(57)【要約】【課題】異常燃焼が生じた場合であってもセンサ素子の破損を抑制できる筒内圧センサを提供する。【解決手段】筒内圧センサ１は、ハウジング２と、ダイヤフラム１０と、ロッド９及びガラスブロック８からなる力伝達部材と、センサ素子７とを有している。この筒内圧センサ１は、ダイヤフラム１０に作用した筒内圧を力伝達部材を介してセンサ素子７に伝えるとともに、センサ素子７の抵抗値に基づいて筒内圧を検出する。この筒内圧センサ１のダイヤフラム１０は、有底筒状をなし、筒部１１と、底部１２とを有し、底部１２がハウジング２の一端から離間した状態で同ハウジング２に固定されている。そして、底部１２は、中心部１４と、対向部１５と、対向部１５と中心部１４との間に設けられて両者を接続する接続部１６と、対向部１５と筒部１１との間に設けられて両者を接続する湾曲部１７と、を有し、接続部１６のばね定数は湾曲部１７のばね定数よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジングと、
前記ハウジングの一端に固定されて燃焼室内の圧力である筒内圧を受けるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに固定された力伝達部材と、
前記ハウジングに収容され、前記力伝達部材を介して前記ダイヤフラムに接続されるとともに、加えられた荷重に応じて抵抗値が変化するセンサ素子とを有し、
前記ダイヤフラムに作用した筒内圧を前記力伝達部材を介して前記センサ素子に伝えるとともに、前記センサ素子の抵抗値に対応した信号を筒内圧に対応した信号として出力する筒内圧センサであって、
前記ダイヤフラムは、有底筒状をなし、前記ハウジングの外周面に固定された筒部と、前記力伝達部材が接続された底部とを有し、前記底部が前記ハウジングの前記一端から離間した状態で同ハウジングに固定され、
前記底部は、前記力伝達部材が接続された中心部と、前記中心部よりも径方向外側に設けられて前記ハウジングの前記一端に対向して延びる対向部と、前記対向部と前記中心部との間に設けられて両者を接続する接続部と、前記対向部と前記筒部との間に設けられて両者を接続する湾曲部と、を有し、
前記接続部のばね定数は前記湾曲部のばね定数よりも大きい筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内の圧力（以下、筒内圧という）を検出する筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の筒内圧センサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に固定されて筒内圧を受けるダイヤフラムと、ハウジングに収容され、力伝達ロッドを介してダイヤフラムに接続されたセンサ素子とを有している。センサ素子は、シリコン基板を主体として形成され、作用する荷重に応じて抵抗値が変化する。このため、ダイヤフラムに筒内圧が作用すると、力伝達ロッドを介してセンサ素子に荷重が作用し、センサ素子の抵抗値が変化する。上記筒内圧センサでは、このセンサ素子の抵抗値に基づいた信号を出力することで筒内圧を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６３８６５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載の筒内圧センサでは、異常燃焼などが生じて筒内圧が極めて高くなった場合に、センサ素子に加えられる荷重によって同センサ素子が破損するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、異常燃焼が生じた場合であってもセンサ素子の破損を抑制できる筒内圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための筒内圧センサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に固定されて燃焼室内の圧力である筒内圧を受けるダイヤフラムと、ダイヤフラムに固定された力伝達部材と、ハウジングに収容され、力伝達部材を介してダイヤフラムに接続されるとともに、加えられた荷重に応じて抵抗値が変化するセンサ素子とを有している。この筒内圧センサは、ダイヤフラムに作用した筒内圧を力伝達部材を介してセンサ素子に伝えるとともに、センサ素子の抵抗値に対応した信号を筒内圧に対応した信号として出力する筒内圧センサであって、ダイヤフラムは、有底筒状をなし、ハウジングの外周面に固定された筒部と、力伝達部材が接続された底部とを有し、底部がハウジングの前記一端から離間した状態で同ハウジングに固定され、底部は、力伝達部材が接続された中心部と、中心部よりも径方向外側に設けられてハウジングの前記一端に対向して延びる対向部と、対向部と中心部との間に設けられて両者を接続する接続部と、対向部と筒部との間に設けられて両者を接続する湾曲部と、を有し、接続部のばね定数は湾曲部のばね定数よりも大きい。
