JPH1054773A - 高温度中で使用できる圧力計測用センサ - Google Patents
高温度中で使用できる圧力計測用センサInfo
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- JPH1054773A JPH1054773A JP24244396A JP24244396A JPH1054773A JP H1054773 A JPH1054773 A JP H1054773A JP 24244396 A JP24244396 A JP 24244396A JP 24244396 A JP24244396 A JP 24244396A JP H1054773 A JPH1054773 A JP H1054773A
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Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【解決手段】 ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やラ
ンガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）のようにキュー
リー点が非常に高い、またはその物質の融点に到達する
までキューリー点が存在しない単結晶電子材料を圧電素
子とし、その圧電素子を内燃機関の燃焼室１０内に取り
付けが可能な形状のハウジングに収納し圧力センサを構
成する。 【効果】 この圧力センサは燃料混合気化ガスを１００
０℃以上の高温で燃焼させることにより発生する内燃機
関の燃焼圧力Ｐを冷却等の付加装置なしに直接計測する
ことができ、圧力に比例した電荷信号を１μｓの速さで
出力するのでチャージアンプにより電圧信号に変換し、
その信号値を圧力の誘導単位（Ｐａ）で読み取り、また
同時に自己診断システムにより燃焼の状態（正常または
異常）を判断するための燃焼波形をモニタすることがで
きる。
ンガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）のようにキュー
リー点が非常に高い、またはその物質の融点に到達する
までキューリー点が存在しない単結晶電子材料を圧電素
子とし、その圧電素子を内燃機関の燃焼室１０内に取り
付けが可能な形状のハウジングに収納し圧力センサを構
成する。 【効果】 この圧力センサは燃料混合気化ガスを１００
０℃以上の高温で燃焼させることにより発生する内燃機
関の燃焼圧力Ｐを冷却等の付加装置なしに直接計測する
ことができ、圧力に比例した電荷信号を１μｓの速さで
出力するのでチャージアンプにより電圧信号に変換し、
その信号値を圧力の誘導単位（Ｐａ）で読み取り、また
同時に自己診断システムにより燃焼の状態（正常または
異常）を判断するための燃焼波形をモニタすることがで
きる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本案によるセンサは高温度中で使
用できるので、各種内燃機関の燃焼室内に直接取り付
け、燃焼に伴い発生する燃焼圧を常時計測するための圧
力センサに利用すれば内燃機関の下記項目の制御および
検出が可能になる。 １．ノック検知（正常燃焼波形と非正常燃焼のモニタに
よる波形比較）。 ２．ＥＧＲ（排気ガス還流）制御。 ３．ＭＢＴ（最大トルクのための最小進角電気位置）制
御。 ４．失火検出（アイドリング時、エンジンブレーキ走行
時における）。 ５．最適混合比制御（トルク変動の即時検出によるリー
ンバーン制御）。 ６．排ガス対策。 内燃機関における利用以外に、原子力反応装置内におけ
る高温度中の圧力変動状態をセンサの冷却なしに直接計
測することができる。
用できるので、各種内燃機関の燃焼室内に直接取り付
け、燃焼に伴い発生する燃焼圧を常時計測するための圧
力センサに利用すれば内燃機関の下記項目の制御および
検出が可能になる。 １．ノック検知（正常燃焼波形と非正常燃焼のモニタに
よる波形比較）。 ２．ＥＧＲ（排気ガス還流）制御。 ３．ＭＢＴ（最大トルクのための最小進角電気位置）制
御。 ４．失火検出（アイドリング時、エンジンブレーキ走行
時における）。 ５．最適混合比制御（トルク変動の即時検出によるリー
ンバーン制御）。 ６．排ガス対策。 内燃機関における利用以外に、原子力反応装置内におけ
る高温度中の圧力変動状態をセンサの冷却なしに直接計
測することができる。
【０００２】
【従来の技術】従来、圧力または力を計測するためには
作用した機械的負荷によってセンサ自体が変形し、その
変形量を計測するいわゆる歪ゲージと、機械的負荷を圧
電素子に作用させて電荷を発生させる圧電センサが用い
られている。一般に前者は圧力または力の変化が遅い状
態、すなわち静的測定に適し、後者は圧力また力が急激
に変化するような状態、すなわち連続する動的圧力ピー
クの計測に適しているといえる。しかしながら両者とも
使用温度範囲に限界があり、特に圧電センサの高温度域
における使用温度の限界は圧電素子自体のキューリー点
により制約を受け決定される。通常それらは下記に示す
範囲のため現状ではセンサ自体を燃焼室内に直接取り付
