JP6716501B2 - 筒内圧センサ - Google Patents

Description

本発明は筒内圧センサに関し、特にダイヤフラムの先端側に受熱部が配置された筒内圧センサに関するものである。

内燃機関に装着される筒内圧センサとして、筒状の筐体と、筐体の内側に固定されるダイヤフラムと、ダイヤフラムの変形を検知するセンサ部と、ダイヤフラムの先端側に配置されると共にダイヤフラムに直接的または間接的に接続された受熱部と、を備えるものが知られている（特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、高温の燃焼ガスの熱を受熱部が受けるので、ダイヤフラムの熱膨張が抑制される。その結果、筒内圧力に応じたダイヤフラムの変形以外に、ダイヤフラムの熱膨張による荷重をセンサ部へ入力させ難くできるので、圧力の検知精度を向上できる。

国際公開第２０１３／０１８４９８号

しかしながら、筒内圧力に応じて弾性変形する薄いダイヤフラムに受熱部が接続されるので、受熱部が接続された部分が破断し易く、その部分が破断すると受熱部が脱落するおそれがある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、受熱部の脱落を抑制できる筒内圧センサを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明の筒内圧センサは、先端側から後端側へと軸線方向に延びる筒状の筐体と、筐体の内側に固定され、先端側から受圧した圧力に応じて変形するダイヤフラムと、ダイヤフラムの変形を検知するセンサ部と、筐体のうちダイヤフラムよりも先端側から径方向の内側へ向けて突出し、ダイヤフラムの先端面の一部を全周に亘って覆う受熱部と、受熱部とダイヤフラムとを接合する溶接部と、を備えている。

請求項１記載の筒内圧センサによれば、溶接部によってダイヤフラムに接合される受熱部は、筐体のうちダイヤフラムよりも先端側から径方向の内側へ向けて突出し、ダイヤフラムの先端面の一部を全周に亘って覆う。筐体に受熱部が設けられるので、ダイヤフラムに受熱部が接続されるものに比べて、受熱部の脱落を抑制できる。

また、受熱部とダイヤフラムとが溶接部によって接合されているので、溶接部によってダイヤフラムと受熱部との気密性を向上できる。その結果、圧力の検知精度を向上できる。

請求項２記載の筒内圧センサによれば、溶接部は、ダイヤフラム及び受熱部の全周に亘って形成されているので、溶接部によってダイヤフラムと受熱部との間の気密性をさらに向上できる。よって、請求項１の効果に加え、圧力の検知精度をさらに向上できる。

請求項３記載の筒内圧センサによれば、軸線を含む断面において、筐体のうちダイヤフラムの先端面が配置される位置における軸線に垂直な軸直角方向に沿った内寸Ｄ１、及び、先端面における溶接部間の距離Ｄ２は、Ｄ２≧０．６６・Ｄ１の関係を満たす。これにより、高温の燃焼ガスの熱を受けた受熱部の熱膨張による受熱部のたわみを抑制し、それに伴うダイヤフラムの変形を抑制できる。よって、請求項２の効果に加え、圧力の検知精度をさらに向上できる。

請求項４記載の筒内圧センサによれば、ダイヤフラムの後端面の中央から後端側へ軸部が突出する。センサ部は、少なくとも軸部を介してダイヤフラムの変位が伝達される。少なくとも軸部の分だけダイヤフラムよりも後端側にセンサ部を配置できるので、耐熱性を向上できる。さらに、溶接部は、ダイヤフラムのうち軸部よりも軸直角方向の外側の部分を受熱部に接合するので、ダイヤフラムの中央側をたわみ易くできる。よって、請求項１から３のいずれかの効果に加え、検知感度を確保しつつ耐熱性を向上できる。

請求項５記載の筒内圧センサによれば、溶接部は、受熱部の先端面からダイヤフラムの内部に亘って形成されているので、溶接部の位置や大きさ等を先端側から確認できる。よって、請求項１から４のいずれかの効果に加え、溶接部の位置や大きさ等に係る品質管理を容易にできる。

