JP2015121426A - 溶接部を有する継手構造の組付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部を有する継手構造の組付構造において、溶接部に亀裂が発生することを抑制する。【解決手段】第１部材２０、３１０に、組付穴２０１、４０１への挿入方向に沿った組付力が発生すると共に、被組付部材２００、４００との隙間を封止する封止手段２２、３３０を介して組付力に対する反発力が印加されるように、第１部材２０、３１０を被組付部材２００、４００に組み付ける。また、第１部材２０、３１０と第２部材１０、３００とを接合する溶接部１４、３２０を封止手段２２、３３よりも第２部材１０、３００側に形成し、溶接部１４、３２０に組付力および反発力によって圧縮応力が印加された状態とする。【選択図】図３

Description

本発明は、中空部を有する筒状の第１、第２部材が互いの中空部が連通されるように溶接部を介して接合され、第１部材のうちの第２部材側と反対側の端部が圧力媒体に曝されるように被組付部材に組み付けられた溶接部を有する継手構造の組付構造に関する。

従来より、複数の筒状部材が溶接部を介して接合された継手構造を有する圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、この圧力センサでは、筒状のパイプ、筒状のステム、筒状のハウジングが順に溶接接合されると共に、パイプのうちのステムと反対側の開口端部に有底筒状のダイヤフラム部が溶接接合されたケースを備えている。そして、ケース内に、ダイヤフラム部に印加された圧力媒体（測定媒体）の圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ部が収容されている。また、ハウジングには、ステム側の端部に被組付部材にネジ結合可能なネジ部が形成され、ステムには、ネジ部が被組付部材にネジ結合されたときに圧力媒体をシールするシール部が形成されている。

そして、このような圧力センサは、ダイヤフラム部が圧力媒体に曝されるように、シール部が被組付部材の組付穴における座面に押し付けられるように組み付けられて用いられる。

特開２００７−１３９４５３号公報

しかしながら、上記圧力センサの組付構造では、ダイヤフラム部に圧力媒体の圧力（特に圧力媒体における突発的な高圧力）が印加されると、ダイヤフラム部とパイプとの溶接部およびパイプとステムとの溶接部に亀裂が発生する可能性がある。そして、当該亀裂によってこれらの溶接部が破壊される可能性がある。

すなわち、ダイヤフラム部に圧力が印加されると、ケースには、ダイヤフラム部に印加された圧力に反発する反発力が発生する。つまり、ダイヤフラム部には、パイプから離間する方向に反発力が発生し、パイプには、ステムから離間する方向に反発力が発生する。このため、ダイヤフラム部とパイプとの溶接部およびパイプとステムとの溶接部には、それぞれ引張応力が印加される。したがって、これらの溶接部に亀裂が発生する可能性がある。

なお、上記問題は、このような圧力センサに限定されるものではない。例えば、ハウジングに溶接部を介してノズルが接合され、この溶接部よりもハウジング側の部分で被組付部材との間の隙間がシールされるインジェクタ等の組付構造においても上記問題が同様に発生する。

本発明は上記点に鑑みて、溶接部を有する継手構造の組付構造において、溶接部に亀裂が発生することを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、中空部（２０ｂ）を有する筒状の第１部材（２０、３１０）と、中空部（１０ｃ）を有する筒状とされ、当該中空部が第１部材の中空部と連通されると共に、第１部材との間に形成された溶接部（１４、３２０）によって第１部材と接合されている第２部材（１０、３００）と、を備え、第１部材のうちの第２部材側と反対側の端部が圧力媒体に曝されるように、被組付部材（２００、４００）の組付穴（２０１、４０１）に挿入されて組み付けられた溶接部を有する継手構造の組付構造において、以下の点を特徴としている。

すなわち、第１部材は、組付穴への挿入方向に沿った組付力が発生すると共に、被組付部材との隙間を封止する封止手段（２２、３３０）を介して組付力に対する反発力が印加されるように被組付部材に組み付けられ、溶接部は、封止手段よりも第２部材側に形成され、組付力および反発力によって圧縮応力が印加されていることを特徴としている。

