JP2019028054A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力センサにおいて、センサ素子による圧力の検出精度が低下することを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】圧力センサは、主体金具と可動部材と保持部材とセンサ素子とを備える。保持部材は、第1ストレート部と第2ストレート部と中間部とを有する。キャップ部は、テーパー部とキャップストレート部を有する。そして、圧力センサは、中間部の中間先端部とキャップ部のキャップ後端部との軸線方向の距離L1(mm)と、中間先端部の位置における圧力センサの軸線方向と直交する断面のうち、間隙が占める断面積A1(mm2)と、キャップ後端部よりも先端側の領域における圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、間隙が最も小さくなる最小位置の間隙が占める断面積B1(mm2)と、の関係が、L1×(B1/A1)>1.0を満たし、最小位置におけるキャップ部と可動部材との間のクリアランスが0.1mm以上である。
【選択図】図6
【解決手段】圧力センサは、主体金具と可動部材と保持部材とセンサ素子とを備える。保持部材は、第1ストレート部と第2ストレート部と中間部とを有する。キャップ部は、テーパー部とキャップストレート部を有する。そして、圧力センサは、中間部の中間先端部とキャップ部のキャップ後端部との軸線方向の距離L1(mm)と、中間先端部の位置における圧力センサの軸線方向と直交する断面のうち、間隙が占める断面積A1(mm2)と、キャップ後端部よりも先端側の領域における圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、間隙が最も小さくなる最小位置の間隙が占める断面積B1(mm2)と、の関係が、L1×(B1/A1)>1.0を満たし、最小位置におけるキャップ部と可動部材との間のクリアランスが0.1mm以上である。
【選択図】図6
Description
本発明は、圧力センサの技術に関する。
従来、先端開口を有すると共に軸線方向に延びる筒状の主体金具と、主体金具の先端から突出するように主体金具内に配置された可動部材と、可動部材を保持する保持部材と、可動部材の軸線方向に沿った変位に基づいて燃焼室内の圧力を検出するためのセンサ素子と、を備える圧力センサが知られている(特許文献1)。可動部材は、主体金具のうちで先端開口を有するキャップ部との間で間隙を有するように主体金具内に配置されている。また、保持部材は間隙内に配置されている。
従来の圧力センサにおいて、先端開口を通って主体金具のキャップ部と可動部材との間隙に、燃焼室で発生した煤が堆積する場合がある。間隙にうちで特に可動部材を保持する保持部材に煤が堆積することによって、可動部材が変位するときの抵抗が大きくなり、センサ素子による圧力の検出精度が低下する場合がある。よって、従来の技術において、センサ素子による圧力の検出精度が低下することを抑制できる技術が望まれている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサが提供される。この圧力センサは、先端開口を有するキャップ部により先端側が形成されてなり、軸線方向に延びる筒状の主体金具と、前記先端開口から先端側が突出すると共に、前記主体金具に対して前記軸線方向に変位可能な状態で、少なくとも前記キャップ部との間に間隙を有するように前記主体金具内に配置された可動部材と、前記間隙内に配置され、前記可動部材と前記主体金具とに接続されて、前記可動部材を保持する保持部材と、前記軸線方向における前記可動部材の変位に基づいて前記燃焼室内の圧力を検出するためのセンサ素子と、を備え、前記保持部材は、前記可動部材に接続されると共に、前記軸線方向に沿って延び、先端側に位置する第1ストレート部と、前記主体金具に接続されると共に、前記軸線方向に沿って延び、後端側に位置する第2ストレート部と、前記第1ストレート部の後端と前記第2ストレート部の先端とを繋ぎ、前記軸線方向に交差する径方向に沿って延びる中間部と、を有し、前記キャップ部は、前記先端開口を有すると共に、後端側に向かうにつれて前記径方向の外側に延び、前記圧力センサが取り付けられる取付対象体に当接可能なテーパー部と、前記テーパー部の後端から前記軸線方向に沿って後端側に延びるキャップストレート部と、を有し、前記中間部を前記軸線方向に沿って先端側に向かって移動させた際に、最初に前記キャップ部と接触する前記中間部の位置を中間先端部とし、また、前記中間先端部に接触する前記キャップ部の位置をキャップ後端部としたときに、前記中間先端部と前記キャップ後端部との前記軸線方向の距離L1(mm)と、前記中間先端部の位置における前記圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、前記間隙が占める断面積A1(mm2)と、前記キャップ後端部よりも先端側の領域における前記圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、前記間隙が最も小さくなる最小位置の前記間隙が占める断面積B1(mm2)、の関係が、L1×(B1/A1)>1.0を満たし、前記最小位置における前記キャップ部と前記可動部材との間のクリアランスが0.1mm以上である。
この形態によれば、多くの燃焼ガスを間隙内に取り込むことができるため、間隙内の保持部材を高温(例えば、200℃以上)に維持することができる。その結果、煤が保持部材に堆積することを抑制でき、センサ素子による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。
