JP2007132697A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】受圧用ダイアフラムが受けた圧力を圧力伝達部材を介してセンシング部に伝達することにより圧力検出を行う圧力センサにおいて、受圧用ダイアフラムのバネ性を確保しつつ機械的強度を向上させる。
【解決手段】一面が被測定圧力を受ける受圧面１１となっており、この受圧面１１に被測定圧力を受けて歪む受圧用ダイアフラム１０と、一端部が受圧用ダイアフラム１０の他面に接触している圧力伝達部材６０と、圧力伝達部材６０の他端部側に設けられ、受圧用ダイアフラム１０からの被測定圧力を圧力伝達部材６０を介して受けて信号を発生するセンシング部とを備える圧力センサにおいて、受圧用ダイアフラム１０は、複数回折り返された波板形状を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、受圧用ダイアフラムが受けた圧力を圧力伝達部材を介してセンシング部に伝達することにより圧力検出を行う圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、一面が被測定圧力を受ける受圧面となっており、この受圧面に被測定圧力を受けて歪む受圧用ダイアフラムと、一端部が受圧用ダイアフラムの他面に接触している圧力伝達部材と、圧力伝達部材の他端部側に設けられ、受圧用ダイアフラムからの被測定圧力を圧力伝達部材を介して受けて信号を発生するセンシング部とを備えるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平７−１９９８１号公報

しかしながら、このような圧力センサにおいては、受圧用ダイアフラムと圧力伝達部材との接触状態を維持するために、受圧用ダイアフラムに対して圧力伝達部材から荷重が付与された状態となっているため、受圧用ダイアフラムはダメージを受けやすく、破壊する恐れもある。このようなことから受圧用ダイアフラムの機械的強度の向上が要望されている。

ここで、単純に、受圧用ダイアフラムを厚くしてやれば、受圧用ダイアフラムの機械的強度は向上するが、反対に、受圧用ダイアフラムのバネ性が低下し、ダイアフラム特性の低下を招くことになる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、受圧用ダイアフラムが受けた圧力を圧力伝達部材を介してセンシング部に伝達することにより圧力検出を行う圧力センサにおいて、受圧用ダイアフラムのバネ性を確保しつつ機械的強度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、受圧用ダイアフラム（１０）が受けた圧力を圧力伝達部材（６０）を介してセンシング部（５０）に伝達することにより圧力検出を行う圧力センサにおいて、受圧用ダイアフラム（１０）を、複数回折り返された波板形状を有したものとしたことを第１の特徴とする。

それによれば、受圧用ダイアフラム（１０）を、複数回折り返された波板形状を有するものとしているため、バネ性を確保しつつ機械的強度を向上させることができる。

また、この圧力センサでは、上述したように、受圧用ダイアフラム（１０）に圧力伝達部材（６０）が接触して荷重を付与している。つまり、受圧用ダイアフラム（１０）においては、圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）を作用点とし、この接触部（１２）の周囲の部位にてバネ性を発揮することにより、受圧用ダイアフラム（１０）として適切に機能する。

その点を考慮して、本発明では、上記第１の特徴を有する圧力センサにおいて、受圧用ダイアフラム（１０）において、圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）を平坦な板状とし、接触部（１２）の周囲の部位を波板形状としたことを、第２の特徴とする。

さらに、本発明は、上記第１または第２の特徴を有する圧力センサにおいて、受圧用ダイアフラム（１０）において、接触部（１２）を、接触部（１２）の周囲の部位よりも厚くしたことを第３の特徴とする。

受圧用ダイアフラム（１０）においては、圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）は、応力が集中しやすい部位であり、この接触部（１２）をその周囲の部位よりも厚くすることで、より機械的強度の大きな受圧用ダイアフラム（１０）を実現することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧力センサ１００のエンジン２００への取付構造を示す概略断面図であり、図２は、図１中の圧力センサ１００における受圧用ダイアフラム１０近傍部の拡大図である。本圧力センサ１００は、エンジン２００の燃焼室２０２内の圧力を検出する燃焼圧センサとして適用されるものである。

