JP2020034325A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】炎による熱の影響を受けやすい環境下においても高い測定感度で温度を検出することができ、且つ、単純な構造で低コストの圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサ１０は、筒状部１４と、筒状部１４の一端に塞ぐように設けられたダイヤフラム１６と、ダイヤフラム１６に取り付けられた複数の歪みゲージ１８と、筒状部１４の他端を塞ぐように設けられる保護部材２０とを備える。保護部材２０は、筒状部１４の内側に一部が挿入されて、筒状部１４の内周面との間およびダイヤフラム１６との間に隙間を形成する。保護部材２０には、筒状部１４の内周面に向けて開口される横穴２０Ｃと、その横穴２０をダイヤフラム１６の反対側の面に連通させる縦穴２０Ｄが形成される。【選択図】図１

Description

本発明は圧力センサに係り、特にエンジン等の内燃機関のように温度変化の大きい環境で使用される圧力センサに関する。

エンジンの筒内圧力の変化を検出するために、エンジン内の壁面に圧力センサを取り付けることがある。圧力センサは様々な構成のものがあるが、ダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムに圧電素子や歪みゲージ等が取り付けられており、ダイヤフラムの変化量を検出することによって圧力値を測定できるようになっている（特許文献１〜４参照）。

ところで、ダイヤフラム式の圧力センサをエンジン等の内燃機関に用いると、内燃機関で発生する炎の影響によって測定精度が低下するという問題が発生する。具体的には、エンジン等で発生した炎がダイヤフラムに接触し、その炎の影響を受けてダイヤフラムが急激に温度上昇したり、ダイヤフラムに温度分布が発生してしまうため、測定精度が低下する。

そこで、特許文献１の圧力センサは、ダイヤフラムとセンシング部を離して配置し、伝達部材を介して連結することによって、熱が伝わりにくいにようになっている。さらに特許文献１は、放熱性を有するグリスを用いて熱を逃がすことによって、熱による測定精度への影響を抑制している。また、特許文献２の圧力センサは、ダイヤフラムとセンシング部を伝達部材で連結するとともにダイヤフラムをカバー部材で覆うことによって、ダイヤフラムに燃焼ガスが直接接触することを防止している。特許文献３の圧力センサは、ダイヤフラムを２つ用いるとともに、その２つのダイヤフラムの間に液体を液体を封入することによって熱の影響を抑制している。

特許第５１４１２０２号 特許第４９７３０９２号 特許第４８４８９０４号 特公平７−９７０５４

しかしながら、従来のように熱伝達を抑制した場合、それに伴って圧力の伝達が阻害されてしまい、感度や応答性が低下するという問題が発生する。このため、従来の圧力センサは、エンジン内圧の過渡特性を調べることができなかった。また、従来の圧力センサは、熱の伝達を抑制するために、構成が複雑になってコストが上昇するという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、炎による熱の影響を受けやすい環境下においても高い感度で圧力を検出することができ、且つ、単純な構造で低コストの圧力センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、筒状部と、前記筒状部の一端に塞ぐように設けられたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに取り付けられた複数の歪みゲージと、を備えた圧力センサにおいて、前記筒状部の他端を塞ぐように設けられるとともに、前記筒状部の内側に一部が挿入されて、前記筒状部の内周面との間および前記ダイヤフラムとの間に隙間を形成する保護部材を備え、前記保護部材には、前記筒状部の内周面に向けて開口される横穴が形成されるとともに、その横穴を前記ダイヤフラムの反対側の面に連通させる縦穴が形成されることを特徴とする圧力センサを提供する。

本発明によれば、測定対象である流体（たとえば燃焼ガス）の圧力変動は、縦穴を通って横穴に入った後、保護部材と筒状部の隙間を通り、さらに保護部材とダイヤフラムの隙間を通ってダイヤフラムに伝達される。したがって、測定対象の流体に炎を伴う場合であっても、炎は縦穴から横穴を通ってから隙間に迂回する流路を通るので、炎がダイヤフラムに直線的に吹き付けることを防止できる。さらに、ダイヤフラムと保護部材との間には隙間があるだけなので、ダイヤフラムに接する流体が持つ熱量は非常に小さい。したがって、ダイヤフラムに多量の熱量が一気に伝わって、ダイヤフラムが急激に温度上昇したり、ダイヤフラムに極端な温度分布が発生したりすることを防止できる。これにより、ダイヤフラムに取り付けた複数の歪みゲージに温度差が発生することを防止することができ、精度の低下を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記ダイヤフラムには、前記保護部材側の面に凹凸が形成され、前記保護部材には、前記ダイヤフラムに対向する面に前記凹凸に合わせた凸凹が形成されることを特徴とする。請求項２の発明によれば、ダイヤフラムに凹凸が形成されているような場合であっても、保護部材に凸凹を形成することによって、ダイヤフラムと保護部材の隙間を略一定にすることができる。したがって、ダイヤフラムの凸部に大きな熱量が一気に伝わることを抑制することができる。

