JP2000180286A - Cylinder inner pressure sensor for engine and measuring device for air quantity flowing in cylinder using it - Google Patents

Cylinder inner pressure sensor for engine and measuring device for air quantity flowing in cylinder using it

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JP2000180286A
JP2000180286A JP10362477A JP36247798A JP2000180286A JP 2000180286 A JP2000180286 A JP 2000180286A JP 10362477 A JP10362477 A JP 10362477A JP 36247798 A JP36247798 A JP 36247798A JP 2000180286 A JP2000180286 A JP 2000180286A
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JP
Japan
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cylinder
amount
cylinder pressure
diaphragm
engine
Prior art date
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Pending
Application number
JP10362477A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Kenji Tsuchida
健二 土田
Yasuhiro Asano
保弘 浅野
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Hitachi Ltd
Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Car Engineering Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To miniaturize and simplify the construction by structuring pressure detecting elements between a diaphragm and the extreme end part of a housing through the protrusion of the diaphragm into a load receiving structure for receiving pressure in a cylinder, and supported. SOLUTION: A diaphragm 25 provided on the extreme end of a housing 2 is provided with a protrusion 24 protruding on the housing 2 side, formed on one end of a cylindrical member 26 formed into a cap shape out of deposited reinforced metallic material, and the cylindrical member 26 is fitted to the extreme end of the housing 2 so as to enclose the respective elements 7a and the like of a pressure detecting part 7. The pressure detecting elements 7a receive a load due to cylinder inner pressure between the diaphragm 25 and the extreme end part the of the housing 2, through the projection of the diaphragm, and is supported with a ceramics base plate 17 to be constructed into a load receiver generating compressive stress. By such constitution, the pressure detecting elements 7a generate compressive stress in proportion to the cylinder inner pressure, and it is converted to an electric signal and input to a signal processing circuit.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は自動車エンジンの筒
内圧を高精度に検出する筒内圧センサと、これを用いて
気筒別の気筒内空気流量を計測する装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an in-cylinder pressure sensor for detecting the in-cylinder pressure of an automobile engine with high accuracy, and an apparatus for measuring an in-cylinder air flow rate for each cylinder using the sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】筒内圧センサは、自動車エンジンの異常
燃焼(例えば、ノッキング,ミスファイヤ等)を検出す
るために適しており、従来より、エンジンの燃焼室を形
成する気筒内の圧力を金属ダイアフラムを用いて直接検
出するフラッシュマウント型の筒内圧センサが知られて
いる。
2. Description of the Related Art An in-cylinder pressure sensor is suitable for detecting abnormal combustion (for example, knocking, misfiring, etc.) of an automobile engine, and has conventionally used a metal diaphragm to detect the pressure in a cylinder forming a combustion chamber of the engine. There is known a flush mount type in-cylinder pressure sensor that directly detects a pressure using a pressure sensor.

【0003】この種の筒内圧センサは、金属ダイアフラ
ムで受圧した筒内圧に比例した力を細長い荷重伝達棒を
介して圧力検出部に伝達し、圧力検出部の部材を圧縮す
る方法であった。圧力検出部は、例えば圧電素子により
構成されている。
[0003] This type of in-cylinder pressure sensor is a method in which a force proportional to the in-cylinder pressure received by a metal diaphragm is transmitted to a pressure detecting unit via an elongated load transmitting rod, and a member of the pressure detecting unit is compressed. The pressure detecting unit is configured by, for example, a piezoelectric element.

【0004】また、最近では筒内圧センサを利用して気
筒内に流入する空気量を推定する方法が検討されてい
る。例えば、特開平9−53503号公報では、圧縮行
程の特定のクランク角2箇所の気筒内圧力の差圧から気
筒内に流入する空気量を算出している。
Recently, a method of estimating the amount of air flowing into a cylinder using an in-cylinder pressure sensor has been studied. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-53503, the amount of air flowing into a cylinder is calculated from the pressure difference between the cylinder pressures at two specific crank angles in a compression stroke.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】気筒内圧力に応動する
ダイアフラムの受圧力を細長い荷重伝達棒を介してセン
サハウジング内の圧力検出部に伝達する方式の筒内圧セ
ンサは、荷重伝達棒が比較的長くなるために、荷重伝達
棒とこれを収納するセンサハウジングとの両者間の温度
変化による伸びを一致させることは材質の相違(線膨張
係数の相違)もあることから困難であった。このため、
金属ダイアフラムの筒内圧による変位が大きく取れるよ
うにして上記の伸び率の相違による計測誤差を解消する
必要があり、金属ダイアフラムの直径を大きくせざるを
得なかった。結果として、筒内圧センサの小型化に限界
があった。また、荷重伝達棒の実装構造も複雑であっ
た。
The in-cylinder pressure sensor of the type in which the received pressure of the diaphragm responsive to the in-cylinder pressure is transmitted to a pressure detecting portion in the sensor housing through an elongated load transmission rod, the load transmission rod is relatively It is difficult to match the elongation due to temperature change between the load transmitting rod and the sensor housing that houses the load transmitting rod due to the difference in material (difference in linear expansion coefficient). For this reason,
It was necessary to eliminate the measurement error due to the difference in the elongation rate by making the displacement of the metal diaphragm due to the in-cylinder pressure large, and the diameter of the metal diaphragm had to be increased. As a result, there has been a limit to miniaturization of the in-cylinder pressure sensor. Also, the mounting structure of the load transmission rod was complicated.

【0006】本発明の目的は、一つは、ダイアフラムを
用いて気筒内圧力を検出するエンジン用筒内圧力センサ
を小型でシンプルな構造とし、しかも、耐久性に優れ高
信頼性の製品実現を図ることにある。
One of the objects of the present invention is to realize a small and simple structure of an in-cylinder pressure sensor for an engine, which detects an in-cylinder pressure using a diaphragm, and realize a highly durable and highly reliable product. It is to plan.

【0007】もう一つは、筒内圧センサを用いて気筒内
に流入する空気量を計測する装置の計測精度を高め、特
に、今まで配慮されていなかった前燃焼行程の残留ガス
の量Mr、インジェクタからの供給燃料の量Mf、排ガ
スコントローラからの排ガス循環量Meによる計測誤差
を低減して気筒内に流入する実質的空気量(真の空気
量)の計測精度を高めることにある。
The other is to improve the measurement accuracy of a device for measuring the amount of air flowing into a cylinder using an in-cylinder pressure sensor. In particular, the amount of residual gas Mr, An object of the present invention is to reduce the measurement error caused by the amount of fuel Mf supplied from the injector and the amount of exhaust gas circulation Me from the exhaust gas controller, and to improve the measurement accuracy of the substantial air amount (true air amount) flowing into the cylinder.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、基本的に
は、次のように構成する。
The first invention is basically configured as follows.

【0009】すなわち、エンジンの燃焼室を形成する気
筒内の圧力をダイアフラムを用いて検出する筒内圧セン
サにおいて、センサハウジングの先端に前記ダイアフラ
ムが設けられ、該ダイアフラムはセンサハウジング側に
突出する突起を有し、圧縮応力により電気信号を出力す
る圧力検出素子が、前記ダイアフラムと前記センサハウ
ジングの先端部との間で前記ダイアフラムの突起を介し
て気筒内圧力による荷重を受け且つ圧縮応力が生じる荷
重受け構造をなして支持されていることを特徴とする。
In other words, in an in-cylinder pressure sensor for detecting the pressure in a cylinder forming a combustion chamber of an engine using a diaphragm, the diaphragm is provided at the tip of a sensor housing, and the diaphragm has a projection protruding toward the sensor housing. A pressure detecting element that outputs an electric signal by compressive stress, receives a load due to an in-cylinder pressure between the diaphragm and a tip end of the sensor housing through a projection of the diaphragm, and generates a compressive stress. It is characterized by being supported in a structure.

【0010】上記構成によれば、荷重伝達棒を利用せず
に、ダイアフラム(例えば金属ダイアフラム)で受圧し
た筒内圧に比例した力をセンサハウジング先端部だけの
位置で圧力検出部へ直接的に伝達できる実装構造が可能
となる。特に、ダイアフラムに設けた突起は、荷重伝達
棒に較べてはるかに短く、この突起からの圧縮荷重を受
ける圧力検出素子とダイアフラム間の距離を荷重伝達棒
方式に較べて短くできるので、従来のようなダイアフラ
ムやセンサハウジング等の温度変化による伸びの違いを
計測精度に支障をきたさない程度の微小差にとどめるこ
とが可能になる。
According to the above configuration, a force proportional to the in-cylinder pressure received by the diaphragm (for example, a metal diaphragm) is directly transmitted to the pressure detecting portion at only the tip end of the sensor housing without using the load transmitting rod. A possible mounting structure becomes possible. In particular, the projection provided on the diaphragm is much shorter than the load transmitting rod, and the distance between the pressure sensing element receiving the compressive load from this projection and the diaphragm can be shorter than that of the load transmitting rod type. It is possible to limit the difference in elongation due to the temperature change of the diaphragm, the sensor housing, and the like to a small difference that does not hinder the measurement accuracy.

