JP5058079B2 - 力検知センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、力検知センサを製造する方法に関する。

例えば、内燃機関の燃焼ガスの圧力（燃焼圧）を測定する圧力センサ（力検知センサの一種）が知られている。図５に特許文献１に記載の圧力センサ１３２を示す。この圧力センサ１３２は、ハウジング１３６と、ダイアフラム１１２と、力伝達ロッド１２２と、力検知センサ素子１３８を備えている。
ハウジング１３６は、円筒状の筒壁１３６ａを備えている。筒壁１３６ａの内壁面には孔部１３６ｂが設けられており、ダイアフラム１１２はその孔部１３６ｂに取り付けられている。力伝達ロッド１２２は、ハウジング１３６の内部に配置されており、先端面１２２ａがダイアフラム１１２の裏面に接触しており、後端面１２２ｂが力検知センサ素子１３８に接触している。圧力センサ１３２は、ダイアフラム１１２の表面が内燃機関の燃焼室内に臨むように設置される。ダイアフラム１１２の表面に燃焼圧が加わると、ダイアフラム１１２の受圧面１１２ａは表面側から裏面側に向けて撓む。ダイアフラム１１２の受圧面１１２ａが撓むと、力伝達ロッド１２２を介して力検知センサ素子１３８に圧力が加わり、力検知センサ素子１３８は出力値を変化させる。圧力センサ１３２では、この出力値の変化に基づいて燃焼圧を測定する。

図５に示す圧力センサ１３２は、ダイアフラム１１２の受圧面１１２ａに大径の凹部１１４と小径の凸部１１６が同心に形成されている。凸部１１６の外周面は、中央部から周縁部に向かう向きにダイアフラム１１２の表面側から裏面側に向かって傾斜している。凹部１１４の内周面は、中央部から周縁部に向かう向きにダイアフラム１１２の裏面側から表面側に向かって傾斜している。大径の凹部１１４と小径の凸部１１６を同心に形成することで、受圧面１１２ａの中央部の周縁を一巡している溝１１８が形成される。ダイアフラム１１２の受圧面１１２ａに溝１１８が形成されていると、受圧面１１２ａが燃焼ガス等により熱膨張したとしても、受圧面１１２ａの中央部の位置は、表面側と裏面側のいずれの向きにも変位することが抑制される。受圧面１１２ａに溝１１８が形成されていると、燃焼圧による受圧面１１２ａの熱膨張の影響が抑えられ、燃焼圧を正確に測定することができる。

図６に、ダイアフラム１１２となる素材１１３の受圧面１１３ａに溝１１８を形成する従来のプレス加工装置１０２を示す。このプレス加工装置１０２は、ガイドリング１０４と、受け台１０６と、加圧ピン１０８を備えている。受け台１０６の中央部には、突起部１０６ａが形成されている。加圧ピン１０８の先端には、突起部１０６ａを囲むように加圧リング１０８ａが形成されている。
図６に示すプレス加工装置１０２では、ガイドリング１０４と受け台１０６で素材１１３を支持（載置）する。素材１１３が支持された状態で、加圧ピン１０８で素材１１３を表面側から加圧する。これにより、受圧面１１３ａの中央部の周縁を一巡する溝１１８が形成される。

特開２００４−３４７３８７号公報

圧力センサ１３２の小型化が望まれている。圧力センサ１３２を小型化するためには、ダイアフラム１１２を小径化する必要がある。ダイアフラム１１２の小径化を実現するためには、受圧面１１２ａの溝１１８を微細に加工する技術が求められている。
図６に示す従来のプレス加工装置１０２では、微細な溝１１８を形成するために、加圧ピン１０８の加圧リング１０８ａを微細に加工しなければならない。しかし、現状の加工技術では、微細な加圧リング１０８ａを精度良く加工することが難しい。このため、加圧リング１０８ａを精度良く形成するのに必要な面積を加圧ピン１０８の先端に確保する必要があり、加圧ピン１０８の先端を小型化することができない。これにより、ダイアフラム１１２を小型化することができず、圧力センサ１３２の小型化を実現することができない。

