JP6542118B2 - 熱歪測定方法および熱歪測定装置 - Google Patents
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例えば特許文献1には、筒状のハウジングと、ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、ハウジング内の軸方向であってダイアフラムの後端側に配置され、ダイアフラムを介して作用する圧力を検知する圧電素子と、ハウジング内の軸方向であってダイアフラムと圧電素子との間にて圧電素子に当接して設けられ、ダイアフラムを介して作用する圧力を圧電素子に伝達する圧力伝達部と、圧力伝達部をハウジングの軸方向に向けて加圧するようにハウジングに固定されることで圧電素子に荷重を作用させる加圧部材と、を備える圧力検出装置が記載されている。
ここで、前記照射工程では、集光したレーザ光をレーザ光の焦点から外れた位置にて前記ダイアフラムに照射するとよい。
また、前記照射工程では、パルス発振させたレーザ光を照射するとよい。
さらに、前記照射工程では、レーザ光のパルス幅をmsecオーダーとするとよい。
さらにまた、前記算出工程では、前記ダイアフラムに1パルス目のレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出するとよい。
そして、前記照射工程では、トップハットパターンを呈するレーザ光を前記ダイアフラムに照射するとよい。
また、他の観点から捉えると、本発明の熱歪測定装置は、外部からの圧力を受けて変形するダイアフラムと当該ダイアフラムを介して作用する圧力に応じた出力を発生する感圧素子とを有する機器が取り付けられる取付部と、前記取付部に取り付けられた前記機器の前記ダイアフラムに対し、当該ダイアフラムが融けない照射条件にてレーザ光を照射する照射部と、前記ダイアフラムにレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出する算出部とを含む。
ここで、前記照射部は、レーザを発振させる発振器と、当該発振器が発振したレーザ光を導く導光部と、当該導光部にて導かれたレーザ光を前記機器の前記ダイアフラムに射出する射出部とを含むとよい。
また、前記射出部は、レーザ光を集光するとともに、レーザ光の焦点から外れた位置にてレーザ光を前記ダイアフラムに照射するとよい。
さらに、前記照射部は、パルス発振させたレーザ光を照射するとよい。
さらにまた、前記照射部は、照射するレーザ光のパルス幅をmsecオーダーとするとよい。
そして、前記算出部は、前記ダイアフラムに1パルス目のレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出するとよい。
さらにまた、前記導光部は、ガウシアンパターンを呈するレーザ光を、トップハットパターンを呈するレーザ光として出力する方形ファイバからなるとよい。
図1は、本実施の形態に係る内燃機関1の概略構成図である。
図2は、図1のII部の拡大図である。
内燃機関1は、シリンダ2aを有するシリンダブロック2と、シリンダ2a内を往復動するピストン3と、シリンダブロック2に締結されてシリンダ2aおよびピストン3などとともに燃焼室Cを形成するシリンダヘッド4と、を備えている。また、内燃機関1は、シリンダヘッド4に装着されて燃焼室C内の圧力を検出する圧力検出装置5と、圧力検出装置5が検出した圧力に基づいて内燃機関1の作動を制御する制御装置6と、圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に介在して燃焼室C内の気密性を保つためのシール部材7と、圧力検出装置5と制御装置6との間で電気信号を伝送する伝送ケーブル8と、を備えている。
図3は、圧力検出装置5の概略構成図である。図4は、図3のIV−IV部の断面図である。図5は、図4のV部の拡大図である。
圧力検出装置5は、燃焼室C内の圧力を電気信号に変換する圧電素子10を有するセンサ部100と、センサ部100からの電気信号を処理する信号処理部200と、信号処理部200を保持する保持部材300と、を備えている。この圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着する際には、センサ部100の後述するダイアフラムヘッド40の方から先に、シリンダヘッド4に形成された連通孔4aに挿入していく。以下の説明において、図4の左側を圧力検出装置5の先端側、右側を圧力検出装置5の後端側とする。