これによれば、第１部材のうちの第２部材側と反対側の端部に突発的な高圧力が印加されてこの高圧力に対する反発力が発生したとしても、溶接部には予め圧縮応力が印加されているため、溶接部に引張応力が印加されることを抑制できる。したがって、溶接部に亀裂が発生することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 図１中の領域Ａの拡大図である。 図１に示す圧力センサを被組付部材に組み付けたときのメタルケース近傍の断面図である。 溶接部に印加される力の関係を示した模式図である。 ダイヤフラム部に印加される圧力と時間との関係を示したタイミングチャートである。 図１に示す溶接部に印加される荷重を示したタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態における圧力センサの部分拡大断面図である。 本発明の他の実施形態におけるインジェクタを被組付部材に組み付けたときの模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、被組付部材としての自動車のエンジンに組み付けられて当該エンジンにおける燃焼室内の圧力を検出する圧力センサの組付構造に本発明を適用した例を説明する。まず、本実施形態の圧力センサの構成について説明する。

図１に示されるように、圧力センサは、両端部が開口部１０ａ、１０ｂとされた中空部１０ｃを有する円筒状のハウジング１０を備えている。本実施形態のハウジング１０は、円筒状の本体部１１と、当該本体部１１よりも内径および外径が短くされ、外周壁面に後述する被組付部材２００にネジ結合可能なネジ部１３が形成された細長円筒状のパイプ部１２とを有している。

なお、本実施形態では、ハウジング１０が本発明の第２部材に相当している。また、このようなハウジング１０は、例えば、ＳＵＳ６３０等の金属が切削や冷間鍛造等により一体成型されて構成される。

そして、図１および図２に示されるように、ハウジング１０のうちの開口部１０ａ側の端部には、一端部が開口部２０ａとされた中空部２０ｂを有する有底筒状であり、他端（底部）が圧力に応じて変形する薄肉のダイヤフラム部２１とされたメタルケース２０が備えられている。具体的には、このメタルケース２０は、中空部２０ｂがハウジング１０の中空部１０ｃと連通されるように、開口部２０ａ側の端部がハウジング１０の開口部１０ａ側の端部と接合されている。より詳しくは、ハウジング１０とメタルケース２０とはレーザ溶接等の溶接接合によって形成される溶接部１４を介して接合されている。

なお、本実施形態では、メタルケース２０が本発明の第１部材に相当している。また、圧力に応じて変形するダイヤフラム部２１は、言い換えると、圧力に応じた荷重を発生させるダイヤフラム部２１ともいえる。

そして、メタルケース２０には、開口部２０ａとダイヤフラム部２１との間の中間部から開口部２０ａ側に向かって外径が大きくなるテーパ状のシール部２２が形成されている。このシール部２２は、被組付部材２００に組み付けられたときに被組付部材２００に押し付けられる（密着する）ことによって被組付部材２００との隙間を封止する機能を発揮する部分である。なお、本実施形態では、このシール部２２が本発明の封止手段に相当している。

また、メタルケース２０のうちのダイヤフラム部２１には、中空部２０ｂ側（開口部２０ａ）に突出する伝達部２１ａが形成されている。この伝達部２１ａは、ダイヤフラム部２１にて発生した荷重を後述する荷重伝達部材３０に伝達する機能を果すものである。なお、このようなメタルケース２０は、ＳＵＳ６３０等の金属が切削や冷間鍛造等によって構成される。

そして、メタルケース２０には、ダイヤフラム部２１側から順に荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０が配置されている。

荷重伝達部材３０は、本実施形態では略円板状とされており、表面が伝達部２１ａと当接するように配置されている。なお、荷重伝達部材３０は、ここでは略円板状のものを図示しているが、例えば、伝達部２１ａ側に向かって外径が短くなる略円錐状とされていてもよい。また、このような荷重伝達部材３０は、ＳＵＳ６３０等の金属で構成される。

センサ部４０は、水晶等の圧電材料にて構成された略円板状の圧電素子であって荷重（圧力）に応じたセンサ信号（電荷）を出力するものであり、表裏面に金属薄膜（図示せず）が形成されたものである。

電極５０は、ＳＵＳ６３０等の金属にて構成された円板部に凸部５０ａを有する形状とされており、センサ部４０と反対側に凸部５０ａが位置するようにセンサ部４０上に配置されている。そして、電極５０における凸部５０ａは銅線等の信号線８０とはんだ（図示せず）等を介して電気的に接続されており、信号線８０にセンサ信号を伝達するようになっている。

絶縁部材６０は、電極５０と予荷重印加部材７０とを絶縁するものでアルミナ等で構成されており、貫通孔６０ａが形成された円環状とされている。そして、貫通孔６０ａに凸部５０ａが挿入されるように電極５０上に配置されている。

