JP2019039796A - ノッキングセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングセンサの共振周波数を高くし、より高周波のノッキング周波数帯での測定を可能としたノッキングセンサを提供する。
【解決手段】筒状部１３と鍔部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、ウェイトの天面に接すると共に筒状部の外周に固定され、ウェイトを係止する環状の係止部材２９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、係止部材の内周部２９ｉの少なくとも一部が筒状部の外周面１３ｂに食い込んでいる。
【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非共振型の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

ところで、非共振型のノッキングセンサにおいては、エンジンのノッキング振動がウェイトを介して圧電素子を圧縮し、圧電素子の出力信号からノッキングを検出するようになっている。そして、ノッキングセンサは、その構成部品や形状により固有の共振周波数を持っており、この共振周波数を避け、比較的平坦な出力特性を持つ周波数帯にてノッキングを検出している。従来、ノッキング周波数帯は１ｋ〜２０ｋＨｚ程度とされており、ノッキングセンサの共振周波数はこれより高周波の約２８ｋＨｚ以上になるように設計されている。
しかしながら、近年、エンジンの高回転等の理由により、特に２輪エンジンのノッキング周波数帯をより高周波領域に設定したいという要望があり、それに伴ってノッキングセンサの共振周波数を高くすることが必要になってきている。

そこで、本発明は、ノッキングセンサの共振周波数を高くし、より高周波のノッキング周波数帯での測定を可能と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、前記ウェイトの天面に接すると共に前記筒状部の外周に固定され、該ウェイトを係止する環状の係止部材と、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、前記係止部材の内周部の少なくとも一部が前記筒状部の外周面に食い込んでいることを特徴とする。

このノッキングセンサによれば、係止部材の内周部の少なくとも一部を筒状部の外周面に食い込ませることで、係止部材、ひいてはウェイトを含む積層構造体（圧電素子、絶縁体等）が筒状部（主体金具）によりしっかりと固定される。これにより、ノッキングセンサの共振周波数が高くなり、より高周波のノッキング周波数帯での測定が可能となる。

本発明のノッキングセンサにおいて、前記係止部材を前記ウェイトの前記天面側から見たとき、前記内周部は、円環部と、該円環部より径方向外側に位置して前記円環部に繋がる１つ以上の拡径部とを有し、前記拡径部と前記円環部との接続部における前記筒状部の外周面への食い込み量Ｌ１よりも、隣接する前記接続部の間の前記円環部の周方向中央における前記筒状部の外周面への食い込み量Ｌ２が大きくてもよい。
このノッキングセンサによれば、円環部の周方向中央にて、係止部材が筒状部（主体金具）により強固に固定されるので、ノッキングセンサの共振周波数をより一層高くすることができる。

本発明のノッキングセンサにおいて、前記係止部材の厚みが１ｍｍ以上であってもよい。
このノッキングセンサによれば、係止部材の剛性がより高くなるので、ノッキングセンサの共振周波数をより一層高くすることができる。

この発明によれば、ノッキングセンサの共振周波数を高くし、より高周波のノッキング周波数帯での測定が可能となる。

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。 図２の部分拡大断面図である。 係止部材の上面図である。 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。 皿バネを筒状部にネジ締めした場合、及び本実施形態により皿バネを固定した場合のノッキングセンサの共振周波数を示す図である。

以下、図１〜図５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。又、図４は図２の部分拡大断面図、図５は係止部材（皿バネ）２９の上面図である。
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。
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との内周部と、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）へ押圧する環状の皿バネ（座金）２９が取り付けられている。図３に示すように、皿バネ２９は、外周面から円錐台状に斜めに立ち上がり、径方向内側へ向かって水平に延びる形状になっていて、この水平部の中央が開口している。
なお、ウェイト１９の上面（図１の上面）１９ａに皿バネ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、皿バネ２９が特許請求の範囲の「係止部材」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、皿バネ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が皿バネ２９の上面に接することによって、皿バネ２９が下方に押圧され、さらに皿バネ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、突出部１３ｐが皿バネ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。

さらに、図２、図４に示すように、皿バネ２９の内周部２９ｉの上側の部位２９ｓが筒状部１３の外周面１３ｂに食い込んでいる。
このように、皿バネ２９の内周部２９ｉの一部（部位２９ｓ）を筒状部１３の外周面１３ｂに食い込ませることで、皿バネ２９、ひいてはウェイト１９を含む積層構造体（圧電素子１７、出力端子２１、２３、絶縁体２５、２７）が筒状部１３（主体金具９）によりしっかりと固定される。これにより、ノッキングセンサ１の共振周波数が高くなり、より高周波のノッキング周波数帯での測定が可能となる。
特に、皿バネ２９の厚みが１ｍｍ以上であると、皿バネ２９の剛性がより高くなるので、ノッキングセンサ１の共振周波数をより一層高くすることができる。
皿バネ２９としては、上述のＳＫ−５Ｍの他、例えばＳ２５Ｃ等の炭素鋼を用いることができる。

なお、特開２０１３−７６１２号公報に記載されているように、ウェイトの内周面に設けられた凸部を筒状部の外周面に押し付けることにより固定する方法では、固定力が十分ではない。又、筒状部の外周面に予め切り欠きや凹部を形成し、その切り欠きや凹部にバネ部材を嵌めて固定することや、係止部材の一部を配置して固定する方法もある。しかし、これらの方法は、予め切り欠きや凹部を形成し、その部分に嵌る寸法の部材を準備した上で、それらを嵌合するよう制御する工程が必要となり、生産性及びコストの問題がある。
これに対し、本実施形態のように、予め切り欠きや凹部が形成されていない筒状部１３の外周面１３ｂに皿バネ２９を食い込ませることで、容易に皿バネ２９、ひいてはウェイト１９を含む積層構造体（圧電素子１７、出力端子２１、２３、絶縁体２５、２７）を筒状部１３（主体金具９）により確りと固定できる。

