JP6083337B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本願明細書に開示される技術は、圧力センサに関する。

例えば、内燃機関の燃焼圧を測定するための圧力センサの開発が進められている。特許文献１〜３に開示される圧力センサは、中空状のハウジング、ハウジング内に配置されている受圧ロッド、ハウジングに固定されている固定部材及び受圧ロッドと固定部材の間に配置されている力検知素子を備えている。出力値の線形性を向上させるために、力検知素子には受圧ロッドと固定部材の間に作用する荷重によって所定の予荷重が加えられている。

特開平３−１８５３２６号公報 特開平６−２６５４３０号公報 特開２００９−８６９４号公報

この種の圧力センサでは、小型化を実現するために、小型化に適した簡単な構造が望まれている。特許文献３では、受圧ロッドと力検知素子と固定部材がハウジング内にこの順で収納され、受圧ロッドと固定部材の間に配置されている力検知素子を押圧することによって所定の予荷重が加えられる簡単な構造の圧力センサが提案されている。

このような構造では、受圧ロッドと固定部材に予荷重と異なる荷重を加えることができない。しかしながら、この種の圧力センサでは、予荷重から独立した荷重を必要とする場面が多く存在する。本願明細書では、予荷重から独立した荷重を得ることができる技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される圧力センサは、中空状のハウジング、ハウジング内に配置されている受圧ロッド、ハウジングに固定されている固定部材、受圧ロッドと固定部材の間に配置されている力検知素子及び力検知素子の周囲に設けられているとともに受圧ロッドと固定部材の間に配置されている弾性部材を備えている。弾性部材は、受圧ロッドと固定部材の間に作用する荷重によって圧縮されている。弾性部材に加えられる圧縮荷重は、力検知素子に加えられる予荷重よりも大きい。

上記態様の圧力センサでは、力検知素子の周囲に弾性部材が設けられていることによって、力検知素子を押圧するのに先立って、その弾性部材に圧縮荷重が加えられるので、予荷重から独立しているとともに圧縮荷重に応じた荷重を得ることができる。

第１実施例の圧力センサの概略断面図を模式的に示す。 受圧ロッドの顎部周辺の要部拡大図を示す。 第１実施例の圧力センサの他の一例の概略断面図を模式的に示す。 第１実施例の圧力センサの組み立て工程の概略を示す。 第１実施例の圧力センサの他の一例の概略断面図を模式的に示す。 第２実施例の圧力センサの概略断面図を模式的に示す。 第２実施例の圧力センサの組み立て工程の概略を示す。 第２実施例の圧力センサの他の一例の概略断面図を模式的に示す。

本願明細書で開示される技術的特徴の幾つかを以下に整理して記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）圧力センサは、中空状のハウジング、ハウジング内に配置されている受圧ロッド、ハウジングに固定されている固定部材、受圧ロッドと固定部材の間に配置されている力検知素子、及び力検知素子の周囲に設けられているとともに受圧ロッドと固定部材の間に配置されている弾性部材を備えていてもよい。圧力センサの測定対象の圧力には、一例では、内燃機関の燃焼圧、チャンバーや配管等の気体圧力、液体圧力が含まれる。受圧ロッドは、ハウジングに対して相対変位可能にハウジング内に配置されていてもよい。固定部材は、ハウジングに対して相対変位が禁止されるようにハウジングに固定されていてもよい。弾性部材は、受圧ロッドと固定部材の間に作用する荷重によって圧縮されていてもよい。弾性部材に加えられる圧縮荷重が、力検知素子に加えられる予荷重よりも大きくてもよい。弾性部材のばね定数は、受圧ロッドのばね定数及び力検知素子のばね定数よりも小さくてもよい。
（特徴２）力検知素子は、圧縮力に応じて出力値を変動させる素子である。一例では、力検知素子には、圧電効果、ピエゾ抵抗効果、磁歪効果、容量変化、光ファイバ等の光学変化、又はメタルワイヤを利用する素子を用いることができる。
（特徴３）特徴１又は特徴２の圧力センサはさらに、弾性シール部材を備えていてもよい。この場合、ハウジングは、段差面を含む内周面を有していてもよい。ハウジングの少なくとも一方の端部が開口していてもよい。受圧ロッドは、ハウジングの一方の端部に露出しており、ハウジングの段差面に軸方向において対向する顎部が外周面に設けられていてもよい。弾性シール部材は、受圧ロッドの顎部とハウジングの段差面の間に設けられていてもよい。弾性シール部材は、弾性変形可能の材料であるのが望ましく、一例では、メタルシール部材、樹脂性シール部材、又はメタルと樹脂性の複合シール部材を用いることができる。弾性部材に作用する圧縮荷重に応じたシール荷重が弾性シール部材に加えられている。弾性シール部材のばね定数は、受圧ロッドのばね定数及び力検知素子のばね定数よりも小さくてもよい。
（特徴４）特徴３において、ハウジングの段差面は、軸方向とは異なる方向に延びる面であり、軸方向に対して直交する方向に延びていてもよく、軸方向に対して傾斜する方向に延びていてもよい。段差面は、内径が小さい部分と内径が大きい部分の間に形成されてもよい。
（特徴５）特徴３において、受圧ロッドの顎部は、段差面に対向するとともに段差面に平行な面を有していてもよい。
（特徴６）特徴１又は特徴２の圧力センサはさらに、ハウジングの一方の端部を被覆してハウジングに固定されているダイアフラムを備えていてもよい。この場合、受圧ロッドの先端は、ダイアフラムに接触していてもよい。また、ダイアフラムは、受圧ロッドの先端面の形状に応じて変形していてもよい。

