JP5414381B2 - グロープラグ及びグロープラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はセラミックヒータのグロープラグに関する。

強度確保のためにディーゼルエンジンのシリンダヘッドを厚くしたことに伴い、ディーゼルエンジンに採用されるグロープラグは細長い形状となった。グロープラグは径が小さいので、電極取り出し金具と金属製外筒との間に短絡が生じる恐れがあった。
グロープラグの短絡防止対策に関する公報掲載の技術として、例えば、グロープラグの金属製外筒の内径をＸ、グロープラグの電極取り出し金具の外径をＹとしたときに、Ｘ−Ｙ≧１．５ｍｍの関係式を満たす形状にグロープラグを形成する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００２−３９５３２号公報

ところで、始動時の急速昇温やポストグロー時の燃焼改善等の要請から、近年のディーゼルエンジンには制御性の改善された低電圧（７Ｖ）仕様のグロープラグが採用される。
しかし、このような低電圧仕様のグロープラグにバッテリー電圧が長時間印加されたり、定格電圧を大きく超える過電圧が誤って印加されると、グロープラグ内のセラミックヒータが破壊される恐れがあり、最悪の場合、破壊されたセラミックの破片がエンジンシリンダ内に脱落する恐れがある。

本発明は、このようなグロープラグ内でセラミックヒータが破壊されることを避け、ヒューズ機能を実現するグロープラグを提供することを目的とする。

以下、本発明について上記課題を解決するための手段を説明する。尚、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

上記課題を解決するために、本発明にかかるグロープラグ（１）は、金属製外筒（８）と、導電性セラミックにより構成された発熱体であって、一方の電極（５ａ）が金属製外筒（８）に電気的に接続された発熱体（５）と、金属製外筒（８）の一端から発熱体（５）を収納する部分が露出した状態で発熱体を収納するセラミックヒータ（４）と、セラミックヒータ（４）の発熱体（５）の他方の電極（５ｂ）から金属製外筒（８）の内部空間を通って延び、発熱体の定格電流を超える過電流が流れると溶断する電極取り出し部材（１０）とを有することを特徴とする。

ここで、グロープラグ（１）は、金属製外筒（８）の内部空間で電極取り出し部材（１０）の周囲に耐熱絶縁粉末（２０）を更に有し、電極取り出し部材（１０）の周囲でセラミックヒータ（４）に隣接した位置に耐熱絶縁粉末（２０）が配されない空隙（９ａ）が形成される。
また、グロープラグ（１）は、金属製外筒（８）の内部空間を分離する絶縁性の空間分離部材（９）を更に有し、空間分離部材（９）はセラミックヒータ（４）との間に空隙（９ａ）を形成する。

更に、空間分離部材（９）は電極取り出し部材（１０）に貫通されて配される。
更にまた、グロープラグ（１）は、金属製外筒（８）の内部空間で空間分離部材（９）の周囲であって、空間分離部材が形成する空隙（９ａ）以外の空間に絶縁性の顆粒体粉末（１８）を更に有する。

上記課題を解決するために、本発明にかかるグロープラグ（１）の製造方法は、導電性セラミックにより構成された発熱体（５）の一方の電極（５ａ）を金属製外筒（８）に電気的に接続した状態で発熱体をセラミックヒータ（４）内の所定位置に収納し、発熱体を収納する部分を金属製外筒の一端から露出させてセラミックヒータを固定する固定工程と、セラミックヒータ（４）の発熱体（５）の定格電流を超える過電流が流れると溶断する電極取り出し部材（１０）を金属製外筒（８）の内部空間を分離する絶縁性の空間分離部材（９）を貫通させてセラミックヒータの発熱体の他方の電極（５ｂ）に接続する接続工程と、金属製外筒（８）の内部空間に耐熱絶縁粉末（２０）を充填してセラミックヒータ（４）と空間分離部材（９）との間に耐熱絶縁粉末が配されない空隙（９ａ）を形成する充填工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、セラミックヒータの発熱体に定格電流を超える過電流が流れるとき電極取り出し部材が金属製外筒内で溶断してヒューズとして機能し、セラミックヒータは破壊されない。よって、実使用時に起こり得る過電流印加に対してセラミックヒータを保護できる。

