JP2018004608A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサにおいて、圧力の測定精度を向上する。【解決手段】圧力センサは、軸線方向に延びる筒状の筐体と、筐体の先端側に接合され、筐体の軸線に交差する方向に拡がり、先端側に受ける圧力に応じて変形するダイアフラムと、筐体内に配置され、ダイアフラムの変形に応じた電気信号を出力するセンサ部と、を備える。ダイアフラムは、板状の基板部と、基板部の先端側の面から先端側に突出し、互いに分離した３個以上の突出部を備える。基板部の厚さをＴとし、突出部の軸線方向の長さをＨとし、突出部が無いと仮定した場合における基板部の先端側の面である基板先端面の面積をＳ１とし、３個以上の突出部の先端側の面である突出先端面の面積の合計をＳ２とするとき、０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔ、かつ、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たす。【選択図】 図４

Description

本明細書は、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。

ダイアフラムの変形に応じて電気信号を出力することで、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定する圧力センサが知られている。例えば、特許文献１に記載された圧力センサは、ダイアフラムの内層を形成する部材の熱膨張率を、外層を形成する部材の熱膨張率より大きくする技術が開示されている。これによって、ダイアフラムの熱による変形を抑制できるので、圧力の測定精度を向上できるとされている。

特開２００９−１８６２０９号公報

このように、高温下で使用される圧力センサでは、ダイアフラムの熱による変形を抑制して、圧力の測定精度を向上することが求められていた。

本明細書は、圧力センサにおいて、圧力の測定精度を向上できる新たな技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる筒状の筐体と、
前記筐体の先端側に接合され、前記筐体の軸線に交差する方向に拡がり、先端側に受ける圧力に応じて変形するダイアフラムと、
前記筐体内に配置され、前記ダイアフラムの変形に応じた電気信号を出力するセンサ部と、
を備える圧力センサであって、
前記ダイアフラムは、板状の基板部と、前記基板部の先端側の面から先端側に突出し、互いに分離した３個以上の突出部と、を備え、
前記基板部の厚さをＴとし、
前記突出部の前記軸線方向の長さをＨとし、
前記突出部が無いと仮定した場合における前記基板部の先端側の面である基板先端面の面積をＳ１とし、
前記３個以上の突出部の先端側の面である突出先端面の面積の合計をＳ２とするとき、
０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔ、かつ、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たすことを特徴とする、圧力センサ。

上記構成によれば、ダイアフラムが熱を受けた場合に、３個以上の突出部によってダイアフラムの変形を抑制できる。この結果、圧力センサによる圧力の測定精度を向上できる。

［適用例２］適用例１に記載の圧力センサであって、
４個以上の前記突出部を備え、
前記軸線を含み、かつ、前記基板先端面の重心を通り、かつ、互いに垂直であり、前記基板先端面を４個の領域に分割する２個の仮想的な平面を、一組の仮想平面とするとき、
前記４個の領域のそれぞれに１個以上の前記突出部が位置するように、前記基板先端面を分割する少なくとも一組の前記仮想平面が存在することを特徴とする、圧力センサ。

上記構成によれば、ダイアフラムが熱を受けた場合に、より効果的にダイアフラムの変形を抑制することができる。

［適用例３］適用例１または２に記載の圧力センサであって、
前記３個以上の突出部は、前記突出先端面の形状が多角形である前記突出部を含むことを特徴とする、圧力センサ。

［適用例４］適用例１〜３のいずれかに記載の圧力センサであって、
前記ダイアフラムは、先端側の面に沿って延びる深さＨの複数本の溝を有し、
前記３個以上の突出部は、前記溝によって互いに分離されていることを特徴とする、圧力センサ。

上記構成によれば、突出部を、効果的にダイアフラムの熱による変形を抑制でき、かつ、作製が容易な構造とすることができる。

［適用例５］適用例４に記載の圧力センサであって、
前記複数本の溝は、互いに平行な複数本の第１の溝と、互いに平行で、かつ、前記第１の溝と交差する複数本の第２の溝と、を含むことを特徴とする、圧力センサ。

上記構成によれば、突出部を、より効果的にダイアフラムの熱による変形を抑制でき、かつ、作製が容易な構造とすることができる。

［適用例６］適用例５に記載の圧力センサであって、
前記３個以上の突出部は、２本の前記第１の溝と２本の前記第２の溝によって、他の前記突出部から分離され、前記突出先端面の形状が四角形である前記突出部を含むことを特徴とする、圧力センサ。

［適用例７］適用例６に記載の圧力センサであって、
前記第１の溝と前記第２の溝とを含む前記複数本の溝は、格子状に配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、突出部を、さらに効果的にダイアフラムの熱による変形を抑制でき、かつ、作製が容易な構造とすることができる。

