JP3256799B2 - 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
- Publication number
- JP3256799B2 JP3256799B2 JP24244396A JP24244396A JP3256799B2 JP 3256799 B2 JP3256799 B2 JP 3256799B2 JP 24244396 A JP24244396 A JP 24244396A JP 24244396 A JP24244396 A JP 24244396A JP 3256799 B2 JP3256799 B2 JP 3256799B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- generated
- mechanical load
- charge
- coordinate axis
- piezoelectric element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明の圧力計測用センサは、特
に高温度中で使用できるもので、各種の内燃機関の燃焼
室内に直接取り付け、燃焼に伴い発生する燃焼圧を常時
計測するための圧電素子のセンサに関するものである。
に高温度中で使用できるもので、各種の内燃機関の燃焼
室内に直接取り付け、燃焼に伴い発生する燃焼圧を常時
計測するための圧電素子のセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の圧力又は力を計測するた
めのセンサは、作用した機械的負荷によってセンサ自体
を変形させて、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
る圧電素子のセンサが用いられており、一般に前者は圧
力又は力の変化が遅い状態、すなわち、静的測定に適し
ており、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、連続する動的圧力のピークの計測に適し
ているといえる。
めのセンサは、作用した機械的負荷によってセンサ自体
を変形させて、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
る圧電素子のセンサが用いられており、一般に前者は圧
力又は力の変化が遅い状態、すなわち、静的測定に適し
ており、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、連続する動的圧力のピークの計測に適し
ているといえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、通常の温度
範囲における圧力又は力を圧電素子のセンサにより計測
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屡々使用されてお
り、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
ことが望ましいものであるが、従来、この種のセンサと
して使用されている圧電素子の水晶、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（温度）は
いずれも３２０〜５５０℃程度と低く、キューリー点を
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１０００℃を越える高温度中
の気圧（燃焼圧）変動を直接測定することができないも
のである。
範囲における圧力又は力を圧電素子のセンサにより計測
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屡々使用されてお
り、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
ことが望ましいものであるが、従来、この種のセンサと
して使用されている圧電素子の水晶、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（温度）は
いずれも３２０〜５５０℃程度と低く、キューリー点を
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１０００℃を越える高温度中
の気圧（燃焼圧）変動を直接測定することができないも
のである。
【０００４】この場合対策として圧電素子の周辺を冷却
するための水冷式アダプタを使うか、圧電素子を温度の
低い場所に取り付け、燃焼室から圧電素子までを導入管
で連結して温度を低下させて発生した圧力ピークを検出
する方法が採られている実情であるが、これらの方法に
おける課題は水冷方式は装置が大掛かりに成り、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なものであり、ま
た、燃焼室から圧電素子までを圧力導入管で連結してい
るため応答が遅れること、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
等の課題を有している。
するための水冷式アダプタを使うか、圧電素子を温度の
低い場所に取り付け、燃焼室から圧電素子までを導入管
で連結して温度を低下させて発生した圧力ピークを検出
する方法が採られている実情であるが、これらの方法に
おける課題は水冷方式は装置が大掛かりに成り、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なものであり、ま
た、燃焼室から圧電素子までを圧力導入管で連結してい
るため応答が遅れること、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
等の課題を有している。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の高温度中で使用
できる圧力計測用センサは、前述の課題に鑑み、研鑽の
結果、その物質の融点に到達するまでキューリー点が存
在しないランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）等の
