WO2014122958A1 - 圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法 - Google Patents

圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法 Download PDF

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metal outer
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趙 艱
康夫 豊島
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ボッシュ株式会社
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    • F23Q7/001Glowing plugs for internal-combustion engines
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23Q2007/002Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23Q7/001Glowing plugs for internal-combustion engines
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/027Heaters specially adapted for glow plug igniters

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor integrated glow plug in which a pressure sensor for detecting the in-cylinder pressure is integrated with a sheath type glow plug used as a starting aid for a diesel engine, and a method for manufacturing the same.
  • a ceramic heater type glow plug in which a heat generating portion is made of a ceramic material is provided in a combustion chamber.
  • a pressure sensor integrated glow plug in which a pressure sensor for detecting in-cylinder pressure is integrated with a glow plug has been put into practical use.
  • a ceramic heater-type glow plug has a housing for insertion into a combustion chamber, a ceramic heater element that has its tip protruded from the housing and is held by the housing, and a pressure disposed between the ceramic heater element and the housing. And a sensor.
  • the ceramic heater element is held in the housing by a flexible member such as a diaphragm, and the cylinder heater displaces the inside of the housing in the axial direction due to the in-cylinder pressure. It can be detected.
  • the ceramic heater element includes a ceramic heater, a metal outer cylinder that holds the ceramic heater at one end and is fixed by being inserted into the inner hole of the housing, and an electrode electrically connected to the electrode of the ceramic heater. A conductive portion led to the other end of the outer cylinder.
  • a pressure sensor integrated glow plug provided with a ceramic heater element
  • the gap between the ceramic heater element and the housing is hermetically sealed by a flexible member with respect to the combustion chamber, and the inside of the ceramic heater element is made of metal.
  • the outer cylinder and the ceramic heater are hermetically sealed. Thereby, for example, an electronic board provided on the rear end side of the housing is prevented from being damaged due to a flaw or the like being exhausted.
  • a metal material having a low thermal expansion coefficient is used as a seal element.
  • a glow plug is disclosed in which the sealing element is joined to a metal outer cylinder to ensure airtightness (see, for example, Patent Document 1).
  • the process of joining the seal element and the metal outer cylinder may be complicated.
  • the glow plug described in Patent Document 1 has durability of the joint portion in which the joint portion between the seal element and the metal outer cylinder is located in the outer region of the housing and is easily exposed to the high temperature of the combustion chamber. There was a risk that it could not be secured sufficiently.
  • the present invention has been made to solve such problems, and in a pressure sensor integrated glow plug, a pressure sensor integrated type capable of maintaining hermeticity over a long period of time with a relatively simple manufacturing process.
  • An object of the present invention is to provide a glow plug and a method for manufacturing the same.
  • a pressure sensor-integrated glow plug used by being inserted into a combustion chamber of an internal combustion engine, a housing, and a rod-shaped ceramic heater element held with a tip projecting from the housing, A pressure sensor, and the ceramic heater element is held by the housing by a metal flexible member so that the position relative to the housing can be displaced, and the pressure sensor is displaced by the displacement of the ceramic heater element.
  • the ceramic heater element includes a ceramic heater, the ceramic heater is held on one end side, and the other end side is inserted into an internal hole of the housing and fixed.
  • a pressure sensor integrated glow plug is provided, wherein the seal is provided at least on the rear end side with respect to the flexible member in the axial direction of the ceramic heater element. it can.
  • the pressure sensor-integrated glow plug of the present invention is provided with a seal portion in a low-temperature environment on the rear end side of the metal flexible member holding the ceramic heater element in the housing. Therefore, it is possible to prevent the seal from deteriorating and the airtightness from being lost.
  • the seal is a first seal provided between the conductive portion and the metal outer cylinder on the rear end side of the flexible member.
  • a second seal provided between the ceramic heater and the metal outer cylinder on the tip side of the flexible member in the axial direction of the ceramic heater element, in addition to the first seal portion. It is preferable to provide a part.
