JP5006696B2 - 燃焼圧センサ用伝送ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室の圧力を検出する燃焼圧センサをコントローラに接続する際に用いて好適な燃焼圧センサ用伝送ケーブルに関する。

エンジン（内燃機関）に付設して燃焼室における燃焼圧（圧力）を検出する燃焼圧センサ（圧力センサ）は知られている。ところで、この種の燃焼圧センサは、圧力を電気信号に変換する圧電素子を内蔵し、燃焼圧センサ（圧電素子）から出力する電気信号は、伝送ケーブルを介して車載コントローラ（車載コンピュータ）に送られる。したがって、伝送ケーブルにより伝送される微弱な電気信号は外乱の影響を受けやすく、特に、外乱ノイズの重畳により誤動作（誤検出）を生じる虞れがある。

そこで、この問題を解決するため、従来、アンプを内蔵させた圧力センサも、例えば、特許文献１〜３等で知られている。この種の圧力センサは、いずれもアンプ内蔵形圧力センサとして構成され、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。なお、外乱の影響を防止する他の方法としては、外乱ノイズの影響を受けにくいローノイズケーブルを使用することも行われているが、この種のローノイズケーブルはかなり高価であり、しかも、ローノイズケーブルを使用したとしても不安定な微弱信号を伝送するリスクは回避されない。
特開昭６３−１４８１３７ 実開昭６３−７３６４８ 特開平５−１２６６６７

しかし、上述した従来のアンプ内蔵形圧力センサは、次のような問題があった。

第一に、圧力センサはエンジンに付設するため、圧力センサ自身が低温から高温（−４０〜３５０〔℃〕程度）まで変化する厳しい温度環境及び劣悪な振動環境に直接晒される。したがって、圧力センサに内蔵する回路基板にも、これらの環境に耐え得る耐熱性部品及び耐振性部品、更には耐熱性構造及び耐振性構造が必要となり、高度の信頼性が要求されるとともに、これに伴う部品コスト及び製造コストを含む大幅なコストアップを強いられる。

第二に、回路基板は、圧力センサのハウジング内に直接収容するため、熱伸縮に伴う接合部（接続部）の断線を防止するための対策を施す必要があり、上述した従来の圧力センサでは、圧電素子と回路基板を接続するリードに熱伸縮を吸収するための湾曲部（折曲部）を設けるとともに、熱伸縮により生じるリードの変位を逃がすための内部空間を確保しているが、内部構造が煩雑化し、これに伴う製造性の低下，製造工数の増加を招いてしまう。また、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ため、リードの相対変位により接合部（接続部）の断線や接触不良等を招く虞れもあるなど、更なるコストアップ及び信頼性の低下を招く。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した燃焼圧センサ用伝送ケーブルの提供を目的とするものである。

本発明に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａは、上述した課題を解決するため、内燃機関Ｍの燃焼室Ｍｒの圧力を検出して電気信号Ｓｄに変換する圧電素子５１から得られる当該電気信号Ｓｄを出力する燃焼圧センサ５０ｓとこの燃焼圧センサ５０ｓから出力する電気信号Ｓｄを利用するコントローラ９０とを接続する伝送ケーブルであって、ケーブル部２の一端に燃焼圧センサ５０ｓから出力する電気信号Ｓｄが入力するコネクタ部３を設けてなる燃焼圧センサ用伝送ケーブルにおいて、コネクタ基部２３ｓとケーシング部２３ｃからなるコネクタベース部２３を導電性材料で一体形成し、コネクタ基部２３ｓを利用して燃焼圧センサ５０ｓに接続するコネクタ本体部２１を構成するとともに、ケーシング部２３ｃの内部に、燃焼圧センサ５０ｓからの電気信号Ｓｄを少なくとも増幅処理してケーブル部２に出力する回路基板部４を収容し、かつ当該回路基板部４を覆う絶縁性を有する充填材１１を充填することにより回路ユニット部２２を構成してなるコネクタ部３を備えることを特徴とする。

このような構成を有する本発明に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａによれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 回路基板部４は、燃焼圧センサ５０ｓの外部に配されるため、燃焼圧センサ５０ｓ自身は変更することなくそのまま使用することができる。したがって、燃焼圧センサ５０ｓにおける追加のコストアップは一切生じないとともに、既に使用中の燃焼圧センサ５０ｓに対してもケーブル交換により容易に適用できるなど、低コスト性及び汎用性に優れる。

