JP3123798B2 - Pressure detector - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】本発明は内燃機関のシリンダー内圧の変化
を圧電素子によって検出する圧力センサを備えた圧力検
知装置に関するものである。The present invention relates to a pressure detecting device provided with a pressure sensor for detecting a change in a cylinder internal pressure of an internal combustion engine by a piezoelectric element.
【0002】[0002]
【従来の技術】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
た圧力センサは公知である。また前記圧電素子として一
般に、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等のセラミッ
ク材料よりなる圧電素子が用いられている。2. Description of the Related Art A detection element such as a piezoelectric element and a pressure transmission rod is housed in a metal shell mounted in a screw hole for mounting a sensor provided in a cylinder head of an internal combustion engine, and a lower end face located in a cylinder. A pressure sensor is known in which a diaphragm is sealed to the piezoelectric element, and the internal pressure of the cylinder is transmitted to the piezoelectric element via the diaphragm and the pressure transmission rod, and an electric signal proportional to the magnitude of the internal pressure is taken out from the element. is there. In general, a piezoelectric element made of a ceramic material such as lead zirconate titanate or lead titanate is used as the piezoelectric element.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
圧力センサは、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(1000℃)中に曝されるため、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℃、チタン酸鉛系では約 350
℃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( 400℃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
たうえで使用している。このため構造が複雑、大型化
し、価格も高騰するという欠点があった。また高温度ほ
ど発生電荷が大きくなるという圧電素子が有する温度依
存性、さらには焦電特性によりシリンダ内の圧力が正確
に検出できない等の問題があった。However, such a pressure sensor is exposed to a high combustion temperature (1000 ° C.) together with the internal pressure of the cylinder, like a spark plug. Its Curie point is about 250 ° C for lead zirconate titanate and about 350 ° C for lead titanate.
° C and lower than the combustion temperature.
The temperature of the element part becomes extremely high (around 400 ° C.), which degrades the piezoelectric characteristics due to depolarization and the like, and cannot be used. Therefore, usually, a cooling means for maintaining the piezoelectric element at an appropriate temperature is used after being added. For this reason, there were drawbacks in that the structure was complicated, large, and the price was high. There are also problems such as the temperature dependence of the piezoelectric element, in which the generated charge increases as the temperature increases, and the pressure in the cylinder cannot be accurately detected due to pyroelectric characteristics.
【0004】一方、かかる欠点を解決するため、前記セ
ラミック系の圧電材料に代え、温度依存性及び焦電特性
の無いSiO2 単結晶もしくはこれら単結晶と同効の単
結晶圧電材料を用いることが考えられるが、これら単結
晶材料はセラミック系の圧電材料に比し発生電荷量が小
さいために、点火プラグでのノイズ、また電波等のノイ
ズ等による影響を受け易く、S/N比が悪くなるという
問題がある。On the other hand, in order to solve such a drawback, it is necessary to use a SiO 2 single crystal having no temperature dependency and pyroelectric properties or a single crystal piezoelectric material having the same effect as these single crystals, instead of the ceramic piezoelectric material. It is conceivable that these single-crystal materials have a smaller amount of generated electric charge than ceramic-based piezoelectric materials, and thus are susceptible to noise from the spark plug and noise such as radio waves, resulting in a poor S / N ratio. There is a problem.
