JPH06213118A - 圧電点火装置 - Google Patents
圧電点火装置Info
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- JPH06213118A JPH06213118A JP833293A JP833293A JPH06213118A JP H06213118 A JPH06213118 A JP H06213118A JP 833293 A JP833293 A JP 833293A JP 833293 A JP833293 A JP 833293A JP H06213118 A JPH06213118 A JP H06213118A
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- piezoelectric body
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 圧電体の負荷容量が経年劣化により増加した
場合にも、点火を行うに十分な高電圧を発生することが
できる圧電点火装置を得る。 【構成】 圧電点火装置における圧電体の断面積Ｓと長
さＬの比を、負荷容量を伴う上記圧電体の出力電圧Ｖ２
が最大となる値以上に設定した。
場合にも、点火を行うに十分な高電圧を発生することが
できる圧電点火装置を得る。 【構成】 圧電点火装置における圧電体の断面積Ｓと長
さＬの比を、負荷容量を伴う上記圧電体の出力電圧Ｖ２
が最大となる値以上に設定した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、圧電体の発生する高
電圧を利用して内燃機関の点火を行う圧電点火装置に係
り、特に圧電体の負荷容量を考慮することにより、高電
圧を発生することができると共に、圧電体の負荷容量が
経年劣化により増加した場合にも、点火を行うに十分な
高電圧を発生することができる圧電点火装置に関するも
のである。
電圧を利用して内燃機関の点火を行う圧電点火装置に係
り、特に圧電体の負荷容量を考慮することにより、高電
圧を発生することができると共に、圧電体の負荷容量が
経年劣化により増加した場合にも、点火を行うに十分な
高電圧を発生することができる圧電点火装置に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の圧電点火装置の構成を示す
断面図である。従来の圧電点火装置は、点火プラグ１に
接続され、歪みエネルギを電気エネルギに変換して電圧
を発生する圧電体２と、この圧電体２に隣接され、電気
エネルギを歪みエネルギに変換して圧力を発生する圧電
アクチュエータ３と、この圧電アクチュエータ３の歪み
を規制して圧力を発生させ、且つこの圧力が圧電体２に
印加されるように、圧電アクチュエータ３と圧電体２と
を固定保持する筺体４とを備えて構成され、圧電アクチ
ュエータ３には、圧電アクチュエータ３に電気エネルギ
としての電圧を印加する駆動回路５が接続されている。
断面図である。従来の圧電点火装置は、点火プラグ１に
接続され、歪みエネルギを電気エネルギに変換して電圧
を発生する圧電体２と、この圧電体２に隣接され、電気
エネルギを歪みエネルギに変換して圧力を発生する圧電
アクチュエータ３と、この圧電アクチュエータ３の歪み
を規制して圧力を発生させ、且つこの圧力が圧電体２に
印加されるように、圧電アクチュエータ３と圧電体２と
を固定保持する筺体４とを備えて構成され、圧電アクチ
ュエータ３には、圧電アクチュエータ３に電気エネルギ
としての電圧を印加する駆動回路５が接続されている。
【０００３】圧電体２は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジル
コン酸鉛）等の圧電素子が圧力を受けた場合に分極電荷
を発生することによって電圧を発生するという原理を利
用したものであって、印加圧力Ｆに対して次式で表せる
電圧を発生する。
コン酸鉛）等の圧電素子が圧力を受けた場合に分極電荷
を発生することによって電圧を発生するという原理を利
用したものであって、印加圧力Ｆに対して次式で表せる
電圧を発生する。
【０００４】Ｖ＝ｇＬＦ／Ｓ
【０００５】ここで、ｇは電圧出力定数、Ｌは圧電体の
長さ、Ｓは圧電体の断面積である。図３ではこのような
圧電体２を２個対向させて使用し、これらの対向面２ａ
に同符号の電荷（負電荷）が発生するよう並列にして、
ここに点火プラグ１に接続された電極２ｂを設け、それ
らの反対側の端面２ｃをアース電極側としている。
長さ、Ｓは圧電体の断面積である。図３ではこのような
圧電体２を２個対向させて使用し、これらの対向面２ａ
