JP3322730B2 - 内燃機関のシリンダー内圧の変化を検出するための信号変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のシリンダー
内の、燃料噴射，燃焼，ノッキング等に伴う圧力変化を
圧電素子板の圧縮歪に伴って生ずる信号出力により検出
する圧力センサーとして利用し得る内燃機関のシリンダ
ー内圧の変化を検出するための信号変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の信号変換装置として、内燃機関
のシリンダーに装着される装着ボディの装着孔内に、検
出用圧電素子板，力伝達杆等を収納し、該力伝達杆の検
知端を装着ボディから突出し、該検知端を装着ボディの
先端を覆う金属製ダイアフラムと連接して構成し、前記
金属製ダイアフラムに作用する圧力を前記力伝達杆を介
して荷重として圧電素子板に及ぼし、圧電素子板に圧縮
歪を生じさせて、電荷を発生させ、これを出力信号とし
て取出して該圧力変動を検知する圧力センサーがある。

【０００３】ところで、圧電素子板は焦電性により、温
度上昇に伴って、図７及び図８の焦電気量に示すように
出力が上昇する。このため、この種圧力センサーにあっ
て、圧力変化が生じないにも係わらず、その出力が閾値
を越えて誤作動を生ずる等、特性が不安定となる欠点を
生じていた。またシリンダー内で発生する種々の振動が
ノイズとして、信号波形に重畳する欠点もあった。

【０００４】この焦電性による影響を除去するものとし
て、実開昭63-84540号に開示されているように、圧電素
子板を、中央部の分極方向と周部の分極方向を逆として
夫々に電極を分離状に形成し、中央下部に陥没孔が形成
された支持端子板と、中央上部に陥没孔が形成された支
持端子板を前記圧電素子板の上下に配設して、各支持端
子板の周端面で該圧電端子板の周部を挟持して力伝達杆
からの力の作用を受ける圧電検出部とし、その中央部を
支持端子板の陥没孔で囲繞して温度補償部とし、その両
部分を略同じ温度雰囲気中に配置し、かつ前記温度補償
部の電極を夫々被着側の支持端子板にリード線により電
気的に接続したものが提案された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の構成にあって
は、圧電素子板の分極工程が面倒であり、支持端子板も
特殊形状となり、製造が面倒であるという問題点があ
る。

【０００６】

【０００７】本発明は、上述の圧力センサーに用いられ
るものであって、焦電性による影響を除去し得ると共に
Ｓ／Ｎ比を向上し得るのに最適な信号変換装置の提供を
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、鍔状挟圧部の
中央に、上下方向へ受力杆部を突設してなる導電性質 量
伝達体の、その鍔状挟圧部の上下位置に、受力杆部へ、
厚み方向に分極された環状圧電素子板を同一分極方向に
揃えて夫々外嵌することにより圧電出力体を構成し、該
圧電出力体を、内燃機関のシリンダーに先端を内部に臨
ませて付装される筒状装着ボディの軸方向に沿って先端
にまで開口する装着孔内に挟持し、該装着孔の先端側に
挿入した力伝達杆の内端を絶縁材を介して質量伝達体の
受力杆部と連接し、さらに、装着ボディの先端を覆う金
属製ダイアフラムを前記力伝達杆の外端に連接し、前記
金属製ダイアフラムに作用する圧力を前記力伝達杆を介
して導電性質量伝達体に及ぼすようにすると共に、上下
の圧電素子板の内外電極間から出力信号を取り出す信号
取り出し手段を備えたことを特徴とする内燃機関のシリ
ンダー内圧の変化を検出するための信号変換装置であ
る。

【０００９】

【作用】質量伝達体の上下に配設された圧電素子板は、
焦電性により熱に対して同様の電荷が発生する。ところ
が、両圧電素子板の異極同士は夫々電気的に接続してい
る。このため、焦電性による出力成分は消去し合うこと
となる。