［適用例８］適用例１〜７のいずれかに記載の圧力センサであって、
前記軸線を含む断面において、前記基板部の後端側の面と、前記軸線と垂直な方向と、がなす鋭角の角度θの絶対値は、２０度以内であることを特徴とする、圧力センサ。

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。

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。 圧力センサ１０の先端部を拡大して示す断面図である。 素子部５０の分解斜視図である。 ダイアフラム４０の第１の説明図である。 ダイアフラム４０の第２の説明図である。 参考例の圧力センサ１０ｘの動作の説明図である。 変形例の説明図である。 変形例のダイアフラムを軸線ＣＬに沿って見た図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．圧力センサ１０の構成
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と、第２金具８０と、第３金具３５と、ダイアフラム４０と、伝達ロッド９０と、素子部５０と、ケーブル６０と、を備えている。軸線ＣＬは、圧力センサ１０の中心軸である。以下、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からダイアフラム４０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。

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の軸線ＣＬは、第１金具２０と第２金具８０と第３金具３５と伝達ロッド９０とダイアフラム４０と素子部５０とのそれぞれの軸線でもある。

第１金具２０と第２金具８０と第３金具３５とは、軸線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８０と第３金具３５とは、ステンレス鋼で形成され、これらの金具の接合には、例えば、レーザ溶接が用いられている。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）や他の接合方法（例えば、抵抗溶接や圧入）が採用されてもよい。第１金具２０と第２金具８０と第３金具３５とは、接合されて、圧力センサ１０の筐体を形成している。

第１金具２０には、軸線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。

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８０は、第１金具２０の先端側に配置されており、第１金具２０の先端に接合されている。第３金具３５は、第２金具８０の先端側に配置されており、第２金具８０に接合されている。第３金具３５の先端側には、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。

第２金具８０には、軸線ＣＬを中心とする貫通孔である軸孔８１が形成されている。第３金具３５には、軸線ＣＬを中心とする貫通孔である軸孔３９が形成されている。第１金具２０の軸孔２１と、第２金具８０の軸孔８１と、第３金具３５の軸孔３９とは、第１金具２０の軸孔２１に連通する連続な貫通孔を形成している。第２金具８０の軸孔８１内には、先端側から後端側に向かって順に、素子部５０と押さえねじ３２とが、配置されている。第３金具３５の軸孔３９内には、伝達ロッド９０が配置されている。

ダイアフラム４０は、軸線ＣＬと交差する方向（すなわち、径方向）に拡がる略円盤状の膜である。ダイアフラム４０の外周縁は、全周に亘って、第２金具３０の先端部に、所定の接合方法（例えば、レーザ溶接）によって接合されている。このように、ダイアフラム４０は、第３金具３５の先端側において、軸孔３９を塞いでいる。ダイアフラム４０の詳細については後述する。

伝達ロッド９０は、ダイアフラム４０の後端側の面の中央部に接続されている。伝達ロッド９０は、軸線ＣＬを中心とする円柱形状を有し、ダイアフラム４０から後端方向Ｄｒ側に向かって延びている。伝達ロッド９０の後端部９９は、素子部５０に接続されている。ダイアフラム４０と伝達ロッド９０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）。ダイアフラム４０と伝達ロッド９０とは、別々に形成され、溶接などにより接合されていても良い。ダイアフラム４０や伝達ロッド９０は、他の材料（例えば、低炭素鋼などの鋼、種々の金属材料）を用いて形成されてもよい。

押さえねじ３２は、第２金具８０の軸孔８１の後端側に取り付けられている。押さえねじ３２には、軸線ＣＬを中心とする貫通孔である軸孔３６が形成されている。押さえねじ３２の外周面には、雄ねじ３７が形成されている。第２金具８０の軸孔８１の後端側の部分の内周面には、押さえねじ３２の雄ねじ３７に対応する雌ねじ８８が形成されている。押さえねじ３２は、第２金具８０の後端側から、軸孔８１内にねじ込まれている。押さえねじ３２と伝達ロッド９０との間には、素子部５０が挟まれている。押さえねじ３２は、素子部５０に対して、予荷重を印加する。押さえねじ３２を第２金具８０にねじ込む場合の押さえねじ３２の回転数を調整することによって、適切な予荷重を容易に実現できる。従って、圧力の測定精度を向上できる。なお、押さえねじ３２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。

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、押さえねじ３２の先端側の面に支持されている。伝達ロッド９０の後端部９９は、先端側の押さえ板５４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、伝達ロッド９０に接続されている。

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、ダイアフラム４０（図２）から伝達ロッド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４０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、ダイアフラム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と押さえねじ３２（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。

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。

第２金具８０（図２）の軸孔８１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、押さえねじ３２の軸孔３６の内壁面から離間した状態で、軸孔３６内に配置されている。

素子部５０を構成する各部材（絶縁板５５を除く）は、第２金具８０の軸孔８１内において、第２金具８０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８０と第３金具３５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と伝達ロッド９０とダイアフラム４０とを通じて、第３金具３５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。

