JP5989410B2 - 圧力センサ付きグロープラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサ付きグロープラグに関する。

内燃機関の燃焼室に配置されるためのペンシルタイプのグロープラグは、ハウジングと、一部がハウジングから突き出す棒状のヒータと、ハウジングの内部に配置される圧力センサとを備える。圧力センサは、燃焼室内の現在の圧力に起因して生じる棒状のヒータへの加圧を検出するために、棒状のヒータの一端に動作可能に接続される。圧力センサは、ハウジングに接続された固定部材の他端に支持される。メンブレンは、内燃機関の燃焼室に対してハウジング内の内部空間をシールする。上記圧力センサを用いて圧力測定の正確性が改善される実施形態を用いることによって、圧力バランス構成が達成される（例えば、特許文献１）。

国際公開第２００９／０５３１７０号

上記の先行技術が有する課題は、メンブレンについて、疲労耐久性および耐熱衝撃性の向上を両立させるのが難しいことである。ここで言う耐熱衝撃性とは、メンブレンへの熱衝撃によって生じる測定誤差に対する耐性である。メンブレンへの熱衝撃とは、メンブレンが急激に加熱されることである。この加熱は、燃焼室の急激な温度上昇によって生じる。メンブレンに熱が加わると、メンブレンが熱膨張する。メンブレンが熱膨張すると、その膨張による力がヒータに作用するので、測定に誤差を生じさせてしまう。

疲労耐久性および耐熱衝撃性は、メンブレンとヒータとの接合部から、メンブレンにおける曲げ部までの距離に依存する。その距離が長くなると、疲労耐久性は向上するのに対し、耐熱衝撃性は悪化する。逆もまた然りである。よって、疲労耐久性および耐熱衝撃性の向上を両立させるのは難しい。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態または適用例として実現できる。

適用例１：軸線方向に延びる筒状のハウジングと；後端部が前記ハウジング内に配置され、先端部が前記ハウジングの先端から突き出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と；一端が前記ハウジングに接続されると共に他端が前記ヒータ部に接続され、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ヒータ部と前記ハウジングとを連結するメンブレンと；前記ヒータ部を介して伝達する力を利用して、燃焼室内の圧力を測定する圧力センサと；を備える圧力センサ付きグロープラグであって；前記メンブレンは、前記ヒータ部に対して、前記軸線方向について２箇所以上で接合されていることを特徴とする。この適用例によれば、メンブレンについて、疲労耐久性及び耐熱衝撃性の向上を両立させることができる。メンブレンとヒータ部との２箇所以上の接合のうち、メンブレンの曲げ部に最も近い位置における接合（以下「後端側の接合」とも言う）によって、耐熱衝撃性が向上する。これに加え、後端側の接合以外の接合（以下「先端側の接合」とも言う）によって、疲労耐久性が向上する。よって、上記両立が実現される。

適用例２：適用例１に記載の圧力センサ付きグロープラグであって；前記２箇所以上での接合のうちの１つは、前記メンブレンの端部に位置すると共に、溶接による接合であることを特徴とする。この適用例によれば、メンブレンの耐熱衝撃性を向上させることができる。メンブレンの端部における溶接接合は、径方向への膨らみを伴う場合が多い。この径方向への膨らみは、燃焼室からのガスの流れを、径方向外側へ変化させる。この変化によって、上記端部よりもガス流れの下流に位置するメンブレンの部位は、上記ガスによる加熱を受けにくくなる。よって、メンブレンの耐熱衝撃性が向上する。

適用例３：適用例１又は適用例２に記載の圧力センサ付きグロープラグであって；前記２箇所以上での接合のうち先端側の接合は、レーザ溶接による接合であることを特徴とする。この適用例によれば、後端側の接合の自由度が向上する。先端側の接合にレーザ溶接を用いることによって、メンブレンとヒータ部との間の気密を、先端側の接合によって確保できる。気密の確保を先端側の接合において実現すれば、後端側の接合において、気密を確保する必要はなくなる。よって、後端側の接合の自由度が向上する。例えば、スポット溶接などを採用しても良い。接合が３箇所以上ある場合、レーザ溶接による先端側の接合は、２箇所以上の先端側の接合のうちの少なくとも何れか１つである。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することもできる。例えば、圧力センサ付きグロープラグの製造方法等の形態で実現できる。

