JP2010091389A - 筒内圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】半田付け及びワイヤボンディングといった配線作業に手間がかかり、かつ信頼性が低下する可能性のある接続構造を少なくするか、または廃止して小型の筒内圧センサ１を得る。
【解決手段】内燃機関の燃焼圧力を受けるダイアフラム２の下部に半導体式歪ゲージからなる圧縮荷重検出素子３が設けられる。立体回路（ＭＩＤによる）が形成された回路ホルダー４の基材は、圧縮荷重検出素子３と端子付のホルダー押さえ部５の間に直立状態で搭載される。回路ホルダー４の基材上には、定電流回路４ａ、及び増幅器４ｂが形成される。また、上記立体回路を成すパターン配線４ｃにて、各部品間が立体的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に取り付け、筒（シリンダ）内圧力を検出する筒内圧センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１の記載されているような筒内圧センサがある。この構造を図２に示して説明する。ダイアフラム２の被測定圧力作用面に圧力が作用すると、ダイアフラム２が撓む。このダイアフラム２の撓みは、圧力伝達部材２０、２１を通じて圧縮荷重検出素子３に伝達される。

この圧力伝達部材２０、２１は、具体的には、セラミックから成る円柱２０と、金属から成るきのこ形状体２１とから成る。そして、きのこ形状体２１の平坦端面は、半導体歪検出素子から成る圧縮荷重検出素子３の表面に接着されている。

そして、圧縮荷重検出素子３は、受けた圧力に応じた電気信号を出力する。圧縮荷重検出素子３は、ハーメチック端子５ａ、５ｂにワイヤボンディングされている。そして、このハーメチック端子５ａ、５ｂのもう一方の端は、ケース２２に設置されている図示されない増幅回路の電極に半田付けによって接続されている。

ハーメチック端子５ａ、５ｂは、金属電極棒から成り、この金属電極棒は、ステム２３の複数の小穴に挿入され、ハーメチックシールされている。そして、筒内圧センサ１は、内燃機関のエンジンブロックに取り付けられる。

そして、エンジンブロック内で爆発が生じると、その圧力波がダイアフラム２に作用し、ダイアフラム２の撓みは、円柱２０と、きのこ形状体２１とに作用する。そして、この圧縮荷重検出素子３は、上記撓みに応じたブリッジ出力を、上記増幅回路に入力する。そして増幅回路は、上記ブリッジ出力を増幅して増幅した信号を外部に出力している。

次に、特許文献２には、小型で軽量な圧力センサを得るために、立体回路（ＭＩＤ）を採用したものが記載されている。この構造を図３に示して説明する。この圧力センサの本体部４０は、螺子４１が形成され、中央に貫通孔４２を有する。

そして、この本体部４０は、セラミック射出成形またはセラミック圧縮成形で製作されている。また、上記貫通孔４２を塞ぐ形態で、ピエゾ抵抗効果を利用した圧力検出素子４３が実装されている。

そして、本体部４０の下表面には、終端部において外部接続端子部４４を形成する導体パターン４５が、レーザの照射等により形成されている。この導体パターン４５は、立体回路の一部を成すもので、本体部４０の表面に直接形成され、上記圧力検出素子４３に接続されている。
特開平７−１９９８１号公報 特開２００８−８９４１２号公報

上記特許文献１に記載された筒内圧センサ１は、圧縮荷重を検出する圧縮荷重検出素子３から増幅回路までが、ワイヤボンディング及び半田付けにより接続されている。

即ち、ハーメチック端子５ａ、５ｂを成す各金属電極棒の一端は、半田付けによって圧縮荷重検出素子３の出力電極部にワイヤボンディングされている。また、各金属電極棒の他端は、ケース２２内の増幅回路の電極部に半田付けされている。

