JP2011089689A - 圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングの先端寄りの部位に配置された圧力センサを備える圧力センサ付きグロープラグにおいて、小型化を実現するとともに、圧力センサの信頼性を確保すべく、圧力検出素子の近傍における保護構造を実現する。
【解決手段】グロープラグ１は、軸孔２１を有するハウジング２と、軸孔２１内に挿設される中軸３と、軸孔２１内に設けられるセラミックヒータ９と、セラミックヒータ９と中軸３とを電気的に接続するキャップ部材７及び台座１４とを備える。キャップ部材７と台座１４とで構成された閉空間の内部に、圧力検出素子１６と、この素子からの信号の出力のためのボンディングワイヤ１６８を収容する。
【選択図】 図３

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、自動車用のディーゼルエンジン等の内燃機関に使用されるグロープラグとして、内燃機関の燃焼圧力を検出するための圧力センサを具備した圧力センサ付きグロープラグが知られている。

このような圧力センサ付きグロープラグにおいては、圧力検出素子を、より燃焼室に近い軸方向先端側に設けることによって、振動によるノイズの影響等を軽減することができ、より高精度に燃焼圧力を検出することができる。このため、例えば、ハウジング内の、ヒータの軸方向後端側端部と隣接する位置に位置するように、圧力検出素子を設けた圧力センサ付きグロープラグが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、このような燃焼圧力を検出するための圧力検出素子として、ピエゾ抵抗素子を用いることが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００７−２９２４１５号公報 特許第３１６６０１５号公報

燃焼室により近い位置へ圧力検出素子を設けるため、グロープラグの後端部へ圧力検出素子を設けたものに比較して圧力検出素子への熱影響は大きくなる。このため、圧力の検出精度への熱影響が出やすくなる。このような事情に対し、温度に対する出力補正の観点において、特許文献２に記載されるピエゾ抵抗素子を圧力検出素子として利用することが、圧電素子を圧力検出素子として利用することよりも望ましい。

ところで、ピエゾ抵抗素子は、例えば板状のＳｉ素子へ不純物をドープして抵抗体を形成した□２ｍｍ程度と小さく、ピエゾ抵抗素子からの信号の取出し、及び電気的接続はＡｕ等のワイヤにより接続されてなされる（ワイヤボンディング）。そして、ピエゾ抵抗素子はグロープラグのハウジング内部の軸孔の、比較的燃焼室寄りであるグロープラグの先端側へと配置される。このため、製造を容易に行うのみならず、完成品の圧力センサとしての信頼性を確保するためにも、上記ワイヤボンディングを保護する構成を採用することが好ましい。なお、こうしたピエゾ抵抗素子には、自身を他部材へ接合したり、所定の箇所へ配置するために、板状をなす自身の第１主面と当該第１主面とは反対側の第２主面とにそれぞれガラス製の板状の部材が接合されうる。

また、圧力検出素子を比較的燃焼室寄りであるグロープラグの先端側へと配置する構成は、燃焼室から又は自己のヒータの発熱からの熱影響が大きく、その温度特性の変化（ドリフト等）を補償することが望まれる。これに対応するためには、圧力検出素子の温度情報が必要とされる。グロープラグは機関への取付のためにハウジングに形成されたねじ部の外径が例えば１０ｍｍ（Ｍ１０）や８ｍｍ（Ｍ８）等、細径化するトレンドにあり、当然、ハウジングの内孔の大きさにも制限が課せられ、十分なスペースを確保することが困難である。こうした状況において、ヒータへの給電のための電力線に加えて、圧力検出素子からの出力信号や温度補償の為の信号出力等の各信号線をハウジングの内部へ収容することは容易ではなく、この状況を打破する技術の開発が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、グロープラグの先端側であるハウジングの先端寄りの部位に配置された圧力センサを備える圧力センサ付きグロープラグであって、その小型化を実現するとともに、その圧力センサの信頼性を確保すべく、圧力検出素子の近傍における保護構造を提供することを目的とする。

構成１．本発明の圧力センサ付きグロープラグは、
軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
前記軸孔に配置され、前記ハウジングの先端部から自身の先端が突出されるとともに自身の後端が前記ハウジング内部に収容されるヒータと、
前記ハウジングのうち先端側に位置する台座と、
前記台座へ固定された圧力検出素子と、
を備える圧力センサ付きグロープラグであって、
前記台座は自身の先端側と後端側とを電気的に導通する導通部を有し、当該導通部と前記圧力検出素子とは互いにボンディングワイヤによって電気的に接続され、
前記台座と接続して前記圧力検出素子及び前記ボンディングワイヤを収容する包囲部であって、当該包囲部の内面が前記圧力検出素子を押圧する一方、当該包囲部の先端側に前記ヒータに接続するヒータ接続部を備えるキャップ部材を有し、
前記台座と前記キャップ部材とが前記ヒータへの給電経路とされてなることを特徴とする。

上記構成１によれば、圧力検出素子と、これに接続（ワイヤボンディング）されたワイヤとが包囲部を有するキャップ部材の内部に台座の一部とともに収容される。即ち、キャップ部材と台座とによって形成された閉空間の内部に圧力検出素子に接合されたワイヤが配置されることとなる。この構成を備えるため、製造過程ではもちろんのこと、圧力センサ付きグロープラグの使用中であっても、ワイヤが他部材を接触することが回避され、圧力検出素子からの断線による不良を回避することが可能となり、ひいては圧力センサの信頼性が確保されることとなる。

