JP2003509652A - シーズ形グロープラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明では、内燃機関の燃焼室内へ突出する電気的な加熱素子と、電流導入部とを有し、該電流導入部によって加熱素子のための加熱電流が開放によって燃焼室内に導入される、自己着火式内燃機関のためのシーズ形グロープラグが提案されている。電流導入部の領域にはスイッチが設けられており、このスイッチの開閉によって加熱電流が制御可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、制御機器とグロープラグとからなる自己着火式内燃機関のためのグ
ローシステムにおいて用いられている、シーズ形グロープラグに関している。グ
ロープラグは、例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE-OS 28 02 625 明細書から
公知である。そのようなシーズ形グロープラグは、管状の金属性ケーシングから
なっており、そのケーシング外周にはねじが切られており、そのねじを用いて当
該シーズ形グロープラグがシリンダにねじ込まれる。このシーズ形グロープラグ
のケーシングの燃焼室側端部では、ケーシングから突出するグローパイプが取り
囲まれており、そのためこのグローパイプがエンジンに組込まれたシーズ形グロ
ープラグのもとで燃焼室内に突出する。グローパイプ内には、加熱装置が設けら
れており、この加熱装置の燃焼室側は、アース接続のためにグローパイプの遮蔽
された底部と接触し、燃焼室から離れた側は、コンタクトピンを介して供給電圧
源と接触している。さらにセラミック製のグロープラグも公知であり、この場合
は、燃焼室内に突出している部分がセラミックからなっている。公知のグローシ
ステムでは、加熱装置に通電される電流が余熱時間制御機器によって制御機器内
のスイッチ（リレー、パワートランジスタ）を介してオン・オフされている。

【０００２】 発明の利点 請求項１の特徴部分に記載のシーズ形グロープラグは、公知の装置に対して次
のような利点を有している。すなわちグロー電流のオン・オフのためのスイッチ
がシーズ形グロープラグのケーシング内に集積化されていることである。このス
イッチは個々のプラグの電流のみを切換えるだけなので、比較的小型に構成でき
る。プラグのねじ山近傍への配置とそれに伴うシリンダヘッドとの良好な結合と
によって始動前の冷えたエンジンのもとでのプラグの作動も、あるいは暖機フェ
ーズにおける良好な冷却も保証される。比較的長いエンジンブレーキ動作中の中
間余熱のもとでもプラグねじ山における温度はエンジンの冷却水を介して確実に
制限される。

【０００３】 従属請求項に記載されている手段によれば、本発明によるシーズ形グロープラ
グの別の有利な実施例および改善例が可能となる。シーズ形グロープラグに対す
る分厚い断面のハーネスに関するコストは大幅に削減される。パワースイッチン
グデバイスを用いるならば、集積回路製品（例えばスマート・パワー・チップ）
が組み込め、このことも総体的に必要となる電気的な線路の数の低減につながる
。別個の余熱時間制御機器は、場合によっては完全に省くこともあるいはコンパ
クトな構造形態にまとめることも可能である。シーズ形グロープラグのケーシン
グ内へ起動制御部を集積化すれば、さらに余熱温度を直接現場から検出して評価
することも可能となる。それにより、非常に迅速にかつ可及的に良好に作動条件
の変化に反応することができる。結局余熱時間制御機器が余熱温度の制御を保証
するならば、シーズ形グロープラグの中で制御巻線（これはその正の抵抗係数に
基づいて余熱温度が許容不能な値にまで達することを防いでいる）を省略するこ
とが可能となる。さらなる利点は、スイッチング手段として半導体チップを用い
ることによって得られる。シーズ形グロープラグのケーシング内に組込むことに
よってこのチップは、外部の影響から十分に保護することができる。そのためシ
ーズ形グロープラグ内への半導体スイッチの組込みの際には、トランジスタケー
スを省くことができ、これもコストの低減につながる。

【０００４】 図面 本発明の実施例は図面に示されており、以下の明細書で詳細に説明される。こ
れらの図面中、 図１は、本発明によるシーズ形グロープラグの第１の実施例を示したものであり
、 図２は、第２の実施例を示したものであり、 図３は、第３の実施例を示したものであり、 図４は、第４の実施例を示したものであり、 図５は、第５の実施レオを示したものであり、 図６と図８は、本発明によるシーズ形グロープラグを備えたグローシステム全体
の本発明による装置構成をブロック回路図で示したものであり、 図７と図９は、本発明によるシーズ形グロープラグのための電気的な等価回路図
であり、 図１０は、本発明によるシーズ形グロープラグの第６の実施例を示したものであ
る。

