JP2008281306A - 保持構造およびグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 ディーゼルエンジンのグロープラグ等に適用されるハウジングとピン部材の保持構造において、ピン部材を固定する封着ガラスを最適化し、封着性能を維持しつつ無鉛化する。
【解決手段】 筒状金属ハウジングＨの開口端部において、ハウジングＨ内に挿通保持される金属製中軸ピン３と、ハウジングＨの間を封着ガラス２にて溶着する。封着ガラス２は、実質的に鉛を含有しないガラス成分からなり、ガラス転移点が２５０℃以上、軟化点温度が４５０℃以下、線膨張係数が１０×１０^-6以下のガラスであり、溶着工程では、ガラス軟化点温度以上に加熱後、冷却する際に印加される焼嵌め力により中軸ピン３ハウジングＨ内に強固に固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、ディーゼルエンジンのグロープラグに適用されて、ハウジング内に収容したピン部材を封着ガラスにて固定する保持構造に関する。

ディーゼルエンジンのシリンダ内を予熱するためのグロープラグは、円筒状の金属ハウジング内に、ヒータと一体の金属ピン部材を挿通保持している。金属ピン部材をハウジング内に固定するとともに開口部を封じるために、ハウジングの基端側開口内には封着ガラスが充填され、ハウジングから突出する金属ピン部材の基端部を介して、外部電源からヒータに通電可能となっている。このようなグロープラグ構成は、例えば、特許文献１に記載されている。
特開２００４−３１７４９９号公報

封着ガラスは、金属ピン部材をハウジング内に絶縁固定するとともに、開口部を封じてガスや湿気の侵入を防ぐためのもので、一般に、酸化鉛（ＰｂＯ）を主成分とする鉛含有ガラスが使用されている。ただし、人体に対する鉛の有毒性は従来より知られており、また、鉛を使用した電子機器・部品等を廃棄することで、土壌汚染、地下水汚染につながる懸念があり、環境負荷への対応が重要となっている。

このような背景から、種々の分野で従来の鉛含有材から代替材への移行が進められている。グロープラグ用の封着ガラスにおいても、無鉛化されることが望ましく、グロープラグの使用環境や溶着工程に適した封着ガラスが要求されている。

また、グロープラグ用の封着ガラスは、金属ピン部材とハウジングの間を絶縁しているが、金属部分を防錆メッキする際のメッキ液に浸食される問題がある。この場合、封着ガラス表面に形成されるメッキ膜を介して、金属ピン部材とハウジングが導通してしまうおそれがあり、上記特許文献１では、封着ガラス表面にアルミナリングやＯリング等の絶縁部材を埋設することにより、対応している。またその他、市場における腐食成分からも保護が可能となる。

ただし、小径の絶縁部材をグロープラグに組み付けることは容易でなく、部品管理等の手間もかかる。このため、より簡易に封着ガラスを保護、絶縁する手段が望まれている。

そこで、本発明は、ディーゼルエンジンのグロープラグ等に適用されるハウジングとピン部材の保持構造において、ピン部材を固定する封着ガラスを最適化し、封着性能を維持しつつ無鉛化すること、さらには、ハウジングとピン部材の間をより簡易かつ確実に絶縁することを目的とする。

請求項１の発明は、筒状金属ハウジングと、このハウジング内に挿通保持される金属ピン部材と、上記ハウジングの開口端部において、上記ハウジングと上記ピン部材との間に充填される封着ガラスを有しており、上記封着ガラスとして、実質的に鉛を含有しないガラス成分からなり、ガラス転移点が２５０℃以上、軟化点温度が４５０℃以下、線膨張係数が１０×１０^-6以下である封着ガラスを用い、その軟化点温度以上に加熱後冷却する際に上記封着ガラスを介して上記ピン部材に印加される焼嵌め力により、上記ピン部材を上記ハウジング内に溶着固定する保持構造である。

本発明の保持構造によれば、封着ガラスが鉛成分を含有しないので、環境負荷が小さく、グロープラグの使用環境において安定で、溶着による金属部分の強度低下も抑制できる。また、線膨張係数が小さく、溶着時に焼嵌め力によってピン部材をハウジング内に強固に固定することができる。

