４により保持する。そして、その状態にて貫通孔５２の端部から、グロープラグ５０に、常温（２０℃）において１５気圧の圧力を印加し、そのとき、主体金具４の後端からリークするエアー（リークエアー）を検出した。リークエアーが全くないものを良（○）、０．２５ｃｃ未満であるものを可（△）、０．２５ｃｃ以上であるものを不可（×）として評価した。
【００５４】
その後、金属嵌合部材としての第二端子リング３を該リングの軸線に沿って、レーザーにより切断し、第二端子リング３とセラミックヒータ１とを分解した。そして、その分解状態の第二端子リング３の嵌合面４１ａにおいて、十点平均粗さ（Ｒｚ1）、算術平均粗さ（Ｒａ1）及び最大高さ（Ｒmax1）を公知の形状測定機であるTaylor  Hobson社製タリロンド７３ＰによりＪＩＳ−Ｂ０６０１に基づき測定した。
【００５５】
また、気密性の評価あるいは嵌合面における面粗さの測定とは別に、図８にて説明した方法により、第二端子リング３における接触抵抗を求めた。接触抵抗が１０ｍΩ未満のものを良（○）、１０ｍΩ以上５０ｍΩ未満のものは可（△）、５０ｍΩ以上のものを不可（×）として評価した。以上、第二端子リング３側の嵌合面４１ａにおける面粗さと接触抵抗及び気密性との関係を表１に示す。
【００５６】
【表１】
0004434516.tif 000002
【００５７】
表１に示されているように、Ｒｚ1が１１μｍ以下となる本発明の実施例１−１〜５においては、グロープラグ５０の気密性を向上させることができる。さらに面粗さを抑制することにより、第二端子リング３と第二ヒータ端子１２ｂとによる接触抵抗を低減することができる。一方比較例１−１では、グロープラグ５０の気密性は良好なものの、良好な接触抵抗が得られていない。さらに比較例１−２においては、気密性及び接触抵抗のどちらも良好な結果が得られていない。なお、第一端子リング１４及びセラミックヒータ１の各嵌合面における面粗さを本発明の規定どおりにしたところ、良好な接触抵抗及び気密性が得られることを確認しており、第一端子リング１４を金属嵌合部材とした場合であっても本発明の効果が得られることがわかった。
【００５８】
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、グロープラグを作製した。
なお、第一端子リング１４及び第二端子リング３を引き抜き加工により形成し、該第二端子リング３の内周面４１ａの分解状態における面粗さが本発明の範囲内となるようにしている。また、セラミックヒータ１に対して、砥石番手を変化させてセンタレス研磨を行い、分解状態にて外周面４２ａの面粗さが本発明範囲内となったものを実施例２として、本発明範囲外となったものは比較例２とした。
【００５９】
その後、作製されたグロープラグ５０に対して、実施例１と同様の方法により、気密性及び接触抵抗の評価を行った。さらに、実施例２においては、後述する耐久試験の後に、セラミックヒータ１の外周面粗さに対する素子強度評価試験を行った。すなわち、図９（ａ）に示すように、グロープラグ５０の主体金具をアルミ治具５５により保持し、セラミックヒータ１に１１Ｖの直流電圧を周期的に印加して、該セラミックヒータ１の先端部２（先端から２ｍｍまでの部分）の温度を１３００℃とした。直流電圧を１分間印加したあと、１分間電圧印加を停止する工程を１サイクルとして、該工程を１２０００サイクル行い、通電耐久試験を行った。その後で、アルミ治具５５に保持された状態のまま、図９（ｂ）のようにセラミックヒータ１の先端部２に静荷重を徐々に与えていき、嵌合部口元４０において破損に至るまでに印加された荷重（限界荷重）を測定し、素子強度とした。そして、予め通電耐久試験前に測定しておいた素子強度（初期強度）と比較した。通電耐久試験後の素子強度が初期強度の９０％以上となるものは良（○）、５０％以上９０％未満のものは可（△）、５０％未満のものは不可（×）として評価した。
【００６０】
【表２】
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【００６１】
表２によれば、実施例２−１〜７においては、面粗さを本発明の範囲に設定することで、グロープラグ５０の気密性を向上させることができる。さらに面粗さを抑制することにより、第二端子リング３と第二ヒータ端子１２ｂとによる接触抵抗を良好に低減することができる。一方比較例２−１においては、グロープラグ５０の気密性は良好なものの、接触抵抗が良好でなない。更に、比較例２−２においては、気密性及び接触抵抗のどちらの場合も良い結果は得られていない。さらに、セラミックヒータ１の外周面における面粗さを本発明範囲該に設定することで、セラミックヒータ１の嵌合部口元４０における素子強度を向上させることが可能となることがわかる。
【００６２】
以上、実施例１及び実施例２により、Ｒｚ1を１１μｍ以下、かつ、Ｒｚ2を５μｍとすることにより、金属嵌合部材とセラミックヒータとの嵌合を十分に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【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２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】同じく第二変形例を示す要部縦断面図。
【図８】接触抵抗の測定方法を説明した図。
【図９】通電耐久試験及びセラミックヒータ強度試験の実施形態を示す図。
【図１０】グロープラグの気密性評価の方法を説明する模式図。
【符号の説明】
１  セラミックヒータ
２  先端部
３  第二端子リング（金属嵌合部材）
４  主体金具（金属嵌合部材）
４ａ  ヒータ保持面
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  第一ヒータ端子（ヒータ端子）
１２ｂ  第二ヒータ端子（ヒータ端子）
１４  第一端子リング（金属嵌合部材）
４１  金属被覆層
４１ａ  第二端子リングの嵌合面（金属嵌合部材側の嵌合面）
４１ｂ  第一端子リングの嵌合面（金属嵌合部材側の嵌合面）
４２ａ、４２ｂ  セラミックヒータ側の嵌合面
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】
0004434516.tif 000010
【図８】
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【図９】
0004434516.tif 000012
【図１０】
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