JP5184052B2 - 燃焼圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内のような高温、高圧環境下における圧力の検知に用いられる燃焼圧センサに関する。

内燃機関のシリンダ内のような高温、高圧環境下における圧力を検知するセンサには、圧電素子等の圧力センサをセンサ部に備えた種々の燃焼圧センサが知られている（たとえば、特許文献１〜４参照）。これらの燃焼圧センサは、被測定体側で発生する圧力がセンサ部に作用するようにハウジング等にセンサ部を内蔵して取り付け、圧力（外力）によって変動するセンサ部からの出力を検知して、被測定体の圧力を測定するように構成される。

図３（ａ）は、ダイアフラム形の受圧部を備えた燃焼圧センサの従来の構成を示す。この燃焼圧センサ５は、筒体状に形成されたハウジング１２の内部に、圧力センサとしてセンサ部１４を収納したものである。ハウジング１２の前端部にはダイアフラム２０が取り付けられ、センサ部１４はダイアフラム２０と、ハウジング１２内でセンサ部１４の後部側に配置された押圧ブロック（不図示）との間に挟圧されて配置されている。

図３（ｂ）に、ダイアフラム２０の断面構造を拡大して示す。ダイアフラム２０はフランジ部２２と、受圧部２４と、圧力伝達部２６とからなる。フランジ部２２と受圧部２４と圧力伝達部２６は一体形成され、ダイアフラム２０は、フランジ部２２をハウジング１２の前端面に溶接してハウジング１２に固定される。
受圧部２４の周縁部は薄厚に形成され、圧力伝達部２６は、ブロック状に形成され、受圧部２４から後方（センサ部１４が配置される側）に延出する。圧力伝達部２６の後端面は平坦面に形成され、センサ部１４の前端面が圧力伝達部２６の後端面に当接して受圧部２４に作用する圧力（外力）がセンサ部１４に作用する。
特開平５−１８００６０号公報 実開平６−８６０４９号公報 特開２００１−７４５８２号公報 特開２００３−１８５５１６号公報

ところで、燃焼圧センサは、自動車エンジンのシリンダ部のような、きわめて大きな衝撃力がセンサに作用する環境での測定にも使用されるから、瞬間的に大きな圧力が作用した場合でも、センサが損傷を受けない構造とする必要がある。また、エンジンのシリンダ部では衝撃的な圧力が繰り返し作用するから、燃焼圧センサとしては、これらの作用に耐えられる耐久性、および長期間にわたって安定した特性を維持できることが求められる。

本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、大きな圧力が瞬間的に作用する場合や、大きな圧力が繰り返し作用するような被測定体の測定に好適に使用することができる燃焼圧センサを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、筒状に形成されたハウジングの前端面にダイアフラムが固定され、ダイアフラムが受ける圧力を前記ハウジング内に装着されたセンサ部に伝達し、前記圧力によって変化する前記センサ部の出力を検知して被測定体の圧力を検出する燃焼圧センサであって、前記ダイアフラムは、前記ハウジングの前端面に固定されるフランジ部と、該フランジ部の内周縁に沿って設けられたダイアフラム部と、該ダイアフラム部に連結する圧力伝達部とを備え、前記フランジ部、前記ダイアフラム部及び前記圧力伝達部は析出硬化系の金属材により一体形成されており、前記圧力伝達部は、前記ダイアフラム部に連結する側が、前記センサ部に当接する当接面にくらべて縮径した縮径部に形成され前記ダイアフラム部から前記圧力伝達部にかけて、外周面が徐々に拡径するテーパ部が形成されていることを特徴とする。

また、前記ダイアフラム部の径をＤ、前記ダイアフラム部の厚さをＴ、前記縮径部の径をｄ３とすると、前記ダイアフラム部から前記圧力伝達部に向って18.75mm<(D-d3)/T<21mmを満たし外周面が徐々に拡径するテーパ部が形成されていることにより、ダイアフラムに作用する圧力を的確にセンサ部に伝達することができ、燃焼圧センサとして良好な感度が得られるように設定することができる。
また、前記ダイアフラム部および前記圧力伝達部の前面が平坦面に形成され、前記圧力伝達部の前記センサ部への当接面が平坦面に形成されていることによって、ダイアフラムの受圧部に作用する圧力がセンサ部に的確に作用し、的確な圧力検知を可能とする。

