JP2009257711A - グロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材及びこれを用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ並びに燃焼圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路に損傷が発生する可能性を従来に比べて低減することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材及びこれを用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ並びに燃焼圧力センサ付きグロープラグを提供する。
【解決手段】感圧素子１１は、配線基板１２の端部に固定されている。線基板１２の導体パターン１３と感圧素子１１とは、ボンディングワイヤ１４によって電気的に接続されている。基板保持部材４００は、外形が略円形で内側が矩形状の筒状とされており、ボンディングワイヤ１４の周囲を、当該ボンディングワイヤ１４との間に間隔を設けて覆い、かつ、内側の対向する内壁部で配線基板１２の側壁部分を保持している。
【選択図】図２

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グロープラグに係り、特にグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材及びこれを用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ並びに燃焼圧力センサ付きグロープラグに関する。

従来から、自動車用エンジン等の内燃機関の始動補助に発熱体を具備したグロープラグが用いられている。また、このようなグロープラグに、グロープラグ一体型燃焼圧力センサを組み込み、燃焼圧力を検出できるようにした燃焼圧力センサ付きグロープラグが知られている。

このような燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、感圧素子を電気的に外部へ引き出すために、感圧素子にワイヤを接続した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、圧力センサとしては、感圧素子の電極と基板の導電体とを金等のバンプによって接続し、基板を介して感圧素子を電気的に外部へ引き出す構造のものが知られている（例えば、特許文献２参照。）
ＷＯ２００６／０２７２８０ 特開２００７−１０４６２号公報

上記した従来の燃焼圧力センサ付きグロープラグのうち、感圧素子にワイヤを接続した構造のものでは、このワイヤがむき出しになっていたため、組み付け時にワイヤを切断してしまったり、完成品の使用時にワイヤが他の部材と接触したまま振動が加わりワイヤが切断してしまう等の課題があった。

また、感圧素子の電極と基板の導電体とを金等のバンプによって接続した圧力センサでは、グロープラグ内に一体化して使用した際に、例えば２００〜２５０℃の高温環境に晒されるので、感圧素子、バンプ、基板の熱膨張率の相違等により、バンプによる電気的接続部分が外れてしまう場合があるという課題があった。

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、感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路に損傷が発生する可能性を従来に比べて低減することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材及びこれを用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ並びに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。

本発明のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材は、押圧部材で押圧された際に生じる電気的性質の変化から圧力を検知する感圧素子と、前記感圧素子を保持するとともに、当該感圧素子の電極を外部に引き出すための導体パターンが形成された基板と、前記感圧素子の電極と前記基板の導体パターンとを電気的に接続するボンディングワイヤと、を具備した感圧部を有するグロープラグ一体型燃焼圧力センサの前記基板を保持するグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材であって、少なくとも前記ボンディングワイヤの周囲を、当該ボンディングワイヤとの間に間隔を設けて覆う筒状体からなり、当該筒状体の内側部分で前記基板を保持することを特徴とする。

上記構成の本発明のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材では、少なくともボンディングワイヤの周囲を、当該ボンディングワイヤとの間に間隔を設けて覆う筒状体からなり、当該筒状体の内側部分で基板を保持する構造となっている。したがって、ボンディングワイヤによって感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成しても、このボンディングワイヤが組み付け時や、完成品の使用時による振動等によって損傷を受ける可能性を従来に比べて低減することができる。また、バンプを使用して感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成した場合のように、熱膨張率の相違に起因して、バンプによる電気的接続部分が外れてしまうこともない。これによって、従来に比べて信頼性の向上を図ることができる。