請求項２の発明のように、具体的には、上記ハウジングおよび上記ピン部材の構成材としては、鉄鋼材または炭素鋼が用いられ、所望の焼嵌め力を維持する。

請求項３の発明のように、上記特性を有する封着ガラスとしては、Ｂｉ₂ Ｏ₃ を６５〜８０重量％含有するガラスが、好適に使用される。

あるいは請求項４の発明のように、上記封着ガラスを、ＳｎＯ₂ およびＰ₂ Ｏ₅ を６５〜８０％を含有するガラスとすることもでき、同様の効果が得られる。

請求項５の発明のように、ガラス封着部の封着長さを２ｍｍ以上とすると、より効果的であり、溶着強度を確保することができる。

請求項６の発明のように、上記ピン部材に印加されるトルクおよび引張り強度を確保するには、その外径を２．５ｍｍ以上とするのがよい。また、上記ハウジングの外径を７ｍｍ以上とすることが、上記ピン部材の保持強度を確保するために好ましい。

請求項７の発明では、上記ハウジングの開口端部内に形成した段付部に当接保持されて、上記封着ガラスの上記開口と反対側の端面を支持する絶縁セラミックリングを設ける。

このセラミックリングにより、ピン部材を位置決めし、溶着時に封着ガラスを支持してガラス垂れによる溶着ムラを防止し、強度低下や気密不良を防止することができる。

請求項８の発明では、上記封着ガラスの上記開口側の端面を保護し、液状ゴムまたは液状樹脂を硬化させてなる絶縁保護層を設けた。

液状のゴムまたは樹脂を用い、封着ガラスの表面を覆うように注入して、硬化させることで、容易に絶縁保護層を設けることができる。

請求項９の発明のように、上記液状ゴムとしては、ＲＴＶゴムを用いることができ、安価で取り扱いが容易である。

請求項１０の発明のように、上記絶縁保護層の厚さを、最薄部において０．１ｍｍ以上とすることで、封着ガラスの表面を保護し、メッキ液による浸食等を効果的に防ぐことができる。

請求項１１の発明は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の保持構造を備えるグロープラグの発明であり、上記ハウジングの上記開口に装着したブッシュを貫通して上記ピン部材の基端部を外部に取り出し、上記ピン部材の先端側に接続したヒータ部への通電用端子とした。

具体的には、この保持構造をグロープラグに適用することができ、ヒータへ通電するためのピン部材を、ハウジング内に確実に保持し、両者の絶縁を確保することができる。

以下、図面により本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の保持構造を適用したディーゼルエンジンのグロープラグ１の全体構成図であり、図１（ｂ）にはその主要部を拡大して示す。図１（ａ）において、本実施形態のグロープラグ１は、金属ハウジングＨと、このハウジングＨ内に挿通保持される通電用の金属ピン部材としての中軸ピン３と、中軸ピン３と一体のヒータ４を有している。ハウジングＨ内には、上端開口Ｈ１側の端部において、中軸ピン３とハウジングＨとの間に封着ガラス２が充填された封着部１１が構成され、中軸ピン３をハウジングＨ内に溶着固定している。

ハウジングＨは略円筒形状で、中間部外周に取付用のねじ部が形成されている。中軸ピン３は、基端側がハウジングＨの上端開口Ｈ１から突出し、先端側が接続金具４２によってヒータ４と接続されている。ヒータ４は公知のセラミックヒータで、外周がスリーブ４１によって保持され、スリーブ４１に覆われない先端ヒータ部がエンジンシリンダ内に露出している。これにより、ハウジングＨから突出する中軸ピン３の基端部３１が通電用の端子となり、図示しない外部電源からピン部材３を介してヒータ４に通電することで、シリンダ内を予熱可能としている。セラミックヒータは、通常、絶縁性セラミックよりなる基体内にＵ字状に成形した導電性セラミックよりなる発熱体を埋設した構成となっている。

ハウジングＨおよび中軸ピン３の構成材としては、ここでは、鉄鋼材または炭素鋼を使用している。ハウジングＨおよび中軸ピン３の少なくとも外表面には、防錆メッキが施されており、図示しない防錆メッキ膜で被覆されている。防錆メッキ後、中軸ピン３の基端部３１に合成樹脂製のブッシュ５１を外挿し、さらにナット５２を螺着してハウジングＨの上端開口Ｈ１を閉鎖する。

