CN109964107A - 压力传感器 - Google Patents

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CN109964107A CN201780064909.5A CN201780064909A CN109964107A CN 109964107 A CN109964107 A CN 109964107A CN 201780064909 A CN201780064909 A CN 201780064909A CN 109964107 A CN109964107 A CN 109964107A
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岩渕盾纪
山田达范
佐藤友也
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Mikuni Corp
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Abstract

本发明的压力传感器具有：壳体，其沿轴线延伸；隔膜，其固定于壳体的前端侧；压电单元，其配置于壳体内的孔部，并包括压电元件；传递构件，其将隔膜的变形向压电单元传递；以及引导构件，其具有沿轴线延伸的贯通孔，在该贯通孔内包围压电单元。并且，在经过压电元件且与轴线垂直的剖面中，在贯通孔内，将贯通孔的中心与压电元件的中心之间的径向的距离的最大值设为SL，将压电元件的外侧面与贯通孔的中心之间的径向的距离的最大值设为AL，这时，满足(SL/AL)≤0.26。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及一种在内燃机等中检测燃烧室内的压力的压力传感器。
背景技术
作为压力传感器，提出了一种具有隔膜、压电元件以及传递构件(例如杆)的压力传感器。当隔膜根据燃烧室内的压力相应地发生变形时，传递构件向预定的方向位移并对压电元件施加力。压电元件输出与被施加的力相应的电荷(电压)。其结果是，通过测量从压电元件输出的电荷，能够检测燃烧室内的压力。
为了稳定从压电元件输出的电荷，压力传感器在对压电元件赋予预载荷的状态下被组装。例如，在专利文献1中，在压电元件储存在与传感器外壳相接触地***的保持件内的状态下组装压电元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-271321号公报
发明内容
发明要解决的问题
在此，通过减小压电元件的与轴线垂直的截面积和/或加长压电元件的轴线方向的长度，能够增大压电元件的绝缘电阻值。通过增大压电元件的绝缘电阻值，能够抑制漏电流，因此能够提高压力传感器的测量精度。但是，例如减小压电元件的与轴线垂直的截面积和/或为了加长压电元件的轴线方向的长度而层叠多个压电元件，有可能导致在赋予预载荷时压电元件的径向的位置的偏移。在因这样的压电元件的径向的位置的偏移导致无法赋予所期望的预载荷的情况下，压力传感器有可能无法发挥所期望的测量性能。因此，谋求一种能够抑制压电元件的径向的位置的偏移的技术。
本说明书公开了一种在压力传感器中抑制压电元件的径向的位置的偏移的技术。
用于解决问题的方案
本说明书所公开的技术能够作为以下的应用例来实现。
[应用例1]一种压力传感器，其具有：
筒状的壳体，其沿轴线延伸；
隔膜，其固定于所述壳体的前端侧，根据受到的压力相应地变形；
压电单元，其配置于所述壳体内的孔部，具有包括1个以上的压电元件在内的两个以上的层叠构件；以及
传递构件，其将所述隔膜的变形向所述压电单元传递，
该压力传感器的特征在于，
该压力传感器具有引导构件，该引导构件具有沿所述轴线延伸的贯通孔，在该贯通孔内包围所述压电单元的至少一部分的外周，
在经过所述压电元件且与所述轴线垂直的剖面中，
在所述贯通孔内，将所述贯通孔的中心与所述压电元件的中心之间的径向的距离所能取的最大值设为SL，
将此时的所述压电元件的外侧面与所述贯通孔的中心之间的径向的距离的最大值设为AL，
这时，满足(SL/AL)≤0.26。
根据上述结构，能够利用引导构件抑制压电元件的径向的位置的偏移。
[应用例2]根据应用例1所述的压力传感器，其特征在于，
所述引导构件不与所述壳体相接触，
在所述剖面中，
将以从所述壳体内的所述孔部的中心到所述壳体的内侧面的距离的最小值D1为半径的第1圆的面积设为S1，
将以从所述引导构件的中心到所述引导构件的外侧面的距离的最大值D2为半径的第2圆的面积设为S2，
这时，满足(S2/S1)≤0.65。
根据上述结构，例如能够确保引导构件与壳体之间的间隔，因此能够抑制压电元件被过度加热。
[应用例3]根据应用例1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述层叠构件具有位于比所述压电元件靠后端侧的位置的后端层叠构件和位于比所述压电元件靠前端侧的位置的前端层叠构件，
所述压力传感器还具有将所述后端层叠构件向前端方向按压的后端按压构件和将所述前端层叠构件向后端方向按压的前端按压构件，
在所述引导构件的前端面与所述前端按压构件之间和所述引导构件的后端面与所述后端按压构件之间中的至少一者具有间隙。
根据上述结构，能够利用前端按压构件和后端按压构件对包括压电元件在内的两个以上的层叠构件赋予恰当的预载荷。
