(57)【要約】  【課題】  圧電素子にかかる応力を均一にすることで揺れ方向の力によって発生するノイズを低減することができる燃焼圧センサおよびそれを備えたグロープラグを提供する。  【解決手段】  圧電素子２４０，２４５はケース２５０内で上面２５１より予荷重をかけられて収容されている。電極板２３０，２３５の端子部２３１，２３６をケース２５０の外方に取り出すためのスリット２５５を、上面２５１から外周面２５３に連続するように形成した。さらに、軸線Ｏと直交する平面にケース２５０を投影したときに、軸線Ｏの位置からスリット２５５に向かう方向と反対の方向に、スリット２５５と同形状のスリット２５６を形成した。これにより軸線Ｏを含むどの方向の断面においても、軸線Ｏを中心とする左右において上面２５１の有無の状態が同じとなり、圧電素子２４０，２４５にかかる予荷重は均一になる。【選択図】  図２
2006307834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼圧を検出するための燃焼圧センサであって、
自身に加わる応力の変化を検知する圧電素子と、
前記圧電素子を支持する支持部と、
軸線方向に延びる棒状をなし、燃焼圧の変動に伴い前記支持部に対して相対的に前記軸線方向に変位可能な圧力伝達部材と、
前記支持部との間で前記圧電素子を圧縮するように予荷重を加えると共に、前記圧力伝達部材の変位に伴って前記軸線方向に変位する押圧部と、
前記支持部と前記押圧部との間に介在され、前記圧電素子によって検知される応力の変化を電気信号として出力するための電極と
を備え、
前記押圧部または前記支持部の一方には、
外部回路と前記電極との電気的な接続を行うための信号線を外方に引き出すための第１開口部と、
前記第１開口部とは異なる少なくとも一つ以上の第２開口部と
がそれぞれ形成されていることを特徴とする燃焼圧センサ。
【請求項２】
前記押圧部または前記支持部のうち前記第１開口部が形成された側の部位を前記軸線と直交する平面に投影して見たとき、
前記軸線を含み、前記軸線から前記第１開口部に向かう方向と直交する直線を境とし、前記第１開口部側の領域とは反対側の領域に、前記第２開口部が形成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。
【請求項３】
前記押圧部または前記支持部のうち前記第１開口部が形成された側の部位を前記軸線と直交する平面に投影して見たとき、
前記軸線を通り、前記軸線から前記第１開口部に向かう方向を含む直線と、
その直線に直交し、前記軸線を通る直線と
のいずれの直線を中心としても、前記押圧部または前記支持部のうちの前記第１開口部が形成された側の部位の形状がそれぞれ左右対称となるように、前記第１開口部および前記第２開口部が形成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。
【請求項４】
前記押圧部または前記支持部のうち前記第１開口部が形成された側の部位を前記軸線と直交する平面に投影して見たとき、
前記軸線から前記第１開口部または前記第２開口部のうちの任意の開口部に向かう方向とは反対の方向に、その開口部と対となる同形状の開口部が形成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。
【請求項５】
軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、
前記軸孔に挿通され、前記軸線方向に沿って移動可能に、前記主体金具に保持される中軸と、
先端側に発熱体を配置し、後端側が前記中軸の先端に固定されたヒータ部材と、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼圧センサと
を備えたグロープラグにおいて、
前記燃焼圧センサの前記圧力伝達部材は前記中軸をなし、当該中軸の後端側に前記押圧部が設けられ、前記支持部は自身の内部に前記押圧部と前記圧電素子と前記電極とを収容した状態で前記主体金具の後端側に設けられ、前記支持部に前記第１開口部および前記第２開口部が形成されたことを特徴とするグロープラグ。
【請求項６】
軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、
前記軸孔に挿通され、前記軸線方向に沿って移動可能に、前記主体金具に保持される中軸と、
先端側に発熱体を配置し、後端側が前記中軸の先端に固定されたヒータ部材と、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼圧センサと
を備えたグロープラグにおいて、
前記燃焼圧センサの前記支持部は前記主体金具の後端側に設けられ、前記圧力伝達部材は前記中軸をなし、前記押圧部は前記支持部との間で前記圧電素子に予荷重を加えた状態で前記中軸の後端側に設けられ、前記押圧部に前記第１開口部および前記第２開口部が形成されたことを特徴とするグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼圧の変化を検知するための燃焼圧センサ、およびその燃焼圧センサを一体に備え、内燃機関の始動を補助するグロープラグに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動を補助するためのグロープラグに、内燃機関の燃焼圧を検知するための燃焼圧センサを一体に備えたものが知られている。このようなグロープラグでは、先端側に設けられた通電により発熱するヒータ部材が燃焼室内に露出され、このヒータ部材に作用する燃焼圧が、中軸を介し、燃焼圧を検知する圧電素子（感圧素子）に伝達される。圧電素子は、グロープラグの後端側で、筒状のケース（ハウジング）内に予荷重をかけられた状態で収容されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この圧電素子に伝達される燃焼圧に基づく力は、グロープラグの軸線方向に延びる中軸を介するため、グロープラグの軸線方向に作用する。一方で、グロープラグが組み付けられる内燃機関自体の振動に基づく揺れにより、軸線と直交する方向の成分を有する力が中軸に加わると、グロープラグの軸線方向に対し中軸が傾いて振動してしまう場合がある。すると圧電素子には燃焼圧に基づく力に、本来の燃焼圧の作用を受ける方向とは異なる方向からの力が重畳されてかかるため、これがノイズとなってセンサ出力に影響が生ずる場合がある。
