(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たセラミックヒータと、
軸線方向前方側に該セラミックヒータの先端部を突出させる形にて周方向に取り囲み、該セラミックヒータの外周面に締まりばめ状態にて取り付けられる金属外筒と、
その金属外筒の周囲において該金属外筒と結合される形にて配置され、自身の外周面に内燃機関への取付部が形成された主体金具とを備え、
前記金属外筒の外周面において、周方向に鍔状に突出する凸条部が形成されており、
前記セラミックヒータから前記金属外筒を取り外した分解状態において、前記金属外筒の内径をｄ１’、前記セラミックヒータの外径をｄ２’とした場合、
前記金属外筒における軸線方向前方側のｄ２’−ｄ１’の値よりも、前記軸線方向において凸条部が形成される凸条部区間におけるｄ２’−ｄ１’の値のほうが大きく設定されることを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
前記凸条部は、前記金属外筒の前記軸線方向における中央端部寄りに形成される請求項１に記載のグロープラグ。
【請求項３】
前記凸条部は、前記金属外筒において前記セラミックヒータの後方側の端部に形成される請求項１に記載のグロープラグ。
【請求項４】
前記金属外筒は、前記凸条部において前記主体金具と導通する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のグロープラグ。
【請求項５】
前記軸線方向において、前記主体金具の前方側端面が前記凸条部の後方側端面に当接される形で前記主体金具が前記金属外筒に対して組み付けられている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のグロープラグ。
【請求項６】
前記軸線方向において、前記凸条部の後方側端面と前記主体金具の前方側端面との当接面が環状形態をなし、それら環状形態をなす当接面の外周部が周方向に溶接されることにより前記凸条部と前記主体金具とが結合される請求項５に記載のグロープラグ。
【請求項７】
前記凸条部における前記軸線に関する半径方向端面をなす頂部外周面を周方向に取り囲む形で前記主体金具が配置される請求項１ないし４のいずれか１項に記載のグロープラグ。
【請求項８】
前記軸線方向において、前記主体金具の前方側端面が前記凸条部の前端面よりさらに前方側に突出する請求項７に記載のグロープラグ。
【請求項９】
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たセラミックヒータと、
軸線方向前方側に該セラミックヒータの先端部を突出させる形にて周方向に取り囲み、該セラミックヒータの外周面に締まりばめ状態にて取り付けられる金属外筒と、
その金属外筒の周囲において該金属外筒と結合される形にて配置され、自身の外周面に内燃機関への取付部が形成された主体金具とを備え、
前記金属外筒の外周面において、周方向に鍔状に突出する凸条部が形成されており、
前記凸条部における前記軸線に関する半径方向端面をなす頂部外周面を周方向に取り囲む形で前記主体金具が配置されると共に、前記頂部外周面が前記主体金具の内周面に圧接されることを特徴とするグロープラグ。
【請求項１０】
前記凸条部は、前記金属外筒の前記軸線方向における中央端部寄りに形成される請求項９に記載のグロープラグ。
【請求項１１】
前記凸条部は、前記金属外筒において前記セラミックヒータの後方側の端部に形成される請求項９に記載のグロープラグ。
【請求項１２】
前記金属外筒は、前記凸条部において前記主体金具と導通する請求項９ないし１１のいずれか１項に記載のグロープラグ。
【請求項１３】
前記軸線方向において、前記主体金具の前方側端面が前記凸条部の前端面よりさらに前方側に突出する請求項９ないし１２のいずれか１項に記載のグロープラグ。
【請求項１４】
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たセラミックヒータと、該セラミックヒータが圧入されることにより締まりばめ状態とされ軸線方向において該セラミックヒータの先端部を突出させる形にて周方向に取り囲む金属外筒と、その金属外筒の周囲において該金属外筒と結合される形にて配置され、自身の外周面に内燃機関への取付部が形成された主体金具とを備えるグロープラグを製造する製造方法であって、
前記セラミックヒータを前記金属外筒の内部に圧入する際に、前記金属外筒の外周面に形成された外筒側係合部と、該金属外筒を支持する支持体に形成された支持体側係合部を互いに係合させることにより、前記セラミックヒータの挿入時における前記金属外筒及び前記支持体の互いの相対移動を拘束しつつ、前記軸線方向における前記セラミックヒータが前記金属外筒内部に圧入される方向（以下、「圧入方向」ともいう）に、前記セラミックヒータ及び前記支持体を相対的に移動させることにより前記セラミックヒータを前記金属外筒内部に圧入させて互いに締まりばめ嵌合させるものであり、
