JPH05172680A - 圧力センサ - Google Patents
圧力センサInfo
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- JPH05172680A JPH05172680A JP3356920A JP35692091A JPH05172680A JP H05172680 A JPH05172680 A JP H05172680A JP 3356920 A JP3356920 A JP 3356920A JP 35692091 A JP35692091 A JP 35692091A JP H05172680 A JPH05172680 A JP H05172680A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/008—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
- G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
- G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 圧力センサの主体金具１の内部に装着される
圧電素子７を、耐熱性、耐久性、焦電性および発生電荷
と印加圧力との直線相関性が良好なものとすること。 【構成】 圧電素子７としてニオブ酸リチウムの単結晶
圧電材料を用い、その組付状態で５ＭＰａ以上の予圧を
施したものである。またこのニオブ酸リチウムの単結晶
圧電材料としては分極方向のＺ軸成分が２０°以下のも
のを用いた。
圧電素子７を、耐熱性、耐久性、焦電性および発生電荷
と印加圧力との直線相関性が良好なものとすること。 【構成】 圧電素子７としてニオブ酸リチウムの単結晶
圧電材料を用い、その組付状態で５ＭＰａ以上の予圧を
施したものである。またこのニオブ酸リチウムの単結晶
圧電材料としては分極方向のＺ軸成分が２０°以下のも
のを用いた。
Description
【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。
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。また前記圧電素子として
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。
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。また前記圧電素子として
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（1000℃）中に曝されるため、セラミッ
ク系の圧電素子にあっては、そのキュリー点がチタン酸
ジルコン酸鉛系では約 250℃、チタン酸鉛系では約 350
℃と前記燃焼温度よりも低く、いずれもそのままでは、
素子部はかなりの高温（ 400℃前後）となり、このため
消極等により圧電特性が劣化し、使用に耐え得ない。そ
こで通常、圧電素子を適温に維持する冷却手段を付加し
たうえで使用している。このため構造が複雑、大型化
し、価格も高騰するという欠点があった。また高温度ほ
ど発生電荷が大きくなるという圧電素子が有する温度依
存性、さらには焦電特性によりシリンダ内の圧力が正確
に検出できない等の問題があった。
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（1000℃）中に曝されるため、セラミッ
ク系の圧電素子にあっては、そのキュリー点がチタン酸
ジルコン酸鉛系では約 250℃、チタン酸鉛系では約 350
℃と前記燃焼温度よりも低く、いずれもそのままでは、
素子部はかなりの高温（ 400℃前後）となり、このため
消極等により圧電特性が劣化し、使用に耐え得ない。そ
こで通常、圧電素子を適温に維持する冷却手段を付加し
たうえで使用している。このため構造が複雑、大型化
し、価格も高騰するという欠点があった。また高温度ほ
ど発生電荷が大きくなるという圧電素子が有する温度依
存性、さらには焦電特性によりシリンダ内の圧力が正確
に検出できない等の問題があった。
【０００４】一方、かかる欠点を解決するため、前記セ
ラミック系の圧電材料に代え、温度依存性及び焦電特性
の無いＳｉＯ2 単結晶もしくはこれら単結晶と同効の単
結晶圧電材料を用いることが考えられるが、これら単結
晶材料はセラミック系の圧電材料に比し発生電荷量が小
さいために、点火プラグでのノイズ、また電波等のノイ
ズ等による影響を受け易く、Ｓ／Ｎ比が悪くなるという
問題がある。
ラミック系の圧電材料に代え、温度依存性及び焦電特性
の無いＳｉＯ2 単結晶もしくはこれら単結晶と同効の単
結晶圧電材料を用いることが考えられるが、これら単結
晶材料はセラミック系の圧電材料に比し発生電荷量が小
さいために、点火プラグでのノイズ、また電波等のノイ
