JPH04372832A - 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】本発明は内燃機関のシリンダー内圧の変化
を圧電素子によって検出する圧力センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のシリンダーブロックに設けら
れたセンサ取付け用螺子孔に装着される主体金具の内部
に圧電素子、圧力伝達棒等よりなる検出要素を収納する
とともにシリンダー内に位置する下端面に金属製ダイア
フラムを封着し、シリンダー内圧を前記ダイアフラムと
圧力伝達棒とを介して圧電素子に伝播し、該素子よりシ
リンダー内圧力の大きさに比例した電気信号を取り出す
ようにした圧力センサは公知である。この圧電素子とし
ては一般に、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等のセ
ラミック材料よりなる圧電素子が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
圧力センサは、点火プラグと同様にシリンダ内圧ととも
に高い燃焼温度（　５００℃）中に曝されるため、金属
製ダイアフラムに破損を生じ易い。本発明は、かかる金
属製ダイアフラムの破損を可及的に防止し得る最適条件
を付与することを目的とするものである。

【０００４】

【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主体金具に、検出開口がシリンダ内
に位置する軸孔を備え、その軸孔の内部に圧電素子、圧
力伝達棒等の検出要素を収納し、更に前記軸孔の開口端
を、金属製ダイアフラムで密封してなるものにおいて、
前記金属製ダイアフラムが、中央近傍に厚肉部を、その
外周に薄肉部を夫々形成され、該薄肉部の厚みｔが０．
１ｍｍ　〜０．２ｍｍ　の範囲であるものにあって、前
記主体金具との接合部と前記厚肉部との間に生ずる環状
可撓部の間隔ｓ（ｍｍ）　が、次の関係となるようにし
たことを特徴とする圧力センサ。 ｓ＝５（ｔ＋０．１　）±０．３５

【０００５】

【作用】高温中で前記金属製ダイアフラムの厚肉部周囲
の環状可撓部では、主体金具や圧力伝達棒と非接触状態
のため、熱放散性が悪く、熱応力が集中する。このため
前記環状可撓部の間隔ｓが大きいと、金属製ダイアフラ
ムの劣化及び破損を生じ易い。一方、シリンダー内圧は
ダイアフラムが撓んで圧力伝達棒に作用するのであるか
ら、該環状可撓部が小さすぎるとダイアフラムが充分に
撓まず、シリンダ内圧が圧力伝達棒に適正に作用しない
。そこで、金属製ダイアフラムの厚みｔが０．１ｍｍ　
〜０．２ｍｍ　である範囲において、最適な条件を検討
したところ、その厚みとの関係において、上述の式が導
き出された。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示し、１は下端部
１ａ外周にシリンダブロックに螺合する雄螺子２と、上
端部１ｂ外周にスパナ等の締付け工具と適合する六角部
３とを形成したボルト構造をなす主体金具で、その内部
には、軸孔４が形成されている。この軸孔４は下端部１
ａ側を貫通する異径孔４ａ，４ｂと、上端部１ｂ側を貫
通する径大孔４ｃとの連接孔よりなる。前記異径孔４ａ
，４ｂのうち、径大側の孔４ａには，その径小側の孔４
ｂに近いほうから電気絶縁環５、第１の端子部材６、表
裏面に電極（図示せず）が付与された圧電素子７，第２
の端子部材８が順次層状に配設され、これら積層物の周
囲に被覆した絶縁材９により主体金具１と絶縁している
。また前記第１の端子部材６の上面からは後記する信号
搬送用ケーブル１２と接続する接続手６ａが、絶縁環５
を挿通して突設している。

【０００７】更に前記径大側の孔４ａには圧力伝達棒１
０が挿入され、その上端の径大部を第２の端子部材８に
圧接し、径小部の下端は主体金具１の下端部１ａを機密
に封口するように接合された金属製ダイアフラム１１に
接着している。この金属ダイヤフラム１１は耐熱性が必
要で、例えばインコネル又はＳＵＳ６３０相当の耐熱性
金属材料のようなものが良い。また該金属ダイヤフラム
１１は、図１及び図２ａで示すようにその中央近傍に厚
肉部１１ａを備え、その外周を前記主体金具１に接続す
る接合部１１ｂとし、該厚肉部１１ａと、接合部１１ｂ
との間の、接合部１１ｂの内径ｘと厚肉部１１ａの外径
ｙ間の間隔ｓで規定される薄肉部を環状可撓部１１ｃと
している。そして前記圧力伝達棒１０の下端部を、厚肉
部１１ａに接続するようにしている。

【０００８】尚、図２ｂに示すように、該金属ダイヤフ
ラム１１を周囲に接合壁を有する蓋状構造とした場合に
は、この接合壁が接合部１１ｂとなり、厚肉部１１ａ周
囲の間隔ｓで規定される薄肉状底部全体が環状可撓部１
１ｃとなる。

