JP2007113851A - 燃焼圧センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子から構成された燃焼圧検出素子を用い、燃焼圧の変化を適切に検出することができる燃焼圧センサ付きグロープラグを提供する。
【解決手段】半導体素子３５０から構成される燃焼圧検出素子２５０は、中軸３０に接合されたフランジ２１０の鍔部２１５と、主体金具４０の周壁４７に接合された押圧部材２８０との間で挟持され、中軸３０が燃焼圧による変位を受けた際には、軸線Ｏ方向と平行な方向に押圧される。燃焼圧検出素子２５０は、常に、燃焼圧の変化に追従した押圧力の変化を受けることができ、安定した燃焼圧の検出を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼圧の変化を検出するための燃焼圧センサを一体に備え、内燃機関の始動を補助する燃焼圧センサ付きグロープラグに関するものである。

内燃機関の始動を補助するためのグロープラグに、内燃機関の燃焼圧を検出するための燃焼圧センサを一体に備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載のグロープラグでは、主体金具（ハウジング）の先端側に、通電により発熱するヒータ（発熱体）が設けられ、このヒータは主体金具の軸孔内を挿通される中軸と一体となっている。また、中軸の後端側には固定ナットが螺合され、その固定ナットと主体金具の後端側の端面との間で予荷重をかけられた状態で、燃焼圧検出素子（圧電セラミックス）が固定保持されている。ヒータは燃焼室内に露出され、このヒータに作用する燃焼圧が主体金具や中軸を介し、燃焼圧を検出する燃焼圧検出素子（圧電セラミックス）に伝達される。このとき、燃焼圧検出素子に予め負荷されている予荷重が緩和されて、燃焼圧の検出がなされる。

ところで、特許文献１では、燃焼圧センサとして半導体圧力センサを利用してもよいことが提案されている。燃焼圧検出素子として半導体素子を用いれば、圧電セラミックスと比べ素子のインピーダンスが小さいため、Ｓ／Ｎ比が大きいという特性がある。また、経時的な変化も生じにくいといった特性がある。
特開２００１−１２４３３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、燃焼圧が上昇した場合に燃焼圧検出素子に予め負荷されている予荷重が緩和される構造であるため、場合によっては燃焼圧検出素子から出力が得られない場合がある。特に半導体素子は、一般的に、圧電素子と比べ変形し難い。このため、半導体素子から構成された燃焼圧検出素子を特許文献１に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグに適用すると、上述の問題が顕著となってしまう虞があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子から構成された燃焼圧検出素子を用い、燃焼圧の変化を適切に検出することができる燃焼圧センサ付きグロープラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、前記軸孔の先端側に挿通され、通電により発熱するヒータと、前記軸孔に挿通されてなり、前記ヒータと電気的に導通し、内燃機関の燃焼圧の変化に伴い前記主体金具に対して軸線方向に変位可能な中軸と、前記主体金具に対する前記中軸の変位に基づいて前記内燃機関の燃焼圧の変化を検出する燃焼圧検出素子を有する燃焼圧センサとを備え、前記燃焼圧検出素子は、半導体素子から構成され、前記燃焼圧の上昇につれて自身に加わる前記軸線方向に沿う押圧力が増加するように、前記主体金具に設けられた主体金具側保持部と前記中軸に設けられた中軸側保持部との間に挟持された形態で配置されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記燃焼圧検出素子と共に前記主体金具側保持部と前記中軸側保持部との間に挟持される、少なくとも１つ以上のダミー素子を備えている。

また、請求項３に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記燃焼圧検出素子および前記ダミー素子のそれぞれの重心位置を前記軸線と直交する平面に投影してみたとき、前記軸線の位置から、前記燃焼圧検出素子および前記ダミー素子のそれぞれの重心位置に向けた各ベクトルの和がゼロとなることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記燃焼圧検出素子および前記ダミー素子のそれぞれの重心位置を前記軸線と直交する平面に投影してみたとき、各重心位置を結ぶ線によって仮想的に描かれる直線もしくは多角形の形状が、前記軸線の位置を中心とした対称形状となることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記燃焼圧検出素子は、環状に形成され、自身の中心と前記中軸の中心とを一致するように配置されることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記燃焼圧検出素子を構成する前記半導体素子は、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧部を基板表面に形成した形態を有し、前記燃焼圧検出素子は、前記燃焼圧の上昇につれて自身に加わる前記軸線方向に沿う押圧力の方向が、前記半導体素子の前記基板の厚み方向となるように、前記主体金具側保持部と前記中軸側保持部との間に挟持された形態で配置されることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記燃焼圧検出素子は、ＳＯＩ素子であることを特徴とする。

請求項１に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、半導体素子から構成された燃焼圧検出素子が、主体金具に設けられた主体金具側保持部と、中軸に設けられた中軸側保持部との間で挟持される形態で配置されており、内燃機関の燃焼圧により中軸が主体金具に対して軸線方向に変位すると燃焼圧検出素子は軸線方向に押圧力を受け、燃焼圧の変化として検出することができる。すなわち、燃焼圧が変化したとき、燃焼圧検出素子は常に押圧力を受けるように配置されている。これにより、燃焼圧検出素子として半導体素子を用いても、常に安定した燃焼圧の検出を行うことができる。また、燃焼圧検出素子を半導体素子から構成しているので、素子としてのインピーダンスを小さくでき、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができるとともに、素子の経時的な変化が小さいため、長期に亘り、安定した特性を得ることができる。

