JP6018230B2 - 圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの始動補助用として使用されるシース型グロープラグに筒内圧を検知するための圧力センサを一体化した圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法に関する。

従来、自己着火式内燃機関であるディーゼルエンジンでは、発熱部をセラミック材料によって構成したセラミックスヒータ型グロープラグが燃焼室内に設けられている。また、近年では、筒内圧を検出するための圧力センサをグロープラグと一体化した圧力センサ一体型グロープラグが実用化されている。

例えば、セラミックスヒータ型グロープラグは、燃焼室内に挿入するためのハウジングと、このハウジングから先端を突出させてハウジングに保持されたセラミックスヒータエレメントと、セラミックスヒータエレメントとハウジングとの間に配置された圧力センサとを備えて構成されている。この圧力センサ一体型グロープラグは、セラミックスヒータエレメントがダイヤフラム等の可撓部材によってハウジングに保持され、筒内圧によってセラミックスヒータエレメントがハウジング内を軸方向に変位し、この変位によって圧力センサが筒内圧を検出可能となっている。

セラミックスヒータエレメントは、セラミックスヒータと、セラミックスヒータを一端側に保持するとともに他端側がハウジングの内部孔に挿入されて固定された金属製外筒と、セラミックスヒータの電極に電気的に接続されて金属製外筒の他端側に導出された導電部と、を備えている。このようなセラミックスヒータエレメントを備えた圧力センサ一体型グロープラグにおいて、セラミックスヒータエレメントとハウジングとの間の間隙は燃焼室に対して可撓部材によって気密にされ、また、セラミックスヒータエレメント内は金属製外筒とセラミックスヒータと接合により気密にされている。これにより、例えば、ハウジングの後端側に設けられる電子基板が排気中の煤等によって破損する等の不具合を防ぐようにしている。

ここで、セラミックスヒータと金属製外筒との接合部のみでは、燃焼室内の熱負荷によって接合部が劣化して気密性が低下するおそれがあるため、シールエレメントとして低熱膨張係数を有する金属材料を用いて、このシールエレメントを金属製外筒に接合して気密を確保できるように構成したグロープラグが開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特表２０１０−５２１６４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のグロープラグは、シールエレメントと金属製外筒とを接合する工程が複雑になるおそれがある。また、特許文献１に記載のグロープラグは、シールエレメントと金属製外筒との接合部がハウジングの外部領域に位置し、燃焼室の高温に晒されやすい中で、この接合部の耐久性を十分に確保できないおそれがあった。

本発明はそのような問題を解決するためになされたものであり、圧力センサ一体型グロープラグにおいて、比較的簡単な製造工程で、長期間にわたる気密性を維持することが可能な圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室内に挿入されて使用される圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のセラミックスヒータエレメントと、圧力センサとを備え、前記セラミックスヒータエレメントが、金属製の可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記セラミックスヒータエレメントの変位によって前記燃焼室内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグにおいて、前記セラミックスヒータエレメントは、セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータを一端側に保持するとともに他端側がハウジングの内部孔に挿入されて固定された金属製外筒と、前記セラミックスヒータの一方の電極に電気的に接続されるとともに前記金属製外筒の他端側に導出された導電部と、を備え、前記金属製外筒が前記燃焼室に対してシールされており、前記シールを、前記セラミックスヒータエレメントの軸方向における少なくとも前記可撓部材よりも後端側に設けたことを特徴とする圧力センサ一体型グロープラグが提供され、上述した問題を解決することができる。

すなわち、本発明の圧力センサ一体型グロープラグは、セラミックスヒータエレメントをハウジングに保持する金属製の可撓部材よりも後端側の低温環境にシール部を設けることとしているために、燃焼室の高温によってシールが劣化して気密性が失われることを防ぐことができる。

また、本発明の圧力センサ一体型グロープラグを構成するにあたり、前記シールは、前記可撓部材よりも後端側で前記導電部と前記金属製外筒との間に設けられた第１のシール部であり、前記第１のシール部以外に、前記セラミックスヒータエレメントの軸方向における前記可撓部材よりも先端側で前記セラミックスヒータと前記金属製外筒との間に設けられた第２のシール部を備えることが好ましい。このように、可撓部材よりも後端側の第１のシール部以外に、先端側の第２のシール部を有することとすれば、気密性を高めつつ、比較的高温に晒されやすい先端側の第２のシール部が高熱によって劣化した場合であっても、低温環境にある第１のシール部によって気密性を維持することが可能となる。

