JP4300663B2

JP4300663B2 - 燃焼圧センサ構造体

Info

Publication number: JP4300663B2
Application number: JP36645699A
Authority: JP
Inventors: 博之村井; 光一服部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: US6411038B2; EP1134385B1; EP1134385A2; US20010015402A1; JP2001182937A; DE60035854T2; EP1134385A3; DE60035854D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンに形成された取付穴に対して一端側を挿入して固定される構造体（例えばグロープラグ、スパークプラグ、インジェクタ、ボルト等）と、該構造体に取り付けられてエンジンの燃焼圧に対応した信号を出力する燃焼圧センサとを備える燃焼圧センサ構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃焼圧センサ構造体としては、例えば特開平７−１３９７３６号公報に記載されているようなディーゼル機関等のエンジンに始動補助装置として使用されている燃焼圧センサ付きグロープラグが提案されている。従来の燃焼圧センサ付きグロープラグの一般的な構造を図１２に概略断面として示す。
【０００３】
燃焼圧センサ付きグロープラグＪ１は、通電により発熱する発熱体２０６を備えた構造体としてのプラグ本体部（グロープラグ単独の部分）２００と、プラグ本体部２００に作用する燃焼圧に伴う力に基づいてエンジンの燃焼圧に対応した信号を出力する燃焼圧センサ（圧力センサ）３００とを、備えた構成を有する。
【０００４】
プラグ本体部２００は、ディーゼルエンジンのエンジンヘッド１に形成された取付穴（プラグホール、ネジ穴）１ｂに対して一端側を挿入して強固に固定されている。本例では、ハウジング２０１の取付けネジ２０１ａと取付穴１ｂのネジ部１ｃとのネジ結合により固定されている。
【０００５】
このグロープラグＪ１の点火栓としての機能は、次のようである。即ち、図示しない電源からコネクティングバー２を介して、中軸２０４に電圧が印加され、発熱コイル２０３、シース管２０２、及びハウジング２０１を介してエンジンヘッド１にアースされる。これにより、発熱コイル２０３及びシース管２０２により構成された発熱体２０６は発熱し、ディーゼルエンジンの着火始動補助を行うことができる。
【０００６】
また、このグロープラグＪ１においては、取付穴１ｂからの燃焼ガスの洩れ防止、つまり気密性の保持も重要である。一般に、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べると、燃焼室１ａ内で発生する爆発燃焼圧は高く、例えば１５０ＭＰａにも達する。そのため、気密性の保持は大変重要であり、例えば燃焼ガスすなわち燃焼圧が外部に洩れた場合、エンジン出力の低下や回転変動等のイレギュラーが生じ、運転者にはエンジン振動、加速性の悪化等の不快感を与えることとなる。
【０００７】
そこで、従来の気密性保持構造は、プラグ本体部２００のハウジング２０１先端側に形成されたハウジングテーパ部２１２と、これに対向してエンジンヘッド１の取付穴１ｂの内面に形成されたテーパ座面部１ｄとを、上記ハウジング２０１と取付穴１ｂとのネジ結合において規格化された推奨締付けトルク（例えば１０〜１５Ｎ・ｍ）で圧接し密着を図っている。
【０００８】
なお、厳密には、ハウジングテーパ部２１２を形成しているテーパ角度は、テーパ座面部１ｄのテーパ角度よりも例えば３°程度大きく設定されている。そして、プラグ本体部２００の締付け時には、ハウジングテーパ部２１２がテーパ座面部１ｄに確実かつ円周状に線接触し、さらに、ハウジングテーパ部２１２の一部（円周状の線接触部）がテーパ座面部１ｄに食い込む状態で嵌着される。そのため、燃焼室１ａで発生した燃焼ガスは、外部に洩れることなく確実に気密が保持されることとなる。
【０００９】
そして、締め付けられたプラグ本体部２００自身は、ハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄ、及びハウジング２０１の取付けネジ２０１ａと取付穴１ｂのネジ部１ｃとの摩擦力、さらにハウジング２０１とエンジンヘッド１との相互弾性力によって、エンジンヘッド１へ強固に保持固定されている。
【００１０】
また、グロープラグＪ１においては、リング状の燃焼圧センサ３００がハウジング２０１にはめ込まれ、該センサ３００における固定用のナット３１０をハウジング２０１の取付ネジ２０１ａに沿って締めつけることで、エンジンヘッド１の表面上に固定されている。
【００１１】
この燃焼圧センサ３００は、例えば、上記従来公報に記載されているように、圧電素子（図示せず）を内蔵し、プラグ本体部２００に作用する力を圧電特性に基づいた電気信号（電荷）に変換し、この電気信号を燃焼圧として出力する圧電素子内蔵型のものとできる。
【００１２】
そして、プラグ本体部２００のハウジング２０１を介して、燃焼圧センサ３００に荷重が負荷されるようになっている。エンジン始動後、燃焼室１ａ内で発生した燃焼圧は、発熱体２０６、ハウジング２０１を介して取付けネジ２０１ａに伝達される。
【００１３】
そして、その作用力によって取付ネジ２０１ａを含めたハウジング２０１は、取付穴１ｂの軸方向に押し上げられて微小変位するため、結果として、燃焼圧センサ３００の荷重が緩和される。この荷重変動を該センサ３００にて電気信号に変換し、リード線５００から出力することで、燃焼圧が検出されるのである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、上記した従来の燃焼圧センサ付きグロープラグＪ１においては、以下のような問題があることがわかった。１つ目は、プラグ本体部（構造体）２００から燃焼圧センサ３００への力の伝達効率が低く、センサの出力感度が不十分であることである。
