JP2016035819A

JP2016035819A - ヒータおよびこれを備えた点火装置

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Publication number: JP2016035819A
Application number: JP2014157832A
Authority: JP
Inventors: 小林　昭雄; Akio Kobayashi; 昭雄小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-08-01
Also published as: JP6336849B2

Abstract

【課題】ヒータにおいて気体燃料の点火を素早く行なえるようにする。【解決手段】ヒータ１０は、直方体状の絶縁基体１と、絶縁基体１の内部に長さ方向に延びて設けられた発熱抵抗体２とを含み、絶縁基体１が反っている。これにより、気体燃料を絶縁基体１に噴き付けたときに、絶縁基体１の表面近傍を流れる気体燃料の動きに方向性を持たせることができるとともに、絶縁基体１の表面近傍において気体燃料と酸素とが混ぜ合わされるような流れを引き起こすことができる。その結果、ヒータ１０によって気体燃料の点火を素早く行なえる。【選択図】図２

Description

本発明は、絶縁基体とその内部に設けられた発熱抵抗体とを備えているヒータおよびこれを備えた点火装置に関するものである。

ガスレンジ、車載暖房装置、石油ファンヒータまたは自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータとして、例えば特許文献１に開示されたヒータが挙げられる。

特許文献１に開示されたヒータは、絶縁基体と、絶縁基体に埋設された発熱抵抗体とを備えている。

特開２００４−３４２６２２号公報

特許文献１に開示されたヒータを用いて気体燃料を燃焼させるためには、まず気体燃料に点火する必要がある。気体燃料への点火は、発熱させたヒータにおける絶縁基体の表面近傍に気体燃料と酸素とを供給することによって行なう。気体燃料は、例えばガスバルブのノズルから絶縁基体に向けて噴き付けられることで、絶縁基体の表面近傍に供給される。また、酸素は、例えばヒータが設けられている空間中にあらかじめ存在しているものが用いられる。

しかしながら、供給される気体燃料と比較して存在している酸素の比率が少ない場合には、気体燃料を絶縁基体に噴き付けた際に、絶縁基体の表面近傍に存在していた酸素が気体燃料によって絶縁基体の表面近傍から排除されてしまうおそれがあった。これにより、セラミックヒータの表面近傍に存在する酸素の割合が極端に少なくなってしまい、気体燃料の点火に長い時間を要する場合があるという問題点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、気体燃料の点火を素早く行なうことができるヒータを提供することにある。

本発明の１つの態様に基づくヒータは、直方体状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に長さ方向に延びて設けられた発熱抵抗体とを含み、前記絶縁基体が反っていることを特徴とする。

本発明の１つの態様に基づくヒータによれば、絶縁基体が反っていることによって、気体燃料を絶縁基体に噴き付けたときに、絶縁基体の表面近傍を流れる気体燃料の動きに方向性を持たせることができるとともに、絶縁基体の表面近傍において気体燃料と酸素とが混ぜ合わされるような流れを引き起こすことができる。その結果、絶縁基体の表面近傍において気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができるので、気体燃料の点火を素早く行なうことができる。

本発明の実施形態の第１の例のヒータを示す斜視図である。図１に示すヒータの部分断面図である。絶縁基体の反り量の測定方法を示すための模式図である。本発明の実施形態の第２の例のヒータを示す断面図である。

本発明の実施形態の第３の例のヒータを示す断面図である。本発明の実施形態の第４の例のヒータを示す断面図である。点火装置のうちガスバルブを示す断面図である。図１に示したヒータと図７に示したガスバルブとの接続関係を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態の例のヒータについて図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態の例のヒータ１０は、複数の絶縁層が積層された構造を有する絶縁基体１と、絶縁基体１の層間に設けられた発熱抵抗体２（以下、第１の発熱抵抗体２ともいう）とを備えている。ヒータ１０は、例えば自動車エンジンのグロープラグまたはガスレンジ等に用いることができる。

