(57)【要約】      （修正有）【課題】圧力によって電気抵抗値が変わる座金形状の圧力検出素子を用いるとき、圧力によって変化する電気抵抗値を効率良く電圧に変換するとともに圧力によって変化した電圧変化分を感度良く増幅器に受け渡す回路を提供すること。【解決手段】圧力によって電気抵抗値が変わる圧力検出素子において、座金形状圧力検出素子の上下に付けられた電極の両端を定電流駆動することによって圧力の変化を効率良く電圧値の変化に読替えを行う、またその直後にコンデンサ１２を直列に挿入し、これにより圧力変化によらない電気抵抗値の変化等の直流的に変化する外乱を排除し、圧力変化による電気抵抗値変化を感度良く電圧変化として増幅器１３の入力に受け渡すことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加する圧力に応じて電気抵抗が変化する圧力検出素子と、該圧力検出素子を定電流駆動する定電流源と、前記圧力検出素子に発生する電圧を取り出すことを特徴とする圧力検出回路。
【請求項２】
印加する圧力に応じて電気抵抗が変化する圧力検出素子と、該圧力検出素子を定電流駆動する定電流源と、前記圧力検出素子に発生する電圧をコンデンサの一端に供給し前記コンデンサの他端から取り出すことを特徴とする圧力検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力を印加すると電気抵抗率が変化する圧力検出素子において、検出する電気抵抗値の検出方法と圧力変化の受渡し回路方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属または半導体素子を用いた圧力または荷重検出素子が一般的に使用されており、中でもシリコン単結晶や炭化珪素等からなる半導体圧力検出素子は、金属歪ゲージと比較し、圧力感度が数桁優れることから幅広い応用がなされている。しかしながら、従来の半導体圧力検出素子は機械的強度が弱く、高温・高圧下では単体で使用することが出来ないため耐圧容器に組み込んで測定を行っており、検出装置の構成が複雑になるとともにコスト高となる問題があった。
【０００３】
またこれらの検出素子は抵抗値が相対的に変動するのを直流的に観察する必要があるために直流フルブリッジ回路を構成して検出されている。特許文献１に代表されるのが直流フルブリッジ回路である。これらは直流的に安定であるが部品点数が多くなると共にブリッジのバランスを取るために性能がそろったペアとなる素子が必要となる。
【０００４】
また別の圧力検出素子には特許文献２に開示されている。これは多結晶セラミックス材料であり、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とする多結晶セラミックス材料に析出させたＳｉＣの有するピエゾ抵抗効果、すなわち、材料に圧力を加えると電気抵抗が変化する現象を利用して圧力を検出するものである。主成分であるＳｉ３Ｎ４が高強度であるため耐圧容器等で圧力検出素子を保護しなくても高温高圧下で使用可能となる。
【特許文献１】特開２００２−２４３５６６号公報
【特許文献２】特開２００４−２０３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の抵抗値が変化する検出素子の出力は多くの部品から構成した図６のような直流フルブリッジ回路で検出されている。直流フルブリッジ回路は素子に直流電流を流し、出力もコンデンサを用いない回路である。圧力検出素子２１，２２と抵抗素子２３，２４でブリッジ回路を構成し、その出力を増幅して出力ｅ１として出力するのが従来の圧力検出回路の基本構成である。このようなブリッジ回路はブリッジの組合わせとなる素子を４個、相対するブリッジの辺に配置することを必要とする。しかしながら温度によって抵抗値が変化するような検出素子においてはブリッジ回路のバランスを保つことが難しく、またブリッジ回路では排除できないその他の外乱を多く含むため所望の出力を得ようとすると測定範囲外に外れてしまう困難があり、所望の圧力変化のみを観測することが難しかった。例えば、ペアとなる素子のバランスがある一点で取れても、次の変化、例えば温度変化では異なった動きとなる場合や、圧力変化の傾きが異なる場合などが外乱となる。本発明は、圧力によって電気抵抗値が変わる座金形状の圧力検出素子を用いるとき、圧力によって変化する電気抵抗値を効率良く電圧に変換するとともに圧力によって変化した電圧変化分を感度良く増幅器に受け渡すことのできる圧力検出回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、まず圧力によって抵抗値が変化する圧力検出素子に電流を一定に流し込む定電流回路を用いた。この定電流の流れによって圧力検出素子の抵抗値を精度良く電圧値に読替えることができる。これは４つの素子でバランスを取り、これに直流電流を流し、コンデンサを介さず直流で出力する回路、すなわち直流的にフルブリッジ回路を組むより、部品点数が少なくてすむこと、抵抗値及び特性の揃ったブリッジ回路を構成する部品が不要であり、工業的な回路生産上有利である。
