JP2009186209A

JP2009186209A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2009186209A
Application number: JP2008023773A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Yasuda; 宏通安田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】受熱によるダイアフラムの変形を低減化する。
【解決手段】筒内圧センサはハウジング、金属ステム１３、およびダイアフラム１４を有す。ハウジング、金属ステム、およびダイアフラムを溶接して一体化する。ダイアフラム１４は内層１４ｉと外層１４ｏとを有す。内層１４ｉと外層１４ｏとを析出硬化系ステンレスによって形成する。異なる析出硬化熱処理を施すことにより、内層１４ｉの線膨張率を外層１４ｏの線膨張率より大きくする。内層１４ｉと外層１４ｏとを冷間圧延圧接法または電子ビーム溶接により接合させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサの内部と外部との間で大きな温度差が生じる状況において、圧力を検出する圧力センサに関する。

エンジンの燃焼室内における燃焼状態をモニターするために、燃焼室内の圧力を検出することが知られている。燃焼室内の圧力を検出するために、筒内圧センサがエンジン本体に取付けられる。

筒内圧センサの燃焼室側の先端に燃焼室の圧力に応じて変形するダイアフラムが設けられる。ダイアフラムの変形とともに圧電素子などの圧力検出部に燃焼室の圧力が伝達される。圧力検出部により伝達された圧力が検出される。したがって、燃焼室の圧力以外の要因でダイアフラムが変形すると、圧力の検出精度は低下する。

例えば、筒内圧センサをエンジン本体に取付けるときに、ダイアフラムを損傷させてしまうことがあった。このような問題に対して、ダイアフラムを可燃性の緩衝部材で覆うことが提案されている（特許文献１参照）。緩衝部材によりダイアフラムの変形が防がれる。また、エンジンの燃焼により緩衝部材は焼失するので、緩衝部材が圧力の検出に影響を及ぼすこともない。

また、ダイアフラムは熱により変形することがある。ダイアフラムは大きな圧力を受けるため、圧力に対する耐久性を備える厚さとなるように形成する必要がある。そのような厚さでは、ダイアフラムの外側と内側とでは大きな温度差を生じることがあり、ダイアフラムが変形することがある。
特開平５−１８００６０号公報

従って、本発明では、センサの内部と外部との間に大きな温度差が生じる状況下において圧力を正確に検出可能な圧力センサの提供を目的とする。

第１の発明に係る圧力センサは、ダイアフラムと圧力検出部とを含む。ダイアフラムは検出対象と接する外面側と外側面の反対側である内面側とで熱膨張率が異なる。ダイアフラムは外面側にかかる圧力に応じて変形する。圧力検出部はダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生する。

第１の発明によると、ダイアフラムの熱膨張率が外面側と内面側とで異なるので、ダイアフラムの外面側と内面側との間に温度差が生じても、ダイアフラムの受熱による変形が防がれる。それゆえ、圧力検出部により検出される圧力の検出精度が向上する。

第２の発明に係る圧力センサでは、第１の発明の構成に加えて、ダイアフラムにおける外面側の熱膨張率より内面側の熱膨張率が大きい。

第２の発明によると、高温雰囲気下で圧力センサが用いられる場合に、高温となるダイアフラムの外面側の膨張量と外面側より低温となる内面側の膨張量との差が小さく、受熱によるダイアフラムの変形を低減化させることが可能となる。

第３の発明に係る圧力センサでは、第２の発明の構成に加えて、外面側が内燃機関の燃焼室内に臨むように配置される。圧力センサは燃焼室の圧力を検出するための燃焼圧センサである。

第３の発明によると、高温雰囲気下の使用条件として内燃機関の燃焼室において、燃焼圧を検出する場合は、外側面が燃焼室内に曝されることにより圧力を正確に検出することが可能である。

第４の発明に係る圧力センサでは、第１の発明の構成に加え、ダイアフラムは熱膨張率が互いに異なる第１、第２の層それぞれを外面側および内面側とに配置させた複層構造を有する。