また、本発明の圧力センサ一体型グロープラグを構成するにあたり、前記金属製外筒の後端側において前記導電部は絶縁性の固定部材を介して前記金属製外筒に保持されており、前記第１のシール部は前記固定部材と前記金属製外筒との間に設けられることが好ましい。このように第１のシール部を設けることとすれば、セラミックスヒータと金属製外筒との接合部である第２のシール部を形成する工程で、同時に第１のシール部を形成することができ、製造工程を簡略にすることができる。

また、本発明の圧力センサ一体型グロープラグを構成するにあたり、前記導電部が細径部を有することが好ましい。このように細径部を有する導電部とすれば、高温環境下でセラミックスヒータ等の熱膨張が生じた場合であっても、細径部において熱膨張による応力を緩和することができる。したがって、導電部とセラミックスヒータとの接合部が応力によって破損するおそれを低減することができる。

また、本発明の別の態様は、内燃機関の燃焼室内に挿入されて使用される圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のセラミックスヒータエレメントと、圧力センサとを備え、前記セラミックスヒータエレメントが、金属製の可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記セラミックスヒータエレメントの変位によって前記燃焼室内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグであって、前記セラミックスヒータエレメントは、セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータを一端側に保持するとともに他端側がハウジングの内部孔に挿入されて固定された金属製外筒と、前記セラミックスヒータの一方の電極に電気的に接続されるとともに前記金属製外筒の他端側に導出された導電部と、を備え、前記金属製外筒が前記燃焼室に対してシールされるセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法において、前記シールは、前記可撓部材よりも後端側で前記導電部と前記金属製外筒との間に設けられた第１のシール部と、前記セラミックスヒータエレメントの軸方向における前記可撓部材よりも先端側で前記セラミックスヒータと前記金属製外筒との間に設けられた第２のシール部と、を含み、前記第１のシール部及び前記第２のシール部を、同一の工程において形成することを特徴とする圧力センサ一体型グロープラグの製造方法である。

すなわち、本発明の圧力センサ一体型グロープラグの製造方法によれば、金属製外筒内を燃焼室に対してシールするための第１のシール部を、セラミックスヒータと金属製外筒との接合部である第１のシール部と同一の工程で同時に形成することができる。したがって、気密性を長期間維持することが可能な圧力センサ一体型グロープラグを効率的に製造することができる。

本発明の実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグの先端側の部分を示す部分断面図である。 本実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグの製造方法のうちのセラミックスヒータエレメントの製造工程について説明するために示す図である。 本実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグの製造方法のうちのセラミックスヒータエレメントの製造工程について説明するために示す図である。 本実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグの製造方法のうちのセラミックスヒータエレメントの製造工程について説明するために示す図である。

以下、本発明にかかる圧力センサ一体型グロープラグに関する実施の形態について、図面に基づいて具体的に説明する。
なお、以下に説明する圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法は、本発明の一態様を示すものであって本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。また、それぞれの図中において同じ符号が付されているものは、特に説明がない限り同一の構成要素を示しており、適宜説明が省略されている。

１．全体的構成
図１は、本発明の実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグ（以下、単に「グロープラグ」と称する。）１の先端側を部分的に示す軸方向断面図である。
図１に示すグロープラグ１は、セラミックスヒータ７を金属製外筒８の先端側で保持し、金属製外筒８の後端側をハウジング３の内部孔３ａ内に保持したシース型グロープラグとして構成されたものであって、例えば、ディーゼルエンジン等の自己着火型の内燃機関に用いられるグロープラグ１として構成されている。

このグロープラグ１は、ロッド状のセラミックスヒータエレメント２を有しており、セラミックスヒータエレメント２は、予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室に挿入され、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室に挿入されて、固定される。本明細書において「燃焼室」という場合には、燃焼室だけでなく予燃焼室も含むものとする。セラミックスヒータエレメント２は、セラミック製の発熱部であるセラミックスヒータ７を有するセラミックスヒータエレメント２として構成されている。

グロープラグ１は、ハウジング３を有している。このハウジング３は金属材料からなることが好ましい。ハウジング３は同心状の内部孔３ａを有しており、セラミックスヒータエレメント２の後端側は、部分的にハウジング３の内部孔３ａに配置され、ハウジング３の先端側に設けられた開口４の箇所でハウジング３から内燃機関の燃焼室の内部に突出可能になっている。

本実施形態において用いられているロッド状のセラミックスヒータエレメント２は、セラミックスヒータ７と金属製外筒８と導電部９とを有している。導電部９は金属等の導電性材料からなり、細径部９ａと太径部９ｂとによって構成されている。具体的には、細径部９ａとなるコネクティングワイヤを、太径部９ｂとなるエレクトロードセンタ内に挿入することで、細径部９ａ及び太径部９ｂからなる導電部９が構成されている。

