(57)【要約】【課題】初期値からの感度の経時劣化を可及的に抑制すること。【解決手段】ダイアフラム５３は、中心軸線Ｃ２と平行で受圧面５５から裏面５６に向かう第一軸線方向又はその反対の第二軸線方向に撓み変形する。支持側壁部５２は、ダイアフラム５３を外側から囲む円筒状の部分であって、円筒外面である外壁面５４が中心軸線Ｃ２に沿った面となるように、第一軸線方向とは反対の第二軸線方向に突設されている。支持側壁部５２は、第二軸線方向側の端部にて、ダイアフラム５３に接続されている。支持側壁部５２は、外壁面５４にて流体圧力を受圧することで、中心軸線Ｃ２と交差する径方向に撓み変形する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象空間（１ｆ）内の流体圧力に応じた電気出力を発生するように構成された、圧力センサ（２）において、
中心軸線（Ｃ２）について線対称な円板状に形成されたダイアフラムであって、前記流体圧力を受けるように前記対象空間側に設けられた受圧面（５５）と、前記受圧面の裏側の裏面（５６）とを有し、前記流体圧力に応じて、前記中心軸線と平行で前記受圧面から前記裏面に向かう第一軸線方向又は前記第一軸線方向とは反対の第二軸線方向に撓み変形するように構成された、ダイアフラム（５３）と、
前記ダイアフラムを外側から囲む円筒状の部分であって、円筒外面である外壁面（５４）が前記中心軸線に沿った面となるように前記第二軸線方向に突設され、前記第二軸線方向側の端部にて前記ダイアフラムに接続され、前記外壁面にて前記中心軸線と直交する径方向に前記流体圧力を受圧することで前記径方向に撓み変形するように構成された、支持側壁部（５２）と、
を備えた圧力センサ。
【請求項２】
前記支持側壁部は、前記受圧面への異物付着による前記ダイアフラムの剛性上昇に起因する感度低下を、前記外壁面への異物付着による前記支持側壁部の剛性上昇に起因する感度上昇により補償するように構成された、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記支持側壁部は、前記対象空間を構成する装着対象（１ｂ）に形成された貫通孔（１ｇ）に前記圧力センサが装着された場合に、前記外壁面が前記貫通孔の内壁面（１ｍ）と所定の隙間（Ｇ）を隔てて対向配置されるように形成された、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記対象空間は前記装着対象としてのエンジン（１）の燃焼室であり、前記流体圧力は前記燃焼室内の燃料混合気の燃焼圧である、請求項３に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示された圧力センサは、内燃機関のシリンダ内のような高温高圧環境下における圧力を検知するセンサであって、円筒状の本体と、本体の先端部に取り付けられたダイアフラムと、本体の内部に配置された圧電素子とを備えている。当該構成の圧力センサにおいては、ダイアフラムに作用した圧力に応じて、圧電素子に電荷が発生する。この電荷に基づいて、圧力検知が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９９３８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の圧力センサにおいて、ダイアフラムの外表面にデポジット等の異物が付着すると、ダイアフラムの剛性が不用意に上昇し、これにより圧力検知の感度が低下する。故に、この種の圧力センサにおいては、感度が初期値から経時劣化するという問題があった。本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、初期値からの感度の経時劣化を可及的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、対象空間（１ｆ）内の流体圧力に応じた電気出力を発生するように構成された圧力センサ（２）において、中心軸線（Ｃ２）について線対称な円板状に形成されたダイアフラムであって、前記流体圧力を受けるように前記対象空間側に設けられた受圧面（５５）と前記受圧面の裏側の裏面（５６）とを有し、前記流体圧力に応じて、前記中心軸線と平行で前記受圧面から前記裏面に向かう第一軸線方向又は前記第一軸線方向とは反対の第二軸線方向に撓み変形するように構成されたダイアフラム（５３）と、前記ダイアフラムを外側から囲む円筒状の部分であって、円筒外面である外壁面（５４）が前記中心軸線に沿った面となるように前記第二軸線方向に突設され、前記第二軸線方向側の端部にて前記ダイアフラムに接続され、前記外壁面にて前記中心軸線と直交する径方向に前記流体圧力を受圧することで前記径方向に撓み変形するように構成された支持側壁部（５２）とを備える。