センサ部100は、受けた圧力を電気信号に変換する圧電素子10と、筒状であってその内部に圧電素子10などを収納する円柱状の孔が形成されたハウジング30と、を備えている。以下では、ハウジング30に形成された円柱状の孔の中心線方向を、単に中心線方向と称す。
また、センサ部100は、ハウジング30における先端側の開口部を塞ぐように設けられて、燃焼室C内の圧力が作用するダイアフラムヘッド40と、ダイアフラムヘッド40と圧電素子10との間に設けられた第1の電極部50と、圧電素子10に対して第1の電極部50とは反対側に配置された第2の電極部55と、を備えている。
また、センサ部100は、第1の電極部50、圧電素子10、第2の電極部55、絶縁リング60および支持部材65などの外周を覆うとともに、第1の電極部50の先端側の面と接触して第1の電極部50を加圧する加圧部材80を備えている。
第1のハウジング31は、基本的に円筒状の部材であり、外周面には、中心線方向の中央部に、外周面から突出する突出部315が周方向の全域に渡って設けられている。突出部315は、先端部に、先端側から後端側にかけて徐々に径が大きくなる傾斜面315aを有し、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面315bを有している。第1のハウジング31の内周面は、加圧部材80の外周面がしまりばめで嵌合(圧入)されるように、その内径が加圧部材80の外周面の径以下となるように設定されている。
孔320は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1の孔321と、第1の孔321の孔径よりも小さな孔径の第2の孔322と、第2の孔322の孔径よりも大きな孔径の第3の孔323と、第3の孔323の孔径よりも大きな孔径の第4の孔324と、第4の孔324の孔径よりも大きな孔径の第5の孔325と、から構成される。
第2のハウジング32における先端部は、第1のハウジング31における後端部にしまりばめで嵌合(圧入)されるように、第1の孔321の孔径は、第1のハウジング31の外周面の径以下となるように設定されている。
また、第1のハウジング31と第2のハウジング32とは、嵌合された後、さらに、溶接により強固に固定される。
円筒状部41における後端部は、ハウジング30の第1のハウジング31における先端部としまりばめで嵌合(圧入)されて、この先端部の内部に入り込む進入部41aと、この先端部における端面31aと同形状に形成され、嵌合された際にこの端面31aが突き当たる突当面41bと、を有している。
内側部42は、円筒状部41における先端側の開口を塞ぐように設けられた円盤状の部材であり、後端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に突出する突出部42aが設けられている。また、内側部42の、先端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に凹んだ凹部42bが設けられている。
ダイアフラムヘッド40の材料としては、高温でありかつ高圧となる燃焼室C内に存在するため、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金製であることが望ましく、例えばSUH660であることを例示することができる。
また、ダイアフラムヘッド40と第1のハウジング31とは、嵌合された後、さらに、溶接により強固に固定される。
第1の電極部50は、燃焼室C内の圧力を圧電素子10に作用させるものであり、圧電素子10側の端面である後端側の端面が圧電素子10の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成される。また、第1の電極部50は、ダイアフラムヘッド40から受ける圧力を均等に圧電素子10に作用させることができるように、中心線方向の両端面が平行(中心線方向に直交)かつ平滑面に形成されている。
第1の電極部50の材質としては、ステンレスであることを例示することができる。
第2の電極部55の材質としては、ステンレスであることを例示することができる。
