JPH06258165A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電センサの主体金具１の内部に装着される
圧電素子を、温度依存性が低く、焦電による影響が少な
くかつ耐熱性の良好なものとすること。 【構成】 圧電センサＳの圧電素子１１にタンタル酸リ
チウム（ＬｉＴａＯ₃ ）の単結晶圧電材料よりなるもの
を用いた。

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
等の、圧力、振動、加速度といった物理量を圧電素子に
よって検出する圧電センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上述の圧電センサにあっては、例えば、
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て圧力検出に用
いられるもの等が知られている。

【０００３】この圧電センサに適用される圧電素子とし
ては、一般に、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等の
セラミック材料が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
圧電センサは、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（ 500℃）中に曝されるが、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℃（使用最高温度 150℃）、チ
タン酸鉛系では約 350℃（使用最高温度 250℃）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（ 300℃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
で使用しており、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。このため、冷却手段を省略する
ため、耐熱性に優れ、感度の温度依存性が小さく、高精
度の圧力計測を行なえる圧電素子を備えた圧電センサが
待望されてきた。

【０００５】本発明は、かかる要望を満たし得る圧電セ
ンサの提供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、圧力、振動、
加速度等の物理量を電気的信号に変換する圧電素子を用
いた圧電センサにおいて、前記圧電素子が、温度に対す
る出力の変化率が零に近似するタンタル酸リチウムの単
結晶圧電材料よりなるものであることを特徴とするもの
である。

【０００７】

【作用】タンタル酸リチウムの単結晶圧電材料は、圧力
に対する発生電荷をみると、温度が変化しても等しい勾
配をもつことが、実験により確かめられた。このため、
このタンタル酸リチウムの単結晶圧電材料を用いて圧電
センサを構成すると、温度依存性がほとんど無く、高精
度の圧力計測を行ない得ることとなる。また前記圧電素
子として、分極方向にＺ軸成分を含まない若しくはほと
んど含まないタンタル酸リチウムの単結晶圧電材料より
なる板状圧電素子を用いた場合には焦電がほぼ無くなる
という作用を合わせ持つ。

【０００８】

【実施例】図１は圧電センサの一実施例を示し、１は下
端部１ａの外周にシリンダヘッドに螺合する雄螺子２
と、全長のほぼ中間部１ｂの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
体金具であり、その内部には、軸孔４が形成されてい
る。この軸孔４は主体金具１の中心を上下方向に貫通し
てなり、挿入孔４ａ，装着孔４ｂ、螺子孔４ｃ及び装着
孔４ｄが連成されて構成される。前記挿入孔４ａは装着
孔４ｂに比して小径となっており、その間に段差部分を
生じている。

【０００９】径小側の装着孔４ａには圧力伝達棒９が挿
入され、その下端を主体金具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６に
アルゴン溶接している。さらに主体金具１の装着孔４
ａ，４ｂの段差部分と圧力伝達棒９との間には円板バネ
７を設けて圧力伝達棒９の径大部を支持するようにし、
この円板バネ７により各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。

【００１０】前記装着孔４ｂには、装着孔４ａに近いほ
うから環状パッキン１０、端子板、表裏面に電極が形成
された圧電素子１１，端子部材１２，１３、環状パッキ
ン１４，電気絶縁環１５及び当て金１６等が順次積層状
に配設され、これら積層体８の周囲に被覆した絶縁材１
７により主体金具１と絶縁している。また前記端子部材
１３の上面からは立状舌片１３ａが突成されている。

【００１１】前記当て金１６の上端には半球面が形成さ
れ、該半球面上に円錐凹面を備えた押え螺子１８を前記
螺子孔４ｃに螺合し、その緊締作用により、前記当て金
１６等を介して、圧電素子１１に適正な予圧力を付与す
るようにしている。前記当て金１６，押え螺子１８は夫
々中心に孔が形成され、その組付け状態で前記電気絶縁
環１５等と共に挿通孔２０を生ずる。そして該挿通孔２
０内に絶縁チューブ２１を嵌着し、該絶縁チューブ２１
内に前記立状舌片１３ａを挿通している。

【００１２】さらには主体金具１の上端部１ｃには、前
記六角部３側の装着孔４ｄの口部に形成された段座２５
に、鍔２７を備えた金属キャップ２６が嵌合され、該鍔
２７を段座２５に溶接される。前記金属キャップ２６の
内部には信号搬送用ケーブル３０の一端が挿通固定さ
れ、該ケーブル３０より裸出した芯線と接続されるリー
ド線３１が、絶縁チューブ２１内で立状舌片１３ａと接
続され、圧電素子１１から発生する信号出力が電気的に
取り出し可能となる。

【００１３】この構成にあって、本発明の特徴とすると
ころは、圧電素子１１にタンタル酸リチウム（ＬｉＴａ
Ｏ₃ ）からなる単結晶圧電材料を用いたところにある。

【００１４】尚、単結晶よりなる圧電素子１１は、図２
で示す円形板でもよいが、経済性、量産性の面から図３
に示すような角形板の方が望ましく、この場合、図４の
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１１を一度に、無駄な
く製作できる。

【００１５】さらに圧電素子１１の表裏面に被着する電
極１１ａ，１１ｂ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、焼き付けて
も良く、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】いま圧電素子１１として、タンタル酸リチ
ウム及びニオブ酸リチウムのＹカット品（面方向に分極
させたもの）を用いて、所定温度雰囲気における圧力と
発生電荷の関係を調べた。その結果、図５，６のように
なった。

【００１７】ここで図５で示すように、タンタル酸リチ
ウムを適用したものは、25℃，50℃， 100℃， 150℃及
び 200℃の温度変化にかかわらず、ほぼ一定であった。
一方ニオブ酸リチウムを適用したものは、図６で示すよ
うに温度が上昇するに従って、勾配が大きくなるという
温度依存性が確認された。

【００１８】図７は、上述の結果に基づいて、温度と感
度の変化率を示したものである。ここでも、タンタル酸
リチウムの変化率は 100℃あたり-0.3〜＋0.4 ％と零に
近く、ニオブ酸リチウムに比して温度依存性が無いこと
が解る。

【００１９】またタンタル酸リチウムは、ニオブ酸リチ
ウムよりも圧電定数は低いものの、水晶よりは著しく高
く、所定の高出力信号を発生し得る。またキュリー点
は、 665℃と、シリンダ内の燃焼温度（ 500℃）よりも
高く、チタン酸ジルコン酸鉛系（約 250℃）、チタン酸
鉛系（約 350℃）に比較して充分に高く、耐温度特性に
優れ、消極等による圧電特性の劣化が無い。

【００２０】特に分極方向にＺ軸成分の角度θ（図８参
照）が２０°以下、好ましくはθ≒０°のタンタル酸リ
チウムの単結晶圧電材料よりなる板状圧電素子は、焦電
による発生電荷が殆どみられず、非常に良好であった。

【００２１】かかる圧電素子の特性により、図９に示す
他の構成の圧電センサにも良好に適用することができ
る。

【００２２】ここでこの圧電センサＳの構成を説明する
と、４１は集積体であって、夫々環状に形成した圧電素
子４２，電極リング４３，アルミナ等からなる絶縁板４
４を介して積み重ね、さらにその上面と下面とに銅，ア
ルミニュウム、ステンレス等の金属リング４５，４６を
配置して構成され、そして前記集積体４１を絞り加工に
より金属製外皮２７で包み込んで成る。

【００２３】さらに前記電極リング４３には接続子４３
ａが延成され、前記金属製外皮４７に穿設した引出し孔
４８から該接続子４３ａを引出し、金属製外套４９に接
続子４３ａを挿通してから、該外套４９を前記引出し孔
４８に固着し、さらに該接続子４３ａに信号搬送用リー
ド４０を半田付５１によって接続して、接続パイプ５２
を外嵌し、これによって信号搬送用リード５０から出力
信号を取り出すようにしている。