【０００６】
上記構成においては、前記流体圧力に応じて、前記ダイアフラムが前記第一軸線方向又は前記第二軸線方向に撓み変形する。前記圧力センサの使用に伴い、前記ダイアフラムにおける前記受圧面に異物が付着すると、前記ダイアフラムの剛性が上昇し、前記第一軸線方向又は前記第二軸線方向への前記ダイアフラムの撓み変形が生じにくくなる。よって、前記ダイアフラムにおける前記受圧面への異物付着は、前記圧力センサの感度を低下させるように作用する。
【０００７】
また、上記構成においては、前記流体圧力に応じて、前記支持側壁部が前記径方向に撓み変形し得る。前記支持側壁部における前記第二軸線方向側の端部は、前記ダイアフラムに接続されている。このため、前記径方向への前記支持側壁部の撓み変形は、前記ダイアフラムを前記第一軸線方向又は前記第二軸線方向に撓ませるように作用する。故に、前記支持側壁部における前記径方向の撓み変形は、前記圧力センサの感度を低下させるように作用する。しかしながら、前記圧力センサの使用に伴い、前記支持側壁部における前記外壁面に異物が付着すると、前記支持側壁部の剛性が上昇し、前記支持側壁部における前記径方向の撓み変形が生じにくくなる。故に、前記支持側壁部における前記径方向の撓み変形に起因する、前記ダイアフラムにおける前記第一軸線方向又は前記第二軸線方向の撓み変形の発生が抑制される。このように、前記支持側壁部における前記外壁面への異物付着は、前記圧力センサの感度を上昇させるように作用する。
【０００８】
上記構成によれば、前記ダイアフラムにおける前記受圧面への異物付着による感度低下が、前記支持側壁部における前記外壁面への異物付着による感度上昇により補償され得る。したがって、上記構成によれば、初期値からの感度の経時劣化を可及的に抑制することが可能となる。
【０００９】
なお、上記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の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の圧力センサが装着されたエンジンの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示された圧力センサの要部を拡大した断面図である。
【図３】図２に示されたダイアフラムの周辺を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、実施形態と後述の変形例とにおいて、互いに同一又は均等である部分には同一符号を付す。
【００１２】
（実施形態の構成）
図１を参照すると、エンジン１は、シリンダブロック１ａと、シリンダヘッド１ｂと、ピストン１ｃとを備えている。シリンダブロック１ａの内部には、シリンダ１ｄが形成されている。ピストン１ｃは、シリンダ１ｄの中心軸線Ｃ１に沿ってシリンダ１ｄ内を往復移動するように、シリンダ１ｄ内に収容されている。シリンダヘッド１ｂは、シリンダ１ｄにおける、ピストン１ｃの上死点側の端部（即ち図中上端部）を塞ぐように、シリンダブロック１ａに固定されている。シリンダヘッド１ｂの下面１ｅには、シリンダ１ｄに連通するように、凹部Ｄが形成されている。
【００１３】
エンジン１は、内燃機関であって、内部に燃焼室１ｆを有している。燃焼室１ｆは、シリンダ１ｄ及び凹部Ｄによって形成される空間のうちの、ピストン１ｃとシリンダヘッド１ｂとの間の領域によって形成される。シリンダヘッド１ｂには、円柱状の貫通孔１ｇが形成されている。貫通孔１ｇは、燃焼室１ｆの内部と外部とを連通可能に形成されている。
【００１４】
図１及び図２を参照すると、貫通孔１ｇの内周面側には、フランジ部１ｈが形成されている。フランジ部１ｈは、貫通孔１ｇにおける燃焼室１ｆ側の端部にて、貫通孔１ｇの中心軸線Ｃ２に向かって突出するように設けられている。本実施形態においては、シリンダ１ｄの中心軸線Ｃ１と、貫通孔１ｇの中心軸線Ｃ２とは、互いに平行ではないものとする。フランジ部１ｈの内壁面（即ち中心軸線Ｃ２と対向する面）１ｍは、円筒内面状に形成されている。
【００１５】
貫通孔１ｇの内周面には、雌ネジ部１ｔが設けられている。雌ネジ部１ｔは、貫通孔１ｇの軸線方向における、フランジ部１ｈとは反対側の端部から略中央部まで形成されている。「貫通孔１ｇの軸線方向」とは、中心軸線Ｃ２に沿った方向であり、典型的には中心軸線Ｃ２と平行な方向である。以下、中心軸線Ｃ２と平行であり、且つ燃焼室１ｆから貫通孔１ｇに向かう方向を、「第一軸線方向」と称する。この第一軸線方向は、各図における上方向である。また、第一軸線方向と反対の方向を、以下「第二軸線方向」と称する。
