JPH0687038B2 - 内燃機関のシリンダ圧力伝送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧力センサに係り、特に内燃機関の動作中にお
けるシリンダ内圧力の変化に応答した電気的制御信号を
発生してエンジン動作の調整に使用するためのシリンダ
圧力伝送装置に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関のシリンダ内圧力の変化をエンジンの動作中検
出して、電気信号を制御コンピュータ装置又は類似の装
置に加え、エンジンの動作の制御に使用して、燃料の効
率と動作性能の改良を図り、またエンジンのノックを減
少させることがいままでに提案されてきた。

提案された装置の一例では、圧電気環状素子をエンジン
の点火プラグ用の穴に配置し、それ以外は点火プラグを
通常の方法で取り付け、選択した初期力で前記環状素子
を圧するとき、ピストンの循環運動中におこるシリンダ
圧力の変化か、圧電気素子に加わる力の変化として圧電
素子に伝達される。従つて、圧電気素子は、シリンダ圧
力の変化に相当する電気信号を発生する。その信号をク
ランク角センサ装置と同時に使用して、ピークシリンダ
圧力を決定し、またエンジンノツクによるシリンダ圧力
の高周波数変化を決定し、コンピュータ装置へ帰還を行
つて進角を調整して、ピークシリンダ圧力がエンジンノ
ツクの所期減少と両立する最適クランク角において発生
することを確実にすることが提案された。

しかしながら、そのような圧電気圧力センサ装置は、長
い有効寿命にわたるエンジン動作中のシリンダ圧力変化
に信頼できる応答をするように取付けることが困難であ
り、またそのようなセンサ装置は弱い、高インピーダン
スの出力信号を発生し易く、商用自動車に使用する内燃
機関の動作調整用のコンピュータ制御装置に使用するに
は不適当であることが判明した。

〔発明の目的と要約〕

本発明の目的は、上記の不適当な点を解決し、さらに内
燃機関のシリンダ内が高温になっても、その圧力を正確
に測定し、測定結果を外部に出力できる内燃機関のシリ
ンダ圧力伝送用装置を提供することにある。

この目的を達成するための第１の発明は、（ａ）支持部
を介して第１及び第２のチャンバーを形成する金属ボデ
ーと、（ｂ）前記金属ボデーの一端に設けられ、金属ボ
デーを内燃機関のシリンダに取り付ける取付部と、
（ｃ）前記支持部を貫通する導体と、（ｄ）前記第１の
チャンバー内に前記支持部を押すように配置され、かつ
前記導体と電気的に接続されるセラミック圧電ディスク
装置と、（ｅ）前記第１のチャンバーの前記支持部とは
反対側の開口を閉塞するように配置され、シリンダの圧
力変化に応答して振動することにより前記圧電装置を押
す可とう性の振動装置と、（ｆ）前記第２のチャンバー
内に配置され、かつ前記導体と電気的に接続され、前記
圧電装置からの信号を増幅する電子装置と、（ｇ）前記
第２のチャンバー内に充填されるコンパウンドであっ
て、該コンパウンドは熱伝導率の高い物質を含みかつ電
気的絶縁性である前記コンパウンドと、を備え、前記電
子装置はキャパシタ装置を含み、該キャパシタ装置の誘
導体部分がセラミック誘電体材料からなる構成である。

そしてその特徴とするところは、金属ボデーが、支持
部を介して第１、第２のチャンバーを形成する点にあ
る。これにより、支持部があるのでシリンダからの熱が
直接第２のチャンバーへ熱伝達されるのを抑御できる。

また、電子装置は電磁シールドされるので、隣接して取
り付けられる点火プラグからの影響をなくすことができ
る。

また、第２のチャンバーが熱発散が容易なコンパウン
ドで充填されている点にある。これによりエンジンの適
温動作時においても、第２のチャンバーの熱を容易に発
散させることにより、電子装置の動作を安定させること
ができる。

更にまた、電子装置に含まれるキャパシタ装置の誘電
体部分がセラミック誘電体材料からなる点にある。これ
により、高温条件でも正確な動作をすることができる。

上記の目的を達成するための第２の発明は、（ａ）一つ
の開口が形成されたチャンバを具備する金属ボデーと、
（ｂ）前記金属ボデーを内燃機関のシリンダに取り付け
る取付部と、（ｃ）前記チャンバ開口に固定され、シリ
ンダ圧力の変化に応答して振動する可とう性の金属振動
板と、（ｄ）前記チャンバ内に設けられた圧電装置と、
（ｅ）前記圧電装置を選択された位置に保持する支持装
置と、（ｆ）前記チャンバ内に前記振動板と反対側の位
置に設けられ、前記圧電装置の第１の電極部に導電部材
を介して電気的に接続され、圧電装置からの信号を増幅
し外部へ出力する電子装置と、（ｇ）前記振動板と前記
圧電装置との間に配置され、前記振動板の動きを前記圧
電装置に伝達する熱障壁部材とを備え、 前記熱障壁部材は、セラミック部と該セラミック部を被
覆する導電性金属層とを有し、前記導電性金属層は、前
記圧電装置の第１の電極部に対向する第２の電極部と前
記金属振動板とを電気的に接続させる構成である。

