JPWO2013136658A1 - セラミックグロープラグ - Google Patents

Abstract

絶縁性セラミックからなる基体、及び、導電性セラミックからなり前記基体中に埋設された発熱素子を有し、軸線方向に延びるセラミックヒータと、前記セラミックヒータの先端側を自身の先端から突出させ、自身の内周において前記セラミックヒータの外周を保持する筒状の外筒と、前記セラミックヒータの後端側の周囲を取り囲み、自身を内燃機関の取付孔に取り付ける取付部を有する筒状のハウジングと、を備えたセラミックグロープラグであって、前記外筒は、前記ハウジングの先端部内に収容され、前記ハウジングの先端部の内径よりも自身の外径が小さくされる小径部と、前記小径部に接続すると共に、前記ハウジングの先端部よりも先端側に設けられ、前記ハウジングの先端部の内径より大径の大径部とを備え、前記ハウジングの先端部と前記大径部とが溶接接合されている。

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの予熱等に使用されるセラミックグロープラグに関する。

従来からディーゼルエンジンの予熱等にグロープラグが使用されている。また、このようなグロープラグとして、加熱用のヒータとして、セラミックヒータを用いたセラミックグロープラグも使用されている。

上記セラミックグロープラグでは、セラミックヒータは、絶縁性セラミックからなる基体、及び導電性セラミックからなり基体中に埋設された発熱素子を有する構成とされている。このようなセラミックヒータは、筒状に形成された金属製の外筒内に保持され、この外筒が、円筒状に構成され外周面に内燃機関の取付孔に螺合するためのねじ部を有する金属製のハウジングの先端側に圧入されて一体化された構成となっている。

また、上記外筒を、後端側に位置する小径部と、小径部の先端側に位置し小径部より大径の大径部とを備えた構成とし、小径部をハウジングの先端部に圧入し、大径部とハウジングの先端部との接触部分を外側から補強のため溶接接合した構成としたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−２０５１４８号公報

上述した従来のセラミックグロープラグでは、外筒がハウジングの先端部に圧入された構造となっている。このため、セラミックヒータには、外筒がセラミックヒータを保持するための、外筒から受ける圧力（面圧）に加え、ハウジングが外筒を圧入した際の、外筒がハウジングから受ける面圧も受けることとなり、ハウジングの寸法や材料特性によっては、セラミックヒータが受ける面圧が過度に上昇する場合がある。このとき、セラミックグロープラグがディーゼルエンジンから強い衝撃を受けて応力が発生した際に、もともとセラミックヒータが受けていた面圧にこの応力が重畳し、セラミックヒータが破損し易くなるという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、従来に比べてセラミックヒータの耐衝撃性の向上を図ることのできるセラミックグロープラグを提供することを目的とする。

本発明のセラミックグロープラグの一態様は、絶縁性セラミックからなる基体、及び、導電性セラミックからなり前記基体中に埋設された発熱素子を有し、軸線方向に延びるセラミックヒータと、前記セラミックヒータの先端側を自身の先端から突出させ、自身の内周において前記セラミックヒータの外周を保持する筒状の外筒と、前記セラミックヒータの後端側の周囲を取り囲み、自身を内燃機関の取付孔に取り付ける取付部を有する筒状のハウジングと、を備えたセラミックグロープラグであって、前記外筒は、前記ハウジングの先端部内に収容され、前記ハウジングの先端部の内径よりも自身の外径が小さくされる小径部と、前記小径部に接続すると共に、前記ハウジングの先端部よりも先端側に設けられ、前記ハウジングの先端部の内径より大径の大径部とを備え、前記ハウジングの先端部と前記大径部とが溶接接合されていることを特徴とする。