【０００５】 実施例の説明 図１から図５には、それぞれ断面図で自己着火式内燃機関のためのシーズ形グ
ロープラグが示されている。この場合基本構造は、図１から図５の全ての実施例
において同じである。そのため基本的な構造に関しては一度だけ説明する。本発
明による集積化された回路ユニットの図１から図５において異なっている構成は
、それぞれの図面に基づいて直接説明する。

【０００６】 図１から図５によるシーズ形グロープラグの基本構造は、管状の金属性ケーシ
ング１０からなっている。この金属ケーシングの長手孔部内にグローパイプ１１
がその長手方向で密閉された部材と共に設けられている。このグローパイプ１１
は、燃焼室側端部で密閉されたグローチューブ１２からなっており、その中では
軸方向に加熱装置が延在している。この加熱装置は、燃焼室側に配置されている
ヒータコイル１４と、燃焼室から離れている側に配置されている制御コイル１５
からなっている。公知の加熱コイルはここでは簡素化の理由から抵抗として示さ
れている。この加熱装置は、絶縁材料１６の中に埋込まれており、それによって
グローチューブ１２の壁面から絶縁されている。このようなシーズ形グロープラ
グの構造と作用形式は既に十分に、冒頭に述べたような従来技術から公知である
のでここでの詳細な説明は省く。機能的にはこのグローチューブ１２は、ヒータ
コイル１４と共に燃焼室内に突出している加熱素子を表わしている。ケーシング
１０は、絶縁材料１６および制御コイル１５と共に電気的なエネルギの燃焼室内
への導入のための電気的導入部を表わしている。図１から図５においてはシーズ
形グロープラグの同じ基本構造から出発しているので、同じ構成要素には同じ参
照番号が付されている。

【０００７】 図１による本発明によるシーズ形グロープラグの場合では、ケーシング１０内
に燃焼室とは離れている側にケーシングに入った回路ユニット３００が配設され
ている。この回路ユニット３００内には、スイッチが設けられており、このスイ
ッチによって加熱装置１３を流れる電流通流のオン・オフが行われる。この回路
ユニット３００は、プラグコンタクト３０１を介してリード導体１９に接続され
ている。それらを介して供給電圧とここには図示していない制御機器からの信号
が供給される。この場合重要なのは、ケーシング１０の内部では半導体回路の使
用に適した温度に保たれることである。このことは、このケーシングが内燃機関
のシリンダ壁部を通る循環系にさらされ、この種のシリンダが通常は冷却水によ
って冷却されていることによって得られる。つまりこのケーシングはこのような
シリンダの壁部に直接接触しているので、このケーシング自体もその内部と共に
冷却されるからである。それにより、本発明によるスイッチのための半導体回路
がこのケーシング領域ないしその内部空間に適用可能となる。

【０００８】 制御コイル１５のコンタクトは、燃焼室から離れた側で金属性の接続エレメン
ト１２０によって行われる。図１では、この種の金属性接続要素１２０が、当該
プラムの燃焼室とは離れている側で接続用リード導体１９の方向に向けて平坦な
領域を有している様子が示されている。この平坦領域の上に当該回路ユニット３
００が配置されている。この回路ユニットは、金属性の伝導層、例えばはんだや
伝導性接着剤などを用いて接続エレメント１２０の平坦面に接続される。図１に
よる例では、回路ユニット３００が簡素にトランジスタからなっており、これは
その下方側に金属性のドレイン端子と２つの接続コンタクト３０１を有し、この
２つのコンタクトがトランジスタのソースとゲートに接続される。純粋なトラン
ジスタの側からみれば、もちろん半導体スイッチ（トランジスタ）と“集積”回
路とのあらゆる組合せも適用可能である。パックされている構成素子の利点は、
この構成素子がグロープラグの製造の際に特に簡単に処置できることにある。

【０００９】 図２には、第２の実施例が示されており、この第２の実施例では、前記回路ユ
ニットが。カプセル化されていないシリコンチップ３０２で構成されている。こ
のシリコンチップ３０２は、絶縁層３０４の上に設けられており、そのためこの
シリコンチップの下方側が接続エレメント１２０の平坦領域に対して電気的に絶
縁された状態になっている。リード導体１９への接続は、ボンディングワイヤ３
０３によって形成されている。このボンディングワイヤ３０３によってシリコン
チップ３０２の表面と接続エレメント１２０との電気的な接続が同じように形成
されている。ここで有利なのは、非カプセル形のシリコン素子が通常はパック形
の構成素子に比べて安価で所要スペースも僅かしか必要とせず、さらにグロープ
ラグのケーシング自体もシリコンチップ３０２のためのパッキングに十分なこと
である。

