JPH0812123B2

JPH0812123B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH0812123B2
Application number: JP62301147A
Authority: JP
Inventors: 泰人矢島; 泰士渡辺; 和義柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1996-02-07
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH01141329A; DE3839515A1; US4920805A; DE3839515C2

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明はセラミックス製の圧力センサに係り、特に内
燃機関におけるシリンダ内の圧力等の測定に際して有利
に用いられ得る圧力センサに関するものである。

（従来技術とその問題点）従来から、作用圧力に応じて変形し得るダイヤフラム
等の基板上に歪検出手段を設けて、該基板の変形に伴う
歪検出手段における電気特性の変化として、かかる基板
における変形を検出して、その検出値から作用圧力を測
定するようにした圧力センサが知られているが、近年、
その一種として、例えば、SAEレポート820319,860474等
に示されているように、高温下においても圧力測定が可
能な、セラミックス製のダイヤフラムを備えた圧力セン
サが幾つか提案されている。

ところで、このようなセラミックス製ダイヤフラムを
備えた圧力センサにあっては、一般に、そのダイヤフラ
ムにおける一方の側の面が、外部空間に対して直接に露
呈される構造とされ、かかる外部空間への露呈面に対し
て、被測定圧が直接に作用せしめられる状態下に配設せ
しめられることとなる。

そのために、かかる構造の圧力センサによって、例え
ば、内燃機関における、特に高負荷時のシリンダ内圧力
（燃焼圧）を測定するに際しては、機関の燃焼工程にお
ける燃焼火災や、或いは吸気工程における吸入ガスが、
ダイヤフラムの露呈面に対して直接接触することとな
る。そして、それによって、かかるダイヤフラムに対し
て、燃焼火災による急激な加熱と吸入ガスによる急激な
冷却とが、極めて短い時間的間隔をもって交互に及ぼさ
れるのであり、その結果、それらの燃焼工程及び吸気工
程において、ダイヤフラムの表裏に温度差が生じ、かか
る温度差に起因する熱応力によって、該ダイヤフラムに
おける撓みが惹起せしめられることとなるのである。

そして、かかるダイヤフラムにおける熱応力に基づく
撓みが、外部空間にて及ぼされる正圧によって生ぜしめ
られる撓み方向に対して、燃焼工程においては逆方向
に、また吸気工程においては同方向に、それぞれ、発生
されることとなるために、前記歪検出手段によって測定
される圧力が、実際の圧力よりも、燃焼工程においては
低く、吸気工程においては高くなり、そのために測定値
に圧力誤差が惹起されて、充分な検出精度が得られない
といった問題を内在していたのである。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景とし
て為されたものであって、その特徴とするところは、一
方の面が外部空間に露呈される状態で周縁部において位
置固定に支持された、該外部空間からの作用圧力に応じ
て変形し得るセラミックス製ダイヤフラムを備え、該ダ
イヤフラムの変形を所定の歪検出手段にて電気特性の変
化として検出する圧力センサにおいて、前記ダイヤフラ
ムの外部空間に対する露呈面上に、所定時間を介して該
露呈面を覆う遮蔽部材を配する一方、かかる遮蔽部材
に、前記ダイヤフラムにおける実質的な変形部位の外部
空間に対する直接的な露呈を回避し得る位置において、
該所定空間を前記外部空間に連通せしめる連通孔を設け
たことにある。

そして、かかる本発明に従う圧力センサにおける遮蔽
部材としては、前記ダイヤフラムの露呈面上に所定距離
を隔てて重なる状態に配された複数枚の板状体を含んで
構成され、且つ各々の板状体に対して、その重合方向に
重ならない位置関係をもって設けられた開口によって、
前記連通孔が構成されてなる構造のものが、採用される
のである。

また、このような圧力センサにおける歪検出手段とし
ては、例えば、前記ダイヤフラムの表面に一体的に設け
られた抵抗体にて構成され、かかるダイヤフラムに対す
る作用圧力が、該抵抗体におけるダイヤフラムの変形に
伴う抵抗値変化として検出されるものや、或いは前記ダ
イヤフラムの表面に一体的に設けられた第一の電極と、
該第一の電極に対して所定間隔を隔てて、絶縁状態下に
位置固定に対向配置された第二の電極とによって構成さ
れ、かかるダイヤフラムに対する作用圧力が、それら第
一及び第二の電極間におけるダイヤフラムの変形に伴う
静電容量変化として検出されるものが、好適に用いられ
ることとなる。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本
発明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明
することとする。

