JP2006300749A - Knock sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンのノッキングを検出するノックセンサに関する。 The present invention relates to a knock sensor that detects engine knocking.
従来のノック制御装置では、エンジンのノッキングを検出するノックセンサを備えている(特許文献1参照)。ノックセンサは、圧電素子に加わる振動の強度に対応した電圧を出力する。制御装置は、ノックセンサから出力された電圧からエンジンのノッキングを検出している。このようなノック制御装置では、ノッキングの検出精度を向上するため、ノックセンサから出力される電圧の変動を低減する必要がある。 A conventional knock control device includes a knock sensor that detects engine knocking (see Patent Document 1). The knock sensor outputs a voltage corresponding to the intensity of vibration applied to the piezoelectric element. The control device detects engine knocking from the voltage output from the knock sensor. In such a knock control device, it is necessary to reduce fluctuations in the voltage output from the knock sensor in order to improve the knocking detection accuracy.
ノックセンサから出力される電圧の変動の原因には、ノックセンサの温度特性が含まれる。ノックセンサの圧電素子の静電容量Coは、材料の特性から温度に比例する特性を有しており、ノックセンサの出力電圧Voは、圧電素子の静電容量との間に次の式1に示すように反比例の関係がある。 The cause of the fluctuation of the voltage output from the knock sensor includes the temperature characteristic of the knock sensor. The capacitance Co of the piezoelectric element of the knock sensor has a characteristic proportional to the temperature from the characteristic of the material, and the output voltage Vo of the knock sensor is expressed by the following equation 1 between the capacitance of the piezoelectric element and the capacitance of the piezoelectric element. As shown, there is an inversely proportional relationship.
上記の式(1)において、gは圧電定数であり、αは振動加速度であり、Mは圧電素子を押さえる重りの質量であり、Coは圧電素子の静電容量である。
このように、ノックセンサの出力電圧Voは圧電素子の温度特性に依存する。一方、圧電素子をはじめとするノックセンサを構成する部品の材料は、種々の特性を含む総合的な観点から決定される。そのため、圧電素子の温度特性のみを基準に圧電素子の材料を選定することは困難である。その結果、従来のノックセンサでは、温度特性にともなう出力電圧Voの低減は困難である。
In the above formula (1), g is a piezoelectric constant, α is a vibration acceleration, M is a mass of a weight for pressing the piezoelectric element, and Co is a capacitance of the piezoelectric element.
Thus, the output voltage Vo of the knock sensor depends on the temperature characteristics of the piezoelectric element. On the other hand, the material of the parts constituting the knock sensor including the piezoelectric element is determined from a comprehensive viewpoint including various characteristics. Therefore, it is difficult to select a material for the piezoelectric element based only on the temperature characteristics of the piezoelectric element. As a result, it is difficult for the conventional knock sensor to reduce the output voltage Vo due to the temperature characteristics.
そこで、本発明の目的は、圧電素子の温度特性の変化にともなう出力電圧の変動を低減するノックセンサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a knock sensor that reduces fluctuations in output voltage accompanying changes in temperature characteristics of a piezoelectric element.
本発明の請求項1記載の発明では、感温抵抗素子は圧電素子の温度特性とは逆の温度特性を有している。これにより、雰囲気温度の変化にともなう圧電素子の出力電圧の変動は、雰囲気温度の変化にともなって抵抗値が変化する感温抵抗素子によって相殺される。したがって、圧電素子の温度特性の変化にともなう出力電圧の変動を低減することができる。 In the first aspect of the present invention, the temperature-sensitive resistance element has a temperature characteristic opposite to the temperature characteristic of the piezoelectric element. Thereby, the fluctuation of the output voltage of the piezoelectric element with the change in the ambient temperature is canceled by the temperature sensitive resistance element whose resistance value changes with the change in the ambient temperature. Therefore, fluctuations in the output voltage due to changes in the temperature characteristics of the piezoelectric element can be reduced.