本実施形態に係るグロープラグの縦断面図である。 図１に示すグロープラグの要部であるアセンブリの拡大した断面図である。 図２に示すグロープラグのアセンブリの変形例を示す図である。 図２に示すグロープラグの電極取り出し線が溶断したときの状態を示す拡大した断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（実施形態）を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るグロープラグの一例としてのディーゼルエンジン用のセラミックヒータ型グロープラグ１の縦断面図、図２は、その要部であるアセンブリ２の拡大した断面図、図３は、図２の変形例を示す図である。

（構成）
図１に示すように、グロープラグ１はアセンブリ２と外部接続端子１４とハウジング１６と絶縁ブッシュ２４とアルミニウム製のナット２６とを有して構成される。アセンブリ２は金属製外筒８とセラミックヒータ４とセパレータ９と電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２とが一体になって構成される。

図２に示すように、金属製外筒８は例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼が円筒形状になって構成される。金属製外筒８の内周面には発熱体５の一方の電極５ａが接続される。
セラミックヒータ４は、本体を構成するセラミックス絶縁体６の先端の発熱部４ａに発熱体５を収納する。発熱体５は通電を行う一対のリード５ａ，５ｂを備え、焼結されて形成される。発熱体５は例えば窒化珪素と炭化タングステンを成分とした導電性セラミックがＵ字形状になって構成される。負極側リード５ａと正極側リード５ｂとはいずれも、発熱体５を構成する導電性セラミックよりも低抵抗の導電性セラミックにより構成される。セラミックス絶縁体６は例えば窒化珪素と珪化モリブデンを成分とした非導電性セラミック等で構成される。

負極側リード５ａは発熱体５の一方の電極（負極）に接続され、セラミックス絶縁体６の外周面に露出して形成される。セラミックヒータ４が金属製外筒８にろう付けされるとき、セラミックヒータ４の外周面に露出する負極側リード５ａは同時に金属製外筒８の内面にろう材等により接合されて、金属製外筒８に電気的に接続される。
一方、正極側リード５ｂは発熱体５の他方の電極（正極）に接続される。正極側リード５ｂはセラミックス絶縁体６の後端までセラミックス絶縁体６の内部を伸びる。セラミックヒータ４の後端には成形型によって接続孔５ｃが形成される。接続孔５ｃには本発明に係る電極取り出し部材の一例としての電極取り出し線１０が挿入され、ろう材等により接合される。

電極取り出し線１０は例えば軟鋼線材等で構成され、発熱体５の定格電流を超える過電流が流れると溶断する材質と線径が選択される。本実施形態ではΦ０．５ｍｍの軟鋼線材ＳＷＲＭ６を用いた。
電極取り出し線１０は、金属製外筒８の内部空間を分離する絶縁性の空間分離部材の一例としてのセパレータ９を貫通して接続孔５ｃに挿入され、ろう付けされる。そして、電極取り出し線１０は発熱体５の正極側リード５ｂに電気的に接続する。

電極取り出し線１０は他方の端（後端部）にコイル状のコイル部１０ｂが形成される。
セパレータ９は例えば非導電性セラミック等の絶縁性材料が半球形状（ドーム状）に構成される。セパレータ９の中央を電極取り出し線１０が貫通している。セパレータ９とセラミックヒータ４の後端との間に空隙９ａが形成される。なお、セパレータ９は一方の端が塞がった円筒形状に形成されても良い。

電極取り出しロッド１２（図１）は先端部１２ａが電極取り出し線１０のコイル部１０ｂ内に挿入される。電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂは、外部接続端子１４（図１）の先端部１４ａ（図１）にバット溶接等により固定される。
電極取り出しロッド１２は例えばニッケルやステンレス、炭素鋼等の導電性金属の剛体で構成される。電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２が金属製外筒８の内部を通って延びる本構成により、発熱体５の正極は外部接続端子１４（図１）の先端部１４ａ（図１）に電気的に接続している。

