JP7008006B2 - 圧力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばエンジンの燃焼室内等の圧力を測定するための圧力検出装置に関する。

従来、燃焼状態やノッキングの検出、あるいは、燃料消費率の向上、排気ガスの清浄化などを行うため、内燃機関には、燃焼室内の圧力を検出するための圧力検出装置が搭載されている。この圧力検出装置による検出結果に基づき、ＥＣＵ（Engine Control Unit）と呼ばれる制御装置が、内燃機関の動作等に関する制御を行っている。

例えば、特許文献１には、圧力を検出する検出部と、検出部による圧力の検出に伴って得られた電気信号に各種処理を施す処理部とを有する圧力検出装置が開示されている。この圧力検出装置は、内燃機関に対し、検出部が燃焼室を向くとともに処理部が外部を向くように取り付けられるものである。

特許文献１に開示される圧力検出装置の検出部は、先端側に取り付けられたダイアフラムヘッドと、このダイアフラムヘッドが受ける圧力を検出する圧電素子と、この圧電素子の一方の面でダイアフラムヘッドとの間に設けられる先端電極部材と、この圧電素子の他方の面に配置される後端電極部材とを収納する先端側筐体で構成されている。この先端側筐体は、筒状を成しており、金属材料によって構成されている。

処理部は、上述した先端側筐体の後端側とはめ合う後端側筐体の内部に収容されており、回路基板、伝導部材等を備えた構成となっている。

回路基板は、受けた圧力に応じて圧電素子が出力する微弱な電荷による電気信号に、電気回路を用いた各種処理を施すものであって、先端側筐体の内部と後端側筐体の内部とに跨って設けられている。また、この回路基板には、圧電素子が出力する電気信号を導くための伝導部材が接続されている。この伝導部材は回路基板から圧電素子側へ向って延伸している。

電気信号の経路となる伝導部材は、棒状を成しており、金属材料によって構成されている。この伝導部材には、その先端に、先端側凸部が設けられており、その後端に、後端側凸部が設けられている。この伝導部材は、先端側筐体の内部に挿入配置される構成で、その先端側は圧電素子に接触配置された後端電極部材に当接する構成となっている。伝導部材の後端側は回路基板側に設けられた電極端子に接続される構成とで、圧電素子からの電気信号を回路基板へ導く役目を成している。そして、その電気信号に各種処理が施されるものである。一方、圧電素子に接触して配置された先端電極部材は、先端側筐体、後端側筐体の内部で電気的な接続が成され、回路基板のＧＮＤ電極に接続される構成が示されている

特開２０１７－１５０９７６号公報

従来の圧力検出装置の構成によれば、組立の際、回路基板を収納した後端側筐体から延びる棒状の伝導部材を先端側筐体の内部に挿入し、その先端部を適切な位置に保持した状態で電極部材の所定部位に当接配置して先端側筐体と後端筐体とを固定する必要がある。しかしながら、このように棒状で細長い伝導部材の先端側筐体内への挿入は、その作業性が悪く、組立性、生産性を損なっていた。また、伝導部材の先端部には、電極部材と直接接して電気経路を形成するスプリングコイル等の部品も取り付けられており、挿入時にこのコイルスプリングが先端側筐体の挿入部付近、若しくは内部構造物に引っかかる等して、挿入作業を妨げると同時に部材の損傷も招いていた。

本発明は、圧電検出装置の伝導部材の先端側筐体への組み込み工程において、その作業性を高め、組立性、生産性の向上を図り、良好かつ安定した製品を得ることを目的とする。

少なくとも、圧力の変化を検出する圧電素子と、前記圧電素子を収納する第１筐体と、前記圧電素子が出力する出力信号に電気的な処理を施す処理回路と、前記処理回路を収納する第２筐体と、前記処理回路に接続されると共に、前記第１筐体の内部に挿入配置され、前記圧電素子の出力信号を前記処理回路へ伝導する伝導部材とを有する圧力検出装置において、前記第１筐体の前記伝導部材の挿入口となる端部に、当該伝導部材を前記第１筐体内部に案内するための筒状のガイド部材が設けられ、前記第１筐体と第２筐体が固定されて成る圧力検出装置とする。

