JP2002013734A

JP2002013734A - グロープラグ

Info

Publication number: JP2002013734A
Application number: JP2000191537A
Authority: JP
Inventors: Ikuya Ando; 郁也安藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-01-18
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: JP4126854B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱部材に通電を行うための棒状の中軸が溶
接により直列に接続された２本の棒材よりなるグロープ
ラグにおいて、中軸の強度を確保しつつ、良好な溶接性
を実現する。【解決手段】中軸４は、一端側が発熱部材３に電気的
に導通されたヒータピン４１の他端側と、一端側に外部
と電気的に接続可能な端子ネジ部４２ａを有する端子ピ
ン（４２）の他端側とを溶接してなるものであり、ヒー
タピン４１は、炭素含有量が０．０８％〜０．３％で且
つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よ
りなり、端子ピン４２は、炭素含有量が０．０８％〜
０．１５％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上であ
る炭素鋼材料よりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱部材に通電を
行うための棒状の中軸が溶接により直列に接続された２
本の棒材よりなるグロープラグに関し、特に直噴式のデ
ィーゼルエンジンに適用されるグロープラグに用いて好
適である。

【０００２】

【従来の技術】グロープラグは、一般に、筒状のハウジ
ングと、このハウジングの一端側にてハウジングの内部
に保持され通電により発熱する発熱部材と、この発熱部
材よりもハウジングの他端側にてハウジング内に収納さ
れ発熱部材に通電を行うための棒状の中軸とを備える。
一方、ディーゼルエンジンの直噴化に伴い、エンジン側
の制約等から、グロープラグは長化、細径化の傾向にあ
る。

【０００３】従って、グロープラグの長化に際して、中
軸が溶接により直列に接続された２本の棒材よりなる構
成を採用することが考えられる。そのようなものとして
は、例えば、特開平４−１５４０７号公報に記載のもの
が提案されている。このものは、中軸（中心電極）を、
一端側が発熱部材に電気的に導通された第１の棒材（先
端側部材）の他端側と、一端側に外部と電気的に接続可
能な端子ネジを有する第２の棒材（後端側部材）の他端
側とが溶接されてなる構成としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、現状では中軸
の材質としては炭素鋼が採用され、中軸における端子ネ
ジの締め付けトルクの仕様を満足させるために、この炭
素鋼の炭素含有量を増加させ、強度を確保している。例
えば、Ｍ４のネジにて締め付けトルクは３Ｎ・ｍ（国際
規格ＩＳＯでは２．５Ｎ・ｍ）程度を満足する必要があ
る。

【０００５】しかしながら、２本の棒材を溶接して１本
の中軸とする場合、強度を確保すべく炭素含有量を増加
する方法では、一定以上の硬さになると溶接性に問題が
生じる。即ち、溶接時に溶接割れを引き起こしたり、外
観では確認できない溶接部の亀裂が生じ、市場走行にお
いて遅れ破壊を引き起こす懸念がある。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、発熱部材に通電を行うための棒状の中軸が溶接に
より直列に接続された２本の棒材よりなるグロープラグ
において、中軸の強度を確保しつつ、良好な溶接性を実
現することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、実用レベルに
十分な締め付けトルクに対応した強度、及び、良好な溶
接性を確保するために、中軸として、ビッカース硬さと
炭素含有量を種々変えた材料を用いて実験検討した結果
に基づいて創出されたものである。

【０００８】即ち、請求項１の発明では、発熱部材
（３）通電用の棒状の中軸（４）を、一端側が発熱部材
に電気的に導通された第１の棒材（４１）の他端側と、
一端側に外部と電気的に接続可能な端子部を有する第２
の棒材（４２）の他端側とを溶接してなるものとしたグ
ロープラグにおいて、第１の棒材を、炭素含有量が０．
０８％〜０．３％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以
上である炭素鋼材料よりなるものとし、第２の棒材を、
炭素含有量が０．０８％〜０．１５％で且つビッカース
硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものと
したことを特徴としている。

【０００９】本発明のように、第１の棒材及び第２の棒
材における炭素含有量とビッカース硬さとを上記範囲に
設定することにより、中軸の強度を確保しつつ、良好な
溶接性を実現することができる。

【００１０】ここで、請求項２の発明のように、第１及
び第２の棒材（４１、４２）のビッカース硬さが２００
Ｈｖ以上であれば、良好な溶接性を実現しつつ、より高
い強度を確保することが出来、好ましい。

