JP2013174553A - 圧力検出装置、圧力検出装置付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くする技術を提供する。
【解決手段】筒状のハウジング３０と、ハウジング３０の先端側に設けられるダイアフラムヘッド４０と、ハウジング３０内であってダイアフラムヘッド４０の後端側に配置され、ダイアフラムヘッド４０を介して作用する圧力を検出する圧電素子１０と、圧電素子１０の後端側に配置され、圧電素子１０を加圧するとともに圧電素子１０に荷重を作用させた状態でハウジング３０に固定される支持部材６５と、を備え、ダイアフラムヘッド４０と圧電素子１０との間および圧電素子１０と支持部材６５との間の少なくともいずれかには、圧電素子１０よりもヤング率が小さい導電材料で構成される導電部材である第１の電極部５０または第２の電極部５５が設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧力検出装置および圧力検出装置付き内燃機関に関する。

従来、内燃機関に装着されて燃焼室内の圧力を検出する装置として、圧電素子を圧力検出部に使用した装置が提案されている。
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。

特開２００５−２２７００１号公報

圧電素子は、水晶やランガサイト系結晶などを用いて成形される。それゆえ、圧電素子は衝撃荷重に弱く、混合気の自然発火（プレ・イグニッション）によって発生した爆発と点火プラグによって発生した爆発がぶつかり合うことにより衝撃波を発生するノッキングが生じた場合に破損してしまうおそれがある。
本発明は、ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くする装置を提案することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、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出する圧電素子と、前記圧電素子の後端側に配置され、当該圧電素子を加圧するとともに当該圧電素子に荷重を作用させた状態で前記ハウジングに固定される加圧固定部と、を備え、前記ダイアフラムと前記圧電素子との間および当該圧電素子と前記加圧固定部との間の少なくともいずれかには、当該圧電素子よりもヤング率が小さい導電材料で構成される導電部材が設けられていることを特徴とする圧力検出装置である。

ここで、前記圧電素子はランガサイト系結晶または水晶であり、前記導電部材はチタン、チタン合金、銅のいずれかであるとよい。これにより、ダイアフラムに作用する圧力を圧電素子に伝える機能をあまり低下させずに、ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くすることができる。

また、前記導電部材は、前記ダイアフラムと前記圧電素子との間に配置され、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部材であるとよい。これにより、ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くすることができる。
また、前記導電部材は、前記加圧固定部と前記圧電素子との間に配置され、前記ダイアフラムを介して当該圧電素子に作用した力を受ける部材であるとよい。これにより、ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くすることができる。

また、他の観点から捉えると、本発明は、燃焼室を構成し、燃焼室内と外部とを連通する連通孔が形成された構造体と、前記構造体の前記連通孔に挿入可能な筒状のハウジングと、当該ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、当該ハウジング内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出する圧電素子と、当該圧電素子の後端側に配置され、当該圧電素子を加圧するとともに当該圧電素子に荷重を作用させた状態で当該ハウジングに固定される加圧固定部と、を有する圧力検出装置と、を備え、前記圧力検出装置の前記ダイアフラムと前記圧電素子との間および当該圧電素子と前記加圧固定部との間の少なくともいずれかには、当該圧電素子よりもヤング率が小さい導電材料で構成される導電部材が設けられていることを特徴とする圧力検出装置付き内燃機関である。

前記圧力検出装置の前記圧電素子はランガサイト系結晶または水晶であり、前記導電部材はチタン、チタン合金、銅のいずれかであるとよい。これにより、圧力検出装置のダイアフラムに作用する圧力を圧電素子に伝える機能をあまり低下させずに、ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くすることができる。

本発明によれば、ノッキングが発生した場合でも圧電素子を破損し難くすることができる。

実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。 図１のＩＩ部の拡大図である。 圧力検出装置の概略構成図である。 図３のＩＶ−ＩＶ部の断面図である。 図４のＶ部の拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
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。