本発明のセラミックグロープラグでは、外筒が、ハウジングの先端部内に収容され、ハウジングの先端部の内径よりも自身の外径が小さくさる小径部と、小径部に接続すると共に、ハウジングの先端部よりも先端側に設けられ、ハウジングの先端部の内径より大径の大径部とを備えている。すなわち、小径部がハウジングの先端部に対して圧入された状態とはなっていない。したがって、セラミックヒータは、外筒から受ける面圧のみであり、ハウジングから外筒が受ける面圧を受けることがない。これによって、小径部をハウジングの先端部内に圧入することによって、セラミックヒータに面圧が加わる構成の場合に比べて、セラミックヒータを破損しにくくする（つまり、セラミックヒータの耐衝撃性を向上させる）ことができる。

ここで、小径部がハウジングに圧入されていないので、小径部の無い構成とすることも考えられる。しかしながら、外筒の大径部の後端側に、ハウジングの先端部に対して圧入状態となっていない小径部が配設されている構成とすることでセラミックヒータの耐衝撃性を向上させることができる。すなわち、仮に小径部が無い構成となっていた場合、外筒からセラミックヒータに加わる面圧を、セラミックヒータの大径部に収容されている部分で受けるのに対し、その後端側の収容されていない部分では殆ど受けず、大径部の後端面に対応する部位（以下、境界部という）で面圧が大きく変化する。このため、衝撃が加わった際に、セラミックヒータの大径部に収容されている部分とその後端側の収容されていない部分の境界部に応力が集中し、この境界部を起点にセラミックヒータが破損し易くなる。

これに対して、大径部の後端側に小径部が配設されている構成とすることで、外筒からセラミックヒータに加わる面圧が、大径部から小径部に向かって徐々に減少するので、セラミックヒータの小径部に収容されている部分とその後端側の収容されていない部分の第二境界部の面圧の差を小さくすることができ、衝撃が加わった際の第二境界部に加わる応力を緩和することができる。これによって、耐衝撃性を向上させることができる。

さらに、本発明のセラミックグロープラグでは、セラミックヒータが、外筒に圧入されて保持されてなる構成である。これにより、セラミックヒータを外筒に強固に保持することが可能となる。

なお、セラミックヒータが外筒に圧入されて保持されていると、セラミックヒータには、外筒から受ける面圧がより加わることとなり、強い衝撃が加わった際に、セラミックヒータが破損し易くなる傾向となる。これに対し、本発明では、外筒の小径部がハウジングの先端部に対して圧入された状態とはなっていないため、セラミックヒータは、外筒から受ける面圧のみであり、ハウジングから外筒が受ける面圧を受けることがない。よって、外筒から受ける面圧がより加わったとしても、耐衝撃性を維持することができる。

さらに、本発明のセラミックグロープラグでは、小径部の外周面と、ハウジングの内周面との間には、全周に亘って間隙が形成されている構成とすることができる。かかる構成とすれば、ハウジングと外筒との軸振れを抑制して同軸度を高めることができる。すなわち、小径部をハウジングの先端部内に圧入した構成とした場合、圧入する際にハウジングに外筒が曲がって挿入される場合があり、また、部品の公差がそのまま軸振れの要因となる。一方、小径部を、自身の外表面とハウジングの内周面との間に全周に亘って間隙が形成されている構成とすれば、圧入する際にハウジングに外筒が曲がって挿入されるようなことがなく、また、部品の公差がある場合でも、ハウジングと外筒とを溶接する際に位置決めすることにより、部品の公差に関係なく軸振れを抑制して同軸度を高めることができる。

また、本発明のセラミックグロープラグでは、小径部の後端部には、軸線方向後端側に向かって徐々に小径となるテーパ部が形成された構成とすることができる。これによって、外筒の肉厚が小径部においても先端側から後端側に向けて徐々に薄くなる構成となり、セラミックヒータの外筒に収容されている部分とその後端側の収容されていない部分の第二境界部の面圧の差をさらに小さくすることができる。これにより、衝撃が加わった際の第二境界部に加わる応力をさらに緩和することができ、耐衝撃性を一層向上させることができる。また、テーパ部が配設されていることよって、テーパ部が無い場合に比べて、小径部をハウジングの先端部内に容易に挿入することができる。

