(57)【要約】本発明の圧力センサＡは、薄膜型窒化アルミニウムの圧電素子Ｂを、絶縁材から成る基材Ｃ上に取付け、前記圧電素子Ｂの検出した信号を伝達する出力用電極Ｄ、Ｅおよび出力用リード線Ｆ、Ｇを基材Ｃ側に設けている。この圧力センサＡを、内燃機関のシリンダヘッドｅに直接取付け、またはグロープラグＫの先端に固定されたヒータＬの外面に取り付けることにより、燃焼室ｈ内に臨む位置に配置している。エンジン運転時の燃焼圧や振動を高感度で検出することができる。
2004015385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物または酸化物を材料とした薄膜型の圧電素子Ｂを、絶縁材から成る基材Ｃに設け、前記圧電素子Ｂからの信号伝達手段Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇを前記基材Ｃ内を通して外部に取り出すことを特徴とする圧力センサーＡ。
【請求項２】
前記圧電素子Ｂの基材Ｃ側に信号伝達手段としての一対の出力用電極Ｄ、Ｅを取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサーＡ。
【請求項３】
前記窒化物が、Ｃ軸配向窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサーＡ。
【請求項４】
前記酸化物が、Ｃ軸配向ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３型ウルツァイト化合物、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）系単結晶、水晶、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）、ペロブスカイト型酸化物のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサーＡ。
【請求項５】
前記薄膜型圧電素子Ｂの表面を保護膜Ｊで覆ったことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサーＡ。
【請求項６】
窒化物または酸化物を材料とした薄膜型の圧電素子Ｂを備えた圧力センサーＡの製造方法において、前記薄膜型圧電素子Ｂを、スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ、レーザーアブレーション、イオンビーム蒸着、レーザー蒸着、真空蒸着のいずれかにより製造することを特徴とする圧力センサーＡの製造方法。
【請求項７】
内燃機関の燃焼室ｈ内に臨む個所に、圧力センサーＡの圧電素子Ｂを配置したことを特徴とする内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項８】
前記圧電素子Ｂが、薄膜化した窒化物または酸化物からなることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項９】
前記圧電素子Ｂを、内燃機関のシリンダヘッドｅの壁面の燃焼室ｈ側に絶縁部材Ｃを介して取り付けたことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１０】
前記圧電素子Ｂの絶縁部材Ｃ側に、信号伝達手段としての一対の出力用電極Ｄ、Ｅを取り付けたことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１１】
前記圧電素子Ｂの両面に、信号伝達手段としての出力用電極Ｄ、Ｅをそれぞれ取り付けたことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１２】
前記両電極Ｄ、Ｅにそれぞれ接続された信号伝達手段としての出力用リード線Ｆ、Ｇが、前記絶縁部材Ｃ内を通って外部に取り出されることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１３】
前記一方の電極Ｅに接続された信号伝達手段としての出力用リード線Ｇが、前記絶縁部材Ｃ内を通って外部に取り出されるとともに、他方の電極Ｄに接続された出力用リード線Ｆは、前記シリンダヘッドｅにアースされていることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１４】
前記圧電素子Ｂの燃焼室ｈ側の面を保護膜Ｊで覆ったことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１５】
前記圧力センサーＡの圧電素子Ｂを、内燃機関のシリンダヘッドｅに固定された内燃機関用補助部品の燃焼室ｈ内に臨む部分に取り付けたことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１６】
前記内燃機関用補助部品はエンジン余熱用のグロープラグＫであり、このグロープラグＫのヒータＬの外面に絶縁体Ｐを介して圧電素子Ｂを取り付けたことを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１７】
前記グロープラグＫは、セラミックス絶縁体Ｐの内部にヒーターコイルＱが埋設されたセラミックスヒータＬを備えており、前記セラミックス絶縁体Ｐの外面に前記圧電素子Ｂが取り付けられ、この圧電素子Ｂのセラミックス絶縁体Ｐ側に信号伝達手段としての出力用電極Ｄ、Ｅを取り付けたことを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１８】
前記グロープラグＫは、導電性セラミックスＲの中間に絶縁性セラミックスＰを挟持した構造を有しており、前記導電性セラミックスＲの外面に絶縁体Ｓを介して信号伝達手段としての出力用電極Ｄ、Ｅを取り付けたことを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項１９】
前記グロープラグＶは、金属シース型のヒータＵを備えており、この金属シースＹの外面に絶縁体Ｚを介して信号伝達手段としての出力用電極Ｄ、Ｅを取り付けたことを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項２０】
前記内燃機関用補助部品が点火用スパークプラグ８０１であることを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【請求項２１】
前記内燃機関用補助部品が燃料噴射ノズル１００１であることを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関の筒内圧検出構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は圧力センサーに係り、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関の筒内に設置されて、エンジン運転時におけるシリンダ内の燃焼圧や振動を検出する圧力センサーに関するものである。また、前記圧力センサーの製造方法、および前記圧力センサーを用いた内燃機関の筒内圧検出構造に関するものである。
【背景技術】  内燃機関においては、排気ガスの浄化と、燃費およびエンジン性能の向上の両立への取り組みが求められており、様々なパワートレイン制御が行われている。こうした中、シリンダ内の燃焼圧変化を正確に検出し、また、インジェクタの噴射状態を正確に検出することが可能ならば、最適な点火時期制御および、より精密な燃料噴射制御や、噴射異常に対する迅速な対応を行うことが可能となり、前記目的を達成することができる。
前記のような目的のために、内燃機関の燃焼時の異常を検出する高温用のセンサーがすでに知られている（特開平１０−１２２９４８号公報）。この第１の公報に記載されたセンサーは、セラミックスの焼結体から成る基板上に、圧電性セラミックス薄膜を形成し、さらに、一対の電極をこの圧電性セラミックス薄膜の片側に設けた構成を有している。