【００１５】
上述のように、プラグ本体部２００は、高気密性を確保すべく、規格化された推奨締付けトルクを厳守し、エンジンヘッド１に強固に保持固定されている。それにより、燃焼圧の媒体であるハウジング２０１は、取付穴１ｂ内のテーパ座面部１ｄ及びネジ部１ｃの双方で強固に拘束された状態となる。そのため、燃焼圧に伴うプラグ本体部２００の歪変位量は極めて微少となり、結果として荷重変動が小さくなるので、燃焼圧センサ３００からの出力感度は小さくなる。
【００１６】
尚、単に感度だけを問題とするならば、電気的に増幅回路を介在すれば容易に出力感度の向上が図れる。しかし、この場合、機械振動ノイズ及び電気的ノイズも同時に増幅されるため、Ｓ／Ｎ比は変わらず、必ずしも良好な手段といえない。
【００１７】
ちなみに、本発明者等の実験調査によれば、上記図１２に示す燃焼圧センサ構造体の場合、出力感度（単位：圧力当たりの発生電荷（ｐＣ／ＭＰａ））は燃焼圧センサ３００の単独状態の５％程度しか得られず、極めて伝達効率の低い結果となることがわかった。
【００１８】
２つ目の問題は、エンジンの運転条件の変化に伴う燃焼圧センサ３００の出力感度の変化が大きいことである。そもそも、プラグ本体部２００の一部であるハウジング２０１とエンジンヘッド１とでは、材質的に線膨張係数が大きく異なり、ハウジング２０１（鋼材）は約１２×１０^-6（／℃）、エンジンヘッド１（アルミ合金）は約２３×１０^-6（／℃）である。
【００１９】
この線膨張係数の違いを見て明らかな様に、プラグ本体部２００は、厳密には冷間時（室温時）に装着されており、双方が熱的影響を受ければ、基本的にはエンジンヘッド１側の延び量が上回るため、プラグ本体部２００の軸荷重は低下し、締付けが緩む結果となる。尚、当然のことではあるが、エンジン運転条件は高速な程、燃焼温度が上昇するため、緩み量は増大することとなる。
【００２０】
この様に、運転条件（温度）によって、プラグ本体部２００の緩み量、即ち燃焼圧センサ３００への荷重（締付け力）が変化するため、低速条件と高速条件とでは、出力感度差が生じる。ちなみに、本発明者等の実験調査によれば、指圧計（装着状態の影響を受けず燃焼圧を燃焼室から直接検出するもの）との同時計測において運転条件を変化させた場合、低速条件と高速条件とでは、センサ３００の出力感度（ｐＣ／ＭＰａ）は約２５％の差が生じた。
【００２１】
以上、燃焼圧センサ付きグロープラグを例にとって問題点を述べてきたが、上記した２つの問題は、該グロープラグだけでなく、エンジンに形成された取付穴に対して一端側を挿入して固定される構造体と、該構造体に取り付けられてエンジンの燃焼圧に対応した信号を出力する燃焼圧センサとを備えるような燃焼圧センサ構造体（以下、単に燃焼圧センサ構造体という）においては、共通するものと考えられる。
【００２２】
なぜなら、このような燃焼圧センサ構造体としては、例えばスパ−クプラグ、インジェクタ等が構造体として挙げられるが、これらにおいても、当然気密性を確保するため、構造体は取付穴へ強固に拘束されるし、また、構造体とエンジンヘッドとで線膨張係数の異なる材質を用いることは、一般的であると考えられるからである。
【００２３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃焼圧センサ構造体において、構造体から燃焼圧センサへの力の伝達を良好として、センサの出力感度向上を図るとともに、エンジンの運転条件の変化に伴うセンサの出力感度の変化を低減する。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者等は上記燃焼圧センサ構造体における燃焼圧の伝達を、バネ系の等価モデルに置き換えて解析・検討を行った。以下、上記図１２に示した燃焼圧センサ構造体、即ち燃焼圧センサ付きグロープラグＪ１の装着状態の検討例を示す。
【００２５】
図１３は、エンジンヘッド１に装着された燃焼圧センサ付きグロープラグＪ１の概略図を示すものである。ここで、燃焼圧センサ３００は、固定用のナット３１０と台座３４０とにより圧電素子部３２０を挟持したものとしている。また、テーパ接触部（圧接部）Ｓは、エンジンヘッド１の取付穴１ｂ内面に形成されたテーパ座面部１ｄとハウジング２０１先端に形成されたハウジングテーパ部２１２とが接触する部分であり、このテーパ接触部Ｓにおいて、プラグ本体部２００の締付けによる取付穴１ｂの軸方向への荷重（軸荷重）が支えられている。
【００２６】
そして、図１３において、基本的に燃焼圧の媒体は、プラグ本体部２００のハウジング２０１（ここでは、発熱体２０６はハウジング２０１と一体化していると仮定する）、燃焼圧センサ３００のナット３１０、圧電素子部３２０、台座３４０、エンジンヘッド１、及び、テーパ接触部Ｓの６点で構成されている。
【００２７】
これを、エンジンヘッド１を拘束したバネ系の等価モデルに置き換えると、図１４の如く表すことができる。ここで、バネ定数Ｋは、構成部品の軸方向長さをＬ（ｍｍ）、ヤング率をＥ（Ｎ／ｍｍ²）、構成部品の径方向の断面積をＡ（ｍｍ²）とすると，Ｋ＝Ｌ／Ａ×Ｅ（ｍｍ／Ｎ）で表すことができる。
【００２８】
これをもとに、ハウジング２０１のバネ定数をＫｈ、燃焼圧センサ３００のナット３１０のバネ定数をＫｎ、圧電素子部３２０のバネ定数をＫｐ、台座３４０のバネ定数をＫｄ、テーパ接触部Ｓのバネ定数をＫｔとし、燃焼圧の受圧部であるハウジング２０１（発熱体２０６を含む）に燃焼圧Ｆが印加された時の圧電素子部３２０への作用力Ｐ、すなわち伝達力を求めると、次の数式１で表わすことができる。
【００２９】
【数１】
Ｐ＝Ｆ×Ｋｔ／（Ｋｈ＋Ｋｎ＋Ｋｐ＋Ｋｄ）
この算出式より作用力Ｐはテーパ接触部Ｓのバネ定数Ｋｔに依存するものであり、バネ定数Ｋｔが大きい程すなわちテーパ接触部Ｓが剛性の低い柔軟な弾性部材である程、圧電素子部３２０への燃焼圧の伝達効率が向上し、結果として燃焼圧センサ３００からの出力感度の上昇が期待できることを導出した。
【００３０】
