JP2008185414A - ノックセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 雄ネジと雌ネジのネジ精度を下げても圧電素子を加圧する状態において「フランジの下側加圧面」に対して「ウェイトの上側加圧面」が傾く不具合のないノックセンサを提供する。
【解決手段】 ノックセンサは、ベース８にウェイト９をねじ込むことで圧電素子１を含むセンサ部２に加圧力を加えるものであり、ウェイト９の雌ネジ１９には、ネジ山の一部を欠損させた軸方向に沿う溝形状の切欠部２１が複数設けられて、下側加圧面Ａに対して上側加圧面Ｂが平行面を基準として所定の範囲内で傾斜できる『ガタ』が発生するように設けられている。これによって、ベース８の雄ネジ１３にウェイト９の雌ネジ１９をねじ込むことで下側加圧面Ａと上側加圧面Ｂとが、センサ部２の上下面にそれぞれ自動的に一致するようになるため、雄ネジ１３と雌ネジ１９のネジ精度を下げることができ、高い精度のノックセンサを安価に製造できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子（ＰＺＴ素子）を用いたノックセンサに関するもので、特に圧電素子に軸方向の加圧力を加える技術に関する。

（従来技術）
圧電素子を用いたノックセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。圧電素子を用いたノックセンサは、圧電素子を軸方向に加圧した状態で用いるものであり、圧電素子を加圧した状態で保持するための加圧保持手段を備える。
従来のノックセンサの一例を、図３を参照し、後述する実施例と共通符号を付して説明する。
圧電素子１は環状に形成され、軸方向の両端には信号取出用の上下ターミナル４、５と絶縁用の上下インシュレータ６、７とが配置される。

加圧保持手段は、ベース８とウェイト９からなる。ベース８は、圧電素子１の内部に挿通配置される軸部１１と、圧電素子１の軸方向の一端の移動を阻止するフランジ１２とを備え、軸部１１の外周面にはウェイト９が締結される雄ネジ１３が形成されている。ウェイト９は、雄ネジ１３に螺合する環状体であり、その内周面には雄ネジ１３に螺合可能な雌ネジ１９が形成されている。そして、ウェイト９の雌ネジ１９を、ベース８の雄ネジ１３にねじ込むことによって、圧電素子１がウェイト９とフランジ１２との間で加圧保持される。

（従来技術の問題点）
圧電素子１から安定した電圧信号（センサ出力）を得るには、「フランジ１２における圧電素子１の加圧面」に対して「ウェイト９における圧電素子１の加圧面」が平行な状態を保って圧電素子１を加圧する必要がある。「フランジ１２における圧電素子１の加圧面」に対して「ウェイト９における圧電素子１の加圧面」を高い平行度合に保てない場合、圧電素子１に加圧力が強い部分と、加圧力が弱い部分とが生じることになり、ノックセンサから所望の出力性能を得ることができなくなってしまう。また、圧電素子１に局部加圧力が生じることで、圧電素子１の破損の要因になってしまう。

このため、雄ネジ１３と雌ネジ１９を螺合させた際に「フランジ１２における圧電素子１の加圧面」と「ウェイト９における圧電素子１の加圧面」とが平行して圧電素子１を加圧するように、雄ネジ１３と雌ネジ１９には非常に高いネジ精度が要求される。
このように、従来のノックセンサは、雄ネジ１３と雌ネジ１９に非常に高いネジ精度が要求されるものであったため、製造コストが高くなる問題があった。
また、高いネジ精度で雄ネジ１３と雌ネジ１９を形成しても、微小量の誤差によって「フランジ１２における圧電素子１の加圧面」に対して「ウェイト９における圧電素子１の加圧面」が傾くことに変わりがなく、センサ出力の誤差の要因になっていた。
特開２００２−５５０１３号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ベースの雄ネジとウェイトの雌ネジのネジ精度を下げても圧電素子に加圧力を付与する状態において「フランジにおける圧電素子の加圧面」に対して「ウェイトにおける圧電素子の加圧面」が傾く不具合のないノックセンサの提供にある。

