WO2015146554A1

WO2015146554A1 - セラミックスヒータ型グロープラグ

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Publication number: WO2015146554A1
Application number: PCT/JP2015/056768
Authority: WO
Inventors: 勝美高津
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JPWO2015146554A1

Abstract

　セラミックスヒータ型グロープラグの構成及び製造工程が従来よりも簡素化され、破損を防ぐこと。　セラミックスヒータ（１１）と、セラミックスヒータ（１１）が一端側に保持されるとともに他端側がハウジング（１４）の内部孔（１４３）に挿入されて固定された金属製の外筒（１２）と、を備えたセラミックスヒータ型グロープラグ（１）において、セラミックスヒータ（１１）の外周面にセラミックスヒータ（１１）の一方の電極（１１５）を有するとともに、セラミックスヒータ（１１）の後端部に他方の電極（１１４）を有し、他方の電極（１１４）に接続された導電性の太径リード部（１３）と、太径リード部（１３）の後端部に接続された導電性の弾性部材（１５）と、弾性部材（１５）の後端部に接続された外部接続端子（１６）と、を有する。

Description

セラミックスヒータ型グロープラグ

　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。

　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、後端側を金属製の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、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先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４に示すように、セラミックスヒータ３１０の一方の電極（負側電極）３１２をセラミックス絶縁基体３１１の外面に取り出して外筒３２０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）３１３を後端部から電極取出金具３３０及び電極取出ロッド３４０を介して外筒３２０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３００が実用化されている。より具体的には、電極取出金具３３０及び電極取出ロッド３４０によって外筒３２０の外部に取り出された電極は、ハウジング３５０の後端側でインシュレータ３７０を介して固定された外部接続端子３６０に電気的に接続される（例えば、特許文献１参照）。

　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３００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３３０を用いているために、通電の際に、電極取出金具３３０の温度が自身の耐熱温度を大幅に超えるおそれがある。そのため、外筒３２０の内部に絶縁性のセラミック粉末３８０を充填し、当該セラミック粉末３８０を介して電極取出金具３３０の熱を放熱し、電極取出金具３３０の温度上昇を抑えるようにしている。

特許４１７２４８６号公報

　しかしながら、このようなグロープラグ３００の製造過程においては、外筒３２０へのセラミック粉末３８０の充填、外筒３２０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。また、セラミックヒータ３１０、電極取出金具３３０、電極取出ロッド３４０等の構成部材を、同軸度公差の許容限界を超えて製造することにもつながりかねない。グロープラグ３００が同軸度公差の許容限界を超えて製造された場合、グロープラグ３００の使用に伴い発生する曲げ応力によって、各構成部材の接合部が破損してしまうという問題がある。

　そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、構造及び製造工程が従来よりも簡素化されるとともに、破損を防ぐことのできる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。

　上記課題を解決するため、本発明は、セラミックスヒータと、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の外筒と、を備えたセラミックスヒータ型グロープラグにおいて、セラミックスヒータの外周面にセラミックスヒータの一方の電極を有するとともに、セラミックスヒータの後端部に他方の電極を有し、他方の電極に接続された導電性の太径リード部と、太径リード部の後端部に接続された導電性の弾性部材と、弾性部材の後端部に接続された外部接続端子と、を有することを特徴としている。

　この発明の一態様として、弾性部材は圧縮コイルばねであり、弾性部材は、圧縮コイルばねの素線が密着した状態で、太径リード部及び外部接続端子に接続されていることが好ましい。

　この発明の一態様として、弾性部材が鉄、鉄合金、ニッケル、又はニッケル合金からなることが好ましい。

　この発明の一態様として、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が好ましい。

　この発明の一態様として、太径リード部が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又は鋳鉄からなることが好ましい。

　この発明の一態様として、太径リード部の直径を１．０としたときに、太径リード部の軸方向長さを２．０以上の値とすることが好ましい。

　この発明の一態様として、セラミックスヒータの横断面積を１．０としたときに、太径リード部の横断面積を０．２～０．４の範囲内の値とすることが好ましい。

　本発明によれば、セラミックスヒータ型グロープラグの構造及び製造工程が従来よりも簡素化されるとともに、該グロープラグの破損を防ぐことができる。

本発明の実施形態にかかるセラミックスヒータ型グロープラグの縦断面図である。本発明の実施形態にかかるセラミックスヒータ型グロープラグのセラミックスヒータアセンブリの製造方法を示す図である。本発明の変形例にかかるセラミックスヒータ型グロープラグのセラミックスヒータアセンブリの縦断面図である。従来のセラミックスヒータ型グロープラグの縦断面図である。