このように、ワイヤボンディング及び半田付けにより接続されているため、上記特許文献１記載の筒内圧センサ１は、接続部の信頼性が低く製造し難いという問題がある。

また、上記増幅回路が、センサの後段、即ち図２の下部に配置されているため、全体として体格が大きく、部品点数が多いという問題もある。

次に、特許文献２は、小型化という面では参考に成るが、筒内圧センサではないため、基本的な外形や構成が大きく異なり、このままでは、筒内圧センサとして使用できない。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、内部における接続部の信頼性が高く、製造し易い小型の筒内圧センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、ダイアフラム（２）、ダイアフラム（２）の変位により荷重が印加される圧縮荷重検出素子（３）、圧縮荷重検出素子（３）に接続された少なくとも増幅回路（４ａ）を含む立体回路と基材から成る回路ホルダー（４）、回路ホルダー（４）に接続された外部接続端子（１０、１１、１２、１３）、ダイアフラム（２）に一端が結合され圧縮荷重検出素子（３）、回路ホルダー（４）を収納するハウジング（６、７）を備え、圧縮荷重検出素子（３）から増幅回路（４ａ）を介して外部接続端子（１０、１１、１２、１３）に至るまでの配線を回路ホルダー（４）に設けられた立体回路の一部を成すパターン配線（４ｃ）によって行ったことを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、立体回路の基材から回路ホルダー（４）を構成し、圧縮荷重検出素子（３）から、立体回路を介して、外部接続端子（１０、１１、１２、１３）に至るまでの配線を、回路ホルダー（４）に設けられた立体回路の一部を成すパターン配線（４ｃ）によって行っているため、半田付け、及びワイヤボンディングを使用しないか、あるいは、使用を制限して筒内圧センサ（１）を構成することが出来、信頼性を高め、小型に構成できる。

次に、請求項２に記載の発明では、外部接続端子（１０、１１、１２、１３）は、ハウジング（６、７）に結合されたホルダー押さえ部（５）に固定されており、該ホルダー押さえ部（５）は、回路ホルダー（４）を介して圧縮荷重検出素子（３）に予荷重を与えていることを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、回路ホルダー（４）を利用して、圧縮荷重検出素子（３）に予荷重を与えることが出来る。

次に、請求項３に記載の発明では、回路ホルダー（４）の母材は、絶縁体から成り、かつ母材のヤング率が、圧縮加重検出素子（３）のヤング率よりも大きく、１５０℃以上の耐熱性を有することを特徴としている。

この請求項３に記載の発明によれば、回路ホルダー（４）の母材は、絶縁体から成り、かつ母材のヤング率が、圧縮加重検出素子（３）のヤング率よりも大きく、１５０℃以上の耐熱性を有するから、筒内圧センサ（１）の使用環境に耐えながら、立体回路の母材としての機能と、圧縮加重検出素子（３）への予荷重の維持機能とを果たすことが出来る。

次に、請求項４に記載の発明では、回路ホルダー（４）は、圧縮加重検出素子（３）から外部接続端子（１０、１１、１２、１３）の間を橋絡するように設けられており、回路ホルダー(４)の基材の伸長方向が、圧縮加重検出素子（３）から外部接続端子（１０、１１、１２、１３）に向かう方向であることを特徴としている。

この請求項４に記載の発明によれば、筒内圧センサ（１）の長細い全体形状の中に立体回路を構築する回路ホルダー(４)を収納することが出来る。

次に、請求項５に記載の発明では、ハウジング（６、７）に結合されたホルダー押さえ部（５）は、金属から成り、ハウジング（６、７）は、鍔状部分（６ａ）がダイアフラム（２）に結合され、筒状部分(６ｂ)が、ホルダー押さえ部（５）に結合されたインナーハウジング（６）と、該インナーハウジング（６）の筒状部分（６ｂ）の外側を覆うアウターハウジング（７）から成ることを特徴としている。

この請求項５に記載の発明によれば、インナーハウジング（６）の筒状部分（６ｂ）におけるホルダー押さえ部（５）の結合位置を決定することにより、圧縮荷重検出素子（３）の予荷重を調整することが出来る。

