JPH0518844A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】パイロ電気による出力のドリフトがなく感圧精
度の優れた圧力センサを提供する。 【構成】ハウジング１１０の受圧面１１０ｅに付加され
る圧力を伝達するロッド１０２の軸線Ｘ−Ｘと角度θで
交わる直線を法線とする傾斜面上に、電極方向と直角に
分極方向Ｂを有する圧電素子１０４を装着し、傾斜面の
方向と分極方向Ｂとが一致するように構成した圧力セン
サ１００。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧力センサに係り、
特にエンジンのシリンダ内の燃焼圧力を検出する圧電型
の圧力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの燃焼室内の燃焼圧力を検出す
る圧力センサは、最適の燃焼状態を得るための点火時期
や燃料噴射量を制御するエンジン出力制御システムの一
環として重要である。従来の圧力センサの実装例として
実開昭６３−１１８６９号公報には図６に示すような技
術が開示されている。図６において、１はエンジンのシ
リンダヘッド、２はシリンダヘッド１に螺着した点火プ
ラグ、３は燃焼圧力を検出する圧力センサで、圧力セン
サ３は、点火プラグ２の取付部近傍において、シリンダ
ヘッド１に形成した凹部４内に配置される。また、圧力
センサ３は、点火プラグ２を金属製ガスケット５を介し
てシリンダヘッド１に螺着するとき、ガスケット５に突
設した押え部材６によって上面から押圧保持される。燃
焼圧力の変動によって点火プラグ２の変位がガスケット
５及び押え部材６を通じて圧力センサ３へ作用する。こ
れによって、圧力センサ３から燃焼圧力に対応する信号
が端子７に出力されるように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の圧力セ
ンサは、燃焼圧力がガスケット５を介して圧力センサ３
に伝達される構成のため、燃焼圧力の検知精度に不十分
な点があり、また、この圧力センサ３を構成する圧電素
子は、圧電効果ｄ₃₃を利用する発明であって、構成が簡
単で利用分野は広い特徴があるが、電気の発生方向が分
極方向と一致するため、高温環境下においては温度変化
と共に圧電素子の表面に電気が発生する、いわゆるパイ
ロ電気効果により分極も変化し出力のドリフトが大きい
という点に課題が残されていた。例えばチタン酸鉛セラ
ミクス（ＰbＴiＯ₃）やＰＺＴセラミクスで構成され、
図７に示すように上下面に金属膜でできた電極３ａ、３
ｂを形成し、電極３ａと３ｂの間に高温下で高電圧を印
加することにより矢印Ａの方向に分極される。このため
分極方向Ａに圧縮力が付加されると、ｄ₃₃なる圧電効果
によって電極３ａと３ｂ間に電気が発生する。ここで、
ｄ₃₃の添字の最初の３は分極と同方向〔３〕に電気が発
生することを意味し、次の３は分極と同方向〔３〕の荷
重に対応することを意味する。〔３〕は同方向（平行方
向）を意味する記号である。本発明は、上記先行技術の
問題点に着目してなされたもので、特にパイロ電気の影
響をなくし検知精度の優れた圧力センサを提供すること
を目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
は特許請求の範囲に記載されている。すなわち、本発明
の目的は、受圧面に付加される圧力を伝達する伝達部材
と、前記伝達部材の軸線に対し角度θで交わる直線を法
線とする傾斜面に沿って設けられ、かつ両電極間に挟持
され該両電極の方向と直角の方向に分極された圧電素子
と、前記傾斜面の方向と前記圧電素子の分極方向とが一
致するように構成した支持手段を有することを特徴とす
る圧力センサによって達成される。

【０００５】

【作用】上記構成の圧電素子の圧電効果によって、分極
方向と直角の方向に電気が発生し、電気の発生方向が分
極方向と一致せず電極方向の荷重に対する感度を有しな
いから、電極面に平行な荷重分力にのみ対応する出力が
得られと共に、電気の発生方向と分極方向が互いに直交
するから、温度変化によるパイロ電気により分極が変化
しても分極方向に電位差が発生するのみで電極間には電
位差は生じない。

【０００６】

【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図５は本発明に係る圧力センサ１００及び点火プラグ２
の実装状態を示す縦断面図である。図５において５１は
ウォータジャケット５１ａを有するシリンダヘッドで、
その内側には、図示しないシリンダブロックおよびピス
トンの間に燃焼室８が形成されている。シリンダヘッド
５１には、点火プラグ収容部１０が形成されており、点
火プラグ収容部１０の底部に形成したプラグ取付けねじ
孔１０ａには、厚み調整のための調厚ガスケット１１を
介して点火プラグ２のねじ部２ａが螺着され、点火プラ
グ２のスパーク用電極部２ｂは燃焼室８内に向けて突出
している。別に、点火プラグ収容部１０の底部には、燃
焼室８に連通するホッパ形状をしたセンサ収容孔１２が
形成され、このセンサ収容孔１２内には燃焼圧力検出用
の圧力センサ１００が実装されている。

