JP2575184Y2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、例えば自動車用エンジ
ン等の燃焼圧を検出する燃焼圧センサに用いて好適な圧
力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、筒状のケーシングと、該ケーシ
ングの一端側に設けられ、該ケーシングに外部から作用
する圧力に応じて軸方向に変位するダイヤフラムと、該
ダイヤフラムに当接するように、前記ケーシング内に設
けられた受圧ロッドと、前記ケーシング内に設けられ、
該受圧ロッドを介して伝達される前記ダイヤフラムの変
位を前記圧力に応じた電圧信号として出力する圧電体と
からなる圧力センサとしての燃焼圧センサは、例えば実
開昭６０−５３５号公報等によって知られている。

【０００３】そこで、この種の燃焼圧センサに用いられ
る圧電体を図６および図７に基づいて説明する。

【０００４】図中、１はチタン酸鉛等の圧電材料からな
る圧電体で、該圧電体１の上下面には、導電性ペースト
等からなる電極１Ａ，１Ｂが形成されている。そして、
該圧電体１は燃焼圧によるダイヤフラムの変位を受圧ロ
ッドを介して受承し、この燃焼圧に応じた電圧信号をコ
ントロールユニット（いずれも図示せず）に向けて出力
するようになっている。また、該圧電体１は製造時に該
各電極１Ａ，１Ｂを介して高電界が加えられることによ
り、自発分極の向きがある程度揃えられて分極軸Ｐが上
下方向（軸方向）に形成され、該分極軸Ｐに対して並行
な応力軸Ｆから圧力（応力）が作用すると、圧電体１の
内部に歪みが生じ、この圧力に応じた電荷（電圧信号）
を各電極１Ａ，１Ｂを介して信号軸Ｖの方向に出力する
所謂ｄ33型素子として構成されている。

【０００５】そして、この種の従来技術による燃焼圧セ
ンサはエンジンの燃焼室に取付けられ、燃焼時の高い圧
力（燃焼圧）をダイヤフラムで受承し、該ダイヤフラム
の軸方向の変位を受圧ロッドを介して圧電体１に伝える
ことにより、該圧電体１は燃焼圧に応じた電圧信号をコ
ントロールユニット等に出力し、コントロールユニット
はこの電圧信号に基づいて燃焼圧の大小を判定し、エン
ジンへの燃料噴射時期や点火タイミング等を制御するよ
うになっている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、ダイヤフラムの変位を受圧ロッドを介して
圧電体１に伝達することにより、燃焼室内の高温や高圧
が圧電体１に直接伝わって圧電体１が破損するのを防止
している。しかし、燃焼室内の高温がケーシング等を介
して圧電体１に伝わって圧電体１の温度が上昇すると、
該圧電体１は電極１Ａ，１Ｂ間の静電容量が増加し、圧
電体１から出力される検出信号（電圧信号）が図７中に
示す特性線２の如く、温度と共に上昇してしまうので、
圧力センサの出力から温度変化分を補正しない限り、燃
焼圧を正確に検出することができないという問題があ
る。

【０００７】このため、従来技術では、圧電体１の近傍
に熱電対やサーミスタ等の温度センサを設け、該温度セ
ンサによって圧電体１の周囲温度を検出し、コントロー
ルユニットはこの検出温度に基づいて該圧電体１の検出
信号を補正するようになっている。しかし、この温度セ
ンサと圧電体１は異なる信号を出力するから、コントロ
ールユニットの電子回路や補正プログラム等が複雑化し
てコストが大幅に増大するばかりか、温度センサを取付
ける分だけ燃焼圧センサ全体が大型化して取付け自由度
が低下する上に、温度センサが経年劣化した場合は正確
に補正することが出来ないという問題がある。