次に、請求項６に記載の発明では、パターン配線（４ｃ）と圧縮荷重検出素子（３）との間、及びパターン配線（４ｃ）と外部接続端子（１０、１１、１２、１３）との間は、圧接によって電気的に接続されていることを特徴としている。

この請求項６に記載の発明によれば、圧接により接続しているから、ワイヤボンディング及び半田付けを廃止、または、少なくすることが出来、製造し易く、信頼性を向上できる。

次に、請求項７に記載の発明では、外部接続端子（１０、１１、１２、１３）は、ハウジング（６、７）に結合されたホルダー押さえ部（５）に固定されており、該ホルダー押さえ部（５）は、回路ホルダー（４）を介して圧縮荷重検出素子（３）に予荷重を与えており、圧接は、予荷重によって行っていることを特徴としている。

この請求項７に記載の発明によれば、予荷重を圧接に利用しているから、圧接のための特別な圧力付与機構を不要にできる。

なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、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。

（一実施形態）
以下、本発明の一実施形態について、図１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態となる筒内圧センサ１の縦断面図である。上部にダイアフラム２が設けられており、このダイアフラム２は、キャップ形状を有し、キャップの底に相当する部分に薄肉部２ａを有する。また、キャップの側面に円筒形状部２ｂを有する。

そして薄肉部２ａの下方には、圧縮荷重検出素子３が、薄肉部２ａに密接して配置されている。この圧縮荷重検出素子３の更に下方には、回路ホルダー４が配置されている。この回路ホルダー４には、圧縮荷重検出素子３に定電流を流すための定電流回路４ａと、圧縮荷重検出素子３のブリッジ出力を増幅するための増幅回路４ｂが形成されている。

また、圧縮荷重検出素子３に、定電流回路４ａから定電流が流される。そして、定電流が流れている圧縮荷重検出素子３に、図示されないエンジンブロック内のシリンダ内の爆発により荷重が作用すると、受けた荷重に応じて、圧縮荷重検出素子３の抵抗値が変化する。これにより、圧縮荷重検出素子３の出力電圧値も変化するようになっている。

そして、これらの定電流回路４ａと増幅回路４ｂとは、公知の後述する立体回路として構成されている。即ち、回路ホルダー４の表面に立体的に、圧縮荷重検出素子３と上記各回路４ａ、４ｂを接続するパターン配線４ｃが形成されている。

このパターン配線４ｃは、立体回路の一部を成すものであり、回路ホルダー４の基材の側面４ｆ及び裏面に至るまで立体的に配線されている。

また、圧縮荷重検出素子３は、この一実施形態においては、半導体歪ゲージ式の検出素子を使用している。また、回路ホルダー４の基材は、細長い角柱から成り、図１では、模式的に示されている。

回路ホルダー４の基材と成る材料（母材）は、セラミックからなる絶縁体である。また、上記母材のヤング率が、圧縮荷重検出素子３よりも大きいものが採用されている。

更に、この回路ホルダー４は、１５０℃以上の耐熱性を持つように構成されている。また、上記母材のセラミック材料を射出成形し、その構造体上に、銅、ニッケル、及びアルミニウム等の材料でパターン配線４ｃを形成している。

このパターン配線４ｃの形成方法として、レーザパターンニングを使用している。これにより、精密な立体回路を形成でき、小型化することが出来る。この回路ホルダー４の製造にあたっては，Molded Interconnected Device（以下、ＭＩＤと記す）技術を使用している。このＭＩＤとは、射出成形品の表面に立体回路を形成するもので公知である。

このＭＩＤの特徴としては、機能部品としての機械的機能（後述する予荷重印加機能等）と、配線回路基材としての電気的機能の融合により、小型化が達成できる点にある。また、小型化のみでなく、機器の高精度化を図ることも可能である。

次に、上記一実施形態の作用効果について述べる。ダイアフラム２に圧力が作用すると、ダイアフラム２が撓む。そして、そのダイアフラム２の撓みが、荷重として回路ホルダー４の上端に設置された圧縮荷重検出素子３に作用する。