本発明によれば、従来に比べてセラミックヒータの耐衝撃性の向上を図ることのできるセラミックグロープラグを提供することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係るグロープラグの構成を示す断面図であり、（ｂ）は、正面図である。 図１のグロープラグの先端部を示す部分拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るセラミックグロープラグの構成を模式的に示すものであり、図１（ａ）は、セラミックグロープラグ１の縦断面構成を示し、図１（ｂ）は、セラミックグロープラグ１の外観構成を示している。また、図２は、セラミックヒータ４を中心に示す部分拡大断面図である。なお、図１，２においては、図の下側をセラミックグロープラグ１の軸線ＣＬ１方向先端側、上側を後端側として説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、セラミックグロープラグ１は、ハウジング２、中軸３、セラミックヒータ４、外筒５、及び、端子ピン６等を備えている。

ハウジング２は、所定の金属材料（例えば、Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼やステンレスなどの鉄系素材）によって形成されるとともに、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる軸孔７を有している。さらに、ハウジング２の長手方向中央部外周には、セラミックグロープラグ１を内燃機関の取付孔に組付けるためのねじ部８（特許請求の範囲の取付部に相当）が形成されている。ハウジング２の後端部外周には、断面六角形状をなす鍔状の工具係合部９が形成されており、内燃機関にグロープラグ１（ねじ部８）を組付ける際には、当該工具係合部９に、六角レンチ等の工具が係合されるようになっている。

また、ハウジング２の軸孔７内には、ハウジング２の内周面と間隔を空けた状態で、金属製で丸棒状をなす中軸３が収容されている。中軸３の先端部は、金属材料（例えば、ＳＵＳ等の鉄系素材）によって形成された円筒状の接続部材１０の後端部に圧入されている。また、接続部材１０の先端部には、セラミックヒータ４の後端部が圧入されている。これにより、中軸３とセラミックヒータ４とが接続部材１０を介して機械的かつ電気的に接続されている。なお、中軸３の先端側には、その外径が先端側に向けて細くされた括れ部１３が形成されており、当該括れ部１３により中軸３に伝わる応力の緩和などが図られている。

さらに、中軸３の後端部には、金属製の端子ピン６が、かしめ固定されている。また、端子ピン６の先端部とハウジング２の後端部との間には、両者の間における直接的な電気的導通を防止するために、絶縁性素材からなる絶縁ブッシュ１１が設けられている。さらに、軸孔７内の気密性の向上等を図るべく、ハウジング２及び中軸３の間には、絶縁ブッシュ１１の先端部に接触するようにして絶縁性材料からなるＯリング１２が設けられている。

外筒５は、ステンレス等の金属から筒状に構成されている。この外筒５内には、セラミックヒータ４が圧入されており、外筒５の内周において、セラミックヒータ４の軸線ＣＬ１方向に沿った外周面中間部分を保持している。セラミックヒータ４の先端部は、外筒５の先端から突出する一方で、セラミックヒータ４の後端部はハウジング２の軸孔７内に挿設されるとともに、外筒５の後端から突出している。

外筒５は、後端側に位置する比較的小径の小径部５１と、小径部５１よりも先端側に位置し、小径部５１の外径よりも外径が大きい大径部５２と、大径部５２より先端側に位置し、大径部５２よりも外径が小さい先端側小径部５３とを備えている。また、大径部５２と先端側小径部５３との間には、先端側に向けて先細るテーパ状の圧接部５４が形成されており、内燃機関の取付孔にセラミックグロープラグ１を取り付けた際に、取付孔の受け面に当接し、内燃機関内の気密を確保している。さらに、小径部５１の後端側端部には、テーパ部５１Ａが形成されている。

そして、図２に示すように、小径部５１の外径Ｄ１は、ハウジング２の先端部２Ａの内径Ｄ２より小さくされており、小径部５１は、ハウジング２の軸孔７に挿入された状態においても（ハウジング２の先端部２Ａ内に配置された状態においても）、ハウジング２の先端部２Ａに対して圧入された状態とはなっていない。なお、本実施形態では、ハウジング２の軸孔７の内径は、先端部２Ａだけでなく、全長に亘って一定とされている。また、本実施形態では、小径部５１の外周面とハウジング２の先端部２Ａの内周面との間には、全周に亘って間隙５５が形成されている。

