JP4126854B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部材に通電を行うための棒状の中軸が溶接により直列に接続された２本の棒材よりなるグロープラグに関し、特に直噴式のディーゼルエンジンに適用されるグロープラグに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
グロープラグは、一般に、筒状のハウジングと、このハウジングの一端側にてハウジングの内部に保持され通電により発熱する発熱部材と、この発熱部材よりもハウジングの他端側にてハウジング内に収納され発熱部材に通電を行うための棒状の中軸とを備える。一方、ディーゼルエンジンの直噴化に伴い、エンジン側の制約等から、グロープラグは長化、細径化の傾向にある。
【０００３】
従って、グロープラグの長化に際して、中軸が溶接により直列に接続された２本の棒材よりなる構成を採用することが考えられる。そのようなものとしては、例えば、特開平４−１５４０７号公報に記載のものが提案されている。このものは、中軸（中心電極）を、一端側が発熱部材に電気的に導通された第１の棒材（先端側部材）の他端側と、一端側に外部と電気的に接続可能な端子ネジを有する第２の棒材（後端側部材）の他端側とが溶接されてなる構成としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、現状では中軸の材質としては炭素鋼が採用され、中軸における端子ネジの締め付けトルクの仕様を満足させるために、この炭素鋼の炭素含有量を増加させ、強度を確保している。例えば、Ｍ４のネジにて締め付けトルクは３Ｎ・ｍ（国際規格ＩＳＯでは２．５Ｎ・ｍ）程度を満足する必要がある。
【０００５】
しかしながら、２本の棒材を溶接して１本の中軸とする場合、強度を確保すべく炭素含有量を増加する方法では、一定以上の硬さになると溶接性に問題が生じる。即ち、溶接時に溶接割れを引き起こしたり、外観では確認できない溶接部の亀裂が生じ、市場走行において遅れ破壊を引き起こす懸念がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発熱部材に通電を行うための棒状の中軸が溶接により直列に接続された２本の棒材よりなるグロープラグにおいて、中軸の強度を確保しつつ、良好な溶接性を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、実用レベルに十分な締め付けトルクに対応した強度、及び、良好な溶接性を確保するために、中軸として、ビッカース硬さと炭素含有量を種々変えた材料を用いて実験検討した結果に基づいて創出されたものである。
【０００８】
即ち、請求項１の発明では、発熱部材（３）通電用の棒状の中軸（４）を、一端側が発熱部材に電気的に導通された第１の棒材（４１）の他端側と、一端側に外部と電気的に接続可能な端子部を有する第２の棒材（４２）の他端側とを溶接してなるものとしたグロープラグにおいて、第１の棒材を、炭素含有量が０．０８％〜０．３％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものとし、第２の棒材を、炭素含有量が０．０８％〜０．１５％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものとしたことを特徴としている。
【０００９】
本発明のように、第１の棒材及び第２の棒材における炭素含有量とビッカース硬さとを上記範囲に設定することにより、中軸の強度を確保しつつ、良好な溶接性を実現することができる。
【００１０】
ここで、請求項２の発明のように、第１及び第２の棒材（４１、４２）のビッカース硬さが２００Ｈｖ以上であれば、良好な溶接性を実現しつつ、より高い強度を確保することが出来、好ましい。
【００１１】
また、第１の棒材（４１）と第２の棒材（４２）との溶接部（４３）のビッカース硬さについては、請求項３の発明のように、４００Ｈｖ以下であることが好ましい。溶接部のビッカース硬さが４００Ｈｖ以下とすることで、よりも確実に溶接割れや遅れ破壊の発生を防止することができる。
【００１２】