つまり、上記燃焼圧センサ構造体における燃焼圧の伝達を、バネ系の等価モデルに置き換えて解析・検討した結果、構造体の取付穴内面への圧接部（上記検討例ではテーパ接触部Ｓ）における剛性を低くすると燃焼圧の伝達効率が向上することがわかった。本発明は、この点に着目してなされたものである。
【００３１】
即ち、請求項１〜請求項６記載の発明によれば、上記燃焼圧センサ構造体において、構造体（２００、７００、８００、９００）と取付穴（１ｂ）の内面との間に、該取付穴の軸方向に弾性力を有し弾性変形することで燃焼圧を構造体へ伝達する弾性部材（２５０、２５１、２５２）を設け、該弾性部材を介して、該構造体と該取付穴の内面とを少なくとも該取付穴の軸方向にて圧接し、燃焼圧センサは、リング状にて構造体の外周面に設けられたネジ部（２０１ａ、７０１ａ、８０１ａ、９０１ａ）にはめ込まれており、さらに、固定用のナット（３１０）と台座（３４０）とにより圧電素子部（３２０）を狭持したものであることを特徴としている。
【００３２】
従来では、直接、構造体と取付穴の内面とを圧接するように強固に固定することで、この圧接部によってセンサの出力感度が低くなっていたが、本発明では、その圧接部に弾性部材を設けているため、取付穴の軸方向へ作用する燃焼圧に伴う力は、弾性部材の弾性力により構造体へ良好に伝達され、結果的にセンサ感度は向上する。また、熱膨張係数の違いにより発生する構造体とエンジンとの間の隙間や荷重変化は、弾性部材の弾性力によりほぼ吸収できるため、エンジンの運転条件の変化に伴うセンサの出力感度の変化を低減できる。
【００３３】
ここで、弾性部材としては、請求項２の発明のように、構造体（２００、７００、８００、９００）を挿入するための中空穴を有する環状部材（２５０）を用いることができ、構造体に対して弾性部材を容易に取り付けることができる。また、弾性部材としては、請求項４の発明のような構造体（２００）の一部を薄肉化した薄肉部（２５１）や、請求項５の発明のような取付穴（１ｂ）の内面から該取付穴の軸方向と交差する方向へ突出する突出部（２５２）とすることもできる。
【００３４】
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。
【００３５】
【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。本実施形態は、本発明の燃焼圧センサ構造体を、燃焼圧センサ付きグロープラグに具体化したものとして説明する。図１は、本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のエンジンヘッド１へ取り付けた状態にて示す一部縦断面図である。なお、図１中、上記図１２と同一部分には、図中、同一符号を付してある。
【００３６】
本グロープラグ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（本発明でいう構造体）２００と、燃焼圧に伴いプラグ本体部２００に作用する力（プラグ本体部の歪み変位）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に対応した信号を出力する手段である燃焼圧センサ３００と、上記圧電素子からの電気信号を外部回路（本実施形態では車両のＥＣＵ）へ取り出すための配線部材としてのリード線５００と、を備えて構成されている。
【００３７】
エンジンヘッド１は例えばアルミ合金や鉄等よりなり、該エンジンヘッド１には、外表面から内部の燃焼室１ａまで貫通する取付穴（プラグホール、ネジ穴）１ｂが形成されている。この取付穴１ｂに対して、プラグ本体部（構造体）２００は、その一端側（図１中の下方側）を挿入して強固に固定されている。
【００３８】
ここで、プラグ本体部２００は、金属（低炭素鋼等）製の中空パイプ状のハウジング２０１を有し、その外周面に形成された取付ネジ２０１ａによって取付穴１ｂのネジ部１ｃとネジ結合されて固定されている。また、プラグ本体部（構造体）２００は、ハウジング２０１内に保持された中空パイプ状のシース管２０２を備える。
【００３９】
このシース管２０２は耐熱・耐食性合金（例えばステンレス材ＳＵＳ３１０等）よりなり、先端側（図１中の下方側）が閉塞され他端側（図１中の上方側）が開口している。シース管２０２の先端側内部には、ＮｉＣｒ及びＣｏＦｅ等の抵抗線からなる発熱コイル２０３が設けられ、シース管２０２の他端側内部には、金属製棒状の中軸２０４の一端側が一部挿入された形で配置されている。
【００４０】
発熱コイル２０３の一端はシース管２０２の先端側に結合し、発熱コイル２０３の他端は中軸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との間には、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。
【００４１】
また、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の緻密性を高めると共に、該絶縁粉末２０５を介してシース管２０２と中軸２０４及び発熱コイル２０３とが強固に保持固定されている。
【００４２】
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の先端部）が露出するように、ハウジング２０１の内部に接合保持されている。発熱体２０６（シース管２０２の外周面）とハウジング２０１との接合は、嵌合圧入による固着または銀ロウ等のロウ付けにより行うことができる。
【００４３】
また、ハウジング２０１の上端側の内部において、絶縁性のべークライト材からなるワッシャ２０７、シリコン又はフッ素ゴムからなるＯリング２０８が、中軸２０４に挿入配置されている。ここで、ワッシャ２０７は中軸２０４の芯出しを目的としたもので、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る。
【００４４】
