組み込まれた燃焼室圧力センサを備えたシース形グロープラグ
効率的でかつ有害物質の少ないエンジン制御のためには、内燃機関の燃焼室内の燃焼室圧力に関する情報が必要とされる。したがって、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ（１１０）の形の、組み込まれた燃焼室圧力センサが提案される。シース形グロープラグ（１１０）は発熱体（１１２）とプラグハウジング（１１６）とを有している。さらにシース形グロープラグ（１１０）は、少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）を有しており、この場合、該力測定フィルムエレメント（１２６）は、発熱体（１１２）を介して該力測定フィルムエレメント（１２６）へ力（１２４）が伝達可能になるように発熱体（１１２）に結合されている。特に前記力測定フィルムエレメント（１２６）は少なくとも１つの圧電フィルム（１３４）、たとえば高分極化されたポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を有していてよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シース形グロープラグに組み込まれた燃焼室圧力センサを備えた、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ（Gluehstiftkerze）に関する。シース形グロープラグは燃焼室圧力センサとして少なくとも１つの力測定フィルムエレメントを有している。このような組み込まれた燃焼室圧力センサを用いて、特に内燃機関のための燃焼室圧力信号をベースとしたエンジンコントロールを実現することができる。
【０００２】
背景技術
特にディーゼルエンジンのための法的な排ガス規制がますます厳格化されてゆくなかで、内燃機関、特に自己着火式の内燃機関の低減された有害物質エミッションを求める要求が厳格化されている。最近のエンジンマネージメントシステムは低い燃料消費量を保証すると同時に高い寿命を有していることが望まれる。
【０００３】
ディーゼルエンジンの燃焼室における燃焼最適化は、特に燃料の制御された噴射を使用することにより実現され得る。このような制御された噴射は、特に、既に最近の自動車では搭載が標準化されている電子式のエンジン制御装置によって制御され得る。しかし、燃焼室圧力信号をベースとしたエンジンコントロール（combustion signal based control system, CSC）を効果的に実施し得るかどうかは、価格、信頼性、精度および構成スペースに関する高い要求に応えられなければならない、生産に適した圧力センサが提供され得るかどうかに懸かっている。
【０００４】
現在では、いわゆる「スタンドアローン」型のセンサを有する測定装置が広く普及している。このようなスタンドアローン型のセンサの使用のためには、シリンダヘッド壁に別個の孔が設けられなければならない。このことは付加的な組付け手間を意味する。さらに、スタンドアローン型のセンサのためには、内燃機関のシリンダヘッドに付加的な孔が必要となり、このことは特に４バルブエンジンの場合には、狭められたスペース事情に基づき甚大な問題となる。さらに、一般にこのようなシステムの価格は比較的高く、このようなシステムの寿命はたいてい、高い作動温度が原因となって、典型的な車両寿命よりも著しく短くなる。
【０００５】
したがって、公知先行技術においては、シリンダヘッドの既存のコンポーネントに燃焼室圧力センサを組み込むことが試みられている。このような組込みの１例は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第６９４０５７８８号明細書に基づき公知の、組み込まれた圧電式の力測定エレメントを備えた点火プラグである。前記ドイツ連邦共和国特許出願公開第６９４０５７８８号明細書には、組み込まれた圧力センサを備えた点火プラグが開示されており、この場合、この圧力センサは少なくとも１つの圧力導入通路を有しており、この圧力導入通路は内燃機関の所属のシリンダの燃焼室を圧力センサに接続している。
【０００６】
シリンダヘッドの既存のコンポーネントへのこのようなセンサ組込みは著しい価格利点をもたらすとともに、大規模シリーズでの使用、つまり量産使用をも経済的に可能にする。このようなシステムでは、燃焼室に対する直接的なアクセスの必要性が生じない。他方において、このような燃焼室圧力センサの信号品質は機械的なアッセンブリ全体における動力伝達特性に著しく左右され、たいていは課せられた要求には応えられない。
【０００７】
ディーゼルエンジンの領域からも、このような組込みの試みが知られている。すなわち、たとえばドイツ連邦共和国特許第１９６８０９１２号明細書には、組み込まれた圧力センサを備えたグロープラグが開示されている。この圧力センサは位置固定部材と、グロープラグの発熱区分との間に配置されている。しかし、上記ドイツ連邦共和国特許第１９６８０９１２号明細書に開示されている装置は、実際の実現のためには多数の不都合を有している。特に、これらの不都合は、使用される圧力センサが技術的に見て好都合ではない個所に配置されていることにある。なぜならば、圧力センサは一方ではグロープラグの発熱区分への電流供給を妨げ、他方では高い熱負荷および高い機械的衝撃負荷に基づいて一般に長い寿命を有しないからである。さらに、位置固定部材を用いた圧力センサの固定は手間がかかると同時に、組付け時に圧力センサの誤位置決めを招き易く、ひいては誤機能を招いてしまう。
【０００８】
発明の利点
したがって、本発明によれば、上で説明した公知先行技術の欠点を回避する、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ、つまり発熱体と、プラグハウジングと、少なくとも１つの力測定フィルムエレメントとが設けられており、該力測定フィルムエレメントが発熱体に結合されていて、該発熱体を介して前記力測定フィルムエレメントへ力が伝達可能であることを特徴とする、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグが提案される。
【０００９】
本発明の基本思想は、少なくとも１つの力測定フィルムエレメント、特に少なくとも１つのピエゾフィルムもしくは圧電フィルムを有する力測定フィルムエレメントを、内燃機関の燃焼室圧力の測定のために使用することにある。この場合、この力測定フィルムエレメントは組み込まれた燃焼室圧力センサの形で、たとえばシース形グロープラグまたは点火プラグに組み込まれた燃焼室圧力センサにおいて使用され得るか、あるいはまた上で述べたスタンドアローン型の燃焼室圧力センサの形でも使用され得る。
【００１０】
別の基本思想は、発熱体とプラグハウジングとを有するシース形グロープラグに少なくとも１つの力測定フィルムエレメントを組み込むことにある。この力測定フィルムエレメントは、発熱体を介して前記力測定フィルムエレメントに力が伝達可能となるように発熱体に結合されていることが望ましい。特に、前記力測定フィルムエレメントは、発熱体を介して該力測定フィルムエレメントに加えられる力に関連して電気的な信号を発生させることができる。したがって、当該シース形グロープラグが内燃機関のシリンダヘッドに組み込まれていると、内燃機関の燃焼室圧力により、当該シース形グロープラグの発熱体に力が加えられる。この発熱体を介して、この力は前記力測定フィルムエレメントに伝達され、これにより、電気的な信号が形成され得る。この電気的な信号から前記力、ひいては燃焼室内の圧力が推量可能となる。
【００１１】
提案された力測定フィルムエレメントは慣用の力測定エレメント、たとえば慣用の圧力センサ（たとえば圧電セラミック）に比べて特にその小さな厚さおよび高いフレキシブル性によりすぐれている。特に前記力測定フィルムエレメントは少なくとも１つの力測定フィルムを有していてよい。この力測定フィルムは３〜５０μｍの範囲、有利には５〜１００μｍの範囲、特に有利には８〜３０μｍの範囲のフィルム厚さを有していると有利である。このような力測定フィルムは、たとえばピエゾフィルムもしくは圧電フィルム、有利にはポリフッ化ビニリデンを有する圧電フィルムであってよい。このような圧電フィルムは、典型的には最小約８〜９μｍまでの厚さで商業的に入手可能である。しかし、相応する圧電特性および機械特性の任意の別の材料も使用可能である。また、圧電効果に基づいておらず、かつ当業者に知られている別のタイプの力測定フィルム、たとえば抵抗線歪ゲージを備えた力測定フィルムも原理的には使用可能となる。
【００１２】
前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントは本発明によれば種々様々に使用され得る。この場合、圧電横効果および／または圧電縦効果および／または圧電剪断効果（piezoelektrisch. Schereffekt）が使用されると有利である。これらの効果は種々様々に利用され得る。発熱体と前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントとの間の力伝達のために少なくとも１つの力伝達エレメントが使用されると、特に有利であることが判った。たとえば、この力伝達エレメントは主として円筒スリーブとして形成されていてよい。前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントはシース形グロープラグの軸線に対して平行な前記少なくとも１つの力伝達エレメントの面において、またはこの軸線に対して垂直な端面においても使用され得る。この場合、たとえば種々異なるピエゾ効果もしくは圧電効果（たとえば圧電縦効果および圧電横効果）が利用される。前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントのこのような構成には特に次のような利点がある。すなわち、シース形グロープラグの内部における構成スペースが最適に利用され、これにより、たとえばシース形グロープラグの発熱体への電流供給のために十分な構成スペースが確保される。