そして、その特徴とするところは、熱障壁部材が、シリ
ンダからの熱的絶縁、圧電装置と金属振動板間の電気的
接続、及び金属振動板からの動きを伝達する、３つの機
能を兼ねている点にある。これにより圧電装置の温度補
償、圧電装置から金属振動板を介して金属ボデーへの電
気通路の形成、及び機械的振動の伝達を１つの構成部材
でなし得るので、簡易かつコンパクトな構成にすること
ができる。

本発明のその他の目的、利点及び新しく改良したシリン
ダ圧力伝送装置の詳細は、本発明の好適実施例について
以下の説明で明かにする。

〔実施例〕

第１図において、符号10で示した通常の内燃機関は、壁
14のついたシリンダ12を備え、またシリンダ壁内に取付
けた燃料吸入弁装置16及び排気弁装置18を備えるがこれ
ら弁装置は矢印16.1及び18.1で示したような通常方法で
可動である。ピストン20がクランクシヤフト22に接続さ
れており、クランクシヤフト22は、矢印24の方向に運動
して、ピストンを通常の方法による吸入、圧縮、出力及
び排気の行程又は類似の行程を通して循環させる。第１
図には、ピストンを出力行程の開始近くに示してある。
わかりやすい図示とするために、シリンダ燃焼室12.1内
に圧縮された空気−燃料混合体を第１図では点画法で示
し、燃焼室におこる点火等はなにも示してない。通常の
点火プラグ26がシリンダ壁の穴14.1に通常の方法でシリ
ンダを密封する関係に取付けられる。また本発明による
シリンダ圧力伝送装置28は、その寸法及び外部構造がお
おむね点火プラグに合致することが好ましく、このシリ
ンダ圧力伝送装置もまた、シリンダ壁の穴14.2に、シリ
ンダを密封する関係に取付けられるので、前記圧力伝送
装置の端末28.1はシリンダ燃焼室内の圧力状態にさらさ
れる。

火花点火エンジンに対して定められる進角は、直接エン
ジンの動作に影響する重要な制御項目であることを理解
されるであろう。与えられたエンジン設計についての最
適進角は、速度、燃料の種類、絞り弁状態、大気状態及
びエンジン負荷その他によつてエンジンの動作中変化す
る。しかしながら、進角は、各行程におけるシリンダの
同一ピストン位置においてシリンダ内にピーク圧力を生
じることを意図したものであり、そのピストン位置は、
エンジンに圧力が最大トルクを与えることのできるクラ
ンク角度で表わされる。燃料効率及びエンジン動作の最
適化は火花点火エンジンについては各エンジンサイクル
中のエンジンシリンダ内のピーク圧力を検出し、かつ閉
ループ電子帰還を利用し、クランク角センサ装置（示し
てない）を基準として進角を制御することによつて実現
できることが知られている。そのようにして、各ピスト
ン循環で選択した点で点火がおこるように調整して、エ
ンジンに対する最大トルク角でピーク圧力がシリンダに
発生することを確実にしている。第２図の曲線30で示し
たように、シリンダ内圧力はクランク角に従つて変化す
るが、曲線はまた前述したように速度、負荷等のような
動作状態において変化するので、上死点（最高まん中）
ピストン位置より手前の進角32をシリンダ圧力センサか
らの電子帰還によつて調整して、点火38はサイクル中、
選択した点において発生させて、ピークシリンダ圧力34
をエンジンに対し同一、最大トルククランク角36で常に
発生させることが望ましい。

最適進角の付近では、エンジンが通常ノツク燃焼を生じ
やすいこともまた知られている。そのようなノツクの発
生及びタイミングは燃料組成、エンジン負荷、シリンダ
内燃料供給動作等の要素に影響をうける。ノツク燃焼
は、シリンダ燃焼室内及びピストン面の表面破損を生じ
るので、最適進角と考えられる進角を所定量遅らせるこ
とによつてノツクを減少又は回避することが知られてい
る。ノツク燃焼は、また、シリンダ圧力に比較的高周波
数の変化を生じることが知られており、第２図に他の圧
力ピーク値40としてそれを図示した。そこで、エンジン
の動作中、エンジンシリンダ内の圧力変化に応答するノ
ツクセンサ装置を設けてノツク燃焼を表わす高周波数圧
力変化の発生を検出し、検出信号を点火タイミング回路
に送りかえして進角を制御して、ノツクを効果的に除去
することが提案された。また同一の圧力センサがピーク
シリンダ圧力の検出のほかエンジンノツクに関する高周
波数圧力変化の検出にも使用できるものの提案もあつ
た。

本発明の目的は、第１図に示したような新規に改良した
圧力センサ装置28で、ピーク圧力位置とノツク圧力変化
とを効果的に信頼できる方法で検出できる装置を提供す
ることである。この圧力センサ装置28は、−20℃から25
0℃までの広い温度範囲内で安定に使用できるシリンダ
圧力伝送装置を備えることが好ましく、シリンダ圧力伝
送装置は、標準アナログ電圧出力を生じるもので、20kH
zから24kHz程度又はそれ以上の高周波数応答特性をもつ
ものが好ましく、シリンダ内ピーク圧力位置を角度１度
程度の分解能をもつて検出しまた、6kHzから8kHz程度又
はそれ以上のノツク周波数を検出するものであり、自動
車環境で使用できるように背景振動雑音には比較的感度
が低く、通常1000゜F（524℃）程度の高い燃焼温度に対
し装置の一部の露出に耐えることができ、２億圧力サイ
クル程度の長い圧力サイクル寿命をもつことが好まし
く、800psi（56.2kg/cm²）から1000psi（70.3kg/cm²）
程度又はそれ以上の通常のピークシリンダ圧力を検出す
ることが可能であり、自動車に使用して8,000Km（5,000
マイル）程度又はそれ以上の予測寿命をもち、また通常
の自動車電圧、直流14ボルトで動作できるものである。