【０００４】
こうしたノイズの影響を低減するには、特許文献１のように、中軸に鍔付きのスリーブ（外方突出部材）を一体に設け、リング状の圧電素子の内孔に中軸を挿通し、スリーブの鍔部とケースの内壁の先端向き端面との間で圧電素子に予荷重をかける構成とする。このようにすれば、例えば、揺れ方向の力により、圧電素子のうち軸線を含み揺れ方向に垂直な平面を境とする片側に圧縮方向の力がかかり正の電荷が発生し、反対側に圧縮方向とは反対向きの伸長方向の力がかかり負の電荷が発生したとしても、この揺れ方向の力によって発生した電荷は前記平面を境とした一方と他方とで等量となるので相殺でき、圧電素子内で両電荷を打ち消し合うことができ、燃焼圧に基づく力のみを検出することができる。
【特許文献１】特開２００４−２７８９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようなグロープラグの燃焼圧センサでは、そのケースの一部に圧電素子の出力を取り出すためのスリット状の開口部が設けられ、ケースの外側で信号線と接続され、グロープラグの外部回路に電気的に接続される構成を有する。上記のように圧電素子はスリーブの鍔部とケースの内壁の先端向き端面との間で予荷重がかけられるが、その先端向き端面のうちの開口部が設けられた部分や、同じくその先端向き端面のうちの軸線から径方向外周へ向かってケース側壁に設けられた開口部へ続く部分では、開口部の存在のためにケースの剛性が低下した状態にある。このように部分的に剛性が低下してケース全体の剛性が不均一な状態であると、ケースの内壁の先端向き端面によって圧電素子へかけられる予荷重も不均一となりうる。そのため、揺れ方向の力がかかったときに、圧電素子のうち、前記平面を境とした一方と他方とで生じる電荷の絶対量に差異が生じてしまい、この差異がノイズの原因となることが懸念される。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、圧電素子にかかる応力を均一にすることで揺れ方向の力によって発生するノイズを低減することができる燃焼圧センサおよびそれを備えたグロープラグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の燃焼圧センサは、内燃機関の燃焼圧を検出するための燃焼圧センサであって、自身に加わる応力の変化を検知する圧電素子と、前記圧電素子を支持する支持部と、軸線方向に延びる棒状をなし、燃焼圧の変動に伴い前記支持部に対して相対的に前記軸線方向に変位可能な圧力伝達部材と、前記支持部との間で前記圧電素子を圧縮するように予荷重を加えると共に、前記圧力伝達部材の変位に伴って前記軸線方向に変位する押圧部と、前記支持部と前記押圧部との間に介在され、前記圧電素子によって検知される応力の変化を電気信号として出力するための電極とを備え、前記押圧部または前記支持部の一方には、外部回路と前記電極との電気的な接続を行うための信号線を外方に引き出すための第１開口部と、前記第１開口部とは異なる少なくとも一つ以上の第２開口部とがそれぞれ形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の燃焼圧センサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記押圧部または前記支持部のうち前記第１開口部が形成された側の部位を前記軸線と直交する平面に投影して見たとき、前記軸線を含み、前記軸線から前記第１開口部に向かう方向と直交する直線を境とし、前記第１開口部側の領域とは反対側の領域に、前記第２開口部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明の燃焼圧センサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記押圧部または前記支持部のうち前記第１開口部が形成された側の部位を前記軸線と直交する平面に投影して見たとき、前記軸線を通り、前記軸線から前記第１開口部に向かう方向を含む直線と、その直線に直交し、前記軸線を通る直線とのいずれの直線を中心としても、前記押圧部または前記支持部のうちの前記第１開口部が形成された側の部位の形状がそれぞれ左右対称となるように、前記第１開口部および前記第２開口部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明の燃焼圧センサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記押圧部または前記支持部のうち前記第１開口部が形成された側の部位を前記軸線と直交する平面に投影して見たとき、前記軸線から前記第１開口部または前記第２開口部のうちの任意の開口部に向かう方向とは反対の方向に、その開口部と対となる同形状の開口部が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に係る発明のグロープラグは、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、前記軸孔に挿通され、前記軸線方向に沿って移動可能に、前記主体金具に保持される中軸と、先端側に発熱体を配置し、後端側が前記中軸の先端に固定されたヒータ部材と、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼圧センサとを備えたグロープラグにおいて、前記燃焼圧センサの前記圧力伝達部材は前記中軸をなし、当該中軸の後端側に前記押圧部が設けられ、前記支持部は自身の内部に前記押圧部と前記圧電素子と前記電極とを収容した状態で前記主体金具の後端側に設けられ、前記支持部に前記第１開口部および前記第２開口部が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６に係る発明のグロープラグは、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、前記軸孔に挿通され、前記軸線方向に沿って移動可能に、前記主体金具に保持される中軸と、先端側に発熱体を配置し、後端側が前記中軸の先端に固定されたヒータ部材と、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼圧センサとを備えたグロープラグにおいて、前記燃焼圧センサの前記支持部は前記主体金具の後端側に設けられ、前記圧力伝達部材は前記中軸をなし、前記押圧部は前記支持部との間で前記圧電素子に予荷重を加えた状態で前記中軸の後端側に設けられ、前記押圧部に前記第１開口部および前記第２開口部が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載したように、押圧部または支持部の一方は第１開口部とは異なる第２開口部を備える。