【0005】そこで、特願平3−125414号にて、
ニオブ酸リチウム(LiNbO3 )やタンタル酸リチウ
ム(LiTaO3 )もしくはこれら単結晶材料と同効の
単結晶圧電材料からなる円形または角形の板状圧電素子
を用いたものを提案した。このニオブ酸リチウムのキュ
リー点は約1200℃と高く、耐熱性に優れ、温度依存性が
少ないという特徴を有している。またLiTaO3 ,S
iO2 に較べ発生電荷が大きく、S/N比も良好である
と言う、優れた特性を有する。しかしながら、素子特性
では優れているものの、圧力センサとしては構造体とし
た場合には、燃焼時の温度差(各部材での温度差)によ
り構成部分寸法が変化し、焦電特性に似た出力が発生し
てしまうことがあった。本発明はかかる従来構成の問題
点を除去することを目的とするものである。Therefore, in Japanese Patent Application No. 3-125414,
A device using a circular or square plate-like piezoelectric element made of lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or a single crystal piezoelectric material having the same effect as these single crystal materials has been proposed. The Curie point of this lithium niobate is as high as about 1200 ° C., and is characterized by excellent heat resistance and low temperature dependence. LiTaO 3 , S
It has excellent characteristics that the generated charges are large and the S / N ratio is good compared to iO 2 . However, although the element characteristics are excellent, when the pressure sensor is a structure, the component size changes due to the temperature difference during combustion (temperature difference between each member), and the output is similar to the pyroelectric characteristic. Sometimes occurred. An object of the present invention is to eliminate the problems of the conventional configuration.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、内燃機関のシ
リンダーに装着される主体金具に、検出開口がシリンダ
内に位置する軸孔を備え、その軸孔の内部に圧電素子、
圧力伝達棒等の検出要素を収納し、更に前記軸孔の開口
端を金属製ダイアフラムで密封してなり、前記圧電素子
としてニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料を用いた圧力
センサと、該圧力センサの発生電荷を電圧に変換する装
置と、該出力電圧の低周波成分を除去する機能を有する
フィルタとを備え、、前記圧力センサの板状圧電素子
が、分極方向のZ軸成分が20°以下のニオブ酸リチウ
ムの単結晶圧電材料のYカット品よりなり、前記フィル
タの低周波を除去する閾値が、0.01HZ〜1.0H
Zの範囲にあることを特徴とする圧力検知装置である。According to the present invention, a metal shell mounted on a cylinder of an internal combustion engine is provided with a shaft hole having a detection opening located in the cylinder, and a piezoelectric element is provided inside the shaft hole.
A pressure sensor that houses a detection element such as a pressure transmission rod, and further seals the opening end of the shaft hole with a metal diaphragm, and uses a single crystal piezoelectric material of lithium niobate as the piezoelectric element; and And a filter having a function of removing a low-frequency component of the output voltage; and a plate-like piezoelectric element of the pressure sensor.
Is a lithium niobate having a Z-axis component of 20 ° or less in the polarization direction.
Made of a Y-cut single crystal piezoelectric material.
The threshold value for removing the low frequency of the data is 0.01HZ to 1.0H.
A pressure detecting device which is in the range of Z.
【0007】[0007]
【作用】圧力センサをエンジンブロックに装着して、そ
の内圧を検出する場合にあっては、アイドリングから高
回転、高負荷の間で温度が変化する等、温度変化が激し
い。このように温度変化の激しい部位に圧力センサを取
付けると、焦電特性により図8に示すように出力の変動
(ドリフト)を生じ易い。この出力変動は、低周波数の
出力波形となる。When a pressure sensor is mounted on an engine block and its internal pressure is detected, the temperature changes drastically, for example, the temperature changes between idling, high rotation, and high load. When the pressure sensor is attached to a portion where the temperature changes drastically, the output tends to fluctuate (drift) as shown in FIG. 8 due to pyroelectric characteristics. This output fluctuation results in a low-frequency output waveform.
【0008】そこで、フィルタにより所定低周波を閾値
として、該閾値以上の周波数の圧力波形のみを透過させ
て、該周波数未満の低周波を除去することにより、その
出力のドリフトに該当する波形を除去することができ
る。この閾値は、0.01HZ〜1.0HZの範囲とす
る。0.01HZ未満であると、ドリフトを良好に除去
することができず、また1.0HZを越えると、本来の
圧力波形が変形して、適正な圧力を検出することができ
なくなり、精度が低下するおそれがあるからである。さ
らには、圧力感度10気圧相当以下にするためにはZ軸
成分の角度θが20°以下が良好であり、回路上での濾
波も容易となる。また特筆すべきは、Xカット品,Yカ
ット品について夫々作成し検討してみたところ、Yカッ
トのものはXカットのものに比べ、圧電特性も良好であ
り、さらには機械的強度においても良好であることが確
認された。そこで、圧力センサの板状圧電素子が、分極
方向のZ軸成分が20°以下のニオブ酸リチウムの単結
晶圧電材料のYカット品を用いるものとした。 Therefore, a filter is used as a threshold at a predetermined low frequency, and only a pressure waveform having a frequency equal to or higher than the threshold is transmitted, and a low frequency lower than the frequency is removed, thereby removing a waveform corresponding to a drift of the output. can do. This threshold is in the range of 0.01 Hz to 1.0 Hz .
