JP2016121955A - 燃焼圧センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】振動によって電気信号にノイズが発生することを抑制することができる構成を備えた燃焼圧センサを提供する。
【解決手段】予荷重印加部220において、圧電素子210の検出信号を信号処理部に出力するための第2電極部250の突出部251が、支持部材270の貫通孔271に嵌め込まれたOリング280によって支持部材270に固定されている。これにより、第2電極部250の突出部251が燃焼機構の振動を受けても振動しにくくなるので、支持部材270の貫通孔271の壁面272と第2電極部250の突出部251とで構成される静電容量が振動に応じて変化しにくくなる。したがって、電荷が変動しにくくなり、ひいては圧電素子210の検出信号において、振動によるノイズの発生が抑制される。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃焼室の燃焼圧を検出するように構成された燃焼圧センサに関する。
従来より、燃焼室内の燃焼圧を検出するように構成された燃焼圧センサが、例えば特許文献1で提案されている。具体的には、ダイヤフラム、第1の電極部、圧電素子、第2の電極部、支持部材、コイルスプリング、及び伝導部材を備えた構成が提案されている。
圧電素子は第1の電極部と第2の電極部とに挟まれており、ダイヤフラムは第1の電極に接触している。そして、ダイヤフラムに印加された燃焼圧に基づく荷重が第1の電極部を介して圧電素子に伝達される。支持部材は第2の電極部を圧電素子に押さえつける役割を果たす。
また、第2の電極部は圧電素子が接触する面とは反対側に突出部を有している。突出部は、支持部材に設けられた貫通孔に接触しないように通されている。さらに、コイルスプリングの一端側が突出部に差し込まれて支持されていると共に、コイルスプリングの他端側が伝導部材によって突出部側に抑え付けられている。これにより、圧電素子の電気信号が第2の電極部の突出部、コイルスプリング、伝導部材を介して出力されるようになっている。
特開2014−70952号公報
しかしながら、上記従来の技術の構成では、燃焼圧センサは振動を受けると、支持部材の貫通孔の中で第2の電極部の突出部が振動するので、貫通孔の壁面と突出部との距離が変化してしまう。このため、第2の電極部と支持部材とで構成される静電容量が振動に応じて変化し、これに伴って電荷も変動するので、圧電素子の電気信号にノイズが発生してしまうという問題がある。
本発明は上記点に鑑み、振動によって電気信号にノイズが発生することを抑制することができる構成を備えた燃焼圧センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、燃焼室を構成する燃焼機構に取り付けられると共に、燃焼室の燃焼圧を検出するように構成された燃焼圧センサであって、以下の点を特徴としている。
まず、印加される荷重を検出する圧電素子(210)と、圧電素子(210)に所定の予荷重を印加する予荷重印加部(220)と、を有する予荷重保持部(200)を備えている。また、燃焼室に配置されると共に予荷重印加部(220)に当接しており、燃焼室の燃焼圧に基づく荷重を予荷重印加部(220)を介して圧電素子(210)に伝達させるダイヤフラム(300)を備えている。
そして、予荷重印加部(220)は、開口部(232)を有すると共に、圧電素子(210)が収容された中空筒状のケース(230)を有している。また、ケース(230)に収容されていると共に、圧電素子(210)のうち開口部(232)側とは反対側に接触した第1電極部(240)を有している。
また、ケース(230)に収容されていると共に、圧電素子(210)のうち開口部(232)側に接触することで第1電極部(240)と共に圧電素子(210)を挟んでおり、さらに、圧電素子(210)とは反対側に突出すると共に圧電素子(210)の検出信号を出力する棒状の突出部(251)が設けられた第2電極部(250)を有している。
また、第2電極部(250)をケース(230)のうち開口部(232)とは反対側に押し込んだ状態で開口部(232)に固定されることにより第1電極部(240)と第2電極部(250)とで圧電素子(210)を挟み込んで圧電素子(210)に予荷重を印加し、さらに、突出部(251)よりも径が大きいと共に突出部(251)の先端部(252)が露出するように突出部(251)が通される貫通孔(271)が設けられた荷重部(260、270)を有している。