[应用例4]根据应用例2所述的压力传感器，其特征在于，
在所述剖面中，
将以从所述压电元件的中心到所述压电元件的外侧面的距离的最大值D3为半径的第3圆的面积设为S3，
这时，满足(S3/S1)≤0.5。
根据上述结构，相对于壳体内的孔部的径向的大小而言，压电元件的径向的大小较小，因此容易发生压电元件的径向的偏移，在该情况下，能够利用引导构件抑制压电元件的径向的偏移。
[应用例5]根据应用例1～4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述压电单元包括两个以上的所述压电元件。
根据上述结构，由于包括两个以上的压电元件，因此容易发生压电元件的径向的偏移，在该情况下，能够利用引导构件抑制压电元件的径向的偏移。
另外，本说明书所公开的技术能够以各种方式实现，例如能够以压力传感器、搭载有该压力传感器的内燃机等方式实现。
附图说明
图1是表示作为实施方式的压力传感器10的说明图。
图2是实施方式的压力传感器10的前端单元100附近的放大图。
图3是压电单元50、引导构件61、后端按压构件62a、前端按压构件62b、布线连接构件63以及绝缘体64的分解立体图。
图4是表示经过压电元件51a且是以与轴线CL垂直的面剖切前端单元100所得到的剖面的图。
图5是剖面CS中的包括引导构件61和压电元件51a的部分的放大图。
图6是表示利用压力传感器测量的压力的波形的例子的图表。
具体实施方式
A.实施方式：
A-1.压力传感器10的结构
图1是表示作为实施方式的压力传感器10的说明图。轴线CL是压力传感器10的中心轴。以下，也将与轴线CL平行的方向称作“轴线方向”。也将在与轴线CL垂直的面上以轴线CL为中心的圆的径向简称作“径向”，也将该圆的周向简称作“周向”。此外，将沿轴线CL的方向中的、朝向图1的下方的方向称作“前端方向Df”，将与前端方向Df相反的方向称作“后端方向Dr”。将前端方向Df侧称作“前端侧”，也将后端方向Dr侧称作“后端侧”。在图1中示出了压力传感器10的前端侧部分的比轴线CL靠左侧的部分的剖面结构。该剖面是包括轴线CL的平剖面(以平面进行剖切所得到的剖面)。此外，图1示出了压力传感器10的其他部分的外观结构。
本实施方式的压力传感器10安装于内燃机，用于检测内燃机的燃烧室内的压力。如图1所示，压力传感器10具有筒状金属壳体20、前端单元100以及线缆70作为主要的结构元件。
筒状金属壳体20具有沿轴线CL延伸的大致筒形形状，在内部形成有沿轴线CL延伸的轴孔29。筒状金属壳体20例如由不锈钢等导电性的金属形成。
在筒状金属壳体20的后端侧外周面设有螺纹部22和工具卡合部24。螺纹部22具有用于将压力传感器10固定于内燃机的缸盖的螺纹槽。工具卡合部24具有供安装和拆卸压力传感器10时所使用的工具(省略图示)卡合的外周形状(例如横截面为六边形)。
图2是实施方式的压力传感器10的前端单元100附近的放大图。具体而言，图2是将图1中作为区域X示出的部位放大表示的剖面图。该剖面是包括轴线CL的剖面。前端单元100具有壳体30、隔膜40、压电单元50、引导构件61、后端按压构件62a、前端按压构件62b、布线连接构件63、绝缘体64、罩65、传递杆91以及后端***构件92。如图2所示，压力传感器10的轴线CL也是前端单元100的轴线，也是构成前端单元100的构件30、40、50、61、62a、62b、63、64、65、91、92各自的轴线。
壳体30具有沿轴线CL延伸的大致筒形形状，在内部形成有沿轴线CL延伸的贯通孔即轴孔39。壳体30具有前端侧的大外径部31、后端侧的小外径部33以及大外径部31与小外径部33之间的中外径部32。大外径部31的外径比小外径部33的外径大。中外径部32的外径比大外径部31的外径小，比小外径部33的外径大。壳体30的中外径部32***到筒状金属壳体20的前端，中外径部32与筒状金属壳体20利用激光焊接在筒状金属壳体20的前端借助焊接部WP1接合。在压力传感器10安装于内燃机的情况下，大外径部31从内燃机的缸盖暴露于燃烧室。壳体30与筒状金属壳体20同样地，例如由不锈钢等导电性的金属形成。
隔膜40是具有以轴线CL为中心的圆板形状的膜，例如由不锈钢等导电性的金属形成。隔膜40固定于壳体30的前端侧。具体而言，隔膜40的外周缘利用激光焊接在整周上借助焊接部WP2与壳体30(大外径部31)的前端相接合。在压力传感器10安装于内燃机的情况下，隔膜40在前端侧受到燃烧室内的压力作用，根据受到的压力相应地发生变形。
图3是压电单元50、引导构件61、后端按压构件62a、前端按压构件62b、布线连接构件63以及绝缘体64的分解立体图。
如图2所示，压电单元50配置在壳体30的轴孔39(也称作孔部)内。压电单元50具有两个压电元件51a、51b和夹着两个压电元件51a、51b的两个电极52a、52b。后端电极52a是位于比压电元件51a、51b靠后端侧的位置的导电性构件。前端电极52b是位于比压电元件51a、51b靠前端侧的位置的导电性构件。该4个构件51a、51b、52a、52b是沿轴线方向层叠的4个层叠构件。如图4所示，4个层叠构件51a、51b、52a、52b都具有与轴线CL垂直的方向上的剖面为矩形(在本实施例中为正方形)的四棱柱形状。
