(57)【要約】【課題】筒内圧を広い範囲に亘って精度よく検出することの可能な筒内圧センサを提供する。【解決手段】筒内圧センサは、定電流回路に設けられた半導体素子１０と、半導体素子１０の外周面に形成された突出部であり、変形に応じて抵抗値が変化するメサ部１１と、メサ部１１の頂面１３に固定された力伝達ブロックと、を備えている。そして、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧が力伝達ブロックを介してメサ部１１に作用するとともに、半導体素子１０の両端に生じている電圧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。この筒内圧センサのメサ部１１は、土台部１７と、同土台部１７から突出して頂面１３を構成する先端部１８とを含み、先端部１８における頂面１３と平行な断面の面積は、土台部１７における頂面１３と平行な断面の面積よりも小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電流回路に設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の外周面に形成された突出部であり、変形に応じて抵抗値が変化するメサ部と、
前記メサ部の頂面に固定された力伝達ブロックと、を備え、
内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧が前記力伝達ブロックを介して前記メサ部に作用するとともに、前記半導体素子の両端に生じている電圧に対応した信号を前記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、
前記メサ部は、土台部と、同土台部から突出して前記頂面を構成する先端部とを含み、
前記先端部における前記頂面と平行な断面の面積は、前記土台部における前記頂面と平行な断面の面積よりも小さい筒内圧センサ。
【請求項２】
前記先端部は、前記頂面と平行な断面の面積が、前記頂面から前記土台部側に向かうほど徐々に大きくなっている
請求項１に記載の筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、メサ型の突出部（メサ部）がそれぞれ形成された第１の半導体素子と第２の半導体素子とを備え、第１の半導体素子のメサ部の頂面に第１の力伝達ブロックを固定するとともに、第２の半導体素子のメサ部の頂面に第２の力伝達ブロックを固定した筒内圧センサが開示されている。この筒内圧センサでは、第１の力伝達ブロックの上に、第２の半導体素子が重ねられている。すなわち、この筒内圧センサでは、下方から、第１の半導体素子、第１の力伝達ブロック、第２の半導体素子、及び第２の力伝達ブロックの順に各部材が積み重ねられている。この筒内圧センサでは、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧が、第２の力伝達ブロックに作用する。第２の力伝達ブロックに作用した筒内圧は、第２の半導体素子に伝達されるとともに、第２の半導体素子及び第１の力伝達ブロックを介して第１の半導体素子にも伝達される。第１の半導体素子及び第２の半導体素子にそれぞれ形成されたメサ部は、圧力を受けると変形して抵抗値が変化する。このため、定電流回路に設けられた第１の半導体素子及び第２の半導体素子に筒内圧が作用すると、各半導体素子の両端に発生する電圧が変化する。そして、こうした電圧の変化に基づいて筒内圧が検出される。
【０００３】
なお、特許文献１に記載の筒内圧センサでは、第１の半導体素子と第２の半導体素子とで、筒内圧を受ける受圧面の面積が異なっており、第２の半導体素子の受圧面の面積は、第１の半導体素子の受圧面の面積に比して小さい。したがって、第２の半導体素子が第１の半導体素子よりも変形しやすくなり、筒内圧が小さいときであっても第２の半導体素子のメサ部が変形して筒内圧を検出することができる。その一方で、第２の半導体素子のメサ部がそれ以上変形できないほど筒内圧が高くなった場合でも、第１の半導体素子のメサ部が変形するため筒内圧を検出することができる。したがって、上記筒内圧センサでは、筒内圧を広い範囲に亘って検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３‐２２２５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の筒内圧センサでは、第２の力伝達ブロック、第２の半導体素子、及び第１の力伝達ブロックを介して第１の半導体素子に筒内圧を作用させるようにしているが、各部材間に隙間が生じていたり、各部材において弾性変形が生じたりすると、第１の半導体素子まで筒内圧を伝達する間にその力の一部が吸収されてしまう。