ズ等による影響を受け易く、Ｓ／Ｎ比が悪くなるという
問題がある。
【０００５】そこで、特願平３−１２５４１４号にて、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）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
単結晶圧電材料からなる円形または角形の板状圧電素子
を用いたものを提案した。しかしながら発生電荷と印加
圧力とは比例関係となるはずであるが、その検出値をみ
ると必ずしも比例関係とならず直線性に少し問題があ
り、検出誤差を生じていた。本発明はかかる従来構成の
問題点を除去することを目的とするものである。
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）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
単結晶圧電材料からなる円形または角形の板状圧電素子
を用いたものを提案した。しかしながら発生電荷と印加
圧力とは比例関係となるはずであるが、その検出値をみ
ると必ずしも比例関係とならず直線性に少し問題があ
り、検出誤差を生じていた。本発明はかかる従来構成の
問題点を除去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、前記圧電素子としてニオブ酸リチウムの単結晶圧電
材料を用い、その組付状態で５ＭＰａ以上の予圧を施し
たものである。尚、このニオブ酸リチウムの単結晶圧電
材料としては分極方向のＺ軸成分が２０°以下のものを
用いることが望ましい。
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、前記圧電素子としてニオブ酸リチウムの単結晶圧電
材料を用い、その組付状態で５ＭＰａ以上の予圧を施し
たものである。尚、このニオブ酸リチウムの単結晶圧電
材料としては分極方向のＺ軸成分が２０°以下のものを
用いることが望ましい。
【０００７】
【作用】ＬｉＮｂＯ3 のキュリー点は約1200℃と高い。
従ってかかる単結晶圧電材料からなる圧電素子は、耐熱
性に優れ、圧電特性が劣化するようなことがない。そし
てこれを５ＭＰａ以上の加圧状態で組み付けることによ
り、圧力に対する発生電荷は直進性を有することとな
る。これは５ＭＰａ以上の予圧が印加されることによ
り、素子面と圧力面との密着性が向上することによるも
のと考えられる。またこの圧力印加により、素子面精度
が緩和され、成形が容易となる。さらにシリンダ内の吸
入負荷時に対しても、圧電素子と電極板との接触を確保
することができる。
従ってかかる単結晶圧電材料からなる圧電素子は、耐熱
性に優れ、圧電特性が劣化するようなことがない。そし
てこれを５ＭＰａ以上の加圧状態で組み付けることによ
り、圧力に対する発生電荷は直進性を有することとな
る。これは５ＭＰａ以上の予圧が印加されることによ
り、素子面と圧力面との密着性が向上することによるも
のと考えられる。またこの圧力印加により、素子面精度
が緩和され、成形が容易となる。さらにシリンダ内の吸
入負荷時に対しても、圧電素子と電極板との接触を確保
することができる。
【０００８】
【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，４ｃと、上端部１ｂ
側を貫通する径大孔４ｄとが連続して構成される。前記
異径孔４ａ，４ｂ，４ｃのうち、径中側の孔４ｂには、
その径小側の孔４ａに近いほうから金属板５、第１の端
子部材６、表裏面に電極７ａ，７ｂが付与された圧電素
子７，第２の端子部材８，電気絶縁環９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１０によ
り主体金具１と絶縁している。また前記第２の端子部材
８の上面からは後記する信号搬送用ケーブル１６と接続
する接続手８ａが、絶縁環９を挿通して突設している。
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，４ｃと、上端部１ｂ
側を貫通する径大孔４ｄとが連続して構成される。前記
異径孔４ａ，４ｂ，４ｃのうち、径中側の孔４ｂには、
その径小側の孔４ａに近いほうから金属板５、第１の端
子部材６、表裏面に電極７ａ，７ｂが付与された圧電素
子７，第２の端子部材８，電気絶縁環９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１０によ
り主体金具１と絶縁している。また前記第２の端子部材
８の上面からは後記する信号搬送用ケーブル１６と接続
する接続手８ａが、絶縁環９を挿通して突設している。
【０００９】更に前記径小側の孔４ａには圧力伝達棒１
１が挿入され、その一端を金属板５に圧接し、他端は主
体金具１の下端部１ａの端面を気密に封口するように接
合された金属製ダイアフラム１２に接着している。この