【０００７】
上記構成によれば、ダイヤフラムが筒内圧を受けると、まず、ばね定数が小さく弾性変形しやすい湾曲部が変形し、センサ素子に荷重が伝達される。筒内圧が高くなると、湾曲部の変形量が大きくなり、底部全体がハウジングに近づいていく。底部の対向部はハウジングの一端に対向しているため、異常燃焼などが生じて筒内圧が極めて高くなったときには、湾曲部の変形に伴い対向部がハウジングの一端に当接する。この状態では、湾曲部は対向部を介してハウジングの一端に支持され、それ以上変形することが抑えられる。このため、対向部がハウジングの一端に当接したあとは、ばね定数の小さい湾曲部を介してセンサ素子に荷重が伝達されることが抑制される。一方、底部の対向部がハウジングに当接するほど筒内圧が高いときには、対向部がハウジングの一端に当接した状態で、ばね定数の大きい接続部が弾性変形する。このため、対向部がハウジングの一端に当接したあとは接続部の弾性変形に伴ってセンサ素子に荷重が伝達される。なお、接続部のばね定数は湾曲部のばね定数よりも大きいため、接続部の弾性変形に伴ってセンサ素子に荷重が作用するようになった場合には、対向部がハウジングの一端に当接しておらず湾曲部の弾性変形に伴ってセンサ素子に荷重が作用する場合に比べて、筒内圧が変化したときの荷重の変化が小さくなる。したがって、上記構成では、異常燃焼によって筒内圧が高くなった場合であっても、センサ素子が破損してしまうほど大きな荷重が同センサ素子に作用することが抑えられる。すなわち、上記構成によれば、異常燃焼が生じた場合であってもセンサ素子の破損を抑制できる。
【０００８】
また、対向部がハウジングの一端に当接した状態であっても接続部の弾性変形に伴ってセンサ素子に荷重が伝達されるため、異常燃焼時の筒内圧を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】筒内圧センサの一実施形態の構成を模式的に示す断面図。
【図２】同実施形態の筒内圧センサのダイヤフラムを拡大して示す断面図であり、筒内圧がダイヤフラムに作用して同ダイヤフラムが変形したときの状態を示す断面図。
【図３】同実施形態の筒内圧センサのダイヤフラムを拡大して示す断面図であり、極めて高い筒内圧がダイヤフラムに作用して同ダイヤフラムが変形したときの状態を示す断面図。
【図４】同実施形態の筒内圧センサにおいて筒内圧とセンサ素子に伝達される荷重との関係の一例を示すグラフ。
【図５】他の実施形態の筒内圧センサのダイヤフラムを拡大して示す断面図。
【図６】同ダイヤフラムに筒内圧が作用して同ダイヤフラムが変形したときの状態を示す断面図。
【図７】同ダイヤフラムに極めて高い筒内圧が作用して同ダイヤフラムが変形したときの状態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、筒内圧センサの一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、筒内圧センサ１には、筒状のハウジング２が設けられている。ハウジング２は、アウターハウジング３と、同アウターハウジング３に挿通されたインナーハウジング４とからなる。インナーハウジング４の一端部には、外周面から突出したフランジ部５が形成されている。フランジ部５にはアウターハウジング３の一端が当接しており、インナーハウジング４は、その一端部がアウターハウジング３から突出した状態で、アウターハウジング３に固定されている。
【００１１】
インナーハウジング４の内部には、シール部材６が設けられている。シール部材６は、インナーハウジング４の内部の空間を、同シール部材６を境として図１における上方の空間と下方の空間とに区切っている。シール部材６における上方の空間側の端面には、センサ素子７が固定されている。センサ素子７は、半導体基板を主体として構成されており、加えられる荷重に応じて抵抗値が変化する。センサ素子７の表面には、ガラスブロック８が例えば陽極接合によって接続されている。ガラスブロック８には、一端（図１における上端）が半球状に形成されたロッド９が固定されている。ロッド９は、例えばセラミックからなり、その先端がダイヤフラム１０に固定されている。なお、ガラスブロック８及びロッド９によって力伝達部材が構成されている。