本発明の請求項2記載の発明では、感温抵抗素子は回路の異常を検出する異常検出抵抗である。すなわち、感温抵抗素子は異常検出抵抗を兼ねている。従来、ノックセンサは、回路の断線または短絡の少なくともいずれか一方を検出するために、回路中に異常検出抵抗を備えている。そこで、感温抵抗素子を異常検出抵抗としても機能させることにより、部品点数が低減されるとともに、回路構成を簡略化することができる。 In the invention according to claim 2 of the present invention, the temperature-sensitive resistance element is an abnormality detection resistor for detecting an abnormality of the circuit. That is, the temperature-sensitive resistance element also serves as an abnormality detection resistor. Conventionally, a knock sensor has an abnormality detection resistor in a circuit in order to detect at least one of disconnection or short circuit of the circuit. Therefore, by making the temperature sensitive resistance element function also as an abnormality detection resistor, the number of parts can be reduced and the circuit configuration can be simplified.
本発明の請求項3記載の発明では、感温抵抗素子と並列に接続されている固定抵抗素子を有している。固定抵抗素子は、雰囲気の温度変化に関わらず抵抗値が概ね一定である。これにより、固定抵抗素子は異常検出抵抗として機能する。この場合、圧電素子の温度特性は、感温抵抗素子および固定抵抗素子の合成抵抗によって補正される。したがって、圧電素子の温度特性の変化にともなう出力電圧の変動を低減することができる。 The invention according to claim 3 of the present invention has a fixed resistance element connected in parallel with the temperature sensitive resistance element. The resistance value of the fixed resistance element is substantially constant regardless of the temperature change of the atmosphere. Thereby, the fixed resistance element functions as an abnormality detection resistor. In this case, the temperature characteristics of the piezoelectric element are corrected by the combined resistance of the temperature sensitive resistance element and the fixed resistance element. Therefore, fluctuations in the output voltage due to changes in the temperature characteristics of the piezoelectric element can be reduced.
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態によるノックセンサを図2に示す。ノックセンサ10は、例えばガソリンエンジンのシリンダブロックに設置される。ノックセンサ10は、筒状に形成されているベース20を備えている。ベース20は、金属で形成され、軸方向の一方の端面20aが図示しないシリンダブロックに接する。ベース20は、底部21および筒部22を有している。底部21は、ベース20のシリンダブロック側の端部に形成されている。また、筒部22は、底部21からシリンダブロックとは反対側へ伸びて形成されている。筒部22は、外周に雄ねじ23が形成されている。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A knock sensor according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG. For example, knock
ノックセンサ10は、上述のベース20に加え、圧電素子30およびウェイト31を備えている。圧電素子30は、軸方向の両端部にそれぞれ電極板32および電極板33が設置されている。圧電素子30、電極板32および電極板33は、円環状に形成されており、ベース20の筒部22の外周側に設置されている。電極板32とウェイト31との間、および電極板33とベース20の底部21との間には、それぞれ円環状に形成されている絶縁板34が設置されている。電極板32にはリード部35が接続している。また、電極板33にはリード部36が接続している。リード部35およびリード部36の先端は、図3に示すようにコネクタ11に設置されている端子部12を形成している。コネクタ11は、樹脂モールド13と一体に形成されている。図3では、樹脂モールド13が形成されていないノックセンサ10の外観を示している。
