JPS59141028A

JPS59141028A - 座金型圧力センサ

Info

Publication number: JPS59141028A
Application number: JP58014380A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Takeuchi; 潔竹内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-01-31
Filing date: 1983-01-31
Publication date: 1984-08-13
Also published as: JPH0322577B2; DE3403124C2; US4524625A; DE3403124A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この凡用は、耐圧性を向上させるための改良を施した座
金型圧力センサに関する。

第１図に、従来の座金型圧力センサの一例を示す。

この座金型圧力センサ１は、例えば第２図に示す如く、
自動車のエンジンのシリンダ部２にＪ３いて、゛シリン
ダヘッド３をシリンダブロック４へ取り付けるためのヘ
ッドボルト５の締付部に、通常の座金と同様にして締付
固定され、ガスの燃焼に伴って生じる締付圧力の変化を
検出することによってシリンダ内圧を検出するのに用い
られる。

従来の座金型圧力センサ１の構造は、第３図に示すよう
に、外周の一部に引出し端子（第１図６で示す）が突設
されたリング状金属製の電極板７と、この電極板７の両
面に密着積層されたリング状の圧電素子８，９と、この
圧電素子８．９の上下各面に、上記電極板７に対向して
積層された一対のリング状金属製受圧部１０．１１とか
ら構成され、上記一対の受圧部１０．１１は、上側の受
圧部１０の内周縁および外周縁から各々下りへ延設され
た接合部１２．１３の先端部１２ａ、１３ａを下側の受
圧部１１に溶接することによって一体化されている。

また、上記電極板７．圧電素子８，９の内周と内側の接
合部１２との間には、絶縁デユープ１４が介在されてＪ
５す、これによって、電極板７と受圧部１０，１１との
間の絶縁がなされている。

上記圧電素子８．９は、圧電セラミクスであり、上記電
極板７との接触面に同極の電荷が生じるように両者の分
極方向は対向させである。従って、上記受圧部１０，１
１に外部から圧力が加わると、該圧力は圧電素子８．９
へ伝わって電荷出力が発生し、この出力は上記電極板７
を介して外部へ導出される。

上記受圧部１０，１１に加えられた圧力は、上記圧電素
子８．９に加わる他に、上記接合部１２゜１３にも加え
られるが、接合部１２．１３の厚さは比較的薄く形成さ
れているため、弾性圧縮や撓みが大きく、上記圧力の殆
どが圧電素子に加えられる。

ところで、第２図のように上記の座金型圧力センサ１を
車両エンジンのヘッドボルト５の締付部に介在させて用
いる場合には、約７　ｋｇｍの締付トルクで締付が１な
されるため、上記座金型圧力センサ１には、常時３５０
０ｋａ程痕の締付力が加わった状態となる。

そして、上記シリンダ部２の燃焼室１５でガスが燃焼す
るのに伴って発生する力は、最大３２００に！＋程度で
あり、この力は、上記ヘッドボルト５に加えられるとと
もに、シリンダヘッド３とシリンダブロック４の間に介
在されているヘッドガスケット１６を変位させる力等に
分割される。また、上記ヘッドボルト５は、隣合う２つ
のシリンダの間に各々設けられているために、上記の力
は複数のヘッドボルトに分割して加わることとなり、１
つの座金型圧力センサ１に加わる力は１００ｋｏＰｉ度
となる。

従って、上記座金型圧力センサ１には、第４図に示す如
く、３５００ｋ（］の締付力が常時加えられており、更
にガスの燃焼に伴って生じる１００ｋｇ程度の力が周期
的に加えられることとなる。

そして、座金型圧力センサ１から得られる出力は、シリ
ンダ内圧の変化に対応した出力となるため、第５図に示
す如くになる。同図中Ａは、４気筒エンジンの２番目の
シリンダの内圧変化を示しており、同図中Ｂは２番目の
シリンダと３番目のシリンダの間のヘッドボルトに取り
付けられた座金型圧力センサの出力を示している。

す°なわち、同図に示す座金型圧力センサ１の出力のう
ち、第１の山Ｂ１は３番目のシリンダでガス燃焼がなさ
れたときの圧力変化、第２の山Ｂ２は２番目のシリンダ
でガス燃焼がなされたときの圧力変化を示しており、１
つの座金型圧力セン１すで隣合う２つのシリンダの内圧
変化を検出づることができる。

