JP3864532B2 - イオン電流検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼の際に発生する燃焼イオンによるイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関し、特に、内燃機関の燃焼状態を検出するためのイオン電流検出用点火プラグに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃焼時に発生するイオン電流を計測し、燃焼状態（失火、プレイグ、ノッキング等）を検出するイオン電流検出装置は、ギャップを隔てて対向する正側電極と負側電極とからなる一対の電極を有し、この一対の電極間に電圧を印加することによって、燃焼イオンにより一対の電極間にて発生するイオン電流を検出するものが知られており、例えば、イオン電流検出用点火プラグがある。
【０００３】
イオン電流検出用点火プラグでは、上記一対の電極として中心電極及び接地電極を有し、これら中心電極と接地電極との間の放電ギャップにて火花放電が行われ、可燃性ガス等が燃焼する。この燃焼により燃焼イオンが発生する。ここにおいて、火花放電（容量放電と誘導放電）の発生前及び終了後に、上記両電極間に直流または交流電圧を印加して、放電ギャップ間に流れる燃焼イオンによるイオン電流を計測することで、燃焼状態（失火、プレイグニッション、ノッキング等）の検出が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この点火プラグで検出されるイオン電流の出力レベルは、例えば数μＡと小さく、一方、この点火プラグはエンジンに装着されるため、イオン電流の出力に対して他の電気機器からのノイズが乗る可能性がある。よって、出力レベルの小さなイオン電流検出においては、ノイズを判別してイオン電流のみを取り出す必要がある。
【０００５】
そのために、イオン電流とノイズとを区別するために検出精度の制御範囲を限定したり、信号処理でノイズを除去する等の多くの工夫を必要とする。その結果、検出精度が悪化したり、信号処理のための回路規模が大きくなり、コストアップする等の問題が生じる可能性がある。これらのことから、イオン電流の出力を向上させることが強く望まれる。
【０００６】
また、上記点火プラグの他に、ボイラー、ガス釜等の一般的な燃焼器の燃焼状態を検出するイオン電流検出プローブ等のイオン電流検出装置においても、失火等の検出精度をより向上させるために、イオン電流の出力向上が望まれている。本発明は上記点に鑑みて、燃焼の際に発生する燃焼イオンによるイオン電流を検出するイオン電流検出装置において、イオン電流値を大きくすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
通常、イオン電流検出装置においてイオン電流を検出する電極材料としては、金属、例えば、点火プラグにおいては、Ｎｉ−Ｃｒ合金等が用いられる。本発明者等は、電極材料を半導体で構成した場合、金属に比べて半導体では、表面近傍に自由電子が発生しやすいことに着目した。
【０００８】
そして、上記燃焼により発生する燃焼イオンは、主として有機化合物等のプラス（＋）イオンであるため、この＋イオンと上記自由電子との電気的引力により、イオン電流を流れやすくしてやればよいのではないかと考え、以下の技術的手段を採用することとした。
すなわち、請求項１記載の発明においては、一対の電極（２、３、６、８、１１１、１１２）のうち負側電極（２、３、６、８、１１２）の少なくとも一部が、一対の電極間に電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（２１、３１、８２、１１２ａ）で構成されているイオン電流検出用装置であることを特徴としている。
【０００９】
ここで、イオン電流検出のために印加する電圧が交流電圧の場合には、一対の電極の両方が交互に負側電極となるため、負側電極は一対の電極の両方であり、両方の電極において、少なくとも一部が半導体で構成される。
そのため、本発明では、一対の電極間に電圧を印加すると、負側電極の半導体部分において正側電極方向に半導体の自由電子が引きつけられ、一対の電極のギャップ間すなわちに自由電子が発生しやすい。
【００１０】
そして、本発明によれば、正側電極と負側電極との間に電圧を印加して、両電極間にて発生する燃焼イオンによるイオン電流を検出するが、この燃焼イオンのうちの＋イオンを、上記半導体から発生した多くの自由電子と結合させることで、イオン電流値を大きくすることができる。このように、イオン電流値を大きくできれば電気ノイズとの判別が容易になり、燃焼状態の検出精度を向上させることが可能になる。
【００１１】
また、請求項２記載の発明においては、負側電極の外表面の一部が、上記半導体で構成されているから、効率良く自由電子を＋イオンと結合させることができ、イオン電流値をより大きくすることができる。更に、請求項３記載の発明においては、負側電極の外表面のうち正側電極に対向した面の一部が、上記半導体で構成されているから、より効率良く自由電子を＋イオンと結合させることができる。
【００１２】
