JP2010139150A - 圧力センサ付きグロープラグ、及び、圧力検知機構 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力センサに伝達される圧力に損失が生じてしまうことを抑制し、燃焼圧をより正確に検出する。
【解決手段】グロープラグ1は、軸孔21を有するハウジング2と、軸孔21内に挿設される中軸3と、軸孔21内に設けられるセラミックヒータ9と、セラミックヒータ9が嵌合されるとともに、中軸3に対して電気的に接続される環状の給電部材7と、セラミックヒータ9を保持する外筒8と、軸孔21内において中軸3よりも先端側に配置されるとともに、3ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、セラミックヒータ9から加えられる圧力に基づいて信号を出力するセンサ素子161とを備える。セラミックヒータ9及びセンサ素子161間には、中実の圧力伝達部15が配設され、セラミックヒータ9に加えられた圧力は、圧力伝達部15を介してセンサ素子161に対して伝達される。
【選択図】 図3
【解決手段】グロープラグ1は、軸孔21を有するハウジング2と、軸孔21内に挿設される中軸3と、軸孔21内に設けられるセラミックヒータ9と、セラミックヒータ9が嵌合されるとともに、中軸3に対して電気的に接続される環状の給電部材7と、セラミックヒータ9を保持する外筒8と、軸孔21内において中軸3よりも先端側に配置されるとともに、3ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、セラミックヒータ9から加えられる圧力に基づいて信号を出力するセンサ素子161とを備える。セラミックヒータ9及びセンサ素子161間には、中実の圧力伝達部15が配設され、セラミックヒータ9に加えられた圧力は、圧力伝達部15を介してセンサ素子161に対して伝達される。
【選択図】 図3
Description
本発明は、内燃機関の燃焼圧を検知するためのセンサ素子を一体的に備え、内燃機関の始動補助等に用いられる圧力センサ付きグロープラグ、及び、圧力を検知するための圧力検知機構に関する。
従来、ディーゼルエンジンの始動補助等に用いられるグロープラグに、燃焼室内の燃焼圧を検知するためのセンサ素子を一体的に備えた圧力センサ付きグロープラグが知られている。このような圧力センサ付きグロープラグとしては、軸孔を有する筒状のハウジングと、ハウジングの先端部に接合された外筒と、前記ハウジングに対して相対移動(変位)可能な状態で前記筒状体により保持された発熱ヒータと、前記発熱ヒータに対する電力の供給経路をなす中軸と、ハウジングの後端部の内部に配設されたセンサ素子とを備えてなるものが知られている(例えば、特許文献1等参照)。当該技術によれば、前記発熱ヒータ及び中軸は、環状のリング部材を介して電気的かつ機械的に接続されている。そして、燃焼に伴い発熱ヒータに加えられた圧力は、リング部材及び中軸を介してセンサ素子に対して伝達される。
特開2008−20176号公報
しかしながら、上記技術において、中軸やリング部材の存在によって、センサ素子に対して伝達される圧力が吸収されてしまうおそれがある。その結果、燃焼圧の検知精度が不十分なものとなってしまうおそれがある。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ素子に伝達される圧力の損失を効果的に抑制することができ、燃焼圧をより正確に検出することができる圧力センサ付きグロープラグ、及び、圧力検知機構を提供することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。
構成1.本構成の圧力センサ付きグロープラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔内に挿設される軸状の中軸と、
前記軸孔内に設けられるとともに、絶縁性セラミックからなる基体中に発熱体が埋設されて構成され、前記発熱体への電力供給用のリード部が自身の外周面から電極取出部として露出してなる発熱ヒータと、
前記発熱ヒータが嵌合されることで、前記電極取出部に対して接続されるとともに、前記中軸に対して電気的に接続される環状の給電部材と、
前記発熱ヒータを、その先端部が露出した状態で保持する外筒と、
前記軸孔内において、前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、内燃機関の燃焼に伴い前記発熱ヒータから加えられる圧力に基づいて信号を出力するセンサ素子を自身の先端(面)に有するセンサ構造体とを備える圧力センサ付きグロープラグであって、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部を設け、前記発熱ヒータに加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達されるように構成し、
前記センサ構造体を、前記中軸よりも先端側に配置したことを特徴とする。
前記軸孔内に挿設される軸状の中軸と、
前記軸孔内に設けられるとともに、絶縁性セラミックからなる基体中に発熱体が埋設されて構成され、前記発熱体への電力供給用のリード部が自身の外周面から電極取出部として露出してなる発熱ヒータと、
前記発熱ヒータが嵌合されることで、前記電極取出部に対して接続されるとともに、前記中軸に対して電気的に接続される環状の給電部材と、
前記発熱ヒータを、その先端部が露出した状態で保持する外筒と、
前記軸孔内において、前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、内燃機関の燃焼に伴い前記発熱ヒータから加えられる圧力に基づいて信号を出力するセンサ素子を自身の先端(面)に有するセンサ構造体とを備える圧力センサ付きグロープラグであって、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部を設け、前記発熱ヒータに加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達されるように構成し、
前記センサ構造体を、前記中軸よりも先端側に配置したことを特徴とする。
上記構成1によれば、センサ素子は、中軸よりも先端側に配置されている。すなわち、燃焼に伴う発熱ヒータの受圧力は、中軸を介することなくセンサ素子に対して伝達されるため、中軸による圧力の吸収は生じない。これにより、燃焼圧をより正確に検知することができる。
さらに、本構成1によれば、前記圧力伝達部は、機械的に剛であるため、発熱ヒータからの圧力による撓み等の変形が生じにくい。これにより、発熱ヒータからセンサ素子に対して伝達される圧力について、圧力伝達部における損失を効果的に抑制することができ、燃焼圧を精度よく検知することができる。
構成2.本構成の圧力センサ付きグロープラグは、上記構成1において、前記圧力伝達部は、後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材を後端に有して構成され、
前記センサ構造体の先端面は、平坦状に形成されるとともに、前記中実部材の後端面に対して当接し、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記センサ構造体との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過することを特徴とする。
前記センサ構造体の先端面は、平坦状に形成されるとともに、前記中実部材の後端面に対して当接し、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記センサ構造体との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過することを特徴とする。
上記構成2によれば、中実部材の後端面が、軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成される一方で、当該中実部材に当接するセンサ構造体の先端面は平坦状に形成され、かつ、軸線に沿って中実部材とセンサ構造体との当接部分を通る直線が、センサ素子の感圧部分を通過するように構成されている。そのため、燃焼圧を受けた際、発熱ヒータの中心軸が軸線に対して傾いてしまった場合であっても、センサ素子の感圧部分と、中実部材からセンサ構造体へと圧力が伝達される部分との間の軸線と直交する方向に沿った位置ずれ量を比較的小さなものとすることができる。これにより、センサ素子(の感圧部分)に対して圧力をより確実に伝達することができ、燃焼圧を一層精度よく検知することができる。
また、中実部材の後端面とセンサ構造体の先端面とは点接触状態となるため、発熱ヒータからセンサ素子側への熱伝達の経路を比較的狭めることができる。その結果、発熱ヒータで生じた熱がセンサ素子側へと伝達されてしまうことを効果的に抑制することができ、発熱ヒータにおける消費電力の低減や燃焼効率の向上を図ることができる。
構成3.本構成の圧力センサ付きグロープラグは、上記構成1において、前記圧力伝達部は、
後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材と、
前記中実部材の後端面に当接し、当該中実部材との当接面が平坦状に形成された中実状の中間部材とを備え、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記中間部材との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過することを特徴とする。
