JP5191217B2 - 圧電型圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、外部カバーと、圧力受け部側において外部カバーに取り付けられて外部カバーに対して環状隙間を作り出す内部カバーとを含み、圧力受け部側において内部カバーに配置されたダイヤフラムと内部カバーの基体部との間に少なくとも１つの測定圧電素子が配置された圧電型圧力センサに関する。

非常に過酷な環境（高温ないし温度変動、振動、固体伝播音）中で使用するための圧電型圧力センサは、ノイズレベルを最小化して明確で高精度な実効信号を出力するため、特別な構造を必要とする。上記の過酷な環境はたとえば内燃機関の燃焼室内での使用時あるいはエンジンテストスタンドにおいても生じる。こうした環境中では振動および固体伝播音に起因する高い機械負荷、ならびに燃焼プロセスによる極度な熱負荷を受ける。

従来の圧電型圧力センサはたとえば図１の断面図に示したように形成されている。センサの外部カバー１内において電極２と３の間には、圧力受け部側においてケーシング１に溶接接合されたダイヤフラム５を介して付勢（プレストレス）された複数の測定圧電素子４が配置されている。一方の電極２は振動質量上に載置され、他方の電極３はケーシングに対して絶縁されて、信号出力プラグ６と導電結合されている。測定孔に固定するため圧力センサは外部カバー１にねじ山７を設けており、この場合、隣接する構造部材（図中不図示である）に起因する固体伝播音ならびにひずみによる悪影響が領域８に生ずる点が短所である。

特に内燃機関のシリンダ内部の圧力推移を測定するために適した圧電型圧力検出器が公知である（例えば、特許文献１参照）。この圧電型圧力検出器では、円筒状外部カバーの内部に、圧電素子を包囲して、測定さるべき圧力を伝達するスタンプ部で密閉された付勢（プレストレス）スリーブが係止されている。付勢スリーブと外部カバーとの間には、燃焼室側が環状ダイヤフラムによって閉じられている環状隙間が形成されている。したがって、このダイヤフラムは内部カバーと外部カバーとの間の隙間を渡っており、この隙間には外部カバーに設けられた流路を経て冷媒を供給することができる。冷媒循環を向上させるため、環状隙間にスリーブを配置することができる。この圧力検出器の短所は後で述べるが、その短所は付勢スリーブとして形成された内部カバーに起因する。

同様な短所を持つセンサ構造として、熱媒測定のためのトランスデューサおよび、圧力センサとして形成されたこのトランスデューサの組付け方法が知られている（特許文献２参照）。この場合でも、比較的肉厚の外部カバー内に、測定素子を収容した薄肉の付勢（プレストレス）スリーブが配置されている。このトランスデューサのダイヤフラムは外部カバーと付勢スリーブとの間の環状隙間を渡っており、外部カバーと溶接接合されている。前記特許文献１及び特許文献２のいずれも、一体ケーシングと測定素子の付勢手段としてのブルドン管のような筒ばねとを有し、ハウジングのひずみに敏感に反応してしまう圧力検出器を示している。

これに関連して、たとえばエンジンおよびターボ系におけるガス状ないし液体状媒体の動的プロセスの測定に適した圧力センサも公知である（例えば、特許文献３参照）。この圧力センサは動的加速度補償機能を有し、これは、筒ばねとして形成された比較的薄肉の円筒壁と、補償質量として使用される厚肉の基体部を有する内部カバーによって形成されている。この内部カバーは圧力受け部側に、一方でセンサダイヤフラムと溶接接合され、他方で同じく圧力受け部側において外部カバーと溶接接合されたフランジを有している。内部カバーにおいてダイヤフラムと補償質量との間で付勢された測定圧電素子は、したがって、インナケーシングと外部カバーとの間の環状隙間によって、圧力センサが螺挿された隣接構造部材に起因する固体伝播音およびひずみ力が直接に伝達されないように保護されている。短所はこの種のセンサが一般に熱に弱いことである。つまり、ダイヤフラムと底部質量とを介して測定圧電素子に伝達された熱量の逃げ場がないために、測定素子パイルの過熱が急速に生ずることである。さらにもう一つの短所は、該センサの内部カバーが筒ばねとして形成された非常に薄肉の円筒壁を有することである。これによってセンサは径方向の加速度成分に対して比較的敏感であり、しかも内部カバーの基体部が比較的大きな補償質量を備えているだけに、そのことが顕著となる。