金属製外筒８内の内部空間全体に耐熱絶縁粉体２０が充填される。これにより、電極取り出し線１０は金属製外筒８内に固定される。
耐熱絶縁粉体２０は、例えば、マグネシア（ＭｇＯ）等で構成される。本実施形態では、絞り加工により縮径するスエージング加工（後述）を金属製外筒８の後部側に行っており、先端部８ａには行っていない。よって、金属製外筒８内に充填された耐熱絶縁粉体２０は圧縮されず、外力が伝わりにくい構成となる。
金属製外筒８の開口部８ｂ（図１）には、例えばシリコンゴム、フッ素ゴム等のゴム製のシール部材２２（図１）が挿入されている。このシール部材２２が金属製外筒８の開口部８ｂ内に挿入されているので、絞り加工により縮径するスエージング加工時に耐熱絶縁粉体２０がこぼれることを防止できる。また、電極取り出しロッド１２が金属製外筒８に接触することも防止できる。

図３に示すように、金属製外筒８内の内部空間でセパレータ９の周囲に絶縁性の顆粒体粉末１８を充填し、残りの内部空間に耐熱絶縁粉体２０を充填しても良い。これにより、電極取り出し線１０と電極取り出しロッド１２とが金属製外筒８内に固定される。顆粒体粉末１８は、耐熱絶縁粉体２０とは粒間摩擦が異なり、耐熱絶縁粉体２０よりも剛性が低いため、グロープラグに曲げ応力（外力）がかかった際に、耐熱絶縁粉体２０よりも外力を電極取り出し線１０に伝えない。
顆粒体粉末１８は、例えばマグネシア、ジルコニア、窒化アルミ、窒化珪素等の絶縁性と５００℃程度までの耐熱性とを有する無機材料で構成される。また、顆粒体粉末１８は５μｍ以下の微細粉の一次粒子を３０〜２００μｍ程度の径に形成して構成される。本実施形態では入手が容易なアルミナの顆粒体を使用した。

図１に示すように、以上の構成を有するアセンブリ２がハウジング１６に挿入されてグロープラグ１が形成される。
外部接続端子１４は、電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂが固定される先端部１４ａと、先端部１４ａとは反対側の後端に設けられたバッテリ接続用のねじ部１４ｂとを有する。
ハウジング１６の外面のほぼ中間部には、エンジン（不図示）のシリンダヘッド（不図示）への取り付け用ねじ部１６ｅが形成され、後端部１６ｃの外面には、このねじ部１６ｅを締め付けるための六角ナット部が設けられている。

なお、本実施形態では、電極取り出し線１０と電極取り出しロッド１２とにより、電極（正極）を外部に取り出すようにしているが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、セラミックヒータ４の正極と外部接続端子１４とを一本のワイヤによって接続する構成でも良い。
セラミックヒータ４は、金属製外筒８内にろう付け等により接合され、この金属製外筒８を介してエンジンのシリンダヘッド（図示せず）への取付け金具である円筒状のハウジング１６に固定されている。

（作用）
以上の構成を有するグロープラグ１の作用を以下に説明する。
図４は、電極取り出し線１０が溶断したときのアセンブリ２の状態を示す拡大した断面図である。

発熱体５に定格電流が流れるときセラミックヒータ４は発熱し、熱の一部は電極取り出し線１０を介してセラミックヒータ４に隣接する空隙９ａに伝わる。定格電流を超える過電流が流れるとき、セラミックヒータ４の他に電極取り出し線１０も発熱する。空隙９ａの位置では電極取り出し線１０は周囲の空気によって断熱されるので、電極取り出し線１０を介してセラミックヒータ４から伝わる熱と、電極取り出し線１０自体の発熱とによって高温となる。空隙９ａ以外の位置では電極取り出し線１０の発熱は周囲の耐熱絶縁粉体２０或いは顆粒体粉末１８に伝わる。よって、定格電流を超える過電流が流れるとき電極取り出し線１０は空隙９ａの位置で溶断する（図４）。これにより、電極取り出し線１０が金属製外筒８内で溶断してヒューズとして機能し、セラミックヒータ４は破壊されない。過電流印加に対してセラミックヒータ４を保護できる。

