JP2591246B2

JP2591246B2 - ノックセンサ

Info

Publication number: JP2591246B2
Application number: JP10002490A
Authority: JP
Inventors: 勝吾浅野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1990-04-16
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JPH03296632A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、エンジンのノッキングの有無を判定してノ
ックコントロールシステムで点火時期制御を行う際に直
接にノッキングの有無を判定するノックセンサに関す
る。

従来の技術ノックコントロールシステムとは、エンジンブロック
の振動を検出し、その振動波形によりノッキングの有無
を判定して点火時期制御を行い、燃費改善を図るシステ
ムである。そして、この際にエンジンブロックの振動ピ
ックアップとしてノックセンサが用いられる。

このノックセンサとしては圧電ディスク中心固定型ノ
ックセンサが一般に知られており、このノックセンサ
は、第11図に示すように構成されている。

図中の符号１は、その上部が開口しその外周面がボル
ト状に六面に形成された筺体を示している。符号２は、
筺体１の下部に一体形成されたネジ部を示しており、こ
のネジ部２が図示しないエンジンのネジ穴に螺合されて
筺体１がエンジンに固定される。

筺体１の内部には、導電性の基板３が装着されてお
り、この基板３の上面には、複数の凸部４が形成されて
いる。基板３の下面中央部には、その先端部を切り落と
した円錐台形状の突起５が形成され、基板３及び突起５
を貫通して連通孔６が形成されている。突起５の先端に
は、連通孔６の部分が開口した振動板７が溶接され、こ
の振動板７には、連通孔６の部分が開口した圧電セラミ
ック８が接着されている。

符号９は、絶縁体からなるコネクタユニットを示して
おり、筺体１の上部開口に挿入して固定されている。こ
のコネクタユニット９は、円筒部10と基板部11とからな
り、基板部11の下面には、前記基板の凸部４が嵌合する
凹部12が形成されている。円筒部10内には、ターミナル
13が設けられており、このターミナル13の下端部には、
下方へ基板３、振動板７、圧電セラミック８を貫通して
延出させたリード部14が形成されている。このリード部
14は、圧電セラミック８に形成された図示しない銀電極
に半田付けされた金属箔16の中央部を貫通して互いに半
田付けにより接続され、またその上端が図示しないコン
トロールユニットに電気的に接続される。図中の符号15
は基板３の連通孔６と振動板７及び圧電セラミック８の
孔に充填された絶縁材である。また、符号17はＯリン
グ、符号18は環状の規制板をそれぞれ示している。

以上のように構成されたノックセンサでは、エンジン
の振動はネジ部２から筺体１に伝わり、さらに、基板３
から突起５を介して振動板７に伝わり、この振動板７を
圧電セラミック８とともに振動させる。そして、これら
振動板７及び圧電セラミック８は、その厚さ、径、材料
及び固定部の径等によって決定される共振周波数におい
て最も振動して大きく撓み、第10図の出力電圧と振動周
波数特性との関係を示すグラフからも分かるように、そ
の出力電圧が最大となる。そして、この出力電圧の変化
を図示しないコントロールユニットで検知して、点火時
期制御を行うか否かを判定する。

発明が解決しようとする課題しかしながら、上記構造の従来例においては、エンジ
ンからの振動伝達経路が、エンジン、筺体１、基板３、
振動板７から圧電セラミック８へ伝達するというように
長いため、この振動伝達経路でエンジンの振動特性が変
化しやすくなるという課題を有する。

また、振動板７の板厚が薄い場合、ノッキングにより
引き起こされる振動板７の振幅が減少するため、圧電セ
ラミック８に発生する出力電圧をあまり大きくとれない
という課題がある。

さらに、ノックセンサが断線やショートした場合、ノ
ックセンサ自体の障害かあるいは他の部分の障害か判ら
ないため、ユニット全体を検査しなければならないとい
う課題がある。

本発明は、エンジンの振動特性を正確に検出できると
ともに、出力電圧を大きくとれてノックを正確に検出す
るためのS/N比を向上させることができ、さらにノック
センサ自体の障害を容易に確認できるノックセンサを提
供することを目的とする。

