JP2005009988A

JP2005009988A - 圧力計測用センサ

Info

Publication number: JP2005009988A
Application number: JP2003173793A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Inaba; 均稲場; Jiro Harada; 次郎原田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】小型化や低コスト化に優れ、内燃機関の内部等の高温状態下でも正確な圧力を計測可能な圧力計測用センサを提供すること。
【解決手段】燃焼圧センサ（圧力計測用センサ）１は車両用エンジン等の内燃機関内の燃焼圧を計測するもので、金属膜からなるダイアフラム２と、ダイアフラム２上に載置され上部に端子３と接続される電極５が形成された基板（圧電素子）６と、この基板６上に載置され端子３の少なくとも一部を露出させるとともに電極５を覆う碍子（絶縁性部材）７とを備えている。基板６は、ランガテイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４）単結晶のインゴットを切断して形成されているとした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室等の高温環境下でも使用可能な圧力計測用センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室内における燃焼圧等を計測するための圧力計測用センサとして、機械的負荷を圧電素子によりアナログ信号に変換する圧電素子を備え、変換されたアナログ信号を計測することによって連続する圧力変化を測定するものが知られている。
このような圧力計測用センサの圧電素子部分を直接内燃機関内部に挿入して圧力を測定して異常時と正常時との燃焼波形を比較（以下、ノック検知と称する。）することによって、排気ガス還流（以下、ＥＧＲと称する。）、最大トルクのための最小進入角度（以下、ＭＢＴと称する。）の制御が可能となり、燃料と空気の最適混合比を実現できる。そして、リーンバーン制御が可能となって内燃機関の大幅な燃費向上を行うことができる。
【０００３】
従来、このようなセンサに使用する圧電素子としては、α−Ｑｕａｒｔｚ（水晶の一種）、ニオブ酸リチウム（以下、ＬｉＮｂＯ_３と称する。）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３と称する。）等が使用されてきた。
しかし、α−Ｑｕａｒｔｚに関しては、キュリー温度が５７３℃付近であるために３００℃付近が使用限界となってしまい、内燃機関に使用するためには圧電素子を冷却する機構（一般に水冷）が必要であった。そのため、センサ自体が大掛かりなものとなって冷却機構のコストと重量が大きくなることから車両に搭載するのが困難であった。また、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３は、３００℃付近で結晶自体が分解してしまい特性を維持できなくなるとともに、強誘電体であるために焦電性を持ち温度変化によって電荷発生量が変化することから、やはり冷却機構が必要になるという問題があった。
【０００４】
そこで、このような冷却機構を不要とする圧力計測用センサとして、１４７０℃までキュリー温度がなく、内燃機関内部の高温状態においても安定して同一の結晶構造を保持でき、その結果、物質的劣化のない状態で内燃機関内部に入れて直接圧力測定可能なランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）単結晶を圧電素子として使用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２５６７９９号公報（第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ランガサイト単結晶は、単位力に発生する電荷発生量を示す定数（以下、圧電定数と称する。）ｄ（Ｃ／Ｎ）が、温度変化に従いその変化量が大きくなり、３００℃付近までの間で１０％以上変化してしまい、α−ｑｕａｒｔｚの変化量である２％と比べるとその差が大きいという特性がある。
したがって、従来の圧力計測用センサでは、燃費向上のために内燃機関の始動から温度が一定になるまでの温度変化が大きい状態の圧力変化を正確に計測しようとしても、ランガサイト単結晶単独で正確に測定することは不可能であり、別に内燃機関の温度を測定して温度補償する必要があった。
【０００７】
そのため、温度測定用の素子や温度補償用の回路等の部品が増えてしまい、センサの小型化や低コスト化に限界があった。また、温度測定用素子の熱応答性が悪い場合には圧力の温度補償が遅れるために、正確な圧力を測定することが困難であった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、小型化や低コスト化に優れ、内燃機関の内部等の高温状態下でも正確な圧力を計測可能な圧力計測用センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の圧力計測用センサは、圧電素子を備える圧力計測用センサであって、前記圧電素子が、ランガテイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４）単結晶の基板を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この圧力計測用センサは、上記の構成を備えているので、温度変化に対する圧電定数の変化率をランガサイト単結晶の場合よりも小さく抑えることができ、測定精度を向上することができる。したがって、温度補償回路が不要になるので、センサを構成する部品点数を減らすことができる。
また、ランガテイト単結晶のキュリー温度が１５００℃なので、内燃機関内部等の高温状態下においても安定した結晶構造を保つことができるとともに、α―ｑｕａｒｔｚと同程度の温度安定性を維持することができる。したがって、内燃機関内部等の高温下に直接挿入しても内部の圧力を正確に測定することができる。