そのため、第１の半導体素子に筒内圧を正確に伝えることができず、筒内圧の検出精度が低下してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、筒内圧を広い範囲に亘って精度よく検出することの可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するための筒内圧センサは、定電流回路に設けられた半導体素子と、半導体素子の外周面に形成された突出部であり、変形に応じて抵抗値が変化するメサ部と、メサ部の頂面に固定された力伝達ブロックと、を備え、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧が力伝達ブロックを介してメサ部に作用するとともに、半導体素子の両端に生じている電圧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。そして、この筒内圧センサでは、メサ部は、土台部と、同土台部から突出して前記頂面を構成する先端部とを含み、先端部における頂面と平行な断面の面積は、土台部における前記頂面と平行な断面の面積よりも小さい。
【０００８】
土台部から突出している先端部は、メサ部の頂面と平行な断面の断面積が土台部における断面積よりも小さいため、先端部の剛性は土台部の剛性よりも低くなる。このため、上記筒内圧センサのメサ部では、筒内圧が低いときには剛性の低い先端部が変形する。そして、筒内圧が高くなるにしたがい先端部の変形量が増大して抵抗値が変化していく。このように、上記構成では、筒内圧が低いときでも剛性の低い先端部が容易に変形するため、筒内圧が低いときであっても筒内圧を精度よく検出できる。また、変形量が大きくなると先端部は次第に変形しにくくなるが、上記筒内圧センサのメサ部では、先端部が変形しにくくなるほど筒内圧が高くなると、土台部が変形して抵抗値が変化するようになる。
【０００９】
また、上記構成では、１つの半導体素子の外周面に、剛性の異なる土台部と先端部とが直接つながっているメサ部が形成されているため、先端部に伝達された筒内圧が土台部に伝達するまでの間にメサ部以外の部分で吸収されてしまうことがない。このため、２つの半導体素子の間で他の部材を介して筒内圧を伝達する従来の筒内圧センサと比較して、筒内圧をメサ部に正確に伝達することができる。
【００１０】
したがって、上記構成によれば、筒内圧を広い範囲に亘って精度よく検出することができる。
また、上記筒内圧センサでは、先端部は、前記頂面と平行な断面の面積が、前記頂面から土台部側に向かうほど徐々に大きくなっていることが望ましい。
【００１１】
土台部と先端部との接続部においてメサ部の頂面と平行な断面の断面積が急変する形状である場合には、筒内圧が作用したときにこの断面積が急変する接続部に応力が集中してメサ部が破損するおそれがある。この点、上記構成によれば、接続部における断面積の変化が緩やかになり、接続部に応力が集中しにくくなる。したがって、メサ部の破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態としての筒内圧センサの構成を示す断面図。
【図２】同筒内圧センサの半導体素子の構成を示す斜視図。
【図３】同半導体素子の外周面に設けられたメサ部の構成のみを模式的に示す斜視図。
【図４】メサ部の変形態様を模式的に示す断面図であり、（ａ）はメサ部が変形していないときの状態を示す断面図、（ｂ）は力伝達ブロックを介して作用する筒内圧によってメサ部が変形したときの状態を示す断面図、（ｃ）はより高い筒内圧が作用してメサ部の変形量が大きくなったときの状態を示す断面図である。
【図５】筒内圧センサから出力される信号とメサ部に作用する筒内圧との関係を示すグラフ。
【図６】メサ部の他の構成を示す斜視図。
【図７】メサ部の他の構成を示す斜視図。
【図８】メサ部の他の構成を示す斜視図。
【図９】メサ部の他の構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、筒内圧センサの一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、筒内圧センサ１００には、円筒形状のインナーハウジング１０１と同インナーハウジング１０１が挿通されたアウターハウジング１０２とが設けられている。各ハウジング１０１，１０２の先端には、例えば金属からなるダイヤフラム１０３が固定されている。これにより、各ハウジング１０１，１０２の先端が塞がれている。ダイヤフラム１０３は、中心部が湾曲している。筒内圧センサ１００が燃焼室に設けられた状態では、ダイヤフラム１０３に燃焼室内の圧力である筒内圧が作用する。これにより、ダイヤフラム１０３の中心部は、図１の右方向に撓む。また、インナーハウジング１０１の内部にはシール部材１０４が固定されている。