(57)【要約】【課題】  センサ感度を向上でき、且つ、出力ばらつきを低減できる燃焼圧センサを提供すること。【解決手段】  圧力に応じて変形するダイアフラム１０と、一端がダイアフラム１０に当接し、ダイアフラム１０の変形に応じて軸方向に変位するロッド２０と、ロッド２０の他端に当接し、ロッド２０の変位に応じた検出信号を出力する圧力検出素子を備えたセンサチップ３０とを有し、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサ１００において、ダイアフラム１０及びセンサチップ３０と接するロッド２０の両端に球状部材２１を一体に設けた。従って、ロッド２０とダイアフラム１０及びセンサチップ３０との接触がほぼ点接触となるので、比較的軟質な材料を適用しなくとも、接触面の加工精度や組付け精度に基づく出力ばらつきを低減することができる。また、比較的軟質な材料を適用しなくとも良いので、従来よりもセンサ感度を向上することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力に応じて変形するダイアフラムと、
一端が前記ダイアフラムに当接し、前記ダイアフラムの変形に応じて軸方向に変位する圧力伝達部としてのロッドと、
前記ロッドの他端に当接し、前記ロッドの変位に応じた検出信号を出力する圧力検出素子とを備え、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサにおいて、
前記圧力検出素子及び前記ダイアフラムと接する前記ロッドの各接触面が球面であることを特徴とする燃焼圧センサ。
【請求項２】
前記ロッドの両端に、球状部材が一体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ。
【請求項３】
前記ロッドは円筒形状を有しており、前記ロッドの内径が前記球状部材の外径よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の燃焼圧センサ。
【請求項４】
前記球状部材は、前記ロッドに当接した状態でスポット溶接にて接合されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されているように、圧力に応じて変形するダイアフラムと、一端が前記ダイアフラムに当接し、ダイアフラムの変形に応じて軸方向に変位する圧力伝達部としてのロッド（ポンチ）と、ロッドの他端に当接し、ロッドの変位に応じた検出信号を出力する圧力検出素子（センサエレメント）とを備える構成の燃焼圧センサが知られている。
【０００３】
この燃焼圧センサは、ロッドの一端がダイアフラムに溶接され、円錐形を有する他端が圧力検出素子に接触している。そして、少なくとも圧力検出素子に接するロッドの端部（接触面）が比較的軟質な材料（例えばアルミニウム、黄銅、銅、プラスチック等）から形成されており、これにより、ロッド端部の表面粗さ及び非平坦性による圧力検出素子の検出誤差を低減する構成としている。
【特許文献１】特許第３１９０３３３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃焼圧センサの場合、ダイアフラムに印加された圧力は、ロッドを介して圧力検出素子に伝達される際に、比較的軟質な材料によって緩和される。すなわち、比較的軟質な材料を適用すると、ダイアフラムから圧力検出素子に圧力をリニアに伝達できず、センサ感度が低下するという問題がある。
【０００５】
また、上記燃焼圧センサにおいては、良好で正確な圧力伝達を可能にするために、ロッドとダイアフラムとは平面で接触した状態で溶接されている。従って、ロッド及びダイアフラムの接触面を精度良く加工（平坦且つ表面粗さを小さく）及び組付けしないと、片当たり等が生じて、センサ毎の出力ばらつきが大きくなるという問題がある。
【０００６】
それに対し、特許文献１においては、圧力検出素子とロッドとの間に、ロッドに面した側が湾曲した表面（例えば半球状）を有する力伝達部材を配置し、常にロッドと力伝達部材との接触がほぼ点状となるようにした構成も提案されている。しかしながら、力伝達部材がロッド或いは圧力検出素子とは別個に設けられているので、圧力検出素子に対して力伝達部材を精度良く位置決めし、固定しなければ、センサ毎の出力ばらつきが大きくなる恐れがある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、センサ感度を向上でき、且つ、出力ばらつきを低減できる燃焼圧センサ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】
