JP5295743B2 - 燃焼圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

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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、始動性改善やエミッション低減のため、ヒータ温度が高温化される傾向にある。このため、燃焼圧力センサ付きグロープラグの各部においては、より高い耐熱性が求められるようになりつつある。
特にヒータとしてセラミックヒータを用いる場合、セラミックヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続には、溶接が使用できないため、圧入やロー付け等の接合方法を採る必要があるが、これらの接合方法は、金属同士の溶接と比較し、接合部耐熱温度が低い(例えば、300〜400℃程度)という問題がある。
一方で、燃焼圧力センサをグロープラグに内蔵した燃焼圧力センサ付きグロープラグの場合には、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。
上記のように、燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、部材を薄肉化した連結部(可動部)を設けることによって、燃焼圧力センサへの伝達荷重を高めているが、このような部材の薄肉化は、放熱経路となる連結部(可動部)の断面積を減少させることになり、ヒータからハウジングへの放熱を妨げることになる。したがって、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度も高くなる傾向にあり、信頼性及び耐久性確保のため、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度の低減が重要な課題となっている。なお、ヒータからハウジングへの放熱を促進するため連結部(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、ヒータ温度の高温化に伴い、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度も高くなる傾向にあり、信頼性及び耐久性確保のため、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度の低減が重要な課題となっている。
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、高精度に燃焼圧力を検出することができるとともに、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度を低減することによって信頼性及び耐久性の向上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。
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であって、絶縁性基体中に埋設され自身の一部を前記基体の側周面に露出させた露出部を有する導電体を有するヒータと、前記導電体の露出部を覆うとともに、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、前記円筒部と前記連結部との接続部の軸方向先端よりも軸方向後端側に、前記露出部の軸方向後端が位置するよう構成されたことを特徴とする。
本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、導電体の露出部を覆うとともにヒータを保持する円筒部と、円筒部とハウジングとを連結し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の接続部の軸方向先端よりも軸方向後端側に、露出部の軸方向後端が位置するよう構成されている。すなわち、ヒータからハウジングへの放熱経路となる連結部との接続部の軸方向先端よりも軸方向後端側に、露出部(ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部を構成する)の軸方向後端が位置するよう構成されている。これによって、ヒータからハウジングへの放熱が行われ、比較的低い温度となったヒータの部分に露出部を設けることができ、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度を低減することができる。これによって信頼性及び耐久性の向上を図ることができる。
上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、円筒部と連結部との接続部の軸方向先端よりも後端側に、露出部全体が位置するよう構成することが好ましい。これによって、より温度の低い部位に露出部(ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部を構成する)を設けることができ、その温度を低減することができる。
また、上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、連結部の表面の少なくとも一部に、当該連結部の構成材料より熱伝導率の高い物質がコーティングされている構成とすることが好ましい。これによって、連結部によるヒータからハウジングへの放熱を促進することができ、露出部(ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部を構成する)の温度を低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、ハウジングの先端部に、周方向内側に向けて突出する突出部が設けられ、軸方向先端側から見た時に、突出部によって連結部の少なくとも一部が覆われている構成とすることができる。このような構成とすることによって、連結部に燃焼室から直接加わる熱の影響を低減することができ、その温度を低減することができる。これによって、露出部(ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部を構成する)の温度も低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、連結部の表面の少なくとも一部に、300℃以上の耐熱を有する材料の皮膜が形成された構成とすることができる。これによって、燃焼室の燃焼熱による影響を低減することができ、連結部の健全性を維持することができる。
上記構成の燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、絶縁性基体は、セラミックから構成することが好ましい。これによって、ヒータ温度をより高くすることが可能となり、かつ、上記のように露出部(ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部を構成する)の温度は低減することができる。
本発明の燃焼圧力センサ付きグロープラグによれば、高精度に燃焼圧力を検出することができるとともに、ヒータと電極取出し用の金属部品との電気的接続部の温度を低減することによって信頼性及び耐久性の向上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。
