(57)【要約】【課題】  燃焼状態検出センサの選択自由度を高めるとともに、絶縁破壊を防止するセンサ一体型スパークプラグを提供しようとする。【解決手段】  主体金具１２と、前記主体金具１２に保持され、先端面から基端面に貫通する電極保持孔１３ａおよびセンサ１５を収納するセンサ収納孔１３ｂとを有する絶縁碍子１３と、前記電極保持孔１３ａに配置された中心電極１４と、一端部が前記主体金具１２に接合され他端部が前記中心電極１４と対向する接地電極２０と、前記センサ収納孔１３ｂに配置されたセンサ１５とを有する。【選択図】      図１
2005340069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主体金具と、前記主体金具に保持され、先端面から基端面に貫通する電極保持孔およびセンサを収納するセンサ収納孔とを有する絶縁碍子と、前記電極保持孔に配置された中心電極と、一端部が前記主体金具に接合され他端部が前記中心電極と対向する接地電極と、前記センサ収納孔に配置されたセンサとを備えたことを特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【請求項２】
請求項１において、前記センサは圧力センサであることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【請求項３】
請求項２において、前記センサは光学式圧力センサであることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【請求項４】
請求項１〜３において、前記センサ収納孔は、前記絶縁碍子の先端面に開口していることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【請求項５】
請求項１〜４において、前記センサ収納孔は、前記絶縁碍子の先端面から基端面に貫通する貫通穴であること特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【請求項６】
請求項１〜５において、前記電極保持孔と前記センサ収納孔は、互いに平行に配置されていることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【請求項７】
請求項１〜６において、前記中心電極と導通する端子と、前記センサに接続されるコネクタとを有し、前記絶縁碍子の基端側に着脱自在に配置されたジョイントを備えたことを特徴とするセンサ一体型スパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
自動車等の内燃機関のスパークプラグに、内燃機関の燃焼室内における燃焼状態を検出するセンサを備えたセンサ一体型スパークプラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の自動車では、内燃機関の燃焼室内における燃焼状態を検出するセンサ（以下、「燃焼状態検出センサ」という。）を利用して内燃機関の空燃比、点火時期、ＥＧＲ（排気ガス還流）量を求めて、内燃機関の燃焼制御を行うことが試みられている。
【０００３】
このような燃焼状態検出センサの一例としては、燃焼室の圧力を検出する圧力センサがある。そして、この圧力センサは、シリンダヘッドに形成されたセンサ取付孔に挿入されて、その先端が燃焼室に曝されるように設置される。ところが、シリンダヘッドのセンサ取付孔周辺はスパークプラグやその他内燃機関の構造部品が多数配置されており、燃焼状態検出センサの取付スペースは極めて制限される。
【０００４】
そこで、圧力センサとスパークプラグを一体化したものが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
【特許文献１】実開昭６２−１２６０９２号公報
【特許文献２】米国特許公報第６０９４９９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の特許文献１に記載のセンサ一体型スパークプラグは、主体金具の先端側から基端側に貫通するセンサ取付孔を設け、この貫通穴にセンサが配置されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の構造では、主体金具の肉厚が充分ではないために極小径のセンサ取付孔しか形成することができず、適用できる燃焼状態検出センサが限定される。
