JP2008157896A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力検知手段を固定するときに損傷を与えるおそれのない取り付けを可能とした圧電センサである。
【解決手段】圧力を伝達する圧力伝達手段１１と、圧力伝達手段により伝達される圧力を受けて電気信号に変換する圧電素子とを含む圧力検知手段１１を、開口部側に面して主体金具の内部に装入する。装入された圧力検知手段は、保持部材を介して押し当てられ、押圧部材により押圧保持される。保持部材は、止め部材により回転制止された状態となっている。圧力検知手段は押圧する部材と擦れ合うことなく押圧固定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力を検知する耐熱性の圧電素子を有する圧電センサに関する。更に詳しくは、自動車等の内燃機関のシリンダにおいて発生する圧力、振動、加速度等を検出するための検知手段を有する圧電センサに関する。

自動車のエンジン等の内燃機関のシリンダは、内部は燃焼室が形成され高温、高圧になる。このシリンダ内で発生する圧力等の変化を正確に検知し、燃料噴射時期等の燃焼制御を行うことは、エンジン性能の良否を左右する。このためにこのシリンダ内の変化、特に圧力変化を検知するために圧電センサが用いられている。この圧電センサはシリンダ内部に検知する部分をむき出しにして設けられ、間接、又は直接ガス圧力を受ける構造になっている。

具体的にいうと、シリンダ内圧を圧力伝達手段、例えばダイアフラムを介して受け、圧電素子で圧力値を電気信号に変換し、この電気信号を導電体を通して外部に引き出す構造になっている。この圧電素子は一般にセラミックス材料より製造されているものが多い。前述のように、シリンダ内は高温、高圧であるので、使用される圧電素子はこれに耐えうるものでなくてはならないからである。

現状においては、少なくとも燃焼温度が５００℃以上の温度に耐えられる圧電センサが求められている。又、圧電素子は、結晶構造を有することから、キュリー点の高い材料、即ち正方晶から立方晶への相転移するときの分極が消失する臨界温度が高い材料であることが求められている。このキュリー点の高い圧電素子を使用すると、高温であっても圧力素子は劣化することなく使用できることになる。

このようなことから、本出願人は、前述した問題点を解消した圧電素子、即ち耐熱性を有し、しかも簡素な構造で低コストの圧電素子で構成される圧電センサを開発した（特許文献１、２参照）。この圧電センサは、薄い金属製ダイアフラムにキュリー点を持たない圧電性セラミックスを単結晶状に成長させて薄膜を形成し、このダイアフラムを内燃機関のシリンダに装着するものである。シリンダに固定される主体金具は、その中心に軸孔を備え、この軸孔の開口がシリンダ内と連通している。このシリンダ側の開口端に、シリンダ内の圧力が漏れないように、圧力検知手段が密封して固定されている。

また、圧力検知手段を構成する圧電素子は、キュリー点の存在しない圧電性セラミックスからなる圧電材料である。圧電センサの構成は、前述したように圧力検知手段を装着するために前述した主体金具を備えており、その主体金具は、シリンダ内部とシリンダ外部とを連通するための軸孔を有している。

又、圧力検知手段を主体金具の外径側に環状に配置し、シリンダ側に圧力検知手段のセンサケースを対面させ保持し、圧力を検知する圧電センサが知られている（例えば、特許文献３参照）。この構成は、センサケースを主体金具に固定するための溶接部が隙間形成による溶接欠陥を生じることなく全周形成され、センサの耐水性、気密性を確保することにより、耐久性に優れた圧電センサとしている。この圧電センサは、前述のように主体金具の外側に圧力検知手段を取り付けた構成で、しかも溶接された構造のものである。

更に、シリンダの内圧を検出する装置として、回り止め部材を使用せず、点火プラグのねじ込みによって締め付けトルクより捩り応力が圧電センサに加わらないようにした装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００４−１５６９９１号公報 特開２００４−１８４２７４号公報 特開２００２−２４３５７１号公報 特開平５−１１８９４６号公報

前述したように、本出願人はキュリー点の存在しない圧電材料で構成した圧電センサを開発した。この圧電センサは主体金具を備え、この内部に圧力検知手段を内装して設けられたものである。この圧力検知手段は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）で構成されており、５００℃以上に達するシリンダ内の温度に耐え、１２００℃でも圧電特性の失われないものである。

