(57)【要約】  【課題】  小型化、小径化を図ることができる燃焼圧センサ付きグロープラグを提供する。  【解決手段】  円筒状の小径部２１１と大径部２１２とを径方向に接続するダイアフラム部２１５が形成された歪部材２１０のダイアフラム部２１５上に、歪検出素子２２０が貼設される。歪検出素子２２０は、ピエゾ抵抗体を用いた半導体素子であり、ダイアフラム部２１５の歪曲状態を検出する。大径部２１２の縁端は主体金具４０の基端部４５に溶接され、小径部２１１は、絶縁部材２６０を介して中軸３０と一体に接合されている。中軸３０は主体金具４０に対し変位可能な状態で主体金具４０内に配置されており、内燃機関の燃焼圧に応じて変位可能である。その変位に応じて、歪部材２１０のダイアフラム部２１５が歪曲され、燃焼圧の検出が行われる。【選択図】  図３
2007057140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、
前記軸孔の先端側に挿通され、通電により発熱するヒータと、
前記軸孔に挿通され、前記ヒータと電気的に導通され、かつ前記主体金具に対して前記軸線方向に変位可能な状態で、該主体金具内に配置される中軸と、
前記主体金具と前記中軸とを電気的に絶縁した状態で、該主体金具と該中軸とのそれぞれに接合され、内燃機関の燃焼圧に応じて前記ヒータと共に前記中軸が変位することにより歪曲される歪部材と、
前記歪部材に設けられ、該歪部材の歪曲状態を検出する歪検出素子と
を備えたことを特徴とする燃焼圧センサ付きグロープラグ。
【請求項２】
前記歪部材は金属製のダイアフラム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付きグロープラグ。
【請求項３】
前記歪検出素子は、ピエゾ抵抗体を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
【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出するため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燃焼圧センサ付き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出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。このような燃焼圧センサ付きグロープラグとしては、例えば特許文献１に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグが提案されている。この燃焼圧センサ付きグロープラグは、グロープラグ本体（主体金具）と、グロープラグ本体内に配置される加熱ロッド（ヒータおよび中軸）と、燃焼圧センサとを備えている。そして、この燃焼圧センサ付きグロープラグでは、加熱ロッドに、その外周を取り巻く接触管が固定され、燃焼圧に応じて加熱ロッドと共に変位するこの接触管により、燃焼圧を検出するセンサ素子に燃焼圧が伝達される形態を有する。
【特許文献１】特開２００５−９０９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年の内燃機関の小型化に伴い、燃焼圧センサ付きグロープラグにも小型化、小径化が求められるが、主体金具と中軸とは、それぞれヒータを加熱するための電圧が印加される電極として構成されるため、両者を絶縁するための間隙が必要であり、燃焼圧の伝達に接触管を介する構成では、主体金具と中軸との間隙に接触管が配設されるため、絶縁性を確保するためにはさらに間隙を大きくする必要が生じ、小型化、小径化が難しいという問題があった。
【０００４】
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、小型化、小径化を図ることができる燃焼圧センサ付き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】
【０００５】
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付きグロープラグは、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する主体金具と、前記軸孔の先端側に挿通され、通電により発熱するヒータと、前記軸孔に挿通され、前記ヒータと電気的に導通され、かつ前記主体金具に対して前記軸線方向に変位可能な状態で、該主体金具内に配置される中軸と、前記主体金具と前記中軸とを電気的に絶縁した状態で、該主体金具と該中軸とのそれぞれに接合され、内燃機関の燃焼圧に応じて前記ヒータと共に前記中軸が変位することにより歪曲される歪部材と、前記歪部材に設けられ、該歪部材の歪曲状態を検出する歪検出素子とを備えている。
【０００６】
また、請求項２に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記歪部材は金属製のダイアフラムであることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記歪検出素子は、ピエゾ抵抗体を備えている。
