JP2011089689A - 圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents
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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
【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。)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009242898A JP2011089689A (ja) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | 圧力センサ付きグロープラグ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009242898A JP2011089689A (ja) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | 圧力センサ付きグロープラグ |
Publications (1)
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JP2011089689A true JP2011089689A (ja) | 2011-05-06 |
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ID=44108103
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JP2009242898A Pending JP2011089689A (ja) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | 圧力センサ付きグロープラグ |
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JP (1) | JP2011089689A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014006035A (ja) * | 2012-06-27 | 2014-01-16 | Ngk Spark Plug Co Ltd | グロープラグ |
-
2009
- 2009-10-21 JP JP2009242898A patent/JP2011089689A/ja active Pending
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