JPH1089223A

JPH1089223A - グロープラグ

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Publication number: JPH1089223A
Application number: JP26367396A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kurano; 敦倉野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-04-07
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JP3823393B2

Abstract

(57)【要約】【課題】カーボン付着の問題がなく，精度良くイオン
電流を検出することができ，かつイオン検出用電極の損
傷がなく，耐久性に優れたグロープラグを提供するこ
と。【解決手段】本体１０は，絶縁体１１と，この内部に
設けられた通電発熱体２及び一対のリード線２１，２２
と，イオン検出用電極３とよりなる。イオン検出用電極
３は，少なくとも上記火炎と接触する露出部分３０が，
導電性セラミック粒子により絶縁性セラミック粒子を包
んでなる導電性の混合焼結体よりなると共に，その焼結
助剤として希土類元素の酸化物を１種以上含有してい
る。上記混合焼結体の組織は第１結晶相とその間の粒界
相とよりなり，該粒界相の一部又は全部は結晶化して上
記焼結助剤を含む第２結晶相となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，燃料の着火・燃焼を促進するた
めのグロープラグに関する。

【０００２】

【従来技術】近年，ガソリンエンジン，ディーゼルエン
ジンにおいては，環境保護の面から，排気ガスや排気煙
をより一層低減させることが要望されている。そして，
こうした要望に応えるべく，各種のエンジン改良や後処
理（触媒浄化等）により排出ガス低減，燃料・潤滑油性
状の改善，各種のエンジン燃焼制御システムの改善など
が検討されている。

【０００３】また，最近のエンジン燃焼制御システムに
おいては，エンジンの燃焼状態を検出することが要請さ
れており，筒内圧，燃焼光，イオン電流等を検出するこ
とによってエンジン燃焼状態を検出することが検討され
ている。特に，イオン電流によりエンジン燃焼状態を検
出することは，燃焼に伴う化学反応を直接的に観察でき
ることから極めて有用と考えられており，種々のイオン
電流検出方法が提案されている。

【０００４】例えば，特開平７−２５９５９７号公報に
は，燃料噴射ノズルの取り付け座部において，当該噴射
ノズル及びエンジンのシリンダヘッドから絶縁されたス
リーブ状のイオン検出用電極を装着し，これを外部の検
出回路に接続することにより燃料の燃焼に伴うイオン電
流を検出する方法が開示されている。また，米国特許第
４，７３９，７３１号では，セラミックグロープラグを
用いたイオン電流検出用センサが開示されている。

【０００５】これらの技術では，グロープラグのヒータ
（通電発熱体）表面に白金製の導電層を取着すると共
に，この導電層を燃焼室及びグロープラグ取付金具から
絶縁している。そして，導電層に外部からイオン電流測
定用電源（直流２５０Ｖ）を印加して燃料燃焼に伴うイ
オン電流を検出するようにしている。

【０００６】

【解決しようとする課題】ところが，上記従来技術にお
いては，いずれも以下に示す問題がある。即ち，前者の
技術（特開平７−２５９５９７号公報）では，イオン電
流検出のために，他の部位より絶縁されたスリーブ状の
イオン検出用電極を設置しなくてはならず，その材料の
選択及びその加工において煩雑な作業が強いられる。そ
のため，イオン検出用電極が非常に，高価な構成となる
という問題がある。さらに，燃料噴射ノズルとイオン検
出用電極との間，及びイオン検出用電極とシリンダヘッ
ドとの間が燃焼室内にて発生するカーボンにより短絡
し，早期に使用不能となるという欠点があった。

【０００７】また，後者の技術（米国特許第４，７３
９，７３１号）では，イオン検出用電極を通電発熱体と
は別に設けると共に，両者を別々の電源に接続している
ために構造が複雑になるという欠点があった。また，グ
ロープラグ使用時における急激な温度変化によって，イ
オン検出用電極が熱衝撃により破損するおそれがあっ
た。また，イオン検出用電極の耐熱性及び耐消耗性を確
保するために，白金など高価な貴金属を多量に必要とす
ることから，グロープラグ自体が非常に高価なものとな
る欠点があった。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので，カーボン付着の問題がなく，精度良くイオン電流
を検出することができ，かつイオン検出用電極の損傷が
なく，耐久性に優れたグロープラグを提供しようとする
ものである。

【０００９】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，ハウジングと該
ハウジング内に支持された本体とよりなるグロープラグ
において，上記本体は，絶縁体と，該絶縁体の内部に設
けられた通電発熱体及び該通電発熱体の両端部に電気的
に接続されて絶縁体の外部に導出された一対のリード線
と，上記絶縁体の内部に配設された，火炎中のイオン化
の状態を検出するための，イオン検出用電極とよりな
り，かつ，該イオン検出用電極は，少なくとも上記火炎
と接触する露出部分が，導電性セラミック粒子により絶
縁性セラミック粒子を包んでなる導電性の混合焼結体よ
りなると共に，その焼結助剤として希土類元素の酸化物
を１種以上含有しており，上記混合焼結体の組織は第１
結晶相とその間の粒界相とよりなり，該粒界相の一部又
は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相とな
っていることを特徴とするグロープラグにある。

【００１０】本発明において最も注目すべきことは，上
記絶縁体の内部に通電発熱体とイオン検出用電極とが配
設されており，また，上記イオン検出用電極は，少なく
とも上記火炎と接触する露出部分が，上記の導電性の混
合焼結体よりなると共に，その焼結助剤として希土類元
素の酸化物を１種以上含有しており，上記混合焼結体の
組織は第１結晶相とその間の粒界相とよりなり，該粒界
相の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２
結晶相となっていることである。

