JP3601252B2

JP3601252B2 - ノックセンサ

Info

Publication number: JP3601252B2
Application number: JP12854497A
Authority: JP
Inventors: 英明大内; 康成加藤; 邦明上田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: US5895840A; JPH10142043A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのノッキング振動を圧電素子に伝達して電圧信号に変換するいわゆるノックセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のノックセンサは、センサハウジングをエンジンのシリンダブロックに取り付け、シリンダ内で発生したノッキング振動をセンサハウジング内の振動板に伝達し、この振動板上に接合された圧電素子を振動させて、該圧電素子にノッキング振動に応じた電圧を発生させ、この電圧をノック信号として出力するようになっている。このノックセンサでは、ノック信号を取り出す出力端子（コネクタ端子）と圧電素子との電気的接続を簡略化するために、例えば実開昭６２−１２８３３１号公報に示すように、出力端子側に固定された板バネ製の弾性導通部材の先端部を圧電素子の電極面に弾性接触させることで、圧電素子と出力端子とを弾性導通部材を介して電気的に接続するようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構成において、弾性導通部材と圧電素子との電気的接触の信頼性を高めるために、弾性導通部材の弾性定数を大きく設定して、圧電素子への弾性導通部材の接触圧を大きくすることが考えられる。しかし、このようにすると、組付時に弾性導通部材を圧電素子に押し付けて撓ませる際に、該圧電素子に過大な押圧荷重が加わって圧電素子に割れ等の損傷が生じるおそれがあり、また、組付時に損傷しなくても、使用中に圧電素子が異常摩耗するおそれがある。
【０００４】
従って、圧電素子を保護する観点からは、弾性導通部材の弾性定数は低い方が好ましい。しかし、弾性定数が低くなるほど、弾性導通部材の接触圧が低下し、且つノッキング振動により弾性導通部材が共振しやすくなる。つまり、弾性導通部材の弾性定数と共振点は比例関係にあり、弾性定数が低くなると、共振点も低くなり、振動板（圧電素子）の共振点に近い１０ｋＨｚ以下になる場合がある（図１０参照）。この場合には、ノッキング振動発生時に振動板の共振により弾性導通部材も共振してしまい、それによって弾性導通部材の接点が圧電素子から瞬間的に浮いて電気的接続が瞬間的に断たれる“瞬断”が発生し、正確なノック信号を取り出すことができないばかりか、共振により弾性導通部材の固定端側が疲労して折損するおそれがあり、耐久性が低いという欠点がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、圧電素子に弾性導通部材を弾性接触させる構造のものにおいて、圧電素子の損傷防止と電気的接触の信頼性向上、耐久性向上とを共に実現できるノックセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１のノックセンサによれば、圧電素子と出力端子とを導通させる弾性導通部材は、振動時にハウジング内の所定の部分に当接して摺動する摺動部を有し、両者の摺動摩擦力によって振動時の弾性定数を静止状態の弾性定数よりも大きくする。これにより、図１０に示すように弾性導通部材の共振点が振動板（圧電素子）の共振点よりも高くなり、実使用範囲内での弾性導通部材の共振を防止できて、弾性導通部材の共振による接点の浮き（瞬断）や疲労折損を防止でき、電気的接触の信頼性や耐久性を向上できる。
【０００７】
この場合、請求項２のように、弾性導通部材を圧電素子側に凸となる屈曲形状に形成し、その基端部を固定し、先端部を前記摺動部として出力端子側の固定面に摺動可能に当接させ、これら両端部間の凸部を該弾性導通部材の弾性力により圧電素子の電極面に弾性接触させた構成としても良い。
