JP4291450B2

JP4291450B2 - 圧力センサ内蔵スパークプラグ

Info

Publication number: JP4291450B2
Application number: JP08019299A
Authority: JP
Inventors: 浩二岡崎; 正好松井; 満近藤; 隆博鈴木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2000277232A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する圧力センサを内蔵した圧力センサ内蔵スパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃焼状態やノッキングの検出、あるいは、燃料消費率の向上、排気ガスの清浄化などを行うために、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する圧力センサを内蔵したスパークプラグが知られている。
図５は、従来の圧力センサ内蔵スパークプラグを一部断面を含んで示す説明図である。圧力センサ内蔵スパークプラグ２００には、アルミナなどから形成された絶縁碍子２０が備えられている。絶縁碍子２０は、後端側に形成されたコルゲーション部２２と、先端側に形成された脚長部２４とを有する。絶縁碍子２０の内部には、中心軸１８に沿って軸孔２６が貫通形成されている。軸孔２６の内部後端側には、端子１３が収容されており、その端子１３の後端は、コルゲーション部２２の後端から突出している。軸孔２６の内部であって端子１３の先端側には、上記端子１３と電気的に接続された中心電極１２が収容されている。中心電極１２は、インコネルなどのニッケル合金によって棒状に形成されており、中心電極１２の先端は、脚長部２４の先端から突出している。
【０００３】
絶縁碍子２０の先端側は、筒状に形成された主体金具３０の内部に収容されており、主体金具３０の先端部の外周面には、エンジンヘッドに形成された雌ねじ部にねじ込むための雄ねじ部３１が形成されている。主体金具３０の先端には、接地電極１６が固着されており、接地電極１６の先端と中心電極１２の先端との間で火花放電が行われる。
雄ねじ部３１の後端側の外周面には、圧力センサが内蔵された金属製のセンサケース５０が形成されている。センサケース５０は、雄ねじ部３１の呼び径よりも大きい径で、つば状に張り出し形成されている。
【０００４】
センサケース５０の内部底面には、リング状の板パッキン５１が設けられており、その板パッキン５１の上にはリング状の圧電素子５３が重ねて設けられている。圧電素子５３の上にはリング状の電極板５４が重ねて設けられており、その電極板５４の上にはリング状の絶縁板５５が重ねて設けられている。電極板５４には、端子５４ａが突出形成されており、その端子５４ａと、リード線５６の導体部５６ａとが接続されている。
なお、絶縁板５５、電極板５４、端子５４ａ、圧電素子５３および板パッキン５１により、圧力センサが構成される。
【０００５】
そして、中心電極１２および接地電極１６間の火花放電により、燃焼室内の混合気に着火して混合気が燃焼し、燃焼室内に圧力が発生すると、その圧力は、ガスケット４０および絶縁板５１を介して圧電素子５３に伝達する。その伝達した圧力によって圧電素子５３に圧電効果による電圧が発生し、その電圧を有する信号は、電極板５４からリード線５６を通って、図示しないインピーダンス変換回路へ出力される。続いて、インピーダンス変換回路は、入力した信号のインピーダンスを変換し、その変換した信号を車両に設けられたＥＣＵへ出力する。そして、ＥＣＵは、取り込んだ信号に基づいてノッキングの判定や燃料消費率の演算などを実行し、その結果が所定の制御回路へ送出され、燃焼制御が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の圧力センサ内蔵スパークプラグ２００は、図４に示したように、センサケース５０からリード線５６が導出されているため、圧力センサ内蔵スパークプラグ２００を内燃機関のプラグ取付ホールに取り付ける際に、取付作業の邪魔になる。また、圧力センサ内蔵スパークプラグ２００の端子１３に高圧ケーブルを接続する他にリード線５６を引き回して所定の端子に接続しなければならないため手間がかかる。
