JP2009180592A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】高圧を検出することが可能な構成でありながら、検出精度を高くする。
【解決手段】本発明の圧力センサ1は、圧力が導入される開口部9及び導入された圧力により変形可能なダイヤフラム8を有する中空筒状のステム7を備えると共に、前記ダイヤフラム8上に設けられたセンサチップ10を備えたものにおいて、ステム7及びセンサチップ10を2組設け、2個のセンサチップ10から出力される2つの出力信号がほぼ1次関数となる2つの圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成したものである。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の圧力センサ1は、圧力が導入される開口部9及び導入された圧力により変形可能なダイヤフラム8を有する中空筒状のステム7を備えると共に、前記ダイヤフラム8上に設けられたセンサチップ10を備えたものにおいて、ステム7及びセンサチップ10を2組設け、2個のセンサチップ10から出力される2つの出力信号がほぼ1次関数となる2つの圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成したものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば自動車の燃料噴射系(例えばコモンレ−ル)における燃料パイプに取り付けられ、該燃料パイプ内の液体または気液混合気の高圧を検出するのに好適する圧力センサに関する。
例えば200MPa程度までの高圧を検出する圧力センサは、裏面受圧式のひずみゲージによって圧力の検出を行うように構成されている。この構成では、媒体の圧力による金属製のステムのひずみをひずみゲージによって検出している。この場合、検出精度を高精度にするためには、センサ出力を1次関数(線型)にすることが望ましく、ステムのひずみも1次関数になるように構造を設計する必要がある。尚、このような構成の高圧検出用の圧力センサの一例として、特許文献1に記載された構成が知られている。
特開平2001−272297号公報
ステムのひずみが1次関数になるようにステムをひずませるためには、ステムのダイヤフラム厚を適切に設計することが必要であるが、その厚さを増やしすぎると、ひずみゲージの感度が鈍り、ICチップで出力を増幅できなくなるため、ダイヤフラム厚をそれほど増やせないという制限がある。この制限があるため、例えば自動車の燃料噴射系(コモンレール等)における燃料パイプ内の高圧を検出する高圧検出用の圧力センサにおいては、ダイヤフラム厚を増やせず、センサ出力に2次関数の成分が多く含まれるようになっており、検出精度を悪化させる大きな要因になっている。
そこで、本発明の目的は、高圧を検出することが可能な構成でありながら、検出精度を高くすることができる圧力センサを提供することにある。
請求項1の発明によれば、第1及び第2のステムと第1及び第2のセンサチップを備え、前記第1のセンサチップが圧力センサの圧力検出範囲のうちで第1の検出範囲で略1次関数を示し、前記第2のセンサチップが、前記圧力検出範囲のうちで前記第1の検出範囲とは異なる第2の検出範囲で略1次関数を示すように設定される構成としたので、高圧を検出することが可能な構成でありながら、各ステム及びセンサチップの検出精度を高くすることができる。
この場合、請求項2の発明のように、第1のセンサチップから出力される出力信号が略1次関数となる圧力検出範囲を、圧力センサの圧力検出範囲のうちの0から略中央値程度までとし、第2のセンサチップから出力される出力信号が略1次関数となる圧力検出範囲を、圧力センサの圧力検出範囲の残りの範囲とするように構成することが好ましい。
また、請求項3の発明のように、第1のセンサチップから出力される出力信号と、第2のセンサチップから出力される出力信号との偏差を算出し、この偏差が異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成することも良い構成である。
更にまた、請求項4の発明のように、第1のセンサチップから出力される出力信号と、第2のセンサチップから出力される出力信号とを比較し、電圧レベルが大きい方の出力信号を検出信号とするように構成しても良い。
請求項5の発明のように、ステム及びセンサチップを3組以上設け、前記3個以上のセンサチップから出力される3つ以上の出力信号が略1次関数となる3つ以上の圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成することが好ましい。
この場合、請求項6の発明のように、前記各センサチップから出力される出力信号のうち、電圧レベルが最も大きい出力信号と電圧レベルが最も小さい出力信号の差が、異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成することがより一層好ましい。
また、請求項7の発明のように、前記各センサチップから出力される出力信号を比較し、電圧レベルが最も大きい出力信号を検出信号とするように構成することが良い構成である。
