(57)【要約】【課題】  圧力計測雰囲気の圧力変化に対する応答速度が速い圧力計測用センサを提供すること。【解決手段】  下面２Ａの少なくとも一部が受圧部３とされた直方体形状を有する圧電素子２と、圧電素子２を中に挟んで圧電素子２に接するように配置された一対の電極４と、受圧部３を計測雰囲気中に露出させた状態で、圧電素子２及び一対の電極４を覆う保護部材５とを備えることを特徴とする。また、一対の電極４の面積が、受圧部３の面積よりも大きいことが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な一面の少なくとも一部が受圧部とされた圧電素子と、
該圧電素子を中に挟んで該圧電素子に接するように配置された一対の電極と、
前記受圧部を計測雰囲気中に露出させた状態で、前記圧電素子及び前記一対の電極を覆う保護部材とを備えることを特徴とする圧力計測用センサ。
【請求項２】
前記一対の電極の面積が、前記受圧部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧力計測用センサ。
【請求項３】
前記圧電素子が、ランガサイト単結晶あるいはランガテイト単結晶で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力計測用センサ。
【請求項４】
前記一面が結晶光学上の座標軸Ｙにしたがった面であることを特徴とする請求項３に記載の圧力計測用センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室等に用いられる圧力計測用センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室内における燃焼圧等を計測するための圧力計測用センサとして、機械的負荷を圧電素子によりアナログ信号に変換する圧電素子を備え、変換されたアナログ信号を計測することによって連続する圧力変化を測定するものが知られている。
このような圧力計測用センサの圧電素子部分を直接内燃機関内部に挿入して圧力を測定して異常時と正常時との燃焼波形を比較（以下、ノック検知と称する。）することによって、排気ガス還流（以下、ＥＧＲと称する。）、最大トルクのための最小進入角度（以下、ＭＢＴと称する。）の制御が可能となり、燃料と空気の最適混合比を実現できる。そして、リーンバーン制御が可能となって内燃機関の大幅な燃費向上を行うことができる。
【０００３】
従来、このような圧力計測用センサとしては、金属膜からなるダイヤフラムと、このダイヤフラム上に載置されて上部に端子を有する電極が形成された圧電素子基板と、この圧電素子基板上に載置されて端子の少なくとも一部を露出させると共に電極を覆う絶縁性部材とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この圧力計測用センサは、ダイヤフラムに加えられた圧力を機械的負荷として圧電素子に加え、この圧電素子がダイヤフラムによって圧縮されると圧電変換により電荷が発生する。そして、この電荷を電極で検出することにより圧力計測用センサに加えられた圧力の測定を行うものである。
【特許文献１】特許第３２５６７９９号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の圧力計測用センサには、以下の課題が残されている。すなわち、従来の圧力計測用センサでは、ダイヤフラムが受圧部とされており、ダイヤフラムに加えられた圧力が機械的負荷となって圧電素子に伝達されて電荷を発生させる。このため、圧力計測雰囲気の圧力変化に対する圧電素子の応答速度が遅いという問題がある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、圧力計測雰囲気の圧力変化に対する応答速度が速い圧力計測用センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の圧力計測用センサは、平坦な一面の少なくとも一部が受圧部とされた圧電素子と、該圧電素子を中に挟んで該圧電素子に接するように配置された一対の電極と、前記受圧部を計測雰囲気中に露出させた状態で、前記圧電素子及び前記一対の電極を覆う保護部材とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この発明にかかる圧力計測用センサでは、圧電素子の一面の少なくとも一部が計測雰囲気中に露出する受圧部とすることによって、受圧部に加えられた圧力は直接機械的負荷となって圧電素子に加えられて圧電変換により電荷が発生され、この電荷が一対の電極で検出される。よって、計測雰囲気の圧力変化に対する感度を向上させることができると共に、圧力変化に対する応答速度を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明にかかる圧力計測用センサは、前記電極の面積が、前記受圧部の面積よりも大きいことが好ましい。