【００１１】即ち，本発明におけるイオン検出用電極
は，導電性セラミック又は絶縁性セラミックあるいは両
者の結晶相である第１結晶相と，その間に存する粒界相
とよりなる（図３〜図６）。この粒界相は，混合焼結体
においては全体的に非晶質のガラス状であることが一般
的である。これに対し，本発明における粒界相は，その
一部又は全部が結晶化して第２結晶相となっていること
に最大の特徴がある（図７）。

【００１２】上記通電発熱体及びイオン検出用電極を絶
縁体中に配設するに当たっては，例えば図９，図１０に
示すごとく，予め両者の成形品を作製しておき，これを
絶縁体粉末の中に埋め込んで一体成形する。或いは，予
め別途作製しておいた２つ割の絶縁体成形体の間に上記
通電発熱体の成形品とイオン検出用電極の成形品を挟持
配設する。これらの絶縁体，通電発熱体，イオン検出用
電極のそれぞれの成形品は，例えば，これらの材料であ
るセラミック粉末を主成分とし，これにパラフィンワッ
クスとその他の樹脂を混合した混合物を作製し，これを
射出成形することにより作製する。

【００１３】そして，上記イオン検出用電極の成形品を
作製するに当たっては，上記導電性セラミック粒子と絶
縁性セラミック粒子の他に上記希土類元素の酸化物より
なる焼結助剤を添加した原料を用いる。これにより，こ
の原料の混合焼結体は，上記のごとく，第１結晶相とそ
の間の粒界相とよりなり，該粒界相の一部又は全部は結
晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相となる。

【００１４】なお，上記通電発熱体，或いは絶縁体につ
いても，上記イオン検出用電極と同様に，導電性セラミ
ック粒子と絶縁性セラミック粒子の他に上記希土類元素
の酸化物よりなる焼結助剤を添加した原料を用いること
が好ましい。これにより，上記通電発熱体，或いは絶縁
体も，第１結晶相の間の粒界相の一部又は全部が結晶化
して第２結晶相を有する優れた組織にすることができ
る。

【００１５】次に，本発明の作用効果につき説明する。
まず，本発明のグロープラグは，上記通電発熱体に電流
を通すことにより発熱し，その加熱により燃焼室におけ
る着火及び燃焼を促進させる。また，イオン検出用電極
は，燃焼火炎中のイオン化の状態を検出する。即ち，イ
オン電流の検出時において，イオン検出用電極とそれに
近接する燃焼室の内壁（シリンダヘッド）とは，両者間
に存在する燃料燃焼時のプラスイオン及びマイナスイオ
ンを捕獲するための２電極を形成する。

【００１６】これにより，精度良くイオン電流を検出す
ることができ，その情報を燃焼制御に有用に活用するこ
とが可能となる。また，グロープラグに，本来の燃焼室
の加熱機能（グロー機能）とイオン電流検出機能とを付
与しているので，構造がコンパクトで，かつ安価に製造
できる。

【００１７】また，イオン検出用電極は，燃料燃焼に伴
ってその表面中にカーボンが付着する場合があるが，そ
の付着カーボンは通電発熱体の加熱動作（例えば，エン
ジンの低温始動時におけるグロー動作）によって焼き切
ることができる。そのため，長期間に渡って正確にイオ
ン電流を検出することができる。

【００１８】また，本発明においては，上記イオン検出
用電極は，少なくとも上記火炎と接触する露出部分が，
上記組織構成の混合焼結体よりなる。即ち，混合焼結体
の組織は，第１結晶相とその間の粒界相とよりなり（図
６），粒界相の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤
を含む第２結晶相となっている（図７）。

【００１９】そのため，上記粒界相が第２結晶相を持た
ずに非晶質のガラス相である従来の場合に比べて，粒界
相の融点の向上及び耐食性の向上等を図ることができ
る。それ故，イオン検出用電極の耐熱衝撃性，耐酸化
性，耐食性が向上してその損傷を防止することができ，
ひいてはイオン検出精度の信頼性・グロープラグの信頼
性の向上を図ることができる。

【００２０】また，本発明のグロープラグは，上記通電
発熱体，リード線及びイオン検出用電極を上記絶縁体の
内部に，一体的に設けているので，構造簡単である。し
たがって，本発明によれば，カーボン付着の問題がな
く，精度良くイオン電流を検出することができ，かつイ
オン検出用電極の損傷がなく，耐久性に優れたグロープ
ラグを提供することができる。

【００２１】次に，請求項２の発明のように，上記イオ
ン検出用電極における上記焼結助剤の含有総量は，上記
導電性セラミックと上記絶縁性セラミックの総量に対し
て３〜２５重量％であることが好ましい。３重量％未満
の場合には，上記混合焼結体の緻密化を促進できず，ま
た上記粒界相において第２結晶相を形成することが困難
であるという問題がある。一方，２５重量％を超える場
合には，粒界相が結晶化せずにガラス相を形成し，粒界
相が低融点となり，熱衝撃，耐食性が劣化するという問
題がある。

【００２２】また，請求項３の発明のように，上記イオ
ン検出用電極における上記第２結晶相は，上記粒界相中
に５％以上存在することが好ましい。５％未満の場合に
は，第２結晶相の存在による高融点化，耐酸化性及び耐
食性向上等の上記効果があまり発揮されないという問題
がある。

【００２３】また，請求項４の発明のように，上記絶縁
性セラミックは窒化珪素であり，上記導電性セラミック
は金属の炭化物，珪化物，窒化物，又はホウ化物の１種
又は２種以上であることが好ましい。この場合には，容
易に上記第２結晶相を形成することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】

