JP3634066B2

JP3634066B2 - 回転センサ

Info

Publication number: JP3634066B2
Application number: JP12556196A
Authority: JP
Inventors: 基中島; 修市郎中島
Original assignee: 小川精機株式会社
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH09304414A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジンの発熱温度の変化を利用してエンジンの回転数を検出するエンジン用回転センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
模型飛行機用のエンジンは、エンジン本体の頭部にエンジンプラグ（一般にグロープラグと呼ばれる）を設け、これに所定の電流を流して始動する方式が一般的である。グロープラグは、プラグ本体内に絶縁材を介して芯材を設け、芯材の端にコイルが接続されて成る。
【０００３】
エンジン始動時には、一般に芯材が＋極となるように電源を与え、コイルの発熱によりエンジンの燃焼室内に導入された燃料を点火爆発させる。電源は外部から一時的に又は模型用エンジンに搭載されるバッテリーから供給される。
【０００４】
かかるエンジンの回転数は、エンジン出力軸の回転をタコジェネレータやフォトセンサなどで測るか、あるいはエンジン内部に磁気素子を設けて磁気の変化により測定する方法が知られている。これらは全てエンジンの機能とは無関係にエンジンに対して付加的に設けられるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のエンジン回転数を検出する手段は、一長一短があり、必ずしも満足できるものではない。例えば、タコジェネレータはエンジン改造を要しコストアップの要因となり、磁気素子は温度上昇による素子の劣化などが問題となる。
【０００６】
そこで、先に本出願人は上記問題を解決する手段として、エンジンの発熱変化によりグロープラグに流れる電流の変化を検出回路で検出するようにした回転センサを提案した（特願平７−６１０９１号）。
【０００７】
上記回転センサは検出回路の電源からコイルに電流を流すことによってエンジンの発熱による変化を電流の変化として捉えて回転数を検出するものであるが、この検出信号では熱的な変化を捉える感度が不十分であり、回転数を検出する際の精度が十分でないという問題がある。
【０００８】
この発明は、熱変化を電気的な変化に変換して回転数を検出する際の上記問題を、熱電素子のゼーベック効果を利用して解決し、正確な回転数を検出することのできる回転センサを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記課題を解決する手段として、エンジンに取付けられるグロープラグのプラグ本体と、上記プラグ本体に絶縁材を介して保持される芯材と、この芯材の下端に取付けられた熱電素子と、エンジン内で一端が上記熱電素子の端に接続され他端がプラグ本体に短絡して配設されたコイルとを有するグローブプラグに対し、上記芯材とプラグ本体間に検出回路を接続し、エンジン運転時に検出回路からコイルに対しエンジン始動時に流す電流より微弱な電流を流し、エンジン内の温度変化に伴うコイルの電流抵抗の変化による出力電圧の変化に、熱電素子の熱起電力による変化を加算して検出し、エンジン回転数を測定するように構成した回転センサとしたのである。
【００１０】
上記回転センサの構成において、前記プラグ本体のエンジン内に挿入される側の端に他の熱電素子を接合して設け、前記コイル他端を上記他の熱電素子の端に接続し、前記熱電素子と他の熱電素子のそれぞれの熱起電力による変化を電気抵抗の変化による出力電圧の変化に加算して検出するように構成してもよい。
【００１１】
かかる構成とした上記発明の回転センサは、グロープラグをエンジンの点火プラグとして使用すると共に回転数を検出するためのセンサとしても共用せんとするものである。グロープラグにはエンジン始動時にエンジンを起動、回転させるための加熱温度が必要であり、一般にはグロープラグに一時的に外部から接続される電源回路の電流を加熱コイルに通電することにより加熱コイルを加熱してエンジンを起動、回転させる。
【００１２】
このようにして起動、回転されるエンジンに使用されることを前提として、グロープラグに検出回路を設けて回転センサとしても利用する。検出回路は電源を有し、その微弱電流をグロープラグの加熱コイルに通電すると、エンジンの爆発燃焼時とそれ以外の行程とではエンジン内部の温度が変化し加熱コイルの温度もそれに伴ってエンジン回転数に比例して変化する。従って、加熱コイルの抵抗が変化し、これに通電している出力電圧が抵抗の変化によって変化する。このため、上記出力電圧の変化を検出すればエンジン回転数を検出できるのである。
【００１３】
一方、上記検出回路からの電流の熱抵抗変化による出力電圧の変化とは別に、グロープラグの加熱コイル中にはエンジン内部温度の変化に伴なって熱起電力が生じる。従って、エンジンが始動しその爆発燃焼時とそれ以外の行程とにおいてエンジン内部の温度が変化すると加熱コイルに生ずる熱起電力もそれに伴ってエンジン回転数に比例して変化する。これは、芯材にコイルを接続した一般的なグロープラグでも、芯材（鉄）やプラグ本体（鉄）とコイル（白金とロジウムの合金）は金属材料が異なるためコイル中には熱起電力が発生し、エンジンの回転に伴なって変化するのである。従って、この熱起電力の変化を測定すれば回転数を測定できることとなる。勿論、熱起電力の変化による測定は上記検出回路から測定電流を供給して測定する場合の検出電流に加算して回転数を検出することについては言うまでもない。
【００１４】
上記熱起電力による回転数の測定原理を図４の（ａ）の比較例を参照して数式を用いて説明すると次の通りである。図において芯材とプラグ本体の材質をＡ（鉄）、熱伝能（ゼーベック効果における熱起電力を生じる能力を表わす係数）をα_Ａ、コイルの材質をＢ（白金、ロジウムの合金）、熱伝能をα_Ｂとし、各部接合面の温度をＴ_１〜Ｔ_４とする（但し、Ｔ_１＝Ｔ_４＝室温）。
【００１５】
このとき発生する熱起電力εは矢印方向の電流を正とすると、次式で表わされる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
上式から分るように、プラグ本体とコイルの金属材料が異なるから（α_Ａ−α_Ｂ）は有限の値を有し、（Ｔ_３−Ｔ_２）はエンジン回転に比例して運転サイクル中に変動するから、熱起電力εを測定することによりエンジン回転数の測定ができる。
【００１８】
しかし、上記比較例のプラグによる熱起電力の発生原理のままでは、発生する熱起電力が微弱過ぎるから、第１の発明では芯材とコイル間に熱電素子を、第２の発明ではさらにコイル他端をプラグ本体端部に設けた他の熱電素子にそれぞれ接続して上記微弱電流に対し熱電素子による熱起電力の電流を加算することにより、より大きな熱起電力を検出し、回転数の検出精度を格段に向上させている。その理由について図４の（ｂ）、（ｃ）を参照して数式で説明すると次の通りである。
【００１９】
図４（ｂ）に示すように（第１の発明）、熱電素子の材質をＣ、熱電能をα_Ｃとすると、熱起電力ε_Ｉは次式となる。
【００２０】

