JP5359647B2 - 筒内圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための筒内圧検出装置に関するものである。

従来、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための筒内圧検出装置として、特許文献１に示されるものがある。この筒内圧検出装置は、筒状とされたセンサ本体の先端位置にダイアフラム部が備えられた構成とされており、センサ本体がエンジンヘッドに形成された挿入孔内に挿入され、ダイアフラム部が燃焼室に露出させられることで、ダイアフラム部に燃焼圧が印加されるようになっている。燃焼圧に応じてダイアフラム部が変位すると、その変位が圧電体に伝えられ、圧電体に電圧変化が発生するため、この電圧変化に基づいて燃焼圧に応じた電気信号を出力させることにより、燃焼圧を検出している。

そして、このような筒内圧検出装置において、ダイアフラム部の熱膨張による出力誤差の低減を図るために、特許文献１に記載された筒内圧検出装置では、ダイアフラム部の薄肉部の中央部を囲む周囲部を凹凸形状にしている。これにより、ダイアフラム部の薄肉部が熱膨張によって伸びても周囲部の凹凸形状部分によって上下方向の変位が相殺されることで中央部の変位を抑制でき、熱歪による出力の誤差（以下、熱歪み誤差という）の低減を図ることができる。

特開２００４−３４７３８７号公報

熱歪み誤差は、燃焼時のダイアフラム部への火の当り方などによって決まり、エンジンの形状や燃焼条件等によってバラツキが生じるし、燃焼サイクル毎でもバラツキがあることから、補正することが困難である。このため、燃焼時のダイアフラム部への火の当り方にかかわらず、ダイアフラム部自体で熱歪み誤差を最小に抑えられるようにすることが必要になる。このため、上記した特許文献１においては、ダイアフラム部の薄肉部を凹凸形状にすることで、ダイアフラム部の中央部の変位が抑制されるようにしている。

しかしながら、熱歪み誤差を最小にするには凹凸形状をμｍオーダーで調整しなければならない。この調整は、プレス成形等で形成したダイアフラム部に対して圧力伝達部材が接触するようにセンサ本体をアッセンブリ化させたのち、圧力伝達部材を通じて押圧力を加えることで行われる。このとき、初期状態において圧力伝達部材に加えられる押圧力の範囲が決まっており、その範囲内の押圧力を印加することで、ダイアフラム部の突き出し量もしくは引っ込み量が最適範囲に収まるようにしなければならない。このため、調整に時間が掛かるし、ダイアフラム部の突き出し量もしくは引っ込み量が最適範囲に収まらず、不良になることもある。その結果、製品コストが高くなるという問題を発生させる。

本発明は上記点に鑑みて、ダイアフラム部の熱歪み誤差の更なる低減を図ることができる筒内圧検出装置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、燃料室と接して配置され、燃焼圧に応じて該燃焼圧の印加方向に変位するダイアフラムとして機能する薄肉部（５２）と、薄肉部（５２）の外周を囲み燃焼圧の印加方向において薄肉部（５２）よりも厚くされた外縁部（５１）とを有するダイアフラム部（５）と、ダイアフラム部（５）における薄肉部（５２）の中央部（５２ａ）に接触させられることで燃焼圧に応じた力を伝達する力伝達部（３）と、力伝達部（３）から伝えられる力に対応する電気出力を発生させる力検出部（１）と、力検出部（１）が発生させる電気出力を外部に取り出す信号取出部（２）と、力検出部（１）と信号取出部（２）および力伝達部（３）を収容するケース（４）とを有してなる筒内圧検出装置において、ダイアフラム部（５）における外縁部（５１）に、薄肉部（５２）の周囲を全周囲むダイアフラム溝部（５３）を形成することを特徴としている。

このように、ダイアフラム部（５）の外縁部（５１）に対してダイアフラム溝部（５３）を形成している。このため、ダイアフラム溝部（５３）により、薄肉部（５２）の径方向の拘束力が減少し、薄肉部（５２）が径方向へ熱歪みし易くなる。これにより、薄肉部（５２）の熱膨張を径方向外側に逃がすことが可能となり、薄肉部（５２）の中央部（５２ａ）の変位量をより抑制することが可能となる。したがって、より中央部（５２ａ）の変位量を十分に抑制でき、燃焼圧に対する薄肉部（５２）の変位方向の熱歪み誤差を低減することができる。

