JP2009229039A - 燃焼圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で燃焼圧力を検出することができるとともに、小型化を図ることのできる燃焼圧力センサ付きグロープラグを提供する。
【解決手段】先端側がハウジング１の先端部から突出し、後端側がハウジング内１に収容されるように設けられたヒータ２０は、先端面が受圧面２３とされ、圧力検出素子４０に燃焼圧を伝達する。ハウジング１内のヒータ２０より軸方向後端側には、筒状に形成されヒータ２０に電力を供給するためのグロー通電用筒状部材５５が設けられている。グロー通電用筒状部材５５の内部には、圧力検出素子４０から信号を取り出すためのセンサ用端子４２及び信号処理回路４３が配置されている。
【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、自動車用のディーゼルエンジン等の内燃機関に使用されるグロープラグとして、内燃機関の燃焼圧力を検出するための燃焼圧力センサを具備した燃焼圧力センサ付きグロープラグが知られている。このような燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいては、圧力検出素子を、より燃焼室に近い軸方向先端側に設けることによって、振動によるノイズの影響等を軽減することができ、より高精度に燃焼圧力を検出することができる。このため、例えば、ハウジング内の、ヒータの軸方向後端側端部と隣接する位置に、圧力検出素子を設けた燃焼圧力センサ付き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２００７−２９２４１５号公報

上記したように、燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいては、圧力検出素子を、ヒータの後端側端部と隣接する位置等のできるだけ燃焼室に近い位置に配置することが行われている。しかしながら、ハウジング内の燃焼室に近い位置、特に燃焼圧力センサ付きグロープラグを内燃機関に取り付けるねじ部より先端側の位置においては、燃焼室からの熱の影響により温度が上昇し高温となるため、圧力検出素子からの検出信号を処理するための信号処理回路は、高温となるヒータの後端側端部と隣接する位置等の位置等に設けることはできず、より後端側の温度上昇の少ない位置に設ける必要がある。このため、圧力検出素子と信号処理回路とを線材等の信号伝達用導電性部材によって接続する必要がある。

ところが、ハウジング内のヒータの後端側には、ヒータに電力を供給するための電力供給用導電性部材として、例えば、中軸等と称される金属製の棒状部材等が配置されている。このヒータへの電力供給は、電流量が大きく、かつデューティ制御であるため、ヒータ通電時に発生するノイズは大きい。この金属製の棒状部材等からの電気的ノイズが、線材等からなる信号伝達用導電性部材から検出信号中に入り込み、燃焼圧力の測定精度が低下するという課題があった。

また、上記のような電気的なノイズを低減する方法としては、圧力検出素子において４つの抵抗をブリッジ状に配置したホイートストンブリッジを組む方法も知られている。しかしながら、このようなホイートストンブリッジを用いた場合、圧力検出素子からの出力線が４本となるため、４本の線材等の信号伝達用導電性部材を配置するための空間がハウジング内に必要となり、燃焼圧力センサ付きグロープラグの小型化の妨げとなるという課題が生じる。

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、高精度で燃焼圧力を検出することができるとともに、小型化を図ることのでき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。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグは、筒状に形成されたハウジングと、前記ハウジング内に配置された圧力検出素子と、先端側が前記ハウジングの先端部から突出し、後端側が前記ハウジング内に収容されるように設けられたヒータであって、先端面が受圧面とされ、前記圧力検出素子に燃焼圧を伝達するヒータと、前記ハウジング内の前記ヒータより軸方向後端側に設けられ、前記ヒータに電力を供給するための電力供給用導電性部材であって、筒状に形成された電力供給用導電性部材と、少なくとも一部が筒状の前記電力供給用導電性部材の内部に配置され、前記圧力検出素子から信号を取り出すための信号伝達用導電性部材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、ヒータに電力を供給するための電力供給用導電性部材が筒状に形成され、内部に圧力検出素子から信号を取り出すための信号伝達用導電性部材の少なくとも一部が配置された構成となっている。したがって、電力供給用導電性部材からのノイズが、信号伝達用導電性部材から圧力検出素子の検出信号に入り込むことを抑制することができ、高精度で燃焼圧力を検出することができる。また、電力供給用導電性部材からのノイズを除去するために、ホイートストンブリッジ等を使用する必要もないので、信号伝達用導電性部材の数を、４つ未満とすることができ、ハウジングの細径化による小型化を図ることができる。

上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、電力供給用導電性部材と、信号伝達用導電性部材との間に絶縁性物質が充填された構成とすることが好ましい。これによって、電力供給用導電性部材と、信号伝達用導電性部材との間で電気的な短絡が生じることを確実に防止することができる。

