JP2010133729A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】環状の圧力検出素子を収容する外筒部材と内筒部材の各端部を加締める際に、予圧付与が正確に行われる圧力センサを提供する。
【解決手段】板パッキン５の外径が、圧力検出素子６の外径によりも大きく形成され、内筒部材の加締め部の外径の９０％以上に設定されている。内筒部材２の縮径部２ａを折り曲げて、外筒部材３の張り出し部３ａに加締める場合、板パッキン５と圧力検出素子６とが積層していない領域において、金型１５を駆動して加締める。従って、積層部分に比較して積層していない領域は強く押圧されるが、加締め部２ｅ及び張り出し部３ａは板パッキン５の側面によって支えられているようになり、スプリングバックが発生しないように加締められる。これにより加締め部２ｅはフラットになり、他の部分の不所望な変形も防止でき、圧力検出素子６への予圧付与も正確に行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内の圧力を検出するための圧力センサに関する。

従来、内燃機関の燃焼状態やノッキング検出、あるいは燃費向上や排気ガス清浄化等を目的として、スパークプラグに内装した圧力センサにより内燃機関の燃焼室内の圧力を検出することが行われている。

図７（ａ）〜（ｄ）は、特許文献１に開示されている圧力センサ５０の構成を示す斜視図及び断面図である。図７（ａ）に示すように、内筒部材５１は、本体部５１ａと縮径部５１ｂとを段部５１ｃを介して接続した構成になっている。そして、縮径部５１ｂに対し、絶縁板５２、電極板５３、圧力センサ素子５４、板パッキン５５が順次嵌め込まれる。
この結果、図７（ｂ）に示すように、段部５１ｃ上に圧力センサ組み立て体６１が積み上げられる。

電極板５３の外周縁に一体化された電極端子部６２は図７（ａ）、（ｂ）中、下方に曲げ返され、本体部５１ａの外周面に沿う形状にされる。なお、電極端子部６２には絶縁皮膜６３を予め装着される。また、縮径部５１ｂの外周面のうち、圧力センサ組み立て体６１の内周面に対向する領域は、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように絶縁被覆６４で覆われている。

前記圧力センサ組み立て体６１は、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、内筒部材５１と外筒部材６６との間に収容されるが、板パッキン５５の上部を閉塞する必要がある。このため、外筒部材６６の端面内周縁に周方向にわたって内側に張り出して形成された張り出し部６７で板パッキン５５を覆い、更に内筒部材５１に形成された縮径部５１ｂの先端部５１ｄを矢印で示すように外側に折り曲げて、底閉塞部６９が形成される。

この際、張り出し部６７と、先端部５１ｄとは適当な圧力により加締められ、両者の間の密着が良好になる。なお、図７（ｄ）に符号Ｗで示したように溶接することにより、内筒部材５１と外筒部材６１とが気密状態にて結合される。
また、前記電極端子部６２は、内筒部材５１と外筒部材６１との間に形成された隙間６８内に配索される。

特開２００２−１６８７２１号公報

前記圧力センサ５０では、外筒部材６６の張り出し部６７に重なるようにして内筒部材５１の先端部５１ｄを折り曲げ、不図示の金型により加圧して加締めることにより底閉塞部６９が形成されている。

ここで、張り出し部６７及び先端部５１ｄ等の金属板を折り曲げて加締めた場合、加圧を解除するとスプリングバックにより加圧方向とは逆の方向に戻る現象が表れる。このため、従来はスプリングバックを見込んで、最終形状となる曲げ状態を超えて曲げることが行われていた。しかし、スプリングバックの量は一定ではなく、加締め部である底閉塞部６９を平面化させることが困難である。

図７（ｃ）を例に述べると、張り出し部６７の下部は空洞であり、張り出し部６７を側面から支えるものはない。この状態で、スプリングバックを見込んで加締めを強めた場合、先端部５１ｄの内側に位置する張り出し部６７が内側に変形してフラットにならなかったり、外筒部材６６の筒部が変形することもあり、製品としての品質を維持できない場合があった。