また、前記のような圧力センサーを、内燃機関のシリンダ内に設置するために、グロープラグやスパークプラグあるいはインジェクタに圧力センサーを組み込んだ構成のものがすでに提案されている（特開平７−４５３５３号公報、実開平４−５７０５６号公報、特開２００１−１０８５５６号公報等）。
前記第２の公報（特開平７−４５３５３号）に開示されたスパークプラグは、シリンダヘッドに固定されるハウジングとこのハウジング内に保持した絶縁碍子との間に形成された空間部内に、圧力−電気信号変換手段および出力取り出し手段からなる圧力センサーを配置している。この圧力センサーは、前記ハウジングのシリンダヘッドへの取付けねじ部よりも外部側、つまりシリンダの外部に配置されている。
この公報に記載されたスパークプラグの構成では、シリンダ内で発生した燃焼圧は、絶縁碍子を伝わり、前記シリンダヘッドへの取付けねじ部よりも外部側に配置されている圧力センサーに伝達されるようになっている。
また、前記第３の公報（実開平４−５７０５６号）に開示された着火センサー付きグロープラグは、筒状のハウジングの内部に、発熱体を収納したシースを嵌合してその後端をハウジングの内部に位置させ、シースの内部に、ハウジングの後端側から中央電極を挿入し、これら中央電極とハウジングとを、両者の間に嵌合したブッシュで絶縁した構成を有している。そして、前記シースをハウジングに対して微小量スライド可能に組み込み、このシースの後端と前記絶縁ブッシュの前端との間に圧電素子を介装するとともに、この圧電素子と絶縁ブッシュとの間に、圧電素子をシース側に押圧する弾性部材を介装している。
前記構成の着火センサー付きグロープラグは、燃焼ガスに着火すると、燃焼室内の圧力が上昇し、燃焼室内に先端が突出しているグロープラグのシースが、その圧力で後方に押され、その力がシースの後端に位置する圧電素子に加わる。そして、圧電素子に加わった圧力の大きさに応じた出力を発生し、この出力により燃焼室内の着火時期を検出するようになっている。
さらに、第４の公報（特開２００１−１０８５５６号）に開示された内燃機関用圧力センサーは、圧電センサーがインジェクタ（燃料噴射装置）に一体的に固定された構成になっている。このインジェクタは、外周面に形成された固定ねじ部を、シリンダヘッドのねじ部に螺着することにより固定されており、このインジェクタがシリンダヘッドに固定された状態において、インジェクタの下端部（噴射口側）が燃焼室内に臨み、圧電センサーはシリンダヘッドの外面側に圧接されている。
この第４の公報に記載された圧力センサーは、エンジンの燃焼室内の圧力と、インジェクタの燃料噴射に伴う振動とを検出して圧力信号を出力する構成となっている。
前記第１の公報（特開平１０−１２２９４８号）に記載されている圧力センサーは、セラミックス基板上に形成された圧電素子（圧電性セラミックス薄膜）の表面、つまり前記基板と逆側の面に電気信号を取りだすための電極が設けられている。従って、この圧力センサーを、例えば、内燃機関の燃焼室内に設置すると、前記電極や図示しない出力用リード線等の信号伝達手段が、燃焼室内の高温環境に直接晒されるので、耐久性に問題が発生する。また、長時間の使用によりカーボンが付着すると、両電極が導通してしまうおそれがある。
また、前記第２の公報（特開平７−４５３５３号）に記載された圧力センサー内蔵プラグは、シリンダヘッドへの固定ねじ部よりも外部側に圧力センサーが取り付けられているので、圧力−電気的信号変換手段に伝わる力は減衰されるため、燃焼圧の変化を正確に捉えることは難しく、特に着火開始時期を正確に捉えることは困難であるという問題があった。
さらに、第３の公報（実開平４−５７０５６号）に記載された着火センサー付きグロープラグは、シースをハウジングに対して可動にすることにより、力の伝播を効果的にする工夫をしているが、シースとハウジングとの間の摩擦熱を受けるため、圧力の検出精度が優れているとはいえない。さらに、ハウジング内が高圧化する傾向があり、シース内の気密漏れ、ヒータの断線など耐久面で問題が発生するおそれがある。
また、第４の公報（特開２００１−１０８５５６号）に記載された内燃機関用圧力センサーも、前記第１の公報に記載された圧力センサー内蔵プラグと同様に、センサーがシリンダヘッドの外部に設けられているため、燃焼圧の変化を正確に捉えることは困難である。さらに、燃料噴射時の振動をとらえる場合にも、噴射口からの距離が遠いため、異常を検知するセンサーとしての精度が充分であるとはいえない。
しかも、前記第２ないし第４の公報に記載された圧力センサー内蔵プラグ、着火センサー付きグロープラグあるいは内燃機関用圧力センサーに設けられているセンサー（圧電素子）は、いずれも設置の自由度が低く、燃焼圧や燃料噴射圧力の高精度な検知を行うことが可能な部位に取り付けることが困難であった。
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、内燃機関の燃焼室内のような高温の厳しい環境での使用に適した圧力センサーを提供することを目的とするものである。また、内燃機関の燃焼圧や振動、あるいは燃料噴射ノズルの噴射状態等を正確に検出することができ、より最適な点火時期制御や精密な燃料噴射制御を行うことができる圧力センサーを備えた内燃機関の筒内圧検出構造を提供することを目的とするものである。また、圧電素子を薄膜型にすることにより自由に設置することを可能にして、高精度な測定を行えるようにした圧力センサー、およびこの圧力センサーを用いた内燃機関の筒内圧検出構造を提供することを目的とするものである。
【発明の開示】
請求項１に記載した発明に係る圧力センサーは、窒化物または酸化物を材料とした薄膜型の圧電素子を、絶縁材から成る基材に設け、前記圧電素子からの信号伝達手段を前記基材内を通して外部に取り出すことを特徴とするものである。
この発明に係る圧力センサーでは、窒化物または酸化物を材料とした薄膜型の圧電素子からの信号を取り出す信号伝達手段を、基材内を通して外部に取り出すようにしているので、内燃機関の燃焼室内のような環境に設けた場合でも、十分な耐久性を確保し、燃焼圧や振動を高精度に検出することができる。また、圧電素子が薄膜型であり小型化できるため、設置の自由度が高いので、非常に精度の高い燃焼圧の検出、インジェクタの噴射状態の検出等が可能である。
また、請求項７に記載した発明に係る内燃機関の筒内圧検出構造は、内燃機関の燃焼室内に臨む個所に、圧力センサーの圧電素子を配置したことを特徴とするものである。
この発明に係る内燃機関の筒内圧検出構造では、内燃機関の燃焼室内に圧電素子を配置しているので、内燃機関が始動して燃焼が開始すると、圧力センサーがその燃焼に伴い発生する圧力、振動を検出するが、圧力センサーの取付け位置がハウジングの先端部側の、燃焼室内に臨む部分であるので、前記従来の構成と比較して極めて感度が良く、着火開始時期や燃焼状態あるいは燃料の噴射圧力等を高精度に検出することができる。
さらに、請求項１５に記載した発明に係る内燃機関の筒内圧検出構造は、前記圧力センサーの圧電素子を、内燃機関のシリンダヘッドに固定された内燃機関用補助部品の燃焼室内に臨む部分に取り付けたことを特徴とするものである。