この形態によれば、多くの燃焼ガスを間隙内に取り込むことができるため、間隙内の保持部材を高温(例えば、200℃以上)に維持することができる。その結果、煤が保持部材に堆積することを抑制でき、センサ素子による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。
(2)上記形態であって、前記キャップ後端部は、前記テーパー部に設けられていてもよい。このようなテーパー部を有する形態であっても、多くの燃焼ガスを間隙内に取り込むことができ、その結果、煤が保持部材に堆積よりことをより抑制でき、センサ素子による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。
(3)上記形態であって、前記キャップ部は、前記中間先端部よりも先端側の位置で前記キャップストレート部の内周面から前記径方向の内側に突出する対向部を有し、前記キャップ後端部は、前記対向部に設けられ、前記断面積B1は、前記キャップ後端部よりも先端側の前記対向部が占める領域における前記圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、前記間隙が最も小さくなる最小位置の前記間隙が占める断面積であってもよい。このような対向部を有する形態であっても、多くの燃焼ガスを間隙内に取り込むことができ、その結果、煤が保持部材に堆積することをより抑制でき、センサ素子による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。
(4)上記形態であって、前記可動部材には、前記内燃機関の燃焼室内を加熱するヒータ部材を有していてもよい。このような形態であれば、燃焼室内を加熱することができ、内燃機関の燃焼を補助する機能を圧力センサに付加することが可能となる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、圧力センサの他に、例えば、圧力センサの製造方法、圧力センサを搭載した車両等の態様で実現することができる。
A.実施形態:
A−1.圧力センサ1の構成:
図1は、圧力センサ1を説明するための図である。図2は、圧力センサ1のヒータ部材を含む第1の断面図である。図3は、圧力センサ1の保持部材を含む第2の断面図である。図4は、圧力センサ1の圧力検出部を含む第3の断面図である。図5は、圧力センサ1がエンジンヘッドに取り付いた際の保持部材を含む第4の断面図である。図1〜図5において、圧力センサ1の軸線AXに沿う方向を軸線方向HJとし、軸線方向HJのうち、後述するヒータ部材20が配置された側(図中下側)を先端側GS、これと反対側(図中上側)を後端側GKとする。
A−1.圧力センサ1の構成:
図1は、圧力センサ1を説明するための図である。図2は、圧力センサ1のヒータ部材を含む第1の断面図である。図3は、圧力センサ1の保持部材を含む第2の断面図である。図4は、圧力センサ1の圧力検出部を含む第3の断面図である。図5は、圧力センサ1がエンジンヘッドに取り付いた際の保持部材を含む第4の断面図である。図1〜図5において、圧力センサ1の軸線AXに沿う方向を軸線方向HJとし、軸線方向HJのうち、後述するヒータ部材20が配置された側(図中下側)を先端側GS、これと反対側(図中上側)を後端側GKとする。
圧力センサ1(図1)は、内燃機関としてのディーゼルエンジン101のエンジンヘッドEHに設けられたグローホール111に挿通されて固定されている。圧力センサ1は、自身の先端部分を燃焼室FCに突出させるようにエンジンヘッドEHに配置されている。圧力センサ1は、燃焼室FCの圧力を検出するために用いられる。圧力センサ1によって検出された圧力検出信号は、外部機器(例えば、車両のECU)に送信され、外部機器によって燃焼室FCの圧力が検出される。また、圧力センサ1は、燃焼室FCを昇温させて燃料の着火性を向上させるために用いられる。
圧力センサ1は、主体金具10と、ヒータ部材20と、保持部材40と、圧力検出部70とを主に備える。
主体金具10(図3)は、先端開口112を有するキャップ部11により先端側が形成されている。主体金具10は、軸線方向HJに延びる筒状の部材である。主体金具10は、さらに、金具後端部18(図1)と、キャップ部11と金具後端部18との間に位置する金具本体部材17とを有する。主体金具10は、金属製(例えば、ステンレス鋼製)の部材であり、軸線方向HJに貫通する収容孔10hを有する。
キャップ部11の後端部11kと金具本体部材17の先端部17sとは、後述するセンサ支持部材53のフランジ部53cを介して接合(具体的には溶接)されている(図3)。また、図1に示すように、金具本体部材17の後端部17kと金具後端部18の先端部18sも、接合(具体的には溶接)されている。
キャップ部11(図3)は、テーパー部12と、キャップストレート部13とを有する。テーパー部12は、先端開口112を有すると共に、後端側GKに向かうにつれ径方向の外側に延びる(拡がる)。本実施形態では、テーパー部12は、先端側GSに向かうほど径小の先細り形状をなす筒状形状である。テーパー部12は、圧力センサ1が取り付けられる取付対象体であるエンジンヘッドEHに当接可能である。具体的には、テーパー部12のテーパー状をなす外周面12mが、圧力センサ1をエンジンヘッドEHに取り付けた際に、グローホール111の座面113n(図1)に当接する。これにより、燃焼室FC内の気密性が確保される。テーパー部12の先端11saは、主体金具10の先端を形成する。
キャップストレート部13は、テーパー部12の後端から軸線方向HJに沿って後端側GKに延びる。キャップストレート部13は、筒状形状である。
