JP5237237B2 - スパークプラグ - Google Patents

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検知機能が付いたスパークプラグに関する。

従来から、自動車用エンジン等の内燃機関では、圧力センサによって燃焼圧を検知できるようにすることが知られている。このような燃焼圧を検知するための機構としては、歪みゲージを燃焼室内に設けた構成とすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、かかる構成の場合、歪みゲージによる燃焼圧の検出結果が温度変化の影響を大きく受け易く燃焼圧の検出精度の向上が困難である上、耐熱性の高い歪みゲージが必要となる。

また、スパークプラグ等に、燃焼圧力に応じて変形する曲げ部材を設け、この曲げ部材に歪みゲージを配置して燃焼圧力を検知する構成とすることが知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、かかる構成の場合、通常のスパークプラグにはない曲げ部材を別途設ける必要があり、構造が複雑化し製造コストも増大する。

また、スパークプラグの絶縁碍子を保持する主体金具の工具係合部の上部に、歪みゲージを配置した構造のスパークプラグが知られている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、かかる構成の場合、主体金具の後端側端部近傍に歪みゲージが配置されるので、主体金具に対して絶縁碍子が振動する際の振動の影響を受け易い。また、主体金具と絶縁碍子の間で生じるコロナ放電発生の電磁ノイズの影響を受け易いため、燃焼圧の検出精度の向上が困難である。

ＷＯ２００４／０１５３８５ 特開２００５−２４５３７号公報 特開２００７−５３０７４号公報

上述したとおり、従来の技術では、燃焼圧力の検出精度の向上が困難であり、また、構造が複雑化して製造コストの増大を招くという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものである。本発明は、構造の複雑化による製造コストの増大を招くことなく燃焼圧力の検出精度の向上を図ることのできるスパークプラグを提供しようとするものである。

本発明に係るスパークプラグは、軸線方向に貫通孔を有する筒状の絶縁碍子と、前記貫通孔に挿通された中心電極と、前記絶縁碍子の外周に設けられ、前記絶縁碍子を保持する主体金具と、を具備したスパークプラグであって、前記主体金具は、内燃機関の取り付け孔に設けられた雌ねじに螺合するための雄ねじ部と、内燃機関の取り付け孔の底部と当接される座面を形成する座部と、内燃機関への取り付けの際に工具を係合させるための工具係合部と、前記座部と前記工具係合部との間に位置する薄肉円筒部とを具備し、前記薄肉円筒部の外側に歪みゲージが設けられていることを特徴とする。

本発明のスパークプラグでは、座部と工具係合部との間に位置する主体金具の薄肉円筒部の外側に歪みゲージが設けられている。この主体金具の薄肉円筒部は、剛性を必要とすることから肉厚に形成された座部と、同じく剛性を必要とすることから肉厚に形成された工具係合部との間に設けられており、絶縁碍子が燃焼圧を受けて軸方向後端側へ変位する際に、座部や工具係合部に比べて大きな歪みが発生する。これによって、燃焼圧を高感度で精度良く検出することができる。また、主体金具のかしめ部の端部と絶縁碍子との間でコロナ放電が生じた場合においても、工具係合部の部分で電磁的にシールドされるため、歪みゲージによる検出信号にコロナ放電によるノイズの影響が加わることを抑制することができる。さらに、絶縁碍子を直接保持するかしめ部に歪みゲージを設けた場合に比べて絶縁碍子の軸線方向と直交する方向の振動によるノイズの影響が加わることを抑制することができる。さらにまた、歪みゲージを燃焼室内に設けた場合に比べて温度変化の影響を受け難く、歪みゲージに要求される耐熱性も低くなる。さらに、主体金具の薄肉円筒部の外側に歪みゲージを設けているので、構成部品の増加等を招くことなく、構造の複雑化や製造コストの増大を招くこともない。

