JP2009521735A - 特に自動車における過酷環境用センサ構造及びかかるセンサを備える予熱器プラグ - Google Patents

Abstract

特に自動車における過酷環境用のこのセンサ構造は、一端に過酷環境において計測される量に敏感な要素（２）を、及び他端に過酷環境から離れて設置される前記の要素用接続回路（３）を備えるセンサ体（１）を備え、感知要素及び接続回路は、物理的に互いに離間され、センサの導電体（５）上の搬送電流により情報を送信するための手段によって接続され、搬送電流を伴うことで無線結合手段により連結され、及びそれらの間に接続回路を環境から保護するための手段（４）が設けられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に自動車における過酷環境用センサ構造及びかかる構造を備える予熱器スパークプラグに関する。

この種類の用途において遭遇する主な問題は過酷環境における計測を実施する能力であり、当該環境条件が温度か、振動か、化学的なものか等にかかわらず、遭遇する過酷環境条件ゆえに過酷環境に対して従来のセンサ技術は使用できない。

このような厳しい環境中でかかる計測を実行するために今まで使用されている手法は、計測される量と計測装置との間に変換器を設置し、変換器の末端で環境条件がセンサの技術と適合するようにすることである。

従って変換器の役割は、厄介な、すなわちセンサと不適合な特定の物理的成分についてのスクリーンを形成することと同時に、計測される量の送信機であることである。

しかし、この変換器の使用は、特に変換器が生成し得る情報の変形、消失又は追加等が原因の、いくつかの難点を呈する。

これらの障害は、例えば不完全な振幅（精度の欠如又は飽和）及び／又は動的側面の不完全さ（低周波及び／又は高周波での帯域幅制限）により特徴付けられる。

過酷環境におけるかかる計測の例は、自動車エンジンのシリンダ圧の計測に関する。

エンジンにおける、かかるシリンダ圧の計測は新しい要件である。これは、エンジンの様々なサイクル（吸入、圧縮、燃焼、排気）中にガス圧の変化を計測して噴射及び点火の制御を最適化することでより高い効率を得るとともにひいては汚染を低下させることを含む。

しかし、エンジンサイクル中、温度は、エンジンが切られているときの周囲温度から、シリンダ内の火炎は約１８００℃であることが知られるようにセ氏数百度まで変動する。ここで、センサに使用されるいくつかの材料はかかる温度に耐えられない。これは例えば、かかる圧力計測に一般的に使用される、シリコンなどの材料の場合である。

従って、例えばディーゼルエンジンについて、シリンダ圧力センサを予熱器スパークプラグ内に備えることが提案されている。このときスパークプラグの先端はシリンダの頂部に位置して火炎と接触している。これが変換器として使用されることにより、例えば水の循環により冷却されるエンジンシリンダヘッドと接触して温和な環境に位置するセンサがスパークプラグの他端で圧縮される。

しかし、予熱器スパークプラグの先端により行われる変換は機械的慣性（変換器の質量）を受けやすく、使用される装置によっては、密閉性の問題及び低い圧力値における精度の問題もまた引き起こし、及び／又は振動に敏感である。

このアセンブリの変形実施形態もまた、シリンダ圧力センサを予熱器スパークプラグ内に備えることにあるが、装置を固定することによりシリンダヘッドの厚みの両側で圧力変換器を支持する以前の解決法とは異なる。このとき圧力の影響下でのシリンダヘッドの偏向が計測される。

しかし、この計測は予熱器スパークプラグがシリンダヘッドに締め付けられるときのトルクに依存する。そのうえ、計測は有用な信号に重畳されるシリンダヘッドの振動モードを拾う。最終的には、計測された信号は、シリンダヘッド及びその環境に依存する伝達関数により影響を受ける。

別の解決策は、圧力及び温度に曝露される膜による光線の反射を拾うための１本又は複数の光ファイバの使用にある。

このとき光ファイバはこの情報を、信号取得及び処理用電子機器が位置する温和な場所に移送する。

しかしながら、光ファイバもまた耐温度限界を有する。光線が反射する膜が計測の品質を決定する。その定義においては、機械的（振動の固有モード）及び熱的（膜を変形させる膨張）特性、膜の機械的経年劣化の問題、その反射面の酸化の問題等を考慮しなければならない。

