JP2007177782A - Glow plug with combustion pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関に使用される燃焼圧力センサ付きグロープラグに関する。 The present invention relates to a glow plug with a combustion pressure sensor used in an internal combustion engine such as an automobile engine.
従来から、自動車用のディーゼルエンジンの着火始動補助等にグロープラグが使用されている。このようなグロープラグは、筒状の主体金具と、先端が突出するように主体金具内に収容保持されたヒータと、このヒータの後端側に設けられ、主体金具内に収容保持された中軸(グローヒータ電極)とを備えた構造のものが知られている。また、燃焼圧力を検出するための燃焼圧力センサ付きグロープラグとして、例えば圧力検出素子を主体金具の後端側に設け、主体金具に固定保持された中軸及びヒータが、燃焼圧力に応じて主体金具に対し微小変位する際のこの微小変位を圧力検出素子によって検出し、燃焼圧力を検出する構造のものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。しかしながら、このような構造の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、燃焼圧力の変動に対して、中軸及びヒータが主体金具に対して変位する変位量は、極めて僅かである。このため、高いセンサ感度を得ることが困難であるという問題がある。 Conventionally, glow plugs have been used to assist ignition start of diesel engines for automobiles. Such a glow plug has a cylindrical metal shell, a heater housed and held in the metal shell so that the tip protrudes, and a central shaft provided and held in the rear wall of the heater. The thing of the structure provided with (glow heater electrode) is known. Further, as a glow plug with a combustion pressure sensor for detecting the combustion pressure, for example, a pressure detection element is provided on the rear end side of the metal shell, and a central shaft and a heater fixedly held on the metal shell are connected to the metal shell according to the combustion pressure. In contrast, there is known a structure in which a minute displacement at the time of minute displacement is detected by a pressure detection element to detect a combustion pressure (see, for example, Patent Document 1). However, in the glow plug with a combustion pressure sensor having such a structure, the amount of displacement of the central shaft and the heater with respect to the metal shell is very small with respect to fluctuations in the combustion pressure. For this reason, there is a problem that it is difficult to obtain high sensor sensitivity.
また、ヒータを軸方向にスライド可能に主体金具内に保持し、ヒータと主体金具の先端側との間に弾性体からなるOリングを配置して、これらのヒータと主体金具との間をスライド可能にかつ気密に閉塞する構造とすることも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。しかしながら、このようにヒータをOリングで主体金具の先端側に保持する構造では、長期間使用すると、Oリングとヒータとの界面摩擦により、Oリングが経たってしまったり、その界面の気密が劣化してしまったりすることで、出力が変化する恐れがあり、長期的に安定した良好なセンサ感度が得られないという問題がある。この問題は、Oリングが高温に晒される状況において、顕著に表れる。また、樹脂からなるOリングが高温に晒されることから、十分な耐久性及び信頼性を確保することが困難になるという問題がある。
上記のとおり、従来技術においては、耐久性及び信頼性の確保と安定した良好なセンサ感度の両立が困難であるという課題があった。 As described above, the prior art has a problem that it is difficult to ensure both durability and reliability and stable and good sensor sensitivity.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、耐久性及び信頼性を確保することができるとともに安定した良好なセンサ感度を有する燃焼圧力センサ付きグロープラグを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems. An object of this invention is to provide the glow plug with a combustion pressure sensor which can ensure durability and reliability, and has the stable favorable sensor sensitivity.
本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグは、 軸方向に沿って延びるとともに、筒状に形成された主体金具と、棒状に形成され先端部が前記主体金具の先端から突出するように配置され通電により発熱する発熱部を有するヒータと前記ヒータの後端側に設けられ当該ヒータと電気的に導通される中軸とを有するヒータアッセンブリと、前記ヒータアッセンブリと前記主体金具との間に配置され、該ヒータアッセンブリを該主体金具にスライド可能に保持する、自己潤滑性と耐熱性を有する材料からなる保持部と、前記ヒータアッセンブリのスライドを検知して当該ヒータアッセンブリの先端側に印加される内燃機関の燃焼圧力を検出するための圧力検出素子と、を具備したことを特徴とする。 A glow plug with a combustion pressure sensor according to the present invention extends along the axial direction, and is arranged in a cylindrical shape with a metal shell and a rod-shaped tip that protrudes from the tip of the metal shell. A heater assembly having a heater having a heat generating portion; a heater assembly provided on a rear end side of the heater and electrically connected to the heater; and disposed between the heater assembly and the metal shell. A holding part made of a material having self-lubricating and heat resistance, which slidably holds the assembly on the metal shell, and combustion of the internal combustion engine which is detected by the heater assembly and applied to the front end side of the heater assembly And a pressure detection element for detecting pressure.
