JP2016003817A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱コイルの損傷を抑え、グロープラグの耐久性を向上させる。
【解決手段】グロープラグ（１０）は、シースチューブ（８１０）と発熱コイル（８２０）とを備えるヒータ素子（８００）を有し、シースチューブ（８１０）における縮径部（８６５）の先端と発熱コイルの先端とが溶接されている。シースチューブ（８１０）のストレート部（８６０）の外径は、４．３ｍｍ以下である。シースチューブ（８１０）の外表面では、シースチューブ（８１０）と発熱コイル（８２０）とが溶融して形成された溶融部（８５０）の外周全体が、縮径部（８６５）に含まれる。溶融部（８５０）および発熱コイル（８２０）を、軸線方向に垂直な仮想平面に対して軸線方向に投影したときに、溶融部（８５０）が投影された領域に、発熱コイル（８２０）の投影像の全体が存在する。
【選択図】図３

Description

本発明は、グロープラグに関するものである。

グロープラグが備えるヒータとして、先端部が閉塞した円筒状のシースチューブと、シースチューブ内に配置されて通電により発熱する発熱コイルと、を備えるヒータ素子が知られている。ヒータ素子では、一般に、発熱コイルの先端部が、シースチューブの内表面の先端部に溶接されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３３０２４９号公報

グロープラグでは、高い耐久性が要求される。グロープラグにおいて、例えば経時的な劣化が進行して発熱コイルが損傷すると、発熱コイルの断線が引き起こされる可能性がある。このような発熱コイルの損傷の原因としては、発熱コイルの特定部位が局所的に他の部位よりも高温になることで、当該特定部位が熱により損傷することが考えられる。また、発熱コイルの先端部において、シースチューブの内表面との間の溶接強度が不十分であれば、発熱コイルの先端部が損傷し易くなると考えられる。特に、シースチューブの外径が４．３ｍｍ以下の比較的小径のグロープラグにおいて、発熱コイルの損傷が発生しやすい傾向があった。したがって、発熱コイルの損傷を抑え、グロープラグの耐久性を向上させることが望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、自身の外径が軸線方向にわたって一定である筒状に形成されたストレート部と、該ストレート部よりも前記軸線方向の先端側に該ストレート部に連続して形成されると共に、自身の外径が前記軸線方向の先端側に向かって縮径しつつ閉じた先端を有する縮径部と、を有するシースチューブと、該シースチューブ内に収納される螺旋状の発熱コイルと、を備えるヒータ素子を有するグロープラグであって、前記シースチューブにおける前記縮径部の前記先端と前記発熱コイルの先端とが溶接されているグロープラグが提供される。このグロープラグは、前記シースチューブの前記ストレート部の外径が４．３ｍｍ以下であり、前記シースチューブの外表面では、前記シースチューブと前記発熱コイルとが溶融して形成された溶融部の外周全体が、前記縮径部に含まれ；前記溶融部および前記発熱コイルを、前記軸線方向に垂直な仮想平面に対して前記軸線方向に投影したときに、前記溶融部が投影された領域に、前記発熱コイルの投影像の全体が存在する。
この形態のグロープラグによれば、シースチューブの内表面と発熱コイルとの接合強度を確保しつつ、ヒータ素子の先端が過度に昇温することを抑制し、グロープラグの耐久性を向上させることができる。

（２）上記形態のグロープラグにおいて、前記発熱コイルの先端から一巻きまでの部分における後端よりも先端側に、前記溶融部全体が存在することとしてもよい。この形態のグロープラグによれば、発熱コイルの先端近傍における局所的な過熱を抑える効果を高めることができる。

（３）上記形態のグロープラグでは、前記シースチューブにおける前記軸線方向の中心線を含む任意の断面において、前記シースチューブの外表線における前記溶融部の外周の位置は、前記シースチューブの内表線における前記溶融部の外周の位置よりも、前記中心線から離間していることとしてもよい。この形態のグロープラグによれば、グロープラグの組み付け工程において、ヒータ素子の損傷を抑えることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、グロープラグの製造方法、グロープラグ用ヒータ素子、およびヒータ素子の製造方法などの形態で実現することが可能である。

グロープラグを示す説明図である。 ヒータ素子の詳細な構成を示す説明図である。 ヒータ素子の先端部の構造を拡大して示す説明図である。 グロープラグの製造方法を示す工程図である。 ヒータ素子の概略構成を表わす断面図である。 ヒータ素子の概略構成を表わす断面図である。 ヒータ素子の先端部の構造を拡大して示す説明図である。 各サンプルにおける距離Ｄ２と評価結果とをまとめて示す説明図である。 各サンプルにおける距離Ｄ２と評価結果とをまとめて示す説明図である。

Ａ．第１の実施形態：
（Ａ−１）グロープラグの全体構成：
図１は、本発明の第１の実施形態としてのグロープラグ１０を示す説明図である。本実施形態のグロープラグ１０は、ディーゼルエンジンを始めとする内燃機関の始動時等における着火を補助する熱源として機能する。図１に示すように、グロープラグ１０は、主な構成要素として、通電によって発熱するヒータ素子８００と、主体金具５００と、中軸２００と、を備える。図１では、グロープラグ１０の軸線Ｏから紙面右側に外観構成を図示し、軸線Ｏから紙面左側に断面構成を図示した。なお、本明細書では、グロープラグ１０において軸線Ｏに沿ってヒータ素子８００側を「先端側」と呼び、中軸２００側を「後端側」と呼ぶ。

