(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グロープラグに用いられ、通電により発熱する通電発熱体がセラミック基体で覆われているセラミックヒータの特性測定方法であって、
上記セラミックヒータの表面に絶縁抵抗計の一方の端子であるプローブを当接させた状態で、上記通電発熱体へ通電して上記セラミックヒータを加熱する加熱ステップと、
上記プローブと絶縁抵抗計の他方の端子に接続する通電発熱体との間でセラミック基体の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定ステップと、
上記セラミックヒータの表面温度を測定する表面温度測定ステップと、
を備えるセラミックヒータの特性測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックヒータの特性測定方法であって、
前記セラミックヒータの表面のうち、少なくとも前記プローブの当接部分に金属膜を有する
セラミックヒータの特性測定方法。
【請求項３】
通電により発熱する通電発熱体がセラミック基体で覆われているセラミックヒータを有するグロープラグの特性測定方法であって、
上記セラミックヒータの表面に絶縁抵抗計の一方の端子であるプローブを当接させた状態で、上記通電発熱体へ通電して上記セラミックヒータを加熱する加熱ステップと、
上記プローブと絶縁抵抗計の他方の端子に接続する通電発熱体との間でセラミック基体の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定ステップと、
上記セラミックヒータの表面温度を測定する表面温度測定ステップと、
を備えるグロープラグの特性測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載のグロープラグの特性測定方法であって、
前記セラミックヒータの表面のうち、少なくとも前記プローブの当接部分に金属膜を有する
グロープラグの特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料の着火・燃焼を促進し、また、燃料燃焼時に発生するイオンを検出するように制御されるグロープラグ、又は、グロープラグに用いられるセラミックヒータの特性を測定する特性測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費向上のため、熱効率の良いディーゼルエンジンの乗用車への搭載が増加しており、ユーザから、より一層の燃費向上の他、ガソリンエンジンに比して劣っていた振動や騒音、始動性などの改善が求められている。一方、環境保護の観点から排出ガスのクリーン化も求められている。
これらの要求に対応するため、エンジンにおける燃料噴射のタイミングや噴射量を制御すべく、燃料燃焼時に発生するイオンを検知し、この結果を用いたフィードバック制御が提案されている。なお、イオンの検出は、具体的には、グロープラグとエンジンの燃焼室内壁との間に電圧を印加し、イオンの存在によって流れるイオン電流を検出する方法が提案されている。
【０００３】
ところで、グロープラグにはエンジンの燃焼室内に露出する露出部にセラミックヒータが用いられているものがある。セラミックヒータが用いられたグロープラグで上記の方法を使用してイオン電流を検出するためには、発熱体を覆っているセラミック基体部分にある程度の導電性が必要であり、そのために例えば、発熱体に通電することによって発生した熱によって窒化珪素の温度を上昇させ、絶縁抵抗を低下させることが行われる。そして、この状態でグロープラグとエンジンの燃焼室内壁との間に電圧を印加すると、このセラミック基体とエンジン燃焼室内のイオンを介して、イオン電流を検出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなセラミック基体の絶縁抵抗値は、発熱体とセラミック基体との熱膨張係数を合わせるために添加した導電セラミックの素材や添加量によって異なり、また、セラミック基体の温度によって変化する。