シリンダヘッド４には、燃焼室Ｃと外部とを連通する連通孔４ａが形成されている。連通孔４ａは、燃焼室Ｃ側から、第１の孔部４ｂと、第１の孔部４ｂの孔径から徐々に径が拡大している傾斜部４ｃと、第１の孔部４ｂの孔径よりも孔径が大きい第２の孔部４ｄと、を有している。第２の孔部４ｄを形成する周囲の壁には、圧力検出装置５に形成された後述するハウジング３０の雄ねじ３３２ａがねじ込まれる雌ねじ４ｅが形成されている。

以下に、圧力検出装置５について詳述する。
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。

先ずは、センサ部１００について説明する。
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２の電極部５５を電気的に絶縁するアルミナセラミック製の絶縁リング６０と、絶縁リング６０よりも後端側に設けられて、信号処理部２００の後述する覆い部材２３の端部を支持する加圧固定部の一例としての支持部材６５と、第２の電極部５５と後述する伝導部材２２との間に介在するコイルスプリング７０と、を備えている。

圧電素子１０は、圧電縦効果の圧電作用を示す圧電体を有している。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作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。本実施形態に係る圧電素子１０は、中心線方向が応力印加軸の方向となるようにハウジング３０内に収納されている。

次に、圧電素子１０に圧電横効果を利用した場合を例示する。圧電横効果とは、圧電体の電荷発生軸に対して直交する位置にある応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。薄板状に薄く形成した圧電体を複数枚積層して構成しても良く、このように積層することで、圧電体に発生する電荷を効率的に集めてセンサの感度を上げることができる。圧電単結晶としては、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、本実施形態の圧電素子１０には、圧電体としてランガサイト単結晶を用いている。

ハウジング３０は、先端側に設けられた第１のハウジング３１と、後端側に設けられた第２のハウジング３２と、を有する。
第１のハウジング３１は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔３１０が形成された薄肉円筒状の部材である。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。
孔３１０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１の孔３１１と、第１の孔３１１の孔径よりも大きな孔径の第２の孔３１２と、から構成される。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２のハウジング３２は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔３２０が形成された筒状の部材であり、外部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された外周面３３０が設けられている。
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。

外周面３３０は、先端側から後端側にかけて、第１の外周面３３１と、第１の外周面３３１の外径よりも大きな外径の第２の外周面３３２と、第２の外周面３３２の外径よりも大きな外径の第３の外周面３３３と、第３の外周面３３３の外径よりも大きな外径の第４の外周面３３４と、第４の外周面３３４の外径よりも小さな外径の第５の外周面３３５と、から構成される。第２の外周面３３２における先端部には、シリンダヘッド４の雌ねじ４ｅにねじ込まれる雄ねじ３３２ａが形成されている。第３の外周面３３３には、後述する第１のシール部材７１がすきまばめで嵌め込まれ、第３の外周面３３３の外径と第１のシール部材７１の内径との寸法公差は、例えば零から０．２ｍｍとなるように設定される。第４の外周面３３４における後端部は、周方向に等間隔に６つの面取りを有する正六角柱に形成されている。この正六角柱に形成された部位が、圧力検出装置５をシリンダヘッド４に締め付ける際に、締付用の工具が嵌め込まれ、工具に付与された回転力が伝達される部位となる。第５の外周面３３５における中心線方向の中央部には、外周面から凹んだ凹部３３５ａが全周に渡って形成されている。

また、第２のハウジング３２は、第４の孔３２４から第５の孔３２５への移行部分であり、第５の孔３２５における先端部には、信号処理部２００の後述する覆い部材２３の基板被覆部２３２における先端側の端面が突き当たる突当面３４０が設けられている。突当面３４０には、後述する信号処理部２００のプリント配線基板２１０の第２の接続ピン２１ｂが差し込まれるピン用凹部３４０ａが形成されている。

第１のハウジング３１および第２のハウジング３２は、燃焼室Ｃに近い位置に存在するため、少なくとも、−４０〜３５０〔℃〕の使用温度環境に耐える材料を用いて製作することが望ましい。具体的には、耐熱性の高いステンレス鋼材、例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等を用いることが望ましい。

ダイアフラムヘッド４０は、円筒状の円筒状部４１と、円筒状部４１の内側に形成された内側部４２と、を有している。
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。突出部４２ａおよび凹部４２ｂが、中央領域にて後端側へ凹む凹み部の一例として機能する。
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。

