JP5652317B2

JP5652317B2 - 制御部一体型グロープラグ

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Publication number: JP5652317B2
Application number: JP2011104032A
Authority: JP
Inventors: 尚治森田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: JP2012233661A

Description

本発明は、通電により発熱するグロープラグへの通電を制御する制御部をグロープラグと一体に設けた制御部一体型グロープラグに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の予熱などには、通電により発熱する発熱ヒータを内蔵したグロープラグが一般に使用されている。
従来、グロープラグの発熱を制御する通電制御装置として、バッテリ等の電源装置からグロープラグに対する通電の可否を決定する信号を出力するための通電信号出力手段と、該通電信号出力手段から通電を許可する信号が入力された際に、バッテリからグロープラグへの通電経路を開閉する通電制御手段としての半導体スイッチング素子とを備えたものが知られている。
また、近年、環境問題への関心の高まりから、燃焼排気の浄化を図るべく、予熱以外のときにもグロープラグへの通電を行うアフターグロー制御が行われるようになっており、また、高速昇温を実現するため、大電流の制御が可能な半導体スイッチンッグ素子としてパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の大容量のパワーデバイスが用いられるようになっている。
このようなパワーデバイスは発熱量が多く、複数のグロープラグを一つのグロープラグ通電制御装置（以下、適宜ＧＣＵと称す。）を用いて制御する場合には、ＧＣＵ内に搭載される複数のパワーデバイスから放出される熱によって互いのパワーデバイスが加熱され熱暴走を招く虞がある。
このような熱暴走を防止するためには、それぞれのパワーデバイスの搭載間隔を広くしたり、ヒートシンクを設けたりして放熱性を高くする必要が生じ、ＧＣＵの大型化を招いていた。

そこで、ＧＣＵの小型化と制御精度の向上との両立を図るべく、各グロープラグに半導体スイッチング素子を含む制御回路の少なくとも一部を搭載した制御部一体型のグロープラグが検討されている（特許文献１、特許文献２等）。
特許文献１には、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が開示されている。
また、特許文献２には、筒形状であって、その外周にエンジンに固定するためのねじ部が設けられると共に、絶縁部材にインサート成形される発熱体を、パイプ部材を介して保持し、発熱体に接続される電極２を収納したハウジング部を備えて構成されるグロープラグにおいて、ハウジング部に加締め固定されるヒートシンクと、ヒートシンクにセラミック基板が設置されると共に、このセラミック基板上に設置され、スイッチング信号によって制御されることでバッテリ電圧に基づくスイッチング電圧を出力するパワートランジスタを備えた半導体チップと、を備えることを特徴とするグロープラグが開示されている。
ところが、特許文献１や、特許文献２にあるような従来の制御部一体型のグロープラグでは、グロープラグに内蔵された発熱体への通電を図る通電端子の一方を、発熱体の保持固定に用いられている金属製のハウジング部に接続し、該ハウジング部を介して接地状態としているため、発熱体への通電を開閉するための半導体スイッチング素子を含む制御部は、必然的にグロープラグの上流側に配設することになり、半導体スイッチング素子を開閉駆動するための駆動回路には、いわゆる上流側駆動回路（ハイサイドゲートドライバ、ＨＧＤ）を用いることとなる。

一方、半導体スイッチング素子として用いられるＭＯＳＦＥＴには、ｐ型の基板にｎ型の不純物をドーピングし、さらに、ｎ型ゲート電極の両側にソース電極とドレイン電極を形成して、電子をキャリアとしたｎチャンネルＭＯＳＦＥＴと、ｎ型の基板にｐ型の不純物をドーピングし、さらに、ｐ型ゲート電極の両側にソース電極とドレイン電極を形成して、正孔をキャリアとしたｐチャンネルＭＯＳＦＥＴと、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとｐチャンネルＭＯＳＦＥＴとの両方を同一チップ内に形成したＣＭＯＳＦＥＴ等がある。
パルス電流のデューティ比を調整してグロープラグの発熱温度を調整するＰＷＭ制御には、オン抵抗が大きく、大電流通電時の損失の大きいｐチャンネルＭＯＳＦＥＴよりも、スイッチングの切換速度が速く大電流通電時の損失も小さいＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、又は、ＣＭＯＳＦＥＴのｎチャンネル側が好適に用いられている。
また、大電流の制御を可能とするパワーＭＯＳＦＥＴでは、基本構造として、ＤＭＯＳ（Ｄｏｕｂｌｅ-ＤｉｆｆｕｓｅｄＭＯＳＦＥＴ）と呼ばれるｎ型不純物の濃度の高いｎ＋基板の表面に形成したｎ型不純物の濃度の低いｎ−エピタキシャル層に表面に、低濃度のｐ型層と高濃度のｎ＋層とが形成された二重拡散構造を有している。
このようなパワーＭＯＳＦＥＴでも、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴはｐチャンネルＭＯＳＦＥＴに比べてオン抵抗が小さく、スイッチング特性に優れている点は、通常のＭＯＳＦＥＴと同様である。

