JP5726408B2 - 内燃機関エンジンのためのピエゾ抵抗圧力測定プラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関エンジンのシリンダーへ挿入するためのプラグ本体を有する内燃機関エンジンのための圧力測定プラグに関し、ロッドがプラグ本体内に配置され、感知構造がロッドとプラグ本体との間に配置され、感知構造がシリンダーの内燃機関チャンバ内に広がる圧力によって作動され、それによりロッドがシリンダーの内燃機関チャンバ内の圧力を感知構造へ伝達し、ロッドは、プラグ本体に対する軸方向の摺動により変位できるようにプラグ本体内に配置され、その結果、内燃機関チャンバ内の圧力がプラグ本体に対する加熱ロッドの軸方向の移動となり、その移動の結果として感知構造は荷重により動作される。

上記タイプの圧力測定プラグは、特許文献１および特許文献２によって公知である。

これらの公知の圧力測定プラグにおいて、加熱ロッドは、プラグ本体の全長を軸方向に摺動により移動可能である。上記タイプの圧力測定グロー（glow）プラグにより、内燃機関の圧力は、加熱ロッドを経由して圧力センサに直接に伝達される。

公知の圧力測定プラグは、グローロッドの長さに依存する約８−９ｋＨｚの共振周波数を有する。これにより圧力センサの出力の帯域幅は、３−４ｋＨｚに制限される。

将来のガソリンおよびディーゼルエンジンのための進化した内燃機関の方法は、全体のエンジンサイクル（圧縮−燃焼−排気サイクル）中の各内燃機関シリンダーからの正確な圧力のフィードバックを得ることに依存する。この方法は、予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition）内燃機関を含んでもよいし、含まなくてもよく、また、高速かつ正確な圧力応答性を必要とする高圧力リリースレート（release rates）になり得る。高速な圧力センサは、ここでは、高帯域幅の応答性および低応答時間を有するセンサを指す。連続的かつリアルタイムで内燃機関シリンダー内の圧力を測定する必要がある。

ガソリンエンジンでは、エンジンすなわち自己着火（self-ignition）のノッキングは、おおよそ７ｋＨｚの周波数で内燃機関チャンバ内の圧力過程で見ることができる。周波数スペクトルにおいてもまた、例えば１４ｋＨｚのノッキング周波数の高調波の周波数が見られる。こうした観点から、公知のプラグよりも高い帯域幅を有する圧力測定プラグが必要とされる。

さらに公知の圧力測定プラグでは、ピエゾ抵抗素子から得られた信号を測定しかつ調整する圧力センサとそれに対応する電子部品は、プラグ本体の開放端の先端に搭載されたハウジング内に位置される。圧力測定プラグがエンジンへ挿入された後、ハウジングは、エンジンの外側にある。それ故、電子部品の温度は、エンジンの外側の温度に対応する。あるアプリケーションでは、圧力測定プラグは、内燃機関のターボチャージャーまたはその他の熱源の付近に配置される。ターボチャージャーは、おおよそ２００℃まで環境温度を上昇させる。外部の温度（これは、通常、０−３０℃の範囲内にある）から運転中の２００℃までの標準的な温度変化は、電子部品にストレスを与え、かつ故障率を増加させる。

さらに、測定されるべき最大の圧力は増加する。結果として、ハウジング上の搭載荷重は増加する。ハウジング上の搭載荷重は、公知のロッドが設けられた圧力測定プラグにおいて、センサ信号のオフセットとなり、このことは、プラグをエンジンに搭載した後に、センサの電子部品がオフセットを補償しなければならないことを必要とする。特許文献３は、ハウジング内に挿入されかつ溶接によりハウジングの開口に固定された円筒状の測定ボディを有する圧力測定プラグを開示している。

米国特許第７２２８７３０号 米国特許出願第２００５／００６１０６３号 ヨーロッパ特許出願第０７９３０８２Ａ１号

本発明の目的は、改良された圧力測定プラグを提供することである。

本発明によれば、センサの構成は、
内燃機関エンジンのシリンダーへ挿入されるプラグ本体と、
プラグ本体内に配置されるロッドと、
ロッドとプラグ本体との間に配置された感知構造とを有し、
感知構造は、使用時に、シリンダーの内燃機関チャンバ内に行き渡る圧力により作動され、これにより、ロッドはシリンダーの内燃機関チャンバ内の圧力を感知構造へ伝達し、それは、感知構造へ荷重を印加するようにプラグ本体に対するロッドの軸方向の移動となる内燃機関チャンバ内の圧力によって生じる。
感知構造は、プラグ本体内に一体に配置され、感知構造に搭載されたピエゾ抵抗素子は、ロッドが軸方向に移動されたとき抵抗の変化を提供する。

本発明による圧力測定プラグは、感知構造がプラグ本体の外部に位置決めされた公知のピエゾ抵抗シリンダー圧力センサの短所を取り除くものであり、その長さは、エンジン本体の厚みにより規定される。プラグ本体の長さは、グローロッドもしくは荷重伝達ロッドの長さを規定する。この長さは、圧力センサの帯域幅を制限する。

新しい小型化された感知構造は、感知構造を内燃機関シリンダーへ向けて移動させることを可能にし、このためロッドの長さを減少させることができる。より短いロッドを使用することにより、ロッドの質量は減少し、これは、感知構造へ伝達されるべき内燃機関チャンバ内の圧力に対するロッドの慣性を減少させる。

