(57)【要約】【課題】  容易に小型化することが可能であり、筒内圧力を高精度に検出することができる筒内圧センサの提供。【解決手段】  内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサ１は、筐体３の内部に配置された半導体素子２と、筐体３の先端に設けられており、筒内圧力を受けるダイヤフラム４と、ダイヤフラム４から半導体素子２に力を伝達するための力伝達部材５とを備え、力伝達部材５は、円錐台状に形成されており、力伝達部材５と半導体素子２との接触面積は、力伝達部材５とダイヤフラム４との接触面積よりも小さくなっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサにおいて、
圧力検出素子と、
前記筒内圧力を受ける受圧部材と、
前記受圧部材から前記圧力検出素子に力を伝達するための力伝達部材とを備え、
前記力伝達部材と前記圧力検出素子との接触面積が、前記力伝達部材と前記受圧部材との接触面積よりも小さいことを特徴とする筒内圧センサ。
【請求項２】
前記力伝達部材は、概ね円錐状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の筒内圧センサ。
【請求項３】
前記力伝達部材は、導電性材料により形成されており、前記力伝達部材の外周面に接するように配置される環状部をもった電極部材を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧センサ。
【請求項４】
前記力伝達部材と前記受圧部材との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の筒内圧センサ。
【請求項５】
内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサにおいて、
低圧用圧力検出素子と、
高圧用圧力検出素子と、
前記筒内圧力を受ける受圧部材と、
前記受圧部材から前記低圧用圧力検出素子に力を伝達するための低圧用力伝達部材と、
前記受圧部材から前記高圧用圧力検出素子に力を伝達するための高圧用力伝達部材とを備え、
前記低圧用圧力検出素子と前記高圧用圧力検出素子とが概ね同軸に配置されると共に、前記低圧用力伝達部材と前記高圧用力伝達部材とが概ね同軸に配置されていることを特徴とする筒内圧センサ。
【請求項６】
前記高圧用力伝達部材と前記受圧部材との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の筒内圧センサ。
【請求項７】
内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサにおいて、
低圧用圧力検出素子と、
高圧用圧力検出素子と、
前記筒内圧力を受ける受圧部材と、
前記受圧部材から前記低圧用圧力検出素子に力を伝達するための低圧用力伝達部材と、
前記受圧部材から前記高圧用圧力検出素子に力を伝達するための高圧用力伝達部材とを備え、前記高圧用力伝達部材と前記受圧部材との間に隙間が形成されていることを特徴とする筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサとして、様々な形式のものが提案・実施されている。そして、広いダイナミックレンジ（検出可能な圧力の範囲）と高い分解能とを両立させることができる筒内圧センサとして、圧力検出範囲が互いに異なる圧力検出素子を複数備えたセンサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７６５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、近年では、満足いく性能をもった筒内圧センサも出現しつつあるが、内燃機関に対して筒内圧センサを実装するという点からは、筒内圧センサのより一層の小型化を図ると共に、筒内圧力の検出精度をより一層向上させることがなお求められている。
【０００５】
そこで、本発明は、容易に小型化することが可能であり、筒内圧力を高精度に検出することができる筒内圧センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による筒内圧センサは、内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサにおいて、圧力検出素子と、筒内圧力を受ける受圧部材と、受圧部材から圧力検出素子に力を伝達するための力伝達部材とを備え、力伝達部材と圧力検出素子との接触面積が、力伝達部材と受圧部材との接触面積よりも小さいことを特徴とする。