実施形態例１本発明の実施形態例にかかるグロープラグにつき，図１
〜図１４を用いて説明する。本例のグロープラグは，デ
ィーゼルエンジンの始動補助装置として用いられる，セ
ラミックグロープラグである。本例のグロープラグ１
は，図１に示すごとく，本体１０と該本体１０を装着す
るハウジング４とからなる。上記本体１０は，絶縁体１
１と，該絶縁体１１の内部に設けられた通電発熱体２及
び該通電発熱体２の両端部に電気的に接続されて絶縁体
１１の外部に導出された一対のリード線２１，２２とを
有する。

【００２５】また，上記絶縁体１１の内部に配設され
た，火炎中のイオン化の状態を検出するための，イオン
検出用電極３を有する。本例のイオン検出用電極３は，
上記火炎と接触する露出部分３０を含みその全体が，導
電性セラミック粒子により絶縁性セラミック粒子を包ん
でなる導電性の混合焼結体よりなると共に，その焼結助
剤として希土類元素の酸化物を１種以上含有している。

【００２６】そして，図３〜図６に示すごとく，上記混
合焼結体の組織は第１結晶相Ｋ（図６）とその間の粒界
相Ｒよりなる。そして，図７に示すごとく，該粒界相Ｒ
の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結
晶相Ｈとなっている。即ち，図３〜図５は，混合焼結体
の断面組織のＳＥＭ写真であってそれぞれ倍率が３５０
倍，１０００倍，２０００倍である。この図３〜図５に
おける黒い部分と白い部分が上記第１結晶相Ｋであり，
黒い部分がＳｉ₃Ｎ₄結晶相であり，白い部分がＭｏＳ
ｉ₂結晶相である。そして，黒い部分と白い部分の境界
部分の幅数ｎｍの範囲が粒界相Ｒである。

【００２７】また，図６は，上記の組織を分かりやすく
するための説明図であり，３つのＳｉ₃Ｎ₄よりなる第
１結晶相Ｋの間に粒界相Ｒが存在している状態を示して
ある。また，図７は，図６中におけるＭ部分を拡大した
状態を示しており，粒界相が結晶化して第２結晶相Ｈと
して存在することを示している。これらの図に示された
粒界相Ｒは，Ｘ線回折の結果，６０％以上が結晶化して
いることが分かった。

【００２８】また，その結晶は，本例の焼結助剤がＹ₂
Ｏ₃であるため，図８に示すＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂，Ｙ
₂Ｏ₃三元状態図中に示されるＡ点のアパタイト（Ｙ₁₀
（ＳｉＯ₄）₆Ｎ₂），Ｂ点のワレストナイト（ＹＳｉ
Ｏ₂Ｎ），Ｃ点のＹＡＭ（Ｙ₄Ｓｉ₂Ｏ₇Ｎ₂），Ｄ点
のメリライト（Ｙ₂Ｓｉ₃０₃Ｎ₄）の４種類の内１種
以上含んでいることが分かった。ここで，ＳｉＯ₂は，
原料の絶縁性セラミックとしてのＳｉ₃Ｎ₄中に不純物
として含まれているものである。また，上記結晶は，耐
酸化性に優れているＡ点のアパタイト（Ｙ₁₀（Ｓｉ
Ｏ₄）₆Ｎ₂）の割合を高くするのが好ましい。尚，結
晶化の有無については，Ｘ線回折とＴＥＭにより確認す
ることができる。また，従来においては，上記粒界相Ｒ
がガラス相になっている。

【００２９】また，上記本体１０は，図１，図２に示す
ごとく，金属製のハウジング４内に，金属製の環状支持
体４１を介して，固定されている。そして，上記通電発
熱体２の一方のリード線２１は，絶縁体１１の内部を上
昇して，本体１０の側面に設けた導電性の端子部２３を
介して内部リード線２３１に電気的に接続されている。
また，他方のリード線２２は，上記環状支持体４１を介
してハウジング４に電気的に接続されている。また，上
記イオン検出用電極３の上部は，絶縁体１１の上端部に
設けた導電性の端子部３１を介して内部リード線３３に
電気的に接続されている。

【００３０】一方，ハウジング４は，上記環状支持体４
１を有し，図２に示すごとく，その上部に保護筒４２を
有している。また，ハウジング４は，エンジンのシリン
ダヘッド４５へ装着するための，雄ねじ部４３を有す
る。上記保護筒４２の上方開口部には，ゴムブッシュ４
２１が嵌合されている。また，該ゴムブッシュ４２１に
は，外部リード線２３３，３３３が貫挿され，これらは
それぞれ接続端子２３２，３３２を介して，上記内部リ
ード線２３１，３３に接続されている。したがって，外
部リード線２３３は通電発熱体２の一端に，外部リード
線３３３はイオン検出用電極３にそれぞれ電気的に導通
されている。

【００３１】なお，通電発熱体２の他端は，上記のごと
く，環状支持体４１を介してハウジング４に電気的に導
通している（図１）。また，本体１０の先端部（下端
部）は，図１に示すごとく，半球面形状に形成されてお
り，イオン検出用電極３の先端３０が露出している。

【００３２】次に，上記グロープラグ本体１０を製造す
るに当たっては，まず図９，図１０に示すごとく，Ｕ字
状の通電発熱体２の成形品２９と棒状のイオン検出用電
極３の成形品３９を準備する。これらの成形品２９，３
９は，それぞれ通電発熱体２及びイオン検出用電極３用
のセラミック粉末を主成分とし，これにパラフィンワッ
クスとその他の樹脂とを混合し，その混合物を用いて射
出成形する。或いは粉末をそのままプレス成形により作
製する。なお，成形と同時にリード線２１，２２を接続
する。リード線はタングステン，モリブデン等の高融点
金属又はその合金からなる。

