JPS6319013B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエンジンの振動センサ、特にエンジン
に取付けられエンジン振動の特定周波数と共振す
る共振周波数に設定された振動体を含み、この振
動体の振動を電気信号に変換して前記エンジンの
振動検出を行なうエンジンの振動センサに関す
る。

今日、一般に、船舶用、自動車用等に多くのエ
ンジンが実用されており様々の形で我々の生活に
貢献している。これらのエンジンでは、運転条件
が適切でないと、出力が低下したり、ノツキング
による異常振動や異常損耗を発生し、更にその燃
費効率が低下する。

従つて、前述した最適な運転条件を得るために
は、エンジンの運転状態を正確に把握することが
要求され、このための有益な装置としてエンジン
の振動センサが知られており、エンジンの特定周
波数における振動がエンジンの運転状態を正しく
反映していることから、この特定周波数における
振動の大きさあるいは特性を測定することにより
運転条件を最適化するための多くの情報を得るこ
とができる。前記特定周波数は種々の運転状態に
応じて各種選択されるが以下にはエンジンのノツ
キング振動周波数を例に採り説明する。

一般に、エンジンの点火進角が過大（点火時期
が早い）な時にはノツキングおよび出力低下が引
きおこされ、同様に前記点火進角が過少（点火時
期が遅い）な時にも出力の低下が引きおこされ
る。それ故、ノツキングを避けつつ最大出力、最
大効率を得るためにはエンジンの点火進角の最適
化を図る必要がある。しかし、点火進角の最適な
値は、エンジン型式、エンジン個体差、エンジン
各気筒毎、回転数、吸気圧によつてそれぞれ異な
り、予め最適値に設定しておくことは容易でな
い。従来、このような点火進角の設定は、エンジ
ン回転数および吸気圧に対応して機械的又は電気
的に行なつていたが、必ずしも完全に最適値に制
御することはできなかつた。このため、点火進角
を最適値よりも小さく設定しておき、最高出力を
犠牲にしてノツキングの発生を生じにくくするの
が常であつた。

ところが、最近、エンジンには低燃費化および
高効率化の要請が高まり、前述した安易な対処法
では時代の要請に充分対処しきれなくなつてき
た。特に近年、低燃費化、高出力化を目指して開
発されつつある過給機（ターボチヤージヤ）付エ
ンジン等においては、最適点火進角化の要請が強
い。これらの要請に応えるための一方法として、
最高効率の得られるトレースノツク（微弱なノツ
キング）状態を指標として点火進角を自動制御す
る手法（ノツクコントロールシステム）が開発さ
れた。そして、このようなノツクコントロールシ
ステムを効果的に作動させるためにはエンジンの
トレースノツクを正確にかつ迅速に検出すること
が要求される。この要求を満たすため従来から数
種類のエンジン用振動センサが用いられていた。

このような従来の振動センサとして、例えば、
磁歪型、圧電円板型、圧電片持梁型等の振動セン
サが知られているが、これらの各振動センサはい
ずれも性能が充分でないため、例えば温度変化、
エンジン回転数等の測定条件が変化すると正確な
測定が行なえず、その結果エンジンのノツクコン
トロールにも支障が生じていた。このため、充分
な性能を有する振動センサ、すなわち、エンジン
回転数、温度変化等の測定条件の変化に関係なく
エンジンのノツキング特有の振動を他の雑振動と
正確に区別して検出する振動センサの開発が望ま
れていた。また、一般にエンジンは多気筒からな
りこれら各気筒を最適点火進角に制御するため、
１個で多数の気筒のノツキング振動を検出可能な
振動センサの開発も望まれていた。

第１図は、周波数特性がフラツトな非共振型振
動体をエンジンに取付け、この振動体を介して得
られるエンジンの振動を電気信号に変換して検出
したエンジンの振動波形であり、第１Ａ図はノツ
キングを発生しない通常燃焼状態での振動波形、
第１Ｂ図はノツキングを伴なう異常な燃焼状態で
の振動波形を示すものである。同各図に示す如
く、燃焼のタイミングと同期して周期的にレベル
の高い大きな振動波形が双方の状態に見られる
が、第１Ｂ図に示すノツキングを伴なう異常燃焼
状態の場合には、前述した周期的な波形に加えて
多少振動のピークのタイミングからはずれたレベ
ルの大きな振動波形が認められる。