本発明のスパークプラグでは、歪みゲージが、薄肉円筒部の軸線方向中心に設けられた構成とすることが好ましい。これによって、薄肉円筒部のうち、燃焼圧が加わった際に歪みが最も多くなる部分に歪みゲージを位置させることができ、燃焼圧を高感度で精度良く検出することが可能となる。

本発明のスパークプラグでは、歪みゲージが、軸線に対して軸対称に複数設けられている構成とすることが好ましい。これによって、振動等によるノイズ成分を相殺して燃焼圧を高感度で精度良く検出することが可能となる。

本発明のスパークプラグでは、主体金具の座部又は工具係合部の少なくともいずれかに、ダミーゲージが設けられている構成とすることが好ましい。これによって、温度補償した状態で燃焼圧を高感度で精度良く検出することが可能となる。

本発明のスパークプラグでは、歪みゲージを薄肉円筒部に蒸着により形成することができ、また、歪みゲージを薄肉円筒部に貼着することによって配設することができる。いずれの場合でも、構成部品の増加等を招くことなく、構造の複雑化や製造コストの増大を招くことがない。

本発明のスパークプラグでは、主体金具の歪みゲージの配置部位を予め平面状となるように加工した構成とすることができる。このような構成とすれば、特に歪みゲージを薄肉円筒部に蒸着により形成する場合、良好に歪みゲージを形成することができる。

本発明によれば、構造の複雑化による製造コストの増大を招くことなく燃焼圧力の検出精度の向上を図ることのできるスパーク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スパークプラグの全体概略構成を示す図。 図１のスパークプラグの要部断面構成を拡大して示す図。 図１のスパークプラグの歪みゲージの構成例を示す図。 図１のスパークプラグのダミーゲージの構成例を示す図。 図１のスパークプラグの燃焼圧検出回路の構成例を示す図。 図１のスパークプラグ用のコネクタの要部構成を示す縦断面図。 図６のコネクタの要部構成を示す横断面図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るスパークプラグの全体概略構成を示す図であり、図１の左半部は縦断面構成を示してある。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、軸線Ｇ方向に貫通する貫通孔２を有する筒状の絶縁碍子１を具備している。また、貫通孔２内には、先端部が絶縁碍子１の端面から突出するように中心電極３が配置されている。

上記中心電極３は、Ｎｉ基合金等から柱状に構成されている。中心電極３の具体的な材料としては、インコネル６００（商品名）（Ｎｉ：７６質量％、Ｃｒ：１５．５質量％、Ｆｅ：８質量％（残部微量添加元素もしくは不純物）、インコネル６０１（商品名）（Ｎｉ：６０．５質量％、Ｃｒ：２３質量％、Ｆｅ：１４質量％（残部微量添加元素もしくは不純物））を例示できる。

中心電極３の先端には貴金属チップが配設される場合がある。この貴金属チップは、例えば、Ｉｒを主成分とし、また、Ｉｒの酸化揮発を抑制したり加工性を改善したりするための副成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＲｅから選ばれる１種又は２種以上を合計で３〜５０質量％含有するＩｒ合金等によって構成することができ、その外形は円柱状に形成される。

絶縁碍子１の外周には、低炭素鋼等の金属により構成された筒状の主体金具４が設けられており、絶縁碍子１の先端部が主体金具４の端面から突出し、かつ、絶縁碍子１の後端側が主体金具４の後端から導出された状態で絶縁碍子１が主体金具４に保持されている。これらの絶縁碍子１と主体金具４とは、主体金具４の後端を絶縁碍子１側かつ軸線Ｇ方向先端側にかしめ、かしめ部４５を形成することによって固定されている。

中心電極３は、絶縁碍子１の軸線Ｇ方向に形成された貫通孔２の先端側（図中下側）に配置されている。また、貫通孔２の後端側には端子金具６が配置されている。この端子金具６と中心電極３とは、抵抗体７及びこの抵抗体７の軸線Ｇ方向先端側に設けられた導電性ガラスシール８、後端側に設けられた導電性ガラスシール９等を介して電気的に接続されている。