置換型単結晶材料を、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
した圧電素子を備えたものであり、更に、機械的負荷が
作用する方向に結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面を整
列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械的負
荷の大きさと方向を測定するようにしたものであり、更
には、機械的負荷が作用する方向に結晶学上の座標軸Ｘ
にしたがった面と直交する座標軸Ｙにしたがった面を整
列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械的負
荷の大きさと方向を測定するものである。
できる圧力計測用センサは、前述の課題に鑑み、研鑽の
結果、その物質の融点に到達するまでキューリー点が存
在しないランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）等の
置換型単結晶材料を、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
した圧電素子を備えたものであり、更に、機械的負荷が
作用する方向に結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面を整
列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械的負
荷の大きさと方向を測定するようにしたものであり、更
には、機械的負荷が作用する方向に結晶学上の座標軸Ｘ
にしたがった面と直交する座標軸Ｙにしたがった面を整
列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械的負
荷の大きさと方向を測定するものである。
【０００６】
【作用】本発明の高温度中で使用できる圧力計測用セン
サの圧電素子は、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ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ
１４）等の置換型単結晶材料を、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を備えており、前記結晶学上の
座標軸Ｘにしたがった面に正の方向の機械的負荷が作用
すると一方面にプラスの電荷が発生すると共に平行する
他方面にマイナスの電荷が発生し、逆に、負の方向の機
械的負荷が作用すると極性が逆転して一方面にマイナス
の電荷が発生するとと共に平行する他方面にプラスの電
荷が発生する圧電素子の特性を用いて、又は、前記結晶
学上の座標軸Ｘにしたがった面と直交する座標軸Ｙにし
たがった面に正の方向の機械的負荷が作用すると座標軸
Ｚにしたがった面の一方面にプラスの電荷が発生すると
共に平行する他方面にマイナスの電荷が発生し、逆に、
負の方向の機械的負荷が作用すると極性が逆転して一方
面にマイナスの電荷が発生するとと共に平行する他方面
にプラスの電荷が発生する圧電素子の特性を用いて、発
生する電荷の量と極性を測定して機械的負荷の大きさと
方向を測定するようにしたものである。
サの圧電素子は、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ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ
１４）等の置換型単結晶材料を、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を備えており、前記結晶学上の
座標軸Ｘにしたがった面に正の方向の機械的負荷が作用
すると一方面にプラスの電荷が発生すると共に平行する
他方面にマイナスの電荷が発生し、逆に、負の方向の機
械的負荷が作用すると極性が逆転して一方面にマイナス
の電荷が発生するとと共に平行する他方面にプラスの電
荷が発生する圧電素子の特性を用いて、又は、前記結晶
学上の座標軸Ｘにしたがった面と直交する座標軸Ｙにし
たがった面に正の方向の機械的負荷が作用すると座標軸
Ｚにしたがった面の一方面にプラスの電荷が発生すると
共に平行する他方面にマイナスの電荷が発生し、逆に、
負の方向の機械的負荷が作用すると極性が逆転して一方
面にマイナスの電荷が発生するとと共に平行する他方面
にプラスの電荷が発生する圧電素子の特性を用いて、発
生する電荷の量と極性を測定して機械的負荷の大きさと
方向を測定するようにしたものである。
【０００７】従って、本発明の目的は、高温度になる内
燃機関に直接取り付けて、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）をさせ、ＥＧＲ
（排気ガス還流）及びＭＢＴ（最大トルクのための最小
進角電気位置）の制御を可能とし、更に、アイドリング
時、エンジンブレーキ走行時における失火検出をさせ、
トルク変動の即時検出によるリーンバーン制御、つま
り、最適混合比制御を可能とし、排ガス対策に寄与でき
る高温度中で使用できる圧力計測用センサを提供するも
のである。
燃機関に直接取り付けて、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）をさせ、ＥＧＲ
（排気ガス還流）及びＭＢＴ（最大トルクのための最小
進角電気位置）の制御を可能とし、更に、アイドリング
時、エンジンブレーキ走行時における失火検出をさせ、
トルク変動の即時検出によるリーンバーン制御、つま
り、最適混合比制御を可能とし、排ガス対策に寄与でき
る高温度中で使用できる圧力計測用センサを提供するも
のである。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の高温度中で使用できる圧
力計測用センサの実施の形態について図面を参照して具
体的に説明する。
力計測用センサの実施の形態について図面を参照して具
体的に説明する。
【０００９】図１は本発明の高温度中で使用できる圧力
計測用センサの実施の形態の圧電素子に対して正の方向
の機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性
を示す説明図であり、図２は本発明の高温度中で使用で