この発明に係る内燃機関の筒内圧検出構造では、内燃機関に通常取り付けられている補助部品を使用して圧力センサーを内燃機関の燃焼室内に配置するようにしているので、シリンダヘッドに新たな取り付けのためのスペースを設ける必要がなく、また、取り付け、交換等も容易であり、しかもコストアップもわずかである。さらにエンジンや点火プラグ、インジェクタ等の性能を低下させることなく、燃焼圧や燃料の噴射状態を高感度で精度良く検出することができる。また、着火開始の時期や燃料噴射状態を正確に検出することができるので、より最適な点火時期制や、より精密な御燃料噴射制御を行うことができる。このように最適な燃料噴射制御や点火時期制御を行うことにより、省燃費、低エミッションおよびエンジン性能の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明の一実施例に係る圧力センサーの平面図、第２図は、前記圧力センサーの縦断面図、第３図は、内燃機関の燃焼室内に圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示す概略図、第４図は、前記実施例の要部を拡大して示す図であり、圧力センサーのシリンダヘッドへの取り付け構造を示す断面図、第５図は、内燃機関の燃焼室内に圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す概略図、第６図は、第５図の実施例の要部を拡大して示す図であり、圧力センサーのシリンダヘッドへの取り付け構造を示す断面図、第７図は、第４図の構成の圧力センサに保護膜を設けた実施例を示す縦断面図、第８図は、第６図の構成の圧力センサに保護膜を設けた実施例を示す縦断面図、第９図は、圧電素子の両面に電極を設けた構造の実施例を示す縦断面図、第１０図は、グロープラグに圧力センサーを設けた構成による内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示す縦断面図、第１１図は、第１０図の実施例の要部を拡大して示す図、第１２図は、他の実施例に係る内燃機関の筒内圧検出構造の要部を拡大して示す縦断面図、第１３図は、さらに他の実施例に係る内燃機関の筒内圧検出構造の要部を拡大して示す縦断面図、第１４図は、さらに他の実施例に係る内燃機関の筒内圧検出構造の要部を拡大して示す縦断面図、第１５図の（ａ）は、異なるタイプのヒータを有するグロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示す縦断面図、第１５図の（ｂ）はその横断面図、第１６図の（ａ）は、他の実施例に係る内燃機関の筒内圧検出構造の要部を拡大して示す縦断面図、第１６図の（ｂ）はその横断面図、第１７図の（ａ）は、さらに他の実施例に係る内燃機関の筒内圧検出構造の要部を拡大して示す縦断面図、第１７図の（ｂ）はその横断面図、第１８図は、さらに異なるタイプのヒータを有するグロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示す縦断面図、第１９図は、第１８図と同じタイプのヒータを備えたグロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第２０図は、さらに他の実施例に係るグロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造を示す縦断面図、第２１図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第２２図は、第２１図の要部の拡大図、第２３図は、第２１図に示す圧力センサー付きグロープラグをエンジンに取り付けた状態を示す断面図、第２４図は、第２３図の要部の拡大図、第２５図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第２６図は、第２５図の要部の拡大図、第２７図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第２８図は、第２７図の要部の拡大図、第２９図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第３０図は、第２９図の要部の拡大図、第３１図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第３２図は、第３１図の���力センサー付きグロープラグに用いた電極取り出し金具を示す図であり、図中（ａ）は正面図、図中（ｂ）は縦断面図、図中（ｃ）は（ｂ）の左側面図、図中（ｄ）は（ｂ）の右側面図、第３３図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第３４図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第３５図は、グロープラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示す縦断面図、第３６図は、点火用スパークプラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示す縦断面図、第３７図は、他の構成の点火用スパークプラグに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造を示す実施例の縦断面図、第３８図は、第３７図のＡ部を拡大した図、第３９図は、インジェクタに圧力センサーを設けた内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示す縦断面図、第４０図は、前記インジェクタに設けられた圧力センサーの設置位置の変形例を示す縦断面図であり、第３９図のＢ部を拡大して示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面に示す実施例により本発明を説明する。この圧力センサーＡは、薄膜型の圧電素子Ｂを備えており、この薄膜型圧電素子Ｂが、絶縁性セラミックス等の絶縁材から成る基材Ｃ上に取付けられている。この実施例では、圧電素子Ｂは、Ｃ軸配向の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を薄膜化したものを使用している。
そして、薄膜型圧電素子Ｂが検出した電気信号を出力する信号伝達手段としての第１、第２の出力用電極Ｄ、Ｅは、この薄膜型圧電素子Ｂの基材Ｃ側の面に設けられている。さらに、これら各電極Ｄ、Ｅにそれぞれ接続された信号伝達手段としての出力用リード線Ｆ、Ｇが、基材Ｃの内部を通って導かれている。つまり、薄膜型の圧電素子Ｂからの信号伝達手段である一対の電極Ｄ、Ｅおよびリード線Ｆ、Ｇが、前記従来の構成（特開平１０−１２２９８４号）のように薄膜型圧電素子の表面に露出しているものと異なり、基材Ｃの内部に埋め込まれた状態になっている。従って、例えば、内燃機関の燃焼室内のような高温で振動が大きい厳しい環境内に設置した場合でも、耐久性が高く、長期間に亘って、高精度な圧力等の検出能力を維持することができる。
第３図は、前記構成の圧力センサーＡを内燃機関の燃焼室内に設置した場合を示すもので、本出願の他の発明に係る内燃機関の筒内圧検出構造の一実施例を示すものである。内燃機関の構造は周知であるのでその詳細な説明は省略するが、シリンダａ内にピストンｂが摺動自在に嵌合し、このピストンｂの進退動をコンロッドｃを介してクランクシャフトｄに伝達する。前記シリンダａの上部のシリンダヘッドｅに、インレットバルブｆおよびエキゾーストバルブｇが設けられており、このシリンダヘッドｅの内壁に、前記構成の圧力センサーＡ（第１図および第２図参照）の圧電素子Ｂが絶縁材Ｃを介して取り付けられている。従って、この圧力センサーＡは内燃機関の燃焼室ｈ内に臨む位置に設けられている。この圧電素子Ｂが検出した信号は、信号伝達手段Ｄ〜Ｇを介して測定手段（電圧計）Ｈに入力される。なお、圧力センサーＡの構成は、第１図および第２図に示すものに限定されないことはいうまでもない。また、内燃機関は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンを問わず適用可能である。
前記圧力センサーＡのシリンダヘッドｅへの取付け構造の具体的な一例を、第４図により説明する。この構成では、シリンダヘッドｅの壁面の燃焼室ｈ（第４図の下方）側に絶縁部材挿入孔ｊを形成し、この挿入孔ｊ内に絶縁部材（前記基材）Ｃを埋め込み、その表面に前記薄膜型圧電素子Ｂを取り付けている。
そしてこの薄膜型圧電素子Ｂの、絶縁部材Ｃ側の面に一対の電極Ｄ、Ｅを設けている。さらに、これら各電極Ｄ、Ｅに、前記圧電素子Ｂが検出した電気信号を伝達する出力用リード線Ｆ、Ｇをそれぞれ接続し、これら両リード線Ｆ、Ｇを、絶縁部材Ｃの内部を通した後、シリンダヘッドｅの外面側に貫通する信号取り出し孔ｋを介して外部に取り出している。
前記のように圧力センサーＡを内燃機関の燃焼室ｈ内に取り付けた構成では、エンジンが始動しシリンダの燃焼室ｈ内で発生した燃焼圧が、薄膜型圧電素子Ｂに伝えられると、この燃焼圧の変化に応じて、圧電素子Ｂの圧電特性に従って出力する電気信号が変化する。この出力を信号伝達手段である一対の電極Ｄ、Ｅおよび出力用リード線Ｆ、Ｇを介して測定手段（電圧計）Ｈに入力することにより、燃焼圧を検出することができる。
