JP2011144978A

JP2011144978A - 燃焼圧力センサ付きグロープラグ

Info

Publication number: JP2011144978A
Application number: JP2010004927A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Maeda; 俊介前田; Tadashi Watanabe; 忠渡邊; Shiko Sasa; 司光佐々; Masayoshi Matsui; 正好松井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】振動によるノイズの軽減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】軸方向に延在する柱状の外形を有し、先端側がハウジングの先端部から突出し、後端側がハウジング内に収容されるように設けられ、先端面が受圧面とされ、圧力検出素子に燃焼圧を伝達するヒータと、ヒータを保持する円筒部と、円筒部とハウジングとを直接又は他部材を介して連結し、かつ、ハウジングに対してヒータの軸方向の相対変位を許容する連結部と、を具備した燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、連結部は、円筒部の一部を起点とし、当該起点から径方向外側に向かって延在し、かつ、円筒部の起点の内側に位置する部分には、ヒータ若しくは当該ヒータ以外の構成部材が充填されている。
【選択図】図２

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（例えば、特許文献１参照。）。

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、ヒータとヒータの後端側を収容するハウジングとの間に、ハウジングに対してヒータの軸方向の相対変位を許容しつつ保持する連結部（可動部）を設ける必要がある。この連結部としては、部材の薄肉化により相対変位をし易くし、燃焼圧力センサへの伝達荷重を高めるようにすることが一般的である。

一方、グロープラグは、エンジンヘッド設計におけるスペースの制約により、長尺化が求められており、ヒータ自体の出寸（ハウジングからの突き出し量）も増える傾向にある。このため、圧力伝達体であるヒータの長尺化により振動（特にヒータの長尺化、出寸の増加に伴う径方向の共振による振動）によるノイズが圧力検出信号に乗ってしまうという問題がある。なお、振動によるノイズを軽減するため連結部（可動部）の厚肉化を行えば、燃焼圧力センサへの伝達荷重が低下し、燃焼圧力の検出感度の低下を招くことになる。

特開２００７−７８３３０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、振動によるノイズの軽減が課題となっている。

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、振動によるノイズの軽減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。より詳細には、ヒータの軸方向への検出対象の圧力の伝達を低下させることなく、又はその低下を最小限に留めつつ、ヒータの径方向への振動を抑制してノイズの軽減を図るものである。

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、軸方向に延在する柱状の外形を有し、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、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、前記ヒータを保持する円筒部と、前記円筒部と前記ハウジングとを直接又は他部材を介して連結し、かつ、前記ハウジングに対して前記ヒータの軸方向の相対変位を許容する連結部と、を具備した燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記連結部は、前記円筒部の一部を起点とし、当該起点から径方向外側に向かって延在し、かつ、前記円筒部の前記起点の内側に位置する部分には、前記ヒータ若しくは当該ヒータ以外の構成部材が充填されていることを特徴とする。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、円筒部とハウジングとを直接又は他部材を介して連結し、かつ、ハウジングに対してヒータの軸方向の相対変位を許容する連結部が、円筒部の一部を起点とし、当該起点から径方向外側に向かって延在し、かつ、円筒部の前記起点の内側に位置する部分には、ヒータ若しくは当該ヒータ以外の構成部材が充填されている構成とされている。これによって、充填されているヒータ若しくはヒータ以外の構成部材によって連結部の起点とされる円筒部の剛性が高まり、燃焼圧力センサ付きグロープラグに特に径方向の振動が加わった際に、円筒部が撓むことによる連結部自身のグロープラグ全体に対する相対的な径方向の変位を抑制することができ、圧力伝達体であるヒータがハウジングに対して振動することを抑制することができるので、振動によるノイズを軽減することができる。

上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、連結部は、円筒部の起点から当該円筒部側面となす角度が４５°以上の鋭角をなすように径方向外側に向かって延在している構成とすることが好ましい。連結部が円筒部側面となす角度が４５°未満となる構成とされた場合、薄肉部である連結部が軸方向に沿って長い領域に亘って存在し、径方向の振動が加わった場合、この部分が撓んでヒータがハウジングに対して振動する。このような振動の発生を、連結部が円筒部側面となす角度が４５°以上、例えば略９０°とすることによって、抑制することができる。

