JPH0619068Y2 - 高温流体用の圧力センサ - 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、特に高温流体の圧力を測定するた
めに用いら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または液体などの
流体圧力を測定するために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。従って、このような高温流体
の圧力測定用として用いられるセンサには、周囲の環
境、特にその温度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。

例えば、このような圧力センサを内燃機関の燃焼圧セン
サとして用いた場合には、温度が1,000℃以上の燃焼ガ
スによって影響されることなく、その圧力を長時間正確
に測定できる能力が要求される。

第２図には、従来の燃焼圧センサの一例が示されてお
り、この燃焼圧センサは、ダイヤフラム部１０の表面に
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に伝達し、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
定していた。

しかし、１０００℃を超える高温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１０と力変換
素子１４との間に設けた熱絶縁体１２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ができず、
力変換素子１４自体の性能が低下してしまう。

このため、従来はダイヤフラム部１０の表面側に、これ
と一体的にブロック部１６を設け、ダイヤフラム部１０
付近に来た燃焼ガスの熱を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１４へ熱
が伝達されないよう形成されていた。

［考案が解決しようとする問題点］ しかし、従来は、ダイヤフラム部１０とブロック部１６
とを、プレス型を用いて一体的に成形していたため、以
下に詳述する問題点があった。

第１の問題点 従来のように、ダイヤフラム部１０とブロック部１６を
一体的に成形した場合には、その後工程で、両者を仕切
るすき間２０を切削加工等により形成しなければなら
ず、圧力センサの生産効率が悪いという問題があった。

また、従来のように、すき間２０を切削加工等により形
成すると、すき間２０を切削刃の幅より小さくすること
ができなかった。このため、このすき間２０に侵入しダ
イヤフラム部１０の表面に直接作用する燃焼ガスの体積
を少なくし、ダイヤフラム部１０の温度上昇を効果的に
抑制することができず、しかもダイヤフラム部１０の温
度上昇によりクリープ等を少なくすることができないと
いう問題があった。

第２の問題点 また、このような燃焼圧センサにおいて、前記ダイヤフ
ラム部１０は、高温でのバネ特性が良い材料を用いて形
成することが好ましく、またブロック部１６は、比熱、
熱伝導率が大きな材料を用いて形成することが好まし
い。

しかし、従来のセンサは、ダイヤフラム部１０およびブ
ロック部１６を一体成形で形成していたため、両者を異
なる材料を用いて形成することができなかった。

このため、例えばダイヤフラム部１０に高温でのバネ特
性を要求すると、ブロック部１６の比熱、熱伝導率が低
下し、ブロック部１６自体の体積を大きくする必要があ
った。しかし、このブロック部１６はダイヤフラム部１
０の中心付近に一体固定されているため、ブロック部１
６の質量を大きくすると、ダイヤフラム部１０の付加質
量も増加してしまい、ダイヤフラム部１０の固有振動数
が低下する。従って、この燃焼圧センサをエンジン等の
振動が大きい部分に取付けると、圧力の検出精度が大巾
に低下してしまうという問題があった。

また、このブロック部１６の体積を小さくすると、ダイ
ヤフラム部１０の温度が上昇してしまい、ダイヤフラム
部１０のバネ特性にへたりが生じるという問題があっ
た。

［考案の目的］ 本考案は、このような従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、前記従来の問題を解決し、高温の流
体圧力を長時間正確に測定できる高温流体用圧力センサ
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に、本考案は、ダイヤフラム部
の表面に作用する高温流体の圧力を、圧縮力として力変
換素子に伝達し、力変換素子から出力される電気信号に
基づき高温流体の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に比べ熱伝導率がよい材料を用いて
形成された放熱ブロック部と、 前記放熱ブロック部の裏面側に設けられた接合用凹部
と、 前記ダイヤフラム部の表面中央部付近に設けられた接合
用凸部と、 を含み、 前記ダイヤフラム部は、高温でのバネ特性のよい材料を
用いて形成され、前記接合用凸部が、前記放熱ブロック
部の接合用凹部に接合固定され、 前記放熱ブロック部は、前記ダイヤフラム部の表面を所
定のすき間を介して傘状に覆うように形成されたことを
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、そのブロック部とダイヤフラム
部とが別体に形成されている。