そして、中軸２０４は、フェノール等の絶縁樹脂からなる絶縁ブッシュ２０９を介在して、中軸２０４に設けられた端子ネジ２０４ａに沿って固定ナット２１０にて、ハウジング２０１へ固定されている。ここで、絶縁ブッシュ２０９は中軸２０４とハウジング２０１との接触による短絡防止機能を兼ね備えている。
【００４５】
また、中軸２０４の他端側に設けられた端子ネジ２０４ａには、コネクティングバー２が端子ナット２１１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補助を行うことが可能となっている。
【００４６】
なお、発熱体２０６は、上記した金属抵抗線を基本としたいわゆる金属発熱体の他に、例えば、窒化珪素と珪化モリブデンを成分とした導電性セラミックスからなる発熱体を、窒化珪素を成分とした絶縁性セラミックからなる絶縁体で内包する形で焼結した、いわゆるセラミック発熱体でも良い。
【００４７】
ここで、本実施形態の独自の構成として、プラグ本体部（構造体）２００と取付穴１ｂの内面との間に、取付穴１ｂの軸方向（プラグ本体部２００の軸方向）に弾性力を有する弾性部材２５０を設け、該弾性部材２５０を介してプラグ本体部２００と取付穴１ｂの内面とを、少なくとも取付穴１ｂの軸方向にて圧接するとともに、この圧接部により燃焼室１ａ内（エンジン内）の気密保持を確保するようにしている。
【００４８】
即ち、図１に示す様に、ハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄ（取付穴１ｂの内面）との間に、上記弾性部材としてのガスケット２５０を介在させつつ、このガスケット２５０を介して両部２１２、１ｄを取付穴１ｂの軸方向にて圧接し、気密保持確保を行っている。このガスケット２５０は、プラグ本体部２００の発熱体２０６を挿入するための中空穴を有する環状部材である。
【００４９】
図２において、（ａ）は図１中のガスケット２５０近傍の拡大図、（ｂ）はガスケット２５０単体の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。図２に示す様に、ガスケット２５０は、例えばＳＵＳ３０４またはＮｉ基合金等からなる耐熱性及び耐食性を備えた金属よりなり、断面がアルファベットの「Ｃ」状の管を形成し且つリング状にプレス成形されたもので、円周上には継ぎ目を持たない大きな弾性力を有した一般にメタルＣシールと呼ばれる弾性体である。ここで、ガスケット２５０は、例えば、管径がφ１ｍｍ、板厚が０．１ｍｍ、内周径がφ６ｍｍである。
【００５０】
このガスケット２５０の介在により、ハウジングテーパ部２１２は、ガスケット２５０の弾性力によって、テーパ座面部１ｄに対し取付穴１ｂの軸方向にて圧接されている。なお、このガスケット２５０を介した圧接部は、図２（ａ）に示す如くテーパ形状であるため、実際の圧接力は取付穴１ｂの軸方向だけでなく径方向にも加わり、ハウジングテーパ部２１２は、取付穴１ｂの径方向においてもガスケット２５０を介して取付穴１ｂの内面に圧接されている。
【００５１】
次に、燃焼圧センサ３００は全体が略リング状をなすもので、図１に示す様に、プラグ本体部（構造体）２００におけるエンジンヘッド１の表面から軸方向へ突出した部分において、該突出部の外周面に固定されるとともに、エンジンヘッド１の表面に接触するように配置されている。本実施形態におけるセンサ３００は、従来品Ｊ１のものと比べて詳細部分に工夫を施したものであるため、図３を参照して詳細に説明する。図３は、図１中の燃焼圧センサ（圧力センサ）３００の詳細を示す拡大図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ矢視図を示している。
【００５２】
燃焼圧センサ３００は、大きくは、センサ本体をプラグ本体部（構造体）２００に取り付けるためのナット（センサ固定部）３１０と、燃焼圧に伴う力に応じて電気信号（電荷）を発生する圧電素子部３２０と、この圧電素子部３２０にて発生した電気信号を取出しリード線５００に導くためのリード部３３０と、ナット３１０とともに圧電素子部３２０を挟持し且つリード部３３０の一部を固定するための台座３４０と、圧電素子部３２０の防塵、防水を図るためのメタルケース３５０とを備えている。
【００５３】
まず、ナット３１０及びリード部３３０について述べる。ナット３１０は金属製であり、ハウジング２０１の取付ネジ２０１ａを介してセンサ本体を装着固定するためのネジ部３１１及び六角部３１２を備え、ハウジング２０１の外周に固定されている。また、六角部３１２の下側は、順に大径部３１３、小径部３１４が形成されており、小径部３１４の外周面には、シリコンからなる熱収縮性の絶縁チューブ３１５が密着固定されている。
【００５４】
リード部３３０は、圧電素子部３２０とリード線５００の一端側とを電気的に接続するための部分であり、電極３３１、インシュレータ３３２、固定金具３３３及びリード線５００の一端側を、その構成要素として備えている。電極３３１は環状で金属製のものであり、インシュレータ３３２はこの電極３３１とナット３１０との間に介在して両者３３１及び３１０を互いに絶縁するもので、環状でマイカ或るいはアルミナ等の絶縁性材料よりなる。これら電極３３１及びインシュレータ３３２は、絶縁チューブ３１５で被覆されたナット３１０の小径部３１４の外縁に嵌入されている。
【００５５】
ここで、リード線５００は、その最内部から外側にかけて、導電性の信号取出線５０１、絶縁性の絶縁被覆５０２、導電性のアース側シールド線５０３、絶縁性の絶縁被覆５０４が順次と積層された構成を有し、信号取出線５０１とアース側シールド線５０３とは電気的に絶縁されている。そして、図３に示す様に、リード線５００は、その一端側において先端から順に、信号取出線５０１、絶縁被覆５０２、アース側シールド線５０３が、それぞれ一部露出した構成となっている。
【００５６】
そして、リード線５００の一端側では、信号取出線５０１が、ナット３１０に形成された穴３１６及びインシュレータ３３２に形成された切欠き部３３２ａを通して、電極３３１に形成された穴３３１ａにて電極３３１に溶接され結線されている。なお、リード線５００の他端側は、図示しないコネクタに接続され、外部回路（車両のＥＣＵ等）に電気的に接続されるようになっている。
