(57)【要約】【課題】燃焼圧センサ１においてセンサ素子４に押圧力を伝達する力伝達ロッド５の構造に工夫を凝らし、大きな燃焼圧が作用してもセンサ素子４には過大な荷重が加わらないようにして、その信頼性を確保する。【解決手段】力伝達ロッド５は、第１ロッド部材５１および第２ロッド部材５２が相対変位可能に組み合わされて、押圧力の伝達方向（軸線Ｘの方向）に伸縮可能に構成されているとともに、その内部に容積が可変の液圧室Ｃが形成されている。この液圧室Ｃに連通する液路５２ｂに、液圧が所定値以上になると開放されるように、弁体５３をばね部材（例えばコイルばね５４）によって閉じ側に付勢したチェック弁が配設されている。【選択図】図３
2017194329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室の圧力を検出するための燃焼圧センサであって、
前記燃焼室の圧力に応動して、センサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドを備え、
前記力伝達ロッドは、第１ロッド部材および第２ロッド部材が相対変位可能に組み合わされて、前記押圧力の伝達方向に伸縮可能に構成されているとともに、その内部に容積が可変の液圧室が形成され、
前記液圧室に連通する液路には、液圧が所定値以上になると開放されるように、弁体をばね部材によって閉じ側に付勢したチェック弁が配設されていることを特徴とする燃焼圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃焼圧を検出する燃焼圧センサに関し、特に、燃焼圧に応動してセンサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドの構造に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車などのエンジンに用いられる燃焼圧センサは、例えば特許文献１に記載されているように、ハウジングの先端の開口から燃焼室に臨む円柱状の受圧ロッド（力伝達ロッド）と、この受圧ロッドが燃焼圧を受けて変位することによって、押圧力が伝達されるセンサ素子と、を備えている。センサ素子は例えばピエゾ抵抗効果を利用する半導体素子であり、ハウジングの内部空間を仕切るように装着されたハーメチックシール端子に固定されている。
【０００３】
また、前記受圧ロッドの基端部の外周には鍔部が設けられており、この鍔部と対向するハウジングの内面（開口の周縁部）との間に、弾性シール部材が配設されている。一方、鍔部と対向するハーメチックシール端子との間には、センサ素子の周りを取り囲むようにコイルばねが予圧縮状態で配設され、弾性シール部材に適度な予荷重を付与してシール性を確保するようになっている。
【０００４】
なお、同文献には、ハウジングの先端の開口をダイアフラムで塞いで、密閉した空間内に受圧ロッドやセンサ素子を収容したもの（第２実施例）も記載されている。この場合、受圧ロッドの先端面は直接、燃焼室に臨むのではなく、ダイアフラムの裏面に当設しており、このダイアフラムを介して燃焼圧を受けることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１０９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来例のセンサでは、例えばエンジンの異常燃焼によって受圧ロッドに大きな燃焼圧が作用すると、センサ素子に伝達される押圧力が過大なものになってしまい、その構成部品が破損するおそれがあった。なお、受圧ロッドによって伝達される押圧力の一部は、センサ素子の周りを取り囲むコイルばねに受け止められることになるが、コイルばねの変位によって吸収される力は僅かであり、センサ素子の破損を阻止することはできない。
【０００７】
このような実状に鑑みて本発明の目的は、燃焼圧センサにおいてセンサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドの構造に工夫を凝らし、大きな燃焼圧が作用してもセンサ素子には過大な荷重が加わらないようにして、その信頼性を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために本発明は、エンジンの燃焼室の圧力を検出するための燃焼圧センサを対象とし、その燃焼室の圧力に応動して、センサ素子に押圧力を伝達する力伝達ロッドを備えている。そして、当該力伝達ロッドは、第１ロッド部材および第２ロッド部材を相対変位可能に組み合わせて、前記押圧力の伝達方向に伸縮可能に構成するとともに、その内部に容積が可変の液圧室を形成し、さらに、この液圧室に連通する液路には、液圧が所定値以上になると開放されるように、弁体をばね部材によって閉じ側に付勢したチェック弁を配設したものである。