そして、圧力検出素子を支持する台座と、圧力検出素子を収容するキャップ部材とがともにヒータへの給電経路を形成しているので、リード線や中軸等のヒータへの給電部材を圧力検出素子の径方向周囲において別途設ける必要が無くなる。このため、圧力検出素子の周囲の小型化を実現することが容易となる。

構成２．また本発明の圧力センサ付きグロープラグは、
前記キャップ部材の前記包囲部の内部の、前記圧力検出素子の押圧方向上に、前記キャップ部材の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する膨張部材が介在することを特徴とする。

上記構成２によれば、燃焼室から又は自己のヒータの発熱からの熱影響を受けてキャップ部材の特に包囲部が軸線方向に熱膨張をしたときの不具合の発生を抑制することができる。圧力検出素子はピエゾ抵抗素子であればＳｉやガラス等から構成され、圧電素子も水晶やチタン酸ジルコン酸鉛等のセラミック材料から構成される。これらは金属製のキャップ部材に比較すると熱膨張係数は小さく、上記熱影響を受けた際には、両者の膨張量が異なる。このため、キャップ部材の包囲部内面と圧力検出素子との間に間隙が生じてしまい、圧力検出素子へ荷重を伝達できなくなったり、荷重が小さくなるおそれがある。これに際し、上記構成２を備えれば、前記熱影響を受けても、膨張部材が膨張し間隙を生じさせない又は狭める効果を奏するため、上記不具合の発生を最小限に抑制することが可能となる。

構成３．また本発明の圧力センサ付きグロープラグは、
前記キャップ部材の前記ヒータ接続部は、先端側に形成され、相対的に外径の大きい接続大径部と、当該接続大径部よりも後端側に形成され、相対的に外径の小さい伝達小径部とを有してなり、
前記伝達小径部の外径は、前記キャップ部材の包囲部の内面と接触する前記圧力検出素子の当接面よりも小さいことを特徴とする。

上記構成３によれば、キャップ部材のうちヒータと接続される部位（接続大径部）を、その外径が大きくなるように構成するとともに、圧力検出素子へと圧力を伝達する部位（伝達小径部）の外径を小さく構成している。加えてキャップ部材の包囲部を介して伝達小径部に当接した圧力検出素子の包囲部の内面と接触した当接面よりも伝達小径部の外径は小さく構成されているので、圧力検出素子の当接面の外形線のうちの特定の一部分に荷重が局所的にかかってしまうことを回避することができ、圧力検出素子の割れや欠け等の不具合を解消することができる。したがって、圧力センサの信頼性が確保されることとなる。

構成４．また本発明の圧力センサ付きグロープラグは、
前記ヒータは、自身の外周に配置され、検出対象の圧力が前記ヒータへ掛かったときに弾性変形可能な弾性部材により、前記ハウジングに保持されてなることを特徴とする。

上記構成４によれば、弾性部材を備えるので、圧力の検出に際し、ヒータがハウジングに対する相対的な変位量が大きくなる。即ち、キャップ部材のヒータ接続部を介して圧力検出素子へ伝達される荷重も大きく伝えることができる。これにより、圧力検出の精度の向上が期待できる一方で次の懸念が生じうる。それは、大きな荷重が伝えられることによって、圧力検出素子の上記欠陥の発生率が向上したり、ワイヤの接続が振動等により不確かなものとなるおそれがあることである。上記構成４を採用した際にはこのような懸念が増すため、上記構成１〜３による圧力センサの信頼性を確保する構成がより一層重要度を増すこととなる。

構成５．また本発明の圧力センサ付きグロープラグは、
前記ハウジングの前記軸孔内に配置された筒状部材であって、自身の先端部が前記ハウジングの先端部に接合し、自身の後端部に前記台座を配置させるスリーブを備え、自身の前記先端部よりも後端側の部位を前記ハウジングに対して固定しないことを特徴とする。

圧力センサとしての信頼性を向上させることに際しては、検出対象である圧力以外による圧力検出素子への荷重が極力掛からないようにすることが肝要である。上記構成５の如く、ハウジングの軸孔内に筒状のスリーブを配置し、そのスリーブへ圧力検出素子を取り付ける構成では、当該スリーブがハウジングの先端部のみに固定されていることが好ましい。ハウジングはエンジン等の機関へ、例えばその外周面に形成されたネジ等により取り付けられる際に、強固に取り付けられることから歪み、変形することがある。こうした際に上記スリーブがハウジングの先端部以外の箇所においても固定されている構成であると、当該固定されている箇所からハウジングの歪みや変形が検出対象の圧力に対するノイズとして圧力検出素子へ伝達されてしまい、センサ出力の信頼性が低下するおそれがある。このような事態を回避するために、スリーブとハウジングとが固定される箇所は両者の先端部同士とすることが好ましい。なお、スリーブが傾いたり偏心することを防ぐために、当該スリーブの外周にＯリングや絶縁チューブ等の部材を介在させてもよい。つまり、スリーブとハウジングとが互いに介在物を介していても強固に固定されることなく、歪みや変形が実質的に伝達されない構成であればよいのである。