金具本体部材17(図1)は、後端側GKの部位に取付部17dを有する。取付部17dは、圧力センサ1をエンジンヘッドEHに取り付けるための雄ネジを有する。
金具後端部18(図1)は、後端側GKの部位に工具係合部18eを有する。工具係合部18eは、断面形状が六角形状であり、圧力センサ1をエンジンヘッドEHに取り付ける際に工具が係合する。また、金具後端部18には、金具後端部18の後端18bよりも後端側GKに突出する形態で、円筒状をなす配線取出用の樹脂部材19が装填されている。金具後端部18の後端18bは、主体金具10の後端を形成する。
ヒータ部材20(図2,図3)は、先端開口112から先端側GSの部位が突出する。また、ヒータ部材20は、主体金具10に対して軸線方向HJに変位可能な状態で、少なくともキャップ部11との間に間隙KAを有するように主体金具10内(詳細には、収容孔10h)に配置されている。具体的には、後述する保持部材40、変位伝達部材51及びセンサ支持部材53などを介して、軸線方向HJに変位可能にヒータ部材20は保持されている。間隙KAは、少なくともキャップ部11の内周面11nと、ヒータ部材20の外周面20mとの間に形成された環状空間である。
ヒータ部材20(図2)は、軸線方向HJに延びる棒状の部材である。なお、ヒータ部材20は、特許請求の範囲における「可動部材」に相当する。ヒータ部材20は、セラミックヒータ本体21と外筒31とを有する。セラミックヒータ本体21は、軸線方向HJに延びる丸棒状で、先端が半球状に曲面加工された形状を有するセラミック製のヒータである。セラミックヒータ本体21は、基体部26と、基体部26に埋め込まれた発熱抵抗体27とを有する。基体部26は、軸線方向HJに延びる絶縁性のセラミック(具体的には窒化珪素質セラミック)からなる。発熱抵抗体27は、導電性セラミック(具体的には導電成分として炭化タングステンを含有する窒化珪素質セラミック)からなる。発熱抵抗体27は、通電により発熱する。
発熱抵抗体27は、発熱部27cと、一対のリード部27d,27eと、一対の電極取出部27f,27g(図3)とを有する。発熱部27c(図2)は、先端側GSに配置されて、U字状に曲げ返された形状をなし、通電時に高温に発熱する。また、一対のリード部27d,27e(図2)は、発熱部27cの両端に繋がり、後端側GKに向けて互いに平行に延びる。また、一対の電極取出部27f,27g(図3)はそれぞれ、後端側GKで一対のリード部27d,27eに繋がる一方、基体部26の外周面26mに露出する。一方の電極取出部27gは、他方の電極取出部27fよりも後端側GKに配置されている。
外筒31(図2,図3)は、軸線方向HJに延びる金属製の部材である。外筒31は、筒状で金属製(具体的にはステンレス鋼製)の外筒本体37と、外筒本体37の内周面上にAuメッキで形成された金属層38とを有する。外筒31は、内部(径方向内側)に圧入(締まり嵌め)によりセラミックヒータ本体21を保持する。具体的には、セラミックヒータ本体21のうち、本体先端部21s(図2参照)が外筒31の先端31aよりも先端側GSに突出し、本体後端部21k(図4)が外筒31の後端31bよりも後端側GKに突出し、本体先端部21sと本体後端部21kとの間に位置する本体中間部21c(図2,図3)が外筒31の径方向内側に配置される形態で、外筒31がセラミックヒータ本体21を保持している。これにより、セラミックヒータ本体21の一方の電極取出部27fが、外筒31の金属層38に当接して外筒31と電気的に接続される。
セラミックヒータ本体21の本体後端部21kは、接続リング61(図3、図4)を介して、中軸部材63(図4)に接続されている。接続リング61は、軸線方向HJに延びる円筒状の部材である。接続リング61は、金属製(具体的にはステンレス鋼製)の部材である。接続リング61は、主体金具10の収容孔10h内で、後述する変位伝達部材51及びセンサ支持部材53の径方向内側に配置されている。接続リング61のうち先端側GSの部位には、セラミックヒータ本体21の本体後端部21kが圧入されている。一方、接続リング61のうち後端側GKの部位には、中軸部材63の中軸先端部63sの嵌合部63saが圧入されている。これにより、セラミックヒータ本体21の一方の電極取出部27gが、接続リング61を介して中軸部材63に電気的に接続される。
中軸部材63(図4)は、軸線方向HJに延びる丸棒状の部材である。中軸部材63は、金属製(具体的にはステンレス鋼製)の部材である。中軸部材63は、主体金具10の収容孔10hに主体金具10から離間した状態で挿通されている。中軸部材63のうち先端側GSの部位は、後述する変位伝達部材51およびセンサ支持部材53の径方向内側に、これらから離間して配置されている。中軸部材63は、先端側GSに位置する径大な中軸先端部63sと、この中軸先端部63sよりも径小で、中軸先端部63sから後端側GKに延びる中軸胴部63cとからなる。
保持部材40(図3)は、筒状で金属製(具体的にはニッケル合金製)の部材である。この保持部材40は、主体金具10の内周面(具体的にはキャップ部11の内周面11n)とヒータ部材20の外周面20mとの間の環状空間である間隙KAに配置されている。間隙KAは、少なくともキャップ部11とヒータ部材20との間に形成されている。保持部材40は、主体金具10に保持される一方で、主体金具10に保持された位置よりも先端側GSで、ヒータ部材20の外筒31に溶接されている。
保持部材40(図5)は、間隙KA内に配置され、ヒータ部材20と主体金具10とに接続されて、ヒータ部材20を保持する。保持部材40は、第1ストレート部41と、第2ストレート部42と、中間部43とを有する。