先ず、本発明に従う構造とされた圧力センサの一具体
例が、第１図に縦断面図として、また第２図に正面図と
して、それぞれ示されている。これらの図において、10
は、作用圧力に応じて変形し得るセラミックス製ダイヤ
フラムであって、円形の平面形態を呈する平板乃至は平
膜状をもって形成されている。また、該ダイヤフラム10
は、その一方の面の周縁部において、円筒形状のセラミ
ックス製支持体12の端面に一体的に取り付けられて、位
置固定に支持せしめられている。

なお、これらのダイヤフラム10及び支持体12は、従来
からセラミックス製圧力センサの構造は用いられている
公知のセラミックス材料、例えばアルミナ、ジルコニ
ア、ムライト、窒化ケイ素等のセラミックス材料を用い
て、公知の成形手法に従って、成形され、焼成されるこ
とにより形成されることとなる。また、それらのダイヤ
フラム10及び支持体12は、別体にて成形、焼成した後、
ガラス等によって固定、一体化することも可能である
が、特に、本願出願人が特願昭62−129360号において明
らかにした如く、それらを一体的に成形、焼成すること
により、一体焼成体として形成することが、耐熱及び耐
圧性及び検出精度上において望ましい。

また、かかるダイヤフラム10には、前記支持体12が位
置する側の面上において、その焼成前或いは焼成後に、
所定の抵抗材料及び導体が印刷されること等によって、
歪検出手段としての、ホイートストーンブリッジ等の適
当な公知のブリッジ回路を構成する複数の抵抗体14及び
それらの抵抗体14を導通する導体路（図示せず）が形成
されている。

なお、かかる抵抗体14は、ダイヤフラム10の変形に基
づいて、その抵抗値が減少乃至は増加せしめられるもの
であって、良く知られているように、該ダイヤフラム10
の撓みが、導体路を通じて取り出される所定の出力によ
って検出され得ることとなる。また、かかる抵抗体呼び
導体路の形成材料としては、公知のものが、何れも採用
され得るものであるが、特に、抵抗体の形成材料として
は、本願出願人が特願昭62−130878号において明らかに
した如く、特定の耐高温特性の良好な基本導体成分と、
所定のガラス若しくはセラミックスからなる誘電性物質
とから実質的に構成されてなるものを用いることが、高
熱下における耐久性において望ましい。

さらに、このようなダイヤフラム10及び支持体12は、
筒状の金属ハウジング16の内孔18内に収容されている。
かかる金属ハウジング16は、略有底円筒体形状をもって
形成されており、その底板部20の内側面に対して、ダイ
ヤフラム10における外部空間に露呈されることとなる、
支持体12が固着されていない側の露呈面22が、所定間隔
を隔てて対向して位置する状態で、その筒壁部24内に、
ダイヤフラム10及び支持体12が、位置固定に収容、配置
されている。

また、かかる金属ハウジング16の内孔18内には、ダイ
ヤフラム10と金属ハウジング16の底板部20との対向面間
において、該対向面間の空間を、軸方向中間位置におい
て軸直角方向に仕切るように、円形の平面形態を呈する
板金具26が配され、その外周縁部が、環状のスペース金
具28、28を介して、ダイヤフラム10と金属ハウジング16
の底板部20との間で挟持されることにより、位置固定に
配置せしめられている。

そして、それによって、ダイヤフラム10の露呈面22
が、金属ハウジング16の底板部20、筒壁部24および板金
具26によって覆われ、ダイヤフラム10の露呈面22と板金
具26との間に第一の介在空間30が、また金属ハウジング
16における底板部20と板金具26との間に第二の介在空間
32が、それぞれ、形成されているのであり、このことか
ら明らかなように、本実施例においては、かかる底板部
20、筒壁部24及び板金具26によって、遮蔽部材が構成さ
れているのである。