オーストリア特許第２４７０２８号明細書 オーストリア特許第３８４６７６号明細書 欧州公開特許第０９０２２７６号明細書（対応日本出願：特開平１１−１６０１８２号）

本発明の目的は、加速度補償機能を有する又は加速度補償機能を有しない圧電型圧力センサを改良して、一方で、固体伝播音ならびにケースひずみの悪影響から測定素子が保護されるとともに、他方で、センサの過熱が回避される圧電型圧力センサを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明による圧電型圧力センサは、外部カバーと、圧力受け部側において外部カバーに取り付けられて外部カバーに対して環状隙間を作り出す内部カバーとを含み、圧力受け部側において内部カバーに配置されたダイヤフラムと内部カバーの基体部との間に少なくとも１つの測定圧電素子が配置され、内部カバーは隣接する外部カバーの円筒壁の肉厚に相当する肉厚の連続した厚肉筒部を有するとともに、外部カバーと内部カバーとの間又は内部カバーの基体部と内側肩部との間の環状隙間内に外部カバーへの排熱手段が設けられている。この構成によれば、内部カバーに伝達された熱を、より低温の外部カバーに伝え、さらに最終的には測定孔の壁面に逃がすことができる。また、その際、機械的連結を生じない、もしくは無視し得る程度の機械的連結しか生じない伝熱継手が設けられると好都合である。

さらに、外部カバーと内部カバーとの間の環状隙間内に熱伝導流体、たとえばガリウム、ナトリウム、耐熱油などが配され、あるいは別形態として又はさらに付加的に、この環状隙間内に、内部カバーならびに外部カバーのいずれにも熱接触するたとえば波形構造を有するプレス加工された金属シートを配置することで、より優れた排熱効果が得られる。

本発明の好適な実施形態において、内部カバーの基体部とこの圧力センサの内側肩部との間で付与される軸方向の力に対してフレキシブルに対応できるように形成された伝熱手段、例えば、熱伝導性材料からなるブルドン管のような筒ばね又はベローズが設けられるとよい。

本発明のさらに好適な実施形態において、圧力センサは、緊張手段によって補償圧電素子に対して付勢された、実質的に振動質量からなる動的軸方向加速度補償部を有している。

特に、動的軸方向加速度補償部は少なくとも１つの測定圧電素子に対向する側で内部カバーの基体部に対して付勢されている。圧力測定機能と加速度補償との完全な機能的分離によって、双方の領域を互いに独立に最適化することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

従来技術の典型的な圧電型圧力センサは図１に示されており、すでに説明されているので、この従来の圧電型圧力センサと本願発明の圧電型圧力センサとの違うところを中心として以下に説明する。共通するところは、図１を用いた従来の圧電型圧力センサの説明を流用することができる。例えば、圧電素子の電極は図番２、３で、信号出力プラグは図番６で示されている。

図２に示した本発明による圧力センサは、環状隙間１２を形成するように、その内側肩部２０の下面から下方に延びている円筒壁によって形成される空間に内部カバー１０を収容している外部カバー１を備えている。内部カバー１０は、肉厚筒部１０’とこの肉厚筒部１０’の天井部となっている基体部１１からなる。さらに、圧力受け部側において内部カバー１０に配置されたダイヤフラム５と内部カバー１０の基体部１１との間に少なくとも１つの測定圧電素子４が内部カバー１０の基体部１１に対して付勢（プレストレス）されている。ダイヤフラム５ないしダイヤフラムスタンプ部９を通じて運ばれてくる熱量を内部カバー１０から外部カバー１に排出しやすくするために、外部カバー１と内部カバー１０との間の環状隙間１２には熱伝導流体１４が満たされている。そのための熱伝導流体材料として適当と考えられるのはたとえばナトリウム、ガリウム又は高耐熱油である。

熱伝導流体１４のための密閉内部空間をつくり出すべく、環状隙間１２はダイヤフラム５とは反対側がシール材たとえば膜又はフィルム１５で封止されている。こうして、熱影響や歪み影響などの問題の対象となるねじ山領域７の全体にわたって内部カバー１０と外部カバー１との間の直接の熱接触（熱伝導可能な接触）が実現される。その際、この領域におけるいっさいの機械的連結は存在しない。外部カバー１への内部カバー１０の固定は上記問題領域以外の箇所で内部カバー１０のフランジ１３を介して行われる。

図２に示したセンサはさらに、緊張手段１８（例えば、ブルドン管として機能する筒バネ）によって２つの補償圧電素子１９，１９’に対して付勢（プレストレス）している、実質的に振動質量１７からなる動的軸方向加速度補償部１６を有している。この場合、補償圧電素子１９，１９’はこの圧力センサの内側肩部２０の上面に保持されている。

