JP6580526B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサに関し、特に、高温環境下での使用に好適な圧力センサに関するものである。
圧力センサとして、特許文献１（特開２００９−２６４９５号公報）および特許文献２（特開平４−１９４６３８号公報）に記載されたものが知られている。
特許文献１には、内部に被検出媒体が流れる被取付部材に取付可能なハウジングであって、前記被検出媒体を導入するための導入孔が形成されるハウジングと、外部との信号のやりとりを行うためのターミナルを有するコネクタケースであって前記ハウジングよりも比熱の小さいコネクタケースと、前記導入孔を介して導入される前記被検出媒体の被検出圧力に応じて変位するダイアフラムと、前記ダイアフラムの変位に基づいて前記被検出圧力を検出するセンサ素子と、前記ハウジングと前記コネクタケースとを組み付けることにより形成される密閉空間であって、前記センサ素子がその内部に配置される密閉空間と、前記密閉空間内に充填される絶縁性液体と、を備える圧力センサが開示されている。
また、特許文献２には、ケースに設けられたダイアフラムと、前記ケース内に設けられ前記ダイアフラムに指向した圧力検知部と、この圧力検知部と前記ダイアフラムとの間に封入された圧力伝達液とを備え、前記ケースには前記圧力伝達液をケース内に注入するための伝達液注入口が形成され、またこの伝達液注入口には前記圧力伝達液を封入するためのねじが螺着された圧力センサが開示されている。
本発明者は、センサ素子とその制御回路とを１チップ化した圧力検出ＩＣを備えたロッド方式の車両用圧力センサを開発中である。
この圧力センサは、ロッドの周期振動に起因する内圧測定精度の低下を抑制する対策として、圧力伝達媒体を液体とするものであるが、この圧力センサを車両用エンジンの燃焼室のような高温環境下で使用する場合は、圧力伝達媒体である液体の温度が使用上限温度を超えて熱分解してしまうため、液体の温度を使用上限温度以下に下げる対策が必要となる。
特許文献１に記載された圧力センサは、絶縁性液体を冷却液として用い、センサ素子部を対象とした冷却がなされるが、圧力伝達媒体を冷却する構造は備えていない。
また、特許文献２に記載された圧力センサは、圧力伝達媒体として圧力伝達液を備えているが、圧力伝達液を冷却する機構は備えていない。
そのため、これら既存の圧力センサは、圧力伝達媒体として液体を用いた場合、高温環境下では液体の熱分解によるガス発生に伴って内圧が逐次上昇し、正確に圧力計測を行うことが困難である。
そこで、本発明は、高温環境下で圧力伝達媒体として液体を用いた場合であっても、液体の熱分解を抑制しつつ、正確に圧力計測を可能とする圧力センサを提供することを目的とする。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
代表的な一実施の形態による圧力センサは、中空の液体封入容器の内部に封入された圧力伝達液と、受圧時に弾性変形して前記圧力伝達液に圧力を伝達するダイヤフラムと、前記圧力伝達液に伝達された前記圧力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、前記液体封入容器の内壁の一部および前記圧力伝達液のそれぞれと接するように、前記液体封入容器の内部に取り付けられた放熱部材と、を有する。
代表的な一実施の形態による圧力センサは、中空の液体封入容器の内部に封入された圧力伝達液と、受圧時に弾性変形して前記圧力伝達液に圧力を伝達するダイヤフラムと、前記圧力伝達液に伝達された前記圧力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、を有し、前記圧力伝達液と接する前記液体封入容器の内壁が凹凸面とされているか、または、前記液体封入容器の前記内壁の一部を囲み、前記内壁の一部と接する第２放熱用構造体をさらに有する。
