グロープラグ

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグに、燃焼室内の圧力を検知するための圧力センサを備えたグロープラグに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグに、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を検知するための圧力センサを備えたグロープラグが実用化されている(例えば、特許文献1参照)。

特許文献1のグロープラグにおいて、通電により加熱されるヒータエレメントは、ハウジング内に変位可能な状態で収容されており、燃焼室内の圧力変化によって、ヒータエレメントはハウジングの軸線方向に変位して、該変位が圧力センサに伝達され、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧として検知される。 ここで、ヒータエレメントは、金属製のダイヤフラムによってハウジングに取り付けられることで、ハウジングに対して変位可能な状態とされている。

特表2009−527748号公報

しかしながら、上記のような圧力センサを備えるグロープラグでは、ヒータエレメントとハウジングとは、ダイヤフラムによって結合されているのみであり、ヒータエレメントから伝わってくる熱は、主に、薄いダイヤフラムを介した経路によりハウジング側に伝達される。したがって、ハウジングにヒータエレメントがロウ材により固定された一般的なグロープラグに比べて、ヒータエレメントからハウジングに伝わる熱の伝達効率が悪く、放熱性に優れないため、ヒートエレメントやハウジング内の温度が上昇しやすくなる。その結果、ヒータエレメントの発熱体の取り出し電極やロウ材の温度が限界温度を超えてしまい、グロープラグが短期間で破損してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱性を高めて短期間での破損を抑制することができるグロープラグを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関の燃焼室内に挿入されるヒータエレメントと、前記ヒータエレメントの加熱部を突出させた状態で前記ヒータエレメントを支持するハウジングと、前記ヒータエレメントと前記ハウジングとを連結し、前記ヒータエレメントと前記ハウジングとの間の空間を前記ハウジングの先端側と後端側に仕切る弾性体と、前記ハウジングにおける前記弾性体よりも後端側の空間内に設けられ、前記ヒータエレメントの変位から前記燃焼室内の圧力を検出する前記圧力センサと、を備えるグロープラグであって、前記ハウジングにおける前記弾性体よりも先端側の空間内に、前記ヒータエレメントから伝えられる熱により溶融する熱伝導材料を充填したことを特徴とする。

また、前記ハウジングは、その先端に前記ヒータエレメントを挿入する開口を有し、前記開口から挿入された前記ヒータエレメントと開口縁との隙間を封止する封止部材を備えることが好ましい。

また、前記熱伝導材料は、100℃以下で溶融する金属であることが好ましい。

また、前記ハウジングにおける前記弾性体よりも先端側の内面には段部が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、放熱性を高めて短期間での破損を抑制することができる。

本発明の実施形態にかかるグロープラグを部分的に断面視した縦断面図である。

図1におけるグロープラグのハウジングの先端付近を拡大した縦断面図である。

本発明の実施形態にかかるグロープラグの製造方法を示す図である。

本発明の他の実施形態にかかるグロープラグのハウジングの先端付近を拡大した縦断面図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施形態をとり得る。

図1は、グロープラグの縦断面図である。図2は、図1において、ハウジングの先端付近を拡大視したグロープラグの縦断面図である。以下、横断面とは、グロープラグの長手方向の軸線に垂直な切断面をいい、縦断面とは、グロープラグの長手方向の軸線を含む切断面をいう。 図1、図2に示すように、グロープラグ1は、ヒータエレメント10と、ハウジング14と、圧力センサモジュール15と、電子モジュール16等を備えている。

(ヒータエレメント) ヒータエレメント10は、内燃機関の始動を補助するものであり、燃焼室内(予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室)に挿入されて、固定される。ヒータエレメント10は、例えば、セラミックスから構成されている。なお、ヒータエレメント10は、セラミックスに限らず、金属から構成されていてもよい。

図1、図2に示されるように、ヒータエレメント10は、セラミックスヒータ11と、金属製の外筒(シース)12と、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、負極側メタライズ部116が形成されている。

セラミックスヒータ11のうち、少なくとも負極側メタライズ部116は、外筒12の一端側の内面に接合され、負側電極115は外筒12に電気的に接続されている。外筒12は、導電性及び熱伝導性を有する金属材料から形成されている。外筒12は、その内径がセラミックスヒータ11を挿入できる程度の大きさに形成されており、セラミックスヒータ11を外筒12に挿入した際に、外筒12の内周面123とセラミックスヒータ11の外周面118との間に僅かな隙間ができる程度に形成されている。 また、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を挿入、固定した状態で、ロウ付け等により行われる。すなわち、セラミックスヒータ11の負極側メタライズ部116がロウ材によって外筒12の内面に接合され、電気的に接続される。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によって形成される。

