JP4706444B2 - 圧力センサおよび圧力センサの取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、一面が被測定圧力を受ける受圧面となっている圧力センサおよび、このような圧力センサをエンジンに取りつけエンジンの燃焼室内の圧力を測定するようにした取付構造に関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、ケースの一端部に、一面が被測定圧力を受ける受圧面となっている受圧用ダイアフラムが設けられており、受圧用ダイアフラムがその受圧面に被測定圧力を受けて歪むようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このような圧力センサは、たとえば、自動車のエンジンに設けられた燃焼室に通じる取付穴に対して、ケースの一端部側すなわち受圧用ダイアフラム側から挿入して取りつけられ、燃焼室内の圧力を受圧用ダイアフラムの受圧面にて受けることで検出を行うものである。
米国特許出願公開第２００４／２３７６２９号明細書

しかしながら、従来の圧力センサを、上記したような燃焼圧センサとして適用した場合、受圧用ダイアフラムが被測定雰囲気である燃焼室にさらされているため、不燃焼で発生する油やタール状の物、あるいは煤などの様々な異物が受圧面に付着してしまう。

それが、自動車の運転、停止の度に繰り返され、異物はどんどん堆積してしまう。この異物の堆積によって、受圧用ダイアフラムの受圧面のバネ性が損なわれ、ひいては、センサ特性の変動が引き起こされる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、受圧用ダイアフラムの受圧面にて被測定雰囲気の圧力を受ける圧力センサにおいて、被測定雰囲気中の異物の受圧面への堆積によるセンサ特性の変動を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ケース（１）の一端部に、一面が被測定雰囲気からの圧力を受ける受圧面（１１）となっており、この受圧面（１１）に被測定圧力を受けて歪む受圧用ダイアフラム（１０）を設けてなる圧力センサにおいて、ケース（１）の内部には、センシング部（５０）が収納されており、
受圧用ダイアフラム（１０）における受圧面（１１）とは反対側の面には、受圧用ダイアフラム（１０）からの圧力をセンシング部（５０）に伝達する金属製の圧力伝達部材（６０）が接しており、
圧力伝達部材（６０）が発熱することで受圧用ダイアフラム（１０）を加熱して、受圧面（１１）に付着した異物を焼失させるようになっていることを特徴とする。

それによれば、圧力伝達部材（６０）の発熱によって受圧用ダイアフラム（１０）を加熱して、受圧面（１１）に付着した異物を焼失できるため、当該異物の受圧面（１１）への堆積によるセンサ特性の変動を防止することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００のエンジン２００への取付構造を示す概略断面図であり、本圧力センサ１００は、エンジン２００の燃焼室２０２内の圧力を検出する燃焼圧センサとして適用されるものである。

この圧力センサ１００は、大きくは、ケース１と、このケース１に接続されたコネクタ部２とを有するものである。また、エンジン２００には、燃焼室２０２に通じる取付穴２０１が設けられており、圧力センサ１００のケース１は、その一端部（図１中の下端部）から取付穴２０１に挿入されて、エンジン２００の燃焼室２０２に臨んだ状態となっている。

ケース１は、その一端部に受圧部としての受圧用ダイアフラム１０を有する。本例では、ケース１は筒状をなすもので、その一端部側から筒状のメタルパイプ２０、筒状の金属ステム３０、筒状のハウジング４０が、順次、溶接やロウ付け、接着などにより接続され一体化されたものである。そして、このケース１の他端部すなわちハウジング４０に対して、コネクタ部２が接続されている。

まず、ハウジング４０は、たとえばステンレスなどの金属製のものであり、このハウジング４０の外面には、エンジン２００の取付穴２０１に対して圧力センサ１００を固定するための取付部４１が形成されている。

本例では、取付部４１は、取付穴２０１とネジ結合可能なネジ部４１として構成されており、本例の圧力センサ１００は、このネジ部４１とネジ穴としての取付穴２０１とのネジ結合により、エンジン２００に固定されて取り付けられる。

