JP2004317491A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃エンジンシリンダ用圧力センサ（２０）を提供する。
【解決手段】 センサは一対の端部（２４、２６）を持つハウジング（２２）及びこのハウジングを貫通したボア（２８）を有する。バレル（５２）がボアに一方の端部に向かって取り付けられる。バレルはキャビティ（５５）を有する。圧電性本体（４５）がこのキャビティに取り付けられる。圧電性本体は第１及び第２の電極（４８、４９）を有する。圧電性本体は、シリンダ内の圧力を示す電気信号を発生する。プレート（６０）がバレルと隣接して取り付けられる。プレートはバレルをハウジング内に保持する。電子回路（７３）がボアに他方の端部に向かって取り付けられる。電子回路は電極に電気的に接続される。電子回路は、電極から電気信号を受け取り、調整した電気信号を出力として提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧力センサに関し、更に詳細には内燃エンジンで使用するための圧力センサに関する。

現在、内燃エンジンは、作動中にシリンダ内部に高い圧力を発生する。燃焼中に発生した圧力は、燃焼プロセスを理解する上で有用であり、エンジンの作動を制御するのにも使用できる。燃焼室内の経時的圧力変化の計測は、点火時期及びバルブの作動を制御する上でパラメータとして使用できる。コンピュータ化エンジン制御装置の出現により、制御アルゴリズムで追加の情報を使用できるようになった。コンピュータにより、圧力の変化を高精度で正確に分析できる。良好に制御する上で、比較的手頃な圧力センサが必要とされている。排気ガス規制により、車輛の全てのシリンダの燃焼圧力を監視することが益々必要となった。

エンジン用圧力センサは、燃焼中の高い熱応力、化学的作用、及び機械的負荷サイクルによる振動を取り扱うことができなければならない。圧力センサは、過酷な環境で、安定していなければならず、温度変化に反応してはならない。

従来、シリンダ内部の圧力を計測するために様々な種類のセンサが使用されてきた。これらのセンサには、精度、費用、及び信頼性に関して様々な問題がある。圧力を計測するため、クォーツ圧力センサが使用されてきた。クォーツセンサには圧縮されたときに電荷の変化が加わる。これは、加えられた圧力と比例する。ダイアフラムがセンサと検出がなされる環境との間に配置されている。圧力が変化するとき、ダイアフラムに作用する力、及び従ってセンサに作用する力が変化する。残念なことに、大きな熱勾配により、高温の燃焼ガスと隣接するダイアフラムの外側面が膨張する。比較的低温のダイアフラムの内面は外側程膨張しない。正味の効果は、ダイアフラムオイルカン即ち高い方の温度に向かってセンサが遠ざかるように湾曲する。これが起こったとき、検出された力は、ダイアフラムとクォーツセンサとの間の接触が失われるために実際よりも低い不正確な読みとなる。熱サイクルの繰り返し後、ダイアフラムの溶接部が壊れ、センサを破壊する。ダイアフラムは、更に、磨耗や腐蝕により損傷する場合がある。クォーツ圧力センサは、更に、非常に高価であり、大量製造に適していない。

精度及び信頼性が高く且つ低価格の自動車エンジンシリンダ用圧力センサに対する必要が未だ満たされていない。

本発明の特徴は、内燃エンジン用圧力センサを提供することである。
本発明の特徴は、一対の端部及び貫通ボアを持つハウジングを含む圧力センサを提供することである。ボアにバレルが一方の端部に向かって取り付けられている。バレルはキャビティを有する。圧電性本体がキャビティに取り付けられる。圧電性本体は第１及び第２の電極を有する。圧電性本体は、検出された圧力を示す電気信号を発生する。プレートがバレルと隣接して取り付けられる。このプレートは、バレルをハウジング内に保持する。電子回路がボアに他方の端部に向かって取り付けられている。電子回路が電極に電気的に連結している。この電子回路は電気信号を入力として受け取り、調整した電気信号を出力として提供するようになっている。