【００１３】
さらに、発熱体と前記少なくとも１つの力測定フィルムとの間には、少なくとも１つの絶縁エレメント、たとえば少なくとも１つの絶縁スリーブが配置されていてよい。この場合、前記少なくとも１つの絶縁エレメントは、このような絶縁エレメントなしの構造に比べて、発熱体と前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントとの間の熱伝達を減少させる。特に、前記少なくとも１つの絶縁エレメントは熱絶縁性の材料を有していてよい。たとえば、前記少なくとも１つの絶縁エレメントは発熱体と前記少なくとも１つの力伝達エレメントとの間に埋め込まれていてよい。
【００１４】
本発明によるシース形グロープラグは、公知先行技術に基づき公知の装置に比べて著しい利点を具備している。すなわち、特に前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントは、ほぼ任意の寸法およびジオメトリ（幾何学的形状）で製造され得る。さらに、前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントはフレキシブルであり、したがって力センサとして、ほぼ任意に成形された表面に沿って使用され得る。一般に、このような力測定フィルムエレメント、特に圧電フィルムは、力、圧力、曲げ、歪み、加速度、振動および／または剪断の測定のために適している。この場合、別の技術分野からの経験に頼ることができるので、特にたとえばこのような力測定フィルムエレメントの制御および評価のために電子回路を、大きな開発手間なしに適応させることができる。
【００１５】
したがって、シース形グロープラグの提案された構造は、シース形グロープラグ内部の小さな構成スペースの利用下に簡単な構成および組付けをも可能にする。これにより、特に開発コストおよび／または製造コストが著しく低減される。さらに、シース形グロープラグの信頼性も、慣用の組み込まれた圧力センサに比べて著しく改善される。なぜならば、特に圧電性のセラミックスもしくは単結晶から成る破断し易い圧力測定エレメントが使用されなくて済むからである。それにもかかわらず、圧力測定の感度は、公知先行技術に基づき公知の多く燃焼室圧力測定技術のための解決手段、たとえば石英製圧力測定エレメントに比べて、著しく高められている。力測定フィルムエレメントの使用はさらに、コストのかかる電気的および熱的な絶縁手段の必要性を回避するか、もしくは該必要性を減少させる。有利なスペース利用に基づき、高い公差要求を有する鋼から成る極端に肉薄な構成エレメントを有する構造を不要にすることもできる。
【００１６】
特に提案された、力伝達エレメントとして１つまたは複数のスリーブ、たとえば鋼または別の材料から成るスリーブが使用される解決手段は、多数の利点を提供する。すなわち、特にこのような構造により構成スペースが最適に利用される。さらに、スリーブの内側の開口を通じてグロー電流供給線路を貫通案内することができる。この場合、たとえばグロー電流供給線路としては、公知先行技術に基づき使用される鋼接続ピンが使用され得るか、または本発明によれば薄いもしくはフレキシブルな線材グロー電流供給線路が使用され得る。スリーブ状の力伝達エレメントは次のような利点を提供する。すなわち、スリーブ、特に金属製のスリーブによるシールド効果（ファラデーのケージ）に基づき、前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントが、グロー電流供給線路の電磁界による影響に対して防護される。これにより、組み込まれた燃焼室圧力センサの信号特性および故障発生率が著しく改善される。
【００１７】
図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１８】
図１は、圧電横効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第１実施例を示す断面図であり；
図２は、図１に示した第１実施例の力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図であり；
図２Ａは、図２の範囲Ａにおける層構造体を示す断面図であり；
図２Ｂは、図２の範囲Ｂにおける層構造体を示す断面図であり；
図２Ｃは、図２の範囲Ｃにおける層構造体を示す断面図であり；
図２Ｄは、図２の範囲Ｄにおける層構造体を示す断面図であり；
図３は、圧電縦効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第２実施例を示す断面図であり；
図４は、図３に示した第２実施例において使用される力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図であり；
図４Ａは、図４の範囲Ｅにおける層構造体を示す断面図であり；
図４Ｂは、図４の範囲Ｆにおける層構造体を示す断面図であり；
図４Ｃは、図４の範囲Ｇにおける層構造体を示す断面図であり；
図４Ｄは、図４の範囲Ｈにおける層構造体を示す断面図である。
【００１９】
実施例
図１には、本発明によるシース形グロープラグ１１０の第１の有利な実施例が図示されている。このシース形グロープラグ１１０はセラミック製の発熱体１１２を有しており、この発熱体１１２はシース形グロープラグ１１０のハウジング１１６に設けられたシールテーパ部を成すシールコーン１１４内に固定される。この固定は、有利にははんだ付け、あるいはまた別の固定方法、たとえば接着、溶接またはねじ締結によって行なわれ得る。これにより、シース形グロープラグ１１０の内室１１８は内燃機関の燃焼室に対してシールされている。
【００２０】
セラミック製の発熱体１１２は、燃焼室に面した側の受圧面１２０を有している。この受圧面１２０はこの実施例では平坦でかつシース形グロープラグ１１０の軸線１２２に対して直角に形成されている。受圧面１２０を介して、内燃機関の燃焼室内の圧力は軸線１２２に対して平行にセラミック製の発熱体１１２に作用する力Ｆ（図１の符号１２４）に変換される。セラミック製の発熱体１１２に加えられるこの力１２４により、シース形グロープラグ１１０の、力伝達経路に位置する構成部分の線形弾性的な緊縮（linear-elastische Einfederung）が生ぜしめられる。このような線形弾性的な緊縮は典型的には、発生した燃焼室圧力において数マイクロメートルの範囲にある。したがって、力１２４およびこの力１２４に併発されたシ―ス形グロープラグ１１０の緊縮量は、燃焼室圧力と直接的な相関関係にある。
【００２１】
基本的には、公知先行技術に基づき、シース形グロープラグ１１０内に力測定エレメントを固定することにより、前記力１２４を測定することが知られている。この場合、力測定エレメントは、発熱体１１２の力衝撃を、発熱体１１２に面した端面を介して受け止めるようにシース形グロープラグ１１０内に固定される。圧電式の力測定エレメントの場合には、この端面が機械的に負荷されると、電荷、ひいては電圧が生ぜしめられ、この電圧はメタライジング部およびコンタクティング部により力測定エレメントの表面から取り出され得る。この電気的な信号は信号線路を介して評価部へ導出される。この場合、圧電式の力測定エレメントとしては、強誘電性の圧電セラミックス（たとえばチタン酸ジルコン酸鉛、ＰＺＴ）も、単結晶性の材料、たとえば石英、ランガサイト（Langasit）、ニオブ酸リチウム、オルトリン酸ガリウム（Galliumorthophosphat）またはこれに類するものも使用され得る。
【００２２】
それに対して、図１に示した本発明の第１実施例では、力１２４を検出するために力測定フィルムエレメント１２６が使用される。この力測定フィルムエレメント１２６は電気的な信号を発生させ、この電気的な信号は信号線路１２８を介して、シース形グロープラグ１１０の、燃焼室とは反対の側の端部に設けられたコネクタもしくは差込み結合器３０を介して、相応する電子評価装置（図示しない）に供給され得る。たとえば、冒頭で述べたように、この電気的な信号をエンジン制御ユニットに供給し、これにより燃焼室圧力信号をベースとしたエンジンコントロール（combustion signal based control system, CSC）を実現することができる。
【００２３】
基本的に力測定フィルムエレメント１２６は本発明によれば、この力測定フィルムエレメント１２６がシース形グロープラグ１１０の１つのエレメントに結合されて、このエレメントを介して力１２４の全てまたはその一部が当該力測定フィルムエレメント１２６へ伝達され得るように使用される。したがって、力測定フィルムエレメント１２６は圧電式の変換器として働く。図１に示した実施例では、力測定フィルムエレメント１２６が、円筒スリーブ形に形成された剛性的な力伝達エレメント１３２の外周面１３３に被着されている。力測定フィルムエレメント１２６のフレキシブル性に基づき、この被着は湾曲させられた表面１３３に対しても問題なく可能となる。
【００２４】
図２には、力測定フィルムエレメント１２６が拡大斜視図で図示されている。力測定フィルムエレメント１２６は主要構成要素として圧電フィルム１３４を有している。この薄い圧電フィルム１３４は圧電性の材料として、たとえば高分極化された、つまり大きな極性を有するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を有していてよい。この材料は商業的に多数の構成でかつ多くの圧力範囲のために、たとえばフィルム面に対して直角な方向では１０−８Ｎ／ｃｍ２〜１０５Ｎ／ｃｍ２の圧力範囲のために、ならびに０．００１Ｈｚ〜ギガヘルツ領域の使用のための周波数範囲において製造可能である。このような圧電フィルム１３４は通常、−２００℃〜１６０℃の作動温度で使用可能である。
【００２５】
