JP2019184239A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ガスの熱によるダイアフラムの歪の発生を抑制すること。【解決手段】 筒状の筐体と、筐体内に配置され、先端面から受けた圧力に応じて撓むダイアフラムと、貫通孔が形成される遮熱板であり、先端面よりも先端側に配置され、筐体に接続される遮熱板と、ダイアフラムの撓みの量に応じて出力信号が変化するセンサ素子と、を備える圧力センサであって、遮熱板の貫通孔を形成する内周面には、凹凸が形成されている圧力センサ【選択図】図１

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。

圧力センサとして、筒状の筐体と、筐体内に配置され、先端面から受けた圧力に応じて撓むダイアフラムと、貫通孔が形成され、前記先端面の一部を覆うように前記筐体に接続される遮熱板と、前記ダイアフラムの撓みの量に応じて出力信号が変化するセンサ素子と、
を備えているものが知られている。

圧力センサでは、燃料の燃焼で生じた熱がダイアフラムに伝導することによって、筒内圧力に依存しないダイアフラムの撓みが生じ得る。そのような撓みが生じた場合、熱に依存する出力信号と筒内圧力に依存する出力信号とを区別することが困難であるため、筒内圧力を精確に検知できない虞がある。上述した圧力センサでは、ダイアフラムの先端側に遮熱板が配置されており、遮熱板によって、燃焼ガスがダイアフラムに到達する前に、燃焼ガスの熱が奪われるため、燃焼ガスの熱によるダイアフラムの歪の発生が抑制される。

特開２００４−２８６７５３

しかしながら、上記圧力センサでは遮熱板に燃焼ガスの熱を移動させるための十分な工夫がなされておらず、改善の余地があった。

本開示は、遮熱板の形状を改善することにより、燃焼ガスの熱によるダイアフラムの歪の発生を抑制できる技術を開示する。

本開示は、例えば、以下の適用例を開示する。

［適用例１］
筒状の筐体と、
筐体内に配置され、先端面から受けた圧力に応じて撓むダイアフラムと、
貫通孔が形成される遮熱板であり、先端面よりも先端側に配置され、筐体に接続される遮熱板と、
ダイアフラムの撓みの量に応じて出力信号が変化するセンサ素子と、
を備える圧力センサであって、
遮熱板の貫通孔を形成する内周面には、凹凸が形成されている
圧力センサ

本構成によれば、遮熱板の貫通孔を形成する内周面に凹凸が形成されているため、凹凸が形成されていない場合と比較して内周面の表面積を大きくすることができる。その結果、燃焼ガスが貫通孔を通過する際に、燃焼ガスをより高い頻度で内周面と接触させることができる。よって、燃焼ガスの熱を遮熱板に効率よく移動させることができ、燃焼ガスの熱によるダイアフラムの歪の発生を抑制することができる。

〔適用例２〕
筒状の筐体と、
筐体内に配置され、先端面から受けた圧力に応じて撓むダイアフラムと、
貫通孔が形成される遮熱板であり、先端面よりも先端側に配置され、筐体に接続される遮熱板と、
ダイアフラムの撓みの量に応じて出力信号が変化するセンサ素子と、
を備える圧力センサであって、
遮熱板の貫通孔を形成する内周面は、先端側向き面を含み、
貫通孔は、自身の先端側向き面における最小内径が、自身の先端側の開口端における内径よりも小さい
圧力センサ

本構成によれば、先端側向き面が、貫通孔を形成する内周面に、先端側の開口端から流入した燃焼ガスの流れを遮るように形成される。その結果、燃焼ガスが貫通孔を通過する際に、燃焼ガスをより高い頻度で内周面と接触させることができる。よって、燃焼ガスの熱を遮熱板に効率よく移動させることができ、燃焼ガスの熱によるダイアフラムの歪の発生を抑制することができる。