本発明の図面は縮尺通りでないということに着目されたい。添付図面では、図面間で同様の参照番号が同様のエレメントに付してある。
図１及び図２を参照すると、エンジンシリンダ圧力センサ２０が示してある。圧力センサ２０は、端部２４及び２６を持つ円筒形ハウジング２２を含む。ボア２８がハウジング２２の中央を貫通している。ハウジングは、ボア２８内に延びるリップ３０を端部２４に備えている。ハウジングは外面３１及び内面３２を有する。一対の凹所３３が端部２６に向かって配置されている。レンチでセンサを回すことができるように、幾つかの平らな面３４がハウジング２２の外側に配置されている。ハウジングは、ステンレス鋼等の金属で形成できる。内燃エンジンのシリンダヘッドに取り付けるため、代表的には、ハウジングの外側にはねじ山が設けられている。シリンダヘッドは、燃焼室に続くねじ山を備えた開口部を有する。ハウジングをこのねじ山を備えた開口部にねじ込む。プレス嵌め、接着剤、又はファスナ等の他のハウジング取り付け方法を使用できる。

セラミック熱遮蔽体４０がボア２８の内側で端部２４に取り付けられている。この熱遮蔽体は、上面４１、底面４２、及びフランジ４３を有する。フランジ４３はリップ３０に載止し、熱遮蔽体をハウジングに対して保持する。熱遮蔽体により、燃焼プロセス中に発生した熱によりセンサが損傷を被ることがないようにする。熱遮蔽体４０は、ガラス−アルミナセラミックから形成できる。熱遮蔽体４０は熱伝導率が低い。

断熱バレル５２がボア２８に取り付けられている。バレル５２は端部５３、５４、及びキャビティ５５を有する。バレル５２は内面５９及び外面５８を有する。導線通路５６が内面５９に沿って延び、端部５４を通過する。別の導線通路５７が端部５４を貫通している。バレル５５をボア２８に嵌着する。バレルは、熱可塑性材料又は熱硬化性材料等の高温断熱弾性材料から形成できる。

圧電性本体４５をキャビティ５５に取り付ける。圧電性本体４５は一対の表面４６及び４７を有する。電極４８が表面４７に取り付けられ、電極４９が表面４６に取り付けられる。圧電性本体４５は、外側面５０を有する。圧電性本体４５は、ペンシルバニア州の州立大学のシネソラ社から商業的に入手できるビスマスチタネート等のセラミック材料から形成できる。鉛メタニオベート、クォーツ、又はランガサイト等の他の材料を使用することもできる。使用された材料は、５００℃以上の高いキュリー温度及び高い圧力応答を必要とする。ビスマスチタネートのキュリー温度は６００℃以上であり、熱膨張率は５．５ｐｐｍ華氏度であり、Ｄ３３方向での圧電帯電定数は１８ｐＣ／Ｎである。

これらのパラメータにより、高出力で安定した圧力センサが提供される。電極は、好ましくは、本体にスパッターで付着した金から形成される。製造中、電極４８と４９との間に高い電圧を加えることによって圧電性本体を分極する。高い電圧により、電極間を延びる軸線に沿って強誘電分域を整合させる。分極により、本体４５を、一つの方向で加えられた力に対し、他の方向で加えられた多くの力に対するよりも敏感にできる。

プレート６０は、端部６３、６４、及びねじ山６２を有する。プレート６０をボア２８にねじ込む。ねじ山６２は、表面３２に設けられた雌ねじ及びプレート６０の外面に設けられた雄ねじを含む。端部６３が端部５４に押し付けられてバレル５８及び熱遮蔽体４０をボア２８内に保持する。導線通路５７がプレート６０を貫通している。

キャップ６６は端部６７及び６８を有する。キャップ６６は、外方に延びる突出部６９を有する。キャップ６６はハウジング端部２６のところでボア２８に嵌着される。突出部６９を凹所３３にプレス嵌めし、キャップ６６をハウジング２２に対して保持する。キャップ６６がボア２８をシールする。キャップ６６はプラスティックで形成できる。キャップ６６には三つの端子７０が設けられている。

