JP2020020635A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの機能部品の先端に取付けて成る圧力検出装置において、受圧の際に生じる応力によって圧力検出素子の破損等の悪影響を与えることがなく、測定精度が良好で、そして、高感度の圧力検出装置の提供を目的とする。【解決手段】支持部材１１と外筒部材１２と内筒部材１３とダイヤフラム１４ａで形成したハウジングの内部において、第１プレート１５と圧力検出素子１６と第２プレート１７と支持部材１１が順に積層配置されており、圧力検出素子１６を第１プレート１５と第２プレート１７で挟み込む構成となっている。圧力検出素子１６と接する第１プレート１５と第２プレート１７は、何れもリング状をなしており、第１プレート１５と支第２プレート１７の接触面となる表面部（径方向に対する幅）は、圧力検出素子１６の接触面となる表面部よりも広く形成されているため、圧力検出素子１６の表面全域と当接密着している。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばエンジンの燃焼室内等の圧力を測定するための圧力検出装置に関する。

従来、燃焼状態やノッキングの検出、あるいは、燃料消費率の向上、排気ガスの清浄化などを行うために、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する圧力検出装置としての燃焼圧センサを内蔵したスパークプラグが知られている。例えば、そのようなスパークプラグとして、平板のリング状に形成された収容部材に圧力検出素子およびリング状に形成された電極板等を配設した燃焼圧センサを、スパークプラグの主体金具の取付け座部内に設けたものが知られている。（例えば、特許文献１参照。）

図７は従来の圧力検出装置の構成部材を示す分解斜視図である。図７を参照し従来の圧力検出装置に係る構成部材について説明する。

図７に示すように、圧力検出装置は、板パッキン７１、収容部材７２、圧力検出素子７３、電極板７４、および絶縁板７５により構成されている。板パッキン７１は平板のリング状に形成されおり、板パッキン７１の上には、板パッキンの形状に対応した形状、つまり平板のリング状に形成された収容部材７２が重ねられている。収容部材７２には、その周方向に収容空間７２ａが等間隔に８個貫通形成されている。各収容空間７２ａの内部には、圧力検出素子７３がその頭部を上方へ突出させてそれぞれ保持されている。圧力検出素子７３は、図７に示すように、収容空間７２ａの内部形状に対応してほぼ直方体形状に形成されており、各圧力検出素子７３は、収容部材７２の底面に重ねられる板パッキン７１が底板の役割を果たすことで、収容部材７２ａ内部に保持されている。

また、収容部材７２には、収容空間７２ａに保持された圧力検出素子７３間の少なくとも１個所に、収容部材７２の一部が上方へ突出した突片７２ｂが形成されている。

収容部材７２の上面には、収容部材７２に対応した形状、つまり平板のリング状に形成された電極板７４が重ねられている。電極板７４には、収容部材７２の突片７２ｂと対応する箇所に端子７４ａが上方に突出形成されている。

上記構成により、電極板７４を収容部材７２の上面に重ねた場合に、収容部材７２の突片７２ｂが、電極板７４の切り欠き部７４ｂ内に収容され、端子７４ａの外側に突片７２ｂが位置するようになっている。

また、電極板７４の上面には、電極板７４に対応した形状、つまり平板のリング状に形成された絶縁板７５が重ねられている。絶縁板７５には、電極板７４の端子７４ａと対応する箇所に切り欠き部７５ａが形成されている。つまり、図７に示すように、絶縁板７５を電極板７４の上面に重ねた場合に、電極板７４の端子７４ａが絶縁板７５の切り欠き部７５ａから上方へ突出するように構成されている。そして、その端子７４ａに図示しないリード線の導体部が溶接される。

上記構成の圧力検出装置は、点火プラグ等の機能部品に組み付けられ、エンジンに組込まれて利用されることになる。この際、燃焼室内で燃焼が行われ、圧力が発生すると、その圧力が図示しない点火プラグのケースを介し、さらに板パッキン７１を介して圧力検出素子７３に伝達する構成になっている。