この圧力センサ１００は、大きくは、筒状の胴体部１と、この胴体部１に接続されたコネクタ部２とを有するものである。また、エンジン２００には、燃焼室２０２に通じる取付穴２０１が設けられており、圧力センサ１００の胴体部１は、その一端部（図１中の下端部）から取付穴２０１に挿入されて、エンジン２００の燃焼室２０２に臨んだ状態となっている。

本例では、胴体部１は、その一端部側から受圧部としての受圧用ダイアフラム１０、筒状をなすメタルケース２０、筒状をなす金属ステム３０、筒状をなすハウジング４０が、順次、溶接やロウ付け、接着などにより接続され一体化されたものである。そして、この胴体部１の他端部すなわちハウジング４０に対して、コネクタ部２が接続されている。

まず、ハウジング４０は、たとえばステンレスなどの金属製のものであり、このハウジング４０の外面には、エンジン２００の取付穴２０１に対して圧力センサ１００を固定するための取付部４１が形成されている。

本例では、取付部４１は、取付穴２０１とネジ結合可能なネジ部４１として構成されており、本例の圧力センサ１００は、このネジ部４１とネジ穴としての取付穴２０１とのネジ結合により、エンジン２００に固定されて取り付けられる。

金属ステム３０は、中空筒形状に加工されたステンレスなどの金属製の部材であり、メタルケース２０側の端部が開口部３１、ハウジング４０側の端部が閉塞された薄肉状の歪み部３２となっている。

この金属ステム３０の歪み部３２は、受圧用ダイアフラム１０が受けた圧力Ｐが、後述する圧力伝達機構により印加されることで、歪むようになっている。そして、この歪み部３２には、当該歪み部３２の圧力による歪みに基づいて信号を発生するセンシング部５０が設けられている。

このセンシング部５０は、たとえば、半導体チップに拡散抵抗などからなる歪みゲージを形成し、このゲージによりブリッジ回路が構成されたものとすることができる。このようなセンシング部５０によれば、センシング部５０の歪みに基づく信号が当該ブリッジ回路により出力される。本例では、このような半導体チップからなるセンシング部５０は、低融点ガラス５１により、金属ステム３０に接合されている。

また、この金属ステム３０の外周面には、周面と直交する方向へ張り出したテーパ状のシール面３３が全周に形成されている。また、このシール面３３に対向する取付穴２０１の内面は、シール面３３に対応したテーパ状の座面となっている。

そして、圧力センサ１００をエンジン２００へネジ結合したとき、その軸力により、この胴体部１のシール面３３とエンジン２００の取付穴２０１の内面とが密着してシールがなされる。

メタルケース２０は、ステンレスなどの金属製のものであり、金属ステム３０の開口部３１にはめ込まれて、接合固定されている。そして、上記受圧用ダイアフラム１０は、このメタルケース２０における胴体部１の一端部側すなわち胴体部１の燃焼室２０２側の端部に、接合されている。

この受圧用ダイアフラム１０は、たとえばステンレスなどの金属製円形板状のものであり、その一面１１すなわち燃焼室２０２に面する一面１１が、被測定圧力としての燃焼室２０２内の圧力Ｐを受ける受圧面１１となっている。

そして、この圧力センサ１００のエンジン２００への取付状態においては、燃焼室２０２内の圧力Ｐは、図１中の白抜き矢印に示されるように、胴体部１の一端部に位置する受圧用ダイアフラム１０の受圧面１１に印加され、この圧力Ｐの印加により、受圧用ダイアフラム１０は、歪み変形するようになっている。

また、金属ステム３０の中空部およびメタルケース２０の中空部により形成される空間内部には、圧力伝達部材６０が設けられている。この圧力伝達部材６０は、たとえばステンレスなどの金属やセラミックなどからなるものであり、本例では棒状をなす。

圧力伝達部材６０の各端部は、それぞれ金属ステム３０の歪み部３２、受圧用ダイアフラム１０における一面１１とは反対側の他面に対して荷重を与えた状態で接触しており、圧力Ｐは、受圧用ダイアフラム１０から圧力伝達部材６０を介して金属ステム３０の歪み部３２に印加されるようになっている。