第1ストレート部41は、ヒータ部材20に接続されている。また、第1ストレート部41は、軸線方向HJに沿って延び、先端側GSに位置する。第1ストレート部41は、円筒状の部位であり、周方向全周に亘ってヒータ部材20に溶接されることでヒータ部材20に接続されている。
第2ストレート部42は、主体金具10に接続されている。また、第2ストレート部42は、軸線方向HJに沿って延び、第1ストレート部41よりも後端側GKに位置する。第2ストレート部42は円筒状の部位である。第2ストレート部42は、第1ストレート部41よりも径大な円筒状である。第2ストレート部42は、センサ支持部材53の支持先端部53sに外嵌して周方向全周にわたって溶接されることで主体金具10に接続されている。更に、センサ支持部材53は、後述するように、主体金具10に周方向全周にわたって溶接されているので、保持部材40の第2ストレート部42は、溶接により間接に主体金具10に接続されている。
中間部43は、第1ストレート部41の後端と第2ストレート部42の先端とを繋ぐ。中間部43は、軸線方向HJと交差する径方向に沿って延びる。ここで「径方向に沿って延びる」とは、径方向に平行である必要はなく、径方向成分を有する方向に延びていればよい。中間部43は、ヒータ部材20の軸線方向HJの変位に伴って変形する部位である。具体的には、中間部43は、円環板状のダイヤフラム(薄膜)をなしている。中間部43が変形することで、ヒータ部材20の軸線方向HJの変位が許容される。なお、保持部材40は、外筒31と主体金具10との間を電気的にも接続するので、セラミックヒータ本体21の一方の電極取出部27fは、外筒31及び保持部材40を介して、主体金具10に電気的に接続される。
次に、圧力検出部70(図4)について説明する。圧力検出部70は、軸線方向HJにおけるヒータ部材20の変位に基づいて燃焼室FC内の圧力を検出するために用いられる。圧力検出部70は、変位伝達部材51と、センサ支持部材53と、ダイアフラム部材75と、センサ素子77と、一対の配線78と、集積回路79(図1)とを備える。
変位伝達部材51(図3及び図4)は、軸線方向HJに延びる筒状で金属製(具体的にはステンレス鋼製)の部材である。変位伝達部材51は、主体金具10の収容孔10h内で、センサ支持部材53の径方向内側に、かつ、保持部材40よりも後端側GKに配置されている。変位伝達部材51は、外筒31に周方向全周に亘って溶接されている。一方で、変位伝達部材51の後端側GKには、ダイアフラム部材75(図4)が接続している。
センサ支持部材53(図5及び図6)は、軸線方向HJに延びる筒状で金属製(具体的にはステンレス鋼製)の部材である。センサ支持部材53は、主体金具10の収容孔10h内で、変位伝達部材51の径方向外側に配置されている。センサ支持部材53(図3)は、筒状の支持先端部53sと、その後端側GKに位置する径大なフランジ部53cと、このフランジ部53cから後端側GKに延びる筒状の支持本体部53kとを有する。支持先端部53sには、保持部材40の後端側GKが外嵌して溶接されている。フランジ部53cは、主体金具10の先端キャップ部材11の後端部11kと金具本体部材17の先端部17sとの間に挟持された状態で、主体金具10に溶接されている。また、図4に示すように、支持本体部53kの後端側GKには、ダイアフラム部材75が接続している。
ダイアフラム部材75(図4)は、金属製(具体的にはステンレス鋼製)の部材であり、その後端側GKの主面に、センサ素子77が接合されている。センサ素子77は、ピエゾ抵抗体を有する半導体歪みゲージであり、ダイアフラム部材75の撓み変形に伴って自身の抵抗値が変化する。また、集積回路79は、図1中に破線で示すように、主体金具10の金具後端部18の内部に配置されており、センサ素子77から後端側GKに引き出された一対の配線78を介して、センサ素子77と接続されている。この集積回路79は、センサ素子77の抵抗値を表す電気信号(圧力検出信号)を外部(例えば、ECU)に出力する。以上のように、センサ素子77は、軸線方向HJにおけるヒータ部材20の変位に基づいて、燃焼室FC内の圧力を検出するための電気信号を外部に出力する。
図6は、圧力センサ1をさらに説明するための図である。中間部43を軸線方向HJに沿って先端側GSに向かって移動させた際に、最初にキャップ部11と接触する中間部43の位置を中間先端部43sとする。なお、「中間部43を軸線方向HJに沿って先端側GSに向かって移動させる」とは、中間部43を軸線方向HJに平行に図6の紙面下方向に動かすことを指す。また、中間先端部43sに接触するキャップ部11の位置をキャップ後端部11eとする。本実施形態では、キャップ後端部11eは、テーパー部12に設けられている。また、中間先端部43sとキャップ後端部11eとの軸線方向HJの距離を距離L1(mm)とする。なお、距離L1は、1mm<L1≦30mmの範囲であることが好ましい。また、中間先端部43sの位置RA1における圧力センサ1の軸線方向HJと直交する断面のうち、間隙KAが占める断面積を断面積A1(mm2)とする。また、キャップ後端部11eよりも先端側の領域RB1における圧力センサ1の軸線方向HJと直交する断面のうち、間隙KAが最も小さくなる最小位置11fの間隙KAが占める断面積を断面積B1(mm2)とする。本実施形態では、最小位置11fは、キャップ部11の先端開口112近傍に設けられており、キャップ後端部11eとは異なる位置に設けられる。また、図6においては、断面積A1及び断面積B1は間隙KAの一部分を示しているが、断面積A1及び断面積B1は周方向に設けられる間隙KAすべての断面積を示す。そして、圧力センサ1は、このL1、A1、B1の関係が、L1×(B1/A1)>1.0を満たす。これにより、センサ素子77による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。この理由は後述する。また、圧力センサ1は、このL1、A1、B1の関係が、L1×(B1/A1)≦10.0が好ましい。L1×(B1/A1)>10.0となると、キャップ部11が大きくなり、圧力センサ1の強度が低下する虞がある。また、ヒータ部材20(発熱抵抗体27)の電極取出部27f,27gに燃焼ガスが近づく異なるため、ヒータ部材20の電気伝導性が低下する虞がある。なお、L1×(B1/A1)を値Vaとも呼ぶ。