イオン電流を的確に検出するためには、イオン電流測定の為の回路の特性を適正にする必要がある。このためには、グロープラグあるいはセラミックヒータの温度と絶縁抵抗値との関係が既知であることが好ましい。そこで、セラミックヒータに通電して加熱しつつ、各温度におけるセラミック基体の絶縁抵抗を測定する必要があった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、セラミックヒータを通電加熱しつつその絶縁抵抗を測定するセラミックヒータ又はグロープラグの特性測定方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
しかしてその解決手段は、グロープラグに用いられ、通電により発熱する通電発熱体がセラミック基体で覆われているセラミックヒータの特性測定方法であって、上記セラミックヒータの表面に絶縁抵抗計の一方の端子であるプローブを当接させた状態で、上記通電発熱体へ通電して上記セラミックヒータを加熱する加熱ステップと、上記プローブと絶縁抵抗計の他方の端子に接続する通電発熱体との間でセラミック基体の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定ステップと、上記セラミックヒータの表面温度を測定する表面温度測定ステップと、を備えるセラミックヒータの特性測定方法である。
【０００７】
本発明のセラミックヒータの特性測定方法によれば、加熱ステップでセラミックヒータを加熱しながら、絶縁抵抗測定ステップでセラミックヒータの表面と通電発熱体との間の絶縁抵抗を測定する。さらに、表面温度測定ステップでセラミックヒータの表面温度を測定する。
セラミック基体の絶縁抵抗に比べて通電発熱体の抵抗は無視できるので、絶縁抵抗測定ステップではセラミック基体の絶縁抵抗値が測定される。従って、セラミックヒータの温度を変化させながら、セラミック基体の絶縁抵抗とセラミックヒータの表面温度を測定できる。
【０００８】
さらに、セラミックヒータの特性測定方法であって、前記セラミックヒータの表面のうち、少なくとも前記プローブの当接部分に金属膜を有するセラミックヒータの特性測定方法とすると良い。
【０００９】
セラミックヒータの表面に絶縁抵抗計のプローブを当接させるに際し、両者が密着できるとは限らない。そのため、ヒータ表面へのプローブの当接のさせ方によっては、接触面積が小さくなって正確な絶縁抵抗値が測定できなくなる等、測定にばらつきが生じるおそれがある。これに対し、本発明のセラミックヒータの特性測定方法では、少なくともプローブの当接部分のセラミックヒータ表面に金属膜を有するので、金属膜の良好な導電性により接触面積が小さくても絶縁抵抗測定のための微小電流をプローブへ確実に流すことができる。プローブが金属膜と接触していれば、プローブの当接のさせ方に影響されることなく絶縁抵抗を測定できるので、測定が容易でばらつきの少ない測定が可能となる。
【００１０】
また、他の解決手段は、通電により発熱する通電発熱体がセラミック基体で覆われているセラミックヒータを有するグロープラグの特性測定方法であって、上記セラミックヒータの表面に絶縁抵抗計の一方の端子であるプローブを当接させた状態で、上記通電発熱体へ通電して上記セラミックヒータを加熱する加熱ステップと、上記プローブと絶縁抵抗計の他方の端子に接続する通電発熱体との間でセラミック基体の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定ステップと、上記セラミックヒータの表面温度を測定する表面温度測定ステップと、を備えるグロープラグの特性測定方法である。
【００１１】
セラミックヒータがグロープラグに組み込まれた状態でも、エンジンの燃焼室内に露出するための露出部分を有する。そこで、この露出部分に絶縁抵抗計のプローブを当接させることで、グロープラグについても同様に絶縁抵抗値を測定することができる。
