JPWO2014073267A1 - セラミックスヒータ型グロープラグ - Google Patents

Abstract

構成及び製造工程が従来よりも簡素化されたセラミック部分の長さが短いセラミックスヒータ型グロープラグを提供する。セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータが一端側に保持され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、を備えたセラミックスヒータ型グロープラグにおいて、前記セラミックスヒータの外周面に前記セラミックスヒータの一方の電極を有するとともに、前記セラミックスヒータの後端部に他方の電極を有し、前記他方の電極が太径リード部を介して外部接続端子に接合される。

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セラミックスヒータ型グロープラグに関する。特に、全体の長さを比較的短く構成することができるセラミックスヒータ型グロープラグに関する。

ディーゼルエンジンの始動補助用として用いられるセラミックスヒータ型グロープラグは、一般に、セラミックスヒータの先端側の発熱部を外部に突出させた状態で、後端側を金属製外筒内に保持させた構造を有している。かかるセラミックスヒータ型グロープラグは、金属製外筒の後端側が、エンジンのシリンダヘッドへの取り付け金具である筒状ハウジングの前端部内に挿入されて固定されている。

一般に、セラミックスヒータ型グロープラグの製造コストは、セラミック部分の長さに大きく依存する。そのため、セラミック部分の長さを短くして製造コストを低減することを目的として、図５に示すように、セラミックスヒータ１２１の一方の電極（負側電極）１３３をセラミックス絶縁基体１３９の外面に取り出して金属製外筒１２５の内面に電気的に接続するとともに、他方の電極（正側電極）１３１を後端部側から電極取出金具１２３及び電極取出ロッド１２７を介して金属製外筒１２５の外部に取り出すように構成したセラミックスヒータ型グロープラグ１１０が実用化されている。より具体的には、電極取出金具１２３及び電極取出ロッド１２７によって金属製外筒１２５の外部に取り出された電極は、ハウジング１１１の後端部側に絶縁部材を介して固定された外部接続端子１１５に電気的に接続される（例えば、特許文献１を参照）。

ここで、特許文献１に開示されたようなセラミックスヒータ型グロープラグ１１０では、比較的細いリード線により構成された電極取出金具１２３を用いているために、電極取出金具１２３の温度が耐熱温度を大幅に超えるおそれがある。そのため、金属製外筒１２５の内部に絶縁性のセラミック粉末１２９を充填し、当該セラミック粉末１２９を介して電極取出金具１２３の熱を放熱し、電極取出金具１２３の温度上昇を抑えるようにしている。

特許第４１７２４８６号公報（図１）

しかしながら、このようなグロープラグを製造するには、電極取出金具の後端側をコイル状に形成するとともに電極取出ロッドの先端側をコイル状の部分に嵌合可能に形成する必要がある。また、このようなグロープラグの製造過程においては、金属製外筒へのセラミック粉末の充填、金属製外筒のスエージング加工（縮径加工）を要することとなる。したがって、構造自体複雑になるだけでなく、製造工程も複雑になり、製造コストの削減の効果が低減されることにもつながりかねない。

本発明の発明者はこのような問題にかんがみて、セラミックスヒータの一方の電極と外部接続端子とを太径のリード部を用いて接続することによりこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。したがって、本発明は、構成及び製造工程が従来よりも簡素化されたセラミックスヒータ型グロープラグを提供することを目的とする。