さらなる効果は、感知構造に対するロッド先端の軸方向の移動が減少することである。ロッドに作用する圧力は、軸方向にロッドを圧縮する。これにより、ロッドの長さは変化する。それゆえ、ロッド先端の軸方向の移動は、ロッドが感知構造に結合された軸方向の移動よりも大きくなる。さらに、ロッドの長さは温度変化により変動する。圧力測定プラグは、内燃機関内の行き渡る圧力に対してロッドとプラグ本体との間に完全な気密性の高いシール部材を含み、加熱ロッドがプラグ本体内で軸方向にフリクションフリー（摩擦なし）で移動することができることを保証する。シール部材は、すべての軸方向の移動、すなわち熱膨張、および圧力による軸方向の圧縮に従うように適していなければならない。感知構造をロッド先端へ移動させることにより、シール部材と感知構造との間のロッドの長さは減少され、その結果、シールが橋渡ししなければならない全体の軸方向の移動が減少する。これにより、より単純で安価なシール部材の利用が可能となる。

本発明の実施例では、使用時に感知構造は、感知構造に印加された荷重により軸方向に圧縮され、感知構造に搭載されたピエゾ抵抗素子は、圧縮による軸方向の表面歪みに対応する抵抗の変化を提供する。

本発明のその他の実施例では、感知構造は、メンブレイン（薄膜）構造であり、これは、ロッドの軸方向の移動を半径方向の表面歪みに変換し、感知構造に搭載されたピエゾ抵抗素子は、ロッドが軸方向に移動されたとき、半径方向の表面歪みを表す抵抗の変化を提供する。さらなる実施例では、本体中央部は、環状ＰＷＢ(プリント配線板)をプラグ本体に位置決めするための環状フランジを含む。環状フランジは、環状ＰＷＢをピエゾ抵抗素子の近傍に位置させることを可能にし、かつピエゾ抵抗素子を最小限の機械的な結合でＰＷＢに接合させることを可能にする。

本発明のさらに別の実施例では、内燃機関エンジンのシリンダーへ挿入するためのプラグ本体を含むセンサの構成において、プラグ本体は、本体下方部と本体中央部を含み、本体下方部は、エンジンに挿入されたときに本体下方部と内燃機関エンジンとの間のシールを提供するためのシール表面部を含んでいる。さらに本体下方部は、シール表面部に連結された端部に細長い中空の本体部を含み、細長い中空の本体部は、フリクションフリーで本体中央部内に延在する。感知構造は、シール表面部に連結された端部の反対側にある本体下方部の端部に取り付けられる。

本発明による圧力測定プラグは、搭載荷重の影響に対する感度が著しく少ない。加熱ロッドが設けられた公知のシリンダー圧力センサでは、前方のシールは、プラグ本体の外側に位置決めされた感知構造に初期引張り荷重を与える。プラグがエンジンに搭載されると、プラグ本体は、縦軸に沿って圧縮され、かつ／または、変形され、これは、感知部材に搭載荷重を与える。細長い中空の本体を使用することにより、感知構造は、プラグがエンジンに搭載されるときに変形され得るプラグ本体部から距離をもって機械的に位置される。その結果、プラグ本体のいかなる変形も感知構造に対する影響はほとんどない。

本発明の実施例では、ピエゾ抵抗圧力測定プラグはさらに、本体下方部と圧力荷重インターフェース面との間のシールを提供する前方メンブレインを含む。この方法では、プラグとの流体の接触エリアは、プラグ本体のシール部分、前方メンブレインおよびロッドに減少される。さらに、高い圧力は、前方メンブレインとロッドにのみ直接的に作用し、このことは、細長い中空の本体に作動する圧力に関して高い要求を抑制させる。

本発明の実施例において、圧力荷重インターフェース部は、ロッドを収容するための貫通孔を含む細長いインターフェース本体である。さらなる実施例では、貫通孔の端部の片方では、細長いインターフェース本体は、感知構造に接続され、貫通孔の反対側の端部では、細長いインターフェース本体は前方メンブレインに接続される。これらの特徴は、キャリブレートされた圧力プラグサブアッセンブリの製造を可能にし、加熱ロッドもしくは温度ロッドを貫通孔へと挿入し、かつロッドを圧力荷重インターフェース部分の自由端に溶接することにより、他の製造業者によって完成され得る。ロッドの追加とエンジンへの搭載との双方は、センサ信号のオフセットの原因となるキャリブレートされた感知構造を変形させないので、圧力センサのキャリブレーションは、センサグロープラグを完成させた後に必要とされない。

本発明の実施例において、感知構造（１０４）は、プラグ本体に一体に位置される。新しい小型化された感知構造は、感知構造を内燃機関シリンダーへ向けて移動させることを可能にし、このため、ロッドの長さを縮小できる。より短いロッドを使用することにより、ロッドの質量は減少し、質量の減少は、感知構造へ伝達されるべき内燃機関のチャンバ内の圧力についてのロッドの慣性を減少させ、従ってセンサの帯域幅を増加させる。

本発明は、例示的実施例を用い、添付した図面を参照することで、下記に詳細に説明される。
図１は、本発明によるセンサの構成の第１の実施例の断面図を示す。 図２は、ロッド、感知構造およびＰＷＢの斜視図を示す。 図３は、感知構造の第１の実施例の斜視図を示す。 図４は、圧力測定プラグの第１の実施例の先端領域の拡大された断面図を示す。 図５は、感知構造の第２の実施例の斜視図を示す。 図６は、圧力測定プラグに作用する荷重の原理を説明する。 図７は、センサの構成の第３の実施例の斜視図を示す。 図８は、第３の実施例の拡大された斜視図を示す。 図９は、センサの構成の第４の実施例の断面図を示す。