このため、筒内圧センサ１００の先端部には、ダイヤフラム１０３、インナーハウジング１０１、及びシール部材１０４によって区画された空間１０５が形成されている。この空間１０５には、シール部材１０４に固定された半導体素子１０と、同半導体素子１０に固定された力伝達ブロック１０６と、力伝達ブロック１０６及びダイヤフラム１０３の中心部を連結する半球状の連結部材１０７とが設けられている。したがって、ダイヤフラム１０３に作用した筒内圧は、連結部材１０７及び力伝達ブロック１０６を介して半導体素子１０に作用する。なお、筒内圧センサ１００には、定電流源１０８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１０９が設けられている。半導体素子１０は、リード線１１０によってこの定電流回路１０９に接続されている。
【００１４】
次に、図２及び図３を参照して、半導体素子１０の構成について詳細に説明する。
図２に示すように、半導体素子１０は、シリコン等からなり、略直方体形状である。半導体素子１０の外周面には、突出部であるメサ部１１が形成されている。本実施形態では、半導体素子１０の製造過程においてエッチング等の加工を行い半導体素子１０の外周面に２つの溝１２を形成することにより、同外周面を凹凸形状にして、各溝１２の間にメサ部１１を形成している。このように、メサ部１１は半導体素子１０の外周面に溝１２を形成することによって形成されており、メサ部１１の頂面１３は凹凸形状の外周面の凸面１４と同一平面上に位置している。
【００１５】
メサ部１１の頂面１３には、上述した力伝達ブロック１０６が固定される。力伝達ブロック１０６は、例えばガラスからなり、陽極接合によって固定されている。メサ部１１の頂面１３は、凹凸形状の外周面の凸面１４と同一平面上に位置しているため、メサ部１１の頂面１３に固定された力伝達ブロック１０６は、凸面１４にも当接する。そして、力伝達ブロック１０６はこの凸面１４にも固定される。このため、力伝達ブロック１０６が半導体素子１０に固定されると、半導体素子１０の外周面に形成された各溝１２は、力伝達ブロック１０６によって覆われた状態になる。なお、力伝達ブロック１０６を介してメサ部１１の頂面１３及び外周面の凸面１４には筒内圧が作用する。このため、これら頂面１３及び凸面１４が受圧面となる。そして、筒内圧を受けてメサ部１１が変形すると、メサ部１１の抵抗値が変化する。以下では、半導体素子１０の外周面のうちメサ部１１が形成された面を加工面１５とする。
【００１６】
また、半導体素子１０の加工面１５の両端には、１対の電極１６が設けられている。各電極１６とメサ部１１とは電気的に接続されている。電極１６には、図１に示すように、リード線１１０が連結されている。このため、メサ部１１は、定電流回路１０９に設けられている。なお、メサ部１１は、加工面１５において、一対の電極１６を繋ぐように所定方向に延びている。このメサ部１１の伸びる方向を長さ方向とする。
【００１７】
図２及び図３に示すように、メサ部１１には、土台部１７が設けられている。土台部１７は、直方体形状をなし、長さ方向に延びている。
また、図３に示すように、メサ部１１には、土台部１７から突出して頂面１３を構成する直方体形状の先端部１８が設けられている。頂面１３と平行な断面において長さ方向と直交する方向を幅方向とすると、先端部１８の幅は土台部１７の幅に比べて狭くなっている。このため、先端部１８における頂面１３と平行な断面の面積は、土台部１７における頂面１３と平行な断面の面積よりも小さくなっている。また、長さ方向及び幅方向の双方に直交する方向を厚さ方向とすると、先端部１８の厚さは土台部１７の厚さに比べて薄くなっている。また、先端部１８は、土台部１７の長さ方向における一端１９から他端２０まで連続して設けられている。
【００１８】
こうした筒内圧センサ１００では、半導体素子１０の両端に生じている電圧、より詳しくはメサ部１１の両端電圧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。
次に、図４及び図５を参照して、本実施形態の筒内圧センサ１００の作用について説明する。
【００１９】
図４（ａ）に示すように、メサ部１１には、先端部１８の頂面１３に力伝達ブロック１０６が固定されている。土台部１７から突出している先端部１８は、土台部１７に比して幅が狭く、メサ部１１の頂面１３と平行な断面の断面積が土台部１７における断面積よりも小さい。これにより、先端部１８の剛性が土台部１７の剛性よりも低くなっている。
【００２０】
そのため、図４（ｂ）に示すように、力伝達ブロック１０６を介してメサ部１１に作用する筒内圧が低いときには、まず剛性の低い先端部１８が変形する。先端部１８は、筒内圧が高くなるにしたがい変形量が増大する。これにより、筒内圧に応じてメサ部１１の抵抗値が変化する。しかし、先端部１８の変形量が大きくなると先端部１８は次第に変形しにくくなる。