即ち、このグロープラグの特性測定方法によれば、加熱ステップでセラミックヒータを加熱しながら、絶縁抵抗測定ステップでセラミックヒータの表面と通電発熱体との間の絶縁抵抗を測定する。さらに、表面温度測定ステップでセラミックヒータの表面温度を測定する。
セラミック基体の絶縁抵抗に比べて通電発熱体及びグロープラグの導電路の抵抗は無視できるので、絶縁抵抗測定ステップではセラミック基体の絶縁抵抗値が測定される。従って、セラミックヒータの温度を変化させながら、セラミック基体の絶縁抵抗とセラミックヒータの表面温度を測定できる。
【００１２】
さらに、グロープラグの特性測定方法であって、前記セラミックヒータの表面のうち、少なくとも前記プローブの当接部分に金属膜を有するグロープラグの特性測定方法とすると良い。
【００１３】
セラミックヒータの表面に絶縁抵抗計のプローブを当接させるに際し、両者の表面が滑らかで密着できるとは限らない。そのため、ヒータ表面へのプローブの当接のさせ方によっては、接触面積が小さくなって正確な絶縁抵抗値が測定できなくなる等、測定にばらつきが生じるおそれがある。これに対し、本発明のグロープラグの特性測定方法では、少なくともプローブの当接部分のセラミックヒータ表面に金属膜を有するので、金属膜の良好な導電性により接触面積が小さくても絶縁抵抗測定のための微小電流をプローブへ確実に流すことができる。プローブが金属膜と接触していれば、プローブの当接させ方に影響されることなく絶縁抵抗を測定できるので、測定が容易でばらつきの少ない測定が可能となる。なお、金属膜とグロープラグのハウジングとの絶縁のため、グロープラグの外筒の先端と金属膜との間に隙間を設けるようにするのが好ましい。具体的には、５００〜１０００Ｖ程度で絶縁抵抗を測定することを考慮し、１ｍｍ以上、好ましくは１．５ｍｍ以上の隙間とするのが好ましい。さらに好ましくは、２ｍｍ程度の隙間とすると良い。
【００１４】
さらに、上記のセラミックヒータ又はグロープラグの特性測定方法では、プローブの少なくとも先端部が鉄で形成されているセラミックヒータの特性測定方法とするのが好ましい。
【００１５】
絶縁抵抗測定のためにプローブの先端部をセラミックヒータに当接させると、セラミックヒータの熱がプローブに伝導される。セラミックヒータの熱がプローブに逃げることは、プローブの当接によりセラミックヒータ自身の温度が変化することになり好ましくない。これに対し、プローブの先端部を例えば鉄のような電気伝導は良好であるが熱伝導は良好でない材質で形成すると、プローブを介しての熱の逃げが少なくなるのでより正確な測定ができる。
【００１６】
さらに、上記のセラミックヒータ又はグロープラグの特性測定方法では、プローブの先端部はセラミックヒータの径の１／１０〜１／１００の細径棒状であるセラミックヒータの特性測定方法とするのが好ましい。
【００１７】
プローブの先端部からの伝導による熱放散はその接触面積にも関係する。プローブ先端部の径がセラミックヒータの径に対し１／１０を越えるとその熱伝導が無視できなくなり、セラミックヒータの温度の正確な測定が難しくなる。また、１／１００より細くなると、プローブの強度が小さく取り扱いが難しくなるので絶縁抵抗値の正確な測定が難しくなる。従って、１／１０〜１／１００とすることで、熱放散を防ぎつつ、容易に取り扱って測定できる。
【００１８】
さらに上記のセラミックヒータ又はグロープラグの特性測定方法では、前記表面温度測定ステップは赤外線放射温度計で前記セラミックヒータの表面温度を測定するセラミックヒータの特性測定方法とするのが好ましい。
【００１９】
赤外線放射温度計は非接触であるので、絶縁抵抗と同時に測定しても表面温度や絶縁抵抗値の測定結果に悪影響を及ぼさない。また、温度測定の為にセラミックヒータやグロープラグに加工を施す必要もなく容易に測定できる。