【０００８】本考案は上述した従来技術による問題に鑑
みなされたもので、本考案は圧電体の温度が変化した場
合でも、温度依存性の小さい安定した検出信号を出力で
きるようにした圧力センサを提供することを目的として
いる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本考案は、筒状のケーシングと、該ケーシングの
一端側に設けられ、外部から作用する圧力に応じて軸方
向に変位するダイヤフラムと、該ダイヤフラムに当接す
るように前記ケーシング内に設けられた受圧ロッドと、
前記ケーシング内に設けられ、該受圧ロッドを介して伝
達される前記ダイヤフラムの変位を前記圧力に応じた電
気信号として出力する圧電体と、該圧電体からの電気信
号を前記ケーシング外に導出すべく、一端側が前記ケー
シング内で該圧電体に接続され、他端側が前記ケーシン
グ外に伸びるリード線に接続される導電性部材とからな
る圧力センサにおいて、前記導電性部材を、前記圧電体
側の一側接続部と前記リード線側の他側接続部とに前記
ケーシング内で分割し、該一側接続部と他側接続部との
間には、温度に対する静電容量の変化特性が、圧電体が
有する特性と逆の特性を有する誘電体を配設したことを
特徴としてなる構成を採用している。

【００１０】

【作用】上記構成により、温度変化によって圧電体の静
電容量が変化すると、誘電体の静電容量が圧電体の静電
容量とは逆の特性をもって変化するので、圧電体の静電
容量の変化分を誘電体の静電容量の変化分で相殺でき、
圧力センサの出力が温度変化により影響されるのを防止
することができる。

【００１１】また、前記導電性部材をケーシング内で一
側接続部と他側接続部とに分割し、該一側接続部と他側
接続部との間に前記誘電体を配設したから、前記圧電体
に作用する圧力の影響が誘電体に及ぶのを防止できる。

【００１２】

【実施例】以下、本考案の実施例による圧力センサを、
燃焼圧センサとして用いた場合を例に挙げ、図１ないし
図４に基づき説明する。

【００１３】図中、１１は筒状のケーシング、１２は後
述するダイヤフラム１３、上カバー１４と共に該ケーシ
ング１１を構成するケーシング本体を示し、該ケーシン
グ本体１２は、その上端側が上カバー１４によって施蓋
され、後述のコンタクトプレート１７、圧電体２２等を
収容した大径筒部１２Ａと、該大径筒部１２Ａの下端側
から下向きに縮径するテーパ状の肩部１２Ｂとから構成
され、該肩部１２Ｂの下端側には下向きに伸長し後述の
受圧ロッド１５を収容する小径筒状のダイヤフラム１３
が一体的に設けられている。そして、該ケーシング本体
１２はダイヤフラム１３がエンジン本体の燃焼室内に臨
むように、エンジン本体のシリンダヘッドに設けられた
段付穴の段部（いずれも図示せず）に肩部１２Ｂを当接
させて取付けられる。

【００１４】１３はケーシング本体１２の肩部１２Ｂの
下端側に一体形成されたダイヤフラムを示し、該ダイヤ
フラム１３は薄肉な円筒状に形成された小径部１３Ａ
と、該小径部１３Ａの先端部に形成され、燃焼室内に臨
む厚肉円板状の受圧部１３Ｂとからなり、燃焼室内の圧
力（燃焼圧）を受圧すると、この圧力に応じて小径部１
３Ａが軸方向（上，下方向）に撓み、受圧ロッド１５を
軸方向に変位させるものである。

【００１５】１４はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａの上端側にレーザ溶接等の手段を用いて固着された段
付円筒状の上カバーを示し、該上カバー１４の上側には
シリンダヘッド外へと上向きに突出する縮径部１４Ａが
形成され、該縮径部１４Ａ内には後述のリード線２０が
上向きに伸長して設けられている。

【００１６】１５はケーシング１１のダイヤフラム１３
からケーシング本体１２の大径筒部１２Ａ内に位置して
軸方向に変位可能に設けられたステンレス鋼等からなる
受圧ロッドを示し、該受圧ロッド１５は、小径部１５Ａ
と、該小径部１５Ａの先端側に形成され、ダイヤフラム
１３の上面側に当接する半球面状の球面部１５Ｂと、前
記小径部１５Ａの基端側にテーパ部１５Ｃを介して形成
された大径の押圧部１５Ｄとから構成されている。そし
て、該受圧ロッド１５は、燃焼圧によってダイヤフラム
１３が軸方向に撓むと、ケーシング本体１２内を軸方向
に変位し、このダイヤフラム１３の変位を後述のロアプ
レート１６等を介して後述の圧電体２２に伝達するよう
になっている。

