JPS61196158A - 火炎面センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の点火時期を最高燃焼効率が得られる
時点に設定させるための燃焼状況チェッり手段としての
、点火プラグによる着火焔がシリンダ内の特定位置にま
で到達する時期を検知するための火炎面センサに関する
。

［従来の技術］ 従来の火炎面センサの構造は、ガソリンエンジン用点火
プラグのそれと基本的には共通しており、ニッケル基合
金製の細長い棒状をなす中心電極を高純度アルミナや窒
化珪素などからなるセラミック製の筒状絶縁体で被包し
、この絶縁体に接地電極を兼ねる鉄系金属製のナツト状
取付金具を外嵌して構成されていた。

そしてこの火炎面センサは点火プラグと共に燃焼室内部
に取付けられて、点火プラグの放電火花によって着火さ
せられた混合気の火焔が火炎面センサの検知部にまで到
達する時間を計り、この検知情報を基にして、点火プラ
グの放電時期がエンジンの燃焼効率を最も高めさせる時
期と合致するようにエンジンの燃焼制御装置を作動させ
ていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の如き構造と使途を有する火炎面センサは、エンジ
ンシリンダの燃焼室内に取付けられているので、燃焼を
妨げないように極力小型化することが望ましく、また腐
蝕性を有する燃焼ガスや不完全燃焼時に発生するカーボ
ンによって電極が早急に損耗したり、電極面にカーボン
粒が付着してセンサとしての感度が低下したりする現象
を極力防止しなければならない。更にエンジン始動時な
どのセンサ電極面が冷えている時にも、到達火炎が冷却
されて消滅することが起ってはならない。

本発明は上述の如き要件をすべて満足させることができ
、且つ極力簡単な製法によって安価に生産することがで
きる火炎面センサを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明の火炎面センサは、筒
状絶縁体と、該絶縁体の一方の筒口部に白金、イリジウ
ム、パラジウムなどの白金族またはこれらの合金などの
貴金属小片を絶縁体と一体焼成してなる中心電極と、前
記絶縁体の他方の筒口部に取付けられた該中心電極の端
子と、前記絶縁体の内空部に配設された前記中心電極と
端子との導通用導電体と、前記絶縁体に外嵌されて接地
電極を兼ねるセンサ取付金具と、前記絶縁体の外周面に
添着させた電気ヒータとを組合わせる構成を採用した。

［作用と発明の効果］ 上記の如き構成を備えた火炎面センサは、中心電極の組
立構造として、筒状絶縁体の一端部の筒口内周面に貴金
属小片を嵌入させた後、絶縁体と同時焼成処理を施すこ
とによって絶縁体が収縮し、堅固な電極取付は強度が容
易に得られる。そして筒状絶縁体の他端部の筒口に取付
けられた端子と中心電極とを電気的に導通させるために
、筒状絶縁体の内周面全体または軸方向に導通が得られ
るように部分的に白金またはタングステン、モリブデン
などの導電性ペーストの塗布焼成層を中心電極の取付は
時に同時的に形成させるか、または筒状絶縁体の内空部
に導通性物質の粉末を充填する方法を講することによっ
て、既述の如き従来の火炎面センサに組込まれていた棒
状中心電極は不要化してセンサ電極部の外形をコンパク
ト化できると共に、棒状中心電極の製作組付は工程が省
かれたことによって製造コストが低減する。

さらに筒状絶縁体の外周面には電気ヒータが添着されて
いるので、中心電極および筒状絶縁体に不完全燃焼ガス
中のカーボン粒子が付着し難く、センサとしての感度低
下が防止される。このカーボン沈積防止効果は、電気ヒ
ータの外側を熱遮断性筒体で被包することによってより
高められ、同時に電極面の冷却による到達火炎の冷却消
滅問題が解消される。またもちろん貴金属製中心電極の
採用によってセンサとしての感度が高められると共に、
その寿命を大巾に延長させる効果が得られる。

