JPH04350531A - 内燃機関の圧力センサー - 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、内燃機関のシリンダー
内の、燃料噴射，燃焼，ノッキング等に伴う圧力変化を
、圧電素子板の圧縮歪に伴って生ずる信号出力により検
出する圧力センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧力センサーとして、内燃機関
のシリンダーに装着される取付金具の装着孔内に、圧電
素子板，圧力伝達杆等を収納し、該圧力伝達杆の検知端
を取付金具から突出し、圧力伝達杆の検知端に作用する
圧力変動により、圧電素子に圧縮歪を生じさせて、電荷
を発生させ、これを出力信号として取出して該圧力変動
を検知するようにしたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】圧電素子板は焦電作用
により、温度変化に伴って出力が変動する。このため、
この種圧力センサーにあって圧力変化が生じないにも係
わらず、その出力が温度変化に伴って変動して誤作動を
生ずる等、特性が不安定となる欠点を生じていた。

【０００４】一方、この焦電作用による影響を除去する
ものとして実開昭５５−１１６２４４　号等に開示され
ているように、圧力の作用を受ける圧電検出部と、圧力
の作用を受けない温度補償部とを略同じ温度雰囲気中に
配置し、その異極同士を夫々電気的に接続して、焦電作
用により生じた電荷を消去するようにした構成が種々提
案されている。

【０００５】ところで、いずれも焦電作用による電荷の
発生を相互に消去するための圧電検出部と温度補償部と
の電気的接続を、外付のリード線等により行なっており
、配線や組付が面倒となり、かつ構造が複雑化する欠点
があった。本発明は、上述の基本構成の圧力センサーに
あって、かかる問題点を解決すると共に、良好な出力を
取り出し得る構成を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、内燃機関のシ
リンダーに装着される取付金具の装着孔内に、圧電素子
板，圧力伝達杆等を収納し、該圧力伝達杆の検知端に作
用したシリンダー内の圧力を圧電素子板に伝播させて出
力信号を取り出すようにした内燃機関の圧力センサーに
おいて、前記圧電素子板を厚み方向に分極し、表裏面の
一部に検出電極を対向状に形成してこの領域を圧電検出
部とし、同様に表裏面の他部に温度補償電極を対向状に
形成して、この領域を温度補償部とし、表の検出電極と
裏の補償電極とを圧電素子板に貫通させたスルホールを
介して接続し、さらに表の補償電極と裏の検出電極とを
圧電素子板に貫通させたスルホールを介して接続すると
共に、前記圧電検出部に圧力伝達杆の受圧力を作用させ
たことを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】図１は、本発明の原理回路を示す。すなわち、
圧電検出部Ａと、温度補償部Ｂとは略同じ温度雰囲気中
にある。このため、その両者には焦電作用により熱に対
して同様の電荷が発生する。また、シリンダー内で発生
する各種振動によっても振動出力を生ずる。ところが、
両圧電素子Ａ，Ｂの異極同士は夫々電気的に接続してい
る。このため、焦電作用のみならず、周囲から受ける各
種振動によって、圧電振動板に発生する出力成分は消去
し合うこととなる。一方、圧力伝達杆からの受圧力Ｐは
圧電検出部Ａにのみ作用する。このため、圧電素子の圧
縮歪によって発生する電荷は、消去されることなく出力
信号として取出される。

【０００８】この構成にあって、圧電検出部Ａと、温度
補償部Ｂとの異極同士の電気的接続は、圧電素子板に貫
通させたスルホールを介してなされる。このため、前記
電極相互の導通を取るために、リード線等で外付接続す
る必要がなく、組付が容易である。

【０００９】かかる構成にあって、前記圧電素子板上に
セラミック板を配設し、該セラミック板の裏面に該圧電
素子板の表面に露出する温度補償電極と、圧電検出電極
とに夫々接続する導電層を形成し、さらにその表面にス
ルホールを介して両導電層と接続する接続導電層を形成
すれば、その出力の取出しを表面側のみから行なうこと
ができ、電気的接続処理及び組付けが容易となる。

