JPH0320636A - 圧電型圧力センサ - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は内燃機関のシリンダー内燃焼圧力等の圧力検出
に適した圧力センサ、特にせん断方向の応力を利用した
せん断効果型の圧電型圧力センサに関すも 従来の技術 力を加えて電気を発生する圧電効果を利用した圧電型圧
力センサ（よ　従来よりよく用いられている。特に最近
内燃機関のシリンダー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。

第４図に　特願昭６１−２５６０３２に述べられている
従来例せん断型圧力センサの基本構造を示も　同図（ａ
）は縦断面は　同図（ｂ）はその分解斜視図であも　長
さ方向に分極軸を有し内外周面に電極を持つ円筒形圧電
素子１３（よ　その底面内周部分に　耐熱性樹脂あるい
は金属等に耐熱性樹脂をコーティングした断熱効果を有
する圧力伝達部材１２が固定され　内燃機関のシリンダ
ーに取り付けられる筐体ｌ１内部の受圧面１ビの中心部
分嬬　接着等により固着されていも　圧電素子ｌ３の上
下外周部分に１よ　金属等から゛なる固定部材１４が当
接レ　さらにセラミック等の断熱部材１５と金属板１６
を挟んで、固定用ネジ部材１７を締め付け固定すること
により、筐体１１に取り付けられていも 円筒形圧電素子１３の外周部分が固定され　他端面の内
周部分に圧力伝達部材により圧力が印加されるので、円
筒形圧電素子にはせん断力が働くことになり、このせん
断応力に応じた電荷が内外周面電極に発生する。これを
電気信号として取り出すのが圧電型圧力センサの原理で
あも発明が解決しようとする課題 上述したせん断効果型圧力センサで１よ　受圧面１１゛
が被測定領域から受ける動的圧力に応じた応力を圧力伝
達部材１２を通じて円筒形圧電素子に正確に伝達される
必要がある。しかし受圧面が従来例のようなダイアフラ
ム構造である場合、受圧面が受ける静的圧力（圧力の直
流戊分）の大きさによって受圧面と圧力伝達部材間の接
触状態が変わり応力伝達形態が変化したり、ダイアフラ
ム自体の変位が一様でなく印加圧力を圧力伝達部材に受
圧面が受ける圧力と異なった応力を伝達するため正確な
センサ出力を得ることができなくなるという問題点を有
すん　その代表的な結果を第５図に示す。この結果は受
圧面が受ける静的圧力を変化させた場合、同一値の動的
圧力５ｋｇ／Ｃｍ”，１０Ｈｚを印加させているにもか
かわらず同一出力値を示さないことを示していも　従っ
て、従来例の構或を有するセンサでは出力の信頼性が得
られないという欠点を有していｔも 本発明（よ　このような従来技術の課題を解決すること
を目的とすも 課題を解決するための手段 本発明１よ　被測定領域内に受圧伝達部材の受圧面が位
置しかつ筐体と分離しかつ筐体に直接または間接的に接
触固定させた受圧伝達部材と、該受圧部材の受圧面の反
対側屹　長さ方向に分極軸を有し内外周面を電極とした
円筒形圧電素子を＠えぞの一端面の内周あるいは外周部
分を，前記受圧面の圧力を伝達する前記圧力伝達部材に
固定されるとともに　該圧電素子の他端面のそれぞれ反
対の周部分の外周あるいは内周部分を固定部材で保持し
，かつ内外周面電極の電気的導通がないようにした手段
を持つ部材等の構或部材からなり，動的圧力印加によっ
て発生した電荷を該電極から取出し，インピーダンス変
換回路　増幅器等の電気回路を構威した基板と前記構或
部材をネジ締め等の部材により固定されているセンサ構
造としたものであも 作用 本発明（友　圧力センサに動的圧力が印加されると筐体
と分離しかつ受圧面と一体の受圧伝達部材力交　受圧面
が受けた動的圧力を直接円筒形圧電素子の一端面の内周
または外周に伝達し　かつ他端面の前記と反対の周部分
の外周あるいは内周部分を固定部材で保持しているた奴
　円筒形圧電素子には受圧面が受けた動的圧力に応じた
せん断応力が発生する。この構或によって前述の静圧の
変化によって出力の値が変化するという従来例の問題点
をなくすることができ、静圧が変化しても計測動圧に比
例した一定の出力を出す信頼性を有するセンサが構或で
きも 実施例 以下に　本発明の実施例について図面を参照しながら説
明すも 実施例１ まずセンサの構造を説明すも　第ｌ図は本発明の一実施
例を示し　その縦断面図である。被測定領域内に受圧伝
達部材２の受圧面２．が位置しかつ筐体ｌと分離しかつ
筐体Ｉに直接または間接的に接触固定させた受圧伝達部
材２と、該受圧部材２の受圧面２Ｉの反対側砥　長さ方
向に分極軸を有し内外周面３＝，３ｂを電極とした円筒
形圧電素子３を備え　その一端面の内周部分３ｏを，前
記受圧面２．の圧力を伝達する前記受圧伝達部材２に固
定されるとともに　該圧電素子３の他端面の外周部分３
−を固定部材４で保持し，かつ内外周面電極３．．３ｂ
の電気的導通がないように絶縁体であるセラミックス基
板５を配置レ　該セラミックス基板５には圧力によって
発生した電荷を圧電素子に形戊した電極から取出し，イ
ンピーダンス変換や増幅を行う電気回路６を構或してい
る。まね　受圧伝達部材２と筐体１の間は○−リング７
によって圧電素子側に計測圧力Ｐが印加されるのを防い
でいる。

