JPH0526515Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は圧力センサ、特に力変換素子にプリロ
ードをかけて使用される圧力センサの改良に関す
る。

［従来の技術］ 圧力センサは、各種分野において気体、流体等
の圧力測定用として幅広く用いられており、特に
近年においては、高温、高圧の極めて激しい使用
環境下で用いられることも多い。従つて、このよ
うな圧力センサには、周囲の環境、特に温度等に
影響されることなく圧力を正確に測定できる能力
が要求される。

通常、この種の圧力センサは、圧力をダイヤフ
ラム部を介して力変換素子へ伝達し、力変換素子
の出力する電気信号に基づき圧力測定を行うよう
形成されている。

しかし、ダイヤフラム部や、このダイヤフラム
部が取付けられたセンサケースが熱により膨張す
ると、ダイヤフラム部から力変換素子へ圧縮力が
伝達されなくなる場合がある。

また、単にダイヤフラム部から力変換素子へ圧
力を伝達するように形成しても、測定圧力が負圧
となつた場合には、その圧力測定を行うことがで
きない。

このような問題を解決するため、通常この種の
圧力センサは、予めダイヤフラム部を介して力変
換素子にプリロードをかけた状態で使用されるこ
とが多い。

しかし、従来の圧力センサでは、ダイヤフラム
部の曲げ剛性を小さくし、かつ力変換素子の寸法
精度を高くしてプリロードをかけているため、ダ
イヤフラム部の板厚を薄くする必要があり、ダイ
ヤフラム部の熱容量が小さくなつてしまうという
問題があつた。

従つて、従来の圧力センサを用いて例えば高
温、高圧の液体圧力、例えばエンジンの燃焼ガス
の圧力測定を行おうとする場合には、ダイヤフラ
ム部が加熱され、耐熱限界を上回つてしまうか、
耐熱限界を超えないまでも、長時間での使用でダ
イヤフラム部のバネ性が低下し、正確な圧力測定
を行うことが困難になつてしまうという問題があ
つた。

［考案が解決しようとする問題点］ 本考案は、このような従来の課題に鑑みされた
ものであり、その目的は、力変換素子へ所定のプ
リロードを加え、各種の圧力、特に高温流体の圧
力をも正確に測定することができる圧力センサを
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本考案は、圧力をダ
イヤフラム部を介して力に変換し力変換素子へ力
として伝達し、力変換素子の出力する電気信号に
基づき圧力を測定する圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラム部表面に力印加方向に向け設
けられたネジ孔に調整ネジを螺合し、この調整ネ
ジを用い、ダイヤフラム部を力印加方向に変形さ
せ、力変換素子にプリロードを与えることを特徴
とする。

［作用］ 本考案は、以上の構成からなり、次にその作用
を説明する。

本考案の圧力センサは、ダイヤフラム部の表面
側に圧力印加方向に向けネジ孔が設けられてお
り、このネジ孔に、プリロード調整用のネジが螺
合されている。

ここにおいて、前記ネジ孔は、ダイヤフラム部
の圧力が印加される部分、すなわち薄板部表面の
ほぼ中央部に形成することが好ましい。また、力
変換素子をセンサケース内に密封した状態でプリ
ロードを行うために、このネジ孔はダイヤフラム
部の薄板部裏面側に貫通することがないよう形成
されている。

なお、このネジ孔が設けられるダイヤフラム部
の薄板部は、測定圧力に対して十分な機械的強度
を有する（通常は直径が小さいので薄くても十分
な機械的強度を有する）よう形成する必要があ
る。

そして、本考案の圧力センサは、ダイヤフラム
部の薄板部に設けられたネジ孔に調整ネジを螺合
し、この調整ネジを用い、ダイヤフラム部の薄板
部に力を加えて変形させ、力変換素子にプリロー
ドを与えるよう形成されている。

本考案において、プリロード値の調整は次のよ
うにして行われる。

圧力センサの各部品には、通常一定の寸法誤差
があり、また各部品の組付け時には組付け誤差が
発生する。たとえば、ダイヤフラム部をセンサケ
ースにプロジエクシヨン溶接し密封固定する場合
には、その溶接部の突出高さ（0.2mm程度）に相
当する分だけダイヤフラム部が圧力印加方向に変
位する。従つて、圧力センサを組立てる溶接途中
で、センサケース内に固定されている力変換素子
にダイヤフラム部が接触したような場合には、力
変換素子に衝撃力が作用し、素子が破壊されてし
まう危険がある。このため、力変換素子には、そ
の組立終了後、特にダイヤフラム部をセンサケー
スにプロジエクシヨン溶接した後、ゆつくりとプ
リロードをかけてやることが好ましい。