図１（ｂ）は、グロープラグ１の封着部１１を拡大して示す図である。図示するように、封着部１１を構成するハウジングＨの上端部は、内周径が段付に拡径しており、段付部Ｈ２上に絶縁セラミックリング６が当接保持されている。セラミックリング６は、中軸ピン３に外挿されてハウジングＨ内で位置決め（芯だし）するともに、中軸ピン３とハウジングＨの間の絶縁を確保する。また、封着ガラス２の下端面を支持して溶着時のガラス垂れによる溶着ムラを抑制し、強度低下や気密不良が生じるのを防止する。セラミックリング６は、溶着時に封着ガラス２により一体に固定されるので、構成材料としては、ガラス溶着温度（例えば５００℃）に耐えられる絶縁性セラミック材料、例えば、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、石英、窒化珪素、窒化アルミニウム等を用いることができる。

封着ガラス２としては、実質的に鉛を含有しないガラス成分からなり、ガラス転移点が２５０℃以上、軟化点温度が４５０℃以下、線膨張係数が１０×１０^-6以下であるガラスを用いる。エンジンルーム等の使用環境がより高温化（２００℃レベル）していることから、ガラス材の強度低下を防止するには、想定される環境温度より十分高い２５０℃以上のガラス転移点を有していることが望ましい。また、軟化点温度が高いと溶着処理温度が高くなり、ハウジングＨ、中軸ピン３を構成する炭素鋼が鈍って、低強度化することから、ガラスの軟化点温度が、金属強度への影響の小さい４５０℃以下であることが望ましい。さらに、封着後に焼嵌め力を維持するために、線膨張係数を一般的な鉄鋼材より小さい１０×１０^-6以下とすることで、中軸ピン３の保持強度を確保することができる。

具体的には、封着ガラス２として、Ｂｉ₂ Ｏ₃ を６５〜８０重量％含有するガラス、あるいは、ＳｎＯ₂ とＰ₂ Ｏ₅ を６５〜８０％を含有するガラスを使用することができる。また、所望の特性が得られる範囲で、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＺｎＯ等の通常のガラス成分、不可避不純物等、その他の成分を適宜含有することができる。

封着ガラス２によるハウジングＨと中軸ピン３の溶着工程は、例えば、次のようにして実施される。まず、ハウジングＨ内に予めヒータ４と一体とした中軸ピン３を挿通配置し、セラミックリング６を装着した後、その上面に封着ガラス２を配置する。封着ガラス２は、ペレット状とすることもできるが、円柱状の成形体としたものを用いると、作業が容易で、溶着ムラが生じにくい。その後、所定の溶着温度に加熱することで、ガラスが溶融して中軸ピン３とハウジングＨの間に隙間なく充填され、さらに冷却される過程で、中軸ピン３とハウジングＨとを溶着固定する。この際、封着ガラス２の上面の位置はわずかに下降する。

溶着温度はガラス軟化点以上とし、高温となるほど中軸ピン３とハウジングＨの硬度が低下することから、通常６００℃以下、例えば５００℃程度に設定するのがよい。この時、封着ガラス２の線膨張係数をハウジングＨと中軸ピン３の構成材料より小さくしたので、ハウジングＨが熱膨張した後、収縮する際に、封着ガラス２および中軸ピン３に印加される焼嵌め力（面圧）によって、強固な固定とすることができる。

封着ガラス２の上端面側には、封着ガラス２を防錆メッキ処理液から保護するために、液状ゴムまたは液状樹脂を硬化させた絶縁保護層７が設けられる。絶縁保護層７は、溶着工程において封着ガラス２となる成形体を配置した後、その上端面を覆うように液状ゴムまたは液状樹脂を注入し、硬化させることで容易に形成される。液状ゴムとしては、例えばＲＴＶゴム（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚａｂｌｅ；室温加硫ゴム）が挙げられ、低コストで、容易に硬化するため、好適に用いられる。特に一液型シリコーンＲＴＶゴムは作業性が良好で、封着ガラス２との濡れ性に優れ、耐熱性等の特性にも優れる。ＲＴＶゴム以外にも、液状で封着ガラス２表面に塗布または注入した後、溶着処理時の熱等で硬化可能なゴムまたは樹脂、例えば液状エポキシ樹脂等を用いることもできる。

本発明で使用する無鉛ガラスは、粘性が高く、従来のグロープラグのように、ガラス上面にセラミック製の絶縁リングを配置した場合、ハウジングＨ内部が封着処理により高温となった時のエア抜きが困難になり、封着ガラス２に気泡が発生するおそれがある。これに対し、液状ゴムまたは液状樹脂よりなる絶縁保護層７であれば、エア抜きが可能で気泡の発生を防止できる。また、アルミナリングやＯリングのような部品管理や、別工程にて装着する手間がかからず、メッキ処理後の取り外しも不要である。