請求項３に記載の発明は請求項１または２の発明において、前記縦穴は、前記筒状部の中心軸に沿って形成されることを特徴とする。本発明によれば、保護部材の縦穴が筒状部の中心軸に沿って形成されているので、保護部材の縦穴から筒状部への熱伝達が中心軸を中心として略均等になるので、熱が不均一に伝わって測定精度に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は請求項１〜３のいずれか１の発明において、前記横穴は、前記筒状部の中心軸に直交するように形成されることを特徴とする。本発明によれば、保護部材の横穴が筒状部の中心軸と直交するように形成されるので、縦穴を通って伝わった火炎は筒状部の内周面に向けて確実に方向転換させられる。したがって、火炎がダイヤフラムに直線的に進んで接触することを防止することができる。

請求項５に記載の発明は請求項１〜４のいずれか１の発明において、前記保護部材は、前記筒状部と同じ材質で形成されることを特徴とする。本発明によれば、保護部材から筒状部への熱伝達がスムーズになり、保護部材に熱がこもることを抑制することができる。

本発明によれば、縦穴と横穴を有する保護部材を設けることによって、燃焼ガス中の炎がダイヤフラムに対して直線的に進んで接触することを抑制したので、ダイヤフラムに不均一な温度分布が形成されることを抑制することができ、測定精度を向上させることができる。また、保護部材をダイヤフラムに対して隙間を持って配置したので、ダイヤフラムに接する流体が持つ熱量が小さくなり、大きな熱量がダイヤフラムに一気に流れて温度分布が発生することを抑制することができ、測定精度を向上させることができる。

本発明が適用された圧力センサの取付状態を示す断面図 図１の要部を拡大した断面図 図２の保護部材を取り外した状態を示す断面図 保護部材を示す斜視図 本発明の圧力センサの効果を示す説明図 比較例の圧力センサを示す説明図

図１は本発明が適用された圧力センサの取付状態を示す断面図であり、図２は図１の圧力センサを拡大した断面図である。図３は、図２の保護部材を取り外した状態の断面図であり、図４は保護部材の斜視図を示している。

図１に示すように、圧力センサ１０はハウジング部材１２の先端（図１の下端）に取り付けられている。ハウジング部材１２は、金属材によって略筒状に形成されており、外周面の中間部に雄ねじ（不図示）が形成され、この雄ねじによって、エンジン等の被測定対象（不図示）に取り付けられる。ハウジング部材１２の上部には、コネクタ部材（不図示）が設けられており、後述の歪ゲージ１８に接続されたケーブルがコネクタを介して引き出される。

圧力センサ１０は、ステンレス等の金属によって一体形成された筒状部１４とダイヤフラム１６を備える。筒状部１４は、円筒状に形成されており、前述のハウジング部材１２の先端に挿入され、溶接される。一方、ダイヤフラム１６は、薄膜状に形成されており、筒状部１４の一端を閉塞するように設けられている。

図３に示すように、ダイヤフラム１６は、筒状部１４の内側の面に（すなわち図中、下側の面に）凹凸が形成されている。具体的には、中心部に凸部１６Ｘが円状に形成されており、その周囲に凹部１６Ｙが円環状に形成されている。したがって、ダイヤフラム１６は中央部が厚く、その外側に薄肉部が形成されており、薄肉部で変形しやすく構成されている。

歪みゲージ１８はダイヤフラム１６の薄肉部に複数ヶ所に貼り付けられている。この複数の歪みゲージ１８は、ブリッジ回路を構成するように接続されており、ダイヤフラム１６が変形した際に電流が流れ、その電流を計測することによってダイヤフラム１６が受けた圧力値に変換できるようになっている。