つまり、従来の圧力センサ内蔵スパークプラグ２００は、リード線５６の処理に手間がかかるため、プラグ取付作業の効率が低くなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、プラグ取付作業の効率を高めることができる圧力センサ内蔵スパークプラグを実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
本発明は、上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項４に記載の発明では、
内燃機関の燃焼室の圧力を検出する圧力センサと、前記燃焼室において放電を行う放電部とを有するプラグ本体と、
前記圧力センサの出力を取り出すセンサ出力端子と、前記放電部に電圧を供給する電圧供給端子とが取付けられた接続部材と、
内燃機関に設けられたプラグ取付孔に収容可能な筒状部材とを有し、
その筒状部材の一端には、前記プラグ本体が放電部を前記一端から突出させた状態で収容固定されており、前記筒状部材の他端には、前記接続部材が取り付けられており、前記センサ出力端子および圧力センサと、前記電圧供給端子および放電部とは、それぞれ前記筒状部材の内側において電気的に接続されており、
前記筒状部材の内側には、前記圧力センサの出力のインピーダンスを変換するインピーダンス変換回路が備えられており、そのインピーダンス変換回路は、前記センサ出力端子と電気的に接続されており、
前記筒状部材の内側にイグニッションコイルが備えられおり、そのイグニッションコイルは、前記電圧供給端子および放電部に電気的に接続されており、
前記インピーダンス変換回路は前記イグニッションコイルよりも前記筒状部材の他端側に配置されていることを特徴とする圧力センサ内蔵スパークプラグという技術的手段を採用する。
【０００９】
つまり、筒状部材の他端に取り付けられた接続部材のセンサ出力端子と、筒状部材の一端に収容固定されたプラグ本体の圧力センサとは、筒状部材の内側において電気的に接続されているため、従来のように、プラグ本体をプラグ取付孔に取付ける場合にリード線が邪魔になることもない。また、リード線を引き回して端子に接続する作業を行う必要もない。
したがって、プラグ取付作業の効率を高めることができる圧力センサ内蔵スパークプラグを実現することができる。
また、接続部材には、放電部に電圧を供給する供給端子が取り付けられており、その電圧供給端子と、プラグ本体の放電部とは、筒状部材の内側において電気的に接続されているため、たとえば、後述する発明の実施の形態に記載するように、センサ出力端子および電圧供給端子の両端子に一度に接続できるプラグ付ケーブルを使用すれば、端子ごとに接続する場合よりも作業効率を高めることができる。
【００１１】
また、圧力センサの出力は、インピーダンスが高いため、従来のようにインピーダンスを変換しないでそのままリード線をプラグ取付孔から導出して端子に接続すると、その接続部分の防水性が問題となり、圧力検出の信頼性が損なわれるが、インピーダンス変換回路を筒状部材の内側に備えるように構成することにより、防水性の問題もなくなり、圧力検出の信頼性を高めることができる。
さらに、イグニッションコイルを筒状部材の内側に備えることにより、従来のようにイグニッションコイルを取り付けるための空間を削減することができるため、内燃機関が設けられた空間（たとえばエンジンルーム）の省スペース化を図ることができる。また、イグニッションコイルから放電部までの距離を短くすることができるため、供給電圧の損失を減少させることができるので、着火性を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力センサ内蔵スパークプラグにおいて、前記プラグ本体を前記プラグ取付孔に締付け固定するための工具をあてがう締付部が備えられているという技術的手段を採用する。
【００１３】
つまり、その締付部に工具をあてがってプラグ本体をプラグ取付孔に締付け固定できるため、プラグ取付作業が容易になる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の圧力センサ内蔵スパークプラグにおいて、前記締付部は、前記接続部材の外周面に形成されているという技術的手段を採用する。
【００１７】
つまり、接続部材は、筒状部材の他端に取り付けられており、プラグ取付孔の開口側に位置するため、その接続部材の外周面に締付部を形成することにより、工具による締付作業が容易になる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の圧力センサ内蔵スパークプラグにおいて、前記筒状部材は、磁性材料により形成されているという技術的手段を採用する。
