JP2007198618A - 燃焼圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小型化を図ることができるとともに、感度の良好な燃焼圧力センサ付きグロープラグを提供する。
【解決手段】ヒータ４の後端側の主体金具１の内部には、中軸６が設けられている。中軸６は、先端側がヒータ４と電気的に接続された先端側中軸７と、先端側中軸７の後端側に設けられた後端側中軸８から構成されている。後端側中軸８には、その一部を切削したように凹陥された凹部９が形成され、凹部９内に圧力検出素子１０が搭載されている。
【選択図】図１

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。

従来から、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金属ダイアフラムに貼った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、金属ダイアフラムを有するため、圧力検出部の大きさが大きくなり、また部品点数が増えるため。小型化を図ることが困難であるという問題がある。
特開２００５−９０９５４号公報

上記のとおり、従来技術においては、小型化が図れないという課題や、良好なセンサ感度が得られないという課題があった。

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、小型化を図ることができるとともに、感度の良好な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。

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、先端部が前記主体金具の先端から突出するようにして、当該主体金具内に配置されたヒータと、前記ヒータの後方に位置し、該ヒータと機械的に接続されるとともに、前記主体金具に保持された中軸と、前記中軸の側部に配置され、内燃機関の燃焼圧に応じて生じる該中軸の歪みを検出することにより、燃焼圧を検出する圧力検出素子と、を具備したことを特徴とする。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、圧力検出素子が中軸の側部に配置されている。つまり、圧力検出素子が中軸の側面部分に、例えば、接着剤等によって直接取り付けられている。このため、部品点数を少なくすることができ、小型化を図ることができるとともに、中軸に加わった圧力を直接検出することができ、良好な燃焼圧力の検出感度を得ることができる。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいては、前記圧力検出素子の出力信号を処理する電子回路を、前記中軸の側部に配置する構成とすることにより、さらに部品点数の削減を図れ、小型化が可能となる。

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、前記中軸が、前記圧力検出素子の少なくとも一部が配置されるとともに、径方向内側に窪む凹部を有していることが好ましい。これによって、燃焼圧力の検出感度をさらに向上させることができる。より具体的には、前記ヒータは、燃焼室内に晒されるとともに、燃焼ガスによって圧力が印加される圧力印加部を有しており、前記凹部を通って軸方向に直行する断面積が、前記圧力印加部の後端の軸方向に直交する断面積より小さくされていることが好ましい。これによって、燃焼圧力の検出感度をより効果的に向上させることができる。さらに、前記凹部と前記圧力検出素子との間に、接合部材が充填されていることにより、この接合部材と圧力検出素子自身によって、凹部の強度の向上を図ることができる。

圧力検出素子としては、Ｓｉ型圧力検出素子、又はＳＯＩ型圧力検出素子を使用することができる。また、このような圧力検出素子を使用した場合、前記中軸は、前記圧力検出素子が配置される圧力検出素子配置部材と、その他の少なくとも１つ以上の部材とから構成され、前記圧力検出素子配置部材の構成材料を、シリコンと熱膨張係数の近いものとすることが好ましく、例えば熱膨張係数が、１．０〜７．０のものを使用することが好ましい。これによって、熱膨張差により破断が生じて接合不能となること、残留応力によって圧力検知ができなくなること、及び、温度特性が悪化すること等を防止することができる。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグによれば、小型化を図ることができるとともに、感度の良好な燃焼圧力センサ付きグロープラグを提供することができる。

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１〜４は、本発明の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００の構成を示すもので、図１は軸線を含む方向における全体構成を示す断面図、図２は図１の後端部分を拡大して示す断面図、図３は全体構成を一部切り欠いて示す斜視図、図４は図３の後端部分を拡大して示す斜視図である。

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、略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。

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棒状（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覆う略円筒状のシース（外筒）５に嵌め込まれており、このシース５を介して、主体金具１に支持されている。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。なお、ヒータ４のうち、シース５より突出して、燃焼室内に晒される部位のことを圧力印加部４４という。

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、その先端側がヒータ４と電気的に接続された先端側中軸７と、この先端側中軸７の後端側に設けられた後端側中軸８（本発明でいう圧力検出素子配置部材）から構成されている。このうち後端側中軸８には、その一部を径方向内側に切削したように凹陥された凹部９が形成されている。凹部９は、後端側中軸８の両面に対称に形成されており、このため、凹部９が形成された部分の後端側中軸８の軸方向に直行する方向における断面形状は、略矩形状となっている。