【００１２】
ダイヤフラム１０は、有底筒状をなし、ハウジング２の外周面に固定された筒部１１と、ロッド９が接続された底部１２とを有している。なお、ダイヤフラム１０は、底部１２がハウジング２の一端から離間した状態で、ハウジング２に固定されている。
【００１３】
ハウジング２の一端部に設けられている開口１３は、ダイヤフラム１０によって覆われている。このため、ハウジング２の内部には、ダイヤフラム１０とシール部材６とによって、ロッド９、ガラスブロック８、及びセンサ素子７が収容された収容空間が区画形成されている。
【００１４】
ダイヤフラム１０の底部１２には、ロッド９が接続された中心部１４と、この中心部１４よりも径方向外側に設けられてハウジング２の一端に対向して延びる対向部１５とが設けられている。また、対向部１５と中心部１４との間には、両者を接続する接続部１６が設けられている。また、対向部１５と筒部１１との間には湾曲部１７が設けられており、この湾曲部１７によって対向部１５と筒部１１とが接続されている。中心部１４は、対向部１５よりもハウジング２側（図１の下方）に位置しており、接続部１６は対向部１５からハウジング２側に向かって延びて中心部１４に接続されている。このため、ダイヤフラム１０は、中心部１４が窪んだ形状になっている。また、接続部１６の肉厚は、ダイヤフラム１０の他の部分の肉厚に比べて薄くなっている。
【００１５】
筒内圧センサ１には、定電流源１８を有し、一定の電流が流れるように制御される定電流回路１９が設けられている。センサ素子７には一対の電極が設けられており、この電極に接続されたリード線２０によって、センサ素子７は定電流回路１９に接続されている。なお、リード線２０は、シール部材６を貫通して配設されている。定電流回路１９には、センサ素子７の一対の電極間に生じている電圧（以下、両端電圧という）を検出して、この両端電圧に対応する信号を出力する電圧検出部２１が設けられている。
【００１６】
筒内圧センサ１は、ハウジング２の一端部が燃焼室内に露出した状態で内燃機関に配設される。このため、筒内圧センサ１のダイヤフラム１０には、燃焼室内の圧力、すなわち筒内圧が作用する。そして、ダイヤフラム１０に筒内圧が作用してダイヤフラム１０が撓むと、ロッド９及びガラスブロック８を介してセンサ素子７に荷重が作用し、センサ素子７の抵抗値が変化する。センサ素子７には定電流回路１９から定電流が供給されているため、センサ素子７に荷重が作用して抵抗値が変化すると、センサ素子７の両端電圧が変化する。筒内圧センサ１の電圧検出部２１は、センサ素子７の両端電圧に対応した信号、すなわちセンサ素子７の抵抗値に対応した信号を、筒内圧に対応した信号として出力する。
【００１７】
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態の作用について説明する。
図２に白抜き矢印で示すように、ダイヤフラム１０の底部１２には、図２の上方から下方に向かって筒内圧が作用する。このとき、ダイヤフラム１０の湾曲部１７には曲げ応力が発生する。また、接続部１６は対向部１５から図２の下方に延びて中心部１４に接続されているため、接続部１６には引っ張り応力が発生する。金属からなるダイヤフラム１０は、引っ張り応力よりも曲げ応力に対して変形が生じ易い。このため、ダイヤフラム１０は、接続部１６のばね定数が湾曲部１７のばね定数よりも大きくなっており、筒内圧を受けたときに接続部１６よりも湾曲部１７が弾性変形しやすい。
【００１８】
このため、図２に実線で示すように、ダイヤフラム１０が筒内圧を受けると、まず、ばね定数が小さく弾性変形しやすい湾曲部１７が変形し、図２に二点鎖線で示す変形前のダイヤフラム１０に対して、底部１２がハウジング２側（図２の下方）に変位する。このように、ダイヤフラム１０が筒内圧を受けて弾性変形することにより、ロッド９及びガラスブロック８を介してセンサ素子７に荷重が伝達される。なお、筒内圧が高くなると、湾曲部１７の変形量が大きくなり、底部１２全体がハウジング２に近づいていく。
【００１９】
また、図３に二点鎖線で示すように、底部１２の対向部１５はハウジング２の一端に対向している。このため、異常燃焼が生じて筒内圧が極めて高くなると、図３に実線で示すように、湾曲部１７の変形に伴い対向部１５がハウジング２の一端に当接する。この状態では、湾曲部１７は対向部１５を介してハウジング２の一端に支持され、それ以上変形することが抑えられる。このため、対向部１５がハウジング２の一端に当接したあとは、ばね定数の小さい湾曲部１７を介してセンサ素子７に荷重が伝達されることが抑制される。
【００２０】