ところが、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴは、ゲート電圧をソース電圧よりも高くしないとドレイン・ソース間に電流を流すことができないので、特許文献１、２等にあるように、スイッチング素子としてｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを制御部一体型グロープラグに採用し、グロープラグを構成する発熱体の上流側に設けた場合、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを駆動するハイサイドゲートドライバには、特許文献３にあるようにチャージポンプを設けて、ゲート電圧を高くする必要がある。
また、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間に流れる電流量を多くするためには、チャージポンプに、比較的大きな容量のコンデンサを用いる必要があり、ゲートドライバ内に内蔵できる容量のコンデンサでは、容量不足となるため、容量の大きなコンデンサをゲートドライバの外部に載置することとなる。
このため、必然的に、グロープラグへの通電を開閉制御するためのｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを駆動するハイサイドゲートドライバには、外部に設けたコンデンサとの接続を図るための入出力端子が必要となり、制御素子の体格増大を招く虞がある。
特に、半導体素子の耐熱温度は、１５０〜１７５℃であるのに対して、チャージポンプに用いられる外部コンデンサの耐熱温度は、１０５〜１２０℃程度であるため、高温に発熱するグロープラグからの熱の影響をできるだけ廃除するのが望ましく、このようなハイサイドゲートドライバをグロープラグの頭部に一体的に収容する際には、収容部の容積を大きくする必要も生じ、制御部一体型のグロープラグ全体の体格を小型化するのが困難となる虞がある。

また、従来のグロープラグでは、絶縁体の内部に収容した発熱体に接続された一対のリード部の内、一方の端を絶縁体の側面に引き出して接地電極を形成し、絶縁体を保持する筒状の金属スリーブにロウ付け等によって接続することによって、発熱体を保持すると共に、発熱体の一端を接地状態としている。
このため、グロープラグが発熱したときや、被加熱流体である燃焼室内の気体の温度が高温となったときに、金属スリーブの熱膨張係数と絶縁体の熱膨張数の差によって、接地電極と金属スリーブとの接続部分に引っ張り応力が作用し、接地電極と金属スリーブとの間の接触抵抗が大きくなったり、長期の使用によって、接地電極を構成する金属が絶縁体内に拡散するマイグレーション現象等を引き起こしたりして、グロープラグが劣化し、発熱温度の低下を招く虞もある。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、制御部と発熱部とが一体となった制御部一体型グロープラグにおいて、簡易な構成とすることにより、さらなる小型化と耐久性の向上とを図る制御部一体型グロープラグを提供すること目的とするものである。

請求項１の発明では、通電により発熱する発熱体を内蔵するグロープラグと、上記発熱体への通電を外部からの駆動信号にしたがって開閉制御する制御部と、先端側で上記発熱体を保持して、被加熱流体中に固定すると共に、基端側に上記発熱体及び上記制御部に外部電源から駆動電圧の供給及び上記駆動信号の伝達可能とするコネクタ部を保持する略筒状のハウジング部とを具備して、上記グロープラグと上記制御部とを一体化した制御部一体型グロープラグであって、上記制御部が、少なくとも、上記発熱体の下流側に配設し、接地せしめたｎチャンネルＭＯＳＦＥＴからなる半導体開閉素子と、該半導体開閉素子を上記駆動信号にしたがって開閉駆動する下流側駆動回路とを具備し、上記ハウジング部と上記コネクタ部との間に区画した制御部収容空間に、該制御部を配設せしめたことを特徴とする。

請求項２の発明では、上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴが、二重拡散構造（ＤＭＯＳ）を有するパワーＭＯＳＦＥＴである。

請求項３の発明では、上記コネクタ部が内側に上記駆動信号を伝達する駆動信号端子と上記駆動電圧を伝達する駆動電圧端子とを収容し、上記駆動信号端子と上記制御部とを接続する駆動信号線の一部と、上記駆動電圧端子と上記制御部とを接続する電力線の一部と、上記駆動電圧端子と上記グロープラグの入力端子とを接続する電力線の一部とに伸縮可能な伸縮部を設ける。

