JPH01141329A

JPH01141329A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH01141329A
Application number: JP62301147A
Authority: JP
Inventors: Yasuhito Yajima; 矢島　泰人; Hiroshi Watanabe; 渡辺　泰士; Kazuyoshi Shibata; 和義柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1989-06-02
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: DE3839515C2; DE3839515A1; JPH0812123B2; US4920805A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明はセラミックス類の圧力センサに係り、特に内燃
機関におけるシリンダ内の圧力等の測定に際して有利に
用いられ得る圧力センサに関するものである。

（従来技術とその問題点）従来から、作用圧力に応じて変形し得るダイヤフラム等
の基板上に歪検出手段を設けて、該基板の変形に伴う歪
検出手段における電気特性の変化として、かかる基板に
おける変形を検出して、その検出値から作用圧力を測定
するようにした圧力センサが知られているが、近年、そ
の一種として、例えば、ＳＡＥレポート８２０３１９．
８６０４７４等に示されているように、高温下において
も圧力測定が可能な、セラミックス類のダイヤフラムを
備えた圧力センサが幾つか提案されている。

ところで、このようなセラミックス製ダイヤフラムを備
えた圧力センサにあっては、一般に、そのダイヤフラム
における一方の側の面が、外部空間に対して直接に露呈
される構造とされ、かかる外部空間への露呈面に対して
、被測定圧が直接に作用せしめられる状態下に配設せし
められることとなる。

そのために、かかる構造の圧力センサによって、例えば
、内燃機関における、特に高負荷時のシリンダ内圧力（
燃焼圧）を測定するに際しては、機関の燃焼工程におけ
る燃焼火炎や、或いは吸気工程における吸入ガスが、ダ
イヤフラムの露呈面に対して直接接触することとなる。

そして、それによって、かかるダイヤフラムに対して、
燃焼火炎による急激な加熱と吸入ガスによる急激な冷却
とが、極めて短い時間的間隔をもって交互に及ぼされる
のであり、その結果、それらの燃焼工程及び吸気工程に
おいて、ダイヤフラムの表裏に温度差が生じ、かかる温
度差に起因する熱応力によって、該ダイヤフラムにおけ
る撓みが惹起せしめられることとなるのである。

そして、かかるダイヤフラムにおける熱応力に基づく撓
みが、外部空間にて及ぼされる正圧によって生ぜしめら
れる撓み方向に対して、燃焼工程においては逆方向に、
また吸気工程においては同方向に、それぞれ、発生され
ることとなるために、前記歪検出手段によって測定され
る圧力が、実際の圧力よりも、燃焼工程においては低く
、吸気工程においては高くなり、そのために測定値に圧
力誤差が惹起されて、充分な検出精度が得られないとい
った問題を内在していたのである。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として
為されたものであって、その特徴とするところは、一方
の面が外部空間に露呈される状態で周縁部において位置
固定に支持された、該外部空間からの作用圧力に応じて
変形し得るセラミックス製ダイヤフラムを備え、該ダイ
ヤフラムの変形を所定の歪検出手段にて電気特性の変化
として検出する圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム
の外部空間に対する露呈面上に、所定空間を介して該露
呈面を覆う遮蔽部材を配する一方、かかる遮蔽部材に、
前記ダイヤフラムにおける実質的な変形部位の外部空間
に対する直接的な露呈を回避し得る位置において、該所
定空間を前記外部空間に連通せしめる連通孔を設けたこ
とにある。

そして、かかる本発明に従う圧力センサにおける遮蔽部
材としては、例えば、前記ダイヤフラムの露呈面上に所
定距離を隔てて重なる状態で配された複数枚の板状体を
含んで構成され、且つ各々の板状体に対して、その重合
方向に重ならない位置関係をもって設けられた開口によ
って、前記連通孔が構成されてなる構造のものが、好適
に採用されることとなる。

また、このような圧力センサにおける歪検出手段として
は、例えば、前記ダイヤフラムの表面に一体的に設けら
れた抵抗体にて構成され、かかるダイヤフラムに対する
作用圧力が、該抵抗体におけるダイヤフラムの変形に伴
う抵抗値変化として検出されるものや、或いは前記ダイ
ヤフラムの表面に一体的に設けられた第一の電極と、該
第一の電極に対して所定間隔を隔てて、絶縁状態下に位
置固定に対向配置された第二の電極とによって構成され
、かかるダイヤフラムに対する作用圧力が、それら第一
及び第二の電極間におけるダイヤフラムの変形に伴う静
電容量変化として検出されるものが、好適に用いられる
こととなる。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明す
ることとする。