【００５７】
また、固定金具３３３は、リード線５００をナット３１０に固定するためのもので中空パイプ状をなし、リード線５００の一端側の外周に設けられている。ここで、ナット３１０に形成された上記穴３１６の上側部分は、固定金具３３３を保持するための固定金具保持穴３１６ａとして構成されており、この保持穴３１６ａには、固定金具３３３の一部が挿入固定されている。
【００５８】
固定金具３３３はリード線５００にかしめ固定されており、アース側シールド線５０３と固定金具３３３とは電気的に接続されている。なお、固定金具保持穴３１６ａから突き出た固定金具３３３の外周部分は、シリコンからなる熱収縮性の絶縁被覆３３３ａにて被覆されている。
【００５９】
次に、圧電素子部３２０は、その中空部がナット３１０の小径部３１４に対応した円環状をなし、上記電極３３１と同様、該小径部３１４の外周面に沿って上記絶縁チューブ３１５を介して配設されている。図示例では、圧電素子部３２０は、３層の圧電セラミックス（圧電素子）３２１と、信号取出側ワッシャリング３２２及びアース側ワッシャリング３２３と組合わせた積層構造を構成している。
【００６０】
各圧電セラミックス３２１は同一寸法の円盤リング状をなし、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛等からなる。そして、３枚の圧電セラミックス３２１が電気的に並列結合された状態となっており、これら３枚の圧電セラミックス３２１の出力感度が合算され、大巾な感度向上を図る事ができる。
【００６１】
次に、台座３４０は金属製からなる略円環状をなし、エンジンヘッド１との接触側端面に回り止め受け３４１が形成されている。この回り止め受け３４１は、図３（ｂ）に示す様に、ナット３１０の小径部３１４の末端に形成された小判状の回り止め３１７に対応し、且つ、この回り止め３１７に容易に嵌合可能な同様の小判状をなす。これにより、ナット３１０と台座３４０とのプラグの軸回りのずれが防止できる。
【００６２】
また、台座３４０の外縁には、例えばＳＵＳ３０４からなる金属製円筒状のメタルケース３５０が設けられており、このメタルケース３５０により燃焼圧センサ３００全体の外周が包含されている。このメタルケース３５０は、厚さ０．５ｍｍ以下の薄い金属板を円筒状に絞り加工し製作したもので、台座３４０に対して全周、レーザー溶接又は銅ロウ等のロウ付けで接合されている。
【００６３】
このメタルケース３５０との一体化を図った台座３４０においては、その回り止め受け３４１とナット３１０の回り止め３１７とが正確に対向している。さらに、台座３４０の内径部３４２と、ナット３１０の小径部３１４の中央付近に設けた切欠き溝に嵌着配置させたシリコン又はフッ素ゴムからなるＯリング３４３とは、双方確実に密着している。また、メタルケース３５０はナット３１０の大径部３１３に内接するように嵌入されており、メタルケース３５０とナット３１０の大径部３１３との内接部３５１を、ＹＡＧレーザー溶接で全周接合されている。
【００６４】
こうして、台座３４０は、ナット３１０の軸力（ネジ締め力）によりエンジンヘッド１の表面に押しつけられた格好となっている。そして、圧電素子部３２０、電極３３１及びインシュレータ３３２は、ナット３１０の軸力により、ナット３１０と台座３４０との間に挟持されて介在固定されている。
【００６５】
かかる燃焼圧センサ３００の組付方法は、次のようである。まず、リード線５００の一端側において、信号取出線５０１を電極３３１の穴３３１ａに溶接する。また、固定金具３３３をナット３１０の固定金具保持穴３１６ａに嵌入し、溶接又は銅ロウ等のロウ付けにより結合する。また、ナット３１０の小径部３１４にインシュレータ３３２を装着する。
【００６６】
この固定金具３３３及びインシュレータ３３２が装着されたナット３１０に対して、リード線５００の他端側を、インシュレータ３３２側から穴３１６へ挿入しつつ、リード線５００の一端側が結線された電極３３１を、ナット３１０の小径部３１４へ嵌入させる。
【００６７】
電極３３１を所定位置に配置した後、固定金具３３３、アース側シールド線５０３を、同時にかしめて固定する。この後、リード線５００の一部と固定金具３３３とを絶縁被覆３３３ａで被覆し、防塵・防水を図る。これにより、アース側シールド線５０３と固定金具３３３とは、電気的にも接続される。
【００６８】
次に、圧電セラミックス３２１及び両ワッシャリング３２２、３２３からなる圧電素子部３２０を、ナット３１０の小径部３１４へ挿入する。そして、ろう付け等によりメタルケース３５０と一体化した台座３４０を、ナット３１０の小径部３１４へ挿入するとともに、回り受け３１７と回り受け止め３４１とを一致させる。そして、台座３４０とナット３１０とを密接させるように加圧した状態で、メタルケース３５０とナットの大径部３１３とをレーザ溶接する。
【００６９】
こうして、燃焼圧センサ３００が完成する。この燃焼圧センサ３００は、プラグ本体部２００に対して、発熱体２０６側から挿入し、所定位置となるように、ハウジング２０１の取付ネジ２０１ａとナット３１０のネジ部３１１及び六角部３１２とによってネジ結合することで、仮組みされる。そして、エンジンヘッド１の取付穴１ｂ内へガスケット２５０を投入し、テーパ座面部１ｄへ配置させた後、上記仮組みされたプラグ本体部２００を、一端側（発熱体２０６側）から取付穴１ｂへ挿入する。
【００７０】
そして、ハウジング２０１の六角部２０１ｂ（図１参照）を、レンチ等の治具（図示せず）を用いて軸回りに回転させることで、ガスケット２５０の中空穴に発熱体２０６を挿入するとともに、プラグ本体部２００を取付穴１ｂにネジ結合する。更に、レンチ等により燃焼圧センサ３００のナット３１０を締付け、センサ３００をエンジンヘッド１の表面に押付け固定する。こうして、図１に示す燃焼圧センサ構造体が出来上がる。
【００７１】