即ち、ＡｌＮ等は冷却不要な高耐熱、高耐圧力の検知材料といえるものである。従って、この圧力検知手段を使用することにより、シリンダ毎の直接計測が可能となる。これにより燃焼制御を行うことができ、シリンダ毎の燃焼制御の最適化が可能となる。このように、この圧力検知手段そのものは非常に効果のあるものである。

しかしながら、この圧力検知手段を内装し圧電センサとして実用化した場合に種々の問題点が発生し、実際にシリンダに取り付け安定して稼動させるためには、さらに改良の余地があることが判明した。前述したように、圧電センサの主要材料である圧電素子と金属ダイアフラムは、その受ける圧力により圧縮歪を生じ、これにより圧力値を求めることができるが、その歪量は非常に小さい。又金属ダイアフラムは損傷しやすく、破壊しやすい材料である。

従って、その扱いは慎重でなければならない。特に目視で確認できない部位に設置される場合は、意図しない物理的な力が加わっても目視できないのでその設置の良否が判別できない。この圧力検知手段は前述したように繊細な部材構成であるので、少しの傷があってもその圧電機能を損ねるおそれがある。

例えば、傷のため基板と電極の間でショートし、測定が不可能になることもある。従って、そのことは避けなければならず、このため確実な取りつけ方法が求められる。前述した特許文献１の圧電センサは、圧力検知手段を主体金具内に装入している構成であるが、直接回転を伴なう押圧力で固定する方法となっていて、この圧力検知手段にねじれ力を与え、結果的に傷を生じさせるので問題のある構成である。

又、前述した特許文献２の技術は、本発明に適用する圧力検知手段に関するものであり、本出願人の出願になるものである。更に、前述した特許文献３の技術は、スパークプラグ本体外周、即ち、主体金具の外周に圧力検知手段を設けているが、取り付けの際この圧力検知手段を損傷させるおそれのある構造である。現場において、不特定な作業者が扱うことを考慮すると作業性のよいことも必要となり、相当慎重な扱いを要せざるをえない。さらにセンサケースは全周溶接の必要もあってコスト高の構造であり、高熱に対応するには問題がある。又主体金具をシリンダに取り付ける場合に、ねじ込みの回転動作でセンサカバーにねじれ負荷を生じさせる欠点もある。

更に、前述した特許文献４の技術は、回り止めを不要としているが、締め付け当初は若干でも回転する構造であり、途中でロックさせようとする構造である。又、内周壁で金属製外皮を固定するといっても、この金属製外皮とセンサとは相対的に空回りのおそれもある。更に、金属製外皮は薄い部材であるので、締め付けられた後は、押しつぶされ復元性はなく、しかも外部からその締め付け状態を確認することはできない。従って、センサを主体金具内に確実に固定する構成とは言いがたい。

本発明は、このような技術背景のもとになされたもので、特に前述した特許文献１に示す技術をベースに改良を加え開発したものである。本発明は、このような従来の問題点を解決するために想起されたもので、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、圧力検知手段に損傷を与えるおそれのない取り付けを可能とした圧電センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、安定した圧力検知を行うことができる圧電センサを提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の圧電センサは、圧力を伝達する圧力伝達手段と前記圧力伝達手段により伝達される圧力を受けて電気信号に変換する圧電素子とを含む圧力検知手段と、前記圧力伝達手段を外方に開放させる開口部を有して前記圧力検知手段を内部に保持する主体金具と、前記主体金具内にあって、前記圧力検知手段に押し当てられ回転規制されて、前記圧力検知手段を前記主体金具内に保持する保持部材と、前記主体金具内にあって前記保持部材を押圧する押圧部材とからなる。
圧力検知手段の圧電素子は、キュリー点の存在しない圧電材料よりなっている。その双極子配向度は、７５％以上である。又、この圧電素子は、ウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質で、窒化アルミニウム又は酸化亜鉛よりなっていて、その厚みは０．１μｍ以上１００μｍ以下である。

本発明２の圧電センサは、本発明１において、前記保持部材は、中心に貫通孔を有する円柱状の部材であることを特徴とする。

本発明３の圧電センサは、本発明１において、前記圧電素子は、キュリー温度が存在しない薄膜で耐熱性の圧電素子であることを特徴とする。

本発明４の圧電センサは、本発明１において、前記主体金具に、前記保持部材を回転規制して保持するために止め部材が設けられていることを特徴とする。この止め部材はビス状のものである。