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。

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。

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。

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と押さえねじ３２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。

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、押さえねじ３２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、押さえねじ３２、第２金具８０、第３金具３５、および内燃機関のシリンダヘッドを通じて接地される。

なお、第１金具２０の軸孔２１内には、溶融ゴムを注入されており、軸孔２１内は、ゴム層で満たされている（図示せず）。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が軸孔２１内に注入されてもよい。

Ａ−２．ダイアフラム４０近傍の構成の詳細
図４は、ダイアフラム４０の第１の説明図である。図４（Ａ）には、図２の断面図のうちのダイアフラム４０近傍が拡大して示されている。図４（Ｂ）には、ダイアフラム４０を軸線ＣＬに沿って先端側から後端方向Ｄｒに向かって見た図である。図４（Ｂ）では、ダイアフラム４０以外の部材（例えば、第３金具３５）の図示は省略されている。軸線方向と交差する方向のうち、図４（Ｂ）の上下方向を第１方向Ｄ１とし、第１方向Ｄ１と直交する方向（図４（Ｂ）の左右方向）を第２方向Ｄ２とする。

ダイアフラム４０は、筐体の軸線ＣＬに交差する方向に拡がり、先端側に受ける圧力に応じて変形する。ダイアフラム４０は、略円板形状を有している。ダイアフラム４０は、後端側の基板部４１と、基板部４１の先端側の面４１１から先端側に突出する複数個の突出部４２と、を備えている。

基板部４１は、軸線方向に沿って見た形状が円である薄板である。基板部４１の厚さ（軸線方向の長さ）Ｔは、例えば、０．１〜５．０ｍｍであり、基板部４１の径（径方向の長さ）Ｒは、例えば、２．７〜１４．０ｍｍである。ここで、軸線ＣＬを含む断面（図４（Ａ））において、基板部４１の後端側の面４１ｆと、軸線ＣＬと垂直な方向と、がなす鋭角の角度θは、０である。角度θを、ダイアフラム４０の設置角度とも呼ぶ。

複数個の突出部４２は、ダイアフラム４０の先端側に形成された複数本の溝ＣＨ１、ＣＨ２によって、互いに分離されている。複数本の溝ＣＨ１、ＣＨ２は、格子状に配置されている。複数本の溝は、ｎ本（ｎは、２以上の整数、図４の例では、ｎ＝５）の第１の溝ＣＨ１と、第１の溝ＣＨ１と交差するｎ本の第２の溝ＣＨ２と、を含んでいる。ｎ本の第１の溝は、第１方向Ｄ１に延びており、互いに平行で、互いに等間隔に並んでいる。ｎ本の第２の溝は、第２方向Ｄ２に延びており、互いに平行で、互いに等間隔に並んでいる。第１の溝ＣＨ１の先端側の幅ΔＵ１は、第１の溝ＣＨ１の後端側の幅ΔＢ１より長い（図４（Ａ））。同様に、第２の溝ＣＨ２の先端側の幅ΔＵ１は、第２の溝ＣＨ２の後端側の幅ΔＢ１より長い（図示省略）。

各突出部４２は、先端側の面４２１（以下、突出先端面とも呼ぶ）と、突出先端面４２１と交差する側面４２２と、を備えている。突出先端面４２１と、側面４２２と、基板部４１の先端側の面４１１のうちの溝ＣＨ１、ＣＨ２の底面を形成している部分と、は、先端側に露出している。この先端側に露出している部分は、使用時に燃焼室内の圧力を受ける受圧面であり、かつ、使用時に燃焼室内の熱を受ける受熱面でもある。

複数個の突出部４２のうち、基板部４１の重心ＣＰの近傍に位置する１６個の突出部４２Ｉ（中央突出部とも呼ぶ）の突出先端面４２１の形状は、正方形である。１個の中央突出部４２Ｉは、２本の第１の溝ＣＨ１と２本の第２の溝ＣＨ２によって、他の突出部から分離されている。１６個の中央突出部４２Ｉは、重心ＣＰに対して点対称に配列されている。上述したように、溝ＣＨ１、ＣＨ２の先端側の幅ΔＵ１は、後端側の幅ΔＢ１より長いために、中央突出部４２Ｉの先端側の第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２の幅ΔＵ２は、後端側の第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２の幅ΔＢ２より短い。

複数個の突出部４２のうち、外縁に沿って配置されている１６個の突出部４２Ｏ（外縁突出部とも呼ぶ）は、上述した中央突出部４２Ｉが円弧で切断された形状を有している。

複数個の突出部４２（中央突出部４２Ｉと外縁突出部４２Ｏ）の高さ（軸線方向の長さ）Ｈは、例えば、０．００５〜１２．５ｍｍである。複数個の突出部４２の高さＨは、複数本の溝ＣＨ１、ＣＨ２の深さＨ、と言うこともできる。本実施例では、突出部４２の高さＨと、上述した基板部４１の厚さＴと、は、０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔを満たす。