金属ステム３０は、中空筒形状に加工されたステンレスなどの金属製の部材であり、メタルパイプ２０側の端部が開口部３１、ハウジング４０側の端部が閉塞された薄肉状の歪み部３２となっている。

この金属ステム３０の歪み部３２は、受圧用ダイアフラム１０が受けた圧力Ｐが、後述する圧力伝達機構により印加されることで、歪むようになっている。そして、この歪み部３２には、当該歪み部３２の圧力による歪みに基づいて信号を発生するセンシング部５０が設けられている。

このセンシング部５０は、たとえば、半導体チップに拡散抵抗などからなる歪みゲージを形成し、このゲージによりブリッジ回路が構成されたものとすることができる。本例では、このような半導体チップからなるセンシング部５０は、低融点ガラス５１により、金属ステム３０に接合されている。

また、この金属ステム３０の外周面には、周面と直交する方向へ張り出したテーパ状のシール面３３が全周に形成されている。また、このシール面３３に対向する取付穴２０１の内面は、シール面３３に対応したテーパ状の座面となっている。

そして、圧力センサ１００をエンジン２００へネジ結合したとき、その軸力により、このケース１のシール面３３とエンジン２００の取付穴２０１の内面とが密着してシールがなされる。

メタルパイプ２０は、ステンレスなどの金属製のものであり、金属ステム３０の開口部３１にはめ込まれて、接合固定されている。そして、上記受圧用ダイアフラム１０は、このメタルパイプ２０における燃焼室２０２側の端部すなわちケース１の一端部に接合されている。

この受圧用ダイアフラム１０は、たとえばステンレスなどの金属製円形板状のものであり、その一面１１すなわち燃焼室２０２に面する一面１１が、被測定圧力としての燃焼室２０２内の圧力Ｐを受ける受圧面１１となっている。

そして、この圧力センサ１００のエンジン２００への取付状態においては、被測定雰囲気である燃焼室２０２内の圧力Ｐは、図１中の白抜き矢印に示されるように、ケース１の一端部に位置する受圧用ダイアフラム１０の受圧面１１に印加され、この圧力Ｐの印加により、受圧用ダイアフラム１０は、歪み変形するようになっている。

また、金属ステム３０の中空部およびメタルパイプ２０の中空部により形成される空間内部には、圧力伝達部材６０が設けられている。この圧力伝達部材６０は、たとえばステンレスなどの金属やセラミックなどからなるものであり、本例では棒状をなす。

圧力伝達部材６０の各端部は、それぞれ金属ステム３０の歪み部３２、受圧用ダイアフラム１０における一面１１とは反対側の他面に対して荷重を与えた状態で接触しており、圧力Ｐは、受圧用ダイアフラム１０から圧力伝達部材６０を介して金属ステム３０の歪み部３２に印加されるようになっている。

本例では、このような圧力検出機構により、受圧用ダイアフラム１０が、その受圧面１１にて受けた圧力Ｐが、金属ステム３０の歪み部３２に伝達され、この歪み部３２の歪みに基づいて上記センシング部５０から信号が出力されるようになっている。

また、図１に示されるように、ハウジング４０の内部には、セラミック基板などからなる配線基板４２が設けられている。そして、配線基板４２にはＩＣチップ４３が搭載され、図示しないボンディングワイヤなどにより配線基板４２と電気的に接続されている。このＩＣチップ４３は、センシング部５０からの出力を増幅したり調整したりするための回路が形成されたものである。

さらに、図１に示されるように、ハウジング４０内において、このＩＣチップ４３とセンシング部５０とは、リード線やフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などからなる配線部材４４により電気的に接続されている。

そして、上記コネクタ部２は、ハウジング４０に対して、Ｏリング４５を介して接続されている。このコネクタ部２は樹脂などからなるもので、コネクタ部材２には、金属製のターミナル２ａがインサート成形などにより一体化されている。このコネクタ部２は、一端側がハウジング４０の開口部に挿入された状態でハウジング４０に、かしめなどにより、組み付けられ、ハウジング４０と一体に固定されている。