（２） 回路基板部４は、燃焼圧センサ５０ｓの外部であって、かつケーブル部２の前端に配されるため、アンプ内蔵形圧力センサと同様の効果、即ち、伝送ケーブルが受ける外乱ノイズの影響を回避できるという基本的効果を享受できるとともに、これに加え、エンジン等の高熱源及び振動源からより離間させることができるため、回路基板部４に対する耐熱性部品及び耐振性部品、更には耐熱性構造及び耐振性構造に対する要求条件をより緩和させることができる。

（３） 燃焼圧センサ５０ｓ自身で発生する熱伸縮の影響を回避できるため、燃焼圧センサ５０ｓの内部に回路基板を内蔵させた場合に生じる不具合、即ち、リードの相対変位による接合部（接続部）の断線や接触不良等の発生を防止することができる。したがって、回路基板部４を組入れる際の構造単純化を図ることができ、更なるコストダウン及び信頼性向上に寄与できる。

（４） コネクタ部３の内部には、回路基板部４を覆う絶縁性を有する充填材１１を充填したため、使用環境に対応した回路基板部４の保護強化を図ることができる。特に、充填材１１として、少なくとも、固形時に剛性を有する合成樹脂，固形時に弾性を有するゴム又は合成樹脂，固形時に絶縁性を有するセラミックス粉の一又は二以上を含ませれば、防振性（吸振性），耐熱性（放熱性），防水性（防湿性），絶縁性等を使用環境に応じて確保できるとともに、これらの相乗効果を得ることもできる。

（５） 内燃機関Ｍの燃焼室Ｍｒの圧力を検出する燃焼圧センサ５０ｓに適用したため、燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａを用いたことに伴う最良の燃焼圧検出システムを構築することができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａの理解を容易にするため、同伝送ケーブル１ａを用いて好適な燃焼圧センサ５０ｓ（圧力センサ５０）について、図１及び図６を参照して説明する。

燃焼圧センサ５０ｓは、図１に示すように、筒状に形成したハウジング５２を備え、このハウジング５２の前端部５２ｆにダイヤフラムヘッド５３を溶接により固着する。これにより、前端部５２ｆがダイヤフラムヘッド５３により閉塞される。ダイヤフラムヘッド５３は、圧力が作用するダイヤフラム部５３ｄと、ダイヤフラムヘッド５３の周縁部を形成するフランジ部５３ｆと、ダイヤフラム部５３ｄの後面に一体形成した電極部５３ｓを有し、この電極部５３ｓは、ダイヤフラム部５３ｄの受けた圧力を圧電素子５１に伝達する圧力伝達部を兼用する。したがって、電極部５３ｓの端面は圧電素子５１の端面（電極膜）に面接触する。

他方、５４は圧電素子５１の他方の端面（電極膜）に面接触する電極部である。この電極部５４にはリードピン５５の先端を固定する。これにより、電極部５４から電荷（電気信号Ｓｄ）を取り出すことができる。なお、５６は絶縁部材としての絶縁リングであり、電極部５４を電気的に絶縁する機能を有する。また、５７は断面円筒形状の絶縁スリーブであり、絶縁リング５６，電極部５４及び圧電素子５１の外周部分をガイドして支持する機能を有する。この場合、絶縁リング５６及び絶縁スリーブ５７はアルミナセラミックス等により形成する。

さらに、圧電素子５１は、圧力の作用方向に一定の予圧を加えた状態で使用するため、電極部５４には、圧電素子５１を押圧し、電極部５４との間で圧電素子５１に対して一定の予圧を付与する機能を兼用させている。このため、絶縁リング５６の後面には前インナブロック５８を当接させるとともに、前インナブロック５８の後面には後インナブロック５９を当接させる。この場合、後インナブロック５９はハウジング５２に収容し、外周面に設けた雄ネジ部をハウジング５２の内周面に設けた雌ネジ部に螺合する。これにより、後インナブロック５９は、予圧ネジとして機能する。したがって、圧電素子５１に作用させる予圧力は、後インナブロック５９のねじ込み位置によって調整できる。後インナブロック５９を所定のねじ込み位置（調整位置）にセットしたなら、ハウジング５２の外側方から前インナブロック５８をハウジング５２にレーザ溶接部Ｊ等で溶接して固定する。また、前インナブロック５８の後部は円錐状の凹面として形成するとともに、後インナブロック５９の前部は球面状の凸面として形成する。これにより、アライメントの予圧時において、前インナブロック５８に後インナブロック５９が当接した際に自動的に軸心を一致させることができ、前インナブロック５８への偏荷重を防止できる。なお、後インナブロック５９は、この後、前インナブロック５８と同様にレーザ溶接部等によってハウジング５２に固定してもよいし、前インナブロック５８をハウジング５２に固定した後、ハウジング５２から取り外してもよい。