課題を解決するための手段本発明は、前記課題を解決するために、中央部に突起
を有する基台と、中央部にしぼり加工による突部やビー
ド加工による環状の突条で構成される補強用の環状段部
が形成されその周縁部に振動を補強するカーリングや周
縁部の折り曲げやリング状錘り等の環状の付加マスが形
成されてその一方の面の中央部を前記突起に固定される
振動板と、この振動板の他方の面に設けられる圧電セラ
ミックと、この圧電セラミックの電極に接続され可撓性
を有するとともに熱収縮するスリーブでターミナルに固
定されるリード線とで基台ブロックを構成し、内部にタ
ーミナルを有するオスコネクタと、このオスコネクタの
外周の一端に取り付けられるリングと、オスコネクタに
内蔵され一端を前記ターミナルに他端を前記リングにそ
れぞれ接続された第１の抵抗器と、この第１の抵抗器及
び圧電セラミックのそれぞれに並列に接続された抵抗器
及びこの抵抗器に直列接続の直流電源とでコネクタブロ
ックを構成し、前記リード線と他端部を前記ターミナル
に接続し前記基台と前記リングとを互いに固定して前記
の基台ブロック及びコネクタブロックを一体化したこと
を特徴としている。

作用上記構成により、エンジンからの振動が基台、振動
板、圧電セラミックの順に伝達し、その伝達経路が短く
なる。これにより、環境の違いに対するエンジンの振動
特性の伝達途中での変動が少なくなる。

振動板を前記構造にしたので、軸方向の剛性が増すと
ともに周縁部の重さにより、圧電セラミックの振幅を大
きくすることができ、また、圧電セラミックに並列に配
設された抵抗器により帯域幅が拡大する。

さらに、圧電セラミックとコネクタブロックに内蔵し
圧電セラミックに並設した抵抗器のいずれにも並列に接
続された抵抗器の両端の電圧をチェックすることによ
り、圧電セラミックを含む回路の断線あるいはショート
を検知することができる。

実施例以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。本
発明のノックセンサは、第１図及び第２図に示すよう
に、基台ブロック20とコネクタユニット28aとから概略
構成されている。

まず、基台ブロック20の構造を説明する。基台ブロッ
ク20は、基台部20aとネジ部21とから形成され、その外
周をボルトの頭部と同じように六面に形成されており、
その下方にネジ部21が一体成形されている。基台ブロッ
ク20の上側には、上方へ開口して形成された中空部35を
有しており、この中空部35内の中央部に先端部を切り落
とした円錐台形状あるいは円筒状の突起22が一体成形さ
れている。なお、この中空部35は軽量化を図るために設
けられたものである。

基台ブロック20の中央部である突起22内には、上方へ
開口する袋孔23が形成され、この袋孔23に、絶縁材から
なる熱収縮性スリーブ24が挿入されている。この熱収縮
性スリーブ24は、後述するターミナル29のリード部29a
が袋孔23に挿入された後加熱されて収縮し、後述するリ
ード線36をリード部29aに固定するためのものである。

突起22には、振動板25がその中央部を溶接あるいは接
着等の手段で固定されている。この振動板25には、第３
図（ａ）及び第３図（ｂ）に示すように、その中央部に
しぼり加工を施して下方へ隆起させた補強用環状段部と
しての突部25aが形成され、その周縁部にカーリング25c
が施されてその重さにより振動板25の振幅を大きくする
ための付加マスが形成されている。符号25bは振幅板25
の中央部に形成され前記袋孔23に連続する開口である。
そして、この振動板25の突部25aの上面の凹部に接着剤
が充填されて圧電セラミック26が接着され、突部25aの
下面が、第１図の基台ブロック20の突起22に取り付けら
れる。図中の符号27は基台ブロック20の上面に成形され
た環状溝27aに収納され、コネクタブロック28aの下端部
の全周に当接してお互いを密封するＯリングである。

次に、コネクタブロック28aの構造を説明する。符号2
8は絶縁材で構成されたオスコネクタであり、このオス
コネクタ28内にターミナル29が固定されている。オスコ
ネクタ28の下部の外周には、金属製のリング30が固定さ
れている。オスコネクタ28の下部のターミナル29の突出
部にはシール剤33が充填されている。ターミナル29の下
端部には、前記振動板25の開口25b及び圧電セラミック2
6を貫通して袋孔23に挿入されるリード部29aが形成され
ている。このリード29aと前記圧電セラミック26の上側
面は、リード線36で互いに接続されている。このリード
線36は、可撓性を有しており、リード部29a及び圧電セ
ラミック26の上面にそれぞれ半田付けされている。

そして、リード部29aを袋孔23に挿入した後、スリー
ブ24の加熱して収縮させ、このスリーブ24にリード部29
aを把持させて、リード線36をリード部29aに確実に取り
付けるように構成されている。

図中の符号37は、オスコネクタ28の上部外周に環状に
形成された溝37aに嵌挿されたＯリングを示し、符号38
は、オスコネクタ28に嵌合して接続されるメスコネクタ
を示している。