特開２０００−２７７２３３号公報

しかしながら、従来の圧力検出装置は、複数の圧力検出素子で構成され、それぞれ所定間隔をもって配設されているため、圧力を受けた際、圧力検出素子に接する電極板（若しくは絶縁板）が素子と素子との間で撓み、変形量が大きく生じ、素子間に沈み込む状態となることで、素子のエッジ部において受圧応力が集中してしまう。これによって、圧力検出素子のカケ、割れ、あるいは、電極板、絶縁板のカケ、割れという問題が生じる恐れがあった。

また、個々の圧力検出素子は、径方向に対する配置や圧力検出素子同士の間隔を考慮し、正確に配設する必要があり、さらに個々の素子の高さバラツキを考慮し、選別や高さを揃える作業が不可欠となる。圧力検出素子の高さバラツキや配置ズレ等を製造上の条件で満たせなければ、電極板等の他部材との接触面が個々の圧力検出素子間でばらつくこととなり、結果、何れかの圧力検出素子にのみ受圧応力を集中させてしまい、各圧力検出素子に均等に圧力が作用しないことによって圧力検出装置の検出値が真の圧力値と相違が生じ、さらには応力集中箇所の圧力検出素子等のカケ、割れという問題を生じさせる可能性もあった。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した圧力検出装置であって、受圧の際に生じる応力によって圧力検出素子破損等の悪影響を与えることがなく、測定精度が良好な圧力検出装置の提供を目的とするものである。

圧力検出装置において、同心の外筒部材と内筒部材とにより形成される筐体と、前記筐体の一端に固定されたリング状のダイヤフラムと、前記筐体の他端に固定されたリング状の支持部材と、前記筐体に収容されるリング状の圧力検出素子と、前記ダイヤフラムと前記圧力検出素子との間に配置されるリング状の圧力伝達部材と、を備えた圧力検出装置とする。

さらに、前記圧力検出素子の第１面には第１電極が形成され、前記第１面と対向する第２面には第２電極が形成されており、前記第１電極又は第２電極のいずれか一方は、前記圧力検出素子の内周面または外周面を介して他方の面に引き出され、当該他方の面にて前記圧力検出素子と外部とを接続する接続パッドを形成する圧力検出装置とするとよい。

さらに、前記接続パッドは、前記第１電極又は第２電極上に形成された絶縁層上に形成されている圧力検出装置とするとよい。

前記圧力検出素子に設けられる前記接続パッドの形成面は、前記支持部材側に設けられており、前記接続パッドは、前記支持部材に埋設された接続端子と接触している圧力検出装置とするとよい。

このような構成を有する本発明に係る圧力検出装置によれば、圧力検出素子や圧力検出素子と接する部材へ作用する応力が圧力検出素子表面や圧力検出素子と接する部材表面において均一化されるので、測定精度が良好で、圧力検出素子や圧力検出素子と接する部材のカケ、割れといった問題が生じなくなるという顕著な効果を奏する。

本発明の一実施形態における圧力検出装置の概観を示す斜視図。 本発明の一実施形態における圧力検出装置の構成を説明するための分解斜視図。 本発明の一実施形態における圧力検出装置の構成を説明するための図１におけるＡ−Ａ断面図。 本発明の一実施形態における圧力検出装置の図３のＡ部拡大断面図。 本発明の一実施形態における圧力検出装置の図３のＢ部拡大断面図。 本発明の一実施形態における圧力検出装置の圧力検出素子を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。 従来の圧力検出装置の構成部材を示す分解斜視図。

次に、本発明に係る最良実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態における圧力検出装置は、エンジンの機能部品であるインジェクタに取り付けられる燃焼圧センサを例として説明する。