請求項４の発明では、上記制御部が、上記発熱体に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段によって検出した電流を閾値判定し、上記グロープラグの異常を検出する自己診断部を具備する。

本発明によれば、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴのソースは接地されており、上記下流側駆動回路の出力電圧は、電源電圧まで容易に引き上げることが可能であるので、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴをオンする際に、チャージポンプを用いずとも、ソース電圧よりも高いゲート電圧を印加することができるので、下流側駆動回路の構成を簡素化することができ、容易に制御部一体型グロープラグの小型化を図ることができる。
また、高温環境下に晒されるグロープラグとハウジング部との間で直接的に接地する必要がなく、グロープラグの入力側端子も接地側端子も、上記制御部収容空間内の１２０度〜１７０程度の比較的安定した温度環境下で上記駆動電圧及び上記制御部との接続が図られるので、断線等の異常が発生し難く、信頼性の高い制御部一体型グロープラグが実現できる。

一方、本発明によらず、半導体開閉素子をグロープラグの上流側に設け、半導体開閉素子としてｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴをオンさせるためには、ゲート電圧をソース電圧より高くする必要があるが、負荷の上流側に設けられているためnチャンネルＭＯＳＦＥＴオン時のソースには電源電圧が印加されることになり、ゲート電圧をソース電圧よりも高くするためのチャージポンプが必要となり、電流制御部の体格が大きくなる。
また、本発明によらず、半導体開閉素子をグロープラグの上流側に設け、半導体開閉素子としてｐチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、チャージポンプは不要となるが、移動速度の遅い正孔がキャリアとなるｐチャンネルＭＯＳＦＥＴは、移動速度の速い電子がキャリアとなるｎチャンネルＭＯＳＦＥＴに比べ、オン抵抗が大きく、駆動信号にしたがって負荷への通電をオンオフさせたときの損失が大きく、グロープラグの発熱温度を所望の温度に制御するのが困難となる虞がある。
また、本発明によらず、半導体開閉素子を、グロープラグの上流側に設けた場合、グロープラグの下流側を接地することになり、従来のように、グロープラグの側面に引き出した接地電極をハウジング部等に接続すると、グロープラグの熱膨張率とハウジング部等との熱膨張率の差によって接地電極とハウジング部との接続部分に引っ張り応力や、外部からの振動が作用し、接地電極とハウジング部との密着強度の低下を引き起こす虞もある。

本発明の第１の実施形態における制御部一体型グロープラグの概要を示し、（ａ）は、縦断面図、（ｂ）は、上面図。図１の制御部一体型グロープラグのブロック図。比較例として示す、従来の制御部一体型グロープラグの概要を示す縦断面図。図３の制御部一体型グロープラグのブロック図。本発明の第２の実施形態における制御部一体型グロープラグのブロック図。本発明の第３の実施形態における制御部一体型グロープラグのブロック図。

本発明の第１の実施形態における制御部一体型グロープラグ６について、図１、図２を参照して説明する。
本発明の制御部一体型グロープラグ６は、図１に示すように、図略の内燃機関７の各気筒７０に設けられ、発熱部１０が被加熱流体中に固定されるグロープラグ１と、グロープラグ１への通電を制御する制御部４と、外部電源からの駆動電圧や駆動信号などの電気信号を伝達可能とするコネクタ部５とによって構成され、図２に示すように、外部のエンジン制御装置（ＥＣＵ）９とワイヤハーネス８を介して接続可能となっている。
本発明の制御部一体型グロープラグ６は、被加熱流体７００として、内燃機関燃焼室内の混合気の加熱に用いられ、低温始動時に混合気を加熱し、着火性の向上を図るプリグロー制御や、燃焼排気の浄化を図るべく、始動時以外にも排気温度を上昇させるアフターグロー制御が行われる。

グロープラグ１は、図１（ａ）に示すように、通電により発熱する発熱体１０と、発熱体１０と外部との接続を図る一対のリード部１１、１２と、これらを覆う絶縁体１３とによって構成され、略柱状に形成されている。
発熱体１０は、例えば、窒化珪素及び二硅化モリブデン等からなる電導性セラミック抵抗体によって略Ｕ字形に形成され、リード部１１、１２は、タングステン等の耐熱性導電材料が用いられ、絶縁体１３は、窒化珪素等のセラミック材料が用いられ、ホットプレス焼成等の公知の製法によって略柱状に形成され、絶縁体１３の外部にリード部１１、１２の端部が引き出されている。

