KR20070017279A - 압력 센서, 압력 센서의 제조 방법 및 내연 기관의 실린더내 압력 검출 구조 - Google Patents

압력 센서, 압력 센서의 제조 방법 및 내연 기관의 실린더내 압력 검출 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명의 압력 센서(A)는, 박막형 질화 알루미늄의 압전 소자(B)를, 절연재로서 이루어지는 기재(基材)(C) 상에 부착하고, 상기 압전 소자(B)가 검출한 신호를 전달하는 출력용 전극(D, E) 및 출력용 리드 선(F, G)을 기재(C) 측에 설치하고 있다. 이 압력 센서(A)를, 내연 기관의 실린더 헤드(e)에 직접 부착, 또는 예열 플러그(K)의 선단(先端)에 고정된 히터(L)의 외면에 부착함으로써, 연소실(h) 내에 면하는 위치에 배치하고 있다. 엔진 운전 시의 연소 압력이나 진동을 고감도로 검출할 수 있다.

Description

압력 센서, 압력 센서의 제조 방법 및 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조{PRESSURE SENSOR, METHOD OF PRODUCING THE SENSOR, AND IN-CYLINDER PRESSURE DETECTION STRUCTURE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 예를 들면, 가솔린 엔진이나 디젤 엔진 등의 내연 기관의 실린더 내에 설치되어서, 엔진 운전 시(時)에 있어서의 실린더 내의 연소 압력이나 진동을 검출하는 압력 센서에 관한 것이다. 또한, 상기 압력 센서의 제조 방법, 및 상기 압력 센서를 이용한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조에 관한 것이다.
내연 기관에 있어서는, 배기 가스의 정화(淨化)와, 연비(燃費) 및 엔진 성능 향상의 양립(兩立)에의 대처가 요구되고 있으며, 여러가지 동력 전달 계열(power train) 제어가 실행되고 있다. 이러한 중에, 실린더 내의 연소 압력 변화를 정확하게 검출하고, 또한, 인젝터(injector)의 분사(噴射) 상태를 정확하게 검출하는 것이 가능하다면, 최적의 점화 시기 제어 및, 더욱 정밀한 연료 분사 제어나, 분사 이상(異常)에 대한 신속한 대응을 실행하는 것이 가능하게 되어, 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기와 같은 목적을 위하여, 내연 기관의 연소 시의 이상을 검출하는 고온용 의 센서가 이미 공지되어 있다(일본국 특개평10-122948호 공보). 이 제1의 공보에 기재된 센서는, 세라믹스의 소결체(燒結體)로서 이루어지는 기판 상에, 압전성(壓電性) 세라믹스 박막(薄膜)을 형성하고, 또한, 1쌍의 전극을 이 압전성 세라믹스 박막의 한쪽에 설치한 구성을 가지고 있다.
또한, 상기와 같은 압력 센서를, 내연 기관의 실린더 내에 설치하기 위해서, 예열 플러그(glow plug)나 스파크 플러그(spark plug) 혹은 인젝터에 압력 센서를 짜 넣은 구성의 것이 이미 제안되어 있다(일본국 특개평7-45353호 공보, 일본국 실개평4-57056호 공보, 일본국 특개2001-108556호 공보 등).
상기 제2의 공보(일본국 특개평7-45353호)에 개시된 스파크 플러그는, 실린더 헤드(cylinder head)에 고정되는 하우징(housing)과 이 하우징 내에 유지된 절연 애자(碍子)와의 사이에 형성된 공간부 내에, 압력-전기 신호 변환 수단 및 출력 취출 수단으로서 이루어지는 압력 센서를 배치하고 있다. 이 압력 센서는, 상기 하우징의 실린더 헤드에의 부착 나사부보다도 외부 측, 즉 실린더의 외부에 배치되어 있다.
이 공보에 기재된 스파크 플러그의 구성에서는, 실린더 내에서 발생한 연소 압력은, 절연 애자를 통해서, 상기 실린더 헤드의 부착 나사부보다도 외부 측에 배치되어 있는 압력 센서에 전달되게 되어 있다.
또한, 상기 제3의 공보(일본국 실개평4-57056호)에 개시된 착화(着火) 센서 부착 예열 플러그는, 통(筒) 형상의 하우징의 내부에, 발열체(發熱體)를 수납한 시스(sheath)를 끼워 맞추어서 그 후단(後端)을 하우징의 내부에 위치시키고, 시스의 내부에, 하우징의 후단 측으로부터 중앙 전극을 삽입하고, 이것들 중앙 전극과 하우징을, 양자(兩者)간에 끼워 맞춘 부시(bush)로써 절연한 구성을 가지고 있다. 그리고, 상기 시스를 하우징에 대하여 미소량(微小量) 슬라이드(slide) 가능하게 짜 넣고, 이 시스의 후단과 상기 절연 부시 전단(前端)과의 사이에 압전 소자를 장치하는 동시에, 이 압전 소자와 절연 부시와의 사이에, 압전 소자를 시스 측에 압압(押壓)하는 탄성 부재를 장치하고 있다.
상기 구성의 착화 센서 부착 예열 플러그는, 연소 가스에 착화하면, 연소실 내의 압력이 상승하고, 연소실 내에 선단(先端)이 돌출되어 있는 예열 플러그의 시스가, 그 압력으로써 후방으로 밀려, 그 힘이 시스의 후단에 위치하는 압전 소자에 가해진다. 그리고, 압전 소자에 가해진 압력의 크기에 상응한 출력을 발생하고, 이 출력에 의해 연소실 내의 착화 시기를 검출하게 되어 있다.
또한, 제4의 공보(일본국 특개2001-108556호)에 개시된 내연 기관용 압력 센서는, 압전 센서가 인젝터(연료 분사 장치)에 일체적으로 고정된 구성으로 되어 있다. 이 인젝터는, 외주면(外周面)에 형성된 고정 나사부를, 실린더 헤드의 나사부에 나사로 장착함으로써 고정되어 있으며, 이 인젝터가 실린더 헤드에 고정된 상태에 있어서, 인젝터의 하단부(下端部)(분사구 측)가 연소실 내에 면하고, 압전 센서는 실린더 헤드의 외면 측에 압접(壓接)되어 있다.
이 제4의 공보에 기재된 압력 센서는, 엔진의 연소실 내의 압력과, 인젝터의 연료 분사에 수반하는 진동을 검출해서 압력 신호를 출력하는 구성으로 되어 있다.
상기 제1의 공보(일본국 특개평10-122948호)에 기재되어 있는 압력 센서는, 세라믹스 기판 상에 형성된 압전 소자(압전성 세라믹스 박막)의 표면, 즉 상기 기판과 반대 측의 면에 전기 신호를 꺼내기 위한 전극이 설치되어 있다. 따라서, 이 압력 센서를, 예를 들면, 내연 기관의 연소실 내에 설치하면, 상기 전극이나 도시하지 않는 출력용 리드 선 등의 신호 전달 수단이, 연소실 내의 고온 환경에 직접 노출되므로, 내구성에 문제가 발생한다. 또한, 장시간의 사용에 의해 카본(carbon)이 부착되면, 양쪽 전극이 도통해 버릴 우려가 있다.
또한, 상기 제2의 공보(일본국 특개평7-45353호)에 기재된 압력 센서 내장 플러그는, 실린더 헤드의 고정 나사부보다도 외부 측에 압력 센서가 부착되어 있으므로, 압력-전기적 신호 변환 수단에 전해지는 힘은 감쇠되기 때문에, 연소 압력의 변화를 정확하게 포착하는 것은 어렵고, 특히 착화 개시 시기를 정확하게 포착하는 것은 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
또한, 제3의 공보(일본국 실개평4-57056호)에 기재된 착화 센서 부착 예열 플러그는, 시스를 하우징에 대하여 가동(可動)으로 함으로써, 힘의 전파를 효과적으로 하는 연구를 하고 있지만, 시스와 하우징 사이의 마찰열을 받기 때문에, 압력의 검출 정밀도가 우수하다고는 말할 수 없다. 또한, 하우징 내부가 고압화되는 경향이 있어, 시스 내의 기밀(氣密)의 누설(漏泄), 히터의 단선(斷線) 등 내구면에서 문제가 발생할 우려가 있다.
또한, 제4의 공보(일본국 특개2001-108556호)에 기재된 내연 기관용 압력 센서도, 상기 제1의 공보에 기재된 압력 센서 내장 플러그와 마찬가지로, 센서가 실린더 헤드의 외부에 설치되어 있기 때문에, 연소 압력의 변화를 정확하게 포착하는 것은 곤란하다. 또한, 연료 분사 시의 진동을 포착할 경우에도, 분사구(噴射口)로부터의 거리가 멀기 때문에, 이상(異常)을 검지하는 센서로서의 정밀도가 충분하다고는 말할 수 없다.
게다가, 상기 제2 내지 제4의 공보에 기재된 압력 센서 내장 플러그, 착화 센서 부착 예열 플러그 혹은 내연 기관용 압력 센서에 설치되어 있는 센서(압전 소자)는, 모두 설치의 자유도가 낮고, 연소 압력이나 연료 분사 압력의 고정밀도의 검지를 실행하는 것이 가능한 부위에 부착하는 것이 곤란했다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 내연 기관의 연소실 내부와 같은 고온의 엄격한 환경에서의 사용에 적합한 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한, 내연 기관의 연소 압력이나 진동, 혹은 연료 분사 노즐의 분사 상태 등을 정확하게 검출할 수 있고, 더욱 최적인 점화 시기 제어나 정밀한 연료 분사 제어를 실행할 수 있는 압력 센서를 구비한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한, 압전 소자를 박막형으로 함으로써 자유롭게 설치하는 것을 가능하게 해서, 고정밀도의 측정을 실행할 수 있도록 하는 압력 센서, 및 이 압력 센서를 이용한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
청구항 1에 기재한 발명에 관련된 압력 센서는, 질화물(窒化物) 또는 산화물(酸化物)을 재료로 하는 박막형(薄膜型)의 압전 소자를, 절연재로서 이루어지는 기재(基材)에 설치하고, 상기 압전 소자로부터의 신호 전달 수단을 상기 기재 내부를 통해서 외부로 꺼내는 것을 특징으로 하는 것이다.