压电元件51a、51b在沿轴线CL受到力作用时，将与受到的力相应的电荷(例如电信号)借助两个电极52a、52b输出。压电元件使用例如氧化钛、水晶等公知的压电材料形成。电极52a、52b使用公知的导电性材料形成，在本实施例中使用不锈钢形成。
引导构件61使用例如树脂等绝缘材料形成，如图3所示，是具有沿轴线CL延伸的贯通孔61h的大致筒状的构件。如图2所示，引导构件61配置于壳体30的轴孔39内。在引导构件61的贯通孔61h内收纳有压电单元50。即，引导构件61包围压电单元50的外周。引导构件61的外径比壳体30的内径(轴孔39的直径)小得多。因此，引导构件61和壳体30相互不接触。
如图3所示，后端按压构件62a是将后端电极52a向前端方向Df按压的构件。后端按压构件62a具有圆盘状的基板部621a和从基板部621a的前端侧的面向前端侧突出的突出部622a。基板部621a位于比引导构件61靠后端侧的位置。突出部622a的前端侧位于引导构件61的贯通孔61h内。突出部622a具有与上述电极52a、52b相同的四棱柱形状。突出部622a的前端面在引导构件61的贯通孔61h内与后端电极52a的后端侧的面相接触，并将后端电极52a的后端侧的面向前端方向Df按压。
前端按压构件62b是将前端电极52b向后端方向Dr按压的构件。前端按压构件62b具有圆盘状的基板部621b和从基板部621b的后端侧的面向后端侧突出的突出部622b。基板部621b位于比引导构件61靠前端侧的位置。突出部622b的后端侧位于引导构件61的贯通孔61h内。突出部622b具有四棱柱形状。突出部622b的后端面在引导构件61的贯通孔61h内与前端电极52b的前端侧的面相接触，并将前端电极52b的前端侧的面向后端方向Dr按压。
另外，引导构件61的在轴线CL上的长度L1(图3)比4个层叠构件51a、51b、52a、52b和突出部622a、622b的在轴线CL上的长度的总和稍短。因此，在引导构件61的前端侧的面与前端按压构件62b的基板部621b之间和在引导构件61的后端侧的面与后端按压构件62a的基板部621a之间中的至少一者形成有间隙NT。例如，在图2的例子中，在引导构件61的后端侧的面与后端按压构件62a的基板部621a之间形成有间隙NT。由此，能够利用后端按压构件62a和前端按压构件62b对压电单元50(包括压电元件51a、51b的4个层叠构件51a、51b、52a、52b)赋予恰当的预载荷。在假设未形成间隙NT的情况下，后端按压构件62a和前端按压构件62b所施加的载荷会赋予给引导构件61，因此无法对压电单元50赋予充分的预载荷。
布线连接构件63是具有沿轴线CL贯通的轴孔63h的筒状构件。布线连接构件63与后端按压构件62a的后端侧相接触。在布线连接构件63的形成轴孔63h的内侧面连接有用于与线缆70的内部导体75(后述)相连接的布线即细径导线77。
后端按压构件62a、前端按压构件62b、布线连接构件63都是使用具有导电性的材料、例如不锈钢等金属形成的。
绝缘体64是具有沿轴线CL贯通的轴孔64h的筒状的构件。布线连接构件63与后述的后端***构件92之间被绝缘体64绝缘。由此，能够防止压电元件51a、51a的后端侧(后端电极52a侧)与压电元件51a、51a的前端侧(前端电极52b侧)之间的短路。绝缘体64由例如氧化铝等绝缘材料形成。
传递杆91是具有圆柱形状的构件，例如由不锈钢等导电性金属形成。传递杆91的后端侧与前端按压构件62b相连接，传递杆91的前端侧与隔膜40相连接。
具体而言，传递杆91的后端侧的面抵接于前端按压构件62b的前端侧的面。其结果是，从前端侧向后端侧对传递杆91施加的力经由前端按压构件62b被向压电单元50传递，进一步被向压电单元50的压电元件51a、51b传递。
传递杆91的前端侧与隔膜40的后端侧的面的中央部相连接。隔膜40和传递杆91通过锻造、切削而一体地形成。隔膜40和传递杆91也可以单独形成，并利用焊接等方式接合起来。
在隔膜40根据受压相应地发生变形时，其变形通过传递杆91被向压电单元50传递。
后端***构件92是具有沿轴线CL贯通的轴孔92h的筒状的构件。后端***构件92的外径与壳体30的轴孔39的内径大致相等。后端***构件92从后端侧***该轴孔39。后端***构件92在被向前端方向Df以预定的预载荷压入的状态下，例如借助焊接部WP3固定于壳体30。由此，对压电单元50赋予预载荷。恰当的预载荷基于压电元件51a、51b的输出特性被预先规定，以能够在施加于压电元件51a、51b的载荷和根据载荷相应地输出的电荷之间的关系(以下，称为输出特性)稳定的区域中测量压力。
罩65是例如由树脂等绝缘性材料形成的管，其覆盖引导构件61、后端按压构件62a、前端按压构件62b、布线连接构件63、绝缘体64的前端部分以及传递杆91的后端部分。罩65例如用于防止由于这些构件在组装时零散地分离而导致操作性下降。罩65也可以省略。
线缆70在筒状金属壳体20的轴孔29内配置在比前端单元100靠后端侧的位置。线缆70是用于相对于未图示的电路传递从压电单元50输出的电荷的构件，该未图示的电路用于基于从压电单元50输出的电荷来检测内燃机的燃烧室内的压力。线缆70是具有用于降低噪声的多层构造的、所谓的称作屏蔽线的同轴线缆。具体而言，线缆70具有从中心向外周侧配置的内部导体75、绝缘体74、导电涂层73、外部导体72以及夹套71。