このように圧力センサーＡを燃焼室ｈ内に直接取り付けた場合には、従来の構成（特開平７−４５３５３号公報、特開２００１−１０８５５６号公報等参照）のようにシリンダヘッドｅの外部側にセンサーを設けた場合よりも感度が高く、高精度な燃焼圧の検出が可能である。また、前記燃焼圧の変化により着火時期を正確に検出することができるので、最適な点火時期制御を行うことができる。その結果、省燃費、排気ガスの浄化、エンジン性能の向上に効果を発揮することができる。さらに、圧電素子Ｂとして窒化アルミニウム薄膜を用いているので、小型化が可能であり、しかも耐熱性に優れるため、設置位置を自由に選択可能であり、非常に高精度な燃焼圧の測定が可能である。
さらに、この実施例では、薄膜型圧電素子Ｂの絶縁部材Ｃ側の面に、両電極Ｄ、Ｅを設け、出力用リード線Ｆ、Ｇを絶縁部材Ｃの内部を通してシリンダヘッドｅの外部に取り出しているので、信号伝達手段である電極Ｄ、Ｅおよび出力用リード線Ｆ、Ｇが燃焼室ｈ内に直接晒されることがなく、耐久性が向上し、長時間に亘り燃焼圧や振動等を正確に検出することができる。
なお、この実施の形態では、薄膜化した圧電素子Ｂの材料としてＣ軸配向窒化アルミニウムを用いているが、必ずしも窒化アルミニウムに限るものではなく、類似した特性を有するその他の材料を用いることも可能である。例えば、Ｃ軸配向ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３型ウルツァイト化合物、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）系単結晶、水晶、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）ペロブスカイト型酸化物等を用いても良い。但し、耐久性等の点から窒化アルミニウムを用いることが好ましい。また、薄膜型圧電素子Ｂの製造方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ、レーザーアブレーション、イオンビーム蒸着、レーザー蒸着、真空蒸着等を用いることができる。
第５図および第６図は、前記第３図および第４図に示す実施例の構成の変形例であり、基本的な構成は共通なので、同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施例では、シリンダヘッドｅの壁面の燃焼室ｈ側に取り付けられた薄膜型圧電素子Ｂの一方の電極Ｅに接続された出力用リード線Ｇは、信号取り出し孔ｋからシリンダヘッドｅの外部へ取り出されているが、他方の電極Ｄ側の出力用リード線Ｆは、絶縁部材Ｃを通ってシリンダヘッドｅにアースされている。その他の構成は前記第３図および第４図の実施例と同様であり、同様の作用効果を奏することができる。
第７図および第８図は、それぞれ第４図および第６図の構成の変形例であり、第４図および第６図と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。これら実施例では、シリンダヘッドｅの壁面の燃焼室ｈ側に取り付けられた薄膜型圧電素子Ｂの、燃焼室ｈ内に露出していた面を保護膜Ｊによって覆っている。このように保護膜Ｊで圧電素子Ｂを覆うことにより、圧電素子Ｂの損傷を防止し、また、長時間の使用によるカーボンの付着等を防止することができる。保護膜Ｊは耐熱性絶縁材料から成り、主なものとしては、ＳｉＣ、ＷＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＣ，ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ｃＢｎ、ｉＴＮ、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＣｒＢ２、ＭｏＢ等があるがこの限りではない。
第９図は他の実施例を示す図であり、この実施例では、シリンダヘッドｅの壁面の燃焼室ｈ側に形成した絶縁部材挿入孔ｊ内に挿入した絶縁部材Ｃの表面に、薄膜型圧電素子Ｂが装着されており、この圧電素子Ｂの両側の面にそれぞれ電極Ｄ、Ｅが設けられている。つまり、一方の電極Ｅは圧電素子Ｂの絶縁部材Ｃ側の面に、また、他方の電極Ｄは、圧電素子Ｂの燃焼室ｈ内部側の面にそれぞれ設けられている。
そして、絶縁部材Ｃ側の電極Ｅに接続された出力用リード線Ｇは、絶縁部材Ｃの内部および信号取り出し孔ｋを介してシリンダヘッドｅの外部に取り出されている。一方、燃焼室ｈ側の電極Ｄに接続された出力用リード線Ｆは、絶縁部材Ｃ内を通ってシリンダヘッドｅにアースされている。そして、圧電素子Ｂの燃焼室ｈ側に取り付けられた電極Ｄおよびこの電極Ｄに接続されている出力用リード線Ｆは、薄膜型圧電素子Ｂとともに保護膜Ｊによって覆われている。この実施例でも、前記各実施例と同様の作用効果を奏することができる。さらにこの実施例では、薄膜型圧電素子Ｂを一対の電極Ｄ、Ｅで両側から挟み込む構造になっているので、前記各実施例の構造よりも電極Ｄ、Ｅの信号取り出し面積を大きくすることができ、前記各構成よりも大きい信号を拾うことが可能になる。なお、この実施例では、外面側の電極Ｄの出力用リード線Ｆをシリンダヘッドｅにアースしているが、前記第７図の実施例と同様にシリンダヘッドｅの信号取り出し孔ｋから外部に取り出すようにしても良い。
第３図ないし第９図の実施例では、薄膜型圧電素子Ｂを用いた圧力センサーＡによって内燃機関のシリンダの燃焼圧を検出するために、この圧力センサーＡをシリンダヘッドｅの内面に直接取り付けるようにしていたが、前記内燃機関のシリンダヘッドｅに取り付けるグロープラグ等の補助部品を介して、内燃機関の筒体内圧力を検出するようにしても良い。
第１０図および第１１図に示す実施例は、セラミックスヒータ型グロープラグＫのヒータＬに前記構成の圧力センサーＡを取り付け、このグロープラグＫを内燃機関のシリンダヘッドｅに固定することにより、内燃機関の燃焼室ｈ内に臨む位置に、この圧力センサーＡの圧電素子Ｂを設置するようにしたものである。このグロープラグＫは、シリンダヘッドｅへの取り付け金具である円筒状ハウジングＭの先端部Ｍａ（後端部側は図示を省略）に、セラミックスヒータＬが金属製外筒（シース）Ｎを介して固定されており、グロープラグＫのハウジングＭがシリンダヘッドｅに取り付けられた状態で、このセラミックスヒータＬの先端側の発熱部Ｌａが内燃機関の燃焼室ｈ内に臨むようになっている。
このグロープラグＫのセラミックスヒータＬは、その本体部を構成するセラミックス絶縁体Ｐの内部に発熱体（ヒーターコイル）Ｑが埋め込まれ、このヒーターコイルＱの一端（負極側）Ｑａがセラミックス絶縁体Ｐの外周面に取り出され、金属製外筒（シース）Ｎの先端部の内面にロウ付け等により接合されて電気的に接続されている。また、ヒーターコイルＱの他端（正極側）Ｑｂが、セラミックスヒータＬの後端部Ｌｂ（第１０図および第１１図の左端）まで伸び、図示しない電極取り出し金具を介して、円筒状ハウジングＭの他端部で外部接続端子（図示せず）に接続されている。
前記セラミックスヒータＬの、金属製外筒Ｎの先端Ｎａから外部に突出している部分の外面に、圧力センサーＡが設けられている。この圧力センサーＡは、第１図に示す圧力センサーＡと同様の構成を有しており、セラミックス絶縁体Ｐ（第１図の絶縁部材から成る基材Ｃに相当する）の外周面上に一対の電極Ｄ、Ｅを設け、その上に薄膜型圧電素子Ｂを取り付けている。そして、一方の電極Ｄに接続された信号伝達手段としての出力用リード線Ｆは、セラミックス絶縁体Ｐの内部から、金属製外筒Ｎに固定されている部分の外面に取り出されて金属製外筒Ｎの内面に導通されている。一方、他方の電極Ｅに接続された出力用リード線Ｇは、セラミックス絶縁体Ｐの後端部Ｌｂから外部に取り出されている。
前記構成の圧力センサー付きグロープラグＫを内燃機関のシリンダヘッドｅに取り付けると、セラミックスヒータＬの先端の発熱部Ｌａがエンジンの燃焼室ｈ内に挿入され、グロープラグＫとしての機能を果たすとともに、前記セラミックスヒータＬの、金属製外筒Ｎから突出している先端発熱部Ｌａ寄りに装着されている薄膜型圧電素子Ｂが、その燃焼室ｈ内に臨み、エンジン駆動中の燃焼圧や振動を高精度に検出することができる。
