JP5853837B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本願明細書に開示される技術は、圧力センサに関する。

例えば、内燃機関の燃焼圧を測定するための圧力センサの開発が進められている。特許文献１には、ハウジング内に配置された受圧ロッドを介して燃焼圧を力検知素子に伝達する圧力センサが開示されている。このような圧力センサでは、燃焼によって発生するデポジット（煤）が受圧ロッドとハウジングの間に侵入するのを防ぐために、シール構造が設けられている。特許文献１のシール構造には、受圧ロッドの外周面の溝内に嵌め込まれたＯ−リングが用いられている。

特開平６−２６５４３０号公報

特許文献１の圧力センサを製造する場合、受圧ロッドの外周面の溝内にＯ−リングが嵌め込まれた状態で、受圧ロッドをハウジング内に挿入する。受圧ロッドをハウジング内に円滑に挿入させるためには、Ｏ−リングに与えるシール荷重を大きく設定することができない。このような低シール荷重の状態では、受圧ロッドの外径、受圧ロッドの溝深さ、及びハウジングの内径の製造ばらつきによって、Ｏ−リングに与えられるシール荷重が大きく変動する。特に、小型化された圧力センサでは、設計寸法に対する製造ばらつきが大きくなるので、Ｏ−リングに与えられるシール荷重が大きく変動する。このため、特許文献１の圧力センサでは、シール構造の信頼性が低い。

本明細書で開示される技術は、製造ばらつきの影響を受け難いシール構造を備えた圧力センサを提供することを目的とする。

本明細書で開示される圧力センサは、ハウジングと受圧ロッドと力検知素子と第１固定部材と弾性シール部材とを備えている。ハウジングは、段差面を含む内周面を有する。ハウジングは、少なくとも一方の端部が開口する中空状である。受圧ロッドは、ハウジング内に配置され、一方の端面がハウジングの一方の端部に露出する。受圧ロッドは、軸方向においてハウジングの段差面に対向する顎部が外周面に設けられている。力検知素子は、受圧ロッドの他方の端面に対向する。第１固定部材は、ハウジングに固定され、軸方向において受圧ロッドの顎部を介してハウジングの段差面に対向する。弾性シール部材は、受圧ロッドの顎部とハウジングの段差面の間に設けられてもよく、受圧ロッドの顎部と第１固定部材の間に設けられてもよく、またそれぞれの間に設けられてもよい。本明細書で開示される圧力センサでは、第１固定部材とハウジングの段差面の間に作用する圧縮荷重によって、弾性シール部材にシール荷重が与えられる。

上記態様の圧力センサでは、弾性シール部材に与えられるシール荷重が、第１固定部材とハウジングの段差面の間に作用する圧縮荷重によって調整することができる。このため、各部材の設計寸法の製造ばらつきの影響を受け難い。上記態様の圧力センサでは、シール構造の信頼性が高い。

第１実施例の圧力センサの概略断面図を模式的に示す。 受圧ロッドの顎部周辺の要部拡大図を示す。 第１実施例の圧力センサの他の一例の概略断面図を模式的に示す。 第１実施例の圧力センサの他の一例の概略断面図を模式的に示す。 第１実施例の圧力センサの他の一例の概略断面図を模式的に示す。