【０００８】
この構成では、弾性導通部材が振動変位する際に、その変位量に応じて弾性導通部材の先端の摺動部が固定面に摺動しながら変位する。この際、弾性導通部材の先端の摺動部と固定面との間に摺動方向とは反対方向に摩擦力が働き、この摩擦力により振動時の弾性導通部材の弾性定数が静止状態の弾性定数よりも大きくなる。このため、振動時の弾性導通部材のバネ特性に図７に示すような摩擦力によるヒステリシスが発生する。このヒステリシス特性により、弾性導通部材自体の弾性定数を低く設定しながら、ノッキング振動時のように弾性導通部材の変位ストロークが小さい場合には、摩擦力によって弾性定数が瞬間的、動的に高くなる。つまり、同じ振動ストロークでも、弾性導通部材自身の弾性力に摩擦のヒステリシス分が加わり、結果として、弾性定数が高くなる。これにより、弾性導通部材の共振点を振動板（圧電素子）の共振点より高くすることができ、実使用範囲内での弾性導通部材の共振を防止できる。
【０００９】
また、組付時に弾性導通部材を圧電素子に押し付けて撓ませる際には、その押し付け量に応じて弾性導通部材の先端部が摺動することで、圧電素子への押し付け力を弱めることができる。一般に、摩擦力は、静止状態で作用する摩擦力（静止摩擦力）が最も大きく、滑り始めると摩擦力（動摩擦力）が小さくなる性質があるため、ノッキング振動時のように弾性導通部材の先端部が静止状態から小さいストロークで摺動する場合には、大きな摩擦力が作用するが、組付時のように弾性導通部材の先端部が大きく摺動する場合には、弾性導通部材の先端部が摺動し始めた後は摩擦力が小さくなり、前述したように弾性導通部材自体の弾性定数を低く設定できる効果と相俟って、圧電素子に過大な押圧荷重が加わることを回避できて、圧電素子の損傷を防止できる。
【００１０】
また、請求項３のように、弾性導通部材を、その基端部を固定する固定部を介して出力端子と一体に形成することが好ましい。このようにすれば、組付部品数を少なくでき、組付性を向上できる。
【００１１】
更に、請求項４のように、弾性導通部材を複数本形成し、それぞれに形成された凸部を圧電素子のうちの環状の突起部に対応する部位に弾性接触させた構成としても良い。このように、弾性導通部材を複数本形成すれば、万一、いずれか１本が接触不良になったとしても、他の弾性導通部材を通して圧電素子の電圧（ノック信号）を取り出すことができ、信頼性を更に向上させることができる。
【００１２】
この場合、請求項５のように、複数本の弾性導通部材の長さを互いに異ならせても良い。このようにすれば、複数本の弾性導通部材の共振点を互いに異ならせることができて、複数本の弾性導通部材が同時に共振して浮き上がることを防止できると共に、ノッキング振動時の弾性定数の設定を異ならせることができ、様々な使用環境や組付誤差にも柔軟に対処できて、信頼性を更に向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１乃至図１０に基づいて説明する。まず、図１及び図２に基づいてノックセンサ全体の構成を説明する。金属製のセンサハウジング１１（特許請求の範囲でいうハウジングに相当）の下面中央部にはネジ部１２が下向きに形成され、このネジ部１２をノック検出対象部位であるエンジンシリンダブロック（図示せず）に締め付けることで、該センサハウジング１１をエンジンシリンダブロックに取り付けるようになっている。このセンサハウジング１１内の中央部には、円環状の突起部１３が上向きに形成され、この突起部１３の上縁部に円形の振動板１４の下面中央部がリングプロジェクション溶接等により固着されている。この振動板１４上の中央部には、円形板状の圧電素子１５が接着剤により接合されている。この圧電素子１５の下面の電極は、振動板１４→突起部１３→センサハウジング１１を介してエンジンシリンダブロックにアースされている。
【００１４】