【００１１】また、第１の棒材（４１）と第２の棒材
（４２）との溶接部（４３）のビッカース硬さについて
は、請求項３の発明のように、４００Ｈｖ以下であるこ
とが好ましい。溶接部のビッカース硬さが４００Ｈｖ以
下とすることで、よりも確実に溶接割れや遅れ破壊の発
生を防止することができる。

【００１２】また、請求項１〜請求項３の発明は、中軸
（４）の径（Ｄ）が３ｍｍ以下であり、中軸と発熱部材
（３）との長さの総計（Ｌ）が１２０ｍｍ以上であるよ
うな、従来に無い長化、細径化されたグロープラグに用
いた場合にも、十分に中軸の強度を確保しつつ、良好な
溶接性を実現することができる。

【００１３】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１に本発明の実施形態に係るグロ
ープラグ１の縦断面構成を示す。このグロープラグ１
は、例えば、ディーゼルエンジンの複数（例えば４気
筒）のシリンダ（図示しない）にそれぞれ取り付けら
れ、エンジン始動時における燃料の着火および燃焼を促
進するためのものである。

【００１５】グロープラグ１は、中空筒状で、導電性材
料（例えば鉄系材料）からなるハウジング２を備えてお
り、このハウジング２の外面には、グロープラグ１を上
記シリンダに脱着可能に取り付けるための取付用ネジ部
２１が備えられている。本例では、ハウジング２は鉄系
材料を用いており、その内面及び外面を冷間鍛造により
加工形成した後、切削等によって取付用ネジ部２１を形
成することで作られている。

【００１６】このハウジング２の一端２ａ側におけるハ
ウジング２の内部には、通電により発熱する棒状の発熱
部材３が収納されている。この発熱部材３の一端３ａ側
は、ハウジング２の一端２ａから突出しており、発熱部
材３の一端３ａは、グロープラグ１を上記シリンダに取
り付けた状態でエンジンの燃焼室に露出するようになっ
ている。

【００１７】また、発熱部材３よりもハウジング２の他
端２ｂ寄りの部位におけるハウジング２の内部には、導
電性材料よりなる棒状の中軸４が収納されている。本例
では、中軸４は段付円柱状をなしており、中軸４の一端
４ａ側は、発熱部材３の他端３ｂ側と電気的に導通され
ており、中軸４の他端４ｂは、ハウジング２の他端２ｂ
から突出している。

【００１８】発熱部材３の本体は、一端３ａ側に閉塞
部、他端３ｂ側に開口部を有する細長な有底筒状のチュ
ーブ５によって区画形成されている。このチューブ５
は、耐熱性および耐酸化性に優れる導電性材料（例えば
ステンレス材料）からなり、ハウジング２の一端２ａ側
にて圧入等により固定されている。このチューブ５にお
いては、スウェージングによってチューブ５の外径を絞
ることにより、発熱部材３の一端３ａ側に小径部５１、
発熱部材３の他端３ｂ側に大径部５２が形成されてい
る。

【００１９】また、チューブ５の内部には、コイル状の
第１及び第２抵抗体６、７が、チューブ５の長軸方向に
沿って設けられている。第１抵抗体６は、チューブ５の
閉塞部側に内蔵され、第２抵抗体７は、第１抵抗体６よ
りもチューブ５の開口部側に内蔵されている。

【００２０】また、第１抵抗体６の一端６ａは、チュー
ブ５の閉塞部に溶接されて電気的に接続され、他端６ｂ
は、第２抵抗体７の一端７ａに溶接されて電気的に接続
されている。そして、第２抵抗体７の他端７ｂは、上記
中軸４の一端４ａに溶接等により電気的に接続されてい
る。

【００２１】これら中軸４の一端４ａ側、第１抵抗体６
および第２抵抗体７は、チューブ５内において、耐熱性
絶縁材料（例えばマグネシア等）からなる絶縁粉末８に
より埋設されている。これにより、中軸４の一端４ａ
側、第１抵抗体６および第２抵抗体７が、チューブ５の
閉塞部以外の部位に対して絶縁的に保持される。なお、
絶縁体粉末８はチューブ５の開口部側にてシール９によ
りシールされている。

【００２２】なお、第１抵抗体６は、常温（２０℃）と
１０００℃（予熱時におけるグロープラグ１の第１抵抗
体６の温度）の抵抗変化率（１０００℃の抵抗値／２０
℃の抵抗値）が、例えば１程度に小さな第１導電材料
（例えば鉄クロム合金やニッケルクロム合金）からな
る。

【００２３】また、第２抵抗体７は、上記抵抗変化率
が、例えば５〜１４程度に大きな第２導電材料（例えば
ニッケル、低炭素鋼やコバルト鉄合金）からなる。な
お、抵抗温度係数とは、横軸に温度、縦軸に抵抗値をプ
ロットして得られるグラフの傾きのことである。よっ
て、第２導電材料は、第１導電材料よりも、正の抵抗温
度係数の大きな材料である。