次に、上記構成に基づき本実施形態の作動を説明する。ディーゼルエンジンの始動時、図示されていない電源からコネクティングバー２を介してプラグ本体部２００に電圧が印加され、中軸２０４、発熱コイル２０３、シース管２０２、ハウジング２０１を介してエンジンヘッド１にアースされる。これにより、発熱体２０６は発熱し、ディーゼルエンジンの着火始動補助を行うことができる。
【００７２】
そして、エンジン始動後、エンジン内で発生した燃焼圧は、発熱体２０６、ハウジング２０１を介して取付けネジ２０１ａに伝達される。続いて、取付けネジ２０１ａに伝達された燃焼圧は、グロープラグ１００におけるエンジンヘッド１への締付けトルクを緩和させる。それに伴い、燃焼圧センサ３００におけるナット３１０のネジ部３１１を介して圧電セラミックス３２１に負荷されている荷重（プラグ軸方向の荷重）が緩和される（即ち、圧電セラミックス３２１に負荷されている荷重状態が変化する）。
【００７３】
そのため、圧電セラミックス３２１の有する圧電特性に沿って出力される電気信号の発生電荷が変化する。そして、この電気信号（電荷）は、電極３３１及びリード線５００から、外部回路に送られ、電圧に変換され、増幅、フィルタ処理等を経て、例えば燃焼圧波形信号として燃焼制御へ応用される。以上が、上記グロープラグ１００における燃焼圧の検出メカニズムの全体である。
【００７４】
ところで、本実施形態では、上述したように、プラグ本体部（構造体）２００のハウジングテーパ部２１２と取付穴１ｂのテーパ座面部１ｄとの間に、ガスケット（弾性部材）２５０を設け、ガスケット２５０を介して両部２１２、１ｄを、取付穴１ｂの軸方向にて圧接するとともに、この圧接部により燃焼室１ａ内（エンジン内）の気密保持を確保するようにした、独自の構成を採用している。
【００７５】
この独自の構成により、プラグ本体部２００を、ガスケット２５０の許容弾性域内の軸荷重で締付ければ、ガスケット２５０自身が有する弾性力で、ハウジングテーパ部２１２とガスケット２５０とテーパ座面部１ｄとが交互に圧接・密着される。
【００７６】
そのため、気密性の保持を阻害することは無い。また、上記図１４に示したバネ系等価モデルにおいて、テーパ接触部の剛性を低くすることができるため、取付穴１ｂの軸方向へ作用する燃焼圧に伴う力は、ガスケット２５０の弾性力により、プラグ本体部２００のハウジング２０１へ良好に伝達され、結果的にセンサ感度は向上する。
【００７７】
また、ガスケット（弾性部材）２５０を配置することにより、上記した熱的影響によるプラグ本体部２００の緩みに伴う出力感度の変化（指圧計との比較）も改善できる。これは、圧縮時のガスケット２５０の復元力を利用すれば、線膨張差によって発生するハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄとの隙間（熱的影響により拡大する方向）及びそれに伴う軸荷重の変化を略吸収できるからであり、つまりは、燃焼圧センサ３００の出力感度に依存する荷重変化を低減することができるからである。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の主たる機能に影響を与えることなく、従来のテーパ接触部に弾性部材２５０を介在させるだけの簡素な構成で、センサの出力感度向上を図るとともに、エンジンの運転条件の変化に伴うセンサの出力感度の変化を低減することができる。
【００７９】
ここで、本発明でいう弾性部材としてのガスケット２５０の特徴を補足する。まず、ハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄとの間に配置されたガスケット２５０は、燃焼圧を受圧（燃焼圧上昇時）した際、図２（ａ）の如く、ガスケット２５０の内面２６１には略均一に燃焼圧Ｆが印加される。そして、その燃焼圧Ｆによりガスケット２５０には、その内径２６２を放射状に押し広げようとする力が作用することとなる。
【００８０】
これにより、ガスケット２５０との接触面であるハウジング接触部２１３と座面接触部１ｅには、実質、プラグ本体部２００の締付けの際発生する軸荷重による面圧に加え、燃焼圧Ｆに伴う内圧が自然に加算される。そのため、エンジン運転時においては、双方の接触面２１３、１ｅは共に、いっそう圧接・密着性が促進され、高気密化を得ることができる。
【００８１】
また、本発明者等の実験調査によれば、弾性体としてのガスケット２５０の弾性力は大きい程（柔軟な程）効果的であるが、気密性保持の立場からむしろ重要な特性は、弾性体の耐力即ち塑性変形を引き起こす荷重であり、ここでは、２ｋＮ以上の耐力確保が必要であることを見出している。なお、例えば本実験調査により効果が得られたガスケット（弾性体）２５０のバネ定数は、２．５〜２０（×１０^-5ｍｍ／Ｎ）であった。
【００８２】
プラグ本体部２００単体（つまりグロープラグ単体）での締付けトルクは、本来規格により定められ、一般のハウジングにおける取付けネジ部のネジサイズＭ１０×１．２５では１０〜１５Ｎ・ｍ、軸荷重に換算すると４〜６ｋＮと推定される。これは、気密性はもとよりエンジン振動に対する緩み防止を踏まえた値である。例えば、本実施形態では、弾性体の耐力を２ｋＮ以上に設定したが、この値は上記締付けトルクの規格を下回るものであり、振動に対する緩みは一見不利かと思われる。
【００８３】
しかし、グロープラグ単体の場合は、ハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄ、及びハウジング２０１の取付けネジ２０１ａとエンジンヘッド１の取付穴１ｂのネジ部１ｃとの摩擦力、そしてハウジング２０１とエンジンヘッド１との相互弾性力の３要素でエンジンヘッド１へ保持固定されるのに対し、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００においては、ハウジングテーパ部２１２とガスケット２５０との摩擦力及び弾性力、ハウジング２０１の取付けネジ２０１ａと取付穴１ｂのネジ部１ｃとの摩擦力、加えて、燃焼圧センサ３００のナット３１０のネジ部３１１とハウジング２０１の取付けネジ２０１ａの摩擦力及び弾性力、燃焼圧センサ３００の台座３４０とエンジンヘッド１との摩擦力の計６要素にて、プラグ本体部２００は保持固定されている。