また、ハウジング４０内にてコネクタ部２のターミナル２ａは、配線基板４２と電気的に接続されている。そして、ターミナル２ａは自動車のＥＣＵなどに対して、電気的に接続可能となっており、それにより、本圧力センサ１００は外部との信号のやりとりなどが可能になっている。

このように、圧力センサ１００は、ケース１の一端部に、被測定圧力を受ける受圧面１１を有する受圧用ダイアフラム１０を設けてなるものであるが、さらに、本実施形態の取付構造では、図１に示されるように、燃焼室２０２内の異物が受圧面１１に付着するのを防止する異物除去手段３００が設けられている。

本実施形態では、異物除去手段３００は、エンジン２００に設けられたものである。具体的には、図１に示されるように、異物除去手段３００はフィルタ３００であり、このフィルタ３００は、取付穴２０１における燃焼室２０２に面する開口部を覆うように燃焼室２０２の内壁に取りつけられている。

このフィルタ３００は、圧力センサ１００における受圧用ダイアフラム１０の受圧面１１に対して燃焼室２０２内の圧力Ｐを導きつつ燃焼室２０２内の異物は遮断するものである。たとえば、フィルタ３００は、アルミナなどのセラミックやステンレスなどの金属などからなり、燃焼室２０２の内壁に接着、溶接、ロウ付けなどにより接合され、固定されている。

そして、フィルタ３００は、気体は通過するが異物は通過しない程度の大きさの細孔径を有する多孔質のものや、または、そのような大きさのメッシュサイズを有する網状のものなどからなる。また、フィルタ３００は、取付穴２０１における燃焼室２０２に面する開口部を覆うことができるものであれば、その形状は自由であるが、たとえば板状のものにできる。

それにより、燃焼室２０２にて不燃焼で発生する油やタール状の物、あるいは煤などの様々な異物は、フィルタ３００によって遮断され、受圧用ダイアフラム１０の受圧面１１には到達しないが、燃焼室２０２の圧力は通過して受圧面１１に印加される。

さらに、このフィルタ３００には、図示しないが、上記異物を燃焼もしくは分解する触媒を備えている。このような触媒としては、Ｐｔ（白金）やＲｈ（ロジウム）など、一般的なエンジンの排気ガス用触媒が挙げられる。

これら触媒は、フィルタ３００を構成するセラミックや金属線などに担持されている。そして、フィルタ３００に捕獲された異物は、エンジン２００の動作時の燃焼熱により、この触媒を介して燃焼・分解され、除去される。そのため、フィルタ３００は長期に渡り、目詰まりすることなく使用が可能となる。

このように、本実施形態によれば、ケース１の一端部に受圧用ダイアフラム１０を有する圧力センサ１００を、エンジン２００の取付穴２０１に対して、ケース１の一端部側から挿入して取りつけ、燃焼室２０２内の圧力を受圧用ダイアフラム１０の受圧面１１にて受けるようにした取付構造において、異物除去手段３００をエンジン２００側に設けることにより、燃焼室２０２内の異物が受圧面１１に付着するのを防止できるため、当該異物の受圧面１１への堆積によるセンサ特性の変動を防止することができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１００のエンジン２００への取付構造の要部を示す概略断面図であり、本圧力センサ１００における受圧用ダイアフラム１０近傍部の拡大図である。なお、本実施形態を含めて以下の各実施形態においては、図中に取付構造の要部を示してあるが、図に現れない部分は、上記第１実施形態と同様の構成である。

上記実施形態では、異物除去手段がエンジン２００側に設けられたが、本実施形態は、図２に示されるように、圧力センサ１００自体の側に、上記した異物除去手段としてのフィルタ３００を設けたものである。

ここでは、ケース１の一端部としてのメタルパイプ２０に対し、その端部を受圧用ダイアフラム１０よりも外方に突出させた突出部２１を形成し、この突出部２１に対してフィルタ３００を、受圧用ダイアフラム１０を覆うように取りつけている。このフィルタ３００の突出部２１への固定は、上記実施形態と同様に、接着、溶接、ロウ付けなどによる接合にて行える。