本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、自己潤滑性と耐熱性を有する材料からなる保持部によって、ヒータアッセンブリを主体金具にスライド可能に保持する。このように自己潤滑性を利用してヒータアッセンブリを可動とすることにより、可動範囲を大きくとることができ、感度の向上を図ることができるとともに、長期的な特性の安定化を図ることができる。そして、耐熱性を有しているので、十分な耐久性及び信頼性を確保することができる。なお、本発明でいう耐熱性とは、300℃の空気中で、劣化(消耗)しない材料のことを指す。300℃とは、エンジン稼働時における燃焼圧力センサ付きグロープラグの主体金具先端部の温度を実測することにより、300℃を超えないことを確認した上、規定したものである。 In the glow plug with a combustion pressure sensor of the present invention, the heater assembly is slidably held on the metal shell by the holding portion made of a material having self-lubricating properties and heat resistance. Thus, by making the heater assembly movable using self-lubricating properties, the movable range can be increased, sensitivity can be improved, and long-term characteristics can be stabilized. . And since it has heat resistance, sufficient durability and reliability can be ensured. In addition, the heat resistance as used in the field of this invention refers to the material which does not deteriorate (consume) in 300 degreeC air. 300 ° C. is defined after confirming that the temperature does not exceed 300 ° C. by actually measuring the temperature of the tip of the metal shell of the glow plug with the combustion pressure sensor during engine operation.
本発明における保持部は、ヒータアッセンブリのスライド性を損なうことなく適度に気密封止を行うことができる。この良好なスライド性は、保持部が潤滑剤を与えなくても摩擦抵抗の小さい自己潤滑性を有する材料から構成されていることによる。従って、本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、自己潤滑性を有する材料から構成された保持部を有することで、燃焼圧力の良好な検出感度を得ることができる。 The holding part in the present invention can perform airtight sealing appropriately without impairing the slidability of the heater assembly. This good slidability is due to the fact that the holding portion is made of a self-lubricating material having a small frictional resistance even without applying a lubricant. Therefore, in the glow plug with a combustion pressure sensor of the present invention, it is possible to obtain a good detection sensitivity of the combustion pressure by having the holding portion made of a material having self-lubricating properties.
本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、上記の保持部は、別部品として構成した自己潤滑性を有する材料からなる部材をヒータアッセンブリと主体金具との間に介挿して形成しても良く、また、主体金具の内側とヒータアッセンブリの外側の少なくともいずれか一方に自己潤滑性を有する材料をコーティングしてコーティング層として形成しても良い。 In the glow plug with a combustion pressure sensor of the present invention, the holding portion may be formed by inserting a member made of a self-lubricating material configured as a separate part between the heater assembly and the metal shell, Further, a self-lubricating material may be coated on at least one of the inside of the metal shell and the outside of the heater assembly to form a coating layer.
また、本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、保持部は、その表面の静止摩擦係数が0.2未満とされている。このように静止摩擦係数を0.2未満とする理由は、以下のような理由がある。すなわち、燃焼による圧力は、アイドル時等の小さい場合で約4MPa程度となるが、ヒータアセンブリを圧力伝達のために可動とするには、この燃焼圧力からヒータアッセンブリが受ける軸方向荷重が、ヒータアッセンブリと主体金具との間の静止摩擦力より大きいことが必須となる。つまり、
静止摩擦係数×保持力(N)=摩擦力<最小燃焼圧(Pa)×受圧面積(Am2)
→静止摩擦係数<4MPa×Am2÷保持力(N)…(1)
となる。
In the glow plug with a combustion pressure sensor of the present invention, the holding portion has a static friction coefficient of less than 0.2 on the surface thereof. The reason why the coefficient of static friction is made less than 0.2 is as follows. That is, the pressure due to combustion is about 4 MPa when it is small such as when idling, but in order to make the heater assembly moveable for pressure transmission, the axial load received by the heater assembly from this combustion pressure is the heater assembly. Greater than the static frictional force between the metal shell and the metal shell. That means
Coefficient of static friction x holding force (N) = frictional force <minimum combustion pressure (Pa) x pressure-receiving area (Am 2 )
→ Coefficient of static friction <4 MPa × Am 2 ÷ holding force (N) (1)
It becomes.
ここで、受圧面積はグロープラグヒータ部の断面積となり、近年の一般的なグロープラグヒータ部の直径は5mm以下である。このためAは約2×10-5(m2)である。また、保持力(mN)は、著しく低い場合にヒータアセンブリと保持部との間の気密性が著しく低下するため、下限がある。この保持力の下限は、縦軸をリーク量、横軸を保持力として気密性試験(印加圧4MPa)の結果を表した図16のグラフに示されるように、約400N程度である。これらの数値を式(1)に代入した結果、静止摩擦係数<0.2となる。以上の結果から、本発明における「自己潤滑性を有する」とは、保持部の表面(保持部とヒータアッセンブリとの界面)の静止摩擦係数が0.2より小さいことを意味している。このような静止摩擦係数の測定は、図17に示すように、一定の荷重Fxで保持部材8を押圧しながら軸方向の荷重Fyを増加させていき、ヒータ4がスライドした時の荷重をFymaxとすると、
荷重Fymax(静止摩擦力)=μ((最大)静止摩擦係数)×荷重Fx(押圧荷重)
として測定することができる。
Here, the pressure receiving area is a cross-sectional area of the glow plug heater portion, and the diameter of a general glow plug heater portion in recent years is 5 mm or less. Therefore, A is about 2 × 10 −5 (m 2 ). In addition, the holding force (mN) has a lower limit because the airtightness between the heater assembly and the holding portion is significantly lowered when the holding force (mN) is extremely low. The lower limit of the holding force is about 400 N as shown in the graph of FIG. 16 showing the result of the airtightness test (applied pressure: 4 MPa) with the vertical axis representing the leak amount and the horizontal axis representing the holding force. As a result of substituting these numerical values into equation (1), the coefficient of static friction is <0.2. From the above results, “having self-lubricating” in the present invention means that the static friction coefficient of the surface of the holding portion (interface between the holding portion and the heater assembly) is smaller than 0.2. As shown in FIG. 17, the static friction coefficient is measured by increasing the axial load Fy while pressing the
Load Fymax (static friction force) = μ ((maximum) static friction coefficient) × load Fx (pressing load)
Can be measured as
また、保持部は、より好ましくは復元率、圧縮率ともに10%以上の弾性を有することが好ましい。この弾性により、保持部を充填する際に、ヒータアセンブリと保持部間を隙間無く封止し、燃焼の熱がグロープラグ内部に侵入することを防止することが可能となる。また、ヒータアセンブリ自体に径方向振動が加わった際の制振材としても有効である。 Further, the holding part preferably has elasticity of 10% or more for both the restoration rate and the compression rate. This elasticity makes it possible to seal the heater assembly and the holding part without any gap when filling the holding part, and to prevent the heat of combustion from entering the inside of the glow plug. It is also effective as a damping material when radial vibration is applied to the heater assembly itself.