【００１６】
実施形態に係る圧力センサ２は、対象空間としての燃焼室１ｆ内の流体圧力に応じた電気出力（例えば電圧）を発生するように構成されている。具体的には、本実施形態においては、圧力センサ２は、筒内圧センサ又は燃焼圧センサと称されるものであって、燃焼室１ｆ内の燃料混合気の燃焼圧に応じた電気出力を発生するように、貫通孔１ｇを介してシリンダヘッド１ｂに装着されている。
【００１７】
圧力センサ２は、貫通孔１ｇの中心軸線Ｃ２と平行な長手方向を有する。よって、圧力センサ２及びこれを構成する各部分における、第二軸線方向側の端（即ち図２における下端）を、以下「先端」と称することがある。一方、圧力センサ２及びこれを構成する各部分における、第一軸線方向側の端（即ち図２における上端）を、以下「基端」と称することがある。また、貫通孔１ｇの中心軸線Ｃ２は、圧力センサ２及びこれを構成する各部分の中心軸線と一致する。よって、以下の説明において、単に「中心軸線Ｃ２」と称した場合、この「中心軸線Ｃ２」は、圧力センサ２及びこれを構成する各部分の中心軸線を指すものとする。
【００１８】
以下、図２及び図３を参照しつつ、本実施形態に係る圧力センサ２の具体的構成について説明する。圧力センサ２は、ハウジング２１と、素子支持部２２と、検知素子２３と、圧力伝達部２４と、先端被覆部２５とを備えている。ハウジング２１は、略円筒状に形成されている。ハウジング２１の外周面における先端部には、貫通孔１ｇにおける雌ネジ部１ｔと螺合する雄ネジ部２１ａが形成されている。ハウジング２１の内側に形成された略円柱状の貫通孔である収容孔２１ｂには、素子支持部２２と、検知素子２３と、圧力伝達部２４とが収容されている。素子支持部２２の先端部には、検知素子２３が装着されている。本実施形態においては、検知素子２３は、いわゆる圧電素子であって、印加された圧力に応じて電荷を発生させるように構成されている。
【００１９】
圧力伝達部２４は、先端被覆部２５における燃焼室１ｆに露出する部分が受けた圧力を検知素子２３に伝達するように、検知素子２３と先端被覆部２５との間に配置されている。具体的には、本実施形態においては、圧力伝達部２４は、先端ロッド２４ａと、中間ブロック２４ｂと、基端ブロック２４ｃとを備えている。先端ロッド２４ａは、その中心軸線が中心軸線Ｃ２と一致するように配置された略円柱状の部材である。先端ロッド２４ａは、その先端が先端被覆部２５に当接するように、先端被覆部２５と対向配置されている。中間ブロック２４ｂは、先端ロッド２４ａと基端ブロック２４ｃとの間に配置されている。中間ブロック２４ｂは、略半球状に形成されていて、先端面である半球面が先端ロッド２４ａにおける平面状の基端面と当接するように設けられている。基端ブロック２４ｃは、略円柱状の部材であって、平面状の先端面が中間ブロック２４ｂにおける平面状の基端面と当接するように設けられている。基端ブロック２４ｃにおける平面状の基端面は、検知素子２３と当接するように、検知素子２３と対向配置されている。
【００２０】
収容孔２１ｂの先端部は、先端被覆部２５によって閉塞されている。先端被覆部２５は、ベースプレート５１と、支持側壁部５２と、ダイアフラム５３と、を有している。ベースプレート５１は、中心軸線Ｃ２について軸対称な略円筒状又は略リング状の部分であって、ハウジング２１の先端面に固定されている。圧力センサ２は、ベースプレート５１の先端面（即ち図中下端面）がフランジ部１ｈと密着するように、シリンダヘッド１ｂに装着されている。支持側壁部５２は、その基端部がベースプレート５１に一体的に接続されている。即ち、支持側壁部５２は、ベースプレート５１の先端面から第二軸線方向に突設されている。先端被覆部２５は、燃焼室１ｆ内の燃料混合気の燃焼に伴い、ダイアフラム５３にて燃焼圧を受けるように、燃焼室１ｆと対向配置されている。
【００２１】
支持側壁部５２は、ダイアフラム５３を支持するようにダイアフラム５３を外側から囲む、薄肉円筒状の部分である。支持側壁部５２の先端部（即ち第二軸線方向側の端部であって図中下端部）は、ダイアフラム５３と一体的に接続されている。本実施形態においては、ベースプレート５１と支持側壁部５２とダイアフラム５３とは、継ぎ目無く一体的に成形されている。支持側壁部５２の外壁面５４は、中心軸線に沿った円筒外面である。この外壁面５４は、シリンダヘッド１ｂに形成された貫通孔１ｇに圧力センサ２が装着された場合に、貫通孔１ｇの内壁面１ｍと所定の隙間Ｇを隔てて対向配置されるように設けられている。
【００２２】
