JP2021148788A - センサアセンブリ用の圧縮性要素 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体が周期的に凍結および解凍を繰り返してもセンサ素子の損傷をさけることができるセンサアセンブリ用の圧縮性要素を提供する。【解決手段】センサアセンブリ10用の圧縮性要素200は、第1の圧縮性を有するエラストマーマトリクス210と、エラストマーマトリクス210内に分散されて、それぞれエラストマーマトリクス210によって取り囲まれた複数の閉領域220とを含む。複数の閉領域220はそれぞれ、第1の圧縮性より大きい第2の圧縮性を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、センサアセンブリに関し、より詳細には、センサアセンブリ用の圧縮性要素に関する。
センサアセンブリまたはトランスデューサアセンブリには、センサアセンブリの構造内に配置された検出素子および圧縮性プラグを有するものがある。このタイプの圧力センサアセンブリは、たとえば、流体を入れた槽内に位置決めされる。流体は、圧縮性プラグを取り囲み、検出素子に接触して、流体の水位および流量を検出する。流体は、特定の環境条件下で凍結する可能性があり、それによって流体が大幅に膨張する。圧縮性プラグは、検出素子を損傷から保護するために、周囲の流体の体積変動を補償する。
センサアセンブリ用の圧縮性プラグは一般に、固体エラストマーから作られているが、固体エラストマーは、多くの用途において、体積変動を補償するのに十分な圧縮性を提供しない。より圧縮性の高い多孔質のクローズドセルエラストマーから形成された圧縮性プラグの場合、クローズドセルエラストマー材料の孔構造を制御するのが困難であり、それによって孔の分布が不均一になり、孔同士の間の壁が薄く弱くなる。さらに、クローズドセルエラストマー材料は、形成された材料から切断されることが多く、切断された縁部に孔が露出し、それによって液体が圧縮性プラグに浸入する。弱い構造の孔および液体の浸入により、圧縮性プラグは機械的に脆弱になり、周期的な凍結および解凍を通して必要な圧縮性を維持することができなくなり、それによってセンサ素子の損傷につながる可能性がある。
センサアセンブリ用の圧縮性要素は、第1の圧縮性を有するエラストマーマトリクスと、エラストマーマトリクス内に分散されて、それぞれエラストマーマトリクスによって取り囲まれた複数の閉領域(a plurality of closed areas)とを含む。複数の閉領域はそれぞれ、第1の圧縮性より大きい第2の圧縮性を有する。
本発明について、添付の図を参照して例として次に説明する。
以下、本開示の例示的な実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。添付の図面では、同じ参照番号が同様の要素を指す。しかし、本開示は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が本開示の概念を当業者に伝えられるように提供される。加えて、以下の詳細な説明では、説明の目的で、開示する実施形態の徹底的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細について述べる。しかし、これらの具体的な詳細がなくても1つまたは複数の実施形態を実施することができることは明らかである。
一実施形態によるセンサアセンブリ10が図1に示されている。センサアセンブリ10は、キャビティ構造100と、キャビティ構造100内に配置された圧縮性要素200と、キャビティ構造100内に配置されたセンサ素子300と、キャビティ構造100に取り付けられたレッジアダプタ400とを備える。
キャビティ構造100は、図1に示すように、内面120およびキャビティ壁130によって画定されたキャビティ110を含む。内面120は、キャビティ110の内端112に位置決めされており、内端112とは反対側のキャビティ110の外端114は、キャビティ構造100の外部の領域Aに開いている。図示の実施形態では、キャビティ110は円筒形である。他の実施形態では、キャビティ110は、直方柱または圧縮性要素200およびセンサ素子300を受け取ることが可能な任意の他の形状とすることもできる。キャビティ110は、幅方向Wにキャビティ幅116を有する。