【０００８】
なお、前記歪検出素子は、少なくとも１つ以上のピエゾ抵抗体を備えたＳｉ素子またはＳＯＩ素子であり、前記歪部材には、少なくとも１つ以上の前記歪検出素子が設けられていてもよい。また、前記歪部材に、少なくとも１つ以上のピエゾ抵抗体が貼設されていてもよい。あるいは、前記歪部材に、円盤状もしくは中軸を挿通可能な円環状に形成されたＳｉ素子またはＳＯＩ素子が貼設されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、歪部材は、主体金具と中軸とのそれぞれに接合されている。このため、内燃機関の燃焼圧に対し、中軸を介し直接的に歪部材が歪曲されるので、歪検出素子による歪みの検出の感度を向上させることができる。また、主体金具と中軸とは、ヒータを加熱するための電圧が印加される電極となるが、両者間の絶縁に必要な間隙が確保されれば径方向にその他の構成部材を設けなくともよいため、燃焼圧センサ付きグロープラグの小型化や小径化を図ることができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、歪部材が金属製のダイアフラムであり、中軸の変位によって容易に歪曲されるので、中軸の変位を減退させることがなく、歪検出素子による歪みの検出の感度を向上させることができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明の燃焼圧センサ付きグロープラグでは、歪検出素子がピエゾ抵抗体を備えており、素子のインピーダンスが低くＳ／Ｎが高いので、燃焼圧センサとしての感度を向上させることができる。また、経時的な変化が小さいので長期にわたって安定した燃焼圧の検出を行うことができる。また、素子の小型化が容易であり、燃焼圧センサを小型化、ひいては燃焼圧センサ付きグロープラグの小型化、小径化を図ることができる。
【００１２】
なお、歪検出素子としてＳｉ素子やＳＯＩ素子などの半導体素子を用いれば、上記のようなピエゾ抵抗体を素子の構成として容易に組み込むことができ、歪検出素子の製造が容易である。そして歪検出素子を歪部材に少なくとも１つ設ければ十分に燃焼圧の検出が可能であるが、複数設けて検出値を平均化させれば、素子の個体差をなくし、製造誤差を低減することができる。また、歪部材に直接ピエゾ抵抗体を設ければ、燃焼圧センサのさらなる小型化が可能である。この場合にも同様に、歪部材に貼設するピエゾ抵抗体は、少なくとも１つ以上あればよい。一方、Ｓｉ素子またはＳＯＩ素子を歪部材の形状にあわせて円盤状もしくは中軸を挿通可能な円環状に形成してもよく、歪部材と歪検出素子との形状を揃えることで、歪検出素子の位置決めが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した燃焼圧センサ付き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，図２を参照して、燃焼圧センサ付きグロープラグの一例としての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の一部切欠縦断面図である。図２は、グロープラグ１００のセラミックヒータ２０付近の断面図である。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。
【００１４】
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。
【００１５】
図２に示すように、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断面略Ｕ字状の発熱素子２４が埋設された構造を有する。発熱素子２４は、セラミックヒータ２０の先端部２２に配置され、その曲面にあわせて両端が略Ｕ字状に折り返された発熱体２７と、その発熱体２７の両端にそれぞれ接続され、セラミックヒータ２０の後端部２３に向けて軸線Ｏに沿って略平行に埋設されたリード部２８，２９とから構成される。発熱体２７は、その断面積がリード部２８，２９の断面積よりも小さくなるように成形されており、通電時、主に発熱体２７において発熱が行われる。また、セラミックヒータ２０の後端部２３の外周面には、リード部２８，２９のそれぞれから突出された電極取出部２５，２６が、互いに軸線Ｏ方向にずれた位置に露出されている。なお、セラミックヒータ２０が、本発明における「ヒータ」に相当する。
【００１６】
このセラミックヒータ２０の胴部分の外周には、円筒状の筒状体８０が取り巻くように配置されている。筒状体８０は金属製の部材からなり、胴部８１の後端側には肉厚の鍔部８２が形成されている。その鍔部８２の後端には段状の係合部８３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８３に係合される。その係合の際には、セラミックヒータ２０のうち筒状体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８３によって位置決めされる。
【００１７】
この筒状体８０の筒孔８４の内径は、後述するようにセラミックヒータ２０が筒孔８４内で軸線Ｏ方向に変位可能となるように、セラミックヒータ２０の外径よりも大きく構成されている。そして、筒孔８４内で鍔部８２の形成位置には、突出先端側が軸線Ｏに向けて付勢された板バネ８５が突設されている。セラミックヒータ２０の電極取出部２５，２６のうち先端側に形成された電極取出部２５に、この板バネ８５が当接されており、電極取出部２５と筒状体８０とはこの板バネ８５を介して電気的に接続されている。一方、電極取出部２６は、後述するが、接続リング３５を介して中軸３０と電気的に接続されている。
【００１８】
また、セラミックヒータ２０の後端部２３には、セラミックヒータ２０の外周面と主体金具４０の軸孔４３内周面とに当接するＯリング４９が嵌められ、筒状体８０の係合部８３の後端に当接した状態で配置されている。このＯリング４９は、例えばシリコンゴムから形成されており、軸孔４３内でセラミックヒータ２０の位置決めと支持を行うと共に、セラミックヒータ２０が軸線Ｏ方向に変位しても軸孔４３内の気密性が保たれるように構成されている。
【００１９】
次に、図１に示すように、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、後述する燃焼圧センサ２００を主体金具４０に固定するため、軸線Ｏと直交する断面が円形で後方に向けて壁状に突出した基端部４５が設けられている。また、軸孔４３の内径は、工具係合部４６内で拡径され、拡径部４８として構成されている。
【００２０】
次に、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。図２に示すように、中軸３０の先端部３２は、セラミックヒータ２０の後端部２３に嵌められる内部段状の接続リング３５によって、セラミックヒータ２０と機械的に結合されている。この接続リング３５は、その内周面がセラミックヒータ２０の電極取出部２６に接触しており、中軸３０と電極取出部２６とを電気的に接続している。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、上記した構成により、主体金具４０と中軸３０とのそれぞれが、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として機能する。また、図１に示すように、中軸３０の後端部３３で、主体金具４０の後端に設けられた燃焼圧センサ２００から露出された部分には、雄ねじ部３４が形成されている。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。
【００２１】
次に、図３〜図５を参照して、燃焼圧センサ２００の構造について説明する。図３は、グロープラグ１００の燃焼圧センサ２００付近の断面図である。図４は、歪部材２１０および歪検出素子２２０を図３における軸線Ｏ方向後端側（上側）より見た平面図である。
図５は、歪検出素子２２０の模式的な構造を示す平面図である。なお、便宜上、図３において、グロープラグ１００の軸線Ｏ方向の先端側を下側（図中上側）、後端側を上側（図中下側）として説明する。
【００２２】
図３に示すように、燃焼圧センサ２００は、主体金具４０の基端部４５と中軸３０の後端部３３の外周面とのそれぞれに接合される歪部材２１０と、その歪部材２１０の歪みを検出する歪検出素子２２０とを備えて構成される。
【００２３】
主体金具４０の軸孔４３の拡径部４８には、内周を中軸３０が挿通されるＯリング２５０が係合されている。Ｏリング２５０はシリコンゴムからなり、中軸３０が軸線Ｏ方向に変位可能な状態で中軸３０の外周面に当接して軸孔４３内の気密性を保つとともに、軸孔４３内における中軸３０の位置決めを行っている。中軸３０の後端部３３はＯリング２５０より後端側（図中上側）に露出されており、歪部材２１０によりその外周が取り囲まれている。
【００２４】
歪部材２１０は金属製で、円筒状で内径が中軸３０の外径よりやや大きな小径部２１１と、小径部２１１より大径の円筒状で主体金具４０の基端部４５と同径の大径部２１２と、小径部２１１と大径部２１２とが軸線Ｏ方向に連続して配置されるように両者の縁端部分を径方向に連結する薄膜円環状のダイアフラム部２１５とから構成される。歪部材２１０は、大径部２１２側を軸線Ｏ方向先端側に向け、大径部２１２の縁端が主体金具４０の基端部４５の縁端に溶接されている。歪部材２１０の内周は主体金具４０の軸孔４３に連続し、中軸３０が挿通されている。そして小径部２１１の内周面と、中軸３０の外周面との間に配設された筒状の絶縁部材２６０に、小径部２１１と中軸３０とがそれぞれ接合され、一体となっている。すなわち、小径部２１１が中軸３０に固定され、大径部２１２が主体金具４０に固定されており、主体金具４０に対し中軸３０が変位すると、小径部２１１と大径部２１２との間を連結するダイアフラム部２１５に歪みが生ずる構成となっている。
【００２５】
なお、絶縁部材２６０を介した小径部２１１と中軸３０との接合において、本実施の形態では、絶縁性を示す無機系の接着剤を、それぞれの間隙に流し込むことによって行っている。接着剤としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を３０〜６０ｗｔ％含有した接着剤である東亞合成株式会社製アロンセラミック（登録商標）などが好適に利用可能である。その他、ガラスを主成分とする接着剤やガラスやセメント等を用いてもよい。このような接着剤は、耐衝撃性が高いことが好ましい。
【００２６】
歪部材２１０のダイアフラム部２１５は、平面視、図４に示すように円環状に形成されており、周方向に均等な４箇所に矩形の歪検出素子２２０がそれぞれ配置され、接着剤等により固定（貼設）されている。歪検出素子２２０は、シリコンを用いた半導体基板上に形成したピエゾ抵抗体の抵抗値変化を測定して歪みを検出する、いわゆる半導体ひずみゲージであり、その模式的な構造は図５に示される。
【００２７】
図５に示すように、歪検出素子２２０はシリコンより形成され、面方位を＜１１０＞とする（１１０）基板２３０上に、６つのコンタクトパッド２２１〜２２３，２２４〜２２６が２列並列に対向して形成されている。そして、コンタクトパッド２２１と２２４，２２２と２２５，２２３と２２６をそれぞれ組として、結晶軸方向＜１００＞に沿って形成したピエゾ抵抗体２３１〜２３３によって、各組のコンタクトパッド同士がそれぞれ接続されている。また、そのうち２組のピエゾ抵抗体２３２，２３３は、結晶軸方向＜１１０＞に沿って形成した２本のピエゾ抵抗体２３４，２３５で架橋されている。ピエゾ抵抗体２３４は、コンタクトパッド２２２，２２３の近くでピエゾ抵抗体２３２，２３３間に架橋され、ピエゾ抵抗体２３５は、コンタクトパッド２２５，２２６の近くでピエゾ抵抗体２３２，２３３間に架橋されている。後述するが、このピエゾ抵抗体２３２〜２３５からなる架橋構造体は、歪みの検出が可能な感歪素子として機能する。残る１組のコンタクトパッド２２１，２２４間を接続するピエゾ抵抗体２３１は、温度変化を検出可能な感温素子として機能する。
【００２８】
歪検出素子２２０の各コンタクトパッド２２１〜２２６は、図３に示すように、燃焼圧センサ２００の保護カバー２７０内に設けられた中継基板２４０上の回路に、金またはアルミのワイヤー２２８によりそれぞれ電気的に接続されている。保護カバー２７０は、歪部材２１０の外周を囲う周壁２７２と、中央に中軸３０を挿通させる開口２７７が形成され、周壁２７２の一端側（上側）を閉塞する上壁２７１とから構成され、溶接により両者が接合されている。また、周壁２７２の内周面には中継基板２４０を位置決めするための突起部２７３が形成されている。そして、周壁２７２の一部には開口部２７５が開口されている。中継基板２４０には外部回路（図示外）との電気的な接続を行うための接続ケーブル２４５が接続されるコネクタ２４１が設けられており、接続ケーブル２４５の差し込み口が保護カバー２７０の外方に露出されるように、開口部２７５内に配置されている。保護カバー２７０の先端部２７８（周壁２７２の開口側の端部）は、主体金具４０の基端部４５の外周に係合されており、全周にわたってレーザ溶接されることで、保護カバー２７０と主体金具４０とが一体となっている。一方、保護カバー２７０の上壁２７１の開口２７７は、その内径が、中軸３０に接合された絶縁部材２６０の外径よりも大きく構成され、中軸３０の軸線Ｏ方向への変位を妨げない構成となっている。
【００２９】
次に、グロープラグ１００において、エンジンの燃焼圧を検出する際の動作について説明する。図１に示す、グロープラグ１００がエンジンヘッド（図示外）に取り付けられた際には、燃焼室内にセラミックヒータ２０の先端部２２が露出する。エンジンの稼働に伴い燃焼室内の圧力が増加すると、燃焼圧によりセラミックヒータ２０が押圧力を受ける。セラミックヒータ２０は機械的に結合された中軸３０と共に、主体金具４０の軸孔４３内でＯリング４９およびＯリング２５０を介して支持されており、燃焼圧に基づく押圧力で軸線Ｏ方向後端側に変位する。
【００３０】
すると、図３に示すように、中軸３０に接合された歪部材２１０の小径部２１１も、軸線Ｏ方向後端側に変位する。一方、歪部材２１０の大径部２１２は、主体金具４０の基端部４５に固定されており、中軸３０の変位に伴い、小径部２１１と大径部２１２とが軸線Ｏ方向に離れる方向に変位するため、両者を連結するダイアフラム部２１５が歪曲される。これにより、ダイアフラム部２１５に貼設された歪検出素子２２０に変形が生ずる。
【００３１】
歪検出素子２２０に変形が生ずると、（１１０）基板２３０上に形成された各ピエゾ抵抗体２３１〜２３５も変形される。このとき、（１１０）基板２３０と結晶軸方向を同じとするピエゾ抵抗体２３４，２３５では自身の変形により抵抗値が変化し、結晶軸方向の異なるピエゾ抵抗体２３１〜２３３では抵抗値に変化を生じない。ここで、図５に示すように、ピエゾ抵抗体２３２，２３３間をピエゾ抵抗体２３４，２３５で架橋するように形成した回路構成は、図６に示す、ホイートストンブリッジの構成をなす。ホイートストンブリッジの動作の原理については公知であるため省略するが、図５，図６に示す、コンタクトパッド２２２，２２６間を入力としてａ点，ｄ点間に定電圧を印加し、コンタクトパッド２２３，２２５間を出力としてｂ点，ｃ点間の電位差（中点電位差）を検出すれば、ピエゾ抵抗体２３４，２３５の抵抗値の変化に応じた検出値が得られることとなる。
【００３２】
なお、中継基板２４０には温度補償回路が設けられており、図５に示す、感温素子としてのピエゾ抵抗体２３１により検出される温度に基づき、燃焼圧の検出値に対し温度補正が行われる。
【００３３】
上記のように、主体金具４０の軸孔４３内でＯリング４９，２５０により中軸３０が支持される形態のグロープラグ１００では、他部材により、燃焼圧による中軸３０の変位に伴うダイアフラム部２１５の歪曲が抑制されることはない。このため、燃焼圧の大きさと、ダイアフラム部２１５の歪曲の度合いとが比例することとなり、歪検出素子２２０のピエゾ抵抗体２３４，２３５の変形に伴い変化する抵抗値も、燃焼圧の大きさに比例する。すなわち、燃焼圧センサ２００では、燃焼圧の大きさに応じた検出値を得ることができる。
【００３４】
［実施例１］
このようなグロープラグ１００の燃焼圧センサ２００に用いることができる歪検出素子２２０を、図７に示す各工程に従って作製した。なお、以下の製造工程における各ステップを「Ｓ」と略記する。
【００３５】
（Ｓ１）シリコン基板の準備
図７に示すように、まず、厚さ４００μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍのＮ型シリコン基板２８０（Ｓｉ）を用意し、洗浄液中に浸して洗浄処理を行った。
【００３６】
（Ｓ２）パターニング
シリコン基板２８０を熱処理炉に入れ、熱酸化処理により、表面上に厚さ１００ｎｍの熱酸化膜２８１，２８２（ＳｉＯ２）を形成し、一方の面（上側の面）に形成した熱酸化膜２８１をエッチングすることで、感歪素子の形状および感温素子の形状のパターニングを行った。
【００３７】
（Ｓ３）ピエゾ抵抗体の形成
次に、イオン注入装置により、シリコン基板２８０の表層にＰ型不純物として濃度１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のボロンを注入し、窒素雰囲気中で９５０℃、３０分間のアニール（加熱処理）を行い、感温素子としてのピエゾ抵抗体２３１および感歪素子としてのピエゾ抵抗体２３２〜２３５を形成した。
【００３８】
（Ｓ４）保護膜の形成
シリコン基板２８０のピエゾ抵抗体２３１〜２３５が形成された側の表面上に、ＬＰ−ＣＶＤにて、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｎ２Ｏをソースガスとし、９００℃の条件下で、厚さ３００ｎｍのＨＴＯ（High Temperature Oxide）膜２８３を形成し、保護膜とした。
【００３９】
（Ｓ５）コンタクトホールの形成
次いで、ＨＴＯ膜２８３を部分的にエッチングし、コンタクトホール２８４を形成した。
【００４０】
（Ｓ６）コンタクトパッドの形成
そして、コンタクトホール２８４にＰｔ／ＴｉＮ／ＰｔＳｉからなる金属層を形成し、コンタクトパッド２２１〜２２６を形成し、歪検出素子２２０を完成させた。
【００４１】
このようにして作製した歪検出素子２２０を、公知の製造工程によって燃焼圧センサ２００を除く部位を組み立てたグロープラグ１００の組立中間体に、以下のようにして組み付け、グロープラグ１００を完成させた。
【００４２】
まず、ガラスペーストや接着剤等を用い、歪検出素子２２０を別工程にて作製した歪部材２１０のダイアフラム部２１５上に接着した。そして歪部材２１０を大径部２１２側から中軸３０に係合させ、主体金具４０の基端部４５の縁端に大径部２１２の縁端を当接させた状態で、両者間を全周にわたってレーザ溶接した。そして中軸３０に絶縁部材２６０を係合させ、小径部２１１と中軸３０との間に介在させた状態で間隙に接着剤を流し込み、小径部２１１と中軸３０と絶縁部材２６０とを一体に接合した。
【００４３】
次に、保護カバー２７０の周壁２７２で歪部材２１０を囲うように中軸３０の後端側から主体金具４０の基端部４５に係合させ、先端部２７８の外周をレーザ溶接し、主体金具４０と一体に接合した。また中継基板２４０を周壁２７２の内周の突起部２７３に配置し、このとき、中継基板２４０のコネクタ２４１を、周壁２７２の開口部２７５に内側から挿入し、外側からコネクタ２４１に接続ケーブル２４５を装着した。そしてワイヤー２２８のスポット溶接を行って、中継基板２４０上の回路パターン（図示外）と、歪検出素子２２０上のコンタクトパッド２２１〜２２６とを結線した。次いで、保護カバー２７０の上壁２７１を中軸３０の後端側から周壁２７２に被せ、上壁２７１と周壁２７２との接続部分をレーザ溶接し、一体にした。最後に、中軸３０の後端部３３の雄ねじ部３４に接続端子５０を螺合して、グロープラグ１００が完成した。