に同符号の電荷（負電荷）が発生するよう並列にして、
ここに点火プラグ１に接続された電極２ｂを設け、それ
らの反対側の端面２ｃをアース電極側としている。
【０００６】圧電アクチュエータ３は、複数の薄い圧電
素子３ａが、正負交互に配列された電極３ｂを挟んで電
気的には並列に設けられた積層構造をなし、一つの圧電
素子に対して印加された電圧によって全ての圧電素子３
ａが同じ歪み（伸びまたは縮み）を発生し、この歪みを
筺体４と圧電体２で規制することによって圧電体２に大
きな圧力を印加するよう構成されている。この圧電アク
チュエータ３の両端部にはアース電極をなすとともに複
数の薄い圧電素子３ａの保護のための金属体３ｃが設け
られている。
素子３ａが、正負交互に配列された電極３ｂを挟んで電
気的には並列に設けられた積層構造をなし、一つの圧電
素子に対して印加された電圧によって全ての圧電素子３
ａが同じ歪み（伸びまたは縮み）を発生し、この歪みを
筺体４と圧電体２で規制することによって圧電体２に大
きな圧力を印加するよう構成されている。この圧電アク
チュエータ３の両端部にはアース電極をなすとともに複
数の薄い圧電素子３ａの保護のための金属体３ｃが設け
られている。
【０００７】筺体４は、円柱状の外形状をなして、その
中心軸に沿って設けられた穴４ａを有し、この穴４ａに
圧電体２と圧電アクチュエータ３とを順次挿入した後、
固定ネジ４ｂで圧電アクチュエータ３の後端部をなす金
属体３ｃを押圧支持して固定する。以上の構成によっ
て、圧電アクチュエータ３は筺体４の固定ネジ４ｂと圧
電体２によってその歪みが規制され、発生した圧力を圧
電体２に印加させることができる。
中心軸に沿って設けられた穴４ａを有し、この穴４ａに
圧電体２と圧電アクチュエータ３とを順次挿入した後、
固定ネジ４ｂで圧電アクチュエータ３の後端部をなす金
属体３ｃを押圧支持して固定する。以上の構成によっ
て、圧電アクチュエータ３は筺体４の固定ネジ４ｂと圧
電体２によってその歪みが規制され、発生した圧力を圧
電体２に印加させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電体の発
生する電圧は、その電気負荷としての点火プラグ内の静
電容量や、アースに対する浮遊容量等の静電容量による
影響を受け、これら静電容量成分が大きくなると、圧電
体の出力電圧が低下する。しかも静電容量は経年劣化に
より変化して大きくなる。一方この出力電圧と静電容量
との関係は圧電体の断面積と長さの比にも関係し、従っ
て、圧電点火装置によって点火に十分な高電圧を確保す
るためには、これら経年劣化による静電容量の変化、圧
電体の断面積と長さの比を考慮した設計がなされなけれ
ばならないが、従来の圧電点火装置においては、かかる
考慮が不十分であり、したがって経年劣化等により、圧
電点火装置の出力電圧が低下し、内燃機関の点火が不十
分になるおそれがあるという問題点があった。
生する電圧は、その電気負荷としての点火プラグ内の静
電容量や、アースに対する浮遊容量等の静電容量による
影響を受け、これら静電容量成分が大きくなると、圧電
体の出力電圧が低下する。しかも静電容量は経年劣化に
より変化して大きくなる。一方この出力電圧と静電容量
との関係は圧電体の断面積と長さの比にも関係し、従っ
て、圧電点火装置によって点火に十分な高電圧を確保す
るためには、これら経年劣化による静電容量の変化、圧
電体の断面積と長さの比を考慮した設計がなされなけれ
ばならないが、従来の圧電点火装置においては、かかる
考慮が不十分であり、したがって経年劣化等により、圧
電点火装置の出力電圧が低下し、内燃機関の点火が不十
分になるおそれがあるという問題点があった。
【０００９】この発明は上記の問題点を解決するために
なされたもので、圧電体の負荷容量を考慮することによ
り、高電圧を発生することができると共に、圧電体の負
荷容量が経年劣化により増加した場合にも、点火を行う
に十分な高電圧を発生することができる圧電点火装置を
得ることを目的としている。
なされたもので、圧電体の負荷容量を考慮することによ
り、高電圧を発生することができると共に、圧電体の負
荷容量が経年劣化により増加した場合にも、点火を行う
に十分な高電圧を発生することができる圧電点火装置を
得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る圧電点火装置は、圧電体の断面積と長さの比を、負荷
容量を伴う上記圧電体の出力電圧が最大となる値以上に
設定したものである。
る圧電点火装置は、圧電体の断面積と長さの比を、負荷
容量を伴う上記圧電体の出力電圧が最大となる値以上に