ダイアフラム５３は、燃焼圧に応じて第一軸線方向又は第二軸線方向に撓み変形するように構成された薄膜状の部分であって、中心軸線Ｃ２について線対称に形成されている。換言すれば、ダイアフラム５３は、平面視（即ち中心軸線Ｃ２と平行な視線で見た場合に）略円形に形成されている。ダイアフラム５３の先端側表面である受圧面５５は、燃焼室１ｆ内の燃料混合気の燃焼に伴い燃焼圧を受けるように、燃焼室１ｆ側に設けられている。受圧面５５の裏側の裏面５６は、圧力伝達部２４（即ち先端ロッド２４ａ）と対向するように設けられている。
【００２３】
本実施形態においては、ダイアフラム５３は、中央部５３１と周縁部５３２とを有している。中央部５３１は、平坦に形成された円板状の部分であって、主面の法線が中心軸線Ｃ２と平行となるように設けられている。中央部５３１の外縁は、周縁部５３２の内縁に一体的に接続されている。周縁部５３２は、中央部５３１の周囲に形成されたリング状の部分であって、その外縁が支持側壁部５２の先端部に一体的に接続されている。
【００２４】
本実施形態においては、支持側壁部５２は、外壁面５４にて径方向に燃焼圧を受圧することで、径方向に撓み変形するように形成されている。即ち、支持側壁部５２は、受圧面５５への異物（例えばデポジット）付着によるダイアフラム５３の剛性上昇に起因する感度低下を、外壁面５４への異物付着による支持側壁部５２の剛性上昇に起因する感度上昇により補償するように構成されている。ここで、「径方向」とは、中心軸線Ｃ２と直交する方向であって、典型的には、受圧面５５と中心軸線Ｃ２との交点を起点として中央部５３１における平面状の受圧面５５上の任意の点に向かう面内方向と平行な方向である。
【００２５】
（動作及び効果）
上記構成の圧力センサ２においては、燃焼室１ｆ内の燃焼圧に応じて、ダイアフラム５３が第一軸線方向又は第二軸線方向に撓み変形する。圧力センサ２の使用に伴い、ダイアフラム５３における受圧面５５にデポジット等の異物が付着すると、ダイアフラム５３の剛性が上昇し、ダイアフラム５３における第一軸線方向又は第二軸線方向の撓み変形（受圧面５５と中心軸線Ｃ２との交点が第一軸線方向又は第二軸線方向に移動するような変形）が生じにくくなる。よって、ダイアフラム５３における受圧面５５への異物付着は、圧力センサ２の感度を低下させるように作用する。
【００２６】
また、上記構成の圧力センサ２においては、燃焼室１ｆ内の燃焼圧に応じて、支持側壁部５２の径方向の撓み変形（即ち支持側壁部５２の第二軸線方向における中央部が中心軸線Ｃ２に対して近接又は離間するような支持側壁部５２の撓み変形）が生じ得る。ここで、支持側壁部５２の先端部即ち第二軸線方向側の端部は、ダイアフラム５３に一体的に接続されている。このため、支持側壁部５２における径方向の撓み変形は、ダイアフラム５３を第一軸線方向又は第二軸線方向に撓ませるように作用する。故に、支持側壁部５２における径方向の撓み変形は、圧力センサ２の感度を低下させるように作用する。
【００２７】
しかしながら、圧力センサ２の使用に伴い、支持側壁部５２における外壁面５４にデポジット等の異物が付着すると、支持側壁部５２の剛性が上昇し、支持側壁部５２における径方向の撓み変形が生じにくくなる。故に、支持側壁部５２における径方向の撓み変形に起因する、ダイアフラム５３における第一軸線方向又は第二軸線方向の撓み変形の発生が抑制される。このように、支持側壁部５２における外壁面５４への異物付着は、圧力センサ２の感度を上昇させるように作用する。
【００２８】
以上のことから明らかなように、上記構成によれば、ダイアフラム５３における受圧面５５への異物付着による感度低下Δｓ１が、支持側壁部５２における外壁面５４への異物付着による感度上昇Δｓ２により補償され得る。即ち、Δｓ１＋Δｓ２の値が０に近づくように先端被覆部２５を構成することで、支持側壁部５２及びダイアフラム５３への異物付着の変動に伴う感度変動を可及的に抑制することが可能となる。したがって、上記構成によれば、初期値からの感度の経時劣化を可及的に抑制することが可能となる。
【００２９】
なお、ダイアフラム５３における受圧面５５への異物付着による感度低下Δｓ１、及び、支持側壁部５２における外壁面５４への異物付着による感度上昇Δｓ２は、先端被覆部２５の設計パラメータにより適宜調整され得る。具体的には、例えば、ダイアフラム５３を厚くすること、ダイアフラム５３の径を大きくすること、等により、Δｓ１を小さくすることができる。一方、支持側壁部５２を薄くすること、支持側壁部５２の突出量即ち第二軸線方向における寸法を大きくすること、等により、Δｓ２を大きくすることができる。
【００３０】