また、上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、電力供給用導電性部材の内部に、圧力検出素子からの出力信号を処理するための信号処理回路が収容された構成とすることが好ましい。これによって、圧力検出素子からの微弱な検出信号を、電力供給用導電性部材からのノイズ等のノイズが入らない状態で信号処理して増幅することができ、高精度で燃焼圧力を検出することができる。

また、上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、ハウジングは、軸方向先端側に機関と密接するシート面と、当該シート面より軸方向後端側の外周面に機関取り付け用のねじ部とを有し、圧力検出素子が、ハウジングの機関取り付け用のねじ部よりも軸方向先端側に設けられている構成とすることが好ましい。これによって、圧力検出素子の検出信号に、振動に基づくノイズが加わることを抑制することができる。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグによれば、高精度で燃焼圧力を検出することができるとともに、小型化を図ることのできる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（ａ）は燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００の全体構成を示す断面図、図１（ｂ）は燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００の要部を拡大して示す断面図である。

図１に示すように、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００は、例えば、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ等）、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０等）等の高強度の金属からなり、略筒状に形成されたハウジング１を具備している。ハウジング１の先端（図１中下側の端部）には、キャップ部材２が設けられている。

図１（ａ）に示すように、ハウジング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）に取り付けるためのねじ部４が形成されている。このねじ部４より後端側（図１中上側）の外周部には、ハウジング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５が設けられている。

キャップ部材２は、ヒータ２０をハウジング１の先端から突出させた状態とするための開口部６を有しており、その軸方向先端側端面は、自動車用ディーゼルエンジン等の機関と密接するシート面（テーパ面）７が形成されている。開口部６内には、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０等）等の金属からなり、略筒状に形成されたヒータ支持部材１０が設けられており、このヒータ支持部材１０の内側にヒータ２０が設けられている。ヒータ２０は、例えば、絶縁性セラミックの内部に導電性セラミックを設けたセラミックヒータ（窒化珪素、アルミナ等からなる）、又はメタルグローヒータ（コイル、ステンレスチューブ、絶縁粉末等からなる）等から構成されている。図１（ａ）に示すヒータ２０の先端面２３は、燃焼室内部の燃焼圧を受ける受圧面とされている。

ヒータ支持部材１０は、その後端部に、外側に鍔状に突出するフランジからなるハウジング接続部１１を具備している。また、このハウジング接続部１１の内周部分は肉薄とされた可動部１２とされている。この可動部１２は、ヒータ２０の受圧面に印加される燃焼圧に応じて弾性的に変形することにより、ヒータ２０を軸方向に変位させる機能を有する。ヒータ支持部材１０の可動部１２より先端側には、筒状とされたヒータ接続部１３が設けられている。このヒータ接続部１３は、圧入もしくはロウ付けにより、その内周部がヒータ２０と接続した状態とされている。また、ヒータ接続部１３は、ヒータ２０の外周面に露出するように設けられたアース側電極（図示せず。）と電気的に接続されており、ヒータ２０はヒータ接続部１３及びハウジング１を介して、接地電位に接続される。

ヒータ支持部材１０のハウジング接続部１１より後端側には、円筒状に後端側に向けて延在する圧力検出素子保持用円筒状部材３０が設けられている。この圧力検出素子保持用円筒状部材３０の軸方向先端側には、外側に鍔状に突出するフランジ部３１が形成されている。そして、このフランジ部３１と、上記したヒータ支持部材１０のハウジング接続部１１とを、キャップ部材２とハウジング１との間に介在させた状態で溶接等によって固定することにより、圧力検出素子保持用円筒状部材３０及びヒータ支持部材１０がハウジング１に接続されている。

圧力検出素子保持用円筒状部材３０の後端側端部には、円板状に形成された絶縁板３２が、その後端側に設けられた筒状体３５によって固定されている。絶縁板３２の中央部にはグロー電極用貫通孔３３が形成されており、このグロー電極用貫通孔３３の周囲には、グロー電極用貫通孔３３より小径の、複数（例えば２つ）の素子電極用貫通孔３４が形成されている。これらの素子電極用貫通孔３４内には、圧力検出素子４０の検出信号を導出するための素子電極４１が配置されている。このため、素子電極用貫通孔３４は、素子電極４１の数に対応して設けられている。

上記絶縁板３２には、導電性部材からなるグロー通電用電極５０が固定されている。このグロー通電用電極５０は、略棒状に形成されており、その先端側端部に外側に鍔状に突出する第１フランジ部５１が形成されている。また、この第１フランジ部５１の後端側には、間隔を設けて第１フランジ部５１より小径の第２フランジ部５２が形成されている。この第２フランジ部５２が、絶縁板３２の先端側の面に当接された状態でグロー通電用電極５０が絶縁板３２に固定されており、第２フランジ部５２より後端側の棒状部分がグロー電極用貫通孔３３を通って後端側に突出した状態となっている。