【００２４】ここで、本実施形態では、中軸４は溶接に
より２本の棒材を直列に接続したものである。中軸４の
一端４ａ側に位置する第１の棒材としてのヒータピン４
１は、その一端側が発熱部材３における第２抵抗体７と
電気的に導通されている。中軸４の他端４ｂ側に位置す
る第２の棒材としての端子ピン４２は、その一端側にお
けるハウジング２の他端２ｂから突出した部位に、外部
と電気的に接続可能な端子ネジ部（本発明でいう端子
部）４２ａが形成されている。

【００２５】そして、ヒータピン４１の他端側と端子ピ
ン４２の他端側は、プラズマ溶接等により溶接され、溶
接部４３が形成されている。図２は、両棒材４１、４２
の溶接方法の一例を示す説明図である。

【００２６】図２（ａ）に示す様に、両棒材４１、４２
のどちらか一方の他端（図２では、端子ピン４２の他
端）に凹部４４を形成し、この凹部４４に相手側の棒材
の他端を嵌合させる。続いて、図２（ｂ）に示す様に、
両棒材４１、４２の嵌合部の全周に、プラズマアークＫ
を当て全周溶接する。このようにして、中軸４が形成さ
れる。

【００２７】また、本実施形態では、中軸４の強度確保
と溶接性確保とを両立させるために、ヒータピン（第１
の棒材）４１は、炭素含有量が０．０８％〜０．３％で
且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料
よりなり、端子ピン（第２の棒材）４２は、炭素含有量
が０．０８％〜０．１５％で且つビッカース硬さが１８
０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものとしている。

【００２８】例えば、ヒータピン４１としては、Ｓ２５
Ｃ、ＳＷＣＨ２５Ｋ等、端子ピン４２としては、Ｓ８
Ｃ、Ｓ１０Ｃ、ＳＷＣＨ１０Ｒ等の炭素鋼材料を用い、
これら炭素鋼材料を冷間鍛造等により加工し硬化させた
ものを用いることができる。

【００２９】また、中軸４の他端４ｂ側即ち端子ピン４
２に形成された端子ネジ部４２ａには、ゴム等の絶縁弾
性材料からなる環状のシール部材１０および絶縁樹脂製
のブッシュ１１を介してナット１２が締めつけられてお
り、それによって、中軸４の他端側４ｂは、ハウジング
２の他端２ｂ側に絶縁的に固定されている。シール部材
１０は、中軸４とハウジング２との間をシールしてい
る。

【００３０】また、本例のグロープラグ１においては、
図１に示す中軸４における最小外径Ｄが３ｍｍ以下（例
えば２．９ｍｍ）、中軸４と発熱部材３との長さの総計
（つまり、グロープラグ１の長さ）Ｌは１２０ｍｍ以上
となっており、長化・細径化が図られた構成となってい
る。

【００３１】かかるグロープラグ１は、各構成部材を次
のように組み付けることにより形成される。まず、発熱
部材３と中軸４とが一体に組み付けられたものをハウジ
ング２へ挿入し、発熱部材３とハウジング２とを圧入も
しくはろう付け等で固定することにより、ハウジング
２、発熱部材３及び中軸４を一体化する。

【００３２】続いて、中軸４の他端４ｂ側より、シール
部材１０及びブッシュ１１を投入して配置する。そし
て、端子ネジ部４２ａに沿ってナット１２を締め付ける
ことにより、図１に示すグロープラグ１が出来上がる。
このグロープラグ１は、上述のように、取付用ネジ部２
１を介して上記シリンダに取り付けられる。

【００３３】また、グロープラグ１を上記シリンダに取
り付けた状態で、図１に示す様に、端子ネジ部４２ａに
は、電源と電気的に接続された外部配線部材１３が端子
用ナット１４を締め付けることによって組み付けられ
る。これにより、電源から外部配線部材１３、中軸４を
介して発熱部材３へ通電可能となっている。

【００３４】そして、グロープラグ１においては、発熱
部材３への通電直後において、第１抵抗体６に大電流を
供給でき、第１抵抗体６を発熱させるとともに、所定時
間経過後には、第２抵抗体７側での温度上昇により、第
２抵抗体７の抵抗値を増大させて、第１抵抗体６への供
給電力を減少させ、第１抵抗体６での過加熱による断線
等を防止できるようになっている。こうして、エンジン
始動時における燃料の着火および燃焼が促進される。