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、図2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(a)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1(b)は燃焼圧力センサ付きグロープラグ100の全体構成を示す断面図、図2は、図1(b)の要部を拡大して示す断面図である。また、図2の右側には、図2の左側部分の二点鎖線で囲った部分の構成を拡大して示してある。なお、図1、図2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。
図1(a)に示すように、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。
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。ハウジング1内の後端側には、IC(ASIC)61を搭載した基板62が配置されている。この基板62は、後述する圧力検出素子46の圧力検出信号を処理するため信号処理回路を構成するものである。
ヒータ20は、図2に示すように、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。図1(a)に示すヒータ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に示すように、ヒータ支持部材10は、その後端部に、外側に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の内周部分は肉薄(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)と連結部11との接続部13となる(図2の右側拡大図中円で囲った部分である。)。ハウジング1の先端部を構成するキャップ部材2の先端部には、周方向内側に向けて突出する突出部8が設けられており、軸方向先端側から見た時に、突出部8によって連結部11の少なくとも一部が覆われた構成となっている。これによって連結部11に燃焼室から直接加わる熱の影響を低減することができ、その温度を低減することができるようになっている。
ヒータ支持部材10の連結部11より後端側には、円筒状に後端側に向けて延在し圧力検出素子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、円板状に形成された絶縁板42が、その後端側に設けられた筒状体45によって固定されている。図3に示すように、絶縁板42には、当該絶縁板42を貫通してグロー電極43、及び複数(例えば3つ)の素子電極44が設けられている。
上記絶縁板42の先端側の面に圧力検出素子46が配置されている。この圧力検出素子46は、例えばガラス等の下側絶縁板47を介して絶縁板42の先端側の面に固定されている。また、圧力検出素子46の先端側の面には、例えばガラス等の上側絶縁板48が設けられている。各素子電極44と圧力検出素子46とは、ポンディングワイヤ49によって接続されている。
図2に示すように、圧力検出素子46は、ベアリング鋼等からなり先端側が半球状に形成された半球部材50、及びセラミック等の絶縁材料からなり後端側が半球部材50の形状に合わせて凹陥された形状の絶縁部材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。
すなわち、図4(a)に示すように、ヒータ支持部材10及び円筒状部材40を固着したヒータ20をハウジング1に固着した状態から、まず、ヒータ20の後端側に、絶縁部材51及び半球部材50を配置する(b)。次に、圧力検出素子46等を搭載した図3に示した絶縁板42を半球部材50の後端側に配置する(c)。この後、絶縁板42の後端側に筒状体45を配置し、初期荷重を加えた状態で、後端側の筒状体45を円筒状部材40に全周溶接する(d)。このような工程によって、圧力検出素子46が、ヒータ20の軸方向変位によって燃焼圧力を検知可能な状態に固定されている。なお、グロー電極43は、予め円筒状部材40側に固着されており、このグロー電極43が絶縁板42に設けられた貫通孔内に位置するよう組み立てられる。
本実施形態では、図2に示したように、ヒータ支持部材(円筒部)10の後端部に設けられ、外側に鍔状に突出するフランジからなる連結部11によって、ヒータ支持部材10とハウジング1とが連結されている。そして、ヒータ支持部材10と連結部11との接続部13の軸方向先端110よりも軸方向後端に、ヒータ20の側周面に露出した露出部(陰極側)23の軸方向後端230が位置するように構成されている。これによって、露出部(陰極側)23の温度の低減を図ることができる。
すなわち、ヒータ20の先端側の発熱部において発生した熱は、ヒータ20から連結部11を通ってハウジング1に伝わり、ハウジング1から冷却されたエンジンに逃げるようになっている。このため、ヒータ20の温度は、接続部13の軸方向先端110よりも軸方向先端側が高く、後端側が低くなっている。したがって、接続部13の軸方向先端110よりも軸方向後端側に、露出部(陰極側)23の軸方向後端230が位置するように構成することで、露出部(陰極側)23の温度を低下させることができる。
また、露出部(陽極側)24は、軸方向後端を含めてその全体が、接続部13の軸方向先端110よりも軸方向後端に配置されている。したがって、露出部(陽極側)24については、露出部(陰極側)23よりさらにその温度を低減することができる。なお、露出部(陰極側)23についても、軸方向後端230を含めてその全体が、接続部13の軸方向先端110よりも軸方向後端に配置された構成とすれば、さらに露出部(陰極側)23の温度を低下させることができる。
露出部(陰極側)23等の部位の温度を低減するためには、連結部11の表面の少なくとも一部に、当該連結部11の構成材料より熱伝導率の高い物質(例えば、金、銅など)がコーティングされている構成することが好ましい。これによって、連結部11によるヒータ20からハウジング1への放熱を促進することができ、露出部(陰極側)23等の温度をさらに低減することができる。また、連結部11の耐熱性を高める観点からは、300℃以上の耐熱を有する材料の皮膜が形成されている構成とすることが好ましい。このような皮膜としては、グラファイト、フッ素樹脂等の弾性材料のコーティング膜、セラミック材料や各種金属材料の溶射膜、溶射膜の表面にコーティング膜を形成した複合膜を使用することができる。
上記のように、連結部11にコーティングを行う場合、連結部11内周部分の肉薄とされた可動部12については、弾性的に変形することにより、燃焼圧力の伝達を行うヒータ20の軸方向の変位を許容する構造となっているので、上記のコーティングを行うことによって、変形し難くなることを防止する必要がある。このため、コーティング材料としては、連結部11を構成する基材よりも柔らかい物質を使用することが好ましい。