さらにこのセラミックス基板５を金属ワッシャ８を介し
て固定用ネジ部材９で筐体１に固定している。

本発明の圧力センサで（よ　被測定領域内に生じた圧力
変動によって受圧面２●に印加された圧力を受圧伝達部
材２によって圧電素子に圧力に応じた応力を伝達する。

この応力は円筒形圧電素子３にせん断応力を生じさせる
。この圧電素子にはこのせい断応力に応じた電荷が発生
し　この電荷は圧電素子の周面３−，３ｂに形戒した電
極から取り出され　電気回路８に導かれここでインピー
ダンス変換　増幅等が行われセンサ出力としてケーブル
１０から取り出される。

このような構或の圧力センサで（よ　受圧部から圧電素
子への応力伝達系を受圧伝達部材２のみとし　従来例の
様な受圧面にダイアフラムを用いないためダイアフラム
構造によって生じる前述の応力の伝達異常を除去するこ
とができる。このため第２図に示すように、印加静圧が
０から１５０ｋｇｆ／ｃｍ２に変化しても計測動圧Ｐ　
ｏ−Ｈに比例した一定の出力電圧（実効値）を出す信頼
性を有するセンサが構或できも　第３図にセンサの出力
特性を示す。

また　チタン酸鉛を主戒分とした圧電材料は高い耐熱性
と同時に高温下で安定な特性を示す。また圧電材料の圧
電定数ｄｔｓは締め付け圧力や計測時の静圧が変化して
も安定な値を示すとともにその値はｄ３＋に比べて大き
く、センサを構戊した場合に大きい感度が得られるとい
う特長を有すんさらにせん断方向の応力を利用したせん
断効果型であるた敷　圧電材料が有する焦電出力がでな
いたム　圧電素子に温度変化が生じても出力に影響を与
えないという特徴をも有する。このようにチタン酸鉛系
圧電材料は内燃機関のシリンダー内部の圧力のような高
亀　高圧下での応力計測に適している。これに対しチタ
ン酸ジルコン酸鉛系圧電材料は耐熱性に乏しく、高圧下
では圧電特性が変化し高凰　高圧下での使用には適さな
（ｂなお上記のセンサ構戒部材の金属はインバー合金の
ような線熱膨張係数の小さいものが望ましく、個々の構
戊部材の線熱膨張係数の差が±１．０×１０−６の範囲
内にあることが望まし鶏　線熱膨張係数の差が±１．　
　ＯＸＩＯ−’より大きくなるとセンサ特性に大きな影
響を及ぼシ−４０〜２５０℃のような広範囲の温度下で
のセンサ使用に不適となる。

