JP2010101696A - ノッキングセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】錘による圧電素子に対する押圧力を均一化でき、それによって、ノッキングの検出精度を向上できるノッキングセンサを提供すること。
【解決手段】錘１９は、円形の環状の板材から構成されている。上面３５には、中心軸を中心にして９０度毎に４カ所に放射状の切欠部４１が形成されている。この切欠部４１により、錘１９の内周面側と外周面側とが連通している。同様に、錘１９の下面３７には、中心軸を中心にして９０度毎に４カ所に放射状の切欠部４３が形成されている。上下の切欠部４１、４３の配置は、板厚方向から見て重ならないように、４５度ずつずれている。更に、上下の切欠部４１、４３の深さの合計は、錘１９の厚みより小さい。この切欠部４１、４３は、樹脂モールドの際に、合成樹脂を錘１９の外周側から内周側の環状の空間２０に充填するための流路として用いられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、錘によって押圧した状態で内部に保持した圧電素子により、例えば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等のノッキングセンサに関する。

従来より、例えば内燃機関に発生するノッキングを検出するために、圧電素子を用いたノッキングセンサが開発されている。この種のノッキングセンサとしては、内部に錘で押圧された圧電素子を保持し、この圧電素子によって内燃機関に生じる振動を検出し、その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。

一般的に、上述したノッキングセンサは、ボルトが挿通され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を有する支持部材を備えている。
この支持部材には、環状の圧電素子と同じく環状の錘とが、本体部に挿通された状態で順に支持部材の鍔部に載置されており、圧電素子は錘を介して（固定ボルトや板バネ等の）締付部材で押圧固定されている。更に、圧電素子の両側には、圧電素子に発生する検出信号を外部に出力するための出力端子が配置されている。

また、前記ノッキングセンサとしては、本体部材や圧電素子や錘の周囲が、樹脂によりモールドされて一体化されたものが知られている。そして、例えば支持部材にメッキが施されている場合などには、メッキから発生したウイスカが圧電素子の出力端子に接触すると電気信号を取り出せなくなるため、或いは、圧電素子や錘を締め付ける際に発生した金属粉が、圧電素子の出力端子に接触すると電気信号を取り出せなくなるため、圧電素子や錘の内側と支持部材の本体部との間に環状の空間を設け、この空間にも樹脂を充填していた（特許文献１、２参照）。
特開２００２−５５０１３号公報 特開２００３−３３７８５８号公報

ところが、前記特許文献１の技術では、樹脂を環状の空間に注入するため、錘の下面側（圧電素子側）に４本の溝を放射状に形成しているが、特に錘が薄い場合には、錘の十分な平面度が確保できず、よって、圧電素子に対する均一な荷重が得られず、ノッキングの検出精度が悪いという問題があった。

また、前記特許文献２の技術では、樹脂を環状の空間に注入するため、錘の下面側（圧電素子側）に大きな断面積を有する一対の溝を形成しているが、この場合には溝が大きいので、圧電素子に対する均一な荷重が得られず、同様にノッキングの検出精度が悪いという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、錘による圧電素子に対する押圧力を均一化でき、それによって、ノッキングの検出精度を向上できるノッキングセンサを提供することを目的とする。

（１）請求項１の発明は、柱状の本体部と該本体部の外周から外側に張り出す鍔部と有する支持部材と、前記本体部の外周側に嵌められ、前記鍔部に載置される環状の圧電素子と、前記本体部の外周側に嵌められ、前記圧電素子に所定の圧力を加えるために、前記圧電素子に載置される環状の錘と、を備えるとともに、前記圧電素子及び前記錘と前記本体部との間に環状の空間を有し、前記支持部材と前記圧電素子と前記錘とが樹脂によりモードルされるとともに、前記環状の空間内に前記樹脂が充填されたノッキングセンサにおいて、前記錘は板状であり、その板厚方向の両側に、前記錘の内周側と外周側とを連通して前記樹脂の流路を構成する切欠部を、それぞれ２箇所以上備えたことを特徴とする。

