JPH05164644A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力センサにおいて、圧力を長期に亘り高精
度に検出できると共に、温度補償機能を有する圧力セン
サをコンパクトに構成する。 【構成】 圧電体１６の下側に位置し、応力軸，分極
軸，信号軸がセンサ全体の応力軸に対して直交するよう
に配列された温度補償用圧電体２３をコンタクトプレー
ト１９と受圧ロッド１５との間に設け、圧電体１６と温
度補償用圧電体２３とを極性の向きが逆方向となる並列
接続とする。これにより、圧電体１６で圧縮歪により発
生する検出電圧に加重されて出力されるパイロ電気分
を、温度補償用圧電体２３で発生する逆極性のパイロ電
気で除去することができ、温度依存性を低減でき、圧力
を正確に検出する。

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、ケーシングと、該ケーシングの
先端側に設けられ、該ケーシングの先端側に外部から作
用する圧力に応じて軸方向に変位するダイヤフラムと、
該ダイヤフラムに当接するように、前記ケーシング内に
設けられた受圧ロッドと、該受圧ロッドを介して伝達さ
れる前記ダイヤフラム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６０−５３５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】図中、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１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に伝える
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
ジンへの燃料噴射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に伝達することにより、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。しかし、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器を生じ易く、
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の周囲温度を
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、温度依存性のない安定した検出信号を出力でき
るようにした圧力センサを提供することを目的としてい
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
シングの先端側に設けられ、該ケーシングの先端側に外
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、該ダイヤフラムに当接するように前記ケーシン
グ内に設けられた受圧ロッドと、該受圧ロッドを介して
伝達される前記ダイヤフラム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に
おいて、応力軸，分極軸および信号軸が軸方向に対して
直交するように揃えて配列された温度補償用圧電体を備
え、該温度補償用圧電体を前記圧電体の上，下方向のい
ずれか一方の近傍に設けたことにある。

【００１０】

【作用】上記構成により、温度補償用圧電体では軸方向
の変位に拘らず温度変化によるパイロ電気のみを検出
し、圧電体に発生する温度変化によるパイロ電気の電圧
分を打ち消すことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例による圧力センサを、
燃焼圧センサとして用いた場合を例に挙げ、図１ないし
図５に基づいて説明する。

【００１２】まず、第１の実施例を図１ないし図３に示
し説明する。

【００１３】図中、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１
１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、その上端側が上カバー１４によって施蓋され、
後述のコンタクトプレート１９、圧電体１６等を収容し
た大径筒部１２Ａと、該大径筒部１２Ａの下端側に一体
形成され、後述の受圧ロッド１５を収容した小径筒部１
２Ｂとから段付筒状に形成され、該小径筒部１２Ｂの下
端側にはダイヤフラム１３が一体的に設けられている。
そして、該ケーシング本体１２はダイヤフラム１３がエ
ンジン本体の燃焼室内に臨むようにして、エンジン本体
のシリンダヘッド（いずれも図示せず）に取付けられ
る。

【００１４】１３はケーシング本体１２の小径筒部１２
Ｂの下端側に一体形成された薄肉円板状のダイヤフラム
を示し、該ダイヤフラム１３は燃焼室内の圧力（燃焼
圧）を受圧すると、この圧力に応じて軸方向（上，下方
向）に撓み、受圧ロッド１５を軸方向に変位させるもの
である。

【００１５】１４はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ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内には後述のリード線２０が
上向きに伸長して設けられている。

【００１６】１５はケーシング本体１２の小径筒部１２
Ｂ内に位置して軸方向に変位可能に設けられたステンレ
ス等の導電性材料により段付棒状に形成された受圧ロッ
ドを示し、該受圧ロッド１５は、小径部１５Ａと、該小
径部１５Ａの先端側に形成され、ダイヤフラム１３の上
面側に当接する球面部１５Ｂと、前記小径部１５Ａの基
端側に形成された円錐部１５Ｃとから構成され、該円錐
部１５Ｃの端面は押圧面１５Ｄとなっている。そして、
該受圧ロッド１５は、燃焼圧によってダイヤフラム１３
が軸方向に撓むと、ケーシング本体１２内を軸方向に変
位し、このダイヤフラム１３の変位を、押圧面１５Ｄ，
後述する温度補償用圧電体２３，コンタクトプレート１
９のコンタクト部１９Ａおよび下側電極１７Ａを介して
押圧し、押圧力を後述の圧電体１６の軸方向に伝達す
る。