予荷重印加部材７０は、荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０に所定の予荷重を印加するものであり、貫通孔７０ａが形成された円環状とされている。そして、貫通孔７０ａに凸部５０ａおよび信号線８０が挿入されるように絶縁部材６０上に配置されている。このようにして、信号線８０がハウジング１０の中空部１０ｃ内に引き出されている。

また、荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０の周囲には、これらを一体化して固定する支持部材９０が配置されている。具体的には、支持部材９０は、両端部が開口部とされた中空部を有する円筒状とされ、中空部内に荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０を収容するように配置されている。そして、支持部材９０は、荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０に予荷重印加部材７０から所定の予荷重が印加されるように、一端部が予荷重印加部材７０と溶接接合されていると共に、他端部が荷重伝達部材３０と溶接接合されている。このようにして、荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０が一体化されている。

なお、予荷重印加部材７０は、支持部材９０の一端部側の開口部から突出するように配置されている。また、支持部材９０は、ＳＵＳ６３０等の金属で構成される。

そして、支持部材９０にて一体化された荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０は、予荷重印加部材７０のうちの支持部材９０から突出する部分がハウジング１０と当接している。これにより、支持部材９０にて一体化された荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０がメタルケース２０内で変位しないように固定される。なお、予荷重印加部材７０は、ハウジング１０と接合されていない。

また、支持部材９０は、メタルケース２０の内壁と離間するように配置されている。言い換えると、支持部材９０とメタルケース２０とは、空気層を介して配置されている。すなわち、センサ部４０は、メタルケース２０と離間して配置されている。

さらに、メタルケース２０内には、側面に沿ってポリイミド等で構成された円筒状の絶縁チューブ（図示せず）が配置されており、メタルケース２０と荷重伝達部材３０、センサ部４０、電極５０（支持部材９０）との絶縁が図れるようになっている。

また、図１に示されるように、ハウジング１０における開口部１０ｂ側には、Ｏリング１００を介してコネクタ部材１１０が組み付けられている。このコネクタ部材１１０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂にて構成された略円柱部材とされており、一端部に凹部１１０ａが形成されていると共に他端部に開口部１１０ｂが形成されている。

そして、コネクタ部材１１０は、一端部側がハウジング１０の開口部１０ｂに挿入され、ハウジング１０における開口部１０ｂ側の開口端部１１ａがかしめられることにより、ハウジング１０と一体化されている。

また、コネクタ部材１１０には、複数本のターミナル１１１が備えられており、各ターミナル１１１はインサートモールドによりコネクタ部材１１０と一体に成形されることによってコネクタ部材１１０内に保持されている。具体的には、ターミナル１１１は、コネクタ部材１１０を貫通するように保持されており、一端部が凹部１１０ａ内に突出すると共に他端部が開口部１１０ｂ内に突出している。

さらに、コネクタ部材１１０の一端部には、凹部１１０ａを閉塞するようにセラミック基板等からなる配線基板１２０が備えられている。この配線基板１２０は、表裏面に配線パターン（図示せず）が形成されており、表裏面に形成された配線パターンがスルーホールに埋め込まれた電極（図示せず）を介して電気的に接続されている。

配線基板１２０の表面（メタルケース２０側の一面）には、センサ信号を増幅したり調整したりする制御回路１２１が搭載されている。そして、制御回路１２１は、ハウジング１０内に引き出された信号線８０とはんだ（図示せず）等を介して電気的に接続されていると共に、配線基板１２０の表面に形成された配線パターンとボンディングワイヤ１２２を介して電気的に接続されている。

また、凹部１１０ａから露出するターミナル１１１の一端は、配線基板１２０の裏面に形成された配線パターンとはんだ１３０を介して電気的に接続され、開口部１１０ｂから露出するターミナル１１１の他端は、図示しない外部配線部材等に接続されるようになっている。

以上が本実施形態における圧力センサの構成である。そして、このような圧力センサは、被組付部材２００としての自動車のエンジンに組み付けられて用いられる。具体的には、図３に示されるように、被組付部材２００における組付穴２０１のうちの圧力センサにおけるシール部２２と対向する部分には、当該シール部２２に対応したテーパ状の座面２０１ａが形成されている。そして、シール部２２が座面２０１ａに押し付けられる（密着する）ように、被組付部材２００にネジ部１３がネジ結合されることによって圧力センサが組み付けられる。

そして、ダイヤフラム部２１に被組付部材（エンジン）２００内の圧力媒体（測定媒体）の圧力が印加されると、ダイヤフラム部２１に発生した荷重が伝達部２１ａ、荷重伝達部材３０を介してセンサ部４０に伝達される。このため、圧電材料で構成されたセンサ部４０にて分極が発生し、圧力に応じたセンサ信号（電荷）が信号線８０を介して制御回路１２１に伝達されて圧力の検出が行われる。

