(57)【要約】【課題】ダイアフラム部をエンジンヘッドに押し付けるようなシール面を必要としなくても放熱性を確保でき、かつ、燃焼室につながる誘導管を無くせるようにする。【解決手段】ダイアフラム部９をセンサ本体とは別体とし、エンジンヘッド１０におけるセンサ装着穴１１の先端位置を覆うようにエンジンヘッド１０と一体化させる。このダイアフラム部９によってシールされることにより、燃焼室とセンサ装着穴１１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１１側、つまりセンサ本体側に浸入することが防がれる。そして、ダイアフラム部９がエンジンヘッド１０に直接接続されているため、放熱性を確保できる。また、ダイアフラム部９がセンサ装着穴１１の先端位置を覆うように固定されることでエンジンヘッド１０と一体化された構造であるため、燃焼室につながる誘導管を無くすことが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンヘッド（１０）に形成されたセンサ装着穴（１１）に配置され、燃料室内の圧力に応じた荷重を伝達する圧力伝達部材（２、６）と、前記圧力伝達部材（２、６）から伝えられる荷重に対応する電気出力を発生させる圧縮荷重検出素子（１）と、を有するセンサ本体（１〜８）と、
前記センサ装着穴（１１）の先端位置において、燃料室と接して配置されると共に、前記センサ本体（１〜８）における前記圧力伝達部材（２、６）に対して、前記燃焼室内における燃焼圧と対応する荷重を加えるダイアフラム部（９）と、を備え、
前記ダイアフラム部（９）が前記エンジンヘッド（１０）と一体化されることにより、前記ダイアフラム（９）にて前記燃焼室と前記センサ装着穴（１１）とが仕切られることを特徴とする筒内圧検出装置。
【請求項２】
前記ダイアフラム部（９）は、前記エンジンヘッド（１０）に対して前記センサ装着穴（１１）を形成し、該センサ装着穴（１１）の先端において前記エンジンヘッド（１０）を薄膜化することにより構成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。
【請求項３】
前記センサ本体は、
前記圧縮荷重検出素子（１）の電気出力を伝える配線部（３）と、
前記圧縮荷重検出素子（１）が接合されると共に前記配線部（３）を通す貫通穴（５ａ）が形成されたステム（５）と、
前記圧力伝達部材の一部を構成し、球面と円形平面とを有すると共に、前記円形平面が前記圧縮荷重検出素子（１）上に配置されることで、前記円形平面にて前記圧縮荷重検出素子（１）に荷重を掛ける半球（２）と、
前記圧力伝達部材の一部を構成し、前記半球（２）に対して前記ダイアフラム部（９）から加えられる荷重を伝えるロッド（６）と、
前記配線部（３）、前記ステム（５）、前記半球（２）および前記ロッド（６）を収容する中空部を有した筒状部材で構成され、前記センサ装着穴（１１）内に固定されるインナーハウジング（４）と、を有し、
前記ステム（５）が前記インナーハウジング（４）に固定されることにより前記圧縮荷重検出部（１）、前記半球（２）および配線部（３）の位置決めされた構成とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧検出装置。
【請求項４】
前記ステム（５）のうち前記圧縮荷重検出素子（１）が配置された側の端部と反対側の端部を押すことにより、前記圧縮荷重検出素子（１）に対して所望の荷重を印加させた状態とする予荷重調整パイプ（８）を有していることを特徴とする請求項３に記載の筒内圧検出装置。
【請求項５】
前記予荷重調整パイプ（８）は、前記インナーハウジング（４）内に収容されていることを特徴とする請求項４に記載の筒内圧検出装置。
【請求項６】
前記ロッド（６）の外周を囲み、前記インナーハウジング（４）と前記ロッド（６）との間に圧入されたチューブ（７）が備えられていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の筒内圧検出装置。
【請求項７】
エンジンヘッド（１０）に形成されたセンサ装着穴（１１）に配置され、該センサ装着穴（１１）の先端位置において、前記エンジンヘッド（１０）と一体化されることにより前記燃焼室と前記センサ装着穴（１１）とを仕切ると共に燃焼室内における燃焼圧と対応する荷重を加えるダイアフラム部（９）に接し、前記燃料室内の圧力に応じた荷重を伝達する圧力伝達部材（２、６）と、
前記圧力伝達部材（２、６）から伝えられる荷重に対応する電気出力を発生させる圧縮荷重検出素子（１）と、を有していることを特徴とするセンサ本体。
【請求項８】
前記圧縮荷重検出素子（１）の電気出力を伝える配線部（３）と、
前記圧縮荷重検出素子（１）が接合されると共に前記配線部（３）を通す貫通穴（５ａ）が形成されたステム（５）と、
前記圧力伝達部材の一部を構成し、球面と円形平面とを有すると共に、前記円形平面が前記圧縮荷重検出素子（１）上に配置されることで、前記円形平面にて前記圧縮荷重検出素子（１）に荷重を掛ける半球（２）と、