第４の発明によると、熱膨張率の異なる層を積層化させることにより、ダイアフラムの外面側と内面側との熱膨張率を変えることが可能となる。

第５の発明に係る圧力センサでは、第３の発明の構成に加え、熱膨張率が互いに異なる金属を溶接することにより複層構造が形成される。

第５の発明によると、ダイアフラムを金属の溶接によって形成することにより、ダイアフラムに高い耐久性を備えさせることが可能になる。

第６の発明に係る圧力センサでは、第４の発明の構成に加え、金属の溶接は冷間圧延圧接または電子ビーム溶接である。

第６の発明によると、冷間圧延圧接または電子ビーム溶接により、金属が極めて強固に一体化されるので、ダイアフラムにさらに高い耐久性を備えさせることが可能になる。

第７の発明に係る圧力センサでは、第３の発明の構成に加え、金属部材を金属部材と熱膨張率の異なるセラミック部材によってコーティングすることによって複層構造が形成される。

第７の発明によると、セラミックコーティングによって、ダイアフラムに高い耐久性を備えさせることが可能になる。

本発明によれば、ダイアフラムの受熱による変形を防ぐことが可能になる。したがって、検出される圧力の検出精度を向上させることが可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態を適用した筒内圧センサ（圧力センサ）をエンジン本体のエンジンヘッドに取付けた状態で示す縦断面図である。

エンジンヘッド１には、外表面から燃焼室まで貫通する取付孔２が形成される。筒内圧センサ１０は棒状に形成される。筒内圧センサ１０は、長手方向に沿って取付孔２に挿入される。

筒内圧センサ１０は、コネクタ部１１、ハウジング１２、金属ステム１３、ダイアフラム１４によって構成される。ハウジング１２と金属ステム１３とが、金属ステム１３とダイアフラム１４とが溶接され、一体化される。コネクタ部１１はハウジング１２に取付けられる。

ハウジング１２は、ステンレスなどの金属によって形成され、本体部１２ｂと収納部１２ｓとを有する。本体部１２ｂは両端が開放された２段の中空円筒形状である。収納部１２ｓは内部に段付き孔部１２ｈが形成され、段付き孔部１２ｈは本体部１２ｂの大径円筒側の内部中空に接続される。

本体部１２ｂの外周面には雄ネジ部１２ｓｃが形成される。また、取付孔２の外表面側の一部には、雌ネジ部２ｓが形成される。本体部１２ｂの雄ネジ部１２ｓｃを取付孔２の雌ネジ部２ｓに螺合させることにより、筒内圧センサ１０はエンジンヘッド１に取付けられる。

本体部１２ｂの大径円筒と小径円筒との間の段はテーパー状に形成される。取付孔２は、外表面側が大径で、燃焼室側が小径となる段付き形状に形成される。雄ネジ部１２ｓｃを雌ネジ部２ｓに螺合していくと、取付孔２の段と本体部１２ｂのテーパー面が密着し、燃焼室内が密閉される。

金属ステム１３は、ステンレスなどの金属によって、両端が開放された円筒形状に形成される。金属ステム１３を本体部１２ｂの小径円筒側の端部に挿入した状態で、ハウジング１２と金属ステム１３とが溶接される。

金属ステム１３の燃焼室側の端部には、ダイアフラム１４が溶接される。ダイアフラム１４は薄肉円形板の底部と円筒状の側部とを有する形状に形成される。側部は金属ステム１３と同じ外径であり、底部は金属ステム１３の軸に対して垂直である。金属ステム１３の先端の外周は細径化されており、ダイアフラム１４の側部内側に挿入された状態で溶接される。

ダイアフラム１４はバイメタルダイアフラムであって、図２に示すように、内層１４ｉおよび外層１４ｏによって構成される。内層１４ｉおよび外層１４ｏは、内層１４ｉより外層１４ｏの線膨張率が小さくなる部材により形成される。また、内層１４ｉおよび外層１４ｏは変形に対する耐久性が求められるため一体的に形成されることが好ましく、さらには高圧に対する耐久性も求められる。