孔650は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1の孔651と、第1の孔651の孔径よりも大きな孔径の第2の孔652と、第2の孔652の孔径よりも大きな孔径の第3の孔653と、から構成される。第1の孔651の孔径は、第2の電極部55の突出部55aの基端部の外径よりも大きく、この突出部55aが支持部材65の内部まで露出する。第2の孔652の孔径は、後述する信号処理部200の伝導部材22における先端部の外径よりも大きい。第3の孔653の孔径は、後述する信号処理部200の覆い部材23の端部の外径よりも小さく、この覆い部材23が第3の孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合される。これにより、支持部材65は、覆い部材23の端部を支持する部材として機能する。
また、支持部材65の外周面には、加圧部材80に形成された後述する雌ねじ81aにねじ込まれる雄ねじ65aが形成されている。
なお、加圧部材80の筒状部81における後端部が円筒状である場合、その外周面が第1のハウジング31の内周面に対してしまりばめで嵌合(圧入)されるように、その外径が第1のハウジング31の内周面の径以上となるように設定されている。そして、加圧部材80と第1のハウジング31とは、嵌合された後、さらに、溶接により強固に固定される。
信号処理部200は、センサ部100の圧電素子10から得られる微弱な電荷である電気信号を少なくとも増幅処理する回路基板部21と、圧電素子10に生じた電荷を回路基板部21まで導く棒状の伝導部材22と、これら回路基板部21、伝導部材22などを覆う覆い部材23と、回路基板部21などを密封するOリング24と、を備えている。
保持部材300は、薄肉円筒状の部材であり、後端部に内周面から内側に突出した突出部300aが設けられている。保持部材300は、第2のハウジング32に装着された後、外部から、第5の外周面335に設けられた凹部335aに対応する部位が加圧されることでかしめられる。これにより、保持部材300は、ハウジング30に対して移動し難くなり、信号処理部200がハウジング30に対して移動することを抑制する。
先ず、第1のハウジング31の端面31aとダイアフラムヘッド40の突当面41bとが接触するまで、第1のハウジング31とダイアフラムヘッド40とを嵌合(圧入)する。その後、第1のハウジング31の端面31aとダイアフラムヘッド40の突当面41bとが接触している部位に、中心線方向に交差する方向(例えば中心線方向に直交する方向)からレーザビームを照射して、第1のハウジング31とダイアフラムヘッド40とを溶接する。
このようにして圧力検出装置5は組み立てられる。
先ず、圧電素子10における先端側の端面(第1電極部側端面10a)は、金属製の第1の電極部50、およびダイアフラムヘッド40または加圧部材80を介して、金属製のハウジング30と電気的に接続される。
圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着することにより、ハウジング30は、金属製のシリンダヘッド4と電気的に接続される。このシリンダヘッド4は、電気的に接地された状態にあるため、圧力検出装置5では、ハウジング30を介して、圧電素子10における先端部が接地される。ここで、この例では、圧電素子10の側面とハウジング30の内壁面とが接触し得る構造になっているが、圧電素子10が絶縁体で構成されていることにより抵抗値が極めて大きいことと、圧力変化に伴って発生する電荷が、圧電素子10における中心線方向の両端部に発生することとにより、特に問題とはならない。
シール部材7は、シリンダヘッド4における連通孔4aを形成する周囲の壁のセンサ部100締め付け方向の端面と、圧力検出装置5のハウジング30の第3の外周面333と第4の外周面334とを接続する接続面との間に配置された第1のシール部材71を有している。また、シール部材7は、シリンダヘッド4の連通孔4aの傾斜部4cと、圧力検出装置5のハウジング30の第1のハウジング31の傾斜面315aとの間に配置された第2のシール部材72を有している。
ここで、実機圧力誤差ΔPeは、圧力検出装置5により測定される燃焼室C内の筒内圧力(図6(a)に示す実機筒内圧力Pe)と、基準として用いられる基準センサ(図示せず)により測定される同じ燃焼室C内の筒内圧力(基準筒内圧力Ps)との差分(ΔPe=Pe−Ps)として表される。ここで、本実施の形態の圧力検出装置5は、冷却機構を備えていないが、図示しない基準センサは、水冷による冷却機構を備えている。そして、この例では、燃焼(膨張)行程における実機圧力誤差ΔPeのばらつきRの最大値が、ほぼ0.6[MPa]となっている。
