JP2017020894A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定する圧力センサに関する。 The present disclosure relates to a pressure sensor that measures a pressure in a combustion chamber of an internal combustion engine.
圧力センサとして、ハウジングとダイアフラムとセンサ素子と伝達部材とを備えるものが、提案されている。伝達部材は、ダイアフラムに取り付けられている。ダイアフラムに圧力が加わると、伝達部材は、所定の向きに変位してセンサ素子に力を加える。ダイアフラムの燃焼室側の表面部は、燃焼ガスとの接触によって、熱膨張し得る。このような表面部の熱膨張によって、ダイアフラムと伝達部材との接触面が変位し得る。このような変位によって、センサの出力誤差が増大する場合がある。このような出力誤差を抑制するために、ダイアフラムに特定の形状の部分(折返し形状部、または、窪み)を設ける技術が提案されている。 A pressure sensor that includes a housing, a diaphragm, a sensor element, and a transmission member has been proposed. The transmission member is attached to the diaphragm. When pressure is applied to the diaphragm, the transmission member is displaced in a predetermined direction and applies force to the sensor element. The surface portion on the combustion chamber side of the diaphragm can be thermally expanded by contact with the combustion gas. The contact surface between the diaphragm and the transmission member can be displaced by such thermal expansion of the surface portion. Such displacement may increase the output error of the sensor. In order to suppress such an output error, a technique for providing a diaphragm with a specific shape portion (folded shape portion or depression) has been proposed.
ところが、誤差の抑制については、工夫の余地があった。 However, there has been room for contrivance regarding the suppression of errors.
本開示は、ダイアフラムの熱膨張による誤差を抑制する新たな技術を提供する。 The present disclosure provides a new technique for suppressing an error due to thermal expansion of a diaphragm.
本開示は、例えば、以下の適用例を開示する。 For example, the present disclosure discloses the following application examples.
[適用例1]
筒状の筐体と、前記筐体の先端側に接合され受圧した圧力に応じて撓むダイアフラムと、前記筐体内に配置され前記圧力によって変化する電気的特性を有するセンサ部と、前記ダイアフラムと前記センサ部とを接続する接続部と、を備える圧力センサであって、
前記接続部は、前記先端側の端部が開口し、後端側の端部が閉口した、軸線の方向に延びる中空ロッドを含み、
前記ダイアフラムは、前記中空ロッドのうち中空な第1部分に接続され、
前記センサ部は、前記中空ロッドのうち前記第1部分よりも前記後端側の第2部分に接続されている、
圧力センサ。
[Application Example 1]
A cylindrical housing, a diaphragm that is bonded to the front end side of the housing and bends according to the pressure received, a sensor unit that is disposed in the housing and has an electrical characteristic that varies depending on the pressure, and the diaphragm A pressure sensor comprising: a connecting portion that connects the sensor portion;
The connecting portion includes a hollow rod that extends in the direction of the axis, with the end on the front end side opened and the end on the rear end side closed.
The diaphragm is connected to a hollow first portion of the hollow rod,
The sensor unit is connected to the second part of the hollow rod on the rear end side of the first part,
Pressure sensor.
この構成によれば、ダイアフラムの先端側の表面部が熱膨張する場合には、中空ロッドの中空な第1部分が変形することによって、熱膨張に起因する中空ロッドの変位を抑制できる。この結果、ダイアフラムの熱膨張による誤差を抑制できる。 According to this configuration, when the surface portion on the distal end side of the diaphragm is thermally expanded, the hollow first portion of the hollow rod is deformed, so that the displacement of the hollow rod due to the thermal expansion can be suppressed. As a result, errors due to thermal expansion of the diaphragm can be suppressed.
[適用例2]
適用例1に記載の圧力センサであって、
前記中空ロッドの中空な部分の肉厚は、前記先端側ほど薄い、
圧力センサ。
[Application Example 2]
The pressure sensor according to Application Example 1,
The thickness of the hollow portion of the hollow rod is thinner toward the tip side,
Pressure sensor.
この構成によれば、中空ロッドのうちダイアフラムに接続されている第1部分の剛性を低くすることができるので、中空ロッドの第1部分が変形することによって、熱膨張に起因する中空ロッドの変位を適切に抑制できる。 According to this configuration, the rigidity of the first portion of the hollow rod connected to the diaphragm can be reduced, so that the displacement of the hollow rod due to thermal expansion is caused by the deformation of the first portion of the hollow rod. Can be suppressed appropriately.
[適用例3]
適用例2に記載の圧力センサであって、
前記中空ロッドの内径は、前記先端側に向かって階段状に大きくなる、
圧力センサ。
[Application Example 3]
The pressure sensor according to Application Example 2,
The inner diameter of the hollow rod increases stepwise toward the tip side.
Pressure sensor.
この構成によれば、中空ロッドのうちダイアフラムに接続されている第1部分の剛性を低くすることができるので、中空ロッドの第1部分が変形することによって、熱膨張に起因する中空ロッドの変位を適切に抑制できる。 According to this configuration, the rigidity of the first portion of the hollow rod connected to the diaphragm can be reduced, so that the displacement of the hollow rod due to thermal expansion is caused by the deformation of the first portion of the hollow rod. Can be suppressed appropriately.
[適用例4]
適用例1から3のいずれか1項に記載の圧力センサであって、
前記中空ロッドの内部の前記後端側の底面から前記ダイアフラムまでの前記軸線に平行な距離は、前記ダイアフラムの前記軸線に平行な方向の肉厚以上である、
圧力センサ。
[Application Example 4]
The pressure sensor according to any one of Application Examples 1 to 3,
A distance parallel to the axis from the bottom surface on the rear end side inside the hollow rod to the diaphragm is equal to or greater than a thickness in a direction parallel to the axis of the diaphragm.