第２図は、第１図の振動波形の周波数スペクト
ルを示すものである。第１図の場合と同様、第２
Ａ図にはノツキングを発生しない通常の燃焼状態
での周波数スペクトルが示され、第２Ｂ図にはノ
ツキングを伴なう異常な燃焼状態での周波数スペ
クトルが示されている。これら第２図から明らか
な如く、ノツキングを発生しない通常の燃焼状態
では、略平担なスペクトルであるのに対し、ノツ
キングを伴なう異常な燃焼状態では特定周波数に
ピークを有する特徴あるスペクトル特性を示す。

このように、ノツキングによる振動は６〜８
〔ＫHz〕程度の特定周波数であるのに対し、ノツ
キング以外の雑振動は広範囲の周波数にわたつて
存在する。それ故、例えば第３図に示す如く、ノ
ツキング振動周波数と一致する共振周波数特性を
有する振動体を備えた振動センサを用い、エンジ
ンの振動を検出すれば、ノツキング振動を他の雑
振動から確実に分離し検出することができる。

ところが、従来用いられていた振動センサで
は、前述した共振周波数をノツキング振動周波数
と常に一致させておくことが困難であり、測定条
件の変動により前記振動センサの共振周波数とノ
ツキング振動周波数とがずれる場合が生ずる。こ
のようなずれにより前記両周波数に不一致が生ず
ると、振動センサはエンジン各部から発生する雑
振動とノツキング特有の振動との区別を正確に行
なうことができなくなり検出特性が悪化する。

このような特性悪化を引き起こす原因として振
動センサの共振周波数が温度によつて変動するこ
とが挙げられる。すなわち、振動センサにあつて
は、振動体のヤング率や固定条件が温度により変
化するため、温度の変化に伴ない共振周波数も変
動する。一般に、エンジンは−30〔℃〕〜120〔℃〕
程度の広い温度範囲での使用を要求される。この
ためエンジン用の振動センサにおいては、温度変
化による共振周波数の変動も特性悪化の大きな原
因となつていた。

一般に振動体の共振周波数は振動部材のヤング
率Ｅの1/2乗に比例する。例えば、単成分の素材
で構成した矩形断面の片持梁の共振周波数₀は次
式で表わせる。

但し、₀：共振周波数 π：円周率 ｌ：振動体の長さ ｈ：振動体の厚さ Ｅ：ヤング率 ρ：密 度 ここでヤング率Ｅの温度係数をβとし、熱膨張
係数をαとすると、共振周波数₀は温度ｔの関数
として表わされる。すなわち、共振周波数₀（ｔ）
は、 として表わされる。

但し、ｔ：温度 Δt：基準温度からの温度変化分 一般にヤング率Ｅの温度係数βは600×10^-6
〔deg^-1〕程度であるのに対し、熱膨脹係数αは２
×10^-6〜15×10^-6〔deg^-1〕程度とヤング率Ｅの温
度係数βに比べて極めて小さいため、(3)式におけ
る（β＋α）はβとみなして差し支えない。従つ
て、振動体の共振周波数₀（ｔ）の温度係数はヤ
ング率Ｅの温度係数βに依存していることが理解
される。

通常、圧電板には種々の要求特性値があり、ヤ
ング率Ｅの温度係数βのみを単独で任意に設定す
ることはできない。

このため、従来のエンジンの振動センサにおい
ては、圧電板のヤング率Ｅの温度係数をβ〔％／
100℃〕（βは正の数）とすると共振周波数₀の温
度係数は約β／２に画一的に定まるので、共振周
波数₀の温度係数を補正することができなかつ
た。従つて、使用温度の全領域に渡つて振動セン
サの共振周波数₀をエンジンの特定周波数の振
動、例えばノツキング振動の周波数に一致させる
ことができず、この結果、ノツキング振動センサ
を雑振動から確実に分離して正確に検出すること
ができないという欠点があつた。