主体金具４の先端部には、一端が当該主体金具４の端面に接合され、他端が中心電極３の先端を向くように略Ｌ字状に屈曲された接地電極２０が配置されている。この接地電極２０と中心電極３の先端との間が火花放電を発生させるためのスパークギャップ２１となっている。なお、この接地電極２０の中心電極３との対向部にも前記したと同様な貴金属チップが配設される場合がある。

主体金具４の先端側には、スパークプラグ１００を自動車用エンジンのプラグホール内に設けられた雌ねじに螺合させて取り付けるための雄ねじ部４０が形成されている。また、この雄ねじ部４０の後端側には、肉厚に構成され、雄ねじ部４０より大径とされた座部４１が形成されている。この座部４１はフランジ状に外側に向けて突出する形状とされており、座部４１の先端側の面がスパークプラグ１００を自動車用エンジンのプラグホール内の底面（座面）と当接させるための座面４２とされている。なお、プラグホール内の底面（座面）と座面４２との間に円環状のガスケット１２が配置される。

上記座部４１の後端側には、薄肉円筒部４３が形成されており、この薄肉円筒部４３の後端側に肉厚に構成された工具係合部４４が形成されている。この工具係合部４４は、外径が６角形状等とされ、スパークプラグ１００を自動車用エンジンのプラグホール内に取り付ける際に、６角レンチ等の工具を係合させるようになっている。そして、この工具係合部４４の後端側に、前述したかしめ部４５が形成されている。

かしめ部４５に対応して、絶縁碍子１には大径部１０が設けられている。そして、絶縁碍子１の大径部１０と、主体金具４のかしめ部４５との間には、環状部材１１，１２と、これらの環状部材１１，１２との間に充填されたタルク１３が設けられている。主体金具４の雄ねじ部４０が設けられた部位の内側には内側に向けて突出するように段差部４６が設けられており、この段差部４６に対応して絶縁碍子１には段差状に形成された係止部１４が設けられ、この係止部１４が段差部４６に係止されている。そして、かしめ部４５と段差部４６とによって、絶縁碍子１が主体金具４に保持されている。

本実施形態のスパークプラグ１００では、主体金具４の座部４１と工具係合部４４との間に形成された薄肉円筒部４３に、複数（本実施形態では２つ）の歪みゲージ２２が配設されている。これらの歪みゲージ２２は、図２に示すように、主体金具４の中心軸、つまり軸線Ｇの周りに略１８０度離れた位置となるように配置されている。また、歪みゲージ２２は、薄肉円筒部４３の軸線Ｇ方向の中心に位置するように配置されており、図１中歪みゲージ２２より上側の薄肉円筒部４３の長さと、下側の薄肉円筒部４３の長さが略同一となるように構成されている。これによって、薄肉円筒部４３のうち、燃焼圧が加わった際に歪みが最も多くなる部分に歪みゲージ２２が位置することになり、燃焼圧を高感度で精度良く検出することが可能となる。

上記の歪みゲージ２２は、例えば、主体金具４とは別に製造して主体金具４に貼着する方法、又は主体金具４に蒸着等によって直接形成する方法によって配設することができる。主体金具４に蒸着等によって直接歪みゲージ２２を形成する場合、例えば、まずプラズマＣＶＤ等によって酸化ケイ素膜を形成する。次に、同じくプラズマＣＶＤ等によってホウ素化ケイ素からなるシリコン膜を形成し、フォトエッチングでシリコン膜を所定のパターンにパターニングして歪みゲージとする。そして、この歪みゲージに金等の金属を蒸着して電極及び配線等を形成する。このように、歪みゲージ２２を主体金具４に蒸着等によって直接形成する場合、良好に歪みゲージを形成するためには、主体金具４の歪みゲージ２２の配置部位を、予め平面状となるように加工しておくことが好ましい。