上記のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材では、筒状体からなる第１保持部材と、筒状体からなる第２保持部材とを夫々の開口端部を付き合わせて溶接することにより一体化し、かつ、溶接時に生じる熱収縮後に前記基板を隙間無く保持する構成とすることができる。グロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材において、基板を保持した際に保持力が不十分で基板が動いてしまうと、圧力検知精度の低下の原因となるが、十分な保持力を部材の機械加工精度を上げることにより実現しようとすると、加工費が高くなってしまう。そこで、上記のように、溶接時に生じる熱収縮を考慮して、第１保持部材と第２保持部材を溶接により接合し、溶接による熱収縮後に基板を隙間無く保持する構成とすれば、高精度の機械加工を行うことなく、基板を十分な保持力で保持することができる。

上記構成のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材は、線張係数が１０×１０^-6（１／ｋ）以下の金属から構成し、アルミナ製の基板を保持する構成とすることが好ましい。これによって、グロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材と基板との熱膨張差により、高温環境下で基板に圧縮荷重が発生し、基板が損傷を受けることを抑制することができる。

また、上記構成のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材では、外側にグロープラグのヒータに給電するための電力供給配線を配置可能な溝が形成された構成とすることができる。これによって、グロープラグのハウジング内のスペースを有効に使用することが可能となり、グロープラグの小型化を図ることができる。

また、本発明のグロープラグ一体型燃焼圧力センサは、押圧部材で押圧された際に生じる電気的性質の変化から圧力を検知する感圧素子と、前記感圧素子を保持するとともに、当該感圧素子の電極を外部に引き出すための導体パターンが形成された基板と、前記感圧素子の電極と前記基板の導体パターンとを電気的に接続するボンディングワイヤと、を具備した感圧部と、上記したいずれかのグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材と、を備えたことを特徴とする。

さらに、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、自身の先端部が前記ハウジングの先端から突出され、自身の後端部が前記ハウジング内に収容された発熱体と、前記発熱体より後端側の前記ハウジング内に設けられ、前記発熱体に直接的、又は間接的に接合され、当該発熱体を介して伝達される燃焼室内の圧力を検出するための上記のグロープラグ一体型燃焼圧力センサとを備えたことを特徴とする。

上記のグロープラグ一体型燃焼圧力センサ及び燃焼圧力センサ付きグロープラグでは、上記したグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材を用いているので、感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路に損傷が発生する可能性を従来に比べて低減することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることができる。

本発明によれば、感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路に損傷が発生する可能性を従来に比べて低減することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材及びこれを用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ並びに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１〜４は、本発明の実施形態に係るグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材４００（以下、単に基板保持部材４００と称す。）の構成を示すもので、図１は、基板保持部材４００の全体外観構成を示す斜視図、図２は図１の基板保持部材４００の軸線方向を含む縦方向に沿った断面図、図３は図１の基板保持部材４００の軸線方向を含む横方向に沿った断面図、図４は図１の基板保持部材４００を図示矢印方向から見た正面図である。

図１〜４において、１１は、感圧素子であり、この感圧素子１１は、当該感圧素子１１より後端側に配置され、台座を兼ねた配線基板１２の端部（グロープラグ内に収容された際に先端側となる端部）にガラスペースト又は接着剤等によって固定されている。

上記感圧素子１１は、例えば、Ｓｉ素子、ＳＯＩ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ている。この感圧素子１１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ており、素子が押圧された際の抵抗値の変化から圧力を検出する。

また、配線基板１２は、絶縁性セラミック例えばアルミナから構成されており、この配線基板１２の表面には、図３に示すように、感圧素子１１を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成する導体パターン１３が形成されている。この導体パターン１３と感圧素子１１の図示しない電極パッドとは、ボンディングワイヤ１４によって電気的に接続されている。また、図３に示すように、配線基板１２は、先端側（図３中左側）及び後端側（図３中右側）との間の中間部に、先端側及び後端側より幅の広い突出部１５が設けられた形状とされている。

上記配線基板１２は、基板保持部材４００によって外周から保持されている。基板保持部材４００は、先端側に設けられた筒状の第１保持部材４１０と、後端側に設けられた筒状の第２保持部材４２０とを、これらの開口同士を付き合わせて、溶接することにより一体化して構成されている。そして、一体化された状態の基板保持部材４００は、外形が略円形で内側が矩形状の筒状とされており、ボンディングワイヤ１４の周囲を、当該ボンディングワイヤ１４との間に間隔を設けて覆い、かつ、内側の対向する内壁部で配線基板１２の側壁部分を保持した構成となっている。

