(57)【要約】【課題】筒内圧センサのダイナミックレンジを広く設定しつつ、分解能を良好に向上させ、広範囲にわたる筒内圧力の高精度な検出を可能にする。【解決手段】エンジンの筒内圧力を検出するための筒内圧検出装置１は、加えられる圧力に応じた抵抗値の変化に基づいて筒内圧力を検出する筒内圧センサ２と、筒内圧センサ２に電流を供給するための電源３と、電源３から筒内圧センサ２に供給される電流の値を変化させるための可変抵抗器５および制御ユニット１０とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの筒内圧力を検出するための筒内圧検出装置において、
加えられる圧力に応じた抵抗値の変化に基づいて筒内圧力を検出する筒内圧センサと、
前記筒内圧センサに電流を供給するための電源と、
前記電源から前記筒内圧センサに供給される電流の値を変化させるための電流値設定手段とを備えることを特徴とする筒内圧検出装置。
【請求項２】
前記電流値設定手段は、前記エンジンのクランク角度に基づいて前記電源から前記筒内圧センサに供給される電流の値を設定す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】
前記電流値設定手段は、前記筒内圧センサの出力が圧縮行程および膨張行程と比較して排気行程および吸気行程で増幅されるように、前記電源から前記筒内圧センサに供給される電流の値を設定す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】
前記電流値設定手段は、前記エンジンの負荷に応じて前記電源から前記筒内圧センサに供給される電流の値を設定可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内圧検出装置。
【請求項５】
エンジンの筒内圧力を検出するために用いられる筒内圧センサにおいて、
それぞれ筒内圧力を検出可能な複数の筒内圧検出手段を備えており、前記複数の筒内圧検出手段の圧力検出範囲が互いに異なっていることを特徴とする筒内圧センサ。
【請求項６】
前記複数の筒内圧検出手段には、主として圧縮行程および膨張行程における筒内圧力を検出するための検出手段と、主として排気行程および吸気行程における筒内圧力を検出するための検出手段とが含ま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】
前記複数の筒内圧検出手段は、互いに一体化されていることを特徴とする請求項５または６に記載の筒内圧センサ。
【請求項８】
前記複数の筒内圧検出手段は、それぞれの受圧面と略直交する方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の筒内圧センサ。
【請求項９】
前記複数の筒内圧検出手段には、筒内に臨むセンサ受圧面に対応する検出手段と、前記エンジンの一部と当接するセンサ受圧面に対応する検出手段とが含まれていることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の筒内圧センサ。
【請求項１０】
前記複数の筒内圧検出手段のそれぞれに対応するセンサ受圧面を概ね同一平面内に含んでいることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の筒内圧センサ。
【請求項１１】
前記複数の筒内圧検出手段の少なくとも何れか一つは、圧電素子であり、前記圧電素子に接触するように配置されて応力を前記圧電素子に対して集中させるスペーサを更に備えることを特徴とする請求項５〜９の何れかに記載の筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの筒内圧力を検出するための筒内圧検出装置および筒内圧センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンの筒内圧力を検出するための筒内圧センサとして、環状（管状）の圧電素子を含むものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の筒内圧センサは、筒内圧力を受けるダイアフラムと、ダイアフラムによって受けられた筒内圧力を圧電素子に伝達する伝達部材とを有し、圧電素子には、固定ネジ等により予備荷重が加えられるのが一般的である。また、筒内圧力の検出に用いられる圧電素子としては、シリンダヘッドと点火プラグとの間に配置され得るように、環状（ワッシャ状）に形成されたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
更に、筒内圧センサとして、圧電素子の代わりに、半導体素子を含むものも知られている。この場合、半導体素子としては、加えられる圧力に応じた抵抗値が変化する特性をもったものが採用される。この種の筒内圧センサも、一般に、筒内圧力を受けるダイアフラムと、ダイアフラムによって受けられた筒内圧力を半導体素子に伝達する伝達部材とを有する。また、半導体素子の出力を増幅するために、半導体素子等を収容するハウジング内に増幅器が組み込まれている筒内圧センサも知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−０４９２８３号公報
【特許文献２】
実開平５−０４５５４２号公報
【特許文献３】
特開平５−１２６６６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、筒内圧を検出する装置のダイナミックレンジ（検出可能な圧力の範囲）は、例えばおよそ０〜２０ＭＰａという広い範囲に対応している必要がある。
