JPH04262218A - 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６および図７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６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６
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７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、該受圧ロッドと対向
して前記ケーシング内に設けられたコンタクトプレート
と、該コンタクトプレートと前記受圧ロッドの間に設け
られ、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径方向の変位に変換する応力変換部
材と、該応力変換部材の外周側に設けられ、該応力変換
部材から伝達された径方向の変位を前記圧力に応じた電
圧信号として前記コンタクトプレートを介して外部に出
力する圧電体とからなる。

【００１０】また、前記圧電体は軸方向の信号軸と、径
方向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から
筒状に形成し、前記応力変換部材はＣ字形状に形成する
のが好ましい。

【００１１】

【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、該ダイヤフラムの変位
は受圧ロッドを介して応力変換部材に伝えられ、該応力
変換部材はこの軸方向の変位を径方向の変位に変換し、
圧電体はこの径方向の変位を受承して、ダイヤフラムに
作用した圧力に応じた電圧信号をコンタクトプレートを
介して外部に出力することができる。

【００１２】また、前記圧電体を軸方向の信号軸と径方
向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒
状に形成し、前記応力変換部材をＣ字形状に形成すれば
、受圧ロッドの軸方向の変位によって応力変換部材は径
方向外向きに変位し、圧電体の応力軸に平行にダイヤフ
ラムの変位を作用させることができ、これにより圧電体
は軸方向の信号軸に沿って電圧信号を出力することがで
きる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図５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。

【００１４】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２１に伝達され
るのを極力防止するようになっている。

【００１５】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
。

【００１６】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。

【００１７】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
は下端側に形成された球面部１６Ａがダイヤフラム１３
の受圧部１３Ｂに当接され、上端側に形成された半球状
突部１６Ｂが後述するＣ字状プレート１９の貫通穴１９
Ａ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、これによ
り軸方向に変位してダイヤフラム１３の変位をＣ字状プ
レート１９に伝達すると共に、燃焼室内の高温が圧電体
２１に伝わるのを防止するようになっている。

【００１８】１７は受圧ロッド１６と対向してケーシン
グ本体１２の大径筒部１２Ａ内に設けられた導電性材料
からなるコンタクトプレートを示し、該コンタクトプレ
ート１７の下端側には円板部１７Ａが形成され、該円板
部１７Ａの先端面側には、半球状突部１７Ｂが下向きに
突出して形成され、Ｃ字状プレート１９の貫通穴１９Ａ
に当接している。また、該コンタクトプレート１７の上
端側は上カバー１４の縮径部１４Ａ内に伸長し、リード
線１８にカシメ固定されている。そして、該コンタクト
プレート１７は圧電体２１からの電圧信号をリード線１
８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。

【００１９】１９は受圧ロッド１６の半球状突部１６Ｂ
とコンタクトプレート１７の半球状突部１７Ｂとの間に
位置して、ケーシング本体１２の大径筒部１２Ａ内に設
けられた応力変換部材としてのＣ字状プレートを示し、
該Ｃ字状プレート１９はジルコニア等の絶縁性材料から
図２に示す如く短尺な筒状に形成されている。ここで、
該Ｃ字状プレート１９は軸中心に上，下がテーパ状とな
った貫通穴１９Ａを有し、該貫通穴１９Ａからは径方向
に単一の切溝１９Ｂが形成されている。そして、該貫通
穴１９Ａのテーパ面には、上，下方向からコンタクトプ
レート１７の半球状突部１７Ｂと受圧ロッド１６の半球
状突部１６Ｂの先端側がそれぞれ挿入されている。この
結果、前記Ｃ字状プレート１９は受圧ロッド１６が軸方
向に変位すると、切溝１９Ｂによって拡径し、受圧ロッ
ド１６の軸方向の変位を径方向外向きに変換し、圧電体
２１に径方向から応力を加えるようになっている。

【００２０】２０はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に取付けられた下側プレートを示し、該下側プレー
ト２０は導電性材料から短尺な有底筒状に形成されてい
る。そして、該下側プレート２０は外周側に設けられた
圧電体２１を位置決めすると共に、その内周側でＣ字状
プレート１９を支持するようになっている。

【００２１】２１は下側プレート２０上に位置してＣ字
状プレート１９の外周側に設けられ、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
２１は図３に示す如く、製造時に内周側から外周側に向
けて所定の高電界が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が径方向に形
成され、信号軸Ｖが軸方向となった所謂ｄ１５型素子と
して構成されている。また、該圧電体２１の上，下面に
は導電性ペースト等からなるシート状の上側電極２１Ａ
、下側電極２１Ｂが形成され、該圧電体２１の上側電極
２１Ａは皿ばね２２を介してコンタクトプレート１７の
円板部１７Ａに接触し、下側電極２１Ｂは下側プレート
２０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２１はダイヤフラム１３が燃焼室内の
燃焼圧を受圧し、受圧ロッド１６の軸方向の変位がＣ字
状プレート１９を介して径方向の変位に変換され、該Ｃ
字状プレート１９により応力軸Ｆに沿って径方向に押圧
されると、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（電圧信号）を燃焼圧に対応
した検出信号として発生し、この燃焼圧検出信号を信号
軸Ｖに沿った各電極２１Ａ，２１Ｂから皿ばね２２、コ
ンタクトプレート１７、リード線１８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。