細径部９ａの先端部はキャップ状に形成され、セラミックスヒータ７の後端部に設けられた正側電極と電気的に接続されている。導電部９に細径部９ａを設けることにより、燃焼室内の高温環境下でセラミックスヒータ７や金属製外筒８の熱膨張が生じた場合であっても、細径部９ａにおいて熱膨張による応力を緩和して、導電部９とセラミックスヒータ７との接合部が応力によって破損するおそれを低減することができる。

導電部９の太径部９ｂは電気配線１３に接続されており、この電気配線１３はハウジング３の後端側に導出されている。導電部９の後端側の太径部９ｂは、電気絶縁性の固定部材１２によって保持されて金属製外筒８の後端部に固定されている。本実施の形態にかかるグロープラグ１では、後述するように固定部材１２の外周面と金属製外筒８の内周面とがロウ材により接合されるために、固定部材１２はアルミナ等の絶縁性のセラミックからなっている。

ハウジング３の貫通孔３ａには、セラミックスヒータエレメント２及び図示しない圧力センサが固定された固定シリンダ部材２７が挿入されて固定されている。セラミックスヒータエレメント２は、固定シリンダ部材２７の先端側に接続された可撓性を有する金属性の可撓部材１５としての鋼ダイヤフラムを介して固定シリンダ部材２７に連結されている。すなわち、可撓部材１５としての鋼ダイヤフラムは一方ではハウジング３に、他方では円筒環状部１８においてセラミックスヒータエレメント２の金属製外筒８に、それぞれ結合されている。可撓部材１５は、セラミックスヒータエレメント２が、グロープラグ１のハウジング３の軸線方向において、ハウジング３に対して相対的に移動可能となるように、可撓性を有して形成されている。

なお、可撓性を有する金属性の可撓部材１５は、鋼ダイヤフラムに限定されるものではなく、ベローズ等、従来公知の圧力センサ一体型グロープラグに用いられている可撓部材１５とすることもできる。

図示しない圧力センサは、固定シリンダ部材２７の後端側の内部に配置されている。この圧力センサは、例えば圧電式のセンサ素子として構成することができる。この圧電式のセンサ素子は機械的な負荷を受けると電荷を発生させ、この電荷は圧力センサのコンタクト領域において検出可能となっている。検出された電荷は電気配線等を通じてグロープラグ１のハウジング３から導出される。圧力センサは、燃焼室等から遠い方の側（後端側）においてハウジング３に結合された固定シリンダ部材２７に固定されている。他方において、圧力センサは力伝達スリーブ２８を介してセラミックスヒータエレメント２に結合されている。この場合、セラミックスヒータエレメント２は主としてその金属製外筒８の部分で力伝達スリーブ２８に支持されている。

グロープラグ１が組み付けられた状態では、内燃機関の燃焼室内の圧力に基づいて、セラミックスヒータエレメント２に作用する力が発生する。この力はグロープラグ１の軸線方向でセラミックスヒータエレメント２に作用する。この力は、力伝達スリーブ２８を介して圧力センサに伝達される。圧力センサは伝達された力に応じて電気配線等を介して検出信号を導出し、この検出信号から、燃焼室等に形成された圧力が測定される。燃焼室の内部に発生した圧力を精度よく測定するためには、セラミックスヒータエレメント２及び力伝達スリーブ２８がハウジング３に拘束されることなく、軸方向において自由に移動できる状態を確保することが必要となる。

一方で、構成部材の接合に用いるロウ材や、導電部９の温度が著しく高くなって耐熱温度を超えることのないように、セラミックスヒータエレメント２において生じた熱をハウジング３に効率的に伝達して、放熱することが必要となる。本実施の形態にかかるグロープラグ１の場合、セラミックスヒータ７の熱は、金属製の可撓部材１５を介してハウジング３に逃がされるように構成されている。

２．シール構造
ここで、本実施の形態にかかるグロープラグ１において、燃焼室で発生した排気がグロープラグ１の後端側へ侵入しないようにするシール構造を有している。セラミックスヒータエレメント２の外側は、可撓部材１５が金属製外筒８及びハウジング３にそれぞれ接合されており、燃焼室に対する気密性が確保されている。一方、金属製外筒８の内側には、第１のシール部２１及び第２のシール部２２が形成され、燃焼室に対する気密性が確保されている。