一方、リードピン５５は前インナブロック５８及び後インナブロック５９の中心空間を貫通させることによりハウジング５２の他端側（後端側）へ導出し、レセプタクル部６０に接続する。このレセプタクル部６０には、本実施形態に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａのコネクタ部３を接続することができる。なお、６１はリードピン５５に装着した絶縁パイプである。絶縁パイプ６１はリードピン５５が振動等して前インナブロック５８や後インナブロック５９に接触することを防止するものであり、アルミナセラミックス等により形成する。

次に、本実施形態に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａの構成について、図１〜図５を参照して説明する。

伝送ケーブル１ａは、図２に示すように、上述した燃焼圧センサ５０ｓとこの燃焼圧センサ５０ｓ（圧電素子５１）から出力する電気信号Ｓｄを利用するコントローラ９０間を接続する機能、より具体的には、燃焼圧センサ５０ｓのレセプタクル部６０とコントローラ９０のコネクタ部（インレット部）９１を接続し、燃焼圧センサ５０ｓ（圧電素子５１）から出力する電気信号Ｓｄをコントローラ９０まで伝送する基本的な機能を備える。したがって、伝送ケーブル１ａは、基本構成として、ケーブル部２と、このケーブル部２の一端２ｓに設けた一方側のコネクタ部３と、このケーブル部２の他端２ｔに設けた他方側のコネクタ部（アウトレット部）４０を備える。

一方のコネクタ部３は、本実施形態に係る伝送ケーブル１ａの要部を構成するものであり、コネクタ本体部２１及びこのコネクタ本体部２１に一体に設けた回路ユニット部２２を備える。このコネクタ部３は、図１及び図３に示すように、導電性材料で一体形成し、コネクタ基部２３ｓとケーシング部２３ｃからなるコネクタベース部２３を備える。そして、コネクタ基部２３ｓを利用してコネクタ本体部２１を構成する。このコネクタ本体部２１は、図４に示すように、グランドラインを兼ねる筒形の接続部２１ｎと、この接続部２１ｎの内部に配するプラグピン部２１ｐを有する公知の一般的なコネクタと同様に構成できる。

また、ケーシング部２３ｃを利用して回路ユニット部２２を構成する。回路ユニット部２２は、ケーシング部２３ｃに収容した回路基板部４を備える。回路基板部４は、プリント配線基板上に複数の電子部品２５…を実装して構成し、燃焼圧センサ５０ｓからの電気信号Ｓｄを、少なくとも増幅処理してケーブル部２に出力する機能を備える。したがって、回路基板部４とプラグピン部２１ｐ間はリード２６を介して接続する。他方、ケーブル部２は、図１に示すように、三本のライン２７，２８及びＧ、即ち、回路基板部４の出力を伝送する信号ライン２７，回路基板部４に電源を供給する電源ライン２８及びグランドライン（シールドライン）Ｇを有し、各ライン２７，２８及びＧの前端を回路基板部４に接続する。

さらに、回路基板部４を収容したケーシング部２３ｃの内部空間には、絶縁性を有する充填材１１を充填する。充填材１１を充填することにより、使用環境に対応した回路基板部４の保護強化を図ることができる。充填材１１には、少なくとも、固形時に剛性を有する合成樹脂，固形時に弾性を有するゴム又は合成樹脂，固形時に絶縁性を有するセラミックス粉の一又は二以上を含ませることができる。固形時に剛性を有する合成樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂等を用いることができるとともに、固形時に弾性を有するゴム又は合成樹脂としては、例えば、ポリウレタン樹脂等を用いることができる。また、個々の充填材を二以上含ませる態様には、予め固形時に弾性を有するゴム又は合成樹脂を回路基板部４の全体に塗布して一定の厚さのコーティング層を設け、この後、固形時に剛性を有する合成樹脂を充填する態様或いは合成樹脂とセラミックス粉の合成材（プラセラ）を用いる態様などが含まれる。このような充填材１１を適宜用いることにより、防振性（吸振性），耐熱性（放熱性），防水性（防湿性），絶縁性等を使用環境に応じて確保できるとともに、これらの相乗効果を得ることもできる。