本例では、このような圧力検出機構により、受圧用ダイアフラム１０が受けた圧力Ｐが、金属ステム３０の歪み部３２に伝達され、この歪み部３２の歪みに基づいて上記センシング部５０から信号が出力されるようになっている。

このように、本実施形態の圧力センサ１００は、受圧面１１に被測定圧力Ｐを受けて歪む受圧用ダイアフラム１０と、一端部が受圧用ダイアフラム１０の他面に接触している圧力伝達部材６０と、圧力伝達部材６０の他端部側に設けられたセンシング部５０とを備える。

そして、このような圧力センサ１００において、本実施形態では、図２に示されるように、受圧用ダイアフラム１０は、複数回折り返された波板形状を有している。

本実施形態では、図２に示されるように、受圧用ダイアフラム１０において、圧力伝達部材６０と接触している部位である接触部１２は平坦な板状であり、この接触部１２の周囲の部位が波板形状となっている。

また、受圧用ダイアフラム１０において、接触部１２は、接触部１２の周囲の部位よりも厚い。たとえば、接触部１２の周囲の部位は２００μｍ程度の厚さであり、接触部１２はそれ以上、たとえば３００μｍ程度の厚さであり、たとえば、接触部１２は、接触部１２の周囲の部位よりも１００μｍ厚い。

ここで、受圧用ダイアフラム１０の波板形状は、圧力を受ける面である受圧面１０が凹凸を持つように、受圧用ダイアフラム１０を構成する板材を折り返すことにより形成される。本例では、受圧用ダイアフラム１０の波板形状は、図２に示されるように、正弦波状のものである。

また、本例では、受圧用ダイアフラム１０における受圧面１１の形状は、たとえば直径４ｍｍ程度の円形であり、その波形は、受圧用ダイアフラム１０の中心から同心円状に形成されている。いわゆる波紋が広がるように波形が形成されている。そして、このような波板形状および板厚の違いを有する本例の受圧用ダイアフラム１０は、プレス加工や切削加工などにより形成することができる。

受圧用ダイアフラム１０を、このような波板形状を有するものにすることで、その波板の形状特性から、受圧用ダイアフラム１０は、この波板形状の部分にてその波の間隔が広がったり狭まったりするように、バネ性を発揮する。

そのため、本実施形態の受圧用ダイアフラム１０は、従来の平坦板形状のものに比べて厚くしたとしても、バネ性は確保される。つまり、単純に、受圧用ダイアフラム１０の肉厚を厚くすると強度は向上するものの、バネ定数が上がってバネ性が損なわれるが、本実施形態では、波板形状の部分を設けることでバネ定数を下げることができる。また、従来と同程度の厚さであっても、波板形状となっているため、受圧用ダイアフラム１０の機械的強度が向上する。

また、図１に示されるように、ハウジング４０の内部には、セラミック基板などからなる配線基板４２が設けられている。そして、配線基板４２にはＩＣチップ４３が搭載され、図示しないボンディングワイヤなどにより配線基板４２と電気的に接続されている。このＩＣチップ４３は、センシング部５０からの出力を増幅したり調整したりするための回路が形成されたものである。

さらに、図１に示されるように、ハウジング４０内において、このＩＣチップ４３とセンシング部５０とは、リード線やフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などからなる配線部材４４により電気的に接続されている。

そして、上記コネクタ部２は、ハウジング４０に対して、Ｏリング４５を介して接続されている。このコネクタ部２はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂などからなるもので、コネクタ部材２には、金属製のターミナル２ａがインサート成形などにより一体化されている。

このコネクタ部２は、一端側がハウジング４０の開口部に挿入された状態でハウジング４０に組み付けられており、ハウジング４０の開口部の縁部がコネクタ部２にかしめられることにより、コネクタ部２とハウジング４０とが一体に固定されている。

また、ハウジング４０内にてコネクタ部２のターミナル２ａは、配線基板４２と電気的に接続されている。そして、ターミナル２ａは自動車のＥＣＵなどに対して、電気的に接続可能となっており、それにより、本圧力センサ１００は外部との信号のやりとりなどが可能になっている。

