JP6607005B2 - グロープラグ一体型燃焼圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼圧を検出するためのグロープラグ一体型燃焼圧センサに関する。

内燃機関の燃焼室内における燃焼圧を測定するために用いられる燃焼圧センサとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１において、燃焼圧センサの圧電素子は、筐体の内部に配置されている。また、燃焼圧センサの伝送電線は、圧電素子と電気的に接続される導体部と、導体部の外周を覆う絶縁性の樹脂絶縁層と、樹脂絶縁層の外周を覆う導電性の樹脂導電層とによって形成されている。樹脂導電層が筐体に接続されることによって、樹脂導電層の電位が筐体のグラウンド電位と同じになる。そして、樹脂導電層によって導体部が周囲のノイズから遮断され、燃焼圧センサの耐ノイズ性能が高められる。

特開２０１３−１５６１１４号公報

しかしながら、圧電素子に生じる電荷は微小であり、圧電素子の出力信号は、外来ノイズの影響を受けやすい。特許文献１等の従来の燃焼圧センサにおいては、圧電素子に生じる電荷の電圧を増幅する増幅回路は、燃焼圧センサの外部に配置されている。そのため、圧電素子から増幅回路までの距離が長く、圧電素子の出力信号は、長い伝送電線によって増幅回路まで取り出されている。特許文献１においては、圧電素子の出力信号を外来ノイズから保護するために、伝送電線を、樹脂導電層を有する特殊な電線によって構成している。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、圧電素子の出力信号を、外来ノイズから保護することができるグロープラグ一体型燃焼圧センサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、エンジン（１１）の燃焼室（１２）に繋がるプラグ取付孔（１３）に取り付けられる金属製のケース（２）と、
該ケースの先端部の内側に保持され、上記燃焼室内の燃料混合気を加熱するグローヒータ（３）と、
上記ケースの内側に摺動可能に配置された荷重伝達部材（５）と、
該荷重伝達部材の基端側に対向する位置において上記ケースに固定された保持部材（６）と、
上記荷重伝達部材と上記保持部材との間に配置された回路基板（７）と、
該回路基板に配置され、上記ケースに生じる歪に応じて上記荷重伝達部材から伝達される圧力を測定して、上記燃焼室内の圧力を求める圧電素子（８）と、
上記回路基板に配置され、上記圧電素子に生じる電荷の電圧を増幅するための増幅回路部品（９）と、を有し、
上記回路基板の外周側、先端側及び基端側は、上記ケース、上記荷重伝達部材及び上記保持部材によって囲まれている、グロープラグ一体型燃焼圧センサ（１）にある。

上記グロープラグ一体型燃焼圧センサにおいては、圧電素子に生じる電荷の電圧を増幅するための増幅回路部品を、圧電素子と同様に回路基板に配置している。これにより、圧電素子から増幅回路部品までの距離が短くなり、圧電素子の微小な出力信号を増幅回路部品によって直ちに増幅することができる。そのため、グロープラグ一体型燃焼圧センサの耐ノイズ性能を向上させることができる。

また、回路基板の外周側、先端側及び基端側は、ケース、荷重伝達部材及び保持部材によって囲まれている。すなわち、ケース、荷重伝達部材及び保持部材が組み合わされた状態において、ケース、荷重伝達部材及び保持部材のいずれかの部分によって、回路基板の外周側、先端側及び基端側がそれぞれ覆われている。また、ケース、荷重伝達部材及び保持部材は、エンジンのグラウンド電位と同じ電位にある。これにより、特別な工夫を必要とせず、ケース、荷重伝達部材及び保持部材を利用して、圧電素子及び増幅回路部品を周囲の外来ノイズから保護することができる。

以上のごとく、上記グロープラグ一体型燃焼圧センサによれば、圧電素子の出力信号を、外来ノイズから保護することができる。

実施形態１における、グロープラグ一体型燃焼圧センサの断面図。 実施形態１における、グロープラグ一体型燃焼圧センサの回路基板及び圧電素子の周辺の拡大断面図。 実施形態１における、回路基板及び圧電素子の周辺の平面図。 図３における、IV−IV線断面矢指図。 図３における、V−V線断面矢指図。 実施形態１における、グロープラグ一体型燃焼圧センサの概略的な電気回路図。

