(57)【要約】【課題】圧力を測定する圧電素子を備えた圧力検出装置において、過大な圧力を受けた場合における圧電素子の損傷を防止する。【解決手段】圧力検出装置５は、筒状のハウジング３０と、ハウジング３０の先端側に設けられるダイアフラムヘッド４０と、ハウジング３０内であってダイアフラムヘッド４０の後方に配置され、ダイアフラムヘッド４０に作用する圧力を伝達する第１電極部５１と、第１電極部５１に接触し圧力を受けることで電荷を発生する圧電素子１０と、第１電極部５１とは圧電素子１０を介して反対側に設けられ圧電素子１０に当接する第２電極部５２と、圧電素子１０に対峙して圧力の作用方向に圧電素子１０とは並列的に配置されるとともに、圧電素子１０よりもヤング率が高い材料で構成され、圧電素子１０が圧縮される際にかかる負荷を軽減する負荷軽減部材５５とを有する。【選択図】図５
2013140044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジングと、
前記ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、
前記ハウジング内であって前記ダイアフラムの後方に配置され、当該ダイアフラムに作用する圧力を伝達する圧力伝達部と、
前記圧力伝達部に接触し圧力を受けることで電荷を発生する圧電素子と、
前記圧力伝達部とは前記圧電素子を介して反対側に設けられ当該圧電素子に当接する当接部と、
前記圧電素子に対峙して圧力の作用方向に当該圧電素子とは並列的に配置されるとともに、当該圧電素子よりもヤング率が高い材料で構成され、当該圧電素子が圧縮される際にかかる負荷を軽減する負荷軽減部材と、
を有する圧力検出装置。
【請求項２】
前記負荷軽減部材は、前記圧力伝達部と前記当接部との間隔が予め定めた距離よりも長い場合には、前記圧力伝達部および前記当接部の一方にのみ接触し、当該間隔が当該予め定めた距離以下の場合には、当該圧力伝達部および当該当接部の両方に接触することを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記負荷軽減部材は、前記圧電素子とともに前記圧力伝達部および前記当接部に常に接触することを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項４】
前記負荷軽減部材は、前記圧電素子を囲むように配置されることを特徴とする請求項２または３に記載の圧力検出装置。
【請求項５】
前記負荷軽減部材は、前記圧電素子の外部が当該負荷軽減部材の内部に接触して当該圧電素子を保持することを特徴とする請求項４に記載の圧力検出装置。
【請求項６】
前記負荷軽減部材は、前記圧電素子の熱膨張係数以下の材料で構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の圧力検出装置。
【請求項７】
燃焼室内と外部とを連通する連通孔が形成されたシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドの前記連通孔に挿入可能であって、筒状のハウジングと、当該ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、当該ハウジング内であって当該ダイアフラムの後方に配置され、当該ダイアフラムに作用する圧力を伝達する圧力伝達部と、当該圧力伝達部に接触し圧力を受けることで電荷を発生する圧電素子と、当該圧力伝達部とは当該圧電素子を介して反対側に設けられ当該圧電素子に当接する当接部と、当該圧電素子に対峙して圧力の作用方向に当該圧電素子とは並列的に配置されるとともに、当該圧電素子よりもヤング率が高い材料で構成され、前記燃焼室内にて発生する燃焼圧によって当該圧電素子が圧縮される際にかかる負荷を軽減する負荷軽減部材とを有する圧力検出装置と、
を含む圧力検出装置付き内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いて圧力を測定する圧力検出装置および圧力検出装置付き内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばエンジンの燃焼室に圧電素子を有する圧力検出装置を取り付け、燃焼室の燃焼圧を測定する技術が知られている。近年では、圧力検出装置は、例えばエンジンの開発時に燃焼室に取り付けられるのみならず、走行する自動車等のエンジンに常に取り付けられた状態で用いられ始めている。そして、燃焼室の燃焼圧を常に測定しながら、測定した燃焼圧に基づいて例えば点火タイミングなどの制御を行う技術が実用化されつつある。このように圧力検出装置が利用される場合などは圧力検出装置がエンジンに常に取り付けられた状態で用いられるため、従来に比べて信頼性向上などの要求がより高まっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ダイアフラムの変位に応じて軸方向に変位する受圧ロッドと間隔をおいて対向するようにケーシング内に設けられたコンタクトプレートと、コンタクトプレートと受圧ロッドとの間に設けられ、受圧ロッドの軸方向の変位を径方向の変位に変換する応力変換部材と、応力変換部材から伝達される径方向の変位を圧力に応じた電圧信号としてコンタクトプレートを介して外部に出力する圧電素子とからなる圧力センサにおいて、コンタクトプレートと受圧ロッドとの間には、受圧ロッドが所定寸法を超えて軸方向に変位するのを緩衝する弾性部材を設ける技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平４−１１０９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、圧電素子を有する圧力検出装置を取り付けたエンジンの燃焼室において、例えばノッキングなどの異常な燃焼が発生することがある。このような異常な燃焼が生じた場合、平常な燃焼状態での燃焼圧を大きく上回る過大な圧力が発生する。そして、圧力検出装置の圧電素子が過大な圧力を受け圧電素子の耐力を超えた負荷が圧電素子にかかると圧電素子が損傷してしまうおそれがあった。従って、過大な圧力を受けた場合においても、圧電素子の損傷を防止できる圧力検出装置が求められている。
本発明は、圧力を測定する圧電素子を備えた圧力検出装置において、過大な圧力を受けた場合における圧電素子の損傷を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成する本発明の圧力検出装置は、筒状のハウジングと、前記ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、前記ハウジング内であって前記ダイアフラムの後方に配置され、当該ダイアフラムに作用する圧力を伝達する圧力伝達部と、前記圧力伝達部に接触し圧力を受けることで電荷を発生する圧電素子と、前記圧力伝達部とは前記圧電素子を介して反対側に設けられ当該圧電素子に当接する当接部と、前記圧電素子に対峙して圧力の作用方向に当該圧電素子とは並列的に配置されるとともに、当該圧電素子よりもヤング率が高い材料で構成され、当該圧電素子が圧縮される際にかかる負荷を軽減する負荷軽減部材と、を有する圧力検出装置である。
【０００７】
ここで、前記負荷軽減部材は、前記圧力伝達部と前記当接部との間隔が予め定めた距離よりも長い場合には、前記圧力伝達部および前記当接部の一方にのみ接触し、当該間隔が当該予め定めた距離以下の場合には、当該圧力伝達部および当該当接部の両方に接触することを特徴とすれば、所定の圧力以下の場合では感度良く圧力検出を行い、所定の圧力を超えた場合に当該圧電素子の保護を図ることができる点で好ましい。
そして、前記負荷軽減部材は、前記圧電素子とともに前記圧力伝達部および前記当接部に常に接触することを特徴とすれば、当該圧電素子を常に補強することができる点で好ましい。