第１の電極部５０は、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の部材であり、第１の円柱部５１と、第１の円柱部５１の外径よりも大きな外径の第２の円柱部５２と、から構成される。第１の円柱部５１の外径はダイアフラムヘッド４０の進入部４１ａの内径よりも小さく、第２の円柱部５２の外径は第１のハウジング３１の第１の孔３１１の孔径と略同じである。そして、第１の円柱部５１における先端側の端面がダイアフラムヘッド４０の内側部４２の突出部４２ａと、第２の円柱部５２における後端側の端面が圧電素子１０における先端側の面とに接触するように配置される。第２の円柱部５２の外周面が第１のハウジング３１の内周面と接触すること、および／または第１の円柱部５１における先端側の端面がダイアフラムヘッド４０と接触することによって、圧電素子１０における先端部は、ハウジング３０と電気的に接続される。
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側の端面である第２の円柱部５２におけ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２の電極部５５は、円柱状の部材であり、先端側の端面が圧電素子１０における後端側の端面に接触し、一方の端部側の端面が絶縁リング６０に接触するように配置される。第２の電極部５５における後端側の端面には、この端面から後端側に突出する円柱状の突出部５５ａが設けられている。突出部５５ａは、端面側の基端部と、この基端部の外径よりも小さな外径の先端部と、を有する。突出部５５ａの外径は絶縁リング６０の内径よりも小さく設定されるとともに、突出部５５ａの長さは絶縁リング６０の幅（中心線方向の長さ）よりも長く設定され、突出部５５ａの先端が絶縁リング６０から露出している。この第２の電極部５５は、第１の電極部５０との間で圧電素子１０に対して一定の荷重を加えるように作用する部材であり、圧電素子１０側の端面は、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とともに平行かつ平滑面に形成されている。第２の電極部５５の外径は第１のハウジング３１の第２の孔３１２の孔径よりも小さくなるように設定されており、第２の電極部５５の外周面と第１のハウジング３１の内周面との間には隙間がある。

絶縁リング６０は、アルミナセラミックス等により形成された円筒状の部材であり、内径（中央部の孔径）は、第２の電極部５５の突出部５５ａの基端部の外径よりもやや大きく、外径は、第１のハウジング３１の第２の孔３１２の孔径と略同じに設定されている。第２の電極部５５は、突出部５５ａが絶縁リング６０の中央部の孔に挿入されて配置されることで、中心位置と第１のハウジング３１の第２の孔３１２の中心とが同じになるように配置される。

支持部材６５は、先端側から後端側にかけて、内部に、径が異なる複数の円柱状の孔６５０が形成され、外周面が同一の、筒状の部材である。
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。
支持部材６５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。

コイルスプリング７０は、内径が、第２の電極部５５の突出部５５ａの先端部の外径以上で基端部の外径より小さく、外径が、後述する伝導部材２２の挿入孔２２ａの径よりも小さい。コイルスプリング７０の内側に第２の電極部５５の突出部５５ａの先端部が挿入されるとともに、コイルスプリング７０は、後述する伝導部材２２の挿入孔２２ａに挿入される。コイルスプリング７０の長さは、第２の電極部５５と伝導部材２２との間に圧縮した状態で介在することができる長さに設定されている。コイルスプリング７０の材質としては、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金を用いるとよい。また、コイルスプリング７０の表面に金メッキを施すことで、電気伝導を高めるとよい。

次に、信号処理部２００について説明する。
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。

回路基板部２１は、センサ部１００の圧電素子１０から得られる微弱な電荷を増幅するための回路を構成する電子部品などが実装されたプリント配線基板２１０を有する。プリント配線基板２１０における先端部には、伝導部材２２における後端部を電気的に接続するための第１の接続ピン２１ａと、接地用および位置決め用の第２の接続ピン２１ｂとが半田付けなどにより接続されている。また、プリント配線基板２１０における後端部には、伝送ケーブル８の先端部のコネクタ８ａを介して制御装置６と電気的に接続する第３の接続ピン２１ｃが３つ、半田付けなどにより接続されている。３つの第３の接続ピン２１ｃは、それぞれ、制御装置６からプリント配線基板２１０への電源電圧およびＧＮＤ電圧の供給、プリント配線基板２１０から制御装置６への出力電圧の供給に用いられる。