前述したとおり、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、本実施形態では圧入によって接合されている。一方、上記ヒータ支持部材10は、電極取出し用の金属部品としての作用を有し、露出部(陰極側)23とヒータ支持部材10とが密接することによってヒータ20と電極取出し用の金属部品としてのヒータ支持部材10との電気的接続部が構成されている。このため、露出部(陰極側)23の部分が高温(例えば350℃以上)となると、ヒータ20とヒータ支持部材10との熱膨張率の差によって、圧入が緩んで電気的接続状態が不良になったり、露出部(陰極側)23の表面が酸化する等の問題が生じる。
これに対して、本実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ100では、露出部(陰極側)23及び露出部(陽極側)24の部分の温度が高温となることを抑制することができ、例えば、露出部(陰極側)23の部分の温度を280℃程度に低温化することができるので、上記のような問題が生じることを防止することができる。これによって、信頼性及び耐久性の向上を図ることができる。
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、例えば、図5、図6に示すように、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。
図5に示す例では、均一な板厚のヒータ支持部材(円筒部)510の外側に、連結部511を接合した場合を示している。この場合、ヒータ支持部材(円筒部)510に接合されている連結部511の軸方向先端部が、ヒータ支持部材(円筒部)510と連結部511との接続部513の軸方向先端512となる。
図6に示す例では、接合部に厚肉部614が設けられたヒータ支持部材(円筒部)610の厚肉部614に、連結部611を接合した場合を示している。この場合、厚肉部614が接続部613を構成する要素に含まれるため、厚肉部614の軸方向先端が、ヒータ支持部材(円筒部)610と連結部611との接続部613の軸方向先端612となる。
また、連結部11は、ヒータ支持部材10とハウジング1とを直接連結するものに限らず、ヒータ支持部材10とハウジング1とを他部材を介して連結する構成であってもよい。例えば、図7に示すよう、連結部11が円筒状部材40を介してハウジング1に連結された構成等とすることができる。
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62に設けられた信号処理回路、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(a)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、絶縁部材51及び半球部材50を介して押圧される。圧力検出素子46が配置された絶縁板42は、軸方向後端側を、円筒状部材40に全周溶接された筒状体45によって保持されており、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によって基板62に設けられた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。
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。
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の全体及び断面構成を示す図。 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示す図。 図1の燃焼圧力センサ付きグロープラグの要部構成を示す斜視図。 図1の燃焼圧力センサ付きグロープラグの製造工程を示す図。 変形例に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグの要部断面構成を拡大して模式的に示す図。 変形例に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグの要部断面構成を拡大して模式的に示す図。 変形例に係る燃焼圧力センサ付きグロープラグの要部断面構成を拡大して模式的に示す図。
符号の説明
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、11……連結部、12……可動部、13……接続部、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、42……絶縁板、45……筒状体、46……圧力検出素子、100……燃焼圧力センサ付きグロープラグ、110……接続部の軸方向先端,230……露出部の軸方向後端。

Claims (6)

  1. 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であって、絶縁性基体中に埋設され自身の一部を前記基体の側周面に露出させた露出部を有する導電体を有するヒータと、
    前記導電体の露出部を覆うとともに、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、
    前記円筒部と前記連結部との接続部の軸方向先端よりも軸方向後端側に、前記露出部の軸方向後端が位置するよう構成されたことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
  2. 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、
    前記円筒部と前記連結部との接続部の軸方向先端よりも後端側に、前記露出部全体が位置するよう構成されたことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
  3. 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、
    前記連結部の表面の少なくとも一部に、当該連結部の構成材料より熱伝導率の高い物質がコーティング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。
  4. 請求項1〜3いずれか1項記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
    前記ハウジングの先端部に、周方向内側に向けて突出する突出部が設けられ、軸方向先端側から見た時に、前記突出部によって前記連結部の少なくとも一部が覆わ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。
  5. 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、
    前記連結部の表面の少なくとも一部に、300℃以上の耐熱を有する材料の皮膜が形成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。
  6. 請求項1〜5いずれか1項記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
    前記絶縁性基体が、セラミックであることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
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