さらに、貫通孔(271)に配置されて荷重部(260、270)と突出部(251)とに挟まれることにより、突出部(251)が貫通孔(271)の壁面(272)から離間するように突出部(251)を荷重部(260、270)に固定するOリング(280)を有していることを特徴とする。
これによると、圧電素子(210)の検出信号を出力するための第2電極部(250)の突出部(251)がOリング(280)によって荷重部(260、270)に固定されるので、突出部(251)が燃焼機構の振動を受けても突出部(251)が振動しにくくなる。このため、貫通孔(271)の壁面(272)と突出部(251)とで構成される静電容量が振動に応じて変化しにくくなるので、電荷が変動しにくくなる。したがって、圧電素子(210)の検出信号において、振動によるノイズの発生を抑制することができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第1実施形態に係る燃焼圧センサの一部断面図である。 本発明の第2実施形態に係る燃焼圧センサの一部断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る燃焼圧センサは、燃焼室を構成する燃焼機構に取り付けられると共に、燃焼室の燃焼圧を検出する圧力検出装置である。燃焼機構は、例えば車両に搭載されたエンジンである。そして、図1に示されるように、燃焼圧センサは、ハウジング100、予荷重保持部200、ダイヤフラム300、及び伝達部400を備えて構成されている。
ハウジング100は、燃焼圧センサの外観の一部をなす中空筒状の部品である。ハウジング100は、予荷重保持部200の一部及び伝達部400を収容している。また、ハウジング100は側壁に形成されたネジ部110を有しており、このネジ部110を介してエンジンブロックにネジ止めされる。ハウジング100は例えば金属材料で形成されている。
予荷重保持部200は、ダイヤフラム300から分離された部品であると共に、ダイヤフラム300から伝わる荷重の大きさを検出するように構成されている。つまり、予荷重保持部200は燃焼圧を検出するためのセンシング部として構成されている。このような予荷重保持部200は、圧電素子210及び予荷重印加部220を有している。
圧電素子210は、印加される荷重を検出するための板状の荷重検出素子である。具体的に、圧電素子210は、荷重が印加されることで荷重の大きさに応じた電荷を発生させるものであり、例えば圧電体で構成されている。したがって、圧電素子210は、印加された荷重の大きさを例えば電圧に変換して出力する。
予荷重印加部220は、圧電素子210を挟み込むと共に圧電素子210に所定の予荷重を印加する構造を有する。具体的に、予荷重印加部220は、ケース230、第1電極部240、第2電極部250、絶縁リング260、支持部材270、及びOリング280を有している。
ケース230は、一方の開口部231と他方の開口部232を有する中空筒状の部品である。ケース230は、当該ケース230の内壁面に圧電素子210が接触しないように圧電素子210を収容している。
第1電極部240は、一部がケース230の一方の開口部231から突出するように当該一方の開口部231に第1溶接部501によって溶接固定された板状の部品である。第1電極部240は、圧電素子210のうち一方の開口部231側(他方の開口部232側とは反対側)に接触すると共に圧電素子210の一方の電極として機能する。
第2電極部250は、ケース230の内壁面から離間するようにケース230に収容された板状の部品である。第2電極部250は、圧電素子210の他方の電極として機能する。第2電極部250は、圧電素子210のうち第1電極部240とは反対側に当接している。これにより、第2電極部250は第1電極部240と共に圧電素子210を挟んでいる。
さらに、第2電極部250は、圧電素子210とは反対側に突出すると共に圧電素子210の検出信号を出力するための棒状の突出部251を有している。突出部251は、いわゆるターミナルである。
絶縁リング260は、ケース230に収容されていると共に、第2電極部250と支持部材270とを絶縁するためのリング状の部品である。絶縁リング260は、第2電極部250のうち圧電素子210側とは反対側に当接している。絶縁リング260は、例えばアルミナ等のセラミックスで形成されている。絶縁リング260の中空部分には第2電極部250の突出部251が通されている。