Pressure sensor.
中空ロッドの第1部分は、中空ロッドの後端側の閉口した端部によって補強され得る。上記構成によれば、中空ロッドの内部の底面からダイアフラムまでの軸線に平行な距離が短い場合と比べて、中空ロッドの後端側の閉口した端部による補強が弱くなるので、中空ロッドの第1部分は、変形しやすい。この結果、中空ロッドの第1部分が変形することによって、熱膨張に起因する中空ロッドの変位を適切に抑制できる。 The first portion of the hollow rod can be reinforced by a closed end on the rear end side of the hollow rod. According to the above configuration, since the reinforcement by the closed end on the rear end side of the hollow rod is weak compared to the case where the distance parallel to the axis line from the bottom surface inside the hollow rod to the diaphragm is short, One part is easily deformed. As a result, the deformation of the first portion of the hollow rod can appropriately suppress the displacement of the hollow rod due to thermal expansion.
なお、本明細書に開示の技術は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、圧力センサ、その圧力センサを搭載する内燃機関等の態様で実現することができる。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various modes, for example, in a mode of a pressure sensor, an internal combustion engine equipped with the pressure sensor, or the like.
A.第1実施形態:
図1は、第1実施形態としての圧力センサ10を示す説明図である。本実施形態の圧力センサ10は、内燃機関に取り付けられて、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するために用いられる。図1に示すように、圧力センサ10は、主な構成要素として、筒状の第1金具20および第2金具30と、受圧部40と、ロッド90と、素子部50と、ケーブル60と、を備えている。中心軸CLは、圧力センサ10の中心軸である。以下、中心軸CLを軸線CLとも呼び、軸線CLに平行な方向を、「軸線方向」とも呼ぶ。軸線CLを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、軸線CLを中心とする円の周方向を、単に「周方向」とも呼ぶ。また、軸線CLに沿って第1金具20から第2金具30へ向かう方向を、「先端方向Df」と呼び、先端方向Dfの反対方向を、「後端方向Dr」と呼ぶ。先端方向Df側を「先端側」と呼び、後端方向Dr側を「後端側」とも呼ぶ。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a
図1には、圧力センサ10の先端側の部分の軸線CLよりも左側の断面構成が示されている。この断面は、軸線CLを含む平断面(平面で切断された断面)である。また、図1には、圧力センサ10の他の部分の外観構成が示されている。本実施形態では、圧力センサ10の中心軸CLは、第1金具20と第2金具30と受圧部40とロッド90と素子部50とのそれぞれの中心軸でもある。
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration on the left side of the axis line CL of the tip side portion of the
第1金具20および第2金具30は、中心軸CLに垂直な断面(以下、横断面とも呼ぶ)が円環状であって軸線方向に延びる筒形状を有している。本実施形態では、第1金具20と第2金具30とは、ステンレス鋼で形成されている。ただし、他の材料(例えば、低炭素鋼などの鋼、種々の金属材料)を採用してもよい。
The first metal fitting 20 and the second metal fitting 30 have a cylindrical shape in which a cross section perpendicular to the central axis CL (hereinafter also referred to as a transverse cross section) is annular and extends in the axial direction. In the present embodiment, the first metal fitting 20 and the
第1金具20には、中心軸CLを中心とする貫通孔である軸孔21が形成されている。また、第1金具20の後端側外周面には、ねじ部22および工具係合部24が設けられている。ねじ部22は、圧力センサ10を内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのねじ溝を備えている。工具係合部24は、圧力センサ10の取り付けおよび取り外しに用いられる工具(図示しない)に係り合う外周形状(例えば、横断面が六角形)を有する。
The
図2は、圧力センサ10の先端部、具体的には図1に領域Xとして示す部位を拡大して示す断面図である。この断面は、軸線CLを含む平断面である。第2金具30は、第1金具20の先端側に配置されており、第1金具20の先端との間で溶融部26を介して接合されている。第2金具30の先端部には、先端側から後端側に向かって拡径する拡径部34が形成されている。圧力センサ10が内燃機関に取り付けられる場合、拡径部34は、内燃機関のシリンダヘッドに密着する。また、第2金具30には、中心軸CLを中心とする貫通孔である軸孔31が形成されている。軸孔31は、大内径部35と、大内径部35の後端側に接続され大内径部35の内径よりも小さい内径を有する小内径部36と、で構成されている。大内径部35と小内径部36との間には、段部39が設けられている。段部39は、先端方向Df側を向いた面を形成している。軸孔31内には、先端側から後端側に向かって順に、受圧部40とロッド90と素子部50とが配置されている。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the distal end portion of the