前記伝導部材は、段付形状部を有する被覆部材により覆われており、当該被覆部材の段付形状部の外周部と前記ガイド部材の内面とが接触配置される構成にすると良い。また、前記ガイド部材の端部には鍔状に張り出したフランジ部が形成されており、当該フランジ部と前記被覆部材の段付形状部の一部が接触配置される構成にすると良い。さらに前記ガイド部材は、絶縁性部材で構成するのが好ましい。

本発明によれば、圧電検出装置の伝導部材の先端側筐体への組み込みが容易且つ正確に行えるので、組立性、生産性の向上を図ることができ、良好かつ安定した製品を得ることができる。

本発明に係る圧力検出システムの概略構成図。 本発明の実施形態に係る圧力検出装置の断面図。 図２のＡ部拡大断面図。 本発明の実施形態に係る圧力検出装置の一部分解斜視図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る圧力検出システムの概略構成図である。
この圧力検出システム１は、内燃機関１０における燃焼室Ｃ内の圧力（燃焼圧）を検出する圧力検出装置２０と、圧力検出装置２０に対する給電を行うとともに圧力検出装置２０が検出した圧力に基づいて内燃機関１０の動作を制御する制御装置４０と、圧力検出装置２０と制御装置４０とを電気的に接続する接続ケーブル５０とを備えている。

ここで、圧力の検出対象となる内燃機関１０は、内部にシリンダが形成されたシリンダブロック１１と、シリンダ内を往復動するピストン１２と、シリンダブロック１１に締結されてピストン１２等とともに燃焼室Ｃを構成するシリンダヘッド１３とを有している。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室Ｃと外部とを連通する連通孔１３ａが設けられている。この連通孔１３ａの内部には雌ねじ（図示せず）が形成されており、圧力検出装置２０の外周面に形成された雄ねじ（図示せず）をねじ込むことで、内燃機関１０に対して圧力検出装置２０を取り付けている。なお、連通孔１３ａの両端部側には、シリンダヘッド１３と圧力検出装置２０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（図示せず）が設けられている。

図２は、本発明の実施形態に係る圧力検出装置の断面図である。また、図３は、図２のＡ部拡大断面図である。なお、以下の説明では、図２において、図中左側を圧力検出装置２０の「先端側」と称し、図中右側を圧力検出装置２０の「後端側」と称する。

圧力検出装置２０は、先端側に第１筐体２１を有しており、その先端部には、ダイアフラムヘッド２２が取り付けられている。また、内部には、圧電素子２４が収納されて、圧力検出部を構成するものである。また、後端側には第２筐体２６を有しており、その内部には回路基板２７が収納されており、検出部による圧力の検出に伴って得られた電気信号に各種処理を施す処理部を構成するものである。そして、この圧力検出装置２０は、図１に示す内燃機関１０に対し、第１筐体の先端部（ダイアフラムヘッド２２）が燃焼室Ｃ（図１において下方）を向くとともに第２筐体の後端が外部（図１において上方）を向くように取り付けられる。

第１筐体２１は、中空構造を有し且つ全体として筒状を成す部材である。この第１筐体２１は、導電性を有するともに耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。そして、第１筐体２１の先端部には、レーザ溶接によってダイアフラムヘッド２２が取り付けられ、第１筐体２１の後端側には、はめ合いによって第２筐体２６が取り付けられる。なお、第１筐体２１の一部外周面には、シリンダヘッド１３の連通孔１３ａ（図１参照）の内周面に設けられた雌ねじ（図示せず）と噛み合う雄ねじ２１ａが形成されている。