本発明に係る燃焼圧センサによれば、ダイアフラムに衝撃的な圧力（外力）が作用した際にセンサ部に作用する力を緩和してセンサ部が損傷したり破壊したりすることを防止することができ、燃焼圧センサの耐久性を向上させることができるとともに、燃焼圧センサの特性の安定性を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る燃焼圧センサの一実施形態の構成を一部破断して示した正面図である。本実施形態の燃焼圧センサ１０は、全体形状が円筒状に形成されたハウジング１２の内部にセンサ部１４として圧電素子を配置したものであり、図３に示した、ハウジング１２の前端部にダイアフラム２０を備えた従来の燃焼圧センサ５と基本的な構成は共通である。センサ部１４はハウジング１２の前端部に固定されたダイアフラム３０と、ハウジング１２内でセンサ部１４の後部側に配置された押圧ブロック（不図示）との間に挟圧して配置され、センサ部１４からの出力信号がハウジング１２の後部から延出するケーブル１６から信号検知部に送出される。

ハウジング１２の前部側の外周面には、燃焼圧センサ１０をシリンダ等の被測定体に燃焼圧センサ１０をネジ込み固定するためのねじ部１３が設けられる。また、ハウジング１２の中央部にはハウジング１２を回動操作するためのナット部１５が設けられている。

図１（ｂ）に、ダイアフラム３０の断面構造を拡大して示す。ダイアフラム３０は、前述した従来のダイアフラム２０と同様に、フランジ部３２と、受圧部３４と、圧力伝達部３６とを一体形成したものである。本実施形態ではステンレス材を用いてダイアフラム３０を形成した。ダイアフラム３０に最も好適な材料としては、析出硬化系のステンレスが用いられる。
フランジ部３２はハウジング１２の前端部と同一外径のリング体状に形成され、ハウジング１２の前端面に溶接されて固定される。フランジ部３２の幅寸法は、ハウジング１２の肉厚と略同一であり、ハウジング１２の前端面にフランジ部３２を溶接固定した状態で受圧部３４の周縁部がハウジング１２の前端部の内周縁に一致する。すなわち、ダイアフラム３０をハウジング１２に固定した状態で受圧部３４が圧力を受ける状態（可動）となる。

受圧部３４はフランジ部３２の内周縁に沿って所定幅で薄肉に形成されたダイアフラム部３５とダイアフラム部３５に連結する圧力伝達部３６とからなる。受圧部３４の前面は平坦面に形成され、圧力伝達部３６は受圧部３４の中央部で、ダイアフラム部３５の後面位置から後方に延出して設けられる。圧力伝達部３６は受圧部３４で受けた圧力（加圧力）をセンサ部１４に伝達する作用をなす。圧力伝達部３６の端面である当接面３６ｂは平坦面に形成され、センサ部１４の前面に当接する。

本実施形態では、センサ部１４として、板状に形成された圧電素子を複数枚積層し、端面形状が正方形のブロック状のセンサを使用した。ダイアフラム３０の圧力伝達部３６の当接面３６ｂは、このセンサ部１４の端面の全面が当接するように、形状および大きさ（外径）を設定する。
圧電素子を使用した燃焼圧センサは、圧電素子に作用する加圧力の大きさによって圧電素子に発生する電荷量の変化を検知して圧力が検知される。センサ部１４には適宜材料の圧電素子を使用することができる。センサ部１４は、所定の与圧を加えた状態でハウジング１２内に装着される。