また、ここにおいて、かかる遮蔽部材を構成する金属
ハウジング16の底板部20には、その中央部において円形
の大径孔34が設けられている一方、板金具26には、その
周縁部近傍において周方向に等間隔を隔てて、円形の小
径孔36が４つ設けられている。そして、かかる小径孔36
及び大径孔34を通じて、ダイヤフラム10の露呈面22が直
接晒される第一の介在空間30が、第二の介在空間32に、
更には外部空間に対して連通され、それによってかかる
露呈面22が外部空間に対して間接的に露呈されているの
であり、本実施例においては、これら大径孔34及び小径
孔36によって連通孔が構成されているのである。

なお、かかる大径孔34と小径孔36とは、第１図からも
明らかなように、底板部20と板金具26との重合方向にお
いて、互いに重ならない位置関係をもって設けられてお
り、また特に、本実施例においては、板金具26における
小径孔36が、それぞれ、ダイヤフラム10における支持体
12に固着された外周縁部位、即ち圧力作用時における変
形部位としては、実質的に機能しない部位に対向して開
口するように設けられている。

ところで、このような圧力センサにあっては、例え
ば、その底板部20における大径孔34が、内燃機関のシリ
ンダ内に開口する状態下に配設され、それによって該シ
リンダ内の圧力の測定に供せしめられることとなる。そ
して、良く知られているように、シリンダ内の圧力が、
ダイヤフラム10の変形に基づく、前記抵抗体14にて構成
されたブリッジ回路の出力変化として検出せしめられる
こととなるのである。

ここにおいて、かかる圧力センサにあっては、そのダ
イヤフラム10が金属ハウジング16及び板金具26にて覆わ
れて、シリンダ内雰囲気への直接的な露呈が回避されて
おり、該シリンダ内圧力が、大径孔34及び小径孔36を通
じて及ぼされるものであり、且つそれらの大径孔34及び
小径孔36は、前述の如く、互いに重ならない位置におい
て形成されていることから、シリンダ内に生ずる燃焼工
程における火災や吸気工程におけるガスの、かかるダイ
ヤフラム10に対する直接的な接触が効果的に回避され得
るのである。

そして、それ故、ダイヤフラム10に対する燃焼火災や
吸入ガスによる急激な加熱乃至は冷却が緩和され、該ダ
イヤフラム10における熱応力の発生及びそれに伴う変形
の抑制乃至は解消が有利に図られ得るのであり、以て測
定圧力の精度の向上が極めて効果的に達成されることと
なるのである。

また、かかる圧力センサにあっては、熱応力の発生が
減少され得るところから、ダイヤフラム10の耐久性、延
いてはセンサ自体の耐久性をも、有利に向上され得ると
いった効果をも有しているのである。

さらに、特に、本実施例における圧力センサにあって
は、板金具26における小径孔36が、ダイヤフラム10にお
ける実質的な変形部位を構成しない周縁部に対向して開
口せしめられているところから、上述の如き、ダイヤフ
ラム10における急加熱及び急冷却の緩和がより有効に量
られ得るといった効果を有しているのである。

因みに、かかる本実施例に従う構造とされた圧力セン
サを用いて、内燃機関のシリンダ内圧力を測定したとこ
ろ、実際の圧力と高精度に一致することを確認できた。
なお、かかる測定データを、第３図において、比較例と
しての、ダイヤフラム（10）の露呈面（22）が、シリン
ダ内に直接露呈された、従来構造の圧力センサによる測
定データと共に、併せ示すこととする。かかる第３図か
らも、従来構造の圧力センサにおける、熱応力による測
定誤差の存在が明らかである。

次に、第４図及び第５図には、それぞれ、本発明に従
う構造とされた圧力センサの、別の実施例が示されてい
る。なお、これらの圧力センサにあっては、上記第一の
実施例における圧力センサと同様な構造とされた部材に
ついては、それぞれ、同一の符号を付すことにより、そ
の詳細な説明は省略することとする。

先ず、第４図に示されている圧力センサは、前記第一
の実施例に対して、遮蔽部材に形成される連通孔の他の
形態を示すものである。具体的には、本実施例における
圧力センサにあっては、遮蔽部材を構成する金属ハウジ
ング16の底板部20に対して、その外周縁部分において、
周方向に複数の小径孔38が形成されている一方、該金属
ハウジング16と共に遮蔽部材を構成する板金具26に対し
て、上記底板部20の小径孔38と軸方向に重ならない相対
的な位置関係をもって、その中央部分において、大径孔
40が一つ形成されている。そして、ダイヤフラム10が直
接露呈される第一の介在空間30が、かかる大径孔40及び
小径孔38を通じて、第二の介在空間32、更には外部空間
に対して連通せしめられているのである。

