(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機導電材または高融点金属材からなる発熱体をセラミックス中に埋設したセラミックス発熱体と、このセラミックス発熱体を保持する金属製外筒と、この金属製外筒を保持する取付け金具を有するセラミックヒータ型グロープラグにおいて、前記セラミックス発熱体の前記取付け金具側の最後端を前記金属製外筒内に位置付け、前記金属製外筒の前記セラミックス発熱体が内側に位置していない後端側部分の外周部を前記取付け金具の取付け孔に圧入して固定したことを特徴とするセラミックヒータ型グロープラグ。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックヒータ型グロープラグにおいて、
前記金属製外筒の後端側外周部または前記取付け金具の取付け孔の少なくともいずれか一方に前記圧入のためのガイドを形成したことを特徴とするセラミックヒータ型グロープラグ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセラミックヒータ型グロープラグにおいて、
前記金属製外筒の前記取付け金具の取付け孔内への圧入長さを、前記セラミックス発熱体の径寸法の少なくとも２〜１０倍の長さに設定したことを特徴とするセラミックヒータ型グロープラグ。
【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補助用として使用される高温用のセラミックヒータ型グロープラグに関し、特に排ガス規制に対応するためにディーゼルエンジンの直噴多弁化に移行するなかで、セラミックス発熱体（セラミックヒータ）と、これを保持する金属製外筒と取付け金具との接合構造および接合方法を改良し、グロープラグの細径化を図るとともに、軸線方向への突き出し長さを長くすることにより全体の細径化、長尺化を図ったセラミックヒータ型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の始動補助用に使用されるセラミックヒータ型グロープラグは、セラミックス発熱体と、これを先端部に保持しエンジンのシリンダヘッドに取付けられる管状ハウジングによる取付け金具と、この取付け金具の先端で前記セラミックス発熱体を保持する金属製外筒とを備えている。このグロープラグでは、一般にセラミックス発熱体と金属製外筒とを銀ろう等でろう付けすることにより接合し、さらにセラミックス発熱体を保持した金属製外筒を取付け金具の先端部に銀ろう等でろう付けすることにより接合している。
【０００３】
また、この種のグロープラグはそれ自体がエンジンのシリンダと外気とを遮断する圧力隔壁の一部を構成することから、上述したセラミックヒータ型グロープラグも気密を保持する機能が必要であり、従来は上述したように銀ろう等を全周にわたって付着させてセラミックス発熱体と金属製外筒との間に充満させることにより、気密性を確保できるようにしている。
【０００４】
すなわち、従来この種のセラミックヒータ型グロープラグでは、エンジン燃焼室と外部との気密保持のために、セラミックス発熱体と金属製外筒との間と、金属製外筒と取付け金具との間とをろう付けにより一体に結合していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、地球温暖化などへの対策として、エンジンの熱効率を向上させることが重要課題となっており、これに伴ってディーゼルエンジンにおいても直噴化、４バルブ化による低燃費化が急速に進展してきている。
【０００６】
しかし、上述したような直噴化、４バルブ化の影響で、エンジンのシリンダヘッド周りの空間の制約が大きくなり、グロープラグの直径を小さくするとともにその長さをより一層長くして、グロープラグの細径化と長尺化を図ることによって、特に取付け金具のエンジンのシリンダヘッドへのシート部（グロープラグのエンジンのシリンダヘッドとの気密保持部）から、発熱体の先端発熱部までの長さ（いわゆる突き出し長さ）を長くすることによって、エンジンのシリンダヘッド周りでの設計の自由度を向上させることが求められている。
【０００７】
しかし、セラミックヒータ型グロープラグにおいて、前述したようなろう付けによる接合ではセラミックス発熱体、金属製外筒、取付け金具のそれぞれの接合面二箇所にろう付け箇所が存在することから、セラミックス発熱体と取付け金具との同芯性を確保することが困難であった。そして、同芯性が悪いと、発熱部の突き出し長さを長くしたグロープラグをエンジンのシリンダヘッドに取付けるときに、セラミックス発熱体がシリンダヘッドのグロープラグ挿入孔の内面にあたってしまうおそれがある。
【０００８】
しかも、従来のセラミックヒータ型グロープラグでは、金属製外筒でセラミックス発熱体を貫通保持しているので、同芯がずれても修正することができなかった。そのため、セラミックヒータ型グロープラグでは、セラミックス発熱体の突き出し長さを長くすることができず、設計、構造上で大きな制約があった。
【０００９】
セラミックヒータ型グロープラグにおいて、発熱部の突き出し長さを長くするにはセラミックス発熱体を長尺に形成すればよいが、コスト高となる。しかも、従来のセラミックス発熱体では後端側の電極取出し部が嵩張るために、細径化を図っている金属製外筒の先端側部分にのみこのセラミックス発熱体を保持させることもできない。
【００１０】
このような制約を解消するものとしてたとえば特開昭６３−２５４１６号公報には、金属製外筒と取付け金具との間を圧入で接合した構造が提案されている。しかし、取付け金具に金属製外筒を圧入する際に発生するセラミックス発熱体の割れを防ぐ対策が必要であり、また圧入後に亀裂が発生したか否かの検査が必要で、その検査コストも嵩むという問題があり、現実的に実用化するには至っていない。