圧縮性要素200は、図1〜図3Bの実施形態に示すように、エラストマーマトリクス210と、エラストマーマトリクス210内に分散されて、それぞれエラストマーマトリクス210によって取り囲まれた複数の閉領域220と、エラストマーマトリクス210を通って延びる通路240とを含む。エラストマーマトリクス210は、第1の圧縮性を有し、閉領域220はそれぞれ、第1の圧縮性より大きい第2の圧縮性を有する。
圧縮性要素200は、図1〜図3Bに示すように、内側の面(interior side)212と、内側の面212とは反対側の外側の面(exterior side)214と、内側の面212を外側の面214に接続する複数の側面(plurality of lateral sides)216とを有する。圧縮性要素200は、側面216同士の間に、図1に示すように、幅方向Wのエラストマー幅218を有し、幅方向Wに直交する長さ方向Lにエラストマー長さ219を有する。図示の実施形態では、圧縮性要素200は、キャビティ110に対応する円筒形の形状を有する。他の実施形態では、エラストマーマトリクス210は、直方柱またはキャビティ110の形状に対応する任意の他の形状とすることもできる。
様々な実施形態では、エラストマーマトリクス210は、シリコーン、フルオロシリコーン、エポキシ、または任意の他のエラストマー材料から形成することができる。エラストマーマトリクス210の硬度は、用途に基づいて選択することができ、より硬いエラストマーマトリクス210は、高圧環境に対してより高い復元力を有し、より柔軟なエラストマーマトリクス210は、圧縮性により適している。エラストマーマトリクス210は、その用途に適した化学的適合性を有する。たとえば、後述するように、エラストマーマトリクス210がディーゼル排気液(DEF)に露出される実施形態では、エラストマーマトリクス210は、DEF露出下での劣化を避けるように選択される。
圧縮性要素200は、図1〜図3Bに示すように、閉領域220のみを含み、第2の圧縮性を有するエラストマーマトリクス210内の領域のいずれも、圧縮性要素200の面212、214、216に開いていない。エラストマーマトリクス210の各面212、214、216の露出面は、連続した途切れのないエラストマー材料である。
閉領域220はそれぞれ、第2の圧縮性を有する中空の空隙とすることができ、またはそれぞれ、第2の圧縮性を有する固体材料で充填することができる。各閉領域220のサイズは、用途に応じて選択することができ、より大きい閉領域220は、圧縮性要素200の圧縮性を増大させ、より小さい閉領域220は、強度を増大させ、高圧環境に対してより高い復元力を有する。図1〜図2Bの実施形態では、閉領域220は、閉領域220のそれぞれと最も近い隣接する閉領域220との間に配置されたエラストマーマトリクス210の厚さ222がほぼ同じになるように、エラストマーマトリクス210内に分散される。
通路240は、図1および図2Aに示すように、エラストマーマトリクス210を通って内側の面212から外側の面214へ軸方向Pに延びる。図示の実施形態では、通路240は、エラストマーマトリクス210内にほぼ中心に位置決めされる。他の実施形態では、通路240は、エラストマーマトリクス210内に中心からずらして位置決めすることもできる。
図1〜図3Bに示す圧縮性要素200の特定の実施形態について、次により詳細に個々に説明する。
図1に示す圧縮性要素200の実施形態では、閉領域220はそれぞれ、ポリマー微小球224によって形成される。圧縮性要素200は、複数のポリマー微小球224をエラストマーマトリクス210の未硬化の液体エラストマーに混合し、この混合物を型(mold:モールド)またはキャビティ110に注ぎ込み、混合物を硬化させることによって形成される。このプロセスの結果、図1に示す上述した閉領域220間の厚さ222が均一になる。
閉領域220を形成するポリマー微小球224は、中空または中実とすることができる。未硬化の液体エラストマーと比較したポリマー微小球224の重量パーセントは、圧縮性要素200の圧縮性に影響を与えるように選択される。一実施形態では、中空のポリマー微小球224は、エラストマーマトリクス210の未硬化の液体エラストマーの0〜4重量%で組み込まれる。各ポリマー微小球224のサイズもまた、圧縮性要素200の圧縮性に影響を与えるように選択される。一実施形態では、各ポリマー微小球224の直径は200μm未満である。