이 발명에 관련된 압력 센서에서는, 질화물 또는 산화물을 재료로 하는 박막형의 압전 소자로부터의 신호를 꺼내는 신호 전달 수단을, 기재 내부를 통해서 외부로 꺼내도록 하고 있으므로, 내연 기관의 연소실 내와 같은 환경에 설치했을 경우에서도, 충분한 내구성을 확보하고, 연소 압력이나 진동을 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 압전 소자가 박막형, 소형화로 될 수 있기 때문에, 설치의 자유도가 높으므로, 대단히 정밀도가 높은 연소 압력의 검출, 인젝터 분사 상태의 검출 등이 가능하다.
또한, 청구항 7에 기재한 발명에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조는, 내연 기관의 연소실 내에 면하는 개소(個所)에, 압력 센서의 압전 소자를 배치한 것을 특징으로 하는 것이다.
이 발명에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조에서는, 내연 기관의 연소실 내에 압전 소자를 배치하고 있으므로, 내연 기관이 시동되어 연소가 시작되면, 압력 센서가 그 연소에 따라 발생하는 압력, 진동을 검출하지만, 압력 센서의 부착 위치가 하우징의 선단부(先端部) 측의, 연소실 내에 면하는 부분이므로, 상기 종래의 구성과 비교해서 지극히 감도(感度)가 좋고, 착화(着火) 개시 시기나 연소 상태 혹은 연료의 분사 압력 등을 고정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 청구항 15에 기재한 발명에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조는, 상기 압력 센서의 압전 소자를, 내연 기관의 실린더 헤드에 고정된 내연 기관용 보조 부품의, 연소실 내에 면하는 부분에 부착한 것을 특징으로 하는 것이 다.
이 발명에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조에서는, 내연 기관에 보통 부착되어 있는 보조 부품을 사용해서 압력 센서를 내연 기관의 연소실 내에 배치하도록 하고 있으므로, 실린더 헤드에 새로운 부착을 위한 공간을 설치할 필요가 없고, 또한, 부착, 교환 등도 용이하며, 게다가 원가 상승도 적다. 또한, 엔진이나 스파크 플러그, 인젝터 등의 성능을 저하시키는 일 없이, 연소 압력이나 연료의 분사 상태를 고감도로 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 또한, 착화 개시의 시기나 연료 분사 상태를 정확하게 검출할 수 있으므로, 더욱 최적의 점화 시기 제어나, 더욱 정밀한 연료 분사 제어를 실행할 수 있다. 이렇게 최적의 연료 분사 제어나 점화 시기 제어를 실행함으로써, 연비 절약, 배출 가스 저감 및 엔진 성능의 향상을 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 하나의 실시예에 관련된 압력 센서의 평면도.
도 2는, 상기 압력 센서의 종단면도.
도 3은, 내연 기관의 연소실 내에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 개략도.
도 4는, 상기 실시예의 주요부를 확대해서 나타내는 도면이며, 압력 센서의 실린더 헤드에의 부착 구조를 나타내는 단면도.
도 5는, 내연 기관의 연소실 내에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 개략도.
도 6은, 도 5의 실시예의 주요부를 확대해서 나타내는 도면이며, 압력 센서의 실린더 헤드에의 부착 구조를 나타내는 단면도.
도 7은, 도 4의 구성의 압력 센서에 보호막(保護膜)을 설치한 실시예를 나타내는 종단면도.
도 8은, 도 6의 구성의 압력 센서에 보호막을 설치한 실시예를 나타내는 종단면도.
도 9는, 압전 소자의 양면(兩面)에 전극을 설치한 구조의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 10은, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 구성에 의한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 11은, 도 10의 실시예의 주요부를 확대해서 나타내는 도면.
도 12는, 다른 실시예에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 주요부를 확대해서 나타내는 종단면도.
도 13은, 또한 다른 실시예에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 주요부를 확대해서 나타내는 종단면도.
도 14는, 또한 다른 실시예에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 주요부를 확대해서 나타내는 종단면도.
도 15의 (a)는, 다른 형태의 히터를 갖는 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 15의 (b)는 그 횡단면도.
도 16의 (a)는, 다른 실시예에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 주요부를 확대해서 나타내는 종단면도.
도 16의 (b)는 그 횡단면도.
도 17의 (a)는, 또한 다른 실시예에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 주요부를 확대해서 나타내는 종단면도.
도 17의 (b)는 그 횡단면도.
도 18은, 또한 다른 형태의 히터를 갖는 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 19는, 도 18과 동일한 형태의 히터를 구비한 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 20은, 또한 다른 실시예에 관련된 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조를 나타내는 종단면도.
도 21은, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 22는, 도 21의 주요부의 확대도.
도 23은, 도 21에 나타내는 압력 센서 부착 예열 플러그를 엔진에 부착한 상태를 나타내는 단면도.
도 24는, 도 23의 주요부의 확대도.
도 25는, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검 출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 26은, 도 25의 주요부의 확대도.
도 27은, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 28은, 도 27의 주요부의 확대도.
도 29는, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 30은, 도 29의 주요부의 확대도.
도 31은, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 32는, 도 31의 압력 센서 부착 예열 플러그에 이용한 전극 취출(取出) 금구(金具)를 나타내는 도면이며, 도면 중 (a)는 정면도, 도면 중 (b)는 종단면도, 도면 중 (c)는 (b)의 좌측 측면도, 도면 중 (d)는 (b)의 우측 측면도.
도 33은, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 34는, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 35는, 예열 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 36은, 점화용 스파크 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 37은, 다른 구성의 점화용 스파크 플러그에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조를 나타내는 실시예의 종단면도.
도 38은, 도 37의 A부를 확대한 도면.
도 39는, 인젝터에 압력 센서를 설치한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 40은, 상기 인젝터에 설치된 압력 센서의 설치 위치의 변형예를 나타내는 종단면도이며, 도 39의 B부를 확대해서 나타내는 도면.
이하에서, 도면에 나타내는 실시예에 의해 본 발명을 설명한다. 이 압력 센서(A)는, 박막형의 압전 소자(B)를 구비하고 있으며, 이 박막형 압전 소자(B)가, 절연성 세라믹스 등의 절연재로서 이루어지는 기재(C) 상에 부착되어 있다. 이 실시예에서는, 압전 소자(B)는, C축 배향(配向)의 질화 알루미늄(AlN)을 박막화한 것을 사용하고 있다.
그리고, 박막형 압전 소자(B)가 검출한 전기 신호를 출력하는 신호 전달 수단으로서의 제1, 제2의 출력용 전극(D, E)은, 이 박막형 압전 소자(B)의 기재(C) 측의 면에 설치되어 있다. 또한, 이것들 각각의 전극(D, E)에 각각 접속된 신호 전달 수단으로서의 출력용 리드 선(F, G)이, 기재(C)의 내부를 통과해서 인도되어 있다. 즉, 박막형의 압전 소자(B)로부터의 신호 전달 수단인 1쌍의 전극(D, E) 및 리드 선(F, G)이, 상기 종래의 구성(일본국 특개평10-122984호)과 같이 박막형 압전 소자의 표면에 노출되어 있는 것과 상이하고, 기재(C)의 내부에 채워 넣어진 상태로 되어 있다. 따라서, 예를 들면, 내연 기관의 연소실 내와 같은 고온으로 진동이 큰 엄격한 환경 내에 설치했을 경우라도, 내구성이 높고, 장기간에 걸쳐서, 고정밀도의 압력 등의 검출 능력을 유지할 수 있다.
도 3은, 상기 구성의 압력 센서(A)를 내연 기관의 연소실 내에 설치했을 경우를 나타내는 것으로, 본 출원의 다른 발명에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 하나의 실시예를 나타내는 것이다. 내연 기관의 구조는 주지하는 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하지만, 실린더(a) 내에 피스톤(b)이 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지고, 이 피스톤(b)의 진퇴 운동을 커넥팅 로드(connecting rod)(c)를 통해서 크랭크 샤프트(crank shaft)(d)에 전달한다. 상기 실린더(a)의 상부의 실린더 헤드(e)에, 흡기 밸브(f) 및 배기 밸브(g)가 설치되어 있으며, 이 실린더 헤드(e)의 내벽(內壁)에, 상기 구성의 압력 센서(A)(도 1 및 도 2 참조)의 압전 소자(B)가 절연재(C)를 통해서 부착되어 있다. 따라서, 이 압력 센서(A)는 내연 기관의 연소실(h) 내에 면하는 위치에 설치되어 있다. 이 압전 소자(B)가 검출한 신호는, 신호 전달 수단(D∼G)을 통해서 측정 수단(전압계)(H)에 입력된다. 또한, 압력 센서(A)의 구성은, 도 1 및 도 2에 나타내는 것으로 한정되지 않음은 말할 필요도 없다. 또한, 내연 기관은, 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진을 막론하고 적용 가능하다.