  • the tip which is easy to be exposed to comparatively high temperature, improving airtightness Even when the second seal portion on the side is deteriorated by high heat, the airtightness can be maintained by the first seal portion in a low temperature environment.
  • the conductive portion is held on the metal outer cylinder via an insulating fixing member on the rear end side of the metal outer cylinder,
  • the first seal portion is preferably provided between the fixing member and the metal outer cylinder. If the first seal portion is provided in this manner, the first seal portion can be formed at the same time in the step of forming the second seal portion which is a joint portion between the ceramic heater and the metal outer cylinder. And the manufacturing process can be simplified.
  • the conductive portion has a small diameter portion.
  • Another aspect of the present invention is a pressure sensor-integrated glow plug used by being inserted into a combustion chamber of an internal combustion engine, and a housing and a rod-shaped ceramic held by projecting a tip from the housing
  • a heater element and a pressure sensor wherein the ceramic heater element is held in the housing by a metal flexible member so that the position of the ceramic heater element can be displaced with respect to the housing.
  • a pressure sensor integrated glow plug adapted to receive a pressure in the combustion chamber by displacement, wherein the ceramic heater element holds the ceramic heater and the ceramic heater at one end side, and the other end side is inside the housing.
  • the seal includes a first seal portion provided between the conductive portion and the metal outer cylinder on a rear end side with respect to the flexible member, A second seal portion provided between the ceramic heater and the metal outer cylinder on the front end side of the flexible member in the axial direction of the ceramic heater element, and the first seal portion and the In the manufacturing method of the pressure sensor integrated glow plug, the second seal portion is formed in the same process.
  • the first seal portion for sealing the inside of the metal outer cylinder to the combustion chamber is formed by joining the ceramic heater and the metal outer cylinder. It can be formed at the same time in the same process as the first seal portion. Therefore, a pressure sensor integrated glow plug capable of maintaining hermeticity for a long time can be efficiently manufactured.
  • FIG. 1 is an axial sectional view partially showing the tip side of a pressure sensor integrated glow plug (hereinafter simply referred to as “glow plug”) 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a glow plug 1 shown in FIG. 1 is a sheath type glow plug in which a ceramic heater 7 is held at the front end side of a metal outer cylinder 8 and the rear end side of the metal outer cylinder 8 is held in an inner hole 3 a of the housing 3.
  • the glow plug 1 is used in a self-ignition type internal combustion engine such as a diesel engine.
  • the glow plug 1 has a rod-shaped ceramic heater element 2.
  • the ceramic heater element 2 is inserted into a pre-combustion chamber in the case of a pre-combustion type internal combustion engine, and in the case of a direct-injection type internal combustion engine. Is inserted into the combustion chamber of the internal combustion engine and fixed.
  • combustion chamber includes not only the combustion chamber but also the precombustion chamber.
  • the ceramic heater element 2 is configured as a ceramic heater element 2 having a ceramic heater 7 which is a ceramic heat generating portion.
  • the glow plug 1 has a housing 3.
  • the housing 3 is preferably made of a metal material.
  • the housing 3 has a concentric inner hole 3 a, and the rear end side of the ceramic heater element 2 is partially disposed in the inner hole 3 a of the housing 3, and an opening 4 provided on the front end side of the housing 3. It is possible to project from the housing 3 into the combustion chamber of the internal combustion engine at a location.
  • the rod-shaped ceramic heater element 2 used in the present embodiment has a ceramic heater 7, a metal outer cylinder 8, and a conductive portion 9.
  • the conductive portion 9 is made of a conductive material such as metal, and is composed of a small diameter portion 9a and a large diameter portion 9b.
  • the conductive portion 9 including the small diameter portion 9a and the large diameter portion 9b is configured by inserting a connecting wire serving as the small diameter portion 9a into the electrode center serving as the large diameter portion 9b. .
  • the tip of the small diameter portion 9 a is formed in a cap shape and is electrically connected to the positive electrode provided at the rear end of the ceramic heater 7.
  • the large-diameter portion 9 b of the conductive portion 9 is connected to the electrical wiring 13, and the electrical wiring 13 is led out to the rear end side of the housing 3.
  • the large-diameter portion 9 b on the rear end side of the conductive portion 9 is held by an electrically insulating fixing member 12 and fixed to the rear end portion of the metal outer cylinder 8.