また、比較的広い範囲を視野に入れることが可能なものでは、セラミックヒータ全体、あるいはグロープラグの露出部全体を視野内に捉えて、その内の最も高温である箇所の温度を測定することができる。また、最も高温である部分の裏側に絶縁抵抗計のプローブを当てることにより、測定した表面温度とその温度における絶縁抵抗値との関係をより的確に測定できる。つまり、前記プローブの当接部分は、前記セラミックヒータの表面温度が最も高くなる部分とすることが好ましい。最も表面温度の高くなる部分は限られた場所になるので、測定毎の測定場所によるバラツキを小さくすることができるからである。特に具体的には、Ｕ字状の前記通電発熱体の内側先端部分に対応する表面を選択すると良い。この部分が最も高温になるからである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明のセラミックヒータの特性測定方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１に示すセラミックヒータ２は、略Ｕ字状のセラミック発熱体（通電発熱体）４と、これを覆うセラミック基体５、及びタングステンからなる２つのリード６，７とを有する。セラミック発熱体４の一方の端部４Ａは、リード６を経由してセラミックヒータ２の後端（図中上端）に導かれ、端子部６Ａがセラミックヒータ２の外面に露出している。一方、セラミック発熱体４の他方の端部４Ｂは、リード７を経由してセラミックヒータ２の中央部外周に導かれ、端子部７Ａがセラミックヒータ２の外面に露出している。
【００２１】
また、セラミック基体５は、窒化珪素を主体とし、導電セラミックである炭化チタンを若干添加したセラミックからなる。このセラミック基体５は、常温では絶縁体であるが、温度が上がるにつれて抵抗が下がり、導電性を示す。窒化珪素は温度の上昇と共に、徐々に絶縁抵抗が低下するものであるが、このセラミック基体５のように、窒化珪素にさらに導電性セラミックを添加すると、その基体抵抗値（絶縁抵抗値）Ｒｉは窒化珪素のものよりさらに低抵抗側にスライドした変化を示すようになる。また、セラミック発熱体４は、セラミック基体５に用いたセラミック材とタングステンカーバイト（ＷＣ）とからなる導電性のセラミックである。
【００２２】
このセラミックヒータ２の先端部（図中下部）２Ａの表面温度Ｔｓと、セラミック発熱体４と先端部２Ａ表面間の基体抵抗値Ｒｉとの関係を測定する方法を説明する。まず予め、先端部２Ａを導電性の金属膜９で被覆する。具体的には、厚さ１μｍ程度の金層または銀層を蒸着によって形成する。セラミック発熱体４と先端部２Ａ表面間の基体抵抗値Ｒｉを安定して測定できるようにするためである。なお、セラミック発熱体４を発熱させたとき、表面のうち最も高温となるのはＵ字状のセラミック発熱体４のうち内側先端部４Ｃに対応した部分であるので、この部分を含むように金属膜９を形成しておく。
次いで、図２に示すように、セラミックヒータ２の端子部６Ａと７Ａの間に、電流計２１、スイッチ２２を介して定電圧電源２３を接続する。これにより定電圧電源２３からＶｇ＝１２Ｖの一定電圧が給電され、セラミック発熱体４が発熱して先端部２Ａの温度が昇温する。なお、定電圧電源２３としては、ＫＩＫＵＳＵＩ製、ＰＶＳ２０−１３０を用いた。
【００２３】
一方、先端部２Ａの表面温度Ｔｓを知るため、先端部２Ａを含む領域を見込むようにセットした赤外線放射温度計２４によって、先端部２Ａのうち表面温度Ｔｓが最も高くなる部分の温度を測定する。この表面温度Ｔｓは、温度変換器２５によって表示される。なお、赤外線放射温度計２４には、日本アビオニクス製、ＴＶＳ−１００を用いた。
【００２４】
さらに、絶縁抵抗計２６の一方の端子であるプローブ２７の先端部２７Ａをセラミックヒータ２の先端部２Ａに接触させ、他方の端子を端子部７Ａ（又は端子部６Ａ）に接触させて、両端子間の絶縁抵抗値を測定することで基体抵抗値Ｒｉを測定する。この時、上記のように測定された表面温度Ｔｓが最も高い部分の裏側（セラミックヒータ２の中心軸を中心として対称となる位置）に先端部２７Ａを接触させるようにする。つまり、プローブ２７とは逆側からセラミックヒータ２を見込むように赤外線放射温度計２４の視野をセットする。これは、表面温度Ｔｓの分布はほぼ軸のまわりに対称であることと、プローブ２７が赤外線放射温度計２４の視野内に入らないようにするためである。なお、表面温度Ｔｓが最も高い部分は、前記したようにセラミック発熱体４の内側先端部４Ｃに対応した部分である。