〔適用例３〕
先端側向き面における貫通孔の内径は、先端側に向かうにつれて大きくなる
適用例２に記載の圧力センサ

本構成によれば、先端側向き面によって遮られた燃焼ガスが、後端側に向けて整流されるため、遮熱板に熱を奪われた燃焼ガスをダイアフラムに到達しやすくできる。

〔適用例４〕
貫通孔は、複数形成されている
適用例１から３のいずれかに記載の圧力センサ

本構成によれば、遮熱板に複数の貫通孔が形成されているため、１つの貫通孔が形成されている場合と比較して、より多くの燃焼ガスの熱を遮熱板に効率よく移動させることができる。

〔適用例５〕
遮蔽板の後端面には、凹凸が形成されている
適用例１から４のいずれかに記載の圧力センサ。

本構成によれば、さらに、遮熱板の後端面に凹凸が形成されているため、凹凸が形成されていない場合と比較して遮熱板の表面積を大きくすることができる。その結果、貫通孔を通過してダイアフラムと遮熱板との間の空間に導入された燃焼ガスを、遮熱板に高い頻度で接触させることができる。よって、遮熱板に燃焼ガスの熱をさらに効率よく移動させることができ、燃焼ガスの熱によるダイアフラムの歪の発生を抑制することができる。

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。 第２実施形態の圧力センサ１０ａの説明図である。

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、第２金具８０と、第３金具３５と、ダイアフラム４０と、遮熱板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ＣＬ１よりも左側の断面構成が示されている。この断面は、軸線ＣＬ１と、後述する遮熱板９０の貫通孔９１の中心軸ＣＬ２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ＣＬ１は、第１金具２０と第２金具８０と第３金具３５と受圧部４０と遮熱板９０と素子部５０とのそれぞれの中心軸でもある。

第１金具２０と第２金具８０と第３金具３５とは、中心軸ＣＬ１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。本実施形態では、第１金具２０、第２金具８０及び第３金具３５とで形成された筒状部材が、特許請求の範囲に記載された「筐体」に相当する。

第１金具２０には、中心軸ＣＬ１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。

第２金具８０には、中心軸ＣＬ１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、中心軸ＣＬ１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、ダイアフラム４０が配置されている。

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ＣＬ１と、後述する遮熱板９０の２つの貫通孔９１の中心軸ＣＬ２とを含む平断面である。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に接合部８９を介して接合されている。接合部８９は、第２金具８０と第３金具３５とが溶接（例えば、レーザ溶接）の際に、溶融した部分である（以下、接合部８９を「溶融部８９」または「溶接痕８９」とも呼ぶ）。

ダイアフラム４０は、ロッド部４４と、フランジ部４２を備えている。
ロッド部４４は、軸線ＣＬ１を中心とする円柱状の部分であり、後端方向Ｄｒ側に向かって延びている。

フランジ部４２は、ロッド部４４の周囲から径方向外側に延びる略円形の膜である。フランジ部４２の外周側の縁４２ｏは、全周に亘って、第３金具３５の内周面３６に接続部４５を介して接続されており（例えば、レーザ溶接）、ダイアフラム４０は、筒状の筐体（具体的には、軸孔３９を有する第３金具３５）の先端側の開口を塞いでいる。

フランジ部４２とロッド部４４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、フランジ部４２とロッド部４４とを別々に形成した後に、溶接などによりフランジ部４２とロッド部４４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。

ダイアフラム４０は、燃焼ガスに曝される先端面４３を有する。ダイアフラム４０のうちフランジ部４２は、自身の先端側から受けた燃焼室の圧力に応じて撓む（変形する）。ロッド４４は、フランジ部４２の撓み（変形）に応じて、軸線ＣＬ方向におおよそ平行に変位する。これにより、ロッド４４は、圧力Ｐｃに応じた荷重を、ロッド４４の後端部に接続された後述する素子部５０に伝達する。

