JP5854638B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、電気的に加熱される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を補助するグロープラグが知られている。グロープラグは、エンジンのシリンダに形成された貫通孔に挿入されて固定されるハウジングと、ハウジングの先端からシリンダの燃焼室（もしくは副燃焼室）内へ突出するヒータと、ハウジング内に設けられ、外部の電源からの電力をヒータへ供給する導体である電力供給シャフトとを有する。エンジンの始動前や始動時において、ヒータが電源から電力の供給を受けて発熱し、燃焼室内を加熱することにより、エンジンの始動を補助する。

更に、燃焼室内の燃焼圧をヒータから受けるピエゾ抵抗素子と、ピエゾ抵抗素子の抵抗値を検出する回路が設けられたプリント基板とがハウジング内に設けられたグロープラグが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２０１７６号公報

しかしながら、圧力検出のための回路の実装面積を広げると、グロープラグのサイズが増大するという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、グロープラグのサイズの増大を防ぎつつ、圧力検出のための回路の実装面積を広げる技術を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、ヒータに電力を供給するヒータ通電シャフトと、前記ヒータ通電シャフトの軸方向端部に設けられ、前記ヒータ通電シャフトが軸方向に受ける圧力を電気信号に変換する圧力検出素子と、前記軸に対して前記圧力検出素子の外周を囲繞するとともに、前記圧力検出素子の信号出力端子を前記軸の外周側へ突出させる絶縁性の第一絶縁部材と、前記軸に対して前記第一絶縁部材の外周側に設けられ、前記ヒータ通電シャフトに接続されて前記ヒータへ電力を供給する電力供給配線と、前記軸に対して前記電力供給配線の外周側に設けられ、前記信号出力端子に接続されて前記圧力検出端子の電気信号を処理する信号処理回路と、前記電力供給配線と前記信号処理回路との間に設けられ、前記信号処理回路と前記電力供給配線とを絶縁する第二絶縁部材とを備えるグロープラグである。

グロープラグの斜視図である。 グロープラグの平面図である。 グロープラグの正面断面図である。 グロープラグの左側面断面図である。 センサユニットの正面図である。 センサユニットの分解斜視図である。 別の方向から見たセンサユニットの分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、この実施形態のグロープラグ全体について説明する。

図１はグロープラグの斜視図であり、図２はこのグロープラグの平面図であり、図３はこのグロープラグの正面断面図であり、図４はこのグロープラグの左側面断面図である。ここで、図３は図２におけるIII−III矢視断面を示し、図４は図２におけるIV−IV矢視断面を示す。このグロープラグの一端は、図示しないシリンダの燃焼室内に挿入されている。以後、このグロープラグにおいて、燃焼室内に配置される一端（図１における下端）を先端と呼び、他端（図１における上端）を基端と呼ぶ。

このグロープラグは、筒体を成すハウジング１と、先端がハウジング１外に突出しており基端がハウジング１内に位置しているヒータ２と、ハウジング１内に設けられており先端がヒータ２の基端に接続されている電力供給シャフト３と、ハウジング１内に設けられており先端が電力供給シャフト３の基端に接続されているセンサユニット４と、ハウジング１内に設けられており先端がセンサユニット４の基端に当接しているスペーサ５と、ハウジング１の基端部に固定されており先端がスペーサ５の基端に当接しているスクリュ６と、スペーサ５及びスクリュ６の内部を通っておりスペーサ５の先端からスクリュ６の基端まで延びる電源配線７とを有する。ヒータ２、電力供給シャフト３、スペーサ５、及びスクリュ６は、共通の中心軸を有する。電源配線７の基端側は、図示しない電源に接続されている。

ハウジング１は、ハウジング１の先端に位置しており開口を有する先端部１１と、先端が先端部１１の基端に接続されており外周に雄ネジが形成されている雄ネジ部１２と、先端が雄ネジ部１２の基端に接続されており中空部に電力供給シャフト３を通しているシャフト格納部１３と、先端がシャフト格納部１３の基端に接続されており中空部にセンサユニット４を通しているセンサユニット格納部１４と、先端がセンサユニット格納部１４の基端に接続されておりハウジング１の基端に位置している工具係合部１５とを有する。

シリンダの貫通孔の内周壁には雌ネジが形成されており、雄ネジ部１２は、その雌ネジに螺合する。更に工具係合部１５の外周壁は、中心軸を軸とする六角柱を成しており、スパナ等の工具に係合することができる。グロープラグをシリンダへ設置する際、ヒータ２及び先端部１１をシリンダの貫通孔から燃焼室内へ挿入し、工具を用いて工具係合部１５を中心軸周りに回転させることにより、雄ネジ部１２は雌ネジ部に締結され、グロープラグはシリンダに固定される。

