JP2017191068A - Combustion pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの燃焼室の圧力を検出する燃焼圧センサに関し、特に、燃焼圧によってダイアフラムに作用する力をセンサ素子に伝達する力伝達ロッド周りの構造に係る。 The present invention relates to a combustion pressure sensor that detects the pressure of a combustion chamber of an engine, and more particularly to a structure around a force transmission rod that transmits a force acting on a diaphragm by the combustion pressure to a sensor element.
従来より、自動車などのエンジンに用いられる燃焼圧センサは、例えば特許文献1に記載されているように、略円筒状のアウターハウジングと、その先端部に固定された円板状のダイアフラムと、このダイアフラムに作用する燃焼圧に相当する力をセンサ素子に伝達する円柱状の力伝達ロッドと、を備えている。センサ素子は例えばピエゾ抵抗素子であり、力伝達ロッドからの押圧力に応じて出力値が変化する。
Conventionally, a combustion pressure sensor used for an engine such as an automobile has a substantially cylindrical outer housing, a disc-shaped diaphragm fixed to a tip portion thereof, and the like, as described in
より詳しくは、前記ダイアフラムの外周部に連続して一体的に筒状のインナーハウジングが設けられており、その内部に前記力伝達ロッドおよびセンサ素子が配設されている。ダイアフラムとは反対側のインナーハウジングの開口端には、ハーメチックシール端子が嵌め込まれて溶接され、センサ素子などの収容される内部空間を密閉しつつ、センサ素子から信号線を取り出すようになっている。 More specifically, a cylindrical inner housing is provided integrally and continuously with the outer peripheral portion of the diaphragm, and the force transmission rod and the sensor element are disposed therein. A hermetic seal terminal is fitted and welded to the opening end of the inner housing opposite to the diaphragm, and the signal line is taken out from the sensor element while sealing the internal space in which the sensor element is accommodated. .
ところで、前記従来例のセンサでは、ダイアフラムの裏面の中央付近に力伝達ロッドの先端面を当接させておくために、組立時にハーメチックシール端子をインナーハウジングに押し込んで、力伝達ロッドの先端面によってダイアフラムの裏面を押圧させるようにしている。この状態で、ハーメチックシール端子のステムの外周面をインナーハウジングの内周面に溶接し、いわゆるプリロードを加えている。 By the way, in the conventional sensor, the hermetic seal terminal is pushed into the inner housing at the time of assembly in order to keep the tip surface of the force transmission rod in contact with the center of the back surface of the diaphragm. The rear surface of the diaphragm is pressed. In this state, the outer peripheral surface of the stem of the hermetic seal terminal is welded to the inner peripheral surface of the inner housing, and so-called preload is applied.
しかしながら、そうしてプリロードを加えていても、例えばエンジンの異常燃焼によってダイアフラムに大きな燃焼圧が作用し、力伝達ロッドおよびセンサ素子の構成部品が共振すると、その力伝達ロッドの先端面がダイアフラムの裏面から離れることがあり、このときに両者の位置がずれるおそれがあった。そこで、前記の組立時にダイアフラムの裏面に力伝達ロッドの先端面を接着剤などで固定することも考えられるが、その場合は接着剤の乾燥工程が必要になり、タクトタイムが延びてしまう。 However, even if a preload is applied in this manner, for example, when a large combustion pressure acts on the diaphragm due to abnormal combustion of the engine and the component parts of the force transmission rod and the sensor element resonate, the tip surface of the force transmission rod becomes the diaphragm surface. There was a possibility of moving away from the back surface, and there was a possibility that the positions of both would be displaced at this time. Therefore, it is conceivable to fix the front end surface of the force transmission rod to the back surface of the diaphragm with an adhesive or the like at the time of assembling, but in this case, an adhesive drying step is required, and the tact time is extended.
