JP6948247B2

JP6948247B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP6948247B2
Application number: JP2017246120A
Authority: JP
Inventors: 克彦福井
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: JP2019113381A

Description

本発明は、圧力媒体の圧力を検出する圧力センサに関し、特に、エンジンの燃焼室内における燃焼ガス等の如く、高温圧力媒体の圧力を検出する圧力センサに関する。

従来の圧力センサとしては、筒状のハウジング、ハウジング内に収容されたセンサ素子、ハウジングを閉塞すると共に圧力媒体の圧力に応じて変形するダイヤフラム、ダイヤフラムが受けた圧力をセンサ素子に伝達する力伝達ロッドを備え、ダイヤフラムとして、断面が略Ｖ字状をなす環状凹みを画定する折返し形状部を設けた板状のダイヤフラムを採用した圧力センサが知られている（例えば、特許文献１）。

この圧力センサにおいては、高温の燃焼ガスの圧力がダイヤフラムに加わると、ダイヤフラムの力伝達ロッドを介してセンサ素子にその圧力が伝達され、その圧力に応じた信号が出力されるようになっている。

しかしながら、この圧力センサでは、ダイヤフラムが高温の燃焼ガスに直接曝される構造であるため、燃焼ガスの温度変化に伴ってセンサ特性の変化を招き、それ故に、測定誤差を生じるものであった。

特許第４６３８６５９号公報

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高温の圧力媒体からダイヤフラムを確実に遮断して、圧力媒体の温度変化に伴う熱の影響を抑制し、高温圧力媒体の圧力を高精度に検出できる、圧力センサを提供することにある。

本発明の圧力センサは、先端筒状部を有するハウジングと、ハウジング内に収容されると共に圧電体を含む圧力計測部と、先端筒状部の内側に固定された可撓板状部及び可撓板状部と圧力計測部の間に介在するロッド部を有するダイヤフラムと、ダイヤフラムを圧力媒体から遮蔽するべく先端筒状部の内側に保持された遮熱用球状体とを備える、構成となっている。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端筒状部は、その先端において縮径した開口を画定する先端環状部を有し、遮熱用球状体は、先端環状部により保持されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端環状部は、先端筒状部の開口縁領域を内側に折り曲げて形成されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、遮熱用球状体は、圧力媒体の圧力を受けない状態において、可撓板状部に対して非荷重にて接触するように保持されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、可撓板状部は、遮熱用球状体を位置決めする位置決め部を含む、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、遮熱用球状体は、可撓板状部に固定されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端筒状部は、円筒状に形成され、可撓板状部は、先端筒状部の内側に配置される円板状に形成され、遮熱用球状体は、先端筒状部の内径よりも小さい外径をなす球体に形成されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端筒状部は、第１筒状部と、第１筒状部よりも先端側に位置し第１筒状部よりも薄い肉厚の第２筒状部と、第１筒状部と第２筒状部の境界に形成された段差面を含み、可撓板状部は、段差面に固定され、第２筒状部は、その先端において縮径した開口を画定する先端環状部を有し、遮熱用球状体は、先端環状部により保持されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端環状部は、第２筒状部を画定するべくハウジングに結合された結合部材により形成されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端環状部は、その先端において開口を画定する円錐壁として形成され、遮熱用球状体は、円錐壁に接触して保持されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端環状部は、その中央に開口を画定する円環平板として形成され、遮熱用球状体は、円環平板の開口の内縁に接触して保持されている、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、圧力計測部は、先端筒状部の先端側から順次積層された第１電極、圧電体、及び第２電極を有し、ダイヤフラムは、第１電極を兼ねる、構成を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサによれば、熱の影響を抑制して、高温の圧力媒体の圧力を高精度に検出できる圧力センサを得ることができる。

