WO2016167066A1 - グロープラグ - Google Patents

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WO2016167066A1
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heater element
glow plug
end side
space
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English (en)
French (fr)
Inventor
勝美 高津
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ボッシュ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the present invention relates to a glow plug provided with a pressure sensor for detecting a pressure in a combustion chamber in a glow plug used as a starting aid for an internal combustion engine such as a diesel engine.
  • a glow plug equipped with a pressure sensor for detecting a combustion pressure in a combustion chamber of an internal combustion engine has been put into practical use as a glow plug used as a starting aid for an internal combustion engine such as a diesel engine (see, for example, Patent Document 1). ).
  • the heater element heated by energization is housed in a displaceable state in the housing, and the heater element is displaced in the axial direction of the housing due to a pressure change in the combustion chamber, The displacement is transmitted to the pressure sensor and detected as the combustion pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the heater element can be displaced with respect to the housing by being attached to the housing by a metal diaphragm.
  • the heater element and the housing are only coupled by a diaphragm, and the heat transferred from the heater element is mainly through a path through the thin diaphragm. It is transmitted to the housing side. Therefore, compared to a general glow plug in which the heater element is fixed to the housing with a brazing material, the heat transfer efficiency from the heater element to the housing is poor and the heat dissipation is not excellent. It becomes easy to rise. As a result, the temperature of the extraction electrode for the heating element of the heater element and the temperature of the brazing material may exceed the limit temperature, and the glow plug may be damaged in a short period of time.
  • an object of the present invention is to provide a glow plug that can improve heat dissipation and suppress damage in a short period of time.
  • the present invention provides a heater element inserted into a combustion chamber of an internal combustion engine, a housing that supports the heater element in a state where a heating portion of the heater element protrudes, the heater element, An elastic body connecting the housing and partitioning a space between the heater element and the housing into a front end side and a rear end side of the housing; and provided in a space on the rear end side of the elastic body in the housing.
  • a glow plug comprising: a pressure sensor for detecting a pressure in the combustion chamber from a displacement of the heater element, wherein heat transmitted from the heater element into a space in the housing on the tip side of the elastic body. It is characterized in that it is filled with a heat conducting material that melts.
  • the housing includes an opening for inserting the heater element at a tip thereof and a sealing member for sealing a gap between the heater element inserted from the opening and an opening edge.
  • the heat conductive material is preferably a metal that melts at 100 ° C. or less.
  • a stepped portion is formed on the inner surface of the housing on the tip side of the elastic body.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a glow plug.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the glow plug in FIG. 1 in which the vicinity of the front end of the housing is enlarged.
  • the transverse section refers to a cutting plane perpendicular to the longitudinal axis of the glow plug
  • the longitudinal section refers to a cutting plane including the longitudinal axis of the glow plug.
  • the glow plug 1 includes a heater element 10, a housing 14, a pressure sensor module 15, an electronic module 16, and the like.
  • the heater element 10 assists the start-up of the internal combustion engine, and is provided in the combustion chamber (a pre-combustion chamber in the case of a pre-combustion type internal combustion engine and a combustion chamber of the internal combustion engine in the case of a direct injection type internal combustion engine). Inserted and fixed.
  • the heater element 10 is made of ceramics, for example.
  • the heater element 10 is not limited to ceramics, and may be made of metal.
  • the heater element 10 includes a ceramic heater 11, a metal outer cylinder (sheath) 12, a lead portion 13, and the like.
  • the ceramic heater 11 is a portion that is heated by energization, and a ceramic heating element 112 formed in a U shape is embedded in the ceramic heater 11 inside the ceramic insulating base 111 that constitutes the main body of the ceramic heater 11. .
  • a positive electrode 114 and a negative electrode 115 are provided on both ends of the ceramic heating element 112 via metal leads 113, respectively.
  • the negative electrode 115 is taken out on the outer peripheral surface of the ceramic insulating substrate 111, and a negative electrode side metallized portion 116 is formed on the outer peripheral surface of the ceramic insulating substrate 111 including the negative electrode 115.
  • the negative electrode side metallized portion 116 is joined to the inner surface on one end side of the outer cylinder 12, and the negative electrode 115 is electrically connected to the outer cylinder 12.
  • the outer cylinder 12 is formed from a metal material having electrical conductivity and thermal conductivity.
  • the outer cylinder 12 has an inner diameter that is large enough to allow the ceramic heater 11 to be inserted.
  • the ceramic heater 11 and the outer cylinder 12 are joined by brazing or the like with the negative electrode side metallized portion 116 of the ceramic heater 11 inserted and fixed in the outer cylinder 12. That is, the negative electrode side metallized portion 116 of the ceramic heater 11 is joined to the inner surface of the outer cylinder 12 by the brazing material and is electrically connected.
  • the negative electrode side metallized part 116 is formed of, for example, a silver paste containing 30% by weight or less of copper (Cu) and 10% by weight or less of titanium (Ti) with respect to the total weight of the negative electrode side metallized part 116.