工具係合部１５の内周壁には、雌ネジが形成されており、スクリュ６の外周壁には、その雌ネジに螺合する雄ネジが形成されている。更にこのスクリュ６の基端の外周壁には、スパナ等の工具に係合することができる２つの平面が形成されている。グロープラグを組み立てる際、ヒータ２と電力供給シャフト３とセンサユニット４とスペーサ５とがハウジング１内へ挿入された後、工具を用いてスクリュ６を中心軸周りに回転させることにより、スクリュ６はハウジング１に締結される。

センサユニット格納部１４の側面には、センサユニット４の一部を延出させる開口が形成され、その開口は、アダプタ１４ａにより塞がれている。

ヒータ２は、先端部１１の開口から燃焼室内へ突出している。この例におけるヒータ２は、シースヒータである。ヒータ２は、外壁を形成する管２ａと、管２ａに設けられた螺旋状の発熱線２ｂと、管２ａ内に充填されている絶縁体２ｃとを有する。発熱線２ｂの一端は、電力供給シャフト３の先端に接続され、発熱線２ｂの他端は、ハウジング１を介してシリンダに接続されることにより接地される。なお、ヒータ２には、セラミックヒータ等の他の方式を適用することができる。

電力供給シャフト３の外周でヒータ２の基端側には、Ｏリング２１が設けられている。このＯリング２１の外周がハウジング１の内周面に当接していることにより、燃焼室内の燃焼ガスがハウジング１の基端側に侵入することを防ぐ。なお、ヒータ２のハウジング１への取り付け構造によってはＯリング２１を使用しなくても燃焼ガスの侵入を防ぐことができる。また、ハウジング１と電力供給シャフト３は、互いに離間し、絶縁されている。

次に、センサユニット４について説明する。

図５はセンサユニット４の正面図であり、図６はセンサユニット４の分解斜視図であり、図７は別の方向から見たセンサユニット４の分解斜視図である。センサユニット４は、先端がガイド４１の底面に当接している電極３１と、先端側の面が電極３１の基端に当接している圧力検出素子３２と、先端が圧力検出素子３２の基端側の面に当接している電極３３と、先端が電極３３の基端に当接しているキャップ３４と、中心軸に対して電極３１と圧力検出素子３２と電極３３の夫々の外周を覆っているガイド４１と、中心軸に対してガイド４１の外側に設けられているリング４２と、中心軸に対してリング４２の外周を覆っているケース４３と、中心軸に対してリング４２の外側に設けられている信号処理回路５１とを有する。電極３１、圧力検出素子３２、電極３３、及びキャップ３４の夫々は、中心軸上に設けられている。

ガイド４１は、中心軸を軸とする中空円柱状に形成された絶縁体である。ガイド４１の基端部には、鉤状のクリップ４１ｂが設けられている。クリップ４１ｂがキャップ３４の基端を係止し、電力供給シャフト３がケース４３の先端に当接し、ケース４３の底面が電極３１の先端側に当接することにより、電極３１、圧力検出素子３２、及び電極３３はガイド４１内に保持されている。また、ガイド４１には、中心軸に平行な方向のスリット４１ａ（第一スリット）が形成されている。ガイド４１の先端においてスリット４１ａの先端は閉じており、ガイド４１の基端においてスリット４１ａの基端は開いている。

リング４２は、中心軸を軸とする中空円柱状に形成された導体である。また、リング４２のうちスリット４１ａに重なる位置には、中心軸に平行な方向のスリット４２ａ（第二スリット）が形成されている。リング４２の先端においてスリット４２ａの先端は開いており、リング４２の基端においてスリット４２ａの基端は開いている。即ち、リング４２の中心軸に垂直な断面は、円環の一部が欠けた形状（Ｃ字状）である。

更にリング４２の先端には、切り欠き４２ｂが形成されている。電力供給シャフト３とリング４２の接続前において、電力供給シャフト３の基端の外径はリング４２の先端の内径以上である。電力供給シャフト３とリング４２の接続時、電力供給シャフト３がリング４２の先端へ挿入されることにより切り欠き４２ｂの径が広がり、リング４２の先端が電力供給シャフト３の基端を覆う。これにより、電力供給シャフト３の基端とリング４２の先端は面接触し、スナップフィットにより接続される。更にリング４２の基端が電源配線７の先端に接続されることにより、電源からの電力は、電源配線７、リング４２、及び電力供給シャフト３を介してヒータ２へ供給される。リング４２が中心軸に対してガイド４１の外周を覆っていることにより、ヒータ２への電流を流す導体の断面積を確保することができる。また、電力供給シャフト３の基端とリング４２の先端が面接触することにより、ヒータ２への電流を流す導体の断面積を確保することができる。