상기 압력 센서(A)의 실린더 헤드(e)에의 부착 구조의 구체적인 일례(一例)를, 도 4에 의해 설명한다. 이 구성에서는, 실린더 헤드(e)의 벽면(壁面)의 연소실 (h)(도 4의 아래 쪽) 측에 절연 부재 삽입 구멍(j)을 형성하고, 이 삽입 구멍(j) 내에 절연 부재(상기 기재(基材))(C)를 채워 넣고, 그 표면에 상기 박막형 압전 소자(B)를 부착하고 있다.
그리고, 이 박막형 압전 소자(B)의, 절연 부재(C) 측의 면에 1쌍의 전극(D, E)을 설치하고 있다. 또한, 이것들 각각의 전극(D, E)에, 상기 압전 소자(B)가 검출한 전기 신호를 전달하는 출력용 리드 선(F, G)을 각각 접속하고, 이것들 양쪽 리드 선(F, G)을, 절연 부재(C)의 내부를 통과한 후, 실린더 헤드(e)의 외면(外面) 측에 관통하는 신호 취출 구멍(k)을 통해서 외부로 꺼내고 있다.
상기와 같이 압력 센서(A)를 내연 기관의 연소실(h) 내에 부착한 구성에서는, 엔진이 시동되어 실린더의 연소실(h) 내에서 발생한 연소 압력이, 박막형 압전 소자(B)에 전해지면, 이 연소 압력의 변화에 상응해서, 압전 소자(B)의 압전 특성에 따라서 출력하는 전기 신호가 변화된다. 이 출력을 신호 전달 수단인 1쌍의 전극(D, E) 및 출력용 리드 선(F, G)을 통해서 측정 수단(전압계)(H)에 입력함으로써, 연소 압력을 검출할 수 있다.
이렇게 압력 센서(A)를 연소실(h) 내에 직접 부착했을 경우에는, 종래의 구성(일본국 특개평7-45353호 공보, 일본국 특개2001-108556호 공보 등 참조)과 같이 실린더 헤드(e)의 외부 측에 센서를 설치했을 경우보다도 감도가 높고, 고정밀도의 연소 압력의 검출이 가능하다. 또한, 상기 연소 압력의 변화에 의해 착화 시기를 정확하게 검출할 수 있으므로, 최적의 점화 시기 제어를 실행할 수 있다. 그 결과, 연비 절약, 배기 가스의 정화(淨化), 엔진 성능의 향상에 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 압전 소자(B)로서 질화 알루미늄 박막을 이용하고 있으므로, 소형화가 가능하고, 게다가 내열성이 우수하기 때문에, 설치 위치를 자유롭게 선택 가능하고, 대단히 고정밀도인 연소 압력의 측정이 가능하다.
또한, 이 실시예에서는, 박막형 압전 소자(B)의 절연 부재(C) 측의 면에, 양쪽 전극(D, E)을 설치하고, 출력용 리드 선(F, G)을 절연 부재(C)의 내부를 통해서 실린더 헤드(e)의 외부로 꺼내고 있으므로, 신호 전달 수단인 전극(D, E) 및 출력용 리드 선(F, G)이 연소실(h) 내에 직접 노출되는 일이 없고, 내구성이 향상되며, 장시간에 걸쳐서 연소 압력이나 진동 등을 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 이 실시형태에서는, 박막화한 압전 소자(B)의 재료로서 C축 배향 질화 알루미늄을 이용하고 있지만, 반드시 질화 알루미늄으로 한정하는 것이 아니고, 유사한 특성을 갖는 그 밖의 재료를 이용하는 것도 가능하다. 예를 들면, C축 배향 ZnO, LiNbO3 형 우르짜이트(wurtzite) 화합물, 란가사이트(La3Ga5SiO14 )계 단결정, 수정, PZT(지르콘산 티탄산 납) 페로브스카이트(perovskite)형 산화물 등을 이용해도 좋다. 단, 내구성 등의 점에서 질화 알루미늄을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 박막형 압전 소자(B)의 제조 방법으로서는, 스퍼터링(sputtering), 이온 플레이팅(ion plating), CVD, 레이저 연마, 이온 빔 증착, 레이저 증착, 진공 증착 등을 이용할 수 있다.
도 5 및 도 6은, 상기 도 3 및 도 4에 나타내는 실시예의 구성의 변형예이며, 기본적인 구성은 공통적이므로, 동일한 부분에는 동일한 부호를 첨부해서 그 설명을 생략한다. 이 실시예에서는, 실린더 헤드(e)의 벽면의 연소실(h) 측에 부착된 박막형 압전 소자(B)의 한쪽 전극(E)에 접속된 출력용 리드 선(G)은, 신호 취출 구멍(k)으로부터 실린더 헤드(e)의 외부로 꺼내져 있지만, 다른 쪽 전극(D) 측의 출력용 리드 선(F)은, 절연 부재(C)를 지나서 실린더 헤드(e)에 접지되어 있다. 그 밖의 구성은 상기 도 3 및 도 4의 실시예와 마찬가지이며, 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 7 및 도 8은, 각각 도 4 및 도 6의 구성의 변형예이며, 도 4 및 도 6과 동일한 부분에는 동일한 부호를 첨부해서 그 설명을 생략한다. 이것들 실시예에서는, 실린더 헤드(e)의 벽면의 연소실(h) 측에 부착된 박막형 압전 소자(B)의, 연소실(h) 내에 노출되어 있었던 면을 보호막(J)에 의해 피복하고 있다. 이렇게 보호막(J)으로 압전 소자(B)를 피복함으로써, 압전 소자(B)의 손상을 방지하고, 또한, 장시간의 사용에 의한 카본의 부착 등을 방지할 수 있다. 보호막(J)은 내열성 절연 재료로서 이루어지며, 주된 것으로서는, SiC, WC, B4C, TiC, ZrC, NbC, HfC, ZrO2, TiO2, A1203, SiO2, AlN, cBn, iTN, TiB2, ZrB 2, CrB2, MoB 등이 있지만 이 것만은 아니다.
도 9는 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 이 실시예에서는, 실린더 헤드(e)의 벽면의 연소실(h) 측에 형성한 절연 부재 삽입 구멍(j) 내에 삽입한 절연 부재(C)의 표면에, 박막형 압전 소자(B)가 장착되어 있으며, 이 압전 소자(B)의 양측의 면에 각각 전극(D, E)이 설치되어 있다. 즉, 한쪽 전극(E)은 압전 소자(B)의 절연 부재(C) 측의 면에, 또한, 다른 쪽 전극(D)은, 압전 소자(B)의 연소실(h) 내부 측의 면에 각각 설치되어 있다.
그리고, 절연 부재(C) 측의 전극(E)에 접속된 출력용 리드 선(G)은, 절연 부재(C)의 내부 및 신호 취출 구멍(k)을 통해서 실린더 헤드(e)의 외부로 꺼내져 있다. 한편, 연소실(h) 측의 전극(D)에 접속된 출력용 리드 선(F)은, 절연 부재(C) 내를 지나서 실린더 헤드(e)에 접지되어 있다. 그리고, 압전 소자(B)의 연소실(h) 측에 부착된 전극(D) 및 이 전극(D)에 접속되어 있는 출력용 리드 선(F)은, 박막형 압전 소자(B)와 함께 보호막(J)에 의해 피복되어 있다. 이 실시예에서도, 상기 각각의 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 이 실시예에서는, 박막형 압전 소자(B)를 1쌍의 전극(D, E)으로 양측에서 끼우는 구조로 되어 있으므로, 상기 각각의 실시예의 구조보다도 전극(D, E)의 신호 취출 면적을 크게 할 수 있고, 상기 각각의 구성보다도 큰 신호를 뽑는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 실시예에서는, 외면 측의 전극(D)의 출력용 리드 선(F)을 실린더 헤드(e)에 접지하고 있지만, 상기 도 7의 실시예와 마찬가지로 실린더 헤드(e)의 신호 취출 구멍(k)으로부터 외부로 꺼내도록 해도 좋다.
도 3 내지 도 9의 실시예에서는, 박막형 압전 소자(B)를 이용한 압력 센서(A)에 의해 내연 기관의 실린더의 연소 압력을 검출하기 위해서, 이 압력 센서(A)를 실린더 헤드(e)의 내면에 직접 부착하도록 하고 있었지만, 상기 내연 기관의 실린더 헤드(e)에 부착하는 예열 플러그 등의 보조 부품을 통해서, 내연 기관의 실린더 내 압력을 검출하도록 해도 좋다.
도 10 및 도 11에 나타내는 실시예는, 세라믹스 히터형 예열 플러그(K)의 히터(L)에 상기 구성의 압력 센서(A)를 부착하고, 이 예열 플러그(K)를 내연 기관의 실린더 헤드(e)에 고정함으로써, 내연 기관의 연소실(h) 내에 면하는 위치에, 이 압력 센서(A)의 압전 소자(B)를 설치하도록 한 것이다. 이 예열 플러그(K)는, 실린더 헤드(e)에의 부착 금구인 원통 형상 하우징(M)의 선단부(Ma)(후단부 측은 도시를 생략)에, 세라믹스 히터(L)가 금속제 외부통(시스)(N)을 사이에 끼워서 고정되어 있으며, 예열 플러그(K)의 하우징(M)이 실린더 헤드(e)에 부착된 상태에서, 이 세라믹스 히터(L)의 선단 측의 발열부(La)가 내연 기관의 연소실(h) 내에 면하도록 되어 있다.