The
ウェイト31は、図2に示すように内周に雌ねじ37を形成している。ウェイト31の雌ねじ37は、ベース20の筒部22に形成されている雄ねじ23とねじ結合する。これにより、ウェイト31とベース20の底部21との間には、ウェイト31側から順に絶縁板34、電極板32、圧電素子30、電極板33および絶縁板34が挟み込まれる。このとき、ベース20に対するウェイト31のねじ込み量を調整することにより、挟み込まれる絶縁板34、電極板32、圧電素子30、電極板33および絶縁板34に加わる荷重が調整される。
As shown in FIG. 2, the
ベース20、圧電素子30、ウェイト31、電極板32、電極板33および絶縁板34の径方向外側は、樹脂モールド13によって覆われている。樹脂モールド13は、ベース20、圧電素子30およびウェイト31などからなる内部要素の外周側を覆うとともに、コネクタ11を一体的に形成している。ウェイト31は、圧電素子30側の端部に内周側と外周側とを連通する溝38を有している。これにより、圧電素子30およびウェイト31などの内周側とベース20の筒部22との間に形成される空間にも、樹脂モールド13を形成する樹脂が充填される。
The radially outer side of the
次に、上記の構成によるノックセンサ10の電気回路について説明する。
図1に示すように、ノックセンサ10はECU40と電気的に接続される。ECU40は、図示しないCPU、ROMおよびRAMを有し、エンジンを全般的に制御するマイクロコンピュータである。圧電素子30を挟む電極板32および電極板33は、それぞれリード部35およびリード部36に接続している。リード部35およびリード部36の電極板32または電極板33とは反対側の端部は、コネクタ11の端子部12に接続している。コネクタ11の端子部12は、ECU40のコネクタ41の端子部42と接続している。これにより、ノックセンサ10の電極板32および電極板33は、ECU40に接続する。リード部35とリード部36との間には、図1、図2および図3に示すように感温抵抗素子50が設置されている。これにより、感温抵抗素子50は、圧電素子30と並列に接続される。
Next, an electrical circuit of
As shown in FIG. 1,
圧電素子30は、例えばPZT素子などからなり、加わる圧力の変化にともなって出力する電圧が変化する。すなわち、ノックセンサ10をエンジンのシリンダブロックに設置したとき、シリンダブロックとともにノックセンサ10が振動すると、振動によって圧電素子30に加わる圧力が変化する。そのため、ノックセンサ10の圧電素子30から出力される電圧は、振動の大きさに対応して変化する。この出力電圧の変化により、ECU40はエンジンのノッキングを検出する。
The
感温抵抗素子50は、雰囲気の温度変化にともなって抵抗が変化する可変抵抗素子である。そのため、エンジンのシリンダブロック周辺の温度が変化すると、感温抵抗素子50の抵抗は変化する。
圧電素子30の静電容量Coは、温度と比例する関係を有している。すなわち、圧電素子の静電容量Coは、周囲の温度変化に応じて変化する。圧電素子30からの出力電圧Voと圧電素子30の静電容量Coとの間には、次の式(1)に示す理論的な関係が成立する。
The temperature-
The capacitance Co of the
上記の式(1)において、gは圧電素子30の圧電定数であり、αは振動加速度であり、Mは圧電素子30に加わるウェイト31の荷重であり、Coは圧電素子30の静電容量である。
式(1)に示されるように、圧電素子30からの出力電圧は、圧電素子30の静電容量Coと反比例する。そのため、ノックセンサ10の周囲における温度の上昇にともなって、圧電素子30の静電容量Coが増大すると、圧電素子30の出力電圧Voは低下する。このように、圧電素子30の出力電圧Voは、ノックセンサ10の周囲における温度変化によって変化する。
一方、ノックセンサ10の電気負荷特性を求めると、出力電圧Voと負荷抵抗Rおよび静電容量Coとの間には次の式(2)が成立する。
In the above formula (1), g is the piezoelectric constant of the
As shown in Expression (1), the output voltage from the
On the other hand, when the electrical load characteristic of
式(2)において、ωは角速度であり、aは容量比である。
式(2)から、圧電素子30からの出力電圧Voは、負荷抵抗Rによっても変化することがわかる。そこで、本実施形態では、負荷抵抗Rとなる感温抵抗素子50を圧電素子30と並列に接続している。感温抵抗素子50は、圧電素子30の温度特性とは逆の温度特性を有している。すなわち、感温抵抗素子50は、圧電素子30の温度特性による出力電圧Voの変化を打ち消すような温度特性を有している。これにより、図4に示すように、第1実施形態では、ノックセンサ10の周囲の温度すなわち雰囲気温度の変化に関わらず、ノックセンサ10からの出力電圧Voの変化は低減される。これに対し、従来例では、雰囲気温度が変化すると、ノックセンサからの出力電圧Voの変化は温度の上昇とともに拡大する。
In Expression (2), ω is an angular velocity, and a is a capacity ratio.