（実施形態１）
グロープラグ一体型燃焼圧センサの実施形態につき、図１〜図６を用いて説明する。
本実施形態のグロープラグ一体型燃焼圧センサ１は、図１、図２に示すごとく、金属製のケース２、グローヒータ３、通電線４、荷重伝達部材５、保持部材６、回路基板７、圧電素子８及び増幅回路部品９を有する。以下、グロープラグ一体型燃焼圧センサ１のことを、単に燃焼圧センサ１という。

ケース２は、エンジンヘッド１１の燃焼室１２に繋がるプラグ取付孔１３に取り付けられている。グローヒータ３は、ケース２の先端部の内側に保持され、燃焼室１２内の燃料混合気を加熱する。通電線４は、グローヒータ３の基端部からケース２の基端部側へ延設されている。荷重伝達部材５は、図２に示すごとく、ケース２の内側に摺動可能に配置されており、中心部に形成された中空穴５１に通電線４を挿通させる中空形状を有している。保持部材６は、荷重伝達部材５の基端側に対向する位置においてケース２に固定されており、中心部に形成された中空穴６１に通電線４を挿通させる中空形状を有している。回路基板７は、荷重伝達部材５と保持部材６との間に配置されており、中心部に形成された中空穴７１に通電線４を挿通させる中空形状を有している。圧電素子８は、回路基板７に配置されており、ケース２に生じる歪に応じて荷重伝達部材５から伝達される圧力を測定して、燃焼室１２内の圧力を求めるために用いられる。増幅回路部品９は、回路基板７に配置されており、圧電素子８に生じる電荷の電圧を増幅するために用いられる。
圧電素子８及び増幅回路部品９が配置された回路基板７の外周側、内周側、先端側及び基端側の全ては、ケース２、荷重伝達部材５、保持部材６によって囲まれている。

以下、本形態の燃焼圧センサ１につき、さらに詳説する。
燃焼圧センサ１は、図１に示すごとく、エンジンヘッド１１の燃焼室１２内にグローヒータ３の先端部を突出させるようにして、プラグ取付孔１３に配置される。燃焼圧センサ１は、グローヒータ３に通電線４を介して通電を行って、燃焼室１２内における燃料混合気を予熱する機能と、圧電素子８等によって燃焼室１２内の燃焼圧を測定する機能とを有する。

燃焼圧センサ１は、ケース２の先端部をエンジンヘッド１１のプラグ取付孔１３に当接させ、ケース２の基端側に形成された雄螺子部２４を、エンジンヘッド１１のプラグ取付孔１３に形成された雌螺子部１３１に螺合させてプラグ取付孔１３に取り付けられる。燃焼圧センサ１において、エンジンヘッド１１の燃焼室１２側に位置する側を先端側といい、その反対側を基端側という。

ケース２は、プラグ取付孔１３に当接する第１ケース２１と、第１ケース２１の基端側に連結された第２ケース２２と、第２ケース２２の基端側に連結された第３ケース２３とを有している。
第１ケース２１は、円環形状に形成されており、グローヒータ３を内周に保持する。第１ケース２１は、円環形状の厚肉部２１１と、厚肉部２１１の先端側に設けられ、厚肉部２１１よりも外径が縮小した円環形状の薄肉部２１２とを有している。
第２ケース２２は、円環形状に形成されており、内周に通電線４の一部を挿通させている。
第３ケース２３は、円環形状に形成されており、内周に通電線４及び荷重伝達部材５を挿通させている。
また、プラグ取付孔１３の先端側部分１３２は、基端側部分１３３に比べて縮径しており、先端側部分１３２と基端側部分１３３との間には段部１３４が形成されている。この段部１３４に、第１ケース２１の厚肉部２１１が当接していることにより、燃焼室１２内の燃焼ガスが外部に漏出することを防止している。第１ケース２１、第２ケース２２及び第３ケース２３は、ステンレス鋼等の金属から構成されている。

