JP2020085865A - 圧力検出装置および圧力検出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感度ばらつきの小さい圧力検出装置を提供する。【解決手段】筒状の筐体２１と、外部からの圧力を受圧する受圧面２２１を備え、筐体２１の一方の端面に接合されるダイアフラム２２と、筐体２１の内部に収容され、ダイアフラム２２が受けた圧力が伝達され圧力に応じた電気信号を出力する圧力検出素子２４を備えた圧力検出装置２０において、筐体２１の一方の端部は、筐体２１の内方に向かうにつれて筐体の他方の端部側に向かい傾斜する傾斜面２１ｂを備え、筐体２１とダイアフラム２２とは、傾斜面２１ｂに沿って形成された溶融接合部２２４を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばエンジンの燃焼室内の圧力等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、内燃機関には燃焼室内の圧力を検出するための圧力検出装置が搭載されている。

例えば特許文献１には、筒状の筐体と、この筐体の先端側に取り付けられるダイアフラムと、筐体内に配置されダイアフラムが受けた圧力が伝達されるセンサ部を備えた圧力検出装置が記載されている。センサ部は、受けた圧力に応じた電気信号を出力する圧電素子と、圧電素子の後端側に配置され、圧電素子と当接した電極板と、電極板の後端側に配置され、電極板と電気的に接続された端子部とを備えている。

また、ダイアフラムは、ダイアフラムの厚みを局所的に薄肉とした弾性領域（スリット）が設けられており、圧力に対するダイアフラムの変形量を増大させ、圧力検出装置の感度を高めている。このダイアフラムと筐体とは、ダイアフラムの弾性領域の周囲と筐体の先端部とを溶融接合（溶接）により接合されており、ダイアフラムの先端面であり外部からの圧力を受ける受圧面の上方よりレーザ光を照射して接合されている。

特開２０１７−９３００号公報

圧力検出装置において、圧力検出装置の感度は重要な要素の一つであるが、ダイアフラムの弾性領域と溶接部との位置関係によっては、圧力検出装置の感度がばらつくという問題が生じる。特に、従来技術に記載の圧力検出装置のようにダイアフラムの上方から溶接する場合、溶接のためのレーザ光の照射位置や、圧力検出装置を保持位置の僅かなずれが、ダイアフラムの弾性領域に溶接部が近いことより、弾性領域へのレーザ光の誤照射を引き起こしやすい。ダイアフラムの弾性領域は、他の部位より薄肉であることから熱容量が小さく、この弾性領域は、レーザ光照射による圧力検出装置の感度変化が大きくでやすい部位である。特許文献１には、ダイアフラムと筐体との接合において、ダイアフラムの弾性領域の一部を部分的に溶融した例も開示されているが、このような構成の場合は、弾性領域における溶接幅や溶接深度に変化が生じやすい。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、感度ばらつきの小さい圧力検出装置を提供することを目的とする。

筒状の筐体と、外部からの圧力を受圧する受圧面を備え、前記筐体の一方の端面に接合されるダイアフラムと、前記筐体の内部に収容され、前記ダイアフラムが受けた圧力が伝達され前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力検出素子を備えた圧力検出装置において、前記筐体の前記一方の端部は、前記筐体の内方に向かうにつれて前記筐体の他方の端部側に向かい傾斜する傾斜面を備え、前記筐体と前記ダイアフラムとは、前記傾斜面に沿って形成された溶融接合部を備えている圧力検出装置とする。

このような圧力検出装置において、前記ダイアフラムの受圧面は、前記筐体の前記一方の端部の端面と略同一の平面上にある圧力検出装置としてもよい。

また、前記筐体の前記一方の端部における外周面には、ねじ部が備えられている圧力検出装置としてもよい。

筒状の筐体と、外部からの圧力を受圧する受圧面を備え、前記筐体の一方の端面に接合されるダイアフラムと、前記筐体の内部に収容され、前記ダイアフラムが受けた圧力が伝達され、前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力検出素子を備えた圧力検出装置の製造方法において、前記筐体の前記一方の端部は、前記筐体の内方に向かうにつれて前記筐体の他方の端部側に向かい傾斜する傾斜面を備えており、前記傾斜面に前記ダイアフラムを当接させる工程と、前記傾斜面と前記ダイアフラムとが当接した界面に沿って前記傾斜面と前記ダイアフラムとに溶融接合部を形成し、前記筐体と前記ダイアフラムとを溶融接合する工程と、を備えた圧力検出装置の製造方法とする。