前記外筒側係合部は、前記金属外筒の外周面において周方向に鍔状に突出する凸条部を有してなり、
前記セラミックヒータの圧入時において、軸線方向における前記凸条部の前方側端面を、支持体側係合部に形成された軸線方向後方側の支持面にて支持することにより、前記金属外筒及び前記支持体の互いの相対移動を拘束することを特徴とするグロープラグの製造方法。
【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及びグロープラグの製造方法に関する。
【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】
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。そこで、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付けを焼き嵌めにより行なう方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように金属外筒の内部にセラミックヒータを嵌合させる場合には、工数増大、製造コスト低減等の問題は解消されるが、その接合後における嵌合力の度合がグロープラグの気密性、耐久性に影響を与えることとなる。そして、このような気密性、耐久性を更に向上させるために、強固な嵌合力にてセラミックヒータが金属外筒内部に保持することが可能な構造が望まれている。
【０００５】
本発明の課題は、セラミックヒータを金属外筒内部に締まりばめ嵌合させる際に、十分な締め代を確保し、それらの接合強度を効果的に高めることができる構造を有するグロープラグと、締まりばめ嵌合をより緊束力の高い状態にて行うことが可能となるグロープラグの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記のような課題を解決するために、本発明は、
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たセラミックヒータと、
軸線方向前方側に該セラミックヒータの先端部を突出させる形にて周方向に取り囲み、該セラミックヒータの外周面に締まりばめ状態にて取り付けられる金属外筒と、
その金属外筒の周囲において該金属外筒と結合される形にて配置され、自身の外周面に内燃機関への取付部が形成された主体金具とを備え、
金属外筒の外周面において、周方向に鍔状に突出する凸条部が形成されており、セラミックヒータから金属外筒を取り外した分解状態において、金属外筒の内径をｄ１’、セラミックヒータの外径をｄ２’とした場合、金属外筒における軸線方向前方側のｄ２’−ｄ１’の値よりも、軸線方向において凸条部が形成される凸条部区間におけるｄ２’−ｄ１’の値のほうが大きく設定されることを特徴とするグロープラグを提供する。
【０００７】
このように、凸条部形成することにより金属外筒の一部を厚肉化すれば、その凸条部においてセラミックヒータが強固に緊束され、嵌合力がより一層強くなる。厚肉化されているため凸条部全体の塑性変形の度合が小さく、嵌合に際し十分な締め代が確保できるため、金属外筒内でのセラミックヒータの保持力が極めて高くなり気密性及び耐久性をともに向上できる。
【０００８】
また、上記のごとく凸条部を形成するようにすると製造上の利点もある。例えば、図６のように、金属外筒（第二端子リング３：後述）内にセラミックヒータ１を挿入する際に、凸条部３１に治具を作用させて挿入方向の反対側から支持しつつ挿入するようにすれば、金蔵外筒（第二端子リング３）において凸条部３１に関する挿入側とは反対側の部分には圧縮応力が作用せず、その圧縮応力に起因する変形（中央部における膨らみ等）を効果的に抑制できる。即ち、図１３のような金属外筒２０３内への圧入のごとく、金属外筒２０３における挿入側とは反対側の端面２０３ａを支持しつつセラミックヒータ２０１の圧入を行うと、金属外筒２０３において軸線方向に圧縮応力が作用し、金属外筒２０３が不均一変形する可能性がある。即ち、圧入時の荷重を全て金属外筒２０３が受け止めるため、金属外筒２０３全体に強い圧縮応力が生じ、中央部が膨らむ形で変形する。これに加えて、セラミックヒータ２０１の挿入に伴う負荷（例えば、圧入の際の摩擦力に起因する負荷等）がかかり、このような要因が複合的に作用することにより締め代の確保が困難となる可能性がある。しかしながら、上記のごとく外筒端部側に凸条部３１を形成するようにすれば、その凸条部３１に治具（支持体）を係合させて軸線方向に支持することができ、図１３のように端面２０３ａを支持せずとも金属外筒の相対移動を拘束できることとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、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とこれを保持するヒータ保持リング３、及びこれに結合された主体金具４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。ヒータ保持リング３は筒状に形成され、セラミックヒータ１を、後端部及び先端部２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する。主体金具４は、ヒータ保持リング３に同軸的に結合される筒状に形成されている。