そして、このフィルタ３００は、上記同様、被測定雰囲気である燃焼室２０２からの圧力を導きつつ異物は遮断するとともに、フィルタ３００に備えられた上記触媒記により異物が燃焼もしくは分解される。そのため、本実施形態によれば、燃焼室２０２内の異物の受圧面１１への堆積によるセンサ特性の変動を防止することのできる圧力センサ１００を提供できる。

また、本実施形態では、ケース１の一端部に受圧用ダイアフラム１０を設けてなる圧力センサ１００を、エンジン２００の取付穴２０１に対して、ケース１の一端部側から挿入して取りつけ燃焼室２０２内の圧力を受圧面１１にて受けるようにした取付構造において、圧力センサ１００側に異物除去手段としてのフィルタ３００を設けた取付構造が提供される。そして、その効果は上記実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサ１００のエンジン２００への取付構造の要部を示す概略断面図であり、本圧力センサにおける受圧用ダイアフラム１０近傍部の拡大図である。

上記実施形態では、異物除去手段としてフィルタ３００を採用したが、本実施形態は、異物防止手段４００は、受圧用ダイアフラム１０を加熱する加熱部材４００であり、この加熱によって受圧面１１に付着した異物を焼失させるものである。

このような加熱部材４００は、圧力センサ１００において受圧用ダイアフラム１０の近傍部に設けられていればよいが、本例では、加熱部材４００は、受圧用ダイアフラム１０における受圧面１１とは反対側の面すなわち内面に接して設けられている。

本例の加熱部材４００は、通電式のヒータであり、ヒータ部４１０とこれに通電するためのリード４２０とを備えている。ヒータ部４１０は、通電で発熱する金属の線材や板材などであり、受圧用ダイアフラム１０の内面に接着やロウ付け、はんだ付けなどにより接合されている。

なお、このヒータ部４１０は、受圧用ダイアフラム１０の歪み特性を阻害しない程度に薄ものであることが望ましい。そして、ヒータ部４１０には、リード線４２０が電気的に接続され、図示しない電源から、このリード線４２０を介して、ヒータ部４１０への通電・発熱が行われるようになっている。

図３に加えて上記図１も参照して述べると、たとえば、金属ステム３０の歪み部３２に貫通穴を設け、リード線４２０を、メタルパイプ２０、金属ステム３０の中空部から当該貫通穴を通して上記配線基板３２上のＩＣチップ３３に接続すれば、このＩＣチップ３３を介した通電制御が可能になる。

なお、このとき、金属ステム３０の歪み部３２に設けた貫通穴とここを通るリード線４２０との間は、はんだやガラスシールなどにより、気密に封止することで、受圧用ダイアフラム１０の圧力による歪み特性に影響が出ないようにする。

また、ＩＣチップ３３による加熱部材４００への通電のタイミングは、たとえば、エンジン２００の作動時には通電を行い、エンジン２００の停止時には通電を停止するようにする。

そして、本実施形態によれば、被測定雰囲気である燃焼室２０２に対して受圧面１１がさらされており、異物が受圧面１１に到達し、付着しようとするが、加熱部材４００により、受圧用ダイアフラム１０が加熱されて受圧面１１に付着した異物が焼失し、受圧面１１から除去される。

そのため、本実施形態によっても、燃焼室２０２内の異物が受圧面１１に付着するのを防止でき、当該異物の受圧面１１への堆積によるセンサ特性の変動を防止することのできる圧力センサ１００を提供できる。

また、本実施形態では、ケース１の一端部に受圧用ダイアフラム１０を設けてなる圧力センサ１００を、エンジン２００の取付穴２０１に対して、ケース１の一端部側から挿入して取りつけ燃焼室２０２内の圧力を受圧面１１にて受けるようにした取付構造において、圧力センサ１００側に異物除去手段としての加熱部材４００を設けた取付構造が提供される。そして、その効果は上記実施形態と同様である。