【0011】また、本発明では、圧力検出素子は、圧縮
応力により電気信号を出力する素子(トランスデュー
サ)により構成され、この圧力検出素子が支持部材によ
り圧縮応力が生じる荷重受け構造をなして支持されるの
で、ダイアフラムの突起から気筒内圧力による荷重を受
けても圧力検出素子にたわみ変形(曲げ変形)が生じな
い構造を採用し得るので、圧力検出素子の変形やそれに
伴う経時的な疲労による破損が生じるおそれがない。
In the present invention, the pressure detecting element is constituted by an element (transducer) for outputting an electric signal by a compressive stress, and the pressure detecting element is supported by a supporting member in a load receiving structure in which a compressive stress is generated. Therefore, it is possible to adopt a structure in which the pressure detecting element does not bend (bend) even when a load due to the cylinder pressure is applied from the projection of the diaphragm, and the pressure detecting element is deformed and the resulting damage due to fatigue over time. There is no risk of occurrence.

【0012】その結果、小型でシンプルな構造で計測精
度,耐久性を向上させる。
As a result, measurement accuracy and durability are improved with a small and simple structure.

【0013】また、このような小型でシンプルな構造の
筒内圧センサは低コストであり、エンジンの全気筒に装
着することが経済的にも可能になる。
The in-cylinder pressure sensor having such a small and simple structure is inexpensive and can be economically mounted on all cylinders of the engine.

【0014】第2の発明は、筒内圧センサを利用した気
筒内空気流入量の計測装置に係り、基本的には、次のよ
うに構成する。
The second invention relates to a device for measuring the amount of inflow of air in a cylinder using an in-cylinder pressure sensor, and is basically configured as follows.

【0015】すなわち、エンジンの気筒内圧力を検出す
る筒内圧センサの圧力情報を利用して、エンジンの気筒
内流入空気量を演算する気筒内空気流入量の計測装置に
おいて、前記筒内圧センサの圧力情報を利用して気筒内
流入空気量を演算する場合に、エンジンの前燃焼行程の
残留ガス量,インジェクタによる燃料供給量及び排ガス
循環量を求めて、これらの残留ガス量,燃料供給量,排
ガス循環量を気筒内流入空気量演算式に減算要素として
取り入れる演算手段を備えてなることを特徴とする。
That is, in an in-cylinder air inflow measuring device for calculating an in-cylinder air inflow amount using an in-cylinder pressure sensor for detecting an in-cylinder pressure of an engine, When calculating the amount of air flowing into a cylinder using information, the amount of residual gas in the pre-combustion process of the engine, the amount of fuel supplied by the injector, and the amount of exhaust gas circulation are obtained. It is characterized in that it is provided with a calculating means for taking the amount of circulation as a subtraction factor into the calculation formula for the amount of air flowing into the cylinder.

【0016】上記構成によれば、気筒内に流入する空気
流量の測定誤差要素を排除でき、実質的空気量の計測精
度を高める。
According to the above configuration, the measurement error element of the air flow rate flowing into the cylinder can be eliminated, and the measurement accuracy of the substantial air amount can be improved.

【0017】なお、気筒内空気流入量を測定する演算手
段の具体的手法として、次のようなものを提案する。
The following is proposed as a specific method of the calculating means for measuring the inflow amount of air in the cylinder.

【0018】例えば、(a)圧縮行程開始時のクランク角
をθ1,点火時期直前のクランク角をθ2とすると、θ
1,θ2における気筒の内容積V1,V2を推定し、エ
ンジンの燃焼状態情報から気筒内ガスの絶対温度T1を
推定し、前記筒内圧センサからの圧力情報によりθ2に
おける筒内圧P2を求め、これらの値から気筒内に流入
した全体の質量Mtotalを計算し、(b)エンジンの燃
焼状態情報から前燃焼行程の残留ガス量Mrを推定し、
インジェクタコントローラからの燃料供給情報により供
給燃料量Mfを推定し、排ガス循環コントローラからの
排ガス循環量情報により排ガス循環量Meを推定し、M
rとMfとMeを合計した量Mを計算し、(c)M
totalからMを引いて、気筒内に流入した空気量Mair
算出する。
For example, if (a) the crank angle at the start of the compression stroke is θ1, and the crank angle immediately before the ignition timing is θ2,
The internal volumes V1 and V2 of the cylinder at 1 and θ2 are estimated, the absolute temperature T1 of the gas in the cylinder is estimated from the combustion state information of the engine, and the in-cylinder pressure P2 at θ2 is obtained from the pressure information from the in-cylinder pressure sensor. , The total mass M total flowing into the cylinder is calculated, and (b) the residual gas amount Mr in the previous combustion stroke is estimated from the combustion state information of the engine.
The supply fuel amount Mf is estimated based on the fuel supply information from the injector controller, and the exhaust gas circulation amount Me is estimated based on the exhaust gas circulation amount information from the exhaust gas circulation controller.
Calculate the sum M of r, Mf and Me, and (c) M
By subtracting M from total, the amount of air M air flowing into the cylinder is calculated.

【0019】この演算式の詳細は、次の発明の実施の形
態で述べる。
The details of the arithmetic expression will be described in the following embodiments of the present invention.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に示す
実施例に基づいて詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

【0021】図1は本発明に係わるフラッシュマウント
型筒内圧センサ(以下、単に筒内圧センサと称する)の
全体構成図を示したものである。
FIG. 1 shows an overall configuration diagram of a flush mount type in-cylinder pressure sensor (hereinafter, simply referred to as an in-cylinder pressure sensor) according to the present invention.

【0022】細長筒状のセンサハウジング(以下、ハウ
ジングと称する)2は、耐熱,耐ガス性を有する金属材
料で構成され、そのハウジング2の胴体上部に六角部4
が形成され、その下に自動車エンジンのシリンダヘッド
1に取付けるためのねじ部5が形成され、六角部4を工
具で回すことによりシリンダヘッド1にねじ部5を介し
て装着されている。
An elongated cylindrical sensor housing (hereinafter, referred to as a housing) 2 is made of a heat-resistant and gas-resistant metal material.
A screw portion 5 for attaching to the cylinder head 1 of the automobile engine is formed thereunder, and the hexagonal portion 4 is mounted on the cylinder head 1 via the screw portion 5 by turning with a tool.

【0023】図1において、非断面構造で示す筒内圧セ
ンサの先端部6の最先端はシリンダヘッド1の内壁と同
一面、即ちフラッシュマウント構造になっており、セン
サハウジング2の先端部6の内部に筒内圧検出部7が実
装されている。
In FIG. 1, the tip end of the in-cylinder pressure sensor 6 shown in a non-sectional structure has the same surface as the inner wall of the cylinder head 1, that is, a flush mount structure. The in-cylinder pressure detecting unit 7 is mounted on the control unit.

【0024】センサ先端部6、すなわちセンサハウジン
グ2の最先端部には、後述する金属ダイアフラムが設け
られ、筒内圧Pに比例した力を受圧できるようになって
いる。ハウジング2をシリンダヘッド1に装着したと
き、パッキン3で燃焼ガスの漏洩が生じないようにシー
ルされている。
A metal diaphragm, which will be described later, is provided at the sensor tip 6, ie, at the forefront of the sensor housing 2, so that a pressure proportional to the in-cylinder pressure P can be received. When the housing 2 is mounted on the cylinder head 1, the packing 3 is sealed so that the leakage of the combustion gas does not occur.

【0025】筒内圧センサの信号処理回路12はセラミ
ックス基板11上に固定される。セラミックス基板11
は、ハウジング2の上端に設けた端子引き出し用の栓体
13に保持されてハウジング2の内部に固定されてい
る。信号処理回路12はハウジング2先端に設けた圧力
検出部7とリード線10a,10bを介して電気的に接
続されている。
The signal processing circuit 12 of the in-cylinder pressure sensor is fixed on the ceramic substrate 11. Ceramic substrate 11
Is fixed to the inside of the housing 2 while being held by a plug 13 for terminal extraction provided at the upper end of the housing 2. The signal processing circuit 12 is electrically connected to the pressure detector 7 provided at the tip of the housing 2 via lead wires 10a and 10b.