また、前記負荷軽減部材は、前記圧電素子を囲むように配置されることを特徴とすれば、当該負荷軽減部材によって当該圧電素子の保持を行うことができる点で好ましい。
さらに、前記負荷軽減部材は、前記圧電素子の外部が当該負荷軽減部材の内部に接触して当該圧電素子を保持することを特徴とすれば、当該圧電素子の位置ずれを防止することができる点で好ましい。
そして、前記負荷軽減部材は、前記圧電素子の熱膨張係数以下の材料で構成されていることを特徴とすれば、例えば当該圧電素子よりも当該負荷軽減部材が突出して、圧力検出ができなくなることを防止できる点で好ましい。
【０００８】
また、上記の目的を達成する本発明の圧力検出装置付き内燃機関は、燃焼室内と外部とを連通する連通孔が形成されたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドの前記連通孔に挿入可能であって、筒状のハウジングと、当該ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、当該ハウジング内であって当該ダイアフラムの後方に配置され、当該ダイアフラムに作用する圧力を伝達する圧力伝達部と、当該圧力伝達部に接触し圧力を受けることで電荷を発生する圧電素子と、当該圧力伝達部とは当該圧電素子を介して反対側に設けられ当該圧電素子に当接する当接部と、当該圧電素子に対峙して圧力の作用方向に当該圧電素子とは並列的に配置されるとともに、当該圧電素子よりもヤング率が高い材料で構成され、前記燃焼室内にて発生する燃焼圧によって当該圧電素子が圧縮される際にかかる負荷を軽減する負荷軽減部材とを有する圧力検出装置と、を含む圧力検出装置付き内燃機関である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧力を測定する圧電素子を備えた圧力検出装置において、過大な圧力を受けた場合における圧電素子の損傷を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。
【図２】図１に示す圧力検出装置のII部の拡大図である。
【図３】圧力検出装置の概略構成図である。
【図４】図３に示す圧力検出装置のIV−IV部の断面図である。
【図５】図４に示す圧力検出装置のＶ部の拡大図である。
【図６】実施形態１の負荷軽減部材を説明するための図である。
【図７】実施形態１が適用されるセンサ部の動作を説明するための図である。
【図８】実施形態２の第２負荷軽減部材を説明するための図である。
【図９】実施形態２が適用されるセンサ部の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本実施形態に係る内燃機関１の概略構成図である。また、図２は、図１に示す圧力検出装置５のII部の拡大図である。
内燃機関１は、図１に示すように、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。
【００１２】
また、図２に示すように、シリンダヘッド４には、燃焼室Ｃと外部とを連通する連通孔４ａが形成されている。連通孔４ａは、燃焼室Ｃ側から、第１孔部４ｂと、第１孔部４ｂの孔径から徐々に径が拡大している傾斜部４ｃと、第１孔部４ｂの孔径よりも孔径が大きい第２孔部４ｄと、を有している。第２孔部４ｄを形成する周囲の壁には、圧力検出装置５に形成された後述するハウジング３０の雄ねじ３３２ａがねじ込まれる雌ねじ４ｅが形成されている。
【００１３】
以下に、圧力検出装置５について詳述する。
図３は、圧力検出装置５の概略構成図である。図４は、図３に示す圧力検出装置５のIV−IV部の断面図である。そして、図５は、図４に示す圧力検出装置５のＶ部の拡大図である。そして、図６は、実施形態１の負荷軽減部材５５を説明するための図である。
圧力検出装置５は、図３に示すように、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。
【００１４】
先ずは、センサ部１００について説明する。
センサ部１００は、図４に示すように、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電極部５１と、圧電素子１０に対して第１電極部５１とは反対側に配置された第２電極部５２と、を備えている。さらに、センサ部１００は、圧電素子１０の周囲に設けられるとともに、圧電素子１０に過大な圧縮力が掛かり難くして圧電素子１０に掛かる負荷を軽減する負荷軽減部材５５を備えている。
また、センサ部１００は、図５に示すように、第２電極部５２を電気的に絶縁するアルミナ製の絶縁リング６０と、絶縁リング６０よりも後端側に設けられて、信号処理部２００の後述する覆い部材２３の端部を支持する支持部材６５と、第２電極部５２と後述する伝導部材２２との間に介在するコイルスプリング７０と、を備えている。
【００１５】
圧電素子１０は、圧電縦効果の圧電作用を示す圧電体を有している。圧電縦効果とは、圧電体の電荷発生軸と同一方向の応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。本実施形態に係る圧電素子１０は、中心線方向が応力印加軸の方向となるようにハウジング３０内に収納されている。
【００１６】
次に、圧電素子１０に圧電横効果を利用した場合を例示する。圧電横効果とは、圧電体の電荷発生軸に対して直交する位置にある応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。薄板状に薄く形成した圧電体を複数枚積層して構成しても良く、このように積層することで、圧電体に発生する電荷を効率的に集めてセンサの感度を上げることができる。圧電体としては、圧電縦効果及び圧電横効果を有するランガサイト系結晶（ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、ＬＧＴＡ）や水晶、ガリウムリン酸塩などを使用することを例示することができる。なお、本実施形態の圧電素子１０には、圧電体としてランガサイト単結晶を用いている。
【００１７】
ハウジング３０は、図５に示すように、先端側に設けられたフロントハウジング３１と、後端側に設けられたリアハウジング３２とを有する。
フロントハウジング３１は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔３１０が形成された薄肉円筒状の部材である。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。
孔３１０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１孔３１１と、第１孔３１１の孔径よりも大きな孔径の第２孔３１２と、から構成される。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、後端に、中心線方向に垂直な垂直面３１５ｂを有している。
【００１８】
リアハウジング３２は、図４に示すように、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔３２０が形成された筒状の部材であり、外部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された外周面３３０が設けられている。
孔３２０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１孔３２１と、第１孔３２１の孔径よりも小さな孔径の第２孔３２２と、第２孔３２２の孔径よりも大きな孔径の第３孔３２３と、第３孔３２３の孔径よりも大きな孔径の第４孔３２４と、第４孔３２４の孔径よりも大きな孔径の第５孔３２５とから構成される。
