(57)【要約】【課題】燃焼圧力を高精度に検知できる圧力センサ付きヒータ及びそれを用いたグロープラグを提供すること。【解決手段】先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、前記ヒータ本体の先端部には、該ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面が形成されていることを特徴とする。【選択図】図４
2007292415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、
前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、
前記ヒータ本体の先端部には、該ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面が形成されていることを特徴とする圧力センサ付きヒータ。
【請求項２】
前記圧力伝播平面の表面粗さが前記ヒータ本体の側面よりも粗い請求項１記載の圧力センサ付きヒータ。
【請求項３】
先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、
前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、
前記ヒータ本体は、後端側から先端側に延びる柱状部と、該柱状部よりも先端側に位置する半球状部とを有し、該半球状部の先端側には、前記ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面が形成されていることを特徴とする圧力センサ付きヒータ。
【請求項４】
前記圧力伝播平面が円形であり、該円の中心がヒータ本体の軸上にある請求項３記載の圧力センサ付きヒータ。
【請求項５】
前記圧力伝播平面の表面粗さが前記半球状部の曲面部分よりも粗い請求項３又は４記載の圧力センサ付きヒータ。
【請求項６】
前記円の直径が前記柱状部の軸方向断面対角長さの０．１〜１倍である請求項３乃至５のいずれかに記載の圧力センサ付きヒータ。
【請求項７】
先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、
前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、
前記ヒータ本体は、後端側から先端側に延びる柱状部と、該柱状部よりも先端側に位置する半球状部とを有し、該半球状部の曲率半径は先端側の方が後端側よりも大きいことを特徴とする圧力センサ付きヒータ。
【請求項８】
前記半球状部の曲率半径が先端側に向かうにつれて漸次大きくなる請求項７記載の圧力センサ付きヒータ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の圧力センサ付きヒータを保持部材にて保持したグロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内で加熱しながらその内部圧力の変化を捉えなければならない分野、例えば高温及び高圧力で運転される焼却炉、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助装置として使用されるグロープラグなどに用いる圧力センサ付きヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動補助を行なうためのグロープラグとして用いる圧力センサ付きヒータとして、次のようなものが提案されている。
【０００３】
この圧力センサ付きヒータは、図１１に示すように副室式ディーゼルエンジン等の燃焼室内に直接臨んでシリンダヘッド４１に取り付けられて使用される。
【０００４】
この圧力センサ付きヒータは、例えばタングステン等の高融点金属からなる発熱体４４Ａが埋設されているヒータ本体４４と、燃焼室内の圧力を測定する圧力センサ４２と、ヒータ本体４４及び圧力センサ４２をそれぞれ保持するステンレス等の金属からなる保持部材を備えている。
【０００５】
圧力センサ４２は、ヒータ本体４４と、筒状の保持部材内に圧入や鋳込み等により形成され前記ヒータ本体４４を固定するためのセラミック又は絶縁性樹脂等からなる固定部材４５との間に挟み込まれている。ヒータ本体４４は、前記燃焼室内にて燃焼圧力を受ける燃焼室内圧力受圧部材として機能する。
【０００６】
圧力センサ４２には、受けた圧力を電気信号として伝えるためのリード線４２Ａが取り付けられている。また、発熱体４４Ａには陽極用の引出部４４Ｃの一端が接続されており、該陽極用引出部４４Ｃの他端には、絶縁性を有する前記固定部材４５内を通過する電力供給のためのヒータ用配線４７が電気的に接続されている。さらに、発熱体４４Ａには、陰極用の電極引出部材４４Ｂの一端が接続されており、該陰極用の電極引出部材４４Ｂの他端は前記保持部材４５と電気的に接続されている。