【００２２】２３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２３は絶
縁性材料から環状に形成された上側プレート２４を介し
てコンタクトプレート１７の円板部１７Ａを所定の荷重
で押圧し、コンタクトプレート１７の半球状突部１７Ｂ
によりＣ字状プレート１９を拡径させて、圧電体２１に
所定の初期荷重を加えるようになっている。

【００２３】２５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２５はリード線１８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。

【００２４】２６，２６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２６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２１に伝わるのを防止するようになっている。

【００２５】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。

【００２６】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
すると、受圧ロッド１６の半球状突部１６ＢがＣ字状プ
レート１９を軸方向に押圧し、これによりＣ字状プレー
ト１９は拡径して、径方向外向きの応力を圧電体２１の
応力軸Ｆに沿って加える。そして、この径方向外向きの
応力によって圧電体２１内は分極軸Ｐの方向に電荷が生
じ、この電荷を分極軸Ｐと直交した軸方向の信号軸Ｖに
沿った各電極２１Ａ，２１Ｂから燃焼圧信号に応じた検
出信号（電圧信号）として、コンタクトプレート１７、
リード線１８等を介して外部のコントロールユニットに
出力する。

【００２７】かくして、本実施例によれば、受圧ロッド
１６の先端側とコンタクトプレート１７の先端側に、そ
れぞれ半球状突部１６Ｂ，１７Ｂを形成し、該各半球状
突部１６Ｂ，１７Ｂの間には、Ｃ字状プレート１９を該
各半球状突部１６Ｂ，１７Ｂの先端側が貫通穴１９Ａ内
に挿入されるようにして設け、該Ｃ字状プレート１９の
外周側には、軸方向の信号軸Ｖと径方向の分極軸Ｐおよ
び応力軸Ｆを有するｄ１５型の筒状の圧電体２１を設け
る構成としたから、受圧ロッド１６の軸方向の変位をＣ
字状プレート１９を介して径方向の応力に変換でき、こ
の応力を圧電体２１の応力軸Ｆに作用させて分極軸Ｐの
方向に電荷を発生させることができ、該分極軸Ｐと直交
した軸方向の信号軸Ｖから燃焼圧に応じた検出信号を出
力することができる。

【００２８】従って、本実施例によれば、圧電体２１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４に実線で示す特性線２７の如
く、圧電体２１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、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る上に、取付自由
度を大幅に向上することができる。

【００２９】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５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２１に加える応力を大きくするこ
とができる。

【００３０】また、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。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、コ
ンタクトプレートと受圧ロッドの間に設けられ、該受圧
ロッドを介して伝達されたダイヤフラムの軸方向の変位
を径方向の変位に変換する応力変換部材と、該応力変換
部材の外周側に設けられ、該応力変換部材から伝達され
た径方向の変位をダイヤフラムに作用した圧力に応じた
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、該ダイヤフラムの変位は受圧ロッドを介して応力変
換部材に伝えられ、該応力変換部材はこの軸方向の変位
を径方向の変位に変換して圧電体に加えることができ、
これにより圧電体はダイヤフラムに作用した圧力に応じ
た電圧信号をコンタクトプレートを介して外部に出力す
ることができる。

【００３２】また、前記圧電体を軸方向の信号軸と径方
向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒
状に形成し、前記応力変換部材をＣ字形状に形成したか
ら、受圧ロッドの軸方向の変位によって応力変換部材は
径方向外向きに拡径して変位し、圧電体の応力軸に平行
にダイヤフラムの変位を作用させることができ、これに
より圧電体は分極軸と直交した軸方向の信号軸に沿って
電圧信号を出力でき、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中の矢示ＩＩ−ＩＩ方向拡大断面図である
。

【図３】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４】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５】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 １２　　　　　　　　　　ケーシング本体１２Ａ　　　
　　　　　大径筒部 １３，１３´　　ダイヤフラム １６　　　　　　　　　　受圧ロッド １７　　　　　　　　　　コンタクトプレート１９　　
　　　　　　　　Ｃ字状プレート（応力変換部材）２１
　　　　　　　　　　圧電体 Ｖ　　　　　　　　　　　　信号軸 Ｐ　　　　　　　　　　　　分極軸 Ｆ　　　　　　　　　　　　応力軸

Claims (2)

【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、該受圧ロッドと対向して前記ケーシ
   ング内に設けられたコンタクトプレートと、該コンタク
   トプレートと前記受圧ロッドの間に設けられ、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
   位を径方向の変位に変換する応力変換部材と、該応力変
   換部材の外周側に設けられ、該応力変換部材から伝達さ
   れた径方向の変位を前記圧力に応じた電圧信号として前
   記コンタクトプレートを介して外部に出力する圧電体と
   から構成してなる圧力センサ。
2. 【請求項２】　　前記圧電体は軸方向の信号軸と、径方
   向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒
   状に形成し、前記応力変換部材はＣ字形状に形成したこ
   とを特徴とする圧力センサ。