この発明にかかる圧力計測用センサでは、圧電変換により圧電素子で発生する電荷の電束密度は、受圧部に加えられた圧力に比例するので、効率よく発生した電荷を検出することができ、計測雰囲気の圧力変化に対する感度がより向上する。
【０００９】
また、本発明にかかる圧力計測用センサは、前記圧電素子が、ランガサイト単結晶あるいはランガテイト単結晶で構成されていることが好ましい。
この発明にかかる圧力計測用センサでは、１４７０℃までキュリー温度がなく、内燃機関内部の高温状態においても安定して同一の結晶構造を保持できるランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）単結晶あるいはランガテイト単結晶（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４）を圧電素子として用いることで、圧電素子の物質的劣化のない状態で内燃機関に入れて直接圧力計測が可能となる。
また、ランガテイトを用いた場合、α―ｑｕａｒｔｚと同程度の温度安定性を維持するので、内燃機関内部などの高温下に直接挿入しても内部の圧力を正確に測定することができる。
【００１０】
また、本発明にかかる圧力計測用センサは、前記一面が結晶光学上の座標軸Ｙにしたがった面であることが好ましい。
この発明にかかる圧力計測用センサでは、ランガサイト単結晶の結晶光学上の座標軸Ｙにしたがった面に加えられた圧力は、圧電変換により結晶光学上の座標軸Ｘにしたがった面に電荷を発生させる。すなわち、受圧部と一対の電極とを垂直に配置することでより効率のよい圧力計測が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧力計測用センサによれば、圧電素子の一面の少なくとも一部が計測雰囲気に接する受圧部とされることで、計測雰囲気の圧力変化を直接圧電素子に加えることができる。したがって、圧電素子に圧力を伝達する圧力伝達媒体を必要としないので、計測雰囲気の圧力変化に対する感度を向上させると共に、圧力変化に対する応答速度を向上させることができる。また、圧力伝達媒体を用いないことで、圧力計測用センサの小型化、製造コストの抑制ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる圧力計測用センサの第１の実施形態を、図１を参照しながら説明する。
本実施形態による燃焼圧センサ（圧力計測用センサ）１は、例えば車両用エンジンなどの内燃機関内の燃焼圧を計測するもので、直方体形状を有して下面（一面）２Ａの一部が計測雰囲気と接する受圧部３とされた圧電素子２と、互いに対向する側面２Ｂに配された一対の電極４と、受圧部３を計測雰囲気中に露出させると共に圧電素子２及び一対の電極４を覆う保護部材５と、一対の電極４とそれぞれ電気的に接続されたリード線６とを備えている。
【００１３】
圧電素子２は、結晶光学上の座標軸Ｘ、座標軸Ｙ及び座標軸Ｚ軸方位にて切断して直方体形状に形成したランガサイト単結晶から形成されており、受圧部３を含む下面２ＡがＹ面とされ、銀によって形成された薄膜電極である一対の電極４が配置される側面２ＢがＸ面とされている。
【００１４】
保護部材５は、内部に圧電素子２及び一対の電極４を設置する箱状の部材であって、例えばアルミナなどの絶縁性部材によって形成された絶縁性セラミックス１１と、例えばステンレスなどの導電部材によって形成されて絶縁性セラミックス１１を覆う金属筐体１２とを備えている。
【００１５】
絶縁性セラミックス１１は、中空でほぼ直方体形状を有しており、内部に圧電素子２及び一対の電極４が配置される箱部１３と、蓋部１４とで構成されている。
箱部１３は、圧電素子２のＸ面と対向する一対の内側面１３Ａに一対の電極４が形成されており、蓋部１４を取り付けたときに一対の電極４の上端が絶縁性セラミックス１１から露出するような構成とされている。
また、箱部１３の底面１３Ｂには圧電素子２の受圧部３が計測雰囲気中に露出するように矩形状の開口１３Ｃが形成されている。
【００１６】
金属筐体１２は、絶縁性セラミックス１１と同様に、中空でほぼ直方体形状を有しており、内部に絶縁性セラミックス１１が配置される箱部１５と、蓋部１６とで構成されている。
箱部１５の底面１５Ａには絶縁性セラミックス１１と同様に、圧電素子２の受圧部３が測定雰囲気と接触するように矩形上の開口１５Ｂが形成されている。
また、箱部１５の内側面と絶縁性セラミックス１１との間には空隙１７が形成されており、圧電素子２の側面側からの圧力を空隙１７によって緩和させることで圧電素子２が受圧しないような構成とされている。
蓋部１６は、絶縁性セラミックス１１の一対の内側面１３Ａと接触する部分のほぼ中央に一対の電極４とそれぞれ電気的に接続された一対のリード線６を外部に露出させるために、一対のリード線用開口１６Ａが形成されている。