【００１０】また、上下の圧電素子板は質量伝達体を介
在させて装着ボディ内で挟持されて予荷重を付与されて
いるため、圧電出力体に力が作用すると、一方の圧電素
子板には、圧縮力が作用し、他方の圧電素子板には、予
荷重を緩和する方向への力が作用する。このため、前記
圧電素子板の電荷の方向は逆となり、前記質量伝達体に
接続している内側電極に同一極性の電荷が生ずる。そし
て、両圧電素子板に発生した電荷が重畳し、大きな出力
信号を取り出し得ることとなる。

【００１１】

【００１２】

【実施例】図１は本発明に係る内燃機関のシリンダー内
圧の変化を検出するための圧力センサーの一実施例を示
す。

【００１３】同図にあって、周面にシリンダーヘッドに
螺合する螺子部２が形成された筒状の装着ボディ１の中
心には、軸方向に沿って、その先端にまで開口する装着
孔３が形成されている。前記装着孔３は、その上部を径
大の付装孔４とし、下部を径小の挿通孔５としている。
前記付装孔４の中央部内周面には雌螺子６が形成されて
いる。

【００１４】この付装孔４と挿通孔５の間に生ずる段面
７には、本発明の要部に係る圧電出力体２０が装着され
る。この圧電出力体２０は図２で拡大して示すように、
鍔状挟圧部２３の上下方向に受力杆部２２ａ，２２ｂを
突成してなる導電性質量伝達体２１（図３参照）と、上
下の受力杆部２２ａ，２２ｂに、絶縁チューブ２７，２
７を被覆して、夫々厚み方向に分極された環状圧電素子
板２４ａ，２４ｂをその内径を受力杆部２２ａ，２２ｂ
の外径とほぼ等しくし、かつ上方を正、下方を負とする
同一分極方向に揃えて夫々外嵌することにより構成する
ようにしている。尚、同一分極方向に揃えてあれば上方
を負、下方を正にしても構わない。そして下部の受力杆
部２２ｂを絶縁チューブ２７を介して挿通孔５に挿入
し、上述のように各鍔状挟圧部２３を介在させて積層さ
れた環状圧電素子板２４ａ，２４ｂを段面７上に支持す
るようにしている。この構成は後にさらに詳述する。

【００１５】また前記挿通孔５には、例えばアルミナ，
ジルコニア等からなる電気及び熱を絶縁する絶縁ロッド
２６及び力伝達杆２８が挿入され、この力伝達杆２８の
外端を挿通孔５から下方突出する。そして、該外端には
立上がり側壁を装着ボディ１下端に外嵌固着した金属製
ダイヤフラム２９が連接される。

【００１６】一方、前記付装孔４の雌螺子６には締付け
ネジ３１が螺着され、その螺合緊締によりその下面と段
面７とで、各鍔状挟圧部２３を介在させて積層された環
状圧電素子板２４ａ，２４ｂを挟持して予荷重が付与さ
れることとなる。

【００１７】この締付けネジ３１は中心に導通孔３２が
形成され、前記導電性質量伝達体２１の受力杆部２２ａ
に抵抗溶接や半田付等により接続されたリード線ｘが、
絶縁チューブ３４により締付けネジ３１との電気的絶縁
を確保して、締付けネジ３１から上方へ引出される。ま
た絶縁チューブ３４の脱落防止と、受圧杆部２２ａとリ
ード線ｘとの接合点への振動等による応力集中を避ける
ために、該締付けネジ３１上には充填材３３が供給され
る。

【００１８】一方、前記装着ボディ１の上端にはケーブ
ルｙを挿通するキャップ３４が被着され、キャップ３４
内をケーブルｙがゴムチューブ３５及びストッパ３６を
介して挿通し、その芯線に端子５３を加締めた後に該端
子５３を付装孔４内でリード線ｘと接続し、該ケーブル
ｙにより後述する圧電出力体２０から発生する出力信号
を外部へ取り出すようにしている。