（製造方法）
以上の構成を有するグロープラグ１の製造方法を以下に説明する。始めに、アセンブリ２の製造方法を説明する。
発熱体５とリード５ａ，５ｂとは、上述したように原料が異なるので、別個の射出成形により作成する。このとき、正極側リード５ｂの後端には接続孔５ｃを形成しておく。

一方、セラミックス絶縁体６を形成する原料粉末（上述の非導電性セラミック）を金型プレス成形して、上下別体に形成された分割成形体（不図示）を予め用意する。これら分割成形体には発熱体粉末成形体に対応した形状の凹部（不図示）を、合わせ面に予め形成する。
射出成形により作成された発熱体５とリード５ａ，５ｂとを分割成形体の凹部に収容して、分割成形体を合わせ面において嵌め合わせる。更に、プレス・圧縮して、一体化された複合成形体を得る。得られた複合成形体を脱バインダ処理後、ホットプレス等により１７００℃以上、好ましくは約１８００℃前後で焼成して焼成体とし、更に外周面を円筒状に研磨してセラミックヒータ４を得る。

セラミックヒータ４の後端部側を、金属製外筒８の先端部８ａ内に挿入してろう付け等により固定する（固定工程）。このとき、セラミックヒータ４の外周面に露出した負極側リード５ａは、金属製外筒８の内面にろう材等により接合される。
金属製外筒８の先端部８ａ内に位置しているセラミックヒータ４の後端の接続孔５ｃに、電極取り出し線１０の先端を挿入してろう付けにより接続する（接続工程）。このとき、電極取り出し線１０はセパレータ９を貫通してセラミックヒータ４に接続する。

電極取り出し線１０の後端部に形成されているコイル状部１０ｂ内に、電極取り出しロッド１２の先端１２ａを挿入して、金属製外筒８の内部で電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２を連結する。
その後、金属製外筒８の後部側の開口部８ｂから金属製外筒８内の内部空間に耐熱絶縁粉体２０を充填する。このとき、セラミックヒータ４とセパレータ９との間に耐熱絶縁粉体２０が配されない空隙９ａが形成されるように、耐熱絶縁粉体２０を充填する（充填工程）。

その後、電極取り出し線１０と電極取り出しロッド１２との接続部が収容されている金属製外筒８の後部側を絞り加工により縮径するスエージング加工することにより、金属製外筒８の後部側の外径を縮径する。このスエージング加工を行うことにより、耐熱絶縁粉体２０を高密度化して電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２を金属製外筒８内に固定する。
スエージング加工により金属製外筒８に固定された電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂに、外部接続端子１４の先端１４ａをバット溶接等により固定する。
このように、アセンブリ２が製造される。

尚、図３に示す構成のアセンブリ（変形例）では、金属製外筒８の内部で電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２を連結した後、上記した充填工程において、金属製外筒８の後部側の開口部８ｂから電極取り出し線１０の周囲に顆粒体粉末１８を充填する。金属製外筒８の残りの内部空間内に耐熱絶縁粉体２０を充填し、金属製外筒８の開口部８ｂに、シール部材２２を挿入する。その後、金属製外筒８の後部側をスエージング加工して、電極取り出し線１０及び電極取り出しロッド１２を金属製外筒８内に固定する。固定された電極取り出しロッド１２の後端部１２ｂに、外部接続端子１４の先端１４ａをバット溶接等により固定する。

以上に説明した方法により製造されたアセンブリ２がハウジング１６に挿入されてグロープラグ１が製造される。続いて、グロープラグ１の製造方法を説明する。
アセンブリ２を、外部接続端子１４の後端のねじ部１４ｂ側を先にしてハウジング１６の先端部１６ａから内部孔１６ｂ内に挿入する。アセンブリ２をハウジング１６の内部まで挿入し金属製外筒８の後部側からハウジング１６の内部孔１６ｂ内に圧入して、この金属製外筒８をハウジング１６に固定する。なお、金属製外筒８のハウジング１６への固定手段は圧入に限らずその他の方法で固定しても良い。