けて使用することができない。
作用した機械的負荷によってセンサ自体が変形し、その
変形量を計測するいわゆる歪ゲージと、機械的負荷を圧
電素子に作用させて電荷を発生させる圧電センサが用い
られている。一般に前者は圧力または力の変化が遅い状
態、すなわち静的測定に適し、後者は圧力また力が急激
に変化するような状態、すなわち連続する動的圧力ピー
クの計測に適しているといえる。しかしながら両者とも
使用温度範囲に限界があり、特に圧電センサの高温度域
における使用温度の限界は圧電素子自体のキューリー点
により制約を受け決定される。通常それらは下記に示す
範囲のため現状ではセンサ自体を燃焼室内に直接取り付
けて使用することができない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】通常の温度範囲におけ
る圧力または力を圧電センサにより計測することは、セ
ンサ自体の変位がなく、応答速度が速く、小型である等
の優れた特性によりしばしば使用される。しかしセンサ
素子のキューリー温度を越えて使用することはできない
ため内燃機関の燃焼室内で混合気が爆発する際の１００
０℃を越える高温度中の気圧（燃焼圧）変動を直接測定
するような目的は達成できない。この場合対策として圧
力センサの周辺を冷却するための水冷式アダプタを使う
か、圧力センサを温度の低い場所に取り付け、燃焼室か
らセンサまでを導入管で連結し温度を低下させてから発
生した圧力ピークを検出する方法が採られている。これ
らの方法における欠陥は水冷方式は装置が大掛かりにな
り内燃機関を床上でテストするような場合には使うこと
ができるが、車載状態での使用は極めて困難である。ま
た燃焼室からセンサまでを圧力導入管で連結する方式は
応答が遅れること、長期間の使用で導入管の内部にカー
ボン等が付着して精度のよい計測ができなくなる等の欠
陥がある。
る圧力または力を圧電センサにより計測することは、セ
ンサ自体の変位がなく、応答速度が速く、小型である等
の優れた特性によりしばしば使用される。しかしセンサ
素子のキューリー温度を越えて使用することはできない
ため内燃機関の燃焼室内で混合気が爆発する際の１００
０℃を越える高温度中の気圧（燃焼圧）変動を直接測定
するような目的は達成できない。この場合対策として圧
力センサの周辺を冷却するための水冷式アダプタを使う
か、圧力センサを温度の低い場所に取り付け、燃焼室か
らセンサまでを導入管で連結し温度を低下させてから発
生した圧力ピークを検出する方法が採られている。これ
らの方法における欠陥は水冷方式は装置が大掛かりにな
り内燃機関を床上でテストするような場合には使うこと
ができるが、車載状態での使用は極めて困難である。ま
た燃焼室からセンサまでを圧力導入管で連結する方式は
応答が遅れること、長期間の使用で導入管の内部にカー
ボン等が付着して精度のよい計測ができなくなる等の欠
陥がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】内燃機関の燃焼室内で発
生する圧力ピークの状態を直接計測するためには圧力セ
ンサを燃焼室内に設置することが望ましい。しかし燃焼
室内で混合気が燃焼する際の温度は１０００℃を越える
ため、センサ自体が高温度に耐えられるものでなければ
ならない。従来、圧電素子として一般に使用されている
水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸等単結晶材料の
キューリー点（または温度）はいずれも３２０〜５５０
℃程度と低い。キューリー点とはその物質の溶解温度ま
たは融点と異なり、加わった温度により結晶状態が変化
して圧電効果が得られなくなる温度を指しており、当然
燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生する高温中では使
用できない。本案においてはキューリー点が非常に高い
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、またはキューリー
点が存在しないランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５Ｓｉ
Ｏ１４）単結晶材を圧電素子に使うことにより燃焼室内
で発生する圧力ピークの状態を直接計測するものであ
る。それぞれの単結晶材の融点ならびにキューリー点を
下記に示す。 一般に単結晶材の結晶学的軸Ｘ、ＹおよびＺの３軸のう
ちＸ、Ｙの２軸については電気的軸と呼ばれＺは光学的
軸と呼ばれている。単結晶材は与えられた機械的な負荷
に対し、それ自体が有する圧電効果により電荷を発生す
るが、具体的に述べれば結晶のＹ軸に対しＸ軸の方向に
機械的負荷を与えればＹ軸の両面に電荷を発生（縦軸効
果）し、同じくＸ軸に対しＹ軸の方向に機械的負荷を与
えればＸ軸の両面に電荷を発生（横軸効果）する。図１
は結晶学的軸Ｘにしたがってカットされた単結晶圧電素
子１に対して機械的負荷Ｆの加わる方向と圧電素子上に
発生する電荷ｑを示している。すなわち図１では負荷Ｆ
が圧電素子１に対して圧縮力（正の方向）＋Ｆとして作
用した場合、素子のある面に正の極性＋ｑの電荷が現れ
れば素子の反対側（裏側）の面には負の極性−ｑが現れ