【0026】リード線10a,10bはハウジング2と
の短絡を防止するために、ハウジング2内のセラミック
ス基板11(信号処理部)・ハウジング2先端部6間に
絶縁部材8を装填して、この絶縁部材8に設けたリード
線通し孔9にリード線10a,10bを挿通させてい
る。筒内圧センサの電源端子、出力端子、診断端子は、
符号の14でまとめて示しており、これらの端子は、そ
の一端がセラミックス基板11上の信号処理回路12と
接続され、栓体13中の通って外部に引き出されてい
る。
In order to prevent a short circuit between the lead wires 10a and 10b and the housing 2, an insulating member 8 is loaded between the ceramic substrate 11 (signal processing unit) and the front end portion 6 of the housing 2 in the housing 2, and the insulation is performed. Lead wires 10a and 10b are inserted through lead wire holes 9 provided in the member 8. The power supply terminal, output terminal and diagnostic terminal of the in-cylinder pressure sensor
These terminals are collectively indicated by reference numeral 14, and one end of each of these terminals is connected to the signal processing circuit 12 on the ceramic substrate 11, and is drawn out through the plug 13.

【0027】図2は、図1の筒内圧センサの先端部6に
内装した筒内圧検出部7の具体的な実装構造例である。
FIG. 2 shows a specific example of a mounting structure of the in-cylinder pressure detecting section 7 provided inside the distal end portion 6 of the in-cylinder pressure sensor of FIG.

【0028】図2に示すように、ハウジング2の先端に
ダイアフラム25が設けられ、該ダイアフラム25はハ
ウジング2側に突出する突起24を有する。ダイアフラ
ム25は、高温でも高い強度を有する析出強化金属材料
であるSUS631やインコネルが用いられ、ダイアフ
ラム25の厚さは約数百ミクロンの値である。ダイアフ
ラム25は上記析出金属材料でキャップ状に形成された
円筒部材26の一端に形成され、この円筒部材26がハ
ウジング2の先端に後述する圧力検出部7の各要素7
a,17,18を封入するようにして被着されている。
この被着は、円筒部材26をハウジング2先端外周面に
溶接や圧入で気密に接合することで行なわれる。
As shown in FIG. 2, a diaphragm 25 is provided at the tip of the housing 2, and the diaphragm 25 has a projection 24 protruding toward the housing 2. The diaphragm 25 is made of SUS631 or Inconel, which is a precipitation-strengthened metal material having high strength even at a high temperature, and the thickness of the diaphragm 25 is about several hundred microns. The diaphragm 25 is formed at one end of a cylindrical member 26 formed in the form of a cap from the above-described deposited metal material.
a, 17 and 18 are enclosed.
This attachment is performed by airtightly joining the cylindrical member 26 to the outer peripheral surface of the front end of the housing 2 by welding or press fitting.

【0029】圧力検出部7は、上記ダイアフラム25及
び、セラミックス基板17,18及び圧力検出素子とな
る圧電素子7aにより構成される。基本的には、圧縮応
力により電気信号を出力する圧力検出素子7aが、ダイ
アフラム25とセンサハウジング2の先端部との間でダ
イアフラム25の突起24を介して気筒内圧力による荷
重を受け且つ電極リード20,21引き出し用のセラミ
ックス基板17に支持されて圧縮応力が生じる荷重受け
構造をなしている。具体的態様は次の通りである。
The pressure detecting section 7 is composed of the diaphragm 25, the ceramic substrates 17, 18 and the piezoelectric element 7a serving as a pressure detecting element. Basically, the pressure detecting element 7a, which outputs an electric signal by compressive stress, receives a load due to the in-cylinder pressure between the diaphragm 25 and the tip of the sensor housing 2 via the projection 24 of the diaphragm 25, and receives the electrode lead. It has a load receiving structure in which a compressive stress is generated by being supported by the ceramic substrate 17 for pulling out 20, 21. The specific mode is as follows.

【0030】圧力検出素子7aは、水晶、ニオブ酸リチ
ウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTa
3)などの単結晶の圧電材料で構成され、これらの材
料のキュリー点は、それぞれ約570℃、1100℃、
600℃と高温である。
The pressure detecting element 7a is made of quartz, lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTa
O 3 ) and the like, and the Curie points of these materials are about 570 ° C., 1100 ° C.,
It is as high as 600 ° C.

【0031】圧力検出素子(圧電素子)7aの両面に
は、圧力検出素子7aが圧縮されたときに生ずる電荷を
外部に取り出すための電極15,16が蒸着やスパッタ
などの方法で成膜されている。この電極材料を用いて、
圧力検出素子7aの両面が電極リード引き出し用のセラ
ミックス基板17,18と接合されている。この接合
は、セラミックス基板17,18の接合面(電極15,
16と対向する面)にも予め電極材料15,16と同種
の金属材料を成膜しておき、セラミックス基板18,圧
力検出素子7a,セラミックス基板17からなる積層体
に数百度の温度下で加重を印加する熱圧着工程を施すこ
とにより、これらの積層体要素を強固に接合することが
できる。この積層体は接合部材19でハウジング2の先
端面に固着される。
Electrodes 15 and 16 are formed on both surfaces of the pressure detecting element (piezoelectric element) 7a by a method such as vapor deposition or sputtering to take out charges generated when the pressure detecting element 7a is compressed. I have. Using this electrode material,
Both surfaces of the pressure detecting element 7a are joined to ceramic substrates 17 and 18 for leading out electrode leads. This bonding is performed on the bonding surfaces of the ceramic substrates 17 and 18 (the electrodes 15 and
A metal material of the same type as the electrode materials 15 and 16 is previously formed on the surface (the surface facing the surface 16), and a laminate composed of the ceramic substrate 18, the pressure detecting element 7a, and the ceramic substrate 17 is weighted at a temperature of several hundred degrees. By applying a thermocompression bonding step of applying a pressure-sensitive adhesive, these laminated elements can be firmly joined. This laminate is fixed to the front end surface of the housing 2 by the joining member 19.

【0032】セラミックス基板17,18の対向面のう
ち前者は全体が平面であり、後者は凹部18aが形成さ
れ、この凹部18a内に圧力検出素子7aが位置するよ
うにして、また、この凹部18a以外におけるセラミッ
クス基板18と17の各対向面に、セラミックス基板1
7,18同士を接合するための金属材料よりなる接合部
材23が成膜され、上記の電極15,16とセラミック
ス基板17,18を接合する工程時に接合部材23が同
時に熱圧着によりセラミックス基板17,18を接合す
る。
Of the opposing surfaces of the ceramic substrates 17 and 18, the former is entirely flat, and the latter is formed with a concave portion 18a, in which the pressure detecting element 7a is located. The ceramic substrate 1 and the ceramic substrate 1
A bonding member 23 made of a metal material for bonding the members 7 and 18 to each other is formed, and the bonding member 23 is simultaneously thermocompression-bonded during the step of bonding the electrodes 15 and 16 to the ceramic substrates 17 and 18. 18 are joined.

【0033】セラミックス基板17,18中には、圧力
検出素子の電気信号を導くための導体(電極リード)2
0,21,22が該セラミックス基板と一体成形されて
おり、このうち導体20は、一端が圧力検出素子7aの
電極15に臨み、他端がハウジング2側のリード線10
aの端面に臨む。一方、導体21,22は、圧力検出素
子7aの電極16をリードするためのもので、導体22
はセラミックス基板18中に形成され、導体21はセラ
ミックス基板17中に形成され、導体22と導体21と
が接合部材23を介して接続され、導体21の他端がリ
ード線10bと接続されている。
A conductor (electrode lead) 2 for guiding an electric signal of the pressure detecting element is provided in the ceramics substrates 17 and 18.
0, 21 and 22 are integrally formed with the ceramic substrate. Among them, one end of the conductor 20 faces the electrode 15 of the pressure detecting element 7a, and the other end thereof is the lead wire 10 on the housing 2 side.
It faces the end face of a. On the other hand, the conductors 21 and 22 are for leading the electrode 16 of the pressure detecting element 7a,
Is formed in the ceramics substrate 18, the conductor 21 is formed in the ceramics substrate 17, the conductor 22 and the conductor 21 are connected via the joining member 23, and the other end of the conductor 21 is connected to the lead wire 10b. .

【0034】電極15,16と接合部材23は、金や銀
などの貴金属材料で構成される。なお、リード線10a
と10bは、銀ロー付けなどの方法でセラミックス基板
17へ固着され、セラミックス基板17の導体20,2
1の一端と接続されている。リード線10a,10b
は、ハウジング2の先端部ではハウジング2に設けた孔
9′を通されており、孔9′にはリード線10a,10
bがハウジング2に接触して短絡するのを防止するため
に、絶縁材60が充填されている。
The electrodes 15, 16 and the joining member 23 are made of a noble metal material such as gold or silver. The lead wire 10a
And 10b are fixed to the ceramic substrate 17 by a method such as silver brazing, and the conductors 20 and 2 of the ceramic substrate 17 are fixed.
1 is connected to one end. Lead wires 10a, 10b
Is passed through a hole 9 ′ provided in the housing 2 at the tip of the housing 2, and lead wires 10 a and 10
An insulating material 60 is filled in order to prevent b from short-circuiting by contacting the housing 2.