アセンブリ２をハウジング１６内に挿入して固定すると、外部接続端子１４の後端に形成されたバッテリ接続用のねじ部１４ｂがハウジング１６の後端部１６ｃから突出した状態になる。このねじ部１４ｂの外方からシール部材（Ｏリング）２８及び絶縁ブッシュ２４を嵌合させて、ハウジング１６の後端の大径孔１６ｄ内に挿入し、その外側からアルミ製のナット２６を螺合して外部接続端子１４をハウジング１６に固定する。
以上により、グロープラグ１が製造される。

（効果）
以上に説明したように、グロープラグ１は、金属製外筒８と、導電性セラミックにより構成された発熱体５であって負極５ａが金属製外筒８に電気的に接続された発熱体５と、金属製外筒８の一端から発熱部４ａが露出した状態で発熱体５を収納するセラミックヒータ４と、セラミックヒータ４の発熱体５の正極５ｂから金属製外筒８の内部空間を通って延び、発熱体５の定格電流を超える過電流が流れると溶断する電極取り出し線１０とを有する。発熱体５に過電流が流れるとき電極取り出し線１０が金属製外筒８内で溶断してヒューズとして機能するので、セラミックヒータ４は破壊されない。よって、実使用時に起こり得る過電流印加に対してセラミックヒータ４を保護できる。

車両組立時のグロープラグ制御部（図示省略）の逆接続やアプリケーションエラーを含むグロー制御システムの不具合時に発生し得るセラミックヒータの破損や脱落を抑止できる。
インパイプ構造や電極取り出し構造といった現行製品のデザインの良さを生かして追加機能を付加できる。よって、部品の追加コストを抑制できる。

ここで、グロープラグ１は、金属製外筒８の内部空間で電極取り出し線１０の周囲に耐熱絶縁粉体２０を更に有し、電極取り出し線１０の周囲でセラミックヒータ４に隣接した位置に耐熱絶縁粉体２０が配されない空隙９ａが形成される。セラミックヒータ４の熱は隣接する空隙９ａに伝わり、また、空隙９ａ内の空気は過電流印加時の電極取り出し線１０の発熱を断熱するので、過電流印加時に電極取り出し線１０は空隙９ａにて容易に溶断する。
また、グロープラグ１は、金属製外筒８の内部空間を分離するセパレータ９を更に有し、セパレータ９はセラミックヒータ４との間に空隙９ａを形成する。セパレータ９とセラミックヒータ４との間に耐熱絶縁粉体２０が入り込まない空隙９ａを容易に形成できる。よって、耐熱絶縁粉体２０の充填作業を容易に行うことができる。

更に、セパレータ９は電極取り出し線１０に貫通されて配される。よって、電極取り出し線１０を金属製外筒８に電気的に非接触の状態に組み立てることが容易であり、組み立て後も非接触の状態を確実に保持できる。
更にまた、金属製外筒８の内部空間でセパレータ９の周囲であって、セパレータ９が形成する空隙９ａ以外の空間に絶縁性の顆粒体粉末（１８）を更に有するようにしても良い。顆粒体粉末１８は耐熱絶縁粉体２０よりも剛性が低いため、グロープラグに曲げ応力（外力）がかかった際に、耐熱絶縁粉体２０よりも外力を電極取り出し線１０に伝えない。