本発明の第１実施の形態における筒内圧センサの先端側の断面図である。 図１の一部を拡大して図示した筒内圧センサの断面図である。 筒内圧センサの正面図である。 受熱部およびダイヤフラムが変形したときの筒内圧センサの断面の模式図である。 筐体の内寸Ｄ１に対する溶接部間の距離Ｄ２の比率Ｄ２／Ｄ１と測定誤差との関係を示す図である。 第２実施の形態における筒内圧センサの正面図である。 第３実施の形態における筒内圧センサの先端側の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施の形態における筒内圧センサ１０の軸線Ｏを含む先端側の断面図であり、図２は図１の一部を拡大して図示した筒内圧センサ１０の断面図であり、図３は軸線Ｏ方向の先端側から見た筒内圧センサ１０の正面図である。図１及び図２では、紙面下側を筒内圧センサ１０の先端側、紙面上側を筒内圧センサ１０の後端側という（図４及び図７においても同じ）。図１及び図２では、筒内圧センサ１０の後端側の図示が省略されている。図１に示すように筒内圧センサ１０は、筐体２０、受熱部２５、ダイヤフラム３０及びセンサ部４０を備えている。

筐体２０は、耐熱性や耐ガス性のある金属材料（例えばステンレス鋼等）によって形成された円筒状の部材である。本実施の形態では、軸線Ｏ方向の後端側から先端側へ順に第１部２１、第２部２２及び第３部２３が接合され、筐体２０が形成される。筐体２０は、軸線Ｏに沿う軸孔２４が形成されている。

第１部２１は、後端側の外周面におねじ及び工具係合部（いずれも図示せず）が設けられる円筒状の部材である。第１部２１のおねじは、筒内圧センサ１０を内燃機関（図示せず）のねじ穴に係合する部位である。工具係合部は、内燃機関のねじ穴におねじを締め付けるときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。

第２部２２は、センサ部４０が内側に配置されると共に、後端側の内周面にめねじが形成される円筒状の部材である。第３部２３は、ダイヤフラム３０が内側に配置されると共に、先端側の外周面が内燃機関（図示せず）に密着する円筒状の部材である。第３部２３には、ダイヤフラム３０よりも先端側（図１下側）から径方向の内側へ突出する受熱部２５が設けられている。

受熱部２５は、ダイヤフラム３０の先端面３１の一部を全周に亘って覆う円環状に形成されている。ダイヤフラム３０の先端面３１の中央およびその周辺は、受熱部２５の内周縁２６よりも径方向の内側に存在するので、受熱部２５に覆われないで露出する。これにより、ダイヤフラム３０に筒内圧力が作用する。本実施の形態では、受熱部２５は、例えば鍛造や切削などの手段により、第３部２３と一体に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、第３部２３と受熱部２５とを別々に形成した後、溶接等によって第３部２３と受熱部２５とを一体化することは当然可能である。

ダイヤフラム３０は、軸線Ｏを中心とする略円形の膜である。ダイヤフラム３０の後端面３２の中央には軸部３３が接続されている。軸部３３は、ダイヤフラム３０の変位をセンサ部４０に伝達するための部位である。本実施の形態では、ダイヤフラム３０及び軸部３３は、ステンレス鋼などの金属材料を用いて、例えば鍛造や切削などによって一体に形成されている。しかし、これに限られるものではなく、ダイヤフラム３０と軸部３３とを別々に形成した後、溶接等によってダイヤフラム３０と軸部３３とを一体化することは当然可能である。

ダイヤフラム３０の先端面３１に、受熱部２５の少なくとも一部が密着する。これにより、ダイヤフラム３０の先端側への移動が規制される。ダイヤフラム３０と受熱部２５とは、溶接部３４によって接合されている。溶接部３４は、ダイヤフラム３０の成分と受熱部２５の成分とが溶融し一体化した部分である。溶接部３４によってダイヤフラム３０と受熱部２５とが接合されるので、ダイヤフラム３０と筐体２０とは電気的に接続される。