【００１０】また前記圧電素子板の上下にセラミック板
を配設し、両セラミック板の圧電素子板との当接面に、
前記圧電素子板の圧電検出電極と物理的に面接触して密
接面積を規定する接圧面を前記圧電素子板のスルホール
部を避けて形成した構成を付加することもでき、この場
合には、前記接圧面により受圧面積が規定されるから、
受圧力を有効に圧電素子の出力に寄与する部分に加える
ことができ、高い出力を得ることができる。

【００１１】さらには、前記圧電素子板の表裏の検出電
極を素子面の周縁部に形成し、補償電極を素子面の中央
部に形成して、素子面の周縁部に圧力伝達杆の受圧力が
作用する圧電検出部を配設することが望ましい。蓋し、
通常、内燃機関に取付けられる圧力センサーの近傍には
冷却源があり、このため圧電素子板の周縁はその影響を
受けて冷却される。そこで前記圧力伝達杆との接合部を
外周縁に配置することにより該伝達杆を介してなされる
加熱による影響が、上述の冷却によって相殺され、圧電
素子板の全面で温度が均一化する方向に作用するからで
ある。而して、焦電作用による電荷の発生が、圧電検出
部と、温度補償部とで可及的に近似することとなり、上
述の消去原理が有効に機能する。

【００１２】一方、周縁はその周方からの冷却を受ける
が、その中心よりも温度変化が大となる傾向にある。そ
こで、検出電極の面積を、補償電極対の面積よりも小さ
くすることにより、さらに焦電効果による電荷の発生を
、圧電検出部と、温度補償部とで近似させることができ
る。

【００１３】

【実施例】添付図面について本発明の一実施例を説明す
る。図２は、本発明を適用した圧力センサーの一実施例
を示す。ここで１は取付金具であって、その細径周面に
シリンダーブロックに螺合する螺子部２が形成され、中
心には、長手方向に沿ってその先端にまで開口する貫通
孔３が形成されている。前記貫通孔３には、下端が開口
し、上端にはリード線ｘの挿入孔５が形成された内筒４
が嵌装されている。この内筒４の下部内周面には雌螺子
６が形成されている。また内筒４の下部周面には取付鍔
７が形成されており、該取付鍔７を取付金具１の下端に
溶着することにより、該取付金具１に対して内筒４を部
分固定するようにしている。

【００１４】前記内筒４の内部は装着孔を備え、該装着
孔には絶縁体８，パッキン９，スペーサ１０，環状の導
電筒片１１と、セラミック板１２，ＰＺＴ等の材料によ
る圧電素子板１４，セラミック板１３，環状板２４及び
圧力伝達杆２５が順次積層状に配設され、その連接部の
周囲は熱収縮チューブ２６で覆われ、内筒４と絶縁され
ている。

【００１５】前記圧力伝達杆２５は中央から検知端を径
小とし、その頂部と径小部間の段部に当接顎面２７を形
成している。

【００１６】前記内筒４には、圧力伝達杆２５の径小部
の周囲位置で、筒状螺子２８が雌螺子６に沿って螺入さ
れる。そしてその緊締状態で、筒状螺子２８の上端は、
環状パッキンを介して、前記圧力伝達杆２５の当接顎面
２７側に圧接し、内筒４の内部の各積層部材は奥段面４
ａ側に押付けられる。またこの状態で、圧力伝達杆２５
は筒状螺子２８内を通入して、その検知端を内筒４の内
部よりもさらに下方突出する。そして、該下端には立上
がり側壁を取付金具１下端に外嵌固着したダイヤフラム
２９が連結される。