本実施形態の燃焼圧センサ１０において特徴的な構成は、受圧部３４に設けられる圧力伝達部３６のダイアフラム部３５に連結する側が、センサ部１４に当接する当接面３６ｂよりも縮径した縮径部３６ａに形成されていることにある。
より具体的には、圧力伝達部３６は、ダイアフラム部３５の後面に連結する部位が縮径部３６ａに形成され、縮径部３６ａから後部側にかけてはテーパ部３６ｃが形成されている。テーパ部３６ｃの外周面は、後部側が拡径するテーパ面に形成される。縮径部３６ａとテーパ部３６ｃの外周面とがなす角度は１２０°程度である。

従来の燃焼圧センサ５においては、ダイアフラム２０に設ける圧力伝達部２６をダイアフラム部２４ａとの連結部から同径（同一幅）のブロック体状に形成していたのに対して、本実施形態の燃焼圧センサ１０において、圧力伝達部３６に縮径部３６ａを設けた構成としているのは、圧力測定時にダイアフラム３０に衝撃的な外力（圧力）が作用した際に、センサ部１４に作用する外力を緩和あるいは分散させ、外力によってセンサ部１４が損傷あるいは破壊されることを防止するためである。

実際、図１に示すように圧力伝達部３６に縮径部３６ａを備えたダイアフラム３０を用いた燃焼圧センサ１０と、従来の圧力伝達部２６に縮径部が形成されていないダイアフラム２０を用いた燃焼圧センサ５を、自動車用エンジンのシリンダに装着して試験を行ったところ、従来例については試験中に、圧電素子からなるセンサ部１４が損傷したのに対して、本実施形態の縮径部３６ａを備えたダイアフラム３０ではセンサ部１４が損傷しないことが確かめられた。この実験結果は、圧力伝達部３６に縮径部３６ａを設ける方法が、加圧力が作用するセンサ部１４の損傷、破壊を防ぐ上で有効であることを示している。

上述した実験において、ダイアフラム３０の圧力伝達部３６に縮径部３６ａを設けたことによってセンサ部１４が破壊されることが防止されたのは、被測定体で発生する衝撃力（外力）がセンサ部１４に作用する力が、従来の形態のダイアフラムと比較して緩和あるは分散されるためであると考えられる。
しかしながら、被測定体で発生する外力（圧力）が緩和されあるいは分散されてセンサ部１４に作用することは、燃焼圧センサの検知特性の面からみると、燃焼圧センサの感度を劣化させるように作用する可能性がある。燃焼圧センサに用いられるセンサは、圧電素子を用いる場合に限らず、被測定体側で発生する外力（圧力）が機械的な外力（挟圧力、押圧力）としてセンサに作用し、センサに作用する外力の変動を出力値の変動として出力するから、センサに対しては被測定体側の圧力（外力）の変化が直接的に作用する構成とすることが感度特性を向上させる上で有効だからである。

（試験例）
上記実施形態の縮径部を備えた燃焼圧センサと従来の燃焼圧センサについて、ダイアフラムの形態が異なる１２種類のサンプルを用意し、これらのサンプルについて素子耐久性試験、感度試験、動圧試験等を行って、これらの特性を評価した。
試験に使用したサンプルＳ１〜Ｓ１２のうち、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８は従来構造のもの、すなわち図３（ｂ）に示す形態のダイアフラムを備えたものである。いずれのサンプルもステンレス材（SUS630）からなる。

図２は、試験で使用したサンプルのダイアフラムの形態を示す。これらのサンプルでは、フランジ部３２の外径４．４ｍｍ、縮径部の外径０．８ｍｍ、圧力伝達部３６の当接面３６ｂの外径１．８ｍｍは共通である。図２（ｂ）のダイアフラムは、図２（ａ）のダイアフラムにくらべてフランジ部３２が肉厚に形成されている。また図２（ａ）のダイアフラムは、圧力伝達部３６の縮径部３６ａの外面が直線状に形成され、図２（ｂ）のダイアフラムでは、縮径部の外面が第１テーパ部３６１と第２テーパ部３６２に形成されている。サンプルによって異なるのは受圧部３４の径寸法（ダイアフラム部の周縁径）：Ｄ、ダイアフラム部３５の厚さ：Ｔである。