そして、ダイヤフラム部の表面中央部付近には、ブロッ
ク部との位置合せと、接合時の歪を直接ダイヤフラム部
の薄板部に伝えない目的で接合用凸部が形成されてい
る。

また、前記ブロック部の中央部には、ダイヤフラム部と
の位置合せの目的で接合用凹部が設けられ、ブロック部
の他の部分は、ダイヤフラム部の表面を傘のように覆う
よう形成されている。

そして、ブロック部の接合用凹部を、ダイヤフラム部中
央に設けられた接合用凸部に嵌め込み、例えばプロジェ
クション溶接する。これにより、ダイヤフラム部の表面
にブロック部が取付け固定される。

従って、本考案によれば、前記ブロック部の接合用凹部
を、中広がりとならないように形成し、前記ダイヤフラ
ム部の接合用凸部を先広がりとならないように形成すれ
ば、これらブロック部およびダイヤフラム部を、プレス
型により容易に成形することができるため、圧力センサ
の量産性を高め、低コスト化を図ることが可能となる。

また、本考案において、ブロック部とダイヤフラム部と
の間のすき間は、前記ダイヤフラム部の接合用凸部と、
ブロック部の接合用凹部の寸法を調整することにより簡
単に狭くすることができ、この隙間に入ってくる燃焼ガ
スの体積を従来の圧力センサに比べ大巾に少なくするこ
とができる。

従って、燃焼ガスから直接ダイヤフラム部に伝達される
熱量が大巾に少なくなり、この結果、ダイヤフラム部の
温度上昇を効果的に抑制し、しかもダイヤフラム部のク
リープ等を少なくすることができる。

また、本考案において、ダイヤフラム部の表面中央部に
取付けられたブロック部は、ダイヤフラム部付近にきた
燃焼ガスの熱を吸収し、しかもダイヤフラム部自身が受
けた熱を吸収する目的で形成されている。このために
は、ブロック部側がダイヤフラム部側より低い温度でな
ければならない。

従って、前記のブロック部には、比熱が大きく、熱伝導
率が大きいという特性が要求される。また、前述したよ
うに、このブロック部は、ダイヤフラム部の固有振動数
の低下を招かないようあまり大きく形成することは好ま
しくない。特に、本考案の圧縮力センサを、例えば燃焼
圧センサとして用いる場合には、ブロック部の重量が増
加し、ダイヤフラム部の固有振動数が低下すると、測定
できる振動数範囲が狭くなり、特にエンジン等の振動が
大きいところに取付けられた場合には、ノック信号等の
検出が困難になってしまう。

従って、前記ブロック部は、ダイヤフラム部に対しその
比重量を小さくすることが要求され、その比重量を小さ
くすればするほど、検出特性が向上する。

このような問題を解決するため、本考案においては、ダ
イヤフラム部とブロック部とを別体とし、ダイヤフラム
部を高温でのバネ特性が優れた材料（例えば、ＳＵＳ４
３０、インコネルＸ７２０等の材料）を用いて形成し、
ブロック部を熱伝導率のよい材料（例えばＡｌ系の合
金）を用いて形成している。

例えば、ブロック部をＡｌ系の合金を用いて形成する
と、Ｆｅ系、Ｎｉ系の合金を用いた場合に比べ、その質
量が約１／３となる。このことは、Ａｌ系の合金を用い
た場合には、Ｆｅ系、Ｎｉ系合金を用いた場合の３倍の
体積にしても、応答性・加速度感度がほぼ同じで、熱容
量を約３倍にできることを意味する。

さらに、ブロック部をＡｌ系の合金を用いて形成する
と、Ｆｅ，Ｎｉ系の合金を用いた場合に比べ、比熱が約
２倍、熱電導率が約３倍となる。

このように、本考案によれば、ダイヤフラム部を高温バ
ネ特性のよい、例えばＳＵＳ４３０、インコネルＸ７２
０等の材質を用いて形成し、ブロック部を、例えばＡｌ
系合金を用いて形成することにより、ブロック部の比熱
を約２倍、熱伝導率を約３倍、比重量を約１／３にする
ことができ、同体積のブロック部をダイヤフラム部と一
体で作った場合に比べ、約１８倍の効果を期待すること
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
とブロック部をそれぞれ別体に形成し、後で接合するよ
うにしたことにより、圧力センサの量産性が高まり、セ
ンサ自体を低コストで製造することができるという効果
がある。