本発明による圧力測定プラグ１００の第１の実施例が図１に示されている。圧力測定プラグ１００は、ロッド１０２、プラグ本体１１０、１０８、１０６、感知構造１０４、センサの電子部品が搭載されたＰＷＢ１１４、およびセンサの電気的接続１１６を含む。センサの電気的接続１１６は、ハウジング１１８内に配置され、ハウジング１１８は、プラグ本体１０６、１０８、１１０内のキャビティ（空洞）を周囲から密封するように配置され、感知構造１０４とセンサの電子部品１１４がキャビティ内に配置される。

図１で示された実施例の例示において、プラグ本体１１０、１０８、１０６は、本体下方部１１０、本体中央部１０８および本体上方部１０６を含み、これらは、互いに機械的に接続される。本体下方部１１０は、封止する円錐を有する内燃機関チャンバ側に提供され、それによって、圧力測定プラグは、シリンダーヘッドの内燃機関の圧力を封止する。本体中央部１０８は、感知構造１０４を包含する。感知構造１０４のセンサの電気的接続側は、本体中央部１０８に機械的に剛性をもって接続される。本体上方部１０６は、圧力測定プラグ１００を内燃機関エンジンへ固定するために構成されたネジ山の本体部分であり、本体上方部１０６は、ＰＷＢ１１４上のセンサ電子部品を取り囲むように構成され、電子部品は、感知構造１０４に搭載されたピエゾ抵抗素子の抵抗変化を測定し、かつそこから調整された測定信号を生じさせるように構成される。センサの電子部品は、ＰＷＢ１１４に搭載されることができ、ＰＷＢ１１４は、プラグ本体１０６、１０８、１１０の本体の軸に平行に配置される。センサの電子部品は、次の動作の少なくとも１つを実行するように構成されたＡＳＩＣを有する：圧力センサ、すなわちピエゾ抵抗素子から得られた信号の温度補償、圧力センサから得られた信号のキャリブレーション（補正）、内部故障検出、圧力センサからの信号を調整された測定信号に変換すること。

ロッド１０２は、圧力測定プラグ内に配置され、プラグ本体１１０、１０８、１０６に対して軸方向に摺動するように移動可能であり、内燃機関のチャンバ内の圧力の変動がプラグ本体１１０、１０８、１０６に対するロッド１０２の軸方向の移動になる。この軸方向の移動により、荷重が感知構造１０４に作用する。ロッド１０２は、加熱するロッド、荷重伝達ロッド（ダミーロッド）、あるいは温度を測定するロッドであることができる。最後のケースでは、ロッドは、温度感知性の電気的部材１２０を含み、その温度感知性の電気的部材１２０は、適切な測温抵抗体（ＲＴＤ）、熱電対（thermo couple）、もしくはＮＴＣ抵抗のようなサーミスタであることができる。

ロッド１０２は、感知構造１０４と、ロッド１０２およびプラグ本体１１０、１０８、１０６間にあるシール部材１１２にしっかりと機械的に接続される。シール部材１１２は、ロッド１０２がプラグ本体１１０、１０８、１０６内で軸方向にフリクションフリーで移動することができることを保証する。

図に示された圧力測定グロープラグは、図６に示される次の方法で動作する。

内燃機関の圧力、もしくはピストンの圧縮による圧力５２の結果として、ロッド１０２（これは、加熱ロッド、荷重伝達ロッドもしくは温度測定ロッドであり得る）は、感知構造１０４に向かう軸方向５４に変位され、感知構造１０４は、プラグ本体１１０、１０８、１０６内で接続側のロッド１０２の端部に着座し、感知構造に、ピエゾ抵抗センサ、ワイヤ歪みゲージ（wire strain gauge）もしくは類似の測定部材２０６が搭載される。この変位により、ロッド１０２は、感知構造１０４に一定の荷重で押圧し、その結果、感知部材は、軸方向５０にプラグ本体１１０、１０８、１０６と相対的に圧縮され、測定部材に引張りや荷重の変化が生じ、これは、適切な評価電子部品によって測定信号に処理される。圧縮は、５６で示された感知構造１０４の長さの変化となる。

プラグ本体内に感知構造を有することにより、軸方向に移動する全体の質量および本体の長さは、ロッドがプラグ本体の全体に沿って延在するようなプラグ本体の端部に配置された感知構造に対して著しく縮小される。

質量および長さの減少は、従来技術の構造よりも高い帯域幅を有する圧力測定のための構造となる。

さらに、感知構造１０４とセンサの電気的接続１１６との間のプラグ本体内のキャビティは、センサの電子部品を搭載するＰＷＢ１１４を位置させるために使用され得る。これにより、ハウジング１１８の大きさを縮小することができ、これは、スペースが制限された場所で取付けを行うことができるより小さな製品となる。