【００１０】
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。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、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と導通する金属製の第一端子リング１４が、締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。金属リード部１７はこの第一端子リング１４に金属／金属接合により取り付けられるので、金属／セラミックのろう付け構造や、金属リード部１７のセラミックヒータ１への埋め込み接合といった、工数を要する複雑な構造が排除され、安価に製造可能である。また、第一端子リング１４をセラミックヒータ１に締り嵌めにより嵌合させるので、ろう付けによる従来構造のようにろう材層が介在せず、金属軸６と第一端子リング１４との同軸度を確保しやすい。これにより、金属リード部１７と、金属軸６あるいは第一端子リング１４との接合面にずれ等を生じにくくなり、ひいては良好で高強度の接合部を形成できる。
【００１１】
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の外周面に締り嵌め状態にて取り付けられている。
【００１２】
この構成により、セラミックヒータ１へ通電するための２つのヒータ端子１２ａ，１２ｂのいずれに対しても、端子リング１４，３が締り嵌め状態にて取り付けられ、グロープラグの組立構造の一層の簡略化が図られている。
【００１３】
次に、第二ヒータ端子１２ｂは、軸線Ｏ方向において、第一ヒータ端子１２ａよりも前方側に配置され、第二端子リング３がヒータ保持リングに兼用されるとともに、該第二端子リング３に主体金具４が取り付けられている。この構成によると、第二端子リング３がヒータ保持リングに兼用されるので、部品点数が削減され、本発明のグロープラグをより安価に提供できる。
【００１４】
主体金具４は、具体的には、該第二端子リング３（ヒータ保持リング）の外周面に取り付けられている。これによると、主体金具４とセラミックヒータ１との間に介挿された第二端子リング３をスペーサとすることで、該第二端子リング３よりも後方側に突出させたセラミックヒータ１の後端部外周面と、主体金具４のヒータ保持面４ａよりも後方側の内周面との間に適度な隙間を形成することができる。これにより、セラミックヒータ１の後端部に第一端子リング１４を配置することが一層容易となる。
【００１５】
また、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、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の先端側開口内縁と第二端子リング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も第二端子リング３（ヒータ保持リング）の外周面に締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の組立工程を一層簡略化することができる。また、主体金具４のヒータ保持リングを第二端子リング３とする本態様では、該第二端子リング３に対する嵌合面が、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。
【００１６】
図３のように、第二端子リング３は周方向に鍔状に突出する凸条部３１が形成されて軸線方向（軸線Ｏの方向）における所定区間が厚肉化されている。このように厚肉化することにより、第二端子リング３の凸条部３１付近における緊束力向上効果が得られる。また、この凸条部３１は、第二端子リング３の軸線方向における中心よりも該軸線方向に関するいずれかの端部寄りに形成することが望ましいが、図１のように第二端子リング３においてセラミックヒータ１の発熱側（即ち前方側）と反対側の端部である後方側の端部（以下、後端部ともいう）に形成すると一層効果的である。即ち、セラミックヒータ１の発熱側近傍では、第二端子リング３の熱膨張等に起因する変形等により、緊束力が低下する可能性がある。一方、セラミックヒータ１の後方側における発熱は、前方側に比較してそれほど高くないから、熱的影響をあまり受けず、セラミックヒータ１に対する第二端子リング３の緊束力は維持され易い。これに加えて、厚肉化された凸条部３１により一層の緊束力が付与されるため、仮に発熱側において熱影響を受けて緊束力が低下したとしても後方側の端部においては極めて強力な緊束力が維持され続けることとなる。