また、本考案によれば、ダイヤフラム部とブロック部と
の間のすき間を十分に狭くすることができることから、
ブロック部がダイヤフラム部付近に来る燃焼ガスの熱を
いちはやく吸収し、ダイヤフラム部の温度上昇を効果的
に抑制することができるという効果がある。

さらに、本考案によれば、ダイヤフラム部を、高温でバ
ネ特性のよい材料を用いて形成し、ブロック部を熱伝導
率のよい材料を用いてそれぞれ形成することができるた
め、ダイヤフラム部の特性を損うことなく、ダイヤフラ
ム部の温度上昇をより効果的に抑制することができると
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、ほぼ円筒形状に形成されたセ
ンサケース３０の先端開口部に、ダイヤフラム部１０の
フランジ部１１ａを嵌込み、センサケース３０の内部に
燃焼ガスが侵入しないよう、その嵌込み部を全周に渡っ
てプロジェクション溶接接合している。

本考案の特徴は、このダイヤフラム部１０とブロック部
１６とを別体に形成し、ダイヤフラム部１０の薄板部１
１ｂ表面部中央部付近に設けた接合用凸部１０ａに、ブ
ロック部１６の中央部に設けた接合用凹部１６ａを接合
し、ダイヤフラム部１０の表面中央部にブロック部１６
を取付け固定したことにある。

実施例において、前記接合用凸部１０ａは先端側が先広
がりにならないように形成されており、また前記接合用
凹部１６ａは、内側が中広がりにならないよう前記接合
用凸部１０ａの大きさに合わせて形成されている。

また、このようにダイヤフラム部１０の表面にブロック
部１６を接合固定すると、ダイヤフラム部１０の表面は
ブロック部１６によりすき間２０を介してそのほぼ全面
が傘のように覆われることになる。このとき、このすき
間２０の大きさは、前記凸部１０ａおよび凹部１６ａの
寸法により任意に調整することができ、本実施例ではほ
ぼ零になるように形成されている。

また、本考案において、このブロック部１６は比熱が大
きく、熱伝導率のよい材料を用いて形成することが好ま
しく、実施例においてはＡｌ合金を用いて形成されてい
る。

また、本考案において、前記ダイヤフラム部１０は高温
でのバネ特性のよい材料を用いて形成することが好まし
く、実施例ではＳＵＳ４３０，インコネルＸ７２０等の
金属材料を用いて形成されている。

このように、本実施例ではダイヤフラム部１０とブロッ
ク部１６とをそれぞれ固有の材料を用いて形成している
ため、ブロック部１６は、ダイヤフラム部１０に対して
比熱が約２倍、熱伝導率が３倍、比重量が約１／３とな
り、同じ体積のブロック部１６をダイヤフラム部１０と
一体的に形成した場合に比べ約１８倍の効果が期待でき
る。従って、本実施例によれば、ダイヤフラム部１０の
特性を損うことなく、その温度上昇を有効に抑制するこ
とができる。

そして、本実施例の燃焼圧センサは、ダイヤフラム部１
０の表面側から作用する燃焼ガスの圧力Ｐを、熱絶縁体
１２を介してセンサケース３０の内部に固定された力変
換素子１４へ伝達し、この力変換素子１４から出力され
る電気信号に基づき燃焼ガスの圧力Ｐを測定するよう形
成されている。

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｛１１
０｝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４０を支持する支持基台４４とを含
む。

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ック端子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、前記ハーメチック端子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、金線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３
０の他端側から外部に引出されている。

実施例のセンサは、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用のかしめ部３２が設け
られており、リード線５２に加わっ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。
さらに、このセンサケース３０のかしめ部３２は、ケー
スカバー３４を用いて覆われる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３６が設けられて
おり、このネジ溝３６を図示しない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、次にその作用を説明す
る。

実施例のセンサを用いて燃焼圧を測定しようとする場合
には、まずＳｉ単結晶体４０内に、その入力電極を介し
て所定の電流を通電し、この状態でダイヤフラム部１０
の表面側に燃焼ガスを作用させる。

このとき、ダイヤフラム部１０の表面に作用した燃焼ガ
スの圧力Ｐは、熱絶縁体１２、台座４２を介してＳｉ単
結晶体４０の（１１０）面の結晶面に垂直に作用し、Ｓ
ｉ単結晶体４０のピエゾ抵抗効果を利用してその出力電
極から圧力Ｐに比例した電圧が出力される。そして、こ
の測定電圧はリード線５２を介して外部に出力される。