グローヒータ３は、第１ケース２１の円周に配置されており、グローヒータ３の先端部は第１ケース２１の先端から突出している。グローヒータ３は、円形状の断面を有しており、グローヒータ３の基材は、セラミックから構成されている。グローヒータ３には、ヒータ素子３１が埋設されており、通電線４を介してヒータ素子３１に通電することにより、ヒータ素子３１が発熱してグローヒータ３による燃焼室１２内の燃料混合気の加熱を行う。

通電線４は、図２に示すごとく、ケース２の内側に配置されており、導電性の導体部４１と、導体部４１の外周を覆う絶縁性の絶縁被覆４２とからなる。通電線４の先端部は、図１に示すごとく、キャップ４３によってグローヒータ３のヒータ素子３１の陽極に接続されている。通電線４の基端部は、接続端子４４を介して、外部の電源等につながるリード線４５に接続されている。

荷重伝達部材５は、図１に示すごとく、ケース２の内側に配置された第１荷重伝達部材５２と、第１荷重伝達部材５２の基端側に接触し、回路基板７の内周側及び先端側に配置された第２荷重伝達部材５３とを有する。荷重伝達部材５を、荷重伝達部材５２と第２荷重伝達部材５３とに分割することにより、燃焼圧センサ１の組付を容易にすることができる。
第１荷重伝達部材５２は、円環形状を有しており、その先端は第２ケース２２の基端に当接している。第２荷重伝達部材５３は、図２に示すごとく、回路基板７の先端側に配置された先端側部分５３１と、回路基板７の内周面及び保持部材６の内周側に挿通された内周側部分５３２とを有している。
先端側部分５３１は、円環形状を有しており、その先端は第１荷重伝達部材５２の基端に当接している。内周側部分５３２は、円環形状を有しており、その先端は先端側部分５３１の基端に連結されている。内周側部分５３２は、先端側部分５３１よりも縮径して形成されている。先端側部分５３１の中心部に形成された中空穴と、内周側部分５３２の中心部に形成された中空穴とは、導通線４を挿通させるために連通している。

保持部材６は、図２に示すごとく、円環形状を有しており、回路基板７の基端側に配置されている。保持部材６の中心穴６１には、導通線４を内部に保持する第２荷重伝達部材５３の内周側部分５３２が挿通されている。保持部材６は、ケース２の第３ケース２３の内周に固定されている。荷重伝達部材５から圧電素子８に加わる圧力は、保持部材６によって受け止められる。

回路基板７は、円環形状のセラミック基板によって形成されている。回路基板７の中心穴７１には、第２荷重伝達部材５３の内周側部分５３２が挿通されており、回路基板７の先端側には、第２荷重伝達部材５３の先端側部分５３１が対向して配置されている。回路基板７の基端からは、内周側部分５３２が突出している。

回路基板７には、複数の圧電素子８と増幅回路部品９と回路配線７４とが設けられている。
圧電素子８は、図３に示すように、回路基板７の周方向に等間隔に並んで複数配置されている。複数の圧電素子８は、図４に示すように、回路基板７と、回路基板７に対向して配置された電極板８１との間に挟持されている。電極板８１は、複数の圧電素子８に荷重を分散して伝達するものである。圧電素子８は、ケース２に生じる歪に応じて荷重伝達部材５から伝達される圧力を受け、この圧力に比例した電荷量を発生させるものである。圧電素子８の基端側の面は、電極板８１、保持部材６及びケース２を介してエンジンヘッド１１に導通されている。圧電素子８は、水晶、ＰＺＴ、ニオブ酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン等の圧電材からなる。電極板８１は、ステンレス鋼等の金属からなり、円環形状を有する。

本形態の増幅回路部品９は、図３に示すように、圧電素子８に生じる電荷を蓄積して電圧信号を形成する電荷積分器としてのコンデンサ９１と、コンデンサ９１の電圧を増幅して制御用電圧に変換する増幅部としてのトランジスタ９２と、コンデンサ９１の電圧の飽和を防止するための抵抗９３とを有する。複数の圧電素子８、コンデンサ９１、トランジスタ９２及び抵抗９３は、回路配線７４によって配線されている。なお、増幅回路部品９は、オペアンプ等を用いたものとしてもよい。