図５は、ダイアフラム４０の第２の説明図である。図５（Ａ）には、ダイアフラム４０および第３金具３５の先端部分の斜視図が示されている。複数個の突出先端面４２１の面積の合計をＳ２とする。面積Ｓ２は、図５（Ａ）でハッチングされた部分の面積である。

図５（Ｂ）には、複数個の突出部４２がないと仮定した場合におけるダイアフラム４０および第３金具３５の先端部分の斜視図である。複数個の突出部４２がないと仮定した場合には、ダイアフラム４０は、基板部４１のみで形成されることになる。複数個の突出部４２がないと仮定した場合における基板部４１の先端側の面（以下、基板先端面とも呼ぶ）４１Ｓの面積をＳ１とする。面積Ｓ１は、図５（Ｂ）でハッチングされた部分の面積である。

本実施形態では、突出先端面４２１の面積の合計Ｓ２と、基板先端面４１Ｓの面積Ｓ１と、は、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たす。

ここで、基板先端面４１Ｓの重心ＣＰ（図４（Ｂ））を通り、かつ、軸線ＣＬを含み、かつ、互いに垂直であり、基板先端面４１Ｓを４個の領域Ａ１〜Ａ４に分割する２個の仮想的な平面ＣＳ１、ＣＳ２を、一組の仮想平面ＣＳ１、ＣＳ２とする。図４（Ｂ）には、破線により、一組の仮想平面ＣＳ１、ＣＳ２が図示されている。

一組の仮想平面ＣＳ１、ＣＳ２によって分割される４個の領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれには、１個以上の突出部４２がそれぞれ位置している。図４（Ｂ）の例では、４個の領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれに、４個の中央突出部４２Ｉと、４個の外縁突出部４２Ｏと、が位置している。

Ａ−４．圧力センサ１０の動作
ダイアフラム４０の先端側の受圧面（突出先端面４２１と、側面４２２と、溝ＣＨ１、ＣＨ２の底面）は、燃焼室内の圧力Ｐｃを受ける（図２）。ダイアフラム４０は、受圧面に受ける圧力Ｐｃ、すなわち、燃焼室内の圧力Ｐｃに応じて変形する。例えば、ダイアフラム４０は、軸線方向に撓む。伝達ロッド９０は、ダイアフラム４０の変形に応じて、軸線ＣＬにおおよそ平行に変位する。これにより、伝達ロッド９０は、圧力Ｐｃに応じた荷重を、素子部５０に伝達する。素子部５０の圧電素子５１は、伝達ロッド９０を通じて伝達された荷重に応じた電気信号を、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、燃焼室内の圧力Ｐｃが特定される。

ここで、ダイアフラム４０の先端側の受圧面は、燃焼室内の熱を受ける受熱面でもある。このために、ダイアフラム４０は、燃焼室内の圧力Ｐｃだけでなく、燃焼室内の熱によっても変形し得る。本実施形態によれば、ダイアフラム４０の基板部４１の先端側に、３個以上の突出部４２が設けられている。そして、突出部４２の高さＨと、上述した基板部４１の厚さＴと、は、０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔを満たし、かつ、突出先端面４２１の面積の合計Ｓ２と、基板先端面４１Ｓの面積Ｓ１と、は、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たす。これによって、熱によるダイアフラム４０の変形が抑制される。この結果、圧力センサ１０による圧力Ｐｃの測定精度を向上できる。

図６は、参考例の圧力センサ１０ｘの動作の説明図である。図中には、圧力センサ１０ｘの先端側の一部分の軸線ＣＬを含む平断面が示されている。図２、図４の実施形態の圧力センサ１０との差異は、ダイアフラム４０ｘの先端側に、突出部４２が設けられていない点だけである。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。

ダイアフラム４０ｘの受圧面４０ｆは、燃焼室内の圧力Ｐｃを受ける。また、ダイアフラム４０ｘの受圧面４０ｆは、燃焼室内の熱を受ける。これにより、ダイアフラム４０ｘのうち、先端方向Ｄｆ側の部分が、局所的に、熱膨張し得る。ダイアフラム４０ｘの外周縁は、第３金具３５に接合されている。従って、ダイアフラム４０ｘは、図６の矢印ＡＲｘで示すように、熱膨張によって、内周側（軸線ＣＬ側）に向かって伸びようとする。この結果、ダイアフラム４０の熱膨張によって、伝達ロッド９０に、軸線ＣＬに平行な力が印加される。例えば、図６の例では、ダイアフラム４０の受圧面４０ｆの熱膨張によって、伝達ロッド９０に、先端方向Ｄｆの力Ｆが印加されている。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。このために、圧力センサ１０ｘによる圧力Ｐｃの測定精度が低下し得る。