【００３３】そして，成形品２９，３９は，絶縁体１１
用のセラミック粉末の中に埋設し，これらをホットプレ
スにて一体的に加圧焼成する。焼成は，１気圧のアルゴ
ンガス雰囲気下，５００ｋｇｆ／ｃｍ²のプレス圧力に
より行い，焼結助剤量の変更による焼成温度条件の変化
に対しては，各々最適な条件で行い，焼成温度は，１５
００〜１９００℃の範囲で行った。これにより，通電発
熱体２及びイオン検出用電極３を内蔵したグロープラグ
本体１０が得られる。

【００３４】なお，本例におけるイオン検出用電極３用
の原料としては，絶縁性セラミックとしての窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）と，導電性セラミックとしての珪化モリ
ブデン（ＭｏＳｉ₂）と，焼結助剤としての酸化イット
リウム（Ｙ₂Ｏ₃）との混合物を用いた。そして，Ｓｉ
₃Ｎ₄の粒径をＭｏＳｉ₂より大きくすることにより，
絶縁性のＳｉ₃Ｎ₄粒子が，互いに連続する導電性のＭ
ｏＳｉ₂粒子で包まれた組織となり，導電性を発揮す
る。具体的には，例えば，平均粒径１μｍのＭｏＳｉ₂
と平均粒径１３μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いる。また，通電
発熱体２は，上記イオン検出用電極３と同様のものを使
用した。

【００３５】絶縁体１１は，導電性セラミックであるＭ
ｏＳｉ₂と，絶縁性セラミックであるＳｉ₃Ｎ₄を基本
成分とし，焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃を添加したセラミッ
ク焼結体よりなる。そして，Ｓｉ₃Ｎ₄の粒径を，Ｍｏ
Ｓｉ₂と同じかやや小さくすることにより，導電性のＭ
ｏＳｉ₂粒子が絶縁性のＳｉ₃Ｎ₄粒子で囲まれて分断
された組織となり，絶縁性を発現する。具体的には，例
えば，平均粒径０．９μｍのＭｏＳｉ₂と，平均粒径
０．６μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いることができる。

【００３６】上記通電発熱体２，イオン検出用電極３ま
たは絶縁体１１における導電性セラミックとしては，上
記したＭｏＳｉ₂以外の金属の炭化物，珪化物，窒化
物，またはホウ化物を用いてもよく，これらの少なくと
も一種を使用する。導電性セラミックと絶縁性セラミッ
クの配合割合は，例えば１０〜４０：９０〜６０（重量
％）の範囲で適宜選択される。

【００３７】通電発熱体２，イオン検出用電極３，絶縁
体１１で同一またはそれに近い配合割合とすれば熱膨張
計数等の差が小さくなるのでより好ましい。焼結助剤と
しては，Ｙ₂Ｏ₃以外の希土類元素の酸化物，例えばイ
ッテルビウム，ランタン，ネオジム等の酸化物を用いて
もよく，これらから選ばれる一種以上を使用する。

【００３８】次に，上記のごとく本体１０とハウジング
４などとによって構成したグロープラグ１は，図１１に
示すごとく，エンジンのシリンダヘッド４５に対して，
ハウジンク４の雄ねじ部を螺合することにより装着す
る。これにより，グロープラグ本体１０の先端部が，シ
リンダヘッド４５の燃焼室の一部である渦流室４５１に
突出した状態で装着される。なお，符号４５７は主燃焼
室，４５８はピストン，４５９は燃料噴射ノズルであ
る。

【００３９】また，上記グロープラグ１は，図１１に示
すごとく，グロープラグ作動回路に接続される。即ち，
通電発熱体２の一端のリード線２１は，外部リード線２
３３，グローリレー５３，５３１，及び１２ボルトのバ
ッテリ５４を介して，金属製のシリンダヘッド４５に接
続されている。更に，シリンダヘッド４５，ハウジング
４，環状支持体４１，本体１０のリード線２２（図１）
を介して，通電発熱体２の他端に接続されている。これ
により，通電発熱体２の加熱用回路が形成される。

【００４０】また，イオン検出用電極３の外部リード線
３３３は，イオン電流検出用抵抗５２１，直流電源５１
を介してシリンダヘッド４５に接続されている。また，
上記イオン電流検出用抵抗５２１には，イオン電流を検
出するための電位差計５２２が設けられ，これはＥＣＵ
（電子制御装置）５２に接続されている。また，ＥＣＵ
５２には，上記グローリレー５３，５３１，エンジン冷
却水の水温センサ５２５，エンジンの回転数センサ５２
６が接続されている。

【００４１】上記図１１に示した，グロープラグ１の使
用に当たっては，まずエンジンの始動時においては，Ｅ
ＣＵ５２により，グローリレー５３，５３１がオンとさ
れる。そのため，バッテリ５４とグロープラグの通電発
熱体２との間が閉路となり，グロープラグ本体１０の通
電発熱体２が通電され発熱する。そのためグロープラグ
１は加熱状態となり，渦流室４５１が加熱され，着火温
度に上昇する。そこで，燃料噴射ノズル４５９から，燃
料が噴射されると，その都度該燃料が着火され，ピスト
ン４５８が作動し，エンジンが駆動される。

【００４２】一方，燃料が燃焼している際には，前記の
ごとく，イオンが発生するので，そのイオン電流をイオ
ン検出用電極３，イオン電流検出用抵抗５２１及び電位
差計５２２により検出する。即ち，グロープラグ本体１
０の上記イオン検出用電極３とシリンダヘッド４５との
間には１２ボルトの直流電源５１によって電圧が印加さ
れている。

【００４３】そこで，渦流室４５１内における，燃焼火
炎帯の活性イオンの発生に伴い，イオン電流検出用抵抗
５２１を含む電流経路にイオン電流が流れる。なお，イ
オン電流検出用抵抗５２１は，約５００ｋΩで，これを
流れるイオン電流は，その両端の電位差として電位差計
５２２により検出される。