【００１７】１６はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に位置して、受圧ロッド１５の押圧面１５Ｄ上端側
に設けられ、チタン酸鉛等の圧電性材料により短尺の厚
肉円筒状に形成された圧電体を示し、該圧電体１６の下
面側および上面側には、それぞれ印刷手段等により円板
状のプラス側となる下側電極１７Ａおよびマイナス側と
なる上側電極１７Ｂが貼着されている。

【００１８】ここで、圧電体１６は応力軸が軸方向（図
１の下側から上側）となり、この応力軸に対して分極軸
および信号軸が逆方向（図１の上側から下側）となる圧
電体により構成され、受圧ロッド１５から変位により分
極軸方向に分極させ、上側電極１７Ｂから下側電極１７
Ａに向けて検出電圧を出力するものである。

【００１９】１８は前記圧電体１６の上側電極１７Ｂの
上面に当接して設けられた導電性のアッパープレートを
示し、該アッパープレート１８は、後述の止めねじ２１
によってコンタクトプレート１９，圧電体１６，温度補
償用圧電体２３等を押圧して固定するときに、該止めね
じ２１でコンタクトプレート１９，圧電体１６，温度補
償用圧電体２３等が損傷するのを防止すると共に、上側
電極１７Ｂを止めねじ２１およびケーシング本体１２を
介してアースするものである。

【００２０】１９は受圧ロッド１５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１９の下端側には円板状のコンタクト部１９Ａが形
成され、該コンタクト部１９Ａは温度補償用圧電体２３
のマイナス側電極２４Ａと前記圧電体１６の下側電極１
７Ａとの間に位置して挟持される。また、該コンタクト
プレート１９の上端側は上カバー１４の縮径部１４Ａ内
に伸長してリード線２０にカシメ固定されている。そし
て、該コンタクトプレート１９は圧電体１６の下側電極
１７Ａからの検出電圧をリード線２０を介してコントロ
ールユニットに導出する。

【００２１】２１はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に螺着され、先端部がアッパープレート１８の上面
側に当接した止めねじを示し、該止めねじ２１は、アッ
パープレート１８を介して圧電体１６を上側から所定の
加重で押圧して初期荷重を加えると共に、該圧電体１
６，温度補償用圧電体２３および受圧ロッド１５等をダ
イヤフラム１３との間に挟持して固定するものである。

【００２２】２２はコンタクトプレート１９の外周側に
設けられた絶縁チューブを示し、該絶縁チューブ２２
は、コンタクトプレート１９と止めねじ２１等との間を
絶縁している。

【００２３】２３は受圧ロッド１５と圧電体１６との間
に位置して設けられた温度補償用圧電体を示し、該温度
補償用圧電体２３は前記圧電体１６とほぼ同様に短尺の
厚肉筒状に形成され、該温度補償用圧電体２３には図２
および図３に示すように、上側の内周面と上端面の内周
側を覆うように断面略「Ｌ」字状に形成されたマイナス
側電極２４Ａと、下側の外周面と下端側の外周側を覆う
ように断面略「Ｌ」字状に形成されたプラス側電極２４
Ｂとが貼着されている。また、該温度補償用圧電体２３
は図３に示すように、応力軸Ｆ1 ，分極軸Ｐ1 および信
号軸Ｖ1 が同一の径方向外側を向くように形成された所
謂ｄ31の圧電体により構成され、受圧ロッド１５による
変位を受けた場合でも、検出電圧を出力せず、温度変化
によるパイロ電気のみをマイナス側電極２４Ａからプラ
ス側電極２４Ｂ（径方向内側から外側）に向けて出力す
るものである。

【００２４】そして、温度補償用圧電体２３のマイナス
側電極２４Ａはコンタクトプレート１９のコンタクト部
１９Ａを介して圧電体１６の下側電極１７Ａに接続さ
れ、プラス側電極２４Ｂは受圧ロッド１５の押圧面１５
Ｄ，ケーシング本体１２を介してアースに接続されてい
るから、前記各圧電体１６，２３は極性向きの異なる方
向を向いた並列接続になっている。