比較例の熱起電力εとの差Δεは、
Δε＝ε_Ｉ−ε＝（α_Ｃ−α_Ａ）（Ｔ_３−Ｔ_３ ′）
ここで、着火直後はＴ_３＞Ｔ_３′であるから、α_Ｃ＞α_Ａとなる、即ち芯材、プラグ本体の材料（鉄）と異なる金属材で熱伝能係数がα_Ａより大きい金属材料Ｃを選定すれば、熱起電力を増加させることができることが分る。又、熱電素子の形状を工夫し１サイクル内での両端の温度差の変動量を大きくすればＳ／Ｎ比の向上により、より容易にエンジン回転数を計測できる。
【００２１】
なお、熱起電力の電流ｉの流れる方向を逆向きとする場合は、α_Ａ＞α_Ｃとなる金属材料Ｃを選択すればよいことは言うまでもない。
【００２２】
さらに、図４の（ｃ）に示す場合（第２の発明）は、熱起電力ε_ＩＩは次式で表わされる。
【００２３】

第１の発明の場合の熱起電力ε_Ｉとの差Δε′は
Δε′＝ε_ＩＩ−ε_Ｉ＝（α_Ａ−α_Ｄ）（Ｔ_２−Ｔ_２′）
となる。着火直後はＴ_２＞Ｔ_２′だからα_Ａ＞α_Ｄとなる金属材料Ｄを他の熱電素子として選定すれば、第１の発明の場合よりさらに大きな熱起電力が得られることが分る。
【００２４】
【実施の形態】
以下この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の回転センサの要部概略図である。この実施形態の回転センサは、測定のために供給される測定電流とゼーベック効果に基づく熱起電力のそれぞれの加熱コイルにおける熱抵抗変化という２つの異なる測定方法による測定量を加算して測定し、より高精度で回転数を検出するためのものである。理解し易くするため測定電流と熱起電力による測定について、構成、作用を各別に説明する。まず測定電流による変化は次の構成部により測定される。
【００２５】
１０はグロープラグ部、２０は検出回路である。グロープラグ部１０は、図示のように一般に用いられているグロープラグそのものであり、芯材１１の下端に加熱コイル１２が接続され、両者を絶縁材１３、１４を介してプラグ本体１５内に保持し、プラグカバー１６で閉じられている。なお、１７については熱起電力の変化による測定において後で説明する。
【００２６】
芯材１１は導電性の金属材であり、鉄製のものが使用されている。加熱コイル１２は、例えば白金とロジウムを主成分とする合金材から作られている。絶縁材１３、１４は、高温での耐性を有する例えば絶縁セラミックスあるいは無機物質材を用いる。プラグ本体は鉄製の高温導電材であればよい。
【００２７】
検出回路２０は、電池２１と検出部２２と増幅部２３から成る。検出部２２は３つの抵抗ｒ_１、ｒ_２、ｒ_３をブリッジ回路のように形成したものである。増幅部２３はオペアンプが用いられる。
【００２８】
以上の構成部による測定ではエンジン回転数を次のようにして検出する。グロープラグ部１０は、一般のグロープラグそのものであり、エンジンを回転させるための点火プラグとして使用される。エンジンを始動させるときは、外部電源から、あるいは図１中の電池２１を用いて点火する。この点火は外部電源による場合は芯材１１に電源の一方を、プラグ本体１５に他方を接続する電気的なコード接続を行ない、加熱コイル１２を加熱する。
【００２９】
エンジンが始動すると外部電源を外しても、加熱コイル１２がエンジンの断熱圧縮と爆発燃焼とにより内部温度が上昇し、通電がなくても加熱状態を一定時間保持している。このため、回転数が極端に遅くならない限り次の点火爆発まで加熱コイル１２の加熱状態が保持されており、これによりグロープラグは電気的に通電しなくてもエンジンを回転させることができるのである。
【００３０】
上述したようなエンジンの燃焼行程では、グロープラグの加熱コイル１２の温度は爆発燃焼時に温度が上がり、それ以外の行程では温度が下がる。そこで、上記グロープラグを通常の点火プラグとして使用すると同時にエンジン回転数を検出するための回転センサとしても利用する。このため、爆発燃焼に必要な大きな電流ではなく、それとは無関係に検出回路２０の電池２１からグロープラグ部１０へ微弱な電流を流す。