このとき、ダイヤフラム部とセンサケースの熱
による膨張、収縮等で、ダイヤフラム部から力変
換素子に圧力が加わらなくなつたりしないよう
に、しかもダイヤフラム部表面に作用する負圧等
も正確に検知できるよう、プリロードの値は所定
の下限値以上に設定する必要がある。

また、圧力センサを用いてくりかえし圧力測定
を行うときに力変換素子が疲労破壊を起こさない
よう、このプリロード値は、所定の上限値以下に
設定する必要がある。

このため、本考案の圧力センサにおいては、プ
リロードの値が前記下限値と上限値の間に存在す
るよう、調整ネジを用いて調整される。

このプリロード値の調整は、力変換素子から出
力される電気信号を測定しながら調整しても良
い。

また、調整ネジに予め所定のネジきり破壊強度
の切込み部を設けておき、この調整ネジを締付け
る力が破壊強度に達した際、切込み部が切断され
るよう形成しても良い。このようにすれば、前述
した力変換素子の電気信号を見ながらプリロード
値を調整するものに比べ、プリロード値の調整を
簡単に行うことができるため、センサを量産する
上で極めて便利なものとなる。

また、本考案の圧力センサを用いて、高温の流
体圧力を測定しようとする場合には、ダイヤフラ
ム部の薄板部表面に熱容量の大きいブロツク部を
一体的に設け、このブロツク部からダイヤフラム
部表面にかけて前記ネジ孔を形成することが好ま
しい。このようにすれば、ダイヤフラム部付近に
急激にきた高温の燃焼ガスの熱は、ブロツク部に
より吸収され、ダイヤフラム部自体の温度上昇が
抑制される。

従つて、高温、高圧部の流体ガスの急激な温度
変化を伴う圧力測定を行う場合でも、センサ内
部、特に力変換素子へ急激に高熱が伝達されるこ
とがなく、流体圧力を長期間安定に測定すること
ができる。

［考案の効果］ 以上説明したように、本考案によれば、ダイヤ
フラム部を介して力変換素子に所望のプリロード
を簡単に印加し、周囲の温度変化に影響されるこ
となく、負の圧力から正の圧力まで正確に測定す
ることができ、特に高温の流体圧力の測定を正確
に行うことが可能な圧力センサを得ることができ
るという効果がある。

［実施例］ 次に本考案の好適な実施例を図面に基づき説明
する。

第１図には、本考案をエンジンの燃焼圧センサ
に適用した場合の好適な実施例が示されている。

実施例の燃焼圧センサは、金属ダイヤフラム部
１０の薄板部１０ａに作用する燃焼ガスの圧力Ｐ
を、圧縮力Ｗとして熱絶縁体１２を介して力変換
素子１４へ伝達し、力変換素子１４から出力され
る電気信号に基づき燃焼ガスの圧力Ｐを測定して
いる。

ところで、1000℃を超える高温の燃焼ガスの圧
力測定を行う場合には、ダイヤフラム部１０と力
変換素子１４との間に熱絶縁体１２を設けただけ
では、力変換素子１４へ伝達する熱を十分に遮蔽
することはできず、力変換素子１４自体の性能が
低下してしまう。

このため、実施例の圧力センサは、ダイヤフラ
ム部１０の薄板部１０ａの表面中央部に、熱容量
が大きいブロツク部１６を一体形成し、薄板部１
０ａ付近にきた燃焼ガスの熱を逸早くブロツク部
１６を用いて吸収することにより、ダイヤフラム
部１０自体の温度上昇を抑制し、高温、高圧の燃
焼ガスの圧力測定を行う場合でも、力変換素子１
４へ熱が伝達されないよう形成されている。

本実施例において、前記熱絶縁体１２、力変換
素子１４は、ほぼ円筒形状したセンサケース３０
の内部に収納されている。

また、前記ダイヤフラム部１０は、その薄板部
１０ａの裏面側が熱絶縁体１２の表面と微小なす
き間を介して対向するよう、そのフランジ部１０
ｂがセンサケース３０の先端開口部に嵌込まれ
る。そして、センサケース３０の内部に燃焼ガス
が侵入しないよう、この嵌込み部、すなわちフラ
ンジ部１０ｂとセンサケース３０の先端開口部と
が全周にわたつてプロジエクシヨン溶接接合され
る。