前記圧力伝達部材の一部を構成し、前記半球（２）に対して前記ダイアフラム部（９）から加えられる荷重を伝えるロッド（６）と、
前記配線部（３）、前記ステム（５）、前記半球（２）および前記ロッド（６）を収容する中空部を有した筒状部材で構成され、前記センサ装着穴（１１）内に固定されるインナーハウジング（４）と、を有し、
前記ステム（５）が前記インナーハウジング（４）に固定されることにより前記圧縮荷重検出部（１）、前記半球（２）および配線部（３）の位置決めされた構成とされていることを特徴とする請求項７に記載のセンサ本体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、例えば特許文献１に示されるものがある。この筒内圧検出装置では、燃焼圧に応じてダイアフラムが変位すると、その変位を圧電体に伝え、圧電体に電圧変化を生じさせることで、燃焼圧を検出している。このような筒内圧検出装置では、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、センサ本体をエンジンヘッド（シリンダヘッド）に形成された挿入孔内に挿入すると共に、ダイアフラム部の先端周縁部をエンジンヘッドの当て部に当接させることにより、ダイアフラム部とエンジンヘッドとの間のガスシールを行っている。そして、エンジンヘッドに対して、センサ本体の先端から燃焼室内に伸びる貫通孔にて構成される誘導管が形成されており、この誘導管を通じて燃焼圧がダイアフラム部に伝えられる構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１６９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような筒内圧検出装置では、ダイアフラム部の先端周縁部にはガスシールを実現するための軸力を受けるシール面が必要となる。このように、シール面にてダイアフラム部とエンジンヘッドとを接触させているため、ダイアフラム部の放熱には有利であるが、ダイアフラム部が配置される先端の小径化・受圧面拡大による高感度化・シール信頼性の確保をすべて満足することは困難である。
【０００５】
また、ダイアフラム部と燃焼室の間に形成される誘導管での気柱振動（誘導管内の気体が固有振動を起こす状態）が発生し、圧力検出精度が悪化するという問題もある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、ダイアフラム部をエンジンヘッドに押し付けるようなシール面を必要としなくても放熱性を確保でき、かつ、燃焼室につながる誘導管を無くせる筒内圧力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エンジンヘッド（１０）に形成されたセンサ装着穴（１１）に配置され、燃料室内の圧力に応じた荷重を伝達する圧力伝達部材（２、６）と、圧力伝達部材（２、６）から伝えられる荷重に対応する電気出力を発生させる圧縮荷重検出素子（１）と、を有するセンサ本体（１〜８）と、センサ装着穴（１１）の先端位置において、燃料室と接して配置されると共に、センサ本体（１〜８）における圧力伝達部材（２、６）に対して、燃焼室内における燃焼圧と対応する荷重を加えるダイアフラム部（９）と、を別々の構成として備えている。そして、ダイアフラム部（９）がエンジンヘッド（１０）と一体化されることにより、ダイアフラム（９）にて燃焼室とセンサ装着穴（１１）とが仕切られるようにすることを特徴としている。
【０００８】
このような構造の筒内圧検出装置では、ダイアフラム部（９）をエンジンヘッド（１０）に押し付けるようなシール面を必要としなくてもガスシールを行うことができるし、ダイアフラム部（９）がエンジンヘッド（１０）に直接接続されているため、放熱性を確保することもできる。すなわち、ダイアフラム部（９）が燃焼ガスから受ける熱が速やかにエンジンヘッド（１０）に放熱されるようにできる。
【０００９】
また、ダイアフラム部（９）がセンサ装着穴（１１）の先端位置を覆うように固定されることでエンジンヘッド（１０）と一体化されている。このため、燃焼室につながる誘導管を無くすことが可能となり、誘導管が備えられる場合のような気柱振動の発生を無くせ、圧力検出精度が悪化することを防止することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、ダイアフラム部（９）は、エンジンヘッド（１０）に対してセンサ装着穴（１１）を形成し、該センサ装着穴（１１）の先端においてエンジンヘッド（１０）を薄膜化することにより構成されていることを特徴としている。
【００１１】
このように、エンジンヘッド（１０）と一体加工することでダイアフラム部（９）を形成している。このようにすれば、部品点数の削減を図ることが可能となる。
【００１２】
