JP2002054501A

JP2002054501A - センサ付きヘッドガスケット

Info

Publication number: JP2002054501A
Application number: JP2000240170A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamoto; 隆士山本; Atsushi Hashikawa; 淳橋川; Muneo Yorinaga; 宗男頼永; Kazuya Kichijima; 一也吉島
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2002-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関のヘッドガスケットのシール性能の
評価のために、実機運転時において変動する面圧を正確
に、且つ容易に測定すること。【解決手段】金属基板３の表面を絶縁膜によって被覆
し、その上に圧力の大きさに応じて電気抵抗値が変化す
る薄膜状の抵抗体からなるセンシング部１１を配線膜８
と共に配置し、更にその上に絶縁膜を被覆した構造を有
するセンサ基板２と、内燃機関のヘッドガスケットとを
積層して一体化することにより、センサ付きヘッドガス
ケット１を構成している。従って、ヘッドガスケットの
直下に組み込まれた薄膜状の抵抗体によって、ヘッドガ
スケットに作用する面圧を実機運転時に計測することが
できる。面圧は筒内圧に比例するので、センサ基板２に
よって筒内圧を検知することもできる。更に、歪みや温
度をも同様に検出し、面圧信号を補正してより正確にす
ることも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関（エンジ
ン）に使用されるヘッドガスケットに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ヘッドガスケットは、内燃機関のエンジ
ンヘッド（シリンダヘッド）とシリンダブロックとの間
を密封するために使用される重要な部品である。もしヘ
ッドガスケットのシール性能が十分でなければ、気筒内
の燃焼ガスが外部へ漏れ出て内燃機関の出力が低下す
る。従って、ヘッドガスケットのシール性能を向上させ
るために、特開２０００−１６１４９４号公報に記載さ
れているようなヘッドガスケットの改良が試みられてい
る。ヘッドガスケットのシール性能が十分であるか否か
を評価するための手段として感圧紙（登録商標）を使用
する方法が知られている。また、特開平８−３２７４７
４号公報には、ピンチローラやスキージの圧力バランス
を測定するというように、ヘッドガスケットとは全く異
なる目的に使用されるものではあるが、膜状の形態を有
する圧力分布センサが記載されている。

【０００３】従来から行われている感圧紙を用いる方法
によっては、ヘッドガスケットに作用する面圧の最高値
のデータが得られるだけで、面圧の変動を測定すること
はできない。また、ピンチローラ用の圧力分布センサ
は、最高圧以外に圧力変動を測定することも可能である
が、内燃機関の実機運転時におけるヘッドガスケットの
ように、高温の下での圧力測定に使用可能であるとは考
えられない。何故なら、この圧力分布センサにおいて
は、センシング部が受ける熱に対する考慮が払われてい
ないので、使用されている材料にクリープが発生するこ
とにより、繰り返して測定する場合に、検出結果に再現
性が得られるとは考えられないからである。従って、従
来のセンサによっては、内燃機関の実機運転時における
ヘッドガスケットの圧力変動を測定して動的にシール性
能を評価することは不可能であって、シール性能の評価
は静的な測定によるものに限られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】内燃機関のヘッドガス
ケットについてのシール性能の評価は静的な状態におけ
るものよりも、実機運転時のように高温下で変動する面
圧が作用する動的な状態におけるものがより重要である
から、実機運転時における圧力変動を正確に測定するこ
とはヘッドガスケットのシール性能の評価のために必要
なことであるが、従来はそのための好適な測定手段が無
かったと言える。そこで、本発明は、従来技術における
このような問題に対処して、内燃機関の実機運転時にお
いてヘッドガスケットに作用する圧力を正確に検出する
ことができるような、改良された測定手段を提供するこ
とを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の請求項１
に記載されたセンサ付きヘッドガスケットを提供する。

【０００６】本発明のセンサ付きヘッドガスケットを使
用すれば、リード線のようなものによって外部へ接続さ
れる配線膜を介して、薄膜状の抵抗体の電気抵抗値を測
定することにより、その値の大きさからヘッドガスケッ
トに作用している面圧を直接に且つ容易に検知すること
ができる。この測定は内燃機関の静止時は勿論、ヘッド
ガスケットが高温となる実機運転時においても何の支障
もなく行うことができるので、ヘッドガスケットの動的
なシール性能の評価が可能になる。また、薄膜抵抗体は
ヘッドガスケットと一体化されていて組み付けに特別の
手数を要することがなく容易であり、その厚さも僅かで
あるから、薄膜抵抗体等によってヘッドガスケット本来
のシール性能が損なわれる恐れはない。