また、最小位置11fにおけるキャップ部11とヒータ部材20との間のクリアランスが0.1mm以上を満たす。これにより、間隙KA内にガスを十分に導くことができ、その結果、L1×(B1/A1)>1.0の関係による効果を十分に得ることができる。
また、最小位置11fにおけるキャップ部11とヒータ部材20との間のクリアランスが0.1mm以上を満たす。これにより、間隙KA内にガスを十分に導くことができ、その結果、L1×(B1/A1)>1.0の関係による効果を十分に得ることができる。
A−2.圧力センサの変形態様:
実施形態の圧力センサ1は、キャップ部11のテーパー部12は一定の厚みを有し、先端側GSに向かうほど径小の先細り形状をなす筒状形状であったが、これに限定されるものではなく、先端開口112を有すると共に、後端側GKに向かうにつれ径方向の外側に延びる形状であればよい。また、実施形態の圧力センサ1は、キャップストレート部13は一定の厚みを有する筒状形状であったが、これに限定されるものではなく、テーパー部12の後端から軸線方向HJに沿って後端側GKに延びていればよい。以下に圧力センサの変形態様に関する具体例を説明する。
実施形態の圧力センサ1は、キャップ部11のテーパー部12は一定の厚みを有し、先端側GSに向かうほど径小の先細り形状をなす筒状形状であったが、これに限定されるものではなく、先端開口112を有すると共に、後端側GKに向かうにつれ径方向の外側に延びる形状であればよい。また、実施形態の圧力センサ1は、キャップストレート部13は一定の厚みを有する筒状形状であったが、これに限定されるものではなく、テーパー部12の後端から軸線方向HJに沿って後端側GKに延びていればよい。以下に圧力センサの変形態様に関する具体例を説明する。
図7は、実施形態の第1変形態様の圧力センサ1aを説明するための図である。圧力センサ1aと実施形態の圧力センサ1との違いは、キャップ部11aのうちでキャップストレート部13aの先端側GSの形状とテーパー部12aの形状である。その他の構成については実施形態の圧力センサ1と本変形態様の圧力センサ1aの構成とは同様の構成であるので、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
キャップストレート部13aは、テーパー部12aの後端から軸線方向HJに沿って後端側GKに延びる。キャップストレート部13aのうちで先端側GSは後端側GKよりも内径が小さく肉厚である。この肉厚な部分を肉厚部132とも呼ぶ。
テーパー部12aは、先端開口112を有すると共に、後端側GKに向かうにつれて径方向の外側に延びる。つまり、テーパー部12aは、後端側GKに向かうにつれて外径が大きくなる。また、テーパー部12aは、内径が一定であり、後端側GKに向かうにつれて肉厚になる。
図7に示す圧力センサ1aにおいて、圧力センサ1(図6)と同様に、中間部43を軸線方向HJに沿って先端側GSに向かって移動させた際に、最初にキャップ部11aと接触する中間部43の位置が中間先端部43sである。また、中間先端部43sに接触するキャップ部11aの位置をキャップ後端部11eとする。圧力センサ1aでは、キャップ後端部11eは、肉厚部132の後端側GKの端面133に設けられている。キャップ後端部11eが設けられてなる端面133は、キャップストレート部13aの内周面13nから径方向の内側に突出する部分であるともいえる。端面133は、中間先端部43sよりも先端側GSに位置する。端面133は、課題を解決するための手段に記載の「対向部」に相当する。
また、上記実施形態と同様に、中間先端部43sとキャップ後端部11eとの軸線方向HJの距離を距離L1(mm)とする。なお、距離L1は、1mm<L1≦30mmの範囲であることが好ましい。また、上記実施形態と同様に、中間先端部43sの位置RA1における圧力センサ1aの軸線方向HJと直交する断面のうち、間隙KAが占める断面積を断面積A1(mm2)とする。これに対し、上記実施形態とは異なり、いわゆる「対向部」がキャップストレート部13aに設けられている場合には、断面積B1は以下のように定義される。つまり、キャップ後端部11eよりも先端側の対向部が占める領域RB2における圧力センサ1aの軸線方向HJと直交する断面のうち、間隙KAが最も小さくなる最小位置11fの間隙KAが占める断面積を断面積B1(mm2)とする。この第1変形態様では、最小位置11fは、キャップストレート部13aの先端側に設けられており、キャップ後端部11eとは異なる位置に設けられる。また、図7においては、断面積A1及び断面積B1は間隙KAの一部分を示しているが、断面積A1及び断面積B1は周方向に設けられる間隙KAすべての断面積を示す。そして、圧力センサ1は、このL1、A1、B1の関係が、L1×(B1/A1)>1.0の関係を満たす。これにより、センサ素子77による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。この理由は後述する。また、上記実施形態と同様に、圧力センサ1は、このL1、A1、B1の関係が、L1×(B1/A1)≦10.0が好ましい。
