JP2015004657A - ノッキングセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の金属粉の発生を防止して圧電素子の絶縁性を確保すると共に、コストを低減したノッキングセンサを提供する。【解決手段】筒状部１３と該筒状部の一端側に位置し、筒状部の周方向外側に向かって突出する鍔部１５とを有する主体金具９と、筒状部の外周に嵌め込まれ、鍔部に面する側と反対側に天面１９ａを有する環状のウェイト１９と、筒状部の外周に嵌め込まれ、鍔部とウェイトとの間に挟まれる環状の圧電素子１７と、鍔部と圧電素子との間に介在する絶縁体２５とを備えたノッキングセンサ１であって、筒状部の外周面には、筒状部の内面から周方向外側に向かって塑性変形しつつ突出し、ウェイトの天面に直接又は他部材２９を介して接して該ウェイトを係止する突出部１３ｐが設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子を用いたノッキングセンサに関する。

自動車等の内燃機関のノッキング現象を検出するノッキングセンサが知られており、ノッキングセンサの検出に応じて点火プラグの点火時期の遅角制御が行われている。
上記したノッキングセンサとして、内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付孔を中心部に有する、いわゆるセンターホール式非共振型のノッキングセンサが知られている。このノッキングセンサは、筒状部と筒状部の一端に位置する鍔部とを有する主体金具を備え、筒状部の外周に鍔部側から順に、それぞれ環状の絶縁部材、圧電素子、ウェイト、及びナットを嵌め込んで構成されている。そして、筒状部の外周面の雄ネジ部にナットを螺合することによりウェイトを係止し、鍔部とウェイトとの間に圧電素子を挟んで固定している。さらに、主体金具に絶縁部材、圧電素子、ウェイト等を組み付けた内部部品全体が樹脂によって被覆されることで、ノッキングセンサは構成されている。なお、筒状部の内面が上記した取付孔となっている。

特開２０１０−１０１６９６号公報

しかしながら、従来のノッキングセンサは、上述のようにナットを用いてウェイトを主体金具に係止するため、ナットを螺合する際に金属粉が発生し、圧電素子の周囲に付着して、圧電素子と主体金具間との間での絶縁性を低下させるおそれがある。又、ナットの部品コストが高いという問題がある。
そこで、本発明は、製造時の金属粉の発生を防止して圧電素子の絶縁性を確保すると共に、コストを低減したノッキングセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のノッキングセンサは、筒状部と該筒状部の一端側に位置し、筒状部の周方向外側に向かって突出する鍔部とを有する主体金具と、前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部に面する側と反対側に天面を有する環状のウェイトと、前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部と前記ウェイトとの間に挟まれる環状の圧電素子と、前記鍔部と前記圧電素子との間に介在する絶縁体とを備えたノッキングセンサであって、前記筒状部の外周面には、前記筒状部の内面から周方向外側に向かって塑性変形しつつ突出し、前記ウェイトの天面に直接又は他部材を介して接して該ウェイトを係止する突出部が設けられている。
このノッキングセンサによれば、ナットを用いず、筒状部自身の塑性変形によって形成された突出部によってウェイトを主体金具に係止している。これにより、ウェイトを主体金具に係止するにあたってナットを主体金具の筒状部に対して回動させる必要がなく、ナットを螺合する際の金属粉の発生を防止して、圧電素子と主体金具間での絶縁性を良好に確保することができる。又、ナットの部品コストを削減し、コストを低下することができ、安価なノッキングセンサを提供することができる。
また、筒状部の外周面に直接加工を施した場合には、金属粉が発生して当該金属粉が圧電素子の周囲に付着して圧電素子の絶縁性を低下させるおそれがあるが、筒状部の内面を加工することで、仮に金属粉が発生しても筒状部の内面からセンサ外部へ脱落するので、金属粉が圧電素子に付着する不具合を防止することができる。

本発明のノッキングセンサでは、前記筒状部の外周面にメッキ層が設けられていてもよい。
このノッキングセンサによれば、メッキ層により筒状部の外周面を保護して防錆性等が向上する。そして、メッキ層の反対面である筒状部の内面から加工を行うことで、筒状部の外側からメッキ層に直接加工を行う場合に比べてメッキ層への衝撃が小さくなり、メッキ層が剥がれて防錆機能等が低下したり、剥がれたメッキ層が金属粉と共に圧電素子に付着して絶縁性を低下させることを抑制することができる。