構成６．また本発明の圧力センサ付きグロープラグは、
前記ヒータを自身の内部に保持する筒状の保持外筒部と、
当該保持外筒よりの径方向外側へ大きく、前記弾性変形が可能な弾性鍔部と
を有するヒータ保持部材であって、
当該弾性鍔部が前記弾性部材として前記ハウジングの先端部に接合されていることを特徴とする。

上記構成６によれば、ヒータは単純な筒形状をなす保持外筒部に例えば圧入やろう付けにより保持される。当該保持外筒部には、当該保持外筒部の外径よりも径方向に大きく、弾性変形が可能な部材又は弾性変形が可能な領域を有する部材（便宜的に弾性鍔部と称する）が、一体に又は別体で構成される。この弾性鍔部は、例えばダイヤフラムのような薄い円環状の部材であっても蛇腹状の部材（ベローズ）であってもよい。

（ａ）は、グロープラグの断面図であり、（ｂ）は、グロープラグの正面図である。 グロープラグ後端部の内部構成等を示す部分拡大断面図である。 ハウジングの先端部の内部構成等を示す部分拡大断面図である。 セラミックヒータの周囲の構成を示す部分拡大断面図である。 センサ構造体や圧力伝達部等の構成を示す部分拡大断面図である。 （ａ）は圧力センサ素子の周囲の構成を示す部分拡大斜視図であり、（ｂ）は、素子台座部への配置を示すための上面模式図である。 センサ素子の構造を示す部分拡大模式図である。 キャップ部材の内部に配置される膨張部材の変形例を示す部分拡大断面図である。

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１（ａ）は、圧力センサ付きグロープラグ（以下、「グロープラグ」と称す）１の断面図であり、図１（ｂ）は、グロープラグ１の正面図である。尚、図１等においては、図の下側をグロープラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

グロープラグ１は、ハウジング２、中軸３、工具係合体４、端子ピン５、接続部材６、キャップ部材７、外筒８、セラミックヒータ９、及び、圧力検知部１０等を備えている。

前記ハウジング２は、所定の金属材料（例えば、Ｓ４５Ｃ等の鉄系素材）によって形成されるとともに、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる軸孔２１を有している。当該軸孔２１は、その後端側において、比較的大径に形成された大径部２１ａと、当該大径部２１ａから連続して形成され、先端側へと先細るテーパ部２１ｂとを備えている。加えて、軸孔２１のうち前記テーパ部２１ｂよりも先端側はストレート状に（略同一の内径を有するように）形成されている。また、前記ハウジング２の長手方向略中央の外周部分には、グロープラグ１をエンジンのシリンダヘッドの取付孔（図示略）に取付けるためのねじ部２２が形成されている。

また、図２に示すように、前記ハウジング２の軸孔２１の後端部分には、それぞれ絶縁性材料によって形成されたＯリング２５及び絶縁ブッシュ２６が設けられている。前記Ｏリング２５は、環状をなすとともに、前記軸孔２１のテーパ部２１ｂに対して係止されている。また、前記絶縁ブッシュ２６は、軸線ＣＬ１に沿って延びる透孔２６ａを有しているとともに、小径部２６ｂと、当該小径部２６ｂより後端側に形成された鍔部２６ｃとを備えている。そして、絶縁ブッシュ２６は、その小径部２６ｂが前記軸孔２１の大径部２１ａに嵌合されるとともに、その鍔部２６ｃとハウジング２の後端面とが当接した状態で、ハウジング２に対して配設されている。

加えて、前記絶縁ブッシュ２６の後端側には、先端側が鍔状に形成され、全体として筒状をなす、金属製の支持部材２８が設けられている。当該支持部材２８は、中軸３の後端部に対して溶接や加締めにより固定されており、ひいては前記Ｏリング２５及び絶縁ブッシュ２６は、主体金具２及び支持部材２８により挟まれた状態で保持されている。

さらに、ハウジング２の軸孔２１には、導電性の金属材料よりなる中軸３が収容されている。当該中軸３は、円筒状に形成されており、前記軸線ＣＬ１に沿って延びる貫通孔３１を有している。また、前記中軸３の外周部分は、その後端から先端に向かって大部分がストレート状に（略同一の外径を有するように）形成されているが、当該中軸３の先端部には、比較的小径の小径部３２が形成されている（図３参照）。加えて、前記中軸３の後端側部分は、前記Ｏリング２５及び絶縁ブッシュ２６の透孔２６ａに対して挿通されている。これにより、前記中軸３は後端部において、Ｏリング２５によりハウジング２との間の気密が維持されるとともに、絶縁ブッシュ２６を介して前記ハウジング２によって支持されている。

加えて、前記ハウジング２の後端部には、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる内孔４１を有する工具係合体４が接合されている。ここで、ハウジング２と工具係合体４との接合状態について詳述すると、工具係合体４の内孔４１に対して前記ハウジング２の後端部が嵌合された上で、工具係合体４の先端部とハウジング２の後端部との互いの当接部を周方向に沿って溶接することによって、ハウジング２と工具係合体４とが接合されている。また、前記工具係合体４は、自身の先端部及び後端部を除いた部位において、外周形状が六角形状をなしている。そして、グロープラグ１（ねじ部２２）を前記エンジンのシリンダヘッドの取付孔に取付ける際には、当該工具係合体４の外周六角形状の部分に対して、所定の工具（例えば、スパナ、レンチ等）が係合されるようになっている。