本発明に係る圧力センサの第１実施形態を示す断面図である。図１に示す圧力センサにおいて、先端筒状部を有するハウジング、ダイヤフラム、遮熱用球状体、圧力計測部等を示す部分拡大断面図である。図１に示す圧力センサにおいて、先端筒状部、ダイヤフラム、及び遮熱用球状体の相互関係を示す部分拡大断面図である。図１に示す圧力センサにおいて、先端筒状部の開口縁領域に折り曲げ加工を施す前の状態及び折り曲げ加工後の先端筒状部、ダイヤフラム、及び遮熱用球状体を示す部分拡大断面図である。図１に示す圧力センサにおいて、ダイヤフラムの可撓板状部に位置決め部を設けた変形例を示す部分拡大断面図である。本発明に係る圧力センサの第２実施形態を示す断面図である。図６に示す圧力センサにおいて、先端筒状部を有するハウジング、ダイヤフラム、及び遮熱用球状体の相互関係を示す部分拡大断面図である。図６に示す圧力センサにおいて、先端筒状部、結合部材、ダイヤフラム、及び遮熱用球状体の相互関係を示す部分拡大断面図である。図６に示す圧力センサにおいて、先端筒状部の一部を画定する結合部材をハウジングに結合する前の状態及び結合後の状態における先端筒状部、ダイヤフラム、結合部材、及び遮熱用球状体を示す部分拡大断面図である。本発明に係る圧力センサの第３実施形態を示す断面図である。図１０に示す圧力センサにおいて、先端筒状部を有するハウジング、ダイヤフラム、及び遮熱用球状体の相互関係を示す部分拡大断面図である。図１０に示す圧力センサにおいて、先端筒状部、結合部材、ダイヤフラム、及び遮熱用球状体の相互関係を示す部分拡大断面図である。本発明に係る圧力センサと従来の圧力センサとで、センサ出力を比較したグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
第１実施形態に係る圧力センサは、エンジンのシリンダヘッドＨに取り付けられて、圧力媒体として、燃焼室内の燃焼ガスの圧力を検出するものである。
この圧力センサは、図１及び図２に示すように、ハウジング１０、ダイヤフラム２０、圧力計測部３０、押え部材４０、リード線５０、コネクタ６０、遮熱用球状体７０を備えている。

ハウジング１０は、析出硬化系やフェライト系のステンレス鋼等の金属材料を用いて、軸線Ｓ方向に伸長する内部空間Ａを画定する多段円筒状に形成されている。
そして、ハウジング１０は、先端筒状部１１、シール部１２、雄ネジ部１３、開口端部１４、内壁面１５，１６、雌ネジ部１７を備えている。

先端筒状部１１は、シール部１２から軸線Ｓ方向の先端側に位置する領域で、二段肉厚の円筒状に形成され、第１筒状部１１ａ、第２筒状部１１ｂ、段差面１１ｃ、先端環状部１１ｄ、先端環状部１１ｄにより画定された開口１１ｅを備えている。

第１筒状部１１ａは、円筒状の内壁面１１ａ１を画定し、又、その外壁面がシリンダヘッドＨの取付け孔の内周面Ｈ１に近接又は密接して配置され、燃焼ガスに曝され難いようになっている。
第２筒状部１１ｂは、折り曲げ加工される前の状態で、第１筒状部１１ａの肉厚よりも薄い肉厚をなす円筒状の内壁面１１ｂ１を画定している。
内壁面１１ｂ１の内径寸法は、遮熱用球状体７０の外径Ｄよりも僅かに大きく形成されている。
段差面１１ｃは、第１筒状部１１ａと第２筒状部１１ｂの境界において、軸線Ｓに垂直な環状平面として形成されている。
そして、段差面１１ｃは、ダイヤフラム２０の可撓板状部２１を溶接等により固定する固定面として機能する。

先端環状部１１ｄは、第２筒状部１１ｂの開口縁領域を内側に折り曲げて遮熱用球状体７０に接触する円錐壁として形成され、その中央領域において円形の開口１１ｅを画定している。
開口１１ｅは、遮熱用球状体７０の外径Ｄよりも縮径してすなわち小さい内径に形成されている。
すなわち、先端環状部１１ｄは、第２筒状部１１ｂの内側に収容された遮熱用球状体７０を脱落しないように保持する役割をなす。

シール部１２は、先端筒状部１１の先端から軸線Ｓ方向に後退した所定位置において円錐面状に形成されており、シリンダヘッドＨのシール面Ｈ２に当接して燃焼室ＣＨ内の燃焼ガスが漏れるのを防止する役割をなす。
雄ネジ部１３は、シリンダヘッドＨに設けられた取付け孔の雌ネジ部Ｈ３と螺合させてハウジング１０を固定するべく、シール部１２から軸線Ｓ方向に後退した拡径領域に形成されている。
開口端部１４は、押え部材４０等を取り付ける際の挿入口として機能すると共に、スペーサ６１を介してコネクタ６０が固定されるように形成されている。

内壁面１５は、押え部材４０を挿入し得る内径寸法をなす円筒状の内周面として形成されている。
内壁面１６は、内壁面１５よりも縮径した内径寸法をなす円筒状の内周面として形成され、この領域において圧力計測部３０が収容されるようになっている。
雌ネジ部１７は、押え部材４０を螺合させて固定するべく、内壁面１５と内壁面１６の間の領域に形成されている。