【００１０】
また、本発明の圧力計測用センサは、前記圧力計測用センサであって、前記基板が、前記ランガテイト単結晶のインゴットを、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、８８度≦φ≦９２度、８８度≦θ≦９２度の範囲内の結晶軸に対して垂直に切断したものであることが好ましい。
この圧力計測用センサは、基板が上記の方向で切断されているので、圧電効果を維持できる範囲で加工誤差範囲を設けることができ、加工コストを低減することができる。
【００１１】
さらに、本発明の圧力計測用センサは、前記圧力計測用センサであって、金属膜からなるダイアフラムと、該ダイアフラム上に載置され上部に端子を有する電極が形成された前記基板と、該基板上に載置され前記端子の少なくとも一部を露出させるとともに前記電極を覆う絶縁性部材とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
この圧力計測用センサは、上記の構成を備えているので、ダイアフラムに加えられた圧力が機械的負荷となってランガテイト結晶の基板に伝達されて電荷を発生させる。このとき、上述した基板を使用しているので、高温下においても温度補償回路等を備えることなく、発生した電荷を基板表面に形成された電極を介して端子へと出力することができる。したがって、この電荷エネルギーを計測することによって、正確な圧力を安定的に計測することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る燃焼圧センサ（圧力計測用センサ）１は車両用エンジン等の内燃機関内の燃焼圧を計測するもので、図１に示すように、Ｎｉ合金又は耐熱ステンレス等の金属膜からなるダイアフラム２と、ダイアフラム２上に載置され上部に端子３と接続される電極５が形成された基板（圧電素子）６と、この基板６上に載置され端子３の少なくとも一部を露出させるとともに電極５を覆う碍子（絶縁性部材）７とを備えている。これらは、円筒状のハウジング８の内周側に沿って挿入された円筒状の絶縁管１０の内部に収納されている。
【００１４】
基板６は、結晶学上Ｘ軸方位にてチョクラルスキー又はブリッジマン法にて育成したランガテイト単結晶のインゴットを切断して形成したランガテイトウエハから形成されている。このとき、ランガテイト自体の圧電定数ｄ１１が十分大きいこと、及び、図２に示すように、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、結晶学上のＸ軸（オイラー角度が０度）付近はそれぞれの切断角度による圧電特性の差が少ない。そこで、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、８８度≦φ≦９２度、８８度≦θ≦９２度の範囲内の結晶軸に対して垂直方向に１〜２ｍｍの厚みに切断して形成する。
基板６表面に形成された電極５は、高温に対して安定な電極材であるＰｔ（白金）又はＩｒ（イリジウム）がスパッタリング法等によって形成されたものである。
【００１５】
端子３は、図３に示すように、電極５と接する接触面部３ａと、発生した電荷を圧力値として読み取るために電気信号に変換するチャージアンプ１１に接続される接続部３ｂとを備えている。
碍子７は、アルミナ等の絶縁性を有する材料で構成されており、絶縁管１０とともに基板６に発生した電荷が電極５や端子３以外に漏電しないように載置されている。
このように、燃焼圧センサ１は、ランガテイト単結晶の結晶学上の略Ｘ軸方向に、ダイアフラム２、基板６、端子３、及び碍子７が順に載置されている。
チャージアンプ１１は、基板６に発生した電荷によって電荷を発生させるコンデンサ１２と、コンデンサ１２と並列に接続されて電荷を放電する抵抗１３と、電荷を電気量に変換して取扱の容易なアナログ電圧信号として出力するトランジスタ１５とを備えている。
【００１６】
次に、本実施形態に係る燃焼圧センサ１の使用方法について説明する。
まず、燃焼圧センサ１を、図４に示すように、ガソリンエンジン１６の例えば、点火プラグ１７及び吸気ポート１８の近傍位置からダイアフラム２を露出させるように燃焼室２０内に挿入する。そして、クランク軸２１を回転して、コンロッド２２に接続されるピストン２３を上下させる。このとき、燃焼室２０内に挿入されたガソリン燃料が燃焼して、図３に示す圧力Ｆが発生し、この圧力Ｆが、燃焼圧センサ１のダイアフラム２を変位させ、さらにこの変位が基板６に伝達され、圧電変換されて基板６の表面に電荷が発生する。
【００１７】
ここで、ダイアフラム２の変位が基板６を圧縮する方向の場合、基板６のダイアフラム２側の表面には負の電荷が発生するとともに、電極５側の表面には同じ大きさの正の電荷が発生する。一方、ダイアフラム２の変位が基板６を引っ張る方向の場合、基板６のダイアフラム２側の表面には正の電荷が発生するとともに、電極５側の表面には同じ大きさの負の電荷が発生する。こうして発生した電荷は、何れの場合も電極５及び端子３を介してチャージアンプ１１内のコンデンサ１２に電荷を発生させる。この際、コンデンサ１２と並列に配設されたトランジスタ１５により電荷エネルギーが変換されて電圧信号となって出力される。一方、コンデンサ１２にチャージされた電荷は抵抗１３にて放電される。このときに回路の時定数が決定される。
【００１８】
出力されたアナログ電圧信号は、図示しない校正装置によってｂａｒ等の圧力値に変換されるとともに表示される。
こうして、計測された燃焼圧からエンジントルク変動を直接検知することによって、ＥＧＲ、ＭＢＴ等の制御が可能となり、燃料と空気の最適混合比を実現できる。そして、リーンバーン制御が可能となって内燃機関の大幅な燃費向上を行うことができる。
【００１９】
この燃焼圧センサ１によれば、圧電素子としてランガテイト単結晶の基板６を使用するので、後述するように温度変化に対する圧電定数の変化率をランガサイト単結晶の場合よりも小さく抑えることができ、測定精度を向上することができる。したがって、温度補償回路が不要になるので、センサを構成する部品点数を減らして小型化することができる。