しかしながら、ダイナミックレンジを広げようとすればするほど、分解能が低下してしまう。このため、上述されたような従来の筒内圧センサを用いたとしても、筒内圧力を高精度に検出することは困難であった。すなわち、従来の筒内圧センサにおいてダイナミックレンジと分解能との双方を両立させることは容易ではなく、両者を良好に満足させる筒内圧検出装置は、これまで提案されていないのが実情である。
【０００６】
そこで、本発明は、広いダイナミックレンジと高い分解能とを有し、広範囲にわたる筒内圧力の高精度な検出を可能にする筒内圧検出装置および筒内圧センサの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による筒内圧検出装置は、エンジンの筒内圧力を検出するための筒内圧検出装置において、加えられる圧力に応じた抵抗値の変化に基づいて筒内圧力を検出する筒内圧センサと、筒内圧センサに電流を供給するための電源と、電源から筒内圧センサに供給される電流の値を変化させるための電流値設定手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この筒内圧検出装置では、筒内圧力を検出する際に、半導体素子等を含む筒内圧センサに対して、電源から電流が供給される。これにより、筒内圧センサは、筒内圧力に応じて変化した半導体素子等の抵抗値と電源からの電流の値とに基づいて、筒内圧力に対応した電圧信号を出力する。この際、本発明による筒内圧検出装置では、筒内圧センサに供給される電流の値が電流値設定手段によって適宜変化させられる。
【０００９】
電流値設定手段により、筒内圧センサに供給される電流がより大きな値に設定されれば、筒内圧センサの出力は、電源からの電流の値に応じて増幅されることになる。従って、この筒内圧検出装置を用いれば、検出対象となる筒内圧力が相対的に低い場合であっても、筒内圧センサに供給される電流の値を適切に設定することにより、筒内圧力の変動幅（脈動）を十分に識別することが可能となる。
この結果、本発明による筒内圧検出装置によれば、筒内圧センサのダイナミックレンジを広く設定しつつ、分解能を良好に向上させることが可能となり、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することができる。
【００１０】
また、この筒内圧検出装置では、電源や電流値設定手段等を筒内圧センサから容易に離隔させることができるので、エンジンに近接して配置される要素である筒内圧センサを極めてコンパクトに構成することが可能となる。この結果、エンジンに対して筒内圧検出装置を設置するに際して、筒内圧センサと点火装置や燃料噴射装置とが干渉し合ってしまうことを防止可能となり、筒内圧センサの存在によりバルブの大径化が妨げられてしまうといったような事態を容易に回避することができる。
【００１１】
更に、電流値設定手段は、エンジンのクランク角度に基づいて電源から筒内圧センサに供給される電流の値を設定すると好ましい。
【００１２】
一般に、エンジン動作中における筒内圧力の高低は、クランク角度をモニタすることにより把握することができる。従って、このような構成を採用すれば、筒内圧力が相対的に低くなるタイミングを的確に把握した上で、電源から筒内圧センサに供給される電流の値を変化させることが可能となる。
【００１３】
また、電流値設定手段は、筒内圧センサの出力が圧縮行程および膨張行程と比較して排気行程および吸気行程で増幅されるように、電源から筒内圧センサに供給される電流の値を設定すると好ましい。
【００１４】
一般に、エンジンの筒内圧力は、圧縮行程および膨張行程で高まる一方、排気行程および吸気行程で低下することになる。従って、筒内圧センサの出力が圧縮行程および膨張行程と比較して排気行程および吸気行程で増幅されるように筒内圧センサへの電流の値を設定することにより、エンジン動作中における筒内圧力の検出精度を向上させることが可能となる。
【００１５】
更に、電流値設定手段は、エンジンの負荷に応じて電源から筒内圧センサに供給される電流の値を設定可能であると好ましい。
【００１６】
エンジンの動作中、筒内圧力は、エンジンの負荷率によっても変化し、例えば低負荷時における筒内圧力の最大値は、高負荷時と比較して低下する。従って、エンジンの負荷に応じて電源から筒内圧センサに供給される電流の値を変化させることにより、低負荷時に筒内圧センサの出力を増幅させることが可能となるので、エンジン動作中における筒内圧力の検出精度をより一層向上させることができる。
【００１７】
本発明による筒内圧センサは、エンジンの筒内圧力を検出するために用いられる筒内圧センサにおいて、それぞれ筒内圧力を検出可能な複数の筒内圧検出手段を備えており、複数の筒内圧検出手段の圧力検出範囲が互いに異なっていることを特徴とする。
【００１８】
この筒内圧センサは、半導体素子や圧電素子といった筒内圧検出手段を複数含むものであり、複数の筒内圧検出手段は、互いに異なる圧力検出範囲を有している。従って、この筒内圧センサでは、想定される筒内圧力の範囲を複数の筒内圧検出手段に予め分割して受け持たせておくことができる。これにより、センサ全体のダイナミックレンジを十分に広く確保しつつ、分解能を実用上良好な範囲に設定することができるので、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することが可能となる。
【００１９】
この場合、複数の筒内圧検出手段には、主として圧縮行程および膨張行程における筒内圧力を検出するための検出手段と、主として排気行程および吸気行程における筒内圧力を検出するための検出手段とが含まれていると好ましい。
【００２０】