［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用するノックセンサは、ベースに設けられた雄ネジに、ウェイトに設けられた雌ネジをねじ込むことによって、フランジとウェイトの間で圧電素子を軸方向に加圧保持するものであり、雄ネジまたは雌ネジの少なくとも一方には、ネジ山の一部を欠損させた切欠部が設けられている。
このように雄ネジまたは雌ネジの少なくとも一方に切欠部を設けることにより、雄ネジと雌ネジの螺合部に『ガタ』を設けることができ、雄ネジと雌ネジの螺合状態において「フランジにおける圧電素子の加圧面」に対して「ウェイトにおける圧電素子の加圧面」が平行面を基準として所定の範囲内で傾斜できるようになる。

これによって、雄ネジと雌ネジのネジ精度を下げても、雄ネジに雌ネジをねじ込むことで「フランジにおける圧電素子の加圧面」と「ウェイトにおける圧電素子の加圧面」とが、圧電素子の軸方向の両端面にそれぞれ自動的に一致した状態となって、フランジとウェイトの間において圧電素子が軸方向に加圧されることになり、「フランジにおける圧電素子の加圧面」に対して「ウェイトにおける圧電素子の加圧面」が傾く不具合が生じない。 即ち、雄ネジまたは雌ネジの少なくとも一方に切欠部を設けたことにより、雄ネジと雌ネジのネジ精度を下げても、圧電素子に加圧力を付与する状態において「フランジにおける圧電素子の加圧面」に対して「ウェイトにおける圧電素子の加圧面」が傾く不具合が生じない。
これによって、雄ネジと雌ネジのネジ精度を下げて、出力誤差の小さいノックセンサを製造できる。即ち、高い精度のノックセンサを安価に提供することができる。

［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用するノックセンサにおける切欠部は、雄ネジまたは雌ネジの軸方向に沿って設けられた溝であり、雄ネジまたは雌ネジの少なくとも一方に複数設けられるものである。
なお、切欠部の大きさ、形状、数は、雄ネジと雌ネジの螺合状態において「フランジにおける圧電素子の加圧面」に対して「ウェイトにおける圧電素子の加圧面」が平行面を基準として所定の範囲内で傾斜できる『ガタ』が発生するように設けられるものである。

［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用するノックセンサにおける複数の切欠部は、雄ネジと雌ネジの螺合部分に圧電素子の内側の内部空間と外部とを連通する連通通路を形成するものであり、この連通通路によって外部から圧電素子の内側の内部空間にモールド用の樹脂が流し入れられるものである。
これによって、ベースまたはウェイト等に、モールド用の樹脂を内部空間に流し入れるための樹脂注入溝や樹脂注入穴を別途設ける必要がなく、ノックセンサの製造コストを抑えることができる。

最良の形態のノックセンサは、円環状に形成された圧電素子と、この圧電素子を軸方向に加圧した状態で保持する加圧保持手段とを備える。
加圧保持手段は、ベースにウェイトをねじ込み、その螺合による軸力によってベースとウェイトの間で圧電素子に軸方向の加圧力を加えるものである。
ベースは、圧電素子の内部に挿通配置される軸部、および圧電素子の軸方向の一端の移動を阻止するフランジを備え、軸部に雄ネジが形成されている。
ウェイトは、雄ネジに螺合する環状体であり、その内周面には雄ネジに螺合可能な雌ネジが設けられている。
雄ネジまたは雌ネジの少なくとも一方には、ネジ山の一部を欠損させ、雄ネジと雌ネジの螺合部に『ガタ』を発生させる切欠部が設けられている。

本発明が適用されたノックセンサの一例を図１、図２を参照して説明する。なお、図１（ａ）はウェイトの上面図、図１（ｂ）はノックセンサの分解斜視図、図２はノックセンサの軸方向に沿う断面図である。
ノックセンサは、車両走行用のエンジン（内燃機関：図示しない）に装着され、エンジンに生じた振動を電圧信号に変換してＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略：図示しない）に出力するものであり、ＥＣＵはノックセンサから与えられた電圧信号からエンジンに生じたノッキングを検出する。

実施例１に示すノックセンサは、車両用エンジンに設けられたボルトネジ（図示しない）に外嵌され、ボルトネジにナット（図示しない）を締結することでエンジンに固定されるものであり、圧電素子１を備えるセンサ部２と、圧電素子１を含むセンサ部２を軸方向に加圧した状態で保持する加圧保持手段と、これらをモールドするモールド樹脂３とを備える。
なお、以下では図２の上側を上、図２の下側を下として説明するが、この上下は実施例１の説明のためのものであって、実際の搭載方向に関わるものではない。

