JP2007286060A - 圧電式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子のポジショニング時における問題が生じないようにするとともに、大きな温度負荷時にもセンサ信号が高い線形性を維持することができる長期安定高温圧力センサを提供する。
【解決手段】ハウジング２内に圧電素子３を備えた圧電式圧力センサ１。圧電素子３がハウジング２の圧力側に位置しているダイヤフラム４とハウジングの基台部５との間で予圧付与手段８によって予圧付与されている。予圧付与手段８がセンサ縦軸１’に沿って延びているとともに、圧電素子３は前記予圧付与手段８の外側に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジング内に備えられた圧電素子が前記ハウジングの圧力側に位置しているダイヤフラムと前記ハウジングの基台部との間で予圧付与されている圧電式圧力センサ圧電式圧力センサに関する。

圧電式圧力センサ、特に接地絶縁タイプのセンサは測定信号の線形性を良好にするために圧電素子に対して機械的に力を加えて付勢（予圧付与）する必要がある。水冷式センサでは、この予圧付与は、ほとんどの場合、測定素子を外囲するシリンダーバネによって、つまりシリンダーバネによって作り出される実質的に円筒状内部空間に測定素子を収容して、押さえ込むことによって行われる（例えば、特許文献１参照）。この圧電式圧力センサでは、シリンダーバネは圧電素子の確実な押し付け付勢に用いられ、この場合、シリンダーバネはできるだけ低質量かつ弾性を有する薄肉の円筒として形成されている。ただし、圧電式圧力センサの製造に際し、シリンダーバネ内における圧電素子のポジショニングは補助手段なしには不可能である。したがって、製造に際し、圧電素子のポジショニングと確実な絶縁のためにプラスチック部品が挿入されなければならないが、これは高温使用時に老化ないし傷みを生じ、そのために絶縁ロスが生じる。

非冷却式圧力センサにおいて、予圧付与は少なくとも低温域ではダイヤフラムによって行うことができるが、ただしそれは高温センサ（温度４００℃以上）においては生ずる温度負荷によって応力損失を蒙り、その結果、センサ感度の変化と線形性の悪化の原因となる。

欧州公開特許第０７４５８３５号公報（段落番号０００３?０００５、図１）

本発明の課題は、冒頭に述べたタイプの圧電式圧力センサを改良して、圧電素子のポジショニング時における問題が生じないようにするとともに、大きな温度負荷時にもセンサ信号が高い線形性を維持することができ、特にポジショニングと絶縁のためのプラスチック部材のようなものを必要とせずに、長期にわたって安定する高温圧力センサが提供されることである。

上記課題を解決するため、本発明による圧電式圧力センサでは、ハウジング内に圧電素子を備え、前記圧電素子が前記ハウジングの圧力側に位置しているダイヤフラムと前記ハウジングの基台部との間で予圧付与手段によって予圧付与されており、前記予圧付与手段がセンサ縦軸に沿って延びているとともに、前記圧電素子は前記予圧付与手段の外側に配置されている。予圧付与手段をセンサ縦軸に沿って配置することにより、十分なばねストロークが得られるとともに予圧付与損失が効果的に回避されるように予圧付与手段を形成することができる。さらに、予圧付与手段の外側に配置されたことから、圧電素子は通例のプラスチック部材を使用することなくポジショニングすることが可能となる。したがって、本発明によるセンサにおいては、すべての個別部品の締結によるプレ組付けが可能となる。

本発明の好適な実施形態の１つにおいて、圧電素子は実質的に矩形の薄板として形成され、この薄板の対向する短辺端部には前記予圧付与手段の圧力がかかるとともに横方向の圧電効果が利用されることになる。たとえば、予圧付与手段は２つまたは３つの圧電素子薄板によって囲まれる空間の中心に各圧電素子薄板から同じ間隔をあけおくとよい。

本発明のさらに別の実施例において、ハウジングは圧電素子を収容する内部ハウジングを有し、この内部ハウジングは遊びをもって外部ハウジングによって外囲されるとともに、ダイヤフラムの領域で好ましくは溶接によって外部ハウジングに取り付け固定される。

予圧付与手段は、特に３つ以上の場合、その中央の予圧付与手段が同時に信号伝達手段としても機能するようにすれば特に好都合である。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１に示した圧電式圧力センサ１は、ハウジング２内に配置された圧電素子３を備えている。この圧電素子３は、ダイヤフラム４とハウジング２の基台部５との間で予圧付与（プレストレス）されている。ダイヤフラム４は任意の形状であってよく、ハウジング２の圧力を受ける側の端部と不図示の方法で（例えば溶接で）接合されている。ここでは２つの圧電素子３が図示されているが、両圧電素子３は側面が平らまたはやや湾曲した、実質的に矩形の薄板として形成されており、この薄板の対向する短辺端部６，７に圧力かかかると、横方向の圧電効果が作用する。両圧電素子３は、この圧電素子３をハウジング２の基台部５に対して予圧付与している、実質的にセンサ縦軸１’に沿って延びた棒状の予圧付与手段８の外側に位置している。図示した実施形態において２つの互いに平行な圧電素子薄板が配置されているが、他の（ここに不図示の）実施形態として、複数の、たとえば３つの三角形状にレイアウトされた圧電素子薄板が予圧付与手段８から等しい間隔をあけてその中央に配置されてもよい。

圧電素子３の組み込みを容易にするため、ハウジング２はたとえば線Ｔに沿って分割可能にすることも可能であり、その場合、これらのハウジング部分は測定素子３の組付け後に互いに溶接接合される。