前述の通り、押圧部もしくは支持部に第１開口部を形成すると、この第１開口部の存在によって押圧部もしくは支持部の剛性が部分的に低下し、圧電素子にかかる予荷重が不均一な状態となりうる。そこへ揺れ方向の力がかかると、軸線を含む平面を境として区切られた圧電素子の一方と他方とのそれぞれで発生する正の電荷と負の電荷との絶対量が異なってしまうが、第２開口部を設けたことによって、その量を等しくすることができる。したがって、本発明の燃焼圧センサは揺れ方向の力を受けたとしても、その揺れによって生じるノイズを低減することができる。
【００１４】
このように第２開口部を設ける場合は、請求項２に記載するように、押圧部もしくは支持部において第１開口部を有する領域に対し、軸線から第１開口部に向かう方向と直交し軸線を含む直線を境とする反対側の領域に第２開口部を設けるとよい。この構成とすれば、第１開口部が形成された側の領域と、第２開口部が形成された側の領域とのそれぞれの領域によって圧電素子に与えられる荷重のバランスを等しくすることができる。つまり、一方の領域に剛性の低い部分と高い部分とが存在することで圧電素子にかけられる予荷重がその領域内では不均一となるが、これに対応する上記反対側の領域でも同様に予荷重が不均一となるようにしたことで、両領域で見た場合、正と負の電荷の絶対量を等しくすることができる。従って、燃焼圧センサに揺れが加わってもその揺れによるノイズの発生を低減することができる。
【００１５】
上記のようにケースの剛性の低下の度合いを等しくする手段としては、請求項３に記載する構成としてもよい。軸線を通り、軸線から第１開口部に向かう方向を含む直線と、その直線に直交し軸線を通る直線とは、投影平面上において軸線位置を交点とした二直線を描いたものである。この二直線のいずれに対しても左右対称となるようにしているので、ケースの剛性の低下の度合いを、より均一に等しくすることができ、揺れ方向から力がかかってもその力によって圧電素子に生じる正と負の電荷の絶対量を等しくすることができる。したがって、燃焼圧センサの揺れによって発生するノイズの低減ないしは発生の抑制が可能となる。
【００１６】
また、請求項４に記載する構成としてもよい。すなわち、軸線と直交する平面に投影して見たケースにおいて、軸線から第１開口部または第２開口部のうちの任意の開口部と、軸線位置を中心とした反対側に対となる同形状の開口部とを形成する。このようにすれば軸線を含む任意の断面で燃焼圧センサを見た場合に、その断面において、軸線を中心とした左右に位置する圧電素子の部分には、同一の予荷重が与えられることとなる。このため、揺れ方向の力によって圧電素子に発生する正と負の電荷の絶対量を同等にすることができ、燃焼圧センサに揺れが加わってもその揺れによるノイズの発生を低減することができる。
【００１７】
ところで本発明では、押圧部または支持部のうち第１開口部が形成された側の部位を軸線と直交する平面に投影して見た場合において、第１開口部や第２開口部が形成された領域や形成位置について規定した。このような規定は便宜上行ったものであり、必ずしも第１開口部や第２開口部がその平面上に投影されている必要はない。すなわち、軸線方向に沿って押圧部または支持部を見た場合に、第１開口部や第２開口部が目視できる位置に形成されていなくともよく、例えば、第１開口部や第２開口部が押圧部または支持部の側面に設けられていてもよい。
【００１８】
また、請求項５に係る発明のグロープラグは、主体金具の後端側に支持部を設け、その支持部の内部に、圧力伝達部材としての中軸の後端側に設けた押圧部と、圧電素子と、電極とを収容した形態の燃焼圧センサを備えたものである。すなわち燃焼圧に応じた中軸の変位に伴って押圧部が変位し、その押圧部と支持部との間で圧電素子に加えられた予荷重が増加または減少することで生ずる正または負の電荷の量の総量を、燃焼圧の大きさとして得るものである。ところで、グロープラグは内燃機関に直接取り付けられるものであり、内燃機関の駆動に伴う振動によって揺れの作用を受ける。そこで燃焼圧センサとして請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼圧センサを用いれば、支持部内に収容した電極に接続した信号線を第１開口部を介して支持部外に取り出す構成において揺れによるノイズの発生を低減することができ、燃焼圧の検知を感度良く行うことができる。また、グロープラグは燃焼室内に露出するヒータ部材によって点火補助を行うが、このヒータ部材に中軸を機械的に結合し、その中軸を介しヒータ部材が受けた燃焼圧に基づく応力の変化を燃焼圧センサで検知する構成とすることで、点火補助用のヒータと、燃焼圧センサとをそれぞれ組み付ける場所を設ける必要がなく、内燃機関の小型化を図ることができる。
【００１９】