遮熱板９０は、軸線ＣＬ１を中心とする円盤状の板状部材である。遮熱板９０には、軸線ＣＬ２を中心とする貫通孔９１が形成されている。なお、本実施例においては、２つの貫通孔９１が形成されている。遮熱板９０は、ダイアフラム４０の先端面４３の先端側に配置されており、貫通孔９１が形成されていない部位でダイアフラム４０の先端面４３を覆っている。

貫通孔９１を形成する内周面９２には、凹凸９３が形成されている。本実施例では、内周面９２にネジ加工を施すことで、内周面９２の全体に亘って、凹凸９３が形成されている。

遮熱板９０は、後端面９４に溝を掘ることで、後端面の全体に亘って凹凸９５が形成されている。

遮熱板９０は、ダイアフラム４０の先端側で、第３金具３５に接続されている。つまり、遮熱板９０は、ダイアフラム４０の先端面４３よりも先端側に配置され、筐体（具体的には第３金具３５）に接続される。本実施例では、遮熱板９０と第３金具３５とは、ステンレス鋼を用いて、例えば、削りだしによって一体的に形成されている。

遮熱版９０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。

押さえねじ３２（図１参照）は、第２金具８０の軸孔の後端側に取り付けられている。押さえねじ３２には、軸線ＣＬ１を中心とする貫通孔である軸孔が形成されている。押さえねじ３２の外周面には、雄ねじが形成されている。第２金具８０の軸孔の後端側の部分の内周面には、押さえねじ３２の雄ねじに対応する雌ねじが形成されている。押さえねじ３２は、第２金具８０の後端側から、軸孔内にねじ込まれている。押さえねじ３２とダイアフラム４０のロッド部４４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、圧力測定の精度を向上できる。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に挟まれたセンサ素子（本実施例では、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、センサ素子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。ロッド部４４の後端部は、先端側の押さえ板５４の先端側の面に接触している。センサ素子５１は、先端側の電極５２と押さえ板５４とを介して、ロッド部４４に接続されている。
センサ素子５１は、ダイアフラム４０（具体的には、フランジ部４２）の撓みの量に応じて出力信号が変化する。なお、センサ素子５１としては、圧電素子を用いているが、その他のセンサ素子（例えば、ひずみゲージ式）を用いてもよい。

第１実施形態の圧力センサ１０によれば、遮熱板９０の貫通孔９１を形成する内周面９２に凹凸９３が形成されているため、凹凸９３が形成されていない場合と比較して内周面９２の表面積を大きくすることができる。その結果、燃焼ガスが貫通孔９１を通過する際に、燃焼ガスをより高い頻度で内周面９２と接触させることができる。よって、燃焼ガスの熱を遮熱板９０に効率よく移動させることができ、燃焼ガスの熱によるダイアフラム４０の歪の発生を抑制することができる。

また、第１実施形態の圧力センサ１０によれば、遮熱板９０に複数の貫通孔が形成されているため、１つの貫通孔が形成されている場合と比較して、より多くの燃焼ガスをダイアフラムまで到達させることができる。

さらに、第１実施形態の圧力センサ１０によれば、さらに、遮熱板９０の後端面９４に凹凸９５が形成されているため、凹凸９５が形成されていない場合と比較して遮熱板９０の表面積を大きくすることができる。その結果、貫通孔９１を通過してダイアフラム４０と遮熱板９０との間の空間に導入された燃焼ガスを、遮熱板９０に高い頻度で接触させることができる。よって、遮熱板９０に燃焼ガスの熱をさらに効率よく移動させることができ、燃焼ガスの熱によるダイアフラム４０の歪の発生を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図２は、第２実施形態の圧力センサ１０ａの説明図である。図中には、図２と同様に、圧力センサ１０ａの先端側の部分の軸線ＣＬ１と、後述する遮熱板ａの貫通孔９１ａの中心軸ＣＬ２とを含む平断面が示されている。図２の第１実施形態との差異は、貫通孔９１ａを形成する内周面９２ａが凹凸の形成されていない平面である点と、貫通孔９１ａを形成する内周面９２ａに先端側向き面９６を含んでおり、貫通孔９１ａの先端側向き面９６における最小内径が、先端側の開口端９７における内径よりも小さい点だけである。圧力センサ１０ａの他の部分の構成は、第１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。