圧縮荷重検出素子３は、半導体式歪ゲージから成るため、荷重に応じて、内部の抵抗値が変化し、その結果、出力電圧値が変化する。

このため、圧縮荷重検出素子３には、定電流回路４ａから、定電流が流される。そして、定電流が流れている圧縮荷重検出素子３に、上記荷重が作用すると、受けた荷重に応じて圧縮荷重検出素子３の抵抗値が変化する。これにより、圧縮荷重検出素子３の出力電圧値から荷重の大きさが、読み取れるようになっている。

圧縮荷重検出素子３は、上記エンジンブロック内の筒（シリンダ）内が、負圧になって、ダイアフラム２の薄肉部２ａが、図１上方に変位しても、ダイアフラム２が圧縮荷重検出素子３から離脱しないように、予め設定された予荷重（プリロードあるいはプリストレス）が与えられる必要がある。

そこで、ホルダー押さえ部５を用いて予荷重を調整して、回路ホルダー４を、インナーハウジング６及びアウターハウジング７内に固定している。なお、インナーハウジング６の鍔状部分６ａとアウターハウジング７とは、全周溶接部３１で結合されている。

このため、実際の使用中においては、予荷重が加えられた圧縮荷重検出素子３に、定電流回路４ａから定電流が流される。そして、定電流が流れている圧縮荷重検出素子３に、更に筒内圧から成る荷重が作用すると、受けた筒内圧に応じて、圧縮荷重検出素子３の抵抗値が変化する。これにより、圧縮荷重検出素子３の出力電圧値も変化するようになっている。

レーザ溶接部８は、インナーハウジング６の最下端と、ホルダー押さえ部５の側壁とをリング状に溶接したものである。また、回路ホルダー４は、この回路ホルダー４と一体のアーム部４ｄ、及び４ｅを有している。このアーム部４ｄ、及び４ｅによって、回路ホルダー４が、ダイアフラム２及びインナーハウジング６内に保持されている。

ホルダー押さえ部５には、外部電源からの電圧が供給される電圧グランド端子１０、電圧プラス端子１１、センサ出力端子１２、及びセンサグランド端子１３が貫通している。なお、これらの端子１０、１１、１２、１３を外部接続端子とも言う。

また、ホルダー押さえ部５は、金属から成る。また、ホルダー押さえ部５は、上記各端子１０、１１、１２、１３とは、図示されないハーメチックシール部にて絶縁されている。そして、これらの各端子１０、１１、１２、１３は、コネクタ１５に接続されている。

このコネクタ１５は、金属製のコネクタハウジング１５ａを持ち、溶接部１６でアウターハウジング７に結合されている。

そして、コネクタハウジング１５ａ内の複数の貫通孔１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅに、外部接続端子１０、１１、１２、１３が挿入されている。

また、上記貫通孔１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ内では、図示を省略したコネクタ端子と上記外部接続端子１０、１１、１２、１３とが電気的に接続される。なお、コネクタハウジング１５ａが金属であるため、上記貫通孔１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ内には、コネクタハウジング１５ａと上記コネクタ端子及び外部接続端子１０，１１，１２，１３との間の絶縁を確保するため、図示されない合成樹脂またはセラミック等の絶縁物が挿入されている。

回路ホルダー４が圧縮荷重検出素子３とホルダー押さえ部５との間に取り付けられ、上記予荷重が回路ホルダー４等に与えられたときに、上記各端子１０、１１、１２、１３は、パターン配線４ｃの下端部４ｃ１、４ｃ２、４ｃ３、４ｃ４に圧接される。それと同時に、上記各端子１０、１１、１２、１３とパターン配線４ｃの下端部４ｃ１、４ｃ２、４ｃ３、４ｃ４とが電気的に接続される。