一方、底部１２の対向部１５がハウジング２に当接するほど筒内圧が高いときには、対向部１５がハウジング２の一端に当接した状態で、ばね定数の大きい接続部１６が弾性変形する。なお、接続部１６の肉厚は中心部１４の肉厚よりも薄く、接続部１６は中心部１４に比して変形しやすくなっているため、この状態では中心部１４ではなく接続部１６が弾性変形する。このため、対向部１５がハウジング２の一端に当接したあとは接続部１６の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が伝達される。
【００２１】
ここで、接続部１６のばね定数は湾曲部１７のばね定数よりも大きくなっている。このため、図４に示すように、筒内圧が極めて高い状態になり、接続部１６の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が作用するようになった場合（筒内圧≧Ｐ１）には、対向部１５がハウジング２の一端に当接しておらず湾曲部１７の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が作用する場合（筒内圧＜Ｐ１）に比べて、筒内圧が変化したときの荷重の変化が小さくなる。なお、対向部１５がハウジング２に当接するときの筒内圧をＰ１としている。
【００２２】
このように、異常燃焼が生じて筒内圧がＰ１以上になっているときには、筒内圧の変化に対する荷重の変化、すなわち図４に示す線の傾きが、筒内圧がＰ１未満のときの線の傾きよりも小さくなる。このため、異常燃焼が生じた場合（筒内圧≧Ｐ１）であっても、センサ素子７に伝達される荷重が、センサ素子７が破損してしまうおそれのある荷重Ｑｖよりも大きくなることが抑制される。なお、本実施形態では、接続部１６の長さおよび肉厚を調節することによって、異常燃焼が生じた場合であっても、センサ素子７に作用する荷重が荷重Ｑｖよりも小さくなるように接続部１６のばね定数を設定している。
【００２３】
また、対向部１５がハウジング２の一端に当接した状態であっても接続部１６の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が伝達されるため、筒内圧を検出することが可能になる。すなわち、筒内圧センサ１から出力される信号は、例えば、内燃機関の制御装置に入力される。湾曲部１７の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が作用する場合（筒内圧＜Ｐ１）における筒内圧と荷重との関係、並びに、接続部１６の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が作用する場合（筒内圧≧Ｐ１）における筒内圧と荷重との関係は予め実験によって求められている。そして、これらの関係が制御装置に記憶されている。このため、筒内圧の変化に対する荷重の変化が筒内圧Ｐ１を境に異なっている場合であっても、筒内圧センサ１から出力される信号に基づいて筒内圧を検出することができる。
【００２４】
また、異常燃焼によって筒内圧が極めて高くなり、ダイヤフラム１０が大きく撓むと、ダイヤフラム１０が弾性復帰して元の形状に戻る際に反対方向にも撓んで、振動するおそれがある。ダイヤフラム１０が振動すると、ロッド９やガラスブロック８、並びにセンサ素子７に繰り返し荷重が作用し、各部品の耐久性が低下してしまうおそれがある。
【００２５】
本実施形態では、筒内圧が極めて高くなった場合に、ダイヤフラム１０の対向部１５がハウジング２の一端に当接して底部１２の変形量が規制される。このため、底部１２の変形量が規制されない構成に比べて、ダイヤフラム１０が筒内圧を受けたときの底部１２の変形量が小さくなり、ダイヤフラム１０が大きく撓むことが抑えられる。このため、ダイヤフラム１０の振動が抑えられ、ダイヤフラム１０が振動することによる各部品の耐久性の低下を抑制できる。
【００２６】
以上説明した上記実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）ダイヤフラム１０は、底部１２がハウジング２の一端から離間した状態で同ハウジング２に固定され、底部１２の接続部１６のばね定数は底部１２の湾曲部１７のばね定数よりも大きくなっている。このため、ダイヤフラム１０が筒内圧を受けると、まず、湾曲部１７が変形し、センサ素子７に荷重が伝達される。そして、異常燃焼などが生じて筒内圧が極めて高くなったときには、湾曲部１７の弾性変形が抑制され、接続部１６が弾性変形してセンサ素子７に荷重が作用する。したがって、異常燃焼によって筒内圧が高くなった場合であっても、センサ素子７が破損してしまうほど大きな荷重が同センサ素子７に作用することが抑えられる。すなわち、異常燃焼が生じた場合であってもセンサ素子７の破損を抑制できる。また、対向部１５がハウジング２の一端に当接した状態であっても接続部１６の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が伝達されるため、異常燃焼時の筒内圧を検出することが可能になる。