具体的には、請求項１に記載の発明では、外縁部（５１）において、ダイアフラム溝部（５３）よりも薄肉部（５２）側に、薄肉部（５２）に繋がり、外縁部（５２）の他の部分よりも径方向の厚みが薄くされた側壁部（５４）が形成されるようにしている。ダイアフラム溝部（５３）の深さは任意であるが、請求項２に記載したように、薄肉部（５２）の厚み以上とされていると好ましい。

なお、上記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実施形態にかかる筒内圧検出装置の断面構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した筒内圧検出装置について説明する。この筒内圧検出装置は、例えば車両に備えられるエンジンの各気筒のエンジンヘッドの先端位置に装着され、各気筒の燃焼室内の燃料圧の検出に用いられる。図１に、本実施形態にかかる筒内圧検出装置１００の断面構成を示す。以下、図１に基づき、本実施形態の筒内圧検出装置１００の構成について説明する。

図１に示される筒内圧検出装置１００は、燃焼室の一部を構成するエンジンヘッド１０１に形成されたセンサ装着穴１０２内に図１の紙面下方から挿入されることで組み付けられ、燃焼室内の燃焼圧を検出する。この筒内圧検出装置１００には、力検出部１、信号取出部２、力伝達部３、ケース４およびダイアフラム部５が備えられている。

力検出部１は、燃焼圧に応じた力を検出し、電気信号として出力する部分であり、力伝達ブロック１１および力検出ブロック１２を備えた構成とされている。

力伝達ブロック１１は、力伝達部３を介して伝えられる燃焼圧に応じた力を力検出ブロック１２に対して均等に加えるものである。例えば、紙面上方から見た上面形状が円形もしくは正方形などで構成され、上面および底面が平面状のブロック部材で構成されている。

力検出ブロック１２は、圧縮荷重検出素子にて構成され、例えば、シリコン基板をベースとしたセンサチップとされ、シリコン基板の表層部に歪ゲージもしくはピエゾ抵抗などの圧電素子等が形成されることにより構成されている。この力検出ブロック１２は、例えば、力伝達部３および力伝達ブロック１１を介して燃焼圧と対応する荷重が加えられることによって圧電素子の出力値に変化が生じるため、これに基づいて燃焼圧を検出する。例えば、力検出ブロック１２が半導体歪ゲージ式の場合、力検出ブロック１２に対して定電流が流されるが、受けた荷重に応じて抵抗値が変化し、それに伴って両端電圧（電圧降下量）が変化することから、その両端電圧を出力値として出力することによって燃焼圧を検出することができる。

信号取出部２は、力検出部１に対して電圧印加などを行うと共に、力検出部１が出力する電気信号を筒内圧検出装置１００の外部に備えられた電子制御装置等の外部装置に取り出すものであり、配線部２１と封止材料２２およびステム２３を備えた構成とされている。

配線部２１は、筒内圧検出装置１００の外部に備えられた電子制御装置等の外部装置から力検出ブロック１２に対して所望の電圧印加もしくは電流供給を行ったり、力検出ブロック１２からの電気信号を筒内圧検出装置１００の外部装置に出力するためのものである。具体的には、配線部２１は、外部との接続用ターミナルとなる端子２１ａと、力検出ブロック１２の所望箇所と端子２１ａとを電気的に接続するためのボンディングワイヤ２１ｂにて構成されている。

封止材料２２は、例えば高融点ガラスなどにて構成され、ステム２３に対する絶縁を確保しつつ所定位置において端子２１ａを固定している。

ステム２３は、ケース４に形成された中空部内に配置されている。このステム２３には、力検出部１が接着等によって接合されていると共に、配線部２１のうちの端子２１ａが固定されている。このため、ステム２３をケース４内に固定することにより、ケース４内において力検出部１、配線部２１およびステム２３の位置決めが行われている。ステム２３には、上記挿入方向に対して平行な貫通孔２３ａが形成されており、この貫通孔２３ａ内に端子２１ａが配置されている。そして、端子２１ａの両端がステム２３の両端面から突き出し、このうちの一方の端部にボンディングワイヤ２１ｂによるボンディングが行われることで、配線部２１を通じた力検出ブロック１２と筒内圧検出装置１００の外部との電気的接続が行える構造とされている。