【0035】セラミックス基板18,圧力検出素子7
a,セラミックス基板17からなる積層体を接合部材1
9でハウジング2の先端に接合した後、この積層体を圧
縮可能に突起24付きダイアフラム25を有する円筒部
材26がハウジング2へ溶接や圧入で気密に接合され
る。なお、筒内圧がゼロのときでも予め圧力検出素子7
aに圧縮荷重を与えるように、円筒部材26をハウジン
グ2に接合する。
Ceramic substrate 18, pressure detecting element 7
a, the laminated body composed of the ceramic substrate 17 is joined to the joining member 1
After joining to the front end of the housing 2 at 9, a cylindrical member 26 having a diaphragm 25 with a projection 24 so as to compress the laminate is hermetically joined to the housing 2 by welding or press fitting. Even when the in-cylinder pressure is zero, the pressure detecting element 7
The cylindrical member 26 is joined to the housing 2 so as to apply a compressive load to a.

【0036】ダイフラム25はエンジンの燃焼室へフラ
ッシュマウントに装着され、ダイアフラム25で受圧し
た筒内圧に比例した力を突起24と厚さが約1ミリ以下
のセラミックス基板18を介して、圧力検出素子7aへ
直接的に伝達できる実装構造とした。筒内圧に比例した
圧縮荷重を圧力検出素子7aに正確に伝達するために、
突起24はハウジング2の軸心と一致させて設けてあ
り、突起24の先端は図に示すように球面に加工され
る。
The diaphragm 25 is mounted on a flash mount in the combustion chamber of the engine, and applies a force proportional to the in-cylinder pressure received by the diaphragm 25 to the pressure detecting element via the protrusion 24 and the ceramic substrate 18 having a thickness of about 1 mm or less. 7a. In order to accurately transmit the compression load proportional to the in-cylinder pressure to the pressure detection element 7a,
The projection 24 is provided so as to coincide with the axis of the housing 2, and the tip of the projection 24 is formed into a spherical surface as shown in the figure.

【0037】上記構成をなすことにより、圧力検出素子
7aには、気筒内圧力に比例した圧縮応力が生じ、これ
が電気信号に変換されて、導体20,21,22及びリ
ード線10a,10bを介して信号処理回路12に入力
される。
With the above configuration, a compressive stress proportional to the in-cylinder pressure is generated in the pressure detecting element 7a, and this is converted into an electric signal, which is transmitted through the conductors 20, 21, 22 and the leads 10a, 10b. Input to the signal processing circuit 12.

【0038】筒内圧検出部7の圧力検出素子7aに水
晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの単結
晶の圧電材料を用いたときの検出回路を図10に示す。
ハイインピーダンスの増幅器42の帰還コンデンサ41
の静電容量をCg、筒内圧Pに比例して圧力検出素子7
aに発生する電荷をQとすると、出力端子43に−Q/
Cgの出力信号Voが得られる。増幅器42,帰還コン
デンサ41,静電容量Cgが信号処理回路12に相当す
る。
FIG. 10 shows a detection circuit when a single crystal piezoelectric material such as quartz, lithium niobate, lithium tantalate or the like is used for the pressure detecting element 7a of the in-cylinder pressure detecting section 7.
Feedback capacitor 41 of high impedance amplifier 42
Is proportional to Cg and the in-cylinder pressure P.
Assuming that the charge generated at a is Q, −Q /
An output signal Vo of Cg is obtained. The amplifier 42, the feedback capacitor 41, and the capacitance Cg correspond to the signal processing circuit 12.

【0039】本実施例によれば、従来技術で述べたよう
な細長い荷重伝達棒は不要で、ダイアフラム25で受圧
した筒内圧に比例した力をセンサハウジング先端部だけ
の位置で圧力検出部7へ直接的に伝達できる実装構造が
可能となる。ダイアフラム25と圧力検出素子7a間の
距離は高々数ミリ以下と短いため、エンジンの燃焼ガス
で突起24,ダイアフラム25,円筒部材26,ハウジ
ング2及び検出部積層体7a,17,18などが加熱さ
れても、これらの部材の熱膨張に伴う圧力検出素子7a
の予圧縮荷重の変化を極力小さな値以下にすることがで
きる。この結果、ダイアフラム25の直径は数ミリ以下
と、筒内圧センサを小形化できる。また、シンプルな実
装構造の筒内圧センサとなる。
According to this embodiment, an elongated load transmitting rod as described in the prior art is unnecessary, and a force proportional to the in-cylinder pressure received by the diaphragm 25 is applied to the pressure detecting section 7 at a position only at the tip of the sensor housing. A mounting structure capable of directly transmitting is possible. Since the distance between the diaphragm 25 and the pressure detecting element 7a is as short as several millimeters or less at most, the protrusions 24, the diaphragm 25, the cylindrical member 26, the housing 2, the detecting unit laminates 7a, 17, and 18 are heated by the combustion gas of the engine. However, the pressure detecting element 7a associated with the thermal expansion of these members
Of the pre-compression load can be made as small as possible. As a result, the diameter of the diaphragm 25 is several millimeters or less, and the in-cylinder pressure sensor can be downsized. Further, the in-cylinder pressure sensor has a simple mounting structure.

【0040】既述したように、ダイアフラム25には高
温でも高い強度を有する析出強化金属材料であるSUS
631やインコネルが用いられ、ダイアフラム25の厚
さは約数百ミクロンの値である。自動車エンジンの燃焼
ガスの温度は1000℃以上なり、運転状態によっては
ダイアフラム25の表面温度は最高700℃程度まで上
昇する。前述の析出強化金属材料はこの温度下でも高い
信頼性を有する。このとき、圧力検出素子7aは約40
0℃以上の温度まで加熱されるが、水晶、ニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウムのキュリー点はこれらの温度
より高いので筒内圧を高精度に検出することができる。
As described above, the diaphragm 25 is made of SUS, which is a precipitation-strengthened metal material having high strength even at high temperatures.
631 or Inconel is used, and the thickness of the diaphragm 25 is about several hundred microns. The temperature of the combustion gas of the automobile engine becomes 1000 ° C. or more, and the surface temperature of the diaphragm 25 rises up to about 700 ° C. depending on the operation state. The above-described precipitation strengthened metallic material has high reliability even at this temperature. At this time, the pressure detecting element 7a
Although heated to a temperature of 0 ° C. or higher, the Curie points of quartz, lithium niobate, and lithium tantalate are higher than these temperatures, so that the in-cylinder pressure can be detected with high accuracy.

【0041】さらに、本実施形態よれば、圧力検出素子
7aが支持部材(セラミックス基板17及びハウジング
2端面)により圧縮応力が生じる荷重受け構造をなして
支持されるので、圧力検出素子7aにダイアフラム25
の突起24から気筒内圧力による荷重がかかっても、圧
力検出素子7aにたわみ変形(曲げ変形)が生じない構
造を採用し得るので、圧力検出素子7aの変形やそれに
伴う経時的な疲労による破損が生じるおそれがない。
Further, according to this embodiment, since the pressure detecting element 7a is supported by the supporting member (the ceramic substrate 17 and the end face of the housing 2) in a load receiving structure in which a compressive stress is generated, the diaphragm 25 is attached to the pressure detecting element 7a.
Even if a load due to the in-cylinder pressure is applied from the protrusion 24, a structure in which the pressure detecting element 7a does not bend (bend) can be adopted, and thus the pressure detecting element 7a is deformed and the resulting time-dependent fatigue causes damage. There is no risk of occurrence.

【0042】その結果、小型でシンプルな構造で計測精
度,耐久性を向上させる。
As a result, measurement accuracy and durability are improved with a small and simple structure.

【0043】次に、本発明に係る筒内圧センサの他の実
施形態を図3〜9により説明する。なお、図中、図1及
び図2と同一符号は同一要素を示すものである。
Next, another embodiment of the in-cylinder pressure sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the drawings, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same elements.

