JPH05164643A - 圧電型圧力センサ - Google Patents

圧電型圧力センサ

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JPH05164643A
JPH05164643A JP33317091A JP33317091A JPH05164643A JP H05164643 A JPH05164643 A JP H05164643A JP 33317091 A JP33317091 A JP 33317091A JP 33317091 A JP33317091 A JP 33317091A JP H05164643 A JPH05164643 A JP H05164643A
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JP
Japan
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pressure
thermal expansion
piezoelectric element
housing
case
Prior art date
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Pending
Application number
JP33317091A
Other languages
English (en)
Inventor
Toru Okauchi
亨 岡内
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Masuo Takigawa
益生 瀧川
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ温度の上昇によるセンサ出力の誤差を
低減する。 【構成】 センサ筺体側壁部の一部に他の部分より熱膨
張率の大きい部分を設けるか、または側壁の一部に圧電
素子や圧力伝達部材よりも熱膨張率の小さい部分を設け
ることにより、筺体全体の熱膨張を圧電素子・圧力伝達
部材の熱膨張に等しくすることで、熱膨張による圧力検
出誤差を減少させる。

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内燃
焼圧力等の圧力検出に適した圧電型圧力センサに関す
る。
【0002】
【従来の技術】応力を加えて電荷を発生する圧電効果を
利用した圧電型圧力センサは、従来よりよく用いられて
いる。特に最近では内燃機関のシリンダ内燃焼圧力等の
検出に適した圧力センサの開発が盛んである。図1は従
来型の圧電型圧力センサの基本構成を示す。同図はセン
サの縦断面図であり、センサ筐体12内部に設置された
圧電素子15は上部固定ネジ16によって圧力伝達部材
14を介してダイアフラム状に加工された受圧面13の
裏面に押しつけられて固定され、予備応力が与えられて
いる。この予備応力は特に内燃機関のシリンダ内燃焼圧
力を計測する場合には負圧を計測するためにも必要であ
る。また、センサ筺体12は固定ネジ12aにてセンサ
取付ボルト10に固定され、このセンサ取付ボルト10
は取付ネジ部11でエンジンに取り付けることにより、
センサのエンジンへの取り付けを行う。このセンサ取り
付けボルト10の使用により、エンジンへの取付力の影
響を回避できる。
【0003】次に、その動作を説明する。センサ筐体1
2の外部から受圧面13に印加された圧力は、圧力伝達
部材14を介して圧電素子15の内周部分を押し上げる
ように伝達される。ここで圧電素子15の上端外周部は
上部固定ネジ16により下方へ加圧されているため、圧
電素子15に剪断力が加えられる。この応力に応じて発
生した電荷を電気信号として検出する構成となってい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、自動車用エン
ジンは運転条件の変化が激しく、低速走行時からのアク
セル全開による急加速や高速走行時からアクセル全閉に
よる急減速が行われる。この様な場合、燃焼による熱量
は短期間に大きく変化し、センサ筺体の熱による膨張収
縮が急激になされ、この際の受圧面と圧電素子の位置関
係の急激な変化が軸力変動として印加される。このた
め、この様な過渡状態の圧力測定を正確に行うことは困
難だった。
【0005】本発明はエンジンの発生熱量の急激な変化
時でもセンサ筺体の熱変形を抑制し、正確な圧力測定の
できる圧電型圧力センサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、第1の発明では筺体側壁の一部に他の部分の材質よ
りも熱膨張係数の大きい部分を設け、この部分の熱膨張
により受圧面を圧電素子側へ引き寄せるような側壁構造
とする。
【0007】第2の発明では筺体側壁の一部に圧力伝達
部材や圧電素子よりも熱膨張率の小さい部分を設ける。
【0008】
【作用】第1の発明における側壁構造とすることによ
り、温度上昇に伴って側壁の熱膨張率の大きい部分が他
の部分より大きく延びる。このときの延びの差分だけ受
圧面を圧電素子側へ引き寄せるので、熱膨張による軸力
の低減を防止できる。このため、センサの熱膨張による
圧力測定誤差を低減できる。
【0009】第2の発明における側壁構造とすることに
より、熱膨張率の小さい部分の延びは圧電素子・圧力伝