受圧部40は、ダイアフラム42と固定部41とを備えている。ダイアフラム42は、軸線CLを中心とする円環形状の膜である。ダイアフラム42の外周側の縁42oは、全周に亘って、第2金具30の先端部に溶接されている(例えば、レーザ溶接)。ダイアフラム42の内周側の縁42iには、固定部41が接続されている。固定部41は、軸線CLを中心とする円筒状の部分であり、ダイアフラム42の縁42iから先端方向Df側に向かって延びている。固定部41とダイアフラム42とは、ステンレス鋼を用いて、一体的に形成されている(例えば、鍛造や削り出し)。ただし、固定部41とダイアフラム42とを別々に形成した後に、溶接などにより固定部41とダイアフラム42とを一体化してもよい。また、他の材料(例えば、低炭素鋼などの鋼、種々の金属材料)を採用してもよい。
The
受圧部40の内周側には、ロッド90が配置されている。ロッド90は、中空な筒部96と、筒部96の後端側の端部を塞ぐ蓋部97と、を備えている。ロッド90は、軸線CLに沿って延びる部材であり、中空な筒部96を有する中空ロッドである。筒部96の内径Diと外径Doとは、先端方向Dfの位置によらず、一定である。ロッド90の先端側の端部は、開口している。筒部96と蓋部97とは、ステンレス鋼を用いて、一体的に形成されている(例えば、鍛造や削り出し)。なお、筒部96と蓋部97とを別々の形成した後に、溶接などにより筒部96と蓋部97とを一体化してもよい。また、他の材料(例えば、低炭素鋼などの鋼、種々の金属材料)を採用してもよい。
A
受圧部40の固定部41と、ロッド90の筒部96とは、全周に亘って、溶接されている(例えば、レーザ溶接)。このように、ダイアフラム42は、固定部41を介して、ロッド90に接合されている。以下、ロッド90のうち、受圧部40が接合されている部分91を、第1部分91とも呼ぶ。ロッド90の後端側には、素子部50が接続されている。以下、ロッド90のうち、素子部50が接続されている部分92を、第2部分92とも呼ぶ。本実施形態では、第2部分92は、ロッド90の後端部である。
The fixing
受圧部40とロッド90とは、第2金具30の先端において、軸孔31を塞いでいる。ダイアフラム42は、内燃機関の燃焼室内に露出し、ダイアフラム42の先端方向Df側の面42fは、受圧面を形成する。そして、ダイアフラム42は、燃焼室内の圧力に応じて変形する。ロッド90は、ダイアフラム42の変形に応じて軸線CLに沿って変位することによって、ダイアフラム42が受けた圧力に応じた荷重を、後端側の素子部50に伝達する。ダイアフラム42を薄くするほど、ダイアフラム42が変形し易くなるので、圧力センサ10の感度を高めることができる。なお、受圧部40とロッド90とを一体的に形成してもよい(例えば、鍛造や削り出し)。
The
素子部50は、2個の電極52と、2個の電極52に挟まれた圧電素子51と、先端側の電極52の先端側に配置された押さえ板54と、後端側の電極52から後端方向Drに向かって順番に並ぶリード部53、押さえ板54、絶縁板55と、を備えている。図2に示すように、押さえ板54、電極52、圧電素子51、電極52、リード部53、押さえ板54、絶縁板55は、先端側から後端側に向かってこの順番に、積層されている。絶縁板55の後端側の面は、第2金具30の段部39に支持されている。ロッド90の後端部92は、先端側の押さえ板54の先端側の面に接触している。後述するように、押さえ板54は、軸線CLを中心とする貫通孔54hを有している。ロッド90の後端部92は、この貫通孔54hに挿入される突出部を有している。この突出部の後端面は、先端側の電極52の先端側の面に、接触している。圧電素子51は、先端側の電極52と押さえ板54とを介して、ロッド90に接続されている。受圧部40の固定部41と、ロッド90と、先端側の押さえ板54と電極52との全体は、ダイアフラム42と圧電素子51とを接続する接続部100を形成している。
The
図3は、素子部50の分解斜視図である。図示するように、圧電素子51と電極52とは軸線CLを中心とする円盤状の板状部材である。押さえ板54と絶縁板55とは、軸線CLを中心とする円環状の板状部材である。圧電素子51は、本実施形態では水晶を用いて形成されているが、他の材料で形成された圧電素子を採用してもよい。圧電素子51上では、受圧部40(図2)からロッド90を通じて伝達された荷重に応じて、電荷が生じる。圧電素子51は、荷重に応じた電荷(例えば、電気信号)を、2個の電極52を通じて、出力する。出力された電気信号に基づいて、ダイアフラム42の変形量、すなわち、燃焼室内の圧力を特定可能である。このように、圧電素子51は、受圧部40が受けた圧力によって変化する電気的特性を有している。電極52と押さえ板54とは、本実施形態ではステンレス鋼を用いて形成されているが、他の金属を用いて形成されてもよい。絶縁板55は、リード部53と第2金具30(図2)との間を絶縁するための部材である。本実施形態では、絶縁板55はアルミナで形成されているが、他種の絶縁性材料で形成されてもよい。
FIG. 3 is an exploded perspective view of the
リード部53は、略円盤状の板状部材である円盤部57と、円盤部57の中央部から後端方向Drに向かって延びる端子部56と、を備えている。端子部56は、押さえ板54の貫通孔54hと絶縁板55の貫通孔55hを通り抜けて、後端方向Dr側に突出している(図2)。リード部53は、本実施形態ではステンレス鋼を用いて形成されているが、他の金属を用いて形成されてもよい。リード部53は、円盤部57と端子部56とを合わせた形状をステンレス鋼の平板から打ち抜いた後に、端子部56となる部分を折り曲げることにより作製することができる。
The
第2金具30(図2)の軸孔31内において、リード部53は、円盤部57が電極52と面接触すると共に、端子部56が後端側に延びるように配置される。端子部56は、押さえ板54の中央部の貫通孔54hと絶縁板55の中央部の貫通孔55hとを貫通している。端子部56の後端側の部分は、第2金具30の小内径部36の内壁面から離間した状態で、小内径部36内に配置されている。