従って、このような構造とされた圧力センサにあって
も、ダイヤフラム10の露呈面22における実質的な変形部
位が、大径孔40及び小径孔38を介して、外部空間に対し
て間接的に露呈されていることから、内燃機関のシリン
ダ内圧力を測定するに際して、該シリンダ内に生ずる燃
焼火災や吸入ガスによる急激な加熱乃至は冷却が緩和さ
れ得るのであり、それによって前記実施例と同様の効果
が何れも有効に発揮され得るのである。

また、第５図に示されている圧力センサにあっては、
前記第一の実施例に対して、ダイヤフラムの変形を電気
特性の変化として検出する歪検出手段の、他の形態を示
すものである。具体的には、本実施例においては、ダイ
ヤフラム10に対して、その支持体12に固着される側の面
上に、更に円環板状のセラミックス製スペーサ42を介し
て円形板状のセラミックス製基台44が、積層状態をもっ
て一体的に固着されており、かかるダイヤフラム10が、
それらスペーサ42及び基台44を介して、支持体12に固着
されて支持されている。

そして、それによって、ダイヤフラム10と基台44と
が、スペーサ42によって、所定距離を隔てて対向配置さ
れており、且つそれらダイヤフラム10と基台44との対向
面間には、外部空間に連通された乃至は密閉の空間46が
形成されているのである。

なお、これらスペーサ42及び基台44は、何れも、適当
な公知のセラミックス材料、例えばアルミナ、ジルコニ
ア、ムライト、窒化ケイ素等を用いて、公知の成形手法
に従って、ダイヤフラム10と別体にて或いは一体的に成
形され、焼成されることにより形成されることとなる
が、特に、ダイヤフラム、スペーサ及び基台を与えるグ
リーンシートを積層後、一体焼成して得られるものが、
製造性及び耐久性の観点から好適に用いられることとな
る。

また、かかるダイヤフラム10及び基台44には、それぞ
れの互いに対向する面上において、第一の電極48と第二
の電極50とが、一体的に形成されている。なお、これら
の第一及び第二の電極48、50は、それぞれ、白金、金、
銀、パラジウム等の導体を、ダイヤフラム10及び基台44
を形成する、接合前の焼成済セラミックス板、或いは積
層前のグリーンシートに対して印刷することにより形成
されることとなる。

すなわち、これらの第一及び第二の電極48、50は、互
いに所定距離を隔てて、絶縁状態下に位置固定に対向配
置されているのであり、そして圧力作用時におけるダイ
ヤフラム10の変形に基づいて、それらの対向面間距離が
変化することとなるところから、かかるダイヤフラム10
の変形量に応じて、第一及び第二の電極48、50間におけ
る静電容量が減少乃至は増加せしめられるものであっ
て、以て良く知られているように、かかる静電容量を検
出することによって、該ダイヤフラム10の撓みが、測定
され得ることとなるのである。

従って、このような構造とされた歪検出手段を備えた
圧力センサにあっても、前記第一の実施例と同様に用い
られ得るのであり、ダイヤフラム10の露呈面を覆う遮蔽
部材を備えていることから、前述の如き効果を何れも有
効に奏せしめ得、内燃機関のシリンダ内圧力測定等に、
有利に適用され得ることとなるのである。

以上、本発明に従う構造とされた幾つかの実施例につ
いて詳述してきたが、これらは文字通りの例示であっ
て、本発明はそれらの具体例に限定して解釈されるもの
ではない。

例えば、遮蔽部材の具体的形態は、前記実施例のもの
に限定されるものでは決してない。特に、前記実施例に
おいては、何れも２枚の板状体（底板部20及び板金具2
6）を含んで構成されていたが、３枚以上の板状体にて
構成することも可能である。

また、遮蔽部材における連通孔は、底板部20及び板金
具26の他、筒壁部24に設けることも、勿論可能である。

さらに、本発明は、セラミックス製ダイヤフラム10の
露呈面22を覆う遮蔽部材を設けるという思想に、最も大
きな技術的特徴を有しているものであり、それ故、ダイ
ヤフラム10や歪検出手段などの具体的形状や構造は、前
述の如き記載によって何等限定されるものではなく、種
々なる形態を採り得るものであり、また遮蔽部材の形成
材料にあっても、前記実施例のものの他、適当な材料が
適宜用いられ得るものであることが、理解されるべきで
ある。