例えば、請求項３に記載したように、センサ本体は、圧縮荷重検出素子（１）の電気出力を伝える配線部（３）と、圧縮荷重検出素子（１）が接合されると共に配線部（３）を通す貫通穴（５ａ）が形成されたステム（５）と、圧力伝達部材の一部を構成し、球面と円形平面とを有すると共に、円形平面が圧縮荷重検出素子（１）上に配置されることで、円形平面にて圧縮荷重検出素子（１）に荷重を掛ける半球（２）と、圧力伝達部材の一部を構成し、半球（２）に対してダイアフラム部（９）から加えられる荷重を伝えるロッド（６）と、配線部（３）、ステム（５）、半球（２）およびロッド（６）を収容する中空部を有した筒状部材で構成され、センサ装着穴（１１）内に固定されるインナーハウジング（４）と、を有した構成とされる。そして、ステム（５）がインナーハウジング（４）に固定されることにより圧縮荷重検出部（１）、半球（２）および配線部（３）の位置決めされた構成とされる。
【００１３】
また、請求項４に記載したように、ステム（５）のうち圧縮荷重検出素子（１）が配置された側の端部と反対側の端部を押すことにより、圧縮荷重検出素子（１）に対して所望の荷重を印加させた状態とする予荷重調整パイプ（８）を備えることもできる。
【００１４】
このように、予荷重調整パイプ（８）を備えるようにすれば、予荷重調整パイプ（８）によりステム（５）を押すことで圧縮荷重検出素子（１）に対して適切な荷重が印加させることができる。
【００１５】
この場合、請求項５に記載したように、予荷重調整パイプ（８）をインナーハウジング（４）内に収容する構造、すなわちエンジンヘッド（１０）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。
【００１６】
また、請求項６に記載したように、ロッド（６）の外周を囲み、インナーハウジング（４）とロッド（６）との間に圧入されたチューブ（７）を備えることもできる。
【００１７】
このようなチューブ（７）を備えることにより、ロッド（６）がインナーハウジング（４）から脱落することを防止できる。
【００１８】
請求項７および８に記載の発明は、請求項１、３に記載した筒内圧検出装置に対して適用されると好適なセンサ本体に関するものである。このようなセンサ本体を用いることで、請求項１、３に記載の筒内圧検出装置を実現することができる。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる筒内圧検出装置１００をエンジンヘッド１０に取り付けた様子を示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、図１に示す筒内圧検出装置１００のうちのセンサ本体とそれ以外の部分の分解図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる筒内圧検出装置１００におけるダイアフラム部９およびエンジンヘッド１０の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２２】
（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に備えられるエンジンヘッド１０の先端位置に備えられ、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。また、図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示す筒内圧検出装置１００のうちのセンサ本体とそれ以外の部分の分解図である。以下、図１、図２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。
【００２３】
図１、図２に示されるように、筒内圧検出装置１００には、圧縮荷重検出素子１、半球２、配線部３、インナーハウジング４、ステム５、ロッド６、チューブ７、予荷重調整パイプ８、ダイアフラム部９が備えられている。この筒内圧検出装置１００は、燃焼室の一部を構成するエンジンヘッド１０に形成されたセンサ装着穴１１内に挿入されることで、燃焼室内の燃焼圧を検出する。
【００２４】
圧縮荷重検出素子１は、例えば、シリコン基板をベースとしたセンサチップによって構成されており、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ている。この圧縮荷重検出素子１は、半球２を介して燃焼圧と対応する荷重が加えられることにより圧電素子で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、圧縮荷重検出素子１が半導体歪ゲージ式の場合、圧縮荷重検出素子１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。
【００２５】
半球２は、ロッド６と共に圧力伝達部材として機能する部材であり、球面と円形平面とを有し、円形平面が圧縮荷重検出素子１上に配置されている。そして、半球２は、球面側にて検出対象となる燃焼圧に応じた荷重を受け、円形平面側にて圧縮荷重検出素子１の表面部を押すことで、圧電素子に検出対象となる燃焼圧に応じた荷重をかける。
【００２６】