前記傾斜面と前記ダイアフラムとが当接した界面と平行な方向よりレーザを照射し、前記筐体と前記ダイアフラムとを溶融接合する圧力検出装置の製造方法としてもよい。

本発明によれば、感度ばらつきの小さい圧力検出装置を提供することができる。

本発明に係る圧力検出システムの概略構成図。 本発明の実施形態に係る圧力検出装置の断面図。 図２のＡ部拡大断面図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る圧力検出システムの概略構成図である。

圧力検出システム１は、内燃機関１０における燃焼室Ｃ内の圧力（燃焼圧）を検出する圧力検出装置２０と、圧力検出装置２０に対する給電を行うとともに圧力検出装置２０が検出した圧力に基づいて内燃機関１０の動作を制御する制御装置４０と、圧力検出装置２０と制御装置４０とを電気的に接続する接続ケーブル５０とを備えている。

ここで、圧力の検出対象となる内燃機関１０は、内部にシリンダが形成されたシリンダブロック１１と、シリンダ内を往復動するピストン１２と、シリンダブロック１１に締結されてピストン１２等とともに燃焼室Ｃを構成するシリンダヘッド１３とを有している。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室Ｃと外部とを連通する連通孔１３ａが設けられている。この連通孔１３ａの内部には雌ねじ（図示せず）が形成されており、圧力検出装置２０の外周面に形成された雄ねじ（図示せず）をねじ込むことで、内燃機関１０に対して圧力検出装置２０を取り付けている。なお、連通孔１３ａの両端部側には、シリンダヘッド１３と圧力検出装置２０との間に介在して、燃焼室Ｃ内の気密性を保つためのシール部材（図示せず）が設けられている。

図２は、本発明の実施形態に係る圧力検出装置の断面図である。また、図３は、図２のＡ部拡大断面図である。なお、以下の説明では、図２において、図中左側を圧力検出装置２０の「先端側」と称し、図中右側を圧力検出装置２０の「後端側」と称する。

圧力検出装置２０は、先端側に第１筐体２１を有しており、その先端部には、ダイアフラム２２が取り付けられている。また、第１筐体２１の内部には、圧電素子２４が収納されて、圧力検出部を構成するものである。また、後端側には第２筐体３１を有しており、その内部には回路基板３０が収納されている。回路基板３０は圧力検出部による圧力の検出に伴って得られた電気信号に各種処理を施す処理部を構成するものである。そして、この圧力検出装置２０は、図１に示す内燃機関１０に対し、第１筐体の先端部（ダイアフラム２２）が燃焼室Ｃ（図１において下方）を向くとともに第２筐体の後端が外部（図１において上方）を向くように取り付けられる。

第１筐体２１は、中空構造を有し且つ全体として筒状を成す部材である。この第１筐体２１は、導電性を有するともに耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。第１筐体２１の一部外周面には、シリンダヘッド１３の連通孔１３ａ（図１参照）の内周面に設けられた雌ねじ（図示せず）と噛み合う雄ねじ２１ａが形成されている。また、第１筐体２１の先端側の端面部には、第１筐体２１の内方（中心軸側）に向かうにしたがって後端側に向い傾斜した傾斜面２１ｂが形成されている。そして、第１筐体２１の先端部、より具体的には第１筐体２１の傾斜面２１ｂに、レーザ溶接によってダイアフラム２２が取り付けられ、第１筐体２１の後端側には、はめ合いによって第２筐体３１が取り付けられる。

本実施の形態の圧力検出装置２０は、内燃機関等の高温環境下でも利用される。圧力検出器２０は、高温に曝されると圧力検出装置２０を構成する各部材において熱歪が発生し、この熱歪は圧力検出装置２０の特性に影響を与える。特に、ダイアフラム２２で発生する熱歪は、圧力検出装置２０の特性に与える影響が大きく、圧力検出装置２０のできるだけ先端側にて圧力検出装置２０が受ける熱を外部へ放出することが好ましい。本実施の形態の圧力検出装置２０では、圧力検出装置２０が受けた熱の外部への放出は、圧力検出装置２０と内燃機関１０のシリンダヘッド１３との接触部位である雄ねじ２１ａ等によって行われ、圧力検出装置２０が受けた熱をシリンダヘッド１３へ放出している。したがって、雄ねじ２１ａは圧力検出装置２０において可能な限り先端側に設けるのがよく、本実施の形態における雄ねじ２１ａは、第１筐体２１の先端側における端面部より第１筐体２１の中間部まで形成されている。

ダイアフラム２２は、全体として円板状を呈する部材である。このダイアフラム２２は、導電性を有するとともに耐熱性および耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。特に、この例では、ダイアフラム２２および第１筐体２１を、同じ材料で構成している。