In the
素子部50を構成する各部材(絶縁板55を除く)は、第2金具30の軸孔31内において、第2金具30の内壁面から離間するように配置される。圧電素子51の後端側の電極52は、リード部53(本実施形態では、更に、押さえ板54)に電気的に接続されており、第1金具20と第2金具30とからは電気的に離れている。圧電素子51の先端側の電極52は、先端側の押さえ板54とロッド90と受圧部40とを通じて、第2金具30に電気的に接続されている。なお、本実施形態では、圧電素子51に掛かる荷重の分布を均等にするために、圧電素子51の後端側だけでなく先端側にも押さえ板54が配置されている。
Each member (excluding the insulating plate 55) constituting the
第1金具20の軸孔21内には、ケーブル60が配置されている。ケーブル60は、圧電素子51の電荷に基づいて内燃機関の燃焼圧を検出するための図示しない電気回路に対して、圧電素子51の電荷を伝えるための部材である。本実施形態では、ケーブル60として、多層構造を有するいわゆるシールド線を用いて、ノイズを低減している。ケーブル60は、中心から外周側に向かって配置された、内部導体65と、絶縁体64と、導電コーティング63と、外部導体62と、ジャケット61と、を備えている。内部導体65は、複数の導線で構成されている。内部導体65の径方向の外側は、絶縁体64で囲まれている。絶縁体64の外周面には、導電コーティング63が設けられている。導電コーティング63の径方向外側には、網シールドである外部導体62が設けられている。外部導体62の外周面は、ジャケット61によって被覆されている。このように同軸上に配置された複数の部材を備えるケーブルは、同軸ケーブルとも呼ばれる。
A
図2に示すように、ケーブル60の先端部では、ジャケット61に覆われた部分から先端側に向かって、ジャケット61に覆われない外部導体62が露出している。また、外部導体62が露出する部分から先端側に向かって、外部導体62に覆われない絶縁体64が露出している。さらに、絶縁体64が露出する部分から先端側に向かって、絶縁体64に覆われない内部導体65が露出している。
As shown in FIG. 2, the
ケーブル60の先端部で露出する内部導体65は、平板導線75と細径導線74とを介して、素子部50の端子部56に接続されている。具体的には、内部導体65の先端には、平板導線75が溶接されており、平板導線75の先端には、コイル状に巻回された細径導線74の後端が溶接されており、細径導線74の先端は、端子部56の後端部に溶接されている。平板導線75と細径導線74とは、圧電素子51の電荷を、端子部56から内部導体65に伝達できる。なお、内部導体65と端子部56とを接続するための構成としては、平板導線75と細径導線74とを用いる構成に代えて、他の任意の構成を採用可能である。
The
端子部56の先端から、端子部56と細径導線74とを接続する溶接部よりも後端側の位置まで、端子部56の全体、および、細径導線74の先端部を含む範囲が、熱収縮チューブ72によって覆われている。これにより、端子部56と第2金具30(特に、小内径部36)との間の電気的な絶縁の信頼性が高められている。圧力センサ10を製造する際には、端子部56を有するリード部53と細径導線74との溶接による一体化と、熱収縮チューブ72による被覆とを、全体の組み立てに先立って行なえばよい。
From the tip of the
外部導体62の先端部には、外部導体62の先端からさらに先端側に延びる接地導線76が接続されている。接地導線76は、外部導体62から連続して形成された撚り線で構成されている。接地導線76の先端部は、第2金具30の後端部に溶接されている。これにより、外部導体62は、接地導線76、第2金具30、および内燃機関のシリンダヘッドを通じて接地される。
A grounding
圧力センサ10を製造する際には、第2金具30の先端側から軸孔31(具体的には、大内径部35)内に、素子部50が挿入される。素子部50のリード部53の端子部56は、予め、細径導線74及び熱収縮チューブ72と一体化されている。そして、第2金具30の小内径部36の先端側から細径導線74が挿入され、小内径部36の後端側から細径導線74が引き出される。さらに、受圧部40の貫通孔にロッド90が挿入された状態で、受圧部40とロッド90とが、素子部50の先端側に配置される。そして、ダイアフラム42の縁42oと第2金具30とが溶接されて、溶融部45が形成される。その後、ロッド90に後端方向Drの荷重が印加された状態で、受圧部40の固定部41とロッド90の筒部96とが溶接されて、溶融部46が形成される。これにより、素子部50に、予荷重が印加される。ここで、ロッド90に印加される荷重を調整することによって、予荷重を調整できる。このように、適切な予荷重を容易に実現できる。従って、圧力測定の精度を向上できる。
When manufacturing the
そして、第2金具30(具体的には、小内径部36)の後端側から引き出された細径導線74の後端、および、内部導体65の先端を、平板導線75と溶接する。また、接地導線76の先端部と第2金具30の後端部とを溶接する。さらに、ケーブル60を第1金具20の軸孔21内に通して、第1金具20の先端と第2金具30の後端とを溶接し、溶融部26を形成する。その後、第1金具20の軸孔21内に溶融ゴムを注入して軸孔21内をゴム層で満たし(図示せず)、圧力センサ10を完成する。ゴム層を形成することにより、圧力センサ10内の防水性を向上させ、かつ、防振性も高めている。なお、溶融ゴムに代えて溶融樹脂を軸孔21内に注入してもよい。
Then, the rear end of the small-diameter
B.ダイアフラム42の熱膨張について:
図4は、圧力センサ10の動作の説明図である。図4(A)は、比較的低温の燃焼ガスがダイアフラム42に触れた場合を示し、図4(B)は、比較的高温の燃焼ガスがダイアフラム42に触れた場合を示している。図中には、圧力センサ10の先端側の一部分の軸線CLを含む平面で切断された断面が示されている。図4(A)に示すように、ダイアフラム42は、燃焼室内の圧力Pcに応じて撓む(変形する)。図4(A)の実施形態では、ダイアフラム42は、軸線CLに平行な方向に撓む。ロッド90は、ダイアフラム42の撓み(変形)に応じて、軸線CLにおおよそ平行に変位する。これにより、ロッド90は、圧力Pcに応じた荷重を、素子部50に伝達する。
