JP2020003472A - ヒータ付き圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子への熱負荷を低減しつつ、センサ素子の出力誤差の発生を抑制するヒータ付き圧力センサを提供する。【解決手段】ヒータ付き圧力センサ１０は、軸線方向の先端側に向かって縮径し、ヒータ付き圧力センサ１０を取付対象体に取り付ける際に、少なくとも一部が取付対象体と接触するシール部１１２を有するハウジング１００を備える。ヒータ保持部材１４０はフランジ部１４５を介してハウジング１００に固定されている。ヒータ保持部材１４０の本体部１４１の後端面１４１ａにはセンサ素子１５０が搭載されている。シール部１１２の後端１１２ａの外径Ｄ１≧シール部１１２の後端１１２ａから本体部１４１の後端面１４４ａまでの軸線方向長さＬ１≧シール部１１２の後端１１２ａからフランジ部１４５の後端面１４５ａまでの軸線方向長さＬ２の関係が成立している。【選択図】図６

Description

本発明は、ヒータ部を有するヒータ付き圧力センサに関する。

内燃機関に取り付けられ、燃焼室内の圧力を測定するための燃焼圧センサが知られている。燃料圧センサでは、圧力に応じて軸線方向に変位する棒状の伝達部材の変位を当接部材に配置した荷重検出素子に伝達することによって燃焼室内の圧力変化が検知される（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の燃料圧センサにおいては、荷重検出素子をハウジングの先端部付近に配置して荷重検出素子と燃焼室の燃焼圧を受圧する伝達部材との間の圧力伝達距離を小さくすることで、伝達部材が受圧した荷重に機械的ノイズが加わることを抑制し、燃焼圧の検出精度を向上させている。

特開２００８−２８１４７１号公報

ところで、特許文献１では、当接部材は、燃焼圧センサが内燃機関のシリンダヘッドに装着される際に、シリンダヘッドに直接当接する当接部を備えている。この当接部により、燃焼室の熱が伝達部材を介して当接部材に伝わっても、その熱を内燃機関へ即座に放熱でき、荷重検出素子への熱負荷が低減される。

しかしながら、当接部材がシリンダヘッドに直接当接する構造は、燃焼圧センサを内燃機関のシリンダヘッドに装着する際に軸線方向に加える応力（以下、軸応力とも言う。）が当接部にかかる。これにより、当接部材が先端側に引っ張られて当接部材が撓み、その結果、荷重検出素子の出力誤差が発生するという問題があった。この問題は、燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサ機能と、圧縮着火の補助熱源としてのグロープラグ機能とを備えるヒータ付き圧力センサにおいても同様に発生し得る問題である。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ヒータ保持部材にセンサ素子を配置したヒータ付き圧力センサにおいて、センサ素子への熱負荷を低減しつつ、センサ素子の出力誤差の発生を抑制するヒータ付き圧力センサを提供することを目的とする。

本発明のヒータ付き圧力センサは、軸線方向に沿って延び、先端と後端とを有する筒状のハウジングと、前記ハウジングの前記軸線方向に変位可能に前記ハウジング内に配置され、前記ハウジングの先端から先端側が露出する棒状のヒータ部と、前記ヒータ部が挿通すると共に、前記ハウジングと前記ヒータ部とを接続する環状のヒータ保持部材と、前記ヒータ保持部材に配置され、前記ヒータ部の変位を検知するセンサ素子と、を備える。前記ハウジングは、前記軸線方向の先端側に向かって縮径し、前記ヒータ付き圧力センサを取付対象体に取り付ける際に、少なくとも一部が前記取付対象体と接触するシール部及び前記シール部よりも後端側に軸線方向に延びる円筒部を備えつつ、先端側に位置する第１のハウジング部と、前記第１のハウジング部よりも後端側に位置する第２のハウジング部とを有し、前記ヒータ保持部材は、前記軸線方向の後端側を向く環状の後端面を有する本体部と、前記本体部の外周面から突出し、前記第１のハウジング部と第２のハウジング間に固定されているフランジ部とを有し、前記第２のハウジング部の内周面と前記ヒータ部の外周面との間の空間を封止し、前記センサ素子は前記ヒータ保持部材の前記本体部の前記後端面に搭載され、前記シール部の後端の外径Ｄ１（ｍｍ）と、前記シール部の後端から前記本体部の前記後端面までの軸線方向長さＬ１（ｍｍ）と、前記シール部の後端から前記フランジ部の後端面までの軸線方向長さＬ２（ｍｍ）との間には、Ｄ１≧Ｌ１≧Ｌ２の関係が成立している。

本発明のヒータ付き圧力センサは、センサ素子が搭載されたヒータ保持部材にフランジ部を設け、このフランジ部を、取付対象体と接触するシール部を有する第１のハウジング部と第２のハウジング部との間に固定する構成を備えている。つまり、ヒータ保持部材と取付対象体との間に第１のハウジング部を介在させている。これにより、軸応力が第１のハウジング部にかかることで、フランジ部が先端側に引っ張られて本体部が撓むことを抑制でき、センサ素子の出力誤差を低減することができる。