【０００７】
また、前述の特許文献２に記載のセンサ一体型スパークプラグは、絶縁碍子に一部、中心軸と同軸ないしは平行に貫通穴を設け、この貫通穴にセンサを配置している。
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載の構造では、中心電極の設置スペースを充分に確保することができず、中心電極の導電線が絶縁碍子の側周面から取り出されており、主体金具と導電線との距離が短くなっている。このため、中心電極に高電圧を印加した際に絶縁を保つことができず、主体金具と導電線間で絶縁破壊が生じるおそれがある。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、燃焼状態検出センサの選択自由度を高めるとともに、絶縁破壊を防止するセンサ一体型スパークプラグを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、主体金具と、前記主体金具に保持され、先端面から基端面に貫通する電極保持孔およびセンサを収納するセンサ収納孔とを有する絶縁碍子と、前記電極保持孔に配置された中心電極と、一端部が前記主体金具に接合され他端部が前記中心電極と対向する接地電極と、前記センサ収納孔に配置されたセンサとを備えたことを特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００１１】
このように、絶縁碍子に設けた先端面から基端面に貫通する電極保持孔に中心電極を配置することにより、主体金具と中心電極との間の絶縁距離を充分確保できるため、絶縁破壊を抑制できる。また、絶縁碍子内にセンサ収納孔を設けてセンサを配置する構成とすることで、主体金具内にセンサを配置する構成と比較して大径のセンサ収納孔を形成することができ、センサの選択自由度が高まる。
【００１２】
請求項２の発明は、前記センサは、圧力センサであることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００１３】
このように、圧力センサを用いることで、内燃機関の燃焼室内における圧力を検出することができ、燃焼状態を確認することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、前記センサは光学式圧力センサであることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００１５】
このように、光学式圧力センサを用いることで、ノイズの影響を受け難く高精度の検出が可能となる。
【００１６】
請求項４の発明は、前記センサ収納孔は、前記絶縁碍子の先端面に開口していることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００１７】
このように、センサ収納孔が絶縁碍子の先端面に開口する構成とすることで、センサが直接燃焼室に曝されるように配置できるため、燃焼室内の燃焼状態をさらに正確に検出することができる。
【００１８】
請求項５の発明は、前記センサ収納孔は、前記絶縁碍子の先端面から基端面に貫通する貫通穴であること特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００１９】
このように、絶縁碍子の先端面から基端面に貫通する貫通孔にセンサを配置することで、絶縁碍子の先端側に配置したセンサから延びる信号ケーブルを、絶縁碍子の基端側から取り出すことができ、センサ一体型スパークプラグの構造を簡素にすることができる。
【００２０】
請求項６の発明は、前記電極保持孔と前記センサ収納孔は、互いに平行に配置されていることを特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００２１】
このように、電極保持孔とセンサ収納孔を互いに平行に配置することで、絶縁碍子の成形を容易にできる。
【００２２】