【００３５】ところで、本実施形態によれば、ヒータピ
ン（第１の棒材）４１及び端子ピン（第２の棒材）４２
における炭素含有量とビッカース硬さとを上記したよう
な範囲に設定することにより、中軸４の強度を確保しつ
つ、両棒材４１、４２の良好な溶接性を実現することが
できる。

【００３６】次に、ヒータピン（第１の棒材）４１を、
炭素含有量が０．０８％〜０．３％で且つビッカース硬
さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものと
し、端子ピン（第２の棒材）４２を、炭素含有量が０．
０８％〜０．１５％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ
以上である炭素鋼材料よりなるものとした根拠について
述べる。

【００３７】図３は、端子ピン４２のビッカース硬さＨ
ｖと端子ネジ部４２ａの締め付けトルク（上記端子用ナ
ット１４を締め付けるトルク）との関係について検討し
た結果を示す図である。図３では、ビッカース硬さＨｖ
を１６０Ｈｖ、１８０Ｈｖ、２００Ｈｖと変えた端子ピ
ン４２を、それぞれ４個用意し、締め付けトルクを増加
させていった場合の端子ピン４２の状態を調べたもので
ある。

【００３８】ビッカース硬さＨｖは、端子ピン４２を軸
方向に切断し、その切断面の複数箇所におけるビッカー
ス硬さＨｖを測定し、平均値をとったものである。図３
中、クロスマーク（×）は端子ネジ部４２ａが破断した
状態、三角マーク（△）は端子ネジ部４２ａが変形した
状態、丸マーク（○）は端子ネジ部４２ａが破断も変形
もせずに異常の無い状態を示す。

【００３９】ここで、端子ネジ部４２ａの締め付けトル
クは、実用レベルの値として３Ｎ・ｍ以上を満足する必
要があることから、端子ピン４２のビッカース硬さＨｖ
は１８０Ｈｖ以上必要であるといえる。また、ヒータピ
ン４１についても、端子ピン４２と溶接され一体化され
た中軸４として構成されることから、ビッカース硬さＨ
ｖは１８０Ｈｖ以上必要であるといえる。

【００４０】このように、ビッカース硬さＨｖを大きく
するためには、単純には、炭素鋼における炭素含有量を
増加させればよいが、あまりにも炭素含有量が多すぎる
と、両棒材４１、４２の溶接性に問題が生じる。そこ
で、なるべく少ない炭素含有量にて、ビッカース硬さＨ
ｖ１８０Ｈｖ以上を満足するために、両棒材４１、４２
を冷間鍛造等により加工硬化させる。

【００４１】図４は、端子ピン４２について、炭素含有
量（Ｃ量、％）と加工硬化によるビッカース硬さＨｖと
の関係を調べた結果を示す図である。図４中の破線は加
工硬化しない一般状態での炭素含有量とＨｖとの関係を
示すもので、文献値（機械工学便覧、日本機械学会編）
である。加工硬化処理によりビッカース硬さＨｖは大き
くなっているが、１８０Ｈｖ以上を満足するためには、
炭素含有量は０．０８％以上は必要であることがわか
る。

【００４２】また、図５は、冷間鍛造により加工硬化処
理し１８０Ｈｖ以上としたヒータピン４１、端子ピン４
２において、両ピン４１、４２の炭素含有量（Ｃ量）の
組合せを変えた場合の溶接性を調べた結果を示す図であ
る。炭素含有量は、ヒータピン４１については、０．１
％、０．２５％、０．３％、０．３５％と変え、端子ピ
ン４２については、０．０８％、０．１％、０．１５
％、０．２％、０．２５％、０．３５％と変え、図５に
示す９個の組合せ〜について調べた。これら図５に
示す各組合せ〜は、具体的には図６に示してある。

【００４３】図５及び図６中、三角マーク（△）は、実
機搭載状態を想定した振動試験にて溶接部４３に割れ
（遅れ破壊）が発生した場合、クロスマーク（×）は、
両棒材４１、４２の溶接時において割れ（溶接割れ）が
発生した場合、丸マーク（○）は、上記遅れ破壊及び溶
接割れのいずれも発生しない異常なしの場合を示す。な
お、図５では、９個の炭素含有量の組合せ〜の１つ
１つについて、４個ずつサンプルを作成して調べた結果
であり、図中の各マークは、重ならないように実際の座
標からは多少ずらして示してある。