【０００７】
上記のような圧力センサ付きヒータにおいては、燃焼室内の圧力を受けるヒータ本体４４の変位を直接検出することができ、比較的剛性の高いシリンダヘッド４１の弾性変形を間接的に検出するものに比べて、燃焼室内圧変化に対する検出変位量を大きくすることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−７２８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような内燃機関等に使用されるグロープラグに用いる圧力センサ付きヒータにおいては、燃焼効率あるいは排気ガス清浄度の向上を目的とし、燃焼爆発した瞬間の圧力変化を瞬時に信号として取り出すことが求められている。しかしながら、上記特許文献１の圧力センサ付きヒータでは、ヒータ本体４４の後端に設置された圧力センサ４２に、ヒータ本体４４の軸方向へ燃焼圧力が伝わり難いとともに、燃焼のより早い段階、即ち燃焼爆発した瞬間の圧力変化を十分に測定できなかった。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、燃焼圧力を高精度且つ迅速に検知できるようにした圧力センサ付きヒータ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】
【００１０】
本発明の圧力センサ付きヒータは、先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、前記ヒータ本体の先端部には、該ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記圧力伝播平面の表面粗さが前記ヒータ本体の側面よりも粗いことを特徴とするものである。
【００１２】
また、先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、前記ヒータ本体は、後端側から先端側に延びる柱状部と、該柱状部よりも先端側に位置する半球状部とを有し、該半球状部の先端側には、前記ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記圧力伝播平面が円形であり、該円の中心がヒータ本体の軸上にあることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記圧力伝播平面の表面粗さが前記半球状部の曲面部分よりも粗いことを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記円の直径が前記柱状部の軸方向断面対角長さの０．１〜１倍であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、先端側に発熱体が埋設され、燃焼室内に先端側が配置される柱状のヒータ本体と、前記燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の先端側で受けることにより、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサとを備え、前記ヒータ本体は、後端側から先端側に延びる柱状部と、該柱状部よりも先端側に位置する半球状部とを有し、該半球状部の曲率半径は先端側の方が後端側よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１７】
また、前記半球状部の曲率半径が先端側に向かうにつれて漸次大きくなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧力センサ付きヒータの構成を用いることにより、ヒータ本体の先端部が受ける圧力を、圧力センサに十分に伝達することができ、燃焼圧力を高精度且つ迅速に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の一実施の形態について、図を用いて説明する。
【００２０】
図４は、本発明の圧力センサ付きヒータの断面図を示したものである。本発明における圧力センサ付きヒータは、発熱体４４Ａと、発熱体４４Ａに取り付けられた陰極用の電極引出部４４Ｂ及び陽極用の電極引出部４４Ｃとを埋設した柱状のヒータ本体４４を備えている。ヒータ本体４４の後端側には、ヒータ本体４４の先端部が受ける燃焼室内の応力変化を感知する圧力センサ４２が取り付けられている。圧力センサ４２の後端側には、発熱体４４Ａに電力を供給する電力供給端子４８と、電力供給端子４８から突出し陽極用の電極引出部４４Ｂと電気的に接続されるヒータ用配線４７と、圧力センサに取り付けられるリード線４２Ａとがそれぞれ配線されている。また、電力供給端子４８と、ヒータ用配線４７と、リード線４２Ａとは、絶縁性を有する固定部材４６により固定されている。ヒータ本体４４、圧力センサ４２及び固定部材４６は、保持部材４５により保持されており、ヒータ本体４４の先端部は、保持部材４５から突出している。