請求項７の発明は、前記中心電極と導通する端子と、前記センサに接続されるコネクタとを有し、前記絶縁碍子の基端側に着脱自在に配置されたジョイントを備えたことを特徴とするセンサ一体型スパークプラグである。
【００２３】
このように、中心電極と導通する端子と、前記センサに接続されるコネクタとを有し、前記絶縁碍子の基端側に着脱自在に配置されたジョイントを備えることで、主体金具を内燃機関に取り付けた後、ジョイントをはめ込むことができ、センサ一体型スパークプラグの取り付けを容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１実施形態）
以下、本発明を図１に示す第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るセンサ一体型スパークプラグ１の全体構成を示す断面図である。
【００２５】
センサ一体型スパークプラグは、エンジンの燃焼室に火花放電を行うスパークプラグと、このスパークプラグに装着されたセンサとをスパークプラグに組み込んだものであり、以下詳細に構造を説明する。
【００２６】
なお、本明細書では、センサ一体型スパークプラグ１の軸線方向において接地電極２０を設けた側を「先端側」、これと反対側を「基端側」として説明を行う。
【００２７】
センサ一体型スパークプラグ１は、主体金具１２と、主体金具１２に保持され、先端面から基端面に貫通する電極保持孔１３ａおよびセンサ１５を収納するセンサ収納孔１３ｂとを有する絶縁碍子１３と、電極保持孔１３ａに配置された中心電極１４と、一端部が主体金具１２に接合され他端部が中心電極１４と対向する接地電極２０と、センサ収納孔１３ｂに配置されたセンサ１５と、絶縁碍子１３の基端部を覆うジョイント１６とを有する。
【００２８】
主体金具１２は、円筒状であり、その外径に内燃機関の燃焼室に取り付けるための雄ねじ１２ｂを備えている。
【００２９】
主体金具１２の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ2Ｏ3）等からなる絶縁碍子１３が保持されている。絶縁碍子１３には、センサ一体型スパークプラグ１の中心軸からずれた位置に、先端面から基端面に貫通し、電極保持孔１３ａが設けられている。また、センサ１５を配置しているセンサ収納孔１３ｂが設けられている。このセンサ収納孔１３ｂは、円筒状で、絶縁碍子１３の先端側１３ｃから基端側１３ｄに貫通し、スパークプラグ１の中心軸からずれた位置に設けられている。中心電極１４を配置された電極保持孔１３ａと並列に配置しており、一端は絶縁碍子１３の先端面１３ｃにあり、他端は絶縁碍子１３の基端面１３ｄにある。また、電極保持孔１３ａとセンサ収納孔１３ｂの間は、肉厚は１ｍｍ以上間隔がある。これは、センサ収納穴に金属部品を用いたセンサを用いた場合に、碍子の肉厚が確保できないと、碍子が絶縁破壊を起こしプラグ機能に障害が発生するためである。
【００３０】
電極保持孔１３ａの内部には、先端側から中心電極１４と、両端に導電性のガラスシール部材４１を接合した抵抗材料を溶着させてなる抵抗体４２と、中軸４３とを配置している。中軸４３の基端部は、コイルスプリング４４を介して、導電線１７と接続しており、この導電線１７より中心電極１４に電圧を供給している。また、この導電線１７は、絶縁樹脂からなる高圧ケーブル１８に覆われている。
【００３１】
中心電極１４は、内材が銅で構成され、外材がＮｉ基合金によって構成された円柱体でなり、その先端部が絶縁碍子３の下端から突出するように設けられている。中心電極１４の先端部の平坦面１４ａには、貴金属チップ１４ｂが設けられている。
【００３２】
抵抗体４２およびガラスシール部材４１によって中軸４３と中心電極１４とが加熱溶着され、電気的に導通接続されるようになる。
【００３３】