第１２図は、他の実施例を示す図であり、第１０図および第１１図の実施例と基本的な構造は共通している。この実施例では、セラミックスヒータＬを構成するセラミックス絶縁体Ｐの外周面に取り付けた薄膜型圧電素子Ｂの外面全体を保護膜Ｊによって覆った構成をしている。その他の構成は前記第１１図に示す実施例と同一であり、前記実施例の構成と同一の作用効果を奏するとともに、薄膜型圧電素子Ｂを保護膜Ｊによって覆っているので、薄膜型圧電素子Ｂが燃焼室ｈ内の環境に直接晒されることがなく、また、薄膜型圧電素子Ｂに発生したピンホール等に、長時間の使用によりカーボンが付着して両電極Ｄ、Ｅが導通してしまう等のおそれもなくなる。
第１３図は、さらに他の実施例を示す図であり、この実施例では、前記第１２図に示す実施例とは、薄膜型圧電素子Ｂの検出した信号を取り出して伝達する信号伝達手段（電極Ｄ、Ｅおよび出力用リード線Ｆ、Ｇ）の構成が異なっている。この実施例では、一方の電極Ｅおよび出力用リード線Ｇの構成は、前記第１１図および第１２図に示す実施例と同様であるが、他方の電極Ｄは、金属製外筒Ｎの先端部Ｎａ側に延長されており（第１３図の左方向に延ばしてある）、この金属製外筒Ｎの内面に直接接触するように構成されている。この実施例では、圧力センサーとしての機能は前記第１２図の実施例と同様であるが、一方の出力用リード線をセラミックス絶縁体Ｐの内部に設ける必要がなく、構造が簡素化される。
第１４図に示す実施例は、セラミックス絶縁体Ｐの、金属製外筒Ｎから突出している部分の外面に設けられた薄膜型圧電素子Ｂの両面に、それぞれ電極Ｄ、Ｅが取り付けられており、セラミックス絶縁体Ｐ側の電極Ｅは、セラミックス絶縁体Ｐの内部に設けた出力用リード線Ｇが接続されている。また、薄膜型圧電素子Ｂの外面側（セラミックス絶縁体Ｐと逆側）の電極Ｄに接続された出力用リード線Ｆは、金属製外筒Ｎの外面に接続されている。この実施例では、薄膜型圧電素子Ｂが検出した電気信号を取り出す電極Ｄ、Ｅを大きくすることができるので、より高感度で信号を拾うことができる。しかも、薄膜型圧電素子Ｂの外面側の電極Ｄおよびこの電極Ｄに接続された出力用リード線Ｆは、保護膜Ｊによって覆われているので、燃焼室ｈの高温に晒されても影響を受けることがない。
第１５図（ａ）、（ｂ）は、さらに他の実施例に係る内燃機関の筒内圧検出構造を示すものである。前記第１０図ないし第１４図に示す各実施例は、セラミックヒータ型グロープラグＫのヒータＬとして、セラミックス絶縁体Ｐから成る本体部内にヒーターコイルＱを埋設した構成のものを用いたが、この実施例では、セラミックスヒータＬの本体部が、中間の絶縁体Ｐを導電性セラミックスＲによってサンドイッチにした構造を有しており、両側の導電性セラミックスＲが発熱体として機能するようになっている。
前記導電性セラミックスＲおよび中間のセラミックス絶縁体Ｐの外周に、筒状の絶縁体Ｓを装着している。この筒状絶縁体Ｓの、金属製外筒Ｎから外部に突出している部分の外周に、一対の環状電極Ｄ、Ｅを嵌着し、さらにその外周面に、環状の薄膜型圧電素子Ｂを配置している。前記両電極Ｄ、Ｅから信号を取り出す出力用リード線Ｆ、Ｇは、いずれも中間のセラミックス絶縁体Ｐの内部を通ってセラミックスヒータＬの後端部Ｌｂ側（第１５図の左側）に引き出されている。この実施例でも、グロープラグＫを内燃機関のシリンダヘッドｅに固定すると、燃焼室ｈ内に臨む位置に圧力センサーＡを配置することができ、従来の構成のように外部側に圧力センサーを設けた場合よりも感度が高く、高精度な燃焼圧の検出が可能である。
第１６図（ａ）、（ｂ）は、第１５図の実施例の一部を変更した実施例であり、基本的な構成は共通している。この実施例では、前記環状の薄膜型圧電素子Ｂの外周面を、全周に渡って保護膜Ｊによって覆っている。この実施例の構成では、前記第１５図の構成と同様の作用効果を奏するとともに、薄膜型圧電素子Ｂを保護することにより、圧力センサＡの耐久性を向上させ、性能の維持を図ることができる。
第１７図（ａ）、（ｂ）は、第１６図の信号伝達手段の構成を変更した実施例であり、この実施例では、両側の導電性セラミックスＲおよびその中間にサンドイッチされた絶縁体Ｐから成るセラミックスヒータ本体部の、金属製外筒Ｎ内に固定される部分の外周に、筒状の絶縁体Ｔを嵌着している。そして、この筒状の絶縁体Ｔから外部に出ている部分の導電性セラミックスＲの外面に、薄膜型圧電素子Ｂを取り付けている。さらに、この薄膜型圧電素子Ｂの外面に、一方の信号伝達用手段としての出力用電極Ｄを取り付けている。この外面側の電極Ｄは、金属製外筒Ｎの先端部Ｎａ方向に延長されて金属製外筒Ｎに電気的に接続されている。
この実施例は、薄膜型圧電素子Ｂの両面に電極を設けたタイプであり、外面の電極Ｄは、金属製外筒Ｎを介して信号の伝達を行い、内面側は、導電性セラミックスＲを信号伝達手段として利用している。この構成のセラミックスヒータ型グロープラグＫを用いた場合も、前記各実施例と同様の作用効果を奏することができる。
前記第１０図ないし第１７図の実施例は、いずれもセラミックスヒータ型グロープラグＫを用いて内燃機関の筒内圧力を検出する構成であったが、第１８図ないし第２０図は、金属シース型のヒータＵを使用したグロープラグＶを用いて、内燃機関の筒内の圧力を検出するようにした実施例である。これらのグロープラグＶについても、前記各実施例と構成の異なる部分についてだけ説明し、同一または共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
第１８図に示す実施例では、ヒーターコイルＷが埋め込まれた絶縁体Ｘを収容している金属シースＹの外周に絶縁層Ｚが設けられている。この絶縁層Ｚの外面に信号伝達手段としての一対の出力用電極Ｄ、Ｅが設けられ、その外側に薄膜型圧電素子Ｂが取り付けられている。前記両電極Ｄ、Ｅには、それぞれ出力用リード線Ｆ、Ｇが接続され、これら出力用リード線Ｆ、Ｇが、前記絶縁層Ｚの内部を通ってヒータＵの後方側に取り出されている。
第１９図は、前記第１８図の構成に加えて、薄膜型圧電素子Ｂの外面に保護膜Ｊを形成している。その他の構成は第１８図の構成と共通である。
第２０図は、薄膜型圧電素子Ｂの両面に信号伝達手段としての出力用電極Ｄ（他方の電極は金属シースを利用する）を配置した構成である。薄膜型圧電素子Ｂの外面側の電極Ｄは、前記実施例と同様に絶縁層Ｚ内を通る出力用リード線ＦによってヒータＵの外部に取り出され、内面側は金属シースＹが信号伝達手段として機能して、薄膜型圧電素子Ｂの検出した信号を取り出すようになっている。これら第１８図〜第２０図の実施例でも、前記各実施例と同様の作用効果を奏することができる。
第２１図は、内燃機関用補助部品としての圧力センサー付きグロープラグ（全体を符号１で示す）を用いた内燃機関の筒内圧検出構造の他の実施例を示すものであり、このグロープラグ１は、円筒状ハウジング（シリンダヘッドへの取付け金具）２の先端部（第１図の左端部）にシースヒーター４が固定され、後端部に絶縁ブッシュ６を介して外部接続端子（棒状電極としての中軸）８が固定されている金属シース型のグロープラグである。そして、シースヒーター４の発熱体と外部接続端子８とが、電極取り出し用リード線９および電極取り出し金具１０を介して電気的に接続されている。
前記シースヒーター４は、金属製（例えばステンレス鋼等）の薄肉の有底円筒状をしたシース４２内に、発熱体としてのコイル状の抵抗発熱線４４（例えばニッケルクロム合金、鉄クロム合金、タングステン線等）を挿入し、さらに、耐熱絶縁粉体４６（例えばマグネシア（ＭｇＯ）等）を充填し、スエージング加工等によってシース４２を縮径することにより、前記耐熱絶縁粉体４６を高密度化して、抵抗発熱線４４と電極取り出し用リード線９および電極取り出し金具１０とをシース４２の内部に固定している。前記抵抗発熱線４４の一端４４ａ（第１図の左端）はシース４２の底部側先端に接続され、他端４４ｂが、電極取り出し用リード線９の先端９ａに接続されている。なお、シース４２の開口部には、スエージング加工を行う際に内部に充填した耐熱絶縁粉体４６がこぼれないように、ゴム製（シリコンゴム、フッ素ゴム等）のシール部材４８が挿入されている。
