JPH07113713A - 圧電型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】管状ダイアフラムと燃焼室の隔離を強化し、セ
ンサの熱的安定性を向上させること。 【構成】長い台座を用いて、管状ダイアフラムを燃焼室
から遠ざけ、管状ダイアフラムへの燃焼熱の影響を低減
させる。そのために、直径の大きな管状ダイアフラム２
６を用い、その内側に圧力伝達部材２９、圧電素子１７
等を配設することにより、センサ全体の大きさを従来の
センサと同じ保ちながら、熱的に安定したセンサを実現
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。特に管状ダイアフラムを用いた内燃機関のシリン
ダ内燃焼圧力等の検出に適した圧力センサも開発されて
いる。図４は従来から内燃機関に用いられている非水冷
型の管状ダイアフラムを用いた圧電型圧力センサの基本
構成図である（なお、各引出し線の引出し箇所を明確に
するため、引出し箇所に黒丸を記している）。同図はそ
のセンサの縦断面図であり、筺体は２重構造で外部筺体
１１にはセンサをエンジンヘッドに取り付けるためのネ
ジが設けられている。外部筺体１１の先端にはエンジン
の燃焼室内の燃焼圧力を受けるダイアフラム２２が設け
られている。また、外部筺体１１の内部には内部筺体ａ
１２及び内部筺体ｂ１８が設けられてあり、内部筺体ｂ
１８の先端には管状ダイアフラム２０が設けられ、その
先端には台座２１が固定されている。この台座２１はダ
イアフラム２２の裏面に接している。管状ダイアフラム
２０の内部には圧力伝達部材１９が設けられている。圧
力伝達部材１９はダイアフラム２０が受けた燃焼圧力を
圧電素子１７の下面内側を押し上げるように伝達する。
一方、圧電素子１７の上面外側は上部固定部材１３によ
って支えられている。この上部固定部材部材１３は、図
５に示すように加圧ヘッド４０で圧電素子１７の軸方向
に、圧縮方向の予備荷重を与えた状態で、筺体ｂ１８と
上部固定部材１３をレーザビーム４２で溶接固定する。
この予備荷重は、各部部材の固定を行い、また圧電素子
１７の出力を安定化する為に不可欠である。また圧電素
子１７に印加された予備荷重は、その殆どを管状ダイア
フラム２０が支え、この管状ダイアフラム２０の僅かな
伸縮により、燃焼圧力は歪に変換される。

【０００３】この状態において、燃焼圧力がダイアフラ
ム２２に印加されると、圧電素子１７には剪断力が発生
する。圧電素子１７の内外周には剪断力により発生した
電荷を集めるための電極が設けてあり、外側電極の電荷
は外側電極取出金具１５を通じて、内側電極の電荷は電
極取出金具１４を通じて取り出され、コネクタ１０と通
じて増幅器（図示せず）に入力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示し
た従来のセンサは、エンジンが通常の運転状態の場合
は、水冷式の基準センサの出力と比較しても、殆ど誤差
が発生しないが、燃焼室内の温度変化が非常に大きくな
る様な、特殊な運転状態（例えば低回転高負荷状態にお
いて、失火と正常燃焼が交互に発生するような希薄限界
での運転状態）では、圧縮上死点付近で基準センサの出
力に対し、５％程度の誤差が発生することがあった。こ
の原因は、失火と正常燃焼が交互に連続することによ
り、燃焼室内の最高温度と最低温度で大きな差が発生す
るのに加え、低回転時は排気行程及び吸気行程の時間が
長く、燃焼室内の放熱量が大きいため最低温度がより低
下し、更に燃焼室内の最高温度と最低温度の差が拡大す
る。上述した図４のセンサは、圧力を歪みに変換する管
状ダイアフラム２０は燃焼室とは隔離され、燃焼熱の影
響の小さい構造であるが、それでも燃焼室内の温度差が
非常に大きい場合、管状ダイアフラム２０に燃焼熱によ
る膨張収縮が発生し、予備荷重が僅かに変動して検出誤
差となっていた。