【０００８】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、圧力に応じて変形するダイアフラムと、一端がダイアフラムに当接し、ダイアフラムの変形に応じて軸方向に変位する圧力伝達部としてのロッドと、ロッドの他端に当接し、ロッドの変位に応じた検出信号を出力する圧力検出素子とを備え、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサに関する発明である。そして、圧力検出素子及びダイアフラムと接するロッドの各接触面が球面であることを特徴とする。
【０００９】
このように、本発明の燃焼圧センサによると、圧力検出素子及びダイアフラムと接するロッド両端の各接触面が球面であるので、圧力検出素子及びダイアフラムとの接触がほぼ点接触となる。従って、従来のように比較的軟質な材料を適用しなくとも、接触面の加工精度（表面粗さや平坦度）や組付け精度に基づく出力ばらつきを低減することができる。また、比較的軟質な材料を適用しなくとも良いので、従来よりもセンサ感度を向上することができる。
【００１０】
その際、ロッドは、その両端が球面状に加工された構成でも良いし、請求項２に記載のように、両端に球状部材が一体に設けられた構成でも良い。尚、球状部材が一体に設けられた構成の場合、請求項３に記載のように、ロッドは円筒形状を有しており、ロッドの内径が球状部材の外径よりも小さいと、ロッドと球状部材の位置決めが容易となる。
【００１１】
具体的には、請求項４に記載のように、円筒形状のロッドの端部に球状部材を当接させた状態で、当接部位を例えばスポット溶接にて接合することができる。スポット溶接の場合、短時間で接触部位全周の溶接を行うことができるので、生産性及び加工精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施の形態における燃焼圧センサ１００の概略構成を示す断面図である。本実施形態における燃焼圧センサは、自動車用エンジン等の内燃機関の燃焼圧力を検出するのに好適である。尚、図１においては、便宜上、特徴部分のみにハッチングを施している。
【００１４】
本実施形態における燃焼圧センサ１００は、圧力に応じて変形するダイアフラム１０と、一端がダイアフラム１０に当接し、ダイアフラム１０の変形に応じて軸方向に変位する圧力伝達部としてのロッド２０と、ロッド２０の他端に当接し、ロッド２０の変位に応じた検出信号を出力する圧力検出素子を備えたセンサチップ３０とを有している。そして、センサチップ３０及びダイアフラム１０と接するロッド２０両端の各接触面が球面であることを特徴とする。
【００１５】
図１において、符号１はロッド２０及びセンサチップ３０を内部に保持するケースであり、本実施形態においては、組付け状態において、第１のケース１ａ、第２のケース１ｂ、第３のケース１ｃ、及び第４のケース１ｄが当該順に連結してケース1を構成している。尚、各ケース１ａ〜１ｄの連結方法としては、嵌合、溶接、ねじ締結等の公知技術を適用することができる。
【００１６】
第１のケース１ａは金属からなり、両端が開口した筒状を有している。そして、燃焼室に面する端部に、燃焼圧を受けた際に変形可能にダイアフラム１０が配置されており、当該ダイアフラム１０に一端が接するように、ロッド２０が中空内部に貫通保持されている。また、中空内部の壁面は、ロッド２０を摺動可能な状態で保持し、ロッド２０の振れを防止するように設けられている。
【００１７】
第２のケース１ｂも第１のケース１ａ同様金属からなり、両端が開口した筒状を有している。そして、ロッド２０が中空内部に貫通保持された状態で、一端が第１のケース１ａと連結し、他端が第３のケース１ｃと連結している。
【００１８】
第３のケース１ｃも第１のケース１ａ同様金属からなり、両端が開口した筒状を有している。そして、第３のケース１ｃの中空内部に金属ステム２を接触固定した状態で、一端が第２のケース１ｂと連結し、他端が第４のケース１ｄと連結している。
【００１９】
この金属ステム２は、切削等によりその内部に例えば円筒状の中空部２ａを有し、当該中空部２ａの一端側にダイヤフラム面である支持部２ｂを有している。そして、金属ステム２が第３のケース１ｃの中空内部に固定された組付け状態で、中空部２ａにロッド２０の一部が配置され、支持部２ｂの内面にロッド２０の端部が接触する構成としている。また、支持部２ｂの外面にはセンサチップ３０が接着固定されており、ロッド２０の一端は、金属ステム２の支持部２ｂを介して圧力検出素子を備えるセンサチップ３０と接触している。
