JPH04249729A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車用エンジ
ン等の燃焼圧を検出する燃焼圧センサに用いて好適な圧
力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ケーシング本体と、該ケーシン
グ本体の先端側に設けられ、外部の圧力に応じて軸方向
に変位する平板状のダイヤフラムと、前記ケーシング本
体内に設けられ、先端側が該平板状のダイヤフラムに当
接し、このダイヤフラムの変位に応じて軸方向に変位す
る受圧ロッドと、該受圧ロッドの基端側に設けられ、該
受圧ロッドを介して伝達された前記平板状ダイヤフラム
の軸方向の変位を前記圧力に応じた電圧信号として出力
する圧電体とからなる圧力センサとしての燃焼圧センサ
は、例えば実開昭６０ー５３５号公報等によって知られ
ている。

【０００３】そこで、この種の燃焼圧センサに用いられ
る圧電体を図８および図９に基づいて説明する。

【０００４】図において、１はチタン酸鉛等の圧電材料
からなる圧電体で、該圧電体１の上下面には、導電性ペ
ースト等からなる電極１Ａ，１Ｂが形成されている。そ
して、該圧電体１は燃焼圧によるダイヤフラムの変位を
受圧ロッドを介して受承し、この燃焼圧に応じた電圧信
号をコントロールユニット（いずれも図示せず）に向け
て出力するようになっている。また、該圧電体は図８に
示す如く、製造時に該各電極１Ａ，１Ｂを介して高電界
が加えられることにより、自発分極の向きがある程度揃
えられて分極軸Ｐが上下方向（軸方向）に形成され、該
分極軸Ｐに対して平行な応力軸Ｆから圧力（応力）が作
用すると、圧電体１の内部に歪みが生じ、この圧力に応
じた電荷（電圧信号）を各電極１Ａ，１Ｂを介して信号
軸Ｖの方向に出力する所謂ｄ３３型素子として構成され
ている。

【０００５】そして、この種の従来技術による燃焼圧セ
ンサはエンジンの燃焼室に取付けられ、燃焼時の高い圧
力（燃焼圧）をダイヤフラムで受承し、該ダイヤフラム
の軸方向の変位を受圧ロッドを介して圧電体１に加える
ことにより、該圧電体１は燃焼圧に応じた電圧信号をコ
ントロールユニット等に出力し、コントロールユニット
はこの電圧信号に基づいて燃焼圧の大小を判定し、エン
ジンへの燃料供給時期や点火タイミング等を制御するよ
うになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、ダイヤフラムの変位を受圧ロッドを介して
圧電体１に供給することにより、燃焼室内の高温が圧電
体１に直接的に伝わって該圧電体１が破損したりするの
を防止するようになっているものの、該圧電体１は図８
に示す如く、分極軸Ｐと信号軸Ｖとが同方向に形成され
ているから、温度変化によりパイロ電気を生じ易く、ケ
ーシング本体、受圧ロッド等を介して燃焼室内の高温が
伝達され、圧電体１の温度が上昇すると、図９中に実線
で示す特性線２の如く、圧電体１の温度上昇によってパ
イロ電気が検出信号（電圧信号）に加重され、正確に燃
焼圧を出力することができないという問題がある。

【０００７】このため上述した従来技術によるものでは
、圧電体１の近傍に熱電対やサーミスタ等の温度センサ
を設け、該温度センサによって圧電体１の温度を検出し
、コントロールユニットはこの検出温度に基づいて該圧
電体１の検出信号を補正するようになっている。しかし
、この温度センサと圧電体１は異なる信号を出力するか
ら、コントロールユニットの電子回路や補正プログラム
等が複雑化してコストが大幅に増大するばかりか、温度
センサを取付ける分だけ燃焼圧センサ全体が大型化して
取付自由度が低下する上に、温度センサが経年劣化した
場合は正確に補正することができないという問題がある
。

【０００８】本発明は上述した従来技術による問題に鑑
みなされたもので、本発明は圧電体の温度が変化した場
合でも、温度依存性の低い安定した検出信号を出力する
ことができるようにした圧力センサを提供するものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本発明が採用する構成は、ケーシングと、該ケー
シングの一端側に設けられ、該ケーシングの一端側に外
部から作用する圧力に応じて軸方向に変位するダイヤフ
ラムと、先端側が該ダイヤフラムに当接するように前記
ケーシング内に設けられ、基端側が該ダイヤフラムの軸
方向の変位に応じて径方向に変位するように円錐状の空
間を有する円錐状筒部となった受圧ロッドと、前記ケー
シング内に位置して該受圧ロッドの基端側に設けられ、
該受圧ロッドの円錐状筒部を介して伝達された前記ダイ
ヤフラムの変位を前記圧力に応じた電圧信号として出力
する圧電体とからなる。