金属ダイアフラム１２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。さらに主体金具１の孔４ａ，４ｂの段差部分と圧力
伝達棒１１との間にバネリング１３を設け、このバネリ
ング１３により構成体の熱膨張差及び熱伝達の差から生
ずる歪、また雄螺子部での締付けトルクによる伸び等か
ら生ずる応力を吸収している。
１が挿入され、その一端を金属板５に圧接し、他端は主
体金具１の下端部１ａの端面を気密に封口するように接
合された金属製ダイアフラム１２に接着している。この
金属ダイアフラム１２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。さらに主体金具１の孔４ａ，４ｂの段差部分と圧力
伝達棒１１との間にバネリング１３を設け、このバネリ
ング１３により構成体の熱膨張差及び熱伝達の差から生
ずる歪、また雄螺子部での締付けトルクによる伸び等か
ら生ずる応力を吸収している。
【００１０】前記六角部３側の径大孔４ｄの内面には、
段座４ｄ’が形成され、これに座定する鍔１４ａを備え
た金属スリーブ１４が嵌合され、さらにシール部材１５
ａと電気接触部材１５ｂ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。
段座４ｄ’が形成され、これに座定する鍔１４ａを備え
た金属スリーブ１４が嵌合され、さらにシール部材１５
ａと電気接触部材１５ｂ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。
【００１１】前記金属スリーブ１４の内部には信号搬送
用ケーブル１６の一端が挿通固定され、該ケーブル１６
より裸出した芯線１６ａが絶縁被覆した中継用導線１７
を介して第２の端子部材８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２の端子部材８と中継
用導線１７を通してケーブル１６の芯線１６ａに接続さ
れ、他方の電極は第１の端子部材６と金属板５と伝達棒
１１を通して主体金具１に接地接続されている。
用ケーブル１６の一端が挿通固定され、該ケーブル１６
より裸出した芯線１６ａが絶縁被覆した中継用導線１７
を介して第２の端子部材８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２の端子部材８と中継
用導線１７を通してケーブル１６の芯線１６ａに接続さ
れ、他方の電極は第１の端子部材６と金属板５と伝達棒
１１を通して主体金具１に接地接続されている。
【００１２】ここまでの構成は、従来公知であるが、本
発明の構成上の特徴とするところは、第１の端子部材６
と第２の端子部材８との間に配された圧電素子７に、ニ
オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）からなる円形（図２参
照）または角形（図３参照）の板状圧電素子を用い、押
えネジ１８にて素子７への加圧を５ＭＰａ以上としたと
ころにある。
発明の構成上の特徴とするところは、第１の端子部材６
と第２の端子部材８との間に配された圧電素子７に、ニ
オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）からなる円形（図２参
照）または角形（図３参照）の板状圧電素子を用い、押
えネジ１８にて素子７への加圧を５ＭＰａ以上としたと
ころにある。
【００１３】尚、単結晶よりなる圧電素子７は、円形板
でもよいが、経済性、量産性の面から図３に示すような
角形板の方が望ましく、この場合、図４に示すように一
枚の大きな単結晶基板ｓに格子状の切断線ｔを施すこと
により、多数の圧電素子７，７…を一度に、無駄なく製
作できる。またその厚みは0.3mm 〜 1.5mmの外形寸法を
有するものであることが望ましい。すなわち、これら単
結晶材料は、機械的強度に乏しく、通常の切断方法例え
ばダイヤモンドカッター、超音波カッター、レーザービ
ーム等にて破損することがあるが、その厚を0.3mm 〜1.
5mm に限定することによりかかる問題が解決される。こ
こで1.5mm を越えると切断時の熱衝撃により割れが発生
するおそれがある。従って好ましくは1.0mm 以下が良
い。ただし、0.3mm 未満では切断時の機械的衝撃に問題
がある。さらにこのような圧力センサーにおいては、受
圧面の精度、平行度が必要で、通常、表面研磨を実施す
ることが多く、この点から0.3mm 以上が望ましい。
でもよいが、経済性、量産性の面から図３に示すような
角形板の方が望ましく、この場合、図４に示すように一
枚の大きな単結晶基板ｓに格子状の切断線ｔを施すこと
により、多数の圧電素子７，７…を一度に、無駄なく製
作できる。またその厚みは0.3mm 〜 1.5mmの外形寸法を
有するものであることが望ましい。すなわち、これら単
結晶材料は、機械的強度に乏しく、通常の切断方法例え
ばダイヤモンドカッター、超音波カッター、レーザービ
ーム等にて破損することがあるが、その厚を0.3mm 〜1.