【００１７】
また、第二端子リング３は、凸条部３１において主体金具と導通する構成とすることができる。具体的には、凸条部３１の後方側端面３２又は頂部外周面３３のいずれかの面を主体金具４に当接させてその当接部を導通部とすることができる。なお、図２、図９（ａ）（なお、図９（ａ）は図２の要部を拡大して示すものである）では後方側端面３２を主体金具４の端部に当接させており、図９（ｂ）では頂部外周面３３を主体金具４の内面に当接させている。このように当接させつつ、図９（ａ）の要部拡大図のように、凸条部３１と主体金具４をろう付、溶接等により結合させてその当接部にまたがる結合部を形成し、その結合部において第二端子リング３と主体金具４を導通させる構成とすることができる。なお、凸条部３１における後方側端面３２は、軸線Ｏと直交又は略直交する平面部として形成され、他方、前端面３５は軸線方向後方側となるにつれて径大となるテーパ状に形成されている。
【００１８】
図９（ａ）の例では、軸線Ｏ方向における主体金具４の前方側端面４ｃが、凸条部３１の後方側端面３２と当接するようになっているが、このように当接させる構成とすれば、上記のごとくセラミックヒータ１と第二端子リング３を導通させ易い構成となり、かつ、セラミックヒータ１の第二端子リング３への挿入時における位置決めも行い易くなる。
【００１９】
また、凸条部３１の後方側端面３２と主体金具４の前方側端面４ｃとが互いに当接してなる当接部４０は環状形態をなしており、その環状形態をなす当接部４０の外周部を図９のように周方向に溶接することによりその外周部に溶接部４１を形成し、凸条部３１と主体金具４とを結合することができる。このように溶接することにより、第二端子リング３と主体金具４が強固に結合し、機関取り付け時等において一方に大きなトルクが作用しても互いの空回りを防止できる。また、後方側端面３２と前方側端面４ｃを当接させることにより、その当接部４０の外周部が軸線Ｏに関する半径方向外側に露出することとなるため、外部よりレーザ溶接等の溶接工程が行い易くなる。
【００２０】
また、図９（ｂ）のような構成としても良い。図９（ｂ）では凸条部３１における軸線Ｏに関する半径方向端面をなす頂部外周面３３を周方向に取り囲む形で主体金具４が配置される。即ち、主体金具４の内周面４ｄが頂部外周面３３と圧接しており、さらに、主体金具４の前方側端面４ｃが、凸条部３１の前端面３５よりさらに前方側に突出するようになっている。このように構成すると、内燃機関に取り付けた際に、その座面に前方側端面４ｃが直接当接することとなるため、座面との間に生じる摩擦力がほぼ直接主体金具４のみに作用し、第二端子リング３にはほとんど作用しないため、プラグ取り付け時に高トルクが生じても第二端子リング３と主体金具４の嵌合は強固に維持され、トルクに強い構造となる。
【００２１】
なお、図１０のように、第二端子リング３の後端部に形成された拡径部３ａの内側に主体金具４の前端部を嵌合させ、その嵌合部分を締り嵌め嵌合あるいは溶接等により結合するようにしてもよい。この場合は、拡径部３ａが外筒側係合部として機能し、後述する圧入工程の際には、拡径部３ａにおける前方側端面３ｂを支持部材により軸線方向に支持しつつセラミックヒータ１を圧入することとなる。
【００２２】
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５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。
【００２３】
この場合、リングの材質や肉厚によっても昇温時に確保される緊束力のレベルは異なるが、図７に示すように、セラミックヒータ１から第一端子リング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、第一端子リング１４の内径をｄ１、同じく該分解状態における第一ヒータ端子１２ａの形成位置でのセラミックヒータ１の外径をｄ２として、ｄ２−ｄ１（以下、第一端子リング１４の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、第一端子リング１４の取付位置におけるセラミックヒータ１の外径の２％以下に調整されていることが望ましい。また、セラミックヒータ１から第二端子リング３を取り外した分解状態において、第二端子リング３の内径をｄ１’、同じくセラミックヒータ１の外径をｄ２’として、ｄ２’−ｄ１’（以下、第二端子リング３の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）も同様に、８μｍ以上であって、第二端子リング３の取付位置におけるセラミックヒータ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。