最近の製造方法を用いると、最小約９μｍの範囲までのＰＶＤＦフィルムが商業的に製造可能となる。このような小さなフィルム厚さは極端に狭い組込み事情における使用時に大きな遊びスペースを提供する。このことは、上で説明したように、シース形グロープラグ１１０の内室１１８に提供されている小さな構成スペースに基づき、シース形グロープラグ１１０内の力測定フィルムエレメント１２６での使用のために特に有利である。典型的には、シース形グロープラグ１１０の内室１１８は、僅か約５ｍｍの直径しか有していない。提供された、５ｍｍの直径しか有しないこのような横断面が、力測定フィルムエレメント１２６、この力測定フィルムエレメント１２６の電気的に絶縁された信号線路１２８およびセラミック製の発熱体１１２をグロー電流で負荷するためのグロー電流供給線路１３６ならびに場合によっては、たとえば振動絶縁のために必要となる絶縁・シールド手段のために利用されることが望まれる。この場合、シース形グロープラグ１１０のハウジング１１６内でのセンサエレメントのセンタリングされた位置決めが必要となることは、特に不都合であることが判る。なぜならば、このような構成バリエーションは、しばしば鋼から成る極端に肉薄な構成エレメントの製造ならびにコストのかかる被覆方法を用いた相応する電気的な絶縁を必要とするからである。圧電フィルム１３４、特に上記ＰＶＤＦフィルムの使用により、このような不都合が回避される。
【００２６】
すなわち、図２に示した、力測定フィルムエレメント１２６の構造体によれば、圧電フィルム１３４はこの実施例では力測定フィルムエレメント１２６のセンタエレメントである。この圧電フィルム１３４は、たとえば相応するメタライジング層１３８の形の２つの電極層１３８の間にサンドイッチ状に埋め込まれている。図２に斜視図で示した構造体においては、両電極層のうち最も外側の電極層１３８しか見えていない。これらの電極層１３８は電気的な信号線路１２８によってコンタクトされる。さらに、力測定フィルムエレメント１２６を保護するために、電極層１３８と圧電フィルム１３４とから成るサンドイッチ構造体が誘電性の保護ラミネート層１４０によって取り囲まれている。この保護ラミネート層１４０は当該構成エレメントを機械的な負荷および環境影響因子、たとえば湿分に対して保護する。さらに電気的な信号線路１２８の一部も、誘電性の保護ラミネート層１４０によって一緒にカバーされて保護される。
【００２７】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄには、図２に示した構造体の層構造が、図２に「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｄ」で示した範囲毎に断面図で図示されている。図２Ａから判るように、範囲Ａでは力伝達エレメント１３２が誘電性の保護ラミネート層１４０によってのみカバーされている。したがって、この範囲Ａは機械的な安定化および力測定フィルムエレメント１２６の縁部の保護のためにしか働かず、電気的な機能を有していない。それに対して、図２Ｂに示した範囲Ｂは実際の力測定範囲である。この場合、力測定エレメント１３２には、上で説明したサンドイッチ構造、つまり電極層１３８−圧電フィルム１３４−電極層１３８が被着されており、この場合、このサンドイッチ構造は誘電性の保護ラミネート層１４０によって力測定エレメント１３２から分離されている。図２Ｃには、コンタクト範囲Ｃが図示されており、このコンタクト範囲Ｃの構造は基本的に図２Ｂに示した範囲に相当している。しかし付加的に図示されているように、このコンタクト範囲Ｃでは、圧電信号を取り出して測定信号として外部へ案内するために、電極層１３８が電気的な信号線路１２８によって電気的にコンタクトされる。電気的な信号線路１２８はそれぞれ圧電フィルム１３４とは反対の側で誘電性の保護ラミネート層１４０によってカバーされ、ひいては電気的に絶縁される。図２Ｄには、範囲Ｄ（図２参照）において、電気的な信号線路１２８が、誘電性の保護ラミネート層１４０内に埋め込まれた状態で、図平面に対して直角な方向で力測定フィルムエレメント１２６から導出されることが図示されている。
【００２８】
圧電フィルム１３４を備えたこのような力測定フィルムエレメント１２６は商業的に入手可能である。この力測定フィルムエレメント１２６は電極層１３８、該電極層１３８の相応するコンタクト部１４２および外側の誘電性の保護ラミネート層１４０を含めて僅か約０．１〜０．２ｍｍの厚さしか有していない。このような力測定フィルムエレメント１２６は、たとえば熱間延伸技術によって、三次元に湾曲させられた表面に適合させることができる。これにより、シース形グロープラグ１１０内部の構成スペースを最適に利用することができる。図１および図２に示した実施例では、たとえば力測定フィルムエレメント１２６が、スリーブ状に形成された剛性的な力伝達エレメント１３２の外周面１３３に被着されている。この実施例では、力伝達エレメント１３２が材料として、たとえば鋼またはセラミックスを有している。力伝達エレメント１３２は力１２４の力伝達経路に配置されており、したがって燃焼室圧力による動的な力作用にさらされている。力伝達エレメント１３２のスリーブ状のジオメトリ（幾何学的形状）には次のような利点がある。すなわち、グロー電流供給線路１３６はシース形グロープラグ１１０のハウジング１１６内で同心的にセラミック製の発熱体１１２にまで案内され得るようになり、このことは、シース形グロープラグ１１０のために現在商業的に使用されている製作方法を引き続き（僅かな改良を加えるだけで）使用可能にする。力伝達エレメント１３２のための材料として鋼が使用されることにより、次のような利点が得られる。すなわち、公知先行技術に相当する圧電性のセラミックスもしくは単結晶から成る圧力測定エレメントと比べて破壊確率が僅少となる。セラミック製の発熱体１１２に対するスリ―ブ状の力伝達エレメント１３２の熱的および／または電気的な絶縁のために、図１に示した本発明の実施例では、絶縁スリーブ１４４または絶縁ディスクが使用される。この絶縁スリーブ１４４または絶縁ディスクは、たとえばセラミック製の絶縁スリーブ１４４あるいはまたプラスチックスリーブであってもよい。
【００２９】
図１に示した、円筒スリーブ状に形成された力伝達エレメント１３２上での力測定フィルムエレメント１２６の配置形式では、特に圧電フィルム１３４の圧電横効果（transversal. Piezoeffekt）が利用される。このような圧電フィルム、たとえば上で挙げたＰＶＤＦフィルムでは、このような圧電横効果が、石英から成る汎用の圧力測定エレメントに比べて約１オーダ分、強力となる（たとえばＰＶＤＦ：ｄ３１＝２３ｐＣ／Ｎ）。
【００３０】
図１に示した装置の別の利点は、コンタクト部１４２が力１２４の力伝達経路と１直線に位置しないことにある。したがって、コンタクト部１４２は、コンタクト特性を損なう恐れのある圧力作用に直接さらされていない。この点でも、公知先行技術に基づき公知の装置に比べて提案された装置の利点が認められる。さらに、図１に示した装置の利点は、上で説明したように、たとえば金属材料を有することのできる力伝達エレメント１３２がグロー電流供給線路１３６をシールドしていることにある。これにより、グロー電流供給線路１３６を起点として力測定フィルムエレメント１２６に加えられる電磁界の作用は最小限に抑えられる。
【００３１】
図３および図４には、図１および図２に示した実施例に対して択一的な別の実施例が図示されている。この実施例では、圧電縦効果（longitudinal. Piezoeffekt）が利用される。当然ながら、本実施例を圧電横効果および圧電縦効果と組み合わせることも考えられる。また、力測定フィルムエレメント１２６と「慣用」の力測定エレメントとの組合せも考えられる。図３に示した実施例では、シース形グロープラグ１１０が、セラミック製の発熱体１１２とハウジング１１６とを有しており、この場合、両構成要素１１２，１１６は基本的に図２に示した実施例に対して類似または同一に形成されていてよい。ただし、図３に示した実施例では、力伝達エレメント１３２の端面１４６に円環ディスクとして配置されている力測定フィルムエレメント１２６が使用される。この端面１４６は力１２４に対して垂直に向けられており、ひいては軸線１２２に対して垂直に向けられている。また、垂直線からの軽度の偏倚、たとえば最大１０゜までの偏倚も考えられる。
【００３２】
図４には、図３に示した力測定フィルムエレメント１２６が拡大斜視図で図示されている。この力測定フィルムエレメント１２６はやはりコアエレメントとして圧電フィルム１３４を有している。この圧電フィルム１３４は力伝達エレメント１３２の端面１４６において、本実施例では金属製の２つの電極層１３８の間に埋め込まれていて、相応して誘電性の保護ラミネート層１４０によって保護されかつ絶縁される。これらの電極層１３８は２つのコンタクト部１４２と電気的な信号線路１２８とによってコンタクトされ得る。円環状に形成されている力測定フィルムエレメント１２６は、たとえば端面１４６に接着されていてよい。絶縁された電気的な信号線路１２８は軸方向でスリーブ状の力伝達エレメント１３２の外周面に沿ってコネクタ部もしくは差込み結合部１３０にまで案内される。
【００３３】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄには、図４に示した構造体の層構造が、図４にＥ、Ｆ、ＧおよびＨで示した範囲毎に断面図で図示されている。図４Ａに示した範囲Ｅ、つまり力伝達エレメント１３２の端面１４６の範囲に位置する範囲Ｅでは、上で図２Ｂにつき説明した層構造に類似したサンドイッチ構造が位置している。このサンドイッチ構造では、２つの電極層１３８の間に１つの圧電フィルム１３４が埋め込まれており、この圧電フィルム１３４は力伝達エレメント１３２から誘電性の保護ラミネート層１４０によって分離されている。図４Ｂおよび図４Ｃには、電気的な信号線路１２８による電極層１３８のコンタクト部１４２が示されている。この場合、図４Ｂには、上側の（つまり力伝達エレメント１３２とは反対の側の）電極層１３８の、図４において範囲Ｆと呼称されているコンタクト部が示されており、図４Ｃには、下側の（つまり力伝達エレメント１３２寄りの側の）電極層１３８の、図４において範囲Ｇと呼称されているコンタクト部１４２が示されている。図２Ｃと同様に、この場合にも電気的な信号線路１２８はそれぞれその圧電フィルム１３４とは反対の側において誘電性の保護ラミネート層１４０によって覆われていて、ひいては電気的に絶縁されている。コンタクト部１４２、つまり範囲Ｆ，Ｇは、力伝達エレメント１３２の端面１４６が外周面１３３に移行する縁部の範囲に位置している。図４Ｄには、図４においてＨで示された範囲が断面図で示されている。これらの範囲Ｈでは、図２Ｄと同様に、電気的な信号線路１２８が誘電性の保護ラミネート層１４０内に埋め込まれていて、図平面に対して垂直に力測定フィルムエレメント１２６から導出される。