このような条件を満足させる部材として、例えば、析出硬化系ステンレスを用いることが考えられる。析出硬化系ステンレスは施す析出硬化熱処理によって線膨張率を変えることが可能である。ＪＩＳ規格のＨ９００およびＨ１１５０で規定される熱処理を施したステンレス鋼ＳＵＳ６３０がそれぞれ、外層１４ｏおよび内層１４ｉに用いられる。

内層１４ｉと外層１４ｏとは溶接により接合され、一体化される。なお、前述のように、内層１４ｉと外層１４ｏとを強固に一体化させる必要があるため、原子レベルで密着させるために冷間圧延圧接法により接合させることや、深熔込みさせるために電子ビーム溶接により接合させることが考えられる。

金属ステム１３のハウジング１２側の端部には、歪み板１５が溶接される（図１参照）。歪み板１５はステンレスなどの金属によって薄肉円形板の底部と円筒状の側部とを有する形状に形成される。側部は金属ステム１３と同じ外径であり、底部はダイアフラム１４の底部と平行である。金属ステム１３の先端の外周は細径化されており、歪み板１５に挿入され状態で溶接される。

金属ステム１３内部に、圧力伝達ロッド１６が配置される。圧力伝達ロッド１６は、ステンレスなどの金属またはセラミックにより棒状に形成される。圧力伝達ロッド１６は、ダイアフラム１４と歪み板１５に挟持され、これによりダイアフラム１４および歪み板１５に軸方向に予荷重がかかる。

前述のようにダイアフラム１４の底部は薄肉状であり、燃焼室内の圧力により底部に垂直な方向（図３符号Ｐ参照）に変形する。ダイアフラム１４の底部が変形しながら、圧力伝達ロッド１６を歪み板１５側に変位させる。

圧力伝達ロッド１６の変位により底部に作用する力が圧力伝達ロッド１６を介して歪み板１５側に伝達される。伝達された力により歪み板１５が押圧され、ダイアフラム１４と同様に板面に垂直な方向に変形する。歪み板１５には検出素子１７が設けられる。検出素子１７は、歪み板１５の変形に応じた電気信号を歪み信号（第１の信号）として出力する。

検出素子１７は信号線１８を介してＩＣチップ１９に接続されており、歪み信号はＩＣチップ１９に送信される。ＩＣチップ１９により歪み信号に対してゲインコントロールなどの信号処理が施される。

ＩＣチップ１９はプリント基板２０上に搭載される。プリント基板２０は収納部１２ｓ内の段付き孔部１２ｈに配置される。また、収納部１２ｓの段付き孔部１２ｈにはコネクタ部１１が挿入され、プリント基板２０は段付き孔部１２ｈの段とコネクタ部１１とによって挟持される。

コネクタ部１１は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂により形成される。コネクタ部１１の側面には段付き孔部１２ｈの内径と実質的に外径が等しい鍔部１１ｂが形成される。鍔部１１ｂと鍔部１１ｂの間にＯリング２１を嵌合させた状態で、コネクタ部１１を段付き孔部１２ｈに挿入することにより、本体部１２ｂ内の中空が密閉される。収納部１２ｓの開口の縁部がコネクタ部１１にかしめられることにより、コネクタ部１１が収納部１２ｓに固定される。

コネクタ部１１には金属製の端子２２が、インサート成形などの成形法により形成される。端子２２はコネクタ部１１内において、プリント基板２０に接続される。コネクタ部１１を接続ケーブル（図示せず）を介してＥＣＵ（図示せず）に接続することにより、信号処理の施された圧力信号をＥＣＵに送信可能である。

以上のような構成の本実施形態の筒内圧センサによれば、以下に説明するように、燃焼室に曝されるダイアフラムの受熱による変形を抑えることが可能になる。

従来の筒内圧センサでは、熱膨張率が均一な単一の部材により形成されたダイアフラムが用いられていた。前述のように、エンジンの燃焼時の熱を受熱するダイアフラムの外側と内側との間に大きな温度差が生じる。図４に示すように、温度差が生じるとダイアフラム１４０の内側の膨張量より外側の膨張量の方が大きくなるため、ダイアフラム１４０が外側に膨らむように変形する。ダイアフラム１４０の変形により圧力伝達ロッド１６が下方に変位するので、変位分の出力誤差を生じることになる。

