JPH0534231A - 圧電型圧力センサ - Google Patents

圧電型圧力センサ

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JPH0534231A
JPH0534231A JP18853691A JP18853691A JPH0534231A JP H0534231 A JPH0534231 A JP H0534231A JP 18853691 A JP18853691 A JP 18853691A JP 18853691 A JP18853691 A JP 18853691A JP H0534231 A JPH0534231 A JP H0534231A
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JP
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pressure
receiving surface
pressure receiving
diaphragm
sensor
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JP18853691A
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Susumu Okauchi
享 岡内
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Masuo Takigawa
益生 瀧川
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 プッシュロッドの固着を防止し、シリンダ内
温度の変化に対するセンサ出力ドリフトを防止する。 【構成】 センサ筺体先端に受圧面14を設け、プッシ
ュロッド12を介してダイヤフラム13を配置して、ダ
イヤフラム13の熱変形を防ぐ。受圧面14でプッシュ
ロッド13と燃焼ガスの接触を断ち、プッシュロッド1
3の固着を防止する。

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3に特
願平1−325047号に述べられている圧電型圧力セ
ンサの基本構成を示す。同図はセンサの縦断面図であ
り、センシング部36内部に設置された圧電素子37は
上部固定ネジ38によって圧力伝達部材35を介してセ
ンシング部36先端に設けられた受圧面33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。受圧
面33の前面には受圧面33に圧力を伝えるプッシュロ
ッド32が接合されている。また、供試体への取付力が
センシング部36へ影響を及ぼさないようセンシング部
36は、センサ筺体31にシール部材34を介して取り
付けられている。
【0003】次に、その動作を説明する。センサ筐体3
1の外部からプッシュロッド32前面に印加された圧力
は、受圧面33に伝えられ圧力伝達部材35を介して圧
電素子37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37の上端外周部は上部固定ネジ38に
より下方へ加圧されているため、圧電素子37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】また、シリンダ内では吸気・圧縮・膨張・
排気の一連の行程間で急激な温度差が発生する。このよ
うな温度差のあるシリンダ内ガスが直接受圧面33に加
えられると、受圧面33は温度による周期的な膨張・収
縮を繰り返し、センサの出力にドリフトが発生する。こ
れを防ぐために燃焼ガス圧をプッシュロッド32を介し
て受圧面33に伝える構造になっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】エンジンは運転条件に
よっては燃料の燃え残りが多く発生する。そこで、エン
ジンにセンサを取り付け長期間使用した場合、センサの
前面が常に燃焼ガスに曝されるため、僅かではあるがセ
ンサ筺体とプッシュロッドの隙間に入り込み、希にセン
サ筺体とプッシュロッドがこの燃え残りによって固着
し、プッシュロッドが受けた圧力を受圧面に正確に伝達
しないことがあった。
【0006】本発明は燃料の燃え残りによるプッシュロ
ッドとセンサ筺体の固着を防ぎ、長時間の使用の後も圧
力伝達が正確に行われる耐久性の高い圧電型圧力センサ