更に、請求項8の発明のように、センサチップの中に、第1及び第2の圧力検出部を設け、前記第1及び第2の圧力検出部から出力される2つの出力信号が略1次関数となる2つの圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成することが好ましい構成である。
この構成の場合、請求項9の発明のように、第1の圧力検出部から出力される出力信号と、第2の圧力検出部から出力される出力信号の偏差を算出し、前記偏差が異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成することがより一層好ましい。
また、請求項10の発明のように、前記第1及び第2の圧力検出部から出力される出力信号を比較し、電圧レベルが大きい出力信号を検出信号とするように構成することが良い構成である。
更に、請求項11の発明のように、センサチップの中に、3個以上の圧力検出部を設け、前記3個以上の圧力検出部から出力される3つ以上の出力信号が略1次関数となる3つ以上の圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成しても良い。
この構成の場合、請求項12の発明のように、前記各圧力検出部から出力される出力信号のうち、電圧レベルが最も大きい出力信号と電圧レベルが最も小さい出力信号の偏差が、異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成することがより一層良い構成である。
この場合、請求項13の発明のように、前記各圧力検出部から出力される出力信号を比較し、電圧レベルが最も大きい出力信号を検出信号とするように構成することが良い構成である。
以下、本発明の第1の実施例について、図1ないし図6を参照しながら説明する。まず、図2は、本実施例に係る圧力センサ1の全体構成を概略的に示す断面図である。図3は、本実施例におけるコネクタ部を除いたハウジング部分を示す構成図であり、(a)は図2中のA矢視図、(b)は(a)中のB−B断面に沿った概略断面図である。圧力センサ1は、自動車の燃料噴射系(例えばコモンレ−ル)における燃料パイプに取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての液体または気液混合気の圧力(例えば200MPa程度の高圧)を検出するものである。
ハウジング2は、切削や冷間鍛造等により加工された金属部材から構成されており、その一端側の外周面には、被測定体としての燃料パイプK1にネジ結合可能なネジ部3が形成されている。そして、図2(b)に示すように、ハウジング2は、燃料パイプK1に形成されたネジ穴K2に、ネジ部3によってネジ結合されて取り付けられている。ここで、ハウジング2の一端に位置するハウジングシール面4により、ハウジング2とパイプK1とがシールされている。
また、ハウジング2の一端側には、ハウジング2の一端に形成された開口部5からハウジング2内に延びる孔が形成されており、この孔が燃料パイプK1より圧力が導入される圧力導入通路6として構成されている。本実施例では、圧力導入通路6の断面形状は、ハウジング2のネジ部3の回転軸を中心とした1つの円をなすものである。
金属製のステム7は、中空円筒形状に加工されており、ハウジング2の他端側に2個取り付けられ、ハウジング2内に収納されている。各ステム7は、その軸一端側にハウジング2に導入された圧力によって変形可能な薄肉状のダイヤフラム8を有し、軸他端側に圧力導入通路6と連通する開口部9を有する。
各ステム7のダイヤフラム8上には、単結晶Si(シリコン)からなる圧力検出用のセンサチップ10が、低融点ガラスにより接合固定されている。このセンサチップ10は、ブリッジ回路(図示しない)を有し、ステム7の開口部9からステム7内部に導入された圧力によってダイヤフラム8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検出部(歪みゲージ)として機能するものである。そして、これらダイヤフラム8及びセンサチップ10が、圧力センサ1の基本性能を左右するものであり、その検出特性は後述するように設定されている。
また、各々のステム7の外周の側面には、ステム7をその軸他端方向へ押圧するようにハウジング2とネジ結合を行うための雄ネジ部11が切削加工等にて一体形成されている。この雄ネジ部11よりも軸一端側には、六角形状等、ネジ締め力を付与可能な形状を有するナット部12が形成されている。雄ネジ部11は、ハウジング2内のステム固定用ネジ穴に形成された雌ネジ部13に対応した形状をなしており、これら両ネジ部11、13のネジ結合により、ステム7はハウジング2に固定されている。
ナット部12は、ダイヤフラム8と雄ネジ部11との間におけるステム7の外周の側面に形成されており、上記ネジ結合の際に雄ネジ部11にネジ締め力を付与するための面部として構成されている。即ち、ナット部12の外周面にレンチやスパナ等のネジ締め用の治具を当接させ、ステム7を雄ネジ部11の回転軸回りに回転させることにより、上記ネジ結合が行われる。
また、ハウジング2には、各々のステム7について、開口部9と圧力導入通路6とを連通させるための連通路14が形成されている。ここで、上記した両ネジ部11、13のネジ結合により、ステム7に対して、その軸他端(開口部9側)方向へ押圧力が印加されるため、この押圧力によって、各ステム7の開口部9側の端面とハウジング2の連通路14の開口縁部とがシールされている。こうして、燃料パイプK1内の圧力は圧力導入通路6から連通路14を介してステム7内へ導入されるようになっている。