【００１９】この構成からなる力センサーは、装着ボデ
ィ１の螺子部２をガスケット３７を介してシリンダーヘ
ッドに螺着し、装着ボディ１先端を該シリンダー内に臨
ませて付装される。

【００２０】次に前記圧電出力体２０の作用を説明す
る。

【００２１】前記環状圧電素子板２４ａ，２４ｂは、そ
の両内面電極を鍔状挟圧部２３に接触させて、導電性質
量伝達体２１に電気的に接続し、かつ上述したようにケ
ーブルｙにより外部電路と接続することとなる。また、
環状圧電素子板２４ａの外面電極は前記締付けネジ３１
と接続し、下部の環状圧電素子板２４ｂの外面電極は段
面７と接続し、これにより環状圧電素子板２４ａ，２４
ｂの両外面電極は前記装着ボディ１と接続されてボディ
アースされることとなる。

【００２２】この構成からなる圧力センサーにあって、
シリンダー内に圧力変動が生ずると、該力が金属製ダイ
ヤフラム２９に作用力に変換され、力伝達杆２８を押し
上げ、絶縁ロッド２６を介して受力杆部２２ｂに圧力が
伝達する。このため、環状圧電素子板２４ａ，２４ｂ間
の鍔状挟圧部２３により、上方の環状圧電素子板２４ａ
が締付けネジ３１間で挟圧されて圧縮し、さらに環状圧
電素子板２４ｂは、段面７と鍔状挟圧部２３とによる予
荷重を緩和される。

【００２３】このため、前記圧電素子板２４ａ，２４ｂ
の電荷の方向は逆となり、前記質量伝達体２１に接続し
ている内側電極に同一極性の電荷が生ずる。そして、両
圧電素子板２４ａ，２４ｂに発生した電荷が重畳し、大
きな出力信号を発生することとなり、上述したように、
ケーブルｙにより外部電路側へ出力することとなる。

【００２４】かかる構成にあって、圧電素子板２４ａ，
２４ｂは、焦電性により熱に対して同様の電荷が発生す
る。ところが、両圧電素子板２４ａ，２４ｂの異極同士
は夫々電気的に接続している。このため、焦電性による
出力成分は消去し合うこととなる。

【００２５】さらに、この構成にあっては、鍔状挟圧部
２３の中心で、上下方向に受力杆部受力杆部２２ａ，２
２ｂを突出し、環状圧電素子板２４ａ，２４ｂの内径を
受力杆部２２ａ，２２ｂの外径とほぼ等しくして、該環
状圧電素子板２４ａ，２４ｂを受力杆部２２ａ，２２ｂ
に外嵌している。このため、環状圧電素子板２４ａ，２
４ｂを安定して装着することができ、装着時に横ずれを
生じず、安定した特性を生じさせることができる。ま
た、受力杆部２２ｂの突成により力伝達杆２７との連係
が可能となる。

【００２６】

【００２７】

【００２８】この構成にあって、全体に環状圧電素子板
２４ａ，２４ｂの積層方向に沿った加速度が作用する
と、質量伝達体２１の慣性力により、一方の圧電素子板
を圧縮し、他方の圧電素子板を予荷重が緩和するように
作用することとなり、このため、両圧電素子板２４ａ，
２４ｂの電荷の方向は逆となり、前記質量伝達体２１に
接続している内側電極及び外側電極に夫々に同一極性の
電荷が生ずる。そして、両圧電素子板２４ａ，２４ｂに
発生した電荷が重畳し、大きな出力信号を発生すること
となる。また同様に焦電性による出力成分を消去するこ
とが可能となる。

【００２９】すなわち出力が高くなり、ノイズが低下す
るからＳ／Ｎ比が向上することとなる。

【００３０】図４〜６は上述の構成と類似した（同一符
号により説明を省略する）実施例においてその焦電特性
を調べたものである。ここで、図４は、本発明のように
上下に二枚の環状圧電素子板２４ａ，２４ｂを配設した
場合、図５は上部に環状圧電素子板２４ａを、下部に絶
縁板５４を夫々適用した場合、図６は下部に環状圧電素
子板２４ｂを、上部に絶縁板５４を夫々のみを適用した
場合にあって、夫々の焦電気量と、素子部温度との関係
を示すものである。このグラフから、図４の本発明の構
成は、温度変化があっても、焦電気量が低く、ノイズが
小さいことが理解される。