［実施例］ 以下に付図に示す実施例に基づいて本発明の火炎面セン
サの具体的な構成を説明する。

第１図は本発明による火炎面センサの軸方向中心線を境
にその一半部を断面によって示した側面図であって、１
は中心電極の取付は用基部としての筒状絶縁体であり、
高純度アルミナや窒化珪素などのセラミック材料で構成
され、その全長は火炎面センサの本体部分の全長にほぼ
等しい。２は筒状絶縁体１の一方の筒口部１ａに嵌着さ
せた小片状の中心電極であり、白金、イリジウム、パラ
ジウムなどの白金族またはこれらの合金などの貴金属か
らなる。３は筒状絶縁体１の他方の筒口部１ｂに同時焼
成や接着剤などによって取付けられた中心電極２の端子
である。４は筒状絶縁体１の内壁面に添着させた導電体
であって、被膜形成性バインダーに白金やタングステン
、モリブデンまたはその合金などの導電性物質の粉末を
混合して調製された白金ペーストあるいはタングステン
ペーストなどを内壁面に塗布法その他の方法で薄膜状に
被着させた後焼成して形成されている。５は端子３のリ
ード線である。６は電気ヒータであって可撓性を有する
シート状絶縁材にタングステン、モリブデンまたはその
合金などを混入した合成樹脂系の導電性インキで蛇行状
その他の任意のヒータ配線模様をパターン印刷すること
によって形成されている。１０は火炎面センサをエンジ
ンの燃焼室壁に取付けるために、筒状絶縁体１に外嵌固
着された鉄系金属などで作られた取付金具であって、１
０ａはスパナを係止させるためのナツト状部分、１０ｂ
は燃焼室壁に設けられた取付孔に螺着させるためのねじ
溝形成部分、１２は筒状絶縁体１と取付金具との係合面
に介在させた嵌合子、１１はこの係合面に施したシール
材、１３は端子３の取付部分のカバ一体、８と９は電気
ヒータ６への給電用の車載バッテリ電源への接続配線、
１４は配線用グロメットである。なお中心電極２と間隙
を隔てて対向する接地電極はシリンダーヘッドの嵌合孔
内壁などに形成することができる。

第２図は本発明による火炎面センサの第２の実施例を示
した第１図と同様な側面図であって、中心電極２とその
端子３との導通用導電体として、前記の金属薄膜の被着
層に代えて、導電性物質例えば鉄やニッケルなどの粉末
７を筒状絶縁体１の内空部に充填する方法が取られてい
る。図中の他の符号は第１図のそれと共通している。

第３図は本発明による火炎面センサの第３の実施例を示
した第１図と同様な側面図であって、１５は電気ヒータ
６を外周面に添着させた筒状絶縁体１の更に外側を被包
するようにして取付けられた、ステンレススチールなど
の耐熱性金属材料からなる熱遮断性筒体であり、図中の
他の符号は前記のそれと共通している。なお、前記筒体
１５は接地電極を兼ね備えることができ、先端には複数
の切溝１５ａが設けられている。

第４図は第１図に示された火炎面センサの中心電極２、
その端子３および筒状絶縁体１の組立工程の略解図であ
って、（イ）図に示された電気ヒータ６は絶縁体１に添
着される以前の半分展開された状態を描いている。（ロ
）図は絶縁体１の内周面に白金あるいはタングステンペ
ースト等の塗布層４が設けられた状態を示している。（
ハ）図は絶縁体１の両端筒口にそれぞれ貴金属の小円柱
状チップ（直径０．３〜１　、　ｏｍｍ　）からなる中
心電極２と、中心電極の端子３を嵌着させ、また絶縁体
１の内周面にヒータ線をパターン印刷した絶縁性シート
材からなる電気ヒータ６を巻きつけつつある状況を示し
ている。（ニ）図は焼成工程を終って中心電極２と端子
３とがそれぞれ焼成された白金ペースト層４を介して筒
状絶縁体１の内壁面に強固に接合されると共に、白金ペ
ーストの焼成層４が導電体の役目を果して中心電極２と
その端子３とを導通させている有様を示している。

第５図は第２図に示された火炎面センサの中心電極２、
その端子３および筒状絶縁体１の組立構造の略解図であ
って、（イ）図の６は半分展張された状態の電気ヒータ
、（Ｄ）図は筒状絶縁体１を示し、（ハ）図はこの筒口
に貴金属チップからなる中心電極２を嵌着すると共に筒
状絶縁体１の外周面に電気ヒータ６を添着させつつある
状況を示している。（ニ）図は前記（ハ）において電気
ヒータ６を添着した後焼成し、この筒状絶縁体１の細端
部１ｂの筒口から導電性物質粉末７が充填された後、筒
口に端子３が該導電性物質粉末１と導通するように接着
剤によって嵌着されて組立終った状態の縦断面を示して
いる。

第６図は本発明の火炎面センサとクランク角センサとが
組込まれた自動車エンジンのシリンダ側断面図を含むエ
ンジンの燃焼制御回路図であって、Ａはエンジンのシリ
ンダヘッド、Ｂは点火プラグ、２０は本発明の火炎面セ
ンサとしてのイオンプローブであり、Ｃはピストンロッ
ド、Ｄはクランクシャフト、ＥはクランクシャフトＤに
取付けられたクランク角検出用回転盤、２５はクランク
角センサである。２１はイオンプローブ２０にパルス電
圧を印加させるための発振回路、２２はそのドライブ回
路である。２３は火炎面センサの両電極間に生じた放電
電流の検出回路であり、放電発成回路のカウント回路が
含まれている。

２４は分析回路であって、クランク角センサ２５の制御
回路２６および検出回路２３からの入力を受は入れる。

２７は点火信号処理回路、２８は点火プラグＢへのディ
ストリビュータである。２９はエンジン排気の再循環シ
ステム用の信号比較回路、３０は燃料インジェクタ、３
１は排ガス循環量の調節用バルブ、Ｆはインレットパイ
プ、Ｇはエキゾーストパイプである。

次に上記の如き構造を備えた火炎面センサの製造方法と
その機能についての説明に移る。

火炎面センサの役割は既に従来技術の項で述べたように
、エンジンシリンダの燃焼室内に点火プラグから任意の
距離を隔てて設置され、点火プラグの火花放電によって
発生した火炎がこのセンサに到達した時に火炎中に存在
する荷電粒子の電荷を電気信号としてとらえて火炎の到
達時期を検知することにあるので、火炎中のこの微弱電
荷を敏感にキャッチできる必要がある。しかし燃焼室内
には金属を腐蝕させやすい様々な燃焼生成物が発生する
うえに高温下に晒されているので、電荷をとらえるため
のセンサの中心電極の材質は極力化学的に不活性であっ
て表面の電気伝導度の経時劣化が起り難く、且つ電気伝
導性のすぐれた白金などの貴金属であることが望ましい
。もちろんこれらの貴金属は極めて高価なので従来の棒
状中心電極では電荷をとらえる電極の先端面のみに限っ
て小片状の貴金属を溶接させていたが、本発明ではこの
わずられしくまた加工コストのかさむ組立工法を排除す
べく、棒状中心電極の本体部分は完全に取り除いてしま
い負金属の小片部分そのものを中心電極２として機能す
るように構成したのである。貴金属の小片からなる中心
電極２を火炎面センサに組付ける方法としては、先ずセ
ンサの主体部分である筒状絶縁体１の一方の筒口部１ａ
の内周面に白金やタングステンなどの導電性物質の粉末
と被膜形成性バインダーが配合された白金ペーストある
いはタングステンペーストなどを塗布した後、この筒口
部１ａに白金などからなる中心電極２を嵌着させるかあ
るいは直接筒口部に中心電極２を嵌入させ、次いで絶縁
体と同時焼成処理を施す。