また、請求項１〜請求項３の発明は、中軸（４）の径（Ｄ）が３ｍｍ以下であり、中軸と発熱部材（３）との長さの総計（Ｌ）が１２０ｍｍ以上であるような、従来に無い長化、細径化されたグロープラグに用いた場合にも、十分に中軸の強度を確保しつつ、良好な溶接性を実現することができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１に本発明の実施形態に係るグロープラグ１の縦断面構成を示す。このグロープラグ１は、例えば、ディーゼルエンジンの複数（例えば４気筒）のシリンダ（図示しない）にそれぞれ取り付けられ、エンジン始動時における燃料の着火および燃焼を促進するためのものである。
【００１５】
グロープラグ１は、中空筒状で、導電性材料（例えば鉄系材料）からなるハウジング２を備えており、このハウジング２の外面には、グロープラグ１を上記シリンダに脱着可能に取り付けるための取付用ネジ部２１が備えられている。本例では、ハウジング２は鉄系材料を用いており、その内面及び外面を冷間鍛造により加工形成した後、切削等によって取付用ネジ部２１を形成することで作られている。
【００１６】
このハウジング２の一端２ａ側におけるハウジング２の内部には、通電により発熱する棒状の発熱部材３が収納されている。この発熱部材３の一端３ａ側は、ハウジング２の一端２ａから突出しており、発熱部材３の一端３ａは、グロープラグ１を上記シリンダに取り付けた状態でエンジンの燃焼室に露出するようになっている。
【００１７】
また、発熱部材３よりもハウジング２の他端２ｂ寄りの部位におけるハウジング２の内部には、導電性材料よりなる棒状の中軸４が収納されている。本例では、中軸４は段付円柱状をなしており、中軸４の一端４ａ側は、発熱部材３の他端３ｂ側と電気的に導通されており、中軸４の他端４ｂは、ハウジング２の他端２ｂから突出している。
【００１８】
発熱部材３の本体は、一端３ａ側に閉塞部、他端３ｂ側に開口部を有する細長な有底筒状のチューブ５によって区画形成されている。このチューブ５は、耐熱性および耐酸化性に優れる導電性材料（例えばステンレス材料）からなり、ハウジング２の一端２ａ側にて圧入等により固定されている。このチューブ５においては、スウェージングによってチューブ５の外径を絞ることにより、発熱部材３の一端３ａ側に小径部５１、発熱部材３の他端３ｂ側に大径部５２が形成されている。
【００１９】
また、チューブ５の内部には、コイル状の第１及び第２抵抗体６、７が、チューブ５の長軸方向に沿って設けられている。第１抵抗体６は、チューブ５の閉塞部側に内蔵され、第２抵抗体７は、第１抵抗体６よりもチューブ５の開口部側に内蔵されている。
【００２０】
また、第１抵抗体６の一端６ａは、チューブ５の閉塞部に溶接されて電気的に接続され、他端６ｂは、第２抵抗体７の一端７ａに溶接されて電気的に接続されている。そして、第２抵抗体７の他端７ｂは、上記中軸４の一端４ａに溶接等により電気的に接続されている。
【００２１】
これら中軸４の一端４ａ側、第１抵抗体６および第２抵抗体７は、チューブ５内において、耐熱性絶縁材料（例えばマグネシア等）からなる絶縁粉末８により埋設されている。これにより、中軸４の一端４ａ側、第１抵抗体６および第２抵抗体７が、チューブ５の閉塞部以外の部位に対して絶縁的に保持される。なお、絶縁体粉末８はチューブ５の開口部側にてシール９によりシールされている。
【００２２】
なお、第１抵抗体６は、常温（２０℃）と１０００℃（予熱時におけるグロープラグ１の第１抵抗体６の温度）の抵抗変化率（１０００℃の抵抗値／２０℃の抵抗値）が、例えば１程度に小さな第１導電材料（例えば鉄クロム合金やニッケルクロム合金）からなる。
【００２３】
また、第２抵抗体７は、上記抵抗変化率が、例えば５〜１４程度に大きな第２導電材料（例えばニッケル、低炭素鋼やコバルト鉄合金）からなる。なお、抵抗温度係数とは、横軸に温度、縦軸に抵抗値をプロットして得られるグラフの傾きのことである。よって、第２導電材料は、第１導電材料よりも、正の抵抗温度係数の大きな材料である。
【００２４】
ここで、本実施形態では、中軸４は溶接により２本の棒材を直列に接続したものである。中軸４の一端４ａ側に位置する第１の棒材としてのヒータピン４１は、その一端側が発熱部材３における第２抵抗体７と電気的に導通されている。中軸４の他端４ｂ側に位置する第２の棒材としての端子ピン４２は、その一端側におけるハウジング２の他端２ｂから突出した部位に、外部と電気的に接続可能な端子ネジ部（本発明でいう端子部）４２ａが形成されている。