  • the positive side electrode 114 is taken out to the outer surface of the ceramic insulating base 111 on the base end side opposite to the front end side where the ceramic heating element 112 is embedded.
  • a positive side metallized portion 117 is formed on the rear end surface of the ceramic insulating base 111 including the positive side electrode 114.
  • the positive side metallized portion 117 is joined to the tip surface 131 of the lead portion 13 by brazing or the like, and the positive side electrode 114 and the lead portion 13 are electrically connected.
  • a chamfered portion 111 a is formed on the rear end surface of the ceramic insulating base 111.
  • the distance between the ceramic insulating base 111 and the outer cylinder 12 can be increased around the joint between the ceramic insulating base 111 and the lead portion 13. Therefore, in the case of brazing, the insulation between the brazing material and the outer cylinder 12 is enhanced, and the dielectric breakdown can be reduced.
  • the lead portion 13 is electrically connected to the positive electrode 114 of the ceramic heater 11.
  • a high temperature and a large current for example, 4 to 30 amperes
  • the lead portion 13 is formed, for example, as a lead bar having a relatively thick diameter having a cross-sectional area of 20% or more of the cross-sectional area of the ceramic insulating base 111.
  • the cross-sectional area of the lead part 13 is preferably 40% or less of the cross-sectional area of the ceramic insulating base 111, for example.
  • the length of the lead portion 13 is preferably set to be twice or more the diameter of the lead portion 13.
  • the lead portion 13 is made of a material having high electrical conductivity. Examples of such a material include copper (Cu), aluminum (Al), and alloys thereof. Alternatively, an iron alloy or cast iron that has low rigidity and high electrical conductivity may be used.
  • the lead portion 13 may be subjected to nickel (Ni) plating or the like in order to improve heat resistance, and may be covered with silver (Ag) in order to improve oxidation resistance.
  • the lead portion 13 is guided to the pressure sensor module 15 side, and is held in the outer cylinder 12 by the holding member 134 and the positioning member 135 at the rear end portion 133 on the pressure sensor module 15 side. Thereby, the lead portion 13 and the inner peripheral surface 123 of the outer cylinder 12 are kept at a constant distance, and the displacement of the heater element 10 is appropriately transmitted to the pressure sensor module 15.
  • the rear end portion 133 is positioned.
  • the positioning member 135 is installed in contact with the inner peripheral surface 123 of the outer cylinder 12, and holds the lead portion 13 via the holding member 134.
  • the holding member 134 is formed so as to cover the outer peripheral surface 136 of the lead portion 13 on the rear end portion 133 side of the lead portion 13, and by increasing the area of the end surface 137 on the pressure sensor module 15 side, Good contact with the sensor module 15 can be achieved.
  • the holding member 134 is electrically connected to the lead portion 13.
  • the lead portion 13 is electrically connected to a lead cable 132 as an external connection terminal via a holding member 134, and the lead cable 132 is drawn from the housing 14 of the glow plug 1.
  • the housing 14 is a mounting bracket for a cylinder head of an engine (not shown), and houses the heater element 10, the pressure sensor module 15, and the like.
  • the housing 14 is made of a heat conductive metal material having excellent heat dissipation.
  • the housing 14 is formed in a cylindrical shape, for example, and the heater element 10 has a proximal end partly disposed inside the housing 14 and a distal end side protruding from the opening 141 on the distal end side of the housing 14 to the outside of the housing 14. In this state, it is supported by the housing 14 via a diaphragm 31 (elastic body). The tip of the heater element 10 protruding from the housing 14 is inserted into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the diaphragm 31 is a thin film body formed in an annular shape in plan view, and is formed from a metal that can be elastically deformed.
  • the outer cylinder 12 of the heater element 10 is inserted into a hole formed at the center of the diaphragm 31 and is accommodated in the housing 14 together with the outer cylinder 12.
  • the inner side of the diaphragm 31 is attached to the outer peripheral surface 124 of the outer cylinder 12, and the outer side is attached to a sleeve 144 provided on the inner surface of the housing 14.
  • the space between the inner surface of the housing 14 and the outer surface of the outer cylinder 12 is divided by the diaphragm 31 into a space 142 on the front end side (heater element 10 side) and a space 143 on the rear end side (pressure sensor module 15 side). It is done.
  • the sleeve 144 is fixed to the housing 14 and accommodates a part of the heater element 10 and the pressure sensor module 15.
  • a positioning member 145 is disposed on the same axis as the sleeve 144 inside the sleeve 144, and the positioning member 145 is fixed to the sleeve 144.
  • the outer cylinder 12 is slidably inserted into the positioning member 145.
  • a step portion 14 a is formed on the inner wall of the space 142 on the front end side of the housing 14.
  • the stepped portion 14a is not limited to one formed from a plurality of planes, and can be freely changed in design as long as the contact area between the housing 14 and the heat conducting material 22 increases.
  • the space 142 on the front end side of the housing 14 is filled with a heat conductive material 22 that is melted by heat transmitted from the heater element 10 in a solid state.