　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、本発明の実施形態にかかるディーゼルエンジン用のセラミックスヒータ型グロープラグ１の縦断面図である。図１に示すグロープラグ１は、セラミックスヒータアセンブリ１０と、ハウジング１４と、コイルばね１５と、リード棒１６等を備えている。なお、明細書及び特許請求の範囲で使用される横断面とは、セラミックヒータ型グロープラグ１の長手方向の軸線に垂直な切断面を意味する。また、明細書で使用される縦断面とは、セラミックヒータ型グロープラグ１の長手方向の軸線を含む切断面を意味する。

（セラミックスヒータアセンブリ）
　セラミックスヒータアセンブリ１０は、セラミックスヒータ１１と、金属製の外筒（シース）１２と、太径リード部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。この負極側メタライズ部１１６は、外筒１２の内面にロウ付け等によって接合され、負側電極１１５は外筒１２に電気的に接続されている。すなわち、外筒１２は、導電性を有する金属材料から形成されている。
　なお、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との間隔が約２０～３０μｍとなるように、セラミックスヒータ１１及び外筒１２の寸法が決定される。

　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後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太径リード部１３の先端面１３１に接合され、正側電極１１４と太径リード部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と太径リード部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。

　グロープラグ１の作動時において、太径リード部１３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１３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、太径リード部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、太径リード部１３の直径が大きすぎると、太径リード部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、太径リード部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、太径リード部１３の長さは、太径リード部１３の直径の２倍以上の長さとすることが好ましい。

　太径リード部１３は、外部接続端子としてのリード棒１６よりも剛性が低く、電気導電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。あるいは、低剛性であり電気導電率が高い鉄合金や鋳鉄とすることもできる。
　なお、太径リード部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。

（ハウジング）
　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、外筒１２や太径リード部１３を収容するものである。ハウジング１４は、例えば、円筒状に形成され、上記のように構成されるセラミックスヒータアセンブリ１０が、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１４の内部に外筒１２がロウ付け等により固定されているが、その他の形態として、外筒１２を金属管等（図示せず）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１４として形成することもできる。

（コイルばね）
　コイルばね１５は、セラミックスヒータアセンブリ１０からリード棒１６にわたって曲げ応力が作用した際に、自身の変形によりその曲げ応力を吸収して同軸度を維持するように機能するものである。
　コイルばね１５は、弾性部材としての圧縮コイルばねから形成されている。コイルばね１５は、例えば、鉄（Ｆｅ）、鉄合金、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、又はこれらにニッケルメッキされたものから形成されている。
　コイルばね１５は、ハウジング１４内に収容されており、その先端部１５１が太径リード部１３の後端面１３２にロウ付け等により接合されている。コイルばね１５の後端部１５２は、リード棒１６の先端面１６１に抵抗溶接等により接合されている。なお、コイルばね１５は、素線が密着した状態で太径リード部１３とリード棒１６との間に設けられており、その結果、太径リード部１３とコイルばね１５とリード棒１６とが電気的に接続されている。

（リード棒）
　リード棒１６は、ハウジング１４内に収容され、ハウジング１４との間に充填された樹脂又は低融点ガラス等からなる充填剤１７３及びシールリング１７４によって固定されている。
　リード棒１６は、Ｓ２５Ｃ等の鉄系材料から形成されており、コイルばね１５と抵抗溶接がしやすい材料から形成されている。
　リード棒１６は、ハウジング１４の後端側でインシュレータ１７１に保持されるとともに、その後端部はハウジング１４外部に露出して、ラウンドピン１７２と接続されている。