また、本発明のヒータ付き圧力センサにおいては、シール部の後端の外径Ｄ１と、シール部の後端から本体部の後端面までの軸線方向長さＬ１と、シール部の後端からフランジ部の後端面までの軸線方向長さＬ２との間にＤ１≧Ｌ１≧Ｌ２の関係が成立しているので、ヒータ保持部材に伝わる熱を内燃機関に迅速に放熱することを維持でき、センサ素子の熱負荷を抑制することができる。さらに、Ｄ１≧Ｌ１としているので、センサ素子をハウジングの先端部付近に配置してセンサ素子とヒータ部との間の距離を小さくでき、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

なお、シール部は軸線方向の先端側に向かって縮径していれば良く、軸線方向の先端側に向かって直線的に縮径された構成や、軸線方向の先端側に向かって湾曲して縮径された構成でも良い。また、「シール部の後端」とは、第１のハウジング部のうち軸線方向に延びる円筒部の外周面と、縮径するシール部の外周面とが交わる位置を指すものである。
さらに、フランジ部とは、第１のハウジング部と第２のハウジング部との間に固定されているものであり、例えば、第１のハウジング部とフランジ部との境界を溶接にて接合した際に形成される溶融部は、フランジ部の一部とみなすことができる。つまり、この場合の「フランジ部の後端面」とは、溶融部の後端面（の最後端）を指すものである。

また、本発明のヒータ付き圧力センサにおいて、前記軸線方向長さＬ１と前記軸線方向長さＬ２との間には、Ｌ１＞Ｌ２の関係が成立しており、前記ヒータ保持部材の少なくとも後端側には、前記フランジ部よりも後端側の前記第２のハウジング部と対向する対向部を有し、前記ヒータ保持部材の前記対向部の外周面は、前記第２のハウジング部の内周面と離間することが好ましい。これにより、ヒータ部の変位によって本体部が撓みやすくなり、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

ところで、上述のように、対向部が第２ハウジング部の内周面と離間している構成では、ヒータ部の変位によって本体部が撓みやすくなるが、その結果、軸応力によって本体部が撓み、センサ素子の出力誤差が発生することがあった。これに対し、本発明のヒータ付き圧力センサにおいて、前記対向部の軸線方向長さＬ３（ｍｍ）と前記後端面の外径Ｄ２（ｍｍ）との間には、Ｌ３＞Ｄ２／２の関係が成立していることが好ましい。これにより、軸応力がかかったとしても、この軸応力で本体部が撓むことを抑制でき、センサ素子の出力誤差をさらに低減することができる。

また、本発明のヒータ付き圧力センサにおいて、前記ヒータ保持部材の前記本体部には、前記対向部よりも先端側にて前記第２のハウジング部に接触する接触部を有することが好ましい。これにより、第２のハウジング部と離間する対向部を本体部に設けた構成であっても、接触部によりヒータ保持部材を第２のハウジング部に良好に固定することができる。なお、本体部の第２のハウジング部に対向する部位全体のうち、後端側部位が対向部となり、先端側部位が接触部となることがより好ましい。

また、本発明のヒータ付き圧力センサにおいて、前記円筒部の内径を前記対向部の外径よりも大きくしても良い。これにより、軸応力が第１のハウジング部によりかかることで、本体部が撓むことを抑制でき、センサ素子の出力誤差をより低減できる。

また、本発明のヒータ付き圧力センサにおいて、前記ヒータ保持部材の前記本体部は、前記フランジ部よりも先端側に延びる延長部を有し、前記ヒータ保持部材の前記延長部の外周面は、前記第１のハウジング部の内周面と離間していても良い。これにより、軸応力が第１のハウジング部によりかかる一方、軸応力が延長部にかかりにくくなることで、本体部が撓むことを抑制でき、センサ素子の出力誤差をさらに低減できる。

また、本発明のヒータ付き圧力センサにおいて、前記ヒータ保持部材の前記本体部は、前記ヒータ部の前記外周面に接する第１の環状壁と、前記第２のハウジング部の前記内周面に対向し、前記第１の環状壁よりも短い第２の環状壁と、前記後端面を有し、前記第１の環状壁および前記第２の環状壁を接続する接続壁と、前記第１の環状壁、前記第２の環状壁および前記接続壁によって規定される環状の溝部と、を備え、前記フランジ部は前記第２の環状壁の外周面に形成されていても良い。ヒータ保持部材がこのような構成を有することで、上述した効果を十分に発揮できる構成を得ることができる。

第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの外観図である。 第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの断面図である。 第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサにおけるヒータ保持部材を中心とする部位の拡大断面図である。 中心を通る垂直断面にてヒータ保持部材を切断した斜視断面図である。 第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサと比較例のヒータ付き圧力センサにおける軸力方向の応力がセンサ出力に及ぼす影響の検証結果を示す説明図である。 ハウジングの先端近傍における、第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。 第１のハウジング部におけるシール部の後端の外径と、シール部の後端からヒータ保持部材の接続壁の後端面までの長さとの比に対するセンサ素子の搭載位置温度の関係を示す説明図である。 ハウジングの先端近傍における比較例としての断面を模式的に示す説明図である。 ハウジングの先端近傍における、第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。 第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサと第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサにおける軸力方向の応力がセンサ出力に及ぼす影響の検証結果を示す説明図である。 ハウジングの先端近傍における、第２の変形例に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。 ハウジングの先端近傍における、第３の変形例に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。 ハウジングの先端近傍における、第４の変形例に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。