リアハウジング３２における先端部は、フロントハウジング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孔３２１の孔径は、フロントハウジング３１の外周面の径以下となるように設定されている。
【００１９】
外周面３３０は、先端側から後端側にかけて、第１外周面３３１と、第１外周面３３１の外径よりも大きな外径の第２外周面３３２と、第２外周面３３２の外径よりも大きな外径の第３外周面３３３と、第３外周面３３３の外径よりも大きな外径の第４外周面３３４と、第４外周面３３４の外径よりも小さな外径の第５外周面３３５とから構成される。
【００２０】
第２外周面３３２における先端部には、シリンダヘッド４の雌ねじ４ｅにねじ込まれる雄ねじ３３２ａが形成されている。第３外周面３３３には、後述する第１シール部材７１がすきまばめで嵌め込まれ、第３外周面３３３の外径と第１シール部材７１の内径との寸法公差は、例えば零から０．２ｍｍとなるように設定される。第４外周面３３４における先端部は、周方向に等間隔に６つの面取りを有する正六角柱に形成されている。この正六角柱に形成された部位が、圧力検出装置５をシリンダヘッド４に締め付ける際に、締付用の工具が嵌め込まれ、工具に付与された回転力が伝達される部位となる。第５外周面３３５における中心線方向の中央部には、外周面から凹んだ凹部３３５ａが全周に渡って形成されている。
【００２１】
また、リアハウジング３２は、第４孔３２４から第５孔３２５への移行部分であり、第５孔３２５における先端部には、信号処理部２００の後述する覆い部材２３の基板被覆部２３２における先端側の端面が突き当たる突当面３４０が設けられている。突当面３４０には、後述する信号処理部２００のプリント配線基板２１０の第２接続ピン２１ｂが差し込まれるピン用凹部３４０ａが形成されている。
【００２２】
フロントハウジング３１およびリアハウジング３２は、燃焼室Ｃに近い位置に存在するため、少なくとも、−４０〜３５０〔℃〕の使用温度環境に耐える材料を用いて製作することが望ましい。具体的には、耐熱性の高いステンレス鋼材、例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等を用いることが望ましい。
【００２３】
ダイアフラムヘッド４０は、図５に示すように、円筒状の円筒状部４１と、円筒状部４１の内側に形成された内側部４２と、を有している。
円筒状部４１における後端部は、ハウジング３０のフロントハウジング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。
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。
【００２４】
圧力伝達部の一例としての第１電極部５１は、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の部材であり、第１円柱部５１１と、第１円柱部５１１の外径よりも大きな外径の第２円柱部５１２とから構成される。第１円柱部５１１の外径はダイアフラムヘッド４０の進入部４１ａの内径よりも小さく、第２円柱部５１２の外径はフロントハウジング３１の第１孔３１１の孔径と略同じである。そして、第１円柱部５１１における先端側の端面がダイアフラムヘッド４０の内側部４２の突出部４２ａと、第２円柱部５１２における後端側の端面が圧電素子１０における先端側の面とに接触するように配置される。第２円柱部５１２の外周面がフロントハウジング３１の内周面と接触すること、および／または第１円柱部５１１における先端側の端面がダイアフラムヘッド４０と接触することによって、圧電素子１０における先端部は、ハウジング３０と電気的に接続される。
【００２５】
第１電極部５１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側の端面である第２円柱部５１２におけ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電極部５１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かつ平滑面に形成されている。
なお、第１電極部５１には、ステンレスなどの材料を用いることができる。
【００２６】
当接部の一例としての第２電極部５２は、円柱状の部材であり、先端側の端面が圧電素子１０における後端側の端面に接触し、先端側の端面が絶縁リング６０に接触するように配置される。第２電極部５２における後端側の端面には、この端面から後端側に突出する円柱状の突出部５２ａが設けられている。突出部５２ａは、端面側の基端部と、この基端部の外径よりも小さな外径の先端部とを有する。突出部５２ａの外径は絶縁リング６０の内径よりも小さく設定されるとともに、突出部５２ａの長さは絶縁リング６０の幅（中心線方向の長さ）よりも長く設定され、突出部５２ａの先端が絶縁リング６０から露出している。この第２電極部５２は、第１電極部５１との間で圧電素子１０に対して一定の荷重を加えるように作用する部材であり、圧電素子１０側の端面は、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とともに平行かつ平滑面に形成されている。第２電極部５２の外径はフロントハウジング３１の第２孔３１２の孔径よりも小さくなるように設定されており、第２電極部５２の外周面とフロントハウジング３１の内周面との間には隙間がある。
なお、第２電極部５２には、ステンレスなどの材料を用いることができる。
【００２７】
絶縁リング６０は、アルミナ等により形成された円筒状の部材であり、内径（中央部の孔径）は、第２電極部５２の突出部５２ａの基端部の外径よりもやや大きく、外径は、フロントハウジング３１の第２孔３１２の孔径と略同じに設定されている。第２電極部５２は、突出部５２ａが絶縁リング６０の中央部の孔に挿入されて配置されることで、中心位置とフロントハウジング３１の第２孔３１２の中心とが同じになるように配置される。
【００２８】
支持部材６５は、先端側から後端側にかけて、内部に、径が異なる複数の円柱状の孔６５０が形成され、外周面が同一である筒状の部材である。
孔６５０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１孔６５１と、第１孔６５１の孔径よりも大きな孔径の第２孔６５２と、第２孔６５２の孔径よりも大きな孔径の第３孔６５３と、から構成される。第１孔６５１の孔径は、第２電極部５２の突出部５２ａの基端部の外径よりも大きく、この突出部５２ａが支持部材６５の内部まで露出する。第２孔６５２の孔径は、後述する信号処理部２００の伝導部材２２における先端の外径よりも大きい。第３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。
【００２９】
コイルスプリング７０は、内径が、第２電極部５２の突出部５２ａの先端部の外径以上で基端部の外径より小さく、外径が、後述する伝導部材２２の挿入孔２２ａの径よりも小さい。コイルスプリング７０の内側に第２電極部５２の突出部５２ａの先端部が挿入されるとともに、コイルスプリング７０は、後述する伝導部材２２の挿入孔２２ａに挿入される。コイルスプリング７０の長さは、第２電極部５２と伝導部材２２との間に圧縮した状態で介在することができる長さに設定されている。コイルスプリング７０の材質としては、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金を用いると良い。また、コイルスプリング７０の表面に金メッキを施すことで、電気伝導を高めると良い。
【００３０】
次に、信号処理部２００について説明する。
信号処理部２００は、図３に示すように、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。
【００３１】