図３に示した本発明による圧力センサの実施態様は特に、動的軸方向加速度補償部１６が測定圧電素子４に対向する側で内部カバー１０の基体部１１に対して直接付勢していることを特徴としている。この実施態様において、熱伝導流体１４を収容する環状隙間１２は動的軸方向加速度補償部１６のところまで達しこの領域内でシールリング２１によってその他のセンサ内部空間に対して封止されている。

図４に示したように、外部カバー１と内部カバー１０との間の環状隙間１２内の排熱手段として、互いに対向した側面で内部カバー１０にも外部カバー１にも熱接触する、図４では波形構造を有するようにプレス加工された金属シート２２が配置されている。

最後に図５には、加速度補償機能なしの本発明による圧力センサが示されている。この場合、内部カバー１０又はその基体部１１と圧力センサの内側肩部２０との間には大きな間隔が存在するため、基体部１１とショルダ２０との間に付与された軸方向の力に対してフレキシブルに対応できるように形成された伝熱手段２３を配置することができる。伝熱手段２３はたとえば筒ばねやベローズとして形成されて、優れた伝熱性を有する金属から製作されているため、内部カバー１０に生ずる熱量は軸方向において外部カバー１に排出可能である。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

従来の技術としての圧電型圧力センサの縦断面図 加速度補償機能を有する、本発明による圧電型圧力センサの１つの実施形態を示す図１に対応する断面図 加速度補償機能を有する、本発明による圧電型圧力センサの他の実施形態を示す図１に対応する断面図 図２に示した実施形態の、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図 加速度補償機能を有しない、本発明による圧電型圧力センサの１つの実施形態を示す部分断面図

符号の説明

１ 外部カバー
４ 測定圧電素子
５ ダイヤフラム
１０ 内部カバー
１０’ 厚肉筒部
１１ 内部カバーの基体部
１２ 環状隙間
１４ 熱伝導流体（排熱手段）
２２ 波形金属シート（排熱手段）
２３ 筒ばね（排熱手段）

Claims (8)

1. 圧力受け部側と反対側に内側肩部（２０）を有する外部カバー（１）と、圧力受け部側と反対側に基体部（１１）を有し、前記外部カバー（１）の前記圧力受け部側において前記外部カバー（１）に取り付けられるとともに、環状隙間（１２）によって前記外部カバー（１）から分離される内部カバー（１０）とを含み、圧力受け部側において内部カバー（１０）に配置されたダイヤフラム（５）と内部カバー（１０）の基体部（１１）との間に少なくとも１つの測定圧電素子（４）が配置された圧電型圧力センサであって、
   内部カバー（１０）は隣接する外部カバー（１）の円筒壁の肉厚に相当する肉厚の連続した厚肉筒部（１０’）を有するとともに、
   前記内部カバー（１０）の基体部（１１）と前記外部カバー（１）の前記内側肩部（２０）との間に延び、熱を前記外側カバー（１）に伝達する筒ばね又はベローズ（２３）を備え、
   前記筒ばね又はベローズ（２３）は、軸方向に対して弱い力の伝達を提供することを特徴とする圧電型圧力センサ。
2. 前記外部カバー（１）と前記内部カバー（１０）との間の前記環状隙間（１２）に熱伝導流体（１４）が配されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型圧力センサ。
3. 前記環状隙間（１２）内には前記ダイヤフラム（５）とは反対側にシール材が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電型圧力センサ。
4. 前記シール部材は、シールリング（２１）、膜又はフィルム（１５）であることを特徴とする請求項３に記載の圧電型圧力センサ。
5. 前記外部カバー（１）と前記内部カバー（１０）との間の前記環状隙間（１２）内に、当該内部カバー（１０）ならびに当該外部カバー（１）のいずれにも熱接触する、波形構造を有するプレス加工された金属シート（２２）が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電型圧力センサ。
6. 圧力センサは、緊張手段（１８）によって少なくとも一つの補償圧電素子（１９，１９’）に対して付勢された振動質量（１７）を有する動的軸方向加速度補償部（１６）を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電型圧力センサ。
7. 前記動的軸方向加速度補償部（１６）は前記測定圧電素子（４）に対向する側で前記内部カバー（１０）の前記基体部（１１）に対して付勢されていることを特徴とする請求項６に記載の圧電型圧力センサ。
8. 前記熱伝導流体（１４）はガリウム、ナトリウム、又は高温耐熱油であることを特徴とする請求項２に記載の圧電型圧力センサ。

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