さらに、ネジ山が設けられた本体部１０６内のＰＷＢ１１４にセンサ電子部品を配置させることにより、キャビティ内の温度は、主に、エンジンの温度によって決定される。製品のネジ山の部分は、エンジン冷却システムにより冷却され、従って、ネジ山部分のキャビィ内に位置されたセンサ電子部品は、極端な温度にはならないだろう。プラグがターボ発生器や排気マニホルドなどの近傍に搭載されたとき、コネクター側では、高い温度、すなわち１５０℃が予想され得る。より低い最大温度および低減された温度変化の範囲は、圧力測定プラグの製品寿命を改善する。

図２は、ロッド１０２、感知構造１０４およびプリント配線版（ＰＷＢ）１１４の斜視図を示す。ＰＷＢ１１４は、センサの電子部品を搭載する。ＰＷＢは、感知構造１０４の平坦な表面エリア上に搭載される。さらに、平坦な表面エリアには、ピエゾ抵抗特性を有する歪みゲージ２０６が搭載される。ＰＷＢ１１４の接触領域２１２は、歪みゲージ２０６をＰＷＢ１１４上のセンサ電子部品に接続するために用いられる。さらに、接触領域２１２は、加熱ロッドの加熱部材に、もしくはロッド内に設けられた温度感知部材に接続するように用いられ得る。さらに、本体中央部１０８が図２に示されている。感知構造１０４は、コネクター側で本体中央部１０８にしっかりと接続され、かつ内燃機関チャンバ側で本体中央部１０８内にフリクションフリーで位置決めされる。本体中央部１０８は、感知構造１０４およびＰＷＢ１１４を有するプラグ本体内のキャビティを内燃機関チャンバの圧力から封止するために、シール部材（図２では示されていない）が機械的に接続される外部シャフト２１４を含んでいる。

図３は、ピエゾ抵抗特性を有する歪みゲージ構造２０６が搭載された感知構造１０４の実施例の斜視図である。感知構造１０４は、任意に切断された部分や局所的に薄くされた壁を有するチューブである。歪みゲージ構造２０６は、感知構造１０４の平坦な外表面３０２に搭載される。ある実施例では、感知構造１０４は、対称構造を与えるために感知構造１０４の対向する側に２つの平坦な表面を含む。平坦な表面３０２は、感知構造１０４の軸中心から外れて位置される。

さらに感知構造１０４は、歪みゲージ２０６が位置される場所でより薄く形成される。これによって、その場所での軸方向の圧縮が大きくなり、その結果、歪みゲージ構造２０６の下にある表面エリアの歪みが大きくなる。歪みゲージ構造２０６の位置近傍の感知構造１０４の壁にある穴３１０は、感知構造１０４に同じ軸方向の圧力が印加されたとき、軸方向の圧力を増大させるために設けることができる。

図３で示された感知構造１０４は、ロッド１０２の円柱状の端部を受け取るように設計された外部シャフト３０６を含む。さらに、感知構造１０４は、軸方向のキャビティ３０４を含み、加熱ロッドの中央電流ピンもしくは導体４０６が感知構造１０４を介してあるいは少なくとも外部シャフト３０６を介して突き出ることを可能にする。ある実施例では、軸方向キャビティ３０４は、感知構造１０４を通るチャンネルを形成し、ワイヤ４２４が、中央電流ピン４０６を、センサ電子部品を搭載するＰＷＢ上の回路に接続することを可能にする。この場合、ＰＷＢ上のワイヤは、加熱ロッドを加熱するために必要とされる電流を導電するのに適していなければならない。ロッドが温度センサを含む場合、キャビティ３０４は、温度センサと、ＰＷＢ上の温度センサ用電子部品またはセンサの電気的接続１１６との間の電気的接続を通すために利用される。

歪みゲージ構造２０６は、ガラス接合（glass bonding）を利用して平坦な外表面３０２に搭載される。歪みゲージ構造２０６は、ピエゾ抵抗材で作られ、ハーフまたはフルのホイートストンブリッジに使用されるべく２つもしくは４つの歪みゲージを含んでいる。

図５は、感知構造１０４’のもう一つの実施例の斜視図であり、平坦な部分３０２は、プラグ本体１０６、１０８、１１０の中心の本体軸（centric body axis）近傍の中立な曲げ線（neutral bending line）に位置決めされる。歪みゲージは、中立な曲げ線に一致する平坦な部分上の位置に接合される。中立な曲げ線上に歪みゲージを有することで、感知構造１０４’の曲げを引き起こすプラグ本体のロッドの揺れまたは振動（wagging）は、歪みゲージ構造２０６の抵抗値の最小限の変化となる。本実施例では、感知構造の中心の本体軸に沿った軸方向のチャネルは存在しない。図３の感知構造と同様に、感知構造１０４’は、外部シャフト３０６を含み、外部シャフト３０６上にロッド１０２の円筒状の端部が押し込まれかつ溶接され、しっかりとした剛性のある接続が形成される。外部シャフト３０６は、チャンネルの一部を含むことができ、加熱ロッドの加熱部材またはロッド内の温度センサと、センサ電子部品を搭載するＰＷＢ１１４との間のワイヤによって電気的接続を可能にする。さらに、感知構造１０４’は、ＰＷＢを位置決めしかつ平坦な部分３０２にＰＷＢを搭載するための開口５０２を含む。

図４は、圧力測定プラグの第１の実施例の先端領域の拡大された断面図である。ロッドは、加熱ロッド４００の外部本体であり、加熱ロッド４００は、外部本体１０２と、加熱部材４０４と、加熱部材４０４を加熱するために電流を供給するように配置された導体４０６と、導体４０６と外部本体１０２との電気的接続を防止するように配置された支持部材４０８とを有する。図４では、感知構造１０４は、導体４０６を通すための軸方向上のチャネルを含む。