一方、請求項６に係る発明のグロープラグは、主体金具の後端側に設けた支持部と、中軸の後端側に設けた押圧部との間で圧電素子に加えた予荷重が、燃焼圧に応じた中軸の変位に伴って押圧部が変位することで減少し、このとき生ずる電荷の量を燃焼圧の大きさとして得る形態の燃焼圧センサを備えたものである。このグロープラグのように押圧部側に信号線を取り出す第１開口部を設けた構成においても請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼圧センサを用いれば、上記同様、揺れによるノイズの発生を低減することができ、燃焼圧の検知を感度良く行うことができる。そして上記同様に、この燃焼圧センサと点火補助のヒータ部材とを一体にした構成とすることで内燃機関の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した燃焼圧センサおよびそれを備えたグロープラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態のグロープラグ１００の全体の構造について説明する。図１は、グロープラグ１００の部分断面図である。なお、軸線Ｏ方向において、セラミックヒータ２０の配置された側（図１における下側）をグロープラグ１００の先端側として説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態のグロープラグ１００は、例えばディーゼルエンジンの燃焼室に取り付けられ、エンジン始動時の点火を補助する熱源として利用される。主体金具４０の先端側にはセラミックヒータ２０が軸線Ｏ方向に保持されており、主体金具４０の軸孔４３内を挿通される中軸３０と機械的に接続されている。セラミックヒータ２０は燃焼室内に露出され、燃焼圧により作用される力を受けると、中軸３０を介し、その力が主体金具４０の後端側に設けられた燃焼圧センサ２００に伝達される構成となっている。
【００２２】
セラミックヒータ２０は丸棒状をなし、先端部２２が曲面状に加工された絶縁性セラミックからなる基体２１の内部に、導電性セラミックからなる発熱素子２４が埋設された構造を有する。セラミックヒータ２０の後端部２３の外周には、発熱素子２４に電圧を印加するための２つの電極２５，２６が、互いに軸線方向にずれた位置に設けられている。このセラミックヒータ２０は、その胴部分の外周を取り巻くように、円筒状の筒状体８０に保持されている。電極２５，２６のうち先端側に形成された電極２５は、筒状体８０の筒孔内で筒状体８０に接触し、電気的に接続されている。そして電極２６は筒状体８０とは接触されておらず、電気的に絶縁されている。なお、セラミックヒータ２０が、本発明における「ヒータ部材」に相当し、発熱素子２４が、本発明における「発熱体」に相当する。
【００２３】
筒状体８０は金属製の部材からなり、後端側には肉厚の鍔部８１が形成されている。その鍔部８１の後端には段状の係合部８２が形成され、円筒状をなす主体金具４０の先端部４１の内周が、この係合部８２に係合される。この係合の際には、セラミックヒータ２０の軸と、主体金具４０の軸とが軸線Ｏに一致する。この状態で、セラミックヒータ２０の筒状体８０よりも後端側の部分は主体金具４０の内部に収容され、主体金具４０が筒状体８０の係合部８２によって位置決めされるため、セラミックヒータ２０の後端部分に設けられた電極２６が金属製の主体金具４０には接触しない構造となっている。
【００２４】
主体金具４０は、軸線Ｏ方向に貫通する軸孔４３を有する長細い筒状の金属部材であり、胴部４４の略中央に、グロープラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド（図示外）に取り付けるための雄ねじ部４２が形成されている。また、胴部４４の後端には、エンジンヘッドへの取り付けの際に使用される工具が係合する、軸線断面六角形状の工具係合部４６が形成されている。この工具係合部４６の後端側には、燃焼圧センサ２００を主体金具４０に固定するため、後方に段状に突出した軸線に垂直な断面が円形の基端部４５が設けられている。
【００２５】
中軸３０は、軸線Ｏ方向に延びる鉄系素材（例えばＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼）からなる金属棒であり、主体金具４０の軸孔４３内に挿通される。中軸３０の先端部３２はセラミックヒータ２０の後端部２３に、接続リング２８を介して機械的に結合されている。そしてセラミックヒータ２０の後端部２３の電極２６は接続リング２８の筒孔内壁に接触しており、中軸３０と電気的に接続されている。前述したように、主体金具４０と中軸３０とは空隙をもって電気的に絶縁されており、両者それぞれがセラミックヒータ２０の発熱素子２４に電圧を印加するための電極２５，２６に電気的に接続した電極として機能する。また、中軸３０の後端には雄ねじ部３４が形成されており、この雄ねじ部３４にはセラミックヒータ２０に通電するための外部回路との電気的な接続を行う接続端子５０が螺合されている。
【００２６】
次に、図２〜図５を参照して、燃焼圧センサ２００について説明する。図２は、燃焼圧センサ２００付近を拡大したグロープラグ１００の断面図である。図３は、燃焼圧センサ２００の分解斜視図である。図４は、図２の２点鎖線Ａ−Ａにおいて矢視方向からみたケース２５０の上面２５１付近の平面図である。図５は、図２における矢印Ｂ方向からみたケース２５０付近の側面図である。
【００２７】
図２，図３に示すように、燃焼圧センサ２００は軸線Ｏ方向に延びる中軸３０の後端部分には筒状の胴部２１１の中央より先端側寄りの位置に鍔部２１２が形成されたスリーブ２１０が係合され、胴部２１１の後端にて中軸３０に溶接されている。スリーブ２１０の鍔部２１２より先端側には絶縁チューブ２１５が嵌められ、鍔部２１２側から順に先端側に向けて胴部２１１を取り巻くように、絶縁部材２２０，電極板２３０，圧電素子２４０が配置されている。また同様に、胴部２１１の鍔部２１２より後端側には絶縁チューブ２１６が嵌められ、鍔部２１２側から順に後端側に向けて絶縁部材２２５，電極板２３５，圧電素子２４５が配置されている。絶縁部材２２０，２２５、電極板２３０，２３５および圧電素子２４０，２４５はリング状に形成され、内周に挿通されるスリーブ２１０の胴部２１１とは、それぞれ上記絶縁チューブ２１５，２１６により絶縁されている。なお、スリーブ２１０単体、もしくは、スリーブ２１０と中軸３０との接合体が、本発明における「圧力伝達部材」に相当する。また、スリーブ２１０の鍔部２１２が、本発明における「押圧部」に相当する。
【００２８】
