JP2013007612A - 非共振型ノッキングセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減を図ると共に、振動の検出精度の低下を抑制することができる非共振型ノッキングセンサを提供する。
【解決手段】筒状部１２および鍔部１３を含む主体金具１１、圧電素子１８、ウエイト２２、を有するセンサ本体１０と、を備えるノッキングセンサ１であって、ウエイト２２の他方の端面２３における内周縁の少なくとも一部が、径方向内側に向かって突出するように変形された変形凸部２７を有し、ウエイトが主体金具に固定されている。そのため、部品点数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。さらに、筒状部１２の外周面に雄ネジ部を形成する必要がないため、製造コストの低減を図ることができる。ウエイト２２が環状に形成されているため、振動の検出精度の低下を抑制することができる振動の検出精度の低下を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関におけるノッキング振動の検出に用いられる非共振型ノッキングセンサに関する。

自動車等の内燃機関には、ノッキング現象を検出するノッキングセンサが配置されており、ノッキングセンサから出力された検出信号に応じて、ノッキング現象の発生を抑制する制御が行われている。具体的には、ノッキングセンサの出力信号に応じて、内燃機関における点火プラグの点火時期を変更する遅角制御が行われている。

上記したノッキングセンサとしては、種々の構成のものが提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。その中で特許文献１に開示されているように、図７および図８に示す構成のノッキングセンサが知られている。このノッキングセンサ１０１は、内燃機関を構成する部品の一つであるシリンダブロックへ取り付けられるものであり、その中心部にノッキングセンサ１０１をシリンダブロックに取り付ける際に用いられる取付孔１１４が形成された、いわゆるセンターホール式非共振型のノッキングセンサである。

図８の分解図に示すように、ノッキングセンサ１０１は、筒状部１１２および筒状部１１２の下端に形成された鍔部１１３を有する主体金具１１１と、それぞれ円環状に形成された下側絶縁板１１６、下側電極板１１７、圧電素子１１９、上側電極板１２０、上側絶縁板１２２、ウエイト１２３、及び皿バネ１２４と、を主に有している。筒状部１１２の外周には、鍔部１１３側から順に下側絶縁板１１６、下側電極板１１７、圧電素子１１９、上側電極板１２０、上側絶縁板１２２、ウエイト１２３、及び皿バネ１２４が嵌め込まれている。

なお、下側電極板１１７及び上側電極板１２０の径方向外側の端部には、それぞれ電圧を取り出す上側端子１２１及び下側端子１１８が径方向外側に向かって片状に延びて設けられている。筒状部１１２の外周面における上側には雄ネジ部１１５が形成され、一方でナット１２５の内面には、雄ネジ部１１５と噛み合わされる雌ネジ部１２６が形成されている。そして、ナット１２５の雌ネジ部１２６を筒状部１１２の雄ネジ部１１５に螺合させるとナット１２５が鍔部１１３に向かって移動し、下側絶縁板１１６から皿バネ１２４に至る積層体はナット１２５によって鍔部１１３に向かって押し付けられて固定される（図７参照）。

このように構成されたセンサ本体１１０は樹脂成形体１４０によって被覆されることにより、ノッキングセンサ１０１として構成される。このような形態のノッキングセンサ１０１は、主体金具１１１の鍔部１１３の下面をシリンダブロックに接触させて取り付けられ、この状態で使用に供される。

特開２００３−３２２５８０号公報 特表２００４−５０８５６４号公報

上述の特許文献１に記載されたノッキングセンサ１０１では、ナット１２５の雌ネジ部１２６を筒状部１１２の雄ネジ部１１５に螺合させる際に、ナット１２５や筒状部１１２の表面に施されたメッキ層が剥がれてメッキカスが発生しやすいという問題があった。メッキカスは、主体金具１１１と下側電極板１１７とに、又は主体金具１１１と上側電極板１２０とに接触することにより、ノッキングセンサ１０１が正確に検出信号を出力できなくなるおそれがあった。

上述の問題を解決するために、特許文献２では、ウエイトをＣ字状に形成するとともに、内周面から主体金具に向かって突出する爪部を形成し、主体金具の筒状部には前述の爪部が嵌め込まれる溝部を周方向にわたって形成したノッキングセンサが提案されている。この場合、ウエイトを主体金具の鍔部に向けて押しこみ、上述のウエイトの爪部と、主体金具の溝部とを嵌め合わせることにより、下側絶縁板からウエイトまでの積層体を主体金具に固定している。