【００１７】前記構成からなる圧力センサーは、取付金
具１の螺子部２をシリンダーブロックに装着して、取付
金具１先端を該シリンダー内に露出して装着される。か
かる装着状態で、シリンダー内に圧力変動が生ずると、
圧力伝達杆２５の検知端に圧力が作用する。このため、
該圧力により圧電素子板１４が、奥段面４ａ側へ圧縮さ
れ、その圧縮歪により電荷が発生する。この電荷は検出
用電極１５ａから電圧としてリード線ｘ及びケーブルｙ
を介して外部へ取出される。

【００１８】次に、本発明の要部について説明する。前
記圧電素子板１４は、図３〜５で示す構成が適用され得
る。各実施例はいずれも同一厚み方向に分極されており
、表裏面の一部に検出電極１５ａ，１５ｂを対向状に形
成してこの領域を圧電検出部Ａとし、同様に表裏面の他
部に温度補償電極１６ａ，１６ｂを対向状に形成して、
この領域を温度補償部Ｂとし、表の検出電極１５ａと裏
の補償電極１６ｂとを圧電素子板前記圧電素子板１４に
貫通させたスルホール１７ａを介して接続し、さらに表
の補償電極１６ａと裏の検出電極１５ｂとを圧電素子板
１４に貫通させたスルホール１７ｂを介して接続すると
共に、前記圧電検出部Ａにのみ圧力伝達杆２５の受圧力
Ｐを作用させるようにしている。

【００１９】ここで、図３は、検出電極１５ａ，１５ｂ
及び温度補償電極１６ａ，１６ｂを半円状電極として厚
み方向で対向させることにより、圧電検出部Ａと、温度
補償部Ｂとを二分割して半割円とし、スルホール１７ａ
，１７ｂで上述のように電気的接続を施したものである
。そして、前記圧力伝達杆２５を裏面の検出電極１５ｂ
にのみ当接するようにして、圧電検出部Ａに受圧力Ｐを
作用させるようにしたものである。

【００２０】また図４は、圧電検出部Ａを円形状とし、
温度補償部Ｂを圧電検出部Ａを囲む円環状とし、スルホ
ール１７ａ，１７ｂで上述のように電気的接続を施した
ものである。そして、前記圧力伝達杆２５を圧電素子板
１４の中央部にのみ当接し、圧電検出部Ａに受圧力Ｐを
作用させるようにしたものである。

【００２１】さらにまた図５は、圧電検出部Ａを円環状
とし、温度補償部Ｂをその内方に位置させて円形状とし
たものであり、検出電極１５ａ，１５ｂを円環状電極と
し、温度補償電極１６ａ，１６ｂを円形状電極として厚
み方向で対向させ、スルホール１７ａ，１７ｂで上述の
ように電気的接続を施したものである。そして、前記圧
力伝達杆２５を図２の環状板２４を介する等によりその
周縁にのみ当接し、圧電検出部Ａに受圧力Ｐを作用させ
るようにしたものである。

【００２２】この構成は、図２で示されている構成と一
致するものであって、好適な実施例である。すなわち、
通常、内燃機関に取付けられる圧力センサーの近傍には
冷却パイプ等の冷却源があり、このため圧力センサーは
その周囲から冷却され、圧電素子板１４の周縁はその影
響を受ける。従って、前記圧力伝達杆２５との当接部を
外周縁に配置することにより該伝達杆２５を介してなさ
れる加熱による影響が、上述の冷却によって相殺され、
圧電素子板１４の全面で温度が均一化する方向に作用す
ることとなる。而して、焦電効果による電荷の発生が、
圧電検出部Ａと、温度補償部Ｂとで可及的に近似し、圧
電検出部Ａで発生した焦電効果による電圧成分が温度補
償部Ｂにより効果的に除去されることとなる。

【００２３】一方、前記検出電極１５ａ，１５ｂの面積
を、補償電極１６ａ，１６ｂの面積よりも小さくするよ
うにすれば、さらに焦電効果による電荷の発生を、圧電
検出部Ａと、温度補償部Ｂとで近似させることができる
。蓋し、種々測定した結果、周縁はその周方からの冷却
を受けるが、それでもその中心よりも温度が高くなる傾
向にある。そこで、検出電極１５ａ，１５ｂの面積を小
さくすることにより、その電荷の発生を抑制することが
でき、温度補償部Ｂでの電荷と可及的に近似させること
が可能となるのである。