グロープラグ１は、筒状の金属製スリーブ１５内に挿入され、ロウ付け部１５１によって保持・固定されている。
さらに、金属製スリーブ１５は、略筒状のハウジング部１６の先端側筒状部１６２に挿入、保持されている。
金属スリーブ１５とハウジング部１６とは、嵌め合い、レーザ溶接、ネジ締め等の公知の手段によって互いに固定されている。

ハウジング部１６の先端側筒状部１６２の外周には、ネジ部１６３及びシール部１６４が形成され、図略の内燃機関７の各気筒７０の燃焼室（シリンダヘッド）に螺結され、気密を保持しつつ、グロープラグ１を被加熱流体７００中の所定位置に固定している。
ハウジング部１６の基端側外周には、ネジ部１６３をネジ締めするための六角部１６０が形成され、さらに基端側には、後述するコネクタ５を嵌着固定するためのボス部１６１が形成されている。
ボス部１６１の内側には、制御部４を収容するための制御部収容空間５００が区画されている。

コネクタ５は、熱可塑性樹脂からなり略有底筒状に形成されたコネクタ部５０と、コネクタ部５０と共に、インサート成形された駆動信号端子５１と電力供給端子５２とによって構成されている。
コネクタ部５０の先端側には、ハウジング部ボス部１６１との嵌合や螺合によりコネクタ５をハウジング部１６に固定するコネクタ保持部５４が形成されている。
コネクタ５の中間には、コネクタ基底部５３が形成され、駆動信号端子５１と電力供給端子５２とが保持固定されている。
さらに、コネクタ基底部５３の先端側の筒状部分は、ボス部１６１の内側と共に制御部４を収容する制御部収容空間５００を形成している。
コネクタ５の基端側には、筒状のコネクタ部５０（雌コネクタ）が形成され、ワイヤハーネス８の端部に設けられたハーネス側コネクタ部８０（雄コネクタ）との嵌合により、コネクタ部５０の内側に露出した駆動信号端子５１と電力供給端子５２とからなる雄端子５１、５２と、図１（ｃ）、（ｄ）に示すような、ハーネス側コネクタ部８０の内側に収容された駆動信号端子８１と電力供給端子８２とからなる雌端子８１、８２とを接続することにより、導通状態となり、外部に設けたＥＣＵ９からの駆動信号ＳＩの伝達と、電源電圧＋Ｂの供給と、を可能としている。

制御部収容空間５００内に載置された制御部４は、少なくとも、発熱体１０への通電を開閉制御する半導体開閉素子（ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ、以下ｎ−ＭＯＳと称す。）２と、ｎ−ＭＯＳ２を駆動する下流側駆動回路（ローサイドゲートドライバ、以下、適宜ＬＧＤと称す。）３とを含み、モールド樹脂によってパッケージされ、リードフレームによって所定の入出力端子が引き出されている。
具体的には、図１に示すように、駆動信号端子５１とＳＩ端子とが駆動信号線１３０を介して接続され、ＧＮＤ端子とハウジング部１６のボス部１６１とが接地用信号線１４０を介して接続され、電力供給端子５２と＋Ｂ端子とが電力線１２１を介して接続され、さらに電力供給端子５２とグロープラグ１の一方のリード部１２とが導通線１２０を介して接続され、Ｖ_ＤＤ端子と発熱体１の他方のリード部１１とが導通線１１０を介して接続されている。
また、制御部４は、ヒートシンクを設けて、ハウジング部１６のボス部１６１の内周に密着させ、ハウジング部１６を介して、ｎ−ＭＯＳ２で発生した熱を気筒７０に放熱するようにしても良い。

本実施形態における制御部４は、図２に示すように、発熱体１０への通電を開閉制御するｎ−ＭＯＳ２と、ｎ−ＭＯＳ２を駆動するＬＧＤ３とによって構成されている。
ｎ−ＭＯＳ２は、基本構造として、ＤＭＯＳ（Ｄｏｕｂｌｅ-ＤｉｆｆｕｓｅｄＭＯＳＦＥＴ）と呼ばれるｎ型不純物の濃度の高いｎ＋基板の表面に形成したｎ型不純物の濃度の低いｎ−エピタキシャル層に表面に、低濃度のｐ型層と高濃度のｎ＋層とが形成された二重拡散構造を有し、大電流の制御を可能とするｎ―チャンネルパワーＭＯＳＦＥＴが用いられている。