このように本発明のセンサでは構造が簡単で、静圧が変
化しても計測動圧に比例した一定の出力を出す信頼性を
有し　かつ高温高圧下の使用においても高精度な量産に
適した圧力センサを供給できる。

発明の効果 本発明による圧電型圧力センサで（よ　圧力伝達系にダ
イアフラムを用いない構造をとり、静圧が変化しても計
測動圧に比例した一定の出力を出すことができる。また
　せん断方向の応力を利用したせん断効果型であるた敗
　圧電材料が有する焦電出力がでないた取　圧電素子に
温度変化が生じても出力に影響を与えな（ｔ　また圧電
素子を含むセンサ構戊材料は高温高圧下でも使用ができ
る。

このように本発明のセンサは高温高圧下での使用が可能
で、信頼性を有し　高精度な特性を供給できも　さらに
簡素な構造で量産に適し　安価に供給が可能でかつ上記
の効果を有するた△　汎用センサとして自動車などの制
御に大きく貢献することが期待できも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電型圧力センサの実施例１の断面は
　第２図は同実施例１の印加静圧を変化させたときの、
ｌＯＨＺでの計測動圧Ｐ．−．＝５・１０ｋｇｆ／ａｍ
”印加時のセンサ出力を示すグラフ、第３図は同実施例
１の出力特性を示すグラフ、第４図（ａ）、　（ｂ）は
それぞれ従来の圧電型圧力センサの縦断面図および分解
斜視は　第５図は従来例の印加静圧を変化させたときの
１αＨ　ｚ，Ｐ　ｏ−＊＝　５　ｋ　ｇ　ｆ　／　ｃ　
ｍ”の動圧印加時のセンサ出業 力特性を示すグラフであも ｌ・・・筐体　２・・・受圧伝達部抹　３・・・円筒形
圧電素子、３１・・円筒形圧電素子内周猛　３１・・円
筒形圧電素子外周ｉ　　３ｏ・・・円筒形圧電素子端面
の内周部分、３ｄ・・・円筒形圧電素子端面の外周部分
、　４・・・固定部材、　５・・・セラミック基楓　６
・・・電気回息　７・・・○−リン欠　８・・・金属ワ
ッシャ、９・・・固定用ネジ部材、　１０・・・ケープ
７ｋ．１１・・・筺＆　　１２・・・圧力伝達部材、　
ｌ３・・・円筒形圧電素子、　ｌ４・・・固定部［１．
５・・・断熱部材、　１６・・・金属坂　１７・・・固
定用ネジ部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定領域内に受圧面が位置しかつ筐体と分離し
   かつ筐体に直接または間接的に接触固定された受圧伝達
   部材と、該受圧伝達部材の受圧面の反対側に、長さ方向
   に分極軸を有し内外周面を電極とした円筒形圧電素子が
   備えられ、その一端面の内周あるいは外周部分が前記受
   圧面の圧力を伝達する前記圧力伝達部材に固定されると
   ともに、該圧電素子の他端面のそれぞれ反対の周部分の
   外周あるいは内周部分が固定部材で保持されかつ内外周
   面電極の電気的導通がないようにする手段を持つ部材を
   備え、動的圧力印加によって発生した電荷を、該電極か
   ら取り出すことを特徴とする圧電型圧力センサ。
2. （２）円筒形圧電素子としてチタン酸鉛系の圧電材料を
   用いることを特徴とする請求項１記載の圧電型圧力セン
   サ。