ダイアフラムヘッド２２は、全体として円板状を成す部材である。このダイアフラムヘッド２２は、導電性を有するとともに耐熱性および耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。特に、この例では、ダイアフラムヘッド２２および第１筐体２１を、同じ材料で構成している。このダイアフラムヘッド２２は、外部（燃焼室Ｃ側）に露出することで圧力を受ける圧力受面２２ａと、圧力受面２２ａの裏側となる裏面を環状に切り欠くことによって設けられた凹部の存在により、結果として圧力受面２２ａの裏面の中央部から後端側に向けて突出する凸部２２ｂとを有している。このダイアフラムヘッド２２は、第１筐体２１の先端側の開口部を塞ぐように設けられている。そして、ダイアフラムヘッド２２と第１筐体２１との境界部には、外周面の一周にわたってレーザ溶接が施されている。

前記第１筐体２１の内部には、圧力検出素子となる圧電素子２４を有している。この圧電素子２４は、全体として円柱状を成す部材で、圧電縦効果の圧電作用を示す圧電体を備えている。圧電縦効果とは、圧電体の電荷発生軸と同一方向の応力印加軸に外力を加えると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生することをいう。この圧電素子２４は、第１筐体２１の内側であって、ダイアフラムヘッド２２の後端側に配置されている。この圧電素子２４は、中心軸方向が応力印加軸の方向となるように、第１筐体２１内に収容されている。そして、圧電素子２４の先端側の面は、先端電極部材２３ａの後端側の面と接触している。一方、圧電素子２４の後端側の面は、後端電極部材２３ｂの先端側の面と接触している。

前記圧電素子２４で使用可能な圧電体としては、圧電縦効果及び圧電横効果を有するランガサイト系結晶（ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、ＬＧＴＡ）や水晶、ガリウムリン酸塩などを使用することを例示することができる。なお、本実施の形態の圧電素子２４では、圧電体としてランガサイト単結晶を用いている。

先端電極部材２３ａは、全体として円柱状を成す部材である。この先端電極部材２３ａは、導電性を有するとともに耐熱性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。この先端電極部材２３ａは、圧電素子２４の先端側に配置される構成となっている。先端電極部材２３ａの先端側の面は、前述のダイアフラムヘッド２２の凸部２２ｂと接触し、一方、先端電極部材２３ａの後端側の面は、圧電素子３３の先端側の面に接触している。当該構成により、ダイアフラムヘッド２２の受圧面２２ａで受けた圧力が、凸部２２ｂを介して先端電極部材２３ａ、さらにはこれと接触する圧電素子２４へと伝えられる。尚、先端電極部材２３ａは、筐体の内部で電気的な接続が成される構成で回路基板のＧＮＤ電極に接続されている。尚、ＧＮＤ電極の接続構成に関しては、筐体を接続経路としてエンジンヘッドに接地する構成であっても良い。

後端電極部材２３ｂは、全体として円柱状を成す部材である。この後端電極部材２３ｂは、導電性を有するとともに耐熱性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。この後端電極部材２３ｂの先端側の面は、圧電素子２４の後端側の面と接触している。一方、後端電極部材２３ｂの後端側の面は、絶縁リング２５の先端側の面と接触し、後述する電気経路を成す伝導部材２８の先端部、これに取り付けられたコイルスプリング（不図示）と接触する構成である。

絶縁リング２５は、全体として環状を成す部材である。この絶縁リング２５は、絶縁性を有するとともに耐熱性が高いアルミナ等のセラミックス材料によって構成されている。

伝導部材２８は、全体として棒状を成す部材である。この伝導部材２８は、導電性を有する真ちゅう等の金属材料によって構成されている。この伝導部材２８には、その先端に、中心軸方向の中央部よりも直径が小さい先端側凸部が設けられており、この先端側凸部にコイルスプリング（不図示）が設けられている。

前記コイルスプリングは、全体として螺旋状を成す部材であって、中心軸方向に伸縮する。このコイルスプリングは、導電性を有するとともに第１筐体２１よりも導電性が高い真ちゅう等の金属材料によって構成されている。このコイルスプリングは、第１筐体２１の内部に設けられた絶縁リング２５の中心孔を通過して後端電極部材２３ｂに到達するように配置されている。