回路基板部２１は、センサ部１００の圧電素子１０から得られる微弱な電荷を増幅するための回路を構成する電子部品などが実装されたプリント配線基板２１０を有する。プリント配線基板２１０における先端部には、伝導部材２２における後端部を電気的に接続するための第１接続ピン２１ａと、接地用および位置決め用の第２接続ピン２１ｂとが半田付けなどにより接続されている。また、プリント配線基板２１０における後端部には、伝送ケーブル８の先端部のコネクタ８ａを介して制御装置６と電気的に接続する第３接続ピン２１ｃが３つ、半田付けなどにより接続されている。３つの第３接続ピン２１ｃは、それぞれ、制御装置６からプリント配線基板２１０への電源電圧およびＧＮＤ電圧の供給、プリント配線基板２１０から制御装置６への出力電圧の供給に用いられる。
【００３２】
伝導部材２２は、棒状（円柱状）の部材であり、先端部には、第２電極部５２の突出部５２ａの先端部が挿入される挿入孔２２ａ（図５参照）が形成されている。伝導部材２２における後端部は、回路基板部２１のプリント配線基板２１０に、導線を介して電気的に接続される。伝導部材２２の材質としては、真鍮及びベリリウム銅等を例示することができる。この場合、加工性およびコストの観点からは、真鍮が望ましい。これに対して、電気伝導性、高温強度、信頼性の観点からは、ベリリウム銅が望ましい。
【００３３】
覆い部材２３は、図４に示すように、伝導部材２２の外周を覆う伝導部材被覆部２３１と、回路基板部２１のプリント配線基板２１０の側面および下面を覆う基板被覆部２３２と、プリント配線基板２１０に接続された第３接続ピン２１ｃの周囲を覆うとともに伝送ケーブル８の先端部のコネクタ８ａが嵌め込まれるコネクタ部２３３とを有している。
【００３４】
伝導部材被覆部２３１は、中心線方向には、伝導部材２２における先端部を露出するように覆っており、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された外周面２４０が設けられている。外周面２４０は、先端側から後端側にかけて、第１外周面２４１と、第１外周面２４１の外径よりも大きな外径の第２外周面２４２と、第２外周面２４２の外径よりも大きな外径の第３外周面２４３と、第３外周面２４３の外径よりも大きな外径の第４外周面２４４と、から構成される。
【００３５】
第１外周面２４１の径は、支持部材６５の第３孔６５３の孔径よりも大きく、伝導部材被覆部２３１における先端部が、支持部材６５の第３孔６５３を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合（圧入）される。第２外周面２４２の径は、リアハウジング３２の第２孔３２２の孔径よりも小さく形成され、第３外周面２４３の径は、リアハウジング３２の第３孔３２３の孔径よりも小さく形成されている。また、第４外周面２４４の径は、リアハウジング３２の第４孔３２４の孔径よりも大きく、伝導部材被覆部２３１における後端部が、リアハウジング３２の第４孔３２４を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合（圧入）される。これらにより、伝導部材被覆部２３１は、少なくとも中心線方向の両端部が、それぞれ支持部材６５、リアハウジング３２に接触することで支持されているので、劣悪な振動環境であっても、伝導部材２２に与える悪影響を抑制することができ、振動に起因して伝導部材２２の接続部の断線や接触不良等を回避することが可能になっている。
【００３６】
基板被覆部２３２は、基本的には円筒状の部位であり、その側面には、プリント配線基板２１０を内部に設置するための矩形の開口部２３２ａが設けられている。また、基板被覆部２３２における後端側には、ハウジング３０内およびプリント配線基板２１０設置部を密封するためのＯリング２４用のリング溝２３２ｂが形成されている。
【００３７】
コネクタ部２３３は、基板被覆部２３２における後端側の端面２３２ｃから突出し、プリント配線基板２１０に接続された３つの第３接続ピン２１ｃの周囲を覆うように形成された薄肉の部位である。コネクタ部２３３における後端部は開口しており、内部に伝送ケーブル８の先端部に設けられたコネクタ８ａを受け入れることが可能になっている。また、コネクタ部２３３における後端側には、内部と外部とを連通する孔２３３ａが形成されており、伝送ケーブル８のコネクタ８ａに設けられたフックがこの孔２３３ａに引っ掛ることで、伝送ケーブル８のコネクタ８ａがコネクタ部２３３から脱落することが抑制される。
【００３８】
以上のように構成された覆い部材２３は、樹脂などの絶縁性を有する材料にて成形されている。また、覆い部材２３は、伝導部材２２、第１接続ピン２１ａ、第２接続ピン２１ｂおよび３つの第３接続ピン２１ｃとともに一体成形されている。より具体的には、覆い部材２３は、これら伝導部材２２、第１接続ピン２１ａ、第２接続ピン２１ｂおよび３つの第３接続ピン２１ｃをセットした金型に加熱した樹脂が押し込まれることで成形される。
【００３９】
信号処理部２００をユニット化するにあたっては、成形された覆い部材２３の開口部２３２ａから、回路基板部２１のプリント配線基板２１０を挿入し、基板被覆部２３２の中央部に設置する。プリント配線基板２１０を設置する際、板厚方向に貫通されたスルーホールに、第１接続ピン２１ａ、第２接続ピン２１ｂおよび３つの第３接続ピン２１ｃの先端を通し、半田付けする。その後、第１接続ピン２１ａと伝導部材２２とを導線を用いて接続する。また、覆い部材２３の基板被覆部２３２のリング溝２３２ｂにＯリング２４を装着する。Ｏリング２４は、フッ素系ゴムからなる周知のＯ状のリングである。
【００４０】
次に、保持部材３００について説明する。
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、リアハウジング３２に装着された後、外部から、第５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。
【００４１】
以上のように構成された圧力検出装置５は、以下に示すように組み立てられる。
先ず、フロントハウジング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、フロントハウジング３１とダイアフラムヘッド４０とを嵌合（圧入）する。その後、フロントハウジング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、フロントハウジング３１とダイアフラムヘッド４０とを溶接する。
【００４２】
その後、フロントハウジング３１における後端側の開口部から、第１電極部５１、圧電素子１０および負荷軽減部材５５を挿入する。このとき、圧電素子１０を負荷軽減部材５５の内側に収めた状態でフロントハウジング３１に挿入する。そして、負荷軽減部材５５の内側に収めることによって、例えば中心線方向の軸に対する圧電素子１０の位置決めを行うことができる。このように、本実施形態では、負荷軽減部材５５に圧電素子１０を収めることによって圧電素子１０の位置決めを行うようにして部材の取付け作業の簡略化を図っている。
【００４３】
そして、第２電極部５２の突出部５２ａの先端部にコイルスプリング７０を装着するとともに、第２電極部５２の突出部５２ａに絶縁リング６０を挿入した状態の物を、フロントハウジング３１における後端側の開口部から挿入する。その後、支持部材６５をフロントハウジング３１における後端側の開口部から挿入する。
【００４４】