力伝達部３は、ダイアフラム部５に対して燃焼圧が加えられた時に、その燃焼圧に対応する力を力検出部１に対して伝達するものであり、半球３１とロッド３２およびチューブ３３を備えた構成とされている。

半球３１は、球面と円形平面とを有し、円形平面が力伝達ブロック１１側に向けられるようにして力伝達ブロック１１上に配置されている。この半球３１は、ロッド３２を介して球面側にて検出対象となる燃焼圧に応じた荷重を受け、円形平面側にて力伝達ブロック１１の表面部を押すことで、力検出ブロック１２に検出対象となる燃焼圧に応じた荷重をかける。

ロッド３２は、例えば円柱部材などの柱状部材で構成され、一端が半球３１の頂点に接すると共に他端がダイアフラム部５に接している。このロッド３２により、ダイアフラム部５の変位が半球３１を介して力検出部１に伝達されると共に、燃焼室内の燃焼ガスの高温が力検出ブロック１２に伝達されることを緩和している。ロッド３２の材質は特に限定されないが、ヤング率および耐熱性が高く、熱伝導率および比重が小さい材質が好ましいことから、例えば、セラミックや石英などでロッド３２を構成している。

チューブ３３は、ロッド３２の外周を囲むように配置され、ケース４の内壁とロッド３２との間に圧入されている。これにより、ロッド３２がケース４から脱落することが防止されていると共に、ロッド３２の中心軸の位置決めがなされている。チューブ３３の材質も特に限定されないが、耐熱性と伸縮性を持つ材質であることが好ましいため、例えばシリコンゴムなどによってチューブ３３を構成している。

ケース４は、力検出部１、信号取出部２および力伝達部３を収容するものであり、インナーハウジング４１とアウターハウジング４２および予荷重調整パイプ４３を備えた構成とされている。

インナーハウジング４１は、例えばＳＵＳ等で構成され、中空部を有する円筒状部材で構成されている。このインナーハウジング４１の中空部内には、力検出部１、信号取出部２および力伝達部３が収容されている。具体的には、インナーハウジング４１の内壁には、エンジンヘッド１０１に形成されたセンサ装着穴１０２への挿入方向において内径を縮小する段差部４１ａが備えられている。この段差部４１ａよりも上記挿入方向後方（内径が大きい側）に半球３１、力検出部１および信号取出部２が配置され、段差部４１ａよりも上記挿入方向前方（内径が小さい側）にロッド３２およびチューブ３３が配置されている。そして、このインナーハウジング４１の先端（挿入方向先端）においてダイアフラム部５が溶接等により固定されている。

アウターハウジング４２は、インナーハウジング４１の外周を囲むように配置され、インナーハウジング４１や予荷重調整パイプ４３と共に力検出部１、信号取出部２および力伝達部３をエンジンヘッド１０１に固定するためのものである。具体的には、アウターハウジング４２の中空部内にインナーハウジング４１をアウターハウジング４２の先端側から挿入したのち、アウターハウジング４２の先端とインナーハウジング４１の外周面とが溶接等によって固定されている。そして、アウターハウジング４２の外周部に雄ネジ溝４２ａが形成されており、この雄ネジ溝４２ａを利用してアウターハウジング４２が雌ネジ溝１０２ａが形成されたセンサ装着穴１０２に対して固定される。このため、例えば、インナーハウジング４１内に予荷重調整パイプ４３、力検出部１、信号取出部２および力伝達部３を配置した状態で、インナーハウジング４１とアウターハウジング４２を一体化し、エンジンヘッド１０１に固定すれば、アウターハウジング４２内にこれらが収容された状態でエンジンヘッド１０１に固定される。