第３図に示した本発明の一つの好適実施例では本発明に
よる新規の改良シリンダ圧力伝送装置28は、圧電気装置
42を具備する。圧電気装置42はそれに加わる圧力又は圧
縮力に応答して電気信号を発生するようになつている。
その圧電気装置はボデー装置44に取付けられるが、ボデ
ー装置44は圧電気装置を内燃機関のシリンダに対し密封
関係に取付ける役目をし、圧電気装置は、シリンダの動
作中、シリンダ圧力の変化に応答してシリンダ圧力を表
わす初期電気信号を発生する。電装置46もまた取付け装
置44によつて担持され、圧電気装置とともに取付け装置
又は類似の装置によつて共通に電磁しやへいされるのが
好ましい。電子装置は圧電気装置によつて発生された初
期信号を増幅し、増幅した信号がシリンダから離れた位
置にある制御コンピュータ装置又は類似の装置（第４図
に符号47で示した）へ信頼性ある伝送となるようにす
る。

圧電気装置42は、鉛ドープチタン酸ジルコニウム又はメ
タニオブ酸鉛又は類似物質のようなセラミツク圧電気材
料で、約175℃以上の比較的高いキユーリ温度係数をも
つが比較的小さな熱膨張係数をもつ材料を使用した１対
のデイスク48で構成するのが好ましい。各圧電気デイス
クは、デイスクの反対側表面には通常の方法による金属
接触層（示していない）を設けてある。金属接触層は、
金又は類似の金属を使用して、指定の高温度で安定なも
のが好ましい。デイスクは、銅などのような高導電材料
を使用した電極導体50のそれぞれ対向面に取付け、各デ
イスクの接触面が電極導体50と電気的接続となるように
接触させる。ディスクは、第３図の矢印52で示すよう
に、導体電極の対向面で、対向する方向に分極されてお
り、分極軸に沿ってディスクに加えられた圧力に応答し
て生じるディスクからの結合された電荷出力から成る初
期電気信号を供給し、他方、他の方向からディスクに加
えられた振動力等により生じるおそれのある雑音信号の
影響を打ち消す。一つの好適実施例では、デイスク48を
実験式Pb_1.01（Zr_.53Ti_.47）O₃Cr_.03で示される鉛ドー
プチタン酸ジルコニウム）、クロム材料で構成したが、
この材料はキユーリ温度370℃で比較的小さな熱膨張係
数をもち、また約35×10^-3V/N（ボルト毎ニユートン）
程度の圧力応答特性をもつ。他の好適実施例では上記材
料にカルシウム添加剤を加えて圧力感度の向上させた。
また別の好適実施例では、デイスク48にPbNb₂O₄の組成
をもつメタニオブ酸鉛材料で、約570℃のキユーリ温度
をもち、熱膨張係数は小さく、約42×10^-3V/Nの圧力応
答性をもつ材料を使用した。

本発明の好適実施例では、取付け装置44に第３図に示し
たような全体が円筒状のボデー44を用いるので伝送装置
28は容易にエンジンシリンダに収容することができる。
丈夫で堅い可撓性の金属振動板54を取付けて、圧電気装
置42をシリンダ内環境から保護することが好ましい。ま
たボデー44又は他の適当な装置を鋼材などで形成して、
自動車環境で圧電気装置42に電磁しやへいを施す構成と
することが好ましい。自動車環境では、隣接する高圧点
火プラグの点火等からの妨害が発生して伝送装置28から
の信号出力に雑音を発生しやすい。取付け装置はまた圧
電気装置に対し、しつかりした積極的裏当て支持を行う
構成とすることが好ましい。エンジンの点火中、振動板
がシリンダ内に発生する高い圧力にさらされるからであ
る。

好適実施例の一例ではボデー部材44を常温圧延鋼で形成
した。このボデーは、一方の端末に第１内径44.1をも
ち、また反対側の端末に第２内径44.2をもち、両内径の
間には支持区間44.3が形成されており、また支持区間を
通つて一方の内径から他方の内径へと延びる通路44.4が
設けてある。圧電気デイスク48と電極導体50は、小さい
弾性定数をもつテフロンなどのような耐熱性をもち、電
気的に絶縁性をもつ有機材料のスリーブ内に配置する。
絶縁テフロン被覆をした導線58を電極50に接続し、この
電極からテフロンスリーブ56の内側に設けたみぞ56.1を
通して延ばすことが好ましい。デイスクは、さらに所定
の長さの金属スペーサスリーブ59又は類似物の中に配置
されまたボデー内径44.1の内部に配置されるので、一方
のデイスク48の一端末の金属接触層（示してない）がボ
デーの支持区間44.3を圧してその区間と電気的係合とな
る。導線58は通路44.4を経由して電極50を電子装置46に
接続するためのものである。振動板54は内径、すなわ
ち、くぼみ44.1の内部に配置して、他のデイスク48を押
して、他のデイスクの金属接触層（示していない）と電
気的に係合する。筒状ブツシング44.5又は類似物には中
央開口44.6が設けてあり、内径44.1の中に取り付けられ
て、振動板を押しつける。ブツシングは内径中、所望の
位置まで押されて、振動板の縁を押しつけ、振動板の縁
をスペーサ・スリーブ59に定着させ、振動板を介して圧
電気デイスク48へ所定の強さの予荷重圧縮力を加えるこ
とが好ましい。その後ブツシツグは44.7に示したように
溶接又は他の一般の方法によつて所望の位置に固定され
る。その場合の予荷重は例えば１気圧の流体圧力が振動
板54に加わるとき、圧電気装置42に加わることになる最
低圧縮力に相当することが望ましい。ブツシツグ44.5は
44.8に示したようにねじ切りをしておいて、エンジンシ
リンダ12の壁にねじ係合をさせて、ブツシツグ開口44.6
を経てシリンダに密封関係にあるシリンダ内圧力変化を
振動板に露出させることが好ましい。