  • the fixing member 12 is made of an insulating material such as alumina. Made of ceramic.
  • a fixed cylinder member 27 to which the ceramic heater element 2 and a pressure sensor (not shown) are fixed is inserted and fixed in the through hole 3a of the housing 3.
  • the ceramic heater element 2 is connected to the fixed cylinder member 27 through a steel diaphragm as a flexible metal flexible member 15 connected to the distal end side of the fixed cylinder member 27. That is, the steel diaphragm as the flexible member 15 is coupled to the housing 3 on the one hand and to the metal outer tube 8 of the ceramic heater element 2 on the other hand at the cylindrical annular portion 18.
  • the flexible member 15 is formed with flexibility so that the ceramic heater element 2 can move relative to the housing 3 in the axial direction of the housing 3 of the glow plug 1.
  • the metallic flexible member 15 having flexibility is not limited to a steel diaphragm, but may be a flexible member 15 used in a conventionally known pressure sensor integrated glow plug such as a bellows. You can also.
  • a pressure sensor (not shown) is arranged inside the rear end side of the fixed cylinder member 27.
  • This pressure sensor can be configured as, for example, a piezoelectric sensor element.
  • This piezoelectric sensor element generates a charge when subjected to a mechanical load, and this charge can be detected in the contact region of the pressure sensor.
  • the detected electric charge is derived from the housing 3 of the glow plug 1 through electric wiring or the like.
  • the pressure sensor is fixed to a fixed cylinder member 27 coupled to the housing 3 on the side farther from the combustion chamber or the like (rear end side).
  • the pressure sensor is coupled to the ceramic heater element 2 via a force transmission sleeve 28. In this case, the ceramic heater element 2 is supported by the force transmission sleeve 28 mainly at the portion of the metal outer cylinder 8.
  • the heat generated in the ceramic heater element 2 is efficiently transferred to the housing 3 so that the temperature of the brazing material used for joining the constituent members and the conductive portion 9 does not exceed the heat resistance temperature significantly. Therefore, it is necessary to dissipate heat.
  • the heat of the ceramic heater 7 is configured to escape to the housing 3 through the metal flexible member 15.
  • the glow plug 1 has a seal structure that prevents the exhaust generated in the combustion chamber from entering the rear end side of the glow plug 1.
  • a flexible member 15 is joined to the metal outer cylinder 8 and the housing 3, respectively, and airtightness to the combustion chamber is ensured.
  • the 1st seal part 21 and the 2nd seal part 22 are formed in the inner side of the metal outer cylinder 8, and the airtightness with respect to a combustion chamber is ensured.
  • the second seal portion 22 is provided on the tip side from the position where the flexible member 15 is provided, and seals between the metal outer cylinder 8 and the ceramic heater 7, while the first seal portion 21. Is provided on the rear end side of the flexible member 15 and seals between the metal outer cylinder 8 and the fixing member 12.
  • the second seal portion 22 joins the entire peripheral portion of the region including the negative electrode provided on the outer peripheral surface of the ceramic heater 7 and the inner peripheral surface of the metal outer cylinder 8 with a brazing material. Formed by. That is, the second seal portion 22 electrically connects the negative electrode of the ceramic heater 7 and the metal outer cylinder 8, and the joint portion that joins the ceramic heater 7 and the metal outer cylinder 8 is the second portion. It functions as the seal part 22. In the present embodiment, at least the second seal portion 22 is joined and sealed to the metal outer cylinder 8 over the entire outer peripheral surface of the ceramic heater 7.
  • the first seal portion 21 includes the entire outer peripheral surface of the insulating fixing member 12 that holds the large diameter portion 9 b of the conductive portion 9 on the rear end side of the metal outer tube 8 and the inner portion of the metal outer tube 8. It is formed by joining the peripheral surface with a brazing material. At least the first seal portion 21 is joined and sealed to the metal outer cylinder 8 over the entire outer peripheral surface of the fixing member 12.
  • the brazing material for joining the ceramic heater 7 and the metal outer cylinder 8 or the fixing member 12 and the metal outer cylinder 8 is, for example, silver brazing (BAg8), but is not limited thereto.
  • the second seal portion 22 Since the second seal portion 22 is exposed to the combustion chamber of the internal combustion engine that is in a high temperature environment, in some cases, the second seal portion 22 may be thermally deteriorated due to the influence of the ceramic heater 7 and the exhaust heat, and the sealing performance may be reduced.