【００８４】
そのため、本実施形態においては、エンジン振動に対する緩みへの影響は実用上問題ない。ちなみに、本発明者等の実験調査によれば、上記図１に示す状態で加振機を使って、５０〜２０００Ｈｚ、加速度２５〜１０Ｇにて２４時間、振動耐久試験を試みたが、燃焼圧センサ３００及びプラグ本体部２００共に緩みは発生しなかった。
【００８５】
次に、本実施形態のより具体的な効果について説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は各々、横軸にクランク角、縦軸に圧力をとり、本実施形態と従来との燃焼圧波形を比較して示すものである。ここで、図４中、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）が本実施形態の燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の燃焼圧波形、（ａ）、（ｄ）、（ｆ）が従来の燃焼圧センサ付きグロープラグＪ１（上記図１２参照）の燃焼圧波形である。また、図４中、（ａ）〜（ｄ）は、エンジン運転条件が２０００ｒｐｍで負荷５０Ｎ・ｍ時、（ｅ）及び（ｆ）は、４０００ｒｐｍで全負荷時の試験結果を示す。
【００８６】
図４に示す様に、従来の出力波形を示す（ａ）と、本実施形態の出力波形を示す（ｂ）との比較から、弾性体であるガスケット２５０を配置した本実施形態では、燃焼圧センサ３００からの出力感度（波高値）は、従来に比べ約２倍に上昇していることが分かる。
【００８７】
また、図４において、（ｄ）及び（ｆ）は、従来品で得られた燃焼圧センサ３００からの出力信号を増幅回路を介在し、約２倍に増幅して、それぞれ、（ｃ）及び（ｅ）に示す本実施形態で得られる出力感度に合わせ込んだ時（つまり、波高値を合わせ込んだ時）の出力波形を示したものである。この結果から、燃焼圧センサ３００自身の出力感度が大きな本実施形態（（ｃ）及び（ｅ））の出力波形は、従来品（（ｄ）及び（ｆ））に比べて出力信号のＳ／Ｎ比が優れていることが分かる。
【００８８】
次に、ガスケット２５０による、熱影響に伴う燃焼圧センサ３００の荷重変動即ちエンジンの運転条件の変化に伴うセンサの出力感度変化の低減効果については、図示しないが、本発明者等の実験調査によれば、従来品は、アイドリングから４０００ｒｐｍ・全負荷において、指圧計基準で２５％の感度変化が生じていたのに対し、本実施形態では感度変化を１０％まで低減することができた。
【００８９】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態においては、ハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄとより構成されるテーパ形状の部分にガスケット２５０を介在配置したが、図５に示す様に、ガスケット２５０を配置する対向したハウジングテーパ部２１２とテーパ座面部１ｄは、必ずしもテーパ形状でなくとも、図の如く直角面でも良い。
【００９０】
また、図６に、円周上に継ぎ目を持たない弾性を有した環状のガスケット２５０の他の例（第１〜第４の例）を示す。なお、図６中、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面、（ｄ）は（ｃ）のＣ−Ｃ断面、（ｆ）は（ｅ）のＤ−Ｄ断面、（ｈ）は（ｇ）のＥ−Ｅ断面を示す。なお、該平面図においては、環の半分のみを示してある。
【００９１】
（ａ）及び（ｂ）に示す第１の例はガスケット２５０の切り欠き部が外周面に形成されたものである。（ｃ）及び（ｄ）に示す第２の例は一般に言う中空Ｏリングであり、内周部の一部に圧力導入穴２５０ａがあれば、上記図２に示すガスケット２５０と同様の効果が得られる。なお、圧力導入穴２５０ａは無くても良い。（ｅ）及び（ｆ）に示す第３の例は、断面が充実した円状のリングである。
【００９２】
（ｇ）及び（ｈ）に示す第４の例は、ハウジングテーパ部２１２及びテーパ座面部１ｄが共に、ガスケット２５０と面接触する様な四角形の断面形状を有するものである。なお、この第４の例では、上記面接触するものであれば、どのような多角形断面でもよく、あるいは、一方が線接触するような三角形の断面形状でも良い。
【００９３】
この様に、環状部材であるガスケット２５０において、材質や寸法のみならず、その断面形状を変更することにより、幅広い状態に応じたバネ定数を得ることができる。ちなみに、バネ定数（ｍｍ／Ｎ）の大きさは、第１の例、第２の例、第３の例、第４の例の順に小さくなる。
【００９４】
また、弾性部材としては、上記ガスケット２５０以外にも、図７及び図８に示すようなものであってもよい。図７は、プラグ本体部２００のハウジング２０１先端部に自ら弾性を有する様、部分的な薄肉部２５１を切削加工等により直接形成している。そして、この薄肉部２５１と取付穴１ｂのテーパ座面部１ｄとが圧接されている。つまり、弾性部材としての薄肉部２５１を介して、プラグ本体部２００と取付穴１ｂの内面とが取付穴１ｂの軸方向にて圧接されている。
【００９５】
図８は、エンジンヘッド１自身が弾性を有する様、取付穴１ｂの内面から該取付穴の軸方向と交差する方向へ突出する突出部２５２を切削加工等により形成している。そして、この突出部２５２を、プラグ本体部２００の軸荷重を受ける支持部として構成し、この突出部２５２に形成されたテーパ座面部１ｄとハウジングテーパ部２１２とを、取付穴１ｂの軸方向にて圧接させている。
【００９６】
これら図７及び図８に示す様に、プラグ本体部（構造体）２００またはエンジンヘッド１の取付穴１ｂの一部に弾性部材２５１、２５２を一体形成してもよく、これらの場合、装着性において、上記した別体型のガスケット方式に比べ優位となる。
【００９７】