配線部３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圧縮荷重検出素子１に対して所望の電圧印加もしくは電流供給を行ったり、圧縮荷重検出素子１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３は、外部との接続用ターミナルとなるピン３ａと、圧縮荷重検出素子１の所望箇所とピン３ａとを電気的に接続するためのボンディングワイヤ３ｂにて構成されている。
【００２７】
インナーハウジング４は、中空部を有する円筒状部材にて構成されている。インナーハウジング４の外周部には、雄ネジ溝４ａが形成されており、この雄ネジ溝４ａを利用してインナーハウジング４が雌ネジ溝１１ａが形成されたセンサ装着穴１１に対して固定される。このインナーハウジング４の中空部内には、圧縮荷重検出素子１、半球２、配線部３、ステム５、ロッド６、チューブ７および予荷重調整パイプ８が収容される。具体的には、インナーハウジング４の内壁には、エンジンヘッド１０に形成されたセンサ装着穴１１への挿入方向において内径を縮小する段差部４ｂが備えられている。この段差部４ｂよりも上記挿入方向後方（内径が大きい側）に半球２、圧縮荷重検出素子１、配線部３、ステム５および予荷重調整パイプ８が配置され、段差部４ｂよりも上記挿入方向前方（内径が小さい側）にロッド６およびチューブ７が配置されることで一体化されている。そして、このように一体化された各部により、センサ本体が構成されている。
【００２８】
ステム５は、外径がインナーハウジング４における大きい側の内径とほぼ同じに設計されている。このステム５には、圧縮荷重検出素子１および半球２が接着等によって接合されていると共に、配線部３のうちのピン３ａが固定されており、ステム５をインナーハウジング４内に固定することにより、インナーハウジング４内において圧縮荷重検出素子１、半球２、配線部３およびステム５の位置決めが行われている。また、ステム５には、上記挿入方向に対して平行な貫通孔５ａが形成されており、この貫通孔５ａ内にピン３ａが配置されている。そして、ピン３ａの両端がステム５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３ｂによるボンディングが行われることで、配線部３を通じた圧縮荷重検出素子１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。
【００２９】
ロッド６は、半球２と共に、圧力伝達部材として機能する部材であり、例えば円柱部材などの柱状部材で構成され、一端が半球２の頂点に接すると共に他端がダイアフラム部９に接している。このロッド６により、ダイアフラム部９の変位が半球２を介して圧縮荷重検出素子１に伝達されると共に、燃焼室内の燃焼ガスの高温が圧縮荷重検出素子１に伝達されることを緩和している。ロッド６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６を構成している。
【００３０】
チューブ７は、ロッド６の外周を囲むように配置され、インナーハウジング４における内径の小さい側とロッド６との間に圧入されている。これにより、ロッド６がインナーハウジング４から脱落することが防止されていると共に、ロッド６の中心軸の位置決めがなされている。チューブ７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７を構成している。
【００３１】
予荷重調整パイプ８は、例えば円筒状部材で構成され、圧縮荷重検出素子１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５のうち圧縮荷重検出素子１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８によりステム５を押すことで圧縮荷重検出素子１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８をインナーハウジング４に対して固定してある。インナーハウジング４に対する予荷重調整パイプ８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が、本実施形態では、予荷重調整パイプ８の端面の外縁部において溶接を行った溶接部１２によって固定している。このように、予荷重調整パイプ８がインナーハウジング４に固定される構造、すなわちエンジンヘッド１０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、ピン３ａは、予荷重調整パイプ８の中空部内を通過して、ステム５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なっている。
【００３２】
ダイアフラム部９は、センサ本体とは別体とされており、エンジンヘッド１０におけるセンサ装着穴１１の先端位置を覆うように固定されることで、エンジンヘッド１０と一体化されている。このダイアフラム部９によってシールされることにより、燃焼室とセンサ装着穴１１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１１側、つまりセンサ本体側に浸入することが防がれている。