さらに現在では、データの通信及び／又は関連電子装置の遠隔駆動を可能にする電気通信技術が登場している。

従って例えば、かかる手段がタイヤ圧計測に使用される。

実際、回転部品に電気的接続を配設することは困難である。このときタイヤに関する圧力センサは車両に対して移動することから、車両との通信に困難を来たす。

解決策は、タイヤ内部に電源内蔵型センサを、及び車両内にエミッタ／レシーバを備えることにある。このときセンサは高周波接続によりエミッタ／レシーバと通信できる。特定の装置において、センサは誘導又は高周波により遠隔駆動されることもまた可能である。

かかる構造はまた、オーブン内の温度を確実に計測するためにも使用され得る。

具体的には、過剰に暑い環境において電気的接続を配設するのは困難であり、例えばはんだ接合を実装するリードは、例えばかかるはんだ接合が溶融する限り、この種類の環境に敏感である。

高周波通信手段は、自動車産業部門においてもまた車両盗難防止設備に使用される。

従って例えば、識別装置を自動車用キーに組み込むことができ、この装置は電源を一切必要としないことから保守管理が最小限に低減される。

このときキーに、高周波信号に応答してキーに応じた特定の情報を保有する搬送波信号を返信する装置を含めることが可能である。このときこの装置は、受信する電磁信号のエネルギーにより駆動される。

ＲＦＩＤ型の高周波識別用高周波通信手段を使用する他の例は、受動又は能動チップをエネルギー取得、プロセッサ、メモリ及び高周波通信と組み合わせて実装するとともに、識別用に大規模に開発されている。

本発明の目的は、過酷な自動車環境における使用に十分に好適なセンサ構造を提示することである。

この目的のため、本発明の主題は、特に自動車における過酷環境用のセンサ構造であり、これが一端に過酷環境において計測される量に敏感な要素を、及び他端に過酷環境から離れて設置される前記の要素用接続回路を備えるセンサ体を備え、感知要素及び接続回路は、物理的に互いに離間され、センサの導電体上の搬送電流により情報を送信するための手段によって接続され、この搬送電流を伴うことで無線結合手段により連結され、及びそれらの間に接続回路を環境から保護するための手段が設けられることを特徴とする。

本発明の他の特徴に従えば、
−情報を送信するための手段が、接続回路に組み込まれる感知要素の遠隔電源手段をさらに備え、
−感知要素が発振回路を備え、その少なくとも１つの構成部品が、計測される量に敏感であり、
−発振回路が、発振回路のインダクタンスを形成するコイル及び感知要素を導電体に結合する手段をさらに備え、
−導体が、例えば予熱器スパークプラグにおける予熱機能用の巻線などのセンサ体に局在する任意の他の機能と連結され、
−導体の巻線と感知要素のコイルとの磁気結合用手段が備わり、
−巻線及びコイルが、一方が他方に対し垂直となるよう配置され、
−巻線及びコイルが同軸上に配置され、
−感知要素が、圧力に敏感な要素であり、
−感知要素が、温度に敏感な要素であり、
−感知要素が、ガスに敏感な要素であり、
−感知要素が、振動、加速又は衝撃に敏感な要素であり、
−感知要素が、温度、圧力、ガス、振動、加速又は衝撃等のうち２つ又はそれ以上の量に敏感な要素であり、
−量に敏感な発振回路の構成要素が、発振回路のコイルと直列のコンデンサであり、及び
−コイルがらせんコイルであるとともに巻線がヘリカル巻線である。

本発明の主題はまた、自動車ディーゼルエンジン用予熱器スパークプラグでもあり、これは上記に記載されるようなセンサ構造を備えることを特徴とする。

本発明は、単に例として与えられる続く説明を読み、及び付属の図面を参照することでより良く理解されるであろう。

図１においては、特に自動車における過酷環境用のセンサ構造が示される。

このセンサ構造がこの図では参照符号１によりほぼ表されるセンサ体を備え、センサ体は一端に計測される量に敏感な要素を備え、この感知要素は参照符号２によりほぼ表されることが概略的な形式で分かる。

このときこの感知要素は過酷環境に設置される。

他端で、このセンサ体は参照符号３によりほぼ表される接続回路を備え、接続回路は過酷環境から離れて設置されるとともに物理的に感知要素から離間される。他方で、この回路３はセンサの導電体上の搬送電流により情報を送信するための手段によって感知要素２に接続され、搬送電流を用いて感知要素及び接続回路は無線結合手段により連結される。