ある程度冷えた状態のダイアフラムヘッド40に対し、その表面すなわち凹部42bの形成面(表面と呼ぶ)側から熱Hが加えられると、ダイアフラムヘッド40の表面が、熱膨張によって図中に破線で示すように開く方向に変形する。これに伴ってダイアフラムヘッド40の内側部42の中央が表面側に引っ張られ、ダイアフラムヘッド40の内側部42の中央の裏面側に位置する突出部42aの端面42cと圧電素子10との間にかかる荷重(予荷重)が低下する。その結果、圧電素子10からの出力は、予荷重が低下した分、本来出力すべき値よりも低下してしまうことになる。なお、反対に、ダイアフラムヘッド40の表面に凸部が設けられている場合は、ダイアフラムヘッド40の熱膨張に伴い、圧電素子10からの出力が、本来出力すべき値よりも増加してしまうこともある。
この熱歪測定装置500は、圧力検出装置5を保持するXYZステージ510と、XYZステージ510に保持された圧力検出装置5にレーザビームBm(レーザ光の一例)を照射するレーザ照射部520と、XYZステージ510を覆うカバー530と、XYZステージ510に保持された圧力検出装置5から送られてくる出力信号(データ)を解析するデータ解析部540とを備えている。
本実施の形態のレーザ射出部523は、光ファイバケーブル522におけるレーザビームBmの射出面と対向して配置され、光ファイバケーブル522から射出されることに伴ってビーム径が拡大するレーザビームBmを平行光に変換するコリメータレンズ523aと、コリメータレンズ523aの下方でコリメータレンズ523aと対向して配置され、コリメータレンズ523aを通過したレーザビームBm(平行光)を焦点距離fにて焦点Fに集光する集光レンズ(ここでは平凸レンズ)523bとを備えている。また、レーザ射出部523は、レーザビームBmの射出面側から下方を撮影するビデオカメラ(図示せず)を有している。
まず、熱歪測定装置500においてXYZステージ510を覆うカバー530が取り外される。続いて、XYZステージ510におけるXYステージ512に、測定対象となる圧力検出装置5が取り付けられる。このとき、圧力検出装置5におけるダイアフラムヘッド40が上方を向くように、XYステージ512に対して圧力検出装置5が装着される。また、圧力検出装置5に設けられた伝送ケーブル8の出力端が、データロガー541に接続される。
次に、圧力検出装置5が取り付けられたXYステージ512を、台座511上において、X方向または−X方向、および、Y方向または−Y方向に移動させることで、レーザ射出部523の直下に圧力検出装置5のダイアフラムヘッド40を位置させるXY方向位置決めが行われる。このとき、レーザ射出部523に設けられたビデオカメラ(図示せず)による撮影画像を参照しつつ、XY方向の位置決めを行うとよい。そして、XY方向の位置決めが完了すると、圧力検出装置5は、XYステージ512を介して台座511上に固定される。
続いて、レーザ射出部523が取り付けられたZステージ513を、台座511上において、Z方向または−Z方向に移動させることで、レーザ射出部523に設けられた集光レンズ523bから圧力検出装置5のダイアフラムヘッド40に至る距離を、照射距離Lに設定するZ方向位置決めが行われる。このとき、レーザ射出部523に設けられたビデオカメラ(図示せず)による撮影画像を参照しつつ、Z方向の位置決めを行うとよい。ここで、照射距離Lは、図10等を用いて説明したように、ダイアフラムヘッド40に照射されるレーザビームBmの照射領域Dの外径が、ダイアフラムヘッド40の外径よりも大きくなるように決められる。そして、Z方向の位置決めが完了すると、レーザ射出部523は、Zステージ513を介して台座511上に固定される。
それから、レーザ発振器521が操作され、レーザ発振器521からレーザビームBmが出力される。このレーザビームBmは、レーザ発振器521から光ファイバケーブル522を介してレーザ射出部523に出力され、レーザ射出部523から圧力検出装置5のダイアフラムヘッド40に照射される。この間、レーザ発振器521から出力されたガウシアンパターンを呈するレーザビームBmは、方形ファイバからなる光ファイバケーブル522を通過することにより、その強度分布がトップハットパターンを呈するようになる。また、光ファイバケーブル522を通過することでトップハットパターンを呈するようになったレーザビームBmは、レーザ射出部523にて、コリメータレンズ523aを通過することで平行光とされた後、集光レンズ523bを通過することで集光される。ただし、本実施の形態では、集光レンズ523bを通過したレーザビームBmが、焦点距離fよりも長い照射距離Lにて圧力検出装置5のダイアフラムヘッド40に照射されることになる。その結果、ダイアフラムヘッド40における表面の全域に、強度が均一な状態に近いレーザビームBmが照射される。そして、圧力検出装置5は、レーザビームBmの照射に伴って発生した出力信号(電圧値)を、伝送ケーブル8を介してデータロガー541に送信する。また、データロガー541は、圧力検出装置5から受け取った出力信号を順次蓄積して保存していく。