【０００５】本発明は、このような従来の圧力センサの
課題を考慮し、燃焼変動が非常に大きい場合でも、安定
した出力の得られ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】本発明は、台座の長さを
延長し、燃焼室と管状ダイアフラムの距離を大きくす
る。更に、例えば、管状ダイアフラムの直径を大きく
し、その内部に圧電素子と圧力伝達部材を置き、絶縁リ
ングを介して内部筺体下面で圧電素子に予備荷重を与
え、管状ダイアフラム上端と内部筺体下部を溶接固定す
る。

【０００７】本発明のセンサの組み立て関しては、軸方
向断面で数個に分割されたチャックで管状ダイアフラム
の外側面を掴み、組立時に加圧ヘッドが圧電素子に加え
る予備荷重を、例えば、管状ダイアフラムの上端部付近
で支持する。管状ダイアフラムの支持方法は、管状ダイ
アフラムの外周上端部付近に引っかかりの凸部を設ける
場合、またはチャック側に締め代を設け、チャックと管
状ダイアフラム外側面の摩擦力で支持する場合がある。
この状態で、チャック及び加圧ヘッドを回転させて、管
状ダイアフラムと上部固定部材または内部筺体下部を溶
接固定する。

【０００８】

【作用】本発明のセンサにより、管状ダイアフラムと燃
焼室の隔離がより強力になるため、正常燃焼と失火が繰
り返される状態でも、水冷式基準センサとの誤差を１％
程度にすることができる。また、管状ダイアフラム内部
に圧力伝達部材と圧電素子を置くとにより、センサの大
きさを従来の大きさに保つことができ、部品点数も少な
く、更に部品形状も単純化できる。

【０００９】本発明のセンサの組立方法により、チャッ
クによる位置決めを外周方向から行うため、チャックと
位置決め部の周辺とが干渉することがなく、管状ダイア
フラムや台座の形状の自由度が大きい。

【００１０】また、管状ダイアフラムの予備荷重を支え
る部分は、例えば0.5mm程度の凸部を設けるか、または
管状ダイアフラム表面のみなので、外部筺体の内径を小
さくでき、センサ自体を小型化することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１２】図１は、第１の本発明の一実施例における
圧電型圧力センサ（以下センサを呼ぶ）の縦断面図で、
センサをエンジンのシリンダヘッドに取り付けたところ
を示している。センサの筺体は外部筺体１１と内部筺体
２３の２重構造となっている。内部筺体２３の下部に
は、内部筺体２３本体部分よりも若干直径の小さい管状
ダイアフラム２６が固定され、管状ダイアフラム２６の
他端には、従来のもの（図４の台座２１）よりかなり長
い金属製の台座２７がある。この様に長い台座２７を用
いて管状ダイアフラム２６を燃焼室から遠ざけること
で、燃焼室の熱の影響を非常に小さく（１％程度）でき
る。

【００１３】また、管状ダイアフラム２６の内径を従来
のもの（図４の管状ダイアフラム２０）より大きくし、
その内部にセラミック製の圧力伝達部材２９と圧電素子
１７を収める。この様にすることで、台座２７が長くな
った分を吸収し、センサ自体の長さは従来の物と同寸法
にできた。管状ダイアフラム２６内部の圧電素子１７は
円筒形状で、外周と内周に電極が設けてある。圧電素子
１７の外周には外側電極取出金具２５が、素子内周には
内側電極取出金具１４がそれぞれ取り付けられ、それぞ
れリード線にてコネクタ１０に接続されている。圧電素
子１７の上部には、アルミナ製の絶縁リング１６を介し
て内部筺体２３がある。内部筺体２３の下部は、圧電素
子１７に軸方向の圧縮荷重（予備荷重）を与えた状態
で、管状ダイアフラム２６の上部と溶接固定されてい
る。アルミナ製絶縁リング１６は、圧電素子１７上面と
内部筺体２３を電気的に絶縁し、圧電素子の焦電効果の
影響を受けない構造としている。また、管状ダイアフラ
ム２６と内部筺体２３を固定する際に与えている予備荷
重は、各部の固定・出力の安定化・吸気行程時の負圧の
計測のために不可欠である。