ケース４３は、筒体に形成された絶縁体である。ケース４３の内周壁の中心軸に垂直な断面は、円の一部が直線により切り取られた形状（Ｄ字状）であり、リング４２の外周壁と係合する。この係合により、リング４２が中心軸周りに回転することが防止される。また、ケース４３のうちスリット４１ａに重なる位置には、中心軸に平行な方向のスリット４３ａ（第三スリット）が形成されている。ケース４３の先端においてスリット４３ａの先端は閉じており、ケース４３の基端においてスリット４３ａの基端は開いている。ケース４３の外周壁には４つの平面が形成されている。これら４つの平面のうち、スリット４２ａの外周側に位置する平面にはスリット４２ａに重なるスリット４３ａが形成され、スリット４３ａに隣接する２つの平面には基板貼り付け部４３ｃ，４３ｅが夫々形成され、スリット４３ａの反対側の平面には基板貼り付け部４３ｄが形成されている。

電極３１は、中心軸上に配置されており圧力検出素子３２の先端側の面に当接する接点３１ａと、中心軸に垂直な方向へ突出するピン３１ｂとを有する。同様に、電極３３は、中心軸上に配置されており圧力検出素子３２の基端側の面に当接する接点３３ａと、中心軸に垂直な方向へ突出するピン３３ｂとを有する。ピン３１ｂ，３３ｂは、スリット４１ａ内を通ってガイド４１の外へ突出し、スリット４２ａ内を通ってリング４２の外へ突出し、スリット４３ａ内を通ってケース４３の外へ突出している。また、スリット４２ａの幅はスリット４１ａ，４３ａの幅より大きいため、ピン３１ｂ，３３ｂの夫々とリング４２は、互いに離間し、絶縁されている。

ガイド４１においてスリット４１ａの基端が開いているため、組み立て時には、電極３１と圧力検出素子３２と電極３３を基端側からガイド４１内へ挿入することができる。また、リング４２においてスリット４２ａの基端が開いているため、組み立て時には、電極３１と圧力検出素子３２と電極３３とが設置されたガイド４１を基端側からリング４２内へ挿入することができる。また、ケース４３においてスリット４３ａの基端が開いているため、組み立て時には、電極３１と圧力検出素子３２と電極３３とが設置されたリング４２を基端側からケース４３内へ挿入することができる。

信号処理回路５１は、中心軸に対してケース４３の外周に巻き付けられているフレキシブル基板５１ａと、フレキシブル基板５１ａの一端に設けられた第１接続部５１ｂと、フレキシブル基板５１ａを介して第１接続部５１ｂに接続された部分回路５１ｃと、フレキシブル基板５１ａを介して部分回路５１ｃに接続された部分回路５１ｄと、フレキシブル基板５１ａを介して部分回路５１ｄに接続された部分回路５１ｅと、フレキシブル基板５１ａを介して部分回路５１ｄに接続されておりフレキシブル基板５１ａの他端に設けられた第２接続部５１ｆとを有する。

フレキシブル基板５１ａの内周側の面は、基板貼り付け部４３ｃ，４３ｄ，４３ｅへ接着されている。フレキシブル基板５１ａ上で基板貼り付け部４３ｃの外周側には部分回路５１ｃが設けられ、フレキシブル基板５１ａ上で基板貼り付け部４３ｄの外周側には部分回路５１ｄが設けられており、フレキシブル基板５１ａ上で基板貼り付け部４３ｅの外周側には部分回路５１ｅが設けられている。第１接続部５１ｂは、スリット４３ａに密着している。第２接続部５１ｆは、センサユニット格納部１４の開口とアダプタ１４ａの間隙からセンサユニット格納部１４の外へ延出し、図示しない制御装置に接続されている。制御装置は例えばＥＣＵ（Engine Control Unit）である。

第１接続部５１ｂは、夫々貫通孔が形成されている素子接続端子５１ｐ，５１ｑを有する。ケース４３から突出したピン３３ｂは、素子接続端子５１ｐの貫通孔に接続される。同様に、ケース４３から突出したピン３１ｂは、素子接続端子５１ｑの貫通孔に接続される。この構成により、圧力検出素子３２から出力される電荷信号は、素子接続端子５１ｐ，５１ｑへ与えられる。第２接続部５１ｆは、夫々貫通孔が形成されている電源端子５１ｒと接地端子５１ｓと信号端子５１ｔを有する。電源端子５１ｒは、制御装置の電源供給端子へ接続され、制御装置から信号処理回路５１への電力の供給を受ける。接地端子５１ｓは、基準電位に接続される。信号端子５１ｔは、制御装置の信号入力端子へ接続され、信号処理回路５１による処理の結果を制御装置へ出力する。部分回路５１ｃ，５１ｄ，５１ｅの夫々は、信号処理回路５１の機能の一部を実現する。