圧電素子３の短辺端部６には円環状の電極９ならびにダイヤフラム４の方向に電気絶縁部材１０が備えられている。その際、図示された実施形態において予圧付与手段８と電極９との間に通電接続がつくり出されるため、中央の予圧付与手段８は同時に信号伝達手段つまり信号伝達ロッドとして機能する。この場合、測定はハウジング接地で行われる。

予圧付与手段８はそれぞれ貫通孔９’，１０’を通って電極９と絶縁部材１０とを貫通しており、その際、予圧付与手段８は円錐形拡張部１１によって絶縁部材１０に保持されるとともに、その反対側であるセンサハウジング２の基台部５のところでもう１つの絶縁部材１０を介して保持されることで予圧付与された状態を維持することができる。その結果、予圧付与手段８は固定手段１２によって予圧付与された位置に保持される。この場合、固定手段１２は中央の予圧付与手段８にねじ込み固定されてもよいしまたは溶接付けされてもよい。つまり、圧電素子３は、その一端をハウジング２の基台部５に当てつけられ、その他端を電極９と絶縁部材１０を介してロッド状の予圧付与手段８の先端円錐体部によって押さえ込まれることで、縦（長手）方向の設定された予圧（プレストレス）を受けることになる。

同時に信号伝達手段として機能する予圧付与手段８はセンサハウジング２のダイヤフラム４とは反対側で、絶縁部材１０と同様にセラミックから形成されている絶縁部材１３を貫通して突き出ている。これにより、測定素子のセンタリング用にプラスチック部品を使用せずに、５ｍｍレベルの小孔径用にも製造可能な低コストの非冷却式高温圧力センサが得られる。

図２、３に示した実施例は接地絶縁を有した圧電式高温圧力センサである。ロッド状の予圧付与手段８はこの場合にも２つの圧電素子３の間でそれぞれから等間隔に配置され、薄板状の測定素子３は両短辺端部６，７において力の作用方向にそれぞれ１つの電極９ならびに絶縁部材１０を有している。予圧付与手段８は、図２，３に示した実施形態において、ダイヤフラム４の中心中央部１８に保持固定（たとえば溶接または螺挿）される一方で、電極９と絶縁部材１０との貫通孔９’，１０’を貫通して、ハウジング２の基台部５における反対側の面で固定手段１２によって保持されることで、予圧付与が実現する。この固定手段は図１に示した実施形態と同様に予圧付与手段８に溶接されているかまたはねじ込み固定されるとよい。

ハウジング２は図示された実施形態において多体分割式に構成されており、円筒形ジャケット１９と、ハウジング基台部５を有したディスク状の中央部分２０と、外部六角面カップ体２２およびプラグ収容部２３を有したハウジングカバー２１とをその順に積み重ねた構造体からなっている。ハウジングの各要素は互いに溶接されている。測定センサ１は（ここには不図示の）エンジン用測定孔に差し込まれるかまたは円筒形ジャケット１９に形成された雄ねじ２４を用いてねじ込まれても良い。

図２と図３に示されている形態では、特に図２から明らかなように、信号伝達は予圧付与手段を介してではなく、別個の信号線１４および１５を介して行われ、これらの信号線は、圧電素子３の周辺では、一点鎖線で表されており、圧電素子３の短辺端部６，７に配された円環状電極９と通電接続されている。信号線１４と１５は信号線とアース線として利用することも可能である。

図４は本発明のさらに別の実施形態として、図２と図３に示した圧電式圧力センサの１変形例を示している。ここでは、ハウジング２は圧電素子３を収容する内部ハウジング２’を有し、この内部ハウジングは遊び１６をもって外部ハウジング１７によって外囲されるとともに、ダイヤフラム４の領域で好ましくは溶接によって外部ハウジングに固定されている。この構造により、温度に起因するハウジングの変形が測定素子３に及ぼす影響は少なくなる。

本発明による圧電式圧力センサの第一の実施形態の軸方向断面図 本発明による圧電式圧力センサの第二の実施形態の同じく軸方向断面図 図２に示した実施例の、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図 本発明による圧電式圧力センサの第三の実施形態の軸方向断面図

符号の説明

１ 圧電式圧力センサ
１’ センサ縦軸
２，２’ ハウジング
３ 圧電素子
４ ダイヤフラム
５ ハウジングの基台部
８ 予圧付与手段
９ 電極
１０ 絶縁部材

Claims (7)

1. ハウジング内に圧電素子を備えた圧電式圧力センサであって、前記圧電素子が前記ハウジングの圧力側に位置しているダイヤフラムと前記ハウジングの基台部との間で予圧付与手段によって予圧付与されており、前記予圧付与手段がセンサ縦軸に沿って延びているとともに、前記圧電素子は前記予圧付与手段の外側に配置されていることを特徴とする圧電式圧力センサ。
2. 前記圧電素子は矩形の薄板として形成され、前記薄板の対向する短辺端部には前記予圧付与手段の圧力がかかるとともに横方向の圧電効果が利用されることを特徴とする請求項１に記載の圧電式圧力センサ。
3. 前記予圧付与手段は２つ、３つまたはそれ以上の数の圧電素子薄板に対して等しい間隔をもつようにそれらの間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電式圧力センサ。
4. 前記圧電素子は少なくとも一方の端部において力の作用方向に電極ならびに電気絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電式圧力センサ。
5. 前記電極と絶縁部材にはそれぞれ前記予圧付与手段を貫通させるための貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の圧電式圧力センサ。
6. 前記予圧付与手段は信号伝達手段としても機能することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電式圧力センサ。
7. 前記ハウジングは前記圧電素子を収容する内部ハウジングを有し、前記内部ハウジングの外周囲は遊びをもって外部ハウジングによって外囲されるとともに、前記ダイヤフラムの領域において前記外部ハウジングに接合されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電式圧力センサ。

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