伝導部材２２は、棒状（円柱状）の部材であり、先端部には、第２の電極部５５の突出部５５ａの先端部が挿入される挿入孔２２ａが形成されている。伝導部材２２における後端部は、回路基板部２１のプリント配線基板２１０に、導線を介して電気的に接続される。伝導部材２２の材質としては、真鍮及びベリリウム銅等を例示することができる。この場合、加工性およびコストの観点からは、真鍮が望ましい。これに対して、電気伝導性、高温強度、信頼性の観点からは、ベリリウム銅が望ましい。

覆い部材２３は、伝導部材２２の外周を覆う伝導部材被覆部２３１と、回路基板部２１のプリント配線基板２１０の側面および下面を覆う基板被覆部２３２と、プリント配線基板２１０に接続された第３の接続ピン２１ｃの周囲を覆うとともに伝送ケーブル８の先端部のコネクタ８ａが嵌め込まれるコネクタ部２３３と、を有している。

伝導部材被覆部２３１は、中心線方向には、伝導部材２２における先端部を露出するように覆っており、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された外周面２４０が設けられている。外周面２４０は、先端側から後端側にかけて、第１の外周面２４１と、第１の外周面２４１の外径よりも大きな外径の第２の外周面２４２と、第２の外周面２４２の外径よりも大きな外径の第３の外周面２４３と、第３の外周面２４３の外径よりも大きな外径の第４の外周面２４４と、から構成される。第１の外周面２４１の径は、支持部材６５の第３の孔６５３の孔径よりも大きく、伝導部材被覆部２３１における先端部が、支持部材６５の第３の孔６５３を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合（圧入）される。第２の外周面２４２の径は、第２のハウジング３２の第２の孔３２２の孔径よりも小さく形成され、第３の外周面２４３の径は、第２のハウジング３２の第３の孔３２３の孔径よりも小さく形成されている。また、第４の外周面２４４の径は、第２のハウジング３２の第４の孔３２４の孔径よりも大きく、伝導部材被覆部２３１における後端部が、第２のハウジング３２の第４の孔３２４を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合（圧入）される。これらにより、伝導部材被覆部２３１は、少なくとも中心線方向の両端部が、それぞれ支持部材６５、第２のハウジング３２に接触することで支持されているので、劣悪な振動環境であっても、伝導部材２２に与える悪影響を抑制することができ、振動に起因して伝導部材２２の接続部の断線や接触不良等を回避することが可能になっている。

基板被覆部２３２は、基本的には円筒状の部位であり、その側面には、プリント配線基板２１０を内部に設置するための矩形の開口部２３２ａが設けられている。また、基板被覆部２３２における後端側には、ハウジング３０内およびプリント配線基板２１０設置部を密封するためのＯリング２４用のリング溝２３２ｂが形成されている。

コネクタ部２３３は、基板被覆部２３２における後端側の端面２３２ｃから突出し、プリント配線基板２１０に接続された３つの第３の接続ピン２１ｃの周囲を覆うように形成された薄肉の部位である。コネクタ部２３３における後端部は開口しており、内部に伝送ケーブル８の先端部に設けられたコネクタ８ａを受け入れることが可能になっている。また、コネクタ部２３３における後端側には、内部と外部とを連通する孔２３３ａが形成されており、伝送ケーブル８のコネクタ８ａに設けられたフックがこの孔２３３ａに引っ掛ることで、伝送ケーブル８のコネクタ８ａがコネクタ部２３３から脱落することが抑制される。

以上のように構成された覆い部材２３は、樹脂などの絶縁性を有する材料にて成形されている。また、覆い部材２３は、伝導部材２２、第１の接続ピン２１ａ、第２の接続ピン２１ｂおよび３つの第３の接続ピン２１ｃとともに一体成形されている。より具体的には、覆い部材２３は、これら伝導部材２２、第１の接続ピン２１ａ、第２の接続ピン２１ｂおよび３つの第３の接続ピン２１ｃをセットした金型に加熱した樹脂が押し込まれることで成形される。

