(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設されるＵ字形に形成され、その両端に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備えたセラミックヒータを発熱素子とするグロープラグにおいて、
前記セラミック発熱体は自身の断面形状を楕円形としてなり、Ｕ字底部を形成する湾曲部と、その湾曲部の各端部から同方向に延びる２本の直線部とを備えてなり、前記湾曲部の断面が前記各直線部の断面よりも大きく形成されるとともに、
そのＵ字状の内側外形線に対する、前記直線部から前記湾曲部への移行点が、同じくＵ字状の外側外形線に対する移行点よりも、当該セラミック発熱体のＵ字開口部側に位置するように設定されたことを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設されるＵ字形に形成され、その両端に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備えたセラミックヒータを発熱素子とするグロープラグにおいて、
前記セラミック発熱体は自身の断面形状を楕円形としてなり、Ｕ字底部を形成する湾曲部と、その湾曲部の各端部から同方向に延びる２本の直線部とを備えてなり、前記湾曲部の幅が前記各直線部の幅よりも大きく形成されるとともに、
そのＵ字状の内側外形線に対する、前記直線部から前記湾曲部への移行点が、同じくＵ字状の外側外形線に対する移行点よりも、当該セラミック発熱体のＵ字開口部側に位置するように設定されたことを特徴とするグロープラグ。
【請求項３】
セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設されるＵ字形に形成され、その両端に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備えたセラミックヒータを発熱素子とするグロープラグにおいて、
前記セラミック発熱体は自身の断面形状を楕円形としてなり、Ｕ字底部を形成する湾曲部と、その湾曲部の各端部から同方向に延びる２本の直線部とを備えてなり、前記湾曲部のＵ字底位置における幅が前記各直線部の幅よりも大きく形成されるとともに、
そのＵ字状の内側外形線に対する、前記直線部から前記湾曲部への移行点が、同じくＵ字状の外側外形線に対する移行点よりも、当該セラミック発熱体のＵ字開口部側に位置するように設定されたことを特徴とするグロープラグ。
【請求項４】
前記湾曲部の内側外形線と外側外形線とは互いに同心円弧をなすように形成され、その同心円弧の半径方向における前記湾曲部の幅が、前記同心円弧の中心を通り、かつ前記直線部の軸線と直交する方向における該直線部の幅よりも大きく設定されている請求項１ないし３のいずれか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】
本発明はセラミックヒータを用いた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等の始動促進に使用されるグロープラグとして、例えば図８に示すように、筒状の金属ホルダ１０１の先端にセラミックヒータ１０２を保持させたものが知られている。セラミックヒータ１０２は、例えば棒状の絶縁性セラミック基体１０３の先端部に、導電性セラミックスにより形成されたＵ字形のセラミック発熱体１０４を埋設し、その両端に接続された電極部１０５を介して通電することによりこれを抵抗発熱させるものとして構成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなグロープラグ１００に使用されるセラミックヒータ１０２においては、セラミック発熱体１０４を構成する導電性セラミックスと、セラミック基体１０３を構成する絶縁性セラミックスとの間で線膨張係数が異なるため、発熱・冷却のサイクルを繰り返すと、図９に示すように、特にセラミック発熱体１０４のＵ字湾曲部１０４ａの先端近傍において、上記線膨張係数の差異に基づく応力集中が起こりやすい傾向にある。そのため、例えば上記湾曲部１０４ａにおいて、セラミック発熱体１０４の耐久性に問題が生ずることもありうる。
【０００４】
本発明の課題は、セラミック発熱体の耐久性に優れた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】
本発明のグロープラグは、セラミック基体と、そのセラミック基体に埋設されるＵ字形に形成され、その両端に接続された電極部を介して通電されることにより抵抗発熱するセラミック発熱体とを備えたセラミックヒータを発熱素子とし、上述の課題を解決するために下記の特徴を有する。すなわち、そのＵ字形のセラミック発熱体が、Ｕ字底部を形成する湾曲部と、その湾曲部の各端部から同方向に延びる２本の直線部とを備えてなり、湾曲部の断面が各直線部の断面よりも大きく形成される。そして、そのＵ字状の内側外形線に対する、直線部から湾曲部への移行点が、同じくＵ字状の外側外形線に対する移行点よりも、当該セラミック発熱体のＵ字開口部側に位置するように設定される。
【０００６】