【００４４】ここで，イオン電流の検出原理を略述す
る。燃料噴射ノズル４５９からの噴射燃料が渦流室４５
１で燃焼されると，その燃焼火炎帯ではイオン化された
プラスイオンとマイナスイオンが大量に発生する。この
とき，上記イオン検出用電極３とそれに対面するシリン
ダヘッド４５との間にバッテリ電圧が印加されているの
で，イオン検出用電極３にはマイナスイオンが捕獲され
ると共に，シリンダヘッド４５にはプラスイオンが捕獲
される。その結果，上記の電流経路が形成され，この電
流経路を流れるイオン電流がイオン電流検出用抵抗５２
１の両端の電位差として検出される。

【００４５】一方，ＥＣＵ５２は，ＣＰＵ，ＲＯＭ，Ｒ
ＡＭ，入出力回路等からなる周知のマイクロコンピュー
タやＡ／Ｄ変換器（共に図示略）を中心に構成され，前
記電位差計５２２により検出された検出信号を入力す
る。また，ＥＣＵ５２には，エンジン冷却水の温度を検
出するための水温センサ５２５の検出信号や，エンジン
クランク角に応じてエンジン回転数を検出するための回
転数センサ５２６の検出信号が入力され，ＥＣＵ５２は
各検出信号に基づいて水温Ｔｗ，エンジン回転数Ｎｅを
検知する。

【００４６】上記ＥＣＵ５２は，ディーゼルエンジンの
低温始動時において，グロープラグ１の通電発熱体２を
加熱させて燃料の着火及び燃焼を促進させる。また，デ
ィーゼルエンジンの始動直後において，イオン電流を検
出する。なお，エンジン始動当初においては，グローリ
レー５３，５３１がオンの状態にあり，通電発熱体２は
加熱状態に保持されるようになっている。

【００４７】以下，図１２のフローチャートを用いて，
上記グローリレー５３，５３１のオン，オフ切り替え処
理を説明する。図１２は，所定の時間の割り込み処理に
より実行される。まず，図１２の処理がスタートする
と，ＥＣＵ５２は，先ずステップ１１でエンジン暖機完
了後であり，且つグローリレー５３，５３１がオフであ
るか否かを判別する。エンジン始動当初においては，ス
テップ１１が否定判別され，ＥＣＵ５２は続くステップ
１２で水温Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅを読み込む。

【００４８】その後，ステップ１３で水温Ｔｗが所定の
暖機完了温度（本実施形態例では，６０℃）以上である
か否かを判別すると共に，ステップ１４でエンジン回転
数Ｎｅが所定回転数（本実施形態例では，２０００ｒｐ
ｍ）以上に達しているか否かを判別する。このときステ
ップ１３，１４が共に否定判別されれば，エンジンの暖
機が完了しておらず，グロープラグの通電発熱体２によ
る加熱が必要であるとみなし，ステップ１５に進む。

【００４９】また，ステップ１３，１４のいずれかが肯
定判別されれば，エンジンの暖機が完了，或いはグロー
プラグ１による加熱が不要であるとみなし，ステップ１
６に進む。

【００５０】ステップ１５に進んだ場合は，グローリレ
ー５３，５３１はオンのまま維持される。この状態で
は，グロープラグ１の発熱作用によって燃料の着火及び
燃焼が継続される。また，ステップ１６に進んだ場合，
ＥＣＵ５２は，グローリレー５３，５３１をオフとす
る。

【００５１】次に，図１３（Ａ）は，オシロスコープを
用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を観察した際の
電流波形図である。同図において，燃料噴射時期（圧縮
ＴＤＣ）直後に電圧が急上昇している波形が燃料の燃焼
によるイオン電流波形であり，Ａ点が燃焼の開始位置，
即ち着火時期に相当する。また，このイオン電流波形に
は，２つの山が観測される。つまり，燃焼初期には，拡
散火炎帯の活性イオンにより第１の山Ｂ１が観測され，
燃焼中後期には筒内圧上昇による再イオン化により第２
の山Ｂ２が観測される。

【００５２】この場合，ＥＣＵ５２は，イオン電流波形
の第１の山Ｂ１から実際の着火時期を検出すると共に，
検出された実際の着火時期と目標着火時期との差をなく
すべく着火時期のフィードバック制御を実施する。ま
た，ＥＣＵ５２は，イオン電流波形の第２の山Ｂ２から
異常燃焼，失火等の燃焼状態を検出し，その検出結果を
燃料噴射制御に反映させる。こうしてイオン電流をエン
ジンの燃料噴射制御に反映させることにより，きめ細か
くエンジンの運転状態を制御することが可能となる。

【００５３】次に，グロープラグのイオン検出用電極３
に，燃料燃焼により発生したカーボン（スス）が付着し
た状態，即ち燻りが発生したときには，図１３（Ｂ）に
示すごとく，イオン電流が燃料噴射時期の前には低く，
その後には上昇していくという現象が発生する（図１３
の（Ａ）と（Ｂ）を比較）。なお，図１３（Ｂ）のＩｔ
ｈは燻り状態を判別しグローリレー５３，５３１をオン
にするか否かを判断するための波高値の判定レベル（し
きい値）を表している。そこで，このような燻り現象が
発生したときには，上記グローリレー５３，５３１をオ
ンとし，通電発熱体２を加熱し，上記の付着カーボンを
焼き切る操作を行なう。

【００５４】図１４は，このカーボン焼き切り操作を，
上記図１１の回路におけるＥＣＵ５２により行なうフロ
ーチャートである。即ち，同図のステップ２１におい
て，グローリレー５３，５３１がオフの状態にあると
き，ステップ２２において，燃料噴射時期に上記のごと
き異常イオン電流（図１３Ｂ）が検出されたか否か判定
する。否であれば，ステップ２４に進み，グローリレー
５３，５３１はオフのままとする。一方，異常イオン電
流が検出されたときには，ステップ２３に進み，グロー
リレー５３，５３１をオンとし，グロープラグの通電発
熱体２を加熱してカーボンを焼失させる。