加えて、前記実施例においては、本発明を、内燃機関
のシリンダ内圧力を測定する圧力センサに適用したもの
の一例を示したが、本発明の適用範囲は、かかる具体例
に限定されるものではなく、特に著しい温度変化が生じ
る流体の圧力測定等に際して好適に用いられるものであ
る。

その他、一々列挙はしないが、本発明は当業者の知識
に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様に
おいて実施され得るものであり、またそのような実施態
様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも本発明の
範囲内に含まれるものであること、言うまでもないとこ
ろである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に係る圧力セ
ンサにあっては、被測定流体の存在する外部空間に対す
るダイヤフラムの直接的な露呈が、所定間隔を隔てて配
された複数枚の板状体を含んで構成される遮蔽部材と、
重合方向に重ならない位置関係をもって設けられた開孔
にて構成される連通孔とによって効果的に回避され得る
ことから、かかる外部空間に存在する流体等の急激な温
度変化に起因する、該ダイヤフラムの熱応力による変形
が効果的に抑制乃至は防止され得るのであり、以てその
ような温度変化による影響を回避しつつ、外部空間の測
定が優れた精度をもって為され得ることとなるのであ
る。

そして、それ故、例えば、内燃機関のシリンダ内の圧
力測定に際して、かかる圧力センサを用いることによっ
て、該シリンダ内に生ずる燃焼火災や吸入ガスによる急
激な加熱乃至は冷却に起因する測定誤差が有利に除去さ
れ得、シリンダ内の正確な圧力測定が可能となるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う圧力センサの一実施例を示す縦断
面図であり、第２図はかかる圧力センサの正面図であ
る。また、第３図は、かかる構造の圧力センサを用い
て、内燃機関のシリンダ内圧力を測定した測定データ
を、比較例と共に示すグラフである。更に、第４図、及
び第５図は、それぞれ、本発明に従う圧力センサの、別
の実施例を示す、第１図に対応する縦断面図である。 10:ダイヤフラム、12:支持体 14:抵抗体、16:金属ハウジング 20:底板部、22:露呈面 24:筒壁部、26:板金具 30:第一の介在空間、32:第二の介在空間 34,40:大径穴、36,38:小径穴 42:スペーサ、44:基台 46:空間、48:第一の電極 50:第二の電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面が外部空間に露呈される状態で周
縁部において位置固定に支持された、該外部空間からの
作用圧力に応じて変形し得るセラミックス製ダイヤフラ
ムを備え、該ダイヤフラムの変形を所定の歪検出手段に
て電気特性の変化として検出する圧力センサにおいて、前記ダイヤフラムの外部空間に対する露呈面上に、所定
時間を介して該露呈面を覆う遮蔽部材を配する一方、か
かる遮蔽部材に、前記ダイヤフラムにおける実質的な変
形部位の外部空間に対する直接的な露呈を回避し得る位
置において、該所定空間を前記外部空間に連通せしめる
連通孔を設け、且つかかる遮蔽部材を、前記ダイヤフラムの露呈面上に
所定間隔を隔てて重なる状態で配された複数枚の板状体
を含んで構成すると共に、各々の板状体に対して、その
重合方向に重ならない位置関係をもって設けられた開孔
によって、前記連通孔を構成せしめたことを特徴とする
圧力センサ。
【請求項２】前記歪検出手段が、前記ダイヤフラムの表
面に一体的に設けられた抵抗体に構成され、かかるダイ
ヤフラムに対する作用圧力が、該抵抗体におけるダイヤ
フラムの変形に伴う抵抗値変化として検出される特許請
求の範囲第１項に記載の圧力センサ。
【請求項３】前記歪検出手段が、前記ダイヤフラムの表
面に一体的に設けられた第一の電極と、該第一の電極に
対して所定間隔を隔てて、絶縁状態下に位置固定に対向
配置された第二の電極とによって構成され、かかるダイ
ヤフラムに対する作用圧力が、それら第一及び第二の電
極間におけるダイヤフラムの変形に伴う静電容量変化と
して検出される特許請求の範囲第１項に記載の圧力セン
サ。