後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材と、
前記中実部材の後端面に当接し、当該中実部材との当接面が平坦状に形成された中実状の中間部材とを備え、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記中間部材との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過することを特徴とする。
上記構成3のように、中実部材とセンサ構造体との間に中間部材を設けることとしてもよい。この場合、基本的には上記構成2と同様の作用効果が奏されることとなる。加えて、中実部材からセンサ構造体に対して加えられる応力の局所的な集中を防止することができ、センサ構造体の破損をより確実に防止することができる。
構成4.本構成の圧力センサ付きグロープラグは、上記構成2又は3において、前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記発熱ヒータの中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする。
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする。
上記構成4によれば、中実部材の後端面の曲率半液Rについて、W/2≦R<W/2sinθMを満たすように設定されている。すなわち、W/2≦Rとすることで、中実部材の後端面を比較的容易に湾曲面状に形成することができる。また、R<W/2sinθMとすることで、中実部材の後端面と側面との間に位置する角部がセンサ構造体や中間部材に対して当接してしまうこと、つまり、センサ素子の感圧部分と、中実部材からセンサ構造体(中間部材)に対して圧力が伝達される部位との位置ずれ量が比較的大きくなってしまうことを防止できる。その結果、中実部材の後端面を湾曲面状に形成したことによる上述の作用効果がより確実に奏されることとなる。
構成5.本構成の圧力センサ付きグロープラグは、上記構成1乃至4のいずれかにおいて、前記センサ素子の少なくとも先端部は、前記給電部材の内部に配設されることを特徴とする。
上記構成5によれば、前記センサ素子の少なくとも先端部が、前記給電部材の内部に配設されている。換言すれば、圧力伝達部の後端は前記給電部材の後端よりも先端側に位置している。このため、燃焼圧を受けた際に発熱ヒータの中心軸が軸線に対して傾く際の傾き中心から、中実部材の後端面と当接する部分(センサ構造体や中間部材)までの距離を比較的小さくすることができる。従って、燃焼圧により発熱ヒータの中心軸が軸線に対して傾いた場合における、センサ素子の感圧部分に対する中実部材とセンサ構造体等との当接部分の位置ずれ量をより一層小さなものとすることができ、燃焼圧の検知精度を一層向上させることができる。
また、圧力伝達部の後端を前記給電部材の後端よりも先端側に位置させることで、発熱ヒータの先端から圧力伝達部の後端までの距離を比較的短くすることができる。その結果、圧力伝達に際しての圧力の損失を抑制することができ、燃焼圧を一層精度よく検知することができる。
構成6.本構成の圧力センサ付きグロープラグは、上記構成1乃至5のいずれかにおいて、前記発熱ヒータの後端部が、前記圧力伝達部を構成することを特徴とする。
上記構成6によれば、発熱ヒータの後端部が圧力伝達部としての機能を有する。従って、圧力伝達部を別体で設けた場合に生じ得る、発熱ヒータの中心軸と圧力伝達部の中心軸との不一致に伴う伝達圧力の損失等を抑制することができる。また、部品点数の削減を図ることができ、生産効率の向上や製造コストの削減を図ることができる。
構成7.本構成の圧力検知機構は、軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔内に挿設され、先端部が前記ハウジングより露出する受圧部と、
前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、前記受圧部から印加される圧力に応じた信号を出力するセンサ素子を有するセンサ構造体と、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部とを備え、
前記受圧部に加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達される圧力検知機構であって、
前記圧力伝達部は、後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材を後端に有して構成され、
前記センサ構造体の先端面は、平坦状に形成されるとともに、前記中実部材の後端面に対して当接し、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記センサ構造体との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過し、かつ、
前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記受圧部の中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする。
前記軸孔内に挿設され、先端部が前記ハウジングより露出する受圧部と、
前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、前記受圧部から印加される圧力に応じた信号を出力するセンサ素子を有するセンサ構造体と、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部とを備え、
前記受圧部に加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達される圧力検知機構であって、
前記圧力伝達部は、後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材を後端に有して構成され、
前記センサ構造体の先端面は、平坦状に形成されるとともに、前記中実部材の後端面に対して当接し、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記センサ構造体との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過し、かつ、
前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記受圧部の中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする。
上記構成7のように、少なくとも上記構成1,2、及び、構成4における圧力伝達部の構成等を圧力検知機構に具現化することとしてもよい。この場合には、上記構成1,2等の作用効果が一挙に奏されることとなり、圧力を非常に精度よく検知することができる。
構成8.本構成の圧力検知機構は、軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔内に挿設され、先端部が前記ハウジングより露出する受圧部と、
前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、前記受圧部から印加される圧力に応じた信号を出力するセンサ素子を有するセンサ構造体と、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部とを備え、
前記受圧部に加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達される圧力検知機構であって、
前記圧力伝達部は、
後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材と、
前記中実部材の後端面と当接し、当該中実部材との当接面が平坦状に形成された中間部材とを備え、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記中間部材との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過し、かつ、
前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記受圧部の中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする。
前記軸孔内に挿設され、先端部が前記ハウジングより露出する受圧部と、
前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、前記受圧部から印加される圧力に応じた信号を出力するセンサ素子を有するセンサ構造体と、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部とを備え、
前記受圧部に加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達される圧力検知機構であって、
前記圧力伝達部は、
後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材と、