絶縁基体１は、内部に第１の発熱抵抗体２が埋設された絶縁性の部材である。絶縁基体１は、複数の絶縁層であるセラミック層が積層されてなる。絶縁基体１の内部に第１の発熱抵抗体２を設けることによって、第１の発熱抵抗体２の耐環境性を向上させることができる。絶縁基体１は、全体の形状が例えば棒状または板状の直方体状の部材である。なお、ここでいう「直方体状」とは、おおよその形が直方体であることを意味しており、厳密な意味で直方体である必要はない。具体的には、直方体の角に相当する部分が丸みを帯びていてもよい。また、詳細は後述するが、本実施形態の絶縁基体１は反りを有しており、この点においても厳密な意味での直方体ではない。

絶縁基体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスから成る。具体的には、絶縁基体１は、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたは炭化珪素質セラミックス等から成る。

窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体１は、以下の方法で得ることができる。具体的には、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として５〜１５質量％のＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３またはＥｒ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物、０．５〜５質量％のＡｌ_２Ｏ_３および焼結体に含まれるＳｉＯ_２の量が１．５〜５質量％となるように量が調整されたＳｉＯ_２を混合する。そして、所定の形状に成形した後に１６５０〜１７８０℃での温度で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体１を得ることができる。焼成には、例えばホットプレス焼成を用いることができる。

絶縁基体１の形状が棒状の直方体状である場合には、絶縁基体１の長さは例えば２０〜１００ｍｍに設定される。また、絶縁基体１の厚みを１〜６ｍｍ、幅を２〜４０ｍｍに設定できる。

第１の発熱抵抗体２は、電圧が加えられることによって発熱する部材である。第１の発熱抵抗体２は、絶縁基体１の層間に設けられている。第１の発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、第１の発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱が絶縁基体１の内部を伝わって、絶縁基体１の表面が高温になる。そして、絶縁基体１
の表面から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。絶縁基体１の表面から熱を伝えられることになる被加熱物としては、例えば軽油を気化した気体燃料、または天然ガスやプロパンガス等が挙げられる。

第１の発熱抵抗体２は、両端が絶縁基体１の一端側の側面に引き出されている。第１の発熱抵抗体２は、断面の形状が、例えば折り返し形状になっている。詳しくは、第１の発熱抵抗体２は、２つの略平行な直線状部分と、外周および内周が略半円形状または略半楕円形状であって２つの直線部分を折り返して繋ぐ連結部分とを有している。第１の発熱抵抗体２は絶縁基体１の他端付近で折り返している。第１の発熱抵抗体２の全長は、例えば１０〜５０ｍｍに設定される。

第１の発熱抵抗体２は、絶縁基体１の他端側において大きく発熱するように設計されている。具体的には、第１の発熱抵抗体２は、絶縁基体１の他端側において一端側よりも厚みが薄くなるように形成されることによって、他端側における単位長さ当たりの抵抗が大きくなっている。

第１の発熱抵抗体２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはチタン（Ｔｉ）等の炭化物、窒化物または珪化物等を主成分とする。絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、第１の発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンから成ることが好ましい。これにより、絶縁基体１の熱膨張率と第１の発熱抵抗体２の熱膨張率とを近付けることができる。

第１のリード端子３は、外部電源と第１の発熱抵抗体２とを電気的に接続するための部材である。第１のリード端子３は、例えばニッケルまたは銅等から成る棒状の部材である。第１のリード端子３は、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材によって第１の発熱抵抗体２のうち絶縁基体１の表面に引き出された部分に接合されている。

本実施形態のヒータ１０は、絶縁基体１が反っている。絶縁基体１が反っていることによって、気体燃料を絶縁基体１に噴き付けたときに、絶縁基体１の表面近傍を流れる気体燃料の動きに方向性を持たせることができるとともに、絶縁基体１の表面近傍において気体燃料と酸素とが混ぜ合わされるような流れを引き起こすことができる。その結果、絶縁基体１の表面近傍において気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができるので、気体燃料の点火を素早く行なうことができる。