上記凹部９のうちの一方には、この凹部９の軸線方向長さと略同一の長さ（図１，２における左右方向の長さ）を有する圧力検出素子１０が設けられている。すなわち、圧力検出素子１０は、軸線方向において凹部９内に略隙間なく（つまり、凹部９の内壁と圧力検出素子１０との間に大きな隙間が生じることなく）嵌め込まれるようにして搭載され、圧力検出素子１０と凹部９の内壁との間に形成される微小な隙間には、後述する接着剤層（本発明でいう接合部材）が充填された構成となっている。これによって、圧力印加によって凹部９の部分において発生した歪みが、凹部９の底部から圧力検出素子１０の裏面に伝わるだけでなく、凹部９の内壁から圧力検出素子１０の側壁に伝わるので、効率良く圧力検出素子１０に伝わり良好な感度が得られる。さらに、製造の際には、圧力検出素子１０を凹部９内に嵌め込むだけで、精度良く簡単に位置決めを行うことができる。

圧力検出素子１０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。このように、後端側中軸８に凹部９を設け、後端側中軸８に軸方向に直行する断面における断面積の少ない領域、つまり圧力による歪みの起き易い領域を設けてそこに圧力検出素子１０を設けることにより、検出感度を高めることができる。この点については、後で詳述する。

上記のように、後端側中軸８の凹部９内に、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子からなる圧力検出素子１０を搭載した場合、後端側中軸８の材質は、シリコンと熱膨張係数の近いものとすることが好ましく、例えば熱膨張係数が、１．０〜７．０のものを使用することが好ましい。具体的には、例えば、ＫＯＶＡＲ（商品名）、ＩＮＶＡＲ（商品名）等を使用することができる。これによって、熱膨張差により破断が生じて接合不能となったり、圧力検出素子に過剰に残留応力が生じて、この残留応力によって正確に圧力検知ができなくなることを防止することができる。また、後端側中軸８の熱膨張係数が大きいと、後端側中軸８の温度による変位が大きくなり、その変位を圧力として検知するため、温度特性が悪化することになるが、このような事態が生じることを防止することができる。なお、中軸は、１つの部材から構成されていても良く、その場合には、中軸をシリコンと熱膨張係数の近いものとすることが好ましい。

なお、本実施形態では、圧力検出素子１０が設けられた凹部９の裏面側の凹部９にダミー素子１１が設けられている。このダミー素子１１は、圧力検出素子１０と略同様な材質及び外形を有し、表裏の構造を対称とするものであるが、これによって、後端側中軸８は均一に歪みが発生する。また、このダミー素子１１は、必ずしも設ける必要はない。

後端側中軸８の後端部分には、円板状のフランジ部１４が形成されており、このフランジ部１４の両面を挟むように、環状に形成された環状絶縁部材１５，１６が設けられている。そして、主体金具１の後端部に、キャップ部１７を冠着することによって、主体金具１とキャップ部１７との間に、環状絶縁部材１５，１６を介してフランジ部１４を保持するようになっている。

圧力検出素子１０よりさらに後端側の後端側中軸８には、圧力検出素子１０からの出力信号を処理するための電子回路１２が搭載されている。そして、この電子回路１２のさらに後端側には、リード１３が設けられている。そして、ヒータ４の圧力印加部４４に燃焼ガスによって圧力が加わると、先端側中軸７を介して後端側中軸８に圧力が伝わる。後端側中軸８はフランジ部１４にて主体金具１に固定されているので、後端側中軸８に伝わった圧力によって、後端側中軸８には歪みが生じる。その歪みによって、圧力検出素子１０から圧力検出信号が発生し、この圧力検出信号が電子回路１２によって処理され、リード１３を介して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、機関（エンジン）内における燃焼圧の変化が検知される。

また、図１に示すように、ヒータ４の後端側周囲と主体金具１との間には、気密封止材（例えば、滑石等）１８が設けられており、これらの間の気密性を確保するようになっている。なお、ヒータ４及び先端側中軸７は、ヒータ４の先端部に加わる燃焼圧力によって、軸方向に僅かにスライドできるように構成することが好ましい。このように構成すれば、製作時に全体として中軸６に歪（予圧）が生じないので、圧力検出素子１０に対する予圧管理が不要となり、圧力検出素子１０による燃焼圧の検出精度を向上させることができる。この場合、ヒータ４は、シース５内でスライド可能としても良く、また、シース５と共に主体金具１に対してスライド可能としても良い。また、他気筒燃焼などによるシリンダヘッド変形を圧力検出素子が検出することを避けることが可能となり、燃焼圧力の検出精度を高めることができる。