る状態を示している。図２は機械的負荷Ｆが逆に引っ張
り方向（負の方向）−Ｆに作用した場合に圧電素子上に
発生する電荷の極性が逆転して−ｑで現れ、同時に反対
側（裏側）の面には正の極性＋ｑが現れる状態を示して
いる。次に本案において使用される単結晶材料の縦軸効
果における公称感度を示す。また比較のため従来一般的
に圧電素子として使用されている水晶の縦軸効果におけ
る公称感度を示す。 すなわち縦軸効果において電荷ｑは、作用した機械的負
荷の合計に直接比例して負荷が作用した圧電素子の表面
に現れ、その量は圧電素子の大きさや形状に無関係で、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）においては１ニュー
トン当たり６ピコクーロンの電荷が現れ、ランガサイト
（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）においては１ニュートン当
たり４ピコクーロンの電荷が、また、ちなみに水晶にお
いては１ニュートン当たり２ピコクーロンの電荷を発生
する。図３は本案における圧力検出用単結晶圧電素子セ
ンサの基本的な構成を示している。即ち図３では２枚の
単結晶圧電素子１、２枚の単結晶圧電素子の間に挟み電
荷信号を取り出すようにした電極２、力または圧力を圧
電素子に伝達するダイアフラム３、圧電素子および絶縁
材４を内蔵し、センサ全体を内燃機関のシリンダヘッド
部分にネジ込みできるようにしたハウジング５である。
本案による圧力検出用単結晶圧電素子センサは図３に示
すように２枚の単結晶圧電素子１を機械的負荷が作用す
る方向に整列させ、ダイアフラム３により燃焼による圧
力変動を圧電素子に伝達し電荷信号を発生させ、その電
荷信号を電極２で取り出すようにした構造を特徴とする
ものである。
生する圧力ピークの状態を直接計測するためには圧力セ
ンサを燃焼室内に設置することが望ましい。しかし燃焼
室内で混合気が燃焼する際の温度は１０００℃を越える
ため、センサ自体が高温度に耐えられるものでなければ
ならない。従来、圧電素子として一般に使用されている
水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸等単結晶材料の
キューリー点（または温度）はいずれも３２０〜５５０
℃程度と低い。キューリー点とはその物質の溶解温度ま
たは融点と異なり、加わった温度により結晶状態が変化
して圧電効果が得られなくなる温度を指しており、当然
燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生する高温中では使
用できない。本案においてはキューリー点が非常に高い
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、またはキューリー
点が存在しないランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５Ｓｉ
Ｏ１４）単結晶材を圧電素子に使うことにより燃焼室内
で発生する圧力ピークの状態を直接計測するものであ
る。それぞれの単結晶材の融点ならびにキューリー点を
下記に示す。 一般に単結晶材の結晶学的軸Ｘ、ＹおよびＺの３軸のう
ちＸ、Ｙの２軸については電気的軸と呼ばれＺは光学的
軸と呼ばれている。単結晶材は与えられた機械的な負荷
に対し、それ自体が有する圧電効果により電荷を発生す
るが、具体的に述べれば結晶のＹ軸に対しＸ軸の方向に
機械的負荷を与えればＹ軸の両面に電荷を発生（縦軸効
果）し、同じくＸ軸に対しＹ軸の方向に機械的負荷を与
えればＸ軸の両面に電荷を発生（横軸効果）する。図１
は結晶学的軸Ｘにしたがってカットされた単結晶圧電素
子１に対して機械的負荷Ｆの加わる方向と圧電素子上に
発生する電荷ｑを示している。すなわち図１では負荷Ｆ
が圧電素子１に対して圧縮力（正の方向）＋Ｆとして作
用した場合、素子のある面に正の極性＋ｑの電荷が現れ
れば素子の反対側（裏側）の面には負の極性−ｑが現れ
る状態を示している。図２は機械的負荷Ｆが逆に引っ張
り方向（負の方向）−Ｆに作用した場合に圧電素子上に
発生する電荷の極性が逆転して−ｑで現れ、同時に反対
側（裏側）の面には正の極性＋ｑが現れる状態を示して
いる。次に本案において使用される単結晶材料の縦軸効
果における公称感度を示す。また比較のため従来一般的
に圧電素子として使用されている水晶の縦軸効果におけ
る公称感度を示す。 すなわち縦軸効果において電荷ｑは、作用した機械的負
荷の合計に直接比例して負荷が作用した圧電素子の表面
に現れ、その量は圧電素子の大きさや形状に無関係で、
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）においては１ニュー
トン当たり６ピコクーロンの電荷が現れ、ランガサイト
（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）においては１ニュートン当
たり４ピコクーロンの電荷が、また、ちなみに水晶にお
いては１ニュートン当たり２ピコクーロンの電荷を発生
する。図３は本案における圧力検出用単結晶圧電素子セ
ンサの基本的な構成を示している。即ち図３では２枚の