本発明は前述した従来の課題に鑑み為されたも
のであり、その目的は振動体の共振周波数の温度
係数を補正することができ、エンジンの特定周波
数の振動、例えばノツキング振動を雑振動から確
実に分離して正確に検出することができ、最適な
条件でエンジンを制御することを可能とするエン
ジンの振動センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明はエンジン
に取付けられエンジン振動の特定周波数と共振す
る共振周波数に設定された振動体を含み、この振
動体の振動を電気信号に変換して前記エンジンの
振動検出を行なう振動センサにおいて、前記振動
体はヤング率の温度係数が正である圧電板とヤン
グ率の温度係数が負である温度係数補正板とを備
え、圧電板に温度係数補正板を固着することによ
り振動体の共振周波数の温度係数を補正すること
を特徴とする。

以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第４図には本発明に係るエンジンの振動センサ
の好適な第１実施例が示されており、図において
エンジンに取り付けられた基台１０には振動体１
２の基部１２ａが押え板１４にて押圧された状態
で支持固定されている。

上記振動体１２は、第４図において矢印で示さ
れる分極方向を逆向きにして互いに固着された２
枚の圧電板１６，１８と、両圧電板１６，１８の
２枚分の厚さの1/100〜1/10倍の厚さを有し圧電
板１６，１８の両面に固着される温度係数補正板
２０，２２と、を含み、本実施例において圧電板
１６，１８はヤング率Ｅの温度係数βが正である
チタン酸ジルコン酸鉛（以下「PZT」という）
にて作られ、また温度係数補正板２０，２２はヤ
ング率Ｅの温度係数βが負であるニツケルまたは
N_i―F_e合金にて作られている。

本発明の実施例は以上の構成から成り、以下に
その作用を説明する。

上述したように、圧電板１６，１８のヤング率
Ｅの温度係数βが正の値を有する場合には、ヤン
グ率Ｅの温度係数βが負の値を有する温度係数補
正板２０，２２と組み合わせることによつて、振
動体１２の共振周波数₀の温度係数を補正するこ
とができる。すなわち、第５図〜第７図にはそれ
ぞれニツケル、純鉄、42パーマロイにおける磁化
状態と温度とによるヤング率Ｅの変化状態が示さ
れており、第５図から明らかなようにニツケルの
場合には０〔℃〕〜180〔℃〕の実用使用範囲にお
いてヤング率Ｅの温度係数βが負の大きな値を有
することから、ヤング率Ｅが正の温度係数βを有
する圧電板１６，１８に対してはニツケルから成
る温度係数補正板２０，２２を固着することが好
適である。

以下に圧電板１６，１８としてPZTを使用し、
また温度係数補正板２０，２２としてニツケルを
使用した場合における振動体１２の共振周波数₀
の温度係数補正原理について説明する。

上記構成における振動体１２の共振周波数₀は として表わされる。

但し、ｂ：振動体の幅 E₁：PZTのヤング率 E₂：ニツケルのヤング率 h₁：PZTの厚さ h₂：ニツケルの厚さ ρ₁：PZTの密度 ρ₂：ニツケルの密度 ここで、従来例において説明したように、共振
周波数₀に対する熱膨脹係数αの影響はヤング率
Ｅの温度係数βに比べて無視できる程度であるか
ら、共振周波数₀の温度係数は(4)式の右辺の根号
内の分子の温度係数の約1/2の値となる。そして、
上記(4)式における右辺の根号内の分子をＸとする
と、Ｘを温度の影響を加味して表せば次式の通り
となる。

Ｘ＝E₁（１＋β₁・Δt）h₁ ³＋E₂h₂（１＋β₂・
Δt）・（3h₁ ²＋3h₁h₂＋h₂ ²）＝E₁h₁ ³＋E₂h₂（3h₁ ²＋
3h₁h₂＋h₂ ²）＋｛E₁β₁・Δth₁ ³＋E₂h₂β₂・Δt（3h₁ ²
＋
3h₁h₂＋h₂ ²）｝ ……(5)式 但し、β₁：PZTのヤング率E₁の温度係数 β₂：ニツケルのヤング率E₂の温度係数 (5)式から明らかなように共振周波数₀の温度依
存性のない振動体１２を得るためには、(5)式の右
辺の第３項の値を零にすればよい。すなわち、(5)
式において、 E₁β₁・Δth₁ ³＋E₂h₂β₂・Δt（3h₁ ²＋3h₁h₂＋h₂ ²）
＝０ であるから、 h₂／h₁｛３＋３・h₂／h₁＋（h₂／h₁）²｝＝−E₁β₁／
E₂β₂……(6)式 の関係式が成立するようにニツケルの厚さh₂と
PZTの厚さh₁との比すなわちh₂／h₁を定めればよ
い。