正側電極114は、セラミックス発熱体112が埋設されている先端側とは反対の基端側においてセラミックス絶縁基体111の外面に取り出されている。正側電極114を含むセラミックス絶縁基体111の後端面には正極側メタライズ部117が形成されている。この正極側メタライズ部117はロウ付け等によってリード部13の先端面131に接合され、正側電極114とリード部13とが電気的に接続されている。

ここで、セラミックス絶縁基体111の後端面には、面取加工部111aが形成されている。これによって、セラミックス絶縁基体111とリード部13の接合部の周囲において、セラミックス絶縁基体111と外筒12との距離を稼ぐことができる。したがって、ロウ付けする場合において、ロウ材と外筒12との絶縁性が高められ、絶縁破壊を低減することができるようになっている。

リード部13は、セラミックスヒータ11の正側電極114に電気的に接続されている。リード部13は、グロープラグ1の作動時に高温かつ大きな電流(例えば4〜30アンペア)が流れることから、その直径が例えば1mm未満のように小さすぎると、自己発熱も加わって、短時間で酸化するおそれがある。そのため、リード部13は、例えば、セラミックス絶縁基体111の横断面積の20%以上の横断面積を有する、比較的太い直径を有するリード棒として形成されている。 一方で、リード部13の直径が大きすぎると、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、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、リード部13の長さは、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。

リード部13は、電気伝導率が高い材料からなる。このような材料としては、例えば、銅(Cu)やアルミニウム(Al)、あるいはそれらの合金が挙げられる。また、低剛性であり電気伝導率が高い鉄合金や鋳鉄を用いてもよい。 なお、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く、耐酸化性を向上させるため、銀(Ag)により被覆してもよい。

リード部13は、圧力センサモジュール15側まで導かれ、圧力センサモジュール15側の後端部133において、保持部材134および位置決め部材135により外筒12内に保持される。これにより、リード部13と外筒12の内周面123とが一定の距離に保たれると共に、ヒータエレメント10の変位が圧力センサモジュール15に対して適切に伝達されるように、リード部13の後端部133が位置決めされる。ここで、位置決め部材135は、外筒12の内周面123に接するように設置されており、保持部材134を介してリード部13を保持している。また、保持部材134は、リード部13の後端部133側においてリード部13の外周面136を覆うように形成されており、圧力センサモジュール15側の端面137の面積を広くすることで、圧力センサモジュール15に対して良好な接触を図ることができる。また、保持部材134は、リード部13と電気的に接続されている。リード部13は保持部材134を介して、外部接続端子としてのリードケーブル132と電気的に接続され、リードケーブル132はグロープラグ1のハウジング14から引き出されている。

(ハウジング) 図1、図2に示されるように、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、ヒータエレメント10や圧力センサモジュール15等を収容するものである。ハウジング14は、放熱性に優れた熱伝導性の金属材料から形成されている。ハウジング14は、例えば、円筒状に形成されており、ヒータエレメント10は、基端側が部分的にハウジング14の内部に配置され、先端側がハウジング14の先端側の開口141からハウジング14の外側に突出した状態でハウジング14にダイヤフラム31(弾性体)を介して支持されている。ハウジング14から突出したヒータエレメント10の先端は、内燃機関の燃焼室内に挿入される。

ダイヤフラム31は、平面視円環状に形成された薄い膜体であり、弾性変形可能な金属から形成されている。ダイヤフラム31の中心に形成された孔にはヒータエレメント10の外筒12が挿通されており、外筒12と共にハウジング14内に収容されている。ダイヤフラム31は、内縁側が外筒12の外周面124に取り付けられており、外縁側がハウジング14の内面に設けられたスリーブ144に取り付けられている。これにより、ハウジング14の内面と外筒12の外面との間の空間がダイヤフラム31によって先端側(ヒータエレメント10側)の空間142と後端側(圧力センサモジュール15側)の空間143とに分けられる。 スリーブ144は、ハウジング14に固定されており、ヒータエレメント10の一部や圧力センサモジュール15を収容する。 スリーブ144の内側には、位置決め部材145がスリーブ144と同一軸線上に配置されており、位置決め部材145は、スリーブ144に固定されている。この位置決め部材145には、外筒12が摺動自在に挿入されている。すなわち、外筒12の外周面124は位置決め部材145に接触しているが、外筒12を何ら拘束していない。 ハウジング14における先端側の空間142の内壁には、段部14aが形成されている。なお、段部14aは、複数の平面から形成されるものに限らず、ハウジング14と熱伝導材料22との接触面積が増えるような形状であれば自由に設計変更可能である。