達部材の延びよりも小さくできる。従って、センサ筺体
全体の延びを圧電素子・圧力伝達部材の延びとほぼ等し
くできるため、センサの熱膨張による圧力測定誤差を低
減できる。
【0010】
【実施例】以下、図面を参照して第1の発明の圧電型圧
力センサの一実施例について説明する。
【0011】図2に第1の発明の実施例における圧電型
圧力センサの断面を示す。同図中22は金属からなるセ
ンサ筺体であり、このセンサ筐体22の一面にダイアフ
ラム状に加工された受圧面23を設けている。この受圧
面23は被測定領域、例えば内燃機関のシリンダ内に設
置されている。センサ筐体22の内部には絶縁材(例え
ばセラミック)で形成された圧力伝達部材24の一端が
受圧面23の裏面に接するように設けられ、他端には円
筒形の圧電素子25が設けられている。この円筒形の圧
電素子25の下方内周部分は圧力伝達部材24により保
持している。さらに圧電素子25の上端外周部分は上部
固定ネジ26によって押さえ付けられている。この上部
固定ネジ26の締め付け力によって圧電素子25,圧力
伝達部材24を受圧面23に押し付け、各部材の固定及
び圧電素子25への予備応力を印加している。センサ筺
体22はその先端に受圧面23を有する筺体a22a
と、上部固定ネジ26が取り付けられている筺体b22
bからなり、両者は筺体よりも熱膨張率の大きい材質の
熱膨張補正部27を抱き込むように介して接続してい
る。
【0012】図4に筺体側壁の熱膨張補正部の拡大断面
図を示す。図4(A)は常温時、図4(B)は高温時を
示している。A1,A2は筺体b22b上の点、B1,B2
は熱膨張補正部27の両端、C1,C2は筺体a22a上
の点をそれぞれ示している。
【0013】以下、本実施例の圧電型圧力センサの動作
について説明する。図1において、被測定領域の圧力が
受圧面23に加わると、その力は圧力伝達部材24を通
して圧電素子25の下方内周部分に伝えられる。一方、
圧電素子25の上方外周部分は上部固定ネジ26によっ
て押さえられているので、圧電素子25に剪断力が加え
られる。この剪断力に応じた電荷が圧電素子25に発生
し、圧力信号に変換される。センサ筺体が加熱される
と、熱膨張補正部27はセンサ筺体22の他の部分より
も熱膨張が大きいため、筺体a22aは筺体b22bに
対して上に引き寄せられる。従って、センサ筺体22の
延びによる圧電素子25への印加圧力の減少が発生せ
ず、熱膨張による圧力検出誤差を減少することができ
る。
【0014】次に、図4を用いてセンサ筺体が加熱され
た場合の筺体の動きを考える。常温下である図4(A)
ではA1〜A2,B1〜B2,1〜C2の距離はすべてLと
する。高温時ではA1,A2,B1,B2,C1,C2の位置
関係は図4(B)のようになり、各点の距離は下の式の
関係がある。
【0015】A1〜A2=L+dLA1〜B2=L+dLB1〜C2=L+dLC ここで筺体a22aと筺体b22bは同じ材質なので dLA=dLC E=dLB−dLA>0 となり、筺体a22aは筺体b22bに対して、Eだけ
上に引き上げられる。このEはセンサ筺体、熱膨張補正
部の材質によっても増減でき、また熱膨張補正部の長
さ、すなわちLの大きさでも調節が可能である。本実施
例の場合、圧電素子や圧力伝達部材はセラミックを用い
ているので、センサ筺体の材質よりも熱膨張が少ない。
そこで、センサ筺体全体の延びをEで補正することによ
り、センサ筺体の延びと圧電素子・圧力伝達部材の延び
を等しくでき、熱膨張による圧電素子への印加圧力変動
を防止できる。従って、熱膨張が急激に変化するエンジ
ンの過渡運転状態でも正確な圧力検出ができる。
【0016】次に、第2の発明の一実施例について説明
する。図3に第2の発明の実施例における圧電型圧力セ
ンサの断面を示す。センサ筺体32は金属で構成され、
先端に受圧面33を備えたセンサ筺体a32aと、上部
固定ネジ36が取り付けられているセンサ筺体b32b
を、熱膨張補正部37で繋いだ構造となっている。本実
施例では32aと37、32bと37の接続にはネジ止
めを用いた。この熱膨張補正部37はセラミック製であ
る圧電素子35や圧力伝達部材34より熱膨張率の小さ
い低膨張金属で作られている。センサ筺体a32a先端
の受圧面33は被測定領域(エンジンシリンダ内など)
に設置され、受圧面33裏面には圧力伝達部材34の一
端が接し、他端には円筒形圧電素子35が設けられてい
る。この円筒形の圧電素子25の下方内周部分は圧力伝
達部材24により保持している。さらに圧電素子25の
上端外周部分は上部固定ネジ26によって押さえ付けら
れている。
【0017】図5は図3におけるセンサ断面図の熱膨張
補正部の拡大図である。図4(A)は常温時、図4
(B)は高温時を示している。A1は圧電素子25上
端、A2は圧力伝達部材24下端、B1は受圧面33裏
面,B2はセンサ筺体a32a上の熱膨張補正部37と
の接続点、C1,C2は熱膨張補正部27上のセンサ筺体
32との接続点、D1はセンサ筺体b32b上の圧電素
子上端の位置、D2は筺体b22b上の熱膨張補正部3
7との接続点をそれぞれ示している。
【0018】以下、図5で本実施のセンサ筺体が加熱さ
れた場合の筺体の動き考える。常温下である図5(A)
では、A1〜A2の距離LAはB1〜B2の距離LBとC1
2の距離LCとD1〜D2の距離LDの合計に等しい。高