【０００７】
すなわち本願第一の発明は、印加する圧力に応じて電気抵抗が変化する圧力検出素子と、該圧力検出素子を定電流駆動する定電流源と、前記圧力検出素子に発生する電圧を取り出すことを特徴とする圧力検出回路である。
【０００８】
さらに圧力によって抵抗値が変化する圧力検出素子から抵抗値の変化を電圧に読替えた後、直後にコンデンサにおいて直流成分を取り除く。本発明では直流成分を取り除くため圧力変化以外の温度変化、湿度変化、経年変化など時間的にゆるやかな変化を出力成分から排除することができる。これにより圧力の変化に寄与しない直流電圧を扱うこと無く、精度良く増幅器の初段に圧力検出素子からの圧力変化のみを反映した信号を受け渡すことができ、直流的なフルブリッジの入力回路に用いられる差動増幅などの複雑な増幅回路を不要として、工業的に有利な回路構成である。
【０００９】
圧力検出素子の出力はコンデンサにおいて直流成分が取り除かれ交流成分だけが通る。交流成分は僅かに振動や回路のノイズ等を含むものの、その圧倒的に多くが圧力変化を反映する信号である。挿入したコンデンサと回路定数とにより直流成分だけでなく、周波数の極低い低周波領域も除かれる。本発明では圧力変化は高周波成分に多く含まれるため、その高周波成分を取り出すことを目的にしている。更に言えばエンジン内の圧力変化の周波数は大体分かっているのでそれを取り出すのに適したハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを設計すればよい。エンジンの型式、構成、目的などによって圧力検出素子から得られる圧力信号の周波数成分は異なる。また必要とする周波数も異なると考えられる。回路上も帯域を広くとることはＳ/Ｎの悪化を招きやすいため、現実的には先頭のコンデンサで下側の周波数を決め、回路上の他のコンデンサで上側の周波数を決めたバンドパスフイルタを構成して高いＳ/Ｎを得るように設計する。
【００１０】
すなわち本願第二の発明は、印加する圧力に応じて電気抵抗が変化する圧力検出素子と、該圧力検出素子を定電流駆動する定電流源と、前記圧力検出素子に発生する電圧をコンデンサの一端に供給し前記コンデンサの他端から取り出すことを特徴とする圧力検出回路である。
【００１１】
さらに圧力検出素子の駆動電流は、その電流によって圧力検出素子に発生する電圧が使用できる電源電圧の約１／２であることが望ましい。これによって圧力検出素子の無負荷時抵抗が多少ばらついても定電流の値を変更することなく、圧力と電圧出力の関係が保たれると共に高い圧力検出感度も保たれる。
【００１２】
さらに検出した圧力検出素子の抵抗変化を電圧に読替えた圧力変化信号をその直後にコンデンサを設置することにより増幅器に入力されるさいにはすでに不要な直流成分を取り除くと共に、不要な周波数成分も適宜カットすることができ、実行感度の高い圧力検出素子回路が構成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、圧力によって抵抗値が変化する圧力検出素子の出力を使用する部品点数を増やすことなく感度良く電圧に読替えできる。また読替えた電圧の直後にコンデンサを接続することによって効率良く圧力変化を電圧変化に受渡し、かつ必要な周波数特性を簡便に求められ、圧力検出装置の構造を簡素化でき、工業的に有効な圧力変化信号を提供可能となる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明をその実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
以下本発明の実施態様について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の圧力検出回路の検出原理を示す模式図である。図２は図１の圧力検出回路に用いる圧力センサの一部を構成する圧力検出素子の概略構成を示す斜視図である。図３は図１の圧力検出回路に用いる圧力センサの概略構成を示す斜視図である。図４は図３の圧力センサが内燃機関であるエンジンに取り付けられた状態を示す斜視図である。図５は図１の圧力検出回路および図４のようにエンジンに取り付けた圧力センサを用いて得られた出力波形である。なお、以下記載する実施態様及び実施例ではガソリンエンジンに装着される点火プラグのハウジング螺子部に組み込まれる圧力センサを主体として本発明を説明しているが、当該実施態様及び実施例に本発明は限定されず、発明として同一の範囲は本発明に含まれる。
【００１６】