第６図は、上記座金型圧力センサ１の等価回路であり、
接合部１２．１３を合わせた座金型圧力センサ側面部を
バネ定数ｋｃｏのバネ（１０％圧電素子８，９と電極板
７とを合わせた検圧部をバネ定数ｋＤｏのバネＰｏで表
わし、この検圧部の断面積を△ｔｏｏとすると、受圧部
１０に加えられた力Ｆは、バネＣ６とバネＰａに分割さ
れるが、ｋｃｏ　＜ｋｐｏのＩζめ、力Ｆは殆どバネＰ
ｏに加えられる。

このときの圧電素子８．９の内部応力σｌ）ｏは次式（
１）で表わされる。

σｐｏ＝Ｆ／ＡＩ）ｏ・・・（１）そして、一般に圧電素子は、内部応力σｐが５００ｋｇ
／ａｍ２以下となる条件下で使用しなければならず、内
部応力がこれより大きいと、圧電特性が減衰して、圧力
の検出精度が悲くなってしまう。

ところが、上記のような従来の座金型圧ノコセンサにあ
っては、ヘッドボルトの締付に伴う締付力が常時加わっ
ており、かつこの締付力の殆どが圧電素子に加えられる
ような構造となっているため、圧電素子の内部応力が必
要以上に大きくなり、出力特性が悪くなる虞れがある。

また、加わる力が同じ場合には、圧電素子の断面積Δｐ
を大きくすれば内部応力を減らずことができるが、１記
式（１）から圧電素子の内部応力σｐが３００　ｋ（］
／　ｃｏ＋２となるような断面積を求めると、Ａｐ　−
１２ＣＩ１１２となり、座金型圧力センサの外径が４０
＋＋ｕｎ以上必要となる。これでは、ヘッドボルトに取
り付けるには大き過ぎて実用にはならない。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものでその目的
とづるところは、前述の締（す力のように定常的に加え
られる大きなカによって圧電素子の内部応力が必要以上
に増大することを防止し、測定すべき圧力変化分を精度
良く検出できるようにした座金型圧力センサを提供する
ことにある。

上記の目的を達成するために本発明は、上下に対向前＠
されて被検物体からの圧力を受圧する一対のリング状受
圧部を設けるとともに、これらの受圧８１３間に所定の
１１を保持する間隙保持部を設け、この間隙内に前記受
圧部に一定以上の圧力が加えられた場合に、前記間隙保
持部の弾性圧縮に伴って消滅する微少間隙を介して、圧
電素子と該圧電素子に接してその起電力を外部へ導出づ
る電極板とからなる検圧部を設けたことを特徴とブるも
のである。

以下、本発明の実施例を第７図以下の図面を用い工詳細
に説明する。

第７図は本発明に係る座金型圧力センサの〜実施例（以
下、第１実施例と称す）の構造を示す断、　　面図、第
８図はその分解斜視図である。

両図に示す如く、この実施例の座金型圧力センサ２０は
、上下に対向配置され、同形のリング状に形成された一
対の金属製受圧部２１，２２と、これらの受圧部２．１
．２２の間に介在され、両受圧部２１．２２間に所定の
間隙を保持Ｊる間隙保持部２３．２４とによって中空リ
ング状の外殻が形成されている。

上記一対の間隙保持部２３．２４は、共に鋼鉄等の比較
的剛性を有する金属がらなり、一方の間隙保持部２３の
両端は受圧部２１，２２の内周縁に溶接されており、他
方の間隙保持部２４の両端は受圧部２１．２２の外周縁
に溶接されている。

上記一対の受圧部２１，２２間の間隙には、受圧部と同
心円のリング状に形成された検圧部２８が介挿されてい
る。この検圧部′２８は、電極板２７の両面に圧電セラ
ミクスからなる圧電素子２５゜２６を積層してなるもの
で、両圧電素子２５，２６は、上記電極板２７との接触
面に同極の電荷が生じるように互いに分極方向が対向さ
せてあって、電極板２７を介して圧電素子の起電力を外
部へ導出する構成となっている。なお、図示は省略しで
あるが、上記電極板２７には、第１図に示した従来例と
同様にその外周の一部に引出し端子が突設されている。

そして、上記検圧部２８上面と受圧部２１の下面との闇
には、微少間隙３０が設けられている。

さらに、検圧部２８の内周面と、内側の間隙保持部２３
との間には絶縁チューブ２９が介在されており、これに
よって、電極板２７と受圧部２１゜２２との間の絶縁が
なされている。

上記の如く構成された座金型圧力センサ２０に外力Ｆが
加えられると、受圧部２１と検圧部２８との間に上記微
少間隙３０が設けられているため、外力Ｆによって間隙
保持部２３．２４が弾性圧縮されて上記微少間隙３０が
消滅づるまでは、検圧部２８には力が伝達されない。