溶接部３４は、受熱部２５の先端面２７からダイヤフラム３０の内部に亘って形成されている。また、溶接部３４は、ダイヤフラム３０のうち軸部３３よりも軸線Ｏに垂直な軸直角方向（図１左右方向）の外側の部分を受熱部２５に接合している。図３に示すように、溶接部３４は、ダイヤフラム３０及び受熱部２５の全周に亘って形成されている。本実施の形態では、溶接部３４は略円形である。

図１に戻って説明する。センサ部４０は、軸部３３の軸線Ｏ方向の後端側に配置されており、軸部３３とボルト５０との間に挟まれている。ボルト５０は軸線Ｏ方向に貫通穴が形成された金属製の部材であり、第２部２２に螺合されている。ボルト５０は、センサ部４０に軸線Ｏ方向の予荷重を与える部材である。第１部２１の軸孔２４の内側に配置されたケーブル５１は、センサ部４０の出力に基づいて圧力を検出する電気回路（図示せず）に接続されている。

センサ部４０は、軸線Ｏ方向の先端側から後端側へ順に、押さえ板４４、電極４２、圧電素子４１、電極４３、端子部４５、押さえ板４６及び絶縁板４７が積層されている。電極４３と電気的に接続した端子部４５は、筐体２０と絶縁されている。端子部４５の一部は、ボルト５０の貫通穴の内側に進入し、ケーブル５１の内部導体５２に接続されている。内部導体５２と絶縁されたケーブル５１の外部導体５３（シールド）はボルト５０に接続されている。電極４２は、押さえ板４４、軸部３３、ダイヤフラム３０及び溶接部３４を通じて第３部２３（筐体２０）と電気的に接続されている。

圧電素子４１は、ダイヤフラム３０から軸部３３を通じて伝達された荷重に応じて電荷が生じる。圧電素子４１は、荷重に応じた電荷（例えば電気信号）を、電極４２，４３及び端子部４５を通じて出力する。ケーブル５１を通して電気回路（図示せず）に出力された電気信号に基づいて、ダイヤフラム３０の変位、即ち筒内圧力を検出できる。

筒内圧センサ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、第３部２３の後端側から第３部２３の内側にダイヤフラム３０及び軸部３３を挿入した後、受熱部２５の先端面２７へレーザビームを照射し、溶接部３４を形成して、受熱部２５とダイヤフラム３０とを接合する。このときは、筐体２０のうちダイヤフラム３０の先端面３１が配置される位置における軸直角方向（図２左右方向）に沿った内寸Ｄ１、及び、ダイヤフラム３０の先端面３１における溶接部３４間の距離Ｄ２（溶接部３４の内側の内寸）が、Ｄ２≧０．６６・Ｄ１の関係を満たすようにする。

次に、第２部２２に後端側からボルト５０を螺合した後、第２部２２に先端側からセンサ部４０を挿入する。第３部２３を第２部２２の先端側に配置し、ボルト５０と軸部３３との間にセンサ部４０を配置した後、第２部２２と第３部２３とを溶接する。次いで、第２部２２に対してボルト５０を回転し、センサ部４０に予荷重を加える。

端子部４５及びボルト５０にケーブル５１を接続した後、ケーブル５１を第１部２１に挿入する。第１部２１と第２部２２とを溶接した後、第１部２１の軸孔２４の内部に、軟化したゴムや合成樹脂などの絶縁体（図示せず）を注入する。注入した絶縁体が硬化すると、防水性および防振性を確保した筒内圧センサ１０が得られる。

筒内圧センサ１０は、ダイヤフラム３０の先端面３１の一部を受熱部２５が全周に亘って覆うので、ダイヤフラム３０に伝達される熱の一部を受熱部２５が受ける。受熱部２５によってダイヤフラム３０の熱膨張が抑制されるので、圧力の検知精度を向上できる。さらに、筐体２０のうちダイヤフラム３０よりも先端側（図１下側）から径方向の内側へ向けて受熱部２５が突出するので、筐体２０に受熱部２５を強固に固定できる。よって、受熱部２５の脱落を抑制できる。