【００３１】
このような、微弱な電流をグロープラグ部１０へ流すと、抵抗の変化が電圧の変化として現れる。この変化は当然エンジンの回転数に比例する。このため、上記電圧の変化を検出回路２０の増幅部２３で増幅して波形を成形しパルス信号に対応させると、このパルス数を計測することによりエンジン回転数を検出できるのである。
【００３２】
この場合、２サイクルエンジンでは１回転で１パルス、４サイクルエンジンでは２回転で１パルス、ロータリエンジンでは１回転で１パルスの信号となることは言うまでもない。
【００３３】
次に、熱起電力に基づく測定は、図１のグロープラグ部１０に熱電素子１７を設け、検出回路２０の増幅部２３で検出信号を増幅する構成部によって行なわれる。勿論、この測定により生じる熱起電力の電流は検出回路２０の電池２１からの測定電流に加算して測定電流の変化を増大させるように加算することは言うまでもない。熱電素子１７は、芯材１１の下端にスポット溶接又はメッキ等により取付けられている。
【００３４】
この構成部では熱電素子としては芯材１１、プラグ本体１５（いずれも鉄）と異なる金属材であれば種々のものを採用できる。例えば、クロメル、銅、白金、アルメル、ニッケル、コンスタンタンなどである。これらは、いずれも後で説明するように、熱電能が鉄と異なることが前提である。芯材とプラグ本体、加熱コイル、及び熱電素子の熱電能をそれぞれα_Ａ、α_Ｂ、α_Ｃで表わす。
【００３５】
この構成部では前述したように、芯材１１（α_Ａ）に対しコイル１２を熱電素子１７（α_Ｃ）を介して接続しており、芯材１１にコイル１２を直接接続した場合に生ずる熱起電力の微弱な電流の変化に加えて熱電素子１７による熱起電力が加算されて発生する。従って、この加算された熱起電力の電流変化がエンジンの回転に比例することを利用して回転数を検出する。しかも、燃焼時とそれ以外の時の変化に対応する検出電流の差が大きく（鋭く）現われて検出精度が高くなる。上記電流の変化は、検出回路２０の増幅部２３により増幅して波形を成形しパルス信号に対応させると、このパルス数を計測することによりエンジン回転数を検出できるのである。
【００３６】
この場合、図４の（ｂ）に示すように、上記微弱な電流と熱電素子による熱起電力の電流の和ｉが矢印の方向に流れるようにするためには熱電素子１７の材料として熱電能がα_Ｃ＞α_Ａとなるもの、即ち例えばクロメルを選ぶことになる。しかし、電流ｉは逆方向であってもよいから、その場合は銅、白金、アルメル、ニッケル、コンスタンタンのいずれかを選ぶこともできる。これは、各金属材料の熱電能αの大小が次のような関係だからである。
【００３７】
クロメル＞鉄＞銅＞白金＞アルメル＞ニッケル＞コンスタンタン
以上のように２つの異なる構成部により回転数を測定する方法を説明したが、上記測定は別々に行なわれるのではなく同時に両測定を行ない両検出信号を加算して検出信号を増大させることにより各個別の測定よりも回転数をより高精度で測定できることは言うまでもない。
【００３８】
図２は第２実施形態の回転センサの概略図である。この実施形態では芯材１１（α_Ａ）に加熱コイル１２（α_Ｂ）を熱電素子１７（α_Ｃ）を介して接続しているのに加えて、プラグ本体の下端に他の熱電素子１８（α_Ｄ）を設け、これに加熱コイル１２の他端を接続した構成としている。その他は第１実施形態と同じであり、同じ構成部材には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３９】