在线缆70的前端部暴露的内部导体75借助由平板导线76和细径导线77构成的布线与布线连接构件63相连接。由此，线缆70借助平板导线76、细径导线77、布线连接构件63、后端按压构件62a与压电单元50的后端侧电连接。用于将线缆70和压电单元50连接起来的上述结构是一例，也能够采用其他任意的结构。
细径导线77的除两端之外的大致整体被绝缘性的管78覆盖。由此，能够防止由于细径导线77与后端***构件92相接触而导致压电单元50的前端侧与后端侧之间发生短路。
在外部导体72的前端部连接有从外部导体72的前端向前端侧延伸的接地导线79。接地导线79的前端部利用焊接与后端***构件92接合。由此，外部导体72经由接地导线79、壳体30以及内燃机的缸盖而接地。
A-2.经过压电元件的剖面的结构：
图4是表示经过压电元件51a且是以与轴线CL垂直的面(图2的a-a面)剖切前端单元100所得到的剖面CS的图。另外，经过另一个压电元件51b且是以与轴线CL垂直的面剖切前端单元100所得到的剖面也是与图4相同的结构。另外，在图4中省略了罩65的图示。
在剖面CS中，将从形成于壳体30的轴孔39的中心CC1到壳体30的形成轴孔39的内侧面的距离的最小值设为第1距离D1。在本实施方式的剖面CS中，轴孔39为正圆，因此，从中心CC1到壳体30的内侧面的距离在周向的所有位置都相等。在该情况下，周向的任意位置上的该距离被设为第1距离D1。在轴孔39不是正圆时，从中心CC1到壳体30的内侧面的距离会根据周向的位置而不同。在该情况下，周向的所有位置上的该距离中的最小值被设为第1距离D1。将以第1距离D1为半径的第1圆的面积设为S1(S1＝πD12)。在本实施方式中，轴孔39的中心CC1与压力传感器10的轴线CL一致，但它们也可以在径向上错开。
此外，在剖面CS中，将从引导构件61的中心CC2到引导构件61的外侧面的距离的最大值设为第2距离D2。在本实施方式的剖面CS中，引导构件61的外侧面为正圆，因此，从中心CC2到引导构件61的外侧面的距离在周向的所有位置都相等。在该情况下，周向的任意位置上的该距离被设为第2距离D2。在引导构件61的外侧面不是正圆时，从中心CC2到引导构件61的外侧面的距离会根据周向的位置而不同。在该情况下，周向的所有位置上的该距离中的最大值被设为第2距离D2。将以第2距离D2为半径的第2圆的面积设为S2(S2＝πD22)。在本实施方式中，引导构件61的中心CC2与压力传感器10的轴线CL一致，但它们也可以在径向上错开。在本实施方式中，面积S2相对于面积S1的比例为0.65以下。即，满足(S2/S1)≤0.65。
此外，在剖面CS中，将从压电元件51a的中心CC3到压电元件51a的外侧面的距离的最大值设为第3距离D3。在本实施方式的剖面CS中，压电元件51a为矩形，因此，从中心CC3到该矩形的1个顶点的距离为第3距离D3。假设压电元件51a的剖面为圆，则该圆的半径成为最大值D3。将以第3距离D3为半径的第3圆的面积设为S3(S3＝πD32)。在图4的例子中，压电元件51a的中心CC3与压力传感器10的轴线CL一致，但在组装时，压电元件51a的中心CC3能够相对于轴线CL偏移。在本实施方式中，面积S3相对于面积S1的比例为0.5以下。即，满足(S3/S1)≤0.5。
图5是图4的剖面CS中的包括引导构件61和压电元件51a的部分的放大图。在本实施例的剖面CS中，引导构件61的贯通孔61h的形状不是单纯的圆或矩形。即，引导构件61的形成贯通孔61h的侧面具有平面状的平侧面611和曲面状的曲侧面612。平侧面611是沿收纳于贯通孔61h内的压电元件51a、51b的外侧面形成的平面。曲侧面612是形成在与收纳于贯通孔61h内的压电元件51a的矩形的剖面的顶点相对应的位置的侧面。曲侧面612在与压电元件51a的矩形的剖面的顶点相对应的位置形成沿轴线CL贯通的大致圆柱状的孔。通过形成曲侧面612，例如在贯通孔61h内收纳压电元件51a、51b时，能够抑制压电元件51a、51b的角与形成贯通孔61h的侧面干涉。其结果，能够提高组装压力传感器10时的操作性。
在此，在引导构件61的贯通孔61h内，将贯通孔61h的中心CC4与压电元件51a的中心CC3S之间的径向的距离所能取的最大值设为第4距离SL。在本实施方式中，贯通孔61h的中心CC4与压力传感器10的轴线CL一致。此外，贯通孔61h的中心CC4也与引导构件61的中心一致。贯通孔61h的中心既可以从引导构件61的中心偏移，也可以从压力传感器10的轴线CL偏移。
在图5中，以实线示出的压电元件51aI配置于设计上的理想位置。理想的压电元件51aI的中心CC3I与轴线CL一致。在图5中，以虚线示出的压电元件51aS的位置与设计上的理想位置相比，在径向上发生了偏移。具体而言，压电元件51aS配置于贯通孔61h的中心CC4与压电元件51a的中心CC3S之间的距离最大的位置。在本实施方式中，如图5所示，在压电元件51aS的两个外侧面接触到引导构件61的对应的两个平侧面611的位置，贯通孔61h的中心CC4与压电元件51aS的中心CC3S之间的距离变为最大。因而，在图5的例子中，贯通孔61h的中心CC4与以虚线所示的压电元件51aS的中心CC3S之间的距离为第4距离SL。另外，在图5的例子中，引导构件61的中心CC2与引导构件61的贯通孔61h的中心CC4一致，但它们也可以错开。例如，若使贯通孔61h相对于引导构件61偏移地形成，则存在引导构件61的中心CC2与引导构件61的贯通孔61h的中心CC4错开的情况。