なお、金属筐体１２と絶縁性セラミックス１１とは、計測雰囲気が内部に侵入しないようにガラスによって封着されている。
【００１７】
リード線６は、一対の電極４の上端と電気的に接続されており、金属筐体１２の蓋部１６と電気的に接触しないように絶縁管１８内に配置されており、圧電素子２に発生した電荷が一対の電極４及びリード線６以外に漏電しないように設置されている。
また、図２に示すように、一対のリード線６は、一方がチャージアンプ２０に接続され、他方がグラウンドＧに接続されている。このチャージアンプ２０は、圧電素子２によって発生した電荷から取り扱いの容易なアナログ電圧信号として出力するような構成となっている。
【００１８】
以上のように構成された本発明の燃焼圧センサ１について以下にその製造方法を説明する。
まず、ランガサイトをＸ面の大きさが、例えば３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、側面がＹ面及びＺ面となるように加工して圧電素子２を形成する。
次に、絶縁性セラミックス１１の箱部１３の一対の内側面１３Ａに銀ペーストを塗布し、１５０℃で１時間乾燥させることにより一対の電極４を形成する。そして、圧電素子２のＸ面が一対の電極４と接触するように箱部１３の中に載置すると共に、圧電素子２の上に蓋部１４を載置した後、絶縁性セラミックス１１の圧電素子２のＸ面と平行となっている側面を１ｋｇの加重でプレスする。
【００１９】
次に、絶縁性セラミックス１１及び圧電素子２を多孔質ジルコニア基板上に置き、電気炉を用いて、３００℃で４８時間、脱バインダ処理を行い、さらに、８５０℃で２時間焼成する。そして、絶縁性セラミックス１１から露出した一対の電極４の上端にリード線６及び絶縁管１８を取り付ける。
最後に、このようにして組み上げたものを金属筐体１２の箱部１５の中に絶縁セラミックス１１の側面と箱部１５の内側面とが接触しないように載置し、さらに蓋部１６を載置することにより絶縁性セラミックス１１を収納する。
このとき、絶縁性セラミックス１１及び金属筐体１２は、ガラスにより封着されており、計測雰囲気が内部に侵入しないようにしている。
【００２０】
次に、本実施形態にかかる燃焼圧センサ１の使用方法について説明する。
まず、燃焼圧センサ１を、図３に示すように、ガソリンエンジン３０の例えば、点火プラグ３１及び吸気ポート３２の近傍位置から受圧部３を露出させるように燃焼室３３内に挿入する。そして、クラウン軸３４を回転して、コンロッド３５に接続されるピストン３６を上下させる。このとき、燃焼室３３内に挿入されたガソリン燃料が燃焼して、図２に示す圧力Ｆが発生し、この圧力Ｆが、燃焼圧センサ１の受圧部３を変位させる。このとき、受圧部３が圧電素子２の結晶光学上のＹ面であるため、圧電変換による発生電荷は圧電素子の結晶光学上のＸ面である側面２Ｂに発生する。
【００２１】
ここで、受圧部３の変位が圧電素子２を圧縮する方向の場合、圧電素子２の一方の側面には負の電荷が発生すると共に、他方の側面には正の電荷が発生する。一方、受圧部３の変位が圧電素子２を引っ張る方向の場合、圧電素子２の一方の側面には正の電荷が発生すると共に、他方の側面には負の電荷が発生する。こうして発生した電荷はいずれの場合も電極４及びリード線６を介してチャージアンプ２０に入力され、電気信号に変換される。
また、空隙１７が設けられていることで、圧電素子２の側方からの圧力を圧電素子２が圧電変換しないようにすることができる。これにより、受圧部３からのみの圧力を計測することができる
【００２２】
出力されたアナログ信号は、車両に設けられた図示しない外部回路によって圧力値に変換されると共に表示される。
こうして、計測された燃焼圧からエンジントルク変動を直接検知することによって、ＥＧＲ、ＭＢＴなどの制御が可能となり、燃料と空気の最適混合比を実現できる。そして、リーンバーン制御が可能となって内燃機関の大幅な燃費向上を行うことができる。
【００２３】
このように構成された燃焼圧センサ１は、受圧部３が計測雰囲気中に露出しているので、受圧部３に加えられた圧力が直接機械的負荷となって圧電素子に加えられて電荷を発生させる。これにより圧力の伝達損失が小さくなるので、感度を向上させることができ、計測雰囲気の圧力変化に対する応答速度を向上させることができる。
また、一対の電極４が計測雰囲気から離間することで、一対の電極４が繰り返し加えられた圧力や高温にさらされることによる腐食などで劣化し、計測精度が悪化することを抑制できる。
【００２４】
また、１４７０℃までキュリー温度がなく、内燃機関内部の高温状態においても安定して同一の結晶構造を保持できるランガサイト単結晶を圧電素子２に用いることによって、物質的劣化のない状態で内燃機関に入れて直接圧力測定が可能となる。
また、受圧部３を結晶光学上の座標軸Ｙにしたがった面であることで、結晶光学上の座標軸Ｘにしたがった面に電荷が発生するので、受圧部３と一対の電極４とを垂直に配置することができ、より効率のよい圧力計測が可能となる。