【００２４】そしてかかる構成により環状圧電センサＳ
が構成され、シリンダヘッドのプラグ座Ｒに対し点火プ
ラグＴにより締着固定される。この状態でシリンダ内の
燃焼圧力が変動すると、圧電素子４２に対する負荷圧力
が変化し、該圧電素子４２に該圧力変動に比例する電圧
が発生し、電極リング４３から信号搬送用リード５０を
介して出力信号として取出される。

【００２５】上述の実施例は、シリンダブロックに螺合
してシリンダの内圧力を検出するために用いられる圧電
センサに関するものであるが、このほか圧力、振動、加
速度等の物理量を検出する圧電センサに、タンタル酸リ
チウムからなる単結晶構造の圧電素子を用いることがで
きる。

【００２６】ここで図１０は、加速度計として用いられ
る圧電センサＳ’であって、その構成を説明する。６０
はケースであって、該ケース６０内でケース基板６１上
には、圧電素子６２と重錘６３とを端子板６５を介して
積み上げて固定している。そして前記ケース基板６１の
下面に突成した取付け螺子６４を走行体に螺着して固定
される。かかる構成の圧電センサにあっては、例えば自
動車のエアーバック等を作動させるための加速度検出に
用いられる。

【００２７】

【発明の効果】シリンダ内の燃焼圧力を検出する本発明
の圧電センサは、上述のように主体金具の内部に装着さ
れる圧電素子に、シリンダ内の燃焼温度よりも高いキュ
リー点を有するタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃ ）か
らなる単結晶圧電材料を用いたから、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がなく、しかも、
圧力依存性が良好で、高精度の計測をすることができ、
耐熱性、耐久性に優れ、小型、安価な圧電センサを市場
に供し得るという効果がある。さらに、分極方向のＺ軸
成分を２０°以下としたタンタル酸リチウムの単結晶圧
電材料よりなる圧電素子は、セラミック系の圧電素子、
すなわちチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛等で温度ド
リフトの原因となっていた焦電が認められないという効
果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す圧電センサＳの縦断側
面図である。

【図２】圧電素子１１を円形に作成したものの斜視図で
ある。

【図３】圧電素子１１を角形に作成したものの斜視図で
ある。

【図４】圧電素子１１の切り出し手段を示す斜視図であ
る。

【図５】タンタル酸リチウム単結晶の所定温度雰囲気に
おける圧力と発生電荷の関係を示すグラフである。

【図６】ニオブ酸リチウム単結晶の所定温度雰囲気にお
ける圧力と発生電荷の関係を示すグラフである。

【図７】タンタル酸リチウム単結晶とニオブ酸リチウム
単結晶の感度の温度特性を示すグラフである。

【図８】タンタル酸リチウムのＺ軸成分の角度θの概念
を示す座標である。

【図９】他の圧電センサＳの構成を示す縦断側面図であ
る。

【図１０】加速度計として用いられる他の圧電センサ
Ｓ’の構成を示す縦断側面図である。

【符号の説明】

１ 主体金具 ６ 金属製ダイアフラム １１ 圧電素子 ４１ 集積体 ４２ 圧電素子 ６２ 圧電素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力、振動、加速度等の物理量を電気的
   信号に変換する圧電素子を用いた圧電センサにおいて、
   前記圧電素子が、温度に対する出力の変化率が零に近似
   するタンタル酸リチウムの単結晶圧電材料よりなるもの
   であることを特徴とする圧電センサ。
2. 【請求項２】 前記圧電素子として、分極方向にＺ軸成
   分が２０°以下のタンタル酸リチウムの単結晶圧電材料
   よりなる板状圧電素子を用いたことを特徴とする請求項
   １記載の圧電センサ。