このように構成することにより、Ｕ字形セラミック発熱体の湾曲部、あるいは直線部から湾曲部への移行部分の強度が増大するので、発熱体の耐久性が向上し、ひいてはグロープラグの寿命を延ばすことができる。
【０００７】
ここで、さらに具体的には、湾曲部の内側外形線と外側外形線とは互いに同心円弧をなすように形成することができる。この場合、その同心円弧の半径方向における上記湾曲部の幅が、同心円弧の中心を通り、上記直線部の軸線と直交する方向における該直線部の幅よりも大きくなるように設定することができる。このように構成することにより、上述の効果をさらに高めることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るグロープラグを、その内部構造とともに示すものである。すなわち、グロープラグ５０は、その一端側に設けられたセラミックヒータ１と、そのセラミックヒータ１の先端部２が突出するようにその外周面を覆う金属スリーブ３、さらにその金属スリーブ３を外側から覆う筒状の金属ハウジング４等を備えており、セラミックヒータ１と金属スリーブ３との間及び金属スリーブ３と金属ハウジング４との間は、それぞれろう付けにより接合されている。また、セラミックヒータ１の後端部には、金属線により両端が弦巻ばね状に形成された結合部材５の一端が外側から嵌合するとともに、その他端側は、金属ハウジング４内に挿通された金属軸６の対応する端部に嵌着されている。金属軸６の他方の端部側は金属ハウジング４の外側へ延びるとともに、その外周面に形成されたねじ部６ａにナット７が螺合し、これを金属ハウジング４に向けて締めつけることにより、金属軸６が金属ハウジング４に対して固定されている。また、ナット７と金属ハウジング４との間には絶縁ブッシュ８が嵌め込まれている。そして、金属ハウジング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を固定するためのねじ部５ａが形成されている。
【０００９】
セラミックヒータ１は、図２に示すように、Ｕ字状に形成されたセラミック発熱体１０を備え、その各両端部に線状又はロッド状の電極部１１及び１２の先端部が埋設されるとともに、セラミック発熱体１０と電極部１１及び１２の全体が、ほぼ円形の断面を有するセラミック基体１３中に埋設されている。セラミック発熱体１０は、そのＵ字底部を形成する湾曲部１０ａがセラミック基体１３の一方の端部近傍に位置するように配置されている。また、各電極部１１及び１２は、セラミック基体１３中においてセラミック発熱体１０から離間する方向に延びるとともに、その一方のもの（１２）は金属スリーブ３内において、他方のもの（１１）はセラミック基体１３の他方の端部近傍において、それぞれその後端部がセラミック基体１３の表面に露出して、露出部１２ａ及び１１ａを形成している。
【００１０】
セラミック発熱体は、導電性を有するセラミックス、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、硅化モリブデン（Ｍｏ2Ｓｉ3）、炭化タングステンと窒化硅素（Ｓｉ3Ｎ4）との複合物等により構成されるが、炭化硅素（ＳｉＣ）など半導体セラミックスを使用することもできる。また、電極部１１及び１２はタングステン（Ｗ）あるいはタングステン−レニウム（Ｒｅ）合金等の高融点金属材料で構成される。一方、セラミック基体１３は、主に絶縁性のセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、チタニア（ＴｉＯ2）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、ジルコン（ＺｒＯ2・ＳｉＯ2）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）、窒化硅素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等により構成される。
【００１１】
図２において、セラミック基体１３の表面には、その電極部１２の露出部１２ａを含む領域に、ニッケル等の金属薄層（図示せず）が所定の方法（例えばメッキや気相製膜法など）により形成され、該金属薄層を介してセラミック基体１３と金属スリーブ３とがろう付けにより接合されるとともに、電極部１２がこれら接合部を介して金属スリーブ３と導通している。また、電極部１１の露出部１１ａを含む領域にも同様に金属薄層が形成されており、ここに結合部材５がろう付けされている。このように構成することで、図示しない電源から、金属軸６（図１）、結合部材５及び電極部１１を介してセラミック発熱体１０に対して通電され、さらに電極部１２、金属スリーブ３、金属ハウジング４（図１）、及び図示しないエンジンブロックを介して接地される。
【００１２】