【００１０】また、前記圧電体は軸方向の信号軸と、径
方向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から
筒状に形成するのが好ましい。

【００１１】

【作用】上記構成により、外部からの圧力によってダイ
ヤフラムが軸方向に変位すると、受圧ロッドの円錐状筒
部は該ダイヤフラムの軸方向の変位を径方向の変位に変
換し、圧電体はこの径方向の変位を受承して、ダイヤフ
ラムに作用した圧力に応じた電圧信号を出力することが
できる。

【００１２】また、前記圧電体を軸方向の信号軸と径方
向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒
状に形成すれば、圧電体の応力軸に円錐状筒部から径方
向の応力を作用させることができ、これにより圧電体は
信号軸に沿って電圧信号を出力することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図７に基
づき、圧力センサを燃焼圧センサとして用いた場合を例
に挙げて説明する。

【００１４】図において、１１はケーシング、１２は後
述するダイヤフラム１３、上カバー１４と共に該ケーシ
ング１１を構成するケーシング本体を示し、該ケーシン
グ本体１２は基端側に位置して大径な筒状に形成された
大径筒部１２Ａと、該大径筒部１２Ａの下端側に設けら
れ、下向きに縮径するテーパ状に形成された肩部１２Ｂ
と、ダイヤフラム１３とから有底の段付筒状に構成され
、該ケーシング本体１２は該肩部１２Ｂがエンジン本体
のシリンダヘッドに設けられた段付穴の段部（いずれも
図示せず）に当接するようにして、該段付穴内に挿入さ
れている。また、該ケーシング本体１２は肩部１２Ｂを
除いた外周面と段付穴の周面との間に、約１００〜２０
０μｍ程度の隙間を介在させ、エンジン本体の振動がケ
ーシング本体１２を介して後述の圧電体１９に伝達され
るのを極力防止するようになっている。

【００１５】１３はケーシング本体１２の先端側に位置
して、該ケーシング本体１２の肩部１２Ｂから下向きに
突出するように一体に形成されたダイヤフラムを示し、
該ダイヤフラム１３は薄肉な円筒状に形成された小径部
１３Ａと、該小径部１３Ａの先端部に形成され、燃焼室
内に臨む厚肉円板状の受圧部１３Ｂから小径な有底筒状
に構成されている。そして、該ダイヤフラム１３は燃焼
室内の圧力（燃焼圧）を受圧部１３Ｂで受圧すると、こ
の圧力に応じて小径部１３Ａが軸方向に撓んで、後述の
受圧ロッド１６を軸方向に変位させるようになっている
。

【００１６】１４はケーシング本体１２の上端側にレー
ザ溶接等の手段を用いて固着された段付円筒状の上カバ
ーを示し、該上カバー１４の上側にはシリンダヘッド外
へと上向きに突出する縮径部１４Ａが形成され、該上カ
バー１４は取付ステー１５に遊嵌された縮径部１４Ａを
介して、エンジン本体に取付けられている。

【００１７】１６はダイヤフラム１３内に軸方向に変位
可能に設けられた導電性材料からなる受圧ロッドを示し
、該受圧ロッド１６は図２に示す如く、ダイヤフラム１
３の小径部１３Ａ内に設けられ、軸方向に長く伸長した
円柱状のロッド部１６Ａと、該ロッド部１６Ａの下端側
に位置して半球状に形成され、ダイヤフラム１３の受圧
部１３Ｂに当接する球面部１６Ｂと、ロッド部１６Ａの
上端側に位置して軸方向上向きに順次拡径する円錐状に
形成され、内周側に円錐状の空間１６Ｃを有する円錐状
筒部１６Ｄとから大略構成され、該円錐状筒部１６Ｄの
上端側には、後述する圧電体１９の下側電極１９Ｂに当
接して押圧する環状の押圧面１６Ｅが形成されている。 そして、該受圧ロッド１６は燃焼圧によってダイヤフラ
ム１３が軸方向に撓み、ロッド部１６Ａが軸方向に変位
して円錐状筒部１６Ｄが圧電体１９に押付けられると、
これにより円錐状筒部１６Ｄは径方向外向きに押し広が
って変位し、押圧面１６Ｅによって圧電体１９を図１中
の矢示Ａ，Ａ方向（斜め方向）に押圧すると共に、燃焼
室内の高温が圧電体１９に伝わるのを防止するようにな
っている。