従って、第９図に示ず如く、第３図に示した従来の座金
型圧力センサにおける圧電素子の内部応力σ０ｏは、外
力Ｆの増加に対して原点から比例して増加するが、上記
の座金型圧力センサ２０にあっては、上記微少間１１Ｊ
ｉ３０が消滅して、外力１：が検圧部２８に加わるよう
になった時点（このときの外力Ｆをしきい値力Ｆｓとす
る）から圧電素子の内部応力σｐが増加する。

第１０図は上記の座金型圧力センサ２０の等価回路であ
り、一対の間隙保持部２３．２４を合わせたセンサ側面
部をバネ定数ｋｃのバネＣ１検圧１部２８をバネ定数ｋ
ｐのバネＰで表わしである。また、受圧部２１．２２に
外力が加わらない状態における上記微少間隙３０の幅を
ｄ、間隙保持部２３゜２４の高さをｈとする。

まず、上記受圧部２１に加えられた外力Ｆが、前記第９
図に示したしきい値力Ｆｓ　　（第１０図の等価回路か
らＦＳ−ｄｋｃで表わされる）よりも小さい場合には、
第１１図に示す如く、バネＣの弾性圧縮による受圧部２
１の変位ｍΔｄは、上記微少ｌＪａ隙ｄよりも小さいた
め、上記外力Ｆは全てバネＣに加わり、バネＰには加わ
らない。従って、バネＰに加わる力をＦｌ）とすればＦ
ｐ　＝０である。

次に、受圧部２１に加えられた外力Ｆが、前記しきい値
力Ｆｓよりも大きい場合には、第１２図に示づ如く、受
圧部２１の変位量Δｄは一■二記微少間隙ｄよりも大ぎ
くなり、外力ＦはバネＣとバネＰに分配される。すなわ
ち、バネＣに加わるツノをＦｃと１れば、Ｆ＝Ｆｃ＋Ｆｐ・・・（２）であり、また、ＦＣ＝△ｄｋｃ・・・（３）Ｆｌ）　＝　（Δｄ−ｄ）ｋｐ・・・（４）であること
から、上記式（２）へ式（３）。

（４）を代入してΔｄを消去すれば、次式（５）％式％（５）一般に、バネ定数には材質のＶレグ率をＥ、ｌｌ／ｉ面
積をＡ、長さを１とすると、ｋ−ＥＡ／更・・・（６）で表わされる。

従って、上記間隙保持部２３．２４のＡ７ング率をＥＣ
１検圧部２８のヤング率（圧電素子２５゜２６と電極板
２７のヤング率を等しいものと仮定づ゛る）をＥｐとし
、前記間隙保持部２３．２４を合わせたセンサ側面部の
断面積をＡＣ，検圧部２８の断面積をＡＩ）とずれば、
上記バネ定数に’Ｃ，ｋｐは次の式（７）、（８）で表
わされる。

ｋｃ＝　Ｅ　ｃ　ＡＣ／＋１・・・（７）ｋｐ−Ｅｐ　
ＡＥＩ　／　（ｈ　−（１＞・・・（８）従って、前記
式（５）に上記式（７）、（８）を代入すると、Ｆｌｌ　＝　　（Ｆ−ｄｋｃ　　）　ｋｌ）／　（ｋｃ
＋ｋｐ）また、σｐ　＝Ｆｐ　／Ａｐなので、上記式（
９）ここで、ｄ（１）であるため、１）−ｄキ１１と１
れば、（但し、σｐ≧０）従って、上記式（１０）から外力Ｆが（ｄ　ＥＣＡＣ／
ｈ）になるまでは、圧電素子の内部応力σ１）＝Ｏであ
ることがわかる。す“なわち、前記Ｆｓ＝ｃｌ　Ｅｃ　
Ａｃ　／ｈとなる。

次に、上記微少間隙３０の幅ｄを求める。受圧部２１．
２２に加わる外力Ｆの最大値をＦｍａｘとし、このＦ　
ｍａｘが加わったときの圧電素子の内部応力をσｐｍａ
ｘとすると、前記式く１０）から、〕が導かれる。

ここで、前述のように上記の座金型圧力セン１ノをシリ
ンダ部のヘッドボルトに取り付けて゛使用する場合を考
えてみると、エンジンの寸法上の制約があるため、例え
ば上記座金型圧力センサの内径をｉＱｍｍ、外径を２３
．４ｍｍ程度に設定したとする。そして、受圧部２１．
２２と間隙保持部２３゜２７ＩをＡ７ング率Ｅ−２Ｘ　
１０６ｋｇ／ｃｍ２（７）鋼鉄で形成し、圧電素子２５
．２６および電極板２７を同じヤング率を持つものとす
る。また、間隙保持部２３．２４を合わせたセンサ側面
部の断面積ＡＣ＝２０Ｉｎ２、検圧部２８の断面積へｐ
＝１．１１ＣＩｌ１２、間隙保持部２３．２４の高ざｈ
−Ｑ、４ｃｍとする。