以上のように構成された基台ブロック20及びコネクタ
ブロック28aは、次のようにして組み立てられる。

まず、基台ブロック20及びコネクタブロック28aは、
それぞれ別工程で組立られる。そして、第４図（ａ）
（ｂ）のように圧電セラミック26の上面二箇所に接続さ
れたリード線36が、治具45に保持されたオスコネクタ28
のリード部29aの切欠き部29bに吊り下げられて２等分さ
れ、この位置でリード部29aに半田付けされる。基台ブ
ロック20の袋孔23にはスリーブ24が挿入され、環状溝27
aにはＯリング27が挿入される。

次いで、第４図（ｃ）のようにコネクタユニット28を
基台ブロック20に当接させてリード部29aを袋孔23に挿
入する。そして、オスコネクタ28と基台ブロック20とを
互いに嵌合させて、第４図（ｄ）のようにリング30と基
台ブロック20の上面とが上部電極41及び下部電極42で挟
持されて全周リングプロジェクション溶接される。そし
て、この溶接部分、Ｏリング27及びシール剤33で圧電素
子装着中空部35を密封構造としている。このとき、ター
ミナル29のリード部29aは、基台ブロック20の袋孔23の
内部に挿入されたスリーブ24に挿入された状態になり、
このスリーブ24が加熱されると収縮し、リード線36がリ
ード部29aに確実に固定される。

このようにして一体に結合したノックセンサは、その
基台ブロック20のネジ部21がエンジンブロックに螺合す
ることで、固定される。この取付け状態において、圧電
セラミック26の一方の電極は、リード線36からリード部
29a、ターミナル29、メスコネクタ38を介して図示しな
いノックコントローラに接続される。圧電セラミック26
の他方の電極は、振動板25、基台ブロック20、エンジン
ブロックを介してアースに接続される。

以上のように構成されたノックセンサでは、エンジン
ブロックからの振動が、基台ブロック20のみを介して振
動板25に伝達される。そして、振動板25では、カーリン
グ25cがその重さのために振動板25の他の部分に対して
相対的に振動に対する反応が鈍くなり、結果的に振動板
25の振幅を大きくする。この振動板25が圧電セラミック
26を振動させ、圧電セラミック26は、その振動に応じた
電気信号を発生し、ノックコントローラへ出力する。

これにより、エンジンブロックからの振動伝達経路が
短くなり、ノッキッグ時の特徴的振動周波数を直接的に
ピックアップすることができるとともに温度等の環境条
件の変化に対する振動周波数特性検出能力の安定化を図
ることができる。

また、振動板25の中央部に、突部25aを設けたので、
軸方向の剛性が増大し、振動板25の板厚が薄い場合でも
周波数特性の異常なピークを抑えることができる。

さらに、振動板25の外周部に付加マスとしてのカーリ
ング25cを形成したので、その重さのために振動板25の
振幅が大きくなり、したがって圧電セラミック26に発生
する出力電圧を大きくすることができ、ノックを正確に
検出するためのS/N比を向上させることができる。

また、ターミナル29のリード部29aと圧電セラミック2
6とを可撓性を有するリード線36で接続したので、温
度、振動等の外部環境の変化に対する信頼性が向上す
る。

リード線36を熱収縮性スリーブ24でリード部29aに固
定したので、振動時の線振れが防止できる。

次に、本発明の第２実施例を説明する。

第５図に示す本発明の第２実施例としてのノックセン
サの全体構成は、前述した第１実施例とほぼ同様であ
る。

そして、本実施例では、圧電セラミック26に抵抗器31
が並設されている。具体的には、この抵抗器31は、オス
コネクタ28に設けられた孔32に挿入されており、この抵
抗器31の一方のリード線31aがターミナル29にスポット
溶接で接続され、他方のリード線31bがリング30にスポ
ット溶接で接続されている。この状態で、一方のリード
線31bは、リング30、基台ブロック20、エンジンブロッ
クを介してアースに接続されており、他方のリード線31
aはターミナル29、メスコネクタ38を介してノックコン
トローラに接続されている。

第６図は前記構成の抵抗器31の電気回路を示す回路図
である。抵抗器31は、圧電セラミック26に並列に接続さ
れており、コンデンサ46が圧電セラミック26に直列に接
続されている。そして、この抵抗器31の値Ｒは、第10図
のグラフにおける3bBダウンの帯域幅αを大きくするた
めに、Ｒ≒1/ω₀C₀（ω_０＝２πf₀、f₀:共振周波数、
C₀:圧電セラミックの容量）としている。