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】而て、前記構成にあっては、焦電性による
影響が消去され、必要な成分のみが出力として取出され
ることとなる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の信号変換装置は、上述したよう
に、導電性質量伝達体の上下に、圧電素子板を同一分極
方向に揃えて配設することにより圧電出力体を構成し
て、装着ボディ内に挟持し、上下の圧電素子板の内側電
極を質量伝達体に電気的に接続し、内外電極間から信号
を電気的に取り出すようにしてなるものであるから、質
量伝達体の上下に配設された圧電素子板に、焦電性によ
り電荷が夫々発生しても、両圧電素子板の異極同士を夫
々電気的に接続しているため、その出力成分が消去さ
れ、焦電性によるノイズを低下することができると共
に、上下の圧電素子板は質量伝達体を介在させて装着ボ
ディ内で挟持されているため、圧電出力体に荷重又は慣
性力が作用すると、一方の圧電素子板には、圧縮力が作
用し、他方の圧電素子板には、予荷重を緩和する方向へ
の力が作用して、両圧電素子板に発生した電荷が重畳
し、大きな出力信号を発生することとなる。従って、Ｓ
／Ｎ比が向上し、信号変換装置として最適となる。

【００３６】また、導電性質量伝達体の形状を鍔状挟圧
部の中央部の上下方向に受力杆部を突設して構成し、鍔
状挟圧部の上下位置で、受力杆部に、厚み方向に分極さ
れた環状圧電素子板を同一分極方向に揃えて夫々外嵌し
た場合には、圧電素子板が安定して保持され、装着が容
易となると共に、装着状態のバラツキによる特性の変動
を防止することができる等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を力センサーに適用した実施例の縦断側
面図である。

【図２】同上の要部の拡大断面図である。

【図３】導電性質量伝達体２１の斜視図である。

【図４】 本発明の焦電性を示す説明図である。

【図５】比較例の焦電性を示す説明図である。

【図６】他の比較例の焦電性を示す説明図である。

【符号の説明】１ 装着ボディ ３ 装着孔２０ 圧電出力体２１ 導電性質量伝達体 ２２ａ，２２ｂ 受力杆部 ２３ 鍔状挟圧部２４ａ，２４ｂ 圧電素子板２８ 力伝達杆３１ 締付けネジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−350531（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−204137（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−290937（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−81230（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−84540（ＪＰ，Ｕ) 特表 平５−500861（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 23/10 G01L 23/22 G01L 9/08 G01P 15/09

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鍔状挟圧部の中央に、上下方向へ受力杆部
   を突設してなる導電性質量伝達体の、その鍔状挟圧部の
   上下位置に、受力杆部へ、厚み方向に分極された環状圧
   電素子板を同一分極方向に揃えて夫々外嵌することによ
   り圧電出力体を構成し、該圧電出力体を、内燃機関のシ
   リンダーに先端を内部に臨ませて付装される筒状装着ボ
   ディの軸方向に沿って先端にまで開口する装着孔内に挟
   持し、該装着孔の先端側に挿入した力伝達杆の内端を絶
   縁材を介して質量伝達体の受力杆部と連接し、さらに、
   装着ボディの先端を覆う金属製ダイアフラムを前記力伝
   達杆の外端に連接し、前記金属製ダイアフラムに作用す
   る圧力を前記力伝達杆を介して導電性質量伝達体に及ぼ
   すようにすると共に、上下の圧電素子板の内外電極間か
   ら出力信号を取り出す信号取り出し手段を備えたことを
   特徴とする内燃機関のシリンダー内圧の変化を検出する
   ための信号変換装置。