本発明によれば、セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータが一端側に保持され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、を備えたセラミックスヒータ型グロープラグにおいて、前記セラミックスヒータの外周面に前記セラミックスヒータの一方の電極を有するとともに、前記セラミックスヒータの後端部に他方の電極を有し、前記他方の電極が太径リード部を介して外部接続端子に接続されることを特徴とするセラミックスヒータ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、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグによれば、太径リード部を用いてセラミックスヒータの他方の電極を外部接続端子に接続することとしているために、太径リード部の抵抗を低減させることができ、構成を簡素化しつつも太径リード部の温度がその耐熱温度以上になることを防ぐことができる。また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグは、太径リード部を採用することで、他の構成部材の形態も簡素なものとすることができ、製造工程をも簡素化することができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記太径リード部の剛性を前記外部接続端子よりも低くすることが好ましい。このように太径リード部の剛性を相対的に低いものとすることにより、太径リード部が撓みやすくなって、太径リード部とセラミックスヒータの電極、あるいは、太径リード部と外部接続端子との接合部への応力集中を緩和することができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記太径リード部がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、又は鋳鉄からなることが好ましい。このような材料の太径リード部を用いることにより、比較的剛性の低い太径リード部とすることができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記他方の電極と前記太径リード部の先端部とが前記金属製外筒の内部で接合され、前記太径リード部の後端部が前記金属製外筒の外部で前記外部接続端子に接合されていることが好ましい。このようにセラミックスヒータ型グロープラグを構成することにより、セラミック部分の長さを短くできるとともに、太径リード部と外部接続端子との接合を容易にすることができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記セラミックスヒータの軸方向断面積を１．０としたときに、前記太径リード部の軸方向断面積を０．２〜０．４の範囲内の値とすることが好ましい。このように太径リード部を構成することにより、太径リード部と、電極及び外部接続端子との接合強度を高めることができるとともに、太径リード部と金属製外筒との電気絶縁性を確保することができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記セラミックスヒータの後端部における前記他方の電極と前記太径リード部との接合部の周囲にテーパ部を設けることが好ましい。このようなテーパ部をセラミックスヒータの後端部に設けることにより、太径リード部と電極との接合部の電気絶縁性を向上させることができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記太径リード部の周囲を電気絶縁材料で覆うことが好ましい。このような電気絶縁材料を設けることにより、太径リード部と金属製外筒との電気絶縁性を確保することができる。

また、本発明のセラミックスヒータ型グロープラグを構成するにあたり、前記セラミックスヒータの後端面に凹部を設けるとともに当該凹部内に前記他方の電極を設け、前記凹部内に前記太径リード部の先端部を挿入した状態で、前記他方の電極と前記太径リード部とを接合することが好ましい。このように太径リード部とセラミックスヒータとを接合することにより、太径リード部とセラミックスヒータとの位置決めが容易になるとともに、接合部と金属製外筒との電気絶縁性を確保しやすくすることができる。

本発明の第１の実施の形態にかかるグロープラグの軸方向断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるグロープラグのセラミックスヒータアセンブリの軸方向断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるグロープラグのセラミックスヒータアセンブリの軸方向断面図である。 本発明の第４の実施の形態にかかるグロープラグのセラミックスヒータアセンブリの軸方向断面図である。 従来のグロープラグの構成を説明するために示す図である。

以下、本発明にかかるセラミックスヒータ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、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。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるディーゼルエンジン用グロープラグ１０の軸方向断面図である。
図１に示すグロープラグ１０は、セラミックスヒータアセンブリ２０を備えたセラミックスヒータ型グロープラグとして構成されている。セラミックスヒータアセンブリ２０は、セラミックスヒータ２１と、金属製外筒（シース）２５と、太径リード部４０等を主な構成要素として備えている。

セラミックスヒータ２１は、その本体部を構成するセラミックス絶縁基体３９の内部に、Ｕ字状のセラミックス発熱体３７が埋設されている。このセラミックス発熱体３７の両端側には、それぞれ金属リード３５を介して正側電極３１及び負側電極３３が設けられている。このうち、負側電極３３は、セラミックス絶縁基体３９の外周面に取り出され、負側電極３３を含むセラミックス絶縁基体３９の外周面には負極側メタライズ部２４が形成されている。この負極側メタライズ部２４は金属製外筒２５の内面にロウ付け等によって接合され、負側電極３３は金属製外筒２５に電気的に接続されている。

また、正側電極３１は、セラミックス発熱体３７が埋設されている先端側とは反対側の後端部においてセラミックス絶縁基体３９の外面に取り出されている。正側電極３１を含むセラミックス絶縁基体３９の後端面には正極側メタライズ部２３が形成されている。この正極側メタライズ部２３はロウ付け等によって太径リード部４０の先端面に接合され、正側電極３１と太径リード部４０とが電気的に接続されている。

このように構成されるセラミックスヒータアセンブリ２０は、図示しないエンジンのシリンダヘッドへの取付金具である円筒状のハウジング１１に圧入され、ロウ付け等により固定されている。図１の例では、ハウジング１１の内部に金属製外筒２５がロウ付け等により固定されているが、金属製外筒２５を金属管等の内部にロウ付け等によって固定し、その金属管とハウジング本体を構成する部材とを溶接して、一体のハウジング１１として形成することもできる。

ハウジング１１内においては、太径リード部４０の後端面が外部接続端子１５の先端面に溶接等により接合され、電気的に接続されている。外部接続端子１５はハウジング１１の後端部でインシュレータ１２に保持されるとともに、その後端部はハウジング１１外部に露出して、ラウンドピン１４と接続されている。