を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では上記の課題を
解決するため、センサ筺体先端に受圧面を設け、この新
たに設けた受圧面を通して燃焼圧力がプッシュロッドに
伝わるようにする。
【0008】また、上記センサ筺体先端の受圧面の厚み
をダイヤフラムの厚みよりも薄くする。
【0009】または、上記センサ筺体先端の受圧面に環
状の凸部や凹部、または凹凸部を設ける。
【0010】
【作用】本発明における受圧面を設けることにより、プ
ッシュロッドやプッシュロッドとセンサ筺体の隙間は燃
焼ガスに直接曝されないため、燃料の燃え残りによるセ
ンサ筺体とプッシュロッドの固着を回避することができ
るため、プッシュロッドが受けた燃焼圧力を長期間にわ
たって正確に圧電素子に伝えることができる。
【0011】また、センサ筺体先端に設けた受圧面の熱
により伸縮するが、ダイヤフラムの厚みよりもセンサ筺
体先端に設けた受圧面の厚みを薄くすることにより、セ
ンサ筺体先端の受圧面の熱による膨張や収縮のセンサ出
力に与える影響を低減できる。
【0012】さらに、センサ筺体先端に設けた受圧面の
熱による伸縮は受圧面に設けられた凹凸部により吸収さ
れ、プッシュロッドへ伝達される荷重変動を更に低減で
きる。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の圧電型圧力セ
ンサの一実施例について説明する。図1に本発明の実施
例における圧電型圧力センサの断面を示す。同図中11
は金属からなるセンサ筺体であり、このセンサ筐体11
の先端には受圧面14を設けている。この受圧面14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。また、受圧面14の裏面にはプッシュロッド12
が接合されている。同図中16のセンシング部の先端に
はダイヤフラム13が設けられ、このダイヤフラム13
にプッシュロッド12の他端が接合されている。センシ
ング部16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15の一端がダイヤフラム13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17が設けられている。この円筒形の圧電素子17の
下方内周部分は圧力伝達部材15に保持している。さら
に圧電素子17の上端外周部分は上部固定ネジ18によ
って押さえ付けられている。この上部固定ネジ18の締
め付け力によって圧電素子17,圧力伝達部材15をダ
イヤフラム13に押し付け、各部材の固定及び圧電素子
17への予備応力を印加している。
【0014】図2は請求項3に対応する記載した発明の
実施例である。センサ筺体11先端に設けた受圧面24
には環状の受圧面凹部24a、受圧面凸部24b、受圧
面凹凸部24cが形成され、受圧面A24のバネ常数を
低減している。
【0015】次に、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14に加わると、その力はプッシュロッド12を
通してダヤフラム13へ伝えられ、圧力伝達部材15を
通して圧電素子17の下方内周部分に伝えられる。一
方、圧電素子17の上方外周部分は上部固定ネジ18に
よって押さえられているので、圧電素子17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17に
発生し、チャージアンプで電圧信号に変換される。
【0016】4サイクルエンジンの場合、1エンジンサ
イクルには吸気・圧縮・爆発膨張・排気の行程があり、
シリンダ内のガスの温度は吸気時と爆発・膨張時では大
きく異なり、またエンジンサイクル間での燃焼変動でも
シリンダ内のガス温度は大きく異なる。一般に受圧面は
肉厚が薄いため熱容量が小さく、エンジンサイクル間の
燃焼変動や1エンジンサイクル内でのシリンダ内温度変
化に敏感に対応して、温度による膨張収縮、ヤング率の
変化を生じる。しかし、ダイヤフラム13に対しては、
熱がプッシュロッド12を通して伝わるため、ダイヤフ
ラム13は急激な温度変化には曝されず、急激な膨張や
収縮、ヤング率の変化は生じない。従って、圧電素子1
7への印加予備圧の変動もなく、出力ドリフトは発生し
ない。また、燃焼ガスに直接曝される隙間部分には燃料
の燃え残りが堆積固着する。しかし、センサ筺体11と
プッシュロッド12との隙間に対しては、受圧面14が
シールとして働くので、プッシュロッド12の固着によ
るダイヤフラム13への圧力伝達不良は発生しない。従