【００１１】
また、従来のグロープラグにおいて、金属製外筒と取付け金具とのろう付けは、高周波加熱によるろう付け（高周波ろう付け）が一般的である。しかし、高周波ろう付けは、金属製外筒内に保持したセラミックス発熱体への局部的な熱影響を避けることができず、その条件によっては、セラミックス発熱体の破損を生じる可能性があった。しかも、このようなセラミックス発熱体の破損を非破壊検査で検出することは非常に困難であり、検査コストが増大し、製造が難しいとともにコスト高となっている。
【００１２】
また、グロープラグの細径化のために、グロープラグをエンジンのシリンダヘッドに取付ける取付け金具のねじ径をたとえば従来のＭ１０サイズからＭ８サイズにしようとすると次のような問題を生じる。すなわち、取付け金具のねじ径サイズを小さくしようとすると、取付け金具の断面積が減少するため、エンジンへの取付け時における締付けトルクにより取付け金具の軸部への引っ張り応力が非常に大きくなる。したがって、取付け金具の軸部に熱処理等を施し、引っ張り応力に対する変形を防止する必要がある。
【００１３】
金属製シース型グロープラグには、たとえば特開平１０−２２０７５９号公報に示すような熱処理を施す工法が開示されている。このような熱処理方法としては、浸炭焼入、軟窒化、高周波焼入などがあるが、処理費用や変形を抑制する観点から、高周波焼入を軸部全体に施すことが有効である。
【００１４】
しかし、この高周波焼入は、処理温度が９００℃前後であることや処理の容易さから、取付け金具単体でグロープラグの組立て前に実施するのが現実的である。このようにして高周波焼入、または多くのその他の熱処理で硬化させた取付け金具を、前述したように高周波ろう付けで加熱すると、当然ながらその熱影響によって熱処理部全体に著しい軟化が生じる。したがって、このように熱処理と高周波ろう付けは両立が著しく困難である。
【００１５】
また、上述した細径化、長尺化の状況に対応したセラミックス発熱体と金属製外筒の接合方法について、たとえば特開昭６１−８５２６号公報に示す構造が提案されている。この公報によれば、耐熱性が問題となる金属製外筒の先端部分には銅系のろう付けを、気密性を確保するために温度が上がらない取付け金具側には銀ろう付けを組み合わせて接合するとされている。しかし、銅ろう付けは気密性がよくないばかりでなく、このように二種類のろう付けを複合させることは、融点が大きく異なること、および低融点側に施す銀ろうの大量の蒸散を招くこと、コスト高を招くこと等から、実用化に至っていない。
【００１６】
以上のような理由から、従来のセラミックヒータ型グロープラグは、取付け金具のねじ径をたとえばＭ８のねじ径サイズにするという細径化や長尺化に著しく不適であったため、セラミックヒータを用いることによる優れた特性を最新のエンジンに生かすことができないというジレンマがあった。
このため、セラミックヒータ型グロープラグでは、取付け金具、金属製外筒、セラミックス発熱体の接合構造を簡単にし、しかもこのような接合部分の気密性を向上させることができる何らかの対策を講じることが望まれている。
【００１７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、取付け金具の先端に金属製外筒を介してセラミックス発熱体を保持するにあたって、取付け金具のねじ径の細径化に対応できるとともに、セラミックス発熱体の取付け金具の先端からの突き出し長さを長くする長尺化に対応することができるセラミックヒータ型グロープラグを得ることを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、取付け金具の先端に金属製外筒を介してセラミックス発熱体を保持するにあたって、これらの接合部分での気密性を低コストで実現できるとともに、これらの部品の同芯性を確保することが可能で、しかも従来の銀ろう等によるろう付けのように手間とコストが嵩む方法に代えて簡単に組立てが行え、コスト低減が図れるセラミックヒータ型グロープラグを得ることを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、取付け金具の先端に金属製外筒を介してセラミックス発熱体を保持するにあたって、セラミックス発熱体におけるセラミックス部分に亀裂等が入らず、製品品質を確保できるセラミックヒータ型グロープラグを得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような要請に応えるために本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグは、無機導電材または高融点金属材からなる発熱体をセラミックス中に埋設したセラミックス発熱体と、このセラミックス発熱体を保持する金属製外筒と、この金属製外筒を保持する取付け金具を有するセラミックヒータ型グロープラグであって、前記セラミックス発熱体の前記取付け金具側の最後端を前記金属製外筒内に位置付け、前記金属製外筒の前記セラミックス発熱体が内側に位置していない後端側部分の外周部を前記取付け金具の取付け孔に圧入して固定したことを特徴とする。
【００２１】
本発明（請求項１に記載の発明）によれば、金属製外筒の後端側であってセラミックス発熱体を保持していない部分を、取付け金具の取付け孔に圧入して接合させることができる。換言すれば、取付け金具に対する金属製外筒の圧入工程において、セラミックス発熱体には金属製外筒と取付け金具との圧入による接合時の過剰な応力が生じない。
【００２２】