支持部材270は、圧電素子210に予荷重を与えるための部品であり、絶縁リング260のうち第2電極部250とは反対側に当接している。支持部材270はケース230の中空部分に挿入される部分とケース230の外径よりも太い部分とで構成された凸形状をなしている。そして、支持部材270は、径が小さい部分がケース230のうち他方の開口部232に差し込まれている。
また、支持部材270は、絶縁リング260、第2電極部250、及び圧電素子210を第1電極部240側、すなわちケース230のうち一方の開口部232側に押し込んだ状態でケース230のうち他方の開口部232に第2溶接部502によって溶接固定されている。これにより、支持部材270は、各電極部240、250と圧電素子210とを互いに圧接させると共に、圧電素子210に予荷重を印加している。
このように圧電素子210に所定の予荷重を印加する目的の1つは、燃焼室は正圧だけでなく負圧も発生するため、予荷重印加部220に負圧が作用しても圧電素子210が各電極部240、250から浮き上がって計測不能になることを避けるためである。もう1つの目的は、エンジンで異常燃焼が生じると衝撃波が発生するので、この衝撃波によって圧電素子210が浮き上がってケース230の内壁面や各電極部240、250に衝突することにより破損してしまうことを防止するためである。
さらに、支持部材270は、圧電素子210、第2電極部250、及び絶縁リング260の積層方向に沿って設けられた貫通孔271を有している。貫通孔271は、第2電極部250の突出部251よりも径が大きいと共に、突出部251の先端部252が絶縁リング260側とは反対側(伝達部400側)に露出するように突出部251が通される部分である。言い換えると、第2電極部250の突出部251は、絶縁リング260の中空部分及び支持部材270の貫通孔271の連通長さよりも長く形成されている。貫通孔271の壁面272は第2電極部250の突出部251から離間している。
ここで、予荷重印加部220のうち、ケース230、各電極部240、250、及び支持部材270は、例えば同じ金属材料で形成されている。燃焼圧センサは高温に晒されることになるため、各部品の熱膨張率に差を生じさせないようにするべく、各部品が同じ金属材料で形成されていることが好ましい。また、予荷重印加部220は高耐圧性や高ヤング率(硬い)であることも要求される。このようなことから、ケース230、各電極部240、250、及び支持部材270は、例えばSUS630で形成されている。なお、SUH660等の他の金属材料が用いられても良い。
Oリング280は、第2電極部250の突出部251を支持部材270に固定するための部品である。具体的には、Oリング280は、貫通孔271に配置されて支持部材270と突出部251とに挟まれることにより、突出部251を貫通孔271の壁面272から離間させて支持部材270に固定する。
本実施形態では、貫通孔271のうち絶縁リング260とは反対側の入口部分の径が他の部分よりも大きく形成されたことにより溝部273が構成されており、Oリング280はこの溝部273に嵌め込まれている。なお、Oリング280はゴム等の樹脂材料で形成されている。Oリング280は樹脂以外の絶縁材料で形成されていても良い。また、Oリング280や貫通孔271の径のサイズに応じて貫通孔271に溝部273が設けられていなくても良い。
ダイヤフラム300は、燃焼室に配置されて燃焼圧に基づく荷重を予荷重印加部220に伝達する有底筒状の部品である。ダイヤフラム300は、筒部分に相当する胴体部310と、底部分に相当する受圧部320と、を有して構成されている。
胴体部310は、予荷重保持部200を収容する中空筒状の部分である。受圧部320は、燃焼圧に基づく荷重を受ける部分である。胴体部310は、受圧部320の一部が予荷重印加部220の第1電極部240に接触するように予荷重保持部200を収容している。また、胴体部310の開口部分が支持部材270に第3溶接部503によって溶接固定されている。これにより、受圧部320で受けた荷重が第1電極部240に伝達される。
さらに、胴体部310は外壁面311に設けられた突起部312を有している。そして、胴体部310は、開口側すなわち受圧部320とは反対側がハウジング100に収容された状態で、突起部312がハウジング100の開口端に第4溶接部504によって溶接固定されている。