【００２４】図１０は、本発明の圧電素子板１４を適用
した圧力センサーの他の一例を示し、前記圧電素子板１
４の下部に環状板４０と、セラミック板４１を配設する
と共に、検出電極１５ａに導電筒片１１を直接当接する
と共に、補償電極１６ａを絶縁するために小径のセラミ
ック板４２を上部に配設し、さらにその上部を導電筒片
１１の内面に形成した雌螺子に螺合する押え片４３で、
圧電素子板１４の中央部の温度補償部Ｂに加圧力が作用
しない程度にセラミック板４２に当接してこれを保持す
ると共に、セラミック板４２，押え片４３の中心に形成
した透孔にリード線ｘを挿通させて、圧電素子板１４の
補償電極１６ａに接続し、圧電検出部Ａから発生する電
圧を取り出すようにしたものである。ここでリード線ｘ
は熱収縮チューブ４５で覆って、押え片４３との絶縁を
確保している。

【００２５】図６は、図５の構成の発展形であって、前
記スルホール１７ａ，１７ｂを厚み方向に垂直とし得る
ように構成したものであって、前記圧電素子板１４の表
面を表わす図６ａ，同じくその裏面を表わす図６ｂで示
すように、前記検出電極１５ａ，１５ｂを表裏で欠部位
置を左右逆としたＣ形とし、前記補償電極１６ａ，１６
ｂに夫々その欠部位置に伸びる接続部１８ａ，１８ｂを
延出し、該接続部１８ａ，１８ｂに夫々スルホール１７
ｂ，１７ａを形成して、検出電極１５ａと補償電極１６
ｂとをスルホール１７ａで、検出電極１５ｂと補償電極
１６ａとをスルホール１７ｂで接続するようにしたもの
である。これによりスルホール長が短くなり、通常の厚
膜印刷法により確実にスルホールによる導通を形成する
ことができる。

【００２６】前記圧電素子板１４の表裏には、図７〜９
で示すようにセラミック板１２，１３を配設するように
しても良い。ここでセラミック板１２は、前記前記圧電
素子板１４の検出電極１５ａ，補償電極１６ａと接続し
て、表面からその電気的取出しを可能とするものであっ
て、その裏面には前記検出電極１５ａとスルホール１７
ａの位置を避けて接続する扇状の導電性接圧面３１，３
１と前記補償電極１６ａと接続する円形状導電層３２と
が形成され、該セラミック板１２を貫通するスルホール
３３，３３，３４によって、接続導電層３５ａ，３５ｂ
とをその上面に露出する。前記導電性接圧面３１，３１
は導電層３２と同様の導電層によって形成される。そし
て、接続導電層３５ａは前記導電筒片１１に接続されて
ボデーア−スされ、前記接続導電層３５ｂにはリード線
ｘが接続されて、その出力信号が取り出される。

【００２７】そして該リード線ｘは接続路ｚの外部に引
出されてケーブルｙに結線され、而て、圧電素子板１４
の検出電極１５ａは、ケーブルｙと電気的に接続される
。

【００２８】一方、セラミック板１３はその中央部を非
当接を確保するために溝面３７が形成され、その周面に
前記圧電素子板１４の検出電極１５ｂと接する扇状接圧
面３８，３８を形成している。この扇状接圧面３８，３
８は、画一的形成を可能とするために、他の導電層と同
一材料により形成される。この扇状接圧面３８，３８も
、前記スルホール１７ａ，１７ｂを避ける位置としてお
り、前記セラミック板１２の扇状導電層３１，３１と同
一位置で、同一形状としている。