【００２０】
第４のケース１ｄは、耐熱性を有する樹脂（例えばポリフェニレンスルフィド）からなり、外部出力端子としてのターミナル３がインサート成形により第４のケース１ｄに一体に設けられている。そして、ターミナル３がセンサチップ３０に電気的に接続された状態で、一端が第３のケース１ｃと連結している。また、ターミナル３は、第４のケース１ｄにおいて第３のケース１ｃと連結しない側に設けられた開口部４から突出して、第４のケース１ｄとともにコネクタを構成している。
【００２１】
ダイアフラム１０は、金属を構成材料とし、所謂キャップダイアフラムとして構成されている。具体的には、図１に示すように、その縁部１１が折り曲げられ、当該縁部１１が第１のケース１ａの端部外周面に接した状態で溶接固定されている。従って、ダイアフラム１０の底面１２は第１のケース１ａの燃焼室に面する側の端面とは接しておらず、受圧面であるダイアフラム１０に燃焼圧が印加された際に、自由に変形可能な構成となっている。尚、本実施形態においては、ダイアフラム１０の底面中央部がロッド２０方向に凹んでおり、当該凹部１３にてロッド２０の端部と接触する構成となっている。
【００２２】
ロッド２０は、金属を材料として構成されており、一端が第１のケース１ａの燃焼室に面する側の開口部から露出してダイアフラム１０の凹部１３と接し、他端が第３のケース１ｃ内に固定された金属ステム２の支持部２ｂを介して圧力検出素子を備えるセンサチップ３０と接している。
【００２３】
ここで、本実施形態においては、ダイアフラム１０及びセンサチップ３０と接するロッド２０の各接触面が球面であることを特徴としている。このようにロッド２０の各接触面が球面であると、ダイアフラム１０及びセンサチップ３０との接触状態がほぼ点接触となる。従って、従来のように比較的軟質な材料を適用しなくとも、接触面の加工精度（表面粗さや平坦度）や組付け精度に基づくセンサ毎の出力ばらつきを低減することができる。また、比較的軟質な材料を適用しなくとも良いので、ダイアフラム１０からセンサチップ３０に圧力をリニアに伝達できる。すなわち、従来よりもセンサ感度を向上することができる。また、ロッド２０の端部接触面が球面であるので、ダイアフラム１０及びセンサチップ３０に対する位置決めが容易である。
【００２４】
このような形態のロッド２０としては、例えば両端を球面状に加工したものや、別途用意した球状部材をロッド２０の両端にそれぞれ固定して一体化させたものを適用することができる。本実施形態においては、ロッド２０として円筒状の中空ロッドを適用し、その両端に球状部材２１としての鋼球を溶接により一体化させたものを用いている。この場合、ロッド２０とは別個に球状部材２１を加工することができるので、球面状の加工を施しやすい。従って、球面の精度が向上できるので、センサ毎の出力ばらつきをより低減することができる。
【００２５】
球状部材２１としての鋼球をロッド２０の端部に一体化させる方法としては、例えば金属同士を接続する溶接法を適用することができる。本実施形態においては、図２に示すように、球状部材２１を支持固定する支持部材１１０の一端に設けられた窪み状の支持部１１０ａに球状部材２１である鋼球を配置し、支持部材１１０を電極１２０にて狭持する。そして、ロッド２０を電極１２１にて狭持した状態で、球状部材２１に対して位置決めしつつロッド２０の端面を球状部材２１に押し付けて接触させる。特に本実施形態においては、ロッド２０が中空ロッドであり、ロッド２０の内径が球状部材２１の外径よりも小さく設けられているので、ロッド２０と球状部材２１の位置決め（軸合わせ）が容易である。尚、図２はロッド２０に対する球状部材２１の接続方法を説明するための模式図である。
【００２６】
そして、位置決め状態において、両電極１２０，１２１間に大電圧を印加することにより、ロッド２０と球状部材２１との接触部位をスポット溶接にて一括して接合する。この処理をロッド２０の両端にて実施することで、両端に球状部材２１を一体に備えるロッド２０を形成することができる。このようにスポット溶接法を適用すると、短時間で接触部位全てを溶接することができるので、生産性及び加工精度を向上することができる。
【００２７】
また、センサチップ３０は、例えばシリコンからなる半導体基板に、圧力検出素子として所定の抵抗値を有する４個のピエゾ抵抗素子（図示せず）を、配線及び電極（ともに図示せず）と共にブリッジ回路を構成するように形成してなるものである。そして、ピエゾ抵抗素子が形成された面の裏面側にて、金属ステム２の支持部２ｂ上に接着固定されている。
【００２８】