トランジスタ９２の出力部には、図６に示すように、トランジスタ９２に流れる電流を一定にするための、ダイオード等によって構成された定電流素子９２１が接続されている。定電流素子９２１は、制御用電源とトランジスタ９２との間に接続されており、定電流プルアップを構成している。定電流素子９２１は、燃焼圧センサ１に繋がるコネクタ部９４に配置されている。これにより、圧電素子８の出力信号をより精度高く増幅することができる。なお、定電流素子９２１の代わりに複数の電子部品を用いた定電流回路を設けてもよい。

このコネクタ部９４には、トランジスタ９２の出力をさらに増幅する増幅回路９５、トランジスタ９２に生じるオフセット電圧をカットするＤＣカット回路９６等が配置されている。そして、コネクタ部９４には、圧電素子８の増幅出力信号の出力電圧端子９４１が設けられている。また、コネクタ部９４には、グローヒータ３のヒータ素子３１に通電を行うための通電端子９４２、制御用電源端子９４３、ＧＮＤ（グラウンド）端子９４４が設けられている。

トランジスタ９２の出力は、図２、図６に示すように、信号引出線７２によって、回路基板７から保持部材６の内部を通過して燃焼圧センサ１の基端側に引き出されている。コンデンサ９１、トランジスタ９２及び抵抗９３のＧＮＤは、ＧＮＤ引出線７３によって、回路基板７から保持部材６の内部を通過して燃焼圧センサ１の基端側に引き出されている。
信号引出線７２及びＧＮＤ引出線７３は、一対の接続端子７５を介して、コネクタ部９４に引き出される一対のリード線７６に接続されている。

回路基板７に配置された増幅回路部品９の高さは、図４に示すように、回路基板７に配置された圧電素子８の高さよりも低く、増幅回路部品９と電極板８１との間には隙間が形成されている。これにより、回路基板７と電極板８１との間に圧電素子８を挟持した際に、電極板８１への増幅回路部品９の接触を避けることができる。また、回路基板７への増幅回路部品９の配置を容易にすることができる。

次に、燃焼圧センサ１の圧力検出方法について説明する。
エンジンヘッド１１に生じる圧縮応力は、荷重として雌螺子部１３１と段部１３４とを介してエンジンヘッド１１に取り付けられたケース２に加わる。そして、ケース２にも圧縮応力が生じ、ケース２に生じた圧縮応力が荷重として荷重伝達部材５に加わり、荷重伝達部材５から圧電素子８に圧力が加わる。圧電素子８は、電極板８１及び保持部材６によって移動が阻止されており、ケース２に生じた圧縮応力が圧電素子８によって圧力として測定される。
また、燃焼室１２内の燃焼圧と圧電素子８の圧力の出力との関係は、実際に測定を行って形成したマップ等によって求められている。そして、圧電素子８の圧力の出力に応じて燃焼室１２内の燃焼圧を算出することができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
燃焼圧センサ１においては、圧電素子８に生じる電荷の電圧を増幅するための増幅回路部品９を、圧電素子８と同じ回路基板７に配置している。これにより、圧電素子８から増幅回路部品９までの距離が短くなり、圧電素子８の微小な出力信号を増幅回路部品９によって直ちに増幅することができる。そのため、燃焼圧センサ１の耐ノイズ性能を向上させることができる。

また、圧電素子８及び増幅回路部品９が配置された回路基板７の外周側は、ケース２によって覆われており、回路基板７の内周側は、荷重伝達部材５の第２荷重伝達部材５３における内周側部分５３２によって覆われている。また、回路基板７の先端側は、荷重伝達部材５の第２荷重伝達部材５３における先端側部分５３１によって覆われており、回路基板７の基端側は、保持部材６によって覆われている。そして、圧電素子８及び増幅回路部品９の全体は、エンジンヘッド１１のグラウンド電位と同じ電位にあるケース２、荷重伝達部材５及び保持部材６によって囲まれている。これにより、特別な工夫を必要とせず、ケース２、荷重伝達部材５及び保持部材６を利用して、圧電素子８及び増幅回路部品９を周囲のノイズから保護することができる。