また、例えば主体金具１の先端側でヒータ４及びシース５を固定保持すると共に、前述したとおり後端側のフランジ部１４で後端側中軸８を固定保持し、これらの２点で保持固定する構成とすることもできる。この場合、全体として中軸６に歪み（予圧）が生じるため、製作時に圧力検出素子１０に対する予圧管理が必要となる。

上記した圧力検出素子１０は、例えば、Ｓｉウエハから、図５に示すような工程によって製造することができる。

すなわち、図５（ａ）に示すＳｉウエハ（例えば、（１００）基板、厚み４００μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｎ型）１００に、まず、図５（ｂ）に示すように酸化膜１０１（膜厚例えば１００ｎｍ）を形成した後、矩形のピエゾ抵抗体形状と直線の温度センサ形状にパターニングする。

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５（ｃ）に示すようにピエゾ抵抗及び温度センサ１０２を形成する。

次に図５（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗及び温度センサ１０２の保護膜として、ＨＴＯ膜１０３を成膜し（例えば、成膜ガス：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋Ｎ_２Ｏ、温度９００℃、膜厚３００ｎｍ）、図５（ｅ）に示すようにＨＴＯ膜１０３にコンタクトホール１０４を形成した後、このコンタクトホール１０４の部分に図５（ｆ）に示すようにパッド１０５（例えば、Ｐｔ／ＴｉＮ／ＰｔＳｉ）を形成する。

また、圧力検出素子１０は、例えば、ＳＯＩウエハから、図６に示すような工程によって製造することができる。

すなわち、図６（ａ）に示すように表面側（図中上側）から順に活性層（例えば、（１００）基板、厚み４００μｍ、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２００を用い、まず、図６（ｂ）に示すように、イオン注入装置により、ＳＯＩウエハ２００の活性層にボロンをドーピング（ボロン濃度例えば１Ｅ１８〜３Ｅ２０ａｔｏｍ／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２０２及び温度センサを形成する。

次に、活性層上にレジストを矩形の抵抗体と直線の温度センサの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ピエゾ抵抗体と温度センサの部分だけを残してエッチング（例えばＲＩＥ）し、図６（ｃ）に示すように誘電体分離を行う。

次に図６（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗及び温度センサ２０２の保護膜として、ＨＴＯ膜２０３を成膜し（例えば、成膜ガス：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋Ｎ_２Ｏ、温度９００℃、膜厚３００ｎｍ）、図６（ｅ）に示すようにＨＴＯ膜２０３にコンタクトホール２０４を形成した後、このコンタクトホール２０４の部分に図６（ｆ）に示すようにパッド２０５（例えば、Ｐｔ／ＴｉＮ／ＰｔＳｉ）を形成する。

本実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００では、上記のようにして形成された圧力検出素子１０を、中軸６を構成する後端側中軸８に搭載した構成となっているので、構成部品の数を少なくすることができ、また従来に比べて小型化を図ることができる。圧力検出素子１０の後端側中軸８に対する固定は、例えば、ガラスペースト等からなる接着剤によって行う。これによって、凹部９と圧力検出素子１０との間には、接着剤層と圧力検出素子１０とがその軸線方向に隙間なく配置された構造となっており、これらの構造物（接着剤層と圧力検出素子１０）によって実質的に凹部９の部分が補強されている。なお、凹部９と圧力検出素子１０との間に充填される接合部材は、剛性の高い物質で構成されることが好ましい。

また、本実施形態では、圧力検出素子１０からの出力信号を処理するための電子回路１２についても、中軸６を構成する後端側中軸８に搭載した構成となっているので、さらに構成部品点数の削減と小型化を図ることができる。