You. If it is less than 0.01 HZ, drift cannot be satisfactorily removed, and if it exceeds 1.0 HZ, the original pressure waveform is deformed and it becomes impossible to detect an appropriate pressure, resulting in a decrease in accuracy. This is because there is a risk of doing so. Sa
In order to reduce the pressure sensitivity to 10 atmospheres or less, the Z axis
Component angle θ of 20 ° or less is good,
Waves are also easier. Also noteworthy are X-cut products and Y
After preparing and examining each product,
The piezoelectric material has better piezoelectric characteristics than the X-cut material.
As well as good mechanical strength.
It has been certified. Therefore, the plate-like piezoelectric element of the pressure sensor
Of lithium niobate whose Z-axis component is less than 20 °
A Y-cut crystal piezoelectric material was used.
【0009】[0009]
【実施例】図1は本発明に適用する圧力センサSの一実
施例を示し、1は下端部1a外周にシリンダブロックに
螺合する雄螺子2と、上端部1b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1であって、その内部には、軸孔4が形成さ
れている。この軸孔4は下端部1a側を貫通する異径孔
4a,4b,4cと、上端部1b側を貫通する径大孔4
dとが連続して構成される。前記異径孔4a,4b,4
cのうち、径中側の孔4bには、その径小側の孔4aに
近いほうから金属板5、第1の端子部材6、表裏面に電
極7a,7bが付与された圧電素子7,第2の端子部材
8,電気絶縁環9が順次層状に配設され、これら積層物
の周囲に被覆した絶縁材10により主体金具1と絶縁し
ている。また前記第2の端子部材8の上面からは後記す
る信号搬送用ケーブル16と接続する接続手8aが、絶
縁環9を挿通して突設している。FIG. 1 shows an embodiment of a pressure sensor S applied to the present invention. Reference numeral 1 denotes a male screw 2 screwed to a cylinder block on the outer periphery of a lower end 1a, and a tightening tool such as a spanner on the outer periphery of an upper end 1b. A metal shell 1 having a bolt structure formed with a hexagonal portion 3 which conforms to the above, and a shaft hole 4 is formed therein. This shaft hole 4 has different diameter holes 4a, 4b, 4c penetrating the lower end portion 1a side and a large diameter hole 4 penetrating the upper end portion 1b side.
and d are continuously formed. The different diameter holes 4a, 4b, 4
c, the metal plate 5, the first terminal member 6, the piezoelectric element 7 having electrodes 7 a and 7 b provided on the front and back surfaces, respectively, of the hole 4 b on the middle diameter side from the hole 4 a on the small diameter side. A second terminal member 8 and an electric insulating ring 9 are sequentially arranged in layers, and are insulated from the metal shell 1 by an insulating material 10 covering the periphery of the laminate. In addition, a connecting hand 8 a for connecting to a signal carrying cable 16 described later protrudes from the upper surface of the second terminal member 8 through the insulating ring 9.
【0010】更に前記径小側の孔4aには圧力伝達棒1
1が挿入され、その一端を金属板5に圧接し、他端は主
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12に接着している。この
金属ダイアフラム12は耐熱性が必要で、例えばインコ
ネル又はSUS630相当の耐熱性金属材料のようなものが良
い。さらに主体金具1の孔4a,4bの段差部分と圧力
伝達棒11との間にバネリング13を設け、このバネリ
ング13により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。また前記径大孔4cに刻
設した雌ネジには押えネジ18が螺合し、該ネジ18に
より圧電素子7に所定の予圧を与え、燃焼時の吸気導入
時の負圧状態に対応させている。Further, the pressure transmitting rod 1 is provided in the hole 4a on the small diameter side.