ここで、請求項４ないし請求項６記載の発明は、内部で燃焼が行われる燃焼室（２）と、この燃焼室に配設される点火プラグ（１）とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置についてなされたものである。
すなわち、請求項４記載の発明では、燃焼室は点火プラグの接地電極（８）と電気的に接続されており、点火プラグの中心電極（６）が正側電極、燃焼室が負側電極として構成され、燃焼室の少なくとも一部が、上記半導体（２１）で構成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５記載の発明では、燃焼室（２）とピストン（３）と点火プラグ（１）とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、ピストンは点火プラグの接地電極（８）と電気的に接続されており、点火プラグの中心電極（６）が正側電極、ピストンが負側電極として構成され、ピストンの少なくとも一部が、上記半導体（３１）で構成されていることを特徴とする。
【００１４】
さらに、請求項６記載の発明では、請求項５記載の発明において、ピストンに加えて、燃焼室も点火プラグの接地電極と電気的に接続されて負側電極として構成され、燃焼室の少なくとも一部が、上記半導体（３１）で構成されていることを特徴とする。
これら請求項４ないし請求項６記載の発明においては、点火プラグの中心電極を正側電極とし、負側電極となる燃焼室及びピストンの少なくとも一部が上記半導体で構成されることで、請求項１ないし請求項３記載の発明と同様の作用効果を実現することができる。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、イオン電流検出装置としてのイオン電流検出用点火プラグ（１）について成されたものである。
すなわち、中心電極（６）及び接地電極（８）のうち負側電極の少なくとも一部が、これら中心電極と接地電極との間に電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（８２）で構成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明では、中心電極及び接地電極の一対が、請求項１〜６記載の発明における一対の電極に相当し、しかも、両電極のうち負側電極の少なくとも一部が、上記半導体で構成されているから、請求項１記載の発明と同様の作用効果を実現するイオン電流検出用点火プラグを提供することができる。
なお、本発明においても、請求項２及び請求項３の発明と同様の技術思想に基づき、負側電極の外表面の一部が、更には、負側電極の外表面のうち正側電極に対向した面の一部が、半導体で構成されたものにできる。
【００１７】
また、通常、イオン電流検出用点火プラグにおいては、中心電極のうち放電ギャップ近傍部位、すなわち先端部を除いた部分は、接地電極との絶縁を確保するための絶縁体にて被覆されている。
請求項８記載の発明では、このような絶縁体（５）を備えるイオン電流検出用点火プラグ（１）において、中心電極（６）が負側電極となる場合、中心電極の一部ではなく、絶縁体（５）外表面（５ａ）のうちの放電ギャップ（９）近傍部位に中心電極と電気的に導通するように上記半導体（５０）を設けたものとしている。
【００１８】
本発明では、この負側電極となる中心電極と電気的に接続する半導体によって、請求項１記載の発明と同様の作用効果を実現するイオン電流検出用点火プラグを提供することができる。
また、請求項９記載の発明は、燃焼室（２）と、ピストン（３）と、燃焼イオンのイオン電流を中心電極（６）と接地電極（８）間に交流電圧を印加することによって検出するイオン電流検出用点火プラグ（１）とを備える内燃機関に適用したイオン電流検出装置についてなされたものである。
【００１９】
すなわち、本発明は、燃焼室及びピストンは、接地電極と電気的に接続されており、交流電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（２１、３１、５０、８２）が、点火プラグの放電ギャップ近傍における中心電極の外表面及び絶縁体の外表面の少なくとも一部にて、中心電極と電気的に接続されて設けられるとともに、接地電極のうち中心電極に対向した部分、燃焼室及びピストンのうち少なくとも一部に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
それによって、本発明では、イオン電流検出のために印加する電圧が交流電圧であり、接地電極、燃焼室及びピストンと、中心電極とが交互に負側電極となる。従って、本発明においても、上述のように、半導体からの自由電子によるイオン電流値増大の効果を得ることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態のイオン電流検出装置は、内燃機関の点火プラグにより燃焼時のイオン電流を検出し燃焼状態を検出するものとして述べる。本実施形態の具体的構成を図１及び図２に示す。
【００２２】
図１は本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ１の全体構成図を示すものであり、イオン電流検出装置Ｋ１は、イオン電流検出装置Ｋ１は、イオン電流検出用点火プラグ（以下、プラグという）１と、このプラグ１に接続された制御部Ａ１０とから構成されている。