また、加締めと同時に圧力検出素子に予圧を付与しているので、圧力検出素子への予圧が一定ではなく、圧力検出性能も一定でなくなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は圧力検出素子を保持するケースの変形を防止するとともに、圧力検出素子に所定の予圧を正確に付与できる圧力センサを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 内筒本体の外周部から段差部を介して端部に縮径部を有する内筒部材と、外筒本体の端部に周方向にわたって内側に張り出した張り出し部を有する外筒部材と、前記内筒部材と前記外筒部材との間に収容される環状の圧力検出素子及び環状の板パッキンとを備え、前記段差部と前記張り出し部との間に前記圧力検出素子及び前記板パッキンを前記板パッキンが前記張り出し部側に位置するように積層して収容し、前記内筒部材の前記縮径部の端部を外側に折り曲げて加締めることにより、前記圧力検出素子及び前記板パッキンの収容部を閉塞してなる圧力センサであって、
前記板パッキンの外径が前記圧力検出素子の外径よりも大きく形成されるとともに、前記板パッキンの外径寸法が前記内筒部材の加締め部の外径の９０％以上に設定されていることを特徴とする圧力センサ。

（２） 前記板パッキンは、硬度がＨｖ１００以上２００以下、縦弾性係数が１００ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下の金属板で形成されていることを特徴とする前記（１）に記載の圧力センサ。

（３） 前記内筒部材の前記加締め部が前記外筒部材に溶接されていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の圧力センサ。

（４） 内燃機関への取り付け部品を備えたことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の圧力センサ。

前記（１）の構成によれば、環状の板パッキンの直径が環状の圧力検出素子の直径よりも大きく形成されているので、環状の板パッキンと圧力検出素子との積層部分の半径方向外側に環状の板パッキンのみが存在する領域が形成される。また、環状の板パッキンの外径寸法は、内筒部材の加締め部の外径の９０％以上に設定されているので板パッキンの剛性が高まり、更に、加締め時に、加締め部のほとんどの部分の内側に板パッキンが位置していることになる。

したがって、スプリングバックを見込んで強く加締めても、内筒部材の端部にある加締め部は、外筒部材の張り出し部を介して、剛性の高まった板パッキンにより大部分を支持されているため、加締め部及び張り出し部が収容部側に変形することが抑制され平面状に加締められる。また、加締め部及び張り出し部が収容部側に変形することが抑制されるので、内筒部材及び外筒部材の他の部分が変形することもない。

前記（２）の構成によれば、前記板パッキンは、硬度がＨｖ１００以上２００以下、縦弾性係数が１００以上３００ＧＰａ以下の金属板で形成されている。従って、前記板パッキンを利用して前記外筒部材及び内筒部材の加締めを行う際、破損しない範囲で加圧・加締めを行い得るとともに、圧力検出素子の保護も行い得る。

前記（３）の構成によれば、内筒部材の加締め部がフラットな形状のまま外筒部材に溶接されるので、圧力センサの気密性が向上する。

前記（４）の構成によれば、圧力センサが内燃機関への取り付け部品を備えていることで、内燃機関への取り付け作業が容易である。

本発明による圧力センサの構造によれば、環状の圧力検出素子の外径よりも環状の板パッキンの外径が大きく形成されるとともに、板パッキンの外径寸法が前記内筒部材加締め部の外径の９０％以上に設定されている。

したがって、スプリングバックを見込んで強く加締めても、加締め部は、剛性の高まった板パッキンにより大部分を支持されているため、加締め部が収容部側に変形することが抑制され平面状に加締められる。また、加締め部が収容部側に変形することが抑制されるので、内筒部材及び外筒部材の他の部分が変形することもない。

更に、環状の板パッキンについては、関連する圧力検出素子の弾性等を考慮して、硬度や縦弾性係数の範囲が予め設定されている。従って、前記のような加締めを行っても、板パッキンが破損することはなく、圧力検出素子の保護も行うことができる。