信号処理部２００をユニット化するにあたっては、成形された覆い部材２３の開口部２３２ａから、回路基板部２１のプリント配線基板２１０を挿入し、基板被覆部２３２の中央部に設置する。プリント配線基板２１０を設置する際、板厚方向に貫通されたスルーホールに、第１の接続ピン２１ａ、第２の接続ピン２１ｂおよび３つの第３の接続ピン２１ｃの先端を通し、半田付けする。その後、第１の接続ピン２１ａと伝導部材２２とを導線を用いて接続する。また、覆い部材２３の基板被覆部２３２のリング溝２３２ｂにＯリング２４を装着する。Ｏリング２４は、フッ素系ゴムからなる周知のＯ状のリングである。

次に、保持部材３００について説明する。
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。

以上のように構成された圧力検出装置５は、以下に示すように組み立てられる。
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。

その後、第１のハウジング３１における後端側の開口部から、第１の電極部５０および圧電素子１０を挿入する。その後、第２の電極部５５の突出部５５ａの先端部にコイルスプリング７０を装着するとともに、第２の電極部５５の突出部５５ａに絶縁リング６０を挿入した状態の物を、第１のハウジング３１における後端側の開口部から挿入する。その後、支持部材６５を第１のハウジング３１における後端側の開口部から挿入する。

その後、圧電素子１０の感度および直線性を高めるべく、第１のハウジング３１内の圧電素子１０に、予め荷重（予荷重）を作用させる。すなわち、支持部材６５における後端部に装着した専用治具で、この支持部材６５を、後端側から先端側に向けて中心線方向に加圧する。そして、ダイアフラムヘッド４０の内側部４２における先端側の端面の中心線方向の変位量が、支持部材６５を加圧する前から予め定められた長さとなるまで加圧する。そして、ダイアフラムヘッド４０の内側部４２の先端側の端面が予め定められた長さ変位したところで、支持部材６５と第１のハウジング３１とを固定する。固定方法としては、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することを例示することができる。レーザビームは、円周方向の全周に照射してもよいし、円周方向に等間隔にスポット的に照射してもよい。支持部材６５と第１のハウジング３１とを固定した後に、上記専用治具を取り外す。これにより、第１のハウジング３１内の圧電素子１０に予荷重が作用した状態となる。

その後、第１のハウジング３１の突出部３１５の垂直面３１５ｂと第２のハウジング３２における先端側の端面とが接触するまで、第１のハウジング３１と第２のハウジング３２とを嵌合（圧入）する。その後、第１のハウジング３１の垂直面３１５ｂと第２のハウジング３２の端面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と第２のハウジング３２とを溶接する。

その後、信号処理部２００の覆い部材２３の基板被覆部２３２における先端側の端面が第２のハウジング３２の突当面３４０に突き当たるまで、信号処理部２００を、第２のハウジング３２における後端側の開口部から挿入する。その際、信号処理部２００の伝導部材２２の挿入孔２２ａに、第２の電極部５５の突出部５５ａに装着されたコイルスプリング７０が入り込むとともに、第２のハウジング３２の突当面３４０に形成されたピン用凹部３４０ａに、プリント配線基板２１０に接続された第２の接続ピン２１ｂが入り込むように、信号処理部２００を挿入する。

その後、信号処理部２００の基板被覆部２３２の端面２３２ｃに保持部材３００の突出部３００ａが突き当たるまで、保持部材３００を、後端側から信号処理部２００に嵌め込んでいく。信号処理部２００の端面２３２ｃと保持部材３００の突出部３００ａとが接触した状態で、保持部材３００における、第２のハウジング３２の第５の外周面３３５の凹部３３５ａに対応する部位が加圧されることで、保持部材３００が第２のハウジング３２にかしめられる。これにより、保持部材３００がハウジング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に対して移動し難くなる。
このようにして圧力検出装置５は組み立てられる。

ここで、上述した圧力検出装置５における電気的な接続構造について説明する。
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を介して、金属製のハウジング３０と電気的に接続される。

