JP2011174882A - 燃焼圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】熱や振動の影響を低減できる燃焼圧センサを提供する。
【解決手段】少なくとも圧力センサと、内部に圧力センサを収容する開口部を有するセンサハウジングと、センサハウジングを収容する開口部を有する筐体で構成され、センサハウジングの開口部側を筐体の開口先端部に固定する燃焼圧センサにおいて、筐体の内周と前記センサハウジングの外周は軸方向に摺動可能に接触しており、さらにセンサハウジングの開口部の対向端部は軸方向に移動可能に弾性的に支持されていることを特徴とする燃焼圧センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は燃焼圧センサに関するものである。

従来、エンジンに付設して燃焼室の圧力を検出する燃焼圧センサは知られている。一般にアンプ内蔵型として構成され、ハウジング内には、少なくとも、圧力を電気信号に変換する圧電素子と、この圧電素子から得られる電気信号を処理する回路基板と圧電素子と回路基板を電気的に接続するリードとを備えている。燃焼圧センサにアンプを内蔵させる理由は、燃焼圧センサの圧電素子により得られる信号を伝送ケーブルを介して車載コントローラまで伝送する場合、伝送ケーブルにより伝送される微弱な電気信号に外乱ノイズが重畳して誤動作を生じる問題を回避すると共に、加えて、ノイズの影響を受けにくい高価なローノイズケーブルの使用を回避するためである。

一方、この種の燃焼圧センサは、低温から高温まで変化する厳しい温度環境に晒されるため、燃焼圧センサに回路基板を内蔵させる場合、これらの温度環境に耐える耐熱性部品が必要になるとともに、特に、熱伸縮に伴う接合部の断線を防止するための対策を施す必要がある。したがって、前述した従来の燃焼圧センサでは、圧電素子と回路基板を接続するリードに熱収縮を吸収するための湾曲部を設けるとともに、熱収縮により生じるリードの変位を逃すための内部空間を確保していたため、内部構造が複雑になり、製造性の低下、製造工数の増加及びコストアップを招いていた。

また、燃焼圧センサをエンジンに付設した場合、厳しい温度環境のみならず、劣悪な振動環境にも晒され、リードの変位を逃がすための内部空間を確保する必要があることから、リードに無用な振動、即ち、伝達される振動以外の揺れや共振動を許容してしまう。したがって、無用な振動に伴うリードの相対変位により接合部の断線や接触不良等を招く虞があり、信頼性においても十分とは言えなかった。

図７は前述の問題を解決するためになされた従来技術による燃焼圧センサの断面図であり、図６は先端部（検出ヘッド部５１）の拡大図である。図４は燃焼圧センサをエンジンに取り付けた断面図であり、Ｍｒはエンジンの燃焼室を現している。

ハウジング２は、前後に二分割したフロントハウジング部２ｆとリアハウジング部２ｒの組合せにより構成する。フロントハウジング部２ｆは全体を筒状に形成し、前部に、圧電素子３及び電極部２２を収容するとともに、フロントハウジング部２ｆの前端部に、ダイヤフラムヘッド２１を固着する。ダイヤフラムヘッド２１は、圧力が作用するダイヤフラム部２１ｄと、ダイヤフラムヘッド２１の周縁部を構成するフランジ部２１ｆと、ダイヤフラム部２１ｄの後面に有する伝達部２１ｔを一体形成してなる。ダイヤフラムヘッド２１の後には、ダイヤフラム部２１ｄに作用する圧力を電気信号に変換する圧電素子３を配設する。

なお、伝達部２１ｔは圧電素子３の前面に面接触する一方の電極部を兼ねている。圧電素子３の後には、他方の電極部２２を配設する。電極部２２は、圧電素子３の後面に面接触する素子側電極部２２ｓと、この反対側に突出する突起状のリード側電極部６を一体に有する。この電極部２２（電極部６）には、アルミナセラミックス等により形成したドーナツ形の絶縁リング２４を嵌合する。これにより、電極部６が絶縁リング２４の中心孔に収容され、絶縁リング２４には、後述するコイルスプリング７ｃ（弾性部材７）の一端が入るスプリング収容凹部２６が設けられる。

