JP5631409B2 - 低粘度媒体用圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、射出成型において使用される低粘度媒体の圧力を測定するセンサであって、軸線Ａを有するハウジングと、圧力空間に晒される端面と、端面に配置されハウジングに固定的に接続されたダイヤフラムとを備え、ダイヤフラムの撓みに基づき圧力空間内に存在する圧力を推定することができる測定素子がダイヤフラムの裏側に配置されたセンサに関する。

上記のようなセンサは、特に射出成型において使用され、従って高い圧力・温度差に晒される。先行技術に係るセンサの一例としては、スイスのキスラー・インストルメンテ社（Ｋｉｓｔｌｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＡＧ）のセンサ６１６７型（Ｓｅｎｓｏｒ ｔｙｐｅ ６１６７）があり、特許文献１にも記載されている。一般にこのようなセンサは、使用時、例えば射出成型品を取り出す時に大きな機械的応力がかかるため、比較的厚いダイヤフラムを有する。

技術的な理由から、他の用途分野の圧力センサは射出成型における空隙の圧力センサとして使用できない場合が多い。これは、例えば、応答時間が遅過ぎたり、分解能が低過ぎたり、十分な耐温度性を有さなかったり、また特に、継続的な大きな温度変化に耐えられえなかったりするためである。

このような圧力センサは常に、小さい間隔ギャップを有して工具に取り付けられる。低粘度材料を用いた射出成型では、この成形材料が最終的にセンサと工具との間のギャップ内に流れ込むことにより、センサの前部領域に対して側圧を生じさせる。この圧力は、センサのハウジングに対して径方向に作用し、最終的にはダイヤフラムの撓みを起こして、エラー信号を発生させてしまう。前面に接着させた薄膜で基準測定を行った比較測定を用いた研究によれば、最大２０％のずれが生じた。

このようなセンサの更なる問題は、取り付け状況が相応に良好ではない場合にセンサの前部の応力によって引き起こされる。射出成型分野における圧力センサはその高い分解能特性のために、ハウジングの非常に小さい応力によっても、測定素子に対してエラー信号を発生させてしまう傾向があることが示されている。

米国特許第６２１２９６３号

本発明の目的は、径方向に作用する側圧によって生じる不正確な測定を大幅に減少させる、上記タイプのセンサを特定化することである。

上記目的は、独立請求項の特徴的構成によって達成される。特に、本発明に係るセンサは、ハウジングの外側において該ハウジングの軸線Ａと同軸に配置され、端面において当該センサに密接に接続された圧力スリーブを備える。この接続部の裏側に、この圧力スリーブは、ギャップを有してハウジングから一定の距離に配置され、このギャップが、圧力空間から離れる方向に、力の経路の領域よりも更に測定装置を越えて軸方向に延在している。

上記圧力スリーブは、特に、発生する側圧に対して、これを内方に伝達することなく耐えられるように十分な強度を有して構成される。

以下、本発明を、図面を参照しながらより詳細に説明する。全ての図面において、同じ参照符号を使用する。

先行技術に係るセンサの前部領域における概略図を示す。 本発明に係るセンサの概略図を示す。 本発明に係るセンサの前部構造の代替実施例を示す。 本発明に係るセンサの前面図を示す。 本発明に係るセンサの代替例を示す。

図１は、工具１１に取り付けられた先行技術に係るセンサ１を簡略図で示す。センサ１は、ハウジング２を備える。ハウジング２は、ジャケット面９を有するとともに、ハウジング２内の中心に延在する軸線Ａを有する。センサ１は、端面４を備え、装着時、該端面４は圧力空間３に晒される。ハウジング２の端面には、ハウジング２に固定的に接続されたダイヤフラム５が配置されている。ダイヤフラム５は、典型的には、溶接線１２にてハウジング２に溶接される。ダイヤフラム５の撓みに基づき、センサ１は、圧力空間３内に存在する圧力を推定することができる。この目的のために、センサ１は、測定素子１３、例えば、圧電性結晶を有する。測定素子１３は、ダイヤフラム５の裏側に配置され、その後部においてハウジングの突起１８によってハウジング２に支持される。圧力空間３内の圧力によって生じるセンサ内の閉じた力の経路（ｃｌｏｓｅｄ ｆｏｒｃｅ ｐａｔｈ）は、ダイヤフラム５を横断し、測定素子１３を通過し、ハウジングの突起１８を横断してハウジング２に達し、そして最後に溶接線１２を横断してダイヤフラム５に再び戻る。また、測定素子１３として光学センサやひずみゲージを有する代替構成において、例えば、オイル充填センサ（ｏｉｌ−ｆｉｌｌｅｄ ｓｅｎｓｏｒ）の場合、力の経路は、ダイヤフラム５の両側部を軸方向に後方そしてハウジング１８の突起近傍に延び、最後に再び合流する。