別の実施形態による圧縮性要素200は、図2A〜図2Cに示すように、エラストマーマトリクス210によって画定された複数の含有容積(a plurality of contained volumes)226としての閉領域220を有して形成される。含有容積226は、エラストマーマトリクス210内の中空の空隙である。図2Aおよび図2Bに示す実施形態では、含有容積226はそれぞれ多面体として形成され、多面体はたとえば三角形の形状を有し、または台形ホイールのパターンを形成する。他の実施形態では、含有容積226は、図2Cに示すような環状の形状、球形の形状、円筒形の形状を有することもでき、または任意の他の3次元形状を有することもできる。一実施形態では、図2Bおよび図2Cに示すように、含有容積226は、エラストマーマトリクス210によって取り囲まれた連続する閉領域220を形成するように互いに接続することができる。
含有容積226の形状、含有容積226の総容積、各含有容積226のサイズ、および含有容積226間のエラストマーマトリクス210の厚さは調整可能であり、特定の用途に望ましい圧縮性と機械強度とのバランスに応じて選択される。
含有容積226の形状、含有容積226の総容積、各含有容積226のサイズ、および含有容積226間のエラストマーマトリクス210の厚さは調整可能であり、特定の用途に望ましい圧縮性と機械強度とのバランスに応じて選択される。
一実施形態では、圧縮性要素200は、図2Bに示す第1の外殻227を同一の第2の外殻227に取り付けることによって作製される。外殻227はそれぞれ、圧縮性要素200の半分を形成する。外殻227を互いに取り付けるために、各外殻227の対合面228に接着剤229が塗布され、これらの対合面228は、複数の含有容積226を画定するように、図2Aに示す対合平面Mに沿って互いに当接するように配置される。一実施形態では、接着剤229は、エラストマーマトリクス210と同じ材料から形成された未硬化のエラストマーである。他の実施形態では、接着剤229は、接着剤または接着層とすることができる。別の実施形態では、各外殻227を圧縮性要素200の半分として形成する代わりに、圧縮性要素200を、圧縮性要素200の残り部分に取り付けられるキャップとして形成することができる。
図2Aおよび図2Bに示す圧縮性要素200の外殻227もしくは他の部分はそれぞれ、型(モールド)で形成することができる。または別の実施形態では、圧縮性要素200の外殻227もしくは他の部分はそれぞれ、エラストマーマトリクス210の材料の3D印刷もしくは付加製造によって形成することができる。3D印刷は、材料噴射、材料押出、光造形法、またはデジタルライトプロセシング型の3D印刷とすることができる。
別の実施形態では、含有容積226が互いに接続されているという条件で、図2Cに示すように、図2Aに示す圧縮性要素200の全体にドレン孔225を3D印刷することができ、次いでドレン孔225を通って、含有容積226の場所を占める未硬化の材料を圧縮性要素200から排出させることができる。次いでドレン孔225を、一実施形態ではエラストマーマトリクス210と同じ材料である未硬化のエラストマーで充填し、これを硬化させて含有容積226を閉じる。
別の実施形態による圧縮性要素200が、図3Aおよび図3Bに示されている。図3Aおよび図3Bは、通路240に交差しない断面で示されている。通路240は示されていないが、通路240はなお、図1〜図2Cの実施形態と同様に図3Aおよび図3Bに示す実施形態にも存在している。
図3Aおよび図3Bに示すように、圧縮性要素200は、エラストマーマトリクス210から形成されたベースマトリクス230を含み、ベースマトリクス230内に複数のセル234が配置される。セル234は、中空の空隙である。図示の実施形態では、セル234は様々なサイズ、様々な形状であり、セル234の1つと最も近い隣接するセル234との間にベースマトリクス230の様々な厚さを有する。ベースマトリクス230は、1対の面236を有する。セル234の少なくともいくつかは、ベースマトリクス230の面236で開いている開放領域である。一実施形態では、ベースマトリクス230は、多孔質のクローズドセルエラストマーから一部を切断することによって形成される。
