JPH0534230A

JPH0534230A - 圧電センサ

Info

Publication number: JPH0534230A
Application number: JP3349644A
Authority: JP
Inventors: Hideki Toyoda; 秀樹豊田; Tetsuma Shimosato; 徹馬下郷; Takao Kojima; 孝夫小島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1991-04-27
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1993-02-09
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: JP3123796B2

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電センサの主体金具１の内部に装着される
圧電素子７を、耐熱性、耐久性または焦電性が良好なも
のとすること。【構成】圧電素子７に、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ₃ ）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を用い、その
厚みが0.3mm 〜1.5mm の外形寸法を有する円形または角
形の板状圧電素子７を用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は内燃機関のシリンダー内圧の変化
等の、圧力、振動、加速度といった物理量を圧電素子に
よって検出する圧電センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のシリンダーブロックに設けら
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、圧力検出に用いられる圧電センサは公知である。

【０００３】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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
圧電センサは、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（ 500℃）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。このため、冷
却手段を要しない耐熱性に優れた圧電素子を備える圧電
センサが待望されている。さらには圧電素子の焦電効果
によるＳ／Ｎ比の低下を改善することも望まれている。

【０００５】またこのように、内燃機関のシリンダー内
圧を検出するものだけではなく、圧力、振動、加速度と
いった物理量を圧電素子によって検出する圧電センサに
あって、同様に耐熱性に優れ、Ｓ／Ｎ比の高いものが望
まれている。本発明は、かかる要望を満たし得る圧電セ
ンサの提供を目的とするものである。

【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るものにおい
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を用い、その厚みが0.3mm 〜1.5mm
の外形寸法を有する円形または角形の板状圧電素子を用
いた。かかる構成にあって、板状圧電素子は分極方向の
Ｚ軸成分が20°以下のものが適用され得る。

【０００７】また圧力、振動、加速度等の物理量を電気
的信号に変換する圧電素子を用いた圧電センサにおい
て、前記圧電素子を、ニオブ酸リチウムの単結晶圧電材
料よりなり、分極方向のＺ軸成分が20°以下としたもの
を用いた。

【０００８】

【作用】ＬｉＮｂＯ₃ のキュリー点は約1200℃であり、
またＬｉＴａＯ₃ のキュリー点は約 650℃であり、いず
れもキュリー温度が 500℃よりも高い。従ってかかる単
結晶圧電材料からなる圧電素子は、耐熱性に優れ、圧電
特性が劣化するようなことがない。

【０００９】また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0.3mm 未満では切断時の機
械的衝撃に耐えられない。また1.5mm を越えると切断時
の熱衝撃により割れが発生する。従って好ましくは1.0m
m 以下が良い。さらにこのような圧電センサーにおいて
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、この点からも0.3mm 以上が必要と
なる。

【００１０】また分極方向のＺ軸成分が20°以下とする
ことにより、圧電素子の焦電効果によるＳ／Ｎ比の低下
を改善することができる。

【００１１】一方、内燃機関のシリンダーの内圧を検出
するもの以外の圧電センサにあっては、その機械的衝撃
が小さい箇所に設定するのであれば、圧電素子が、ニオ
ブ酸リチウムの単結晶圧電材料よりなり、分極方向のＺ
軸成分が20°以下とすることにより、耐熱性に優れると
ともに、圧電素子の焦電効果によるＳ／Ｎ比の低下を改
善することができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示し、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で、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１
ａ側を貫通する異径孔４ａ，４ｂと、上端部１ｂ側を貫
通する径大孔４ｃとの連接孔よりなる。前記異径孔４
ａ，４ｂのうち、径大側の孔４ａには，その径小側の孔
４ｂに近いほうから電気絶縁環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により主体金具１と絶縁している。
また前記第１の端子部材６の上面からは後記する信号搬
送用ケーブル１２と接続する接続手６ａが、絶縁環５を
挿通して突設している。

【００１３】更に前記径大側の孔４ａには圧力伝達棒１
０が挿入され、その一端を第２の端子部材８に圧接し、
他端は主体金具１の下端部１ａ端面を機密に封口するよ
うに接合された金属製ダイアフラム１１に接着してい
る。この金属ダイアフラム１１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。