B. About thermal expansion of diaphragm 42:
FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation of the
燃焼ガスの温度が比較的高い場合、ダイアフラム42のうち受圧面42fの温度が、局所的に高くなり得る。これにより、ダイアフラム42のうち、先端方向Df側の部分が、局所的に、熱膨張し得る。本実施形態では、ダイアフラム42の外周側の縁42oは、第2金具30に接合されている。従って、ダイアフラム42は、熱膨張によって、内周側に向かって伸びようとする。また、本実施形態では、ダイアフラム42は、ロッド90のうちの筒部96に接合されている。筒部96の内周側は空洞であるので、筒部96は、内周側に向かって容易に変形できる。従って、図4(B)に示すように、ダイアフラム42が熱膨張する場合、筒部96が内周側に変形することで軸線CLに平行な方向に撓む力を受け止める。これにより、ダイアフラム42の熱膨張によってダイアフラム42が軸線CLに平行な方向に撓むことを、抑制できる。そして、この状態で、ダイアフラム42は、図4(A)と同様に、燃焼室内の圧力Pcに応じて撓む(変形する)。ロッド90は、ダイアフラム42の撓み(変形)に応じて、軸線CLにおおよそ平行に変位する。これらの結果、燃焼ガスの温度に起因する素子部50からの信号の誤差を抑制できる。
When the temperature of the combustion gas is relatively high, the temperature of the
図5は、参考例の圧力センサ10xの動作の説明図である。図4の実施形態の圧力センサ10との差異は、ロッド90xが、中空な筒部96を有する部材ではなく、先端から後端まで空洞の無い棒である点だけである。ロッド90xの外周面の形状は、実施形態のロッド90の外周面の形状と、同じである。参考例の圧力センサ10xの他の部分の構成は、実施形態の圧力センサ10の対応する部分の構成と、同じである。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the operation of the
図5(A)は、図4(A)と同様に、比較的低温の燃焼ガスがダイアフラム42に触れた場合を示し、図5(B)は、図4(B)と同様に、比較的高温の燃焼ガスがダイアフラム42に触れた場合を示している。図中には、圧力センサ10xの先端側の一部分の軸線CLを含む平面で切断された断面が示されている。図5(A)に示すように、参考例の圧力センサ10xにおいても、ダイアフラム42は、燃焼室内の圧力Pcに応じて撓み(変形し)、ロッド90xは、ダイアフラム42の撓み(変形)に応じて、軸線CLにおおよそ平行に変位し得る。
FIG. 5A shows a case where combustion gas having a relatively low temperature touches the
燃焼ガスの温度が比較的高い場合、図4(B)で説明したように、ダイアフラム42のうち、先端方向Df側の部分が、局所的に、熱膨張し得る。この熱膨張によって、ダイアフラム42は、内周側に向かって伸びようとする。ところが、参考例のロッド90xは、内周側に向かって変形できないので、図4(B)の実施形態のロッド90とは異なり、ダイアフラム42の熱膨張を、受け止めることができない。この場合、ダイアフラム42の熱膨張は、ロッド90xに、軸線CLに平行な力を印加し得る。例えば、図5(B)の例では、ダイアフラム42の受圧面42fの熱膨張は、ロッド90xに、先端方向Dfの力Fを印加している。これにより、素子部50に印加される荷重が小さくなる。このように、参考例の圧力センサ10xでは、素子部50に印加される荷重が、燃焼ガスの温度に依存して大きく変動し得るので、素子部50からの信号の誤差が大きくなる。
When the temperature of the combustion gas is relatively high, as described with reference to FIG. 4B, a portion of the
このように、本実施形態では、ダイアフラム42が、ロッド90のうちの中空な第1部分91に接合されている。従って、ダイアフラム42の先端方向Df側の表面部である受圧面42fが熱膨張する場合には、図4(B)で説明したように、ロッド90の中空な筒部96(特に、第1部分91)が変形することによって、熱膨張に起因するロッド90の変位を抑制できる。この結果、ダイアフラム42の熱膨張による圧力の測定誤差を抑制できる。
Thus, in this embodiment, the
また、素子部50は、第2金具30内に配置されている。素子部50の圧電素子51は、電極52と押さえ板54とを介して、ロッド90の第2部分92に接続されている。第2部分92は、第1部分91よりも、後端方向Dr側の部分である。従って、ロッド90は、ダイアフラム42が撓む場合に、適切に、第2金具30内に配置された圧電素子51に、ダイアフラム42が受けた圧力に応じた荷重を伝えることができる。
The
また、図2には、距離Lと、ダイアフラム42の肉厚Tと、が示されている。距離Lは、ロッド90の内部の後端側の底面99からダイアフラム42までの軸線CLに平行な距離である。肉厚Tは、ダイアフラム42の軸線CLに平行な方向の肉厚である。ロッド90の筒部96は、ロッド90の後端側を閉じる蓋部97によって補強され得る。蓋部97による補強は、蓋部97から遠いほど、弱い。上記の距離Lが長い場合には、筒部96とダイアフラム42との接合部分である第1部分91が、蓋部97から遠い。従って、距離Lが長い場合には、第1部分91での補強が弱いので、第1部分91が変形しやすい。ロッド90が、筒部96(特に、第1部分91)の変形によってダイアフラム42の熱膨張を受け止めるためには、距離Lが長いことが好ましい。
FIG. 2 shows the distance L and the wall thickness T of the
ロッド90が、筒部96の変形によってダイアフラム42の熱膨張を受け止める場合、筒部96のうちの距離Lに対応する部分98(図2)、すなわち、筒部96のうちの蓋部97と第1部分91との間の部分98が変形する。この部分98の長さLがダイアフラム42の肉厚Tと同程度であれば、ロッド90は、筒部96のうちの部分98と第1部分91とを含む部分の変形によって、ダイアフラム42の熱膨張を十分に受け止めることができる。このように、距離Lは、肉厚T以上であることが好ましい。図2の実施形態では、距離Lは、肉厚Tに比べて、十分に大きい。