きる圧力計測用センサの実施の形態の圧電素子に対して
負の方向の機械的負荷が作用した場合の発生する電荷と
その極性を示す説明図であり、図３は本発明の高温度中
で使用できる圧力計測用センサの実施の形態の電荷を取
り出すための構成を示す説明図であり、図４は本発明高
温度中で使用できる圧力計測用センサの実施の形態の電
荷を取り出すための回路図であり、図５は本発明高温度
中で使用できる圧力計測用センサの実施の形態の内燃機
関のシリンダヘッドの燃焼室に取り付けた状態の説明図
であり、図６は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの次実施の形態の圧電素子に対して正の方向の
機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を
示す説明図であり、図７は本発明の高温度中で使用でき
る圧力計測用センサの次実施の形態の圧電素子に対して
負の方向の機械的負荷が作用した場合の発生する電荷と
その極性を示す説明図である。
計測用センサの実施の形態の圧電素子に対して正の方向
の機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性
を示す説明図であり、図２は本発明の高温度中で使用で
きる圧力計測用センサの実施の形態の圧電素子に対して
負の方向の機械的負荷が作用した場合の発生する電荷と
その極性を示す説明図であり、図３は本発明の高温度中
で使用できる圧力計測用センサの実施の形態の電荷を取
り出すための構成を示す説明図であり、図４は本発明高
温度中で使用できる圧力計測用センサの実施の形態の電
荷を取り出すための回路図であり、図５は本発明高温度
中で使用できる圧力計測用センサの実施の形態の内燃機
関のシリンダヘッドの燃焼室に取り付けた状態の説明図
であり、図６は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの次実施の形態の圧電素子に対して正の方向の
機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を
示す説明図であり、図７は本発明の高温度中で使用でき
る圧力計測用センサの次実施の形態の圧電素子に対して
負の方向の機械的負荷が作用した場合の発生する電荷と
その極性を示す説明図である。
【００１０】本発明の圧力計測用センサは、特に高温度
中で使用できるもので、各種の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
ための圧電素子１のセンサに関するものであり、請求項
１に記載の高温度中で使用できる圧力計測用センサは、
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ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ
１４）等の置換型単結晶材料を、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１を備えたものである。
中で使用できるもので、各種の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
ための圧電素子１のセンサに関するものであり、請求項
１に記載の高温度中で使用できる圧力計測用センサは、
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ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ
１４）等の置換型単結晶材料を、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１を備えたものである。
【００１１】更に、請求項２に記載の高温度中で使用で
きる圧力計測用センサは、請求項１に記載の高温度中で
使用できる圧力計測用センサにおいて、結晶学上の座標
軸Ｘにしたがった面に正の方向の機械的負荷＋Ｆが作用
すると一方面にプラスの電荷＋ｑが発生すると共に平行
する他方面にマイナスの電荷−ｑが発生し、逆に、負の
方向の機械的負荷−Ｆが作用すると極性が逆転して一方
面にマイナスの電荷−ｑが発生するとと共に平行する他
方面にプラスの電荷＋ｑが発生する圧電素子１の特性を
用いて、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆが作用する方向に結晶学
上の座標軸Ｘにしたがった面を整列させて、発生する電
荷の量と極性を測定して機械的負荷の大きさと方向を測
定するようにしたものである。
きる圧力計測用センサは、請求項１に記載の高温度中で
使用できる圧力計測用センサにおいて、結晶学上の座標
軸Ｘにしたがった面に正の方向の機械的負荷＋Ｆが作用
すると一方面にプラスの電荷＋ｑが発生すると共に平行
する他方面にマイナスの電荷−ｑが発生し、逆に、負の
方向の機械的負荷−Ｆが作用すると極性が逆転して一方
面にマイナスの電荷−ｑが発生するとと共に平行する他
方面にプラスの電荷＋ｑが発生する圧電素子１の特性を
用いて、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆが作用する方向に結晶学
上の座標軸Ｘにしたがった面を整列させて、発生する電
荷の量と極性を測定して機械的負荷の大きさと方向を測
定するようにしたものである。
【００１２】更には、請求項３に記載の高温度中で使用
できる圧力計測用センサは、請求項１に記載の高温度中
で使用できる圧力計測用センサにおいて、結晶学上の座
標軸Ｘにしたがった面と直交する座標軸Ｙにしたがった
面に正の方向の機械的負荷＋Ｆが作用すると座標軸Ｚに
したがった面の一方面にプラスの電荷＋ｑが発生すると
共に平行する他方面にマイナスの電荷−ｑが発生し、逆
に、負の方向の機械的負荷−Ｆが作用すると極性が逆転
して一方面にマイナスの電荷−ｑが発生するとと共に平
行する他方面にプラスの電荷＋ｑが発生する圧電素子１
の特性を用いて、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆが作用する方向
に結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面と直交する面を整