【００１８】１７は受圧ロッド１６と対向してケーシン
グ本体１２の大径筒部１２Ａ内に設けられた導電性材料
からなるコンタクトプレートを示し、該コンタクトプレ
ート１７の下端側には円板状のコンタクト部１７Ａが形
成され、該コンタクト部１７Ａの先端面側は後述する圧
電体１９の上側電極１９Ａに当接し、該コンタクトプレ
ート１７の上端側は上カバー１４の縮径部１４Ａ内に伸
長してリード線１８にカシメ固定されている。そして、
該コンタクトプレート１７は圧電体１９からの電圧信号
をリード線１８を介してコントロールユニット（図示せ
ず）に伝達するようになっている。

【００１９】１９はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に位置して受圧ロッド１６の円錐状筒部１６Ｄ上に
設けられ、図３に示す如くチタン酸鉛等の圧電性材料か
ら筒状に形成された圧電体を示し、該圧電体１９は図４
に示す如く、製造時に内周側から外周側に向けて所定の
高電界が加えられることにより、自発分極の向きが揃え
られて分極軸Ｐおよび応力軸Ｆが径方向に形成され、信
号軸Ｖが軸方向となった所謂ｄ１５型素子として構成さ
れている。また、該圧電体１９の上，下面には導電性ペ
ースト等からなるシート状の上側電極１９Ａ、下側電極
１９Ｂが形成され、該圧電体１９の上側電極１９Ａはコ
ンタクトプレート１７のコンタクト部１７Ａに接触し、
下側電極１９Ｂは受圧ロッド１６を介してケーシング本
体１２にアースされている。そして、該圧電体１９はダ
イヤフラム１３が燃焼室内の燃焼圧を受圧し、ダイヤフ
ラム１３が軸方向に撓んで受圧ロッド１６の円錐状筒部
１６Ｄが下側電極１９Ｂに押付けられ、図２にも示す如
く受圧ロッド１６の押圧面１６Ｅを介して斜め方向の力
Ａの水平分力Ａｈが応力軸Ｆに沿って作用すると、これ
により圧縮歪みが生じて分極軸Ｐの方向に分極し、この
圧縮歪みに応じた電荷（電圧信号）を燃焼圧に対応した
検出信号として発生し、この燃焼圧検出信号を信号軸Ｖ
に沿った各電極１９Ａ，１９Ｂからコンタクトプレート
１７、リード線１８等を介して外部のコントロールユニ
ットに出力するようになっている。

【００２０】２０はケーシング本体１２の大径筒部１２
Ａ内に螺着された止めねじを示し、該止めねじ２０は絶
縁性材料から環状に形成された上側プレート２１を介し
てコンタクトプレート１７のコンタクト部１７Ａを所定
の荷重で押圧し、圧電体１９を固定するようになってい
る。

【００２１】２２はコンタクトプレート１７の外周側に
設けられ、該コンタクトプレート１７と止めねじ２０の
間を絶縁する小径筒状の上側熱収縮チューブ、２３はコ
ンタクトプレート１７のコンタクト部１７Ａ外周側に設
けられ、該コンタクト部１７Ａとケーシング本体１２の
間を絶縁する大径筒状の下側熱収縮チューブを示し、該
下側熱収縮チューブ２３はコンタクト部１７Ａと共に圧
電体１９を囲繞し、該圧電体１９を位置決めして固定す
るようになっている。

【００２２】２４は上カバー１４の縮径部１４Ａ上端側
にカシメ等の手段により嵌合固着されたシール部材で、
該シール部材２４はリード線１８の抜け止めを行うと共
に、外部の雨水等が上カバー１４内へ浸入するのを防止
するようになっている。

【００２３】２５，２５は取付ステー１５の自由端側と
上カバー１４の縮径部１４Ａの上端側との間に配設され
た皿ばねを示し、該各皿ばね２５はケーシング本体１２
の肩部１２Ｂをシリンダヘッドに形成した段付穴の段部
に常時押付けることで段付穴を閉塞させ、燃焼室内の燃
焼圧が段付穴を介してエンジン本体の外部に漏れるのを
防止すると共に、取付ステー１５を介して伝達されたエ
ンジン本体の振動をばね力により緩衝し、この振動が圧
電体１９に伝わるのを防止するようになっている。