また、絶縁基体１が窒化珪素質セラミックスからなることが好ましい。これにより、絶縁基体１の表面にすすが付着したとしても、付着したすすを除去しやすくすることができる。そのため、絶縁基体１の表面においてすすが溜まることを防ぐことができる。具体的には、すすは絶縁基体１の表面を６００℃以上に急速昇温することで焼き飛ばすことができる。一般的に、絶縁基体１の表面を６００℃以上に急速昇温すると、クラック等が生じるおそれが出てくるが、絶縁基体１が耐熱衝撃性が高い窒化珪素質セラミックスから成ることで、急速昇温に伴って絶縁基体１にクラックが発生することを抑制できる。

また、本実施形態のヒータ１０を用いた点火装置は、前述のヒータ１０と、絶縁基体１のうち反っている面に向かって気体燃料を流す流路とを備えている。点火装置は、上記のヒータを備えていることによって、点火に要する時間が短くなっている。なお、ここでいう「反っている面」とは、反った結果、全体として凸状になった面（以下、凸状面ともいう）であってもよく、全体として凹状になった面（以下、凹状面ともいう）であってもよい。この理由に関しては、以下に例を挙げて説明する。

第１の例として、図２に示すように、絶縁基体１が長さ方向に反っているとともに、凸
状面１１に気体燃料を噴き付けた場合を説明する。なお、図２において、矢印は気体燃料の流れを示している（以下、図４〜６においても同様である）。図２に示すように、凸状面１１に噴き付けられた気体燃料は、凸状面１１を外周側に向かって進むとともに、凹状面１２側に流れる。このとき、気体燃料は凸状面１１の近傍に存在していた酸素を巻き込んで凹状面１２側に流れる。そして、この気体燃料および巻き込まれた酸素の流れに伴って、凹状面１２の表面近傍において、凹状面１２の近傍に存在していた酸素に渦状の流れが引き起こされる。この渦状の流れに凸状面１１側から流れてきた気体燃料が引き込まれることによって、凹状面１２の近傍において気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができる。これにより、気体燃料の点火を素早く行なうことができる。

さらに、絶縁基体１が長さ方向に反っていることによって、長さ方向における両端部において渦状の流れが生じやすくなっている。そして、本例においては、第１の発熱抵抗体２の折り返し部分が絶縁基体１の他端付近に設けられていることから、絶縁基体１の他端付近でヒータ１０が最も高温になっている。このように、ヒータ１０が最も高温になる領域の近傍で気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができるので、気体燃料の点火をさらに素早く行なうことができる。

反っている絶縁基体１を形成する方法としては、例えば研削加工が挙げられる。絶縁基体１の反り量は、例えば以下の方法で確認できる。図３に示すように、反りが生じている面（凸状面１１または凹状面１２）に対して垂直な方向から投影機を用いて測定を行なう。ここで、凸状面１１または凹状面１２の端部同士を結ぶ線（以下、基準線ともいう）を引き、この反りが生じている面のうち基準線に対して垂直な方向において基準線から最も離れている点に、基準線と平行な線（以下、測定線ともいう）を引く。そして、基準線と測定線との間隔を測定することによって、反り量（反りの大きさ）を求めることができる。なお、図３においては、凹状面１２の端部同士を結ぶ線を基準線として、凹状面１２の反り量を求める測定線を引いた場合の例を示している。絶縁基体１が幅４ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ４０ｍｍの直方体状の場合には、反りの大きさは例えば２μｍ〜２ｍｍ程度に設定できる。

第２の例として、図４に示すように、第１の例と同様に絶縁基体１が長さ方向に反っているとともに、凸状面１１ではなく凹状面１２に気体燃料を噴き付けた場合を説明する。図４に示すように、凹状面１２に噴き付けられた気体燃料は、凹状面１２の近傍において、酸素を巻き込んで渦状の流れを引き起こすことによって、凹状面１２の近傍において、気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができる。これにより、気体燃料の点火を素早く行なうことができる。