【００４４】
このように、歪検出素子２２０を、シリコン基板のベース上にピエゾ抵抗体を形成した半導体素子として構成すれば、素子のインピーダンスが低くＳ／Ｎが高いので、燃焼圧センサとしての感度を向上させることができる。そして感歪素子と同一のピエゾ抵抗体を用いて感温素子を形成できるので、温度補償回路の構成が簡易であり、容易に組み込むことができる。また、経時的な変化が小さいので長期にわたって安定した燃焼圧の検出を行うことができる。さらに素子の小型化が容易であり、燃焼圧センサを小型化、ひいては燃焼圧センサ付きグロープラグの小型化、小径化を図ることができる。
【００４５】
［実施例２］
また、歪検出素子２２０のベースとなるシリコン基板２８０に替えてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２９０を用いた場合には、図８に示す各工程に従って作製した。
【００４６】
（Ｓ１１）ＳＯＩ基板の準備
図８に示すように、厚さ１．５μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｐ型のシリコン（Ｓｉ）からなる活性層２９３と、厚さ１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層２９２と、厚さ５２５μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｎ型のシリコン（Ｓｉ）からなる支持層２９１とを張り合わせたＳＯＩ基板２９０を用意し、洗浄液中に浸して洗浄処理を行った。
【００４７】
（Ｓ１２）ボロンドープ
次に、イオン注入装置により、ＳＯＩ基板２９０の活性層２９３にＰ型不純物として濃度１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のボロンを注入し、窒素雰囲気中で１１００℃、５時間のアニール（加熱処理）を行った。これにより、活性層２９３に注入されたボロンは均一に拡散された。
【００４８】
（Ｓ１３）ピエゾ抵抗体の形成
活性層２９３上に感歪素子の形状および感温素子の形状にレジストのパターニングを行い、反応性イオンエッチングによるＳｉのエッチングを行い、感温素子としてのピエゾ抵抗体２３１および感歪素子としてのピエゾ抵抗体２３２〜２３５を形成した。
【００４９】
（Ｓ１４）保護膜の形成
ＳＯＩ基板２９０の表裏両面上に、ＬＰ−ＣＶＤにて、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｎ２Ｏをソースガスとし、９００℃の条件下で、厚さ３００ｎｍのＨＴＯ膜２９４，２９５を形成し、保護膜とした。
【００５０】
（Ｓ１５〜Ｓ１８）
以下、上記実施例１と同様に、コンタクトホール２９６を形成し（Ｓ１５）、コンタクトパッド２２９を形成して（Ｓ１６）、歪検出素子２２０を完成させた。
【００５１】
このように、歪検出素子２２０を、ＳＯＩ基板を用いてピエゾ抵抗体からなる感歪素子を有した半導体素子として構成すれば、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。さらに、Ｐ型半導体部とＮ型半導体部とが絶縁されているため、周囲の温度が高くなっても漏れ電流が発生しにくく、素子としての耐熱性を得ることができる。
【００５２】
［実施例３］
また、ダイアフラム部上に直接ピエゾ抵抗体を形成することで、歪部材と歪検出素子とを一体とすることもでき、そのように構成した歪部材２１０は、図９に示す各工程に従って作製した。
【００５３】
（Ｓ２１）ＳＯＩ基板の準備
図９に示すように、厚さ１．５μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｐ型のシリコン（Ｓｉ）からなる活性層３０３と、厚さ１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層３０２と、厚さ５２５μｍ、抵抗値１０〜２０Ω・ｃｍ、Ｎ型のシリコン（Ｓｉ）からなる支持層３０１とを張り合わせたＳＯＩ基板３００を用意し、洗浄液中に浸して洗浄処理を行った。
【００５４】
（Ｓ２２）ボロンドープ
次に、イオン注入装置により、ＳＯＩ基板３００の活性層３０３にＰ型不純物として濃度１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のボロンを注入し、窒素雰囲気中で１１００℃、５時間のアニール（加熱処理）を行った。これにより、活性層３０３に注入されたボロンは均一に拡散された。
【００５５】
（Ｓ２３）ピエゾ抵抗体の形成
活性層３０３上に感歪素子の形状および感温素子の形状にレジストのパターニングを行い、反応性イオンエッチングによるＳｉおよびＳｉＯ２のエッチングを行い、感温素子または感歪素子としてのピエゾ抵抗体３５０を形成した。
【００５６】
（Ｓ２４）ガラス膜の形成
一方、別工程において作製した金属製の歪部材のダイアフラム部２１５の表面上にガラスペーストをコーティングし、ガラス膜３１６を形成した。
