JP3123798B2

JP3123798B2 - 圧力検知装置

Info

Publication number: JP3123798B2
Application number: JP03356919A
Authority: JP
Inventors: 秀樹豊田; 徹馬下郷; 孝夫小島; 博文早迫
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 2001-01-15
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: JPH05172679A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は内燃機関のシリンダー内圧の変化
を圧電素子によって検出する圧力センサを備えた圧力検
知装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のシリンダーヘッドに設けられ
たセンサ取付け用螺子孔に装着される主体金具の内部に
圧電素子、圧力伝達棒等よりなる検出要素を収納すると
ともにシリンダー内に位置する下端面にダイアフラムを
封着し、シリンダー内圧を前記ダイアフラムと圧力伝達
棒とを介して圧電素子に伝播し、該素子よりシリンダー
内圧力の大きさに比例した電気信号を取り出すようにし
た圧力センサは公知である。また前記圧電素子として一
般に、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等のセラミッ
ク材料よりなる圧電素子が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
圧力センサは、点火プラグと同様にシリンダ内圧ととも
に高い燃焼温度（1000℃）中に曝されるため、セラミッ
ク系の圧電素子にあっては、そのキュリー点がチタン酸
ジルコン酸鉛系では約 250℃、チタン酸鉛系では約 350
℃と前記燃焼温度よりも低く、いずれもそのままでは、
素子部はかなりの高温（ 400℃前後）となり、このため
消極等により圧電特性が劣化し、使用に耐え得ない。そ
こで通常、圧電素子を適温に維持する冷却手段を付加し
たうえで使用している。このため構造が複雑、大型化
し、価格も高騰するという欠点があった。また高温度ほ
ど発生電荷が大きくなるという圧電素子が有する温度依
存性、さらには焦電特性によりシリンダ内の圧力が正確
に検出できない等の問題があった。

【０００４】一方、かかる欠点を解決するため、前記セ
ラミック系の圧電材料に代え、温度依存性及び焦電特性
の無いＳｉＯ₂ 単結晶もしくはこれら単結晶と同効の単
結晶圧電材料を用いることが考えられるが、これら単結
晶材料はセラミック系の圧電材料に比し発生電荷量が小
さいために、点火プラグでのノイズ、また電波等のノイ
ズ等による影響を受け易く、Ｓ／Ｎ比が悪くなるという
問題がある。

【０００５】そこで、特願平３−１２５４１４号にて、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）やタンタル酸リチウ
ム（ＬｉＴａＯ₃ ）もしくはこれら単結晶材料と同効の
単結晶圧電材料からなる円形または角形の板状圧電素子
を用いたものを提案した。このニオブ酸リチウムのキュ
リー点は約1200℃と高く、耐熱性に優れ、温度依存性が
少ないという特徴を有している。またＬｉＴａＯ₃ ，Ｓ
ｉＯ₂ に較べ発生電荷が大きく、Ｓ／Ｎ比も良好である
と言う、優れた特性を有する。しかしながら、素子特性
では優れているものの、圧力センサとしては構造体とし
た場合には、燃焼時の温度差（各部材での温度差）によ
り構成部分寸法が変化し、焦電特性に似た出力が発生し
てしまうことがあった。本発明はかかる従来構成の問題
点を除去することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、内燃機関のシ
リンダーに装着される主体金具に、検出開口がシリンダ
内に位置する軸孔を備え、その軸孔の内部に圧電素子、
圧力伝達棒等の検出要素を収納し、更に前記軸孔の開口
端を金属製ダイアフラムで密封してなり、前記圧電素子
としてニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料を用いた圧力
センサと、該圧力センサの発生電荷を電圧に変換する装
置と、該出力電圧の低周波成分を除去する機能を有する
フィルタとを備え、、前記圧力センサの板状圧電素子
が、分極方向のＺ軸成分が２０°以下のニオブ酸リチウ
ムの単結晶圧電材料のＹカット品よりなり、前記フィル
タの低周波を除去する閾値が、０．０１ＨＺ〜１．０Ｈ
Ｚの範囲にあることを特徴とする圧力検知装置である。

【０００７】

【作用】圧力センサをエンジンブロックに装着して、そ
の内圧を検出する場合にあっては、アイドリングから高
回転、高負荷の間で温度が変化する等、温度変化が激し
い。このように温度変化の激しい部位に圧力センサを取
付けると、焦電特性により図８に示すように出力の変動
（ドリフト）を生じ易い。この出力変動は、低周波数の
出力波形となる。

【０００８】そこで、フィルタにより所定低周波を閾値
として、該閾値以上の周波数の圧力波形のみを透過させ
て、該周波数未満の低周波を除去することにより、その
出力のドリフトに該当する波形を除去することができ
る。この閾値は、０．０１ＨＺ〜１．０ＨＺの範囲とす
る。０．０１ＨＺ未満であると、ドリフトを良好に除去
することができず、また１．０ＨＺを越えると、本来の
圧力波形が変形して、適正な圧力を検出することができ
なくなり、精度が低下するおそれがあるからである。さ
らには、圧力感度１０気圧相当以下にするためにはＺ軸
成分の角度θが２０°以下が良好であり、回路上での濾
波も容易となる。また特筆すべきは、Ｘカット品，Ｙカ
ット品について夫々作成し検討してみたところ、Ｙカッ
トのものはＸカットのものに比べ、圧電特性も良好であ
り、さらには機械的強度においても良好であることが確
認された。そこで、圧力センサの板状圧電素子が、分極
方向のＺ軸成分が２０°以下のニオブ酸リチウムの単結
晶圧電材料のＹカット品を用いるものとした。

【０００９】

【実施例】図１は本発明に適用する圧力センサＳの一実
施例を示し、１は下端部１ａ外周にシリンダブロックに
螺合する雄螺子２と、上端部１ｂ外周にスパナ等の締付
け工具と適合する六角部３とを形成したボルト構造をな
す主体金具１であって、その内部には、軸孔４が形成さ
れている。この軸孔４は下端部１ａ側を貫通する異径孔
４ａ，４ｂ，４ｃと、上端部１ｂ側を貫通する径大孔４
ｄとが連続して構成される。前記異径孔４ａ，４ｂ，４
ｃのうち、径中側の孔４ｂには、その径小側の孔４ａに
近いほうから金属板５、第１の端子部材６、表裏面に電
極７ａ，７ｂが付与された圧電素子７，第２の端子部材
８，電気絶縁環９が順次層状に配設され、これら積層物
の周囲に被覆した絶縁材１０により主体金具１と絶縁し
ている。また前記第２の端子部材８の上面からは後記す
る信号搬送用ケーブル１６と接続する接続手８ａが、絶
縁環９を挿通して突設している。

【００１０】更に前記径小側の孔４ａには圧力伝達棒１
１が挿入され、その一端を金属板５に圧接し、他端は主
体金具１の下端部１ａの端面を気密に封口するように接
合された金属製ダイアフラム１２に接着している。この
金属ダイアフラム１２は耐熱性が必要で、例えばインコ
ネル又はSUS630相当の耐熱性金属材料のようなものが良
い。さらに主体金具１の孔４ａ，４ｂの段差部分と圧力
伝達棒１１との間にバネリング１３を設け、このバネリ
ング１３により構成体の熱膨張差及び熱伝達の差から生
ずる歪、また雄螺子部での締付けトルクによる伸び等か
ら生ずる応力を吸収している。また前記径大孔４ｃに刻
設した雌ネジには押えネジ１８が螺合し、該ネジ１８に
より圧電素子７に所定の予圧を与え、燃焼時の吸気導入
時の負圧状態に対応させている。

【００１１】前記六角部３側の径大孔４ｄの内面には、
段座４ｄ’が形成され、これに座定する鍔１４ａを備え
た金属スリーブ１４が嵌合され、さらにシール部材１５
ｂと電気接触部材１５ａと共に六角部３の上端から突出
する環状薄肉片３ａを内側に屈曲することによって加締
め付けられている。

【００１２】前記金属スリーブ１４の内部には信号搬送
用ケーブル１６の一端が挿通固定され、該ケーブル１６
より裸出した芯線１６ａが絶縁被覆した中継用導線１７
を介して第２の端子部材８に接続されている。しかるに
圧電素子７の一方の電極は前記第２の端子部材８と中継
用導線１７を通してケーブル１６の芯線１６ａに接続さ
れ、他方の電極は第１の端子部材６と金属板５と伝達棒
圧力伝達棒１１を通して主体金具１に接地接続されてい
る。

【００１３】ここまでの構成は、従来公知であるが、本
発明を構成する圧力センサＳの特徴は、第１の端子部材
６と第２の端子部材８との間に配された圧電素子７に、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）からなる円形（図２
参照）または角形（図３参照）の板状圧電素子を用いた
ところにある。

【００１４】尚、単結晶よりなる圧電素子７は、円形板
でもよいが、経済性、量産性の面から図３にしめすよう
な角形板の方が望ましく、この場合、図４に示すように
一枚の大きな単結晶基板ｓに格子状の切断線ｔを施すこ
とにより、多数の圧電素子７，７…を一度に、無駄なく
製作できる。またその厚みは0.3mm 〜 1.5mmの外形寸法
を有するものであることが望ましい。すなわち、これら
単結晶材料は機械的強度に乏しく、通常の切断方法例え
ばダイヤモンドカッター、超音波カッター、レーザービ
ーム等にて破損することがあるが、その厚を0.3mm 〜1.
5mm に限定することによりかかる問題が解決される。こ
こで1.5mm を越えると切断時の熱衝撃により割れが発生
するおそれがある。従って好ましくは1.0mm 以下が良
い。ただし、0.3mm 未満では切断時の機械的衝撃に問題
がある。さらにこのような圧力センサーにおいては、受
圧面の精度、平行度が必要で、通常、表面研磨を実施す
ることが多く、この点から0.3mm 以上が望ましい。

【００１５】さらに圧電素子７の表裏面に被着する電極
７ａ，７ｂは、メッキ、蒸着等によって形成することが
できるが、圧電素子との密着性を高める点から、ニッケ
ル、銀等の金属を有機溶剤中に分散してなる有機金属イ
ンクを用い、これを印刷により形成、焼き付けたものが
良く、この場合、前記有機金属インクを印刷後、第１、
第２の端子部材６，８を積層したうえで一体に焼き付け
ることによって、圧電素子と電極との間、電極と端子部
材との間の密着性が高くなり、使用中の接触不良を確実
に防止する利点がある。

【００１６】次に、圧電素子７として、ニオブ酸リチウ
ム単結晶を用いたものにあって、その焦電特性を次の手
段により確認した。ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角
度のカット品を試料とし、これを０℃のシリコンオイル
が入ったタンクと、１５０℃のシリコンオイルが入った
タンクとに交互に浸漬して焦電特性をテストした。その
結果は図５の如くであった。ここでｘは、素子寸法がφ
６×０．５ｔの外径寸法としたものを、ｙはφ４×０．
７ｔの外径寸法としたものを示す。そして縦軸は温度変
化によって発生する電荷を示し、横軸はＺ軸成分の角度
θを示す。ここでＺ軸成分の角度θは図６で示すように
規定され、分極軸の面方向（Ｘ，Ｙ方向）からの厚み方
向（Ｚ方向）への偏位角をいう。すなわち、θ＝９０゜
とは厚み方向と同一方向で分極されているものをいい、
θ＝０゜とは、面方向に分極されているものをいう。

【００１７】この結果からＺ軸成分が少ない方が良好で
あることが解った。また圧力感度１０気圧相当以下にす
るためにはＺ軸成分の角度θが２０°以下が良好であ
り、５気圧相当以下の１０°以下がさらに良好で、回路
上での濾波も容易となった。またこれらのカットにあっ
ては、圧電特性も充分であった。特にＺ方向の無い（θ
＝０）試料については、焦電が殆どみられず、非常に良
好であった。そして、Ｚ方向の無い（θ＝０）試料にあ
って、Ｘカット，Ｙカット品について夫々作成し検討し
てみたところ、ＹカットのものはＸカットのものに比
べ、圧電特性も良好で、他のカットと殆ど同等であり、
さらには機械的強度においても良好な結果を得た。

【００１８】これらの結果から、圧力センサＳとして
は、ニオブ酸リチウムのＹカット品を用い、超音波カッ
トによりφ５×０．５ｔの外径寸法として前述の組み付
を実施した。またダイヤフラムの内外径もφ７／φ９と
し、ダイヤフラムの肉厚は０．１５ｍｍとした。また、
押えネジ１４での加圧を１０ＭＰａとした。

【００１９】そしてかかる構成の圧力センサＳに、図９
の如く、該圧力センサＳの発生電荷を電圧に変換するチ
ャージアンプＡと、該チャージアンプＡの出力電圧の低
周波成分を除去する機能を有するハイパスフィルタＦと
を順次接続して、本発明に係る圧力検知装置を構成し、
圧力センサＳを総排気量２０００ｃｃのエンジンに取付
け、ハイパスフィルタＦの低周波の閾値と、ハイパスフ
ィルタＦを通過した燃焼圧力波形との関係を調べた。

【００２０】図７はハイパスフィルタＦの低周波をカッ
トする閾値を種々変えたものであって、エンジンの回転
をアイドリング（１２００ｒｐｍ）及び５０００ｒｐｍ
で、一定としたときの燃焼圧力波形を示す。ここで中心
の一点鎖線は大気圧を示す基準線である。この波形図か
ら、０．０１ＨＺ〜０．５ＨＺでは、いずれの回転数に
あっても、フィルタ無しのときの生波形（破線で示す）
とは、大きく波形が異ならず、適正な精度を維持できる
ものであることが解る。また１ＨＺの場合もアイドリン
グ時では若干生波形からのズレを生じてはいるものの所
定精度をなんとか維持し得るものであることが解る。と
ころが閾値が２ＨＺ及び３ＨＺのハイパスフィルタを設
けた場合には、低位レベルでのドリフトが発生し、生波
形とは大きな差異を生じ、１気圧以上の誤差を生じてし
まうことが解った。

【００２１】次にエンジン回転を変化させたときの状態
を図８で示す。焦電特性、温度特性の無い圧電素子７を
用いた圧力センサＳを適用しているにもかかわらず、ハ
イパスフィルタＦ無しでは、全体の波形が上下に揺ら
ぎ、エンジンドリフトが発生していることが解る。また
閾値が０．０１ＨＺのハイパスフィルタＦを接続した場
合にあっても、該ドリフトが波形上表われる。ところが
０．０５ＨＺ，０．１ＨＺ，０．３ＨＺを閾値としたハ
イパスフィルタＦを接続したものにあっては、前記ドリ
フトを波形上除去することができた。このドリフトに対
しても、充分１ＨＺ以下の閾値を備えたハイパスフィル
タＦによって対応できる。

【００２２】而して、閾値が０．０１ＨＺ〜１．０ＨＺ
の範囲にあるハイパスフィルタＦは、前記ドリフトを除
去でき、しかも、生波形とは大きく異ならず、その精度
も許容できるものであるといえる。尚、好ましくは、閾
値を０．０５〜０．５ＨＺとしたハイパスフィルタＦに
よってさらに良好な結果を得ることができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の圧力検知装置が以上の通りであ
って、主体金具の内部に装着される圧電素子に、シリン
ダ中の燃焼温度よりも高いキュリー点を有するＬｉＮｂ
Ｏ_３の単結晶圧電材料を用いた圧力センサーを用いたか
ら、従来のように冷却手段によって圧電素子を冷却する
必要は全くない。また圧電素子の分極方向のＺ軸成分が
２０°以下とすることで焦電特性をも有せず、Ｙカット
品を用いたから、圧電特性も良好であり、さらには機械
的強度においても良好である。そして、さらに、この圧
力センサＳに該圧力センサの発生電荷を電圧に変換する
装置（チャージアンプＡ）と、該出力電圧の低周波成分
を除去する機能を有するフィルタＦとを接続したから、
温度変化等によって生ずる低周波数の出力に起因する燃
焼波形のドリフトが除去されて、安定した燃焼波形を得
ることができる。而して、本発明は焦電性が無く、小型
かつ安価で、出力波形が良好で高精度の圧力検知装置を
市場に供し得る優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す圧力センサの縦断側面
図である。

【図２】圧電素子７を円形に作成したものの斜視図であ
る。

【図３】圧電素子７を角形に作成したものの斜視図であ
る。

【図４】圧電素子７の切り出し手段を示す斜視図であ
る。

【図５】ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角度のカット
品の焦電効果による影響を示すグラフである。

【図６】Ｚ軸成分の角度θの概念を示す座標である。

【図７】閾値の異なるハイパスフィルタＦと、その出力
波形との関係を、１２００ｒｐｍ，５０００ｒｐｍの波
形図である。

【図８】回転数を変化させた場合のドリフトを示す波形
図である。

【図９】本発明の基本構成を示す概念図である。

【符号の説明】

１主体金具７圧電素子１１圧力伝達棒Ｓ圧力センサＡチャージアンプＦハイパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早迫博文名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献特開昭62−81572（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−219808（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−84539（ＪＰ，Ｕ) 実開昭64−15139（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−126620（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−35243（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 23/10 G01L 9/08 G01L 1/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関のシリンダーに装着される主体金
具に、検出開口がシリンダ内に位置する軸孔を備え、そ
の軸孔の内部に圧電素子、圧力伝達棒等の検出要素を収
納し、更に前記軸孔の開口端を金属製ダイアフラムで密
封してなり、前記圧電素子としてニオブ酸リチウムの単
結晶圧電材料を用いた圧力センサと、該圧力センサの発
生電荷を電圧に変換する装置と、該出力電圧の低周波成
分を除去する機能を有するフィルタとを備え、前記圧力
センサの板状圧電素子が、分極方向のＺ軸成分が２０°
以下のニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料のＹカット品
よりなり、前記フィルタの低周波を除去する閾値が、
０．０１ＨＺ〜１．０ＨＺの範囲にあることを特徴とす
る圧力検知装置。