図１に示される圧力センサ１Ａは、内燃機関の燃焼圧を測定するためのものであり、図示上側が内燃機関のシリンダ内に露出するように内燃機関に取り付けられる。圧力センサ１Ａは、ハウジング２、受圧ロッド３、弾性シール部材４、力検知素子５、弾性部材６及び固定部材７を備えている。以下、説明の便宜の上で、図示上側を先端側といい、図示下側を後端側という。

図１に示されるように、ハウジング２は、先端側と後端側の端部のそれぞれが開口しており、中空状の形態を有している。ハウジング２は、内径が小さい第１円筒部分２ａと内径が大きい第２円筒部分２ｂを有しており、第１円筒部分２ａが先端側に位置しており、第２円筒部分２ｂが後端側に位置している。図２に示されるように、ハウジング２の内周面は、第１円筒部分２ａに対応した第１内周面２１と、第２円筒部分２ｂに対応した第２内周面２３と、第１内周面２１と第２内周面２３の間に位置する段差面２２を有している。第１内周面２１と第２内周面２３は軸方向（紙面上下方向である）に対して平行に延びており、段差面２２は軸方向に対して直交する方向（紙面左右方向である）に延びている。後述するように、ハウジング２は電流経路の一部としても利用されるので、ハウジング２の材料には金属が用いられるのが望ましい。ハウジング２の材料には、一例では、ステンレス（ＳＵＳ）、鉄又は鉄を主成分とした合金が用いられている。

図１に示されるように、受圧ロッド３は、ハウジング２内に配置されており、概ね円柱状の形態を有している。受圧ロッド３は、軸部３ａとその軸部３ａの外周面に設けられた顎部３ｂを有している。受圧ロッド３の軸部３ａの先端側の端面が、ハウジング２の先端側の開口から露出している。図２に示されるように、受圧ロッド３の顎部３ｂは、先端側を向く先端面３１と、後端側を向く後端面３３と、先端面３１と後端面３３の間に位置する側面３２を有している。先端面３１と後端面３３は軸方向に対して直交する方向に延びており、側面３２は軸方向に対して平行に延びている。後述するように、受圧ロッド３の顎部３ｂは電流経路の一部としても利用されるので、受圧ロッド３の材料には金属が用いられるのが望ましい。受圧ロッド３の材料には、一例では、ステンレス、鉄又は導電性の金属が用いられている。また、電流経路として利用されない軸部３ａの一部は断熱性の高い材料で形成されるのが望ましく、図３に示される圧力センサ１Ｂのように、軸部３ａの一部の材料にジルコニア、窒化珪素等が用いられてもよい。

図１及び図２に示されるように、弾性シール部材４は、ハウジング２の内周面の段差面２２と受圧ロッド３の顎部３ｂの先端面３１の間に配置されており、ハウジング２と受圧ロッド３の双方に接触している。弾性シール部材４は、弾性変形可能な材料で形成されており、ハウジング２と受圧ロッド３の間の隙間を塞ぐように設けられている。この例では、弾性シール部材４にメタルＣリングが用いられており、その材料にはステンレスが用いられている。また、弾性シール部材４のシール開口部が内側を向いている。この例に代えて、弾性シール部材４には、メタルＥリング、メタルＯリング、又は樹脂性のシール部材が用いられてもよい。