主体金具５００は、炭素鋼を筒状に成形した部材である。主体金具５００は、先端側の端部においてヒータ素子８００を保持する。主体金具５００は、後端側の端部において絶縁部材４１０とオーリング４６０とを介して中軸２００を保持する。絶縁部材４１０は、絶縁部材４１０の後端に接するリング３００が中軸２００に加締められることで、軸線Ｏ方向の位置が固定される。この絶縁部材４１０によって、主体金具５００と中軸２００との間が電気的に絶縁される。主体金具５００は、絶縁部材４１０からヒータ素子８００に至る中軸２００の部位を内包する。主体金具５００は、工具係合部５２０と、雄ネジ部５４０とを備え、内部に軸孔５１０が形成されている。

軸孔５１０は、軸線Ｏに沿って形成された貫通孔であり、中軸２００の外径よりも大きな内径を有する。軸孔５１０に中軸２００が位置決めされた状態で、軸孔５１０と中軸２００との間には、両者を電気的に絶縁する空隙が形成される。軸孔５１０の先端側には、ヒータ素子８００が圧入されて接合されている。雄ネジ部５４０は、内燃機関（図示しない）に形成された雌ネジに嵌り合う。工具係合部５２０は、グロープラグ１０の取り付けと取り外しとに用いられる工具（図示しない）に係合する。

中軸２００は、導電材料を円柱状に成形した部材である。中軸２００は、主体金具５００の軸孔５１０に挿入された状態で軸線Ｏに沿って組み付けられる。中軸２００は、先端側に形成された中軸先端部２１０と、後端側に設けられた接続部２９０とを備える。中軸先端部２１０は、ヒータ素子８００の内部に挿入される。接続部２９０は、主体金具５００から突出している。接続部２９０には、係合部材１００が嵌り合う。

（Ａ−２）ヒータ素子の構成：
図２は、ヒータ素子８００の詳細な構成を示す説明図である。ヒータ素子８００は、シースチューブ８１０と、発熱体としての発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを備える。図２では、シースチューブ８１０は断面を示し、発熱コイル８２０および制御コイル８３０は外観を示している。

シースチューブ８１０は、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉塞した筒状部材であり、例えばステンレス鋼により形成される。シースチューブ８１０の内部には、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とが配置されている。シースチューブ８１０は、シース管先端部８１１とシース管後端部８１９とを備える。シース管先端部８１１は、シースチューブ８１０の先端側において、先端側に向かって次第に縮径しつつ外側に向けて丸く形成された部分の端部である。シース管後端部８１９は、シースチューブ８１０の後端側において開口した端部である。シース管後端部８１９からシースチューブ８１０の内部に中軸２００の先端側が挿入されている。シースチューブ８１０は、パッキン６００と絶縁粉末８４０とによって、中軸２００から電気的に絶縁される。パッキン６００は、中軸２００とシースチューブ８１０との間に挟まれた絶縁部材である。シースチューブ８１０は、主体金具５００と電気的に接続されている。シースチューブ８１０は、横断面（軸線Ｏに垂直な断面）における外径が軸線Ｏ方向にわたって一定であるストレート部８６０と、ストレート部８６０よりも先端側に、ストレート部８６０に連続して次第に縮径するように形成されて、シース管先端部８１１を含む縮径部８６５と、を備える。

発熱コイル８２０は、導電性材料で形成された螺旋状のコイルである。発熱コイル８２０は、シースチューブ８１０の内側に軸線Ｏ方向に沿って配置され、通電によって発熱する。発熱コイル８２０は、先端側の端部である発熱コイル先端部８２１と、後端側の端部である発熱コイル後端部８２９とを備える。発熱コイル８２０の先端部分がシースチューブ８１０に溶接されることにより、シースチューブ８１０の先端付近には溶融部８５０が形成され、発熱コイル８２０はシースチューブ８１０と電気的に接続される。発熱コイル先端部８２１は、発熱コイル８２０と溶融部８５０との境界に相当する。

制御コイル８３０は、発熱コイル８２０の後端側に配置され、発熱コイル８２０を形成する材料よりも電気比抵抗の温度係数が大きい導電材料（例えば、コバルトやニッケルを主成分とする合金）で形成された螺旋状のコイルである。制御コイル８３０は、発熱コイル８２０に供給される電力を制御する。制御コイル８３０は、先端側の端部である制御コイル先端部８３１と、後端側の端部である制御コイル後端部８３９とを備える。制御コイル先端部８３１は、発熱コイル８２０の発熱コイル後端部８２９に溶接されることによって、発熱コイル８２０と電気的に接続される。制御コイル後端部８３９は、中軸２００の中軸先端部２１０に接合されることによって中軸２００と電気的に接続される。

絶縁粉末８４０は、電気絶縁性を有する粉末である。絶縁粉末８４０としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末が用いられる。絶縁粉末８４０は、シースチューブ８１０の内側に充填され、シースチューブ８１０と、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、中軸２００との各隙間を電気的に絶縁する。

（Ａ−３）ヒータ素子の先端部の構成：
図３は、ヒータ素子８００の先端部の構造を拡大して示す説明図である。図３（Ａ）は、ヒータ素子８００（シースチューブ８１０）における軸線Ｏ方向の中心線を含む断面を表わす断面図である。なお、本実施形態では、ヒータ素子８００の中心線は、グロープラグ１０の軸線Ｏに一致している。図３（Ｂ）は、ヒータ素子８００を先端側から後端側に向かって軸線Ｏ方向に沿って見た様子を表わす下面図である。図３（Ｂ）に示すように、本実施形態では、下面図における溶融部８５０の形状は、略円形となっている。