また、ランガテイト単結晶のキュリー温度が１５００℃なので、ガソリンエンジン１６の燃焼室２０内に直接挿入して高温状態下においても、安定した結晶構造を保つことができるとともに、後述するようにα―ｑｕａｒｔｚと同程度の温度安定性を維持することができる。したがって、高温の燃焼室２０内部の圧力を正確に測定することができる。
さらに、基板６がランガテイト単結晶のインゴットから上記の方向で切断されているので、圧電効果を維持できる範囲で加工誤差範囲を設けることができ、加工コストを低減することができる。
【００２０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の圧力計測用センサを上述したように燃焼圧センサとして利用する場合に限らず、高温度環境下における圧力計測用として使用するものとしても構わない。
【００２１】
【実施例】
次に、本実施形態の燃焼圧センサ１を１５００ｃｃクラスの車両における４サイクルガソリンエンジンに装着し、クランク角に対する圧力波形の測定を行った。この際、エンジン出力を常時一定に保ちつつ、燃焼圧センサ１の温度を計測し、温度に対する圧力波形変化を調べた。結果を図５に示す。
この結果、４００℃以内では、圧力波形にほとんど変化が見られないことから、４００℃以内であれば、基板６を冷却しなくても高精度な圧力測定が可能であることが明らかになった。
【００２２】
また、ランガサイト単結晶の場合と比較するため、圧電定数ｄ１１の４００℃までの温度特性を圧電定数の一般的な測定方法である共振反共振測定法により測定した。結果を図６に示す。
この結果、ランガテイト単結晶（ＬＴＧ）では１％以内の変化率であるのに対して、ランガサイト単結晶（ＬＧＳ）では、１３．２％もの変化があった。すなわち、ランガサイト単結晶の場合は単独では使用できず、圧力を校正するための温度測定素子又は装置や温度補償回路を新たに設置する必要があることを示している。一方、ランガテイト単結晶の場合は、ランガサイト単結晶の場合と比べると十分小さい変化率であって、共振反共振法の誤差範囲程度のものであり、温度測定素子又は装置や温度補償回路を設けなくても十分に精度の高い測定が可能であることが明らかになった。
【００２３】
さらに、ランガサイト単結晶とランガテイト単結晶との抵抗率の温度変化を測定した。結果を図７に示す。
ランガサイト単結晶は、４００℃で１０^８Ωｃｍ以上であるのに対して、ランガテイト単結晶は１０^６Ωｃｍ台であった。すなわち、ランガサイト単結晶を使用する場合は、基板の厚みをランガテイト単結晶よりも大きくしなければ、コンデンサにチャージされた電荷がすぐに放電されてしまい、時定数が必要以上に小さくなってしまうことを示す。そのため、ランガサイト単結晶の場合は、基本的な物性面からセンサの単純化や小型化に限度があり、応用面が限定されてしまうことが明らかになった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明した本発明においては以下の効果を奏する。
本発明の圧力計測用センサによれば、ランガテイト単結晶基板を備えているので、センサの小型化や低コスト化に優れ、内燃機関の内部等の高温状態下でも正確な圧力測定を行うことができる。したがって、正確なノック検知が可能となって、内燃機関の大幅な燃費向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃焼圧センサの一部断面を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るランガサイト単結晶基板の結晶学上のＸ軸に対する切断角度と圧電定数との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃焼圧センサの断面とチャージアンプの構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃焼圧センサをガソリンエンジンに取り付けた状態を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る燃焼圧センサをガソリンエンジンに取り付けて計測した燃焼圧とクランク角度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る燃焼圧センサのランガテイト単結晶とランガサイト単結晶とにおける圧電定数と温度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係る燃焼圧センサのランガテイト単結晶とランガサイト単結晶とにおける抵抗率と温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１燃焼圧センサ（圧力計測用センサ）
２ダイアフラム
３端子
５電極
６基板（圧電素子）
７碍子（絶縁性部材）
ＬＴＧランガテイト

Claims

圧電素子を備える圧力計測用センサであって、
前記圧電素子が、ランガテイト（Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４）単結晶の基板を備えていることを特徴とする圧力計測用センサ。
前記基板が、前記ランガテイト単結晶のインゴットを、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、８８度≦φ≦９２度、８８度≦θ≦９２度の範囲内の結晶軸に対して垂直に切断したものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力計測用センサ。
金属膜からなるダイアフラムと、
該ダイアフラム上に載置され上部に端子を有する電極が形成された前記基板と、
該基板上に載置され前記端子の少なくとも一部を露出させるとともに前記電極を覆う絶縁性部材とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力計測用センサ。