【００３４】
図３に示した実施例では、力測定フィルムエレメント１２６が、絶縁スリーブ１４４と、スリーブ状に形成された力伝達エレメント１３２との間に埋め込まれている。この力伝達エレメント１３２はシース形グロープラグ１１０の、燃焼室とは反対の側において、対応する受け１４８によって対応支承されている。したがって、力１２４がセラミック製の発熱体１１２に加えられると、力測定フィルムエレメント１２６は力伝達エレメント１３２と絶縁スリーブ１４４との間で押し合わされる。すなわち、絶縁スリーブ１４４は本実施例では、セラミック製の発熱体１１２から力測定フィルムエレメント１２６への力伝達区間の一部を形成している。力測定フィルムエレメント１２６へのこのような力作用により、圧電効果を介して電圧が生ぜしめられ、この電圧を電気的な信号線路１２８によって取り出すことができる。本実施例では、圧電縦効果が利用される。高分極化されたポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成る上記圧電フィルム１３４の圧電率は、たとえば圧電縦効果についてはｄ３１＝３３ｐＣ／Ｎである。
【００３５】
念のため付言しておくと、図３に示した実施例に対しては、圧電縦効果が使用される多数の択一的な実施態様が可能となる。すなわち、たとえば絶縁スリーブ１４４ならびに力伝達エレメント１３２がセグメント化されて形成されていてよい。この場合、これら複数のセグメントの間に力測定フィルムエレメント１２６が埋め込まれている。これらの力測定フィルムエレメント１２６の信号は、たとえば平均することができる。また、力測定フィルムエレメント１２６がセラミック製の発熱体１１２から大きく遠ざけられて配置されているような構成も可能である。これにより、力測定フィルムエレメント１２６への熱作用が最小限に抑えられる。たとえば、力測定フィルムエレメント１２６はねじ山１５０の範囲に配置されていてよい。このねじ山１５０を介してシース形グロープラグ１１０は燃焼室壁にねじ込まれる。燃焼室壁では、比較的低い温度および温度変動しか生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】圧電横効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第１実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示した第１実施例の力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図である。
【図２Ａ】図２の範囲Ａにおける層構造体を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２の範囲Ｂにおける層構造体を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２の範囲Ｃにおける層構造体を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２の範囲Ｄにおける層構造体を示す断面図である。
【図３】圧電縦効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第２実施例を示す断面図である。
【図４】図３に示した第２実施例において使用される力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図である。
【図４Ａ】図４の範囲Ｅにおける層構造体を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４の範囲Ｆにおける層構造体を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４の範囲Ｇにおける層構造体を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４の範囲Ｈにおける層構造体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１０ シース形グロープラグ
１１２ セラミック製の発熱体
１１４ シールコーン
１１６ ハウジング
１１８ 内室
１２０ 受圧面
１２２ 軸線
１２４ 力
１２６ 力測定フィルムエレメント
１２８ 電気的な信号線路
１３０ 差込み結合器
１３２ 力伝達エレメント
１３３ 外周面
１３４ 圧電フィルム
１３６ グロー電流供給線路
１３８ 電極層
１４０ 誘電性の保護ラミネート層
１４２ 電極層のコンタクト部
１４４ 絶縁スリーブ
１４６ 端面
１４８ 受け
１５０ ねじ山
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シース形グロープラグに組み込まれた燃焼室圧力センサを備えた、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ（Gluehstiftkerze）に関する。シース形グロープラグは燃焼室圧力センサとして少なくとも１つの力測定フィルムエレメントを有している。このような組み込まれた燃焼室圧力センサを用いて、特に内燃機関のための燃焼室圧力信号をベースとしたエンジンコントロールを実現することができる。
【０００２】
背景技術
特にディーゼルエンジンのための法的な排ガス規制がますます厳格化されてゆくなかで、内燃機関、特に自己着火式の内燃機関の低減された有害物質エミッションを求める要求が厳格化されている。最近のエンジンマネージメントシステムは低い燃料消費量を保証すると同時に高い寿命を有していることが望まれる。
【０００３】
ディーゼルエンジンの燃焼室における燃焼最適化は、特に燃料の制御された噴射を使用することにより実現され得る。このような制御された噴射は、特に、既に最近の自動車では搭載が標準化されている電子式のエンジン制御装置によって制御され得る。しかし、燃焼室圧力信号をベースとしたエンジンコントロール（combustion signal based control system, CSC）を効果的に実施し得るかどうかは、価格、信頼性、精度および構成スペースに関する高い要求に応えられなければならない、生産に適した圧力センサが提供され得るかどうかに懸かっている。
【０００４】
現在では、いわゆる「スタンドアローン」型のセンサを有する測定装置が広く普及している。このようなスタンドアローン型のセンサの使用のためには、シリンダヘッド壁に別個の孔が設けられなければならない。このことは付加的な組付け手間を意味する。さらに、スタンドアローン型のセンサのためには、内燃機関のシリンダヘッドに付加的な孔が必要となり、このことは特に４バルブエンジンの場合には、狭められたスペース事情に基づき甚大な問題となる。さらに、一般にこのようなシステムの価格は比較的高く、このようなシステムの寿命はたいてい、高い作動温度が原因となって、典型的な車両寿命よりも著しく短くなる。
【０００５】
したがって、公知先行技術においては、シリンダヘッドの既存のコンポーネントに燃焼室圧力センサを組み込むことが試みられている。このような組込みの１例は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第６９４０５７８８号明細書に基づき公知の、組み込まれた圧電式の力測定エレメントを備えた点火プラグである。前記ドイツ連邦共和国特許出願公開第６９４０５７８８号明細書には、組み込まれた圧力センサを備えた点火プラグが開示されており、この場合、この圧力センサは少なくとも１つの圧力導入通路を有しており、この圧力導入通路は内燃機関の所属のシリンダの燃焼室を圧力センサに接続している。
【０００６】
シリンダヘッドの既存のコンポーネントへのこのようなセンサ組込みは著しい価格利点をもたらすとともに、大規模シリーズでの使用、つまり量産使用をも経済的に可能にする。このようなシステムでは、燃焼室に対する直接的なアクセスの必要性が生じない。他方において、このような燃焼室圧力センサの信号品質は機械的なアッセンブリ全体における動力伝達特性に著しく左右され、たいていは課せられた要求には応えられない。
【０００７】
ディーゼルエンジンの領域からも、このような組込みの試みが知られている。すなわち、たとえばドイツ連邦共和国特許第１９６８０９１２号明細書には、組み込まれた圧力センサを備えたグロープラグが開示されている。この圧力センサは位置固定部材と、グロープラグの発熱区分との間に配置されている。しかし、上記ドイツ連邦共和国特許第１９６８０９１２号明細書に開示されている装置は、実際の実現のためには多数の不都合を有している。特に、これらの不都合は、使用される圧力センサが技術的に見て好都合ではない個所に配置されていることにある。なぜならば、圧力センサは一方ではグロープラグの発熱区分への電流供給を妨げ、他方では高い熱負荷および高い機械的衝撃負荷に基づいて一般に長い寿命を有しないからである。さらに、位置固定部材を用いた圧力センサの固定は手間がかかると同時に、組付け時に圧力センサの誤位置決めを招き易く、ひいては誤機能を招いてしまう。
【０００８】
発明の利点