また、請求項２に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、燃焼圧検出素子とともに、ダミー素子を、主体金具側保持部と中軸側保持部との間に挟持するので、燃焼圧検出素子が主体金具側保持部と中軸側保持部とから受ける押圧力を燃焼圧検出素子とダミー素子とで分散することができる。すなわち、主体金具側保持部や中軸側保持部が燃焼圧検出素子を押圧した際に、各保持部において圧力を受ける位置が、燃焼圧検出素子との当接位置およびダミー素子との当接位置に分散されるため、燃焼圧検出素子に対する押圧力の押圧方向に偏りが生じにくくなる。このため、燃焼圧検出素子による燃焼圧の変化の検出を安定して行うことができる。

ここで、請求項３に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグのように、軸線の位置から各素子の重心位置に向けたベクトルの和がゼロとなるように燃焼圧検出素子およびダミー素子の配置位置を決定すれば、主体金具側保持部や中軸側保持部の圧力を受ける位置は軸線位置を中心としてバランスよく配置されることとなる。このようにすれば、より安定して、燃焼圧検出素子による燃焼圧の変化の検出を行うことができる。

また、請求項４に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグのように、軸線と直交する平面において、燃焼圧検出素子およびダミー素子のそれぞれの重心位置を結ぶ線によって仮想的に描かれる直線もしくは多角形の形状が、軸線の位置を中心とした対称形状となるように、燃焼圧検出素子およびダミー素子を配置しても、上記のように、主体金具側保持部や中軸側保持部の圧力を受ける位置を、軸線位置を中心としてバランスよく配置させることができる。これにより、より安定して、燃焼圧検出素子による燃焼圧の変化の検出を行うことができる。

また、請求項５に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、燃焼圧検出素子を環状に形成し、自身の中心と中軸の中心とを一致するように配置させるので、燃焼圧検出素子に加わる偏荷重を低減することができる。

また、請求項６に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグのように、半導体素子の基板の厚み方向が燃焼圧に伴う押圧力の方向となるように、その半導体素子から構成される燃焼圧検出素子を主体金具側保持部と中軸側保持部との間に挟持された形態で配置すれば、基板表面に感圧部を形成した半導体素子を板厚方向から各保持部により挟持する構成とすることができるため、燃焼圧センサの組み立てが容易となる。

また、請求項７に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグのように、燃焼圧検出素子をＳＯＩ素子から構成すれば、Ｐ型半導体部とＮ型半導体部とが直接接触しない構成とすることができるので、周囲の温度に関係なく漏れ電流を防止することができ、耐熱性を高めることができる。

以下、本発明を具体化した燃焼圧センサ付きグロープラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態のグロープラグ１００の全体の構造について説明する。図１は、グロープラグ１００の一部切欠縦断面図である。なお、軸線Ｏ方向において、セラミックヒータ２０の配置された側（図１における下側）をグロープラグ１００の先端側として説明する。

図１に示すように、本実施の形態のグロープラグ１００は、例えばディーゼルエンジンの燃焼室にセラミックヒータ２０が露出する形態で、シリンダヘッドに設けられたプラグホールに取り付けられ、エンジン始動時の点火を補助する熱源として利用される。主体金具４０の先端側にはセラミックヒータ２０が軸線Ｏ方向に保持されており、主体金具４０の軸孔４３内を挿通される中軸３０と機械的に接続されている。セラミックヒータ２０は燃焼室内に露出しており、燃焼圧を受けると、セラミックヒータ２０に作用した力が中軸３０を介し、主体金具４０の後端側に設けられた燃焼圧センサ２００に伝達される構成となっている。

セラミックヒータ２０は丸棒状をなし、先端部２２が曲面状に加工された絶縁性セラミックからなる基体２１の内部に、導電性セラミックからなる発熱素子（図示外）が埋設された構造を有する。セラミックヒータ２０の後端部２３の外周には、発熱素子に電圧を印加するための２つの電極２５，２６が、互いに軸線方向にずれた位置に設けられている。このセラミックヒータ２０は、その胴部分の外周を取り巻くように、円筒状の筒状体８０に保持されている。電極２５，２６のうち先端側に形成された電極２５は、筒状体８０の筒孔内で筒状体８０に接触し、電気的に接続されている。そして電極２６は筒状体８０とは接触されておらず、電気的に絶縁されている。なお、セラミックヒータ２０が、本発明における「ヒータ」に相当する。

筒状体８０は金属製の部材からなり、後端側には肉厚の鍔部８１が形成されている。その鍔部８１の後端には段状の係合部８２が形成され、円筒状をなす主体金具４０の先端部４１の内周が、この係合部８２に係合される。この係合の際には、セラミックヒータ２０の軸と、主体金具４０の軸とが軸線Ｏに一致する。この状態で、セラミックヒータ２０の筒状体８０よりも後端側の部分は主体金具４０の内部に収容され、主体金具４０が筒状体８０の係合部８２によって位置決めされるため、セラミックヒータ２０の後端部分に設けられた電極２６が金属製の主体金具４０には接触しない構造となっている。

