JPH01296130A - 圧力センサ - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） この発明は、内燃機関の燃焼室圧力や自動車のブレーキ
油圧を測定する圧力センサに関する。

（従来の技術） 従来、内燃機関の燃焼室圧力センサとして実公昭４０−
１６４８４号公報に示されるものが知られている。これ
は第８．９図に示されるように、燃焼室の圧力により波
形ダイヤフラム７９が撓み、その撓みが薄肉シリンダ７
５に伝えられるように構成されている。薄肉シリンダ７
５は内側に軸方向の歪みゲージ７１が、外側表面に回転
方向の歪みゲージ７２が薄片絶縁体７３を介して接着さ
れており、これら歪みゲージ７１．７２をホイートスト
ンブリッジに結線してお（ことにより、燃焼室の圧力変
化を電気的出力として取り出すことができる。

また特開昭６０−１５３６号公報には、気筒の燃焼室を
包囲するシリンダヘッドに圧電素子を配置した圧力セン
サが取付けられる構造のものが示されている。この圧力
センサは、先端に設けた受圧仮に圧力が加わると、その
圧力が圧電素子の正電極極板と負電極極板に伝えられ、
燃焼圧力に応した電圧が発生するものである。

さらに別な圧力センサとして、実開昭６０−７０７３３
号公報記載のものが知られている。これは第１０図に示
されるように、水冷エンジンの燃焼室７４とシリンダヘ
ッド７７に形成されたウォータジャケット７６を隔てる
燃焼室壁７８に圧力センサ８０を設置し、圧力センサ８
０の主要部をウォータジャケット７６内に突出させるこ
とにより検出部の昇温を防ぐものである。

また、特開昭６１−３９０７８号公報には、圧力センサ
の枠体と、圧力の検出部であるダイヤフラムを別々に作
成した後、ろう付けにより一体化したものが示されてい
る。

同様に１．特開昭６２−１５０１３１号公報には、圧力
センサの枠体と、圧力の検出部であるダイヤフラムを別
々に作成した後、圧入等の手段により一体化したものが
示されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながらこれら圧電素子を用いた圧力センサにあっ
ては、圧電素子特有のパイロ電気効果のため温度変化に
よる分極が誘起され、圧力信号のＳ／Ｎ比が極端に悪化
する問題がある。

また、歪抵抗素子を用いた圧力センサにあっては、圧力
を取り出す手段としてのダイヤフラムが別体構造である
ため、ダイヤフラム取付は時のろう付けにより加熱され
てダイヤフラム上に形成された歪抵抗素子の特性が変化
し、またろう付は部分の機械的強度にも限界があり耐久
性に乏しい等の問題がある。さらに、このダイヤフラム
の取付けを圧入により一体化した場合は、圧入に伴う初
期歪みが歪抵抗素子に加えられブリフジ回路のバランス
がくずれるという問題がある。

（発明の目的） この発明はこのような従来の問題点を解消するためにな
されたもので、その目的とするとごろは出力信号が安定
し、信頼性、耐久性に優れた圧力センサを堤供すること
にある。

（問題点を解決するための手段） この発明は上記目的を達成するために、一方を圧力導入
口とした金属製筒部の圧力導入口側の端部または全長に
わたり取付用ネジ部を形成し、上記筒部の他端に筒部と
一体でかつ被検出圧によりｊ＝み可能な肉厚のダイヤフ
ラムを形成し、このダイヤフラムの外表面にダイヤフラ
ムの膨張と一体的に変位する少なくとも１対以上の歪抵
抗素子を形成し、この歪抵抗素子の上方に配置され歪抵
抗素子の抵抗値変化に基づいて圧力信号を発生する回路
部を内部に収納したキャップ状のセンサ枠体を筒部の頂
部に固着したことを特徴とする。

（作　用） この発明は、金属製筒部に形成された取付用ネジ部によ
り被検出体が固定されることにより、取付時に取付用ネ
ジ部に発生する歪みがダイヤフラムには伝達されず、圧
力導入口からダイヤフラムの内面に伝えられる被検出圧
の大きさに応じてダイヤフラムが膨張し、ダイヤフラム
表面上に形成された歪抵抗素子の抵抗値の組み合わせが
変化することにより、圧力変化が電気信号として検出さ
れる。