1 is pressed into contact with the metal plate 5 at one end, and the other end is bonded to a metal diaphragm 12 joined so as to hermetically seal the end surface of the lower end 1a of the metal shell 1. The metal diaphragm 12 needs to have heat resistance, and is preferably made of, for example, a heat-resistant metal material such as Inconel or SUS630. Further, a spring ring 13 is provided between the stepped portions of the holes 4a and 4b of the metal shell 1 and the pressure transmitting rod 11, and the spring ring 13 causes a distortion caused by a difference in thermal expansion and a difference in heat transfer between the components and a male screw portion. Absorbs the stress caused by elongation or the like due to the tightening torque. A holding screw 18 is screwed into the female screw formed in the large-diameter hole 4c to apply a predetermined preload to the piezoelectric element 7 with the screw 18 so as to correspond to a negative pressure state at the time of introducing the intake air during combustion. I have.
【0011】前記六角部3側の径大孔4dの内面には、
段座4d’が形成され、これに座定する鍔14aを備え
た金属スリーブ14が嵌合され、さらにシール部材15
bと電気接触部材15aと共に六角部3の上端から突出
する環状薄肉片3aを内側に屈曲することによって加締
め付けられている。On the inner surface of the large-diameter hole 4d on the hexagonal portion 3 side,
A step 4d 'is formed, a metal sleeve 14 having a flange 14a seated thereon is fitted therein, and a sealing member 15
The annular thin piece 3a protruding from the upper end of the hexagonal portion 3 is bent together with the b and the electric contact member 15a to be crimped inward.
【0012】前記金属スリーブ14の内部には信号搬送
用ケーブル16の一端が挿通固定され、該ケーブル16
より裸出した芯線16aが絶縁被覆した中継用導線17
を介して第2の端子部材8に接続されている。しかるに
圧電素子7の一方の電極は前記第2の端子部材8と中継
用導線17を通してケーブル16の芯線16aに接続さ
れ、他方の電極は第1の端子部材6と金属板5と伝達棒
圧力伝達棒11を通して主体金具1に接地接続されてい
る。One end of a signal carrying cable 16 is inserted and fixed inside the metal sleeve 14.
A relay conductor 17 in which a more bare core wire 16a is insulated and coated.
Is connected to the second terminal member 8 via the. However, one electrode of the piezoelectric element 7 is connected to the core 16a of the cable 16 through the second terminal member 8 and the relay conductor 17, and the other electrode is connected to the first terminal member 6, the metal plate 5, and the transmission rod pressure transmission. It is grounded to the metal shell 1 through the rod 11.
【0013】ここまでの構成は、従来公知であるが、本
発明を構成する圧力センサSの特徴は、第1の端子部材
6と第2の端子部材8との間に配された圧電素子7に、
ニオブ酸リチウム(LiNbO3 )からなる円形(図2
参照)または角形(図3参照)の板状圧電素子を用いた
ところにある。Although the configuration up to this point is conventionally known, a feature of the pressure sensor S constituting the present invention is that a piezoelectric element 7 disposed between the first terminal member 6 and the second terminal member 8 is provided. To
A circular shape made of lithium niobate (LiNbO 3 ) (FIG. 2)
(See FIG. 3) or a rectangular (see FIG. 3) plate-like piezoelectric element.
【0014】尚、単結晶よりなる圧電素子7は、円形板
でもよいが、経済性、量産性の面から図3にしめすよう
な角形板の方が望ましく、この場合、図4に示すように
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7,7…を一度に、無駄なく
製作できる。またその厚みは0.3mm 〜 1.5mmの外形寸法
を有するものであることが望ましい。すなわち、これら
単結晶材料は機械的強度に乏しく、通常の切断方法例え
ばダイヤモンドカッター、超音波カッター、レーザービ
ーム等にて破損することがあるが、その厚を0.3mm 〜1.
5mm に限定することによりかかる問題が解決される。こ
こで1.5mm を越えると切断時の熱衝撃により割れが発生
するおそれがある。従って好ましくは1.0mm 以下が良
い。ただし、0.3mm 未満では切断時の機械的衝撃に問題
がある。さらにこのような圧力センサーにおいては、受
圧面の精度、平行度が必要で、通常、表面研磨を実施す
ることが多く、この点から0.3mm 以上が望ましい。The piezoelectric element 7 made of a single crystal may be a circular plate, but is preferably a rectangular plate as shown in FIG. 3 from the viewpoint of economy and mass productivity. In this case, as shown in FIG. By applying a grid-shaped cutting line t to one large single crystal substrate s, a large number of piezoelectric elements 7, 7... Can be manufactured at once without waste. Further, it is desirable that the thickness has an outer dimension of 0.3 mm to 1.5 mm. That is, these single crystal materials have poor mechanical strength and may be broken by a normal cutting method such as a diamond cutter, an ultrasonic cutter, a laser beam, or the like, but have a thickness of 0.3 mm to 1.