このうち、第２のシール部２２は可撓部材１５が設けられた位置よりも先端側に設けられて金属製外筒８とセラミックスヒータ７との間をシールする一方、第１のシール部２１は可撓部材１５よりも後端側に設けられて金属製外筒８と固定部材１２との間をシールする。

具体的に、第２のシール部２２は、セラミックスヒータ７の外周面に設けられた負側電極を含む領域の全周部分と金属製外筒８の内周面とをロウ材によって接合することによって形成される。すなわち、第２のシール部２２は、セラミックスヒータ７の負側電極と金属製外筒８とを電気的に接続し、セラミックスヒータ７及び金属製外筒８を接合する接合部が、第２のシール部２２として機能する。本実施の形態において、少なくとも第２のシール部２２では、セラミックスヒータ７の外周面全周にわたって金属製外筒８と接合され、シールされている。

また、第１のシール部２１は、金属製外筒８の後端側で導電部９の太径部９ｂを保持する絶縁性の固定部材１２の外周面全周と金属製外筒８の内周面とをロウ材によって接合することによって形成される。少なくとも第１のシール部２１では、固定部材１２の外周面全周にわたって金属製外筒８と接合され、シールされている。

セラミックスヒータ７と金属製外筒８、あるいは、固定部材１２と金属製外筒８を接合するためのロウ材は、例えば、銀ロウ（ＢＡｇ８）が用いられるが、これに限られるものではない。

第２のシール部２２は高温環境となる内燃機関の燃焼室に晒されるために、場合によっては、セラミックスヒータ７及び排気熱の影響を受けて熱劣化し、シール性が低下するおそれがある。これに対して、第１のシール部２１は低温環境に位置しており、セラミックスヒータエレメント２の熱をハウジング３に伝達する機能を有する可撓部材１５よりもさらに後端側に存在することから、第１のシール部２１の熱劣化のおそれは低く、これによりシール性は長期間にわたって維持される。

３．製造方法
次に、本実施の形態にかかるグロープラグ１の製造方法として、セラミックスヒータエレメント２部分の製造方法の一例について、図２〜図４を参照しつつ説明する。セラミックスヒータエレメント２の製造工程以外の工程については、従来行われている工程にしたがって実施することができるものであり、ここでの説明を省略する。

図２〜図４は、第１のシール部２１及び第２のシール部２２を備えたセラミックスヒータエレメント２の製造工程を説明するために示す図である。
まず、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、セラミックスヒータ７を準備するとともに、負側電極３３が設けられた領域の外周面にメタライズ層２４を形成する。メタライズ層２４自体は公知の方法に準じて形成することができる。

次いで、図３（ａ）に示すように、セラミックスヒータ７を金属製外筒８内に挿入して位置決めするとともに、セラミックスヒータ７と金属製外筒８とを接合するためのコイル状のロウ材１１ａを配置する。次いで、図３（ｂ）に示すように、金属製外筒８の後端側から導電部９を挿入し、導電部９の先端部をセラミックスヒータ７の後端部に当接させる。このとき、導電部９の細径部９ａには、導電部９とセラミックスヒータ７の後端部とを接合するためのコイル状のロウ材１１ｂが配置されている。

次いで、図４（ａ）に示すように、導電部９の後端側から固定部材１２を嵌挿するとともに金属製外筒８の後端部に嵌め込み、金属製外筒８を封止する。さらに、図４（ｂ）に示すように、固定部材１２と金属製外筒８との間の間隙、及び、導電部９の太径部９ｂと固定部材１２との間の間隙を接合するためのコイル状のロウ材１１ｃ，１１ｄを金属製外筒８の後端部及び固定部材１２上に配置する。その後、図４（ｃ）に示すように、それぞれの接合部を加熱してロウ材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを溶かすとともにそれぞれの間隙にロウ材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを流し込み、冷却することによってそれぞれの接合部を接合する。

このとき形成されるセラミックスヒータ７と金属製外筒８との接合部は第２のシール部２２として機能し、固定部材１２と金属製外筒８との接合部は第１のシール部２１として機能する。すなわち、本実施の形態のグロープラグの製造方法によれば、第１のシール部２１と第２のシール部２２とが同一の加熱工程及び冷却工程で形成されることとなる。これによりセラミックスヒータアセンブリ２０が得られる。

その後は図示しないが、セラミックスヒータアセンブリ２０を電気配線や圧力センサ、スリーブ、力伝達スリーブとともにハウジングに組み込むことによって、本実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグ１を得ることができる。