【0044】本実施例も基本的には、ハウジング2の先
端に突起24付きダイアフラム25が設けられ、圧縮応
力により電気信号を出力する圧力検出素子7bが、ダイ
ヤフラム25とハウジング2の先端部との間でダイアフ
ラム25の突起24を介して気筒内圧力による荷重を受
け且つ圧縮応力が生じる荷重受け構造をなして支持され
ている。
In this embodiment, basically, a diaphragm 25 with a projection 24 is provided at the tip of the housing 2, and the pressure detecting element 7 b for outputting an electric signal by compressive stress is provided between the diaphragm 25 and the tip of the housing 2. The load is supported by a load receiving structure that receives a load due to the in-cylinder pressure and generates a compressive stress through the projection 24 of the diaphragm 25 therebetween.

【0045】本実施形態における筒内圧検出部7の圧力
検出素子7bは、SOI(SiliconOn Insulator)
基板からなり、単結晶シリコン基板32上に熱酸化膜3
3を形成して、この熱酸化膜33上に圧縮応力により抵
抗が変化する面方位が(110)のP型シリコンの素子
形成基板34を積層させて成り、500℃以上に加熱さ
れても原理的に筒内圧を検出するのに支障のない素材で
ある。
In this embodiment, the pressure detecting element 7b of the in-cylinder pressure detecting section 7 is an SOI (Silicon On Insulator).
A thermal oxide film 3 on a single crystal silicon substrate 32
3 is formed by laminating a P-type silicon element formation substrate 34 having a plane orientation of (110) whose resistance changes due to compressive stress on the thermal oxide film 33, and the principle is maintained even if it is heated to 500 ° C. or more. It is a material that does not hinder the detection of the in-cylinder pressure.

【0046】本発明によるシリコンのSOI基板を用い
た圧力検出素子7bの詳細図を図4及び図7に示す。な
お、図4は図7のA−B線断面図である。図7は、SO
I基板7bの平面図であり、特に絶縁膜39を除去して
圧力検出素子7bを開披状態でみた図である。
FIGS. 4 and 7 show a detailed view of the pressure detecting element 7b using the silicon SOI substrate according to the present invention. FIG. 4 is a sectional view taken along line AB in FIG. FIG.
FIG. 4 is a plan view of an I-substrate 7b, particularly a view in which the insulating film 39 is removed and the pressure detection element 7b is viewed in an unfolded state.

【0047】単結晶シリコン基板32,熱酸化膜33,
素子形成基板34の厚さは、それぞれ数百ミクロン、約
1ミクロン、数〜数十ミクロンの値である。
A single crystal silicon substrate 32, a thermal oxide film 33,
The thickness of the element forming substrate 34 is several hundred microns, about one micron, and several to several tens of microns.

【0048】素子形成基板34をエッチング加工して、
歪ゲージ38,引き出し抵抗(リード部)37,パッド
36が形成されている。歪ゲージ38,引き出し抵抗3
7の全表面と、パッド36の一部の表面が熱酸化膜など
の絶縁膜39でカバーされている。パッド36と歪ゲー
ジ38の表面には、それぞれ貴金属材料からなる接合部
材31と40が蒸着やスパッタなどの方法で成膜されて
いる。そして、絶縁膜39上の接合部材31と40は同
一面の高さになっている。
By etching the element forming substrate 34,
A strain gauge 38, an extraction resistor (lead portion) 37, and a pad 36 are formed. Strain gauge 38, extraction resistance 3
7 and a part of the surface of the pad 36 are covered with an insulating film 39 such as a thermal oxide film. Bonding members 31 and 40 made of a noble metal material are formed on the surfaces of the pad 36 and the strain gauge 38 by a method such as vapor deposition or sputtering. The joining members 31 and 40 on the insulating film 39 have the same height.

【0049】歪ゲージ38は、詳細には、図7に示すよ
うに、歪ゲージ38a、38bよりなり、ここでは、結
晶軸〈110〉方向の歪ゲージを38a、結晶軸〈10
0〉方向の歪ゲージを38bと定義する。各2個の歪ゲ
ージ38aと38bよりなるブリッジ回路が熱酸化膜3
3の表面に形成されている。
More specifically, as shown in FIG. 7, the strain gauge 38 comprises strain gauges 38a and 38b. Here, the strain gauge in the direction of the crystal axis <110> is 38a and the crystal axis is <10.
The strain gauge in the 0> direction is defined as 38b. The bridge circuit composed of two strain gauges 38a and 38b is a thermal oxide film 3
3 is formed on the surface.

【0050】歪ゲージ38(=38a,38b)とパッ
ド36は、図4に示すように同一の高さであるが、引き
出し抵抗(リード)37はこれより数ミクロンだけ低い
高さになるようにエッチング加工されている。すなわ
ち、SOI基板7bは、前記P型シリコンの素子形成基
板34をエッチングして単結晶シリコン基板32上の熱
酸化膜33の表面に凸状の歪ゲージ38と凸状のリード
引き出し用パッド36が形成されている。
The strain gauge 38 (= 38a, 38b) and the pad 36 have the same height as shown in FIG. 4, but the lead-out resistance (lead) 37 is set to be several microns lower than this. Etched. That is, in the SOI substrate 7b, the P-type silicon element formation substrate 34 is etched to form a convex strain gauge 38 and a convex lead lead-out pad 36 on the surface of the thermal oxide film 33 on the single crystal silicon substrate 32. Is formed.

【0051】SOI基板7bは、単結晶シリコン基板3
2側がダイアフラム25の突起24により押される受圧
面とし、素子形成基板34側はリード引き出し用のセラ
ミックス基板27に歪ゲージ部38とパッド36だけが
接合された状態で支持されている。それ故、ダイアフラ
ム25で受圧した筒内圧に比例した力は、小さな面積の
歪ゲージ部38とパッド部36のみに作用するので、歪
ゲージ部38の圧縮応力を著しく大きな値にすることが
できる。結果として、筒内圧を高感度で検出することが
可能になる。
The SOI substrate 7b is a single crystal silicon substrate 3
The second side is a pressure receiving surface pressed by the projection 24 of the diaphragm 25, and the element forming substrate 34 side is supported by the ceramic substrate 27 for lead extraction with only the strain gauge portion 38 and the pad 36 bonded thereto. Therefore, since the force proportional to the in-cylinder pressure received by the diaphragm 25 acts only on the strain gage portion 38 and the pad portion 36 having a small area, the compressive stress of the strain gage portion 38 can be set to an extremely large value. As a result, the in-cylinder pressure can be detected with high sensitivity.

【0052】リード引き出し用のセラミックス基板27
の中には、パッド36及びリード線10の個数に対応す
る数のリード(導体)29がセラミックス基板27と一
体成形されており、セラミックス基板27の両面には、
図3に示すように、貴金属材料よりなる接合部材30,
28が成膜されている。このうち、接合部材30は、圧
力検出素子(SOI基板)7bのパッド36及び歪ゲー
ジ38に対応する位置に形成されている。圧力検出素子
7bの一面には歪ゲージ38に該当する位置及びパッド
36に該当する位置に接合部材31が成膜されている。
この接合部材31と接合部材30同士の熱圧着により、
圧力検出素子7bとセラミックス基板27は強固に接合
される。
Ceramic substrate 27 for lead extraction
The number of leads (conductors) 29 corresponding to the number of the pads 36 and the lead wires 10 is integrally formed with the ceramic substrate 27.
As shown in FIG. 3, a joining member 30 made of a noble metal material,
28 are formed. Among them, the joining member 30 is formed at a position corresponding to the pad 36 and the strain gauge 38 of the pressure detecting element (SOI substrate) 7b. The joining member 31 is formed on one surface of the pressure detecting element 7b at a position corresponding to the strain gauge 38 and a position corresponding to the pad 36.
By the thermocompression bonding between the joining member 31 and the joining member 30,
The pressure detecting element 7b and the ceramic substrate 27 are firmly joined.

【0053】そして、圧力検出素子7bとセラミックス
基板27からなる積層体は、接合部材28を介してハウ
ジング2の先端に固着される。圧力検出素子7bはセラ
ミックス基板27中に形成した導体29を介して、ハウ
ジング2内を挿通するリード線10と電気的に接続され
る。
The laminate composed of the pressure detecting element 7b and the ceramic substrate 27 is fixed to the front end of the housing 2 via the joining member 28. The pressure detecting element 7b is electrically connected to a lead wire 10 inserted through the housing 2 through a conductor 29 formed in the ceramic substrate 27.

【0054】面方位が(110)のP型シリコンに圧縮
応力を印加したときの歪ゲージの理論的な感度を図8に
示す。図に示したように、結晶軸〈100〉方向の感度
はゼロで、結晶軸〈110〉方向で最大になる。それ
故、筒内圧Pに比例して歪ゲージ38a,38bにダイ
アフラム25の突起を介して圧縮応力が生じた場合、歪
ゲージ38aの抵抗値は大きく変化するものの、歪ゲー
ジ38bの抵抗値は全く変化しない。
FIG. 8 shows the theoretical sensitivity of the strain gauge when compressive stress is applied to P-type silicon having a plane orientation of (110). As shown in the figure, the sensitivity in the direction of the crystal axis <100> is zero, and the sensitivity is maximum in the direction of the crystal axis <110>. Therefore, when compressive stress is generated in the strain gauges 38a, 38b via the projections of the diaphragm 25 in proportion to the in-cylinder pressure P, the resistance value of the strain gauge 38a greatly changes, but the resistance value of the strain gauge 38b does not change at all. It does not change.