【００３３】
このダイアフラム部９は、例えば耐熱のある金属等で構成され、圧入、接着もしくは溶接等によりエンジンヘッド１０に固定されている。具体的には、ダイアフラム部９は外縁部よりも内側の部分が窪んだ円形状とされ、外縁部においてエンジンヘッド１０に固定されており、それよりも内側の窪んだ部分においてロッド６が接触させられている。このため、ダイアフラム部９のうちの外縁部よりも内側の窪んだ部分が燃焼圧に応じて変位し、この変位がロッド６および半球２を通じて圧縮荷重検出素子１に伝達されるように構成されている。
【００３４】
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９に印加されると、それに基づく荷重がロッド６を介して半球２に伝えられる。そして、その荷重が半球２から圧縮荷重検出素子１に対して伝えられ、圧縮荷重検出素子１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３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。
【００３５】
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９をエンジンヘッド１０に押し付けるようなシール面を必要としなくてもガスシールを行うことができるし、ダイアフラム部９がエンジンヘッド１０に直接接続されているため、放熱性を確保することもできる。そして、ダイアフラム部９が燃焼ガスから受ける熱が速やかにエンジンヘッド１０に放熱されるようにできるため、ダイアフラム部９および圧縮荷重検出素子１が受ける熱負荷を大幅に低減でき、センサ耐熱性向上およびダイアフラム部９の熱膨張による変位に起因する出力誤差を抑制できる。
【００３６】
また、ダイアフラム部９がセンサ装着穴１１の先端位置を覆うように固定されることでエンジンヘッド１０と一体化されている。このため、燃焼室につながる誘導管を無くすことが可能となり、誘導管が備えられる場合のような気柱振動の発生を無くせ、圧力検出精度が悪化することを防止することができる。
【００３７】
さらに、ダイアフラム部９の周囲においてダイアフラム部９とエンジンヘッド１０とが接合されているため、この接合箇所においてシールされる。このため、従来のように、ダイアフラム部の先端のシール面とセンサ装着穴との接触による軸力に基づくシールと比べて、センサ本体に作用する軸力の影響を考慮する必要が無くなり、設計自由度が向上するという効果も得られる。例えば、インナーハウジング４等の肉厚として、軸力に耐えるような厚みを確保する必要が無くなり、センサ本体の小径化を図ることも可能となる。
【００３８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の筒内圧検出装置１００の基本構造は第１実施形態と同様であり、第１実施形態に対してダイアフラム部９の構造のみが異なっている。このため、本実施形態の筒内圧検出装置１００のうち第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３９】
図３は、本実施形態の筒内圧検出装置１００におけるダイアフラム部９およびエンジンヘッド１０の拡大図である。
【００４０】
この図に示されるように、本実施形態の筒内圧検出装置１００では、エンジンヘッド１０を穴空け加工することなどによってセンサ装着穴１１を形成し、そのセンサ装着穴１１の先端が燃焼圧によって変位可能となる程度の厚みとなるように薄膜化することでダイアフラム部９としている。すなわち、エンジンヘッド１０と一体加工することでダイアフラム部９を形成している。このようにすれば、部品点数の削減を図ることが可能となる。
【００４１】
（他の実施形態）
上記各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、ネジ締結によってインナーハウジング４をエンジンヘッド１０に固定しているため、インナーハウジング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、インナーハウジング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。
【符号の説明】
【００４２】
１      圧縮荷重検出素子
２      半球
３      配線部
４      インナーハウジング
５      ステム
６      ロッド
７      チューブ
８      予荷重調整パイプ
９      ダイアフラム部
１０    エンジンヘッド
１１    センサ装着穴
１２    溶接部
１００  筒内圧検出装置
【図１】
2010249675.tif 000003
【図２】
2010249675.tif 000004
【図３】
2010249675.tif 000005