第１の実施形態：
図１は第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの外観図である。図２は第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの断面図である。図２における断面はヒータ付き圧力センサの中心軸に沿う垂直面によってヒータ付き圧力センサを切断した縦断面図である。

図１および図２に示すように、ヒータ付き圧力センサ１０は、ハウジング１００、ヒータ部１３０、ヒータ保持部材１４０、センサ素子１５０、コネクタ部材２００および保護筒２１０を備えている。第１の実施形態においては、各構成部材に共通して、軸線方向とはハウジング１００の中心軸が延伸する方向を意味し、先端側とはヒータ部１３０が露出する側を意味し、後端側とは保護筒２１０が位置する側を意味する。なお、ハウジング１００の軸線方向は、ヒータ付き圧力センサ１０の軸線方向と一致する。また、各構成部材において、軸線方向の後端側を向く面を後端面、先端側を向く面を先端面と呼ぶ。

ハウジング１００は、その軸線方向に沿って延び、先端と後端とを有する筒状体であり、先端側に位置する第１のハウジング部１１０と、第１のハウジング部１１０よりも後端側に位置する第２のハウジング部１２０とを有している。第１の実施形態において、ハウジング１００は、炭素鋼やステンレス鋼によって形成されている円筒の金属製部材である。ハウジング１００、具体的には、第２のハウジング部１２０の後端にはコネクタ部材２００が配置され、第２のハウジング部１２０とコネクタ部材２００とは保護筒２１０によって機械的に接続されている。コネクタ部材２００は、電気絶縁性を有する部材、例えば、絶縁樹脂によって形成され円筒形状を有する。コネクタ部材２００の中空部には端子部材２２０が保持されている。保護筒２１０は、導電性を有する部材、例えば、ステンレス鋼によって形成され円筒形状を有する。保護筒２１０の先端は第２のハウジング部１２０の後端に接合されている。第１の実施形態において用いられるステンレス鋼は、部材の位置に応じて、例えば、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４のいずれかが用いられる。

第１のハウジング部１１０は、円筒部１１１と、円筒部１１１から先端側に向かって縮径するテーパー状（傾斜面状）のシール部１１２とを有している。円筒部１１１からシール部１１２へ移行する移行部、第１の実施形態では角部は、シール部１１２の後端１１２ａを成す。第１のハウジング部１１０は全長にわたって同一の厚みを有している。シール部１１２の先端部の開口からは、ヒータ部１３０が露出し、当該開口の内径は、ヒータ部１３０の外径よりも大きい。第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０においては、第１のハウジング部１１０のシール部１１２の少なくとも一部が、ヒータ付き圧力センサ１０が取付対象体としての内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）と接触する。シール部１１２の少なくとも一部は、ヒータ付き圧力センサ１０がシリンダヘッドに装着される際に、シリンダヘッドのプラグ開口部（図示しない）に押圧接触され、内燃機関の燃焼室の気密を実現する。例えば、シール部１１２がプラグ開口部と線接触する場合には、平面視において円形のシール線によって気密が実現され、シール部１１２の少なくとも一部がプラグ開口部と接触する態様となる。また、シール部１１２とプラグ開口部との形状によっては、シール部１１２の全てがプラグ開口部と接触し得る（すなわち、面接触し得る）。

第２のハウジング部１２０は、全長にわたり略円筒状を有している。第２のハウジング部１２０の後端には、鍔部１２２が形成されている。第２のハウジング部１２０の後端の近傍には、ヒータ付き圧力センサ１０を内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのネジ部１２１が形成されている。ネジ部１２１には、雄ネジ（図示せず）が形成されている。ヒータ付き圧力センサ１０は、ネジ部１２１が、シリンダヘッドのプラグ取り付け穴に形成されている雌ネジ（図示せず）と螺合することによって、内燃機関に固定される。

ヒータ部１３０は、ヒータ部材１３１、ヒータ部材１３１の中間部の周囲を覆う外筒１３２、ヒータ部材１３１の後端に配置されている中軸１３３およびヒータ部材１３１と中軸１３３とを接続するリング１３４を備えている。ヒータ部材１３１は、基体１３１ａと基体に内包されている所定のパターンを有する抵抗発熱体（図示しない）とを備えるセラミック組成物からなる棒状の発熱素子である。基体１３１ａは、電気絶縁性を有する絶縁性セラミック材料によって形成されており、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする絶縁性セラミック材料が用いられる。発熱抵抗体は、導電性を有する導電性セラミック材料によって形成されており、導電性セラミック材料としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）と窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の混合物を主成分とする導電性セラミック材料が用いられる。発熱抵抗体に対しては、正電極と負電極とが接続されており、正電極は後述するリング１３４と電気的に接続されており、負電極は外筒１３２に対して電気的に接続されている。

外筒１３２は、円筒状の金属製部材であり、例えば、ステンレス鋼によって形成される。外筒１３２には、ヒータ部材１３１が圧入によって嵌め込まれており、その先端と後端からはヒータ部材１３１が露出している。ヒータ部材１３１が外筒１３２に嵌め込まれることで、ヒータ部１３０は、金属製のヒータ保持部材１４０と溶接によって接合可能とされている。