更に、加締め部を溶接することにより、加締め部をフラットな形状に保持することができ、圧力センサの気密性を向上させることができる。

以下、本発明に係る圧力センサの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明に係る圧力センサの構成を示す斜視図、図２は圧力センサの内部構成を示す断面図、図３は圧力検出素子と板パッキンの位置及び寸法を示す断面図、図４は金型の形状及び加締め作用を示す断面図、図５は加締めと溶接を示す断面図、図６は圧力センサの内燃機関への適用例を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、圧力センサ１は、環状に形成された内筒部材２と環状に形成された外筒部材３との間に形成される収容部４内に、環状の板パッキン５、環状の圧力検出素子６、環状の電極板７、環状の絶縁板８を積層状に収容した構成になっている。内筒部材２は、内筒本体の外周部から段差部２ｃを介して端部に縮径部２ａを有する。外筒部材３は、外筒本体の端部に周方向にわたって内側に張り出した張り出し部３ａを有する。

なお、絶縁板８は、電極板７と内筒部材２との短絡を防止するためのものであり、例えばアルミナ等により構成されている。更に、内筒部材２の縮径部２ａの内壁は絶縁チューブ９により被覆され、縮径部２ａの内側面と電極７との接触及び短絡を防止するようになっている。

電極７には導線１１が接続され、外筒部材３の外側に設けられた長手状の導出部１２から、例えば不図示の制御回路等に接続し得るように外部に引き出される。

また、内筒部材２の段差部２ｃ上に、後述するガスケット２７が嵌め込まれる。

前記板パッキン５は、材料硬度がＨｖ１００以上２００以下、縦弾性係数が１００ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下の金属板（例えばステンレス鋼）により形成されている。ここで板パッキン５の寸法について説明すると、図２及び図３に示すように、板パッキン５の外径φ１は、圧力検出素子６の外径φ２に対し大径に形成され、かつ内筒部材２の縮径部２ｂの端部を折り曲げた加締め部２ｅの外径φ３の９０％以上に設定されている。

前記圧力センサ１を構成する場合、従来と同様に、内筒部２内に各構成部品を積層した後、外筒部材３を内筒部材２に被せ、図２に矢印Ａで示したように、内筒部材２の縮径部２ａを折り曲げ部２ｄにおいて外筒部材３側に折り曲げて加締め部２ｅを形成する。

この際、図２の下側に示したような金型１５を矢印Ｂ方向に駆動し、内筒部材２の縮径部２ａの端部を加圧して外筒部材３の張り出し部３ａに加締める。金型１５は、不図示の昇降機構により昇降制御されるようになっている。なお、実際の加締め動作は図２の配置構成を上下逆にした配置構成で行われる。

金型１５の加圧面には、図２及び図４に示すように高さＨの高低差が設けられている。即ち、圧力検出素子６の下部に対応する位置を基準とすると、圧力検出素子６が無い部分に対応する位置が高さＨ分だけ高くなり、高い部分と低い部分との間はテーパ面に形成されている。

前記金型１５により内筒部材２の加締め部２ｅを加圧すると、圧力検出素子６の配設位置に比較して、板パッキン５のみの位置における加締め部２ｅが寸法Ｈ分に対応してスプリングバックを見越して強く加圧される。しかし、加締め部２ｅは、張り出し部３ａを介して板パッキン５に沿っているので、言わば側面が板パッキン５によって支えられているようになる。従って、加締め部２ｅと張り出し部３ａが内側に一時的には変形するものの、内側に変形したままになることはなく、板パッキン５の下側面に沿って強く加締められる。

このため、金型１５を上方に駆動して前記加圧を解除しても加締め部２ａはフラットになったままでスプリングバック（戻り）が生じない。しかも、圧力検出素子６の配設位置は、板パッキン５のみの位置に比較して弱い加圧力で全面的に加圧されるので、圧力検出素子６の下側面全体に均一な力がかかり、圧力検出素子６に正確な予圧が付与される。

なお、前記φ３を１６ｍｍに設定し、その７３％を加締め径（φ１）としたとき、外筒部材３の一部に変形が現れた。

また、前記φ３を１８ｍｍに設定し、その８２％を加締め径（φ１）としたとき、外筒部材３の一部に変形が現れた。

更に、前記φ３を２０ｍｍに設定し、その９０％を加締め径（φ１）としたとき、外筒部材３に変形は現れなかった。

また、圧力検出素子６については、縦弾性係数１２０ＧＰａ〜１５０ＧＰａに設定されている。圧力検出素子６に比較して前記板パッキン５が柔らかすぎると、板パッキン５が変形して応力集中により圧力検出素子６が割れるおそれがある。一方、板パッキン５が硬すぎると、例えば圧力検出素子６の２倍の縦弾性係数の場合、殆んど変形せずに荷重を圧力検出素子６に伝達してしまい、この場合も割れるおそれがある。そのため、板パッキン５の縦弾性係数は１００ＧＰａ〜３００ＧＰａに設定されている。

