JP3660653B2

JP3660653B2 - 非共振型ノッキングセンサ

Info

Publication number: JP3660653B2
Application number: JP2002243746A
Authority: JP
Inventors: 智大平田; 定光原田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP2004085255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に生じる振動を検出する非共振型ノッキングセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関に取り付けられ、内燃機関に発生するノッキングを検出する様々な形態のノッキングセンサが開発されている。そして、その中の１つに、押圧した状態で内部に保持された圧電素子により、内燃機関に生じる振動を検出し、検出信号を外部に出力する非共振型ノッキングセンサがある。
【０００３】
一般的に、非共振型ノッキングセンサは、ボルトを挿通するための挿通孔を有する円筒形状の本体部と、この本体部の一端側に外周壁から外側に張り出す鍔部とからなる主体金具を備えている。そして、この主体金具には、本体部を挿通するための挿通孔を有した圧電素子と、同じく本体部を挿通するための挿通孔を有した錘とが、各挿通孔に本体部を挿通することにより、主体金具の鍔部に順に載置されている。更に、主体金具の鍔部と圧電素子との間、および圧電素子と錘との間には、圧電素子に発生する検出信号を外部に出力するための検出電極が配置されている。尚、主体金具と錘とは、通常、鉄や真鍮から構成されている。
【０００４】
また、本体部において、載置された錘よりも上部の外周壁には、雄ネジ部が形成されており、圧電素子および錘は、座金とナットとにより、鍔部方向に一定の押圧力を加えられた状態で検出電極と共に主体金具に固定されている。そして、これら全ての構成部品は樹脂製のケースに覆われ、外部から加わる衝撃などから保護されている。
【０００５】
このように構成された非共振型ノッキングセンサは、主体金具の本体部に形成された挿通孔に挿通されるボルトによって内燃機関のエンジンブロックに装着される。これにより、非共振型ノッキングセンサを構成する錘や圧電素子は、内燃機関に発生する振動と一体となって振動する。
【０００６】
振動の際に非共振型ノッキングセンサ全体に加速度が加わるが、その際に主体金具と錘に生じる力の差によって圧電素子に荷重が加えられる。その結果、検出電極に接続された出力端子からは、内燃機関に発生する振動と同様の波形を有する検出信号が外部に出力されることになる。
【０００７】
尚、非共振型ノッキングセンサは、個々の圧電素子や錘等の構成部品により決まる共振周波数を避け、比較的平坦な出力特性を持つ周波数帯に、ノッキング周波数帯として知られている１ｋ〜２０ｋＨｚが納まるように設計されている。そして、非共振型ノッキングセンサからの出力は、個々のエンジンのノッキング周波数に対応したバンドパスフィルタ等を介してエンジン制御装置等に取り込まれ、ノッキングが発生したか否かの判定がなされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように非共振型ノッキングセンサを用いたノッキング検出装置は、圧電素子を利用してエンジンの振動を検出するのであるが、圧電素子からの出力が小さくノッキング判定に適切な出力が得られないことがあった。この場合、出力を大きくするために、錘のサイズを大きくして錘を重くする方法がある。しかし、この方法ではセンササイズが大きくなってしまい、センササイズに制限がある場合には、センサをエンジンブロックに取り付けることができなくなるので、結果的に出力を大きくすることができない。また、この方法では個々の圧電素子や錘等の構成部品により決まる共振周波数が変化し、場合によってはノッキング周波数帯に共振周波数が現れ、ノッキング周波数帯における出力に悪影響を与えるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、錘を重くすることなく、より大きな出力が得られ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。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、内燃機関に固定するのに用いられる部材を挿通するための挿通孔を有する本体部および該本体部の軸方向の一端側に外側に張り出して設けられた鍔部を有する主体金具と、前記本体部を挿通するための挿通孔を有する圧電素子と、前記本体部を挿通するための挿通孔を有する錘と、前記圧電素子および前記錘の挿通孔に前記主体金具の本体部を挿通することにより、前記主体金具の鍔部に前記圧電素子および前記錘が順に載置された状態で、前記圧電素子および前記錘を前記主体金具に固定する固定部材とを備えた非共振型ノッキングセンサであって、少なくとも前記主体金具の鍔部は鉄よりも比重の小さい材料で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
このように、本発明の非共振型ノッキングセンサにおいては、主体金具の鍔部が、鉄よりも比重の小さい材料で構成されているため、錘を重くすることなく、センサ出力を大きくすることができる。
以下、この理由を説明する。
【００１２】
まず、非共振型ノッキングセンサの動作原理は、図１に示す如く、主体金具２０の鍔部に錘２４との間に挟まれて載置された圧電素子２１が、ノッキングセンサ全体に加速度Ａが加えられたとき、錘２４に生じる力Ｆｔと主体金具２０の鍔部に生じる力Ｆｓの差によって出力を生じることによる。
【００１３】
このとき圧電素子２１に加えられる力Ｆは、「Ｆ＝Ｆｔ−Ｆｓ」で表現でき、錘２４に生じる力Ｆｔと主体金具２０の鍔部に生じる力Ｆｓは、それぞれ，錘２４の重量Ｗｔと主体金具２０の鍔部の重量Ｗｓに比例する。
さらに圧電素子２１からの出力Ｖは、圧電素子に加えられる力Ｆに比例するので、圧電素子２１からの出力Ｖは、錘２４の重量Ｗｔと主体金具２０の鍔部の重量Ｗｓとの差に比例することとなる。つまり、「Ｖ∝Ｗｔ−Ｗｓ」となる。
【００１４】
上記の動作原理により、主体金具の鍔部の重量を軽くすることによって圧電素子からの出力向上を図ることができ、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサが得られる。
従来、前記主体金具の鍔部は鉄かそれよりも比重の大きい材料（真鍮等）から構成されていたため、鉄よりも比重の小さな材料を使用することによって、前記主体金具の鍔部の重量が軽くなることは明らかであり、前述の非共振型ノッキングセンサの動作原理より、従来に比べより大きな出力が得られるノッキングセンサを提供することができる。
【００１５】
また、充分な出力を確保できた後には錘を小型化することもでき、センサ全体を小型化できる効果も得られる。
尚、本発明（請求項１）のように、主体金具の鍔部を軽くするために、その鍔部を鉄よりも比重の小さい材料にて構成する場合、本体部を含めて主体金具全体を鉄よりも比重の小さい材料にて形成してもよく、鍔部のみを比重の小さい材料にて形成して、鍔部とは別体に形成された筒状の本体部に接着や溶接等で接合するようにしてもよい。
【００１６】
ここで、前記材料としては、ＰＰＳ樹脂等の樹脂や金属材料が考えられるが、耐熱性等を考慮すると請求項２のように、前記材料には金属材料を用いることが望ましい。さらに、より好ましくは、請求項３に記載のように、前記鍔部の金属材料にはアルミニウムを用いるのが望ましい。
【００１７】
つまり、アルミニウムの比重（約２．７）は、鉄の比重（約７．９）の約３５％と非常に小さく、前記主体金具の鍔部を充分に軽量化できるため、充分な出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供することができる。
また、アルミニウムは非共振型ノッキングセンサとしての充分な硬度を持ち、且つ、入手が容易であるため前記主体金具の材料としてふさわしい。
【００１８】
加えて、前記主体金具に鉄を使用していた場合、前記主体金具の表面には耐食性を向上させるためのメッキ処理（亜鉛クロメートメッキ等）を施す必要があったが、アルミニウムは耐食性に優れているため、メッキ処理が不要となり、製造工程を減らすことができる。
或いは、請求項１記載の非共振型ノッキングセンサにおいて、前記材料は、請求項４記載のように、樹脂で構成されていてもよい。
【００１９】
ところで、主体金具の鍔部を軽くするためには、請求項１〜４に記載のように、鍔部を鉄よりも比重の小さい材料にて構成するようにしてもよいが、この構成に加えて、請求項５に記載のように、鍔部に切欠部を形成するようにしてもよい。つまり、請求項５に記載のように、鍔部に切欠部を設ければ、鍔部の重量が軽くなることは明らかであり、従来のセンサに比べ、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供することができる。また、主体金具の鍔部を比重の小さい材料にするだけでなく、切欠部を設けることで、鍔部の重量をより軽くでき、非共振型ノッキングセンサの出力を大きくすることができる。
【００２０】
尚、このように鍔部に切欠部を設ける際には、圧電素子と鍔部との密着性、或いは、非共振型ノッキングセンサとエンジンブロックとの密着性を高めて、安定したセンサ出力を得るために、切欠部を設ける際に生じた角部やバリに対して、面取りを施すとよい。
【００２１】
鍔部において、圧電素子および錘が載置される側（表面）に切欠部を形成すると、エンジンブロックからの振動が圧電素子全面に伝わり難いために、センサ出力が低下したり、センサ波形が乱れたりする虞がある。そこで、請求項６に記載のように、切欠部は鍔部において、圧電素子および錘が載置される側とは反対側の底面に形成することが好ましい。このようにすることで、センサ出力の低下およびセンサの波形の乱れを有効に防止すると共に、鍔部の重量を軽くすることができ、より大きな出力を得られる非共振型ノッキングセンサとすることができる。
【００２２】
また、切欠部の形状としては、非共振型ノッキングセンサの振動検出特性を悪化させることがなければ、どのような形状であってもよく、例えば、請求項７に記載のように、本体部の周囲全周に渡って形成された溝部であってもよい。また、例えば、請求項８に記載のように、切欠部として、鍔部の底面に複数の凹部を形成するようにしてもよい。
【００２３】
そして、特に、請求項８に記載のように、切欠部として、鍔部の底面に複数の凹部を形成した際には、鍔部の重量を軽くできるだけでなく、凹部を、非共振型ノッキングセンサを組み立てる際に、主体金具が回転しないように固定したり、主体金具を位置決めしたりするのに利用できる。
【００２４】
尚、前記溝部および前記凹部は星形および多角形等にしてもよい。
【００２５】
また、本発明のように主体金具の鍔部を軽くするには、必ずしも、鍔部の底面に所定形状の切欠部を設ける必要はなく、鍔部の底面全体を切り欠き、鍔部の厚みを薄くするようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施例］
図２は、本発明が適用された第１実施例の非共振型ノッキングセンサ１全体の外観図（ａ）と断面図（ｂ）である。断面図（ｂ）において非共振型ノッキングセンサは、外周に雄ネジ部２０ｃが形成された本体部２０ａとその雄ネジ部２０ｃの切り終わりよりも軸方向下方にて外側に張り出した鍔部２０ｂとを有し内燃機関に取り付け可能な主体金具２０と、圧電素子２１と、錘としての効果を発揮する程度の比重を持った金属材料（例えば黄銅）からなる錘２４と、電極端子２９を一端に有し、導電性材料（例えば黄銅）からなる一対の検出電極２２と、絶縁性を有するフィルム状の合成樹脂（例えばＰＥＴ）からなる一対の絶縁部材２３と、外部に電気信号を取り出す箇所となる電極端子２９と、合成樹脂（例えば６６ナイロン）からなり全体を保護するためのケース２７とを備えている。
【００２７】
この内、主体金具２０は非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８を備えている。また、圧電素子２１、錘２４、検出電極２２および絶縁部材２３は、本体部２０ａを挿通するための挿通孔を備えている。
次に非共振型ノッキングセンサ１を組み立てる手順について、図２（ｂ）を用いて説明する。
【００２８】
（１）まず、主体金具２０の鍔部２０ｂ上に圧電素子２１、錘２４および座金２５を順に載置する。この時、圧電素子２１を上下から一対の検出電極２２で挟み、鍔部２０ｂと圧電素子２１の下側に載置した検出電極２２との間および、錘２４と圧電素子２１の上側に載置した検出電極２２との間には、絶縁部材２３を挟む。尚、鍔部２０ｂに載置した下側の絶縁部材２３は、圧電素子２１と本体部２０ａとを絶縁するために、圧電素子２１の底面（鍔部２０ｂ側の面）を覆う部材と、圧電素子２１の内側の側面（本体部２０ａ側の面）を覆う部材との２部材から成る。
【００２９】
（２）次にナット２６を主体金具２０の雄ネジ部２０ｃに螺合し、圧電素子２１や錘２４等を主体金具２０に締め付ける。尚、この時の締め付けトルクは、圧電素子２１に所定の圧力がかかるように締め付ける。
（３）そして最後に、センサ全体をケース２７で覆う。以上のような手順により非共振型ノッキングセンサ１を組み立てることができる。
【００３０】
一方、非共振型ノッキングセンサ１の内燃機関への取り付けは、非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８を使用して内燃機関のエンジンブロック等に固定することにより行う。内燃機関より支持棒が突出している場合は、その支持棒に非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８を嵌め込み、上方よりナット等で固定する。また、内燃機関にボルト用の雌ネジがある場合は、ボルトを非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８の上方より挿通させ締め付けることにより固定する。電極端子２９については、本装置（非共振型ノッキングセンサ１）より発生する検出電圧を処理するためのエンジン制御装置に接続する。
【００３１】
ここで、本実施例（第１実施例）では、主体金具２０の材質には、従来から使用されてきた鉄や真鍮ではなく、一体形成されたアルミニウムを使用した。この結果、主体金具２０の鍔部２０ｂの重量が軽くなり、出力が向上した非共振型ノッキングセンサを得ることができた。
【００３２】
以上の結果を裏付けるために、本装置（非共振型ノッキングセンサ１）を用いた実験を行った。実験結果を以下に述べる。
まず、主体金具２０の材料が、鉄の場合とアルミニウム（ＫＳ２７）の場合の２種類の非共振型ノッキングセンサ１を準備した。
【００３３】
次に、常温において、内燃機関の振動周波数（以下、振動周波数）を変化させ、それぞれの場合の非共振型ノッキングセンサ１からの出力を測定した。
ここで、得られた出力結果から平均値を求める。
主体金具２０が鉄で構成された場合の出力の平均値をＦｅａｖｇ、主体金具２０がアルミニウムで構成された場合の出力の平均値をＡｌａｖｇとする。すると、
Ｆｅａｖｇに対するＡｌａｖｇの大きさを示す出力比は次式で求められる。
出力比＝（Ａｌａｖｇ−Ｆｅａｖｇ）×１００／Ｆｅａｖｇ
以上によって得られた出力比と振動周波数の関係を表したグラフを図３に示す。
【００３４】
図３から解るように、実験した全ての周波数において、主体金具２０がアルミニウムで構成されている非共振型ノッキングセンサ１では、主体金具２０が鉄で構成されてる非共振型ノッキングセンサ１に比べて、１５％以上大きな出力が得られた。
【００３５】
次に、１２５℃において、内燃機関の振動周波数（以下、振動周波数）を変化させ、それぞれの場合の非共振型ノッキングセンサ１からの出力を、上記常温の場合と同様に測定した。
１２５℃における、出力比と振動周波数の関係を表したグラフを図４に示す。
【００３６】
図４から解るように、実験した全ての周波数において、主体金具２０がアルミニウムで構成されている非共振型ノッキングセンサ１では、主体金具２０が鉄で構成されている非共振型ノッキングセンサ１に比べて、２３％以上大きな出力が得られた。
【００３７】
以上の実験結果から、主体金具２０の材料にアルミニウムを用いることにより、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供できることが解る。
しかもアルミニウムはノッキングセンサとしての充分な硬度を持ち、且つ、入手が容易であるため、主体金具２０の材料としてふさわしい。
【００３８】
加えて、主体金具２０に鉄を使用していた場合、主体金具２０の表面には耐食性を向上させるためのメッキ処理（亜鉛クロメートメッキ等）を施す必要があったが、アルミニウムは耐食性に優れているため、メッキ処理が不要となり、製造工程を減らすことができる。
［第２実施例］
次に第２実施例について説明する。
【００３９】
本実施例の非共振型ノッキングセンサは、主体金具２０のみが異なるだけであり、その他の部分は第１実施例の非共振型ノッキングセンサと同様の構成である。従って、ここでは第１実施例と同様の部分については、同一の符号を付してその説明を省略し、主体金具２０のみについて詳述する。
【００４０】
第１実施例とは異なり、本実施例（第２実施例）では、主体金具２０の材料には従来通り、一体形成された鉄を用いるのであるが、図５に示す如く、主体金具２０の鍔部２０ｂの、圧電素子２１等が載置されている側とは反対側の底面に、本体部２０ａの周囲に全周に渡って溝部２０ｄを設けたことを特徴としている。
【００４１】
尚、図５において、主体金具２０の断面図（ａ）と主体金具２０底面図（ｂ）を示す。
図５に記載の溝部２０ｄを設けた主体金具２０を用いることにより、切欠がない従来の主体金具２０の鍔部２０ｂに比べて、重量が軽くなるのは明らかであり、圧電素子２１により大きな力が加えられ、出力が向上した非共振型ノッキングセンサを提供できる。主体金具２０に設けた切欠を溝部２０ｄとしたことにより、主体金具２０の強度と、図示しないエンジンブロックとの密着性を維持しながらノッキング振動を伝達することができる。
【００４２】
主体金具２０の鍔部２０ｂの重量を軽くするために、鍔部２０ｂを切欠く方法としては、図６に示す如く、主体金具２０の鍔部２０ｂに複数の円形状の凹部２０ｅを形成してもよいし、図７に示す如く、本体部２０ａの周囲に複数の溝部２０ｆを設けてもよい。
【００４３】
ここで、図６および図７は、図５と同様に、主体金具２０の断面図（ａ）と主体金具２０底面図（ｂ）を示す。
図６および図７に記載の主体金具２０を用いることにより、切欠がない従来の主体金具２０の鍔部２０ｂに比べて、鍔部２０ｂの重量が軽くなり、出力が向上した非共振型ノッキングセンサを提供できる。さらに、図６および図７に記載の主体金具２０を用いることにより、ノッキングセンサの部品を組み立てる際に、主体金具２０が回転しないように固定に利用したり、方向性がある物を組み立てる際の位置決めとしても利用することができる。
【００４４】
尚、前記溝部２０ｄおよび前記凹部２０ｅは星形および多角形等にしてもよいし、主体金具２０の材質も任意である。
また、本実施例（第２実施例）のように、主体金具２０の鍔部２０ｂを軽くするには、必ずしも、鍔部２０ｂの底面に所定形状の切欠部を設ける必要はなく、鍔部２０ｂの底面全体を切り欠き、鍔部２０ｂの厚みを薄くするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】非共振型ノッキングセンサの動作原理を示す説明図である。
【図２】実施の形態の非共振型ノッキングセンサの概略構成を示す説明図である。
【図３】常温において振動周波数に対する非共振型ノッキングセンサの出力比を示すグラフである。
【図４】１２５℃において振動周波数に対する非共振型ノッキングセンサの出力比を示すグラフである。
【図５】実施例の主体金具２０に溝部を形成したものを示す説明図である。
【図６】実施例の主体金具２０に円形の凹部を複数形成したものを示す説明図である。
【図７】実施例の主体金具２０に溝部を複数形成したものを示す説明図である。
【符号の説明】
１…非共振型ノッキングセンサ、２０…主体金具、２０ａ…本体部、２０ｂ…鍔部、２０ｃ…雄ネジ部、２０ｄ…溝部、２０ｅ…凹部、２０ｆ…溝部、２１…圧電素子、２２…検出電極、２３…絶縁部材、２４…錘、２５…座金、２６…ナット、２７…ケース、２８…非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔、２９…電極端子。

Claims

内燃機関に固定するのに用いられる部材を挿通するための挿通孔を有する本体部および該本体部の軸方向の一端側に外側に張り出して設けられた鍔部を有する主体金具と、
前記本体部を挿通するための挿通孔を有する圧電素子と、
前記本体部を挿通するための挿通孔を有する錘と、
前記圧電素子および前記錘の挿通孔に前記主体金具の本体部を挿通することにより、前記主体金具の鍔部に前記圧電素子および前記錘が順に載置された状態で、前記圧電素子および前記錘を前記主体金具に固定する固定部材と、
を備えた非共振型ノッキングセンサであって、
少なくとも前記主体金具の鍔部は鉄よりも比重の小さい材料で構成されていることを特徴とする非共振型ノッキングセンサ。
前記材料が金属材料で構成さ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。
前記金属材料がアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項２記載の非共振型ノッキングセンサ。
前記材料が樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の非共振型ノッキングセンサ。
前記鍔部に切欠部を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の非共振型ノッキングセンサ。
前記切欠部は、前記鍔部において前記圧電素子および前記錘が載置される側とは反対側の底面に、形成したことを特徴とする請求項５記載の非共振型ノッキングセンサ。
前記切欠部は、前記本体部の周囲全周に渡って形成された溝部であることを特徴とする請求項５または請求項６記載の非共振型ノッキングセンサ。
前記切欠部は、複数の凹部からなることを特徴とする請求項５または請求項６記載の非共振型ノッキングセンサ。