一方、センサハウジング１１の上部には、コネクタサブアッセンブリ１６が組み付けられている。このコネクタサブアッセンブリ１６は、樹脂製のコネクタハウジング１７（特許請求の範囲でいうハウジングに相当）に信号取出し部材１８と金属製のカバーリング１９とをインサート成形して一体化したものである。そして、センサハウジング１１の上端部に形成されたかしめ部２０（図２参照）にカバーリング１９を嵌合して、該かしめ部２０をかしめ固定することによって、コネクタサブアッセンブリ１６をセンサハウジング１１に組み付けている。
【００１５】
この場合、信号取出し部材１８は、バネ性を有する電気抵抗の小さい金属板を所定形状に打ち抜いて折曲加工することで、外部コネクタ（図示せず）に接続される出力端子２１と、圧電素子１５上面の電極面に弾性接触する弾性導通部材２２とを長方形板状の固定部２３を介して一体に形成したものである。ここで、固定部２３は、コネクタハウジング１７の下面に露出して圧電素子１５と平行に対向し、図３及び図５に示すように、この固定部２３の右端部から延びる帯状片を上側にＬ字形に折曲して出力端子２１を形成し、該固定部２３の左端部から延びる２本の帯状片を下側に「く」字状に折曲して２本の弾性導通部材２２を平行に形成している。これにより、各弾性導通部材２２は、圧電素子１５側（下側）に凸となる屈曲形状に形成され、その基端部（左端部）が固定部２３の左端部に固定され、各弾性導通部材２２の先端部に湾曲状に形成された摺動部２４が固定部２３に摺動可能に当接している。
【００１６】
更に、各弾性導通部材２２の下方に突出する凸部（最下部）を接点部２５とし、図４に示すように、各接点部２５を各弾性導通部材２２の弾性力により圧電素子１５上面の電極面のうちの突起部１３の略真上に位置する部位（溶接部の真上）に弾性接触させている。これにより、圧電素子１５上面の電極面が弾性導通部材２２→固定部２３の経路で出力端子２１に導通し、ノッキング振動により圧電素子１５に発生した電圧がノック信号として出力端子２１から取り出せるようになっている。
【００１７】
本発明者らは、以上のように構成したノックセンサを振動試験装置（図示せず）にネジ固定して圧電素子１５の各部の振動モードを測定したので、その測定結果を図６に示す。この図６において、▲１▼の波形は圧電素子１５の外周端の振動モードであり、▲２▼の波形は突起部１３の溶接部の略真上（つまり弾性導通部材２２の接点部２５の接触点）の振動モードであり、▲３▼の波形は圧電素子１５の中心の振動モードである。この測定結果から明らかなように、圧電素子１５の振動は、突起部１３の溶接部▲２▼が支点（振動の節）となり、圧電素子１５の外周端▲１▼の振動モードと圧電素子１５の中心▲３▼の振動モードとが逆異相になって振動する。従って、図４に示すように、振動の節となる突起部１３の溶接部の略真上に弾性導通部材２２の接点部２５を弾性接触させることで、振動により圧電素子１５に発生する電圧（ノック信号）を弾性導通部材２２によって振動を妨げることなく取り出すことができる。
【００１８】
次に、上記実施形態の「く」字状の弾性導通部材２２の作用効果を図８及び図９に示す２つの比較例と対比して説明する。図８は、摺動部２４に相当する部分が無い片持ち弾性導通部材を用いた比較例１であり、前記従来例（実開昭６２−１２８３３１号公報）と実質的に同じ構造のものである。この片持ち構造では、圧電素子との電気的接触の信頼性を高めるために、弾性導通部材の弾性定数を大きくして、圧電素子への接触圧を大きくすると、圧電素子に過大な押圧荷重が加わって圧電素子が割れたり、異常摩耗するおそれがあるため、弾性定数を低くせざるを得ない。
【００１９】
しかし、弾性定数が低くなるほど、弾性導通部材の接触圧が低下し、且つノッキング振動により弾性導通部材が共振しやすくなる。つまり、弾性導通部材の弾性定数と共振点は比例関係にあり、弾性定数が低くなると、共振点も低くなり、振動板（圧電素子）の共振点に近い１０ｋＨｚ以下になる場合がある（図１０参照）。この場合には、ノッキング振動発生時に振動板の共振により弾性導通部材も共振してしまい、それによって弾性導通部材の接点が圧電素子から瞬間的に浮いて電気的接続が瞬間的に断たれる“瞬断”が発生したり、共振により弾性導通部材の固定端側が疲労して折損するおそれがある。