【０００７】
この筒内圧センサでは、力伝達部材と圧力検出素子との接触面積が、力伝達部材と受圧部材との接触面積よりも小さくなっているので、受圧部材から力伝達部材に入力する圧力よりも、力伝達部材から圧力検出素子に入力する圧力を大きくすることが可能となる。これにより、力伝達部材を全体に細く（小径化）しても、圧力検出素子の感度を向上させることが可能となり、圧力検出素子自体もより小型のものを採用可能となる。この結果、本発明によれば、筒内圧力の検出精度を向上させると共に筒内圧センサを容易に小型化することができる。
【０００８】
この場合、力伝達部材は、概ね円錐状に形成されていると好ましい。このような構成を採用すれば、力伝達部材と圧力検出素子との接触面積を力伝達部材と受圧部材との接触面積よりも容易に小さくすることが可能となる。
【０００９】
また、力伝達部材は、導電性材料により形成されており、力伝達部材の外周面に接するように配置される環状部をもった電極部材を更に備えると好ましい。このように導電性材料からなる力伝達部材と、この力伝達部材の外周面に接するように配置される環状部をもった電極部材とを用いれば、力伝達部材を給電部材の一部として利用することが可能となるので、狭いスペースにおける電極の取り回しを容易にすることができる。また、かかる構成のもとでは、電極部材の環状部を力伝達部材の外周面上に配置するだけで、電極部材と力伝達部材との電気接続が達成されるので、筒内圧センサの組み立て性を向上させることが可能となり、電極の外部への取り出しも容易となる。
【００１０】
更に、力伝達部材と受圧部材との間には、隙間が形成されてもよい。
【００１１】
本発明による他の筒内圧センサは、内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサにおいて、低圧用圧力検出素子と、高圧用圧力検出素子と、筒内圧力を受ける受圧部材と、受圧部材から低圧用圧力検出素子に力を伝達するための低圧用力伝達部材と、受圧部材から高圧用圧力検出素子に力を伝達するための高圧用力伝達部材とを備え、低圧用圧力検出素子と高圧用圧力検出素子とが概ね同軸に配置されると共に、低圧用力伝達部材と高圧用力伝達部材とが概ね同軸に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
この筒内圧センサでは、低圧用圧力検出素子と高圧用圧力検出素子とが概ね同軸（それぞれの軸心を概ね一致させた状態で）に配置され、更に、例えば低圧用力伝達部材および高圧用力伝達部材の一方を他方の内部に配置することにより、低圧用力伝達部材と高圧用力伝達部材とが概ね同軸に配置されるので、センサ全体を容易に小型化することが可能となる。また、この筒内圧センサは、低圧用圧力検出素子と高圧用圧力検出素子とを備えているので、各圧力検出素子の分解能を実用上良好な範囲に設定しつつ、センサ全体のダイナミックレンジを十分に広く確保することができる。従って、この筒内圧センサによれば、広範囲にわたる筒内圧力の高精度な検出が可能となる。
【００１３】
この場合、高圧用力伝達部材と受圧部材との間に隙間が形成されてもよい。このような構成のもとでは、受圧部材に作用する筒内圧力がある程度大きくなり、受圧部材と高圧用力伝達部材とが接触するようになって始めて高圧用圧力検出素子が筒内圧力の検出を開始することになる。従って、高圧用圧力検出素子のダイナミックレンジを狭めると共にその分解能を実用上良好な範囲に設定することが可能となるので、高圧側における筒内圧力の検出精度を向上させることができる。
【００１４】