これに対して、本実施形態では、ダイアフラム４０の複数個の突出部４２が、主として燃焼室内の熱を受ける。複数個の突出部４２は、図４に矢印ＡＲで示すように熱膨張する。複数個の突出部４２のそれぞれが熱膨張したとしても、複数個の突出部４２は、互いに分離しているので、個々の突出部４２の熱膨張が、他の突出部４２に伝わることはない。また、複数個の突出部４２が熱を吸収するので、基板部４１に熱が伝わることを抑制できる。この結果、基板部４１の熱による変形を抑制できる。したがって、熱によるダイアフラム４０の変形が抑制されて、圧力センサ１０による圧力Ｐｃの測定精度を向上し得る。

ただし、突出部４２の高さＨが、基板部４１の厚さＴに対して過度に小さい場合は、複数個の突出部４２によって十分に熱を吸収できない。この結果、基板部４１に熱が伝わって基板部４１の変形が発生し、圧力センサ１０の測定精度を十分に向上できない可能性がある。また、突出部４２の高さＨが、基板部４１の厚さＴに対して過度に大きい場合は、基板部４１の強度不足に起因する破損によって、圧力センサ１０の測定精度を十分に向上できない可能性がある。

また、突出先端面４２１の面積の合計Ｓ２が、基板先端面４１Ｓの面積Ｓ１に対して過度に小さい場合には、複数個の突出部４２によって十分に熱を吸収できない。この結果、基板部４１に熱が伝わって基板部４１の変形が発生し、圧力センサ１０の測定精度を十分に向上できない可能性がある。突出先端面４２１の面積の合計Ｓ２が、基板先端面４１Ｓの面積Ｓ１に対して過度に小さい場合には、適切な幅の溝ＣＨ１、ＣＨ２が形成できずに、複数個の突出部４２が、互いに適切に分離されないために、個々の突出部４２の熱膨張が、他の突出部４２に伝わってしまう。この結果、圧力センサ１０の測定精度を十分に向上できない可能性がある。

以上の説明から解るように、圧力センサ１０において、ダイアフラム４０が３個以上の突出部４２を備え、かつ、０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔが満たされ、かつ、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８が満たされる場合には、熱によるダイアフラム４０の変形が抑制されて、圧力センサ１０による圧力Ｐｃの測定精度を向上できる。

さらに、本実施形態では、４個の領域Ａ１〜Ａ４に１個以上の突出部４２が位置するように、基板先端面４１Ｓを分割する少なくとも一組の仮想平面ＣＳ１、ＣＳ２が存在する。（図４（Ｂ））。このように、突出部４２がダイアフラム４０の基板部４１上に分散して配置されていることによって、熱によるダイアフラム４０の変形を効果的に抑制できる。さらには、ダイアフラム４０が局所的に歪んで変形することを抑制できる。この結果、圧力センサ１０による圧力Ｐｃの測定精度を、さらに、向上できる。

さらに言えば、図４（Ｂ）に示すように、複数個の突出部４２は、仮想平面ＣＳ１、ＣＳ２に対して平面対称となるように、形成されている。また、図４（Ｂ）に示すように、複数個の突出部４２は、重心ＣＰに対して点対称となるように、形成されている。このように、複数個の突出部４２が、なるべく対称性が高くなるように、分散して配置されているので、熱によるダイアフラム４０の変形をさらに効果的に抑制できるとともに、ダイアフラム４０が局所的に歪んで変形することをさらに抑制できる。

さらに、本実施形態では、上述したように、ダイアフラム４０は、先端側の面に沿って延びる深さＨの複数本の溝ＣＨ１、ＣＨ２を有し、複数個の突出部４２は、これらの溝ＣＨ１、ＣＨ２によって互いに分離されている。このために、突出部４２を、効果的に熱によるダイアフラム４０の変形を抑制でき、かつ、作製が容易な構造とすることができる。例えば、金属製の円盤状の部材に、切削加工によって複数本の溝ＣＨ１、ＣＨ２を形成するだけで、容易に複数個の突出部４２を備えるダイアフラム４０を作製することができる。

さらには、複数本の溝ＣＨ１、ＣＨ２は、互いに平行な複数本の第１の溝ＣＨ１と、互いに平行で、かつ、第１の溝ＣＨ１と交差する複数本の第２の溝ＣＨ２と、を含む。このために、突出部４２を、より効果的に熱によるダイアフラム４０の変形を抑制でき、かつ、作製が容易な構造とすることができる。

さらに、本実施形態では、複数個の突出部４２は、突出先端面４２１の形状が多角形である中央突出部４２Ｉを含んでいる。より具体的には、中央突出部４２Ｉは、２本の第１の溝ＣＨ１と２本の第２の溝ＣＨ２によって、他の突出部から分離され、突出先端面４２１の形状が四角形である。このような形状の面４２１を有する中央突出部４２Ｉは、金属製の円盤状の部材に、直線状の溝ＣＨ１、ＣＨ２を形成することによって、容易に形成できる利点がある。