ボデー44は、６角形構造の外側部分44.9を備えて、エン
ジンシリンダへボデーの取付けを容易にすることが好ま
しい。振動板54は、所定厚さの中心部分54.2をもつてお
り、圧電気デイスク48をその全表面にわたつて均一に押
えつけるが、中心部分のまわりの比較的薄い部分54.3を
もたせて、これを振動板に対してシリンダ圧力に応答す
る優先的可撓部分とすることが好ましい。電子装置46は
第３図に示すようにボデー44の内部に収容して、圧電気
装置42とともに金属ボデーによつて電磁しやへいするこ
とが望ましい。

取付けボデーの別個の部分で圧電気装置42と電子装置46
とを別個に収容し、またそれらボデー部分は分離できる
ようにしておいて、必要に応じて圧電気装置又は電子装
置を分離して取替え可能とすることが望ましい。

この装置では、圧電気デイスク48は、スリーブ56によつ
て振動から横方向にしやへいされる。スリーブ56はまた
電気的にデイスクの縁部を金属ボデーから電気的に分離
するはたらきをする。両デイスクの反対側は同一極であ
つて、それぞれ、例えば支持区間44.3を介して接地と振
動板54とに電気的に接続され、また各デイスクの対向面
の接触層は、共通電極導体50及び導線58を介して電子装
置46に接続される。デイスクは前述したように、ボデー
に便利に組み込まれるので、加わる圧力に応答した振動
板54の運動によつて、圧電気装置から加えられた圧力に
比例するアナログ出力を発生する。

デイスクに加わる予荷重力は、圧電気装置に、エンジン
の動作中シリンダ12に通常発生する非大気圧力に比例し
た出力信号を発生させる。

電子装置46は、小型、堅牢で自動車への応用等に適当な
低価格で大量生産可能な回路装置を備えるものが好まし
い。第３図に示したように、電子装置46はボデー内径4
4.2で形成するチエンバ（小室）内に収容し、チエンバ
には通常の方法でチエンバ・カバー60を取付けておくこ
とが好ましい。カバーには中央開口60.1を設けておき、
１本又は複数の導体62を開口内に電気的絶縁ガラス又は
フエノール装置62.1等を使用して隔離して取付け、シリ
ンダ圧力伝送装置28用の端子として使用するのが好まし
い。電子装置46はテフロン絶縁線62.2によつて図示のよ
うに端子装置62に電気的に接続される。チエンバ44.2は
点図63で示したように、アルミナ粉末等を含むシリコン
材のような充填コンパウンドで充填して電子装置46を支
持し、電気的に絶縁し、また圧力伝送装置28から熱の発
散を容易にすることが好ましい。電子装置46は、第４図
に示すような能動素子及び受動素子を使用するのが好ま
しく、また各素子は、電子装置が取付け装置44に担持さ
れている位置で遭遇することが予想される約175℃以上
の比較的高温度において、適当に長い有効寿命にわたつ
て動作可能でありまた第３図に示したように、取付け装
置内に封入されることによつて圧電気圧力センサ装置と
ともに電磁しやへいされることが好ましい。好適実施例
では、電子装置46は上述した175℃の温度で丈夫で寸法
が安定であるアルミナのようなセラミツク材料等で構成
する基板64を含むハイブリツド回路を備える。

金属銀等で形成される回路通路65は前記温度で使用する
ために通常の方法で前記基板に溶着し、また第４図に66
で示したように抵抗装置も、前記温度で使用するのに適
当な既知抵抗インク又は類似品で構成することが好まし
い。適当なインクの一般的例としては、ガラス質融解物
中に金属銀粉末等を分散させたものであるが、これを基
板上に成形させて周知の方法で所期の値に調整する。そ
のようなインクにはニユーヨークのネマロネツクアメリ
カ・エレクトロマテリアルズ会社（Electro Materials
Corporation of America of Nemaroneck）から販売され
ている5000シリーズインクが含まれる。第４図の68に示
したコンデンサ装置は、通常のタンタル酸化物箔又は類
似品を使用するものであり、それらが175℃温度での使
用に適するように高温ハンダ又はエポキシ樹脂によつて
上記回路通路に接続することが好ましい。しかしなが
ら、以下に説明する一つの実施例では、コンデンサ装置
に前記175℃よりも十分高いキユーリ温度をもつセラミ
ツク誘電体装置を使用しており、また別の実施例では、
セラミック材料に、前述した圧電気セラミックデイスク
48と同一の材料を使用した。第４図に示した電子装置46
の能動素子の増幅器70は、前記の温度175℃での使用に
適する高温度集積回路又は類似の回路で構成して、集積
回路の端子は回路通路素子にボールボンデング技術又は
高温ハンダ装置等によつて接続して175℃以上の温度に
おいてもハイブリツド回路の所望温度能力を維持するこ
とが好ましい。集積回路は、例えば通常形式の誘電体分
離回路素子又は類似素子をもつものを使用することが好
ましい。また集積回路は、例えば頭部を向い合せに配列
する２組の電界効果トランジスタを利用する技術によつ
て構成し、所期の高温度安定性を実現することが好まし
い。それに代るものとして、リニアCMOS（相補形金属酸
化物半導体）技術又は類似技術によつても集積回路装置
は構成できる。