【０００７】点火プラグ２をシリンダヘッド５１に螺着
することにより、ガスケット１１と一体にシリンダヘッ
ド５１に締め付けられている押え部材１４と皿ばね１５
とにより、圧力センサ１００は上面からセンサ収容孔１
２内に押圧され、これにより圧力センサ１００はセンサ
収容孔１２内に気密状態を保持して安定的に固定され
る。

【０００８】図１は、この発明の一実施例を示す圧力セ
ンサ１００の要部を示す縦断面図である。まず構成を説
明すると、ハウジング１１０の小径円筒部１１０ｄの先
端部分を球面部１０２ａに形成し、ハウジング１１０の
受圧部１１０ｅの中心に位置決めされるように構成し、
ロッド１０２は圧電素子１０４を介して金属製の支持部
材１０５と連接し、圧電素子１０４は軸中心線と角度θ
で交わる直線を法線とする傾斜面１０２ｂに固定されお
り、支持部材１０５はアルミナ等の強度の高いリング状
の絶縁板１０６を介してねじ部材１０７で固定される。
圧電素子１０４はせん断応力の作用方向Ｂに分極されて
おり、また、支持部材１０５にはリード部材１０５ｂが
付けられ、シールドケーブル２６の芯線２６ｂに溶接さ
れて電気的に接続されている。

【０００９】ロッド１０２の外周には薄いテフロンチュ
ーブ１０８を用いて被覆した後、熱収縮させて密着さ
せ、また、支持部材１０５を囲むハウジング１１０の大
径円筒部１１０ｂの内側にも薄いテフロンチューブ１０
９を挿入密着させている。

【００１０】図２に示すように、本発明の圧電素子１０
４は、その上下両面に金属膜の電極１０４ａ、１０４ｂ
が密着されると共に矢印Ｂ方向に分極されている。この
圧電素子１０４を製作するには、図３（ａ）に示すよう
に圧電セラミクス素材１１１の対向する２面に金属膜の
電極１１２ａ、１１２ｂを形成し、電源１１３により高
電圧を印加し、矢印Ｂ方向に分極させてから電極１１２
ａと電極１１２ｂを削除し、次いで、図３（ｂ）に示す
ように、この圧電セラミクス素材１１１を切断面１１４
でスライスして複数個に分割し、図２に示す形状寸法に
形成したのち、それぞれ、互いに対向する上下２面に電
極１０４ａと１０４ｂを密着して図２の圧電素子１０４
を形成する。

【００１１】図４に示すように、電極１０４ｂに対して
電極１０４ａが分極方向Ｂに沿って変位するように、せ
ん断荷重ｓを付加すると、電極１０４ａと１０４ｂの方
向にｄ₁₅の圧電効果による電気が発生する。ｄ₁₅の添字
の左側の１は分極方向Ｂと垂直の方向〔１〕の面に電気
が発生することを意味し、添字の右側に書かれた５と
は、分極方向Ｂと垂直の方向〔１〕の面がせん断荷重ｓ
方向〔５〕に引張られることを意味する。〔１〕は垂直
方向を意味する記号、〔５〕はせん断方向を意味する記
号である。ｄ₁₅の圧電効果を生ずる圧電素子１０４は製
造が複雑で応力の付加も難しいが、ｄ₃₃の圧電効果より
感度が高く、かつ、電気の発生方向が分極方向と一致し
ないため、パイロ電気が発生ないという大きな長所があ
る。

【００１２】次に作用を説明する。シリンダ内の燃焼圧
力が受圧部１１０ｅに加わると応力の一部がロッド１０
２に付加される。ロッド１０２の先端部は球面部１０２
ａ形成しているため、受圧部１１０ｅの内部中心に安定
的に保持されており、ロッド１０２の軸方向に対する応
力伝達が確実になされる。傾斜面１０２ｂは支持部材１
０５の傾斜面１０５ａにより傾斜角θを保ち、圧電素子
１０４を押圧しているため、ロッド１０２から伝達され
る荷重Ｆは、圧電素子１０４の面に対して垂直の分力と
面に平行の分力とに分解される。例えば傾斜角θを２０
°とすると、Ｆsin２０≒０．３４Ｆなる力が面に平行
の分力となって圧電素子１０４に加わり、ｄ₁₅の圧電効
果によって電気に変換されて出力される。圧電素子１０
４は面に垂直方向の力に対する感度をもたないため、面
に平行方向の分力に相当するだけの出力が得られる。

【００１３】上記平行分力は、ロッド１０２と支持部材
１０５に対しては、軸線と直角方向の荷重として作用す
るが、圧電素子１０４はテフロンチューブ１０８、１０
９によって軸線中心に位置決め保持されており、軸中心
から外れてハウジング１１０に接触するのを防止してい
る。