絶縁基体１が幅４ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ４０ｍｍの直方体状の場合には、反りの大きさは例えば２μｍ〜２ｍｍ程度に設定できる。

第３の例として、図５に示すように、絶縁基体１が幅方向に反っているとともに、これによって生じた凸状面１１に気体燃料を噴き付けた場合を説明する。図５に示すように、凸状面１１に噴き付けられた気体燃料は凸状面１１を外周側に向かって進むとともに、凹状になった面１２（凹状面１２）側に流れる。このとき、気体燃料は凸状面１１の近傍に存在していた酸素を巻き込んで凹状面１２側に流れる。そして、この気体燃料および巻き込まれた酸素の流れに伴って、凹状面１２の表面近傍において、凹状面１２の近傍に存在していた酸素に渦状の流れが引き起こされる。この渦状の流れに凸状面１１側から流れてきた気体燃料が引き込まれることによって、凹状面１２の近傍において気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができる。これにより、気体燃料の点火を素早く行なうことができる。

さらに、絶縁基体１を幅方向に反らせておくことによって、絶縁基体１を長さ方向で見たときに、両端部に気体燃料を噴きかけたとしても、また、中央部に気体燃料を噴きかけたとしても、絶縁基体１の周辺に渦状の流れを生じさせることができる。そのため、絶縁基体１のどこに気体燃料を噴きつけても良好に点火できるので、ヒータ１０を使用する際の位置合わせを簡略化することができる。

絶縁基体１が幅４ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ４０ｍｍの直方体状の場合には、反りの大きさは例えば２μｍ〜１ｍｍ程度に設定できる。

第４の例として、図６に示すように、第３の例と同様に絶縁基体１が幅方向に反っているとともに、凸状面１１ではなく凹状面１２に気体燃料を噴き付けた場合を説明する。図６に示すように、凹状面１２に噴き付けられた気体燃料は、凹状面１２の近傍において、酸素を巻き込んで渦状の流れを引き起こすことによって、凹状面１２の近傍において、気体燃料と酸素との両方を好適な比率で存在させることができる。これにより、気体燃料の点火を素早く行なうことができる。

次に、点火装置のうち気体燃料を流す流路の例について説明する。気体燃料の流路として、例えば図７に示すようなガスバルブ２０が挙げられる。図７に示すように、ガスバルブ２０は、筺体５と、筺体５の内部に設けられたマウント部材６と、マウント部材６に取り付けられた熱動弁７と、熱動弁７に設けられた第２の発熱抵抗体８と、第２の発熱抵抗体８に接続された第２のリード端子９とを有している。ガスバルブ２０は、ヒータ１０に気体燃料を噴き付けるための部材である。

筺体５は、内部に気体燃料が通過する空洞を有する部材である。筺体５は、内部の空洞と外部とを繋ぐ２つの孔を有している。２つの孔のうち１つは、外部から気体燃料が導入される導入口５１である。もう一方は、筺体５の内部から、外部に配置されたヒータ（図示せず）に気体燃料を供給する供給口５２である。筺体５の外形は、例えば直方体状である。本例においては、一側面に導入口５１が形成されているとともに、この一側面に隣接する一主面のうち導入口５１から遠い領域に供給口５２が形成されている。筺体５は、供給口５２がヒータの先端付近に位置するように設けられている。ここでいう「先端付近」とは、供給口５２から供給された気体燃料がヒータ１０によって点火される程度に近傍に位置していることを意味している。筺体５は、鋼鉄またはアルミニウム等の金属材料から成る。筺体５は、例えば直方体状であれば、主面の長辺の長さが８０ｍｍであり、短辺の長さが２０ｍｍであり、側面のうち主面に垂直な辺の長さが３０ｍｍである。