本願明細書で開示される技術的特徴の幾つかを以下に整理して記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）圧力センサは、中空状のハウジングを備えていてもよい。ハウジングは、段差面を含む内周面を有していてもよい。段差面は、軸方向とは異なる方向に延びる面であり、軸方向に対して直交する方向に延びていてもよく、軸方向に対して傾斜する方向に延びていてもよい。段差面は、内径が小さい部分と内径が大きい部分の間に形成されてもよい。ハウジングの少なくとも一方の端部が開口していてもよい。
（特徴２）圧力センサは、ハウジング内に配置され、一方の端面がハウジングの一方の端部に露出する受圧ロッドを備えていてもよい。受圧ロッドは、軸方向においてハウジングの段差面に対向する顎部が外周面に設けられていてもよい。顎部は、段差面に対向する面を有していてもよい。特に、顎部は、段差面に対向するとともに段差面に平行な面を有していてもよい。
（特徴３）圧力センサは、受圧ロッドの他方の端面に対向する力検知素子を備えていてもよい。力検知素子は、圧縮力に応じて出力値を変動させる素子である。一例では、力検知素子には、圧電効果、ピエゾ抵抗効果、磁歪効果、容量変化、光ファイバ等の光学変化、又はメタルワイヤを利用する素子を用いることができる。
（特徴４）圧力センサは、ハウジングに固定され、軸方向においてハウジングの段差面に受圧ロッドの顎部を介して対向する第１固定部材を備えていてもよい。第１固定部材は、ハウジングの内周面に固定されてもよい。一例では、第１固定部材は、溶接、ねじ止め、かしめ、圧入、又は接着によってハウジングに固定されてもよい。
（特徴５）圧力センサは、弾性シール部材を備えていてもよい。弾性シール部材は、受圧ロッドの顎部とハウジングの段差面の間に設けられてもよく、受圧ロッドの顎部と第１固定部材の間に設けられてもよく、又はそれぞれの間に設けられてもよい。弾性シール部材は、弾性変形可能の材料であるのが望ましく、一例では、メタルシール部材、樹脂性シール部材、又はメタルと樹脂性の複合シール部材を用いることができる。なお、弾性シール部材は、受圧ロッドの顎部と第１固定部材の間に設けられているのが望ましい。受圧ロッドを介して伝達される圧力を効率的に力検知素子に伝達させることができる。
（特徴６）圧力センサでは、第１固定部材とハウジングの段差面の間に作用する圧縮荷重によって、弾性シール部材にシール荷重が与えられる。また、第１固定部材とハウジングの段差面の間に作用する圧縮荷重は、第１固定部材のハウジングに対する固定位置によって調整される。
（特徴７）第１固定部材には貫通孔が形成されていてもよい。この場合、受圧ロッドが第１固定部材の貫通孔を通るように配置されていてもよい。
（特徴８）形態７の圧力センサは、ハウジングに固定されており、軸方向において受圧ロッドの他方の端面に力検知素子を介して対向する第２固定部材をさらに備えていてもよい。この場合、第２固定部材と受圧ロッドの間に作用する圧縮荷重によって、力検知素子に予荷重が与えられる。また、第２固定部材と受圧ロッドの間に作用する圧縮荷重は、第２固定部材のハウジングに対する固定位置によって調整される。この態様の圧力センサでは、シール荷重と予荷重を異なる大きさに調整することができる。例えば、シール荷重を予荷重よりも大きく調整することができる。このため、この態様の圧力センサは、シール構造の信頼性と圧力の検出感度を両立させることができる。

図１に示される圧力センサ１Ａは、内燃機関の燃焼圧を測定するためのものであり、図示下側が内燃機関のシリンダ内に露出するように燃焼機関に取り付けられる。圧力センサ１Ａは、ハウジング２と、受圧ロッド３と、弾性シール部材４と、第１固定部材５と、力検知素子６と、第２固定部材７と、を備えている。以下、説明の便宜の上で、図示下側を先端側といい、図示上側を後端側という。

図１に示されるように、ハウジング２は、先端側と後端側の端部のそれぞれが開口しており、中空状の形態を有している。ハウジング２は、内径が小さい第１円筒部分２ａと内径が大きい第２円筒部分２ｂを有しており、第１円筒部分２ａが先端側に位置しており、第２円筒部分２ｂが後端側に位置している。図２に示されるように、ハウジング２の内周面は、第１円筒部分２ａに対応した第１内周面２１と、第２円筒部分２ｂに対応した第２内周面２３と、第１内周面２１と第２内周面２３の間に位置する段差面２２を有している。第１内周面２１と第２内周面２３は軸方向（紙面上下方向である）に対して平行に延びており、段差面２２は軸方向に対して直交する方向（紙面左右方向である）に延びている。

図１に示されるように、受圧ロッド３は、ハウジング２内に配置されており、先端側の端面がハウジング２の先端側の開口から露出している。受圧ロッド３は、概ね円柱状の形態を有しており、その外周面に顎部３ａが設けられている。図２に示されるように、受圧ロッド３の顎部３ａは、先端側を向く先端面３１と、後端側を向く後端面３３と、先端面３１と後端面３３の間に位置する側面３２を有している。先端面３１と後端面３３は軸方向に対して直交する方向に延びており、側面３２は軸方向に対して平行に延びている。受圧ロッド３の顎部３ａの先端面３１が、ハウジング２の内周面の段差面２２に接触している。受圧ロッド３は、断熱性の高い材料で形成されるのが望ましい。一例では、受圧ロッド３の材料には、ジルコニア、窒化珪素等が用いられる。