なお、予荷重が与えられたときに、上記各端子１０、１１、１２、１３が、パターン配線４ｃに押し付けられるように、パターン配線４ｃの下端部４ｃ１、４ｃ２、４ｃ３、４ｃ４の最先端は、回路ホルダー４の基材の下端面（図１の紙面と垂直の面）に更に延在して形成されている。

また、上記予荷重によって、回路ホルダー４の上端のパターン配線部分４ｃ５、及び４ｃ６も、圧縮荷重検出素子３に圧接され、かつ電気的に接続される。

そして、ホルダー押さえ部５は、回路ホルダー４の基材の下端面を支持している。これにより、ホルダー押さえ部５は、回路ホルダー４を介して、圧縮荷重検出素子３に、次の工程にて予荷重を与えている。

ダイアフラム２と鍔付筒状のインナーハウジング６とは、溶接部３０で結合されて一体化される。この一体化された構造体２及び６の中に、圧縮荷重検出素子３、パターン配線４ｃ、及び電気回路４ａ、４ｂが実装された回路ホルダー４が組み込まれる。

次に、図示されない治具で、ホルダー押さえ部５が図１の下方から押圧されて、調整された予荷重が、回路ホルダー４に印加されている状態で、レーザ溶接部８が形成される。

このときに、ホルダー押さえ部５は、インナーハウジング６の筒状部分６ｂ内に挿入された状態で、リング状にレーザ溶接される。そして、上記レーザ溶接部８が固着した後に、上記治具がホルダー押さえ部５から離される。

上述のように、上記一実施形態では、圧縮荷重検出素子３から少なくとも増幅回路４ｂを経由した外部接続端子１０、１１、１２、１３に至るまでの間において、半田付け、及びワイヤボンディングによる配線箇所を減少、もしくは、廃止できる。よって、工程が簡素化されて、組付けにかかる時間と手間とを低減でき、コスト低減につながる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の一実施形態では、圧縮荷重検出素子３に半導体式歪ゲージを使用したが、圧縮式の荷重検出素子であれば、その他の素子でも構成できる。

例えば、圧電体を利用して、圧縮荷重検出素子３を構成しても良い。この場合は、定電流回路４ａは不要に成る。

また、パターン配線４ｃは、物理的蒸着、及び電解めっき処理による圧膜を用いて構成することも出来る。

また、回路ホルダー４と、各端子１０、１１、１２、１３との接続は、基材の底平面のパターン配線４ｃに、各端子１０、１１、１２、１３の上端部を圧接させて行ったが、次のようにしても良い。

つまり、先ず、パターン配線４ｃの下端部４ｃ１、４ｃ２、４ｃ３、４ｃ４が位置する回路ホルダー４の基材先端に傾斜面が形成される。次に、傾斜面に沿ってパターン配線４ｃの下端部４ｃ１、４ｃ２、４ｃ３、４ｃ４が形成される。

そして、傾斜したパターン配線４ｃの下端部４ｃ１、４ｃ２、４ｃ３、４ｃ４上に、各端子（バネ材料から成る）１０、１１、１２、１３の上部先端が圧接されるようにしてもよい。

また、予荷重を利用して、回路ホルダー４と上記各端子１０、１１、１２、１３との間の圧接接続、及び、回路ホルダー４と圧縮荷重検出素子３との間の圧接接続を行ったが、予荷重が、直接的に圧接接続部に作用しないようにしても良い。この場合は、適当な圧接荷重を得るために接続部にバネ材料を介在させればよい。

また、回路ホルダー４と上記各端子１０、１１、１２、１３との間、及び回路ホルダー４と圧縮荷重検出素子３との間の接続に、周知のバンプ接続を利用しても良い。

また、回路ホルダー４と一体のアーム部４ｄ、及び４ｅを備えているが、このアーム部４ｄ、及び４ｅは、回路ホルダー４と一体成形されても良いし、別体のものを接合して形成しても良い。更には、アーム部４ｄ、及び４ｅを省略することも出来る。