また、本実施形態は、上記第１、第２の各実施形態と組み合わせて行ってもよい。つまり、上記各実施形態における取付構造において、圧力センサ１００側またはエンジン２００側に上記フィルタ３００を設けつつ、圧力センサ１００に加熱部材４００を設けてもよい。

（他の実施形態）
また、圧力センサのケースは、上記実施形態のように、複数の部材２０、３０、４０が連結され一体化されたものに限定されるものではなく、その一端部に受圧用ダイアフラムを有するとともに、当該一端部からエンジンの取付穴に挿入して取りつけされるものであればよい。

たとえば、ケースは一体成形されたものでもよいし、さらには、ケースの一端部を薄肉部とし、これを受圧用ダイアフラムとして構成するなどによりケースと受圧用ダイアフラムとが一体に成形されたものでもよい。

また、上記第１、第２実施形態に記載した異物除去手段としてのフィルタ３００においては、エンジン２００の動作時の燃焼熱により、フィルタ３００に捕獲された異物の除去を行うものであったが、当該フィルタ３００を金属などの導電性を有するものとし、通電することでフィルタ３００を発熱させ、その熱により異物の燃焼・分解を行ってもよい。それによれば、エンジン２００の停止後における異物の除去が可能になる。

また、図４は、他の実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造の要部を示す概略断面図である。図４に示されるように、上記第２実施形態において、フィルタ３００は平面である必要がなく、例えば円錐の様に先端がとがった形態であってもよい。

このように、フィルタ３００を、たとえば、受圧用ダイアフラム１０とは反対側の外方に突出した円錐形状をなすものにすれば、燃焼の熱風を中心から外側へと意図的にコントロールすることができ、その熱風に乗って付着する異物を、受圧用ダイアフラム１０よりも外側に付着させやすくできる。

また、上記第３実施形態においては、リード線４２０を介したヒータ部４１０を設けず、圧力伝達部材６０を直接発熱させ受圧用ダイアフラム１０に付着した異物を除去する形態を採用してもよい。このような構成は、具体的に図５に示される。

図５に示されるように、圧力伝達部材６０に導線４３０を接続し、この導線４３０を介して圧力伝達部材６０に通電すれば、圧力伝達部材６０が発熱し、それによって、受圧用ダイアフラム１０が加熱され、異物の除去が可能になる。

また、上記第３実施形態において、加熱部材４００を、ヒータ部４１０に導通することに振動する振動体４００に置き換えた構成とすれば、この振動体４００の振動により受圧用ダイアフラム１０を振動させ、その振動により、受圧面１１に付着した異物を振り落とすようにしてもよい。

また、上記第２、第３実施形態に記載した圧力センサは、エンジンに取りつけられて燃焼圧を測定するものに限定されるものではなく、燃焼室以外の種々の測定雰囲気の圧力を検出する圧力センサとしても適用が可能である。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造の要部を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造の要部を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造の要部を示す概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造の要部を示す概略断面図である。

符号の説明

１…ケース、１０…受圧用ダイアフラム、１１…受圧用ダイアフラムの受圧面、
２１…突出部、１００…圧力センサ、
２００…エンジン、２０１…エンジンの取付穴、２０２…燃焼室、
３００…異物除去手段としてのフィルタ、４００…異物除去手段としての加熱部材。

Claims (1)

1. ケース（１）の一端部に、一面が被測定雰囲気からの圧力を受ける受圧面（１１）となっており、この受圧面（１１）に被測定圧力を受けて歪む受圧用ダイアフラム（１０）を設けてなる圧力センサにおいて、
   前記ケース（１）の内部には、センシング部（５０）が収納されており、
   前記受圧用ダイアフラム（１０）における前記受圧面（１１）とは反対側の面には、前記受圧用ダイアフラム（１０）からの圧力を前記センシング部（５０）に伝達する金属製の圧力伝達部材（６０）が接しており、
   前記圧力伝達部材（６０）が発熱することで前記受圧用ダイアフラム（１０）を加熱して、前記受圧面（１１）に付着した異物を焼失させるようになっていることを特徴とする圧力センサ。

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