JP5820759B2 - 圧力検出装置の製造方法、圧力検出装置付き内燃機関の製造方法 - Google Patents
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例えば、特許文献1に記載の圧力センサは、円筒体状に形成した本体の前端部にダイアフラムを封着し、ダイアフラムの後側に、圧電センサ(圧電素子)を挟んで前部電極と後部電極とが配置されている。そして、圧力センサは、燃焼室内の圧力を、ダイアフラムに作用した圧力によって圧電センサ(圧電素子)に生じた電荷信号をリードピンおよびレセプタクルを介して検知するように構成されている。
本発明は、燃焼圧力の受圧と圧電素子への圧力伝達を、より高確度かつ高精度に行うことができる装置の製造方法を提供することを目的とする。
図1は、本実施の形態に係る内燃機関1の概略構成図である。
図2は、図1のII部の拡大図である。
内燃機関1は、シリンダ2aを有するシリンダブロック2と、シリンダ2a内を往復動するピストン3と、シリンダブロック2に締結されてシリンダ2aおよびピストン3などとともに燃焼室Cを形成するシリンダヘッド4と、を備えている。また、内燃機関1は、シリンダヘッド4に装着されて燃焼室C内の圧力を検出する圧力検出装置5と、圧力検出装置5が検出した圧力に基づいて内燃機関1の作動を制御する制御装置6と、圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に介在して燃焼室C内の気密性を保つためのシール部材7と、圧力検出装置5と制御装置6との間で電気信号を伝送する伝送ケーブル8と、を備えている。
図3は、圧力検出装置5の概略構成図である。図4は、図3のIV−IV部の断面図である。図5は、図4のV部の拡大図である。
圧力検出装置5は、燃焼室C内の圧力を電気信号に変換する圧電素子10を有するセンサ部100と、センサ部100からの電気信号を処理する信号処理部200と、信号処理部200を保持する保持部材300と、を備えている。この圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着する際には、センサ部100の後述するダイアフラムヘッド40の方から先に、シリンダヘッド4に形成された連通孔4aに挿入していく。以下の説明において、図4の左側を圧力検出装置5の先端側、右側を圧力検出装置5の後端側とする。
センサ部100は、受けた圧力を電気信号に変換する圧電素子10と、筒状であってその内部に圧電素子10などを収納する円柱状の孔が形成されたハウジング30と、を備えている。以下では、ハウジング30に形成された円柱状の孔の中心線方向を、単に中心線方向と称す。
また、センサ部100は、ハウジング30における先端側の開口部を塞ぐように設けられて、燃焼室C内の圧力が作用するダイアフラムヘッド40と、ダイアフラムヘッド40と圧電素子10との間に設けられた第1の電極部50と、圧電素子10に対して第1の電極部50とは反対側に配置された第2の電極部55と、を備えている。
また、センサ部100は、第1の電極部50、圧電素子10、第2の電極部55、絶縁リング60および支持部材65などの外周を覆うとともに、第1の電極部50の先端側の面と接触して第1の電極部50を加圧する加圧部材80を備えている。
第1のハウジング31は、基本的に円筒状の部材であり、外周面には、中心線方向の中央部に、外周面から突出する突出部315が周方向の全域に渡って設けられている。突出部315は、先端部に、先端側から後端側にかけて徐々に径が大きくなる傾斜面315aを有し、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面315bを有している。第1のハウジング31の内周面は、加圧部材80の外周面がしまりばめで嵌合(圧入)されるように、その内径が加圧部材80の外周面の径以下となるように設定されている。
孔320は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1の孔321と、第1の孔321の孔径よりも小さな孔径の第2の孔322と、第2の孔322の孔径よりも大きな孔径の第3の孔323と、第3の孔323の孔径よりも大きな孔径の第4の孔324と、第4の孔324の孔径よりも大きな孔径の第5の孔325と、から構成される。
第2のハウジング32における先端部は、第1のハウジング31における後端部にしまりばめで嵌合(圧入)されるように、第1の孔321の孔径は、第1のハウジング31の外周面の径以下となるように設定されている。
また、第1のハウジング31と第2のハウジング32とは、嵌合された後、さらに、溶接により強固に固定される。
円筒状部41における後端部は、ハウジング30の第1のハウジング31における先端部としまりばめで嵌合(圧入)されて、この先端部の内部に入り込む進入部41aと、この先端部における端面31aと同形状に形成され、嵌合された際にこの端面31aが突き当たる突当面41bと、を有している。