なお、皿バネ２９の内周部２９ｉの一部２９ｓが筒状部１３の外周面１３ｂに食い込んでいるか否かは、皿バネ２９を含む筒状部１３の軸方向の断面画像により判定する。つまり、図４に示すように、皿バネ２９の輪郭と筒状部１３の外周面１３ｂとの２つの接点Ｐ１，Ｐ２を求め、Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線分よりも筒状部１３の内部に皿バネ２９（部位２９ｓ）が介在していれば、「食い込んでいる」とみなす。もちろん、接点が１つしかない場合は、食い込んでいない。

図８は、従来のように皿バネ２９を筒状部の外周面の雄ネジ部にナットでネジ締めした場合、及び本実施形態において皿バネ２９の厚みを変えたときのノッキングセンサ１の共振周波数をそれぞれ示す。
本実施形態のように皿バネ２９の一部を筒状部１３の外周面１３ｂに食い込ませることで、従来のネジ締め法よりも共振周波数が高くなることがわかる。又、皿バネ２９の厚みが厚くなるほど、共振周波数も高くなる。

図５に示すように、本実施形態では、皿バネ２９の内周部２９ｉは、円環部２９ｉ１と、円環部２９ｉ１より径方向外側に位置して円環部２９ｉ１に繋がる３つの拡径部２９ｉ２とを有している。３つの拡径部２９ｉ２は半円形状であり、それぞれ周方向に等間隔に離間している。
ここで、拡径部２９ｉ２と円環部２９ｉ１との接続部Ｃ１，Ｃ２における筒状部１３の外周面１３ｂへの食い込み量Ｌ１よりも、隣接する接続部Ｃ１，Ｃ２の間の円環部２９ｉ１の周方向中央Ｃｅにおける筒状部１３の外周面１３ｂへの食い込み量Ｌ２が大きい。
これにより、円環部２９ｉ１の周方向中央Ｃｅにて、皿バネ２９が筒状部１３（主体金具９）により強固に固定されるので、ノッキングセンサ１の共振周波数をより一層高くすることができる。

食い込み量Ｌ２が食い込み量Ｌ１よりも大きい理由は、拡径部２９ｉ２と筒状部１３との間に隙間が生じるため、皿バネ２９を筒状部１３へ押圧したとき、円環部２９ｉ１の周方向中央Ｃｅから拡径部２９ｉ２へ筒状部１３の材料Ｍが流動し易く、周方向中央Ｃｅで食い込み易くなるためである。
又、食い込み量Ｌ１、Ｌ２は径方向への食い込み長さである。
なお、図５では、押圧して変形する前の皿バネ２９の形状を表したが、実際には、周方向中央Ｃｅが筒状部１３へより一層食い込むので、周方向中央Ｃｅが径方向内側へ縮径し、円環部２９ｉ１が真円よりも歪んでいる。

又、本実施形態では、ナットを用いず、筒状部１３に設けた突出部１３ｐによって皿バネ２９を主体金具９に固定するので、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。
但し、筒状部１３の外周面１３ｂに雄ネジを切り、ナットを用いてナットの下面側の皿バネ２９を主体金具９に固定してもよいが、ナットと皿バネ２９の２つの部材が必要で、部品コストはアップする傾向にある。
なお、突出部１３ｐは、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）を施して形成してもよく、筒状部１３の外周面に直接プレス加工等を行って形成してもよい。

次に、図６、図７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、皿バネ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６（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７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の下面にて皿バネ２９を押圧し、皿バネ２９の内周部２９ｉの少なくとも一部が、筒状部１３ｘの外周面に食い込むように弾性変形させる(図６（ｂ）)。なお、皿バネ２９を押圧した際、内周部２９ｉが筒状部１３ｘの外周面に届くよう、内周部２９ｉの直径が筒状部１３ｘの外径に近くなる（筒状部１３ｘの外径よりやや大きくなる）ように設定する。

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６（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６（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、押圧された状態の皿バネ２９の上面とほぼ同一であるので、皿バネ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、皿バネ２９が弾性的に戻り、突出部１３ｐに接しながら皿バネ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。
又、皿バネ２９の内周部２９ｉの少なくとも一部が筒状部１３ｘの外周面に食い込んだ状態が維持される。
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、係止部材の形状は、皿バネ２９に限られない。

１ 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
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 係止部材
２９ｉ 係止部材の内周部
２９ｉ１ 円環部
２９ｉ２ 内周部の拡径部
２９ｓ 係止部材の内周部の一部

Claims (3)

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、
   前記ウェイトの天面に接すると共に前記筒状部の外周に固定され、該ウェイトを係止する環状の係止部材と、
   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、
   前記係止部材の内周部の少なくとも一部が前記筒状部の外周面に食い込んでいることを特徴とするノッキングセンサ。
2. 前記係止部材を前記ウェイトの前記天面側から見たとき、前記内周部は、円環部と、該円環部より径方向外側に位置して前記円環部に繋がる１つ以上の拡径部とを有し、
   前記拡径部と前記円環部との接続部における前記筒状部の外周面への食い込み量Ｌ１よりも、隣接する前記接続部の間の前記円環部の周方向中央における前記筒状部の外周面への食い込み量Ｌ２が大きい請求項１記載のノッキングセンサ。
3. 前記係止部材の厚みが１ｍｍ以上である請求項１又は２記載のノッキングセンサ。

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