したがって、本発明によれば、上で説明した公知先行技術の欠点を回避する、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ、つまり発熱体と、プラグハウジングと、少なくとも１つの力測定フィルムエレメントとが設けられており、該力測定フィルムエレメントが発熱体に結合されていて、該発熱体を介して前記力測定フィルムエレメントへ力が伝達可能であることを特徴とする、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグが提案される。
【０００９】
本発明の基本思想は、少なくとも１つの力測定フィルムエレメント、特に少なくとも１つのピエゾフィルムもしくは圧電フィルムを有する力測定フィルムエレメントを、内燃機関の燃焼室圧力の測定のために使用することにある。この場合、この力測定フィルムエレメントは組み込まれた燃焼室圧力センサの形で、たとえばシース形グロープラグまたは点火プラグに組み込まれた燃焼室圧力センサにおいて使用され得るか、あるいはまた上で述べたスタンドアローン型の燃焼室圧力センサの形でも使用され得る。
【００１０】
別の基本思想は、発熱体とプラグハウジングとを有するシース形グロープラグに少なくとも１つの力測定フィルムエレメントを組み込むことにある。この力測定フィルムエレメントは、発熱体を介して前記力測定フィルムエレメントに力が伝達可能となるように発熱体に結合されていることが望ましい。特に、前記力測定フィルムエレメントは、発熱体を介して該力測定フィルムエレメントに加えられる力に関連して電気的な信号を発生させることができる。したがって、当該シース形グロープラグが内燃機関のシリンダヘッドに組み込まれていると、内燃機関の燃焼室圧力により、当該シース形グロープラグの発熱体に力が加えられる。この発熱体を介して、この力は前記力測定フィルムエレメントに伝達され、これにより、電気的な信号が形成され得る。この電気的な信号から前記力、ひいては燃焼室内の圧力が推量可能となる。
【００１１】
提案された力測定フィルムエレメントは慣用の力測定エレメント、たとえば慣用の圧力センサ（たとえば圧電セラミック）に比べて特にその小さな厚さおよび高いフレキシブル性によりすぐれている。特に前記力測定フィルムエレメントは少なくとも１つの力測定フィルムを有していてよい。この力測定フィルムは３〜５０μｍの範囲、有利には５〜１００μｍの範囲、特に有利には８〜３０μｍの範囲のフィルム厚さを有していると有利である。このような力測定フィルムは、たとえばピエゾフィルムもしくは圧電フィルム、有利にはポリフッ化ビニリデンを有する圧電フィルムであってよい。このような圧電フィルムは、典型的には最小約８〜９μｍまでの厚さで商業的に入手可能である。しかし、相応する圧電特性および機械特性の任意の別の材料も使用可能である。また、圧電効果に基づいておらず、かつ当業者に知られている別のタイプの力測定フィルム、たとえば抵抗線歪ゲージを備えた力測定フィルムも原理的には使用可能となる。
【００１２】
前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントは本発明によれば種々様々に使用され得る。この場合、圧電横効果および／または圧電縦効果および／または圧電剪断効果（piezoelektrisch. Schereffekt）が使用されると有利である。これらの効果は種々様々に利用され得る。発熱体と前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントとの間の力伝達のために少なくとも１つの力伝達エレメントが使用されると、特に有利であることが判った。たとえば、この力伝達エレメントは主として円筒スリーブとして形成されていてよい。前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントはシース形グロープラグの軸線に対して平行な前記少なくとも１つの力伝達エレメントの面において、またはこの軸線に対して垂直な端面においても使用され得る。この場合、たとえば種々異なるピエゾ効果もしくは圧電効果（たとえば圧電縦効果および圧電横効果）が利用される。前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントのこのような構成には特に次のような利点がある。すなわち、シース形グロープラグの内部における構成スペースが最適に利用され、これにより、たとえばシース形グロープラグの発熱体への電流供給のために十分な構成スペースが確保される。
【００１３】
さらに、発熱体と前記少なくとも１つの力測定フィルムとの間には、少なくとも１つの絶縁エレメント、たとえば少なくとも１つの絶縁スリーブが配置されていてよい。この場合、前記少なくとも１つの絶縁エレメントは、このような絶縁エレメントなしの構造に比べて、発熱体と前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントとの間の熱伝達を減少させる。特に、前記少なくとも１つの絶縁エレメントは熱絶縁性の材料を有していてよい。たとえば、前記少なくとも１つの絶縁エレメントは発熱体と前記少なくとも１つの力伝達エレメントとの間に埋め込まれていてよい。
【００１４】
本発明によるシース形グロープラグは、公知先行技術に基づき公知の装置に比べて著しい利点を具備している。すなわち、特に前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントは、ほぼ任意の寸法およびジオメトリ（幾何学的形状）で製造され得る。さらに、前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントはフレキシブルであり、したがって力センサとして、ほぼ任意に成形された表面に沿って使用され得る。一般に、このような力測定フィルムエレメント、特に圧電フィルムは、力、圧力、曲げ、歪み、加速度、振動および／または剪断の測定のために適している。この場合、別の技術分野からの経験に頼ることができるので、特にたとえばこのような力測定フィルムエレメントの制御および評価のために電子回路を、大きな開発手間なしに適応させることができる。
【００１５】
したがって、シース形グロープラグの提案された構造は、シース形グロープラグ内部の小さな構成スペースの利用下に簡単な構成および組付けをも可能にする。これにより、特に開発コストおよび／または製造コストが著しく低減される。さらに、シース形グロープラグの信頼性も、慣用の組み込まれた圧力センサに比べて著しく改善される。なぜならば、特に圧電性のセラミックスもしくは単結晶から成る破断し易い圧力測定エレメントが使用されなくて済むからである。それにもかかわらず、圧力測定の感度は、公知先行技術に基づき公知の多く燃焼室圧力測定技術のための解決手段、たとえば石英製圧力測定エレメントに比べて、著しく高められている。力測定フィルムエレメントの使用はさらに、コストのかかる電気的および熱的な絶縁手段の必要性を回避するか、もしくは該必要性を減少させる。有利なスペース利用に基づき、高い公差要求を有する鋼から成る極端に肉薄な構成エレメントを有する構造を不要にすることもできる。
【００１６】
特に提案された、力伝達エレメントとして１つまたは複数のスリーブ、たとえば鋼または別の材料から成るスリーブが使用される解決手段は、多数の利点を提供する。すなわち、特にこのような構造により構成スペースが最適に利用される。さらに、スリーブの内側の開口を通じてグロー電流供給線路を貫通案内することができる。この場合、たとえばグロー電流供給線路としては、公知先行技術に基づき使用される鋼接続ピンが使用され得るか、または本発明によれば薄いもしくはフレキシブルな線材グロー電流供給線路が使用され得る。スリーブ状の力伝達エレメントは次のような利点を提供する。すなわち、スリーブ、特に金属製のスリーブによるシールド効果（ファラデーのケージ）に基づき、前記少なくとも１つの力測定フィルムエレメントが、グロー電流供給線路の電磁界による影響に対して防護される。これにより、組み込まれた燃焼室圧力センサの信号特性および故障発生率が著しく改善される。
【００１７】
図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１８】
図１は、圧電横効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第１実施例を示す断面図であり；
図２は、図１に示した第１実施例の力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図であり；
図２Ａは、図２の範囲Ａにおける層構造体を示す断面図であり；
図２Ｂは、図２の範囲Ｂにおける層構造体を示す断面図であり；
図２Ｃは、図２の範囲Ｃにおける層構造体を示す断面図であり；
図２Ｄは、図２の範囲Ｄにおける層構造体を示す断面図であり；
図３は、圧電縦効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第２実施例を示す断面図であり；
図４は、図３に示した第２実施例において使用される力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図であり；
図４Ａは、図４の範囲Ｅにおける層構造体を示す断面図であり；
図４Ｂは、図４の範囲Ｆにおける層構造体を示す断面図であり；
図４Ｃは、図４の範囲Ｇにおける層構造体を示す断面図であり；
図４Ｄは、図４の範囲Ｈにおける層構造体を示す断面図である。
【００１９】
実施例
図１には、本発明によるシース形グロープラグ１１０の第１の有利な実施例が図示されている。このシース形グロープラグ１１０はセラミック製の発熱体１１２を有しており、この発熱体１１２はシース形グロープラグ１１０のハウジング１１６に設けられたシールテーパ部を成すシールコーン１１４内に固定される。この固定は、有利にははんだ付け、あるいはまた別の固定方法、たとえば接着、溶接またはねじ締結によって行なわれ得る。これにより、シース形グロープラグ１１０の内室１１８は内燃機関の燃焼室に対してシールされている。
【００２０】