図3Aおよび図3Bの実施形態のエラストマーマトリクス210は、ベースマトリクス230の周りに配置されたシール層232を含む。シール層232は、面236に露出したセル234を閉じ、セル234のすべてを閉領域220として画定する。シール層232は、エラストマー材料から形成される。一実施形態では、シール層232のエラストマー材料は、化学的適合性のために選択することができる。
図3Aに示す実施形態では、シール層232は、ベースマトリクス230の面236に取り付けられる。シール層232は、図3Aの実施形態に示すように、たとえばベースマトリクス230に未硬化のシール層232を巻き、次いでシール層232を硬化させることによって取り付けることができる。
図3Bに示す実施形態では、シール層232は、面236を含むベースマトリクス230の周囲全体に取り付けられる。シール層232は、図3Bの実施形態に示すように、たとえば未硬化のシール層232と型(モールド)でベースマトリクス230を封入し、次いでシール層232を硬化することによって取り付けることができる。
図1、図4、および図5に示すように、センサアセンブリ10は、キャビティ構造100内に配置された圧縮性要素200およびセンサ素子300を用いて組み立てられる。センサ素子300は、キャビティ構造100の内面120に沿ってキャビティ110の内端112に位置決めされる。レッジアダプタ400は、キャビティ110の外端114を少なくとも部分的に覆うように、キャビティ構造100に取り付けられる。レッジアダプタ400は、溶接または任意の他のタイプの固定,締結によって、キャビティ構造100に取り付けることができる。
図1〜図3Bに示す実施形態による圧縮性要素200は、キャビティ110内に位置決めされており、図4および図5に示すように、キャビティ110のうちセンサ間隙119によってセンサ素子300から分離された部分118内で、長さ方向Lに保持および制限される。様々な実施形態では、たとえば、センサ間隙119は、少なくとも10mmであり、別の実施形態では少なくとも30mmである。部分118およびセンサ間隙119は、図1に示すセンサアセンブリ10の実施形態にも存在するが、図面の理解を容易にするために、部分118およびセンサ間隙119は、図4および図5の概略図にのみ示されている。
図1に示す実施形態では、圧縮性要素200は、キャビティ構造100との干渉嵌めによってキャビティ110内で保持される。エラストマー幅218は、圧縮性要素200が圧縮されていない状態で、幅方向Wにキャビティ幅116より大きい。一実施形態では、エラストマー幅218は、キャビティ幅116より少なくとも6%大きい。
圧縮性要素200がキャビティ110に挿入されたとき、圧縮性要素200は、キャビティ壁130によって幅方向Wに圧縮されて圧縮状態になる。圧縮性要素200の圧縮の結果、圧縮性要素200によって径方向の力FRが幅方向Wに外方へキャビティ壁130に与えられる。径方向の力FRは、長さ方向Lに圧縮性要素200とキャビティ壁130との間の摩擦を増大させ、センサ間隙119によってセンサ素子300から分離された部分118内に圧縮性要素200を制限する。
キャビティ110の部分118内に圧縮性要素200を制限する他の実施形態が、図4および図5に示されている。図4および図5の実施形態のそれぞれにおいて、圧縮性要素200は、通路240に交差しない断面で概略的に示されているが、通路240はなお、図1〜図2Cの実施形態と同様に図4および図5に示す実施形態にも存在している。
図4に示す実施形態では、センサアセンブリ10は、キャビティ110内に配置されたストッパ500を含む。ストッパ500は、センサ間隙119内でキャビティ壁130に位置決めされ、幅方向Wにキャビティ110内へ突出する。ストッパ500は、圧縮性要素200が長さ方向Lに沿ってセンサ間隙119内へ動くことを防止し、それによってセンサ素子300と圧縮性要素200との間のセンサ間隙119を維持する物理的な障壁である。様々な実施形態では、センサアセンブリ10は、キャビティ壁130の一部分に配置されてキャビティ壁130全体の周りに延びる単一のストッパ500を含むことができ、またはキャビティ壁130に配置された複数のストッパ500を含むこともできる。図4の実施形態にストッパ500とともに示す圧縮性要素200は、図1を参照して上述したように、キャビティ構造100にさらに干渉嵌めすることもできる。