加熱ロッド４００の外部本体１０２は、感知構造１０４と、外部本体１０２およびプラグ本体１１０、１０８間のシール部材１１２とにしっかりと接続される。シール部材１１２は、加熱ロッド４００が、プラグ本体１１０、１０８内で軸方向にフリクションフリーで移動することができることを保証し、かつ内燃機関過程から生じる極端な温度から感知部材を保護することを保証する。シール部材１１２に作動する圧力は、圧力感知構造１０４の軸方向に作動する荷重へ部分的に変換される。

シール部材１１２は、好ましくは金属材料から構成され、シール部材１１２は、外部本体１０２に機械的に接続され、たとえばその手段は、半径方向の円周状の隅肉溶接が、シール部材１１２の円筒状部分４２０から外部本体１０２までの端面に提供されるか、半径方向の円周状の貫通溶接（through weld）がシール部材１１２の円筒状部分４２０に提供される。接続は、レーザー溶接、クリンピング、スェージング、はんだ付け、圧入などの手段によってもまた、加熱ロッドへのこの部位において行うことができる。シール部材１１２は、図４に示されるようなメンブレイン（薄膜）やベローのようなシール（bellows-like sea）(図に表されていない)の形態であることができる。

図４は、本体下方部１１０および本体中央部１０８を示し、それらは互いに機械的に接続される。本体下方部１１０は、シール用の円錐を有する内燃機関チャンバ側に設けられ、圧力測定プラグは、シリンダーヘッドの内燃機関の圧力を封止する。

シール部材１１２のもう一方の側４１８では、シール部材１１２は、本体中央部１０８に機械的に接続される。ここで、シール部材１１２は、円筒状の部分を有するように設計されることができ、これは、本体中央部１０８の外部シャフト２１４上に押し込まれ、そこに機械的に接続される。接続の実現性は、加熱ロッド４００へのシール部材１１２の接続と同様であっても良い。

同様に、円筒状の端部４１４を有するように設計され得る外部本体１０２は、感知構造１０４の外部シャフト３０６上に押し込まれ、そこに機械的にしっかりと接続される。接続の実現性は、シール部材１１２が加熱ロッド４００への接続されるのと同様であってもよい。

図７は、本発明の第３の実施例の斜視図であり、図８は、感知構造１０４ａ、ＰＷＢ１１４ａ、およびロッド１０２の拡大された斜視図である。本体上方部１０６は、内燃機関エンジンにセンサ部品を搭載するため、その外表面の一部に沿ってネジ山を含む細長い本体である。感知構造１０４ａは、本体中央部１０８内に設けられる。

本実施例において、感知構造１０４ａは、メンブレイン構造であり、これは、ロッド１０２の軸方向の移動を半径方向の表面歪みに変化させる。感知構造１０４ａに搭載されたピエゾ抵抗素子２０６は、ロッド１０２が軸方向に移動されたとき、半径方向の表面歪みを表す抵抗の変化を提供する。ヨーロッパ特許出願１７９０９６４Ａ１は、そのようなメンブレイン構造の作動原理を開示する。本実施例において、感知構造１０４ａは、本体下方部１１０へ機械的に接続される。感知構造１０４ａは、リム１３２を含み、そのリム１３２上にロッド１０２の円筒状の端部がしっかりとした剛性のある接続を形成するために押し込まれ溶接され得る。感知構造１０４ａは、加熱ロッドの加熱部材もしくはロッド内の温度センサと、環状のＰＷＢ１１４ａに位置決めされ得るセンサ電子部品との間のワイヤによって電気的接続を通すための穴１３８を含んでいる。

シール部材１１２は、ロッド１０２が本体下方部１１０に機械的に接続されるように設けられる。シール部材１１２は、ロッド１０２が本体下方部１１０内で軸方向にフリクションフリーで移動することができ、かつ感知部材２０６とＰＷＢ１１４ａとを内燃機関工程から生じる極端な温度から保護することを保証する。シール部材１１２は、熱を直接的に本体下方部１１０へと伝導し、次いで、本体下方部１１０は、シール表面１３４を介してエンジンへ熱を伝導する。シール部材１１２は、金属材料で構成されることが好ましく、シール部材１１２は、ロッド１０２の外部本体に機械的に接続されるが、例えばその手段は、半円方向の円周状の隅肉溶接がシール部材１１２の円筒状部分４２０からロッド１０２の外部本体までの端面に提供されるか、もしくは、半径方向の円周状の貫通溶接がシール部材１１２の円筒状部分４２０に提供される。接続は、レーザー溶接、クリンピング、スェージング、はんだ付け、圧入といった方法によってもまた、加熱ロッドのためのこの領域において行い得る。シール部材１１２は、図４に示されるようなメンブレインやベローのようなシールの形態（図で表されていない）であることができる。同様に、シール部材１１２の他端４１８は、本体下方部１１０へしっかりと接続される。