また、前記センサ素子の構成部品にはガラス製のものがあり、これが水分に曝されると脆くなってしまい、信頼性が低下するという問題もある。これに対して、前記のようにハーメチックシール端子をインナーハウジングに組み付けるときに、その内部空間を不活性ガスで満たし、溶接も不活性雰囲気で行うという方法もあるが、こうすると、かなりコスト高になってしまう。 In addition, some of the components of the sensor element are made of glass, and when the sensor element is exposed to moisture, the sensor element becomes brittle, and there is a problem that reliability is lowered. On the other hand, when the hermetic seal terminal is assembled to the inner housing as described above, there is a method in which the inner space is filled with an inert gas and welding is performed in an inert atmosphere. turn into.
かかる点に鑑みて本発明の目的は、燃焼圧センサのダイアフラムと力伝達ロッドとの位置ずれを抑制するとともに、内部空間に収容されるセンサ素子のガラス製の構成部品が脆くなり難くして、信頼性を高めることにある。 In view of such points, the object of the present invention is to suppress the displacement between the diaphragm of the combustion pressure sensor and the force transmission rod, and to make the glass component parts of the sensor element housed in the internal space difficult to become brittle. To improve reliability.
前記の目的を達成するために本発明は、エンジンの燃焼室の圧力を検出するための燃焼圧センサを対象として、前記燃焼室に臨むダイアフラムと、このダイアフラムからセンサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドと、その押圧力の伝達方向に変位可能となるように前記力伝達ロッドを取り囲むガイド部材と、を備えるとともに、このガイド部材を所定以上の吸水率を有する樹脂材料によって形成したものである。 In order to achieve the above object, the present invention is directed to a combustion pressure sensor for detecting the pressure of a combustion chamber of an engine, and a diaphragm that faces the combustion chamber and a force that transmits a pressing force from the diaphragm to a sensor element. A transmission rod and a guide member surrounding the force transmission rod so as to be displaceable in the transmission direction of the pressing force, and the guide member is formed of a resin material having a predetermined water absorption or more. .
なお、吸水率の高い樹脂材料としては、例えば脂肪族ポリアミド(ナイロン)やウレタン樹脂、セルロース系樹脂などのように、吸水率が概ね1%以上となるものが挙げられるが、ガイド部材として求められる耐熱性、耐摩耗性などを考慮すれば、ナイロン6、ナイロン6,6などを用いるのが好ましい。
Examples of the resin material having a high water absorption rate include those having a water absorption rate of approximately 1% or more, such as aliphatic polyamide (nylon), urethane resin, and cellulose-based resin. In view of heat resistance, wear resistance, etc., it is preferable to use
前記構成の燃焼圧センサは、エンジンの燃焼室に臨むダイアフラムからセンサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドが、その押圧力の伝達方向と直交する方向には変位しないように、ガイド部材によって取り囲まれている。よって、この力伝達ロッドの先端面とダイアフラムの裏面とを接着剤によって固定しなくても、両者の位置ずれを抑制できる。また、両者の先端面同士の接触面積を大きくして、摩擦力を増大させる必要もなくなり、少なくとも一方を凸曲面とすることが可能になる。 The combustion pressure sensor configured as described above is surrounded by a guide member so that the force transmission rod that transmits the pressing force from the diaphragm facing the combustion chamber of the engine to the sensor element is not displaced in a direction orthogonal to the transmission direction of the pressing force. It is. Therefore, even if it does not fix the front end surface of this force transmission rod and the back surface of a diaphragm with an adhesive agent, both position shift can be suppressed. Further, it is not necessary to increase the frictional force by increasing the contact area between the two end surfaces, and at least one of them can be a convex curved surface.