単結晶圧電素子１、２枚の単結晶圧電素子の間に挟み電
荷信号を取り出すようにした電極２、力または圧力を圧
電素子に伝達するダイアフラム３、圧電素子および絶縁
材４を内蔵し、センサ全体を内燃機関のシリンダヘッド
部分にネジ込みできるようにしたハウジング５である。
本案による圧力検出用単結晶圧電素子センサは図３に示
すように２枚の単結晶圧電素子１を機械的負荷が作用す
る方向に整列させ、ダイアフラム３により燃焼による圧
力変動を圧電素子に伝達し電荷信号を発生させ、その電
荷信号を電極２で取り出すようにした構造を特徴とする
ものである。
【０００５】
【作 用】圧電センサは機械的負荷が圧電素子に作用
することにより素子の結晶がが変形し、素子表面の変形
量に応じて電荷エネルギーが帯電するのでその電荷量を
計測して機械的負荷の単位（Ｎ、Ｐａ、Ｋｇｆ等）に換
算することを原理としているが、実際には帯電した電荷
エネルギーを直接取り扱うことは困難なためチャージア
ンプを介在させて取り扱いの容易な電圧信号に変換しな
ければならない。帯電した電荷の放電を防ぐためにセン
サ素子自体、センサハウジング、電気コネクタ、および
チャージアンプに至るまでの接続ケーブルなど系全体を
構成する各要素の絶縁抵抗は高く保たれねばならない。
図４は本案による圧力検出用単結晶圧電素子センサとチ
ャージアンプの構成を示すものである。２枚の単結晶圧
電素子１は帯電する電荷の同極側を向かい合わせにする
ことにより同一の機械的負荷にたいし２倍の電荷感度
（２ｘｑ）が得られる。いま機械的負荷が加わると圧電
素子１の表面に機械的負荷に直接比例した量の帯電がお
こなわれる。帯電した電荷は一度コンデンサ６に蓄えら
れた後、固定抵抗７を通じて放電する。この場合蓄えら
れる電荷が正（＋）であるか負（−）であるかは、素子
に作用する機械的負荷が正圧（圧縮）方向であるか、負
圧（引っ張り）方向であるかにより決定される。コンデ
ンサ６の電気容量と固定抵抗７の電気抵抗により回路の
時定数が決定され、それに伴い放電時間が決定される。
図４の８はＭｏｓトランジスタを示し、コンデンサ６に
蓄えられた電荷エネルギーを電気量に変換し取り扱いの
容易なアナログ電圧として出力する。本案による圧力検
出用単結晶圧電素子センサは上に述べられたチャージア
ンプに接続されているので圧電素子センサに基準圧力を
与え、それに伴って出力する電気信号を調整すれば圧電
素子センサとチャージアンプによる測定の系全体は基準
圧力により校正することができる。したがって本圧力セ
ンサを燃焼室に直接取り付ければ、燃焼に伴う圧力の変
動を圧力に直接比例した電気信号に変換して出力させる
ことができるのでＭＰａ、ｂａｒのようなそれぞれの誘
導単位の値で計測できる。
することにより素子の結晶がが変形し、素子表面の変形
量に応じて電荷エネルギーが帯電するのでその電荷量を
計測して機械的負荷の単位（Ｎ、Ｐａ、Ｋｇｆ等）に換
算することを原理としているが、実際には帯電した電荷
エネルギーを直接取り扱うことは困難なためチャージア
ンプを介在させて取り扱いの容易な電圧信号に変換しな
ければならない。帯電した電荷の放電を防ぐためにセン
サ素子自体、センサハウジング、電気コネクタ、および
チャージアンプに至るまでの接続ケーブルなど系全体を
構成する各要素の絶縁抵抗は高く保たれねばならない。
図４は本案による圧力検出用単結晶圧電素子センサとチ
ャージアンプの構成を示すものである。２枚の単結晶圧
電素子１は帯電する電荷の同極側を向かい合わせにする
ことにより同一の機械的負荷にたいし２倍の電荷感度
（２ｘｑ）が得られる。いま機械的負荷が加わると圧電
素子１の表面に機械的負荷に直接比例した量の帯電がお
こなわれる。帯電した電荷は一度コンデンサ６に蓄えら
れた後、固定抵抗７を通じて放電する。この場合蓄えら
れる電荷が正（＋）であるか負（−）であるかは、素子
に作用する機械的負荷が正圧（圧縮）方向であるか、負
圧（引っ張り）方向であるかにより決定される。コンデ
ンサ６の電気容量と固定抵抗７の電気抵抗により回路の
時定数が決定され、それに伴い放電時間が決定される。
図４の８はＭｏｓトランジスタを示し、コンデンサ６に
蓄えられた電荷エネルギーを電気量に変換し取り扱いの
容易なアナログ電圧として出力する。本案による圧力検
出用単結晶圧電素子センサは上に述べられたチャージア
ンプに接続されているので圧電素子センサに基準圧力を
与え、それに伴って出力する電気信号を調整すれば圧電
素子センサとチャージアンプによる測定の系全体は基準
圧力により校正することができる。したがって本圧力セ
ンサを燃焼室に直接取り付ければ、燃焼に伴う圧力の変
動を圧力に直接比例した電気信号に変換して出力させる
ことができるのでＭＰａ、ｂａｒのようなそれぞれの誘
導単位の値で計測できる。
【０００６】
【実施例】図５は本案による圧力センサを内燃機関のシ
リンダヘッド９の燃焼室１０に取り付けた状態を示す。
本案による圧力センサはキューリー点が非常に高い、ま
たは相転移が存在しない圧電素子を使用することにより
図５のように圧力センサの感圧部すなわちダイアフラム
３をシリンダヘッド９より燃焼室１０内に露出させた状
態で稼動させることができ、燃焼の際に発生する圧力負