主体金具４０は、軸線Ｏ方向に貫通する軸孔４３を有する長細い筒状の金属部材であり、胴部４４の略中央に、グロープラグ１００をエンジンヘッド（図示外）に取り付けるための雄ねじ部４２が形成されている。また、胴部４４の後端には、エンジンヘッドへの取り付けの際に使用される工具が係合する、軸線断面六角形状の工具係合部４６が形成されている。この工具係合部４６の後端側には、燃焼圧センサ２００を主体金具４０に固定するため、後方に段状に突出した軸線に垂直な断面が円形の基端部４５が設けられている。

中軸３０は、軸線Ｏ方向に延びる鉄系素材（例えばＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼）からなる金属棒であり、主体金具４０の軸孔４３内に挿通される。中軸３０の先端部３２はセラミックヒータ２０の後端部２３に、金属製の接続リング２８を介して機械的に結合されている。そしてセラミックヒータ２０の後端部２３の電極２６は接続リング２８の筒孔内壁に接触しており、セラミックヒータ２０は中軸３０と電気的に接続されている。主体金具４０と中軸３０とは空隙をもって電気的に絶縁されており、両者それぞれがセラミックヒータ２０の発熱素子（図示外）に電圧を印加するための電極２５，２６に電気的に接続した導通路として機能する。また、中軸３０の後端には雄ねじ部３４が形成されており、この雄ねじ部３４にはセラミックヒータ２０に通電するための外部回路との電気的な接続を行う接続端子５０が螺合されている。

次に、図２を参照して、燃焼圧センサ２００の全体の構成について説明する。図２は、燃焼圧センサ２００付近を拡大したグロープラグ１００の縦断面図である。なお、便宜上、図２において、グロープラグ１００の軸線Ｏ方向の先端側を下側、後端側を上側として説明する。

図２に示すように、燃焼圧センサ２００は、軸線Ｏ方向に延びる中軸３０と、主体金具４０の基端部４５の外周縁を軸線Ｏ方向後端側（上側）に向けて突設した周壁４７との間に燃焼圧検出素子２５０を配置した構成を有する。

中軸３０の後端側には円環状の絶縁部材２３０が係合され、主体金具４０の周壁４７の内周側で基端部４５に当接した状態で配置されている。また、中軸３０には円筒状のフランジ２１０が係合されており、その先端側の端部には鍔部２１５が突設されている。この鍔部２１５の先端側の鍔面２１６が絶縁部材２３０に当接した状態で、フランジ２１０の後端側の端部が中軸３０の外周面に対し全周にわたってレーザ溶接されており、中軸３０とフランジ２１０とが一体となっている。なお、フランジ２１０が、本発明における「中軸側保持部」に相当する。

フランジ２１０の鍔部２１５の後端側の鍔面２１７上には素子台座２２０が周方向に複数配設されており、それぞれの素子台座２２０上に、半導体素子３５０の上下両面を素子保護のための上ガラス２７０および下ガラス２７５で挟んだ燃焼圧検出素子２５０、またはダミー体２６５の上下両面を上ガラス２７０および下ガラス２７５で挟んだダミー素子２６０が配置されている。なお、燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０については後述する。

そして、フランジ２１０の鍔部２１５との間で軸線Ｏと平行な方向に素子台座２２０および上下ガラス２７０，２７５ごと後述する燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０を挟持するように、上ガラス２７０上に当接して円環状の押圧部材２８０が配設されている。押圧部材２８０は、その外径が、主体金具４０の周壁４７の内径と略同一に構成され、押圧部材２８０の外周面の全周にわたって周壁４７の周端縁がレーザ溶接されている。このとき、燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０に予荷重がかけられた状態となるように、押圧部材２８０により押圧力を負荷した状態で溶接される。これにより、主体金具４０と押圧部材２８０とは一体となっている。なお、押圧部材２８０が、本発明における「主体金具側保持部」に相当する。

そして、押圧部材２８０の上方には、円環状の回路基板２９０が配設されている。この回路基板２９０は、燃焼圧検出素子２５０を駆動する駆動回路、差動増幅回路、および温度補償回路を含む基板であり、回路基板２９０の出力信号を外部に取り出すための信号ケーブル３１０と、燃焼圧検出素子２５０との接続を行うフレキシブルケーブル３００とがそれぞれ電気的に接続されている。また、主体金具４０の周壁４７の一部にはスリット４８が設けられており、周壁４７の外側で回路基板２９０と接続されたフレキシブルケーブル３００が、スリット４８を通過して、周壁４７の内側の素子台座２２０上の配線パターン２２１（図４参照）に接続されている。

さらに、周壁４７の外方を円筒状のアウターケース３２０が取り巻くように覆い、燃焼圧センサ２００の外壁として構成されている。アウターケース３２０は、一方の端部３２２が主体金具４０の基端部４５に溶接されており、他端側は開放されている。また、フレキシブルケーブル３００が配設された部位の外径が膨らむように形成されている。このアウターケース３２０の内部には水分や油などの進入を防止するための樹脂３２５が充填されており、燃焼圧センサ２００の本体が保護されるとともに、信号ケーブル３１０が固定されている。なお、この信号ケーブル３１０の固定は、信号ケーブル３１０の外周を金属製のリング状の部材で加締め、そのリング状の部材をアウターケース３２０に溶接することによって、より強固に固定することも可能である。