【００１０】 図３には本発明によるグロープラグのさらに別の実施例が示されている。ここ
での接続エレメント１２０は、既に図１のところで説明したように、制御コイル
１５とのコンタクトのための丸い部分と、後方に向けて平坦になっている部分と
を有するように構成されており、この平坦な部分に図３に示されているようにケ
ーシングなしの半導体チップ３０２が被着されている。リード導体１９とのコン
タクトは、ここでもボンディングワイヤ３０３によって行われており、これらは
一方で半導体チップ３０２の表面に固定されており、それによってリード導体１
９との接続を形成できるようにしている。金属性の接続エレメント１２０との電
気的なコンタクトは、次のようにして簡単に行われている。すなわち半導体チッ
プ３０２の裏側を当該金属性接続エレメント１２０の後方に向けて平坦になって
いる領域上に直接被着させることによって行われている。この半導体チップ３０
２は、パワートランジスタを含んでおり、このドレイン端子が半導体チップ３０
２の裏側を形成している。

【００１１】 図４の実施例と図３の実施例との違いは、リード導体１９の終端部分が半導体
チップ３０２の表面に直接固定できるように構成されている点である。このこと
は例えば次のようにして行われてもよい。すなわちリード導体１９の終端部分を
薄い薄板として構成し、それを相応の球状のはんだ３０５によって半導体チップ
３０２の表面に直接はんだ付けできるようにしてもよい。

【００１２】 図５では、完全に回転対称でかつ燃焼室から離れた側に全く平坦な側方を有し
ている接続エレメント１２０が用いられている。この平坦な側方には、半導体チ
ップ３０２が被着されており、それによってここでも半導体チップ３０２の下方
側と接続エレメント１２０との間の電気的なコンタクトが形成されている。この
半導体チップ３０２の表側も、球状のはんだ３０５がリード導体１９とのコンタ
クトのために用いられている。

【００１３】 図６には、制御機器６０とグロープラグ６１からなるグロシステムの全体がブ
ロック回路図で示されている。この制御機器６０はここではシーズ形グロープラ
グ６１と、共通の線路１９を用いて接続されている。さらにこれらのグロープラ
グは、さらなる線路１９を介して給電端子２００とも接続されてる。

【００１４】 図７は、図６によるシーズ形グロープラグの等価回路図である。スイッチ７０
の一方の端子は給電端子２００に接続されており、他方の側は、制御コイル１５
およびヒータコイル１４と直列にアース端子２０１に接続されている。このスイ
ッチ７０は、相応の線路を介して起動制御回路７３によって開閉されている。こ
の場合起動制御回路７３は、線路１９を介して制御機器６０から相応の信号を受
取る。さらにこの起動制御回路７３は、給電端子２００からバッテリ電流を受取
る。

【００１５】 図６からもわかるように、全てのプラグは、線路１９を介して制御機器６０に
接続されている。相応に形成されたビット列や周波数信号などを介して制御機器
６０からは、たとえこれらのプラグが共通のハーネスで接続されていてもこれら
のグロープラグを個別の作動状態においてもしくは診断が望まれる時にはいつで
も個別に起動制御できる。但しノーマルモードではグロープラグは通常は全て共
通に起動制御される。

【００１６】 図１から図７において説明したシーズ形グロープラグは、３つの電気的な端子
を有しており、この場合アース端子２０１が通常はケーシング１０によって実現
されている。給電端子２００は、電流の供給に使用され、この電流はスイッチ７
０を介して加熱のための電気的なエネルギを供給する。スイッチ７０の切替状態
は、結局第３の電気的な端子を介して決定される。通常は、市販のｐチャネルま
たはｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴがスイッチ７０に対して使用可能である。起
動制御回路７３とスイッチ７０は、半導体チップ上に集積化される。

【００１７】 制御機器６０とシーズ形グロープラグ６１の間の接続線路１９は、グロープラ
グ６１から制御機器６０への情報のフィードバックに対しても用いられる。制御
回路７３は、相応に多くの知識情報との交換が可能である。すなわち、起動制御
回路７３は、個々のシーズ形グロープラグからの所定の情報が制御機器６０に戻
されるように伝送される状態でなければならない。この機能は、例えば診断目的
のためだけでも活動化可能でなければならない。すなわち特別な作動状態におい
て、制御機器によって捉えられる機能に関する個々のシーズ形グロープラグ６１
の個々の問合せが行われる。