さらに、フロントハウジング部２ｆの後部には、円筒状の絶縁パイプ２７を収容する。絶縁パイプ２７は、後述するリード部５の前部５ｆが挿通するリード挿通孔２８を有する。また、フロントハウジング部２ｆの中間部は、絶縁リング２４及び絶縁パイプ２７のストッパとして機能し、かつ小径の挿通孔を設けることにより、スプリング収容凹部２６とリード挿通孔２８を連通させる。

他方、リアハウジング部２ｒは、図７に示すように、全体を筒状に形成し、前部の外周面に取付ネジ部５２を設けるとともに、後部の外周面に工具係止部５３を設ける。そして、リアハウジング部２ｒの前端には、上述したフロントハウジング部２ｆの後端を接合する。また、工具係止部５３は比較的大径に形成し、内部に基板収容室１１を設けるとともに、リアハウジング部２ｒの後端にコネクタ部５４を取付け、基板収容室１１を閉塞する。なお、工具係止部５３は、締付用の工具が係止すればよいため、例えば、ボルト頭部と同様の六角形状であってもよく、工具係止部５３の形状は他の形状により置換できる。

一方、リアハウジング部２ｒの前部となる取付ネジ部５２の内部には、テフロン（登録商標）製のガイドパイプ３１を収容する。このガイドパイプ３１はリード部５の中間部５ｍが挿通するリード挿通孔３２を有する。また、基板収容室１１には、圧電素子３から得られる電気信号を処理（増幅処理）する回路基板部４を収容する。

そして、この回路基板部４の中心にはリード部５を接続する。このため、回路基板部４は、中心に、リード部５の一端５ｓを挿通（貫通）させるリード挿通孔を有する。リード部５は、直線状をなす断面円形のピン部材５ｐにより一体に形成し、ガイドパイプ３１のリード挿通孔３２に挿通する中間部５ｍと、この中間部５ｍの前端から延出し、かつこの中間部５ｍよりも小径に形成することにより絶縁パイプ２７に挿通する前部５ｆと、中間部５ｍの後端から延出し、かつこの中間部５ｍよりも大径に形成する後部５ｒからなる。

また、７ｃは、弾性部材７を構成するコイルスプリングである。コイルスプリング７ｃは、上述した電極部６とリード部５の他端５ｔ（前部５ｆ）間に圧縮した状態で介在させることができる長さを選定するとともに、リード部５の前部５ｆの径に対して同一又はやや小さい径を選定する。

一方、コネクタ部５４は、アルミナセラミックスや機能性樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂等）等の絶縁材料により一体形成し、前端部がリアハウジング部２ｒ（基板収容室１１）の後端に挿入することにより当該後端を閉塞するコネクタ基部４１を備える。このコネクタ基部４１には、前述した三つのプラグピン３７ａ、３７ｃ（二つ記載）が貫通し、コネクタ基部４１内に突出することにより、コネクタ部５４を構成する。

（１） リード部５を直線状のピン部材５ｐにより形成し、リード部５の一端５ｓ側を、回路基板部４に貫通させ、かつ回路基板部４の反対側で当該回路基板部４に接続するとともに、リード部５の他端５ｔを、圧縮した導電性を有する弾性部材７を介して圧電素子３側の電極部６に接続するため、リード部５に設ける熱伸縮を吸収するための湾曲部（折曲部）やその変位を逃がす内部空間の確保が不要となり、内部構造の単純化による製造性の向上、製造工数の低減及び製造コストの削減を図ることができる。

（２） リード部５に設ける熱伸縮を吸収するための湾曲部（折曲部）やその変位を逃がす内部空間の確保が不要になることから、リード部５に対する振動環境による悪影響を防止することができる。したがって、振動による接合部（接続部）の断線や接触不良等を回避し、信頼性を飛躍的に高めることができ、本発明に係る燃焼圧センサ１は、エンジンの燃焼室Ｍｒの圧力を検出する燃焼圧センサ１に用いて最適となる。

