JP2005249721A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハウジング内に収納されたセンシング部に、受圧ダイアフラムからハウジングのパイプ部に収納されている棒状の圧力伝達部材を介して圧力を印加するようにした圧力検出装置において、圧力伝達部材の長さ、径や材質を変えることなく、圧力伝達部材の共振周波数を変化させる。
【解決手段】 ハウジング１０のうちセンシング部２０の収納部位から突出するパイプ部１０ｃの突出先端部の開口部１０ｄには受圧ダイアフラム１３が溶接され、一端部がセンシング部２０側、他端部が受圧ダイアフラム２３側にそれぞれ位置するように、パイプ部１０ｃ内に圧力伝達部材８０が収納されてなる圧力検出装置において、圧力伝達部材８０は、その少なくとも一部が中空形状となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ハウジング内に収納されたセンシング部に、受圧ダイアフラムからハウジングのパイプ部に収納されている棒状の圧力伝達部材を介して圧力を印加するようにした圧力検出装置に関する。

従来の一般的なこの種の圧力検出装置は、圧力に応じた信号を出力するセンシング部をハウジングに収納するとともに、このセンシング部に圧力を伝達するための棒状の圧力伝達部材をハウジング内に収納したものである。センシング部としては歪みゲージなどが採用される（たとえば、特許文献１参照）。

ここで、ハウジングにおいては、センシング部の収納部位からパイプ状をなして突出するパイプ部が備えられており、このパイプ部の突出先端部の開口部には、当該開口部を遮蔽するように受圧ダイアフラムが溶接されて固定されている。

そして、圧力伝達部材は、一端部がセンシング部側に位置し他端部が受圧ダイアフラム側に位置するように、ハウジングのパイプ部内に収納されるようになっている。こうして、受圧ダイアフラムが受けた圧力を圧力伝達部材を介してセンシング部に伝達することにより圧力の検出を行うようにしている。
特開平５−３４２３１号公報

ところで、このような棒状の圧力伝達部材を有する圧力検出装置は、エンジンの燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する燃焼圧センサなどに適用される。この場合、ハウジングのパイプ部をエンジンブロックの取付穴に挿入する。そのため、パイプ部すなわち圧力伝達部材は、長いものが必要となる。

しかしながら、このように圧力伝達部材を長くすると、圧力伝達部材の重量が大きくなり、結果、圧力伝達部材の共振周波数が、燃焼のノッキングの振動周波数と重なって圧力伝達部材が共振を起こし、ノッキング信号が圧力伝達部材の共振によるノイズに埋まってしまい、ノッキングを計測することができないという問題があった。

単純には、圧力伝達部材の材質を変更することで圧力伝達部材の共振周波数を大きくすることが考えられるが、圧力伝達部材を収納するハウジングなどの外部材との熱膨張の差により、圧力伝達部材に熱応力が加わり、不要な出力が発生するという問題があり、実現は困難である。

また、圧力伝達部材の長さや径（太さ）を変えることにより、圧力伝達部材の共振周波数を変化させることも考えられるが、このような圧力伝達部材のサイズの変更は、圧力検出装置の仕様を変更してしまうことになるため、これも実現は困難である。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、ハウジング内に収納されたセンシング部に、受圧ダイアフラムからハウジングのパイプ部に収納されている棒状の圧力伝達部材を介して圧力を印加するようにした圧力検出装置において、圧力伝達部材の長さ、径や材質を変えることなく、圧力伝達部材の共振周波数を変化させることを目的とする。

本発明者は、圧力伝達部材の共振周波数ｆは、圧力伝達部材の質量をｍ、圧力伝達部材のばね定数をｋとすると、次の数式１で表されることに着目した。

（数１）
ｆ＝（１／２π）・（ｋ／ｍ）^1/2
そこで、この数式１から、圧力伝達部材の長さ、径や材質を変えることなく、圧力伝達部材の軽量化を図ることにより、圧力伝達部材の共振周波数を変化させることを考えた。本発明は、この点に着目して創出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、ハウジング（１０）と、ハウジング（１０）に収納され、圧力に応じた信号を出力するセンシング部（２０）と、ハウジング（１０）のうちセンシング部（２０）の収納部位から突出するパイプ状をなすパイプ部（１０ｃ）と、パイプ部（１０ｃ）の突出先端部の開口部（１０ｄ）に対して当該開口部（１０ｄ）を遮蔽するように溶接されて固定された受圧ダイアフラム（１３）と、パイプ部（１０ｃ）内に、一端部がセンシング部（２０）側に位置し他端部が受圧ダイアフラム（１３）側に位置するように収納された棒状の圧力伝達部材（８０）とを備え、受圧ダイアフラム（１３）が受けた圧力を圧力伝達部材（８０）を介してセンシング部（２０）に伝達することにより圧力の検出を行うようにした圧力検出装置において、圧力伝達部材（８０）として、少なくとも一部が中空形状となっているものを用いることを特徴としている。