ダイヤフラム２０は、析出硬化性を有するステンレス鋼等の金属材料を用いて形成されている。
そして、ダイヤフラム２０は、可撓板状部２１、可撓板状部２１に連続して形成されたロッド部２２を備えている。

可撓板状部２１は、板厚ｔ１の円板状に形成され、その外縁領域が先端筒状部１１の段差面１１ｃに対して溶接等により固定されている。
可撓板状部２１は、遮熱用球状体７０を介して燃焼ガスの圧力に応じた荷重が伝達され、その荷重に応じて軸線Ｓ方向に弾性変形する領域である。
ここで、可撓板状部２１の板厚ｔ１は、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度である。

ロッド部２２は、可撓板状部２１の略中央領域から軸線Ｓ方向に伸長する円柱状に形成されている。
そして、ロッド部２２の外周面は、ハウジング１０の内壁面１１ａ１，１６と所定の隙間をおいて配置され、ロッド部２２の端面は、圧力計測部３０の圧電体３２に当接するように配置されている。
すなわち、ロッド部２２は、可撓板状部２１と圧力計測部３０の圧電体３２との間に介在し、可撓板状部２１が受けた力を圧電体３２に伝達する機能をなす。

圧力計測部３０は、圧電素子として機能するものであり、図２に示すように、先端筒状部１１の先端側から軸線Ｓ方向に順次積層された、第１電極３１、圧電体３２、第２電極３３を備えている。

第１電極３１は、導電性の金属材料により形成され、この実施形態においては、ダイヤフラム２０がその役割を兼ねている。
そして、第１電極３１すなわちダイヤフラム２０は、ロッド部２２が圧電体３２と密接して配置され、ハウジング１０とシリンダヘッドＨを介して、電気的にグランド（マイナス側）に接続される。

圧電体３２は、四角柱状に形成され、第１電極３１すなわちダイヤフラム２０のロッド部２２と第２電極３３の間に挟み込まれて、軸線Ｓ方向において受けた荷重による歪に基づいて電気信号を出力するものであり、ピエゾ素子、酸化亜鉛、水晶等が適用される。
第２電極３３は、導電性の金属材料により円柱又は円板状に形成され、圧電体３２と密接して配置され、リード線５０を介して、電気的にプラス側に接続される。

上記の圧力計測部３０では、ダイヤフラム２０が第１電極３１を兼ねるため、専用の電極を設ける場合に比べて、部品点数を削減でき、構造を簡素化できる。
尚、この構成に限るものではなく、第１電極３１として、ダイヤフラム２０とは別の電極を介在させてもよい。

押え部材４０は、図２に示すように、ネジ部材４１、絶縁部材４２により構成されている。
ネジ部材４１は、析出硬化系やフェライト系のステンレス鋼等の金属材料を用いて略円柱状に形成され、ハウジング１０の雌ネジ部１７に螺合される雄ネジ部４１ａ、リード線５０を通す貫通孔４１ｂ、絶縁部材４２に当接する当接面４１ｃを備えている。
絶縁部材４２は、電気的に絶縁性の高い絶縁材料、例えば、アルミナ等を用いて略円柱状に形成され、ネジ部材４１の当接面４１ｃに当接する端面４２ａ、第２電極３３に当接する端面４２ｂ、リード線５０を通す貫通孔４２ｃを備えている。

そして、図１及び図２に示すように、圧力計測部３０が所定位置に配置された状態で、絶縁部材４２が嵌め込まれ、絶縁部材４２の上方からネジ部材４１が捩じ込まれることにより、圧力計測部３０に対して軸線Ｓ方向に予荷重が加えられ、又、圧力計測部３０がハウジング１０内の所定位置に位置決めされて保持されるようになっている。

リード線５０は、図１に示すように、圧力計測部３０の第２電極３３に電気的に接続され、絶縁部材４２の貫通孔４２ｃ、ネジ部材４１の貫通孔４１ｂ及びハウジング１０の内部空間Ａを通り、コネクタ６０に導かれている。
コネクタ６０は、レセプタクルとして形成され、スペーサ６１を介してハウジング１０の開口端部１４に結合されており、外部のコネクタ（プラグ）と着脱自在に接続されるようになっている。