また、上記歪みゲージ２２が配置された薄肉円筒部４３より肉厚とされている工具係合部４４（又は座部４１）の軸線Ｇ方向先端側の面には、図２に示すように、複数（本実施形態では２つ）のダミーゲージ２３が配設されている。これらのダミーゲージ２３は、上記した歪みゲージ２２と同様に主体金具４の中心軸、つまり軸線Ｇの周りに略１８０度離れた位置となるように、かつ、歪みゲージ２２に対して近接した位置となるように配置されている。

上記の歪みゲージ２２及びダミーゲージ２３の周囲は、樹脂２４によって封止されており、歪みゲージ２２及びダミーゲージ２３は、樹脂２４内に埋設された状態となっている。また、工具係合部４４には、後述するコネクタ２００を位置決めするための位置決め用のキー溝４６が設けられている。

図３は、歪みゲージ２２の構成例を示すものである。図３に示す例では、歪みゲージ２２は、２つの電極パッド２２１と、これらの電極パッド２２１の間に設けられた複数の抵抗体２２２及びこれらの抵抗体２２２及び電極パッド２２１を直列に接続する導体２２３から構成されている。抵抗体２２２は、スパークプラグ１００の軸線Ｇ方向に沿って形成されている。

図４は、ダミーゲージ２３の構成例を示すものである。図４に示す例では、ダミーゲージ２３は、２つの電極パッド２３１と、これらの電極パッド２３１の間に設けられた抵抗体２３２及びこれらの抵抗体２３２及び電極パッド２３１を直列に接続する導体２３３から構成されている。抵抗体２３２は、スパークプラグ１００の軸線Ｇ方向と直交する方向に沿って形成されている。

そして、図５に示すように、上記した歪みゲージ２２とダミーゲージ２３とによって形成されるホイートストンブリッジ２４０において、電源２４１から供給される電圧を電圧計２４２で測定することによって、薄肉円筒部４３に生じる軸線Ｇ方向の歪みから燃焼圧を測定するように構成されている。なお、ダミーゲージ２３は、歪みゲージ２２の抵抗値の変化を温度補償するためのものである。

図６、図７は、上記スパークプラグ１００の歪みゲージ２２及びダミーゲージ２３と外部の測定回路とを電気的に接続するためのコネクタ２００の構成を示すもので、図６は、要部構成を拡大して示す縦断面図、図７は横断面図である。図６，７に示すように、コネクタ２００は、円筒状に構成され、スパークプラグ１００の外側に被せるように配置される。コネクタ２００の内側部分は、金属製内筒２０１によって構成されている。この金属製内筒２０１は、軸線Ｇ方向後端側からスパークプラグ１００の工具係合部４４の先端側にまで至るよう形成されている。

上記金属製内筒２０１の外周部には、樹脂製外筒２０２が配設されている。樹脂製外筒２０２は、金属製内筒２０１より更に軸線Ｇ方向先端側に延在するように形成されており、薄肉円筒部４３に設けられた歪みゲージ２２（図６には図示せず。）の部分に至るように形成されている。

また、図６に示すように上記樹脂製外筒２０２内には、リード電極２０３が埋設されている。このリード電極２０３は、２つの歪みゲージ２２及び２つのダミーゲージ用に夫々２本ずつ合計８本埋設されている（図６には１本のみ図示してある。）。これらのリード電極２０３の先端部分には、夫々内側に向けて突出し弾性を有する接点２０４が形成されている。そして、これらの接点２０４が、歪みゲージ２２の電極パッド２２１、ダミーゲージ２３の電極パッド２３１と夫々電気的に接続されるようになっている。なお、図６は、歪みゲージ２２用の接点２０４が配置された部位の断面構成を示している。