従来では、圧力伝達部材は中身が詰まったものすなわち中実であったのに対し、本発明のように、圧力伝達部材（８０）の少なくとも一部が中空形状であるものを用いることにより、圧力伝達部材（８０）の長さ、径や材質を変えることなく、圧力伝達部材（８０）の軽量化が図れる。その結果、本発明によれば、圧力伝達部材（８０）の共振周波数を変化させることができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力検出装置において、圧力伝達部材（８０）の一端部が中空形状となっており、圧力伝達部材（８０）の一端部は球状部材（９１）を介してセンシング部（２０）に接触していることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の圧力検出装置において、圧力伝達部材（８０）の他端部が中空形状となっており、圧力伝達部材（８０）の他端部は球状部材（９２）を介して受圧ダイアフラム（１３）に接触していることを特徴としている。

このように圧力伝達部材（８０）の端部が中空形状である場合、この中空形状の端部が、センシング部（２０）や受圧ダイアフラム（１３）に接触するときに、接触状態が安定しないが、球状部材（９１、９２）を介して接触するようにすれば、接触状態が安定するため、好ましい。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１〜請求項３に記載の圧力検出装置において、センシング部（２０）は、一端側が開口部（２２）、他端側がダイアフラム（２３）である中空筒状の金属ステム（２１）と、この金属ステム（２１）のダイアフラム（２３）の表面に設けられた歪みゲージ（３０）とからなるものにできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧力検出装置１００の概略断面構成を示す図である。

この圧力検出装置１００は、用途限定するものではないが、ハウジング１０のパイプ部１０ｃを被測定体としてのたとえば自動車のエンジンブロックにおける取付穴にネジ結合して取り付けられ、燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出するセンサとして適用したものとできる。

ハウジング１０は、円筒状の第１の分割部１０ａとこの第１の分割部１０ａよりも細いパイプ部１０ｃを有する第２の分割部１０ｂとからなり、これら両分割部１０ａ、１０ｂは、切削や冷間鍛造等により加工された金属製のものである。

たとえば、ハウジング１０すなわち両分割部１０ａ、１０ｂはステンレスなどから構成されるもので、第１の分割部１０ａの端部を第２の分割部１０ｂに設けられた拡径部に圧入することにより、両分割部１０ａ、１０ｂは一体に固定されている。

なお、ハウジング１０における各分割部１０ａ、１０ｂは圧入により互いに固定されているもの以外にも、たとえば、溶接や接着あるいはネジ結合などにより、互いに固定されたものであってもよい。

ハウジング１０におけるパイプ部１０ｃの外周面には、被測定体としての上記エンジンブロックにネジ結合可能なネジ部１１が形成されている。ここで、ハウジング１０のパイプ部１０ｃは、当該エンジンブロックに形成されたネジ穴に挿入され、ネジ部１１を介して取り付けられる。

ハウジング１０における第１の分割部１０ａの内部には、圧力に応じた信号を出力するセンシング部２０が取り付けられており、それにより、センシング部２０は、ハウジング１０に収納されている。

ここでは、センシング部２０は、一端側が開口部２２、他端側がダイアフラム２３である中空筒状の金属ステム２１と、この金属ステム２１のダイアフラム２３の表面にガラス溶着などによって設けられた歪みゲージ３０とからなる。

金属ステム２１は、中空円筒形状に加工された金属製の部材であり、ハウジング１０における第１の分割部１０ａの中空部に圧入されて固定されている。なお、本実施形態において、金属ステム２１はハウジング１０に対してネジ結合されるものであってもよい。

ここでは、図１に示されるように、金属ステム２１は、第１の分割部１０ａにおける第２の分割部１０ｂとの圧入部側の端部寄りに、金属ステム２１の開口部２２を位置させ、第１の分割部１０ａにおける第２の分割部１０ｂとの圧入部側の端部とは反対側の端部寄りに、金属ステム２１のダイアフラム２３を位置させている。

この歪みゲージ３０は、たとえば、ブリッジ回路などが形成されたシリコン半導体チップなどからなるもので、圧力によって金属ステム２１のダイアフラム２３が変形したとき、この変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換して出力する機能する。そして、これら金属ステム２１のダイアフラム２３および歪みゲージ３０が、圧力検出装置１００の基本性能を左右する。