本発明５の圧電センサは、本発明１において、前記主体金具に、前記圧力検知手段の絶縁状態を維持するために絶縁部材が設けられていることを特徴とする。圧力検知手段と電極関係を主体金具に直接接触しないように絶縁させている。

本発明６の圧電センサは、本発明１において、前記保持部材は、絶縁体で構成されていることを特徴とする。

本発明の圧電センサは、主体金具内に装入される圧力検知手段に対し、押し込み設置するとき回転制止する保持部材を介したことで、圧力検知手段に損傷を与えることなく取り付けることができた。又構成も簡素であり、圧電センサとして有効に機能させることができた。また、本発明によれば、圧電センサの性能低下が起こったとしても、素子部分のみを交換すればよく、一般の圧電センサのように高価な本体全部を交換する必要はない。

本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。前述したとおり、本発明は特許文献１に示される圧電センサを改良し開発したセンサである。この圧電センサの検知手段である圧電素子等については、前述した特許文献の圧力検知手段で説明されているので、その内容の詳細な説明は省略する。この圧力検知手段は、薄膜で耐熱性であるのが特徴である。本発明に適用される圧力検知手段も同様な構成のものである。次に、本発明の構成の理解を容易にするために、その概要を図にもとづき説明する。図４は、圧力検知手段の断面図である。圧力検知手段１１は、金属ダイアフラム１２、下地層１３、圧力素子の主部材である圧電薄膜層１４及び上部電極１５が、順次積層されて構成されている。

金属ダイアフラム１２は、圧力伝達手段として圧力を計測する空間と接してその圧力を圧電薄膜層１４に伝達するとともに、圧力検知手段１１を支える基板としての機能もある。金属ダイアフラム１２は、高温となる内燃機関シリンダ内に位置するので、耐熱性が必要であり、金属ダイアフラム１２に例えばインコネル、又はＳＵＳ６３０相当の耐熱金属材料を使用している。圧電薄膜層１４を形成する側の表面は、圧電薄膜層１４のひびやはがれ、結晶軸の配向性を高めるために、研磨や化学的な方法によって鏡面加工等がなされている。

下地層１３は、金属ダイアフラム１２の上に作成する圧電薄膜層１４と金属ダイアフラム１２との緩衝層であり、圧電薄膜層１４の極性の配向や結晶軸の配向、金属ダイアフラム１２との濡れ性の改善等の役割を持つ。又、下地層１３は、下部電極の機能も兼ねる。

圧電薄膜層１４は、金属ダイアフラム１２及び下地層１３を介して伝わった圧力を受け取り、それに応じた電気信号を出力する。即ち、圧電薄膜層１４に測定圧力を印加させて電気信号に変換する。圧電薄膜層１４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）を、スパッタリング法で作成される。この圧電薄膜層１４はウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質であり、キュリー点が存在しない圧電性を備え、耐熱性に優れ、圧電特性が劣化することのない圧電素子の主要部材である。

上部電極１５は、主体金具２内の電極と圧着して、印加圧力によって発生した電荷を電極、信号出力端子を介して図示しない信号搬送ケーブルに伝達するものである。上部電極１５の材料は、下地層１３と同様の材料を用いることができるが、同一のものである必要はなく、圧電薄膜層１４や電極との相性によって適時選択すればよく、又その構造も単層で構わない。

又、図５は、圧力検知手段の他の実施の形態を示したものである。この例の圧力検知手段１１ａは、圧電薄膜層１４ａと金属ダイアフラム１２ａの２層で構成されたものである。例えば、圧電薄膜層１４ａは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の厚さ５μｍのものであり、金属ダイアフラム１２ａは厚さ０．５ｍｍのインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）である。

このように本発明に適用する圧力検知手段１１，１１ａは、端的にいうと金属ダイアフラム１２，１２ａに圧電薄膜層１４，１４ａを形成したもので、薄型化、小型化の図られたものである。その他の特性については前述した特許文献１、２に詳述されている。次に、本発明の要旨である圧電センサ１の具体的な実施の形態について説明する。図１は、圧電センサ１の縦断面図である。本実施の形態において、圧電センサ１は内燃機関のシリンダ内の圧力検知に適用されるものとして説明する。