荷Ｐを直接圧電素子に伝達することができる。この構成
は機械的負荷の変化を極めて短い振動系で伝達するので
センサ自体の共振周波数が高く、応答速度が速く、広い
ダイナミックレンジを獲得できる利点がある。したがっ
て圧力ピークの正確な計測と燃焼波形のモニタ、トルク
変動の判別が可能になる。燃焼室１０内で発生し圧力セ
ンサに与える機械的負荷は、燃焼による圧力負荷Ｐが一
番大きいと考えられるが、アイドリング回転時、エンジ
ンブレーキ状態における回転時等では大きな燃焼圧は発
生せず吸気、排気の際に発生する圧力変動と区別しにく
い。したがって燃焼による圧力変動のみを正確に計測の
ためにこのシステムでは、クランク軸の回転角を計測し
て特定の角度においてチャージアンプ回路のリセットと
燃焼圧信号の読み込みをするよう回転角検出用ロータリ
ィエンコーダ１１を備え作動信号を出すようにしてい
る。
リンダヘッド９の燃焼室１０に取り付けた状態を示す。
本案による圧力センサはキューリー点が非常に高い、ま
たは相転移が存在しない圧電素子を使用することにより
図５のように圧力センサの感圧部すなわちダイアフラム
３をシリンダヘッド９より燃焼室１０内に露出させた状
態で稼動させることができ、燃焼の際に発生する圧力負
荷Ｐを直接圧電素子に伝達することができる。この構成
は機械的負荷の変化を極めて短い振動系で伝達するので
センサ自体の共振周波数が高く、応答速度が速く、広い
ダイナミックレンジを獲得できる利点がある。したがっ
て圧力ピークの正確な計測と燃焼波形のモニタ、トルク
変動の判別が可能になる。燃焼室１０内で発生し圧力セ
ンサに与える機械的負荷は、燃焼による圧力負荷Ｐが一
番大きいと考えられるが、アイドリング回転時、エンジ
ンブレーキ状態における回転時等では大きな燃焼圧は発
生せず吸気、排気の際に発生する圧力変動と区別しにく
い。したがって燃焼による圧力変動のみを正確に計測の
ためにこのシステムでは、クランク軸の回転角を計測し
て特定の角度においてチャージアンプ回路のリセットと
燃焼圧信号の読み込みをするよう回転角検出用ロータリ
ィエンコーダ１１を備え作動信号を出すようにしてい
る。
【０００７】
【発明の効果】本案による圧力センサは極めて小型で軽
量、簡単な構造、耐久性、低価格、さらに高温度の環境
下でも冷却等の付加装置を必要とせずに容易に圧力計測
がでるきることを特徴としている。ここで使用される圧
力検出用単結晶圧電素子の機械的強度、または耐圧は素
子の面積１０ｍｍ２にたいし１５０ｂａｒであり、この
値は通常排気量２０００ｃｃ程度の排気量のエンジンに
おける燃焼圧に相当する。したがってこの圧力センサは
小型化でき、特に取り付け部分のネジ外径はＭ１０相当
とすることができ、実際の使用に際してはエンジンのシ
リンダヘッド部分にＭ１０程度のネジ穴を加工するだけ
でセンサの取り付けができるため車載の状態で内燃機燃
焼室内の燃焼圧の計測、燃焼波形のモニタを行うことが
できる。本案による圧力センサは燃焼圧の計測と同時に
燃焼波形のモニタが可能なのでこの機能をノッキング検
出として使うことができる。すなわちノッキングとは負
荷変動に伴うトルク変動に対し点火時期が追従せず燃焼
室内で異常燃焼がおこりエンジン全体が異常振動する状
態である。従来のノッキング検出は加速度センサにより
異常振動を検知するようにしている。しかしエンジン自
体はクランク軸やカム軸の回転、それに伴う弁の開閉
（打弁振動）、吸気、爆発、排気等常に振動を発生して
いるため、加速度センサにより異常燃焼による異常振動
だけを検出するのは困難である。一般にはクランク軸に
回転角エンコーダを取り付けクランク軸角が爆発の行程
に入ったタイミングで加速度センサからの信号を受け取
るようにしている。本案による圧力センサは燃焼波形を
直接モニタすることができるのでトルク変動に伴う異常
燃焼を燃焼波形の異常として検出します。特に省エネル
ギーを目的とした希薄燃焼方式の内燃機関においては燃
焼圧センサを使ってトルク変動を直接検知し、希薄燃焼
限界のためのＭＢＴ（最大トルのクのための最小進角電
気位置）制御を容易におこなうことができる。排気量の
増加または加給器付き内燃機など機械的負荷の増加（燃
焼圧の増加）に対しては素子面積の拡大、すなわち燃焼
圧センサの大型化により対応する必要がある。
量、簡単な構造、耐久性、低価格、さらに高温度の環境
下でも冷却等の付加装置を必要とせずに容易に圧力計測
がでるきることを特徴としている。ここで使用される圧
力検出用単結晶圧電素子の機械的強度、または耐圧は素
子の面積１０ｍｍ２にたいし１５０ｂａｒであり、この
値は通常排気量２０００ｃｃ程度の排気量のエンジンに
おける燃焼圧に相当する。したがってこの圧力センサは
小型化でき、特に取り付け部分のネジ外径はＭ１０相当
とすることができ、実際の使用に際してはエンジンのシ
リンダヘッド部分にＭ１０程度のネジ穴を加工するだけ
でセンサの取り付けができるため車載の状態で内燃機燃
焼室内の燃焼圧の計測、燃焼波形のモニタを行うことが
できる。本案による圧力センサは燃焼圧の計測と同時に
燃焼波形のモニタが可能なのでこの機能をノッキング検
出として使うことができる。すなわちノッキングとは負
荷変動に伴うトルク変動に対し点火時期が追従せず燃焼