これに対し、圧電素子１０における後端側の端面は、金属製の第２の電極部５５と電気的に接続され、第２の電極部５５は、突出部５５ａを介して金属製のコイルスプリング７０と電気的に接続される。また、コイルスプリング７０は、金属製の伝導部材２２と電気的に接続され、伝導部材２２は、プリント配線基板２１０と電気的に接続される。他方、第２の電極部５５の突出部５５ａの外径は支持部材６５の第１の孔６５１の孔径よりも小さく、伝導部材２２における先端部の外径は支持部材６５の第２の孔６５２の孔径よりも小さい。つまり、第２の電極部５５、コイルスプリング７０および伝導部材２２は、支持部材６５と電気的に接続されていない。それゆえ、第２の電極部５５からコイルスプリング７０および伝導部材２２を介してプリント配線基板２１０へと至る電荷信号の伝送経路は、それぞれが絶縁体で構成された、絶縁リング６０および覆い部材２３によって、金属製のハウジング３０と電気的に絶縁される。

以上のように構成された圧力検出装置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に挿入していき、ハウジング３０の第２のハウジング３２に形成された雄ねじ３３２ａをシリンダヘッド４の連通孔４ａに形成された雌ねじ４ｅにねじ込む。
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。

そして、内燃機関１の作動時には、センサ部１００のダイアフラムヘッド４０の内側部４２に燃焼圧が付与する。ダイアフラムヘッド４０に付与された燃焼圧が、第１の電極部５０と第２の電極部５５とによって挟まれた圧電素子１０に作用することにより、この圧電素子１０に燃焼圧に応じた電荷が生じる。そして、圧電素子１０に生じた電荷は、第２の電極部５５、コイルスプリング７０、伝導部材２２を介して回路基板部２１に付与される。回路基板部２１に付与された電荷は、回路基板部２１にて増幅処理がなされた後、その電荷に応じた電圧が、回路基板部２１に接続された第３の接続ピン２１ｃ、伝送ケーブル８を介して制御装置６に供給される。

次に、シール部材７について説明する。
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。

第１のシール部材７１は、銅、ステンレス、アルミなどの金属板を打ち抜いて成形されたメタルガスケットであることを例示することができる。断面形状はＳ字状、または略矩形に形成されているとよい。第１のシール部材７１は、圧力検出装置５がシリンダヘッド４に締め付けられる際に、締め付け方向の力を受けて、締め付け方向の長さが短くなるように変形し、燃焼室Ｃ内の気密性を高める。すなわち、圧力検出装置５がシリンダヘッド４にねじ込まれることで、第１のシール部材７１とシリンダヘッド４との間に生じる接触圧力、および第１のシール部材７１と圧力検出装置５のハウジング３０との間に生じる接触圧力が高まる。これにより、第１のシール部材７１とシリンダヘッド４との間、および第１のシール部材７１と圧力検出装置５のハウジング３０との間から燃焼ガスが漏れることが抑制される。

第２のシール部材７２は、材質がフッ素ゴム（ＦＫＭ）の、断面が円形であるリング状のＯリングであることを例示することができる。第２のシール部材７２は、圧力検出装置５がシリンダヘッド４に締め付けられる際に、シリンダヘッド４の連通孔４ａの傾斜部４ｃと、ハウジング３０の第１のハウジング３１の傾斜面３１５ａとにより、締め付け方向とは交差する方向の力を受けて変形し、燃焼室Ｃ内の気密性を高める。すなわち、圧力検出装置５がシリンダヘッド４にねじ込まれることで、第２のシール部材７２とシリンダヘッド４の連通孔４ａの傾斜部４ｃとの間に生じる接触圧力、および第２のシール部材７２とハウジング３０の第１のハウジング３１の傾斜面３１５ａとの間に生じる接触圧力が高まる。これにより、第２のシール部材７２とシリンダヘッド４との間、および第２のシール部材７２と圧力検出装置５のハウジング３０との間から燃焼ガスが漏れることが抑制される。

次に、本実施の形態に係る圧力検出装置５の圧電素子１０、ダイアフラムヘッド４０、第１の電極部５０および第２の電極部５５について詳述する。
先ずは、圧電素子１０と第１の電極部５０の形状について説明する。
燃焼室Ｃ内で、例えば、混合気の自然発火（プレ・イグニッション）によって発生した爆発と点火プラグによって発生した爆発がぶつかり合うことにより衝撃波を発生する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、横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。