5mm に限定することによりかかる問題が解決される。こ
こで1.5mm を越えると切断時の熱衝撃により割れが発生
するおそれがある。従って好ましくは1.0mm 以下が良
い。ただし、0.3mm 未満では切断時の機械的衝撃に問題
がある。さらにこのような圧力センサーにおいては、受
圧面の精度、平行度が必要で、通常、表面研磨を実施す
ることが多く、この点から0.3mm 以上が望ましい。
【００１４】さらに圧電素子７の表裏面に被着する電極
７ａ，７ｂは、メッキ、蒸着等によって形成することが
できるが、圧電素子との密着性を高める点から、ニッケ
ル、銀等の金属を有機溶剤中に分散してなる有機金属イ
ンクを用い、これを印刷により形成、焼き付けたものが
良く、この場合、前記有機金属インクを印刷後、第１、
第２の端子部材６，８を積層したうえで一体に焼き付け
ることによって、圧電素子と電極との間、電極と端子部
材との間の密着性が高くなり、使用中の接触不良を確実
に防止する利点がある。
７ａ，７ｂは、メッキ、蒸着等によって形成することが
できるが、圧電素子との密着性を高める点から、ニッケ
ル、銀等の金属を有機溶剤中に分散してなる有機金属イ
ンクを用い、これを印刷により形成、焼き付けたものが
良く、この場合、前記有機金属インクを印刷後、第１、
第２の端子部材６，８を積層したうえで一体に焼き付け
ることによって、圧電素子と電極との間、電極と端子部
材との間の密着性が高くなり、使用中の接触不良を確実
に防止する利点がある。
【００１５】次に、圧電素子７としてニオブ酸リチウム
単結晶を用いたものにあって、その焦電特性を次の手段
により確認した。リオブ酸リチウム単結晶の各種の角度
のカット品を試料とし、これを 0℃の水が入ったタンク
と、 150℃のシリコンオイルが入ったタンクとに交互に
浸漬して焦電特性をテストした。その結果は図５の如く
であった。ここでｘは、素子寸法がφ６×０．５ｔの外
径寸法としたものを、ｙはφ４×０．７ｔの外径寸法と
したものを示す。そして縦軸は温度変化によって発生す
る電荷を示し、横軸はＺ軸成分の角度θを示す。ここで
Ｚ軸成分の角度θは図６で示すように規定され、分極軸
の面方向（Ｘ，Ｙ方向）からの厚み方向（Ｚ方向）への
偏位角をいう。すなわち、θ＝９０°とは厚み方向と同
一方向で分極されているものをいい、θ＝０°とは、面
方向に分極されているものをいう。
単結晶を用いたものにあって、その焦電特性を次の手段
により確認した。リオブ酸リチウム単結晶の各種の角度
のカット品を試料とし、これを 0℃の水が入ったタンク
と、 150℃のシリコンオイルが入ったタンクとに交互に
浸漬して焦電特性をテストした。その結果は図５の如く
であった。ここでｘは、素子寸法がφ６×０．５ｔの外
径寸法としたものを、ｙはφ４×０．７ｔの外径寸法と
したものを示す。そして縦軸は温度変化によって発生す
る電荷を示し、横軸はＺ軸成分の角度θを示す。ここで
Ｚ軸成分の角度θは図６で示すように規定され、分極軸
の面方向（Ｘ，Ｙ方向）からの厚み方向（Ｚ方向）への
偏位角をいう。すなわち、θ＝９０°とは厚み方向と同
一方向で分極されているものをいい、θ＝０°とは、面
方向に分極されているものをいう。
【００１６】この結果からＺ軸成分が少ない方が良好で
あることが解った。また圧力感度１０気圧相当以下にす
るためにはＺ軸成分の角度θが２０°以下が良好であ
り、５気圧相当以下の１０°以下がさらに良好で、回路
上での濾波も容易となった。またこれらのカットにあっ
ては、圧電特性も充分であった。特にＺ方向の無い（θ
＝０）試料については、焦電が殆どみられず、非常に良
好であった。そして、Ｚ方向の無い（θ＝０）試料にあ
って、Ｘカット，Ｙカット品について夫々作成し検討し
てみたところ、ＹカットのものはＸカットのものに比
べ、圧電特性も良好で、他のカットと殆ど同等であり、
さらには機械的強度においても良好な結果を得た。
あることが解った。また圧力感度１０気圧相当以下にす
るためにはＺ軸成分の角度θが２０°以下が良好であ
り、５気圧相当以下の１０°以下がさらに良好で、回路
上での濾波も容易となった。またこれらのカットにあっ
ては、圧電特性も充分であった。特にＺ方向の無い（θ
＝０）試料については、焦電が殆どみられず、非常に良
好であった。そして、Ｚ方向の無い（θ＝０）試料にあ
って、Ｘカット，Ｙカット品について夫々作成し検討し
てみたところ、ＹカットのものはＸカットのものに比
べ、圧電特性も良好で、他のカットと殆ど同等であり、
さらには機械的強度においても良好な結果を得た。
【００１７】これらの結果から、圧力センサＳとして
は、ニオブ酸リチウムのＹカット品を用い、超音波カッ
トによりφ５×０．５ｔの外径寸法として前述の組み付
を実施した。またダイヤフラムの内外径もφ７／φ９と
し、ダイヤフラムの肉厚は０．１５ｍｍとした。そし
て、さらに本発明の要旨にかかる圧電素子７への予圧印
加による影響を調べるため、押えネジ１４での加圧を１
ＭＰａ、５ＭＰａ、１０ＭＰａ、５０ＭＰａにて夫々組
み付けて複数の試料を作成した。そしてかかる構成の圧
力センサを総排気量２０００ｃｃのエンジンに取付け、
シリンダ内圧力の変化に対する発生電荷を調べた。
は、ニオブ酸リチウムのＹカット品を用い、超音波カッ
トによりφ５×０．５ｔの外径寸法として前述の組み付
を実施した。またダイヤフラムの内外径もφ７／φ９と
し、ダイヤフラムの肉厚は０．１５ｍｍとした。そし
て、さらに本発明の要旨にかかる圧電素子７への予圧印
加による影響を調べるため、押えネジ１４での加圧を１
ＭＰａ、５ＭＰａ、１０ＭＰａ、５０ＭＰａにて夫々組