センサ１の端面４は平坦であり、射出成型中、跡を残さない。

図中の矢印は、センサ１の前部領域に作用する圧力を示す。ダイヤフラム５に対して軸方向に作用する測定すべき圧力とは別に、望ましくない圧力が、センサ１の前部領域におけるジャケット面９に対して径方向に作用する。これは、ギャップ１４がセンサ１と工具１１との間に常に存在するためである。射出成型に低粘度材料を使用する場合、材料がギャップ１４内に流入してこの望ましくない径方向圧力を発生させる。この径方向圧力によって、この前部領域においてハウジング２の変形が引き起こされる。これは、一般的にハウジングが、測定素子１３の隣に余地を残すように、該前部領域において壁が薄いからである。ハウジング２の変形は、隣接するダイヤフラム５の変形に直接繋がり、誤測定に繋がる。この点に関し、ハウジング２をより大きな剛性を持つように構成することも考えられる。しかし、この構成の欠点は、ダイヤフラムのハウジングへの取付性が損なわれることである。

センサ１と工具１１との間のギャップ１４を封止するために、Ｏリング１０をセンサ１のジャケット面９に取り付けることができる。Ｏリング１０には、該Ｏリング１０を位置決めするためのストッパとして、切欠き１５がハウジング２のジャケット面９に必要となる。切欠き１５が、測定素子１３の領域におけるセンサのハウジング２のすでに非常に薄い部分を更に弱める可能性があるため、Ｏリング１０は測定素子１３の裏側に配置しなければならない。その結果、この構成は測定に悪影響を及ぼし得る。

図２は、工具１１における本発明に係るセンサ１を示す。このセンサ１は、主に、上記先行技術に係るセンサ１と同じ様に構成されている。従って、センサ１は、ジャケット面９及び軸線Ａを有するハウジング２と、ハウジング２に取り付けられたダイヤフラム５とを備え、装着時にその端面４において圧力空間３に晒される。ダイヤフラム５もまた、典型的には、好ましくは溶接線１２にてハウジング２に溶接される。この裏側には、測定素子１３、例えば、圧電性結晶が、ダイヤフラム５に作用する圧力を測定するために配置される。ここで、光学測定方法等の代替手段も可能である。力の経路は、図１の記載に従って延在する。

本発明によれば、図２のセンサ１は、外側ジャケット面９’を有する圧力スリーブ６を有する。圧力スリーブ６は、ハウジング２の外側で該ハウジングの軸線Ａと同軸に配置されるとともに、ハウジングからギャップ１７だけ離間している。これは、センサ１に対して端面４上に、好ましくは更なる溶接線１２’にて密接に接続されていなければならない。

ここで、射出成型中に跡を残さないように、本発明に係るセンサ１の端面４もまた平坦である。

この配置において、ギャップ１４’が工具１１と圧力スリーブ６との間に設けられている。圧力スリーブ６とハウジング２との間の端面における密接な接続のおかげで、媒体がギャップ１７に浸入してハウジング２のジャケット面９に作用することはなく、そのため測定を阻害することはない。しかし、媒体、特に射出成型の場合の低粘度液体は、ギャップ１４’内に浸入して、図２の一方側に示すように、圧力スリーブ６のジャケット面９’に力を与えうる。しかしながら、この前部領域におけるハウジングの壁厚とは対照的に、圧力スリーブ６の壁厚７は剛性が高いため、この場合、径方向に生じる圧力は如何なる変形をもほとんど起こさない。また、この領域において圧力スリーブ６は、ギャップ１７だけハウジング２から離間しているため、圧力スリーブ６が少し屈曲したとしてもハウジングの壁には作用せず、つまり、ダイヤフラム５の撓みも発生しない。端面において、圧力スリーブ６は、ダイヤフラム５に対して溶接線１２’によって支持することができるので、ダイヤフラム５の撓みに至らない。

本発明によれば、このギャップ１７は、圧力空間３から離れる方向に、力の経路１９の領域よりも更に測定素子１３を越えて軸方向に延在していなければならない。これにより、圧力スリーブ６からハウジング２に作用しうる如何なる径方向力も力の経路１９の領域に影響を及ぼさず、従って該領域に伝達されることもない。従って、このギャップ１７の終端が更に後方であればあるほど、測定素子を横断する力の経路１９がある前方領域においてセンサ１はより応力を受けない。