さらに、圧電素子１０の感度および直線性を高めるべく、フロントハウジング３１内の圧電素子１０に、予め定められた荷重（予荷重）を作用させる。すなわち、支持部材６５における後端部に装着した専用治具で、この支持部材６５を、後端側から先端側に向けて中心線方向に加圧する。そして、ダイアフラムヘッド４０の内側部４２における先端側の端面の中心線方向の変位量が、支持部材６５を加圧する前から予め定められた長さとなるまで加圧する。そして、ダイアフラムヘッド４０の内側部４２の一方の端面が予め定められた長さ変位したところで、支持部材６５とフロントハウジング３１とを固定する。固定方法としては、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することを例示することができる。レーザビームは、円周方向の全周に照射しても良いし、円周方向に等間隔にスポット的に照射しても良い。支持部材６５とフロントハウジング３１とを固定した後に、上記専用治具を取り外す。これにより、フロントハウジング３１内の圧電素子１０に予荷重が作用した状態となる。
【００４５】
その後、フロントハウジング３１の突出部３１５の垂直面３１５ｂとリアハウジング３２における先端側の端面とが接触するまで、フロントハウジング３１とリアハウジング３２とを嵌合（圧入）する。その後、フロントハウジング３１の垂直面３１５ｂとリアハウジング３２の端面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、フロントハウジング３１とリアハウジング３２とを溶接する。
【００４６】
その後、信号処理部２００の覆い部材２３の基板被覆部２３２における先端側の端面がリアハウジング３２の突当面３４０に突き当たるまで、信号処理部２００を、リアハウジング３２における後端側の開口部から挿入する。その際、信号処理部２００の伝導部材２２の挿入孔２２ａに、第２電極部５２の突出部５２ａに装着されたコイルスプリング７０が入り込むとともに、リアハウジング３２の突当面３４０に形成されたピン用凹部３４０ａに、プリント配線基板２１０に接続された第２接続ピン２１ｂが入り込むように、信号処理部２００を挿入する。
【００４７】
その後、信号処理部２００の基板被覆部２３２の端面２３２ｃに保持部材３００の突出部３００ａが突き当たるまで、保持部材３００を、後端側から信号処理部２００に嵌め込んでいく。信号処理部２００の端面２３２ｃと保持部材３００の突出部３００ａとが接触した状態で、保持部材３００における、リアハウジング３２の第５外周面３３５の凹部３３５ａに対応する部位が加圧されることで、保持部材３００がリアハウジング３２にかしめられる。これにより、保持部材３００がハウジング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に対して移動し難くなる。
このようにして圧力検出装置５は組み立てられる。
【００４８】
ここで、上述した圧力検出装置５における電気的な接続構造について説明する。
先ず、圧電素子１０における先端側の端面は、金属製の第１の電極部５０およびダイアフラムヘッド４０を介して、金属製のハウジング３０と電気的に接続される。
【００４９】
これに対し、圧電素子１０における後端側の端面は、金属製の第２電極部５２と電気的に接続され、第２電極部５２は、突出部５２ａを介して金属製のコイルスプリング７０と電気的に接続される。また、コイルスプリング７０は、金属製の伝導部材２２と電気的に接続され、伝導部材２２は、プリント配線基板２１０と電気的に接続される。他方、第２電極部５２の突出部５２ａの外径は支持部材６５の第１孔６５１の孔径よりも小さく、伝導部材２２における先端部の外径は支持部材６５の第２孔６５２の孔径よりも小さい。つまり、第２電極部５２、コイルスプリング７０および伝導部材２２は、支持部材６５と電気的に接続されていない。それゆえ、第２電極部５２からコイルスプリング７０および伝導部材２２を介してプリント配線基板２１０へと至る電荷信号の伝送経路は、それぞれが絶縁体で構成された、絶縁リング６０および覆い部材２３によって、金属製のハウジング３０と電気的に絶縁される。
【００５０】
以上のように構成された圧力検出装置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に挿入していき、ハウジング３０のリアハウジング３２に形成された雄ねじ３３２ａをシリンダヘッド４の連通孔４ａに形成された雌ねじ４ｅにねじ込む。
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。
【００５１】
そして、内燃機関１の作動時には、センサ部１００のダイアフラムヘッド４０の内側部４２に燃焼圧が付与する。ダイアフラムヘッド４０に付与された燃焼圧が、第１電極部５１と第２電極部５２とによって挟まれた圧電素子１０に作用することにより、この圧電素子１０に燃焼圧に応じた電荷が生じる。そして、圧電素子１０に生じた電荷は、第２電極部５２、コイルスプリング７０、伝導部材２２を介して回路基板部２１に付与される。回路基板部２１に付与された電荷は、回路基板部２１にて増幅処理がなされた後、その電荷に応じた電圧が、回路基板部２１に接続された第３接続ピン２１ｃ、伝送ケーブル８を介して制御装置６に供給される。
【００５２】
次に、シール部材７について説明する。
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外周面３３３と第４外周面３３４とを接続する接続面との間に配置された第１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のフロントハウジング３１の傾斜面３１５ａとの間に配置された第２シール部材７２を有している。
【００５３】
第１シール部材７１は、銅、ステンレス、アルミなどの金属板を打ち抜いて成形されたメタルガスケットであることを例示することができる。断面形状はＳ字状、または略矩形に形成されていると良い。第１シール部材７１は、圧力検出装置５がシリンダヘッド４に締め付けられる際に、締め付け方向の力を受けて、締め付け方向の長さが短くなるように変形し、燃焼室Ｃ内の気密性を高める。すなわち、圧力検出装置５がシリンダヘッド４にねじ込まれることで、第１シール部材７１とシリンダヘッド４との間に生じる接触圧力、および第１シール部材７１と圧力検出装置５のハウジング３０との間に生じる接触圧力が高まる。これにより、第１シール部材７１とシリンダヘッド４との間、および第１シール部材７１と圧力検出装置５のハウジング３０との間から燃焼ガスが漏れることが抑制される。
【００５４】
第２シール部材７２は、材質がフッ素ゴム（ＦＫＭ）の、断面が円形であるリング状のＯリングであることを例示することができる。第２シール部材７２は、圧力検出装置５がシリンダヘッド４に締め付けられる際に、シリンダヘッド４の連通孔４ａの傾斜部４ｃと、ハウジング３０のフロントハウジング３１の傾斜面３１５ａとにより、締め付け方向とは交差する方向の力を受けて変形し、燃焼室Ｃ内の気密性を高める。すなわち、圧力検出装置５がシリンダヘッド４にねじ込まれることで、第２シール部材７２とシリンダヘッド４の連通孔４ａの傾斜部４ｃとの間に生じる接触圧力、および第２シール部材７２とハウジング３０のフロントハウジング３１の傾斜面３１５ａとの間に生じる接触圧力が高まる。これにより、第２シール部材７２とシリンダヘッド４との間、および第２シール部材７２と圧力検出装置５のハウジング３０との間から燃焼ガスが漏れることが抑制される。
【００５５】
続いて、負荷軽減部材５５について詳細に説明する。
負荷軽減部材５５は、燃焼室Ｃにおいてノッキングなどの異常な燃焼が発生し、通常の燃焼時の燃焼圧（以下、通常圧力）を大きく超える燃焼圧（以下、異常圧力）が生じ、第１電極部５１と第２電極部５２との間隔が大きく狭まって圧電素子１０が大きく圧縮される際に、圧電素子１０にかかる負荷を軽減する部材である。
負荷軽減部材５５は、図６に示すように、円筒形状を有している。そして、負荷軽減部材５５は、圧電素子１０と比較してヤング率の高い材料によって構成する。