他方、ケーブル部２の他端、即ち、三本のライン２７，２８及びＧの後端は、他方側のコネクタ部４０に接続する。他方側のコネクタ部（アウトレット部）４０は、コントローラ９０のコネクタ部（インレット部）９１に対して着脱する公知の一般的なコネクタを用いることができる。そして、少なくとも、ケーブル部２及びケーシング部２３ｃ外表面には、合成樹脂等の絶縁材料を用いた被覆部３１を設ける。

図５に、燃焼圧センサ５０ｓ及び伝送ケーブル１ａにおける全体の電気系統を示す。同図中、９０はコントローラを示し、このコントローラ９０には、コントローラ本体部（車載コンピュータ）９５と、このコントローラ本体部９５及び回路基板部４に給電を行う電源部（直流電源部）９６を含む。その他、同図において、図１，図２及び図６と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にした。

次に、本実施形態に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブル１ａの使用方法及び動作について、図１〜図６を参照して説明する。

燃焼圧センサ５０ｓは、図６に示すように、自動車等のエンジン（内燃機関）Ｍに付設して燃焼室Ｍｒの圧力（燃焼圧）を検出することができる。図６中、７１はエンジンシリンダ、７２はエンジンピストン、７３は点火プラグを示しており、燃焼圧センサ５０ｓは、エンジンシリンダ７１のシリンダヘッド７１ｈに取付けることができる。この場合、取付けに際しては、シリンダヘッド７１ｈに貫通形成したネジ孔部に、燃焼圧センサ５０ｓ（圧力センサ５０）の外周面に形成した取付ネジ部６２を螺着し、工具係止部６３に係合させた工具により締付固定する。これにより、ダイヤフラムヘッド５３が燃焼室Ｍｒの内部に臨み、ダイヤフラム部５３ｄに圧力（燃焼圧）が付与される。

燃焼圧センサ５０ｓをエンジンＭに取付けたなら、伝送ケーブル１ａにより燃焼圧センサ５０ｓと車載コントローラ９０を接続する。この場合、図２に示すように、伝送ケーブル１ａの一方のコネクタ部３（コネクタ本体部２１）を燃焼圧センサ５０ｓ（圧力センサ５０）のレセプタクル部６０に装着するとともに、他方のコネクタ部（アウトレット部）４０を車載コントローラ９０のコネクタ部（インレット部）９１に装着する。伝送ケーブル１ａにより燃焼圧センサ５０ｓと車載コントローラ９０を接続したシステムは、燃焼圧を検出するための燃焼圧検出システムＸを構成する。

一方、エンジン７１の作動時には、ダイヤフラム部５３ｄに燃焼室Ｍｒの燃焼圧（圧力）が作用するため、電極部５３ｓと電極部５４によって挟圧された圧電素子５１に電荷（電気信号Ｓｄ）が生じ、この電気信号Ｓｄはリードピン５５を介してレセプタクル部６０に出力する。また、レセプタクル部６０に出力した電気信号Ｓｄは、コネクタ本体部２１及びリード２６を介して回路基板部４に付与される。そして、回路基板部４により、微弱の電気信号Ｓｄに対する増幅処理が行われる。増幅処理された信号はケーブル部２に出力し、ケーブル部２を介して車載コントローラ９０に付与される。

よって、このような本実施形態に係る伝送ケーブル１ａによれば、回路基板部４は、燃焼圧センサ５０ｓの外部に配されるため、燃焼圧センサ５０ｓ自身は変更することなくそのまま使用することができる。したがって、燃焼圧センサ５０ｓにおける追加のコストアップは一切生じないとともに、既に使用中の燃焼圧センサ５０ｓに対してもケーブル交換により容易に適用できるなど、低コスト性及び汎用性に優れる。また、回路基板部４は、燃焼圧センサ５０ｓの外部であって、かつケーブル部２の前端に配されるため、アンプ内蔵形圧力センサと同様の効果、即ち、伝送ケーブルが受ける外乱ノイズの影響を回避できるという基本的効果を享受できるとともに、これに加え、エンジン等の高熱源及び振動源からより離間させることができるため、回路基板部４に対する耐熱性部品及び耐振性部品、更には耐熱性構造及び耐振性構造に対する要求条件をより緩和させることができる。しかも、燃焼圧センサ５０ｓ自身で発生する熱伸縮の影響を回避できるため、燃焼圧センサ５０ｓの内部に回路基板を内蔵させた場合に生じる不具合、即ち、リードの相対変位による接合部（接続部）の断線や接触不良等の発生を防止することができる。したがって、回路基板部４を組入れる際の構造単純化を図ることができ、更なるコストダウン及び信頼性向上に寄与できる。このような伝送ケーブル１ａは、特に、内燃機関Ｍの燃焼室Ｍｒの圧力を検出する燃焼圧センサ５０ｓに接続して最適であり、伝送ケーブル１ａを用いたことに伴う最良の燃焼圧検出システムＸを構築することができる。