本発明では、板状の錘の両側に、錘の内周側と外周側とを連通し樹脂の流路となる切欠部を２箇所以上備えているので、樹脂によりノッキングセンサのモールドを行う場合には、この切欠部を介して、樹脂を錘の外周側から内周側の環状の空間にスムーズに導入することができる。

また、本発明では、錘の板厚方向の一方の側でなく、板厚方向の両側に切欠部を形成したので、たとえ錘が薄い場合でも、板厚方向の表面が歪みにくく、錘の十分な平面度が確保でき、よって、圧電素子に対する均一な荷重が得られるので、ノッキングの検出精度が高いという効果がある。更に、本発明では、板厚方向の両側に切欠部を形成しているので、錘の一方の側にのみ流路（断面積）の大きな切欠部を設ける必要がなく、切欠部の流路を小さくできるので、その点からも、平面度が高いという利点がある。

しかも、本発明では、錘の両側から樹脂を充填することができるので、環状の空間内に樹脂を隙間無く充填し易いという利点がある。しかも、仮に錘の表裏を逆に配置した場合でも、錘の両側から樹脂の充填が可能である。

また、以下に、本発明の各構成について説明する。
・前記支持部材としては、例えばＳＷＣＨからなる金属部材を採用できる。
・本体部としては、筒状の構造を採用できる。

・圧電素子としては、例えばＰＺＴの圧電材料や無鉛の圧電材料からなる圧電体が挙げられる。
・錘の材料としては、例えばＳＭＦ４０５０が挙げられる。

・切欠部の配置としては、錘の中心からの放射状等を採用できる。切欠部の本数としては、片側につき２〜４本を採用できるが、錘や環状の空間などの大きさ等に応じて適宜選択できる。更に、樹脂の流路となる切欠部の断面積（流路に垂直な断面積）も、錘や環状の空間などの大きさ等に応じて適宜選択できる。

（２）請求項２の発明では、前記錘の板厚方向の両側の切欠部は、板厚方向に投影した場合に重ならないように形成されていることを特徴とする。
本発明では、錘は、板厚方向から見た場合に、両側の切欠部の位置は重ならないように設定されている。従って、特に錘が薄い場合（例えば３ｍｍ以下の場合）には、一層、錘の平面度を高く保つことができるという利点がある。

（３）請求項３の発明では、前記錘の板厚方向の両側の切欠部の深さの合計は、前記錘の板厚方向の厚みより少ないことを特徴とする。
本発明では、錘の切欠部の深さの合計は、板厚より小さく設定されているので、この点からも、錘の平面度を高く保つことができる。

なお、錘の厚みとしては、例えば１ｍｍ〜７ｍｍを採用でき、それに応じて、一方の側の切欠部の深さとしては、例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍを採用できる。
（４）請求項４の発明では、前記錘の板厚方向の一方の側の切欠部の形成パターンと、他方の側の切欠部の形成パターンとが同じであることを特徴とする。

本発明では、錘の両側の切欠部の形成パターン（配置や形状）は、同じであるので、錘を裏表に気を付けることなく、そのまま組み付けることができる。よって、作業性が向上する。

（５）請求項５の発明では、前記切欠部を有する錘は、粉体の材料を一体に焼結して得られたものであることを特徴とする。
本発明は、例えばプレス等で製造した環状の錘の表面を削って切欠部を形成するのではなく、例えば切欠部に対応する凸部のある錘成形用の金型内に、粉末材料を充填し押圧して成形体を作成し、その後その成形体を焼成して焼結体（錘）を製造することができるので、その製造が非常に容易である。

以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本実施形態の非共振型ノッキングセンサ（以下「ノッキングセンサ」と略称する）の概略構成を、図１〜図３に基づいて説明する。

なお、図１はノッキングセンサの外観を示し、図２はノッキングセンサを縦方向に破断して示し、図３はノッキングセンサの内部構造を分解して示している。
図１に示すように、本実施形態のノッキングセンサ１は、樹脂モールド材料である合成樹脂（例えばナイロン６６）製のケース３により覆われている。このケース３は、上部がテーパ状に成形された円柱形状の素子収納部５と、図示しない点火時期制御装置からのコネクタを接続するコネクタ部７とから構成されている。