Limiting it to 5 mm solves this problem. If it exceeds 1.5 mm, cracks may occur due to thermal shock during cutting. Therefore, it is preferable that the thickness be 1.0 mm or less. However, if it is less than 0.3 mm, there is a problem in mechanical impact at the time of cutting. Further, in such a pressure sensor, accuracy and parallelism of the pressure receiving surface are required, and the surface is usually polished in many cases.
【0015】さらに圧電素子7の表裏面に被着する電極
7a,7b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、焼き付けたものが
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。Further, the electrodes 7a and 7b to be attached to the front and back surfaces of the piezoelectric element 7 can be formed by plating, vapor deposition, or the like. However, in order to enhance the adhesion to the piezoelectric element, a metal such as nickel or silver is used. It is preferable to use an organic metal ink dispersed in an organic solvent and form and print this by printing. In this case, after printing the organic metal ink, first,
By laminating the second terminal members 6 and 8 and firing them integrally, the adhesion between the piezoelectric element and the electrode and between the electrode and the terminal member is increased, and the poor contact during use is reliably prevented. There are advantages to
【0016】次に、圧電素子7として、ニオブ酸リチウ
ム単結晶を用いたものにあって、その焦電特性を次の手
段により確認した。ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角
度のカット品を試料とし、これを0℃のシリコンオイル
が入ったタンクと、150℃のシリコンオイルが入った
タンクとに交互に浸漬して焦電特性をテストした。その
結果は図5の如くであった。ここでxは、素子寸法がφ
6×0.5tの外径寸法としたものを、yはφ4×0.
7tの外径寸法としたものを示す。そして縦軸は温度変
化によって発生する電荷を示し、横軸はZ軸成分の角度
θを示す。ここでZ軸成分の角度θは図6で示すように
規定され、分極軸の面方向(X,Y方向)からの厚み方
向(Z方向)への偏位角をいう。すなわち、θ=90゜
とは厚み方向と同一方向で分極されているものをいい、
θ=0゜とは、面方向に分極されているものをいう。Next, the pyroelectric characteristics of a piezoelectric element using a lithium niobate single crystal as the piezoelectric element 7 were confirmed by the following means. Test the pyroelectric properties of lithium niobate single crystal cut products at various angles as samples, alternately immersing them in a tank containing 0 ° C silicone oil and a tank containing 150 ° C silicone oil. did. The result was as shown in FIG. Where x is the element size φ
With an outer diameter of 6 × 0.5 t, y is φ4 × 0.
The outer diameter of 7t is shown. The vertical axis indicates the charge generated by the temperature change, and the horizontal axis indicates the angle θ of the Z-axis component. Here, the angle θ of the Z-axis component is defined as shown in FIG. 6, and refers to the deviation angle of the polarization axis from the plane direction (X, Y directions) in the thickness direction (Z direction). That is, θ = 90 ° refers to a polarization in the same direction as the thickness direction,
θ = 0 ° means that the surface is polarized in the plane direction.
【0017】この結果からZ軸成分が少ない方が良好で
あることが解った。また圧力感度10気圧相当以下にす
るためにはZ軸成分の角度θが20°以下が良好であ
り、5気圧相当以下の10°以下がさらに良好で、回路
上での濾波も容易となった。またこれらのカットにあっ
ては、圧電特性も充分であった。特にZ方向の無い(θ
=0)試料については、焦電が殆どみられず、非常に良
好であった。そして、Z方向の無い(θ=0)試料にあ
って、Xカット,Yカット品について夫々作成し検討し
てみたところ、YカットのものはXカットのものに比
べ、圧電特性も良好で、他のカットと殆ど同等であり、
さらには機械的強度においても良好な結果を得た。From these results, it was found that the smaller the Z-axis component, the better. In order to make the pressure sensitivity equal to or less than 10 atm, the angle θ of the Z-axis component is preferably equal to or less than 20 °, more preferably equal to or less than 5 atm and equal to or less than 10 °, and the filtering on the circuit is facilitated. . In these cuts, the piezoelectric properties were also sufficient. In particular, there is no Z direction (θ
= 0) The sample was very good with almost no pyroelectricity. Then, in a sample having no Z direction (θ = 0), X-cut and Y-cut products were prepared and examined. The Y-cut product had better piezoelectric characteristics than the X-cut product. It is almost equivalent to other cuts,
Further, good results were also obtained in mechanical strength.