また、前記工具係合体４の後端部には、端子ピン５が接続されている。当該端子ピン５は、電力の供給や信号のやりとり（通信）を目的とするコネクタ（図示せず）が取付けられるものであり、後端側に向かうにつれて径小となる形状をなす基部５０と、複数の端子５１ａ，５２ａ，５３ａ，５５ａとから構成されている。すなわち、前記端子ピン５は、外観上、外径の異なる円柱が軸線ＣＬ１方向に積み重なる形状をなし、先端側から順に接続基部５４、中胴部５５、第１柱状部５１、第２柱状部５２、及び、第３柱状部５３を有する形状とされている。

前記基部５０は、絶縁性の樹脂材料によって形成されるとともに、後述する第１信号線１１、第２信号線１２、及び、第３信号線１３が挿設される挿通孔５０ａ，５０ｂ，５０ｃを備えている。

また、前記接続基部５４は、前記基部５０のうち最も径大な部分であり、その先端部の外周部分に、前記工具係合体４の内孔４１の内径と略同一の外形を有する小径部５４ａを備えている。そして、前記接続基部５４の小径部５４ａが前記工具係合体４の内孔４１の後端部に対して嵌合されることで、工具係合体４に対して前記端子ピン５が接続されている。

前記中胴部５５は、前記接続基部５４の直後端側に位置するとともに、その外周面には、導電性金属材料からなる環状の通電端子５５ａが設けられている。また、当該通電端子５５ａは前記接続基部５４を貫通して先端側に延びており、前記中軸３に対して電気的に接続されている。そして、通電端子５５ａに対して所定の電源装置（図示せず）から電力が供給されることで、前記中軸３等を介してセラミックヒータ９に電力が供給されるようになっている。また、前記通電端子５５ａの後端部は、径方向内側へと若干反るようにして形成されている。そのため、通電端子５５ａの後端部に対して前記支持部材２８の鍔状部分が嵌合されることで、当該通電端子５５ａの後端部から支持部材２８に対して所定のばね力が生じるようになっている。

加えて、前記中胴部５５よりも後端側に位置する各柱状部５１〜５３のうち、最も径大に形成された第１柱状部５１は、その外周面に沿って導電性金属材料よりなる第１端子５１ａを備えている。また、第１柱状部５１の後端に位置する第２柱状部５２は、その外周面に沿って導電性材料よりなる第２端子５２ａを備えている。加えて、第３柱状部５３は、導電性の金属材料によって形成されており、第３端子５３ａを構成している。

一方前記中軸３の先端部には、例えばＳＵＳ３０４からなり弾性変形が可能に形成された接続部材６が電気的かつ機械的に接続されている。詳細構成については、本願出願人が平成２０年１２月１１日に出願した特願２００８−３１５５７５に記載されており、本出願においてはその説明を省略する。本接続部材６は、自身の後端部が第１接続部６１とされ中軸３と接続される。また、自身の先端部が第２接続部６２とされ後述する台座ベース１４ｂと接続される。そして第１接続部６１と第２接続部６２との間は弾性部６３とされている。

前記キャップ部材７は、ハウジング２の軸孔２１内の先端側に配設されており、導電性のステンレス等の金属材料からなる。その構成は、先端側が比較的大径に形成された接続大径部７１と、その後端側にはこの接続大径部７１に比較して小径に形成された伝達小径部７２と、更に後端側にカップ状の包囲部７３が形成されてなる。また、キャップ部材７は台座１４とともに、前記接続部材６及びセラミックヒータ９間を電気的に接続している。接続大径部７１について詳細には、前記セラミックヒータ９の後端部が圧入される環状の接続筒状部７１ａと、前記伝達小径部７２へ続く接続鍔部７１ｂとからなっており、本実施形態では、それぞれを別部材で構成した後に一体化した構成を採用している。したがって、広義には伝達小径部７２よりも大径かつセラミックヒータ９に接続する部位であれば一体であるか別体であるかを問わずに「接続大径部」である。一方、狭義には伝達小径部７２よりも大径かつ当該伝達小径部７２と同材質で一体に形成される部位のみが「接続大径部」とも言える。

また、本実施形態においては、前記接続筒状部７１ａの少なくともセラミックヒータ９が嵌合する先端側の内周面に対してメッキ加工が施されており、当該内周面には、金メッキ等のメッキ被膜（図示せず）が設けられている。これにより、接続筒状部７１ａと、セラミックヒータ９の後述する第１電極取出部９６との間の接触抵抗が増大してしまうことを防止できるようになっている。加えて、前記メッキ被膜を設けることで、接続筒状部７１ａの先端側筒状部７１に対するセラミックヒータ９の圧入荷重が減少してしまうことを防止でき、接続筒状部７１ａに対してセラミックヒータ９をより確実に固定できるようになっている。