ところで、本実施形態の圧力センサ１００においては、受圧用ダイアフラム１０は、複数回折り返された波板形状を有しているため、その波板の形状特性から、受圧用ダイアフラム１０のバネ性を確保しつつ機械的強度を向上させることができる。

また、この圧力センサ１００では、上述したように、受圧用ダイアフラム１０において、圧力伝達部材６０と接触する接触部１２を作用点とし、その周囲の部位にてバネ性を発揮するため、接触部１２の周囲部を波形形状とすることで、受圧用ダイアフラム１０としての適切なバネ変形が確保される。

また、本実施形態では、受圧用ダイアフラム１０において、応力が集中しやすい部位である接触部１２を、その周囲の部位よりも厚いものとしているため、より機械的強度の大きな受圧用ダイアフラム１０を実現できる。

（他の実施形態）
図３は、本発明の他の実施形態に係る種々の例を示す受圧用ダイアフラム１０近傍部の拡大図である。

上記実施形態では、受圧用ダイアフラム１０は、接触部１２が平坦板形状で、その周囲部が波板形状であったが、圧力伝達部材６０との接触部を凸形状、例えば半球形状を備えることにより（図３（ａ）参照）、圧力伝達部材６０と受圧用ダイアフラム１０の接触部１２とが点で接触し、伝達のばらつきを抑えることが可能である。

また、圧力伝達部材６０との接触部１２を凹形状にした場合は（図３（ｂ）参照）、圧力伝達部材６０が中心位置からずれることを防止でき、伝達ばらつきを抑えることが可能である。

また、圧力伝達部材６０との接触部１２が、その周囲部より突起していたり（図３（ｃ）参照）、凹んでいたりすることにより（図３（ｄ）参照）、周囲部の面積を広げバネ性を向上させることが可能である。

また、この場合も、接触部１２とその周囲部とで厚さは異なるものでもよいし、受圧用ダイアフラム１０の受圧面全体が波板形状であってもよい。

本発明の一実施形態に係る圧力センサのエンジンへの取付構造を示す概略断面図である。 図１中の圧力センサにおける受圧用ダイアフラム近傍部の拡大図である。 本発明の他の実施形態に係る種々の例を示す受圧用ダイアフラム近傍部の拡大図である。

符号の説明

１０…受圧用ダイアフラム、１１…受圧用ダイアフラムの受圧面、
１２…受圧用ダイアフラムの接触部、
５０…センシング部、６０…圧力伝達部材。

Claims (10)

1. 一面が被測定圧力を受ける受圧面（１１）となっており、この受圧面（１１）に前記被測定圧力を受けて歪む受圧用ダイアフラム（１０）と、
   一端部が前記受圧用ダイアフラム（１０）の他面に接触している圧力伝達部材（６０）と、
   前記圧力伝達部材（６０）の他端部側に設けられ、前記受圧用ダイアフラム（１０）からの被測定圧力を前記圧力伝達部材（６０）を介して受けて信号を発生するセンシング部（５０）とを備える圧力センサにおいて、
   前記受圧用ダイアフラム（１０）は、複数回折り返された波板形状を有していることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）は平坦な板状であり、前記接触部（１２）の周囲の部位が前記波板形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）が凸形状であり、前記接触部（１２）の周囲の部位が前記波板形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）が凹形状であり、前記接触部（１２）の周囲の部位が前記波板形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記接触部（１２）は、前記接触部（１２）の周囲の部位よりも厚いことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記受圧用ダイアフラム（１０）の波板形状は、前記受圧用ダイアフラム（１０）の中心から同心円状に形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記受圧用ダイアフラム（１０）は、２回折り返された波板形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
8. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）が、前記接触部（１２）の周囲の部位より突起していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
9. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記圧力伝達部材（６０）と接触している部位である接触部（１２）が、前記接触部（１２）の周囲の部位より凹んでいることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
10. 前記受圧用ダイアフラム（１０）において、前記接触部（１２）は、前記接触部（１２）の周囲の部位よりも１００μｍ厚いことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。

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