図１は、本発明の一実施形態における圧力検出装置の概観を示す斜視図であり、図２は、この圧力検出装置の構成を説明するための分解斜視図である。図３は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、機能部品であるインジェクタを仮想線（２点鎖線）で示している。図４は、図３のＡ部の部分拡大図であり、図５は、図３のＢ部の部分拡大図である。図６は、本発明の一実施形態における圧力検出装置の圧力検出素子を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。尚、各図において同一の構成部材には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示すように、本発明の一実施形態における圧力検出装置１は、軸Ｘ−Ｘを中心軸とする円筒形状であって、その外観は外筒部材１２と内筒部材１３とで形成される筐体と、支持部材１１、ダイヤフラム１４ａとで構成され、燃焼圧の検出信号を出力する２つの接続端子２０で構成されている（図１においては、接続端子２０のうち一つは不図示。）。そして、圧力検出装置１は、機能部品となるインジェクタにダイヤフラム１４ａが燃焼室側に面するように取り付けられる（図３参照。）。

図２に示すように、圧力検出装置１は、支持部材１１と外筒部材１２と内筒部材１３とダイヤフラム１４ａで形成した空間の内部に、圧力伝達部材としての第１プレート１５と、圧力検出素子１６、第２プレート１７とを内蔵している。ダイヤフラム１４ａ、第１プレート１５、圧力検出素子１６及び第２プレート１７は、各々リング状に形成されている。

支持部材１１は、自身と電気的に絶縁し保持する２つの接続端子２０を有し、圧力検出装置１の一対の出力端子を形成している。

支持部材１１、外筒部材１２及び内筒部材１３は、耐熱性が高く且つ高い耐食性があるステンレス鋼材、例えばＪＩＳ規格のＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等を用いて構成するとよい。

図３は、図１の圧力検出装置１のＡ−Ａ断面に、仮想線（二点鎖線）で示す機能部品のインジェクタＩｎに組付けられた状態を示す。そして、インジェクタＩｎの先端方向の燃焼室Ｅｃ側に、ダイヤフラム１４ａが面して配置されていることを示している。

図３に示すように、Ｘ−Ｘ軸を中心軸として同心状に支持部材１１の外側と内側それぞれに外筒部材１２と内筒部材１３が一周にわたってレーザ溶接で封止され、その反対側の燃焼室Ｅｃ側にはリング状のダイヤフラム１４ａが同様に一周にわたって外筒部材１２と内筒部材１３にレーザ溶接にて封止され、円筒形状の封止空間１９を形成している。そして、この円筒形状の封止空間１９の内部に、断面が矩形のリング状の第１プレート１５と圧力検出素子１６、第２プレート１７が配置されている。

支持部材１１と外筒部材１２と内筒部材１３とダイヤフラム１４ａで形成した封止空間１９の内部において、第１プレート１５、圧力検出素子１６、第２プレート１７、支持部材１１とが順に積層配置されており、圧力検出素子１６を第１プレート１５と第２プレート１７とで挟み込む構成となっている。圧力検出素子１６と接する第１プレート１５と第２プレート１７は、何れもリング状をなしており、第１プレート１５と第２プレート１７の圧力検出素子１６との接触面となる表面部（径方向に対する幅）は、圧力検出素子１６の表面部よりも広く形成されているため、圧力検出素子１６の表面全域と当接密着している。

このような構成によれば、圧力検出素子１６や圧力検出素子１６に接触する部材に生ずる応力は、その表面内でほぼ均一化して作用するので、一部分に応力を集中させてしまうようなことがなくなる。

図４に示すように、ダイヤフラム１４ａは、その表面側に、燃焼室Ｅｃの燃焼室側から燃焼圧を受けるリング状の受圧部１４１と、裏面側に受圧部１４１で受けた圧力を第１プレート１５に伝達するリング状の伝達部１４２が一体化して形成されている。ダイヤフラム１４ａの伝達部１４２は、外筒部材１２の内周面および内筒部材１３の外周面の両者に接触しないように、これら両者に対する位置決めがなされている。

具体的には、伝達部１４２におけるリング幅は、受圧部１４１におけるリング幅よりも薄く形成し、かつ伝達部１４２は、受圧部１４１の幅方向中央部に設けることにより、断面をＴ字形状に形成する。

なお、ダイヤフラム１４ａにおけるリング幅（幅方向）とは全体形状の径方向におけるリング部分の幅を意味し、かつリング厚（厚さ方向）とは全体形状の軸方向におけるリング部分の厚みを意味する。即ち、上述したＴ字形状におけるＴ字の横幅がリング幅となり、Ｔ字の縦幅がリング厚となる。

また、伝達部１４２のリング幅は、第１プレート１５側から受圧部１４１側へ行くに従って漸次薄くなるように形成するとともに、受圧部１４１のリング厚は、幅方向両側に対して中央側を漸次薄くなるように形成する。この場合、受圧部１４１の受圧面（表面）は平坦に形成する。さらに、ダイヤフラム１４ａを外筒部材１２と内筒部材１３に組付けた際には、受圧部１４１の幅方向両側を、外筒部材１２と内筒部材１３の端部に固定する。

ダイヤフラム１４ａの材質は、高温であり且つ高圧となる燃焼室内に露出することを考慮し、弾性が高く、且つ、耐久性、耐熱性、耐食性に優れた、例えばＳＵＨ６６０等を用いることが望ましい。

上述したように、ダイヤフラム１４ａと外筒部材１２と内筒部材１３と支持部材１１で形成された封止空間１９の内部において、第１プレート１５、圧力検出素子１６、及び第２プレート１７が、ダイヤフラムの伝達部１４２と支持部材１１とで挟みつけられて、ダイヤフラムの受圧部１４１を撓ませることで生ずる圧縮荷重によって、それぞれが当接密着して組み込まれている。第１プレート１５、圧力検出素子１６、第２プレート１７、ダイヤフラム１４ａの伝達部１４２、支持部材１１は、各々リング状を成しており、各々の表面部で当接密着している。それによって、ダイヤフラム１４ａで受けた燃焼圧が圧力検出素子１６に損失なく伝達することを可能にしている。そして、圧力検出素子１６の一方の側と第２プレート１７を介して当接する支持部材１１が機能部品のインジェクタに剛体支持されることで圧力を受け止め、燃焼圧の正確な検知を更に可能にしている。

図５に示すように、一対の接続端子２０は、支持部材１１及び第２プレート１７のそれぞれに設けられた孔を貫通して、その先端２０１が圧力検出素子１６に形成された電極１８ａ、１８ｂに接触し、圧力検出素子１６と電気的に接続されている。

図６に示すように、リング状の圧力検出素子１６は、圧力を受けたときに電荷を発生する面である一方の面と他方の面とに電極１８ａ、１８ｂが形成されている。一方の面（表面）には、円周方向全域にわたって導電性の高い金属薄膜が複数層積層されている。これにより、金属薄膜を複数層積層した第１の電極１８ｂが構成される。また、第１の電極１８ｂの一部領域、具体的には一対の接続端子２０のうち一方の端子と接触する位置には、その上面に絶縁層１８ｅが形成されている。さらに、圧力検出素子１６の他方の面（裏面）には、電極１８ｂと同様な構成で第２の電極１８ａ（図６においては不図示）が形成されている。裏面側の電極１８ａは、圧力検出素子１６の側面、本実施例では圧力検出素子１６の外周面に設けられた側面電極１８ｃを介して一方の面（表面）側の絶縁層１８ｅ上まで引き出され、接続端子２０の一方の端子と接続する接続パッド１８ｄが設けられる構成となっている。

また、圧力検出素子１６の第１の電極１８ｂは、接続端子２０の他方の端子に接触し電気的に接続される。燃焼圧を検知する圧力検出素子１６の出力信号は、圧力検出素子１６の第１の電極１８ｂと第２の電極１８ａとが一対の接続端子２０のそれぞれの端子と電気的に接続することで、出力端子２０を介して圧力検出装置１の外部へ出力することが可能となっている。

圧力検出素子１６の電極１８ａ、１８ｂは、例えば密着強化層としてＴｉ、拡散防止層としてＰｔ、最上層にＡｕを用いた接合層を積層したものを使用することが可能である。また、本実施例では、電極１８ａ、１８ｂは、導電性の高い金属薄膜を複数層積層としているが、単層であっても構わない。