【０００７】本発明のセンサ付きヘッドガスケットにお
いては、圧力計測用の薄膜抵抗体を含むセンサ基板の近
傍に、或いはそれに積み重ねるように、歪計測用の薄膜
抵抗体を含むセンサ基板と、温度計測用の薄膜抵抗体を
含むセンサ基板との少なくとも一方を配置することがで
きる。圧力計測用のセンサ基板の出力信号には歪みや温
度の影響が加わっていることが多いので、歪計測用のセ
ンサ基板や温度計測用のセンサ基板の出力信号によって
補正を加えることにより、一層正確な圧力を計測するこ
とができる。この場合、複数個の歪計測用センサ基板を
使用して、例えば、シリンダボアの半径方向における歪
と、それに対して直角の円周方向における歪というよう
に、異なる方向の歪みをそれぞれ別に計測すれば、歪み
による補正が更に正確なものとなる。

【０００８】薄膜抵抗体等を含むセンサ基板とヘッドガ
スケットとを一体化させるために、センサ基板の金属基
板とヘッドガスケットを溶接によって固定することがで
きる。それによってセンサ付きヘッドガスケットの強度
が向上し、耐久性が高くなるだけでなく、圧力等の検出
精度も高くなる。また、具体的に、金属基板としてヘッ
ドガスケットよりも小さいものを使用すると共に、セン
サ基板の高さに見合うブランク板を設けて両者の高さを
揃えるとか、ブランク板とセンサ基板との間の隙間を液
状パッキンによって密封し、流体の漏洩を防止すると
か、センサ基板の上下にヘッドガスケットと同じ形状の
当て板を配置することもできる。

【０００９】本発明のセンサ付きヘッドガスケットにお
いては、このように、薄膜抵抗体等を含むセンサ基板を
ヘッドガスケットのシール面の直下に設けるので、実機
運転時における内燃機関のヘッドガスケットのシール面
における圧力の変化を確実に測定することができる。ま
た、シール面の圧力は筒内圧と直線的な関係にあるの
で、本発明のセンサ付きヘッドガスケットのセンサ基板
を筒内圧センサとして利用することもできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明による内燃機関用の圧力セ
ンサ付きヘッドガスケットの実施例の構造を図１〜図５
に示す。圧力計測用のセンサ基板２は、例えば、ステン
レス鋼であるＳＵＳ６３１の、厚さが０．２ｍｍの薄板
からなる当て板３上に形成されている。以下、その構成
について詳細に説明する。図４に示すように、当て板３
は、その上に繊細な薄膜抵抗体５〜７を形成するので、
薄膜抵抗体５〜７の断線を防止するために、表面に鏡面
研磨を施すことが望ましい。また、当て板３には高温の
下でシール面に圧力が作用するため、熱とシール面圧に
よってクリープによる塑性変形を起こさないように、常
温における降伏点が高いだけでなく、高温の下における
耐力の大きい（クリープ限界の高い）材質を用いる必要
がある。実施例においてＳＵＳ６３１の薄板を当て板３
の材料として使用しているのは、クリープに対する耐力
が大きいためである。

【００１１】圧力計測用のセンサ基板２は、図４に示す
ように、当て板３上に被覆された下層の絶縁膜４ａと、
その上に積層して設けられた圧力検出用の薄膜抵抗体５
と、それに重ねるか、或いは図３に示すように圧力検出
用抵抗体５にできるだけ接近して設けられた歪補正用の
薄膜抵抗体６及び温度補正用の薄膜抵抗体７と、各薄膜
抵抗体５〜７に対して接続される配線膜８と、それら薄
膜抵抗体５〜７や配線膜８等の上面を覆う上層の絶縁膜
４ｂとから構成されており、配線膜８には電極膜９が設
けられていて、それに接続するようにリード線１０が取
り付けられている。薄膜抵抗体５〜７のうちの２つ以上
が積層される部分では、それら複数の薄膜抵抗体の間に
も図示しない絶縁膜が設けられる。なお、図３にも例示
している薄膜抵抗体５〜７等はセンサ基板２の要部であ
るから、以下の説明においては、これらを纏めてセンシ
ング部１１と呼んでいる。