マウント部材６は、熱動弁７を搭載するための部材である。マウント部材６は、筺体５の内周面のうち供給口５２が形成されている面に設けられている。マウント部材６は、例えば直方体状である。マウント部材６は、例えば酸化物セラミックスまたは窒化物セラミックス等の絶縁性の材料から成る。

熱動弁７は、筺体５の供給口５２を閉じたり開いたりするための弁である。熱動弁７は、鉄および銅または鉄およびニッケル等の板状のバイメタルによって形成されている。熱動弁７は、熱が加えられることによって変形する。加熱された熱動弁７が変形して供給口５２から離れることによって、閉じられた供給口５２が開かれて、筺体５の空洞部内に存在する気体燃料を供給口５２からヒータに供給する。これに対し、熱動弁７への加熱を停止すると、熱動弁７の形状が変形する前の状態に戻ることによって、開かれた供給口５２が再度閉じられる。この熱動弁７は、マウント部材６に搭載されている。熱動弁７がマウント部材６に搭載されていることによって、熱動弁７について筺体５の内表面に接触する領域を減らすことができる。これにより、熱動弁７の変形が筺体５によって妨げられることを抑制できる。

第２の発熱抵抗体８は、熱動弁７を加熱するための部材である。第２の発熱抵抗体８は、ニクロム線等によって構成されている。第２の発熱抵抗体８は、熱動弁７の一部に巻き付けられるように設けられている。第２の発熱抵抗体８が熱動弁７に巻き付けられていることによって、第２の発熱抵抗体８から発せられた熱を良好に熱動弁７に伝えることができる。これにより、第２の発熱抵抗体８に電圧を加えてから、熱動弁７が変形して供給口５２が開くまでの時間を短縮することができる。第２の発熱抵抗体８は、一端および他端が一対の第２のリード端子９に接続されている。第２の発熱抵抗体８には、第２のリード端子９を介して電力が供給される。

第２のリード端子９は、第２の発熱抵抗体８を外部の電極に接続するための導電部材である。第２のリード端子９は、筺体５の外表面に設けられている。第２のリード端子９は、第２の発熱抵抗体８に電気的に接続されている。第２のリード端子９は、例えば銅または黄銅等の金属材料から成る。第２のリード端子９と筺体５とはマイカ等によって絶縁されている。第２のリード端子９と第２の発熱抵抗体８の接合には、例えばスポット溶接または圧着が用いられる。

次に、ヒータ１０とガスバルブ２０との関係を電気的な観点から説明する。図８に示すように、ヒータ１０の第１の発熱抵抗体２とガスバルブ２０の第２の発熱抵抗体８とが電気的に直列に接続されている。具体的には、例えば、第１のリード端子３の一方が電源の正極に接続されるとともに、第１のリード端子３の他方が第２のリード端子９の一方に接続されており、第２のリード端子９の他方が電源の負極に接続されている。これにより、気体燃料の供給とヒータ１０の発熱とを同じ電源および１つのスイッチで管理することができる。そのため、点火装置１００における電気回路を単純なものとすることができる。

さらに、第１の発熱抵抗体２と第２の発熱抵抗体８とを比較すると、常温における第１の発熱抵抗体２の抵抗（抵抗値）が第２の発熱抵抗体８の抵抗（抵抗値）よりも大きく、第１の発熱抵抗体２の抵抗温度係数が第２の発熱抵抗体８の抵抗温度係数よりも大きい。これにより、電圧を印加し始めた際に第１の発熱抵抗体２と第２の発熱抵抗体８との抵抗（抵抗値）の差が小さいものであったとしても、時間の経過とともに印加した電圧に対する電圧降下のうち第１の発熱抵抗体２における電圧降下の占める割合を上昇させていくことができる。そのため、ヒータ１０の第１の発熱抵抗体２とガスバルブ２０の第２の発熱抵抗体８とに電圧を印加した瞬間における、第１の発熱抵抗体２と第２の発熱抵抗体８との間の抵抗（抵抗値）の差を従来よりも小さく設定することができる。そのため、第２の発熱抵抗体８を良好に発熱させることができることから、熱動弁７を良好に加熱することができる。これにより、ガスバルブ２０からヒータ１０への気体燃料の供給を、電圧を印加し始めてから短時間で行なうことができる。その結果、点火装置１００は、短時間で気体燃料を点火することができる。なお、第１の発熱抵抗体２の抵抗は、例えば０．２〜１００Ωに設定することができる。また、第１の発熱抵抗体２の抵抗温度係数は、５００〜４０００ｐｐｍに設定することができる。さらに、第２の発熱抵抗体８の抵抗は、例えば０．１〜４０Ωに設定することができる。また、第２の発熱抵抗体８の抵抗温度係数は、０〜３０００ｐｐｍに設定することができる。