本発明のノッキングセンサでは、前記筒状部の外周面には、ネジ部が形成されていないことが好ましい。
このノッキングセンサによれば、筒状部自身の塑性変形によって形成された突出部によってウェイトを主体金具に係止する構成を有するが故に、ナットの主体金具への螺合自体不要となるため、筒状部の外周面にネジ部を設ける必要がなく、製造コストがさらに低下し、よりノッキングセンサを安価に提供することができる。

本発明のノッキングセンサでは、前記突出部を軸方向に沿って切断した断面の形状は、周方向外側に向かって凸に湾曲し、かつ滑らかに繋がる凸状曲面になっていることが好ましい。
このノッキングセンサによれば、突出部に角部が生じないので、ノッキングセンサのケースを構成する樹脂モールド材料が突出部の表面に確実に流動し、突出部への樹脂の付き回り性が向上する。又、筒状部の外周面にメッキ層を設ける場合には、突出部に角部が生じないので突出部からメッキ層が剥がれ難くなる。

前記突出部が周方向に３つ以上に分離していることが好ましい。
このノッキングセンサによれば、各突出部の周方向の間に切れ目が形成され、ノッキングセンサのケースを構成する樹脂モールド材料が切れ目を通って軸方向に流動するので、突出部への樹脂の付き回り性が向上する。

前記他部材は皿バネであり、前記皿バネの内周面の角部のうち前記突出部側の角部と前記鍔部側の角部とが前記筒状部の外周面から同じ距離にあるか、又は前記突出部側の角部が前記鍔部側の角部よりも前記筒状部の外周面の近くに配置されるとよい。
突出部に接するのは皿バネの突出部側の角部であるため、この角部を筒状部の外周面に近付けることによって、突出部の径方向外側への張り出し量がその分だけ少なくて済み、皿バネを突出部に確実に接しさせることができると共に、突出部の加工も容易となる。さらに、上記構成を図ることにより、皿バネの内径の寸法精度を厳密に管理しなくても皿バネを突出部に確実に接しさせることができ、皿バネの生産性が向上し、ノッキングセンサの生産上の管理も容易となる。

この発明によれば、製造時の金属粉の発生を防止して圧電素子の絶縁性を確保すると共に、コストを低減したノッキングセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るノッキングセンサの外観を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの断面図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの内部構造の分解図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの製造に用いるプレス治具の上面図である。 突出部の変形例を示す断面図である。 図６の上面図である。 他部材の変形例を示す断面図である。 他部材の構成を示す拡大断面図である。 他部材のさらに別の変形例を示す断面図である。

以下、図１〜図３を参照し、本発明の実施形態に係るノッキングセンサについて説明する。
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軸方向に破断した断面図を示し、図３はノッキングセンサの内部構造の分解図を示している。
図１において、ノッキングセンサ１は、内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付孔１１(図２参照)を中心部に有する、いわゆるセンターホール式非共振型のノッキングセンサである。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ＳＰＨＤ、ＳＷＣＨ２５Ｋ）からなる主体金具９を備えており、主体金具９は、ボルトを挿通するための取付孔１１を有する円筒形状の筒状部１３と、筒状部１３の一端側（図１の下側）にて外周面から周方向外側に張り出す鍔部１５とを有している。さらに、主体金具９（筒状部１３の外周面を含む）の外面には、防錆のため、亜鉛メッキ等からなるメッキ層５０が設けられ、メッキ層５０の表面には、メッキ層５０の腐食の防止を図る目的からクロメート層（図示せず）が形成されている。
この主体金具９の鍔部１５の厚み方向の一面（図１の上面）側には、筒状部１３の外周に嵌められる環状（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、筒状部１３の外周に嵌められる環状（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ＳＭＦ４０５０）からなるウェイト１９が載置されている。

鍔部１５と圧電素子１７との間、及びウェイト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とウェイト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体２５、２７がそれぞれ配置され、出力端子２１、２３が主体金具９の鍔部１５やウェイト１９と短絡しないようにされている。
なお、圧電素子１７とウェイト１９と出力端子２１、２３（環状部分）と絶縁体２５、２７との内周面と、筒状部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にも上記合成樹脂が充填されている。更に、主体金具９には、金属材料（例えばＳＫ−５Ｍ）からなり、ウェイト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。
なお、ウェイト１９の上面（図１の上面）１９ａに板バネ２９の下面の少なくとも一部が接しており、ウェイト１９の上面１９ａが特許請求の範囲の「天面」に相当する。又、板バネ２９が特許請求の範囲の「他部材」に相当する。又、鍔部１５と出力端子２１との間の絶縁体２５が特許請求の範囲の「絶縁体」に相当する。