従って、本実施形態における燃焼圧センサ１００は、受圧面であるダイアフラム１０に燃焼圧が印加されると、ダイアフラム１０は印加圧力に応じて弾性変形してダイアフラム１０に当接するロッド２０に圧力を伝達し、ロッド２０は軸方向に変位する。そして、当該変位に応じて金属ステム２の支持部２ｂが弾性変形し、当該変形によりセンサチップ３０の各ピエゾ抵抗素子に生じた抵抗値変化を電圧値の変化として出力し、印加圧力を検出する構成となっている。
【００２９】
また、受圧面であるダイアフラム１０とセンサチップ３０との間に圧力伝達部としてのロッド２０を配置しているので、センサチップ３０を燃焼室から遠ざけることができる。すなわち、センサチップ３０の熱負荷を軽減できる構成となっている。
【００３０】
尚、図１中において、符号５，６は処理回路用基板であり、センサチップ３０と処理回路用基板５，６との間、及び、処理回路用基板５，６間は、ボンディングワイヤやばね端子７により電気的に接続されている。また、符号６ａは処理回路用基板６上に搭載されたアンプ、符号８は処理回路用基板６とターミナル３とを電気的に接続するためのスペーサである。従って、センサチップ３０の出力信号は、アンプ６ａにより増幅された後、ターミナル３から外部に出力される構成となっている。尚、符号９は第３のケース１ｃと第４のケース１ｄとの間を防水するためのＯリングである。
【００３１】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施する事ができる。
【００３２】
本発明の特徴部分はダイアフラム１０及びセンサチップ３０と接するロッド２０の接触面の構造（球面）にある。従って、本実施形態で示した上記構造以外の点については、本実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
また、本実施形態において、球状部材２１である鋼球がロッド２０と一体化された例を示した。しかしながら、球状部材２１としては、少なくともダイアフラム１０及びセンサチップ３０（本実施形態においては金属ステム２の支持部２ｂ）との接触部位が球面であれば適用することができる。
【００３４】
また、本実施形態において、ロッド２０の端部である球状部材２１が金属ステム２の支持部２ｂを介して、圧力検出素子を備えるセンサチップ３０と接する構成の例を示した。しかしながら、ロッド２０の接触面である球面が直接圧力検出素子に接する構成としても良い。
【００３５】
また、本実施形態においては、ロッド２０として円筒状の中空ロッドを適用する例を示した。しかしながら、ロッド２０は上記例に限定されるものではない。例えば、円柱状のロッド２０を適用することもできる。この場合、図３に示すように、例えば球状部材２１としての鋼球を回転可能なテーブル１３０上の固定部１３１に固定した状態で、固定部材１４０にて狭持したロッド２０を位置決めしつつ球状部材２１に接触させる。そして、当該接触状態において、テーブル１３０を回転させつつ接触部位をレーザ溶接し接合する。この処理をロッド２０の両端にて実施することで、両端に球状部材２１を一体に備えるロッド２０を形成することができる。しかしながらロッド２０が中空ロッドでない場合には、ロッド２０と球状部材２１との位置決め（軸合わせ）が中空ロッドの場合よりも困難となる。また、上記方法の場合、全周溶接しようとすると、テーブル１３０（ロッド２０及び球状部材２１）或いはレーザ射出装置（図示せず）を回転させる必要があるので、中空ロッドを用いた際のスポット溶接よりも、生産性及び加工精度が低下する。従って、好ましくは、ロッド２０として本実施形態で示した中空ロッドを適用すると良い。
【００３６】
また、第１のケース１ａ、第２のケース１ｂ、及び金属ステム２の中空部２ａの内壁面とロッド２０との間にＯリングが配置された構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態における燃焼圧センサ１００の概略構成を示す断面図である。
【図２】ロッドと球状部材の接続方法を説明するための模式図である。
【図３】変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・ケース
２ｂ・・・支持部（ダイアフラム面）
１０・・・ダイアフラム
２０・・・ロッド
２１・・・球状部材
３０・・・センサチップ
１００・・・燃焼圧センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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