このダイアフラム２２は、先端側の表面であり、外部（燃焼室Ｃ側）に露出することで圧力を受ける受圧面２２１を備え、受圧面２２１おける中央部には凹部２２ａが形成されている。受圧面２２１における中央部（凹部２２ａの形成部位）の周囲には、ダイアフラム２２の厚み（先端側から後端側への長さ）が小さな薄肉部２２ｂが環状に形成されており、薄肉部２２ｂの周囲には受圧面２２１から後端側に突出しダイアフラム２２の外周部を形成する外筒部２２２を備えている。また、受圧面２２１の裏側には、受圧面２２１の中央部（凹部２２ａの形成部位）から後端側に突出した凸部２２３を備えている。また、外筒部２２２はその外周面に受圧面２２１から後端側に向かうに従って徐々に外径が小さくなる傾斜面２２ｃが形成されており、傾斜面２２ｃの後端側に後端筒部２２ｄが形成されている。

このダイアフラム２２は、第１筐体２１における先端側の開口部を塞ぐように設けられており、第１筐体２１を固定し、ダイアフラム２２の傾斜面２２ｃを第１筐体２１の傾斜面２１ｂに当接させ、両者の界面（境界部）に外周部の一周にわたってレーザ光を照射しレーザ溶接を施すことで接合する。この際、接合のためのレーザ光は、ダイアフラム２２の傾斜面２２ｃと第１筐体２１の傾斜面２１ｂとの界面に平行（傾斜面２２ｃおよび傾斜面２１ｂに平行）な方向より照射する。このようにダイアフラム２２と第１筐体２１とを接合することで、ダイアフラム２２の傾斜面２２ｃと第１筐体２１の傾斜面２１ｂとの界面に溶融接合部２２４が、第１筐体２１の傾斜面２１ｂ（ダイアフラム２２の傾斜面２２ｃ）に沿って形成される。

ここで、第１筐体２１の先端側端面部に第１筐体２１の内方（中心軸側）に向かうにしたがって後端側に向い傾斜した傾斜面２１ｂを設け、ダイアフラム２２における外筒部２２２の外周面に受圧面２２１から後端側に向かうに従って徐々に外径が小さくなるよう設けた傾斜面２２ｃと当接させ、その当接した界面に沿うようレーザ光を照射することで、ダイアフラム２２の薄肉部２２ｂと溶融接合部２２４との距離を離すことが可能となり、レーザ光の照射位置のずれや、溶接の際に第１筐体２１の固定にずれが生じでも、薄肉部２２ｂにレーザ光が誤照射されることを防ぐことができる。また、第１筐体２１とダイアフラム２２とが当接面（傾斜面２１ｂと傾斜面２２ｃとの当接面）の全域に亘って溶融接合部２２４を形成することができ、信頼性の高い接合をすることができる。

ところで、ダイアフラム２２と第１筐体２１の接合部である溶融接合部２２４とダイアフラム２２の薄肉部２２ｂとの距離を大きくする手段としては、ダイアフラム２２と第１筐体２１との当接面を圧力検出装置２０の外周面に設け、その外周面より溶接しダイアフラム２２と第１筐体２１とを接合することも考えられる。しかしこの場合は、ダイアフラム２２と第１筐体２１の溶融接合部が第１筐体２１の外周に形成され、この溶融接合部の存在により雄ねじ２１ａを第１筐体２１の先端側端面より形成することが困難となり、圧力検出装置２０が受ける熱の放出という点で不利となる。本実施の形態では、ダイアフラム２２の受圧面２２１と第１筐体２１の先端側の端面とはほぼ同一の平面上に位置するよう配置される。このような構成とすることで、ダイアフラム２２は、圧力媒体より受けた熱を直ちに第１筐体２１へとその熱を伝えることが可能であり、第１筐体２１からシリンダヘッド１３への熱経路として機能する雄ねじ部２１ａも受圧面に近接して設けることが可能である。

前記第１筐体２１の内部には、内部筐体２３を有している。内部筐体２３は、中空構造を有し且つ全体として筒状を成す部材である。この内部筐体２３は、導電性を有するともに耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。本実施の形態の内部筐体２３は、最も先端側に位置するとともに先端には開口部が設けられる先端筒状部２３１と、先端筒状部２３１の後端側に配置される中間筒状部２３２と、中間筒状部２３２の後端側であって最も後端側に位置する後端筒状部２３３とを備えている。この内部筐体２３では、先端筒状部２３１よりも中間筒状部２３２の外径が大きく、中間筒状部２２３よりも後端筒状部２３３の外径が大きくなっている。内部筐体２３の内径は、先端に設けられた開口部が小さく、その他は同じ大きさである。そして内部筐体２３は、先端筒状部２３１と中間筒上部２３２との外周面においてそれら両者を接続する段差部がダイアフラム２２の後端筒部２２ｄの後端側端部と当接し溶接により接合され、後端筒状部２３３の外周面は、第１筐体２１の内周面と当接し溶接により接合されている。また、先端筒状部２３１の開口部にはダイアフラム２２の凸部２２３が挿入されている。