【００２７】
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・上記実施形態では、中心部１４が窪んだ形状のダイヤフラム１０を例に説明したが、ダイヤフラムの構成は上述したものに限られない。例えば、図５に示す構成を採用してもよい。なお、以下では、上記実施形態と同一の構成については、共通の符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
図５に示すように、ダイヤフラム３０の底部３１には、他の部分よりも肉厚な中心部３２が設けられている。中心部３２には、対向部１５の延伸方向と同方向に延びる接続部３３が接続されている。また、底部３１の径方向（図５の左右方向）における寸法を長さとすると、湾曲部１７の長さＬ１は接続部３３の長さＬ２よりも長くなっている。
【００２９】
図６に白抜き矢印で示すように、図６の上方から下方に向かって底部３１に筒内圧が作用すると、同底部３１には曲げ応力が発生する。上記構成では、湾曲部１７の長さＬ１が接続部の長さＬ２よりも長くなっているため、接続部３３のばね定数が湾曲部１７のばね定数よりも大きくなっており、湾曲部１７が接続部３３よりも変形しやすい。
【００３０】
このため、図６に実線で示すように、ダイヤフラム３０が筒内圧を受けると、まず、ばね定数が小さく弾性変形しやすい湾曲部１７が変形し、図６に二点鎖線で示す変形前のダイヤフラム３０に対して、ダイヤフラム３０がハウジング２側（図６の下方）に変位する。
【００３１】
また、異常燃焼が生じて筒内圧が極めて高くなると、図７に実線で示すように、湾曲部１７の変形に伴い対向部１５がハウジング２の一端に当接する。この状態では、湾曲部１７は対向部１５を介してハウジング２の一端に支持され、それ以上変形することが抑えられる。このため、対向部１５がハウジング２の一端に当接したあとは、ばね定数の小さい湾曲部１７を介してセンサ素子７に荷重が伝達されることが抑制される。
【００３２】
一方、底部３１の対向部１５がハウジング２に当接するほど筒内圧が高いときには、対向部１５がハウジング２の一端に当接した状態で、ばね定数の大きい接続部３３が弾性変形する。なお、中心部３２の肉厚が接続部３３の肉厚よりも厚く、中心部３２は接続部３３に比して変形しにくくなっているため、この状態では中心部３２ではなく接続部３３が弾性変形する。このため、対向部１５がハウジング２の一端に当接したあとは接続部３３の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が伝達される。
【００３３】
このように、上記構成であっても、上記実施形態と同様に、接続部３３のばね定数が湾曲部１７のばね定数よりも大きくなっている。このため、筒内圧が極めて高い領域では、筒内圧が変化したときの荷重の変化が小さくなり、異常燃焼が生じた場合であってもセンサ素子７の破損を抑制できる。また、対向部１５がハウジング２の一端に当接した状態であっても接続部３３の弾性変形に伴ってセンサ素子７に荷重が伝達されるため、異常燃焼時の筒内圧を検出することができる。したがって、上記（１）と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
・筒内圧センサ１に制御装置を設けて、この制御装置にセンサ素子７に作用する荷重と筒内圧との関係を記憶させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…筒内圧センサ、２…ハウジング、３…アウターハウジング、４…インナーハウジング、５…フランジ部、６…シール部材、７…センサ素子、８…ガラスブロック、９…ロッド、１０…ダイヤフラム、１１…筒部、１２…底部、１３…開口、１４…中心部、１５…対向部、１６…接続部、１７…湾曲部、１８…定電流源、１９…定電流回路、２０…リード線、２１…電圧検出部、３０…ダイヤフラム、３１…底部、３２…中心部、３３…接続部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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