先ず、本発明に従う構造とされた圧力センサの一具体例
が、第１図に縦断面図として、また第２図に正面図とし
て、それぞれ示されている。これらの図において、１０
は、作用圧力に応じて変形し得るセラミックス製ダイヤ
フラムであって、円形の平面形態を呈する平板乃至は平
膜状をもって形成されている。また、該ダイヤフラム１
０は、その一方の面の周縁部において、円筒形状のセラ
ミックス製支持体１２の端面に一体的に取り付けられて
、位置固定に支持せしめられている。

なお、これらのダイヤフラム１０及び支持体１２は、従
来からセラミックス製圧力センサの製造に用いられてい
る公知のセラミックス材料、例えばアルミナ、ジルコニ
ア、ムライト、窒化ケイ素等のセラミックス材料を用い
て、公知の成形手法に従って、成形され、焼成されるこ
とにより形成されることとなる。また、それらのダイヤ
フラム１０及び支持体１２は、別体にて成形、焼成した
後、ガラス等によって固定、一体化することも可能であ
るが、特に、本願出願人が特願昭６２−１２９３６０号
において明らかにした如く、それらを一体的に成形、焼
成することにより、一体焼成体として形成することが、
耐熱及び耐圧性及び検出精度上において望ましい。

また、かかるダイヤフラム１０には、前記支持体１２が
位置する側の面上において、その焼成前或いは焼成後に
、所定の抵抗材料及び導体が印刷されること等によって
、歪検出手段としての、ホイートストーンブリッジ等の
適当な公知のブリッジ回路を構成する複数の抵抗体１４
及びそれらの抵抗体１４を導通する導体路（図示せず）
が形成されている。

なお、かかる抵抗体１４は、ダイヤフラム１０の変形に
基づいて、その抵抗値が減少乃至は増加せしめられるも
のであって、良く知られているように、該ダイヤフラム
１０の撓みが、導体路を通じて取り出される所定の出力
によって検出され得ることとなる。また、かかる抵抗体
及び導体路の形成材料としては、公知のものが、何れも
採用され得るものであるが、特に、抵抗体の形成材料と
しては、本願出願人が特願昭６２−１３０８７８号にお
いて明らかにした如く、特定の耐高温特性の良好な基本
導体成分と、所定のガラス若しくはセラミックスからな
る誘電性物質とから実質的に構成されてなるものを用い
ることが、高熱下における耐久性において望ましい。

さらに、このようなダイヤフラム１０及び支持体１２は
、筒状の金属ハウジング１６の内孔１８内に収容されて
いる。かかる金属ハウジング１６は、略有底円筒体形状
をもって形成されており、その底板部２０の内側面に対
して、ダイヤフラム１０における外部空間に露呈される
こととなる、支持体１２が固着されていない側の露呈面
２２が、所定間隔を隔てて対向して位置する状態で、そ
の筒壁部２４内に、ダイヤフラム１０及び支持体１２が
、位置固定に収容、配置されている。

また、かかる金属ハウジング１６の内孔１８内には、ダ
イヤフラム１０と金属ハウジング１６の底板部２０との
対向面間において、該対向面間の空間を、軸方向中間位
置において軸直角方向に仕切るように、円形の平面形態
を呈する板金具２６が配され、その外周縁部が、環状の
スペース金具２日、２８を介して、ダイヤフラム１０と
金属ハウジング１６の底板部２０との間で挟持されるこ
とにより、位置固定に配置せしめられている。

そして、それによって、ダイヤフラム１０の露呈面２２
が、金属ハウジング１６の底板部２０、筒壁部２４およ
び板金具２６によって覆われ、ダイヤフラム１０の露呈
面２２と板金具２６との間に第一の介在空間３０が、ま
た金属ハウジング１６における底板部２０と板金具２６
との間に第二の介在空間３２が、それぞれ、形成されて
いるのであり、このことから明らかなように、本実施例
においては、かかる底板部２０．筒壁部２４及び板金具
２６によって、遮蔽部材が構成されているのである。