さらに、最小位置11fにおけるキャップ部11aとヒータ部材20との間のクリアランスが0.1mm以上を満たす。これにより、間隙KA内にガスを十分に導くことができ、その結果、L1×(B1/A1)>1.0の関係による効果を十分に得ることができる。
さらに、最小位置11fにおけるキャップ部11aとヒータ部材20との間のクリアランスが0.1mm以上を満たす。これにより、間隙KA内にガスを十分に導くことができ、その結果、L1×(B1/A1)>1.0の関係による効果を十分に得ることができる。
図8は、実施形態の第2変形態様の圧力センサ1bを説明するための図である。圧力センサ1bと実施形態の圧力センサ1との違いは、キャップ部11bが対向部133bを有する点である。その他の構成については実施形態の圧力センサ1と本変形態様の圧力センサ1bの構成とは同様の構成であるので、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。
キャップストレート部13は、テーパー部12の後端から軸線方向HJに沿って後端側GKに延びる。キャップ部11bは、キャップストレート部13の内周面13nから径方向の内側に突出する対向部133bを有する。対向部133bは、内周面13nの全周に亘って設けられた環状形状である。対向部133bは、中間先端部43sよりも先端側GSに位置する。
図8に示す圧力センサ1bにおいて、圧力センサ1(図6)と同様に、中間部43を軸線方向HJに沿って先端側GSに向かって移動させた際に、最初にキャップ部11aと接触する中間部43の位置が中間先端部43sである。また、中間先端部43sに接触するキャップ部11aの位置をキャップ後端部11eとする。圧力センサ1bでは、キャップ後端部11eは、対向部133bに設けられている。
また、上記実施形態と同様に、中間先端部43sとキャップ後端部11eとの軸線方向HJの距離を距離L1(mm)とする。なお、距離L1は、1mm<L1≦30mmの範囲であることが好ましい。また、上記実施形態と同様に、中間先端部43sの位置RA1における圧力センサ1bの軸線方向HJと直交する断面のうち、間隙KAが占める断面積を断面積A1(mm2)とする。これに対し、上記第1変形態様と同様に、対向部133bがキャップストレート部13に設けられている。よって、キャップ後端部11eよりも先端側の対向部133bが占める領域RB2における圧力センサ1の軸線方向HJと直交する断面のうち、間隙KAが最も小さくなる最小位置11fの間隙が占める断面積を断面積B1(mm2)とする。この第2変形態様では、最小位置11fは、対向部133bの先端側に設けられており、キャップ後端部11eとは異なる位置に設けられる。また、図8においては、断面積A1及び断面積B1は間隙KAの一部分を示しているが、断面積A1及び断面積B1は周方向に設けられる間隙KAすべての断面積を示す。そして、圧力センサ1は、このL1、A1、B1の関係が、L1×(B1/A1)>1.0の関係を満たすことが好ましい。これにより、センサ素子77による圧力の検出精度が低下することを抑制できる。この理由は後述する。また、上記実施形態と同様に、圧力センサ1は、このL1、A1、B1の関係が、L1×(B1/A1)≦10.0が好ましい。
さらに、最小位置11fにおけるキャップ部11bとヒータ部材20との間のクリアランスが0.1mm以上を満たす。これにより、間隙KA内にガスを十分に導くことができ、その結果、L1×(B1/A1)>1.0の関係による効果を十分に得ることができる。
さらに、最小位置11fにおけるキャップ部11bとヒータ部材20との間のクリアランスが0.1mm以上を満たす。これにより、間隙KA内にガスを十分に導くことができ、その結果、L1×(B1/A1)>1.0の関係による効果を十分に得ることができる。
A−3.実験例:
図9は、圧力センサ1,1a,1bの圧力の検出精度についての実験結果を示す図である。実験は、サンプルNo.1,No.2,No.3の圧力センサで行った。サンプルNo.1およびサンプルNo.2の圧力センサは、実施形態の圧力センサ1である。サンプルNo.3の圧力センサは、第1変形態様の圧力センサ1aである。サンプルNo.1の圧力センサ1は、値VaであるL1×(B1/A1)が2.1(L1=4.5mm、A1=32.0mm2、B1=14.9mm2)である。サンプルNo.2の圧力センサ1の値Vaは0.93(L1=2.0mm、A1=32.0mm2、B1=14.9mm2)である。サンプルNo.3の値Vaは0.04(L1=0.3mm、A1=32.0mm2、B1=4.02mm2)である。なお、サンプルNo.1,No.2の最小位置11fのクリアランスは0.96mm、サンプルNo.3の最小位置11fのクリアランスは0.30mmとしている。
図9は、圧力センサ1,1a,1bの圧力の検出精度についての実験結果を示す図である。実験は、サンプルNo.1,No.2,No.3の圧力センサで行った。サンプルNo.1およびサンプルNo.2の圧力センサは、実施形態の圧力センサ1である。サンプルNo.3の圧力センサは、第1変形態様の圧力センサ1aである。サンプルNo.1の圧力センサ1は、値VaであるL1×(B1/A1)が2.1(L1=4.5mm、A1=32.0mm2、B1=14.9mm2)である。サンプルNo.2の圧力センサ1の値Vaは0.93(L1=2.0mm、A1=32.0mm2、B1=14.9mm2)である。サンプルNo.3の値Vaは0.04(L1=0.3mm、A1=32.0mm2、B1=4.02mm2)である。なお、サンプルNo.1,No.2の最小位置11fのクリアランスは0.96mm、サンプルNo.3の最小位置11fのクリアランスは0.30mmとしている。