【０００９】
なお、前記チェック弁の弁体が動作されて、液圧室に連通する液路が開放される液圧の所定値というのは、力伝達ロッドから伝達される押圧力によってセンサ素子の構成部品が破損するおそれがある場合に対応する液圧である。すなわち、そのように過大な押圧力を伝達する際に液圧室に発生する液圧であって、その具体的な値は予め実験や計算によって設定することができる。
【００１０】
前記構成の燃焼圧センサは、エンジンの燃焼圧に応動して力伝達ロッドが変位する際に、この力伝達ロッドの伝達する押圧力が過大なものでなければ、チェック弁の弁体がばね部材によって閉じ側に付勢され、液圧室に連通する液路を閉ざしているので、液圧室の容積は実質、変化することがなく、力伝達ロッドの長さが短くなることはない。このため、力伝達ロッドは、燃焼圧に応じた押圧力をセンサ素子に伝達するようになり、これを受けたセンサ素子の出力に基づいて、燃焼圧を精度良く検出することができる。
【００１１】
一方、例えばエンジンの異常燃焼によって力伝達ロッドに過大な燃焼圧が作用すると、その液圧室から液路にかけて所定値以上の液圧が発生し、これを受けて弁体は、ばね部材を圧縮しながら変位し、液路を開放するようになる。これにより液圧室の容積が減少して、力伝達ロッドの長さが短くなるので、過大な荷重がセンサ素子に加わることを阻止し、その信頼性を確保することができる。
【００１２】
好ましくは前記第１ロッド部材は、力伝達ロッドの先端側を構成する有底筒状とし、その内部に棒状の第２ロッド部材の先端側を挿入して、液圧室を形成する。また、第２ロッド部材の内部に空洞部を形成するとともに、その先端部に貫通孔を形成して、液圧室に連通する液路とする。そして、前記の空洞部に弁体およびばね部材を配設すれば、チェック弁をコンパクトに構成して、第２ロッド部材の内部（空洞部）に収容することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃焼圧センサは、燃焼圧に応動する力伝達ロッドを第１および第２ロッド部材によって伸縮可能に構成し、所定以上の大きな押圧力を受けたときには長さが短くなるようにしているので、例えばエンジンの異常燃焼によって過大な燃焼圧が作用しても、このときには力伝達ロッドの長さが短くなることによって、センサ素子には過大な荷重が加わることはなく、その信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る燃焼圧センサの先端部の構造を示す縦断面図である。
【図２】アウターハウジングを取り外して燃焼圧センサの先端部を示す斜視図である。
【図３】力伝達ロッドの構造を示す縦断面図である。
【図４】力伝達ロッドの長さが短くなった状態を示す図３相当図である。
【図５】燃焼圧とセンサ素子に加わる荷重との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、図示しない自動車用のエンジンに装備されて、その気筒内の燃焼室の圧力（燃焼圧）を検出するための燃焼圧センサ１に本発明を適用したものである。なお、実施の形態の記載はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。
【００１６】
図１には燃焼圧センサ１の先端側（図１において上側）の部分を縦断面（軸線Ｘを含む断面）で示すように、本実施の形態の燃焼圧センサ１は、そのアウターハウジング２の先端に配設されているダイアフラム３が燃焼室に臨むように、例えばシリンダヘッドに取り付けられる。燃焼圧センサ１は、ダイアフラム３が燃焼圧を受けて変形するのに応じて、出力が変化するものである。
【００１７】
図２にも表れているようにダイアフラム３には、ドーナツ状の支持部３０の中央孔３１を閉じるように円板状の受圧部３２が形成され、また、支持部３０の外周面からは全周に亘ってフランジ部３３が突設されている。本実施の形態では、前記受圧部３２の外周部が中央孔３１の周縁部に連続していて、受圧部３２は支持部３０と一体に金属材料によって形成されている。
【００１８】
さらに、前記支持部３０の基端面、即ち図１、２における下面から下方に向かって延びるように、円筒状のインナーハウジング３４も一体形成されており、その内部にセンサ素子４と、力伝達ロッド５とが収容されている。なお、図１にのみ示すが、本実施の形態ではダイアフラム３の先端側を外周側から覆うように環状のシール部材７が装着されて、シリンダヘッドのねじ穴との隙間を閉止するようになっている。