【００２４】本実施例による燃焼圧センサは上述の如き
構成を有するもので、次にその作動について説明する。

【００２５】まず、エンジンの燃焼室内の混合気が点火
されて燃焼圧が発生し、この燃焼圧によりダイヤフラム
１３が軸方向に撓んで、受圧ロッド１６のロッド部１６
Ａが軸方向に変位し、受圧ロッド１６の円錐状筒部１６
Ｄが図１中の矢示Ａ方向に圧電体１９に押付けられると
、図２に示す如くこの斜め方向の力Ａは水平分力Ａｈ、
垂直分力Ａｖに分解されて圧電体１９に作用する。 そして、この水平分力Ａｈが受圧ロッド１６の押圧面１
６Ｅから圧電体１９の応力軸Ｆに沿って加えられると、
この径方向外向きの応力（水平分力Ａｈ）によって、圧
電体１９内には分極軸Ｐの方向に電荷が生じ、この電荷
を分極軸Ｐと直交した軸方向の信号軸Ｖに沿った各電極
１９Ａ，１９Ｂから燃焼圧信号に応じた検出信号（電圧
信号）として、コンタクトプレート１７、リード線１８
等を介して外部のコントロールユニットに出力する。

【００２６】かくして、本実施例によれば、受圧ロッド
１６の上端側には、ダイヤフラム１３の変位に応じて径
方向外向きに変位し、ダイヤフラム１３の軸方向の変位
を径方向の応力に変換する円錐状筒部１６Ｄを形成し、
該円錐状筒部１６Ｄの上端側には、軸方向の信号軸Ｖと
径方向の分極軸Ｐおよび応力軸Ｆを有するｄ１５型の圧
電体１９を設ける構成としたから、ダイヤフラム１３の
軸方向の変位を受圧ロッド１６の円錐状筒部１６Ｄによ
って径方向の応力に変換でき、この応力を圧電体１９の
応力軸Ｆに作用させて分極軸Ｐの方向に電荷を発生させ
ることができ、該分極軸Ｐと直交した軸方向の信号軸Ｖ
から燃焼圧に応じた電圧信号を出力することができる。

【００２７】従って、本実施例によれば、圧電体１９が
燃焼室内の温度に応じて温度変化した場合でも、分極軸
Ｐの方向に生じるパイロ電気が信号軸Ｖに加重されるの
を効果的に防止でき、図５に実線で示す特性線２６の如
く、圧電体１９の温度変化に対して安定した検出信号を
長期に亘って出力することができ、燃焼室内の燃焼圧を
正確に検出できる。また、本実施例による燃焼圧センサ
は、上述の如く比較的簡単な構造である上に、従来技術
で述べた如く温度センサや補正用の電子回路等を不要に
できるから、コントロールユニットの電子回路等を簡略
化してコストを低減でき、燃焼圧センサ全体を小型化で
き、取付自由度を大幅に向上することができる。

【００２８】なお、前記実施例では、受圧ロッド１６の
ロッド部１６Ａ上端側には、軸方向上向きに順次拡径す
る円錐状に形成され、内周側に円錐状の空間１６Ｃを有
する円錐状筒部１６Ｄを設け、該円錐状筒部１６Ｄの上
端側には環状の押圧面１６Ｅを設けるものとして述べた
が、本発明はこれに限らず、例えば図６に示す変形例の
如く、円錐状筒部１６Ｄの周方向に所定間隔離間して、
所謂「すり割り」としてのスリット２７，２７，…を該
円錐状筒部１６Ｄの内周側から外周側に向けて４個形成
し、該各スリット２７間に４分割円状の押圧面１６Ｅ´
，１６Ｅ´，…を設けるようにしてもよく、この場合に
は、円錐状筒部１６Ｄを効果的に変形させることができ
、ダイヤフラム１３の軸方向の変位を効果的に径方向の
変位に変換することができる。また、場合によっては、
スリット２７を周方向に所定間隔離間して３個以下また
は５個以上形成するようにしてもよい。