【０００９】前記六角部３側の径大孔４ｃの内面には、
段座４ｃ’が形成され、これに座定する鍔１３ａを備え
た金属スリーブ１３が嵌合されるとともに六角部３の上
端から突出する環状薄肉片３ａを内側に屈曲することに
よって加締め付けられている。

【００１０】前記金属スリーブ９の内部には信号搬送用
ケーブル１２の一端が挿通固定され、該ケーブル１２よ
り裸出した芯線１２ａが絶縁被覆した中継用導線１３を
介して第１の端子部材６に接続されている。しかるに圧
電素子７の一方の電極は前記第１の端子部材６と中継用
導線１４を通してケーブル１２の芯線１２ａに接続され
、他方の電極は第２の端子部材８、伝達棒１０及び金属
製ダイアフラム１１を通して主体金具１に接地接続され
ている。

【００１１】また第１の端子部材６と第２の端子部材８
との間には表裏面に電極が被着される圧電素子７が配設
される。この圧電素子７は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮ
ｂＯ３　）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３　）も
しくはこれら単結晶材料と同効の単結晶圧電材料よりな
り、厚みが０．３ｍｍ〜　１．５ｍｍの外形寸法を有す
る円形または角形の板状圧電素子を用いることができる
。

【００１２】尚、このような単結晶構造からなる圧電素
子７は、耐圧強度に乏しいため、圧電素子７の受圧面積
は、ダイアフラム１１がシリンダ圧力より受圧する面積
の　１／４以上、好ましくは　１／３以上である。これ
はダイアフラムの受圧面にシリンダ内圧の最大　１００
気圧が加わったときに、その力に耐え得るための寸法で
あり、　１／４未満では破損することとなる。またダイ
アフラム１１が高温となりヤング率が小さくなったとき
に、該ダイアフラム１１が大きく変形できると、圧力伝
達棒１０への伝達が大きくなるため、高温を考慮すると
１／３　以上が望ましい。

【００１３】次に本発明の要部について説明する。金属
製ダイアフラム１１の厚肉部１１ａと、接合部１１ｂと
の間の環状可撓部１１ｃ（図２ａ，図２ｂ参照）で、該
ダイアフラム１１が撓んで圧力伝達棒１０下面にシリン
ダの内圧が作用する。この金属製ダイアフラム１１の環
状可撓部１１ｃの間隔ｓは過大であっても過小であって
もいけない。すなわち、高温中で環状可撓部１１ｃは、
主体金具１や圧力伝達棒１０と非接触状態のため、熱放
散性が悪く、熱応力が集中する。このため前記環状可撓
部１１ｃの間隔ｓが大きいと、金属製ダイアフラム１１
の劣化及び破損を生じ易い。一方、シリンダー内圧はダ
イアフラム１１が撓んで圧力伝達棒に作用するのである
から、該環状可撓部１１ｃが小さすぎると、ダイアフラ
ム１１が充分に撓まず、シリンダ内圧が圧力伝達棒に適
正に作用しない。

【００１４】そこで、金属製ダイアフラム１１の薄肉部
の厚みｔが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ　である範囲におい
て、圧力センサをシリンダ内圧　１００気圧、金属製ダ
イアフラム１１の温度が４００　℃となる条件のもとに
、金属製ダイアフラム１１の破損状態と、圧電素子７か
らの出力電圧を検査した。その結果、図３ａ，図３ｂの
ようになった。

【００１５】ここで、図３ａは金属製ダイアフラム１１
の薄肉部の厚みｔが０．１ｍｍ　のものにつき、図３ａ
は同薄肉部の厚みｔが０．２ｍｍ　のものにつき夫々接
合部１１ｂの内径ｘと厚肉部１１ａの外径ｙを変えて、
調査したものであって、ここで、〇印は破損がなく出力
が適正なものを示し、△印は１／３　が破損したかまた
は出力が圧電素子の圧電定数に対して半分以下であった
ものを示し、×印は２／３　以上が破損したかまたは出
力が圧電素子の圧電定数に対して１／３　以下であった
ものを示す。尚、ｘ，ｙとの関係は図２ａ，２ｂで示す
。

【００１６】そして、金属製ダイアフラム１１の破損と
環状可撓部１１ｃの間隔ｓとの関係を検討するために、
ｓ＝（ｘ−ｙ）／２の関係から、金属製ダイアフラム１
１の破損は間隔ｓの大きさとの関係において定まるもの
と仮定し、ｙ＝ｘ−ｃの一次関数線分により境界領域を
決定するようにした。この関係によれば、間隔ｓ＝ｃ／
２となり、ｘ軸との接点の値を観ることにより、間隔ｓ
の境界領域を判定することができる。この結果、上部の
境界領域線αと、下部の境界領域線βが決定され得た。 従って、この領域線α，β内にあるものが適正なｃの範
囲にあるといえる。