図２に示すように、センサ１５は、光の強度により、圧力を測定する光学式圧力センサであり、光ファイバ部である光ファイバ５１と、センサ部である反射フィルタ５２と選択透過フィルタ５３とダイアフラム５４と図示しない異なる３つの波長の光を発射する発光体と光検出器で構成されている。センサ収納孔１３ｂの内部を基端側から先端側に向け、光ファイバ５１が挿通しており、光ファイバ固定材５６を介して、絶縁碍子１３と接合している。光ファイバ５１の先端側開口部には、先端側から選択透過フィルタ５３、反射フィルタ５２の順で全周接合されている。絶縁碍子１３のセンサ収納孔１３ｂの先端面と反射フィルタが全周接合している光ファイバ５１の先端面の間には、隙間があり、絶縁碍子１３のセンサ収納孔１３ｂの先端面には、ダイアフラム５４が、端面を全周接合されている。このダイアフラム５４により、燃焼室内と第２の穴１３ｂ内との気密を保持している。光ファイバ５１の基端部は、ジョイント１６に挿通しており、図示しない発光体と光検出器につながっている。
【００３４】
光ファイバ５１は、光ファイバ束を耐熱性の充填材により断熱保持している。この充填材は、シリコン系、金属粉含有のセラミックなどの耐熱性を備えたものである。
【００３５】
反射フィルタ５２と選択透過フィルタ５３は、誘電体材料、例えば二酸化チタンおよび二酸化シリコンの多数の層を有している。
【００３６】
ダイアフラム５４は、高精度に肉厚、平面度が管理されて作製された薄い金属製の板である。
【００３７】
発光体は、レーザー好ましくは、ＬＥＤを用いる。
【００３８】
ジョイント１６は、樹脂等からなり、円柱状で、先端側から大径部と小径部からなり、電力を供給する高電圧ケーブル１８が挿通される貫通穴１６ａと、センサ信号を伝達する信号ケーブル１９が挿通される貫通穴１６ｂと、絶縁碍子１３の基端部を挿入する円柱状の穴１６ｃを有している。貫通穴１６ａと貫通穴１６ｂは、並列で、ジョイント１６の中心軸からずれている。
【００３９】
次に、本発明のセンサ一体型スパークプラグ１の作動について以下に説明する。センサ一体型スパークプラグ１は、周知の燃焼機関のシリンダヘッドに装着されており、中心電極に高電圧が印加されると、中心電極と接地電極の間で火花放電を生じ、圧縮された混合気に点火し、燃焼させる。この燃焼による燃焼室内の圧力変化により、ダイアフラム５４が湾曲する。また、この圧力変化を測定するために、発光体から照射され、光ファイバを通り、反射フィルタ５２と透過フィルタ５３を通過した波長λ１の光を湾曲したダイアフラム５４に照射する。尚、波長λ１の光は、反射フィルタ５２と透過フィルタ５３を透過する波長域である。照射した光は、図３に示すように、入射角に依存して、光ファイバ５１内に反射して戻ってくる光Ａ、または光ファイバ５１外に反射する光Ｂに分かれ、光ファイバ５１内を反射して返ってくる光の強度が照射した光と異なる。また、圧力変化によってダイアフラム５４の湾曲の度合いが異なるため、ダイアフラム５４への入射角が変化し、光ファイバ５１内を反射して返ってくる光信号の強度が変化する。この強度の変化量により、圧力値を測定する。
【００４０】
尚、波長λ１の光は、反射フィルタ５２と透過フィルタ５３を透過する波長域である。
【００４１】
また、光源の出力差、光ファイバ間の変動や曲がり等の起因により、光ファイバ内を通過する際での光強度の減少等の補正を行うために、補正用の波長λ２の光を照射する。この波長λ２の光に対して反射的である反射フィルタ５２により反射されて返ってくる光の強度を測定し、照射した光の強度との変化量が光ファイバ内を透過する際の光強度の減少分となる。この減少分を圧力測定用の波長λ１の光に追加し、圧力を算出する。
【００４２】
さらに、温度の変動による、センサの精度の劣化を防止するため、温度補正を行う。これは、燃焼室内に接しているダイアフラム５４は、極端な高温にさらされるため、機械的性質、主にヤング率を変化させ、その結果温度によりたわみが生じる。このたわみにより、反射する光の強度が変化し、結果センサの精度を低減させる。そこで、温度による影響を補正するために、波長λ３の光を照射する。この光は、選択透過フィルタ５３により一部は遮断され、その他は透過される。選択透過フィルタ５３は、温度により遮断する波長域が異なるものを使用する。そのため、反射して返ってくる光の強度を測定することにより、温度を検出する。圧力出力を、ダイアフラムの撓み、圧力、温度の間の基本関係から得られる計算アルゴリズムを使用して温度補正を行うことができる。
【００４３】
これらの補正により、燃料室内の圧力値を検出し、フィードバック制御に伝達する。
【００４４】