み付けて複数の試料を作成した。そしてかかる構成の圧
力センサを総排気量２０００ｃｃのエンジンに取付け、
シリンダ内圧力の変化に対する発生電荷を調べた。
【００１８】この結果、図７のように１ＭＰａの予圧を
かけた試料にあっては、やや直線性に欠け、発生電荷と
印加圧力とが正確な一次関数の関係にならず、検出誤差
を生じ易いことが認められた。また、５ＭＰａとしたも
のについては２ＭＰａで若干の非直線性が認められた
が、実質上問題はない程度であった。さらに１０ＭＰ
ａ、５０ＭＰａとしてものは、良好な直線性が認められ
た。
かけた試料にあっては、やや直線性に欠け、発生電荷と
印加圧力とが正確な一次関数の関係にならず、検出誤差
を生じ易いことが認められた。また、５ＭＰａとしたも
のについては２ＭＰａで若干の非直線性が認められた
が、実質上問題はない程度であった。さらに１０ＭＰ
ａ、５０ＭＰａとしてものは、良好な直線性が認められ
た。
【００１９】
【発明の効果】本発明の圧力センサは、以上の通りであ
って、主体金具の内部に装着される圧電素子に、シリン
ダ中の燃焼温度よりも高いキュリー点を有するＬｉＮｂ
Ｏ3 の単結晶圧電材料を用いたから、従来のように冷却
手段によって圧電素子を冷却する必要は全くない。また
圧電素子への加圧を５ＭＰａ以上とすることによって、
発生電荷と印加圧力との直線相関性を改善したから、検
出誤差を著減し得る。さらには分極方向のＺ軸成分が２
０°以下とすることで焦電特性をも有しない。従って、
本発明は信頼性または焦電性に優れ、小型、安価な圧力
センサを市場に供し得る優れた効果がある。
って、主体金具の内部に装着される圧電素子に、シリン
ダ中の燃焼温度よりも高いキュリー点を有するＬｉＮｂ
Ｏ3 の単結晶圧電材料を用いたから、従来のように冷却
手段によって圧電素子を冷却する必要は全くない。また
圧電素子への加圧を５ＭＰａ以上とすることによって、
発生電荷と印加圧力との直線相関性を改善したから、検
出誤差を著減し得る。さらには分極方向のＺ軸成分が２
０°以下とすることで焦電特性をも有しない。従って、
本発明は信頼性または焦電性に優れ、小型、安価な圧力
センサを市場に供し得る優れた効果がある。
【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。
図である。
【図２】圧電素子７を円形に作成したものの斜視図であ
る。
る。
【図３】圧電素子７を角形に作成したものの斜視図であ
る。
る。
【図４】圧電素子７の切り出し手段を示す斜視図であ
る。
る。
【図５】ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角度のカット
品の焦電効果による影響を示すグラフである。
品の焦電効果による影響を示すグラフである。
【図６】Ｚ軸成分の角度θの概念を示す座標である。
【図７】シリンダ内圧力と発生電荷との関係を示すグラ
フである。
フである。
１ 主体金具 ７ 圧電素子 １１ 圧力伝達棒
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１２月２１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【作用】ＬｉＮｂＯ3 のキュリー点は約1200℃と高い。
従ってかかる単結晶圧電材料からなる圧電素子は、耐熱
性に優れ、圧電特性が劣化するようなことがない。そし
てこれを５ＭＰａ以上の加圧状態で組み付けることによ
り、圧力に対する発生電荷は直線性を有することとな
る。これは５ＭＰａ以上の予圧が印加されることによ
り、素子面と圧力面との密着性が向上することによるも
のと考えられる。またこの圧力印加により、素子面精度
が緩和され、成形が容易となる。さらにシリンダ内の吸
入負荷時に対しても、圧電素子と電極板との接触を確保
することができる。
従ってかかる単結晶圧電材料からなる圧電素子は、耐熱
性に優れ、圧電特性が劣化するようなことがない。そし
てこれを５ＭＰａ以上の加圧状態で組み付けることによ
り、圧力に対する発生電荷は直線性を有することとな
る。これは５ＭＰａ以上の予圧が印加されることによ
り、素子面と圧力面との密着性が向上することによるも
のと考えられる。またこの圧力印加により、素子面精度
が緩和され、成形が容易となる。さらにシリンダ内の吸
入負荷時に対しても、圧電素子と電極板との接触を確保
することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】前記六角部３側の径大孔４ｄの内面には、
段座４ｄ’が形成され、これに座定する鍔１４ａを備え
た金属スリーブ１４が嵌合され、さらにシール部材１５
ｂと電気接触部材１５ａ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。
段座４ｄ’が形成され、これに座定する鍔１４ａを備え
た金属スリーブ１４が嵌合され、さらにシール部材１５
ｂと電気接触部材１５ａ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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１５】次に、圧電素子７としてニオブ酸リチウム
単結晶を用いたものにあって、その焦電特性を次の手段
により確認した。ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角度
のカット品を試料とし、これを 0℃の水が入ったタンク
と、 150℃のシリコンオイルが入ったタンクとに交互に