前述した圧力伝送装置では、高温度電子装置46が、第４
図の略図に示したような回路素子をもつことが好まし
い。すなわち、１対の抵抗66,72を自動車電源62.3と接
地との間の電圧分割装置として接続して接合点76に基準
電圧レベルを供給する。その接合点は、演算増幅器70の
正極性入力端子に接続される。圧電気デイスク48の出力
は演算増幅器の負極性入力端子に接続され、またコンデ
ンサ68と抵抗78からなるRC回路は、増幅器の負極性入力
端子から増幅器の出力側に接続される。付加抵抗80を圧
電気装置と増幅器との間に挿入して回路の周波数応答特
性を調整し、高周波数雑音を除去することが好ましい。
また出力インピーダンス抵抗82を増幅器出力に挿入して
帰還発振を防止することが好ましい。この装置では、圧
電気デイスク48に加わる圧力変化に応答して、圧電気デ
イスク48の発生する電荷変化は、コンデンサ装置68によ
つて積分されて所期の電圧を発生し、また演算増幅器装
置70は電圧反転器及びインピーダンス変換器として作用
して、０ボルトから５ボルトの間に変化する低インピー
ダンス出力信号を端子62に供給する。

この装置構成では、圧電気装置42及び電子装置46は共に
シリンダ圧力伝送装置28内に収容されて、容易にエンジ
ン10に取付けられる。また圧電気装置及び電子装置はそ
れぞれ、圧力送信装置ボデー内に電磁シールドを施され
て、増幅された、低インピーダンス出力信号を発生し
て、第４図に示したようにコンピユータ制御装置47又は
他の信号処理装置へ信頼性ある伝送を行う。伝送装置28
内の圧電気装置42及び電子装置46の１部は、伝送装置取
付装置を通して電気的にエンジンに接地され、また端子
62は、第４図の62.3に示したように自動車電源から電気
入力を受電し、電子装置46の他の部分を62.4に示すよう
に接地に接続しまた62.5に示すようにシリンダ圧力伝送
装置からの出力信号をコンピユータ装置に送出する役目
をする。以上に述べたシリンダ圧力伝送装置28は、コン
ピユータ装置47へ第５図の曲線74で示したようなアナロ
グ出力信号を供給する。ピストンが圧縮行程中その最大
トルククランク角に達するときシリンダ内圧力が74.1に
示すようなピーク値に達するに従つて、信号は上昇す
る。その後、ピストンがその出力行程に移行するに従つ
て、信号が降下することが理解されるであろう。伝送装
置は、また、シリンダ内にノツク燃焼がおこるとき、第
５図の74.2に示すような高周波数信号成分も発生する。

電子装置46にアルミナ基板装置を含み、回路通路装置が
基板に銀又は類似物を溶着したものであり、抵抗装置は
前述したような高温度厚膜装置で形成され、コンデンサ
装置は回路導体に高温度銀ハンダ等により固定した通常
のタンタル酸化物コンデンサ装置を含み、また増幅器装
置には前述したような高温度集積回路装置を備えて、そ
の端子が高温度に耐えるボールボンデング等によつて回
路導体に接続されるとき、回賂素子の好適値は次のよう
なものである。

66 6.10キロオーム 72 12.98キロオーム 68 .2マイクロフアラツド 78 11.3ミリオーム 80 10キロオーム 82 １キロオーム 前述した圧電気シリンダ圧力伝送装置28を既知水晶圧力
センサ（キスラ（Kistler）型式601B1）と並列に、33℃
及び210℃で試験したときの結果をそれぞれ第6A図及び
第6B図に示した。試験圧力を順次28.1kg/cm₂（400psi）
レベルへの上昇と下降とを繰り返したときの、室温で動
作される基準センサたる水晶圧力センサの出力と上記各
温度で動作される圧力伝送装置28の出力はそれぞれ84B
及び84A（於第6A図）、86B及び86A（於第6B図）であっ
た。第6A図と第6B図との比較から、圧力伝送装置28は実
質的な室温、すなわち33℃で動作させたときはもとよ
り、それを高温、すなわち210℃で動作させたときでも
その出力は基準センサの出力と実質的に合致しているこ
とがわかる。第6B図より、基準センサを室温で動作さ
せ、圧力伝送装置を210℃で動作させたときは、圧力伝
送装置28の出力の温度変化は、基準と比較して±10パー
セント以内に保持された。このように伝送装置28は温度
210℃への露出にも堪えてさしたる変化を示さなかつ
た。