２はエンジン（内燃機関）のシリンダブロック（図示せず）に形成された燃焼室であり、内部にて、導入された混合気の燃焼が行われる。燃焼室２の内部にはピストン３が配設され、ピストン３が燃焼室２内を往復することで、上記混合気の吸入、圧縮、燃焼（爆発）、排気が行われる。燃焼室２を形成する上記シリンダブロック及びピストン３は、アルミニウム、アルミニウム合金、鋳鉄等の金属よりなる。
【００２３】
プラグ１は筒状の金具４を備えており、この金具４の外周部には、図示しないネジ山が形成されている。このネジ山と、エンジンブロックに形成されたネジ孔（図示せず）とをネジ結合することにより、エンジンブロックに、プラグ１が脱着可能に装着される。ここで、プラグ１は、一端側（図中、金具４の一端部４ａ側）が燃焼室２内に露出するように、上記エンジンンブロックに装着されている。なお、図１では、プラグ１及びピストン３は外観図、燃焼室２は内部透視図である。
【００２４】
金具４の内部には、筒状の絶縁碍子（絶縁体）５が嵌め込まれ、更に、この絶縁碍子５の内部には、中心電極６及び端子７が嵌着されている。なお、図１に示す様に、金具４の一端部４ａ、他端部４ｂから、絶縁碍子５の一端部５ａ、他端部５ｂが露出している。また、絶縁碍子５の一端部５ａから、中心電極６の一端部（先端部）が露出しており、絶縁碍子５の他端部５ｂから、端子７の一端部が露出している。そして、絶縁碍子５内部にて中心電極６と端子７とは電気的に接続されている。
【００２５】
また、金具４の一端部４ａには、Ｌ字形のＮｉ−Ｃｒ合金よりなる接地電極８が溶接により設けられている。この接地電極８と、上記中心電極６の先端部とによりプラグ１に着火部が構成されている。本実施形態では、後述のように、接地電極８をアースとして、中心電極６に＋電圧を印加して、点火及びイオン電流検出を行う。
【００２６】
すなわち、中心電極６が正側電極、接地電極８が負側電極として構成されており、これら両電極６、８によりイオン電流検出装置Ｋ１の一対の電極が構成されるとともに、プラグ１の着火部が構成される。そして、図１に示す様に、プラグ１は、この着火部が燃焼室２内に位置するように燃焼室２に配置されている。この着火部の外観拡大構成を図２に示す。
【００２７】
中心電極６はＮｉ−Ｃｒ合金よりなり、その先端部は、大径部６１、大径部６１よりも先端側の小径部６２、及び小径部６２の先端に溶接等により形成された貴金属チップ６３から構成されている。この中心電極６の先端部は、接地電極８と対向しており、この接地電極８は、その先端部に溶接等により形成された貴金属チップ８１を有している。
【００２８】
ここで、両貴金属チップ６３及び８１はＰｔ−Ｉｒ合金等により形成されており、放電ギャップ９を隔てて対向している。この放電ギャップ９にて、中心電極６の貴金属チップ６３と接地電極８の貴金属チップ８１との間で火花放電を生じさせ、混合気への着火が行われるようになっている。
また、図２に示す様に、接地電極８のうち中心電極６と対向する外表面は、焼結させた金属酸化物等（本実施形態では、酸化銅（Ｃｕ₂ Ｏ））からなる半導体８２にて構成されている。つまり、接地電極８の少なくとも一部が、電気的に半導体の抵抗値を有する半導体部で構成されている。ここで、半導体８２は貴金属チップ８１と電気的に接続されていてもよく、或いは、電気的に接続されていなくてもよい。
【００２９】
この半導体８２は、後述のように、イオン電流検出のための電圧を両電極６と８とに印加したときに自由電子を外表面近傍に発生させるもので、上記酸化銅の他に、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等を用いることができる。半導体８２は、例えば、焼結させた金属酸化物を嵌合固定させたり、金属を溶接又は蒸着により形成した後、酸化処理を行ったりすることで、形成することができる。
【００３０】
ところで、プラグ１において絶縁碍子５の他端部５ｂから露出する端子７の一端部は燃焼室２の外部に位置しており、端子７の一端部には、上記制御部Ａ１０が電気的に接続されている。この制御部Ａ１０は中心電極６と接地電極８に点火またはイオン電流検出のための電圧を印加したり、イオン電流を検出するためのものである。
【００３１】
制御部Ａ１０は、端子７に接続された点火回路Ａ０、点火回路Ａ０の二次巻線側に接続されたイオン電流用電圧印加部Ａ１、イオン電流用電圧印加部Ａ１に接続されたイオン電流検出装置Ａ２から構成されている。
点火回路Ａ０は、図示しない一次及び二次巻線からなるイグニッションコイル、パワートランジスタおよび車載電源を有する周知のものであり、放電ギャップ９にて火花放電を発生させ燃焼室２内の混合気に着火するための放電用電圧を中心電極６に印加するようになっている。
【００３２】
イオン電流用電圧印加部（以下、電圧印加部という）Ａ１は、図示しない直流電源等を有し、端子７に接続されている点火回路Ａ０の図示しない二次巻線側に、火花放電前あるいは火花放電終了後にイオン電流検出用電圧（直流電圧）を印加するようになっている。