【００１９】
つまり、センサ出力端子および圧力センサは、筒状部材の内側において電気的に接続されているため、筒状部材を磁性材料により形成することにより、圧力センサの出力にノイズが混入し、圧力の検出精度が低下する事態をなくすことができる。また、インピーダンス変換回路を筒状部材の内側に設ける構成の場合は、筒状部材を磁性材料で形成することにより、インピーダンス変換回路にノイズが混入し、圧力の検出精度が低下する事態をなくすこともできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧力センサ内蔵スパークプラグの一実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の圧力センサ内蔵スパークプラグを一部断面図を含んで示す説明図である。
なお、図５に示した従来の圧力センサ内蔵スパークプラグ２００と同じ構成部分については、同一の符号を用いるものとし、その部分の説明を簡略化する。
【００２１】
圧力センサ内蔵スパークプラグ１０には、円筒形状の外筒２４が備えられており、外筒２４の一端の内面には、円筒形状の内筒２３が固着されている。内筒２３には、プラグ本体１１が収容固定されており、外筒２４の他端には、コネクタ７０が取付けられている。プラグ本体１１は、中心電極１２および接地電極１６からなる放電部を外筒２４から突出させた状態になっており、センサケース５０の外周面と内筒２３の内周面とが固着されている。
本実施形態では、内筒２３および外筒２４は、ＳＵＳ４３０などの強磁性材料により形成されている。また、外筒２４は肉厚１ｍｍで外径２３ｍｍに形成されており、内筒２３は肉厚１．４ｍｍで外径２２ｍｍに形成されている。
さらに、内筒２３および外筒２４と、内筒２３およびセンサケース５０と、外筒２４およびコネクタ７０とは、それぞれレーザ溶接により固着されている。
【００２２】
外筒２４の内側には、円筒形状の１次ボビン６４が収容されており、その１次ボビン６４の外周面には、１次コイル６５が巻回されている。１次ボビン６４の内側には、スクリュー形状に形成された２次ボビン６２が収容されており、２次ボビン６２の外周面には、スクリュー６２ａ間に２次コイル６３が巻回されており、２次ボビン６２の内部には、棒形状の鉄心６１が収容されている。
２次ボビン６２の円柱形状の下端部６２ｂは、縦断面がＴ字形状を呈する電極部材２７に連結されている。２次コイル６３は、底部６２ｂの内部を通って電極部材２７に接続されている。
【００２３】
電極部材２７の下部に形成された棒状部材２７ａは、水平断面が長孔形状を呈するジョイント用ブロック２５の上部に挿通されており、ジョイント用ブロック２５の下部にはプラグ本体１１の端子１３が挿通されている。そして、端子１３および電極部材２７は、導線２６によって接続されている。また、ジョイント用ブロック２５の中央部には、窓部２５ａが水平方向に貫通形成されており、その窓部２５ａを介して導線２６の接続作業を行うことができるようになっている。本実施形態では、ジョイント用ブロック２５は、合成樹脂により形成されている。
【００２４】
２次ボビン６２の円柱形状の上端部６６の上面には、圧力センサの出力のインピーダンスを変換するインピーダンス変換回路（図３に６７ａで示す）が設けられた回路基板６７が取付けられている。この回路基板６７の入力端子は、テープ電線６０によって圧力センサと接続されている。ここに、テープ電線とは、銅線などの導電線にシート状の樹脂を接着し、銅箔を貼り合わせた構造のものである。また、回路基板６７の上部には、防水対策のためのシリコンゴム６８が充填されている。
図３に示すように、インピーダンス変換回路６７ａは、オペアンプＩＣ１と、オペアンプＩＣ１の−入力のバイアス電圧を決定する抵抗Ｒ２と、オペアンプＩＣ１の＋入力のスレッショルド電圧を決定する抵抗Ｒ３，Ｒ４と、負帰還回路を構成する抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１とから構成される。
本実施形態では、圧力センサの圧電素子から発生した電荷が１００ｐＣの場合のインピーダンス変換回路６７ａの出力電圧は、約５．５ｍＶである。
【００２５】
次に、コネクタ７０の構成について図２および図４を参照して説明する。
図２（Ａ）は、コネクタ７０の一部断面を含んで示す正面説明図であり、図２（Ｂ）は、コネクタ７０の平面説明図である。図４（Ａ）は、図２に示すコネクタに接続するプラグの平面およびピン接続端子の接続関係を示す説明図であり、図４（Ｂ）は、プラグの正面説明図である。