さらに、本実施形態では、第１の溝ＣＨ１と第２の溝ＣＨ２とを含む複数本の溝は、格子状に配置されている。この結果、ダイアフラム４０の先端側に、分散して配置された複数個の突出部４２を、容易に形成できる。したがって、突出部４２を、さらに効果的に熱によるダイアフラム４０の変形を抑制でき、かつ、作製が容易な構造とすることができる。

ここで、突出部４２の先端側は、燃焼室の高温の中心部に近いので、突出部４２の後端側より高温になる。このために、突出部４２の先端側の熱膨張量は、突出部４２の後端側の熱膨張量より大きくなる。このために、本実施形態では、溝ＣＨ１、ＣＨ２の先端側の幅ΔＵ１は、後端側の幅ΔＢ１より長くされている。これによって、複数個の突出部４２が熱膨張した場合に、複数個の突出部４２が干渉することを抑制できる。

Ａ−４．評価シミュレーション
第１実施形態の圧力センサ１０のダイアフラム４０について、基板部４１の厚さＴに対する突出部４２の高さＨと、基板先端面４１Ｓの面積Ｓ１に対する突出先端面４２１の面積の合計Ｓ２と、が互いに異なる５６種類のサンプルのシミュレーションによる評価を行った。なお、シミュレーションは、アンシス・ジャパン株式会社のＦＥＭ（有限要素法）解析ソフトであるＡＮＳＹＳを用いて行なった。

なお、５６種類のサンプルでは、基板部４１の厚さＴを固定し、突出部４２の高さＨを変更することによって、突出部４２の高さＨは、０、０．０５Ｔ、０．１Ｔ、０．２５Ｔ、０．５Ｔ、１Ｔ、２．５Ｔ、３Ｔのいずれかとされた。また、基板部４１の寸法および溝ＣＨ１、ＣＨ２の本数を固定し、溝ＣＨ１、ＣＨ２の幅ΔＵ１、ΔＢ１（図４）を変更することで、（Ｓ２／Ｓ１）の値は、０、０．０５、０．２、０．４、０．６、０．８、１のいずれかとされた。全ての組み合わせ（（８×７）個の組み合わせ）について、計５６種類のサンプルが作成された。なお、（Ｓ２／Ｓ１）が、０または１であることは、突出部４２が形成されていないことを意味する。突出部４２の高さＨが、０であることは、同様に、突出部４２が形成されていないことを意味する。

なお、各サンプルについて共通する寸法および材質（シミュレーション上の材質パラメータ）は、以下の通りである。
基板部４１の厚さＴ：０．２ｍｍ
ダイアフラム４０の外径Ｒ：１０ｍｍ
ダイアフラム４０の材質：ステンレス鋼

シミュレーションでは、各サンプルについて、常温（摂氏２５度）、常圧（１気圧）において各サンプルの素子部５０を介して測定される圧力Ｐ＿Ｌと、燃焼室内相当の温度（摂氏１０００度）、常圧（１気圧）において各サンプルの素子部５０を介して測定される圧力Ｐ＿Ｈと、が計算された。そして、熱による測定圧力の誤差ΔＰ＝（Ｐ＿Ｈ−Ｐ＿Ｌ）を算出した。圧力Ｐ＿Ｌと、圧力Ｐ＿Ｈと、は同じ圧力（１気圧）を測定した値であるから、誤差ΔＰは、ダイアフラム４０の熱膨張に起因する誤差であると考えられる。

そして、突出部４２が形成されていないサンプルで同様な誤差を計算することによって、基準誤差ΔＰｓが算出された。そして、誤差ΔＰの絶対値が、基準誤差ΔＰｓの絶対値と比較して、有意に小さいサンプルの評価を「Ａ」とし、誤差ΔＰの絶対値が、基準誤差ΔＰｓの絶対値と同等であるサンプルの評価を「Ｂ」とした。

評価結果は、表１に示す通りである。（Ｓ２／Ｓ１）が、０、１であるサンプル、および、突出部４２の高さＨが０である全てのサンプルは、突出部４２が形成されていないので、評価結果は、「Ｂ」であった。また、突出部４２の高さＨが、３Ｔである全てのサンプルの評価も、「Ｂ」であった。突出部４２の高さＨが過度に大きいためであると考えられる。

一方、０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔを満たし、かつ、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たす全てのサンプルの評価は、「Ａ」であった。すなわち、突出部４２の高さＨが、０．０５Ｔ、０．１Ｔ、０．２５Ｔ、０．５Ｔ、１Ｔ、２．５Ｔのいずれかであり、かつ、（Ｓ２／Ｓ１）が、０．０５、０．２、０．４、０．６、０．８のいずれかである全てのサンプルにおいて、熱膨張に起因する測定誤差の改善が認められた。