また、このような圧力センサでは、図４に示されるように、溶接部１４には、圧力センサを被組付部材２００にネジ結合することによって発生する軸力が印加される。また、溶接部１４には、シール部２２が被組付部材２００に押し付けられることによって発生する軸力に対する反発力としてのシール荷重が印加される。この場合、軸力およびシール荷重の方向は略反対方向となるため、溶接部１４は軸力およびシール荷重による圧縮応力が印加された状態となる。つまり、溶接部１４は、圧縮場となる。なお、本実施形態では、軸力が本発明の組付力に相当し、この組付力はメタルケース２０（圧力センサ）の組付穴２０１に対する挿入方向に沿って発生している。

ここで、ダイヤフラム部２１に圧力媒体から突発的な高圧力（以下では、衝撃圧力という）が印加された場合について図５を参照しつつ説明する。なお、図５Ｂにおける荷重は、溶接部に印加される荷重が圧縮応力である場合を正、溶接部に印加される荷重が引張応力である場合を負としている。

図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、ダイヤフラム部２１に通常の圧力が印加されている状態から時点Ｔ１で衝撃圧力が印加されると、溶接部１４には衝撃圧力が印加された後にこの衝撃圧力に反発する反発力が印加される。つまり、溶接部１４に印加される荷重は、時点Ｔ１から大きくなった後、時点Ｔ２から時点Ｔ１のときより小さくなる。この場合、本実施形態では、溶接部１４には予め圧縮応力が印加されているため、溶接部１４に予め圧縮応力が印加されていない場合と比較して、溶接部１４に衝撃圧力に反発する反発力によって引張応力が印加されることを抑制できる。したがって、溶接部１４に亀裂が発生することを抑制できる。

なお、上記のように、本実施形態の圧力センサにおいても溶接部１４には衝撃圧力に反発する反発力が印加されるため、想定される最大衝撃圧力よりも大きな圧縮応力を溶接部１４に印加しておくことが好ましい。すなわち、想定される最大衝撃圧力よりも大きな圧縮応力が溶接部１４に印加されるように、圧力センサを被組付部材２００に組み付けることが好ましい。このように圧力センサを被組付部材２００に組み付けることにより、衝撃圧力によって溶接部１４に引張応力が印加されることを防止できる。

以上説明したように、本実施形態では、ネジ部１３とシール部２２との間に溶接部１４が形成され、溶接部１４は、軸力およびシール荷重によって圧縮応力が印加された状態となっている。したがって、ダイヤフラム部２１に衝撃圧力が印加されて当該衝撃圧力に反発する反発力が発生したとしても、溶接部１４に印加される応力が引張応力となることを抑制できる。すなわち、溶接部１４に亀裂が発生することを抑制できる。

また、本実施形態では、センサ部４０がメタルケース２０と離間して配置されている。このため、軸力およびシール荷重がセンサ部４０に直接印加されることを抑制でき、センサ部４０の検出精度が低下することを抑制できる。さらに、メタルケース２０におけるダイヤフラム部２１が高温環境に曝されたとしても、センサ部４０がメタルケース２０と離間して配置されているため、センサ部４０の温度依存性を低減できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して切り欠き部を形成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図６に示されるように、本実施形態では、メタルケース２０に切り欠き部２０ｃが形成されている。具体的には、この切り欠き部２０ｃは、溶接部１４と接するように形成されている。言い換えると、溶接部１４は、切り欠き部２０ｃと接するように形成されている。

これによれば、溶接部１４に衝撃圧力に反発する反発力が印加される場合、切り欠き部２０ｃによって当該反発力が緩和される。このため、さらに溶接部１４に引張応力が印加されることを抑制できる。

なお、本実施形態では、メタルケース２０に切り欠き部２０ｃが形成されている例について説明したが、ハウジング１０に溶接部１４と接するように切り欠き部が形成されていてもよい。また、メタルケース２０およびハウジング１０に切り欠き部が形成されていてもよい。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、被組付部材２００としてエンジンを例に挙げたが、被組付部材２００はこれに限定されるものではない。