圧力検出素子１６の材質は、耐熱性に優れ、広い温度範囲においても安定した圧電変換特性が得られるキュリー点の無い自発分極を有する単結晶材料、具体的には、ＬＴＧ（Ｌａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄），ＬＴＧＡ（Ｌａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_4.8Ａｌ_0.2Ｏ₁₄），ＬＧＳ（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄）の単結晶材料をはじめ、ＬＮＧ，ＬＧＳＡ，ＬＮＧＡ，ＣＡＡＳ，ＣＴＧＳ等の単結晶材料が望ましい。

尚、第１プレート１５及び第２プレート１７の材質は、耐熱性および絶縁性を有する、アルミナ等のセラミック材料で構成するのが望ましい。

また、本実施例では、第２プレート１７に接続端子２０を貫通する孔を設けた構成としたが、圧力検出素子１６と支持部材１１とを絶縁し、圧力検出素子１６の電極１８ａ、１８ｂと接続端子２０との電気的接続をとる構成であればよく、例えば第２プレート１７の表裏面を結ぶ電極を形成し、電極１８ａ、１８ｂと接続端子２０との電気的接続をとってもよい。その場合は、支持部材１１や外筒部材１２、内筒部材１３と第２プレート１７の表裏面を結ぶ電極とが接触しないよう両者の間に空隙を設けたり、いずれかの表面に絶縁層を形成する構成としてもよい。

また、本実施例では、圧力検出素子１６の外周面に側面電極１８ｃを設け他方の面に形成された電極１８ａを一方の面側に引き出したが、圧力検出素子１６の内周面に側面電極を設ける構成としてもよい。さらに、圧力検出素子１６の内周面または外周面に側面電極を形成する場合は、圧力検出素子１６と側面電極との間に絶縁層を形成することで、予期しない圧力検出素子１６の側面からの微量な発生電荷についてもその影響を受けずに高精度な圧力の検知が可能となる。

本発明に係る圧力検出装置は、エンジンの燃焼室内の圧力測定、特に、インジェクタ、点火プラグ等の先端外周部に装着して燃焼圧を検出する際に利用することができる。

１ 圧力検出装置
１１ 支持部材
１２ 外筒部材
１３ 内筒部材
１４ａ ダイヤフラム
１４１ 受圧部
１４２ 伝達部
１５ 第１プレート
１６ 圧力検出素子
１７ 第２プレート
１８ａ 電極
１８ｂ 電極
１８ｃ 側面電極
１８ｄ 接続パッド
１８ｅ 絶縁層
１９ 封止空間
７１ 板パッキン
７２ 収容部材
７２ａ 収容空間
７２ｂ 突片
７３ 圧力検出素子
７４ 電極板
７４ａ 端子
７５ 絶縁板
７５ａ 切り欠き部

Claims (4)

1. 圧力検出装置において、
   同心の外筒部材と内筒部材とにより形成される筐体と、
   前記筐体の一端に固定されたリング状のダイヤフラムと、
   前記筐体の他端に固定されたリング状の支持部材と、
   前記筐体に収容されるリング状の圧力検出素子と、
   前記ダイヤフラムと前記圧力検出素子との間に配置されるリング状の圧力伝達部材と、を備えたことを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記圧力検出素子の第１面には第１電極か形成され、前記第１面と対向する第２面には第２電極が形成されており、前記第１電極又は第２電極のいずれか一方は、前記圧力検出素子の内周面または外周面を介して他方の面に引き出され、当該他方の面にて前記圧力検出素子と外部とを接続する接続パッドを形成することを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記接続パッドは、前記第１電極又は第２電極上に形成された絶縁層上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力検出装置。
4. 前記圧力検出素子に設けられる前記接続パッドの形成面は、前記支持部材側に設けられており、前記接続パッドは、前記支持部材に埋設された接続端子と接触していることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧力検出装置。

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