溶接部３４は、受熱部２５とダイヤフラム３０との間に形成されているので、溶接部３４によってダイヤフラム３０と受熱部２５との気密性を向上できる。その結果、圧力の検知精度を向上できる。さらに、本実施の形態では、溶接部３４はダイヤフラム３０及び受熱部２５の全周に亘って形成されているので、溶接部３４によってダイヤフラム３０と受熱部２５との気密性をさらに高めることができる。ダイヤフラム３０と受熱部２５との隙間を無くし、筒内のガス漏れを防止できるので、圧力の検知精度をさらに向上できる。

センサ部４０は、ダイヤフラム３０の後端面３２の中央から後端側へ突出する軸部３３を介してダイヤフラム３０の変位が伝達される。軸部３３の分だけダイヤフラム３０よりも後端側にセンサ部４０を配置できるので、センサ部４０の熱影響を抑制できる。よって、筒内圧センサ１０の耐熱性を向上できる。さらに、溶接部３４は、ダイヤフラム３０のうち軸部３３よりも軸直角方向の外側の部分を受熱部２５に接合するので、ダイヤフラム３０の中央側のたわみを確保できる。よって、検知感度を確保しつつ筒内圧センサ１０の耐熱性を向上できる。

溶接部３４は、受熱部２５の先端面２７からダイヤフラム３０の内部に亘って形成されているので、溶接部３４の位置や大きさ等を筒内圧センサ１０の先端側から確認できる。よって、溶接部３４の位置や大きさ等に係る品質管理を容易にできる。

次に図４を参照して、筒内圧センサ１０が、高温の燃焼ガスによって急熱の熱衝撃を受けたときの様子について説明する。図４は、熱衝撃を受けて受熱部２５及びダイヤフラム３０が変形したときの筒内圧センサ１０の断面の模式図である。図４では、筒内圧センサ１０の後端側の図示が省略されている。

図４に示すように、受熱部２５は筐体２０に外周が固定され、内周縁２６が開放されているので、急熱の熱衝撃を受けた受熱部２５は、径方向の内側へ向かって急激に膨張し、その反力で内周縁２６側が先端側（図４下側）に反る。受熱部２５の変形に伴い、溶接部３４を介して受熱部２５に接合されたダイヤフラム３０は中央が先端側にたわむ。

また、急熱の熱衝撃を受けたダイヤフラム３０は径方向の外側へ向かって膨張する。溶接部３４はダイヤフラム３０及び受熱部２５の全周に亘って形成されているので、ダイヤフラム３０の膨張が溶接部３４によって制限され、受熱部２５の内周縁２６側の先端側への反り（変形）に伴い、ダイヤフラム３０の中央が先端側にたわむ。これらの結果、筒内圧力に応じたダイヤフラム３０の変形に加え、ダイヤフラム３０の中央が先端側にたわむので、実際の筒内圧力に比べて、センサ部４０（図１参照）が検知する圧力が低くなることがある。

これを防ぐために筒内圧センサ１０は、筐体２０のうちダイヤフラム３０の先端面３１が配置される位置における軸直角方向（図２左右方向）に沿った内寸Ｄ１、及び、ダイヤフラム３０の先端面３１における溶接部３４間の距離Ｄ２（溶接部３４の内側の内寸）がＤ２≧０．６６・Ｄ１の関係を満たすように、溶接部３４の位置が設定されている。これにより、熱膨張による受熱部２５のたわみを抑制し、それに伴うダイヤフラム３０の変形を抑制できる。その結果、圧力の検知精度をさらに向上できる。