図１に示されるように、力検知素子５は、受圧ロッド３の軸部３ａの後端側の端面と固定部材７の間に配置されており、受圧ロッド３と固定部材７の双方に接触している。力検知素子５は、印加される荷重の変化に依存した出力値を提供するものである。この例では、力検知素子５に、ピエゾ抵抗効果を利用する半導体圧力センサが用いられている。

図１に示されるように、弾性部材６は、力検知素子５の周囲に配置されており、受圧ロッド３の顎部３ｂの後端面と固定部材７の間に配置されており、受圧ロッド３と固定部材７の双方に接触している。弾性部材６は、弾性変形可能な材料で形成されており、受圧ロッド３と固定部材７の間に作用する荷重によって圧縮されている。この例では、弾性部材６にコイルばねが用いられており、力検知素子５はコイルばねの筒内部に配置されている。

図１に示されるように、固定部材７は、ハウジング２内に配置されており、円盤状の形態を有している。固定部材７は、ハウジング２の第２円筒部分２ｂに溶接部分７Ｗによって固定されている。溶接部分７Ｗは、ハウジング２の外周面側からのレーザ溶接によって形成することができる。固定部材７は、金属の本体部７ａとその本体部７ａに埋設されている絶縁部７ｂを有している。固定部材７の絶縁部７ｂは、軸方向から観測したときに、力検知素子５の周囲を一巡しており、円筒状の形態を有している。固定部材７の絶縁部７ｂは、その内側と外側の本体部７ａを電気的に絶縁している。また、固定部材７の絶縁部７ｂは、軸方向から観測したときに、弾性部材６に重複した位置関係に配置されている。固定部材７の本体部７ａの材料には、一例では、ステンレス、鉄又は鉄を主成分とした合金が用いられている。固定部材７の絶縁部７ｂの材料には、一例では、ガラス、セラミック又は樹脂が用いられている。

圧力センサ１Ａでは、固定部材７の絶縁部７ｂよりも内側の本体部７ａ、力検知素子５、受圧ロッド３、弾性シール部材４及びハウジング２を介して電流が通電され、力検知素子５に対する電流経路が確保されている。このため、圧力センサ１Ａは、力検知素子５に対して通電するための配線を別途確保する必要がないので、小型化に有利な形態と評価できる。

次に、圧力センサ１Ａの動作を説明する。受圧ロッド３の先端側の端面に燃焼圧が加わると、受圧ロッド３がハウジング２内を後端側に向けて数μｍ程度変位する。受圧ロッド３が後端側に変位すると、その変位に基づいて力検知素子５に圧縮力が加わる。力検知素子５に圧縮力が伝達されると、ピエゾ抵抗効果によって力検知素子５の電気抵抗値が変化する。上記した電流経路に一定電流が通電されているので、上記した電流経路の電圧値が変化する。この電圧値の変化が外部回路に提供され、必要な処理に用いられる。

次に、図４を参照して、圧力センサ１Ａの組み立て工程を説明する。なお、図面の明瞭化のために符号を省略しているので、符号については図１等を参照されたい。まず、（Ａ）に示されるように、ハウジング２の後端側から弾性シール部材４、受圧ロッド３、力検知素子５、弾性部材６及び固定部材７を挿入する。この段階では弾性部材６に圧縮荷重が加わっていないので、弾性部材６は大きく伸びている。弾性部材６は、圧縮荷重が加わっていないときの軸方向の厚みが力検知素子５の軸方向の厚みよりも大きく構成されている。このため、初期状態では、力検知素子５と受圧ロッド３の間に所定の距離（ΔＸ１）が存在している。

次に、（Ｂ）に示されるように、力検知素子５が受圧ロッド３に接触するまで、固定部材７を先端側に向けて押圧する。このとき、弾性部材６が圧縮され、弾性部材６に圧縮荷重が加わる。同時に、弾性シール部材４も圧縮され、弾性シール部材４にシール荷重が加わる。弾性部材６のバネ定数をｋ１とすると、弾性部材６に加わる圧縮荷重はｋ１×ΔＸ１となる。弾性シール部材４のバネ定数をｋ２とすると、弾性シール部材４に加わるシール荷重はｋ２×ΔＸ２となる。また、圧縮荷重とシール荷重の大きさは等しく、ｋ１×ΔＸ１＝ｋ２×ΔＸ２となる。