中軸１３３は、円柱状の金属製部材であり、例えば、ステンレス鋼によって形成される。リング１３４は、ステンレス鋼によって形成された円筒状の金属製部材である。リング１３４の先端側にはヒータ部材１３１の後端が圧入によって嵌め込まれ、リング１３４の後端側には中軸１３３の先端が圧入によって嵌め込まれている。リング１３４は、ヒータ部材１３１と中軸１３３とを機械的に接続すると共に電気的に接続する。中軸１３３の後端は、端子バネ２４０を介して、端子部材２２０と機械的並びに電気的に接続されている。端子バネ２４０は導電性および弾性を有する部材、例えば、ステンレス鋼によって形成され、湾曲部を有する板バネ形状を有する。端子バネ２４０は、燃焼室内の圧力変動によって軸線方向に変位するヒータ部材１３１および中軸１３３の変位を吸収する。

第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０に対しては、電力供給配線（図示しない）を介して外部からコネクタ部材２００に対して電力が入力され、入力された電力は、端子バネ２４０、中軸１３３、リング１３４を介してヒータ部材１３１の正電極に供給される。

ヒータ保持部材１４０は、ヒータ部１３０をハウジング１００内に変位可能に保持するための、平面視において円環状の金属製部材である。ヒータ保持部材１４０は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ等を含有するニッケル合金によって形成される。図３は第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサにおけるヒータ保持部材を中心とする部位の拡大断面図である。図４は中心を通る垂直断面にてヒータ保持部材を切断した斜視断面図である。なお、図４では図示を明瞭にするために断面を示すハッチングを省略する。ヒータ保持部材１４０は、略環状の本体部１４１、本体部１４１の外周面の全周にわたって突出するフランジ部１４５を備えている。本体部１４１は、ヒータ部１３０（外筒１３２）の外周面に接する第１の環状壁１４２、第２のハウジング部１２０の内周面に対向し、第１の環状壁１４２よりも短い第２の環状壁１４３、第１の環状壁１４２と第２の環状壁１４３とを接続する接続壁１４４を備えている。主として接続壁１４４が変形することによってヒータ部１３０をハウジング１００内において軸線方向に変位可能とされている。本体部１４１はさらに、第１の環状壁１４２、第２の環状壁１４３および接続壁１４４によって規定される環状の溝部１４６を備えている。環状の溝部１４６は、接続壁１４４が底部をなし、ヒータ付き圧力センサ１０の先端方向に開口する溝である。なお、第１の環状壁１４２は内側環状壁、第２の環状壁１４３は外側環状壁と言うこともできる。また、第１の環状壁１４２によって、ヒータ部１３０が挿通する開口部が規定される。

第１の環状壁１４２の内周面の先端側にはリング状の突状部１４２ａが形成されている。第１の環状壁１４２は突状部１４２ａを介して外筒１３２と溶接によって接合され、フランジ部１４５の先端面および後端面１４５ａは、第１のハウジング部１１０の後端端面および第２のハウジング部１２０の先端端面とそれぞれ溶接によって接合されている。この結果、ハウジング１００とヒータ部１３０とは、ヒータ保持部材１４０によって接続され、第２のハウジング部１２０の内周面とヒータ部１３０の外周面との間の空間を封止している。また、第１の実施形態においては、第１のハウジング部１１０がシリンダヘッドと接触し、ヒータ保持部材１４０はシリンダヘッドとは接触しない。さらに、第１の実施形態においては、第２の環状壁１４３は、フランジ部１４５よりも先端側に延びる延長部１４３ａを有している。なお、延長部１４３ａの外径は、フランジ部１４５よりも後端側における第２の環状壁１４３（対向部）の外径よりも大きい。

ヒータ部１３０を伝導する燃焼室からの熱は、突状部１４２ａからヒータ保持部材１４０に伝導され、第１の環状壁１４２、接続壁１４４および第２の環状壁１４３を介して、フランジ部１４５から第１のハウジング部１１０に伝導される。ヒータ保持部材１４０から第１のハウジング部１１０（並びに第２のハウジング部１２０）への熱伝導は、フランジ部１４５と第１および第２のハウジング部１１０、１２０との接合部を介して生じる。
第１のハウジング部１１０に伝導された熱は、シリンダヘッドと接触しているシール部１１２の後端１１２ａまたはシリンダヘッドと接触している後端１１２ａの近傍部を介してシリンダヘッドへ伝導される。突状部１４２ａからフランジ部１４５に至る伝熱経路が短いほど熱引きが良く、ヒータ付き圧力センサ１０の温度上昇を抑制することができる。

ヒータ保持部材１４０の接続壁１４４の後端面１４４ａには、センサ素子１５０が搭載されている。センサ素子１５０は、例えば、耐熱性を有するガラスによって後端面１４４ａに接合されている。センサ素子１５０としては、機械的な変位量を電気的な変位量に変換可能な素子であればどのような素子が用いられても良く、例えば、歪みゲージ、ピエゾ抵抗素子が用いられ得る。センサ素子１５０には、ハウジング１００内の所定の位置に配置されている集積回路（図示しない）が電気的に接続されている。燃焼室内の圧力（燃焼圧）の変動を受けてヒータ部１３０が軸線方向に変位すると、外筒１３２と接続されているヒータ保持部材１４０が変形する。集積回路は、ヒータ保持部材１４０の変形を、センサ素子１５０の抵抗値の変化に基づき検知（測定）することで、内燃機関の燃焼圧を検知する。集積回路は、検知された燃焼圧を示す電気信号を、コネクタ部材２００に挿入されている配線を通じて外部のコントローラ、例えば、エンジンコントローラ等に出力する。

