JP2021071331A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼圧を直接受圧できる構成となっている保持部材にセンサ素子を接合した圧力センサにおいて、センサ素子の出力誤差の発生を抑制する圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサは、ハウジングの先端部とヒータ部との間に隙間を形成し、その隙間にハウジングとヒータ部とを接続する保持部材が燃焼圧を直接受圧できるように配置されている。保持部材の本体部は、第１の環状壁と、接続壁とを有し、第１の環状壁は、接続部を有するとともに接続部より後端側がヒータ部から離間している。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサに関する。

内燃機関に取り付けられ、燃焼室内の圧力を測定するための燃焼圧センサが知られている。燃焼圧センサでは、圧力に応じて軸線方向に変位する棒状の受圧部材の変位をセンサ部に配置されたセンサ素子に伝達することで燃焼室内の圧力変化が検知される（例えば特許文献１）。

特開２０１８−１２４０２５号公報

特許文献１では、センサ部は、センサ素子と、センサ素子が接合されるダイアフラム部と、受圧部材の変位をダイアフラム部に伝達する変位伝達部材と、を備えており、変位伝達部材は周方向全周に亘って外筒に溶接され、溶融部が形成されている。

ところで、より精度よく燃焼圧を検知するために、特許文献１に記載の燃焼圧センサとは別に、受圧部材とハウジングの先端部との間に隙間が形成されており、その隙間からダイアフラム部と変位伝達部材とが燃焼圧を直接受圧できる構成となっている燃焼圧センサが考えられる。

しかしながら、ダイアフラム部と変位伝達部材とが燃焼圧を直接受圧できる構成となっている燃焼圧センサでは、ダイアフラム部と変位伝達部材とに対して軸線に垂直な方向にかかる応力が大きくなるため、ダイアフラム部や変位伝達部材が大きく撓んで外筒と接触する可能性がある。ダイアフラム部や変位伝達部材が外筒と接触することでダイアフラム部や変位伝達部材の変形が外筒によって妨げられ、センサ素子に変位をうまく伝達できずに出力誤差が発生するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃焼圧を直接受圧できる構成となっている保持部材にセンサ素子を接合した圧力センサにおいて、センサ素子の出力誤差の発生を抑制する圧力センサを提供することを目的としている。

軸線に沿って延び、先端と後端とを有する筒状のハウジングと、前記軸線方向に変位可能に前記ハウジング内に配置され、前記ハウジングの先端部から先端側が露出するとともに前記ハウジングの先端部との間に隙間を形成する圧力伝達部材と、前記圧力伝達部材が挿通し、前記ハウジングと前記圧力伝達部材とを接続する環状の保持部材と、保持部材と、前記保持部材に配置され、前記圧力伝達部材の変位を検知するセンサ素子と、を備える圧力センサであって、前記保持部材は、前記ハウジングと前記圧力伝達部材との間で前記隙間を通して外部の圧力を直接受圧でき、前記保持部材は、前記圧力伝達部材に接続されるとともに前記軸線方向に延びる内側環状壁と、前記センサ素子が接合され、前記内側環状壁に接続するとともに径方向に延びる接続壁と、を有し、前記内側環状壁は、先端側を構成するとともに前記圧力伝達部材に接続される接続部を有し、前記内側環状壁のうち前記接続部よりも後端側は前記圧力伝達部材と離間している前記圧力センサ。

上記構成によれば、保持部材の内側環状壁のうち接続部よりも後端側は圧力伝達部材から離間しているため、保持部材が直接燃焼圧によって内側環状壁が軸線に垂直な方向の応力を受けて変形したとしても、内側環状壁が圧力伝達部材に接触することを抑制できる。つまり、保持部材が大きく撓んだとしてもセンサ素子の出力誤差が生じることを抑制できる。その結果、より正確な圧力を取得することができる。