グロープラグ１の製造方法は、導電性セラミックにより構成された発熱体５の負極５ａを金属製外筒８に電気的に接続した状態で発熱体５をセラミックヒータ４の所定位置（発熱部４ａ）に収納し、発熱部４ａを金属製外筒８の一端から露出させてセラミックヒータ４を固定する固定工程と、セラミックヒータ４の発熱体５の定格電流を超える過電流が流れると溶断する電極取り出し線１０を金属製外筒８の内部空間を分離する絶縁性のセパレータ９を貫通させてセラミックヒータ４の発熱体５の正極５ｂに接続する接続工程と、金属製外筒８の内部空間に耐熱絶縁粉体２０を充填してセラミックヒータ４とセパレータ９との間に耐熱絶縁粉体２０が配されない空隙９ａを形成する充填工程とを有する。発熱体５に過電流が流れるとき電極取り出し線１０が金属製外筒８内で溶断してヒューズとして機能し、セラミックヒータ４は破壊されない。よって、実使用時に起こり得る過電流印加に対してセラミックヒータ４を保護できる。また、大幅な製造工程の変更を必要としないため、製造への展開を容易に行うことができる。

１…グロープラグ、２…アセンブリ、４…セラミックヒータ、４ａ…発熱部、５…発熱体、５ａ…負極側リード（一方の電極）、５ｂ…正極側リード（他方の電極）、６…セラミックス絶縁体、８…金属製外筒、９…セパレータ（空間分離部材）、９ａ…空隙、１０…電極取り出し線（電極取り出し部材）、１６…ハウジング、１８…顆粒体粉末、２０…耐熱絶縁粉体

Claims (5)

1. 金属製外筒（８）と、
   導電性セラミックにより構成され、一方の電極（５ａ）が前記金属製外筒（８）に電気的に接続された発熱体（５）と、
   前記金属製外筒（８）の一端から前記発熱体（５）を収納する部分を露出させた状態で、当該発熱体を収納するセラミックヒータ（４）と、
   前記セラミックヒータ（４）の前記発熱体（５）の他方の電極（５ｂ）から前記金属製外筒（８）の内部空間を通って延び、当該発熱体の定格電流を超える過電流が流れると溶断する電極取り出し部材（１０）と
   を有するグロープラグ（１）であって、
   前記金属製外筒（８）の前記内部空間で前記電極取り出し部材（１０）の周囲に耐熱絶縁粉末（２０）を更に有し、
   前記電極取り出し部材（１０）の周囲で前記セラミックヒータ（４）に隣接した位置に前記耐熱絶縁粉末（２０）が配されない空隙（９ａ）が形成される
   ことを特徴とするグロープラグ（１）。
2. 請求項１に記載のグロープラグ（１）において、
   前記金属製外筒（８）の前記内部空間を分離する絶縁性の空間分離部材（９）を更に有し、
   前記空間分離部材（９）は前記セラミックヒータ（４）との間に前記空隙（９ａ）を形成する
   ことを特徴とするグロープラグ（１）。
3. 請求項２に記載のグロープラグ（１）において、
   前記空間分離部材（９）は前記電極取り出し部材（１０）に貫通されて配されることを特徴とするグロープラグ（１）。
4. 請求項３に記載のグロープラグ（１）において、
   前記金属製外筒（８）の前記内部空間で前記空間分離部材（９）の周囲であって、当該空間分離部材が形成する前記空隙（９ａ）以外の空間に絶縁性の顆粒体粉末（１８）を更に有することを特徴とするグロープラグ（１）。
5. 導電性セラミックにより構成された発熱体（５）の一方の電極（５ａ）を金属製外筒（８）に電気的に接続した状態で当該発熱体をセラミックヒータ（４）内の所定位置に収納し、当該発熱体を収納する部分を当該金属製外筒の一端から露出させて当該セラミックヒータを固定する固定工程と、
   前記セラミックヒータ（４）の前記発熱体（５）の定格電流を超える過電流が流れると溶断する電極取り出し部材（１０）を前記金属製外筒（８）の内部空間を分離する絶縁性の空間分離部材（９）を貫通させて当該セラミックヒータの当該発熱体の他方の電極（５ｂ）に接続する接続工程と、
   前記金属製外筒（８）の前記内部空間に耐熱絶縁粉末（２０）を充填して前記セラミックヒータ（４）と前記空間分離部材（９）との間に当該耐熱絶縁粉末が配されない空隙（９ａ）を形成する充填工程と
   を有することを特徴とするグロープラグ（１）の製造方法。

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