在图5中，将偏移了第4距离SL的状态中的压电元件51aS的外侧面与引导构件61的贯通孔61h的中心CC4之间的径向的距离的最大值设为第5距离AL。在图5的例子中，第5距离AL是贯通孔61h的中心CC4与顶点ST之间的距离。顶点ST是压电元件51aS的4个外侧面中的、与引导构件61的两个平侧面611相接触的两个外侧面所形成的角的顶点。在本实施方式中，第4距离SL相对于第5距离AL的比例为0.26以下。即，满足(SL/AL)≤0.26。
A-3.压力传感器10的动作
压力传感器10设于内燃机的缸盖，安装于与燃烧室相连通的安装孔。在该安装孔形成有内螺纹，筒状金属壳体20的螺纹部22固定于该内螺纹。在该状态下，前端单元100的前端部暴露于内燃机的燃烧室内，隔膜40的前端侧的面受到燃烧室内的气体(例如燃料气体)的压力作用。
隔膜40根据燃烧室内的压力相应地进行变形(挠曲)。传递杆91根据隔膜40的变形相应地沿轴线CL位移，从而将与隔膜40受到的压力相应的载荷向后端侧的压电单元50传递。在压电单元50的压电元件51a、51b上，根据从隔膜40(图2)经由传递杆91传递来的载荷相应地产生电荷。压电元件51将与载荷相应的电荷(例如电信号)借助两个电极即后端电极52a和前端电极52b输出。基于输出的电信号来确定燃烧室内的压力。
A-5.压力传感器10的制造方法
接着，说明压力传感器10的制造方法。首先，将上述压电单元50收纳于引导构件61的贯通孔61h内。然后，收纳有压电单元50的引导构件61、后端按压构件62a、前端按压构件62b、安装有细径导线77的布线连接构件63以及绝缘体64相层叠，并被罩65固定。
接着，将隔膜40和传递杆91一体化后的构件安装于壳体30。具体而言，以传递杆91位于壳体30的轴孔39内的方式将隔膜40安装于壳体30的前端侧的开口。在该状态下，隔膜40的外缘部和轴孔39的前端部利用激光焊接相接合(形成有焊接部WP2)。然后，在轴孔39内，将利用罩65彼此固定的上述构件群50、61、62a、62b、63、64安装于传递杆91的后端侧。然后，将后端***构件92***壳体30的轴孔39，直到后端***构件92的前端侧的面与绝缘体64的后端侧的面相接触。并且，为了将预定的预载荷赋予压电单元50，后端***构件92以预定的力被向前端方向Df按压。在该状态下，后端***构件92和壳体30利用激光焊接相接合(形成有焊接部WP3)。由此，完成前端单元100。
然后，在进行了细径导线77与线缆70的连接以及接地导线79与后端***构件92的连接之后，利用激光焊接将前端单元100的壳体30和筒状金属壳体20接合(形成焊接部WP1)。由此，完成压力传感器10。
如上所述，在第1实施方式的压力传感器10中具有将压电元件51a、51b的外周包围的引导构件61，构成为上述的第4距离SL和第5距离AL满足(SL/AL)≤0.26。其结果是，能够利用引导构件61抑制压电元件51a、51b的径向的位置的偏移。
压电元件在成为高温时，绝缘电阻降低。在绝缘电阻降低时，从压电元件的一个电极向另一个电极泄漏的电流变多。在泄漏的电流变多时，根据压力相应地输出的电荷量从所期望的值发生变化，因此压力的测量精度下降。为了防止该情况，优选的是增大压电元件的绝缘电阻。与轴线垂直的截面积越小压电元件的绝缘电阻越大，轴线方向的长度越长压电元件的绝缘电阻越大。因此，在本实施方式中，通过将两个压电元件51a、51b在轴线方向上重叠，来加长压电元件的整体的轴线方向的长度。此外，通过相对于壳体30的轴孔39的直径缩短两个压电元件51a、51b的径向的长度，来减小压电元件的与轴线垂直的截面积。此外，在将两个压电元件51a、51b沿轴线方向重叠时，根据压力相应地输出的电荷量会增加，因此，压力传感器10相对于压力的灵敏度提高。
但是，重叠压电元件的个数越多，压电元件的与轴线垂直的截面积越小，则压电元件越容易在径向上偏移。此外，为了在赋予了预载荷时将预载荷均匀地赋予该表面的整体以及为了确认压电元件的杂质量，而对压电元件的表面进行了研磨。因此，压电元件更容易在径向上偏移。若压电元件在径向上过度偏移，则有可能无法将充分的预载荷赋予压电元件，压力传感器10无法进行稳定的压力的检测。例如，有可能因内燃机的运转条件的不同(例如燃烧室内的温度、最大压力的不同)而导致压力的检测结果的偏差变大。
在本实施方式中，通过设置将包括压电元件51a、51b的层叠构件(压电单元50)的外周包围的引导构件61，能够抑制压电元件的径向的位置的偏移。尤其是将(SL/AL)设定为0.26以下，以使第4距离SL相对于第5距离AL的长度(SL/AL)充分地变短。由此，即使在引导构件61的贯通孔61h内压电元件51a在径向上偏移到最大限度，也仅偏移能够维持包括压电元件的层叠构件的彼此重叠的程度。其结果是，能够抑制压电元件51a、51b的径向的位置的偏移。