前記中実部材の後端面と当接し、当該中実部材との当接面が平坦状に形成された中間部材とを備え、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記中間部材との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過し、かつ、
前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記受圧部の中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする。
上記構成8のように、少なくとも上記構成1,3、及び、構成4における圧力伝達部の構成等を圧力検知機構に具現化することとしてもよい。この場合には、上記構成1,2等の作用効果が一挙に奏されることとなり、圧力を非常に精度よく検知することができる。
以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔第1実施形態〕
図1(a)は、圧力センサ付きグロープラグ(以下、「グロープラグ」と称す)1の断面図であり、図1(b)は、グロープラグ1の正面図である。尚、図1等においては、図の下側をグロープラグ1の先端側、上側を後端側として説明する。
〔第1実施形態〕
図1(a)は、圧力センサ付きグロープラグ(以下、「グロープラグ」と称す)1の断面図であり、図1(b)は、グロープラグ1の正面図である。尚、図1等においては、図の下側をグロープラグ1の先端側、上側を後端側として説明する。
グロープラグ1は、ハウジング2、中軸3、工具係合体4、端子ピン5、接続部材6、給電部材7、外筒8、セラミックヒータ9、及び、圧力検知部10等を備えている。
前記ハウジング2は、所定の金属材料(例えば、S45C等の鉄系素材)によって形成されるとともに、軸線CL1方向に沿って延びる軸孔21を有している。当該軸孔21は、その後端側において、比較的大径に形成された大径部21aと、当該大径部21aから連続して形成され、先端側へと先細るテーパ部21bとを備えている。加えて、軸孔21のうち前記テーパ部21bよりも先端側はストレート状に(略同一の内径を有するように)形成されている。また、前記ハウジング2の長手方向略中央の外周部分には、グロープラグ1をエンジンのシリンダヘッドの取付孔(図示略)に取付けるためのねじ部22が形成されている。
また、図2に示すように、前記ハウジング2の軸孔21の後端部分には、それぞれ絶縁性材料によって形成されたOリング25及び絶縁ブッシュ26が設けられている。前記Oリング25は、環状をなすとともに、前記軸孔21のテーパ部21bに対して係止されている。また、前記絶縁ブッシュ26は、軸線CL1に沿って延びる透孔26aを有しているとともに、小径部26bと、当該小径部26bより後端側に形成された鍔部26cとを備えている。そして、絶縁ブッシュ26は、その小径部26bが前記軸孔21の大径部21aに嵌合されるとともに、その鍔部26cとハウジング2の後端面とが当接した状態で、ハウジング2に対して配設されている。
加えて、前記絶縁ブッシュ26の後端側には、先端側が鍔状に形成され、全体として筒状をなす、金属製の支持部材28が設けられている。当該支持部材28は、中軸3の後端部に対して溶接や加締めにより固定されており、ひいては前記Oリング25及び絶縁ブッシュ26は、主体金具2及び支持部材28により挟まれた状態で保持されている。
さらに、ハウジング2の軸孔21には、導電性の金属材料よりなる中軸3が収容されている。当該中軸3は、円筒状に形成されており、前記軸線CL1に沿って延びる貫通孔31を有している。また、前記中軸3の外周部分は、その後端から先端に向かって大部分がストレート状に(略同一の外径を有するように)形成されているが、当該中軸3の先端部には、比較的小径の小径部32が形成されている(図3参照)。加えて、前記中軸3の後端側部分は、前記Oリング25及び絶縁ブッシュ26の透孔26aに対して挿通されている。これにより、前記中軸3は後端部において、Oリング25によりハウジング2との間の気密が維持されるとともに、絶縁ブッシュ26を介して前記ハウジング2によって支持されている。
加えて、前記ハウジング2の後端部には、軸線CL1方向に沿って延びる内孔41を有する工具係合体4が接合されている。ここで、ハウジング2と工具係合体4との接合状態について詳述すると、工具係合体4の内孔41に対して前記ハウジング2の後端部が嵌合された上で、工具係合体4の先端部とハウジング2の後端部との互いの当接部を周方向に沿って溶接することによって、ハウジング2と工具係合体4とが接合されている。また、前記工具係合体4は、自身の先端部及び後端部を除いた部位において、外周形状が六角形状をなしている。そして、グロープラグ1(ねじ部22)を前記エンジンのシリンダヘッドの取付孔に取付ける際には、当該工具係合体4の外周六角形状の部分に対して、所定の工具(例えば、スパナ、レンチ等)が係合されるようになっている。
また、前記工具係合体4の後端部には、端子ピン5が接続されている。当該端子ピン5は、電力の供給や信号のやりとり(通信)を目的とするコネクタ(図示せず)が取付けられるものであり、後端側に向かうにつれて径小となる形状をなす基部50と、複数の端子51a,52a,53a,55aとから構成されている。すなわち、前記端子ピン5は、外観上、外径の異なる円柱が軸線CL1方向に積み重なる形状をなし、先端側から順に接続基部54、中胴部55、第1柱状部51、第2柱状部52、及び、第3柱状部53を有する形状とされている。
前記基部50は、絶縁性の樹脂材料によって形成されるとともに、後述する第1信号線11、第2信号線12、及び、第3信号線13が挿設される挿通孔50a,50b,50cを備えている。
また、前記接続基部54は、前記基部50のうち最も径大な部分であり、その先端部の外周部分に、前記工具係合体4の内孔41の内径と略同一の外形を有する小径部54aを備えている。そして、前記接続基部54の小径部54aが前記工具係合体4の内孔41の後端部に対して嵌合されることで、工具係合体4に対して前記端子ピン5が接続されている。
前記中胴部55は、前記接続基部54の直後端側に位置するとともに、その外周面には、導電性金属材料からなる環状の通電端子55aが設けられている。また、当該通電端子55aは前記接続基部54を貫通して先端側に延びており、前記中軸3に対して電気的に接続されている。そして、通電端子55aに対して所定の電源装置(図示せず)から電力が供給されることで、前記中軸3等を介してセラミックヒータ9に電力が供給されるようになっている。また、前記通電端子55aの後端部は、径方向内側へと若干反るようにして形成されている。そのため、通電端子55aの後端部に対して前記支持部材28の鍔状部分が嵌合されることで、当該通電端子55aの後端部から支持部材28に対して所定のばね力が生じるようになっている。
加えて、前記中胴部55よりも後端側に位置する各柱状部51〜53のうち、最も径大に形成された第1柱状部51は、その外周面に沿って導電性金属材料よりなる第1端子51aを備えている。また、第1柱状部51の後端に位置する第2柱状部52は、その外周面に沿って導電性材料よりなる第2端子52aを備えている。加えて、第3柱状部53は、導電性の金属材料によって形成されており、第3端子53aを構成している。
さらに、図3に示すように、前記中軸3の先端部は、所定の導電性の金属材料〔例えば、Fe−18Cr−8Ni合金(SUS304)等の鉄系素材〕によって形成された接続部材6に対して電気的かつ機械的に接続されている。当該接続部材6は、図3及び図4に示すように、第1接続部61と、第2接続部62と、両接続部61,62を連結する複数の弾性部63とを有している。
前記第1接続部61は、環状をなすとともに、前記給電部材7の後端部が圧入された状態で、前記給電部材7に対して溶接されている。また、前記第1接続部61の後端部は、軸線CL1側へと徐々にすぼむようにして形成されている。
前記第2接続部62は、環状をなし、その内周部分が、前記中軸3先端の小径部32の外周部分と当接した状態で、当該小径部32に対して溶接されている。また、第2接続部62の先端部は、軸線CL1側へとすぼむようにして形成されている。
さらに、前記第1接続部61と前記第2接続部62との間を連結する弾性部63は、周方向に沿って所定間隔毎に設けられており、比較的薄肉(例えば、0.15mm程度)の板状をなすとともに、周方向外側に向けて膨出する形状をなしている。このため、弾性部63は、軸線CL1に沿って所定大きさ以上の力が加えられたとき、軸線CL1方向に沿って弾性変形するようになっており、ひいては接続部材6についても、軸線CL1方向に沿って伸縮変形可能とされている。
尚、本実施形態における接続部材6の抵抗値は比較的低いものとなっている。すなわち、接続部材6における第1接続部61及び第2接続部62間の抵抗値をRC(mΩ)とし、前記セラミックヒータ9の抵抗値をRH(mΩ)としたとき、RC/RHが0.1以下となっている。より具体的には、前記セラミックヒータ9の抵抗値RHが約300mΩであるところ、前記接続部材6の抵抗値RCは約20mΩとされている。
また、本実施形態では、弾性部63の形成材料や板厚が適宜調節されることによって、接続部材6の軸線CL1方向に沿ったばね定数KCが、0.1kN/mm以上10kN/mm以下とされている。
さらに、上述のように弾性部63の形成材料や板厚等を調節することで、前記接続部材6は、常温(例えば、25℃)下において軸線CL1方向に沿って40Nの引張力を加えられた場合や、軸線CL1と直交する方向に沿って30Gの加速度を加えられた場合であっても、塑性変形を起こすことのないように構成されている。