本考案の特徴は、このダイヤフラム部１０の薄
板部１０ａの表面に圧力印加方向に向けたネジ孔
２０を設け、このネジ孔２０に螺合された調整ネ
ジを用い、薄板部１０ａを圧力印加方向に変形さ
せ、力変換素子１４に所望のプリロードを与える
ことにある。

本実施例において、前記ネジ孔２０はブロツク
部１６から薄板部１０ａの表面中央部に向け設け
られている。

また、本実施例において、前記調整ネジ２２
は、ドライバの先端との係合溝２４ａが設けられ
た頭部２４と、ネジ孔２０を螺合するネジ部２６
とから構成され、前記ネジ部２６はその先端が山
型に形成され、その先端中央部において薄板部１
０ａの表面中央部１００を効果的に押圧し、変形
させるよう形成されている。

なお、本実施例のように高温、高圧の燃焼ガス
の圧力測定を行う場合には、ダイヤフラム部１０
の薄板部１０ａが、測定圧力Ｐに対して十分な機
械的強度を有するよう形成する必要がある。通
常、このダイヤフラム部１０は、薄板部１０ａの
直径が小さいため、十分薄くしても測定圧力Ｐに
対し機械的な強度を有する。

また、本考案において、前記ダイヤフラム部１
０は、その薄板部１０ａが調整ネジ２２の押付け
力により図中右方向へ変形するよう形成する必要
があり、さらに前記ネジ孔２０は、薄板部１０ａ
の裏面側まで貫通することがないよう注意する必
要がある。

そして、本実施例において、このように形成さ
れた調整ネジ２２を用いて力変換素子１４にプリ
ロードを加える場合には、まず、力変換素子１４
の出力を測定しながら、調整ネジ２２を締付け
る。これにより、調整ネジ２２の先端がダイヤフ
ラム部１０の薄板部１０ａの中央部１００を押圧
する。そして、薄板部１０ａの中央部１００が図
中右方向へ変形し、熱絶縁体１２を介して力変換
素子１４にプリロードを与える。

このとき、力変換素子１４からプリロードに対
応した電気信号が出力されるため、調整者はこの
電気信号に基づきながらプリロードを所望の値に
調整する。

そして、プリロードの調整が終了した時点で、
調整ネジ２２を図中一点鎖線Ａ−A′で示す位置
から切断することにより、ダイヤフラム部１０の
質量を小さくし、その耐震性能を向上させる。

すなわち、前記調整ネジ２２は、ダイヤフラム
部１０に設けられたネジ孔２０に取付けられる。
このため、調整ネジ２２の質量を大きくすると、
ダイヤフラム部１０の固有振動数が低下し、その
耐震性が低下してしまう。従つて、このような燃
焼圧センサをエンジンなどの振動が大きい部分に
取付けると、圧力の検出精度が大巾に低下してし
まう。このため、本実施例では、調整ネジ２２に
よるプリロードの調整が終了した後、その調整ネ
ジ２２の頭部２４を切断することにより、燃焼圧
センサの耐震性が低下することがないように形成
されている。

また、本考案において、前記力変換素子１４
は、圧縮力を検知できる素子であればよく、例え
ばピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知できる
素子や、水晶、PZT等のピエゾ電圧効果を利用
し圧縮力を検知する素子を用いればよい。

実施例においてこの力変換素子１４は、圧縮力
が加えられる面として｛110｝面の結晶面を有す
るよう形成されたSi単結晶体４０と、Si単結晶体
４０の｛110｝面の結晶面と静電接合され、熱絶
縁体１２を介して伝達される圧縮力をその結晶面
に垂直に均一に印加する台座４２と、このSi単結
晶体４０の他の結晶面と接合され、Si単結晶体４
０を支持する支持基台４４とを含み、圧縮力をピ
エゾ抵抗効果を利用して測定するよう形成されて
いる。

そして、前記支持基台４４は、外周がセンサケ
ース３０の内周面に固定されたハーメチツク端子
４６上に取付け固定されている。

また、前記Si単結晶体４０の結晶面上には、結
晶の＜001＞方向より45度の方向に対向して一対
の第１の電極（図示せず）が設けられ、＜110＞方
向より45度の方向に対向して一対の第２の電極
（図示せず）が設けられている。そして、これら
第１および第２の電極のいずれか一方が出力電
極、他方が入力電極として用いられている。