【００１４】次に、図１に示した本実施例のセンサの動
きについて説明する。エンジンの燃焼圧力がダイアフラ
ム２２に印加されると、台座２７、圧力伝達部材２９を
通して圧電素子１７の下面内側を上に押し上げるように
燃焼圧力が伝えられる。この際、管状ダイアフラム２６
は燃焼圧力に応じて収縮し、圧力が歪に変換される。し
かし、圧電素子１７の上面外側は、絶縁リング１６を介
して内部筺体２３で支えられるため、圧電素子２２内部
には剪断力が発生する。この剪断力に応じた電荷が、圧
電素子２７の内周と外部にそれぞれ設けた電極に発生す
る。圧電素子１７の内外周電極に発生した電荷は、内側
電極取出金具２４・外側電極取出金具２５で取り出さ
れ、チャージアンプで圧力信号に変換される。なお、本
実施例はチャージアンプを、センサ筺体外部に置いた回
路別体型の例であるが、センサ筺体内部に回路基板を組
み込んだ回路内蔵型センサも開発され、取り扱い性・耐
ノイズ性は更に向上している。

【００１５】この様に、直径の大きい管状ダイアフラム
を用い、その内部に圧電素子・圧力伝達部材を含めるこ
とで、センサの外形を小型に保ったまま、管状ダイアフ
ラムを燃焼室から遠ざけることができた。この事によ
り、燃焼が不安定で、発生熱量が大きく変動する場合で
も、誤差の非常に小さい圧力センサを実現できた。

【００１６】以下、第２の本発明の一実施例を図２、図
３を用いて説明する。図２は図１に示したセンサの製造
方法の説明図、図３にはセンサのチャックへの取り付け
が示されている。予め台座２７と管状ダイアフラム２６
を溶接固定し、チャック５２で管状ダイアフラム２６を
掴む。管状ダイアフラム２６の内部には、圧力伝達部材
２９、圧電素子１７、絶縁リング１６、内部筺体下部２
３を挿入し、加圧ヘッド５１で予備荷重を印加する。管
状ダイアフラム２６の上部には凸部２８があり、ここを
チャック５２の上面で支えて、予備荷重を支持する。チ
ャック５２はホルダ５３のテーパ面で支えられ、加圧ヘ
ッド５１からホルダ５３は一体となって回転し、管状ダ
イアフラム２６上部と内部筺体２３をレーザビーム４２
で溶接固定する。組立に際して、管状ダイアフラム２
６、圧力伝達部材２９、圧電素子１７、絶縁リング１
６、内部筺体２３を高精度に位置決めする必要がある。
すなわち、従来は図５に示すように、ホルダ４１の内面
と内部筺体をはめあいにして位置決めしていた。しか
し、図１の本発明のセンサでは図２のＡ部を溶接してい
るため、表面粗さが大きく、はめあいによる位置決めが
できない。そこで、図３に示す様に、チャックをチャッ
クａ ５２ａとチャックｂ ５２ｂに分割し、管状ダイア
フラム２６を半径方向から覆うように取り付ける。この
とき、台座、２７と管状ダイアフラム２６との溶接部分
には、チャック側で逃げを設け、位置決めに影響しない
構造になっている。チャック５２の外面はテーパ面で、
ホルダ５３の内面のテーパ面と組み合わされる。ここ
で、予備荷重によってチャック５２がホルダ５３に押し
付けられると、テーパ面の効果で、チャックａ ５２ａ
とチャック５２ｂ ｂが閉じる方向の力が発生し、管状
ダイアフラム２６は強固に位置決めされる。この様にチ
ャックを分割し、管状ダイアフラムの半径方向外側から
取り付けることにより、管状ダイアフラムの位置決め部
の周辺の形状に関する規制を無くすことができ、設計自
由度が広がり、また部品の加工コストを低減できる。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、管状ダイアフラム内に圧電素子や圧力伝達部
材を収めることにより、センサ全体の大きさを小型に保
ったまま、管状ダイアフラムと燃焼室の隔離を強化でき
る。この構造より、燃焼変動が非常に大きい場合でも安
定した出力の得られる、小型で更に熱的に安定したセン
サを実現できる。