このような仮定のちとに、上記最大外力Ｆｍａｘ＝　３
６００　ｋｇのときに、上記圧電素子の最大内部応力σ
ｐｍａｘ＝　３０　Ｑ　ｋｇ／　ｃｏ＋２にするための
微少間隙３０の幅ｄを求めると、上記式く１１）に上記
の各数値を代入して、ｄ　＝２．７ｘｌＯ−’　＜ｃ…） −２，７μ■・・・（１２）となる。また、このとき前記式（１０）に上記ｄ−２，
７μｍと、前記各数値を代入−４れば、圧電素子の内部
応力σｐは１、σβΦ（Ｆ−２７００（ｋ（＋））／３・・・（１３
）となり、Ｆｓ−２７００ｋｏを越える外力Ｆが受圧部
に加えられ”ると、圧電素子から出力が得られることと
なる。

上記しきい値力ＦＳ＝’２７００に！Ｊは、ヘッドボル
トの締イ→ツノ３５００ｋｕよりも若干小さいが、常時
圧電素子に加わる内部応力は、圧電特性の劣化が現れる
ときの内部応ツノ５００ｋｇ／ｃｍ２よりも充分に小さ
い値となり、従って、この座金型圧力センサを用いれば
、シリンダ内圧の変化を精度良く検出することができる
のである。

次に第１３図は、本発明の他の実施例（以下、第２実施
例と称する）を示す断面図である。なお、同図中前記第
７図に示した第１実施例と同一構成部分には同一符号を
付してその説明は省略する。

第１３図に示す座金型圧力センサ４０は、前記第７図に
示した第１実施例の座金型圧力センサ２０にお【ノる圧
電素子２５．２６および電極板２７の厚さを減らし、上
側の圧電素子２５の上面に軟鉄やアルミニウム等の応力
強度σＳの小さな金属からなるスペーナ４−１を積層し
てなる検圧部２８を具備覆るものである。そして、上記
スペーサ４１の上面と上記受圧部２１の下面との間には
前記第１実施例と同様な微少間隙３０が設【ノられてい
る。

上記の如く構成された座金型圧力センサ４０は、前記第
１実施例の場合と同じ効果を呈Ｊる。なお、しきい値力
Ｆｓを越える外力Ｆが加わったときに上側の圧電素子２
５の上面側に生じた電荷は、上記スペーサ４１を介して
受圧部へ導出される。

更に、前記式（１２）で求めたように、上記微少間隙３
０の幅ｄはμｍ単位の極めて小さな値とする必要があり
、機械加工によって精度良く形成することは困難である
ことが多い。そこで、この第２実施例の座金型圧力セン
サ４０では、上記スペーサ４１を潰し加工することによ
って精度良く微少間隙３０を形成できるようにしである
。

寸なわら、第１４図に示す如く、圧電索子２５゜２６と
電極板２７およびスペーサ４１を積層した高さが、間隙
保持部２３．２４の高さよりも若干高くなるようにスペ
ーサ゛４１の高さを設定づる。

そして、第１５図に示す如く、受圧部２１，２２に前記
使用時の最大外力Ｆ　ｍａｘを印加しつつ、受圧部２１
，２２と間隙保持部２３．２４の溶接を行なう。このと
き、スペーサ４１の応力強度σＳは圧電素子の応力強度
より小さい。

そして、上記外力Ｆ　ｍａｘを取り除くと、第１３図に
示すような微少間隙３０が形成されることとなる。この
ときの微少間隙３０の幅ｄは、前記式（１１）のσｐｍ
ａｘにσＳを代入して求められる。

次に第１６図は本発明の更に他の実施例（以下第３実施
例と称す）を示す断面図である。なお、同図中において
前記第１３図に示した第２実施例と同一構成部分には同
一符号を付してその説明は省略する。

第１６図に示１座金型圧カセンサ５０は、前記第１３図
に示した座金型圧カセンザ４０にお番ノるスペーサ４１
をプラスチックで形成したものであり、このプラスチッ
クスペーサ５１は絶縁体であるため、検圧部２８は上記
プラスチックスペーサ５１と電極板２７と１つの圧電素
子２６とから構成されている。