【００５５】上記のごとく，本例のグロープラグにおい
ては，絶縁体１１の内部に通電発熱体２とリード線２
１，２２とイオン検出用電極３とを設けてあり，これら
は一体的に構成されている。そのため，通電発熱体２に
よるグロー動作（加熱動作）と，イオン検出用電極３に
よるイオン電流検出とを１つのグロープラグにより達成
できる。

【００５６】また，イオン検出用電極３にカーボンが付
着した場合にも，該イオン検出用電極３の近くにある通
電発熱体２を通電加熱することにより，上記カーボンを
焼き切り，イオン検出用電極３を正常状態にすることが
できる。そのため，イオン電流を精度良く検出すること
ができる。また，絶縁体１１の先端部は，半球形状とし
てあるので，燃焼室内における熱衝撃を吸収することが
できる。

【００５７】さらに本例においては，粒界相が結晶化し
て第２結晶相を有する。そのため，本例のイオン検出用
電極の耐久性を向上させることができる。即ち，粒界相
がガラス相である場合には，ガラス相が比較的低融点で
あるため，グロープラグの実使用時の高温状態（最高１
４００℃程度）において粒界相が軟化，溶出する場合が
ある。そして，このガラス相に噴霧燃料が直撃すると，
その熱衝撃によりイオン検出用電極表面にクラックが発
生する。

【００５８】これに対し，本例においては，上記のごと
く粒界相Ｒの大部分が結晶化して第２結晶相Ｈなってい
る。この第２結晶相は，ガラス相よりも高融点であり，
従来のように軟化，溶出をするおそれがない。それ故，
本例のイオン検出用電極は，熱衝撃に強く，損傷するこ
とがない。

【００５９】実施形態例２本例においては，本発明の効果を確認するために次の試
験を行った。まず，以下のようにして試験用の試料を作
製した。絶縁体，通電発熱体，イオン電流検出用電極の
基本成分をいずれも７０Ｓｉ₃Ｎ₄−３０ＭｏＳｉ
₂（重量％）とし，絶縁体は平均粒径が０．９μｍのＭ
ｏＳｉ₂と平均粒径が０．６μｍのＳｉ₃Ｎ₄を，通電
発熱体及びイオン検出用電極には平均粒径が０．９μｍ
のＭｏＳｉ₂と平均粒径が１３μｍのＳｉ₃Ｎ₄を使用
した。

【００６０】焼結助剤としてはＹ₂Ｏ₃を用い，その添
加量を絶縁体と通電発熱体とにおいて同量として，上記
実施形態例１（図２）の構成のイオン電流検出用電極付
きセラミックグロープラグを作製した。Ｓｉ₃Ｎ₄とＭ
ｏＳｉ₂の総量に対するＹ₂Ｏ₃の添加量を，１〜３０
重量％の範囲内において表１に示すように変更し，試料
Ｎｏ．１〜６とした。次いで通電発熱体，イオン電流検
出用電極，絶縁体ともにＹ₂Ｏ₃７重量％，Ａｌ₂Ｏ₃
３重量％とした従来の組成によるヒータを作製し，比較
用の試料（Ｎｏ．７）とした。

【００６１】上記試料Ｎｏ．１〜７を用い，まず，通電
の繰り返しによる抵抗値変化をしらべるため，通電１
分，非通電１分の繰り返しを１サイクルとした冷熱試験
を行った。このときのヒータ温度は初期に通電時の発熱
による飽和温度を１４００℃にし，非通電時はファンに
よりヒータ温度を１００℃以下に冷却した。評価は各試
料につき４本ずつ同様の試験を実施して，そのうちの１
本が抵抗値上昇により通電時のヒータ飽和温度が１００
℃低下して１３００℃になったサイクル数を寿命サイク
ルとした。表１に結果を示す。また，この時のガラス相
の溶出の有無を表１に併せて記した。

【００６２】次に，クラックの発生に関し，水中スポー
リング試験を行った。まず，グロープラグに通電し，所
定の飽和温度に発熱させた後，２０℃の水中に環状支持
体から突出しているグロープラグ本体先端部を浸漬さ
せ，表面に発生するクラックの有無を調査することによ
り評価した。

【００６３】具体的には，飽和温度を５００℃として水
中スポーリング試験を行い，クラックが発生していなけ
れば，飽和温度を１００℃上げ，６００℃として水中ス
ポーリング試験を行った。このようにして１４００℃ま
で，もしくはクラックが発生するまで，１００℃ずつ温
度を上げて評価した。評価は各試料について４本ずつ同
様の試験を実施し，結果を表１に併記した。

【００６４】表１より，冷熱試験，ガラス溶出について
は，Ｙ₂Ｏ₃を単独で添加した試料Ｎｏ．１〜６のいず
れも，従来組成の試料Ｎｏ．７に比べ，寿命が向上して
いる。なお，寿命サイクルは市場での信頼性を考慮する
と１００００サイクル以上であることが好ましく，試料
Ｎｏ．１〜６では１００００〜１５０００ダイクルと良
好な結果が得られている。

【００６５】また，クラックの発生についても，試料Ｎ
ｏ．１〜６ともに試料Ｎｏ．７より改善されており，特
に，Ｙ₂Ｏ₃の添加量を３〜２５重量％とした試料Ｎ
ｏ．２〜５では１４００℃においてもクラックの発生が
全く見られなかった。以上より，Ｙ₂Ｏ₃を３〜２５重
量％添加することで，１４００℃という高温使用におい
て抵抗値変化が小さく，ガラス溶出がなく，耐熱衝撃性
のよいイオン検出用電極付きセラミックグロープラグが
得られることがわかる。