【００１２】薄膜抵抗体５〜７を当て板３の絶縁膜４ａ
上に、例えば図３に示すようなパターンにおいて形成す
るには、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ等のような一般
的に行われる薄膜形成方法を使用することができる。ま
た、当然のことながら、薄膜抵抗体５〜７の材質として
は、薄膜の形成が可能なものであることが必要である。
圧力検出用の薄膜抵抗体５の材料は、圧力感度が大きく
て、歪みや温度に対する感度が小さい材質であることが
必要である。従って、圧力検出用抵抗体５のために好適
な材料としては、例えば、クロームが６０〜９９原子％
で、酸素が２０〜３０原子％、アルミニウムのような金
属元素が０〜１０原子％の組成を有するクロームサーメ
ットやマンガニン等がある。これらの材料を細い線状の
薄膜に形成すると、その両面の間に作用する圧力の大き
さに応じて電気抵抗値が変化するので、本発明における
薄膜抵抗体５として利用することができる。

【００１３】また、歪補正用抵抗体６の材料としては、
歪感度が大きい反面、圧力感度や温度感度が小さいもの
が必要であるから、例えば、ニッケル・クローム合金
や、銅・ニッケル合金が好適である。更に、温度補正用
抵抗体７の材料としては、温度感度が大きくて、圧力感
度や歪感度が小さいことが必要なので、例えば、チタン
や白金が好適である。いずれの材料も、図３に例示した
ような形状の薄膜抵抗体６，７に形成して、細い線状の
部分の電気抵抗値によって、曲げのような機械的歪みの
大きさや温度を検出し、圧力検出用抵抗体５の検出信号
に含まれる歪みや温度の成分を取り除くために利用され
る。なお、配線膜８の材料としては比抵抗が小さくて、
圧力や歪み、温度等に対する感度が小さいものが必要で
あるから、例えば、アルミニウムや銅が好適である。

【００１４】図２に例示したように、センサ基板２の形
状は、ヘッドガスケット１６の形状及び所望の測定エリ
アの位置や大きさに応じて、ｒ方向（シリンダボア１８
の半径方向）の幅や、θ方向（シリンダボア１８の半径
方向に対して直角の方向、即ち接線方向）の幅等を必要
な大きさに設計すればよい。但し、センシング部１１を
構成する薄膜抵抗体５〜７の抵抗値が常温において５０
Ω以上となるように設計することが望ましい。この理由
は、測定誤差の原因となる配線抵抗の値に対して薄膜抵
抗体５〜７の抵抗値を大きくして、前者／後者の比の値
を小さくするためである。また、薄膜抵抗体５〜７の出
力が微弱であるため、図示しない増幅回路によって出力
信号を増幅するが、薄膜抵抗体５〜７の抵抗値が小さい
ときはノイズも大きくなるので、出力信号を明確に検知
することができなくなるためである。

【００１５】図１はヘッドガスケット１６とそれに一体
化されたセンサ基板２からなるセンサ付きヘッドガスケ
ット１を全体的に例示したもので、図２は、同じ例にお
いてヘッドガスケット１６と当て板１３及びポリイミド
シート１４を取り除いた状態の、センサ基板２を拡大し
て示したものである。図２において１７は内燃機関本体
のシリンダブロックの頂面を示している。図３は、図２
に示したようなセンサ基板２の中核となるセンシング部
１１における薄膜抵抗体５〜７の具体的な構成を例示し
たもので、前述のようにセンシング部１１には、幅の狭
い線状の薄膜部分を有する圧力検出用抵抗体５、歪補正
用抵抗体６、及び温度補正用抵抗体７が、それぞれ図３
に例示されているように近接して配置されている。な
お、歪補正用抵抗体６はｒ方向の歪みを検出する薄膜抵
抗体６ａと、θ方向の歪みを検出する薄膜抵抗体６ｂに
分類することができる。圧力検出用抵抗体５と補正用の
薄膜抵抗体６，７は重ねて、間に絶縁膜を挟んで積層し
てもよい。

【００１６】図３に例示したようなセンシング部１１を
構成する薄膜抵抗体５〜７は、当て板３上の絶縁膜４ａ
の上にマスクを使用してスパッタリングや蒸着、ＣＶＤ
等の方法によって、あたかも印刷のように形成される
が、そのように形成される薄膜抵抗体５〜７の線の幅
は、当て板３にＳＵＳ６３１を使用する場合でも下地の
欠陥によって断線が生じるのを防止するために１０μｍ
以上とすることが望ましい。しかし、下地の欠陥をなく
すためにポリイミド樹脂やＳｉＯ₂系被膜形成用塗布液
を絶縁膜として使用する場合には、線の幅を１０μｍ以
下に細くすることもできる。