ここで、金属ステム２１を構成する金属材料には、高圧を受けることから高強度であること、及び、Ｓｉ半導体などからなる歪みゲージ３０を低融点ガラスにより接合することなどのため、低熱膨張係数であることが求められ、具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた材料を選定し、プレス、切削や冷間鍛造などにより形成できる。

また、ハウジング１０の内部において、金属ステム２１のダイアフラム２３の外周には、セラミック基板などからなる第１の回路基板４０が設けられている。そして、歪みゲージ３０と第１の回路基板４０とは、アルミニウム（Ａｌ）などからなるボンディングワイヤ４２により結線され、電気的に接続されている。

また、第１の回路基板４０における歪みゲージ３０とのワイヤボンディング面には、たとえばセラミック基板などからなる第２の回路基板５０が対向して配置されている。この第２の回路基板５０における第１の回路基板４０との対向面には、ＩＣチップ４４が接着されて搭載されている。

このＩＣチップ４４は、歪みゲージ３０からの出力を増幅したり調整したりするための回路が形成されたものであり、第２の回路基板５０とはボンディングワイヤ４２を介して電気的に接続されている。そして、これら第１および第２の回路基板４０、５０は、両回路基板４０、５０間に介在するスプリング４５により電気的に接続されている。

ここで、スプリング４５は導電性の弾性体であり、たとえば、第１および第２の回路基板４０、５０の一方にろう付けやはんだ付けされ、他方には接触することによって、両回路基板４０、５０の導通が実現されている。

また、第２の回路基板５０における第１の回路基板４０側とは反対側の面には、ターミナル６１を有するコネクタケース７０が設けられている。コネクタケース７０はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂などからなるもので、ターミナル６１はコネクタケース７０にインサート成形などにより一体化されている。

そして、ターミナル６１と第２の回路基板５０とは導電性接続部材６３を介して電気的に接続されている。この導電性接続部材６３としては、たとえばゴム中に導電性のピンが異方性を持って多数配列されたもの、あるいは、スプリング、あるいは、導電性接着剤などを採用することができる。

また、ハウジング１０の端部１２をコネクタケース７０にかしめることにより、コネクタケース７０とハウジング１０とは一体に固定されている。そして、ターミナル６１は自動車のＥＣＵなどへ配線部材を介して電気的に接続可能となっている。

一方、図１に示されるように、ハウジング１０全体でみると、ハウジング１０における第２の分割部１０ｂに設けられているパイプ部１０ｃは、センシング部２０の収納部位からパイプ状をなして突出するものとなっている。

そして、このパイプ部１０ｃの突出先端部の開口部１０ｄには、当該開口部１０ｄを遮蔽するように、金属製の受圧ダイアフラム１３が溶接されて固定されている。具体的に、受圧ダイアフラム１３はステンレスなどからなるものにできる。

また、パイプ部１０ｃ内には、一端部がセンシング部２０側に位置し他端部が受圧ダイアフラム１３側に位置するように金属製棒状の圧力伝達部材８０が収納されている。この圧力伝達部材８０は、少なくとも一部が中空形状となっているものである。

本例では、圧力伝達部材８０は、たとえばステンレスなどからなるものであり、一端部から他端部の間のすべてすなわち全部が中空のパイプ状になっている。このような中空パイプ状の圧力伝達部材８０は押し出し加工などにより容易に形成することができる。

ここで、圧力伝達部材８０の一端部は、センシング部２０としての金属ステム２１の開口部２２から金属ステム２１内へ挿入され、金属ステム２１のダイアフラム２３に荷重を与えた状態で接触している。一方、圧力伝達部材８０の他端部は受圧ダイアフラム１３に荷重を与えた状態で接触している。

そして、図１に示される例では、好ましい形態として、中空形状となっている圧力伝達部材８０の一端部は、球状の球状部材９１を介して金属ステム２１のダイアフラム２３に接触し、中空形状となっている圧力伝達部材８０の他端部は、球状の球状部材９２を介して受圧ダイアフラム１３に接触している。

これら球状部材９１、９２は、たとえばステンレスなどからなる鋼球などにより構成されたものである。こうして、受圧ダイアフラム１３が受けた圧力は、球状部材９１、９２および圧力伝達部材８０を介してセンシング部２０に伝達され、圧力の検出が行われるようになっている。

かかる構成を有する圧力検出装置１００の組付方法の一例について、述べる。まず、歪みゲージ３０が接合された金属ステム２１を、ハウジング１０における第１の分割部１０ａに圧入して固定する。