ｎ−ＭＯＳ２は、グロープラグ１の下流側に設けられ、ＬＧＤ３によって開閉駆動されるように配設されている。
ｎ−ＭＯＳのドレイン端子Ｄは、発熱体１の一方のリード部１１と通電線１１０を介して接続されている。
ｎ−ＭＯＳ２のソース端子Ｓは、通電線１４０を介して、ハウジング部１６に接続され、ハウジング部１６を介して接地された状態となっている。
ｎ−ＭＯＳ２のゲート端子Ｇは、ＬＧＤ３の出力Ｖ_ＯＵＴと接続されている。

ＬＧＤ３は、駆動電圧として電源電圧＋Ｂが駆動電圧端子（＋Ｂ端子）に入力され、外部に設けたエンジン制御装置（ＥＣＵ）９から内燃機関７の運転状況に応じて発信される駆動信号ＳＩを入力として、駆動信号ＳＩのＨｉ、Ｌｏにしたがって、電源電圧＋Ｂに等しい電圧を最大電圧とする出力電圧Ｖ_ＯＵＴとして、ｎ−ＭＯＳ２のゲート端子Ｇに印加する。
一方、ｎ−ＭＯＳ２のドレイン端子Ｄは、負荷となる発熱体１０の下流側に接続され、ソース端子Ｓは、接地されているので、駆動信号ＳＩのＨｉＬｏにしたがって、ゲート閾値電圧よりも高いゲート電圧Ｖ_ＧＧが印加されることになるので、ｎ−ＭＯＳ２の安定した駆動が行われる。

本実施形態において、金属スリーブ１５と絶縁体１３との間で、従来のように、電気的な接続を考慮する必要がなく、リード部１１、１２は、通電線１１０、１２０を介してＶ_ＤＤ端子及び電力供給端子５２に接続されており、図１に示すように、通電線１１０、１２０の一部をコイル状に巻いて伸縮可能とすることも可能で、温度変化によるリード部１１、１２の伸縮を通電線１１０、１２０の伸縮部の弾性によって完全に吸収し、接続部分の剥離を回避し耐久性を向上させることもできる。
なお、本実施形態においては、ｎ―ＭＯＳ２と、ＬＧＤ３とを一つのパッケージ内に収容した構成を示してあるが、ｎ−ＭＯＳ２と、ＬＧＤ３とをパッケージ内に収容することなく、ベアチップを制御部収容空間５００内に載置するようにして、制御部収容空間５００の容積を小さくし、さらなる小型化を図ることもできる。
また、制御部収容空間５００内に、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂等の絶縁性樹脂と炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、
マグネシア、アルミナ、結晶性シリカ、溶融シリカ等の）絶縁性で高熱伝導性のフィラーと充填して、制御部４の放熱性の向上と、外部からの振動に対する耐久性の向上を図るようにしても良い。

ここで、図３、図４を参照して、比較例として、絶縁体１３ｚの内部に埋設した発熱体１０ｚに接続された一対のリード部１１ｚ、１２ｚの一方の端を、絶縁体１３ｚの基端側側面に引き出して、金属スリーブ１５ｚに接続して、接地状態とした従来のグロープラグ１ｚの上流側に制御部４ｚを設けた場合の問題点について詳述する。
なお、比較を容易にするため上記実施形態における制御部一体型グロープラグ６と同じ構成については同じ符号を付し、対応する構成において相違点のあるものについては、同じ符号に枝番としてｚの符号を追加して示してある。

グロープラグ１ｚでは、接地電極１１０ｚを絶縁体１３ｚの基端側側面に引き出して、絶縁体１３ｚをロウ付け部１５１ｚによって金属スリーブ１５ｚに接続すると同時に、接地電極１１０ｚを金属スリーブ１５ｚに接続し、ハウジング部１６ｚを介して気筒７０に接地状態としている。
このため、グロープラグ１ｚの発熱したときや、被加熱流体７００が高温となったときなどに金属スリーブ１５ｚの熱膨張係数と絶縁体１３ｚの熱膨張係数の差によって、接地電極１１０ｚと金属スリーブ１５ｚとの接続部分に引っ張り応力が作用し、接地電極１１０ｚと金属スリーブ１５ｚとの間の接触抵抗が大きくなったり、比較的高温に晒され易い金属スリーブ１５ｚに接続された接地電極１１ｚを構成する金属が、長期の使用によって、絶縁体１３ｚ内に拡散するマイグレーション現象等を引き起こしたりして、グロープラグが劣化し、発熱温度の低下を招く虞がある。