【0018】これらの結果から、圧力センサSとして
は、ニオブ酸リチウムのYカット品を用い、超音波カッ
トによりφ5×0.5tの外径寸法として前述の組み付
を実施した。またダイヤフラムの内外径もφ7/φ9と
し、ダイヤフラムの肉厚は0.15mmとした。また、
押えネジ14での加圧を10MPaとした。From these results, as the pressure sensor S, a Y-cut product of lithium niobate was used, and the above-described assembly was performed by ultrasonic cutting with an outer diameter of φ5 × 0.5 t. The inner and outer diameters of the diaphragm were also φ7 / φ9, and the thickness of the diaphragm was 0.15 mm. Also,
The pressure with the holding screw 14 was set to 10 MPa.
【0019】そしてかかる構成の圧力センサSに、図9
の如く、該圧力センサSの発生電荷を電圧に変換するチ
ャージアンプAと、該チャージアンプAの出力電圧の低
周波成分を除去する機能を有するハイパスフィルタFと
を順次接続して、本発明に係る圧力検知装置を構成し、
圧力センサSを総排気量2000ccのエンジンに取付
け、ハイパスフィルタFの低周波の閾値と、ハイパスフ
ィルタFを通過した燃焼圧力波形との関係を調べた。FIG. 9 shows the pressure sensor S having such a configuration.
And a high-pass filter F having a function of removing a low-frequency component of the output voltage of the charge amplifier A is sequentially connected to the charge amplifier A for converting the charge generated by the pressure sensor S into a voltage. Comprising such a pressure sensing device,
The pressure sensor S was mounted on an engine having a total displacement of 2000 cc, and the relationship between the low-frequency threshold value of the high-pass filter F and the combustion pressure waveform passing through the high-pass filter F was examined.
【0020】図7はハイパスフィルタFの低周波をカッ
トする閾値を種々変えたものであって、エンジンの回転
をアイドリング(1200rpm)及び5000rpm
で、一定としたときの燃焼圧力波形を示す。ここで中心
の一点鎖線は大気圧を示す基準線である。この波形図か
ら、0.01HZ〜0.5HZでは、いずれの回転数に
あっても、フィルタ無しのときの生波形(破線で示す)
とは、大きく波形が異ならず、適正な精度を維持できる
ものであることが解る。また1HZの場合もアイドリン
グ時では若干生波形からのズレを生じてはいるものの所
定精度をなんとか維持し得るものであることが解る。と
ころが閾値が2HZ及び3HZのハイパスフィルタを設
けた場合には、低位レベルでのドリフトが発生し、生波
形とは大きな差異を生じ、1気圧以上の誤差を生じてし
まうことが解った。FIG. 7 shows various changes of the threshold value for cutting the low frequency of the high-pass filter F. The engine rotation is set to idling (1200 rpm) and 5000 rpm.
Shows the combustion pressure waveform when constant. Here, the dashed line at the center is a reference line indicating the atmospheric pressure. From this waveform diagram, at 0.01 Hz to 0.5 Hz, a raw waveform without a filter (indicated by a broken line) at any rotation speed.
This means that the waveforms do not greatly differ, and proper accuracy can be maintained. Also, in the case of 1HZ, it can be seen that, although a slight deviation from the raw waveform occurs at the time of idling, the predetermined accuracy can be maintained. However, it has been found that when the high-pass filters having the thresholds of 2HZ and 3HZ are provided, drift occurs at a low level, which is significantly different from the raw waveform, and causes an error of 1 atm or more.