また、ヒータの発熱による熱がグロープラグ内部に伝達しないように、熱を逃がす高熱伝導性を有する材料を用いることが好ましい。つまり、保持部はヒータ以上の熱伝導率を有することで、ヒータからの熱を効果的にエンジンヘッド等に放熱することができる。これにより、グロープラグ内部や燃焼圧センサが高温になりにくいため、燃焼圧力センサ付きグロープラグの耐久性が向上する。さらに、低温時と高温時とで、保持部のヒータアッセンブリを保持する力が変化することによって、センサ出力値が変化しないように、低熱膨張率の材料を用いることが好ましい。つまり、保持部は主体金具以下の熱膨張率であれば、高温時におけるセンサ出力値変化を低減することができる。 Further, it is preferable to use a material having high thermal conductivity that releases heat so that the heat generated by the heater does not transfer into the glow plug. That is, the holding part has a thermal conductivity higher than that of the heater, so that the heat from the heater can be effectively radiated to the engine head or the like. Thereby, since the inside of the glow plug and the combustion pressure sensor are unlikely to become high temperature, durability of the glow plug with the combustion pressure sensor is improved. Furthermore, it is preferable to use a material having a low coefficient of thermal expansion so that the sensor output value does not change when the force for holding the heater assembly of the holding portion changes between the low temperature and the high temperature. That is, if the holding portion has a thermal expansion coefficient equal to or lower than that of the metal shell, a change in sensor output value at high temperatures can be reduced.
以上のような要求を充足する自己潤滑性を有する材料としては、グラファイト、滑石、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素等が例示される。なお、保持部は、上記材料で構成されても良いが、以上のような要求を満たす限り、上記材料の他に別の材料を含んでいても良い。更にこれらの材料の中でも、グラファイトは、特に好ましい材料の1つである。通常のグラファイトは比較的硬い材料であり弾性の面で適さないが、グラファイト粉末に酸処理、熱処理を施すことにより、粉末が膨張し、この膨張粉末を加圧して成形することにより良好な弾性を付与することが可能となる。 Examples of the self-lubricating material that satisfies the above requirements include graphite, talc, molybdenum disulfide, tungsten disulfide, and boron nitride. The holding portion may be made of the above material, but may contain other materials in addition to the above material as long as the above requirements are satisfied. Further, among these materials, graphite is one of particularly preferable materials. Ordinary graphite is a relatively hard material and is not suitable in terms of elasticity.However, by subjecting graphite powder to acid treatment and heat treatment, the powder expands, and the expanded powder is pressed to form good elasticity. It becomes possible to grant.
また、前記ヒータは、前記発熱部より後端側に位置して該発熱部に通電するための電極取り出し部を備え、前記保持部は、前記発熱部と、前記電極取り出し部との間に配設することが好ましい。保持部をこのような位置に配置することにより、ヒータの発熱により発熱部の温度が著しく上昇した場合にも、ヒータ電極取り出し部の電気接続信頼性が維持できなくなることを防止できる。更に、前記発熱部がセラミック基体に埋設されるセラミックヒータを使用する場合は、ヒータに直接自己潤滑性を有する材料が接する構造とすることにより、ヒータからの熱の伝導を促進できるとともに、セラミック自体も自己潤滑性を有するためヒータの可動構造として好適となる。 In addition, the heater includes an electrode extraction portion that is located on the rear end side of the heat generation portion and energizes the heat generation portion, and the holding portion is disposed between the heat generation portion and the electrode extraction portion. It is preferable to install. By disposing the holding portion in such a position, it is possible to prevent the electrical connection reliability of the heater electrode take-out portion from being maintained even when the temperature of the heat generating portion is significantly increased due to the heat generated by the heater. Furthermore, when using a ceramic heater in which the heat generating part is embedded in a ceramic substrate, heat conduction from the heater can be promoted by making the heater directly contact with a self-lubricating material, and the ceramic itself Since it also has a self-lubricating property, it is suitable as a movable structure of the heater.