列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械的負
荷の大きさと方向を測定するようにしたものである。
できる圧力計測用センサは、請求項１に記載の高温度中
で使用できる圧力計測用センサにおいて、結晶学上の座
標軸Ｘにしたがった面と直交する座標軸Ｙにしたがった
面に正の方向の機械的負荷＋Ｆが作用すると座標軸Ｚに
したがった面の一方面にプラスの電荷＋ｑが発生すると
共に平行する他方面にマイナスの電荷−ｑが発生し、逆
に、負の方向の機械的負荷−Ｆが作用すると極性が逆転
して一方面にマイナスの電荷−ｑが発生するとと共に平
行する他方面にプラスの電荷＋ｑが発生する圧電素子１
の特性を用いて、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆが作用する方向
に結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面と直交する面を整
列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械的負
荷の大きさと方向を測定するようにしたものである。
【００１３】即ち、本発明の高温度中で使用できる圧力
計測用センサの圧電素子１は、キューリー点、つまり、
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
れなくなる温度が存在しないランガサイト（Ｌａ３Ｇａ
５ＳｉＯ１４）等の置換型単結晶材料を用いることによ
り、燃焼室内で発生する圧力ピークの状態を直接計測で
きるものであり、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ
１４）はキューリー点が存在しなく融点は１４７０℃で
あり、ランガサイト（ＬＧＳ）に代表されるランガサイ
ト系の置換型単結晶材料にはＬＮＧ（Ｌａ３Ｎｂ０．５
Ｇａ５．５ＳｉＯ１４）、ＬＴＧ（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇ
ａ５．５ＳｉＯ１４）があるものである。
計測用センサの圧電素子１は、キューリー点、つまり、
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
れなくなる温度が存在しないランガサイト（Ｌａ３Ｇａ
５ＳｉＯ１４）等の置換型単結晶材料を用いることによ
り、燃焼室内で発生する圧力ピークの状態を直接計測で
きるものであり、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ
１４）はキューリー点が存在しなく融点は１４７０℃で
あり、ランガサイト（ＬＧＳ）に代表されるランガサイ
ト系の置換型単結晶材料にはＬＮＧ（Ｌａ３Ｎｂ０．５
Ｇａ５．５ＳｉＯ１４）、ＬＴＧ（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇ
ａ５．５ＳｉＯ１４）があるものである。
【００１４】次に、図１に図示する如く、圧電素子１は
結晶学的軸Ｘにしたがってカットされており、圧電素子
１に対して機械的負荷＋Ｆ．−Ｆの加わる方向と発生す
る電荷＋ｑ．−ｑを示しており、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆ
が圧電素子１に対して正の方向の機械的負荷（圧縮方向
の機械的負荷）＋Ｆとして作用した場合、圧電素子１の
一方面にプラスの電荷＋ｑが現れると共に、平行する反
対側の他方面にはマイナスの電荷−ｑが現れるものであ
る。
結晶学的軸Ｘにしたがってカットされており、圧電素子
１に対して機械的負荷＋Ｆ．−Ｆの加わる方向と発生す
る電荷＋ｑ．−ｑを示しており、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆ
が圧電素子１に対して正の方向の機械的負荷（圧縮方向
の機械的負荷）＋Ｆとして作用した場合、圧電素子１の
一方面にプラスの電荷＋ｑが現れると共に、平行する反
対側の他方面にはマイナスの電荷−ｑが現れるものであ
る。
【００１５】次いで、図２に図示する如く、逆に負の方
向の機械的負荷（引っ張り方向の機械的負荷）−Ｆが作
用した場合には圧電素子１の一方面に発生する電荷の極
性が逆転してマイナス電荷−ｑが現れ、同時に反対側の
他方面にはプラス電荷＋ｑが現れるものである。
向の機械的負荷（引っ張り方向の機械的負荷）−Ｆが作
用した場合には圧電素子１の一方面に発生する電荷の極
性が逆転してマイナス電荷−ｑが現れ、同時に反対側の
他方面にはプラス電荷＋ｑが現れるものである。
【００１６】次に、本発明の置換型単結晶材料の圧電素
子１の電荷＋ｑ．−ｑは、作用した機械的負荷＋Ｆ．−
Ｆの合計に直接比例して圧電素子１の表面に現れ、その
量は圧電素子１の大きさや形状に無関係で、ランガサイ
ト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）においては１ニュートン
当たり６．１６ピコクーロンの電荷が現れるもので、従
来、一般的に使用されている水晶においては１ニュート
ン当たり２．１３ピコクーロンの電荷を発生するもので
ある。
子１の電荷＋ｑ．−ｑは、作用した機械的負荷＋Ｆ．−
Ｆの合計に直接比例して圧電素子１の表面に現れ、その
量は圧電素子１の大きさや形状に無関係で、ランガサイ
ト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）においては１ニュートン
当たり６．１６ピコクーロンの電荷が現れるもので、従
来、一般的に使用されている水晶においては１ニュート
ン当たり２．１３ピコクーロンの電荷を発生するもので
ある。
【００１７】そして、図３に図示する如く、２枚の圧電
素子１のセンサの間に電極２を挟み込み電荷信号を取り
出すもので、ダイアフラム３は力又は圧力を圧電素子１
に伝達させるもので、絶縁材４を内装しており、ハウジ
ング５は圧電素子１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ているものである。
素子１のセンサの間に電極２を挟み込み電荷信号を取り
出すもので、ダイアフラム３は力又は圧力を圧電素子１
に伝達させるもので、絶縁材４を内装しており、ハウジ