From Expression (2), it can be seen that the output voltage Vo from the
上述のように、圧電素子30と並列に感温抵抗素子50を接続することにより、圧電素子30の温度特性は感温抵抗素子50の温度特性によって相殺される。その結果、圧電素子30からの出力電圧Voは、ノックセンサ10の周囲の温度の変化に関わらず変化量が低減し、概ね一定とすることができる。
また、第1実施形態では、感温抵抗素子50は異常検出抵抗を兼ねている。異常検出抵抗を配置することにより、ECU40は、感温抵抗素子50とECU40との間で断線が生じたとき、または感温抵抗素子50と圧電素子30との間で短絡が生じたとき、その異常を検出する。従来の構成のノックセンサも、異常検出のための抵抗値が一定の固定抵抗を有している。第1実施形態では、この従来の固定抵抗に代えて感温抵抗素子50を接続している。
As described above, the temperature characteristic of the
In the first embodiment, the temperature-
以上、説明したように、第1実施形態では、圧電素子30と並列に感温抵抗素子50を接続することにより、周囲の温度変化にともなう圧電素子30の出力電圧Voの変化は感温抵抗素子50の抵抗の変化によって相殺される。したがって、圧電素子30からの出力電圧の変化を周囲の温度変化に関わらず低減することができる。
また、第1実施形態では、感温抵抗素子50が異常検出抵抗を兼ねている。そのため、部品点数を低減することができ、回路構成を簡略化することができる。
As described above, in the first embodiment, by connecting the temperature-
In the first embodiment, the temperature-
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態によるノックセンサの回路を図5に示す。なお、第1実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第2実施形態では、圧電素子30と並列に接続されている感温抵抗素子60に加え、さらに固定抵抗素子61を有している。固定抵抗素子61は、周囲の温度の変化に関わらず抵抗値が概ね一定である。これにより、圧電素子30の温度特性は、感温抵抗素子60と固定抵抗素子61との合成抵抗の温度特性によって相殺される。固定抵抗素子61は、異常検出抵抗として機能する。そのため第2実施形態では、ECU40は、ノックセンサ10の固定抵抗素子61とECU40との間における断線が生じたとき、または固定抵抗素子61と圧電素子30との間で短絡が生じたとき、その異常を検出する。
第2実施形態でも、第1実施形態と同様に圧電素子30からの出力電圧の変化を周囲の温度変化に関わらず低減することができる。
(Second Embodiment)
The circuit of the knock sensor according to the second embodiment of the present invention is shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component substantially the same as 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.
In the second embodiment, in addition to the temperature-
In the second embodiment, as in the first embodiment, the change in the output voltage from the
10 ノックセンサ、30 圧電素子、50 感温抵抗素子(異常検出抵抗)、60 感温抵抗素子、61 固定抵抗素子(異常検出抵抗) 10 knock sensor, 30 piezoelectric element, 50 temperature-sensitive resistance element (abnormality detection resistance), 60 temperature-sensitive resistance element, 61 fixed resistance element (abnormality detection resistance)
Claims (3)
前記圧電素子と並列に接続され、前記圧電素子の温度特性と逆の温度特性を有し、雰囲気温度の変化にともなって抵抗値が変化する感温抵抗素子と、
を備えることを特徴とするノックセンサ。 A piezoelectric element that outputs a voltage corresponding to the intensity of vibration associated with knocking;
A temperature-sensitive resistance element connected in parallel with the piezoelectric element, having a temperature characteristic opposite to the temperature characteristic of the piezoelectric element, and having a resistance value that varies with a change in ambient temperature;
A knock sensor comprising:
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