【００５７】
（Ｓ２５）ピエゾ抵抗体のダイアフラムへの接合
そして、Ｓ２１〜Ｓ２３の工程において作製したＳＯＩ基板３００と、Ｓ２４の工程においてガラス膜３１６の形成されたダイアフラム部２１５とを接合した。このとき、ＳＯＩ基板３００のピエゾ抵抗体３５０側とダイアフラム部２１５のガラス膜３１６側とを接触させ、ガラス膜３１６を接着剤とし、両者を貼り合わせた。
【００５８】
（Ｓ２６）Ｓｉ支持層の除去
次に、反応性イオンエッチングによるＳｉのエッチングを行って、支持層３０１の除去を行った。
【００５９】
（Ｓ２７）保護膜の形成
ダイアフラム部２１５のガラス膜３１６が形成された側の面に、ＬＰ−ＣＶＤにて、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｎ２Ｏをソースガスとし、９００℃の条件下で、厚さ３００ｎｍのＨＴＯ膜３０４を形成し、保護膜とした。
【００６０】
（Ｓ２８）コンタクトホールの形成
次いで、ＨＴＯ膜３０４を部分的にエッチングし、ピエゾ抵抗体３５０の一部を露出させたコンタクトホール３０５を形成した。
【００６１】
（Ｓ２９）コンタクトパッドの形成
そして、コンタクトホール３０５にＰｔ／ＴｉＮ／ＰｔＳｉからなる金属層を形成し、コンタクトパッド３２９を形成し、歪検出素子と一体化した歪部材を完成させた。
【００６２】
このように、ダイアフラム部上に直接ピエゾ抵抗体を形成して、歪部材と歪検出素子とを一体とすれば、燃焼圧センサの小型化を図ることができる。また、歪検出素子の形成と同時に歪部材への組付けを行うことができるので、製造工程における手間を軽減することができる。そして、感歪素子をピエゾ抵抗体から形成することで、実施例１，２と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、本発明は各種の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、歪検出素子２２０は、半導体を用いたひずみゲージとしたが、薄い絶縁部材上に銅やニッケル合金などの金属からなる抵抗体を形成する際に、蛇行させるなどして電極間の距離が長くなるように構成したひずみゲージを用いてもよい。これを歪部材２１０のダイアフラム部２１５に設けた場合、ダイアフラム部２１５と共に絶縁部材が歪むと抵抗体が僅かに圧縮または伸長し、抵抗体の長さが変化するので、その抵抗値に変化が生ずるという現象を利用すればよい。
【００６４】
また、歪検出素子２２０は、本実施の形態では歪部材２１０のダイアフラム部２１５上に４つ貼設したが、４つに限定するものではなく、少なくとも１つ以上あればよい。また、歪検出素子２２０上に形成したピエゾ抵抗体２３１〜２３５の数も５つに限定するものではなく、シリコン基板２８０あるいはＳＯＩ基板２９０の結晶軸方向と同一の結晶軸方向を有するピエゾ抵抗体を少なくとも１つ以上形成すれば、歪みの検出が可能である。
【００６５】
また、歪検出素子２２０は、本実施の形態では、平面視、矩形状に形成したが、形状について限定するものではなく、円形（円盤状）であってもよいし、多角形状であってもよい。あるいは、図１０に示すように、歪部材２１０のダイアフラム部２１５の形状にあわせ、小径部２１１や中軸３０が挿通可能な孔が開口された円環状の歪検出素子３３０として形成してもよい。この場合、一例としては、シリコンより形成され円環状で面方位を＜１１０＞とする（１１０）基板３２０上に、コンタクトパッド２２９およびピエゾ抵抗体３３１〜３３５を、実施例１に示した製造工程にて形成する。ピエゾ抵抗体３３１は感温素子として機能し、結晶軸方向＜１００＞に沿って形成する。また、感歪素子として、軸線Ｏの位置を中心として対称な位置に、結晶軸方向＜１００＞に沿ってピエゾ抵抗体３３２，３３３を形成し、互いに対向配置させる。そしてピエゾ抵抗体３３２，３３３の対向方向と直交する方向で、軸線Ｏの位置を中心として対称な位置に、結晶軸方向＜１１０＞に沿う部位を有するピエゾ抵抗体３３４，３３５を形成し、互いに対向させる。つまり、ピエゾ抵抗体３３２〜３３５を、それぞれの重心位置が、軸線Ｏの位置を中心とする均等な位置に配置する。さらに、図６に示したホイートストンブリッジ構造となるように、中継基板２４０上の配線パターンを形成する。このようにすれば、本実施の形態と同様に、歪部材２１０のダイアフラム部２１５の変形に応じてピエゾ抵抗体３３４，３３５の抵抗値が変化するため、燃焼圧に応じた検出値が得られる。
【００６６】
なお、このような構成の歪検出素子３３０は、実施例１に示した本実施の形態の歪検出素子２２０の製造工程において、シリコン基板２８０を円盤状に形成し、Ｓ６の工程後に、歪部材２１０の小径部２１１を通過させるための貫通孔を、歪検出素子２２０の厚み方向に形成すればよい。また、ＳＯＩ基板を用いた場合も同様である。
【００６７】