PC542は、データロガー541から出力信号(電圧値)を取得する。また、PC542は、取得した出力信号を圧力に変換することで、照射圧力変化量ΔPiを算出する。
上記(4)に示すレーザビームBmの照射およびデータ収集が終了した後(上記(5)に示すデータ解析が終了した後でもよい)、熱歪測定装置500においてXYZステージ510を覆うカバー530が取り外される。続いて、XYZステージ510におけるXYステージ512から、測定対象となっていた圧力検出装置5が取り外される。また、圧力検出装置5に設けられた伝送ケーブル8の出力端が、データロガー541から取り外される。
以上により、熱歪測定装置500を用いた、圧力検出装置5の熱歪測定が完了する。
・レーザビームBmの発振波長:980nm
・光ファイバケーブル522のコアのサイズ:0.6mm×0.6mm(正方形)
・集光レンズ523bの焦点距離f:60mm
・照射距離L:75mm
・レーザビームBmの照射時間:10msec(1回)
・レーザビームBmの出力(レーザ出力と称する):10W
Claims (13)
- 外部からの圧力を受けて変形するダイアフラムと当該ダイアフラムを介して作用する圧力に応じた出力を発生する感圧素子とを有する機器の当該ダイアフラムに対し、当該ダイアフラムが融けない照射条件にてレーザ光を照射する照射工程と、
前記ダイアフラムにレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出する算出工程と
を含む熱歪測定方法。 - 前記照射工程では、集光したレーザ光をレーザ光の焦点から外れた位置にて前記ダイアフラムに照射することを特徴とする請求項1記載の熱歪測定方法。
- 前記照射工程では、パルス発振させたレーザ光を照射することを特徴とする請求項1または2記載の熱歪測定方法。
- 前記照射工程では、レーザ光のパルス幅をmsecオーダーとすることを特徴とする請求項3記載の熱歪測定方法。
- 前記算出工程では、前記ダイアフラムに1パルス目のレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出することを特徴とする請求項3または4記載の熱歪測定方法。
- 前記照射工程では、トップハットパターンを呈するレーザ光を前記ダイアフラムに照射することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の熱歪測定方法。
- 外部からの圧力を受けて変形するダイアフラムと当該ダイアフラムを介して作用する圧力に応じた出力を発生する感圧素子とを有する機器が取り付けられる取付部と、
前記取付部に取り付けられた前記機器の前記ダイアフラムに対し、当該ダイアフラムが融けない照射条件にてレーザ光を照射する照射部と、
前記ダイアフラムにレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出する算出部と
を含む熱歪測定装置。 - 前記照射部は、レーザを発振させる発振器と、当該発振器が発振したレーザ光を導く導光部と、当該導光部にて導かれたレーザ光を前記機器の前記ダイアフラムに射出する射出部とを含むことを特徴とする請求項7記載の熱歪測定装置。
- 前記射出部は、レーザ光を集光するとともに、レーザ光の焦点から外れた位置にてレーザ光を前記ダイアフラムに照射することを特徴とする請求項8記載の熱歪測定装置。
- 前記照射部は、パルス発振させたレーザ光を照射することを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項記載の熱歪測定装置。
- 前記照射部は、照射するレーザ光のパルス幅をmsecオーダーとすることを特徴とする請求項10記載の熱歪測定装置。
- 前記算出部は、前記ダイアフラムに1パルス目のレーザ光が照射されたときに前記感圧素子から取得した出力を用いて、当該感圧素子に生じた圧力変化を算出することを特徴とする請求項10または11記載の熱歪測定装置。
- 前記導光部は、ガウシアンパターンを呈するレーザ光を、トップハットパターンを呈するレーザ光として出力する方形ファイバからなることを特徴とする請求項8記載の熱歪測定装置。
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