上記グロー通電用電極５０の第１フランジ部５１の先端側の面に圧力検出素子４０が、例えばガラス等の絶縁性材料を介して固定されている。また、第１フランジ部５１には、上記した素子電極用貫通孔３４に対応して複数の貫通孔５３が設けられており、これらの貫通孔５３を通って、素子電極４１が後端側に引き出されている。この貫通孔５３内には、ガラス等の絶縁性材料が充填されており、素子電極４１とグロー通電用電極５０とが電気的に絶縁されている。

上記グロー通電用電極５０の第１フランジ部５１の先端側周縁部には、リング状部材５４が溶接等によって固着されている。このリング状部材５４の先端側は、ヒータ２０の後端側に固着されており、ヒータ２０の外周面に露出するように設けられたプラス側電極（図示せず。）と電気的に接続され、ヒータ２０への電力供給路の一部を構成している。また、リング状部材５４は圧力伝達機構としても作用する。すなわち、燃焼圧力によってヒータ２０が後端側に変位すると、リング状部材５４を介して第１フランジ部５１の周縁部が押圧されて第１フランジ部５１が歪む。そして、この時の第１フランジ部５１の歪みを圧力検出素子４０で検出することによって、燃焼室内の燃焼圧が検出される。

上記圧力検出素子保持用円筒状部材３０の後端側には、ヒータ２０に電力を供給するための電力供給用導電性部材として、金属等の導電性材料から筒状に形成されたグロー通電用筒状部材５５が設けられている。このグロー通電用筒状部材５５は、先端側において上記したグロー通電用電極５０とニッケル線等の線材（図示せず。）を介して電気的に接続されている。また、グロー通電用筒状部材５５の後端側は、ハウジング１の後端側端部に設けられたコネクタ８と電気的に接続されている。

グロー通電用筒状部材５５の内部には、素子電極４１の後端部に接続されたセンサ用端子４２（信号伝達用導電性部材）及びこのセンサ用端子４２に電気的に接続され、圧力検出素子４０からの検出信号を処理する信号処理回路４３が収容されている。信号処理回路４３は、基板４４にＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のＩＣ４５等を搭載して構成されている。このＩＣ４５は、ハウジング１のねじ部４より先端側とならないように配置されている。これによって、燃焼室からの熱によりＩＣ４５が高温に晒されることがないよう、すなわち、ねじ部４が締結された、冷却されているエンジンより高温の雰囲気にＩＣ４５が晒されることがないようになっている。この信号処理回路４３の出力信号は、コネクタ８を介してＥＣＵなどの制御機器に入力され、エンジン内における燃焼圧の変化が検知される。

また、図２に示すように、センサ用端子４２及び信号処理回路４３と、グロー通電用筒状部材５５との間には、ガラスや樹脂等からなる絶縁性材料４６が充填されている。このように、絶縁性材料４６を充填することによって、センサ用端子４２及び信号処理回路４３と、グロー通電用筒状部材５５とが電気的に短絡することを確実に防止することができる。

上記のように、本実施形態では、ヒータ２０に電力を供給するためのグロー通電用筒状部材５５を筒状（円筒状）とし、その内部に、圧力検出素子４０からの検出信号を取り出すためのセンサ用端子４２が収容されている。したがって、グロー通電用筒状部材５５にヒータ２０を加熱するための大電流が流れた場合においても、このグロー通電用筒状部材５５からのノイズが、センサ用端子４２を流れる圧力検出素子４０の検出信号に入り込むことがなく、高精度で燃焼圧力を検出することができる。また、このようなグロー通電に伴うノイズを除去するために、ホイートストンブリッジ等を使用する必要もないので、センサ用端子４２等の数を、４つ未満（例えば２つ）とすることができ、ハウジング１を細径化して小型化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、上記したセンサ用端子４２のみではなく、圧力検出素子４０からの検出信号を処理する信号処理回路４３も、グロー通電用筒状部材５５内に収容されている。このような構成とすることにより、より精度良く燃焼圧力を検出することができる。すなわち、圧力検出素子４０から出力される検出信号は微弱であり、増幅する前の圧力検出素子４０からの検出信号にノイズが入り込むと、Ｓ／Ｎ比が低下して精度の高い燃焼圧力の検出が困難になるが、一旦検出信号を増幅してしまえば、増幅した検出信号にノイズが入り込んだとしても、増幅する前の圧力検出素子４０からの検出信号にノイズが入り込んだ場合と比べて、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。そして、信号処理回路４３をグロー通電用筒状部材５５内に収容することによって、増幅する前の検出信号にノイズが入り込むことをより確実に防止することができる。