４．効果
以上説明したように、本実施の形態にかかるグロープラグ１によれば、セラミックスヒータエレメント７をハウジング３に保持する金属製の可撓部材としての鋼ダイヤフラム１５よりも後端側の低温環境に第１のシール部２１を設けることとしているために、燃焼室の高温によってシールが劣化して気密性が失われることを防ぐことができる。

また、本実施の形態にかかるグロープラグ１においては、鋼ダイヤフラム１５よりも後端側に設けられた導電部９の太径部９ｂと金属製外筒８との接合部を上記の第１のシール部２１とし、これ以外に、鋼ダイヤフラム１５よりも先端側のセラミックスヒータ７と金属製外筒８との接合部を第２のシール部２２としている。したがって、燃焼室に対する気密性を高めつつ、比較的高温に晒されやすい先端側の第２のシール部２２が高熱によって劣化した場合であっても、低温環境にある第１のシール部２１によって、長期間にわたって気密性を維持することが可能となる。

また、本実施の形態にかかるグロープラグ１においては、導電部９を固定するための固定部材１２と金属製外筒８との接合部を第１のシール部２１としているために、セラミックスヒータ７と金属製外筒８と接合部である第２のシール部２２を形成する工程で、同時に第１のシール部２１を形成することができ、製造工程を簡略なものとすることができる。

また、本実施の形態にかかるグロープラグ１においては、導電部９が細径部９ａを有することとしているために、高温環境下でセラミックスヒータ７等の熱膨張が生じた場合であっても、細径部９ａにおいて熱膨張による応力を緩和することができる。したがって、導電部９とセラミックスヒータ７との接合部が応力によって破損するおそれを低減することができる。

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室内に挿入されて使用される圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のセラミックスヒータエレメントと、圧力センサとを備え、前記セラミックスヒータエレメントが、金属製の可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記セラミックスヒータエレメントの変位によって前記燃焼室内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグにおいて、
   前記セラミックスヒータエレメントは、セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータを一端側に保持するとともに他端側がハウジングの内部孔に挿入されて固定された金属製外筒と、前記セラミックスヒータの一方の電極に電気的に接続されるとともに前記金属製外筒の他端側に導出された導電部と、を備え、前記金属製外筒が前記燃焼室に対してシールされており、
   前記シールを、前記セラミックスヒータエレメントの軸方向における少なくとも前記可撓部材よりも後端側に設け、
   前記圧力センサは、前記ハウジングに結合された固定シリンダ部材に固定されており、
   前記燃焼室内の圧力は、前記金属性外筒を支持する力伝達スリーブを介して前記圧力センサに伝達されることを特徴とする圧力センサ一体型グロープラグ。
2. 前記シールは、前記可撓部材よりも後端側で前記導電部と前記金属製外筒との間に設けられた第１のシール部であり、前記第１のシール部以外に、前記セラミックスヒータエレメントの軸方向における前記可撓部材よりも先端側で前記セラミックスヒータと前記金属製外筒との間に設けられた第２のシール部を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ一体型グロープラグ。
3. 前記金属製外筒の後端側において前記導電部は絶縁性の固定部材を介して前記金属製外筒に保持されており、前記第１のシール部は前記固定部材と前記金属製外筒との間に設けられることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ一体型グロープラグ。
4. 前記導電部が細径部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ一体型グロープラグ。
5. 内燃機関の燃焼室内に挿入されて使用される圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のセラミックスヒータエレメントと、圧力センサとを備え、前記セラミックスヒータエレメントが、金属製の可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記セラミックスヒータエレメントの変位によって前記燃焼室内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグであって、前記セラミックスヒータエレメントは、セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータを一端側に保持するとともに他端側がハウジングの内部孔に挿入されて固定された金属製外筒と、前記セラミックスヒータの一方の電極に電気的に接続されるとともに前記金属製外筒の他端側に導出された導電部と、を備え、
   前記圧力センサは、前記ハウジングに結合された固定シリンダ部材に固定されており、
   前記燃焼室内の圧力は、前記金属性外筒を支持する力伝達スリーブを介して前記圧力センサに伝達され、
   前記金属製外筒が前記燃焼室に対してシールされるセラミックスヒータ型グロープラグの製造方法において、
   前記シールは、前記可撓部材よりも後端側で前記導電部と前記金属製外筒との間に設けられた第１のシール部と、前記セラミックスヒータエレメントの軸方向における前記可撓部材よりも先端側で前記セラミックスヒータと前記金属製外筒との間に設けられた第２のシール部と、を含み、
   前記第１のシール部及び前記第２のシール部を、同一の工程において形成することを特徴とする圧力センサ一体型グロープラグの製造方法。

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