JPH04364435A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関のシリンダ内燃
焼圧力等の圧力検出に適した圧電型圧力センサに関する
。

【０００２】

【従来の技術】応力を加えて電荷を発生する圧電効果を
利用した圧電型圧力センサは、従来よりよく用いられて
いる。特に最近では内燃機関のシリンダ内燃焼圧力等の
検出に適した圧力センサの開発が盛んである。図５は、
特開昭６３−１０９３４２号公報に述べられている圧電
型圧力センサの基本構成を示す。同図はセンサの縦断面
図であり、筐体３１内部に設置された圧電素子３４は上
部固定ねじ３５によって圧力伝達部材３３を介してダイ
アフラム状に加工された受圧面３２の裏面に押し付けら
れて固定され、予備応力が与えられている。この予備応
力は特に内燃機関のシリンダ内燃焼圧力を計測する場合
には負圧を計測するためにも必要である。

【０００３】次に、その動作を説明する。筐体３１の外
部から受圧面３２に印加された圧力は、圧力伝達部材３
３を介して圧電素子３４の内周部分を押し上げるように
伝達される。ここで圧電素子３４の上端外周部は上部固
定ねじ３５により下方へ加圧されているため、圧電素子
３４に剪断力が加えられる。この応力に応じて発生した
電荷を電気信号として検出する構成となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、エンジンにセ
ンサを取り付けた場合、センサの受圧面が燃焼ガスにさ
らされるため、筐体が３００℃程度まで加熱されること
がある。圧電素子は温度によって機械−電気変換係数が
変化する。このため、チャージアンプなどを用いて圧力
を計測している場合、実際の圧力より計測値が大きく表
れ、正確な圧力測定が困難であった。

【０００５】本発明はセンサの温度上昇に伴う圧力測定
値の誤差の発生を抑制し、正確な圧力測定のできる圧電
型圧力センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の圧力センサは、一端面を筐体に対して固定し
他端面を筐体の受圧面に接して設置された熱膨張係数が
筐体のそれより大である材質の温度補償スペーサを備え
ている。

【０００７】

【作用】上記温度補償スペーサを配置したことにより、
温度上昇にともなって受圧面の裏面を温度補償スペーサ
が押し返すため、受圧面に加わる荷重の中で圧力伝達部
材に伝えられる荷重の割合が減少し、温度上昇による圧
力の測定誤差を減少できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の圧電型圧力セ
ンサの一実施例について説明する。図１に本発明の実施
例における圧電型圧力センサの断面を示す。同図中、１
１は金属からなる筐体であり、この筐体１１の一面にダ
イアフラム状に加工された受圧面１２を設けている。こ
の受圧面１２は被測定領域、たとえば内燃機関のシリン
ダ内に設置されている。筐体１１の内部には絶縁材（た
とえばセラミック）で形成された圧力伝達部材１３の一
端面が受圧面１２に接するように設けられ、他端面は円
筒形の圧電素子１４の一端面に接している。この円筒形
の圧電素子１４の上端外周部分は上部固定ねじ１５によ
って押さえ付けられ筐体に対して固定されている。この
上部固定ねじ１５の締め付け力によって圧電素子１４，
圧力伝達部材１３を受圧面１２に押し付け、固定し、か
つ圧電素子１４へ予備応力を印加している。筐体１１の
内部には圧力伝達部材１３の周辺に張り出し部１７が設
けられ、張り出し部１７の下面と受圧面１２の間にはリ
ング状の温度補償スペーサ１６が挟み込まれている。す
なわち温度補償スペーサ１６は一端面が筐体１１に対し
て固定され他端面が受圧面１２に接して設置されている
。圧力伝達部材１３はこの温度補償スペーサ１６に設け
られた穴を通って受圧面１２裏面と接触している。

【０００９】図２に図１の圧電型圧力センサ先端部の断
面図を示す。温度補償スペーサ１６は筐体１１に設けら
れた張り出し部１７下面と受圧面１２裏面にのみ接し、
同スペーサ１６の側面方向には筐体１１と接しないよう
空間２１がＭ設けられている。

【００１０】図３は圧電型圧力センサで発生した圧力信
号を増幅するためのチャージアンプのブロック図である
。センサ内部の圧電素子４１の信号を増幅器４３に入力
しコンデンサ４２を通して負帰還をかけた構成となって
いる。筐体が加熱され、圧電素子温度が上昇した場合の
アンプの出力信号の変化を考える。圧電素子４１に荷重
Ｆが印加されると圧電歪定数ｄに応じた電荷Ｑが以下の
関係で発生する。

【００１１】Ｑ＝ｄ×Ｆ　　……………　　（１）また
、圧電素子４１で発生した電荷Ｑとチャージアンプの出
力電圧ＶＯとの関係は ＶＯ＝Ｑ／Ｃａ　　………　　（２） のように表されるので、チャージアンプの出力電圧ＶＯ
と圧電歪定数ｄ、印加される荷重Ｆとの関係はＶＯ＝ｄ
／Ｃａ×Ｆ　　…　　（３） のようになる。式（３）のＣａはチャージアンプ内に組
み込まれているためセンサの温度変化に影響されない。 したがって、出力電圧ＶＯの受ける温度変化の影響は圧
電歪定数ｄによるものである。本実施例に用いた圧電素
子の場合、圧電歪定数ｄの温度による変化率は０．１４
％／℃である。これはセンサの温度が１００℃上昇する
とアンプからのセンサ出力が１４％上昇し、圧力測定値
に＋１４％の誤差が含まれる。

