JP3605962B2

JP3605962B2 - イオン電流検出装置

Info

Publication number: JP3605962B2
Application number: JP25029796A
Authority: JP
Inventors: 正道柴田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: JPH1089221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパークプラグの放電ギャップに流れるイオン電流の検出を行なうイオン電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２に示すように、スパークプラグ３は、取付金具３１の内部に絶縁体３２が保持され、この絶縁体３２の内部に中心電極３３およびステム部３４が保持されている。取付金具３１の一端部３１１には、中心電極３３の一端部３３１と放電ギャップ３８を隔てて対向する接地電極３５が固定されている。
【０００３】
中心電極３３およびステム部３４は、銅ガラスからなる熱溶着部３６により、絶縁体３２にそれぞれ固定されており、この熱溶着部３６を介して、中心電極３３の他端部３３２とステム部３４の一端部３４ａとが電気的に接続されている。ステム部３４は、図４に示すように、鉄系材料からなる本体部３４１の表面に、導電材料（例えばニッケル等）からなる防食用導電皮膜３４２を施してなる。
【０００４】
そして、このスパークプラグ３には、図３に示すように、点火コイル１から放電用高電圧（約−３５ｋＶ）が供給されるようになっており、この結果、放電ギャップ３８に火花放電が発生し、燃焼室内の混合気を燃焼させるものである。
また、従来より、スパークプラグ３と点火コイル１との電気的接続を行なう導通部材９の構造として、図１（ａ）に示すようなものがある。この導通部材９は、一端部がコイルスプリング９３から構成され、このコイルスプリング９３の先端がステム部３４の他端部３４ｂ表面に接触するようになっている。
【０００５】
なお、一般に、スパークプラグ３は、上記した本体部３４１および防食用皮膜３４２を備えたステム部３４を予め形成した後、中心電極３３、粉末状の銅ガラス、およびステム部３４を、絶縁体３２内部に順に挿入して仮組みし、この仮組み体を高温（例えば８００℃〜９００℃）の炉中に配置して、銅ガラスを溶融させることにより、形成される。その後、ステム部３４の他端部３４ｂに、コイルスプリング９３の先端を接触させるように、導通部材９とスパークプラグ３を組付けている。
【０００６】
そして、特開平４−１９１４６５号公報には、図３に示すように、上記スパークプラグ３および点火コイル１を備えた点火装置に、さらにイオン電流検出手段Ａを設けたイオン電流検出装置１０が提案されている。イオン電流検出手段Ａは、イオン電流検出用電圧（約５０Ｖ〜３００Ｖ）を供給するコンデンサ４と、イオン電流を検出する抵抗７およびコンピュータ６とからなる。
【０００７】
ここで、上記燃焼に際しては、この燃焼に伴う電離作用により、放電ギャップ３８近傍にイオンが発生する。このとき、コンデンサ４により、放電ギャップ３８間に上記イオン電流検出用電圧をかける。すると、中心電極３３と接地電極３５（つまりは、取付金具３１）との間にイオン電流が流れる。そして、このイオン電流を、抵抗７およびコンピュータ６にて検出することにより、内燃機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態を検出する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したスパークプラグ３を複数製造し、上記したイオン電流検出装置１０を構成した場合、混合気の燃焼が起こっても、上記イオン電流が検出できないものが多々あることが、本発明者により確認されている。これに対して、本発明者は、図４に示すように、ステム部３４の防食用皮膜３４２の表面側の部位が、絶縁性酸化膜３４３となっていることを発見し、この絶縁性酸化膜３４３の存在のために、イオン電流検出装置１０の電気回路の導通が断たれ、上記イオン電流が検出できなくなる、ということを見いだした。
【０００９】
以下に、本発明者が実験、検討した内容について詳しく説明する。
まず、スパークプラグ３の製造過程において、ステム部３４が上記高温（例えば８００℃〜９００℃）な環境にさらされることにより、ステム部３４の防食用皮膜３４２のうち表面側の部位が酸化して、例えばＮｉＯ等の絶縁性酸化膜３４３となってしまう。
【００１０】