浸漬して焦電特性をテストした。その結果は図５の如く
であった。ここでｘは、素子寸法がφ６×０．５ｔの外
径寸法としたものを、ｙはφ４×０．７ｔの外径寸法と
したものを示す。そして縦軸は温度変化によって発生す
る電荷を示し、横軸はＺ軸成分の角度θを示す。ここで
Ｚ軸成分の角度θは図６で示すように規定され、分極軸
の面方向（Ｘ，Ｙ方向）からの厚み方向（Ｚ方向）への
偏位角をいう。すなわち、θ＝９０°とは厚み方向と同
一方向で分極されているものをいい、θ＝０°とは、面
方向に分極されているものをいう。
単結晶を用いたものにあって、その焦電特性を次の手段
により確認した。ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角度
のカット品を試料とし、これを 0℃の水が入ったタンク
と、 150℃のシリコンオイルが入ったタンクとに交互に
浸漬して焦電特性をテストした。その結果は図５の如く
であった。ここでｘは、素子寸法がφ６×０．５ｔの外
径寸法としたものを、ｙはφ４×０．７ｔの外径寸法と
したものを示す。そして縦軸は温度変化によって発生す
る電荷を示し、横軸はＺ軸成分の角度θを示す。ここで
Ｚ軸成分の角度θは図６で示すように規定され、分極軸
の面方向（Ｘ，Ｙ方向）からの厚み方向（Ｚ方向）への
偏位角をいう。すなわち、θ＝９０°とは厚み方向と同
一方向で分極されているものをいい、θ＝０°とは、面
方向に分極されているものをいう。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図７】 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１２月２２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】
【従来の技術】内燃機関のシリンダーヘッドに設けられ
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。また前記圧電素子として一
般に、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等のセラミッ
ク材料よりなる厚電素子が用いられている。
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。また前記圧電素子として一
般に、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等のセラミッ
ク材料よりなる厚電素子が用いられている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００４】一方、かかる欠点を解決するため、前記セ
ラミック系の圧電材料に代え、温度依存性及び焦電特性
の無いＳｉＯ2 単結晶を用いることが考えられるが、Ｓ
ｉＯ2 単結晶材料はセラミック系の圧電材料に比し発生
電荷量が小さいために、点火プラグでのノイズ、また電
波等のノイズ等による影響を受け易く、Ｓ／Ｎ比が悪く
なるという問題がある。
ラミック系の圧電材料に代え、温度依存性及び焦電特性
の無いＳｉＯ2 単結晶を用いることが考えられるが、Ｓ
ｉＯ2 単結晶材料はセラミック系の圧電材料に比し発生
電荷量が小さいために、点火プラグでのノイズ、また電
波等のノイズ等による影響を受け易く、Ｓ／Ｎ比が悪く
なるという問題がある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【作用】ＬｉＮｂＯ3 のキュリー点は約1200℃と高い。
従ってかかる単結晶からなる圧電素子は、耐熱性に優
れ、圧電特性が劣化するようなことがない。そしてこれ
を５ＭＰａ以上の加圧状態で組み付けることにより、圧
力に対する発生電荷は直線性を有することとなる。これ
は５ＭＰａ以上の予圧が印加されることにより、素子面
と圧力面との密着性が向上することによるものと考えら
れる。またこの圧力印加により、素子面精度が緩和さ
れ、成形が容易となる。さらにシリンダ内の吸入負荷時
に対しても、圧電素子と電極板との接触を確保すること
ができる。
従ってかかる単結晶からなる圧電素子は、耐熱性に優
れ、圧電特性が劣化するようなことがない。そしてこれ
を５ＭＰａ以上の加圧状態で組み付けることにより、圧
力に対する発生電荷は直線性を有することとなる。これ
は５ＭＰａ以上の予圧が印加されることにより、素子面
と圧力面との密着性が向上することによるものと考えら
れる。またこの圧力印加により、素子面精度が緩和さ
れ、成形が容易となる。さらにシリンダ内の吸入負荷時
に対しても、圧電素子と電極板との接触を確保すること
ができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示し、１は下端部
１ａ外周にシリンダヘッドに螺合する雄螺子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１ａ
側を貫通する異径孔４ａ，４ｂ，４ｃと、上端部１ｂ側
を貫通する径大孔４ｄとが連続して構成される。前記異
径孔４ａ，４ｂ，４ｃのうち、径中側の孔４ｂには、そ
の径小側の孔４ａに近いほうから金属板５、第１の端子
部材６、表裏面に電極７ａ，７ｂが付与された圧電素子
７，第２の端子部材８，電気絶縁環９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１０により
主体金具１と絶縁している。また前記第２の端子部材８
の上面からは後記する信号搬送用ケーブル１６と接続す