図５は第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサと比較例のヒータ付き圧力センサにおける軸応力がセンサ出力に及ぼす影響の検証結果を示す説明図である。比較例のヒータ付き圧力センサとして、特許文献１のように、センサ素子が搭載される部材がシリンダヘッドに直接接触する構成を備えるヒータ付き圧力センサを用いた。ヒータ付き圧力センサに加わる軸応力がセンサ出力に及ぼす影響を示す指標としては、ヒータ付き圧力センサを１Ｎ・ｍのトルクにて締め付けた際にセンサ素子から出力される圧力（ｂａｒ）を測定して得られる単位トルク当たりの圧力（Δｂａｒ／Ｎ・ｍ）を用い、図５の縦軸は単位トルク当たりの圧力（Δｂａｒ／Ｎ・ｍ）を示す。

検証の結果、第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０における単位トルク当たりの圧力（Δｂａｒ／Ｎ・ｍ）は、比較例の約５３％減少した。実使用環境下においては、シリンダヘッドの歪みの影響等によりヒータ付き圧力センサに対して軸応力が加わる場面は多い。軸応力の印加に伴いヒータ付き圧力センサから出力されるセンサ出力は燃焼圧とは関係のない出力であり、燃焼圧を検出する場合にはノイズとなる。したがって、軸応力の印加によってセンサ素子から出力成分が小さければ小さいほど、軸応力の影響を低減することが可能となり、より正確な燃焼圧を取得することができる。

第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０は、センサ素子１５０が搭載されるヒータ保持部材１４０は、第１のハウジング部１１０と第２のハウジング部１２０との間にフランジ部１４５が配置される構造、すなわち、シリンダヘッドに直接接触しない構成を備えており、比較例ではセンサ素子が搭載される部材がシリンダヘッドに直接接触する構成を備えている。したがって、センサ素子１５０が搭載されているヒータ保持部材１４０がシリンダヘッドに直接接触しない第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０によれば、軸応力が第１ハウジング部１１０にかかることで、フランジ部１４５が先端側に引っ張られて本体部１４１が撓むことを抑制でき、センサ出力の精度を向上させることが可能となり、より正確な燃焼圧を取得することができる。

第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０における、第１のハウジング部１１０におけるシール部１１２の後端１１２ａの外径と、シール部１１２の後端１１２ａに対するヒータ保持部材１４０の配置位置の関係について説明する。図６はハウジングの先端近傍における、一例としての第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。なお、図６を含み、以下の図では図示を明瞭にするために断面を示すハッチングを省略する。第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０の第１のハウジング部１１０におけるシール部１１２の後端１１２ａはＤ１（ｍｍ）の外径を有している。また、ヒータ保持部材１４０は、接続壁１４４の後端面１４４ａがシール部１１２の後端１１２ａからＬ１（ｍｍ）の長さの位置に、フランジ部１４５の後端面１４５ａがシール部１１２の後端１１２ａからＬ２（ｍｍ）の長さの位置に位置している。第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０では、外径Ｄ１、シール部１１２の後端１１２ａから接続壁１４４の後端面１４４ａまでの軸線方向の長さＬ１、シール部１１２の後端１１２ａからフランジ部１４５の後端面１４５ａまでの長さＬ２との間に、Ｄ１≧Ｌ１≧Ｌ２の関係が成立している。また、ヒータ保持部材１４０の第２の環状壁１４３の外周面は、第２のハウジング部１２０の内周面から離間しており、すなわち、ヒータ保持部材１４０の第２の環状壁１４３と、第２のハウジング部１２０とは離間しており、第２の環状壁１４３から第２のハウジング部１２０への直接的な熱伝導は生じない。

外径Ｄ１、長さＬ１、Ｌ２との間に成立している、Ｄ１≧Ｌ１≧Ｌ２の関係の技術的意味について以下に、説明する。図７は第１のハウジング部におけるシール部の後端の外径と、シール部の後端からヒータ保持部材の接続壁の後端面までの長さとの比に対するセンサ素子の搭載位置温度の関係を示す説明図である。図７において縦軸はヒータ保持部材におけるセンサ素子の搭載位置温度（℃）を示し、横軸は外径Ｄ１と長さＬ１との比Ｒ＝Ｌ１／Ｄ１を示している。比Ｒとして、０．２５（Ｐ１）、０．４（Ｐ２）、０．７５（Ｐ３）、１（Ｐ４）、１．２（Ｐ５）の場合について、それぞれセンサ素子１５０の搭載位置温度を測定した。なお、（Ｐｎ：ｎ＝１〜５）は、図７におけるプロット点を意味する。Ｐ１（比：０．２５、温度：２１４℃）、Ｐ２（比０．４、温度２２９℃）、Ｐ３（比０．７５、温度：２８７℃）、Ｐ４（比：１、温度３２９℃）およびＰ５（比：１．２、温度３６０℃）の結果を得た。一般的に、センサ素子１５０やガラスの耐熱性は３５０℃を超えると十分でなくなり、センサ素子１５０の不良が発生しやすくなる。したがって、センサ素子１５０が搭載されている部位の温度は３５０℃未満であることが望まれる。図７の結果によれば、比Ｒ＝１の場合にはセンサ素子１５０が搭載されている部位の温度は３２９℃であり、センサ素子１５０は正常に機能できる。したがって、比Ｒ≦１であること、すなわち、Ｄ１≧Ｌ１の関係が成立することが望ましい。ここで、Ｄ１＞Ｌ１であることがさらに望ましく、外径Ｄ１に対して軸線方向の長さＬ１は短ければ短いほどヒータ付き圧力センサ１０からシリンダヘッドへの熱引きが良くなり、センサ素子１５０が搭載される場所の温度をより低減させることができる。第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０に対応するプロット点はＰ２であり、比Ｒは０．４、温度は２２９℃である。