好適には、メッキ処理液、更にはその他腐食成分から保護するために、絶縁保護層７の厚さを、最薄部で０．１ｍｍ以上となるようにするとよい。また、絶縁保護層７と封着ガラス２とが密着せず、少なくとも一部において０．１ｍｍ以上の間隙が形成されていると、ガラスの膨張によるゴムの押し上げを防止することができる。さらに、絶縁保護層７の形成位置において、隣接する中軸ピン３に細径部３２を設け、ハウジングＨ内周面に太径部Ｈ３を設けると、硬化後のゴムまたは樹脂をハウジングＨ内に安定して保持することができる。また、細径部３２および太径部Ｈ３によりセラミックリング６が自重で落下しやすくなり装着が容易になる。

焼嵌めによる中軸ピン３の保持強度を確保するために、封着部１１の各部寸法が設定される。例えば、中軸ピン３に印加されるトルクおよび引張り強度を確保するには、中軸ピン３の外径が２．５ｍｍ以上であることが必要であり、この場合、封着部１１の封着長さを２ｍｍ以上、ハウジングＨの外径を７ｍｍ以上とすることが焼嵌め力を維持するために望ましい。ここで封着部１１の封着長さは、焼嵌め力が維持されている部位の軸方向長であり、図１（ｂ）では、セラミックリング６に接する封着ガラス２の下端面から中軸ピン３の細径部３２までの長さとなる。本実施形態では、例えば、中軸ピン３の外径を４ｍｍ、最小径となる細径部３２の外径を３．５ｍｍ、封着部１１の封着長さを５ｍｍ、ハウジングＨの外径を１１ｍｍとしている。また、絶縁保護層７の厚さは０．２ｍｍとした。

次に、本発明の効果を確認するために、上述した方法で図１（ａ）、（ｂ）に示した構造のグロープラグ１を作製し、評価を行った。封着ガラス２としては、Ｂｉ₂ Ｏ₃ を６５〜８０重量％含有するガラス（実施例１）と、ＳｎＯ₂ とＰ₂ Ｏ₅ を６５〜８０％を含有するガラス（実施例２）を使用した。表１に、これら実施例１、２のガラスの物性値（ガラス転移点、軟化点、線膨張係数）を、従来の鉛ガラスの物性値とともに示した。

さらに、各実施例および従来例について、溶着強度を評価するためにピントルク試験を実施して結果を表１に併記した。試験方法は、図２（ｂ）に示すように、中軸ピン３に回転方向の捩りを与えることによって行い、所定の荷重を印加した時の溶着部の剥離ないし部材の破断の有無を調べた。また、この試験結果と、封着ガラス２の線膨張係数および一般的な鉄鋼材の線膨張係数との関係を図２（ａ）に示した。

表１に明らかなように、実施例１、２とも、溶着強度試験において溶着部が剥離する前に、中軸ピン３の破断が生じており、封着部１１が強固に溶着していることがわかった。この結果は、従来例の鉛ガラスを用いた場合と同等であり、ガラスの物性値（ガラス転移点、軟化点、線膨張係数）も、従来の鉛ガラスの物性値とほぼ同等であることから、実施例１、２の封着ガラス２を用いることで、溶着強度を低下させることなく、無鉛化が可能であることがわかる。

また、図２（ａ）より、実施例１、２の封着ガラス２はいずれも、従来の鉛ガラスと同様に、一般的な鉄鋼材の線膨張係数（１０×１０^-6）より小さくなっている。図３は、溶着後に中軸ピン３と封着ガラス２へ印加される面圧（焼嵌め力）をＦＥＭ解析した結果であり、ハウジングＨが熱膨張した後、収縮することにより中軸ピン３の外周面、封着ガラス２の外周面に、焼嵌めによる締め付け力が作用していることがわかる。このように、封着ガラス２の線膨張係数が一般的な鉄鋼材の線膨張係数（１０×１０^-6）より小さい場合には、焼嵌め力による中軸ピン３の保持強度が確保可能である。封着ガラス２の線膨張係数が一般的な鉄鋼材と同等以上となると、面圧（焼嵌め力）が０となり、中軸ピン３の保持強度が得られない。