一方、本実施形態における筒内圧センサでは、内層１４ｉの線膨張率が外層１４ｏの線膨張率より大きいため、外側の温度が内側の温度より高い場合でも外側と内側との膨張量の差を従来のダイアフラムより低減化させることが可能である。したがって、熱による変形量を低下させるので、出力誤差が低減化され、圧力の検出精度が向上する。

なお、本実施形態において、外層１４ｏを形成する部材より線膨張率が大きな部材を用いて内層１４ｉを形成する構成であるが、筒内圧センサが曝される環境に応じていずれかの層の線膨張率を大きくすればよい。例えば、筒内圧センサが低温雰囲気において使用される場合には、外層１４ｏを形成する部材より線膨張率が小さな部材を用いて内層１４ｉを形成すれば、低温によりダイアフラムが内側に変形する事を防ぐことが可能である。

このように、外側と内側との間に大きな温度差が生じる状況において、ダイアフラムの外面側と内面側との線膨張率を変えることにより、圧力センサによる圧力の検出精度を向上させることが可能である。

また、本実施形態において、ダイアフラム１４は内層１４ｉと外層１４ｏとにより形成される２層構造であるが、接着層などの他の層を介在させた複層構造としてもよい。あるいは、内側と外側の線膨張率を変えるように加工出来れば、複層構造とせずに単一の部材によってダイアフラムを形成してもよい。

また、本実施形態において、ダイアフラム１４は析出硬化系ステンレスによって形成される構成であるが、他の金属によって形成されてもよい。あるいは、圧力に応じて変形できれば、他の部材によって形成されてもよい。例えば、析出硬化系ステンレスによって形成した内層１４ｉにシリコンナイトライドやシリコンカーバイドなどのセラミックによりコーティングすることにより外層１４ｏを形成してもよい。

なお、ダイアフラム１４を他の部材によって形成する場合は、ダイアフラムが曝される使用環境に対して耐久性を備える部材であることが好ましい。例えば、本実施形態のように燃焼室内の圧力を検出する場合には、燃焼温度に対する耐熱性を備えることが好ましい。また、圧力センサが低温雰囲気下において使用される場合には、耐寒性を備えることが好ましい。

また、本実施形態において、内層１４ｉと外層１４ｏとは冷間圧延圧接法や電子ビーム溶接により接合される構成であるが、他のいかなる方法により接合されてもよい。ただし、前述のように、ダイアフラムには変形に対する耐久性が求められるため、内層と外層とを強固に接合させる接合方法を適用することが好ましい。

本発明の一実施形態を適用した筒内圧センサをエンジン本体のエンジンヘッドに取付けた状態で示す縦断面図である。ダイアフラムの拡大図である。圧力を検出するメカニズムを説明するためのダイアフラム側先端の拡大図である。受熱による変形状態を示すための、従来のダイアフラムの拡大図である。

符号の説明

１エンジンヘッド
１０筒内圧センサ
１４、１４０ダイアフラム
１４ｉ、１４ｏ内層、外層
１６圧力伝達ロッド
１７検出素子

Claims

検出対象と接する外面側と前記外面側の反対側である内面側とで熱膨張率が異なり、前記検出対象から前記外面側にかかる圧力に応じて変形するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生する圧力検出部とを備える
ことを特徴とする圧力センサ。
前記ダイアフラムにおいて、前記外面側の熱膨張率より前記内面側の熱膨張率が大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記圧力センサは、前記外面側が内燃機関の燃焼室内に臨むように配置され、前記燃焼室の圧力を検出するための燃焼圧センサであることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
前記ダイアフラムは、熱膨張率が互いに異なる第１、第２の層をそれぞれ前記外面側と前記内面側とに配置させた複層構造を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
前記複層構造は、熱膨張率が互いに異なる金属を溶接することにより形成されることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
前記金属の溶接は、冷間圧延圧接または電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記複層構造は、金属部材を前記金属部材と熱膨張率の異なるセラミック部材を用いてコーティングすることにより形成されることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。