図１に示されるように、弾性シール部材４は、第１固定部材５と受圧ロッド３の顎部３ａの間に配置されており、第１固定部材５と受圧ロッド３の顎部３ａの双方に接触している。弾性シール部材４は、弾性変形可能な材料であり、第１固定部材５と受圧ロッド３の間の隙間を塞ぐように設けられている。この例では、弾性シール部材４にメタルＣリングが用いられており、その材料にはステンレスが用いられている。また、弾性シール部材４のシール開口部が外側を向いている。この例に代えて、弾性シール部材４には、メタルＥリング、メタルＯリング、又は樹脂性のシール部材を用いてもよい。

図１に示されるように、第１固定部材５は、ハウジング２内に配置されており、貫通孔５ａを有するリング状の形態を有している。第１固定部材５は、受圧ロッド３の顎部３ａを介してハウジング２の段差面に対向している。この例では、第１固定部材５の材料にステンレスが用いられている。また、第１固定部材５は、ハウジング２の第２円筒部分２ｂに溶接部分５Ｗによって固定されている。溶接部分５Ｗは、ハウジング２の外周面側からのレーザ溶接によって形成することができる。

図１に示されるように、力検知素子６は、受圧ロッド３の後端側の端面と第２固定部材７の間に配置されており、受圧ロッド３の後端側の端面と第２固定部材７の双方に接触している。力検知素子６は、印加される荷重の変化に依存した出力値を提供するものである。この例では、力検知素子６に、ピエゾ抵抗効果を利用する半導体圧力センサが用いられている。

図１に示されるように、第２固定部材７は、ハウジング２内に配置されており、一部に貫通孔７ａを有する円盤状の形態を有している。第２固定部材７は、ハウジング２の第２円筒部分２ｂに溶接部分７Ｗによって固定されている。溶接部分７Ｗは、ハウジング２の外周面側からのレーザ溶接によって形成することができる。第２固定部材７に形成されている貫通孔７ａには、力検知素子６に電気的に接続される配線（図示せず）が配設される。

次に、圧力センサ１Ａの組み立て工程を説明する。まず、ハウジング２の後端側から受圧ロッド３、弾性シール部材４、及び第１固定部材５を挿入する。第１固定部材５を先端側に向けて押圧し、弾性シール部材４に所望のシール荷重が与えられる位置において、レーザ溶接を用いて第１固定部材５をハウジング２に対して固定する。次に、ハウジング２の後端側から力検知素子６及び第２固定部材７を挿入する。第２固定部材７を先端側に向けて押圧し、力検知素子６に所望の予荷重が与えられる位置において、レーザ溶接を用いて第２固定部材７をハウジング２に対して固定する。

次に、圧力センサ１Ａの動作を説明する。受圧ロッド３の先端側の端面に燃焼圧が加わると、受圧ロッド３がハウジング２内を後端側に向けて数μｍ程度変位する。受圧ロッド３が後端側に変位すると、その変位に基づいて力検知素子６に圧縮力が加わる。力検知素子６に圧縮力が伝達されると、ピエゾ抵抗効果によって力検知素子６の電気抵抗値が変化し、力検知素子６の出力値が変化する。この出力値の変化は、配線（図示せず）を介して外部回路に提供され、必要な処理に用いられる。

以下、圧力センサ１Ａの特徴及び変形例を説明する。
（１）圧力センサ１Ａでは、燃焼によって生成するデポジット（煤）が受圧ロッド３とハウジング２の間に侵入するのを弾性シール部材４によって防止されている。弾性シール部材４は、デポジット（煤）がハウジング２内の後端側にまで拡散するのを防止する。特に、圧力センサ１Ａは、弾性シール部材４に与えられるシール荷重が、第１固定部材５とハウジング２の段差面の間に作用する圧縮荷重によって調整可能であることを特徴とする。このため、弾性シール部材４に与えられるシール荷重は、各部材の設計寸法の製造ばらつきの影響を受けない。圧力センサ１Ａでは、シール構造の信頼性が高い。