第１の実施形態に係る圧力センサの外観図である。 第１の実施形態に係る圧力センサの断面図である。 第１の実施形態に係る圧力センサにおけるダイアフラム周辺を中心と部位の拡大断面図である。 中心を通る垂直断面にて保持部材を切断した斜視断面図である。

第１の実施形態：
図１は第１の実施形態に係る圧力センサの外観図である。図２は第１の実施形態に係る圧力センサの断面図である。図２における断面は圧力センサの中心軸に沿う垂直面によって圧力センサを切断した縦断面図である。なお、第１の実施形態に係る圧力センサは、取付対象体としての内燃機関に取り付けられ、燃料の発火促進を図ることに加え燃焼室内の圧力を検知するのに利用されるヒータ付圧力センサである。

図１および図２に示すように、ヒータ付き圧力センサ１０は、ハウジング１００、ヒータ部１３０、保持部材１４０、センサ素子１５０、コネクタ部材２００および保護筒２１０を備えている。なお、ヒータ部１３０が請求項に記載の圧力伝達部材に相当する。第１の実施形態においては、各構成部材に共通して、軸線方向とはハウジング１００の中心軸が延伸する方向を意味し、先端側とはヒータ部１３０が露出する側を意味し、後端側とは保護筒２１０が位置する側を意味する。なお、ハウジング１００の軸線方向は、ヒータ付き圧力センサ１０の軸線方向と一致する。さらに、各構成部材に共通して、径方向とはハウジング１００の中心軸に対して垂直な方向を意味する。また、各構成部材において、軸線方向の後端側を向く面を後端面、先端側を向く面を先端面と呼ぶ。

ハウジング１００は、その軸線方向に沿って延び、先端と後端とを有する筒状体であり、先端側に位置する第１のハウジング部１１０と、第１のハウジング部１１０よりも後端側に位置する第２のハウジング部１２０とを有している。第１の実施形態において、ハウジング１００は、炭素鋼やステンレス鋼によって形成されている円筒の金属製部材である。ハウジング１００、具体的には、第２のハウジング部１２０の後端にはコネクタ部材２００が配置され、第２のハウジング部１２０とコネクタ部材２００とは保護筒２１０によって機械的に接続されている。コネクタ部材２００は、電気絶縁性を有する部材、例えば、絶縁樹脂によって形成され円筒形状を有する。コネクタ部材２００の中空部には端子部材２２０が保持されている。保護筒２１０は、導電性を有する部材、例えば、ステンレス鋼によって形成され円筒形状を有する。保護筒２１０の先端は第２のハウジング部１２０の後端に接合されている。第１の実施形態において用いられるステンレス鋼は、部材の位置に応じて、例えば、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４のいずれかが用いられる。

第１のハウジング部１１０は、円筒部１１１と、円筒部１１１から先端側に向かって縮径するテーパー状（傾斜面状）のシール部１１２とを有している。円筒部１１１からシール部１１２へ移行する移行部、第１の実施形態では角部は、シール部１１２の後端１１２ａを成す。第１のハウジング部１１０は全長にわたって同一の厚みを有している。シール部１１２の先端部１１３の開口からは、ヒータ部１３０が露出し、当該開口の内径は、ヒータ部１３０の外径よりも大きい。第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０においては、第１のハウジング部１１０のシール部１１２の少なくとも一部が、ヒータ付き圧力センサ１０が取付対象体としての内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）と接触する。シール部１１２の少なくとも一部は、ヒータ付き圧力センサ１０がシリンダヘッドに装着される際に、シリンダヘッドのプラグ開口部（図示しない）に押圧接触され、内燃機関の燃焼室の気密を実現する。例えば、シール部１１２がプラグ開口部と線接触する場合には、平面視において円形のシール線によって気密が実現され、シール部１１２の少なくとも一部がプラグ開口部と接触する態様となる。また、シール部１１２とプラグ開口部との形状によっては、シール部１１２の全てがプラグ開口部と接触し得る（すなわち、面接触し得る）。