When the
C.別の実施形態:
図6は、ロッドの別の実施形態の断面図である。図示された断面は、軸線CLを含む平断面である。図6(A)のロッド90aは、筒部96aと、筒部96aの後端側の端部を塞ぐ蓋部97と、を備えている。蓋部97は、図2の実施形態の蓋部97と同じである。図2のロッド90との差異は、筒部96aの肉厚T9aが、先端方向Dfに向けて徐々に薄くなっている点だけである。具体的には、図6(A)の実施形態では、筒部96aの外径Doは、先端方向Dfの位置によらず、一定である。筒部96aの内径Diaは、先端方向Dfに向けて徐々に大きくなる。肉厚T9aは、軸線CLを中心とする円の径方向の肉厚である。ロッド90aの他の部分の構成は、第1実施形態のロッド90の対応する部分の構成と、同じである。ロッド90aは、図2のロッド90の代わりに利用可能である。図6(A)中の距離Laは、ロッド90aの内部の後端側の底面99aからダイアフラム42までの軸線CLに平行な距離である。この距離Laは、ダイアフラム42の肉厚Tよりも大きい。
C. Another embodiment:
FIG. 6 is a cross-sectional view of another embodiment of a rod. The illustrated cross section is a flat cross section including the axis CL. The
このように、図6(A)の筒部96aの肉厚T9aは、先端側ほど薄い。蓋部97に近い部分の肉厚T9aが比較的厚いので、ロッド90aの全体の剛性の大幅な低下を抑制できる。また、筒部96aのうち受圧部40(ひいてはダイアフラム42)との接合部分91aに近い部分の肉厚T9aが比較的薄いので、接合部分91aに近い部分の剛性を低くできる。従って、ダイアフラム42が熱膨張する場合、ロッド90aの筒部96a(特に、接合部分91a)が容易に変形できる。以上により、ロッド90aの強度低下を抑制しつつ、ダイアフラム42の熱膨張に起因するロッド90aの変位を抑制できる。そして、ダイアフラム42の熱膨張による圧力の測定誤差を抑制できる。
As described above, the thickness T9a of the
図6(B)のロッド90bは、筒部96bと、筒部96bの後端側の端部を塞ぐ蓋部97と、を備えている。蓋部97は、図2の実施形態の蓋部97と同じである。図2のロッド90との差異は、筒部96bの肉厚T9bが、先端方向Dfに向けて階段状に小さくなっている点だけである。具体的には、図6(B)の実施形態では、筒部96bの外径Doは、先端方向Dfの位置によらず、一定である。筒部96bの内径Dibは、先端方向Dfに向けて階段状に大きくなる。ロッド90bの他の部分の構成は、第1実施形態のロッド90の対応する部分の構成と、同じである。ロッド90bは、図2のロッド90の代わりに利用可能である。図6(B)中の距離Lbは、ロッド90bの内部の後端側の底面99bからダイアフラム42までの軸線CLに平行な距離である。この距離Lbは、ダイアフラム42の肉厚Tよりも大きい。
The
このように、図6(B)の筒部96bの肉厚T9bは、先端側ほど薄い。蓋部97に近い部分の肉厚T9bが比較的厚いので、ロッド90bの全体の剛性の大幅な低下を抑制できる。また、筒部96bのうち受圧部40(ひいてはダイアフラム42)との接合部分91bに近い部分の肉厚T9bが比較的薄いので、接合部分91bに近い部分の剛性を低くできる。従って、ダイアフラム42が熱膨張する場合、ロッド90bの筒部96b(特に、接合部分91b)が容易に変形できる。以上により、ロッド90bの強度低下を抑制しつつ、ダイアフラム42の熱膨張に起因するロッド90bの変位を抑制できる。そして、ダイアフラム42の熱膨張による圧力の測定誤差を抑制できる。
Thus, the thickness T9b of the
D.変形例:
(1)図2、図6(A)、図6(B)の実施形態では、ロッド90、90a、90bの内部の後端側の底面99、99a、99bは、軸線CLに垂直な平面である。ただし、ロッドの底面は、曲面であってもよく、軸線CLに対して斜めに傾斜する面であってもよい。また、図2、図6(A)、図6(B)の実施形態では、ダイアフラム42は、軸線CLに垂直な方向に拡がるように構成されている。ただし、ダイアフラム42は、軸線CLに対して斜めに傾斜する方向に拡がってもよい。例えば、ダイアフラム42の形状は、軸線CLを中心とする円錐台の外周面の形状と同じであってもよい。
D. Variations:
(1) In the embodiments of FIGS. 2, 6A, and 6B, the bottom surfaces 99, 99a, 99b on the rear end sides inside the
いずれの場合も、ロッドの内部の後端側の底面からダイアフラムまでの軸線に平行な距離(例えば、図2、図6(A)、図6(B)の距離L、La、Lb)としては、底面のうちの最も後端側の部分と、ダイアフラムのうちの最も後端側の部分と、の間の距離を採用すればよい。このような距離が、ダイアフラムの肉厚T以上であれば、ロッドは、中空な筒状の部分の変形によって、ダイアフラムの熱膨張を容易に受け止めることができる。 In either case, distances parallel to the axis from the bottom surface on the rear end side inside the rod to the diaphragm (for example, distances L, La, and Lb in FIGS. 2, 6A, and 6B) The distance between the most rear end portion of the bottom surface and the most rear end portion of the diaphragm may be employed. If such a distance is equal to or greater than the diaphragm thickness T, the rod can easily receive the thermal expansion of the diaphragm by deformation of the hollow cylindrical portion.