既述したように、シースチューブ８１０は、ストレート部８６０と縮径部８６５とを備えている。図３（Ａ）に示す断面では、シースチューブ８１０の外表面を表わす部分（以後、外表線と呼ぶ）において、ストレート部８６０と縮径部８６５との境界を、点Ａで表わしている。また、図３（Ａ）では、シースチューブ８１０の外表線上において、溶融部８５０の外周に対応する位置（シースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との境界）を点Ｂで表わしている。さらに図３（Ａ）では、シースチューブ８１０の内表面を表わす部分（以後、内表線と呼ぶ）において、溶融部８５０の外周に対応する位置（シースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との境界）を、点Ｃで表わしている。なお、図３（Ａ）では、溶融部８５０の外径をＤ１としている。

本実施形態のヒータ素子８００では、シースチューブ８１０の外表面において、溶融部８５０の外周全体が、縮径部８６５に含まれている。したがって、図３（Ａ）では、シースチューブ８１０の外表線上において、点Ａよりも点Ｂの方が先端側に位置している。また、図３（Ｂ）の下面図では、溶融部８５０の外周全体が、シースチューブ８１０の外周よりも内側に存在している。ここで、図３（Ａ）では、軸線Ｏ方向に対する点Ａの位置を破線β１で示し、軸線Ｏ方向に対する点Ｂの位置を破線β２で示し、軸線Ｏ方向における点Ａと点Ｂとの間の距離を、Ｄ２としている。

また、本実施形態のヒータ素子８００では、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体が存在している。図３（Ａ）では、発熱コイル８２０を軸線Ｏ方向に投影したときの発熱コイル８２０の外周に対応する位置を、破線α１で示している。また、図３（Ａ）では、溶融部８５０を軸線Ｏ方向に投影したときの溶融部８５０の外周に対応する位置を、破線α３で示している。図３（Ｂ）においても同様に、発熱コイル８２０の外周に対応する位置を、破線α１で示している。図３（Ａ）では、破線α１は破線α３よりも軸線Ｏ寄りに位置しており、図３（Ｂ）では、破線α１は溶融部８５０の外周よりも内側に位置している。なお、図３（Ａ）の断面図において、破線α１の少なくとも一部が破線α３と重なる形状であってもよく、図３（Ｂ）の下面図において、破線α１の少なくとも一部が溶融部８５０の外周と重なる形状であってもよい。

また、本実施形態のヒータ素子８００では、軸線Ｏ方向に対する位置関係を比較すると、「発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分における後端」よりも先端側に、溶融部８５０全体が存在している。図３（Ａ）では、「発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分における後端」の、軸線Ｏ方向に対する位置を、破線β３で示している。図３（Ａ）に示すように、溶融部８５０全体が、破線β３よりも先端側に存在する。

なお、発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分とは、上記発熱コイル先端部８２１から後端側へと旋回しながら延びる発熱コイル８２０において、発熱コイル先端部８２１と軸線Ｏ方向に最初に重なる位置をいう。上記発熱コイル先端部８２１の位置、および、発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分における後端の位置など、発熱コイル８２０の形状に係る情報は、例えば、ヒータ素子８００をＸ線ＣＴ観察することにより、非破壊内部観察することにより知ることができる。

また、本実施形態のヒータ素子８００では、シースチューブ８１０における軸線Ｏ方向の中心線を含む任意の断面において、シースチューブ８１０の外表線における溶融部８５０の外周の位置は、シースチューブの内表線における溶融部８５０の外周の位置よりも、中心線から離間している。図３（Ａ）に示す破線α３は、既述したように、シースチューブ８１０の外表線における溶融部８５０の外周の位置である点Ｂを通過して、軸線Ｏに平行な破線である。また、図３（Ａ）に示す破線α２は、シースチューブ８１０の内表線における溶融部８５０の外周の位置である点Ｃを通過して、軸線Ｏに平行な破線である。図３（Ａ）に示すように、破線α３は、破線α２よりも軸線Ｏ（軸線Ｏ方向の中心線）から離間している。

なお、シースチューブ８１０において、ストレート部８６０と縮径部８６５との境界（図３（Ａ）における点Ａの位置）は、以下のように特定することができる。すなわち、点Ａを特定するには、まず、シースチューブ８１０を、図３（Ａ）に示す向きで投影機を用いて５０倍に拡大し、シースチューブ８１０の先端から軸線方向に０．０５ｍｍ間隔でシースチューブ８１０の外径（チューブ径）を測定する。そして、［（先端から軸線Ｏ方向にＸｍｍの位置のチューブ径）−（先端から軸線Ｏ方向に（Ｘ−０．０５）ｍｍの位置のチューブ径）］が最初に０．０２ｍｍ以下になった位置Ｘにおけるシースチューブ８１０の外周上の点を、点Ａとする。

また、シースチューブ８１０において、母材部分と溶融部８５０とでは金属組織が異なるため、シースチューブ８１０の外表線上における両者の境界である点Ｂ（溶融部８５０の外周）は、ヒータ素子８００の外観を観察することにより非破壊的に特定可能である。ただし、より厳密に点Ｂを特定するためには、以下の方法を採用すればよい。具体的には、まず、試料（ヒータ素子８００）を樹脂に埋め込み、シースチューブ８１０の軸線Ｏ方向の中心線に沿って切断する。ここで、中心線に沿って切断するには、シースチューブ８１０の外径の半分の位置で切断すればよい。そして、試料を飽和シュウ酸水溶液に浸して、５Ｖにて５秒間電解エッチングを行なった後、溶融部８５０を観察して点Ｂを特定すればよい。溶融部８５０の観察は、測定機能付き観察装置（測定顕微鏡）を用い、１００倍の倍率で観察すればよい。あるいは、試料の測定画像を１００倍に拡大して観察してもよい。

シースチューブ８１０の内表線上における溶融部８５０の外周に対応する位置である点Ｃも、点Ｂと同様に、シースチューブ８１０の軸線Ｏ方向の中心線を含む断面において電解エッチングを行なって観察することにより特定できる。

また、軸線Ｏ方向における点Ａと点Ｂとの間の距離Ｄ２は、以下のようにして求めればよい。すなわち、既述したように点Ａを特定する際に、軸線Ｏ方向におけるシース管先端部８１１と点Ａとの距離を求める。また、既述したように電解エッチングにより点Ｂを特定する際に、軸線Ｏ方向におけるシース管先端部８１１と点Ｂとの距離を求める。そして、上記したシース管先端部８１１と点Ａとの距離と、シース管先端部８１１と点Ｂとの距離と、の差を算出することにより、距離Ｄ２が得られる。

（Ａ−４）グロープラグの製造方法：
図４は、本実施形態のグロープラグ１０の製造方法を示す工程図である。グロープラグ１０を製造する際には、まず、シースチューブ８１０を用意する（ステップＳ１００）。その後、シースチューブ８１０内に発熱コイル８２０等を配置して、ヒータ素子８００を組み立てる（ステップＳ１１０）。

ステップＳ１００で用意するシースチューブ８１０は、先端に開口を有しつつ、この開口に向かって次第に縮径する形状に成形されている。このようなシースチューブ８１０は、例えば、板材を筒状に丸めてアーク溶接したり、板材を深絞りすることにより円筒形部材を作製し、得られた円筒形部材の先端側に絞り加工を施すことにより得られる。

シースチューブ８１０の先端に発熱コイル８２０を溶接する際には、シースチューブ８１０内に、中軸２００と一体化された制御コイル８３０および発熱コイル８２０を挿入し、発熱コイル８２０の先端部分とシースチューブ８１０の先端部分とを溶接する。溶接は、例えばアーク溶接とすることができる。本実施形態では、溶接時の溶接電流値を制御することにより、シースチューブ８１０に形成される溶融部８５０の形状（シースチューブ８１０の外表面における溶融部８５０の形状）を調節している。溶接の後、シースチューブ８１０の内側に絶縁粉末８４０を充填して、ヒータ素子８００の組み立てを完了する。

ヒータ素子８００の組み立て後、ヒータ素子８００に対してスウェージング加工を施す（ステップＳ１２０）。スウェージング加工とは、ヒータ素子８００に対して打撃力を加えてヒータ素子８００を縮径させ、シースチューブ８１０内に充填した絶縁粉末８４０を緻密化させる加工である。スウェージング加工のために用いるスウェージング装置は、ヒータ素子８００の外周に沿って放射状に配置される複数のスウェージングダイスを備え、これらのスウェージングダイスを用いて、ヒータ素子８００の径方向内側に向かう打撃力を加える。本実施形態では、既述したように、ステップＳ１１０におけるシースチューブ８１０と発熱コイル８２０との溶接時に、溶接電流値を所定の電流値に制御している。そのため、スウェージング加工後には、溶融部８５０全体が縮径部８６５内に存在するヒータ素子８００が得られる。ヒータ素子８００の縮径部８６５は、スウェージング加工を施す前から、スウェージングにより縮径された後のヒータ素子８００の外径よりも外径が小さかった部位に相当する。

スウェージング加工後、ヒータ素子８００と、主体金具５００とを含む部材を組み付けて（ステップＳ１３０）、グロープラグ１０が完成する。具体的には、中軸２００が一体化されたヒータ素子８００を主体金具５００の軸孔５１０に圧入して固定すると共に、主体金具５００の後端部分において、オーリング４６０や絶縁部材４１０を中軸２００に嵌め込み、係合部材１００を主体金具５００の後端に設けられた中軸２００の接続部２９０に締め付ける。また、ステップＳ１３０では、グロープラグ１０に対してエージング処理が施される。具体的には、組み立てられたグロープラグ１０に通電することによって、ヒータ素子８００を発熱させて、ヒータ素子８００の外表面に酸化膜を形成させる。

以上のように構成された本実施形態のグロープラグ１０によれば、シースチューブ８１０の外表面において、溶融部８５０の外周全体が、縮径部８６５に含まれている。そのため、グロープラグ１０において、ヒータ素子８００の先端が過度に昇温することを抑制し、グロープラグ１０の耐久性を向上させることができる。その理由を、以下に説明する。

図５は、本実施形態とは異なり、シースチューブ８１０の外表面において、溶融部８５０が、縮径部８６５だけでなくストレート部８６０にまで広がって形成されたヒータ素子１８００の概略構成を表わす断面図である。図５は、図３と同様にヒータ素子１８００の軸線Ｏ方向の中心線を通る断面を表わしており、実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。図５では、シースチューブ８１０の外表面における点Ａ（ストレート部８６０と縮径部８６５との境界）よりも、点Ｂ（溶融部８５０の外周）の方が後端側に位置している。

図５のヒータ素子１８００のような形状は、例えば、図４のステップＳ１１０で、比較的大きな溶接電流にて発熱コイル８２０をシースチューブ８１０に溶接した場合に得られる。このように、スウェージング後のヒータ素子の外径よりも大きな外径を有する溶融部が形成された場合には、スウェージングの際に、溶融部８５０が形成された部位にも打撃力が加えられ、ストレート部８６０にも溶融部８５０が存在することになる。

ここで、スウェージングに伴ってヒータ素子に打撃力が加えられると、打撃力がヒータ素子内部に伝えられることにより、絶縁粉末８４０が緻密化されると共に、発熱コイル８２０（および制御コイル８３０）において、外径が小さくなり、線径が太くなり、ピッチが広くなるという変化が生じる。図５のヒータ素子１８００では、発熱コイル８２０の先端側の一部（溶融部８５０と径方向に重なる部分）は、スウェージングの際に、溶融部８５０を介して打撃力が加えられる。溶融部８５０はシースチューブ８１０の母材部分よりも柔らかいため、溶融部８５０に打撃力が加えられた場合には、母材部分に比べて溶融部８５０の方が打撃力を吸収して薄型化する程度が大きくなり、内部の発熱コイル８２０に伝えられる打撃力が小さくなる。その結果、発熱コイル８２０において溶融部８５０と径方向に重なる部分では、外径の縮小、線径が太くなること、およびピッチの拡大が抑えられる。発熱コイル８２０の線径が太いほど発熱コイル８２０の抵抗が小さくなって、通電時の発熱が抑えられる。図５のように、発熱コイル８２０の先端近傍で線径が大きくなることが抑えられると、発熱コイル８２０の先端付近で局所的に抵抗が大きくなり、通電時の発熱量が局所的に大きくなる。

本実施形態のグロープラグ１０では、溶融部８５０の全体が縮径部８６５に含まれるため、スウェージング時に発熱コイル８２０に対して溶融部８５０を介して打撃力が加えられることが抑えられ、発熱コイル８２０の先端近傍まで、加えられる打撃力を均一化することができる。そのため、グロープラグ１０では、発熱コイル８２０の先端近傍まで、より均一に線径を太くすることができ、発熱コイル８２０の先端近傍における局所的な発熱量の増大を抑制できる。このように、発熱コイル８２０の先端近傍における局所的な過熱を抑制することで、過熱に起因する発熱コイル８２０の損傷（例えば断線）を抑え、グロープラグ１０の耐久性を向上させることができる。

さらに、発熱コイル８２０の先端近傍における抵抗を抑えて局所的な過熱を抑制可能となることで、発熱コイル８２０に印加する電圧をより高く設定することが可能になる。そのため、印加電圧をより高くすることによりヒータ素子８００の温度をより高くして、グロープラグ１０の性能を向上させることが可能になる。

また、ヒータ素子１８００のように溶融部８５０がストレート部８６０にまで広がって形成されるヒータ素子を製造する際には、スウェージング時に、シースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との界面を含む領域に対して、スウェージングダイスからの打撃力が加えられる。上記界面を含む領域はシースチューブ８１０の母材部分よりも強度が低いため、スウェージングに起因する損傷を受け易い。本実施形態によれば、スウェージング時にはシースチューブ８１０の母材部分のみが打撃力を受けるため、スウェージングに起因するシースチューブ８１０の損傷（例えば、上記界面における割れの発生）を抑えることができる。

さらに、ヒータ素子１８００のように、スウェージング時にシースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との界面を含む領域に対して打撃力が加えられる場合には、スウェージング時に上記界面に応力が集中することになる。その結果、発熱コイル８２０への通電時（グロープラグの使用時）に、例えばシースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との間の熱膨張率の差に起因して、上記界面においてシースチューブ８１０が損傷し易くなる（例えば割れが生じ易くなる）。本実施形態によれば、スウェージング時にはシースチューブ８１０の母材部分のみが打撃力を受けるため、シースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との界面における応力発生が抑えられ、発熱コイル８２０への通電に起因するシースチューブ８１０の損傷を抑えることができる。

なお、本実施形態では、シースチューブ８１０と発熱コイル８２０との溶接時の溶接電流値を所定の電流値に制御したが、スウェージング後のヒータ素子８００の外径以下の外径を有する溶融部８５０を形成可能であれば、いかなる方法で溶接を行なってもよい。

また、本実施形態によれば、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体が存在している。そのため、溶融部８５０が大きくなりすぎることに起因する既述した不都合を抑えつつ、発熱コイル８２０とシースチューブ８１０の接合強度を確保することが可能になる。

一般に、溶接時に形成される溶融部が大きいほど溶接強度が高まる。そのため、従来は、外径が比較的細いシースチューブを用いる場合であっても、外径がより太いシースチューブを用いる場合と同様に溶融部を大きく確保して、シースチューブと発熱コイルとの溶接強度の確保が図られていた。その結果、外径が細いシースチューブを用いて作製したヒータ素子では、従来は、縮径部だけでなくストレート部にまで溶融部が形成されていた。特に、シースチューブの外径が４．３ｍｍ以下の比較的小径のグロープラグでは、発熱コイルの損傷が発生しやすい傾向があったが、上記理由により、溶融部の外周全体が縮径部に含まれるヒータ素子は知られていなかった。また、シースチューブと発熱コイルとを溶接した溶融部をより小さくすることにより、グロープラグの耐久性を向上できることは知られていなかった。本実施形態のグロープラグは、外径が４．３ｍｍ以下のシースチューブを用いる際に、溶融部８５０をより小さくして、溶融部８５０の外周全体を縮径部８６５に含めることにより、グロープラグ１０の耐久性を向上する効果を得ている。また、本実施形態では、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体を存在させて、縮径部８６５に含まれる範囲で溶融部８５０を大きく確保することにより、溶融部８５０における溶接の強度を確保している。

また、本実施形態では、発熱コイル８２０において、発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分における後端（破線β３の位置）よりも先端側に、溶融部８５０全体が存在している（図３参照）。そのため、発熱コイル８２０において、発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分以上の範囲にわたって発熱コイル８２０の線径の拡大が抑制されることが無く、発熱コイル８２０の先端近傍における局所的な過熱を抑える効果を高めることができる。

ただし、発熱コイル８２０において、発熱コイル先端部８２１から一巻きまでの部分における後端（破線β３の位置）よりも先端側に溶融部８５０全体が存在しないこととしてもよい。溶融部８５０の外周全体が縮径部８６５に含まれ、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体が存在しているならば、本願の実施形態に係る既述した効果が得られる。

さらに、本実施形態によれば、シースチューブ８１０における軸線Ｏ方向の中心線を含む任意の断面において、シースチューブ８１０の外表線における溶融部８５０の外周の位置（点Ｂおよび破線α３）は、シースチューブの内表線における溶融部８５０の外周の位置（点Ｃおよび破線α２）よりも、中心線から離間している（図３参照）。このような構成とすれば、例えばステップＳ１３０の組み付け工程において、中軸２００が一体化されたヒータ素子８００を主体金具５００の軸孔５１０に圧入して固定する際に、圧入の動作に起因するヒータ素子８００の損傷を抑えることができる。

すなわち、本実施形態では、シースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との境界面（図３の断面において点Ｂと点Ｃとを結んだ線分により表わされる）は、軸線Ｏ方向に対して傾いた角度で形成される。したがって、主体金具５００の後端とヒータ素子８００の先端を押圧して、軸線Ｏ方向に平行な力を加えて上記圧入の動作を行なう際には、傾いた境界面全体で押圧力を受けることができ、境界面近傍におけるシースチューブ８１０の損傷を抑えることができる。なおここで、シースチューブ８１０の外表線における溶融部８５０の外周の位置が、シースチューブの内表線における溶融部８５０の外周の位置よりも、中心線から離間しているとは、その結果形成される上記境界面が、軸線Ｏ方向に対して５°以上傾く（軸線Ｏ方向の中心線を含む断面において、線分ＢＣが軸線Ｏ方向の中心線に対して５°以上傾く）ことをいう。

図６は、溶融部８５０に係る形状が本実施形態とは異なるヒータ素子２８００の概略構成を表わす断面図である。図６は、図３と同様にヒータ素子２８００の軸線Ｏ方向の中心線を通る断面を表わしており、実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。ヒータ素子２８００では、シースチューブ８１０における軸線Ｏ方向の中心線を含む任意の断面において、シースチューブ８１０の外表線における溶融部８５０の外周の位置（点Ｂおよび破線α３）は、シースチューブの内表線における溶融部８５０の外周の位置（点Ｃおよび破線α２）と、同程度に軸線Ｏ方向の中心線から離間している（重なっている）。このような形状の溶融部８５０は、例えば、発熱コイル８２０の先端部分をシースチューブ８１０に溶接する際に、極端な飛び火（いわゆる横飛び）が発生したときに形成されることがある。

このような場合には、ステップＳ１３０でヒータ素子８００を主体金具５００の軸孔５１０に圧入する際に、圧入のための押圧力が、シースチューブ８１０の母材部分と溶融部８５０との境界面に平行に加わる。そのため、上記境界面において押圧力により剪断応力が生じ、シースチューブ８１０が損傷し易くなる。本実施形態によれば、このような不都合を抑えることができる。

ただし、点Ｂ（破線α３）が点Ｃ（破線α２）よりも中心線から離間しないこととしてもよい。溶融部８５０の外周全体が縮径部８６５に含まれ、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体が存在しているならば、本願の実施形態に係る既述した効果が得られる。

なお、本実施形態では、既述したように、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体が存在している。このように、縮径部８６５において溶融部８５０が広く形成されることにより、上記圧入の際には、ヒータ素子８００を圧入する力を、シースチューブ８１０の母材部分よりも柔らかい溶融部８５０のみで受けることが可能になる。そのため、圧入に起因するシースチューブ８１０の損傷を抑制する効果を高めることができる。

Ｂ．第２の実施形態：
第１の実施形態のヒータ素子８００では、溶融部８５０の形状が、軸線Ｏを中心とする略回転対称の形状になっていた。これに対し、溶接時に飛び火（いわゆる横飛び）が発生して、溶融部８５０の形状が軸線Ｏを中心とする回転対称の形状とはならない場合も考えられる。