こうして力伝達ロッドの先端面およびダイアフラムの裏面の少なくとも一方を凸曲面とすれば、ダイアフラムから力伝達ロッドへ押圧力を伝達する系のばね定数が小さくなるので、その固有振動数が低下する。このため、エンジンの異常燃焼などによりダイアフラムに大きな燃焼圧が作用しても、力伝達ロッドなどの共振が起こり難くなって、センサ素子のガラス製の構成部品の破損を回避する上で有利になる。 If at least one of the front end surface of the force transmission rod and the rear surface of the diaphragm is a convex curved surface in this way, the spring constant of the system for transmitting the pressing force from the diaphragm to the force transmission rod is reduced, and the natural frequency is reduced. For this reason, even if a large combustion pressure acts on the diaphragm due to abnormal combustion of the engine or the like, resonance of the force transmission rod is less likely to occur, which is advantageous in avoiding damage to the glass component of the sensor element. .
また、前記のガイド部材が、所定以上の吸水率を有する樹脂材料によって形成されていることから、センサ素子の収容されている密閉空間に水分が残存していても、この水分はガイド部材によって吸収されるようになる。このことで、センサ素子のガラス製の構成部品が水分に曝されることを抑制でき、それが脆くなり難くして、信頼性を高めることができる。前記センサ素子などを密閉する際に不活性雰囲気で作業を行う必要もなく、コスト高になることはない。 Further, since the guide member is formed of a resin material having a water absorption rate equal to or higher than a predetermined value, even if moisture remains in the sealed space in which the sensor element is accommodated, the moisture is absorbed by the guide member. Will come to be. As a result, the glass component of the sensor element can be prevented from being exposed to moisture, making it difficult to become brittle and improving reliability. There is no need to work in an inert atmosphere when sealing the sensor element or the like, and the cost is not increased.
本発明に係る燃焼圧センサは、燃焼室に臨むダイアフラムからの力を伝達する力伝達ロッドが、ガイド部材によって取り囲まれているので、その力伝達ロッドの先端面とダイアフラムの裏面とを接着剤によって固定しなくても、両者の位置ずれを抑制できる。また、そのガイド部材によって水分を吸収することができるので、センサ素子のガラス製の構成部品が水分に曝されることを抑制でき、それが脆くなり難くして信頼性を高めることができる。 In the combustion pressure sensor according to the present invention, since the force transmission rod that transmits the force from the diaphragm facing the combustion chamber is surrounded by the guide member, the tip surface of the force transmission rod and the back surface of the diaphragm are bonded by an adhesive. Even if it is not fixed, the positional deviation between the two can be suppressed. Further, since moisture can be absorbed by the guide member, it is possible to suppress exposure of the glass component parts of the sensor element to moisture, and it is difficult to become brittle, and reliability can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、図示しない自動車用のエンジンに装備されて、その気筒内の燃焼室の圧力(燃焼圧)を検出するための燃焼圧センサ1に本発明を適用したものである。なお、実施の形態の記載はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to a