ング５は圧電素子１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ているものである。
【００１８】つまり、２枚の圧電素子１のセンサを機械
的負荷＋Ｆ．−Ｆ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１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
ものである。
的負荷＋Ｆ．−Ｆ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１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
ものである。
【００１９】本発明の圧電素子１は機械的負荷＋Ｆ．−
Ｆが作用することにより圧電素子１の結晶が変形し、圧
電素子１の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＋Ｆ．−Ｆ
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するもので、帯電した電
荷の放電を防ぐために圧電素子１に、センサハウジン
グ、電気コネクタ、及び、チャージアンプに至るまでの
接続ケーブル等の絶縁抵抗を高くしているものである。
Ｆが作用することにより圧電素子１の結晶が変形し、圧
電素子１の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＋Ｆ．−Ｆ
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するもので、帯電した電
荷の放電を防ぐために圧電素子１に、センサハウジン
グ、電気コネクタ、及び、チャージアンプに至るまでの
接続ケーブル等の絶縁抵抗を高くしているものである。
【００２０】つまり、図４に図示する如く、２枚の圧電
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倍の電荷感度が得
られ、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆが加わると圧電素子１の表
面に機械的負荷＋Ｆ．−Ｆに直接比例した量の帯電が表
れ、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を通じて放電するもので、この場合、蓄えら
れる電荷がプラスであるかマイナスであるかは、圧電素
子１に作用する機械的負荷が正の方向の機械的負荷＋Ｆ
であるか、負の方向の機械的負荷−Ｆであるかにより決
定されるものである。
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倍の電荷感度が得
られ、機械的負荷＋Ｆ．−Ｆが加わると圧電素子１の表
面に機械的負荷＋Ｆ．−Ｆに直接比例した量の帯電が表
れ、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を通じて放電するもので、この場合、蓄えら
れる電荷がプラスであるかマイナスであるかは、圧電素
子１に作用する機械的負荷が正の方向の機械的負荷＋Ｆ
であるか、負の方向の機械的負荷−Ｆであるかにより決
定されるものである。
【００２１】そして、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もので、Ｍｏｓトランジスタ
８はコンデンサ６に蓄えられた電荷エネルギーを電気量
に変換して取り扱いの容易なアナログ電圧として出力す
るものである。
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もので、Ｍｏｓトランジスタ
８はコンデンサ６に蓄えられた電荷エネルギーを電気量
に変換して取り扱いの容易なアナログ電圧として出力す
るものである。
【００２２】本発明による圧力検出用の置換型単結晶材
料の圧電素子１はチャージアンプに接続されており、圧
電素子１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１とチャージアンプによる
測定の基準圧力により校正することができるものであ
る。
料の圧電素子１はチャージアンプに接続されており、圧
電素子１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１とチャージアンプによる
測定の基準圧力により校正することができるものであ
る。
【００２３】従って、圧電素子１を内燃機関の燃焼室に
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のような夫々の誘導単位の値で計測で
きるものである。
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のような夫々の誘導単位の値で計測で
きるものである。
【００２４】更に、図５に図示する如く、本発明の高温
度中で使用できる圧力計測用センサ１を内燃機関のシリ
ンダヘッド９の燃焼室１０に取り付けたものであり、圧
電素子１はキューリー点が存在しないランガサイト（Ｌ
ａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）であり、圧電素子１の感圧部、
即ち、ダイアフラム３をシリンダヘッド９より燃焼室１
０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１に伝達するこ
とを可能とするものである。
度中で使用できる圧力計測用センサ１を内燃機関のシリ
ンダヘッド９の燃焼室１０に取り付けたものであり、圧
電素子１はキューリー点が存在しないランガサイト（Ｌ
ａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）であり、圧電素子１の感圧部、
即ち、ダイアフラム３をシリンダヘッド９より燃焼室１
０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１に伝達するこ
とを可能とするものである。
【００２５】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圧電素子１の共振周波数が高く、