これにより、前記第１実施例の作用・効果に加えて、
出力電圧−振動周波数特性における3bBダウンの帯域幅
αが大きくなり、エンジンの高速回転でのノックセンサ
の応答性が向上するとともに各エンジン間で異なるノッ
キング時の周波数特性のばらつきを吸収することができ
る。

なお、前記抵抗器31は、オスコネクタ28に内蔵して
も、ノックコントローラ側に設けてもよい。

次に、本発明の第３実施例を説明する。

全体構成は、前述した第２実施例とほぼ同様である。

そして、本実施例では、圧電セラミック26及び抵抗器
31に並列に抵抗器39及び直流電源40が接続されている。
具体的には、第７図に示すように、圧電セラミック26に
前記第２実施例の抵抗器31が並列に接続され、この圧電
セラミック26及び抵抗器31から延びる信号線とアースと
の間に直列に抵抗器39と直流電源40とが接続されてい
る。そして、信号線には、前記の圧電セラミック26、抵
抗器31及び抵抗器39に直列にコンデンサ47が接続されて
いる。二つの抵抗器31,39の値Ｒは、前記第２実施例の
場合と同様にエンジンの高速回転でのノックセンサの応
答性が向上するために、それぞれＲ≒2/ω₀C₀（ω_０＝
２πf₀、f₀:共振周波数、C₀:圧電セラミックの容量）と
している。なお、この抵抗値Ｒは、二つの抵抗器31,39
が並列になっているためである。

そして、抵抗器39の両端a,bの電圧を監視することに
より、圧電セラミック26の異常を知ることが出来る。具
体的な数値を示すと、二つの抵抗器31,39の抵抗値を6.8
KΩ、直流電源40の電圧を5Vとすると、通常、抵抗器39
の両端a,bには２〜3V程度の電圧が生じるが、断線、シ
ョート等の異常が生じると、抵抗器39の両端a,bの電圧
が変化し、したがって、圧電セラミック26の異常を知る
ことができる。

これにより、前記第１及び第２実施例の作用・効果に
加えて、ノックセンサの異常のうち、圧電セラミック26
に関する異常を容易に発見することができる。

なお、前述した３つの実施例では、振動板25の周縁部
に形成する付加マスとしてのカーリング25cを上方へ向
けて内側へ巻き込むように形成したが、第３図（ｃ）に
示すように、カーリング25dを外側へ向けるように巻い
て形成しても前記同様の作用・効果を奏することができ
る。

また、付加マスは振動板25の周縁部を重くするために
取り付けるものであり、第３図（ｄ）のように、単に周
縁部を振動方向へ折り曲げるだけでもよく、さらに、第
３図（ｅ）のように、リング状錘り25fを周縁部に溶接
又は接着剤等の手段で取り付けてもよい。そしてこれら
の場合も前記同様の作用・効果を奏することができる。

さらに、前述した３つの実施例では、振動板25の中央
部にしぼり加工を施して下方へ隆起させた突部25aを成
形したが、第８図（ａ）（ｂ）のように、振動板25の中
央部付近にビード加工を施して環状の突条（ビード）49
を形成してもよく、さらに、振動板25の剛性が充分な場
合は、第９図（ａ）（ｂ）のように、何も成形せず平板
のままでもよい。そして、これら第８図及び第９図の場
合、前述の場合と同様に、カーリング48c,51aに代え
て、第８図（ｃ）（ｄ）（ｅ）あるいは第９図（ｃ）
（ｄ）（ｅ）のように、逆巻きカーリング48d,51b、折
り曲げ48e,51cあるいはリング錘り48f,51dでもよい。

そしてこれらの場合も前記同様の作用・効果を奏する
ことができる。

発明の効果以上説明したように、本発明によれば、振動板の中央
部付近に補強のための加工を施すとともにその周縁部に
付加マスを備えたので、次のような効果を有する。

（１）エンジンブロックからの振動伝達経路が短くな
り、ノッキング時の特徴的振動周波数を直接的にピック
アップすることができるとともに温度等の環境条件の変
化に対する振動周波数特性検出能力の安定化を図ること
ができる。

（２）振動板の中央部に、補強用の環状段部を設けた
ので、軸方向の剛性が増大し、振動板の板厚が薄い場合
でも周波数特性の異常なピークを抑えることができる。

（３）振動板の周縁部に振動を補助する環状の付加マ
スを形成したので、その重さのために振動板の振幅が大
きくなり、圧電セラミックに発生する出力電圧を大きく
することができ、ノックを正確に検出するためのS/N比
を向上させることができる。