圧電センサ１は、外側の部材構成でシリンダに直接取り付けられる主体金具２に、圧力検出手段１１を内装した構成になっている。シリンダへの取り付けは外周に設けられたオネジ２ａが、シリンダ側に設けられたメネジ（図示せず）に螺合して固定される。主体金具２の中心部には中心軸線に沿って円筒形状の内孔２ｂが設けられている。主体金具２は、シリンダ側に内孔２ｂより内径が小さい、かつ内孔２ｂと同軸の開口部２ｃを有している。内孔２ｂと開口部２ｃの境界には、円形平面の段部である背面段差部２ｄが形成されている。この背面段差部２ｄに、押圧状態で圧力検知手段１１が主体金具２の内孔２ｂに封入されている。

この圧力検知手段１１は、金属ダイアフラム１２側が開口部２ｃに面し、反対側の上部電極層１５側は外部へ信号を取り出すための導電体３が圧着されている。開口部２ｃ周囲で背面段差部２ｄには、本例では純銅のドーナツ薄板形状のガスケット４が設けられている。純銅製のガスケット４は、形状に合致して塑性変形が起こりやすいので圧力の漏洩を防ぐことができる。圧力検知手段１１はこのガスケット４を介して開口部２ｃの背面段差部２ｄ側に押圧されている。導電体３上の中央部には、主体金具２の略全長に亘って導電棒５が設けられ、この導電棒５から外部へケーブルを通して信号が出力される。

この導電体３と導電棒５の全周に亘って、電気絶縁体６が配置されている。電気絶縁体６は、導電体３及び導電棒５とを保持部材７、押圧部材９等から絶縁するためのものである。従って、信号発生に伴ない電流が主体金具２に流れて漏電に伴なうノイズ等を起すようなことはない。圧力検知手段１１は導電体３を介して保持部材７によって主体金具２の背面段差部２ｄに押し当てられている。この保持部材７は円柱状のもので中央に導電棒５を通過させる孔７ａが設けられている。この保持部材７は、押し込み力を受けても変形することはない。

この保持部材７は主体金具２内に嵌合装入され、主体金具２内で回転制止され保持されている。この保持は主体金具２との間に跨って設けられるピン８によって行われ、保持部材７が主体金具２内で回転方向にずれないように取り付けられている。なお、保持部材７の回転を止めるということでは、ピン８に換えてビスであっても良い。従って、保持部材７は、その軸線方向に沿ってのみ押し込まれ、圧力検知手段１１を固定する構成となっている。主体金具２の中心部には、中心部の内孔の内周面にはメネジ２ｅが設けられ、このメネジ２ｅにオネジ９ａが螺合する状態で押圧部材９が設けられている。

この押圧部材９を回転させると、メネジ２ｅとオネジ９ａのネジ動作で、押圧部材９が保持部材７側に移動しこれを押圧する。又、この押圧部材９にも保持部材７同様に中央部に導電棒５の通る孔９ｂが設けられている。このために押圧部材９はネジ回転しながら保持部材７を押し込み、圧力検知手段１１を押圧固定する。このとき保持部材７は回転せずこの軸線方向のみに沿って、圧力検知手段１１を押圧する。保持部材７は止め部材であるピン８で回転制止されているので、押圧される圧力検知手段１１は回転ねじれ等の押し込み動作で損傷することはない。この構成により、圧力検知手段１１は、開口部２ｃからのシリンダ内圧を受けて信号変換し導電棒を介して外部へ確実に安定状態で信号出力される。

図２は、他の実施の形態を示す圧電センサ２０の縦断面図である。この例は、前述の実施の形態の保持部材７に相当する部材を電気絶縁体と一体化し、絶縁性のある絶縁保持部材２１としたものである。この絶縁保持部材２１は、段差面２１ａのある径の異なる円柱状体で、中心部に貫通した孔２１ｂを設け、導電棒５を通している。又、この絶縁保持部材２１の大径部２１ｃに主体金具２２の外側面に設けられた止め部材２３がねじ込みで絶縁保持部材２１を押圧係止し、絶縁保持部材２１は主体金具２２内に回転が規制される状態で保持される。