前述のように、シースヒーター４の抵抗発熱線４４の後方側端部４４ｂが電極取り出し用リード線９の先端９ａに接続され、さらに、この電極取り出し用リード線９の後端９ｂが、電極取り出し金具１０の先端１０ａに接続されてシースヒーター４の外部に取り出されている。そして、この電極取り出し金具１０の後端１０ｂが外部接続端子８の先端８ａにバット溶接等により接合されている。この外部接続端子８の後端に形成されたねじ部８ｂは、ハウジング２の後端から外方へ突出しており、このねじ部８ｂ側からシール部材１２および絶縁ブッシュ６が順次嵌合され、ハウジング２の内部孔２２の後端に形成された大径孔２２ａ内に挿入されている。さらにその外側からナット１４を締め付けることにより絶縁ブッシュ６をハウジング２内に固定している。
円筒状ハウジング２の前記内部孔２２は、先端部（第２１図の左端）２２ｂがシース４２の外面よりやや大径になっており、この先端部の孔２２ｂの奥側（第２１図の右側）にシース４２の外面より僅かに小径の圧入部２２ｃが形成されている。このハウジング内部孔２２の圧入部２２ｃ内にシース４２の後端部が圧入されることによりシースヒータ４がハウジング２に固定されている。なお、シースヒータ４の固定方法は圧入に限定されるものではなく、ロウ付け等により固定するようにしても良い。
また、ハウジング内部孔２２の後端部には、前述のように、外部接続端子８の絶縁および固定を行う絶縁ブッシュ６を挿入するための大径孔２２ａが形成されている。さらに、ハウジング２の外面２４は、外部接続端子８が固定される後端部２４ａが大径になっており、後に説明するシリンダヘッド３０（第２３図参照）の取付け孔３０ａ内に挿入される前方側の細径部２４ｂと、後端部側の前記大径部２４ａとの中間に、シリンダヘッド３０に螺合固定する取付けねじ部２４ｃが形成され、後端部寄りに設けられた六角部２４ｄを回転操作してシリンダヘッド３０に螺合する。
一方、ハウジング２の内部孔２２の先端部寄りに固定されるシースヒーター４は、そのシース４２の形状が、先端の発熱部４２ａ側が小径になるとともに、後部４２ｂ側が、前記ハウジング２の内部孔２２の圧入部２２ｃよりも僅かに大径になっており、この後方の大径部４２ｂをハウジング内部孔２２の圧入部２２ｃに圧入することにより、ハウジング２内部の気密を保持しつつシースヒータ４をハウジング２に固定している。
このシースヒーター４を組み立てる場合には、前述のように、先ず、シース４２内に抵抗発熱線４４と、この抵抗発熱線４４の後端４４ｂに接続された電極取り出し用リード線９およびこの電極取り出し用リード線９を介して接続された電極取り出し金具１０の先端部１０ａを挿入し、さらに、シース４２内に耐熱絶縁粉体４６を充填した後、スエージング加工等によって縮径することにより、耐熱絶縁粉体４６を高密度化して、抵抗発熱線４４と電極取り出し用リード線９および電極取り出し金具１０とを固定する。次に、この電極取り出し金具１０の後端部１０ｂに外部接続端子８の先端部８ａを溶接等により接合する。これらシースヒーター４、電極取り出し金具１０および外部接続端子８から成るサブアセンブリを、前記構成の円筒状ハウジング２内に挿入し、シース４２の後端をハウジング２の圧入部２２ｃ内に圧入して固定する。
前記ハウジング２の内部孔２２にシースヒーター４を固定する場合には、ハウジング２の内部孔２２の先端部（第２１図の左端）から、前記サブアセンブリを、外部接続端子８のねじ部８ｂ側を先にして挿入する。外部接続端子８のねじ部８ｂをハウジング２の後端部側まで差し込んで、シースヒーター４の後方の大径部４２ｂをハウジング２の先端部内に挿入する。
前記サブアセンブリをハウジング２内にさらに挿入し、シースヒータ４の大径部４２ｂの後端を内部孔２２の圧入部２２ｃ内に圧入する。シースヒーター４を所定の位置まで圧入すると、その後部側に連結されている外部接続端子８の後端のねじ部８ｂが、ハウジング２の後端部から所定量だけ外方に突出する。この外部接続端子８のねじ部８ｂに、シール部材１２を嵌合させ、ハウジング２の後端の大径孔２２ａ内に挿入し、さらにその外方から絶縁ブッシュ６を嵌合させて前記大径孔２２ａ内に挿入し、その外側からナット１４を締め付けることにより絶縁ブッシュ６を固定する。
前記構成のグロープラグ１は、第２３図に示すように、エンジン３のシリンダヘッド３０に形成された取付け孔３０ａ内に挿入されて固定されている。前述のようにハウジング２の外面には、後端部寄りの取付けねじ部２４ｃと、このねじ部２４ｃよりも前方側の細径部２４ｂとが形成されており、シリンダヘッド３０の取付け孔３０ａの内部に細径部２４ｂを挿入し、取付け孔３０ａの外部寄りに設けられている雌ねじ部３０ｂに、前記ハウジング２の取付けねじ部２４ｃを螺合することにより、このグロープラグ１をシリンダヘッド３０に固定している。
このようにグロープラグ１をシリンダヘッド３０に固定した状態では、第２４図に拡大して示すように、ハウジング２の先端に形成されたテーパ状のシート部２４ｅが、シリンダヘッド３０の取付け孔３０ａ内に形成されたシート面３０ｃに密着してエンジン３の燃焼室３２内の気密を保持している。そして、ハウジング２の先端に固定されているシースヒータ４の先端の発熱部４２ａが、シリンダの燃焼室３２内に突出しており、一方、ハウジング２の後端側から外部に伸びている外部接続端子８の後端の端子ねじ部８ｂが、シリンダヘッド３０の外部に突出している。なお、これら第２３図および第２４図に示すエンジン３は、直噴型のディーゼルエンジンであり、３２が燃焼室、３４がピストン、また、３６はこの燃焼室３２内に噴射口３６ａを臨ませたインジェクタである。
このディーゼルエンジン用のシースヒータ型グロープラグ１では、電流は、従来周知のように、バッテリ（図示せず）のプラス極→外部接続端子８→電極取り出し金具１０および電極取り出し用リード線９→シースヒータ４の抵抗発熱線４４→シース４２→ハウジング２→エンジン３のシリンダヘッド３０へと流れるようになっており、この電流によりグロープラグ１が発熱し、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。
さらに、このグロープラグ１には、エンジン運転時におけるシリンダ内の燃焼圧を検知する圧力センサー５２が設けられている。この実施の形態の圧力センサー５２は、第２２図に拡大して示すように、薄膜型の圧電素子５３を備えており、この圧電素子５３が、ハウジング２のシリンダヘッド３０へのシート部２４ｅよりも先端寄り、つまり燃焼室３２寄りに取り付けられていることを特徴としている（第２４図参照）。
前記圧電素子５３は、この実施の形態では薄膜化したＣ軸配向窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなっており、この薄膜状の圧電素子５３が、セラミック、ガラス等の絶縁体５４を介してシース４２の内面に接着されている。圧電素子５３の絶縁体５４側の面と逆側の面に一対の電極５２ａ、５２ｂが設けられ、圧電素子５３からの信号を取りだす信号伝達手段としての出力用リード線５６、５８がそれぞれ接続されている。これら出力用リード線５６、５８は、前記シースヒータ４内に充填された耐熱絶縁粉体４６の内部を通り、電極取り出し金具１０とシール部材４８との間の隙間からシースヒータ４の外部に引き出され、さらに、ハウジング２内面と外部接続端子８の外面との間の空間（信号伝達通路）内を、ハウジング２の後端部側まで伸びている。そして、ハウジング２のシリンダヘッド３０への取付けねじ部２４ｃよりも外側に形成された半径方向孔２ａから、前記一対のリード線５６、５８がハウジング２の外部に引き出されている。
前記構成の圧力センサー付きグロープラグ１では、エンジン３０が始動しシリンダの燃焼室３２内で発生した燃焼圧が、前記シース４２を介して薄膜型の圧電素子５３に伝えられる。この燃焼圧の変化に応じて、圧電素子５３の圧電特性に従って出力する電気信号が変化する。この出力をリード線５６、５８を介して図示しない測定手段に入力することにより、燃焼圧を検出することができる。
この圧力センサー付きグロープラグ１では、エンジン３やグロープラグ１の性能を低下させることなく、燃焼圧を検出することができる。特に、この実施の形態では、圧力センサー５２の圧電素子５３が、ハウジング２のシリンダヘッド３０へのシート部２４ｅよりも燃焼室３２側に装着されているので、従来の構成のようにシリンダヘッド３０の外部側にセンサーを設けた場合よりも感度が高く、高精度な燃焼圧の検出が可能である。