この絶縁性酸化膜３４３について本発明者が詳しく調べたところ、その膜厚は約５〜１０μｍ程度であるが、その膜厚が１〜２μｍ程度に薄い部位３４３ａが点在していることがわかった。そして、この薄い部位３４３ａでは、上記イオン電流検出用電圧（５０〜３００Ｖ程度）で容易に絶縁破壊するが、この部位３４３ａ以外の部位ではほとんど絶縁破壊せず、イオン電流検出装置１の電気回路の導通が断たれることがわかった。
【００１１】
このため、上記薄い部位３４３ａにコイルスプリング９３の先端が接触するように配置された場合、ステム部３４とコイルスプリング９３とは電気的に接続されるので、このようなイオン電流検出装置１０はイオン電流を検出できる。これに対して、上記薄い部位３４３ａにコイルスプリング９３の先端が接触していない装置１０では、イオン電流を検出できないのである。なお、コイルスプリング９３が上記薄い部位３４３ａに接触するか否かは偶然的に決定されるものである。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、ステム部を、このステム部に接続される導通部材と、より確実に導通可能に構成することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし６に記載の発明では、スパークプラグ（３）と、電圧供給源（１、２、８）と、イオン電流検出手段（Ａ）とを具備したイオン電流検出装置（１０）であって、スパークプラグ（３）のステム部（３４）は、本体部（３４１）の表面に防食用皮膜（３４２）を形成したものからなり、このスパークプラグ（３）と電圧供給源（１、２、８）とを電気的に接続する導通部材（９）の一端部（９３）が、ステム部（３４）の他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面の所定部位に接触しており、ステム部（３４）の他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面には、上記所定部位の面積よりも広い範囲にわたって、かつ、上記所定部位の少なくとも一部を覆うように、導電用皮膜（３４４）を設けたことを特徴としている。
【００１４】
ここで、スパークプラグ（３）の製造工程において、ステム部（３４）が高温な環境にさらされることにより、防食用皮膜（３４２）の表面側の部位は、絶縁性酸化膜（３４３）となっている。
これに対して、上記構成によれば、導電用皮膜（３４４）が、上記所定部位の面積よりも広い範囲にわたって形成されているため、この導電用皮膜（３４４）は、導通部材（９）の一端部（９３）に比べて、絶縁性酸化膜（３４３）のうち膜厚の薄い部位（３４３ａ）に接触する確率が高い。この導電用皮膜（３４４）とステム部（３４）の本体部（３４１）との間は、上記薄い部位（３４３ａ）、および、防食用皮膜（３４２）を介して電気的に接続されている。
【００１５】
そして、上記所定部位の少なくとも一部を覆うように、導電用皮膜（３４４）を設けているので、導電用皮膜（３４４）と導通部材（９）の一端部（９３）とは確実に接触する。この結果、ステム部（３４）と導通部材（９）とは、従来技術よりも確実に導通可能となる。
従って、イオン電流検出装置１０の電気回路の導通が断たれる、といった問題を抑制でき、スパークプラグ（３）の放電ギャップ（３８）に流れるイオン電流をより確実に検出可能となる。よって、内燃機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態をより確実に検出可能となり、例えば、燃料噴射量や点火時期の適切な制御により、最適な燃焼状態を保持可能となる。
【００１６】
ここで、導電用皮膜（３４４）は、導電材料、例えば、金、銀、アルミニウム、ニッケル、およびクロムのうち、少なくとも一種類以上を含む材料からなる。この材料は、スパークプラグ（１０）の使用時における、ステム部（３４）近傍の温度（例えば２００℃程度）で、耐食性、耐酸化性を発揮するものである。
また、導電用皮膜（３４４）の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。これは、導電用皮膜（３４４）の膜厚が１μｍよりも小さいと、上記膜厚の薄い部位（３４３ａ）と導通部材（９）の一端部（９３）とを、確実に電気的接続できなくなる恐れがあるためである。
【００１７】
そして、防食用皮膜（３４２）は、導電材料、例えば、ニッケル、クロム、銀、および亜鉛のうち、少なくとも一種類以上を含む材料からなる。この材料は、スパークプラグ（１０）の使用時における、ステム部（３４）近傍の温度（例えば２００℃程度）で、耐食性、耐酸化性を発揮するものである。