設定したものである。
【００１１】この発明の請求項２に係る圧電点火装置
は、圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う上記
圧電体の出力電圧が最大となる値からこの値の１．５倍
までの間に設定したものである。
は、圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う上記
圧電体の出力電圧が最大となる値からこの値の１．５倍
までの間に設定したものである。
【００１２】
【作用】この発明の請求項１に係る圧電点火装置によれ
ば、圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う上記
圧電体の出力電圧が最大となる値以上に設定することに
より、経年劣化による負荷容量の増加に対して出力電圧
の大幅な低下を防止できる。
ば、圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う上記
圧電体の出力電圧が最大となる値以上に設定することに
より、経年劣化による負荷容量の増加に対して出力電圧
の大幅な低下を防止できる。
【００１３】この発明の請求項２に係る圧電点火装置に
よれば、圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う
上記圧電体の出力電圧が最大となる値からこの値の１．
５倍までの間に設定することにより、高電圧を発生する
ことができると共に、圧電体の負荷容量が経年劣化によ
り増加した場合にも、点火を行うに十分な高電圧を確保
することができる。
よれば、圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う
上記圧電体の出力電圧が最大となる値からこの値の１．
５倍までの間に設定することにより、高電圧を発生する
ことができると共に、圧電体の負荷容量が経年劣化によ
り増加した場合にも、点火を行うに十分な高電圧を確保
することができる。
【００１４】
実施例１．以下、この発明の実施例を図について説明す
る。この実施例における圧電点火装置の断面構成は図３
に示したものと同様であるが、この実施例では、圧電体
２の断面積（Ｓ）と長さ（Ｌ）の比（Ｓ／Ｌ）を、圧電
点火装置の製作時における負荷容量［Ｃ１＝１０×１０
-12（Ｆ）］に対して、１．５３×１０-3（ｍ）以上に
設定している。このように断面積と長さの比Ｒ１を設定
することにより、経年劣化により負荷容量が増大して
も、圧電体２の出力電圧はあまり低下しないことを以下
に示す。
る。この実施例における圧電点火装置の断面構成は図３
に示したものと同様であるが、この実施例では、圧電体
２の断面積（Ｓ）と長さ（Ｌ）の比（Ｓ／Ｌ）を、圧電
点火装置の製作時における負荷容量［Ｃ１＝１０×１０
-12（Ｆ）］に対して、１．５３×１０-3（ｍ）以上に
設定している。このように断面積と長さの比Ｒ１を設定
することにより、経年劣化により負荷容量が増大して
も、圧電体２の出力電圧はあまり低下しないことを以下
に示す。
【００１５】いま、圧電体２の無負荷時の出力電圧をＶ
１、圧電体２の静電容量をＣ１、点火プラグ１や浮遊容
量による負荷の静電容量をＣ２とすると、負荷時の出力
電圧Ｖ２は次式のようになる。
１、圧電体２の静電容量をＣ１、点火プラグ１や浮遊容
量による負荷の静電容量をＣ２とすると、負荷時の出力
電圧Ｖ２は次式のようになる。
【００１６】Ｖ２＝Ｃ１×Ｖ１／（Ｃ１＋Ｃ２）
【００１７】しかるに圧電体２の誘電率をεとすれば、
【００１８】Ｃ１＝ε・Ｓ／Ｌ
【００１９】 従って、Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）＝ε・Ｓ／［Ｌ（εＳ／Ｌ＋Ｃ２）］ （１） となる。
【００２０】また、圧電体２の歪み量（圧電アクチュエ
ータ３の歪み量）をδ、圧電定数をｄ、圧電アクチュエ
ータの最大印加圧力をＦ0とすれば、
ータ３の歪み量）をδ、圧電定数をｄ、圧電アクチュエ
ータの最大印加圧力をＦ0とすれば、
【００２１】 Ｖ１＝ｇ・Ｌ・Ｆ／Ｓ δ＝ｄ・Ｖ１ δ＝−δ0・Ｆ／Ｆ0＋δ0 （２）
【００２２】という３式が成立し、これら式より、
【００２３】 Ｖ１＝δ0／［ｄ＋δ0・Ｓ／（Ｆ0・ｇ・Ｌ）］ （３）
【００２４】が成立する。従って、
【００２５】 Ｖ２＝Ｓ／［Ｌ｛Ｓ／Ｌ＋Ｃ２／ε｝］×Ｆ0・ｇ／［Ｓ／Ｌ＋ｄ・ ｇ・Ｆ0／δ0］ （４）
【００２６】となる。以上（１）〜（４）式の関係をグ
ラフに示すと、図１〜図４（実線）のようになる。
（４）式より圧電体２の出力電圧であるＶ２の最大値を