【００２５】
こうして、絶縁抵抗計２６により、セラミック発熱体４とセラミック基体５の表面との間の基体抵抗値Ｒｉが測定できる。上記したように、先端部２Ａには、金層などの金属膜９が形成されているので、プローブ２７の接触状態に影響されることなく安定して基体抵抗値Ｒｉを測定することができる。なお、プローブ２７の先端部２７Ａは、先端部２Ａの熱を逃がし難くするため、直径０．１ｍｍの円柱状に形成した鉄製の部材を用いている。また、絶縁抵抗計２６には、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ製、Ｒ８３４０（ＵＬＴＲＡ  ＨＩＧＨ  ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ  ＭＥＴＥＲ）を用いた。
【００２６】
この構成で、定電圧電源２３によってセラミック発熱体４に電流を流してセラミックヒータ２を加熱しながら、先端部２Ａの表面温度Ｔｓと基体抵抗値Ｒｉを同時に測定する。
これにより、先端部２Ａの表面温度Ｔｓの変化につれてセラミック発熱体４とセラミック基体５の表面との間の基体抵抗値Ｒｉが変化する関係を知ることができる。
【００２７】
ここで、セラミックヒータ２に用いられているセラミック基体５の組成を変更したものを複数種類製作して、その特性を測定した例を示す。まずその組成を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0004094205.tif 000002
【００２９】
これらの組成のセラミック基体５を用いたセラミックヒータ２について、上記測定を行った結果を図３に示す。このグラフから容易に理解できるように、いずれの組成においても、先端部２Ａの表面温度Ｔｓが高くなるにつれて、基体抵抗値Ｒｉが低下することが判る。しかも、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＭｏＳｉ２，ＳｉＣなどの導電セラミックの添加量が多いほど基体抵抗値Ｒｉが低い側にスライドするようにして低くなることが判る。
【００３０】
本実施形態のセラミックヒータ２の特性測定方法では、定電圧電源２３でセラミックヒータ２のセラミック発熱体４に通電し加熱しながら、赤外線放射温度計２４で表面温度Ｔｓを、絶縁抵抗計２６で基体抵抗値Ｒｉをそれぞれ同時に測定できる。従って、表面温度Ｔｓの上昇につれて変化する基体抵抗値Ｒｉの様子をグラフ化して、セラミックヒータ２の特性として得ることができる。
こうしてセラミックヒータ２の特性を測定しておくことで、このセラミックヒータ２をグロープラグに用いた場合の、イオン電流測定の為の回路の特性を適正に選択することができる。
【００３１】
（実施形態２）
次いで、本発明の第２の実施形態について説明する。上記実施形態１では、セラミックヒータ２単体の表面温度Ｔｓと基体抵抗値Ｒｉを測定した。
これに対し、本実施形態２では、組み立てられたグロープラグ１０を用いる点で異なるのみで、定電圧電源２３、赤外線放射温度計２４、及び絶縁抵抗計２６等は同様な構成であるので、異なる部分について説明し同様な部分については説明を省略あるいは簡略化する。
【００３２】
本実施形態２にかかるグロープラグ１０を、図４に示す。グロープラグ１０は、金属製で筒状のハウジング１とセラミックヒータ２を有する。セラミックヒータ２は、実施形態１で使用したものと同様の構造であり、その先端部（図中下部）２Ａを外部に露出させるようにして、金属製の外筒３にロウ付けされ、さらにこの外筒３はハウジング１にロウ付けにより固着されている。
【００３３】
セラミック発熱体４の一方の端部４Ａは、リード６を経由してセラミックヒータ２の後端（図中上端）に導かれ、端子部６Ａとコイルバネ状のコイルリード８を介して、中軸１１に接続している。この中軸１１の先端（図中上端）には、オネジが螺刻されたターミナル部１１Ｔとなっている。