上記のように、本実施形態では、圧力検出素子４０をヒータ２０の後端側端部に近接したハウジング１の比較的先端側に配置することにより、圧力検出素子４０の検出信号に、振動によるノイズの影響が加わることを抑制するとともに、熱の影響を受け易い信号処理回路４３をハウジング１のより後端側に配置した構成を採用しつつ、これらの間を電気的に接続するセンサ用端子４２の部分において、グロー通電に伴うノイズ等が入り込むことを抑制することができる。これによって、高精度で燃焼圧力を検出することができる。

上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００では、図１（ａ）に示すように、ヒータ２０の先端部が、ハウジング１の先端部から突出した状態となっている。そして、グロープラグ１００を図示しない機関のプラグ取り付け孔内に挿入し、ねじ部４を機関の取り付けねじに締め付けてシート面７を機関に当接させることにより、気密性を確保する。この状態で、ヒータ２０の先端側が燃焼室内に位置するように内燃機関に取り付けられ、ヒータ２０に通電して発熱させることによって内燃機関の始動を補助する。

そして、ヒータ２０の先端面（受圧面）２３に燃焼圧が加わると、可動部１２が弾性的に変形する（撓む）ことにより、ヒータ２０が後方に向けて軸方向に変位し、圧力検出素子４０が配置されたグロー通電用電極５０の第１フランジ部５１の周縁部がリング状部材５４によって押圧される。第１フランジ部５１の中央部は、後端側に延在するグロー通電用電極５０の棒状部分及び第２フランジ部５２等を介して、実質的にハウジング１に固定されているので、グロー通電用電極５０の第１フランジ部５１の周縁部が押圧されると、第１フランジ部５１が歪み、この歪みが圧力検出素子４０により、圧力変化として検出される。

そして、上記の圧力検出素子４０の出力信号は、グロー通電用筒状部材５５内に収容されたセンサ用端子４２によって信号処理回路４３に伝えられ、信号処理回路４３により増幅される。この時、圧力検出素子４０の出力信号を増幅する以前に、この出力信号にグロー通電に伴うノイズ等が入り込むことを抑制できるので、高精度で燃焼圧力を検出することができる。

なお、圧力検出素子４０としては、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子等のピエゾ抵抗素子から構成され、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たものを使用することができる。このような圧力検出素子４０を構成する場合、ガラス、金属等からなる基板に、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子等の素子を接合した構造とすることができる。素子の表面にはピエゾ抵抗体が形成され、素子が押圧された際の抵抗値の変化から圧力を検出する。この他に、ＰＺＴ、水晶等の圧電素子を使用することもできる。

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及び要部の断面構成を示す図。 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要部の断面構成を示す図。

符号の説明

１……ハウジング、２……キャップ部材、４……ねじ部、５……工具係合部、６……開口部、７……シート面、８……コネクタ、１０……ヒータ支持部材、１１……ハウジング接続部、１２……可動部、１３……ヒータ接続部、２０……ヒータ、２３……先端面（受圧面）、３０……圧力検出素子保持用円筒状部材、３１……フランジ部、３２……絶縁板、３３……グロー電極用貫通孔、３４……素子電極用貫通孔、３５……筒状体、４０……圧力検出素子、４１……素子電極、４２……センサ用端子、４３……信号処理回路、４４……基板、４５……ＩＣ、４６……絶縁性材料、５０……グロー通電用電極、５１……第１フランジ部、５２……第２フランジ部、５３……貫通孔、５４……リング状部材、５５……グロー通電用筒状部材、１００……燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

Claims (4)

1. 筒状に形成されたハウジングと、
   前記ハウジング内に配置された圧力検出素子と、
   先端側が前記ハウジングの先端部から突出し、後端側が前記ハウジング内に収容されるように設けられたヒータであって、先端面が受圧面とされ、前記圧力検出素子に燃焼圧を伝達するヒータと、
   前記ハウジング内の前記ヒータより軸方向後端側に設けられ、前記ヒータに電力を供給するための電力供給用導電性部材であって、筒状に形成された電力供給用導電性部材と、
   少なくとも一部が筒状の前記電力供給用導電性部材の内部に配置され、前記圧力検出素子から信号を取り出すための信号伝達用導電性部材と
   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、
   前記電力供給用導電性部材と、前記信号伝達用導電性部材との間に絶縁性物質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。
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、
   前記電力供給用導電性部材の内部に、前記圧力検出素子からの信号を処理するための信号処理回路が収容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。
4. 請求項１〜３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、
   前記ハウジングは、軸方向先端側に機関と密接するシート面と、当該シート面より軸方向後端側の外周面に機関取り付け用のねじ部とを有し、
   前記圧力検出素子が、前記ハウジングの前記機関取り付け用のねじ部よりも軸方向先端側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。

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