また、本発明によれば、セラミックス発熱体の長さを長くすることなく、金属製外筒の長さを変えることで、セラミックス発熱体の取付け金具の先端からの突き出し長さを長くすることができる。
【００２３】
また、本発明によれば、金属製外筒と取付け金具との圧入による接合時において、金属製外筒の後端部分が圧入時のガイドの役割を果たし、圧入荷重の管理が容易である。また、圧入に際して、両部材間での同芯をとることが容易になり、圧入後の同芯度が向上する。
【００２７】
本発明によれば、金属製外筒のセラミックス発熱体を保持していない部分を圧入で取付け金具に固定することが可能で、しかもこの圧入による接合部分の気密性を確保することができる。また、本発明によれば、圧入で金属製外筒を取付け金具に圧入で保持させて接合しているから、これらの同芯性を確保することができる。
【００２８】
また、本発明（請求項２に記載の発明）に係るセラミックヒータ型グロープラグは、請求項１において、前記金属製外筒の後端側外周部または前記取付け金具の取付け孔の少なくともいずれか一方に前記圧入のためのガイドを形成したことを特徴とする。
【００２９】
本発明（請求項２に記載の発明）によれば、金属製外筒または取付け金具に設けた圧入のためのガイドによって、圧入が容易にしかも円滑に行え、しかもこれらの同芯度を確保することができる。
【００３０】
また、本発明（請求項３に記載の発明）に係るセラミックヒータ型グロープラグは、請求項１または請求項２において、前記金属製外筒と前記取付け金具との圧入長さを、前記セラミックス発熱体の径寸法の少なくとも２〜１０倍の長さ（たとえば７．５ｍｍ以上であってかつ３０ｍｍ以下の範囲内）に設定したことを特徴とする。
【００３１】
本発明（請求項３に記載の発明）によれば、金属製外筒と取付け金具とを所定の圧入長さで圧入することにより、これらの部材の圧入による接合強度、たとえば抜け出し荷重を充分に確保することができる。そして、これらの接合部において気密性を確保することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
図１ないし図４は本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグの一つの実施の形態を示す。これらの図において、図３および図４を用いて全体を符号１０で示すセラミックヒータ型グロープラグの概要を以下に説明する。
【００４４】
図中符号１１は後述するように発熱体を埋設した絶縁性セラミックスからなるセラミックス発熱体（セラミックヒータ）、２１はこのセラミックス発熱体１１の外周部に嵌装されろう付け等で接合されているパイプ形状の金属製外筒、２２はこの金属製外筒２１を先端部に保持するとともにこのグロープラグ１０のエンジンヘッドへの取付け金具（管状ハウジング）である。
【００４５】
ここで、前記金属製外筒２１はたとえば快削鋼、炭素鋼等を材質とした金属製パイプによって形成されている。また、前記取付け金具２２はステンレス鋼などで全体が略管状を呈するように形成され、後端側外周部にエンジンのシリンダヘッドの取付け穴（図示せず）へのねじ込み手段であるねじ部２２ａが形成されている。
【００４６】
２４は取付け金具２２の後端部に絶縁ブッシュ２５を介して保持した外部接続端子である。なお、この外部接続端子２４の内方端部分には、前記セラミックス発熱体１１と電気的接続を行う電極取出し金具１８の接続端１８ｂを接続する接続端２４ａが形成されている。
【００４７】
ここで、このようなセラミックヒータ型グロープラグ１０において、シリンダヘッドに設けた取付孔にねじ込み固定するためのねじ部２２ａを有する取付け金具２２の外周部で少なくともねじ部２２ａを除いてシート面部となる先端部に至る部分に、熱処理として高周波焼入れを施すとよい。
なお、このようなグロープラグ１０の構造や機能は従来から広く知られている通りであり、ここでは詳しい説明を省略する。
【００４８】
前記セラミックス発熱体１１の外殻を構成するセラミックス絶縁体１２中には、図１、図３、図４に示すように無機導電材または高融点金属材からなる発熱体１３とこの発熱体１３の両端部１３ａ，１３ｂに一端１４ａ，１５ａが接続されヒータ外部への電極取出しを行うリード部１４，１５とを絶縁性セラミックス中に埋設している。
なお、この実施の形態では、発熱体１３とリード部１４，１５を別部材で構成しているが、一体に構成してもよい。
【００４９】
そして、一方のリード部１４の接続端１４ｂは、セラミックス絶縁体１２の後端部寄りの外周部に露出され、金属製外筒２１とろう付けなどにより電気的に接合されている。この電気的接合部は一般には負極となる。なお、このリード部接続端１４ｂの露出部と金属製外筒２１との電気的接合が確実に行えるようにセラミックス絶縁体１２の周囲（前記接続部１４ｂに対応する部分）に導電層（図示せず）を形成するとよい。
【００５０】
また、他方のリード部１５の接続端１５ｂは、セラミックス絶縁体１２の後端部において最後端部には露出しない位置で筒状セラミックス成形体または焼結体１７（以下、成形体１７として略す）内で電極取出し金具１８と電気的に接合されている。この電気的接合部は一般には正極となる。この電極取出し金具１８がセラミックス絶縁体１２の後端部から取出され、後方に延設されている。
【００５１】
なお、筒状セラミックス成形体１７は、円筒形状または角筒形状を呈するものであって、その内孔１７ａ内に前記リード部１５の接続端１５ｂを差込んだ状態でホットプレスを行い、その後筒状セラミックス成形体１７の一方に開いた穴から電極取出し金具１８の接続端１８ａを差込み、ろう付けを行うことにより、接合され全体が一体化された状態となる。
【００５２】