２６は、圧電素子２４が出力する出力信号に電気的な処理を施す処理回路を構成した回路基板２７を収容する第２筐体で、上述した第１筐体２１の後端側にはめ合わせによって固定されている。この第２筐体の後端側には、接続ケーブル５０の接続対象となる接続部材２９が設けられている。

前記第２筐体２６は、中空構造を有し全体として筒状を成す部材である。この第２筐体２６は、導電性を有するとともに耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。

回路基板２７は、全体として矩形板状を成す部材である。この回路基板２７は、受けた圧力に応じて圧電素子２４が出力する微弱な電荷による電気信号に、電気回路を用いた各種処理を施すものであって、所謂プリント配線板によって構成されている。この回路基板２７は、外部との接続を成すリード端子を除き、樹脂によりモールド成形され、その基板面が全体的に保護される構成である。（図２は、断面図であるため、基板面を表している。）この回路基板２７は、その全体が第２筐体２６の内側に圧入固定されている。回路基板２７の後端側には、上述した接続部材２９と電気的な接続をなす端子が設けられており、接続部材２９と接続する接続ケーブル５０により、回路基板２７の処理信号が外部へ伝送されている。

伝導部材２８は、回路基板２７の先端側に設けられたリード端子２７ａに接続配置されている。伝導部材２８は、被覆部材３０に中心軸方向に沿って設けられた貫通孔を貫通するように配置されており、伝導部材２８の先端側凸部は被覆部材３０の先端よりも先端側に突出し、後端側凸部は被覆部材３０の後端側に設けられた凹部よりも後端側に突出している。そして、伝導部材２８の先端側凸部は、コイルスプリング（不図示）を有しており、絶縁リング２５の中心孔に挿入されることで、後端電極部材２３ｂと接触する構成になっている。

また、伝導部材２３の中心軸方向中央部の外周面は、被覆部材３０の内周面と接触している。尚、被覆部材３０の外周面には先端電極部材２３ａと接続され、ＧＮＤ電極の電気経路を成すため、金属材料で構成されたカバー部材３２が設けられている。このカバー部材３２は、信号伝送に用いられる先端部のコイルスプリングとは接触しないように構成されている。このカバー部材３２は、ＧＮＤ電極の電気経路として利用されるものであるため、例えば、ＧＮＤ電極の接続構造として筐体自体を利用する構成の場合には、設ける必要はない。

被覆部材３０は、全体として筒状を成す部材である。この被覆部材３０は、絶縁性を有する樹脂材料（ＰＰＳ、ＰＢＴ、ＰＰＴ等）によって構成されている。本実施形態の被覆部材３０では、絶縁性を有する樹脂材料としてＰＰＳを用いている。この被覆部材３０の外周面は、先端側から後端側の間で、３段階の異なる外径部を有して形成されており、大外径部３０ａは、後端に位置し回路基板２７と接続される部位となっている。尚、この大外径部３０ａは、回路基板２７全体を覆い収納する構成としても良い。また、中外径部３０ｂは、回路基板２７に設けられたリード端子２７ａと伝導部材２８が接続された凹部を成す部位である。さらに、小外径部３０ｃは、伝導部材２８が挿入配置される部位となっている。この構成により、被覆部材３０の異なる外径部間は、段付形状部３０ｄが形成されることになる。

図４は、本発明の実施形態に係る圧力検出装置の一部分解斜視図である。
上述の第１筐体２１と第２筐体２６は、ガイド部材３１を介して互いにはめ合わされて圧力検出装置２０を成す構成である。第１筐体２１と第２筐体２６の組立工程では、先ず、第１筐体２１の後端部開口部にガイド部材３１を内装する。ガイド部材３１の外径は、第１筐体２１の内径よりも小さく構成され、第１筐体２１の内部に挿入配置される。