また、ここにおいて、かかる遮蔽部材を構成する金属ハ
ウジング１６の底板部２ｏには、その中央部において円
形の大径孔３４が設けられている一方、板金具２６には
、その周縁部近傍において周方向に等間隔を隔てて、円
形の小径孔３６が４つ設けられている。そして、ががる
小径孔３６及び大径孔３４を通じて、ダイヤフラム１ｏ
の露呈面２２が直接晒される第一の介在空間３ｏが、第
二の介在空間３２に、更には外部空間に対して連通され
、それによってかがる露呈面２２が外部空間に対して間
接的に露呈されているのであり、本実施例においては、
これら大径孔３４及び小径孔３６によって連通孔が構成
されているのである。

なお、かかる大径孔３４と小径孔３６とは、第１図から
も明らかなように、底板部２ｏと板金具２６との重合方
向において、互いに重ならない位置関係をもって設けら
れており、また特に、本実施例においては、板金具２６
における小径孔３６が、それぞれ、ダイヤフラム１ｏに
おける支持体１２に固着された外周縁部位、即ち圧力作
用時における変形部位としては、実質的に機能しない部
位に対向して開口するように設けられている。

ところで、このような圧力センサにあっては、例えば、
その底板部２０における大径孔３４が、内燃機関のシリ
ンダ内に開口する状態下に配設され、それによって該シ
リンダ内の圧力の測定に供せしめられることとなる。そ
して、良く知られているように、シリンダ内の圧力が、
ダイヤフラム１０の変形に基づく、前記抵抗体１４にて
構成されたブリフジ回路の出力変化として検出せしめら
れることとなるのである。

ここにおいて、かかる圧力センサにあっては、そのダイ
ヤフラム１０が金属ハウジング１６及び板金具２６にて
覆われて、シリンダ内雰囲気への直接的な露呈が回避さ
れており、該シリンダ内圧力が、大径孔３４及び小径孔
３６を通じて及ぼされるものであり、且つそれらの大径
孔３４及び小径孔３６は、前述の如く、互いに重ならな
い位置において形成されていることから、シリンダ内に
生ずる燃焼工程における火炎や吸気工程におけるガスの
、かかるダイヤフラム１０に対する直接的な接触が効果
的に回避され得るのである。

そして、それ故、ダイヤフラム１０に対する燃焼火炎や
吸入ガスによる急激な加熱乃至は冷却が緩和され、該ダ
イヤフラムｌＯにおける熱応力の発生及びそれに伴う変
形の抑制乃至は解消が有利に図られ得るのであり、以て
測定圧力の精度の向上が極めて効果的に達成されること
となるのである。

また、かかる圧力センサにあっては、熱応力の発生が減
少され得るところから、ダイヤフラムｌＯの耐久性、延
いてはセンサ自体の耐久性を′も、有利に向上され得る
といった効果をも有しているのである。

さらに、特に、本実施例における圧力センサにあっては
、板金具２６における小径孔３６が、ダイヤフラム１０
における実質的な変形部位を構成しない周縁部に対向し
て開口せしめられているところから、上述の如き、ダイ
ヤフラム１０における急加熱及び急冷却の緩和がより有
効に図られ得るといった効果を有しているのである。

因みに、かかる本実施例に従う構造とされた圧力センサ
を用いて、内燃機関のシリンダ内圧力を測定したところ
、実際の圧力と高精度に一致することを確認できた。な
お、かかる測定データを、第３図において、比較例とし
ての、ダイヤフラム（１０）の露呈面（２２）が、シリ
ンダ内に直接露呈された、従来構造の圧力センサによる
測定データと共に、併せ示すこととする。かかる第３図
からも、従来構造の圧力センサにおける、熱応力による
測定誤差の存在が明らかである。

次に、第４図及び第５図には、それぞれ、本発明に従う
構造とされた圧力センサの、別の実施例が示されている
。なお、これらの圧力センサにあっテハ、上記第一の実
施例における圧力センサと同様な構造とされた部材につ
いては、それぞれ、同一の符号を付することにより、そ
の詳細な説明は省略することとする。

先ず、第４図に示されている圧力センサは、前記第一の
実施例に対して、遮蔽部材に形成される連通孔の他の形
態を示すものである。具体的には、本実施例における圧
力センサにあっては、遮蔽部材を構成する金属ハウジン
グ１６の底板部２０に対して、その外周縁部分において
、周方向に複数の小径孔３８が形成されている一方、該
金属ハウジング１６と共に遮蔽部材を構成する板金具２
６に対して、上記底板部２０の小径孔３０と軸方向に重
ならない相対的な位置関係をもって、その中央部分にお
いて、大径孔４０が一つ形成されている。そして、ダイ
ヤフラム１０が直接露呈される第一の介在空間３０が、
かかる大径孔４０及び小径孔３８を通じて、第二の介在
空間３２、更には外部空間に対して連通せしめられてい
るのである。