代表的な実施の形態によれば、圧力センサの放熱特性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の圧力センサの斜視図、図２は、本実施の形態の圧力センサの一部破断斜視図、図３は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。なお、図１〜図３には、圧力センサの先端（下端）からネジ部までが示されており、ネジ部より上方部分の図示が省略されている。
図１は、本実施の形態の圧力センサの斜視図、図２は、本実施の形態の圧力センサの一部破断斜視図、図３は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。なお、図１〜図３には、圧力センサの先端（下端）からネジ部までが示されており、ネジ部より上方部分の図示が省略されている。
本実施の形態の圧力センサ１Ａは、圧力センサ１Ａを車両用エンジンの燃焼室に固定するためのネジ部２ａを備えた接続部２と、接続部２の一端に固定された中空の液体封入容器３と、液体封入容器３の先端（下端）に固定されたダイヤフラム４と、液体封入容器３の他端（上端）に固定された圧力検出素子５と、液体封入容器３の内部に封入された圧力伝達液６と、液体封入容器３の内部に設けられた放熱用ロッド７とを有する。接続部２と液体封入容器３、および接続部２とダイヤフラム４は、それぞれ溶接などによって互いに機械的に接続されている。
液体封入容器３は、好ましくは金属のような熱伝導性の高い材料で構成され、例えば高硬度で、耐熱性、耐食性、耐酸化性、耐クリープ性などの高温特性に優れる析出硬化系ステンレスやインコネルが用いられる。図示の例では、液体封入容器３の外部形状は円筒形であるが、楕円筒形や角筒形などでもよい。また、液体封入容器３の内部（中空部）の形状は円筒形であるが、楕円形や多角形などでもよい。
液体封入容器３に封入される圧力伝達液６としては、例えばフッ素オイル、シリコンオイル、イオン液体などが用いられる。圧力伝達液６は、液体封入容器３の側面に設けられた注入孔３ａを通じて液体封入容器３の内部に注液され、その後、注入孔３ａは封止栓８により封止される。圧力伝達液６の注液方法としては、例えば真空注液法などが用いられる。また、封止栓８は、例えばネジ止めや溶接により注入孔３ａに固定される。
ダイヤフラム４は、外部から圧力を受けた際に塑性変形を起こさない程度の機械強度を有する厚み（例えば０．２〜０．５ｍｍ）で形成されている。ダイヤフラム４は、受圧時に弾性的に変形し、その変形に伴って圧力伝達液６に圧力を伝達する。ダイヤフラム４は、好ましくは金属材料で構成され、例えば高硬度で、耐熱性、耐食性、耐酸化性、耐クリープ性などの高温特性に優れる析出硬化系ステンレスやインコネルが用いられる。
液体封入容器３の上端部の外側面の一部には、切削や放電加工などによって局所的に薄肉化かつ平坦化された切り欠き部３ｂが設けられており、圧力検出素子５は、この切り欠き部３ｂに固定されている。
ダイヤフラム４が外部から受けた圧力は、圧力伝達液６を介して切り欠き部３ｂの薄肉箇所を変形させる。そして、圧力の大きさに応じた薄肉箇所の変形量が圧力検出素子５によって検出され、その信号が圧力検出素子５に接続された配線９を通じて圧力センサ１Ａの外部に出力される。圧力検出素子５としては、ピエゾ抵抗センサ、歪みゲージなど、構造変化を電気信号に変換することが可能な素子が用いられる。
放熱用ロッド７は、一端（上端）が液体封入容器３の上端に固定され、かつ他端（下端）がダイヤフラム４と接触しないように液体封入容器３の内部に配置されている。放熱用ロッド７は、例えば金属射出成形によって液体封入容器３と一体的に構成されていてもよく、溶接、圧入などにより液体封入容器３に機械的に接続されていてもよい。
放熱用ロッド７は、好ましくは金属もしくはセラミックスのような熱伝導性の高い材料で構成され、例えば高硬度で、耐熱性、耐食性、耐酸化性、耐クリープ性などの高温特性に優れる析出硬化系ステンレスやインコネル、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素などが用いられる。図示の例では、放熱用ロッド７の形状は円棒であるが、楕円棒、角棒などでもよく、円筒、楕円筒、角筒などの中空構造を有するものでもよい。