続いて第２筐体２６の内部に収納され回路基板２７と接続された伝導部材２８の先端部を前記ガイド部材３１の中に挿入する。この時、伝導部材２８を覆う被覆部材３０がガイド部材３１によってガイドされ、第１筐体２１の内部に正確に挿入することができる。

挿入を進めていくと、被覆部材３０の中外径部３０ｂがガイド部材３１の内壁面にガイドされ、この時点で径方向の位置決めが正確に定まることになる。この状態で被覆部材３０をガイド部材３１に圧入固定する。圧入は、被覆部材３０の段付形状部３０ｄが、第１筐体２１の端部と対向する位置まで行われる。

このように、ガイド部材３１のガイド効果によって挿入位置が正確に保たれた状態で最後まで挿入されるので、伝導部材２８の先端凸部が絶縁リング２５の中央孔へ最終的に挿通される際も、正確且つ容易に配置することができる。
尚、この時、第２筐体２６は第１筐体２１の端部外周部２１ａにはめこまれる構成で結合されている。

上述のガイド部材３１は、円筒状の部材であり、このガイド部材３１は、端部に鍔状に張り出したフランジ部３１ａを有して構成されている。このガイド部材３１を絶縁性の材料で形成すれば、不要な電気的接続を防止することができる。特に、図３に示す本発明の一実施例においては、内部に収納される部品を用いてＧＮＤ電極の経路を得るため、例えばカバー部材３２等を設けているが、このような構成においては、これと第１筐体２１の絶縁を図る構成として最適な構成となる。

尚、ガイド部材３１のフランジ部３１ａは、必ず設けなければならない物ではなく、上述のＧＮＤ電極接続構造やその他の構成に応じて適宜省略することができるものである。

本発明に係る圧力検出装置は、エンジンに装着して燃焼室内の圧力測定、燃焼圧検出を行う際に利用することができる。

１ 圧力検出システム
１０ 内燃機関
１１ シリンダブロック
１２ ピストン
１３ シリンダヘッド
１３ａ 連通孔
２０ 圧力検出装置
２１ 第１筐体
２１ａ 端部外周部
２２ ダイアフラムヘッド
２２ａ 受圧面
２２ｂ 凸部
２３ａ 先端電極部材
２３ｂ 後端電極部材
２４ 圧電素子
２５ 絶縁リング
２６ 第２筐体
２７ 回路基板
２７ａ リード端子
２８ 伝導部材
２９ 接続部材
３０ 被覆部材
３０ａ 大外径部
３０ｂ 中外径部
３０ｃ 小外径部
３０ｄ 段付形状部
３１ ガイド部材
３１ａ フランジ部
３２ カバー部材
４０ 制御装置
５０ 接続ケーブル

Claims (4)

1. 少なくとも、
   圧力の変化を検出する圧電素子と、
   前記圧電素子を収納する第１筐体と、
   前記圧電素子が出力する出力信号に電気的な処理を施す処理回路と、
   前記処理回路を収納する第２筐体と、
   前記処理回路に接続されると共に、前記第１筐体の内部に挿入配置され、前記圧電素子の出力信号を前記処理回路へ伝導する伝導部材とを有する圧力検出装置において、
   前記第１筐体の前記伝導部材の挿入口となる端部に、当該伝導部材を前記第１筐体内部に案内するための筒状のガイド部材が設けられ、前記第１筐体と第２筐体が固定されて成ることを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記伝導部材は、段付形状部を有する被覆部材により覆われており、当該被覆部材の段付形状部の外周部と前記ガイド部材の内面とが接触配置されて成ることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記ガイド部材の端部には鍔状に張り出したフランジ部が形成されており、当該フランジ部と前記被覆部材の段付形状部の一部が接触配置されて成ることを特徴とする請求項２に記載の圧力検出装置。
4. 前記ガイド部材は、絶縁性部材から成ることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の圧力検出装置。

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