遮熱用球状体７０は、ダイヤフラム２０を圧力媒体である燃焼ガスから遮蔽するべく先端筒状部１１の内側に配置されるものであり、耐熱性及び低熱伝導性を備えた材料を用いて形成されている。
ここで、遮熱用球状体７０の材料としては、熱伝導性が低く、耐久性に優れ、剛性の高い材料が好ましく、ステンレス鋼の他に、ニッケルメッキが施された炭素鋼、ニッケル合金、鉄系合金、チタン合金、あるいは、セラミックス等を使用することができる。

また、遮熱用球状体７０は、先端筒状部１１（第２筒状部１１ｂ）の内壁面１１ｂ１の内径よりも僅かに小さい外径Ｄをなす球体として形成されている。
ここで、遮熱用球状体７０は、球体に限るものではなく、一方向に伸びた又は一方向に潰れた球状の形態をなすものであってもよい。
このように、遮熱用球状体７０を採用することにより、燃焼ガスの熱を遮断しつつ燃焼ガスの圧力のみを可撓板状部２１に伝達する機能を発揮させることができる。

遮熱用球状体７０は、図４に示すように、先端筒状部１１の第２筒状部１１ｂの内側に挿入された後に、折り曲げ加工機Ｍを用いて、第２筒状部１１ｂの開口縁領域が内側に折り曲げて形成された先端環状部１１ｄにより、外部に脱落しないように第２筒状部１１ｂの内側に保持される。

ここで、遮熱用球状体７０は、燃焼ガスの圧力を受けない状態において、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように、先端環状部１２の円錐壁に接触して保持される。
また、遮熱用球状体７０が第２筒状部１１ｂの内側において、かじり、固着等により不動とならないように、その外径Ｄはダイヤフラムとして機能する可撓板状部２１の有効径よりも大きくかつ第２筒状部１１ｂの内径よりも小さい。

尚、遮熱用球状体７０は、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように保持されているが、可撓板状部２１に対して溶接等により固定されてもよい。
この場合、遮熱用球状体７０が燃焼ガスの圧力を受けて振動するのを防止できる。これにより、圧力計測部３０のセンサ出力において、その振動に伴うノイズが発生するのを防止できる。
このように、遮熱用球状体７０を可撓板状部２１に対して溶接により固定する構成において、遮熱用球状体７０をセラミックスで形成する場合は、セラミックスの球体を金属層で覆うメタライジングを施すことにより、溶接加工を容易に施すことができる。

次に、上記構成をなす圧力センサの組み立てについて説明する。
先ず、ハウジング１０、ダイヤフラム２０、圧電体３２、リード線５０が接続された第２電極３３、ネジ部材４１、絶縁部材４２、コネクタ６０及びスペーサ６１、遮熱用球状体７０が準備される。

続いて、ダイヤフラム２０がハウジング１０に組み付けられる。すなわち、可撓板状部２１が先端筒状部１１の段差面１１ｃに接合されて溶接等により固定される。
続いて、圧電体３２、第２電極３３、絶縁部材４２、及びネジ部材４１が、順次重なるように開口端部１４からハウジング１０内に挿入される。
尚、圧電体３２、第２電極３３、及び絶縁部材４２は、予め積層されて仮組付けされていてもよい。

そして、ネジ部材４１が適宜捩じ込まれ、圧力計測部３０にセンサとしての直線特性を与えるべく所定の予荷重が加えられる。
続いて、スペーサ６１がハウジング１０の開口端部１４に固定され、導出されたリード線５０がコネクタ６０に接続され、コネクタ６０がスペーサ６１に連結される。

続いて、遮熱用球状体７０がハウジング１０の先端筒状部１１の内側に保持されるように組み付けられる。ここで、「保持」とは、先端筒状部１１内に固着されるのではなく、脱落しないように支持されることを意味する。
すなわち、遮熱用球状体７０が、先端筒状部１１の第２筒状部１１ｂの内側に配置される。
続いて、所定の折り曲げ加工機Ｍを用いて、図４に示すように、第２筒状部１１ｂの開口縁領域が内側に折り曲げられて、先端環状部１１ｄが形成される。ここで、先端環状部１１ｄにより、遮熱用球状体７０の外径Ｄよりも縮径した開口１１ｅが画定される。

以上により、圧力センサの組付けが完了する。
尚、上記組み付け手順は、一例であって、これに限定されるものではなく、その他の組付け手順を採用してもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端筒状部１１、ダイヤフラム２０、及び遮熱用球状体７０は、図３に示される配置関係となる。
すなわち、遮熱用球状体７０は、燃焼ガスの圧力を受けない状態において、先端環状部１２の円錐壁に接触して、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように、先端筒状部１１の内側に保持されてダイヤフラム２０の外側に配置される。
したがって、遮熱用球状体７０が開口１１ｅを通して燃焼ガスの圧力を受けると、その圧力に応じた荷重は遮熱用球状体７０を介して可撓板状部２１に即座に加わる。そして、ダイヤフラム２０は、遮熱用球状体７０により燃焼ガスから遮蔽されると共に、受けた荷重に応じて変形する。