이 예열 플러그(K)의 세라믹스 히터(L)는, 그 본체부를 구성하는 세라믹스 절연체(P)의 내부에 발열체(히터 코일)(Q)가 채워 넣어지고, 이 히터 코일(Q)의 일단(一端)(부극(負極) 측)(Qa)이 세라믹스 절연체(P)의 외주면으로 꺼내져, 금속제 외부통(시스)(N)의 선단부(先端部)의 내면에 납땜 등에 의해 접합되어서 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 히터 코일(Q)의 타단(他端)(정극(正極) 측)(Qb)이, 세라믹스 히터(L)의 후단부(後端部)(Lb)(도 10 및 도 11의 왼쪽 끝)까지 연장되고, 도시하지 않는 전극 취출 금구를 통해서, 원통 형상 하우징(M)의 타단부(他端部)에서 외부 접속 단자(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
상기 세라믹스 히터(L)의, 금속제 외부통(N)의 선단(Na)으로부터 외부로 돌출되어 있는 부분의 외면(外面)에, 압력 센서(A)가 설치되어 있다. 이 압력 센서(A)는, 도 1에 나타내는 압력 센서(A)와 마찬가지의 구성을 갖고 있으며, 세라믹스 절연체(P)(도 1의 절연 부재로서 이루어지는 기재(C)에 상당함)의 외주면 상에 1쌍의 전극(D, E)을 설치하고, 그 위에 박막형 압전 소자(B)를 부착하고 있다. 그리고, 한쪽의 전극(D)에 접속된 신호 전달 수단으로서의 출력용 리드 선(F)은, 세라믹스 절연체(P)의 내부에서, 금속제 외부통(N)에 고정되어 있는 부분의 외면에 꺼내져서 금속제 외부통(N)의 내면에 도통되어 있다. 한편, 다른 쪽의 전극(E)에 접속된 출력용 리드 선(G)은, 세라믹스 절연체(P)의 후단부(Lb)에서 외부로 꺼내져 있다.
상기 구성의 압력 센서 부착 예열 플러그(K)를 내연 기관의 실린더 헤드(e)에 부착하면, 세라믹스 히터(L)의 선단의 발열부(La)가 엔진의 연소실(h) 내에 삽입되어, 예열 플러그(K)로서의 기능을 달성하는 동시에, 상기 세라믹스 히터(L)의, 금속제 외부통(N)에서 돌출되어 있는 선단 발열부(La) 부근에 장착되어 있는 박막형 압전 소자(B)가, 그 연소실(h) 내에 면하여, 엔진 구동 중의 연소 압력이나 진동을 고정밀도로 검출할 수 있다.
도 12는, 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 도 10 및 도 11의 실시예와 기본적인 구조는 공통으로 되어 있다. 이 실시예에서는, 세라믹스 히터(L)를 구성하는 세라믹스 절연체(P)의 외주면에 부착한 박막형 압전 소자(B)의 외면 전체를 보호막(J)에 의해 피복한 구성을 하고 있다. 그 밖의 구성은 상기 도 11에 나타내는 실시예와 동일하며, 상기 실시예의 구성과 동일한 작용 효과를 나타내는 동시에, 박막형 압전 소자(B)를 보호막(J)에 의해 피복하고 있으므로, 박막형 압전 소자(B)가 연소실(h) 내의 환경에 직접 노출되는 일이 없으며, 또한, 박막형 압전 소자(B) 에 발생된 핀홀(pinhole) 등에, 장시간의 사용에 의해 카본이 부착되어서 양쪽 전극(D, E)이 도통해 버리는 등의 염려도 없어진다.
도 13은, 또한 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 이 실시예에서는, 상기 도 12에 나타내는 실시예와는, 박막형 압전 소자(B)가 검출한 신호를 꺼내서 전달하는 신호 전달 수단(전극(D, E) 및 출력용 리드 선(F, G))의 구성이 상이하게 되어 있다. 이 실시예에서는, 한쪽의 전극(E) 및 출력용 리드 선(G)의 구성은, 상기 도 11 및 도 12에 나타내는 실시예와 마찬가지이지만, 다른 쪽의 전극(D)은, 금속제 외부통(N)의 선단부(Na) 측에 연장되어 있으며(도 13의 좌측 방향에 연장되어 있음), 이 금속제 외부통(N)의 내면에 직접 접촉하도록 구성되어 있다. 이 실시예에서는, 압력 센서로서의 기능은 상기 도 12의 실시예와 마찬가지이지만, 한쪽의 출력용 리드 선을 세라믹스 절연체(P)의 내부에 설치할 필요가 없고, 구조가 간소화된다.
도 14에 나타내는 실시예는, 세라믹스 절연체(P)의, 금속제 외부통(N)으로부터 돌출되어 있는 부분의 외면에 설치된 박막형 압전 소자(B)의 양면에, 각각 전극(D, E)이 부착되어 있으며, 세라믹스 절연체(P) 측의 전극(E)은, 세라믹스 절연체(P)의 내부에 설치된 출력용 리드 선(G)이 접속되어 있다. 또한, 박막형 압전 소자(B)의 외면 측(세라믹스 절연체(P)와 반대 측)의 전극(D)에 접속된 출력용 리드 선(F)은, 금속제 외부통(N)의 외면에 접속되어 있다. 이 실시예에서는, 박막형 압전 소자(B)가 검출한 전기 신호를 꺼내는 전극(D, E)을 크게 할 수 있으므로, 더욱 고감도로 신호를 뽑아낼 수 있다. 게다가, 박막형 압전 소자(B)의 외면 측의 전극(D) 및 이 전극(D)에 접속된 출력용 리드 선(F)은, 보호막(J)에 의해 피복되어 있으므 로, 연소실(h)의 고온에 노출되어도 영향을 받는 일이 없다.
도 15(a), (b)는, 또한 다른 실시예에 관련된 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조를 나타내는 것이다. 상기 도 10 내지 도 14에 나타내는 각각의 실시예는, 세라믹 히터형 예열 플러그(K)의 히터(L)로서, 세라믹스 절연체(P)로서 이루어지는 본체부 내에 히터 코일(Q)을 매설한 구성의 것을 이용했지만, 이 실시예에서는, 세라믹스 히터(L)의 본체부가, 중간의 절연체(P)를 도전성 세라믹스(R)에 의해 가운데에 끼운 구조를 갖고 있으며, 양측의 도전성 세라믹스(R)가 발열체로서 기능하도록 되어 있다.
상기 도전성 세라믹스(R) 및 중간의 세라믹스 절연체(P)의 외주(外周)에, 통 형상의 절연체(S)를 장착하고 있다. 이 통 형상 절연체(S)의, 금속제 외부통(N)에서 외부로 돌출되어 있는 부분의 외주에, 1쌍의 환상(環狀) 전극(D, E)을 끼워 장착하고, 또한 그 외주면(外周面)에, 환상의 박막형 압전 소자(B)를 배치하고 있다. 상기 양쪽 전극(D, E)으로부터 신호를 꺼내는 출력용 리드 선(F, G)은, 모두 중간의 세라믹스 절연체(P)의 내부를 지나서 세라믹스 히터(L)의 후단부(Lb) 측(도 15의 왼쪽)에 인출되어 있다. 이 실시예에서도, 예열 플러그(K)를 내연 기관의 실린더 헤드(e)에 고정하면, 연소실(h) 내에 면하는 위치에 압력 센서(A)를 배치할 수 있고, 종래의 구성과 같이 외부 측에 압력 센서를 설치했을 경우보다도 감도가 높고, 고정밀도인 연소 압력의 검출이 가능하다.
도 16(a), (b)는, 도 15의 실시예의 일부를 변경한 실시예이며, 기본적인 구성은 공통으로 되어 있다. 이 실시예에서는, 상기 환상의 박막형 압전 소자(B)의 외주면을, 전체 주위에 걸쳐서 보호막(J)에 의해 피복하고 있다. 이 실시예의 구성에서는, 상기 도 15의 구성과 마찬가지의 작용 효과를 나타내는 동시에, 박막형 압전 소자(B)를 보호함으로써, 압력 센서(A)의 내구성을 향상시켜, 성능의 유지를 도모할 수 있다.
도 17(a), (b)는, 도 16의 신호 전달 수단의 구성을 변경한 실시예이며, 이 실시예에서는, 양측의 도전성 세라믹스(R) 및 그 중간에 끼워진 절연체(P)로서 이루어지는 세라믹스 히터 본체부의, 금속제 외부통(N) 내에 고정되는 부분의 외주에, 통 형상의 절연체(T)를 끼워 장착하고 있다. 그리고, 이 통 형상의 절연체(T)로부터 외부로 나가고 있는 부분의 도전성 세라믹스(R)의 외면에, 박막형 압전 소자(B)를 부착하고 있다. 또한, 이 박막형 압전 소자(B)의 외면에, 한쪽의 신호 전달용 수단으로서의 출력용 전극(D)을 부착하고 있다. 이 외면 측의 전극(D)은, 금속제 외부통(N)의 선단부(Na) 방향으로 연장되어서 금속제 외부통(N)에 전기적으로 접속되어 있다.
이 실시예는, 박막형 압전 소자(B)의 양면에 전극을 설치한 형태이며, 외면의 전극(D)은, 금속제 외부통(N)을 통해서 신호의 전달을 실행하고, 내면 측은, 도전성 세라믹스(R)를 신호 전달 수단으로서 이용하고 있다. 이 구성의 세라믹스 히터형 예열 플러그(K)를 이용했을 경우도, 상기 각각의 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
상기 도 10 내지 도 17의 실시예는, 모두 세라믹스 히터형 예열 플러그(K)를 이용해서 내연 기관의 실린더 내 압력을 검출하는 구성이었지만, 도 18 내지 도 20 은, 금속 시스(sheath)형의 히터(U)를 사용한 예열 플러그(Ⅴ)를 이용해서, 내연 기관의 실린더 내의 압력을 검출하도록 하는 실시예이다. 이것들의 예열 플러그(Ⅴ)에 대해서도, 상기 각각의 실시예와 구성이 다른 부분에 대해서만 설명하고, 동일 또는 공통되는 부분에는 동일한 부호를 첨부해서 그 설명을 생략한다.