【0055】SOI基板を用いた圧力検出素子7bの等
価回路を図9に示す。引き出し抵抗37部の抵抗値が十
分に小さければ、等価回路を本図のように書くことがで
きる。前述したように、筒内圧Pに対して抵抗値が変化
するのは結晶軸〈110〉方向に配置した歪ゲージ38
aのみである。
FIG. 9 shows an equivalent circuit of the pressure detecting element 7b using the SOI substrate. If the resistance value of the extraction resistor 37 is sufficiently small, an equivalent circuit can be written as shown in FIG. As described above, the change in the resistance value with respect to the in-cylinder pressure P is caused by the strain gauge 38 arranged in the crystal axis <110> direction.
a only.

【0056】本実施例においても、第1実施例と同様の
効果を奏するほかに、さらに、次のような効果が得られ
る。
In this embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the following effects can be obtained.

【0057】既述したように、筒内圧の圧力(圧縮荷
重)を小面積の歪ゲージ部38に集中させてかけること
で、歪ゲージ38aの圧縮応力を著しく大きな値にする
ことができ、筒内圧の高感度検出が可能になる。試作し
た結果によると、Vccが5ボルトのとき100気圧の
筒内圧変化に対してΔV=数百mVの感度が得られた。
As described above, by applying the pressure (compression load) of the in-cylinder pressure to the strain gauge portion 38 having a small area, the compressive stress of the strain gauge 38a can be made extremely large. High sensitivity detection of internal pressure becomes possible. According to the results of the trial production, when Vcc was 5 volts, a sensitivity of ΔV = several hundred mV was obtained for a change in the in-cylinder pressure of 100 atm.

【0058】また、歪ゲージ38(=38a,38b)
よりなるブリッジ回路は熱酸化膜33の表面に形成され
ているため、各歪ゲージ間のリーク電流はかなりの高温
まで極めて小さい値である。この結果、圧力検出素子が
500℃以上に加熱されても、筒内圧を高い精度で検出
することができた。
Further, the strain gauge 38 (= 38a, 38b)
Since the bridge circuit is formed on the surface of the thermal oxide film 33, the leakage current between the strain gauges has a very small value up to a considerably high temperature. As a result, even if the pressure detecting element was heated to 500 ° C. or higher, the in-cylinder pressure could be detected with high accuracy.

【0059】本発明に係るシリコンのSOI基板を用い
た圧力検出素子7bの他の態様(応用例)を図5に示
す。図5も図7同様に圧力検出素子についてA−B線で
断面した図である。図6は、図5の圧力検出素子7bを
素子形成基板34と反対側から見た平面図である。
FIG. 5 shows another embodiment (application example) of the pressure detecting element 7b using the silicon SOI substrate according to the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of the pressure detecting element taken along line AB as in FIG. FIG. 6 is a plan view of the pressure detecting element 7b of FIG.

【0060】本態様は単結晶シリコン基板32をエッチ
ング加工して、その基板32中央に台形状のシリコン突
起35を形成したものである。シリコン突起35にダイ
アフラム25の突起24が接触して、突起24を介して
筒内圧力による集中的な圧縮荷重がシリコン突起35に
伝達される。シリコン突起35が十分に小さければ、金
属ダイアフラム25に設けた突起24を必ずしも球面状
にする必要はなくなる。突起35の高さは支持基板32
の厚さの約半分である。
In this embodiment, a single crystal silicon substrate 32 is etched to form a trapezoidal silicon projection 35 at the center of the substrate 32. The projection 24 of the diaphragm 25 comes into contact with the silicon projection 35, and a concentrated compressive load due to the in-cylinder pressure is transmitted to the silicon projection 35 via the projection 24. If the silicon projection 35 is sufficiently small, the projection 24 provided on the metal diaphragm 25 does not necessarily have to be spherical. The height of the projection 35 is
About half the thickness of

【0061】上記各実施例に係る筒内圧センサの他の取
り付け態様の概略を図11に示す。本例では、自動車エ
ンジンの燃焼室内へ直接的に燃料を供給するDI(ダイ
レクトインジェクション;筒内噴射)方式のインジェク
タ44が、燃焼室へフラッシュマウント実装になるよう
にシリンダヘッド1に装着される。
FIG. 11 schematically shows another mounting mode of the in-cylinder pressure sensor according to each of the above embodiments. In this example, a DI (direct injection; in-cylinder injection) type injector 44 for directly supplying fuel to the combustion chamber of an automobile engine is mounted on the cylinder head 1 so as to be mounted in a flash mount on the combustion chamber.

【0062】ボール弁45に直結した駆動棒46が電磁
力等で上方に動くと、矢印で示すように燃料が燃焼室内
に供給される。本発明のように圧力検出素子7が十分に
小さければ、図に示すようにインジェクタの先端部に筒
内圧検出部7を容易に実装することが可能になる。筒内
圧センサをエンジンに装着するための孔をエンジンに設
けることは必ずしも簡単なことではないので、インジェ
クタへフッラシュマウント型の筒内圧センサを実装でき
れば多いに有効である。
When the drive rod 46 directly connected to the ball valve 45 moves upward by electromagnetic force or the like, fuel is supplied into the combustion chamber as shown by the arrow. If the pressure detecting element 7 is sufficiently small as in the present invention, it is possible to easily mount the in-cylinder pressure detecting section 7 at the tip of the injector as shown in the figure. Since it is not always easy to provide a hole in the engine for mounting the in-cylinder pressure sensor on the engine, it is very effective if a flash mount type in-cylinder pressure sensor can be mounted on the injector.

【0063】次に、筒内圧センサを利用して、各気筒へ
流入する新しい空気量の高精度な計測手法について述べ
る。
Next, a method for measuring the amount of new air flowing into each cylinder with high accuracy by using the in-cylinder pressure sensor will be described.

【0064】図12にクランク角と筒内圧の関係を示
す。なお、本図は圧縮行程と爆発行程の筒内圧波形を示
したものである。圧縮行程開始時のクランク角をθ1、
点火時期直前のクランク角をθ2とし、θ1,θ2にお
ける筒内圧をそれぞれP1,P2、気筒の内容積V1,
V2,θ1における気筒内のガスの絶対温度T1、ガス
定数をR1とすると、気筒内の状態方程式より
FIG. 12 shows the relationship between the crank angle and the in-cylinder pressure. This figure shows the in-cylinder pressure waveforms during the compression stroke and the explosion stroke. The crank angle at the start of the compression stroke is θ1,
Assume that the crank angle immediately before the ignition timing is θ2, the in-cylinder pressures at θ1 and θ2 are P1 and P2, respectively, and the cylinder internal volume V1 and P2.
Assuming that the absolute temperature T1 of the gas in the cylinder at V2 and θ1 and the gas constant is R1, from the state equation in the cylinder,

【0065】[0065]

【数1】 P1・V1=Mtotal・R1・T1 …(1) が得られる。ここで、Mtotalは気筒内に流入した全体
の質量である。
P1 · V1 = M total · R1 · T1 (1) is obtained. Here, M total is the total mass flowing into the cylinder.

【0066】また、ポリトロープ指数をnとすると、If the polytropic index is n,

【0067】[0067]

【数2】 (Equation 2)

【0068】となる。Is obtained.

【0069】残留ガスの量をMr、インジェクタからの
供給燃料の量をMf、排ガス循環量をMe、気筒内に流
入した新しい空気の量をMairとすると、
If the amount of residual gas is Mr, the amount of fuel supplied from the injector is Mf, the amount of exhaust gas circulation is Me, and the amount of new air flowing into the cylinder is Mair,

【0070】[0070]

【数3】 Mtotal=Mr+Mf+Me+Mair …(3) である。(1)、(2)、(3)式から、気筒へ流入す
る新しい空気の量Mairは、
M total = Mr + Mf + Me + M air (3) From equations (1), (2) and (3), the amount M air of new air flowing into the cylinder is:

【0071】[0071]

【数4】 (Equation 4)

【0072】となる。それ故、(4)式右辺のパラメー
タを正確に推定できれば、真のMairを計測することが
可能になる。
Is obtained. Therefore, if the parameters on the right side of the equation (4) can be accurately estimated, the true M air can be measured.