図1には燃焼圧センサ1の先端側(図1において上側)の部分を縦断面(軸線Xを含む断面)で示すように、本実施の形態の燃焼圧センサ1は、そのアウターハウジング2の先端に配設されているダイアフラム3が燃焼室に臨むように、例えばシリンダヘッドに取り付けられる。燃焼圧センサ1は、ダイアフラム3が燃焼室の圧力(燃焼圧)を受けて変形するのに応じて、出力信号が変化するものである。
In FIG. 1, the
図2にも表れているようにダイアフラム3には、ドーナツ状の支持部30の中央孔31を閉じるように円板状の受圧部32が形成され、また、支持部30の外周面からは全周に亘ってフランジ部33が突設されている。本実施の形態では、前記受圧部32の外周部が中央孔31の周縁部に連続していて、受圧部32は支持部30と一体に金属材料によって形成されている。
As shown in FIG. 2, the
さらに、前記支持部30の基端面、即ち図1、2における下面から下方に向かって延びるように、円筒状のインナーハウジング34も一体形成されており、その内部にセンサ素子4と、力伝達ロッド5と、ガイド部材6と、が収容されるようになっている。なお、図1にのみ示すが、本実施の形態ではダイアフラム3の先端側を外周側から覆うように環状のシール部材7が装着されて、シリンダヘッドのねじ穴との隙間を閉止するようになっている。
Further, a cylindrical
前記アウターハウジング2は円筒状であり、その先端部の外周にテーパ部2aが設けられるとともに、これに続いて外周の所定範囲にねじ部(図示せず)が形成されている。このねじ部が例えばシリンダヘッドのねじ穴に螺入されることで、燃焼圧センサ1がエンジンに取り付けられる。そして、アウターハウジング2の先端部の開口に前記ダイアフラム3の支持部30が嵌め込まれ、そのフランジ部33が開口の周縁部に溶接されている。
The
そうしてアウターハウジング2の先端部に固定されたダイアフラム3には前記のように受圧部32が形成されており、その表面(図1の上面)に燃焼圧を受けると、裏側(図1の下側)に撓むようになっている。こうして撓む受圧部32の裏面の中央付近に、前記力伝達ロッド5の先端面5a(図の上面)が押し当てられており、受圧部32を介して燃焼圧による押圧力をセンサ素子4に伝達する。
Thus, the
一例として力伝達ロッド5は、断熱性の材料で円柱状に形成され、その先端面5aが球面状の凸曲面とされている一方、基端面は平面状で、後述するセンサ素子4の第1力伝達ブロック41と当接している。よって、前記のように燃焼圧を受けて受圧部32が裏側に撓むときに、力伝達ロッド5がその基端側(図1の下側)に向かって変位することになり、燃焼圧に相当する押圧力が力伝達ロッド5によってセンサ素子4に伝達される。
As an example, the
なお、前記のように力伝達ロッド5の先端面5aを凸曲面とし、ダイアフラム3の受圧部32との接触面積を小さくしているので、本実施の形態では、ダイアフラム3から力伝達ロッド5を介してセンサ素子4へ押圧力を伝達する系のばね定数が小さくなっており、その固有振動数も低くなっている。
In addition, since the
また、本実施の形態では、前記の力伝達ロッド5を力の伝達方向(軸線Xの方向)に変位可能となるようにガイドするガイド部材6が設けられている。このガイド部材6は、力伝達ロッド5の外周を同心状に取り囲む円筒状とされ、その内周面と力伝達ロッド5の外周面とが摺接している。ガイド部材6は、ダイアフラム3の中央孔31に挿入されており、伝達方向と直交する方向には力伝達ロッド5が変位しないように規制している。
In the present embodiment, a
そして、前記のガイド部材6は、所定以上の吸水率を有する樹脂材料によって形成されて、インナーハウジング34内に残存する水分を吸収するようになっている。すなわち、一例として吸水率が1%以上と高い樹脂材料(例えば脂肪族ポリアミドであるナイロンの他、ウレタン樹脂、セルロース系樹脂など)の中で、力伝達ロッド5との間に良好な摺動性を保ち、また、必要な耐熱性、耐摩耗性があるナイロン6,6を用いている。
The
前記のように力伝達ロッド5から押圧力が伝達されるセンサ素子4は、力検知ブロック40と2つの力伝達ブロック41,42とからなる。力検知ブロック40はシリコン基板を主体とするもので、その先端面(図1の上面)には、ピエゾ抵抗素子が形成されている。公知のようにピエゾ抵抗素子は、外力を受けて電気的な抵抗値が変化するものであり、この抵抗値の変化を検出するための電極群(図示せず)が力検知ブロック40に形成されている。なお、力検知ブロック40は圧電素子によって構成してもよい。