なお、上記実施形態では、燃焼圧センサ構造体として、燃焼圧センサ付きグロープラグを例にとって説明したが、本発明は、燃焼圧センサ付きグロープラグのみならず、エンジンに形成された取付穴に対して一端側を挿入して固定される構造体（例えばインジェクタ、ボルト、スパークプラグ等）と、該構造体に取り付けられてエンジンの燃焼圧に対応した信号を出力する燃焼圧センサとを備えるような燃焼圧センサ構造体に適用可能である。スパークプラグ７００への適用例を図９に、インジェクタ８００への適用例を図１０に、ボルト９００への適用例を図１１に、それぞれ示す。
【００９８】
図９においては、スパークプラグ（本発明でいう構造体）７００は、ハウジング７０１に形成された取付ネジ７０１ａによってガソリンエンジンのエンジンヘッド１の取付穴１ｂに取り付けられている。図１０においては、ガソリンまたはディーゼルエンジンのエンジンヘッド１の取付穴１ｂに対して、燃料ポンプからの燃料を燃焼室１ａ内に噴射するインジェクタ（本発明でいう構造体）８００が、固定ボルト８０１及び取付ネジ８０１ａにより取り付けられている。また、図１１においては、エンジンヘッド１内の燃焼室１ａに露出した部材としてのボルト（本発明でいう構造体）９００がエンジンヘッド１の取付穴１ｂに取り付けられている。
【００９９】
そして、図９〜図１１において、燃焼圧センサ（圧力センサ）３００は、各々の構造体７００〜９００における取付ネジ７０１ａ、８０１ａ、９０１ａに対して取り付けられており、これら構造体に作用する燃焼圧に伴う力を圧電素子３２１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ようになっている。
【０１００】
これら図９〜図１１に示す例においても、各構造体７００〜９００と取付穴１ｂの内面との間には、取付穴１ｂの軸方向に弾性力を有するガスケット（弾性部材）２５０が設けられており、ガスケット２５０を介して、各構造体７００〜９００と取付穴１ｂの内面とは、少なくとも取付穴１ｂの軸方向にて圧接されている。更に、これらの例においても、上記した他の実施形態を適用できることは勿論である。
【０１０１】
また、上記の各構造体２００、７００〜９００は、その外周面に形成されたネジ部２０１ａ、７０１ａ〜９０１ａを介して取付穴１ｂにネジ結合されているが、例えば、これら各構造体及び取付穴にネジ部を形成せずに、別体のフランジ等を用いて、エンジンヘッドの外部から各構造体を取付穴の軸方向に押さえつけるように強固に固定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃焼圧センサ付きグロープラグの全体概略断面図である。
【図２】図１中のガスケットの詳細説明図である。
【図３】図１中の燃焼圧センサの詳細説明図である。
【図４】上記実施形態と従来との燃焼圧波形を比較して示す図である。
【図５】ガスケットが介在する部分の他の例を示す概略断面図である。
【図６】ガスケットの断面形状の他の例を示す図である。
【図７】ハウジングの一部を薄肉化して弾性部材を形成した例を示す概略断面図である。
【図８】エンジンヘッドの取付穴の内面を突出させて弾性部材を形成した例を示す概略断面図である。
【図９】本発明を構造体としてのスパークプラグに適用した例を示す図である。
【図１０】本発明を構造体としてのインジェクタに適用した例を示す図である。
【図１１】本発明を構造体としてのボルトに適用した例を示す図である。
【図１２】従来の燃焼圧センサ付きグロープラグの一般的な構造示す概略断面図である。
【図１３】図１２に示す構造おける燃焼圧の媒体要素を示す概略断面図である。
【図１４】図１３に示す構造をバネ系の等価モデルに置き換えた図である。
【符号の説明】
１…エンジンヘッド、１ｂ…取付穴、２００…プラグ本体部、
２５０…ガスケット、２５１…薄肉部、２５２…突出部、
３００…燃焼圧センサ、７００…スパークプラグ、８００…インジェクタ、９００…ボルト。

Claims

エンジン（１）に形成された取付穴（１ｂ）に対して一端側を挿入して固定される構造体（２００、７００、８００、９００）と、該構造体に取り付けられ該構造体に作用する燃焼圧に伴う力に基づいてエンジンの燃焼圧に対応した信号を出力する燃焼圧センサ（３００）とを備える燃焼圧センサ構造体において、
前記構造体と前記取付穴の内面との間には、前記取付穴の軸方向に弾性力を有し弾性変形することで前記燃焼圧を前記構造体へ伝達する弾性部材（２５０、２５１、２５２）が設けられており、
この弾性部材を介して、前記構造体と前記取付穴の内面とは、少なくとも前記取付穴の軸方向にて圧接されており、
前記燃焼圧センサは、リング状にて前記構造体の外周面に設けられたネジ部（２０１ａ、７０１ａ、８０１ａ、９０１ａ）にはめ込まれており、この燃焼圧センサは、固定用のナット（３１０）と台座（３４０）とにより圧電素子部（３２０）を狭持したものであることを特徴とする燃焼圧センサ構造体。
前記弾性部材は、前記構造体（２００、７００、８００、９００）を挿入するための中空穴を有する環状部材（２５０）であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ構造体。
前記環状部材の断面はアルファベットのＣ字状であることを特徴とする請求項２に記載の燃焼圧センサ構造体。
前記弾性部材は、前記構造体（２００）の一部を薄肉化した薄肉部（２５１）であり、この薄肉部と前記取付穴（１ｂ）の内面とが圧接されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ構造体。
前記弾性部材は、前記取付穴（１ｂ）の内面から該取付穴の軸方向と交差する方向へ突出する突出部（２５２）であり、この突出部と前記構造体（２００）とが圧接されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ構造体。
前記構造体は、前記取付穴（１ｂ）に対して軸回りに回転しつつ一端側を挿入することによりネジ結合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃焼圧センサ構造体。