次に、（Ｃ）に示されるように、固定部材７を先端側に向けてさらに押圧し、力検知素子５に予荷重を与える。力検知素子５に所望の予荷重が与えられる位置において、レーザ溶接を用いて固定部材７をハウジング２に対して固定する。このときの予荷重の大きさは、ｋ２×ΔＸ３となる。この予荷重（ｋ２×ΔＸ３）の大きさは、上記のシール荷重（ｋ２×ΔＸ２）の大きさよりも十分に小さい。

このように、圧力センサ１Ａでは、固定部材７を押込むという１つの作業によって、弾性シール部材４に与えるシール荷重（ｋ２×ΔＸ２）と力検知素子５に与える予荷重（ｋ２×ΔＸ３）を独立して制御することができる。特に、シール荷重（ｋ２×ΔＸ２）と圧縮荷重（ｋ１×ΔＸ１）が等しい関係となることから、シール荷重（ｋ２×ΔＸ２）は、弾性部材６のバネ定数ｋ１と初期状態における力検知素子５と受圧ロッド３の間の距離（ΔＸ１）によって設定することができる。このように、弾性シール部材４に必要なシール荷重（ｋ２×ΔＸ２）と力検知素子５に必要な予荷重（ｋ２×ΔＸ３）を最適化することができるので、シール構造の信頼性と圧力の検出感度を両立させることができる。

以下、圧力センサ１Ａの他の特徴を説明する。
（１）圧力センサ１Ａでは、燃焼によって生成するデポジット（煤）が受圧ロッド３とハウジング２の間に侵入するのを弾性シール部材４によって防止されている。弾性シール部材４は、デポジット（煤）がハウジング２内の後端側にまで拡散するのを防止する。特に、圧力センサ１Ａは、弾性シール部材４に与えられるシール荷重を弾性部材６のバネ定数によって調整可能であることを特徴とする。このため、弾性シール部材４に与えられるシール荷重は、各部材の設計寸法の製造ばらつきの影響を受けない。圧力センサ１Ａでは、シール構造の信頼性が高い。

（２）圧力センサ１Ａでは、弾性シール部材４にメタルＣリングが用いられており、そのシール開口部が高圧側を向いていることを特徴とする。このため、弾性シール部材４のシール性が高い。

（３）図５に示される変形例の圧力センサ１Ｃは、受圧ロッド３の顎部３ｂとハウジング２の段差面がテーパ状に加工されていることを特徴とする。この場合、受圧ロッド３をハウジング２内の所定位置に容易に収容することができる。

（４）圧力センサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃではいずれも、固定部材７が溶接によって固定されているが、この例に代えて、ねじ止め、かしめ、圧入、接着等によって固定されてもよい。

図６に、第２実施例の圧力センサ２Ａを示す。第１実施例と実質的に共通する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６に示されるように、圧力センサ２Ａは、ダイアフラム８及び充填部材９を備えていることを特徴としている。ダイアフラム８は、ハウジング２の先端側の端部に固定されている。後述するように、ダイアフラム８は電流経路の一部としても利用されるので、ダイアフラム８の材料には金属が用いられるのが望ましい。ダイアフラム８の材料には、一例では、ステンレス、鉄又は鉄を主成分とした合金が用いられている。充填部材９は、ハウジング２と受圧ロッド３の間に挿入されており、受圧ロッド３がハウジング２に対して相対変位するのを許容する。充填部材９の材料には、シリコーン系やフッ素系の樹脂が用いられている。

ダイアフラム８はさらに、受圧ロッド３の先端の半球状の形状に沿って湾曲した形態を有していることを特徴としている。このように、受圧ロッド３の先端が半球状の形態であり、ダイアフラム８がその半球状の形態に沿って湾曲していると、ダイアフラム８と受圧ロッド３が広い面積で接することができるので、受圧ロッド３の先端の応力集中が緩和される。換言すると、受圧ロッド３の先端の応力集中が緩和されることによって、受圧ロッド３の径を小さくすることができるので、この結果、圧力センサ２Ａを小型化することが可能となる。