第３の実施例において、本体中央部１０８には、ＰＷＢの支持部分を形成する環状フランジ１３０が設けられる。環状フランジ１３０は、環状ＰＷＢ１１４ａが感知構造１０４ａに搭載された感知部材２０６から短かい距離で位置決めされることを確実にし、ボンディングワイヤによって感知部材２０６をＰＷＢ１１４ａに接合することを可能にする。フランジ１３０および環状ＰＷＢ１１４ａの双方は、ボンディングワイヤを通すための整合された穴１３６を含む。さらに、感知構造１０４ａ、フランジ１３０および環状ＰＷＢ１１４ａは、ロッド１０２を通すため、あるいは加熱部材もしくは温度感知部材を接続するためのワイヤを通すために、中央の穴を含む。他の実施例では、ロッド１０２は中央の穴１３８を貫通する。

本体下方部１１０は、シール表面部１３４と細長い中空の本体部を含む。細長い中空の本体部は、シール表面部１３４と感知構造１０４ａとの機械的な接続を形成し、本体中央部１０８内にフリクションフリーで延在する。すなわち、細長い本体部分と本体中央部１０８との間には自由空間（フリースペース）がある。この構造の利点は、図９を参照しながら後述される。

図９は、本発明の第4の実施例を示し、第４の実施例は、図７および図８で示した第３の実施例と多くの共通部分を有する。本実施例では、ロッド１０２は、ロッドを位置決めするための経度方向の貫通孔１５０を有する細長いインターフェース本体１４０によって置き換えられる。

図９は、本体下方部１１０を示し、本体下方部１１０は、シール表面部１３４と細長い中空の本体１４２を含む。細長い中空の本体部１４２の一方の端部には、シール表面部１３４が連結されている。他方の端部には、感知構造１０４ａが、例えば溶接１５８によって細長い中空の本体１４２に取り付けられている。細長い中空の本体１４２は、シール表面部から本体中央部１０８内をフリクションフリーで延在する。本体中央部１０８と細長い本体１４２との間のギャップ１５２は、これらの部材間に摩擦が生じないことを確実にする。その結果、感知構造１０４ａは、プラグをエンジンに挿入したときの搭載荷重による本体中央部１０８もしくは本体上方部の変形に対する感度をより小さくする。細長い中空の本体１４２により、感知構造１０４ａは、シール表面部１３４、本体中央部１０８および本体上方部１０６における変形から実質的に機械的に切り離される。注意すべきは、細長い中空の本体１４２は、一方の端部がシール表面部１３４に溶接され、反対側の端部が感知構造１０４ａへ溶接されるようなチューブであり得る。

図９に示された本実施例は、細長いインターフェース本体１４０を含む。細長いインターフェース本体１４０は、例えば、加熱ロッド、温度感知ロッド、あるいはダミーロッドのようなロッドを位置決めするための縦方向の貫通孔１５０を含む。一方の縦方向の端部では、細長いインターフェース本体１４０は、例えば溶接１５６により感知構造１０４ａに溶接される。反対側の端部では、細長いインターフェース本体は、本体下方部１１０の外側に延在する自由端１４８を有する。好ましくは、前方メンブレイン１１２の形態である図９のシール部材１１２は、内燃機関からの熱いガスから感知構造１０４ａを保護するために設けられる。さらに、前方メンブレイン１１２は、内燃機関の熱いガスが構造内に進入するのを防ぐ温度バリアのような働きをし、また、感知構造１０４ａから最大の距離で細長いインターフェース本体１４０と半径方向のロッドとの結合を固定することにより、センサの帯域幅を増加させる。シール部材１１２はまた、ベロー（bellow）形状のメンブレインであることができる。シール部材１１２は、例えば円形状の溶接１４４および１４６により本体下方部１１０と細長いインターフェース本体１４０にそれぞれ結合される。シール部材１１２の位置は、シール表面部１３４の外側であることができ、あるいは取り扱いの損傷を防ぐためにシール表面に対して幾分だけ窪ませることができる。

本体下方部１１０、細長い中空の本体１４２、感知構造１０４ａおよびシール部材１１２は、圧力感知ユニットを形成し、これは、ロッドが細長いインターフェース本体１４０に取り付けられる前に、キャリブレートすることができる。このユニットでは、本体下方部１１０は、シール表面部１３４を有し、シール表面部１３４は、プラグがエンジンに位置決めされたときにシールを形成し、かつ本体中央部１０８とメンブレイン１１２の両方を支持する。さらに、細長い中空の本体１４２と感知構造１０４ａがフリクションフリー（摩擦なし）でプラグ本体に位置決めされるので、感知構造は、プラグ本体をエンジンに搭載することによるプラグ本体の圧縮に影響されない。これにより、ピエゾ抵抗素子で起こり得るオフセット変化が防止され、また、シール部材１１２のプリロードが除去される。それゆえ、本体下方部１１０と感知構造１０４ａとの間の機械的な接続を提供する細長い中空の本体１４２の使用は、圧力感知グローロッドへの最終的なアッセンブリの前に、圧力測定構造のキャリブレーションの実行を可能にし、さらに、プラグがエンジンに搭載された後に、温度誘発（temperature induced）オフセットシフトを補償する必要性を低減させる。