圧力センサ６について図２，３に基づき説明する。セラミックスで構成される感圧体２は円環形状をなしている。感圧体２はセラミックスからなる第１の粒子を主体とした母材中に前記第１の粒子とは導電性が異なるセラミックスからなる第２の粒子を分散させたものであり、第１の粒子と第２の粒子との加圧による接触状態の変化により電気抵抗が変化する特性を有している。この第１の粒子としては、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア、マグネシア、コージェライト、アルミニウムチタネートのいずれか一種またはそれらの二種以上を含むセラミックスを選択することができる。また、第２の粒子としては、カーボン、炭化珪素、酸化錫、酸化インジウム、酸化銀、酸化銅、IV、V、VI族の遷移金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、酸化物及びこれらの化合物で構成される複合化合物の一種、または、それらの二種以上を含むものを選択することができる。導電性が高い材料から第２の粒子を選択することにより、第１の粒子と第２の粒子の導電性の差が大きくなり、加圧時に接触抵抗が変化した際の電気抵抗変化率を大きくすることができる。その結果、より圧力感度の高い圧力センサを構成することができる。
【００１７】
感圧体２としては上記の構成に限定されず圧力に対して電気抵抗が変化するものであれば使用することができるが、内燃機関内の圧力計測に適用するためには高温においても特性の変化の少ないセラミックスで構成された感圧体である必要がある。したがって、ＳｉＣに窒素をドープした材料や、Ｓｉ３Ｎ４に導電性物質をドープした材料等ピエゾ抵抗効果を有するセラミックスから構成された感圧体を圧力センサに組み込むこともできる。
【００１８】
感圧体２の上面と底面には電極３，３が形成されており、その電極３からリード線３ａが取り出されている。電極３としては、銅又は銀等の導電性を有する金属を使用することができる。電極３として金属片を使用する場合には、ロウ付け又は導電性接着剤などで感圧体２の上面と底面に金属片を接合することにより電極３，３を形成することができる。また、感圧体２の上面及び底面に銀ペースト等を塗布し、焼成して電極３，３を形成するようにしてもよい。
【００１９】
電極３，３に隣接してそれぞれ円環形状の絶縁体４，４が設けられる。この絶縁体４は、電気的絶縁性を有するものであれば例えば樹脂等で構成してもよいが、圧力センサ６に負荷される締付圧力に対応するという点からはアルミナやジルコニア等のセラミックスを採用することが好ましい。
【００２０】
座金５が上記電極３と絶縁体４を介して感圧体２に密接される。座金５は金属製でありヤング率が７０〜２２０ＧＰａであるもの、例えばアルミニウム、真鍮、銅、鋼及びそれらの合金等を主体とした金属で形成することができる。
【００２１】
図４に示すように点火プラグ７はそのハウジング雄螺子部７ａがガソリンエンジンのシリンダヘッド９に形成された雌螺子部にねじ込まれて、先端がシリンダ内に貫通する状態でシリンダヘッド９に装着される。圧力センサ６を構成する座金５、絶縁体４、電極３、感圧体２、電極３、絶縁体４、座金５はこの順序でハウジング座面７ｂとシリンダヘッド９の取付面９ｂとの間に挟み込まれ、所定の締め付けトルクで固定される。
【００２２】
図１の本発明の圧力検出回路の動作は次のとおりである。
圧力に応じてその抵抗値が変化する圧力センサ６に定電流源１１で一定電流を流し込むことによって前記抵抗値を電圧Ｖ１に効率良く変換し、この圧力によって変化する電圧Ｖ１の変化分のみをコンデンサ１２によって増幅器１３に入力し、増幅器１３によって増幅された信号電圧が出力電圧ｅ１として圧力変化信号となる。
【００２３】
(実施例)
第１の粒子として絶縁性セラミックスであるα‐Ｓｉ３Ｎ４粉末（宇部興産製、型番：E１０、平均粒径０．５μｍ）を３８．０ｇ、第２の粒子として導電性のＣ粉末（高純度化学製、型番：ＣＣＥ０１ＰＡ）を３．０ｇ、焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３（高純度化学製、型番：ＡＬＯ０５ＰＡ）を６．０ｇ、Ｙ２Ｏ３（高純度化学製、型番：ＹＹＯ０１ＰＡ）を３．０ｇ秤量し、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った。得られたスラリーを乾燥後、Φ３６ｍｍの金型を用い、１００ＭＰａの圧力を加えて、Φ３６ｍｍ、厚さ１０ｍｍの成形体を作製し、次いで、焼結温度１６５０℃、保持時間２時間、加圧力３０ＭＰａ、窒素雰囲気中で、成形体をホットプレスで焼結した。
【００２４】