台座１４について説明する。図３に示すように、台座１４は先端側に位置して圧力検出素子１６が接合され、支持する素子台座部１４ａと、後端側に位置して接続部材６と接続された台座ベース１４ｂとからなる。素子台座部１４ａは撓みや破損等が生じてしまうことを防止すべく、比較的厚肉に形成され、その材料は熱膨張係数の比較的低い金属材料（例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等）が選択される。一方、台座ベース１４ｂは前述のキャップ部材７と同様にステンレス等の金属材料からなる。

さらに、前記ハウジング２の軸孔２１の先端部には、筒状の先端スリーブ２７が挿設されている。当該先端スリーブ２７は、円筒状をなす本体部２７ａと、当該本体部２７ａの先端から径方向外側へと膨出して形成された鍔部２７ｂとを有している。また、先端スリーブ２７の鍔部２７ｂと前記ハウジング２の先端面との当接部分に対してレーザ溶接等を施すことにより、ハウジング２と先端スリーブ２７とが接合されている。

加えて、図４に示すように、所定の金属材料によって形成された外筒８が、前記先端スリーブ２７（鍔部２７ｂ）を介してハウジング２の先端部に対して接合されている。当該外筒８は、軸線ＣＬ１方向に延びる内孔８１ａを有する本体部８１と、当該本体部８１の内孔８１ａに対して自身の後端部が挿通された状態で設けられる筒状部８２とを備えている。

前記外筒８の本体部８１は、その先端部において軸線ＣＬ１方向の先端側へと縮径するテーパ部８１ｂを有しており、前記取付孔に対してグロープラグ１を取付けた際には、当該テーパ部８１ｂが前記エンジンのシリンダヘッドに形成されたプラグホールのシート部（図示外）に対して当接するようになっている。すなわち、グロープラグ１を内燃機関に取付けた際には、前記テーパ部８１ｂが燃焼室との気密を確保するシールとしての役割を担うこととなっている。

前記筒状部８２は、自身の後端部において径方向外側に突出して形成された鍔部８２ａ
と、軸線ＣＬ１に沿って延びる円筒状の保持外筒部８２ｂと、前記鍔部８２ａ及び前記保持外筒部８２ｂ間を連結し、比較的薄肉に形成された薄肉部８２ｃとから構成されている。また、前記筒状部８２の鍔部８２ａの外周部分は、前記本体部８１の後端部の外周部分に対して接合されている。より詳しくは、本体部８１と前記筒状体８２の鍔部８２ａとの当接部分に対して外周方向からレーザ溶接等を施すことにより、両者が接合されている。

加えて、前記筒状部８２の鍔部８２ｂと先端スリーブ２７との当接面に対して、レーザ溶接を施すことによって、外筒８と先端スリーブ２７とが接合されている。なお、前記薄肉
部８２ｃの後端面と先端スリーブ２７の先端面との間には、若干の空間が形成されるよう
になっている。また、本実施形態においては、外筒８は上記説明した如く本体部８１と筒状部８２との２部材で構成しており、特に筒状部８２の薄肉部８２ｃが本発明の狭義の、即ち構成６における弾性変形可能な弾性部材に相当する。一方、薄肉部８２ｃのように弾性変形が可能な部位を有してなる部材全体を指して広義に弾性部材とも言いうる。本実施形態に限定されることなく、外筒８を１部材で構成してもよく、また３部材以上から構成してもよい。例えば、本実施形態の本体部８１と保持外筒部８２ｂ、及び鍔部８２ａや薄肉部８２ｃに変えて蛇腹状のベローズ部材を用いて３部材からなる構成としてもよい。

前記セラミックヒータ９は、絶縁性セラミックによって構成されるとともに、軸線ＣＬ１方向に延びる略同径で丸棒状の基体９１と、その内部に埋設され、導電性セラミックよりなる長細いＵ字状の発熱体９２とを備えている。また、当該発熱体９２は、それぞれ棒状をなす一対の第１リード部９３、第２リード部９４と、各リード部９３，９４の先端部同士を連結する連結部９５とを備えている。ここで、当該連結部９５のうち特に先端側の部分が、いわゆる発熱抵抗体として機能する部位であり、曲面状に形成されたセラミックヒータ９の先端部分において、その曲面に沿うようにして断面Ｕ字状をなしている。加えて、連結部９５の先端側の部分の断面積は各リード部９３，９４の断面積よりも小さくなるようにして形成されており、通電時には、前記連結部９５の先端側の部分において積極的に発熱が行われるようになっている。

また、各リード部９３，９４は、それぞれセラミックヒータ９の後端側に向けて互いに略平行に延設されている。加えて、第１リード部９３の後端寄り位置には、第１電極取出部９６が外周方向に突設されており、当該第１電極取出部９６は、セラミックヒータ９の外周面に露出している。また、第２リード部９４の後端寄りの位置には、第２電極取出部９７が外周方向に突設されており、当該第２電極取出部９７が、セラミックヒータ９の外周面に露出している。尚、第１電極取出部９６は、前記軸線ＣＬ１方向に沿って、第２電極取出部９７よりも後端側に位置している。