図４は、本実施の形態の圧力センサ１Ａの適用例を示す車両用ガソリンエンジンの模式図である。
車両用ガソリンエンジン２０は、シリンダ２１内を往復動するピストン２２の上部に燃焼室２３を備えており、燃焼室２３の上部（シリンダヘッド）には、吸気弁２４、排気弁２５、インジェクタ（燃料噴射装置）２６、点火プラグ２７および圧力センサ１Ａが取り付けられている。
圧力センサ１Ａは、ダイヤフラム４が燃焼室２３の内部に露出するように、接続部２のネジ部２ａによってシリンダヘッドに固定されており、吸気・圧縮・膨張・排出の各行程毎に燃焼室２３の圧力を計測することによって、燃焼の高精度制御（燃費向上、排ガス量低減など）を行う。
上述した本実施の形態の圧力センサ１Ａによれば、液体封入容器３の内部に液体封入容器３および圧力伝達液６と接する放熱用ロッド７を設けたことにより、放熱用ロッド７を設けない場合に比べて圧力伝達液６の熱を液体封入容器３の外部に伝達する放熱経路が増加する。すなわち、液体封入容器３の内部に放熱用ロッド７を設けない場合は、平滑で凹凸の無い面で構成される液体封入容器３の内壁面のみが圧力伝達液６と接触するのに対し、放熱用ロッド７を設けた場合は、放熱用ロッド７の表面も圧力伝達液６と接触するので、圧力伝達液６と接触する表面積が増加し、圧力伝達液６の放熱性が向上する。
これにより、圧力伝達液６の過度な温度上昇を抑制することができるので、車両用エンジンの燃焼室のような高温環境下においても、圧力伝達液６の熱分解によるガスの発生を抑制でき、高精度な圧力計測が可能となる。
（実施の形態２）
図５は、本実施の形態の圧力センサの一部破断斜視図である。
図５は、本実施の形態の圧力センサの一部破断斜視図である。
本実施の形態の圧力センサ１Ｂの特徴は、液体封入容器３の内部に設けられた放熱用ロッド７の表面を凹凸面にした点にある。図示の例では、放熱用ロッド７の表面に放熱用ロッド７の軸方向に沿って延びる複数の長溝１０を形成することによって、放熱用ロッド７の表面を凹凸面にしている。本実施の形態の圧力センサ１Ｂのその他の特徴は、実施の形態１の圧力センサ１Ａと同一であるので、その説明は省略する。
放熱用ロッド７の凹凸面は、放熱用ロッド７の表面を機械加工することによって形成することができる。また、ブラスト処理、薬液エッチング、酸化還元処理、プラズマ処理、スパッタ処理などの表面粗化処理によって凹凸面を形成してもよい。
本実施の形態の圧力センサ１Ｂによれば、放熱用ロッド７の表面が平滑で凹凸の無い面で構成される場合（実施の形態１）に比べて圧力伝達液６と接触する表面積が増加するので、圧力伝達液６の放熱性がさらに向上し、圧力伝達液６の過度な温度上昇をより一層抑制することが可能となる。
図５に示す例では、放熱用ロッド７の表面に放熱用ロッド７の軸方向に沿う複数の長溝１０を形成しているが、例えば図６に示すように、放熱用ロッド７の表面に複数の円周溝１１を形成することによって放熱用ロッド７の表面を凹凸面にしてもよい。
また、図示は省略するが、放熱用ロッド７の表面に螺旋状、スリット状あるいは格子状の溝を形成したり、放熱用ロッド７の表面に複数の突起を形成したりすることによって、放熱用ロッド７の表面を凹凸面にすることもできる。
（実施の形態３）
図７は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。
図７は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。
本実施の形態の圧力センサ１Ｃの特徴は、金属またはセラミックスのような熱伝導性の高い材料からなる放熱用の構造体１２を放熱用ロッド７の周囲を囲むように設けた点にある。構造体１２は、例えば円筒形を有するメッシュ状もしくは繊維状の薄板からなり、その一端（上端）が液体封入容器３の上端に固定され、かつ他端（下端）がダイヤフラム４と接触しないように液体封入容器３の内部に配置されている。本実施の形態の圧力センサ１Ｃのその他の特徴は、実施の形態１の圧力センサ１Ａと同一であるので、その説明は省略する。