応答速度が速く、従って、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もので
あり、燃焼室１０内で発生した機械的負荷＋Ｆは、燃焼
の際に発生する圧力負荷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ものであるが、燃焼
による圧力変動のみを正確に計測のために、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エンコーダ１１を備え作動信号を出
すようにしているものである。
振動系で伝達するので圧電素子１の共振周波数が高く、
応答速度が速く、従って、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もので
あり、燃焼室１０内で発生した機械的負荷＋Ｆは、燃焼
の際に発生する圧力負荷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ものであるが、燃焼
による圧力変動のみを正確に計測のために、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エンコーダ１１を備え作動信号を出
すようにしているものである。
【００２６】更には、高温度中で使用できる圧力計測用
センサの次実施の形態は、図６及び図７に図示する如
く、圧電素子１の結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面と
直交する座標軸Ｙにしたがった面に正の方向の機械的負
荷＋Ｆが作用すると座標軸Ｚにしたがった面の一方面に
プラスの電荷＋ｑが発生すると共に平行する他方面にマ
イナスの電荷−ｑが発生し、逆に、負の方向の機械的負
荷−Ｆが作用すると極性が逆転して一方面にマイナスの
電荷−ｑが発生するとと共に平行する他方面にプラスの
電荷＋ｑが発生する特性を用いて、機械的負荷＋Ｆ．−
Ｆが作用する方向に結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面
と直交する座標軸Ｙにしたがった面を整列させて、発生
する電荷の量と極性を測定して機械的負荷の大きさと方
向を測定するようにしたものである。
センサの次実施の形態は、図６及び図７に図示する如
く、圧電素子１の結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面と
直交する座標軸Ｙにしたがった面に正の方向の機械的負
荷＋Ｆが作用すると座標軸Ｚにしたがった面の一方面に
プラスの電荷＋ｑが発生すると共に平行する他方面にマ
イナスの電荷−ｑが発生し、逆に、負の方向の機械的負
荷−Ｆが作用すると極性が逆転して一方面にマイナスの
電荷−ｑが発生するとと共に平行する他方面にプラスの
電荷＋ｑが発生する特性を用いて、機械的負荷＋Ｆ．−
Ｆが作用する方向に結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面
と直交する座標軸Ｙにしたがった面を整列させて、発生
する電荷の量と極性を測定して機械的負荷の大きさと方
向を測定するようにしたものである。
【００２７】つまり、図１及び図２で図示したものは縦
軸効果による圧電現象と称し、電荷＋ｑ．−ｑは与えら
れた機械的負荷＋Ｆ．−Ｆの合計に直接比例して圧電素
子１の表面に現れる電荷の量（公称電荷感度）は圧電素
子１の大きさや形状に関係なく現れ、これに対し、図６
及び図７で図示した次実施の形態のものは横軸効果によ
る圧電現象と称し、横軸効果によって現れる電荷の量
（公称電荷感度）は縦軸効果と異なり圧電素子１の大き
さや形状に関係し、座標軸Ｘにしたがった面の寸法に対
する座標軸Ｙにしたがった面の寸法の比に依存するもの
で、一般に横軸効果の電荷感度は縦軸効果に比較して５
０倍またはそれ以上が得られるものである。
軸効果による圧電現象と称し、電荷＋ｑ．−ｑは与えら
れた機械的負荷＋Ｆ．−Ｆの合計に直接比例して圧電素
子１の表面に現れる電荷の量（公称電荷感度）は圧電素
子１の大きさや形状に関係なく現れ、これに対し、図６
及び図７で図示した次実施の形態のものは横軸効果によ
る圧電現象と称し、横軸効果によって現れる電荷の量
（公称電荷感度）は縦軸効果と異なり圧電素子１の大き
さや形状に関係し、座標軸Ｘにしたがった面の寸法に対
する座標軸Ｙにしたがった面の寸法の比に依存するもの
で、一般に横軸効果の電荷感度は縦軸効果に比較して５
０倍またはそれ以上が得られるものである。
【００２８】
【発明の効果】本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサは、前述の構成から、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
るものであり、機械的強度、又は、耐圧は圧電素子の面
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
燃焼圧に相当するもので、従って、圧電素子は小型化で
き、車載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もので、更には、燃焼圧
の計測と同時に燃焼波形のモニタが可能なもので、この
機能をノッキング検出として使うことができるものであ
る。
用センサは、前述の構成から、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
るものであり、機械的強度、又は、耐圧は圧電素子の面
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
燃焼圧に相当するもので、従って、圧電素子は小型化で
き、車載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もので、更には、燃焼圧
の計測と同時に燃焼波形のモニタが可能なもので、この
機能をノッキング検出として使うことができるものであ
る。
【００２９】更には、本発明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することを可能とし、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）制御を容易に行うことができ、排気量の増加