また、前記ハーメチツク端子４６には、前記入
出力電極と対応して４本のリードピン４８が設け
られており、これら４本のリードピン４８の一端
側は、銀線５０を介してそれぞれ対応する入出力
電極と電気的に接続されている。また、これら各
リードピン４８の他端側は、リード線５２に接続
され、そのリード線５２はセンサケース３０の他
端側から外部に引出されている。

実施例のセンサケース３０には、このリード線
５２の抜けを防止するために、その他端側にリー
ド線かしめ用のパイプ３２が設けられており、さ
らに、このパイプ３２とリード線５２の間には、
リード線保護用のゴムパイプ３８が設けられてい
る。そして、パイプ３２を、そのかしめ部３２ａ
にてリード線５２方向へかしめることにより、リ
ード線５２に加わつた引張り力がリードピン４８
との接続部に作用しないよう形成されている。

また、実施例の燃焼圧センサには、センサケー
ス３０の一端側外周部に取付け固定用のネジ溝３
６が設けられており、このネジ溝３６を所定の取
り付け孔の内周部に設けられたネジ溝と螺合する
ことにより、所望位置へ簡単に取付けることがで
きるよう形成されている。

本実施例は以上の構成からなり、次に調整ネジ
２２を用いて力変換素子１４へプリロードを与え
る場合を例にとり、その作用を説明する。

ここにおいて、実施例の燃焼圧センサは、組立
時における各部品のプリロード付与方向への累積
寸法誤差が０〜100μm以内であるものとする。す
なわち、ハーメチツク端子４６、支持基台４４、
台座４２、熱絶縁体１２の各高さの累積誤差に、
Si単結晶体４０の厚さ誤差を加えた値が、100μm
以下となるように形成されているものとする。

また、実施例の燃焼圧センサは、センサケース
３０が力変換素子１４を収納する深さの誤差と、
ダイヤフラム部１０の深さの誤差とを加算した値
が50μm以下であり、しかも部品全体を組付けた
時に、ダイヤフラム部１０と熱絶縁体１２の表面
とのすき間が０〜150μm以下となるように形成さ
れているものとする。

このようにして形成された燃焼圧センサにおい
て、調整ネジ２２を用いて力変換素子１４にプリ
ロードを加える場合には、そのプリロード値は、
所定の下限値と上限値により規定される範囲内に
設定する必要がある。

ここにおいて、前記下限値は、ダイヤフラム部
１０、センサケース３０の熱膨張等の影響で、ダ
イヤフラム部１０から力変換素子１４へ圧縮力が
加わらなくなつたりしないように、またダイヤフ
ラム部１０に負圧が作用した場合でもこれを正確
に測定できるように、その値を設定する必要があ
る。例えば、センサケース３０をFe−Ni系の合
金で作り、センサケース３０のみを加熱した場合
には、センサケース３０とダイヤフラム部１０の
熱膨張係数の差により、ダイヤフラム部１０と力
変換素子１４との間に発生する相対変位は、約１
〜2μmとなる。これは、ダイヤフラム部１０を、
100Kg／cm²用に形成した場合には、FS（フルスケ
ール）の20〜40％に相当する。また、ダイヤフラ
ム部１０に負圧が加わつた場合は、FS圧力を100
Kg／cm²とすると、その相対変位はFS圧力の１％
程度であり無視できる。

これに対し、前記上限値は、燃焼圧センサを用
いて燃焼ガスの圧力Ｐを繰返し測定した場合に、
力変換素子１４が疲労破壊を起こさない範囲に設
定する必要がある。本実施例において、前記力変
換素子１４は、Si単結晶体を用いて形成されたも
のであるため、ダイヤフラム部１０を100Kg／cm²
用に形成した場合には、その破壊強度はFSの300
〜500％程度となることが実験により確認された。

従つて、実施例の燃焼圧センサでは、力変換素
子１４の出力信号を測定しながら、調整ネジ２２
から力変換素子１４へ付与されるプリロードが
FSの100〜200％の範囲内の値となるように調整
する。このようにすれば、高温、高圧の燃焼ガス
Ｐを長期間正確に測定することができ、しかも燃
焼ガスの圧力は負圧なつた場合でもこれを正確に
測定することができる。