【００６６】

【表１】

【００６７】実施形態例３本例においては，焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃の他に，他の
希土類元素の酸化物を添加した試料を作製した。基本成
分は，実施形態例２と同一とし，焼結助剤の種類と添加
量を表２のように変更した。焼結助剤の添加量は通電発
熱体，イオン検出用電極，と絶縁体において全て同量と
した。そして，実施形態例２と同様にして試料を作製し
（試料Ｎｏ．８〜１６），評価を行った。結果を表２に
併記する。

【００６８】表２の結果を従来組成の試料Ｎｏ．７（表
１）と比較すると，全試料において冷熱試験結果が向上
しており，ガラス溶出，クラックの発生も見られない。
このように，Ｙ₂Ｏ₃と他の希土類元素の酸化物を組み
合わせた場合でも，添加総量を３〜２５重量％とするこ
とにより，通電発熱体の抵抗値変化が小さく，ガラス溶
出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン検出用電極付きセラ
ミックグロープラグが得られる。

【００６９】

【表２】

【００７０】実施形態例４本例においては，焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃以外の希土類
元素の酸化物を１種以上添加した試料を作製した。希土
類元素の酸化物として，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｎｄ
₂Ｏ₃，およびこれらを組み合わせたものを用い，それ
ぞれにつき，焼結助剤の添加総量が３重量％，２５重量
％の２種類の試料を作製した。基本成分は実施形態例２
と同一とし，焼結助剤の添加量は通電発熱体，イオン検
出用電極，絶縁体において全て同量とした。そして，実
施形態例２と同様にして試料を作製し（試料Ｎｏ．１７
〜２６），評価を行った。結果を表３に示す。

【００７１】表３の結果を従来組成の試料Ｎｏ．７（表
１）と比較すると，全試料において冷熱試験結果が向上
しており，ガラス溶出，クラックの発生も見られない。
このように，焼結助剤としてはＹ₂Ｏ₃以外の他の希土
類元素の酸化物のいずれを使用してもよく，その添加総
量を３〜２５重量％とすることで，同様の効果が得られ
ることがわかる。

【００７２】

【表３】

【００７３】以上実施形態例２〜４の結果より，焼結助
剤として希土類元素の酸化物を１種以上使用し，その添
加総量を３〜２５重量％とすることにより，抵抗値変化
が小さく，ガラス溶出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン
検出用電極付きグロープラグが実現できることがわか
る。

【００７４】実施形態例５本例は，焼結助剤として１０重量％のＹ₂Ｏ₃の他に，
Ａｌ₂Ｏ₃を０．０１〜７重量％添加して，Ｓｉ₃Ｎ₄
の粒界相をガラス相と結晶相の混合体とした試料を作製
した（試料Ｎｏ．２７〜３５）。試料の作製は，実施形
態例２と同様に行った。また，評価方法も実施形態例２
と同様に，冷熱試験と水中スポーリング試験により行っ
た。その結果を表４に示す。なお，粒界相中の結晶相の
割合は結晶化率により表している。結晶化率は，Ｘ線回
折装置の結晶相ピーク強度と透過電子顕微鏡の原子構造
との比較を行いながら，算出した。

【００７５】表４の結果より，従来組成（試料Ｎｏ．２
７）の結晶化率０％のものより，少しでも結晶化してい
る試料Ｎｏ．２８〜３５は，いずれも寿命が向上してい
ることがわかる。その中でも，試料Ｎｏ．３０〜３５の
結晶化率が５％以上のものは，極めて良好な結果が得ら
れた。また，水中スポーリング試験におけるクラック発
生温度についても，試料Ｎｏ．３０〜３５までの結晶化
率５％以上のものは良好な結果が得られている。

【００７６】以上より，特に結晶化率５％以上のもの
は，寿命サイクルが長く，ガラス溶出が無く，耐熱衝撃
性の良い，イオン検出用電極付きセラミックグロープラ
グが実現できる。なお，本例は焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃
とＡｌ₂Ｏ₃添加の場合を示したが，その他の希土類酸
化物の焼結助剤を利用しても同様の結果が得られる。

【００７７】

【表４】

【００７８】実施形態例６上記の実施形態例２〜５においては導電性セラミックと
してＭｏＳｉ₂を用いた場合について示したが，導電性
セラミックとして他の金属の炭化物，窒化物，ホウ化物
を用いた場合においても同様の効果が得られる。本例に
おいては，これを確認するため，表５に示すごとく，導
電性セラミックをＷＣ，ＴａＣ，ＴｉＮ，ＺｒＢ₂に変
更し，それぞれについて，焼結助剤の添加量を上記試料
Ｎｏ．３（Ｙ₂Ｏ₃：１０重量％），試料Ｎｏ．７（Ｙ
₂Ｏ₃：７重量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３重量％）と同じにし
た２種類の試料を作製し（試料Ｎｏ．３６〜４３），実
施形態例２と同様の試験を行った。

【００７９】結果を表５に併記する。表５より明らかな
ように，導電性セラミックの種類を変更した場合におい
ても，Ｙ₂Ｏ₃添加量を１０重量％添加して粒界相に結
晶相を設けることにより，抵抗値変化が小さく，ガラス
溶出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン検出用電極付きセ
ラミックグロープラグが得られる。なお，その他の希土
類酸化物１種以上を焼結助剤に利用しても同様の効果が
得られる。

【００８０】

【表５】

【００８１】実施形態例７本例は，図１５に示すごとく，実施形態例１のグロープ
ラグ作動回路（図１１）を変更したもので，実施形態例
１のバッテリ５４と直流電源５１とを，１個のバッテリ
５５のみに代えたものである。なお，イオン電流検出用
抵抗５２１とバッテリ５５との間には，定電流，定電圧
回路５２４を介在することもできる。この場合には，回
路構成の簡素化とコスト低減の効果がある。