さらに、第１の発熱抵抗体２の抵抗温度係数が０よりも大きいことが望ましい。第１の発熱抵抗体２の抵抗温度係数が０よりも大きい、すなわち正であることによって、常温における第１の発熱抵抗体２の抵抗（抵抗値）を、気体燃料の燃焼中に第１の発熱抵抗体２が十分に発熱するために必要な抵抗よりも小さな抵抗に設定することができる。そのため
、電圧を印加し始めるときにおける第１の発熱抵抗体２と第２の発熱抵抗体８との間の抵抗の差をより小さくすることができる。その結果、第２の発熱抵抗体８を良好に発熱させることができることから、熱動弁７を良好に加熱することができる。これにより、ガスバルブ２０からヒータ１０への気体燃料の供給を、電圧を印加し始めてから短時間で行なうことができる。

また、第２の発熱抵抗体８の抵抗温度係数が０より大きいことが望ましい。これにより、電圧を印加し始めるときの第２の発熱抵抗体８の抵抗（抵抗値）を小さく設定できる。その結果、電圧を印加し始めるときにより多くの電流を流すことができることから、第２の発熱抵抗体８における発熱量を増やすことができる。その結果、より良好に熱動弁７を加熱することができる。

また、第１の発熱抵抗体２は、電気的に連続した導電性セラミックスが絶縁性セラミックス中に配置されて成ることが好ましい。具体的には、導電性セラミックスの粒子が絶縁性セラミックス中に連続して配置されていることが好ましい。このとき、絶縁性セラミックス中における導電性セラミックスの割合を変化させることによって、第１の発熱抵抗体２の抵抗温度係数を容易に調整することができる。導電性セラミックスとして炭化タングステンを用いる場合であれば、絶縁性セラミックスとして例えば窒化ケイ素または窒化ホウ素等を用いることができる。特に、導電性セラミックスが炭化タングステンであるとともに、絶縁性セラミックスが窒化ケイ素であることが好ましい。これにより、発熱抵抗体２の耐久性を向上させることができる。

また、第１の発熱抵抗体２の絶縁性セラミックスと絶縁基体１を構成するセラミック材料とが同じであることが好ましい。これにより、第１の発熱抵抗体２と基体１との熱膨張係数を近付けることができる。その結果、第１の発熱抵抗体２が発熱したときに、第１の発熱抵抗体２に生じる熱応力を低減できる。

１：絶縁基体
２：発熱抵抗体（第１の発熱抵抗体）
３：第１のリード端子
５：筺体
５１：導入口
５２：供給口
６：マウント部材
７：熱動弁
８：第２の発熱抵抗体
９：第２のリード端子
１０：ヒータ
２０：ガスバルブ
１００：点火装置

Claims

直方体状の絶縁基体と、該絶縁基体の内部に長さ方向に延びて設けられた発熱抵抗体とを含み、前記絶縁基体が反っていることを特徴とするヒータ。
前記絶縁基体が長さ方向に反っていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記絶縁基体が幅方向に反っていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記絶縁基体が窒化珪素質セラミックスから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータと、前記絶縁基体のうち反っている面に向かって気体燃料を流す流路とを備えた点火装置。