本発明による更に他の筒内圧センサは、内燃機関の筒内圧力を検出するための筒内圧センサにおいて、低圧用圧力検出素子と、高圧用圧力検出素子と、筒内圧力を受ける受圧部材と、受圧部材から低圧用圧力検出素子に力を伝達するための低圧用力伝達部材と、受圧部材から高圧用圧力検出素子に力を伝達するための高圧用力伝達部材とを備え、高圧用力伝達部材と受圧部材との間に隙間が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、容易に小型化することが可能であり、筒内圧力を高精度に検出することができる筒内圧センサの実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る筒内圧センサを示す拡大部分断面図である。同図に示される筒内圧センサ１は、例えば多気筒ガソリン内燃機関を始めとする各種内燃機関に適用可能なものであり、内燃機関の燃焼室における筒内圧力を検出するために用いられる。本実施形態の筒内圧センサ１は、いわゆる半導体圧力センサとして構成されており、印加される圧力に応じてその抵抗値が変化する特性をもった半導体素子（圧力検出素子）２を含む。半導体素子２は、例えば、シリコン基板等と、この基板上にブリッジを構成するように拡散技術等により形成された４体のピエゾ抵抗体とを有するものである。
【００１８】
半導体素子２は、ステンレス等により筒状に形成された筐体３内の図示されない固定部材に取り付けられ、筐体３の内部に収容される。この筐体３の外周面には、内燃機関のシリンダヘッドに形成された孔部に螺合される雄ねじ（図示省略）が形成されており、筐体３の先端には、ダイヤフラム（受圧部材）４が固定されている。筒内圧センサ１は、内燃機関の気筒ごとに、ダイヤフラム４が燃焼室の内部に臨むようにシリンダヘッドの孔部に装着（螺合）され、ダイヤフラム４の燃焼室側の表面は、筒内圧センサ１の受圧面（センサ受圧面）となる。
【００１９】
ダイヤフラム４と半導体素子２との間には、受圧部材としてのダイヤフラム４から半導体素子２に対して力を伝達するための力伝達部材５が配置されている。力伝達部材５は、金属等の導電性材料からなり、図１に示されるように、概ね円錐状（本実施形態では、底面と頂面とがそれぞれ平坦である円錐台状）に形成されている。そして、力伝達部材５の底面（図中下側の面）は、ダイヤフラム４の内面に当接しており、当該底面よりも面積が小さい力伝達部材５の頂面（図中上側の面）は、半導体素子２の受圧面と当接している。また、力伝達部材５は、半導体素子２の一方の給電端子に接続される。
【００２０】
また、筒内圧センサ１は、半導体素子２に対して電流を供給するための電極部材６を有している。電極部材６は、金属等の導電性材料からなり、図１および図２に示されるように、力伝達部材５の外周面に少なくとも接することができるように形成された環状部６ａと、この環状部６ａから延出された１本の引き出し部６ｂとを含む。電極部材６は、図１に示されるように、環状部６ａと力伝達部材５の外周面とが密に接触するように、力伝達部材５に対して例えば圧入・固定される。そして、電極部材６の引き出し部６ｂは、筐体３の内部で概ね軸方向に延在し、半導体素子２から延出された他方の電極７と共に筐体３の外部に引き出される。電極の引き出し部６ｂと他方の電極７とは、それぞれ図示されない電源装置に接続される。半導体素子２に電流を供給する電源装置としては、定電圧電源あるいは定電流電源の何れかが採用される。
【００２１】
このように導電性材料からなる力伝達部材５と、力伝達部材５の外周面に接するように配置される環状部６ａをもった電極部材６とを用いれば、力伝達部材５を給電部材の一部として利用することが可能となるので、筐体３内の狭いスペースにおける電極の取り回しを容易にすることができる。また、筒内圧センサ１では、電極部材６の環状部６ａを力伝達部材５の外周面上に配置するだけで、電極部材６と力伝達部材５との電気接続が達成されるので、その組み立て性を向上させることが可能となり、引き出し部６ｂの外部への取り出しも容易となる。
【００２２】
さて、上述のように構成される筒内圧センサ１のダイヤフラム４に対して、燃焼室内の筒内圧力が作用すると、筒内圧力は、力伝達部材５を介して半導体素子２に伝えられることになる。そして、筒内圧センサ１の半導体素子２に対して図示されない電源から電流が供給されると、半導体素子２は、燃焼室内の筒内圧力に応じて変化した抵抗値と電源からの電流値とに基づいて、筒内圧力に対応した電圧信号を出力する。筒内圧センサ１の出力は、例えば作動増幅器を介して取り出される。
【００２３】