イオン電流検出部（以下、検出部という）Ａ２は、抵抗Ｒ１とコンピュータ等を有するイオン電流処理回路Ａ２１とを備えている。抵抗Ｒ１の電圧をイオン電流処理回路Ａ２１で電流変換して検出するようになっており、燃焼時にプラグ１から流れてくるイオン電流を検出できるようになっている。
【００３３】
次に、上記構成に基づき、本実施形態の作動を説明する。
プラグ１の火花放電を生じさせる以前、あるいは火花放電終了後に、燃焼状態を検出するために、電圧印加部Ａ１によって端子７を介してプラグ１の中心電極６にイオン電流検出用電圧（＋電圧）を印加する。
燃焼室２内に燃焼が生じると燃焼イオンが発生する。中心電極６に＋の電圧印加を行うと接地電極８との間に電界が生じ、接地電極８の自由電子が出てくる。燃焼により生じた＋イオンは、前記電界により接地電極８方向へ移動していき、接地電極８の自由電子と結合することによりイオン電流が流れる。このイオン電流は検出部Ａ２に出力される。
【００３４】
このとき、本実施形態のように接地電極８の少なくとも一部を半導体８２で構成すると、半導体８２表面から自由電子の発生が促進されるため、燃焼イオンとの結合が促進され、イオン電流値を大きくすることができる。
本実施形態の酸化銅（Ｃｕ₂ Ｏ）半導体はｐ形半導体であり、結晶内に正孔（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｈｏｌｅ）が存在する。正側電極である中心電極６に正電圧を加えると、負側電極となる接地電極８の外表面にある半導体８２に電界が加わり、半導体８２内の正孔が接地電極８の外表面とは反対方向に移動をする。
【００３５】
そして、正孔の移動した数と同量の電子が半導体８２の外表面から放出され燃焼イオン（＋イオン）と結合することでイオン電流が流れる。この正孔が電荷のキャリアとなり、半導体８２内から自由電子が放出されやすくなるため、燃焼イオンとの結合が促進される。
以上の構成、作動により、中心電極６と接地電極８との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。図３に本実施形態の効果を示す。これは、エンジン回転数１２００ｒｐｍ、無負荷の状態で、イオン電流検出用電圧は＋１００Ｖで行ったものである。
【００３６】
図３において、「半導体あり（直流）」で示す波形が、本実施形態のイオン電流出力値であり、「なし」で示す波形が、通常の点火プラグ（すなわち、図１のプラグ１において接地電極８に半導体８２が無いもの）のイオン電流出力値（比較例）である。本実施形態では通常の点火プラグに比べ、出力が２〜１０倍となる効果を有する。
【００３７】
（第２実施形態）
図４に本発明の第２実施形態を示す。本実施形態のイオン電流検出装置は、上記第１実施形態においてプラグ１の接地電極８の少なくとも一部を半導体で構成する代わりに、燃焼室２の少なくとも一部を半導体で構成したものである。本実施形態では、プラグ１、上記制御部Ａ１０及び燃焼室２によってイオン電流検出装置Ｋ２が構成される。
【００３８】
本実施形態のプラグ１は、上述のように、上記第１実施形態のプラグ１において、接地電極８の半導体８２が無いものとしており、その他の構成は同じである。また、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に制御部Ａ１０（図４中、図示しない）を備えている。
図４には、本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ２のうちプラグ１の着火部及び燃焼室２の構成を表してあり、上記第１実施形態と同一部分には図中同符号を付して説明を省略する。
【００３９】
燃焼室２は、ノッキングの発生しやすい部分の内壁２０が、半導体２１（図中斜線ハッチング部分）で構成されている。半導体２１は、上記第１実施形態の半導体８２と同様の材質（本実施形態では、酸化銅（Ｃｕ₂ Ｏ））にて構成することができる。半導体２１も上記半導体８２と同様にして、燃焼室２の内壁２０表面に形成することができる。
【００４０】
ここで、燃焼室２の内壁２０は、シリンダブロック（図示せず）とネジ結合されたプラグ１の金具４を介して、接地電極８と電気的に接続されており、中心電極６を正側電極とすると、燃焼室２は接地電極８とともに負側電極として構成される。そして、燃焼室２の内壁２０は中心電極６と燃焼室２内の燃焼空間２２をギャップとして対向する形となる。従って、イオン電流検出装置Ｋ２においては、両電極６、８及び燃焼室２により一対の電極が構成される。
【００４１】
次に、本実施形態の作動について述べる。プラグ１の火花放電を生じさせる以前、あるいは火花放電終了後に、燃焼状態を検出するために中心電極６に＋電圧を印加する。燃焼室２内に燃焼が生じると燃焼イオンが発生する。正側電極である中心電極６に＋の電圧印加を行うと、負側電極である接地電極８との間及び燃焼室２の内壁２０との間に電界が加わる。
【００４２】
燃焼の＋イオンは前記電界によりプラグ１の接地電極８や燃焼室２の内壁２０方向へ移動していき、接地電極８表面や燃焼室２の内壁２０表面から発生する自由電子と結合することによりイオン電流が流れる。
このとき、本実施形態のように、燃焼室２の内壁２０の少なくとも一部を半導体２１で構成すると、自由電子の発生が増えるため、より多くの自由電子と燃焼イオン（＋イオン）の結合を生じさせることができる。特に、本実施形態では、ノッキングの発生しやすい部分の燃焼室２の内壁２０を半導体２１で構成しているから効果が大となる。