（２）圧力センサ１Ａでは、第１固定部材５を押圧して弾性シール部材４に与えるシール荷重を調整することが可能であり、さらに、第２固定部材７を押圧して力検知素子６に与える予荷重を調整することが可能であることを特徴とする。このため、シール荷重と予荷重を異なる大きさに調整することができる。この結果、圧力センサ１Ａでは、シール構造の信頼性と圧力の検出感度を両立させることができる。

（３）圧力センサ１Ａでは、受圧ロッド３の顎部３ａとハウジング２の段差面が接触しており、この接触部分にも荷重が加えられていることを特徴とする。このため、燃焼によって生成するデポジット（煤）は、この接触部分においても侵入が防止されている。このため、弾性シール部材４がデポジット（煤）に直接的に曝されることが抑制されており、弾性シール部材４の耐久性が向上する。すなわち、圧力センサ１Ａでは、２重のシール構造が構成されており、シール構造の信頼性が高い。

（４）圧力センサ１Ａでは、弾性シール部材４にメタルＣリングが用いられており、そのシール開口部が高圧側を向いていることを特徴とする。このため、弾性シール部材４のシール性が高い。

（５）圧力センサ１Ａでは、弾性シール部材４が受圧ロッド３の顎部３ａと第１固定部材５の間に設けられていることを特徴とする。弾性シール部材４のばね定数は小さいので、受圧ロッド３に加えられる燃焼圧の多くは、力検知素子６に伝達される。圧力センサ１Ａは、高いシール性と高い圧力検出感度を両立させることができる。

（６）図３に示される変形例の圧力センサ１Ｂは、受圧ロッド３の顎部３ａとハウジング２の段差面がテーパ状に加工されていることを特徴とする。この場合、受圧ロッド３をハウジング２内の所定位置に容易に収容することができる。

（７）図４に示される変形例の圧力センサ１Ｃは、弾性シール部材１４が受圧ロッド３の顎部３ａとハウジング２の段差面の間に設けられていることを特徴とする。この場合、弾性シール部材１４のシール開口部が内側（すなわち、高圧側）を向いている。このため、弾性シール部材１４のシール性が高い。

（８）図５に示される変形例の圧力センサ１Ｄは、受圧ロッド３の上下に２つの弾性シール部材４，１４が設けられていることを特徴とする。この場合、上述した弾性シール部材４，１４の特徴の双方を具備することができる。

（９）圧力センサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄではいずれも、第１固定部材５及び第２固定部材７が溶接によって固定されているが、この例に代えて、ねじ止め、かしめ、圧入、接着等によって固定されてもよい。

以上、本願の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：圧力センサ
２：ハウジング
２ａ：第１円筒部分
２ｂ：第２円筒部分
３：受圧ロッド
３ａ：顎部
４，１４：弾性シール部材
５：第１固定部材
６：力検知素子
７：第２固定部材

Claims (4)

1. 段差面を含む内周面を有し、少なくとも一方の端部が開口する中空状のハウジングと、
   前記ハウジング内に配置され、一方の端面が前記ハウジングの前記一方の端部に露出し、軸方向において前記ハウジングの前記段差面に対向する顎部が外周面に設けられている受圧ロッドと、
   前記受圧ロッドの他方の端面に対向する力検知素子と、
   前記ハウジングに固定され、前記軸方向において前記受圧ロッドの前記顎部を介して前記ハウジングの前記段差面に対向する第１固定部材と、
   前記受圧ロッドの前記顎部と前記第１固定部材の間に設けられる弾性シール部材と、を備えており、
   前記受圧ロッドの前記顎部と前記ハウジングの前記段差面が接触しており、
   前記第１固定部材と前記ハウジングの前記段差面の間に作用する圧縮荷重によって、前記弾性シール部材にシール荷重が与えられる圧力センサ。
2. 前記受圧ロッドの前記顎部と前記ハウジングの前記段差面がテーパ状に加工されている請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第１固定部材には貫通孔が形成されており、
   前記受圧ロッドが、前記第１固定部材の前記貫通孔を通るように配置されている請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記ハウジングに固定されており、前記軸方向において前記力検知素子を介して前記受圧ロッドの前記他方の端面に対向する第２固定部材をさらに備えており、
   前記第２固定部材と前記受圧ロッドの間に作用する圧縮荷重によって、前記力検知素子に予荷重が与えられる請求項３に記載の圧力センサ。

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