【００１７】本発明のセンサ付きヘッドガスケット１に
おいては、ヘッドガスケット１６に対して前述のような
構造の必要な種類のセンサ基板２を、必要な数だけ一体
化させた構成となっている。センサ基板２とヘッドガス
ケット１６を一体化させるための構造を図５に例示す
る。図５の例では、センサ基板２とヘッドガスケット１
６の高さを揃えるためにスペーサとなるブランク板１２
を設けると共に、センサ基板２とブランク板１２を一体
化させるために、それらの上下にヘッドガスケット１６
と同じ形状を有する当て板１３ａ及び１３ｂを設けてい
る。もっとも、当て板１３を上下に設ける必要はなく、
上下の当て板１３ａ又は１３ｂのいずれか一方のみであ
ってもよい。

【００１８】また、センサ基板２とブランク板１２との
間の隙間は、シリンダ内のガスや内燃機関本体内を流れ
る冷却水或いは潤滑油等の漏れを防止するために、液状
パッキン１５によって埋める。更に、センサ基板２と当
て板１３との間にはセンサ基板２の絶縁性能を高めるた
めにポリイミドのシート１４を設ける。それによってセ
ンサ基板２の寿命が長くなる。そして、これらの上にヘ
ッドガスケット１６を設けて、各センサ基板２のセンシ
ング部１１とヘッドガスケット１６との位置関係を固定
するために、シリンダボア１８の縁部に対応する部分を
図１に示すようにレーザ溶接１９によって固定する。こ
のようにセンサ基板２とヘッドガスケット１６を固定す
るのは、ヘッドガスケット１６には圧力分布が存在する
ため、センサ基板２とヘッドガスケット１６の位置関係
が変化することによって測定精度が悪化するので、それ
を防止するためである。

【００１９】また、各センサ基板２の当て板３とヘッド
ガスケット１６を一体化させるために、図１に例示した
ように、当て板３をヘッドガスケット１６よりも大きく
したり、ヘッドガスケット１６を当て板３の代わりに使
用して、センサ基板２をヘッドガスケット１６の上に直
接に形成してもよい。このようにすると、ブランク板１
２や当て板１３等の部品が不要となるので、部品点数を
少なくすることができるという利点がある。なお、１枚
の当て板３の上にセンサ基板２を１個だけでなく複数個
構成することができることは言うまでもない。

【００２０】図示実施例においては、センサ基板２の要
部であるセンシング部１１に、圧力検出用のＣｒ−Ａｌ
−Ｏ合金からなる薄膜抵抗体５、歪補正用のＮｉ−Ｃｒ
合金からなる薄膜抵抗体６ａ，６ｂ、及び温度補正用の
Ｔｉからなる薄膜抵抗体７という４種類の薄膜抵抗体を
設けている。圧力検出用抵抗体５は歪感度をも有してい
るし、実機運転時におけるヘッドガスケット１６のシー
ル面には僅かに曲げ等の歪みが発生するので、圧力検出
用抵抗体５が出力する信号には歪みによるものも含まれ
ている。これを補正するために、ｒ方向及びθ方向の歪
補正用の薄膜抵抗体６ａ，６ｂが設けられており、それ
らが出力する信号によって、圧力検出用抵抗体５の出力
する信号が補正される。このような信号の処理は常套手
段として、例えば、マイクロプロセッサを使用する図示
しない演算装置において容易に行うことができる。

【００２１】同様に、Ｃｒ−Ａｌ−Ｏ合金を使用する圧
力検出用抵抗体５には温度特性があるので、圧力検出用
抵抗体５が出力する信号にはセンシング部１１において
部分的に異なる温度に対応するものも含まれている。こ
れを補正するために、圧力検出用抵抗体５の近傍に温度
補正用抵抗体７を設けて各部分の温度を検出し、その出
力信号によって主たる信号に修正を加える。本発明の主
たる目的はヘッドガスケット１６の各部分における圧力
を検出することであるから、歪みの補正のために歪補正
用抵抗体６を圧力検出用抵抗体５に併設したり、温度補
正のために温度補正用抵抗体７を併設しているが、補正
用の薄膜抵抗体６，７の検出値をそのまま利用して歪み
を測定したり、温度を測定することも可能であることは
言うまでもない。