ガイド４１は、電極３１、圧力検出素子３２、電極３３の夫々と、リング４２との間を絶縁している。更にケース４３は、リング４２と信号処理回路５１との間を絶縁している。これらの構成により、圧力検出素子３２からの信号の経路とヒータ２への電力の経路との間は、絶縁されている。

圧力検出素子３２の基端側の面は、電極３３、キャップ３４、スペーサ５、スクリュ６、及びハウジング１を介して、シリンダに固定されている。燃焼室内の燃焼圧は、ヒータ２、電力供給シャフト３、電極３１を介して、圧力検出端子３２の先端側の面を基端方向へ押圧する。これにより、圧力検出端子３２は中心軸方向に圧縮され、先端側の面の変位に応じた電荷信号を電極３１，３３間に発生させる。信号処理回路５１は例えばチャージアンプであり、圧力検出素子３２から出力される微弱な電荷信号を電圧信号に変換して制御装置へ出力する。

ヒータ２への電力の配線であるリング４２が中心軸に対して圧力検出素子３２の外周を覆うように設けられ、更に信号処理回路５１が中心軸に対してリング４２の外周を覆うように設けられていることにより、センサユニット４及びグロープラグの径の増大を防ぐことができる。

また、フレキシブル基板５１ａがケース４３上に巻き付けられることにより、部分回路５１ｃ，５１ｄ，５１ｅはケース４３の外周壁上に設けられている。信号処理回路５１の回路部品が一つのリジッド基板上に実装される場合と比較すると、この実施形態は、グロープラグの径を小さくすることができる。また、信号処理回路５１の回路部品が一つのリジッド基板上に実装される場合と比較して、グロープラグの径を等しくすれば、この実施形態は、信号処理回路５１の実装面積を広くすることができる。これにより、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）等の高価な集積回路を用いて信号処理回路５１を小型化する必要がなくなり、信号処理回路５１のコストを抑えることができる。

第一絶縁部材は例えば、ガイド４１である。なお、第一絶縁部材には、スリットの代わりに他の形状の開口や切り欠きが形成されていても良い。また、第一絶縁部材は、複数の絶縁体により実現されても良い。この場合、第一絶縁部材の複数の絶縁体の間にピン３１ｂ，３３ｂを通しても良い。電力供給配線は例えば、リング４２である。なお、電力供給配線には、スリットの代わりに他の形状の開口や切り欠きが形成されていても良い。また、電力供給配線は、夫々が電源配線７と電力供給シャフト３とを接続する複数の導体により実現されても良い。この場合、電力供給配線の複数の導体の間にピン３１ｂ，３３ｂを通しても良い。第二絶縁部材は例えば、ケース４３である。なお、第二絶縁部材には、スリットの代わりに他の形状の開口や切り欠きが形成されていても良い。また、第二絶縁部材は、複数の絶縁体により実現されても良い。この場合、第二絶縁部材の複数の絶縁体の間にピン３１ｂ，３３ｂを通しても良い。

圧力検出素子３２の材料として、例えば酸化亜鉛などの圧電体が用いられる。本実施形態では、電極３１の接点３１ａ、電極３３の接点３３ａは、圧力検出素子である酸化亜鉛の分極軸と直交する上下の面（Ｃ面）、いわゆる結晶面方位（0,0,0,1）面にそれぞれ当接しており、本実施形態は、酸化亜鉛が分極軸方向に圧縮された際にＣ面に電荷を発生する特性（圧電縦効果）を利用している。同様に圧電縦効果を有する圧電体として、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸鉛等があり、本実施形態と同様に分極軸と直交する上下の面に電極３１，３３を配置することで感度良く圧力を検出することができる。スペーサ５、キャップ３４、ガイド４１、ケース４３の材料として、例えばポリフェニレンサルファイドなどの樹脂が用いられる。スクリュ６、アダプタ１４ａ、電極３１，３３の材料として、例えば硫黄快削鋼などの鋼材が用いられる。クリップ４１ｂの材料として、例えばステンレス鋼などの鋼材が用いられる。リング４２の材料として、例えばリン脱酸銅など電気伝導性の高い材料が用いられる。ハウジング１の材料として、例えば炭素鋼などの鋼材が用いられる。Ｏリング２１の材料として、例えばフッ素ゴムなどのゴムが用いられる。