圧電素子２４０，２４５は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、内周にスリーブ２１０の胴部２１１が挿通されるリング状の素子で、その厚み方向、すなわち燃焼圧センサ２００に組み付けられた場合の軸線Ｏ方向に分極されている。圧電素子２４０は、軸線Ｏ方向に圧縮される応力を受けると、主体金具４０の基端部４５側の面２４２に負電荷を発生し、電極板２３０側の面２４１に正電荷を発生するように配置されている。また、圧電素子２４５も同様に、軸線Ｏ方向に圧縮される応力を受けると、ケース２５０の上面２５１側の面２４６に正電荷を発生し、電極板２３５側の面２４７に負電荷を発生するように配置されている。
【００２９】
電極板２３０，２３５は、それぞれ、圧電素子２４０，２４５の面２４１，２４６に発生した電荷が導出されるリング状の電極である。外部回路との電気的な接続を行うための信号線２９０の芯線２９１を接続するための端子部２３１，２３６が、軸線Ｏと直交する方向に引き出されるように、電極板２３０，２３５それぞれの縁部分より突設されている。燃焼圧センサ２００が組み立てられた際には、折曲された端子部２３１，２３６に芯線２９１が接合され、信号線２９０を介して圧電素子２４０，２４５の各面２４１，２４７が外部回路と電気的に接続される。なお、電極板２３０，２３５が、本発明における「電極」に相当する。
【００３０】
絶縁部材２２０，２２５は、アルミナセラミックならなるリング状のスペーサである。それぞれ電極板２３０，２３５とスリーブ２１０の鍔部２１２とが絶縁されるように設けられている。
【００３１】
ケース２５０は筒状の金属部材から形成され、一端側の基部２５２は外径が縮径されており、この基部２５２が主体金具４０の基端部４５の側面にレーザ溶接され、主体金具４０とケース２５０とが一体にされる。ケース２５０の他端側には、ケース２５０内に収容する圧電素子２４０，２４５に予荷重をかけるため軸線Ｏ方向と直交する上面２５１が形成されている。この上面２５１からケース２５０の外周面２５３（図３参照）にかけて、電極板２３０，２３５の端子部２３１，２３６をケース２５０外に引き出すためのスリット２５５，２５６と、中軸３０が挿通されるための開口部２５８とが形成されている。なお、ケース２５０が、本発明における「支持部」に相当する。
【００３２】
図４に示すように、平面視、ケース２５０の上面２５１には、軸線Ｏの位置を中心として中軸３０およびスリーブ２１０の胴部２１１が挿通される円形の開口部２５８が開口されている。また、軸線Ｏの位置より、軸線Ｏと直交する一方向（図４における−Ｘ方向）に向けて所定幅のスリット２５５が形成されており、このスリット２５５は、図５に示すように、ケース２５０の外周面２５３に連続するようにして、その外周面２５３において軸線Ｏ方向に形成されている。なお、スリット２５５が、本発明における「第１開口部」に相当する。
【００３３】
また、図４に示すように、軸線Ｏの位置より、軸線Ｏと直交する上記一方向とは１８０度反対の方向（図４における＋Ｘ方向）に向けて、スリット２５５と同形状のスリット２５６が形成され、上記同様ケース２５０の外周面２５３に連続して開口されている。すなわちスリット２５５とスリット２５６とは、図４に示すように、ケース２５０を軸線Ｏと直交する平面に投影して見た場合（図２におけるＡ−Ａ断面に投影して見た場合）に、図４におけるＹ軸を中心として線対称に形成され、かつ、Ｘ軸を中心として線対称に設けられている。つまり、スリット２５５とスリット２５６とは、軸線Ｏと直交する平面に投影したとき、軸線Ｏの位置を中心とする対称形となる位置に形成されている。なお、スリット２５６が、本発明における「第２開口部」に相当する。
【００３４】
このようにケース２５０に形成されたスリット２５５，２５６は、一方（本実施の形態ではスリット２５５）が、電極板２３０，２３５の端子部２３１，２３６をケース２５０外に引き出すための開口部として形成されており、他方が、ケース２５０からの予荷重が均等に圧電素子２４０，２４５に加えられるようにするためのダミーの開口部として形成されている。
【００３５】
図２に示すように、圧電素子２４０，２４５等を収容したケース２５０は、その外方を円筒状のカバー体２８０により覆われ保護されている。カバー体２８０は、一方の端部２８２が主体金具４０の基端部４５に溶接されており、他端側は開放されている。また、端子部２３１，２３６に接続された信号線２９０の先端を固定するように、信号線２９０が配置される部分の外径が膨らむように形成されている。そして、このカバー体２８０の内部には樹脂２８５が充填されており、カバー体２８０の内部への水分や油などの進入が防止され、燃焼圧センサ２００の本体が保護されるとともに、信号線２９０が固定されている。なお、この信号線２９０の固定は、信号線２９０の外周を金属製のリング状の部材で加締め、そのリング状の部材をカバー体２８０に溶接することによって、より強固に固定することも可能である。
【００３６】
このような構造を有する燃焼圧センサ２００を備えたグロープラグ１００において、燃焼圧を検知する動作について、以下、図６を用いて説明する。図６は、燃焼圧により作用される力が伝達された場合において圧電素子２４０，２４５に発生する電荷の状態を示す模式図である。なお、図６では、軸線Ｏと、図４に示すＹ軸とを通る燃焼圧センサ２００の断面の模式図を用いて説明する。
【００３７】
エンジンが稼働していないときには、エンジンの振動などによる揺れが生じておらず、また燃焼室からの燃焼圧により作用される力が中軸３０にかかることはない。このため中軸３０に変位は生じず、圧電素子２４０，２４５は予荷重Ｌがかけられた状態で変形を生じないので電荷は発生していない。
【００３８】
この状態でエンジンが稼働され、燃焼室内の圧力が増加すると、図６に示すように、中軸３０は図中矢印Ｃで示す方向に変位し、圧電素子２４５は鍔部２１２と上面２５１との間で圧縮荷重Ｍが働く。すると、圧電素子２４５では、予荷重Ｌがかけられた初期状態を基準に荷重がさらに上昇するため、面２４６側に正電荷、面２４７側に負電荷が発生する。
【００３９】
一方、圧電素子２４０では、スリーブ２１０の鍔部２１２と主体金具４０の基端部４５との間でかけられていた予荷重Ｌが減少する方向に鍔部２１２が移動されるので、圧電素子２４０は伸長荷重Ｎが働く。すると、圧電素子２４０では、予荷重Ｌがかけられた初期状態を基準に荷重が減少するため、面２４１側に正電荷、面２４２側に負電荷が発生する。
【００４０】
そして、面２４１の負電荷と、面２４７の負電荷とが電極板２３０，２３５に導出され、同様に、面２４２の正電荷と、面２４６の正電荷とが基端部４５および上面２５１に導出され、正負の電荷はそれぞれ足し合わされる。このため、１つの圧電素子を用いた場合と比べ、略２倍の大きさの出力（電荷）が得られる。
【００４１】
このようにして燃焼圧により作用される力が中軸３０を介して伝達されると、圧電素子２４０，２４５が圧縮・伸長され、このとき発生する電荷を出力として得ることにより、燃焼圧が検知される。その一方でグロープラグ１００がエンジンの振動などに基づく揺れを受けると、中軸３０が慣性を得て、軸線Ｏ方向の成分の力に加え、エンジンヘッドに固定された主体金具４０に対して軸線Ｏと直交する方向の成分を有する力が伝達される。本実施の形態では、上記したように、ケース２５０を軸線Ｏと直交する平面に投影してみた場合に、スリット２５５およびスリット２５６が軸線Ｏの位置を中心とする対称形に形成されているので、軸線Ｏを含む断面で燃焼圧センサ２００を見たときのケース２５０の形状も、軸線Ｏを中心に左右対称となる。
【００４２】
以下、グロープラグ１００がエンジンの振動などに基づく揺れを受けた場合の燃焼圧センサ２００の動作について図７，図８を用いて説明する。図７は、スリット２５５，２５６が形成されていない部分において圧電素子２４０，２４５に発生する電荷の状態を示す模式図である。図８は、スリット２５５，２５６が形成されている部分において圧電素子２４０，２４５に発生する電荷の状態を示す模式図である。なお、図７では、軸線Ｏと、図４に示すＹ軸とを通る燃焼圧センサ２００の断面の模式図を用い、図８では、軸線ＯとＸ軸とを通る燃焼圧センサ２００の断面の模式図を用い説明する。
【００４３】
図７に示すように、スリット２５５、２５６が形成されていない部分を含む軸線Ｏを含む断面において、エンジンの振動や中軸３０自身の共振などの影響により中軸３０が揺れ方向の力を受けると、燃焼圧センサ２００が位置する部位においても中軸３０は軸線Ｏに垂直な方向（図示＋Ｙ、−Ｙ方向）に往復する運動を生じる。この往復運動において、主体金具４０の軸線に対して中軸３０が傾く方向、たとえば方向Ｄのように中軸３０が揺れたときについて説明する。
【００４４】
図７に示す方向Ｄの力を受けると、スリーブ２１０の鍔部２１２は、軸線Ｏよりも−Ｙ方向側においてはグロープラグ１００の先端側（図中下側）へ、また軸線Ｏよりも＋Ｙ方向側においてはグロープラグ１００の後端側（図中上側）へ変位する。−Ｙ方向側において、圧電素子２４０に圧縮荷重Ｍが働き、面２４１側に正電荷、面２４２側に負電荷が発生し、また、圧電素子２４５には予荷重Ｌが減少する方向の伸長荷重Ｎが働き、面２４６側に負電荷、面２４７側に正電荷が発生する。一方で、軸線Ｏよりも＋Ｙ方向側では、圧電素子２４０に伸長荷重Ｎが働き、面２４１側に負電荷、面２４２側に正電荷が発生し、また、圧電素子２４５に圧縮荷重Ｍが働き、面２４６側に正電荷、面２４７側に負電荷が発生する。
【００４５】
すると、電極板２３０に当接する圧電素子２４０の面２４１において、軸線Ｏより−Ｙ方向側で発生した正電荷は、電極板２３０を導電して軸線Ｏより＋Ｙ方向側で発生した負電荷と相殺される。また、同様に、電極板２３５に当接する圧電素子２４５の面２４７において、軸線Ｏより−Ｙ方向側で発生した正電荷は、電極板２３５を導電して軸線Ｏより＋Ｙ方向側で発生した負電荷と相殺される。このように、スリット２５５，２５６が形成されていない部分では、軸線Ｏを中心とする両側に位置する圧電素子２４０，２４５の部分への予荷重Ｌのかかり具合が同一である。このため、軸線Ｏに対する中軸３０の傾きが発生しても各部に発生する電荷が互いに相殺し合うので、この状態でさらに圧電素子２４０，２４５に燃焼圧に基づく圧縮荷重Ｍや伸長荷重Ｎがかかって電荷が上乗せされても、正電荷と負電荷の差し引きの電荷量は燃焼圧に基づくものとなり、ノイズは発生しない。
【００４６】
ところで、スリット２５５，２５６のある部分では次のような現象を生じる。ケース２５０の上面２５１にはスリット２５５，２５６があるために、圧電素子２４５には直接荷重が作用しない部分が存在する。しかしながら、圧電素子２４５は前述のようにチタン酸ジルコン酸鉛のように圧電セラミックからなるため、圧電素子２４５はある程度の靱性を有する。したがって、上面２５１からの荷重（たとえば圧縮荷重Ｍ）によって圧電素子２４５が変形（圧縮変形）したときに、スリット（２５５，２５６のいずれか一方）に対向する部分の圧電素子２４５も同じ方向に微量変形を生じる。すると、上面２５１の直接の荷重によって変形した部分に比較するとその量は減少するが変形方向に応じた電荷が面２４６，２４７側のそれぞれに発生する。
【００４７】
したがって、図８に示すスリット２５５，２５６が形成された部分を含む軸線Ｏを含む断面においても、スリット２５５，２５６を含まない断面である図７に示した場合と同様に、軸線Ｏよりも−Ｘ方向側で圧電素子２４５が発生する電荷と、＋Ｘ方向側で圧電素子２４５が発生する電荷とが互いに相殺し合うこととなる。さらに荷重がかかった場合も同様である。
【００４８】
このように、ケース２５０に形成されたスリット２５５，２５６が軸線Ｏに対して対称形であるため、軸線Ｏを含むどの断面においても、圧電素子２４０，２４５が軸線Ｏを中心として互いに対称となる。このため、中軸３０を介して伝達される力が軸線Ｏ方向の成分に加え軸線Ｏと直交する方向の成分を有していても、発生する電荷は互いに相殺され、ノイズの原因とならない。
【００４９】
［実施例１］
上記の効果を確認するため、図示外の内燃機関にグロープラグ１００を組み付け、燃焼圧センサ２００からの出力を測定した。まず、従来使用されていた、ケース２５０にスリット２５５が形成されスリット２５６が形成されていないグロープラグ（サンプル１）と、本実施の形態のグロープラグ１００（サンプル２）とを用意した。そして、試験用の内燃機関の燃焼圧を、サンプル１およびサンプル２でそれぞれ測定した。このとき、基準圧力センサ（KISTLER社製6052A）を用い、サンプル１に対する評価試験を行った場合と、サンプル２に対する評価試験を行った場合とにおいて燃焼圧の大きさが同一となるように調整しつつ測定を行った。
【００５０】
より具体的には、サンプル１またはサンプル２の出力（本実施の形態における信号線２９０と主体金具４０とが両極となる出力）をチャージアンプ（KISTLER社製5011）に接続し、基準圧力センサの出力を、別に準備した同型のチャージアンプに接続した。さらに、各チャージアンプの出力をオシロスコープのＸ軸入力に接続した。また、内燃機関のクランク角との関係を観察するため、クランク角センサの出力もオシロスコープのＹ軸入力に接続した。この状態で内燃機関を作動させ、サンプル１については図９のグラフに、サンプル２については図１１のグラフに示す波形を得た。このとき、それぞれのグラフにおける基準圧力センサの出力のピーク値が同一となるように調整した。さらに、得られた図９，図１１のグラフより、サンプル１およびサンプル２の波形をそれぞれ微分波形に変換することで、それぞれ図１０，図１２に示す、クランク角に対する燃焼圧センサの生波形を得た。
【００５１】
この評価試験の結果、図１０，図１２の各グラフに示す、サンプル１（従来のグロープラグ）およびサンプル２（本実施の形態のグロープラグ）の燃焼圧センサの生波形をそれぞれ比較すると、大きな燃焼圧が検知されたクランク角０°付近の燃焼圧センサの生波形の振幅についてはあまり差がない。しかし、クランク角−９０°〜−３０°付近（図中楕円内に示す部分）で大きな燃焼圧が検知されていない部分については、明らかに、サンプル１（図１０）の燃焼圧センサの生波形の振幅の方が、サンプル２（図１２）の振幅よりも大きいことがわかる。すなわち、サンプル１では、エンジンの振動などから生ずる揺れを受け、軸線Ｏと直交する方向の成分を含む力の影響により生ずるノイズを圧電素子が検知して出力したことで、そのノイズが燃焼圧センサの生波形の振幅の大きさとして表示されたことがわかった。
【００５２】
一方で、本実施の形態のグロープラグであるサンプル２では、エンジンの振動などから生ずるノイズに基づく燃焼圧センサの生波形の振幅がサンプル１のものよりも小さかった。このことより、ケースから電極の引き出しを行うためのスリットに対し、軸線Ｏを中心として対称となるスリットを形成することで、圧電素子と、これに予荷重をかけるケース、スリーブおよび主体金具の基端部との関係を、燃焼圧センサの軸線Ｏと直交するどの断面においても軸線Ｏを中心として対称形とすることができた。そして、エンジンの振動に基づく軸線と直交する方向の成分を有する力の影響を圧電素子が受けてノイズが発生しても、そのノイズを相殺することができ、センサ出力信号のピーク値に対するＳ／Ｎ比を高くすることができることが確認できた。
【００５３】
なお、本発明は各種の変形が可能である。例えば、図１３に示すケース３５０のように、本実施の形態と同様のスリット３５５，３５６に加え、スリットを複数形成してもよい。この場合、一例として軸線Ｏの位置より任意の方向に向けてダミーのスリット３５７を形成すればよいが、軸線Ｏの位置を中心として１８０度反対の方向に向けて、スリット２５７と対となる同形状のダミーのスリット３５８を形成する。このようにすれば、軸線Ｏを含む燃焼圧センサの断面において、圧電素子２４５の軸線Ｏよりも一方側の部位と他方側の部位とにかかる予荷重が、上記どの断面においても同一とすることができ、エンジンの振動に基づくノイズの影響を低減することができる。このように軸線Ｏの位置を中心として対称なスリットを形成するものであれば、スリットの数や幅、形状について問うものでもない。もちろんスリット状でなくともよく、円形状、楕円形状、矩形状などの孔状であってもよいし、端部が開放された切り欠き状に形成されていてもよい。
【００５４】
また、スリット２５５とスリット２５６とが軸線Ｏの位置を通る直線に沿って設けられていなくともよい。軸線Ｏの位置からスリット２５５に向かう直線に直交し、軸線Ｏの位置を通る直線を境とし、スリット２５５が設けられた側の領域とは反対側の領域にダミーのスリットが形成されていればよい。このようにすれば、少なくとも一方の領域にスリットが集中して形成されることを防止でき、これらのスリットが本実施の形態のように軸線Ｏの位置を中心として１８０度反対となる位置に形成されている場合と比べ電荷の偏りを完全に防止することはできないまでも、ある程度相殺することができるため、ノイズの発生を低減することができる。
【００５５】
また、グロープラグ１００の備えるヒータ部材として、本実施の形態ではセラミックヒータ２０を備えたが、先端部が球状に閉塞されたシースチューブ内にコイル状の発熱抵抗体や制御コイルを配設したシースヒータであってもよい。また、図５に示すように、スリット２５５（２５６）はケース２５０の外周面２５３において上面２５１側より基部２５２に達するまで開口されるように形成したが、ケース２５０の上面２５１にはスリット２５５（２５６）を形成せず、ケース２５０の側面にのみスリット２５５（２５６）を形成したものであってもよい。
【００５６】
もちろん、ダミーとして設けるスリット（本発明における第２開口部）には出力を引き出す端子部や信号線が一切存在してはいけないわけでは無い。通常、圧電素子への予荷重は大きいほどセンサの出力も大きくなるため、スリットの数を徒に増加させることは少なく、１つのスリットから１本ないしは複数あるすべての端子部や信号線を引き出すことが考えられる。しかし、複数の信号線が存在する場合に、任意のスリットから信号線を引き出してもケースの形状が軸線に対して対称形を崩すことになるわけではない。むしろ、１つのスリットから信号線を引き出すことによって、スリットひとつひとつの大きさを小さくできることが、ケースの剛性を均一にする目的からは好ましいとも言える。
【００５７】
また、本実施の形態ではケース２５０を支持部の一例として挙げたが、主体金具の後端側の基端部もしくは基端部に別部材を配置したものを支持部とし、この支持部と、中軸の後端側に設けた押圧部との間で圧電素子を挟持して予荷重をかける構成としてもよい。一例として、図１４に示すグロープラグ５００について説明する。図１４は、変形例としてのグロープラグ５００の燃焼圧センサ４００付近を拡大した断面図である。
【００５８】