また、本実施の形態では、歪検出素子２２０はシリコン基板をベースに形成したが、ＳＯＩ基板をベースに形成してもよいし、シリコン以外の半導体材料やアルミナなどから形成してもよい。また、ＳＯＩ基板２９０は、活性層２９３、絶縁層２９２、支持層２９１の３層を張り合わせることにより形成したが、これに限らず、例えばシリコン基板中に酸素を打ち込むことにより絶縁層を形成する方法など、公知のいかなる方法により形成してもよい。
【００６８】
また、歪検出素子２２０の表面上にガラス層を形成してもよい。この場合、板状のガラスを貼りつけてもよいし、ガラスペースト等を盛り付けてもよい。そして、歪検出素子２２０を歪部材２１０のダイアフラム部２１５へ貼設する際には接着剤やバインダ等を用いることができるが、上記ガラスペーストを用いてもよい。また、Ｏリング４９，２５０の材質としてシリコンゴムを用いたが、フッ素系の樹脂を用いても、軸孔４３の気密性の保持に効果がある。
【００６９】
また、中軸３０と歪部材２１０の小径部２１１とは、絶縁部材２６０を間に配置し、絶縁部材２６０を介して互いに接合されたが、絶縁性の接着剤を用い、中軸３０と小径部２１１とを直接接合してもよい。この場合、小径部２１１の内周面と中軸３０の外周面との間に間隙が形成されるように、小径部２１１の内径および中軸３０の外径を構成し、両者の間隙に流し込む接着剤は粘性の高いものを用い、両者が確実に接着されると共に、両者が確実に絶縁されるようにするとよい。さらに、上記絶縁性の接着剤はガラスでもよく、その場合、ガラスペーストを塗布した後に焼成して接合させてもよい。また、歪部材２１０を、絶縁性の部材から形成してもよい。
【００７０】
また、保護カバー２７０と主体金具４０の基端部４５とは溶接により接合したが、接着剤等による貼り合わせを行ってもよいし、保護カバー２７０を径方向に加締めることによって固定してもよい。また、歪部材２１０の大径部２１２の縁端と主体金具４０の基端部４５の縁端とは溶接により接合したが、接着剤等による貼り合わせを行ってもよいし、保護カバー２７０の突起部２７３により大径部２１２の縁端が基端部４５の縁端に向けて押圧されるようにした状態で保護カバー２７０を基端部４５の外周に溶接する構成としてもよい。また、保護カバー２７０は、樹脂で形成してもよい。
【００７１】
また、保護カバー２７０は、本実施の形態では上壁２７１と周壁２７２との２部品より構成したが、これを１部品として構成してもよい。この場合、予め、接続ケーブル２４５を接合した状態の中継基板２４０を歪検出素子２２０と結線し、歪部材２１０上に配置してから歪部材２１０の組付けを行い、保護カバー２７０を係合させる際に開口２７７より接続ケーブル２４５を取り出すようにするとよい。
【００７２】
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、先端部を半球状に閉塞し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ズヒータであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
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】
【００７４】
【図１】グロープラグ１００の一部切欠縦断面図である。
【図２】グロープラグ１００のセラミックヒータ２０付近の断面図である。
【図３】グロープラグ１００の燃焼圧センサ２００付近の断面図である。
【図４】歪部材２１０および歪検出素子２２０を図３における軸線Ｏ方向後端側（上側）より見た平面図である。
【図５】歪検出素子２２０の模式的な構造を示す平面図である。
【図６】歪検出素子２２０の電気的な構成を模式的に示す回路図である。
【図７】シリコン基板２８０を用いた歪検出素子２２０の製造過程を模式的に示す図である。
【図８】ＳＯＩ基板２９０を用いた歪検出素子２２０の製造過程を模式的に示す図である。
【図９】ピエゾ抵抗体を直接ダイアフラム部２１５上に形成することで、歪検出素子と一体化した歪部材の製造過程を模式的に示す図である。
【図１０】変形例としての歪検出素子３３０を歪部材２１０のダイアフラム部２１５上に配置した形態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７５】
２０    セラミックヒータ
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    歪部材
２１５    ダイアフラム部
２２０    歪検出素子
２３１〜２３５  ピエゾ抵抗体
【図１】
2007057140.tif 000003
【図２】
2007057140.tif 000004
【図３】
2007057140.tif 000005
【図４】
2007057140.tif 000006
【図５】
2007057140.tif 000007
【図６】
2007057140.tif 000008
【図７】
2007057140.tif 000009
【図８】
2007057140.tif 000010
【図９】
2007057140.tif 000011
【図１０】
2007057140.tif 000012