【００４３】
従って、本実施形態においては、中心電極６と燃焼室２の内壁２０との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。
なお、本実施形態において燃焼室２の内壁２０全域を半導体で構成してもよい。
【００４４】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図５に示す。上記第２実施形態では、燃焼室２の内壁２０の一部を半導体２１で構成したが、本実施形態では、燃焼室２の内壁２０の一部の代わりに、ピストン３の頂面３０の一部を半導体３１で構成している。
図５の例では、燃焼室２のエンド部で発生するノッキングの検出に効果を有するように、頂面３０の外周部分に半導体３１（図中斜線ハッチング部分）を形成しており、この半導体３１も上記各実施形態と同様の材質及ぶ形成方法とすることができる。
【００４５】
ピストン３は、燃焼室２及びプラグ１の金具４を介して、接地電極８と電気的に接続されており、中心電極６を正側電極とすると、ピストン３は燃焼室２及び接地電極８とともに負側電極として構成される。そして、ピストン３の頂面３０は中心電極６と燃焼室２内の燃焼空間２２をギャップとして対向する形となる。従って、本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ３においては、両電極６、８、燃焼室２及びピストン３により一対の電極が構成される。
【００４６】
本実施形態においては、ピストン３の半導体３１から発生する自由電子によって、中心電極６とピストン３との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。特に、燃焼室２のエンド部で発生するノッキングの検出において、優れた効果が発揮できる。なお、本実施形態においてピストン３全体を半導体で構成してもよい。
【００４７】
（第４実施形態）
図６に本発明の第４実施形態を示す。本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ４は、上記第２及び第３実施形態を組み合わせたもので、燃焼室２の内壁２０及びピストン３の頂面３０のそれぞれ一部を、半導体２１及び半導体３１（図中斜線ハッチング部分）で構成したものである。それによって、上記第２及び第３実施形態の両方の効果を実現できる。
【００４８】
なお、本実施形態において、さらに、接地電極８の一部を半導体で構成する、すなわち、上記第１ないし第３実施形態を組み合わせたものとすれば、最も大きな効果が発揮できる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図７に示す。本実施形態は、ディーゼルエンジンの始動時の着火性向上と燃焼状態の検出を兼用するグロープラグ１００に応用した例である。本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ５は、グロープラグ１００と制御部Ｂ１０とから構成されている。
【００４９】
１０１は棒状の中心電極であり、グロープラグ１００の中心に位置する。中心電極１０１の外周には筒状の絶縁体１０２、絶縁体１０２の外周には筒状の内側電極パイプ１０３、内側電極パイプ１０３の外周には筒状の絶縁体１０４、絶縁体１０４の外周には筒状の外側電極パイプ１０５が、順次設けられている。そして、中心電極１０１、内側電極パイプ１０３、外側電極パイプ１０５は、介在する各絶縁体１０２、１０４によって互いに絶縁されている。
【００５０】
上記各構成部分１０１〜１０５は、図７に示す様に、シリンダヘッド２００に脱着可能に固定されるハウジング１０６内に、このハウジング１０６と絶縁して保持される。
１０７は、燃焼室２０１内に露出するようにハウジング１０６に保持される加熱部１０８である。加熱部１０８は絶縁体内部に、直列に電気的に接続された電源側ヒータ端子１０９、リレー側ヒータ端子１１０及びセラミックヒータ１１１を埋設してなる。セラミックヒータ１１１は、一部が燃焼室２０１内に露出している。
【００５１】
加熱部１０８とハウジング１０６との間には、筒状金属製のスリーブ１１２が設けられており、このスリーブ１１２は、上記両ヒータ端子１０９、１１０及びセラミックヒータ１１１とは電気的に絶縁されている。本実施形態では、これらセラミックヒータ１１１とスリーブ１１２とによりイオンプローブ１１３が構成されている。そして、後述のように、セラミックヒータ１１１を正側電極、スリーブ１１２を負側電極として一対の電極を構成している。
【００５２】
また、スリーブ１１２は、ハウジング１０６（接地）から絶縁して装着してあり、その燃焼室２００に露出する表面の一部が金属酸化物（例えば酸化銅）よりなる半導体１１２ａで構成されている（図７中、スリーブ１１２の黒塗り部分で示す）。この半導体１１２ａは、上記各実施形態における半導体と同様の機能を有する。
【００５３】