図３に示すようにも上記の後端側に設けられた第２保持部材４２０の後端部分には、内壁部分が内側に向けて突出することにより、先端部分との間に段部４２１が形成されており、この段部４２１によって、配線基板１２の突出部１５の後端側を保持するようになっている。また、先端側の第１保持部材４１０は、第２保持部材４２０の先端側より内壁間の間隔が狭く形成されており、この第１保持部材４１０の後端面４１１で、配線基板１２の突出部１５の先端側を保持するようになっている。これによって、基板保持部材４００内で配線基板１２が前後方向に保持される構成となっている。

ここで、上記の構造により、基板保持部材４００で配線基板１２を保持する際に、本実施形態では、第１保持部材４１０と第２保持部材４２０とを、レーザー溶接又は電子ビーム溶接等により溶接接合することにより、溶接後に熱収縮を生じさせる。これにより、例えば、図５（ａ）に示すように、配線基板１２を内部に収容して第１保持部材４１０と第２保持部材４２０とを組み付けた際に、第１保持部材４１０、第２保持部材４２０、配線基板１２の間に僅かに隙間４５０が形成されていても、図５（ｂ）に示すように、溶接後の熱収縮によって、隙間４５０が消失して、配線基板１２を基板保持部材４００内に隙間無く十分な保持力で保持することが可能となる。このような方法を用いれば、第１保持部材４１０、第２保持部材４２０、配線基板１２の機械加工精度を高めることなく、配線基板１２を基板保持部材４００内に十分な保持力で保持することができる。

上記のように、配線基板１２をアルミナ基板から構成した場合、第１保持部材４１０及び第２保持部材４２０は、線張係数が１０×１０^-6（１／ｋ）以下の金属から構成することが好ましい。すなわち、アルミナ基板の線張係数は、５．５×１０^-6（１／ｋ）程度である。このため、線張係数が１０×１０^-6（１／ｋ）を超える金属によって、第１保持部材４１０及び第２保持部材４２０を構成した場合、熱膨張差によって、高温環境下で配線基板１２に圧縮荷重が発生し、配線基板１２が損傷を受けるからである。このような熱膨張差による配線基板１２の損傷を、第１保持部材４１０及び第２保持部材４２０を、線張係数が１０×１０^-6（１／ｋ）以下の金属から構成することによって、抑制することができる。なお、一般に金属の低熱膨張材の線張係数が１〜７×１０^-6（１／ｋ）であるので、このような低熱膨張材を使用することが好ましい。

上記のように、感応素子１１を固着するとともに、ボンディングワイヤ１４でこの感応素子１１と電気的に接続された配線基板１２を、第２保持部材４２０内に挿入し、この第２保持部材４２０の開口部と第１保持部材４１０の開口部とを付き合わせて溶接することにより、保持部材４００内に配線基板１２が保持され、図１に示すように、グロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００が構成される。また、保持部材４００の外側には、軸方向に沿って溝４０１が形成され、ここに後述するヒータに給電するための電力供給配線を配置することができるようになっている。なお、第２保持部材４２０の側壁部分には、嵌合溝４２２が形成され、第１保持部材４１０には、この嵌合溝４２２に合わせた凸部４１２が形成されているので、これらを嵌合させることによって、第１保持部材４１０と第２保持部材４２０の周方向の位置決めを行えるようになっている。