加えて、第１電極取出部９６は、前記キャップ部材７の先端部（接続筒状部７１ａ）の内周面に対して接触している。これにより、キャップ部材７に対して台座１４及び接続部材６を介して電気的に接続された中軸３と前記第１リード部９３との間における電気的導通が図られている。即ち、台座１４とキャップ部材７とがセラミックヒータ９への給電経路を形成する構成である。また、前記第２電極取出部９７は、外筒８（筒状体８２）の内周面に対して接触している。これにより、外筒８に接合されたハウジング２と第２リード部９３との電気的導通が図られている。すなわち、本実施形態では、前記中軸３とハウジング２とが、グロープラグ１において、セラミックヒータ９に通電するための陽極・陰極として機能するようになっている。

また、前記セラミックヒータ９の軸線ＣＬ１方向に沿った中間部分は、前記外筒８の筒状体８２に対して圧入された状態で保持されているとともに、セラミックヒータ９の先端部は前記筒状体８２の先端から露出した状態となっている。加えて、エンジンの燃焼に伴う燃焼圧が前記セラミックヒータ９に加えられた際には、前記筒状体８２の薄肉部８２ｃが後端側へと撓むことで、セラミックヒータ９が前記ハウジング２に対して軸線方向ＣＬ１に沿って僅かに相対移動（変位）するように構成されている。

次いで、セラミックヒータ９の軸線ＣＬ１に沿ったハウジング２に対する相対移動（セラミックヒータ９から伝達される圧力）に基づいて燃焼圧を検知するための構成をなす圧力検出素子１６及びキャップ部材７の近傍の構成について図５を用いて説明する。この部位には、第１信号線１１、第２信号線１２、第３信号線１３、台座１４（素子台座部１４ａ、台座ベース１４ｂ）、膨張部材１５、及び、圧力検出素子１６等が配置されている。以降詳細について説明する。

前記第１信号線１１、第２信号線１２、及び、第３信号線１３は、導電性材料（例えば、Ｎｉ合金等）からなる導電線が絶縁性材料（例えば、フッ素樹脂等）からなる被膜によって被覆されて形成されている。加えて、各信号線１１〜１３は、前記中軸３の貫通孔３１及び接続部材６の内部において、軸線ＣＬ１方向に延びるようにして配設されている（図２等参照）。また、第１信号線１１の後端部は、前記端子ピン５の第１端子５１ａに対して電気的に接続されており、第２信号線１２の後端部は、前記第２端子５２ａに対して電気的に接続されている。さらに、第３信号線１３の後端部は、前記第３端子５３ａに対して電気的に接続されている。

前記台座１４は、その後端側（台座ベース１４ｂの後端側）に円環状のセラミック製のリング１４ｒ及び金属製の台座押え１４ｐとが配置されて先端スリーブ２７の後端部に位置している。前記台座押え１４ｐは、筒状をなすとともに、前記先端スリーブ２７の後端部の内周面に対して接合されている。より詳しくは、先端スリーブ２７の後端部に前記台座押え１４ｐの先端部を嵌合した上で、前記先端スリーブ２７の外周から周方向に沿ってレーザ溶接等を施すことによって、先端スリーブ２７に台座押え１４ｐが接合されている。また、台座押え１４ｐは、前記先端スリーブ２７に接合されることで、前記ハウジング２に対して相対移動不能な状態とされている。加えて、台座押え１４ｐの内径は、前記台座ベース１４ｂの外径よりも大きくされており、台座押え１４ｐの内周面と、前記台座ベース１４ｂの外周面とが非接触状態となっている。更に、台座押え１４ｐの先端面にはリング１４ｒが当接している。台座ベース１４ｂは筒状をなす一方、外周面の一部が径方向外側に張り出した鍔部１４ｆを有している。この鍔部１４ｆとリング１４ｒとが当接し、さらにリング１４ｒの後端側には先端スリーブ２７に接合された台座押え１４ｐが位置している。この構成により、台座ベース１４ｂは先端スリーブ２７に対して位置決めされる。なお、台座ベース１４ｂは中軸３と導通した状態にあるが、リング１４ｒにより絶縁されつつ、径方向にも位置が規制されており、先端スリーブ２７等と接触し、短絡することがないようにされている。

素子台座部１４ａには、図６（ａ），（ｂ）に示すように、軸線ＣＬ１方向に沿って延びる複数の透孔１４３が設けられており、前記各信号線１１〜１３が、当該透孔１４３を通じて素子台座部１４ａの先端面側へと延出している。なお、各透孔１４３の内側には、ガラスが充填されてなる環状の絶縁部材１４４が設けられ、各信号線１１〜１３が素子台座部１４ａに対して絶縁状態で固定されている。また、各信号線１１〜１３は素子台座部１４ａの先端側においては被膜を剥離して導通可能に構成する一方、素子台座部１４ａの後端側においては台座ベース１４ｂや接続部材６、中軸３等との接触・短絡を避けるために被膜に被覆された状態としている。これら信号線１１〜１３が、台座１４（素子台座部１４ａ）が有する導通部に相当する。