室内で異常燃焼がおこりエンジン全体が異常振動する状
態である。従来のノッキング検出は加速度センサにより
異常振動を検知するようにしている。しかしエンジン自
体はクランク軸やカム軸の回転、それに伴う弁の開閉
（打弁振動）、吸気、爆発、排気等常に振動を発生して
いるため、加速度センサにより異常燃焼による異常振動
だけを検出するのは困難である。一般にはクランク軸に
回転角エンコーダを取り付けクランク軸角が爆発の行程
に入ったタイミングで加速度センサからの信号を受け取
るようにしている。本案による圧力センサは燃焼波形を
直接モニタすることができるのでトルク変動に伴う異常
燃焼を燃焼波形の異常として検出します。特に省エネル
ギーを目的とした希薄燃焼方式の内燃機関においては燃
焼圧センサを使ってトルク変動を直接検知し、希薄燃焼
限界のためのＭＢＴ（最大トルのクのための最小進角電
気位置）制御を容易におこなうことができる。排気量の
増加または加給器付き内燃機など機械的負荷の増加（燃
焼圧の増加）に対しては素子面積の拡大、すなわち燃焼
圧センサの大型化により対応する必要がある。
【図１】単結晶圧電素子１に対して圧縮方向の機械的負
荷（＋Ｆ）が作用した場合に素子表面に発生する電荷と
その極性＋ｑを示す。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚ は結晶の方位
を示す。
荷（＋Ｆ）が作用した場合に素子表面に発生する電荷と
その極性＋ｑを示す。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚ は結晶の方位
を示す。
【図２】単結晶圧電素子１に対して引っ張り方向の機械
的負荷（−Ｆ）が作用した場合に素子表面に発生する電
荷とその極性−ｑを示す。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚ は結晶の
方位を示す。
的負荷（−Ｆ）が作用した場合に素子表面に発生する電
荷とその極性−ｑを示す。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚ は結晶の
方位を示す。
【図３】本発明における単結晶圧電素子１、電荷ｑを取
り出すための金属薄膜電極２、およびセンサハウジング
３の構成を示す。この構成においては２枚の単結晶圧電
素子１を向かい合わせ（２枚１組＝一対）、金属薄膜電
極２を間に挟んで配置しているので圧縮方向の機械的負
荷（＋Ｆ）が作用した場合、それぞれの素子表面に発生
した電荷ｑは２倍の電荷感度で取り出すことができる。
すなわち金属薄膜電極２に２ｘ−ｑが印刷されればセン
サハウジング３には２ｘ＋ｑが印刷される。
り出すための金属薄膜電極２、およびセンサハウジング
３の構成を示す。この構成においては２枚の単結晶圧電
素子１を向かい合わせ（２枚１組＝一対）、金属薄膜電
極２を間に挟んで配置しているので圧縮方向の機械的負
荷（＋Ｆ）が作用した場合、それぞれの素子表面に発生
した電荷ｑは２倍の電荷感度で取り出すことができる。
すなわち金属薄膜電極２に２ｘ−ｑが印刷されればセン
サハウジング３には２ｘ＋ｑが印刷される。
【図４】本案による圧力検出用単結晶圧電素子センサ１
（２枚１組＝一対）と電極２により発生した電荷を取り
出し取扱の容易なアナログ信号電圧に変換するチャージ
アンプの構成を示す。チャージアンプはコンデンサ６、
固定抵抗７、Ｍｏｓトランジスタ８により構成する。図
では圧電素子センサ１に正の圧力＋Ｆが負荷され、電極
２に電荷２ｘ−ｑが帯電した状態を示している。
（２枚１組＝一対）と電極２により発生した電荷を取り
出し取扱の容易なアナログ信号電圧に変換するチャージ
アンプの構成を示す。チャージアンプはコンデンサ６、
固定抵抗７、Ｍｏｓトランジスタ８により構成する。図
では圧電素子センサ１に正の圧力＋Ｆが負荷され、電極
２に電荷２ｘ−ｑが帯電した状態を示している。
【図５】圧力センサを内燃機関のシリンダヘッド９の燃
焼室１０に取り付けた状態、ならびにクランク軸に回転
角検出用ロータリィエンコーダ１０を備えた燃焼圧およ
び燃焼波形検出システムを示す。シリンダヘッド９の燃
焼室１０において混合気の燃焼によって燃焼圧力負荷Ｐ
が発生し、ピストン１２と圧力センサのダイアフラム３
に＋Ｆの圧力が作用した状態を示す。
焼室１０に取り付けた状態、ならびにクランク軸に回転
角検出用ロータリィエンコーダ１０を備えた燃焼圧およ
び燃焼波形検出システムを示す。シリンダヘッド９の燃
焼室１０において混合気の燃焼によって燃焼圧力負荷Ｐ
が発生し、ピストン１２と圧力センサのダイアフラム３
に＋Ｆの圧力が作用した状態を示す。
１ 単結晶圧電素子 ２ 電 極 ３ ダイアフラム ４ 絶 縁 材 ５ ハウジング ６ コンデンサ ７ 固定抵抗 ８ Ｍｏｓトランジスタ ９ 内燃機関のシリンダヘッド １０ 燃焼室 １１ 回転角検出用エンコーダ １２ ピストン ＋Ｆ 圧縮方向の機械的負荷（この場合主に圧力）が作
用した状態 −Ｆ 引っ張り方向の機械的負荷（この場合主に圧力）
が作用した状態 ＋ｑ 正の極性を有する電荷 −ｑ 負の極性を有する電荷 Ｐ 混合気の燃焼によって発生した燃焼圧力負荷
用した状態 −Ｆ 引っ張り方向の機械的負荷（この場合主に圧力）