伝送装置28を次に1980ダツトサン（ニツサンＡ−スタン
ツア（stanza））エンジン型式NAP-z20によつて試験
し、エンジンにはゴーパワー（Go-Power）DA500シリー
ズ発電機を取付け、またニコレツト（Nicolet）の型式4
0942デイジタル蓄積形オシロスコープを使用してセンサ
の出力データを集め、エンジンが10.16cm（４インチ）
水銀真空の9.68キログラム・メートル（70フツト・ポン
ド）のトルクで極めてよく聞えるノツクを生じ毎分1800
回転で正規の動作温度に達した後データを取つたが、圧
力センサ28からの出力信号は、ピーク圧力位置を明瞭に
識別し、また、エンジンノツクを表わす明瞭に識別され
た高周波数信号成分を生じた。

別の好適実施例では、本発明の伝送装置に組入れた電子
装置は、前述した電子装置46に相当するもので、第７図
に概略を示したハイブリツド回路装置154を含む。ハイ
ブリツド回路154では１対の抵抗156,158が14ボルト自動
車電源160と接地との間の電圧分割装置として接続され
て演算増幅器164の正極性入力端子に接続される接合点1
62に基準電圧を加える。この増幅器は14ボルト電源から
駆動されて電圧インバータとして作用する。符号168に
略図表示した圧電気圧力センサデイスクの出力166は、
電荷積分コンデンサ170と電圧インバータ164の負極性入
力に接続される。このコンデンサは、抵抗172と並列に
電圧インバータの出力に接続される。電圧インバータの
出力は、抵抗174を介して別の演算増幅器176の負極性入
力端子に接続され、またこの増幅器の負極性入力端子
は、さらに抵抗178を介して演算増幅器の出力に接続さ
れて、回路のインバータ段の出力増幅に用いられる。増
幅器176の正極性入力端子は図示したように電圧インバ
ータ164の正極性入力端子に接続される。増幅器176（14
ボルト電源から駆動される）の出力は、出力インピーダ
ンス抵抗180を通して回路154の出力端子182に接続され
る。

本発明に従つて、第７図に示したハイブリツド回路154
の物理的構造を第８図から第10図までに示した。このハ
イブリツド回路は、１対のアルミナ基板184,186（第８
図から第10図まで参照）を使用するのが好ましい。代り
のものとして、回路素子を収容するために、必要に応じ
て１個の基板を使用し、又は追加数の基板を使用するこ
とができる。抵抗156,158,172,174,178及び180は、第８
図及び第10図に示したように高温度厚膜抵抗装置（前述
のように175℃又はそれ以上）によつて基板上に形成さ
れる。演算増幅器164及び176には集積回路素子を含む
が、これら回路素子は前述したような高温（175℃又は
それ以上）技術によつて製作され、また高温ハンダ装置
等（図示してない）を使用して図示のように基板184上
に取付ける。

一つの好適実施例では、コンデンサ170は、約175℃以上
のキユーリ温度をもつセラミツク強誘電体材料からなる
１層又は多層の例えば170.1,170.2を備えて、適当な誘
電体特性をその温度までも保持するものが好ましい。

この点に関して、新規で特に改良された高温度コンデン
サ装置は、本発明においては、コンデンサ装置の誘電体
部分をセラミツク強誘電体材料を使用することで実現で
きることが判明した。セラミツク強誘電体材料の特徴
は、少くとも125℃以上の比較的高いキユーリ温度をも
ち、熱エージング（熟成）に比較的無関係に有効寿命期
間中、その温度以上で750又はそれ以上という適当した
高い誘電率を維持することである。本発明の伝送装置に
使用するハイブリツド回路154に使用するためには、コ
ンデンサ170のセラミツク強誘電体材料は約175℃以上の
キユーリ温度をもつ、鉛を基礎としたチタン酸塩、スズ
酸塩とジルコニウム酸塩及び鉛とナトリウムを基礎とし
たニオブ酸塩からなるグループから選択することが好ま
しく、これらの強誘電体材料は、少くとも前記温度レベ
ルまでは、約750又はそれ以上の誘電率を維持すること
ができる。例えば、本発明のコンデンサ装置170に使用
したセラミツク強誘電体材料は、米国特許第3,983,077
号に記述されている既知材料を含むもので、その材料は
少くとも約１モルパーセント鉛から100モルパーセント
鉛（又は材料中のバリウム、ストロンチユーム、又はカ
ルシウムの代りに約１モルパーセント鉛から100モルパ
ーセント鉛を置換したもの）を使用して所望のキユーリ
温度と誘電率を実現するもので、このような組成中の各
１モルパーセントの鉛はその材料のキユーリ温度を約４
℃上昇させる性質をもつ。所望の高いキユーリ温度とそ
の温度において高い誘電率をもつ他の既知セラミツク強
誘電体材料もまた、本発明の新らしいコンデンサ装置に
使用できる。

本発明の一つの好適実施例には、前述した圧電気デイス
ク48に使用した鉛を基礎にしたジルコン酸塩チタン酸塩
圧電気材料を使用し、セラミツク層170を形成した。前
記材料は100モルパーセント鉛を使用するもので370℃の
キユーリ温度をもち、その温度レベルまでは、十分750
以上の誘電率を維持する。しかしながら、上記鉛成分の
少くとも１部の代りに置換されるバリウム等を含む相当
材料も、また本発明の範囲内におけるコンデンサ装置に
とつては有用である。別の方法としてセラミツク強誘電
体層170.1,170.2は前に例示したニオブ酸鉛圧電気材料
を使用して形成できる。この既知圧電気材料は100モル
パーセントの鉛を使用し、約570℃のキユーリ温度をも
ち、その温度レベルまで約750の誘電率を維持する。た
だし、本発明の範囲内で前述した鉛成分の１部をバリウ
ム等で置換できる。本発明の他の好適実施例では、コン
デンサ170に使用したセラミック強誘電体材料に実験的
組成Na_.75Cd_.25NbO₃をもつナトリウムを基礎としたニオ
ブ酸塩を使用した。このような材料は約210℃のキユー
リ温度をもつ。また他の同等なナトリウムを基礎とした
ニオブ酸塩材料も本発明において有用である。