ハウジング14における先端側の空間142には、ヒータエレメント10から伝わってくる熱によって溶融する熱伝導材料22が固体の状態で充填されている。熱伝導材料22は、ヒータエレメント10から伝達される熱を効率よくハウジング14に伝達するため、熱伝導性の高い材料であることが好ましい。さらに、ヒータエレメント10との接触部は比較的高温に晒されることから、熱伝導材料22は、高温(500℃程度)でも比較的安定に液相を保持できる(構成成分が分解する、蒸発する等の変化が起こらない)材料で構成されることが好ましい。また、グロープラグ1は繰り返し使用されることから、使用環境の温度変化によって固相と液相とを可逆的に変化可能な材料で構成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、低融点合金があり、好ましくは、100℃以下で溶融する合金が挙げられる。このような低融点合金としては、例えば、Sn、Bi、In、Zn、Pb、およびCdから選択される2種以上の金属からなる合金が挙げられる。なお、環境負荷を低減する観点からPbおよびCdを含まない低融点合金がより好ましく、このような低融点合金としては、例えば、Sn−Bi−In合金等がある。

ハウジング14における先端側の空間142の開口141は、シール材(封止部材)23によって封止されている。シール部材23は、燃焼室内およびヒータエレメント10の発熱部に近く比較的高温に晒されるため、耐熱性の高い材料で構成される。このような材料としては、耐熱性の高い金属や、樹脂、エラストマー等が挙げられる。また、シール材23は、ハウジング14の先端側の空間142の開口141を封止する際、ハウジング14とヒータエレメント10との両方に接続されることになるが、燃焼室内の圧力によってヒータエレメント10が加圧された際に、ヒータエレメント10の動きを拘束しないために、柔軟性を有することが好ましい。このような柔軟性に優れた材料としては、薄く加工された金属材料や、フッ素ゴムやシリコンゴム等が挙げられる。 シール部材23は、例えば、図2に示されるような留め具により封止されている。シール部材(留め具)23は、平面視円環状の基部23aと、この基部23aの内縁側に円筒状のつば23bとを有しており、円筒状のつば23bの内周面においてヒータエレメント10の外筒12の外周面124にロウ付け等により結合されている。

(圧力センサモジュール) 圧力センサモジュール15は、ハウジング14における後端側の空間143に設けられている。圧力センサモジュール15は、圧力センサ151と、センサケーブル152と、センサハウジング153とを備えている。圧力センサ151は、例えば圧電式のセンサ素子として構成することができる。この圧電式のセンサ素子は機械的な負荷を受けると電荷を発生させ、この電荷は圧力センサ151のコンタクト領域154,155において検出可能となっている。検出された電荷はセンサケーブル152によってグロープラグ1のハウジング14から導出される。センサハウジング153は、圧力センサ151およびコンタクト領域154、155を収容しており、スリーブ144内に支持されている。圧力センサモジュール15は、セラミックヒータ11から遠い方の側のハウジング14の後端146側において、ハウジング14に内包されたスリーブ144によって支持されている。

グロープラグ1が組み付けられた状態では、内燃機関の燃焼室内の圧力に基づいて、ヒータエレメント10に作用する力が発生する。この力は軸方向F1で、すなわち軸線xに沿った方向で、ヒータエレメント10に作用する。この力は、矢印F2、F3により示された力伝達経路に沿って圧力センサ151に伝達される。圧力センサ151は伝達された力に応じてセンサケーブル152を介して検出信号を発信し、この検出信号から、燃焼室内に形成された圧力が測定される。

(電子モジュール) 電子モジュール16は、接点ユニット161を有しており、接点ユニット161は、信号処理ユニット162を収容するための支持体163と、コネクタハウジング164とを備えている。接点ユニット161は、支持体163の圧力センサモジュール側の端面側165に、ヒータエレメント10および圧力センサモジュール15との接触接続のためのインターフェースを有している。インターフェースは、グロープラグ1のハウジング14から引き出されたセンサケーブル152およびリードケーブル132を介して行われる。なお、接点ユニット161は、少なくとも部分的に、管状の電子モジュールハウジング166によって包囲されており、この場合、支持体163は完全に電子モジュールハウジング166によって包囲されている。また、電子モジュールハウジング166は部分的にコネクタハウジング164によって包囲されている。