并且，在本实施方式中，壳体30与引导构件61彼此不接触。此外，满足(S2/S1)≤0.65。即，优选的是，以第2距离D2为半径的第2圆的面积S2相对于以上述第1距离D1为半径的第1圆的面积S1的比例为0.65以下。由此，能够充分确保引导构件61的外侧面与壳体30的内侧面之间的间隔，因此，能够抑制压电元件被过度加热。此外，即使在引导构件61在高温下的使用时发生热膨胀的情况下，也能够抑制壳体30与引导构件61相接触，因此，能够抑制燃烧室内的热量向压电单元50传递。因而，能够抑制压电单元50内的压电元件51a、51b的绝缘电阻的下降。此外，能够抑制压电单元50的后端侧和壳体30之间发生电气短路的不良。
并且，在本实施方式中，在引导构件61的前端面与前端按压构件62b之间和引导构件61的后端面与后端按压构件62a之间中的至少一者具有间隙NT(图2)。其结果是，能够利用前端按压构件62b和后端按压构件62a对于包括压电元件51a、51b的压电单元50赋予恰当的预载荷。
并且，在本实施方式中，在剖面CS中，面积S3相对于面积S1的比例设定为0.5以下。即，满足(S3/S1)≤0.5。在该情况下，相对于壳体30的轴孔39的径向的大小而言，压电元件51a、51b的径向的大小较小，因此，压电元件51a、51b容易在径向上发生偏移。在这样的情况下，能够利用引导构件61来恰当地抑制压电元件51a、51b的径向的偏移。
B.评价试验
制作压力传感器的样品，进行了以下所说明的第1评价试验～第3评价试验。
B-1：第1评价试验
在第1评价试验中，如表1所示，制作12种压力传感器的样品A1～A12并进行了评价试验。各样品共同的项目如以下所示。
引导构件61的外径：2.6mm
贯通孔61h的彼此相对的平侧面611间的间隔W(图5)：1.1mm
压电元件51a、51b的轴线方向的长度：0.5mm
预载荷的目标值：300N
壳体30的内径：4.6mm
[表1]
序号 SL/AL 评价
A1 0.1 A
A2 0.15 A
A3 0.2 A
A4 0.22 A
A5 0.24 A
A6 0.26 A
A7 0.28 B
A8 0.3 B
A9 0.32 B
A10 0.35 B
A11 0.4 B
A12 0.5 B
在各样品中，通过变更压电元件51a、51b的径向的一边的长度，从而变更了(SL/AL)的值。压电元件51a、51b的径向的一边的长度越短，(SL/AL)越大。在12个样品A1～A12中，(SL/AL)如表1所示，分别设定为0.1、0.15、0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.35、0.4、0.5。
在评价试验中，按照上述制造方法组装了各样品。并且，将在组装时无法赋予预定的预载荷的样品的评价设为“B”。然后，针对能够赋予预定的预载荷的样品，还将样品安装在被施加2MPa动压的腔室，确认了来自样品的输出波形。其结果是，将无法确认输出波形的样品的评价设为“B”，将能够确认输出波形的样品的评价设为“A”。对于无法赋予预定的预载荷的样品而言，可以认为是因为在组装时发生了压电元件51a、51b在径向的偏移，因此无法赋予预定的预载荷。此外，对于无法确认输出波形的样品而言，可以认为是因为压电元件51a、51b在径向发生了偏移，因此无法将输出波形向外部输出。
评价结果如表1所示。(SL/AL)大于0.26的样品A7～A12的评价都是“B”。并且，(SL/AL)为0.26以下的样品A1～A6的评价都是“A”。
从以上说明可知，根据第1评价试验能够确认，通过满足(SL/AL)≤0.26，能够抑制压电元件51a、51b的径向的位置的偏移。
B-2：第2评价试验
在第2评价试验中，如表2所示，制作14种压力传感器的样品B1～B14并进行了评价试验。各样品的压电元件51a、51b的径向的一边的长度设定为一定值，以满足(SL/AL)＝0.17。并且，在各样品中，通过变更引导构件61的外径，来变更上述第2距离D2。由此，(S2/S1)的值得以变更。具体而言，在14个样品B1～B14中，(S2/S1)如表2所示，分别设定为0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95。其他尺寸、预载荷与第1评价试验的样品相同。
[表2]
序号 S2/S1 评价
B1 0.3 A
B2 0.35 A
B3 0.4 A
B4 0.45 A
B5 0.5 A
B6 0.55 A
B7 0.6 A
B8 0.65 A
B9 0.7 B
B10 0.75 B
B11 0.8 B
B12 0.85 B
B13 0.9 B
B14 0.95 B
在评价试验中，按照上述制造方法组装了各样品。并且，使用各样品进行了实机评价试验。具体而言，在内燃机的相同缸体(即燃烧室)安装样品的传感器和成为目标的压力传感器(也称作“目标传感器”)，使内燃机运转，从而分别从样品的传感器和目标传感器获得了压力的波形。内燃机使用了串联4缸、排气量1.3L、自然吸气的内燃机。内燃机在燃烧室内成为最高温的条件下进行运转，具体而言，在节气门全开(WOT(Wide-Open Throttle))并且旋转速度为4500rpm的条件下进行运转。