図２及び図３に示すように、ノッキングセンサ１は、金属材料（例えばＳＭＦ４０５０）からなる支持部材９を備えており、支持部材９は、ボルトを挿通するための挿通孔１１を有する円筒形状の本体部１３と、本体部１３の一端側（図２の下側）にて外周壁から外側に張り出す鍔部１５とを備えている。

この支持部材９の鍔部１５の厚み方向の一面（図２の上面）側には、本体部１３の外周側に嵌められる環状（円筒形状）で、圧電セラミックス（例えばＰＺＴ）からなる圧電素子１７が載置されている。

また、圧電素子１７の上面側には、本体部１３の外周側に嵌められる環状（円筒形状）で、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）からなる錘１９が載置されている。

前記鍔部１５と圧電素子１７との間、及び錘１９と圧電素子１７との間、即ち圧電素子１７の厚み方向の両側には、導電材料（例えば黄銅）からなる出力端子２１、２３が、それぞれ圧電素子１７と接するように配置されている。なお、出力端子２１、２３のうち圧電素子１７と接する部分は環状である。

また、鍔部１５と出力端子２１との間、及び出力端子２３と錘１９との間には、絶縁性を有するフィルム状の合成樹脂（例えばＰＥＴ）からなる環状の絶縁部材２５、２７が配置され、出力端子２１、２３が支持部材９の鍔部１５や錘１９と短絡しないようにされている。

なお、圧電素子１７と錘１８と出力端子２１、２３（環状部分）と絶縁部材２５、２７との内周面と本体部１３の外周面との間には、環状の空間２０が形成されており、この環状の空間２０にも前記合成樹脂が充填されている。

更に、支持部材９には、金属材料（例えばＳＫ−５Ｍ）からなり、錘１９を鍔部１５方向（同図下方）へ押圧する環状の板バネ２９が取り付けられている。
前記板バネ２９の上部には、ナット３１が配置されており、このナット３１は、本体部１３の外周のねじ部３３に螺合している。

従って、このナット３１を締め付けることにより、板バネ２９が下方に押圧されるので、板バネ２９により、圧電素子１７や錘１９は、出力端子２１、２３や絶縁部材２５、２７と共に、支持部材９に固定される。

ｂ）次に、本実施形態の要部である錘１９について、図４に基づいて説明する。
なお、図４（ａ）は錘１９の平面を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’断面を示し、図４（ｃ）は錘１９の底面を示し、図５は図２のＡ−Ａ’断面を示している。

図４に示すように、前記錘１９は、内径１５ｍｍ×外径２３ｍｍ×厚み３ｍｍの円形の環状の板材から構成されており、その錘の板厚方向の一方の面（上面３７：図４（ｂ）の上方）及び他方の面（下面３９：図４（ｂ）の下方）の外周及び内周には、Ｃ面取りが施されている。

また、図４（ａ）に示すように、上面３７には、錘１９の中心軸を中心にして９０度毎に４カ所に放射状の切欠部４１が形成されている。この切欠部４１は、長さ４ｍｍ×幅２ｍｍ×深さ０．５ｍｍの溝である。従って、この切欠部４１により、錘１９の内周面側（即ち環状の空間２０）と外周面側とが連通している（図２参照）。

同様に、図４（ｃ）に示すように、錘１９の下面３９には、中心軸を中心にして９０度毎に４カ所に放射状の溝（切欠部）４３が形成されている。
また、上面３７の切欠部４１の配置（形成パターン）と下面３９の切欠部４３の配置（形成パターン）とは、板厚方向に投影方向した場合に重ならないように、それぞれ４５度ずつずれている。更に、上下の切欠部４１、４３の深さの合計は、錘１９の厚みより小さくなるように設定されている。

この切欠部４１、４３は、後述する様に、樹脂モールドの際に、合成樹脂を錘１９の外周側から内周側の環状の空間２０に充填するための流路として用いられるものであり、切欠部４１、４３内にも、図５に示す様に、合成樹脂が充填されている。

そして、このように構成されたノッキングセンサ１は、従来装置と同様に、支持部材９の本体部１３に形成された挿通孔１１に挿通されるボルト（図示せず）によって、図示しない内燃機関のシリンダヘッドに装着され、従来装置と同様に使用される。

ｃ）次に、本実施形態のノッキングセンサ１の製造方法を説明する。
＜錘１９の製造方法＞
まず、錘１９の製造方法について説明する。

錘１９の材料としては、用途などに応じて、Ｆｅ系、Ｃｕ系、ＳＵＳ系などの金属粉を用いることができる。
そして、選択された１種又は２種以上の金属粉を、所定の割合で混合機に投入するとともに、更に潤滑剤を投入し、所定の配合比に均一に混合する。

この混合粉を、高精度の金型（即ち前記図４に示す錘１９の形状に圧縮可能な空間を有する金型：図示せず）へ充填し、自動プレス機により圧縮成型する。
次に、金型から取り出した成形体を、連続炉に投入し、融点以下の高温（例えば１１００℃）で（例えば４時間）保持し、焼結する。

なお、より高い寸法精度を必要とする場合、焼結体を再圧金型に入れ、プレス機により再圧縮して寸法矯正（サイジング）を行う。また、必要に応じて、例えばバレル研磨等の後処理を行ってもよい。

＜ノッキングセンサ１の組み立て方法＞
次に、ノッキングセンサ１の組み立て方法を説明する。
まず、前記図３に示すように、支持部材９の本体部１３の外周側に嵌めるようにして、鍔部１５上に、絶縁部材２５、出力端子２１、圧電素子１７、出力端子２３、絶縁部材２７、錘１９を順次載置する。

次に、本体部１３に板バネ２９を圧入し、更に、板バネ２９の上にナット３１を嵌め込んで締め付けることにより板バネ２９を押圧する。
これにより、各構成部品（圧電素子１７、錘１９、出力端子２１、２３、絶縁部材２５、２７）は、板バネ２９により鍔部１５に向けて押圧された状態で、支持部材９に固定される。

＜樹脂モールド方法＞
次に、樹脂モールド方法について説明する。
上述したように、ノッキングセンサ１を組み立てた後、図６に模式的に示す様に、支持部材９や構成部品を射出成形用金型４５で取り囲み、構成部品を覆うように液状の樹脂モールド材料（合成樹脂）を射出し固化させることにより、ケース３を形成する。

詳しくは、例えば素子収納部５の一端に対応した位置に明けられた射出成形用金型４５の射出孔４７より、液状の合成樹脂を注入する。すると、注入された合成樹脂は、図６の矢印に示す様に、射出成形用金型４５の内周面と錘１９等の構成部分の外周面との間の外周空間４９に流入するとともに、錘１９の上下の切欠部４１、４３にも流入し、環状の空間２０を満たす。また、合成樹脂は、コネクタ部７を構成する空間にも流入する。その後、合成樹脂が固化することにより、樹脂モールドが完了する。

これにより、ノッキングセンサ１が製造される。
ｄ）本実施形態は、上述した構成によって、下記の効果を奏する。
・本実施形態のノッキングセンサ１では、錘１９の板厚方向にそれぞれ位置して平行に形成された上面３７及び下面３９に、それぞれ４本の切欠部４１、４３を有しているので、樹脂モールドする際には、この切欠部４１、４３を介して、合成樹脂をスムーズに環状の空間２０に充填することができる。

・錘１９の板厚方向の両側に切欠部４１、４３が形成されているので、板厚方向の表面が歪みにくく、錘１９の十分な平面度が確保でき、よって、圧電素子１７に対する押圧力を均一化できるので、ノッキングの検出精度が高いという効果がある。

・錘１９の一方の側に流路の大きな切欠部を設ける場合に比べて、切欠部１９の流路（断面積）を小さくできるので、その点からも、平面度が高いという利点がある。
・錘１９の両側の切欠部４１、４３は、板厚方向に投影した場合に重ならないように形成されているので、錘１９の平面度を高く保つことができる。

・錘１９の両側の切欠部４１、４３の深さの合計は、錘１９の厚みより少ないので、即ち、溝が深く切り込まれていなので、この点からも、錘１９の平面度を高く保つことができる。

・ノッキングセンサ１の組み立て時に、仮に錘１９の表裏を逆に配置した場合でも、表裏で流路の本数や大きさは上下で変わらないので、即ち、錘１９の上面３７の切欠部４１の形成パターンと、下面３９の切欠部４３の形成パターンとが同じであるので、錘１９の両側からスムーズに合成樹脂の充填が可能である。また、錘１９を、その裏表にかまわず、そのまま組み付けることができるので、作業性が向上する。

・切欠部４１、４３を有する錘１３は、金属粉を一体に焼結して得られたものであるので、切削等の後加工によって切欠部４１、４３を形成する必要がなく、その製造が非常に容易である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を取り得ることはいうまでもない。

例えば図７に示す様に、切欠部の本数や配置を、適宜選択することができる。
具体的には、例えば図７（ａ）（ｂ）に第２実施形態における錘５１の上面及び下面を示す様に、それぞれ２箇所に（板厚方向に投影した場合に直交するように）切欠部５３、５５を設けてよい。なお、錘５１以外は、第１実施形態と同様である（以下同様）。

また、例えば図７（ｃ）（ｄ）に第３実施形態における錘６１の上面及び下面を示す様に、それぞれ３箇所に（板厚方向に投影した場合に６０度毎となるように）切欠部６３、６５を設けてよい。

更に、例えば図７（ｅ）（ｆ）に第４実施形態における錘７１の上面及び下面を示す様に、それぞれ４箇所に（板厚方向に投影した場合に重なるように）切欠部７３、７５を設けてよい。

第１実施形態のノッキングセンサの外観を示す正面図である。 第１実施形態のノッキングセンサの断面図である。 第１実施形態のノッキングセンサの内部構造を分解して示す説明図である。 （ａ）は錘の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図であり、（ｃ）は錘の底面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 樹脂モールドの方法を示す説明図である。 （ａ）第２実施形態における錘の上面を示す平面図、（ｂ）第２実施形態における錘の底面を示す底面図、（ｃ）第３実施形態における錘の上面を示す平面図、（ｄ）第３実施形態における錘の底面を示す底面図、（ｅ）第４実施形態における錘の上面を示す平面図、（ｆ）第４実施形態における錘の底面を示す底面図である。

符号の説明

１…ノッキングセンサ
３…ケース
９…支持部材
１３…本体部
１５…鍔部
１７…圧電素子
１９、５１、６１、７１…錘
２０…環状の空間
２９…板バネ
３１…ナット
３７…上面
３９…下面
４１、４３、５３、５５、６３、６５、７３、７５…切欠部

Claims (5)

1. 柱状の本体部と該本体部の外周から外側に張り出す鍔部と有する支持部材と、
   前記本体部の外周側に嵌められ、前記鍔部に載置される環状の圧電素子と、
   前記本体部の外周側に嵌められ、前記圧電素子に所定の圧力を加えるために、前記圧電素子に載置される環状の錘と、
   を備えるとともに、
   前記圧電素子及び前記錘と前記本体部との間に環状の空間を有し、
   前記支持部材と前記圧電素子と前記錘とが樹脂によりモードルされるとともに、前記環状の空間内に前記樹脂が充填されたノッキングセンサにおいて、
   前記錘は板状であり、その板厚方向の両側に、前記錘の内周側と外周側とを連通して前記樹脂の流路を構成する切欠部を、それぞれ２箇所以上備えたことを特徴とするノッキングセンサ。
2. 前記錘の板厚方向の両側の切欠部は、板厚方向に投影した場合に重ならないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノッキングセンサ。
3. 前記錘の板厚方向の両側の切欠部の深さの合計は、前記錘の板厚方向の厚みより少ないことを特徴とする請求項１又は２に記載のノッキングセンサ。
4. 前記錘の板厚方向の一方の側の切欠部の形成パターンと、他方の側の切欠部の形成パターンとが同じであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のノッキングセンサ。
5. 前記切欠部を有する錘は、粉体の材料を一体に焼結して得られたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のノッキングセンサ。

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