As described above, the
また、前記2つの力伝達ブロック41,42のうち、力検知ブロック40と接する第2力伝達ブロック42は、ガラス製であり、その基端面(図1の下面)が前記力検知ブロック40の先端面に接合されている。一方、第1力伝達ブロック41は鉄等の金属製またはセラミック製であり、本実施の形態では半球状とされ、その先端部(図1の上部)が前記力伝達ロッド5の基端面に当接する一方、平面状の基端面は前記第2力伝達ブロック42の先端面に接着されている。なお、第1力伝達ブロック41についても、シリコンやガラス等によって形成してもよい。
Of the two force transmission blocks 41, 42, the second
そして、前記のセンサ素子4が、チューブ8やステム80を介してインナーハウジング34に取り付けられている。すなわち、インナーハウジング34の基端側には、金属製のチューブ8の先端側が嵌め込まれて溶接されており、その内部に固定された円柱状のステム80の先端面(図1の上面)に、前記センサ素子4が接着されて固定されている。このステム80には複数の貫通孔が形成されて、ここに挿入されたケーブル81が封止材料82によって固定されている。
The
つまり、本実施の形態においては前記のチューブ8、ステム80、ケーブル81および封止材料82によって、インナーハウジング34の内部空間を密閉するハーメチックシール端子が構成されている。なお、ケーブル81の一端は、センサ素子4の力検知ブロック40の電極にワイヤ83を介して接続されている。また、ケーブル81の他端は、図示しないが、増幅回路等を介して電源や測定器(電流計又は電圧計)に接続される。
That is, in the present embodiment, the
上述した構成により本実施の形態の燃焼圧センサ1では、燃焼圧が作用することによってダイアフラム3の受圧部32が撓み、力伝達ロッド5がセンサ素子4の側(図1の下側)に変位すると、このセンサ素子4のピエゾ抵抗素子に押圧力が作用して、その電気抵抗が変化する。これにより、例えば電流源からピエゾ抵抗素子に一定の電流を流していれば、電気抵抗値の変化に応じて出力電圧が変化することになるので、これに基づいて受圧部32に加わった燃焼圧を検出することができる。
With the above-described configuration, in the
−燃焼圧センサの組み立て−
次に、本実施の形態の燃焼圧センサ1の組み立てについて、図3および図4を参照して説明する。まず、予めガイド部材6に力伝達ロッド5を装入して準備しておき、これを図3に示すようにダイアフラム3の中央孔31に基端側の開口から挿入して、ダイアフラム・アッセンブリとする。また、力検知ブロック40および力伝達ブロック41,42、即ちセンサ素子4をステム80に固定し、これをチューブ8内に固定して、センサ・アッセンブリとして準備しておく。
-Assembly of combustion pressure sensor-
Next, assembly of the
そして、図4の上段に示すようにダイアフラム・アッセンブリにセンサ・アッセンブリを組み付ける。このときには、センサ・アッセンブリのチューブ8の先端側をインナーハウジング34にその基端側から挿入し、センサ素子4によって力伝達ロッド5を押し込む。こうして力伝達ロッド5の先端面5aをダイアフラム3の受圧部32に押し当てて、プリロードを加えた状態で、チューブ8の外周面とインナーハウジング34の内周面とを溶接する。
Then, the sensor assembly is assembled to the diaphragm assembly as shown in the upper part of FIG. At this time, the distal end side of the
そうしてセンサ・アッセンブリを組み付けたダイアフラム・アッセンブリに対して、図4の下段に示すようにアウターハウジング2を組み付ける。すなわち、ダイアフラム・アッセンブリにおけるダイアフラム3の支持部30の基端側を、アウターハウジング2にその先端部の開口から挿入し、支持部30の外周のフランジ部33をアウターハウジング2の開口の周縁部に載置して、溶接する。
Thus, the
以上、説明したように本実施の形態の燃焼圧センサ1は、エンジンの燃焼室に臨むダイアフラム3の受圧部32からセンサ素子4に押圧力を伝達する力伝達ロッド5が、その押圧力の伝達方向(軸線X方向)に変位可能となるように、外周からガイド部材6によって取り囲まれている。このことで、力伝達ロッド5の先端面5aとダイアフラム3の受圧部32の裏面との位置ずれを抑制できるので、両者を接着剤によって固定する必要がなく、接着剤の乾燥工程は不要である。
As described above, in the
また、そうしてガイド部材6によって位置ずれが抑制できることから、力伝達ロッド5の先端面5aとダイアフラム3の受圧部32の裏面との接触面積を大きくして、摩擦力を増大させる必要もない。そこで、本実施の形態では力伝達ロッド5の先端面5aを凸曲面として、押圧力を伝達する系のばね定数を小さくし、その固有振動数を低下させている。これにより、エンジンの異常燃焼などによりダイアフラム3に大きな燃焼圧が作用しても、力伝達ロッド5などの共振が起こり難くなり、センサ素子4の第2力伝達ブロック42のようなガラス製の構成部品の破損を防止する上で有利になる。