予荷重調整パイプ４３は、例えば円筒状部材で構成され、力検出ブロック１２に対して適切な荷重が印加した状態となるように、ステム２３のうち力検出ブロック１２が配置された側の端部と反対側の端部を押すための部品である。予荷重調整パイプ４３によりステム２３を押すことで力検出ブロック１２に対して適切な荷重を印加させ、その状態で予荷重調整パイプ４３をインナーハウジング４１に対して固定してある。インナーハウジング４１に対する予荷重調整パイプ４３の固定手法は、ネジ締結、圧入、接着もしくは溶接等、どのような手法であっても構わない。このように、予荷重調整パイプ４３がインナーハウジング４１に固定される構造、すなわちエンジンヘッド１０１に固定しない構造としているため、センサ本体が故障したときにも、センサ本体を容易に交換することが可能となる。なお、端子２１ａは、予荷重調整パイプ４３の中空部内を通過して、ステム２３とは反対側に引き出されており、外部との電気的接続が可能とされている。

ダイアフラム部５は、例えば耐熱のあるＳＵＳ６３０等の金属で構成され、接着もしくは溶接等によりケース４の先端、具体的にはインナーハウジング４１の先端に接続されている。このダイアフラム部５は、エンジンヘッド１０１におけるセンサ装着穴１０２から露出させられることで、燃焼室内の燃焼圧が印加されるようになっている。また、ダイアフラム部５のうち燃焼圧が印加される側の表面を受圧面とすると、ダイアフラム部５における外縁部５１のうちの受圧面側がセンサ装着穴１０２の先端に密着させられたシール面とされている。このようにダイアフラム部５とセンサ装着穴１０２との間がシールされることにより、燃焼室とセンサ装着穴１０２の内部とが完全に仕切られ、燃焼室内の燃料ガスがセンサ装着穴１０２側、つまりセンサ本体側に浸入することが防がれている。

具体的には、センサ装着穴１０２は先端において内径が縮小されており、その縮小された部分をシール面として、ダイアフラム部５の先端面が接触させられている。そして、ダイアフラム部５は、アウターハウジング４２の外周の雄ネジ溝４２ａがセンサ装着穴１０２の雌ネジ溝１０２ａに締結されることによってセンサ装着穴１０２の先端側のシール面に押圧されている。この押圧力（軸力）により、ダイアフラム部５とセンサ装着穴１０２のシール面との間の密着性が確保されている。

また、ダイアフラム部５は、外縁部５１よりも内側の部分が燃焼圧の印加方向において外縁部５１よりも厚みが薄くされた円形状の薄肉部（ダイアフラム）５２とされている。ダイアフラム部５とインナーハウジング４１との固定やセンサ装着穴１０２との接触は、この薄肉部５２を避けて外縁部５１のみにより行われており、外縁部５１よりも内側の薄肉部５２が燃焼室側に露出させられている。そして、薄肉部５２のうち燃焼室と反対側となる裏面においてロッド３２が接触させられている。このため、ダイアフラム部５のうちの外縁部５１よりも内側の薄肉部５２が燃焼圧に応じて変位し、この変位がロッド３２や半球３１および力伝達ブロック１１を通じて力検出ブロック１２に伝達されるように構成されている。

薄肉部５２は、ロッド３２と接触させられる中央部５２ａと、中央部５２ａの周囲を囲む周囲部５２ｂとを有した構成とされ、周囲部５２ｂが燃焼室側から見て凹まされた凹部、中央部５２ａが突出させられた凸部とされることで凹凸形状が構成されている。このような凹凸形状としてあるため、熱膨張によって周囲部５２ｂのうち中央部５２ａ側となる第１傾斜面５２ｃが伸びたとき、周囲部５２ｂのうち外縁部５１側となる第２傾斜面５２ｄも伸びる。このとき、第２傾斜面５２ｄの上端が外縁部５１に固定されているため、第２傾斜面５２ｄの上端の位置の変位は小さく、第２傾斜面５２ｄの下端が紙面下向きに変位させられる。このため、熱膨張によって中央部５２ａおよび第１傾斜面５２ｃが伸びたとしても、第１傾斜面５２ｃの下端が第２傾斜面５２ｄの下端と共に紙面下向きに変位させられることになり、第１傾斜面５２ｃの上端、つまり中央部５２ａの変位量が小さく抑えられる（上記特許文献１参照）。