また、複数の筒内圧検出手段は、互いに一体化されていると好ましい。これにより、筒内圧センサのエンジンに対する搭載性（取付性）を向上させることができる。
【００２１】
更に、複数の筒内圧検出手段は、それぞれの受圧面と略直交する方向に沿って配列されているとよく、また、複数の筒内圧検出手段には、筒内に臨むセンサ受圧面に対応する検出手段と、エンジンの一部と当接するセンサ受圧面に対応する検出手段とが含まれていてもよい。更に、複数の筒内圧検出手段のそれぞれに対応する筒内圧センサの受圧面（センサ受圧面）は、概ね同一平面内に含まれていてもよい。
【００２２】
また、複数の筒内圧検出手段の少なくとも何れか一つは、圧電素子であり、圧電素子に接触するように配置されて応力を圧電素子に対して集中させるスペーサを更に備えると好ましい。このような構成を採用すれば、圧電素子の感度を容易かつ確実に向上させることができると共に、圧電素子に対する予備荷重を容易かつ自在に設定可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による筒内圧検出装置および筒内圧センサの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明による筒内圧検出装置を示すブロック構成図であり、図２は、図１の筒内圧検出装置の一部を示す拡大部分断面図である。これらの図面に示される筒内圧検出装置１は、例えば多気筒ガソリンエンジンを始めとする各種エンジンに適用可能なものであり、エンジンの燃焼室ＣＲ（図２参照）における筒内圧力を検出する筒内圧センサ２と、筒内圧センサ２に電流を供給するための電源３とを含む。なお、図１には、説明をわかりやすくするために、１体の筒内圧センサ２のみが記載されている。
【００２５】
本実施形態では、筒内圧センサ２として、いわゆる半導体圧力センサが採用されており、筒内圧センサ２は、加えら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（筒内圧検出手段）２０と、ステンレス等により筒状に形成された筐体２１とを含む。半導体素子２０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。図２に示されるように、半導体素子２０は、筐体２１の内部に配置された内部固定部材２２に取り付けられ、筐体２１の内部に収容される。
半導体素子２０の２本のリード線は、内部固定部材２２に形成された孔部に挿通され、図示されないコネクタ部に装着された端子にそれぞれ接続される。
【００２６】
筐体２１の外周面には、エンジンのシリンダヘッドＣＨの孔部に螺合させる雄ねじが形成されている。また、筐体２１の先端には、ダイヤフラム２３が固定されている。そして、半導体素子２０とダイヤフラム２３との間には、ダイヤフラム２３側から順番に、ヒートインシュレータ（伝達部材）２４、半球状部材２５およびガラスブロック２６が配置されている。筒内圧センサ２は、エンジンの各気筒ごとに、ダイヤフラム２３が燃焼室ＣＲの内部に臨むようにシリンダヘッドＣＨの孔部に取り付けられ、ダイヤフラム２３の燃焼室ＣＲ側の表面は、筒内圧センサ２の受圧面（センサ受圧面）となる。
【００２７】
燃焼室ＣＲ内の筒内圧力がダイヤフラム２３に作用すると、筒内圧力は、ヒートインシュレータ２４、半球状部材２５およびガラスブロック２６を介して半導体素子２０に伝えられることになる。そして、筒内圧センサ２に電源３から電流が供給されると、筒内圧センサ２（半導体素子２０）は、燃焼室ＣＲ内の筒内圧力に応じて変化した抵抗値と電源３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Ｖｏｕｔを出力する。筒内圧センサ２の出力は、図１に示されるように、作動増幅器４を介して取り出される。なお、エンジンの作動中、燃焼室ＣＲ内の熱はダイヤフラム２３に加わるが、ダイヤフラム２３から半導体素子２０への熱の伝達は、ヒートインシュレータ２４によって遮断される。
【００２８】
一方、本実施形態において、上述の筒内圧センサ２に電流を供給する電源３は、定電圧電源として構成されており、筒内圧センサ２を構成する半導体素子２０の一方の端子には、一定の電圧Ｖｃが印加される。そして、筒内圧センサ２を構成する半導体素子２０の接地側端子には、可変抵抗器５が直列に接続されている。この可変抵抗器５は、並列接続された複数（本実施形態では、３体）の抵抗Ｒｆ０，Ｒｆ１およびＲｆ２と、トランジスタＴｒ１およびＴｒ２とを含む。トランジスタＴｒ１は、可変抵抗器５の入力端子と抵抗Ｒｆ１との間に組み込まれる一方、トランジスタＴｒ２は、可変抵抗器５の入力端子と抵抗Ｒｆ２との間に組み込まれており、両者は、可変抵抗器５の抵抗値Ｒを変化させるスイッチング素子として機能する。
【００２９】
すなわち、トランジスタＴｒ１およびＴｒ２の双方がオフされると、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒは、最大となり、
Ｒ＝Ｒｆ０
となる。また、トランジスタＴｒ１がオンされる一方、トランジスタＴｒ２がオフされると、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒは、
Ｒ＝Ｒｆ０・Ｒｆ１／（Ｒｆ０＋Ｒｆ１）
となる。更に、トランジスタＴｒ１がオフされる一方、トランジスタＴｒ２がオンされると、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒは、
Ｒ＝Ｒｆ０・Ｒｆ２／（Ｒｆ０＋Ｒｆ２）
となる。
そして、トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２の双方がオンされると、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒは、最小となり、