Further, since the displacement can be suppressed by the
さらに、前記のガイド部材6の吸水性が高いことから、インナーハウジング34の内部空間に水分が残存していても、この水分がガイド部材6によって吸収されるようになる。このことで、センサ素子4の第2力伝達ブロック42のようなガラス製の構成部品が水分に曝されて脆くなることを抑制でき、その信頼性が高くなる。また、チューブ8をインナーハウジング34に組み付けて溶接するときに、不活性雰囲気で作業を行う必要がなく、そのためにコスト高になる心配もない。
Furthermore, since the
−他の実施形態−
本発明は、上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。例えば前記の実施形態では、自動車用のエンジンに装備される燃焼圧センサ1について説明したが、これに限ることはなく、例えば自動車以外の車両や船舶などの乗り物に搭載されるエンジン、若しくは定置型のエンジンに装備される燃焼圧センサにも本発明は適用可能である。
-Other embodiments-
The present invention is not limited to the description of the embodiment described above. For example, in the above-described embodiment, the
また、前記実施形態のように燃焼圧センサ1の先端部に環状のシール部材7を配設する必要もないし、アウターハウジング2の内部にインナーハウジング34を設ける二重構造とする必要もない。さらに、インナーハウジング34にチューブ8を嵌め込む構造とする必要もないし、ガイド部材6をダイアフラム3の中央孔31に挿入する必要もなく、前記した実施の形態の燃焼圧センサ1の具体的な構造は、単なる例示に過ぎない。
Further, it is not necessary to provide the
本発明は、エンジンの燃焼圧センサにおけるダイアフラムと力伝達ロッドとの位置ずれを抑制でき、センサ素子の信頼性の確保にも有利になるので、例えば自動車用のエンジンに装備する燃焼圧センサに適用して効果が高い。 The present invention can suppress the positional deviation between the diaphragm and the force transmission rod in the combustion pressure sensor of the engine, and is advantageous in ensuring the reliability of the sensor element. Therefore, the present invention is applied to, for example, a combustion pressure sensor equipped in an automobile engine. And the effect is high.
1 燃焼圧センサ
3 ダイアフラム
4 センサ素子
42 第2力伝達ブロック(ガラス製の構成部品)
5 力伝達ロッド
6 ガイド部材
X 力伝達ロッドの軸線(押圧力の伝達方向)
1
5
Claims (1)
前記燃焼室に臨むダイアフラムと、
前記ダイアフラムからセンサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドと、
前記押圧力の伝達方向に変位可能となるように前記力伝達ロッドを取り囲むガイド部材と、を備え、
前記ガイド部材が、所定以上の吸水率を有する樹脂材料によって形成されていることを特徴とする燃焼圧センサ。 A combustion pressure sensor for detecting the pressure of a combustion chamber of an engine,
A diaphragm facing the combustion chamber;
A force transmission rod for transmitting a pressing force from the diaphragm to the sensor element;
A guide member that surrounds the force transmission rod so as to be displaceable in the transmission direction of the pressing force,
The combustion pressure sensor, wherein the guide member is made of a resin material having a water absorption rate equal to or higher than a predetermined value.
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