また、上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、連結部は、円筒部の軸方向上端にしてもよく、また、円筒部の軸方向中間部分（軸方向上端と軸方向下端以外の部分）としてもよいが、円筒部の軸方向中間部分とすることがより好ましい。

本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグによれば、振動によるノイズの軽減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。

本発明の一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図。図１の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。図１の燃焼圧力センサ付きグロープラグの要部の断面構成を拡大して示す図。本発明の他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拡大して示す図。本発明の他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拡大して示す図。本発明の他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拡大して示す図。本発明の他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拡大して示す図。従来の燃焼圧力センサ付きグロープラグの要部の断面構成を拡大して示す図。

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１〜３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は燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００の全体構成を示す側面図、図２は図１の先端側の部分の断面図、図３は図２の要部を拡大して示す断面図である。なお、図１に示す一点鎖線Ｏは、軸方向を示す軸線である。

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の軸方向先端（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。

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より軸方向後端側（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。ハウジング１には、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１内に収容されるようにヒータ２０が設けられている。ヒータ２０は、軸方向に延在する柱状の形状とされている。

図２に示すように、上記キャップ部材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、略円筒状に形成されたヒータ支持部材（円筒部）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が保持されている。

ヒータ２０は、絶縁性基材としての絶縁性セラミック２１の内部に導電性セラミック２２を埋設した構造のセラミックヒータ（窒化珪素、アルミナ等からなる）から構成されている。ヒータ２０の側周面には、導電性セラミック２２が露出した露出部（陰極側）２３、露出部（陽極側）２４が設けられている。このうち、より軸方向先端側に設けられた露出部（陰極側）２３は、ヒータ支持部材１０によって覆われ、露出部（陰極側）２３とヒータ支持部材１０とは電気的に接続されている。セラミック製のヒータ２０と金属製のヒータ支持部材１０とは、溶接によって接合することができないため、ロー付け又は圧入（本実施形態では圧入）によって接合されている。

一方、露出部（陰極側）２３より軸方向後端側に設けられた露出部（陽極側）２４は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０等）等の金属からなり、略円筒状に形成されたリング部材３０によって覆われ、露出部（陽極側）２４は、リング部材３０と電気的に接続されている。ヒータ２０とリング部材３０も、ロー付け又は圧入（本実施形態では圧入）によって接合されている。ヒータ２０の先端面２５は、燃焼室内部の燃焼圧を受ける受圧面とされている。

図２及び図３に示すように、ヒータ支持部材１０は、当該ヒータ支持部材１０の一部（本実施形態では、ヒータ支持部材１０の軸方向中央より後端寄りの側壁部）を起点１３として、径方向外側に向かって延在し、鍔状に突出するフランジからなる連結部１１を具備している。また、この連結部１１の内周部分は薄肉（厚さ例えば０．３ｍｍ）とされた可動部１２とされ連結部１１の一部を構成している。この可動部１２は、ヒータ２０の受圧面２５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。なお、本実施形態では、ヒータ支持部材１０の円筒部と鍔状に突出するフランジからなる連結部１１とが一部材によって構成されているが、ヒータ支持部材１０の円筒部分と鍔状の連結部１１とが繋がっている部分が、本発明における円筒部（ヒータ支持部材１０）における連結部１１の起点１３となる。

上記円筒部（ヒータ支持部材１０）における連結部１１の起点１３の内側には、ヒータ２０が充填された状態となっており、この部分に空間が形成されていない構成となっている。これによって、連結部１１の起点１３の部分の剛性を高めることができ、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００に特に径方向の振動が加わった際に、連結部１１の部分が撓むことを抑制することができ、圧力伝達体であるヒータ２０がハウジング１に対して振動することを抑制することができるので、振動によるノイズを軽減することができる。

すなわち、例えば図８に示す従来の燃焼圧力センサ付きグロープラグ６００のように、ヒータ支持部材１０における連結部６１１の起点６１３の内側に、ヒータ２０が充填されていない空間６９１が形成された構成となっていると、連結部６１１（可動部６１２）の起点６１３の部分の剛性が低くなり、燃焼圧力センサ付きグロープラグ６００に特に径方向の振動が加わった際に、連結部６１１（可動部６１２）の部分が撓み、圧力伝達体であるヒータ２０がハウジング１に対して振動し易くなり、振動によるノイズが多くなるため、圧力検出を正確に行うことが困難になる。一方、上記実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００では、このような振動によるノイズを軽減することができる。なお、図８に示す燃焼圧力センサ付きグロープラグ６００において、他の部分は、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と同様に構成されているので、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と対応する部分には同一符号を付してある。