Ｒ＝Ｒｆ０・Ｒｆ１・Ｒｆ２／（Ｒｆ０・Ｒｆ１＋Ｒｆ１・Ｒｆ２＋Ｒｆ２・Ｒｆ０）
となる。なお、可変抵抗器５の抵抗の数や、各抵抗Ｒｆ０，Ｒｆ１およびＲｆ２の値は任意に定めることができる。
【００３０】
このような可変抵抗器５の全抵抗値Ｒの設定、すなわち、トランジスタＴｒ１およびＴｒ２のオン／オフ制御は、筒内圧検出装置１に含まれる制御ユニット１０によって行なわれる。この制御ユニット１０は、図示されないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、記憶装置等を含むと共に、可変抵抗器５のトランジスタＴｒ１およびＴｒ２のゲートにパルス電圧信号を印加するパルス発生装置（図示省略）を有する。制御ユニット１０は、トランジスタＴｒ１およびＴｒ２を適宜オン／オフさせて可変抵抗器５の全抵抗値Ｒを変化させることにより、筒内圧センサ２（半導体素子２０）に供給される電流の値を設定するものである。すなわち、可変抵抗器５と制御ユニット１０とは、電源３から筒内圧センサ２に供給される電流の値を変化させるための電流値設定手段として機能する。
【００３１】
また、制御ユニット１０には、図１に示されるように、それぞれエンジンに対して設けられているクランク角センサ６およびエアフローメータ７が接続されている。更に、筒内圧検出装置１の適用対象であるエンジンに可変バルブタイミング機構が備えられている場合、当該可変バルブタイミング機構に含まれるカム角センサ８が制御ユニット１０に接続される。
【００３２】
次に、上述の筒内圧検出装置１の動作について説明する。
【００３３】
エンジンが作動している間、クランク角センサ６は、エンジンのクランク角度を各気筒ごとに検知し、クランク角度を示す信号を制御ユニット１０に与える。
制御ユニット１０は、クランク角センサ６からの信号に基づいて、各気筒ごとにピストンが下死点ＢＤＣに位置するタイミングと上死点ＴＤＣに位置するタイミングとを求め、各ピストンが吸気、圧縮、膨張および排気の何れの行程にあるかを判別する。
【００３４】
ここで、図３に示されるように、筒内圧力は、一般に、圧縮行程および膨張行程で高まる一方、排気行程および吸気行程で低下し（図３における二点鎖線参照）、排気行程および吸気行程では、筒内圧力の脈動も認められる。従って、クランク角度に基づいて各ピストンが吸気、圧縮、膨張および排気の何れの行程にあるかを判別することにより、エンジン動作中に筒内圧力が相対的に低くなるタイミングを的確に把握することができる。
【００３５】
制御ユニット１０は、各ピストンが吸気、圧縮、膨張および排気の何れの行程にあるかを判別し、判別した行程に応じるように、電源３から筒内圧センサ２に供給される電流を設定する。本実施形態の場合、半導体素子２０の抵抗値をＲｓとすれば、筒内圧センサ２の半導体素子２０を流れる電流の値Ｉｓは、
Ｉｓ＝Ｖｃ／（Ｒｓ＋Ｒ）
となり、筒内圧センサ２（半導体素子２０）の出力Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｒｓ・Ｉｓ＝Ｖｃ・Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒ）
となる。このため、制御ユニット１０は、各ピストンが排気行程および吸気行程にある際には、例えば可変抵抗器５のトランジスタＴｒ１およびＴｒ２の何れか一方またはすべてをオンさせることにより、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒを圧縮行程および吸気行程と比較して小さい値に設定する。
【００３６】
これにより、筒内圧検出装置１では、排気行程および吸気行程において、筒内圧センサ２（半導体素子２０）に供給される電流が、圧縮行程および膨張行程と比較して大きな値に設定される。従って、排気行程および吸気行程では、図３において実線で示されるように、筒内圧センサ２の出力Ｖｏｕｔが、電源３から筒内圧センサ２に常時一定の値の電流を供給した場合（図３における二点鎖線参照）と比較して増幅されることになる。
【００３７】
この結果、筒内圧検出装置１を用いれば、排気行程および吸気行程のように検出対象となる筒内圧力が相対的に低くなる場合であっても、筒内圧センサ２に供給される電流の値を適切に設定することにより、排気行程および吸気行程における筒内圧力の脈動等を十分に識別することが可能となる。従って、筒内圧検出装置１によれば、筒内圧センサ２のダイナミックレンジを広く設定しつつ、分解能を良好に向上させることが可能となり、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することができる。
【００３８】
また、筒内圧検出装置１では、電源３、作動増幅器４、可変抵抗器５、制御ユニット１０等を筒内圧センサ２から容易に離隔させることができる。従って、エンジンに近接して配置される要素である筒内圧センサ２それ自体を極めてコンパクトに構成することが可能となる。この結果、エンジンに対して筒内圧検出装置１を設置するに際して、筒内圧センサ２と点火装置や燃料噴射装置とが干渉し合ってしまうことを防止可能となり、筒内圧センサ２の存在によりバルブの大径化が妨げられてしまうといったような事態を容易に回避することができる。
【００３９】
ところで、エンジンの筒内圧力の高低は、基本的にクランク角度から概ね把握することが可能ではあるが、エンジンの動作中、筒内圧力は、エンジンの負荷率によっても変化し、低負荷時における筒内圧力の最大値は高負荷時と比較して低下する。このため、何ら対策を施さなければ、低負荷時における筒内圧センサの出力Ｖｏｕｔも、図４において破線で示されるように、高負荷時と比較して低下する。この点に鑑みて、筒内圧検出装置１の制御ユニット１０は、エンジンの負荷に応じて電源３から筒内圧センサ２に供給される電流の値を変化させる（補正する）ように構成されている。