以上の結果から、圧力センサ１０において、ダイアフラム４０の複数個の突出部４２が、０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔを満たし、かつ、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たす場合には、熱によるダイアフラム４０の変形が抑制されて、圧力センサ１０による圧力Ｐｃの測定精度を向上できることが確認できた。

Ｅ．変形例：
（１）上記実施形態では、ダイアフラム４０の設置角度θ、すなわち、基板部４１の後端側の面４１ｆと、軸線ＣＬと垂直な方向と、がなす鋭角の角度θは、０度であるがこれに限られない。図７は、変形例の説明図である。図７（Ａ）に示すように、軸線ＣＬを含む断面において、基板部４１の後端側の面４１ｆは、径方向外側に向かうに連れて、後端側に傾斜していても良い。この場合には、角度θは、２０度以内であることが好ましい。こうすれば、ダイアフラム４０を第３金具３５の先端に接合する際にも支障がなく、圧力の測定精度上の問題も発生しない。

また、図７（Ｂ）に示すように、軸線ＣＬを含む断面において、基板部４１の後端側の面４１ｆは、径方向外側に向かうに連れて、先端側に傾斜していても良い。この場合にも、角度θは、２０度以内であることが好ましい。こうすれば、ダイアフラム４０を第３金具３５の先端に接合する際にも支障がなく、圧力の測定精度上の問題も発生しない。

（２）上記実施形態において、ダイアフラム４０に形成された突出部４２の形状は、一例であり、これに限られない。例えば、耐熱性の樹脂でダイアフラム４０を形成する場合には、型成形によって突出部４２を形成できるので、突出部４２の形状の自由度が高く、突出部４２は様々な形状に形成され得る。例えば、突出部４２の突出先端面４２１は、長方形、三角形、菱形、五角形などの多角形、あるいは、円、楕円など、様々な形状に形成され得る。

図８は、変形例のダイアフラムを軸線ＣＬに沿って先端側から後端方向Ｄｒに向かって見た図である。図８（Ａ）のダイアフラム４０ｂの突出部４２ｂは、略円柱形状を有している。このため、突出部４２ｂの突出先端面４２１ｂの形状は、円である。

図８（Ｂ）のダイアフラム４０ｃの先端側には、複数本の溝ＣＨ１ｃ、ＣＨ２ｃ、ＣＨ３ｃが形成されている。これらの溝ＣＨ１ｃ、ＣＨ２ｃ、ＣＨ３ｃは、図４（Ｂ）の溝ＣＨ１、ＣＨ２と同様に、所定の幅を有しているが、図の煩雑を避けるために、図８（Ｂ）では、溝ＣＨ１ｃ、ＣＨ２ｃ、ＣＨ３ｃのそれぞれを、一本線で図示している。図８（Ｂ）のダイアフラム４０ｃでは、複数本の第１の溝ＣＨ１ｃは、互いに平行で等間隔に並んでおり、かつ、第２の溝ＣＨ２ｃおよび第３の溝ＣＨ３ｃと交差している。複数本の第２の溝ＣＨ２ｃは、互いに平行で等間隔に並んでおり、かつ、第１の溝ＣＨ１ｃおよび第３の溝ＣＨ３ｃと交差している。複数本の第３の溝ＣＨ３ｃは、互いに平行で等間隔に並んでおり、かつ、第１の溝ＣＨ１ｃおよび第２の溝ＣＨ２ｃと交差している。第１の溝ＣＨ１ｃと第２の溝ＣＨ２ｃとがなす鋭角の角度と、第１の溝ＣＨ１ｃと第３の溝ＣＨ３ｃとがなす鋭角の角度と、第２の溝ＣＨ２ｃと第３の溝ＣＨ３ｃとがなす鋭角の角度と、は、それぞれ６０度である。この結果、ダイアフラム４０ｃには、これらの溝ＣＨ１ｃ、ＣＨ２ｃ、ＣＨ３ｃによって分離された三角柱形状の突出部４２ｃが形成されている。このため、突出部４２ｃの突出先端面４２１ｃの形状は、三角形である。

（３）上記実施形態における突出部４２の個数は、一例であり、これに限られない。突出部４２の個数は、３個以上の任意の個数であって良く、例えば、３個、４個、６個、１０個などであっても良い。

（４）ダイアフラム４０と圧電素子５１とを接続する接続部の構成としては、図２の構成に限らず、他の種々の構成を採用可能である。例えば、ダイアフラム４０は、軸線ＣＬと交差する位置に、伝達ロッド９０を挿入するための貫通孔を備えた環状を有していても良い。そして、伝達ロッド９０の外周面に、ダイアフラム４０の内周縁が溶接等によって接合されていても良い。また、素子部５０のうち、先端側の押さえ板５４が省略され、伝達ロッド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、素子部５０のうち、先端側の押さえ板５４と電極５２が省略されて、伝達ロッド９０に直接的に圧電素子５１が接続されてもよい。