前述の例においては主体金具２の内部において止め部材を設ける構成としたが、本例の場合は外部から簡単に止め部材を取り付けられる構成としている。尚、本例における止め部材２３の構成は、前述した実施の形態に適用することは可能である。この絶縁保持部材２１は、大径部２１ｃと小径部２１ｄとの間の段差面２１ａに押圧部材２４が当接することによりねじ込みで押圧され、結果的に、前述同様に圧力検知手段１１は、回転動作を受けることなく主体金具２２内に固定される。

図３は、更に他の実施の形態を示す圧電センサ３０の例で、保持部材３１を主体金具３２の開口部側へ設置した例である。主体金具３２の開口部にメネジ３２ａが設けられ、開口部端にキャップ３３がねじ込まれる構成である。保持部材３１は、圧力検知手段１１を保持した状態で主体金具３２の側面に設けられた止め部材３４により回転が制止され保持されている。保持部材３１及びキャップ３３には、シリンダ内の圧力検知のため、気体通過用の孔３１ａ，３３ａが設けられている。

又、主体金具３２内には、円柱状の絶縁体３５が圧力検知手段１１を囲うように設けられ、一端は主体金具３２の孔段差部３２ｂに突き当てられ、他端は保持部材３１の端部に当接している。絶縁体３５の中心部は貫通孔３５ａとなっていて、導電棒５が通るようになっている。このように、保持部材３１をシリンダ側の開口部に設けても構成が成立する。この場合、圧力検知手段１１の金属ダイアフラム１２は保持部材３１に直接当接することになる。主体金具３２に当接することはないのでガスケットは不要である。この例の保持部材３１は絶縁性の部材である。尚、導電棒５引き出し側の主体金具３２の端部は、他部材との取り付け部でオネジの例で示されているが、メネジであってもよい。相手取り付け構成に応じた構成にすればよい。

以上、種々の実施の形態を説明したが、いずれも保持部材は、押し付け力により変形するものではない。従来例のように、圧電素子の保護のためカバーに相当する部材を設け、これを押し付け力で変形させ、あるいは溶接等を行うようなことはない。このため、本発明の構成の場合は、押し付けを解除したとき、必要があれば圧力検知手段の単独交換が可能である。従って、圧電センサに不具合が生じても、全体を差し替える必要はなく、部分的交換のみで対処でき、メンテナンスのし易い構成である。
以上種々の例について説明したが、本発明は、本実施の形態に限定されないことはいうまでもない。

図１は、本発明の実施の形態に関わる圧電センサの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の他の実施の形態に関わる圧電センサの構成を示す断面図である。 図３は、本発明の更に他の実施の形態に関わる圧電センサの構成を示す断面図である。 図４は、圧力検知手段の断面図である。 図５は、他の構成を示す圧力検知手段の断面図である。

符号の説明

１…圧電センサ
２…主体金具
３…導電体
４…ガスケット
５…導電棒
６…電気絶縁体
７…保持部材
８…ビス
９…押圧部材

Claims (6)

1. 圧力を伝達する圧力伝達手段と前記圧力伝達手段により伝達される圧力を受けて電気信号に変換する圧電素子とを含む圧力検知手段と、
   前記圧力伝達手段を外方に開放させる開口部を有して前記圧力検知手段を内部に保持する主体金具と、
   前記主体金具内にあって、前記圧力検知手段に押し当てられ回転規制されて、前記圧力検知手段を前記主体金具内に保持する保持部材と、
   前記主体金具内にあって前記保持部材を押圧する押圧部材と
   からなる圧電センサ。
2. 請求項１に記載された圧電センサにおいて、
   前記保持部材は、中心に貫通孔を有する円柱状の部材であることを特徴とする圧電センサ。
3. 請求項１に記載された圧電センサにおいて、
   前記圧電素子は、キュリー温度が存在しない薄膜で耐熱性の圧電素子であることを特徴とする圧電センサ。
4. 請求項１に記載された圧電センサにおいて、
   前記主体金具に、前記保持部材を回転規制して保持するために止め部材が設けられていることを特徴とする圧電センサ。
5. 請求項１に記載された圧電センサにおいて、
   前記主体金具に、前記圧力検知手段の絶縁状態を維持するために絶縁部材が設けられていることを特徴とする圧電センサ。
6. 請求項１に記載された圧電センサにおいて、
   前記保持部材は、絶縁体で構成されていることを特徴とする圧電センサ。

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