筒状部１４の他方側（図１の下側）の端部には、保護部材２０が取り付けられている。保護部材２０は、ステンレス等の金属によって略円柱状に形成されており、その一部が筒状部１４の内部に挿入された状態で固定される。具体的に説明すると、保護部材２０は、筒状部１４の内径よりも大きい外径の大径部２０Ａと、筒状部１４の内径よりも僅かに小さい外径の小径部２０Ｂとから成り、小径部２０Ｂが筒状部１４の内部に挿入され、且つ、大径部２０Ａが筒状部１４の端面に当接した状態で固定される。その際、保護部材２０は、その中心軸が筒状部１４の中心軸と一致した状態で固定され、小径部２０Ｂの外周面と筒状部１４の内周面の間には、均一な大きさの隙間が形成される。

図３に示すように、小径部２０Ｂの端面には、前述のダイヤフラム１６の凹凸に対応する凸凹が形成されている。すなわち、小径部２０Ｂの端面の中央部には、凹部２０Ｘが円状に形成されており、その周囲には凸部２０Ｙが円環状に形成されている。したがって、保護部材２０を筒状部１４に取り付けると、ダイヤフラム１６の凸部１６Ｘが保護部材２０の凹部２０Ｘ内に配置され、保護部材２０の凸部２０Ｙがダイヤフラム１６の凹部１６Ｙ内に配置される。これにより、ダイヤフラム２０と保護部材２０は非接触状態のまま、略一定の隙間が維持される。

図２および図３に示すように、保護部材２０には、横穴２０Ｃと縦穴２０Ｄが形成されている。横穴２０Ｃは、保護部材２０の中心軸と直交する方向に形成されるとともに、小径部２０Ｂを貫通するように形成されている。したがって、横穴２０Ｃの２つの開口部は、小径部２０Ｂの外周面に配置されており、保護部材２０を筒状部１６に取り付けた際には筒状部１６の内周面に対向して配置される。一方、縦穴２０Ｄは、外径部２０Ａの端面から中心軸に沿って横穴２０Ｃまで形成されており、縦穴２０Ｄが横穴２０Ｃに連通されている。

上記の如く構成された圧力センサ１０は、保護部材２０が測定エリア側（たとえばエンジン内）になるように配置される。このとき、測定エリアは、保護部材２０の縦穴２０Ｄと横穴２０Ｃ、さらには、保護部材２０と筒状部１４の隙間と、保護部材２０とダイヤフラム１６の隙間を介して、ダイヤフラム１６まで空間がつながっている。したがって、測定エリアで圧力変動が生じると、ダイヤフラム１６が変形するので、歪みゲージ１８によってそれを検出することができ、圧力を計測することができる。このように本発明の圧力センサ１０は、測定エリアがダイヤフラム１６までつながっているので、（すなわち他の部材や流体を途中に介在させた構造の圧力センサと異なるので）計測精度が高く、さらに応答性が良いという特徴を有する。したがって、エンジンの圧力の過渡特性を調べることができる。

次に図５、図６を用いて本発明の圧力センサ１０の効果を説明する。図５は本発明の圧力センサ１０を示しており、図６は比較例として保護部材２０の無い圧力センサを示している。また、図５、図６は測定エリアで炎が発生した状況を示している。

図６に示すように、比較例の圧力センサは、測定エリアで炎が発生すると、炎が筒状部１４の内部にそのまま直線的に進入し、ダイヤフラム１６に接触する。このため、ダイヤフラム１６の温度が急上昇してしまい、測定精度が低下するという問題が発生する。特に、ダイヤフラム１６に凹凸がある場合は、凸部１６Ｘに熱が伝わりやすく、その熱が周囲に伝達されることによって、凸部１６Ｘの周囲での温度勾配が大きくなる。その結果、薄肉部に貼り付けた複数の歪みゲージ１８では温度差が発生するので、ブリッジ回路の平衡が崩れてしまい、測定精度が大きく低下することになる。また、図６の圧力センサは、ダイヤフラム１６と接する空間が大きく、その空間が保有する熱量も大きいので、ダイヤフラム１６に伝わる熱量も大きくなり、測定精度が低下する要因となる。

これに対して図５に示す本発明の圧力センサ１０は、測定エリアで炎が発生すると、炎はまず縦穴２０Ｄを通って保護部材２０の内部に侵入する。その後、炎は保護部材２０の横穴２０Ｃに進まなければならず、直線的に進むことができない。また、横穴２０Ｃの後は、筒状部１４と保護部材２０の隙間、保護部材２０とダイヤフラム１６の隙間を通らなければならず、ダイヤフラム１６まで（特にダイヤフラム１６の凸部１６Ｘまで）進入しにくい。したがって、火炎がダイヤフラム１６に直接触れることを防止することができ、ダイヤフラム１６が急激に温度上昇することを抑制することができる。また、ダイヤフラム１６に接する空間は、ダイヤフラム１６と保護部材２０の隙間だけであり、非常に小さい空間なので、保有する熱量も小さく、ダイヤフラム１６に大量の熱が一気に伝わって急激に温度上昇することを抑制できる。