前記板パッキン５を適用することにより、加締め部２ｅと張り出し部３ａとを強固に加締めることができるが、図５にＷで示したように溶接してもよい。この場合は、加締めと溶接が併用されることになり、加締め部２ｅと張り出し部３ａの接合位置に何らの強い力が作用しても、両者が離れることはない。

次に、前記圧力センサ１の適用例を説明する。
図６は、前記圧力センサ１を適用した燃焼圧検出機能付スパークプラグ（以下、単にスパークプラグと略称する）２１の構成を示す一部切り欠き断面図である。

スパークプラグ２１は、絶縁碍子２２と、この絶縁碍子２２を保持する主体金具２３と、絶縁碍子２２内に保持された中心電極２４と、主体金具２３に接合された接地電極２５と、絶縁碍子２２の端部に設けられた端子金具２６と、ガスケット２７と、圧力センサ１等により構成されている。

前記絶縁碍子２２は、周知のようにアルミナ等を焼成して略筒状に形成したものであり、内部の長手方向に軸孔３１が形成され、中央部にダイヤ部３２が、その後端側に後端側胴部３３が形成されている。なお、本適用例において、図６の中央部に示したダイヤ部３２の上部を後端側、下部を先端側と称する。

一方、ダイヤ部３２の先端側には、小径の先端側胴部３４が設けられ、更に小径で先端に向けてテーパ状に形成された脚長部３５が段部３６を経て形成されている。後端側胴部３３の後端部（図６の上部）には、端子金具２６と主体金具２３との間の沿面距離を長くするためのコルゲーション３７が形成されている。

前記絶縁碍子２２に形成された軸孔３１には、先端側胴部３４の先端部に段部３８が形成され、中心電極２４と係合するようになっている。中心電極２４は、ニッケル合金を棒状に加工したものであり、その内部には熱引きを改善するために銅系の合金３９が内挿されている。合金３９の先端部には、耐摩耗性を向上させるための耐摩耗性向上部材（白金やイリジゥム等の貴金属及びそれらの合金もしくはタングステン合金等の卑金属）４１が接合されている。

一方、合金３９の後端側は、ガラスシール４２や抵抗体４３を介して端子金具２６に電気的に接続されている。なお、端子金具２６には、不図示の高圧ケーブルがプラグキャップを介して接続され、高電圧が印加されるようになっている。

中心電極２４と火花放電間隙Ｇを形成する接地電極２５は、中心電極２４と同様にニッケル系合金が用いられている。また、接地電極２５の先端部４４には、耐摩耗性向上部材４５を設けてもよい。更に、接地電極２５の後端側は、後端面４６を主体金具２３の先端面４７に例えば抵抗溶接によって接合されている。

主体金具２３は、鉄系材料を略円筒形状に形成したものであり、絶縁碍子２２の外周において絶縁碍子２２を保持する。具体的に述べると、主体金具２３の内周面には段部４８が形成され、この段部４８に絶縁碍子２２の段部３６が当接することにより保持される。この段部４８と段部３６との間には、金属製板パッキン４９を介在させてもよい。

段部４８の後端側には、絶縁碍子２２の先端側銅部３４の外径と略同一径の内孔が続く。更に後端側では、内孔はダイヤ部３２を収容するために拡径している。このダイヤ部３２が収容された部位の外周面には、スパークプラグ２１を取り付けるために、断面が六角形等の多角形状の工具係合部１３が形成されている。

工具係合部１３の後端側では、主体金具２３の一部を径方向内側に折り曲げることにより加締め蓋１４が形成され、絶縁碍子２２は主体金具２３に一体に固定される。なお、この加締め蓋１４を加締める際は、タルク（滑石）１６や環状のパッキン１７，１７を内装し、燃焼室からの燃焼ガスの漏洩を防ぎ、機密性を高めることもできる。