【００４０】
すなわち、エンジンが動作している間、制御ユニット１０は、エアフローメータ７から受け取った信号に基づき、各燃焼室ＣＲにおける空気充填率等からエンジンの負荷率を求める。そして、制御ユニット１０は、求めたエンジンの負荷率と、図５に示されるようなエンジンの負荷率と筒内圧センサ２に供給される電流の値との関係を示すマップ等とに基づいて、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒを変化させて筒内圧センサ２への電流の値を調節する。
【００４１】
図５に示される電流値設定用のマップは、電源３から筒内圧センサ２への電流の値をエンジン負荷率の増加に伴って所定の幅で段階的に小さくすると共に、エンジン負荷率の低下に伴って段階的に大きくするように作成されたものである。
これにより、筒内圧検出装置１では、図４において実線で示されるように、低負荷時において筒内圧センサの出力Ｖｏｕｔが増幅されることになる。このように、エンジンの負荷率をも考慮しながら、電源３から筒内圧センサ２に供給される電流の値を変化させることにより、エンジン動作中における筒内圧力の検出精度をより一層向上させることが可能となる。
【００４２】
また、エンジンに対して可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）が備えられている場合、電源３から筒内圧センサ２に供給される電流の値を変化させるタイミングは、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップ（進角）に基づいて補正されると好ましい。すなわち、可変バルブタイミング機構によって、吸気バルブを開くタイミングが早められた場合、吸気行程の終了タイミングは、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップに応じて変化し、それに応じて圧縮行程および膨張行程の終了タイミングも変化することになる。従って、このような場合、筒内圧センサ２による筒内圧力の検出精度を向上させるためには、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップを考慮する必要がある。
【００４３】
このため、筒内圧検出装置１が可変バルブタイミング機構を備えたエンジンに適用される場合には、図１に示されるように、制御ユニット１０に対して、可変バルブタイミング機構に含まれるカム角センサ８からの信号が与えられる。そして、制御ユニット１０は、カム角センサ８からの信号に基づいて、排気バルブと吸気バルブとの進角を求め、図６に示されるように、求めた進角分だけ、可変バルブタイミング機構の非作動時（図６における破線参照）よりも、可変抵抗器５の全抵抗値Ｒを切り換える（大きくする）タイミング（電源３から筒内圧センサ２に供給される電流の値を小さくするタイミング）を早める。これにより、可変バルブタイミング機構を備えるエンジンについても、その動作中における筒内圧力の検出精度をより一層向上させることが可能となる。
【００４４】
図７は、本発明による筒内圧検出装置の第１実施形態における変形例を示す概略構成図である。同図に示される筒内圧検出装置１Ａでは、筒内圧センサ２に電流を供給するための電源３として、一定の電流Ｉｃを供給可能な定電流電源が採用されている。この場合、可変抵抗器５は、筒内圧センサ２と並列に接続され、制御ユニット１０Ａによって制御される。制御ユニット１０Ａは、クランク角センサ６からの信号に基づいてピストンが排気行程および吸気行程にあると判別した際、筒内圧センサ２の出力Ｖｏｕｔが増幅されるように可変抵抗器５の全抵抗値Ｒを圧縮および膨張行程と比較して大きな値に設定する。
【００４５】
また、図８に示される筒内圧検出装置１Ｂのように、筒内圧センサ２に電流を供給するための電源として、制御ユニット１０Ｂに接続される（若しくは、制御ユニット１０Ｂに含まれる）Ｄ／Ａ変換器９が採用されてもよい。この場合、制御ユニット１０Ｂは、クランク角度に基づいて筒内圧センサ２に供給すべき電流値を定め、その電流値を示すデジタル信号をＤ／Ａ変換器９に与える。電源としてのＤ／Ａ変換器９は、制御ユニット１０Ｂからのデジタル信号をアナログ信号（電流）に変換し、そのアナログ信号を筒内圧センサ２に与える。
【００４６】
これらの構成を採用しても、筒内圧センサ２に供給される電流の値を適切に変化させることができる。また、これらの筒内圧検出装置１Ａおよび１Ｂにおいても、エンジンの負荷に応じて、電源３やＤ／Ａ変換器９から筒内圧センサ２に供給される電流の値が調節されると好ましい。更に、これらの筒内圧検出装置１Ａおよび１Ｂが可変バルブタイミング機構を備えるエンジンに適用される場合、筒内圧センサ２に供給される電流の値を変化させるタイミングは、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップ（進角）に基づいて補正されると好ましい。
【００４７】
〔第２実施形態〕
図９は、本発明による筒内圧センサを示す要部拡大部分断面図である。同図に示される筒内圧センサ２Ａは、図２の筒内圧センサ２と基本的には類似しているが、筒内圧を検出する手段として、複数（２体）の半導体素子２０ａおよび２０ｂを有する点で図２の筒内圧センサ２と異なっている。２体の半導体素子２０ａおよび２０ｂのうち、第１の半導体素子２０ａは、筐体２１の内部に配置された内部固定部材２２Ａに取り付けられる。また、第２の半導体素子２０ｂは、第１の半導体素子２０ａの受圧面（図９における下面）に対してガラスブロック２６ａを介して固定される。