他方、図２に示すように、大径部５２の外径Ｄ３は、ハウジング２の先端部２Ａの内径Ｄ２よりも大きくされており、ハウジング２の先端部２Ａ（詳細には、ハウジング２の先端面）と大径部５２（詳細には、大径部５２の後端向き面）とが、当接している。なお、本実施形態では大径部５２の外径Ｄ３は、ハウジング２の先端部２Ａの外径と略同一となっている。そして、小径部５１をハウジング２の軸孔７に挿入した状態で、ハウジング２の先端部２Ａと大径部５２とを全周に沿って溶接、例えばレーザー溶接を施すことで、溶接部５６が形成されている。

上記のとおり、本実施形態では、外筒５の小径部５１が、ハウジング２の先端部２Ａに対して圧入された状態となっていない。よって、セラミックヒータ４には、外筒５から受ける面圧のみであり、ハウジング２から外筒５が受ける面圧を受けることがない（本実施形態では、ハウジング２が外筒５に加える圧力が発生しない）。したがって、小径部５１をハウジング２の先端部２Ａ内に圧入することによって、セラミックヒータ４に面圧が加わる構成の場合に比べて、セラミックヒータ４を破損しにくくなり、セラミックヒータ４の耐衝撃性を向上させることができる。なお、このような効果は、小径部５１の外径Ｄ１が、ハウジング２の先端部２Ａの内径Ｄ２より小さくされており、小径部５１がハウジング２の先端部２Ａに圧入されていない構成となっていれば得られる。したがって、必ずしも本実施形態のように、全周に亘って間隙５５が形成されている構成としなくてもよい。

ここで、本実施形態では、小径部５１がハウジング２に圧入されていないので、小径部５１の無い構成とすることも考えられる。しかしながら、外筒５の大径部５２の後端側に、ハウジング２の先端部２Ａに対して圧入状態となっていない小径部５１が配設されている構成とすることでセラミックヒータ４の耐衝撃性を向上させることができる。すなわち、仮に小径部５１が無い構成となっていた場合、外筒５からセラミックヒータ４に加わる面圧を、セラミックヒータ４の大径部５２に収容されている部分で受けるのに対し、その後端側の収容されていない部分では殆ど受けず、大径部５２の後端面に対応する境界部で面圧が大きく変化する。このため、衝撃が加わった際に、セラミックヒータ４の大径部５２に収容されている部分とその後端側の収容されていない部分の境界部に応力が集中し、この境界部を起点にセラミックヒータ４が破損し易くなる。

これに対して、大径部５２の後端側に小径部５１が配設されている構成とすることで、外筒５からセラミックヒータ４に加わる面圧が徐々に減少するので、セラミックヒータ４の小径部５１に収容されている部分とその後端側の収容されていない部分の第二境界部２１Ａの面圧の差を小さくすることができ、衝撃が加わった際の第二境界部２１Ａに加わる応力を緩和することができる。これによって、耐衝撃性を向上させることができる。

また、本実施形態では、セラミックヒータ４が、外筒５に圧入されて保持されてなる構成である。これにより、セラミックヒータ４を外筒５に強固に保持することが可能となる。

なお、セラミックヒータ４が外筒５に圧入されて保持されていると、セラミックヒータ４には、外筒５から受ける面圧がより加わることとなり、強い衝撃が加わった際に、セラミックヒータ４が破損し易くなる傾向となる。これに対し、本実施形態では、外筒５の小径部５１がハウジング２の先端部２Ａに対して圧入された状態とはなっていないため、セラミックヒータ４は、外筒５から受ける面圧のみであり、ハウジング２から外筒５が受ける面圧を受けることがない。よって、外筒５から受ける面圧がより加わったとしても、耐衝撃性を維持することができる。