【００２５】
そして、ヒータピン４１の他端側と端子ピン４２の他端側は、プラズマ溶接等により溶接され、溶接部４３が形成されている。図２は、両棒材４１、４２の溶接方法の一例を示す説明図である。
【００２６】
図２（ａ）に示す様に、両棒材４１、４２のどちらか一方の他端（図２では、端子ピン４２の他端）に凹部４４を形成し、この凹部４４に相手側の棒材の他端を嵌合させる。続いて、図２（ｂ）に示す様に、両棒材４１、４２の嵌合部の全周に、プラズマアークＫを当て全周溶接する。このようにして、中軸４が形成される。
【００２７】
また、本実施形態では、中軸４の強度確保と溶接性確保とを両立させるために、ヒータピン（第１の棒材）４１は、炭素含有量が０．０８％〜０．３％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなり、端子ピン（第２の棒材）４２は、炭素含有量が０．０８％〜０．１５％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものとしている。
【００２８】
例えば、ヒータピン４１としては、Ｓ２５Ｃ、ＳＷＣＨ２５Ｋ等、端子ピン４２としては、Ｓ８Ｃ、Ｓ１０Ｃ、ＳＷＣＨ１０Ｒ等の炭素鋼材料を用い、これら炭素鋼材料を冷間鍛造等により加工し硬化させたものを用いることができる。
【００２９】
また、中軸４の他端４ｂ側即ち端子ピン４２に形成された端子ネジ部４２ａには、ゴム等の絶縁弾性材料からなる環状のシール部材１０および絶縁樹脂製のブッシュ１１を介してナット１２が締めつけられており、それによって、中軸４の他端側４ｂは、ハウジング２の他端２ｂ側に絶縁的に固定されている。シール部材１０は、中軸４とハウジング２との間をシールしている。
【００３０】
また、本例のグロープラグ１においては、図１に示す中軸４における最小外径Ｄが３ｍｍ以下（例えば２．９ｍｍ）、中軸４と発熱部材３との長さの総計（つまり、グロープラグ１の長さ）Ｌは１２０ｍｍ以上となっており、長化・細径化が図られた構成となっている。
【００３１】
かかるグロープラグ１は、各構成部材を次のように組み付けることにより形成される。まず、発熱部材３と中軸４とが一体に組み付けられたものをハウジング２へ挿入し、発熱部材３とハウジング２とを圧入もしくはろう付け等で固定することにより、ハウジング２、発熱部材３及び中軸４を一体化する。
【００３２】
続いて、中軸４の他端４ｂ側より、シール部材１０及びブッシュ１１を投入して配置する。そして、端子ネジ部４２ａに沿ってナット１２を締め付けることにより、図１に示すグロープラグ１が出来上がる。このグロープラグ１は、上述のように、取付用ネジ部２１を介して上記シリンダに取り付けられる。
【００３３】
また、グロープラグ１を上記シリンダに取り付けた状態で、図１に示す様に、端子ネジ部４２ａには、電源と電気的に接続された外部配線部材１３が端子用ナット１４を締め付けることによって組み付けられる。これにより、電源から外部配線部材１３、中軸４を介して発熱部材３へ通電可能となっている。
【００３４】
そして、グロープラグ１においては、発熱部材３への通電直後において、第１抵抗体６に大電流を供給でき、第１抵抗体６を発熱させるとともに、所定時間経過後には、第２抵抗体７側での温度上昇により、第２抵抗体７の抵抗値を増大させて、第１抵抗体６への供給電力を減少させ、第１抵抗体６での過加熱による断線等を防止できるようになっている。こうして、エンジン始動時における燃料の着火および燃焼が促進される。
【００３５】
ところで、本実施形態によれば、ヒータピン（第１の棒材）４１及び端子ピン（第２の棒材）４２における炭素含有量とビッカース硬さとを上記したような範囲に設定することにより、中軸４の強度を確保しつつ、両棒材４１、４２の良好な溶接性を実現することができる。
【００３６】
