JPH04249730A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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、ケーシング本体と、該ケーシン
グ本体の先端側に設けられ、外部の圧力に応じて軸方向
に変位する平板状のダイヤフラムと、前記ケーシング本
体内に設けられ、先端側が該平板状のダイヤフラムに当
接し、このダイヤフラムの変位に応じて軸方向に変位す
る受圧ロッドと、該受圧ロッドの基端側に設けられ、該
受圧ロッドを介して伝達された前記平板状ダイヤフラム
の軸方向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ー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５および図６に基づいて説明する。

【０００４】図において、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、該圧電体は図５に
示す如く、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に対して平行な応力軸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に加える
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
ジンへの燃料供給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】

【発明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に供給することにより、燃焼室内の高温が圧電
体１に直接的に伝わって該圧電体１が破損したりするの
を防止するようになっているものの、該圧電体１は図５
に示す如く、分極軸Ｐと信号軸Ｖとが同方向に形成され
ているから、温度変化によりパイロ電気を生じ易く、ケ
ーシング本体、受圧ロッド等を介して燃焼室内の高温が
伝達され、圧電体１の温度が上昇すると、図６中に実線
で示す特性線２の如く、圧電体１の温度上昇によってパ
イロ電気が検出信号（電圧信号）に加重され、正確に燃
焼圧を出力することができないという問題がある。

【０００７】このため上述した従来技術によるものでは
、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できないという問題がある
。

【０００８】本発明は上述した従来技術による問題に鑑
みなされたもので、本発明は圧電体の温度が変化した場
合でも、温度依存性の低い安定した検出信号を出力する
ことができるようにした圧力センサを提供するものであ
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
ために本発明が採用する構成は、ケーシングと、該ケー
シングの一端側に設けられ、該ケーシングの一端側に外
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、先端側が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、該ダイヤフラムの変位に応じ
て軸方向に変位する受圧ロッドと、前記ケーシング内に
位置して該受圧ロッドの基端側に設けられ、径方向の信
号軸と軸方向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型
素子から筒状に形成され、該受圧ロッドを介して伝達さ
れた前記ダイヤフラムの軸方向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。

【００１０】

【作用】上記構成により、外部からの圧力によってダイ
ヤフラムが軸方向に変位すると、受圧ロッドは該ダイヤ
フラムの変位に応じて軸方向に変位し、圧電体は該受圧
ロッドから応力軸に沿って軸方向の変位を受承し、信号
軸に沿ってダイヤフラムに作用した圧力に応じた電圧信
号を出力することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図４に基
づき、圧力センサを燃焼圧センサとして用いた場合を例
に挙げて説明する。

【００１２】図において、１１はケーシング、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は基端側に位置して大径な筒状に形成された
大径筒部１２Ａと、該大径筒部１２Ａの下端側に設けら
れ、下向きに縮径するテーパ状に形成された肩部１２Ｂ
と、ダイヤフラム１３とから有底の段付筒状に構成され
、該ケーシング本体１２は該肩部１２Ｂがエンジン本体
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）に当接するようにして、該段付穴内に挿入さ
れている。また、該ケーシング本体１２は肩部１２Ｂを
除いた外周面と段付穴の周面との間に、約１００〜２０
０μｍ程度の隙間を介在させ、エンジン本体の振動がケ
ーシング本体１２を介して後述の圧電体２０に伝達され
るのを極力防止するようになっている。

【００１３】１３はケーシング本体１２の先端側に位置
して、該ケーシング本体１２の肩部１２Ｂから下向きに
突出するように一体に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から小径な有底筒状
に構成されている。そして、該ダイヤフラム１３は燃焼
室内の圧力（燃焼圧）を受圧部１３Ｂで受圧すると、こ
の圧力に応じて小径部１３Ａが軸方向に撓んで、後述の
受圧ロッド１６を軸方向に変位させるようになっている
。

【００１４】１４はケーシング本体１２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、該上カ
バー１４は取付ステー１５に遊嵌された縮径部１４Ａを
介して、エンジン本体に取付けられている。

【００１５】１６はダイヤフラム１３内に軸方向に変位
可能に設けられた受圧ロッドを示し、該受圧ロッド１６
は下端側の球面部１６Ａがダイヤフラム１３の受圧部１
３Ｂに当接し、上端側の円錐部１６Ｂが絶縁性材料から
円板状に形成された下側プレート１７を介して圧電体２
０に当接している。そして、該受圧ロッド１６は燃焼圧
によってダイヤフラム１３が軸方向に撓むと、軸方向に
変位して圧電体２０を下側から押圧すると共に、燃焼室
内の高温が圧電体２０に伝わるのを防止するようになっ
ている。

【００１６】１８は下側プレート１７上に設けられた導
電性材料からなるコイル状のコンタクトスプリングを示
し、該コンタクトスプリング１８の外周面側は後述する
圧電体２０の内側電極２０Ａに当接し、該コンタクトス
プリング１８の上端側はリード線１９に接続されている
。そして、該コンタクトスプリング１８は圧電体２０か
らの電圧信号をリード線１９を介してコントロールユニ
ット（図示せず）に伝達するようになっている。

【００１７】２０は受圧ロッド１６の円錐部１６Ｂ上に
下側プレート１７を介して設けられ、チタン酸鉛等の圧
電性材料から筒状に形成された圧電体を示し、該圧電体
２０は図２に示す如く、製造時に所定の高電界が軸方向
に加えられることにより、自発分極の向きが揃えられて
分極軸Ｐおよび応力軸Ｆが軸方向に形成され、内，外周
側に内側電極２０Ａ、外側電極２０Ｂが蒸着等の手段に
より形成されて、信号軸Ｖが径方向となった所謂ｄ１５
型素子として構成されている。また、該圧電体２０の内
側電極２０Ａはコンタクトスプリング１８に接触し、外
側電極２０Ｂは圧電体２０の外周側に嵌装された導電性
材料からなるアース用筒部２１を介してケーシング本体
１２にアースされている。そして、該圧電体２０はダイ
ヤフラム１３が燃焼室内の燃焼圧を受圧して軸方向に撓
み、受圧ロッド１６が円錐部１６Ｂを介して下側から押
圧し、応力軸Ｆに沿ってこの応力（受圧ロッド１６の軸
方向の変位）が作用すると、これにより圧縮歪みが生じ
て分極軸Ｐの方向に分極し、この圧縮歪みに応じた電荷
を燃焼圧に対応した検出信号（電圧信号）として発生し
、この燃焼圧検出信号を信号軸Ｖに沿った各電極２０Ａ
，２０Ｂからコンタクトスプリング１８、リード線１９
等を介して外部のコントロールユニットに出力するよう
になっている。

【００１８】２２はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に螺着された止めねじを示し、該止めねじ２２は絶
縁性材料から環状に形成された上側プレート２３を介し
て圧電体２０を固定するようになっている。

【００１９】２４は上カバー１４の縮径部１４Ａ上端側
にカシメ等の手段により嵌合固着されたシール部材で、
該シール部材２４はリード線１９の抜け止めを行うと共
に、外部の雨水等が上カバー１４内へ浸入するのを防止
するようになっている。

【００２０】２５，２５は取付ステー１５の自由端側と
上カバー１４の縮径部１４Ａの上端側との間に配設され
た皿ばねを示し、該各皿ばね２５はケーシング本体１２
の肩部１２Ｂをシリンダヘッドに形成した段付穴の段部
に常時押付けることで段付穴を閉塞させ、燃焼室内の燃
焼圧が段付穴を介してエンジン本体の外部に漏れるのを
防止すると共に、取付ステー１５を介して伝達されたエ
ンジン本体の振動をばね力により緩衝し、この振動が圧
電体２０に伝わるのを防止するようになっている。

【００２１】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。

【００２２】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が軸方向に撓んで、受圧ロッド１６が軸方向に変位
し、この軸方向の変位による応力が受圧ロッド１６の円
錐部１６Ｂから圧電体２０の応力軸Ｆに沿って加えられ
ると、この軸方向の応力によって、圧電体２０内には分
極軸Ｐの方向に電荷が生じ、この電荷を分極軸Ｐと直交
した径方向の信号軸Ｖに沿った各電極２０Ａ，２０Ｂか
ら燃焼圧信号に応じた検出信号（電圧信号）として、コ
ンタクトスプリング１８、リード線１９等を介して外部
のコントロールユニットに出力する。

【００２３】かくして、本実施例によれば、受圧ロッド
１６の上端側に、径方向の信号軸Ｖと軸方向の分極軸Ｐ
および応力軸Ｆとを有するｄ１５型素子から筒状に形成
された圧電体２０を設け、該圧電体２０の内側電極２０
Ａをコンタクトスプリング１８を介してリード線１９に
接続し、外側電極２０Ｂをアース用筒部２１を介してケ
ーシング本体１２にアースする構成としたから、圧電体
２０はダイヤフラム１３の軸方向の変位を受圧ロッド１
６を介して応力軸Ｆに沿って受承でき、分極軸Ｐの方向
に電荷を発生させて、該分極軸Ｐと直交した径方向の信
号軸Ｖに沿った各電極２０Ａ，２０Ｂからコンタクトス
プリング１８等を介して燃焼圧に応じた電圧信号をコン
トロールユニットに出力することができる。

【００２４】従って、本実施例によれば、圧電体２０が
燃焼室内の温度に応じて温度変化した場合でも、分極軸
Ｐの方向に生じるパイロ電気が信号軸Ｖに加重されるの
を効果的に防止でき、図３に実線で示す特性線２６の如
く、圧電体２０の温度変化に対して安定した検出信号を
長期に亘って出力することができ、燃焼室内の燃焼圧を
正確に検出できる。また、本実施例による燃焼圧センサ
は、上述の如く比較的簡単な構造である上に、従来技術
で述べた如く温度センサや補正用の電子回路等を不要に
できるから、コントロールユニットの電子回路等を簡略
化してコストを低減でき、燃焼圧センサ全体を小型化で
き、取付自由度を大幅に向上することができる。

【００２５】なお、前記実施例では、ダイヤフラム１３
は薄肉円筒状の小径部１３Ａと、該小径部１３Ａの先端
部に形成された厚肉円板状の受圧部１３Ｂから小径な有
底筒状に形成し、受圧部１３Ｂで受圧すると、この圧力
に応じて小径部１３Ａが軸方向に撓むものとして述べた
が、本発明はこれに限らず、例えば図４に示す変形例の
如く、ダイヤフラム１３´の小径部１３Ａ´先端側に薄
肉円板状の受圧部１３Ｂ´を形成し、外部の圧力により
該受圧部１３Ｂ´が軸方向に変位するようにしてもよく
、この場合には、受圧部１３Ｂ´による変位を大きくと
ることができ、圧電体２０に加える応力を大きくするこ
とができる。

【００２６】また、前記実施例では、圧電体２０の内側
電極２０Ａはコイル状のコンタクトスプリング１８を介
してリード線１９に接続するものとして述べたが、これ
に替えて、Ｃクリップ状のコンタクトスプリングを用い
てもよい。一方、圧電体２０の外側電極２０Ｂはアース
用筒２１を介してケーシング本体１２にアースするもの
として述べたが、該アース用筒２１を廃止し、直接ケー
シング本体１２にボディアースしてもよく、また、Ｃク
リップ状のコンタクトスプリングを介してアースするよ
うにしてもよい。

【００２７】さらに、前記実施例では、圧力センサとし
て燃焼圧センサに用いた場合を例に挙げて説明したが、
本発明はこれに限らず、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。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、径
方向の信号軸と軸方向の分極軸および応力軸とを有する
ｄ１５型素子から筒状に形成された圧電体を受圧ロッド
の基端側に設ける構成としたから、外部からの圧力によ
ってダイヤフラムが軸方向に変位すると、圧電体はこの
変位を受圧ロッドを介して応力軸の方向に受承でき、径
方向の信号軸からダイヤフラムに作用した圧力に応じた
電圧信号を出力することができ、圧電体の温度変化によ
って生じるパイロ電気が信号軸に加重するのを効果的に
防止して、外部の圧力を長期に亘って正確に検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明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中の圧電体の一部を拡大して示す縦断面図
である。

【図３】本発明の実施例による圧電体の検出信号と温度
変化との関係を示す特性線図である。

【図４】本発明の変形例によるダイヤフラムを拡大して
示す縦断面図である。

【図５】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６】図５に示す圧電体の検出信号と温度変化との関
係を示す特性線図である。

【符号の説明】

１１　　　　　　　　　　ケーシング １３，１３´　　ダイヤフラム １６　　　　　　　　　　受圧ロッド ２０　　　　　　　　　　圧電体 Ｖ　　　　　　　　　　　　信号軸 Ｐ　　　　　　　　　　　　分極軸 Ｆ　　　　　　　　　　　　応力軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ケーシングと、該ケーシングの一端側
   に設けられ、該ケーシングの一端側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、先端側
   が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、該ダイヤフラムの変位に応じて軸方向に変位
   する受圧ロッドと、前記ケーシング内に位置して該受圧
   ロッドの基端側に設けられ、径方向の信号軸と軸方向の
   分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒状に
   形成され、該受圧ロッドを介して伝達された前記ダイヤ
   フラムの軸方向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構成してなる圧力センサ。