さらに、本発明の圧力センサ１０は、ダイヤフラム１６の凹凸に合わせて保護部材２０に凸凹が形成されており、ダイヤフラム１６と保護部材２０が略一定の隙間になっている。このため、ダイヤフラム１６に接する空間が保有する熱量に偏りが少ないので、ダイヤフラム１６の特定の箇所に熱が偏って伝わることを抑制することができ、ダイヤフラム１６に温度勾配が生じることを抑制することができる。

また、本発明の圧力センサ１０は、保護部材２０の縦穴２０Ｄが中心軸に沿って形成されているので、炎から縦穴２０Ｄの壁面に伝わった熱は中心軸を中心として均等に伝達される。さらに保護部材２０が筒状部１４と同じ材質で形成されているので、保護部材２０の熱は筒状部１４にスムーズに伝達され、保護部材２０が効率良く冷却される。

以上説明したように本発明の圧力センサ１０によれば、縦穴２０Ｃと横穴２０Ｄを有する保護部材２０を設けることによって、燃焼ガス中の炎がダイヤフラム１６に対して直線的に進んで接触することを抑制したので、ダイヤフラム１６に不均一な温度分布が形成されることを抑制することができ、測定精度を向上させることができる。また、保護部材２０をダイヤフラム１６に対して隙間を持って配置したので、ダイヤフラム１４に接する流体が持つ熱量が小さくなり、ダイヤフラム１４に大きな熱量が一気に流れて温度分布が発生することを抑制することができ、測定精度を向上させることができる。さらに本発明の圧力センサ１０は、保護部材２０を取り付けるだけなので、簡易な構成であり、低コストである。

なお、上述した実施の形態では、保護部材２０をステンレス等の金属で形成したが、保護部材２０の材質はこれに限定されるものでは無く、様々な態様が可能である。ただし、熱伝達の観点から筒状部１４と同じ材質、または同じ熱伝達率の材質が望ましい。

また、上述した実施の形態では、保護部材２０の縦穴２０Ｄを中心軸に沿って１つのみ形成したが、縦穴２０Ｄの形状、個数、配置等はこれに限定するものではなく、様々な態様が可能である。たとえば、中心軸と平行に複数の縦穴２０Ｄを形成しても良いし、縦穴２０Ｄを少し傾けて形成してもよい。また、径が徐々に大きくなる、或いは徐々に小さくなるような縦穴２０Ｄを形成してもよい。

また、上述した実施の形態では、保護部材２０の横穴２０Ｃを中心軸と直交する方向に２つ設けたが、横穴２０Ｃの形状、個数、配置等はこれに限定するものではなく、様々な態様が可能である。たとえば、中心軸の直交方向から傾けた横穴２０Ｃを形成したり、中心軸に向けて複数の横穴２０Ｃを形成したりしてもよい。

１０…圧力センサ、１２…ハウジング部材、１４…筒状部、１６…ダイヤフラム、１８…歪みゲージ、２０…保護部材、２０Ａ…大径部、２０Ｂ…小径部、２０Ｃ…横穴、２０Ｄ…縦穴

Claims (5)

1. 筒状部と、前記筒状部の一端に塞ぐように設けられたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに取り付けられた複数の歪みゲージと、を備えた圧力センサにおいて、
   前記筒状部の他端を塞ぐように設けられるとともに、前記筒状部の内側に一部が挿入されて、前記筒状部の内周面との間および前記ダイヤフラムとの間に隙間を形成する保護部材を備え、
   前記保護部材には、前記筒状部の内周面に向けて開口される横穴が形成されるとともに、その横穴を前記ダイヤフラムの反対側の面に連通させる縦穴が形成されることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ダイヤフラムには、前記保護部材側の面に凹凸が形成され、前記保護部材には、前記ダイヤフラムに対向する面に前記凹凸に合わせた凸凹が形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記縦穴は、前記筒状部の中心軸に沿って形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記横穴は、前記筒状部の中心軸に直交するように形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の圧力センサ。
5. 前記保護部材は、前記筒状部と同じ材質で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の圧力センサ。

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