【００４８】
このように、筒内圧センサ２Ａでは、２体の半導体素子（筒内圧検出手段）２０ａおよび２０ｂは、それぞれの受圧面と略直交する方向（ダイヤフラム２３の表面と略直交する方向）に配列されると共に互いに一体化されている。これにより、筐体２１の外径を小さくすることが可能となり、筒内圧センサ２Ａのコンパクト化を図ると共に、エンジンに対する搭載性（取付性）を向上させることができる。なお、各半導体素子２０ａおよび２０ｂのリード線は、内部固定部材２２Ａの対応する孔部にそれぞれ挿通され、図示されないコネクタ部に装着された端子にそれぞれ接続される。また、第２の半導体素子２０ｂとダイヤフラム２３との間には、ヒートインシュレータ２４、半球状部材２５およびガラスブロック２６ｂが順番に配置される。
【００４９】
ここで、筒内圧センサ２Ａに含まれる第１の半導体素子２０ａと第２の半導体素子２０ｂとは、互いに異なる圧力検出範囲を有している。すなわち、第１の半導体素子（高圧側半導体素子）２０ａ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、第１の半導体素子２０ａよりも燃焼室ＣＲ側に配置される第２の半導体素子（低圧側半導体素子）２０ｂ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。
【００５０】
上述のように構成される筒内圧センサ２Ａは、ダイヤフラム２３が燃焼室ＣＲの内部に臨むようにシリンダヘッドＣＨの孔部に取り付けられる。各半導体素子２０ａおよび２０ｂには、図示されない電源から電流が供給され、燃焼室ＣＲ内の筒内圧力がダイヤフラム２３に作用すると、半導体素子２０ａおよび２０ｂの何れか一方が、燃焼室ＣＲ内の筒内圧力に応じて変化した抵抗値と供給された電流の値とに基づいて、検知した筒内圧力に対応する電圧信号を出力する。
【００５１】
すなわち、ダイヤフラム２３に作用した筒内圧力は、ヒートインシュレータ２４、半球状部材２５およびガラスブロック２６ｂを介して低圧側の半導体素子２０ｂに伝えられ、更に、ガラスブロック２６ａを介して高圧側の半導体素子２０ａにも伝えられるが、排気行程や吸気行程のように筒内圧力が低い場合（筒内圧力が低圧側の半導体素子２０ｂの検出範囲内にある場合）、筒内圧力に対応した電圧信号は、低圧側の半導体素子２０ｂから取り出される。一方、圧縮行程や膨張行程のように筒内圧力が高い場合（筒内圧力が高圧側の半導体素子２０ａの検出範囲内にある場合）、筒内圧力に対応した電圧信号は、高圧側の半導体素子２０ａから取り出される。
【００５２】
このように、筒内圧センサ２Ａでは、複数の半導体素子（筒内圧検出手段）２０ａおよび２０ｂが互いに異なる圧力検出範囲を有しているので、想定される筒内圧力の範囲を複数の半導体素子２０ａおよび２０ｂに予め分割して受け持たせておくことができる。従って、センサ全体のダイナミックレンジを十分に広く確保しつつ、分解能を実用上良好な範囲に設定することができるので、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することが可能となる。
【００５３】
なお、第２実施形態に係る筒内圧センサ２Ａに対して第１実施形態に関連して説明した構成を適用して、筒内圧センサ２Ａの半導体素子２０ａおよび２０ｂの何れか一方または双方に供給される電流の値をクランク角度やエンジンの負荷率に基づいて変化させてもよい。これにより、筒内圧センサ２Ａによる筒内圧力の検出精度をより一層向上させることが可能となる。また、筒内圧センサ２Ａが可変バルブタイミング機構を備えるエンジンに適用される場合、筒内圧センサ２Ａに供給される電流の値を変化させるタイミングは、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップに基づいて補正されると好ましい。
【００５４】
図１０は、本発明による筒内圧センサの変形例を示す要部拡大部分断面図である。同図に示される筒内圧センサ３０は、複数（本例では、２体）の筒内圧検出手段を有しており、２体の筒内圧検出手段として、加えられる圧力に応じた抵抗値が変化する特性をもった半導体素子３１と、加えられる圧力に応じて静電荷を生じる圧電素子３２とが採用されている。また、半導体素子３１と圧電素子３２とは、互いに異なる圧力検出範囲を有しており、半導体素子３１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を検出するために用いられ、圧電素子３２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を検出するために用いられる。
【００５５】
半導体素子３１は、筐体３３の内部に配置された内部固定部材（図示省略）に取り付けられる。また、筐体３３の先端には、ダイヤフラム３４が固定されており、ダイヤフラム３４の燃焼室ＣＲ側の表面は、筒内圧センサ３０の第１の受圧面（センサ受圧面）となる。そして、半導体素子３１とダイヤフラム３４との間には、ヒートインシュレータ３５、半球状部材３６およびガラスブロック３７が順番に配置される。
【００５６】
一方、圧電素子３２としては、筐体３３の外周に装着することができるように環状（ワッシャ状）に形成されたものが採用されている。圧電素子３２を筐体３３の外周に固定することにより、圧電素子３２と筐体３３内の半導体素子３１とは、それぞれの受圧面と略直交する方向（ダイヤフラム３４の表面と直交する方向）に並んだ状態で互いに一体化される。これにより、筒内圧センサ３０のエンジンに対する搭載性を向上させることができる。また、圧電素子３２の受圧面（図１０における下面）は、シリンダヘッドＣＨに形成された段部ＣＨＳの表面と当接し、圧電素子３２の受圧面は、筒内圧センサ３０の第２の受圧面（センサ受圧面）となる。圧電素子３２には、シリンダヘッドＣＨに螺合される締付部材３８により予備荷重が加えられる。