【００１４】前記六角部３側の径大孔４ｃの内面には、
段座４ｃ’が形成され、これに座定する鍔９ａを備えた
金属スリーブ９が嵌合されるとともに六角部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。

【００１５】前記金属スリーブ９の内部には信号搬送用
ケーブル１２の一端が挿通固定され、該ケーブル１２よ
り裸出した芯線１２ａが絶縁被覆した中継用導線１３を
介して第１の端子部材６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１の端子部材６と中継用
導線１３を通してケーブル１２の芯線１２ａに接続さ
れ、他方の電極は第２の端子部材８と伝達棒１０を通し
て主体金具１に接地接続されている。

【００１６】ここまでの構成は、従来公知であるが、本
発明の構成上の特徴とするところは、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 ）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
結晶圧電材料よりなり、厚みが0.3mm 〜 1.5mmの外形寸
法を有する円形（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。

【００１７】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。

【００１８】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、焼き付けても良
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。

【００１９】いま圧電素子７として、ニオブ酸リチウム
よりなり、次の表１に示す如くの外径寸法に超音波カッ
トを行なった。またダイアフラムの内外径も表１の如く
に変化させた。尚、試料No.4のみはタンタル酸リチウム
の単結晶圧電材料よりなる。ここで、試料No.2，No.4，
No.15 は角形であり、他は円形である。また、外径φmm
の欄で「Ｈ」印を付した試料は、ダイアフラムの肉厚を
0.1mm としたものであり、他は0.2mm の肉厚である。

【表１】上記表にあって、圧電センサをシリンダ容積2000cc、回
転数6000rpm 、最大シリンダ内圧力70kg/cm²の公称規格
を有する自動車の内燃機関に装着し、100 時間テストし
た後、圧電素子の破損を調査した。次にシリンダ内圧力
の変化に対する発生電荷を調査したところ試料No.1，試
料No.4及び試料No.7がやや乏しい圧力依存性を示した。
さらに、バンドヒータで加熱して温度依存性を調査した
ところ、試料No.1及び試料No.7が大きな温度依存性を示
し、ダイアフラム部での分圧の程度が大きく起因してい
ることが判明した。試料No.4についてはタンタル酸リチ
ウムの圧電特性が乏しいためと思われる。

【００２０】また試料を 0℃の水が入ったタンクと、 1
50℃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。このとき試料はNo.3，No.11
の寸法とし、ニオブ酸リチウム単結晶の各種の角度のカ
ット品につき行なった。その結果は図５の如くであっ
た。ここで縦軸は温度変化によって発生する電荷を示
し、横軸は分極方向のＺ軸成分の角度θを示す。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。
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。

【００２１】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
易となる。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。

【００２２】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。一方、
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
トの圧電特性（約20pC/N）はＸカットの圧電特性（数pC
/N）に比べ良好で、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。

【００２３】上述の実施例は、シリンダブロックに螺合
してシリンダの内圧力を検出するために用いられる圧電
センサに関するものであるが、このほか圧力、振動、加
速度等の物理量を検出する圧電センサに、単結晶構造の
圧電素子を用いることができる。

【００２４】図７は、内燃機関のノッキング検出に用い
られる圧電センサであって、その構成を説明する。ここ
で、２０は、内部に円筒状の内空部を設け、その上部開
口に蓋体２１をカシメ２２によって被着した六角形外周
の装着ケースであって、その下面に内燃機関のシリンダ
ブロック２９に設けた雌螺子に螺合する雄螺子２３が突
設されている。そしてその内空部には金属薄板２５上に
表裏に電極を備えた本発明に係るリング状の圧電素子２
６が接合して構成される振動感知部材２４がボルト２７
によって保持されている。また前記蓋体２１にはリード
線を介して圧電素子２６の電極と接続する端子２８が植
設されている。

【００２５】かかる構成にあって、エンジン燃焼室内で
ノッキングが起こると、その衝撃はシリンダブロック２
２に機械的振動として伝播し、該ブロック２２に螺装し
た装着ケース２０にノッキング固有の振動数と略等しい
振動を生ずる。このため該振動がボルト２７を介してケ
ース２０内部の振動感知部材２４に伝達し、ボルト２７
を中心としてその周部を揺動する。而して圧電素子２６
が歪んで信号電圧が発生し、かかる電圧を検出すること
によりノッキングの発生を検知することが可能となる。