(2)ロッドの中空な筒部の肉厚が先端側ほど薄くなるような構成としては、図6(A)、図6(B)に示す構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、筒部の内径が、先端方向Dfの位置の変化に対して曲線を描くように変化してもよい。また、筒部の外径が先端側に向かって小さくなる構成を採用してもよい。いずれの場合も、先端方向Dfの位置の変化に対して、肉厚が連続的に変化してもよく、肉厚が階段状に変化してもよい。そして、筒部とダイアフラムとの接合部分の肉厚が、ロッドの内部の後端側の底面の近傍における肉厚よりも、薄いことが好ましい。これにより、ロッドは、筒部の変形によって、ダイアフラムの熱膨張を容易に受け止めることができる。ただし、図2に示す実施形態のように、筒部96の肉厚が、先端方向Dfの位置によらず、一定であってもよい。また、ロッドの筒部が、肉厚が先端側に向かって増大する部分を含んでもよい。
(2) As a configuration in which the thickness of the hollow cylindrical portion of the rod becomes thinner toward the tip side, various other configurations can be adopted instead of the configurations shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B). It is. For example, the inner diameter of the cylindrical portion may change so as to draw a curve with respect to the change in the position in the distal direction Df. Moreover, you may employ | adopt the structure where the outer diameter of a cylinder part becomes small toward the front end side. In either case, the wall thickness may change continuously or the wall thickness may change stepwise with respect to the change in the position in the distal direction Df. And it is preferable that the thickness of the junction part of a cylinder part and a diaphragm is thinner than the thickness in the vicinity of the bottom face of the rear-end side inside a rod. Thereby, the rod can easily receive the thermal expansion of the diaphragm due to the deformation of the cylindrical portion. However, as in the embodiment shown in FIG. 2, the thickness of the
(3)ロッドのうち素子部50(すなわち、圧電素子51)に接続される部分(例えば、図2の第2部分92)としては、ロッドの後端部に代えて、ロッドの任意の部分を採用可能である。例えば、ロッドの外周面に、素子部50(例えば、電極52)が接続されてもよい。この場合、電極52と圧電素子51とが円環状に形成され、電極52と圧電素子51との貫通孔内にロッドが挿入されてもよい。一般的には、素子部50は、燃焼室内の圧力を受けるダイアフラム42よりも後端側に配置される。従って、ロッドのうち素子部50に接続される第2部分は、ロッドのうちダイアフラムが接合される第1部分よりも、後端側に配置される。
(3) As a portion (for example, the
ここで、図2の実施形態のように、第2部分は、ロッドの中空な筒部ではなく、ロッドの中空ではない部分、すなわち、ロッドの内部の後端側の底面(例えば、図2の底面99)よりも後端側の部分であることが好ましい。この構成によれば、圧電素子51に印加される荷重が中空な筒部の変形に起因して変動することが、抑制される。従って、圧力の測定誤差を抑制できる。
Here, as in the embodiment of FIG. 2, the second portion is not the hollow cylindrical portion of the rod, but the non-hollow portion of the rod, that is, the bottom surface (for example, FIG. It is preferable that the portion is on the rear end side with respect to the bottom surface 99). According to this structure, it is suppressed that the load applied to the
(4)中空な部分を有するロッドの構成としては、図2、図6(A)、図6(B)のロッド90、90a、90bの構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、ロッドのうち、受圧部40よりも先端側に突出している部分が、省略されてもよい。また、距離L、La、Lbが、肉厚T未満であってもよい。
(4) As a configuration of the rod having a hollow portion, various other configurations can be adopted instead of the configurations of the
(5)ダイアフラム42と圧電素子51とを接続する接続部の構成としては、図2で説明した接続部100の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、先端側の押さえ板54が省略され、ロッド90が、素子部50の要素のうちの先端側の電極52のみに接触していてもよい。また、先端側の押さえ板54と電極52が省略されて、ロッド90に直接的に圧電素子51が接続されてもよい。この場合、ロッド90が、電極として機能する。また、受圧部40の固定部41が省略されて、ダイアフラム42が直接的にロッド90に接合されてもよい。また、ダイアフラムと中空ロッドとが、1つの部材として一体的に形成されてもよい(例えば、鍛造や削り出し)。この場合も、中空ロッドにダイアフラムが接続されている、ということができる。いずれの場合も、接続部は、中空な部分を含む中空ロッドを含み、中空ロッドのうち中空な第1部分にダイアフラム42が直接的または間接的に接続され、中空ロッドのうち第1部分よりも後端側の第2部分に圧電素子51が直接的または間接的に接続されていることが好ましい。
(5) As the configuration of the connection portion for connecting the
(6)素子部50の構成としては、図2、図3の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、先端側の押さえ板54と後端側の押さえ板54との少なくとも一方が省略されてもよい。また、端子部56が、電極52に直接的に接続されていてもよい。また、電極52と圧電素子51とは、軸線CL上に配置された円盤状の板状部材ではなく、軸線CLを囲む円環状の板状部材であってもよく、特定の周方向の軸線CLから離れた位置に配置された部材であってもよい。一般的には、素子部50は、圧電素子を含み、圧電素子からの信号を圧力センサの外部に出力できるように構成されていることが好ましい。また、ダイアフラムが受けた圧力によって変化する電気的特性を有する装置としては、圧電素子に代えて、ダイアフラムと接続部とを通じて受ける荷重に応じて変化する電気的特性(例えば、電圧、抵抗値など)を有する種々の装置を採用可能である。例えば、ひずみゲージを採用してもよい。
(6) As the configuration of the
(7)素子部50からの信号を圧力センサ10の外部に導くための構成としては、ケーブル60を用いる構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、圧力センサ10の後端側に端子金具が配置され、端子金具と素子部50の端子部56とが中軸によって接続されてもよい。この場合、端子金具と第1金具20とを通じて、素子部50からの信号を取得可能である。
(7) As a configuration for guiding the signal from the
(8)圧電素子51を収容する筐体の構成としては、図2で説明した第2金具30の構成に代えて、筒状の種々の構成を採用可能である。例えば、大内径部35と小内径部36とが、互いに分離した別の部材であってもよい。この場合、例えば、大内径部35の内周面に雌ねじを形成し、小内径部36の外周面に雄ねじを形成し、小内径部36を大内径部35の後端側から大内径部35内にねじ込んでもよい。この場合、小内径部36をねじ込む場合の小内径部36の回転数を調整することによって、予荷重を調整できる。
(8) As a configuration of the housing that accommodates the
以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment and a modification, embodiment mentioned above is for making an understanding of this invention easy, and does not limit this invention. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents thereof are included in the present invention.