도 18에 나타내는 실시예에서는, 히터 코일(W)이 채워 넣어진 절연체(Ⅹ)를 수용하고 있는 금속 시스(Y)의 외주에 절연층(Z)이 설치되어 있다. 이 절연층(Z)의 외면에 신호 전달 수단으로서의 1쌍의 출력용 전극(D, E)이 설치되고, 그 외측에 박막형 압전 소자(B)가 부착되어 있다. 상기 양쪽 전극(D, E)에는, 각각 출력용 리드 선(F, G)이 접속되고, 이것들 출력용 리드 선(F, G)이, 상기 절연층(Z)의 내부를 지나서 히터(U)의 후방 측에 꺼내져 있다.
도 19는, 상기 도 18의 구성에 추가해서, 박막형 압전 소자(B)의 외면에 보호막(J)을 형성하고 있다. 그 밖의 구성은 도 18의 구성과 공통이다.
도 20은, 박막형 압전 소자(B)의 양면에 신호 전달 수단으로서의 출력용 전극(D)(다른 쪽의 전극은 금속 시스를 이용함)을 배치한 구성이다. 박막형 압전 소자(B)의 외면 측의 전극(D)은, 상기 실시예와 마찬가지로 절연층(Z) 내를 지나는 출력용 리드 선(F)에 의해서 히터(U)의 외부로 꺼내지고, 내면 측은 금속 시스(Y)가 신호 전달 수단으로서 기능하여, 박막형 압전 소자(B)가 검출한 신호를 꺼내게 되어 있다. 이것들 도 18∼도 20의 실시예에서도, 상기 각각의 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 21은, 내연 기관용 보조 부품으로서의 압력 센서 부착 예열 플러그(전체 를 부호 1로서 나타냄)를 이용한 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조의 다른 실시예를 나타내는 것이며, 이 예열 플러그(1)는, 원통 형상 하우징(실린더 헤드에의 부착 금구)(2)의 선단부(도 21의 왼쪽 끝 부분)에 시스 히터(4)가 고정되고, 후단부에 절연 부시(6)를 통해서 외부 접속 단자(막대 형상 전극으로서의 중축(中軸))(8)가 고정되어 있는 금속 시스형의 예열 플러그이다. 그리고, 시스 히터(4)의 발열체와 외부 접속 단자(8)가, 전극 취출용 리드 선(9) 및 전극 취출 금구(10)를 통해서 전기적으로 접속되어 있다.
상기 시스 히터(4)는, 금속제(예를 들면 스테인리스 강(鋼) 등)의 얇은 두께의 밑바닥이 있는 원통 형상을 이룬 시스(42) 내에, 발열체로서의 코일 형상의 저항 발열 선(44)(예를 들면 니켈 크롬 합금, 철 크롬 합금, 텅스텐 선 등)을 삽입하고, 또한, 내열 절연 분말체(46)(예를 들면 마그네시아(MgO) 등)를 충전하고, 스웨이징(swaging) 가공 등에 의해 시스(42)의 직경을 축소시킴으로써, 상기 내열 절연 분말체(46)를 고밀도화하여, 저항 발열 선(44)과 전극 취출용 리드 선(9) 및 전극 취출 금구(10)를 시스(42)의 내부에 고정하고 있다. 상기 저항 발열 선(44)의 일단(44a)(도 21의 왼쪽 끝)은 시스(42)의 저부측(底部側) 선단에 접속되고, 타단(44b)이, 전극 취출용 리드 선(9)의 선단(9a)에 접속되어 있다. 또한, 시스(42)의 개구부에는, 스웨이징 가공을 실행할 때에 내부에 충전한 내열 절연 분말체(46)가 흘러넘치지 않도록, 고무제(실리콘 고무, 플루오르 고무 등)의 밀봉 부재(48)가 삽입되어 있다.
전술한 바와 같이, 시스 히터(4)의 저항 발열 선(44)의 후방측 단부(44b)가 전극 취출용 리드 선(9)의 선단(9a)에 접속되고, 또한, 이 전극 취출용 리드 선(9)의 후단(後端)(9b)이, 전극 취출 금구(10)의 선단(10a)에 접속되어서 시스 히터(4)의 외부로 꺼내져 있다. 그리고, 이 전극 취출 금구(10)의 후단(10b)이 외부 접속 단자(8)의 선단(8a)에 버트 용접(butt welding) 등에 의해 접합되어 있다. 이 외부 접속 단자(8)의 후단에 형성된 나사부(8b)는, 하우징(2)의 후단에서 외부쪽으로 돌출되어 있으며, 이 나사부(8b) 측으로부터 밀봉 부재(12) 및 절연 부시(6)가 순차적으로 끼워 맞추어져, 하우징(2)의 내부 구멍(22)의 후단에 형성된 대직경(大直徑) 구멍(22a) 내에 삽입되어 있다. 또한 그 외측에서 너트(14)를 졸라맴으로써 절연 부시(6)를 하우징(2) 내에 고정하고 있다.
원통 형상 하우징(2)의 상기 내부 구멍(22)은, 선단부(도 21의 왼쪽 끝)(22b)가 시스(42)의 외면보다 다소 대직경으로 되어 있으며, 이 선단부의 구멍(22b)의 안쪽 측(도 21의 오른 쪽)에 시스(42)의 외면보다 약간 소직경(小直徑)의 압입부(壓入部)(22c)가 형성되어 있다. 이 하우징 내부 구멍(22)의 압입부(22c) 내에 시스(42)의 후단부가 압입됨으로써 시스 히터(4)가 하우징(2)에 고정되어 있다. 또한, 시스 히터(4)의 고정 방법은 압입으로 한정되는 것은 아니고, 납땜 등에 의해 고정되도록 해도 좋다.
또한, 하우징 내부 구멍(22)의 후단부에는, 전술한 바와 같이, 외부 접속 단자(8)의 절연 및 고정을 실행하는 절연 부시(6)를 삽입하기 위한 대직경 구멍(22a)이 형성되어 있다. 또한, 하우징(2)의 외면(24)은, 외부 접속 단자(8)가 고정되는 후단부(24a)가 대직경으로 되어 있으며, 후에 설명하는 실린더 헤드(30)(도 23 참 조)의 부착 구멍(30a) 내에 삽입되는 전방 측의 미세한 직경부(24b)와, 후단부 측의 상기 대직경부(24a)와의 중간에, 실린더 헤드(30)에 나사로 맞추어 고정되는 부착 나사부(24c)가 형성되어, 후단부 부근에 설치된 육각부(六角部)(24d)를 회전 조작해서 실린더 헤드(30)에 나사로 결합된다.
한편, 하우징(2)의 내부 구멍(22)의 선단부 부근에 고정되는 시스 히터(4)는, 그 시스(42)의 형상이, 선단의 발열부(42a) 측이 소직경으로 되는 동시에, 후방부(42b) 측이, 상기 하우징(2)의 내부 구멍(22)의 압입부(22c)보다도 약간 대직경으로 되어 있으며, 이 후방의 대직경부(42b)를 하우징 내부 구멍(22)의 압입부(22c)에 압입함으로써, 하우징(2) 내부의 기밀을 유지하면서 시스 히터(4)를 하우징(2)에 고정하고 있다.
이 시스 히터(4)를 조립하는 경우에는, 전술한 바와 같이, 우선, 시스(42) 내에 저항 발열 선(44)과, 이 저항 발열 선(44)의 후단(44b)에 접속된 전극 취출용 리드 선(9) 및 이 전극 취출용 리드 선(9)을 통해서 접속된 전극 취출 금구(10)의 선단부(10a)를 삽입하고, 또한, 시스(42) 내에 내열 절연 분말체(46)를 충전한 후, 스웨이징 가공 등에 의해 직경을 축소함으로써, 내열 절연 분말체(46)를 고밀도화시키고, 저항 발열 선(44)과 전극 취출용 리드 선(9) 및 전극 취출 금구(10)를 고정한다. 이어서, 이 전극 취출 금구(10)의 후단부(10b)에 외부 접속 단자(8)의 선단부(8a)를 용접 등에 의해 접합한다. 이것들 시스 히터(4), 전극 취출 금구(10) 및 외부 접속 단자(8)로서 이루어지는 서브 어셈블리(sub-assembly)를, 상기 구성의 원통 형상 하우징(2) 내에 삽입하고, 시스(42)의 후단(後端)을 하우징(2)의 압 입부(22c) 내에 압입해서 고정한다.
상기 하우징(2)의 내부 구멍(22)에 시스 히터(4)를 고정할 경우에는, 하우징(2)의 내부 구멍(22)의 선단부(도 21의 왼쪽 끝)로부터, 상기 서브 어셈블리를, 외부 접속 단자(8)의 나사부(8b) 측을 앞으로 해서 삽입한다. 외부 접속 단자(8)의 나사부(8b)를 하우징(2)의 후단부 측까지 끼워 넣고, 시스 히터(4)의 후방의 대직경부(42b)를 하우징(2)의 선단부 내에 삽입한다.
상기 서브 어셈블리를 하우징(2) 내에 더욱 삽입하고, 시스 히터(4)의 대직경부(42b)의 후단을 내부 구멍(22)의 압입부(22c) 내에 압입한다. 시스 히터(4)를 소정의 위치까지 압입하면, 그 후방부 측에 연결되어 있는 외부 접속 단자(8)의 후단의 나사부(8b)가, 하우징(2)의 후단부로부터 소정량 만큼 외부 쪽으로 돌출한다. 이 외부 접속 단자(8)의 나사부(8b)에, 밀봉 부재(12)를 끼워 맞추어서, 하우징(2)의 후단의 대직경 구멍(22a) 내에 삽입하고, 또한 그 외부 쪽으로부터 절연 부시(6)를 끼워 맞추어서 상기 대직경 구멍(22a) 내에 삽입하고, 그 외측으로부터 너트(14)를 돌려 조임으로써 절연 부시(6)를 고정한다.