次に、燃焼圧検出素子２５０の詳細な構成について説明する。図３は、フランジ２１０の鍔部２１５上に配置した燃焼圧検出素子２５０の様子を示す平面図である。図４は、素子台座２２０上に形成された燃焼圧検出素子２５０の平面図である。図５は、燃焼圧検出素子２５０の平面図である。

図３に示すように、燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０は、素子台座２２０上に配設されている。前述したように、素子台座２２０は、フランジ２１０の鍔部２１５の鍔面２１７上に、本実施の形態では４つ配置されており、フランジ２１０内を挿通される中軸３０の軸線Ｏの位置を中心とし、鍔面２１７上で周方向に均等に配置されている。本実施の形態では、１つの燃焼圧検出素子２５０と、３つのダミー素子２６０とが各素子台座２２０上に設けられ、燃焼圧検出素子２５０が設けられた素子台座２２０には、図４に示す、燃焼圧検出素子２５０とフレキシブルケーブル３００とを電気的に接続するための配線パターン２２１やランド２２２，２２３が形成されている。そして、図５に示す、燃焼圧検出素子２５０の半導体素子３５０上のコンタクトパッド３５１〜３５６と、対応する素子台座２００側のランド２２３とが、図示外の金ワイヤーより結線されている。

図５に示すように、半導体素子３５０は、シリコンより形成され面方位（１１０）の基板３６０上に、６つのコンタクトパッド３５１〜３５３，３５４〜３５６が２列並列に対向して形成されている。そして、コンタクトパッド３５１と３５４，３５２と３５５，３５３と３５６をそれぞれ組として、結晶軸方向＜１００＞に沿って形成したピエゾ抵抗体３６１〜３６３によって、各組のコンタクトパッド同士がそれぞれ電気的に接続されている。また、そのうち２組のピエゾ抵抗体３６２，３６３は、結晶軸方向＜１１０＞に沿って形成した２本のピエゾ抵抗体３６４，３６５で架橋されている。ピエゾ抵抗体３６４は、コンタクトパッド３５２，３５３の近くでピエゾ抵抗体３６２，３６３間を架橋され、ピエゾ抵抗体３６５は、コンタクトパッド３５５，３５６の近くでピエゾ抵抗体３６２，３６３間を架橋されている。後述するが、このピエゾ抵抗体３６２〜３６５からなる架橋構造体は、圧力を検出するための感圧素子として機能し、本発明における「感圧部」に相当する。残る１組のコンタクトパッド３５１，３５４を接続するピエゾ抵抗体３６１は、温度変化を検出するための感温素子として機能する。

なお、図２，図３に示す、ダミー素子２６０のダミー体２６５は、熱膨張係数および剛性が半導体素子３５０と略同一の材料から形成されている。ダミー素子２６０は、図２に示す、軸線Ｏ方向における押圧部材２８０とフランジ２１０との間の間隔および両者間の押圧力が同一となるように、図３に示す、軸線Ｏの位置から等距離で、軸線Ｏの位置を中心とする周方向に等間隔の位置に、燃焼圧検出素子２５０とダミー素子２６０とが配置されている。すなわち、燃焼圧検出素子２５０の重心位置と、３つのダミー素子２６０の重心位置とを結ぶ仮想線Ｗを想定したとき、その仮想線Ｗにより描かれる図形の形状は、軸線Ｏの位置を中心とした対称形状となる。これにより、押圧部材２８０とフランジ２１０の鍔部２１５との間の距離が縮まる方向に押圧力を受けた際に、両者の対向面同士にかかる面圧は、軸線Ｏの位置を中心として均衡な状態に保たれることとなる。従って、押圧部材２８０やフランジ２１０に軸線Ｏ方向に対する傾きが生ずることはなく、燃焼圧検出素子２５０は押圧部材２８０とフランジ２１０との間で軸線Ｏ方向と平行な方向に押圧され、偏荷重が加わりにくくなる。

なお、上記構成の半導体素子３５０に対し、基板３６０の厚み方向に燃焼圧に伴う押圧力が加えられるように、燃焼圧検出素子２５０は、半導体素子３５０の基板３６０の厚み方向を軸線Ｏ方向と一致させた状態で、押圧部材２８０とフランジ２１０との間に挟持された形態で配置される。

次に、グロープラグ１００において、エンジンの燃焼圧を検出する際の動作について説明する。図１に示す、グロープラグ１００がエンジンヘッド（図示外）に取り付けられた際には、燃焼室内にセラミックヒータ２０の先端部２２が露出する。エンジンの稼働に伴い燃焼室内の圧力が増加すると、燃焼圧によりセラミックヒータ２０が押圧力を受ける。セラミックヒータ２０は主体金具４０に接合された筒状体８０に圧入嵌合されており、すなわち、セラミックヒータ２０は主体金具４０に固定されている。この主体金具４０は、雄ねじ部４２がエンジンヘッドの取付孔（図示外）に螺合されており、燃焼圧による変位はほとんど生じない。このため、燃焼圧によりセラミックヒータ２０が押圧されると、主体金具４０の雄ねじ部４２より先端側の胴部４４に歪みが生じることとなる。これにより、セラミックヒータ２０と一体化されている中軸３０が、主体金具４０に対して軸線Ｏ方向後端側に変位することとなる。