また、ヒータの外側に円筒状の外筒が設けられている場合、保持部は、当該外筒と主体金具との間に配置することができる。また、保持部は、主体金具とヒータアセンブリとの間を気密に閉塞することができる。 Further, when a cylindrical outer cylinder is provided outside the heater, the holding portion can be disposed between the outer cylinder and the metal shell. Moreover, the holding part can airtightly seal between the metal shell and the heater assembly.
また、圧力検出素子としては、Si型圧力検出素子、又はSOI型圧力検出素子を用いることができる。このような圧力検出素子は、例えば、主体金具と中軸とに固定されるとともに、中軸のスライドに応じて変形するダイアフラムに設けるか、或いは、ヒータアッセンブリに機械的に接続され後端側に延びるシースと、主体金具とに固定されるとともにヒータアセンブリのスライドに応じて変形するダイアフラムに設けることができる。これにより、高感度で燃焼圧力を検出することができる。この場合、圧力検出素子を、ダイアフラムに複数設けることが好ましい。 Moreover, as a pressure detection element, a Si type pressure detection element or a SOI type pressure detection element can be used. Such a pressure detection element is, for example, a sheath that is fixed to the metal shell and the middle shaft and is provided on a diaphragm that deforms in response to the sliding of the middle shaft, or a sheath that is mechanically connected to the heater assembly and extends to the rear end side. And a diaphragm that is fixed to the metal shell and deforms according to the slide of the heater assembly. Thereby, the combustion pressure can be detected with high sensitivity. In this case, it is preferable to provide a plurality of pressure detection elements on the diaphragm.
本発明によれば、耐久性及び信頼性を確保することができるとともに安定した良好なセンサ感度を有する圧力センサ付きグロープラグを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, durability and reliability can be ensured and the glow plug with a pressure sensor which has the stable favorable sensor sensitivity can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ100の軸線を含む方向における全体構成を示す断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration in a direction including an axis of a
燃焼圧力センサ付きグロープラグ100は、例えば、炭素鋼等の金属からなり、円筒状に形成された主体金具(ハウジング)1を具備している。主体金具1の外周面には、燃焼圧力センサ付きグロープラグ100を図示しない内燃機関(エンジンブロック)に取り付けるためのねじ部2が形成されている。このねじ部2より後端側の外周部には、主体金具1を内燃機関に取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部3が設けられている。
The
この主体金具1の先端側(図1中左側)には、その先端部が突出するように軸状(円柱状)のヒータ4が設けられている。このヒータ4は、その先端部を除いて外側周囲を、SUS等の金属製の外筒5により覆われており、この外筒5は、主体金具1に保持されている。この外筒5の内径は、ヒータ4が軸方向(図1中左右方向)にスライド可能とされるように、ヒータ4の外径よりも大きく構成されている。これによって、ヒータ4は、実質的に主体金具1に対して軸方向にスライド可能に保持されている。また、このヒータ4は、絶縁性セラミック(窒化ケイ素を主体)からなる基体の内部に、導電性セラミックからなる断面略U字状の発熱部42と、その発熱部42の両側にそれぞれ接続され、ヒータ4の後端に向かって軸方向に沿って略平行に延びるリード部43とが埋設された構造を有している。また、ヒータ4(リード部)と外筒5とは、板バネ20を介して、電気的に接続される。このヒータ4は、通電することによって発熱し、これによって内燃機関の始動を補助する。
A shaft-shaped (columnar) heater 4 is provided on the front end side (left side in FIG. 1) of the
また、このヒータ4の後端側(図1中右側)の主体金具1の内部には、導電性の金属等からなり、棒状(円柱状)に形成され、ヒータ4と電気的に接続された中軸6が設けられている。この中軸6は、ヒータ4を電気的に後端側に引き出す電極(グローヒータ電極)としての作用を担うものであり、その先端側がキャップリード7を介してヒータ4と電気的に、かつ機械的に接続され、ヒータアッセンブリ40を構成している。この中軸6は、ヒータ4と共に、主体金具1に対して軸方向(図1中左右方向)にスライド可能とされている。なお、本実施形態でのヒータの電極取り出し部とは、板バネ20とキャップリードのことを指す。
Further, the inside of the
中軸6の先端部(図中左側)の近傍には、中軸6と主体金具1との間に充填されるように、保持部を構成するための保持部材8が設けられている。この保持部材8は、中軸とヒータとが一体化したヒータアッセンブリ40を主体金具に挿入し、その隙間に滑石の粉末を充填した後、円筒状のプレスピンで加圧して環状に形成されており、その後、外筒5と板バネ20を配置させている。この保持部材8により、中軸6と主体金具1との間を適度に気密にし、かつ、中軸6が主体金具1に対して軸方向にスライド可能な状態に保持する。この保持部材8は、内燃機関の燃焼圧に耐えうる強度と必要とされる気密性を確保可能な構成とする必要がある。しかし、必要以上に軸方向の長さを長くすると中軸6のスライド性を悪化させる。このため、保持部材8の軸方向長さは5mm以下程度とすることが好ましい。なお、滑石は、SiO、MgOから構成されるが、保持部材8は、滑石を主成分とするものであれば、滑石以外の物質を含んでいても良い。また、保持部材8は、滑石に限らず自己潤滑性と耐熱性を有する他の物質から構成しても良い。但し、保持部材8は、中軸6と主体金具1との間に配置されるために電気的に絶縁する絶縁部材を兼ねたものである必要がある。