本発明は、受圧面に大径の凹部と小径の凸部が同心に形成されているダイアフラムを小型に加工する技術を用いて、小型化した力検知センサを提供することを目的としている。

本発明は、受圧面に大径の凹部と小径の凸部が同心に形成されているダイアフラムと力伝達ロッドが組み込まれている力検知センサの製造方法に関する。本発明の製造方法は、下記に示す凹部形成工程と凸部完成工程を含んでいる。
凹部形成工程では、ダイアフラムとなる素材と加圧ピンを用意する。素材は、その受圧面が平坦に形成されている。加圧ピンは、その先端がダイアフラムに形成される凹部の底面に対応する形状の平面に形成されている。この工程では、素材の表面に加圧ピンを当接させ、さらに加圧ピンが素材の裏面側に向けて移動する向きに加圧ピンと素材を相対的に移動させる。加圧ピンと素材を相対的に移動させる際には、素材を固定した状態で加圧ピンを素材の裏面側に移動させてもよく、加圧ピンを固定した状態で素材を素材の表面側に向けて移動させてもよく、加圧ピンを裏面側に移動させるとともに素材を表面側に移動させてもよい。加圧ピンと素材を相対的に移動させることによって、素材の受圧面が表面側から裏面側へと変形し、素材の受圧面に凹部が形成される。

本発明で使用する加圧ピンは、その先端が平面形状を有する単純な形状である。図６に示す従来のプレス加工装置１０２のように、受圧面と接する面に加圧リングが形成された複雑な形状ではない。このため、加圧ピンの先端を小型化して形成することができる。これにより、ダイアフラムを小型化することができ、力検知センサの小型化を実現することができる。
本発明では、加圧ピンを形成する際に高度な加工技術を必要とせず、加圧ピンを容易に形成することができる。力検知センサの製造コストを低減することができる。また、本発明で使用する加圧ピンは従来の加圧ピンに比べて素材との接触面積が広い。加圧ピンの破損が抑制され、加圧ピンの耐久性が向上する。

凸部完成工程では、凹部が形成された素材を力検知センサのハウジングに取り付ける。取付けられた素材の凹部の裏面に力伝達ロッドの先端を当接させ、さらに力伝達ロッドが素材の表面側に向けて移動する向きに力伝達ロッドと素材を相対的に移動させる。力伝達ロッドと素材を相対的に移動させる際には、素材を固定した状態で力伝達ロッドを素材の表面側に移動させてもよく、力伝達ロッドを固定した状態で素材を素材の裏面側に向けて移動させてもよく、力伝達ロッドを素材の表面側に移動させるとともに素材を素材の裏面側に向けて移動させてもよい。力伝達ロッドの先端は、受圧面に形成される凸部に対応する形状の曲面が形成されている。力伝達ロッドと素材を相対的に移動させることによって、凹部の裏面のうち力伝達ロッドと当接した部位が裏面側から表面側へと変形し、素材の受圧面に凸部が完成する。
なお、本発明では、凸部完成工程で素材の受圧面に凸部の形成が完成すればよく、たとえば凹部形成工程と凸部完成工程の間に、第２の加圧ピンによって予備的凸部が形成される予備的凸部が形成される工程が含まれていてもよい。

本発明の凸部完成工程では、力伝達ロッドと素材を相対的に移動させる際に、力伝達ロッドの後端に当接している力検知センサ素子に所定の予荷重が作用するまで力伝達ロッドと力検知センサ素子を素材に対して相対的に移動させることが好ましい。
本発明によれば、凸部の形成と同時に予荷重の設定を実施することができ、力検知センサの製造工程数を削減することができる。また、最終的な力検知センサにおいて、ダイアフラムと力伝達ロッドの間に隙間のない状態が保証される。力検知センサの精度を向上させることができる。

本発明によると、加圧ピンの先端を小型化することができ、ダイアフラムを小径化することができる。これにより、小型化した力検知センサを製造することができる。

以下に説明する実施例の特徴を最初に整理する。
（特徴１）凹部形成工程と、凸部完成工程の間に、第２加圧ピンによって予備的凸部を形成する。

本実施例は、第１の工程である凹部形成工程と、第２の工程である凸部完成工程を含んでいる。
図１に、プレス加工装置２を用いてダイアフラムとなる素材１３の受圧面１３ａに凹部１４を形成する凹部形成工程の様子を示す。
プレス加工装置２は、ガイドリング４と受け台６と加圧ピン８を備えている。図１に示すように、ガイドリング４は筒状の形態を有しており、その中心に貫通孔１０が形成されている。貫通孔１０は、ガイドリング４の下端面４ｂから上端面４ａまで伸びており、その平面形状は円形である。貫通孔１０の幅は、ガイドリング４の下端面４ｂから上端面４ａまで一定である。受け台６は、円柱状の形態を有しており、表面６ｂは平面である。受け台６の外周面６ｓは、ガイドリング４の内周面１０ａに当接している。これに代えて、受け台６は、ガイドリング４の内周面１０ａに螺合するように構成されていてもよい。加圧ピン８は、第１部位８Ａと、第２部位８Ｂと、第３部位８Ｃで構成されている。第１部位８Ａは、円柱状の形態を有している。第１部位８Ａの外周面８Ａｓは、ガイドリング４の内周面１０ａに当接している。第２部位８Ｂは、円錐台状の形態を有しており、第１部位８Ａから第２部位８Ｃに向けて先細りしている。第３部位８Ｃは、円柱状の形態を有している。第３部位８Ｃの先端面８ｂには、凹部１４の底面１４ａ（図２参照）に対応する形状の平面が形成されている。
なお、加圧ピン８は、例えば第２部位８Ｂを省略した形態を採用することもできる。しかし、第２部位８Ｂが設けられていると、加圧ピン８の耐久性が向上する点で望ましい。