又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）に対しては圧電素子の面積の拡大、即ち、燃焼圧
センサの大型化により対応できるものである。
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することを可能とし、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）制御を容易に行うことができ、排気量の増加
又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）に対しては圧電素子の面積の拡大、即ち、燃焼圧
センサの大型化により対応できるものである。
【図１】図１は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの実施の形態の圧電素子に対して正の方向の機
械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を示
す説明図である。
用センサの実施の形態の圧電素子に対して正の方向の機
械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を示
す説明図である。
【図２】図２は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの実施の形態の圧電素子に対して負の方向の機
械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を示
す説明図である。
用センサの実施の形態の圧電素子に対して負の方向の機
械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を示
す説明図である。
【図３】図３は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの実施の形態の電荷を取り出すための構成を示
す説明図である。
用センサの実施の形態の電荷を取り出すための構成を示
す説明図である。
【図４】図４は本発明高温度中で使用できる圧力計測用
センサの実施の形態の電荷を取り出すための回路図であ
る。
センサの実施の形態の電荷を取り出すための回路図であ
る。
【図５】図５は本発明高温度中で使用できる圧力計測用
センサの実施の形態の内燃機関のシリンダヘッドの燃焼
室に取り付けた状態の説明図である。
センサの実施の形態の内燃機関のシリンダヘッドの燃焼
室に取り付けた状態の説明図である。
【図６】図６は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの次実施の形態の圧電素子に対して正の方向の
機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を
示す説明図である。
用センサの次実施の形態の圧電素子に対して正の方向の
機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を
示す説明図である。
【図７】図７は本発明の高温度中で使用できる圧力計測
用センサの次実施の形態の圧電素子に対して負の方向の
機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を
示す説明図である。
用センサの次実施の形態の圧電素子に対して負の方向の
機械的負荷が作用した場合の発生する電荷とその極性を
示す説明図である。
１ 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 シリンダヘッド １０ 燃焼室 １１ 回転角検出用ロータリエンコーダ １２ ピストン ＋Ｆ 正の方向の機械的負荷 −Ｆ 負の方向の機械的負荷 ＋ｑ プラスの電荷 −ｑ マイナスの電荷 Ｐ 燃焼の際に発生する圧力負荷
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 9/08 G01L 23/10 G01L 1/16 H01L 41/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】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ランガサイト（Ｌａ３
Ｇａ５ＳｉＯ１４）等の置換型単結晶材料を、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を備えたことを特
徴とする高温度中で使用できる圧力計測用センサ。 - 【請求項２】結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面に正の
方向の機械的負荷が作用すると一方面にプラスの電荷が
発生すると共に平行する他方面にマイナスの電荷が発生
し、逆に、負の方向の機械的負荷が作用すると極性が逆
転して一方面にマイナスの電荷が発生するとと共に平行
する他方面にプラスの電荷が発生する圧電素子の特性を
用いて、機械的負荷が作用する方向に結晶学上の座標軸
Ｘにしたがった面を整列させて、発生する電荷の量と極
性を測定して機械的負荷の大きさと方向を測定するよう
にしたことを特徴とする請求項１に記載の高温度中で使
用できる圧力計測用センサ。 - 【請求項３】結晶学上の座標軸Ｘにしたがった面と直交
する座標軸Ｙにしたがった面に正の方向の機械的負荷が
作用すると座標軸Ｚにしたがった一方面にプラスの電荷
が発生すると共に平行する他方面にマイナスの電荷が発
生し、逆に、負の方向の機械的負荷が作用すると極性が
逆転して一方面にマイナスの電荷が発生するとと共に平
行する他方面にプラスの電荷が発生する圧電素子の特性
を用いて、機械的負荷が作用する方向に結晶学上の座標
軸Ｘにしたがった面と直交する座標軸Ｙにしたがった面
を整列させて、発生する電荷の量と極性を測定して機械
的負荷の大きさと方向を測定するようにしたことを特徴
とする請求項１に記載の高温度中で使用できる圧力計測
用センサ。
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 JPH1054773A (ja) | 1998-02-24 |