상기 구성의 예열 플러그(1)는, 도 23에 나타낸 바와 같이, 엔진(3)의 실린더 헤드(30)에 형성된 부착 구멍(30a) 내에 삽입되어서 고정되어 있다. 전술한 바와 같이 하우징(2)의 외면에는, 후단부 부근의 부착 나사부(24c)와, 이 나사부(24c)보다도 전방 측의 가는 직경부(24b)가 형성되어 있어, 실린더 헤드(30)의 부착 구멍(30a)의 내부에 가는 직경부(24b)를 삽입하고, 부착 구멍(30a)의 외부 부근에 설치되어 있는 암 나사부(30b)에, 상기 하우징(2)의 부착 나사부(24c)를 나사로 결합함으로써, 이 예열 플러그(1)를 실린더 헤드(30)에 고정하고 있다.
이렇게 예열 플러그(1)를 실린더 헤드(30)에 고정한 상태에서는, 도 24에 확대해서 나타내는 바와 같이, 하우징(2)의 선단에 형성된 테이퍼(taper) 형상의 시트(seat)부(24e)가, 실린더 헤드(30)의 부착 구멍(30a) 내에 형성된 시트면(30c)에 밀착해서 엔진(3)의 연소실(32) 내의 기밀을 유지하고 있다. 그리고, 하우징(2)의 선단에 고정되어 있는 시스 히터(4)의 선단의 발열부(42a)가, 실린더의 연소실(32) 내에 돌출되어 있으며, 한편, 하우징(2)의 후단 측에서 외부에 연장되어 있는 외부 접속 단자(8)의 후단의 단자 나사부(8b)가, 실린더 헤드(30)의 외부에 돌출되어 있다. 또한, 이것들 도 23 및 도 24에 나타내는 엔진(3)은, 직접 분사형의 디젤 엔진이며, 32가 연소실, 34가 피스톤, 또한, 36은 이 연소실(32) 내에 분사구(36a)를 면한 인젝터이다.
이 디젤 엔진용의 시스 히터형 예열 플러그(1)에서는, 전류는, 종래에 주지하는 바와 같이, 배터리(battery)(도시하지 않음)의 플러스 극(極) →외부 접속 단자(8)→전극 취출 금구(10) 및 전극 취출용 리드 선(9)→시스 히터(4)의 저항 발열 선(44)→시스(42)→하우징(2)→엔진(3)의 실린더 헤드(30)에 흐르도록 되어 있으며, 이 전류에 의해 예열 플러그(1)가 발열하고, 디젤 엔진의 착화 시동 보조를 실행할 수 있다.
또한, 이 예열 플러그(1)에는, 엔진 운전 시에 있어서의 실린더 내의 연소 압력을 검지하는 압력 센서(52)가 설치되어 있다. 이 실시형태의 압력 센서(52)는, 도 22에 확대해서 나타내는 바와 같이, 박막형의 압전 소자(53)를 구비하고 있으 며, 이 압전 소자(53)가, 하우징(2)의 실린더 헤드(30)에의 시트부(24e)보다도 선단 부근, 즉 연소실(32) 부근에 부착되어 있는 것을 특징으로 하고 있다(도 24 참조).
상기 압전 소자(53)는, 이 실시형태에서는 박막화한 C축 배향 질화 알루미늄(AlN)으로서 이루어져 있으며, 이 박막 형상의 압전 소자(53)가, 세라믹, 유리 등의 절연체(54)를 통해서 시스(42)의 내면에 접착되어 있다. 압전 소자(53)의 절연체(54) 측의 면과 반대 측의 면에 1쌍의 전극(52a, 52b)이 설치되고, 압전 소자(53)로부터의 신호를 꺼내는 신호 전달 수단으로서의 출력용 리드 선(56, 58)이 각각 접속되어 있다. 이것들 출력용 리드 선(56, 58)은, 상기 시스 히터(4) 내에 충전된 내열 절연 분말체(46)의 내부를 지나고, 전극 취출 금구(10)와 밀봉 부재(48) 사이의 간극(間隙)으로부터 시스 히터(4)의 외부로 인출되고, 또한, 하우징(2)의 내면과 외부 접속 단자(8)의 외면과의 사이의 공간(신호 전달 통로) 내를, 하우징(2)의 후단부 측까지 연장하고 있다. 그리고, 하우징(2)의 실린더 헤드(3)에의 부착 나사부(24c)보다도 외측에 형성된 반경 방향 구멍(2a)으로부터, 상기 1쌍의 리드 선(56, 58)이 하우징(2)의 외부로 인출되어 있다.
상기 구성의 압력 센서 부착 예열 플러그(1)에서는, 엔진(30)이 시동되어 실린더의 연소실(32) 내에서 발생한 연소 압력이, 상기 시스(42)를 통해서 박막형의 압전 소자(53)에 전해진다. 이 연소 압력의 변화에 상응해서, 압전 소자(53)의 압전 특성에 따라 출력하는 전기 신호가 변화된다. 이 출력을 리드 선(56, 58)을 통해서 도시하지 않는 측정 수단에 입력함으로써, 연소 압력을 검출할 수 있다.
이 압력 센서 부착 예열 플러그(1)에서는, 엔진(3)이나 예열 플러그(1)의 성능을 저하시키는 일 없이, 연소 압력을 검출할 수 있다. 특히, 이 실시형태에서는, 압력 센서(52)의 압전 소자(53)가, 하우징(2)의 실린더 헤드(30)에의 시트부(24e)보다도 연소실(32) 측에 장착되어 있으므로, 종래의 구성과 같이 실린더 헤드(30)의 외부 측에 센서를 설치했을 경우보다도 감도가 높고, 고정밀도인 연소 압력의 검출이 가능하다.
또한, 상기 연소 압력의 변화에 의해 착화 시기를 정확하게 검출할 수 있으므로, 최적의 점화 시기 제어를 실행할 수 있다. 그 결과, 연비 절약, 배기 가스의 정화, 엔진 성능의 향상에 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 압전 소자(53)로서 질화 알루미늄 박막을 이용하고 있으므로, 소형화가 가능하고, 게다가 내열성이 우수하기 때문에, 설치 위치를 자유롭게 선택 가능하며, 대단히 고정밀도의 연소 압력 측정이 가능하다.
또한, 상기 압력 센서(52)는, 노크 센서(knock sensor)로서의 기능을 수행할 수도 있다. 즉, 노크에 의한 진동을 검출할 수 있으며, 이 검출 신호에 상응해서, 이상(異常) 연소가 일어나지 않도록 점화 시기를 제어해서 노크 발생을 회피할 수 있다.
상기 실시형태에서는, 발열원(發熱源)으로서 시스 히터(금속 시스형 히터)(4)를 이용한 압력 센서 부착 예열 플러그(1)에 대해서 설명했지만, 히터의 형식에 한정되는 것은 아니고, 세라믹스 히터를 이용한 예열 플러그에도 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 도 25는, 제2실시형태에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(101)의 구성을 나타내는 것으로, 이 실시형태에서는, 세라믹스 히터형 예열 플러그에 압력 센서(52)를 일체적으로 설치하고 있다. 상기 도 21에 나타내는 실시예와는 히터의 구성만이 상이하고, 그 밖의 부분은 동일하므로, 동일한 부분에는 동일한 부호를 첨부해서 그 설명을 생략한다.
이 실시예에 관련된 예열 플러그(101)의 세라믹스 히터(104)는, 그 본체부를 구성하는 세라믹스 절연체(140)의 내부에 발열체(142)가 채워 넣어지고, 이 발열체(142)의 일단(一端)에 부극(負極) 측의 리드 선(146)이 접속되는 동시에, 타단(他端) 측에 정극(正極) 측의 리드 선(147)이 접속되어 있다. 부극 측의 리드 선(146)은 세라믹스 절연체(140)의 외주면에 꺼내져, 금속제 외부통(148)의 선단부의 내면에 납땜 등에 의해 접합되어서 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 정극 측 리드 선(147)은, 발열체(142)가 매설된 위치(도 25의 왼쪽 끝)와 반대의 단부 측으로 연장되고, 이 단면(端面)에 형성된 부착 구멍(140a)(도 25의 주요부를 확대해서 나타내는 도 26 참조) 내에서, 전극 취출용 리드 선(9)의 선단부(9a)에 납땜에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
전극 취출용 리드 선(9)은, 후단부(9b)가 전극 취출 금구(10)의 선단부(10a)에 고정되며, 이 전극 취출 금구(10)의 후단부(10b)는, 상기 제1실시형태와 마찬가지로, 시스(금속제 외부통)(148)의 외부에서 외부 접속 단자(8)의 선단부(8a)에 결합되어 있다. 상기 구성의 세라믹스 히터(104)는, 금속제 외부통(148) 내에 납땜에 의해 접합되어, 이 금속제 외부통(148)을 통해서 하우징(2)(실린더 헤드에의 부착 금구)에 고정되어 있다.