ここで、上述のように、本実施形態の筒内圧センサ１では、力伝達部材５が円錐台状に形成されていることから、半導体素子２と接触する力伝達部材５の頂面の面積（圧力検出素子との接触面積）が、ダイヤフラム４と接触する力伝達部材５の底面（受圧部材との接触面積）よりも小さくなっている。このため、力伝達部材５から半導体素子２に入力する圧力は、ダイヤフラム４から力伝達部材５に入力する圧力よりも大きくなる。従って、力伝達部材５を一般的な筒内圧センサに比べて全体に細く（小径化）しても、半導体素子２の感度を向上させることが可能となり、半導体素子２自体もより小型のものを採用可能となる。この結果、筒内圧力の検出精度を良好に維持しつつ、本実施形態の筒内圧センサ１を容易に小型化することが可能となる。
【００２４】
なお、本実施形態では、電極部材６の環状部６ａが力伝達部材５の外周面に圧入・固定されるが、これに限られるものではない。すなわち、電極部材６の環状部６ａと力伝達部材５の外周面とは、互いに嵌合（例えばスナップ係合）するように形成されてもよく、また、電極部材６の環状部６ａと力伝達部材５の外周面とは、溶接等により互いに固定されてもよい。また、力伝達部材５は、円錐台状に形成される必要は無く、図１において破線で示されるように、力伝達部材５の頂面（半導体素子２との接触面）は、曲面状に形成されてもよい。更に、力伝達部材５は、半導体素子２との接触面積がダイヤフラム４との接触面積よりも小さくなるように複数の円柱部材を重ね合わせたものであってもよい。
【００２５】
〔第２実施形態〕
以下、図３〜図６を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る筒内圧センサについて説明する。
【００２６】
図３に示される筒内圧センサ１０は、互いに異なる圧力検出範囲を有する複数（本実施形態では２体）の圧力検出素子１１，１２を備えるものである。すなわち、筒内圧センサ１０の筐体１３の内部には、低圧用圧力検出素子１１と、高圧用圧力検出素子１２とが配置されている。低圧用圧力検出素子１１は、主として排気行程および吸気行程における低い筒内圧力（例えば、およそ０〜３００ｋＰａ）を検出するために用いられる。また、高圧用圧力検出素子１２は、主として圧縮行程および膨張行程における高い筒内圧力（例えば、およそ１０〜２０ＭＰａ）を検出するために用いられる。
【００２７】
本実施形態では、低圧用圧力検出素子１１として、例えば、印加される圧力に応じて静電荷を生じる環状の圧電素子が採用される一方、高圧用圧力検出素子１２として、例えば、印加される圧力に応じて抵抗値が変化する特性をもった半導体素子が採用される。そして、本実施形態では、高圧用圧力検出素子１２が筐体３内の図示されない固定部材に取り付けられ、高圧用圧力検出素子１２の底面に、環状の低圧用圧力検出素子１１が高圧用圧力検出素子１２と概ね同軸に（それぞれの軸心を概ね一致させた状態で）固定される。
【００２８】
更に、筒内圧センサ１０は、受圧部材としてのダイヤフラム１４から低圧用圧力検出素子１１に力を伝達するための低圧用力伝達部材１５と、ダイヤフラム１４から高圧用圧力検出素子１２に力を伝達するための高圧用力伝達部材１６とを有している。低圧用力伝達部材１５は、概ね円筒状に形成されており、その下端面はダイヤフラム１４の内面に固定される一方、その上端面は低圧用力伝達部材１５の受圧面と当接する。
【００２９】
また、高圧用力伝達部材１６は、底面と頂面とがそれぞれ平坦である円錐台状に形成されている。そして、高圧用力伝達部材１６は、低圧用力伝達部材１５の内部に概ね同軸に配置され、その底面（図中下側の面）は、ダイヤフラム１４の内面中央部に設けられた概ね円錐台状の当接部１４ａに固定または接触させられる。また、当該底面よりも面積が小さい高圧用力伝達部材１６の頂面（図中上側の面）は、低圧用圧力検出素子１１の中央開口部を介して高圧用圧力検出素子１２の受圧面と当接する。なお、高圧用力伝達部材１６は、図３において破線で示されるように、全長にわたって同一の断面形状を有する柱体として構成されてもよい。また、ダイヤフラム１４の当接部１４ａは省略されてもよい。
【００３０】