【００２９】前記セラミック板１２の扇状の導電性接圧
面３１，３１は圧電素子板１４の圧電検出電極１５ａと
電気的に接続し、かつ物理的に面接触して密接面積を規
定するものであり、セラミック板１３の扇状接圧面３８
，３８は圧電素子板１４の圧電検出電極１５ｂと物理的
に面接触して密接面積を規定するものであって、圧力伝
達杆２５からの受圧力Ｐは、環状板２４からかかる接圧
面３１，３１及び接圧面３８，３８を介して、前記圧電
素子板１４に挟圧力として作用する。このため、前記接
圧面３１，３１，３８，３８の面積を設定することによ
り、受圧力を有効に圧電素子板１４の出力に寄与する部
分に加えることができ、高い出力を得ることができるの
で回路設計が容易となる利点を生ずる。ここで、接圧面
３１，３１と接圧面３８，３８をスルホール１７ａ，１
７ｂを避けて形成するようにしたのは、該位置では受圧
力Ｐにばらつきを生じ易いからである。

【００３０】前記セラミック板１２を、その表面から接
続導電層３５ａ，３５ｂを形成して電気的取出しを容易
ならしむるためにのみ用いる場合には、前記セラミック
板１３は必ずしも必要ではない。

【００３１】上述の各構成にあって、前記圧電素子板１
４は、その取付け状態で加熱され、焦電作用により電荷
を発生する。ところが、圧電素子板１４にあって、検出
電極１５ａはスルホール１７ａを介して補償電極１６ａ
と接続し、検出電極１５ｂはスルホール１７ｂを介して
補償電極１６ｂと接続し、圧電検出部Ａと、温度補償部
Ｂは異極相互が接続することとなる。このため焦電作用
のみならず、シリンダー内の振動等により圧電素子板１
４の検出電極１５ａ，１５ｂ及び補償電極１６ａ，１６
ｂ間で電荷が発生してもその絶対値は夫々ほぼ等しいか
ら、異極相互が接続していることにより短絡して消去さ
れる。一方、前記圧力伝達杆２５からの圧縮圧は、検出
電極１５ａ，１５ｂ間にのみ生ずるから、この歪によっ
て生ずる電荷は、前記結線によっても消去することはな
く、上述のようにリード線ｘにより外部に取出される。

【００３２】而て、前記構成にあっては、焦電作用によ
る影響や、圧電素子板１４に伝わる振動等のノイズ成分
は逆位相となって消去され、必要な成分のみが出力とし
て取出されることとなる。また圧電素子板の分極方向は
同一方向になされているので、圧電素子板の製作も容易
である。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、同一厚み方向に分極した圧電
素子板の表裏面の一部に検出電極を対向状に形成してこ
の領域を圧力伝達杆の受圧力が作用する圧電検出部とし
、同様に表裏面の他部に温度補償電極を対向状に形成し
て、この領域を温度補償部とし、この圧電検出部と、温
度補償部の異極相互をスルホールを介して接続するよう
にしたから、前記電極相互の導通を取るために、リード
線等で外付接続する必要がなく、配線及び組付が容易で
ある。

【００３４】また前記圧電素子板上にセラミック板を配
設し、該セラミック板に貫通させたスルホールを介して
検出電極及び補償電極と接続する接続導電層を該セラミ
ック板表面に形成するようにすれば、出力の取出しを表
面側のみから行なうことができ、電気的接続処理及び組
付けが容易となる。

【００３５】さらにまた前記圧電素子板の上下にセラミ
ック板を配設し、両セラミック板の圧電素子板との当接
面に、前記圧電素子板の圧電検出電極と物理的に面接触
して密接面積を規定する接圧面を前記圧電素子板のスル
ホール部を避けて形成した構成を付加することもでき、
この場合には、前記接圧面により加圧面積が規定される
から、受圧力を有効に圧電素子の出力に寄与する部分に
加えることができ、高い出力を得ることができる。