【0073】本発明による気筒へ流入する新しい空気量
の高精度な計測装置を図13に示す。(4)式から理解
できるように、以下に示す手順で気筒内に流入する新し
い空気の量Mairを高精度に検出することが可能になる。
FIG. 13 shows a highly accurate measuring device for a new amount of air flowing into a cylinder according to the present invention. As can be understood from the equation (4), it is possible to detect the amount M air of new air flowing into the cylinder with high accuracy by the following procedure.

【0074】すなわち、 (a)クランク角センサ48から圧縮行程開始時のクラ
ンク角θ1と点火時期直前のクランク角θ2を読み取
り、クランク角θ1,θ2における気筒の内容積V1,
V2を推定、エンジンの直前の燃焼行程の燃焼状態から
気筒内ガスの絶対温度T1を推定、フラッシュマウント
型筒内圧センサ47でクランク角θ2における筒内圧P
2を検出し、これらの値から気筒内に流入した全体の質
量Mtotalを計算する。
(A) The crank angle θ1 at the start of the compression stroke and the crank angle θ2 immediately before the ignition timing are read from the crank angle sensor 48, and the internal volume V1,
V2 is estimated, the absolute temperature T1 of the in-cylinder gas is estimated from the combustion state in the combustion stroke immediately before the engine, and the in-cylinder pressure P at the crank angle θ2 is detected by the flash mount type in-cylinder pressure sensor 47.
2 is detected, and the total mass M total flowing into the cylinder is calculated from these values.

【0075】(b)エンジン制御用マイクロコンピュー
タ51の助けを借りて、直前のエンジンの燃焼状態から
前燃焼行程の残留ガスの量Mrを推定、インジェクタコ
ントローラ49から供給燃料の量Mfを推定、排ガス循
環コントローラ50から排ガス循環量Meを推定し、M
rとMfとMeを合計した量Mを計算する。
(B) With the help of the engine control microcomputer 51, the amount Mr of the residual gas in the previous combustion stroke is estimated from the immediately preceding combustion state of the engine, the amount Mf of the supplied fuel is estimated from the injector controller 49, The exhaust gas circulation amount Me is estimated from the circulation controller 50, and M
Calculate the sum M of r, Mf and Me.

【0076】(c)MtotalからMを引くことにより、
各気筒内に流入した新しい空気量Mairを高精度に計
測できる。
(C) By subtracting M from M total ,
The new air amount Air that has flowed into each cylinder can be measured with high accuracy.

【0077】気筒内に流入した新しい空気量Mairの計
測は信号処理プロセッサ52でリアルタイムに実行され
る。なお、信号処理プロセッサ52はエンジン制御用マ
イクロコンピュータ51で代行することも可能である。
The measurement of the new air amount M air flowing into the cylinder is executed by the signal processor 52 in real time. Note that the signal processor 52 can be substituted by the engine control microcomputer 51.

【0078】本実施例によれば、気筒ごとの空気流入量
をダイレクトに計測でき、しかも、筒内圧センサ47を
用いて気筒内に流入する空気量を計測する装置の計測精
度を高め、特に、今まで配慮されていなかった前燃焼行
程の残留ガスの量Mr、インジェクタからの供給燃料の
量Mf、排ガスコントローラからの排ガス循環量Meに
よる計測誤差を低減して気筒内に流入する実質的空気量
(真の空気量)の計測精度を高めることができる。
According to this embodiment, the amount of air flowing into each cylinder can be directly measured, and the measurement accuracy of the device for measuring the amount of air flowing into the cylinder using the in-cylinder pressure sensor 47 is improved. The amount of residual air in the pre-combustion process, the amount of fuel supplied from the injector Mf, and the amount of exhaust air circulating from the exhaust gas controller Me, which has not been taken into account so far, reduces measurement errors and flows into the cylinder. (True air volume) measurement accuracy can be improved.

【0079】[0079]

【発明の効果】以上詳述したように、第1の発明によれ
ば、ダイアフラムを用いて気筒内圧力を検出するエンジ
ン用筒内圧力センサを小型でシンプルな構造とし、しか
も、耐久性に優れ高信頼性の製品実現を図ることができ
る。
As described above in detail, according to the first aspect, the in-cylinder pressure sensor for the engine for detecting the in-cylinder pressure using the diaphragm has a small and simple structure, and has excellent durability. A highly reliable product can be realized.

【0080】第2の発明によれば、筒内圧センサを用い
て気筒内に流入する空気量を計測する装置の計測精度を
高めることができる。
According to the second aspect of the invention, the measurement accuracy of the device for measuring the amount of air flowing into the cylinder using the in-cylinder pressure sensor can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係わる筒内圧センサの全体構成図。FIG. 1 is an overall configuration diagram of an in-cylinder pressure sensor according to the present invention.

【図2】本発明による筒内圧センサの筒内圧検出部の実
装構造を示した部分断面図。
FIG. 2 is a partial sectional view showing a mounting structure of an in-cylinder pressure detecting unit of the in-cylinder pressure sensor according to the present invention.

【図3】本発明による筒内圧センサの筒内圧検出部の他
の実装構造を示した部分断面図。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing another mounting structure of the in-cylinder pressure detector of the in-cylinder pressure sensor according to the present invention.

【図4】本発明によるシリコンのSOI基板を用いた筒
内圧検出素子の詳細図。
FIG. 4 is a detailed view of an in-cylinder pressure detecting element using a silicon SOI substrate according to the present invention.

【図5】本発明によるシリコンのSOI基板を用いた筒
内圧検出素子の他の実施例を示した図。
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the in-cylinder pressure detecting element using the silicon SOI substrate according to the present invention.

【図6】シリコン突起を有するSOI基板の平面図。FIG. 6 is a plan view of an SOI substrate having silicon projections.

【図7】本発明によるシリコンのSOI基板を用いた筒
内圧検出素子の素子形成基板を開披してみた平面図。
FIG. 7 is a plan view showing an element forming substrate of an in-cylinder pressure detecting element using a silicon SOI substrate according to the present invention.

【図8】圧縮応力を印加したときのP型歪ゲージの理論
的な感度を示した図。
FIG. 8 is a diagram showing the theoretical sensitivity of a P-type strain gauge when compressive stress is applied.

【図9】シリコンのSOI基板を用いた筒内圧検出部材
の等価回路図。
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of an in-cylinder pressure detecting member using a silicon SOI substrate.

【図10】筒内圧検出素子に圧電材料を用いたときの検
出回路図。
FIG. 10 is a detection circuit diagram when a piezoelectric material is used for the in-cylinder pressure detection element.

【図11】本発明によるフラッシュマウント型筒内圧セ
ンサをインジェクタに実装した概略図。
FIG. 11 is a schematic diagram in which a flush mount type in-cylinder pressure sensor according to the present invention is mounted on an injector.

【図12】クランク角と筒内圧の関係を示した図。FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a crank angle and an in-cylinder pressure.

【図13】本発明による気筒へ流入する新しい空気量の
計測方法を示した図。
FIG. 13 is a view showing a method for measuring a new air amount flowing into a cylinder according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリンダヘッド、2…ハウジング、6…センサ先端
部、7…筒内圧検出部、7a…圧力検出素子、7b…圧
力検出素子(SOI基板)、10…リード線、10(1
0a,10b)…リード線、11…セラミックス基板、
12…信号処理回路、17,18…セラミックス基板、
20,21,22…導体、24…突起、25…ダイアフ
ラム、27…セラミックス基板、36…パッド、38…
歪ゲージ、47…フラッシュマウント型筒内圧センサ、
48…クランク角センサ、49…インジェクタコントロ
ーラ、50…排ガス循環量コントローラ、51…エンジ
ン制御用マイクロコンピュータ、52…信号処理プロセ
ッサ(演算手段)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder head, 2 ... Housing, 6 ... Sensor tip part, 7 ... In-cylinder pressure detection part, 7a ... Pressure detection element, 7b ... Pressure detection element (SOI board), 10 ... Lead wire, 10 (1
0a, 10b) lead wire, 11 ceramic substrate,
12: signal processing circuit, 17, 18: ceramic substrate,
20, 21, 22 ... conductor, 24 ... projection, 25 ... diaphragm, 27 ... ceramic substrate, 36 ... pad, 38 ...
Strain gauge, 47… Flush mount type in-cylinder pressure sensor,
48: crank angle sensor, 49: injector controller, 50: exhaust gas circulation amount controller, 51: microcomputer for engine control, 52: signal processor (arithmetic means).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土田 健二 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 浅野 保弘 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カ−エンジニアリング内 Fターム(参考) 2F055 AA23 CC02 DD01 EE13 EE23 FF43 GG11 GG12 GG25 HH03 3G084 DA04 DA13 EC04 FA00 FA07 FA13 FA19 FA21 FA37 FA38 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Kenji Tsuchida 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Yasuhiro Asano 2477 Takaba, Hitachinaka City, Ibaraki Stock F term in Hitachi Car Engineering (reference) 2F055 AA23 CC02 DD01 EE13 EE23 FF43 GG11 GG12 GG25 HH03 3G084 DA04 DA13 EC04 FA00 FA07 FA13 FA19 FA21 FA37 FA38