图6是示出利用压力传感器测量的压力的波形的例子的图表。横轴表示曲柄角度CA，纵轴表示压力(单位为kPa)。零度的曲柄角度CA表示上止点。在图表中示出了利用目标传感器测量的压力G1(也称作目标的压力)和利用样品测量的压力G2(也称作样品的压力)。目标传感器被预先调整以能够以充分良好的精度测量压力，因此，在压电元件的电极间未产生漏电流。在本评价试验中，跨5个循环地测量了样品的压力G2和目标的压力G1。并且，在每个循环中确定燃烧室内的压力成为较低的基本压力的预定时刻下的两个压力G1、G2之差Em。并且，算出5个差Em的平均值作为样品的压力误差Ep。可以认为该压力误差Ep是因在样品中压电元件的电极之间产生漏电流而产生的误差，也称作漂移量。
将漂移量Ep为200kPa以下的样品的评价设为“A”，将漂移量Ep大于200kPa的样品的评价设为“B”。
评价结果如表2所示。(S2/S1)大于0.65的样品B9～B14的评价都是“B”。并且，(S2/S1)为0.65以下的样品B1～B8的评价都是“A”。
可以认为其理由如以下所述。在(S2/S1)为0.65以下的样品B1～B8中，能够充分地确保壳体30与引导构件61之间的间隔，因此，能够抑制压电元件51a、51b被过度加热，因此，能够抑制压电单元50内的压电元件51a、51b的绝缘电阻的下降。因而，能够抑制压电元件的电极间的漏电流，从而能够使漂移量Ep下降。
从以上说明可知，根据第2评价试验能够确认，通过满足(S2/S1)≤0.65，能够抑制压电元件51a、51b被过度加热。
B-3：第3评价试验
在第3评价试验中，如表3所示，制作16种压力传感器的样品C1～C16并进行了评价试验。在各样品中，通过变更压电元件51a、51b的径向的一边的长度，来变更上述第3距离D3。由此，(S3/S1)的值得以变更。具体而言，在16个样品C1～C16中，(S3/S1)如表3所示，分别设定为0.1、0.2、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95。此外，引导构件61的贯通孔61h的尺寸、具体是贯通孔61h的彼此相对的平侧面611间的间隔W(图5)根据压电元件51a、51b的径向的一边的长度来决定，以满足(SL/AL)＝0.17。其他尺寸、预载荷与第2评价试验的样品相同。
[表3]
序号 S3/S1 无元件引导 有元件引导
C1 0.1 B A
C2 0.2 B A
C3 0.3 B A
C4 0.35 B A
C5 0.4 B A
C6 0.45 B A
C7 0.5 B A
C8 0.55 A -
C9 0.6 A -
C10 0.65 A -
C11 0.7 A -
C12 0.75 A -
C13 0.8 A -
C14 0.85 A -
C15 0.9 A -
C16 0.95 A -
在评价试验中，首先，在不使用引导构件61的情况下根据上述制造方法组装各样品。并且，将在组装时无法赋予预定的预载荷的样品的评价设为“B”。并且，将能够赋予预定的预载荷的样品的评价设为“A”。此外，针对无法赋予预定的预载荷的样品，使用引导构件61根据上述制造方法进行组装。并且，将组装后的样品安装于被施加2MPa动压的腔室，确认了来自样品的输出波形。其结果是，将无法确认输出波形的样品的评价设为“B”，将能够确认输出波形的样品的评价设为“A”。
评价结果如表3所示。在未使用引导构件61的情况下，(S3/S1)为0.5以下的样品C1～C7的评价都是“B”。并且，在未使用引导构件61的情况下，(S3/S1)大于0.5的样品C8～C16的评价都是“A”。即，(S3/S1)大于0.5的样品即使不使用引导构件61也能够组装，但(S3/S1)为0.5以下的样品不使用引导构件61就无法组装。
并且，在使用引导构件61的情况下，(S3/S1)为0.5以下的样品的评价都是“A”。即，在使用引导构件61的情况下，即使是(S3/S1)为0.5以下的样品，也能够进行组装。
从以上说明可知，在(S3/S1)为0.5以下的样品中，能够确认，相对于壳体30内的轴孔39的直径而言，压电元件51a、51b的径向的大小较小，因此，在未使用引导构件61的情况下无法组装，但通过使用引导构件61能够进行组装。
C.变形例：
(1)在上述实施方式中，压电单元50包括两个压电元件51a、51b。压电元件的个数并不限于此，既也可以是1个，也可以是3个以上。可以认为，在压电单元50包括两个以上的压电元件的情况下，容易发生压电元件的径向的偏移这样的问题，但能够利用引导构件61来抑制压电元件的径向的偏移。
(2)在上述实施方式中，满足(S2/S1)≤0.65，但也可以不满足(S2/S1)≤0.65。在该情况下，与满足(S2/S1)≤0.65的情况相比较，压电元件51a、51b变为高温的可能性较高。但是，若满足(SL/AL)≤0.26，则能够抑制压电元件51a、51b的径向的偏移。
(3)在上述实施方式中，满足(S3/S1)≤0.5，但也可以不满足(S3/S1)≤0.5。在该情况下，即使没有引导构件61也能够组装压力传感器10，但通过使用引导构件61，与未使用引导构件61的情况相比，能够抑制压电元件51a、51b的径向的偏移。
(4)在上述实施方式中，在引导构件61的前端侧的面与前端按压构件62b的基板部621b之间和引导构件61的后端侧的面与后端按压构件62a的基板部621a之间中的至少一者形成有间隙NT。也可以替代这种结构而不形成间隙NT。例如，即使在没有间隙NT的情况下，若使用能够在轴线方向上变形的弹性材料(弹性体、橡胶等)来形成引导构件61，也能够利用前端按压构件62b和后端按压构件62a对压电单元50赋予预载荷。
