JP6245716B2 - セラミックスヒータ型グロープラグの製造方法及びセラミックスヒータ型グロープラグ - Google Patents
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Description
しかしながら、ハウジングの直径は比較的小さく、ハウジング及び外筒を高速で回転させながらレーザ溶接を行うため、レーザ溶接部への溶加材の安定した供給が困難であった。
図1は、本発明の実施形態1にかかるディーゼルエンジン用のセラミックスヒータ型グロープラグ1の縦断面図である。図2は、図1において、セラミックスアセンブリ付近を拡大視したセラミックスヒータ型グロープラグの縦断面図である。図1、図2に示すように、グロープラグ1は、セラミックスヒータアセンブリ10と、ハウジング14と、リード棒16等を備えている。なお、以下で使用される横断面とは、セラミックスヒータ型グロープラグ1の長手方向の軸線に垂直な切断面を意味する。また、以下で使用される縦断面とは、セラミックスヒータ型グロープラグ1の長手方向の軸線を含む切断面を意味する。
(セラミックスヒータ型アセンブリ)
セラミックスヒータアセンブリ10は、セラミックスヒータ11と、金属製の外筒(シース)12と、太径リード部13等を備えている。
セラミックスヒータ11は、通電により加熱される部位であり、セラミックスヒータ11には、その本体部を構成するセラミックス絶縁基体111の内部に、U字状に形成されたセラミックス発熱体112が埋設されている。このセラミックス発熱体112の両端側には、それぞれ金属リード113を介して正側電極114及び負側電極115が設けられている。負側電極115は、セラミックス絶縁基体111の外周面に取り出され、負側電極115を含むセラミックス絶縁基体111の外周面には、メタライズ層としての負極側メタライズ部116が形成されている。
負極側メタライズ部116は、例えば、負極側メタライズ部116全体の重量に対して30重量%以下の銅(Cu)と、10重量%以下のチタン(Ti)を含有する銀ペーストから形成されている。
具体的に、セラミックスヒータ11と外筒12との接合は、外筒12内にセラミックスヒータ11の負極側メタライズ部116を圧入、固定した状態で、負極側メタライズ部116を形成する材料が半溶融状態となる温度で、セラミックスヒータ11及び外筒12を加熱して、外筒12と負極側メタライズ部116の固層間での物質移動によって行われる。
一方で、太径リード部13の直径が大きすぎると、太径リード部13と外筒12との間の距離を十分に確保することができず、絶縁破壊を生じるおそれがある。よって、太径リード部13の横断面積は、例えば、セラミックス絶縁基体111の横断面積の40%以下であることが好ましい。また、太径リード部13の長さは、太径リード部13の直径の2倍以上の長さとすることが好ましい。
太径リード部13の先端面131を含む先端部には、耐酸化性を向上させるために酸化防止層135としての銀ペーストが被覆されている。なお、酸化防止層135は、銀ペーストに限らず、ニッケル等の耐酸化性を有する材料を焼き付けてもよい。また、太径リード部13には、耐熱性を改善するためにニッケル(Ni)メッキ等を施してもよい。
太径リード部13の軸線方向の中央部表面には、全周にわたってローレット加工が施されており、このローレット加工部133と外筒12との間には、耐熱樹脂136が充填されている。ここで、耐熱樹脂136としては、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂等を用いることが好ましい。
耐熱樹脂136は、外筒12と共にかしめられており、外筒12が他の部分よりも縮径されている。外筒12をかしめることにより、外筒12及び耐熱樹脂136は、太径リード部13のローレット加工部133に押しつけられ、外筒12に太径リード部13を固定することができる。すなわち、外筒12のかしめ部分に対向する太径リード部13の表面には、ローレット加工部133が形成されるとともに、耐熱樹脂136が設けられている。
ハウジング14は、図示しないエンジンのシリンダヘッドへの取付金具であり、外筒12や太径リード部13を収容するものである。ハウジング14は、例えば、円筒状に形成され、上記のように構成されるセラミックスヒータアセンブリ10が、レーザ溶接により接合されて固定されている。具体的には、ハウジング14の内部に外筒12の他端側がレーザ溶接により固定されている。
ハウジング14は、互いにセラミックスヒータアセンブリ10と同軸上に配置される第1のハウジング部14a及び第2のハウジング部14bを備えており、これらは互いに分割されている。第1のハウジング部14a及び第2のハウジング部14bは、高い強度が要求されるため、例えば、炭素含有量の多い炭素鋼(S45C)から形成されている。
第1のハウジング部14aの先端部に第2のハウジング部14bが設けられており、第2のハウジング部14bは、セラミックスヒータアセンブリ10により近い位置に配置されている。第1のハウジング部14aと第2のハウジング部14bとの間には、外筒12が挿入される環状の溶加材(フイラー)18が設けられている。第1のハウジング部14a及び第2のハウジング部14bは、溶加材18が設けられている位置で、溶加材18と共に外筒12とレーザ溶接によって接合されている。
溶加材18は、ニッケル、ニッケル合金、マンガン合金のいずれかから形成されていることが好ましいが、溶加材18は、ニッケルから形成し、第1のハウジング部14a及び第2のハウジング部14bの表面に、ニッケルメッキを形成することにより、ハウジング14と溶加材18の表面をニッケルで統一することができるので、美観上も好ましい。
リード棒16は、ハウジング14内に収容され、太径リード部13の後端部に溶接によって接合されている。
リード棒16は、ハウジング14の後端側でインシュレータ171に保持されるとともに、その後端部はハウジング14外部に露出して、ラウンドピン172と接続されている。
すなわち、リード棒16は、その先端側で太径リード部13を介して外筒12にかしめによって保持、固定されており、後端側でインシュレータ171に保持、固定されている。
図3に基づいて、セラミックスヒータ型グロープラグ1の製造方法について説明する。
図3は、本発明の実施形態にかかるセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法を説明する図である。
最初に、セラミックスヒータ11と外筒12を準備する。ここで、セラミックスヒータ11の一端(組み立てた際の後端側)近傍には、その外周面に負極側メタライズ部116を形成する。
次に、図3(a)に示すように、外筒12の内部孔121内にセラミックスヒータ11を圧入する。圧入に際しては、図3(b)に示すように、少なくともセラミックスヒータ11に形成された負極側メタライズ部116の全域が外筒12内に収容される位置までセラミックスヒータ11を外筒12内に圧入する。
その後、外筒12、セラミックスヒータ11、太径リード部13を仮組みした状態で、このアッセンブリを真空又は不活性ガスの環境下で800〜900℃まで加熱する。ここで、800〜900℃という温度は、負極側メタライズ部116を形成する銀ペーストが半溶融状態となる温度であるため、加熱により負極側メタライズ部116は半溶融状態となり、外筒12の内周面と負極側メタライズ部116の固層間での物質移動による接合が行われる。これによって、外筒12とセラミックスヒータ11とが接合される。この接合と同時に、セラミックスヒータ11と太径リード部13とが、ロウ材175によってロウ付けされる。
なお、太径リード部13の端部をセラミックスヒータ11の端部に所定の力で押しつけた状態で外筒12をかしめることにより、太径リード部13を外筒12に固定するとともに、太径リード部13とセラミックスヒータ11とを接続するような方法を用いてもよい。
その後、溶加材18が設けられている位置で、第1のハウジング部14a、第2のハウジング部14b及び外筒12をレーザ溶接により接合する。これにより、第1のハウジング部14a、第2のハウジング部14b、外筒12及び溶加材18が一体に接合され、ハウジング14に外筒12を固定することができる。
以上の工程をもって、セラミックスヒータ型グロープラグ1が完成する。
上述した構成によれば、ハウジング14を互いに同軸上に配置される第1のハウジング部14aと第2のハウジング部14bとに分割し、第1のハウジング部14aと第2のハウジング部14bとの間に環状の溶加材18を挟み込んだ状態で、外筒12を第1のハウジング部14a、第2のハウジング部14b及び溶加材18内に挿入し、その後、溶加材18が設けられている位置で、第1のハウジング部14a、第2のハウジング部14b及び外筒12をレーザ溶接により接合することで、第1のハウジング部14a、第2のハウジング部14b、外筒12及び溶加材18を一体に接合して固定することができる。
ここで、溶加材18は、ハウジング14と外筒12との溶接部に介在しているので、溶接部の炭素濃度を希釈して、レーザ溶接の短時間における急速加熱、冷却の環境下においても、溶接部のクラックの発生を抑制することができる。また、レーザ溶接の際には、ハウジング14及び外筒12を回転させるが、溶加材18は、外筒12の外周に環状に配置されているので、レーザ溶接部には常に溶加材18が存在することとなり、レーザ溶接部に溶加材18を安定して供給することができる。
また、溶加材18をニッケルから形成し、第1のハウジング部14a及び第2のハウジング部14bの表面にニッケルメッキを形成することにより、ハウジング14及び溶加材18の表面をニッケルで統一することができるので、美観を向上することができる。
また、太径リード部13の直径を1.0としたときに、太径リード部13の軸方向長さを2.0以上の値とすることにより、太径リード部13を十分に撓ませることが可能になる。よって、エンジン駆動時の振動や、グロープラグ1の組み立て時に各接合部周辺に印加される応力によって当該接合部に曲げ応力が生じた場合であっても、太径リード部13が撓んで当該接合部への曲げ応力の集中を避けることができる。
また、太径リード部13を銀(Ag)により被覆することで、太径リード部13の耐久性(特に耐酸化性)を向上させることができる。
また、太径リード部13に酸化防止層135として銀ペーストを設けることで、太径リード部13の先端に可撓性が付与され、正極側メタライズ部117との接触面積が増加し、結果として接触抵抗を軽減できる。
図4は、本発明の実施形態2にかかるセラミックスヒータ型グロープラグ2の縦断面図である。なお、図4において、実施形態1と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
実施形態3は、ハウジング14内における太径リード部13の固定を、図4に示すような構成にしたものである。
セラミックスヒータ型グロープラグ2においては、太径リード部13を外筒12に固定するのではなく、リード棒16を第1のハウジング部14aの内面に固定することにより、リード棒16に接合されている太径リード部13も第1のハウジング14a内に固定するものである。
具体的に、リード棒16は、第1のハウジング部14a内に収容され、第1のハウジング部14aとの間に充填された樹脂又は低融点ガラス等からなる充填剤173及びシールリング174によって固定されている。
Claims (21)
- セラミックスヒータと、一端で前記セラミックスヒータを保持すると共に他端が金属製のハウジング内に挿入されて固定される金属製の外筒とを備えるセラミックスヒータ型グローブラグの製造方法であって、
前記ハウジングは、互いに同軸上に配置される第1のハウジング部と第2のハウジング部とを有し、
前記セラミックスヒータを前記外筒内に挿入するステップと、
前記第1のハウジング部と前記第2のハウジング部との間に環状の溶加材を挟み込んだ状態で、前記外筒を前記第1のハウジング部、前記第2のハウジング部及び前記溶加材内に挿入するステップと、
前記溶加材が設けられている位置で、前記第1のハウジング部、前記第2のハウジング部及び前記外筒を溶接により接合するステップと、