加えて、第1接続部61の後端部及び第2接続部62の先端部は、それぞれ軸線CL1側へとすぼんで形成されているため、各弾性部63のうち最も外周側に膨出する部分とハウジング2の内周面との間の間隙を比較的大きく確保できるようになっている。これにより、前記接続部材6が軸線CL1方向に沿って潰れ方向に弾性変形した場合、すなわち、各弾性部63の中央部分が外周側へと撓んだ場合であっても、接続部材6とハウジング2とが接触してしまうことをより確実に防止できるようになっている。
前記給電部材7は、ハウジング2の軸孔21内の先端側に配設されており、導電性の金属材料によって全体として筒状をなすようにして構成されている。また、給電部材7は、前記接続部材6及びセラミックヒータ9間を電気的かつ機械的に接続しており、図5(a),(b)に示すように、前記セラミックヒータ9の後端部が圧入される環状の先端側筒状部71と、前記接続部材6に対して接合される後端側筒状部72とを備えている。加えて、給電部材7の後端側筒状部72は、先端側筒状部71の後端面から軸線CL1に沿って後端側へと延びる複数の延出部72aによって構成されている。前記各延出部72aは、周方向に沿って所定間隔毎に配設されており、これにより、給電部材7の後端側筒状部72が、全体として環状をなすものとされている。尚、各延出部72aは、後述する台座142に形成された連通部145に対して挿通されており〔図8(b)参照〕、ひいては、延出部72a(給電部材7)の後端部が前記台座142よりも軸線CL1方向の後端側に位置するようになっている。
また、本実施形態においては、前記給電部材7の少なくともセラミックヒータ9が嵌合する先端側の内周面に対してメッキ加工が施されており、当該内周面には、金メッキ等のメッキ被膜(図示せず)が設けられている。これにより、給電部材7と、セラミックヒータ9の後述する第1電極取出部96との間の接触抵抗が増大してしまうことを防止できるようになっている。加えて、前記メッキ被膜を設けることで、給電部材7の先端側筒状部71に対するセラミックヒータ9の圧入荷重が減少してしまうことを防止でき、給電部材7に対してセラミックヒータ9をより確実に固定できるようになっている。
図3に戻り、前記ハウジング2の軸孔21の先端部には、筒状の先端スリーブ27が挿設されている。当該先端スリーブ27は、円筒状をなす本体部27aと、当該本体部27aの先端から径方向外側へと膨出して形成された鍔部27bとを有している。また、先端スリーブ27の鍔部27bと前記ハウジング2の先端面との当接部分に対してレーザ溶接等を施すことにより、ハウジング2と先端スリーブ27とが接合されている。
加えて、図6に示すように、所定の金属材料によって形成された外筒8が、前記先端スリーブ27(鍔部27b)を介してハウジング2の先端部に対して接合されている。当該外筒8は、軸線CL1方向に延びる内孔81aを有する本体部81と、当該本体部81の内孔81aに対して自身の後端部が挿通された状態で設けられる筒状部82とを備えている。
前記外筒8の本体部81は、その先端部において軸線CL1方向の先端側へと縮径するテーパ部81bを有しており、前記取付孔に対してグロープラグ1を取付けた際には、当該テーパ部81bが前記エンジンのシリンダヘッドに形成されたプラグホールのシート部(図示外)に対して当接するようになっている。すなわち、グロープラグ1を内燃機関に取付けた際には、前記テーパ部81bが燃焼室との気密を確保するシールとしての役割を担うこととなっている。
前記筒状部82は、自身の後端部において径方向外側に突出して形成された鍔部82aと、軸線CL1に沿って延びる円筒状の先端側筒部82bと、前記鍔部82a及び前記先端側筒部82b間を連結し、比較的薄肉に形成された薄肉部82cとから構成されている。また、前記筒状部82の鍔部82aの外周部分は、前記本体部81の後端部の外周部分に対して接合されている。より詳しくは、本体部81と前記筒状体82の鍔部82bとの当接部分に対して外周方向からレーザ溶接等を施すことにより、両者が接合されている。
加えて、前記筒状部82の鍔部82bと先端スリーブ27との当接面に対して、レーザ溶接を施すことによって、外筒8と先端スリーブ27とが接合されている。尚、前記薄肉部82cの後端面と先端スリーブ27の先端面との間には、若干の空間が形成されるようになっている。
前記セラミックヒータ9は、絶縁性セラミックによって構成されるとともに、軸線CL1方向に延びる略同径で丸棒状の基体91と、その内部に埋設され、導電性セラミックよりなる長細いU字状の発熱体92とを備えている。また、当該発熱体92は、それぞれ棒状をなす一対の第1リード部93、第2リード部94と、各リード部93,94の先端部同士を連結する連結部95とを備えている。ここで、当該連結部95のうち特に先端側の部分が、いわゆる発熱抵抗体として機能する部位であり、曲面状に形成されたセラミックヒータ9の先端部分において、その曲面に沿うようにして断面U字状をなしている。加えて、連結部95の先端側の部分の断面積は各リード部93,94の断面積よりも小さくなるようにして形成されており、通電時には、前記連結部95の先端側の部分において積極的に発熱が行われるようになっている。
また、各リード部93,94は、それぞれセラミックヒータ9の後端側に向けて互いに略平行に延設されている。加えて、第1リード部93の後端寄り位置には、第1電極取出部96が外周方向に突設されており、当該第1電極取出部96は、セラミックヒータ9の外周面に露出している。また、第2リード部94の後端寄りの位置には、第2電極取出部97が外周方向に突設されており、当該第2電極取出部97が、セラミックヒータ9の外周面に露出している。尚、第1電極取出部96は、前記軸線CL1方向に沿って、第2電極取出部97よりも後端側に位置している。
加えて、第1電極取出部96は、前記給電部材7の先端部(先端側筒状部71)の内周面に対して接触している。これにより、給電部材7に対して接続部材6を介して電気的に接続された中軸3と前記第1リード部93との間における電気的導通が図られている。また、前記第2電極取出部97は、外筒8(筒状体82)の内周面に対して接触している。これにより、外筒8に接合されたハウジング2と第2リード部93との電気的導通が図られている。すなわち、本実施形態では、前記中軸3とハウジング2とが、グロープラグ1において、セラミックヒータ9に通電するための陽極・陰極として機能するようになっている。
また、前記セラミックヒータ9の軸線CL1方向に沿った中間部分は、前記外筒8の筒状体82に対して圧入された状態で保持されているとともに、セラミックヒータ9の先端部は前記筒状体82の先端から露出した状態となっている。加えて、エンジンの燃焼に伴う燃焼圧が前記セラミックヒータ9に加えられた際には、前記筒状体82の薄肉部82cが後端側へと撓むことで、セラミックヒータ9が前記ハウジング2に対して軸線方向CL1に沿って僅かに相対移動(変位)するように構成されている。
次いで、セラミックヒータ9の軸線CL1に沿ったハウジング2に対する相対移動(セラミックヒータ9から伝達される圧力)に基づいて燃焼圧を検知するための構成(圧力検知部10)について説明する。圧力検知部10は、図7に示すように、第1信号線11、第2信号線12、第3信号線13、ストッパー部14、圧力伝達部15、及び、センサ構造体16を備えている。
前記第1信号線11、第2信号線12、及び、第3信号線13は、導電性材料(例えば、Ni合金等)からなる導電線が絶縁性材料(例えば、フッ素樹脂等)からなる被膜によって被覆されて形成されている。加えて、各信号線11〜13は、前記中軸3の貫通孔31及び接続部材6の内部において、軸線CL1方向に延びるようにして配設されている(図2等参照)。また、第1信号線11の後端部は、前記端子ピン5の第1端子51aに対して電気的に接続されており、第2信号線12の後端部は、前記第2端子52aに対して電気的に接続されている。さらに、第3信号線13の後端部は、前記第3端子53aに対して電気的に接続されている。
前記ストッパー部14は、台座押え141と台座142とから構成されている。前記台座押え141は、筒状をなすとともに、前記先端スリーブ27の後端部の内周面に対して接合されている。より詳しくは、先端スリーブ27の後端部に前記台座押え141の先端部を嵌合した上で、前記先端スリーブ27の外周から周方向に沿ってレーザ溶接等を施すことによって、先端スリーブ27に台座押え141が接合されている。また、台座押え141は、前記先端スリーブ27に接合されることで、前記ハウジング2に対して相対移動不能な状態とされている。加えて、台座押え141の内径は、前記給電部材7の外径よりも大きくされており、台座押え141の内周面と、前記給電部材7の外周面とが非接触状態となっている。
また、前記台座142は、前記台座押え141の先端面に対しての自身の後端面の外周縁部が係止された状態で配設されている。当該台座142は、熱膨張率の比較的低い金属材料(例えば、Fe−Ni−Co合金等)によって形成されているとともに、軸線CL1方向に沿った応力が印加された際に、撓みや破損等が生じてしまうことを防止すべく、比較的厚肉に形成されている。加えて、図8(a),(b)に示すように、台座142には、軸線CL1方向に沿って延びる複数の透孔143が設けられており、前記各信号線11〜13が、当該透孔143を通じて台座142の先端面側へと延出している。尚、各透孔143の内側には、ガラスが充填されてなる環状の絶縁部材144が設けられ、各信号線11〜13が台座142に対して絶縁状態で固定されている。