長さＬ１と長さＬ２との関係においては、フランジ部１４５が接続壁１４４の後端面１４４ａよりもさらに後端側に独立して形成されることは、熱引きの観点から不利であり、長さＬ２の最大値は長さＬ１と等しい。すなわち、フランジ部１４５の後端面１４５ａと接続壁１４４の後端面１４４ａとが同一面をなす。一方、フランジ部１４５は、第２の環状壁１４３に形成されており、接続壁１４４の後端面１４４ａよりも先端側に形成される。したがって、長さＬ１≧長さＬ２の関係が成立する。なお、既述の通り、熱引きの観点からは、フランジ部１４５はシール部１１２の後端１１２ａに近い位置に位置することが望ましく、長さＬ１＞長さＬ２の関係が成立することが望ましい。第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０においては、Ｌ１＞Ｌ２である。

図８はハウジングの先端近傍における比較例としての断面を模式的に示す説明図である。図８に示す比較例においては、ヒータ保持部材１７０は、接続壁１７４の後端面１７４ａがシール部１１２の後端１１２ａからＬ１（ｍｍ）の長さの位置に、フランジ部１７５の後端面１７５ａがシール部１１２の後端１１２ａからＬ２（ｍｍ）の長さの位置に位置しており、外径Ｄ１、長さＬ１、Ｌ２との間には、Ｌ１＞Ｄ１＞Ｌ２の関係が成立している。図８に示す比較例に対応する図７におけるプロット点はＰ５である。

以上説明したとおり、第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０によれば、ヒータ保持部材１４０にフランジ部１４５を設け、このフランジ部１４５を、シール部材１１２を有する第１のハウジング部１１０と第２のハウジング部１２０との間に固定する構造を備えている。つまり、ヒータ保持部材１４０がシリンダヘッドに直接接触しない構造を備えているので、軸応力が第１のハウジング部１１０にかかることで、フランジ部１４５が先端側に引っ張られて本体部１４１が撓むことを抑制でき、センサ出力に及ぼす影響、すなわち、センサ出力中における軸応力に起因する出力成分、を低減することが可能となり、センサ出力の精度をより高め、正確な燃焼圧を取得することができる。

また、第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０によれば、シール部１１２の後端１１２ａの外径Ｄ１（ｍｍ）、ヒータ保持部材１４０における、シール部１１２の後端１１２ａから接続壁１４４の後端面１４４ａまでの軸線方向の長さＬ１（ｍｍ）、シール部１１２の後端１１２ａからフランジ部１４５の後端面１４５ａまでの軸線方向の長さＬ２（ｍｍ）の間にＤ１＞Ｌ１＞Ｌ２の関係が成立している。したがって、ヒータ保持部材１４０に伝わる熱を内燃機関に対して速やかに放熱することを維持でき、センサ素子１５０の熱負荷を抑制することができる。加えて、Ｄ１＞Ｌ１の関係が成立しているので、センサ素子１５０を第１のハウジング部１１０の先端部付近に配置してセンサ素子１５０とヒータ部１３０との間の距離を小さくでき、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

また、第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０によれば、ヒータ保持部材１４０の第２の環状壁１４３（対向部）の外周面は、第２のハウジング部１２０の内周面から離間している。つまり、第２の環状壁１４３の外周面の径Ｅ（ｍｍ）＜第２のハウジング部１２０の内周面の径Ｆ（ｍｍ）の関係を有している。これにより、ヒータ部１３０の変位によって本体部１４１が撓みやすくなり、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

第２の実施形態：
図９はハウジングの先端近傍における、第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０ａの断面を模式的に示す説明図である。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態とヒータ保持部材３４０の構成が異なるのみであり、その他の構成は第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態と同様の部位については、省略又は簡略化する。

図９に示すように、ヒータ付き圧力センサ１０ａは、ヒータ保持部材３４０を備えている。ヒータ保持部材３４０は、略環状の本体部３４１、本体部３４１の外周面の全周にわたって突出するフランジ部３４５を備えている。本体部３４１は、ヒータ部１３０（外筒１３２）の外周面に接する第１の環状壁３４２、第２のハウジング部１２０の内周面に対向し、第１の環状壁３４２よりも短い第２の環状壁３４３、第１の環状壁３４２と第２の環状壁３４３とを接続する接続壁３４４を備えている。主として接続壁３４４が変形することによってヒータ部１３０をハウジング１００内において軸線方向に変位可能とされている。