In the vicinity of the front end portion (left side in the figure) of the
中軸6の後端には、図2に示すように、圧力検出素子9が設けられている。この圧力検出素子9は、中軸6に絶縁部材10を介して固定された略円板状のダイアフラム11に設けられており、本実施形態では、図3に示すようにダイアフラム11の周方向に沿って等間隔で4個設けられている。なお、圧力検出素子9は、4個に限らず、1個以上幾つ設けても良い。ダイアフラム11の周縁部は主体金具1に対して固定されており、中軸6が主体金具1に対してスライドすると、ダイアフラム11が変形するようになっている。
As shown in FIG. 2, a
圧力検出素子9の後端側には、これらの圧力検出素子9から出力された信号を処理するための電子回路12が設けられている。そして、主体金具1の後端部は、カバー13によって覆われており、中軸6の後端部は、このカバー13に設けられた開口部14から外部にまで導出されている。
On the rear end side of the
圧力検出素子9は、例えば、Si素子、SOI素子から構成されており、圧力が加わった際の歪みに応じた電気信号を出力するように構成されている。そして、ヒータ4の先端部に燃焼圧力が加わると、ヒータ4及び中軸6、つまりヒータアセンブリ40が後端側にスライドし、ダイアフラム11が変形する。このダイアフラム11の変形に応じて圧力検出素子9が歪み、圧力検出素子9から信号が出力され、この圧力検出信号が電子回路12によって処理され、外部に導出されるようになっている。この信号は、ECUなどの制御機器に入力され、内燃機関(エンジン)内における燃焼圧の変化が検知される。
The
なお、図2において、15は絶縁部材であり、この絶縁部材15としては、例えば、保持部材8と同様に、滑石の粉末を充填した後加圧して環状に形成した部材等を使用することができる。
In FIG. 2,
上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグ100では、中軸6と主体金具1との間に、滑石を加圧して環状に形成された保持部材8を設けて適度に気密封止を行っている。滑石は、耐熱性及び耐食性に優れているため、樹脂等からなるOリングを用いて気密封止を行った場合に比べて耐久性を向上させることができ、信頼性を確保することができる。滑石からなる保持部材8は、各部を弾性的に保持することができ、さらに自己潤滑性を有することからスライド性を損なうことなく中軸6と主体金具1との間の気密封止を適度に行うことができる。これによって、燃焼圧力の安定した良好な検出感度を得ることが可能となる。
In the
次に、図4,5を参照して第2,3の実施形態について説明する。これらの第2,3の実施形態において、上述した第1の実施形態と対応する部分については、同一の符号を付して、重複した説明は省略する。 Next, second and third embodiments will be described with reference to FIGS. In these second and third embodiments, portions corresponding to those of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図4は、第2の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ110の構成を示すものである。この実施形態では、図1に示した実施形態の場合に比べて、より後端側(図4中右側)に保持部材8が配置されている。このように、保持部材8の配置位置は、中軸6の先端部分に限られず、より後端側の部位であってもよい。
FIG. 4 shows a configuration of a
図5は、第3の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ120の要部構成を示すものである。この実施形態では、ヒータ4と外筒5が固定され、ヒータ4と外筒5と中軸6とによってヒータアッセンブリ41が構成されている。そして、これらが主体金具1に対して軸方向(図5中左右方向)にスライド可能とされており、かつ外筒5の後端側の鍔部は、主体金具1と当接している。また、外筒5と主体金具1との間、すなわち実質的にヒータ4と主体金具1との間に、保持部材8が配置されている。このように、保持部材8の配置位置は、中軸6と主体金具1との間に限られず、ヒータ4(外筒5)と主体金具1との間であっても良い。
FIG. 5 shows a main configuration of a
図6,7は、第4の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ130の要部構成を示すものである。この実施形態では、ヒータ4と外筒5が固定され、その外筒5からシース50が後端側に延びるように固定されている。ヒータ4と外筒5とシース50と中軸6とによってヒータアッセンブリ41が構成されている。なお、外筒とシースとは同一部材であっても良い。そして、これらが主体金具1に対して軸方向(図6中上下方向)にスライド可能とされている。また、外筒5と主体金具1との間に保持部材80が配置されている。保持部材80は、自己潤滑性を有する材料であるグラファイトから構成されている。すなわち、グラファイト粉末に酸処理、熱処理を施すことによりグラファイト粉末を膨張させ、この膨張粉末を加圧して成形して構成されている。このような工程によってグラファイト粉末を成形することにより、保持部材80に良好な弾性を付与することができる。
FIGS. 6 and 7 show a main configuration of a
上記保持部材80の成形工程としては、例えば図8に示す工程を好適に使用することができる。すなわち、この工程では、まず、図8(a)に示すように、シート状に成形したグラファイトシート材80を外筒5に巻き付けた状態とする。そして、この状態から、図8(b)に示すように、主体金具1の先端部材82を主体金具1に取り付ける際に、グラファイトシート材80を軸方向に加圧して変形させ、軸方向に収縮させるとともに径方向に膨張させ、外筒5と主体金具1との間に隙間無く密着させる。
For example, the process shown in FIG. 8 can be suitably used as the molding process of the holding
図7に示すように、本実施形態では、シース50と主体金具1との間にダイアフラム11が設けられており、このダイアフラム11上に圧力検出素子9が設けられている。圧力検出器9の圧力検出信号は、電子回路12によって処理され、外部に導出されるようになっている。なお、図7において83はOリングであり、本実施形態では、先端側に設けられた保持部材80と、後端側に設けられたOリング83とによって確実な気密封止を行うとともに、Oリング83が高熱に晒されることのない構成となっている。Oリング83は、高温に晒されないため、ヒータアッセンブリ41との摩擦による劣化(消耗)は起きにくいが、好ましくは自己潤滑性を有する材料であることが好ましい。また、この場合、先端側に設けられた保持部材(グラファイト)80は、ヒータより高い熱伝導率を有しているので、効果的にヒータ4の熱を主体金具1に伝えて逃がすことにより、より後端側へ熱が侵入することを防止する。また、このように熱の侵入を防止することによって、ヒータ電極取り出し部7,20の電気接続信頼性が維持できなくなることを防止できる。さらに、保持部材(グラファイト)80は、熱膨張率が低い材料であるので、高温時におけるセンサ出力値の変化を低減することができる。
