JP4207070B2

JP4207070B2 - 燃焼センサ付きグロープラグ

Info

Publication number: JP4207070B2
Application number: JP2006237722A
Authority: JP
Inventors: 博之村井; 大村　　晋一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP2006316796A

Description

本発明は、燃焼圧センサ付きグロープラグに関する。

この種の一般的な燃焼圧センサ付きグロープラグの概略断面構成を図１５（ａ）、（ｂ）に示す（例えば、特許文献１参照。）。

図１５において（ａ）はグロープラグ１００単体の図、（ｂ）はグロープラグ１００をエンジンのエンジンヘッド１に取り付けた状態を示す図である。

グロープラグ１００は、一端側がエンジンの燃焼室１ａ側に位置するようにエンジンヘッド１にネジ結合可能な筒状のハウジング２０１を有する。ハウジング２０１の外周面には、当該ネジ結合のための取付ネジ部２０１ｂが形成されている。ハウジング２０１の内部には、一端側がハウジング２０１の一端から露出するようにパイプ部材２０２が保持されている。

パイプ部材２０２の内部には、通電により発熱する発熱部材２０３が設けられている。この発熱部材２０３とパイプ部材２０２との間には絶縁粉末２０５が充填されている。それにより、発熱部材２０３、絶縁粉末２０５およびパイプ部材２０２が一体化されてなる発熱体２０６が構成されている。

また、ハウジング２０１の内部には、金属製の電極としての中軸２０４が収納されている。中軸２０４の一端側は発熱部材２０３と接続されて電気的に導通し、中軸２０４の他端側はハウジング２０１の他端から突出している。

そして、ハウジング２０１の他端側には、燃焼圧を検出する燃焼圧センサ３００が設けられている。この燃焼圧センサ３００は、圧電素子からなるものであり、エンジンの燃焼圧の発生に伴いパイプ部材２０２に作用する力が中軸２０４を介して伝達されることで当該燃焼圧を検出するものである。

ここで、燃焼圧センサ３００は、中軸２０４の他端側に設けられた押圧部材としての固定ナット２１１によってハウジング２０１に締め付けられ固定されている。すなわち、固定ナット２１１は、燃焼圧センサ３００を中軸２０４の一端側方向に向かってハウジング２０１へ押しつけることで、燃焼圧センサ３００をハウジング２０１の他端側に固定している。

このようなグロープラグ１００は、図１５（ｂ）に示すように、ハウジング２０１の一端側から露出するパイプ部材２０２が燃焼室１ａ内に露出するようにエンジンヘッド１に対して、規定の締め付けトルクにてネジ結合されている。

そして、このエンジンに装着されたグロープラグ１００においては、燃焼室１ａ内の圧力すなわち燃焼圧に応じた軸方向の荷重がパイプ部材２０２に印加されると、パイプ部材２０２はハウジング２０１に対して微小変動する。

このパイプ部材２０２の変位によりパイプ部材２０２に固定された中軸２０４も同様に変位し、この中軸２０４の変位によって、固定ナット２１１による燃焼圧センサ３００への荷重が変化（緩和）される。そして、その荷重変化に伴って燃焼圧センサ３００から出力される信号に基づいて、上記した燃焼圧が検出されるようになっている。
特開２００１−１２４３３６号公報（第３−５頁、第１図）

しかしながら、本発明者らの検討によれば、グロープラグ１００をエンジンに締め付けて装着した後において、次のような問題が新たに生じることを見出した。

一つは、グロープラグ１００をエンジンに締め付けてネジ結合することによるセンサ出力特性の変動である。上述したように、燃焼圧センサ３００は、中軸２０４の他端側に設けられた押圧部材としての固定ナット２１１によって、中軸２０４の一端側方向に向かってハウジング２０１へ押しつけられることで固定されている。

ここで、グロープラグ１００単体では、固定ナット２１１の螺着による燃焼圧センサ３００への予荷重は５００〜１０００Ｎ相当である。また、この状態では、上記図１５（ａ）に示すように、中軸２０４は、パイプ部材２０２に挿入されてパイプ部材２０２に固定されており、このパイプ部材２０２はハウジング２０１に固定部Ｋ１にてロウ付けや圧入等により固定保持されている。

そのため、図１５（ａ）の矢印に示すように、グロープラグ１００単体の状態では、固定部Ｋ１と固定ナット２１１との間において、固定ナット２１１の螺着の力により、固定部Ｋ１を支点として中軸２０４には引っ張り力が作用し、ハウジング２０１には圧縮力が作用している。

一方、図１５（ｂ）の如くエンジンヘッド１へグロープラグ１００を締め付けて装着すると、厳密には、ハウジング２０１のうちシート部２０１ｃと取付けネジ部２０１ｂとの間の部位に、締め付けに伴う軸力の大半が作用することとなろ。そして、これら両部２０１ｃ、２０１ｂ間のハウジング部位には圧縮力が働き、モデル的には図１５（ｂ）に示すように歪変位し見かけ上は収縮することとなる。

このようにエンジン装着の締め付けに伴ってハウジング２０１が収縮する結果、図１５（ｂ）に示すように、相対的には中軸２０４が隙間Ｅの分だけ浮き上がった状態となる。これにより、当初固定ナット２１１によって燃焼圧センサ３００に負荷された予荷重は開放される。したがって、グロープラグ１００をエンジンにネジ結合して装着すると、燃焼圧センサ３００に付加されている予荷重の低下を招くこととなる。

ここで、燃焼圧センサ３００は、例えば圧電素子が電極などとともにケースに組み付けられて一体化されたものであり、これら一体化された各構成部品が固定ナット２１１とハウジング２０１の他端側との間に挟まれた形となっている。

そのため、固定ナット２１１による燃焼圧センサ３００への予荷重が小さい場合、燃焼圧センサ３００とハウジング２０１、固定ナット２１１との間、および、燃焼圧センサ３００の各構成部品間における接触部界面には、表面のバリや平面度状態の影響等も受けて、微小な隙間が形成されることとなる。

その結果、発熱体２０６を構成するパイプ部材２０２が燃焼圧によって微小変動し、その変位が中軸２０４を介して固定ナット２１１から燃焼圧センサ３００へ伝わる際、この変位は上記の微小な隙間にて吸収されてしまう。ちなみに、有限要素法による解析では、発熱体２０６へ５ＭＰａの燃焼圧が加圧された時、燃焼圧センサ３００へ伝わる変位は数十ｎｍのレベルであり、上記の微小な隙間の影響は大きい。

つまり、燃焼圧センサ３００への予荷重が小さいと、上記した微小な隙間によって、▲１▼燃焼圧センサ３００中の圧電素子などのセンシング部への燃焼圧の伝達効率が低下するため、出力感度が減少する。▲２▼燃焼圧の伝達速度が減衰するため応答性が悪化する。

さらには、▲３▼各部品の固定保持力が小さくなるため、エンジン振動により各部品が振動あるいは共振する。この場合、この振動を燃焼圧センサ３００自身が受けることとなるため、圧力信号に加えて振動出力がノイズとして重畳し、ＳＮ比の悪化に繋がる。

このように、グロープラグ１００をエンジンに装着した後においては、グロープラグ１００をエンジンに締め付けてネジ結合することによるセンサ出力特性の変動が問題となる。

二つめの問題は、通電時の発熱体２０６の温度上昇によるセンサ出力特性の変動である。エンジン始動の際、始動補助として発熱体２０６の発熱部材２０３へ通電し赤熱状態とした場合において、通電を遮断した状態と比較して、発熱体２０６の温度上昇とともに出力感度の変化（低下）がみられた。

例えば、通電時、発熱体２０６を９００℃に発熱させ飽和させた状態では、発熱部材２０３との接続部近傍の中軸２０４は、細径かつ長尺で放熱性が劣る点も重なり、先端部で４００℃以上にも達する。また、上述したように、中軸２０４は、燃焼圧センサ３００への予荷重の印加により、中軸２０４自体はその予荷重に相当する引っ張り力を受けている。

その結果、通電時には発熱に伴う熱膨張と引っ張り力との作用により、図１５（ｂ）中の矢印Ｃに示すように、中軸２０４はハウジング２０１の他端側へ容易に伸ばされる。これにより燃焼圧センサ３００に印加されていた予荷重（加圧力）は開放され低下することとなる。

そのため、上述した一つめの問題と同様、燃焼圧センサ３００への予荷重の低下による出力感度の低下、応答性の悪化、ＳＮ比の悪化が生じる。このように、グロープラグ１００をエンジンに装着した後においては、通電時の発熱体２０６の温度上昇によるセンサ出力特性の変動が問題となる。

本発明は上記問題に鑑み、エンジン装着後の燃焼圧センサ付きグロープラグにおいて、センサ出力特性の変動を抑制し、安定したセンサ出力特性を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、一端側がエンジンの燃焼室（１ａ）側に位置するようにエンジンに取り付けられる筒状のハウジング（２０１）と、一端側がハウジングの一端から露出するようにハウジングの内部に保持されたパイプ部材（２０２）と、パイプ部材内に設けられ、通電により発熱する発熱部材（２０３）と、一端側がパイプ部材の内部にて発熱部材と接続されて電気的に導通するとともに、他端側がハウジングの他端から突出され、端子ネジが形成され、ハウジング内に収納されている金属製の中軸（２０４）と、端子ネジに螺着されたネジサイズＭ４の固定ナットと、記固定ナットを締め付けることにより、ハウジングの他端側にて固定保持されるとともに、エンジンの燃焼圧の発生に伴いパイプ部材に作用する力が中軸を介して伝達されて燃焼圧を検出する燃焼圧センサ（３００）とを備える燃焼圧センサ付きグロープラグにおいて、中軸の一端側のうちパイプ部材の内部に位置する部位（２０４ｃ）を、熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下であるものとしたことを特徴とする。

本発明も、実験的に見出されたものである。つまり、中軸の一端側のうちパイプ部材の内部に位置する部位すなわち発熱部材と隣り合う部位を、熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下のものとすることで、通電後における中軸の熱膨張による伸びを抑制し、センサ出力特性の変動を大幅に抑制できることを実験的に見出した。

そして、本発明によれば、通電時の発熱体の温度上昇による中軸の伸びを抑制することができるため、燃焼圧センサとハウジングとの間および燃焼圧センサを構成する各部品間などにおける微小な隙間を極力無くしてセンサ出力特性の変動を抑制できる。

よって、本発明によっても、エンジン装着後の燃焼圧センサ付きグロープラグにおいて、センサ出力特性の変動を抑制し、安定したセンサ出力特性を実現することができる。

ここで、中軸（２０４）の一端側のうちパイプ部材（２０２）の内部に位置する部位（２０４ｃ）の長さは、１５ｍｍ以上とした。

また、ハウジング（２０１）は硫黄快削鋼または炭素鋼からなり、中軸（２０４）における熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下の部位（２０４ｃ）は、Ｆｅを主成分としてＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏから選択された少なくとも１種の金属が混合された合金からなるものとした。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、説明の簡略化を図るため、以下の各実施形態相互において、同一部分には図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の全体概略をディーゼルエンジン（内燃機関）のエンジンヘッド（被取付部）１へ取り付けた状態にて示す縦断面図である。

グロープラグ１００は、大きくは、発熱体を備えかつ燃焼圧伝達の媒体を果たすプラグ本体部２００と、燃焼圧に伴いプラグ本体部２００に作用する力を圧電素子の圧電特性に基づく電気信号に変換することによりエンジンの燃焼圧を検出する手段である圧力センサ（本発明でいう燃焼圧センサ）３００と、を備えて構成されている。

ここで、プラグ本体部２００は、大きくは、一端側（図１中の下方側）が燃焼室１ａ側に位置し他端側（図１中の上方側）がエンジンヘッド１の外部に位置するようにエンジンヘッド１にネジ結合される金属製筒状のハウジング２０１と、一端側がハウジング２０１の一端から露出し他端側がハウジング２０１の内部に保持された筒状のシース管（本発明でいうパイプ部材）２０２と、シース管２０２の一端側に収納保持され通電により発熱する発熱コイル（本発明でいう発熱部材）２０３と、一端側が発熱コイル２０３に電気的に導通されるとともに他端側がハウジング２０１の他端から突出するようにハウジング２０１の内部に保持された金属製棒状の中軸（電極体、棒状電極）２０４とを備えている。

エンジンヘッド１には、その外表面から内部の燃焼室１ａまで貫通するネジ穴（グローホール）が形成されており、プラグ本体部２００は、このネジ穴に対してプラグの軸方向（長手方向）に挿入されている。

ハウジング２０１は、硫黄快削鋼または炭素鋼からなり、その外形形状は一端側（燃焼室１ａ側）が小径で他端側が大径の段付形状になっている。そして、ハウジング２０１の小径部外周面におけるプラグ軸方向の中間部には取付ネジ部２０１ｂが形成されている。

また、ハウジング２０１の大径部外周面にはグロープラグ１００をエンジンヘッド１にネジ結合する際に利用される六角部２０１ａが形成されている。そして、グロープラグ１００のプラグ本体部２００は、ハウジング２０１の取付ネジ部２０１ｂによって、エンジンヘッド１のネジ穴とネジ結合されている。

また、ハウジング２０１の一端にはテーパ状のシート面２０１ｃが形成され、このシート面２０１ｃとこれに対向するエンジンヘッド１のネジ穴のシート面とが密着して、燃焼室１ａからのガス漏れ防止がなされている。ここで、ハウジング２０１の六角部２０１ａは、エンジン装着スペースに合わせて、六角部の頂角の一部を除去・円周面を形成して外形を細化しても良い（図示せず）。

シース管２０２は、耐熱・耐食性合金（例えばステンレス材ＳＵＳ３１０等）等よりなる。シース管２０２において、ハウジング２０１の一端から露出する一端側の先端部は閉塞し、ハウジング２０１内に位置する他端は開口している。また、発熱コイル２０３はＮｉＣｒ及びＣｏＦｅ等の抵抗線からなるもので、シース管２０２の先端側内部に配設されている。

一方、シース管２０２の他端側内部には、中軸２０４の一端側が挿入配置されている。そして、発熱コイル２０３の他端はシース管２０２の一端に結合し、発熱コイル２０３の他端はシース管２０２に挿入された中軸２０４の一端に結合している。また、発熱コイル２０３及び中軸２０４とシース管２０２との問には、耐熱性を有する酸化マグネシウム等の絶縁粉末２０５が充填されている。

シース管２０２にはスウェージングによる絞り加工が施されており、それによって、内部に充填された絶縁粉末２０５の緻密性を高めるている。つまり、絶縁粉末２０５の充填密度を高めることにより熱伝導効率を上げている。それとともに、上記絞り加工によって、該絶縁粉末２０５を介して中軸２０４及び発熱コイル２０３が、シース管２０２に強固に保持固定されている。

ここで、シース管２０２のうち発熱コイル２０３を包含する部分において、これらシース管２０２、発熱コイル２０３及び絶縁粉末２０５により、発熱体２０６が構成されている。そして、発熱体２０６は、その先端部（シース管２０２の一端側）が露出するように、ハウジング２０１の一端側の内部に固定され保持されている。

これら発熱体２０６の外周面すなわちシース管２０２の外周面とハウジング２０１の内周面とは、嵌合圧入による固着、または、銀ロウ等のロウ付けにより接合、固定されている。

それによって、ハウジング２０１の一端側にてハウジング２０１の内面とシース管２０２の外面とが全周に渡って実質的に隙間無く固定された部分Ｋ１が固定部として形成される。そして、この固定部Ｋ１により、燃焼室１ａからの燃焼ガスがハウジング２０１内部に侵入しないようになっている。

なお、固定部Ｋ１は、図中の引き出し線にて指示されたハウジング２０１の内面とシース管２０２の外面とが接触している界面であり、プラグ径方向の全周に渡っていれば、当該界面の一部でも全部でも構わない。

また、シース管２０２の他端（開口端）において、当該他端と中軸２０４との問には、絶縁粉末２０５がスウェージングの際に抜けないようにするためのシール部材（シーリング）２０５ａが設けられている。

また、ハウジング２０１の他端側の内部において、シリコンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ等からなる円筒リング２０７が中軸２０４の他端側から挿入配置されている。

ここで、円筒リング２０７は中軸２０４の芯出しと振動抑制及びハウジング２０１内の防水・気密性確保とを目的としたものである。そして、ハウジング２０１の他端側のうち円筒リング２０７と接触する部分をテーパ形状にすることによって、円筒リング２０７とハウジング２０１との密着性が良くなり、制振効果・防水・気密性はさらに向上する。

また、中軸２０４の他端側には、樹脂系（例えばフェノール樹脂・ＰＰＳ・積層マイカ）あるいはセラミック系（例えばアルミナ）の絶縁材料から成る絶縁ブッシュ２１０が嵌め込まれている。また、ハウジング２０１の六角部２０１ａの内部には段付の大径穴部２０１ｄを設けることにより、その大径穴部２０１ｄと中軸２０４の外周面との問に収納部２０１ｅが形成されている。

この収納部２０１ｅには略円環状の圧力センサ３００（詳細後述）が収納されている。この圧力センサ３００は、収納部２０１ｅに収納された後、絶縁ブッシュ２１０を中軸２０４に嵌め込み、中軸２０４の他端に設けられた端子ネジ２０４ａに固定ナット２１１を締め付けることにより、絶縁ブッシュ２１０とハウジング２０１との間に固定保持されている。

このように、ハウジング他端側の収納部２０１ｅに設けられた圧力センサ３００は、押圧部材としての固定ナット２１１の軸力によって、中軸２０４の一端側方向に向かってハウジング２０１へ押しつけるように固定されている。

ここにおいて、本実施形態では、グロープラグ１００をエンジンヘッド１に装着した状態で、圧力センサ３００には、固定ナット２１１によって中軸２０４の一端側方向へ９００Ｎ以上の荷重が印加されている。

また、ハウジング２０１の大径穴部２０１ｄの内周面と圧力センサ３００の外周面との問にはＯリング２０８が配置され、圧力センサ３００の内周面と中軸２０４の外周面との問には円筒リング２０９が挿入され配置されている。なお、このＯリング２０８と円筒リング２０９は、シリコンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ等からなる。

ここで、Ｏリング２０８は、ハウジング２０１内の防水・気密性確保を目的としたものであり、円筒リング２０９は、中軸２０４の振動抑制とハウジング２０１内の防水・気密性確保とを目的としたものである。そして、センサ３００の円筒リング２０９と接触する部分はテーパー形状にすると円筒リング２０９との密着性が良くなり、防水・気密性はさらに向上する。

また、圧力センサ３００と固定ナット２１１とは、絶縁ブッシュ２１０により電気的に絶縁されている。さらに、圧力センサ３００と中軸２０４とは円筒リング２０９によって電気的に絶縁されている。

また、中軸２０４の他端に設けられた端子ネジ２０４ａには、各気筒問との結線用としてコネクティングバー２が端子ナット２１２によって固定され電気的に接続されている。このコネクティングバー２は図示しない電源に接続され、中軸２０４、発熱コイル２０３、シース管２０２、ハウジング２０１を介してエンジンヘッド１にアースされている。

これにより、グロープラグ１００において発熱体２０６は発熱し、ディーゼルエンジンの着火始動の補助を行うことが可能となっている。なお、各気筒間との結線にあたっては、シース管２０２（本発明でいうパイプ部材）の微小変位の妨げにならないよう、柔軟性に優れたリードワイヤ（自動車用電線）を用いても良い。

［圧力センサの詳細構成］
次に、圧力センサ３００の詳細構成を図２を参照して説明する。図２は、図１中の圧力センサ３００の拡大断面図である。

圧力センサ３００においては、円環状の極性を有した圧電セラミックス３０２が、ともに略円環状をなすメタルケース３０３と電極３０１に挟持されるようにパッケージングされてなるものである。

この圧電セラミックス３０２は例えば厚さ０．４ｍｍのチタン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛からなるものである。また、圧力センサ３００におけるメタルケース３０３および電極３０１とハウジング２０１の収納部２０１ｅとの間には、インシュレータ３０４が介在されている。

このインシュレータ３０４は天然マイカ、積層マイカ及びアルミナ等のセラミックス材あるいは、ポリイミドフィルム、フェノール等の樹脂材からなるもので、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のものである。インシュレータ３０４は、圧力センサ３００で発生した出力信号がハウジング２０１ヘ短絡しない様、電極３０１を電気的に絶縁している。

なお、メタルケース３０３および電極３０１における圧電セラミックス３０２との接触面は、表面粗さ６．３Ｚ以下（例えば３．２Ｚや１．６Ｚ）となるような研削または研磨加工を施すことにより平面度を向上させることが好ましい。

それにより、メタルケース３０３および電極３０１が圧電セラミックス３０２と接触する面において面圧の均一化が図られ、密着性の向上と組み付け加圧時の素子割れを防止しやすくできる。ここで、メタルケース３０３と電極３０１の材質は、上記の研削又は研磨加工を容易にするため、磁性材である例えばＳＵＳ４３０を選定することができる。

また、メタルケース３０３は大きくは略円環状のフランジ部３０３ａと突出したパイプ状の小円形部３０３ｄで形成されているので、上記の研削又は研磨加工する上では、加工が容易ではない。そこで、メタルケース３０３をフランジ部と小円筒部に分離し、研削又は研磨力加工を必要とするフランジ部を単純な円盤状とし、加工後に双方をロウ付け等により一体化しても良い。

また、メタルケース３０３の一端側のフランジ部３０３ａには、プラグ軸方向に延びる貫通穴が形成されており、その貫通穴には筒状のプロテクションチューブ３０３ｂの一端が挿入され、溶接、ロウ付け等にて一体に形成されている。一方、絶縁ブッシュ２１０にもプラグ軸方向に延びる貫通穴２１０ａが形成され、その貫通穴２１０ａにプロテクションチューブ３０３ｂの他端が挿入されている。

このプロテクションチューブ３０３ｂには、圧力センサ３００の信号を取り出す出力線としてのシールド付き電線３０５が、挿入されて支持されるようになっている。メタルケース３０３内に挿入されたシールド付き電線３０５においては、その芯線３０５ａが電極３０１に溶接されて結線されている。

また、芯線３０５ａとは絶縁されたシールド線３０５ｂは、プロテクションチューブ３０３ｂとかしめられることにより、ボディーアースでもあるメタルケース３０３に結線されている。

なお、本例の圧力センサ３００では、圧電セラミックス３０２を１枚としているが、その目的は、圧力センサ３００の簡素化と低重心化を図り、圧力センサ３００自体が発生する振動ノイズを低減し信号出力のＳ／Ｎ比を向上させることにある。

しかし、上記した特許文献１の第２図に記載の圧力センサのように、圧電セラミックス３０２が２枚でも検出は可能である。なお、この場合、電極３０１の下側のインシュレータ３０４を排除し圧電セラミックス３０２を配置することとなる。このように、圧電セラミックス３０２を２枚並列結合させることにより、出力感度が２倍に高まり、出力信号の対ノイズ性が向上できる。

［圧力センサの組付け方法］
この圧力センサ３００の組付けは、次のようである。まず、メタルケース３０３の小径部３０３ｄの円周側面にシリコン製の熱収縮性の絶縁チューブ３０６を加熱して密着させる。

次に、圧電セラミックス３０２、電極３０１の順に、これらをメタルケース３０３の小径部３０３ｄにはめ込む。ここで、絶縁チューブ３０６は、圧電セラミックス３０２および電極３０１とメタルケース３０３との電気的短絡を防止している。

上記の組付け後、メタルケース３０３にはめ込まれた電極３０１に対して、シールド付き電線３０５の芯線３０５ａを、抵抗溶接あるいはレーザ溶接等にて結線する。

また、シールド付き電線３０５とプロテクションチューブ３０３ｂとをシールド線３０５ｂを含む部分でかしめる。それにより、シールド線３０５ｂとメタルケース３０３との電気的接続、シールド付き電線３０５の保持固定、及び、シールド付き電線３０５とプロテクションチューブ３０３ｂとの密着性を確保する。

そして、このようにして、メタルケース３０３、圧電セラミックス３０２、電極３０１およびシールド付き電線３０５が一体化された圧力センサ３００は、後述するように、ハウジング２０１の収納部２０１ｅへインシュレータ３０４を介して配設される。

それにより、圧力センサ３００は、金属性のメタルケース３０３と、金属性のプラグ本体部２００により包含された形となる。その結果、完全密閉型かつ完全電気シールド型の圧力センサを提供することができる。

［燃焼圧センサ付きグロープラグの組付方法］
次に、本実施形態の燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の組付方法について図１、図２を参照して説明する。まず、中軸２０４が組み付けられた発熱体２０６と、メッキを施したハウジング２０１とを用意する。用意される発熱体２０６におけるシース管２０２の外径は、ハウジング２０１の内径部に対してやや大きく、例えば＋６０〜＋１４０μｍの寸法差を有したものとする。

そして、発熱体２０６のシース管２０２をハウジング２０１へ嵌合圧入し、ハウジング２０１とシース管２０２とを相互の弾性力で固着して密閉する。こうして、ハウジング２０１、中軸２０４及び発熱体２０６が一体化される。なお、ハウジング２０１と発熱体２０６との組付けは、上記以外に、双方を銀ロウ等のロウ付けにより完全接合しても良い。この結果、ハウジング２０１内部の高い気密性が確保出来る。

続いて、中軸２０４の他端側（つまり、端子ネジ２０４ａ側）からハウジング２０１内に、円筒リング２０７、インシュレータ３０４を順に投入して配置する。そして、フランジ部３０３ａの外周にＯリング２０８を挿入した状態で、圧力センサ３００を収納部２０１ｅ内に配置する。

続いて、中軸２０４の他端側より円筒リング２０９を投入し、さらには、圧力センサ３００に結線されたシールド付き電線３０５の他端側よりＯリング３０９を投入し、所定場所に配置する。この状態にて絶縁ブッシュ２１０を中軸２０４の他端側より投入するとともに、シールド付き電線３０５は、絶縁ブッシュ２１０の貫通穴２１０ａを通して外部へ導出する。

なお、図２に示すように、Ｏリング３０９は、シールド付き電線３０５の外周面とプロテクションチューブ３０３ｂの端面と絶縁ブッシュ２１０に設けた貫通穴２１０ａの底部端面に接触するように押圧され挿入されている。このＯリング３０９は、シリコンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ等からなるもので、防水、防振を目的とするものである。

また、絶縁ブッシュ２１０は、樹脂系（例えばフェノール樹脂、ＰＰＳ、積層マイカ）あるいはセラミック系（例えばアルミナ）の絶縁材料であれば問題はないが、好ましくは、比重が小さく、ヤング率が大きく、クリープ特性に優れた素材が有効である。

これにより、絶縁ブッシュ２１０を軽くして圧力センサ３００の低重心化が図られ、振動ノイズレベルを低減できる。また、絶縁ブッシュ２１０の経時変化すなわちクリープを抑制できるため、このクリープに伴う圧力センサ３００に印加される予荷重（つまり固定ナット２１１による圧力センサ３００の加圧力）の変化で生じる出力変動を、低減できる。

そこで、絶縁ブッシュ２１０としては、例えばガラス繊維を配合した熱硬化性のフェノール樹脂を選定し、さらに熱処理として例えば１７５℃〜２０５℃、３〜２０時間加熱を加えることによりクリープ特性を改善したものを採用できる。

こうして、絶縁ブッシュ２１０まで組み付けた後、中軸２０４の端子ネジ２０４ａに沿って固定ナット２１１を締め付けることにより、圧力センサ３００を収納部２０１ｅ内に固定して保持する。

ここにおいて、本実施形態では、グロープラグ１００をエンジンヘッド１に装着した状態で、圧力センサ３００には、固定ナット２１１によって中軸２０４の一端側方向へ９００Ｎ以上の荷重が印加されるようにする。

［燃焼圧センサ付きグロープラグの取付方法］
このような荷重が印加された状態を実現するためのグロープラグ１００の取付方法について、図３の工程図を参照して述べる。図３（ａ）に示すように、ハウジング２０１の他端側に上記圧力センサ３００および絶縁ブッシュ２１０までが組み付けられた状態のグロープラグ１００を用意する。図３では圧力センサ３００は六角部２０１ａ内に収納され見えていない。

なお、このグロープラグ１００の状態では、固定ナット２１１は、中軸２０４の端子ネジ２０４ａに仮締めされた形で組み付けられているが、固定ナット２１１は無いものでも良い。

そして、図３（ｂ）に示すように、この状態のグロープラグ１００を、パイプ部材２０２すなわち発熱体２０６が燃焼室１ａ内に露出するように、エンジンヘッド１に対して規定の締め付けトルクにてネジ結合して取り付ける。具体的には、六角部２０１ａをトルクレンチ等で締め付ける。

その後、図３（ｃ）に示すように、仮締めされて中軸２０４の他端側に取り付けられた固定ナット（押圧部材）２１１をトルクレンチ等によって締め付ける。なお、固定ナット２１１は、グロープラグ１００をエンジンヘッド１にネジ結合した後に、中軸２０４の端子ネジ２０４ａに挿入し、ネジ締めするようにしても良い。

この固定ナット２１１の締め付けにより、圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へ荷重が印加され、圧力センサ３００がグロープラグ１００のハウジング２０１の収納部２０１ｅ内にて固定される。

このとき、固定ナット２１１の締め付けトルクを調整することで、上記圧力センサ３００への荷重を９００Ｎとすれば、エンジンヘッド１に装着後のグロープラグ１００において、圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へ９００Ｎ以上の荷重が印加されている状態を実現できる。

［圧力センサへの予荷重の測定方法］
ここで、固定ナット２１１の締め付け時の軸力が圧力センサ３００への予荷重となるが、この軸力の測定方法について、図４を参照して述べる。エンジンヘッド１にネジ結合されて装着されたグロープラグ１００におけるハウジング２０１の他端部にて、既に荷重に対する発生出力電圧を校正・換算した略円環状の圧電式ロードワッシャＲＷを中軸２０４に貫通させて配置する。

続いて、絶縁ブッシュ２１０を中軸２０４に貫通させ、ロードワッシャＲＷの上面にて、固定ナット２１１を中軸２０４の端子ネジ２０４ａに螺着する。このとき、固定ナット２１１の締め付けトルク（トルクレンチ使用）に対するロードワッシャＲＷの発生出力電圧を測定し、この発生出力電圧を軸力（予荷重）に換算する。なお、厳密には、ロードワッシャＲＷはチャージアンプに接続して電荷−電圧増幅し、例えばオシロスコープにて発生出力電圧を測定した。

それにより、例えば、図５に示すような固定ナット２１１の締め付けトルク（Ｎ・ｍ）と軸力（予荷重）（Ｎ）との関係が得られる。締め付けトルクの値がある大きさのところまでは、締め付けトルクと軸力とは線形の関係にある。

したがって、このような関係に基づいて、所望の軸力となる締め付けトルクを求め、この求めた締め付けトルクにて固定ナット２１１の螺着を行えば良い。例えば、図５から９００Ｎ以上の予荷重（軸力）を実現するには、約１．０Ｎ・ｍ以上の締め付けトルクとすれば良い。

このようにして、エンジンに装着されたグロープラグ１００に対して、固定ナット２１１を締め付けて圧力センサ３００を固定した状態が、上記図３（ｃ）に示される。その後、固定ナット２１１の上面にて、コネクティングバー２を端子ネジ２０４ａに取り付け、端子ナット２１２で固定する。こうして、上記図１に示す状態になる。

なお、固定ナット２１１を締め付けた後、固定ナット２１１の六角面の１箇所をかしめて変形させるか、あるいは予め螺着面（ネジの部分）にネジロック剤を塗布して固定ナット２１１を締め付けることで、振動に対する固定ナット２１１の緩み防止策を講じても良い。

また、絶縁ブッシュ２１０は、略円環状のものであるが、その円周面の一部に対向し合うフラットな２面を有するものとして良い。このような絶縁ブッシュ２１０を用いれば、完全に円環状のものに比べて、固定ナット２１１を締め付ける際に、絶縁ブッシュ２１０の対向し合うフラットな２面をスパナ等で拘束することで、絶縁ブッシュ２１０が回転しないように固定ナット２１１を回転させることができる。

それにより、圧力センサ３００を構成する圧電セラミック３０２や電極３０１と芯線３０５ａとの溶接部へのねじり力を回避しつつ、圧力センサ３００へ予荷重を加えることが可能となる。これにより、圧電セラミック３０２や芯線３０５へのねじりによる破壊や破断を防止することができる。

［燃焼圧センサ付きグロープラグにおける燃焼圧の検出メカニズム］
次に、本実施形態のグロープラグ１００における基本的な燃焼圧の検出メカニズムについて、上記図１、図２に加えて、図６も参照して説明する。図６は、燃焼圧の伝達経路を説明するための簡略モデルを示す説明図（半断面図）である。

上記図１において、圧力センサ３００は予め固定ナット２１１により、プラグ本体部２００に固定保持され一体化が図られている。この時、圧力センサ３００に内蔵されている圧電セラミックス３０２には、エンジン装着後に９００Ｎ以上の予荷重が負荷されるように、グロープラグ１００がエンジンヘッド１に装着されている。

エンジン始動時、コネクテイングバー２を介して電圧が印加され、中軸２０４、発熱コイル２０３、シース管２０２、ハウジング２０１、取付けネジ部２０１ｂを介してエンジンヘッド１にアースされる。

これにより、グロープラグ１００における発熱体２０６が発熱し、ディーゼルエンジンの着火始動の補助を行うことができる。そして、エンジン始動後、エンジン内で発生した燃焼圧は、図６の太線矢印に示す如く２つの経路Ｒ１及びＲ２に分散され、圧力センサ３００に作用する。

第１の経路Ｒ１は、発熱体２０６に印加された燃焼圧が、発熱体２０６と接合されたハウジング２０１に伝達され、圧力センサ３００に作用するものである。この経路Ｒ１においては、ハウジング２０１自体は取付けネジ部２０１ｂによりエンジンヘッド１へ強固に拘束されている。

そのため、それより上部では力の伝達は著しく減衰され、圧力センサ３００が配置されているハウジング２０１の収納部２０１ｅ近傍の位置変動は極めて小さい。

一方、第２の経路Ｒ２は、発熱体２０６に印加された燃焼圧が、発熱体２０６自身に充填された絶縁粉末２０５、中軸２０４、固定ナット２１１、絶縁ブッシュ２１０の４つの部材を介して圧力センサ３００に作用するものである。この経路Ｒ２においては、これら４つの部材には位置変動を阻害する部材等の要因は無く、全く開放されている。

また、ハウジング２０１とシース管２０２とが固定部Ｋ１にて固定されていても、シース管２０２は、ハウジング２０１の弾性力を利用してプラグの軸方向（図６中の上下方向）へ変位できる。そのため、第２の経路Ｒ２に沿って発熱体２０６に燃焼圧が印加されたとき、シース管２０２及び中軸２０４は一体に、プラグの軸方向へ変位する。

この結果、第１の経路Ｒ１で発生するハウジング２０１の収納部２０１ｅ近傍の変位量と、第２の経路Ｒ２で発生する主たる中軸２０４の変位量とでは差が生じる。つまり、第２の経路Ｒ２の変位量の方が第１の経路Ｒ１の変位量よりも大きくなる。この変動に伴い、圧力センサ３００には、固定ナット２１１にて予め負荷されている予荷重が緩和される。

こうして、圧力センサ３００に内蔵された圧電セラミックス３０２に負荷される荷重状態が変化するために、圧電セラミックス３０２の有する圧電特性に伴って出力される電気信号としての発生電荷が変化する。

そして、この電気信号は、図２に示す電極３０１を介してシールド付き電線３０５の芯線３０５ａと、アースであるメタルケース３０３、プロテクションチューブ３０３ｂを介してアース線を兼用したシールド線３０５ｂとの問に出力される。

この出力信号を、シールド付き電線３０５を介して、出力である発生電荷を電圧に変換して増幅させるチャージアンプ（図示せず）及び車載ＥＣＵ（エンジン制御回路／図示せず）へ入力することによって、燃焼圧を電気信号として、燃焼制御に応用することができる。本実施形態の燃焼圧の検出メカニズムは、以上であるが、図７に本実施形態による検出波形の一例を示す。

［検出波形の一例］
図７（ａ）及び（ｂ）は、図１に示したグロープラグ１００において、エンジン条件を１２００ｒｐｍで４０Ｎ負荷時とした場合の検出結果を示している、図７において、（ａ）は、指圧計のエンジン出力波形（つまり基準筒内圧）とグロープラグ１００における圧力センサ３００の出力波形（実施形態）との比較図、（ｂ）は、グロープラグ１００における圧力センサ３００からの出力を縦軸に、指圧計からの出力を横軸にとった相関出力波形を示す。

図７からわかる様に、本グロープラグ１００における圧力センサ３００からの出力と指圧計からの出力とはほぼ同一形状波形を示し、また、相関出力波形も圧力上昇時、減少時を含めほぼ直線的な値を示し応答性に優れていることがわかる。ちなみに、図７（ｂ）には、ヒステリシスを有し応答性の悪い相関出力波形の模式的な例を破線にて並記してある。

このことから、本グローブラグ１００による燃焼圧の検出において、エンジン内の圧力変動に対応して圧力センサ３００に作用する荷重の変動が正確に測定できていることがわかる。つまり、ＳＮ比が小さく、出力感度も優れ且つヒステリシスがほとんどなく応答性に優れた出力特性を実現できている。

［圧力センサへの予荷重とセンサ出力特性との関係についての検討］
このように、本実施形態において、安定した出力特性が得られるのは、圧力センサ（燃焼圧センサ）３００に対して、固定ナット（押圧部材）２１１によって中軸２０４の一端側方向へ９００Ｎ以上の荷重が印加されている取付構造を採用していることによる。

このような取付構造は、本発明者らの行った圧力センサへの予荷重についての検討の結果を根拠としたものである。上記図１５に示したように、グロープラグをエンジンに装着した後、予荷重の低下により、圧力センサ３００とハウジング２０１との間および圧力センサ３００を構成する各部品間などにおいて微小な隙間が生じる。

特に、本実施形態の圧力センサ３００では、上記図２に示すように、メタルケース３０３、圧電セラミックス３０２、電極３０１の３部品より構成され、さらに、絶縁ブッシュ２１０とインシュレータ３０４を介した計５点からなる独立した部品の積層構造をなしている。そのため、上記の微小な隙間も多数形成されることとなる。

本発明者らは、このような微小な隙間を極力無くしてセンサ出力特性の変動を抑制するには、エンジン装着状態の圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へある大きさ以上の荷重を印加すれば良いと考えた。そして、そのような荷重の大きさを検討した。

具体的には、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００を規定の締め付けトルクでエンジンヘッド１に装着した後、圧力センサ３００ヘの予荷重を３００Ｎから１３００Ｎに変化させて、エンジン評価にて基本特性の挙動を観察した。その結果を図８に示す。

図８において（ａ）はセンサ出力への振動ノイズの影響を出力信号におけるＳＮ比として示した図、（ｂ）はセンサ出力感度を示す図、（ｃ）はセンサの応答性をヒステリシスを指標として示す図である。なお、これら出力特性の測定は、上記図７と同様のエンジン条件にて行った。

ここで、ＳＮ比は、上記図７（ａ）中の圧力センサ３００の出力波形におけるピーク高さｈに対するノイズの振幅の比率であり、小さいほど良い。また、ヒステリシスは、上記図７（ｂ）中の破線で示すヒステリシスを有する相関出力波形において、ヒステリシスの高さＷ１と幅Ｗ２との比率Ｗ２／Ｗ１（％）であり、これも小さいほど良い。

図８に示すように、エンジン装着後のグロープラグ１００において、圧力センサ３００への予荷重を９００Ｎ以上に確保することにより、センサ出力の基本特性の全てにおいて特性の改善がなされ、かつそれ以上の予荷重範囲では予荷重に影響されること無く、非常に特性が安定することがわかった。

［本実施形態の効果等について］
このように、本実施形態によれば、圧力センサ３００への荷重が９００Ｎ以上であるグロープラグ１００の取付構造とすることにより、エンジン装着後の弛緩力を排除することで上記微小な隙間を極力除去している。そのため、エンジン装着後の燃焼圧センサ付きグロープラグ１００において、センサ出力特性の変動を抑制し、安定したセンサ出力特性を実現することができる。

ちなみに従来では、グロープラグ単体の状態で固定ナットにより、燃焼圧センサ３００には５００Ｎ〜１０００Ｎの予荷重が印加されていたが、エンジン装着後は、上記した図１５（ｂ）に示すように、予荷重の低下が起こり、９００Ｎ未満の荷重となっていた。

また、圧力センサ３００への荷重（予荷重）は、中軸２０４の破壊強度の７０％以下の大きさであることが好ましい。上記図５に示されているように、固定ナット２１１による圧力センサ３００への予荷重（軸力）が大きすぎると、この固定ナット２１１のネジ締め付けによる中軸２０４の破壊が発生する。

そのため、本発明者らは安全率を考慮して、当該予荷重を９００Ｎ以上としても中軸２０４の破壊強度の７０％以下の大きさとすることで、中軸２０４の破壊を極力抑制するようにした。

また、本実施形態では、上記図３を参照して述べたようなグロープラグの取付方法を採用している。

すなわち、圧力センサ３００をハウジング２０１の他端側に設けるとともに、ハウジング２０１を規定の締め付けトルクでエンジンヘッド１にネジ結合してグロープラグ１００をエンジンに取り付けた後、中軸２０４の他端側に取り付けられた押圧部材としての固定ナット２１１によって、圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へ荷重を印加することで、圧力センサ３００をグロープラグ１００に固定するという方法である。

それによれば、グロープラグ１００をエンジンに装着した後、固定ナット２１１によって圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へ印加する荷重を９００Ｎ以上とすることで、本実施形態の取付構造を適切に実現することができる。

なお、上述したように、固定ナット２１１の螺着の際、嫌気性接着剤等のネジロック剤を塗布することにより、ネジ緩みを防止することが好ましい。これにより、エンジン装着に伴う圧力センサ３００ヘの弛緩力が排除されるため、予荷重負荷の変動要因をひとつ排除することができ、基本特性の向上・安定化につながる。

また、この取付方法を行うにあたっては、中軸２０４および絶縁ブッシュ２１０に対して必要最小限の予荷重の負荷にて対応することが好ましい。その結果、細径且つ長尺の中軸２０４には必要以上の引張り力が、樹脂製の絶縁ブッシュ２１０には必要以上の圧縮力が作用しないようすることができ、ともに耐クリープ性等の信頼性の改善が図れる。

（第２実施形態）
本第２実施形態は上記第１実施形態に示した圧力センサ３００への予荷重が９００Ｎ以上であるグロープラグ１００の取付構造を実現するための、もう一つの取付方法に関するものである。

図９は本実施形態に係るグロープラグの取付方法を示す工程図である。本実施形態の取付方法においても、グロープラグ１００をエンジンヘッド１に装着した状態で、圧力センサ３００には、固定ナット２１１によって中軸２０４の一端側方向へ９００Ｎ以上の荷重が印加されるようにする。

図９（ａ）に示すように、ハウジング２０１の他端側に上記圧力センサ３００（図示せず）および絶縁ブッシュ２１０までが組み付けられた状態のグロープラグ１００を用意する。このとき、図示例では、固定ナット２１１は、中軸２０４の端子ネジ２０４ａに仮締めされた形で組み付けられているが、固定ナット２１１は無いものでも良い。

そして、図９（ｂ）に示すように、エンジンヘッド１と同様の形態でグロープラグ１００を取付可能な代替治具５００を用意する。この代替治具５００は、例えば金属製のものにでき、エンジンヘッド１そのものでもよいし、グローホールを有するものであってグロープラグ１００がネジ結合可能ならばよい。

そして、圧力センサ３００をハウジング２０１の他端側に設けるとともに、エンジンヘッド１への締め付け時における規定の締め付けトルク以上でハウジング２０１を代替治具５００にネジ結合する。

その後、図９（ｃ）に示すように、仮締めされて中軸２０４の他端側に取り付けられた固定ナット（押圧部材）２１１をトルクレンチ等によって締め付ける。なお、固定ナット２１１は、グロープラグ１００を代替治具５００にネジ結合した後に、中軸２０４の端子ネジ２０４ａに挿入し、ネジ締めするようにしても良い。

このとき、固定ナット２１１の締め付けトルクを調整することで、上記圧力センサ３００への荷重を９００Ｎとすれば、代替治具５００に装着されたグロープラグ１００において、圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へ９００Ｎ以上の荷重が印加されている状態を実現できる。この荷重調整も、上記第１実施形態と同様に行うことができる。

そして、図９（ｄ）に示すように、グロープラグ１００を代替治具５００から取り外す。次に、グロープラグ１００を規定の締め付けトルクにてエンジンヘッド１にネジ結合する。その後、固定ナット２１１の上面にて、コネクティングバー２を端子ネジ２０４ａに取り付け、端子ナット２１２で固定する。こうして、上記図１に示す状態になる。

なお、本実施形態の取付方法においても、固定ナット２１１を締め付けた後かしめて変形させたり、ネジロック剤の塗布等により、振動に対する固定ナット２１１の緩み防止策を講じても良い。また、絶縁ブッシュ２１０として上記と同様の回転防止形状を採用しても良い。

この本実施形態の取付方法によれば、グロープラグ１００を代替治具５００から取り外して、同様の締め付けトルクにてエンジンヘッド１に装着したときには、圧力センサ３００には、上記した微小な隙間を極力無くしセンサ出力特性の変動を抑制するのに十分な荷重が、固定ナット２１１によって印加されている。

そのため、本実施形態によっても、エンジン装着後の燃焼圧センサ付きグロープラグにおいて、センサ出力特性の変動を抑制し、安定したセンサ出力特性を実現することができる。

また、グロープラグの組付け段階で、既にエンジン装着に伴う予荷重の弛緩力を補正することができるため、エンジン装着後において、固定ナット２１１をあらためて締め付けるなどの組付け作業を廃止できる。

また、本取付方法では、代替治具５００にグロープラグ１００を規定の締め付けトルク以上でネジ結合したときに、上記図１５（ｂ）に示したようなハウジング２１０の圧縮が生じる。そして、この状態で９００Ｎ以上の高い予荷重を圧力センサ３００に負荷する。

そのため、グロープラグ１００を代替治具５００から取り外した際には、エンジン装着時に発生する本来の予荷重の弛緩力が補正されたグロープラグとなる。また、規定の締め付けトルクは、必ずハウジング２０１の弾性域内で設定されているため、代替治具５００から取り外せば、ハウジング２０１は締め付け力から解放されて元の状態に戻ろうと伸びる。