第８図にはh₂／h₁と共振周波数₀の温度係数と
の関係が示されており、図から明らかなようにニ
ツケル層の熱処理によつて若干異なるが、1000
〔℃〕の焼鈍ニツケルを使用した場合h₂／h₁＝
0.039のときに共振周波数₀の温度係数が零にな
ることが理解される。本実施例においてはPZT
の厚さh₁＝0.28〔mm〕、1000〔℃〕焼鈍ニツケルの
厚さh₂＝11.3〔μｍ〕で、その長さｌ＝５〔mm〕の
振動体１２が使用され、８〔ＫHz〕の共振周波数
₀が得られたが、h₂／h₁の値は1/100〜1/10の範
囲で適宜変更することにより振動体１２の共振周
波数₀の温度係数を正負いずれかの値に補正する
ことが可能である。

すなわち、第８図から明らかなようにニツケル
の厚さh₁を薄くすれば共振周波数₀の温度係数を
正の任意値に補正することができ、またニツケル
の厚さh₁を厚くすれば共振周波数₀の温度係数を
負の任意値に補正することができる。従つて、ニ
ツケルの厚さh₁を加減することにより、振動体１
２の共振周波数₀の温度係数を最適値に補正する
ことができる。

このように本発明において特徴的なことは、振
動体１２はヤング率E₁の温度係数β₁が正である圧
電板１６，１８とヤング率E₂の温度係数β₂が負で
ある温度係数補正板２０，２２とを備え、圧電板
１６，１８に温度係数補正板２０，２２を固着す
ることにより振動体１２の共振周波数₀の温度係
数を補正することであり、前述した温度係数補正
板２０，２２の温度係数補正作用により共振周波
数₀が温度によつて変動しない振動センサを得る
ことができる。

尚、一般に圧電板１６，１８の表面には銀ペー
スト等により電極層（図示せず）が設けられ、ま
た各層間の貼り合わせには有機又は無機接着剤等
が用いられる場合がある。これら銀ペースト、接
着剤等は１〜５〔μｍ〕程度の厚さの場合には、
特性に大きな影響を及ぼさないことが多いが、そ
れ以上の厚さを有する場合であつても、これら銀
ペースト、接着剤等の厚さを圧電板１６，１８の
厚さh₁に含めてh₂／h₁を設定することにより、本
発明を何等支障なく適用することができる。

又、本発明における温度係数補正板２０，２２
で圧電板１６，１８の電極を兼ねて使用すること
も好適である。

そして、前記振動体１２の機械的振動は圧電変
換により電気信号として検出され、振動体１２の
共振周波数₀をエンジンのノツキング共振周波数
に設定することによりノツキング状態を電気的に
検出することができる。

次に、第９図には本発明に係るエンジンの振動
センサの好適な第２実施例が示されている。図に
おいて振動体１２は金属性補強板２４を挾持した
状態で矢印で示される分極方向を逆向きにして互
いに固着された圧電板１６，１８と、両圧電板１
６，１８の２枚分の厚さの1/100〜1/10倍の厚さ
を有する温度係数補正板２０，２２と、を含み、
各温度係数補正板２０，２２はそれぞれ圧電板１
６，１８の表面に固着されている。上記圧電板１
６，１８は前述した第１実施例と同様ヤング率Ｅ
の温度係数βが正であるPZTにて作られ、また
温度係数補正板２０，２２はヤング率Ｅの温度係
数βが負であるニツケルまたはN_i―F_e合金にて
作られている。