【００２１】
また、土台部１７の剛性は先端部１８の剛性よりも高いため、先端部１８が変形し始める筒内圧よりも筒内圧が高くなってから土台部１７が変形する。このため、図４（ｃ）に示すように、先端部１８が変形しにくくなるほど筒内圧が高いときには、剛性の高い土台部１７が変形してメサ部１１の抵抗値が変化する。
【００２２】
したがって、図５に実線で示すように、筒内圧が低いときには先端部１８の変形に伴い抵抗値が増大して、筒内圧センサからの出力信号が変化する。また、先端部１８が変形しにくくなるほど筒内圧が高くなったときは、土台部１７の変形に伴い抵抗値が増大して、筒内圧センサからの出力信号が変化する。これにより、広い範囲に亘って筒内圧が検出される。
【００２３】
なお、図５に示されている筒内圧の変化に対する出力信号の変化率が大きいほど、すなわち、図５に示されている線の傾きが大きいほど筒内圧の変化に対する感度が高いといえる。本実施形態では、メサ部１１に先端部１８が設けられており、筒内圧が低いときに剛性の低い先端部１８が容易に変形するため、筒内圧が低いときにおける出力信号の変化率を大きくすることができる。
【００２４】
また、本実施形態では、１つの半導体素子１０の外周面に剛性の異なる土台部１７と先端部１８とが直接つながっているメサ部１１が形成されているため、先端部１８に伝達された筒内圧が土台部１７に伝達するまでの間にメサ部１１以外の部分で吸収されてしまうことがない。このため、２つの半導体素子の間で他の部材を介して筒内圧を伝達する従来の筒内圧センサと比較して、筒内圧がメサ部１１に正確に伝達される。
【００２５】
また、２つの半導体素子を備える従来の筒内圧センサでは、各半導体素子から信号を出力するための構成が必要になり、構造が繁雑になるおそれがある。この点、本実施形態では、１つの半導体素子１０のみを備えているため、構造が簡単になる。
【００２６】
また、本実施形態では、先端部１８を土台部１７の長さ方向における一端１９から他端２０まで連続して設けているため、先端部１８と力伝達ブロック１０６との接触面積が大きくなる。このため、先端部１８の断面積を土台部１７の断面積よりも小さくしたときに、土台部１７よりも先端部１８の剛性が低くなる一方で、同先端部１８に作用する面圧が過剰に高くなることが抑制される。
【００２７】
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）メサ部１１に剛性の異なる土台部１７と先端部１８とを設けた。このため、筒内圧が低いときには剛性の低い先端部１８が変形するとともに、先端部１８が変形しにくくなるほど筒内圧が高くなると土台部１７が変形する。また、剛性の異なる土台部１７と先端部１８とが直接つながっているため、先端部１８に伝達された筒内圧が土台部１７に伝達するまでの間にメサ部１１以外の部分で吸収されてしまうことがない。したがって、筒内圧を広い範囲に亘って精度よく検出することができる。
【００２８】
（２）先端部１８を直方体形状の土台部１７の長さ方向における一端１９から他端２０まで連続して設けたため、先端部１８と力伝達ブロック１０６との接触面積が大きくなる。これにより、土台部１７よりも先端部１８の剛性を低くする一方で、同先端部１８に作用する面圧が過剰に高くなることも抑制できる。したがって、筒内圧により先端部１８が押し潰されて破損してしまうことを抑制できる。
【００２９】
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。
・メサ部１１の先端部１８の厚さは、土台部１７の厚さと同じであってもよいし、土台部１７の厚さより厚くてもよい。
【００３０】
・土台部１７に長さ方向の一端１９から他端２０まで延びる１つの先端部１８を構成したが、土台部１７に長さ方向の一端１９から他端２０まで延びる複数の先端部１８を並列に設けるようにしてもよい。
【００３１】
・メサ部１１の土台部１７を幅方向に延びるように形成してもよい。こうした場合には、先端部１８を、土台部１７の幅方向における一端から他端まで連続して設けることが望ましい。
【００３２】
・メサ部１１の構成は上述した構成に限られず、適宜変更が可能である。例えば、図６に示す構成を採用してもよい。