（４）ターミナルのリード部と圧電セラミックとを可
撓性を有するリード線で接続したので、温度、振動等の
外部環境の変化に対する信頼性が向上する。

（５）リード線を熱収縮性スリーブでリード部に固定
したので、振動時の線振れが防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のノックセンサを示す側断面図、第２図
は第１図のノックセンサを示す側面図、第３図（ａ）は
本発明のノックセンサの振動板を示す側断面図、第３図
（ｂ）は第３図（ａ）の振動板の平面図、第３図（ｃ）
から第３図（ｅ）はそれぞれ第３図（ａ）の振動板の変
形例を示す側断面図、第４図（ａ）〜（ｄ）は第１図の
ノックセンサの組立状態を示す側面図、第５図は本発明
の第２実施例としてのノックセンサを示す側断面図、第
６図は第５図のノックセンサの回路図、第７図は本発明
の第３実施例としてのノックセンサの回路図、第８図
（ａ）は本発明に係る振動板の第２実施例を示す側断面
図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）の振動板の平面図、第
８図（ｃ）〜（ｅ）はそれぞれ第８図（ａ）の振動板の
変形例を示す側断面図、第９図（ａ）は本発明に係る振
動板の第３実施例を示す側断面図、第９図（ｂ）は第９
図（ａ）の振動板の平面図、第９図（ｃ）〜（ｅ）はそ
れぞれ第９図（ａ）の振動板の変形例を示す側断面図、
第10図はノックセンサの出力電圧と振動周波数との関係
を示すグラフ、第11図は従来のノックセンサを示す側断
面図である。 20……基台ブロック、20a……基台、25……振動板、26
……圧電セラミック、28……オスコネクタ、28a……コ
ネクタブロック、29……ターミナル、30……リング。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部に突起を有する基台と、中央部に補
強用の環状段部が形成され周縁部に振動を補助する環状
の付加マスが形成されて一方の面の中央部が前記突起に
固定される振動板と、この振動板の他方の面に設けられ
る圧電セラミックと、この圧電セラミックの一方の面の
電極にその一端部が接続されるリード線とで基台ブロッ
クを構成し、内部にターミナルを有するオスコネクタ
と、このオスコネクタの外周の一端に取り付けられるリ
ングとでコネクタブロックを構成し、前記リード線の他
端部を前記ターミナルに接続し前記基台と前記リングと
を互いに固定して前記の基台ブロック及びコネクタブロ
ックを一体化したことを特徴とするノックセンサ。
【請求項２】前記圧電セラミックは、第１の抵抗器が並
列に接続されていることを特徴とする請求項（１）に記
載のノックセンサ。
【請求項３】前記圧電セラミックは、直列に接続された
抵抗器及び直流電源が並列に接続されることを特徴とす
る請求項（１）又は（２）に記載のノックセンサ。
【請求項４】前記第１の抵抗器が、ほぼ1/ω₀C₀（ω_０
＝２πf₀、f₀:共振周波数、C₀:圧電セラミックの容量）
なる抵抗値を有する請求項（２）又は（３）に記載のノ
ックセンサ。
【請求項５】前記第１及び第２の抵抗器が、それぞれほ
ぼ2/ω₀C₀（ω_０＝２πf₀、f₀:共振周波数、C₀:圧電セ
ラミックの容量）なる合成抵抗値を有する請求項（３）
又は（４）に記載のノックセンサ。
【請求項６】前記リード線が、可撓性を有するとともに
前記の基台ブロック及びコネクタブロックを一体化した
後加熱されることで熱収縮するスリーブで前記ターミナ
ルに固定された請求項（１）〜（５）のいずれかに記載
のノックセンサ。
【請求項７】前記環状段部が、しぼり加工により隆起し
て形成される突起で構成された請求項（１）〜（６）の
いずれかに記載のノックセンサ。
【請求項８】前記環状段部が、ビード加工により形成さ
れる環状の突条で構成された請求項（１）〜（６）のい
ずれかに記載のノックセンサ。
【請求項９】前記付加マスが、振動板の周縁部をカーリ
ングさせて形成された請求項（１）〜（８）のいずれか
に記載のノックセンサ。
【請求項１０】前記付加マスが、振動板の周縁部を振動
方向に折り曲げて形成された請求項（１）〜（８）のい
ずれかに記載のノックセンサ。
【請求項１１】前記付加マスが、振動板の周縁部に取り
付けたリング状錘りで構成された請求項（１）〜（８）
のいずれかに記載のノックセンサ。