第２のハウジング部１２０は、全長にわたり略円筒状を有している。第２のハウジング部１２０の後端には、鍔部１２２が形成されている。第２のハウジング部１２０の後端の近傍には、ヒータ付き圧力センサ１０を内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのネジ部１２１が形成されている。ネジ部１２１には、雄ネジ（図示せず）が形成されている。ヒータ付き圧力センサ１０は、ネジ部１２１が、シリンダヘッドのプラグ取り付け穴に形成されている雌ネジ（図示せず）と螺合することによって、内燃機関に固定される。

ヒータ部１３０は、ヒータ部材１３１、ヒータ部材１３１の中間部の周囲を覆う外筒１３２、ヒータ部材１３１の後端に配置されている中軸１３３およびヒータ部材１３１と中軸１３３とを接続するリング１３４を備えている。ヒータ部材１３１は、基体１３１ａと基体に内包されている所定のパターンを有する抵抗発熱体（図示しない）とを備えるセラミック組成物からなる棒状の発熱素子である。基体１３１ａは、電気絶縁性を有する絶縁性セラミック材料によって形成されており、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする絶縁性セラミック材料が用いられる。発熱抵抗体は、導電性を有する導電性セラミック材料によって形成されており、導電性セラミック材料としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の混合物を主成分とする導電性セラミック材料が用いられる。発熱抵抗体に対しては、正電極と負電極とが接続されており、正電極は後述するリング１３４と電気的に接続されており、負電極は外筒１３２に対して電気的に接続されている。

外筒１３２は、円筒状の金属製部材であり、例えば、ステンレス鋼によって形成される。外筒１３２には、ヒータ部材１３１が圧入によって嵌め込まれており、その先端と後端からはヒータ部材１３１が露出している。ヒータ部材１３１が外筒１３２に嵌め込まれることで、ヒータ部１３０は、金属製の保持部材１４０と溶接によって接合可能とされている。

中軸１３３は、円柱状の金属製部材であり、例えば、ステンレス鋼によって形成される。リング１３４は、ステンレス鋼によって形成された円筒状の金属製部材である。リング１３４の先端側にはヒータ部材１３１の後端が圧入によって嵌め込まれ、リング１３４の後端側には中軸１３３の先端が圧入によって嵌め込まれている。リング１３４は、ヒータ部材１３１と中軸１３３とを機械的に接続すると共に電気的に接続する。中軸１３３の後端は、端子バネ２４０を介して、端子部材２２０と機械的並びに電気的に接続されている。端子バネ２４０は導電性および弾性を有する部材、例えば、ステンレス鋼によって形成され、湾曲部を有する板バネ形状を有する。端子バネ２４０は、燃焼室内の圧力変動によって軸線方向に変位するヒータ部材１３１および中軸１３３の変位を吸収する。

第１の実施形態に係るヒータ付き圧力センサ１０に対しては、電力供給配線（図示しない）を介して外部からコネクタ部材２００に対して電力が入力され、入力された電力は、端子バネ２４０、中軸１３３、リング１３４を介してヒータ部材１３１の正電極に供給される。

保持部材１４０は、ヒータ部１３０をハウジング１００内に変位可能に保持するための、平面視において円環状の金属製部材である。保持部材１４０は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ等を含有するニッケル合金によって形成される。図３は第１の実施形態に係る圧力センサにおける保持部材を中心とする部位の拡大断面図である。図４は中心を通る垂直断面にて保持部材を切断した斜視断面図である。なお、図３、４では図示を明瞭にするために断面を示すハッチングを省略する。保持部材１４０は、略環状の本体部１４１、本体部１４１の外周面の全周にわたって突出するフランジ部１４５を備えている。本体部１４１は、ヒータ部１３０（外筒１３２）の外周面に接する第１の環状壁１４２、第２のハウジング部１２０の内周面に対向し、第１の環状壁１４２よりも短い第２の環状壁１４３、第１の環状壁１４２と第２の環状壁１４３とを接続する接続壁１４４を備えている。主として接続壁１４４が変形することによってヒータ部１３０をハウジング１００内において軸線方向に変位可能とされている。本体部１４１はさらに、第１の環状壁１４２、第２の環状壁１４３および接続壁１４４によって規定される環状の溝部１４６を備えている。環状の溝部１４６は、接続壁１４４が底部をなし、ヒータ付き圧力センサ１０の先端方向に開口する溝である。なお、第１の環状壁１４２は内側環状壁、第２の環状壁１４３は外側環状壁と言うこともできる。また、第１の環状壁１４２によって、ヒータ部１３０が挿通する開口部が規定される。