【００１４】接触面は、前面にわたって均一に接触して
いることが好ましいから、表面の平面度を、例えば０．
０１ｍｍ以下にすることが必要である。支持部材１０５
とロッド１０２の材質は硬度の高い鉄合金が好ましく、
電極１０４ａ、１０４ｂには硬度の低い銀電極などが使
用される。銀電極は０．０１ｍｍ内外の厚みで形成する
ことができるから、支持部材１０５とロッド１０２の傾
斜面の面粗度の値を、０．０１ｍｍより十分小さい値と
することにより密着性を高めることができる。

【００１５】さらに傾斜面１０５ａで滑りを生じさせな
いために、接触面の摩擦係数を適正に保つ必要がある。
このため接触面に油などが付着しないように、接触前に
金属面に酸化膜が形成されるのを防止する必要がある。
接着剤を用いて接触面相互の接着を図ることも効果的で
ある。

【００１６】ロッド１０２と支持部材１０５を鉄製と
し、電極１０４ａ、１０４ｂを銀製とした場合の乾燥摩
擦係数μは図８に示すように、μ＝０．４９≒０．５と
なる。

【００１７】一方、傾斜面に垂直に加わる力はＦｃｏｓ
θとなるから、摩擦力はＦμｃｏｓθとなる。この摩擦
力が傾斜面に平行方向の分力Ｆｓｉｎθ以下になるよう
にすれば、面上に位置ずれが発生することはない。この
ときの角度θは、 μｃｏｓθ＜ｓｉｎθ …（数１） ∴０．５ｃｏｓθ＜ｓｉｎθ …（数２）

【００１８】

【数３】

【００１９】

【数４】

【００２０】これよりθをもとめると θ＜２６° …（数５） よって角度θを２６°より十分に小さくとることが好ま
しい。

【００２１】なお、本発明の圧力センサは受圧部１１０
ｅに加わる応力を測定する応力センサとしての適用も可
能である。また、請求項１に記載の伝達部材とは、例え
ば上記実施例のロッド１０２を指し、また前記傾斜面の
方向と前記圧電素子の分極方向とが一致するように構成
した支持手段とは、ロッド１０２の球面部１０２ａ、支
持部材１０５、テフロンチューブ１０８、１０９を含む
ハウジング１１０内への固定部品を指すものである。

【００２２】

【発明の効果】本発明の圧力センサは、せん断荷重型圧
電効果を備える圧電素子を荷重方向に対して傾斜した感
圧機能を有する構成としたため、パイロ電気による出力
のドリフトがなく、感圧精度の優れた圧力センサを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力センサの一実施例の要部と実
装状態を示す縦断面図である。

【図２】本発明に係る圧電素子の形状を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明に係る圧電素子の製作手順を示す斜視図
である。

【図４】本発明に係る圧電素子の動作原理を説明する斜
視図である。

【図５】本発明に係る圧力センサ及び点火プラグの実装
状態を示す縦断面図である。

【図６】従来技術の点火プラグと圧力センサの実装状態
を示す縦断面図である。

【図７】図６の圧力センサ近傍の拡大断面図である。

【図８】金属相互間の乾燥摩擦係数を示す図表である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ 点火プラグ ３ 圧力センサ ３ａ、３ｂ 電極 ４ 凹部 ５ ガスケット ６ 押え部材 ７ 端子 ８ 燃焼室 １０ 点火プラグ収容部 １１ ガスケット １２ センサ収容孔 １４ 押え部材 １５ ばね部材 １９ Ｏリング ２０ 絶縁板 ２１ 電極板 ２２ リング部材 ２３ 収縮性チューブ部材 ２４ 円筒状ねじ部材 ２５ キャップ部材 ２６ シールドケーブル ２８ リード線 ３０ 導電性スリーブ ３１ ゴム材 ３２ コネクタ ５１ シリンダヘッド ５１ａ ウォータジャケット １００ 圧力センサ １１０ ハウジング １１０ｂ 大径円筒部 １１０ｃ テーパ部 １１０ｄ 小径円筒部 １１０ｅ 受圧部 １０２ ロッド １０２ａ 球面部 １０２ｂ 傾斜面 １０４ 圧電素子 １０５ 支持部材 １０５ａ 傾斜面 １０６ 絶縁板 １０７ ねじ部材 １０８ テフロンチューブ １０９ テフロンチューブ １１１ セラミクス素材 １１２ 電極板 １１４ 切断面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】受圧面に負荷される圧力を伝達する伝達部
   材と、 前記伝達部材の軸線に対し角度θで交わる直線を法線と
   する傾斜面に沿って設けられ、かつ両電極間に挟持され
   該両電極の方向と直角の方向に分極された圧電素子と、 前記傾斜面の方向と前記圧電素子の分極方向とが一致す
   るように構成した支持手段を有することを特徴とする圧
   力センサ。