【００１７】１６は前記受圧ロッド１５と圧電体２２と
の間に設けられたロアプレートを示し、該ロアプレート
１６は硬質のセラミック材料等から厚肉の円板状に形成
され、受圧ロッド１５の押圧部１５Ｄ上に配設されてい
る。そして、該ロアプレート１６は前記受圧ロッド１５
と一体的に変位して燃焼圧を圧電体２２に伝達させると
共に、ケーシング１１，受圧ロッド１５と後述のコンタ
クトプレート１７とが短絡しないように電気的に絶縁
し、エンジンの燃焼室内の高温が受圧ロッド１５を介し
て直接圧電体２２に伝わらないようにしている。

【００１８】１７はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に設けられた導電性部材としてのコンタクトプレー
トを示し、該コンタクトプレート１７は一側接続部１８
と後述する他側接続部１９とから構成されている。ここ
で、一側接続部１８は円板状のコンタクト部１８Ａと、
該コンタクト部１８Ａの上側面中央から突出して大径筒
部１２Ａ内を上向きに伸長する棒状の軸部１８Ｂとから
なり、該軸部１８Ｂの上端面には断面略コ字状をなす保
持溝１８Ｃが凹設されている。

【００１９】１９は他側接続部を示し、該他側接続部１
９は大径筒部１２Ａ内から上カバー１４の縮径部１４Ａ
内へ伸長する軸部１９Ａと、該軸部１９Ａの下端に、前
記一側接続部１８の保持溝１８Ｃに対向して形成された
同様の保持溝１９Ｂと、軸部１９Ａの上端にリード線２
０を固定すべく形成されたカシメ部１９Ｃとから構成さ
れている。そして、前記一側接続部１８と他側接続部１
９の各保持溝１８Ｃおよび１９Ｂには後述する誘電体２
６が挟持され、その外周側は所定長さに亘って絶縁チュ
ーブ２１により被覆されている。ここで、該絶縁チュー
ブ２１はコンタクトプレート１７と後述する止めねじ２
５，上カバー１４との間等を絶縁している。

【００２０】２２はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に位置して、前記一側接続部１８のコンタクト部１
８Ａ上に設けられた圧電体を示し、該圧電体２２は従来
技術で述べた圧電体１とほぼ同様にチタン酸鉛等の圧電
性材料から環状に形成され、該圧電体２２には上，下両
端面にシート状の上側電極２２Ａ，下側電極２２Ｂが形
成されている。

【００２１】ここで、該圧電体２２は一側接続部１８の
軸部１８Ｂの外側に絶縁チューブ２１を介して挿通され
る形でコンタクト部１８Ａと後述の各アッパープレート
２４との間に止めねじ２５によって挟持され、該圧電体
２２の上側電極２２Ａは各アッパープレート２４，止め
ねじ２５を介してケーシング本体１２側にアースされて
いる。また、下側電極２２Ｂは一側接続部１８のコンタ
クト部１８Ａの上面に当接し、軸部１８Ｂを介してリー
ド線２０側に接続されている。

【００２２】そして、該圧電体２２は受圧ロッド１５，
ロアプレート１６を介して上下方向に圧力が伝達される
と圧縮歪によって分極を生じ、上，下の軸方向に圧力に
対応した電圧を発生するようになっている。また、該圧
電体２２は温度の上昇に伴って電極２２Ａ，２２Ｂ間の
静電容量が図３中に示す特性線２３の如く上昇する。

【００２３】２４，２４は圧電体２２の上側電極２２Ａ
に当接するアッパープレートを示し、該各アッパープレ
ート２４は薄肉の金属板から環状に形成され、止めねじ
２５をケーシング本体１２に螺着する際に各アッパープ
レート２４が止めねじ２５と相対回転し、止めねじ２５
の先端から回転力が圧電体２２に加えられ、圧電体２２
が損傷するのを防止している。そして、該各アッパープ
レート２４は圧電体２２の上側電極２２Ａとケーシング
本体１２とを止めねじ２５等を介して電気的に接続して
アースするものである。

【００２４】２５はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に螺着され、先端部がアッパープレート２４の上面
側に当接した止めねじを示し、該止めねじ２５は、前記
アッパープレート２４，コンタクトプレート１７の一側
接続部１８等を介して圧電体２２を上，下から所定の荷
重で押圧して初期荷重を加えると共に、該圧電体２２、
受圧ロッド１５等をダイヤフラム１３との間に挟持して
固定するものである。

