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
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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
【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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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JP2014016142A (ja) * | 2012-06-14 | 2014-01-30 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 圧力センサ付きグロープラグ |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110705 |