この実施の形態では、セラミックス発熱体１１の後端部における電極取出し部分を、図１、図３、図４に示すように構成している。すなわち、セラミックス発熱体１１において、リード部１５の接続端を、セラミックス絶縁体１２の後端部において最後端部に露出しない位置で電極取出し金具１８と電気的に接合するが、この電気的な接合をセラミックス絶縁体１２の最先端部からこのセラミックス絶縁体１２の径寸法（たとえば３．５ｍｍφ）の少なくとも５倍以上（たとえば５〜１２倍程度；２０〜４０ｍｍ以上）後端側にある位置で行い、発熱部１３の熱の影響を受けないように構成している。
【００５３】
このような電極取出し部を含めたセラミックス発熱体１１の製造方法を以下に説明する。すなわち、発熱体１３およびリード部１４，１５をセラミックス絶縁体１２を形成するためのセラミックス成形体中に埋設する。この埋設方法としては、従来から一般的な方法である、射出成形法、一軸プレス法、鋳込み成型法、ゲルキャスティング法等を採ることができる。その中で、一軸プレス法が歩留まり、成形性、自動化等の面からは最も好ましい。
【００５４】
これを詳述すると、セラミックス絶縁体１２とする量の半分の顆粒粉体を成形型内に入れ、その上に発熱体１３、リード部１４，１５となる、たとえばタングステン（Ｗ）からなるフィラメントを置き、さらにその後端部まで延設されているリード部１５の接続端１５ｂが筒状に成形したセラミックス成形体（または焼結体）１７の中に一部通し、その上に残り半分の顆粒粉末を被せて成形する。
【００５５】
このとき、リード部１５が酸化しないように、筒状セラミックス成形体１７の穴１７ａの他端はセラミックス絶縁体１２の最後端部分に露呈していなくてもよい。後述するホットプレス後にこのセラミックス絶縁体１２の最後端を切断し、穴１７ａの開口端を露呈させることができればよい。
【００５６】
上述したように成形したセラミックス絶縁体１２となる成形体を脱脂した後、ホットプレス焼成を行う。
【００５７】
その後、発熱体１３を埋設したセラミックス絶縁体１２を円柱状に、その最先端を半球状に研削加工する。その最後端部には筒状セラミックス成形体１７が埋め込んであるため、穴１７ａが開いている。なお、前述したようにリード部１５が酸化しないように筒状セラミックス成形体１７の穴１７ａの開口部分が最後端に露呈させていない場合には、セラミックス絶縁体１２の最後端を切断し、穴１７ａを露呈させる。
【００５８】
そして、このセラミックス絶縁体１２の最後端に露呈している筒状セラミックス成形体１７の穴１７ａ内に、たとえば耐酸化性に優れたＮｉ線、Ｎｉめっきを施したＦｅ線、ステンレス線等からなる電極取出し金具１８を通し、その穴の中に延設されている、たとえばタングステン（Ｗ）からなるリード部１５と接触させ、銀ろう付け等により電気的に接続させることができる。
【００５９】
ここで、セラミックス発熱体１１となるセラミックス絶縁体１２を形成するセラミックスとは無機材料全般のことをいう。たとえばアルミナ、ジルコニア、コーディエライト、窒化ケイ素、炭化ケイ素、あるいはそれらの複合体を含む。特に、この中では液層を介して焼結が行われ、高温強度が大きく、耐熱衝撃性に優れている窒化ケイ素、炭化ケイ素が望ましい。
【００６０】
一方、前記筒状セラミックス成形体（あるいは焼結体）１７は、セラミックス絶縁体１２と同じ材料で形成してもよいし、導電性のある無機導電材あるいは高融点金属が含まれる無機材料で形成してもよい。無機導電材とは、たとえば周期律表における４ａ、５ａ、６ａ族の窒化物、ケイ化物、炭化物、ホウ化物のうちの一種以上が含まれる導電性の無機物である。高融点金属材が含まれる無機材料としては、たとえば融点が２０００℃以上となる、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｒｅ（レニウム）等の高融点金属が無機物の中に分散していて導電性があるものである。
【００６１】
上述したように筒状セラミックス成形体１７を導電性のある無機導電材あるいは高融点金属が含まれる無機材料にすれば、リード部１５と電極取出し金具１８との電気的接続がより確実に得られるようになる。
【００６２】
前記発熱体１３やリード部１４，１５は、無機導電材あるい高融点金属材で形成されるが、この無機導電材は上述した無機導電材と同じ材質であり、高融点金属材は上述した高融点金属やその合金である。
【００６３】
本発明によれば、以上のような構造をもつセラミックヒータ型グロープラグ１０において、図１および図３に示すように、セラミックス発熱体１１を金属製外筒２１に対して前記グロープラグ１０の先端側すなわち図示しないエンジン燃焼室に臨む先端側に延設させた状態で保持させ、その最後端１１ａすなわち先端発熱部１１ｂと反対側であって前記取付け金具２２側の端部が前記金属製外筒２１の内部であって前記取付け金具２２とは反対側の先端寄りの部分に位置するように構成したところを特徴とする。
【００６４】
ここで、この実施の形態では、上述したセラミックス発熱体１１を金属製外筒２１の先端側に一部を挿入し、この挿入部分をたとえば銀ろう付け等で気密を保持しながら固定する。このとき、セラミックス発熱体１１の後端部は、前記金属製外筒２１の内部でこの金属製外筒２１の取付け金具２２への接合部分にセラミックス発熱体１１が存在しないように位置付けて固定する。
【００６５】
前記金属製外筒２１は、前記取付け金具２２の先端部において取付け孔２２ｂ内に圧入することにより、気密を保持しながら固定している。このような構造では、金属製外筒２１のセラミックス発熱体１１を保持していない後端側部分を取付け金具２２の取付け孔２２ｂに圧入することから、セラミックス発熱体１１にはこの圧入時の過剰な応力は作用しない。
【００６６】