【００２５】２６はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に位置して前記一側接続部１８の保持溝１８Ｃと他
側接続部１９の保持溝１９Ｂとの間に設けられた誘電体
を示し、該誘電体２６は例えばチタン酸ストロンチウム
等から直方体状に形成され、該誘電体２６の上，下両端
面には錫等の金属からなるシート状の上側電極２６Ａ，
下側電極２６Ｂが形成されて一種のコンデンサを構成し
ている。

【００２６】ここで、該誘電体２６は常温で前記圧電体
２２に対して静電容量の５〜６倍以上の静電容量を有
し、温度の上昇に対して図３中の特性線２７に示す如
く、前記圧電体２２とは逆に静電容量が減少する特性を
有している。そして、該誘電体２６は上側電極２６Ａが
前記他側接続部１９の保持溝１９Ｂに当接し、下側電極
２６Ｂが一側接続部１８の保持溝１８Ｃに当接すること
により、コンタクトプレート１７の一側接続部１８，他
側接続部１９間を電気的に接続している。

【００２７】本実施例による燃焼圧センサは上述の如き
構成を有するもので、次にその作動について説明する。

【００２８】まず、エンジンの燃焼室内の混合気が点火
されて燃焼圧が発生し、この燃焼圧によりダイヤフラム
１３が軸方向に撓むと、受圧ロッド１５が軸方向に変位
し、この変位は押圧部１５Ｄおよびロアプレート１６を
介して一側接続部１８のコンタクト部１８Ａに上向きに
伝達される。これにより、コンタクト部１８Ａとアッパ
ープレート２４との間で圧電体２２が圧縮され、該圧電
体２２は圧縮歪によって分極を生じ、前記圧力に対応し
た検出信号としての電圧を軸方向に発生する。そして、
この電圧は下側電極２２Ｂ側から一側接続部１８，誘電
体２６，他側接続部１９，リード線２０を介して外部に
導出され、図示しないコントロールユニットに向けて出
力される。

【００２９】一方、燃焼室からの高温によりケーシング
１１の温度が上昇すると、これにより、圧電体２２の静
電容量が図３中に示す特性線２３の如く上昇してしま
う。

【００３０】しかし、本実施例では、コンタクトプレー
ト１７をケーシング本体１２内で軸方向に２分割された
一側接続部１８と他側接続部１９とから構成し、該一側
接続部１８と他側接続部１９との間には、上，下両端面
に上側電極２６Ａ，下側電極２６Ｂが形成され、上側電
極２６Ａと下側電極２６Ｂ間の静電容量が圧電体２２の
５〜６倍となり、温度上昇によって静電容量が図３中の
特性線２７の如く減少するチタン酸ストロンチウムから
なる誘電体２６を直列接続して設けたから、誘電体２６
の温度を圧電体２２の温度とほぼ等しい条件として、両
者の静電容量の変化分を相殺でき、圧電体２２と誘電体
２６との間の静電容量の和を温度に関係なくほぼ一定に
することができ、このときの圧力センサからの検出信号
（電圧信号）が図４中の特性線２８の如く、温度に影響
されて変動するのを小さく抑えることができる。

【００３１】従って、本実施例によれば、燃焼室内の燃
焼圧を長期に亘り高精度に検出できると共に、温度補正
機能を有する燃焼圧センサをコンパクトに構成できる。
そして、従来技術で用いた温度センサや補正用の電子回
路等を不要にでき、コントロールユニットの回路構成を
簡略化できる。

【００３２】さらに、本実施例によれば、誘電体２６を
一側接続部１８の上端と他側接続部１９の下端との間に
配設したから、該誘電体２６にダイヤフラム１３，受圧
ロッド１５側からの燃焼圧が作用するのを防止でき、該
誘電体２６が圧力によって損傷するのを効果的に防止す
ることができる。

【００３３】なお、前記実施例ではケーシング本体１２
と一体に設けられるダイヤフラム１３を薄肉円筒状の小
径部１３Ａと該小径部１３Ａの先端側に形成される厚肉
の受圧部１３Ｂとから構成するものとして述べたが、本
考案はこれに限るものではなく、図５に示す変形例の如
く、ダイヤフラム１３′はケーシング本体１２の肩部１
２Ｂの下端側から下向きに伸長する小径筒部１３Ａ′
と、該小径筒部１３Ａ′の下端側を閉塞する薄肉円板状
の受圧部１３Ｂ′とから構成し、受圧ロッド１５の球面
部１５Ｂを該受圧部１３Ｂ′の中央に当接させるように
してもよい。