第１の環状壁１４２の内周面の先端側にはリング状の突状部１４２ａが形成されている。なお、突状部１４２ａが請求項に記載の接続部に想到する。第１の環状壁１４２は突状部１４２ａを介して外筒１３２と溶接によって接合され、フランジ部１４５の先端面および後端面１４５ａは、第１のハウジング部１１０の後端端面および第２のハウジング部１２０の先端端面とそれぞれ溶接によって接合されている。この結果、ハウジング１００とヒータ部１３０とは、保持部材１４０によって接続され、第２のハウジング部１２０の内周面とヒータ部１３０の外周面との間の空間を封止している。また、第１の実施形態においては、第１のハウジング部１１０がシリンダヘッドと接触し、保持部材１４０はシリンダヘッドとは接触しない。さらに、第１の実施形態においては、第２の環状壁１４３は、フランジ部１４５よりも先端側に延びる延長部１４３ａを有している。なお、延長部の外径は、フランジ部１４５よりも後端側における第２の環状壁１４３（対向部）の外径よりも大きい。

ヒータ部１３０を伝導する燃焼室からの熱は、突状部１４２ａから保持部材１４０に伝導され、第１の環状壁１４２、接続壁１４４および第２の環状壁１４３を介して、フランジ部１４５から第１のハウジング部１１０に伝導される。保持部材１４０から第１のハウジング部１１０（並びに第２のハウジング部１２０）への熱伝導は、フランジ部１４５と第１および第２のハウジング部１１０、１２０との接合部を介して生じる。第１のハウジング部１１０に伝導された熱は、シリンダヘッドと接触しているシール部１１２の後端１１２ａまたはシリンダヘッドと接触している後端１１２ａの近傍部を介してシリンダヘッドへ伝導される。突状部１４２ａからフランジ部１４５に至る伝熱経路が短いほど熱引きが良く、ヒータ付き圧力センサ１０の温度上昇を抑制することができる。

保持部材１４０の接続壁１４４の後端面１４４ａには、センサ素子１５０が搭載されている。センサ素子１５０は、例えば、耐熱性を有するガラスによって後端面１４４ａに接合されている。センサ素子１５０としては、機械的な変位量を電気的な変位量に変換可能な素子であればどのような素子が用いられても良く、例えば、歪みゲージ、ピエゾ抵抗素子が用いられ得る。センサ素子１５０には、ハウジング１００内の所定の位置に配置されている集積回路（図示しない）が電気的に接続されている。燃焼室内の圧力（燃焼圧）の変動を受けてヒータ部１３０が軸線方向に変位すると、外筒１３２と接続されている保持部材１４０が変形する。集積回路は、保持部材１４０の変形を、センサ素子１５０の抵抗値の変化に基づき検知（測定）することで、内燃機関の燃焼圧を検知する。集積回路は、検知された燃焼圧を示す電気信号を、コネクタ部材２００に挿入されている配線を通じて外部のコントローラ、例えば、エンジンコントローラ等に出力する。