そこで、本実施の形態に係る圧力検出装置５においては、圧電素子１０と第１の電極部５０とが接触する面積を大きくするべく、圧電素子１０における先端側（第１の電極部５０側）の端面である第１電極部側端面１０ａの大きさをできる限り大きくするとともに、第１の電極部５０における後端側（圧電素子１０側）の端面である圧電素子側端面５２ａの大きさをできる限り大きくする。そのために、圧電素子１０を円柱状とし、その外径を、第１のハウジング３１の第１の孔３１１の孔径と略同じとする。あるいは、圧電素子１０を直方体状とし、第１電極部側端面１０ａの対角線の長さを第１のハウジング３１の第１の孔３１１の孔径と略同じとする。他方、第１の電極部５０の形状を、圧電素子側端面５２ａの面積が圧電素子１０の第１電極部側端面１０ａの面積以上となる形状とする。つまり、圧電素子１０が、外径が第１のハウジング３１の第１の孔３１１の孔径と略同じである円柱状、または第１電極部側端面１０ａの対角線の長さが第１の孔３１１の孔径と略同じである直方体状であることを考慮し、本実施の形態に係る第１の電極部５０の第２の円柱部５２の形状を、外径が第１の孔３１１の孔径と略同じである円柱状とする。

次に、ダイアフラムヘッド４０と第１の電極部５０の形状について説明する。
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。

ダイアフラムヘッド４０の内側部４２は、中央部に突出部４２ａと凹部４２ｂとが設けられた円盤状の部材である。かかる形状とすることにより、燃焼ガスによりダイアフラムヘッド４０が高温になったとしても、熱膨張により中央部が先端側に変移し難くなり、予荷重が初期値（組み立て時の値）より小さくなることが抑制される。ただし、圧力検出装置５の中心線方向の大きさを小さくするために、ダイアフラムヘッド４０における先端側の端面からの、突出部４２ａにおける後端側端面４２ｃまでの距離を、進入部４１ａにおける後端側の端面までの距離よりも小さくし、第１の電極部５０における先端部が進入部４１ａの内側となるようにする。つまり、第１の電極部５０の第１の円柱部５１を、第２の円柱部５２の外径よりも小さな外径の円柱状とする。そして、ダイアフラムヘッド４０を介して伝達された燃焼室Ｃ内の圧力をより精度高く圧電素子１０に伝達するべく、突出部４２ａの後端側端面４２ｃの全面を、第１の電極部５０における先端側の端面であるダイアフラム側端面５１ａに接触させるようにする。すなわち、ダイアフラムヘッド４０の突出部４２ａの後端側端面４２ｃの面積よりも第１の電極部５０のダイアフラム側端面５１ａの面積の方を大きくする。

次に、圧電素子１０、第１の電極部５０および第２の電極部５５の材質について説明する。
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、横効果によって外力に比例した電荷を発生する材質であるがゆえに衝撃荷重に弱い。それゆえ、衝撃波を発生するノッキングが生じた場合でも圧電素子１０が破損しないようにすることが重要となる。そこで、本実施の形態に係る圧力検出装置５の第１の電極部５０を、ダイアフラムヘッド４０に作用する衝撃波を緩和して圧電素子１０に伝える構成とする。例えば、第１の電極部５０を、圧電素子１０のヤング率よりも小さいヤング率を持ち、かつ電気伝導性を持つ材料で構成する。その材料としては、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、銅であることを例示することができる。ただ、ダイアフラムヘッド４０に作用する燃焼圧を圧電素子１０に伝えるという機能を損なわないようにするには、その中でもヤング率が大きい、チタン、チタン合金、銅であることが望ましい。

第２の電極部５５は、圧電素子１０に予荷重を作用させた状態でハウジング３０の第１のハウジング３１に固定される支持部材６５と圧電素子１０との間に配置され、ダイアフラムヘッド４０を介して圧電素子１０に作用する力を受ける部材である。そのため、衝撃荷重に起因する圧電素子１０の破損を抑制するという観点からは、第２の電極部５５を、圧電素子１０に作用する力を緩和する構成とするとよい。つまり、第２の電極部５５を、圧電素子１０のヤング率よりも小さいヤング率を持ち、かつ電気伝導性を持つ材料で構成するとよい。その材料としては、上述した材料を例示することができる。