また、負荷軽減部材５５の外径は、フロントハウジング３１の内径と略同じに設定されている。負荷軽減部材５５の内径は、圧電素子１０を内側に収められるように設定されている。そして、負荷軽減部材５５は、フロントハウジング３１の内側にて、圧電素子１０を内側に収容し圧電素子１０を保持する。このように、負荷軽減部材５５は、圧電素子１０に対峙して圧力の作用方向（本実施形態では中心線方向）に圧電素子１０とは並列的に配置される。
なお、本実施形態の負荷軽減部材５５は、圧電素子１０と接触するため、絶縁性を有する材料を用いている。ただし、負荷軽減部材５５と圧電素子１０との間に絶縁層を介在させることによって絶縁性を有しない材料を用いても良い。
【００５６】
燃焼室Ｃ内において通常圧力が生じている場合には、負荷軽減部材５５は、第１電極部５１および第２電極部５２の何れか一方にのみ接触し、圧縮されないように設定される。すなわち、この通常圧力が生じている状態では、第１電極部５１および第２電極部５２の両方が圧電素子１０に接触して圧電素子１０のみを圧縮する。
一方で、シリンダ２ａの燃焼室Ｃ内においてノッキングのような異常な燃焼が発生し異常圧力が生じている場合には、負荷軽減部材５５は、第１電極部５１および第２電極部５２の両方に接触するように設定されている。すなわち、異常圧力が生じているときには、第１電極部５１および第２電極部５２は、圧電素子１０および負荷軽減部材５５の両方に接触した状態になる。
【００５７】
燃焼室Ｃの燃焼圧の状態によって、接触関係が上記のようになる圧力検出装置５の第１電極部５１、第２電極部５２、負荷軽減部材５５および圧電素子１０の長さなどの形状の関係は以下のように設定されている。なお、以下の長さなどの形状の関係は、圧力検出装置５が通常圧力の範囲内となる大気圧の雰囲気下に置かれた初期状態におけるものである。
図５に示すように、初期状態の圧力検出装置５では、中心線方向において、圧電素子１０の長さＬ１は、第１電極部５１と第２電極部５２との圧電素子１０が設けられる位置の間隔Ｄ１と同じになっている。また、中心線方向において、負荷軽減部材５５の長さＬ２は、第１電極部５１と第２電極部５２との負荷軽減部材５５が設けられる位置の間隔Ｄ２よりも短くなっている。すなわち、初期状態の圧力検出装置５の負荷軽減部材５５は、中心線方向において、第１電極部５１および第２電極部５２との間（図５においては第１電極部５１との間）に初期隙間Ｇ（＝間隔Ｄ２−長さＬ２）を形成する。
そして、初期隙間Ｇの距離は、燃焼室Ｃ内にて通常圧力の範囲内における最大の圧力が生じた場合にダイアフラムヘッド４０を介して圧力を受けた第１電極部５１の第２電極部５２側に向けた変位量に相当するように設定している。これは、初期隙間Ｇの距離を、燃焼室Ｃ内にて異常圧力が生じた場合にダイアフラムヘッド４０を介して圧力を受けた第１電極部５１の第２電極部５２側に向けた変位量よりも短く設定することと同義である。このようにして、本実施形態では、異常圧力が発生した場合でも、負荷軽減部材５５によって、圧電素子１０が初期隙間Ｇの距離以上に圧縮されないようにしている。
【００５８】
そして、本実施形態では、図６に示すように、第２電極部５２上に圧電素子１０および負荷軽減部材５５との両方を同じ高さの面上に置き、さらに第１電極部５１によって、同じ面で圧電素子１０および負荷軽減部材５５を挟み込んでいる。従って、本実施形態では、上記の条件を満たすように、負荷軽減部材５５の長さＬ２は、圧電素子１０の長さＬ１と比較して短くしている。
なお、第１電極部５１や第２電極部５２の形状によっては、例えば圧電素子１０と負荷軽減部材５５とが異なる高さの面上にてそれぞれ保持される場合もある。このような場合においても、通常圧力の範囲内では第１電極部５１および第２電極部５２が負荷軽減部材５５を変形させずに圧電素子１０のみを圧縮変形し、異常圧力の範囲内では第１電極部５１および第２電極部５２が圧電素子１０と負荷軽減部材５５との両方を圧縮変形させるように、中心線方向における圧電素子１０および負荷軽減部材５５の長さを各々設定すれば良い。
【００５９】
そして、負荷軽減部材５５は、圧力検出装置５において異常圧力を受けた際に、圧電素子１０の保護を図る。本実施形態では、圧電素子１０の保護を図るために圧電素子１０よりもヤング率が高い特性を有する材料を用いる。負荷軽減部材５５は、異常圧力を受けた際に、圧電素子１０とともに第１電極部５１から荷重を受ける。その際には、負荷軽減部材５５と圧電素子１０とのひずみ量は等しくなる。そして、所定の荷重を圧電素子１０と負荷軽減部材５５とによって分散して受ける場合、ヤング率の高い部材はヤング率の低い材料と比べて部材に生じる応力が大きくなり、ヤング率の低い部材はヤング率の高い部材と比較して生じる応力が小さくなる。
【００６０】
そして、本実施形態では、圧電素子１０の保護を図るために、負荷軽減部材５５には、圧電素子１０よりもヤング率の高い材料を用いる。なお、本実施形態の圧電素子１０の材料としては、上述のとおりランガサイト単結晶を用いている。従って、負荷軽減部材５５の材料には、ランガサイト単結晶よりもヤング率の高いものとして、例えばアルミナやサファイア単結晶、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、ジルコニアなどを用いることができる。
【００６１】
また、負荷軽減部材５５は、圧電素子１０の熱膨張率（線膨張率）以下である材料を用いている。本実施形態では、負荷軽減部材５５の熱膨張率を圧電素子１０の熱膨張率以下にすることで、これらの部材が温度上昇に伴って熱膨張した場合であっても隙間の形成を維持できるようにしている。
本実施形態の圧電素子１０の材料としては、上述のとおりランガサイト単結晶を用いている。従って、負荷軽減部材５５の材料には、ランガサイト単結晶よりも熱膨張率が低いものとして、例えばアルミナやサファイア単結晶、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミなどを用いることができる。
【００６２】
本実施形態のように燃焼室Ｃに取り付けられるような場合、圧力検出装置５は、温度が大きく上下する環境下にて用いられる。そして、圧力検出装置５を構成する負荷軽減部材５５および圧電素子１０の形状は、温度に応じて熱膨張変化する。例えば、負荷軽減部材５５の熱膨張率が圧電素子１０よりも高い場合、負荷軽減部材５５が熱膨張によって中心線方向に延び、圧電素子１０よりも負荷軽減部材５５が長くなる可能性がある。この場合には、圧力検出装置５によって圧力を測定できなくなってしまう。そこで、本実施形態では、負荷軽減部材５５には、圧電素子１０の熱膨張率以下の材料を用いている。これによって、温度が上昇した場合においても、圧電素子１０よりも負荷軽減部材５５が長くなることが防止される。
【００６３】
また、負荷軽減部材５５は、図６に示すように、圧電素子１０を囲うように設けられる。さらに、本実施形態では、負荷軽減部材５５は、図６に示すように、本実施形態の圧電素子１０は、圧電素子１０の角部が、円筒形状を有する負荷軽減部材５５の内周に接触するように取り付けられる。そして、本実施形態では、圧電素子１０が中心に位置するように負荷軽減部材５５によって圧電素子１０を安定して保持する。
圧力検出装置５では、ダイアフラムヘッド４０などの各種部材は、中心線方向の軸を基準にして予め定められた位置に設ける。そして、中心線方向の軸を基準にして各種部材が所定の位置に配置されることを前提にして、例えばダイアフラムヘッド４０が受けた圧力と圧電素子１０において発生する電荷量とを関係付けるなどしている。そのため、圧力検出の動作に伴って例えば圧電素子１０が中心線方向の軸に対する位置がずれることは好ましくない。そこで、本実施形態では、負荷軽減部材５５に圧電素子１０を保持する機能を持たせることによって圧電素子１０の安定保持を行っている。
【００６４】