さらに、本実施形態では、外縁部５１における受圧面側に、薄肉部５２の周囲を全周囲むようにダイアフラム溝部５３を形成してある。このダイアフラム溝部５３により、薄肉部５２の外周において薄肉部５２と繋がり、かつ、径方向の厚みが部分的に外縁部５１の他の部分よりも径方向の厚みが薄くされた側壁部５４が構成されている。

具体的には、ダイアフラム溝部５３は、ダイアフラム部５のうちセンサ装着穴１０２から露出させられている部分に形成され、例えば薄肉部５２から均一な距離の円形状とされている。この薄肉部５２からダイアフラム溝部５３までの距離により側壁部５４の厚みが規定されている。薄肉部５２からダイアフラム溝部５３までの距離について特に制限は無いが、側壁部５４の厚みが薄肉部５２の厚みと同じもしくはそれ以上とされ、かつ、ダイアフラム溝部５３から薄肉部５２までの距離よりもダイアフラム溝部５３から外縁部５１の外周面までの距離の方が長くなるように設定すると好ましい。また、ダイアフラム溝部５３の深さ（側壁部５４の高さ）についても、特に限定は無いが、薄肉部５２の厚みよりも深くされているのが好ましい。このようなダイアフラム溝部５３については、ダイアフラム部５をプレス成形等で形成する際に同時に形成しても良いし、レーザ加工などによって形成しても良い。

以上のような構造により、本実施形態にかかる筒内圧検出装置１００が構成されている。このような構造の筒内圧検出装置１００は、燃焼室内における燃焼圧がダイアフラム部５に印加されると、それに基づく荷重がロッド３２を介して半球３１に伝えられる。そして、その荷重が半球３１から力伝達ブロック１１を介して力検出ブロック１２に対して伝えられ、力検出ブロック１２から伝えられた荷重に応じた電気出力が発生させられる。この電気出力が燃焼圧に対応する出力として配線部２１を通じて筒内圧検出装置１００の外部に備えられた外部装置に伝えられることで、外部装置に対して燃焼圧を伝えることができる。

このような構造の筒内圧検出装置１００では、ダイアフラム部５の外縁部５１に対してダイアフラム溝部５３を形成し、薄肉部５２の外周に薄肉な側壁部５４が形成されるようにしている。このため、外縁部５１よりも薄肉となっている側壁部５４により、薄肉部５２の径方向の拘束力が減少し、薄肉部５２が径方向へ熱歪みし易くなる。これにより、側壁部５４が変位して薄肉部５２の熱膨張を径方向外側に逃がすことが可能となり、燃焼圧に対する薄肉部５２の変位方向における中央部５２ａの変位量をより抑制することが可能となる。したがって、周囲部５２ｂに備えた第１傾斜面５２ｃと第２傾斜面５２ｄのみでは、熱膨張によって中央部５２ａの変位量を抑制し切れなかったとしても、ダイアフラム溝部５３を形成して側壁部５４を備えることで、中央部５２ａの変位量を十分に抑制できる。

このように、本実施形態の構造によれば、中央部５２ａの変位量を低減できることにより燃焼圧に対する薄肉部５２の変位方向（紙面上下方向）の熱歪み誤差を低減できる。これにより、薄肉部５２の突き出し量もしくは引っ込み量の調整が容易になり、突き出し量もしくは引っ込み量が最適範囲に収まり易くなる。このため、調整に掛かる時間を短縮化できると共に、ダイアフラム部の突き出し量もしくは引っ込み量が最適範囲に収まらずに不良になることを防止することが可能となる。その結果、製品コストが高くなることも抑制できる。