実験は以下のように行った。まず、サンプルNo.1〜No.3の圧力センサ1,1aを燃焼室FCを模擬したチャンバ内にサンプル毎に複数本取り付ける。そして、チャンバ内の雰囲気を煤が多量に含まれた第1雰囲気と、炭化水素(HC)が多量に含まれた第2雰囲気とを所定期間経過する毎に置換して第1雰囲気と第2雰囲気とを繰り返す。所定時間経過後(例えば、50時間経過後毎)のサンプルNo.1〜No.3の圧力センサ1,1aを取り出し、センサ素子77による圧力の感度変化を算出する。なお、図9における横軸に示す試験時間は、サンプルNo.1〜No.3がチャンバ内に取り付けられ、第1雰囲気と第2雰囲気に晒された合計時間である。
感度変化の算出方法を以下に説明する。基準センサであるKistler社製圧力センサ(型式6056A)と、サンプルNo.1〜No.3を同一気筒に装着し、以下に説明するエンジン条件下でセンサ素子77によって圧力を検出する。そして、サンプルで用いた圧力センサ1,1aによる検出圧力値Vbと、基準センサによる検出圧力値Vsとして、以下の式(1)を用いてサンプルNo.1〜No.3毎に感度変化(%)を算出する。
感度変化(%)=(Vb−Vs)×100/Vs・・・式(1)
つまり、感度変化は、基準センサの検出圧力値Vsに対するサンプルNo.1〜No.3の検出圧力値Vbの変動の程度を示し、感度変化の振れが大きくなるほど(つまり、0%から大きくなるほど、または、0%から小さくなるほど)に検出精度が低下していることを表す。
つまり、感度変化は、基準センサの検出圧力値Vsに対するサンプルNo.1〜No.3の検出圧力値Vbの変動の程度を示し、感度変化の振れが大きくなるほど(つまり、0%から大きくなるほど、または、0%から小さくなるほど)に検出精度が低下していることを表す。
<エンジン条件>
排気量:3000cc、直列4気筒エンジン、回転数:1000rpm、トルク:60Nm
排気量:3000cc、直列4気筒エンジン、回転数:1000rpm、トルク:60Nm
図9に示すように、値Vaが1.0より大きいサンプルであるサンプルNo.1は、感度変化が試験時間に拘わらず5%以内であり、センサ素子77による圧力の検出精度の低下を抑制できた。一方で、値Vaが1.0以下であるサンプルNo.2,No.3では、試験時間が100時間を越えるといずれも感度変化が−5%(絶対値で5%)よりも下回り、センサ素子77による圧力の検出精度が低下した。よって、圧力センサ1,1a,1bにおいて、L1×(B1/A1)>1.0の関係を満たすことが好ましい。これは、圧力センサ1,1a,1bがL1×(B1/A1)>1.0の関係を満たすことで、より多くの燃焼ガスを間隙KA内に取り込むことができるためである。これにより、間隙KA内のうちで、保持部材40を高温(例えば、200℃以上)に維持できる。間隙KA内のうちで、保持部材40を高温に維持することで、煤が保持部材40に堆積することを抑制できる。煤の堆積を抑制できる理由としては以下が考えられる。すなわち、保持部材40を高温に維持することで、先端開口112を通って間隙KA内に進入した油分を多く含む未燃焼ガス中の油分を蒸発させることができる。これにより、煤が保持部材40に付着するときの接着剤の役割を担う油分が、保持部材40に付着することを抑制できる。よって、煤が保持部材40に付着することを抑制できる。
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
B−1.第1変形例:
上記実施形態では、ヒータ部材20は、絶縁性のセラミックからなる基体部26と、基体部26に埋め込まれて通電により発熱する導電性のセラミックからなる発熱抵抗体27を有していたが、これに限定されるものではなく、通電により発熱する部分を有していれば上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ヒータ部材20は、軸線方向HJに延びる先端が閉じたシース管と、シース管内に配置され、シース管先端に電気的に接続され、金属製コイルから成る発熱抵抗体とを有していてもよい。さらに、例えば、ヒータ部材20の代わりに、ヒータ機能を有さない棒状の可動部材を配置してもよい。
上記実施形態では、ヒータ部材20は、絶縁性のセラミックからなる基体部26と、基体部26に埋め込まれて通電により発熱する導電性のセラミックからなる発熱抵抗体27を有していたが、これに限定されるものではなく、通電により発熱する部分を有していれば上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ヒータ部材20は、軸線方向HJに延びる先端が閉じたシース管と、シース管内に配置され、シース管先端に電気的に接続され、金属製コイルから成る発熱抵抗体とを有していてもよい。さらに、例えば、ヒータ部材20の代わりに、ヒータ機能を有さない棒状の可動部材を配置してもよい。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
1,1a,1b…圧力センサ
10…主体金具
10h…収容孔
11,11a,11b…キャップ部
11e…キャップ後端部
11k…後端部
11n…内周面
11sa…先端
12,12a…テーパー部
12m…外周面
13,13a…キャップストレート部
13n…内周面
17…金具本体部材
17d…取付部
17k…後端部
17s…先端部
18…金具後端部
18b…後端
18e…工具係合部
18s…先端部
19…樹脂部材
20…ヒータ部材
20m…外周面
21…セラミックヒータ本体
21c…本体中間部
21k…本体後端部
21s…本体先端部
26…基体部
26m…外周面
27…発熱抵抗体
27c…発熱部
27d…リード部
27f,27g…電極取出部