コネクタ７０には、円筒形状の台座７６が備えられており、その台座７６は、外筒２４の他端の内面に収容固定されている。台座７６の上面には、基板７９が固定されており、その基板７９には、ピン７１〜ピン７５の５本のピンが、それぞれ基板７９の板面方向に対して鉛直方向に挿通固定されている。基板７９の下面から突出したピン７３，７４，７５の基端には、それぞれリード線７３ａ，７４ａ，７５ａが接続されている。図示しないが、ピン７１，７２の基端にもそれぞれリード線が接続されている。
【００２６】
台座７６の上面には、外周面が六角ナットの周面形状に形成された締付部７７が形成されており、その締付部の内側には、各ピンを囲むようにして円筒形状の口金７８が固着されている。
本実施形態では、基板７９は、合成樹脂により形成されており、コネクタ７０の台座７７の外径φ１は、２２ｍｍである。
また、図４（Ａ）に示すように、プラグ９６は、コネクタ７０の口金７８の内面形状に対応した形状に形成されており、コネクタ７０のピン７１〜７５に対応する箇所には、細長い孔形状のピン接続端子９１〜９５が形成されている。ピン接続端子９１〜９５は、導電性部材により形成されており、ピン接続端子９３，９４，９５の基端には、それぞれリード線９３ａ，９４ａ，９５ａが接続されている。図示しないが、ピン接続端子９１，９２の基端にもそれぞれリード線が接続されており、各リード線は、ケーブル９７の内部に収容されている。
【００２７】
また、コネクタ７０の口金７８には、突起部７８ａが口金の内面から突出形成されており、プラグ９６には、突起部７８ａに対応する形状の凹部９６ａが形成されている。
つまり、プラグ９６の凹部９６ａ内に口金７８の突起部７８ａが収容されるように、プラグ９６をコネクタ７０に接続すれば、コネクタ７０の各ピン７１〜７５が、プラグ９６のピン接続端子９１〜９５にそれぞれ必然的に挿入接続されるように構成されている。
【００２８】
ピン接続端子９１は、車両に備えられたイグナイタ１０２に接続されており、ピン接続端子９２は、車両に備えられたバッテリ１００に接続されている。また、ピン接続端子９３はアース端子であり、ピン接続端子９４は、車両に備えられた圧力検出回路１０４に接続されており、ピン接続端子９５は、レギュレータ回路１０８に接続されている。
また、ピン７１，７２は、２次ボビン６２の上端部６６に貫通形成された貫通孔６６ａ，６６ｂを介してリード線により１次コイル６５の両端にそれぞれ接続されており、ピン７１は、ピン接続端子９１を介してイグナイタ１０２からのイグナイタ信号を１次コイル６５に供給し、ピン７２は、ピン接続端子９２を介してバッテリ１００の電圧を１次コイル６５に供給する。ピン７３は、アース端子であり、ピン７４は、回路基板６７に設けられたインピーダンス変換回路６７ａの出力に接続されており、インピーダンス変換回路６７ａの出力信号をピン接続端子９４へ出力する。
【００２９】
さらに、ピン７５は、ピン接続端子９５を介してレギュレータ回路１０８から供給される定電圧をインピーダンス変換回路６７ａに供給する。
本実施形態では、バッテリの電圧は＋１２Ｖであり、レギュレータ回路から供給される定電圧は、＋５Ｖである。
【００３０】
次に、上記構成の圧力センサ内蔵スパークプラグ１０の取付から圧力検出までを説明する。
まず、プラグ本体１１を下向きにして外筒２４をプラグ取付ホール内へ収容し、外筒２４を手回しすることにより雄ねじ部３１をプラグ取付ホール底部に形成された雌ねじ部にねじ込む。そして、手回しによりねじ込むことができなくなった際に、プラグレンチをコネクタ７０の締付部７７にあてがい、プラグレンチによって雄ねじ部３１を雌ねじ部に締付け固定する。
次に、プラグ９６をコネクタ７０の口金７８に沿って接続する。そして、イグニッションキーを回すと、バッテリ１００からプラグ９６のピン接続端子９２およびピン７２を介して１次コイル６５に電圧が供給され、２次コイルによって昇圧された高電圧が電極部材２７および導線２６を介してプラグ本体１１に供給され、中心電極１２および接地電極１６間で放電が行われる。
【００３１】
そして、その放電により燃焼室内の混合気に着火し、混合気の燃焼により、燃焼室内の圧力が上昇する。続いて、その圧力は、ガスケット４０および絶縁板５１を介して圧電素子５３に伝達し、圧電効果によって圧電素子５３に電圧が発生する。続いて、その電圧を有する信号は、電極板５４の端子５４ａからテープ電線６０を通って回路基板６７に設けられたインピーダンス変換回路６７ａに入力され、増幅される。その増幅された信号は、ピン７４およびピン接続端子９４を介して圧力検出回路１０４へ出力され、その圧力検出回路１０４からＥＣＵ１０６へ取り込まれる。そして、ＥＣＵ１０６は、取り込んだ信号に基づいてノッキングを検出し、あるいは、燃焼消費率を演算し、それらの結果に基づいて燃焼制御が行われる。