【００１２】次に、本実施例の圧電型圧力センサの動作
について説明する。図１において、被測定領域の圧力が
受圧面１２に加わると、その力は圧力伝達部材１３を通
して圧電素子１４の下方内周部分に伝えらえる。一方、
圧電素子１３の上方外周部分は上部固定ねじ１５によっ
て押さえられているので、圧電素子１４に剪断力が加え
られる。この剪断力に応じた電荷が圧電素子１４に発生
し、圧力信号として図３に示すチャージアンプに導かれ
る。筐体内部に設けられた張り出し部１７の下面と受圧
面１２の裏面に接するようい設置された温度補償スペー
サ１６は、高温中で十分な弾性と強度を有し、かつ筐体
の材質よりも熱膨張係数の大きな材質で作られている。

【００１３】この温度補償スペーサの動作を図２を用い
て説明する。室温下では温度補償スペーサ１６は、張り
出し部１７下面および受圧面１２裏面と触れる程度にし
か接触していないため、受圧面１２に印加される圧力Ｆ
ｐのすべてが圧力伝達部材１３圧電素子に印加される。 しかし、筐体１１が加熱されると、筐体１１よりも温度
補償スペーサ１６の熱膨張係数が大きいため、圧力Ｆｐ
に対して温度に比例したＦｓで受圧面１２を押し返す。 このため、受圧面１２に印加される荷重Ｆｐのうち、圧
力伝達部材１３に伝達される力Ｆｔのしめる割合は温度
上昇に比例して低下する。ここで、温度補償スペーサ１
６は縦方向のみでなく半径方向にも膨脹するが、温度補
償スペーサ１６の側面と筐体１１の間の空間２１により
温度補償スペーサ１６の半径方向への影響は遮断されて
いる。

【００１４】上記のように圧電素子１４の温度上昇によ
って圧電歪定数ｄが増加し、測定圧力値が増加する誤差
分と、上記の温度補償スペーサ１６により圧力伝達部材
１３への伝達力Ｆｔの低下による出力減少分は、それぞ
れ式（４），（５）で示される。

【００１５】 ΔＶＯ＝（ｄ（ｔ）−ｄｏ）×Ｆｐ　　…　　（４）Δ
ＶＯ＝ｄ（ｔ）×Ｆｓ（ｔ）　　………　　（５）この
両者のΔＶＯを相殺し合うようＦｓを設定すること、す
なわち、Ｆｓが式（６）の関係となるように設定するこ
とにより、筐体の温度上昇に対してセンサ出力が安定し
、温度特性に優れた圧電型圧力センサを実現できる。こ
のときの圧電歪定数ｄの温度特性と圧力伝達部材への伝
達力Ｆｔの温度特性の関係を図４に示した。

【００１６】 　　　　　　　　　　　　　　Ｆｓ（ｔ）＝（１−ｄｏ
／ｄ（ｔ））×Ｆｐ　　…　　（６）ただし、ΔＶＯは
温度変化発生時のチャージアンプ出力の変動幅、ｔはセ
ンサ温度、ｄ（ｔ）は温度の関数とした圧電歪定数、ｄ
ｏは圧電歪定数の基準値、Ｆｓ（ｔ）は温度の関数とし
たＦｓである。なお、本実施例では式（６）の特性に近
い特性を実現するために、筐体に析出硬化型ステンレス
、温度補償スペーサにオーステナイト系ステンレスを用
いているが、温度補償スペーサには黄銅や青銅などでも
よく、また筐体材質にはマルテンサイト系やフェライト
系ステンレス、他の合金綱でもよい。 また本実施例では受圧面に加わる圧力を剪断力として圧
電素子に伝えているが、圧縮力として圧電素子に伝える
方式にも応用ができる。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明は、
筐体内部の圧力伝達部材周辺に張り出し部を設け、張り
出し部下面と受圧面裏面に接するように、リング状の温
度補償スペーサを設けることにより、センサ出力に対す
るセンサ温度上昇の影響が小さく、温度特性に優れた圧
電型圧力センサを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における圧電型圧力センサの
断面図

【図２】同圧電型圧力センサの先端部の断面図

【図３】
圧電型圧力センサの出力増幅に用いられるチャージアン
プの構成図

【図４】センサ温度の変化に対する圧電素子の出力と圧
力伝達部材への伝達力の関係図

【図５】従来の圧電型圧力センサの断面図

【符号の説明】

１１　　　　筐体 １２　　　　受圧面 １３　　　　圧力伝達部材 １４　　　　圧電素子 １５　　　　上部固定ねじ（筐体） １６　　　　温度補償スペーサ １７　　　　張り出し部（筐体）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　受圧面を有する筐体内に、一端面を筐
   体に対して固定して設置された圧電素子と、一端面を筐
   体の受圧面に他端面を上記圧電素子の他端面に接して設
   置され受圧面に加えられる圧力を上記圧電素子に伝達す
   る圧力伝達部材と、一端面を筐体に対して固定し他端面
   を上記筐体の受圧面に接して設置された熱膨張係数が筐
   体の熱膨張係数より大である材質の温度補償スペーサと
   を備え、周囲温度の上昇につれて上記温度補償スペーサ
   の受圧面に加えられる圧力を熱膨張によって押しかえす
   力が増加する圧電型圧力センサ。