内側部42は、円筒状部41における先端側の開口を塞ぐように設けられた円盤状の部材であり、後端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に突出する突出部42aが設けられている。また、内側部42の、先端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に凹んだ凹部42bが設けられている。
ダイアフラムヘッド40の材料としては、高温でありかつ高圧となる燃焼室C内に存在するため、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金製であることが望ましく、例えばSUH660であることを例示することができる。
また、ダイアフラムヘッド40と第1のハウジング31とは、嵌合された後、さらに、溶接により強固に固定される。
第1の電極部50は、燃焼室C内の圧力を圧電素子10に作用させるものであり、圧電素子10側の端面である後端側の端面が圧電素子10の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成される。また、第1の電極部50は、ダイアフラムヘッド40から受ける圧力を均等に圧電素子10に作用させることができるように、中心線方向の両端面が平行(中心線方向に直交)かつ平滑面に形成されている。
第1の電極部50の材質としては、ステンレスであることを例示することができる。
第2の電極部55の材質としては、ステンレスであることを例示することができる。
孔650は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1の孔651と、第1の孔651の孔径よりも大きな孔径の第2の孔652と、第2の孔652の孔径よりも大きな孔径の第3の孔653と、から構成される。第1の孔651の孔径は、第2の電極部55の突出部55aの基端部の外径よりも大きく、この突出部55aが支持部材65の内部まで露出する。第2の孔652の孔径は、後述する信号処理部200の伝導部材22における先端部の外径よりも大きい。第3の孔653の孔径は、後述する信号処理部200の覆い部材23の端部の外径よりも小さく、この覆い部材23が第3の孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合される。これにより、支持部材65は、覆い部材23の端部を支持する部材として機能する。
また、支持部材65の外周面には、加圧部材80に形成された後述する雌ねじ81aにねじ込まれる雄ねじ65aが形成されている。
なお、加圧部材80の筒状部81における後端部が円筒状である場合、その外周面が第1のハウジング31の内周面に対してしまりばめで嵌合(圧入)されるように、その外径が第1のハウジング31の内周面の径以上となるように設定されている。そして、加圧部材80と第1のハウジング31とは、嵌合された後、さらに、溶接により強固に固定される。
信号処理部200は、センサ部100の圧電素子10から得られる微弱な電荷である電気信号を少なくとも増幅処理する回路基板部21と、圧電素子10に生じた電荷を回路基板部21まで導く棒状の伝導部材22と、これら回路基板部21、伝導部材22などを覆う覆い部材23と、回路基板部21などを密封するOリング24と、を備えている。
保持部材300は、薄肉円筒状の部材であり、後端部に内周面から内側に突出した突出部300aが設けられている。保持部材300は、第2のハウジング32に装着された後、外部から、第5の外周面335に設けられた凹部335aに対応する部位が加圧されることでかしめられる。これにより、保持部材300は、ハウジング30に対して移動し難くなり、信号処理部200がハウジング30に対して移動することを抑制する。
先ず、第1のハウジング31の端面31aとダイアフラムヘッド40の突当面41bとが接触するまで、第1のハウジング31とダイアフラムヘッド40とを嵌合(圧入)する。その後、第1のハウジング31の端面31aとダイアフラムヘッド40の突当面41bとが接触している部位に、中心線方向に交差する方向(例えば中心線方向に直交する方向)からレーザビームを照射して、第1のハウジング31とダイアフラムヘッド40とを溶接する。
このようにして圧力検出装置5は組み立てられる。
先ず、圧電素子10における先端側の端面は、金属製の第1の電極部50、およびダイアフラムヘッド40または加圧部材80を介して、金属製のハウジング30と電気的に接続される。
圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着することにより、ハウジング30は、金属製のシリンダヘッド4と電気的に接続される。このシリンダヘッド4は、電気的に接地された状態にあるため、圧力検出装置5では、ハウジング30を介して、圧電素子10における先端部が接地される。ここで、この例では、圧電素子10の側面とハウジング30の内壁面とが接触し得る構造になっているが、圧電素子10が絶縁体で構成されていることにより抵抗値が極めて大きいことと、圧力変化に伴って発生する電荷が、圧電素子10における中心線方向の両端部に発生することとにより、特に問題とはならない。