端子７０は導線７５によって電子回路７３に接続される。電子回路７３は基板７２に取り付けられている。基板７２は内面３２に取り付けられる。導線７４が回路７３を電極４８及び４９に電気的に接続する。導線７４は導線通路５６及び５７を通過する。導線７４及び７５は、高温はんだによって電極４８及び４９に取り付けられる。同様に、導線７４及び７５は基板７２に高温はんだによって取り付けられる。

電子回路７３は、電極のところで発生した電気信号を増幅し調整する。電子回路７３は、電極からの充電信号を電圧信号に変換するために充電増幅器を使用する。回路７３は、ピロ電気効果の電圧信号を補償し、出力を所望範囲に制御する。ピロ電気効果により、出力が変化する。これは本体４５の温度が変化するためである。

図３は、内燃エンジンで使用されたセンサ２０の圧力の時間に対する変化を示すグラフである。幾つかのエンジン事象に、グラフ上でバルブの開閉や点火プラグの点火等の記載がなされている。エンジンシリンダ圧力が上昇すると、本体４５に作用する圧力が上昇して電極４８及び４９に作用する電荷の量を変化させる。この変化を電子回路７３で検出して増幅し、出力信号として端子７０に提供する。
〔組み立てプロセス〕
センサ２０の組み立ては以下のプロセス工程で行われる。
１．導線７４を電極４８及び４９にはんだ付けする。
２．本体４５をキャビティ５５内に置き、導線７４を通路５６及び５７を通して延ばす。
３．熱遮蔽体４０をフランジ４３がリップ３０に当たった状態でボア２８内に置く。
４．本体４５を含むバレル５２をボア２８内に熱遮蔽体４０に当てて置く。
５．導線７４をプレート６０に通す。
６．プレート６０をハウジング２２にねじ込んでバレル５２に当てる。
７．基板７２をボア２８に取り付ける。
８．導線７５を端子７０及び回路７３に取り付ける。
９．キャップ６６をハウジング２２にスナップ嵌めする。
１０．センサ２０を電気的に試験する。
〔好ましい実施例〕
図４及び図５を参照すると、これらの図にはエンジンシリンダ圧力センサ２００の好ましい実施例が示してある。圧力センサ２００はセンサ２０と同様である。センサ２００では、ハウジング２２の代わりに内ハウジング２２２及び外ハウジング２０２を含む二部品ハウジングを使用する。内ハウジング２２２は、端部２２６及びこの端部２２６の近くの外周に設けられたねじ山２２３を含む。外ハウジング２０２は、端部２０８、キャビティ２１０、外面２０４、平らな面２０６、ねじ山２２３、及びフランジ２６０を有する。ねじ山２２３は端部２２４の近くの内周に配置されている。内ハウジング２２２を外ハウジング２０２にねじ込む。本体４５はバレル５８内に保持され、このバレルはボア２８内に収容される。組み立て後、外ハウジング２０２のフランジ２６０をバレル端部５４に押し付ける。バレル５８は、リップ３０とフランジ２６０との間でボア２８内に保持される。内ハウジングを外ハウジングに対して回転させることによって、圧電性本体４５に作用する初期圧力の量を調節することができる。電子回路７３は、センサ２０におけるのと同様にキャビティ２１０内に取り付けられる。センサ２００の作動はセンサ２０と同様である。
〔意見〕
圧力センサの設計及び使用における当業者は、本発明を使用することによって得られる多くの利点を理解するであろう。従来技術のセンサのダイアフラムをなくすことにより、センサの主要な故障原因の一つがなくなり、更に組み立て費用が低くなる。

本発明の追加の利点は、圧力の変化に対する感度が向上することである。圧電性本体が圧力容器と直接的に接触しているため、センサは、圧力の変化に対して直接反応できる。従来技術のセンサは、センサと圧力容器との間に配置されたダイアフラムを有する。ダイアフラムは、センサの応答時間及び精度を低下する。

本発明の別の利点は、信号調整電子装置がセンサと隣接して組み込まれていることである。信号調整電子装置をセンサと隣接して位置決めすることにより、ＥＭＩ／ＥＭＣノイズの問題点を小さくし、センサの応答時間を改善する。
〔変形例〕
図６及び図７を参照すると、エンジンシリンダ圧力センサ３００の別の実施例が示してある。圧力センサ３００はセンサ２０と同様である。センサ３００では、電極の位置が圧電性本体４５の端部から外面１５０に移動させてある。