【００１７】そしてこの適正領域内にあって、中心値と
してｃ＝２．０ｍｍ　を採用でき、この値を中心とする
とｃ＝　２．０ｍｍ±０．７　ｍｍの範囲が適正範囲と
言える。すなわち、ｓ＝１．５ｍｍ±０．３５　ｍｍで
ある。

【００１８】同様に金属製ダイアフラム１１の薄肉部の
厚みｔ＝０．２ｍｍ　の図３ｂにつき検討すると、上部
の境界領域線αと、下部の境界領域線βを図のように決
定し、ここから好適な数値としてｃ＝３．０ｍｍ　を採
用でき、この値を中心とするとｃ＝　３．０ｍｍ±０．
７　ｍｍの範囲が適正範囲と言える。すなわち、ｓ＝　
１．５ｍｍ±０．３５　ｍｍ　である。

【００１９】このように金属製ダイアフラム１１の薄肉
部の厚みｔ＝０．１ｍｍ　のときには、ｓ＝　１．０ｍ
ｍ±０．３５　ｍｍ　であり、金属製ダイアフラム１１
の薄肉部の厚みｔ＝０．２ｍｍのときにはｓ＝　１．５
ｍｍ±０．３５　ｍｍ　であり、両者の間隔ｓの差は０
．５　ｍｍである。このことから、金属製ダイアフラム
１１の薄肉部の厚みｔが厚くなるに従って強度が増して
破損が低減され、一方、その可撓性の低下により、シリ
ンダ圧力を伝えにくくなるため、環状可撓部１１ｃの間
隔ｓの適正値は大きくなることが解る。そして、この差
は間隔ｓの差と一次関数的な関係にあると想定でき、例
えば、金属製ダイアフラム１１の薄肉部の厚みｔ＝０．
１５ｍｍのときには、ｓ＝１．２５ｍｍ±０．３５ｍｍ
　の適正領域が設定されると考えることができる。そし
て、このことを一次関数として表わすと、 ｓ＝５（ｔ＋０．１　）±０．３５ となる。

【００２０】すなわち、金属製ダイアフラム１１の薄肉
部の厚みｔが０．１ｍｍ　〜０．２ｍｍ　である範囲に
おいて、上述の関係により環状可撓部１１ｃの間隔ｓを
設定することにより、金属製ダイアフラム１１の破損が
少なく、かつ圧電素子７に適正な圧力を付与し得る圧力
センサを提供し得ることとなる。

【００２１】

【発明の効果】本発明の圧力センサは、金属製ダイアフ
ラム１１の薄肉部の厚みｔが０．１ｍｍ　〜０．２ｍｍ
　である範囲において、上述の関係により環状可撓部１
１ｃの間隔ｓを設定することにより、金属製ダイアフラ
ム１１の破損を可及的に防止でき、かつ適正な出力を生
じ得るものであり、このため耐久性及び信頼性の高い最
適な圧力センサを市場に供し得る優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す圧力センサの縦断側面
図である。

【図２ａ】ｘ，ｙの関係を示す一部の拡大縦断側面図で
ある。

【図２ｂ】他の構成におけるｘ，ｙの関係を示す拡大縦
断側面図である。

【図３ａ】金属製ダイアフラム１１の薄肉部の厚みｔが
０．１ｍｍ　のときのｘ，ｙと、試験結果との関係を示
すグラフである。

【図３ｂ】金属製ダイアフラム１１の薄肉部の厚みｔが
０．２ｍｍ　のときのｘ，ｙと、試験結果との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１　　主体金具 ４　　軸孔 ７　　圧電素子 １０　　圧力伝達棒 １１　　金属製ダイアフラム １１ａ　　厚肉部 １１ｂ　　接合部 １１ｃ　　環状可撓部 ｓ　　環状可撓部１１ｃの間隔 ｔ　　金属製ダイアフラム１１の厚み

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内燃機関のシリンダーに装着される主
   体金具に、検出開口がシリンダ内に位置する軸孔を備え
   、その軸孔の内部に圧電素子、圧力伝達棒等の検出要素
   を収納し、更に前記軸孔の開口端を、金属製ダイアフラ
   ムで密封してなるものにおいて、前記金属製ダイアフラ
   ムが、中央近傍に厚肉部を、その外周に薄肉部を夫々形
   成され、該薄肉部の厚みｔが０．１ｍｍ　〜０．２ｍｍ
   　の範囲であるものにあって、前記主体金具との接合部
   と前記厚肉部との間に生ずる環状可撓部の間隔ｓ（ｍｍ
   ）　が、次の関係となるようにしたことを特徴とする圧
   力センサ。 ｓ＝５（ｔ＋０．１　）±０．３５