(5)压电元件51a、51b的与轴线垂直的剖面并不限于矩形，既可以是圆形，也可以是其他多边形，例如五边形、六边形。在该情况下优选的是，引导构件61的贯通孔61h的形状也与压电元件51a、51b的形状相对应地适当变更。不论压电元件51a、51b的形状、引导构件61的贯通孔61h的形状如何，优选地满足(SL/AL)≤0.26。这样能够抑制压电元件51a、51b的径向的偏移。
(6)构成压力传感器10的各构件，例如40、50、91、63、64、92的形状等具体的结构是一例，能够采用其他各种结构。此外，关于各构件例示的不锈钢等材料是一例，能够采用其他各种材料。例如，传递杆91的一部分或全部也可以是中空的筒状的构件，传递杆91也可以具有棱柱形状、方筒形状。此外，后端***构件92也可以是在外周面形成有外螺纹的螺纹构件。在该情况下，在壳体30的形成轴孔39的内周面形成有内螺纹，将后端***构件92拧入该内螺纹，从而将后端***构件92固定于壳体30。在该情况下，根据后端***构件92的拧入量来调整对压电单元50赋予的预载荷。
(7)在上述实施方式中，引导构件61包围压电单元50的整体的外周，但也可以不必包围压电单元50的整体的外周。例如，也可以是，压电单元50中的位于最前端侧的前端电极52b的仅后端侧的一部分被引导构件61包围。此外，也可以是，压电单元50中的位于最后端侧的后端电极52a的仅前端侧的一部分被引导构件61包围。
此外，作为压电单元50的结构，能够替代图2、图3的结构而采用其他各种结构。例如，也可以是，省略后端电极52a、前端电极52b，使后端按压构件62a、前端按压构件62b直接与压电元件51a、51b相接触。
以上基于实施方式、变形例说明了本发明，但上述发明的实施方式是为了易于理解本发明而记载的方式，并不限定本发明。本发明能够在不脱离其主旨和权利要求书的前提下进行变更、改良，并且本发明包括其等价物。
本申请基于2016年10月26日申请的日本特许申请(特愿2016-209297)，其内容在此作为参照被编入到本说明书中。
产业上的可利用性
本发明的压力传感器能够抑制压电元件的径向的位置的偏移，能够正确地进行例如内燃机的燃烧室内的压力测量。
附图标记说明
10、压力传感器；20、筒状金属壳体；22、螺纹部；24、工具卡合部；29、轴孔；30、壳体(构件)；31、大外径部；32、中外径部；33、小外径部；39、轴孔；40、隔膜；50、压电单元；51a、51b、压电元件；52a、后端电极；52b、前端电极；61、引导构件；61h、贯通孔；62a、后端按压构件；62b、前端按压构件；63、布线连接构件；64、绝缘体；65、罩；70、线缆；71、夹套；72、外部导体；73、导电涂层；74、绝缘体；75、内部导体；76、平板导线；77、细径导线；78、管；79、接地导线；91、传递杆；92、后端***构件；100、前端单元。

Claims (5)

1.一种压力传感器，其具有：
筒状的壳体，其沿轴线延伸；
隔膜，其固定于所述壳体的前端侧，根据受到的压力相应地变形；
压电单元，其配置于所述壳体内的孔部，具有包括1个以上的压电元件在内的两个以上的层叠构件；以及
传递构件，其将所述隔膜的变形向所述压电单元传递，
该压力传感器的特征在于，
该压力传感器具有引导构件，该引导构件具有沿所述轴线延伸的贯通孔，在该贯通孔内包围所述压电单元的至少一部分的外周，
在经过所述压电元件且与所述轴线垂直的剖面中，
在所述贯通孔内，将所述贯通孔的中心与所述压电元件的中心之间的径向的距离所能取的最大值设为SL，
将此时的所述压电元件的外侧面与所述贯通孔的中心之间的径向的距离的最大值设为AL，
这时，满足(SL/AL)≤0.26。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述引导构件不与所述壳体相接触，
在所述剖面中，
将以从所述壳体内的所述孔部的中心到所述壳体的内侧面的距离的最小值D1为半径的第1圆的面积设为S1，
将以从所述引导构件的中心到所述引导构件的外侧面的距离的最大值D2为半径的第2圆的面积设为S2，
这时，满足(S2/S1)≤0.65。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述层叠构件具有位于比所述压电元件靠后端侧的位置的后端层叠构件和位于比所述压电元件靠前端侧的位置的前端层叠构件，
所述压力传感器还具有将所述后端层叠构件向前端方向按压的后端按压构件和将所述前端层叠构件向后端方向按压的前端按压构件，
在所述引导构件的前端面与所述前端按压构件之间和所述引导构件的后端面与所述后端按压构件之间中的至少一者具有间隙。
4.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，
在所述剖面中，
将以从所述压电元件的中心到所述压电元件的外侧面的距离的最大值D3为半径的第3圆的面积设为S3，
这时，满足(S3/S1)≤0.5。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述压电单元包括两个以上的所述压电元件。
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