これにより、燃焼ガスの熱は、実質的に遮熱用球状体７０により遮断されて、ダイヤフラム２０側への伝熱が抑制ないし防止される。したがって、ダイヤフラム２０の可撓板状部２１は、燃焼ガスによる熱の影響が抑制ないし防止されて、実質的に燃焼ガスの圧力のみを受けることになる。
また、遮熱用球状体７０は可撓板状部２１に対して接触するように配置されるため、その移動に伴う衝撃力や衝撃音等が抑制ないし防止され、又、ダイヤフラム２０の特性に影響を及ぼすこともない。

以上により、高温の圧力媒体に曝される測定環境下においても、ダイヤフラム２０の熱による変形を抑制することができ、ダイヤフラム２０のロッド部２２と圧力計測部３０の圧電体３２との接触位置を所期の設定状態に維持することができる。
したがって、圧力計測部３０に付与されている予荷重の変動を防止して、予荷重の変動に起因する圧電体３２からの出力ノイズを防止することができる。
それ故に、熱変形等による測定誤差を抑制して、エンジンの燃焼室ＣＨ内の燃焼ガスの圧力を高精度に検出することができる。

すなわち、メカニズムとしては、仮に、ダイヤフラム２０が熱により変形すると、圧力計測部３０に付与されている予荷重が変動し、検出される圧力の精度が低下することになるが、本発明では、遮熱用球状体７０によりダイヤフラム２０の熱よる変形が抑制されるため、熱遮断→ダイヤフラム２０の熱変形を抑制→予荷重の変動防止により、圧力を高精度に検出できる、というものである。

図５は、上記実施形態において、ダイヤフラム２０の可撓板状部２１に位置決め部を設けた変形例を示すものである。
この変形例において、可撓板状部２１には、軸線Ｓ上に中心をもつ位置決め部としての円錐状凹部２３が設けられている。
円錐状凹部２３は、遮熱用球状体７０を受け入れて、遮熱用球状体７０の中心を軸線Ｓ上に位置決めするようになっている。
これにより、遮熱用球状体７０の位置決め及び組付けを容易に行うことができる。
尚、遮熱用球状体７０は、円錐状凹部２３に位置決めされた状態で、可撓板状部２１に溶接等により固定されてもよい。

図６ないし図９は、本発明に係る圧力センサの第２実施形態を示すものであり、前述の遮熱用球状体７０を保持する第２筒状部１１ｂを変更した以外は、前述の実施形態と同一の構成をなすものである。したがって、同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この実施形態に係る圧力センサは、ハウジング１００、ダイヤフラム２０、圧力計測部３０、押え部材４０、リード線５０、コネクタ６０、遮熱用球状体７０を備えている。

ハウジング１００は、析出硬化系やフェライト系のステンレス鋼等の金属材料を用いて、軸線Ｓ方向に伸長する内部空間Ａを画定する多段円筒状に形成されている。
そして、ハウジング１００は、先端筒状部１１０、シール部１２、雄ネジ部１３、開口端部１４、内壁面１５，１６、雌ネジ部１７、先端筒状部１１０に結合された結合部材１２０を備えている。

先端筒状部１１０は、シール部１２から軸線Ｓ方向の先端側に位置する領域で、二段肉厚の円筒状に形成され、第１筒状部１１１、端面１１２、端面１１２に結合された結合部材１２０を備えている。
そして、結合部材１２０は、第１筒状部１１１と外周壁が連続するように結合される第２筒状部１２１、第２筒状部１２１の先端側に形成された先端環状部１２２、第２筒状部１２１の後端側に形成された端面１２３、先端環状部１２２により画定された開口１２４を備えている。

第１筒状部１１１は、円筒状の内壁面１１１ａを画定し、又、その外壁面がシリンダヘッドＨの取付け孔の内周面Ｈ１に近接又は密接して配置され、燃焼ガスに曝され難いようになっている。
端面１１２は、第１筒状部１１１と第２筒状部１２１が結合された状態で両者の境界において、軸線Ｓに垂直な円環状平面をなす段差面を画定する。
そして、端面１１２の内縁領域に位置する段差面は、ダイヤフラム２０の可撓板状部２１を溶接等により固定する固定面として機能する。