（５）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。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、ダイアフラムの変形に応じた電気信号を出力するセンサとしては、圧電素子に代えて、ダイアフラムの変形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、ひずみゲージが採用されてもよい。

（６）上記の実施形態（例えば、図２）では、第２金具８０と第３金具３５とで形成される筒状の筐体に、ダイアフラム４０が接合され、そして、筐体の中に、素子部５０が収容されている。このような筐体の構成としては、第２金具８０と第３金具３５とを用いる構成に代えて、筒状の種々の構成を採用可能である。例えば、第２金具８０と第３金具３５との全体が、１つの部材で形成されていてもよい。また、第２金具８０と押さえねじ３２との全体が、１つの部材で形成されていてもよい。また、第２金具８０と第３金具３５と押さえねじ３２とが、１つの部材で形成されていてもよい。

（７）素子部５０からの信号を圧力センサ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。

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。

１０...圧力センサ、２０...第１金具、２１...軸孔、２２...ねじ部、２４...工具係合部、３０...第２金具、３４...拡径部、３５...第３金具、３６、３９...軸孔、４０、４０ｂ、４０ｃ...ダイアフラム、４１...基板部、４１Ｓ...基板先端面、４２、４２ｂ、４２ｃ...突出部、４２Ｉ...中央突出部、４２Ｏ...外縁突出部、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、８０...第２金具、８１...軸孔、９０...伝達ロッド、９９...後端部、４２１、４２１ｂ、４２１ｃ...突出先端面、４２２...側面、ＣＨ１、ＣＨ１ｃ...第１の溝、ＣＨ２、ＣＨ２ｃ...第２の溝、ＣＨ３ｃ...第３の溝、Ｕ２...幅Δ、Ｂ２...幅Δ、Ｓ２...面積、ＣＳ１、ＣＳ２...仮想平面

Claims (8)

1. 軸線方向に延びる筒状の筐体と、
   前記筐体の先端側に接合され、前記筐体の軸線に交差する方向に拡がり、先端側に受ける圧力に応じて変形するダイアフラムと、
   前記筐体内に配置され、前記ダイアフラムの変形に応じた電気信号を出力するセンサ部と、
   を備える圧力センサであって、
   前記ダイアフラムは、板状の基板部と、前記基板部の先端側の面から先端側に突出し、互いに分離した３個以上の突出部と、を備え、
   前記基板部の厚さをＴとし、
   前記突出部の前記軸線方向の長さをＨとし、
   前記突出部が無いと仮定した場合における前記基板部の先端側の面である基板先端面の面積をＳ１とし、
   前記３個以上の突出部の先端側の面である突出先端面の面積の合計をＳ２とするとき、
   ０．０５Ｔ≦Ｈ≦２．５Ｔ、かつ、０．０５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８を満たすことを特徴とする、圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサであって、
   ４個以上の前記突出部を備え、
   前記軸線を含み、かつ、前記基板先端面の重心を通り、かつ、互いに垂直であり、前記基板先端面を４個の領域に分割する２個の仮想的な平面を、一組の仮想平面とするとき、
   前記４個の領域のそれぞれに１個以上の前記突出部が位置するように、前記基板先端面を分割する少なくとも一組の前記仮想平面が存在することを特徴とする、圧力センサ。
3. 請求項１または２に記載の圧力センサであって、
   前記３個以上の突出部は、前記突出先端面の形状が多角形である前記突出部を含むことを特徴とする、圧力センサ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサであって、
   前記ダイアフラムは、先端側の面に沿って延びる深さＨの複数本の溝を有し、
   前記３個以上の突出部は、前記溝によって互いに分離されていることを特徴とする、圧力センサ。
5. 請求項４に記載の圧力センサであって、
   前記複数本の溝は、互いに平行な複数本の第１の溝と、互いに平行で、かつ、前記第１の溝と交差する複数本の第２の溝と、を含むことを特徴とする、圧力センサ。
6. 請求項５に記載の圧力センサであって、
   前記３個以上の突出部は、２本の前記第１の溝と２本の前記第２の溝によって、他の前記突出部から分離され、前記突出先端面の形状が四角形である前記突出部を含むことを特徴とする、圧力センサ。
7. 請求項６に記載の圧力センサであって、
   前記第１の溝と前記第２の溝とを含む前記複数本の溝は、格子状に配置されていることを特徴とする。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の圧力センサであって、
   前記軸線を含む断面において、前記基板部の後端側の面と、前記軸線と垂直な方向と、がなす鋭角の角度θの絶対値は、２０度以内であることを特徴とする、圧力センサ。

Images