以上のことから、光学式圧力センサを用いた場合、他のセンサと比較して、ノイズなどの影響を受けることが少なく、正確に燃焼室内の圧力値を検出するため、優れた制御を行うことができる。また、耐久性の高い部材を光ファイバとして用いることにより耐久性の優れたセンサ一体型スパークプラグを得ることができる。
【００４５】
（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すごとく、第１実施形態におけるセンサのジョイント１６と絶縁碍子１３、コイルスプリング４４と中軸４３、光ファイバ５１とジョイント１６が分離する。これにより、ジョイント１６部が、脱着可能な構造である。
【００４６】
その他の構造は、第１実施形態と同様である。
【００４７】
ジョイント１６を脱着可能にすることにより、センサ一体型スパークプラグ１を燃焼室のシリンダヘッドの取付孔にねじ結合により取り付ける場合に、高電圧ケーブル１８と信号ケーブル１９の両方が接続されているため、非常に困難だからである。このため、ジョイント１６をはずし、高電圧ケーブル１８がつながっていないセンサ一体型スパークプラグ１を燃焼室に取り付けた後、高電圧ケーブル１８がつながったジョイント１６を装着することで、取り付けが容易になる。
【００４８】
また、ジョイント１６の脱着を可能にした場合は、絶縁碍子１３を基端側から見た図５に示すように、絶縁碍子１３の基端側にスリット２１を設けることにより、より搭載性が高くなる。これは、絶縁碍子１３には第１貫通穴と第２の穴があるため、ジョイント１６の装着位置がわかりにくい。そのため、スリット２１を設けることにより、ジョイント１６を装着する位置を確認することができるためである。
【００４９】
（第３実施形態）
本実施形態は、図６に示すごとく、第１実施形態におけるセンサの代わりに、絶縁碍子１３に設けられたセンサ格納孔１３ｂの内部に圧電センサ１２０を挿入しており、絶縁碍子１３の外周に輪状のリングターミナル１１４を設け、このリングターミナル１１４と圧電センサ１２０と接合しているケーブル１１３とをコネクタ１１１、１１２を介して接合している。また、ジョイント１６の内径側にも輪状のリングターミナル１１５を設けており、このリングターミナル１１５とジョイント１６内部に内蔵しているセンサ信号引き出し線１１６が接合している。
【００５０】
圧電センサ１２０は、燃焼圧力を受けそれを伝達するダイアフラム１２１、ロッド１２２、半球部１２３と、圧力を電圧に変換する圧電素子１２４の２つの部位から構成されている。
【００５１】
その他の構造は、第１実施形態と同様である。
【００５２】
燃焼室内の圧力変動により、第１実施形態同様にダイアフラム１２１が湾曲する。この湾曲により、ロッド１２２、半球部１２３に力が加わる。この力が圧電素子１２４に伝わり、電圧を発生させる。この電圧は、圧電素子１２４に接合している電線１２５を伝わり、コネクタ１１１、１１２を介してリングターミナル１１４に伝わる。絶縁碍子１３の外周のリングターミナル１１４とジョイント１６の内径側のリングターミナル１１５が接触することで通電させ、リングターミナル１１５に接合しているセンサ信号引き出し線１１６より図示しない制御装置に電圧を送信する。この電圧により、燃焼室内の圧力を検出する。
【００５３】
また、本実施形態では、絶縁碍子１３の基端側でジョイント１６とつなぐのは、中心電極のみでよい。中軸４３の基端側４３ａは、図７に示すように、円盤状であり、絶縁碍子１３の基端面と中心軸が同じで、絶縁碍子１３の基端面と接合している。これにより、ジョイント１６を装着する際に、周方向の装着位置を決めなくても、コイルスプリング４４と中軸４３ａが接触するため、電圧を給電することが可能になる。よって、ジョイント１６の周方向の装着位置を決める必要が無くなり、搭載性が高まる。
【００５４】
（第４実施形態）
本実施形態は、図８に示すごとく、第１実施形態のセンサ一体型スパークプラグ１において、光ファイバ５１は絶縁碍子１３の基端部で、光ファイバコネクタ１３１を介して、ジョイント１６に挿通している信号ケーブル１９に接合しており、信号ケーブルは発光体と光検出器につながっている。
【００５５】