  • the heat conductive material 22 is preferably a material having high heat conductivity in order to efficiently transfer heat transferred from the heater element 10 to the housing 14. Furthermore, since the contact portion with the heater element 10 is exposed to a relatively high temperature, the heat conducting material 22 can maintain a liquid phase relatively stably even at a high temperature (about 500 ° C.) (the constituent components decompose and evaporate). It is preferable that the material is made of a material that does not change.
  • the glow plug 1 is made of a material that can reversibly change the solid phase and the liquid phase according to the temperature change of the use environment.
  • a material that can reversibly change the solid phase and the liquid phase according to the temperature change of the use environment.
  • a material include a low melting point alloy, preferably an alloy that melts at 100 ° C. or lower.
  • a low melting point alloy include an alloy made of two or more metals selected from Sn, Bi, In, Zn, Pb, and Cd. Note that a low melting point alloy not containing Pb and Cd is more preferable from the viewpoint of reducing the environmental load, and examples of such a low melting point alloy include a Sn—Bi—In alloy.
  • the opening 141 of the space 142 on the distal end side in the housing 14 is sealed with a sealing material (sealing member) 23. Since the seal member 23 is exposed to a relatively high temperature near the combustion chamber and the heat generating portion of the heater element 10, it is made of a material having high heat resistance. Examples of such a material include metals having high heat resistance, resins, elastomers, and the like. Further, the sealing material 23 is connected to both the housing 14 and the heater element 10 when sealing the opening 141 of the space 142 on the front end side of the housing 14, but the heater element 10 is caused by the pressure in the combustion chamber. It is preferable to have flexibility so that the movement of the heater element 10 is not restricted when the pressure is applied.
  • the seal member 23 is sealed by a fastener as shown in FIG.
  • the seal member (fastener) 23 has an annular base 23a in plan view, and a cylindrical collar 23b on the inner edge side of the base 23a, and the heater element 10 on the inner peripheral surface of the cylindrical collar 23b.
  • the outer cylinder 12 is joined to the outer peripheral surface 124 by brazing or the like.
  • the pressure sensor module 15 is provided in a space 143 on the rear end side in the housing 14.
  • the pressure sensor module 15 includes a pressure sensor 151, a sensor cable 152, and a sensor housing 153.
  • the pressure sensor 151 can be configured as a piezoelectric sensor element, for example.
  • the piezoelectric sensor element generates a charge when subjected to a mechanical load, and the charge can be detected in the contact regions 154 and 155 of the pressure sensor 151.
  • the detected charge is led out from the housing 14 of the glow plug 1 by the sensor cable 152.
  • the sensor housing 153 accommodates the pressure sensor 151 and the contact regions 154 and 155 and is supported in the sleeve 144.
  • the pressure sensor module 15 is supported by a sleeve 144 included in the housing 14 on the rear end 146 side of the housing 14 on the side far from the ceramic heater 11.
  • a force acting on the heater element 10 is generated based on the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • This force acts on the heater element 10 in the axial direction F1, ie in the direction along the axis x.
  • This force is transmitted to the pressure sensor 151 along the force transmission path indicated by the arrows F2 and F3.
  • the pressure sensor 151 transmits a detection signal via the sensor cable 152 according to the transmitted force, and the pressure formed in the combustion chamber is measured from the detection signal.
  • the electronic module 16 includes a contact unit 161, and the contact unit 161 includes a support body 163 for housing the signal processing unit 162 and a connector housing 164.
  • the contact unit 161 has an interface for contact connection with the heater element 10 and the pressure sensor module 15 on the end surface side 165 of the support 163 on the pressure sensor module side. The interface is performed via a sensor cable 152 and a lead cable 132 drawn from the housing 14 of the glow plug 1.
  • the contact unit 161 is at least partially surrounded by a tubular electronic module housing 166. In this case, the support 163 is completely surrounded by the electronic module housing 166.
  • the electronic module housing 166 is partially surrounded by the connector housing 164.
  • the manufacturing method of the pressure sensor integrated glow plug 1 will be described.
  • the ceramic heater 11 is inserted into the inner hole 121 of the outer cylinder 12.
  • the ceramic heater 11 is inserted into the outer cylinder 12 until the positive side metallized portion 117 of the ceramic heater 11 is sufficiently covered with the outer cylinder 12 (see FIG. 3B).
  • a brazing material 175 is placed on the chamfered portion 111 a of the ceramic heater 11. Further, the tip surface 131 of the lead portion 13 is placed on the positive electrode side metallized portion 117 of the ceramic heater 11. At this time, a brazing material 176 different from the brazing material 175 placed on the chamfered portion 111 a is placed between the positive side metallized portion 117 and the lead portion 13.
  • the heater element 10 is heated to 800 to 900 ° C. in a state where the outer cylinder 12, the ceramic heater 11, and the lead portion 13 are temporarily assembled. Thereby, the ceramic heater 11 and the outer cylinder 12, the ceramic heater 11 and the lead part 13 are brazed simultaneously, respectively.