（３） 好適な態様により、弾性部材７に、コイルスプリング７ｃを用いれば、リード部５の直線性及びバランス性を確保しつつ伸縮に伴うリード部５の相対変位を確実に吸収することができる。（特許文献１参照）

また、燃焼圧センサとして、加速度または振動の影響を少なくするために、構成要素の２つの質量をそれぞれの接続要素を含めて調整する技術が開示されている。図５は、従来技術による動的補償装置を備えた燃焼圧センサ（圧力トランスデューサ）の断面図である。ハウジング外側部分６１は内側部分７５を囲み、内側部分７５は載置された補償質量６３、測定結晶アレー６５およびダイヤフラム６７を介してフランジ７２に結合されたダイヤフラム付き底部質量６６よりなっている。個々のスラットによっても置換し得る内壁スリーブ７０は、フランジ７２と同様に補償質量６３にも結合している。これは閉鎖ユニットを形成し、その中に囲まれた結晶アレー６５が機械的に負荷されている。

内側部分７５は、加速度感度の粗または精密補償の後ハウジング外側部分６１内に挿入され、溶接部７１によりフランジ７２を介してハウジング外側部分６１に結合される。それゆえダイヤフラム部分６７は、ハウジング外側部分６１にまた組付けねじ６８を介して設置点において機械の壁６９に強固に結合される。内側部分７５に適合した測定装置は、ハウジングの壁６１のどこにも接触しないため、自由に振動することができる。ここで測定結晶アレー６５は横断カットの結晶要素よりなり、その中央部において接触ばね６４が信号をコネクタに弾性的に伝達する。

ダイヤフラム６７および内壁スリーブ７０は、補償質量６６（ｍ1）および底部質量６３（ｍ2）およびフランジ７２間の剛性が限定されたばね要素として作用する接続要素である。それらの剛性ｃ1およびｃ2は、もし必要ならば、下記に記載するように、質量ｍ1
およびｍ2 の適合に関連して加速度および振動力を補償するため、材料を除去することによって適合させることができる。しかしながら、ダイヤフラム６７のいかなる変形も比較的困難であり、かつダイヤフラム６７が最小の剛性も持たねばならないため、剛性に適合するため材料を内壁スリーブ７０から除去することが望ましい。（特許文献２参照）

特開２００８−２８６５８９号公報 特開平１１−１６０１８２号公報

特許文献１によると、リード部に設ける熱伸縮を吸収するための湾曲部（折曲部）やその変位を逃がす内部空間の確保が不要となり、内部構造の単純化による製造性の向上、製造工数の低減及び製造コストの削減を図ることができるようになった。しかし、図４に示すように燃焼圧センサ１をエンジンに取り付けると、燃焼室Ｍｒからの高温ガスと燃料による冷却でフロントハウジング２ｆが熱膨張／熱収縮変形を繰り返し、この熱膨張／熱収縮変形はフロントハウジング２ｆに収容された圧電素子３他を含む内部構造に伝わり、センサ出力信号の燃焼圧波形を歪ませる。

また、エンジンの振動により燃焼圧センサ１も振動し、フロントハウジング２ｆが変形する。フロントハウジング２ｆの変形は、フロントハウジング２ｆに収容された圧電素子３他を含む内部構造に伝わり、センサ出力信号の燃焼圧波形にノイズとして重畳される。図８は従来技術による行程容量対筒内圧力の特性図を示すものであり、吸入行程においてノイズの発生が確認できる。

特許文献２で開示された技術は、結晶アレー（圧電素子）６５をハウジング外側部分６１から分離し、補償質量６６および底部質量６３等で加速度および振動力を補償することにより、ハウジング外側部分６１の熱膨張／熱収縮変形や振動による影響を抑えているが、補償質量６６および底部質量６３等の調整が非常に難しく量産性にかける対処方法である。