31…外筒
31a…先端
31b…後端
37…外筒本体
38…金属層
40…保持部材
41…第1ストレート部
42…第2ストレート部
43…中間部
43s…中間先端部
51…変位伝達部材
53…センサ支持部材
53c…フランジ部
53k…支持本体部
53s…支持先端部
61…接続リング
63…中軸部材
63c…中軸胴部
63s…中軸先端部
63sa…嵌合部
70…圧力検出部
75…ダイアフラム部材
77…センサ素子
78…配線
79…集積回路
101…ディーゼルエンジン
111…グローホール
112…先端開口
113n…座面
132…肉厚部
133…端面
133b…対向部
EH…エンジンヘッド
FC…燃焼室
GK…後端側
GS…先端側
HJ…軸線方向
KA…間隙
10…主体金具
10h…収容孔
11,11a,11b…キャップ部
11e…キャップ後端部
11k…後端部
11n…内周面
11sa…先端
12,12a…テーパー部
12m…外周面
13,13a…キャップストレート部
13n…内周面
17…金具本体部材
17d…取付部
17k…後端部
17s…先端部
18…金具後端部
18b…後端
18e…工具係合部
18s…先端部
19…樹脂部材
20…ヒータ部材
20m…外周面
21…セラミックヒータ本体
21c…本体中間部
21k…本体後端部
21s…本体先端部
26…基体部
26m…外周面
27…発熱抵抗体
27c…発熱部
27d…リード部
27f,27g…電極取出部
31…外筒
31a…先端
31b…後端
37…外筒本体
38…金属層
40…保持部材
41…第1ストレート部
42…第2ストレート部
43…中間部
43s…中間先端部
51…変位伝達部材
53…センサ支持部材
53c…フランジ部
53k…支持本体部
53s…支持先端部
61…接続リング
63…中軸部材
63c…中軸胴部
63s…中軸先端部
63sa…嵌合部
70…圧力検出部
75…ダイアフラム部材
77…センサ素子
78…配線
79…集積回路
101…ディーゼルエンジン
111…グローホール
112…先端開口
113n…座面
132…肉厚部
133…端面
133b…対向部
EH…エンジンヘッド
FC…燃焼室
GK…後端側
GS…先端側
HJ…軸線方向
KA…間隙
Claims (4)
- 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサであって、
先端開口を有するキャップ部により先端側が形成されてなり、軸線方向に延びる筒状の主体金具と、
前記先端開口から先端側が突出すると共に、前記主体金具に対して前記軸線方向に変位可能な状態で、少なくとも前記キャップ部との間に間隙を有するように前記主体金具内に配置された可動部材と、
前記間隙内に配置され、前記可動部材と前記主体金具とに接続されて、前記可動部材を保持する保持部材と、
前記軸線方向における前記可動部材の変位に基づいて前記燃焼室内の圧力を検出するためのセンサ素子と、を備え、
前記保持部材は、
前記可動部材に接続されると共に、前記軸線方向に沿って延び、先端側に位置する第1ストレート部と、
前記主体金具に接続されると共に、前記軸線方向に沿って延び、後端側に位置する第2ストレート部と、
前記第1ストレート部の後端と前記第2ストレート部の先端とを繋ぎ、前記軸線方向に交差する径方向に沿って延びる中間部と、を有し、
前記キャップ部は、
前記先端開口を有すると共に、後端側に向かうにつれて前記径方向の外側に延び、前記圧力センサが取り付けられる取付対象体に当接可能なテーパー部と、
前記テーパー部の後端から前記軸線方向に沿って後端側に延びるキャップストレート部と、を有し、
前記中間部を前記軸線方向に沿って先端側に向かって移動させた際に、最初に前記キャップ部と接触する前記中間部の位置を中間先端部とし、また、前記中間先端部に接触する前記キャップ部の位置をキャップ後端部としたときに、
前記中間先端部と前記キャップ後端部との前記軸線方向の距離L1(mm)と、
前記中間先端部の位置における前記圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、前記間隙が占める断面積A1(mm2)と、
前記キャップ後端部よりも先端側の領域における前記圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、前記間隙が最も小さくなる最小位置の前記間隙が占める断面積B1(mm2)と、
の関係が、L1×(B1/A1)>1.0を満たし、
前記最小位置における前記キャップ部と前記可動部材との間のクリアランスが0.1mm以上である、ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサであって、
前記キャップ後端部は、前記テーパー部に設けられてなる、ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサであって、
前記キャップ部は、前記中間先端部よりも先端側の位置で前記キャップストレート部の内周面から前記径方向の内側に突出する対向部を有し、
前記キャップ後端部は、前記対向部に設けられ、
前記断面積B1は、前記キャップ後端部よりも先端側の前記対向部が占める領域における前記圧力センサの前記軸線方向と直交する断面のうち、前記間隙が最も小さくなる最小位置の前記間隙が占める断面積である、ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の圧力センサであって、
前記可動部材には、前記内燃機関の燃焼室内を加熱するヒータ部材を有する圧力センサ。
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