この内部筐体２３の内部には、先端側より順に、先端電極部材２５、圧力検出素子となる圧電素子２４、後端電極部材２６、絶縁リング２７、支持部材２８および伝導部材２９の先端側が配置されている。

圧電素子２４は、全体として円柱状を成す部材で、圧電縦効果の圧電作用を示す圧電体を備えている。圧電縦効果とは、圧電体の電荷発生軸と同一方向の応力印加軸に外力を加えると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生することをいう。この圧電素子２４は、中心軸方向が応力印加軸の方向となるように、第１筐体２１内に収容されている。そして、圧電素子２４の先端側の面は、先端電極部材２５の後端側の面と接触している。一方、圧電素子２４の後端側の面は、後端電極部材２６の先端側の面と接触している。

前記圧電素子２４で使用可能な圧電体としては、圧電縦効果及び圧電横効果を有するランガサイト系結晶（ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、ＬＧＴＡ）や水晶、ガリウムリン酸塩などを使用することを例示することができる。なお、本実施の形態の圧電素子２４では、圧電体としてランガテイト単結晶を用いている。

先端電極部材２５は、全体として円柱状を成す部材である。この先端電極部材２５は、導電性を有するとともに耐熱性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。先端電極部材２５の先端側の面は、前述のダイアフラム２２の凸部２２３と接触し、一方、先端電極部材２５の後端側の面は、圧電素子２４の先端側の面に接触している。当該構成により、ダイアフラム２２の受圧面２２１で受けた圧力が、凸部２２３を介して先端電極部材２５、さらにはこれと接触する圧電素子２４へと伝えられる。尚、先端電極部材２５は、ダイアフラム２２、第１筐体２１および内部筐体２３と電気的に接続が成され、シリンダヘッド１３に接地されている。先端側電極部材２５の電気的接続に関しては、回路基板３０のＧＮＤ電極に接地する構成であっても良い。

後端電極部材２６は、全体として円柱状を成す部材である。この後端電極部材２６は、導電性を有するとともに耐熱性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。この後端電極部材２６の先端側の面は、圧電素子２４の後端側の面と接触している。一方、後端電極部材２６の後端側の面は、絶縁リング２５の先端側の面と接触し、後述する電気経路を成す伝導部材２９の先端部と接触する構成である。

絶縁リング２５は、全体として環状を成す部材である。この絶縁リング２５は、絶縁性を有するとともに耐熱性が高いアルミナ等のセラミックス材料によって構成されている。

伝導部材２９は、全体として棒状を成す部材であり、導電性を有するリン青銅等の金属材料によって構成されている。この伝導部材２９には、その先端に、中心軸方向の中央部よりも直径が小さい先端側凸部が設けられており、この先端側凸部にコイルスプリングが設けられ、後端側電極部２６の後端側の面と接触している。また、伝導部材２９の後端側は、第２筐体３１の内部に配置された回路基板３０に接続されている。

前記コイルスプリングは、全体として螺旋状を成す部材であって、中心軸方向に伸縮する。このコイルスプリングは、導電性を有するとともに第１筐体２１よりも導電性が高いＮｉ−Ｃｏ合金やステンレス等の金属材料によって構成されている。このコイルスプリングは、第１筐体２１の内部に設けられた絶縁リング２７の中心孔を通過して後端電極部材２６に到達するように配置され、コイルスプリングの先端側と後端側電極部材２６における後端側の面とは溶接または接着等の手段により接合されている。このようにコイルスプリングと後端側電極部材２６とを接合することで、圧力検出装置２０に外部から圧力が作用した場合において、圧力検出装置２０内部に収容された各部材が当該圧力の変動に追従できないことで発生する、コイルスプリングと後端側電極部材２６との離間を防止することができる。

支持部材２８は、全体として円柱状を成す部材である。この支持部材２８は、導電性を有するとともに耐熱性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。支持部材２８は、内部筐体２３の内部に収容され、先端側は絶縁リング２７の後端側の面と接触し、外周面は内部筐体２３の内周面に接合され、内部筐体２３における先端筒状部２３１との間で内部筐体２３に収容される圧電素子２４、先端電極部材２５、後端電極部材２６および絶縁リング２７を挟み込むことでこれら部材を内部筐体２３内に保持している。