光ファイバコネクタ１３１は、光ファイバと光ファイバとを着脱可能に接続する部品であり、光ファイバが挿入されたフェルールという円筒形のジルコニアセラミックスが内蔵したプラグと、このフェルール同士が位置を整え曲がらないようにつなぐために位置調整スリットがつけられたスリープと呼ばれる部品を内蔵したアダプタとで構成されている。アダプタに両側からプラグを差し込むことにより、プラグに内蔵したフェルール同士がスリープにより位置決めされ、フェルール同士がつながることにより、光ファイバを接続ものである。
【００５６】
その他の構造は、第１実施形態と同様である。
【００５７】
光ファイバコネクタ１３１により、絶縁碍子１３の基端部で光ファイバ５１を分離することができるため、さらに容易にジョイント１６と絶縁碍子１３を分離することが可能である。また、燃焼室への装着時に、ジョイント１６に光ファイバ５１を挿通する手間が省け、搭載性が高まる。
【００５８】
（第５実施形態）
本実施形態は、図９に示すごとく、ジョイント１６と絶縁碍子１３を一体化し、図１０に示すように、ジョイント１６の外径は、主体金具１２の係合部１２ａの内接円の直径より小さい。
【００５９】
その他の構造は、第１実施形態と同様である。
【００６０】
スパークプラグは、車両へ搭載する際に、燃焼室のスパークプラグ取り付け位置にねじ締めで取り付けを行う。この際、工具内部にスパークプラグを挿入し取付けを行うが、主体金具１２の係合部１２ａの内接円の直径より、ジョイント１６の外径が大きい場合、工具の内部にセンサ一体型スパークプラグ１が入らなくなり、取り付けが困難になる。そのため、ジョイント１６の外径は、主体金具１２の係合部１２ａの内接円の直径より小さくし、工具内に挿入できるようにした。
【００６１】
（その他の実施形態）
センサとして、光ファイバセンサ以外に、燃焼光センサや圧電センサや半導体センサを用いることができる。
【００６２】
燃焼光センサとは、燃焼室内の燃焼光の明暗を捕らえ、これを電気信号に変換させる方式を用いたものである。この燃焼光センサは、光ファイバセンサと同様に計測精度や耐久性に優れている。
【００６３】
圧電センサとは、圧電素子を用いており、圧電素子に加わる圧力により生じる電圧を測定することにより、燃焼室内の圧力変化を検知することができる。
【００６４】
半導体センサとは、応力により電気伝導度が変化する半導体のピエゾ抵抗効果を検出原理として用いており、電気抵抗の変化として出力を検知し、圧力変化を求める。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態における、センサ一体型スパークプラグの断面図。
【図２】第１実施形態における、光ファイバセンサの断面図。
【図３】第１実施形態における、光ファイバセンサの作動説明図。
【図４】第２実施形態における、センサ一体型スパークプラグの断面図。
【図５】第２実施形態における、ジョイントの径方向の断面図。
【図６】第２実施形態における、センサ一体型スパークプラグの断面図。
【図７】第２実施形態における、絶縁碍子基端側から見た図。
【図８】第３実施形態における、センサ一体型スパークプラグの断面図。
【図９】第４実施形態における、センサ一体型スパークプラグの断面図。
【図１０】第４実施形態における、センサ一体型スパークプラグの基端側から見た図。
【符号の説明】
【００６６】
１・・・センサ一体型スパークプラグ
１２・・・主体金具
１３・・・絶縁碍子
１３ａ・・・電極保持孔
１３ｂ・・・センサ収納孔
１４・・・中心電極
１５・・・センサ
１６・・・ジョイント
５１・・・光ファイバ
５２・・・反射フィルタ
５３・・・選択透過フィルタ
５４・・・ダイアフラム
【図１】
2005340069.tif 000003
【図２】
2005340069.tif 000004
【図３】
2005340069.tif 000005
【図４】
2005340069.tif 000006
【図５】
2005340069.tif 000007
【図６】
2005340069.tif 000008
【図７】
2005340069.tif 000009
【図８】
2005340069.tif 000010
【図９】
2005340069.tif 000011
【図１０】
2005340069.tif 000012