伝達部400は、第2電極部250すなわち突出部251の先端部252から出力された検出信号を図示しない信号処理部に伝達するための部品である。伝達部400は、スプリングピン410、コイルスプリング420、及び押圧部430を有している。
スプリングピン410は、コイルスプリング420の一端部421を支持する板状の部品である。コイルスプリング420は、第2電極部250の突出部251の先端部252が差し込まれる穴部411を有している。スプリングピン410は、金属等の導電性の材料で構成されている。そして、スプリングピン410は、コイルスプリング420の一端部421によって突出部251の先端部252に押さえ付けられ、突出部251から出力される検出信号をコイルスプリング420に伝達する。
コイルスプリング420は、バネ荷重が慣性力よりも大きくなるように金属線が螺旋状に巻かれたことにより構成された部品である。コイルスプリング420は、支持部材270の貫通孔271よりも大きい径で形成されている。ここで、コイルスプリング420の径とは内径を指す。
これによると、コイルスプリング420の径方向のサイズが第2電極部250の突出部251よりも大きいので、コイルスプリング420の芯出しがしやすい。また、コイルスプリング420を構成する金属線を太くすることができる。このため、スプリングピン410に対するコイルスプリング420の取り付けが容易な構成とすることができる。
押圧部430は、コイルスプリング420の他端部422をコイルスプリング420の一端部421側に押し込むと共に、スプリングピン410から出力される検出信号を信号処理部に伝達するための部品である。このため、押圧部430はコイルスプリング420のうちスプリングピン410とは反対側に位置している。
このような押圧部430は、導電部431及び樹脂部432を有して構成されている。導電部431は棒状のターミナルであり、コイルスプリング420側の接触部433がコイルスプリング420の他端部422を一端部421側に押さえ付けるように板状に構成されている。樹脂部432は導電部431のうち接触部433及び信号処理部側が露出するように導電部431を覆っている。つまり、導電部431は樹脂部432にインサート成形されており、導電部431及び樹脂部432は一体化されている。
なお、樹脂部432は、接触部433よりもスプリングピン410側に突出した筒状のガイド434を有している。これにより、コイルスプリング420がガイド434に沿って挿入されるので、押圧部430にコイルスプリング420を組み付けやすくすることができる。また、内燃機関の振動によってコイルスプリング420がハウジング100に接触することを防止することができる。
信号処理部は、検出信号に対する信号処理を行うものである。信号処理部はハウジング100のうちダイヤフラム300が接合された開口側とは反対側に設けられている。また、信号処理部は、押圧部430の導電部431に電気的に接続された回路基板等を有して構成されている。回路基板にはICチップ等が実装されている。さらに、信号処理部は図示しないコネクタ部に設けられたターミナルに電気的に接続されている。これにより、信号処理部が外部と電気的なやりとりができるようになっている。
以上が、本実施形態に係る燃焼圧センサの全体構成である。燃焼圧センサのハウジング100のネジ部110がエンジンブロックに固定されると、ハウジング100、ダイヤフラム300、第1電極部240、ケース230、及び支持部材270がエンジンブロックと同じ電位に固定される。エンジンブロックの電位は例えば接地電位である。
燃焼圧は次のように検出される。まず、燃焼室で発生した衝撃がダイヤフラム300の受圧部320に印加される。そして、受圧部320が受けた衝撃が第1電極部240を介して圧電素子210に伝わる。圧電素子210は第1電極部240から受けた荷重の大きさに応じて電荷を発生させる。これにより、第1電極部240と第2電極部250との間の電圧が変化する。したがって、燃焼圧に応じた検出信号が突出部251から出力され、スプリングピン410、コイルスプリング420、及び導電部431を介して信号処理部に入力され、当該信号処理部で信号されて外部に出力される。
次に、燃焼圧センサの製造方法について説明する。まず、エージング工程を行う。具体的には、圧電素子210、ケース230、各電極部240、250、絶縁リング260、及び支持部材270を用意する。そして、ケース230の一方の開口部231に第1電極部240を溶接で固定する。この後、第1電極部240の上に圧電素子210、第2電極部250、絶縁リング260、及び支持部材270を順に収容し、図示しない固定治具の上に配置する。