第１の電極部５０および第２の電極部５５をこのように構成することで、たとえ、燃焼室Ｃ内にノッキングが発生したとしても、圧電素子１０に作用する衝撃荷重が緩和されることから圧電素子１０の破損を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態では、第１の電極部５０と第２の電極部５５の両方を、圧電素子１０のヤング率よりも小さいヤング率を持ち、かつ電気伝導性を持つ材料で構成する態様について説明したが、第１の電極部５０および第２の電極部５５のいずれか一方を、圧電素子１０のヤング率よりも小さいヤング率を持ち、かつ電気伝導性を持つ材料で構成し、他方を圧電素子１０のヤング率以上のヤング率を持ち、かつ電気伝導性を持つ材料で構成してもよい。かかる構成でも、たとえ、燃焼室Ｃ内にノッキングが発生したとしても、圧電素子１０に作用する衝撃荷重が緩和されることから圧電素子１０の破損を抑制することができる。
圧電素子１０のヤング率以上のヤング率を持ち、かつ電気伝導性を持つ材料としては、ステンレス、ジルコニアであることを例示することができる。ただ、第１の電極部５０および第２の電極部５５のいずれか一方を圧電素子１０のヤング率よりも小さいヤング率を持つ材料にて構成することに起因して、ダイアフラムヘッド４０に作用する燃焼圧を圧電素子１０に伝えるという機能が低下した分、よりヤング率が大きいジルコニアにて構成することが望ましい。

１…内燃機関、２…シリンダブロック、３…ピストン、４…シリンダヘッド、５…圧力検出装置、６…制御装置、７…シール部材、８…伝送ケーブル、１０…圧電素子、２１…回路基板部、２２…伝導部材、２３…覆い部材、２４…Ｏリング、３０…ハウジング、４０…ダイアフラムヘッド、５０…第１の電極部、５５…第２の電極部、６０…絶縁リング、６５…支持部材、７０…コイルスプリング、７１…第１のシール部材、７２…第２のシール部材、１００…センサ部、２００…信号処理部、３００…保持部材

Claims (6)

1. 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出する圧電素子と、
   前記圧電素子の後端側に配置され、当該圧電素子を加圧するとともに当該圧電素子に荷重を作用させた状態で前記ハウジングに固定される加圧固定部と、
   を備え、
   前記ダイアフラムと前記圧電素子との間および当該圧電素子と前記加圧固定部との間の少なくともいずれかには、当該圧電素子よりもヤング率が小さい導電材料で構成される導電部材が設けられている
   ことを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記圧電素子はランガサイト系結晶または水晶であり、前記導電部材はチタン、チタン合金、銅のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記導電部材は、前記ダイアフラムと前記圧電素子との間に配置され、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部材である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。
4. 前記導電部材は、前記加圧固定部と前記圧電素子との間に配置され、前記ダイアフラムを介して当該圧電素子に作用した力を受ける部材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力検出装置。
5. 燃焼室を構成し、燃焼室内と外部とを連通する連通孔が形成された構造体と、
   前記構造体の前記連通孔に挿入可能な筒状のハウジングと、当該ハウジングの先端側に設けられるダイアフラムと、当該ハウジング内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出する圧電素子と、当該圧電素子の後端側に配置され、当該圧電素子を加圧するとともに当該圧電素子に荷重を作用させた状態で当該ハウジングに固定される加圧固定部と、を有する圧力検出装置と、
   を備え、
   前記圧力検出装置の前記ダイアフラムと前記圧電素子との間および当該圧電素子と前記加圧固定部との間の少なくともいずれかには、当該圧電素子よりもヤング率が小さい導電材料で構成される導電部材が設けられていること
   を特徴とする圧力検出装置付き内燃機関。
6. 前記圧力検出装置の前記圧電素子はランガサイト系結晶または水晶であり、前記導電部材はチタン、チタン合金、銅のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の圧力検出装置付き内燃機関。

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