少なくとも、圧力センサと、内部に前記圧力センサを収容する開口部を有するセンサハウジングと、該センサハウジングを収容する開口部を有する筐体で構成され、前記センサハウジングの開口部側を前記筐体の開口先端部に固定する燃焼圧センサにおいて、前記筐体の内周と前記センサハウジングの外周は軸方向に摺動可能に接触している燃焼圧センサとする。

前記センサハウジングの開口部の対向端部は軸方向に移動可能に弾性的に支持されている燃焼圧センサとする。

燃焼圧センサを筐体と筐体内とは分離して収容するセンサハウジングで構成し、センサハウジング内に圧力センサを収容することで筐体の変形が圧力センサに伝達しないようにし、筐体とセンサハウジングは軸方向に摺動可能に接触する構造としたので、筐体の熱膨張／熱収縮変形は圧力センサに伝達せず、熱による影響を抑制することができる。

センサハウジングの開口部の対向端部は軸方向に移動可能に弾性的に支持したので、エンジンの振動による圧力センサの振動が緩和でき、センサ出力信号の燃焼圧波形にノイズが重畳するのを抑制できる。

本発明による燃焼圧センサの第１実施例の検出ヘッド部の半断面図 本発明による燃焼圧センサの第２実施例の検出ヘッド部の半断面図 本発明による燃焼圧センサの第３実施例の検出ヘッド部の半断面図 燃焼圧センサをエンジンに取り付けた状態の断面図 従来技術による動的補償装置を備えた燃焼圧センサ（圧力トランスデューサ）の断面図 従来技術による燃焼圧センサの断面図 先端部（検出ヘッド部）の拡大図 従来技術による行程容量対筒内圧力特性図 本発明による行程容量対筒内圧力特性図

少なくとも、圧力センサと、内部に前記圧力センサを収容する開口部を有するセンサハウジングと、該センサハウジングを収容する開口部を有する筐体で構成され、前記センサハウジングの開口部側を前記筐体の開口先端部に固定する燃焼圧センサにおいて、前記筐体の内周と前記センサハウジングの外周は軸方向に摺動可能に接触している燃焼圧センサとする。

図１は本発明による燃焼圧センサの第１実施例の検出ヘッド部の半断面図である。燃焼圧センサの筐体１００は、前後に二分割したフロントハウジング部１０１とリアハウジング部１１０の組合せにより構成する。フロントハウジング部１０１は全体を筒状に形成し、前部に、センサハウジング１０２を収容する。センサハウジング１０２には圧電素子１０３及び電極部１０４、絶縁リング１０５を収容するとともに、センサハウジング部１０２の前端部に、ダイヤフラムヘッド１０６を固着する。ダイヤフラムヘッド１０６は、圧力が作用するダイヤフラム部１０６Ｂと、ダイヤフラムヘッド１０６の周縁部を構成するフランジ部１０６Ｃと、ダイヤフラム部１０６Ｂの後面に有する伝達部１０６Ａを一体形成してなる。

ダイヤフラムヘッド１０６の後には、ダイヤフラム部１０６Ｂに作用する圧力を電気信号に変換する圧電素子１０３を配設する。なお、伝達部１０６Ａは圧電素子１０３の前面に面接触する一方の電極部を兼ねている。圧電素子１０３の後には、他方の電極部１０４を配設する。電極部１０４は、圧電素子１０３の後面に面接触する素子側電極部（不図示）と、この反対側に突出する突起状のリード側電極部１０４Ａを一体に有する。この電極部１０４（電極部１０４Ａ）には、アルミナセラミックス等により形成したドーナツ形の絶縁リング１０５を嵌合する。これにより、電極部１０４Ａが絶縁リング１０５の中心孔に収容され、絶縁リング１０５には、後述するコイルスプリング１０７の一端が入るスプリング収容凹部が設けられる。１０８はリード挿通部を有する絶縁パイプである。