かくして中心電極２は白金ペースト等の焼結層を介しで
あるいは絶縁体の内壁と直接にあたかもろう付は接合が
行われたように極めて強固に筒状絶縁体１の一方の端面
に取付けられる。

筒状絶縁体１の他方の筒口部１ｂにかしめ法などよって
取付けられた中心電極２の端子３と中心電極２とを電気
的に導通させるための方法としては、上記の白金ペース
トあるいはタングステンペーストなどを中心電極２の取
付けのために塗布する際に、筒状絶縁体１の筒口部１８
部分だけに限らず、筒内周面全面に塗布した後、両筒口
部１ａと１ｂにそれぞれ中心電極２とその端子３を嵌着
させたうえ、焼成処理を施せば筒内周面に白金ペースト
等が焼結付着して生成した薄膜状の導電体４が形成され
る（第４図参照）。また中心電極２とその端子３とを電
気的に導通させるための導電体の別の形成方法としては
、中心電極２を筒状絶縁体１の一方の筒口部１ａに同時
焼成によって取付けた後、他方の筒口部１ｂから、鉄や
ニッケルなどの金属その他の導電性物質の粉末としての
導電体７を絶縁筒内に流し込ませて充填し、他方の筒口
部１ｂに端子３を導電体７に接続するように接着剤を用
いて接着する。これらの導電体４および７は中心電極２
に接触して捕えられた荷電粒子の極めて微弱な電荷を端
子３に伝達する役目を果せば足りるので、従来の火炎面
センサに組込まれていた如き、比較的径の太い大げさな
棒状中心電極は本来不要であったはずであり、このよう
な棒状中心電極が取り除かれたことによって筒状絶縁体
１の内径および外径を大巾に縮小させることが可能にな
って、火炎面センサの小形化という本発明の一つの目的
が達成される。

一方、白金などの貴金属小片を卑金属に溶接させること
は技術的にむずかしく、エンジンの燃焼室内の如き高温
下では溶接面が剥離する恐れがあるが、本発明による火
炎面センサでは、貴金属中心電極２は溶接によらない、
より強い接合強度が得られしかもより簡易に取付けを行
うことができる全く新規な接合法によって組付けられて
いるので、使用上の信頼性と耐久性を大巾に高められる
と共にコストの低減が可能となる。

また本発明の火炎面センサは、シート状絶縁材料に導電
性インキを用いてヒータ配線のパターンを印刷した構成
を備えた電気ヒータ６によって筒状絶縁体１が被包され
ており、さらに必要に応じてこの電気ヒータ６の外周を
ステンレススチール板などからなる熱遮断性筒体１３で
被覆する構造がとらているので、燃料の不完全燃焼によ
って発生したカーボン粒子が電極面や絶縁体に付着沈積
することが阻止されて、センサの感度低下が防止される
と共に、冷たい電極面に触れた火炎が冷却消炎させられ
てセンサ機能が失われるという重大な不都合を避けるこ
とができる。

上記の実施例では筒状絶縁体１の内周面に導電体として
の金属ＷＪ４を形成させる方法として、白金ペースト等
を塗布焼成する方法が述べられているが、その他にも化
学メッキ法、電気メツキ法、各種の蒸着法などの公知の
金属薄膜生成技術を流用してこの電導体４を形成させる
ことができる。

また電気ヒータ６の構造としては、上記実施例に示した
導電性インキをパターン印刷したシート状材に限らず、
筒状絶縁体１に直接ヒータ配線模様を印刷してもよいし
、フィラメント状の電気抵抗発熱体を筒状絶縁体１に巻
きつけるなど適宜に工夫すればよい。