制御部４ｚでは、ｎ−ＭＯＳ２ｚのドレイン・ソース間に流れる電流量を多くするためには、チャージポンプ（ＣＧＰ）３１ｚに、比較的大きな容量のコンデンサＣ_１、Ｃ_２を用いる必要があり、ＨＧＤ３ｚ内に内蔵できる容量のコンデンサでは、容量不足となるため、外部に容量の大きなコンデンサＣ_１、Ｃ_２を載置することとなる。
比較例において、ＣＧＰ３１ｚは、＋Ｂに接続された第１のダイオードＤ_１と、第１のダイオードＤ１に直列に接続された第２のダイオードＤ_２と、とＨＧＤ３ｚの出力Ｖ_ＯＵＴから、第１のダイオードＤ_１と第２の第オードＤ_２との間に接続され、ＨＧＤ３ｚの外部に載置される第１のコンデンサＣ_１と、第２のダイオードＤ２と接地ＧＮＤとの間に接続され、ＨＧＤ３ｚの外部に載置される第２のコンデンサＣ_２とによって構成されており、外部から発信された駆動信号ＳＩのＨｉＬｏ切換に同期して、発振回路３１０ｚから発振された、例えばパルス周期変調（ＰＦＭ）信号にしたがって、駆動信号ＳＩがＨｉのときには、第１のダイオードＤ１を経由して第１のコンデンサＣ_１に入力電圧＋Ｂを充電し、入力電圧が第１のコンデンサＣ_１の電圧と等しくなる。
駆動信号ＳＩがＬｏのときには、第１のコンデンサＣ_１に充電された電圧＋Ｂに、入力電圧＋Ｂが重畳して、入力電圧＋Ｂの２倍の電圧が第２のコンデンサＣ_２が充電され、駆動信号ＳＩがＨｉとなったときに、第２のコンデンサＣ２から入力電圧＋Ｂの２倍の出力電圧Ｖ_ＣＣＧがＨＧＤ３０ｚの駆動電圧として印加され、駆動信号ＳＩに同期して、入力調整回路３００ｚから発振された、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号に従って、ＨＧＤ３０ｚからｎ−ＭＯＳ２ｚのゲート電圧Ｖ_ＧＧとして、電源電圧＋Ｂの２倍の電圧を印加することができる。

しかし、グロープラグ１ｚへの通電を開閉制御するためのｎ−ＭＯＳ２ｚを上流側で駆動するＨＧＤ３ｚには、外部に設けたコンデンサＣ１、Ｃ２との接続を図るための入出力端子が必要となり、必然的に制御部４ｚの体格増大を招くことになる。
特に、ｎ−ＭＯＳ２ｚの耐熱温度は、１５０〜１７５℃であるのに対して、ＣＧＰ３１ｚに用いられる外部コンデンサＣ_１、Ｃ_２の耐熱温度は、１０５〜１２０℃程度であるため、高温に発熱するグロープラグ１からの熱の影響をできるだけ廃除するのが望ましく、このようなＨＧＤ３ｚをグロープラグ１の頭部に一体的に収容する場合に収容部５００ｚの容積を大きくする必要が生じる。

このため、図３に示すように、駆動信号端子５１ｚと、制御部４ｚの＋Ｂ端子とが駆動信号線１３０ｚを介して接続され、電力供給端子５２ｚと制御部４ｚの＋Ｂ端子とが電力線１２１ｚを介して接続され、制御部４ｚのＶ_ＳＳ端子とグロープラグ１ｚの一方のリード部１２と電力線１２０ｚを介して接続され、制御部４ｚの出力Ｖ_ＯＵＴと第１のコンデンサＣ_１の一方の端子（Ｖ_ＯＵＴ端子）とが電力線１３１ｚを介して接続され、第１のコンデンサＣ_１の他方の端子（Ｖ_Ｌ端子）と制御部４ｚの入力Ｖ_Ｌ端子とが電力線１３２ｚを介して接続され、制御部４ｚのチャージ出力Ｖ_ＣＣＧと第２のコンデンサＣ_２のＶ_ＣＣＧ端子とが電力線１４２ｚを介して接続され、第２のコンデンサＣ_２のＧＮＤ端子と制御部４ｚのＧＮＤ端子とが電力線１４１ｚを介して接続され、さらに制御部４ｚのＧＮＤ端子とハウジング部１６ｚのボス部１６１ｚとが接地用信号線１４０ｚを介して接続されている。
このように、負荷（グロープラグ１ｚ）の上流側に制御部４ｚを設けた場合、図１に示した本願の実施例に比べて遙かに配線が複雑となり、その分だけ製造コストも増加する。
また、制御部４ｚから発生する熱の影響が少なくなるように、十分な距離を設けて第１のコンデンサＣ_１、第２のコンデンサＣ_２を配設するなどの、第１のコンデンサＣ_１、第２のコンデンサＣ_２、及び制御部４ｚの放熱性を考慮して配置し、固定するための手間と、制御部収容空間５００ｚの容積を大きくすることも必要となる。