【００２４】
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、前記温度範囲にリング３あるいは４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、第一端子リング１４あるいは第二端子リング３の取付位置におけるセラミックヒータ１の外径の２％（例えば、該外径が３．５ｍｍの場合、７０μｍ）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、分解後締め代を上記上限値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。
【００２５】
また、第二端子リング３における、軸線方向前方側（例えば、軸線方向前端縁３ｃ位置、又はその近傍）における分解後締め代の値ｄ２’−ｄ１’よりも、凸条部区間１３１における分解後締め代の値ｄ２’−ｄ１’の値のほうが大きく設定されている。本発明では図１３の方法のように軸線方向中央部における圧縮応力に起因する変形等が生じないため、第二端子リング３における軸線方向中央部（例えば、第二端子リング３における軸線方向中心位置）の分解後締め代の値ｄ２’−ｄ１’よりも、凸条部区間１３１における分解後締め代の値ｄ２’−ｄ１’のほうが大きく設定されることとなる。なお、この分解後締め代の値ｄ２’−ｄ１’が、軸線方向において前方側から凸条部３１に近づくにつれ漸増するように設定してもよい。
【００２６】
図２に戻り、第一端子リング１４及び第二端子リング３の材質としては、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Ｆｅ系合金を使用することが望ましい。特に、分解後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。
【００２７】
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℃である場合は、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。
【００２８】
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。
【００２９】
なお、抵抗発熱体１１への通電は、例えば図８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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、図８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。
【００３９】
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５１を配置し、その後方側にガラス充填層５２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５１の外周面には、径大部の形でリング側係合部５１ａ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５２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。
【００４０】
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。
【００４１】
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４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５４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５４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５４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４（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。
【００４２】
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５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。
【００４３】
なお、圧入による締まりばめ嵌合は以下のように行う。