図5に示す実施形態では、圧縮性要素200は、キャビティ110の方を向いているレッジアダプタ400の表面410に取り付けられる。一実施形態では、圧縮性要素200は、未硬化の状態で表面410に堆積させ、表面410で硬化させることができる。別の実施形態では、まずビニルシランを表面410に配置し、次いで未硬化の圧縮性要素200を表面410に堆積させて硬化させる。圧縮性要素200を表面410で硬化させることで、圧縮性要素200とレッジアダプタ400との間の付着を形成し、キャビティ110の部分118内に圧縮性要素200を制限し、圧縮性要素200が長さ方向Lに沿ってセンサ間隙119内へ動くことを防止する。図5に示す実施形態は、任意選択で、図1および図4に示す上述した実施形態のいずれかまたは両方と組み合わせることができる。
センサアセンブリ10の例示的な使用について、図1を参照して次に説明する。図1に示す実施形態では、センサアセンブリ10は、ハウジング600を含み、ハウジング600にキャビティ構造100が取り付けられる。図示の実施形態では、センサアセンブリ10は圧力センサアセンブリであり、ハウジング600は槽Tに取り付けられる。キャビティ構造100の外部の領域Aが槽(tank)T内に配置され、流体、たとえばDEFで充填される。
図1の例示的な実施形態では、領域A内の流体は、キャビティ110内へ流れ込み、通路240を通ってセンサ素子300に接触する。流体に接触しているセンサ素子300は、槽T内の流体の貯水位および流体の圧力を測定する。流体は、少なくとも圧縮性要素200の内側の面212に接触し、図示の実施形態では外側の面214にも接触する。特定の条件下で流体は凍結し、その結果、流体は膨張する。
圧縮性要素200は、流体が凍結すると圧縮され、流体の体積の増大を補償してセンサ素子300の損傷を避ける。圧縮性要素200の補償体積は、特定の用途に合わせて選択することができ、圧縮性要素200の圧縮性および圧縮性要素200の総体積に依存する。圧縮性要素200の圧縮性は、上述したように、エラストマーマトリクス210の硬度ならびに閉領域220のサイズおよび総容積の選択によって決まる。圧縮性要素200の体積は、エラストマー幅218およびエラストマー長さ219によって決定される。圧縮性要素200の圧縮性および体積の選択を決定するのに必要とされる補償体積(compensation volume)は、流体の予想体積変動に基づいて決定される。
他の実施形態では、センサアセンブリ10は、DEF以外の流体とともに使用することができ、圧力以外の流体の特性、たとえば流体の温度を測定するために使用することもできる。センサアセンブリ10は、センサ素子300を保護するために体積補償が必要とされる任意の用途で使用することができる。
本明細書に記載する本発明の実施形態のセンサアセンブリ10は、センサ素子300を保護する体積補償を提供するために、圧縮性要素200を有する。圧縮性要素200のエラストマーマトリクス210は、互いに均一に隔置された閉領域220のみを含む。したがって、圧縮性要素200は、流体を通さず機械的に強い内部構造を有することによって弾力性、復元力を有する。さらに、センサ間隙119によってセンサ素子300から隔置された部分118内に圧縮性要素200を制限することで、圧縮性要素200がセンサ素子300に接触することを防止することによって、センサ素子300の精度および信頼性を改善する。
Claims (15)
- センサアセンブリ(10)用の圧縮性要素(200)であって、
- 第1の圧縮性を有するエラストマーマトリクス(210)と、
- 前記エラストマーマトリクス(210)内に分散されて、それぞれ前記エラストマーマトリクス(210)によって取り囲まれた複数の閉領域(220)とを備えており、
前記複数の閉領域(220)はそれぞれ、前記第1の圧縮性より大きい第2の圧縮性を有する、
圧縮性要素(200)。 - 前記エラストマーマトリクス(210)は、前記エラストマーマトリクス(210)内に、前記エラストマーマトリクス(210)の面(212、214、216)に開いている領域を有していない、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記複数の閉領域(220)は、それぞれ中空の空隙である、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記複数の閉領域(220)は、それぞれ、ポリマー微小球(224)によって形成されている、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