次に、ヒータピン（第１の棒材）４１を、炭素含有量が０．０８％〜０．３％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものとし、端子ピン（第２の棒材）４２を、炭素含有量が０．０８％〜０．１５％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなるものとした根拠について述べる。
【００３７】
図３は、端子ピン４２のビッカース硬さＨｖと端子ネジ部４２ａの締め付けトルク（上記端子用ナット１４を締め付けるトルク）との関係について検討した結果を示す図である。図３では、ビッカース硬さＨｖを１６０Ｈｖ、１８０Ｈｖ、２００Ｈｖと変えた端子ピン４２を、それぞれ４個用意し、締め付けトルクを増加させていった場合の端子ピン４２の状態を調べたものである。
【００３８】
ビッカース硬さＨｖは、端子ピン４２を軸方向に切断し、その切断面の複数箇所におけるビッカース硬さＨｖを測定し、平均値をとったものである。図３中、クロスマーク（×）は端子ネジ部４２ａが破断した状態、三角マーク（△）は端子ネジ部４２ａが変形した状態、丸マーク（○）は端子ネジ部４２ａが破断も変形もせずに異常の無い状態を示す。
【００３９】
ここで、端子ネジ部４２ａの締め付けトルクは、実用レベルの値として３Ｎ・ｍ以上を満足する必要があることから、端子ピン４２のビッカース硬さＨｖは１８０Ｈｖ以上必要であるといえる。また、ヒータピン４１についても、端子ピン４２と溶接され一体化された中軸４として構成されることから、ビッカース硬さＨｖは１８０Ｈｖ以上必要であるといえる。
【００４０】
このように、ビッカース硬さＨｖを大きくするためには、単純には、炭素鋼における炭素含有量を増加させればよいが、あまりにも炭素含有量が多すぎると、両棒材４１、４２の溶接性に問題が生じる。そこで、なるべく少ない炭素含有量にて、ビッカース硬さＨｖ１８０Ｈｖ以上を満足するために、両棒材４１、４２を冷間鍛造等により加工硬化させる。
【００４１】
図４は、端子ピン４２について、炭素含有量（Ｃ量、％）と加工硬化によるビッカース硬さＨｖとの関係を調べた結果を示す図である。図４中の破線は加工硬化しない一般状態での炭素含有量とＨｖとの関係を示すもので、文献値（機械工学便覧、日本機械学会編）である。加工硬化処理によりビッカース硬さＨｖは大きくなっているが、１８０Ｈｖ以上を満足するためには、炭素含有量は０．０８％以上は必要であることがわかる。
【００４２】
また、図５は、冷間鍛造により加工硬化処理し１８０Ｈｖ以上としたヒータピン４１、端子ピン４２において、両ピン４１、４２の炭素含有量（Ｃ量）の組合せを変えた場合の溶接性を調べた結果を示す図である。炭素含有量は、ヒータピン４１については、０．１％、０．２５％、０．３％、０．３５％と変え、端子ピン４２については、０．０８％、０．１％、０．１５％、０．２％、０．２５％、０．３５％と変え、図５に示す９個の組合せ▲１▼〜▲９▼について調べた。これら図５に示す各組合せ▲１▼〜▲９▼は、具体的には図６に示してある。
【００４３】
図５及び図６中、三角マーク（△）は、実機搭載状態を想定した振動試験にて溶接部４３に割れ（遅れ破壊）が発生した場合、クロスマーク（×）は、両棒材４１、４２の溶接時において割れ（溶接割れ）が発生した場合、丸マーク（○）は、上記遅れ破壊及び溶接割れのいずれも発生しない異常なしの場合を示す。なお、図５では、９個の炭素含有量の組合せ▲１▼〜▲９▼の１つ１つについて、４個ずつサンプルを作成して調べた結果であり、図中の各マークは、重ならないように実際の座標からは多少ずらして示してある。
【００４４】
図５から、遅れ破壊や溶接割れといった溶接不良が発生せずに良好な溶接性を満足するには、ヒータピン４１の炭素含有量が０．３％以下であり、端子ピン４２の炭素含有量が０．１５％以下であることが必要と言える。このように、上記図３〜図５に示した検討結果から、両棒材４１、４２ともビッカース硬さＨｖが１８０Ｈｖ以上であり、炭素含有量については、ヒータピン４１が０．０８％〜０．３％で、端子ピン４２が０．０８％〜０．１５％であることが必要といえる。
【００４５】
また、図６には、上記図５に示した各組合せ▲１▼〜▲９▼について、溶接部４３のビッカース硬さＨｖを測定した結果を示してある。図６から、溶接部４３のビッカース硬さＨｖが４２０Ｈｖ以上にて溶接不良が発生することがわかる。ここで、製造上のばらつきや材料のばらつき等を考慮すると、溶接部４３では４００Ｈｖ以下が好ましい。