また、一対の電極４の面積が、受圧部３の面積よりも大きいことで、効率よく発生した電荷を検出することができ、感度が向上する。なお、一対の電極４と受圧部３の面積との比は、２．０以上であることが望ましい。
【００２５】
次に、本発明にかかる圧力計測用センサの第２の実施形態について図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態における燃焼圧センサ１では、圧電素子２が絶縁セラミックス１１内に載置され、さらにこの絶縁セラミックス１１が金属筐体１２内に載置されたのに対し、第２の実施形態における燃焼圧センサ４０では、圧電素子２が保護部材である金属筐体４１内に直接載置されている点である。
【００２６】
すなわち、本実施形態における燃焼圧センサ４０は、圧電素子２のＸ面とされる互いに対向する側面２Ｂに一対の電極４が形成され、この圧電素子２が金属筐体４１の箱部４２の底面４２Ａに載置されている。
一対の電極４は、金属筐体４１と電気的に離間するように側面２Ｂの底面４１Ａ側の端辺には形成されていない。また、圧電素子２と金属筐体４１の内側面との間に空隙１７が設けられており、上述と同様に、圧電素子２の側面側からの圧力を空隙１７によって緩和させて圧電素子が受圧しないような構成とされている。また、圧電素子２と底面４２Ａ及び蓋部４３とは、上述と同様に、計測雰囲気が内部に侵入しないようにガラスによって封着されている。
【００２７】
このように構成された燃焼圧センサ４０は、第１の実施形態における燃焼圧センサ１と同様の作用・効果を有するが、圧電素子２が直接金属筐体４１によって覆われることで、部品点数が削減できると共に、小型化が可能となる。
【００２８】
次に、本発明にかかる圧力計測用センサの第３の実施形態について図５を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態における燃焼圧センサ１では、圧電素子２の下面２Ａの一部が受圧部３とされたのに対し、第３の実施形態における燃焼圧センサ５０では、圧電素子２の下面の全体が受圧部３とされている点である。
【００２９】
すなわち、本実施形態における燃焼圧センサ５０は、圧電素子２の側面２Ｂに一対の電極４が配され、保護部材５１により受圧部３が露出すると共に圧電素子２及び一対の電極４が覆われている。
保護部材５１は、絶縁性セラミックス５２と金属筐体１２とによって構成されている。絶縁性セラミックス５２は、矩形上の筒部５３と蓋部５４とによって構成されており、筒部５３が圧電素子２のＸ面と対向する一対の内側面５３Ａに一対の電極４が形成されており、蓋部５４を取り付けたときに一対の電極４の上端が絶縁性セラミックス５２から露出するような構成とされている。
なお、一対の電極４は、受圧部３と接触しないように内側面５３Ａの下端側には形成されておらず、計測雰囲気に露出しないようにガラス５５により保護されている。
【００３０】
このように構成された燃焼圧センサ５０は、第１の実施形態における燃焼圧センサ１と同様の作用・効果を有するが、圧電素子２の下面全体が受圧部３とされているので、計測雰囲気の圧力変化に対する精度が向上する。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の圧力計測用センサを上述したように燃焼圧センサとして利用する場合に限らず、高温度環境下における圧力計測用として使用するものとしてもかまわない。
また、ランガサイトを圧電素子２として用いたが、ランガテイトを用いてもよい。ランガテイトは、α―ｑｕａｒｔｚと同程度の温度安定性を維持するので、内燃機関内部などの高温化に直接挿入しても内部の圧力を正確に測定することができる。
また、一対の電極に用いる導電性物質は、銀、白金、金等の導電性物質、もしくはこれらの混合物で構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にかかる第１の実施形態における燃焼圧センサを示す断面図である。
【図２】本発明にかかる第１の実施形態における燃焼圧センサの断面とチャージアンプの構成とを示す図である。
【図３】本発明にかかる第１の実施形態における燃焼圧センサをガソリンエンジンに取り付けた状態を示す断面図である。
【図４】本発明にかかる第２の実施形態における燃焼圧センサを示す断面図である。
【図５】本発明にかかる第３の実施形態における燃焼圧センサを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１、４０、５０  燃焼圧センサ（圧力計測用センサ）
２  圧電素子
２Ａ  下面（一面）
３  受圧部
４  電極
５、５１  保護部材
【図１】
2005181184.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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