（センサ部２の説明）
圧電素子１を含むセンサ部２は、円環状を呈するものであって、円環状に設けられた圧電素子１、この圧電素子１の軸方向（図２の上下方向：加圧保持手段による加圧方向）の上端および下端に配置される上ターミナル４および下ターミナル５、上ターミナル４の上端および下ターミナル５の下端に配置される上インシュレータ６および下インシュレータ７から構成され、センサ部２を構成する各部品の上下面はそれぞれ平行に設けられている。

圧電素子１は、円環状を呈するものであり、その内径寸法は、後述する軸部１１との間に十分な絶縁距離が得られる隙間が形成される径に設けられている。圧電素子１は、加圧保持手段によって加圧された状態で保持されて、振動を受けると電圧信号（センサ出力）を発生する周知なものである。
ここで圧電素子１の具体的な一例を開示すると、この実施例の圧電素子１は、複数の圧電素子１を積層してピエゾスタックとして設けられている。各圧電素子１は、リング円板形状を呈する圧電体、この圧電体の両面に形成された内部電極からなり、複数の圧電素子１を板厚方向に積層してピエゾスタックが構成される。
ピエゾスタックの側面には、２つの側面電極が設けられている。一方の側面電極は、圧電素子１の一方の内部電極と電気的に接続されるとともに、上ターミナル４と電気的に接続されるものである。また、他方の側面電極は、圧電素子１の他方の内部電極と電気的に接続されるとともに、下ターミナル５と電気的に接続されるものである。

上ターミナル４および下ターミナル５は、リング円板形状を呈する導電性に優れた金属（銅、黄銅等）製で、モールド樹脂３の外部（具体的には、モール度樹脂３によるコネクタの内側空間内）に露出する接続端子４ａ、５ａが形成されている。また、上ターミナル４および下ターミナル５の内径寸法は、後述する軸部１１との間に絶縁距離が得られる隙間が形成される径に設けられている。
上インシュレータ６および下インシュレータ７は、同じものであり、リング円板形状を呈する絶縁性に優れた硬質材料（セラミック、樹脂等）製で、その内径寸法は、後述する軸部１１との間に隙間が形成される径に設けられている。

（加圧保持手段の説明）
加圧保持手段は、ベース８とウェイト９で構成され、ベース８とウェイト９の間にセンサ部２を配置した状態で、ベース８にウェイト９をねじ込み、その螺合による軸力によってベース８とウェイト９の間で圧電素子１を含むセンサ部２に軸方向の加圧力を与えた状態で保持するものである。
ベース８は、冷鍛加工後に切削加工を施して形成され、その後、表面にメッキ層が施されたものであり、圧電素子１の内部に挿通配置される軸部１１、および圧電素子１の軸方向の一端（下端）の移動を阻止するフランジ１２を備え、軸部１１に雄ネジ１３が形成されている。
軸部１１は、中心部にエンジンに設けられたボルトが挿入可能な貫通穴１４が形成された筒形状を呈するものであり、軸部１１の外周上端には、モールド樹脂３との結合性と防水性を高める上側樹脂結合溝１５が１つあるいは複数（この実施例では２つ）形成されている。軸部１１の外周面には、上側樹脂結合溝１５の下に、ウェイト９が螺合する雄ネジ１３が形成されている。

軸部１１の下側には、軸部１１と一体で、軸部１１より径方向に拡径されたフランジ１２が形成されている。このフランジ１２の外径寸法は、圧電素子１の外径寸法と同じか、圧電素子１の外径寸法より少し大きいものである。フランジ１２の外周には、モールド樹脂３との結合性と防水性を高める下側樹脂結合溝１６が１つあるいは複数（この実施例では２つ）形成されている。
フランジ１２の上面は、圧電素子１を含むセンサ部２の下側加圧面Ａであって、平滑度が高く、軸部１１の軸方向に対して垂直な平面に加工されている。

ウェイト９は、ベース８と同様に、冷鍛加工後に切削加工を施して形成され、その後、表面にメッキ層が施されたものであり、この実施例では小径部１７と大径部１８とからなる２段のリング形状に形成されている。
上側の小径部１７の内周面には、ベース８の雄ネジ１３に螺合可能な雌ネジ１９が形成されている。
下側の大径部１８の内周径は、軸部１１との間に隙間が形成される径に設けられている。この大径部１８の外周には、径方向の対向する位置に、ウェイト９をベース８にねじ込む工具と合致する工具係合部１８ａが形成されている。
ウェイト９の下面、具体的には大径部１８の下面は、圧電素子１を含むセンサ部２の上側加圧面Ｂであって、平滑度が高く、ウェイト９の軸方向に対して垂直な平面に加工されている。

（実施例１における特徴１）
ノックセンサは、エンジンから伝わる振動を圧電素子１で電圧信号に変換して出力するものであるが、センサ部２における圧電素子１から安定した電圧信号を得るには、フランジ１２の下側加圧面Ａに対してウェイト９の上側加圧面Ｂが平行して圧電素子１を含むセンサ部２を加圧した状態で保持する必要がある。
そこで、従来技術では、下側加圧面Ａと上側加圧面Ｂとが平行して圧電素子１を含むセンサ部２を加圧するように、雄ネジ１３と雌ネジ１９には非常に高いネジ精度が要求されていたため、製造コストが高くなる問題点があった。

上記の不具合を回避するために、この実施例１では、ウェイト９の雌ネジ１９に、ネジ山の一部を欠損させた切欠部２１を設けている。
この切欠部２１は、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合状態（センサ部２を組み入れていない状態）において下側加圧面Ａに対して上側加圧面Ｂが平行面を基準として所定の範囲内で傾斜できる『ガタ』を発生させるものである。

具体的に、この実施例１の切欠部２１は、雌ネジ１９の軸方向に沿う溝であり、雌ネジ１９の周方向に等間隔で複数（この実施例では４つ）設けられる。そして、切欠部２１は、図１（ａ）に示すように、軸方向から見て略半円形状の凹部形状に設けられている。
なお、切欠部２１の大きさ、形状、数は、上述した『ガタ』を発生させることができるものであれば良く、大きさ、形状、数はこの実施例に示した一例に限定されるものではない。
また、切欠部２１は、冷鍛加工時に形成しておき、その後の切削加工で雌ネジ１９を形成するものであっても良いし、切削加工により、雌ネジ１９の形成前、あるいは雌ネジ１９の形成後に切削形成するものであっても良い。

この実施例１に示すように、ウェイト９の雌ネジ１９に複数の切欠部２１を設けて、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合部に『ガタ』を設けることによって、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合状態において下側加圧面Ａに対して上側加圧面Ｂが平行面を基準として所定の範囲内で傾斜できるようになる。
これによって、雄ネジ１３と雌ネジ１９のネジ精度を下げても、雄ネジ１３に雌ネジ１９をねじ込むことで下側加圧面Ａと上側加圧面Ｂとが、センサ部２の上下面にそれぞれ自動的に一致した状態となって、フランジ１２とウェイト９の間において圧電素子１を含むセンサ部２を軸方向に加圧する。この結果、下側加圧面Ａに対して上側加圧面Ｂが傾く不具合が生じない。

このように、この実施例１では、雌ネジ１９に複数の切欠部２１を設けたことにより、雄ネジ１３と雌ネジ１９のネジ精度を下げても、センサ部２に加圧力を付与する状態において下側加圧面Ａに対して上側加圧面Ｂが傾く不具合が生じない。
これによって、雄ネジ１３と雌ネジ１９のネジ精度を下げることが可能になり、ノックセンサの加工コストを抑えることができる。即ち、高い精度のノックセンサを提供することができるとともに、ノックセンサのコストを抑えることができる。

（実施例１における特徴２）
モールド樹脂３は、上下ターミナル４、５の接続端子４ａ、５ａを外部に露出させた状態で、その接続端子４ａ、５ａの周囲を囲ってコネクタ（図示しない）を形成するとともに、センサ部２およびウェイト９の外周を覆ってセンサ部２を外部と遮断し、さらにセンサ部２と軸部１１の間に形成される内部空間αに充填されて、ベース８のメッキ層から発生するウィスカ（メッキ層中の亜鉛から生じる針状単結晶）によるベース８とセンサ部２とのショート（短絡）を防止する絶縁性の樹脂である。
具体的に、センサ部２（圧電素子１、上下ターミナル４、５、上下インシュレータ６、７）の内径寸法、およびウェイト９の大径部１８の内径寸法は、上述したように、軸部１１の外周径より大径に設けられており、センサ部２と軸部１１との間、および大径部１８と軸部１１との間には、モールド樹脂３の充填前において連通した内部空間αが形成される。

従来技術では、ベース８またはウェイト９の少なくとも一方に、外部から内部空間αへモールド用の樹脂を流し込むための樹脂注入穴または樹脂注入溝が形成されていた。
ここで、従来技術における樹脂注入溝の一例を、図３を参照して説明する。
図３に示す従来技術のノックセンサは、ウェイト９の上側加圧面Ｂに樹脂注入溝となる十字溝Ｊ１を形成したものであり、その十字溝Ｊ１によって外部から供給されたモールド用の樹脂を内部空間αに流し込むように設けられていた（図３中、破線矢印参照）。

上記従来技術に対し、この実施例１では、従来技術で用いていた十字溝Ｊ１を廃止し、代わりにウェイト９の雌ネジ１９に設けた軸方向に沿う複数の切欠部２１を、モールド用の樹脂を内部空間αに流し入れるための通路としても用いるものである（図２中、破線矢印参照）。
具体的にこの実施例１の切欠部２１は、雄ネジ１３と雌ネジ１９が螺合した状態において、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合部分に外部と内部空間αとを連通する連通通路を形成するものであり、切欠部２１の深さ寸法は、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合部分に、外部と内部空間αとを連通する隙間が形成される深さに設けられている。即ち、切欠部２１の深さは、雌ネジ１９のネジ溝の底より深く設けられている。
これによって、ベース８またはウェイト９等に、モールド用の樹脂を内部空間αに流し入れるための樹脂注入穴や樹脂注入溝を別途設ける必要がなく、ノックセンサの製造コストを抑えることができる。

〔変形例〕
上記の実施例では、切欠部２１をウェイト９の雌ネジ１９のみに形成する例を示したが、ウェイト９の雌ネジ１９に切欠部２１を設けるのを止め、代わりにベース８の雄ネジ１３に切欠部２１を設けて、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合部に『ガタ』を発生させても良い。
あるいは、ウェイト９の雌ネジ１９と、ベース８の雄ネジ１３の両方に切欠部２１を設けて、雄ネジ１３と雌ネジ１９の螺合部に『ガタ』を発生させても良い。

ウェイトの上面図、ノックセンサの分解斜視図である（実施例１）。 ノックセンサの軸方向に沿う断面図である（実施例１）。 ノックセンサの軸方向に沿う断面図である（従来例）。

符号の説明

１ 圧電素子
２ センサ部
３ モールド樹脂
８ ベース（加圧保持手段）
９ ウェイト（加圧保持手段）
１１ 軸部
１２ フランジ
１３ 雄ネジ
１９ 雌ネジ
２１ 切欠部（連通通路）
Ａ 下側加圧面（フランジにおける圧電素子の加圧面）
Ｂ 上側加圧面（ウェイトにおける圧電素子の加圧面）
α 内部空間

Claims (3)

1. 円環状に形成された圧電素子と、この圧電素子を軸方向に加圧した状態で保持する加圧保持手段とを備えるノックセンサにおいて、
   前記加圧保持手段は、
   前記圧電素子の内部に挿通配置される軸部、および前記圧電素子の軸方向の一端の移動を阻止するフランジを備え、前記軸部に雄ネジが形成されたベースと、
   前記雄ネジに螺合可能な雌ネジを備え、この雌ネジを前記雄ネジにねじ込むことによって前記圧電素子の軸方向の他方側から前記圧電素子を軸方向に加圧するウェイトとを具備するものであり、
   前記雄ネジまたは前記雌ネジの少なくとも一方には、ネジ山の一部を欠損させた切欠部が設けられていることを特徴とするノックセンサ。
2. 請求項１に記載のノックセンサにおいて、
   前記切欠部は、前記雄ネジまたは前記雌ネジの軸方向に沿って設けられた溝であり、前記雄ネジまたは前記雌ネジの少なくとも一方に複数設けられることを特徴とするノックセンサ。
3. 請求項２に記載のノックセンサにおいて、
   前記軸方向に沿う複数の切欠部は、前記雄ネジと前記雌ネジの螺合部分に前記圧電素子の内側の内部空間と外部とを連通する連通通路を形成し、
   この連通通路によって外部から前記内部空間にモールド用の樹脂が流し入れられることを特徴とするノックセンサ。

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