図７は、本発明の第２の実施形態のグロープラグが備えるヒータ素子３８００の先端部の構造を図３と同様にして示す説明図である。図７（Ａ）は、ヒータ素子３８００における軸線Ｏ方向の中心線を含む断面を表わす断面図であり、図７（Ｂ）は、ヒータ素子３８００を先端側から後端側に向かって軸線Ｏ方向に沿って見た様子を表わす下面図である。図７（Ｂ）では、図７（Ａ）の断面に対応する位置をＡ−Ａ断面として示している。第２の実施形態において、第１の実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。

本実施形態では、図７（Ｂ）に示す下面図における溶融部８５０の形状は、略円形の外周部の一部に欠損部８５５が形成された形状となっている。これは、発熱コイル８２０をシースチューブ８１０に溶接する際に、いわゆる横飛びが生じて、均一に溶融部８５０が形成されなかったためである。図７（Ａ）では、欠損部８５５を通過する断面を表わしている。

ヒータ素子３８００に形成された溶融部８５０は、上記のように欠損部８５５を有しているが、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、溶融部８５０の全体が縮径部８６５に含まれる。また、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に、発熱コイル８２０の投影像の全体が存在する。そのため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

Ｃ．変形例：
・変形例１（シースチューブの変形）：
上記各実施形態のグロープラグが備えるシースチューブでは、先端部に縮径部が形成されており、縮径部よりも後端側の部分全体が、軸線Ｏ方向にわたって外径が一定であるストレート部であったが、異なる構成としてもよい。例えば、シースチューブにおいて、縮径部の後端側に、外径が互いに異なる複数の部位が形成されていてもよい。この場合であっても、縮径部の後端側に、縮径部に連続して、軸線Ｏ方向にわたって外径が一定であるストレート部が形成されていれば、本願構成を適用することにより、各実施形態と同様の効果を奏することができる。

・変形例２（ヒータ素子の変形）：
上記各実施形態では、ヒータ素子は、発熱コイル８２０と制御コイル８３０とを備えている。これに対して、ヒータ素子には制御コイル８３０を設けず、通電により発熱するコイルとして単一の発熱コイルのみを設けてもよい。

また、ヒータ素子は、グロープラグ以外、例えば、暖房器具や調理器具などに用いられても良い。

・変形例３（グロープラグの変形）：
上記各実施形態のグロープラグは、補助熱源としての機能のみを有しているが、さらに燃焼圧センサ機能を有していても良い。この場合には、ヒータ素子を軸線Ｏ方向に移動可能な構造とし、ヒータ素子の変位を検出可能なセンサをグロープラグに具備させることで、燃焼圧センサ機能を実現することができる。

また、上記各実施形態のグロープラグは、内燃機関の始動時等における着火を補助する熱源として用いる他、例えば、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）の再活性バーナーシステムにおいて用いることもできる。

サンプルとして、シースチューブ８１０の外表面におけるストレート部８６０と縮径部８６５との境界（点Ａ）と、溶融部８５０の外周（点Ｂ）との位置関係（距離Ｄ２）が異なる種々のグロープラグを作製し、耐久性（断線寿命）および通電後の割れ発生の有無を評価した結果を以下に説明する。

図８、図９は、各サンプルにおける上記距離Ｄ２と評価結果とをまとめて示す説明図である。各サンプルを製造する際には、ステップＳ１００において同様の形状に成形されたシースチューブを用意した。また、ステップＳ１１０における発熱コイル８２０の溶接時に、異なる溶接電流値にてシースチューブ８１０と発熱コイル８２０との溶接を実施した。ステップＳ１２０では、最終的に３．５ｍｍの径になるように各々のサンプルをスウェージングした。上記のように、溶接電流値を制御することにより、ストレート部８６０と縮径部８６５との境界（点Ａ）と、溶融部８５０の外周（点Ｂ）との距離Ｄ２が異なる複数種類のヒータ素子を作製した。

図８及び図９では、ストレート部８６０と縮径部８６５との境界（点Ａ）に対して、溶融部８５０の外周（点Ｂ）の方が後端側に位置する場合には距離Ｄ２を正の値で表わし、溶融部８５０の外周（点Ｂ）の方が先端側に位置する場合には距離Ｄ２を負の値で表わした。サンプル１および８は、点Ａよりも点Ｂが先端側に存在し、距離Ｄ２は−０．０５ｍｍである。サンプル２および９は、点Ａと点Ｂが一致し、距離Ｄ２は０．００ｍｍである。サンプル３〜７およびサンプル１０〜１４は、点Ａよりも点Ｂが後端側に存在する。サンプル３および１０の距離Ｄ２は０．０５ｍｍであり、サンプル４および１１の距離Ｄ２は０．１０ｍｍであり、サンプル５および１２の距離Ｄ２は０．３０ｍｍであり、サンプル６および１３の距離Ｄ２は０．７０ｍｍであり、サンプル７および１４の距離Ｄ２は１．００ｍｍである。

サンプル１〜７は、溶融部８５０が、軸線Ｏを中心とする略回転対称の形状に形成されたサンプルであり、点Ａと点Ｂの距離Ｄ２は、いずれの断面においても同じ値になる。サンプル８〜１４は、発熱コイル８２０の溶接時にいわゆる横飛びが生じて、溶融部８５０に欠損部８５５が形成されたサンプルである。サンプル８〜１４において距離Ｄ２を特定するための点Ｂは、溶融部８５０において横飛びが生じていない領域における溶融部８５０の外周上の点である。