ところで、実施例のように、温度が１０００℃を上回る
燃焼ガスの圧力測定を行う場合には、ダイヤフラム部１
０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の温度上昇を十分に抑制すること
ができず、このままでは力変換素子１４の特性が低下し
てしまう。

このため、実施例の力変換素子ではダイヤフラム部１０
の表面中央にブロック部１６を取付け固定し、ダイヤフ
ラム部１０の温度上昇を抑制している。

本実施例においては、このブロック部１６をダイヤフラ
ム部１０と別体に形成し、その中央部に設けた接合用凹
部１６ａをダイヤフラム部１０の表面中央部に設けた接
合用凸部１０ａと嵌め合わせた状態で接合し、ブロック
部１６をダイヤフラム部１０の表面中央部に取付け固定
している。

従って、ブロック部１６とダイヤフラム部１０との間の
すき間２０を、接合用凸部１０ａおよび接合用凹部１６
ａの寸法を調節することによりほぼ零程度にすることが
できる。このため、すき間２０を介してダイヤフラム部
１０の表面に直接作用する燃焼ガスの体積が著しく少な
くなり、ダイヤフラム部１０の温度上昇を効果的に抑制
することができる。

なお、すき間２０が小さくなると、燃焼ガスからダイヤ
フラム部１０に直接伝わる熱は、ダイヤフラム部１０の
周辺部（フランジ部１１ａ）が主体となるが、この部分
の熱はセンサケース３０をつたわってセンサ取付部へ逃
げ、ダイヤフラム部１０の周辺部における温度上昇も抑
制される。

また、本実施例によれば、ブロック部１６を比熱、熱伝
導率の大きいＡｌ合金を用いて形成している。従って、
ダイヤフラム部１０の表面中央部付近（薄板部１１ｂの
中央）の熱は、ダイヤフラム部１０より比熱が大きく、
熱伝導率のよいブロック部１６側へ熱伝導により逃げ、
ダイヤフラム部１０の表面中央部付近の温度上昇も抑制
することができる。

このように、本実施例の燃焼圧センサは、高温の燃焼ガ
スが作用するダイヤフラム部１０の温度上昇を効果的に
抑制することができるため、センサケース３０内の力変
換素子１４の温度上昇が小さく、高温、高圧の燃焼ガス
の測定を長時間継続して正確に行うことが可能となる。

さらに、本実施例においては、前記ダイヤフラム部１０
の接合用凸部１０ａを先広がりにならないように形成
し、ブロック部１６の接合用凹部１６ａを中広がりにな
らないよう形成している。このため、これらダイヤフラ
ム部１０、ブロック部１６をプレス成形等により簡単に
製造することができ、しかも接合用凸部１０ａと接合用
凹部１６ａを嵌め合わせた状態で接合するのみで両者を
接合することができ、従来のセンサに比べその製造工程
が簡単になり、量産性を高めることができる。

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、本考案の圧力センサを
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、これ以外に各種の高温流体用の
圧力センサして幅広く用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る圧力センサ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図は従来の燃焼圧センサの説明図である。 １０…ダイヤフラム部 １０ａ…接合用凸部 １４…力変換素子 １６…ブロック部 １６ａ…接合用凹部

フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭63−27845（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3857287（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤフラム部の表面に作用する高温流体
   の圧力を、圧縮力として力変換素子に伝達し、力変換素
   子から出力される電気信号に基づき高温流体の圧力を測
   定する圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラム部に比べ熱伝導率がよい材料を用いて
   形成された放熱ブロック部と、 前記放熱ブロック部の裏面側に設けられた接合用凹部
   と、 前記ダイヤフラム部の表面中央部付近に設けられた接合
   用凸部と、 を含み、 前記ダイヤフラム部は、高温でのバネ特性のよい材料を
   用いて形成され、前記接合用凸部が、前記放熱ブロック
   部の接合用凹部に接合固定され、 前記放熱ブロック部は、前記ダイヤフラム部の表面を所
   定のすき間を介して傘状に覆うように形成されたことを
   特徴とする高温流体用の圧力センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記高温流体として、熱焼ガスの圧力測定を行うことを
   特徴とする高温流体用の圧力センサ。