また、ハウジング2は、上述したように、燃料パイプ(燃料配管)K1への固定(超高圧シール及び機械的保持)、及び、ステム7の固定(超高圧シール及び機械的保持)、という機能、更には、コネクタケース25の固定(シール及び機械的保持)という機能を有する。そのため、ハウジング2の要求品質としては、圧力媒体及び実車環境からの耐食性、また、ステム7の開口部9側の端面とのシール部において、高いシール面圧を発生させる軸力を維持するためのネジ強度、が挙げられる。
また、ハウジング2の内部におけるステム7の外周部位には、スペーサ15が配設されており、このスペーサ15にセラミック基板(回路基板)16が接着されている。この場合、スペーサ15によって、セラミック基板16は、ステム7のダイヤフラム8と同程度の高さに配置されている。そして、図2(a)に示すように、各センサチップ10と基板16の端子(図示例では4個ずつ)17とは、アルミニウム(Al)等のボンディングワイヤ18により結線され、電気的に接続されている。
セラミック基板16におけるセンサチップ10とのワイヤボンディング面には、コネクタターミナル19へ電気的接続するためのピン(図示例では3個)20が銀ろう等にて接合されている。また、セラミック基板16のワイヤボンディング面と反対側の面には、各センサチップ10の出力を増幅するアンプ(Amp)ICチップ21及び特性調整ICチップ21が接着されている。これらICチップ21は、基板16に形成されたスルーホール等により、ピン20と電気的に接続されている。
コネクタターミナル19は、ターミナル22が樹脂23にインサート成形により構成されたアッシー(ASSY)である。ターミナル22とセラミック基板16とはピン20にレーザ溶接により接合されている。また、コネクタターミナル19は、ハウジング2の他端24をコネクタケース25にかしめることにより、コネクタケース25とスペーサ15に固定保持され、ターミナル22は自動車のECU等へ配線部材を介して電気的に接続可能となっている。
コネクタケース25は、コネクタターミナル19の外形を成すもので、ハウジング2の他端24をコネクタケース25にかしめることにより、ハウジング2と一体化してパッケージを構成しており、該パッケージ内部のセンサチップ10、各種IC、電気的接続部を湿気・機械的外力より保護するものである。尚、コネクタケース25とハウジング2とのかしめ部はシール材26によりシールされている。
さて、本実施例では、2個のセンサチップ10からの各出力信号を、センサの処理回路部を構成するセラミック基板16もしくはECU等の外部回路(本実施ではセラミック基板16)等において信号処理(比較)し、いずれか一方の信号を検出信号として出力するように構成されている。また、いずれか一方の出力信号に異常があるときには、この異常を検出することが可能なように構成されている。以下、これらの機能について、図1、図4ないし図6を参照しながら説明する。
まず、信号処理の概要を図4に従って説明する。図4に示すように、ステップS10において、2個のステム7のダイヤフラム8にひずみが発生すると、ステップS20へ進み、2個のセンサチップ10から、ひずみゲージのひずみ分を電位で示す出力信号が出力される。そして、ステップS30へ進み、セラミック基板16のIC回路(処理回路)により、2個のセンサチップ10からの出力信号を増幅する。続いて、ステップS40へ進み、セラミック基板16のIC回路(処理回路)により、2つの出力信号についてトリミング調整、即ち、2つの出力信号のうちのいずれを検出信号として出力するかを決める処理を行う。そして、ステップS50へ進み、ステップS40で決めた出力信号を検出信号として出力する。
ここで、2組のステム7(のダイヤフラム8)及びセンサチップ10の検出特性について説明する。まず、本実施例の圧力センサ1は、0〜220MPa程度の圧力範囲の高圧を検出するためのセンサである。そして、2組のステム7及びセンサチップ10のうちの一方(例えば図2中左)のステム7及びセンサチップ10の検出特性(図5中の実線P1)は、例えば0〜120MPa程度の圧力範囲で、規格中心(図5中の破線K1)から許容された誤差(図5中の破線K2、K3)内に収まるように設定されている。尚、規格中心は、ステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号として、理想とする出力信号(即ち、1次関数となる出力信号)を示す。また、図5中の横軸は圧力の大きさ(MPa)を示し、縦軸は規格中心との偏差(電圧)を示す(従って、規格中心の破線K1は偏差0の直線(横線)となる)。そして、上記一方のステム7及びセンサチップ10が、第1のステム7及び第1のセンサチップ10を構成している。
一方、他方(図2中右)のステム7及びセンサチップ10の検出特性(図5中の実線P2)は、例えば100〜220MPa程度の圧力範囲で、出力信号が規格中心(図5中の破線K1)から許容された誤差(図5中の破線K2、K3)内に収まるように設定されている。この場合、上記他方のステム7及びセンサチップ10が、第2のステム7及び第2のセンサチップ10を構成している。尚、一方、他方の関係は反対でも良い。即ち、図2中右のステム7及びセンサチップ10を、第2のステム7及び第2のセンサチップ10とし、図2中左のステム7及びセンサチップ10を、第1のステム7及び第1のセンサチップ10としても良い。