【００２１】
そして、圧力センサ付きヒータ４３は、シリンダヘッド４１に設けられた設置孔に挿入されるとともに、ヒータ本体４４の先端部が燃焼室内に突出している。
【００２２】
圧力センサ４２は、燃焼室内の圧力変化を、ヒータ本体４４の先端部を介して感知し、圧力センサ４２に接続されたリード線４２Ａによって信号として取り出される。
【００２３】
本発明の特徴として、ヒータ本体の先端部には、ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面が形成されている。
【００２４】
上記構成により、燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の軸方向に受ける面積が向上し、さらに、ヒータ本体の先端側から後端側に無駄なく圧力を伝播することができ、燃焼爆発した瞬間の圧力変化を高精度に検知することができる。
【００２５】
また、圧力伝播平面の表面粗さが前記ヒータ本体の側面よりも粗いことが好ましい。表面粗さが粗い方が圧力を捉えやすく、側面と同じあるいは側面の方が粗い場合に比べ圧力センサへ伝達される圧力が大きくなる。またノイズも小さくなり、圧力信号の信頼性が向上する。本発明において表面粗さとは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１で規定される算術平均高さ（Ｒａ）を意味する。具体的には、粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を長さで割った値である。
【００２６】
また、上記構成に代えて、ヒータ本体として、後端側から先端側に延びる円柱部と、円柱部よりも先端側に位置する半球状部とを有し、半球状部の先端側には、ヒータ本体の軸方向に略垂直な圧力伝播平面を形成する、もしくは、半球状部の曲率半径は先端側の方が後端側よりも大きく形成してもよい。当該構成によれば、上述の効果を得るとともに、ヒータ本体の先端部の強度を向上することができる。即ち、半球状部を有するため、従来品と比べヒータ先端部の強度を低下することなく、ヒータ本体の先端側から後端側に無駄なく圧力を伝播することができる。
【００２７】
また、圧力伝播平面の表面粗さがヒータ本体の側面よりも粗いことが好ましい。表面粗さが粗い方が圧力を捉えやすく、側面と同じあるいは側面の方が粗い場合に比べ圧力センサへ伝達される圧力が大きくなる。またノイズも小さくなり、圧力信号の信頼性が向上する。
【００２８】
また、圧力伝播平面が円形（柱状部と半球状部の境界線の形状）であり、円の中心がヒータ本体の軸上にあることが好ましい。圧力伝播平面（柱状部と半球状部の境界線）を円形にすることにより、柱状部と半球状部の境界部分にかかる応力を低減することができる。また、円の中心をヒータ本体の軸上前記圧力伝播平面が受けたヒータ本体の軸方向にかかる圧力を効率よく圧力センサに伝えることが可能となる。
【００２９】
また、円の直径が前記柱状部の軸方向断面対角長さの０．１〜１倍であることが好ましい。円の直径が上記範囲内である場合は、圧力伝播平面が受けたヒータ本体の軸方向にかかる圧力を効率よく圧力センサに伝えることが可能となる。
【００３０】
また、半球状部の曲率半径が先端側に向かうにつれて漸次大きくなるように構成することが好ましい。これにより更に、圧力センサへ伝達される圧力ばらつきと、ノイズの発生ばらつきが小さくなり、より安定した品質の圧力センサ付きヒータが得られる。
【００３１】
発熱体４４Ａとしては、例えばＷ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ等の１種以上の珪化物、炭化物又は窒化物等の高融点金属を用いることが好ましい。
【００３２】
保持部材４５は、ステンレス等の導電材料によって形成することが好ましく、表面には、金属層が形成されているものがさらに好ましい。
【００３３】
また、ヒータ本体４４を構成する成分は特に限定されないが、窒化物セラミックが望ましい。窒化物セラミックは、比較的熱伝導率が高く発熱体４４Ａから発生した熱をヒータ本体４４の先端部の外部に効果的に熱を伝えることができる。例えば、窒化ケイ素質セラミック、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックスのうちのいずれかのみから構成されてもよく、窒化ケイ素セラミック、サイアロン及び窒化アルミニウムセラミックのうちの少なくとも一種を主成分としてもよい。
【００３４】
窒化物セラミックの中でも、特に窒化ケイ素質セラミックは、衝撃に強く硬度が高いため、燃焼室内における燃焼圧力を、損失を少なく圧力センサ４２に伝えることが可能になる点で優れている。
【００３５】
固定部材４６は、その材質は特に限定されず、有機樹脂等の柔軟性を有する素材あるいは絶縁碍子の如く固体の素材のいずれでも良い。
【００３６】
次に、本発明の圧力センサ付きヒータにおける燃焼圧力の検出手順について以下に記載する。
【００３７】
圧力センサ付きヒータを用いたグロープラグは、図４に示すように、シリンダヘッド４１の一部に取り付けられる。まず、エンジン始動時において、電力供給端子４８に電圧が印加され、ヒータ用配線４７、陽極用の電極引出部４４Ｃ、発熱体４４Ａ、陰極用の電極引出部４４Ｂ及び保持部材に順次電流が流れ、シリンダヘッドにアースされる。これにより、圧力センサ付きヒータにおける発熱体４４Ａが発熱し、ディーゼルエンジンの着火始動の補助を行なうことができる。
【００３８】
そして、エンジン始動後において、燃焼室内で発生した燃焼圧力をヒータ本体４４の先端部が圧力を受け、当該圧力が圧力センサ４２に伝わる。そして、圧力センサから出力される信号に基づいて燃焼圧力を検出する。この出力である発生電荷を電圧に変換して増幅させるチャージアンプ及び車載ＥＣＵ（エンジン制御回路）等へ入力することで、燃料圧力を電気信号として、燃料制御に応用することができる。
【００３９】
以下に、本発明の圧力センサ付きヒータを用いたグロープラグの実施例について記載する。
【００４０】
（実施例１）
実施例１にかかる圧力センサ付きヒータは、次の手順で作成した。まず、ヒータ本体の構成する成分として９０〜９２モル％の窒化ケイ素に焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０モル％、酸化アルミニウム、酸化ケイ素を窒化ケイ素と希土類元素酸化物の総量に対して各々０．２〜２．０質量％と１〜５質量％添加混合して原料粉末を調整した。
【００４１】
その後、原料粉末をプレス成形法により成形体を得、成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを作り、これを成形体の先端部にスクリーン印刷法によりプリントした。
【００４２】
さらに、発熱体につながる陽極用の電極引出部４４Ｃと陰極用の電極引出部４４Ｂをなるタングステンを主成分とする導電体を挟み込んで密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成してヒータ本体を作製した。
【００４３】
その後、ステンレスからなる筒状の保持部材にヒータ本体を挿入し、該ヒータ本体の先端部を保持部材から突出させた。また、ヒータ本体の後端側に、該ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を検知する圧力センサを取り付けた。なお、センサの種類としては、圧力を受けると電流が発生するピエゾ式圧力センサを用いた。
【００４４】
次に、発熱体に供給する電力供給端子を保持部材の後端側から挿入し、前記電力供給部材から引き出されたヒータ用配線を介して陽極用の電極引出部と電気的に接続した。また、圧力センサには、当該圧力センサの受けた圧力を電気信号として取り出すリード線を取り付けた。
【００４５】
そして、保持部材の後端側から絶縁性樹脂を流し込み固化させることにより固形部材を形成した。これにより、筒状の保持部材の内部に電力供給端子及びリード線を固定してグロープラグ用の圧力センサ付きヒータを作製した。
【００４６】
図１に実施例１における圧力センサ付きヒータの先端側の側面図（ａ）及び下面図（ｂ）を示す。ヒータ本体１として、先端部に前記ヒータ本体１の軸方向に垂直な圧力伝播平面１Ｂを形成したものを用いてグロープラグを作製した。
【００４７】
なお、圧力伝播平面１Ｂの表面粗さ及びヒータ本体の側面１Ａの表面粗さを比べると圧力伝播平面１Ｂの表面粗さの方が粗く形成されている。
【００４８】
（実施例２）
図２に実施例２における圧力センサ付きヒータの先端側の側面図及び下面図を示す。ヒータ本体１として、後端部から先端部に延びる柱状部１Ｄと、該柱状部１Ｄよりも先端側に位置する半球状部１Ｃとを有し、該半球状部１Ｃの先端部には前記ヒータ本体１の軸方向に垂直な圧力伝播平面１Ｂを形成したもの用いた以外は、実施例１と同様の方法でグロープラグを作製した。
【００４９】
なお、圧力伝播平面１Ｂの表面粗さ及び前記半球状部１Ｃの曲面の表面粗さを比べると圧力伝播平面１Ｂの表面粗さの方が粗く形成されている。また、圧力伝播平面１Ｂは円形であるともに、当該円の中心がヒータ本体の中心軸上になるように配置されている。さらに、円の直径は、柱状部１Ｄの軸方向断面対角長さの約０．５倍に形成されている。
【００５０】
（実施例３）
図３に実施例３における圧力センサ付きヒータの先端側の側面図及び下面図を示す。ヒータ本体１として、後端部から先端部に延びる柱状部１Ｄと、該柱状部１Ｄよりも先端側に位置する半球状部１Ｃとを有し、該半球状部１Ｃにおける曲率半径は、当該先端側の方が後端側よりも大きく形成されたものを用いた以外は、実施例１と同様の方法でグロープラグの圧力センサ付きヒータを作製した。