表１に、サンプルＳ１〜Ｓ１２の形態と、各部の寸法を示す。表１で形態とあるのはそれぞれのサンプルの形態が図２（ａ）、図２（ｂ）のいずれの形態であるかを示している。従来形態のサンプルについては（ｃ）と表示した。表１には、各々のサンプルについて、フランジ径ｄ1、圧力伝達部ｄ2、縮径部径ｄ3としたときの、Ｄ／ｄ1、Ｄ／ｄ2、Ｄ／ｄ3の値と、（Ｄ−ｄ3）／Ｔの値を示した。

表２は、サンプルＳ１〜Ｓ１２について、引っ張り応力(MPa）、バネ定数、素子耐久性、感度（pＣ/bar)、動圧精度試験結果を示している。

引っ張り応力は有限要素法によって求めた。バネ定数は測定によるものである。
素子耐久性の試験は、サンプルの燃焼圧センサを自動車エンジンのシリンダに装着し、積算で１３時間、エンジンを作動させ、センサ素子が損傷したか否か、試験中に所定の出力を保持することができたか否かを試験したものである。なお、エンジンの衝撃圧力は３６(MPa/msec)であり、衝撃圧力による素子の耐久性試験としては、かなり過酷な条件である。

表２中の素子耐久性の欄で、○印は素子耐久性が良好であったもの、△印は素子耐久性が不良であったもので、従来形態の４つのサンプルＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８はいずれも素子耐久性が不良であったのに対して、本実施形態のサンプルについてはいずれも良好な素子耐久性を備える結果が得られた。
この素子耐久性の試験結果は、圧力伝達部に縮径部を設けた構成は、圧力センサ素子に作用する圧力を緩和し、素子耐久性を向上させる上で有効であることを示している。

感度試験は、重錘式圧力試験機を用いて試験した。感度試験の結果は、サンプルＳ１、Ｓ２、Ｓ６、Ｓ７については比較的良好な結果が得られた。ただし、従来形態のサンプルＳ３と比較すると、これらのサンプルの感度は若干低下している。これは、圧力伝達部に縮径部を設けたことによって、圧電素子に作用する外力の作用が緩和あるいは分散され、圧電素子の出力が抑えられたためであると考えられる。感度試験結果は、圧力伝達部３６に縮径部３６ａを設けた場合に、感度を上げるには受圧部３４の径を大きくすることが有効であることを示している。
このように、圧力伝達部３６に縮径部３６ａを設けた場合でも、サンプルＳ１のように、相当良好な感度を得られるように設計することは可能であり、衝撃的な外力に対する素子の耐久性を考慮すると、圧電素子を損傷させることなく、所要の感度を備える燃焼圧センサとして好適に利用することができる。

動圧精度は、動的な圧力の変動に対する出力の応答特性をいう。動圧精度試験はサンプルに対して、圧力を動的に１サイクル印加し、そのときの出力値を検知して、追随精度を測定する。動的な特性が優れているセンサでは、印加した圧力に対する出力値は線形的に表れる。一般には、センサの出力は理想とする線形特性から外れるから、その偏位量を平均して動圧精度とする。したがって、偏位量が小さいほど、動圧精度が良いことになる。 動圧精度試験はサンプルＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ１０について行った。動圧精度試験結果は、サンプルＳ１については、従来形態のセンサＳ３を上回る良好な特性を有することを示している。すなわち、サンプルＳ１は動的な圧力変動の測定用としても優れている。

図４は、表２における引っ張り応力とバネ定数をグラフに表したものである。引っ張り応力は、高くなるとダイアフラムのねばりが増し、低くなると、硬く、脆くなると考えられる。バネ定数は、低くなると受圧力をセンサ素子に伝達しやすくなる一方、伸びやすくなり、高くなると変形しにくくなり受圧力をセンサ素子に伝達しにくくなると考えられる。