上記構成の基板保持部材４００及びグロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００では、ボンディングワイヤ１４の周囲を、当該ボンディングワイヤ１４との間に間隔を設けて基板保持部材４００で覆うとともに、基板保持部材４００の内側部分によって配線基板１２を保持する構造となっている。したがって、ボンディングワイヤ１４によって感圧素子１１を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成しても、このボンディングワイヤ１４が組み付け時や、完成品の使用時による振動等によって損傷を受ける可能性を従来に比べて低減することができる。また、バンプを使用して感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成した場合のように、熱膨張率の相違に起因して、バンプによる電気的接続部分が外れてしまうこともない。これによって、従来に比べて信頼性の向上を図ることができる。

図６は、上記構成の基板保持部材４００を用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００を組み込んだ、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、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００の軸線を含む方向における要部構成を模式的に示す断面図である。

図６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、炭素鋼等の金属からなり、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２が形成されている。このねじ部２より後端側の外周部には、燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００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（図示せず。）が設けられている。

ハウジング１の内部には、基板保持部材４００を用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００が収容されている。この基板保持部材４００の先端側には、略円筒状に形成された接続部材３０の後端部が接続されている。また、グロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００の感圧素子１１より先端側には、この感圧素子１１に機関の燃焼圧力を伝達するための圧力伝達機構２０が設けられている。圧力伝達機構２０は、先端面が受圧面２１、後端面が感圧素子１１を押圧する押圧面２２とされている。

上記圧力伝達機構２０は、発熱体として機能する棒状（略円柱状）のヒータ２３と、金属環状部材２４と、素子押圧部材２５とから構成されている。金属環状部材２４、素子押圧部材２５はいずれも金属製（導体）であり、それぞれ、ＳＵＳ４３０、Ｎｉ合金またはコバール、ＳＵＳ４３０からなる。先端側に設けられヒータ２３の後端側には金属環状部材２４が接続され、さらに金属環状部材２４の後端側には、素子押圧部材２５が接続されている。これらの構成により感圧素子１１への機関の燃焼圧力の伝達が可能となっている。

また、本実施形態では、ヒータ２３は、例えば、絶縁性のセラミック基体中に導電性のセラミックから構成された発熱抵抗体とリード部材とが埋設されて構成されている。リード部材はともに自身の後端側の一部がヒータ２３の側周面から露出し、電極取出部となっており、このうち一方（給電側）に、上記した金属環状部材２４が、他方（アース側）にハウジング１の先端部に設けられた円筒状のヒータ保持部３が接触することによって、ヒータ２３へ通電するための電気経路が形成されている。

基板保持部材４００が接続された接続部材３０の先端には、フランジ固定部３１が形成されている。一方、ハウジング１の先端部分には、先端部分を封止するためのキャップ部材５が設けられている。そして、フランジ固定部３１が、キャップ部材５０後端側とハウジング１の先端側とに狭持される形で溶接等により一体化されている。このキャップ部材５の先端側には、テーパ状とされ、機関と密接するためのシート面６が形成されている。また、キャップ部材５のシート面６と、ヒータ２３を保持する円筒状のヒータ保持部３との間には、これらの部位を接続する薄肉とされて可撓性を有する可動部７が設けられている。このように可動部７が設けられているため、機関の燃焼圧力の変動によりシート面６やハウジング１に対して、ヒータ２３が相対的に変位可能となっている。

なお、配線基板１２の後端側には、感圧素子１２からの出力信号を引き出すためのフレキシブル基板又はリード線やヒータ２３へ電力を供給するための電力供給配線（いずれも図示せず。）が設けられ、電気的にハウジング１の後端まで引き出されている。なお、ヒータ２３へ電力を供給するための電力供給配線は、その長さ方向の一部が、図１に示した基板保持部材４００の溝４０１内に配置される。また、ハウジング１内には感圧素子１１からの出力信号を処理する信号処理回路等を設けることができる。この信号は、ＥＣＵなどの制御機器に入力され、機関（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は、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２３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。また、燃焼室内の圧力がヒータ２３の先端の受圧面２１に加わると、ヒータ２３、押圧部材２５が後端側に向けて僅かに変位することによって、圧力伝達機構２０を介して感圧素子１１にその圧力が効率良く伝わる。