이 세라믹스 히터형 예열 플러그(101)에도, 상기 제1실시형태와 마찬가지 구성의 압력 센서(52)가 설치되어 있으며, 이 압력 센서(52)에 대해서 도 26에 의해 설명한다. 즉, 질화 알루미늄 박막으로서 이루어지는 압전 소자(53)가, 절연체(54)를 통해서, 금속제 외부통(148)의 내면의, 하우징(2)의 실린더 헤드(30)(도 23 및 도 24 참조)에의 시트부(24e)보다도 선단부 부근에 장착되며, 이 압전 소자(53)의 신호를 꺼내는 1쌍의 출력용 리드 선(신호 전달 수단)(56, 58)이, 금속제 외부통(148) 및 하우징(2)의 내부(신호 전달 통로)를 지나서, 하우징(2)의 부착 나사부(24c)보다도 후방에 형성된 반경 방향 구멍(2a)으로부터 하우징(2)의 외부에 인출되어 있다. 이 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(101)도, 상기 도 21의 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(1)와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 27은, 다른 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(201)의 전체 구성을 나타내는 종단면도, 도 28은 그 주요부의 확대도이다. 이 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(201)는, 예열 플러그 자체의 구성은 상기 도 21의 실시예에 관련된 예열 플러그(1)와 동일하며, 압력 센서(252)의 구성만이 상이하게 되어 있으므로, 동일한 부분에는 동일한 부호를 첨부해서 그 설명을 생략한다.
이 실시예에서는, 압력 센서(252)의 압전 소자(253)가, 상기 각각의 실시예와 마찬가지로 질화 알루미늄 박막으로서 이루어져 있지만, 이 압전 소자(253)는, 시스(42)의 내면에 직접 붙여져 있다. 그리고, 이 압전 소자(253)의 시스(42) 내를 향한 면에 한쪽의 전극(252a)이 설치되고, 압전 소자(253)로부터의 신호를 꺼내는 신호 전달 수단의 한쪽의 출력용 리드 선(256)이 접속되며, 신호 전달 수단의 다른 쪽은, 압전 소자(253)의 시스(42)에 붙여진 외면 측에서, 시스(42) 및 하우징(2)을 통해서, 하우징(2)의 부착 나사부(24c)보다도 후방 측에 접속된 출력용 리드 선(258)에 의해 꺼내지도록 되어 있다. 이 실시예에서도, 압력 센서(252)의 압전 소자(253)가 검출한 신호를 꺼내는 출력용 리드 선(256, 258)(시스(42) 및 하우징(2)을 포함)의 구성이 상이할 뿐이고, 상기 각각의 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 29 및 도 30은, 다른 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(301)의 전체 구성을 나타내는 종단면도 및 그 주요부의 확대도이다. 이 실시예에서는, 예열 플러그(301)의 발열원으로서 도 25의 실시예와 마찬가지의 세라믹스 히터(104)를 이용하는 동시에, 압력 센서(252)의 압전 소자(253)로부터의 신호의 취출을 실행하는 신호 전달 수단의 취출 방법이, 상기 도 27의 실시예와 마찬가지의 구성으로 되어 있다. 즉, 한쪽의 출력용 리드 선(256)을, 압전 소자(253)의 내측의 면에 설치된 전극(252a)에 접속하고, 금속제 외부통(148) 및 하우징(2)의 내부 공간(신호 전달 통로)을 통해서, 하우징(2)의 부착 나사부(24c)보다도 후방 측에 형성한 반경 방향 구멍(2a)으로부터 외부에 인출하는 동시에, 신호 전달 수단의 다른 쪽은, 금속제 외부통(148) 및 하우징(2)을 통해서 리드 선(258)에 꺼내져 있다. 이 실시형태에서도 상기 각각의 실시형태와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 31은, 또한 다른 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(401)의 전체 구성을 나타내는 종단면도이다. 이 실시예에서는, 상기 도 21의 실시예와 예열 플러그(4)의 구성은 동일하지만, 압력 센서(52)의 신호 전달 수단인 출력용 리드 선(56, 58)의 취출 방법만이 상이하게 되어 있다. 따라서, 동일한 부분에는 동일한 부호를 첨부해서 그 설명을 생략한다.
이 실시예에서는, 시스 히터(4)의 저항 발열 선(44)에 전기적으로 접속된 전극 취출용 리드 선(9)과, 외부 접속 단자(막대 형상 전극으로서의 중축(中軸))(8)를 접속하는 전극 취출 금구(410)를, 도 32(a)∼도 32(d)에 나타내는 형상의 것으로 하고, 이 전극 취출 금구(410)를 이용해서 상기 출력용 리드 선(56, 58)을 하우징(2)의 외부로 인출하고 있다.
상기 전극 취출 금구(410)는, 상기 각각의 실시예의 전극 취출 금구(10)와 마찬가지의 원주 형상 부재의 양단부(兩端部)에, 노치(notch)(리드 선 유지부)(410a, 410b)를 형성하는 동시에, 이것들 양단(兩端)의 리드 선 유지부(410a, 410b) 사이를 연통하는 관통 구멍(410c)을 형성하고, 이 관통 구멍(410c)을 신호 전달 통로의 일부로 이용하고 있다.
이 실시예에서는, 시스 히터(4)의 시스(42)의 내면에 장착한 질화 알루미늄 박막으로서 이루어지는 압전 소자(53)에 1쌍의 전극이 설치되고, 이것들 양쪽 전극에 접속한 1쌍의 리드 선(56, 58)이, 상기 전극 취출 금구(410)의 양단의 리드 선 유지부(410a, 410b) 및 그 중간의 관통 구멍(410c) 내를 지나서, 하우징(2)의 후단부 부근의 반경 방향 구멍(2a)으로부터 외부로 꺼내져 있다. 이 실시예에서도, 상기 각각의 실시예와 마찬가지의 작용 효과를 나타내는 동시에, 전극 취출 금구(410)를 출력 취출용 리드 선(56, 58)의 유지 도구로서 사용하고 있으므로, 예열 플러그(401)로서의 기능에 영향을 끼치는 일 없이, 시스 히터(4) 내부에서 압력 센서(52)의 압전 소자(53)로부터의 양쪽 리드 선(56, 58)을 간단히 꺼낼 수 있고, 게다가 안정된 상태에서 유지할 수 있다.
도 33은, 다른 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(501)의 전체 구성을 나타내는 종단면도이다. 이 실시예에서는, 상기 도 31에 나타내는 실시예의 예열 플러그(401)와는, 히터의 구성만이 상이하게 되어 있으며, 이 실시형태에서는 발열원으로서 세라믹스 히터(104)를 이용하고 있다. 그 밖의 구성은 상기 도 31의 실시예의 구성과 마찬가지이며, 압력 센서(52)의 압전 소자(53)로부터 신호를 꺼내는 1쌍의 리드 선(56, 58)을, 도 32에 나타내는 전극 취출 금구(410)를 통해서, 세라믹스 히터(104)의 외부로 인출하고 있다.
또한, 도 34 및 도 35는, 각각 다른 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(601, 701)의 전체 구성을 나타내는 종단면도이다. 이 실시예의 구성은, 상기 도 31, 도 33에 나타내는 실시예의 구성과는, 압력 센서(252)의 신호 전달 수단인 출력 취출용 리드 선의 취출 방법이 상이하게 되어 있으며, 상기 도 27 및 도 28에 나타내는 실시예의 구성과 마찬가지로, 압전 소자(253)의 내측의 면에 설치한 전극에 한쪽의 리드 선(256)을 접속하는 동시에, 다른 쪽의 신호 전달 수단의 리드 선(258)은, 시스(42) 및 하우징(2)을 통해서 하우징(2)의 외부로 꺼내고 있다. 그리고, 상기 한쪽의 리드 선(256)을, 상기 도 31 및 도 33의 실시예와 마찬가지로, 관통 구멍(410c) 및 리드 선 유지부(410a, 410b)를 갖는 전극 취출 금구(410)를 통해서, 히터(4, 104)를 유지하는 시스(42, 148)로부터 외부로 꺼내고 있다. 상기 도 33, 및 이것들 도 34, 도 35의 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(501, 601, 701)도, 도 31의 실시예에 관련된 압력 센서 부착 예열 플러그(401)와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 36은, 다른 실시예에 관련된 내연 기관용 보조 부품으로서의 점화용 스파크 플러그(801)의 일부를 단면(斷面)으로 한 정면도이며, 이 실시예에서는, 점화용 스파크 플러그(801)에 상기 각각의 실시예와 마찬가지의 압력 센서(852)를 설치하고 있다. 스파크 플러그(801)의 기본적 구성은 종래의 것과 변경되는 것은 없으므로, 그 설명은 생략하고 압력 센서(852)에 대해서 설명한다.
이 점화용 스파크 플러그(801)는, 하우징(802)의 내부에 절연체(803)를 통해서 중심 전극(805)이 유지되어 있으며, 절연체(803)의 외면의 선단부 부근에, 박막형의 압전 소자(853)가 부착되어 있다. 절연체(803)의 압전 소자(853)가 부착되어 있는 부분과 하우징(802)의 내면과의 사이에는 공간(S)이 형성되어 있으며, 이 압전 소자(853)는, 도시하지 않는 실린더 헤드의 연소실 내에 면하고 있다.
상기 압전 소자(853)가 검출한 전기 신호를 외부에 전달하는 신호 전달 수단(리드 선(856, 858))은, 절연체(803)의 내부에 형성된 신호 전달 통로(860) 내를 지나서, 하우징(802)보다도 후방 측(도 36의 위쪽)에서 외부로 꺼내져 있다. 이 실시형태에서도, 상기 각각의 실시형태와 마찬가지로, 엔진의 연소실 내의 연소 시의 압력, 진동을 고감도로 검출할 수 있고, 최적의 점화 시기 제어를 실행할 수 있다.