図６に示すように、金属外筒（即ち、第二端子リング３）の外周面に形成された外筒側係合部としての凸条部３１と、該第二端子リング３を支持する支持体１０１に形成された支持面１０１ａを含む支持体側係合部（支持体１０１の端部が支持体側係合部としての役割を果たす）を互いに係合させることにより、セラミックヒータ１の圧入時における第二端子リング３及び支持体１０１の互いの相対移動を拘束する。そして、その拘束状態において、軸線方向におけるセラミックヒータ１が第二端子リング３の内部に圧入される方向（圧入方向）に、セラミックヒータ１及び支持体１０１を相対的に移動させる（具体的には、支持体１０１を固定しつつセラミックヒータ１を挿入する）ことによりセラミックヒータ１を第二端子リング３の内部に圧入する。
【００４４】
本実施例においては、第二端子リング３の外周面において周方向に鍔状に突出する凸条部３１が外筒側係合部として機能しており、支持体側係合部たる支持体１０１の端部に形成される支持面１０１ａは、凸条部３１の軸線方向後方側への相対移動（支持体１０１に対する相対移動）を阻止するように、凸条部３１を圧入方向とは逆向きに支持することとなる。具体的には、セラミックヒータ１の圧入時において、軸線方向における凸条部３１の前方側端面３４を、支持体側係合部に形成された軸線方向後方側の支持面に１０１ａにて支持することにより、第二端子リング３及び支持体１０１の互いの相対移動を拘束する。第二端子リング３は軸線方向後方側において支持されることとなるため、図６（ｂ）のように挿入が進んだ段階においては、凸条部３１の前方側においてセラミックヒータ１の外周面と第二端子リング３の内周面との間に生じる摩擦力に起因して第二端子リング３の内部に軸線方向の引張応力が作用することとなる。従って、図１３のような軸線方向中心部における圧縮応力に起因した膨らみ等の変形が生じず、十分な締め代が効果的に確保される圧入となる。
【００４５】
なお、図１等においては、外筒側係合部（即ち凸条部３１）が最終製品たるグロープラグ５０に残存する構成について示しているが、圧入工程後において、外筒側係合部を除去する係合部除去工程を行うようにしてもよい。具体的には、図５のようにセラミックヒータ１と第二端子リング３がしまりばめ嵌合した状態において、凸条部３１を研削、研磨等の除去加工により除去する凸条部除去工程を行うことができる。この凸条部除去工程により、第二端子リング３の外周面を突起の無い平滑な円筒面とすれば、例えば凸条部の残存が形状的に問題となる場合において有用である。
【００４６】
【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。
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の外径は３．５ｍｍとした。また、（ＳＵＳ４３０）を用いて図１２（ａ）ないし（ｃ）のような第二端子リング３を作製した。なお、図１２（ａ）及び（ｂ）は凸条部３１を設けて図６のごとく圧入する形態のものを示しており、図１２（ｃ）は、凸条部を設けずに図１３に示すような圧入を行う例について示している。なお、これら第二端子リングはいずれも全長Ｌ２を２０ｍｍとした。また、図１２（ａ）及び（ｂ）の第二端子リング３においては、支持面１０１ａの後方縁よりさらに後方側の区間の長さＬ１を５．０ｍｍとした。また、凸条部３１における外径Ｄ４を８．２ｍｍ、第二端子リングの外径Ｄ３（図１２（ａ）及び（ｂ）では凸条部区間以外の部分の外径）を５．２ｍｍとした。なお、図１２（ｃ）の第二端子リング３は、軸線方向全区間にわたって外径が一定（Ｄ３＝５．２ｍｍ）であるものを用いている。なお、これら全ての第二端子リング３の圧入前（嵌合前）の内径を３．４５ｍｍとし、圧入前におけるセラミックヒータ外径と第二端子リング内径の差（初期締め代）は全て５０μｍに統一した。
【００４７】
そして、図１２（ａ）、（ｂ）のものについては上記の第二端子リング３を、セラミックヒータ１の所定位置に図６に示す方法を用いて圧入により組み付けた。なお、圧入時においては、全てのものについて各リングの内面に潤滑剤（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なっている。
【００４８】
また、図１２（ａ）は、組立てた後に凸条部３１を残存させた構成とし、図１２（ｂ）では組立て後において凸条部３１を除去工程により除去する構成とした。一方、図１２（ｃ）では、図１３に示す方法を用い、治具１０３において第二端子リング３の前端縁３ｃを支持しつつ第二端子リング３とセラミックヒータ１を組み付けた。なお、ここでは、図１２（ａ）の方法によるものを実施例１、図１２（ｂ）の方法によるものを実施例２、図１２（ｃ）の方法によるものを比較例としている。
【００４９】
そして、図１２（ａ）ないし（ｃ）の方法を用いてそれぞれ圧入した後、前記した分解後締め代を軸線方向において所定間隔（１ｍｍ）ごとに測定した。図１１は、第二端子リング３の軸方向位置（横軸）と分解後締め代（縦軸）との関係を示すものである、なお、ここに示す軸方向位置は、軸線方向における前端縁３ｃからの距離Ｘ（図１３の場合においては前端縁２０３ａからの距離Ｘ）を示すものである。