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the
上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグ130では、中軸6と主体金具1との間に、グラファイトから形成された保持部材80を設けて適度に気密封止を行っている。グラファイトは、耐熱性及び耐食性に優れているため、樹脂等からなるOリングを用いて気密封止を行った場合に比べて耐久性を向上させることができ、信頼性を確保することができる。グラファイトからなる保持部材80は、各部を弾性的に保持することができ、さらに自己潤滑性を有することからスライド性を損なうことなく中軸6と主体金具1との間の気密封止を適度に行うことができる。これによって、燃焼圧力の安定した良好な検出感度を得ることが可能となる。
In the
図9は、第5の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ140の要部構成を示すものである。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ140では、ヒータアセンブリ41(外筒5)の外側と主体金具1の内側の少なくとも一方に、自己潤滑性を有する材料をコーティングしたコーティング層90によって、保持部が形成されている。このように保持部材8等の別部材を用いることなくコーティング層90等によって保持部を形成することもできる。この場合、被コーティング部に化成皮膜処理を施し、含浸、スプレー、はけ塗り等でコーティング材料を塗布し、常温又は加熱による乾燥を行う方法等によって、コーティング層90を形成することができる。
FIG. 9 shows a main configuration of a
図10は、第6の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ150の要部構成を示すものである。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ150では、外筒5を介さずに、セラミックからなるヒータ4が直接保持部材8と当接する構造となっている。このような構造の燃焼圧力センサ付きグロープラグ150では、ヒータ4から保持部材8への熱伝導を促進することができる。
FIG. 10 shows a main configuration of a
次に、上記した圧力検出素子9の製造方法について説明する。圧力検出素子9は、例えば、Siウエハから、図11に示すような工程によって製造することができる。
Next, a method for manufacturing the
すなわち、図11(a)に示すSiウエハ(例えば、厚み400μm、抵抗値10〜20Ω・cm、N型)201に、まず、図11b)に示すように酸化膜202(膜厚例えば100nm)を形成した後、矩形のピエゾ抵抗体形状(及び直線の温度センサ形状)にパターニングする。 That is, first, an oxide film 202 (film thickness, for example, 100 nm) is formed on a Si wafer (for example, 400 μm in thickness, resistance value 10-20 Ω · cm, N-type) 201 illustrated in FIG. After the formation, patterning is performed into a rectangular piezoresistor shape (and a linear temperature sensor shape).
次に、イオン注入装置により、Siウエハ100の表層にボロンをドーピングし(ボロン濃度例えば1×1018〜3×1020atom/cm3)、この後、アニール(例えば、窒素雰囲気中、温度950℃で30分)することによって図11(c)に示すようにピエゾ抵抗体203(及び温度センサ)を形成する。
Next, boron is doped into the surface layer of the
次に図11(d)に示すように、ピエゾ抵抗体203(及び温度センサ)の保護膜として、HTO膜204を成膜し(例えば、成膜ガス:SiH2Cl2+N2O、温度900℃、膜厚300nm)、図11(e)に示すようにHTO膜204にコンタクトホール205を形成した後、このコンタクトホール205の部分に図11(f)に示すようにパッド206(例えば、Pt/TiN/PtSi)を形成する。
Next, as shown in FIG. 11D, an
次に、図11(g)に示すように、下ガラス207を陽極接合し、この後図11(h)に示すように、上ガラス208を陽極接合する。
Next, as shown in FIG. 11 (g), the
また、圧力検出素子9は、例えば、SOIウエハから、図12に示すような工程によって製造することができる。
Further, the
すなわち、図12(a)に示すように表面側(図中上側)から順に活性層(例えば、厚み1.5μm、抵抗値10〜20Ω・cm、P型)、中間層(例えば、厚み1μm)、支持層(例えば、厚み525μm、抵抗値10〜20Ω・cm、P型)を有するSOIウエハ301を用い、まず、図12(b)に示すように、イオン注入装置により、SOIウエハ301の活性層にボロンをドーピング(ボロン濃度例えば1×1018〜3×1020atom/cm3)し、アニール(例えば、窒素雰囲気中、温度1000℃で5時間)することによってピエゾ抵抗体302(及び温度センサ)を形成する。
That is, as shown in FIG. 12 (a), the active layer (for example, thickness 1.5 μm, resistance value 10-20 Ω · cm, P-type) and intermediate layer (for example,
次に、活性層上にレジストを矩形のピエゾ抵抗体形状(及び直線の温度センサ形状)にパターニングした後、レジストをマスクとして活性層のシリコンを矩形のピエゾ抵抗体303(及び直線の温度センサ形状)の部分だけを残してエッチング(例えばRIE)し、図12(c)に示すように誘電体分離を行う。 Next, after a resist is patterned on the active layer into a rectangular piezoresistor shape (and a linear temperature sensor shape), the active layer silicon is formed into a rectangular piezoresistor 303 (and a linear temperature sensor shape) using the resist as a mask. Etching (for example, RIE), leaving only the portion), and performing dielectric separation as shown in FIG.