本発明の第２実施例は以上の構成から成り、他
の条件が前述した第１実施例と同様の場合、金属
性補強板２４の厚さh₃が50〔μｍ〕程度であれば
剛性が小さいので、h₃は殆んど無視して差し支え
ない。従つて、振動体１２は金属性補強板２４に
て振動に対して補強された状態で、前述した第１
実施例と同様温度係数補正板２０，２２の温度係
数補正作用により、振動体１２の共振周波数₀の
温度係数を最適値に補正することができる。

更に、第１０図には本発明に係るエンジンの振
動センサの好適な第３実施例が示されている。図
において振動体１２は、矢印で示される分極方向
を逆向きにして対向配置された一対の圧電板１
６，１８と、両圧電板１６，１８の厚さの1/3〜
３倍の厚さを有する温度係数補正板２６と、を含
み、温度係数補正板２６は両圧電板１６，１８に
挾持された状態で固着されている。上記圧電板１
６，１８は前述した第１実施例と同様ヤング率Ｅ
の温度係数βが正であるPZTにて作られ、また
温度係数補正板２６はヤング率Ｅの温度係数βが
負であるニツケルまたはN_i―F_e合金にて作られ
ている。

本発明の第３実施例は以上の構成から成り、以
下にその作用を説明する。

第１１図には上記構成から成る振動センサにお
けるPZT厚さ／ニツケル厚さ（＝h₁／h₂）と共振周波数
₀ の温度係数との関係が示され、通常ニツケル板は
熱処理状態により性質が大きく変動するので1000
〔℃〕の焼鈍ニツケルを使用することが好ましい。
そして、図から明らかなように1000〔℃〕の焼鈍
ニツケルを使用した場合、h₁／h₂の値を1.1に設
定することにより振動体１２の共振周波数₀の温
度係数を零にすることができる。また、h₁／h₂の
値は1/3〜３の範囲で適宜変更することにより、
前述した第１実施例と同様振動体１２の共振周波
数₀の温度係数を最適値に補正することができ
る。

更に、第１２図には本発明に係るエンジンの振
動センサの好適な第４実施例が示されており、図
において振動体１２は、圧電板２８と該圧電板２
８の厚さの1/2〜1/40倍の厚さを有し金属板から
成る温度係数補正板３０とを含み、圧電板２８の
表面に温度係数補正板３０が固着されている。本
実施例において圧電板２８はPZTにて作られ、
また温度係数補正板３０は金属板にて作られてい
る。

本発明の第４実施例は以上の構成から成り、以
下にその作用を説明する。

第１３図には上記構成から成る振動センサにお
ける金属板厚さ／PZT厚さ（＝h₂／h₁と共振周波数₀の
温度係 数との関係が示され、図から明らかなように温度
係数補正板３０として1000〔℃〕焼鈍ニツケルを
使用した場合、h₂／h₁＝0.05のときに共振周波数
₀の温度係数を零とすることができる。そして、
この場合の曲げに対する中立軸はPZTの下端か
らPZTの厚さの0.565倍の線上に位置している。

また、温度係数補正板３０として冷間加工ニツ
ケルを使用した場合、h₂／h₁＝0.177のときに共
振周波数₀の温度係数を零とすることができ、こ
の場合の曲げの中立軸はPZTの下端からPZTの
厚さの0.772倍の線上に位置している。尚、第１
２図において圧電板２８に一点鎖線で示される中
立軸を境界として対向した分極処理を施したり、
また分極済みの２枚の圧電板を分極方向を対向さ
せて固着することにより、曲げに対する出力が加
算され、結果として大きな出力を得ることができ
る。

尚、以上説明した実施例においては片持梁方式
のエンジンの振動センサについて説明したが、両
端固定梁方式、全周固定円板（又は角板）方式等
種種のエンジンの振動センサに適用することが可
能である。