る接続手８ａが、絶縁環９を挿通して突設している。
１ａ外周にシリンダヘッドに螺合する雄螺子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１ａ
側を貫通する異径孔４ａ，４ｂ，４ｃと、上端部１ｂ側
を貫通する径大孔４ｄとが連続して構成される。前記異
径孔４ａ，４ｂ，４ｃのうち、径中側の孔４ｂには、そ
の径小側の孔４ａに近いほうから金属板５、第１の端子
部材６、表裏面に電極７ａ，７ｂが付与された圧電素子
７，第２の端子部材８，電気絶縁環９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１０により
主体金具１と絶縁している。また前記第２の端子部材８
の上面からは後記する信号搬送用ケーブル１６と接続す
る接続手８ａが、絶縁環９を挿通して突設している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】前記金属スリーブ１４の内部には信号搬送
用ケーブル１６の一端が挿通固定され、該ケーブル１６
より裸出した芯線１６ａが絶縁被覆した中継用導線１７
を介して第２の端子部材８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２の端子部材８と中継
用導線１７を通してケーブル１６の芯線１６ａに接続さ
れ、他方の電極は第１の端子部材６と金属板５と伝達棒
１１とダイアフラム１２を通して主体金具１に接地接続
されている。
用ケーブル１６の一端が挿通固定され、該ケーブル１６
より裸出した芯線１６ａが絶縁被覆した中継用導線１７
を介して第２の端子部材８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２の端子部材８と中継
用導線１７を通してケーブル１６の芯線１６ａに接続さ
れ、他方の電極は第１の端子部材６と金属板５と伝達棒
１１とダイアフラム１２を通して主体金具１に接地接続
されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】
【発明の効果】本発明の圧力センサは、以上の通りであ
って、主体金具の内部に装着される圧電素子に、シリン
ダ中の燃焼温度よりも高いキュリー点を有するＬｉＮｂ
Ｏ3 の単結晶圧電材料を用いたから、従来のように冷却
手段によって圧電素子を冷却する必要は全くない。また
圧電素子への加圧を５ＭＰａ以上とすることによって、
発生電荷と印加圧力との直線相関性を改善したから、検
出誤差を著減し得る。さらには分極方向のＺ軸成分が２
０°以下とすることで焦電特性をも小さくなる。従っ
て、本発明は信頼性または焦電性に優れ、小型、安価な
圧力センサを市場に供し得る優れた効果がある。
って、主体金具の内部に装着される圧電素子に、シリン
ダ中の燃焼温度よりも高いキュリー点を有するＬｉＮｂ
Ｏ3 の単結晶圧電材料を用いたから、従来のように冷却
手段によって圧電素子を冷却する必要は全くない。また
圧電素子への加圧を５ＭＰａ以上とすることによって、
発生電荷と印加圧力との直線相関性を改善したから、検
出誤差を著減し得る。さらには分極方向のＺ軸成分が２
０°以下とすることで焦電特性をも小さくなる。従っ
て、本発明は信頼性または焦電性に優れ、小型、安価な
圧力センサを市場に供し得る優れた効果がある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早迫 博文 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内
Claims (2)
- 【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、前記圧電素子としてニオ
ブ酸リチウムの単結晶圧電材料を用い、その組付状態で
５ＭＰａ以上の予圧が施されていることを特徴とする圧
力センサ。 - 【請求項２】 前記板状圧電素子が、分極方向のＺ軸成
分が２０°以下のニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料に
よりなることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03356920A JP3123799B2 (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | 圧力センサ |
| BR9204720A BR9204720A (pt) | 1991-12-24 | 1992-12-22 | Sensor de pressao |
| EP19920311763 EP0549346B1 (en) | 1991-12-24 | 1992-12-23 | Piezoelectric fluid pressure sensor |
| DE1992614924 DE69214924T2 (de) | 1991-12-24 | 1992-12-23 | Piezoelektrische Fluiddrucksensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03356920A JP3123799B2 (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | 圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05172680A true JPH05172680A (ja) | 1993-07-09 |