シリンダヘッド１ｂの下面１ｅにおける貫通孔１ｇの内壁面１ｍに隣接する部分と、受圧面５５（即ち典型的には中央部５３１における先端面）との間の、第二軸線方向における距離を小さくすることで、Δｓ１を小さくすることができる。即ち、燃焼室１ｆの内壁面（即ちシリンダヘッド１ｂの下面１ｅ）からの受圧面５５のオフセット量を設定することで、ダイアフラム５３における受圧面５５への異物付着による感度低下の度合を調整することが可能となる。また、隙間Ｇの径方向における幅を大きくすることで、Δｓ２を大きくすることができる。即ち、支持側壁部５２における外壁面５４と、貫通孔１ｇの内壁面１ｍとの間に、隙間Ｇを設けることで、上述の感度補償が良好に実現され得る。
【００３１】
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対しては適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。したがって、特段の説明がない限り、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的に矛盾しない限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
【００３２】
本発明は、筒内圧センサに限定されない。但し、本発明は、ダイアフラム５３への付着によってダイアフラム５３の剛性が変化するような異物（即ち典型的にはデポジット）が圧力検知雰囲気内に存在するような状況で使用される圧力センサに対して、好適に適用され得る。故に本発明は、典型的には、筒内圧センサ、特に燃焼室１ｆ内にて燃料が直接噴射される態様のエンジン１に使用される筒内圧センサに適用されると好適である。本発明は、圧電タイプの圧力センサに限定されない。即ち、本発明は、圧電タイプとは異なるタイプ（例えば静電容量タイプ）の圧力センサに対しても好適に適用可能である。
【００３３】
シリンダ１ｄの中心軸線Ｃ１と、貫通孔１ｇの中心軸線Ｃ２即ち圧力センサ２の中心軸線Ｃ２とは、平行であってもよい。この場合、中心軸線Ｃ１と中心軸線Ｃ２とは、一致していなくてもよい。
【００３４】
圧力伝達部２４の構成も、上記実施形態に限定されない。即ち、例えば、中間ブロック２４ｂと基端ブロック２４ｃとは、一体化されてもよい。あるいは、基端ブロック２４ｃは、無くてもよい。
【００３５】
ダイアフラム５３において、受圧面５５から裏面５６に向かう方向は、第一軸線方向と同視し得る。同様に、裏面５６から受圧面５５に向かう方向は、第二軸線方向と同視し得る。即ち、「第一軸線方向」及び「第二軸線方向」は、ダイアフラム５３の厚さ方向と平行な方向としても定義され得る。「第一軸線方向」は、典型的には、ダイアフラム５３が受圧する方向であるので、「受圧方向」とも称され得る。「第二軸線方向」は、典型的には、圧力センサ２が燃焼室１ｆを臨む方向であるので、「検知方向」とも称され得る。「検知」は「検出」又は「測定」とも言い換えられ得る。
【００３６】
上記の説明において、互いに継目無く一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を繋ぎ合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継目無く一体に形成されてもよい。上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。
【００３７】
例えば、ダイアフラム５３の剛性を高めるようにダイアフラム５３の材料を選択することで、Δｓ１を小さくすることができる。一方、支持側壁部５２の剛性を低下させるように支持側壁部５２の材料を選択することで、Δｓ２を大きくすることができる。したがって、例えば、ベースプレート５１と支持側壁部５２とを一体成形したものと、ダイアフラム５３とを、レーザー溶接等によって繋ぎ合わせることで、低剛性材料からなる支持側壁部５２と高剛性材料からなるダイアフラム５３とを有する先端被覆部２５が形成され得る。
【００３８】
変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、上記実施形態の全部又は一部と、変形例の全部又は一部とが、互いに組み合わされ得る。
【符号の説明】
【００３９】
１            エンジン
１ｂ          シリンダヘッド
１ｆ          燃焼室
１ｍ          内壁面
２            圧力センサ
５２          支持側壁部
５３          ダイアフラム
５４          外壁面
５５          受圧面
５６          裏面
【図１】
2017215250.tif 000003
【図２】
2017215250.tif 000004
【図３】
2017215250.tif 000005