なお、図２，３に示すように、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００では、ヒータ支持部材１０のさらに後端側まで、ヒータ２０が延在した構成となっている。また、ヒータ支持部材１０の先端側には、起点１３を含む後端側より厚肉とされた厚肉部１４が形成されている。

ヒータ支持部材１０より後端側には、円筒状に後端側に向けて延在し、その後端部に圧力検出素子４６を保持する円筒状部材４０が設けられている。この円筒状部材４０の軸方向先端側には、外側に鍔状に突出するフランジ部４１が形成されている。そして、このフランジ部４１と、上記したヒータ支持部材１０の連結部１１の外周部分とを、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、円筒状部材４０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。

円筒状部材４０の後端側端部には、前述した圧力検出素子４６が保持されている。この圧力検出素子４６は、先端側が半球状に形成された半球部材５０、及び後端側が半球部材５０の形状に合わせて凹陥され先端側がリング部材３０の後端側に挿入されて係止された押圧部材５１を介して、ヒータ２０の後端に初期荷重を加えた状態で固定されている。そして、ヒータ２０の先端面（受圧面）２５にエンジンの燃焼室内の圧力が加わると、ヒータ２０が後端側に変位し、半球部材５０及び押圧部材５１を介して圧力検出素子４６を押圧することによって、燃焼室内の圧力を検出することができるようになっている。なお、上記半球部材５０は、高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２等）にて形成し、高い硬度で構成している。また、押圧部材５１は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０等）から構成されている。

上記のように、燃焼圧力によるヒータ２０の軸方向変位を圧力検出素子４６で検出する場合、圧力検出素子４６としては、例えば、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４６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、素子が歪み変形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。

圧力検出素子４６の検出信号は、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００に内蔵された基板に設けられた信号処理回路（図示せず。）、又は外部に設けられた信号処理回路によって処理された後、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。

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）２５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４６が、押圧部材５１及び半球部材５０を介して押圧される。圧力検出素子４６は、円筒状部材４０に保持されており、円筒状部材４０は、フランジ部４１を介してハウジング１に固着されているので、圧力検出素子４６が押圧力を受け、押圧力に応じた出力信号が発せられる。そして、この圧力検出素子４６の出力信号は、センサ用端子４４によって図示しない信号処理回路に伝えられ、信号処理回路により増幅される。

なお、上記の実施形態では、ヒータ支持部材１０の外側に一体化されている鍔状に突出するフランジからなる連結部１１が設けられている場合について説明したが、ヒータ支持部材（円筒部）１０と連結部１１とを別部材で構成し、これらを溶接等によって接合した構成とすることもできる。また、連結部１１の起点であるヒータ支持部材１０の一部から連結部１１に至る連結部１１の径方向内側部分には、連結部１１自身の他の部位よりも比較的厚肉に（上記の実施形態では隅肉テーパ状）構成して、径方向荷重に対する円筒部の剛性をより高めた構成とすることができる。なお、隅肉のテーパ状はＲ状でもよい。

図４は、他の実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ２００の要部断面構成を拡大して示している。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ２００では、連結部２１１の外周部分が後端側に向けて略９０°の角度で折り返された形状となっている。そして、この連結部２１１の折り返し部分とヒータ支持部材１０の外側面との間に、円筒状部材４０の先端部が挿入された状態でこれらが固定された状態となっている。また、連結部２１１の起点２１３の部分に位置するヒータ支持部材１０の内側には、ヒータ２０が充填されている。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ２００のように、連結部２１１の可動部２１２より外側の外周部分は、略９０°の角度等の４５°以上の角度で折り返された形状となっていてもよい。なお、図４に示す実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ２００において、他の部分は、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と同様に構成されているので、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と対応する部分には同一符号を付してある。