また、圧力スリーブ６のギャップ１７の後端までの前部領域全体が出来るだけ応力を受けないようにするのが望ましい。この前部領域がまた雄ねじ２０を有さないようにすることでこのことが満たされることが示されている。雄ねじ２０は、装着時、該雄ねじ２０の径方向内側の本体において常に捻り応力を起こす。ギャップ１７の後端までの前部領域において雄ねじを適用しなければ、前方接続部１２’とギャップ１７の端部との間に、センサに影響を及ぼしうる捻りが生じない。

圧力スリーブ６と工具１１との間のギャップ１４’を封止するために、Ｏリング１０，１０’を使用することができる。しかしこれは必須ではない。封止は更に後方においても適用することができる。本発明の装置では、測定素子１３の領域において、圧力スリーブ６がハウジング２の壁よりも強度が非常に大きくなるように設計されているので、このＯリング１０’は非常に前方に配置することができる。この、前方且つ圧力空間３近傍への取り付けを図２ａの一方側において示す。特に、このＯリング１０’は、ダイヤフラム５及び／又は測定素子１３の近傍の領域に配置することができる。先行技術では、この配置に必要な切欠き１５によってハウジング２の壁厚が更に弱くなる可能性があるため、これは推奨されない。加えて、本発明に係る設計におけるこのＯリング１０’の前部への取り付けによって、望ましくない径方向圧力が圧力スリーブ６のジャケット面９’に印加されうる領域のサイズを減少させることもできる。これにより、ダイヤフラム５が側圧によって撓んでしまう危険を冒すことなく、圧力スリーブ６の壁厚を局所的に多少減らすことができるように、望ましくない径方向圧力が低下する。Ｏリング１０’を前部近傍に取り付けることの更なる利点は、射出成型中に低粘度液体がギャップ１４’に浸入しＯリング１０’に至ることによって形成される突条が減少するということである。これは、成形品の品質に対して好ましい結果を有する。

本発明に係るセンサ１の好適な用途としては、射出成型工具における、特に低粘度媒体を同時に使用する場合の圧力測定があるが、特に内燃機関の燃焼室における圧力測定も挙げられる。この場合、Ｏリング１０’の代わりに、段差付きグロメットを、肩部１６の好ましくは前部のごく近傍に取り付けてもよい。このような例を図３に例示する。従来のセンサと比較して本発明に係るセンサ１の全般的な利点は、前部の表面領域９’が更なる加工に対して影響を受けにくいということである。これは、Ｏリング１０’のための溝又は切欠き１５の適用や、段差付きグロメットのための突起／肩部１６の形成、或いは、例えば射出成型において隣接する工具１１への一定の変化を形成するための材料の除去に特に関係する。

センサ１の本発明に係る構成が、燃焼室に適用する場合にも有利に働くことを示す。ダイヤフラム５からの封止接合部又は溶接線１２’を介した壁厚の圧力スリーブ６への放熱が促進されるため、センサ１内部の温度が低下する。

圧力スリーブ６の壁厚７は、図４に示すように、好ましくはその内径８の約半分の大きさから該内径８と同じ大きさの間、すなわち、大凡この圧力スリーブ６の内側のセンサハウジング２の直径の半分の大きさから外ハウジング２の直径と同じ大きさの間とすることが好ましい。従って、本発明に係るセンサ１の端面における直径は、上記先行技術の実施例の直径の概ね２倍〜３倍である。小型のセンサの場合、圧力スリーブ６の壁厚７を、圧力スリーブ６の内径８と同様の厚さとすることが推奨される。

好ましくは、圧力スリーブ６は、その端面にてダイヤフラム５に溶接される。或いは、本発明に係るセンサ１は、端面が一体の連続的な構成となるように構成することができる。この場合、ダイヤフラム５は、圧力スリーブ６のジャケット面９’まで連続するように構成することができる。この実施例の欠点としては、測定素子１３の前方でダイヤフラム５のプレストレス条件を得ることが難しいこと、及び測定素子１３の装着が挙げられる。本発明の実施例の利点としては、端面の溶接線１２’がダイヤフラム５及び圧力スリーブ６よりも柔らかいということが挙げられる。これは、この溶接線１２’において、ある種の接合部が形成されることによって、圧力スリーブ６からダイヤフラム５への力の伝達、ひいては望ましくない径方向圧力によるダイヤフラム５の撓みが抑制されることを意味する。測定素子１３の装着については変わらない。