すると、図２に示すように、中軸３０に接合されたフランジ２１０も、主体金具４０に対して軸線Ｏ方向後端側に変位する。主体金具４０に接合された押圧部材２８０の変位がほとんどない状態で、中軸３０に接合されたフランジ２１０の鍔部２１５が軸線Ｏ方向後端側に向けて変位するので、押圧部材２８０とフランジ２１０との間に挟持された燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０が、両者間で圧縮される。このとき、上記したように、ダミー素子２６０を設けたことにより、押圧部材２８０とフランジ２１０との対向面同士にかかる押圧力が、軸線Ｏの位置を中心として均衡な状態に保たれており、燃焼圧検出素子２５０に偏荷重が加わりにくくなる。

図５に示す、燃焼圧検出素子２５０の半導体素子３５０が、外部から結晶面（１１０）に垂直な方向の押圧力を受けると、基板３６０上に形成された各ピエゾ抵抗体３６１〜３６５に押圧力が加えられる。このとき、結晶軸＜１１０＞方向のピエゾ抵抗体３６４，３６５では押圧力により生ずる内部応力に比例して自身の抵抗値が変化し、結晶軸＜１００＞方向の抵抗体３６１〜３６３では抵抗値変化が極めて小さく、ピエゾ抵抗体３６４，３６５の抵抗値変化に対して無視できるほど小さい。ここで、図５に示すように、ピエゾ抵抗体３６２，３６３間をピエゾ抵抗体３６４，３６５で架橋するように形成した回路構成は、図６に示す、ホイートストンブリッジの構成をなす。ホイートストンブリッジの動作の原理については公知であるため省略するが、図５，図６に示す、コンタクトパッド３５２，３５６間を入力としてａ点，ｄ点間に定電圧を印加し、コンタクトパッド３５３，３５５間を出力としてｂ点，ｃ点間の電位差（中点電位差）を検出すれば、ピエゾ抵抗体３６４，３６５の抵抗値の変化、すなわち燃焼圧の大きさに応じた検出値が得られることとなる。

なお、回路基板２９０には温度補償回路が設けられており、図５に示す、感温素子としてのピエゾ抵抗体３６１により検出される温度に基づき、燃焼圧の検出値に対し温度補正が行われる。

このように、本実施の形態のグロープラグ１００は、燃焼圧により押圧力を受けたセラミックヒータ２０の主体金具４０に対する軸線Ｏ方向への変位が大きくなるにつれて、フランジ２１０と押圧部材２８０との間の距離が軸線Ｏ方向に沿って小さくなり、両者間に挟持された燃焼圧検出素子２５０に対する軸線Ｏ方向に沿った押圧力が増加するように構成されている。つまり、燃焼圧検出素子２５０は、常に、燃焼圧の変化に追従した押圧力の変化を受けることができる形態として配置されており、安定した燃焼圧の検出を行うことができる。

［実施例１］
このようなグロープラグ１００の燃焼圧センサ２００に用いることができる燃焼圧検出素子２５０を、図７に示す各工程に従って作製した。なお、以下の製造工程における各ステップを「Ｓ」と略記する。

（Ｓ１）シリコン基板の準備
図７に示すように、まず、厚さ４００μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍのＮ型シリコン基板３７０（Ｓｉ）を用意し、洗浄液中に浸して洗浄処理を行った。

（Ｓ２）パターニング
シリコン基板３７０を熱処理炉に入れ、熱酸化処理により、表面上に厚さ１００ｎｍの熱酸化膜３７１，３７２（ＳｉＯ_２）を形成した。その後一方の面（図７における上側の面）に形成した熱酸化膜３７１をエッチングすることで、後工程で形成される感圧素子の形状および感温素子の形状と同様の開口パターンを形成した。

（Ｓ３）ピエゾ抵抗体の形成
次に、イオン注入装置により、シリコン基板３７０の表層（熱酸化膜３７１から露出している面の表層）にＰ型不純物として濃度１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のボロンを注入し、窒素雰囲気中で９５０℃、３０分間のアニール（加熱処理）を行い、感温素子としてのピエゾ抵抗体３６１および感圧素子としてのピエゾ抵抗体３６２〜３６５を形成した。

（Ｓ４）保護膜の形成
シリコン基板３７０のピエゾ抵抗体３６１〜３６５が形成された側の表面上に、ＬＰ−ＣＶＤにて、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、Ｎ_２Ｏをソースガスとし、９００℃の条件下で、厚さ３００ｎｍのＨＴＯ（High Temperature Oxide）膜３７３を形成し、保護膜とした。

（Ｓ５）コンタクトホールの形成
次いで、ＨＴＯ膜３７３を部分的にエッチングし、コンタクトホール３７４を形成した。

（Ｓ６）コンタクトパッドの形成
そして、コンタクトホール３７４にＰｔ／ＴｉＮ／ＰｔＳｉからなる金属層を形成し、コンタクトパッド３５１〜３５６を形成した。

（Ｓ７）下ガラスの接合
このようにして形成された半導体素子３５０の下側の面（素子台座２２０側となる熱酸化膜３７２が形成された面側）に、予め形成した下ガラス２７５を陽極接合した。