従って、このような構造とされた圧力センサにあっても
、ダイヤフラム１０の露呈面２２における実質的な変形
部位が、大径孔４０及び小径孔３８を介して、外部空間
に対して間接的に露呈されていることから、内燃機関の
シリンダ内圧力を測定するに際して、該シリンダ内に生
ずる燃焼火炎や吸入ガスによる急激な加熱乃至は冷却が
緩和され得るのであり、それによって前記実施例と同様
の効果が何れも有効に発揮され得るのである。

また、第５図に示されている圧力センサにあっては、前
記第一の実施例に対して、ダイヤフラムの変形を電気特
性の変化として検出する歪検出手段の、他の形態を示す
ものである。具体的には、本実施例においては、ダイヤ
フラム１０に対して、その支持体１２に固着される側の
面上に、更に円環板状のセラミックス製スペーサ４２を
介して円形板状のセラミックス製基台４４が、積層状態
をもって一体的に固着されており、かかるダイヤフラム
１０が、それらスペーサ４２及び基台４４を介して、支
持体１２に固着されて支持されている。

そして、それによって、ダイヤフラム１０と基台４４と
が、スペーサ４２によって、所定距離を隔てて対向配置
されており、且つそれらダイヤフラム１０と基台４４と
の対向面間には、外部空間に連通された乃至は密閉の空
間４６が形成されているのである。

なお、これらスペーサ４２及び基台４４は、何れも、適
当な公知のセラミックス材料、例えばアルミナ、ジルコ
ニア、ムライト、窒化ケイ素等を用いて、公知の成形手
法に従って、ダイヤフラム１０と別体にて或いは一体的
に成形され、焼成されることにより形成されることとな
るが、特に、ダイヤフラム、スペーサ及び基台を与える
グリーンシートを積層後、一体焼成して得られるものが
、製造性及び耐久性の観点から好適に用いられることと
なる。

また、かかるダイヤフラム１０及び基台４４には、それ
ぞれの互いに対向する面上において、第一の電極４８と
第二の電極５０とが、一体的に形成されている。なお、
これらの第一及び第二の電極４８．５０は、それぞれ、
白金、金、銀、パラジウム等の導体を、ダイヤフラム１
０及び基台４４を形成する、接合前の焼成済セラミック
ス板、或いは積層前のグリーンシートに対して印刷する
ことにより形成されることとなる。

すなわち、これらの第一及び第二の電極４８．５０は、
互いに所定距離を隔てて、絶縁状態下に位置固定に対向
配置されているのであり、そして圧力作用時におけるダ
イヤフラム１０の変形に基づいて、それらの対向面間距
離が変化することとなるところから、かかるダイヤフラ
ム１０の変形量に応じて、第一及び第二の電極４８．５
０間における静電容量が減少乃至は増加せしめられるも
のであって、以て良く知られているように、かかる静電
容量を検出することによって、該ダイヤフラムｌＯの撓
みが、測定され得ることとなるのである。

従って、このような構造とされた歪検出手段を備えた圧
力センサにあっても、前記第一の実施例と同様に用いら
れ得るのであり、ダイヤフラム１０の露呈面を覆う遮蔽
部材を備えていることから、前述の如き効果を何れも有
効に奏せしめ得、内燃機関のシリンダ内圧力測定等に、
有利に適用され得ることとなるのである。

以上、本発明に従う構造とされた幾つかの実施例につい
て詳述してきたが、これらは文字通りの例示であって、
本発明はそれらの具体例に限定して解釈されるものでは
ない。

例えば、遮蔽部材の具体的形態は、前記実施例ものに限
定されるものでは決してない。特に、前記実施例におい
ては、何れも２枚の板状体（底板部２０及び板金具２６
）を含んで構成されていたが、単一の板状体にて、或い
は３枚以上の板状体にて構成することも可能である。な
お、かかる遮蔽部材を単一の板状体にて構成するに際し
ては、第６図に示すように、ダイヤフラム１０の露呈面
２２における実質的な変形部位（中央部分）に対向しな
い位置に連通孔３６が設けられ、それによってかかる実
質的な変形部位の外部空間に対する直接的な露呈が有効
に回避され得ることとなる。

また、遮蔽部材における連通孔は、底板部２０及び板金
具２６の他、筒壁部２４に設けることも、勿論可能であ
る。

さらに、本発明は、セラミックス製ダイヤフラム１０の
露呈面２２を覆う遮蔽部材を設けるという思想に、最も
大きな技術的特徴を有しているのものであり、それ故、
ダイヤフラム１０や歪検出手段などの具体的形状や構造
は、前述の如き記載によって何等限定されるものではな
く、種々なる形態を採り得るものであり、また遮蔽部材
の形成材料にあっても、前記実施例のものの他、適当な
材料が適宜用いられ得るものであることが、理解される
べきである。

加えて、前記実施例においては、本発明を、内燃機関の
シリンダ内圧力を測定する圧力センサに適用したものの
一例を示したが、本発明の適用範囲は、かかる具体例に
限定されるものではなく、特に著しい温度変化が生じる
流体の圧力測定等に際して好適に用いられるものである
。

その他、−々列挙はしないが、本発明は当業者の知識に
基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様にお
いて実施され得るものであり、またそのような実施態様
が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも本発明の範
囲内に含まれるものであること、言うまでもないところ
である。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に係る圧力セン
サにあっては、被測定流体の存在する外部空間に対する
ダイヤフラムの直接的な露呈が、遮蔽部材によって回避
され得ることから、かかる外部空間に存在する流体等の
急激な温度変化に起因する、該ダイヤフラムの熱応力に
よる変形が効果的に抑制乃至は防止され得るのであり、
以てそのような温度変化による影響を回避しつつ、外部
空間の圧力の測定が優れた精度をもって為され得ること
となるのである。

そして、それ故、例えば、内燃機関のシリンダ内の圧力
測定に際して、かかる圧力センサを用いることによって
、該シリンダ内に生ずる燃焼火炎や吸入ガスによる急激
な加熱乃至は冷却に起因する測定誤差が有利に除去され
得、シリンダ内の正確な圧力測定が可能となるのである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う圧力センサの一実施例を示す縦断
面図であり、第２図はかかる圧力センサの正面図である
。また、第３図は、かかる構造の圧力センサを用いて、
内燃機関のシリンダ内圧力を測定した測定データを、比
較例と共に示すグラフである。更に、第４図、第５図及
び第６図は、それぞれ、本発明に従う圧力センサの、別
の実施例を示す、第１図に対応する縦断面図である。１０：ダイヤフラム　　１２：支持体１４：抵抗体　　　　　１６二金属ハウジング２０：底
板部　　　　　２２：露呈面２４：筒壁部　　　　　２６：板金具３０；第一の介在空間　３２；第二の介在空間３４．４
０：大径穴　　３６．３８：小径穴４２ニスペーサ　　
　　４４：基台４６：空間　　　　　　４８：第一の電極５０：第二の
電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一方の面が外部空間に露呈される状態で周縁部に
おいて位置固定に支持された、該外部空間からの作用圧
力に応じて変形し得るセラミックス製ダイヤフラムを備
え、該ダイヤフラムの変形を所定の歪検出手段にて電気
特性の変化として検出する圧力センサにおいて、前記ダ
イヤフラムの外部空間に対する露呈面上に、所定空間を
介して該露呈面を覆う遮蔽部材を配する一方、かかる遮
蔽部材に、前記ダイヤフラムにおける実質的な変形部位
の外部空間に対する直接的な露呈を回避し得る位置にお
いて、該所定空間を前記外部空間に連通せしめる連通孔
を設けたことを特徴とする圧力センサ。
（２）前記遮蔽部材が、前記ダイヤフラムの露呈面上に
所定間隔を隔てて重なる状態で配された複数枚の板状体
を含んで構成され、且つ各々の板状体に対して、その重
合方向に重ならない位置関係をもって設けられた開孔に
よって、前記連通孔が構成されている特許請求の範囲第
１項記載の圧力センサ。
（３）前記歪検出手段が、前記ダイヤフラムの表面に一
体的に設けられた抵抗体にて構成され、かかるダイヤフ
ラムに対する作用圧力が、該抵抗体におけるダイヤフラ
ムの変形に伴う抵抗値変化として検出される特許請求の
範囲第１項又は第２項に記載の圧力センサ。
（４）前記歪検出手段が、前記ダイヤフラムの表面に一
体的に設けられた第一の電極と、該第一の電極に対して
所定間隔を隔てて、絶縁状態下に位置固定に対向配置さ
れた第二の電極とによって構成され、かかるダイヤフラ
ムに対する作用圧力が、それら第一及び第二の電極間に
おけるダイヤフラムの変形に伴う静電容量変化として検
出される特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の圧力
センサ。