が作用した状態 ＋ｑ 正の極性を有する電荷 −ｑ 負の極性を有する電荷 Ｐ 混合気の燃焼によって発生した燃焼圧力負荷
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年７月１５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図６
【補正方法】追加
【補正内容】
【図６】圧電素子１に対して圧縮方向の機械的負荷（＋
Ｆ）が作用した場合に素子の側面に発生する電荷とその
極性＋ｑおよび反対側の面に発生する電荷の極性−ｑの
状態を示す。学術的には横軸効果による圧電現象と称さ
れる。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚは結晶の方位を示す。ちなみに
図１および図２は縦軸効果による圧電現象と称し、電荷
は与えられた機械的負荷の合計に直接比例して素子の表
面に現れ電荷の量（公称電荷感度）は素子の大きさや形
状に関係なくニオブ酸リチウムにおいては６ｐＣ／Ｎ、
ランガサイトにおいては４ｐＣ／Ｎである。これに対し
横軸効果による電荷感度は縦軸効果と異なり素子の大き
さや形状に関係しＸ寸法に対するＹ寸法の比に依存す
る。一般に横軸効果の電荷感度は縦軸効果に比較し５０
倍またはそれ以上が得られる。
Ｆ）が作用した場合に素子の側面に発生する電荷とその
極性＋ｑおよび反対側の面に発生する電荷の極性−ｑの
状態を示す。学術的には横軸効果による圧電現象と称さ
れる。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚは結晶の方位を示す。ちなみに
図１および図２は縦軸効果による圧電現象と称し、電荷
は与えられた機械的負荷の合計に直接比例して素子の表
面に現れ電荷の量（公称電荷感度）は素子の大きさや形
状に関係なくニオブ酸リチウムにおいては６ｐＣ／Ｎ、
ランガサイトにおいては４ｐＣ／Ｎである。これに対し
横軸効果による電荷感度は縦軸効果と異なり素子の大き
さや形状に関係しＸ寸法に対するＹ寸法の比に依存す
る。一般に横軸効果の電荷感度は縦軸効果に比較し５０
倍またはそれ以上が得られる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図７
【補正方法】追加
【補正内容】
【図７】圧電素子１に対して引っ張り方向の機械的負荷
（−Ｆ）が作用した場合に素子の側面に発生する電荷と
その極性−ｑおよび反対側の側面に発生する電荷の極性
＋ｑの状態を示す。学術的表現では横軸効果による圧電
現象と称される。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚは結晶の方位を示
す。
（−Ｆ）が作用した場合に素子の側面に発生する電荷と
その極性−ｑおよび反対側の側面に発生する電荷の極性
＋ｑの状態を示す。学術的表現では横軸効果による圧電
現象と称される。＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚは結晶の方位を示
す。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】追加
【補正内容】
【図６】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】追加
【補正内容】
【図７】
Claims (2)
- 【請求項１】 キューリー点が非常に高い、またはその
物質の融点に到達するまでキューリー点が存在しないこ
とを特徴とするニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）また
はランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）等の置換型
結晶材料を、結晶学上の座標軸Ｘにしたがって切断し、
正しく平行な２つの面を有するチップ状に形成した圧電
素子。 - 【請求項２】 ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）また
はランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）等の単結晶
材を座標軸Ｘにしたがって切断し形成した圧電素子の表
面に、圧力または力のような機械的負荷を与えると、作
用した機械的負荷の合計に直接比例して電荷が印刷され
る。平行した圧電素子の両面に正の方向の機械的負荷
（圧縮方向の負荷）が加わった場合、ある面に＋の電荷
が発生すれば平行する反対側の面には−の電荷が現れ、
逆に負の方向（引っ張りの方向）の機械的負荷が作用し
たときには極性が反転し−の電荷が現れ、反対側の面に
は＋の電荷が印刷される。この特性を利用し圧電素子を
機械的負荷が作用する方向に整列させ、それらの単結晶
電子材料のキューリー点または融点以内で機械的負荷を
加えた場合、そこに発生した電荷量と極性を測定してニ
ュートン（Ｎ）、パスカル（Ｐａ）、またはＫｇｆ、な
どの種々の誘導単位に変換し、機械的負荷の大きさと方