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 エンジンの燃焼室を形成する気筒内の圧
力をダイアフラムを用いて検出する筒内圧センサにおい
て、 センサハウジングの先端に前記ダイアフラムが設けら
れ、該ダイアフラムはセンサハウジング側に突出する突
起を有し、 圧縮応力により電気信号を出力する圧力検出素子が、前
記ダイアフラムと前記センサハウジングの先端部との間
で前記ダイアフラムの突起を介して気筒内圧力による荷
重を受け且つ圧縮応力が生じる荷重受け構造をなして支
持されていることを特徴とするエンジン用の筒内圧セン
サ。
An in-cylinder pressure sensor for detecting the pressure in a cylinder forming a combustion chamber of an engine using a diaphragm, wherein the diaphragm is provided at a tip of a sensor housing, and the diaphragm has a projection protruding toward the sensor housing. A pressure detecting element that outputs an electric signal by a compressive stress, receives a load due to an in-cylinder pressure between the diaphragm and a tip of the sensor housing via a protrusion of the diaphragm, and generates a compressive stress. An in-cylinder pressure sensor for an engine, which is supported in a structure.
【請求項2】 前記圧力検出素子は、水晶,LiNbO
3,LiTaO3などの単結晶の圧電材料からなる請求項
1記載のエンジン用の筒内圧センサ。
2. The pressure detecting element is made of quartz, LiNbO.
3, cylinder pressure sensor for of claim 1 engine comprising a single crystal piezoelectric material such as LiTaO 3.
【請求項3】 前記圧力検出素子を支持する支持体がセ
ラミックス基板より成り、該セラミックス基板中には前
記圧力検出素子の電気信号を導くための導体が該セラミ
ックス基板と一体成形されており、このセラミックス基
板中の導体の一端がセンサハウジング内に通されたリー
ド線と接続されている請求項1又は2記載のエンジン用
の筒内圧センサ。
3. A support for supporting the pressure detecting element is formed of a ceramic substrate, and a conductor for guiding an electric signal of the pressure detecting element is formed integrally with the ceramic substrate in the ceramic substrate. 3. The in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 1, wherein one end of the conductor in the ceramic substrate is connected to a lead wire passed through the sensor housing.
【請求項4】 前記圧力検出素子と前記セラミックス基
板とが金などの貴金属材料の接合部材を介して熱圧着に
より接合されている請求項3記載のエンジン用の筒内圧
センサ。
4. The in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 3, wherein the pressure detecting element and the ceramic substrate are joined by thermocompression bonding via a joining member made of a noble metal material such as gold.
【請求項5】 前記ダイアフラムが析出強化金属材料で
あるSUS631やインコネルで構成されている請求項1ない
し4のいずれか1項記載のエンジン用の筒内圧センサ。
5. The in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 1, wherein the diaphragm is made of SUS631 or Inconel which is a precipitation strengthening metal material.
【請求項6】 前記圧力検出素子は、SOI基板により
形成されている請求項1又は3又は4記載のエンジン用
の筒内圧センサ。
6. The in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 1, wherein the pressure detection element is formed of an SOI substrate.
【請求項7】 前記SOI基板は、単結晶シリコン基板
と、該単結晶シリコン基板上に形成した熱酸化膜と、面
方位が(110)のP型シリコンの素子形成基板とを積
層させた積層体からなる請求項6記載のエンジン用の筒
内圧センサ。
7. The SOI substrate is formed by laminating a single crystal silicon substrate, a thermal oxide film formed on the single crystal silicon substrate, and a P-type silicon element formation substrate having a plane orientation of (110). 7. An in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 6, comprising a body.
【請求項8】 前記SOI基板には、前記P型シリコン
の素子形成基板をエッチングして前記単結晶シリコン基
板上の熱酸化膜の表面に凸状の歪ゲージと凸状のリード
引き出し用パッドが形成されている請求項7記載のエン
ジン用の筒内圧センサ。
8. The SOI substrate has a convex strain gauge and a convex lead drawing pad formed on the surface of a thermal oxide film on the single crystal silicon substrate by etching the P-type silicon element formation substrate. The in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 7, wherein the sensor is formed.
【請求項9】 前記歪ゲージと前記パッドは、接合部材
を介して熱圧着によりセラミックス基板へ接合されてい
る請求項8記載のエンジン用の筒内圧センサ。
9. The in-cylinder pressure sensor for an engine according to claim 8, wherein the strain gauge and the pad are joined to a ceramic substrate by thermocompression bonding via a joining member.
【請求項10】 エンジンの気筒内圧力を検出する筒内
圧センサの圧力情報を利用して、エンジンの気筒内流入
空気量を演算する気筒内空気流入量の計測装置におい
て、 前記筒内圧センサの圧力情報を利用して気筒内流入空気
量を演算する場合に、エンジンの前燃焼行程の残留ガス
量,インジェクタによる燃料供給量及び排ガス循環量を
求めて、これらの残留ガス量,燃料供給量,排ガス循環
量を気筒内流入空気量演算式に減算要素として取り入れ
る演算手段を備えてなることを特徴とする気筒内空気流
入量の計測装置。
10. An in-cylinder air inflow measuring device that calculates an in-cylinder air inflow amount using an in-cylinder pressure sensor that detects an in-cylinder pressure of an engine. When calculating the amount of air flowing into a cylinder using information, the amount of residual gas in the pre-combustion process of the engine, the amount of fuel supplied by the injector, and the amount of exhaust gas circulation are obtained. An apparatus for measuring the amount of air flowing into a cylinder, comprising a calculating means for taking the amount of circulation as a subtraction factor into a formula for calculating the amount of air flowing into a cylinder.
【請求項11】 前記演算手段は、前記筒内圧センサで
検出される圧力情報、エンジンのクランク角センサのク
ランク角情報、エンジンの燃焼状態を検出する手段から
の燃焼状態情報、インジェクタコントローラからの燃料
供給量情報、排ガス循環コントローラからの排ガス循環
量情報と取り入れて、これらの情報に基づき、次の
(a)から(c)の演算、すなわち、(a)圧縮行程開始
時のクランク角をθ1,点火時期直前のクランク角をθ
2とすると、θ1,θ2における気筒の内容積V1,V
2を推定し、エンジンの燃焼状態情報から気筒内ガスの
絶対温度T1を推定し、前記筒内圧センサからの圧力情
報によりθ2における筒内圧P2を求め、これらの値か
ら気筒内に流入した全体の質量Mtotalを計算し、
(b)エンジンの燃焼状態情報から前燃焼行程の残留ガ
ス量Mrを推定し、インジェクタコントローラからの燃
料供給情報により供給燃料量Mfを推定し、排ガス循環
コントローラからの排ガス循環量情報により排ガス循環
量Meを推定し、MrとMfとMeを合計した量Mを計
算し、(c)MtotalからMを引いて、気筒内に流入し
た空気量Mairを算出する、請求項10記載の気筒内空
気流入量の計測装置。
11. The calculating means includes: pressure information detected by the in-cylinder pressure sensor; crank angle information of an engine crank angle sensor; combustion state information from a means for detecting a combustion state of the engine; and fuel from an injector controller. Based on the supply amount information and the exhaust gas circulation amount information from the exhaust gas circulation controller, based on these information, the following calculations (a) to (c) are performed, that is, (a) the crank angle at the start of the compression stroke is θ1, The crank angle just before the ignition timing is θ
2, the internal volumes V1, V of the cylinder at θ1, θ2
2 is estimated, the absolute temperature T1 of the in-cylinder gas is estimated from the combustion state information of the engine, the in-cylinder pressure P2 at θ2 is obtained from the pressure information from the in-cylinder pressure sensor. Calculate the mass M total ,
(B) The residual gas amount Mr in the pre-combustion process is estimated from the combustion state information of the engine, the supplied fuel amount Mf is estimated from the fuel supply information from the injector controller, and the exhaust gas circulation amount is estimated from the exhaust gas circulation information from the exhaust gas circulation controller. 11. The in-cylinder according to claim 10, wherein Me is estimated, an amount M obtained by adding Mr, Mf, and Me is calculated, and (c) M is subtracted from M total to calculate an air amount M air flowing into the cylinder. Measurement device for air inflow.
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