加えて、前記台座142の外周側端縁部には、先端面から後端面へと連通する複数の連通部145が切欠かれるようにして形成されている。ここで、当該連通部145に対しては、前記給電部材7の各延出部72aが連通されているため、セラミックヒータ9がハウジング2に対して相対移動した際には、給電部材7についてもセラミックヒータ9とともに、軸線CL1に沿ってハウジング2に対して相対移動するようになっている。
図7に戻り、前記圧力伝達部15は、中間部材151と中実部材としての半球部材152とから構成されており、前記給電部材7の内部において、前記センサ構造体16及びセラミックヒータ9間に配設されている。圧力伝達部15は、燃焼圧によって前記セラミックヒータ9が後端側へと押圧されたときに、セラミックヒータ9の受圧力に応じた圧力を前記センサ構造体16に対して伝達するものである。
前記中間部材151は、高剛性で、かつ、中実(高密度)の金属材料によって円板状に形成されている。また、中間部材151の外径は、給電部材7の内径よりも若干量だけ小さくなるように設定されている。さらに、前記中間部材151は、自身の先端面が前記半球部材152に対して当接する一方で、自身の後端面の大部分が、センサ構造体16の先端面に対して当接した状態で配設されている。
また、中間部材151と給電部材7との間には若干の間隙が形成されており、さらに、セラミックヒータ9及び前記台座押え141間には、軸線CL1方向に沿った所定の荷重が予め加えられていることから、中間部材151の後端面は、半球部材152によって平坦状のセンサ構造体16の先端面に対して常に押し付けられている。従って、図10に示すように、燃焼圧を受けることによって前記筒状部82の薄肉部82cの屈曲部分を通る断面と前記軸線CL1との交点Pを基点として、セラミックヒータ9の中心軸CL2が軸線CL1に対して若干傾き、ひいては給電部材7の中心軸が軸線CL1に対して傾いたとしても、中間部材151の端面が軸線CL1方向に対して直交する状態が維持されるようになっている。尚、セラミックヒータ9の中心軸CL2が軸線CL1に対して傾いた状態で中間部材151に対して圧力が加わったときの、センサ構造体16に加えられる偏荷重の影響を軽減すべく、中間部材151の厚さは十分に大きな値(例えば、0.5mm)に設定されている。
加えて、前記半球部材152は、中実(高密度)のセラミック材料によって形成されている。当該半球部材152は、前記給電部材7に対して圧入固定されており、平坦状に形成された半球部材152の先端面は、前記セラミックヒータ9の後端面に対して当接している。
さらに、前記半球部材152の後端面については、後端側へと膨出する湾曲面状に形成されている。ここで、本実施形態においては、半球部材152の後端面のうち最も後端側に膨出する部分が軸線CL1上に位置している。すなわち、軸線CL1に沿って半球部材152の後端面と中間部材151との当接部分を通る直線が、後述するセンサ素子161の中心部分(感圧抵抗体166の中心部分)を通過するように設定されている。半球部材152の後端面の曲率半径Rは、半球部材152の軸線CL1と直交する方向に沿った幅をWとし、前記軸線CL1に対するセラミックヒータ9の中心軸CL2の最大傾きをθMとしたとき、次の式(1)を満たすように設定されている。
W/2≦R<W/2sinθM…(1)
尚、本実施形態においては、半球部材152の後端面の曲率半径Rが、前記交点Pから中間部材151(半球部材152の後端面に当接する部材)までの軸線CL1に沿った距離Lとほぼ同じになるように設定されている。
尚、本実施形態においては、半球部材152の後端面の曲率半径Rが、前記交点Pから中間部材151(半球部材152の後端面に当接する部材)までの軸線CL1に沿った距離Lとほぼ同じになるように設定されている。
さらに、図8(a),(b)、及び、図9に示すように、前記センサ構造体16は、センサ素子161と、当該センサ素子161を挟むようにして配設されたガラス板162,163とから構成されている。また、センサ構造体16(ガラス板163)は、前記台座142の先端面の中央部分に対してガラス接合や所定の接着剤(例えば、エポキシ系の接着剤)によって接着されている。
図9に示すように、前記センサ素子161は、基板164と、当該基板164上に設けられた複数の端子165と、感圧抵抗体166と、感温抵抗体167とを備えている。
前記基板164は、平板状をなすシリコン基板であり、その面方位は{110}とされている。加えて、基板164表面の四隅のうちの3箇所には、端子165がそれぞれ配置されており、各端子165は、ガラス板162に形成された切り欠きから表面へと露出している。また、前記各端子165は、各信号線11〜13に対してボンディングワイヤ168を介して電気的に接続されている。
さらに、前記感圧抵抗体166は、基板164の中央部分において蛇行した状態で配置されている。ここで、当該感圧抵抗体166のうち、比較的長い直線を形成する部分(図9の上下方向に沿って延びる部分)においては、結晶方位が<110>方向とされている。そのため、感圧抵抗体166に対して軸線CL1方向(図9の手前奥方向)に沿った圧力が加えられると、感圧抵抗体166の抵抗値が比較的大きく変化するというピエゾ抵抗効果を利用できるように構成されている。
前記感温抵抗体167は、温度変化を検出可能な感温素子として機能するものであり、前記感圧抵抗体166とほぼ同一の抵抗温度係数(TCR)を有している。当該感温抵抗体167は、基板164上において前記感圧抵抗体166が配設される面と同一の面に配設されており、ひいては前記感圧抵抗体166と略同一の温度環境下に置かれるようになっている。従って、温度変化に伴って感圧抵抗体166の抵抗値が変化したとき、感温抵抗体167の抵抗値についても、感圧抵抗体166の抵抗値変化に対応して変化するようになっている。尚、前記感圧抵抗体166、感温抵抗体167、及び、電極165は、後述する製造方法により、それぞれが電気的に接続されている。
さらに、本実施形態においては、ハウジング2の外部において、前記端子ピン5に対して所定の導電線を介して電気的に接続される圧力検知回路(図示せず)が設けられている。より具体的には、前記圧力検知回路は、第1端子51a、第2端子52a、及び、第3端子53aに対して電気的に接続されており、各信号線11〜13を通じて前記センサ素子161との間で信号の入出力を行い、感圧抵抗体166の抵抗値と感温抵抗体167の抵抗値とに基づいてセラミックヒータ9に対して加えられた圧力(燃焼圧)を検知するものである。詳述すると、圧力検知回路は、前記感温抵抗体167の抵抗値変化に基づいて、前記感圧抵抗体166の抵抗値変化を補正することで、感圧抵抗体166の抵抗値変化量から温度変化による抵抗値変化量を除いた抵抗値変化量、すなわち、圧力伝達部15から印加された圧力のみに基づく感圧抵抗体166の抵抗値の変化分を求める。そして、当該抵抗値変化分に基づいて、燃焼室内の燃焼圧を検知する。
次いで、上述したグロープラグ1の製造方法について説明する。尚、特に明記しない部位については、従来公知の方法により製造されるものとする。
まず、所定形状の金属材料等に対して切削加工や転造加工等を施すことによって、ハウジング2、中軸3、工具係合体4、接続部材6、給電部材7等を予め製造しておく。また、前記端子ピン5は、各端子51a,52a,53a,55aを用意して、これらを所定の配置で保持し、公知の樹脂インサート成形を行うことにより形成する。
加えて、前記センサ素子161については、まず、SOI(Sillicon On Insulator:活性層、中間酸化層、及び、支持層から構成される)ウエハを用意し、前記活性層に対して不純物のインプラ加工、アニール処理、及び、エッチング処理を施すことで、前記活性層に感圧抵抗体166及び感温抵抗体167を形成する。そして、中間酸化膜、感圧抵抗体166、及び、感温抵抗体167を覆うパッシベーション膜(保護酸化膜)を形成し、次いで、感圧抵抗体166及び感温抵抗体167の所定部分を外部に露出させるべく、前記パッシベーション膜の所定部位に対してエッチング処理を施す。その後、接触抵抗の低減を図るべく、感圧抵抗体166及び感温抵抗体167の前記所定部分に対して所定の合金(例えば、PtSi等)からなる抵抗低減層を形成する。次に、配線や電極165を配置し、感圧抵抗体166、感温抵抗体167、及び、電極165を配線によって電気的に接続することでセンサ素子161が得られる。
次いで、前記センサ素子161をガラス板162,163によって挟み込んでなるセンサ構造体16と台座142とを予め接着しておく。また、前記台座141の透孔143に対して各信号線11〜13を挿通し、さらに、各信号線11〜13をセンサ素子161の各電極165に対してボンディングワイヤ168によって予め接合しておく。
そして、前記給電部材7の先端部に対して、予め製造したセラミックヒータ9の後端部を圧入する。加えて、セラミックヒータ9を前記外筒8の筒状体82に対して圧入する〔図5(a)に示す状態となる〕。次いで、セラミックヒータ9の後端部が圧入された給電部材7の外周に前記先端スリーブ27を配設するとともに、先端スリーブ27の先端部と前記筒状体82とをレーザ溶接により接合する。