圧力センサ付きグロープラグの構成図。 キャップ部近傍の拡大断面図。 図２のＡ部の拡大図。

グロープラグ１００の概略構成：
図１は、圧力センサ付きグロープラグ１００（以下「グロープラグ１００」と略す）の構成を示す。図１（Ａ）は、グロープラグ１００の全体構成を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に対して一部分を断面に置き換えた図である。図１における下側をグロープラグ１００の先端側と、上側を後端側と定義する。

グロープラグ１００は、ハウジング１３０と、ヒータ部１５０と、圧力センサ１６０と、メンブレン１８０とを備える。ハウジング１３０は、主体金具１１０とキャップ部１２０とを備える。

主体金具１１０の材料は、炭素鋼やステンレス鋼などである。主体金具１１０の形状は、略円筒状である。主体金具１１０の内部には、圧力センサ１６０が配置される。圧力センサ１６０は、ヒータ部１５０から受ける力に応じた電気信号を出力する。主体金具１１０の後端側には、ネジ部１１４が備えられる。ネジ部１１４は、グロープラグ１００をシリンダヘッドに固定するためのネジ溝（図示せず）を備える。ネジ部１１４の後端部には、工具取付部１１２が形成されている。工具取付部１１２は、グロープラグ１００を内燃機関に取り付けるための工具が取り付けられる。

工具取付部１１２の後端部には、複数の配線１１６が挿入されている。複数の配線１１６は、ハウジング１３０内の集積回路１６６と中軸１７０（図２と共に説明）とに電気的に接続される。集積回路１６６は、圧力センサ１６０からの電気信号を配線１１６経由で外部に出力する。主体金具１１０の先端には、キャップ部１２０が形成されている。キャップ部１２０の材料は、炭素鋼やステンレス鋼などである。

図２は、キャップ部１２０近傍の拡大断面図である。キャップ部１２０の後端側には、円筒部１２２が形成される。キャップ部１２０の先端側には、テーパ部１２４が形成されている。テーパ部１２４の径は、先端側に向かうに連れて小さくなる。

キャップ部１２０近傍には、センサ固定部材１３２と、伝達スリーブ１３４と、メンブレン１８０とが設けられる。センサ固定部材１３２は、圧力センサ１６０をハウジング１３０内に固定する。センサ固定部材１３２の材料は、ステンレス鋼などである。センサ固定部材１３２は、主体金具１１０の内周に沿って配置されている。センサ固定部材１３２の先端近傍には、鍔状のフランジ部１３３が形成されている。フランジ部１３３は、主体金具１１０の先端面とキャップ部１２０の後端面とに溶接されている。

伝達スリーブ１３４は、軸線Ｏに沿ったヒータ部１５０の変位を圧力センサ１６０に伝達する。伝達スリーブ１３４の材料は、ステンレス鋼などである。伝達スリーブ１３４の形状は、略円筒状である。伝達スリーブ１３４の先端は、フランジ部１３３付近において、ヒータ部１５０の外周に溶接されている。

ヒータ部１５０は、シース管１５２と発熱コイル１５４と絶縁粉末１５５とを備える。シース管１５２の材料は、ステンレス鋼などである。シース管１５２は、先端部が半球状に閉塞し、後端が主体金具１１０内において開口している。発熱コイル１５４は、巻線型抵抗である。発熱コイル１５４は、シース管１５２の先端側内部に配置されている。ヒータ部１５０には、中軸１７０が挿入される。中軸１７０は、金属製の棒状部材である。発熱コイル１５４の後端は、中軸１７０の先端に固定される。発熱コイル１５４には、配線１１６及び中軸１７０を通じて電力が供給される。