さらに、板バネ２９の上側の位置において、筒状部１３の外周面には、筒状部１３の内面１３ａから周方向外側に向かって塑性変形して突出する突出部１３ｐが設けられている。又、突出部１３ｐに対応する筒状部１３の内面１３ａには凹部１３ｒが形成されている。
そして、突出部１３ｐが板バネ２９の上面に接することによって、板バネ２９が下方に押圧され、さらに板バネ２９の弾性力によりウェイト１９が係止され、ウェイト１９と鍔部１５との間の積層構造体（圧電素子１７、出力端子２１、２３、絶縁体２５、２７）が主体金具９に固定される。
つまり、本実施形態においては、突出部１３ｐが板バネ２９を介してウェイト１９の天面１９ａに接し、主体金具９の鍔部１５に向けてウェイト１９を押圧するようにして、ウェイト１９を間接的に主体金具９に係止している。
なお、突出部１３ｐは、筒状部１３の外周面から０．１〜０．２ｍｍ程度突出していればよい。

以上のように、ナットを用いず、筒状部１３に設けた突出部１３ｐによってウェイト１９を主体金具９に係止することで、ナットを螺合する際の金属粉の発生を防止して圧電素子１７と主体金具９との間の絶縁性を良好に確保することができる。又、ナットの部品コストを削減し、ノッキングセンサ１のコストを低下することができる。
なお、ナットを用いずに筒状部１３の外周面に直接プレス加工等を行って突起部を形成することで、ウェイト１９を主体金具９に係止することも可能である。しかしながら、この場合には、筒状部１３の外周面に加工を施す際、やはり金属粉が発生して圧電素子１７の周囲に金属粉が付着し、圧電素子１７と主体金具９との間の絶縁性を低下させることがある。又、主体金具９の外周面にメッキ層５０が形成されている場合、筒状部１３の外周面に直接加工を施すと、メッキ層５０が剥がれて防錆機能が低下したり、剥がれたメッキ層５０が圧電素子の周囲に付着して絶縁性を低下させることがある。
このようなことから、筒状部１３の内面１３ａから周方向外側に向かって加工（塑性変形）を施すことで、仮に金属粉が発生しても取付孔１１から外部へ脱落するので、金属粉が圧電素子に付着する不具合を防止することができる。又、メッキ層５０の反対面である筒状部１３の内面１３ａから加工を行うことで、筒状部１３の外側からメッキ層５０に直接加工を行う場合に比べてメッキ層５０への衝撃が小さくなり、メッキ層５０の剥離を抑制することができる。

次に、図４、図５を参照し、本実施形態のノッキングセンサ１の製造方法の一例を説明する。
まず、主体金具粗形材９ｘを用意する。この主体金具粗形材９ｘは、内面１３ａに凹部１３ｒが形成されず、外周面に突出部１３ｐが形成されていない筒状部１３ｘと、筒状部１３ｘの一端側（下側）に上述の鍔部１５とを有している(図３参照)。そして、筒状部１３ｘ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、ウェイト１９、板バネ２９を順次載置する。さらに、筒状部１３ｘの内面に、鍔部１５側（下方）からプレス治具１１０を挿入する(図４（ａ）)。プレス治具１１０は、後述する４つの切り欠き部１１０ｓによって４つに分割された個片から構成され、各個片の下端側に位置する張出部１１０ｆを１つの環状保持リング１４０によって保持させた集合体より形成されており、内側に後述するピストン１３０を内挿可能な略円形の孔を有する略円筒状の形態をなしている。なお、プレス治具１１０を構成する各個片の張出部１１０ｆが鍔部１５の下面に当接して挿入深さを位置決めするようになっている。
又、図５に示すように、プレス治具１１０（各個片）の上端側には周方向外側に突出する凸部１１０ｐと、軸方向に延びる４つの切り欠き部１１０ｓとが形成されており、凸部１１０ｐは切り欠き部１１０ｓで周方向に４つに分離されている。従って、切り欠き部１１０ｓが閉じたり開いたりすることにより、凸部１１０ｐが周方向に縮径及び拡径可能になっていて、プレス治具１１０を筒状部１３ｘの内面に挿入した際には筒状部１３ｘの内面に押圧されて凸部１１０ｐが周方向に縮径する。