を有することを特徴とするセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。 - 前記溶加材を、ニッケル、ニッケル合金、マンガン合金のいずれかから形成することを特徴とする請求項1に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- 前記溶加材をニッケルから形成し、
前記第1のハウジング部及び前記第2のハウジング部の表面にニッケルメッキを形成することを特徴とする請求項2に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。 - 前記第1のハウジング部及び前記第2のハウジング部を炭素鋼から形成し、
前記外筒をステンレス鋼から形成することを特徴とする請求項1から3までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。 - 前記セラミックスヒータを前記外筒内に挿入する際に、
前記セラミックスヒータにおける前記外筒に保持される少なくとも一部の表面領域にメタライズ層を形成し、
前記セラミックスヒータの少なくとも前記メタライズ層を前記外筒に圧入し、
圧入後、加熱によって前記外筒と前記メタライズ層とを接合することを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。 - 前記外筒と前記メタライズ層の接合と同時に、前記セラミックスヒータに通電するリード線と前記セラミックスヒータとをロウ付けすることを特徴とする請求項5に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- 前記リード線と前記セラミックスヒータとをロウ付けした後に、前記外筒をかしめて、前記リード線を前記外筒に固定することを特徴とする請求項6に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- 前記外筒のかしめ部分に対向する前記リード線の表面に耐熱樹脂を設けることを特徴とする請求項7に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- 前記外筒のかしめ部分に対向する前記リード線の表面にローレット加工を施すことを特徴とする請求項7又は8に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- 前記セラミックスヒータに通電するリード線における前記セラミックスヒータとの接続部位に、耐酸化性材料による酸化防止層を形成することを特徴とする請求項6から9までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- 前記耐酸化性材料は、銀又はニッケルであることを特徴とする請求項10に記載のセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法。
- セラミックスヒータと、一端で前記セラミックスヒータを保持すると共に他端が金属製のハウジングに挿入されて固定される金属製の外筒とを備えるセラミックスヒータ型グローブラグであって、
前記ハウジングは、互いに同軸上に配置される第1のハウジング部と第2のハウジング部とを有し、
前記第1のハウジング部と前記第2のハウジング部との間に、前記外筒が挿入される環状の溶加材が設けられており、
前記溶加材が設けられている位置で、前記第1のハウジング部、前記第2のハウジング部及び前記外筒が溶接によって接合されていることを特徴とするセラミックスヒータ型グローブラグ。 - 前記溶加材は、ニッケル、ニッケル合金、マンガン合金のいずれかから形成されていることを特徴とする請求項12に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
- 前記溶加材は、ニッケルから形成されており、
前記第1のハウジング部及び前記第2のハウジング部の表面には、ニッケルメッキが形成されていることを特徴とする請求項13に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。 - 前記第1のハウジング部及び前記第2のハウジング部は、炭素鋼から形成されており、
前記外筒は、ステンレス鋼から形成されていることを特徴とする請求項12から14までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。 - 前記セラミックスヒータにおける前記外筒に保持される少なくとも一部の表面領域にはメタライズ層が形成されており、
前記メタライズ層は、前記外筒に圧入されて、加熱によって前記外筒と接合されていることを特徴とする請求項12から15までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。 - 前記セラミックスヒータに通電するリード線を備え、
前記リード線は、前記外筒がかしめられることによって前記外筒に固定されていることを特徴とする請求項12から16までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。 - 前記外筒のかしめ部分に対向する前記リード線の表面に耐熱樹脂が設けられていることを特徴とする請求項17に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
- 前記外筒のかしめ部分に対向する前記リード線の表面にローレット加工が施されていることを特徴とする請求項17又は18に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
- 前記リード線と前記セラミックスヒータとの接続部位に、耐酸化性材料による酸化防止層が設けられていることを特徴とする請求項17から19までのいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
- 前記耐酸化性材料は、銀又はニッケルであることを特徴とする請求項20に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
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