セラミック製の発熱体１１２は、燃焼室に面した側の受圧面１２０を有している。この受圧面１２０はこの実施例では平坦でかつシース形グロープラグ１１０の軸線１２２に対して直角に形成されている。受圧面１２０を介して、内燃機関の燃焼室内の圧力は軸線１２２に対して平行にセラミック製の発熱体１１２に作用する力Ｆ（図１の符号１２４）に変換される。セラミック製の発熱体１１２に加えられるこの力１２４により、シース形グロープラグ１１０の、力伝達経路に位置する構成部分の線形弾性的な緊縮（linear-elastische Einfederung）が生ぜしめられる。このような線形弾性的な緊縮は典型的には、発生した燃焼室圧力において数マイクロメートルの範囲にある。したがって、力１２４およびこの力１２４に併発されたシ―ス形グロープラグ１１０の緊縮量は、燃焼室圧力と直接的な相関関係にある。
【００２１】
基本的には、公知先行技術に基づき、シース形グロープラグ１１０内に力測定エレメントを固定することにより、前記力１２４を測定することが知られている。この場合、力測定エレメントは、発熱体１１２の力衝撃を、発熱体１１２に面した端面を介して受け止めるようにシース形グロープラグ１１０内に固定される。圧電式の力測定エレメントの場合には、この端面が機械的に負荷されると、電荷、ひいては電圧が生ぜしめられ、この電圧はメタライジング部およびコンタクティング部により力測定エレメントの表面から取り出され得る。この電気的な信号は信号線路を介して評価部へ導出される。この場合、圧電式の力測定エレメントとしては、強誘電性の圧電セラミックス（たとえばチタン酸ジルコン酸鉛、ＰＺＴ）も、単結晶性の材料、たとえば石英、ランガサイト（Langasit）、ニオブ酸リチウム、オルトリン酸ガリウム（Galliumorthophosphat）またはこれに類するものも使用され得る。
【００２２】
それに対して、図１に示した本発明の第１実施例では、力１２４を検出するために力測定フィルムエレメント１２６が使用される。この力測定フィルムエレメント１２６は電気的な信号を発生させ、この電気的な信号は信号線路１２８を介して、シース形グロープラグ１１０の、燃焼室とは反対の側の端部に設けられたコネクタもしくは差込み結合器３０を介して、相応する電子評価装置（図示しない）に供給され得る。たとえば、冒頭で述べたように、この電気的な信号をエンジン制御ユニットに供給し、これにより燃焼室圧力信号をベースとしたエンジンコントロール（combustion signal based control system, CSC）を実現することができる。
【００２３】
基本的に力測定フィルムエレメント１２６は本発明によれば、この力測定フィルムエレメント１２６がシース形グロープラグ１１０の１つのエレメントに結合されて、このエレメントを介して力１２４の全てまたはその一部が当該力測定フィルムエレメント１２６へ伝達され得るように使用される。したがって、力測定フィルムエレメント１２６は圧電式の変換器として働く。図１に示した実施例では、力測定フィルムエレメント１２６が、円筒スリーブ形に形成された剛性的な力伝達エレメント１３２の外周面１３３に被着されている。力測定フィルムエレメント１２６のフレキシブル性に基づき、この被着は湾曲させられた表面１３３に対しても問題なく可能となる。
【００２４】
図２には、力測定フィルムエレメント１２６が拡大斜視図で図示されている。力測定フィルムエレメント１２６は主要構成要素として圧電フィルム１３４を有している。この薄い圧電フィルム１３４は圧電性の材料として、たとえば高分極化された、つまり大きな極性を有するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を有していてよい。この材料は商業的に多数の構成でかつ多くの圧力範囲のために、たとえばフィルム面に対して直角な方向では１０−８Ｎ／ｃｍ２〜１０５Ｎ／ｃｍ２の圧力範囲のために、ならびに０．００１Ｈｚ〜ギガヘルツ領域の使用のための周波数範囲において製造可能である。このような圧電フィルム１３４は通常、−２００℃〜１６０℃の作動温度で使用可能である。
【００２５】
最近の製造方法を用いると、最小約９μｍの範囲までのＰＶＤＦフィルムが商業的に製造可能となる。このような小さなフィルム厚さは極端に狭い組込み事情における使用時に大きな遊びスペースを提供する。このことは、上で説明したように、シース形グロープラグ１１０の内室１１８に提供されている小さな構成スペースに基づき、シース形グロープラグ１１０内の力測定フィルムエレメント１２６での使用のために特に有利である。典型的には、シース形グロープラグ１１０の内室１１８は、僅か約５ｍｍの直径しか有していない。提供された、５ｍｍの直径しか有しないこのような横断面が、力測定フィルムエレメント１２６、この力測定フィルムエレメント１２６の電気的に絶縁された信号線路１２８およびセラミック製の発熱体１１２をグロー電流で負荷するためのグロー電流供給線路１３６ならびに場合によっては、たとえば振動絶縁のために必要となる絶縁・シールド手段のために利用されることが望まれる。この場合、シース形グロープラグ１１０のハウジング１１６内でのセンサエレメントのセンタリングされた位置決めが必要となることは、特に不都合であることが判る。なぜならば、このような構成バリエーションは、しばしば鋼から成る極端に肉薄な構成エレメントの製造ならびにコストのかかる被覆方法を用いた相応する電気的な絶縁を必要とするからである。圧電フィルム１３４、特に上記ＰＶＤＦフィルムの使用により、このような不都合が回避される。
【００２６】
すなわち、図２に示した、力測定フィルムエレメント１２６の構造体によれば、圧電フィルム１３４はこの実施例では力測定フィルムエレメント１２６のセンタエレメントである。この圧電フィルム１３４は、たとえば相応するメタライジング層１３８の形の２つの電極層１３８の間にサンドイッチ状に埋め込まれている。図２に斜視図で示した構造体においては、両電極層のうち最も外側の電極層１３８しか見えていない。これらの電極層１３８は電気的な信号線路１２８によってコンタクトされる。さらに、力測定フィルムエレメント１２６を保護するために、電極層１３８と圧電フィルム１３４とから成るサンドイッチ構造体が誘電性の保護ラミネート層１４０によって取り囲まれている。この保護ラミネート層１４０は当該構成エレメントを機械的な負荷および環境影響因子、たとえば湿分に対して保護する。さらに電気的な信号線路１２８の一部も、誘電性の保護ラミネート層１４０によって一緒にカバーされて保護される。
【００２７】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄには、図２に示した構造体の層構造が、図２に「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｄ」で示した範囲毎に断面図で図示されている。図２Ａから判るように、範囲Ａでは力伝達エレメント１３２が誘電性の保護ラミネート層１４０によってのみカバーされている。したがって、この範囲Ａは機械的な安定化および力測定フィルムエレメント１２６の縁部の保護のためにしか働かず、電気的な機能を有していない。それに対して、図２Ｂに示した範囲Ｂは実際の力測定範囲である。この場合、力測定エレメント１３２には、上で説明したサンドイッチ構造、つまり電極層１３８−圧電フィルム１３４−電極層１３８が被着されており、この場合、このサンドイッチ構造は誘電性の保護ラミネート層１４０によって力測定エレメント１３２から分離されている。図２Ｃには、コンタクト範囲Ｃが図示されており、このコンタクト範囲Ｃの構造は基本的に図２Ｂに示した範囲に相当している。しかし付加的に図示されているように、このコンタクト範囲Ｃでは、圧電信号を取り出して測定信号として外部へ案内するために、電極層１３８が電気的な信号線路１２８によって電気的にコンタクトされる。電気的な信号線路１２８はそれぞれ圧電フィルム１３４とは反対の側で誘電性の保護ラミネート層１４０によってカバーされ、ひいては電気的に絶縁される。図２Ｄには、範囲Ｄ（図２参照）において、電気的な信号線路１２８が、誘電性の保護ラミネート層１４０内に埋め込まれた状態で、図平面に対して直角な方向で力測定フィルムエレメント１２６から導出されることが図示されている。
【００２８】
圧電フィルム１３４を備えたこのような力測定フィルムエレメント１２６は商業的に入手可能である。この力測定フィルムエレメント１２６は電極層１３８、該電極層１３８の相応するコンタクト部１４２および外側の誘電性の保護ラミネート層１４０を含めて僅か約０．１〜０．２ｍｍの厚さしか有していない。このような力測定フィルムエレメント１２６は、たとえば熱間延伸技術によって、三次元に湾曲させられた表面に適合させることができる。これにより、シース形グロープラグ１１０内部の構成スペースを最適に利用することができる。図１および図２に示した実施例では、たとえば力測定フィルムエレメント１２６が、スリーブ状に形成された剛性的な力伝達エレメント１３２の外周面１３３に被着されている。この実施例では、力伝達エレメント１３２が材料として、たとえば鋼またはセラミックスを有している。力伝達エレメント１３２は力１２４の力伝達経路に配置されており、したがって燃焼室圧力による動的な力作用にさらされている。力伝達エレメント１３２のスリーブ状のジオメトリ（幾何学的形状）には次のような利点がある。すなわち、グロー電流供給線路１３６はシース形グロープラグ１１０のハウジング１１６内で同心的にセラミック製の発熱体１１２にまで案内され得るようになり、このことは、シース形グロープラグ１１０のために現在商業的に使用されている製作方法を引き続き（僅かな改良を加えるだけで）使用可能にする。力伝達エレメント１３２のための材料として鋼が使用されることにより、次のような利点が得られる。すなわち、公知先行技術に相当する圧電性のセラミックスもしくは単結晶から成る圧力測定エレメントと比べて破壊確率が僅少となる。セラミック製の発熱体１１２に対するスリ―ブ状の力伝達エレメント１３２の熱的および／または電気的な絶縁のために、図１に示した本発明の実施例では、絶縁スリーブ１４４または絶縁ディスクが使用される。この絶縁スリーブ１４４または絶縁ディスクは、たとえばセラミック製の絶縁スリーブ１４４あるいはまたプラスチックスリーブであってもよい。