図３に示すように、セラミック発熱体１０は、Ｕ字底部を形成する湾曲部１０ａと、その湾曲部１０ａの各端部から同方向に延びる２本の直線部１０ｂとを備えており、湾曲部１０ａの断面は各直線部１０ｂの断面よりも大きく形成されている。より具体的には、湾曲部１０ａの内側外形線２０ａと外側外形線２１ａとは互いに同心円弧をなすように形成され、その同心円弧の半径方向における湾曲部１０ａの幅ｌ1が、同心円弧の中心を通り、直線部１０ｂの軸線と直交する方向における該直線部１０ｂの幅ｌ0よりも大きく設定されている。また、セラミック発熱体１０のＵ字状の内側外形線２０に対する、直線部１０ｂから湾曲部１０ａへの移行点Ｑ0が、同じくＵ字状の外側外形線２１に対する移行点Ｑ1よりも、セラミック発熱体１０のＵ字開口部側に位置するように設定されている。すなわち、移行点Ｑ0から湾曲部１０ａの先端Ｂまでの距離Ｐ0が、同じく移行点Ｑ1からＢまでの距離Ｐ1よりも大きく設定されている。ここで、湾曲部１０ａの幅ｌ1は、例えばセラミック発熱体１０の通電耐久特性が不足しない範囲内でなるべく小さく設定することが、該湾曲部１０ａにおける発熱効率を高める観点において望ましい。
【００１３】
セラミックヒータ１は、例えば下記のような方法により製造することができる。まず、図４（ａ）に示すように、セラミック発熱体１０に対応したＵ字形状のキャビティ３２を有した金型３１に対し電極材３０を、その端部が該キャビティ３２内に入り込むように配置する。そして、その状態で、導電性セラミック粉末とバインダとを含有するコンパウンド３３を射出することにより、同図（ｂ）に示すように、電極材３０とＵ字状の導電性セラミック粉末成形部３４とが一体化された一体射出成形体３５を作成する。なお、Ｕ字状の一体射出成形体３５の各部の寸法は、焼成後におけるセラミック発熱体１０の湾曲部１０ａ及び直線部１０ｂの寸法関係が図３に示すものとなるように調整される。
【００１４】
一方これとは別に、セラミック基体１３を形成するセラミック粉末を予め金型プレス成形することにより、図５（ａ）に示すような、上下別体に形成された予備成形体３６及び３７を用意しておく。これら予備成形体３６及び３７は、セラミック基体１３を、その軸線とほぼ平行な断面により２分割したと仮定した場合の、その各分割部に対応する形状に形成されており、各々その分割面に相当する部分に、上記一体射出成形体３５に対応した形状の凹部３８が形成されている。そして、この凹部３８に一体射出成形体３５を収容し、上下の予備成形体３６及び３７を型合わせするとともに、その状態でこれら予備成形体３６、３７及び一体射出成形体３５をさらに金型を用いてプレス・一体化することにより、図５（ｂ）に示すような、複合成形体３９を作成する。
【００１５】
こうして得られた複合成形体３９は、まず成形のために原料粉体に添加されているバインダ成分を除去するために仮焼され、続いて図６（ａ）に示すように、グラファイト等で構成された成形型４０の間で加圧しながら所定の温度でホットプレス焼成を行うことにより、同図（ｂ）に示すような焼成体４１となる。このとき、図５（ｂ）に示す導電性セラミック粉末成形部３４がセラミック発熱体１０を、予備成形体３６及び３７がセラミック基体１３を、また電極材３０が電極部１１及び１２をそれぞれ形成することとなる。その後、焼成体４１の外面に、必要に応じて研磨等の加工を施すことにより、図２に示すようなセラミックヒータ１が得られる。
【００１６】
【実施例】
図２に示すセラミックヒータ１として、図３に示すセラミック発熱体１０の各部の寸法に対し、ｌ1−ｌ0の値、及びＰ0−Ｐ1の値（単位、各mm ）を各種変化させたものを作成し、さらにこれを用いて作成した図１に示す構成のグロープラグ５０に対し、その通電耐久特性を調べた。具体的には上記セラミックヒータ１に対し、その最高到達温度が１４００℃となるように５分間通電し、続いて通電を停止して３分間室温で冷却する操作を１サイクルとしてこれを繰返し、１万サイクルの通電耐久特性を評価した。その結果を図７に示す。本発明の寸法条件を満たすセラミック発熱体を使用したグロープラグ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６）は、良好な通電耐久特性を示していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のグロープラグの一例を示す正面部分断面図。
【図２】そのセラミックヒータの正面断面図。
【図３】セラミックヒータに使用されるセラミック発熱体の要部を拡大して示す図。
【図４】セラミックヒータの製造工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】図５に続く工程説明図。
【図７】実施例におけるグロープラグにおいて、そのセラミック発熱体の寸法と通電耐久特性の関係を示す説明図。
【図８】従来のグロープラグのセラミックヒータの構造を示す模式図。
【図９】同じく、その先端部の拡大図。
【符号の説明】
１  セラミックヒータ
１０  セラミック発熱体
１０ａ  湾曲部
１０ｂ  直線部
２０  内側外形線
２１  外側外形線
Ｑ0、Ｑ1  移行点
１１、１２  電極部
１３  セラミック基体
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】
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【図８】
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【図９】
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