도 37 및 도 38은, 상기 도 36의 실시예의 변형예를 나타내는 것으로, 점화용 스파크 플러그(901)의 구성 및 압력 센서(952)의 압전 소자(853)의 부착 위치 는, 도 36의 구성과 동일하지만, 압전 소자(853)로부터의 전기 신호를 꺼내는 신호 전달 수단의 구성이 상이하게 되어 있다. 이 실시예에서는, 신호 전달 수단의 한쪽을 구성하는 리드 선(956)이, 절연체(903)의 내부에 형성된 신호 전달 통로(960)를 통해서 외부로 인출되는 동시에, 신호 전달 수단의 다른 쪽(접지 측)은, 도 37의 A부를 확대한 도 38에 나타낸 바와 같이, 절연체(903)를 반경 방향으로 관통해서 외면에 노출되어 있는 중심 전극(905)에 접속되어 있다. 이 실시형태도, 상기 도 36의 실시형태와 마찬가지의 작용 효과를 나타낼 수 있다.
도 39는, 또한 다른 실시예를 나타내는 것으로, 내연 기관용 보조 부품으로서의 연료 분사 노즐(인젝터)(1001)에 압력 센서(1052)를 설치한 것이다. 이 실시형태에서도, 인젝터(1001) 자체의 구성은 일반적인 것이며, 하우징(1002)(인젝터 몸체(1003)와 그 선단에 고정된 노즐 몸체(1005))의 내부에 인젝터(1001)의 작동부가 수용되며, 본 발명의 특징인 압력 센서(1052)는, 노즐 몸체(1005)의 선단에 설치된 연소실 내에의 돌출부(1005a)에 부착되어 있다.
여기서 인젝터(1001)의 구성에 대해서 간단히 설명한다. 1006은 상기 인젝터 몸체(1002)에 형성된 고압 연료 입구, 1008은 노즐 몸체 내에 진퇴 운동 가능하게 배치된 노즐 니들(nozzle needle), 1010은 인젝터 몸체 내의 중간 부재, 1012는 저압 출구, 1014는 중간 부재(1010)의 내부의 제어실, 1016은 제어실(1014)의 상부의 밸브 자리에 착석하는 볼 밸브(ball valve), 1018은 볼 밸브(1016)를 상기 밸브 자리에 착석시키는 밸브 스프링(valve spring), 1020은 아마추어 플레이트(armature plate), 1022은 자석이다. 또한, 도 39에서는, 하우징(1002)의 외면에 형성된 실린 더 헤드에의 부착 나사부 및 시트부는 도시를 생략하고 있다.
상기 노즐 몸체(1005)의 선단에 설치한 압력 센서(1052)는, 도 39의 B부를 확대한 도 40에 나타낸 바와 같이, 압전 소자(1053)를 노즐 몸체(1005)의 돌출부(1005a)의 선단면에 부착해도 좋고(부호 1053A로서 나타내는 압력 센서 참조), 또한, 노즐 몸체(1005)의 니들(1008)을 끼워 맞춘 구멍(1005b)의 내면 측 혹은 니들(1008)의 외면 측에 부착해도 좋다(1053B, 1053C). 그리고, 이것들 각각의 압전 소자(1053A, 1053B, 1053C)로부터의 출력의 취출을 실행하는 신호 전달 수단은, 한쪽이, 노즐 몸체(1005)의 내부 또는 니들(1008)의 내부에 설치한 신호 전달 통로 내를 지나는 리드 선(1056A, 1056B, 1056C)에 의해, 다른 쪽은, 노즐 몸체(1005) 또는 니들(1008)에 접지를 함으로써 꺼내도록 하고 있다. 또한, 상기 리드 선(1056)의 인젝터(1001) 외부에의 취출은, 상기 인젝터 몸체(1003)에 설치되어 있는 저압 출구(1012)로부터 실행한다.
본 발명을 인젝터(1001)에 적용한 이 실시예에서도, 상기 각각의 실시예와 마찬가지로, 엔진의 실린더 내의 연소 압력을 고감도로 검출할 수 있고, 게다가, 인젝터(1001)의 분사 상태의 검출, 분사 압력의 검출을 실행할 수 있으며, 더욱 최적의 연료 분사 제어를 실행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 인젝터의 이상 검출에 관해서는, 압력 센서를 연료 유로(流路) 부품에 설치해도 좋다.
또한, 본 발명은, 디젤 엔진에 한정되지 않고, 모든 내연 기관에 적용할 수 있다. 또한, 상기 각각의 실시형태로 설명한 예열 플러그, 스파크 플러그 및 인젝터로 한정하는 것이 아니고, 내연 기관의 실린더에 포트(port)를 갖는 모든 보조 부품에 적용 가능하다.

Claims (21)

  1. 질화물(窒化物) 또는 산화물을 재료로 하는 박막형(薄膜型)의 압전(壓電) 소자(素子)(B)를, 절연재로서 이루어지는 기재(基材)(C)에 설치하고, 상기 압전 소자(B)로부터의 신호 전달 수단(D, E, F, G)을 상기 기재(C) 내를 통해서 외부에 꺼내는 것을 특징으로 하는, 압력 센서(A).
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 소자(B)의 기재(C) 측에 신호 전달 수단으로서의 1쌍의 출력용 전극(D, E)을 부착한 것을 특징으로 하는, 압력 센서(A).
  3. 제1항에 있어서, 상기 질화물이, C축 배향(配向) 질화 알루미늄 박막(薄膜)인 것을 특징으로 하는, 압력 센서(A).
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화물이, C축 배향 ZnO, LiNbO3형 우르짜이트(wurtzite) 화합물, 란가사이트(La3Ga5SiO14)계 단결정(單結晶), 수정(水晶), PZT(지르콘산 티탄늄산 납), 페로부스카이트(perovskite)형 산화물의 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 압력 센서(A).
  5. 제1항에 있어서, 상기 박막형 압전 소자(B)의 표면을 보호막(J)으로 피복한 것을 특징으로 하는, 압력 센서(A).
  6. 질화물 또는 산화물을 재료로 하는 박막형의 압전 소자(B)를 구비한 압력 센서(A)의 제조 방법에 있어서, 상기 박막형 압전 소자(B)를, 스퍼터링(sputtering), 이온 플레이팅(ion plating), CVD(chemical vapor deposition), 레이저 어브레이션(laser abrasion), 이온 빔(ion beam) 증착(蒸着), 레이저 증착, 진공 증착의 어느 하나에 의해서 제조하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서(A)의 제조 방법.
  7. 내연 기관의 연소실(h) 내에 면(面)하는 개소(個所)에, 압력 센서(A)의 압전 소자(B)를 배치한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  8. 제7항에 있어서, 상기 압전 소자(B)가, 박막화된 질화물 또는 산화물로서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  9. 제7항에 있어서, 상기 압전 소자(B)를, 내연 기관의 실린더 헤드(e)의 벽면의 연소실(h) 측에 절연 부재(C)를 통해서 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 압전 소자(B)의 절연 부재(C) 측에, 신호 전달 수단으로서의 1쌍의 출력용 전극(D, E)을 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린 더 내 압력 검출 구조.
  11. 제9항에 있어서, 상기 압전 소자(B)의 양면(兩面)에, 신호 전달 수단으로서의 출력용 전극(D, E)을 각각 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 양쪽 전극(D, E)에 각각 접속된 신호 전달 수단으로서의 출력용 리드 선(F, G)이, 상기 절연 부재(C) 내를 지나서 외부로 꺼내지는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 한쪽의 전극(E)에 접속된 신호 전달 수단으로서의 출력용 리드 선(G)이, 상기 절연 부재(C) 내를 지나서 외부로 꺼내지는 동시에, 다른 쪽의 전극(D)에 접속된 출력용 리드 선(F)은, 상기 실린더 헤드(e)에 접지되어 있는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 압전 소자(B)의 연소실(h) 측의 면을 보호막(J)으로 피복한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  15. 제7항에 있어서, 상기 압력 센서(A)의 압전 소자(B)를, 내연 기관의 실린더 헤드(e)에 고정된 내연 기관용 보조 부품의 연소실(h) 내에 면하는 부분에 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  16. 제15항에 있어서, 상기 내연 기관용 보조 부품은 엔진 예열용의 예열 플러그(K)이며, 이 예열 플러그(K)의 히터(L)의 외면(外面)에 절연체(P)를 통해서 압전 소자(B)를 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  17. 제16항에 있어서, 상기 예열 플러그(K)는, 세라믹스 절연체(P)의 내부에 히터 코일(Q)이 매설(埋設)된 세라믹스 히터(L)를 구비하고 있으며, 상기 세라믹스 절연체(P)의 외면에 상기 압전 소자(B)가 부착되고, 이 압전 소자(B)의 세라믹스 절연체(P) 측에 신호 전달 수단으로서의 출력용 전극(D, E)을 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  18. 제16항에 있어서, 상기 예열 플러그(K)는, 도전성 세라믹스(R)의 중간에 절연성 세라믹스(P)를 끼워 지지한 구조를 가지고 있으며, 상기 도전성 세라믹스(R)의 외면에 절연체(S)를 통해서 신호 전달 수단으로서의 출력용 전극(D, E)을 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  19. 제16항에 있어서, 상기 예열 플러그(Ⅴ)는, 금속 시스(sheath)형의 히터(U)를 구비하고 있으며, 이 금속 시스(Y)의 외면에 절연체(Z)를 통해서 신호 전달 수단으로서의 출력용 전극(D, E)을 부착한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  20. 제15항에 있어서, 상기 내연 기관용 보조 부품이 점화용 스파크 플라그(801)인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
  21. 제15항에 있어서, 상기 내연 기관용 보조 부품이 연료 분사 노즐(1001)인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 실린더 내 압력 검출 구조.
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