前述の通り、キャップ部材７は接続径大部７１と伝達小径部７２と包囲部７３とを備える（図５に戻る）。包囲部７３の内面のうち、先端側の底面７３ｓにはＣｕやＡｌ等比較的熱膨張係数の大きい材料（樹脂等の絶縁性材料でもよい）からなる膨張部材１５を介して圧力検出素子１６が配置されている。一方、包囲部７３よりも先端側には小径の伝達小径部７２を挟んで台形の接続径大部７１（接続鍔部７１ｂ）が形成されている。この接続鍔部７１ｂは径方向に膨出する部位と、先端に向かって縮小するテーパが形成された部位とがある。当該テーパが形成された部位は接続筒状部７１ａへ挿入され、径方向に膨出する部位と接続筒状部７１ａとがレーザ溶接等により接合され、一体となって接続径大部７１を構成している。前述の通り、燃焼圧がセラミックヒータ９に加わると、セラミックヒータはハウジング２に対して軸線方向ＣＬ１に沿って相対移動する。この相対移動により、荷重がセラミックヒータ９から接続径大部７１（接続筒状部７１ａ、接続鍔部７１ｂ）、伝達小径部７２を介して、包囲部７３（底面７３ｓ）が圧力検出素子１６を押圧して、検出対象である圧力が検出可能となるのである。

前述の通り、本発明では台座１４に固定されるとともにキャップ部材７の内部に収容された圧力検出素子１６がハウジング２の軸孔２１内の先端寄りに配置されている。このため、圧力検出素子１６のみならず、キャップ部材７や台座１４も燃焼室やセラミックヒータ９自身の発熱による熱影響を受け、それぞれの部材はそれぞれ自己の有する熱膨張係数に応じた熱膨張を生ずる。前述の通り、キャップ部材７はステンレスで構成される一方、台座１４（特に素子台座部１４ａ）は当該キャップ部材７よりも熱膨張係数の小さい材料で構成されている。この熱膨張係数の差異に基づき、キャップ部材７の包囲部７３は素子台座部１４ａよりも大きく熱膨張を生じうる。このため、包囲部７３の底面７３ｓと素子台座部１４ａに挟持されている圧力検出素子１６に対する荷重が小さくなってしまうこと（荷重抜け）が懸念されるところ、本実施形態では底面７３ｓと圧力検出素子１６との間に膨張部材１５を介在させているので、上記荷重抜けの懸念を払拭することができる。なお、膨張部材１５は底面７３ｓと圧力検出素子１６との間への配置に限られず、上記荷重抜けを解消できる部位であればその位置を問うものではない。上記構成の他に一例としては、素子台座部１４ａと圧力検出素子１６との間や、素子台座部１４ａと台座ベース１４ｂとの間に配置することも可能である。即ち、キャップ部材７の底面７３ｓが圧力検出素子１６を押圧する方向であって、当該底面７３ｓと、台座１４（台座ベース１４ｂ）及びキャップ部材７の接合部位との間である押圧方向上に、膨張部材１５を介在させればよい。

ところで、図６（ａ），（ｂ）、及び、図７に示すように、前記圧力検出素子１６は、センサ素子１６１と、当該センサ素子１６１を挟むようにして配設されたガラス板１６２，１６３とから構成されている。また、圧力検出素子１６（ガラス板１６３）は、前記素子台座部１４ａの先端面の中央部分に対してガラス接合や所定の接着剤（例えば、エポキシ系の接着剤）によって接着されている。なお、本実施形態では、圧力検出素子１６の接合される素子台座部１４ａは、その一部を***させた構成としている。これにより、ガラス板１６３の辺縁部が割れたり欠けたりすることを防止することができるためである。

図７に示すように、前記センサ素子１６１は、基板１６４と、当該基板１６４上に設けられた複数の端子１６５と、感圧抵抗体１６６と、感温抵抗体１６７とを備えている。

前記基板１６４は、平板状をなすシリコン基板であり、その面方位は｛１１０｝とされている。加えて、基板１６４表面の四隅のうちの３箇所には、端子１６５がそれぞれ配置されており、各端子１６５は、ガラス板１６２に形成された切り欠きから表面へと露出している。また、前記各端子１６５は、各信号線１１〜１３に対してＡｕ等のボンディングワイヤ１６８を介して電気的に接続されている。このように各信号線１１〜１３の導電部やボンディングワイヤ１６８が露出した剥き出しの構成であるため、従来の構成では、製造過程でゴミや金属の切り粉が付着して検出した圧力の信号を正常に出力できなくなるおそれがあった。本発明ではキャップ部材７（の包囲部７３）が台座１４（台座ベース１４ｂ）と接続して、圧力検出素子１６とボンディングワイヤ１６８及び各信号線１１〜１３の導電部を覆い、台座１４（素子台座部１４ａ、台座ベース１４ｂ）とともに閉空間を構成しているので、上記おそれを解消することができるのである。

さらに、前記感圧抵抗体１６６は、基板１６４の中央部分において蛇行した状態で配置されている。ここで、当該感圧抵抗体１６６のうち、比較的長い直線を形成する部分（図７の上下方向に沿って延びる部分）においては、結晶方位が＜１１０＞方向とされている。そのため、感圧抵抗体１６６に対して軸線ＣＬ１方向（図７の手前奥方向）に沿った圧力が加えられると、感圧抵抗体１６６の抵抗値が比較的大きく変化するというピエゾ抵抗効果を利用できるように構成されている。