図５を参照して、本発明の第２の実施形態における制御部一体型グロープラグ６ａについて説明する。
上記実施形態においては、制御部４をＬＧＤ３とｎ−ＭＯＳ２とによって構成した、最も基本的なものを示したが、本実施形態においては、制御部４ａにグロープラグ１の断線や過電流を検出し、異常の有無を判定する自己診断装部（ＤＩＵ）３２を設けた点が相違する。
本実施形態においては、制御部４ａとして、上記第１の実施形態と同様の構成に加えて、グロープラグ１と、下流側に設けたｎ−ＭＯＳ２との間に電流検出手段として、シャント抵抗Ｒ_Ｓを介装し、シャント抵抗Ｒ_Ｓの両端の電位差を検出する第１の電位差検出手段ＣＭＰ_１と、第１の電位差検出手段ＣＭＰ_１の出力結果を閾値判定して異常の有無を判定し、自己診断信号ＤＩとして発信する第２の電位差検出手段ＣＭＰ２を設け、コネクタ５内に、電源入力端子５１、駆動信号入力端子５２、自己診断信号出力端子５３を設けてある。
このような構成においても、上記実施形態と同様、負荷（グロープラグ１）の下流側に制御部４ａを設けることにより、制御部４ａを簡素化することが可能で、ｎ−ＭＯＳ２と、ＬＧＤ３０と、ＤＩＵ３２とを一つのＩＣチップ内に形成することができる。

図６を参照して、本発明の第３の実施形態における制御部一体型グロープラグ６ｂについて説明する。
上記第２の実施形態においては、電流検出手段として、シャント抵抗Ｒ_Ｓを設けた例を示したが、本実施形態においては、ｎ−ＭＯＳの内部にカレントミラー回路を設け、これを電流検出手段として利用した自己診断部（ＤＩＵ）３２ｂを設けた点が相違する。
グロープラグ１に発熱体１０として、電導性セラミック抵抗体を用いた、いわゆるセラミックグロープラグにおいては、発熱体１０の抵抗値が温度上昇と共に極めて広い範囲で変化し、突入時には、１００Ａ程度の大電流が流れ、安定制御時には、数Ａ程度に下がる。このため、上記第２の実施形態のように、シャント抵抗Ｒ_Ｓをグロープラグ１の電力供給ライン上に介装して電流検出を行う場合に、シャント抵抗ＲＳの抵抗値を、高い電流値に合わせて小さい抵抗値に設定すると、低い電流値の検出が困難となる虞があり、また、低い電流値に合わせて比較的大きな抵抗値に設定すると、始動時の突入電流によるエネルギーロスが増加し、グロープラグ１の昇温スピードも遅くなる虞がある。

一方、実際のｎ―ＭＯＳ２においては、一般的に、複数（ｎ個）のトランジスタセルを並列に形成して大きな電流を制御できるようになっている。
そこで、本実施形態においては、ｎ−ＭＯＳ２を構成する複数のトランジスタセルの一部を利用して、本図に示すようにカレントミラー回路を構成し、ミラー電流（Ｉ_ＬＤ／ｎ）を検出することによって、グロープラグ１への通電に損失を与えることなくグロープラグ１に流れる電流Ｉ_ＬＤを算出し、異常の有無を検出するように構成してある。