その後、給電部材7の後端開口から半球部材152を給電部材7内へと圧入した後、中間部材151を前記給電部材7内に挿入し、次いで、センサ構造体16が接着された台座142を給電部材7の後端開口から入れ込む。このとき、前記給電部材7の延出部72aが、台座142に形成された連通部145を通った状態で、前記台座142が給電部材7の内部に配設される。そして、前記給電部材7の後端部と先端スリーブ27の後端部との間に前記台座押え141を挿入するとともに、当該台座押え141に先端側へと所定の押圧力(初期荷重)を加えた状態で、前記先端スリーブ27の後端部の外周面に対して周方向に連続して打ち抜き溶接を行う。これにより、前記台座押え141が先端スリーブ27に接合されるとともに、前記センサ構造体16に対しての初期荷重が印加されることとなる。
次に、前記外筒8の本体部81を前記筒状体82の後端部の外周に配置した上で、本体部81と筒状体82とをレーザ溶接によって接合する。その後、給電部材7の後端部に対して、前記接続部材6を接合する。すなわち、前記給電部材7の後端部を接続部材6の第1接続部61に嵌入した上で、当該第1接続部61の外周面に対して周方向に沿ったレーザ溶接を施すことによって、給電部材7が接続部材6に対して接合される。次いで、接続部材6の第2接合部62と中軸3とを、レーザ溶接等によって接合する。尚、前記センサ構造体16に対して接続された各信号線11〜13は、接続部材7及び中軸3の内部に挿設される。
次いで、前記ハウジング2の先端部の内部に対して、前記中軸3やセラミックヒータ9等と一体化された先端スリーブ27を挿入した上で、当該先端スリーブ27とハウジング2とをレーザ溶接によって接合する。その後、ハウジング2の後端部の内周面と中軸3との間に、Oリング25及び絶縁ブッシュ26を配設した上で、支持部材28を中軸3に接合する。そして、ハウジング2と工具係合体4とを接合し、各端子51a,52a,53a,55aを中軸3や各信号線11〜13に対して電気的に接合した端子ピン5を、前記工具係合体4に対して接合することによって、上述のグロープラグ1が得られる。
以上詳述したように、本実施形態によれば、センサ素子161は、中軸3よりも先端側に配置された台座142に対して接合されている。すなわち、燃焼に伴うセラミックヒータ9の受圧力は、中軸3を介することなくセンサ素子161に対して伝達されるため、中軸3による圧力の吸収は生じない。そのため、燃焼圧をより正確に検知することができる。
また、前記圧力伝達部15を構成する中間部材151及び半球部材152は、ともに機械的に剛〔本実施形態では、ともに中実(高密度)〕の部材であるため、セラミックヒータ9からの圧力によって撓み等の変形が生じにくい。従って、セラミックヒータ9からセンサ素子161に対して伝達される圧力について、圧力伝達部15における損失を効果的に抑制することができ、燃焼圧を精度よく検知することができる。
加えて、本実施形態において、半球部材152の後端面は、軸線CL1方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成される一方で、当該半球部材152に当接する中間部材151の先端面は平坦状に形成され、かつ、軸線CL1に沿って半球部材152と中間部材151との当接部分を通る直線が、センサ素子161の感圧部分(感圧抵抗体166)を通過するように構成されている。そのため、燃焼圧を受けた際、セラミックヒータ9の中心軸CL2が軸線CL1に対して傾いてしまった場合であっても、センサ素子161の感圧部分と、半球部材152から中間部材151へと圧力が伝達される部分との間の軸線CL1と直交する方向に沿った位置ずれ量を比較的小さなものとすることができる。これにより、センサ素子161(感圧抵抗体166)に対して圧力をより確実に伝達することができ、燃焼圧を一層精度よく検知することができる。
さらに、半球部材152及びセンサ構造体16間に中間部材151が設けられているため、半球部材152からセンサ構造体16に対して加えられる応力を分散させることができる。その結果、センサ構造体16(特に、ガラス板162)の破損をより確実に防止することができる。
併せて、半球部材152の後端面の曲率半液Rについて、W/2≦R<W/2sinθMを満たすように設定されている。すなわち、W/2≦Rとすることで、半球部材152の後端面を比較的容易に湾曲面状に形成することができる。また、R<W/2sinθMとすることで、半球部材152の後端面と側面との間に位置する角部が半球部材151に対して当接してしまうこと、つまり、半球部材152から中間部材151に対して圧力が伝達される部位と、センサ素子161の感圧部分とが軸線CL1と直交する方向に沿って比較的大きくずれてしまうことを防止できる。その結果、半球部材152の後端面を湾曲面状に形成したことによる上述の作用効果がより確実に奏されることとなる。
さらに、半球部材152の後端面と中間部材151の先端面とは点接触状態となるため、セラミックヒータ9からセンサ素子161側への熱伝達の経路を比較的狭めることができる。これにより、セラミックヒータ9で生じた熱がセンサ素子161側へと伝達されてしまうことを効果的に抑制することができ、セラミックヒータ9における消費電力の低減や燃焼効率の向上を図ることができる。
また、センサ素子161の少なくとも先端部が、給電部材7の内部に配設されている。換言すれば、圧力伝達部15の後端は給電部材7の後端よりも先端側に位置している。このため、燃焼圧を受けた際にセラミックヒータ9の中心軸CL2が軸線CL1に対して傾く際の傾き中心Pから、半球部材152の後端面と当接する部分(中間部材151)までの距離Lを比較的小さくすることができる。従って、燃焼圧によりセラミックヒータ9の中心軸CL2が軸線CL1に対して傾いた場合における、センサ素子161の感圧部分に対する半球部材152と中間部材151との当接部分の位置ずれ量をより一層小さなものとすることができ、燃焼圧の検知精度を一層向上させることができる。
併せて、圧力伝達部15の後端を前記給電部材7の後端よりも先端側に位置させることで、セラミックヒータ9の先端から圧力伝達部15の後端までの距離を比較的短くすることができる。その結果、圧力伝達に際しての圧力の損失を抑制することができ、燃焼圧を一層精度よく検知することができる。
また、本実施形態においては、給電部材7の後端部が、台座142に形成された連通部145を通って台座142の後端側へと延出しており、当該給電部材7の後端部と中軸3とが電気的に接続されている。従って、センサ素子161を迂回する形で導電線を配置して、給電部材7(セラミックヒータ9)と中軸3とを電気的に接続する場合と比較して、台座142等の部品形状や軸孔21内の構造の簡素化を図ることができる。さらに、中軸3及び給電部材7を比較的容易に、かつ、より確実に接続することができ、ひいては中軸3及びセラミックヒータ9間における電気的かつ機械的な接続信頼性を向上させることができる。
さらに、中軸3と給電部材7の後端部とが抵抗値の比較的低い(セラミックヒータ9の抵抗値RHの10分の1以下)接続部材6によって接続されているため、電力の供給経路における抵抗値を比較的小さなものとすることができ、セラミックヒータ9の発熱性能の向上を図ることができる。また、給電部材7と中軸3とを、筒状をなす接続部材6によって電気的かつ機械的に接続することで、給電部材7と中軸3とを導電線によって接続する場合と比較して、両者を機械的かつ電気的により強固な状態で接続することができる。
また、内燃機関の動作に伴う振動や歪みを有するエンジンヘッドへの装着に伴うグロープラグ1の変形等により発生した応力が、中軸3と接続部材6との接続部分に集中してしまうことが懸念されるが、接続部材6は弾性変形可能(KC≦10kN/mm)に構成されているため、中軸3と接続部材6との接続部分に対する応力の集中を防止することができる。従って、中軸3と接続部分6との接続部分等の破損をより確実に防止することができる。
加えて、接続部材6を軸線CL1方向に沿って変形不能に、或いは、変形しにくい構成とした場合には、セラミックヒータ9の軸線CL1方向に沿った相対移動が規制され、燃焼圧の検知に支障が生じてしまうおそれがあるが、本実施形態において、接続部材6は軸線CL1方向に沿って弾性変形可能とされているため、セラミックヒータ9の軸線CL1方向に沿った相対移動は何ら規制されなくなる。そのため、セラミックヒータ9の受けた圧力をセンサ素子161に対してより正確に伝達することができ、燃焼圧のより正確な検知を図ることができる。
併せて、接続部材6のばね定数KCについて、0.1kN/mm≦KCを満たすように構成されているため、中軸3の先端部を給電部材7ひいてはセラミックヒータ9に対してより確実に固定することができる。これにより、エンジンの動作に伴う中軸3の先端部の振れ動きを抑制することができ、中軸3の欠損や中軸3の先端部とハウジング2との接触による短絡等の不具合をより確実に防止することができる。
また、前記端子ピン5に対して取付けられた前記コネクタを取外す際には、端子ピン5に対して軸線CL1方向に沿った引張力や軸線CL1方向と直交する向きに沿った応力が加えられてしまい、当該引張力や応力によって接続部材6に伸張や変形が発生してしまうおそれがある。ここで、本実施形態における接続部材6は、常温下において軸線CL1方向に沿って40Nの引張力を加えられた場合や、軸線CL1と直交する方向に沿って30Gの加速度を加えられた場合であっても、塑性変形しないように構成されている。このため、前記コネクタを取外す際に、接続部材6に対して引張力や応力が加えられた場合であっても、接続部材6は塑性変形することなく、接続部材6の弾性は何ら損なわれない。従って、接続部材6を弾性変形可能に構成したことによる上述の作用効果がより確実に奏されることとなる。