一方、セラミック発熱体４の他方の端部４Ｂは、リード７を経由してセラミックヒータ２の中央部外周に導かれ、端子部７Ａとリード線１２を介して、中軸１１の長手方向中央部を取り囲むターミナルスリーブ１３に接続している。
従って、このグロープラグ１０では、中軸１１（ターミナル部１１Ｔ）と、ターミナルスリーブ１３との間に電流を流すことにより、セラミック発熱体４が発熱し、これに伴ってセラミックヒータ２の先端部２Ａの表面温度が上昇する構造となっている。
【００３４】
また、ターミナルスリーブ１３は、筒状の絶縁リング１４によってハウジング１と絶縁され、また、ターミナルスリーブ１３の内周に沿って配置された筒状の絶縁スリーブ１５によって、中軸１１とも絶縁されている。
従って、セラミック発熱体４は、ハウジング１とは絶縁された構造となっている。
【００３５】
上記のグロープラグ１０の先端部２Ａの表面温度Ｔｓと、セラミック発熱体４と先端部２Ａ表面間の基体抵抗値Ｒｉとの関係を測定する方法を図５に示す。実施形態１とは測定対象が異なるのみであり、各機器の接続位置が変更されている他は図２と同様の構成である。
まず予め、先端部２Ａを金層や銀層などの導電性の金属膜９で被覆する。具体的には、外筒３の先端３Ａと２ｍｍ程度の隙間をあけて金属膜９を形成する。後述する絶縁抵抗の測定において、５００〜１０００Ｖを印加するので、外筒３とショートしないようにするためである。
次いで、図５に示すように、グロープラグ１０のターミナル部１１Ｔとターミナルスリーブ１３の間に、電流計２１、スイッチ２２を介して定電圧電源２３を接続する。
一方、先端部２Ａの表面温度Ｔｓを知るため、先端部２Ａを含む領域を見込むようにセットした赤外線放射温度計２４によって、先端部２Ａのうち表面温度Ｔｓが最も高くなる部分の温度を測定する。この表面温度Ｔｓは、温度変換器２５によって表示される。
さらに、絶縁抵抗計２６のプローブ２７の先端部２７Ａを先端部２Ａに接触させ、ターミナルスリーブ１３との間の基体抵抗値Ｒｉを測定する。
【００３６】
上記のようにして、実施形態１のセラミックヒータ２と同様にグロープラグ１０の特性の測定ができる。しかも、グロープラグ１０として既に組み立てられたものを測定するので、実際にエンジン内で使用される場合の特性により近い測定結果を得ることができる。
【００３７】
以上において、本発明を実施形態１，２に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、先端部２Ａに金層あるいは銀層を蒸着するとしたが、被膜を形成する方法としてはメッキ又はスパッタリングによってもよい。
また例えば、上記実施形態では、先端部の表面温度Ｔｓを赤外線放射温度計２４によって測定するとしたが、熱電対によってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックヒータの断面図である。
【図２】セラミックヒータのセラミック基体の表面温度Ｔｓ、基体抵抗値Ｒｉを測定する測定方法を説明する説明図である。
【図３】種々のセラミックヒータのセラミック基体の表面温度Ｔｓと基体抵抗値Ｒｉの関係を示すグラフである。
【図４】グロープラグの断面図である。
【図５】グロープラグのセラミック基体の表面温度Ｔｓ、基体抵抗値Ｒｉを測定する測定方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
２  セラミックヒータ
２Ａ  先端部
４  セラミック発熱体（通電発熱体）
５  セラミック基体
９  金属膜
１０  グロープラグ
２３  定電圧電源
２４  赤外線放射温度計
２５  温度変換器
２６  絶縁抵抗計
２７  プローブ
２７Ａ  先端部
【図１】
0004094205.tif 000003
【図２】
0004094205.tif 000004
【図３】
0004094205.tif 000005
【図４】
0004094205.tif 000006
【図５】
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