また、前記燃焼圧の変化により着火時期を正確に検出することができるので、最適な点火時期制御を行うことができる。その結果、省燃費、排気ガスの浄化、エンジン性能の向上に効果を発揮することができる。さらに、圧電素子５３として窒化アルミニウム薄膜を用いているので、小型化が可能であり、しかも耐熱性に優れるため、設置位置を自由に選択可能であり、非常に高精度な燃焼圧の測定が可能である。
また、前記圧力センサー５２は、ノックセンサーとしての機能を果たすこともできる。つまり、ノックによる振動を検出することができ、この検出信号に応じて、異常燃焼が起きないように点火時期を制御してノック発生を回避することができる。
前記実施の形態では、発熱源としてシースヒータ（金属シース型ヒータ）４を用いた圧力センサー付きグロープラグ１について説明したが、ヒータの形式に限定されるものではなく、セラミックスヒータを用いたグロープラグにも適用できることはいうまでもない。第２５図は、第２の実施の形態に係る圧力センサー付きグロープラグ１０１の構成を示すもので、この実施の形態では、セラミックスヒータ型グロープラグに圧力センサー５２を一体的に設けている。前記第２１図に示す実施例とはヒータの構成だけが異なり、その他の部分は同一なので、同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例に係るグロープラグ１０１のセラミックスヒータ１０４は、その本体部を構成するセラミックス絶縁体１４０の内部に発熱体１４２が埋め込まれ、この発熱体１４２の一端に負極側のリード線１４６が接続されるとともに、他端側に正極側のリード線１４７が接続されている。負極側のリード線１４６はセラミックス絶縁体１４０の外周面に取り出され、金属製外筒１４８の先端部の内面にロウ付け等により接合されて電気的に接続されている。一方、正極側リード線１４７は、発熱体１４２の埋設された位置（第２５図の左端）と逆の端部側に伸び、この端面に形成された取付孔１４０ａ（第２５図の要部を拡大して示す第２６図参照）内で、電極取り出し用リード線９の先端部９ａにロウ付けにより電気的に接続されている。
電極取り出し用リード線９は、後端部９ｂが電極取り出し金具１０の先端部１０ａに固定され、この電極取り出し金具１０の後端部１０ｂは、前記第１の実施の形態と同様に、シース（金属製外筒）１４８の外部で外部接続端子８の先端部８ａに結合されている。前記構成のセラミックスヒータ１０４は、金属製外筒１４８内にロウ付けにより接合され、この金属製外筒１４８を介してハウジング２（シリンダヘッドへの取付け金具）に固定されている。
このセラミックスヒータ型グロープラグ１０１にも、前記第１実施の形態と同様の構成の圧力センサー５２が設けられており、この圧力センサー５２について第２６図により説明する。すなわち、窒化アルミニウム薄膜からなる圧電素子５３が、絶縁体５４を介して、金属製外筒１４８の内面の、ハウジング２のシリンダヘッド３０（第２３図および第２４図参照）へのシート部２４ｅよりも先端部寄りに装着され、この圧電素子５３の信号を取りだす一対の出力用リード線（信号伝達手段）５６、５８が、金属製外筒１４８およびハウジング２の内部（信号伝達通路）を通って、ハウジング２の取付けねじ部２４ｃよりも後方に形成した半径方向孔２ａからハウジング２の外部に引き出されている。この実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ１０１も、前記第２１図の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ１と同様の作用効果を奏することができる。
第２７図は、他の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ２０１の全体の構成を示す縦断面図、第２８図はその要部の拡大図である。この実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ２０１は、グロープラグ自体の構成は前記第２１図の実施例に係るグロープラグ１と同一であり、圧力センサー２５２の構成だけが異なっているので、同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例では、圧力センサー２５２の圧電素子２５３が、前記各実施例と同様に窒化アルミニウム薄膜からなっているが、この圧電素子２５３は、シース４２の内面に直接貼り付けられている。そして、この圧電素子２５３のシース４２内を向いた面に一方の電極２５２ａが設けられ、圧電素子２５３からの信号を取り出す信号伝達手段の一方の出力用リード線２５６が接続され、信号伝達手段の他方は、圧電素子２５３のシース４２に貼り付けられた外面側から、シース４２およびハウジング２を介して、ハウジング２の取付けねじ部２４ｃよりも後方側に接続された出力用リード線２５８によって取り出されるようになっている。この実施例でも、圧力センサー２５２の圧電素子２５３が検出した信号を取りだす出力用リード線２５６、２５８（シース４２およびハウジング２を含む）の構成が異なるだけであり、前記各実施例と同様の作用効果を奏することができる。
第２９図および第３０図は、他の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ３０１の全体の構成を示す縦断面図およびその要部の拡大図である。この実施例では、グロープラグ３０１の発熱源として第２５図の実施例と同様のセラミックスヒータ１０４を用いるとともに、圧力センサー２５２の圧電素子２５３からの信号の取り出しを行う信号伝達手段の取り出し方法が、前記第２７図の実施例と同様の構成になっている。つまり、一方の出力用リード線２５６を、圧電素子２５３の内側の面に設けられた電極２５２ａに接続し、金属製外筒１４８およびハウジング２の内部の空間（信号伝達通路）を通して、ハウジング２の取付けねじ部２４ｃよりも後方側に形成した半径方向孔２ａから外部に引き出すとともに、信号伝達手段の他方は、金属製外筒１４８およびハウジング２を介してリード線２５８に取りだされている。この実施の形態でも前記各実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
第３１図は、さらに他の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ４０１の全体の構成を示す縦断面図である。この実施例では、前記第２１図の実施例とグロープラグ４の構成は同一であるが、圧力センサー５２の信号伝達手段である出力用リード線５６、５８の取り出し方法だけが異なっている。従って、同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例では、シースヒータ４の抵抗発熱線４４に電気的に接続された電極取り出し用リード線９と、外部接続端子（棒状電極としての中軸）８とを接続する電極取り出し金具４１０を、第３２図（ａ）〜（ｄ）に示す形状のものとし、この電極取り出し金具４１０を利用して前記出力用リード線５６、５８をハウジング２の外部に引き出している。
前記電極取り出し金具４１０は、前記各実施例の電極取り出し金具１０と同様の円柱状の部材の両端部に、切欠き（リード線保持部）４１０ａ、４１０ｂを形成するとともに、これら両端のリード線保持部４１０ａ、４１０ｂ間を連通する貫通孔４１０ｃを形成し、この貫通孔４１０ｃを信号伝達通路の一部に利用している。
この実施例では、シースヒータ４のシース４２の内面に装着した窒化アルミニウム薄膜からなる圧電素子５３に一対の電極が設けられ、これら両電極に接続した一対のリード線５６、５８が、前記電極取り出し金具４１０の両端のリード線保持部４１０ａ、４１０ｂおよびその中間の貫通孔４１０ｃ内を通って、ハウジング２の後端部寄りの半径方向孔２ａから外部に取りだされている。この実施例でも、前記各実施例と同様の作用効果を奏するとともに、電極取り出し金具４１０を出力取り出し用リード線５６、５８の保持具として使用しているので、グロープラグ４０１としての機能に影響を及ぼすことなく、シースヒータ４内部から圧力センサー５２の圧電素子５３からの両リード線５６、５８を簡単に取りだすことができ、しかも安定した状態で保持することができる。