＜製造方法＞
　図２に基づいて、ディーゼルエンジン用グロープラグ１の製造方法について説明する。
　図２（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。外筒１２の肩部１２２とセラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７とが所定の位置関係（例えば図２（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２（ｂ）に示すように、外筒１２の肩部１２２上にロウ材１７５を置く。また、太径リード部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。さらに、コイルばね１５を、太径リード部１３の後端面１３２上に置く。この際、正極側メタライズ部１１７と太径リード部１３との間、太径リード部１３とコイルばね１５との間には、肩部１２２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、太径リード部１３、コイルばね１５を仮組みした状態で、このアッセンブリを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及び太径リード部１３、太径リード部１３及びコイルばね１５が、それぞれ同時にロウ付けされる。

　次に、図２（ｃ）に示すように、リード棒１６とコイルばね１５とを溶接（例えばスポット溶接）よって接合し、固定する。

　次に、図２（ｄ）に示すように、ハウジング１４の先端面１４１が外筒１２の突出部１２４の後端面１２５に当接するまで、ハウジング１４を下降させる。このように当接した状態で、ハウジング１４の先端面１４１と外筒１２の突出部１２４の後端面１２５とを溶接する。なお、ハウジング１４の内周面１４２と外筒１２の外周面１２６とをロウ付けすることで、ハウジング１４と外筒１２とを固定してもよい。
　また、図２（ｄ）に示すように、ハウジング１４とリード棒１６との間に、シールリング１７４を挿入する。次いで、リード棒１６とハウジング１４との間に、樹脂又は低融点ガラス等からなる充填剤１７３を充填する。

　最後に、図２（ｅ）に示すように、ハウジング１４の内部孔１４３の後端を、インシュレータ１７１によって塞ぐ。この際、インシュレータ１７１とハウジング１４との間にはＯリング１７７を設ける。

＜実施形態の効果＞
　上述した構成によれば、太径リード部１３を用いてセラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７をリード棒１６に接続しているので、太径リード部１３の抵抗を低減させることができる。よって、構成を簡素化できる。また、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、太径リード部１３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。よって、太径リード部１３の酸化による劣化を、長期間に亘って防ぐことができる。また、太径リード部１３を用いることで、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、太径リード部１３とリード棒１６とをコイルばね１５を介して接続しているので、グロープラグ１が同軸度公差の許容限界を超えて製造された場合であっても、コイルばね１５がグロープラグ１の使用時及び組み立て時に発生する曲げ応力を逃がすことができる。これにより、リード棒１６とコイルばね１５との接続部、コイルばね１５と太径リード部１３との接続部、及び太径リード部１３とセラミックスヒータ１１との接続部の破損を回避することができる。

　また、コイルばね１５は圧縮コイルばねであり、コイルばね１５は、素線が密着した状態で、太径リード部１３及びリード棒１６に接続されているので、コイルばね１５自体の抵抗を低減させることができ、コイルばね１５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、コイルばね１５は、常に、太径リード部１３をセラミックスヒータ１１に向かって押圧しているので、セラミックヒータ１１と太径リード部１３との接合部にプリロードを加えることができる。よって、グロープラグ１の動作時に、加熱及び冷却を繰り返す温度サイクルが太径リード部１３に加えられても、太径リード部１３に発生する熱応力はコイルばね１５に吸収される。したがって、太径リード部１３とセラミックスヒータ１１との接合部の破断を防止することができる。

　また、コイルばね１５が鉄、鉄合金、ニッケル、又はニッケル合金からなることにより、リード棒１６との抵抗溶接が可能となり、製造工程が容易になる。
　また、太径リード部１３の剛性をリード棒１６よりも低くすることにより、太径リード部１３が撓みやすくなって、太径リード部１３とセラミックスヒータ１１の正極側メタライズ部１１７との接合部、或いは太径リード部１３とコイルばね１５との接合部への応力集中を緩和することができる。具体的には、エンジン駆動時の振動や、グロープラグ１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当該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１３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、太径リード部１３が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又は鋳鉄からなることにより、比較的剛性が低く、電気導電率の高い太径リード部１３とすることができる。電気導電率を高くすることにより、リード線の太径化による自己発熱抑制の効果をさらに高めることができる。
　また、太径リード部１３の直径を１．０としたときに、太径リード部１３の軸方向長さを２．０以上の値とすることにより、太径リード部１３を十分に撓ませることが可能になる。よって、エンジン駆動時の振動や、グロープラグ１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当該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１３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、セラミックスヒータ１１の横断面積を１．０としたときに、太径リード部１３の横断面積を０．２～０．４の範囲内の値とすることにより、太径リード部１３と正極側メタライズ部１１７との接合部、及び太径リード部１３とコイルばね１５との接合部の接合強度を高めることができる。よって、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１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。さらに、太径リード部１３と外筒１２との電気絶縁性を確保することができる。