具体的には、この回路は例えば情報エミッタ／レシーバ又は実際には増幅手段を備えることができ、センサの導体を通じて、感知要素の信号を回収する、又は実際には感知要素を駆動することが可能となる。

この場合、情報を発信／受信するための手段、又は実際には遠隔駆動のための、すなわち距離を置いて動力を受け取るための手段が、例えば導電体を伴うリードのない一体鋳造チップの形態の感知要素２に組み込まれる。

この接続回路３と感知要素２との間には、接続回路を過酷環境から確実に保護することを意図して、参照符号４によりほぼ表される手段が配置される。

従って例えば、回路３を確実に保護するため、感知要素２と回路３との間、すなわちセンサ体１の２つの端部間に断熱手段が想定され得る。

導電体はそれ自体として参照符号５によりほぼ表されるとともに、それゆえセンサ内でその端部間に伸張している。

過酷環境は事実上、計測される量に加え、リードを伴う少なくとも１つの電子構成要素を備える電子計測系と不適合な別の量が集約される環境である。

かかる環境において、電子機器及びそのリードは通常短所となる。リードは事実上２つの部品間を接触させるワイヤ又はパッドである。

プリント回路の金属化層はリードとは見なされない。集積回路（例えばマイクロ又はナノテクノロジーチップ）の金属化層もまたリードとは見なされない。

本発明に係るセンサ構造には、前に説明されたとおり、変換器の概念、すなわち、その変換器の計測を保証するより過酷でない領域にセンサが設置される限り、例えば圧力などの関連情報を送信する働きをする要素の概念が不要である。

逆に、接続回路がそれ自体として環境から保護され得る限り、感知要素は可能な限り計測される量と接触して設置される。

従って、図１に関して記載される例において、センサを外部に接続する働きをする回路は導体５上の搬送電流により情報を発信／受信するための手段も備え、計測される量の値を感知要素から回収することを可能とする。

この感知要素用の電源手段もまた従来の方式で想定され得る。

前に指摘されたとおり、この感知要素は圧力又は温度に敏感な要素であり得る。

このときセンサの感知要素とセンサの接続回路との間のリードを省略するとともにこれらのリードを搬送電流電気通信装置及び可能であれば実質的にセンサの範囲内の遠隔駆動で代替することが可能である。ひいては遠隔駆動により感知要素はその動作に必要なエネルギーを受け取ることが可能となる。

このとき回路を保護するための手段の使用によりこの回路の保護及び安全な環境内への設置が可能となる。

これらの保護手段は例えば空気層などから構成され得ることは留意される点であろう。

使用される電気通信手段は例えば、電子タグ又はＲＦＩＤシステムの技術において既に使用されている手段と類似のものであってもよく、ここでは物体上に設置されるタグがその物体を識別するための信号を発信する。

本発明に係るセンサの構造の場合、信号はさらに量の計測値の搬送波である。

感知要素２、例えばマイクロ又はナノテクノロジーに基づくチップは、リードなしに実装可能な単一部品材料要素からなる。

従って、かかる構造により構成要素のはんだ接合の融点、及びまた電子チップとその接続ラグとの間の連結の耐温度にも関する問題の解決が可能であることが理解される。

加えて、この構造により、リードの振動、衝撃及び動きに関する問題、並びに計測、処理、増幅及び電源用の電子装置及び過酷環境と情報が伝達された保護部分との間の密閉手段の温度耐性に関する問題を解決することもまた可能となる。

図２においては、特にかかるセンサ構造を備える自動車ディーゼルエンジン用の予熱器スパークプラグの第１の例示的実施形態が示される。

実際に自動車部門において、及びより詳細にはディーゼルエンジンについては周知のことだが、圧力及び温度などの燃焼パラメータの計測は、エンジンの動作を最適化して消費及び汚染を低減するために必要性が増していると思われる。

しかし燃焼室の環境は、約１０００℃の温度及び場合により２００バールもの圧力を伴う非常に攻撃的なものである。

この図２においては、この図では参照符号１０によりほぼ表される、自動車ディーゼルエンジン用の予熱器スパークプラグが示されるとともに、これは参照符号１１によりほぼ表される電熱線を備え、電熱線は参照符号１２によりほぼ表される導電体により電源手段（図示せず）に接続される。