ここで、ハウジング１０６内にて、電源側ヒータ端子１０９は中心電極１０１と電気的に接続され、リレー側ヒータ端子１１０は、絶縁パイプ１３０で被覆された導線１３１によって、外側電極パイプ１０５と電気的に接続されている。一方、スリーブ１１２は、絶縁パイプ１４０で被覆された導線１４１によって、内側電極パイプ１０３と電気的に接続されている。
【００５４】
また、制御部Ｂ１０は、グロープラグ１００に通電するためのグロー回路部Ｂ１及びグロープラグ１００からイオン電流を検出するための検出部Ｂ２から構成されている。グロー回路部Ｂ１は、中心電極１０１と電気的に接続された電源１５０、及び外側電極パイプ１０５と電気的に接続されたリレー１５１を有する。検出部Ｂ２は、内側電極パイプ１０３と電気的に接続された電流検出抵抗１５２、及び電流検出抵抗両端の電位差を検出するオペアンプ１５３を有する。
【００５５】
従って、グロー通電時の回路構成（グロー回路）は、接地→電源１５０→中心電極１０１→電源側ヒータ端子１０９→セラミックヒータ１１１→リレー側ヒータ端子１１０→導線１３１→外側電極パイプ１０５→リレー１５１で構成される。また、スリーブ１１２からは、スリーブ１１２→導線１４１→内側電極パイプ１０３→電流検出抵抗１５２→接地の回路が構成される。
【００５６】
ここで、リレー１５１は、上記グロー回路上でセラミックヒータ１１１に対して電源１５０と反対側に設けられているので、セラミックヒータ１１１にはグロープラグ１００のＯＮ、ＯＦＦ（リレー１５１の開閉）に関係なく電圧（＋電圧）が印加されている。ここで、スリーブ１１２は上記のように接地されているのでセラミックヒータ１１１が正側電極、スリーブ１１２が負側電極となる。
【００５７】
ここにおいて、イオンプローブ１１３に火炎が接触すると、火炎内の燃焼イオンのイオン電流によって、セラミックヒータ１１１とスリーブ１１２とが電気的に導通する。
それによって、電源１５０→中心電極１０１→電源側ヒータ端子１０９→セラミックヒータ１１１→スリーブ１１２→導線１４１→内側電極パイプ１０３→電流検出抵抗１５２→接地と電流が流れ、電流検出抵抗１５２の両側端子間に電位差が生じオペアンプ１５３からイオン電流が電圧信号として検出される。
【００５８】
このとき、スリーブ１１２の半導体１１２ａに発生する自由電子によって、イオンプローブ１１３に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図８に示す。本実施形態は、イオン電流検出用点火プラグ１の中心電極６と接地電極８との間において、イオン電流検出用電圧として、交流電圧を印加してイオン電流を検出する、いわゆる交流電圧印加イオン電流検出法を用いたものである。本実施形態では、交流電圧を印加するため中心電極６と接地電極８とを一対の電極として、これら両方が交互に負側電極となる。
【００５９】
本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ６は、プラグ１と制御部Ｃ１０とから構成される。制御部１０は、点火回路の二次側で火花放電前あるいは火花放電終了後に交流電圧を印加する交流電圧印加部Ｃ１と、イオン電流を検出するイオン電流検出部Ｃ２で構成される。
交流電圧印加部Ｃ１は、火花放電を行うための放電用電圧を中心電極６に印加するイグナイタ機能に加えて、上記交流電圧を印加するための正弦波発振機能を有する電圧発生部Ｃ１１及び中心電極６と電気的に接続されたイグニッションコイルＣ１２を有する。
【００６０】
イオン電流検出部Ｃ２は、抵抗Ｒ２とコンピュータ等を有するイオン電流信号処理回路Ｃ２１とを備えている。抵抗Ｒ２の電圧をイオン電流信号処理回路Ｃ２１で電流変換して検出するようになっており、燃焼時にプラグ１から流れてくるイオン電流を検出できるようになっている。
本実施形態のプラグ１は、上記図１に示すプラグ１構成に加えて、絶縁碍子５の外表面のうち放電ギャップ９近傍部位、すなわち一端部５ａに、中心電極４と電気的に接続され両電極４、６間に電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体５０（図８中、斜線ハッチング部分）を設けたものとしている。その他の部分は上記図１に示すプラグ１と同一構成である。
【００６１】
なお、中心電極４の露出する外表面の一部に半導体を設けてもよいが、本実施形態では、自由電子を発生させる半導体の面積を大きくとるために、絶縁碍子５の一端部５ａに設けている。半導体５０の材質及び形成方法は、上記各実施形態と同様とできる。本例では、半導体５０及び８２は酸化銅（Ｃｕ₂ Ｏ）で構成してある。
【００６２】
次に、本実施形態の作動について述べる。
プラグ１の火花放電を生じさせる以前、あるいは火花放電終了後に、燃焼状態を検出するために、交流電圧印加部Ｃ１によってプラグ１の中心電極６に＋と−の交流電圧を印加する。燃焼室内に燃焼が生じると燃焼イオンが発生する。
中心電極６に＋の電圧印加がなされると、接地電極８との間に電界が生じ、接地電極８の表面から自由電子が出てくる。この自由電子が燃焼により生じた＋イオンと結合することによりイオン電流が流れる。
【００６３】
このとき、本実施形態のように、接地電極８の少なくとも一部を半導体部８２で構成すると、半導体８２表面から自由電子の発生が促進されるため、燃焼イオンとの結合が促進され、イオン電流出力値を大きくすることができる。