更に、振動体１２の振動検出部としては圧電型
のものに限らず、ピエゾ抵抗型、抵抗線ひずみゲ
ージ方式等の如きヤング率変化を有するものでも
よく、また起歪部表面の歪や応力に感知するもの
の他、電磁的、光学的手段によつて振動を検出す
ることができるもの等、単なる起歪材でヤング率
変化を有するものでも適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、振動体
はヤング率の温度係数が正である圧電板とヤング
率の温度係数が負である温度係数補正板とを備
え、圧電板に温度係数補正板を固着することによ
り振動体の共振周波数の温度係数を補正すること
ができ、この結果、エンジンの特定周波数の振
動、例えばノツキング振動を雑振動から確実に分
離して正確に検出することができ、最適な条件で
エンジンを制御することを可能とするエンジンの
振動センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は周波数特性の平担な振動センサによ
つて測定した通常燃焼状態でのエンジンの振動波
形図、第１Ｂ図は周波数特性の平担な振動センサ
によつて測定した異常な燃焼状態でのエンジンの
振動波形図、第２Ａ図は第１Ａ図の振動波形の周
波数スペクトル図、第２Ｂ図は第１Ｂ図の振動波
形の周波数スペクトル図、第３図は共振型振動セ
ンサにおける振動体の周波数特性図、第４図は本
発明に係るエンジンの振動センサの好適な第１実
施例を示す要部断面図、第５図はニツケルの磁化
及び温度によるヤング率の変化状態を示す特性
図、第６図は純鈍の磁化及び非磁化状態でのヤン
グ率の温度依存性を示す特性図、第７図は42パー
マロイの磁化状態及び温度によるヤング率の変化
状態を示す特性図、第８図は第４図で示される振
動センサにおいてニツケル厚さとPZT厚さとの
比を変数とした共振周波数変化率を示す特性図、
第９図は本発明に係るエンジンの振動センサの好
適な第２実施例を示す要部断面図、第１０図は本
発明に係るエンジンの振動センサの好適な第３実
施例を示す要部断面図、第１１図は第１０図で示
される振動センサにおいてPZT厚さとニツケル
の厚さの比を変数とした共振周波数変化率を示す
特性図、第１２図は本発明に係るエンジンの振動
センサの好適な第４実施例を示す要部断面図、第
１３図は第１２図で示される振動センサにおいて
金属板厚さとPZT厚さの比を変数とした共振周
波数変化率を示す特性図である。 １２…振動体、１２ａ…基部、１６，１８，２
８…圧電板、２０，２２，２６，３０…温度係数
補正板、２４…金属性補強板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エンジンに取付けられエンジン振動の特定周
   波数と共振する共振周波数に設定された振動体を
   含み、この振動体の振動を電気信号に変換して前
   記エンジンの振動検出を行なう振動センサにおい
   て、前記振動体はヤング率の温度係数が正である
   圧電板とヤング率の温度係数が負である温度係数
   補正板とを備え、圧電板に温度係数補正板を固着
   することにより振動体の共振周波数の温度係数を
   補正することを特徴とするエンジンの振動セン
   サ。 ２ 特許請求の範囲１記載の振動センサにおい
   て、振動体は、分極方向を逆向きにして互いに固
   着された２枚の圧電板と、該圧電板の２板の厚さ
   の1/100〜1/10倍の厚さを有し圧電板のいずれか
   一方又は双方の表面に固着される温度係数補正板
   としてのニツケル層またはN_i―F_e合金層と、を
   含むことを特徴とするエンジンの振動センサ。 ３ 特許請求の範囲１記載の振動センサにおい
   て、振動体は、金属製補強板を挾持して分極方向
   を逆向きにして互いに固着された２枚の圧電板
   と、該圧電板の２板の厚さの1/100〜1/10倍の厚
   さを有し圧電板のいずれか一方又は双方の表面に
   固着される温度係数補正板としてのニツケル層ま
   たはN_i―F_e合金層と、を含むことを特徴とする
   エンジンの振動センサ。 ４ 特許請求の範囲１記載の振動センサにおい
   て、振動体は、分極方向を逆向きに対向配置され
   た一対の圧電板と、両圧電板の厚さの1/3〜３倍
   の厚さを有し両圧電板の間に固着される温度係数
   補正板としてのニツケル板またはN_i―F_e合金層
   と、を含むことを特徴とするエンジンの振動セン
   サ。 ５ 特許請求の範囲１記載の振動センサにおい
   て、圧電板に該圧電板の厚さの1/2〜1/40倍の厚
   さを有する金属板を温度係数補正板として固着し
   たことを特徴とするエンジンの振動センサ。