そして、本実施例の場合、0〜C1(P1とP2の交点であり、ほぼ10MPa)の圧力範囲では、一方のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S1を、検出信号として用いるように構成されている。また、C1(P1とP2の交点)〜220MPaの圧力範囲では、他方のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S2を、検出信号として用いるように構成されている。具体的には、図1のフローチャートに示す制御が実行されて、検出信号が決められる。
即ち、まず、図1のステップS110において、上記した一方のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S1を取り込む。続いて、ステップS120へ進み、他方のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S2を取り込む。
続いて、ステップS130へ進み、出力信号S1と出力信号S2の差Aを算出し、この差Aが0以上であるか否かを判断する。ここで、A≧0のときは、ステップS140へ進み、出力信号S1を検出信号として出力(利用)する。また、A<0のときは、ステップS150へ進み、出力信号S2を検出信号として出力(利用)する。
また、本実施例においては、上記ステップS130にて計算した差Aの絶対値を監視しており、この差Aの絶対値が異常判定用のしきい値、即ち、ダイアグ検出値E1(図6参照)よりも大きくなったときに、センサ異常が発生したと判断するように構成されている。そして、センサ異常を検出したときには、異常検出信号を出力する。
尚、図7に示すように、1組のステム7及びセンサチップ10の検出特性(図7中の実線P3)を、例えば0〜220MPa程度の圧力範囲で、出力信号が規格中心(図7中の破線K1)から許容された誤差(図7中の破線K2、K3)内に収まるように設定する構成が、従来技術より容易に考えられる。しかし、このような検出特性P3を備えるステム7及びセンサチップ10を設計製造することは、かなり困難であり、歩留まりがかなり悪くなるという問題点が発生する。
これに対して、本実施例によれば、図5に示すように、2組のステム20及びセンサチップ30の検出特性P1と検出特性P2を組み合わせて、0〜220MPa程度の圧力範囲を検出するように構成したので、これら検出特性P1、P2を備えるステム20及びセンサチップ30を設計製造することは、各検知圧力範囲(120MPa程度)が狭いため、かなり容易であり、歩留まりが良くなるという効果を得ることができる。
尚、上記実施例において、2個のセンサチップ10から出力される出力信号S1、S2のいずれを検出出力とするか決めるに際して、2つの出力信号S1、S2を比較し、大きい方を検出出力とするように構成すると、制御が簡単になる。
図8は、本発明の第2の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第2の実施例では、3組のステム7及びセンサチップ10の検出特性R1と検出特性R2と検出特性R3を組み合わせて、0〜220MPa程度の圧力範囲を検出するように構成した。
そして、0〜Q1(R1とR2の交点)の圧力範囲では、検出特性R1のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S1を、検出信号として用いる。また、Q1(R1とR2の交点)〜Q2(R2とR3の交点)の圧力範囲では、検出特性R2のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S2を、検出信号として用いる。また、Q2(R2とR3の交点)〜220MPaの圧力範囲では、検出特性R3のステム7及びセンサチップ10から出力される出力信号S3を、検出信号として用いるように構成されている。
尚、上述した以外の第2の実施例の構成は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第2の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
また、上記第1の実施例においては、2組のステム7及びセンサチップ10を設けたが、これに代えて、1組のステム及びセンサチップを設けると共に、センサチップとして、2個のひずみゲージ(圧力検出部)が形成されたものを用いるように構成しても良い。同様にして、第2の実施例において、3組のステム7及びセンサチップ10を設ける代わりに、1組のステム及びセンサチップを設けると共に、センサチップとして、3個のひずみゲージが形成されたものを用いるように構成しても良い。この時、ひずみゲージを同一円周状に配置されたものを用いるように構成しても良い。
また、圧力の検出範囲を更に大きくする必要がある場合には、4組以上のステム7及びセンサチップ10を設ける、または、1組のステム及びセンサチップを設けると共に、センサチップとして4個以上のひずみゲージが形成されたものを用いるように構成しても良い。更に、複数組のステム及びセンサチップを設けると共に、センサチップとして2個以上のひずみゲージが形成されたものを適宜用いるように構成しても良い。