細長いインターフェース本体１４０は、プラグが完成される前、すなわち、加熱ロッド、温度測定ロッドもしくはダミーロッドが圧力感知ユニットに溶接される前に、圧力測定プラグをキャリブレートすることを可能にする。これにより、キャリブレートされた圧力測定プラグサブアッセンブリの製造が可能となり、そして、他の製造者は、サブアッセンブリに必要なロッドを搭載することによりプラグを完成することができ、すなわち、組み合わされた圧力測定／グロープラグ、組み合わされた圧力と温度測定プラグ、あるいはダミーロッドを有する圧力測定プラグを得る。細長いインターフェース本体へのロッドの搭載は、感知構造におけるオフセットもしくは感度のシフトを引き起こすことはないので、さらなるキャリブレーションは必要とされない。さらに、プラグの有効な圧力エリアは、本体下方部１１０における開口部によって規定され、これは、メンブレインとプラグの双方が開口に対して移動可能なためである。それゆえ、圧力キャリブレーションは、細長いインターフェース本体の開口１５０を閉じるように仮のシール部材を用いることで、最終的なロッドをセンサへ溶接する前に実現可能である。取り外し可能なシール部材が設けられたプラグは、圧力のキャリブレートをすることができる。シール部材を取り外すことにより、キャリブレートされた圧力測定プラグサブアッセンブリが得られ、これは、細長いインターフェース本体１４０の自由端に最終的なロッドを溶接することによって第三者により完成されることができる。それ故、貫通孔１５０を閉じる必要性を提供する。最終的なロッドの取付けおよび完成されたプラグのエンジンへの搭載は、プラグの圧力測定部の特性に影響を及ぼさず、後のキャリブレーションは、エンジンを制御するためにプラグによって発生された圧力信号を使用する前に必要とされる。

本発明によれば、内燃機関の圧力は、ロッドの外側の表面に作動する。ロッドと前方メンブレインに作動する圧力は、細長いインターフェース本体に伝達され、こうして感知構造１０４ａに作動する荷重に変換される。細長いインターフェース本体は、圧力変化により縦方向の軸に沿ってプラグ本体内を上下に移動される。細長いインターフェース本体は、感知部材と前方メンブレインとの両方により保持される。細長いインターフェース本体の縦方向の変位は、圧力測定プラグに作動する流体の圧力に実質的に比例する。

所定の実施例において、シール部材１１２によって、加熱ロッド４００は、プラグ本体１００、１０８から熱的に分離され、加熱ロッドは、シール部材１１２を介してプラグ本体１１０、１０８内に弾力的に支持される。さらに、シール部材１１２によりプラグ本体１１０と外部本体１０２間の接続による感知構造１０４上に引張りが付勢されるようにすることも可能である。引張りは、温度変化により変動し得る。ＰＷＢ上のセンサ電子部品は、ピエゾ抵抗素子２０６の抵抗値の対応する変動をフィルターするように構成される。

ロッド１０２、プラグ本体１１０、１０８、１０６および感知構造１０４は、好ましくは、高い強度と硬度を有する析出硬化系ステンレス鋼、優れた耐食性、および容易な熱処理といったような高抵抗ステンレス鋼により構成される。

ロッドは、好ましくは溶接可能な材料で構成される。感知構造は、金属インジェクションモールディングＭＩＭ（金属射出成型）工程により製造され得る。歪みゲージは、マイクロエレクトロメカニカルシステム(Micro Electro Mechanical Systems、ＭＥＭＳ)工程により製造されたマイクロフューズト(Microfused)シリコン歪みゲージであることができる。シール部材１１２は、好ましくは、苛酷な環境での使用に適した酸化および腐食に耐性のある金属から構成される。インコネル合金(Inconel)は、そのような材料の例である。

図９で示した実施例は、キャリブレートされたピエゾ抵抗圧力プラグサブアッセンブリの製造を可能にする。本方法は、貫通孔をシールするために細長いインターフェース本体の貫通孔のシール部材として働く仮のロッドを位置決めする細長いインターフェース本体を有するピエゾ抵抗圧力センサプラグを提供する動作と；ロッドに予め決められたシーケンスの圧力を与えることによりセンサの電子部品をキャリブレートすること；そして、貫通孔から仮のロッドを取り外すことを含む。

選択的に、本方法は、キャリブレーション動作の前に次の動作を含むことができる：前方メンブレインを提供すること；本体下方部および圧力荷重インターフェース部に接触するように前方メンブレインを位置決めすること；前方メンブレインを本体下方部に溶接すること；そして、縦軸方向内の所定の荷重がロッドに与えられる一方で前方メンブレインを圧力荷重インターフェース部に溶接することである。

上記方法により得られた、キャリブレートされたピエゾ抵抗圧力プラグサブアッセンブリは、キャリブレートされたピエゾ抵抗圧力プラグアッセンブリを製造する次の方法によって処理され得る。その方法は、次の動作を含む：上記方法により得られたキャリブレートされたピエゾ抵抗圧力プラグサブアッセンブリを提供し、ロットを提供すること；細長いインターフェース本体の貫通孔内にロッドを位置決めすること；そしてロッドを細長いインターフェース本体に溶接することである。本発明のいくつかの実施例は、例示的によって上記に説明されている。これらの実施例に関して説明された部材の様々な修正や変形は、添付の請求項により明らかにされる本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって製造され得る。

１００：圧力測定プラグ
１０２：ロッド
１０４、１０４ａ：感知構造
１０６：本体上方部
１０８：本体中央部
１１０：本体下方部
１１２：シール部材
１１４：ＰＷＢ
１１６：電気的接続
１１８：ハウジング
１３０：環状フランジ
１３２：リム
１３４：シール表面部
１４０：細長いインターフェース本体
１４２：細長い中空の本体
１４８：自由端
１５０：貫通孔
１５２：ギャップ
１５６：溶接
１５８：溶接
２０６：歪みゲージ
３０２：平坦な外表面
３０６：外部シャフト
４００：加熱ロッド
４０４：加熱部材
４０６：導体