  • the first seal portion 21 is located in a low temperature environment, and is present further on the rear end side than the flexible member 15 having a function of transmitting the heat of the ceramic heater element 2 to the housing 3. The risk of thermal degradation of the first seal portion 21 is low, and thus the sealing performance is maintained for a long period.
  • FIGS. 2A and 2B are views for explaining the manufacturing process of the ceramic heater element 2 provided with the first seal portion 21 and the second seal portion 22.
  • FIG. 1 As shown in FIGS. 2A and 2B, the ceramic heater 7 is prepared, and the metallized layer 24 is formed on the outer peripheral surface of the region where the negative electrode 33 is provided.
  • the metallized layer 24 itself can be formed according to a known method.
  • the ceramic heater 7 is inserted into the metal outer cylinder 8 and positioned, and the coil-shaped brazing material for joining the ceramic heater 7 and the metal outer cylinder 8 together. 11a is arranged.
  • the conductive portion 9 is inserted from the rear end side of the metal outer cylinder 8, and the front end portion of the conductive portion 9 is brought into contact with the rear end portion of the ceramic heater 7.
  • a coil-shaped brazing material 11 b for joining the conductive portion 9 and the rear end portion of the ceramic heater 7 is disposed in the small diameter portion 9 a of the conductive portion 9.
  • the fixing member 12 is inserted from the rear end side of the conductive portion 9 and is inserted into the rear end portion of the metal outer cylinder 8 to seal the metal outer cylinder 8. Further, as shown in FIG. 4B, the gap between the fixing member 12 and the metal outer cylinder 8 and the gap between the large diameter portion 9b of the conductive portion 9 and the fixing member 12 are joined.
  • the coil-shaped brazing members 11 c and 11 d are arranged on the rear end portion of the metal outer cylinder 8 and the fixing member 12. Thereafter, as shown in FIG.
  • the respective joints are heated to melt the brazing materials 11a, 11b, 11c, and 11d, and the brazing materials 11a, 11b, 11c, and 11d are poured into the respective gaps to be cooled. As a result, the respective joint portions are joined.
  • the joint between the ceramic heater 7 and the metal outer cylinder 8 formed at this time functions as the second seal part 22, and the joint between the fixing member 12 and the metal outer cylinder 8 serves as the first seal part 21.
  • the first seal portion 21 and the second seal portion 22 are formed by the same heating process and cooling process. Thereby, the ceramic heater assembly 20 is obtained.
  • the pressure sensor integrated glow plug 1 can be obtained by incorporating the ceramic heater assembly 20 into the housing together with the electric wiring, the pressure sensor, the sleeve, and the force transmission sleeve.
  • the glow plug 1 according to the present embodiment, the low temperature environment on the rear end side of the steel diaphragm 15 as the metal flexible member that holds the ceramic heater element 7 in the housing 3 is achieved. Since the first seal portion 21 is provided, it is possible to prevent the seal from deteriorating due to the high temperature of the combustion chamber and losing hermeticity.
  • the joint portion between the large-diameter portion 9b of the conductive portion 9 provided on the rear end side of the steel diaphragm 15 and the metal outer cylinder 8 is the first first described above.
  • a joint portion between the ceramic heater 7 and the metal outer cylinder 8 on the tip side of the steel diaphragm 15 is used as a second seal portion 22. Therefore, even when the second seal portion 22 on the front end side that is likely to be exposed to a relatively high temperature is deteriorated due to high heat while improving the airtightness to the combustion chamber, the first seal portion 21 in the low temperature environment It becomes possible to maintain airtightness for a long period of time.
  • the joint portion between the fixing member 12 for fixing the conductive portion 9 and the metal outer cylinder 8 is the first seal portion 21, the ceramic heater 7 In the step of forming the metal outer cylinder 8 and the second seal portion 22 which is a joint portion, the first seal portion 21 can be formed at the same time, and the manufacturing process can be simplified.
  • the conductive portion 9 has the small diameter portion 9a, even if thermal expansion of the ceramic heater 7 or the like occurs in a high temperature environment, The stress due to thermal expansion can be relaxed in the small diameter portion 9a. Therefore, the possibility that the joint between the conductive portion 9 and the ceramic heater 7 is damaged due to stress can be reduced.

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Abstract

 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。 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において、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金属製の可撓部材よりも後端側に設ける。

Description

圧力センサ一体型グロープラグ及びその製造方法
 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た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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