本実施形態の燃焼圧力センサ付きグロープラグ１００では、ハウジング１の内部に、基板保持部材４００を用いたグロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００を収容している。したがって、ボンディングワイヤ１４によって感圧素子１１を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成しても、このボンディングワイヤ１４が組み付け時や、完成品の使用時による振動等によって損傷を受ける可能性を従来に比べて低減することができる。また、バンプを使用して感圧素子を電気的に外部へ引き出すための電気経路を構成した場合のように、熱膨張率の相違に起因して、バンプによる電気的接続部分が外れてしまうこともない。これによって、従来に比べて信頼性の向上を図ることができる。また、圧力検出素子１１を、台座を兼ねた配線基板１２に配置して圧力伝達機構２０で直接押圧する構成となっているので、良好な燃焼圧力の検出感度を得ることができる。

また、グロープラグ一体型燃焼圧力センサ５００は、フランジ固定部３１の部分の１箇所のみでハウジング１に支持されるため、シリンダヘッド変形に伴うハウジング１の歪みの影響を受けず、振動等に起因するノイズの発生を低減することができる。

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グロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材の全体構成を示す斜視図。 図１のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材の断面図。 図１のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材の断面図。 図１のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材の正面図。 図１のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材の製造工程を説明するための図。 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要部構成を示す断面図。

符号の説明

１１……感圧素子、１２……配線基板、１３……導体パターン、１４……ボンディングワイヤ、４００……グロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材、４０１……溝、４１０……第１保持部材、４２０……第２保持部材、５００……グロープラグ一体型燃焼圧力センサ。

Claims (6)

1. 押圧部材で押圧された際に生じる電気的性質の変化から圧力を検知する感圧素子と、
   前記感圧素子を保持するとともに、当該感圧素子の電極を外部に引き出すための導体パターンが形成された基板と、
   前記感圧素子の電極と前記基板の導体パターンとを電気的に接続するボンディングワイヤと、
   を具備した感圧部を有するグロープラグ一体型燃焼圧力センサの前記基板を保持するグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材であって、
   少なくとも前記ボンディングワイヤの周囲を、当該ボンディングワイヤとの間に間隔を設けて覆う筒状体からなり、当該筒状体の内側部分で前記基板を保持することを特徴とするグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材。
2. 請求項１記載のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材であって、
   筒状体からなる第１保持部材と、筒状体からなる第２保持部材とを夫々の開口端部を付き合わせて溶接することにより一体化し、かつ、溶接時に生じる熱収縮後に前記基板を隙間無く保持する構成とされたことを特徴とするグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材。
3. 請求項１又は２記載のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材であって、
   線張係数が１０×１０^-6（１／ｋ）以下の金属から構成され、アルミナ製の前記基板を保持することを特徴とするグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材であって、
   外側にグロープラグのヒータに給電するための電力供給配線を配置可能な溝が形成されていることを特徴とするグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材。
5. 押圧部材で押圧された際に生じる電気的性質の変化から圧力を検知する感圧素子と、
   前記感圧素子を保持するとともに、当該感圧素子の電極を外部に引き出すための導体パターンが形成された基板と、
   前記感圧素子の電極と前記基板の導体パターンとを電気的に接続するボンディングワイヤと、
   を具備した感圧部と、
   請求項１乃至４いずれか１項記載のグロープラグ一体型燃焼圧力センサの基板保持部材と、
   を備えたことを特徴とするグロープラグ一体型燃焼圧力センサ。
6. 筒状に形成されたハウジングと、
   自身の先端部が前記ハウジングの先端から突出され、自身の後端部が前記ハウジング内に収容された発熱体と、
   前記発熱体より後端側の前記ハウジング内に設けられ、前記発熱体に直接的、又は間接的に接合され、当該発熱体を介して伝達される燃焼室内の圧力を検出するための請求項５記載のグロープラグ一体型燃焼圧力センサと
   を備えた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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