第２筒状部１２１は、第１筒状部１１１の肉厚よりも薄い肉厚をなす円筒状の内壁面１２１ａを画定している。内周壁１２１ａの内径は、遮熱用球状体７０の外径Ｄよりも僅かに大きい。
先端環状部１２２は、第２筒状部１２１の先端側において円環平板状に形成され、その中央領域において円形の開口１２４を画定している。
端面１２３は、端面１１２の外周縁領域と接合される円環状平面に形成されている。
開口１２４は、遮熱用球状体７０の外径Ｄよりも小さい内径となるように、先端筒状部としての第２筒状部１２１の内径よりも縮径して形成されている。
すなわち、先端環状部１２２は、第２筒状部１２１の内側に収容された遮熱用球状体７０を脱落しないように保持する役割をなす。

ここで、遮熱用球状体７０は、燃焼ガスの圧力を受けない状態において、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように、先端環状部１２２の開口１２４の内縁に接触して保持される。
また、遮熱用球状体７０が第２筒状部１２１の内側において、かじり、固着等により不動とならないように、その外径Ｄはダイヤフラムとして機能する可撓板状部２１の有効径よりも大きくかつ第２筒状部１２１の内径よりも小さい。
尚、遮熱用球状体７０は、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように保持されているが、可撓板状部２１に対して溶接等により固定されてもよい。

次に、上記構成をなす圧力センサの組み立てについて説明する。
先ず、ハウジング１００、結合部材１２０、ダイヤフラム２０、圧電体３２、リード線５０が接続された第２電極３３、ネジ部材４１、絶縁部材４２、コネクタ６０及びスペーサ６１、遮熱用球状体７０が準備される。

続いて、ダイヤフラム２０がハウジング１００に組み付けられる。すなわち、可撓板状部２１が先端筒状部１１０の端面１１２に接合されて溶接等により固定される。
続いて、圧電体３２、第２電極３３、絶縁部材４２、及びネジ部材４１が、順次重なるように開口端部１４からハウジング１００内に挿入される。
尚、圧電体３２、第２電極３３、及び絶縁部材４２は、予め積層されて仮組付けされていてもよい。

そして、ネジ部材４１が適宜捩じ込まれ、圧力計測部３０にセンサとしての直線特性を与えるべく所定の予荷重が加えられる。
続いて、スペーサ６１がハウジング１００の開口端部１４に固定され、導出されたリード線５０がコネクタ６０に接続され、コネクタ６０がスペーサ６１に連結される。

続いて、図９に示すように、遮熱用球状体７０が結合部材１２０の内側に収容された状態で、結合部材１２０の端面１２３が先端筒状部１１０の端面１１２に接合されて溶接等により固定される。
これにより、遮熱用球状体７０は、ハウジング１００の先端筒状部１１０の内側に保持されるように組み付けられる。
ここで、「保持」とは、先端筒状部１１０内に固着されるのではなく、脱落しないように支持されることを意味する。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端筒状部１１０、ダイヤフラム２０、及び遮熱用球状体７０は、図８に示される配置関係となる。
すなわち、遮熱用球状体７０は、燃焼ガスの圧力を受けない状態において、先端環状部１２２の開口１２４の内縁に接触して、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように、先端筒状部１１０の内側に保持されてダイヤフラム２０の外側に配置される。
したがって、遮熱用球状体７０が開口１２４を通して燃焼ガスの圧力を受けると、その圧力に応じた荷重は遮熱用球状体７０を介して可撓板状部２１に即座に加わる。そして、ダイヤフラム２０は、遮熱用球状体７０により燃焼ガスから遮蔽されると共に、受けた荷重に応じて変形する。

図１０ないし図１２は、本発明に係る圧力センサの第３実施形態を示すものであり、前述の第２実施形態に係る遮熱用球状体７０及び結合部材１２０を変更した以外は、前述の実施形態と同一の構成をなすものである。したがって、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、又、組付け手順についても同様であるため省略する。
この実施形態に係る圧力センサは、ハウジング１００、ダイヤフラム２０、圧力計測部３０、押え部材４０、リード線５０、コネクタ６０、遮熱用球状体７１を備えている。

ハウジング１００は、先端筒状部１１０、シール部１２、雄ネジ部１３、開口端部１４、内壁面１５，１６、雌ネジ部１７、先端筒状部１１０に結合された結合部材１３０を備えている。