前記感温抵抗体１６７は、温度変化を検出可能な感温素子として機能するものであり、前記感圧抵抗体１６６とほぼ同一の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有している。当該感温抵抗体１６７は、基板１６４上において前記感圧抵抗体１６６が配設される面と同一の面に配設されており、ひいては前記感圧抵抗体１６６と略同一の温度環境下に置かれるようになっている。従って、温度変化に伴って感圧抵抗体１６６の抵抗値が変化したとき、感温抵抗体１６７の抵抗値についても、感圧抵抗体１６６の抵抗値変化に対応して変化するようになっている。尚、前記感圧抵抗体１６６、感温抵抗体１６７、及び、電極１６５は、後述する製造方法により、それぞれが電気的に接続されている。

さらに、本実施形態においては、ハウジング２の外部において、前記端子ピン５に対して所定の導電線を介して電気的に接続される圧力検知回路（図示せず）が設けられている。より具体的には、前記圧力検知回路は、第１端子５１ａ、第２端子５２ａ、及び、第３端子５３ａに対して電気的に接続されており、各信号線１１〜１３を通じて前記センサ素子１６１との間で信号の入出力を行い、感圧抵抗体１６６の抵抗値と感温抵抗体１６７の抵抗値とに基づいてセラミックヒータ９に対して加えられた圧力（燃焼圧）を検知するものである。詳述すると、圧力検知回路は、前記感温抵抗体１６７の抵抗値変化に基づいて、前記感圧抵抗体１６６の抵抗値変化を補正することで、感圧抵抗体１６６の抵抗値変化量から温度変化による抵抗値変化量を除いた抵抗値変化量、すなわち、底面７３ｓから印加された圧力のみに基づく感圧抵抗体１６６の抵抗値の変化分を求める。そして、当該抵抗値変化分に基づいて、燃焼室内の燃焼圧を検知する。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明の実施は上記実施形態に限られるものではなく、その思想を逸脱しない範囲で適宜変更は可能である。

例えば、図８は図３に示したキャップ部材７の内部構成についての変形例である。この例では、図３における膨張部材１５について、その形状を変えたものである。即ち、図３の実施形態では膨張部材１５は単純な薄板状としたが、図７に示す例では、膨張部材１５ｈをガラスやセラミックからなる半球状の形状とし、軸線ＣＬ１方向先端側が凸となるようにキャップ部材７の内部に配置するとともに、当該半球の反対側の平面により、圧力検出素子１６を押圧するように構成したものである。

１…圧力センサ付きグロープラグとしてのグロープラグ、２…ハウジング、３…中軸、６…接続部材、７…キャップ部材、８…外筒、９…発熱ヒータとしてのセラミックヒータ、１５，１５ｈ…膨張部材、２１…軸孔、９１…基体、９２…発熱体、９３…リード部としての第１リード部、９６…電極取出部としての第１電極取出部、ＣＬ１…軸線、

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する筒状のハウジングと、
   前記軸孔に配置され、前記ハウジングの先端部から自身の先端が突出されるとともに自身の後端が前記ハウジング内部に収容されるヒータと、
   前記ハウジングのうち先端側に位置する台座と、
   前記台座へ固定された圧力検出素子と、
   を備える圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記台座は自身の先端側と後端側とを電気的に導通する導通部を有し、当該導通部と前記圧力検出素子とは互いにボンディングワイヤによって電気的に接続され、
   前記台座と接続して前記圧力検出素子及び前記ボンディングワイヤを収容する包囲部であって、当該包囲部の内面が前記圧力検出素子を押圧する一方、当該包囲部の先端側に前記ヒータに接続するヒータ接続部を備えるキャップ部材を有し、
   前記台座と前記キャップ部材とが前記ヒータへの給電経路とされてなること
   を特徴とする圧力センサ付きグロープラグ。
2. 前記キャップ部材の前記包囲部の内部の、前記圧力検出素子の押圧方向上に、前記キャップ部材の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する膨張部材が介在すること
   を特徴とする請求項１記載の圧力センサ付きグロープラグ。
3. 前記キャップ部材の前記ヒータ接続部は、先端側に形成され、相対的に外径の大きい接続大径部と、当該接続大径部よりも後端側に形成され、相対的に外径の小さい伝達小径部とを有してなり、
   前記伝達小径部の外径は、前記キャップ部材の包囲部の内面と接触する前記圧力検出素子の当接面よりも小さいこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の圧力センサ付きグロープラグ。
4. 前記ヒータは、自身の外周に配置され、検出対象の圧力が前記ヒータへ掛かったときに弾性変形可能な弾性部材により、前記ハウジングに保持されてなること
   を特徴とする請求項１ないし３記載の圧力センサ付きグロープラグ。
5. 前記ハウジングの前記軸孔内に配置された筒状部材であって、自身の先端部が前記ハウジングの先端部に接合し、自身の後端部に前記台座を配置させるスリーブを備え、自身の前記先端部よりも後端側の部位を前記ハウジングに対して固定しないこと
   を特徴とする請求項１ないし４記載の圧力センサ付きグロープラグ。
6. 前記ヒータを自身の内部に保持する筒状の保持外筒部と、
   当該保持外筒よりの径方向外側へ大きく、前記弾性変形が可能な弾性鍔部と
   を有するヒータ保持部材であって、
   当該弾性鍔部が前記弾性部材として前記ハウジングの先端部に接合されていること
   を特徴とする請求項４又は５記載の圧力センサ付きグロープラグ。

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