この実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、検出回路２０から測定電流を供給して測定することは勿論であり、さらに２つの熱電素子１７、１８により増大した熱起電力による検出電流を加算してさらに高精度で回転数を測定する。この場合、図４の（ｃ）に示す矢印方向に電流ｉを流すとすると、熱電素子１７（α_Ｃ）は第１実施形態の場合と同じ金属材料を選択し、さらにもう１つの熱電素子１８（α_Ｄ）はα_Ａ＞α_Ｄとなる金属材料、即ち銅、白金、アルメル、ニッケル、又はコンスタンタンを選択する。
【００４０】
勿論第１実施形態の場合と同様に、図示の矢印方向と逆方向に電流ｉを流してもよいから、その場合は熱電素子１８（α_Ｄ）は、反対にクロメルを選択してもよい。
【００４１】
なお、上記いずれの実施形態の回転センサに対しても、２サイクルエンジンでは１回転で１パルス、４サイクルエンジンでは２回転で１パルス、ロータリエンジンでは１回転で１パルスの信号となることは言うまでもない。
【００４２】
図３に上記実施形態の回転センサを応用する一例を示している。Ａは波形成形器、Ｂはカウンタ、Ｃは表示器、Ｄはマイクロコンピュータを用いた電子制御回路、Ｅは例えば電子ガバナである。エンジン１は上記電子制御回路Ｄにより制御されて回転軸２のプロペラ３を回転する。
【００４３】
回転センサの検出回路からの出力電圧は、波形成形器Ａで波形成形してパルス波を発生させ、このパルス波のパルス数をカウンタＢでカウントして回転数が検出される。この回転数は必要に応じて表示器Ｃに表示すると共に電子制御回路Ｄへ送られる。
【００４４】
電子制御回路Ｄでは上記回転数の信号を受けるとその内部プログラムに従って電子ガバナＥの開度を決定するための演算を行ない、その演算結果に基づいて制御信号を出力し、電子ガバナＥを制御する。これによってエンジンへの燃料の供給がコントロールされ最適な状態でエンジンを回転させることができる。
【００４５】
【効果】
以上詳細に説明したように、この発明の回転センサはエンジンの点火用のグロープラグを利用し、その芯材に熱電素子を設けてこれにコイルを接続し、このコイルに検出回路から電流を供給すると共に、熱電素子による熱起電力をコイルによる熱起電力に付加して発生させ、検出回路からの電流と熱起電力のコイルにおける熱抵抗の変化により回転数を検出するようにしたから、エンジン回転数を検出するためにエンジンを特別な構造に改造する必要もなく、極くシンプルな検出回路と熱電素子を設けるだけでエンジン回転数を直接的に検出でき、コストアップの増大を極力抑制し得るという種々の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の回転センサの要部概略ブロック図
【図２】第２実施形態の回転センサの要部概略ブロック図
【図３】回転センサの使用方法の説明図
【図４】回転センサとしての測定方法を説明する図
【符号の説明】
１０グロープラグ部
１１芯材
１２加熱コイル
１３絶縁材
１４絶縁材
１５プラグ本体
１６プラグカバー
１７熱電素子
１８熱電素子
２０検出回路
２１電池
２２抵抗
２３増幅部

Claims

エンジンに取付けられるグロープラグのプラグ本体と、上記プラグ本体に絶縁材を介して保持される芯材と、この芯材の下端に取付けられた熱電素子と、エンジン内で一端が上記熱電素子の端に接続され他端がプラグ本体に短絡して配設されたコイルとを有するグローブプラグに対し、上記芯材とプラグ本体間に検出回路を接続し、エンジン運転時に検出回路からコイルに対しエンジン始動時に流す電流より微弱な電流を流し、エンジン内の温度変化に伴うコイルの電流抵抗の変化による出力電圧の変化に、熱電素子の熱起電力による変化を加算して検出し、エンジン回転数を測定するように構成した回転センサ。
前記プラグ本体のエンジン内に挿入される側の端に他の熱電素子を接合して設け、前記コイル他端を上記他の熱電素子の端に接続し、前記熱電素子と他の熱電素子のそれぞれの熱起電力による変化を電気抵抗の変化による出力電圧の変化に加算して検出するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転センサ。