図６に示すように、メサ部３０には、長さ方向に延びる土台部３１が設けられている。土台部３１には、直方体形状の基部３２と、同基部３２から突出して基部３２の長さ方向における一端３３から他端３４まで連続して設けられた直方体形状の凸部３５とが設けられている。土台部３１の凸部３５には、同凸部３５から突出して頂面１３を構成する先端部３６が設けられている。先端部３６は、略直方体形状であり、凸部３５の長さ方向における一端３７から他端３８まで連続して設けられている。このため、先端部３６の幅は凸部３５の幅よりも狭く、凸部３５の幅は基部３２の幅よりも狭い。これによりメサ部３０では、基部３２の剛性が最も高く、先端部３６の剛性が最も低くなっている。したがって、こうした構成では、力伝達ブロック１０６を介してメサ部３０に作用する筒内圧が低いときには、剛性の低い先端部３６が変形する。そして、筒内圧が高くなるにしたがい凸部３５、基部３２が、順に変形する。このため、こうした構成では、上記実施形態と同様に広い範囲に亘って筒内圧を精度良く検出するとともに、筒内圧が低いときにおける出力信号の変化率を上記実施形態に比べて更に大きくすることもできるようになる。また、筒内圧が低いときにおける出力信号の変化率を上記実施形態と同様に保ちながら、精度良く筒内圧を検出することのできる範囲を更に高圧側に広げることもできる。すなわち、低い筒内圧を一層精度よく検出することができるようにしたり、精度良く筒内圧を検出することのできる範囲を更に広げたりすることができるようになる。なお、上記構成では、メサ部３０を基部３２、凸部３５、及び先端部３６の３段に構成した例を示したが、メサ部を４段以上に構成するようにしてもよい。
【００３３】
・先端部１８は、土台部１７の長さ方向における一端１９から他端２０まで設けなくてもよい。すなわち、図７に示すように、土台部１７の長さよりもその長さが短い先端部４０をメサ部１１に設けるようにしてもよい。なお、この先端部４０では、その幅が土台部１７の幅と略同一になっているが、図８に示すように、更にその幅が土台部１７の幅よりも狭い先端部４１を設けるようにしてもよい。すなわち、図８に示すように、先端部４１は、その幅が土台部１７の幅よりも狭く、且つその長さが土台部１７の長さよりも短くてもよい。これらの構成によっても、各先端部４０，４１の剛性が土台部１７の剛性よりも低くなるため、上記（１）と同様の効果を得ることはできる。
【００３４】
・先端部１８を土台部１７の長さ方向における一端１９から他端２０までの間に断続的に複数配設してもよい。
・先端部１８を直方体形状にしなくてもよい。すなわち、先端部１８は、頂面１３と平行な断面の面積が、頂面１３から土台部１７側に向かうほど徐々に大きくなっていてもよい。例えば、図９に示すように、先端部５０は、幅方向における頂面１３の一端５１が同方向における土台部１７の一端５２に第１の傾斜部５３を介して接続されている一方、幅方向における頂面１３の他端５４が同方向における土台部１７の他端５５に第２の傾斜部５６を介して接続されていてもよい。
【００３５】
図３を参照して説明した実施形態のメサ部１１は、直方体形状の土台部１７と直方体形状の先端部１８とが接続された形状であるため、土台部１７と先端部１８との接続部においてメサ部１１の頂面１３と平行な断面の断面積が急変する形状になっている。この場合には、異常燃焼等による過大な筒内圧が作用したときにこの断面積が急変する接続部に大きな応力が集中する。このため、メサ部１１が破損するおそれがある。この点、第１の傾斜部５３及び第２の傾斜部５６を介して先端部５０が土台部１７に接続された上記構成によれば、接続部における断面積の変化が緩やかになり、接続部に応力が集中しにくくなる。したがって、メサ部の破損を抑制することもできるようになる。
【００３６】
・土台部１７を直方体形状にしなくてもよい。例えば、土台部１７の上面の断面積が下面の断面積よりも小さく、長さ方向及び幅方向に直交する断面、すなわち厚さ方向における断面が台形状であってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０…半導体素子、１１…メサ部、１２…溝、１３…頂面、１４…凸面、１５…加工面、１６…電極、１７…土台部、１８…先端部、１９…一端、２０…他端、３０…メサ部、３１…土台部、３２…基部、３３…一端、３４…他端、３５…凸部、３６…先端部、３７…一端、３８…他端、４０，４１…先端部、５０…先端部、５１…先端部の一端、５２…土台部の一端、５３…第１の傾斜部、５４…先端部の他端、５５…土台部の他端、５６…第２の傾斜部、１００…筒内圧センサ、１０１…インナーハウジング、１０２…アウターハウジング、１０３…ダイヤフラム、１０４…シール部材、１０５…空間、１０６…力伝達ブロック、１０７…連結部材、１０８…定電流源、１０９…定電流回路、１１０…リード線。
【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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【図８】
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【図９】
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