次に図12(d)に示すように、ピエゾ抵抗体303(及び温度センサ)の保護膜として、HTO膜304を成膜し(例えば、成膜ガス:SiH2Cl2+N2O、温度900℃、膜厚300nm)、図12(e)に示すようにHTO膜304にコンタクトホール305を形成した後、このコンタクトホール305の部分に図12(f)に示すようにパッド306(例えば、Pt/TiN/PtSi)を形成する。
Next, as shown in FIG. 12D, an
次に、図12(g)に示すように、下ガラス307を陽極接合し、この後図12(h)に示すように、上ガラス308を陽極接合する。
Next, as shown in FIG. 12 (g), the
また、ダイアフラム11に圧力検出素子9を貼り付ける場合、図13に示すように、1つのSiウエハ基板上に複数(例えば4つ)の圧力検出素子9を具備し、中央部に中軸6が貫通可能な開孔を有する形状にSiウエハを加工し、これをダイアフラム11に貼り付けるようにすることができる。
Further, when the
図13に示す工程のうち、図13(a)〜(f)の工程は、図11(a)〜(f)に示した工程に相当し、図13(g)は、Siウエハ201にエッチングにより開孔209を形成する工程、図13(h)は、開孔を有する下ガラス210を陽極接合する工程、図13(i)は、開孔を有する上ガラス211を陽極接合する工程を示している。このようにして製造した複数の圧力検出素子9を有する1枚のSi基板をダイアフラム11に貼り付ければ、1つずつ圧力検出素子9を貼り付けるよりも、容易に製造することができる。
Of the steps shown in FIG. 13, the steps of FIGS. 13A to 13F correspond to the steps shown in FIGS. 11A to 11F, and FIG. 13 (h) shows the step of anodically bonding the
また、同様な工程をSOIウエハを用いて行う場合は、図14に示すようにして行う。すなわち、図14(a)〜(f)の工程は、図12(a)〜(f)に示した工程に相当し、図14(g)は、SOIウエハ301にエッチングにより開孔309を形成する工程、図14(h)は、開孔を有する下ガラス310を陽極接合する工程、図14(i)は、開孔を有する上ガラス311を陽極接合する工程を示している。
Further, when the same process is performed using an SOI wafer, it is performed as shown in FIG. 14A to 14F correspond to the steps shown in FIGS. 12A to 12F, and FIG. 14G shows an
また、図15に示すように、SOIウエハに形成したピエゾ抵抗体をメタルウエハ(ダイアフラム)に接合させ、SOIウエハの支持層をエッチングにより除去する方法もある。すなわちこの方法では、図15(a)〜(c)に示すように、SOIウエハ301の活性層にボロンをドーピングし、アニールすることによってピエゾ抵抗体302を形成し、活性層のシリコン及び中間層を矩形のピエゾ抵抗体303の部分だけを残してエッチングし、ダイシングする。
In addition, as shown in FIG. 15, there is a method in which a piezoresistor formed on an SOI wafer is bonded to a metal wafer (diaphragm) and the support layer of the SOI wafer is removed by etching. That is, in this method, as shown in FIGS. 15A to 15C, the active layer of the
一方、図15(d)、(e)に示すように、メタルウエハ401にガラス層402を形成する。そして、図15(f)に示すように、メタルウエハ401のガラス層402の上に、SOIウエハ301のピエゾ抵抗体303を接合し、この後、図15(g)に示すように、SOIウエハ301の支持層をエッチングにより除去する。
On the other hand, as shown in FIGS. 15D and 15E, a
次に、図15(h)に示すように、ピエゾ抵抗体303の上に絶縁膜501を形成し、図15(i)に示すように、電極パッド502を形成する。このようにして、メタルウエハ(ダイアフラム)401上に圧力検出素子を配置することができる。
Next, as shown in FIG. 15H, an insulating
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。 In the above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment and the like, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof.