得られた焼結体から、外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの円環形状体を切り出し感圧体２を作製した。次いで、感圧体２の上面と底面に外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの両面にロウ材を塗布した円環形状のＣｕ片を配設して電極３，３を形成し、さらに、各電極部３，３の上面と底面に外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのアルミナからなる絶縁体４，４をそれぞれ配設し、さらに絶縁体４，４の上面と底面にロウ材を塗布して外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ２.０ｍｍのＡｌ製の座金５，５をそれぞれ配設し、７６５℃、真空度１０−１Ｐａ以下、加圧力０.１ＭＰaの条件で１５分間キープしてロウ付けを行い、感圧体２、電極３、絶縁体４及び座金５を接合した。そして電極３にΦ０．３ｍｍのＣｕ線３４をスポット溶接で接合し、図３に示した構造の圧力センサ６を得た。上記ロウ材としては、田中貴金属製のＴＫＣ−５９１ペーストを使用した。得られた圧力センサ６の特性評価を行った。得られた結果を表１に示す。
【００２５】
図４に示すように点火プラグ７（ＮＧＫ製：ＢＰＲ６ＥＳ）がシリンダヘッド９に形成された雌螺子部を貫通するように、圧力センサ６とともに単気筒400ccエンジン（ヤマハ製オートバイＳＲ４００）のシリンダヘッド９に組み付けた。この時のプラグの絞めつけトルクは、安全率を考慮し規定の締め付けトルクの２倍の５ｋｇｆ・ｍとした。このときにシリンダヘッド９の取付面９ｂに加わる面圧を感圧フィルム（フジフィルム製：プレスケール高圧用）を用いて計測したところ、約１６０ＭＰaであった。次いで圧力センサ６から取り出したリード線３ａ，３ａを測定回路に接続して特性を評価した。
【００２６】
圧力センサ６の特性評価方法について説明する。エンジンを作動させて、得られた圧力センサの出力からシリンダの内圧を計測し、アイドリング時の信号出力とノイズの比率（以下ＳＮ比）を算出した。感圧体２の両端から出したリード線３ａ，３ａに図１に示す本発明の回路を接続し、本発明の回路の出力ｅ１をオシロスコープで観測評価した。エンジンを１時間連続で作動させた後、圧力センサを外して、その感圧体２のクラックの数を目視にて計測した。得られた結果を表１に示す。ＳＮ比は１１５と高い値が得られた。感圧体２にクラックは観察されなかった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図５にSi3N4-C系材料を用いた筒内圧センサの3000rpmにおける出力電圧ｅ１を時間に対してプロットしたグラフを示した。出力電圧が高くなるほど筒内圧が高いことを示している。図１からエンジンの吸気-圧縮に伴い圧力が増加し、点火−爆発でさらに圧力が増加、その後、排気によって圧力が減少する過程が確認できた。また、エンジンの回転数を800〜5000rpmの範囲で変化させると回転数に対応した波形が検出され、Si3N4-C系材料を用いた感圧素子により筒内圧を検出できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の圧力検出素子と検出回路構成は機械的な強度が高いことからエンジンの圧力変化だけにとどまらず、機械構造物、建築構造物の圧力変化を検出して計測することも可能である。また、用途に応じて圧力感度を高めたり、機械強度を高めたりすることができる。そのため、エンジン以外の圧力例えばディーゼルエンジンのインジェクターに燃料を供給するコモンレールの圧力計測に適用可能であり、さらに、高圧タンクや高圧ボンベの変動水圧計測にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の圧力検出回路の検出原理を示す模式図である。
【図２】図１の圧力検出回路に用いる圧力センサの一部を構成する圧力検出素子の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図１の圧力検出回路に用いる圧力センサの概略構成を示す斜視図である。
【図４】図３の圧力センサが内燃機関であるエンジンに取り付けられた状態を示す斜視図である。
【図５】図１の圧力検出回路および図４のようにエンジンに取り付けた圧力センサを用いて得られた出力波形である。
【図６】従来の圧力検出回路の検出原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    圧力検出素子
２    感圧体
３    電極
３ａ  リード線
４    絶縁体
５    座金
６    圧力センサ
７    点火プラグ
１０  圧力検出回路
１１  定電流源
１２  コンデンサ
１３  増幅器
１４  電圧源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008164559.tif 000007
【図５】
2008164559.tif 000008
【図６】
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