【００５１】
なお、半球状部１Ｃの曲率半径が、先端に向かうにつれて漸次大きくなるように形成されている。
【００５２】
（比較例）
従来品と同様に、ヒータ本体１として、先端部が後端側から先端側に延びる柱状部１Ｄと、該柱状部１Ｄよりも先端側に位置する半球状部１Ｃとを有したものを用いたこと以外は、実施例１と同様の方法でグロープラグ用の圧力センサ付きヒータを作製した。
【００５３】
上記実施例１及び比較例の圧力センサ付きヒータをグロープラグとしてディーゼルエンジンのシリンダヘッドにそれぞれ取り付け、エンジンを始動させて、エンジンの回転数及び空燃比など条件を同一にして運転し、燃焼圧力の感度（出力電流値）及び最初の測定値が出力されるまでの時間のデータを測定した。その結果を以下の表１に示す。なお、データとしては、実施例１の値を１００としたときの比較例の値の比率を記載している。
【表１】
2007292415.tif 000003
【００５４】
表１から分かるように、実施例１の圧力センサ付きヒータは、感度として約３倍増加し、また測定時間は１０％向上させることができた。これは、ディーゼルエンジンの燃焼室内の燃焼圧力を前記ヒータ本体の軸方向に受ける面積が増加させることにより、ヒータ本体の先端側から後端側に無駄なく圧力を伝播することができ、燃焼爆発した瞬間の圧力変化を高精度に検知することができたものと考えられる。
【００５５】
その他の実施例を図５〜１０に示す。図５〜７に示すように、ヒータ本体１の断面形状を四角形にしたものや、図８〜１０に示すように、六角形にした形状であっても、圧力伝播平面またはそれに準ずるものを有することにより、本発明の効果を得ることができる。
【００５６】
また、ヒータ本体の断面形状を四角形や六角形のような多角形にすることにより、ヒータ本体の強度向上させることができ、ヒータ本体の先端側から後端側に向かって軸方向に伝播する圧力を正確に伝えることが可能となり好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の圧力センサ付きヒータは、器内で加熱しながらその内部圧力の変化を捉えなければならない分野、例えば上述の高温・高圧力で運転される焼却炉、ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動補助装置として使用されるグロープラグなどに適宜使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図２】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図３】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図４】本発明の実施形態における全体構成図である。
【図５】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図６】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図７】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図８】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図９】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の別の実施例を示すヒータ先端部の側面図（ａ）および下面図（ｂ）である。
【図１１】従来のヒータ先端部の全体構成図である。
【符号の説明】
【００５９】
１      ヒータ本体
１Ａ    ヒータの側面
１Ｂ    圧力伝播平面
１Ｃ    半球状部
１Ｄ    柱状部
２      保持部材
４１    シリンダヘッド
４２    圧力センサ
４２Ａ  リード線
４３    圧力センサ付きヒータ
４４    ヒータ本体
４４Ａ  発熱体
４４Ｂ  陰極用の電極引出部
４４Ｃ  陽極用の電極引出部
４５    保持部材
４６    固定部材
４７    ヒータ用配線
４８    電力供給端子
【図１】
2007292415.tif 000004
【図２】
2007292415.tif 000005
【図３】
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【図４】
2007292415.tif 000007
【図５】
2007292415.tif 000008
【図６】
2007292415.tif 000009
【図７】
2007292415.tif 000010
【図８】
2007292415.tif 000011
【図９】
2007292415.tif 000012
【図１０】
2007292415.tif 000013
【図１１】
2007292415.tif 000014