また、防食用皮膜（３４２）の膜厚は、１μｍ〜２００μｍ以下であることが好ましい。これは、防食用皮膜（３４２）の膜厚が１μｍよりも小さいと、本体部（３４１）を防食する効果が得られない恐れがあるためである。また、防食用皮膜（３４２）の膜厚が２００μｍよりも大きいと、この防食用皮膜（３４２）を、例えば電気めっき等により施すのに時間がかかり、コスト高となるためである。
【００１８】
そして、導電部材（９）の一端部側が、例えばコイルスプリング（９３）のような、弾性的な線状部材からなる場合、前記所定部位の面積が比較的小さく、この所定部位の位置と、上記膜厚の薄い部位（３４３ａ）の位置とが一致する確率が小さい。このため、導電用皮膜（３４４）を設けない場合、導通部材（９）とステム部（３４）の本体部（３４１）との電気的接続の確実性が比較的悪いものである。よって、導電部材（９）の一端部が線状部材（９３）からなるものに本発明を適用することにより、電気的接続の確実性を効果的に向上できる。
【００１９】
なお、ステム部（３４）の表面に絶縁性酸化膜（３４３）が形成される条件としては、上記従来技術に述べたものに限らず、他にも、いくつか挙げられる。例えば、上記仮組みした後、絶縁体（３２）に釉薬を塗布し、この釉薬を加熱することにより固着させる場合である。
また、請求項７に記載の点火装置にイオン電流検出手段（Ａ）を組み込んで、イオン電流検出装置（１０）として使用する場合や、請求項８に記載のスパークプラグを、上記したイオン電流検出装置（１０）に適用した場合についても、上記した効果と同様の効果が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）および図２に基づいて、本実施形態のスパークプラグ３を説明する。なお、上記従来技術と同じ部位に関しては説明を省略し、今回の変更点および具体的説明の補充を以下に述べる。
【００２１】
取付金具３１は、エンジンブロック１００に固定するためのネジ部３１ａを備え、この取付金具３１の内部には、絶縁体３２が、その一端部３２１および他端部３２２が露出するように、固定されている。なお、中心電極３３の一端部３３１は絶縁体３２の一端部３２１から露出しており、ステム部３４の他端部３４ｂは絶縁体３２の他端部３２２から露出している。
【００２２】
そして、ステム部３４の他端面３４０ｂには、導電材料（例えば金、銀、アルミニウム等）からなる導電用皮膜３４４が全面的に形成されている。導電用皮膜３４４の膜厚は例えば５μｍ程度である。導電用皮膜３４４の形成方法としては、上記従来技術に述べた高温（８００℃〜９００℃）の炉に入れる工程の後、上記導電材料と溶剤とを混合してなる導電性ペーストを、ステム部３４の他端面３４０ｂに塗布し、乾燥させるものである。なお、炉中は大気雰囲気で、上記仮組み体を炉中に約１時間程度配置させている。
【００２３】
そして、導通部材９は、導電材料からなる金属線９１、金属筒９２、およびコイルスプリング９３からなる。金属線９１の外周部には、ゴム材料からなる絶縁チューブ９５が設けられ、さらに、絶縁チューブ９５の外周部には、樹脂製のプラグキャップ９６が設けられている。
なお、金属筒９２は、絶縁チューブ９５とプラグキャップ９６の間に配置され、金属線９１の端部は、絶縁チューブ９５と金属筒９２の間に配置されている。そして、プラグキャップ９６のうち、金属線９１の端部近傍の部位を、周方向にかしめることにより、絶縁チューブ９５とプラグキャップ９６との間に、金属筒９２および金属線９１の一端が弾性的に挟持される。
【００２４】
また、コイルスプリング（線状部材）９３は、金属筒９２の内周面から部分的に複数カ所（具体的には２〜３カ所）突出する突出部９２ａに係止されている。このコイルスプリング９３の先端が、ステム部３４の他端面３４０ｂに当接しており、このコイルスプリング９３は、突出部９２ａと、ステム部３４の他端面３４０ｂとの間に、弾性力を発するように設けられている。
【００２５】
なお、コイルスプリング９３の径は、ステム部３４の他端面３４０ｂの径よりも小さい。このため、ステム部３４の他端面３４０ｂのうち、コイルスプリング９３の径と同じ径の円周状部位（所定部位）に、コイルスプリング９３の先端が接触している。
また、絶縁体３２の外周部を覆うように、ゴム材料からなる絶縁キャップ９７が弾性的に固定されている。絶縁キャップ９７により、絶縁体３２のフラッシュオーバが防止できる。この絶縁キャップ９７の端部に形成された凹部に、プラグキャップ９６の先端が圧入固定されている。
【００２６】
図３は、本発明のスパークプラグ３を適用したイオン電流検出装置１０を示している。図３において、点火コイル１は一次巻線１１と、二次巻線１２とを備え、この一次巻線１１には、パワートランジスタ２および車載電源８が直列に接続されており、パワートランジスタ２により、一次巻線１１に発生する一次電流を断続するものである。そして、スパークプラグ３は、二次巻線１２に直列に接続され、放電用高電圧が印加されることにより、図示しない内燃機関の燃焼室内の混合気を着火する。