図５において、本発明に係る完全なセンサを代替構成で示す。参照符号は、図２のものに対応している。この図において、測定素子１３は、横効果を有する圧電性結晶として実装されている。このような結晶は、縦効果を有するものよりずっと感度が高いため、圧力差が低い場合でも非常に正確な結果が得られる。円形状に配置されたこのような結晶板を３枚使用するのが好ましい。

また、圧力及び温度を同時に測定するために、図２又は５に係るセンサに、温度センサを装着してもよい。これは、好ましくはセンサ１の中心に配置される。横効果を有する３つの測定素子を円形状に配置する場合、このような温度センサを配置するために中央の空間が利用できる。

この図５において示す力の経路１９は、特に、ハウジングの突起１８を横断するように延在している。ハウジングのこの突起１８とギャップ１７の終端との間に、少なくとも５ｍｍ、好ましくは、少なくとも１０ｍｍのオフセット２１を存在させるべきである。これにより、ギャップ１７の終端において作用する径方向力がもはや力の経路１９に影響を及ぼさなくなる。

また、ここで、雄ねじ２０も示されており、これによりセンサ１を工具１１の穿設穴に締結させることができる。雄ねじ２０はギャップ１７の終端の後から形成されているため、穴に取り付ける際、センサ前部４とギャップ１７の後終端との間の圧力スリーブ６に対してモーメントが生じない。従って、センサ１の前部領域に対して伝達されることもない。

１ センサ
２ ハウジング、センサハウジング
３ 圧力空間
４ センサの端面
５ ダイヤフラム
６ 圧力スリーブ
７ 壁厚
８ 内径
９，９’ （外側）ジャケット面
１０，１０’ Ｏリング
１１ 工具
１２，１２’ 接続部、溶接線
１３ 測定素子、圧電性結晶
１４，１４’ ギャップ
１５ 切欠き
１６ 肩部
１７ ギャップ
１８ ハウジングの突起
１９ 力の経路
２０ 雄ねじ
２１ オフセット
Ａ 軸線

Claims (9)

1. 軸線Ａを有するハウジング（２）と、圧力空間（３）に晒される平坦な端面（４）と、前記端面（４）に配置され前記ハウジング（２）に固定的に接続されたダイヤフラム（５）とを備える、射出成型において使用される低粘度媒体の圧力を測定するセンサであって、前記ダイヤフラム（５）の撓みに基づき前記圧力空間（３）内に存在する圧力を推定することができる測定素子（１３）が、前記ダイヤフラム（５）の裏側に配置されたセンサにおいて、前記端面において前記センサに密接に接続されるとともにこの接続部（１２’）の裏側にギャップ（１７）を有して前記ハウジング（２）から一定の距離に配置された圧力スリーブ（６）が、前記ハウジング（２）の外側で前記ハウジングの前記軸線Ａと同軸に配置され、前記ギャップ（１７）が、前記圧力空間（３）から離れる方向に、力の経路（１９）の領域よりも更に前記測定素子（１３）を越えて軸方向に延在し、前記圧力スリーブ（６）の壁厚（７）が、前記ダイヤフラム（５）の領域における前記圧力スリーブ（６）の内径（８）の少なくとも半分の大きさであることを特徴とするセンサ。
2. 前記圧力スリーブ（６）が、前記ギャップ（１７）の径方向外側の領域全体において、穿設穴に固定するための雄ねじ（２０）を備えないことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記ギャップ（１７）が、前記圧力空間（３）から離れる方向に、前記力の経路（１９）の領域よりも少なくとも５ｍｍ、好ましくは１０ｍｍのオフセット２１だけ更に前記測定素子（１３）を越えて軸方向に延在していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ。
4. 前記測定素子（１３）が、横効果を有する１つ以上の圧電素子を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
5. 前記センサが、温度測定素子を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 前記温度測定素子が、前記センサの中心に配置されることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
7. 前記圧力スリーブ（６）が、前記ダイヤフラム（５）の端面上に溶接されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ。
8. 前記圧力スリーブ（６）が外側ジャケット面（９，９’）を有し、前記外側ジャケット面（９，９’）には、その前部近傍において、Ｏリング（１０’）又は肩部（１６）が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサ。
9. 前記端面における前記接続部（１２’）が、前記圧力スリーブ（６）と前記ハウジング（２）との間の溶接線であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサ。
   

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