さらに、上記のように、ダイアフラム部５の外縁部５１をセンサ装着穴１０２の先端に接触させることでシールを行う場合、シールを行うための押圧力（軸力）等の応力が薄肉部５２に影響する可能性がある。しかしながら、本実施形態ではダイアフラム溝部５３を形成しているため、そのような応力が緩和され、薄肉部５２に影響することを抑制することが可能となる。

なお、外縁部５１における径方向の厚みを全体的に薄くすれば、側壁部５４と同じ役割を果たすことも可能であるが、外縁部５１を全体的に薄くしてしまうと外縁部５１すべてが径方向外方に向かう拘束力を弱めてしまうことになる。このため、薄肉部５２が径方向外方に向かう拘束力を緩和するだけに留まらず、外縁部５１自体も径方向外方に伸びてしまい、結局熱歪み誤差を発生させることになる。このため、上記のように、ダイアフラム溝部５３を形成し、ダイアフラム溝部５３よりも内側だけ径方向外方の拘束力を弱め、外側では径方向外方の拘束力を確保することで、より的確に上記効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、ダイアフラム部５の外縁部５１をセンサ装着穴１０２の先端に接触させることでシールを行う場合について説明したが、ケース４の外周面においてシールが行われるようにしても良い。

また、上記実施形態では、周囲部５２ｂが燃焼室側から見て凹まされた凹部、中央部５２ａが突出させられた凸部とされることで凹凸形状が構成されるようにしているが、周囲部５２ｂが凸部、中央部５２ａが凹部とされることで凹凸形状が構成されていても良い。

さらに、上記実施形態で説明した筒内圧検出装置１００の構造は、単なる一例を示したに過ぎず、種々の設計変更を行うことができる。例えば、ネジ締結によってケース４をエンジンヘッド１０１に固定しているため、ケース４を円筒形状としたが、これらを溶接等によって接合するのであれば、ケース４の形状を必ずしも円筒形状にする必要は無い。各構成要素の材質などについても単なる一例を示したに過ぎず、上述した材質と異なる材質のものを用いることもできる。

１ 力検出部
２ 信号取出部
３ 力伝達部
４ ケース
５ ダイアフラム部
１１ 力伝達ブロック
１２ 力検出ブロック
５１ 外縁部
５２ 薄肉部
５２ａ 中央部
５２ｂ 周囲部
５２ｃ 第１傾斜面
５２ｄ 第２傾斜面
５３ ダイアフラム溝部
５４ 側壁部
１００ 筒内圧検出装置
１０１ エンジンヘッド
１０２ センサ装着穴

Claims (2)

1. エンジンヘッド（１０１）に形成されたセンサ装着穴（１０２）に配置され、燃料室内の燃焼圧に応じた電気出力を発生させる筒内圧検出装置であって、
   前記燃料室と接して配置され、前記燃焼圧に応じて該燃焼圧の印加方向に変位するダイアフラムとして機能する薄肉部（５２）と、前記薄肉部（５２）の外周を囲み前記燃焼圧の印加方向において前記薄肉部（５２）よりも厚くされた外縁部（５１）とを有するダイアフラム部（５）と、
   前記ダイアフラム部（５）における前記薄肉部（５２）の中央部（５２ａ）に接触させられることで前記燃焼圧に応じた力を伝達する力伝達部（３）と、
   前記力伝達部（３）から伝えられる力に対応する電気出力を発生させる力検出部（１）と、
   前記力検出部（１）が発生させる電気出力を外部に取り出す信号取出部（２）と、
   前記力検出部（１）と前記信号取出部（２）および前記力伝達部（３）を収容するケース（４）と、を有し、
   前記ダイアフラム部（５）における前記外縁部（５１）には、前記薄肉部（５２）の周囲を全周囲むダイアフラム溝部（５３）が形成されており、
   前記外縁部（５１）には、前記ダイアフラム溝部（５３）よりも前記薄肉部（５２）側に、前記薄肉部（５２）に繋がる側壁部（５４）が形成されており、該側壁部（５４）の厚みが前記薄肉部（５２）と同じ厚みであることを特徴とする筒内圧検出装置。
2. 前記ダイアフラム溝部（５３）の深さは、前記薄肉部（５２）の厚み以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧検出装置。

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