【００２７】
また、二次巻線１２の正極性側にはコンデンサ４が接続され、このコンデンサ４とアースとの間には、イオン電流を電圧に変換する抵抗７が接続されている。この抵抗７に発生する電圧は、コンピュータ６により検出されるようになっている。このコンピュータ６により検出されたイオン電流により、内燃機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態を検出できる。
【００２８】
そして、上記燃焼状態に応じて、コンピュータ６により、燃料噴射量や点火時期を制御して、最適な燃焼状態を保持するようにしている。また、抵抗７およびコンデンサ４に並列的に、定電圧ダイオード５が接続されている。この定電圧ダイオード５により、コンデンサ４の充電電圧を任意に設定できる。なお、点火コイル１、パワートランジスタ２および車載電源８により、電圧供給手段を構成している。
【００２９】
そして、このイオン電流検出装置１０は、内燃機関の点火時期には、二次巻線１２に負極性の放電用高電圧（約−３５ｋＶ）が生じ、図３中実線矢印で示す経路に放電電流が流れ、スパークプラグ３の放電ギャップ３８間に放電を生じる。また、この放電電流によってコンデンサ４が充電される。
このとき、混合気の燃焼に伴って電離作用が生じ、イオンが発生する。ここで、コンデンサ４が充電されているため、図３中点線矢印で示す経路にイオン電流が流れ、このイオン電流の発生により抵抗７に発生する電圧を検出することにより、混合気の燃焼を確認できる。
【００３０】
そして、本実施形態によれば、導電用皮膜３４４は、ステム部の他端面３４０ｂ表面に全面的に、つまり、上記円周状部位（所定部位）よりも広い面積にわたって形成されているので、導電用皮膜３４４は、確実に、絶縁性酸化膜３４３のうち膜厚の薄い部位３４３ａに接触する。よって、この導電用皮膜３４４は、上記膜厚の薄い部位３４３ａ、および、防食用皮膜３４２を介して、ステム部３４の本体部３４１に確実に電気的に接続されている。
【００３１】
そして、導電用皮膜３４４は、ステム部３４の他端面３４０ｂに全面的に形成されており、この他端面３４０ｂに、コイルスプリング９３の先端が圧接しているため、導電用皮膜３４４とコイルスプリング９３とは確実に接触し、電気的接続される。よって、コイルスプリング９３は、ステム部３４の本体部３４１に確実に電気的に接続される。
【００３２】
（他の実施形態）
上記実施形態では、ステム部３４の他端面３４０ｂに全面的に導電用皮膜３４４が設けていたが、他端面３４０ｂに部分的に設けてもよい。例えば、上記円周状部位よりも内方には導電用皮膜３４４を設けないようにしてもよいし、他端面３４０ｂの半分程度に導電用皮膜３４４を設けてもよい。このようにしても、上記円周状部位よりも広い面積にわたって、かつ、上記円周状部位を覆うように、導電用皮膜３４４が設けられるため、コイルスプリング９３と導電用皮膜３４４は確実に接触する。よって、コイルスプリング９３とステム部３４の本体部３４１とを確実に電気的接続できる。
【００３３】
なお、上記他端面３４０ｂの面積の１５％以上を覆うように、かつ、上記円周状部位の一部を少なくとも覆うように、ステム部３４の他端面３４０ｂに、上記導電用皮膜３４４を形成することが好ましい。これは、コイルスプリング９３とステム部３４の本体部３４１とを確実に電気的接続できることが、発明者らの実験、検討によりわかっているためである。
【００３４】
また、上記実施形態では、コイルスプリング９３の径をステム部３４の他端面３４０ｂの径よりも小さく構成していたが、コイルスプリング９３の径をステム部３４の他端面３４０ｂの径よりも大きく構成し、コイルスプリング９３をステム部３４の他端部３４ｂに巻き付けるようにしてもよい。このとき、ステム部３４の他端部３４ｂ外周面に、導電用皮膜３４４を形成する。
【００３５】
また、ステム部３４と導通部材９との接触構造は上記実施形態のものに限定されることはなく、例えば、コイルスプリング９３を廃止し、金属筒の端部からステム部３４側に部分的に延びる突出部を金属筒に設け、この突出部をステム部３４の他端部３４ｂ外周面に当接させるようなものでもよい。また、コイルスプリング９３に替えて、例えば、略く字状や略Ｓ字状等の板バネを設けてもよい。また、コイルスプリング９３とステム部３４の他端部３４ｂとの間に、導通材料からなる円板状部材を介在させてもよい。
【００３６】
また、中心電極３３とステム部３４との間に、抵抗体を介在させてもよい。これにより、火花放電時における、ラジオ等の電気機器への電波障害を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態および従来技術に係わるスパークプラグおよび導通部材の組付構造を示す部分断面図、（ｂ）は本発明の実施形態に係わるステム部端面近傍の拡大断面図である。