【００５０】
図１１に示すように、図６の方法（即ち、本発明に係る引張応力が主として生じる方法）による圧入を用いた図１２（ａ）及び（ｂ）の場合には、軸線方向の全区間において圧縮による方法よりも締め代が大きく確保されており、特に図１２（ａ）のように凸条部を残存させる構成においては、凸条部近傍においては極めて強力な緊束力が作用することが確認された。一方、図１２（ｃ）のように前端縁２０３ａを支持しつつ圧入した場合には、全体的に締め代が確保されておらず、特に軸線方向両端部はほとんど締め代が確保されなかった。
【００５１】
また、比較例、実施例１、及び実施例２において、ＪＩＳ−Ｄ５１０３に規定された気密漏洩試験を行った。試験条件は４ＭＰａの圧力にて１５秒行った。そして、漏洩量が０．２５ｃｃ以上のものを×、０．２５ｃｃ未満の漏洩量のものを△、漏洩が検出されなかったものを○として判定した。なお、各例ごとに試験温度をそれぞれ４段階設定して行い、比較例については２０℃〜２６０℃（比較例１−１〜１−４の４段階）、実施例１については、２０℃〜７５０℃（実施例１−１〜１−４の４段階）、実施例２については２０℃〜６１０℃（実施例２−１〜２−４の４段階）の範囲にてそれぞれ行った。また、その温度範囲にて、圧入後の第一端子リング１４及び第二端子リング３間の直列抵抗を測定し、予め測定済みのセラミックヒータ１の固有抵抗を減ずることによりリングとヒータ端子との接触抵抗の値を求めた。接触抵抗値が１０ｍΩ未満のものを○、１０ｍΩ以上５０ｍΩ未満のものを△、５０ｍΩ以上のものを×として判定した。それら実験結果について表１に示す。
【００５２】
【表１】
0004555508.tif 000002
【００５３】
凸条部を残存させる構成である実施例１（実施例１−１〜１−４）では、図１１の実験結果に示すように、分解後締め代ｄ２’−ｄ１’の最大値が２６μｍ（即ち、比較例の最大値（９μｍ）の約３倍）まで改善されることが確認され、さらに、表１の性能試験結果に示されるように、この構成のものは７５０℃以上においても気密性、導通性が良好に維持されることが確認された。一方、比較例（比較例１−１〜１−４）においては、分解後締め代の最大値は９μｍであり、耐熱性については、２５０℃を超えると性能を維持することが困難となる可能性が高くなることが確認された。
【００５４】
また、組立て後において凸条部を削除する構成である実施例２（実施例２−１〜２−４）では、最終製品の外面形状が比較例とほぼ同様とされるにもかかわらず、分解後締め代が比較例より大きく確保されることが判明した。図１１の結果によれば、分解後締め代の最大値は１８μｍとなり、比較例の約２倍の締め代が確保されることが確認された。また、性能試験においても気密性、導通性ともに比較例より良好な結果が得られることが明らかとなり、５９５℃までは性能的に問題が無いことが確認された。
【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】第二端子リング（金属外筒）の半断面図。
【図４】図１のグロープラグの製造工程の説明図。
【図５】図２に続く説明図。
【図６】圧入工程について説明する説明図。
【図７】分解後締め代の算出に使用する部位を説明する図。
【図８】図１のグロープラグの変形例を示す要部縦断面図。
【図９】金属外筒と主体金具の結合形態の例をいくつか示す図。
【図１０】図９とは異なる結合形態の例を示す図。
【図１１】実施例の実験結果を示す第一のグラフ。
【図１２】実施例における組立て方法、寸法設定について示す図。
【図１３】凸条部を設けない場合の圧入方法を説明する図。
【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  （金属外筒）
４  主体金具
４ｃ  前方側端面
４ｄ  内周面
１０  セラミック抵抗体
１１  抵抗発熱体
３１  凸条部
３２  後方側端面
５０  グロープラグ
１３１  凸条部区間
【図１】
0004555508.tif 000003
【図２】
0004555508.tif 000004
【図３】
0004555508.tif 000005
【図４】
0004555508.tif 000006
【図５】
0004555508.tif 000007
【図６】
0004555508.tif 000008
【図７】
0004555508.tif 000009
【図８】
0004555508.tif 000010
【図９】
0004555508.tif 000011
【図１０】
0004555508.tif 000012
【図１１】
0004555508.tif 000013
【図１２】
0004555508.tif 000014
【図１３】
0004555508.tif 000015