本実施の形態の圧力センサ１Ｃによれば、実施の形態２と同様、放熱用ロッド７の表面が平滑で凹凸の無い面で構成される場合（実施の形態１）に比べて圧力伝達液６と接触する表面積が増加するので、圧力伝達液６の放熱性がより向上し、圧力伝達液６の過度な温度上昇をより一層抑制することができる。
また、本実施の形態の圧力センサ１Ｃの場合は、実施の形態２のように放熱用ロッド７の表面を加工しないので、放熱用ロッド７の強度を損なうことなく放熱用ロッド７の表面積を実質的に増やすことができる。
さらに、本実施の形態の圧力センサ１Ｃの構成と実施の形態２の圧力センサ１Ｂの構成とを組み合わせてもよい。すなわち、放熱用ロッド７の表面を凹凸面にすると共に、放熱用ロッド７の表面に本実施の形態の構造体１２を取り付けてもよい。これにより、圧力伝達液６の放熱性をさらに向上させることができる。
（実施の形態４）
図８は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。
図８は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。
本実施の形態の圧力センサ１Ｄの特徴は、液体封入容器３の内部に実施の形態１〜３に示した放熱用ロッド７を取り付ける手段に代えて、液体封入容器３の内壁面に複数の円周溝１３を形成することによって、液体封入容器３の内壁面を凹凸面にしている点にある。
本実施の形態の圧力センサ１Ｄによれば、液体封入容器３の内壁面が平滑で凹凸の無い面で構成される場合に比べて圧力伝達液６と接触する表面積が増加するので、圧力伝達液６の放熱性がより向上し、圧力伝達液６の過度な温度上昇をさらに抑制することができる。
図８に示す例では、液体封入容器３の内壁面に複数の円周溝１３を形成することによって液体封入容器３の内壁面を凹凸面にしているが、例えば液体封入容器３の内壁面に実施の形態２の図５に示した長溝１０と同様の長溝を形成することによって、液体封入容器３の内壁面を凹凸面にしてもよい。また、ブラスト処理、薬液エッチング、酸化還元処理、プラズマ処理、スパッタ処理などの表面粗化処理によって、液体封入容器３の内壁面を凹凸面にしてもよい。
さらに、本実施の形態の圧力センサ１Ｄは、液体封入容器３の内部に実施の形態１〜３に示した放熱用ロッド７を取り付けないので、部品点数を増やすことなく圧力伝達液６の放熱性を向上させることができる。
（実施の形態５）
図９は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。
図９は、本実施の形態の圧力センサの断面図である。
本実施の形態の圧力センサ１Ｅの特徴は、液体封入容器３の内部に実施の形態１〜３に示した放熱用ロッド７を取り付ける手段に代えて、液体封入容器３の内壁面に沿って金属またはセラミックスのような熱伝導性の高い材料からなる放熱用の構造体１４を設けた点にある。構造体１４は、例えば円筒形を有するメッシュ状もしくは繊維状の薄板からなり、その一端（上端）が液体封入容器３の上端に固定され、かつ他端（下端）がダイヤフラム４と接触しないように液体封入容器３の内部に配置されている。
本実施の形態の圧力センサ１Ｅによれば、液体封入容器３の内壁面が平滑で凹凸の無い面で構成される場合に比べて圧力伝達液６と接触する表面積が増加するので、圧力伝達液６の放熱性がより向上し、圧力伝達液６の過度な温度上昇をさらに抑制することができる。
また、本実施の形態の圧力センサ１Ｅの場合は、実施の形態４のように液体封入容器３の内壁面を加工しないので、液体封入容器３の強度を損なうことなく、液体封入容器３の表面積を実質的に増やすことができる。
さらに、本実施の形態の圧力センサ１Ｅの構成と実施の形態４の圧力センサ１Ｄの構成とを組み合わせてもよい。すなわち、液体封入容器３の内壁面を凹凸面にすると共に、液体封入容器３の内壁面に本実施の形態の構造体１４を取り付けてもよい。これにより、圧力伝達液６の放熱性をさらに向上させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