図５は筐体２０の内寸Ｄ１に対する溶接部３４間の距離Ｄ２の比率Ｄ２／Ｄ１と測定誤差との関係を示す実験結果である。まず、Ｄ２／Ｄ１＝０．３０〜０．９５に設定された種々の筒内圧センサのサンプルを作成した。各サンプルは、筐体２０の軸孔２４のうちダイヤフラム３０の先端面３１が配置される位置の形状、受熱部２５の内周縁２６の形状および溶接部３４の形状を、いずれも軸線Ｏを中心とする円とした。次いで、各サンプルと基準センサ（例えばＡＶＬ社製ＺＩ３１）とを内燃機関（図示せず）のシリンダヘッドに装着した後、内燃機関を作動させ、各サンプルによる筒内圧力の測定値と基準センサによる筒内圧力の測定値との差（測定誤差）を調べた。

図５に示すように、Ｄ２／Ｄ１≧０．６６の場合に測定誤差を３％以下にできることがわかった。Ｄ２≧０．６６・Ｄ１を満たすようにすると、熱衝撃によって受熱部２５が変形したときに、溶接部３４を介して受熱部２５がダイヤフラム３０に加える軸線Ｏ方向の荷重を小さくできる。その結果、ダイヤフラム３０を中央側にたわみ難くすることができるので、測定誤差を小さくできたと推察される。

次に図６を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、溶接部３４が、受熱部２５の全周に亘って円形状に形成される場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、溶接部６３が、受熱部６１の全周に亘って矩形状に形成される場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図６は第２実施の形態における筒内圧センサ６０の正面図である。

図６に示すように筒内圧センサ６０は、第３部２３から径方向の内側へ受熱部６１が突出している。受熱部６１は、ダイヤフラム３０よりも先端側（図６紙面手前）に位置し、ダイヤフラム３０の一部を全周に亘って覆う。受熱部６１の内周縁６２は、隅に丸みを設けた矩形状に形成されている。ダイヤフラム３０及び受熱部６１を接合する溶接部６３は、ダイヤフラム３０及び受熱部６１の全周に亘って略矩形状に形成されている。

筒内圧センサ６０は、第３部２３（筐体２０）のうちダイヤフラム３０の先端面３１（図２参照）が配置される位置における軸直角方向（図２左右方向）に沿った内寸Ｄ１、及び、ダイヤフラム３０の先端面３１における溶接部６３間の距離Ｄ２（溶接部６３の内側の内寸）がＤ２≧０．６６・Ｄ１の関係を満たすように、溶接部６３の位置が設定されている。なお、距離Ｄ２は、軸線Ｏを通る直線を溶接部６３が切り取る線分のうち最も短い線分の長さである。これにより、第１実施の形態と同様に、熱膨張による受熱部６１のたわみを抑制し、それに伴うダイヤフラム３０の変形を抑制できる。その結果、圧力の検知精度を向上できる。

次に図７を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施の形態および第２実施の形態では、ダイヤフラム３０と受熱部２５，６１とを接合する溶接部３４，６３が、ダイヤフラム３０及び受熱部２５，６１の全周に亘って形成される場合について説明した。これに対し第３実施の形態では、ダイヤフラム７４及び受熱部７２の全周のうち一部に溶接部７７が形成される場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図７は第３実施の形態における筒内圧センサ７０の先端側の軸線Ｏに沿う断面図である。

筒内圧センサ７０は、筐体７１の径方向の内側へ突出する受熱部７２が、溶接により筐体７１の先端に接合されている。受熱部７２は、ダイヤフラム７４の先端面７５の一部を全周に亘って覆う。ダイヤフラム７４は、受熱部７２と筐体７１の先端面との間に挟み込まれている。これにより、ダイヤフラム７４と筐体７１との気密性を確保している。ダイヤフラム７４は、中央付近に後端側（図７上側）へ突出する軸部３３が設けられている。軸部３３はセンサ部４０（図１参照）へダイヤフラム７４の変位を伝達する。