本発明の回路154の好適実施例では、２つのセラミック
層170.1,170.2は、基板186の片側に取付けられる導電性
金属電極被覆層170.3の上に互に重ね合せて配置され、
２つの層は層間の多くのインタフエースを覆う導電性金
属材料の電極層170.4によつて分離され、また重ね合せ
た１対の層の外面は他の電極層170.5で被覆される。層1
70.3,170.5は被覆金属の金属ジヤンパ帯170.6によつて
接続される。

これらの電極層は、端子170.8から基板186に接続され、
また分離電極被覆170.4は、端子170.7から第９図に示す
位置170.9に接続されさらに基板層186に延びる（第10図
参照）。回路導体すなわちバツド188は、第８図及び第1
0図に示すように基板184及び186の上に設けられ、また
導線190は、導体及び素子端子にボールボンデング等が
行われて、回路素子を175℃以上で使用するために相互
接続される。このようにして、増輻器164の正極性入力
端子164.1は接合点162に接続される。この接合点162
は、基板184に端子162.1から抵抗156と158との間に形成
される。増幅器の負極性入力端子164.2は、コンデンサ1
70及び抵抗172ならびに端子170.7を介して圧電気装置16
8にそれぞれ接続される（第８図及び第10図参照、また
第８図中圧電気出力コネクタパツド166参照）。コンデ
ンサ170及び抵抗172は抵抗174に接続され、また端子16
4.4から増幅器164の出力164.3に接続される。第２増幅
器の負極性入力端子176.1は端子174.1を経由して抵抗17
4及び抵抗178に接続され、また正極性入力端子176.2は
接地に接続される。抵抗178及び抵抗180は端子180.1を
経由して第２増幅器の出力170.3に接続される。基板184
及び186は、第９図の192に略図で示したように、電気的
に絶縁する高温度（175℃以上）接着手段等によつて、
第９図に示したように重ね合せた関係で固定するのが好
ましい。

このような構成で、ハイブリツド電子装置154は、小
形、堅牢で比較的低費用の構造のものとなつて、前述し
たような本発明のシリンダ圧力伝送装置に使用すると
き、遭遇する可能性ある温度での動作に適する。

第11図の194に示した本発明の別の好適実施例では、ボ
デー196にチエンバ196.1のついた全体が円筒形の部材を
備え、この部材の両端に開口196.2,196.3を設け、また
ボデー部材の少くとも一部には196.4に示したように内
部にねじ切りを設けておく。内部ねじの内側のボデーの
内壁中に、スロツト196.5を設けておくことが好まし
い。金属振動板198を、第11図の198.1に示したように、
一方のチエンバ開口においてボデーに溶接して、振動板
の周辺部が金属ボデーの端末によく支持されるようにす
る。ボデーは、その一端に外部ねじ山196.7が設けてあ
り、また六角形の外部構造の部分196.8を設けて、シリ
ンダ壁に伝送装置を振付けるのに使用する。１対のセラ
ミック圧電気デイスク素子200を共通電極導体202の反対
側に配置して、第１図について前に説明した圧電気装置
42に相当する圧電気装置を構成する。テフロン被覆導線
204を共通導体に接続し、スロツト196.5を通して延ばし
て、共通導体204を電子装置206に電気的に接続する。振
動を減衰させかつ電気的絶縁性をもつテフロンスリーブ
208を圧電気装置の上に取付ける。支持用すなわち裏当
て用植込みボルト210がボデーチエンバの内側でボデー1
96とねじ係合して圧電気装置を圧して、それに所期の予
荷重圧縮力を加える。電子装置206は、封入装置によつ
てカバー214内に封入された端子装置212に接続され、ま
た電子装置の周囲のチエンバには充填コンパウンドを充
填しておく。熱障壁素子216としてアルミナなどを使用
したセラミックデイスク216.1を設け、デイスクのすべ
ての外側には金などのような導電性金属216.2で被覆し
ておくことが好ましい。この熱障壁を圧電気装置と振動
板198との中間に配置して、圧電気装置を電気的には振
動板を通して接地し、振動板に加わる圧力に応答して圧
電気装置に振動板の運動を伝達し、また特に内燃機関の
燃焼室から発生することのある異常熱から圧電気装置を
保護する。このような装置とすることによつて、シリン
ダ圧力伝送装置は、改良されたコンパクトさ、強靭さと
製造の経済化が得られ、使用中は改良された動作を示す
という特徴がある。

本発明によるシリンダ圧力伝送装置は、長い有効寿命期
間中、便利で信頼できる使用ができる構成であることが
理解されるであろう。この圧力伝送装置に使用する圧電
気装置は、比較的低インピーダンスの初期信号を発生す
るようになつており、またその信号は電磁気妨害から適
当にしやへいされて増幅されて、エンジンの動作中シリ
ンダ圧力の変化を表示するのに信頼性ある信号を供給
し、さらにエンジンシリンダから離れた位置にあるコン
ピユータ制御装置等に伝送できるようになつている。こ
の圧力伝送装置は、また簡易、堅牢かつ信頼性ある構造
のものである。