表２に示した試験結果では、サンプルＳ１、Ｓ２が素子耐久性、感度、動圧精度のいずれについても良好な結果を示している。図４のグラフでは、サンプルＳ１とＳ２は、試験で使用したサンプルのうち、引っ張り強度が高く、バネ定数が低い領域に属している。サンプルＳ１およびＳ２が良好な特性が得られたのは、引っ張り強度が高いことによって、耐久性を備えるとともにバネ定数が低いことによって感度が良好になったものと考えられる。
また、表２に示す試験結果はサンプルＳ１０〜Ｓ１２についても比較的良好な結果が得られることを示している。これらのサンプルは、図４において、引っ張り応力が小さく、バネ定数が大きな領域に属している。このことは、引っ張り応力とバネ定数の特性が補完的に作用し、これによって良好な特性をもたらしたものと推測される。

表１中に（Ｄ−ｄ3）／Ｔの値を示したのは、この値がセンサの感度を反映するものと考えたからである。試験の結果はサンプルＳ１およびＳ２が比較的良好な感度特性を示している。したがって、燃焼圧センサとして良好な感度が得られるように設定する条件としては、表１から、およそ、18.75＜（Ｄ−ｄ3）／Ｔ＜21となるように各部の寸法を設定することが好ましいと考えられる。

以上説明した試験結果は、図１に示した燃焼圧センサ１０のように、圧力伝達部３６に縮径部３６ａを備えた製品は、自動車エンジンのような衝撃的な圧力（外力）が作用する被測定体の圧力測定用として、一つには、圧電素子に作用する外力を緩和して圧電素子が衝撃圧力によって破壊されることを防止することができ、したがって燃焼圧センサの耐久性を向上させ、長期間の使用に耐えることができること、二つには、燃焼圧センサとして動的な圧力変動が生じる測定対象にもすぐれた追随性を備え、精度のよい測定をすることが可能である点で有効であることを裏付けていると考えられる。
なお、上記評価試験は燃焼圧センサに用いるダイアフラムの形態を図２（ａ）、（ｂ）の形態とした例であり、燃焼圧センサについては種々の設計が可能である。

本発明に係る燃焼圧センサの構成を示す断面図である。 試験に使用した燃焼圧センサに用いたダイアフラムの構成を示す断面図である。 従来の燃焼圧センサの構成を示す断面図である。 表２の各サンプルについて、引っ張り強度およびバネ定数を示したグラフである。

符号の説明

１０ 燃焼圧センサ
１２ ハウジング
１４ センサ部
１６ ケーブル
２０ ダイアフラム
２６ 圧力伝達部
３０ ダイアフラム
３２ フランジ部
３４ 受圧部
３５ ダイアフラム部
３６ 圧力伝達部
３６ａ 縮径部
３６ｂ 当接面
３６ｃ テーパ部

Claims (3)

1. 筒状に形成されたハウジングの前端面にダイアフラムが固定され、ダイアフラムが受ける圧力を前記ハウジング内に装着されたセンサ部に伝達し、前記圧力によって変化する前記センサ部の出力を検知して被測定体の圧力を検出する燃焼圧センサであって、
   前記ダイアフラムは、前記ハウジングの前端面に固定されるフランジ部と、該フランジ部の内周縁に沿って設けられたダイアフラム部と、該ダイアフラム部に連結する圧力伝達部とを備え、
   前記フランジ部、前記ダイアフラム部及び前記圧力伝達部は析出硬化系の金属材により一体形成されており、前記圧力伝達部は、前記ダイアフラム部に連結する側が、前記センサ部に当接する当接面にくらべて縮径した縮径部に形成され前記ダイアフラム部から前記圧力伝達部にかけて、外周面が徐々に拡径するテーパ部が形成されていることを特徴とする燃焼圧センサ。
2. 前記ダイアフラム部の径をＤ、前記ダイアフラム部の厚さをＴ、前記縮径部の径をｄ３とすると、前記ダイアフラム部から前記圧力伝達部に向って18.75mm<(D-d3)/T<21mmを満たし外周面が徐々に拡径するテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼圧センサ。
3. 前記ダイアフラム部および前記圧力伝達部の前面が平坦面に形成され、前記圧力伝達部の前記センサ部への当接面が平坦面に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼圧センサ。

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