【００２９】
図１に示した、円筒スリーブ状に形成された力伝達エレメント１３２上での力測定フィルムエレメント１２６の配置形式では、特に圧電フィルム１３４の圧電横効果（transversal. Piezoeffekt）が利用される。このような圧電フィルム、たとえば上で挙げたＰＶＤＦフィルムでは、このような圧電横効果が、石英から成る汎用の圧力測定エレメントに比べて約１オーダ分、強力となる（たとえばＰＶＤＦ：ｄ３１＝２３ｐＣ／Ｎ）。
【００３０】
図１に示した装置の別の利点は、コンタクト部１４２が力１２４の力伝達経路と１直線に位置しないことにある。したがって、コンタクト部１４２は、コンタクト特性を損なう恐れのある圧力作用に直接さらされていない。この点でも、公知先行技術に基づき公知の装置に比べて提案された装置の利点が認められる。さらに、図１に示した装置の利点は、上で説明したように、たとえば金属材料を有することのできる力伝達エレメント１３２がグロー電流供給線路１３６をシールドしていることにある。これにより、グロー電流供給線路１３６を起点として力測定フィルムエレメント１２６に加えられる電磁界の作用は最小限に抑えられる。
【００３１】
図３および図４には、図１および図２に示した実施例に対して択一的な別の実施例が図示されている。この実施例では、圧電縦効果（longitudinal. Piezoeffekt）が利用される。当然ながら、本実施例を圧電横効果および圧電縦効果と組み合わせることも考えられる。また、力測定フィルムエレメント１２６と「慣用」の力測定エレメントとの組合せも考えられる。図３に示した実施例では、シース形グロープラグ１１０が、セラミック製の発熱体１１２とハウジング１１６とを有しており、この場合、両構成要素１１２，１１６は基本的に図２に示した実施例に対して類似または同一に形成されていてよい。ただし、図３に示した実施例では、力伝達エレメント１３２の端面１４６に円環ディスクとして配置されている力測定フィルムエレメント１２６が使用される。この端面１４６は力１２４に対して垂直に向けられており、ひいては軸線１２２に対して垂直に向けられている。また、垂直線からの軽度の偏倚、たとえば最大１０゜までの偏倚も考えられる。
【００３２】
図４には、図３に示した力測定フィルムエレメント１２６が拡大斜視図で図示されている。この力測定フィルムエレメント１２６はやはりコアエレメントとして圧電フィルム１３４を有している。この圧電フィルム１３４は力伝達エレメント１３２の端面１４６において、本実施例では金属製の２つの電極層１３８の間に埋め込まれていて、相応して誘電性の保護ラミネート層１４０によって保護されかつ絶縁される。これらの電極層１３８は２つのコンタクト部１４２と電気的な信号線路１２８とによってコンタクトされ得る。円環状に形成されている力測定フィルムエレメント１２６は、たとえば端面１４６に接着されていてよい。絶縁された電気的な信号線路１２８は軸方向でスリーブ状の力伝達エレメント１３２の外周面に沿ってコネクタ部もしくは差込み結合部１３０にまで案内される。
【００３３】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄには、図４に示した構造体の層構造が、図４にＥ、Ｆ、ＧおよびＨで示した範囲毎に断面図で図示されている。図４Ａに示した範囲Ｅ、つまり力伝達エレメント１３２の端面１４６の範囲に位置する範囲Ｅでは、上で図２Ｂにつき説明した層構造に類似したサンドイッチ構造が位置している。このサンドイッチ構造では、２つの電極層１３８の間に１つの圧電フィルム１３４が埋め込まれており、この圧電フィルム１３４は力伝達エレメント１３２から誘電性の保護ラミネート層１４０によって分離されている。図４Ｂおよび図４Ｃには、電気的な信号線路１２８による電極層１３８のコンタクト部１４２が示されている。この場合、図４Ｂには、上側の（つまり力伝達エレメント１３２とは反対の側の）電極層１３８の、図４において範囲Ｆと呼称されているコンタクト部が示されており、図４Ｃには、下側の（つまり力伝達エレメント１３２寄りの側の）電極層１３８の、図４において範囲Ｇと呼称されているコンタクト部１４２が示されている。図２Ｃと同様に、この場合にも電気的な信号線路１２８はそれぞれその圧電フィルム１３４とは反対の側において誘電性の保護ラミネート層１４０によって覆われていて、ひいては電気的に絶縁されている。コンタクト部１４２、つまり範囲Ｆ，Ｇは、力伝達エレメント１３２の端面１４６が外周面１３３に移行する縁部の範囲に位置している。図４Ｄには、図４においてＨで示された範囲が断面図で示されている。これらの範囲Ｈでは、図２Ｄと同様に、電気的な信号線路１２８が誘電性の保護ラミネート層１４０内に埋め込まれていて、図平面に対して垂直に力測定フィルムエレメント１２６から導出される。
【００３４】
図３に示した実施例では、力測定フィルムエレメント１２６が、絶縁スリーブ１４４と、スリーブ状に形成された力伝達エレメント１３２との間に埋め込まれている。この力伝達エレメント１３２はシース形グロープラグ１１０の、燃焼室とは反対の側において、対応する受け１４８によって対応支承されている。したがって、力１２４がセラミック製の発熱体１１２に加えられると、力測定フィルムエレメント１２６は力伝達エレメント１３２と絶縁スリーブ１４４との間で押し合わされる。すなわち、絶縁スリーブ１４４は本実施例では、セラミック製の発熱体１１２から力測定フィルムエレメント１２６への力伝達区間の一部を形成している。力測定フィルムエレメント１２６へのこのような力作用により、圧電効果を介して電圧が生ぜしめられ、この電圧を電気的な信号線路１２８によって取り出すことができる。本実施例では、圧電縦効果が利用される。高分極化されたポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成る上記圧電フィルム１３４の圧電率は、たとえば圧電縦効果についてはｄ３１＝３３ｐＣ／Ｎである。
【００３５】
念のため付言しておくと、図３に示した実施例に対しては、圧電縦効果が使用される多数の択一的な実施態様が可能となる。すなわち、たとえば絶縁スリーブ１４４ならびに力伝達エレメント１３２がセグメント化されて形成されていてよい。この場合、これら複数のセグメントの間に力測定フィルムエレメント１２６が埋め込まれている。これらの力測定フィルムエレメント１２６の信号は、たとえば平均することができる。また、力測定フィルムエレメント１２６がセラミック製の発熱体１１２から大きく遠ざけられて配置されているような構成も可能である。これにより、力測定フィルムエレメント１２６への熱作用が最小限に抑えられる。たとえば、力測定フィルムエレメント１２６はねじ山１５０の範囲に配置されていてよい。このねじ山１５０を介してシース形グロープラグ１１０は燃焼室壁にねじ込まれる。燃焼室壁では、比較的低い温度および温度変動しか生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】圧電横効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第１実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示した第１実施例の力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図である。
【図２Ａ】図２の範囲Ａにおける層構造体を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２の範囲Ｂにおける層構造体を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２の範囲Ｃにおける層構造体を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２の範囲Ｄにおける層構造体を示す断面図である。
【図３】圧電縦効果が利用される、本発明によるシース形グロープラグの第２実施例を示す断面図である。
【図４】図３に示した第２実施例において使用される力測定フィルムエレメントを詳細に示す斜視図である。
【図４Ａ】図４の範囲Ｅにおける層構造体を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４の範囲Ｆにおける層構造体を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４の範囲Ｇにおける層構造体を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４の範囲Ｈにおける層構造体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１０ シース形グロープラグ
１１２ セラミック製の発熱体
１１４ シールコーン
１１６ ハウジング
１１８ 内室
１２０ 受圧面
１２２ 軸線
１２４ 力
１２６ 力測定フィルムエレメント
１２８ 電気的な信号線路
１３０ 差込み結合器
１３２ 力伝達エレメント
１３３ 外周面
１３４ 圧電フィルム
１３６ グロー電流供給線路
１３８ 電極層
１４０ 誘電性の保護ラミネート層
１４２ 電極層のコンタクト部
１４４ 絶縁スリーブ
１４６ 端面
１４８ 受け
１５０ ねじ山
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ（１１０）において、発熱体（１２）と、プラグハウジング（１１６）と、少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）とが設けられており、該力測定フィルムエレメント（１２６）が発熱体（１１２）に結合されていて、該発熱体（１１２）を介して前記力測定フィルムエレメント（１２６）へ力（１２４）が伝達可能であることを特徴とする、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ。