以上に説明した本発明の好適実施例は、本発明の範囲内
にとどまりながらも多くの方法に変化できることを理解
されたい。例えば、ハウジング装置の構成はいろいろな
方法に変形できて、必要に応じて、ひれ状装置を設けて
熱の発散を容易にすることができる。従つて本発明に
は、開示した実施例についてのすべての変形及び等価な
もので本発明の請求の範囲に該当するものが含まれるこ
とを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるシリンダ圧力伝送装置の内燃機関
のシリンダに対する密封関係の取付けを示す断面図であ
る。 第２図は第１図に示したシリンダ内に通常発生する圧力
状態を示す図である。 第３図は本発明のシリンダ圧力伝送装置の縦軸に沿つた
拡大スケールの断面図である。 第４図は本発明のシリンダ圧力伝送装置の提案される応
用を示す略図である。 第５図は内燃機関の運転中本発明のシリンダ圧力伝送装
置によつて得られる電気信号を示す図である。 第6A図及び第6B図は、圧力伝送装置の動作を示す図であ
る。 第７図は本発明の圧力伝送装置に使用される電子装置の
別の好適実施例を示す略図である。 第８図は本発明のシリンダ圧力伝送装置として実施した
第７図の電子回路装置の平面図である。 第９図は第８図の線9-9に沿つた断面図で第３図の１部
と類似するが、第８図の回路に使用する多層基板と高温
度コンデンサ装置を大きく拡大して示した図である。 第10図は第８図と類似の平面図で第８図の回路の第２基
板層上の回路素子を示した図である。 第11図は本発明の別の好適実施例を示す第３図と類似の
断面図である。 〔符号の説明〕 10……内燃機関 12……シリンダ 20……ピストン 26……点火プラグ 28……シリンダ圧力伝送装置 42……圧電気装置 44……取付け装置（ボデー） 44.1……第１内径 44.2……第２内径 44.3……支持区間 44.4……通路 44.8,196.7……外部ねじ機構 46,20.6……電子装置 48,200……圧電気デイスク 50,202……導体電極 54,198……金属振動板 56……スリーブ装置 59……スペーサスリーブ 68,170……コンデンサ装置 70,164,176……演算増幅器 154……ハイブリツド回路装置 194……別の圧力伝送装置 196……ボデー 196.1……チエンバ 196.2……開口 210……植込みボルト 216……熱障壁素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチーブン ジエイ．ストロベル アメリカ合衆国ロードアイランド州プロビ デンス，イースト マニング ストリート （番地なし) (56)参考文献 実開 昭57−89943（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−144037（ＪＰ，Ｕ) 米国特許2096826（ＵＳ，Ａ) 米国特許2190713（ＵＳ，Ａ) 米国特許3461327（ＵＳ，Ａ) 米国特許3743869（ＵＳ，Ａ) 米国特許4009447（ＵＳ，Ａ) 米国特許3857287（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）支持部を介して第１及び第２のチャ
   ンバーを形成する金属ボデーと、 （ｂ）前記金属ボデーの一端に設けられ、金属ボデーを
   内燃機関のシリンダに取り付ける取付部と、 （ｃ）前記支持部を貫通する導体と、 （ｄ）前記第１のチャンバー内に前記支持部を押すよう
   に配置され、かつ前記導体と電気的に接続されるセラミ
   ック圧電ディスク装置と、 （ｅ）前記第１のチャンバーの前記支持部とは反対側の
   開口を閉塞するように配置され、シリンダの圧力変化に
   応答して振動することにより前記圧電装置を押す可とう
   性の振動板装置と、 （ｆ）前記第２のチャンバー内に配置され、かつ前記導
   体と電気的に接続され、前記圧電装置からの信号を増幅
   する電子装置と、 （ｇ）前記第２のチャンバー内に充填されるコンパウン
   ドであって、該コンパウンドは熱伝導率の高い物質を含
   みかつ電気的絶縁性である前記コンパウンドと、 を備え、 前記電子装置はキャパシタ装置を含み、該キャパシタ装
   置の誘導体部分がセラミック誘電体材料によって構成さ
   れていることを特徴とする内燃機関のシリンダ圧力伝送
   装置。
2. 【請求項２】（ａ）一つの開口が形成されたチャンバを
   具備する金属ボデーと、 （ｂ）前記金属ボデーを内燃機関のシリンダに取り付け
   る取付部と、 （ｃ）前記チャンバ開口に固定され、シリンダ圧力の変
   化に応答して振動する可とう性の金属振動板と、 （ｄ）前記チャンバ内に設けられた圧電装置と、 （ｅ）前記圧電装置を選択された位置に保持する支持装
   置と、 （ｆ）前記チャンバ内に前記振動板と反対側の位置に設
   けられ、前記圧電装置の第１の電極部に導電部材を介し
   て電気的に接続され、圧電装置からの信号を増幅し外部
   へ出力する電子装置と、 （ｇ）前記振動板と前記圧電装置との間に配置され、前
   記振動板の動きを前記圧電装置に伝達する熱障壁部材と
   を備え、 前記熱障壁部材は、セラミック部と該セラミック部を被
   覆する導電性金属層とを有し、前記導電性金属層は、前
   記圧電装置の第１の電極部に対向する第２の電極部と前
   記金属振動板とを電気的に接続させることを特徴とする
   内燃機関のシリンダ圧力伝送装置。