次に、本発明に係る伝送ケーブルの変更実施形態について、図７及び図８を参照して説明する。

図７は、伝送ケーブル１ａに備える回路ユニット部２２の変更実施形態を示す。図１〜図６に示した回路ユニット部２２では、コネクタ本体部２１とケーブル部２の方向（向き）を、直線上において反対方向（１８０〔゜〕方向）となるようにレイアウトしたが、図７に示す回路ユニット部２２は、コネクタ本体部２１とケーブル部２の方向（向き）を、直角方向（９０〔゜〕方向）となるようにレイアウトしたものである。コネクタ部３は、回路ユニット部２２を一体に備えるため、ケーブル部２の導出方向を１８０〔゜〕から９０〔゜〕に変更する場合であっても、特に、コネクタ部３の大型化を伴うことなく、容易に設定（設計）することができる。

図８は、伝送ケーブル１ａに備える回路ユニット部２２の他の変更実施形態を示す。伝送ケーブル１ａに示す回路ユニット部２２、即ち、ケーシング部２３ｃは断面を矩形に形成（選定）したが、図８に示すケーシング部２３ｃは断面を円形に形成（選定）するとともに、回路基板部４を二段の回路基板部４ａと４ｂにより構成したものである。このように、回路ユニット部２２は、燃焼圧センサ５０ｓの外部に配するため、燃焼圧センサ５０ｓ自身の形状や大きさ等に左右されることなく任意に設計することが可能であり、設計自由度を飛躍的に高めることができる。

なお、その他、図７及び図８において、図１〜図６と同一部分には、同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、回路基板部４は、電気信号Ｓｄに対する増幅処理をはじめ、フィルタ処理等の他の処理機能を含ませることができる。また、ケーブル部２の他端は、コネクタ部４０を介してコントローラ９０のコネクタ部９１に接続（装着）する場合を示したが、コネクタ部４０及びコネクタ部９１を介することなく、コントローラ９０から直接導出させる場合を排除するものではない。

本発明の最良の実施形態に係る燃焼圧センサ用伝送ケーブルの要部における内部構造図、 同燃焼圧センサ用伝送ケーブルの全体外観図、 同燃焼圧センサ用伝送ケーブルにおける回路ユニット部の断面図、 同燃焼圧センサ用伝送ケーブルにおけるコネクタ部の外観斜視図、 同燃焼圧センサ用伝送ケーブル，燃焼圧センサ及びコントローラにおける全体の電気系統図、 同燃焼圧センサ用伝送ケーブルを接続した燃焼圧センサをエンジンに付設した状態を示す構成図、 図１に示す燃焼圧センサ用伝送ケーブルにおける回路ユニット部の変更実施形態を示す外観図、 同燃焼圧センサ用伝送ケーブルにおける回路ユニット部の他の変更実施形態を示す断面図、

１ａ：燃焼圧センサ用伝送ケーブル，２：ケーブル部，３：コネクタ部，４：回路基板部，１１：充填材，２１：コネクタ本体部，２２：回路ユニット部，２３：コネクタベース部，２３ｓ：コネクタ基部，２３ｃ：ケーシング部，５０ｓ：燃焼圧センサ，５１：圧電素子，９０：コントローラ，Ｍ：内燃機関，Ｍｒ：燃焼室，Ｓｄ：電気信号

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室の圧力を検出して電気信号に変換する圧電素子から得られる当該電気信号を出力する燃焼圧センサとこの燃焼圧センサから出力する電気信号を利用するコントローラとを接続する伝送ケーブルであって、ケーブル部の一端に前記燃焼圧センサから出力する電気信号が入力するコネクタ部を設けてなる燃焼圧センサ用伝送ケーブルにおいて、コネクタ基部とケーシング部からなるコネクタベース部を導電性材料で一体形成し、前記コネクタ基部を利用して前記燃焼圧センサに接続するコネクタ本体部を構成するとともに、前記ケーシング部の内部に、前記燃焼圧センサからの電気信号を少なくとも増幅処理して前記ケーブル部に出力する回路基板部を収容し、かつ当該回路基板部を覆う絶縁性を有する充填材を充填することにより回路ユニット部を構成してなるコネクタ部を備えることを特徴とする燃焼圧センサ用伝送ケーブル。

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