次いで、上記構造のグロープラグ１において、封着部１１の封着長さを変更した場合の保持強度を評価した。封着部１１の封着長さは、図１（ｂ）では５ｍｍとしたが、これを１ｍｍ、２ｍｍに変更したグロープラグ１を作成し、それぞれについて、同様のピントルク試験を実施し。結果を表２に示す。

表２に明らかなように、封着部１１の封着長さが２ｍｍの場合には、封着長さが５ｍｍの場合と同様の結果となり（表中に○で記載）、中軸ピン３の破断が生じた。封着長さが１ｍｍの場合には、封着部１１の一部に剥離が生じた（表中に△で記載）。これらの結果から、中軸ピン３の保持力を十分維持するには、封着長さが２ｍｍ以上であることが望ましいことがわかる。

以上のように、本発明によれば、ディーゼルエンジンのグロープラグ等に適用され。ハウジングとピン部材を溶着する封着ガラスを無鉛化し、かつ封着性能を確保することができる。また、封着ガラスの表面を簡易かつ確実に保護して、ハウジングとピン部材の間の絶縁を確保することができる。

なお、本発明の保持構造は、ディーゼルエンジンのグロープラグ等に限らず、他の分野においても利用可能であり、同様の効果を発揮する。

本発明の第１実施形態を示し、（ａ）はグロープラグの全体構成図、（ｂ）は（ａ）の主要部である封着部構成を示す拡大断面図である。 （ａ）は本発明実施例における試験結果を示す図、（ｂ）は、本発明実施例における試験方法を説明するための図である。 本発明実施例におけるＦＥＭ解析結果を示す図である。

符号の説明

Ｈ ハウジング（金属ハウジング）
Ｈ１ 上端開口
１ グロープラグ
１１ 封着部
２ 封着ガラス
３ 中軸ピン（金属ピン部材）
３１ 基端部
４ ヒータ
５１ ブッシュ
５２ ナット
６ 絶縁セラミックリング
６ 絶縁保護層

Claims (11)

1. 筒状金属ハウジングと、このハウジング内に挿通保持される金属ピン部材と、上記ハウジングの開口端部において、上記ハウジングと上記ピン部材との間に充填される封着ガラスを有しており、上記封着ガラスとして、実質的に鉛を含有しないガラス成分からなり、ガラス転移点が２５０℃以上、軟化点温度が４５０℃以下、線膨張係数が１０×１０^-6以下である封着ガラスを用い、その軟化点温度以上に加熱後冷却する際に上記封着ガラスを介して上記ピン部材に印加される焼嵌め力により、上記ピン部材を上記ハウジング内に溶着固定する保持構造。
2. 上記ハウジングおよび上記ピン部材は、鉄鋼材または炭素鋼よりなる請求項１に記載の保持構造。
3. 上記封着ガラスは、Ｂｉ₂ Ｏ₃ を６５〜８０重量％含有する請求項１または２に記載の保持構造。
4. 上記封着ガラスは、ＳｎＯ₂ およびＰ₂ Ｏ₅ を６５〜８０％を含有する請求項１または２に記載の保持構造。
5. ガラス封着部の封着長さを２ｍｍ以上とした請求項１ないし４のいずれか１項に記載の保持構造。
6. ガラス封着部において、上記ピン部材の外径を２．５ｍｍ以上、上記ハウジングの外径を７ｍｍ以上とした請求項１ないし５のいずれか１項に記載の保持構造。
7. 上記ハウジングの開口端部内に形成した段付部に当接保持されて、上記封着ガラスの上記開口と反対側の端面を支持する絶縁セラミックリングを設けた請求項１ないし６のいずれか１項に記載の保持構造。
8. 上記封着ガラスの上記開口側の端面を保護し、液状ゴムまたは液状樹脂を硬化させてなる絶縁保護層を設けた請求項１ないし７のいずれか１項に記載の保持構造。
9. 上記液状ゴムは、ＲＴＶゴムである請求項８記載の保持構造。
10. 上記絶縁保護層の厚さを、最薄部において０．１ｍｍ以上とした請求項８または９記載の保持構造。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の保持構造を備えるグロープラグであって、上記ハウジングの上記開口に装着したブッシュを貫通して上記ピン部材の基端部を外部に取り出し、上記ピン部材の先端側に接続したヒータ部への通電用端子としたことを特徴とするグロープラグ。