そして、上記プラスチックスペーサ５１の上面と受圧部
２１の下面との間に前記第２実施例と同様の微少間隙３
０が設けられている。

上記のように構成された座金型圧力センサ５０は、前記
第１．第２実施例と同様の効果を呈する。

そして、この第３実施例の座金型圧ノＪＩ？ンサ５０に
おいては、上記微少間隙３０を上記プラスチックスペー
サ５１の固化時の収縮を利用して形成している。

すなわち、第１７図に示す如く、受圧部２１゜２２と間
隙保持部２３．２４を溶接する工程においては、未だ上
記プラスチックスペーサ５１は設けられておらず、この
とき、電極板２７と圧電素子２６は絶縁チューブ５２に
突設されたリポータ５３によって仮止めされている。

そして、第１８図に示す如く、受圧部２１と電極板２７
との間の空隙に、間隙保持部２４側面に設けられた注入
口から液状プラスチック５４を注入した後、液状プラス
デック５４を化学反応、あるいは熱可塑性樹脂の場合に
は加熱して液状としたものを注入した後冷却することに
よって固化させると、第１６図に示したような微少間隙
３０が形成される。サポータ５２の応力強度は圧電素子
５１よりはるかに小さいので、締付時にサポータ５２よ
り圧電素子５１に印加される圧力はほとんどない。

次に、第１９図は更に伯の実施例（以下、第４実施例と
いう）を示す図であり、この第４実施例の座金型圧力セ
ンサ６０は、第７図に示した第１実施例において、受圧
部２２（受圧部２１でも良い）と間隙保持部２３．２４
を一体形成したものである。

このように構成したことによって、間隙保持部２３．２
．４の高さを揃える加工が両者同時に行なえ、別々に加
工して高さを揃える場合よりも精度良く加工できるとい
う利点を有する。

なお、この第４実施例のＩａ造は第１３図、第１６図に
示した第２．第３実施例にも適用できることは言うまで
もない。

以上詳細に説明し１＝ように、この発明の座金型圧力セ
ンサにあっては、受圧部と検圧部の間に、受圧部に一定
以上の力が加わった場合に消滅づ゛る微少間隙を設け、
所定値を越えた分だけの力が検圧部に加えられるように
したことによって、前述したようなエンジンのヘッドボ
ルトに取りイ」けた場合におけるヘッドボルトの締付力
のように、定常的に加えられる大きな力によって、圧電
素子の内部応力が必要以上に増大することを防止し、測
定づべき圧力変化分を精度良く検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は座金型圧力センサの外観を示づ斜視図、第２図
は座金型圧力センサの適用例を示す断面図、！′！３図
は従来の座金型圧力センサのＷ造を示Ｊ′断面図、第４
図は座金型圧力センサに加わる力の変化を示づ一図、第
５図は座金型圧力センサの出力を示す波形図、第６図は
第３図の座金型圧力センサの等価回路、第７図は本発明
に係る座金型圧力センサの〜実施例を示す断面図、第８
図はその分解斜視図、第９図は同センサにお（）る圧電
素子の内部応力の変化を示す図、第１０図〜第１２図は
第７図に示した座金型圧力センサの等価回路、第１３図
は本発明の他の実施例を示寸断面図、第１４図、第１５
図は同センサの製造方法を示１図、第１６図は本発明の
更に他の実施例を示り断面図、第１７図、第１８図は同
センサの製造方法を示す図、第１９図は本発明の更に他
の実施例を示１１７ｉ面図である。２１．２２・・・受圧部２３．２４・・・間隙保持部２５．２６・・・圧電素子２７・・・・・・・・・・・・電極板２８・・・・・・・・・・・・検圧部３０・・・・・・・・・・・・微少間隙特許出願人日産自動車株式会社第２図（Ｘ２、第７図　、。第９図へ　　　　　で・電　　　　　　　７／′ Ｌ　　　　　　　　　　　　／’ 内ネ　　　　　、／４Ｆｐ各　　　　　７・′ｔビ　　　・′ ン巳　　　、７・′ 第８図第１０図りｌＦ第１３図第７６図第１８図１第１７図１第１９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）上下に対向配置されて、被検物体からの圧力を受
圧する一対のリング状受圧部と；前記一対の受圧部間に
所定の間隙を保持Ｊる間隙保持部と；前記一対の受圧部間の間隙内に、前記受圧部に所定値以
上の圧力が加えられた場合に、前記間隙保持部の弾性圧
縮に伴って消滅する微少間隙を介して介在され、かつ少
くとも、圧電素子と該圧電素子に接してその起電力を外
部へ導出する電極板とを備えた検圧部とから構成したこ
とを特徴とする座金型圧力センサ。