そして、このようなプリロード調整後、実施例
の調整ネジ２２は、Ａ−A′部分から切断され、
その調整が終了する。

なお、本考案は、前記実施例に限定されるもの
ではなく、本考案の要旨の範囲内で各種の変形実
施が可能である。

例えば、前記実施例においては、プリロードの
調整は、力変換素子１４から出力される測定値を
見ながら調整ネジ２２を締付けを行う場合を例に
とり説明した。

しかし、本考案はこれに限らず、例えば第２図
に示すように、調整ネジ２２に、所定のネジきり
破壊強度の切込み部２８を設るよう形成してもよ
い。

このような調整ネジ２２を用い、調整ネジ２２
をネジ孔２０へ締付けると、その締付け力がネジ
きり破壊が強度を上回つた時点で、その頭部２４
が切込み部２８からネジきられることとなり、そ
のネジ部２６から力変換素子１４へ付与されるプ
リロード値が常に一定に制御される。

このようにして、本実施例のセンサによれば、
簡単かつ確実に力変換素子へ付与されるプリロー
ド値を調整することができ、この種のセンサを量
産する上で極めて好適なものとなる。

なお、実施例のセンサでは、調整ネジ２２とネ
ジ孔２０との摩擦抵抗のバラツキが、調整ネジ２
２から力変換素子１４へ付与されるプリロード値
のバラツキとなつて表われることが多い。

このため、本実施例においては、このバラツキ
を少なくし、しかも締付けられたネジ部２６の緩
みを防止するために、ネジ部２６に予め接着剤を
塗つてからネジ締めを行うことが好ましい。この
ようにすれば、ネジ部２６とネジ孔２０とが、乾
式摩擦状態から湿式摩擦状態になり、摩擦抵抗に
よる締付けのバラツキが少なくなり、常に一定の
プリロード値を力変換素子１４へ与えることがで
きる。しかも、この時用いられた接着剤は、一定
時間経過後硬化するため、ネジ２６の緩み止めも
行われることになる。

また、このような接着剤を使わずに、乾式摩擦
状態でネジ締めを行つた場合には、ねじ孔２０の
周囲、特にブロツク部１６をネジ孔２０の半径方
向にかしめることにより、ネジ部２６の緩み止め
を行つてもよい。

また、前記実施例においては、センサケース３
０とハーメチツク端子４６とを別体に形成した場
合を例にとり説明したが、本考案はこれに限ら
ず、例えば第３図に示すようにセンサケース３０
に複数のリードピン挿入孔６０を設け、各挿入孔
に各リードピン４８をハーメチツクシールドして
もよい。このようにすれば、前記第１図に示す実
施例に比べ、センサ全体を小さなものとすること
ができる。

また、前記各実施例においては、本考案を燃焼
圧センサとして用いた場合を例にとり説明した
が、本考案はこれに限らず、これ以外に各種の流
体の圧力センサとして幅広く用いることができ、
特に各種高温流体の圧力センサとして幅広い用途
が期待できる。

また、前記各実施例においては、ダイヤフラム
部１０の薄板部表面中央部に、これと一体的にブ
ロツク部１６を設けた場合を例にとり説明した
が、本考案はこれに限らず、高温流体用の圧力セ
ンサとして用いない場合には、ダイヤフラム部１
０用に単なる凸部を設け、その凸部にネジ孔２０
を形成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案を燃焼圧センサとして形成した
場合の好適な一例を示す説明図、第２図、第３図
は本考案の他の実施例の説明図である。 １０……ダイヤフラム部、１４……力変換素
子、２０……ネジ孔、２２……調整ネジ、２８…
…切込み部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 圧力をダイヤフラム部を介して力に変換し力
   変換素子へ力として伝達し、力変換素子の出力
   する電気信号に基づき圧力を測定する圧力セン
   サにおいて、 前記ダイヤフラム部表面に力印加方向に向け
   設けられたネジ孔に調整ネジを螺合し、この調
   整ネジを用い、ダイヤフラム部を力印加方向に
   変形させ、力変換素子にプリロードを与えるこ
   とを特徴とする圧力センサ。 (2) 実用新案登録請求の範囲(1)記載のセンサにお
   いて、 前記調整ネジには、所定のネジきり破壊強度
   の切込み部が設けられてなることを特徴とする
   圧力センサ。