次に、円筒ピン１２０を上方から下ろし、円筒ピン１２０の下面にて板バネ２９を押圧し、板バネ２９の上面が水平になるように弾性変形させる(図４（ｂ）)。
次に、円筒ピン１２０を下ろした状態で、プレス治具１１０の上端側（プレス治具１１０の内側の孔）に、上方からピストン１３０を挿入する(図４（ｃ）)。ピストン１３０は先端に向かって狭まるテーパ状をなし、プレス治具１１０にピストン１３０を挿入すると、プレス治具１１０の上端側が押し広げられ、各個片が周方向外側に向かって移動し、凸部１１０ｐが拡径する(図４（ｄ）)。このため、凸部１１０ｐに接する筒状部１３ｘの内面が周方向外側に向かって塑性変形して突出し、凹部１３ｒを形成する。この際、凹部１３ｒの位置（すなわち、凸部１１０ｐの位置）は、押圧された状態の板バネ２９の上面とほぼ同一であるので、板バネ２９の上面側に突出部１３ｐが形成される。そして、円筒ピン１２０を離すと、板バネ２９が弾性的に戻り、突出部１３ｐに接しながら板バネ２９の弾性力によりウェイト１９の天面１９ａを鍔部１５側へ押圧し、上述の積層構造体が主体金具９に固定される。
このようにしてノッキングセンサ１を組み立てた後、主体金具９を含む上述の積層構造体を覆うように樹脂モールド材料（合成樹脂）を射出し固化させることにより、ケース３を形成し、ノッキングセンサ１が完成する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
絶縁体の種類としては、上述のフィルム状の合成樹脂の他、セラミック材でもよく、絶縁性接着剤を塗布してもよい。又、上記実施形態では、突出部１３ｐが板バネ２９を介してウェイト１９の天面１９ａに接し、ウェイト１９を係止したが、これは合成樹脂製の絶縁体２５、２７が熱クリープにより薄くなって軸方向に隙間が生じることから、この隙間を板バネ２９の弾性変形で埋めるためである。一方、熱クリープが生じないセラミック等の絶縁体を用いる場合には、板バネ２９を用いず、突出部１３ｐをウェイト１９の天面１９ａに直接接しさせてウェイト１９を係止してもよい。

又、突出部の断面形状を図６に示すようにしてもよい。図６は突出部の変形例を示す断面図であり、ノッキングセンサを軸方向に破断した断面図である。図６のノッキングセンサ１ｘにおいて、突出部１３ｐｘの断面の形状は、周方向外側に向かって凸に湾曲し、かつ滑らかに繋がる凸状曲面になっている。又、突出部１３ｐｘに対応する筒状部１３の内面１３ａには凹部１３ｒｘが形成され、凹部１３ｒｘの周方向の深さは、突出部１３ｐｘの周方向外側への張り出しよりも大きい。なお、突出部１３ｐｘが板バネ２９の上面に接することによって、板バネ２９が下方に押圧される点は、図２の場合と同様である。
このように、突出部１３ｐｘの断面の形状を滑らかに繋がる凸状曲面とすることで、突出部１３ｐｘに角部が生じないので、ケース３を構成する樹脂モールド材料が突出部１３ｐｘの表面に確実に流動し、突出部１３ｐｘへの樹脂の付き回り性が向上する。又、主体金具９の外面にメッキ層５０を設ける場合には、突出部１３ｐｘに角部が生じないので突出部１３ｐｘからメッキ層５０が剥がれ難くなる。

図７は、図６のノッキングセンサ１ｘの上面図を示す。突出部１３ｐｘが周方向に３つ以上（図７の例では４つ）に分離していて、各突出部１３ｐｘの周方向の間に切れ目Ｃが形成されている。
このように、突出部１３ｐｘの周方向の間に切れ目Ｃを形成すると、ケース３を構成する樹脂モールド材料が切れ目Ｃを通って軸方向に流動するので、突出部１３ｐｘへの樹脂の付き回り性が向上する。