さらに、本実施形態では、小径部５１の後端側にテーパ部５１Ａが形成されている。これにより、外筒５の肉厚が小径部５１においても先端側から後端側に向けて徐々に薄くなることによって、セラミックヒータ４の外筒５に収容されている部分とその後端側の収容されていない部分の第二境界部２１Ａの面圧の差をさらに小さくすることができ、衝撃が加わった際の境界部に加わる応力をさらに緩和することができる。また、このテーパ部５１Ａが配設されていることよって、テーパ部５１Ａが無い場合に比べて、小径部５１をハウジング２の先端部２Ａ内に容易に挿入することができる。

さらに、本実施形態では、小径部５１の外径Ｄ１が、ハウジング２の軸孔７の内径Ｄ２より小さくされているだけではなく、小径部５１の外周面とハウジング２の先端部２Ａの内周面との間には、全周に亘って間隙５５が形成された構成となっている。これによって、ハウジング２と外筒５との軸振れを抑制して同軸度を高めることができる。すなわち、小径部５１をハウジング２の先端部２Ａ内に圧入した構成とした場合、圧入する際にハウジング２に外筒５が曲がって挿入される場合があり、また、部品の公差がそのまま軸振れの要因となる。一方、本実施形態では、圧入する際にハウジング２に外筒５が曲がって挿入されるようなことがなく、また、部品の公差がある場合でも、ハウジング２と外筒５とを溶接する際に位置決めすることにより、部品の公差に関係なく軸振れを抑制して同軸度を高めることができる。

次に、公知のセラミックヒータ４について説明する。セラミックヒータ４は、図２に示すように、絶縁性セラミック（例えば、窒化珪素を主成分とするもの）により構成されるとともに、軸線ＣＬ１方向に延びる筒状の基体２１と、その内部に埋設された、導電性セラミックよりなる長細いＵ字状の発熱素子２２とを備えている。基体２１は、自身の先端部を除いて略同一の外径を有するように形成されている。また、発熱素子２２は、発熱部２３と、当該発熱部２３の両端部に接合される一対の棒状のリード部２４，２５とを備えている。発熱部２３は、いわゆる発熱抵抗体として機能する部位であり、曲面状に形成されたセラミックヒータ４の先端部分において、その曲面に沿うようにして断面略Ｕ字状をなしている。本実施形態では、発熱部２３の断面積がリード部２４，２５の断面積よりも小さくされるとともに、発熱部２３を構成する導電性セラミックの（電気）抵抗率が、リード部２４，２５を構成する導電性セラミックの抵抗率よりも大きくされている。従って、通電時には、発熱部２３において積極的に発熱が行われるようになっている。

リード部２４，２５は、それぞれセラミックヒータ４の後端側に向けて互いに略平行に延設されている。一方のリード部２４の後端側には、電極取出部２６が外周方向に突設されており、当該電極取出部２６は、セラミックヒータ４の外周面に露出している。同様に、他方のリード部２５にも、電極取出部２７が外周方向に突設されており、当該電極取出部２７が、セラミックヒータ４の外周面に露出している。尚、一方のリード部２４の電極取出部２６は、他方のリード部２５の電極取出部２７よりも軸線ＣＬ１方向後端側に形成されている。

電極取出部２６の露出部分は、接続部材１０の内周面と接触しており、その結果、接続部材１０に接続された中軸３とリード部２４との間が電気的に接続されている。また、電極取出部２７の露出部分は、外筒５の内周面に対して接触しており、外筒５に接合されたハウジング２とリード部２５との間が電気的に接続されている。これによって、中軸３及びハウジング２が、セラミックヒータ４の発熱部２６に通電するための陽極及び陰極として機能するようになっている。

実施例として、図１、図２に示した構造のセラミックグロープラグ１を作製し、完成品を、落下試験機により、基準面より０．５ｍの高さ及び１．０ｍの高さから落下させて耐衝撃性の試験を行った。この結果、０．５ｍの高さ及び１．０ｍの高さの両方においてセラミックヒータ４に破損は生じなかった。