第２実施形態では、遮熱板９０ａは、軸線ＣＬ１を中心とする円盤状の板状部材である。遮熱板９０ａには、貫通孔９１ａが形成されている。なお、本実施例においては、２つの貫通孔９１ａが形成されている。遮熱板９０ａは、ダイアフラム４０の先端面４３の先端側に配置されており、貫通孔９１ａが形成されていない部位でダイアフラム４０の先端面４３を覆っている。

貫通孔９１ａを形成する内周面９２ａには、先端側向き面９６が形成されている。本実施形態では、先端側向き面９６は、貫通孔９１ａの中心軸ＣＬ２に垂直な方向における中心軸ＣＬ２との距離が、先端側に向かうにつれて長くなるように形成されている。

貫通孔９１ａは、自身の先端側向き面９６における最小内径（本実施例では、先端側向き面の後端における内径）が、自身の先端側の開口端９７における内径よりも小さくなるように形成されている。なお、第２実施形態では、貫通孔９１ａの先端側の開口端９７が、先端側向き面９６の先端に相当する。

貫通孔９１ａは、自身の先端側向き面９６における内径が、先端側に向かうにつれて大きくなるように形成されている。

遮熱板９０ａは、ダイアフラム４０の先端側で、第３金具３５に接続されている。つまり、遮熱板９０ａは、ダイアフラム４０の先端面４３よりも先端側に配置され、筐体（具体的には第３金具３５）に接続される。本実施例では、遮熱板９０ａと第３金具３５とは、ステンレス鋼を用いて、例えば、削りだしによって一体的に形成されている。

第２実施形態の圧力センサ１０ａによれば、先端側向き面９６が、貫通孔９１ａを形成する内周面９２ａに、先端側の開口端９７から流入した燃焼ガスの流れを遮るように形成される。その結果、燃焼ガスが貫通孔９１ａを通過する際に、燃焼ガスをより高い頻度で内周面９２ａに接触させることができる。よって、燃焼ガスの熱を遮熱板９１に効率よく移動させることができ、燃焼ガスの熱によるダイアフラム４０の歪の発生を抑制することができる。

また、第２実施形態の圧力センサ１０ａによれば、先端側向き面９６に遮られた燃焼ガスが、後端側に向けて整流されるため、遮熱板９０ａに熱を奪われた燃焼ガスをダイアフラム４０に到達しやすくできる。

Ｃ．変形例
（１）第１実施形態では、遮熱板９０の内周面９２にネジ加工を施すことにより凹凸９３が形成されていた。しかしながら、ネジ加工以外にも、例えば、貫通孔９１の中心軸ＣＬ２に沿って溝を掘ることで形成してもよい。

（２）第１実施形態では、遮熱板９０の内周面９２の全体に亘って、凹凸９３が形成されていた。しかしながら、内周面９２の少なくとも一部に凹凸９３が形成されてもよい。

（３）第１実施形態では、遮熱板９０は、第３金具３５と一体形成されている。しかしながら、遮熱板９０は、第３金具３５の先端に、例えば、レーザ溶接によって形成された溶融部（接合部）を介して接合されてもよい。

（４）第２実施形態では、貫通孔９１ａを形成する内周面９２ａに、凹凸が形成されていなかった。しかしながら、内周面９２ａには、第１実施形態のように、凹凸が形成されていてもよい。