【００２６】この構成にあって、前記圧電素子２６は、
ニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料よりなり、分極方向
のＺ軸成分を20°以下としている。このため、このよう
な圧電センサにあっては、シリンダブロック２０に固定
されるため、200 ℃以上の高温となり、温度及び焦電効
果による影響が問題となるが、上述したように、本発明
にかかる圧電素子２６は、耐熱性があり、焦電効果によ
る影響が小さく、かかる高温雰囲気による問題が解決さ
れる。

【００２７】図８は、加速度計として用いられる圧電セ
ンサであって、その構成を説明する。ここで、３０はケ
ースであって、該ケース３０内でケース基板３１上に
は、圧電素子３２と重錘３３とを積み上げて固定してい
る。そして前記ケース基板３１の下面に突成した取付け
螺子３４を走行体に螺着して固定される。かかる構成の
圧電センサにあっては、例えば自動車のエアーバック等
を作動させるための加速度検出に用いられる。このよう
に、自動車に配設される場合にあっては、高温でしかも
温度変化を生じ易く、耐熱性があり、焦電効果による影
響が小さいセンサーが求められ、前記圧電素子３２をニ
オブ酸リチウムの単結晶圧電材料よりなり、分極方向の
Ｚ軸成分を20°以下としたものが好適となる。

【００２８】尚、前記図７，８の構成にあっては、エン
ジン内に直接、一部を挿入するものではないから、図１
で示した圧電センサに比して、その機械的衝撃が小さ
く、このためかならずしも圧電素子の厚は0.3mm 〜1.5m
mに限定されるものではない。

【００２９】

【発明の効果】エンジンブロック内の圧力を検出する本
発明の圧電センサは、上述のように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ＬｉＮｂＯ₃ ，ＬｉＴａＯ₃ または
これと同効の単結晶圧電材料を用いたから、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。さらに本発明では圧電素子の厚みを0.3mm 〜1.5mm
とすることによって、ダイアフラムとの面積比を想定す
ることによって製作が容易となるばかりか、使用中にシ
リンダ内圧力によって素子が破損するといった危険をも
皆無とすることができる。このためかかる構成にあって
は耐熱性、耐久性または焦電性に優れ、小型、安価な圧
電センサを市場に供し得るという効果がある。

【００３０】またこのほかの圧力、振動、加速度等の物
理量を電気的信号に変換する圧電素子を用いた圧電セン
サにあっては、前記圧電素子が、ニオブ酸リチウムの単
結晶圧電材料よりなり、分極方向のＺ軸成分が20°以下
とすることにより、高温下にあっても耐熱性及び焦電性
に優れ、安定した特性を生ずる。このように、本発明は
耐熱性、耐久性または焦電性に優れ、小型、安価な圧電
センサを市場に供し得るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す圧電センサの縦断側面
図である。

【図２】圧電素子７を円形に作成したものの斜視図であ
る。

【図３】圧電素子７を角形に作成したものの斜視図であ
る。

【図４】圧電素子７の切り出し手段を示す斜視図であ
る。

【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。

【図６】Ｚ軸成分の角度θの概念を示す座標である。

【図７】ノッキング検出に用いられる圧電センサの縦断
側面図である。

【図８】加速度計として用いられる圧電センサの縦断側
面図である。

【符号の説明】

１主体金具４軸孔７，２６，３２圧電素子１１金属製ダイアフラム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
で密封してなるものにおいて、前記圧電素子として500
℃以上の温度のキュリー点を有する単結晶圧電材料より
なり、厚み0.3mm 〜1.5mm の外形寸法を有する円形もし
くは角形の板状圧電素子を用いたことを特徴とする圧電
センサ。
【請求項２】前記板状圧電素子が、ニオブ酸リチウム
の単結晶圧電材料よりなることを特徴とする請求項１記
載の圧電センサ。
【請求項３】前記板状圧電素子が、分極方向のＺ軸成
分が20°以下であることを特徴とする請求項１記載の圧
電センサ。
【請求項４】圧力、振動、加速度等の物理量を電気的
信号に変換する圧電素子を用いた圧電センサにおいて、
前記圧電素子が、ニオブ酸リチウムの単結晶圧電材料よ
りなり、分極方向のＺ軸成分が20°以下であることを特
徴とする圧電センサ。