シース管１５２内には、発熱コイル１５４との隙間に、絶縁粉末１５５が充填されている。絶縁粉末１５５の材料は、例えば酸化マグネシウムである。シース管１５２の開口された後端と中軸１７０との間には、シール部材１５６（図１参照）が挿入されている。シール部材１５６は、絶縁粉末１５５をシース管１５２内に密封する。シース管１５２には、スウェージング加工が施されている。これにより、内部に充填された絶縁粉末１５５の緻密性が高められ、熱伝導効率を向上させている。ヒータ部１５０の後端側は、主体金具１１０内に配置される。ヒータ部１５０の先端側は、キャップ部１２０の開口部１２５から軸線方向ＯＤに向かって突出するように配置される。

メンブレン１８０は、第１の筒部１８１と、第２の筒部１８２と、接続部１８５とを備える。メンブレンの材料は、炭素鋼やステンレス鋼などである。第１の筒部１８１及び第２の筒部１８２は、軸線Ｏを軸線とする筒状に形成されている。第１の筒部１８１及び第２の筒部１８２は、接続部１８５を介して互いに接続されている。接続部１８５による接続部位は、滑らかに屈曲している。接続部１８５は、軸線Ｏに対して直交するように形成されている。第１の筒部１８１は、第１の溶接部２００によってセンサ固定部材１３２と溶接接続され、ひいてはハウジング１３０と接続される。第２の筒部１８２は、第２の溶接部２１２と第３の溶接部２１３とによってシース管１５２に溶接接続され、ひいてはヒータ部１５０と接続される。

第１の溶接部２００及び第３の溶接部２１３は、レーザ溶接によって形成されるので、燃焼室と主体金具１１０内との間の気密を確保することができる。第２の溶接部２１２は、多点のスポット溶接によって形成される。

ヒータ部１５０は、軸線Ｏに沿った外力が作用すると、軸線Ｏに沿って変位する。この変位の際に、メンブレン１８０が変形する。この変形が弾性変形となるように、メンブレン１８０は設計される。上記外力は、燃焼室内の圧力によって生じる。

図３は、図２のＡ部の拡大図である。図３は、第２の溶接部２１２及び第３の溶接部２１３の形状を模式的に示す。図３に示すように、第３の溶接部２１３は、第２の筒部１８２の端部に形成される。第３の溶接部２１３が端部に形成されることによって、図３に示すように、径の外側に向かって盛り上がる膨らみが形成される。

図３に示すように、ヒータ部１５０と第２の筒部１８２との間に、隙間２１５が存在する。隙間２１５は、溶接されない部位に生じる。隙間２１５が生じるのは、ヒータ部１５０と第２の筒部１８２との間にクリアランスを持たせるように、ヒータ部１５０と第２の筒部１８２との寸法が設計されているからである。図３に示すように、第２の溶接部２１２において、第２の筒部１８２は、径の内側に向かって窪んでいる。この窪みは、上記クリアランスが存在する場合に、溶接をすることによって生じる。

図３に示すように、第２の溶接部２１２の中心から、曲げ部までの部位（以下「ストレート部」と言う）の長さは、長さＬに設計される。この曲げ部とは、第２の筒部１８２と接続部１８５との間の曲げ部のことである。長さＬは、メンブレン１８０について、所望の疲労耐久性が確保できる程度に長く設計されるものであり、実験に基づき定める。

効果：
この実施形態によれば、下記の少なくとも１つの効果を得ることができる。メンブレン１８０について、疲労耐久性及び耐熱衝撃性の向上を両立させることができる。疲労耐久性が向上する理由は、先述したようにストレート部が、所望の疲労耐久性が確保できる程度に、長く設計されることである。

一方、耐熱衝撃性が向上する理由は、ストレート部の温度変化が抑制されることである。ストレート部の温度変化を抑制することは、耐熱衝撃性の向上に貢献する。ストレート部の温度変化が抑制される理由は、第３の溶接部２１３が存在することである。第３の溶接部２１３は、ヒータ部１５０と第２の筒部１８２との間に燃焼室からのガス（以下「燃焼ガス」と言う）が侵入することを防ぐ。この結果、燃焼ガスがストレート部を加熱することが抑制される。