記複数の閉領域(220)はそれぞれ、前記第2の圧縮性を有する固体材料で充填されている、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記エラストマーマトリクス(210)の内側の面(212)から前記エラストマーマトリクス(210)の外側の面(214)へ前記エラストマーマトリクス(210)を通って延びる通路(240)をさらに備える、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記閉領域(220)のそれぞれと最も近い隣接する閉領域(220)との間に配置された前記エラストマーマトリクス(210)の厚さ(222)がほぼ同じである、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記エラストマーマトリクス(210)は、前記複数の閉領域(220)を画定するために、
- 第1の外殻(227)と、
- 前記第1の外殻(227)と同一の第2の外殻(227)と、
- 前記第1の外殻(227)を前記第2の外殻(227)に取り付ける接着剤(229)と、を含む、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - 前記エラストマーマトリクス(210)は、
- ベースマトリクス(230)と、
- 前記ベースマトリクス(230)の周りに配置されたシール層(232)と、を含み、
前記ベースマトリクス(230)は、前記ベースマトリクス(230)内に配置された複数のセル(234)を有し、前記複数のセル(234)の少なくとも1つが、前記ベースマトリクス(230)の面(236)で開いており、
前記シール層(232)は、前記複数のセル(234)を前記複数の閉領域(220)として画定するように、前記ベースマトリクス(230)に配置されている、
請求項1に記載の圧縮性要素(200)。 - センサアセンブリ(10)であって、
- 内面(120)を有するキャビティ(110)を画定するキャビティ構造(100)と、
- 前記キャビティ構造(100)の前記内面(120)に位置決めされたセンサ素子(300)と、
- 前記キャビティ(110)内に位置決めされ、センサ間隙(119)によって前記センサ素子(300)から分離された前記キャビティ(110)の部分(118)内に制限された圧縮性要素(200)と
を備えるセンサアセンブリ(10)。 - 前記圧縮性要素(200)は、圧縮されていない状態で、前記キャビティ(110)のキャビティ幅(116)より大きいエラストマー幅(218)を有し、
前記圧縮性要素(200)は、圧縮状態で前記キャビティ(110)内に位置決めされ、径方向の力(FR)を前記キャビティ構造(100)のキャビティ壁(130)に作用させている、
請求項10に記載のセンサアセンブリ(10)。 - 前記キャビティ構造(100)に取り付けられたレッジアダプタ(400)をさらに備え、
前記レッジアダプタ(400)は、前記内面(120)とは反対側の前記キャビティ(110)の外端(114)の少なくとも一部分の上に延び、
前記圧縮性要素(200)は、前記キャビティ(110)の方を向いている前記レッジアダプタ(400)の表面(410)に取り付けられている、
請求項10に記載のセンサアセンブリ(10)。 - 前記センサ間隙(119)内に配置されたストッパ(500)をさらに備え、 前記ストッパ(500)は、前記圧縮性要素(200)が前記センサ間隙(119)内へ動くことを防止している、
請求項10に記載のセンサアセンブリ(10)。 - 前記圧縮性要素(200)は、
- 第1の圧縮性を有するエラストマーマトリクス(210)と、
- 前記エラストマーマトリクス(210)内に分散されて、それぞれ前記エラストマーマトリクス(210)によって取り囲まれた複数の閉領域(220)と、を含み、
前記複数の閉領域(220)はそれぞれ、前記第1の圧縮性より大きい第2の圧縮性を有する、
請求項10に記載のセンサアセンブリ(10)。 - 前記圧縮性要素(200)は、前記エラストマーマトリクス(210)を通って延びる通路(240)を有し、
前記通路(240)は、前記センサ間隙(119)と連通している、
請求項14に記載のセンサアセンブリ(10)。
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