ここで、本実施の形態のグロープラグ１０に備えられた太径リード部４０は、例えば、セラミックス絶縁基体３９の断面積の２０％以上の断面積を有する、比較的太い直径を有するリード棒として定義される。グロープラグ１０の作動時において、太径リード部４０には高温かつ大きな電流（例えば４〜３０アンペア）が流れることから、太径リード部４０の直径が例えば１ｍｍ未満のように小さすぎると、自己発熱も加わって、短時間で酸化するおそれがある。これに対して、太径リード部４０の断面積がセラミックス絶縁基体３９の断面積の２０％以上であれば、セラミックスヒータ２１の後端面と太径リード部４０の先端面との接合部の面積を大きく確保することができ、接合強度を確保することができる。すなわち、車両のエンジン等に固定されて使用される場合に発生する振動や、グロープラグ１０製造時に付加される応力等にも耐え得る接合強度を得ることができる。

一方で、太径リード部４０の直径が大きすぎると、太径リード部４０と金属製外筒２５との間の距離を十分に確保することができず、絶縁破壊を生じるおそれがあることから、太径リード部４０の断面積は、例えば、セラミックス絶縁基体３９の断面積の７０％以下とすることが好ましい。太径リード部４０の断面積をセラミックス絶縁基体３９の断面積の５０％以下とすることがより好ましく、４０％以下とすることがさらに好ましい。

また、太径リード部４０は、外部接続端子１５としてのリード棒よりも剛性の低い材料からなることが好ましい。このような材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）、あるいはそれらの合金が挙げられる。あるいは、低剛性の鉄合金や鋳鉄とすることもできる。このように比較的小さい剛性を有する太径リード部４０とすれば、エンジン駆動時の振動や、グロープラグ１０の組み立て時に各接合部周辺に印加される応力によってセラミックスヒータ２１と太径リード部４０との接合部に曲げ応力が生じた場合であっても、太径リード部４０が撓んで、当該接合部への曲げ応力の集中を避けることができる。また、そのような曲げ応力の集中を避けるべく、太径リード部４０を撓みやすくするには、太径リード部４０の長さを、直径の２倍以上とすることが好ましい。

このような太径リード部４０であれば、太径リード部４０の抵抗値を低減することができるため、高温かつ大きな電流が流れた場合であっても自己発熱が抑えられ、長期間に渡って酸化による劣化を防ぐことができる。また、この太径リード部４０にニッケル（Ｎｉ）メッキ等を施すことによって、より耐熱性を高めることができる。さらに、太径リード部４０の熱伝導率をより高くすれば、セラミックヒータ２０から伝達される熱を効率的に外部接続端子１５に伝達させることができ、太径リード部４０の耐熱性をさらに高めることができる。

また、本実施の形態にかかるグロープラグ１０においては、外部接続端子１５は、ハウジング１１内において、外部接続端子１５とハウジング１１との間に樹脂又は低融点ガラス等からなる充填剤１７を充填することによって固定されている。したがって、ラウンドピン１４に図示しないコネクタを挿入したり、あるいは、ねじ止めしたりする際に、外部接続端子１５に付加される応力が、外部接続端子１５と太径リード部４０との接合部に印加されることがなく、当該接合部が破断することを防ぐことができる。また、グロープラグ１０がエンジンに装着された状態でエンジンから印加される振動によってグロープラグ１０の各部位に応力が生じる場合があるが、外部接続端子１５が充填剤１７によって固定されているために、外部接続端子１５と太径リード部４０との接合部、及び、太径リード部４０とセラミックスヒータ２１との接合部への応力の付加を低減することができる。さらに、セラミックヒータ２１から太径リード部４０を介して伝達される熱を、充填剤１７を介してハウジング１１に逃がすこともできるようになる。

そして、このような構造を有するグロープラグ１０は、セラミックスヒータ２１を短くすることができるとともに、金属製外筒２５内へ粉末を充填する工程や、金属製外筒２５を縮径する工程を省略することができ、製造工程を簡素にすることができる。また、本実施の形態のグロープラグ１０は、金属製外筒２５を圧入ではなくロウ付けによりハウジング１１内に固定することとしているために、当該工程自体も簡略化される。さらに、外部接続端子１５や太径リード部４０、金属製外筒２５等の各構成部材が複雑な形状、構造ではなく、簡素化されていることから、製造コストを低減することもできる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態にかかるグロープラグは、太径リード部とセラミックスヒータとの接合部の構成が、第１の実施の形態にかかるグロープラグの接合部と異なっている。