第３３図は、他の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ５０１の全体の構成を示す縦断面図である。この実施例では、前記第３１図に示す実施例のグロープラグ４０１とは、ヒータの構成だけが異なっており、この実施の形態では発熱源としてセラミックスヒータ１０４を用いている。その他の構成は前記第３１図の実施例の構成と同様であり、圧力センサー５２の圧電素子５３から信号を取りだす一対のリード線５６、５８を、第３２図に示す電極取り出し金具４１０を介して、セラミックスヒータ１０４の外部に引き出している。
また、第３４図および第３５図は、それぞれ他の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ６０１、７０１の全体の構成を示す縦断面図である。この実施例の構成は、前記第３１図、第３３図に示す実施例の構成とは、圧力センサー２５２の信号伝達手段である出力取り出し用リード線の取り出し方法が異なっており、前記第２７図および第２８図に示す実施例の構成と同様に、圧電素子２５３の内側の面に設けた電極に一方のリード線２５６を接続するとともに、他方の信号伝達手段のリード線２５８は、シース４２およびハウジング２を介してハウジング２の外部に取りだしている。そして、前記一方のリード線２５６を、前記第３１図および第３３図の実施例と同様に、貫通孔４１０ｃおよびリード線保持部４１０ａ、４１０ｂを有する電極取り出し金具４１０を介して、ヒータ４、１０４を保持するシース４２、１４８から外部に取りだしている。前記第３３図および、これら第３４図、第３５図の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ５０１、６０１、７０１も、第３１図の実施例に係る圧力センサー付きグロープラグ４０１と同様の作用効果を奏することができる。
第３６図は、他の実施例に係る内燃機関用補助部品としての点火用スパークプラグ８０１の一部を断面とした正面図であり、この実施例では、点火用スパークプラグ８０１に前記各実施例と同様の圧力センサー８５２を設けている。スパークプラグ８０１の基本的構成は従来のものと変わるところはないので、その説明は省略し圧力センサー８５２について説明する。
この点火用スパークプラグ８０１は、ハウジング８０２の内部に絶縁体８０３を介して中心電極８０５が保持されており、絶縁体８０３の外面の先端部寄りに、薄膜型の圧電素子８５３が貼り付けられている。絶縁体８０３の圧電素子８５３が貼り付けられている部分とハウジング８０２の内面との間には空間Ｓが形成されており、この圧電素子８５３は、図示しないシリンダヘッドの燃焼室内に臨んでいる。
前記圧電素子８５３が検出した電気信号を外部に伝達する信号伝達手段（リード線８５６、８５８）は、絶縁体８０３の内部に形成された信号伝達通路８６０内を通って、ハウジング８０２よりも後方側（第３６図の上方）で外部に取り出されている。この実施の形態でも、前記各実施の形態と同様に、エンジンの燃焼室内の燃焼時の圧力、振動を高感度で検出することができ、最適な点火時期制御を行うことができる。
第３７図および第３８図は、前記第３６図の実施例の変形例を示すもので、点火用スパークプラグ９０１の構成および圧力センサー９５２の圧電素子８５３の取付位置は、第３６図の構成と同一であるが、圧電素子８５３からの電気信号を取り出す信号伝達手段の構成が異なっている。この実施例では、信号伝達手段の一方を構成するリード線９５６が、絶縁体９０３の内部に形成された信号伝達通路９６０を通って外部に引き出されるとともに、信号伝達手段の他方（アース側）は、第３７図のＡ部を拡大した第３８図に示すように、絶縁体９０３を半径方向に貫通して外面に露出している中心電極９０５に接続されている。この実施の形態も、前記第３６図の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
第３９図は、さらに他の実施例を示すもので、内燃機関用補助部品としての燃料噴射ノズル（インジェクタ）１００１に圧力センサー１０５２を設けたものである。この実施の形態でも、インジェクタ１００１自体の構成は一般的なものであり、ハウジング１００２（インジェクタボディ１００３とその先端に固定されたノズルボディ１００５）の内部にインジェクタ１００１の作動部が収容され、本発明の特徴である圧力センサー１０５２は、ノズルボディ１００５の先端に設けられた燃焼室内への突出部１００５ａに貼り付けられている。
ここでインジェクタ１００１の構成について簡単に説明する。１００６は前記インジェクタボディ１００２に形成された高圧燃料入口、１００８はノズルボディ内に進退動可能に配置されたノズルニードル、１０１０はインジェクタボディ内の中間部材、１０１２は低圧出口、１０１４は中間部材１０１０の内部の制御室、１０１６は制御室１０１４の上部の弁座に着座するボールバルブ、１０１８はボールバルブ１０１６を前記弁座に着座させるバルブスプリング、１０２０はアマチュアプレート、１０２２はマグネットである。なお、第３９図では、ハウジング１００２の外面に形成されたシリンダヘッドへの取付ねじ部およびシート部は図示を省略している。
前記ノズルボディ１００５の先端に設けた圧力センサー１０５２は、第３９図のＢ部を拡大した第４０図に示すように、圧電素子１０５３をノズルボディ１００５の突出部１００５ａの先端面に貼り付けても良く（符号１０５３Ａで示す圧力センサー参照）、また、ノズルボディ１００５のニードル１００８を嵌合した孔１００５ｂの内面側あるいはニードル１００８の外面側に貼り付けても良い（１０５３Ｂ、１０５３Ｃ）。そして、これら各圧電素子１０５３Ａ、１０５３Ｂ、１０５３Ｃからの出力の取り出しを行う信号伝達手段は、一方が、ノズルボディ１００５の内部またはニードル１００８の内部に設けた信号伝達通路内を通るリード線１０５６Ａ、１０５６Ｂ、１０５６Ｃにより、他方は、ノズルボディ１００５またはニードル１００８にアースをすることにより取り出すようにしている。なお、前記リード線１０５６のインジェクタ１００１外部への取り出しは、前記インジェクタボディ１００３に設けられている低圧出口１０１２から行う。
本発明をインジェクタ１００１に適用したこの実施例でも、前記各実施例と同様に、エンジンのシリンダ内の燃焼圧を高感度で検出することができ、しかも、インジェクタ１００１の噴射状態の検出、噴射圧の検出を行うことができ、より最適な燃料噴射制御を行うことが可能になる。なお、インジェクタの異常検出に関しては、圧力センサーを燃料流路部品に設置しても良い。
なお、本発明は、ディーゼルエンジンに限らず、すべての内燃機関に適用することができる。また、前記各実施の形態で説明したグロープラグ、スパークプラグおよびインジェクタに限るものではなく、内燃機関のシリンダにポートを有するすべての補助部品に適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年2月12日(2004.2.12)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
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【手続補正００２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
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【手続補正００３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
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【国際調査報告】
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