【００１８】 図８には制御機器６０とシーズ形グロープラグ６１とのさらなる接続回路例が
示されている。このケースでは、シーズ形グロープラグ６１は、唯１つの端子だ
けを有しており、その端子を用いてそれらが線路１９を介して制御機器６０に接
続されている。制御機器６０は、線路１９を介してグロープラグ６１の作動に必
要な作動エネルギを提供する。切替のための制御信号は、付加的に線路１９上で
変調される。この場合スイッチ７０も評価回路７３も接続線路に接続される。そ
れにより線路１９には常にシーズ形グロープラグの作動に十分な電圧レベルが印
加される。この場合付加的な電圧パルスによって起動制御回路７３は、ここにお
いてスイッチ７０が操作されるべきことを識別する。このことは例えばビット列
または周波数信号によって評価回路７３から識別されるように行われてもよい。
簡単な例によれば、通常の電圧レベルに比較的高い周波数の信号が重畳される。
これが起動制御回路７３によって識別され、スイッチ７０の閉成が促される。

【００１９】 図９には、さらに別の有利な実施例が示されており、この実施例では線路１９
を介して端子２００からは作動電圧がそして制御機器６０からは制御信号が供給
されている。回路ユニット７３は、ここでは制御機器から６０制御信号を受取り
、給電電圧を端子２００から受取る。スイッチ７０は、ここでは給電電圧端子２
００と、ヒータコイル１４と、アース端子２０１に直列に配置されている。これ
までの実施例との相違は、制御コイルの使用が省かれていることでありここでは
ヒータコイル１４のみが設けられている。制御コイルの機能は、所定の加熱周期
に従ってヒータコイル１４を流れる電流通流の制限にある。このことは制御コイ
ルに対して、その抵抗値が温度の上昇と共に高まる材料を選定することによって
行われる。インテリジェンス起動制御回路７３の本来の加熱素子近傍への直接の
配置によっては、制御コイルの機能がこの起動制御回路７３によって受け継がれ
る。その際半導体チップ上には、シーズ形グロープラグの温度を測定する温度測
定素子が配設可能である。半導体チップの箇所におけるシーズ形グロープラグの
温度は、グロープラグ先端の温度に依存する。そのため半導体チップにおいて測
定された温度によってグロープラグ先端の温度が推論可能である。シーズ形グロ
ープラグの温度のさらなる検出の可能性は、加熱パイプの温度の測定にある。加
熱パイプの温度は、加熱抵抗が温度依存性の抵抗を有している場合に測定可能で
ある。それにより加熱素子の抵抗の測定によってグロープラグの温度が検出でき
る。さらに加熱素子の領域に配設可能なその他の温度感応形の測定素子が設けら
れてもよい。その際に起動制御回路は、測定された温度に依存してヒータコイル
１４を流れる電流通流を制限できるように構成される。このことは、例えばパル
ス変調によって行われてもよい。すなわち起動制御回路７３が温度経過に依存し
てスイッチ７０を開閉し、所望の温度にヒータコイル１４を設定調整する。この
手段によれば、グロープラグの構造が決定的に簡素化できる。温度測定の代わり
に、加熱コイルを流れる通流電流、加熱コイルを流れる通流電流と時間との積分
、加熱コイルの抵抗またはその他の間接的な手法によってグロープラグの温度を
推論してもよい。これらの手法は技術的には同等である。

【００２０】 図１０には、本発明によるシーズ形グロープラグのさらなる構成例が示されて
おり、この場合この図１０ではいわゆるセラミック製のシーズ形グロープラグが
示されている。この種のセラミック製シーズ形グロープラグでは、グローパイプ
１１が第１と第２の伝導性セラミック層５０１，５０２からなっている。これら
の層の間には絶縁性のセラミック層５０３が配設されている。グローパイプ１１
の先端では、これらの第１及び第２の伝導性セラミック層５０１，５０２が先細
の先端領域５０４と相互に接続されている。それによりセラミック伝導層５０１
から先細の先端領域５０４を介して第２のセラミック伝導層５０２への通電が可
能となる。このグローパイプ１１も燃焼室から離れた側でケーシング１０によっ
て支持されている。図１０において識別されるように、第１のセラミック伝導層
５０１はケーシング１０内をさらに右方向に延在し、その右側領域においてチッ
プ３０２が被着されている。このチップはボンディングワイヤ３０３によってリ
ード導体１９と接続されている。このチップ３０２にも縦形トランジスタが配設
されており、これがチップ３０２の上側からチップ３０２の下側への通電を可能
にしている。それによりこのチップ３０２を介して電流が第１の伝導層５０１に
給電可能となる。ここではセラミック層全体の表面が、薄いガラス層で覆われて
おり、シリコンチップ３０２の下方領域とコンタクト領域５０５（これは第２の
セラミック伝導層５０２とケーシング１０の間の電気的なコンタクトを形成して
いる）だけが除外されている。セラミック製シーズ形グロープラグの製造に利用
される技術に基づいてこのプラグは、特にシリコンチップの収容に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるシーズ形グロープラグの第１の実施例を示した図である。