受熱部７２は、ダイヤフラム７４の先端面７５に少なくとも一部が密着する。受熱部７２の先端面７３からダイヤフラム７４の内部に亘って形成された溶接部７７は、受熱部７２とダイヤフラム７４とを接合する。溶接部７７は、ダイヤフラム７４及び受熱部７２の全周のうち一部に形成されている。溶接部７７がダイヤフラム７４と受熱部７２とを接合しているので、溶接部７７が無い場合に比べて、ダイヤフラム７４と受熱部７２との間の気密性を向上できる。その結果、圧力の検知精度を向上できる。筒内圧センサ７０は、筐体７１に受熱部７２が設けられているので、受熱部７２の脱落を抑制できる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

上記実施の形態では、圧電素子４１を用いてダイヤフラム３０，７４の変形をセンサ部４０が検知する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、圧電素子４１に代えて歪みゲージを設け、歪みゲージの抵抗値の変化を測定してダイヤフラム３０，７４の変形を検知することは当然可能である。また、圧電素子や歪みゲージに代えて、静電容量の変化を電気信号に変換するセンサ部を設け、これによりダイヤフラム３０，７４の変形を検知することは当然可能である。

上記実施の形態では、軸部３３を介してセンサ部４０がダイヤフラム３０，７４の変形を検知する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、ダイヤフラム３０，７４の後端面３２に薄膜化した圧電素子を形成してダイヤフラム３０，７４にセンサ部を形成することは当然可能である。この場合には、ダイヤフラム３０，７４の変形をセンサ部が直接検知するので、軸部３３を省略できる。

上記実施の形態では、ダイヤフラム３０，７４の変位を軸部３３がセンサ部４０に直接伝達する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。軸部３３とセンサ部４０との間に別の部材を介在させて、ダイヤフラム３０，７４の変位をセンサ部４０に伝達することは当然可能である。

第３実施の形態では、ダイヤフラム７４を筐体７１に接合しないで、受熱部７３と筐体７１との間にダイヤフラム７４を挟んでダイヤフラム７４を固定する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ダイヤフラム７４の全周を筐体７１に接合したり、ダイヤフラム７４の全周のうちの一部を筐体７１に接合したりすることは当然可能である。

１０，６０，７０ 筒内圧センサ
２０，７１ 筐体
２５，６１，７２ 受熱部
２７，７３ 先端面
３０，７４ ダイヤフラム
３１ 先端面
３２ 後端面
３３，７６ 軸部
３４，６３，７７ 溶接部
４０ センサ部

Claims (5)

1. 先端側から後端側へと軸線方向に延びる筒状の筐体と、
   前記筐体の内側に固定され、先端側から受圧した圧力に応じて変形するダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの変形を検知するセンサ部と、を備える筒内圧センサであって、
   前記筐体のうち前記ダイヤフラムよりも先端側から径方向の内側へ向けて突出し、前記ダイヤフラムの先端面の一部を全周に亘って覆う受熱部と、
   前記受熱部と前記ダイヤフラムとを接合する溶接部と、を備える筒内圧センサ。
2. 前記溶接部は、前記ダイヤフラム及び前記受熱部の全周に亘って形成されている請求項１記載の筒内圧センサ。
3. 前記軸線を含む断面において、前記筐体のうち前記ダイヤフラムの前記先端面が配置される位置における前記軸線に垂直な軸直角方向に沿った内寸Ｄ１、及び、前記先端面における前記溶接部間の距離Ｄ２は、Ｄ２≧０．６６・Ｄ１の関係を満たす請求項２記載の筒内圧センサ。
4. 前記ダイヤフラムの後端面の中央から後端側へ突出する軸部を備え、
   前記センサ部は、少なくとも前記軸部を介して前記ダイヤフラムの変位が伝達され、
   前記溶接部は、前記ダイヤフラムのうち前記軸部よりも軸直角方向の外側の部分を前記受熱部に接合する請求項１から３のいずれかに記載の筒内圧センサ。
5. 前記溶接部は、前記受熱部の先端面から前記ダイヤフラムの内部に亘って形成されている請求項１から４のいずれかに記載の筒内圧センサ。

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