与える圧電体２の断面積とその長さの比（Ｓ／Ｌ）は、
ラフに示すと、図１〜図４（実線）のようになる。
（４）式より圧電体２の出力電圧であるＶ２の最大値を
与える圧電体２の断面積とその長さの比（Ｓ／Ｌ）は、
【００２７】 Ｓ／Ｌ＝（Ｃ２／ε・ｄ・ｇ・Ｆ0／δ0）1/2＝ｇ（Ｃ２・Ｆ0／δ0）1/2 （５）
【００２８】となる。ところで、圧電体２の負荷容量と
なる静電容量Ｃ２は、圧電点火装置の製作時において、
およそ１０ｐＦであり、その後、経年劣化によりこの値
は増大し、およそ２５ｐＦ程度にまで増大する。
なる静電容量Ｃ２は、圧電点火装置の製作時において、
およそ１０ｐＦであり、その後、経年劣化によりこの値
は増大し、およそ２５ｐＦ程度にまで増大する。
【００２９】そこで、製作時の静電容量Ｃ２として１０
ｐＦを用い、圧電体２について、 ε＝１６×１０-9（Ｆ／ｍ）、 ｄ＝４５０×１０-12（ｍ／ｖ） ｇ＝２５×１０-3（Ｖ・ｍ／Ｎ） とし、圧電アクチュエータ３について、 Ｆ0＝１００００（Ｎ） δ0＝３０×１０-6（ｍ） とすれば、圧電体の最大出力電圧を表す（５）式の値
は、
ｐＦを用い、圧電体２について、 ε＝１６×１０-9（Ｆ／ｍ）、 ｄ＝４５０×１０-12（ｍ／ｖ） ｇ＝２５×１０-3（Ｖ・ｍ／Ｎ） とし、圧電アクチュエータ３について、 Ｆ0＝１００００（Ｎ） δ0＝３０×１０-6（ｍ） とすれば、圧電体の最大出力電圧を表す（５）式の値
は、
【００３０】 Ｓ／Ｌ（V2max）＝１．５３×１０-3（ｍ） （６）
【００３１】となり、この時、最大出力電圧は、
【００３２】 Ｖ２max＝３３．６（ｋＶ） （７）
【００３３】となる。次に、静電容量Ｃ２として経年劣
化した値である２５ｐＦを用いて、同様に（５）式の値
と、圧電体の最大出力電圧Ｖ２maxを求めると、（５）
式の値は約１．５倍となり、
化した値である２５ｐＦを用いて、同様に（５）式の値
と、圧電体の最大出力電圧Ｖ２maxを求めると、（５）
式の値は約１．５倍となり、
【００３４】 Ｓ／Ｌ（V2max）＝２．４２×１０-3（ｍ） （８） Ｖ２max＝２４．７（ｋＶ） （９）
【００３５】となる。
【００３６】図４は以上のように求めた圧電体のＳ／Ｌ
と最大出力電圧との関係を示した図である。図４におい
て、実線と破線はそれぞれ経年劣化前後における上記関
係を示したものである。この図４からも明らかなよう
に、経年劣化により静電容量が増大すると、最大出力電
圧のピークはＳ／Ｌの大きい方にずれる。そこで、圧電
点火装置の製作時、即ち経年劣化前において、圧電体２
の断面積と長さの比を、経年劣化前において計算された
（６）式の値、即ち経年劣化前に最大出力電圧を与える
値以上に設定しておけば、製作時に最大の高出力電圧が
得られると共に、経年劣化が生じて静電容量が増大して
も最大出力電圧が大幅に低下するのを防止することがで
きる。
と最大出力電圧との関係を示した図である。図４におい
て、実線と破線はそれぞれ経年劣化前後における上記関
係を示したものである。この図４からも明らかなよう
に、経年劣化により静電容量が増大すると、最大出力電
圧のピークはＳ／Ｌの大きい方にずれる。そこで、圧電
点火装置の製作時、即ち経年劣化前において、圧電体２
の断面積と長さの比を、経年劣化前において計算された
（６）式の値、即ち経年劣化前に最大出力電圧を与える
値以上に設定しておけば、製作時に最大の高出力電圧が
得られると共に、経年劣化が生じて静電容量が増大して
も最大出力電圧が大幅に低下するのを防止することがで
きる。
【００３７】また、上述したように、経年劣化による静
電容量の変化が、１０ｐＦから２５ｐＦまでということ
を考慮すれば、（５）式より最大出力電圧を与えるＳ／
Ｌの値は約１．５倍変化することが理解される。そこ
で、圧電体の断面積と長さの比を、経年劣化が生じる前
に最大出力電圧を与える値から、約１．５倍までの間に
設定しておけば、圧電体の出力電圧として経年劣化に拘
わらず高電圧を確保することができ、圧電点火装置にお
ける圧電体の理想的な設計を行うことができる。
電容量の変化が、１０ｐＦから２５ｐＦまでということ
を考慮すれば、（５）式より最大出力電圧を与えるＳ／
Ｌの値は約１．５倍変化することが理解される。そこ
で、圧電体の断面積と長さの比を、経年劣化が生じる前
に最大出力電圧を与える値から、約１．５倍までの間に
設定しておけば、圧電体の出力電圧として経年劣化に拘
わらず高電圧を確保することができ、圧電点火装置にお
ける圧電体の理想的な設計を行うことができる。
【００３８】
【発明の効果】以上の構成より明らかなように、この発
明に係る圧電点火装置によれば、圧力が印加された圧電
体により高電圧を発生させて点火プラグに放電を起こさ