（Ｓ８）上ガラスの接合
同様に、半導体素子３５０の上側の面（押圧部材２８０側となる熱酸化膜３７１が形成された面側）に、予め形成した上ガラス２７０を陽極接合し、燃焼圧検出素子２５０を完成させた。なお、上ガラス２７０は、コンタクトパッド３５１〜３５６が覆われないように、シリコン基板３７０より小さく形成した。

このようにして作製した燃焼圧検出素子２５０を、公知の製造工程によって燃焼圧センサ２００を除く部位を組み立てたグロープラグ１００の組立中間体に、以下のようにして組み付け、グロープラグ１００を完成させた。

まず、ガラスペーストや接着剤等を用い、燃焼圧検出素子２５０を素子台座２２０上に接着した。そして、金ワイヤーのスポット溶接を行って、半導体素子３５０上のコンタクトパッド３５１〜３５６と、素子台座２２０上の対応するランド２２３とを結線した。また、ランド２２２には、フレキシブルケーブル３００を半田付けした。なお、素子台座２２０は別工程にてセラミック部材より形成し、表面上に金めっきによる配線パターン２２１およびランド２２２，２２３を形成した。なお、素子台座２２０を構成する材料はセラミックに限られるものではなく、絶縁性および耐熱性のある材料であればよい。

次に、フランジ２１０の鍔部２１５の鍔面２１７上に、上記のように燃焼圧検出素子２５０が接着された素子台座２２０を配置し、接着した。さらに、別工程にて形成した３つのダミー素子２６０を３つの素子台座２２０上にそれぞれ貼りつけ、上記同様、フランジ２１０の鍔部２１５の鍔面２１７に接着した。このとき、フランジ２１０内に挿通される中軸３０の軸線Ｏと直交する平面を想定し、その平面に、燃焼圧検出素子２５０が接着された素子台座２２０の配置位置と、ダミー素子２６０が接着された素子台座２２０の配置位置とを投影してみたとき、それぞれの素子の重心位置を結ぶ線によって描かれる図形が軸線Ｏの位置を中心とした対称形状となるように、各素子台座２２０を配設した。

このように燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０が配設されたフランジ２１０を、中軸３０の後端より係合し、主体金具４０の周壁４７内に収容した状態で溶接を行って、中軸３０と一体に接合した。そして燃焼圧検出素子２５０が設けられた素子台座２２０に接合されているフレキシブルケーブル３００を、周壁４７のスリット４８から周壁４７外に取り出した。

次に、押圧部材２８０を中軸３０の後端より係合し、押圧部材２８０とフランジ２１０の鍔部２１５との間で燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０に予荷重を加えた状態で、主体金具４０の周壁４７の周端縁と押圧部材２８０の外周面とを溶接した。

そして、押圧部材２８０に回路基板２９０を接着し、周壁４７の外周に引き出したフレキシブルケーブル３００を回路基板２９０上に半田付けした。また、回路基板２９０には信号ケーブル３１０を半田付けした。さらにアウターケース３２０を取り付け、端部３２２を主体金具４０の基端部４５に係合して溶接した。次いで、アウターケース３２０内に熱により軟化した樹脂３２５を充填した。この樹脂が冷却固化されることで、アウターケース３２０と、信号ケーブル３１０と、フレキシブルケーブル３００とが一体となり、グロープラグ１００が完成した。

このように、燃焼圧検出素子２５０を、シリコン基板のベース上にピエゾ抵抗体を形成した半導体素子として構成すれば、素子のインピーダンスが小さくＳ／Ｎ比が大きいので、燃焼圧センサとしての感度を向上させることができる。また、空気中への放電影響を小さくすることができるので、湿度による影響が小さい。そして感圧素子と同一のピエゾ抵抗体を用いて感温素子を形成できるので、温度補償回路の構成が簡易であり、容易に組み込むことができる。また、経時的な変化が小さいので長期にわたって安定した燃焼圧の検出を行うことができる。さらに素子の小型化が容易であり、燃焼圧センサを小型化、ひいては燃焼圧センサ付きグロープラグの小型化、小径化を図ることができる。

［実施例２］
また、燃焼圧検出素子２５０を、上記半導体素子３５０のベースとなるシリコン基板３７０に替えてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３８０を用いた場合には、図８に示す各工程に従って作製した。

（Ｓ１１）ＳＯＩ基板の準備
図８に示すように、厚さ１．５μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｐ型のシリコン（Ｓｉ）からなる活性層３８３と、厚さ１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層３８２と、厚さ５２５μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｎ型のシリコン（Ｓｉ）からなる支持層３８１とから構成された貼り合わせＳＯＩ基板３８０を用意し、洗浄液中に浸して洗浄処理を行った。

（Ｓ１２）ボロンドープ
次に、イオン注入装置により、ＳＯＩ基板３８０の活性層３８３のうち感圧素子および感温素子となることが予定された部位にＰ型不純物として濃度１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のボロンを注入し、窒素雰囲気中で１１００℃、５時間のアニール（加熱処理）を行った。これにより、活性層３８３に注入されたボロンは均一に拡散された。

（Ｓ１３）ピエゾ抵抗体の形成
活性層３８３上に感圧素子の形状および感温素子の形状と同様の開口パターンを備えたレジストマスクパターンを形成し、反応性イオンエッチングによるＳｉのエッチングを行い、感温素子としてのピエゾ抵抗体３６１および感圧素子としてのピエゾ抵抗体３６２〜３６５を形成した。