図１４に示すように、グロープラグ５００の燃焼圧センサ４００は、主体金具５４０の基端部５４５と、中軸５３０の軸線Ｏ方向への変位に伴い軸線Ｏ方向に変位する押圧部材４１２との間で圧電素子４４０が挟持された形態を有する。主体金具５４０の基端部５４５は、本実施の形態と同様に、主体金具５４０の後端に設けられた軸線断面が円形をなし、縁端部が後方に段状に突出した形状を有する。中軸５３０は軸線Ｏに沿って基端部５４５の中央を通り、基端部５４５の後方にて露出されている。そして基端部５４５内に、いずれも円環状の絶縁シート４１０、電極４３０、圧電素子４４０が積層配置され、さらにその後方に配置される押圧部材４１２によって、圧電素子４４０が基端部５４５に向けて押圧されている。なお、基端部５４５および押圧部材４１２が、それぞれ、本発明の請求項６における「支持部」および「押圧部」に相当する。
【００５９】
押圧部材４１２は円筒状をなし、前方側が小径に形成されている。そして、圧電素子４４０の出力を取り出すための信号線４９０が挿通される貫通孔４５５が軸線Ｏ方向に沿って形成されている。信号線４９０は同軸ケーブルであり、内側の芯線４９１が圧電素子４４０の前方側の面に当接する電極４３０に接続されている。また、信号線４９０の外側のシールド線４９２は、加締め部材４９５を介し、圧電素子４４０の後方側の面に当接した導電性の押圧部材４１２と貫通孔４５５内で電気的に接続されている。そして押圧部材４１２の貫通孔４５５と軸線Ｏを挟んで反対側には、貫通孔４５５と同形状の貫通孔４５６が形成されている。また、押圧部材４１２よりも後端側には円環状の絶縁部材４６０が配設されている。さらに押圧部材４１２は、中軸５３０の後端側に形成されたねじ部５３１に螺合するナット４５０，４５１により、絶縁部材４６０を介し、基端部５４５との間で圧電素子４４０に予荷重をかけた状態で押さえられている。なお、貫通孔４５５および貫通孔４５６が、それぞれ、本発明の請求項６における「第１開口部」および「第２開口部」に相当する。
【００６０】
この形態のグロープラグ５００は、燃焼圧によって軸線Ｏ方向後方に中軸５３０およびナット４５０，４５１が変位し、絶縁部材４６０や押圧部材４１２を前方に向け押圧する力が低減することから圧電素子４４０に加えられた予荷重が減少し、これに基づき燃焼圧の検知を行うものである。上記のように押圧部材４１２に貫通孔４５５が設けられたことから押圧部材４１２の剛性には偏りが生ずる。このため、押圧部材４１２から圧電素子４４０に加えられる予荷重は不均一となりうるが、本実施の形態と同様に、押圧部材４１２にダミーの開口部としての貫通孔４５６を設けたことにより、押圧部材４１２から圧電素子４４０にバランスの取れた予荷重を加えることができ、燃焼圧の検知を行うにあたってエンジンの振動などによる揺れに基づくノイズを低減することができる。なお、本変形例では信号線４９０の取り出しを、絶縁部材４６０を介し燃焼圧センサ４００の後端側から行ったため、絶縁部材４６０も含めて貫通孔４５５，４５６を設けた形態としているが、信号線４９０の取り出しを押圧部材４１２の側面から行ってもよく、本発明の第１開口部および第２開口部が絶縁部材４６０にも必要であるというわけではない。
【００６１】
また、本実施の形態では軸線Ｏ方向に押圧部としてのスリーブ２１０の鍔部２１２を変位させ、同方向から圧電素子２４０，２４５への予荷重を加えたが、例えば押圧部の押圧面の方向を軸線Ｏと直交する平面とは異なる平面方向に形成し、軸線Ｏ方向とは異なる方向に圧電素子への予荷重を加える構成としてもよい。
【００６２】
なお、本実施の形態では圧電素子を２つ使用したが、それに限らず１つであってもよく、圧電素子の数にかかわらず、本発明を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、内燃機関の燃焼圧を検知する燃焼圧センサや、燃焼圧センサを備えたグロープラグ、温度センサ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】グロープラグ１００の部分断面図である。
【図２】燃焼圧センサ２００付近を拡大したグロープラグ１００の断面図である。
【図３】燃焼圧センサ２００の分解斜視図である。
【図４】図２の２点鎖線Ａ−Ａにおいて矢視方向からみたケース２５０の上面２５１付近の平面図である。
【図５】図２における矢印Ｂ方向からみたケース２５０付近の側面図である。
【図６】燃焼圧により作用される力が伝達された場合において圧電素子２４０，２４５に発生する電荷の状態を示す模式図である。
【図７】スリット２５５，２５６が形成されていない部分において圧電素子２４０，２４５に発生する電荷の状態を示す模式図である。
【図８】スリット２５５，２５６が形成されている部分において圧電素子２４０，２４５に発生する電荷の状態を示す模式図である。
【図９】内燃機関のクランク角に対する従来の燃焼圧センサの出力を示すグラフである。
【図１０】図９に示す従来の燃焼圧センサの出力波形を微分波形に変換したグラフである。
【図１１】内燃機関のクランク角に対する本実施の形態の燃焼圧センサの出力を示すグラフである。
【図１２】図１１に示す本実施の形態の燃焼圧センサの出力波形を微分波形に変換したグラフである。
【図１３】スリットの形成位置の変形例を示すケース３５０の平面図である。
【図１４】変形例としてのグロープラグ５００の燃焼圧センサ４００付近を拡大した断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
２０    セラミックヒータ
２４    発熱素子
３０    中軸
４０    主体金具
４３    軸孔
１００    グロープラグ
２００    燃焼圧センサ
２１０    スリーブ
２１２    鍔部
２３０，２３５  電極板
２４０，２４５  圧電素子
２５０    ケース
２５５，２５６  スリット
【図１】
2006307834.tif 000003
【図２】
2006307834.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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