なお、上述した負荷軽減部材５５による圧電素子１０の保持機能の観点からは、温度が変わることに伴う熱膨張変化によって、圧電素子１０と負荷軽減部材５５との接触状態が一定になるように、両者の熱膨張率はほぼ同じであることが好ましい。そして、この観点からは、負荷軽減部材５５の材料には、ランガサイト単結晶と熱膨張率が略同じであるアルミナ等を用いることができる。
【００６５】
また、図６に示すように、負荷軽減部材５５は、圧電素子１０を囲むようにして圧電素子１０と一体的に設けられる。これにより、本実施形態の圧力検出装置５において、圧電素子１０と負荷軽減部材５５とが近い環境下に置かれる。そして、負荷軽減部材５５と圧電素子１０とが近い環境下に設けられることによって、熱膨張による変形の要因となる温度の条件が近似する。
本実施形態では、圧力検出装置５は、一部が燃焼室Ｃ内に臨んでおり燃焼ガスに晒されて高温になる。圧電素子１０および負荷軽減部材５５の圧力の作用方向における長さは、上述のとおり予め定めた距離に設定している。ただし、それぞれの置かれる温度条件が大きく異なる場合、圧電素子１０と負荷軽減部材５５との熱膨張による形状の変化を踏まえた設定や管理が複雑になる。これに対し、本実施形態では、圧力検出装置５内に設けられる圧電素子１０と負荷軽減部材５５とを近接させることによって、圧電素子１０と負荷軽減部材５５との形状の設定や管理が容易になる。
【００６６】
図７は、実施形態１が適用されるセンサ部１００の動作を説明するための図である。
内燃機関１において、例えば燃焼圧が生じていないときなど燃焼室Ｃの圧力が大気圧程度であって無視できるほど小さい圧力状態（初期状態）において、図７（ａ）に示すように、ダイアフラムヘッド４０はほとんど変形しない。この状態では、圧電素子１０に対しては、大気圧に相当する荷重および、圧力検出装置５を組み立てる際に掛けられた予荷重が作用した状態になっている。
【００６７】
そして、例えば内燃機関１において、燃焼室Ｃに燃料および空気が送り込まれた後、点火プラグによって燃焼が行われることで燃焼室Ｃに燃焼圧が発生する。通常の燃焼が生じている状態では、燃焼室Ｃでは通常圧力が生じている。そして、図７（ｂ）に示すように、ダイアフラムヘッド４０を介して圧力を受けることによって、第１電極部５１は、圧電素子１０に中心線方向の荷重をかける。そして、圧電素子１０は、第１電極部５１から圧縮力を受けることで圧縮変形する。そして、圧電素子１０が圧縮変形することで発生した電荷は、電気信号として信号処理部２００に伝達する。
【００６８】
なお、通常圧力が発生している状態において、第１電極部５１の第２電極部５２に向けた変位量は、第１電極部５１と負荷軽減部材５５との間の初期隙間Ｇの距離に満たない。そのため、第１電極部５１および第２電極部５２は、圧電素子１０には接触して圧電素子１０を圧縮するものの、負荷軽減部材５５を圧縮しない。
【００６９】
続いて、燃焼室Ｃにおいてノッキングなどの異常な燃焼が発生した場合について説明する。
ノッキングなどの異常燃焼が生じると、通常圧力を大きく上回る過大な異常圧力がダイアフラムヘッド４０にかかる。そして、図７（ｃ）に示すように、ダイアフラムヘッド４０を介して圧力を受けることによって、第１電極部５１は、中心線方向の荷重を圧電素子１０にかける。そして、圧電素子１０は、第１電極部５１から圧縮力を受けることで圧縮変形する。このとき、燃焼室Ｃでは異常圧力が生じているため、圧電素子１０の圧縮量は初期隙間Ｇの距離に達する。その結果、センサ部１００では、第１電極部５１および第２電極部５２の両方が、圧電素子１０と負荷軽減部材５５とに接触した状態になる。このとき、第１電極部５１から掛けられる荷重は、圧電素子１０と負荷軽減部材５５とに分散する。従って、第１電極部５１が圧電素子１０のみに接触する場合と比較して、圧電素子１０にかかる荷重が低減する。さらに、負荷軽減部材５５のヤング率は、圧電素子１０と比較して高く設定されている。そのため、圧電素子１０に生じる応力は、負荷軽減部材５５を設けていない場合と比較して緩和される。
【００７０】
なお、第１電極部５１および第２電極部５２の両方が負荷軽減部材５５に接触する状態では、所定の圧力の変化に応じた圧電素子１０の圧縮の変化量は、負荷軽減部材５５に接触していない場合と比較して小さくなる。従って、この状態では、所定の圧力の変化に応じて圧電素子１０にて発生する電荷量も小さくなる。そのため、第１電極部５１および第２電極部５２の両方が負荷軽減部材５５に接触する状態においては、発生する電荷量が小さいという要因に基づく圧力の感度としては低下する。そこで、実施形態１の圧力検出装置５では、初期隙間Ｇを所定の距離に設定しておくことによって、通常圧力の発生時には感度が高い状態で圧力検知を行い例えば内燃機関１の動作制御に必要な圧力情報を精度良く得る。そして、圧力検出装置５では、異常圧力が発生している状態では圧電素子１０の損傷防止を優先するようにしている。
【００７１】
［実施形態２］
続いて、実施形態２が適用される圧力検出装置５について説明する。
図８は、実施形態２の第２負荷軽減部材２５５を説明するための図である。
なお、実施形態２において、実施形態１と同様なものについては同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図８に示すように、実施形態２が適用される圧力検出装置５は、圧電素子１０に掛かる圧縮荷重の負荷を軽減する第２負荷軽減部材２５５を有している。第２負荷軽減部材２５５は、第１電極部５１と第２電極部５２との間隔が予め定められた距離よりも短くなることで生じる圧電素子１０への負荷を軽減する部材である。
第２負荷軽減部材２５５は、図８に示すように、円筒形状を有している。本実施形態では、第２負荷軽減部材２５５の外径は、フロントハウジング３１の内径と略同じに設定している。また、第２負荷軽減部材２５５の内径は、圧電素子１０を内側に収められるように設定している。本実施形態では、第２負荷軽減部材２５５が圧電素子１０を囲うことで、第２負荷軽減部材２５５によって圧電素子１０を保持する。このように、第２負荷軽減部材２５５は、圧電素子１０に対峙して圧力の作用方向（本実施形態では中心線方向）に圧電素子１０とは並列的に配置される。
なお、第２負荷軽減部材２５５は、圧電素子１０と接触するため、絶縁性を有する材料を用いている。ただし、第２負荷軽減部材２５５と圧電素子１０との間に絶縁層を介在させることによって絶縁性を有しない材料を用いても良い。
【００７２】
そして、第２負荷軽減部材２５５は、大気圧程度の圧力となる初期状態から通常圧力および異常圧力の下に置かれた状態まで、第１電極部５１と第２電極部５２との両方に常に接する。そして、実施形態２では、圧電素子１０と第２負荷軽減部材２５５との両方によって、ダイアフラムヘッド４０を介して常に力を受ける。第２負荷軽減部材２５５は、圧電素子１０に生じる応力を常に低減させ、圧電素子１０に掛かる負荷の軽減を図る。
【００７３】
そして、接触関係が上記のようになる圧力検出装置５の第１電極部５１、第２電極部５２、第２負荷軽減部材２５５および圧電素子１０の長さなどの形状の関係は以下のように設定されている。なお、以下の長さなどの形状の関係は、圧力検出装置５が通常圧力の範囲内となる大気圧の雰囲気下に置かれた初期状態におけるものである。
中心線方向において、第１電極部５１と第２電極部５２との間隔Ｄに対し、圧電素子１０の長さＬ１および第２負荷軽減部材２５５の長さＬ２が同一になっている（後述の図９（ａ）参照）。実施形態２では、第１電極部５１（あるいは第２電極部５２）と圧電素子１０との間には隙間が生じないように構成している。また、第１電極部５１（あるいは第２電極部５２）と第２負荷軽減部材２５５との間にも隙間は生じないように構成している。
【００７４】