前記第２筐体３１は、中空構造を有し全体として筒状を成す部材である。この第２筐体２６は、導電性を有するとともに耐酸性が高いステンレス等の金属材料によって構成されている。第２筐体３１の先端部は第１筐体２１と接合されており、第２筐体３１の内部には伝導部材２９の後端側、回路基板３０および接続部材３２の先端側が収容されている。

回路基板３０は、全体として矩形板状を成す部材である。この回路基板３０は、受けた圧力に応じて圧電素子２４が出力する微弱な電荷による電気信号に、電気回路を用いた各種処理を施すものであって、所謂プリント配線板によって構成されている。この回路基板３０は、外部との接続を成すリード端子を除き、樹脂によりモールド成形され、その基板面が全体的に保護される構成である（図２は、断面図であるため、基板面を表している。）。この回路基板３０は、その全体が第２筐体３１の内側に圧入固定されている。回路基板３０の後端側には、上述した接続部材３２が設けられており、接続部材３２と接続される接続ケーブル５０により、回路基板３０の処理信号が外部へ伝送されている。

以上、本実施の形態の圧力検出装置２０を説明してきたが、上記実施の形態では、圧力検出装置２０を構成する各構成要素の一例を示したに過ぎず、適宜変更可能である。例えば、圧力検出素子として圧電素子２４を示したが、歪ゲージや静電容量の変化等で圧力を検出するような構成としても構わない。また、第１筐体２１に雄ねじ２１ａを有する構成としたがなくとも構わない。また、第１筐体２１の内部に内部筐体２３を設けた構成、第２筐体３１の内部に回路基板３０を備えた構成としたが、内部筐体２３、回路基板３０がない構成としても構わない。

１ 圧力検出システム
１０ 内燃機関
１１ シリンダブロック
１２ ピストン
１３ シリンダヘッド
１３ａ 連通孔
２０ 圧力検出装置
２１ 第１筐体
２１ａ 雄ねじ
２１ｂ 傾斜面
２２ ダイアフラム
２２１ 受圧面
２２２ 外筒部
２２３ 凸部
２２４ 溶融接合部
２２ａ 凹部
２２ｂ 薄肉部
２２ｃ 傾斜面
２２ｄ 後端筒部
２３ 内部筐体
２３１ 先端筒状部
２３２ 中間筒状部
２３３ 後端筒状部
２４ 圧電素子
２５ 先端電極部材
２６ 後端電極部材
２７ 絶縁リング
２８ 支持部材
２９ 伝導部材
３０ 回路基板
３１ 第２筐体
３２ 接続部材
４０ 制御装置
５０ 接続ケーブル

Claims (5)

1. 筒状の筐体と、
   外部からの圧力を受圧する受圧面を備え、前記筐体の一方の端面に接合されるダイアフラムと、
   前記筐体の内部に収容され、前記ダイアフラムが受けた圧力が伝達され前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力検出素子を備えた圧力検出装置において、
   前記筐体の前記一方の端部は、前記筐体の内方に向かうにつれて前記筐体の他方の端部側に向かい傾斜する傾斜面を備え、
   前記筐体と前記ダイアフラムとは、前記傾斜面に沿って形成された溶融接合部を備えていることを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記ダイアフラムの受圧面は、前記筐体の前記一方の端部の端面と略同一の平面上にあることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記筐体の前記一方の端部における外周面には、ねじ部が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力検出装置。
4. 筒状の筐体と、
   外部からの圧力を受圧する受圧面を備え、前記筐体の一方の端面に接合されるダイアフラムと、
   前記筐体の内部に収容され、前記ダイアフラムが受けた圧力が伝達され、前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力検出素子を備えた圧力検出装置の製造方法において、
   前記筐体の前記一方の端部は、前記筐体の内方に向かうにつれて前記筐体の他方の端部側に向かい傾斜する傾斜面を備えており、
   前記傾斜面に前記ダイアフラムを当接させる工程と、
   前記傾斜面と前記ダイアフラムとが当接した界面に沿って前記傾斜面と前記ダイアフラムとに溶融接合部を形成し、前記筐体と前記ダイアフラムとを溶融接合する工程と、
   を備えたことを特徴とする圧力検出装置の製造方法。
5. 前記傾斜面と前記ダイアフラムとが当接した界面と平行な方向よりレーザを照射し、前記筐体と前記ダイアフラムとを溶融接合することを特徴とする請求項４に記載の圧力検出装置の製造方法。

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