センサハウジング１０２は筒状であり、一端（左端）にフランジが形成されており、フランジ部でフロントハウジング部１０１の開放端部と接合されている。他端部の外周に突起部１０２Ａを有し、突起部１０２Ａの外周はフロントハウジング部１０１の内周面１０１Ａに図中矢印方向（軸方向という）に摺動可能に接触する寸法で形成されている。フロントハウジング部１０１の内周とセンサハウジングのがたを無くしかつ軸方向に摺動可能にするためのものであり、目的が達成できれば部分的な突起でもよく、また面接触でなく線接触、複数点接触でもよい。

なお、本実施例では、センサハウジング１０２の軸方向端部と絶縁パイプ１０８は非接触であり、センサハウジング１０２は、筐体１０１への固定部以外では軸方向の規制が無いので、フロントハウジング１０１の伸縮によりセンサハウジング１０２に歪みが発生することはない。

図２は本発明による燃焼圧センサの第２実施例の検出ヘッド部の半断面図である。燃焼圧センサの筐体２００は、前後に二分割したフロントハウジング部２０１とリアハウジング部２１０の組合せにより構成する。フロントハウジング部１０１は全体を筒状に形成し、前部に、センサハウジング２０２を収容する。センサハウジング２０２には圧電素子２０３及び電極部２０４、絶縁リング２０５を収容するとともに、センサハウジング部２０２の前端部に、ダイヤフラムヘッド２０６を固着する。ダイヤフラムヘッド２０６は、圧力が作用するダイヤフラム部２０６Ｂと、ダイヤフラムヘッド２０６の周縁部を構成するフランジ部２０６Ｃと、ダイヤフラム部２０６Ｂの後面に有する伝達部２０６Ａを一体形成してなる。

ダイヤフラムヘッド２０６の後には、ダイヤフラム部２０６Ｂに作用する圧力を電気信号に変換する圧電素子２０３を配設する。なお、伝達部２０６Ａは圧電素子２０３の前面に面接触する一方の電極部を兼ねている。圧電素子２０３の後には、他方の電極部２０４を配設する。電極部２０４は、圧電素子２０３の後面に面接触する素子側電極部（不図示）と、この反対側に突出する突起状のリード側電極部２０４Ａを一体に有する。この電極部２０４（電極部２０４Ａ）には、アルミナセラミックス等により形成したドーナツ形の絶縁リング２０５を嵌合する。これにより、電極部２０４Ａが絶縁リング２０５の中心孔に収容され、絶縁リング２０５には、後述するコイルスプリング２０７の一端が入るスプリング収容凹部が設けられる。２０８はリード挿通部を有する絶縁パイプである。

センサハウジング２０２は筒状であり、一端（左端）にフランジが形成されており、フランジ部でフロントハウジング部２０１の開放端部と接合されている。他端部の外周に突起部２０２Ａを有し、突起部２０２Ａの外周はフロントハウジング部２０１の内周面２０１Ａに図中矢印方向（軸方向という）に摺動可能に接触する寸法で形成されている。フロントハウジング部２０１の内周とセンサハウジングのがたを無くしかつ軸方向に摺動可能にするためのものであり、目的が達成できれば部分的な突起でもよく、また面接触でなく線接触、複数点接触でもよい。本実施例は、センサハウジング２０２と絶縁パイプ２０８は接触する構造であり、弾性体２０９（本例ではコイルスプリングであるが、耐熱性の弾性体であれば良い）により絶縁パイプ２０８がセンサハウジング２０２に押圧されている。

本構造により、燃焼室からセンサハウジング２０２に伝達された熱は絶縁パイプ２０８、フロントハウジング２０１、リアハウジング２１０を経由して放熱されるので、センサハウジング２０１内に熱が蓄積されるのを防止でき、熱的影響を低減できる。

図３は本発明による燃焼圧センサの第３実施例の検出ヘッド部の半断面図である。燃焼圧センサの筐体３００は、前後に二分割したフロントハウジング部３０１とリアハウジング部３１０の組合せにより構成する。フロントハウジング部３０１は全体を筒状に形成し、前部に、センサハウジング３０２を収容する。センサハウジング３０２には圧電素子３０３及び電極部３０４、絶縁リング３０５を収容するとともに、センサハウジング部３０２の前端部に、ダイヤフラムヘッド３０６を固着する。ダイヤフラムヘッド３０６は、圧力が作用するダイヤフラム部３０６Ｂと、ダイヤフラムヘッド３０６の周縁部を構成するフランジ部３０６Ｃと、ダイヤフラム部３０６Ｂの後面に有する伝達部３０６Ａを一体形成してなる。

ダイヤフラムヘッド３０６の後には、ダイヤフラム部３０６Ｂに作用する圧力を電気信号に変換する圧電素子３０３を配設する。なお、伝達部３０６Ａは圧電素子３０３の前面に面接触する一方の電極部を兼ねている。圧電素子３０３の後には、他方の電極部３０４を配設する。電極部３０４は、圧電素子３０３の後面に面接触する素子側電極部（不図示）と、この反対側に突出する突起状のリード側電極部３０４Ａを一体に有する。この電極部３０４（電極部３０４Ａ）には、アルミナセラミックス等により形成したドーナツ形の絶縁リング３０５を嵌合する。これにより、電極部３０４Ａが絶縁リング３０５の中心孔に収容され、絶縁リング３０５には、コイルスプリング３０７の一端が入るスプリング収容凹部が設けられる。３０８はリード挿通部を有する絶縁パイプである。

センサハウジング３０２は筒状であり、一端（左端）にフランジが形成されており、フランジ部でフロントハウジング部３０１の開放端部と接合されている。フロントハウジング部３０１の内周面３０１Ａとセンサハウジング３０２外周３０２Ａは非接触である。本実施例は、センサハウジングと絶縁パイプは接触する構造であり、弾性体３０９（本例ではコイルスプリングであるが、耐熱性の弾性体であれば良い）により絶縁パイプ３０８がセンサハウジング３０２に押圧されている。よって、センサハウジング３０２は軸方向は弾性的に固定され、軸方向と直交する方向はセンサハウジング３０２の端部と絶縁パイプ３０８の端部の面接触による抵抗で固定されているので、フロントハウジングの内周とセンサハウジングの外周は接触していないが、接触しているのと同等の固定力を有する。

本構造により、燃焼室からセンサハウジング部に伝達された熱は絶縁パイプ３０８、フロントハウジング３０１、リアハウジング３１０を経由して放熱され、熱的影響を低減できる。図９は本発明による行程容量対筒内圧力の特性図を示すものであり、図８に示した吸入行程におけるノイズの発生が大幅に低減されているのが確認できた。

１００、２００、３００ 筐体
１０１、２０１、３０１ フロントハウジング部
１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａ フロントハウジング部内周面
１０２、２０２、３０２ センサハウジング
１０２Ａ、２０２Ａ、３０２Ａ センサハウジング突起部
１０３、２０３、３０３ 圧電素子
１０４、２０４、３０４ 電極部
１０４Ａ、２０４Ａ、３０４Ａ リード側電極部
１０５、２０５、３０５ 絶縁リング
１０６、２０６、３０６ ダイヤフラムヘッド
１０６Ａ、２０６Ａ、３０６Ａ 伝達部
１０６Ｂ、２０６Ｂ、３０６Ｂ ダイヤフラム部
１０６Ｃ、２０６Ｃ、３０６Ｃ フランジ部
１０７、２０７、３０７ コイルスプリング部
１０８、２０８、３０８ 絶縁パイプ
１１０、２１０、３１０ リアハウジング部

Claims (2)

1. 少なくとも圧力センサと、
   内部に前記圧力センサを収容する開口部を有するセンサハウジングと、
   該センサハウジングを収容する開口部を有する筐体で構成され、
   前記センサハウジングの開口部側を前記筐体の開口先端部に固定する燃焼圧センサにおいて、
   前記筐体の内周と前記センサハウジングの外周は軸方向に摺動可能に接触していることを特徴とする燃焼圧センサ。
2. 前記センサハウジングの開口部の対向端部は軸方向に移動可能に弾性的に支持されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼圧センサ。