| JP3256799B2 true 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) |
Families Citing this family (4)
| 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 |
| 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 |
| JP2010185852A (ja) * | 2009-02-13 | 2010-08-26 | Tdk Corp | 圧力センサ |
| 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 |
-
1996
- 1996-08-12 JP JP24244396A patent/JP3256799B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 福田承生，新圧電結晶ランガサイト，日本結晶成長学会誌，日本，２２巻５号，３５８−３６３ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1054773A (ja) | 1998-02-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4420980A (en) | Arrangement for measuring the pressure in cylindrical cavities | |
| Rogers | Engine combustion: pressure measurement and analysis | |
| US5672812A (en) | Sparkplug/pressure sensor device | |
| US5349873A (en) | Force transducer and pressure detecting circuit using the same | |
| JP2004317491A (ja) | 圧力センサ | |
| Merkisz et al. | Overview of engine misfire detection methods used in on board diagnostics | |
| EP1162442B1 (en) | Signal processing device for piezoelectric sensor with differentiating and integrating circuits | |
| JP3256799B2 (ja) | 高温度中で使用できる圧力計測用センサ | |
| US6668632B2 (en) | Spark apparatus with pressure signal response amplification | |
| US5758307A (en) | Normalized misfire detection method | |
| Dev et al. | Ion current measurement of diluted combustion using a multi-electrode spark plug | |
| GB2363846A (en) | Determination of engine torque using an ion current sensor | |
| Mock et al. | A miniaturized high-temperature pressure sensor for the combustion chamber of a spark ignition engine | |
| Von Berg et al. | Measurement of the cylinder pressure in combustion engines with a piezoresistive/spl beta/-SiC-on-SOI pressure sensor | |
| JPH0236327A (ja) | 半導体圧力変換器 | |
| JPH08122190A (ja) | 筒内圧センサ及びエンジン制御システム | |
| JPH07209126A (ja) | 圧電センサを使用した燃焼圧の検出と制御システム | |
| JP2527798B2 (ja) | 内燃機関の燃焼状態検出装置 | |
| JPH0577014B2 (ja) | ||
| PL79700B1 (ja) | ||
| JP2946126B2 (ja) | 内燃機関の燃焼状態監視装置 | |
| JPH0434327A (ja) | 燃焼圧力センサ | |
| JPH06213755A (ja) | 圧電変換装置及び該装置を用いた筒内圧力検出方法 | |
| JP2005009988A (ja) | 圧力計測用センサ | |
| KR950033031A (ko) | 왕복엔진 및 압축기용 모니터링시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314533 |
|
| R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees | ||
| R370 | Written measure of declining of transfer procedure |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R370 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314533 |
|
| R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R314533 |
|
| R370 | Written measure of declining of transfer procedure |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R370 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |