JP2012159231A - グロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】中軸の移動による圧力センサの誤動作等を生じさせずに、より精度の高い燃焼圧測定を可能とするグロープラグを提供すること。
【解決手段】グロープラグ１は、略筒状のハウジング１０と、ハウジング１０に取り付けられた保持部材２０と、保持部材２０に保持された軸部３０と、センサモジュール５０とを備えている。軸部３０はハウジング２０に対して相対移動不可となるように保持部材２０に保持されている。保持部材２０の底面２４はハウジング１０の内部に位置しており、その保持部材２０の底面２４にはセンサモジュール５０の上面５０ａが固定されている。センサモジュール５０の下面５０ｂは、ハウジング１０内に位置している。このセンサモジュール５０は、その下面５０ｂにて内燃機関内の燃焼圧を直接的又は間接的に受けることにより、燃焼圧を検出するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に取り付けられるグロープラグであって内燃機関の燃焼圧を測定するための圧力センサを備えるグロープラグに関する。

この種のグロープラグとしては、例えば、特許文献１〜特許文献３に開示されるものがある。いずれのグロープラグにおいても燃焼圧が中軸の移動として圧力センサに伝達され検出・測定されることとなっている。

特開２００８−２０９１０１号公報 特開２００６−１０３０６号公報 特開２００２−３３９７９３号公報

しかしながら、中軸の移動を利用した圧力検出においては、中軸の軸ズレなどにより好ましくない応力が生じた場合に圧力センサが誤動作するといった問題がある。

また、中軸の先端には燃焼室内の予熱のためのヒータ素子が取り付けられているが、中軸の移動によりヒータへの電流供給経路上において接触不良等が生じる恐れもある。

そこで、本発明は、中軸の移動による圧力センサの誤動作等を生じさせずに、より精度の高い燃焼圧測定を可能とするグロープラグを提供することを目的とする。

本発明によれば、第１のグロープラグとして、
内燃機関に取り付けられるグロープラグであって、
略筒状のハウジングと、
底面を有し且つ該底面が前記ハウジングの内部に位置するように前記ハウジングに取り付けられた保持部材と、
前記ハウジングに対して相対移動不可となるように前記保持部材に保持された軸部と、
前記保持部材の前記底面に固定された上面と前記ハウジングの内部に位置する下面とを有するセンサモジュールであって、当該センサモジュールの前記下面にて前記内燃機関内の燃焼圧を直接的又は間接的に受けることにより前記燃焼圧を検出するように構成されたセンサモジュールと
を備えるグロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第２のグロープラグとして、第１のグロープラグであって、
前記センサモジュールは、圧電材料部と、該圧電材料部よりも高い電気抵抗を示す高抵抗材料部であって前記圧電材料部の上面及び下面を少なくとも部分的に覆う高抵抗材料部と、前記圧電材料部の前記上面上及び前記下面上に前記高抵抗材料部を介して形成された上側電極膜及び下側電極膜とを備えている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第３のグロープラグとして、第２のグロープラグであって、
前記圧電材料部は、前記高抵抗材料部の内部に埋め込まれている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第４のグロープラグとして、第２又は第３のグロープラグであって、
前記高抵抗材料部は貫通孔を有しており、
前記軸部は前記高抵抗材料部の前記貫通孔内に挿通されている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第５のグロープラグとして、第２乃至第４のいずれかのグロープラグであって、
前記高抵抗材料部は、誘電体からなる
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第６のグロープラグとして、第２乃至第５のいずれかのグロープラグであって、
前記軸部の軸方向に沿ってみた場合に、前記上側電極膜及び前記下側電極膜はいずれも前記圧電材料部より大きな面積を有しており、
前記圧電材料部は、前記軸方向において、前記高抵抗材料部を介して前記上側電極膜及び前記下側電極膜に挟まれている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第７のグロープラグとして、第２乃至第６のいずれかのグロープラグであって、
前記センサモジュールは、前記上側電極膜に接続された第１端子と、前記下側電極膜に接続され且つ当該センサモジュールの上側に引き出された第２端子とを更に備えており、
前記保持部材は、絶縁材料からなるものであり、
前記第１端子及び前記第２端子は、前記保持部材の前記底面側から内部を通り上側まで電気的に引き出されている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第８のグロープラグとして、第１乃至第７のいずれかのグロープラグであって、
前記ハウジング内において前記軸部上を上下移動可能となるように且つ前記保持部材との間に前記前記センサモジュールを挟むように前記センサモジュールの前記下面側に固定されて、前記燃焼圧を前記センサモジュールに伝達する圧力伝達部材を更に備えている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第９のグロープラグとして、第８のグロープラグであって、
前記圧力伝達部材は、絶縁材料からなる
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第１０のグロープラグとして、第１乃至第９のいずれかのグロープラグであって、
前記軸部の下端にはヒータ素子が取り付けられている
グロープラグが得られる。

また、本発明によれば、第１１のグロープラグとして、第１０のグロープラグであって、
前記ハウジング及び前記軸部は導電性材料からなり、
前記ヒータ素子は、前記ハウジングと前記軸部とに電気的に接続されている
グロープラグが得られる。

更に、本発明によれば、制御システムとして、第１乃至第１１のいずれかのグロープラグと、前記センサモジュールに接続された信号処理回路と、エンジン制御部と、前記信号処理回路の出力を前記エンジン制御部に伝達する通信機能とを備え、前記燃焼圧に応じてエンジン制御を行う制御システムが得られる。

また、本発明によれば、前記制御システムであって、
前記信号処理回路は、適応フィルタを備え且つ該適応フィルタを利用した周波数特性自動補正を行う
制御システムが得られる。

本発明によれば、中軸を移動させることなくセンサモジュールの下面にて受圧可能とする構造とし、センサモジュールの下面の変位・歪みにて燃焼圧の変化を検出することとしたため、中軸の移動に起因する種々の問題の発生を避けることができる。

また、本発明のセンサモジュールでは、圧電材料部に対して上側電極膜及び下側電極膜を直接形成するのではなく、圧電材料部よりも高抵抗の高抵抗材料部を介して上側電極膜及び下側電極膜が形成されていることから、温度変化等に変化を受けることなく精度の高い圧力検出を行うことができる。

本発明の実施の形態によるグロープラグを示す断面図である。 図１のグロープラグの使用状態を示す断面図である。 図１のグロープラグに組み込まれているセンサモジュールを備える制御システムの例を示すブロック図である。 図１のグロープラグに組み込まれているセンサモジュールの構造を示す上面図である。 図４のセンサモジュールにおける領域Ｖを拡大して示す図である。 図５のセンサモジュールをVI--VI線に沿って示す断面図である。 図１のグロープラグを示す底面図である。 図１のグロープラグに組み込まれているヒータ素子を示す正面図である。 図１のグロープラグに組み込まれているヒータ素子を示す側面図である。 図１のグロープラグをＸ--Ｘ線に沿って示す断面図である。 図１のグロープラグをXI--XI線に沿って示す断面図である。

図１を参照すると、本発明の実施の形態によるグロープラグ１は、導電性材料からなる略筒状のハウジング１０と、ハウジング１０に取り付けられた耐熱・絶縁材料からなる保持部材２０と、保持部材２０に保持された導電性材料からなる軸部３０と、軸部３０の下端３４に取り付けられたヒータ素子４０と、保持部材２０に固定されたセンサモジュール５０と、センサモジュール５０に電気的に接続された信号用ケーブル６０と、センサモジュール５０の下側に設けられた軽量・耐熱・絶縁材料からなる圧力伝達部材７０とを備えている。

このグロープラグ１は、図２に示されるように、燃焼室２内にヒータ素子４０が露出するように、シリンダヘッド３に取り付けられ、使用される。また、このグロープラグ１に組み込まれたセンサモジュール５０は、図３に示されるような制御システムの一部として組み込まれ、エンジン制御に使用される。詳しくは、制御システムは、センサモジュール５０に接続された信号処理回路４と、エンジン制御を行うエンジン制御部（ＥＣＵ）５と、信号処理回路４の出力をエンジン制御部５に伝達する通信機能６とを備えている。特に、本実施の形態による信号処理回路４は、適応フィルタを備えており、その適応フィルタを利用した周波数特性自動補正を行う。従って、センサモジュール５０による測定精度のばらつきや使用環境のような外的要因に起因した精度のばらつきなどがあったとしても、信号処理回路４により適切に補正されることから、エンジン制御部５は適切な制御を行うことができる。

図１を再び参照すると、本実施の形態による保持部材２０には、上面２２から底面２４まで貫通する保持孔２６が形成されている。また、保持部材２０の外周にはネジが切られていると共にハウジング１０の上部内側にもネジが切られており、それらを利用して、保持部材２０は、ハウジング１０内にネジ止めされている。

軸部３０は、上端３２が保持部材２０の上面２２よりも突出するように、保持孔２６に保持固定されている。このように、ハウジング１０に対する移動を規制された保持部材２０に対して軸部３０が更に移動規制された状態で保持されていることから、本実施の形態による軸部３０は、ハウジング１０に対して相対移動不可となっている。

図１及び図４乃至図６から理解されるように、本実施の形態によるセンサモジュール５０は、上面５０ａ及び下面５０ｂを有しており、上面５０ａが保持部材２０の底面２４に固定されることにより、下面５０ｂがハウジング１０の内部に位置している。

詳しくは、図４乃至図６に示されるように、センサモジュール５０は、圧電材料からなる圧電材料部５１と、圧電材料部５１よりも高い電気抵抗を示す高抵抗材料からなる主部（高抵抗材料部）５２と、圧電材料部５１の上側及び下側に主部５２を介して形成された上側電極膜５４及び下側電極膜５５と、上側電極膜５４に接続された金属ピンからなる第１端子５６と、下側電極膜５５に接続されると共にセンサモジュール５０の上側に引き出された金属ピンからなる第２端子５７とを備えている。特に、本実施の形態による圧電材料部５１は、高抵抗材料からなる主部５２内に埋め込まれ、それによって上側電極膜５４及び下側電極膜５５と接触しないように構成されている。このように、圧電材料部５１と上側電極膜５４及び下側電極膜５５との間に高抵抗材料部を介在させることとすると、圧電材料部５１のＮＴＣ(Negative Temperature Coefficient)特性や外的環境要因に影響されずに高い電気抵抗を維持することのできる圧力センサを構成することができる。

本実施の形態における圧電材料部５１は、ＺｎＯ単結晶からなる。圧電材料には大別して単結晶材料と多結晶材料とがある。単結晶材料としては、酸化亜鉛、水晶、ランガサイト系結晶、リン酸ガリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等があり、多結晶材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム等がある。圧電材料部５１の材料は上述したＺｎＯ単結晶に限定されるわけではないが、高温使用下で精度の高い圧力検出を行うためには、高抵抗を有するものが好ましい。

図示された圧電材料部５１は、主部（高抵抗材料部）５２に埋め込まれたものであったが、本発明はこれに限定されるものではない。圧電材料部５１と上側電極膜５４及び下側電極膜５５とが直接接触せず且つそれらの間に高抵抗材料が介在していればよい。例えば、圧電材料部５１の上面及び下面を少なくとも部分的に高抵抗材料膜で覆い、それらの高抵抗材料膜上に上側電極膜５４及び下側電極膜５５を形成することとしてもよい。なお、高抵抗材料膜は、スプレーによるコーティングの他、スパッタリングやディッピングなどにより形成することとしてもよい。また、その場合、高抵抗材料膜とは異なる材料で主部５２の全体を構成するもできる。但し、圧電材料部５１における圧力検出結果を効率的に取り出すためには、図５及び図６に示されるように、軸部３０の軸方向（上下方向）に沿ってみた場合に、上側電極膜５４及び下側電極膜５５がいずれも圧電材料部５１より大きな面積を有しており、且つ、圧電材料部５１が軸方向において主部（高抵抗材料部）５２を介して上側電極膜５４及び下側電極膜５５に挟まれていることが好ましい。

主部５２を構成する高抵抗材料は、特にセンサモジュール５０の使用温度範囲内において圧電材料部５１よりも高い電気抵抗を有する材料であればよく、有機・無機の種類や化学的組成の種類などは問わないが、圧電材料部５１における分極を高抵抗材料の分極により上側電極膜５４及び下側電極膜５５に伝えられることを考慮すると、例えば、ガラス系材料やセラミックス系材料のような誘電材料を用いることが好ましい。例えば、本実施の形態による主部５２は、ＳｉＯ_２からなる。

本実施の形態による主部５２には、上下に貫通する貫通孔５３が設けられており、その貫通孔５３に軸部３０が挿通されている。そのため、センサモジュール５０の下面５０ｂの変位や歪は軸部３０とは無関係に生じ得る。その上、本実施の形態による軸部３０は、上述したようにハウジング１０に対して相対移動不可となるように構成されている。そのため、本実施の形態においては、特許文献１〜３において生じる恐れのあった中軸の軸ずれによるセンサの誤動作などが生じない。

なお、図示されたセンサモジュール５０では、上側電極膜５４及び下側電極膜５５がセンサモジュール５０の上面５０ａ及び下面５０ｂに夫々露出しているが、例えば、ガラス等にて更に表面を保護コートすることとしてもよい。

本実施の形態においては、図１に示されるように、第１端子５６及び第２端子５７は保持部材２０内部まで延設されており、そこで信号用ケーブル６０に接続され、それによって、保持部材２０の上面２２側まで電気的に引き出されている。即ち、第１端子５６及び第２端子５７は、保持部材２０の底面２４側から内部を通り上面２２側まで続く電気的経路の一部を構成している。信号用ケーブル６０は、図２及び図３から理解されるように、信号処理回路４に接続され、センサモジュール５０において測定した燃焼室２内の燃焼圧に応じた信号を信号処理回路４に伝達する。

図１、図７〜図９に示されるように、ヒータ素子４０は、耐熱・絶縁材料からなる本体部４１を備えている。本体部４１は、図７〜図９に示されるように、円筒部４２と張出部４３とからなる。円筒部４２は、その名の通り、略円筒形状を有している。張出部４３は、軸部３０の下端３４に取り付けられており、軸方向と直交する断面において、競技用トラックを更に細長くしたような形状を有している。図８に示されるようにヒータ素子４０を正面から見ると、円筒部４２の径は軸部３０の径よりも大きいのに対して、張出部４３は軸部３０と同じ幅を有している。即ち、円筒部４２の方が張出部４３よりも大きく見える。一方、図９に示されるようにヒータ素子４０を側面から見ると、張出部４３は円筒部４２を越えて前後方向に突出しており、そのため本体部４１は略Ｔ字形状を有しているように見える。

図８に示されるように、本体部４１には、発熱抵抗体４４が組み込まれている。この発熱抵抗体４４の一端は、軸部３０に接続されている。また、張出部４３の長手方向両端にはヒータ電極４５が形成されており、発熱抵抗体４４の他端は、これらヒータ電極４５に接続されている。これらヒータ電極４５は、図１１に示されるように、ヒータ素子４０が軸部３０により支持されている状態においてハウジング１０の内壁に接触しており、それにより、発熱抵抗体４４の他端はハウジング１０と導通している。

図１に示されるように、本実施の形態による圧力伝達部材７０は、ハウジング１０内において軸部３０上を上下移動可能となるようにセンサモジュール５０の下面５０ｂ側に固定されている。即ち、センサモジュール５０は、圧力伝達部材７０の上端７２と保持部材２０の底面２４との間に挟まれている。圧力伝達部材７０の下端７４は、ハウジング１０の下端１２の開口部内に露出しており、そのため、図２のようにグロープラグ１がシリンダヘッド３に取り付けられた際には燃焼室２内に晒されることとなり、そこで受けた燃焼室２内の燃焼圧をセンサモジュール５０の下面５０ｂに伝達することができる。より具体的には、本実施の形態による圧力伝達部材７０は、下端７４側に割りの入ったパイプ状の部材であり、割りの部分にヒータ素子４０の張出部４３が挿入されている。これにより、図７に示されるように、圧力伝達部材７０は、ヒータ素子４０の両側において燃焼圧を受けることができ、それによってハウジング１０内且つ軸部３０上を摺動して、燃焼圧をセンサモジュール５０に伝達することができる。なお、この圧力伝達部材７０を省略してセンサモジュール５０の下面５０ｂ側にて直接燃焼圧を測定することとしてもよい。但し、圧力伝達部材７０を省略すると、センサモジュール５０の下面５０ｂに直接ガスが触れるため、センサ部分が汚染される恐れもあり、また、圧力伝達部材７０の省略により生じた空間により圧力変化の平滑化等が行われてしまう可能性もある。前者については、例えば、センサモジュール５０自体を更に保護コートするなどすることで対処可能であり、後者については、信号処理回路４において上述したような平滑化等を考慮した補正を行うことで対処することができるが、本実施の形態のように圧力伝達部材７０を用いると、より簡易に上述した問題を回避することができることから、圧力伝達部材７０を用いることが好ましい。

１ グロープラグ
２ 燃焼室
３ シリンダヘッド
４ 信号処理回路
５ エンジン制御部（ＥＣＵ）
６ 通信機能
１０ ハウジング
１２ 下端
２０ 保持部材
２２ 上面
２４ 底面
２６ 保持孔
３０ 軸部
３２ 上端
３４ 下端
４０ ヒータ素子
４１ 本体部
４２ 円筒部
４３ 張出部
４４ 発熱抵抗体
４５ ヒータ電極
５０ センサモジュール
５０ａ 上面
５０ｂ 下面
５１ 圧電材料部
５２ 主部（高抵抗材料部）
５３ 貫通孔
５４ 上側電極膜
５５ 下側電極膜
５６ 第１端子
５７ 第２端子
６０ 信号用ケーブル
７０ 圧力伝達部材
７２ 上端
７４ 下端
７６ 貫通孔

Claims (13)

1. 内燃機関に取り付けられるグロープラグであって、
   略筒状のハウジングと、
   底面を有し且つ該底面が前記ハウジングの内部に位置するように前記ハウジングに取り付けられた保持部材と、
   前記ハウジングに対して相対移動不可となるように前記保持部材に保持された軸部と、
   前記保持部材の前記底面に固定された上面と前記ハウジングの内部に位置する下面とを有するセンサモジュールであって、当該センサモジュールの前記下面にて前記内燃機関内の燃焼圧を直接的又は間接的に受けることにより前記燃焼圧を検出するように構成されたセンサモジュールと
   を備えるグロープラグ。
2. 請求項１記載のグロープラグであって、
   前記センサモジュールは、圧電材料部と、該圧電材料部よりも高い電気抵抗を示す高抵抗材料部であって前記圧電材料部の上面及び下面を少なくとも部分的に覆う高抵抗材料部と、前記圧電材料部の前記上面上及び前記下面上に前記高抵抗材料部を介して形成された上側電極膜及び下側電極膜とを備えている
   グロープラグ。
3. 請求項２記載のグロープラグであって、
   前記圧電材料部は、前記高抵抗材料部の内部に埋め込まれている
   グロープラグ。
4. 請求項２又は請求項３記載のグロープラグであって、
   前記高抵抗材料部は貫通孔を有しており、
   前記軸部は前記高抵抗材料部の前記貫通孔内に挿通されている
   グロープラグ。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のグロープラグであって、
   前記高抵抗材料部は、誘電体からなる
   グロープラグ。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載のグロープラグであって、
   前記軸部の軸方向に沿ってみた場合に、前記上側電極膜及び前記下側電極膜はいずれも前記圧電材料部より大きな面積を有しており、
   前記圧電材料部は、前記軸方向において、前記高抵抗材料部を介して前記上側電極膜及び前記下側電極膜に挟まれている
   グロープラグ。
7. 請求項２乃至請求項６のいずれかに記載のグロープラグであって、
   前記センサモジュールは、前記上側電極膜に接続された第１端子と、前記下側電極膜に接続され且つ当該センサモジュールの上側に引き出された第２端子とを更に備えており、
   前記保持部材は、絶縁材料からなるものであり、
   前記第１端子及び前記第２端子は、前記保持部材の前記底面側から内部を通り上側まで電気的に引き出されている
   グロープラグ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のグロープラグであって、
   前記ハウジング内において前記軸部上を上下移動可能となるように且つ前記保持部材との間に前記前記センサモジュールを挟むように前記センサモジュールの前記下面側に固定されて、前記燃焼圧を前記センサモジュールに伝達する圧力伝達部材を更に備えている
   グロープラグ。
9. 請求項８記載のグロープラグであって、
   前記圧力伝達部材は、絶縁材料からなる
   グロープラグ。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のグロープラグであって、
    前記軸部の下端にはヒータ素子が取り付けられている
    グロープラグ。
11. 請求項１０記載のグロープラグであって、
    前記ハウジング及び前記軸部は導電性材料からなり、
    前記ヒータ素子は、前記ハウジングと前記軸部とに電気的に接続されている
    グロープラグ。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のグロープラグと、前記センサモジュールに接続された信号処理回路と、エンジン制御部と、前記信号処理回路の出力を前記エンジン制御部に伝達する通信機能とを備え、前記燃焼圧に応じてエンジン制御を行う制御システム。
13. 請求項１２記載の制御システムであって、
    前記信号処理回路は、適応フィルタを備え且つ該適応フィルタを利用した周波数特性自動補正を行う
    制御システム。

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