点Ａおよび点Ｂの位置の特定方法は、既述したとおりである。なお、点Ｂの特定は、外観を観察することにより非破壊的に特定した。また、各サンプルについて、溶融部８５０および発熱コイル８２０を、軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面に対して軸線Ｏ方向に投影したときに、溶融部８５０が投影された領域に発熱コイル８２０の投影像の全体が存在していることは、Ｘ線ＣＴ観察により非破壊内部観察を行なって確認した。

＜試験条件＞
各グロープラグに電圧を印加する動作を繰り返し行ない、断線寿命および割れ発生の有無を評価した。各グロープラグに電圧を印加する動作は、１０００℃２秒、１１００℃１８０秒、風冷１２０秒を１サイクルとして行なった。上記グロープラグの温度は、ヒータ素子の先端から２ｍｍの位置における温度である。

２秒で１０００℃にするための印加電圧は、以下のように設定した。サンプル１〜７については、各サンプルと同じ条件で作製したグロープラグを用いて、ヒータ素子の先端から２ｍｍの位置にＲ熱電対を配置し、２秒で１０００℃に昇温させるために要する印加電圧の大きさを予め調べた。サンプル８〜１４については、それぞれ、サンプル１〜７と同じ値を設定した。

１１００℃で１８０秒間維持するための印加電圧は、以下のように設定した。サンプル１〜７については、各サンプルと同じ条件で作製したグロープラグを用いて、ヒータ素子の先端から２ｍｍの位置にＲ熱電対を配置し、１０００℃に達した後に、１１００℃に維持するために要する印加電圧の大きさを予め調べた。サンプル８、１０〜１４については、それぞれ、サンプル１、３〜７と同じ値を設定した。

＜評価方法＞
断線寿命は、発熱コイル８２０が断線するまでのサイクル数によって評価した。発熱コイル８２０の断線は、発熱コイル８２０の抵抗値が無限大になることにより判断できるが、ここでは、グロープラグに流れる電流をサイクルごとに検出して、電流値が予め設定した基準値を下回った時に断線したと判断した。図８および図９では、「◎」「○」「△」「×」により評価結果を示した。「◎」は、断線することなく１００００サイクルを超えて電圧印加試験を継続できたことを示す。「○」は、断線までのサイクル数が、８０００サイクルより大きく１００００サイクル以下であることを示す。「△」は、断線までのサイクル数が、５０００サイクルより大きく８０００サイクル以下であることを示す。「×」は、断線までのサイクル数が５０００サイクル以下であることを示す。

割れ発生の有無は、発熱コイル８２０が断線したとき、あるいは、１００００サイクル未満では断線しなかったサンプルについては１００００サイクル終了後に、ヒータ素子の外観を目視で観察することにより判定した。

図８および図９に示すように、サンプル１，２，８，９、すなわち、溶融部８５０の全体が縮径部８６５に含まれる場合（距離Ｄ２が０以下である場合）には、１００００サイクルを超える断線寿命を示すと共に、１００００サイクルを超えて電圧印加を継続しても、割れが発生しなかった。よって、極めて良好な耐久性を有することが確認された。なお、距離Ｄ２の値が大きくなるほど、断線寿命が短くなり、割れが発生しやすい傾向が認められた。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…グロープラグ
１００…係合部材
２００…中軸
２１０…中軸先端部
２９０…接続部
３００…リング
４１０…絶縁部材
４６０…オーリング
５００…主体金具
５１０…軸孔
５２０…工具係合部
５４０…雄ネジ部
６００…パッキン
８００，１８００，２８００，３８００…ヒータ素子
８１０…シースチューブ
８１１…シース管先端部
８１９…シース管後端部
８２０…発熱コイル
８２１…発熱コイル先端部
８２９…発熱コイル後端部
８３０…制御コイル
８３１…制御コイル先端部
８３９…制御コイル後端部
８４０…絶縁粉末
８５０…溶融部
８５５…欠損部
８６０…ストレート部
８６５…縮径部

Claims (3)

1. 自身の外径が軸線方向にわたって一定である筒状に形成されたストレート部と、該ストレート部よりも前記軸線方向の先端側に該ストレート部に連続して形成されると共に、自身の外径が前記軸線方向の先端側に向かって縮径しつつ閉じた先端を有する縮径部と、を有するシースチューブと、該シースチューブ内に収納される螺旋状の発熱コイルと、を備えるヒータ素子を有するグロープラグであって、前記シースチューブにおける前記縮径部の前記先端と前記発熱コイルの先端とが溶接されているグロープラグにおいて、
   前記シースチューブの前記ストレート部の外径が４．３ｍｍ以下であり、
   前記シースチューブの外表面では、前記シースチューブと前記発熱コイルとが溶融して形成された溶融部の外周全体が、前記縮径部に含まれ、
   前記溶融部および前記発熱コイルを、前記軸線方向に垂直な仮想平面に対して前記軸線方向に投影したときに、前記溶融部が投影された領域に、前記発熱コイルの投影像の全体が存在することを特徴とする
   グロープラグ。
2. 請求項１に記載のグロープラグであって、
   前記発熱コイルの先端から一巻きまでの部分における後端よりも先端側に、前記溶融部全体が存在することを特徴とする
   グロープラグ。
3. 請求項１または２に記載のグロープラグであって、
   前記シースチューブにおける前記軸線方向の中心線を含む任意の断面において、前記シースチューブの外表線における前記溶融部の外周の位置は、前記シースチューブの内表線における前記溶融部の外周の位置よりも、前記中心線から離間していることを特徴とする
   グロープラグ。

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