【００２５】なお、電極１７Ａ，１７Ｂ，２４Ａ，２４
Ｂは図面においては、厚みを有するように図示している
が、実際にはμｍ単位の厚さになる。

【００２６】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。

【００２７】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が軸方向に撓むと、受圧ロッド１５が軸方向に変位
し、この変位は押圧面１５Ｄおよび温度補償用圧電体２
３を介して圧電体１６に伝達され、該圧電体１６では、
圧縮歪が応力軸方向に発生し、分極軸方向に分極を生じ
させ、信号軸方向に起電圧を発生させる。そして、この
起電圧を圧電体１６の下側電極１７Ａからコンタクトプ
レート１９，リード線２０等を介してコントロールユニ
ット（図示せず）に出力する。

【００２８】一方、温度補償用圧電体２３は、センサ全
体の応力軸方向に対して直交する方向に応力軸Ｆ1 ，分
極軸Ｐ1 および信号軸Ｖ1 を有しているから、該温度補
償用圧電体２３では、温度変化によるパイロ電気のみを
信号軸Ｖ1 方向に検出し、圧電体１６に発生する検出電
圧の極性方向と逆の方向にパイロ電気による電圧を加え
ることになる。

【００２９】ところで、各圧電体１６，２３の温度変化
を考えると、圧電体１６においてもパイロ電気による電
圧はプラス側となる下側電極１７Ａから出力され、温度
補償用圧電体２３では前記圧電体１６の電圧の方向とは
逆の極性の電圧をコンタクトプレート１９のコンタクト
部１９Ａに出力することになるから、各圧電体１６，２
３に発生する各パイロ電気は打ち消し合うことになり、
温度変化による圧電体１６の検出誤差を防止することが
できる。

【００３０】かくして、本実施例によれば、温度補償用
圧電体２３を、応力軸，分極軸，信号軸が圧電体１６の
応力軸に対して直交するように配列された圧電体として
前記圧電体１６の下側に設けると共に、各圧電体１６，
２３の極性方向を異なる向きとなる並列接続としている
から、該圧電体１６で圧縮歪により発生する検出電圧に
加重されて出力されるパイロ電気分を温度補償用圧電体
２３で発生する逆極性のパイロ電気で除去することがで
き、温度依存性を低減でき、燃焼圧力を正確に検出する
ことができる。

【００３１】従って本実施例では、燃焼室内の燃焼圧を
長期に亘り高精度に検出できると共に、温度補正機能を
有する燃焼圧センサをコンパクトに構成できる。そし
て、従来技術で用いている温度センサや補正用の電子回
路等を不要にでき、コントロールユニットの回路構成を
簡略化できる等、種々の効果を奏する。

【００３２】次に、本発明の第２の実施例を図４および
図５に示し説明する。本実施例の特徴は、温度補償用圧
電体に設ける各電極の形状を上，下方向に折返し部を有
する形状にしたことにある。なお、前記第１の実施例と
同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略す
るものとする。

【００３３】図中、３１は本実施例による温度補償用圧
電体を示し、該黄土補償用圧電体３１は前記第１の実施
例で述べた温度補償用圧電体２３と同様にチタン酸鉛等
の圧電性材料により短尺の厚肉円筒状に形成され、該温
度補償用圧電体３１には図４および図５に示すように、
上部側の内周面に貼着されたマイナス側電極３２Ａと下
部側の外周面に貼着されたプラス側電極３２Ｂとがそれ
ぞれ設けられ、前記マイナス側電極３２Ａには温度補償
用圧電体３１の上面側に折返す折返し部３２Ａ1，３２
Ａ1が形成され、プラス側電極３２Ｂには温度補償用圧
電体３１の下面側に折返す折返し部３２Ｂ1，３２Ｂ1が
形成されている。また、該温度補償用圧電体３１は図５
に示すように、応力軸Ｆ1，分極軸Ｐ1および信号軸Ｖ1
が同一の径方向外側を向くように形成された所謂ｄ31の
圧電体により構成され、受圧ロッド１５による変位を受
けた場合でも、検出電圧を出力せず、温度変化によるパ
イロ電気のみをマイナス側電極３２Ａからプラス側電極
３２Ｂに向けて出力する。そして、各折返し部３２Ａ
1，３２Ｂ1を介して温度補償用圧電体３１はコンタクト
プレート１９のコンタクト部１９Ａと受圧ロッド１５の
押圧面１５Ｄに当接しているから、発生したパイロ電気
を圧電体１６に発生する検出電圧と逆の極性方向に出力
するようになる。