【００３２】
以上のように、本実施形態の圧力センサ内蔵スパークプラグ１０は、圧力センサと、その圧力センサの出力を外部へ取り出すためのコネクタ７０とが、外筒２４の内側において電気的に接続されているため、従来のように、プラグ締付け作業の際にリード線５６（図５）が邪魔になることがない。
しかも、コネクタ７０にプラグ９６を接続するだけの極めて簡単な作業のみで、圧力センサの出力の取出しと、プラグ本体１１への電圧供給とが同時に可能となり、従来のように、高圧ケーブルのプラグへの接続と、圧力センサのリード線５６の端子への接続とを別個に行う場合よりも作業効率を高めることができる。
【００３３】
また、出力インピーダンスの高いインピーダンス変換回路６７ａが設けられた回路基板６７が、外筒２４の内側に備えられているため、防水性の問題もなくなるので、圧力検出の信頼性を高めることができる。
特に、外筒２４および内筒２３は、強磁性材料により形成されているため、圧力センサの出力にノイズが混入し、圧力の検出精度が低下する事態をなくすことができる。
【００３４】
ところで、ピン７４が本発明の出力端子に対応し、ピン７２が電圧供給端子に対応する。また、コネクタ７０が接続部材に対応し、内筒２３および外筒２４が筒状部材に対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の圧力センサ内蔵スパークプラグを一部断面図を含んで示す説明図である。
【図２】図２（Ａ）は、コネクタ７０の一部断面を含んで示す正面説明図であり、図２（Ｂ）は、コネクタ７０の平面説明図である。
【図３】インピーダンス変換回路の構成を示す説明図である。
【図４】図４（Ａ）は、図２に示すコネクタに接続するプラグの平面およびピン接続端子の接続関係を示す説明図であり、図４（Ｂ）は、プラグの正面説明図である。
【図５】従来の圧力センサ内蔵スパークプラグを一部断面を含んで示す説明図である。
【符号の説明】
１０圧力センサ内蔵スパークプラグ
１１プラグ本体
２３内筒（筒状部材）
２４外筒（筒状部材）
２５ジョイント用ブロック
２６導線
５０センサケース
６０テープ電線
６１鉄心
６２２次ボビン
６３２次コイル
６４１次ボビン
６５１次コイル
６７回路基板
６８シリコンゴム
７０コネクタ（接続部材）
７２ピン（電圧供給端子）
７４ピン（出力端子）
７７締付部

Claims

内燃機関の燃焼室の圧力を検出する圧力センサと、前記燃焼室において放電を行う放電部とを有するプラグ本体と、
前記圧力センサの出力を取り出すセンサ出力端子と、前記放電部に電圧を供給する電圧供給端子とが取付けられた接続部材と、
内燃機関に設けられたプラグ取付孔に収容可能な筒状部材とを有し、
その筒状部材の一端には、前記プラグ本体が放電部を前記一端から突出させた状態で収容固定されており、前記筒状部材の他端には、前記接続部材が取り付けられており、前記センサ出力端子および圧力センサと、前記電圧供給端子および放電部とは、それぞれ前記筒状部材の内側において電気的に接続されており、
前記筒状部材の内側には、前記圧力センサの出力のインピーダンスを変換するインピーダンス変換回路が備えられており、そのインピーダンス変換回路は、前記センサ出力端子と電気的に接続されており、
前記筒状部材の内側にイグニッションコイルが備えられおり、そのイグニッションコイルは、前記電圧供給端子および放電部に電気的に接続されており、
前記インピーダンス変換回路は前記イグニッションコイルよりも前記筒状部材の他端側に配置されていることを特徴とする圧力センサ内蔵スパークプラグ。
前記プラグ本体を前記プラグ取付孔に締付け固定するための工具をあてがう締付部が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ内蔵スパークプラグ。
前記締付部は、前記接続部材の外周面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ内蔵スパークプラグ。
前記筒状部材は、磁性材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の圧力センサ内蔵スパークプラグ。