更に前述の実施形態には、ヒータに電力を供給するヒータ通電シャフトと、前記ヒータ通電シャフトの軸方向端部に設けられ、前記ヒータ通電シャフトが軸方向に受ける圧力を電気信号に変換する圧力検出素子と、該圧力検出素子の電気信号を処理する信号処理回路と、前記圧力検出素子を囲繞するとともに、前記圧力検出素子の信号出力端子を外周側へ突出させる絶縁性の第一絶縁部材と、前記第一絶縁部材の外周に設けられ、前記信号出力端子を通す第一スリットが形成された筒部を有し、前記ヒータ通電シャフトに接続されて前記ヒータに電力を供給する電力供給配線と、前記電力供給配線の外周面を覆うとともに、前記ヒータ通電シャフトと同軸を有し、前記信号出力端子を通す第二スリットが形成された筒体である第二絶縁部材と、前記第二絶縁部材の外周面に巻き付けられ、前記信号処理回路が形成されたフレキシブル基板とを備え、前記第一絶縁部材の外周側へ突出した前記信号処理端子は、前記第一スリットを通して前記電力供給配線の外周側へ突出し、前記第二スリットを通して前記第二絶縁部材の外周側へ突出し、前記信号処理回路に接続されている、グロープラグが開示されている。

１ ハウジング、２ ヒータ、３ 電力供給シャフト、４ センサユニット、５ スペーサ、６ スクリュ、１１ 先端部、１２ 雄ネジ部、１３ シャフト格納部、１４ センサユニット格納部、１４ａ アダプタ、１５ 工具係合部、２１ Ｏリング、３１ 電極、３１ａ 接点、３１ｂ ピン、３２ 圧力検出素子、３３ 電極、３３ａ 接点、３３ｂ ピン、３４ キャップ、４１ ガイド、４１ａ スリット、４１ｂ クリップ、４２ リング、４２ａ スリット、４３ ケース、４３ａ スリット、４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ 基板貼り付け部、５１ 信号処理回路、５１ａ フレキシブル基板、５１ｂ 第１接続部、５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ 部分回路、５１ｆ 第２接続部、５１ｐ，５１ｑ 素子接続端子、５１ｒ 電源端子、５１ｓ 接地端子、５１ｔ 信号端子。

Claims (5)

1. ヒータに電力を供給するヒータ通電シャフトと、
   前記ヒータ通電シャフトの軸方向端部に設けられ、前記ヒータ通電シャフトが軸方向に受ける圧力を電気信号に変換する圧力検出素子と、
   前記軸に対して前記圧力検出素子の外周を囲繞するとともに、前記圧力検出素子の信号出力端子を前記軸の外周側へ突出させる絶縁性の第一絶縁部材と、
   前記軸に対して前記第一絶縁部材の外周側に設けられ、前記ヒータ通電シャフトに接続されて前記ヒータへ電力を供給する電力供給配線と、
   前記軸に対して前記電力供給配線の外周側に設けられ、前記信号出力端子に接続されて前記圧力検出端子の電気信号を処理する信号処理回路と、
   前記電力供給配線と前記信号処理回路との間に設けられ、前記信号処理回路と前記電力供給配線とを絶縁する第二絶縁部材とを備え、
   前記信号出力端子は、前記軸方向に前記圧力検出素子を挟む二つの端子を有し、前記電力供給配線は、前記軸に平行な第二スリットが形成された筒体であり、前記二つの端子は、前記第二スリットを通して前記軸の外周側へ突出している、グロープラグ。
2. 前記第一絶縁部材は、前記軸に平行な第一スリットが形成された筒体であり、
   前記二つの端子は、前記第一スリットを通して前記軸の外周側へ突出している、
   請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記第二絶縁部材は、前記軸に平行な第三スリットが形成された筒体であり、
   前記二つの端子は、前記第三スリットを通して前記軸の外周側へ突出している、
   請求項１または請求項２に記載のグロープラグ。
4. 前記軸に対して前記第二絶縁部材の外周壁には、複数の平面が形成され、
   前記信号処理回路は、複数の部分回路を有し、
   前記複数の部分回路は、前記複数の平面上に夫々設けられている、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のグロープラグ。
5. 前記信号処理回路は、フレキシブル基板を有し、
   前記フレキシブル基板は、前記軸に対して前記第二絶縁部材の外周壁に巻き付けられている、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のグロープラグ。

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