図１と図２を用いて、凹部形成工程を説明する。
初めに、受け台６をガイドリング４の下端面４ｂから貫通孔１０の内部へと挿入し、素材１３をガイドリング４の上端面４ａから貫通孔１０の内部へと挿入する。受け台６の裏面は図示されない平面によって、ガイドリング４の下端面４ｂと同一の面に保持される。図１に示すように、素材１３は中央部に平坦に形成された受圧面１３ａと、受圧面１３ａの周縁に形成された肉厚な支柱部１３ｂを備えている。貫通孔１０の内部に挿入された素材１３は、支柱部１３ｂの裏面が受け台６の表面６ｂに当接するとともに、支柱部１３ｂの外周面がガイドリング４の内周面１０ａに当接しており、ガイドリング４の軸方向とそれに直交する方向への変位が規制されている。素材１３は、受け台６の表面６ｂに載置された状態で、ガイドリング４と受け台６によって貫通孔１０内に支持される。この状態で、素材１３は肉厚な支柱部１３ｂによって受圧面１３ａの裏面側に空間が確保されている。
次に、加圧ピン８をガイドリング４の上端面４ａから貫通孔１０の内部へと挿入する。これによって、加圧ピン８の先端面８ｂが素材１３の受圧面１３ａの表面に当接する。（図１では図示番号の理解のために隙間を空けて記載する。）

この状態で、加圧ピン８を受圧面１３ａの表面側から裏面側に向けて移動させる。これによって、受圧面１３ａが裏面側の空間へと押し出され、受圧面１３ａのうち加圧ピン８の先端面８ｂに当接する部位の周縁が表面側から裏面側に向けて変形する。この結果、図２に示すように、受圧面１３ａに凹部１４が形成される。

図６に示す従来のプレス加工装置１０２では、受け台１０６の表面に突起部１０６ａが形成されていた。加圧ピン１０８の先端面に加圧リング１０８ａが形成されていた。素材１１３の受圧面１１３ａに微細な溝１１８を加工するためには、突起部１０６ａと加圧リング１０８ａの形態を高い精度で加工する必要があるとともに位置関係を高い精度で一致させる必要がある。このため、高度な加工精度を実現するために必要な領域を確保する必要があり、ダイアフラム１１２の受圧面１１３ａを小型化することが困難であった。

図１に示す本実施例のプレス加工装置２では、受け台６の表面６ｂが平面形状であり、突起部が形成されない。加圧ピン８の先端面８ｂが平面形状であり、加圧リングが形成されない。受け台６の表面６ｂと加圧ピン８の先端面８ｂが単純な形状をしている。そのため、受け台６と加圧ピン８を小径化することができる。この結果、素材１３の受圧面１３ａを小型化することができ、ダイアフラム１２を小型化することができる。力検知センサの小型化を実現することができる。
図１に示す本実施例のプレス加工装置２では、受け台６と加圧ピン８が単純な形状をしており、高度な加工技術を必要としない。力検知センサの製造治具を容易に形成することができ、力検知センサの製造コストを低減することができる。また、本実施例では、加圧ピン８と素材１３の接触面積が広くなるので、加圧ピン８の破損が抑制され、加圧ピン８の耐久性を向上させることができる。

また、従来のプレス加工装置１０２では、受け台１０６の突起部１０６ａの高さと素材１１３の支柱部の高さを一致させなければ、素材１１３の受圧面１１３ａに所望の形態の溝１１８を形成することができないという問題があった。一般的に、素材１１３の支柱部の高さは、現状の加工技術ではバラツクことが多い。このため、従来のプレス加工装置１０２では、事前に素材１１３の支柱部を研磨するという工程が必要であった。
本実施例では、素材１３の支柱部１３ｂの高さが異なっていても、一定形状の凹部１４を形成することができる。このため、事前に素材１３の支柱部１３ｂを研磨するという手間を省くことができ、力検知センサの製造工程を簡略化することができる。