このようにすることで、雄ネジ部と雌ネジ部とを螺合させる工程をなくすことができ、螺合によるメッキカスの発生を抑制することができる。また、ナット１２５及び皿バネ１２４により実現していた下側絶縁板からウエイトに至る積層体を鍔部に向かって押し付けて固定する機能を、ウエイトが実現することにより、部品点数の削減をはかることができる。

しかしながら、特許文献２に記載されたノッキングセンサでは、ウエイトがＣ字状に形成されているため、円環状に形成された圧電素子に周方向にわたって均一に荷重をかけることができず、ノッキングセンサから検出信号が正確に出力されないおそれがあった。つまり、ウエイトの切欠き部では、ウエイトはノッキング振動による荷重を圧電素子にかけることができないため、ウエイトが円環状に形成されている場合と比較して、圧電素子はノッキング振動の大きさに正確に比例した検出信号を出力できないおそれがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、製造コストの低減を図ると共に、振動の検出精度の低下を抑制することができる非共振型ノッキングセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の非共振型ノッキングセンサは、円筒状に形成された筒状部、および、該筒状部における一方の端部から径方向外側に向かって延びる鍔部を含む主体金具と、貫通孔に前記筒状部が挿通された環状の圧電素子と、貫通孔に前記筒状部が挿通され、前記鍔部との間に前記圧電素子を挟んで配置される環状のウエイトと、を有するセンサ本体と、該センサ本体を被覆する樹脂製の樹脂成形体と、を備える非共振型ノッキングセンサであって、前記ウエイトは、前記圧電素子側を向く一方の端面の反対側に位置する他方の端面における内周縁の少なくとも一部に、径方向内側に向かって突出するように変形された変形凸部を有し、該変形凸部が前記筒状部の外周面に押し付けられて固定されることを特徴とする。

本発明の非共振型ノッキングセンサによれば、ウエイトの他方の端面における内周縁の少なくとも一部が、径方向内側に向かって突出するように変形された変形凸部を有し、該変形凸部が主体金具の筒状部の外周面に押し付けられることで、言い換えると加締められることで、ウエイトが主体金具に固定されている。そのため、特許文献１のノッキングセンサと比較して、ウエイトのみで積層したものを鍔部に押し付けることができ、部品点数を減らすことができる。さらに、筒状部の外周面に雄ネジ部を形成する必要もない。

さらに、ウエイトが環状に形成されているため、ウエイトが圧電素子に対して荷重をかける領域は、周方向にわたって均一に形成される。そのため、特許文献２のノッキングセンサと比較して、圧電素子に対してウエイトが荷重をかけることができない領域がないため、圧電素子はノッキング振動の大きさに正確に比例した検出信号を出力することができる。

上記発明において、前記変形凸部は、前記ウエイトの周方向にわたって離間した少なくとも３カ所以上に設けられていることが望ましい。
このように、周方向にわたって離間した少なくとも３カ所以上の変形凸部において、ウエイトを変形させて主体金具の筒状部の外周面に押し付けて固定することにより、変形凸部以外の領域で、ウエイトと主体金具との間に隙間が形成される。この隙間は、ウエイトの内周面と、筒状部の外周面との間を、円筒状に形成された筒状部の軸方向に延びている。そのため、軸方向に延びる隙間が流路となり、樹脂を少なくとも筒状部と圧電素子との間の空間に、センサ本体を被覆する樹脂を流し入れることができる。

上記発明において、前記変形凸部は、前記ウエイトの他方の端面と比較して、前記一方の端面に向かって凹んでいることが望ましい。
このように、変形凸部がウエイトの他方の端面と比較して、一方の端面に向かって凹んでいることで、ウエイトと樹脂成形体とがズレることを抑制することができる。具体的には、センサ本体を樹脂で被覆して樹脂成形体を形成する際に、樹脂は凹部に流入し固化する。そのため、凹部がない場合と比較して、樹脂成形体とウエイトとの一体性が高くなり、ノッキング振動などの外力が加わったとしても、凹部に流入した樹脂がウエイトに引っかかるため、ウエイトと樹脂成形体とがズレることが抑制される。

本発明の非共振型ノッキングセンサによれば、ウエイトの他方の端面における内周縁の少なくとも一部に、径方向内側に向かって突出するように変形された変形凸部を有し、ウエイトが主体金具に固定されているため、部品点数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。さらに、筒状部の外周面に雄ネジ部を形成する必要がないため、製造コストの低減を図ることができる。また、ウエイトが環状に形成されているため、ウエイトが圧電素子に対して荷重をかける領域は、周方向にわたって均一に形成され、その結果、圧電素子はノッキング振動の大きさに正確に比例した検出信号を出力することができ、振動の検出精度の低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るノッキングセンサの構成を説明する断面図である。 図１のセンサ本体の構成を説明する分解図である。 加締められる前のウエイトの構成を説明する図である。 主体金具にウエイト等が積層された状態を説明する断面視図である。 図１のウエイトが主体金具に加締められた状態を説明する上面視図である。 図５のウエイトにおける変形凸部と凹部との別の実施例を説明する上面視図である。 従来のノッキングセンサの構成を説明する軸方向に沿う断面図である。 図７のセンサ本体の構成を説明する分解図である。

この発明の一実施形態に係るノッキングセンサ１について、図１から図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るノッキングセンサ１の構成を説明する断面図であり、図２は、図１のセンサ本体１０の構成を説明する分解図である。

本実施形態のノッキングセンサ（非共振型ノッキングセンサ）１を内燃機関におけるノッキング発生を検知するものであり、図１に示すように、内燃機関のシリンダブロックへ取り付けるための取付孔１４を中心部に有する、いわゆるセンターホール式非共振型のノッキングセンサである。

ノッキングセンサ１は、詳しくは後述するセンサ本体１０を樹脂成形体４０によって被覆して構成され、全体として短寸の円筒状に形成されたものである。さらに、円筒状に形成されたノッキングセンサ１における外周面の一部から、コネクタ部４１が径方向外側に向かって突出して形成されている。コネクタ部４１の内部には、下側電極板１６および上側電極板１９からそれぞれ延びる第１端子１７、第２端子２０が配置されている（図１では第１端子１７のみを図示している。）。コネクタ部４１は、図示しない外部コネクタと接続されるようになっている。

そして、図２の分解図に示すように、ノッキングセンサ１は、主体金具１１と、それぞれ円環状に形成された下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、上側絶縁板２１、及びウエイト２２と、を主に有している。下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、上側絶縁板２１、及びウエイト２２には、中央に筒状部１２が挿通される貫通孔が形成されている。筒状部１２の外周には、鍔部１３側から順に下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、上側絶縁板２１、及びウエイト２２が積層されている。最も鍔部１３側に配置された下側絶縁板１５は、鍔部１３の上に直接に載置されている。

主体金具１１は、金属材料（例えばＳＷＣＨやＳＰＨＤ）から形成された部材であり、耐腐食性を向上させるためのメッキが施されている。主体金具１１には、内部にボルトを挿通するための取付孔１４が形成された円筒状の筒状部１２、および、筒状部１２の下端から径方向外側に向かって延びる環状の鍔部１３が設けられている。筒状部１２の内周面とは、円筒面状または曲面状に形成され、径方向に凹む溝部や飛び出す突出部などが設けられていない面である。言い換えると、筒状部１２を、軸線を含む面で切断した縦断面で見た場合、内周面は直線として現れる面である。

下側絶縁板１５および上側絶縁板２１は、絶縁性を有するフィルム状の合成樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート：ＰＥＴ）からなり、筒状部１２が挿通される貫通孔が形成された円板状の部材である。下側絶縁板１５は、鍔部１３と下側電極板１６との間を絶縁するものであり、上側絶縁板２１は、上側電極板１９とウエイト２２との間を絶縁するものである。なお、下側絶縁板１５および上側絶縁板２１は、上述のようにＰＥＴから形成されていてもよいし、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）や、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂から形成されていてもよく、特に限定するものではない。

下側電極板１６および上側電極板１９は、導電材料（例えば黄銅）からなり、筒状部１２が挿通される貫通孔が形成された円板状の部分と、この円板状の部分からそれぞれ延びる第１端子１７、第２端子２０を有する部材である。下側電極板１６の円板状の部分は、圧電素子１８における鍔部１３側の面と導電可能に接触し、上側電極板１９の円板状の部分は、圧電素子１８におけるウエイト２２側の面と導電可能に接触されている。

圧電素子１８は、圧電セラミックス（例えばＰＺＴ）から形成された素子であり、押圧力を受けると電圧を発生し、押圧力の大きさに応じて発生する電圧の大きさが変化するものである。