中心電極６に−の電圧印加がなされると、中心電極６と半導体５０から自由電子がより放出されやすくなるため、燃焼イオンとの結合が促進される。
【００６４】
ところで、上記第１〜第５実施形態では、直流電圧によりイオン電流を検出している。この直流電圧印加イオン電流検出法では、燃焼イオンとの結合が完了するとイオン電流は流れなくなる。
本実施形態では、高周波の交流電圧を印加しているため、燃焼イオンが電極に吸収されてしまうことなく、正負の電極間（本実施形態では中心電極６と接地電極８との間）で、燃焼イオンが振動状態を保ってイオン電流が流れるため、直流電圧印加イオン電流検出法に比べ、検出期間を長くでき、出力も大きくできるという優れた効果を有する。
【００６５】
従って、本実施形態においては、中心電極６と接地電極８との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、かつ、交流電圧を印加することで検出精度を向上させることができる。
図９に、本実施形態のプラグ１の効果を示す。これは、上記図３と同様にして効果の確認試験を行ったものである。
【００６６】
図９において、「半導体あり（交流）」で示す波形が、本実施形態のイオン電流出力値であり、「半導体あり（直流）」で示す波形が、上記第１実施形態のイオン電流出力値であり、「なし」で示す波形が、通常の点火プラグのイオン電流出力値（比較例）である。通常の点火プラグに比べ、出力が２〜１０倍出力されるとともに、上記第１実施形態に比べて、検出期間を長くでき、出力も大きくなっている。
【００６７】
なお、本実施形態において、半導体５０及び８２のうち、一方のみ設けた構成とし、片側の極性のイオン電流値のみ大きくするようにしてもよい。
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態を図１０に示す。本実施形態のイオン電流検出装置Ｋ７は、上記第６実施形態に加えて、上記第４実施形態と同様に、燃焼室２、ピストン３の一部を、それぞれ半導体２１、３１（図中斜線ハッチング部分）で構成したものである。それによって、上記第６実施形態にくらべて、更に、優れた効果が得られる。
【００６８】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態においては、内燃機関の点火プラグ、グロープラグ、燃焼室およびピストンの表面の一部を半導体で構成したが、内燃機関に限定されるものではない。例えば、ボイラー、ガス釜等の一般的な燃焼器の燃焼状態を検出するイオン電流プローブにおいて、正負電極のうち負側電極の少なくとも一部を半導体で構成したイオン電流検出装置としても同様の効果が得られる。
【００６９】
また、上記各実施形態ではｐ形半導体を使用したが、ｎ形半導体を使用しても同様の効果が得られる。ｎ形の場合、半導体内の結晶格子よりなんらかの理由で離れた自由電子が存在し、電界の力で正極側に引き寄せられ半導体表面から放出、燃焼イオンと結合し、イオン電流が流れるものであり、自由電子が電荷のキャリアとなり電流の流れを促進する。このため半導体はｐ形、ｎ形のどちらであっても同様の効果を有する。
【００７０】
また、上記第１〜第４実施形態において、中心電極６をアースし、接地電極８にイオン電流検出用電圧（＋電圧）を印加する構成、すなわち、中心電極６を負側電極、接地電極８を正側電極とする構成としてもよい。この場合、中心電極の少なくとも一部を上記半導体で構成するか、又は、上記第６実施形態のように、絶縁碍子に半導体を形成するものとすればよい。
【００７１】
また、半導体は負側電極の外表面でなく、内部に形成しても自由電子の発生は促進できる。但し、上記各実施形態では、より燃焼イオン（＋イオン）との結合を促進するために、外表面に形成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るイオン電流検出装置の全体構成図である。
【図２】図１におけるプラグの着火部の拡大構成図である。
【図３】上記第１実施形態の効果を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図９】上記第６実施形態の効果を示すグラフである。
【図１０】本発明の第７実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【符号の説明】
１…イオン電流検出用点火プラグ、２…燃焼室、３…ピストン、
５…絶縁碍子、５ａ…絶縁碍子の一端部、６…中心電極、８…接地電極、
９…放電ギャップ、２１、３１、５０、８２、１１２ａ…半導体、
２２…燃焼空間、１１１…セラミックヒータ、１１２…スリーブ。

Claims (9)

1. ギャップ（９、２２）を隔てて対向する正側電極と負側電極とからなる一対の電極（２、３、６、８、１１１、１１２）を有し、前記一対の電極間に電圧を印加することによって、前記ギャップにて燃焼イオンにより発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置であって、
   前記一対の電極のうち負側電極（２、３、６、８、１１２）の少なくとも一部が、前記一対の電極間に電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（２１、３１、８２、１１２ａ）で構成されていることを特徴とするイオン電流検出装置。