このように、低圧用圧力検出素子１１と高圧用圧力検出素子１２とを概ね同軸に配置すると共に、高圧用力伝達部材１６を低圧用力伝達部材１５の内部に同軸に配置することにより、筒内圧センサ１０の全体を容易に小型化することが可能となる。また、筒内圧センサ１０は、低圧用圧力検出素子１１と高圧用圧力検出素子１２とを備えているので、各圧力検出素子１１，１２の分解能を実用上良好な範囲に設定しつつ、センサ全体のダイナミックレンジを十分に広く確保することができる。すなわち、図４に示されるように、筒内圧センサ１０を用いた場合、ダイヤフラム１４に印加される筒内圧力が比較的小さい間、低圧用圧力検出素子１１から筒内圧力に対応した電圧信号が比較的高い値で出力される。そして、低圧用圧力検出素子１１の出力電圧が所定値に達した段階から、低圧用圧力検出素子１１に代わって、高圧用圧力検出素子１２の電圧信号が筒内圧力の測定に用いられるようになる。これにより、筒内圧センサ１０を用いれば、広範囲にわたって（特に低圧側において）筒内圧力の高精度な検出が可能となる。
【００３１】
図５は、本発明の第２実施形態に係る筒内圧センサの変形例を示す拡大部分断面図である。
【００３２】
図５に示される筒内圧センサ１０Ａでは、高圧用力伝達部材１６の頂面が高圧用圧力検出素子１２の所定箇所に固定されており、高圧用力伝達部材１６の底面とダイヤフラム１４の当接部１４ａとの間には隙間Ｇが形成されている。これにより、筒内圧センサ１０Ａを用いた場合、図６に示されるように、ダイヤフラム１４に作用する筒内圧力がある程度大きくなり、ダイヤフラム１４の当接部１４ａと高圧用力伝達部材１６の底面とが接触するようになって始めて高圧用圧力検出素子１２が筒内圧力の検出を開始することになる。従って、筒内圧センサ１０Ａでは、図３の筒内圧センサ１０に比べて、高圧用圧力検出素子１２のダイナミックレンジを狭めると共にその分解能を実用上良好な範囲に設定することが可能となるので、特に高圧側における筒内圧力の検出精度を向上させることができる（図６参照）。なお、筒内圧センサ１０Ａにおいても、高圧用力伝達部材１６は、図５において破線で示されるように、全長にわたって同一の断面形状を有する柱体として構成されてもよい。また、ダイヤフラム１４の当接部１４ａは省略されてもよい。
【００３３】
更に、筒内圧センサ１０Ａにおいては、図６に示されるように、低圧用圧力検出素子１１の出力電圧が概ね一定になる前に高圧用圧力検出素子１２が筒内圧力の検出を開始するように、高圧用力伝達部材１６の底面とダイヤフラム１４の当接部１４ａとの間の隙間Ｇが設定されると好ましい。これにより、高圧用圧力検出素子１２が筒内圧力の検出を開始してから、低圧用圧力検出素子１１の出力電圧が所定値に達するまでの間を、筒内圧センサ１０Ａの、いわゆる故障判定領域（ダイアグノース領域）とすることができる。すなわち、低圧用圧力検出素子１１と高圧用圧力検出素子１２との双方が正常に機能している場合には、故障判定領域においては、図６に示されるように、低圧用圧力検出素子１１の出力と高圧用圧力検出素子１２の出力との対応関係が一定になる。従って、かかる故障判定領域において、低圧用圧力検出素子１１の出力と高圧用圧力検出素子１２の出力との対応関係をモニタすることにより、低圧用圧力検出素子１１と高圧用圧力検出素子１２との少なくとも何れか一方が故障しているか否かを判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る筒内圧センサを示す拡大部分断面図である。
【図２】図１の筒内圧センサに含まれる電極部材を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る筒内圧センサを示す拡大部分断面図である。
【図４】図３の筒内圧センサの出力特性を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る筒内圧センサの変形例を示す拡大部分断面図である。
【図６】図５の筒内圧センサの出力特性を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１，１０，１０Ａ    筒内圧センサ
２    半導体素子
３，１３    筐体
４，１４    ダイヤフラム
５    力伝達部材
６      電極部材
６ａ  環状部
６ｂ    引き出し部
１１    低圧用圧力検出素子
１２    高圧用圧力検出素子
１５    低圧用力伝達部材
１６    高圧用力伝達部材
Ｇ    隙間
【図１】
2006105691.tif 000003
【図２】
2006105691.tif 000004
【図３】
2006105691.tif 000005
【図４】
2006105691.tif 000006
【図５】
2006105691.tif 000007
【図６】
2006105691.tif 000008