又、上記実施形態のノッキングセンサ１を構成する環状の板バネ２９に代えて、図８に示す環状の皿バネ２９ｙを用いるようにしてもよい。図８は、特許請求の範囲の「他部材」に相当する皿バネ２９ｙを用いた変形形態としてのノッキングセンサ１ｙを示す断面図（ノッキングセンサを軸方向に破断した断面図）である。そして、図９（ａ）に示すように、皿バネ２９ｙは、外周面から斜めに立ち上がる円錐台形状の脚部２９ａと、脚部２９ａから径方向内側へ向かって水平に延びる水平部２９ｂとを備えており、水平部２９ｂの内周面２９ｃは皿バネ２９ｙの軸方向に略平行になっている。
そして、この皿バネ２９ｙを主体金具９の筒状部１３の外周に嵌め、図４（ｂ）と同様に円筒ピン（図示せず）の下面にて皿バネ２９ｙを押圧すると、脚部２９ａが撓んで水平に弾性変形する(図９（ｂ）)。さらに、図４（ｄ）と同様に、筒状部１３のうち、押圧された状態の皿バネ２９ｙの上面に位置する部位に突出部１３ｐｘ（凹部１３ｒｘ）を形成し、円筒ピンを離すと、皿バネ２９ｙが弾性的に戻り、皿バネ２９ｙが突出部１３ｐｘに接する。このとき、内周面２９ｃは皿バネ２９ｙの軸方向に略平行（つまり、筒状部の外周面１３ｂとも略平行）であるので、皿バネ２９ｙの内周面２９ｃの角部のうち突出部１３ｐｘ側の角部Ｐ１と、鍔部１５側の角部Ｐ２とが筒状部の外周面１３ｂからそれぞれ同じ距離ｄ１、ｄ２にある。そして、突出部１３ｐｘに接するのは角部Ｐ１であるため、角部Ｐ１を筒状部の外周面１３ｂに近付けることによって、突出部１３ｐｘの径方向外側への張り出し量がその分だけ少なくて済み、皿バネ２９ｙを突出部１３ｐｘに確実に接しさせることができる。
なお、角部Ｐ１、Ｐ２との距離を規定する際の「筒状部の外周面１３ｂ」とは、突出部１３ｐｘを除く塑性変形していない部分をいう。

又、上述のように突出部１３ｐｘに接するのは角部Ｐ１であるため、角部Ｐ１を角部Ｐ２よりも筒状部の外周面１３ｂに近付けるように皿バネ２９ｙを主体金具９の筒状部１３の周囲に配置させ、距離ｄ１、ｄ２の関係をｄ１＞ｄ２として、皿バネ２９ｙを突出部１３ｐｘに確実に接しさせるようにしてもよい。
さらに、図１０に示すように、上述の皿バネ２９ｙの代わりに、水平部を有さず、外周面から斜めに立ち上がる円錐台形状の一般的な形状の皿バネ２９ｚを用い、皿バネ２９ｚの内周面２９ｄを皿バネ２９ｚの軸方向に平行に形成しても、皿バネ２９ｙと同様の効果が得られる。

１、１ｘ、１ｙ ノッキングセンサ
９ 主体金具
１３ 筒状部
１３ｂ 筒状部の外周面
１３ｐ、１３ｐｘ 突出部
１５ 鍔部
１７ 圧電素子
１９ ウェイト
１９ａ ウェイトの天面
２５ 絶縁体
２９、２９ｙ、２９ｚ 他部材
５０ メッキ層

Claims (6)

1. 筒状部と該筒状部の一端側に位置し、筒状部の周方向外側に向かって突出する鍔部とを有する主体金具と、
   前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部に面する側と反対側に天面を有する環状のウェイトと、
   前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部と前記ウェイトとの間に挟まれる環状の圧電素子と、
   前記鍔部と前記圧電素子との間に介在する絶縁体とを備えたノッキングセンサであって、
   前記筒状部の外周面には、前記筒状部の内面から周方向外側に向かって塑性変形しつつ突出し、前記ウェイトの天面に直接又は他部材を介して接して該ウェイトを係止する突出部が設けられているノッキングセンサ。
2. 前記筒状部の外周面にメッキ層が設けられている請求項１記載のノッキングセンサ。
3. 前記筒状部の外周面には、ネジ部が形成されていない請求項１又は２記載のノッキングセンサ。
4. 前記突出部を軸方向に沿って切断した断面の形状は、周方向外側に向かって凸に湾曲し、かつ滑らかに繋がる凸状曲面になっている請求項１〜３のいずれかに記載のノッキングセンサ。
5. 前記突出部が周方向に３つ以上に分離している請求項１〜４のいずれかに記載のノッキングセンサ。
6. 前記他部材は皿バネであり、前記皿バネの内周面の角部のうち前記突出部側の角部と前記鍔部側の角部とが前記筒状部の外周面から同じ距離にあるか、又は前記突出部側の角部が前記鍔部側の角部よりも前記筒状部の外周面の近くに配置される請求項１〜５のいずれかに記載のノッキングセンサ。

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