本実施形態におけるＤＩＵ３２は、ｎ−ＭＯＳ２のトランジスタセルの一部に流れる電流（Ｉ_ＬＤ／ｎ）をミラー回路側に設けたシャント抵抗Ｒ_Ｓによって検出し、これを、閾値判定また、本実施形態において、複数のミラー回路を利用して、電流値の大きな変化に対して測定レンジの異なる複数の電流検出抵抗Ｒ_Ｓを設けることによって、より一層精度良くグロープラグ１に流れる電流（Ｉ_ＬＤ）を検出することが可能となり、異常検出に利用することができる。
なお、一般的に、ｎ−ＭＯＳ２ｂは、ドレインとなる＋ｎ層をベース基板として、多層構造で作り込まれるため、本実施形態において、ＤＩＵ３２ｂをｎ−ＭＯＳ同時に作り込むためには、本図に示すように、ＤＩＵ３２ｂは、ソース側に形成することになる。
したがって、ｎ−ＭＯＳ２ｂ、ＬＧＤ３０、ＤＩＵ３２ｂをそれぞれ独立の素子で形成しパッケージに収める場合には、ＤＩＵ３２ｂをｎ−ＭＯＳ２ｂの上流側に接側しても良い。

本発明は、制御部の簡素化による小型化の効果に加え、いわゆるセラミックグロープラグと制御部とを一体化した場合に、グロープラグの上流側に制御部を設けた場合のように、熱膨張係数の異なる発熱体の接地電極と金属スリーブとを接続する必要がないので、耐久性向上に特に優れた効果を発揮し得るものであり、上記実施形態においては、発熱体して、セラミック抵抗体を用いた例について説明したが、本発明を、特許文献１にあるような発熱体として金属抵抗体を用いた場合に適用することも可能である。
この場合においても、制御部を簡素化し、装置の小型を可能とする効果を発揮できる。

１グロープラグ
１０発熱体
１１、１２リード部
１１０、１２０、１２１、１３０、１４０通電線
１３絶縁体
１５スリーブ
１５１ロウ付け部
１６ハウジング部
１６０ハウジング部六角部
１６１ハウジング部ボス部
１６２ハウジング部筒状部
１６３ハウジング部ネジ部
２半導体開閉素子（ｎ−ＭＯＳＦＥＴ）
３下流側駆動回路（ローサイドゲートドライバ、ＬＧＤ）
４グロープラグ通電制御部（ＧＣＵ）
５コネクタ
５０コネクタ部（雌コネクタ）
５００素子収容部
５１駆動信号端子（雄端子金具）
５２電力端子（雄端子金具）
５３コネクタ基底部
５４コネクタ保持部
６制御部一体型グロープラグ（ＣＭＢＧＰ）
７内燃機関
７０燃焼室壁部（シリンダヘッド）
７００燃焼室
８ワイヤハーネス
８０雄コネクタ
８１、８２雌端子金具
９電子制御装置（ＥＣＵ）
＋Ｂバッテリ電圧
ＳＩ駆動信号

特表２００３−５０９６５２号公報特開２００６−１５３２９３号公報特開２００７−２１４６４７号公報

Claims

通電により発熱する発熱体を内蔵するグロープラグと、上記発熱体への通電を外部からの駆動信号にしたがって開閉制御する制御部と、先端側で上記発熱体を保持して、被加熱流体中に固定すると共に、基端側に上記発熱体及び上記制御部に外部電源から駆動電圧の供給及び上記駆動信号の伝達可能とするコネクタ部を保持する略筒状のハウジング部とを具備して、上記グロープラグと上記制御部とを一体化した制御部一体型グロープラグであって、
上記制御部が、少なくとも、上記発熱体の下流側に配設し、接地せしめたｎチャンネルＭＯＳＦＥＴからなる半導体開閉素子と、該半導体開閉素子を上記駆動信号にしたがって開閉駆動する下流側駆動回路とを具備し、
上記ハウジング部と上記コネクタ部との間に区画した制御部収容空間に、該制御部を配設せしめたことを特徴とする制御部一体型グロープラグ。
上記ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴが、二重拡散構造（ＤＭＯＳ）を有するパワーＭＯＳＦＥＴである請求項１に記載の制御部一体型グロープラグ。
上記コネクタ部が内側に上記駆動信号を伝達する駆動信号端子と上記駆動電圧を伝達する駆動電圧端子とを収容し、
上記駆動信号端子と上記制御部とを接続する駆動信号線の一部と、
上記駆動電圧端子と上記制御部とを接続する電力線の一部と、
上記駆動電圧端子と上記グロープラグの入力端子とを接続する電力線の一部とに伸縮可能な伸縮部を設けた請求項１又は２に記載の制御部一体型グロープラグ。
上記制御部が、上記発熱体に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段によって検出した電流を閾値判定し、上記グロープラグの異常を検出する自己診断部を具備する請求項１ないし３のいずれかに記載の制御部一体型グロープラグ。