図７に示すように、コネクタ２００の内側には、図２に示した位置決め用のキー溝４６に対応して、内側に向けて突出する位置決め用凸部２０５が設けられている。そして、このコネクタ２００の位置決め用凸部２０５がキー溝４６に挿入されるようにして所定方向に向けたコネクタ２００をスパークプラグ１００に被せることにより、各接点２０４と、電極パッド２２１及び電極パッド２３１が接触してこれらの間の電気的接続が得られるようになっている。このように構成されたコネクタ２００の場合、リード電極２０３と主体金具４との間に金属製内筒２０１が介在する構成となっているので、主体金具４側からリード電極２０３に電磁的なノイズが入り込むことを抑制することができる。

上記構成の本実施形態のスパークプラグ１００は、主体金具４に設けられた雄ねじ部４０を、自動車用エンジンのプラグホール内に設けられた雌ねじ部に螺合させることによって自動車用エンジンに取り付けられる。そして、スパークギャップ２１にスパークを発生させることによって、自動車用エンジンの燃焼室内に導入された燃料と空気の混合気を着火する。

そして、上記の着火により発生した燃焼室内の燃焼圧によって、絶縁碍子１が軸線Ｇ方向後端側に押圧される押圧力を受け、絶縁碍子１を保持する主体金具４に歪みが発生すると、この主体金具４の歪みを、歪みゲージ２２によって検出し、その歪みの大きさから燃焼圧を検知する。この時、本実施形態のスパークプラグ１００では、歪みゲージ２２が主体金具４のうち、比較的大きな歪みが発生する薄肉円筒部４３に設けられているので、燃焼圧を高感度で精度良く検出することができる。また、歪みゲージ２２を燃焼室内に設けた場合に比べて温度変化の影響を受け難く、歪みゲージに要求される耐熱性も低くなる。

また、主体金具４のかしめ部４５の端部と絶縁碍子１との間でコロナ放電が生じた場合においても、工具係合部４４の部分で電磁的にシールドされるため、歪みゲージ２２による検出信号にコロナ放電によるノイズの影響が加わることを抑制することができる。さらに、絶縁碍子１が主体金具に保持されているかしめ部４５と段差部４６との間に歪みゲージ２２が配置されているので、軸線Ｇ方向と直交する方向の振動によるノイズの影響が加わることを抑制することができる。さらにまた、歪みゲージ２２を主体金具４の薄肉円筒部４３に蒸着又は貼着によって配設することができるので、構成部品の増加等を招くことなく、構造の複雑化や製造コストの増大を招くことがない。

１……絶縁碍子、２……貫通孔、３……中心電極、４……主体金具、２０……接地電極、２１……スパークギャップ、２２……歪みゲージ、４０……雄ねじ部、４１……座部、４２……座面、４３……薄肉円筒部、４４……工具係合部、４５……かしめ部、１００……スパークプラグ。

Claims (7)

1. 軸線方向に貫通孔を有する筒状の絶縁碍子と、
   前記貫通孔に挿通された中心電極と、
   前記絶縁碍子の外周に設けられ、前記絶縁碍子を保持する主体金具と、
   を具備したスパークプラグであって、
   前記主体金具は、
   内燃機関の取り付け孔に設けられた雌ねじに螺合するための雄ねじ部と、
   内燃機関の取り付け孔の底部と当接される座面を形成する座部と、
   内燃機関への取り付けの際に工具を係合させるための工具係合部と、
   前記座部と前記工具係合部との間に位置する薄肉円筒部と
   を具備し、
   前記薄肉円筒部の外側に歪みゲージが設けられている
   ことを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記歪みゲージが、前記薄肉円筒部の前記軸線方向中心に設けられていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記歪みゲージが、軸線に対して軸対称に複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のスパークプラグ。
4. 前記主体金具の前記座部又は前記工具係合部の少なくともいずれかに、ダミーゲージが設けられていることを特徴とする請求項３記載のスパークプラグ。
5. 前記歪みゲージが、前記薄肉円筒部に蒸着により形成されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のスパークプラグ。
6. 前記歪みゲージが、前記薄肉円筒部に貼着により固定されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のスパークプラグ。
7. 前記主体金具の前記歪みゲージの配置部位が、予め平面状となるように加工されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載のスパークプラグ。

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