【図２】本発明の実施形態および従来技術に係わるスパークプラグの半断面図である。
【図３】本発明の実施形態および従来技術に係わるイオン電流検出装置の回路図である。
【図４】従来技術に係わるステム部端面近傍の拡大断面図である。
【符号の説明】
３…スパークプラグ、３３…中心電極、３４…ステム部、３４１…本体部、
３４２…防食用皮膜、３４３…絶縁性酸化膜、３４４…導電用皮膜、
３５…接地電極、３８…放電ギャップ、９…導通部材、
９３…コイルスプリング。

Claims

中心電極（３３）と接地電極（３５）との間の放電ギャップ（３８）に火花放電を発生するスパークプラグ（３）と、
前記放電ギャップ（３８）間に高電圧を供給する電圧供給源（１、２、８）と、
前記放電ギャップ（３８）に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段（Ａ）とを具備し、
本体部（３４１）と、前記本体部（３４１）の表面に形成された防食用皮膜（３４２）とを備えたステム部（３４）の一端部（３４ａ）と、前記中心電極（３３）の一端部（３３１）とは、電気的に接続されており、
前記スパークプラグ（３）と前記電圧供給源（１、２、８）とを電気的に接続する導通部材（９）の一端部（９３）は、前記ステム部（３４）の他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面の所定部位に接触しており、
前記ステム部（３４）の前記他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面には、前記所定部位の面積よりも広い範囲にわたって、かつ、前記所定部位の少なくとも一部を覆うように、導電用皮膜（３４４）が設けられていることを特徴とするイオン電流検出装置。
前記導電用皮膜（３４４）は、金、銀、アルミニウム、ニッケル、およびクロムのうち、少なくとも一種類以上を含む材料からなることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出装置。
前記導電用皮膜（３４４）の膜厚は１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン電流検出装置。
前記防食用皮膜（３４２）は、ニッケル、クロム、銀、および亜鉛のうち、少なくとも一種類以上を含む材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のイオン電流検出装置。
前記防食用皮膜（３４２）の膜厚は、１μｍ〜２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のイオン電流検出装置。
前記導電部材（９）の少なくとも前記一端部は、弾性的な線状部材（９３）からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のイオン電流検出装置。
中心電極（３３）と接地電極（３５）との間の放電ギャップ（３８）に火花を発生するスパークプラグ（３）と、
前記放電ギャップ（３８）間に高電圧を供給する電圧供給源（１、２、８）とを具備し、
本体部（３４１）と、前記本体部（３４１）の表面に形成された防食用皮膜（３４２）とを備えたステム部（３４）の一端部（３４ａ）と、前記中心電極（３３）の一端部（３３１）とは、電気的に接続されており、
前記スパークプラグ（３）と前記電圧供給源（１、２、８）とを電気的に接続する導通部材（９）の一端部（９３）は、前記ステム部（３４）の他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面の所定部位に接触しており、
前記ステム部（３４）の前記他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面には、前記所定部位の面積よりも広い範囲にわたって、かつ、前記所定部位の少なくとも一部を覆うように、導電用皮膜（３４４）が設けられていることを特徴とする点火装置。
中心電極（３３）と、
前記中心電極（３３）と放電ギャップ（３８）を隔てて対向する接地電極（３５）と、
一端部（３４ａ）が、前記中心電極（３３）の一端部（３３１）と電気的に接続されるステム部（３４）とを備え、
前記ステム部（３４）は、本体部（３４１）と、前記本体部（３４１）の表面に形成された防食用皮膜（３４２）とを備えており、
前記ステム部（３４）の他端部（３４ｂ、３４０ｂ）表面には、導電用皮膜（３４４）が設けられていることを特徴とするスパークプラグ。