第１のハウジング１１０の先端部１１３は、ヒータ部１３０との間に隙間１７０を形成しており、保持部材１４０は隙間１７０内にて最も先端側に配置されており、隙間１７０を通して入ってくる燃焼圧を直接受圧して変形する構成となっている。保持部材１４０が燃焼圧を直接受圧できるので、ヒータ部１３０の変位のみを受けて保持部材１４０が変形する場合と比較して燃焼圧に対応する保持部材１４０の変形の精度が向上する。つまり、燃焼圧を受けた際の変位をセンサ素子１５０に精度よく伝達できる。

保持部材１４０が燃焼圧を直接受圧するような構成の場合、溝部１４６から第１の環状壁１４２と第２の環状壁１４３とが撓むような方向（軸線に対して垂直な方向）の応力も受けることとなり、ヒータ部１３０の変位のみを受けて変形する場合と比較して第１の環状壁１４２と第２の環状壁１４３とが大きく撓む。第１の環状壁１４２が大きく撓む場合、ヒータ部１３０と第１の環状壁１４２とが接触し、ヒータ部１３０が第１の環状壁がそれ以上撓むことを阻害するので、センサ素子１５０に正確に変位を伝達できなくなる。これに対し、第１実施形態では、第１の環状壁１４２は、突状部１４２ａを設けると共に、ヒータ部１３０と離間していることで、第１の環状壁１４２が大きく撓んだとしても第１の環状壁１４２がヒータ部１３０に接触しにくくなるので、変位を正確にセンサ素子１５０に伝達できる。つまり、燃焼圧の測定誤差が生じることを抑制できるので、その結果、より正確な燃焼圧を測定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、本実施形態では、圧力伝達部材としてヒータ部１３０を用いたが、これに限定されるものではない。例えば、発熱体の機能が必要ない場合には、中実棒状の受圧部材であってもよい。

また、本実施形態では、第１ハウジング部１１０は、円筒部１１１とシール部１１２とを備えているが、これに加えて、シール部１１２から軸線方向の先端側に沿って延びる第２の円筒部を備えてもよい。

１０ ：ヒータ付圧力センサ
１００ ：ハウジング
１１０ ：第１のハウジング
１１１ ：円筒部
１１２ ：シール部
１１２ａ：シール部の後端
１１３：先端部
１２０ ：第２のハウジング
１２１ ：ネジ部
１２２ ：工具係合部
１３０ ：ヒータ部
１３１ ：ヒータ部材
１３１ａ：基体
１３２ ：外筒
１３３ ：中軸
１３４ ：リング
１４０ ：保持部材
１４１ ：本体部
１４２ ：第１の環状壁
１４２ａ：突状部
１４３ ：第２の環状壁
１４４ ：接続壁
１４５ ：フランジ部
１４６ ：溝部
１５０ ：センサ素子
１７０ ：隙間
２００ ：コネクタ部材
２１０ ：保護筒
２２０ ：端子部材
２４０ ：端子バネ

Claims (1)

1. 軸線に沿って延び、先端と後端とを有する筒状のハウジングと、
   前記軸線方向に変位可能に前記ハウジング内に配置され、前記ハウジングの先端部から先端側が露出するとともに前記ハウジングの先端部との間に隙間を形成する圧力伝達部材と、
   前記圧力伝達部材が挿通し、前記ハウジングと前記圧力伝達部材とを接続する環状の保持部材と、保持部材と、
   前記保持部材に配置され、前記圧力伝達部材の変位を検知するセンサ素子と、を備える圧力センサであって、
   前記保持部材は、前記ハウジングと前記圧力伝達部材との間で前記隙間を通して外部の圧力を直接受圧でき、
   前記保持部材は、前記圧力伝達部材に接続されるとともに前記軸線方向に延びる内側環状壁と、前記センサ素子が接合され、前記内側環状壁に接続するとともに径方向に延びる接続壁と、を有し、
   前記内側環状壁は、先端側を構成するとともに前記圧力伝達部材に接続される接続部を有し、前記内側環状壁のうち前記接続部よりも後端側は前記圧力伝達部材と離間している前記圧力センサ。

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