| JP3123799B2 JP3123799B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=18451433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03356920A Expired - Fee Related JP3123799B2 (ja) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | 圧力センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0549346B1 (ja) |
| JP (1) | JP3123799B2 (ja) |
| BR (1) | BR9204720A (ja) |
| DE (1) | DE69214924T2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999002995A1 (fr) * | 1997-07-11 | 1999-01-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Dispositif piezo-electrique dimorphe destine a un capteur d'acceleration et procede de fabrication associe |
| US6550116B2 (en) | 1997-07-11 | 2003-04-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for manufacturing a bimorph piezoelectric device for acceleration sensor |
| JP2007309625A (ja) * | 2006-05-22 | 2007-11-29 | Babcock Hitachi Kk | 立体標的の着弾検出装置を備えた射撃訓練装置 |
| 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 |
| JP2013101018A (ja) * | 2011-11-08 | 2013-05-23 | Seiko Epson Corp | センサー素子、力検出装置およびロボット |
| JP2014174075A (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-22 | Mikuni Corp | 圧電素子、圧力センサ、及び圧電素子の耐衝撃強度の増加方法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0637736A3 (en) * | 1993-08-05 | 1995-05-10 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Piezoelectric pressure sensor and method for its production. |
| JP4708711B2 (ja) * | 2004-02-03 | 2011-06-22 | 株式会社デンソー | 圧力センサ |
| DE102004047143A1 (de) * | 2004-09-29 | 2006-04-06 | Robert Bosch Gmbh | Piezoelektrischer Brennraum-Drucksensor mit einem Druckübertragungsstift |
| AT518650B1 (de) | 2016-06-07 | 2017-12-15 | Piezocryst Advanced Sensorics | Piezoelektrischer drucksensor zum messen hoher drücke |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3086132A (en) * | 1960-08-30 | 1963-04-16 | Sensonics Inc | Piezoelectric mounting and device |
| US5038069A (en) * | 1987-11-09 | 1991-08-06 | Texas Instruments Incorporated | Cylinder pressure sensor for an internal combustion engine |
| NL9000802A (nl) * | 1990-04-05 | 1991-11-01 | Texas Instruments Holland | Sensor voor het meten van de druk van een medium, in het bijzonder voor het meten van de wisselende druk in een dieselinspuitpomp. |
| DE69209132T2 (de) * | 1991-04-27 | 1996-10-10 | Ngk Spark Plug Co | Piezoelektrischer Messfühler |
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1991
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