JP2004093197A

JP2004093197A - 非共振型ノッキングセンサ

Info

Publication number: JP2004093197A
Application number: JP2002251320A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Hirata; 平田　智大; Yasuo Ito; 伊藤　康生
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】非共振型ノッキングセンサにおいて、センサ使用環境の温度変化に対するセンサの出力変化が小さく、比較的温度特性の良いセンサを提供する。
【解決手段】非共振型ノッキングセンサ１は、主体金具２０、その上に載置される圧電素子２１、錘２４を備えている。圧電素子２１には、（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３と（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３とＢａＴｉＯ_３の三成分を主成分とするものを使用する。この結果、従来のセンサに比べて、使用環境温度の変化に対する出力変化が小さく、温度特性の良い非共振型ノッキングセンサを提供することができた。また、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分として焼成した圧電素子２１には、鉛が含まれていないので、鉛が焼成時に大気中に揮散することもなく、環境に与える影響が少なくなるという効果もある。
【選択図】　図１

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】
一般的な非共振型ノッキングセンサは、特開２００１−００４４７６号公報等で知られている。
非共振型ノッキングセンサの構成は、以下に述べるとおりである。
ノッキング振動を電気信号に変換する圧電素子と、該圧電素子に所定の押圧力を加えるための錘と、主体金具とを備えている。
【０００４】
該主体金具は、前記圧電素子および前記錘を順に載置するための載置部を有しており、前記錘との間に、前記圧電素子を狭持した状態で、内燃機関に固定される。
このように構成された非共振型ノッキングセンサは、内燃機関に発生する振動と一体となって振動し、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関に取り付けられて使用する非共振型ノッキングセンサは、内燃機関が始動直後で冷えている冷間時から、高負荷で運転している高温時まで、幅広い使用環境でも安定した出力が得られる仕様が求められる。したがって、非共振型ノッキングセンサを構成する部品の一部である圧電素子にも同様の仕様が求められる。
【０００６】
従来から使用されている、ＰｂＴｉＯ_３（以下、「ＰＴ」と言う。）やＰｂＺｒＴｉＯ_３（以下、「ＰＺＴ」と言う。）から構成された圧電素子を非共振型ノッキングセンサに使用した場合、温度変化に対する出力変化が比較的大きいので、取付場所や検出回路に対策を必要とし、取り扱いが面倒であるという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明は、センサ使用環境の温度変化に対するセンサの出力変化が小さく、温度特性の良い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。
【０００８】
【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、圧電素子と、該圧電素子に所定の押圧力を加えるための錘と、該圧電素子および該錘を順に載置するための載置部を有し、該載置部に該圧電素子および該錘を載置した状態で内燃機関に固定可能な主体金具と、を備えた非共振型ノッキングセンサであって、前記圧電素子は、（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３（以下、「ＢＮＴ」と言う。）と（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３（以下、「ＢＫＴ」と言う。）とＢａＴｉＯ_３（以下、「ＢＴ」と言う。）との三成分（以下、「ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分」と言う。）を主成分として焼成した圧電体セラミックスから成ることを特徴としている。
【０００９】
本発明において、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子を使用したのは、後述する実験結果によって、従来から実用化されている鉛系の化合物であるＰＺＴを主成分とする圧電素子よりも、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子の方が、温度特性が良いと分かったからである。
【００１０】
このため、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子を使用することにより、センサ使用環境の温度変化に対するセンサ出力変化が小さく、温度特性が良い非共振型ノッキングセンサが得られる。
さらに、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分として焼成した圧電体セラミックスには、鉛が含まれていない（本明細書において「鉛が含まれていない」とは、圧電体セラミックスを蛍光Ｘ線分析した時に鉛が測定限界値未満（圧電体セラミックスを１００質量％とした場合に、鉛の含有量が０．００１質量％未満）であることを意味する。）ので、鉛が焼成時に大気中に揮散することもなく、環境に与える影響が少なくなるという効果もある。
【００１１】
【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。
図１は、本発明が適用された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１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。
【００１２】
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１（ｂ）を用いて説明する。
【００１３】
（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。
【００１４】
（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、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。
【００１５】
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の上部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。
【００１６】
ここで、本実施例では、圧電素子２１の材料には、従来から使用されてきた鉛系の化合物であるＰＴやＰＺＴではなく、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする材料を使用した。
ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１の製法について以下に簡単に説明する。
【００１７】
出発原料に、ＢａＣＯ_３粉末、Ｂｉ_２Ｏ_３粉末、Ｋ_２ＣＯ_３粉末、Ｎａ_２ＣＯ_３粉末、およびＴｉＯ_２粉末を用い、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分の比率（モル比）が表１に示す組成になるように秤量し、エタノールを加えて、ボールミルにより１５時間の湿式混合を行う。
【００１８】
【表１】

次に、得られた混合物を湯煎乾燥し、８００℃で２時間仮焼した後、これに有機バインダとエタノールとを加え、ボールミルにより１５時間の湿式粉砕を行う。
【００１９】
次に、得られた粉砕物を湯煎乾燥して造粒子とした後、１ＧＰａの一軸加圧により所定の大きさの成形体を作製する。
得られた成形体は、１５ＧＰａの圧力でＣＩＰ（等方静水圧プレス）処理を行う。
【００２０】
その後、１０５０〜１２５０℃で２時間焼成を行い、銀電極を形成し、分極処理を行うことで、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１が得られる。
このようにして得られたＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１を使用することで、センサ使用環境の温度変化に対するセンサの出力変化が小さく、比較的温度特性の良い非共振型ノッキングセンサを得ることができた。
【００２１】
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、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１（表１の「実施例１」および「実施例２」に示す組成のもの）と、ＰＺＴを主成分とする圧電素子２１（比較例）とを準備し、それぞれの圧電素子２１を用いて非共振型ノッキングセンサ１を組み立てた。
【００２２】
次に、常温（２５℃）および１２５℃において、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１を用いた非共振型ノッキングセンサ１に、２．５〜１５ｋＨｚの周波数の振動を加え、出力を測定した。
そして、常温における出力をＶｌ、１２５℃における出力をＶｈとし、温度差１℃あたりの出力差の百分率（％／℃）である変化率を次式で求めた。
【００２３】
変化率＝（Ｖｈ−Ｖｌ）／Ｖｌ
次に、ＰＺＴを主成分とする圧電素子２１を用いた非共振型ノッキングセンサ１においても同様の条件で実験を行った。
次に変化率の値と振動周波数との関係を図２に示す。
【００２４】
図２から解るように、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１を使用した場合の変化率（実施例１および実施例２）は、ＰＺＴを主成分とする圧電素子２１を使用した場合の変化率（比較例）と比べて、０．０５（％／℃）程度小さくなっている。したがって、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子２１を使用することにより、従来からのＰＺＴを主成分とする圧電素子２１を使用した場合に比べて、センサ使用環境の温度変化に対するセンサの出力変化が小さく、温度特性の良い非共振型ノッキングセンサを提供することができる。
【００２５】
さらに、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分として焼成した圧電素子２１には、鉛が含まれていないので、鉛が焼成時に大気中に揮散することもなく、環境に与える影響が少なくなるという効果もある。
ここで、圧電素子２１の主成分であるＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分の構成比（モル比）としては、その一般式をｘＢＮＴ−ｙＢＫＴ−ｚＢＴと表したときに、０．５≦ｘ≦０．９、０＜ｙ≦０．５、０＜ｚ≦０．５（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とすることが好ましい。こうすることで、検知性能および耐熱性が高い圧電素子とすることができ、結果的に、検知性能および耐熱性が高い非共振型ノッキングセンサ１とすることができる。
【００２６】
以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。例えば上記実施例では、図１に示す形状の非共振型ノッキングセンサ１に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は圧電素子を用いた非共振型ノッキングセンサであれば、どのような形状のセンサにも適用することができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
つまり、例えば、非共振型ノッキングセンサとして、従来より図３に示す形状の非共振型ノッキングセンサ２が知られているが、このような形状の非共振型ノッキングセンサ２に本発明を適用しても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
尚、図３に示す非共振型ノッキングセンサ２において、構造を以下に説明する。
主体金具４０は、上面が開口し、構成部品を収納するための凹部４０ｃを有している。この凹部４０ｃの底面の中心には、雌ネジ部４０ｂを有し、凹部４０ｃの底面の中心に、円環状の圧電素子４１および円環状の錘４２が順に載置されている。
【００２９】
そして、締付けネジ４３を絶縁チューブ４９に挿通した状態で、錘４２および圧電素子４１に挿通し、雌ネジ部４０ｂと螺合させることにより、圧電素子４１および錘４２は主体金具４０に締結されている。
次に、ゴムダンパ４４は凹部４０ｃの底面を覆うように載置されていて、抵抗４５、端子部４７、および電極４８は所定の場所に半田付けで固定されている。
【００３０】
そして、凹部４０ｃの全体に流し込まれた樹脂４６によって、外部からの衝撃や水の浸入から保護されていて、主体金具４０の下部に設けられた雄ネジ部４０ａによって内燃機関に固定されている。
このような構造を有する非共振型ノッキングセンサ２に、ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＴ系成分を主成分とする圧電素子４１を使用することにより、従来からのＰＺＴを主成分とする圧電素子４１を使用した場合に比べて、図１に示した非共振型ノッキングセンサ１と同様に、センサ使用環境の温度変化に対するセンサの出力変化が小さく、比較的温度特性の良い非共振型ノッキングセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】非共振型ノッキングセンサにおいて振動周波数と出力変化率との関係を示すグラフである。
【図３】別形状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。
【符号の説明】
１…非共振型ノッキングセンサ、２…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、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、４０…主体金具、４０ａ…雄ネジ部、４０ｂ…雌ネジ部、４０ｃ…凹部、４１…圧電素子、４２…錘、４３…締付けネジ、４４…ゴムダンパ、４５…抵抗、４６…樹脂、４７…端子部、４８…電極、４９…絶縁チューブ。

Claims

圧電素子と、
該圧電素子に所定の押圧力を加えるための錘と、
該圧電素子および該錘を順に載置するための載置部を有し、該載置部に該圧電素子および該錘を載置した状態で内燃機関に固定可能な主体金具と、
を備えた非共振型ノッキングセンサであって、
前記圧電素子は、（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３と、（Ｂｉ_０．５Ｋ_０．５）ＴｉＯ_３と、ＢａＴｉＯ_３と、の三成分を主成分として焼成した圧電体セラミックスから成ることを特徴とする、非共振型ノッキングセンサ。