せるようにした圧電点火装置にける圧電体の断面積と長
さの比を負荷容量を伴う上記圧電体の出力電圧が最大と
なる値以上に設定したので、圧電体の負荷容量が経年劣
化により増加した場合に圧電体の出力電圧が大幅に低下
するのを防止することができるという効果を奏する。
明に係る圧電点火装置によれば、圧力が印加された圧電
体により高電圧を発生させて点火プラグに放電を起こさ
せるようにした圧電点火装置にける圧電体の断面積と長
さの比を負荷容量を伴う上記圧電体の出力電圧が最大と
なる値以上に設定したので、圧電体の負荷容量が経年劣
化により増加した場合に圧電体の出力電圧が大幅に低下
するのを防止することができるという効果を奏する。
【００３９】また、この発明の請求項２に係る圧電点火
装置によれば、圧力が印加された圧電体により高電圧を
発生させて点火プラグに放電を起こさせるようにした圧
電点火装置における圧電体の断面積と長さの比を、負荷
容量を伴う上記圧電体の出力電圧が最大となる値からこ
の値の約１．５倍までの間に設定したので、上記効果に
加え、圧電体の出力電圧として経年劣化に拘わらず高電
圧を確保することができ、圧電点火装置における圧電体
の理想的な設計を行うことができるという効果を奏す
る。
装置によれば、圧力が印加された圧電体により高電圧を
発生させて点火プラグに放電を起こさせるようにした圧
電点火装置における圧電体の断面積と長さの比を、負荷
容量を伴う上記圧電体の出力電圧が最大となる値からこ
の値の約１．５倍までの間に設定したので、上記効果に
加え、圧電体の出力電圧として経年劣化に拘わらず高電
圧を確保することができ、圧電点火装置における圧電体
の理想的な設計を行うことができるという効果を奏す
る。
【図１】実施例１において圧電体のＣ１／（Ｃ１＋Ｃ
２）とＳ／Ｌの関係を示す図である。
２）とＳ／Ｌの関係を示す図である。
【図２】実施例１における圧電アクチュエータの動作特
性を示す図である。
性を示す図である。
【図３】実施例１においてδ0／ｄと圧電体のＳ／Ｌの
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図４】実施例１において圧電体の出力電圧とＳ／Ｌの
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図５】従来の圧電点火装置を示す断面図である。
２ 圧電体 ３ 圧電アクチュエータ
Claims (2)
- 【請求項１】 圧力が印加された圧電体により高電圧を
発生させて点火プラグに放電を起こさせるようにした圧
電点火装置において、 上記圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う上記
圧電体の出力電圧が最大となる値以上に設定したことを
特徴とする圧電点火装置。 - 【請求項２】 圧力が印加された圧電体により高電圧を
発生させて点火プラグに放電を起こさせるようにした圧
電点火装置において、 上記圧電体の断面積と長さの比を、負荷容量を伴う上記
圧電体の出力電圧が最大となる値からこの値の１．５倍
までの間に設定したことを特徴とする圧電点火装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP833293A JPH06213118A (ja) | 1993-01-21 | 1993-01-21 | 圧電点火装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP833293A JPH06213118A (ja) | 1993-01-21 | 1993-01-21 | 圧電点火装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06213118A true JPH06213118A (ja) | 1994-08-02 |
Family
ID=11690244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP833293A Pending JPH06213118A (ja) | 1993-01-21 | 1993-01-21 | 圧電点火装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06213118A (ja) |
-
1993
- 1993-01-21 JP JP833293A patent/JPH06213118A/ja active Pending
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