【0021】次にエンジン回転を変化させたときの状態
を図8で示す。焦電特性、温度特性の無い圧電素子7を
用いた圧力センサSを適用しているにもかかわらず、ハ
イパスフィルタF無しでは、全体の波形が上下に揺ら
ぎ、エンジンドリフトが発生していることが解る。また
閾値が0.01HZのハイパスフィルタFを接続した場
合にあっても、該ドリフトが波形上表われる。ところが
0.05HZ,0.1HZ,0.3HZを閾値としたハ
イパスフィルタFを接続したものにあっては、前記ドリ
フトを波形上除去することができた。このドリフトに対
しても、充分1HZ以下の閾値を備えたハイパスフィル
タFによって対応できる。FIG. 8 shows the state when the engine speed is changed. Even though the pressure sensor S using the piezoelectric element 7 having no pyroelectric characteristics and temperature characteristics is applied, without the high-pass filter F, the entire waveform fluctuates up and down, and engine drift may occur. I understand. Even when a high-pass filter F having a threshold value of 0.01 Hz is connected, the drift appears on the waveform. However, in the case where the high-pass filter F having the threshold values of 0.05 HZ, 0.1 HZ and 0.3 HZ was connected, the drift could be removed on the waveform. This drift can be sufficiently dealt with by the high-pass filter F having a threshold value of 1 HZ or less.
【0022】而して、閾値が0.01HZ〜1.0HZ
の範囲にあるハイパスフィルタFは、前記ドリフトを除
去でき、しかも、生波形とは大きく異ならず、その精度
も許容できるものであるといえる。尚、好ましくは、閾
値を0.05〜0.5HZとしたハイパスフィルタFに
よってさらに良好な結果を得ることができる。Thus, the threshold value is 0.01 HZ to 1.0 HZ.
It can be said that the high-pass filter F in the range of the above can eliminate the drift, does not greatly differ from the raw waveform, and has an acceptable accuracy. Preferably, a better result can be obtained by using a high-pass filter F having a threshold value of 0.05 to 0.5 Hz.
【0023】[0023]
【発明の効果】本発明の圧力検知装置が以上の通りであ
って、主体金具の内部に装着される圧電素子に、シリン
ダ中の燃焼温度よりも高いキュリー点を有するLiNb
O3の単結晶圧電材料を用いた圧力センサーを用いたか
ら、従来のように冷却手段によって圧電素子を冷却する
必要は全くない。また圧電素子の分極方向のZ軸成分が
20°以下とすることで焦電特性をも有せず、Yカット
品を用いたから、圧電特性も良好であり、さらには機械
的強度においても良好である。そして、さらに、この圧
力センサSに該圧力センサの発生電荷を電圧に変換する
装置(チャージアンプA)と、該出力電圧の低周波成分
を除去する機能を有するフィルタFとを接続したから、
温度変化等によって生ずる低周波数の出力に起因する燃
焼波形のドリフトが除去されて、安定した燃焼波形を得
ることができる。而して、本発明は焦電性が無く、小型
かつ安価で、出力波形が良好で高精度の圧力検知装置を
市場に供し得る優れた効果がある。The pressure sensing device of the present invention is as described above, and the piezoelectric element mounted inside the metallic shell has LiNb having a Curie point higher than the combustion temperature in the cylinder.
Since a pressure sensor using a single-crystal piezoelectric material of O 3 is used, there is no need to cool the piezoelectric element by a cooling means as in the related art. The Yuse not be a pyroelectric property by the polarization direction of the Z-axis component of the piezoelectric element is a 20 ° or less, Y-cut
Good piezoelectric properties and excellent
The strength is also good. Further, since a device (charge amplifier A) for converting charges generated by the pressure sensor into a voltage and a filter F having a function of removing a low-frequency component of the output voltage are connected to the pressure sensor S,
Drift of the combustion waveform caused by low frequency output caused by temperature change or the like is removed, and a stable combustion waveform can be obtained. Thus, the present invention has an excellent effect of providing a high-precision pressure detecting device which is small in size, inexpensive, has a good output waveform, and has no pyroelectricity.
【図1】本発明の一実施例を示す圧力センサの縦断側面
図である。FIG. 1 is a vertical sectional side view of a pressure sensor showing one embodiment of the present invention.