（Ｓ１４）保護膜の形成
ＳＯＩ基板３８０の表裏両面上に、ＬＰ−ＣＶＤにて、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、Ｎ_２Ｏをソースガスとし、９００℃の条件下で、厚さ３００ｎｍのＨＴＯ膜３８４，３８５を形成し、保護膜とした。

（Ｓ１５〜Ｓ１８）
以下、上記実施例１と同様に、コンタクトホール３８６の形成（Ｓ１５）、コンタクトパッド３５１〜３５６の形成（Ｓ１６）、下ガラス２７５の陽極接合（Ｓ１７）、上ガラス２７０の陽極接合を行って（Ｓ１８）、燃焼圧検出素子２５０を完成させた。

このように、燃焼圧検出素子２５０を、ＳＯＩ基板を用いてピエゾ抵抗体からなる感圧素子を有した半導体素子として構成すれば、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。さらに、Ｐ型半導体部（ピエゾ抵抗体３６１〜３６５）のみが絶縁層３８２上に形成されているため、周囲の温度が高くなっても漏れ電流が発生せず、素子としての耐熱性を得ることができる。

なお、本発明は各種の変形が可能である。例えば、ダミー素子２６０は、燃焼圧検出素子２５０の半導体素子３５０の代わりにダミー体２６５を用いたものであるが、熱膨張係数および剛性が燃焼圧検出素子２５０と略同一のものであれば、これを一つの個体として、代替となるダミー素子を形成してもよい。さらに、素子台座２２０を含めたものを一つの個体として用いてもよい。

また、燃焼圧検出素子２５０は、本実施の形態では１つを用いたが、軸線Ｏを中心とする対角線上の位置にもう１つ設け、ダミー素子２６０を２つとした構成としてもよい。この場合、２つの燃焼圧検出素子から得られる出力値を平均化した値を燃焼圧センサ２００の出力値とするとよい。また、燃焼圧検出素子２５０の数は１または２に限られず、複数あってもよい。同様に、ダミー素子２６０の数も、１つであっても複数あってもよい。すなわち、軸線Ｏと直交する平面に投影してみた各燃焼圧検出素子２５０の重心位置と、各ダミー素子２６０の重心位置とを結ぶ線によって仮想的に描かれる直線もしくは多角形の形状が、軸線Ｏの位置を中心とした対称形状となればよく、燃焼圧検出素子２５０およびダミー素子２６０の数によるものではない。また、ダミー素子２６０を用いず、複数の燃焼圧検出素子を用いて実現してもよい。

さらに、軸線Ｏと直交する平面に投影してみた場合において、軸線Ｏの位置から、燃焼圧検出素子２５０の重心位置や、ダミー素子２６０の重心位置に向けた各ベクトルの和がゼロとなるように、各素子の配置位置を決定してもよい。このような構成であれば、軸線Ｏの位置から各重心位置までの距離が等距離でなくともよく、また、軸線Ｏを中心とした各重心位置の方向についても任意に設定することができる。

また、図９に示すように、フランジ２１０の鍔部２１５の大きさにあわせ円環状に形成した素子台座４２０上に、円環状の燃焼圧検出素子４５０を形成してもよい。この場合、燃焼圧検出素子４５０の半導体素子を構成する、シリコンより形成され円環状で面方位（１１０）の基板５６０上に、１０個のコンタクトパッド５９０およびピエゾ抵抗体５６１〜５６５を、実施例１に示した製造工程にて形成する。ピエゾ抵抗体５６１は感温素子として機能し、結晶軸方向＜１００＞に沿って形成する。また、感圧素子として、軸線Ｏの位置を中心として対称な位置に、結晶軸方向＜１００＞に沿ってピエゾ抵抗体５６２，５６３を形成し、互いに対向配置させる。そしてピエゾ抵抗体５６２，５６３の対向方向と直交する方向で、軸線Ｏの位置を中心として対称な位置に、結晶軸方向＜１１０＞に沿う部位を有するピエゾ抵抗体５６４，５６５を形成し、互いに対向させる。つまり、ピエゾ抵抗体５６２〜５６５を、それぞれの重心位置が、軸線Ｏの位置を中心とする均等な位置に配置する。さらに、本実施の形態と同様の架橋構造体となるように、素子台座４２０上に配線パターン４２１を形成する。このようにすれば、本実施の形態と同様に、押圧部材２８０とフランジ２１０との間で軸線Ｏ方向と平行な方向に燃焼圧検出素子４５０を押圧させることができ、燃焼圧検出素子４５０に偏荷重が加わりにくくなる。なお、上ガラスは、感温素子として機能するピエゾ抵抗体５６１の配置位置には、かからないように形成するとより好適である。あるいは、ピエゾ抵抗体５６１の配置位置に対し、軸線Ｏの位置を対称とする反対側の位置に、ダミー体を設けてもよい。