【００５７】
上述のように構成される筒内圧センサ３０では、第１のセンサ受圧面を定めるダイヤフラム３４に作用した筒内圧力が、ヒートインシュレータ３５、半球状部材３６およびガラスブロック３７を介して半導体素子３１に伝えられ、エンジンを構成するシリンダヘッドＣＨを介して圧電素子３２に伝えられる。そして、排気行程や吸気行程のように筒内圧力が低い場合（筒内圧力が半導体素子３１の検出範囲内にある場合）、筒内圧力に対応した電圧信号が、半導体素子３１から取り出される。一方、圧縮行程や膨張行程のように筒内圧力が高い場合（筒内圧力が圧電素子３２の検出範囲内にある場合）、筒内圧力に対応した信号は、圧電素子３２から取り出される。
【００５８】
このように、筒内圧センサ３０においても、半導体素子３１と圧電素子３２とが互いに異なる圧力検出範囲を有しているので、想定される筒内圧力の範囲を半導体素子３１と圧電素子３２とに予め分割して受け持たせておくことができる。
従って、センサ全体のダイナミックレンジを十分に広く確保しつつ、分解能を実用上良好な範囲に設定することができるので、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することが可能となる。
【００５９】
なお、上述の筒内圧センサ３０の半導体素子３１には、図示されない電源から電流が供給されるが、半導体素子３１に供給される電流の値をクランク角度やエンジンの負荷率に基づいて変化させてもよい。これにより、筒内圧センサ３０による筒内圧力の検出精度をより一層向上させることが可能となる。また、筒内圧センサ３０が可変バルブタイミング機構を備えるエンジンに適用される場合、半導体素子３１に供給される電流の値を変化させるタイミングは、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップに基づいて補正されるとよい。
【００６０】
ところで、図１０に示される筒内圧センサ３０では、筒内圧検出手段の一方として圧電素子３２が含まれているが、このような場合、図１１に示されるように、圧電素子３２に対してスペーサ３９を設けると好ましい。図１１のスペーサ３９は、圧電素子３２に接触するように配置され、応力を圧電素子３２に対して集中させるものである。スペーサ３９は、図１１に示されるように、平板上の環状部材として形成されてもよく、シリンダヘッドＣＨ等や、締付部材３８と一体化されていてもよい。
【００６１】
図１１に示される筒内圧センサ３０Ａにおいて、スペーサ３９は、シリンダヘッドＣＨと圧電素子３２との間、および、締付部材３８と圧電素子３２との間に配置されている。このように、スペーサ３９をシリンダヘッドＣＨと圧電素子３２との間に配置することにより、圧電素子３２の感度を容易かつ確実に向上させることができる。また、スペーサ３９を締付部材３８と圧電素子３２との間に配置することにより、圧電素子３２に対する予備荷重を容易かつ自在に設定可能となる。
【００６２】
なお、図１１に示される筒内圧センサ３０Ａでは、半導体素子３１を収容する筐体３３に、シリンダヘッドＣＨの段部ＣＨＳと当接すると共に圧電素子３２を受けるフランジ３３ｆが固定されており、フランジ３３ｆの図１１における下面が筒内圧センサ３０Ａの第２の受圧面（センサ受圧面）とされる。このような構成のもとでは、シリンダヘッドＣＨと圧電素子３２との間に配置されるスペーサ３９は、フランジ３３ｆと一体化されていてもよい。
【００６３】
図１０の筒内圧センサ３０や図１１の筒内圧センサ３０Ａでは、筒内圧検出手段として、半導体素子３１と圧電素子３２とが組み合わされていたが、図１２に示される筒内圧センサ３０Ｂのように、筒内圧検出手段として、互いに圧力検出範囲が異なる複数（２体）の圧電素子３２ａおよび３２ｂが用いられてもよい。
この場合、各圧電素子３２ａおよび３２ｂには、伝達部材４０によって筒内圧力が伝えられる。伝達部材４０は、一端が燃焼室ＣＲの内部に臨む本体４１と、本体４１に固定されたフランジ４２ａおよび４２ｂとを含む。本例では、外側のフランジ４２ａと締付部材３８Ｂとにより挟持される圧電素子３２ａが、低い筒内圧力を検出するために用いられ、外側のフランジ４２ａと燃焼室ＣＲ側のフランジ４２ｂとにより挟持されて燃焼室ＣＲ側に位置する圧電素子３２ｂが高い筒内圧力を検出するために用いられる。また、締付部材３８Ｂは、圧電素子３２ａおよび３２ｂの双方を収容可能な有底筒状に形成されている。
【００６４】
このように構成される筒内圧センサ３０Ｂによっても、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することが可能となる。また、筒内圧センサ３０Ｂのように、複数の筒内圧検出手段として圧電素子のみを採用した場合、圧電素子の感度を向上させると共に、圧電素子に対する予備荷重の設定を容易にする上で、各圧電素子３２ａおよび３２ｂに対してスペーサ３９を設けると有効である。なお、伝達部材４０として、グロープラグのヒータハウジングや点火プラグの碍子が利用されてもよい。
【００６５】