工具係合部１３の先端側には、径方向外向きに全周に突出した鍔部１７が形成され、その先端面は座面１８として内燃機関ＩＣに取付けたときに、内燃機関ＩＣの外表面に向き合う面を形成している。

スパークプラグ２１を内燃機関ＩＣに取付ける場合は、ガスケット２７及び圧力センサ１を雄ネジ１９に挿通させ、工具係合部１３によって回動する。この結果、雄ネジ１９が内燃機関ＩＣのプラグホールに設けられた雌ネジへ締め付けられ、スパークプラグ２１が装着される。
ここで、圧力センサ１は内燃機関ＩＣへの取り付け部材を備えていることが好ましい。

前記ガスケット２７は、内燃機関ＩＣの駆動中におけるガス漏れを防ぐため、銅または銅を主体とする合金を環状平板に形成したものであり、主体金具２３の座面１８と圧力センサ１との間に配設される。

前記構成によれば、燃焼室内の内圧上昇にともなって、スパークプラグ２１が軸線方向に僅かに変位する。この変位によって、圧力検出素子６に印加されていた荷重が変化し、この荷重の変化に伴い生じた電荷が、センサ出力として導出される。

圧力センサ１は、前記のように内筒部材２の加締め部２ｅのスプリングバックがなくフラットであるから、前記荷重の変化は正確に検出され、内燃機関の燃焼状態等を正確に制御できる。

また、図２に示した構成は、板パッキン５の内径を圧力検出素子６の内径よりも小さくすることで、縮径部２ａを折り曲げる際に、折り曲げ部２ｄに力がかかっても圧力検出素子６に不所望な力がかからず、不測の予圧付与、破損等を防止できるが、これとは逆に、板パッキン５の内径を圧力検出素子６の内径よりも大きくしてもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係る圧力センサの一実施形態を示す斜視図である。 圧力センサの構成を示す要部の断面図である。 環状の板パッキンと圧力検出素子の位置関係及び寸法を示す断面図である。 金型の形状及び加締め作用を示す要部の拡大断面図である。 加締め部の溶接を示す要部の拡大断面図である。 圧力センサの内燃機関への適用を示す断面図である。 （ａ）は従来の圧力センサの構成を示す分解斜視図、（ｂ）は各部材の組み付け状態を示す斜視図、（ｃ）は内筒部材及び外筒部材の端部を加締める工程を示す断面図、（ｄ）は内筒部材及び外筒部材の端部の加締め状態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 圧力センサ
２ 内筒部材
２ａ 縮径部
２ｂ 大径部
２ｃ 段差部
２ｄ 折り曲げ部
２ｅ 加締め部
３ 外筒部材
３ａ 張り出し部
３ｂ 折り曲げ部
４ 収容部
５ 環状の板パッキン
６ 環状の圧力検出素子
７ 電極板
８ 絶縁板
９ 絶縁チューブ
１５ 金型
２１ 燃焼圧検出機能付スパークプラグ
２２ 絶縁碍子
２３ 主体金具
２４ 中心電極
２５ 接地電極
２６ 端子金具
２７ ガスケット

Claims (4)

1. 内筒本体の外周部から段差部を介して端部に縮径部を有する内筒部材と、外筒本体の端部に周方向にわたって内側に張り出した張り出し部を有する外筒部材と、前記内筒部材と前記外筒部材との間に収容される環状の圧力検出素子及び環状の板パッキンとを備え、前記段差部と前記張り出し部との間に前記圧力検出素子及び前記板パッキンを前記板パッキンが前記張り出し部側に位置するように積層して収容し、前記内筒部材の前記縮径部の端部を外側に折り曲げて加締めることにより、前記圧力検出素子及び前記板パッキンの収容部を閉塞してなる圧力センサであって、
   前記板パッキンの外径が前記圧力検出素子の外径よりも大きく形成されるとともに、前記板パッキンの外径寸法が前記内筒部材の加締め部の外径の９０％以上に設定されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記板パッキンは、硬度がＨｖ１００以上２００以下、縦弾性係数が１００ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下の金属板で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記内筒部材の前記加締め部が前記外筒部材に溶接されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 内燃機関への取り付け部品を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。

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