って、長期間の使用でも出力の劣化がなく、耐久性の高
い圧力センサを実現できる。
【0017】受圧面14は直接燃焼ガスに曝されるの
で、受圧面14には上記のようにシリンダ内ガス温度の
変動による膨張や収縮、ヤング率の変動が生じる。しか
し、受圧面14の厚みをダイヤフラム13の厚みよりも
薄くすることにより、受圧面のバネ常数は厚みの3乗に
比例するので、受圧面14のバネ常数はダイヤフラム1
3のバネ常数に比べて非常に小さくなる。従って、受圧
面14の温度による膨張・伸縮に対してはダイヤフラム
13は十分剛性を持っているので、受圧面14の膨張・
収縮、ヤング率の変化によるセンサ出力のドリフトは発
生しない。このように受圧面14の厚みをダイヤフラム
13の厚みよりの薄くすることで、エンジンの燃焼変動
や1エンジンサイクル内でのシリンダ内温度の変動に対
して、出力ドリフトの無い、高精度の圧力センサを実現
できる。
【0018】受圧面のバネ常数を低くする方法として、
上記のように受圧面の厚みを変化させる方法の他に、受
圧面の径を大きくしてもバネ常数を低減できる。また、
図2に示すように受圧面に24a,b,cのような環状
の凹凸部を設けることでも受圧面のバネ常数を低減でき
る。これは、凹凸部以外の部分では受圧面の歪は引張に
よる歪が主であるのに対し、環状凹凸部24a,b,c
では引張の他に曲げによる歪も発生するためである。ま
た、環状凹凸部24a,b,cは受圧面24の半径方向
の熱膨張・収縮も吸収するので、シリンダ内温度の変化
の影響を更に低減でき、高精度な圧力センサを実現でき
る。
【0019】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。また、本実施例では
ダイヤフラムとセンシング部を一体形成しているが、別
部品として構成することも可能である。
【0020】
【発明の効果】以上のように、プッシュロッドの両端に
受圧面とダイヤフラムを設け、受圧面をシールとして用
い、プッシュロッドを通して圧力をダイヤフラムに伝
え、ダイヤフラムの歪を圧電素子で圧力信号に変換する
ことにより、歪を取る受圧面への熱影響とプッシュロッ
ドの固着を防止でき、耐久性に優れた圧電型圧力センサ
を実現できる。
【0021】また、センサ筺体先端に設けられた受圧面
の厚みを、ダイヤフラムの厚みよりも薄くすることによ
り、センサ筺体先端の受圧面の熱歪によるセンサ出力ド
リフトを防止でき、温度変化に対して高精度な圧電型圧
力センサを実現できる。
【0022】更に、センサ筺体先端の受圧面に環状の凹
凸部を設けることにより受圧面のバネの常数を低下で
き、また熱歪も吸収できるので、更に確実に受圧面の熱
影響によるセンサ出力のドリフトを防止することがで
き、さらに高精度な圧電型圧力センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における圧電型圧力センサの
断面図
【図2】本実施例における圧電型圧力センサ先端部の断
面図
【図3】従来例における圧電型圧力センサの断面図
【符号の説明】
11 センサ筺体 12 プッシュロッド 13 ダイヤフラム 14 受圧面 15 圧力伝達部材 16 センシング部 17 圧電素子 18 上部固定ネジ 24 受圧面 24a 受圧面凹部 24b 受圧面凸部 24c 受圧面凹凸部 31 センサ筺体 32 プッシュロッド 33 受圧面 34 シール部材 35 圧力伝達部材 36 センシング部 37 圧電素子 38 上部固定ネジ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】円筒形のセンサ箱体と、前記センサ箱体の
    先端部に配置され、試供体の圧力を受ける受圧面と、前
    記センサ箱体の内部に配置され、ダイヤフラム、圧力伝
    達部材、圧伝素子、固定部材を前記受圧面側から順番に
    配置してなるセンシング部と、前記受圧面にその一端が
    接し、他端はダイヤフラムに接し、前記受圧面からの圧
    力を前記ダイヤフラムに伝達するプッシュロッドとを具
    備した圧電型圧力センサ。
  2. 【請求項2】受圧面の厚みは、ダイヤフラムの厚みより
    も薄いことを特徴とする請求項1記載の圧電型圧力セン
    サ。
  3. 【請求項3】受圧面に環状凸部または環状凹部または環
    状凹凸部を設けたことを特徴とする請求項1または2に
    記載の圧電型圧力センサ。
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