図３を用いて、凸部完成工程を説明する。
凹部形成工程の終了後、素材１３をプレス加工装置２から取り出して、図４に示すように、素材１３をハウジング３６に取付ける。次に、力伝達ロッド２２が凹部１４の裏側に配置されるように、力伝達ロッド２２をハウジング３６内に収容する。力伝達ロッド２２は、ハウジング３６の内面にスライド可能に保持されている。力伝達ロッド２２がスライドすることで力伝達ロッド２２の先端面２２ａが凹部１４の裏面１４ｂに当接する。
この状態で、矢印４０に示すように、力伝達ロッド２２の後端面２２ｂに力検知センサ素子３８を当接させ、力検知センサ素子３８を用いて力伝達ロッド２２を凹部１４の裏面１４ｂに裏面側から表面側に向けて押し付ける。これによって、凹部１４の裏面１４ｂのうち力伝達ロッド２２の先端面２２ａが当接する部位の周縁が裏面側から表面側に向けて変形する。この結果、図４に示すように、凹部１４の内側に凹部１４よりも小径な凸部１６が形成される。これによって、受圧面１２ａに大径の凹部１４と小径の凸部１６が形成されたダイアフラム１２が完成する。凹部１４と凸部１６によって、溝１８が形成される。

本実施例では、凸部１６を形成する際に力伝達ロッド２２と力検知センサ素子３８を用いることを特徴としている。本実施例では、凸部１６を形成する際に力検知センサ素子３８に加わる予荷重を計測しておくことが好ましい。力伝達ロッド２２と力検知センサ素子３８を受圧面１３ａの裏面側から表面側に向けて移動し、計測した予荷重が予め決められた所定の値に達したときに移動を止め、力検知センサ素子３８をハウジング３６に固定する。
本実施例によれば、凸部１６の形成と力検知センサ素子３８の予荷重の設定を同時に実施することができ、圧力センサ３２の製造工程数を削減することができる。また、最終的な圧力センサ３２において、ダイアフラム１２の受圧面１２ａと力伝達ロッド２２の先端面２２ａの間に隙間のない状態が保証される。圧力センサ３２の精度を向上させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、凹部形成工程と、凸部完成工程の間に、第２加圧ピンによって予備的凸部を形成する工程が行われてもよい。予備的凸部形成工程が行われると、素材に予備的凸部が形成されるため、力伝達ロッドの先端面を素材の凹部に向かって移動させる際に、力伝達ロッドの先端面を予備的凸部に確実に導くことができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

凹部形成工程の様子を示す。 凹部１４が加工されたダイアフラム１２の断面図を示す。 凸部完成工程の様子を示す。 圧力センサ３２の断面図を示す。 圧力センサ１３２の断面図を示す。 従来技術のプレス加工装置１０２を示す。

符号の説明

２・・・・・プレス加工装置
４・・・・・ガイドリング
６・・・・・受け台
６ａ・・・・突起部
６ｂ・・・・表面
８・・・・・加圧ピン
８ａ・・・・加圧リング
８ｂ・・・・先端面
１０・・・・貫通孔
１２・・・・ダイアフラム
１２ａ・・・受圧面
１２ｂ・・・支柱部
１３・・・・素材
１３ａ・・・受圧面
１３ｂ・・・支柱部
１４・・・・凹部
１６・・・・凸部
１８・・・・溝
２２・・・・力伝達ロッド
３２・・・・圧力センサ
３６・・・・ハウジング
３８・・・・力検知センサ素子
４０・・・・矢印

Claims (2)

1. 受圧面に大径の凹部と小径の凸部が同心に形成されているダイアフラムと力伝達ロッドが組み込まれている力検知センサの製造方法であって、
   前記受圧面が平坦に形成されているダイアフラムとなる素材の表面に、前記凹部の底面に対応する形状の平面が先端に形成されている加圧ピンの先端を当接させ、さらに前記加圧ピンが前記素材の裏面側に向けて移動する向きに前記加圧ピンと前記素材を相対的に移動させることによって前記受圧面に前記凹部を形成する工程と、
   前記工程で凹部が形成された前記素材を力検知センサのハウジングに取付け、取付けられた前記素材の凹部の裏面に前記凸部に対応する形状の曲面が先端に形成されている力伝達ロッドの先端を当接させ、さらに前記力伝達ロッドが前記素材の表面側に向けて移動する向きに前記力伝達ロッドと前記素材を相対的に移動させることによって前記凸部を完成する工程を備えている力検知センサの製造方法。
2. 前記力伝達ロッドの後端に当接している力検知センサ素子に所定の予荷重が作用するまで前記力伝達ロッドと前記力検知センサ素子を前記素材に対して相対的に移動させることを特徴とする請求項１に記載の力検知センサの製造方法。

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