向を計測するようにした圧力または力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24244396A JP3256799B2 (ja) | 1996-08-12 | 1996-08-12 | 高温度中で使用できる圧力計測用センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24244396A JP3256799B2 (ja) | 1996-08-12 | 1996-08-12 | 高温度中で使用できる圧力計測用センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1054773A true JPH1054773A (ja) | 1998-02-24 |
| JP3256799B2 JP3256799B2 (ja) | 2002-02-12 |
Family
ID=17089174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24244396A Expired - Fee Related JP3256799B2 (ja) | 1996-08-12 | 1996-08-12 | 高温度中で使用できる圧力計測用センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3256799B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006106875A1 (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Fukuda Crystal Laboratory | ガレート単結晶及びその作成方法並びに高温用圧電素子及び高温用圧電センサー |
| US7152482B2 (en) | 2002-10-01 | 2006-12-26 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Piezoelectric sensor and input device including same |
| JP2010185852A (ja) * | 2009-02-13 | 2010-08-26 | Tdk Corp | 圧力センサ |
| CN106950009A (zh) * | 2017-02-20 | 2017-07-14 | 华能国际电力股份有限公司 | 一种高温环境压力测量系统 |
-
1996
- 1996-08-12 JP JP24244396A patent/JP3256799B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7152482B2 (en) | 2002-10-01 | 2006-12-26 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Piezoelectric sensor and input device including same |
| WO2006106875A1 (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Fukuda Crystal Laboratory | ガレート単結晶及びその作成方法並びに高温用圧電素子及び高温用圧電センサー |
| US7947192B2 (en) | 2005-03-30 | 2011-05-24 | Fukuda Crystal Laboratory | Gallate single crystal, process for producing the same, piezoelectric device for high-temperature use and piezoelectric sensor for high-temperature use |
| JP2013040093A (ja) * | 2005-03-30 | 2013-02-28 | Fukuda Crystal Laboratory | ガレート単結晶及び並びに高温用圧電素子及び高温用圧電センサー |
| JP5174456B2 (ja) * | 2005-03-30 | 2013-04-03 | 株式会社福田結晶技術研究所 | ガレート単結晶及びその作成方法 |
| JP2010185852A (ja) * | 2009-02-13 | 2010-08-26 | Tdk Corp | 圧力センサ |
| CN106950009A (zh) * | 2017-02-20 | 2017-07-14 | 华能国际电力股份有限公司 | 一种高温环境压力测量系统 |
| CN106950009B (zh) * | 2017-02-20 | 2023-08-15 | 华能国际电力股份有限公司 | 一种高温环境压力测量系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3256799B2 (ja) | 2002-02-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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