（５）第２実施形態では、先端側向き面９６は、貫通孔９１ａの中心軸ＣＬ２に垂直な方向における中心軸ＣＬ２との距離が、先端側に向かうにつれて長くなるように形成されていた。しかしながら、先端側向き面は、貫通孔９１ａの中心軸ＣＬ２に対して垂直に形成されてもよいし、貫通孔９１ａの中心軸ＣＬ２との距離が、先端側に向かうにつれて短くなるように形成されてもよい。

（６）なお、第２実施形態では、貫通孔９１ａの先端側の開口端９７が、先端側向き面９６の先端に相当していた。しかしながら、貫通孔９１ａの先端側の開口端９７が、先端側向き面９６の先端よりも先端側に位置していてもよい。貫通孔９１ａの先端側の開口端９７における内径が、先端側向き面９６の先端における内径よりも小さくてもよい。

（７）第１実施形態及び第２実施形態では、遮熱板９０、９０ａに２つの貫通孔９１、９１ａが形成されていた。しかしながら、貫通孔９１、９１ａは、１つ形成されていてもよいし、２つ以上形成されていてもよい。

（８）第１実施形態及び第２実施形態では、遮熱版９０の後端面９４の全体に亘って、凹凸９５が形成されていた。しかしながら、後端面９４の少なくとも一部に凹凸９５が形成されてもよい。

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。

１０，１０ａ...圧力センサ、２０...第１金具、２１...軸孔、２２...ねじ部、２４...工具係合部、２６...接合部、３０...第２金具、３４...拡径部、３５...第３金具、３６…第３金具の内周面、３９...軸孔、４０...ダイアフラム、４２...フランジ部、４２ｏ...縁、４３...先端面、４４...ロッド部、４５...接続部、５０...素子部、５１...センサ素子（圧電素子）、５２...電極、５３...リード部、５４...押さえ板、５５...絶縁板、５６...端子部、６０...ケーブル、８０...第２金具、８９...接続部、９０，９０ａ...遮熱板、９１，９１ａ...貫通孔、９２，９２ａ...貫通孔の内周面、９３...貫通孔の内周面の凹凸、９４...後端面、９５...後端面の凹凸、９６...先端側向き面、９７...開口端、Ｘ...領域、ＣＬ１...中心軸（軸線）、ＣＬ２…遮熱板の貫通孔の中心軸、Ｄｆ...先端方向、Ｄｒ...後端方向

Claims (6)

1. 筒状の筐体と、
   前記筐体内に配置され、先端面から受けた圧力に応じて撓むダイアフラムと、
   貫通孔が形成される遮熱板であり、前記先端面よりも先端側に配置され、前記筐体に接続される遮熱板と、
   前記ダイアフラムの撓みの量に応じて出力信号が変化するセンサ素子と、
   を備える圧力センサであって、
   前記遮熱板の前記貫通孔を形成する内周面には、凹凸が形成されている
   圧力センサ
2. 筒状の筐体と、
   前記筐体内に配置され、先端面から受けた圧力に応じて撓むダイアフラムと、
   貫通孔が形成される遮熱板であり、前記先端面よりも先端側に配置され、前記筐体に接続される遮熱板と、
   前記ダイアフラムの撓みの量に応じて出力信号が変化するセンサ素子と、
   を備える圧力センサであって、
   前記遮熱板の前記貫通孔を形成する内周面は、先端側向き面を含み、
   前記貫通孔は、自身の前記先端側向き面における最小内径が、自身の先端側の開口端における内径よりも小さい
   圧力センサ
3. 前記先端側向き面における前記貫通孔の内径は、先端側に向かうにつれて大きくなる
   請求項２に記載の圧力センサ
4. 前記遮熱板の前記貫通孔を形成する内周面には、凹凸が形成されている
   請求項２又は３に記載の圧力センサ。
5. 前記貫通孔は、複数形成されている
   請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサ
6. 前記遮蔽板の後端面には、凹凸が形成されている
   請求項１から５のいずれかに記載の圧力センサ。

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