したがって、このような構造では、従来問題であったセラミックス発熱体１１に亀裂を生じるおそれがなく、しかもセラミックス発熱体１１の取付け金具２２の先端からの突き出し長さを長くすることができる。
また、このようにセラミックス発熱体１１を保持する金属製外筒２１を取付け金具２２に圧入で接合しているから、従来のようなろう付けによる熱影響がセラミックス発熱体１１と金属製外筒２１との間のろう付けなどの接合部分に及ぶことを防止できる。
【００６７】
また、このような構造では、セラミックス発熱体１１の長さを短くすることができるから、グロープラグ１０の長尺化に際しては、金属製外筒２１の長さを長くすることで対応できるようになる。そこで、たとえばセラミックス発熱体１１の長さを一定として共通部品とし、金属製外筒２１や取付け金具２２を変えることにより種々の構造、タイプの異なるグロープラグに対応することができるようになる。また、セラミックス発熱体１１からの電極取出し金具１８の取出しを最後端１１ａより行っているから、取出し金具２２や金属製外筒２１の細径化に対応することができ、グロープラグの細径化に対応することが可能となる。
【００６８】
また、上述した構造では、セラミックス発熱体１１を保持した金属製外筒２１を取付け金具２２の取付け孔２２ｂに圧入する際に、この金属製外筒２１自体がガイドの役割を果たし、圧入荷重の管理が容易である。しかも、この圧入に際して、これらの部材の同芯性を確保することが容易になり、圧入後の同芯度が向上する。さらに、圧入時に何らかの理由で同芯度がずれたとしても、そのずれの修正を比較的簡単に行うことができる。
【００６９】
また、上述した構造では、金属製外筒２１を取付け金具２２に圧入して金属製外筒２１と取付け金具２２とを固定する固定強度としての抜け出し荷重と取付け金具２２に対するセラミックス発熱体１１の同芯度とを両立させるとともに、取付け金具２２の内周面と金属製外筒２１の外周面との間の気密性の保持を確保する必要がある。
【００７０】
そこで、圧入長さと圧入代とを種々変更して抜け出し荷重と同芯度の測定および気密試験を行った。試験試料は、取付け金具２２の内径を４．５ｍｍφとして、金属製外筒２１の外径を種々変えて圧入代を０．０２〜０．１ｍｍの範囲で５種類設定するとともに、圧入長さを５〜４０ｍｍの範囲で８種類設定して、それらの組合せで作成し、実験を行った結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
また、この表１によれば、圧入代を０．０２〜０．１ｍｍに変化させても、抜け出し荷重には影響を与えず、圧入長さだけにほぼ一元的に支配されていることが理解できる。
【００７３】
圧入長さが７．５〜３０ｍｍの範囲で、圧入代を０．０２〜０．１ｍｍの範囲で変化させた試験試料は、全て抜け出し荷重、同芯度、気密試験ともに合格と判定されたが、圧入長さが５ｍｍの試験試料では、抜け出し荷重と同芯度は全て不合格と判定され、気密試験も一部不合格になっている。
また、圧入長さが４０ｍｍの試験試料では、抜け出し荷重と気密試験は全て合格と判断されたが、同芯度が不合格と判定された。また、圧入長さ４０ｍｍの試験試料では、全ての試料に金属製外筒の座屈変形が生じている。
【００７４】
この結果より、セラミックヒータ型グロープラグ１０のセラミックス発熱体１１の外径はおよそ３．５ｍｍφであり、金属製外筒２１の外径は４．５ｍｍφにほぼ制約されることから、抜け出し荷重、同芯度と気密試験を満足するとともに、座屈変形を生じることがなく、また適正な圧入荷重を維持するには、圧入長さを７．５〜３０ｍｍとすることが望ましい。
【００７５】
ここで、上述した表１で説明した圧入時の各部の寸法関係、芯ずれ（同芯度）の測定方法を図５、図６に示す。
すなわち、金属製外筒２１の先端側（図５中下端側）にセラミックス発熱体１１を保持させ、たとえばろう付けで固着する。この状態で圧入用治具３０に設けた保持孔に金属製外筒２１を立設し、この状態で取付け金具２２の取付け孔２２ｂを嵌装させる。そして、上方から取付け金具２２に加圧力を与えて圧入することにより、所要の圧入長さで両部材が一体的に結合される。
【００７６】
また、図６は上述した図５によって圧入により一体化したセラミックヒータ型グロープラグ１０を、測定治具３１上に設置し、取付け金具２２の先端から長さｌ（たとえば５０ｍｍ）の位置でのセラミックス発熱体１１の位置を測定器３２で測定する。このような測定を前記グロープラグ１０を回転させながら行うことにより、同芯度のずれを測定することができる。
【００７７】
上述した図１では、取付け金具２２の取付け孔２２ｂに対してストレート形状のパイプからなる金属製外筒２１を、所定の圧入代をもって単純に圧入させて結合した場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。
たとえば図２（ａ），（ｂ）に示すように、取付け金具２２の取付け孔２２ｂの圧入側の端部寄りの部分に大径なガイド孔４１を形成したり、金属製外筒２１の圧入側の端部寄りの部分に小径なガイド部４２を形成するとよい。このように構成すれば、金属製外筒２１を取付け金具２２の取付け孔２２ｂに圧入するときに、金属製外筒２１が圧入のためのガイド孔４１やガイド部４２に案内されながら圧入されるので、取付け金具２２に対しての圧入が容易に行えるとともに、両部材の同芯度が出しやすくなる。
【００７８】
また、この実施の形態では、前述したようにセラミックス発熱体１１における後端側の電極取出し部において、図１、図３、図４に示すように、セラミックス発熱体１１内の一方のリード部１５と電極取出し金具１８との電気的な接続を、このセラミックス発熱体１１内で行うとともに、前記電極取出し金具１８の一端をセラミックス発熱体１１の後端面から取出す構造を採用している。このような構造を採用することにより、上述したようにセラミックス発熱体１１の最後端を、金属製外筒２１の内部に位置付けることができる。
【００７９】
すなわち、セラミックス発熱体１１の後端側の電極取出し構造を、たとえば本出願人が先に提案した特願平１０−２２６９３６号に示した構造とすることにより、セラミックス発熱体１１を、金属製外筒２１の先端側部分に嵌挿して保持させることができる。したがって、従来のようにセラミックス発熱体１１を金属製外筒２１に貫通させて保持していた場合とは異なり、セラミックス発熱体１１を金属製外筒２１の先端側にのみ取付ける長さで形成することができる。その結果、取付け金具２２の先端からの発熱部の突き出し長さを長くすることができる一方、セラミックス発熱体１１としては一般的な長さで形成すればよく、汎用性に優れている。
【００８０】
このような構造によれば、セラミックス発熱体１１を金属製外筒２１の先端側部分にのみ配置させて保持することにより、セラミックス発熱体１１の長さが短くてもよく、取付け金具２２からの発熱部の突き出し長さが異なるものに対して共通に使用することができる。また、金属製外筒２１のセラミックス発熱体１１を保持していない部分を圧入で取付け金具２１に固定することが可能で、しかもセラミックス発熱体１１に亀裂が生じたりすることがない。また、圧入によって金属製外筒２１を取付け金具２２に保持させて接合できるから、これらの同芯性を確保することができる。したがって、セラミックヒータ型グロープラグ１０において、実用に耐え得る圧入で接合することができる。
【００８１】
上述した本発明において特徴となる同芯性についてを図７（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
図７（ａ）は本発明による実施の形態を示し、図７（ｂ）は従来例を示す。
ここで、符号５１はセラミックス発熱体１１を金属製外筒２１に接合しているろう付け部、５２は金属製外筒２１を取付け金具２２に接合している従来例のろう付け部である。
【００８２】
図７（ｂ）の従来例では、金属製外筒２１の外径と取付け金具２２の内径には、ろう付け部５２の厚さの分だけ隙間があり、その隙間により金属製外筒２１は取付け金具２２の軸線方向に対して傾く可能性があり、同芯性が確保できない。
【００８３】
これに対して図７（ａ）の実施の形態では、金属製外筒２１の外径と取付け金具２２の内径は、圧入する構造であるから上述した従来例のような隙間は存在しない。したがって、金属製外筒２１は取付け金具２２の軸線方向に対して傾くことがなく、その分従来例よりは同芯性が向上することになる。
【００８４】
また、上述した図７（ａ）と図８とによって明らかなように、本発明によれば、セラミックス発熱体１１の取付け金具２２の先端からの突き出し長さを、セラミックス発熱体１１の金属製外筒２１への接合位置や金属製外筒２１の取付け金具２２への圧入長さ、圧入位置によって任意に調整することができる。そして、このような構造によれば、セラミックス発熱体１１の長さは同じであっても、突き出し長さを任意に選択できることになる。したがって、セラミックス発熱体１１の長さは短くてよく、種々の構造、タイプの異なるグロープラグ１０において共通部品として用いることが可能となる。
【００８５】
図９は本発明の参考になる技術を示す。すなわち、この参考技術では、金属製外筒２１にセラミックス発熱体１１を挿入し、これらをたとえば銀ろう付けや銅ろう付け等のろう付けにより接合固定している。そして、金属製外筒２１を取付け金具２２に圧入して、気密を保持しながら固定しているが、この参考技術では、金属製外筒２１内のセラミックス発熱体１１が圧入部分に位置する部位まで圧入している。
【００８６】
このように圧入すると、金属製外筒２１が変形して金属製外筒２１の内周面とセラミックス発熱体１１の外周面とが密着するので、金属製外筒２１の内周面とセラミックス発熱体１１の外周面との気密を保持することができる。また、金属製外筒２１の外周面と取付け金具２２の内周面との間の気密を圧入により保持することができる。
【００８７】
なお、ここでは、取付け金具２２の取付け孔２２ｂの先端側開口部内周縁、金属製外筒２１の圧入部（後端部）の先端側外周縁、セラミックス発熱体１１の後端側の外周端にテーパ面６１，６２，６３を形成しておく。このようにすると、内側にセラミックス発熱体１１が位置する金属製外筒２１が取付け金具２２の取付け孔２２ｂに圧入されたとき、なだらかに外筒２１が変形するので、セラミックス発熱体１１に無理な力がかからない。
【００８８】
したがって、圧入によりセラミックス発熱体１１が破損することがない。また、上述したように圧入により各部の気密を保持できるから、金属製外筒２１とセラミックス発熱体１１とのろう付けは気密を保持する必要がなくなるのでろう付けが容易になる。
【００８９】
図１０は本発明の他の実施の形態を示す。この実施の形態では、金属製外筒２１にセラミックス発熱体１１を挿入し、たとえば銀ろう付けや銅ろう付け等のろう付けによってセラミックス発熱体１１と金属製外筒２１とを固定するとともに、耐熱性を有し変形し易い材質による円柱状部材７０をセラミックス発熱体１１の後端面に接するように配置している。
【００９０】
そして、金属製外筒２１をこの円柱状部材７０の圧入位置になるまで取付け金具２２に圧入する。なお、取付け金具２２の取付け孔２２ｂの開口部、円柱状部材７０の外周端部にテーパ面６１，７１を成形しておくと、円滑な圧入が可能となる。
【００９１】
このような構成を採用しても、上述した実施の形態と同様にセラミックス発熱体１１に無理な力がかからないばかりでなく、各部の気密性を得ることができ、しかも圧入によってセラミックス発熱体１１が破損することがないグロープラグ１０を得ることができる。
【００９２】
この実施の形態では、金属製外筒２１が取付け金具２２に圧入されることにより変形し、金属製外筒２１の内周面と円柱状部材７０の外周面とが密着するので、金属製外筒２１の内周面と円柱状部材７０の外周面との間の気密が保持されるとともに、圧入により金属製外筒２１の外周面と取付け金具２２の内周面との気密を保持することができる。
【００９３】
なお、金属製外筒２１を取付け金具２２に接合するに当たっては、圧入とかしめ等の塑性加工を併用して金属製外筒２１と取付け金具２２との固定や各部の気密を保持するようにしてもよい。
【００９４】
図１１は本発明のさらに別の実施の形態を示す。この実施の形態では、金属製外筒２１の内側の所定の位置に圧入部材７２を圧入し、セラミックス発熱体１１を金属製外筒２１内に挿入して所定の荷重でセラミックス発熱体１１の後端部に形成したテーパ面７２ｂを同じ角度の圧入部材７２のテーパ面７２ａに当接させながら外筒２１とセラミックス発熱体１１との間のろう付けを行っている。
【００９５】
その後、金属製外筒２１を取付け金具２２に圧入する。これによって、金属製外筒２１と取付け金具２２との固定を行うとともに、金属製外筒２１と取付け金具２２との間の気密保持を行う。また、圧入部材７２と外筒２１との圧入面および圧入部材７２とセラミックス発熱体１１のテーパ面７２ｂとで気密性を保って保持することができる。
【００９６】
この実施の形態でも、上述したと同様に圧入とかしめ等の塑性加工を併用することにより金属製外筒２１と取付け金具２２との固定や気密保持を行うようにしてもよい。
【００９７】
このような構造によれば、セラミックス発熱体１１と金属製外筒２１との間のろう付け等による接合部には、気密を保持する機能を持たせることが不要になるので、従来採用が困難であった銅ろう付け、Ｔｉろう付けなどによる接合が可能になり、より高温で機械的接合を果たす接合方法を広範に採用することが可能となる。さらに、場合によっては、焼きばめなどの接合方法を採用することも可能である。
【００９８】
なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでもない。
たとえば上述した実施の形態では、セラミックス発熱体１１、金属製外筒２１、取付け金具２２の取付け孔２２ｂを断面が円形状を呈するように形成した場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、断面が楕円形状や角形形状であってもよい。
【００９９】
また、上述した実施の形態では、セラミックス発熱体１１を保持している金属製外筒２１と取付け金具２２とを圧入によって接合した例を主に述べたが、圧入とかしめ等の塑性加工を併用してもよい。また、上述した実施の形態では、セラミックス発熱体１１、金属製外筒２１、取付け金具２２の適宜の位置にテーパ面を形成した例を説明したが、各部材の多縁部分にＲまたはＣ字状の面取り加工を適宜施すようにしてもよい。
【０１００】
【実施例】
本発明の構造による効果を確認するため、上述した実験結果を表１に記載した圧入確認実験とは別に圧入に関する実験を行ったので、以下に説明する。
（確認実験１）
Ｓｉ3Ｎ4 ９０重量％、Ａｌ2Ｏ3 ５重量％、Ｙ2Ｏ3 ５重量％をエタノール中で、固体分濃度４０重量％となるように混合し、バインダを添加した状態で、窒化ケイ素製ボール、および窒化ケイ素製ポット中で２４時間混合、粉砕した後、スプレードライヤで乾燥させ、約１００μの顆粒体を得る。
この顆粒体の内部に発熱体１３をインサートした状態でプレス成形を実施し、脱脂後にホットプレスで１８００℃を１時間保持して焼結した後、円筒研削加工を行い、径寸法が３．５ｍｍφ、長さが４０ｍｍのセラミックス発熱体１１を得る。
【０１０１】
このセラミックス発熱体１１に、Ｎｉメッキを一部施して、金属製外筒２１（外径４．５ｍｍφ）との間でろう付けを行い、セラミックス発熱体１１と金属製外筒２１を一体化することにより、セラミックヒータ組立体を得る。
このセラミックヒータ組立体と、内径４．４７ｍｍφを有する取付け金具２２とを、圧入長さが１５ｍｍの条件で圧入することによりこれらを一体的に結合する。
【０１０２】
このようにして得られたセラミックヒータ型グロープラグ１０は、気密試験において６Ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で、水中で気泡観察を行っても、一切漏れが発生しなかった。
また、このときの圧入荷重は１３０Ｋｇｆで、抜け出し荷重（圧入方向と逆の方向にセラミックス発熱体１１を引っ張り出すのに要する荷重）は、１３４Ｋｇｆであった。また、このときの同芯度は０．０２であった。
【０１０３】
比較例として、従来の工法であるろう付けによる接合を行った。この場合、抜け出し強度は１４０Ｋｇｆであったが、同芯度は０．１５と、圧入工法によるものと比較して大きなものとなることが確認されている。
【０１０４】
（確認実験２）
取付け金具２２側の取付け孔２２ｂの内径加工を二段形状とし、圧入の際のガイドの機能をもたせる構造を試みた。この構造により、圧入時の同芯度はさらに向上し、上述した実施例１と同じ１５ｍｍの圧入長さで、同芯度は０．０２から０．０１へと向上することが確認されている。
また、このような構造を採用することにより、取付け金具２２の電気亜鉛メッキ時に、取付け金具２２側の取付け孔２２ｂの内径圧入部分へのメッキ付着が減少し、圧入品質に対する工程能力が向上する。
【０１０５】
（確認実験３）
本発明による構造の効果を確認するために、同一圧入諸元において、本発明の構造と従来一般的に検討されてきた構造とで圧入実験を行って結果を比較した。ここで、金属製外筒２１の外径は４．５ｍｍφ、取付け金具２２の内径は４．４７ｍｍφ、圧入長さは１５ｍｍとした。
【０１０６】
すると、圧入荷重は、本発明の構造によるものは１３５Ｋｇｆ、従来の構造によるものは１５０Ｋｇｆと大差なく、抜け出し強度はそれぞれ１４１Ｋｇｆ、１５３Ｋｇｆであった。
また、気密試験、Ｘ線透過観察などでは、両者とも問題は認められなかったが、切断検査を行った結果、従来工法のものでは圧入部分のセラミックス発熱体１１に、亀裂が生じているのが観察された。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグによれば、セラミックス発熱体を金属製外筒の一部にのみ挿入しているから、グロープラグ先端の長尺化を図るにあたっても、短いセラミックス発熱体を用いることが可能で、グロープラグのコスト低減を図れる。また、本発明によれば、このように短いセラミックス発熱体を用い、グロープラグの種々の長さに対応するにあたっても、セラミックス発熱体の長さを一定にし、金属製外筒の長さのみを変更することによって対応することができるから、経済的である。
【０１０８】
また、本発明によれば、金属製外筒を取付け金具に圧入することにより気密を保持した状態で固定しているから、取付け金具の熱処理時の熱影響やセラミックス発熱体と金属製外筒とのろう付けに対しての配慮が必要がなくなり、生産性が向上する。このような本発明によれば、金属製外筒と取付け金具とのろう付けが不要になることから、この点でも生産性が向上し、コスト低減が図れるという利点がある。
【０１０９】
また、本発明によれば、セラミックス発熱体と取付け金具との同芯度が向上するので、グロープラグにおけるヒータ部分の細径化、長尺化への対応が容易になる。
【０１１１】
また、本発明によれば、セラミックヒータ型グロープラグにおいても、圧入工法を安全に実施出来るとともに、取付け金具への組み付けにおいて、同芯度を格段に向上させることができ、取付け金具からの突き出し長さを長くした構造を採用しても、エンジンのシリンダヘッドとの干渉の結果として生じるセラミックス発熱体部分の破損という事態を避けることができる。
したがって、直接噴射式マルチバルブタイプのディーゼルエンジンにおいても、セラミックヒータ型グロープラグの採用が可能になり、排ガス対策を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグの一つの実施の形態を示し、要部構造を説明するための断面図である。
【図２】 （ａ），（ｂ）は本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグの変形例を示す図である。
【図３】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグおよびその製造方法の一つの実施の形態を示す全体の断面図である。
【図４】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグにおいて、セラミックヒータの一例を示す断面図である。
【図５】 セラミックヒータ型グロープラグにおいて、金属製外筒と取付け金具との圧入時の各部の寸法関係を説明するための図である。
【図６】 取付け金具の中心線に対してのセラミックス発熱体（セラミックヒータ）の芯ずれを測定する方法を説明するための図である。
【図７】 （ａ）は本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグの要部構造を示す要部断面図、（ｂ）は従来のセラミックヒータ型グロープラグの芯ずれ状態を説明するための要部断面図である。
【図８】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグにおいて、突き出し長さを変更した一例を説明するための要部断面図である。
【図９】 本発明の参考技術を示す断面図である。
【図１０】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグの他の実施の形態を示す要部断面図である。
【図１１】 本発明に係るセラミックヒータ型グロープラグのさらに別の実施の形態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１０…セラミックヒータ型グロープラグ、１１…セラミックヒータ、１１ａ…後端面、１２…セラミックス絶縁体、１３…発熱体、１３ａ，１３ｂ…端部、１４，１５…リード部、１４ａ，１５ａ…一端、１４ｂ，１５ｂ…接続端、１７…筒状セラミックス成形体あるいは焼結体、１８…電極取出し金具、１８ａ…接続端、１８ｂ…接続端、２１…金属製外筒、２２…取付け金具、２２ａ…ねじ部、２２ｂ…取付け孔、２４…外部接続端子、２４ａ…接続端、２５…絶縁ブッシュ、２８…ろう材、３０…圧入用治具、３１…測定治具、４１…ガイド孔、４２…ガイド部、５１…ろう付け部、６１，６２，６３…テーパ面、７０…円柱状部材、７１…テーパ面、７２…圧入部材、７２ａ，７２ｂ…テーパ面。
【図１】
0003810947.tif 000003
【図２】
0003810947.tif 000004
【図３】
0003810947.tif 000005
【図４】
0003810947.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003810947.tif 000009
【図８】
0003810947.tif 000010
【図９】
0003810947.tif 000011
【図１０】
0003810947.tif 000012
【図１１】
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