感知要素は参照符号１３によりほぼ表されるとともに接続回路は参照符号１４によりほぼ表される。

従ってスパークプラグのペンシル体上に設置される感知要素は、例えば温度、圧力などの燃焼室の計測パラメータと直接接触している。

それゆえこの感知要素は過酷条件下に設置される。

電子処理部分との接続用回路はスパークプラグ内でその対応する端部、すなわちエンジンのシリンダヘッドにより冷却される領域に取り付けられ得る。従って、スパークプラグは４つの異なる領域、すなわち参照符号１５によりほぼ表される冷温領域、参照符号１６によりほぼ表される封止領域、参照符号１７によりほぼ表される感知要素を取り付けるための領域及び参照符号１８によりほぼ表される加熱領域に画成され得る。

当然ながら、続いてさらに詳細に記載されるであろうとおり、他の実施形態がなお想定され得ることは言うまでもない。

このとき感知要素は処理用電子機器と予熱器スパークプラグ電熱線の電源導体上で変調を介して通信する。

かかる構造は接続を単純化すると同時に、処理用電子機器を温度のより低い領域、圧力のより低い領域等にシフトさせるという利点を提供する。

かかる通信は、例えばスパークプラグの動作を妨害しないとともにセンサを駆動する働きもする信号によって行われることができ、この信号は導体１２により送信される。

有利な態様において、感知要素の通信装置は、リードのない単一チップ上に実現されるため、温度及び圧力条件に対する耐性はより高くなる。

これらの手段の実施形態が図３に示される。

このとき感知要素は参照符号２０によりほぼ表される支持体を備え、その上に直列に、参照符号２１によりほぼ表されるインダクタンスを形成するらせんコイルが、参照符号２２によりほぼ表される容量圧力センサと直列に提供される。

このときセンサの感知部分は、例えばらせん形状の微細加工コイルと接続される容量圧力センサである。これらの２つの要素の直列状の結合は、容量及びそれゆえ圧力に応じた周波数で振動するネットワークとなる。

使用されるコイルにより、発振回路用インダクタンス及び電熱線の導体１２との結合用システムを同時に実現することが可能となる。

これらの要素の全ては、従来のマイクロエレクトロニクス技術によりリードの関わる手段を用いることなく単一チップ上に実現される。

図４及び５においては変形実施形態が示され、ここではヘリカル巻線の形状をとるスパークプラグ用電熱線とらせんコイルの形状をとる感知要素のインダクタンスとの間に磁気結合用手段が使用される。

これらの図４及び５において、前出の図に関する記載のものと類似又は同一の部品は同一の参照符号を使用して表されている。

従って、予熱器スパークプラグ１０、電熱巻線１１、電源導体１２、支持体２０を伴うセンサ１３、スパイラルインダクタンス２１及びその容量センサ２２がこれらの図４及び５に描かれている。

これらの図において、参照符号２５によりほぼ表されるとともに２つのコイルを貫通する金属部品は有利には、センサの感知要素のインダクタンスコイルとスパークプラグを加熱するためのヘリカル巻線とを磁気的に結合するために使用される。

このときこの金属部品２５により磁界の磁束は空気中より効率的に流れることが可能となるため、２つの巻線間の磁気結合は向上する。

記載される例示的実施形態において、２つの巻線、すなわち電熱巻線及びらせんコイルは、一方が他方に対し垂直となるよう配置されるとともに部品２５は屈曲体を呈する。

このときこの部品２５の端部の一方は電熱巻線１１を通って伸張すると同時に、その他方の端部はらせんコイル２１の中心で伸張する。

当然ながら、例えば図６及び７に示されるような他の実施形態がなお想定され得る。

これらの図においては、前出の図に関して既に記載されたものと同一又は類似の部品は同一の参照符号で表されている。

従って例えば、予熱器スパークプラグ１０、電熱巻線１１、導体１２、スパイラルインダクタンス２１を伴う感知要素の支持体２０及びその容量センサ２２がこれらの図に描かれている。

記載される例において、感知要素のらせんコイル及びスパークプラグ電熱巻線は同軸上に配置される。

このとき感知要素は、ヘリカル加熱インダクタンスコイル及びスパイラルインダクタンスコイルが同軸であるか、又はどのような場合にも並行軸を呈するように、スパークプラグの軸に対し横断方向に配置される。