【００２２】なお、これらの薄膜抵抗体５〜７の出力信
号は微弱なものであるから、定電流回路や定電圧回路を
使用して信号を増幅する必要がある。内燃機関の実機運
転時における面圧の変動を実測した結果を図６に示す。
また、図６には、別の測定装置によって同時に測定した
同じ内燃機関の筒内圧の変化も示されている。これらの
線図から、内燃機関の燃焼室内における爆発に応じて周
期的にヘッドガスケット１６の圧力（面圧）が低下する
ことが判る。また、筒内圧の変化と、本発明のヘッドガ
スケットのセンサによって測定した面圧の変化との間に
は明らかな相関が認められる。両者の関係は、図７のよ
うな線図上に整理してみると直線的な関係（一次的な比
例関係）であることが判る。従って、圧力検出用抵抗体
５を含む本発明のセンサ基板２を筒内圧センサとして使
用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサ付きヘッドガスケットの実施例
を示す平面図である。

【図２】図１においてヘッドガスケット等を取り除い
て、主としてセンサ基板を示す平面図である。

【図３】センサ基板のセンシング部の構成を拡大して例
示する平面図である。

【図４】センサ基板におけるセンシング部付近の断面構
造を拡大して例示する断面図である。

【図５】センサ基板の近傍におけるヘッドガスケットの
断面構造を例示する断面図である。

【図６】内燃機関の運転時のヘッドガスケットにおける
圧力変動を計測する本発明のセンサの出力信号と、別に
測定した筒内圧の信号を対比して示す線図である。

【図７】図６に示すセンサの出力信号と筒内圧の信号と
の関係を示す線図である。

【符号の説明】

１…センサ付きヘッドガスケット２…センサ基板３…当て板４…絶縁膜５…圧力検出用抵抗体６…歪補正用抵抗体７…温度補正用抵抗体８…配線膜９…電極膜１０…リード線１１…センシング部１２…ブランク板１３…当て板１４…ポリイミドシート１５…液状パッキン１６…ヘッドガスケット１７…シリンダブロック１８…シリンダボア１９…レーザ溶接

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋川淳愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者頼永宗男愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者吉島一也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3J040 AA01 AA12 BA01 EA15 EA17 EA27 EA46 FA01 HA17 HA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基板の表面を絶縁膜によって被覆
し、その上に圧力の大きさに応じて電気抵抗値が変化す
る薄膜状の抵抗体を配線膜と共に配置し、更にその上に
絶縁膜を被覆した構造を有する圧力計測が可能なセンサ
基板と、内燃機関のヘッドガスケットとを積層して一体
化させたことを特徴とする内燃機関用のセンサ付きヘッ
ドガスケット。
【請求項２】請求項１において、前記圧力計測が可能
なセンサ基板に近接して、計測面の歪の計測が可能なセ
ンサ基板と、前記計測面の温度の計測が可能なセンサ基
板との少なくとも一方を配置して、前記圧力計測が可能
なセンサ基板と併せて前記ヘッドガスケットに一体化さ
せたことを特徴とする内燃機関用のセンサ付きヘッドガ
スケット。
【請求項３】請求項２において、前記計測面の歪の計
測が可能なセンサ基板が、前記圧力計測が可能なセンサ
基板が設けられる前記ヘッドガスケットの計測面におけ
るシリンダボアの半径方向の歪と、前記半径方向に対し
て直角な円周方向の歪とをそれぞれ別に計測するセンサ
基板からなることを特徴とする内燃機関用のセンサ付き
ヘッドガスケット。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記センサ基板と前記ヘッドガスケットとを一体化させ
るために、前記センサ基板の前記金属基板と前記ヘッド
ガスケットを溶接によって固定したことを特徴とする内
燃機関用のセンサ付きヘッドガスケット。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記金属基板として前記ヘッドガスケットよりも小さい
ものを用いると共に、前記金属基板の上に形成された前
記センサ基板の高さに見合う高さを有するブランク板を
設けて、前記センサ基板及び前記ブランク板の上下の少
なくとも一方に前記ヘッドガスケットと同じ形状の当て
板を配置し、前記ブランク板と前記センサ基板との間の
隙間を液状パッキンによって密封したことを特徴とする
内燃機関用のセンサ付きヘッドガスケット。