【００３６】上述の構成にあって、前記圧電素子板の表
裏の検出電極を素子面の周縁部に形成し、補償電極を素
子面の中央部に形成して、前記素子面の周縁部に圧力伝
達杆の受圧力を作用させる圧電検出部を配設し、さらに
は検出電極の面積を、補償電極の面積よりも小さくすれ
ば、焦電効果による電荷の発生が、圧電検出部Ａと、温
度補償部Ｂとで可及的に近似し、その影響を可及的に除
去することができる。而して、高温下に置かれても、安
定した出力特性を生ずるとともに、シリンダー内で発生
する振動等によるノイズ成分も除去され、クリアーな出
力を取り出し得ることとなる等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理回路図である。

【図２】本発明に係る圧力センサーの縦断側面図である
。

【図３】前記圧電素子板１４の第一実施例を示す平面図
と、その縦断側面図である。

【図４】前記圧電素子板１４の第二実施例を示す平面図
と、その縦断側面図である。

【図５】前記圧電素子板１４の第三実施例を示す平面図
と、その縦断側面図である。

【図６ａ】前記圧電素子板１４の実施例の平面図である
。

【図６ｂ】前記圧電素子板１４の実施例の裏面図である
。

【図７】セラミック板１２，圧電素子板１４，セラミッ
ク板１３の斜視図である。

【図８】図６ａのイ−イ位置で切断して示す積層状態の
縦断側面図である。

【図９】図６ａのロ−ロ位置で切断して示す積層状態の
縦断側面図である。

【図１０】他の圧力センサーに前記圧電素子板１４を適
用した要部の縦断側面図である。

【符号の説明】

Ａ　　圧電検出部 Ｂ　　温度補償部 １　　取付金具 １２，１３　　セラミック板 １４　　圧電素子板 １５ａ，１５ｂ　　検出電極 １６ａ，１６ｂ　　補償電極 １７ａ，１７ｂ　　スルホール ２５　　圧力伝達杆 ３１　　接圧面 ３２　　導電層 ３５ａ，３５ｂ　　接続導電層 ３８　　接圧面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダー内の圧力を圧電素子板に伝播さ
   せて出力信号を取り出すようにした内燃機関の圧力セン
   サーにおいて、前記圧電素子板を同一厚み方向に分極し
   、表裏面の一部に検出電極を対向状に形成してこの領域
   を圧電検出部とし、同様に表裏面の他部に温度補償電極
   を対向状に形成して、この領域を温度補償部とし、表の
   検出電極と裏の補償電極とを圧電素子板に貫通させたス
   ルホールを介して接続し、さらに表の補償電極と裏の検
   出電極とを圧電素子板に貫通させたスルホールを介して
   接続すると共に、前記圧電検出部に圧力伝達杆の受圧力
   を作用させたことを特徴とする内燃機関の圧力センサー
   。
2. 【請求項２】圧電素子板の表面に露出する温度補償電極
   と圧電検出電極とに夫々接続する導電層が裏面に形成さ
   れ、かつ内部に貫通したスルホールを介して両導電層と
   接続する接続導電層が表面に形成されているセラミック
   板を、前記圧電素子板上に積層したことを特徴とする請
   求項１の内燃機関の圧力センサー。
3. 【請求項３】前記圧電素子板の上下にセラミック板を配
   設し、両セラミック板の圧電素子板との当接面に、前記
   圧電素子板の圧電検出電極と物理的に面接触して密接面
   積を規定する接圧面を前記圧電素子板のスルホール部を
   避けて形成したことを特徴とする請求項１の内燃機関の
   圧力センサー。
4. 【請求項４】前記圧電素子板の表裏の検出電極を素子面
   の周縁部に形成し、温度補償電極を素子面の中央部に形
   成して、前記素子面の周縁部に圧力伝達杆の受圧力を作
   用させる圧電検出部を配設したことを特徴とする請求項
   １の内燃機関の圧力センサー。
5. 【請求項５】前記検出電極の面積を温度補償電極の面積
   よりも小さくしたことを特徴とする請求項４の内燃機関
   の圧力センサー。