【図２】 本発明の第２実施例を示した図である。

【図３】 本発明の第３実施例を示した図である。

【図４】 本発明の第４実施例を示した図である。

【図５】 本発明の第５実施例を示した図である。

【図６】 本発明によるシーズ形グロープラグを備えたグローシステム全体の本発明によ
る装置構成をブロック回路図で示したものである。

【図７】 本発明によるシーズ形グロープラグのための電気的な等価回路図である。

【図８】 本発明によるシーズ形グロープラグを備えたグローシステム全体の本発明によ
る装置構成をブロック回路図で示したものである。

【図９】 本発明によるシーズ形グロープラグのための電気的な等価回路図である。

【図１０】 本発明によるシーズ形グロープラグの第６の実施例を示したものである。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年８月２９日（２００１．８．２９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨハネス ロハー 大韓民国 ソウル シー ピー オー ボ ックス 4703 (72)発明者 ヴェルナー テシュナー ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ベ ルンシュタインシュトラーセ 24 (72)発明者 ヨッヘン ノイマイスター ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト オ ーデンヴァルトシュトラーセ ９

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自己着火式内燃機関のためのシーズ形グロープラグであって
   、内燃機関の燃焼室内へ突出する電気的な加熱素子と、電流導入部（１０）とを
   有し、該電流導入部によって加熱素子のための加熱電流が開放によって燃焼室内
   に導入される、シーズ形グロープラグにおいて、 電流導入部（１０）の領域にスイッチが設けられており、該スイッチの開閉に
   よって加熱電流が制御可能であるように構成されていることを特徴とする、シー
   ズ形グロープラグ。
2. 【請求項２】 電流導入部（１０）の領域において前記スイッチのための起
   動制御回路（７３）が設けられており、該起動制御回路（７３）によって前記ス
   イッチの開閉のための信号が形成可能である、請求項１記載のシーズ形グロープ
   ラグ。
3. 【請求項３】 ２つのリード導体（１９）が設けられており、第１のリード
   導体（１９）は、加熱電流のための供給電圧源に対する端子に接続可能であり、
   第２のリード導体（１９）は、前記起動制御回路（７３）に接続されており、さ
   らに該第２のリード導体（１９）を介して前記起動制御回路（７３）のための制
   御信号が印加可能である、請求項２記載のシーズ形グロープラグ。
4. 【請求項４】 前記一方のリード導体（１９）に対して入力側が設けられて
   おり、該入力側はスイッチ（７０）と起動制御回路（７３）に接続されており、
   該入力側を介して作動電圧と同時に起動制御回路（７３）のための制御信号も印
   加可能である、請求項２記載のシーズ形グロープラグ。
5. 【請求項５】 前記起動制御回路（７３）は、加熱素子の温度を検出するた
   めの手段を含んでおり、該手段の信号に依存して加熱電流が制御される、請求項
   ２から４いずれか１項記載のシーズ形グロープラグ。
6. 【請求項６】 前記加熱素子は、金属性もしくはセラミック製のグローパイ
   プ（１１）として構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のシーズ形
   グロープラグ。
7. 【請求項７】 前記グローパイプ（１１）は、ケーシング（１０）を用いて
   燃焼室の開口部に固定可能であり、該ケーシング（１０）は同時にスイッチ（７
   ０）ないし起動制御回路（７３）のためのケーシングとしても表わされる、請求
   項６記載のシーズ形グロープラグ。
8. 【請求項８】 前記スイッチ（７０）と起動制御回路（７３）は、１つのチ
   ップに集積化されている、請求項７記載のシーズ形グロープラグ。
9. 【請求項９】 前記チップは、包装なしでケーシング（１０）内に設けられ
   ている、請求項８記載のシーズ形グロープラグ。