（実施例） 第１図はこの発明にかかる圧力センサの第１実施例を示
した断面図である。

図において、金属からなる筒部Ｉの下部外周に圧力容器
２に接続するためのオネジ部３が形成され、内側軸方向
に圧力導入口４が形成されている。

筒部ｌの縦方向略中間の厚肉部５は図示されてないが断
面が六角または六角等に形成され、圧力容器２に螺着時
にスパナが掛けられる。圧力センサが圧力容器２に螺着
される際は、ガスゲット６を挟着して密閉されるが、管
用テーバネジによりシールする場合はこのガスケット６
が不要になる。

筒部ｌの一ヒ端は筒部１と一体構造の隔壁によりダイヤ
フラム７が形成され、このダイヤフラム７の肉厚は圧力
導入口４を介して圧力容器２から伝えられる圧力により
変形可能な程度の厚みにされている。

ダイヤフラム７の外側表面には、薄膜状の歪抵抗素子８
が形成されている。

筒部ｌのダイヤフラム７側端部の外周にオネジ部９が形
成され、このオネジ部９に筒部１よりも剛性の極めて小
さい材質、例えば熱可塑性樹脂等で形成されたキャップ
状のセンサ枠体１１が螺着されている、このセンサ枠体
ｌｌの内部には、歪抵抗素子８とリード線１２で接続さ
れたセンサ回路部１３が配置され、歪抵抗素子８の抵抗
値変化を電気的に処理し外乱ノイズに対して安定な圧力
信号に変換してから、センサ枠体１１の外部へコード１
４を介して送出される。

なお、センサ枠体１１の材質を筒部と同一とする場合に
は、オネジ部９が形成される筒部ｌの肉厚を、螺合する
センサ枠体１１に形成されたネジ部肉厚の１．５倍以−
ヒにするとネジ込み時に発生する応力がダイヤフラム７
に伝達されることがない。

またセンサ枠体１１と筒部ｌの固定は螺着でなく、ｔａ
−なる圧入や、接着により固定することもできる。

第２図は、第１図の歪抵抗素子８部を拡大した断面図で
ある。

図において金属からなるダイヤフラム７の北面に、絶縁
層１５を介して歪抵抗素子８ａ、８ｂ。

３ｃ、３ｄが形成され、さらにその上に保３Ｉ層１６が
被＋１されている。

客色縁層１５は、スパッタリングにより５ｉＯ２（二酸
化珪素）等を約５μｍの厚みに形成されたものである。

歪１ｉＥ抗素子３　ａ　−ｄは、スパッタリングにより
Ｎｒ−Ｃｒ　　にッケル・クロム）、Ｎｉ−Ｃｕにッケ
ル・銅）等の合金微粒子を絶縁層１５の上に２〜３μｍ
の厚みに形成され、さらにエツチングにより余分な部分
を取り除き第３図に示すパターンに仕上げられたもので
ある。

保護層１６は、同様にスパッタリングによりＳｉＯ□（
二酸化珪素）等の絶縁材が被覆されたものである。

第４図は、歪抵抗素子３　ａ　％　ｄの結線を示す図で
あり、２対の歪抵抗素子によりホイートストンブリフジ
が構成され、端子１７に電圧が加えられることにより、
ダイヤフラム７で受けている圧力の大きさに応じて歪抵
抗素子８ａ−ｄの抵抗値が変化し、ブリッジバランスが
変化してその電位差が端子１８．１９間に出力として得
られる。

第５図は、以上のように構成された圧力センサが、内燃
機関の燃焼室に取付けられた状態を示す断面図である。

図において、圧力センサＳはシリンダヘッド２１に形成
された燃焼室２２とその外側のオイル室２３を区画する
壁面２４に、ガスケット６を介して螺着されている。圧
力センサＳの本体はオイル室２３内に配置されることに
より常時冷却される。

センサ枠体１１から引出されたコード１４はオイル室２
３の外壁２５に設置されたセンサコネクタ２６に接続さ
れている。圧力センサＳの取付および点検は、外壁２５
に貼着されたシリンダカバ２７によりオイル室２３を開
口してなされる。なお図中、２９はプラグ、３０はガス
ケット、３１はピストン、３２はシリンダブロック３３
に形成されたウォータジャケットである。

このように取付られた圧力センサＳには、内燃機関の燃
焼サイクルごとに発生する燃焼圧が圧力導入口４を介し
て加わり、圧力の強弱に応じて、ダイヤフラム７が外方
向に膨張し、その外側表面に設置された歪抵抗素子８が
伸縮して燃焼圧が測定される。

図示例では、圧力センサＳの取付けられた内燃機関が自
＠市川ガソリンエンジンであり、運転状態における圧力
センサ各部の温度を測定してみると、ダイヤフラム７で
は、直接火炎にさらされることがないものの、ダイヤフ
ラム７の燃焼室側の表面温度は最高３５０”Ｃ、ダイヤ
フラム７のオイル室２３側表面温度はオイルに冷却され
最高２ｏｏ”ｃであった。

またこの圧力センサＳがウォータジャケット３２内に設
置されて冷却水により冷却される場合は、ダイヤフラム
７の外側表面温度は最高１２０’Ｃで、オイル室２３の
場合より低温であった。

この実施例の取付けでは、圧力センサＳがオイル室２３
、またはウォータジャケット内３２に設置されたことに
より、常時冷却され、燃焼中に歪ｔｌ（抗素子８が形成
されているダイヤフラム７外表面の温度上昇が抑制され
ることが実験的に明らかになった。

また、歪ｔｌξ抗素子８がスパッタリングにより形成さ
れたことにより、ダイヤフラム７と、歪抵抗素子８との
結合力が増し、同時に歪抵抗素子８を構成する合金の微
粒子の結合力も強固なものとなる。実施例では、圧力セ
ンサＳに、温度２５０′Ｃ１振動加速度３０Ｇの条件で
繰り返し撓み回数１０′を加えた場合でも、抵抗値の変
化はほとんど認められず、出力の経時変化は極めて微小
であることが確認できた。

さらにスパッタリング時の設定を一定にすることで、均
一な特性を有する歪抵抗素子８が量産可能となり、圧力
センサ単体におけるブリッジバランスが正常に保たれ、
製品間においても性能のバラツキが解消される。

このように実施例の圧力センサによれば、内燃機関の燃
焼室のような高温でしかも振動を受ける劣悪な環境下で
、長期間安定して圧力を計測することが可能になる。

また従来、圧電素子を用いた圧力センサで問題になって
いた圧電素子特有のパイロ電気効果のため温度変化によ
る分極が誘起されて、圧力信号のＳ／Ｎ比が極端に悪化
する問題や、圧力センサ自体が燃焼室の高温環境下に曝
され、しかも燃焼サイクルに同期した熱衝撃が加えられ
ることにより圧電素子の自発分極の特性に経時変化が生
したり、あるいは亀裂が生じる等の問題も解決される。

第６図、第７図は第２の実施例の圧力センサの構造、お
よび圧力センサが内燃機関の燃焼室に取付けられた状態
を示す断面図である。

第６図において、圧力センサＴはシリンダへラド４１の
燃焼室４２の外側に形成されたウォータジャケット４３
の下部４４に設置されている。燃焼室４２の頂部にはプ
ラグ２９が装着され、その下方には上下動するピストン
３１が配置され、ピストン３１の外周にはウォータジャ
ケット４５を構成するシリンダブロック４６が形成され
ている。

シリンダへラド４１とシリンダブロック４６はガスゲッ
ト３０を介して固定されている。

第７図において、圧力センサＴの主要部は、第１の実施
例の圧力センサＳとほぼ同一構造であり、圧力容器に相
当するウォータジャケット４３の下部４４との取付部が
二重に形成されている。筒部５１の外周部はほぼ全長に
わたリオ不ジが形成され、このオネジ部５２にブッシン
グ形状をしだ外筒５３が螺着されている。外筒５３の右
端の頭部５５は図示されないが断面が六角または大角形
に形成され、内側にセンサ枠体６１の根元部が嵌合され
ている。外筒５３の左端部は、筒部５１の圧力導入口５
４と同径に形成されている。センサ枠体６１の下側外面
には、検出した圧力信号を取り出すためのコネクタ６６
が設けられている。その他、ダイヤフラム５７、歪抵抗
素子５８、センサ回路部６３等は第１の実施例とほぼ同
一に形成されている。

圧力センサ′Ｉ゛はウォータジャケット４３に形成され
た燃焼室４２と外部を貫通する取付孔４８に、外側から
螺着されている。取付孔４８には圧力センサＴの取付長
にほぼ等しいメネジが形成され、さらにメネジの中間部
に圧力センサＴが取付られた状態で外筒５３の外周を囲
む空間４９が形成され、この空間４９のウォータジャケ
ット４３側の２箇所にウォータジャケット４３に連通す
る連通孔６２．（ｉ４が穿設されている。内燃機関の運
転中はウォータジャケット４３から連通孔６２，６４を
経て冷却水が供給されることにより、外筒５３を介して
筒部５１が冷却され、ダイヤフラム５７の昇温が抑制さ
れる。

図示例では、第２実施例の圧力センサＴが自動車用ガソ
リンエンジンに取付けられているものである。運転状態
での圧カセンサＴ各部の温度を測定してみると、圧力セ
ンサＴの外周に冷却機能を備えたことにより、外筒５３
の冷却水との接触部での最高温度が沸点の１００°Ｃで
あり、外筒５３の肉厚中間部で最高１３０”Ｃ１内側の
圧力導入口５４表面は最高１８０°Ｃ、ダイヤフラム５
７の燃焼室側の表面温度は最高１５０”Ｃであった。そ
の結果ダイヤフラム５７の外側の歪抵抗素子５８の表面
温度は最高１２０°Ｃであった。比較のためこの図示例
と同じ位置に、冷却機能を有さない状態で同様な圧力セ
ンサを設置してみると、ダイヤフラム５７の燃焼室側表
面温度は最高３００＠Ｃであった。

このように冷却機能を有さない圧力センサに比較して実
施例は大幅に温度を低下させることができる。

またこの第２実施例では、圧力センサＴを内燃機関に設
置するのに、シリンダヘッド４１の外側からネジ込みに
より装着できる構造であるため、第５図に示す第１実施
例の取付例に比べると、点検等の保守作業かを容易とな
り、着脱の際の封止も容易で確実になる。しかも信号取
出し線の接続についても、第１実施例の場合に比べ、圧
力センサの頭部が外部に設置されたため封止に煩わされ
ることなく簡単に結線作業ができ、内燃機関燃焼室の圧
力測定に用いた場合に、取付けおよび保守の作業性、耐
久性、信幀性に優れた圧力センサが得ることができる。

なお上記実施例はいずれも筒部の外側にオネジを形成し
たが筒部の内側にメネジを形成して圧力容器に取付ける
ことも可能である。

（発明の効果） この発明は、上記のように圧力センサを構成すしたこと
により次のような効果がある。

＋１．１ダイヤフラノ、を一体構造としたことにより、
圧力センサを圧力容器に取付ける際の封止が改善され、
同時に機械的強度が増すことにより耐久性が向上する。

（２）圧力を検出する歪抵抗素子に初期歪みが発生しな
いこと、および取付は時にダイヤフラムに歪みが発生し
ないことにより検出精度が向上する。

（３）歪抵抗素子の抵抗値変化を回路部で外乱ノイズに
対して安定な圧力信号に変換することにより検出値の信
顛性が向上する。

（４）圧力センサ間の精度のバラツキが少な（ムリ圧カ
センサの品質が安定する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる圧力センサの第１実施例を示
した断面図、第２図は第１図の要部を拡大した断面図、
第３図は歪抵抗素子のパターン図、第４図は歪抵抗素子
の結線図、第５図は第１実施例を内燃機関の燃焼室に取
付けた状態を示す断面図、第６図は第２の実施例を内燃
機関の燃焼室に取付けた状態を示す断面図、第７図は第
６図の要部拡大図、第８〜１０図は従来例を示す図であ
る。 ■・・・・筒部 ３・・・・オネジ部 ４・・・・圧力導入口 ア・・・・ダイヤフラム ８・・・・歪抵抗素子 ９・・・・オネジ部 １１・・・・センサ枠体 １３・・・・センサ回路部 １５・・・・絶縁層 １６・・・・保護層 ５１・・・・筒部 ５２・・・・オネジ部 ５３・・・・外筒 ５４・・・・圧力４入口 ５７・・・・ダイヤフラム ５８・・・・歪抵抗素子 ６１・・・・センサ枠体 ６３・・・・センサ回路部 第１図 第２図 第３図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一方を圧力導入口とした金属製筒部の圧力導入口側
   の端部または全長にわたり取付用ネジ部を形成し、上記
   筒部の他端に筒部と一体でかつ被検出圧により撓み可能
   な肉厚のダイヤフラムを形成し、このダイヤフラムの外
   表面にダイヤフラムの膨張と一体的に変位する少なくと
   も１対以上の歪抵抗素子を形成し、この歪抵抗素子の上
   方に配置され歪抵抗素子の抵抗値変化に基づいて圧力信
   号を発生する回路部を内部に収納したキャップ状のセン
   サ枠体を筒部の頂部に固着したことを特徴とする圧力セ
   ンサ。