【００４６】
そして、両棒材４１、４２のビッカース硬さＨｖを１８０Ｈｖ以上とし、炭素含有量については、ヒータピン４１が０．０８％〜０．３％、端子ピン４２が０．０８％〜０．１５％とすることにより、溶接部４３のビッカース硬さＨｖを４００Ｈｖ以下とすることができる。
【００４７】
また、上記図３からわかるように、両棒材４１、４２のビッカース硬さＨｖが２００Ｈｖ以上であれば、良好な溶接性を実現しつつ、より高い強度を確保することが出来、好ましい。なお、各棒材４１、４２のビッカース硬さＨｖは、溶接部のビッカース硬さＨｖが４００Ｈｖを越えないように、大きくし過ぎないようにすることが必要である。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、両ピン４１、４２における炭素含有量とビッカース硬さとを上記したような範囲に設定することにより、強度及び溶接性が適切に確保された中軸４を実現することができるため、長化及び細径化のニーズに好適なグロープラグ１を提供することができる。
【００４９】
（他の実施形態）
なお、端子ピン４２の一端側に形成された端子部としては、上記端子ネジ部４２ａのようにネジ結合を用いるものに限定されない。例えば、外部配線部材として嵌合タイプのターミナルを用い、端子ピン４２の一端側に当該ターミナルが嵌合可能な部位を形成し、この部位が端子部として構成されていても良い。
【００５０】
また、発熱部材３としては、上記した金属抵抗体６、７に限定されるものではない。例えば、窒化珪素等を用いたセラミック発熱体を用いたものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るグロープラグの縦断面図である。
【図２】ヒータピンと端子ピンとの溶接方法の一例を示す説明図である。
【図３】端子ピンにおけるビッカース硬さＨｖと締め付けトルクとの関係について検討した結果を示す図である。
【図４】端子ピンについて炭素含有量と加工硬化によるビッカース硬さＨｖとの関係を調べた結果を示す図である。
【図５】ヒータピン及び端子ピンの炭素含有量を変えた場合の溶接性について検討した結果を示す図である。
【図６】図５に示す炭素含有量の各組合せについて溶接部のビッカース硬さＨｖを測定した結果を示す図表である。
【符号の説明】
２…ハウジング、３…発熱部材、４…中軸、４１…ヒータピン、
４２…端子ピン、４２ａ…端子ネジ部。

Claims (4)

1. 筒状のハウジング（２）と、
   前記ハウジングの一端側にて前記ハウジングの内部に保持され、通電により発熱する発熱部材（３）と、
   この発熱部材よりも前記ハウジングの他端側にて前記ハウジング内に収納され、前記発熱部材に通電を行うための棒状の中軸（４）とを備え、
   この中軸が、一端側が前記発熱部材に電気的に導通された第１の棒材（４１）の他端側と、一端側に外部と電気的に接続可能な端子部（４２ａ）を有する第２の棒材（４２）の他端側とを溶接してなるものであるグロープラグにおいて、
   前記第１の棒材は、炭素含有量が０．０８％〜０．３％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなり、
   前記第２の棒材は、炭素含有量が０．０８％〜０．１５％で且つビッカース硬さが１８０Ｈｖ以上である炭素鋼材料よりなることを特徴とするグロープラグ。
2. 前記第１及び第２の棒材（４１、４２）のビッカース硬さが２００Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ。
3. 前記第１の棒材（４１）と前記第２の棒材（４２）との溶接部（４３）のビッカース硬さが４００Ｈｖ以下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. 前記中軸（４）の径（Ｄ）が３ｍｍ以下であり、前記中軸と前記発熱部材（３）との長さの総計は１２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のグロープラグ。

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