2. 前記負側電極の外表面の一部に、前記半導体が構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出装置。
3. 前記負側電極の外表面のうち前記正側電極に対向した面の一部に、前記半導体が構成されていることを特徴とする請求項２に記載のイオン電流検出装置。
4. 内部で燃焼が行われる燃焼室（２）と、
   中心電極（６）及びこの中心電極と放電ギャップを隔てて対向する接地電極（８）とからなる着火部を有するとともに、この着火部が前記燃焼室内部に位置するように前記燃焼室に配設される点火プラグ（１）とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、
   前記燃焼室は前記接地電極と電気的に接続されており、
   前記中心電極が前記正側電極、前記燃焼室が前記負側電極として構成され、
   前記燃焼室の少なくとも一部が、前記半導体（２１）で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のイオン電流検出装置。
5. 内部で燃焼が行われる燃焼室（２）と、
   前記燃焼室内に配設されて、前記燃焼室内を往復することで前記燃焼を発生させるピストン（３）と、
   中心電極（６）及びこの中心電極と放電ギャップを隔てて対向する接地電極（８）とからなる着火部を有するとともに、この着火部が前記燃焼室内部に位置するように前記燃焼室に配設される点火プラグ（１）とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、
   前記ピストンは前記接地電極と電気的に接続されており、
   前記中心電極が前記正側電極、前記ピストンが前記負側電極として構成され、前記ピストンの少なくとも一部が、前記半導体（３１）で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のイオン電流検出装置。
6. 前記燃焼室は、前記接地電極と電気的に接続されて、前記負側電極として構成され、
   前記燃焼室の少なくとも一部が、前記半導体（２１）で構成されていることを特徴とする請求項５に記載のイオン電流検出装置。
7. 中心電極（６）と、この中心電極（６）と放電ギャップ（９）を隔てて対向する接地電極（８）とを備え、これら両電極間に電圧を印加することによって前記放電ギャップにて混合気に点火し、この点火により発生する燃焼イオンのイオン電流を検出するイオン電流検出用点火プラグ（１）であって、前記中心電極及び前記接地電極のうち負側電極の少なくとも一部が、前記両電極間に電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（８２）で構成されていることを特徴とするイオン電流検出用点火プラグ。
8. 中心電極（６）と、
   前記中心電極の先端部を露出するように前記中心電極を被覆する絶縁体（５）と、
   前記中心電極の先端部と放電ギャップ（９）を隔てて対向する前記接地電極（８）とを備え、
   前記両電極間に電圧を印加することによって前記放電ギャップにて混合気に点火し、この点火により発生する燃焼イオンのイオン電流を検出するイオン電流検出用点火プラグ（１）であって、
   前記両電極のうち前記中心電極が負側電極として構成され、
   前記絶縁体の外表面（５ａ）のうち前記放電ギャップ近傍部位には、前記中心電極と電気的に接続され前記両電極間に電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（５０）が設けられていることを特徴とするイオン電流検出用点火プラグ。
9. 内部で燃焼が行われる燃焼室（２）と、
   前記燃焼室内に配設されて、前記燃焼室内を往復することで前記燃焼を発生させるピストン（３）と、
   中心電極（６）と、この中心電極の先端部を露出するように前記中心電極を被覆する絶縁体（５）と、前記中心電極の先端部と放電ギャップ（９）を隔てて対向する接地電極（８）とを有し、前記両電極間に電圧を印加することによって前記放電ギャップにて混合気に点火し、この点火により発生する燃焼イオンのイオン電流を前記両電極間に交流電圧を印加することによって検出するイオン電流検出用点火プラグ（１）とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、
   前記燃焼室及び前記ピストンは、前記接地電極と電気的に接続されており、
   前記交流電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体（２１、３１、５０、８２）が、
   前記放電ギャップ近傍における前記中心電極の外表面及び前記絶縁体の外表面（５ａ）の少なくとも一部にて、前記中心電極と電気的に接続されて設けられるとともに、
   前記接地電極のうち前記中心電極に対向した部分、前記燃焼室及び前記ピストンのうち少なくとも一部に設けられていることを特徴とするイオン電流検出装置。

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