このようにすると、これらの２つの要素間の磁気結合は大幅に増加する。

しかしながら、スパークプラグの内部と燃焼室のガスとの間の絶縁を、電磁波に対し透過性を有する、例えばセラミック製の非導電性部品により達成する必要がある。

これらの部品は、これらの図においては例えば参照符号２６によりほぼ表される。

当然ながら、他の実施形態がなお想定され得ることは言うまでもない。

従って例えば、例えば圧力センサ、温度センサ等の数種のセンサを同一の感知要素にまとめることが可能である。

このときこれにより、相互的な電気通信及び／又は遠隔駆動装置を使用して費用を低減することが可能となる。

これによりまた、例えば感知要素の特定のドリフトを補正することも可能となる。例えば、温度に伴うドリフトを補正することによる、一組の圧力及び温度センサの場合などである。

ガスに敏感なセンサを使用するか、又はそれと組み合わせて、例えば燃焼室内部の酸素リッチ度の計測を可能にするよう想定することもまた可能である。

振動、加速又は衝撃に敏感なセンサを使用するか、又はそれと組み合わせて、例えば燃焼の進行の監視を可能にするよう想定することもまた可能である。

温度、圧力、ガス、振動、加速又は衝撃のうち２つ又はそれ以上の量に敏感な要素もまた想定され得る。

当然ながら、様々な種類の高周波電気通信装置が想定され得る。

本発明に係るセンサ構造の全体構造及び動作を説明する概略図を表す。 本発明に係るセンサ構造を備える予熱器スパークプラグの第１の例示的実施形態の概略断面図を表す。 本発明に係るセンサ構造の構造体に含まれる感知要素の例示的実施形態を表す。 本発明に係る予熱器スパークプラグ及びセンサ構造の変形実施形態を表す。 本発明に係る予熱器スパークプラグ及びセンサ構造の変形実施形態を表す。 本発明に係る予熱器スパークプラグ及びセンサ構造の変形実施形態を表す。 本発明に係る予熱器スパークプラグ及びセンサ構造の変形実施形態を表す。

Claims (16)

1. 特に自動車における過酷環境用のセンサ構造であって、前記センサ構造が一端に過酷環境において計測される量に敏感な要素（２）を、及び他端に過酷環境から離れて設置される前記要素用接続回路（３）を備えるセンサ体（１）を備え、前記感知要素及び前記接続回路は、物理的に互いに離間され、前記センサの導電体（５）上の搬送電流により情報を送信するための手段によって接続され、前記搬送電流を伴うことで無線結合手段により連結され、及びそれらの間に前記接続回路を前記環境から保護するための手段（４）が設けられることを特徴とする、センサ構造。
2. 前記情報を送信するための手段がさらに、前記接続回路（３）に組み込まれる前記感知要素（２）の遠隔電源手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
3. 前記感知要素が発振回路（２１、２２）を備え、その少なくとも１個の構成要素（２２）が前記計測される量に敏感であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の構造。
4. 前記発振回路がさらに、前記発振回路のインダクタンスを形成するコイル（２１）及び前記感知要素（２）を前記導電体（５）に結合するための手段を備えることを特徴とする、請求項３に記載の構造。
5. 前記導体（５）が巻線（１１）に連結されることを特徴とする、請求項４に記載の構造。
6. 前記導体（５）の前記巻線（１１）と前記感知要素（２）の前記コイル（２１）との磁気結合のための手段（２５）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の構造。
7. 前記巻線（１１）及び前記コイル（２１）が、一方が他方に対し垂直となるよう配置されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の構造。
8. 前記巻線（１１）及び前記コイル（２１）が同軸上に配置されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の構造。
9. 前記感知要素（２）が圧力に敏感な要素であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の構造。
10. 前記感知要素（２）が温度に敏感な要素であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の構造。
11. 前記感知要素（２）がガスに敏感な要素であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の構造。
12. 前記感知要素（２）が、振動、加速又は衝撃に敏感な要素であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の構造。
13. 前記感知要素（２）が、温度、圧力、ガス、振動、加速又は衝撃等のうち２つ又はそれ以上の量に敏感な要素であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の構造。
14. 前記量に敏感な前記発振回路の前記構成要素が前記発振回路のコイル（２１）と直列のコンデンサ（２２）であることを特徴とする、請求項３及び請求項４〜１３のいずれか一項に記載の構造。
15. 前記コイル（２１）がらせんコイルであるとともに前記巻線（１１）がヘリカル巻線であることを特徴とする、請求項５及び請求項６〜１４のいずれか一項に記載の構造。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載のセンサ構造を備えることを特徴とする、自動車ディーゼルエンジン用予熱器スパークプラグ。