Claims (8)

1. 内燃機関エンジン用のピエゾ抵抗圧力測定プラグであって、
   内燃機関エンジンのシリンダーに挿入されるプラグ本体と、
   前記プラグ本体内に配置されたロッドと、
   前記ロッドと前記プラグ本体との間に配置された感知構造であって、当該感知構造は、使用時に、シリンダーの内燃機関チャンバ内の行き渡る圧力により動作され、前記感知構造に荷重を印加するように、前記プラグ本体に対する前記ロッドの軸方向の移動になる内燃機関チャンバの圧力により、前記ロッドがシリンダー内の内燃機関チャンバの圧力を前記感知構造に伝達する、前記感知構造とを有し、
   前記感知構造は、前記プラグ本体内に一体的に位置され、かつ前記感知構造上に搭載されたピエゾ抵抗素子は、前記ロッドが軸方向に移動されたとき、抵抗の変化を提供し、
   ピエゾ抵抗圧力測定プラグはさらに、抵抗の変化を測定し調整するための感知電子部品を搭載する環状プリント配線板を有し、当該環状プリント配線板は、前記プラグ本体内に配置され、
   前記感知構造は、メンブレイン（薄膜）構造であり、当該メンブレイン構造は、前記ロッドの軸方向の移動を半径方向の表面歪みに変換し、前記感知構造上に搭載されたピエゾ抵抗素子は、前記ロッドが軸方向に移動されるとき、半径方向の表面歪みを表す抵抗の変化を提供し、
   前記プラグ本体内に環状プリント配線板を位置決めするための環状フランジが設けられ、
   前記環状フランジが前記環状プリント配線板と前記感知構造との間に配され、前記環状プリント配線板が前記感知構造から短い距離で位置決めされる、ピエゾ抵抗圧力測定プラグ。
2. 前記ロッドは、加熱ロッドである、請求項１に記載のピエゾ抵抗圧力測定プラグ。
3. 前記ロッドは、温度センサを有する、請求項１に記載のピエゾ抵抗圧力測定プラグ。
4. 内燃機関エンジン用のピエゾ抵抗圧力測定プラグであって、
   内燃機関エンジンのシリンダーに挿入されるプラグ本体と、
   前記プラグ本体内に配置されかつ圧力荷重インターフェース部と前記プラグ本体との間に配置された感知構造であって、当該感知構造は、使用時に、シリンダーの内燃機関チャンバ内の行き渡る圧力により動作され、前記感知構造に荷重を印加するように、前記プラグ本体に対する前記圧力荷重インターフェース部の軸方向の移動になる内燃機関チャンバの圧力により、前記圧力荷重インターフェース部がシリンダー内の内燃機関チャンバの圧力を前記感知構造に伝達する、前記感知構造とを有し、
   前記感知構造上に搭載されたピエゾ抵抗素子は、前記圧力荷重インターフェース部が軸方向に移動されたとき、抵抗の変化を提供する、前記ピエゾ抵抗圧力測定プラグにおいて、
   前記プラグ本体は、抵抗の変化を測定し調整するための感知電子部品を搭載する環状プリント配線板を有し、
   前記プラグ本体は、本体下方部と本体中央部を有し、前記本体下方部は、内燃機関エンジンに挿入されたとき、前記本体下方部と前記内燃機関エンジンとの間にシール（封止）を提供するためのシール表面部であり、
   前記ピエゾ抵抗圧力測定プラグはさらに、前記シール表面部に連結された端部に細長い中空の本体部を有し、当該細長い中空の本体部は、フリクションフリーで前記本体中央部内を延在し、前記感知構造は、前記シール表面部に連結された端部と反対側の本体下方部の端部に取り付けられ、
   環状フランジが前記環状プリント配線板と前記感知構造との間に配され、前記環状プリント配線板が前記感知構造から短い距離で位置決めされる、ことを特徴とするピエゾ抵抗圧力測定プラグ。
5. 請求項４に従属しかつ前記圧力荷重インターフェース部がロッドを受け取るための貫通孔を有する細長いインターフェース本体であるピエゾ抵抗圧力測定プラグのサブアッセンブリを製造する方法であって、
   前記ピエゾ抵抗圧力測定プラグを提供し、
   前方メンブレインを提供し、
   仮のシール部材を前記貫通孔内に位置決めし、
   前記本体下方部と前記圧力荷重インターフェース部に接触するように前記前方メンブレインを位置決めし、
   前記前方メンブレインを本体下方部に溶接し、
   前記前方メンブレインを圧力荷重インターフェース部に溶接し、
   アッセンブリに予め決められたシーケンスの圧力を与えることによりセンサ電子部品をキャリブレーションし、
   前記仮のシール部材を前記貫通孔から取り外す、製造方法。
6. 前記キャリブレーションされたピエゾ抵抗圧力プラグサブアッセンブリを提供し、
   前記ロッドを提供し、
   前記細長いインターフェース本体の貫通孔内に前記ロッドを位置決めし、
   前記ロッドを細長いインターフェース本体に溶接する、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記ロッドは、加熱ロッドである、請求項６に記載のキャリブレーションされたピエゾ抵抗圧力プラグアッセンブリの製造方法。
8. 前記ロッドは、温度センサを有する、請求項６に記載のキャリブレーションされたピエゾ抵抗圧力プラグアッセンブリの製造方法。