比較例として、外筒５の小径部５１の外径Ｄ１が、ハウジング２の先端部２Ａの内径Ｄ２より大きく、小径部５１をハウジング２の先端部２Ａ内に圧入した構造のセラミックグロープラグを作製し、完成品を落下試験機により、基準面より０．５ｍの高さ及び１．０ｍの高さから落下させて耐衝撃性の試験を行った。この結果、０．５ｍの高さでは破損が生じなかったが、１．０ｍの高さでは、セラミックヒータに破損が生じた。

以上の結果から、実施例では、比較例に比べて耐衝撃性が向上していることを確認することができた。

次に、実施例として、図１、図２に示した構造のセラミックグロープラグ１を１５個作製し、ハウジング２の外周面と外筒５の大径部５２の外周面とで同軸度を測定した。同軸度の測定は、セラミックグロープラグ１を回転させながらハウジング２の外周面と外筒５の大径部５２の外周面の位置を測定することによって行った。

また、比較例として、外筒５の小径部５１の外径Ｄ１が、ハウジング２の先端部２Ａの内径Ｄ２より大きく、小径部５１をハウジング２の先端部２Ａ内に圧入した構造のセラミックグロープラグを１５個作製し、実施例と同様にして同軸度を測定した。これらの結果を表１に示す。なお、表１における同軸度の数値は「ハウジングの位置−大径部の位置」の絶対値にて示している。

表１に示されるように、実施例における同軸度の測定結果は、平均値が０．０３ｍｍ、最大値が０．０６ｍｍ、最小値が０．０１ｍｍ、σが０．０１ｍｍであった。
また、比較例における同軸度の測定結果は、平均値が０．１２ｍｍ、最大値が０．２１ｍｍ、最小値が０．０４ｍｍ、σが０．０６ｍｍであった。

上記の結果から、実施例では、比較例に比べて同軸度が高くなっており、そのばらつきも少なくなっていることを確認することができた。

以上、本発明を実施形態及び実施例について説明したが、本発明は、上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。

本発明のセラミックグロープラグは、自動車用エンジン等の内燃機関に使用されるセラミックグロープラグの分野等で利用することができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。

１……セラミックグロープラグ、２……ハウジング、３……中軸、４……セラミックヒータ、５……外筒、５１……小径部、５１Ａ……テーパ部、５２……大径部、５３……先端側小径部、５４……圧接部、５５……間隙、５６……接触部、７…軸孔、８…ねじ部、２１…基体、２２…発熱素子、ＣＬ１…軸線。

Claims (4)

1. 絶縁性セラミックからなる基体、及び、導電性セラミックからなり前記基体中に埋設された発熱素子を有し、軸線方向に延びるセラミックヒータと、
   前記セラミックヒータの先端側を自身の先端から突出させ、自身の内周において前記セラミックヒータの外周を保持する筒状の外筒と、
   前記セラミックヒータの後端側の周囲を取り囲み、自身を内燃機関の取付孔に取り付ける取付部を有する筒状のハウジングと、
   を備えたセラミックグロープラグであって、
   前記外筒は、
   前記ハウジングの先端部内に収容され、前記ハウジングの先端部の内径よりも自身の外径が小さくされる小径部と、
   前記小径部に接続すると共に、前記ハウジングの先端部よりも先端側に設けられ、前記ハウジングの先端部の内径より大径の大径部とを備え、
   前記ハウジングの先端部と前記大径部とが溶接接合されている
   ことを特徴とするセラミックグロープラグ。
2. 請求項１記載のセラミックグロープラグであって、
   前記セラミックヒータは、前記外筒に圧入されて保持されてなることを特徴とするセラミックグロープラグ。
3. 請求項１または請求項２記載のセラミックグロープラグであって、
   前記小径部の外周面と前記ハウジングの先端部の内周面との間には、全周に亘って間隙が形成されていることを特徴とするセラミックグロープラグ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載のセラミックグロープラグであって、
   前記小径部の後端部には、前記軸線方向後端側に向かって徐々に小径となるテーパ部が形成されている
   ことを特徴とするセラミックグロープラグ。

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