さらに、グロープラグ1を製造するにあたって、台座142を給電部材7の後端から挿入し、連通部145に対して給電部材7の延出部72aが挿通されるようにして台座142を配置しさえすれば、台座142の後端側へと給電部材7の後端部(延出部72a)が延出する構成を実現することができる。すなわち、本実施形態によれば、製造作業の簡素化を図ることができ、生産効率の向上を図ることができる。
次いで、本実施形態における作用効果を確認すべく、半球部材の後端面を湾曲面状に形成した複数のサンプルを作製し、各サンプルについて、センサ素子の中心部分に対する、半球部材と中間部材との当接部分の位置ずれ量xを測定した。表1に、各サンプルの位置ずれ量xを示す。尚、半球部材の後端面の曲率半径Rと、半球部材の幅(外径)Wと、傾き中心から半球部材及び中間部材の当接部分までの距離Lと、セラミックヒータの中心軸の軸線に対する最大傾きθMとについては、それぞれ表1中に示した値とした。また、各サンプルともに、先端面が1.8mm四方のセンサ素子を用いた。
表1に示すように、各サンプルともに位置ずれ量xは、センサ素子の先端面の一辺の大きさの半分よりも小さなものとなり、センサ素子の中心部分の近傍において半球部材から中間部材へと圧力が伝達される、すなわち、圧力がセンサ素子の感圧部分に対してより確実に伝達されることが確認された。尚、センサ素子の大きさは種々変更されるものであるため、センサ素子の大きさに応じて上記各寸法R,L,W,θMを適宜設定することができるが、少なくとも曲率半径Rについては、R<W/2sinθMを満たすように設定することが好ましい。また、半球部材の後端面を湾曲面状に形成するにあたり、形成作業の容易化を図るという観点からは、W/2≦Rを満たすこと、すなわち、曲率半径Rを比較的大きな値とすることが好ましく、ひいては半球部材の幅(外径)Wを比較的大きな値(例えば、2mm以上5mm以下)とすることが好ましい。また、圧力伝達に際する圧力の損失を抑制するという観点からは、距離Lを比較的小さな値(例えば、1mm以上15mm以下)とすることが好ましく、位置ずれ量xの低減を図るためには、最大傾きθMを極力小さな値(例えば、0°以上5°以下)とすることが好ましい。また、これらの数値範囲を踏まえた上で、曲率半径Rについては2mm以上10mm以下と設定することが好ましい。
〔第2実施形態〕
次に第2実施形態について図面を参照して説明する。
〔第2実施形態〕
次に第2実施形態について図面を参照して説明する。
本第2実施形態では、上記第1実施形態における圧力伝達部15の構成等が圧力伝達機構121に具現化されている。すなわち、圧力伝達機構121は、図11に示すように、ハウジング122と、受圧部123と、センサ構造体124と、圧力伝達部125とを備える。
前記ハウジング122は、軸線CL3方向に延びる軸孔122aを有しており、前記受圧部123は、前記軸孔122a内に挿設され、先端部がハウジング122より露出している。また、ハウジング2の先端部には、軸線CL1に沿って延びる筒状の筒状部126が設けられており、前記受圧部123は当該筒状部126によって保持されている。さらに、前記筒状部126はその屈曲部分に薄肉部126aを有しているため、前記受圧部123は、軸線CL3方向に沿ってハウジング122に対して若干ながら相対移動可能となっている。加えて、前記センサ構造体124は、印加された圧力に応じた信号を出力するセンサ素子127を有している。また、センサ構造体124は、前記ハウジング122の軸孔122aの外周面に対して接合された台座128の先端面に対して接合固定されている。
さらに、前記圧力伝達部125は、受圧部123及びセンサ構造体124間に配設されており、受圧部123に加えられた圧力を前記センサ素子127に対して伝達するものである。当該圧力伝達部125は、中間部材125aと中実部材としての半球部材125bとから構成されている。前記中間部材125aは、円板状をなすとともに、中実の金属材料によって形成されており、一方で、前記半球部材125bは、中実のセラミック材料によって形成されている。また、前記半球部材125bは、その後端面が前記軸線CL3方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されており、半球部材125bの後端面と当接する中間部材125aの先端面は、平坦状に形成されている。加えて、軸線CL3に沿って中間部材125aと半球部材125bの当接部分を通る直線が、センサ素子127の感圧部分を通過するように構成されている。併せて、前記半球部材125bの湾曲面の曲率半径をR2,半球部材125bの幅(外径)をW2、軸線CL3に対して受圧部123の中心軸が傾き得る最大傾きをθM2としたとき、W2/2≦R2<W2/2sinθM2を満たすように半球部材125bの後端面が形成されている。
以上詳述したように、本第2実施形態によれば、基本的に上記第1実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。すなわち、センサ素子127に対する伝達圧力の損失抑制や、センサ素子127の感圧部分と半球部材125bから中間部材125aへと圧力が伝達される部分との間の位置ずれ量の低減等を図ることができ、圧力の検知精度の向上を図ることができる。
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
(a)上記実施形態では、半球部材152の後端面の曲率半径Rが、交点P及び中間部材152間の軸線CL1方向に沿った距離Lとほぼ等しくなるに設定されているが、曲率半径Rを距離Lよりも大きくなるように、又は、小さくなるように設定することとしてもよい。尚、半球部材152及び中間部材151の当接部分と、センサ素子161の中心部分(軸線CL1が通過する部分)との位置ずれ量を極力小さくするという観点からは、曲率半径Rの大きさを距離Lの大きさにより近づけることが好ましく、曲率半径Rを距離Lと等しいものとすることが最も好ましい。
(b)上記実施形態では、台座142の後端側へと給電部材7の後端部(延出部72a)が延出し、当該延出部72aと中軸3とが接続部材6によって接続する構成とされているが、図12に示すように、給電部材271を台座273の後端側へと延出させることなく、台座273を連通する導電線272によって給電部材271と中軸3とを電気的に接続することとしてもよい。尚、この場合における台座押え274の内部には、給電部材271を挿通させるためのスペースを確保する必要がない。そのため、同図に示すように、台座押え274の後端部の内径を比較的小径化することで、信号線11等や導電線272を軸線CL1付近に収束させ、ハウジング2に対する信号線11等の当接等を抑制することとしてもよい。
(c)上記実施形態では、センサ構造体16及び半球部材152間に中間部材151が設けられているが、同図に示すように、中間部材151を設けることなく、半球部材152がセンサ構造体16を直接押圧するように構成してもよい。
(d)上記実施形態では、半球部材152の後端面が湾曲面状をなすように形成されているが、図13(a),(b)に示すように、半球部材252の先端面が湾曲面状をなすように形成することとしてもよい。この場合においても、セラミックヒータ9が軸線CL1に対して傾いてしまった場合に、センサ構造体116の感圧部分と、セラミックヒータ9(中間部材251)から半球部材252に圧力が伝達される部分との間の軸線CL1と直交する方向に沿った位置ずれ量を比較的小さなものとすることができ、燃焼圧の検知精度の向上を図ることができる。また、セラミックヒータ9及びセンサ構造体116間に点接触部分を形成することで、セラミックヒータ9からセンサ構造体116に至る熱伝達経路を比較的狭くすることができるため、セラミックヒータ9の消費電力の低減や燃焼効率の向上を図ることができる。
(e)上記実施形態では、セラミックヒータ9と圧力伝達部15とを別体で設けることとしているが、セラミックヒータ9の後端部を中実状(機械的に剛性を有するよう)に形成することで、セラミックヒータ9の後端部が圧力伝達部としての機能を有するように構成することとしてもよい。この場合には、圧力伝達部15を別体で設けた場合に生じ得る、セラミックセンサ9の中心軸と圧力伝達部15の中心軸との不一致に伴う伝達圧力の損失等を抑制することができる。また、部品点数の削減を図ることができ、生産効率の向上や製造コストの削減を図ることができる。
(f)上記実施形態において、圧力検知回路はハウジング2の外部に配設されているが、圧力検知回路をハウジング2の軸孔21内で、センサ素子161及び端子ピン5の電気的接続の間に介在させることとしてもよい。この場合には、センサ素子161及び圧力検知回路の間の距離を比較的短くすることができるため、両者間で入出力される信号の劣化等をより確実に防止することができる。その結果、燃焼圧の検知精度の更なる向上を図ることができる。
(g)上記実施形態においては、感圧素子として感圧抵抗体166を有してなるセンサ素子161が用いられているが、センサ素子の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、圧電素子等を感圧素子として有するセンサ素子を用いることとしてもよい。
(h)上記実施形態のセラミックヒータ9は、丸棒状、すなわち、断面円形状である場合に具体化されているが、必ずしも断面円形状である必要はなく、例えば断面楕円形状であって、断面長円形状でも断面多角形状であってもよい。尚、この場合においては、前記給電部材7の先端部の開口形状は、セラミックヒータ9の後端部の形状に対応して変更されることとなる。