【００１８】また、分割したチャックで、管状ダイアフ
ラムを半径方向から掴み、位置決めする事により、チャ
ックが接触する部分以外の管状ダイアフラムの形状規制
をなくすることができ、設計自由度が上がり、更に管状
ダイアフラムの外周面をはめあいにする必要が無いた
め、管状ダイアフラムの加工コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の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】第２の本発明の一実施例における、圧電型圧力
センサの製造方法を説明するための断面図

【図３】上記圧電型圧力センサの製造方法を説明するた
めの斜視図

【図４】従来例における圧電型圧力センサの断面図

【図５】従来例における圧電型圧力センサの製造方法を
説明するための断面図

【符号の説明】

１０ コネクタ ２３ 内部筺体 １１ 外部筺体 ２５ 外側電極取出金
具 １２ 内部筺体ａ ２６ 管状ダイアフラ
ム １３ 上部固定部材 ２７ 台座 １４ 内側電極取出金具 ２８ 凸部 １５ 外側電極取出金具 ２９ 圧力伝達部材 １６ 絶縁リング ４０ 加圧ヘッド １７ 圧電素子 ４１ ホルダ １８ 内部筺体ｂ ４２ レーザビーム １９ 圧力伝達部材 ５２ チャック ２０ 管状ダイアフラム ５２ａ チャックａ ２１ 台座 ５２ｂ チャックｂ １９ ダイアフラム ５３ ホルダ ２２ コネクタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端に受圧面を有する外部筺体と、前記受
   圧面に印加された圧力を歪に変換する管状ダイアフラム
   と、前記受圧面の裏面に面接触しかつ前記管状ダイアフ
   ラムが固定された台座と、前記台座の受圧面側と反対の
   面に当接し圧力を伝達する圧力伝達部材と、前記圧力伝
   達部材に対して前記台座と反対側に位置する圧電素子と
   を備え、前記圧力伝達部材と前記圧電素子に対し軸方向
   の圧縮荷重で固定する圧力センサであって、前記管状ダ
   イアフラムの内側に前記圧電素子と前記圧力伝達部材が
   配置されている事を特徴とする圧電型圧力センサ。
2. 【請求項２】筺体の受圧面に印加された圧力に応じた電
   荷を発生する圧電素子と、前記受圧面に印加された圧力
   を前記圧電素子に伝達する圧力伝達部材と、前記圧電素
   子及び前記圧力伝達部材を内部に配設した管状ダイアフ
   ラムと、前記圧電素子と前記圧力伝達部材を固定する上
   部固定部材または内部筺体を有する圧電型圧力センサの
   製造方法であって、前記管状ダイアフラムの軸方向の断
   面によって複数個に分割されるチャックで前記管状ダイ
   アフラムの外側側面の少なくとも一部を覆って前記管状
   ダイアフラムを前記チャックに取り付け、前記圧電素子
   に加圧ヘッドで与える圧縮荷重を前記チャックで受けと
   め、前記管状ダイアフラムと前記上部固定部材または前
   記内部筺体の一部を溶接により固定することを特徴とす
   る圧電型圧力センサの製造方法。