温下ではA1,A2,B1,B2,C1,C2,D1,D2の位
置関係は図5(B)のようになり、各点の距離及び関係
は下の式のようになる。
【0019】A1〜A2=LA+dLA1〜B2=LB+dLB1〜C2=LC+dLC1〜D2=LD+dLD で、熱膨張補正部37が低膨張金属で構成されているた
め dLA>>dLC となるので、 dLA=dLB+dLC+dLD とできる。この条件の成立はdLCを調節することで実
現でき、このdLCの調節はセンサ筺体32や熱膨張補
正部37の材質の組合せでもできるが、LCの大きさに
よって比較的容易にできる。この条件が成り立てば、 LA+dLA=(LB+dLB)+(LC+dLC)+(LD
+dLD) が成り立つ。センサ筺体32の熱膨張を圧電素子・圧力
伝達部材の熱膨張を等しくできるため、熱膨張による圧
電素子の印加応力変動を防止できる。従って、熱膨張が
急激に変化するエンジンの過渡運転状態でも正確な圧力
検出ができる。
【0020】尚、本実施例では受圧面に加わる圧力を剪
断力として圧電素子に伝えているが、圧縮力として圧電
素子に伝える方式にも応用できる。
【0021】
【発明の効果】以上のように、センサ筺体側壁部の一部
に他の部分より熱膨張率の大きい部分を設け、この部分
が熱膨張する事でセンサ筺体先端の受圧面を圧電素子側
へ引き寄せる構造をすることにより、熱膨張による予備
圧力変動を防止できるので、温度特性に優れた圧電型圧
力センサを実現できる。
【0022】また、センサ筺体側壁部の一部に圧電素子
や圧力伝達部材より熱膨張率の小さい部分を設け、セン
サ筺体全体の熱膨張を圧電素子と圧力伝達部材を合わせ
た熱膨張と等しくすることによっても、熱膨張による予
備圧力変動を防止できるので、温度特性に優れた圧電型
圧力センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来例における圧電型圧力センサの断面図
【図2】第1の発明の一実施例における圧電型圧力セン
サの断面図
【図3】第2の発明の一実施例における圧電型圧力セン
サの断面図
【図4】第1の発明の実施例におけるセンサ筺体側面の
拡大断面図
【図5】第2の発明の実施例におけるセンサ筺体側面の
拡大断面図
【符号の説明】
10 センサ取付ボルト 11 取付ネジ部 12 センサ筺体 13 受圧面 14 圧力伝達部材 15 圧電素子 16 上部固定ネジ 20 センサ取付ボルト 21 取付ネジ部 22 センサ筺体 22a センサ筺体a 22b センサ筺体b 23 受圧面 24 圧力伝達部材 25 圧電素子 26 上部固定ネジ 27 熱膨張補正部 28 固定ネジ 30 センサ取付ボルト 31 取付ネジ部 32 センサ筺体 32a センサ筺体a 32b センサ筺体b 33 受圧面 34 圧力伝達部材 35 圧電素子 36 上部固定ネジ 37 熱膨張補正部 38 固定ネジ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】受圧面を有し、側壁の一部に他の部分より
    熱膨張率の大きい部分を有する筺体と、前記筺体の内部
    に設けられかつ一端が前記受圧面の裏側の面に接する圧
    力伝達部材と、前記筺体の内部に設けられかつ前記圧力
    伝達部材の他端に設けられた圧電素子を有し、前記筺体
    の加熱時に前記熱膨張率の大きい部分が他の部分よりも
    大きく延びることにより前記圧電素子と前記受圧面との
    位置関係の変化を規制することを特徴とする圧電型圧力
    センサ。
  2. 【請求項2】受圧面を有し、側壁の一部に熱膨張率の小
    さい部分を有する筺体と、前記筺体の内部に設けられか
    つ一端が前記受圧面の裏側の面に接する圧力伝達部材
    と、前記筺体の内部に設けられかつ前記圧力伝達部材の
    他端に設けられた圧電素子を有し、前記筺体の加熱時に
    前記熱膨張率の小さい部分の延びが小さいことによる前
    記圧電素子と前記受圧面との位置関係の変化を規制する
    ことを特徴とする圧電型圧力センサ。
JP33317091A 1991-12-17 1991-12-17 圧電型圧力センサ Pending JPH05164643A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0745835A2 (de) * 1995-06-02 1996-12-04 AVL Gesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH.Prof.Dr.Dr.h.c. Hans List Ungekühlter Drucksensor
EP0855585A2 (en) * 1997-01-28 1998-07-29 Eaton Corporation Engine cylinder pressure sensor with thermal compensation element
JP2008513743A (ja) * 2004-09-22 2008-05-01 キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト 圧力センサ

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