なお、このような構成の燃焼圧検出素子４５０を作製するには、実施例１に示した本実施の形態の燃焼圧検出素子２５０の製造工程において、シリコン基板３７０を円盤状に形成し、Ｓ６の工程後に、フランジ２１０を通過させるための貫通孔を、半導体素子３５０の厚み方向に形成すればよい。そして、上下ガラス２７０，２７５にも予めフランジ２１０を通過させるための貫通孔を設け、Ｓ７，Ｓ８の工程にて半導体素子３５０に接合すればよい。そして、形成された燃焼圧検出素子４５０の貫通孔の軸が、フランジ２１０内に挿通および接合される中軸３０の軸線Ｏと一致するように構成すればよい。また、ＳＯＩ基板を用いた場合も同様である。

また、図９に示した燃焼圧検出素子４５０の外形形状は円環状でなくともよく、例えば図１０に示す、燃焼圧検出素子６５０のように矩形であってもよく、あるいは、多角形であってもよい。このように構成する場合においても、各ピエゾ抵抗体６６２〜６６５の重心位置を結ぶ線によって仮想的に描かれる直線もしくは多角形の形状が、軸線Ｏの位置を中心とした対称形状となればよい。

また、本実施の形態では、燃焼圧検出素子２５０の半導体素子３５０はシリコン基板をベースに形成したが、ＳＯＩ基板をベースに形成してもよいし、シリコン以外の半導体材料から形成してもよい。また、ＳＯＩ基板３８０として活性層３８３、絶縁層３８２、支持層３８１の３層から構成された貼り合わせ基板を用いたが、これに限らず、例えばシリコン基板中に酸素を打ち込むことにより絶縁層を形成する方法など、公知のいかなる方法により形成してもよい。

また、グロープラグ１００の備えるヒータ部材として、本実施の形態ではセラミックヒータ２０を備えたが、先端部を半球状に閉塞したシースチューブ内にコイル状の発熱抵抗体や制御コイルを配設したシーズヒータであってもよい。

本発明は、内燃機関の燃焼圧を検知する燃焼圧センサや、燃焼圧センサを備えたグロープラグ、温度センサ等に利用することができる。

グロープラグ１００の一部切欠縦断面図である。 燃焼圧センサ２００付近を拡大したグロープラグ１００の縦断面図である。 フランジ２１０の鍔部２１５上に配置した燃焼圧検出素子２５０の様子を示す平面図である。 素子台座２２０上に形成された燃焼圧検出素子２５０の平面図である。 燃焼圧検出素子２５０の平面図である。 燃焼圧検出素子２５０の電気的な構成を模式的に示す回路図である。 シリコン基板３７０を用いた燃焼圧検出素子２５０の製造過程を模式的に示す図である。 ＳＯＩ基板３８０を用いた燃焼圧検出素子２５０の製造過程を模式的に示す図である。 変形例としての燃焼圧検出素子４５０をフランジ２１０の鍔部２１５上に配置した形態を示す平面図である。 変形例としての燃焼圧検出素子６５０をフランジ２１０の鍔部２１５上に配置した形態を示す平面図である。

符号の説明

２０ セラミックヒータ
３０ 中軸
４０ 主体金具
４３ 軸孔
１００ グロープラグ
２００ 燃焼圧センサ
２１０ フランジ
２５０ 燃焼圧検出素子
２６０ ダミー素子
２８０ 押圧部材

Claims (7)

1. 軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、
   前記軸孔の先端側に挿通され、通電により発熱するヒータと、
   前記軸孔に挿通されてなり、前記ヒータと電気的に導通し、内燃機関の燃焼圧の変化に伴い前記主体金具に対して軸線方向に変位可能な中軸と、
   前記主体金具に対する前記中軸の変位に基づいて前記内燃機関の燃焼圧の変化を検出する燃焼圧検出素子を有する燃焼圧センサと
   を備え、
   前記燃焼圧検出素子は、半導体素子から構成され、前記燃焼圧の上昇につれて自身に加わる前記軸線方向に沿う押圧力が増加するように、前記主体金具に設けられた主体金具側保持部と前記中軸に設けられた中軸側保持部との間に挟持された形態で配置されることを特徴とする燃焼圧センサ付きグロープラグ。
2. 前記燃焼圧検出素子と共に前記主体金具側保持部と前記中軸側保持部との間に挟持される、少なくとも１つ以上のダミー素子を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
3. 前記燃焼圧検出素子および前記ダミー素子のそれぞれの重心位置を前記軸線と直交する平面に投影してみたとき、前記軸線の位置から、前記燃焼圧検出素子および前記ダミー素子のそれぞれの重心位置に向けた各ベクトルの和がゼロとなることを特徴とする請求項２に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
4. 前記燃焼圧検出素子および前記ダミー素子のそれぞれの重心位置を前記軸線と直交する平面に投影してみたとき、各重心位置を結ぶ線によって仮想的に描かれる直線もしくは多角形の形状が、前記軸線の位置を中心とした対称形状となることを特徴とする請求項２に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
5. 前記燃焼圧検出素子は、環状に形成され、自身の中心と前記中軸の中心とを一致するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
6. 前記燃焼圧検出素子を構成する前記半導体素子は、圧力に応じて抵抗値が変化する感圧部を基板表面に形成した形態を有し、
   前記燃焼圧検出素子は、前記燃焼圧の上昇につれて自身に加わる前記軸線方向に沿う押圧力の方向が、前記半導体素子の前記基板の厚み方向となるように、前記主体金具側保持部と前記中軸側保持部との間に挟持された形態で配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
7. 前記燃焼圧検出素子は、ＳＯＩ素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
   

Images