【００１９】
前記アウターハウジング２は円筒状であり、その先端部の外周にテーパ部２ａが設けられるとともに、これに続いて外周の所定範囲にねじ部（図示せず）が形成されている。このねじ部が例えばシリンダヘッドのねじ穴に螺入されることで、燃焼圧センサ１がエンジンに取り付けられる。そして、アウターハウジング２の先端部の開口に前記ダイアフラム３の支持部３０が嵌め込まれ、そのフランジ部３３が開口の周縁部に溶接されている。
【００２０】
そうしてアウターハウジング２の先端部に固定されたダイアフラム３には前記のように受圧部３２が形成されており、その表面（図１の上面）に燃焼圧を受けると、裏側（図１の下側）に撓むようになっている。こうして撓む受圧部３２の裏面の中央付近に、前記力伝達ロッド５の先端面５ａ（図の上面）が押し当てられており、受圧部３２を介して作用する燃焼圧を受けて、センサ素子４に押圧力を伝達する。
【００２１】
一例として力伝達ロッド５は、全体としては円柱状に形成され、その先端面５ａが球面状の凸曲面とされている一方、基端面は平面状で、後述するセンサ素子４の第１力伝達ブロック４１と当接している。よって、前記のように燃焼圧を受けて受圧部３２が裏側に撓むときに、力伝達ロッド５がその基端側（図１の下側）に向かって変位することになり、燃焼圧に相当する押圧力が力伝達ロッド５によってセンサ素子４に伝達される。
【００２２】
なお、力伝達ロッド５の詳細な構造については図３を参照して後述するが、本実施の形態の力伝達ロッド５は、第１ロッド部材５１および第２ロッド部材５２を組み合わせて伸縮可能に構成したものである。図１、２にも表れているように第１ロッド部材５１の基端部にはフランジ部５１ａが設けられ、その外周部が支持部３０の中央孔３１の内周面に摺接して、力伝達ロッド５を力の伝達方向（軸線Ｘの方向）に変位するように案内する。
【００２３】
前記のようにして力伝達ロッド５から押圧力が伝達されるセンサ素子４は、力検知ブロック４０と２つの力伝達ブロック４１，４２とからなる。力検知ブロック４０はシリコン基板を主体とするもので、その先端面（図１の上面）には、ピエゾ抵抗素子が形成されている。公知のようにピエゾ抵抗素子は、外力を受けて電気的な抵抗値が変化するものであり、この抵抗値の変化を検出するための電極群（図示せず）が力検知ブロック４０に形成されている。なお、力検知ブロック４０は圧電素子によって構成してもよい。
【００２４】
また、前記２つの力伝達ブロック４１，４２のうち、力検知ブロック４０と接する第２力伝達ブロック４２は、ガラス製であり、その基端面（図１の下面）が前記力検知ブロック４０の先端面に接合されている。一方、第１力伝達ブロック４１は鉄等の金属製またはセラミック製であり、本実施の形態では半球状とされ、その先端部（図１の上部）が前記力伝達ロッド５の基端面に当接する一方、平面状の基端面は前記第２力伝達ブロック４２の先端面に接着されている。なお、第１力伝達ブロック４１についても、シリコンやガラス等によって形成してもよい。
【００２５】
そして、前記のセンサ素子４が、チューブ８やステム８０を介してインナーハウジング３４に取り付けられている。すなわち、インナーハウジング３４の基端側には、金属製のチューブ８の先端側が嵌め込まれて溶接されており、その内部に固定された円柱状のステム８０の先端面（図１の上面）に、前記センサ素子４が接着されて固定されている。このステム８０には複数の貫通孔が形成されて、ここに挿入されたケーブル８１が封止材料８２によって固定されている。
【００２６】
つまり、本実施の形態においては前記のチューブ８、ステム８０、ケーブル８１および封止材料８２によって、インナーハウジング３４の内部空間を密閉するハーメチックシール端子が構成されている。なお、ケーブル８１の一端は、センサ素子４の力検知ブロック４０の電極にワイヤ８３を介して接続されている。また、ケーブル８１の他端は、図示しないが、増幅回路等を介して電源や測定器（電流計又は電圧計）に接続される。
【００２７】
上述した構成により本実施の形態の燃焼圧センサ１では、燃焼圧が作用することによってダイアフラム３の受圧部３２が撓み、力伝達ロッド５がセンサ素子４の側（図１の下側）に変位すると、このセンサ素子４のピエゾ抵抗素子に押圧力が作用して、その電気抵抗が変化する。これにより、例えば電流源からピエゾ抵抗素子に一定の電流を流していれば、電気抵抗値の変化に応じて出力電圧が変化することになるので、これに基づいて受圧部３２に加わった燃焼圧を検出することができる。