このハウジング２０１の復帰しようとする力によって発生する荷重も、圧力センサ３００に加わることとなる。そのため、代替治具５００から取り外した後のグロープラグ単体の状態においては、固定ナット２１１の締め付けトルクにより実現可能な予荷重よりも大きな予荷重を、圧力センサ３００に印加できるようになる。

例えば、上記図５によれば、固定ナット２１１の締め付けトルクのみでは、約１８００Ｎ程度の予荷重が限界である。つまり、従来では、グロープラグ単体では、当該予荷重は、固定ナット２１１の締め付けトルクにより実現可能な大きさが限界であった。

しかし、同じく上記図５中には、中軸２０４の単純な引っ張り強度が並記してあり、この引っ張り強度は、固定ナット２１１の締め付けトルクにより実現可能な予荷重（例えば約１７００Ｎ）よりも更に大きい（例えば約３０００Ｎ）のが通常である。

そのため、本取付方法を採用することにより、中軸２０４の本来の強度を生かして、グロープラグ単体の状態にて従来よりも高い予荷重を実現することができるという利点もある。そして、このことは、センサ出力特性の更なる安定化につながる。

なお、上記第１および第２実施形態においては、発熱体２０６は、図１に示したような金属抵抗線（発熱コイル２０３）を基本としたいわゆる金属発熱体の他に、例えば図１０に示すようなものであっても良い。図１０は第１、第２実施形態の変形例としてのグロープラグ１１０を示す縦断面図である。

図１０に示す発熱体４００は、窒化珪素と珪化モリブデン又はタングステンカーバイドとを主成分とした導電性セラミックからなる発熱部材４０１とタングステン製の一対のリードワイヤ４０２とを、窒化珪素を主成分とした絶縁性セラミックからなる絶縁体４０３で内包する形で焼結してなるもので、いわゆるセラミック発熱体である。

この発熱体４００は、耐熱・耐食性合金（例えばＳＵＳ４３０）等よりなる筒状の保護パイプ（本発明でいうパイプ部材）４０４に挿入され、保護パイプ４０４の一端側から露出するように保護パイプ４０４に保持されている。

この保護パイプ４０４は、その他端側がハウジング２０１の一端側に挿入され、上記のシース管と同様、圧入やロウ付け等により、ハウジング２０１の内面と保護パイプ４０４の外面とは、隙間無く固定されている。

また、リードワイヤ４０２の一方は、中軸２０４の一端に取り付けられたキャップリード４０５を介して中軸２０４に結合され、他方は、保護パイプ４０４を介してハウジング２０１にアースされている。これにより、中軸２０４と発熱部材４０１とは電気的に導通され、発熱部材４０１に通電されて、発熱体４００は発熱するようになっている。

なお、中軸２０４とハウジング２０１との問には、中軸２０４の保持・固定及び芯出しを行うための溶着ガラス４０６及びインシュレータ４０７が介在している。

このグロープラグ１１０は出力感度が低下する点を除けば、上記図１に示すグロープラグ１００と同様の効果を奏することができる。また、発熱体をセラミック化することにより、発熱体自体の寿命を飛躍的に向上することができ、実質的には、メンテナンスフリー化を実現できる。

（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係る燃焼圧センサ付きグロープラグ１００’の全体概略をディーゼルエンジン（内燃機関）のエンジンヘッド（被取付部）１へ取り付けた状態にて示す縦断面図である。

図１１に示すグロープラグ１００’は、上記図１に示すグロープラグ１００と図面上は同様のものである。本実施形態では、中軸２０４の一端側のうちパイプ部材２０２の内部に位置する部位２０４ｃの熱膨張係数を１０．５×１０^-6／℃以下であるものとしたことが独自の特徴点である。

「課題」の欄にて述べたように、グロープラグ１００をエンジンに装着した後においては、通電時の発熱体２０６の温度上昇によるセンサ出力特性の変動が問題となる。

これは、通電時の発熱に伴う熱膨張と固定ナット２１１による引っ張り力との作用により、中軸２０４がハウジング２０１の他端側へ容易に伸ばされることが原因である。そして、これにより圧力センサ３００に印加されていた予荷重が開放され低下することで、センサ出力特性の変動が生じる。

そこで、本発明者らは実験検討を行い、中軸２０４の一端側のうちパイプ部材２０２の内部に位置する部位２０４ｃすなわち発熱部材２０３と隣り合う部位を、熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下のものとすることで、通電後における中軸２０４の熱膨張による伸びを抑制し、センサ出力感度の低下を大幅に抑制できることを見出した。

その検討の一例を図１２、図１３に示す。図１２は、出力感度の時間（通電時間）変化を調べたもので、（ａ）が中軸２０４の上記部位２０４ｃとして従来の一般的な材料である炭素鋼を用いた場合、（ｂ）が中軸２０４の上記部位２０４ｃとして本実施形態独自の材料であるＦｅ−２７Ｃｒ（２７％がＣｒ、残部がＦｅの合金）を用いた場合である。

（ａ）の炭素鋼は３０℃での熱膨張係数αが１２×１０^-6／℃であり、（ｂ）のＦｅ−２７Ｃｒは３０℃での熱膨張係数αが１０．５×１０^-6／℃である。図１２において、グロープラグ１００の装着条件はエンジン装着後に圧力センサ３００に９００Ｎの予荷重を印加したものとした。また、エンジン運転条件はアイドル状態、グロープラグ１００への印加電圧は１５Ｖとした。

図１２（ａ）、（ｂ）では、時間（通電時間）に対する基準筒内圧、圧力センサ３００の出力（センサ出力）、さらにグロープラグに流れる電流であるＧＰ電流の変化を示してある。

図１２（ａ）では時間の経過とともにセンサ出力が基準筒内圧よりも小さくなり、あるところで飽和している。この基準筒内圧に対するセンサ出力の比（％）が感度変化であり、図１２（ａ）において飽和した箇所では感度変化は約２％である。ちなみに、通電を停止すれば、もとの出力感度に回復することは確認している。

それに対して、本実施形態である図１２（ｂ）では、感度変化は０．５％以下に抑制されている。この感度変化は上述したように、時間とともに中軸２０４が伸びることで発生する。本実施形態では、通電後における中軸２０４の熱膨張による伸びを抑制し、発熱の有無に影響されることなく、基準筒内圧と同等の燃焼圧の検出精度を確保することができる。

さらに、図１３は、中軸２０４の熱膨張係数と感度変化との関係を調べた結果を示す図である。この結果から、中軸２０４の一端側のうちパイプ部材２０２の内部に位置する部位２０４ｃを、熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下のものとすれば、出力感度の低下を大幅に抑制できることがわかった。なお、その他、出力のＳＮ比や応答性についても同様の傾向が確認された。

このように、本実施形態によれば、中軸２０４の一端側のうちパイプ部材２０２の内部に位置する部位２０４ｃの熱膨張係数を１０．５×１０^-6／℃以下とすることで、通電時における中軸２０４の伸びを抑制し、上記の微小な隙間を極力無くすことができる。そして、エンジン装着後において、センサ出力特性の変動を抑制でき、安定したセンサ出力特性を実現することができる。

ここで、中軸２０４の一端側のうちパイプ部材２０２の内部に位置する部位２０４ｃの長さは、１５ｍｍ以上であることが実用上好ましい。これは次の理由による。

一般に、スウェージング成形後の発熱体２０６において、中軸２０４は１５ｍｍ以上、シース管２０２内に絶縁粉末２０５とともに包含されるように設計されている。

この狙いは、ネジサイズＭ４の固定ナット２１１による中軸２０４の端子ネジ２０４ａへの螺着を想定した場合の、発生ねじり力並びに引っ張り力に対する必要最小限の保持強度を確保するためである。

もし、中軸２０４がシース管２０２内に絶縁粉末２０５とともに包含される長さが短かすぎると、固定ナット２１１の螺着の際に、中軸２０４が回転したり、発熱体２０６から抜けてしまったりする。

このような実用性を考慮して、中軸２０４の一端側のうちパイプ部材２０２の内部に位置する部位２０４ｃの長さは１５ｍｍ以上とし、この１５ｍｍ以上の部位２０４ｃを、熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下の低熱膨張材とすることが好ましい。

また、温度的には、中軸２０４の先端より１５ｍｍ以上離れた部分、いわゆる中軸２０４がシース管２０２から露出した付近では、周囲のハウジング温度と同様、中軸温度は１５０℃程度に低下するため、積極的にそれ以上の中軸部分に低熱膨張材を適用する必要はない。もちろん、中軸２０４全体を低熱膨張材としても良い。

具体的に、本実施形態の中軸２０４に用いられる熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下である低熱膨張材としては、Ｆｅを主成分としてＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏから選択された少なくとも１種の金属が混合された合金からなるものを採用できる。

より具体的な中軸材料の例としては、次の材料等が挙げられる。なお、材料名の後の括弧内には熱膨張係数（３０℃）を示してある。Ｆｅ−２７Ｃｒ（１０．５×１０^-6／℃）、Ｆｅ−４７Ｎｉ−６Ｃｒ（１０．２×１０^-6／℃）、Ｆｅ−５０Ｎｉ（９．９×１０^-6／℃）、Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ（４．８×１０^-6／℃）等である。ちなみに、ハウジング２０１の材質は硫黄快削鋼、炭素鋼等であり、その熱膨張係数は１２×１０^-6／℃相当である。

（他の実施形態）
なお、グロープラグ１００をエンジンに装着する際は、エンジン自体の冷間時が望ましい。これは、一般にグロープラグのハウジング材（硫黄快削鋼、炭素鋼等）に比ベ、エンジンヘッドを形成するアルミニウム合金の方がはるかに熱膨張係数が大きいことによる。

例えば、エンジンの温間時にグロープラグを装着した場合、エンジンヘッドが膨張した状態で装着されることとなる。この状態で、エンジンが冷却されると、エンジンヘッドの収縮に伴い、グロープラグのハウジングが圧縮される。そのため、上記図１５と同様、中軸が浮き上がった状態となり、当初負荷した圧力センサへの予荷重は開放され、低下を招くこととなる。

このこととは逆に、エンジンの冷間時に装着すれば、予荷重は加算されることとなる。そのため、グロープラグ１００をエンジンに装着する際は、エンジン自体の冷間時が望ましい。

また、圧力センサ３００の固定・保持手段は図１４に示す変形例のようであっても良い。図１４の例では、圧力センサ３００を中軸２０４の一端側方向に向かってハウジング２０１へ押しつけるように固定する押圧部材として固定ナットに代えてストップドリング２１３を用いたものである。

圧力センサ３００、円筒リング２０９、Ｏリング２０８、Ｏリング３０９、及び絶縁ブッシュ２１０等を所定場所に配置した後、金属材料からなる円環状のストップドリング２１３（例えば板厚４ｍｍ）を中軸２０４の中段部２０４ｂへ嵌合圧入する。

それにより、ストップドリング２１３とハウジング２０１との問に、圧力センサ３００と絶縁ブッシュ２１０とが挟まれた形で固定・保持される。この場合も、上記第１実施形態や第２実施形態のような取付方法を行うことができる。

すなわち、荷重計等で印加荷重をモニタしながら、ストップドリング２１３によって圧力センサ３００に対して中軸２０４の一端側方向へ印加する荷重を９００Ｎ以上とすることで、同様の効果が得られる。

なお、ストップドリング２１３の内径は、中軸２０４の中段部２０４ｂの外径に対しては、圧入締め代として、例えば−６０μｍ〜−１４０μｍ程度小さめに設定するとともに、中軸２０４の端子ネジ２０４ａの外径に対しては、干渉せず挿入できるように寸法を設定することで、嵌合圧入がなされている。

この結果、組付け性自体は多少悪化するが、中軸２０４はもちろん圧力センサ３００にもねじり力が作用することなく予荷重の印加と固定・保持が可能となる。こうして、中軸２０４の強度を含め、シールド付き電線３０５の芯線３０５ａの断線といった品質上のトラブルは皆無となり、信頼性は向上する。

また、燃焼圧センサは、荷重に基づいてエンジンの燃焼圧を検出するものであれば、圧電セラミックスを用いたものでなくとも良く、例えば半導体圧力センサ等であっても良い。

本発明の第１実施形態に係る燃焼圧センサ付きグロープラグの取付構造を示す概略断面図である。図１中の圧力センサの拡大断面図である。上記第１実施形態に係るグロープラグの取付方法を示す工程図である。固定ナットの締め付け時の軸力の測定方法を示す図である。固定ナットの締め付けトルクと軸力（予荷重）との関係の一例を示す図である。燃焼圧の伝達経路を説明するための簡略モデルを示す図である。上記第１実施形態による燃焼圧の検出波形の一例を示す図である。圧力センサへの予荷重を変化させてセンサの各出力特性を調べた結果を示す図である。本発明の第２実施形態に係るグロープラグの取付方法を示す工程図である。上記第１および第２実施形態に適用可能なグロープラグの変形例を示す概略断面図である。本発明の第３実施形態に係る燃焼圧センサ付きグロープラグを示す概略断面図である。中軸の材料を変えた場合について出力感度の時間変化を調べた結果を示す図である。中軸の熱膨張係数と感度変化との関係を示す図である。固定ナットに変わる押圧部材の他の例を示す概略断面図である。一般的な燃焼圧センサ付きグロープラグの概略断面構成を示す図であり、（ａ）はグロープラグ単体の図、（ｂ）はグロープラグをエンジンのエンジンヘッドに取り付けた状態を示す図である。

符号の説明

１…エンジンヘッド、１ａ…燃焼室、
１００、１１０…燃焼圧センサ付きグロープラグ、２０１…ハウジング、
２０２…シース管、２０３…発熱コイル、２０４…中軸、
２１１…固定ナット、２１３…ストップドリング、３００…圧力センサ、
４０１…発熱部材、４０４…保護パイプ、５００…代替治具。

Claims

一端側がエンジンの燃焼室（１ａ）側に位置するように前記エンジンに取り付けられる筒状のハウジング（２０１）と、一端側が前記ハウジングの前記一端から露出するように前記ハウジングの内部に保持されたパイプ部材（２０２）と、前記パイプ部材内に設けられ、通電により発熱する発熱部材（２０３）と、一端側が前記パイプ部材の内部にて前記発熱部材と接続されて電気的に導通するとともに、他端側が、前記ハウジングの他端から突出し、端子ネジが形成され、前記ハウジング内に収納されている金属製の中軸（２０４）と、前記端子ネジに螺着されたネジサイズＭ４の固定ナットと、前記固定ナットを締め付けることにより、ハウジングの他端側にて固定保持されるとともに、前記エンジンの燃焼圧の発生に伴い前記パイプ部材に作用する力が前記中軸を介して伝達されて前記燃焼圧を検出する燃焼圧センサ（３００）とを備える燃焼圧センサ付きグロープラグにおいて、前記中軸の一端側のうち前記パイプ部材の内部に位置する部位（２０４ｃ）は、熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃以下であるＦｅを主成分としてＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏから選択された少なくとも１種の金属が混合された合金からなるとともに、パイプ部材（２０２）の内部に位置する部位（２０４ｃ）の長さが、１５ｍｍ以上であることを特徴とする燃焼圧センサ付きグロープラグ。
前記中軸は、Ｆｅ−２７Ｃｒ、Ｆｅ−４７Ｎｉ−６Ｃｒ、Ｆｅ−５０Ｎｉ、Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏの内の１種よりなるとともに、前記ハウジングは、硫黄快削鋼、炭素鋼の内の１種よりなることを特徴とする請求項１記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。