図面中、1は圧力センサ、2はハウジング、6は圧力導入通路、7はステム、8はダイヤフラム、10はセンサチップ、14は連通路、15はスペーサ、16はセラミック基板、19はコネクタターミナル、21はICチップ、22はターミナル、25はコネクタケースを示す。
Claims (13)
- 圧力が導入される開口部及び導入された圧力により変形可能なダイヤフラムを有する第1及び第2の中空筒状のステムと、前記第1及び第2のステムの各ダイヤフラム上に設けられた第1及び第2のセンサチップとを備えた圧力センサにおいて、
前記第1のセンサチップが圧力センサの圧力検出範囲のうちで第1の検出範囲で略1次関数を示し、前記第2のセンサチップが、前記圧力検出範囲のうちで前記第1の検出範囲とは異なる第2の検出範囲で略1次関数を示すように設定されることを特徴とする圧力センサ。 - 前記第1のセンサチップから出力される出力信号が略1次関数となる圧力検出範囲を、圧力センサの圧力検出範囲のうちの0から略中央値程度までとし、前記第2のセンサチップから出力される出力信号が略1次関数となる圧力検出範囲を、圧力センサの圧力検出範囲の残りの範囲とするように構成したことを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。
- 前記第1のセンサチップから出力される出力信号と、前記第2のセンサチップから出力される出力信号の偏差を算出し、前記偏差が異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成したことを特徴とする請求項1または2記載の圧力センサ。
- 前記第1のセンサチップから出力される出力信号と、前記第2のセンサチップから出力される出力信号とを比較し、電圧レベルが大きい方の出力信号を検出信号とするように構成したことを特徴とする請求項1または2記載の圧力センサ。
- 圧力が導入される開口部及び導入された圧力により変形可能なダイヤフラムを有する中空筒状のステムと、前記ダイヤフラム上に設けられたセンサチップとを備えた圧力センサにおいて、
前記ステム及び前記センサチップを3組以上設け、
前記3個以上のセンサチップから出力される3つ以上の出力信号が略1次関数となる3つ以上の圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成したことを特徴とする圧力センサ。 - 前記各センサチップから出力される出力信号のうち、電圧レベルが最も大きい出力信号と電圧レベルが最も小さい出力信号の差が、異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成したことを特徴とする請求項5記載の圧力センサ。
- 前記各センサチップから出力される出力信号を比較し、電圧レベルが最も大きい出力信号を検出信号とするように構成したことを特徴とする請求項5記載の圧力センサ。
- 圧力が導入される開口部及び導入された圧力により変形可能なダイヤフラムを有する中空筒状のステムと、前記ダイヤフラム上に設けられたセンサチップとを備えた圧力センサにおいて、
前記センサチップの中に、第1及び第2の圧力検出部を設け、
前記第1及び第2の圧力検出部から出力される2つの出力信号が略1次関数となる2つの圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成したことを特徴とする圧力センサ。 - 前記第1の圧力検出部から出力される出力信号と,前記第2の圧力検出部から出力される出力信号の偏差を算出し、前記偏差が異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成したことを特徴とする請求項8記載の圧力センサ。
- 前記第1及び第2の圧力検出部から出力される出力信号を比較し、電圧レベルが大きい出力信号を検出信号とするように構成したことを特徴とする請求項8記載の圧力センサ。
- 圧力が導入される開口部及び導入された圧力により変形可能なダイヤフラムを有する中空筒状のステムと、前記ダイヤフラム上に設けられたセンサチップとを備えた圧力センサにおいて、
前記センサチップの中に、3個以上の圧力検出部を設け、
前記3個以上の圧力検出部から出力される3つ以上の出力信号が略1次関数となる3つ以上の圧力検出範囲を組み合わせることにより、圧力センサの圧力検出範囲をカバーするように構成したことを特徴とする圧力センサ。 - 前記各圧力検出部から出力される出力信号のうち、電圧レベルが最も大きい出力信号と電圧レベルが最も小さい出力信号の偏差が、異常を検出するための一定の閾値を越えないように構成したことを特徴とする請求項11記載の圧力センサ。
- 前記各圧力検出部から出力される出力信号を比較し、電圧レベルが最も大きい出力信号を検出信号とするように構成したことを特徴とする請求項11記載の圧力センサ。
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090630 |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111108 |
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A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20120228 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |