JP6541601B2 - 圧力検出装置および圧電素子 - Google Patents
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Description
本発明は、温度変化に起因する圧電素子の損傷を抑制することを目的とする。
このような圧力検出装置において、前記第1付与部材および前記第2付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とすれば、高温環境下においても圧電素子を安定して保持できるとともに、構成を簡易化できる点で好ましい。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧力検出装置は、圧電性を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるY方向の線膨張係数がZ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるY方向の長さがZ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、前記酸化物単結晶のうち前記X軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第1付与部材と、前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記X軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第1付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第2付与部材とを含み、前記第1付与部材の線膨張係数および前記第2付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるY方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数との間に設定され、前記第1付与部材および前記第2付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴としている。
このような圧力検出装置において、前記圧電素子を構成する前記酸化物単結晶が、直方体状に形成されることを特徴とすれば、圧電素子を得るための加工が容易となる点で好ましい。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧力検出装置は、LTGA(La3Ta0.5Ga5.5−xAlxO14)単結晶で構成され、当該LTGA単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子と、前記LTGA単結晶のうち前記X軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該LTGA単結晶に圧力を付与する第1付与部材と、前記LTGA単結晶のうち前記X軸が貫通し且つ前記一方の面に対向する他方の面に接触して配置され、前記第1付与部材とともに当該LTGA単結晶に圧力を付与する第2付与部材とを含み、前記LTGA単結晶におけるY方向の長さLyとZ方向の長さLzとが、3/7≦Ly/Lz≦6/7なる関係を有していることを特徴としている。
このような圧力検出装置において、前記第1付与部材および前記第2付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とすれば、高温環境下においても圧電素子を安定して保持できるとともに、構成を簡易化できる点で好ましい。
さらに、他の観点から捉えると、本発明の圧電素子は、LTGA(La3Ta0.5Ga5.5−xAlxO14)単結晶で構成され、当該LTGA単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子において、前記LTGA単結晶におけるY方向の長さLyとZ方向の長さLzとが、3/7≦Ly/Lz≦6/7なる関係を有していることを特徴としている。
図1は、本実施形態に係る圧力検出装置5を備えた内燃機関1の概略構成図である。また、図2は、図1に示す圧力検出装置5のII部の拡大図である。
内燃機関1は、シリンダ2aを有するシリンダブロック2と、シリンダ2a内を往復動するピストン3と、シリンダブロック2に締結されてシリンダ2aおよびピストン3などとともに燃焼室Cを形成するシリンダヘッド4と、を備えている。また、内燃機関1は、シリンダヘッド4に装着されて燃焼室C内の圧力を検出する圧力検出装置5と、圧力検出装置5が検出した圧力に基づいて内燃機関1の作動を制御する制御装置6と、圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に介在して燃焼室C内の気密性を保つためのシール部材7と、圧力検出装置5と制御装置6との間で電気信号を伝送する伝送ケーブル8と、を備えている。そして、図2に示すように、伝送ケーブル8は、3本のケーブルすなわち第1ケーブル81、第2ケーブル82および第3ケーブル83と、これら第1ケーブル81〜第3ケーブル83を圧力検出装置5に接続するためのコネクタ80とを有している。
図3は、圧力検出装置5の概略構成図である。図4は、図3に示す圧力検出装置5のIV−IV部の断面図である。図5は、図4に示す圧力検出装置5のV部の拡大図である。また、図6は、図4に示す圧力検出装置5のVI部の拡大図である。
圧力検出装置5は、燃焼室C内の圧力を電気信号に変換する圧電素子10を有するセンサ部100と、センサ部100からの電気信号を処理する信号処理部200と、信号処理部200を保持する保持部材300と、を備えている。この圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着する際には、センサ部100の後述するダイアフラムヘッド40の方から先に、シリンダヘッド4に形成された連通孔4aに挿入していく。以下の説明において、図4の左側(センサ部100側)を圧力検出装置5の先端側、右側(保持部材300側)を圧力検出装置5の後端側とする。
センサ部100は、受けた圧力を電気信号に変換する圧電素子10と、筒状であってその内部に圧電素子10などを収納する円柱状の孔が形成されたハウジング30と、を備えている。以下では、ハウジング30に形成された円柱状の孔の中心線方向を、単に中心線方向と称す。
また、センサ部100は、ハウジング30における先端側の開口部を塞ぐように設けられて、燃焼室C内の圧力が作用するダイアフラムヘッド40と、ダイアフラムヘッド40と圧電素子10との間に設けられた第1電極部50と、圧電素子10に対して第1電極部50とは反対側に配置された第2電極部55と、を備えている。
また、センサ部100は、第2電極部55を電気的に絶縁するアルミナセラミック製の絶縁リング60と、絶縁リング60よりも後端側に設けられて、信号処理部200の後述する覆い部材23の端部を支持する支持部材65と、第2電極部55と後述する伝導部材22との間に介在するコイルスプリング70と、を備えている。
なお、圧電素子10の具体的な構成については後述する。
第1ハウジング31は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔310が形成された薄肉円筒状の部材である。外周面には、中心線方向の中央部に、外周面から突出する突出部315が周方向の全域に渡って設けられている。
孔310は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔311と、第1孔311の孔径よりも大きな孔径の第2孔312と、から構成される。突出部315は、先端部に、先端側から後端側にかけて徐々に径が大きくなる傾斜面315aを有し、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面315bを有している。
孔320は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔径を有する第1円柱孔321と、第1孔径よりも小さな第2孔径を有する第2円柱孔322と、第2孔径よりも大きな第3孔径を有する第3円柱孔323と、第3孔径よりも大きな第4孔径を有する第4円柱孔324と、第4孔径よりも大きな第5孔径を有する第5円柱孔325と、から構成される。
第2ハウジング32における先端部は、第1ハウジング31における後端部にしまりばめで嵌合(圧入)されるように、第1円柱孔321における第1孔径は、第1ハウジング31の外周面の径以下となるように設定されている。
第2外周面332における先端部には、シリンダヘッド4の雌ねじ4eにねじ込まれる雄ねじ332aが形成されている。第3外周面333には、後述する第1シール部材71がすきまばめで嵌め込まれ、第3外周面333の外径と第1シール部材71の内径との寸法公差は、例えば零から0.2mmとなるように設定される。第4外周面334における後端部は、周方向に等間隔に6つの面取りを有する正六角柱に形成されている。この正六角柱に形成された部位が、圧力検出装置5をシリンダヘッド4に締め付ける際に、締付用の工具が嵌め込まれ、工具に付与された回転力が伝達される部位となる。第5外周面335における中心線方向の中央部には、外周面から凹んだ凹部335aが全周に渡って形成されている。
円筒状部41における後端部は、ハウジング30の第1ハウジング31における先端部としまりばめで嵌合(圧入)されて、この先端部の内部に入り込む進入部41aと、この先端部における端面31aと同形状に形成され、嵌合された際にこの端面31aが突き当たる突当面41bと、を有している。
内側部42は、円筒状部41における先端側の開口を塞ぐように設けられた円盤状の部材であり、後端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に突出する突出部42aが設けられている。また、内側部42の、先端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に凹んだ凹部42bが設けられている。
ダイアフラムヘッド40を構成する材料としては、高温でありかつ高圧となる燃焼室C内に存在するため、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金製であることが望ましく、具体的には、耐熱性に優れるステンレス鋼材、例えばSUH660等を用いることが望ましい。そして、ダイアフラムヘッド40を構成する材料の線膨張係数(以下の説明では、「ダイアフラム線膨張係数αd」と称することがある)は、10〜12(×10−6/K)の範囲であることが望ましい。
第1電極部50は、燃焼室C内の圧力を圧電素子10に作用させるものであり、圧電素子10側の端面である第2円柱部52における後端側の端面が圧電素子10の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成される。また、第1電極部50は、ダイアフラムヘッド40から受ける圧力を均等に圧電素子10に作用させることができるように、中心線方向の両端面が、それぞれ平滑面に形成されるとともに、中心線方向と直交する面に沿って互いに略平行に設けられている。
孔650は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔651と、第1孔651の孔径よりも大きな孔径の第2孔652と、第2孔652の孔径よりも大きな孔径の第3孔653と、から構成される。第1孔651の孔径は、第2電極部55の突出部55aの基端部の外径よりも大きく、この突出部55aが支持部材65の内部まで露出する。第2孔652の孔径は、後述する信号処理部200の伝導部材22における先端部の外径よりも大きい。第3孔653の孔径は、後述する信号処理部200の覆い部材23における先端側の端部の外径よりも小さく、この覆い部材23が第3孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合される。これにより、支持部材65は、覆い部材23の端部を支持する部材として機能する。
信号処理部200は、図3および図4に示すように、センサ部100の圧電素子10から得られる微弱な電荷である電気信号を少なくとも増幅処理する回路基板部21と、圧電素子10に生じた電荷を回路基板部21まで導く棒状の伝導部材22と、これら回路基板部21、伝導部材22などを覆う覆い部材23と、回路基板部21などを密封するOリング26と、を備えている。
また、伝導部材被覆部231は、先端側から後端側にかけて段階的に外径が異なるように、複数の円筒形状の部分から構成される。具体的には、先端側から後端側にかけて、第1外径を有する第1円筒部241と、第1外径よりも小さな第2外径を有する第2円筒部242と、第2外径よりも大きな第3外径を有する第3円筒部243と、第3外径よりも大きな第4外径を有する第4円筒部244とが並んで形成されている。
第1円筒部241における第1外径は、支持部材65の第3孔653の孔径よりも大きく形成されている。これにより、伝導部材被覆部231における先端部は、支持部材65の第3孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合(圧入)される。
この例では、第1凸部251は、第2円筒部242の外周面において、周方向に沿って90度間隔で4個設けられている。また、第2凸部252は、第4円筒部244の外周面において、周方向に沿って90度間隔で4個設けられている。
なお、この例では、4個の第1凸部251は、伝導部材被覆部231における第2円筒部242と一体的に形成され、4個の第2凸部252は、伝導部材被覆部231における第4円筒部244と一体的に形成されている。
保持部材300は、薄肉円筒状の部材であり、図4に示すように、後端部に内周面から内側に突出した突出部300aが設けられている。保持部材300は、第2ハウジング32に装着された後、外部から、第5外周面335に設けられた凹部335aに対応する部位が加圧されることでかしめられる。これにより、保持部材300は、ハウジング30に対して移動し難くなり、信号処理部200がハウジング30に対して移動することを抑制している。
先ず、圧電素子10における先端側の端面は、金属製の第1電極部50およびダイアフラムヘッド40を介して、金属製のハウジング30と電気的に接続される。
圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着することにより、ハウジング30は、金属製のシリンダヘッド4と電気的に接続される。このシリンダヘッド4は、電気的に接地された状態にあるため、圧力検出装置5では、ハウジング30を介して、圧電素子10における先端部が接地される。ここで、この例では、圧電素子10の側面とハウジング30の内壁面とが接触し得る構造になっているが、圧電素子10が絶縁体で構成されていることにより抵抗値が極めて大きいことと、圧力変化に伴って発生する電荷が、圧電素子10における中心線方向の両端部に発生することとにより、特に問題とはならない。
シール部材7は、図2に示すように、シリンダヘッド4における連通孔4aを形成する周囲の壁のセンサ部100の締め付け方向の端面と、圧力検出装置5のハウジング30の第3外周面333と第4外周面334とを接続する接続面との間に配置された第1シール部材71を有している。また、シール部材7は、シリンダヘッド4の連通孔4aの傾斜部4cと、圧力検出装置5のハウジング30の第1ハウジング31の傾斜面315aとの間に配置された第2シール部材72を有している。
内燃機関1の作動時には、センサ部100のダイアフラムヘッド40の内側部42に、燃焼室C内で発生した燃焼圧が付与される。そして、ダイアフラムヘッド40に付与された燃焼圧が、第1電極部50と第2電極部55とによって挟まれた圧電素子10に作用することにより、この圧電素子10に燃焼圧に応じた電荷が生じる。圧電素子10に生じた電荷は、第2電極部55、コイルスプリング70および伝導部材22を介して、入力電荷として回路基板部21の実装基板210に供給される。実装基板210に供給された入力電荷は、実装基板210に設けられた各種回路にて積分処理および増幅処理がなされた後、その電荷に応じた外部出力電圧が、回路基板部21に接続された第3接続ピン21cおよび伝送ケーブル8を介して、制御装置6に供給される。
本実施の形態の圧電素子10は、圧電性を有する酸化物単結晶のバルク体で構成される。そして、圧電素子10として用いられる酸化物単結晶は、圧電性を有する一方で、焦電性を有していないことが好ましい。
なお、本実施の形態では、圧電素子10として、Al置換ランガテイト(LTGA)からなる酸化物単結晶を用いた。
Al置換ランガテイト(LTGA)、水晶(α−SiO2)あるいはオルトリン酸ガリウム(GaPO4)などの三方晶系の結晶構造は、c軸と、c軸と直交する面において120°の間隔で放射状に延びるa1軸、a2軸およびa3軸とを有している。ここで、三方晶系の結晶構造において、c軸をZ軸とし、a1軸、a2軸およびa3軸のうちのいずれか1つ(例えばa1軸)をX軸とし、これらX軸とZ軸とに直交する軸をY軸とすることで、直交座標系における結晶学上のX軸、Y軸およびZ軸を定義することができる。なお、酸化物単結晶からなる圧電素子10においては、X軸のことを「電気軸」、Y軸のことを「機械軸」、そして、Z軸のことを「光学軸」と称することがある。
圧電性を有する酸化物単結晶では、通常、線膨張係数に異方性が存在する。
ここで、圧電素子10を構成する酸化物単結晶に関し、X軸に沿うX方向の線膨張係数を素子X方向線膨張係数αxとし、Y軸に沿うY方向の線膨張係数を素子Y方向線膨張係数αyとし、Z軸に沿うZ方向の線膨張係数を素子Z方向線膨張係数αzとしたとき、本実施の形態では、素子Y方向線膨張係数αyと素子Z方向線膨張係数αzとが、『αy>αz』の関係を有している。
なお、本実施の形態で圧電素子10として用いたAl置換ランガテイト(LTGA)の場合、素子X方向線膨張係数αxは約7.2(×10−6/K)であり、素子Y方向線膨張係数αyは約7.2(×10−6/K)であり、素子Z方向線膨張係数αzは約4.9(×10−6/K)である。したがって、この場合においては、『αy>αz』であるのに加え、『αx>αz』であるとともに『αx≒αy』である。
図7は、圧電素子10の形状および寸法を説明するための図である。
本実施の形態の圧電素子10は、直方体状の形状を有している。これにより、圧電素子10は、X軸に沿う4つの稜線、Y軸に沿う4つの稜線およびZ軸に沿う4つの稜線を有しており、その結果、2つのXY平面と2つのYZ平面と2つのXZ平面とを備えている。
なお、本実施の形態のように圧電素子10としてAl置換ランガテイト(LTGA)を用いた場合、Y方向素子長LyとZ方向素子長Lzとが、『3/7≦Ly/Lz≦6/7』の関係を有していることが望ましい。この理由については後述する。そして、この例では、X方向素子長LxとY方向素子長LyとZ方向素子長Lzとが、『Lx:Ly:Lz=4.5:4.5:7』の関係を有しており、『Ly<Lz』であるのに加え、『Lx<Lz』であるとともに『Lx=Ly』である。
本実施の形態では、上述したように、圧力検出装置5の中心線方向と、圧電素子10における電気軸(X軸)とを一致させるように、第1電極部50と第2電極部55とを用いて、圧電素子10を挟み込んでいる。このため、第1電極部50(第2円柱部52)における後端側の端面と圧電素子10における一方(先端側)のYZ平面とが接触し、且つ、第2電極部55における先端側の端面と圧電素子10における他方(後端側)のYZ平面とが接触する。
また、本実施の形態では、圧電素子10における、Y方向およびZ方向の線膨張係数と素子長との関係を、上述したように『αy>αz』且つ『Ly<Lz』とし、圧電素子10および第2電極部55の線膨張係数の関係を、『αz<αe2<αy』とすることで、圧電素子10と第2電極部55との熱膨張量の違いを低減し、圧電素子10と第2電極部55との接触部位を起点とする圧電素子10の損傷を抑制している。
図8は、圧電素子10の形状と圧電素子10の熱膨張量との関係を模式的に示した図である。なお、ここでは、圧電素子10における素子Y方向線膨張係数αyと素子Z方向線膨張係数αzとが、『αy>αz』の関係を有しているものとする。
本発明者は、圧電素子10としてAl置換ランガテイト(LTGA)単結晶を用い、Y方向素子長LyとZ方向素子長Lzとの関係を種々異ならせた圧電素子10を作製し、得られた各圧電素子10を図2等に示す圧力検出装置5に組み込むとともに図1に示す内燃機関1に装着し、圧電素子10の破壊が発生する温度(破壊発生温度)に関する評価を行った。
Claims (7)
- 圧電性を有し且つランガサイト型の結晶構造を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるY方向の線膨張係数がZ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるY方向の長さがZ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、
前記酸化物単結晶のうち前記X軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第1付与部材と、
前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記X軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第1付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第2付与部材と
を含み、
前記第1付与部材の線膨張係数および前記第2付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるY方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数との間に設定されること
を特徴とする圧力検出装置。 - 前記第1付与部材および前記第2付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とする請求項1記載の圧力検出装置。
- 圧電性を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるY方向の線膨張係数がZ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるY方向の長さがZ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、
前記酸化物単結晶のうち前記X軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第1付与部材と、
前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記X軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第1付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第2付与部材と
を含み、
前記第1付与部材の線膨張係数および前記第2付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるY方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数との間に設定され、
前記第1付与部材および前記第2付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とする圧力検出装置。 - 前記圧電素子を構成する前記酸化物単結晶が、直方体状に形成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の圧力検出装置。
- LTGA(La3Ta0.5Ga5.5−xAlxO14)単結晶で構成され、当該LTGA単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子と、
前記LTGA単結晶のうち前記X軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該LTGA単結晶に圧力を付与する第1付与部材と、
前記LTGA単結晶のうち前記X軸が貫通し且つ前記一方の面に対向する他方の面に接触して配置され、前記第1付与部材とともに当該LTGA単結晶に圧力を付与する第2付与部材と
を含み、
前記LTGA単結晶におけるY方向の長さLyとZ方向の長さLzとが、
3/7≦Ly/Lz≦6/7
なる関係を有していることを特徴とする圧力検出装置。 - 前記第1付与部材および前記第2付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とする請求項5記載の圧力検出装置。
- LTGA(La3Ta0.5Ga5.5−xAlxO14)単結晶で構成され、当該LTGA単結晶における電気軸をX軸、当該電気軸に直交する機械軸をY軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をZ軸としたとき、X方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子において、
前記LTGA単結晶におけるY方向の長さLyとZ方向の長さLzとが、
3/7≦Ly/Lz≦6/7
なる関係を有していることを特徴とする圧電素子。
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