(i)上記実施形態のセラミックヒータ9は、細長いU字状の発熱体92を備えて構成されているが、セラミックヒータ9としては、例えば、絶縁性の基体を板状に複数形成して、その間に発熱体を挟み込んだいわゆる板状ヒータを用いることとしてもよい。
1…圧力センサ付きグロープラグとしてのグロープラグ、2…ハウジング、3…中軸、6…接続部材、7…給電部材、8…外筒、9…発熱ヒータとしてのセラミックヒータ、15,125…圧力伝達部、21…軸孔、91…基体、92…発熱体、93…リード部としての第1リード部、96…電極取出部としての第1電極取出部、121…圧力検知機構、122…ハウジング、123…受圧部、145…連通部、125a,151…中間部材、125b,152,252…中実部材としての半球部材、127,161…センサ素子、CL1,CL3…軸線、CL2…セラミックヒータの中心軸。
Claims (8)
- 軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔内に挿設される軸状の中軸と、
前記軸孔内に設けられるとともに、絶縁性セラミックからなる基体中に発熱体が埋設されて構成され、前記発熱体への電力供給用のリード部が自身の外周面から電極取出部として露出してなる発熱ヒータと、
前記発熱ヒータが嵌合されることで、前記電極取出部に対して接続されるとともに、前記中軸に対して電気的に接続される環状の給電部材と、
前記発熱ヒータを、その先端部が露出した状態で保持する外筒と、
前記軸孔内において、前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、内燃機関の燃焼に伴い前記発熱ヒータから加えられる圧力に基づいて信号を出力するセンサ素子を自身の先端に有するセンサ構造体とを備える圧力センサ付きグロープラグであって、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部を設け、前記発熱ヒータに加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達されるように構成し、
前記センサ構造体を、前記中軸よりも先端側に配置したことを特徴とする圧力センサ付きグロープラグ。 - 前記圧力伝達部は、後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材を後端に有して構成され、
前記センサ構造体の先端面は、平坦状に形成されるとともに、前記中実部材の後端面に対して当接し、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記センサ構造体との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過することを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ付きグロープラグ。 - 前記圧力伝達部は、
後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材と、
前記中実部材の後端面に当接し、当該中実部材との当接面が平坦状に形成された中実状の中間部材とを備え、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記中間部材との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過することを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ付きグロープラグ。 - 前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記発熱ヒータの中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする請求項2又は3に記載の圧力センサ付きグロープラグ。 - 前記センサ素子の少なくとも先端部は、前記給電部材の内部に配設されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧力センサ付きグロープラグ。
- 前記発熱ヒータの後端部が、前記圧力伝達部を構成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧力センサ付きグロープラグ。
- 軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔内に挿設され、先端部が前記ハウジングより露出する受圧部と、
前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、前記受圧部から印加される圧力に応じた信号を出力するセンサ素子を有するセンサ構造体と、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部とを備え、
前記受圧部に加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達される圧力検知機構であって、
前記圧力伝達部は、後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材を後端に有して構成され、
前記センサ構造体の先端面は、平坦状に形成されるとともに、前記中実部材の後端面に対して当接し、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記センサ構造体との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過し、かつ、
前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記受圧部の中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする圧力検知機構。 - 軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔内に挿設され、先端部が前記ハウジングより露出する受圧部と、
前記ハウジングに対して直接的又は間接的に接合固定され、前記受圧部から印加される圧力に応じた信号を出力するセンサ素子を有するセンサ構造体と、
前記センサ構造体の先端面に当接し、機械的に剛な部材としてなる圧力伝達部とを備え、
前記受圧部に加えられた圧力が、前記圧力伝達部を介して前記センサ素子に対して伝達される圧力検知機構であって、
前記圧力伝達部は、
後端面が前記軸線方向の後端側に向けて膨出する湾曲面状に形成されてなる中実部材と、
前記中実部材の後端面と当接し、当該中実部材との当接面が平坦状に形成された中間部材とを備え、
前記軸線に沿って前記中実部材と前記中間部材との当接部分を通る直線が、前記センサ素子の感圧部分を通過し、かつ、
前記中実部材の湾曲面の曲率半径をR,前記中実部材の幅をW、前記軸線に対して前記受圧部の中心軸が傾き得る最大傾きをθMとしたとき、
W/2≦R<W/2sinθM
を満たすことを特徴とする圧力検知機構。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008315575A JP2010139150A (ja) | 2008-12-11 | 2008-12-11 | 圧力センサ付きグロープラグ、及び、圧力検知機構 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008315575A JP2010139150A (ja) | 2008-12-11 | 2008-12-11 | 圧力センサ付きグロープラグ、及び、圧力検知機構 |
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JP2010139150A true JP2010139150A (ja) | 2010-06-24 |
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JP2008315575A Pending JP2010139150A (ja) | 2008-12-11 | 2008-12-11 | 圧力センサ付きグロープラグ、及び、圧力検知機構 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013257133A (ja) * | 2012-05-14 | 2013-12-26 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 圧力センサ付きグロープラグ |
JP2014206356A (ja) * | 2013-04-16 | 2014-10-30 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃焼圧センサ付きグロープラグ |
US10253982B2 (en) | 2014-12-22 | 2019-04-09 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Glow plug with pressure sensor |
-
2008
- 2008-12-11 JP JP2008315575A patent/JP2010139150A/ja active Pending
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