<グロープラグの製造方法> 図3に基づいて、圧力センサ一体型グロープラグ1の製造方法について説明する。 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を挿入する。セラミックスヒータ11の正極側メタライズ部117が外筒12によって十分に覆われる所定の位置関係(図3(b)参照)になるところまで、セラミックスヒータ11を外筒12内に挿入する。

次に、図3(b)に示すように、セラミックスヒータ11の面取加工部111a上にロウ材175を置く。また、リード部13の先端面131を、セラミックスヒータ11の正極側メタライズ部117上に置く。この際、正極側メタライズ部117とリード部13との間には、面取加工部111a上に置かれたロウ材175とは別のロウ材176を置く。 次に、外筒12、セラミックスヒータ11、リード部13を仮組みした状態で、このヒータエレメント10を800〜900℃まで加熱する。これにより、セラミックスヒータ11及び外筒12、セラミックスヒータ11及びリード部13が、それぞれ同時にロウ付けされる。

次に、図3(c)に示すように、圧力センサモジュール15を内蔵したハウジング14をヒータエレメント10の後端側から所定の位置まで挿入し、開口141から熱伝導材料22をハウジング14における先端側の空間142に充填する。その後、シール材23によって、開口141を封止する。

最後に、図3(c)に示すように、予め組み立てておいた電子モジュール16を、ハウジング14の後端部から接続し、これをもってグロープラグ1が組み立てられる。

<実施形態の効果> 上述した構成によれば、ハウジング14におけるダイヤフラム31よりも先端側の空間142に、ヒータエレメント10から伝達される熱により溶融する熱伝導材料22が充填されているので、熱伝導材料22からもハウジング14へ向けて放熱することができ、溶融しているので内燃機関の燃焼室内の圧力変動によるヒータエレメント10の動きが拘束されることがない。これにより、ヒータエレメント10から伝達される熱をハウジング14に効率よく伝達でき、放熱性を高めて短期間での破損を抑制する。

また、従来のグロープラグでは、内燃機関等の動作に伴い発生するススや、未燃ガス、オイル等の異物が、ハウジング14の開口141からハウジング14内の空間142に入り込み、異物が溜まって詰まる、あるいは、異物によってダイヤフラム31の性能が低下し、ヒータエレメント10の燃焼圧等による可動が阻害され、圧力の検知感度が低下するおそれがあった。しかし、上記の構成によれば、ダイヤフラム31よりも先端側の空間142にはすでに熱伝導材料22が充填されているので、空間142に異物が混入することを防止でき、ダイヤフラム31の性能低下や、圧力の検知感度の低下を防止できる。その結果、長期間にわたり燃焼室内に取り付けられた場合におけるグロープラグの性能劣化は軽減される。

また、ダイヤフラム31よりも先端側のハウジング14とヒータエレメント10との開口141は、シール材23によって封止されているため、グロープラグおよび内燃機関の動作時に、ヒータエレメント10から伝わる熱により熱伝導材料22が液化しても、熱伝導材料22は空間142内に良好に保持される。また、開口141が、シール材23によって封止されていることにより、空間142内に異物が混入することを抑制できる。 また、ハウジング14の先端側の空間142に面する内壁には段部14aが形成されているので、熱伝導材料22とハウジング14との接触面積を増やすことができ、放熱効果をより高めることができる。

<その他> 以上説明したグロープラグは、本発明の一態様を示すものであってこの発明を限定するものではなく、それぞれの実施形態は本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。 例えば、開口141は、図2とは別のシール部材によって封止されていてもよい。具体的には、図4(A)に示すように、シール材としての充填材25により開口141を封止してもよいし、図4(B)に示すように、シール材としての充填材25及び留め具26により、開口141を封止してもよい。 充填材25は、空間142に熱伝導材料22を充填した後、開口141側のハウジング14とヒータエレメント10の隙間に、充填される。このような充填材25としては、例えば、フッ素ゴムやシリコンゴムがある。 留め具26は、一端がハウジング14の先端側の外周面にロウ付け等により固定される。しかし、他端はヒータエレメント10の外周面と結合されなくてもよいため、ヒータエレメント10は留め具26によりハウジング14に拘束されない。そのため、留め具26は、必ずしも柔軟性を有する材料で構成される必要はなく、例えば耐熱性を有する金属や樹脂で構成できる。また、このような留め具26としては、例えばガスケットのような部材が挙げられる。