図１３は、本発明による筒内圧センサの他の変形例を示す要部拡大部分断面図である。同図に示される筒内圧センサ５０は、互いに圧力検出範囲の異なる複数（２体）の半導体圧力センサを平行（横方向）に並べて一体化させたものと実質的に等しい構成を有する。すなわち、筒内圧センサ５０の筐体５１の先端には、２枚のダイヤフラム５２ａおよび５２ｂが取り付けられている。各ダイヤフラム５２ａおよび５２ｂは、それぞれの外面（燃焼室側の表面）が同一平面内に含まれるように筐体５１に取り付けられ、各ダイヤフラム５２ａおよび５２ｂの外面は、それぞれ筒内圧センサ５０の受圧面（センサ受圧面）となる。
【００６６】
そして、筒内圧センサ５０では、各ダイヤフラム５２ａおよび５２ｂに対して、互いに圧力検出範囲が異なる半導体素子５３ａおよび５３ｂが設けられている。各半導体素子５３ａおよび５３ｂは、筐体５１の内部に配置された内部固定部材５４に取り付けられ、半導体素子５３ａとダイヤフラム５２ａとの間、および、半導体素子５３ａとダイヤフラム５２ａとの間には、ヒートインシュレータ５５、半球状部材５６およびガラスブロック５７が順番に配置される。
【００６７】
このように構成される筒内圧センサ５０も、複数の半導体素子（筒内圧検出手段）５３ａおよび５３ｂが互いに異なる圧力検出範囲を有しているので、想定される筒内圧力の範囲を複数の半導体素子５３ａおよび５３ｂに予め分割して受け持たせておくことができる。従って、センサ全体のダイナミックレンジを十分に広く確保しつつ、分解能を実用上良好な範囲に設定することができるので、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することが可能となる。
【００６８】
また、図１３の筒内圧センサ５０のように筒内圧検出手段として、複数の半導体素子を用いる代わりに、図１４に示される筒内圧センサ５０Ａのように、筒内圧検出手段の少なくとも何れか一つとして、光ファイバセンサ５８が用いられてもよい。この場合、光ファイバセンサ５８は、図示されない発光素子および受光素子を含み、筒内圧力に応じたダイヤフラム５２ｂの変位を検出して、筒内圧力に応じた信号を出力する。このように構成される筒内圧センサ５０Ａによっても、広範囲にわたる筒内圧力を極めて高精度に検出することが可能となる。
【００６９】
なお、上述の筒内圧センサ５０，５０Ａの半導体素子５３ａ，５３ｂには、図示されない電源から電流が供給されるが、半導体素子５３ａ，５３ｂに供給される電流の値をクランク角度やエンジンの負荷率に基づいて変化させてもよい。これにより、筒内圧センサ５０，５０Ａによる筒内圧力の検出精度をより一層向上させることが可能となる。また、筒内圧センサ５０，５０Ａが可変バルブタイミング機構を備えるエンジンに適用される場合、半導体素子５３ａ，５３ｂに供給される電流の値を変化させるタイミングは、排気バルブと吸気バルブとのオーバーラップに基づいて補正されるとよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、筒内圧検出装置や筒内圧センサのダイナミックレンジを広く設定しつつ、分解能を良好に向上させることが可能となり、広範囲にわたる筒内圧力の高精度な検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内圧検出装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の筒内圧検出装置の一部を示す筒内圧センサの拡大部分断面図である。
【図３】図１の筒内圧検出装置の動作を説明するためのグラフである。
【図４】図１の筒内圧検出装置の動作を説明するためのグラフである。
【図５】図１の筒内圧検出装置の動作を説明するためのグラフである。
【図６】図１の筒内圧検出装置の動作を説明するためのグラフである。
【図７】本発明による筒内圧検出装置の変形例を示す概略構成図である。
【図８】本発明による筒内圧検出装置の他の変形例を示す概略構成図である。
【図９】本発明による筒内圧センサを示す要部拡大部分断面図である。
【図１０】本発明による筒内圧センサの変形例を示す要部拡大部分断面図である。
【図１１】本発明による筒内圧センサの変形例を示す要部拡大部分断面図である。
【図１２】本発明による筒内圧センサの変形例を示す要部拡大部分断面図である。
【図１３】本発明による筒内圧センサの変形例を示す要部拡大部分断面図である。
【図１４】本発明による筒内圧センサの変形例を示す要部拡大部分断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ  筒内圧検出装置
２，２Ａ，３０，３０Ａ，３０Ｂ、５０，５０Ａ  筒内圧センサ
３  電源
５  可変抵抗器
６  クランク角センサ
７  エアフローメータ
８  カム角センサ
９  Ｄ／Ａ変換器
１０，１０Ａ，１０Ｂ  制御ユニット
２０，２０ａ，２０ｂ，３１，５３ａ，５３ｂ  半導体素子
２３，３４，５２ａ，５２ｂ  ダイヤフラム
３２，３２ａ，３２ｂ  圧電素子
３９  スペーサ
５８  光ファイバセンサ
ＣＨ  シリンダヘッド
ＣＲ  燃焼室
【図１】
2004176598.tif 000003
【図２】
2004176598.tif 000004
【図３】
2004176598.tif 000005
【図４】
2004176598.tif 000006
【図５】
2004176598.tif 000007
【図６】
2004176598.tif 000008
【図７】
2004176598.tif 000009
【図８】
2004176598.tif 000010
【図９】
2004176598.tif 000011
【図１０】
2004176598.tif 000012
【図１１】
2004176598.tif 000013
【図１２】
2004176598.tif 000014
【図１３】
2004176598.tif 000015
【図１４】
2004176598.tif 000016