例えば、実施の形態１〜３のいずれかの構成と実施の形態４、５のいずれかの構成とを適宜組み合わせた構成を採用することもできる。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 圧力センサ
２ 接続部
２ａ ネジ部
３ 液体封入容器
３ａ 注入孔
３ｂ 切り欠き部
４ ダイヤフラム
５ 圧力検出素子
６ 圧力伝達液
７ 放熱用ロッド
８ 封止栓
９ 配線
１０ 長溝
１１ 円周溝
１２ 構造体
１３ 円周溝
１４ 構造体
２０ 車両用ガソリンエンジン
２１ シリンダ
２２ ピストン
２３ 燃焼室
２４ 吸気弁
２５ 排気弁
２６ インジェクタ
２７ 点火プラグ
２ 接続部
２ａ ネジ部
３ 液体封入容器
３ａ 注入孔
３ｂ 切り欠き部
４ ダイヤフラム
５ 圧力検出素子
６ 圧力伝達液
７ 放熱用ロッド
８ 封止栓
９ 配線
１０ 長溝
１１ 円周溝
１２ 構造体
１３ 円周溝
１４ 構造体
２０ 車両用ガソリンエンジン
２１ シリンダ
２２ ピストン
２３ 燃焼室
２４ 吸気弁
２５ 排気弁
２６ インジェクタ
２７ 点火プラグ
Claims (9)
- 中空の液体封入容器と、
前記液体封入容器の内部に封入された圧力伝達液と、
前記液体封入容器に取り付けられ、受圧時に弾性変形して前記圧力伝達液に圧力を伝達するダイヤフラムと、
前記液体封入容器に取り付けられ、前記圧力伝達液に伝達された前記圧力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、
前記液体封入容器の内壁の一部および前記圧力伝達液のそれぞれと接するように、前記液体封入容器の内部に取り付けられた放熱部材と、
を有する、圧力センサ。 - 請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記放熱部材の表面が凹凸面とされている、圧力センサ。 - 請求項２記載の圧力センサにおいて、
前記放熱部材の表面に複数の溝が設けられている、圧力センサ。 - 請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記放熱部材を囲み、前記液体封入容器の内壁の一部および前記圧力伝達液のそれぞれと接する第１放熱用構造体をさらに有する、圧力センサ。 - 請求項４記載の圧力センサにおいて、
前記第１放熱用構造体は、メッシュ状または繊維状の薄板からなる、圧力センサ。 - 請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記液体封入容器に接続され、前記液体封入容器をエンジンの燃焼室に固定するためのネジ部を備えた接続部材をさらに有する、圧力センサ。 - 中空の液体封入容器と、
前記液体封入容器の内部に封入された圧力伝達液と、
前記液体封入容器に取り付けられ、受圧時に弾性変形して前記圧力伝達液に圧力を伝達するダイヤフラムと、
前記液体封入容器に取り付けられ、前記圧力伝達液に伝達された前記圧力を検出して電気信号に変換する圧力検出素子と、
を有し、
前記液体封入容器の内壁の一部を囲み、かつ前記内壁の一部と接する第２放熱用構造体が前記液体封入容器の内部に設けられているか、または、前記圧力伝達液と接する前記液体封入容器の内壁が凹凸面とされ、かつ前記液体封入容器の前記内壁の一部を囲み、さらに前記内壁の一部と接する前記第２放熱用構造体が前記液体封入容器の内部に設けられており、
前記第２放熱用構造体は、メッシュ状または繊維状の薄板からなる、圧力センサ。 - 請求項７記載の圧力センサにおいて、
前記液体封入容器の前記内壁に複数の溝が設けられている、圧力センサ。 - 請求項７記載の圧力センサにおいて、
前記液体封入容器に接続され、前記液体封入容器をエンジンの燃焼室に固定するためのネジ部を備えた接続部材をさらに有する、圧力センサ。
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