【００２８】
−力伝達ロッドの構造−
以下、図３などを参照して、本実施の形態の特徴部分である力伝達ロッド５の構造について詳細に説明する。同図には拡大して縦断面（軸線Ｘを含む断面）で示すように力伝達ロッド５は、その先端側（図３の上側）を構成する有底円筒状の第１ロッド部材５１と、その内径よりも少しだけ小さな外径を有し、力伝達ロッド５の基端側を構成する丸棒状の第２ロッド部材５２と、を備えている。そして、第１ロッド部材５１の基端部の開口に第２ロッド部材５２が先端側から挿入されて、相対変位可能に組み合わされている。
【００２９】
図３に表れているように、第１ロッド部材５１の先端壁部の表面は力伝達ロッド５の先端面５ａであって、球面状の凸曲面とされている。一方、先端壁部の裏面は平面状とされていて、軸線Ｘ方向に対向する第２ロッド部材５２の先端面との間に、オイルなどの緩衝液が充填された液圧室Ｃが形成されている。この液圧室Ｃの容積は、第１および第２ロッド部材５１，５２の相対変位、即ち力伝達ロッド５の軸線Ｘ方向の伸縮に伴って、増大または減少する。
【００３０】
また、第２ロッド部材５２の内部には空洞部５２ａが形成されるとともに、これに連通して先端面まで延びる貫通孔５２ｂが形成されて、前記の液圧室Ｃに臨んで開口している。この貫通孔５２ｂは、液圧室Ｃと空洞部５２ａとを連通させる液路であり、以下では液路５２ｂと呼ぶ。そして、この液路５２ｂおよび空洞部５２ａも緩衝液で満たされているとともに、空洞部５２ａには球状の弁体５３と、コイルばね５４（ばね部材）とが収容されて、液路５２ｂを開閉するチェック弁を構成している。
【００３１】
すなわち、第２ロッド部材５２の先端部において液路５２ｂの開口周縁部にはテーパ状の弁座部５２ｃが形成され、ここに着座するように弁体５３が、板部材５５を介してコイルばね５４により押圧付勢されている。この状態でコイルばね５４は予圧縮されており、その押圧力は、液路５２ｂの液圧が所定値以上になると、弁体５３が弁座部５２ｃから離れて、液路５２ｂを開放するように設定されている。
【００３２】
そうして液路５２ｂが開放される液圧の所定値というのは、前記のように力伝達ロッド５の伝達する押圧力が大きくなって、センサ素子４の第２力伝達ブロック４２など、ガラス製の構成部品が破損するおそれがある場合に、液圧室Ｃにおいて発生する液圧であって、予め実験や計算によって設定されている。このように大きな液圧が発生すれば、これを受けて弁体５３が動作し、液路５２ｂを開放することになる。
【００３３】
また、前記第２ロッド部材５２の空洞部５２ａに臨んで開口するように、当該第２ロッド部材５２の周壁部にも貫通孔５２ｄが形成されている。この貫通孔５２ｄは、前記のように押圧力が増大し、弁体５３が弁座部５２ｃから離れた（チェック弁が開いた）ときに、液路５２ｂから空洞部５２ａに流入する緩衝液の液圧を逃がす圧抜き穴として機能する（以下、圧抜き穴５２ｄと呼ぶ）。
【００３４】
すなわち、図１、３などに表れているように、第１ロッド部材５１のフランジ部５１ａから第２ロッド部材５２の外周にかけて、この第２ロッド部材５２の全周を取り囲むようにゴム製のブーツ５６が装着され、その内部空間Ｄに臨むよう第２ロッド部材５２の外周面に、前記圧抜き穴５２ｄが開口している。そして、この圧抜き穴５２ｄおよびブーツ５６の内部空間Ｄにも緩衝液が充填されている。
【００３５】
このように緩衝液の充填されたブーツ５６の内部空間Ｄは、圧抜き穴５２ｄ、空洞部５２ａおよび液路５２ｂを介して液圧室Ｃと連通しており、この液圧室Ｃの液圧の変動を吸収する容積可変の背圧室となっている（以下、背圧室Ｄと呼ぶ）。なお、ブーツ５６は、例えば加硫接着によって第１ロッド部材５１および第２ロッド部材５２にそれぞれ固定されており、その内部空間、即ち背圧室Ｄが外部から液密に閉塞されている。
【００３６】
この構成により、前記のように力伝達ロッド５の伝達する押圧力が大きくなってチェック弁が開き、液路５２ｂが開放されると、図４に矢印Ｌ１として示すように、液圧室Ｃから液路５２ｂを介して空洞部５２ａに緩衝液が流入し、さらに圧抜き穴５２ｄから背圧室Ｄに流出するようになる。これにより、図４に示すように液圧室Ｃの容積が減少して、力伝達ロッド５の長さが短くなるとともに、ブーツ５６が変形して背圧室Ｄの容積が拡大する。
【００３７】
一方、燃焼圧が低下して、力伝達ロッド５に作用する押圧力が減少するときには、液圧室Ｃの液圧が低くなるので、ブーツ５６の弾発力によって背圧室Ｄの緩衝液が押し出され、図４には太い矢印Ｌ２として示すように第１ロッド部材５１および第２ロッド部材５２の隙間を流通し、液圧室Ｃに戻るようになる。これにより、前記図３のように液圧室Ｃの容積が増大し、力伝達ロッド５が伸長するとともに、ブーツ５６の形状は復元する。