【００２９】また、前記実施例では、ダイヤフラム１３
は薄肉円筒状の小径部１３Ａと、該小径部１３Ａの先端
部に形成された厚肉円板状の受圧部１３Ｂから小径な有
底筒状に形成し、受圧部１３Ｂで受圧すると、この圧力
に応じて小径部１３Ａが軸方向に撓むものとして述べた
が、本発明はこれに限らず、例えば図７に示す他の変形
例の如く、ダイヤフラム１３´の小径部１３Ａ´先端側
に薄肉円板状の受圧部１３Ｂ´を形成し、外部の圧力に
よって該受圧部１３Ｂ´が軸方向に変位するようにして
もよく、この場合には、受圧部１３Ｂ´による変位を大
きくとることができ、圧電体１９に加える応力を大きく
することができる。

【００３０】また、前記実施例では、圧力センサとして
燃焼圧センサに用いた場合を例に挙げて説明したが、本
発明はこれに限らず、例えば空気、工業用ガス等の気体
や燃料、水等の液体の圧力を検出する圧力センサにも適
用することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、先
端側がダイヤフラムに当接するようにケーシング内に設
けられ、基端側が該ダイヤフラムの軸方向の変位に応じ
て径方向に変位するように円錐状の空間を有する円錐状
筒部となった受圧ロッドと、ケーシング内に位置して該
受圧ロッドの基端側に設けられ、該受圧ロッドの円錐状
筒部を介して伝達されたダイヤフラムの変位を該ダイヤ
フラムに作用した圧力に応じた電圧信号として出力する
圧電体とから構成したから、外部からの圧力によってダ
イヤフラムが軸方向に変位すると、該ダイヤフラムの軸
方向の変位を受圧ロッドの円錐状筒部を介して径方向の
変位に変換して圧電体に加えることができ、これにより
圧電体はダイヤフラムに作用した圧力に応じた電圧信号
を出力することができる。

【００３２】また、前記圧電体を軸方向の信号軸と径方
向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒
状に形成したから、受圧ロッドの円錐状筒部によって径
方向外向きの変位を圧電体の応力軸に沿って作用させる
ことができ、これにより圧電体は分極軸と直交した軸方
向の信号軸に沿って電圧信号を出力でき、圧電体の温度
変化によって生じるパイロ電気が信号軸に加重するのを
効果的に防止して、外部の圧力を長期に亘って正確に検
出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す燃焼圧センサの縦断面図
である。

【図２】図１中の受圧ロッドを拡大して示す外観斜視図
である。

【図３】図１中の矢示ＩＩＩ　ーＩＩＩ　方向拡大断面
図である。

【図４】図１中の圧電体の一部を拡大して示す縦断面図
である。

【図５】本発明の実施例による圧電体の検出信号と温度
変化との関係を示す特性線図である。

【図６】本発明の変形例による受圧ロッドを拡大して示
す平面図である。

【図７】本発明の他の変形例によるダイヤフラムを拡大
して示す縦断面図である。

【図８】従来技術による燃焼圧センサに用いられる圧電
体の一部を拡大して示す縦断面図である。

【図９】図８中の圧電体の検出信号と温度変化との関係
を示す特性線図である。

【符号の説明】

１１　　　　　　　　　　ケーシング １２　　　　　　　　　　ケーシング本体１２Ａ　　　
　　　　　大径筒部 １３，１３´　　ダイヤフラム １６　　　　　　　　　　受圧ロッド １６Ｃ　　　　　　　　円錐状空間 １６Ｄ　　　　　　　　円錐状筒部 １９　　　　　　　　　　圧電体 Ｖ　　　　　　　　　　　　信号軸 Ｐ　　　　　　　　　　　　分極軸 Ｆ　　　　　　　　　　　　応力軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ケーシングと、該ケーシングの一端側
   に設けられ、該ケーシングの一端側に外部から作用する
   圧力に応じて軸方向に変位するダイヤフラムと、先端側
   が該ダイヤフラムに当接するように前記ケーシング内に
   設けられ、基端側が該ダイヤフラムの軸方向の変位に応
   じて径方向に変位するように円錐状の空間を有する円錐
   状筒部となった受圧ロッドと、前記ケーシング内に位置
   して該受圧ロッドの基端側に設けられ、該受圧ロッドの
   円錐状筒部を介して伝達された前記ダイヤフラムの変位
   を前記圧力に応じた電圧信号として出力する圧電体とか
   ら構成してなる圧力センサ。
2. 【請求項２】　　前記圧電体は軸方向の信号軸と、径方
   向の分極軸および応力軸とを有するｄ１５型素子から筒
   状に形成したことを特徴とする圧力センサ。