第１の環状壁３４２の内周面の先端側にはリング状の突状部３４２ａが形成されている。第１の環状壁３４２は突状部３４２ａを介して外筒１３２と溶接によって接合され、フランジ部３４５の先端面および後端面３４５ａは、第１のハウジング部１１０の後端端面および第２のハウジング部１２０の先端端面とそれぞれ溶接によって接合されている。この結果、ハウジング１００とヒータ部１３０とは、ヒータ保持部材３４０によって接続され、第２のハウジング部１２０の内周面とヒータ部１３０の外周面との間の空間を封止している。さらに、第２の実施形態においては、第２の環状壁３４３は、フランジ部３４５よりも先端側に延びる延長部３４３ａを有している。

この第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０ａによれば、フランジ部３４５の後端面３４５ａから接続壁３４４の後端面３４４ａまでの軸線方向の長さＬ３（ｍｍ）（つまり、対向部の長さ）と、接続壁３４４の後端面３４４ａの外径Ｄ２（ｍｍ）との間に、Ｌ３＞Ｄ２／２の関係が成立している。ヒータ付き圧力センサ１０ａのヒータ保持部材３４０は、Ｌ１＞Ｌ２の関係が成立しており、且つ第２の環状壁３４３（対向部）の外周面は、第２のハウジング部１２０の内周面から離間している。ヒータ保持部材３４０がこのような構成である場合、ヒータ部１３０の変位によって本体部３４４が撓みやすくなるが、その結果、軸応力によって本体部３４４が撓み、センサ素子の出力誤差が発生することがある。これに対し、上述の関係が成立していると、軸応力がかかったとしても、この軸応力で本体部３４４が撓むことを抑制でき、センサ素子１５０の出力誤差をさらに低減することができる。

図１０は、第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０ａと第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０における軸応力がセンサ出力に及ぼす影響の検証結果を示す説明図である。なお、図１０の検証は、図５と同様の検証を行っている。

検証の結果、第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０ａにおける単位トルク当たりの圧力（Δｂａｒ／Ｎ・ｍ）は、第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０の約４４％減少した。

変形例：
（１）第１の実施形態及び第２の実施形態においては、外径Ｄ１＞軸線方向の長さＬ１＞軸線方向の長さＬ２の関係を有するヒータ付き圧力センサ１０、１０ａを用いて説明したが、外径Ｄ１≧軸線方向の長さＬ１≧軸線方向の長さＬ２（ｍｍ）の関係を有するヒータ付き圧力センサによっても、第１の実施形態及び第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０、１０ａと同様の技術的課題を解決することができる。

（２）第２の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｂについて説明する。図１１は、ハウジングの先端近傍における、第２の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｂの断面を模式的に示す説明図である。第２の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｂにおいては、Ｅ＜Ｆの関係に加え、第１のハウジング部１１０（円筒部１１１）の内周面の径Ｈ（ｍｍ）＞Ｅの関係を有している。これにより軸応力が第１のハウジング部１１０によりかかることで、本体部４４４ａが撓むことを抑制でき、センサ素子１５０の出力誤差をより低減できる。

さらに、第２の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｂにおいては、Ｅ＜Ｆの関係に加え、ヒータ保持部材４４０のうち第２の環状壁４４３の延長部４４３ａの外周面は、第１のハウジング部１１０の内周面から離間している。つまり、第２の環状壁４４３の延長部４４３ａの外周面の径Ｇ（ｍｍ）＜Ｈの関係を有している。これにより、軸応力が第１のハウジング部１１０によりかかる一方、軸応力が延長部４４３ａにかかりにくくなることで、本体部４４４が撓むことを抑制でき、センサ素子１５０の出力誤差を更に低減できる。

（３）第３の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｃについて説明する。図１２は、ハウジングの先端近傍における、第３の変形例に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。第３の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｃのヒータ保持部材５４０は延長部を有していない。また、第３の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｃの第１のハウジング部１１０ａは肉厚の先端部１１２ｂを有している。肉厚の先端部１１２ｂとは、第１のハウジング部１１０ａの厚さが少なくとも先端部において他の部分よりも厚いことを意味する。

（４）第４の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｄについて説明する。図１３は、ハウジングの先端近傍における、第４の変形例に係るヒータ付き圧力センサの断面を模式的に示す説明図である。第４の変形例に係るヒータ付き圧力センサ１０ｄのヒータ保持部材６４０は、第２環状壁６４３の先端側部位に第２のハウジング部１２０に接触する接触部６４７を有している。そして、第２環状壁６４３の後端側部位が第２のハウジング部１２０の内周面から離間する対向部となっている。これにより、第２のハウジング部１２０に離間する対向部を設けた構成であっても、接触部６４７によりヒータ保持部材６４０を第２のハウジング部１２０に良好に固定することができる。