遮熱用球状体７１は、遮熱用球状体７０よりも小さい球体として形成されている。したがって、遮熱用球状体７１は、遮熱用球状体７０に比べて、重量が軽く、圧力を受けた際に他の部材に及ぼす衝撃力等も小さくなる。

先端筒状部１１０は、第１筒状部１１１、端面１１２、端面１１２に結合された結合部材１３０を備えている。
結合部材１３０は、第１筒状部１１１の肉厚よりも薄い肉厚をなす二段筒状の第２筒状部１３１、先端環状部１３２、端面１３３、開口１２４を備えている。
第２筒状部１３１は、第１筒状部１１１と同径の同径領域と縮径された縮径領域を含み、縮径領域において円筒状の内壁面１３１ａを画定している。内周壁１３１ａの内径は、遮熱用球状体７１の外径Ｄよりも僅かに大きい。

先端環状部１３２は、第２筒状部１３１の先端側において円環平板状に形成され、その中央領域において円形の開口１３４を画定している。
端面１３３は、端面１１２の外周縁領域と接合される円環状平面に形成されている。
開口１３４は、遮熱用球状体７１の外径Ｄよりも小さい内径となるように、先端筒状部としての第２筒状部１３１の内径よりも縮径して形成されている。
すなわち、先端環状部１３２は、第２筒状部１３１の内側に収容された遮熱用球状体７１を脱落しないように保持する役割をなす。

ここで、遮熱用球状体７１は、燃焼ガスの圧力を受けない状態において、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように、先端環状部１３２の開口１３４の内縁に接触して保持される。
また、遮熱用球状体７１が第２筒状部１３１の内側において、かじり、固着等により不動とならないように、その外径Ｄはダイヤフラムとして機能する可撓板状部２１の有効径よりも大きくかつ第２筒状部１３１（内壁面１３１ａ）の内径よりも小さい。
尚、遮熱用球状体７１は、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように保持されているが、可撓板状部２１に対して溶接等により固定されてもよい。

上記構成をなす圧力センサにおいて、先端筒状部１１０、ダイヤフラム２０、及び遮熱用球状体７１は、図１２に示される配置関係となる。
すなわち、遮熱用球状体７１は、燃焼ガスの圧力を受けない状態において、先端環状部１３２の開口１３４の内縁に接触して、可撓板状部２１に対して非荷重にて接触するように、先端筒状部１１０の内側に保持されてダイヤフラム２０の外側に配置される。
したがって、遮熱用球状体７１が開口１３４を通して燃焼ガスの圧力を受けると、その圧力に応じた荷重は遮熱用球状体７１を介して可撓板状部２１に即座に加わる。そして、ダイヤフラム２０は、遮熱用球状体７１により燃焼ガスから遮蔽されると共に、受けた荷重に応じて変形する。
ここでは、特に、遮熱用球状体７１が小さいため、衝撃力等をさらに抑制ないし防止でき、遮熱作用を確保しつつ、燃焼ガスの圧力のみを可撓板状部２１に伝達することができる。

すなわち、燃焼ガスの熱は、実質的に遮熱用球状体７１により遮断されて、ダイヤフラム２０側への伝熱が抑制ないし防止される。したがって、ダイヤフラム２０の可撓板状部２１は、燃焼ガスによる熱の影響が抑制ないし防止されて、実質的に燃焼ガスの圧力のみを受けることになる。
また、遮熱用球状体７１は、遮熱用球状体７０に比べて小さく、可撓板状部２１に対して接触するように配置されるため、その移動に伴う衝撃力や衝撃音等が抑制ないし防止され、又、ダイヤフラム２０の特性に影響を及ぼすこともない。

図１３は、本発明に係る圧力センサと、従来の圧力センサとで、エンジンの燃焼室における燃焼ガスの圧力を測定した比較試験データを示すグラフである。
・使用エンジン：二気筒ガソリンエンジン、排気量１０００ｃｃ
・運転条件：エンジン回転数５０００ｒｐｍ、全負荷
・基準センサ：精密分析用センサ（ＡＶＬ社製）
・結果データ：点線→精密分析用センサ（実際の燃焼圧力）、実線→本発明の圧力センサ、一点鎖線→従来の圧力センサ
図１３に示される結果から明らかなように、遮熱用球状体７０を備えた本発明の圧力センサでは、従来の圧力センサに比べて、実際の燃焼圧力からのズレ量、すなわち、測定誤差が小さくなっている。
尚、遮熱用球状体７１を備えた本発明でも、図１３に示す結果と同様の効果が得られる。
このように、本発明の圧力センサによれば、センサ精度が改善されて、エンジンの燃焼室内の燃焼ガス等の圧力媒体の圧力を高精度に検出することができる。