図２は、本実施の形態にかかるグロープラグのセラミックスヒータアセンブリ２０Ａの軸方向断面図を示している。このセラミックスヒータアセンブリ２０Ａは、セラミックス絶縁基体３９の後端面に面取加工部３９ａを有している。この面取加工部３９ａを設けることによって、接合部の周囲のセラミックス絶縁基体３９と金属製外筒２５との距離を稼ぐことができる。したがって、ロウ付けする場合において、ロウ材と金属製外筒２５との絶縁性が高められ、絶縁破壊を低減することができる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態にかかるグロープラグは、太径リード部とセラミックスヒータとの接合部の構成が、第１及び第２の実施の形態にかかるグロープラグの接合部と異なっている。

図３は、本実施の形態にかかるグロープラグのセラミックスヒータアセンブリ２０Ｂの軸方向断面図を示している。このセラミックスヒータアセンブリ２０Ｂは、セラミック接縁基体３９の後端面に凹部３９ｂを有しており、この凹部３９ｂ内において、太径リード部４０の先端部とセラミックスヒータ２１Ｂの後端部とがロウ付け等により接合されている。この凹部３９ｂは、比較的浅い凹部として形成されており、凹部３９ｂ内に正極側メタライズ部２３が形成されている。

太径リード部４０とセラミックスヒータ２１Ｂとの接合部をこのような構成とすることにより、太径リード部４０をセラミックスヒータ２１Ｂに接合する際の位置決めが容易になるとともに、さらに接合面積が増加することになるために、接合強度をより増加させることができる。また、ロウ付けする場合には、ロウ材が接合部外にはみ出すことを防ぎやすくなるので、金属製外筒２５とロウ材２３との接触によるショートの発生を低減することができる。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態にかかるグロープラグは、太径リード部の構成が、第１〜第３の実施の形態にかかるグロープラグの太径リード部と異なっている。

図４は、本実施の形態にかかるグロープラグのセラミックスヒータアセンブリ２０Ｃの軸方向断面図を示している。このセラミックスヒータアセンブリ２０Ｃは、太径リード部４０の周囲に絶縁材料４１を配置したものとなっている。例えば、太径リード部４０を絶縁性セラミック管部材内に挿入することによって、本実施の形態にかかるセラミックスヒータアセンブリ２０Ｃを構成することができる。

このような絶縁材料４１を太径リード部４０の周囲に配置することにより、仮に、太径リード部４０とセラミックスヒータ２１Ｃとの接合部が破断した場合であっても、ショートを防ぐことができる。また、絶縁材料４１が部分的に金属製外筒２５と接するように構成すれば、太径リード部４０の熱を絶縁材料４１を介して金属製外筒２５に伝達させて、太径リード部４０の温度を低減させることができる。

以上説明した本発明の実施の形態にかかるグロープラグは、本発明の一態様を示すものであってこの発明を限定するものではなく、それぞれの実施の形態は本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。例えば、第１〜第４の実施の形態にかかるグロープラグの構成を適宜組み合わせて採用することもできる。

Claims (8)

1. セラミックスヒータと、前記セラミックスヒータが一端側に保持され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、を備えたセラミックスヒータ型グロープラグにおいて、
   前記セラミックスヒータの外周面に前記セラミックスヒータの一方の電極を有するとともに、前記セラミックスヒータの後端部に他方の電極を有し、
   前記他方の電極が太径リード部を介して外部接続端子に接続されることを特徴とするセラミックスヒータ型グロープラグ。
2. 前記太径リード部の剛性を前記外部接続端子よりも低くしたことを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
3. 前記太径リード部がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、又は鋳鉄からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
4. 前記他方の電極と前記太径リード部の先端部とが前記金属製外筒の内部で接合され、
   前記太径リード部の後端部が前記金属製外筒の外部で前記外部接続端子に接合されてい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セラミックスヒータ型グロープラグ。
5. 前記セラミックスヒータの軸方向断面積を１．０としたときに、前記太径リード部の軸方向断面積を０．２〜０．７の範囲内の値とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
6. 前記セラミックスヒータの後端部における前記他方の電極と前記太径リード部との接合部の周囲にテーパ部を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
7. 前記太径リード部の周囲を絶縁材料で覆うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。
8. 前記セラミックスヒータの後端面に凹部を設けるとともに当該凹部内に前記他方の電極を設け、前記凹部内に前記太径リード部の先端部を挿入した状態で、前記他方の電極と前記太径リード部とを接合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミックスヒータ型グロープラグ。

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