図５は、他の実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ３００の要部断面構成を拡大して示している。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ３００では、連結部３１１（可動部３１２）がヒータ支持部材１０の起点３１３から、ヒータ支持部材１０の外側面となす角が略４５°となるように外周方向に延在した構成となっている。このように、ヒータ支持部材１０の外側面となす角が略４５°以上となっていれば、９０°となっていなくとも振動に対する剛性をある程度維持することができ、振動によるノイズの低減を図ることができる。また、燃焼圧力センサ付きグロープラグ３００の場合も、連結部３１１の起点３１３の部分に位置するヒータ支持部材１０の内側には、ヒータ２０が充填されている。このように、図５の例では、連結部３１１はヒータ支持部材（円筒部）１０の側面と成す角度θを４５°とし、４５°以上、９０°未満に構成している。なお、図５に示す実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ３００において、他の部分は、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と同様に構成されているので、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と対応する部分には同一符号を付してある。

図６は、他の実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ４００の要部断面構成を拡大して示している。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ４００では、連結部４１１がヒータ支持部材１０の後端部を起点４１３とし、この後端部の起点４１３から周方向外側に向けて延在した構成となっている。このように、連結部４１１の起点４１３をヒータ支持部材１０の軸方向中間部ではなく、後端部としてもよい。また、燃焼圧力センサ付きグロープラグ４００の場合も、連結部４１１の起点４１３の部分に位置するヒータ支持部材１０の内側には、ヒータ２０が充填されている。なお、図６に示す実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ４００において、他の部分は、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と同様に構成されているので、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と対応する部分には同一符号を付してある。

図７は、他の実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ５００の要部断面構成を拡大して示している。この燃焼圧力センサ付きグロープラグ５００では、ヒータ支持部材１０における連結部１１の起点１３の内側部分に、ヒータ２０は充填されておらず、ヒータ以外の部材からなる充填部材５６０が充填された構成となっている。この充填部材５６０としては、例えば、セラミック粉末又はマグネシア粉末等の絶縁性の粉末を充填し、プレス等により押し固めた構成とすることができる。また、ヒータ２０へ通電するための通電線（例えばニッケル線）５６２が、充填部材５６０中を貫通して配置されている。なお、充填部材５６０の後端側には、アルミナ等からなる絶縁部材５６１が配置されており、この絶縁部材５６１中を貫通して通電線５６２が後端側に引き出されている。このように、ヒータ２０以外の部材をヒータ支持部材１０における連結部１１の起点１３の内側部分に充填してもよい。このように本発明は、ヒータ支持部材１０の剛性を高める構成を備えることにより連結部の径方向への変位を抑制しているので、ヒータの長尺化等に伴うノイズの増加の懸念を低下させることが可能である。なお、図７に示す実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ５００において、他の部分は、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と同様に構成されているので、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００と対応する部分には同一符号を付してある。

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。例えば、円筒部の内側に充填される部材は、当該円筒部の軸孔を分断するように連結部の起点を円筒部の内側で互いに架橋するような板状部を設けることとしてもよく、また当該板状部は円筒部と同材質で一体に構成されるものとしてもよい。

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、１０……ヒータ支持部材（円筒部）、１１……連結部、１２……可動部、１３……起点、２０……ヒータ、２１……絶縁性セラミック、２２……導電性セラミック、２３，２４……露出部、２５……受圧面、４０……円筒状部材、４１……フランジ部、４６……圧力検出素子、１００……燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

Claims

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、
軸方向に延在する柱状の外形を有し、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、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、
前記ヒータを保持する円筒部と、
前記円筒部と前記ハウジングとを直接又は他部材を介して連結し、かつ、前記ハウジングに対して前記ヒータの軸方向の相対変位を許容する連結部と、
を具備した燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
前記連結部は、前記円筒部の一部を起点とし、当該起点から径方向外側に向かって延在し、かつ、前記円筒部の前記起点の内側に位置する部分には、前記ヒータ若しくは当該ヒータ以外の構成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。
請求項１記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
前記連結部は、前記円筒部の前記起点から当該円筒部側面となす角度が４５°以上の鋭角をなすように径方向外側に向かって延在している
ことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
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であって、
前記連結部は、前記円筒部の軸方向上端又は前記円筒部の軸方向中間部分を前記起点として径方向外側に向かって延在している
ことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。