また、前述したように、後端側中軸８に凹部９を設け、後端側中軸８に断面積の少ない領域、つまり圧力による歪みの起き易い領域を設けてそこに圧力検出素子１０を設けている。これによって、圧力の検出感度を高めることができる。すなわち、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００では、ヒータ４の先端部分が圧力印加部となり、この部分に加わった圧力により、中軸６（先端側中軸７及び後端側中軸８）内に応力が発生する。この応力が大きいほど、生ずる歪の大きさも大きくなる。また、この応力は、圧力印加部４４の後端４５の面積（軸方向に直交する断面積）が大きいほど大きくなり、応力検出部位の中軸６の軸方向に直交する断面積が小さいほど大きくなる。そこで、本実施形態では、凹部９を設け、この部分の軸方向に直交する断面積を小さくし、この凹部９内に圧力検出素子１０を設けることによって、圧力検出感度の向上を図っている。また、凹部９の（軸方向に直交する）断面積を、圧力印加部４４の後端４５の（軸方向に直交する）断面積より小さくすることで、凹部９に発生する応力を大きくすることができ、燃焼圧力の検出感度を効果的に向上させることができる。

図７の曲線Ａは、後端側中軸８の材質をＫＯＶＡＲとして、圧力印加部に２０ＭＰａの応力を燃焼室側から印加した時の応力解析により求めたもので、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」と、中軸内の発生応力（ＭＰａ）との関係を示したものである。この曲線Ａに示されるとおり、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」が小さくなるほど発生応力は大きくなる。

また、図７の曲線Ｂは、圧力印加部に２０ＭＰａの応力を燃焼室側から印加した時の圧力検出素子（図５，６に記載の素子）の抵抗変化率を測定することにより求めたもので、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」と凹部内に設けた圧力検出素子（歪みゲージ）の抵抗変化率（％）との関係を示したものである。この曲線Ｂに示されるとおり、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」が小さくなるほど抵抗変化率（絶対値）は大きくなる。圧力検出素子によって圧力を検出する場合、圧力印加時の抵抗変化率が０．８以上あれば十分な感度を得ることができる。このため、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」は、０．７５以下とすることが好ましい。

一方、中軸の材質がＫＯＶＡＲの場合、その耐力は、３４５〜４００ＭＰａ程度である。このため、疲労強度を、耐力の最小値側（３４５ＭＰａ）の１／３とすると、１１０ＭＰａ程度となる。したがって、発生応力の上限をこの疲労強度１１０ＭＰ以下とすると、耐久性を確保することができるので、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」は、０．３５以上とすることが好ましい。

以上から、後端側中軸８の材質をＫＯＶＡＲとした場合、「凹部断面積／圧力印加部の後端の断面積」は、図７に双方向矢印で示す範囲の０．３５〜０．７５の範囲とすることが好ましい。これによって、十分な圧力検出感度が得られるとともに、耐久性も確保することができる。

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。

本発明の実施形態に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグの全体構成を示す断面図。 図１の要部を拡大して示す断面図。 図１の燃焼圧力センサ付きグロープラグの全体構成を示す斜視図。 図３の要部を拡大して示す斜視図。 圧力検出素子の製造方法を説明するための図。 他の圧力検出素子の製造方法を説明するための図。 凹部断面積／圧力印加部断面積と歪みゲージ低効率及び金属部品内の発生応力との関係を示すグラフ。

符号の説明

１……主体金具、４……ヒータ、６……中軸、７……先端側中軸、８……後端側中軸、９……凹部、１０……圧力検出素子、１２……電子回路、１００……燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

Claims (7)

1. 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、
   先端部が前記主体金具の先端から突出するようにして、当該主体金具内に配置されたヒータと、
   前記ヒータの後方に位置し、該ヒータと機械的に接続されるとともに、前記主体金具に保持された中軸と、
   前記中軸の側部に配置され、内燃機関の燃焼圧に応じて生じる該中軸の歪みを検出することにより、燃焼圧を検出する圧力検出素子と、
   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。
2. 請求項１記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、
   前記圧力検出素子の出力信号を処理する電子回路が、前記中軸の側部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。
3. 請求項１又は２記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、
   前記中軸は、前記圧力検出素子の少なくとも一部が配置されるとともに、径方向内側に窪む凹部を有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。
4. 請求項３記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、
   前記ヒータは、燃焼室内に晒されるとともに、燃焼ガスによって圧力が印加される圧力印加部を有しており、
   前記凹部を通って軸方向に直行する断面積が、前記圧力印加部の後端の軸方向に直交する断面積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。
5. 請求項３又は４記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、前記凹部と前記圧力検出素子との間に、接合部材が充填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。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、
   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。
7. 請求項６記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、
   前記中軸は、前記圧力検出素子が配置される圧力検出素子配置部材と、その他の少なくとも１つ以上の部材とから構成され、
   前記圧力検出素子配置部材の構成材料の熱膨張係数が、１．０〜７．０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。

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