10、10x...圧力センサ、20...第1金具、21...軸孔、22...ねじ部、24...工具係合部、26...溶融部、30...第2金具、31...軸孔、34...拡径部、35...大内径部、36...小内径部、39...段部、40...受圧部、41...固定部、42...ダイアフラム、42f...受圧面、42i、42o...縁、45、46...溶融部、50...素子部、51...圧電素子、52...電極、53...リード部、54...押さえ板、54h...貫通孔、55...絶縁板、55h...貫通孔、56...端子部、57...円盤部、60...ケーブル、61...ジャケット、62...外部導体、63...導電コーティング、64...絶縁体、65...内部導体、72...熱収縮チューブ、74...細径導線、75...平板導線、76...接地導線、90、90a、90b、90x...ロッド、91...第1部分、91a...接合部分、91b...接合部分、92...第2部分、96、96a、96b...筒部、97...蓋部、98...部分、99、99a、99b...底面、100...接続部、X...領域、L、La、Lb...距離、T...肉厚、CL...中心軸(軸線)、Pc...圧力、Df...先端方向、Dr...後端方向、Di...内径、Do...外径、T、T9a、T9b...肉厚、Dia...内径、Dib...内径 10, 10x ... pressure sensor, 20 ... first metal fitting, 21 ... shaft hole, 22 ... screw part, 24 ... tool engaging part, 26 ... melting part, 30 ... Second metal fitting, 31 ... shaft hole, 34 ... expanded diameter part, 35 ... large inner diameter part, 36 ... small inner diameter part, 39 ... step part, 40 ... pressure receiving part, 41 ... fixing part, 42 ... diaphragm, 42f ... pressure-receiving surface, 42i, 42o ... edge, 45, 46 ... melting part, 50 ... element part, 51 ... piezoelectric element , 52 ... Electrode, 53 ... Lead part, 54 ... Holding plate, 54h ... Through hole, 55 ... Insulating plate, 55h ... Through hole, 56 ... Terminal part, 57 ... disk part, 60 ... cable, 61 ... jacket, 62 ... outer conductor, 63 ... conductive coating, 64 ... insulator, 65 ... inner conductor, 72 ... Heat-shrinkable tube, 74 ... thin wire, 75 ... flat wire, 76 ... ground wire, 90, 90a, 90b, 90x ... rod, 91 ... first part, 1a ... joining part, 91b ... joining part, 92 ... second part, 96, 96a, 96b ... cylinder part, 97 ... lid part, 98 ... part, 99, 99a, 99b ... bottom surface, 100 ... connector, X ... region, L, La, Lb ... distance, T ... thickness, CL ... center axis (axis), Pc ... Pressure, Df ... Front end direction, Dr ... Rear end direction, Di ... Inner diameter, Do ... Outer diameter, T, T9a, T9b ... Thickness, Dia ... Inner diameter, Div .. .Inner diameter
Claims (4)
前記接続部は、前記先端側の端部が開口し、後端側の端部が閉口した、軸線の方向に延びる中空ロッドを含み、
前記ダイアフラムは、前記中空ロッドのうち中空な第1部分に接続され、
前記センサ部は、前記中空ロッドのうち前記第1部分よりも前記後端側の第2部分に接続されている、
圧力センサ。 A cylindrical housing, a diaphragm that is bonded to the front end side of the housing and bends according to the pressure received, a sensor unit that is disposed in the housing and has an electrical characteristic that varies depending on the pressure, and the diaphragm A pressure sensor comprising: a connecting portion that connects the sensor portion;
The connecting portion includes a hollow rod that extends in the direction of the axis, with the end on the front end side opened and the end on the rear end side closed.
The diaphragm is connected to a hollow first portion of the hollow rod,
The sensor unit is connected to the second part of the hollow rod on the rear end side of the first part,
Pressure sensor.
前記中空ロッドの中空な部分の肉厚は、前記先端側ほど薄い、
圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1,
The thickness of the hollow portion of the hollow rod is thinner toward the tip side,
Pressure sensor.
前記中空ロッドの内径は、前記先端側に向かって階段状に大きくなる、
圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 2,
The inner diameter of the hollow rod increases stepwise toward the tip side.
Pressure sensor.
前記中空ロッドの内部の前記後端側の底面から前記ダイアフラムまでの前記軸線に平行な距離は、前記ダイアフラムの前記軸線に平行な方向の肉厚以上である、
圧力センサ。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3,
A distance parallel to the axis from the bottom surface on the rear end side inside the hollow rod to the diaphragm is equal to or greater than a thickness in a direction parallel to the axis of the diaphragm.
Pressure sensor.
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