【００３４】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、その作動は前述した第１の実施例
とほぼ同様である。

【００３５】かくして、本実施例においても、前記第１
の実施例と同様に、圧電体１６で圧縮歪により発生する
検出電圧に加重されて出力されるパイロ電気分を温度補
償用圧電体３１で発生する逆極性のパイロ電気で除去す
ることができ、温度依存性を低減でき、燃焼圧力を正確
に検出することができる。さらに、各折返し部３２Ａ
1，３２Ｂ1により電気信号を出力するようにしているか
ら、前記第１の実施例よりも簡単な形状で受圧ロッド１
５の変位の圧電体１６への伝達を損なうことなく行なう
ことができる。

【００３６】なお、前記各実施例では、温度補償用圧電
体２３（３１）を圧電体１６の下側にコンタクトプレー
ト１９のコンタクト部１９Ａと受圧ロッド１５との間に
設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、温度補償
用圧電体３１を圧電体１６とアッパープレート１８との
間に設け、コンタクト部１９Ａと受圧ロッド１５の押圧
面１５Ｄとを絶縁するようにしてもよく、一方圧電体１
６と温度補償用圧電体２３（３１）とをコンタクトプレ
ート１９と受圧ロッド１５との間に設け、コンタクトプ
レート１９と止めねじ２１とを絶縁させるようにしても
よい。そして、これらの場合には、圧電体１６と温度補
償用圧電体２３（３１）は電気的に直列接続となる。

【００３７】また、前記実施例では、圧力センサを燃焼
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。一方、車両のノッキングを検出するノ
ッキングセンサとして用いてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明による圧力セ
ンサによれば、応力軸，分極軸および信号軸が軸方向に
対して直交するように揃えて配列された温度補償用圧電
体を、圧電体の上，下方向のいずれか一方の近傍に設け
ることにより、圧電体で受圧ロッドによる変位を歪圧縮
に対応した電圧信号として出力し、温度補償用圧電体で
温度変化によるパイロ電気を圧電体の電圧信号とは逆方
向に出力させるから、圧電体ではパイロ電気の影響を除
去して圧力の変位に応じた電気信号のみを外部に出力
し、圧力の高精度検出を行なうことができる。

【００３９】従って、温度補償機能を有する圧力センサ
をコンパクトに形成することができ、従来技術のように
温度センサを圧力センサ内に設ける必要もなく、温度補
償を行なう外部の温度補償用回路も不必要になり、コス
ト低減を大幅に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１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に示す温度補償用圧電体の拡大斜視図であ
る。

【図３】図２中の矢示III −III 方向からみた温度補償
用圧電体の縦断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例による温度補償用圧電体
の拡大斜視図である。

【図５】図４中の矢示V −V 方向からみた温度補償用圧
電体の縦断面図である。

【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 ダイヤフラム １５ 受圧ロッド １６ 圧電体 １７Ａ 上側電極 １７Ｂ 下側電極 ２３，３１ 温度補償用圧電体 ２４Ａ，３２Ａ マイナス側電極 ２４Ｂ，３２Ｂ プラス側電極 Ｆ1 応力軸 Ｖ1 信号軸 Ｐ1 分極軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングと、該ケーシングの先端側に
   設けられ、該ケーシングの先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、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た
   受圧ロッドと、該受圧ロッドを介して伝達される前記ダ
   イヤフラム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において、応力軸，
   分極軸および信号軸が軸方向に対して直交するように揃
   えて配列された温度補償用圧電体を備え、該温度補償用
   圧電体を前記圧電体の上，下方向のいずれか一方の近傍
   に設けたことを特徴とする圧力センサ。