  • the housing 14 containing the pressure sensor module 15 is inserted from the rear end side of the heater element 10 to a predetermined position, and the heat conductive material 22 is inserted into the front end of the housing 14 from the opening 141.
  • the side space 142 is filled. Thereafter, the opening 141 is sealed with the sealing material 23.
  • the electronic module 16 assembled in advance is connected from the rear end of the housing 14, and the glow plug 1 is assembled with this.
  • the space 142 on the front end side of the diaphragm 31 in the housing 14 is filled with the heat conductive material 22 that is melted by the heat transmitted from the heater element 10. Since the heat can be dissipated toward 14 and melted, the movement of the heater element 10 due to pressure fluctuations in the combustion chamber of the internal combustion engine is not restricted. Thereby, the heat transmitted from the heater element 10 can be efficiently transmitted to the housing 14, and the heat dissipation is enhanced to prevent damage in a short period.
  • the conventional glow plug foreign matter such as soot, unburned gas, oil, etc. generated during operation of the internal combustion engine or the like enters the space 142 in the housing 14 from the opening 141 of the housing 14, and the foreign matter accumulates and becomes clogged.
  • the performance of the diaphragm 31 is reduced by foreign matter, the movement of the heater element 10 due to the combustion pressure or the like is hindered, and the pressure detection sensitivity may be reduced.
  • the space 142 on the tip side of the diaphragm 31 is already filled with the heat conductive material 22, so that foreign matter can be prevented from entering the space 142, and the performance of the diaphragm 31 can be reduced. It is possible to prevent a decrease in pressure detection sensitivity. As a result, the deterioration of the performance of the glow plug when mounted in the combustion chamber for a long period is reduced.
  • the opening 141 between the housing 14 and the heater element 10 on the tip side of the diaphragm 31 is sealed by the sealing material 23, heat conduction is performed by heat transmitted from the heater element 10 during operation of the glow plug and the internal combustion engine. Even if the material 22 is liquefied, the heat conducting material 22 is well held in the space 142. In addition, since the opening 141 is sealed with the sealing material 23, it is possible to prevent foreign matter from entering the space 142. Moreover, since the step part 14a is formed in the inner wall facing the space 142 on the front end side of the housing 14, the contact area between the heat conductive material 22 and the housing 14 can be increased, and the heat radiation effect can be further enhanced. it can.
  • the opening 141 may be sealed by a sealing member different from that in FIG. Specifically, as shown in FIG. 4A, the opening 141 may be sealed with a filler 25 as a seal material, or as shown in FIG. 4B, the filler as a seal material. The opening 141 may be sealed by 25 and the fastener 26.
  • the filler 25 is filled in the gap between the housing 14 and the heater element 10 on the opening 141 side after the space 142 is filled with the heat conductive material 22. Examples of such a filler 25 include fluorine rubber and silicon rubber.
  • fastener 26 One end of the fastener 26 is fixed to the outer peripheral surface on the distal end side of the housing 14 by brazing or the like. However, since the other end does not have to be coupled to the outer peripheral surface of the heater element 10, the heater element 10 is not restrained by the housing 14 by the fastener 26. Therefore, the fastener 26 does not necessarily need to be comprised with the material which has a softness

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Abstract

放熱性を高めて短期間での破損を抑制すること。　内燃機関の燃焼室内に挿入されるヒータエレメント（１０）と、ヒータエレメントの加熱部を突出させた状態でヒータエレメントを支持するハウジング（１４）と、ヒータエレメントとハウジングとを連結し、ヒータエレメントとハウジングとの間の空間をハウジングの先端側と後端側に仕切る弾性体（３１）と、ハウジングにおける弾性体よりも後端側の空間内に設けられ、ヒータエレメントの変位から燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ（１５）と、を備えるグロープラグ（１）であって、ハウジングにおける弾性体よりも先端側の空間（１４２）内に、ヒータエレメントから伝えられる熱により溶融する熱伝導材料（２２）を充填した。

Description

グロープラグ
　本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグに、燃焼室内の圧力を検知するための圧力センサを備えたグロープラグに関する。
　ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助として使用されるグロープラグに、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を検知するための圧力センサを備えたグロープラグが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１のグロープラグにおいて、通電により加熱されるヒータエレメントは、ハウジング内に変位可能な状態で収容されており、燃焼室内の圧力変化によって、ヒータエレメントはハウジングの軸線方向に変位して、該変位が圧力センサに伝達され、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧として検知される。
　ここで、ヒータエレメントは、金属製のダイヤフラムによってハウジングに取り付けられることで、ハウジングに対して変位可能な状態とされている。
特表２００９－５２７７４８号公報
　しかしながら、上記のような圧力センサを備えるグロープラグでは、ヒータエレメントとハウジングとは、ダイヤフラムによって結合されているのみであり、ヒータエレメントから伝わってくる熱は、主に、薄いダイヤフラムを介した経路によりハウジング側に伝達される。したがって、ハウジングにヒータエレメントがロウ材により固定された一般的なグロープラグに比べて、ヒータエレメントからハウジングに伝わる熱の伝達効率が悪く、放熱性に優れないため、ヒートエレメントやハウジング内の温度が上昇しやすくなる。その結果、ヒータエレメントの発熱体の取り出し電極やロウ材の温度が限界温度を超えてしまい、グロープラグが短期間で破損してしまうおそれがあった。
　そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、放熱性を高めて短期間での破損を抑制することができるグロープラグを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関の燃焼室内に挿入されるヒータエレメントと、前記ヒータエレメントの加熱部を突出させた状態で前記ヒータエレメントを支持するハウジングと、前記ヒータエレメントと前記ハウジングとを連結し、前記ヒータエレメントと前記ハウジングとの間の空間を前記ハウジングの先端側と後端側に仕切る弾性体と、前記ハウジングにおける前記弾性体よりも後端側の空間内に設けられ、前記ヒータエレメントの変位から前記燃焼室内の圧力を検出する前記圧力センサと、を備えるグロープラグであって、前記ハウジングにおける前記弾性体よりも先端側の空間内に、前記ヒータエレメントから伝えられる熱により溶融する熱伝導材料を充填したことを特徴とする。
　また、前記ハウジングは、その先端に前記ヒータエレメントを挿入する開口を有し、前記開口から挿入された前記ヒータエレメントと開口縁との隙間を封止する封止部材を備えることが好ましい。
　また、前記熱伝導材料は、１００℃以下で溶融する金属であることが好ましい。
　また、前記ハウジングにおける前記弾性体よりも先端側の内面には段部が形成されていることが好ましい。
　本発明によれば、放熱性を高めて短期間での破損を抑制することができる。
本発明の実施形態にかかるグロープラグを部分的に断面視した縦断面図である。 図１におけるグロープラグのハウジングの先端付近を拡大した縦断面図である。 本発明の実施形態にかかるグロープラグの製造方法を示す図である。 本発明の他の実施形態にかかるグロープラグのハウジングの先端付近を拡大した縦断面図である。
　本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施形態をとり得る。
　図１は、グロープラグの縦断面図である。図２は、図１において、ハウジングの先端付近を拡大視したグロープラグの縦断面図である。以下、横断面とは、グロープラグの長手方向の軸線に垂直な切断面をいい、縦断面とは、グロープラグの長手方向の軸線を含む切断面をいう。
　図１、図２に示すように、グロープラグ１は、ヒータエレメント１０と、ハウジング１４と、圧力センサモジュール１５と、電子モジュール１６等を備えている。
（ヒータエレメント）
　ヒータエレメント１０は、内燃機関の始動を補助するものであり、燃焼室内（予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室、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。ヒータエレメント１０は、例えば、セラミックスから構成されている。なお、ヒータエレメント１０は、セラミックスに限らず、金属から構成されていてもよい。
　図１、図２に示されるように、ヒータエレメント１０は、セラミックスヒータ１１と、金属製の外筒（シース）１２と、リード部１３等を備えている。
　セラミックスヒータ１１は、通電により加熱される部位であり、セラミックスヒータ１１には、その本体部を構成するセラミックス絶縁基体１１１の内部に、Ｕ字状に形成されたセラミックス発熱体１１２が埋設されている。このセラミックス発熱体１１２の両端側には、それぞれ金属リード１１３を介して正側電極１１４及び負側電極１１５が設けられている。負側電極１１５は、セラミックス絶縁基体１１１の外周面に取り出され、負側電極１１５を含むセラミックス絶縁基体１１１の外周面には、負極側メタライズ部１１６が形成されている。
　セラミックスヒータ１１のうち、少なくとも負極側メタライズ部１１６は、外筒１２の一端側の内面に接合され、負側電極１１５は外筒１２に電気的に接続されている。外筒１２は、導電性及び熱伝導性を有する金属材料から形成されている。外筒１２は、その内径がセラミックスヒータ１１を挿入できる程度の大きさに形成されており、セラミックスヒータ１１を外筒１２に挿入した際に、外筒１２の内周面１２３とセラミックスヒータ１１の外周面１１８との間に僅かな隙間ができる程度に形成されている。
　また、セラミックスヒータ１１と外筒１２との接合は、外筒１２内にセラミックスヒータ１１の負極側メタライズ部１１６を挿入、固定した状態で、ロウ付け等により行われる。すなわち、セラミックスヒータ１１の負極側メタライズ部１１６がロウ材によって外筒１２の内面に接合され、電気的に接続される。負極側メタライズ部１１６は、例えば、負極側メタライズ部１１６全体の重量に対して３０重量％以下の銅（Ｃｕ）と、１０重量％以下のチタン（Ｔｉ）を含有する銀ペーストによって形成される。
　正側電極１１４は、セラミックス発熱体１１２が埋設されている先端側とは反対の基端側においてセラミックス絶縁基体１１１の外面に取り出されている。正側電極１１４を含むセラミックス絶縁基体１１１の後端面には正極側メタライズ部１１７が形成されている。この正極側メタライズ部１１７はロウ付け等によってリード部１３の先端面１３１に接合され、正側電極１１４とリード部１３とが電気的に接続されている。
　ここで、セラミックス絶縁基体１１１の後端面には、面取加工部１１１ａが形成されている。これによって、セラミックス絶縁基体１１１とリード部１３の接合部の周囲において、セラミックス絶縁基体１１１と外筒１２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、ロウ材と外筒１２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ようになっている。
　リード部１３は、セラミックスヒータ１１の正側電極１１４に電気的に接続されている。リード部１３は、グロープラグ１の作動時に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、その直径が例えば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。そのため、リード部１３は、例えば、セラミックス絶縁基体１１１の横断面積の２０％以上の横断面積を有する、比較的太い直径を有するリード棒として形成されている。
　一方で、リード部１３の直径が大きすぎると、リード部１３と外筒１２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。よって、リード部１３の横断面積は、例えば、セラミックス絶縁基体１１１の横断面積の４０％以下であることが好ましい。また、リード部１３の長さは、リード部１３の直径の２倍以上の長さとすることが好ましい。
　リード部１３は、電気伝導率が高い材料からなる。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。また、低剛性であり電気伝導率が高い鉄合金や鋳鉄を用いてもよい。
　なお、リード部１３には、耐熱性を改善するためにニッケル（Ｎｉ）メッキ等を施してもよく、耐酸化性を向上させるため、銀（Ａｇ）により被覆してもよい。
　リード部１３は、圧力センサモジュール１５側まで導かれ、圧力センサモジュール１５側の後端部１３３において、保持部材１３４および位置決め部材１３５により外筒１２内に保持される。これにより、リード部１３と外筒１２の内周面１２３とが一定の距離に保たれると共に、ヒータエレメント１０の変位が圧力センサモジュール１５に対して適切に伝達されるように、リード部１３の後端部１３３が位置決めされる。ここで、位置決め部材１３５は、外筒１２の内周面１２３に接するように設置されており、保持部材１３４を介してリード部１３を保持している。また、保持部材１３４は、リード部１３の後端部１３３側においてリード部１３の外周面１３６を覆うように形成されており、圧力センサモジュール１５側の端面１３７の面積を広くすることで、圧力センサモジュール１５に対して良好な接触を図ることができる。また、保持部材１３４は、リード部１３と電気的に接続されている。リード部１３は保持部材１３４を介して、外部接続端子としてのリードケーブル１３２と電気的に接続され、リードケーブル１３２はグロープラグ１のハウジング１４から引き出されている。
（ハウジング）
　図１、図２に示されるように、ハウジング１４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り、ヒータエレメント１０や圧力センサモジュール１５等を収容するものである。ハウジング１４は、放熱性に優れた熱伝導性の金属材料から形成されている。ハウジング１４は、例えば、円筒状に形成されており、ヒータエレメント１０は、基端側が部分的にハウジング１４の内部に配置され、先端側がハウジング１４の先端側の開口１４１からハウジング１４の外側に突出した状態でハウジング１４にダイヤフラム３１（弾性体）を介して支持されている。ハウジング１４から突出したヒータエレメント１０の先端は、内燃機関の燃焼室内に挿入される。
　ダイヤフラム３１は、平面視円環状に形成された薄い膜体であり、弾性変形可能な金属から形成されている。ダイヤフラム３１の中心に形成された孔にはヒータエレメント１０の外筒１２が挿通されており、外筒１２と共にハウジング１４内に収容されている。ダイヤフラム３１は、内縁側が外筒１２の外周面１２４に取り付けられており、外縁側がハウジング１４の内面に設けられたスリーブ１４４に取り付けられている。これにより、ハウジング１４の内面と外筒１２の外面との間の空間がダイヤフラム３１によって先端側（ヒータエレメント１０側）の空間１４２と後端側（圧力センサモジュール１５側）の空間１４３とに分けられる。
　スリーブ１４４は、ハウジング１４に固定されており、ヒータエレメント１０の一部や圧力センサモジュール１５を収容する。
　スリーブ１４４の内側には、位置決め部材１４５がスリーブ１４４と同一軸線上に配置されており、位置決め部材１４５は、スリーブ１４４に固定されている。この位置決め部材１４５には、外筒１２が摺動自在に挿入されている。すなわち、外筒１２の外周面１２４は位置決め部材１４５に接触しているが、外筒１２を何ら拘束していない。
　ハウジング１４における先端側の空間１４２の内壁には、段部１４ａが形成されている。なお、段部１４ａは、複数の平面から形成されるものに限らず、ハウジング１４と熱伝導材料２２との接触面積が増えるような形状であれば自由に設計変更可能である。
　ハウジング１４における先端側の空間１４２には、ヒータエレメント１０から伝わってくる熱によって溶融する熱伝導材料２２が固体の状態で充填されている。熱伝導材料２２は、ヒータエレメント１０から伝達される熱を効率よくハウジング１４に伝達するため、熱伝導性の高い材料であることが好ましい。さらに、ヒータエレメント１０との接触部は比較的高温に晒されることから、熱伝導材料２２は、高温（５００℃程度）でも比較的安定に液相を保持できる（構成成分が分解する、蒸発する等の変化が起こらない）材料で構成されることが好ましい。また、グロープラグ１は繰り返し使用されることから、使用環境の温度変化によって固相と液相とを可逆的に変化可能な材料で構成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、低融点合金があり、好ましくは、１００℃以下で溶融する合金が挙げられる。このような低融点合金としては、例えば、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｐｂ、およびＣｄから選択される２種以上の金属からなる合金が挙げられる。なお、環境負荷を低減する観点からＰｂおよびＣｄを含まない低融点合金がより好ましく、このような低融点合金としては、例えば、Ｓｎ－Ｂｉ－Ｉｎ合金等がある。
　ハウジング１４における先端側の空間１４２の開口１４１は、シール材（封止部材）２３によって封止されている。シール部材２３は、燃焼室内およびヒータエレメント１０の発熱部に近く比較的高温に晒されるため、耐熱性の高い材料で構成される。このような材料としては、耐熱性の高い金属や、樹脂、エラストマー等が挙げられる。また、シール材２３は、ハウジング１４の先端側の空間１４２の開口１４１を封止する際、ハウジング１４とヒータエレメント１０との両方に接続されることになるが、燃焼室内の圧力によってヒータエレメント１０が加圧された際に、ヒータエレメント１０の動きを拘束しないために、柔軟性を有することが好ましい。このような柔軟性に優れた材料としては、薄く加工された金属材料や、フッ素ゴムやシリコンゴム等が挙げられる。
　シール部材２３は、例えば、図２に示されるような留め具により封止されている。シール部材（留め具）２３は、平面視円環状の基部２３ａと、この基部２３ａの内縁側に円筒状のつば２３ｂとを有しており、円筒状のつば２３ｂの内周面においてヒータエレメント１０の外筒１２の外周面１２４にロウ付け等により結合されている。
（圧力センサモジュール）
　圧力センサモジュール１５は、ハウジング１４における後端側の空間１４３に設けられている。圧力センサモジュール１５は、圧力センサ１５１と、センサケーブル１５２と、センサハウジング１５３とを備えている。圧力センサ１５１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１５１のコンタクト領域１５４，１５５において検出可能となっている。検出された電荷はセンサケーブル１５２によってグロープラグ１のハウジング１４から導出される。センサハウジング１５３は、圧力センサ１５１およびコンタクト領域１５４、１５５を収容しており、スリーブ１４４内に支持されている。圧力センサモジュール１５は、セラミックヒータ１１から遠い方の側のハウジング１４の後端１４６側において、ハウジング１４に内包されたスリーブ１４４によって支持されている。
　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、ヒータエレメント１０に作用する力が発生する。この力は軸方向Ｆ１で、すなわち軸線ｘに沿った方向で、ヒータエレメント１０に作用する。この力は、矢印Ｆ２、Ｆ３により示された力伝達経路に沿って圧力センサ１５１に伝達される。圧力センサ１５１は伝達された力に応じてセンサケーブル１５２を介して検出信号を発信し、この検出信号から、燃焼室内に形成された圧力が測定される。
（電子モジュール）
　電子モジュール１６は、接点ユニット１６１を有しており、接点ユニット１６１は、信号処理ユニット１６２を収容するための支持体１６３と、コネクタハウジング１６４とを備えている。接点ユニット１６１は、支持体１６３の圧力センサモジュール側の端面側１６５に、ヒータエレメント１０および圧力センサモジュール１５との接触接続のためのインターフェースを有している。インターフェースは、グロープラグ１のハウジング１４から引き出されたセンサケーブル１５２およびリードケーブル１３２を介して行われる。なお、接点ユニット１６１は、少なくとも部分的に、管状の電子モジュールハウジング１６６によって包囲されており、この場合、支持体１６３は完全に電子モジュールハウジング１６６によって包囲されている。また、電子モジュールハウジング１６６は部分的にコネクタハウジング１６４によって包囲されている。
＜グロープラグの製造方法＞
　図３に基づいて、圧力センサ一体型グロープラグ１の製造方法について説明する。
　図３（ａ）に示すように、外筒１２の内部孔１２１内にセラミックスヒータ１１を挿入する。セラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７が外筒１２によって十分に覆われる所定の位置関係（図３（ｂ）参照）になるところまで、セラミックスヒータ１１を外筒１２内に挿入する。
　次に、図３（ｂ）に示すように、セラミックスヒータ１１の面取加工部１１１ａ上にロウ材１７５を置く。また、リード部１３の先端面１３１を、セラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７上に置く。この際、正極側メタライズ部１１７とリード部１３との間には、面取加工部１１１ａ上に置かれたロウ材１７５とは別のロウ材１７６を置く。
　次に、外筒１２、セラミックスヒータ１１、リード部１３を仮組みした状態で、このヒータエレメント１０を８００～９００℃まで加熱する。これにより、セラミックスヒータ１１及び外筒１２、セラミックスヒータ１１及びリード部１３が、それぞれ同時にロウ付けされる。
　次に、図３（ｃ）に示すように、圧力センサモジュール１５を内蔵したハウジング１４をヒータエレメント１０の後端側から所定の位置まで挿入し、開口１４１から熱伝導材料２２をハウジング１４における先端側の空間１４２に充填する。その後、シール材２３によって、開口１４１を封止する。
　最後に、図３（ｃ）に示すように、予め組み立てておいた電子モジュール１６を、ハウジング１４の後端部から接続し、これをもってグロープラグ１が組み立てられる。
＜実施形態の効果＞
　上述した構成によれば、ハウジング１４におけるダイヤフラム３１よりも先端側の空間１４２に、ヒータエレメント１０から伝達される熱により溶融する熱伝導材料２２が充填されているので、熱伝導材料２２からもハウジング１４へ向けて放熱することができ、溶融しているので内燃機関の燃焼室内の圧力変動によるヒータエレメント１０の動きが拘束されることがない。これにより、ヒータエレメント１０から伝達される熱をハウジング１４に効率よく伝達でき、放熱性を高めて短期間での破損を抑制する。
　また、従来のグロープラグでは、内燃機関等の動作に伴い発生するススや、未燃ガス、オイル等の異物が、ハウジング１４の開口１４１からハウジング１４内の空間１４２に入り込み、異物が溜まって詰まる、あるいは、異物によってダイヤフラム３１の性能が低下し、ヒータエレメント１０の燃焼圧等による可動が阻害され、圧力の検知感度が低下するおそれがあった。しかし、上記の構成によれば、ダイヤフラム３１よりも先端側の空間１４２にはすでに熱伝導材料２２が充填されているので、空間１４２に異物が混入することを防止でき、ダイヤフラム３１の性能低下や、圧力の検知感度の低下を防止できる。その結果、長期間にわたり燃焼室内に取り付けられた場合におけるグロープラグの性能劣化は軽減される。
　また、ダイヤフラム３１よりも先端側のハウジング１４とヒータエレメント１０との開口１４１は、シール材２３によって封止されているため、グロープラグおよび内燃機関の動作時に、ヒータエレメント１０から伝わる熱により熱伝導材料２２が液化しても、熱伝導材料２２は空間１４２内に良好に保持される。また、開口１４１が、シール材２３によって封止されていることにより、空間１４２内に異物が混入することを抑制できる。
　また、ハウジング１４の先端側の空間１４２に面する内壁には段部１４ａが形成されているので、熱伝導材料２２とハウジング１４との接触面積を増やすことができ、放熱効果をより高めることができる。
＜その他＞
　以上説明したグロープラグは、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、開口１４１は、図２とは別のシール部材によって封止されていてもよい。具体的には、図４（Ａ）に示すように、シール材としての充填材２５により開口１４１を封止してもよいし、図４（Ｂ）に示すように、シール材としての充填材２５及び留め具２６により、開口１４１を封止してもよい。
　充填材２５は、空間１４２に熱伝導材料２２を充填した後、開口１４１側のハウジング１４とヒータエレメント１０の隙間に、充填される。このような充填材２５としては、例えば、フッ素ゴムやシリコンゴムがある。
　留め具２６は、一端がハウジング１４の先端側の外周面にロウ付け等により固定される。しかし、他端はヒータエレメント１０の外周面と結合されなくてもよいため、ヒータエレメント１０は留め具２６によりハウジング１４に拘束されない。そのため、留め具２６は、必ずしも柔軟性を有する材料で構成される必要はなく、例えば耐熱性を有する金属や樹脂で構成できる。また、このような留め具２６としては、例えばガスケットのような部材が挙げられる。

Claims (4)

  1. 　内燃機関の燃焼室内に挿入されるヒータエレメントと、
    　前記ヒータエレメントの加熱部を突出させた状態で前記ヒータエレメントを支持するハウジングと、
    　前記ヒータエレメントと前記ハウジングとを連結し、前記ヒータエレメントと前記ハウジングとの間の空間を前記ハウジングの先端側と後端側に仕切る弾性体と、
    　前記ハウジングにおける前記弾性体よりも後端側の空間内に設けられ、前記ヒータエレメントの変位から前記燃焼室内の圧力を検出する前記圧力センサと、を備えるグロープラグであって、
    　前記ハウジングにおける前記弾性体よりも先端側の空間内に、前記ヒータエレメントから伝えられる熱により溶融する熱伝導材料を充填したことを特徴とするグロープラグ。
  2. 　前記ハウジングは、その先端に前記ヒータエレメントを挿入する開口を有し、
    　前記開口から挿入された前記ヒータエレメントと開口縁との隙間を封止する封止部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
  3. 　前記熱伝導材料は、１００℃以下で溶融する金属であることを特徴とする請求項１または２に記載のグロープラグ。
  4. 　前記ハウジングにおける前記弾性体よりも先端側の内面には段部が形成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のグロープラグ。
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