次に本発明の火炎面センサによってエンジンの燃焼制御
を行う方法について第６図を参照しながら説明すると、
発振回路２１で発生させたパルス巾１〜５μｓｅｃ　Ｓ
電圧３〜６ｋＶのパルス電圧はドライブ回路２２を経て
イオンプローブ２０の中心電極１に印加されると、既述
の如く点火プラグＢ位置で発生した火炎の前面がイオン
プローブ２０（第３図参照）に到達するとその電極間の
イオンギャップ１６部で放電が始まるので、この放電電
流は発振回路２１で生じたパルス信号と共に検出回路２
３へ入力される。そして放電の確率が１７２に到達した
時点をイオンプローブ２０への火炎面の到達時期として
とらえ、分析回路２４にこのことを報知する。分析回路
２４にはクランク角センサ２５によって検出されたクラ
ンクの位置情報がクランク角センサの制御回路２６を経
て送入されているので、火炎面到達時点にクランク位置
、別言すればクランク角、そしてこのクランク角によっ
て規定されるシリンダ内のピストン位置がエンジンの燃
焼効率を最高に保つための最適位置にあったか否かがチ
ェックされ、もし最適位置からずれていれば、このずれ
を修正すべく点火信号処理回路２７に情報を伝達し、こ
の回路で判所された点火時期に基づいてディストリビュ
ータ２８が点火プラグＢに放電電流を分配する。

一方、分析回路２４への入力は信号比較回路２９にも届
けられ、ここで燃料インジェクタ３０の制御指令が発せ
られると共に、排ガス再循環システムが組込まれている
場合は、排ガス遠流量調節用バルブ３１の開度制御も行
われる。またカーボン汚損を防止するために（回路を省
略するが）、電気ヒータ６に電源より電圧が印加されて
絶縁体の先端部が約６００℃程度になるようセンサ検出
する常時あるいはカーボン汚損が発生する運転状態のみ
加熱が行われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による火炎面センサを一部断面によって
示した側面図、第２図は本発明の第２実施例を示した第
１図と同様な側面図、第３図は本発明の第３の実施例を
示した第１図と同様な側面図、第４図は第１図に示され
た中心電極の組立構造についての組立工程図、第５図は
第２図に示された中心電極の組立構造についての組立工
程図、第６図は本発明による火炎面センサを用いてエン
ジンの燃焼制御を行う方法を示した燃焼制御回路図であ
る。 図中　１・・・筒状絶縁体　２・・・貴金属製の中心電
極　３・・・中心電極端子　４・・・白金ペースト等の
塗布焼成層　６・・・電気ヒータ　７・・・導電性物質
粉末１０・・・取付金具

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　イリジウム、パラジウムなどの白金族またはこれ
   らの合金などの貴金属小片を絶縁体と一体焼成してなる
   中心電極と、前記絶縁体の他方の筒口部に取付けられた
   該中心電極の端子と、前記絶縁体の内空部に配設された
   前記中心電極と端子との導通用導電体と、前記絶縁体に
   外嵌されて接地電極を兼ねるセンサ取付金具と、前記絶
   縁体の外周面に添着させた電気ヒータとを組合わせてな
   る火炎面センサ。 ２）　前記導電体が、前記筒状絶縁体の内周面に被着形
   成させた金属層であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の火炎面センサ。 ３）　前記金属層が、白金やタングステンなどの導電材
   の粉末を主材とする被膜形成性ペーストの塗布焼成層か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の火
   炎面センサ。 ４）　前記導電体が、前記筒状絶縁体の内空部に充填さ
   れた導電性物質の粉末であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の火炎面センサ。 ５）　前記電気ヒータが、可撓性絶縁材に導電性を有す
   る皮膜形成材をパターン印刷して形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かに記載の火炎面センサ。 ６）　前記筒状絶縁体の外周面が熱遮断性筒体によって
   被包されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第５項のいずれかに記載の火炎面センサ。