【図2】圧電素子7を円形に作成したものの斜視図であ
る。FIG. 2 is a perspective view of a piezoelectric element 7 formed in a circular shape.
【図3】圧電素子7を角形に作成したものの斜視図であ
る。FIG. 3 is a perspective view of a piezoelectric element 7 formed in a rectangular shape.
【図4】圧電素子7の切り出し手段を示す斜視図であ
る。FIG. 4 is a perspective view showing a cutting means of the piezoelectric element 7;
【図5】ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角度のカット
品の焦電効果による影響を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the influence of a pyroelectric effect on cut products of various angles of a lithium niobate single crystal.
【図6】Z軸成分の角度θの概念を示す座標である。FIG. 6 is a coordinate diagram showing the concept of the angle θ of the Z-axis component.
【図7】閾値の異なるハイパスフィルタFと、その出力
波形との関係を、1200rpm,5000rpmの波
形図である。FIG. 7 is a waveform chart showing the relationship between a high-pass filter F having a different threshold value and its output waveform at 1200 rpm and 5000 rpm.
【図8】回転数を変化させた場合のドリフトを示す波形
図である。FIG. 8 is a waveform chart showing drift when the number of revolutions is changed.
【図9】本発明の基本構成を示す概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram showing a basic configuration of the present invention.
1 主体金具 7 圧電素子 11 圧力伝達棒 S 圧力センサ A チャージアンプ F ハイパスフィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal shell 7 Piezoelectric element 11 Pressure transmission rod S Pressure sensor A Charge amplifier F High-pass filter
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早迫 博文 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特 殊陶業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−81572(JP,A) 特開 昭62−219808(JP,A) 実開 昭63−84539(JP,U) 実開 昭64−15139(JP,U) 実開 昭61−126620(JP,U) 実開 昭62−35243(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 23/10 G01L 9/08 G01L 1/16 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Hirofumi Hayashiko 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya Japan Special Ceramic Industry Co., Ltd. (56) References JP-A-62-81572 (JP, A) JP-A-62-81572 Sho-62-219808 (JP, A) Sho-sho 63-84539 (JP, U) Sho-sho 64-15139 (JP, U) Sho-sho 61-126620 (JP, U) Sho-sho 62-35243 (JP) , U) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01L 23/10 G01L 9/08 G01L 1/16
Claims (1)
具に、検出開口がシリンダ内に位置する軸孔を備え、そ
の軸孔の内部に圧電素子、圧力伝達棒等の検出要素を収
納し、更に前記軸孔の開口端を金属製ダイアフラムで密
封してなり、前記圧電素子としてニオブ酸リチウムの単
結晶圧電材料を用いた圧力センサと、該圧力センサの発
生電荷を電圧に変換する装置と、該出力電圧の低周波成
分を除去する機能を有するフィルタとを備え、前記圧力
センサの板状圧電素子が、分極方向のZ軸成分が20°
以下のニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料のYカット品
よりなり、前記フィルタの低周波を除去する閾値が、
0.01HZ〜1.0HZの範囲にあることを特徴とす
る圧力検知装置。1. A metal shell mounted on a cylinder of an internal combustion engine includes a shaft hole having a detection opening located in the cylinder, and a detection element such as a piezoelectric element or a pressure transmission rod is housed in the shaft hole. Further, a pressure sensor in which the opening end of the shaft hole is sealed with a metal diaphragm, a pressure sensor using a single-crystal piezoelectric material of lithium niobate as the piezoelectric element, and a device for converting electric charges generated by the pressure sensor into a voltage, and a filter having a function of removing a low-frequency component of the output voltage, the pressure
The plate-like piezoelectric element of the sensor has a Z-axis component in the polarization direction of 20 °
The following Y-cut products of single crystal piezoelectric material of lithium niobate
A threshold for removing low frequency of the filter,
A pressure sensing device, wherein the pressure sensing device is in a range of 0.01 Hz to 1.0 Hz .
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---|---|---|---|---|
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1991
- 1991-12-24 JP JP03356919A patent/JP3123798B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7142034B2 (en) | 2003-09-18 | 2006-11-28 | Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha | Charge signal converting amplifier |
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