圧電性本体１４５はキャビティ５５に取り付けられる。圧電性本体１４５は端部１４６及び１４７を有する。薄い熱遮蔽体１４０が端部１４７に適用されている。熱遮蔽体１４０は燃焼室に露呈される。フランジ１５２がリップ３０に当たり、本体１４５をハウジングに対して保持する。フランジ１５２及び端部１４７に向かって外方に延びる領域が電極を断熱し、燃焼プロセス中に発生した熱により電子装置が損傷することがないようにする。

金製電極１４８及び１４９が外面１５０に取り付けられている。圧電性本体１４５は、本体４５と同じ材料から形成される。導線７４が導線通路５６及び５７を通過し、電極１４８及び１４９に接続する。

センサ３００では、圧電性本体１４５は電極間で分極されている。本体１４５の分極は、本体４５の分極に対して垂直である。
圧電性本体１４５は、電極１４８と１４９との間で発生した圧力を計測する。センサ３００では、バレル５２は、圧力が電極間の軸線に沿っで伝達されるようにするため、可撓性又は弾性がセンサ２０よりも小さい材料で製作しなければならない。

特に上述の実施例を参照して本発明を説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形体及び詳細を変更できるということは当業者には理解されよう。上述の実施例は、全ての点に関し単なる例示であって限定ではないと考えられるべきである。従って、本発明の範囲は、以上の説明ではなく特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の意味及び等価性の範囲内の全ての変更は、特許請求の範囲内に含まれる。

エンジンシリンダ圧力センサの分解斜視図である。 図１の断面図である。 図１のセンサの時間に対する圧力の変化のグラフである。 エンジンシリンダ圧力センサの好ましい実施例の分解斜視図である。 図４の断面図である。 エンジンシリンダ圧力センサの別の実施例の分解斜視図である。 図６の断面図である。

符号の説明

２０ 内燃エンジンシリンダ用圧力センサ
２２ ハウジング
２４、２６ 端部
２８ ボア
４５ 圧電性本体
４８、４９ 電極
５２ バレル
５５ キャビティ
６０ プレート
７３ 電子回路

Claims (21)