これに加え、第３の溶接部２１３は、燃焼ガスが外側からストレート部を加熱することを抑制する。この外側とは、キャップ部１２０に面した側のことである。図３に示すように、第３の溶接部２１３の膨らみによって、燃焼ガスの流路が狭められる。さらに、図３に示すように、この膨らみによって、燃焼ガスの流れが径方向外側に向けられる。この結果、ストレート部付近はガス流れが澱み、ストレート部付近のガスの温度変化が抑制される。よって、燃焼ガスが外側からストレート部を加熱することが抑制される。

さらに、第２の溶接部２１２について、スポット溶接を採用できるようになる。第２の溶接部２１２は、気密を確保しなくても良いからである。
本実施形態は、上記の効果を、簡易な構成および製造方法によって得ることができる。

他の実施形態：
ヒータ部１５０と第２の筒部１８２との接合は、全てが溶接である必要はない。例えば、第３の溶接部２１３に代えてＯ−リングによって気密を確保しても良いし、第２の溶接部２１２や第３の溶接部２１３に代えて、絞まり嵌めや焼き嵌め等によって、接合を実現しても良い。
第２の溶接部２１２を、気密を確保できる溶接方法（レーザ溶接など）で形成しても良い。
第３の溶接部２１３は、第２の筒部１８２の端部に形成されなくても良い。この場合、第３の溶接部２１３によらずに、第２の筒部１８２の端部に膨らみを形成するのが好ましい。
ヒータ部１５０と第２の筒部１８２との接合箇所の数は、複数であればいくつでも良い。

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。

１００…圧力センサ付きグロープラグ
１１０…主体金具
１１２…工具取付部
１１４…ネジ部
１１６…配線
１２０…キャップ部
１２２…円筒部
１２４…テーパ部
１２５…開口部
１３０…ハウジング
１３２…センサ固定部材
１３３…フランジ部
１３４…伝達スリーブ
１５０…ヒータ部
１５２…シース管
１５４…発熱コイル
１５５…絶縁粉末
１５６…シール部材
１６０…圧力センサ
１６６…集積回路
１７０…中軸
１８０…メンブレン
１８１…第１の筒部
１８２…第２の筒部
１８５…接続部
２００…第１の溶接部
２１２…第２の溶接部
２１３…第３の溶接部
２１５…隙間

Claims (3)

1. 軸線方向に延びる筒状のハウジングと、
   後端部が前記ハウジング内に配置され、先端部が前記ハウジングの先端から突き出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、
   一端が前記ハウジングに接続されると共に他端が前記ヒータ部に接続され、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ヒータ部と前記ハウジングとを連結するメンブレンと、
   前記ヒータ部を介して伝達する力を利用して、燃焼室内の圧力を測定する圧力センサと
   を備える圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記メンブレンは、前記ヒータ部に対して、前記軸線方向について２箇所以上で接合されており、
   前記２箇所以上での接合は、溶接による接合である
   ことを特徴とする圧力センサ付きグロープラグ。
2. 請求項１に記載の圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記２箇所以上での接合のうちの１つは、前記メンブレンの端部に位置する
   ことを特徴とする圧力センサ付きグロープラグ。
3. 軸線方向に延びる筒状のハウジングと、
   後端部が前記ハウジング内に配置され、先端部が前記ハウジングの先端から突き出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、
   一端が前記ハウジングに接続されると共に他端が前記ヒータ部に接続され、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ヒータ部と前記ハウジングとを連結するメンブレンと、
   前記ヒータ部を介して伝達する力を利用して、燃焼室内の圧力を測定する圧力センサと
   を備える圧力センサ付きグロープラグの製造方法であって、
   前記メンブレンを、前記ヒータ部に対して、前記軸線方向について２箇所以上で溶接によって接合し、
   前記２箇所以上での接合のうち先端側の接合に、レーザ溶接を用いる
   ことを特徴とする圧力センサ付きグロープラグの製造方法。

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