1……主体金具、4……ヒータ、6……中軸、8……保持部材、9……圧力検出素子、100……燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
棒状に形成され先端部が前記主体金具の先端から突出するように配置され通電により発熱する発熱部を有するヒータと前記ヒータの後端側に設けられ当該ヒータと電気的に導通される中軸とを有するヒータアッセンブリと、
前記ヒータアッセンブリと前記主体金具との間に配置され、該ヒータアッセンブリを該主体金具にスライド可能に保持する、自己潤滑性と耐熱性を有する材料からなる保持部と、
前記ヒータアッセンブリのスライドを検知して当該ヒータアッセンブリの先端側に印加される内燃機関の燃焼圧力を検出するための圧力検出素子と、
を具備したことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 A metal shell that extends along the axial direction and is formed in a cylindrical shape,
A heater having a heating portion that is formed in a rod shape and has a heat generating portion that is disposed so that the front end portion protrudes from the front end of the metal shell, and that is electrically connected to the heater is provided on the rear end side of the heater. A heater assembly having,
A holding portion made of a material having self-lubricating and heat resistance, disposed between the heater assembly and the metal shell, and slidably holding the heater assembly on the metal shell;
A pressure detection element for detecting the combustion pressure of the internal combustion engine applied to the front end side of the heater assembly by detecting the slide of the heater assembly;
A glow plug with a combustion pressure sensor.
前記保持部は、前記主体金具と、前記ヒータアッセンブリとの間に、自己潤滑性を有する材料からなる部材を介挿して形成されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to claim 1,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion is formed by inserting a member made of a self-lubricating material between the metal shell and the heater assembly.
前記保持部は、前記主体金具の内側と、前記ヒータアッセンブリの外側の少なくともいずれか一方に自己潤滑性を有する材料をコーティングして形成されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to claim 1,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion is formed by coating a self-lubricating material on at least one of the inside of the metal shell and the outside of the heater assembly.
前記保持部は、表面の静止摩擦係数が0.2より小さくされていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 3,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion has a surface static friction coefficient smaller than 0.2.
前記保持部は、弾性を有することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 4,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion has elasticity.
前記保持部は、前記ヒータ以上の熱伝導率を有することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 5,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion has a thermal conductivity higher than that of the heater.
前記保持部は、前記ヒータ以下の熱膨張率を有することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 6,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion has a thermal expansion coefficient equal to or less than that of the heater.
前記自己潤滑性を有する材料は、グラファイト、滑石、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素のいずれかであることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 7,
A glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the self-lubricating material is any one of graphite, talc, molybdenum disulfide, tungsten disulfide, and boron nitride.
前記ヒータは、前記発熱部より後端側に位置して該発熱部に通電するための電極取り出し部を備え、前記保持部は、前記発熱部と、前記電極取り出し部との間に配設されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 8,
The heater includes an electrode extraction portion that is located on the rear end side of the heat generation portion and energizes the heat generation portion, and the holding portion is disposed between the heat generation portion and the electrode extraction portion. A glow plug with a combustion pressure sensor.
前記ヒータは、前記発熱部がセラミック基体に埋設されるセラミックヒータであって、前記ヒータと前記保持部は、間に他の部材を介さずに直接接触していることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 9,
The heater is a ceramic heater in which the heat generating portion is embedded in a ceramic base, and the heater and the holding portion are in direct contact with no other member interposed therebetween. With glow plug.
前記ヒータアッセンブリは、前記ヒータの外側に設けられた円筒状の外筒を具備し、前記保持部は、当該外筒と前記主体金具との間に配置されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 10,
The heater assembly includes a cylindrical outer cylinder provided outside the heater, and the holding portion is disposed between the outer cylinder and the metal shell. With glow plug.
前記保持部は、前記主体金具と前記ヒータアッセンブリとの間を気密に閉塞することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 11,
The glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the holding portion hermetically closes a space between the metal shell and the heater assembly.
前記圧力検出素子が、Si型圧力検出素子、又はSOI型圧力検出素子であることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 In the glow plug with a combustion pressure sensor according to any one of claims 1 to 12,
A glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the pressure detection element is an Si type pressure detection element or an SOI type pressure detection element.
前記ヒータアッセンブリに機械的に接続され後端側に延びるシースと、前記主体金具とに固定されるとともに前記ヒータアセンブリのスライドに応じて変形するダイアフラムに、前記圧力検出素子が設けられていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to claim 13,
The pressure detection element is provided on a diaphragm that is mechanically connected to the heater assembly and extends to the rear end side, and is fixed to the metal shell and is deformed in accordance with the slide of the heater assembly. Features glow plug with combustion pressure sensor.
前記圧力検出素子が、前記主体金具と前記中軸とに固定されるとともに前記中軸のスライドに応じて変形するダイアフラムに設けられていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to claim 13,
A glow plug with a combustion pressure sensor, wherein the pressure detecting element is provided on a diaphragm that is fixed to the metal shell and the middle shaft and deforms in accordance with the sliding of the middle shaft.
前記圧力検出素子が、前記ダイアフラムに複数設けられていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。 The glow plug with a combustion pressure sensor according to claim 14 or 15,
A glow plug with a combustion pressure sensor, wherein a plurality of the pressure detection elements are provided on the diaphragm.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090512 |