また、上記第１実施形態では本発明を圧力センサの組付構造に適用した例について説明したが、本発明を他の組付構造に適用することもできる。例えば、図７に示されるように、燃料供給部３００ａを有するハウジング３００の先端部３００ｂにノズル３１０が溶接接合され、ハウジング３００とノズル３１０との間に溶接部３２０が形成されたインジェクタ等の燃料噴射装置の組付構造に本発明を適用することもできる。

このような組付構造に本発明を適用した場合には、ハウジング３００のうちの先端部３００ｂと反対側の端部が図示しないデリバリーパイプ等と接続されている。このため、インジェクタは、ノズル３１０の外縁部にシール部材としてのガスケット３３０を配置した状態で、デリバリーパイプから組付穴４０１に押し付けられることによって被組付部材４００に組み付けられる。このとき、溶接部３２０には、インジェクタを組付穴４０１に押し付ける際に発生する押し付け力と、ガスケット３３０が被組付部材４００に押し付けられることによって発生する押し付け力に対する反発力としてのシール荷重が印加される。したがって、溶接部３２０には圧縮応力が印加されることになり、ノズル３１０に被組付部材４００内の圧力媒体による衝撃圧力が印加されたとしても、溶接部３２０に亀裂が発生することを抑制できる。

なお、ハウジング３００およびノズル３１０は、それぞれ中空部が形成されており、これらの中空部が互いに連通するように接合されている。また、このような組付構造では、ノズル３１０が本発明の第１部材に相当し、ハウジング３００が本発明の第２部材に相当し、ガスケット３３０が本発明の封止手段に相当している。そして、インジェクタを組付穴４０１に組み付ける際に発生する押し付け力が本発明の組付力に相当し、この組付力はノズル３１０（インジェクタ）の組付穴４０１に対する挿入方向に沿って発生している。

１０ ハウジング（第２部材）
１０ｃ 中空部
１４ 溶接部
２０ メタルケース（第１部材）
２２ シール部（封止手段）
２０ｂ 中空部
２００ 被組付部材
２０１ 組付穴
３００ ハウジング（第２部材）
３１０ ノズル（第１部材）
３３０ シール部材（封止手段）
４００ 被組付部材
４０１ 組付穴

Claims (7)

1. 中空部（２０ｂ）を有する筒状の第１部材（２０、３１０）と、
   中空部（１０ｃ）を有する筒状とされ、当該中空部が前記第１部材の中空部と連通されると共に、前記第１部材との間に形成された溶接部（１４、３２０）によって前記第１部材と接合されている第２部材（１０、３００）と、を備え、
   前記第１部材のうちの前記第２部材側と反対側の端部が圧力媒体に曝されるように、被組付部材（２００、４００）の組付穴（２０１、４０１）に挿入されて組み付けられた溶接部を有する継手構造の組付構造において、
   前記第１部材は、前記組付穴への挿入方向に沿った組付力が発生すると共に、前記被組付部材との隙間を封止する封止手段（２２、３３０）を介して前記組付力に対する反発力が印加されるように前記被組付部材に組み付けられ、
   前記溶接部は、前記封止手段よりも前記第２部材側に形成され、前記組付力および前記反発力によって圧縮応力が印加されていることを特徴とする溶接部を有する継手構造の組付構造。
2. 前記第２部材には、前記被組付部材に対してネジ結合されるネジ部（１３）が形成され、
   前記封止手段（２２）は、前記第１部材に形成されたシール部であり、
   前記第１、第２部材は、前記ネジ部と封止手段との間の部分で溶接接合されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接部を有する継手構造の組付構造。
3. 前記第１、第２部材は、少なくともいずれか一方に切り欠き部（２０ｃ）が形成され、
   前記溶接部は、前記切り欠き部に接していることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部を有する継手構造の組付構造。
4. 前記第１部材は、前記第２部材と反対側の端部に圧力に応じて変形可能なダイヤフラム部（２１）が形成された有底筒状とされ、
   前記第１部材の中空部には、前記ダイヤフラム部に印加された圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ部（４０）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の溶接部を有する継手構造の組付構造。
5. 前記ダイヤフラム部と前記センサ部との間には、前記ダイヤフラム部に印加された圧力を前記センサ部に伝達する荷重伝達部材（３０）が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の溶接部を有する継手構造の組付構造。
6. 前記第１部材は、前記圧力媒体が発生し得る最大圧力より前記組付力が大きくなるように前記被組付部材に組み付けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の溶接部を有する継手構造の組付構造。
7. 前記封止手段（３２０）は、ガスケットであり、
   前記第１部材は、ガスケットを介して前記被組付部材に組み付けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶接部を有する継手構造の組付構造。
   
   
   

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