また、回路ホルダー４の基材の形状を板状としたが、全体として細長い角柱のチップから形成しても良い。この場合の実際の寸法例は、図１を援用すると、紙面左右方向の幅が２ｍｍ、奥行き（上記紙面と垂直方向）が２ｍｍ、上記紙面の上下方向（圧縮荷重検出素子３からホルダー押さえ部５に向かう方向）が３ｍｍ乃至５０ｍｍである。

また、コネクタハウジング１５ａは、金属でなく、セラミックや樹脂等の絶縁物を用いた高温用耐熱コネクタで構成しても良い。

本発明の一実施形態における筒内圧センサの縦断面図である。 従来技術における筒内圧センサの縦断面図である。 更に別の従来技術における立体回路を使用した圧力センサの縦断面図である。

符号の説明

１…筒内圧センサ
３…圧縮荷重検出素子
２…ダイアフラム
４…回路ホルダー
４ｃ…パターン配線
５…ホルダー押さえ部
６…インナーハウジング
７…アウターハウジング
８…レーザ溶接部
１０、１１、１２、１３…外部接続端子
１５…コネクタ

Claims (7)

1. ダイアフラム（２）、
   前記ダイアフラム（２）の変位により荷重が印加される圧縮荷重検出素子（３）、
   前記圧縮荷重検出素子（３）に接続された少なくとも増幅回路（４ａ）を含む立体回路と基材から成る回路ホルダー（４）、
   前記回路ホルダー（４）に接続された外部接続端子（１０、１１、１２、１３）、
   前記ダイアフラム（２）に一端が結合され前記圧縮荷重検出素子（３）、前記回路ホルダー（４）を収納するハウジング（６、７）を備え、
   前記圧縮荷重検出素子（３）から前記増幅回路（４ａ）を介して前記外部接続端子（１０、１１、１２、１３）に至るまでの配線を前記回路ホルダー（４）に設けられた前記立体回路の一部を成すパターン配線（４ｃ）によって行ったことを特徴とする筒内圧センサ。
2. 前記外部接続端子（１０、１１、１２、１３）は、前記ハウジング（６、７）に結合されたホルダー押さえ部（５）に固定されており、該ホルダー押さえ部（５）は、前記回路ホルダー（４）を介して前記圧縮荷重検出素子（３）に予荷重を与えていることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧センサ。
3. 前記回路ホルダー（４）の母材は、絶縁体から成り、かつ前記母材のヤング率が、前記圧縮加重検出素子（３）のヤング率よりも大きく、１５０℃以上の耐熱性を有することを特徴とする請求項２に記載の筒内圧センサ。
4. 前記回路ホルダー（４）は、前記圧縮加重検出素子（３）から前記外部接続端子（１０、１１、１２、１３）の間を橋絡するように設けられており、前記回路ホルダー(４)の基材の伸長方向が、前記圧縮加重検出素子（３）から前記外部接続端子（１０、１１、１２、１３）に向かう方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の筒内圧センサ。
5. 前記ハウジング（６、７）に結合された前記ホルダー押さえ部（５）は、金属から成り、
   前記ハウジング（６、７）は、鍔状部分（６ａ）が前記ダイアフラム（２）に結合され筒状部分(６ｂ)が前記ホルダー押さえ部（５）に結合されたインナーハウジング（６）と、該インナーハウジング（６）の前記筒状部分（６ｂ）の外側を覆うアウターハウジング（７）から成ることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の筒内圧センサ。
6. 前記パターン配線（４ｃ）と前記圧縮荷重検出素子（３）との間、及び前記パターン配線（４ｃ）と前記外部接続端子（１０、１１、１２、１３）との間は、圧接によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の筒内圧センサ。
7. 前記外部接続端子（１０、１１、１２、１３）は、前記ハウジング（６、７）に結合された前記ホルダー押さえ部（５）に固定されており、該ホルダー押さえ部（５）は、前記回路ホルダー（４）を介して前記圧縮荷重検出素子（３）に予荷重を与えており、前記圧接は前記予荷重によって行っていることを特徴とする請求項６に記載の筒内圧センサ。

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