続いて、支持部材270の上に図示しない荷重治具を乗せて荷重を掛ける。これにより、荷重治具を固定治具側に押し込む。具体的には、燃焼室に発生するであろう衝撃に基づく荷重よりも高い荷重を支持部材270に印加した状態で各電極部240、250を圧電素子210に圧接する。そして、バネ定数比によるスプリングバックを考慮してケース230の他方の開口部232と支持部材270とを溶接で固定する。さらに、支持部材270の溝部273にOリング280を嵌め込んで第2電極部250の突出部251を支持部材270に固定する。こうして予荷重保持部200が完成する。
また、ダイヤフラム300を用意する。そして、受圧部320が第1電極部240に接触するように予荷重保持部200を胴体部310に挿入し、支持部材270を胴体部310に溶接固定する。
最後に、ハウジング100に伝達部400や信号処理部を収容すると共にコネクタ部を設け、ハウジング100にダイヤフラム300の胴体部310を差し込む。そして、第2電極部250の突出部251でスプリングピン410を押し込んだ状態でダイヤフラム300の突起部312をハウジング100に溶接固定する。なお、ハウジング100にダイヤフラム300を溶接固定した後にハウジング100に伝達部400等を収容する順序でも良い。こうして、燃焼圧センサが完成する。
以上説明したように、本実施形態では、コイルスプリング420を支持部材270の外側に配置し、第2電極部250の突出部251をOリング280で支持部材270に固定していることが特徴となっている。これにより、燃焼圧センサがエンジンの振動を受けても突出部251が支持部材270に対して振動しにくくなるようにすることができる。これに伴い、支持部材270の貫通孔271の壁面272と第2電極部250の突出部251とで構成される静電容量が振動に応じて変化しにくくなるので、圧電素子210の電荷も変動しにくくなる。したがって、圧電素子210の検出信号において、エンジンの振動によるノイズの発生を抑制することができる。
また、上記の伝達部400の構成により、コイルスプリング420が燃焼機構の振動の影響を受けてもコイルスプリング420がバネ荷重によってスプリングピン410及び押圧部430に接触し続ける。このため、コイルスプリング420がスプリングピン410または押圧部430から浮きにくくなる。したがって、燃焼機構の振動によって検出信号の瞬断を防止することができる。
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、絶縁リング260及び支持部材270が特許請求の範囲の「荷重部」に対応し、絶縁リング260の中空部分及び支持部材270の貫通孔271が特許請求の範囲の「貫通孔」に対応する。
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について説明する。図2に示されるように、伝達部400は棒状の調整部440を有している。調整部440は、コイルスプリング420の他端部422と押圧部430の接触部433とに挟まれた部品である。調整部440は燃焼圧センサの仕様、すなわちハウジング100の長さに応じてその長さが調整されている。なお、調整部440は金属等の導電性材料で形成されている。
このような構成によると、押圧部430やコイルスプリング420等のサイズを変更しなくても、調整部440を追加するだけで様々な長さのハウジング100に対応した燃焼圧センサを構成することができる。
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された燃焼圧センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、燃焼圧センサは車両のエンジン以外の燃焼室に適用されても良い。また、予荷重印加部220を構成する材料は、全て同じ材料で構成されていなくても良い。スプリングピン410等の各部品の形状についても適宜変更可能である。さらに、第2電極部250を圧電素子210に押し込むための絶縁リング260及び支持部材270の構成は上記に限られず、例えば絶縁リング260及び支持部材270が一体化されたものでも構わない。
第2実施形態では、調整部440はコイルスプリング420の他端部422と押圧部430の接触部433とに挟まれていたが、スプリングピン410とコイルスプリング420の一端部421とに挟まれていても良い。
230 ケース
240 第1電極部
250 第2電極部
251 突出部
252 突出部の先端部
260 絶縁リング(荷重部)
270 支持部材(荷重部)
271 貫通孔
272 貫通孔の壁面
280 Oリング

Claims (4)

  1. 燃焼室を構成する燃焼機構に取り付けられると共に、前記燃焼室の燃焼圧を検出するように構成された燃焼圧センサであって、
    印加される荷重を検出する圧電素子(210)と、前記圧電素子(210)に所定の予荷重を印加する予荷重印加部(220)と、を有する予荷重保持部(200)と、
    前記燃焼室に配置されると共に前記予荷重印加部(220)に当接しており、前記燃焼室の燃焼圧に基づく荷重を前記予荷重印加部(220)を介して前記圧電素子(210)に伝達させるダイヤフラム(300)と、
    を備え、
    前記予荷重印加部(220)は、
    開口部(232)を有すると共に、前記圧電素子(210)が収容された中空筒状のケース(230)と、
    前記ケース(230)に収容されていると共に、前記圧電素子(210)のうち前記開口部(232)側とは反対側に接触した第1電極部(240)と、
    前記ケース(230)に収容されていると共に、前記圧電素子(210)のうち前記開口部(232)側に接触することで前記第1電極部(240)と共に前記圧電素子(210)を挟んでおり、さらに、前記圧電素子(210)とは反対側に突出すると共に前記圧電素子(210)の検出信号を出力する棒状の突出部(251)が設けられた第2電極部(250)と、
    前記第2電極部(250)を前記ケース(230)のうち前記開口部(232)とは反対側に押し込んだ状態で前記開口部(232)に固定されることにより前記第1電極部(240)と前記第2電極部(250)とで前記圧電素子(210)を挟み込んで前記圧電素子(210)に予荷重を印加し、さらに、前記突出部(251)よりも径が大きいと共に前記突出部(251)の先端部(252)が露出するように前記突出部(251)が通される貫通孔(271)が設けられた荷重部(260、270)と、
    前記貫通孔(271)に配置されて前記荷重部(260、270)と前記突出部(251)とに挟まれることにより、前記突出部(251)が前記貫通孔(271)の壁面(272)から離間するように前記突出部(251)を前記荷重部(260、270)に固定するOリング(280)と、
    を有していることを特徴とする燃焼圧センサ。
  2. 前記突出部(251)の前記先端部(252)から出力された前記検出信号を信号処理部に伝達する伝達部(400)を備え、
    前記伝達部(400)は、
    バネ荷重が慣性力よりも大きくなるように螺旋状に巻かれたことにより構成されたコイルスプリング(420)と、
    前記コイルスプリング(420)の一端部(421)によって前記突出部(251)の前記先端部(252)に押さえ付けられることにより、前記先端部(252)から出力される前記検出信号を前記コイルスプリング(420)に伝達するスプリングピン(410)と、
    前記コイルスプリング(420)のうち前記スプリングピン(410)とは反対側に位置し、前記コイルスプリング(420)の他端部(422)を前記コイルスプリング(420)の前記一端部(421)側に押し込むと共に、前記スプリングピン(410)から出力される前記検出信号を前記信号処理部に伝達する押圧部(430)と、
    を有していることを特徴とする請求項1に記載の燃焼圧センサ。
  3. 前記コイルスプリング(420)は、前記荷重部(260、270)の前記貫通孔(271)よりも大きい径で形成されていることを特徴とする請求項2に記載の燃焼圧センサ。
  4. 前記伝達部(400)を収容した中空筒状のハウジング(100)を備え、
    前記伝達部(400)は、前記ハウジング(100)の長さに応じて、前記スプリングピン(410)と前記コイルスプリング(420)の一端部(421)とに挟まれるか、または前記コイルスプリング(420)の他端部(422)と前記押圧部(430)とに挟まれる調整部(440)を有していることを特徴とする請求項2または3に記載の燃焼圧センサ。
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