シール部材7は、シリンダヘッド4における連通孔4aを形成する周囲の壁のセンサ部100締め付け方向の端面と、圧力検出装置5のハウジング30の第3の外周面333と第4の外周面334とを接続する接続面との間に配置された第1のシール部材71を有している。また、シール部材7は、シリンダヘッド4の連通孔4aの傾斜部4cと、圧力検出装置5のハウジング30の第1のハウジング31の傾斜面315aとの間に配置された第2のシール部材72を有している。
先ずは、圧電素子10と第1の電極部50との関係について説明する。
燃焼室C内で、例えばノッキングが発生した場合には、ダイアフラムヘッド40および第1の電極部50を介して、圧電素子10には過大な力が生じるおそれがある。圧電素子10の材質は、ランガサイト系結晶あるいは水晶などの、圧電効果によって外力に比例した電荷を発生する材質であり、その許容面圧は、例えば金属の許容面圧よりも小さい。そのため、圧電素子10に生じる面圧を小さくすることが重要となる。圧電素子10に生じる面圧を小さくするには、圧電素子10自体を大きくすることも考えられるが、圧電素子10を大きくすると、圧電素子10を収納するハウジング30も大きくなってしまい、シリンダヘッド4に形成する連通孔4aも大きくなってしまう。
上述したように、ダイアフラムヘッド40と第1のハウジング31とをレーザ溶接するが、レーザ溶接が適切に行われなかった場合には、ダイアフラムヘッド40の突当面41bと第1のハウジング31の端面31aとの隙間から燃焼ガスがハウジング30内に流入してしまうおそれがある。そこで、本実施の形態に係るダイアフラムヘッド40においては、第1のハウジング31における先端部と圧入する進入部41aを設け、ダイアフラムヘッド40と第1のハウジング31との隙間から燃焼ガスがハウジング30内に流入することを抑制する。
Claims (4)
- 筒状のハウジングと、
前記ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、
前記ハウジング内の軸方向であって前記ダイアフラムの後端側に配置され、当該ダイアフラムを介して作用する圧力を検知する圧電素子と、
前記ハウジング内の軸方向であって前記ダイアフラムと前記圧電素子との間にて当該圧電素子に当接して設けられ、当該ダイアフラムを介して作用する圧力を当該圧電素子に伝達する圧力伝達部と、
前記圧力伝達部を前記ハウジングの軸方向に向けて加圧するように当該ハウジングに固定されることで前記圧電素子に荷重を作用させる加圧部材と、
を備えた圧力検出装置の製造方法であって、
レーザビームの照射により前記ハウジングと前記加圧部材とを固定する工程を有することを特徴とする圧力検出装置の製造方法。 - 前記ダイアフラムは中央領域にて後端側へ突出した突出部を有し、
前記加圧部材は、前記圧力伝達部、前記圧電素子の外周を覆う筒状の部位と、当該筒状の部位における先端側の端部から内側へ延出するとともに中央部には前記ダイアフラムの前記突出部を通す孔が形成された延出部と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の圧力検出装置の製造方法。 - 前記圧力伝達部が前記圧電素子に当接する部位の前記軸方向に交差する方向の面積は、前記ダイアフラムの前記突出部が当該圧力伝達部に当接する部位の当該軸方向に交差する方向の面積よりも大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の圧力検出装置の製造方法。
- 燃焼室内と外部とを連通する連通孔が形成されたシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドの前記連通孔に挿入可能な筒状のハウジングと、当該ハウジングの挿入方向先端側に設けられるダイアフラムと、当該ハウジングの軸方向であって当該ダイアフラムの後端側に配置され当該ダイアフラムを介して作用する圧力を検知する圧電素子と、当該ハウジング内の軸方向であって当該ダイアフラムと当該圧電素子との間にて当該圧電素子に当接して設けられ、当該ダイアフラムを介して作用する圧力を当該圧電素子に伝達する圧力伝達部と、当該圧力伝達部を当該ハウジングの軸方向に向けて加圧するように当該ハウジングに固定されることで当該圧電素子に荷重を作用させる加圧部材とを有する圧力検出装置と、
を備えた圧力検出装置付き内燃機関の製造方法であって、
レーザビームの照射により前記ハウジングと前記加圧部材とを固定する工程を有することを特徴とする圧力検出装置付き内燃機関の製造方法。
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