【００８２】その他は，実施形態例１と同様である。本
例においても，実施形態例１と同様の効果を得ることが
できる。また，特に，本例においては，定電流・定電圧
回路５２４を介在する事で１つのバッテリーでも，グロ
ープラグ発熱時に生じるイオン検出用電極への印加電圧
の変動を防止し，安定した検出性能が維持できるという
効果を得ることができる。

【００８３】実施形態例８本例は，図１６に示すごとく，イオン検出用電極３を，
Ｕ字状の通電発熱体２の下端に一体的に設けた例であ
る。本例におけるイオン検出用電極３は，実施形態例１
と同様に，その粒界相に第２結晶相を有する。また，通
電発熱体２の一方のリード線２２０を，絶縁体１１の上
端に設けた端子部３１に接続し，リード線２２０とイオ
ン検出用電極３との端子部を共用した。

【００８４】この場合の作動回路を図１７に示す。同図
より知られるように，通電発熱体２の加熱用回路とイオ
ン電流検出回路には，それぞれグローリレー５３，５３
１，イオンリレー５３０を設けてあり，これらはＥＣＵ
５２からの指令信号により，スイッチ切替されるよう構
成されている。そして，作動状態としては常に通電発熱
体加熱状態か，イオン電流検出状態のどちらか一方の回
路構成となるようになっている。その他は，実施形態例
１と同様の効果を得ることができる。なお，本例では，
上記端子部３１を通電発熱体２とイオン検出用電極３の
端子部として共用しているので，構造が簡単である。

【００８５】実施形態例９本例は，図１８に示すごとく，実施形態例４におけるイ
オン検出用電極３の露出部分３０を含む先端部分３０１
だけにおいて，その粒界相を結晶化させた。そして，先
端部分３０１以外の他部分３０２は，従来と同様に粒界
相をガラス相とした。その他は実施形態例４と同様であ
る。この場合においても，イオン検出用電極３の露出部
分３０の破損がなく，実施形態例４と同様の効果を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，（Ａ）グロープラグ本
体の断面図，（Ｂ）上記（Ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。

【図２】実施形態例１における，グロープラグの全体説
明図。

【図３】実施形態例１における，イオン検出用電極の混
合焼結体組織を示す図面代用写真（倍率３５０倍）。

【図４】実施形態例１における，イオン検出用電極の混
合焼結体組織を示す図面代用写真（倍率１０００倍）。

【図５】実施形態例１における，イオン検出用電極の混
合焼結体組織を示す図面代用写真（倍率２０００倍）。

【図６】実施形態例１における，イオン検出用電極の混
合焼結体組織を示す説明図。

【図７】図６のＭ部分の拡大説明図。

【図８】Ｓｉ₃Ｎ₄−ＳｉＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃の三元系状態
図における，第２結晶相の組成を示す説明図。

【図９】実施形態例１における，通電発熱体の成形体の
斜視図。

【図１０】実施形態例１における，イオン検出用電極の
成形体の斜視図。

【図１１】実施形態例１における，グロープラグ作動回
路図。

【図１２】実施形態例１における，グロープラグ作動シ
ステムの，グロープラグ始動時のフローチャート。

【図１３】実施形態例１における，（Ａ）正常時のイオ
ン電流，（Ｂ）燻り時のイオン電流を示す図。

【図１４】実施形態例１における，燻り判定フローチャ
ート。

【図１５】実施形態例７における，グロープラグ作動回
路図。

【図１６】実施形態例８における，（Ａ）グロープラグ
本体の断面図，（Ｂ）上記（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面
図。

【図１７】実施形態例８における，グロープラグ作動回
路図。

【図１８】実施形態例９における，グロープラグ本体の
断面図。

【符号の説明】

１．．．グロープラグ，１０．．．本体，１１．．．絶縁体，２．．．通電発熱体，２１，２２，２２０．．．リード線，３．．．イオン検出用電極，４．．．ハウジング，４５．．．シリンダヘッド，４５１．．．渦流室，Ｋ．．．第１結晶相，Ｒ．．．粒界相，Ｈ．．．第２結晶相，

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと該ハウジング内に支持され
た本体とよりなるグロープラグにおいて，上記本体は，
絶縁体と，該絶縁体の内部に設けられた通電発熱体及び
該通電発熱体の両端部に電気的に接続されて絶縁体の外
部に導出された一対のリード線と，上記絶縁体の内部に
配設された，火炎中のイオン化の状態を検出するため
の，イオン検出用電極とよりなり，かつ，該イオン検出
用電極は，少なくとも上記火炎と接触する露出部分が，
導電性セラミック粒子により絶縁性セラミック粒子を包
んでなる導電性の混合焼結体よりなると共に，その焼結
助剤として希土類元素の酸化物を１種以上含有してお
り，上記混合焼結体の組織は第１結晶相とその間の粒界
相とよりなり，該粒界相の一部又は全部は結晶化して上
記焼結助剤を含む第２結晶相となっていることを特徴と
するグロープラグ。
【請求項２】請求項１において，上記イオン検出用電
極における上記焼結助剤の含有総量は，上記導電性セラ
ミックと上記絶縁性セラミックの総量に対して３〜２５
重量％であることを特徴とするグロープラグ。
【請求項３】請求項１又は２において，上記イオン検
出用電極における上記第２結晶相は，上記粒界相中に５
％以上存在することを特徴とするグロープラグ
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項において，
上記絶縁性セラミックは窒化珪素であり，上記導電性セ
ラミックは金属の炭化物，珪化物，窒化物，又はホウ化
物の１種又は２種以上であることを特徴とするグロープ
ラグ。