圧力センサ２Ａでは、固定部材７の絶縁部７ｂよりも内側の本体部７ａ、力検知素子５、受圧ロッド３、ダイアフラム８及びハウジング２を介して電流が通電され、電流経路が確保されている。このため、圧力センサ２Ａは、力検知素子５に対して通電するための配線を別途確保する必要がないので、小型化に有利な形態と評価できる。

次に、圧力センサ２Ａの動作を説明する。ダイアフラム８に燃焼圧が加わると、ダイアフラム８及び受圧ロッド３がハウジング２内を後端側に向けて数μｍ程度変位する。受圧ロッド３が後端側に変位すると、その変位に基づいて力検知素子５に圧縮力が加わる。力検知素子５に圧縮力が伝達されると、ピエゾ抵抗効果によって力検知素子５の電気抵抗値が変化する。上記した電流経路に一定電流が通電されているので、上記した電流経路の電圧値が変化する。この電圧値の変化が外部回路に提供され、必要な処理に用いられる。

次に、図７を参照して、圧力センサ２Ａの組み立て工程を説明する。まず、ダイアフラム８が固定されているハウジング２の後端側から受圧ロッド３、力検知素子５、弾性部材６及び固定部材７を挿入する。この段階では、ダイアフラム８は平坦な形態を有している。次に、力検知素子５が受圧ロッド３に接触するまで、固定部材７を先端側に向けて押圧する。このとき、弾性部材６が圧縮され、弾性部材６に圧縮荷重が加わる。その圧縮荷重に相当する荷重が受圧ロッド３を介してダイアフラム８に加わることによって、図６に示されるように、ダイアフラム８を受圧ロッド３の先端の半球状に沿って湾曲させることができる。次に、固定部材７を先端側に向けてさらに押圧し、力検知素子５に予荷重を与える。

このように、圧力センサ２Ａでは、固定部材７を押込むという１つの作業によって、ダイアフラム８を変形させるための荷重と力検知素子５に与える予荷重を独立して制御することができる。この結果、ダイアフラム８を変形させるために必要な荷重と力検知素子５に必要な予荷重を最適化することができるので、組み立て工程の簡単化と圧力の検出感度を両立させることができる。

また、図８に示されるように、受圧ロッド３の軸部３ａの一部が断熱性の高い材料で形成されていてもよい。受圧ロッド３の軸部３ａの一部の材料にジルコニア、窒化珪素等が用いられてもよい。ただし、この例では、電流経路を確保するために、弾性部材６が、固定部材７の絶縁部７ｂよりも外側の本体部７ａに接触している。これにより、固定部材７の絶縁部７ｂよりも内側の本体部７ａ、力検知素子５、受圧ロッド３、弾性部材６及び固定部材７の絶縁部７ｂよりも外側の本体部７ａを介して電流が通電され、電流経路が確保されている。このため、圧力センサ２Ｂは、力検知素子５に対して通電するための配線を別途確保する必要がないので、小型化に有利な形態と評価できる。

以上、本願の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハウジング
３：受圧ロッド
４：弾性シール部材
５：力検知素子
６：弾性部材
７：固定部材
８：ダイアフラム

Claims (3)

1. 中空状のハウジングと、
   前記ハウジング内に配置されている受圧ロッドと、
   前記ハウジングに固定されている固定部材と、
   前記受圧ロッドと前記固定部材の間に配置されている力検知素子と、
   前記力検知素子の周囲に設けられており、前記受圧ロッドと前記固定部材の間に配置されており、前記受圧ロッドと前記固定部材の間に作用する荷重によって圧縮されている弾性部材と、を備えており、
   前記弾性部材に加えられる圧縮荷重が、前記力検知素子に加えられる予荷重よりも大きい圧力センサ。
2. 弾性シール部材をさらに備えており、
   前記ハウジングは、段差面を含む内周面を有しており、少なくとも一方の端部が開口しており、
   前記受圧ロッドは、前記ハウジングの前記一方の端部に露出しており、前記ハウジングの前記段差面に軸方向において対向する顎部が外周面に設けられており、
   前記弾性シール部材は、前記受圧ロッドの前記顎部と前記ハウジングの前記段差面の間に設けられており、
   前記弾性部材に作用する圧縮荷重に応じたシール荷重が前記弾性シール部材に加えられている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ハウジングの一方の端部を被覆して前記ハウジングに固定されているダイアフラムをさらに備えており、
   前記受圧ロッドの先端は、前記ダイアフラムに接触している請求項１に記載の圧力センサ。

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