【００３８】
以上、説明したように本実施の形態の燃焼圧センサは、エンジンの燃焼圧を受けて撓むダイアフラム３の受圧部３２から、力伝達ロッド５によってセンサ素子４に押圧力を伝達し、その出力電圧の変化に基づいて燃焼圧を検出することができる。この際、エンジンの通常の燃焼状態であって押圧力が過大でなければ、図３を参照して上述したように弁体５３およびコイルばね５４からなるチェック弁が液路５２ｂを閉ざしており、液圧室Ｃの容積が実質、変化しないので、力伝達ロッド５の長さが短くなることはない。
【００３９】
このため、力伝達ロッド５によって燃焼圧に応じた押圧力がセンサ素子４に伝達されるようになり、この押圧力を受けたセンサ素子４の出力電圧に基づいて、燃焼圧を精度良く検出することができる。図５には、燃焼圧とセンサ素子４に加わる荷重との関係を表しており、燃焼圧が通常燃焼の範囲内であれば、これに比例するような荷重がセンサ素子４に加わることが分かる。
【００４０】
これに対し、例えばエンジンの異常燃焼によってダイアフラム３の受圧部３２に過大な燃焼圧が作用するときには、図４を参照して上述したように、液圧室Ｃの液圧が所定値以上に大きくなり、これを受けて弁体５３がコイルばね５４を圧縮しながら変位することによって、液路５２ｂが開放される。これにより緩衝液の流出する液圧室Ｃの容積が減少し、力伝達ロッド５の長さが短くなるので、その伝達力は過大なものにはならない。
【００４１】
すなわち、図５において燃焼圧が異常燃焼の範囲になると、それ以上は燃焼圧が高くなっても押圧力が力伝達ロッド５において吸収されるようになり、センサ素子４に加わる荷重は大きくならない。よって、センサ素子４の破損を防止することができる。しかも、本実施の形態では力伝達ロッド５の第２ロッド部材５２の内部に空洞部５２ａを形成して、ここに弁体５３およびコイルばね５４を収容するようにしており、チェック弁を含めてもコンパクトに構成することができる。
【００４２】
−他の実施形態−
本発明は、上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。例えば前記の実施形態では、自動車用のエンジンに装備される燃焼圧センサ１について説明したが、これに限ることはなく、例えば自動車以外の車両や船舶などの乗り物に搭載されるエンジン、若しくは定置型のエンジンに装備される燃焼圧センサにも本発明は適用可能である。
【００４３】
また、前記実施の形態のように燃焼圧センサ１にダイアフラム３を備える必要もなく、従来例（特許文献１）と同様に力伝達ロッド５の先端面を燃焼室に臨ませて、燃焼圧に応動させるようにしてもよい。力伝達ロッド５に装着するブーツ５６もゴム製には限らず、例えばＳＵＳなど金属製であってもよい。この場合はブーツ５６を力伝達ロッド５に電子ビームで溶接すればよい。
【００４４】
さらに、前記実施形態のように燃焼圧センサ１の先端部に環状のシール部材７を配設する必要もないし、アウターハウジング２の内部にインナーハウジング３４を設ける二重構造とする必要もない。さらに、インナーハウジング３４にチューブ８を嵌め込む構造とする必要もなく、前記した実施の形態の燃焼圧センサ１の具体的な構造は、単なる例示に過ぎない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、エンジンの異常燃焼などによって燃焼圧センサに大きな燃焼圧が作用しても、センサ素子には過大な荷重が加わらないようにして、その信頼性を確保することができるものであり、例えば自動車用のエンジンに装備する燃焼圧センサに適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１        燃焼圧センサ
４        センサ素子
５        力伝達ロッド
５１    第１ロッド部材
５２    第２ロッド部材
５２ｂ  液圧室に連通する貫通孔（液路）
５３    弁体（チェック弁）
５４    コイルばね（ばね部材：チェック弁）
Ｃ        力伝達ロッドの内部の液圧室
Ｘ        力伝達ロッドの軸線（押圧力の伝達方向）
【図１】
2017194329.tif 000003
【図２】
2017194329.tif 000004
【図３】
2017194329.tif 000005
【図４】
2017194329.tif 000006
【図５】
2017194329.tif 000007