1. 圧力センサにおいて、
   ａ）第１端及び第２端及び貫通ボアを持つハウジング、
   ｂ）前記第１端と隣接してボアに取り付けられた熱遮蔽体、
   ｃ）前記熱遮蔽体と隣接して前記ボアに取り付けられた、キャビティを持つバレル、
   ｄ）前記キャビティに取り付けられた、第１面及び第２面を持つ、検出された圧力を示す電気信号を発生する圧電性本体、
   ｅ）前記第１面に、前記熱遮蔽体と隣接して取り付けられた第１電極、
   ｆ）前記第２面に取り付けられた第２電極、及び
   ｇ）前記ハウジングに取り付けられており且つ前記第１及び第２の電極に電気的に連結された、電気信号に対して電気的接続を提供するようになった第１及び第２の端子を含む、圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、電気信号を調整するため、電子回路が前記ボアに取り付けられている、圧力センサ。
3. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、第１及び第２の導線が前記第１及び第２の電極と前記電子回路との間に接続されている、圧力センサ。
4. 請求項３に記載の圧力センサにおいて、プレートが前記バレルと隣接して取り付けられており、前記プレートは前記バレルを前記ハウジング内に保持し、前記第１及び第２の導線は、前記プレート及び前記バレルの導線通路を通る、圧力センサ。
5. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記プレートにはねじ山が設けられており、前記ボアの一部にねじ山が設けられており、これらのねじ山によって前記プレートは前記ハウジングに保持されている、圧力センサ。
6. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記圧力センサは、内燃エンジンに取り付けられており、前記熱遮蔽体はエンジンシリンダに露呈されている、圧力センサ。
7. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記熱遮蔽体はフランジを有し、このフランジが前記熱遮蔽体を前記ハウジング内に保持する、圧力センサ。
8. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記圧電性本体は、
   ａ）ビスマスチタネート、
   ｂ）鉛メタニオベート、及び
   ｃ）ランガサイトからなる群から選択される、圧力センサ。
9. 内燃エンジンのシリンダ内の圧力を検出するための圧力センサにおいて、
   ａ）第１端及び第２端、及び貫通ボアを持つハウジング、
   ｂ）前記第１端と隣接して前記ボア内に取り付けられた、キャビティを持つバレル、
   ｃ）前記キャビティ内に取り付けられており、前記エンジンシリンダに露呈されるようになった少なくとも一方の表面を有し、前記エンジンシリンダ内の圧力を示す電気信号を発生する、圧電性本体、
   ｄ）前記圧電性本体に取り付けられた第１及び第２の電極、及び
   ｅ）前記ハウジングに取り付けられており且つ前記第１及び第２の電極に電気的に接続された、前記電気信号に対して電気的接続を提供するようになった第１及び第２の端子を含む、圧力センサ。
10. 請求項９に記載の圧力センサにおいて、前記電気信号を調整するため、電子回路が前記ボア内に前記プレートと隣接して取り付けられている、圧力センサ。
11. 請求項１０に記載の圧力センサにおいて、第１及び第２の導線が前記第１及び第２の電極と前記電子回路との間に接続されている、圧力センサ。
12. 請求項１１に記載の圧力センサにおいて、前記ハウジングは内ハウジング及び外ハウジングを有する、圧力センサ。
13. 請求項１２に記載の圧力センサにおいて、前記外ハウジングはフランジを有し、このフランジが前記バレルを前記ハウジング内に保持する、圧力センサ。
14. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記圧電性本体はフランジを有し、前記ハウジングはリップを有し、前記フランジが前記リップと係合し、前記圧電性本体を前記ハウジング内に保持する、圧力センサ。
15. 圧力センサにおいて、
    ａ）第１端及び第２端を持つハウジング、
    ｂ）前記ハウジングを貫通したボア、
    ｃ）前記ボア内に前記第１端に向かって取り付けられた、キャビティを持つバレル、
    ｄ）前記キャビティに取り付けられた、第１及び第２の電極を持つ、検出された圧力を示す電気信号を発生する圧電性本体、
    ｅ）前記バレルと隣接して取り付けられた、前記バレル前記ハウジング内に保持するプレート、及び
    ｆ）前記ボアに前記第２端に向かって取り付けられた、前記電極に電気的に接続された、前記電気信号を入力として受け取り、調整した電気信号を出力として提供する電子回路を含む、圧力センサ。
16. 請求項１５に記載の圧力センサにおいて、第１及び第２の導線が前記第１及び第２の電極と前記電子回路との間に接続されている、圧力センサ。
17. 請求項１６に記載の圧力センサにおいて、前記第１及び第２の導線が、前記プレート及び前記バレルに設けられた導線通路に通してある、圧力センサ。
18. 請求項１５に記載の圧力センサにおいて、前記ハウジングには複数の端子が取り付けられており、これらの端子が電子回路に電気的に接続される、圧力センサ。
19. 請求項１８に記載の圧力センサにおいて、前記端子はキャップに取り付けられており、このキャップは前記ハウジングに取り付けられる、圧力センサ。
20. 請求項１５に記載の圧力センサにおいて、前記バレルは弾性材料から形成される、圧力センサ。
21. 圧力センサにおいて、
    ａ）ボアを持つ内ハウジング、
    ｂ）キャビティを持つ外ハウジング、
    ｃ）前記ボアに取り付けられた、前記内ハウジングと前記外ハウジングとの間に保持された、キャビティを持つバレル、
    ｄ）前記バレルキャビティに取り付けられた、第１及び第２の電極を持つ、検出された圧力を示す電気信号を発生する圧電性本体、及び
    ｅ）前記ボアに前記第２端に向かって取り付けられた、前記電極に電気的に接続された、前記電気信号を入力として受け取り、調整した電気信号を出力として提供する電子回路を含む圧力センサ。

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