上記実施形態においては、ダイヤフラムとして、可撓板状部２１及びロッド部２２を一体的に備えたダイヤフラム２０を示したが、これに限定されるものではなく、可撓板状部２１とロッド部２２が別個に形成されて、可撓板状部２１がダイヤフラムとして機能し、ロッド部２２が力伝達部材として機能する構成を採用してもよい。

上記実施形態においては、ダイヤフラム２０が圧力計測部３０の第１電極３１を兼ねる構成を示したが、これに限定されるものではなく、第１電極３１として専用の電極を設ける構成を採用してもよい。

以上述べたように、本発明の圧力センサは、熱の影響を抑制して、高温の圧力媒体の圧力を高精度に検出できるため、特にエンジンの燃焼室内の燃焼ガス等の高温圧力媒体の圧力を検出する圧力センサとして適用できるのは勿論のこと、燃焼ガス以外の高温の圧力媒体あるいはその他の圧力媒体の圧力を検出する圧力センサとしても有用である。

１０ハウジング
１１先端筒状部
１１ａ第１筒状部
１１ｂ第２筒状部
１１ｃ段差面
１１ｄ先端環状部（円錐壁）
１１ｅ開口
２０ダイヤフラム
２１可撓板状部
２２ロッド部
２３円錐状凹部（位置決め部）
３０圧力計測部
３１第１電極
３２圧電体
３３第２電極
７０，７１遮熱用球状体
１００ハウジング
１１０先端筒状部
１１１第１筒状部
１１２端面（段差面）
１２０結合部材
１２１第２筒状部
１２２先端環状部（円環平板）
１２４開口１２４
１３０結合部材
１３１第２筒状部
１３２先端環状部（円環平板）
１３４開口

Claims

先端筒状部を有するハウジングと、
前記ハウジング内に収容されると共に圧電体を含む圧力計測部と、
前記先端筒状部の内側に固定された可撓板状部及び前記可撓板状部と前記圧力計測部の間に介在するロッド部を有するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムを圧力媒体から遮蔽するべく前記先端筒状部の内側に保持された遮熱用球状体とを備える、
ことを特徴とする圧力センサ。
前記先端筒状部は、その先端において縮径した開口を画定する先端環状部を有し、
前記遮熱用球状体は、前記先端環状部により保持されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記先端環状部は、前記先端筒状部の開口縁領域を内側に折り曲げて形成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
前記遮熱用球状体は、圧力媒体の圧力を受けない状態において、前記可撓板状部に対して非荷重にて接触するように保持されている、
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一つに記載の圧力センサ。
前記可撓板状部は、前記遮熱用球状体を位置決めする位置決め部を含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
前記遮熱用球状体は、前記可撓板状部に固定されている、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の圧力センサ。
前記先端筒状部は、円筒状に形成され、
前記可撓板状部は、前記先端筒状部の内側に配置される円板状に形成され、
前記遮熱用球状体は、前記先端筒状部の内径よりも小さい外径をなす球体に形成されている、
ことを特徴とする請求項２ないし６いずれか一つに記載の圧力センサ。
前記先端筒状部は、第１筒状部と、前記第１筒状部よりも先端側に位置し前記第１筒状部よりも薄い肉厚の第２筒状部と、前記第１筒状部と前記第２筒状部の境界に形成された段差面を含み、
前記可撓板状部は、前記段差面に固定され、
前記第２筒状部は、その先端において縮径した開口を画定する先端環状部を有し、
前記遮熱用球状体は、前記先端環状部により保持されている、
ことを特徴とする請求項１ないし７いずれか一つに記載の圧力センサ。
前記先端環状部は、前記第２筒状部を画定するべく前記ハウジングに結合された結合部材により形成されている、
ことを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
前記先端環状部は、その先端において前記開口を画定する円錐壁として形成され、
前記遮熱用球状体は、前記円錐壁に接触して保持されている、
ことを特徴とする請求項３又は９に記載の圧力センサ。
前記先端環状部は、その中央に前記開口を画定する円環平板として形成され、
前記遮熱用球状体は、前記円環平板の開口の内縁に接触して保持されている、
ことを特徴とする請求項３又は９に記載の圧力センサ。
前記圧力計測部は、前記先端筒状部の先端側から順次に積層された第１電極、圧電体、及び第２電極を有し、
前記ダイヤフラムは、前記第１電極を兼ねる、
ことを特徴とする請求項１ないし１１いずれか一つに記載の圧力センサ。