【００４４】図５から、遅れ破壊や溶接割れといった溶
接不良が発生せずに良好な溶接性を満足するには、ヒー
タピン４１の炭素含有量が０．３％以下であり、端子ピ
ン４２の炭素含有量が０．１５％以下であることが必要
と言える。このように、上記図３〜図５に示した検討結
果から、両棒材４１、４２ともビッカース硬さＨｖが１
８０Ｈｖ以上であり、炭素含有量については、ヒータピ
ン４１が０．０８％〜０．３％で、端子ピン４２が０．
０８％〜０．１５％であることが必要といえる。

【００４５】また、図６には、上記図５に示した各組合
せ〜について、溶接部４３のビッカース硬さＨｖを
測定した結果を示してある。図６から、溶接部４３のビ
ッカース硬さＨｖが４２０Ｈｖ以上にて溶接不良が発生
することがわかる。ここで、製造上のばらつきや材料の
ばらつき等を考慮すると、溶接部４３では４００Ｈｖ以
下が好ましい。

【００４６】そして、両棒材４１、４２のビッカース硬
さＨｖを１８０Ｈｖ以上とし、炭素含有量については、
ヒータピン４１が０．０８％〜０．３％、端子ピン４２
が０．０８％〜０．１５％とすることにより、溶接部４
３のビッカース硬さＨｖを４００Ｈｖ以下とすることが
できる。

【００４７】また、上記図３からわかるように、両棒材
４１、４２のビッカース硬さＨｖが２００Ｈｖ以上であ
れば、良好な溶接性を実現しつつ、より高い強度を確保
することが出来、好ましい。なお、各棒材４１、４２の
ビッカース硬さＨｖは、溶接部のビッカース硬さＨｖが
４００Ｈｖを越えないように、大きくし過ぎないように
することが必要である。

【００４８】以上のように、本実施形態によれば、両ピ
ン４１、４２における炭素含有量とビッカース硬さとを
上記したような範囲に設定することにより、強度及び溶
接性が適切に確保された中軸４を実現することができる
ため、長化及び細径化のニーズに好適なグロープラグ１
を提供することができる。

【００４９】（他の実施形態）なお、端子ピン４２の一
端側に形成された端子部としては、上記端子ネジ部４２
ａのようにネジ結合を用いるものに限定されない。例え
ば、外部配線部材として嵌合タイプのターミナルを用
い、端子ピン４２の一端側に当該ターミナルが嵌合可能
な部位を形成し、この部位が端子部として構成されてい
ても良い。

【００５０】また、発熱部材３としては、上記した金属
抵抗体６、７に限定されるものではない。例えば、窒化
珪素等を用いたセラミック発熱体を用いたものであって
も良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るグロープラグの縦断面
図である。

【図２】ヒータピンと端子ピンとの溶接方法の一例を示
す説明図である。

【図３】端子ピンにおけるビッカース硬さＨｖと締め付
けトルクとの関係について検討した結果を示す図であ
る。

【図４】端子ピンについて炭素含有量と加工硬化による
ビッカース硬さＨｖとの関係を調べた結果を示す図であ
る。

【図５】ヒータピン及び端子ピンの炭素含有量を変えた
場合の溶接性について検討した結果を示す図である。

【図６】図５に示す炭素含有量の各組合せについて溶接
部のビッカース硬さＨｖを測定した結果を示す図表であ
る。

【符号の説明】

２…ハウジング、３…発熱部材、４…中軸、４１…ヒー
タピン、４２…端子ピン、４２ａ…端子ネジ部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状のハウジング（２）と、前記ハウジングの一端側にて前記ハウジングの内部に保
持され、通電により発熱する発熱部材（３）と、この発熱部材よりも前記ハウジングの他端側にて前記ハ
ウジング内に収納され、前記発熱部材に通電を行うため
の棒状の中軸（４）とを備え、この中軸が、一端側が前記発熱部材に電気的に導通され
た第１の棒材（４１）の他端側と、一端側に外部と電気
的に接続可能な端子部（４２ａ）を有する第２の棒材
（４２）の他端側とを溶接してなるものであるグロープ
ラグにおいて、前記第１の棒材は、炭素含有量が０．０８％〜０．３％
で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材
料よりなり、前記第２の棒材は、炭素含有量が０．０８％〜０．１５
％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼
材料よりなることを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】前記第１及び第２の棒材（４１、４２）
のビッカース硬さが２００Ｈｖ以上であることを特徴と
する請求項１に記載のグロープラグ。
【請求項３】前記第１の棒材（４１）と前記第２の棒
材（４２）との溶接部（４３）のビッカース硬さが４０
０Ｈｖ以下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】前記中軸（４）の径（Ｄ）が３ｍｍ以下
であり、前記中軸と前記発熱部材（３）との長さの総計
は１２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ない
し３のいずれか１つに記載のグロープラグ。