図３は、加締められる前のウエイト２２の構成を説明する図であり、図３（ａ）は、ウエイト２２の上面視図であり、図３（ｂ）は、ウエイト２２の底面視図である。
ウエイト２２は、錘としての効果を発揮する比重を有する金属材料（例えば５０Ｈ４７０）から形成されたものである。加締められる前のウエイト２２は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、筒状部１２が挿通される貫通孔が形成された円環状、または、軸線方向の高さが低い円筒状に形成された部材であり、ウエイト２２の外周面と上面（他方の端面）２３および下面（一方の端面）２４との境目、および、内周面と下面２４との境目には、面取り加工が施されている。言い換えると、内周面と上面２３との境目のみは、面取り加工が施されていない。ここで、ウエイト２２における鍔部１３側の面が下面２４であり、下面２４と反対側の面が上面２３である。

ウエイト２２の上面２３は、図３（ａ）に示すように、面取り加工が施されている部分を除き、平面状に形成されている。また、ウエイト２２の下面２４には、図３（ｂ）に示すように、下面２４から上面２３に向かって凹む４つの下側切欠部２６が設けられている。下側切欠部２６は、ウエイト２２の径方向に延びる溝であり、周方向に等間隔に配置、言い換えると９０°間隔で配置されている。

その一方で、図１に示すように、主体金具１１に加締められた後のウエイト２２には、上面２３の内周縁が径方向内側に向かって突出し、筒状部１２の外周面に接触するように変形された変形凸部２７が形成され、さらに、変形凸部２７が形成された部分およびこの領域よりも径方向外側の部分も含めた上面２３の領域は、下面２４に向かって凹む凹部２８が形成されている。

次に、上記の構成からなるノッキングセンサ１の製造方法について説明する。
本実施形態のノッキングセンサ１では、主体金具１１を形成する際に、筒状部１２の少なくともウエイト２２と対向する外周面は、円筒面として形成される。主体金具１１を形成する方法としては、切削加工などの機械加工による形成や、焼結による形成など、公知の方法を用いることができる。

図４は、主体金具１１に下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、上側絶縁板２１、及びウエイト２２が積層された状態を説明する断面視図である。
その後、図４に示すように、主体金具１１に対して、鍔部１３側から順に、下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、上側絶縁板２１、及びウエイト２２が積層される。

図５は、図１のウエイト２２が主体金具１１に加締められた状態を説明する上面視図である。
ウエイト２２には、ウエイト２２を鍔部１３に向けて押し付ける押圧力が加えられ、さらに、ウエイト２２の凹部２８に相当する部分を押圧して変形させ（図４参照）、図１および図５に示すように、凹部２８を凹ませると共に、変形凸部２７を形成し、該変形凸部２７を径方向内側へ突出させて筒状部１２の外周面に押し付ける加締めが行われる。加締めは周方向の全てにわたって円環状に行われる。なお、図４における白抜き矢印は、加締めが行われる際の押圧の場所、および、押圧の方向を表すものである。

加締めによりウエイト２２が主体金具１１に固定されてセンサ本体１０が完成すると、次に、センサ本体１０を被覆する樹脂成形体４０が形成される。具体的には、センサ本体１０を、内部がノッキングセンサ１の外形形状に形成された射出成形用金型（図示せず。）で取り囲み、液状の樹脂（本実施形態ではＰＡ６６）を、射出成型用金型の内部に射出する。

このとき、射出された樹脂はセンサ本体１０の周囲を被覆すると共に、筒状部１２の外周面と、下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、及び上側絶縁板２１との間の円筒状空間に流入する。具体的には、射出された樹脂は、ウエイト２２の下側切欠部２６により形成される流路を介して、径方向内側に向かって流れて上述の円筒状空間に流入する。射出された樹脂は、少なくとも上述の円筒状空間の下端から上側電極板１９までを満たしていればよい。そのため、上述の円筒状空間は、樹脂によって完全に満たされてもよい。

その後、射出された樹脂が固化して樹脂成形体４０となり、上述の射出成型用金型から樹脂成形体４０、つまりノッキングセンサ１が取り出される。このようにして、ノッキングセンサ１を製造する工程が完了する。

上記の構成によれば、ウエイト２２の上面２３における内周縁の少なくとも一部が、径方向内側に向かって突出するように変形された変形凸部２７を有し、該変形凸部２７が筒状部１２の外周面に押し付けられ、ウエイト２２が主体金具１１に固定されている。そのため、特許文献１のノッキングセンサと比較して、ウエイト２２のみで積層したものを鍔部１３に押し付けることができ、部品点数を減らすことができる。さらに、筒状部１２の外周面に雄ネジ部を形成する必要もないため、ノッキングセンサ１の製造コストの低減を図ることができる。

また、特許文献１のノッキングセンサで用いられている雄ネジ部と雌ネジ部との螺合が廃止されるため、主体金具１１の表面からメッキ層が剥がれてメッキカスが発生することが抑制される。そのため、メッキカスによってノッキングセンサ１の検出信号が不正確になることを抑制することができる。

さらに、ウエイト２２が環状に形成されているため、ウエイト２２が圧電素子１８に対して荷重をかける領域は、周方向にわたって均一に形成される。そのため、特許文献２のノッキングセンサと比較して、圧電素子１８に対してウエイト２２が荷重をかけることができない領域がないため、圧電素子１８はノッキング振動の大きさに正確に比例した検出信号を出力することができ、ノッキングセンサ１における振動の検出精度の低下を抑制することができる。

また、変形凸部２７がウエイトの上面２３と比較して、下面２４に向かって凹んでいるため、ウエイト２２と樹脂成形体４０とがズレることを抑制することができる。具体的には、センサ本体１０を樹脂で被覆して樹脂成形体４０を形成する際に、樹脂は凹部２８に流入し固化する。そのため、凹部２８がない場合と比較して、凹部２８に流入した樹脂がウエイトに引っかかるため、樹脂成形体４０とウエイト２２との一体性が高くなり、ノッキング振動などの外力が加わったとしても、ウエイト２２と樹脂成形体４０とが、径方向にズレることが抑制される。

図６は、図５のウエイト２２における変形凸部２７と凹部２８との別の実施例を説明する上面視図である。
なお、上述の実施形態のように、変形凸部２７および凹部２８が周方向にわたって円環状に形成されていてもよいし、図６に示すように、３つの変形凸部２７および３つの凹部２８が、周方向に等間隔に配置されていてもよい。この場合、隣接する変形凸部２７および凹部２８の間には、筒状部１２とウエイト２２との間に隙間２９が形成されている。変形凸部２７および凹部２８は、３つよりも多く形成されていてもよく、特に限定するものではない。

さらに、図６に示す例では、隣接する変形凸部２７および凹部２８の間の上面２３には、径方向に延びる上側切欠部２５が形成されている。上側切欠部２５は、下側切欠部２６と同様に、樹脂成形体４０を形成する樹脂が、筒状部１２の外周面と、下側絶縁板１５、下側電極板１６、圧電素子１８、上側電極板１９、及び上側絶縁板２１との間の円筒状空間に流入する際の流路としての機能を有する。

このように、周方向にわたって等間隔に離間した３カ所の変形凸部２７において、ウエイト２２を変形させて主体金具１１を筒状部１２に押し付けて固定することにより、変形凸部２７以外の領域で、ウエイト２２と主体金具１１との間に隙間２９が形成される。この隙間２９は、ウエイト２２の内周面と、筒状部１２の外周面との間を、円筒状に形成された筒状部１２の軸方向に延びている。そのため、軸方向に延びる隙間２９が流路となり、樹脂を少なくとも筒状部１２と圧電素子１８との間の空間に、センサ本体１０を被覆する樹脂を流入させることができる。

１…ノッキングセンサ（非共振型ノッキングセンサ）、１０…センサ本体、１１…主体金具、１２…筒状部、１３…鍔部、１８…圧電素子、２２…ウエイト、２３…上面（他方の端面）、２４…下面（一方の端面）、２７…変形凸部、２８…凹部、４０…樹脂成形体

Claims (3)

1. 円筒状に形成された筒状部、および、該筒状部における一方の端部から径方向外側に向かって延びる鍔部を含む主体金具と、
   貫通孔に前記筒状部が挿通された環状の圧電素子と、
   貫通孔に前記筒状部が挿通され、前記鍔部との間に前記圧電素子を挟んで配置される環状のウエイトと、
   を有するセンサ本体と、
   該センサ本体を被覆する樹脂製の樹脂成形体と、
   を備える非共振型ノッキングセンサであって、
   前記ウエイトは、前記圧電素子側を向く一方の端面の反対側に位置する他方の端面における内周縁の少なくとも一部に、径方向内側に向かって突出するように変形された変形凸部を有し、該変形凸部が前記筒状部の外周面に押し付けられて固定されることを特徴とする非共振型ノッキングセンサ。
2. 前記変形凸部は、前記ウエイトの周方向にわたって離間した少なくとも３カ所以上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の非共振型ノッキングセンサ。
3. 前記変形凸部は、前記ウエイトの他方の端面と比較して、前記一方の端面に向かって凹んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の非共振型ノッキングセンサ。

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