　また、太径リード部１３にニッケル（Ｎｉ）メッキ等を施すことにより、太径リード部１３の耐熱性をより高めることができる。また、太径リード部１３の熱伝導率をより高くすることで、セラミックヒータ１１から伝達される熱を効率的にリード棒１６に伝達させることができ、太径リード部１３の耐熱性をさらに高めることができる。
　また、太径リード部１３を銀（Ａｇ）により被覆することで、太径リード部１３の耐久性（特に耐酸化性）を向上させることができる。

　また、リード棒１６が、ハウジング１４内において、樹脂等の充填剤１７３によって固定されているので、ラウンドピン１７２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、リード棒１６に付加される応力が、リード棒１６とコイルばね１５との接合部、コイルばね１５と太径リード部１３との接合部、及び太径リード部１３とセラミックスヒータ１１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１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１の各部位に応力が生じる場合があるが、リード棒１６が充填剤１７３によって固定されているために、リード棒１６とコイルばね１５との接合部、コイルばね１５と太径リード部１３との接合部、及び太径リード部１３とセラミックスヒータ１１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１１から太径リード部１３を介して伝達される熱を、充填剤１７３を介してハウジング１４に逃がすこともできるようになる。

　このような構造を有するグロープラグ１は、セラミックスヒータ１１を短くすることができるとともに、外筒１２内へ粉末を充填する工程や、外筒１２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、グロープラグ１は、外筒１２を圧入ではなくロウ付けによりハウジング１４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。また、リード棒１６や太径リード部１３、外筒１２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。さらに、グロープラグ１が同軸度公差の許容限界を超えて製造された場合であっても、グロープラグ１の破損を防ぐことができる。

＜その他＞
　なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
　例えば、コイルばね１５に代えて図３に示すような構成を採用してもよい。
　図３は、ディーゼルエンジン用グロープラグの変形例にかかるディーゼルエンジン用グロープラグ２の縦断面図である。なお、それぞれ図中において同じ符号が付されているものは同一の構成を示すものであり、説明は省略する。
　グロープラグ２は、弾性部材として板状のばね材２５を使用している点で、上記実施形態にかかるグロープラグ１と異なっている。ばね材２５は、側面視略Ｕ字形状に形成されている。ばね材２５の機能については、コイルばね１５と同じであり、セラミックスヒータ等に作用する曲げ応力を吸収して同軸度を維持するものである。
　ばね材２５は、例えば、ベリリウム銅から成る。ベリリウム銅は電気導電率が高いため、ばね材２５自身の抵抗による自己発熱を低く抑えることができる。また、ばね材２５は、側面視略Ｓ字状に形成されていてもよい。
　ばね材２５をハウジング１４内に設ける際には、ばね材２５を圧縮変形させ、太径リード部１３をセラミックスヒータ１１に向かって押圧した状態でグロープラグ２を製造する。
　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。

Claims

　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の外筒と、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、
　前記他方の電極に接続された導電性の太径リード部と、
　該太径リード部の後端部に接続された導電性の弾性部材と、
　該弾性部材の後端部に接続された外部接続端子と、を有す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。
　前記弾性部材は、圧縮コイルばねであり、
　前記弾性部材は、前記圧縮コイルばねの素線が密着した状態で、前記太径リード部及び前記外部接続端子に接続されている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。
　前記弾性部材が鉄、鉄合金、ニッケル、又はニッケル合金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。
　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１～３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。
　前記太径リード部が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又は鋳鉄からな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。
　前記太径リード部の直径を１．０としたときに、前記太径リード部の軸方向長さを２．０以上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。
　前記セラミックスヒータの横断面積を１．０としたときに、前記太径リード部の横断面積を０．２～０．４の範囲内の値とする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。