【請求項２】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が、少なくとも１つの圧電フィルム（１３４）を有している、請求項１記載のシース形グロープラグ。
【請求項３】
前記圧電フィルム（１３４）が、ポリフッ化ビニリデンを有している、請求項２記載のシース形グロープラグ。
【請求項４】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が少なくとも１つの力測定フィルム（１３４）を有しており、該力測定フィルムが、３マイクロメ―トル〜５００マイクロメートルの範囲、有利には５マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲、特に有利には８マイクロメートル〜３０マイクロメートルの範囲のフィルム厚さを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項５】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が、力（１２４）に関連して電気的な信号を発生させるようになっており、しかも以下の効果のうちの少なくとも１つの効果が利用される：圧電横効果；圧電縦効果；圧電剪断効果、請求項１から４までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項６】
少なくとも１つの力伝達エレメント（１３２）が設けられており、該力伝達エレメント（１３２）が、前記力測定フィルムエレメント（１２６）に結合されており、前記力伝達エレメント（１３２）によって発熱体（１１２）から前記力測定フィルムエレメント（１２６）へ力（１２４）が伝達可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項７】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が、前記力伝達エレメント（１３２）の、当該シース形グロープラグ（１１０）の軸線（１２２）に対してほぼ垂直に配置された少なくとも１つの端面（１４６）に結合されている、請求項６記載のシース形グロープラグ。
【請求項８】
少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）が、前記力伝達エレメント（１３２）の、当該シース形グロープラグ（１１０）の軸線（１２２）に対してほぼ平行に配置された少なくとも１つの面（１３３）に結合されている、請求項６または７記載のシース形グロープラグ。
【請求項９】
前記力伝達エレメント（１３２）が、ほぼ円筒状スリーブとして形成されている、請求項６から８までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項１０】
付加的に少なくとも１つの絶縁エレメント（１４４）、特に少なくとも１つの絶縁スリーブ（１４４）が設けられており、該絶縁エレメント（１４４）が、発熱体（１１２）と前記力測定フィルムエレメント（１２６）との間に配置されており、しかも前記絶縁エレメント（１４４）が発熱体（１１２）と前記力測定フィルムエレメント（１２６）との間の熱伝達を減少させるように前記絶縁エレメント（１４４）が形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項１１】
内燃機関の燃焼室圧力を測定するための少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）の使用。
【請求項１２】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が少なくとも１つの圧電フィルム（１３４）を有している、請求項１１記載の使用。
【請求項１】
自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ（１１０）において、発熱体（１２）と、プラグハウジング（１１６）と、少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）とが設けられており、該力測定フィルムエレメント（１２６）が発熱体（１１２）に結合されていて、該発熱体（１１２）を介して前記力測定フィルムエレメント（１２６）へ力（１２４）が伝達可能であることを特徴とする、自己着火式の内燃機関に用いられるシース形グロープラグ。
【請求項２】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が、少なくとも１つの圧電フィルム（１３４）を有している、請求項１記載のシース形グロープラグ。
【請求項３】
前記圧電フィルム（１３４）が、ポリフッ化ビニリデンを有している、請求項２記載のシース形グロープラグ。
【請求項４】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が少なくとも１つの力測定フィルム（１３４）を有しており、該力測定フィルムが、３マイクロメ―トル〜５００マイクロメートルの範囲、有利には５マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲、特に有利には８マイクロメートル〜３０マイクロメートルの範囲のフィルム厚さを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項５】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が、力（１２４）に関連して電気的な信号を発生させるようになっており、しかも以下の効果のうちの少なくとも１つの効果が利用される：圧電横効果；圧電縦効果；圧電剪断効果、請求項１から４までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項６】
少なくとも１つの力伝達エレメント（１３２）が設けられており、該力伝達エレメント（１３２）が、前記力測定フィルムエレメント（１２６）に結合されており、前記力伝達エレメント（１３２）によって発熱体（１１２）から前記力測定フィルムエレメント（１２６）へ力（１２４）が伝達可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項７】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が、前記力伝達エレメント（１３２）の、当該シース形グロープラグ（１１０）の軸線（１２２）に対してほぼ垂直に配置された少なくとも１つの端面（１４６）に結合されている、請求項６記載のシース形グロープラグ。
【請求項８】
少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）が、前記力伝達エレメント（１３２）の、当該シース形グロープラグ（１１０）の軸線（１２２）に対してほぼ平行に配置された少なくとも１つの面（１３３）に結合されている、請求項６または７記載のシース形グロープラグ。
【請求項９】
前記力伝達エレメント（１３２）が、ほぼ円筒状スリーブとして形成されている、請求項６から８までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項１０】
付加的に少なくとも１つの絶縁エレメント（１４４）、特に少なくとも１つの絶縁スリーブ（１４４）が設けられており、該絶縁エレメント（１４４）が、発熱体（１１２）と前記力測定フィルムエレメント（１２６）との間に配置されており、しかも前記絶縁エレメント（１４４）が発熱体（１１２）と前記力測定フィルムエレメント（１２６）との間の熱伝達を減少させるように前記絶縁エレメント（１４４）が形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のシース形グロープラグ。
【請求項１１】
内燃機関の燃焼室圧力を測定するための少なくとも１つの力測定フィルムエレメント（１２６）の使用。
【請求項１２】
前記力測定フィルムエレメント（１２６）が少なくとも１つの圧電フィルム（１３４）を有している、請求項１１記載の使用。
【図１】
【図２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【公表番号】特表２００８−５４５９１８（Ｐ２００８−５４５９１８Ａ）
【公表日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１５１６１（Ｐ２００８−５１５１６１）
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０６１４４０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１３１４１０
【国際公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【出願人】（３９００２３７１１）ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング (2,908)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０６１４４０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１３１４１０
【国際公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【出願人】（３９００２３７１１）ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング (2,908)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]