次に、第１の回路基板４０を金属ステム２１の外周に配置し、第１の回路基板４０と歪みゲージ３０との間をボンディングワイヤ４２により結線する。そして、第１の回路基板４０と、ＩＣチップ４４がワイヤボンド実装された第２の回路基板５０とをスプリング４５を介して接続する。

続いて、コネクタケース７０をハウジング１０における第１の分割部１０ａに組み付け、ハウジング１０の端部１２をかしめることにより、コネクタケース７０とハウジング１０における第１の分割部１０ａとを固定する。それとともに、ターミナル６１と第２の回路基板５０とを導電性接続部材６３を介して接続する。

こうして、センシング部２０および両回路基板４０、５０が設けられた第１の分割部１０ａと、コネクタケース７０とが一体に組み付けられる。また、一方で、ハウジング１０における第２の分割部１０ｂにおけるパイプ部１０ｃの開口部１０ｄにおいて、受圧ダイアフラム１３を溶接して固定する。

次に、金属ステム２１の開口部から球状部材９１を投入して圧力伝達部材８０の一端部を金属ステム２１の開口部から挿入するとともに、パイプ部材１０ｃ内へ球状部材９２を投入して圧力伝達部材８０の他端部をパイプ部１０ｃに挿入する。

そして、この状態で、ハウジング１０における第１の分割部１０ａと第２の分割部１０ｂとを圧入させることで、一体化する。こうして、上記図１に示される圧力検出装置１００が完成する。

かかる圧力検出装置１００は、ハウジング１０のネジ部１１を介して、被測定体としての上記エンジンブロックに形成されたネジ穴に取り付けられることによって、当該エンジンブロックに接続固定される。

そして、燃焼室２２０内の圧力（筒内圧）が、図１中の矢印Ｙに示されるように、受圧ダイアフラム１３に印加されると、圧力伝達部材８０を介してセンシング部２０に伝達される。

すると、その圧力によって金属ステム２１のダイアフラム２３が変形し、この変形を歪みゲージ３０により電気信号に変換し、圧力検出を行うようにしている。そして、歪みゲージ３０からの信号は、ＩＣチップ４４にて処理され、ターミナル６１から外部へ出力される。

ところで、本実施形態の圧力検出装置１００は、ハウジング１０と、ハウジング１０に収納され、圧力に応じた信号を出力するセンシング部２０と、ハウジング１０のうちセンシング部２０の収納部位から突出するパイプ状をなすパイプ部１０ｃと、パイプ部１０ｃの突出先端部の開口部１０ｄに対して当該開口部１０ｄを遮蔽するように溶接されて固定された受圧ダイアフラム１３と、パイプ部１０ｃ内に、一端部がセンシング部２０側に位置し他端部が受圧ダイアフラム１３側に位置するように収納された棒状の圧力伝達部材８０とを備え、受圧ダイアフラム１３が受けた圧力を圧力伝達部材８０を介してセンシング部２０に伝達することにより圧力の検出を行うようにしたものである。

そして、このような圧力検出装置１００において、本実施形態では、圧力伝達部材８０として、その少なくとも一部が中空形状となっているものを用いた構成としたことを特徴としている。

従来では、圧力伝達部材は中身が詰まったものすなわち中実であったのに対し、本実施形態の圧力検出装置１００のように、圧力伝達部材８０として、その少なくとも一部が中空形状となっているものを用いることにより、圧力伝達部材８０の長さ、径（太さ）や材質を変えることなく、圧力伝達部材８０の軽量化が図れる。

その結果、本実施形態によれば、上記した数式１に示されるような共振周波数の関係から、圧力伝達部材８０の共振周波数を大きくすることができる。

そして、本実施形態の圧力検出装置１００を燃焼圧センサに適用した場合、圧力伝達部材８０の共振周波数が、燃焼のノッキングの振動周波数と重なって圧力伝達部材８０が共振を起こすことを抑制し、ノッキング信号を適切に計測することができるようになる。

ここで、上述したように、好ましい形態として、本圧力検出装置１００において、圧力伝達部材８０の一端部が中空形状となっている場合に、圧力伝達部材８０の一端部を、球状部材９１を介してセンシング部２０に接触させている。また、圧力伝達部材８０の他端部が中空形状となっている場合に、圧力伝達部材８０の他端部を、球状部材９２を介して受圧ダイアフラム１３に接触させている。

このように圧力伝達部材８０の端部が中空形状である場合、この中空形状の端部が、センシング部２０や受圧ダイアフラム１３に接触するときに、接触状態が安定しないが、これら球状部材９１、９２を介して接触するようにすれば、接触状態が安定するため、好ましい。

また、本実施形態では、上述したように、センシング部２０は、一端側が開口部２２、他端側がダイアフラム２３である中空筒状の金属ステム２１と、この金属ステム２１のダイアフラム２３の表面に設けられた歪みゲージ３０とからなるものとしており、適切な圧力検出を可能としている。

［変形例］
上記図１に示した圧力検出装置１００では、圧力伝達部材８０は全部が中空のパイプ状になっているものであったが、本実施形態では、圧力伝達部材８０としては、その一部が中空形状であってもよい。要するに、圧力伝達部材８０としては、少なくとも一部が中空形状であるものが用いられていればよい。

つまり、圧力伝達部材８０として、中空部と中身が詰まっている中実部とが接合されたものや、中空部の一部に圧力伝達部材８０を構成する材質あるいは当該材質と同程度の共振周波数を有する異種材質を詰めたものなどを採用してもよい。

そのような一部が中空形状である圧力伝達部材８０の種々の例を図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す。これらの圧力伝達部材８０は、中空パイプ８０ａに中実棒８０ｂを挿入し、その挿入部にて両者８０ａ、８０ｂを溶接したり、ろう付けしたりすることなどにより接合固定したものである。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態に示される圧力検出装置１００においては、ハウジング１０は、ハウジング１０におけるセンシング部２０の取り付け部位と受圧ダイアフラム１３の固定部位との間で第１の分割部１０ａと第２の分割部１０ｂとに分割され、これら各分割部１０ａ、１０ｂが組み付けられて一体化されたものとなっているが、ハウジング１０は単一の成形体であってもよい。

また、センシング部としては、上述した金属ステム２１と歪みゲージ３０とから構成されるものに限定されるものではなく、圧力伝達部材８０から受けた圧力に応じた信号を出力するものであれば、かまわない。

要するに、本発明は、パイプ部１０ｃを有するハウジング１０にセンシング部２０を取り付け、パイプ部１０ｃの突出先端部の開口部１０ｄに受圧ダイアフラム１３を溶接し、パイプ部１０ｃ内に、一端部がセンシング部２０側に位置し他端部が受圧ダイアフラム１３側に位置するように、棒状の圧力伝達部材８０を収納してなる圧力検出装置において、圧力伝達部材８０として、その少なくとも一部を中空形状としたものを用いることを要部とするものであり、それ以外の部分については適宜設計変更が可能である。

また、本発明の圧力検出装置は、上述したような燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する燃焼圧センサとして適用されることに限定されないことはもちろんである。

本発明の実施形態に係る圧力検出装置の概略断面構成を示す図である。 一部が中空形状である圧力伝達部材の種々の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０……ハウジング、１０ｃ…ハウジングにおけるパイプ部、
１０ｄ…パイプ部の突出先端部の開口部、１３…受圧ダイアフラム、
２０…センシング部、２１…金属ステム、２２…金属ステムの開口部、
２３…金属ステムのダイアフラム、３０…歪みゲージ、８０…圧力伝達部材、
９１、９２…球状部材。

Claims (4)

1. ハウジング（１０）と、
   前記ハウジング（１０）に収納され、圧力に応じた信号を出力するセンシング部（２０）と、
   前記ハウジング（１０）のうち前記センシング部（２０）の収納部位から突出するパイプ状をなすパイプ部（１０ｃ）と、
   前記パイプ部（１０ｃ）の突出先端部の開口部（１０ｄ）に対して当該開口部（１０ｄ）を遮蔽するように溶接されて固定された受圧ダイアフラム（１３）と、
   前記パイプ部（１０ｃ）内に、一端部が前記センシング部（２０）側に位置し他端部が前記受圧ダイアフラム（１３）側に位置するように収納された棒状の圧力伝達部材（８０）とを備え、
   前記受圧ダイアフラム（１３）が受けた圧力を前記圧力伝達部材（８０）を介して前記センシング部（２０）に伝達することにより圧力の検出を行うようにした圧力検出装置において、
   前記圧力伝達部材（８０）として、少なくとも一部が中空形状となっているものを用いることを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記圧力伝達部材（８０）の一端部が中空形状となっており、前記圧力伝達部材（８０）の一端部は球状部材（９１）を介して前記センシング部（２０）に接触していることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記圧力伝達部材（８０）の他端部が中空形状となっており、前記圧力伝達部材（８０）の他端部は球状部材（９２）を介して前記受圧ダイアフラム（１３）に接触してい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. 前記センシング部（２０）は、一端側が開口部（２２）、他端側がダイアフラム（２３）である中空筒状の金属ステム（２１）と、この金属ステム（２１）の前記ダイアフラム（２３）の表面に設けられた歪みゲージ（３０）とからなるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力検出装置。
   

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