実施形態２では、図８に示すように、第２電極部５２上に圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５との両方を同じ高さの面上に置き、さらに、第１電極部５１によって、同じ高さの面上で圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５を挟み込んでいる。従って、第２負荷軽減部材２５５の中心線方向の長さＬ２は、上記の条件を満たすべく、第１電極部５１が変位したときに両方の部材によって荷重を受けるように、圧電素子１０の中心線方向における長さと同一に設定されている。
【００７５】
なお、第２電極部５２や第１電極部５１の形状によっては、例えば圧電素子１０と第２負荷軽減部材２５５とが異なる高さの面にて保持される場合もある。このような場合においても、第１電極部５１と第２電極部５２とに、圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５が常に接触した状態を維持するように第２負荷軽減部材２５５の長さを設定すれば良い。
【００７６】
そして、実施形態２では、圧電素子１０を保護するために、圧電素子１０よりもヤング率が高い材料を用いている。本実施形態の圧電素子１０の材料としては、上述のとおりランガサイト単結晶を用いている。従って、第２負荷軽減部材２５５は、ランガサイト単結晶よりもヤング率の高いものとして、例えばアルミナやサファイア単結晶、炭化ケイ素、窒化アルミ、ジルコニアなどを用いることができる。
【００７７】
さらに、実施形態２が適用される第２負荷軽減部材２５５には、圧電素子１０と熱膨張率が同程度の材料を用いている。本実施形態では、圧電素子１０の材料としてランガサイト単結晶を用いている。そして、第２負荷軽減部材２５５は、ランガサイト単結晶と熱膨張率が略同じであるアルミナを用いることができる。
第２負荷軽減部材２５５の材料として、圧電素子１０の熱膨張率が同程度のものを用いることによって、温度の変動に伴う熱膨張変化が生じた場合であっても、第２負荷軽減部材２５５の長さと圧電素子１０の長さとの差を一定に保つことができる。その結果として、温度変化によらず、第１電極部５１と第２電極部５２は、圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５に常に接触した状態を維持する。例えば、第２負荷軽減部材２５５と圧電素子１０とのいずれかが大きく突出して、突出した部材のみが第１電極部５１に接触することが防止される。
【００７８】
図９は、実施形態２が適用されるセンサ部１００の動作を説明するための図である。
内燃機関１において、例えば燃焼圧が生じていないときなど燃焼室Ｃ内の圧力が大気圧程度である初期状態では、図９（ａ）に示すように、ダイアフラムヘッド４０はほとんど変形しない。この状態では、圧電素子１０に対しては、大気圧に相当する荷重および、圧力検出装置５を組み立てる際に掛けられた予荷重が作用した状態になっている。
【００７９】
そして、例えば内燃機関１において、燃焼室Ｃのシリンダ２ａに燃料および空気が送り込まれた後、点火プラグによって燃焼が行われることで燃焼室Ｃに燃焼圧が発生する。通常の燃焼が生じている状態では、燃焼室Ｃでは通常圧力が発生している。
そして、図９（ｂ）に示すように、ダイアフラムヘッド４０を介して圧力を受けることによって、第１電極部５１は、圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５に中心線方向の荷重をかける。そして、圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５は、第１電極部５１から圧縮力を受けることで圧縮変形する。そして、圧電素子１０が圧縮変形することで発生した電荷は、電気信号として信号処理部２００に伝達する。
【００８０】
なお、実施形態２の圧力検出装置５では、圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５の両方によって、第１電極部５１からの圧縮力を分散して受ける。そのため、実施形態２では、所定の圧力が発生している場合の圧電素子１０の圧縮変形量は、第２負荷軽減部材２５５を設けない場合と比較して小さい。その結果、実施形態２では、所定の圧力が生じている場合において、圧電素子１０にて発生する電荷量は第２負荷軽減部材２５５を設けない場合と比較して小さくなる。ただし、この場合でも、ダイアフラムヘッド４０が受ける圧力と圧電素子１０にて発生する電荷量との関係付けを予めしておくことで、実施形態１と同様に圧力検出を行うことができる。
【００８１】
また、ノッキングなどの異常燃焼が生じた場合、通常圧力を大きく上回る過大な異常圧力がダイアフラムヘッド４０にかかる。そして、図９（ｃ）に示すように、ダイアフラムヘッド４０を介して圧力を受けることによって、第１電極部５１は、中心線方向の荷重を圧電素子１０および第２負荷軽減部材２５５の両方にかける。そして、第１電極部５１から掛けられる荷重は、圧電素子１０と第２負荷軽減部材２５５とに分散する。従って、第１電極部５１が圧電素子１０のみに接触する場合と比較して、圧電素子１０にかかる荷重が低減する。さらに、第２負荷軽減部材２５５のヤング率は、圧電素子１０と比較して高く設定されている。そのため、圧電素子１０に生じる応力は、第２負荷軽減部材２５５を設けていない場合と比較して緩和される。
【００８２】
以上のように、実施形態２が適用される圧力検出装置５では、常に圧電素子１０とともに第２負荷軽減部材２５５が第１電極部５１を介して入力される荷重を受けるようにしている。そして、実施形態２の圧力検出装置５では、上述のとおり、第２負荷軽減部材２５５が圧電素子１０を補強するように作用する。そして、実施形態２の圧力検出装置５では、例えば異常圧力などが生じた際も含め、圧電素子１０単体で荷重を受けた場合には圧電素子１０の耐力を超えるような圧力が発生しても、圧電素子１０が損傷しないように圧電素子１０の保護を図っている。
【００８３】
なお、図６および図８等に示すように、負荷軽減部材５５および第２負荷軽減部材２５５は円筒形状を有しているが、この形状に限定されるものではない。例えば、負荷軽減部材５５および第２負荷軽減部材２５５は、圧電素子１０を囲うように圧電素子１０の周囲に断片的に設けられても良い。
また、例えば負荷軽減部材５５や第２負荷軽減部材２５５に圧電素子１０を保持する機能を持たせる必要がない場合などにおいて、例えば圧電素子１０が円筒形状を有しているような場合には、圧電素子１０の内側に負荷軽減部材５５を配置する構成を採用しても良い。
【００８４】
以上のように、実施形態１および実施形態２が適用される圧力検出装置５では、負荷軽減部材５５や第２負荷軽減部材２５５を用いることによって、圧電素子１０に掛かる負荷の軽減を図っている。そして、圧力検出装置５は、例えば自動車などの内燃機関１に常に取り付けられた状態で用いられるような場合において信頼性の高い装置として実現される。
【符号の説明】
【００８５】
１…内燃機関、２…シリンダブロック、３…ピストン、４…シリンダヘッド、５…圧力検出装置、６…制御装置、７…シール部材、８…伝送ケーブル、１０…圧電素子、３０…ハウジング、４０…ダイアフラムヘッド、５１…第１電極部、５２…第２電極部、５５…負荷軽減部材、６０…絶縁リング、６５…支持部材、７０…コイルスプリング、７１…第１シール部材、７２…第２シール部材、１００…センサ部、２００…信号処理部、２５５…第２負荷軽減部材
【図１】
2013140044.tif 000003
【図２】
2013140044.tif 000004
【図３】
2013140044.tif 000005
【図４】
2013140044.tif 000006
【図５】
2013140044.tif 000007
【図６】
2013140044.tif 000008
【図７】
2013140044.tif 000009
【図８】
2013140044.tif 000010
【図９】
2013140044.tif 000011