(57)【要約】  放熱性を高めて短期間での破損を抑制すること。  内燃機関の燃焼室内に挿入されるヒータエレメント（１０）と、ヒータエレメントの加熱部を突出させた状態でヒータエレメントを支持するハウジング（１４）と、ヒータエレメントとハウジングとを連結し、ヒータエレメントとハウジングとの間の空間をハウジングの先端側と後端側に仕切る弾性体（３１）と、ハウジングにおける弾性体よりも後端側の空間内に設けられ、ヒータエレメントの変位から燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ（１５）と、を備えるグロープラグ（１）であって、ハウジングにおける弾性体よりも先端側の空間（１４２）内に、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（２２）を充填した。
2016167066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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グロープラグ。
【請求項２】
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を特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
【請求項３】
前記熱伝導材料は、１００℃以下で溶融する金属であることを特徴とする請求項１または２に記載のグロープラグ。
【請求項４】
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グロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５２７７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
＜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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
＜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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
＜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。
【図１】
2016167066.tif 000003
【図２】
2016167066.tif 000004
【図３】
2016167066.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2016167066.tif 000007
2016167066.tif 000008
2016167066.tif 000009
2016167066.tif 000010