また、特に、荷重伝達部材５の第２荷重伝達部材５３における内周側部分５３２によって回路基板７の内周側が覆われることにより、回路基板７の中心部に挿通された通電線４から圧電素子８及び増幅回路部品９を遮蔽することができる。これにより、グローヒータ３の通電時に通電線４に流れる電流に起因する電流ノイズから、圧電素子８の出力信号を保護することができる。
以上のごとく、燃焼圧センサ１によれば、圧電素子８の出力信号を、外来ノイズ及びグローヒータ３に通電を行う際に生じる電流ノイズから保護することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、通電線４は、荷重伝達部材５、保持部材６及び回路基板７の中心部における、中心部から偏心した部位に配置することもできる。この場合、回路基板７の外周側、先端側及び基端側をケース２、荷重伝達部材５及び保持部材６によって囲むことができる。

１ グロープラグ一体型燃焼圧センサ
２ ケース
３ グローヒータ
４ 通電線
５ 荷重伝達部材
６ 保持部材
７ 回路基板
８ 圧電素子
９ 増幅回路部品

Claims (7)

1. エンジン（１１）の燃焼室（１２）に繋がるプラグ取付孔（１３）に取り付けられる金属製のケース（２）と、
   該ケースの先端部の内側に保持され、上記燃焼室内の燃料混合気を加熱するグローヒータ（３）と、
   上記ケースの内側に摺動可能に配置された荷重伝達部材（５）と、
   該荷重伝達部材の基端側に対向する位置において上記ケースに固定された保持部材（６）と、
   上記荷重伝達部材と上記保持部材との間に配置された回路基板（７）と、
   該回路基板に配置され、上記ケースに生じる歪に応じて上記荷重伝達部材から伝達される圧力を測定して、上記燃焼室内の圧力を求める圧電素子（８）と、
   上記回路基板に配置され、上記圧電素子に生じる電荷の電圧を増幅するための増幅回路部品（９）と、を有し、
   上記回路基板の外周側、先端側及び基端側は、上記ケース、上記荷重伝達部材及び上記保持部材によって囲まれている、グロープラグ一体型燃焼圧センサ（１）。
2. 上記グローヒータは、その基端部から上記ケースの基端部側へ延設された通電線（４）を有しており、
   上記荷重伝達部材、上記保持部材及び上記回路基板は、それらの中心部に上記通電線を挿通させための中空穴を有しており、
   上記回路基板の外周側、内周側、先端側及び基端側の全ては、上記ケース、上記荷重伝達部材及び上記保持部材によって囲まれている、請求項１に記載のグロープラグ一体型燃焼圧センサ（１）。
3. 上記荷重伝達部材は、上記ケースの内部に先端側が接触して、該ケース内に配置された第１荷重伝達部材（５２）と、
   該第１荷重伝達部材の基端側に接触する第２荷重伝達部材（５３）と、を有しており、
   該第２荷重伝達部材は、上記回路基板の先端側に配置された先端側部分（５３１）と、上記回路基板の内周側及び上記保持部材の内周側に挿通された内周側部分（５３２）とを有しており、
   上記回路基板の内周側及び先端側は、上記第２荷重伝達部材によって囲まれている、請求項２に記載のグロープラグ一体型燃焼圧センサ。
4. 上記圧電素子は、上記回路基板の周方向に等間隔に並んで複数配置されており、
   該複数の圧電素子は、上記回路基板と、該回路基板に対向して配置された、上記複数の圧電素子に荷重を分散して伝達するための電極板（８１）との間に挟持されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のグロープラグ一体型燃焼圧センサ。
5. 上記回路基板に配置された上記増幅回路部品の高さは、上記回路基板に配置された上記圧電素子の高さよりも低く、上記増幅回路部品と上記電極板との間には隙間が形成されている、請求項４に記載のグロープラグ一体型燃焼圧センサ。
6. 上記増幅回路部品は、上記圧電素子に生じる電荷を蓄積して電圧を発生させるコンデンサ（９１）と、
   該コンデンサの電圧を増幅する増幅部（９２）と、を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のグロープラグ一体型燃焼圧センサ。
7. 上記増幅部には、該増幅部に流れる電流を一定にするための定電流素子（９２１）又は定電流回路が接続されている、請求項６に記載のグロープラグ一体型燃焼圧センサ。
   

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