（５）第１の実施形態及び第２の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０、１０ａでは、第１のハウジング部１１０は、円筒部１１１とシール部１１２とを備えているが、これに加えて、シール部１１２から軸線方向の先端側に沿って延びる第２の円筒部を備えても良い。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。たとえば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…ヒータ付き圧力センサ
１００…ハウジング
１１０、１１０ａ…第１のハウジング部
１１１…円筒部
１１２…シール部
１１２ａ…シール部の後端
１１２ｂ…先端部
１２０…第２のハウジング部
１２１…ネジ部
１２２…工具係合部
１３０…ヒータ部
１３１…ヒータ部材
１３１ａ…基体
１３２…外筒
１３３…中軸
１３４…リング
１４０、３４０、４４０、５４０、６４０…ヒータ保持部材
１４１、３４１、４４１、５４１、６４１…本体部
１４２、３４２、４４２、５４２、６４２…第１の環状壁
１４２ａ、３４２ａ、４４２ａ、５４２ａ、６４２ａ…突状部
１４３、３４３、４４３、５４３、６４３…第２の環状壁
１４３ａ、３４３ａ、４４３ａ、６４３ａ…延長部
１４４、３４４、４４４、５４４、６４４…接続壁
１４４ａ、３４４ａ、４４４ａ、５４４ａ、６４４ａ…後端面
１４５、３４５、４４５、５４５、６４５…フランジ部
１４５ａ、３４５ａ、４４５ａ、５４５ａ、６４５ａ…後端面
１４６…溝部
１５０…センサ素子
１７０…ヒータ保持部材
１７４…接続壁
１７４ａ…後端面
１７５…フランジ部
１７５ａ…後端面
２００…コネクタ部材
２１０…保護筒
２２０…端子部材
２４０…端子バネ
６４７…接触部
Ｄ１…外径
Ｌ１、Ｌ２…軸線方向の長さ
Ｅ、Ｆ、Ｇ…外周面の径

Claims (7)

1. 軸線方向に沿って延び、先端と後端とを有する筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの前記軸線方向に変位可能に前記ハウジング内に配置され、前記ハウジングの先端から先端側が露出する棒状のヒータ部と、
   前記ヒータ部が挿通すると共に、前記ハウジングと前記ヒータ部とを接続する環状のヒータ保持部材と、
   前記ヒータ保持部材に配置され、前記ヒータ部の変位を検知するセンサ素子と、を備える、ヒータ付き圧力センサであって、
   前記ハウジングは、前記軸線方向の先端側に向かって縮径し、前記ヒータ付き圧力センサを取付対象体に取り付ける際に、少なくとも一部が前記取付対象体と接触するシール部及び前記シール部よりも後端側に軸線方向に延びる円筒部を備えつつ、先端側に位置する第１のハウジング部と、前記第１のハウジング部よりも後端側に位置する第２のハウジング部とを有し、
   前記ヒータ保持部材は、前記軸線方向の後端側を向く環状の後端面を有する本体部と、前記本体部の外周面から突出し、前記第１のハウジング部と第２のハウジング間に固定されているフランジ部とを有し、前記第２のハウジング部の内周面と前記ヒータ部の外周面との間の空間を封止し、
   前記センサ素子は前記ヒータ保持部材の前記本体部の前記後端面に搭載され、
   前記シール部の後端の外径Ｄ１（ｍｍ）と、前記シール部の後端から前記本体部の前記後端面までの軸線方向長さＬ１（ｍｍ）と、前記シール部の後端から前記フランジ部の後端面までの軸線方向長さＬ２（ｍｍ）との間には、Ｄ１≧Ｌ１≧Ｌ２の関係が成立している、
   ヒータ付き圧力センサ。
2. 請求項１に記載のヒータ付き圧力センサにおいて、
   前記軸線方向長さＬ１と前記軸線方向長さＬ２との間には、Ｌ１＞Ｌ２の関係が成立しており、
   前記ヒータ保持部材の前記本体部の少なくとも後端側には、前記第２のハウジング部と対向する対向部を有し、
   前記ヒータ保持部材の前記対向部の外周面は、前記第２のハウジング部の内周面と離間している、ヒータ付き圧力センサ。
3. 請求項２に記載にヒータ付き圧力センサにおいて、
   前記対向部の軸線方向長さＬ３（ｍｍ）と前記後端面の外径Ｄ２（ｍｍ）との間には、Ｌ３＞Ｄ２／２の関係が成立している、
   ヒータ付き圧力センサ。
4. 請求項２又は請求項３に記載のヒータ付き圧力センサにおいて、
   前記ヒータ保持部材の前記本体部には、前記対向部よりも先端側にて前記第２のハウジング部に接触する接触部を有する、
   ヒータ付き圧力センサ。
5. 請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のヒータ付き圧力センサにおいて、
   前記円筒部の内径は、前記対向部の外径よりも大きい、ヒータ付き圧力センサ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒータ付き圧力センサにおいて、
   前記ヒータ保持部材の前記本体部は、前記フランジ部よりも先端側に延びる延長部を有し、
   前記ヒータ保持部材の前記延長部の外周面は、前記第１のハウジング部の内周面と離間している、ヒータ付き圧力センサ。
7. 請求項１から請求項６にいずれか一項に記載のヒータ付き圧力センサにおいて、
   前記ヒータ保持部材の前記本体部は、前記ヒータ部の前記外周面に接する第１の環状壁と、前記第２のハウジング部の前記内周面に対向し、前記第１の環状壁よりも短い第２の環状壁と、
   前記後端面を有し、前記第１の環状壁および前記第２の環状壁を接続する接続壁と、
   前記第１の環状壁、前記第２の環状壁および前記接続壁によって規定される環状の溝部と、を備え、
   前記フランジ部は前記第２の環状壁の外周面に形成されている、ヒータ付き圧力センサ。