【００３４】また、前記実施例では、圧力センサを燃焼
圧センサに用いた場合を例に挙げて説明したが、本考案
はこれに限らず、例えば空気、工業用ガス等の気体や燃
料、水等の液体の圧力を検出する圧力センサにも適用す
ることができる。一方、エンジンのノッキングを検出す
るノッキングセンサに用いてもよい。

【００３５】

【考案の効果】以上詳述した通り、本考案によれば、導
電性部材を圧電体側の一側接続部とリード線側の他側接
続部とにケーシング内で分割し、該一側接続部と他側接
続部との間には、温度に対する静電容量の変化特性が、
圧電体が有する特性と逆の特性を有する誘電体を配設し
たから、温度変化によって圧電体の静電容量が変化する
と、誘電体の静電容量が圧電体の静電容量とは逆の特性
をもって変化するようになり、圧電体の静電容量の変化
分を誘電体の静電容量の変化分で相殺して、全体の静電
容量を広い温度範囲に亘ってほぼ一定にすることがで
き、圧力センサの出力が温度変化に影響されて変動する
のを効果的に防止することができる。

【００３６】また、前記導電性部材をケーシング内で一
側接続部と他側接続部とに分割し、該一側接続部と他側
接続部との間に前記誘電体を配設したから、ダイヤフラ
ム、受圧ロッドを介して圧電体に作用する圧力の影響が
誘電体に及び、誘電体が早期に損傷されるのを防止で
き、圧力センサの耐久性、信頼性を向上させることがで
きる。

【００３７】従って、燃焼室内の燃焼圧を長期に亘り高
精度に検出できると共に、温度補正機能を有する燃焼圧
センサをコンパクトに構成でき、従来技術で用いた温度
センサや補正用の電子回路等を必要とせず、コントロー
ルユニットの回路構成を簡略化できると共に、圧力セン
サ自体の構造を複雑にすることなく、温度補正機能を有
し耐久性を高めた圧力センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例を示す燃焼圧センサの縦断面図
である。

【図２】図１中の要部拡大図である。

【図３】圧電体および誘電体の温度と静電容量の関係を
示す特性線図である。

【図４】圧力センサの検出信号と温度との関係を示す特
性線図である。

【図５】本実施例の変形例によるダイヤフラムおよび受
圧ロッドを示す要部拡大図である。

【図６】従来技術による燃焼圧センサに用いられる圧電
体の一部を拡大して示す縦断面図である。

【図７】図６中の圧電体の検出信号と温度との関係を示
す特性線図である。

【符号の説明】

１１ ケーシング １２ ケーシング本体 １３ ダイヤフラム １５ 受圧ロッド １７ コンタクトプレート（導電性部材） １８ 一側接続部 １８Ｃ，１９Ｂ 保持溝 １９ 他側接続部 ２０ リード線 ２２ 圧電体 ２６ 誘電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 23/10

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状のケーシングと、該ケーシングの一
   端側に設けられ、外部から作用する圧力に応じて軸方向
   に変位するダイヤフラムと、該ダイヤフラムに当接する
   ように前記ケーシング内に設けられた受圧ロッドと、前
   記ケーシング内に設けられ、該受圧ロッドを介して伝達
   される前記ダイヤフラムの変位を前記圧力に応じた電気
   信号として出力する圧電体と、該圧電体からの電気信号
   を前記ケーシング外に導出すべく、一端側が前記ケーシ
   ング内で該圧電体に接続され、他端側が前記ケーシング
   外に伸びるリード線に接続される導電性部材とからなる
   圧力センサにおいて、前記導電性部材は、前記圧電体側
   の一側接続部と前記リード線側の他側接続部とに前記ケ
   ーシング内で分割し、該一側接続部と他側接続部との間
   には、温度に対する静電容量の変化特性が、前記圧電体
   が有する特性と逆の特性を有する誘電体を配設したこと
   を特徴とする圧力センサ。