【００２０】
また、図９に示す比較例２では、「く」字状の弾性導通部材の先端部（摺動部２４に相当する部分）を溶接等により固定し、該弾性導通部材の両端を固定した両持ち構造としている。この両持ち構造では、図８の片持ち構造と比較して弾性定数が高くなる。このため、組付時に弾性導通部材を圧電素子に押し付けて撓ませる際に、該圧電素子に限界を越える過大な押圧荷重が加わって圧電素子に割れ等の損傷が生じるおそれがあり、また、組付時に損傷しなくても、使用中に圧電素子が異常摩耗するおそれがある。尚、図８の片持ち構造においても、弾性定数を高くした場合は、図９のバネ特性とほぼ同じになる。
【００２１】
これに対し、本実施形態では、弾性導通部材２２の先端の摺動部２４が固定部２３に摺動可能に当接した構成となっている。この構成では、組付時に弾性導通部材２２を圧電素子１５に押し付けて撓ませる際に、その押し付け量に応じて弾性導通部材２２先端の摺動部２４が摺動することで、圧電素子１５への押し付け力を弱めることができる。
【００２２】
一般に、摩擦力は、静止状態で作用する摩擦力（静止摩擦力）が最も大きく、滑り始めると摩擦力（動摩擦力）が小さくなる性質があるため、ノッキング振動時のように弾性導通部材２２の摺動部２４が静止状態から小さいストロークで摺動する場合には、大きな摩擦力が作用するが、組付時のように弾性導通部材２２の摺動部２４が大きく摺動する場合には、弾性導通部材２２の摺動部２４が摺動し始めた後は摩擦力が小さくなり、後述するように弾性導通部材２２自体の弾性定数を低く設定できる効果と相俟って、圧電素子１５に過大な押圧荷重が加わることを回避できて、圧電素子１５の損傷を防止できる。
【００２３】
更に、圧電素子１５の振動により弾性導通部材２２が振動変位する際に、その変位量に応じて弾性導通部材２２の先端の摺動部２４が固定部２３に摺動しながら変位する。この際、弾性導通部材２２の摺動部２４と固定部２３との間に摺動方向とは反対方向に摩擦力が働く。また、弾性導通部材２２の先端の摺動部２４が固定部２３に摺動しながら変位する際には、接点部２５が圧電素子１５上面の電極面に摺動しながら変位し、両者間に摺動方向とは反対方向に摩擦力が働く。但し、振動時の接点部２５の摺動変位量は摺動部２４の摺動変位量の半分程度であり、非常に微小な摺動であるため、接点部２５に働く摺動摩擦力は摺動部２４に働く摺動摩擦力よりも大幅に小さくなる。従って、振動時の挙動を考察する場合には、接点部２５に働く摺動摩擦力を無視して、摺動部２４に働く摺動摩擦力のみを考慮するようにしても差し支えない。この場合、接点部２５に働く摺動摩擦力の方向は、摺動部２４に働く摺動摩擦力の方向と一致するため、接点部２５に働く摺動摩擦力は、摺動部２４に働く摺動摩擦力に含めて考慮するようにしても良い。
【００２４】
このようにして、振動時に弾性導通部材２２の先端の摺動部２４が固定部２３に摺動しながら変位する際に、摺動部２４に対して摺動方向とは反対方向に摩擦力が働くと、その摩擦力により摺動部２４に拘束力が働き、弾性導通部材２２の支持構造が両持ち構造に近い状態となる（弾性導通部材２２の一端が固定端で、他端が摺動摩擦力と固定部２３で支持された状態となる）。これにより、振動時の弾性導通部材２２の弾性定数が静止状態の弾性定数よりも大きくなる。このため、振動時の弾性導通部材２２のバネ特性に図７に示すような摩擦力によるヒステリシスが発生し、振動時には、図７に示す「セット時」の位置を中心にして弾性導通部材２２が弾性定数の大きなバネのように振動する。尚、図７の特性図では、直線の傾きが大きくなるほど、弾性定数が大きいことを意味する。
【００２５】
この構成では、上述したヒステリシス特性により、弾性導通部材２２自体の弾性定数を低く設定しながら、ノッキング振動時のように弾性導通部材２２の変位ストロークが小さい場合には、摩擦力によって弾性定数が瞬間的、動的に高くなる。つまり、同じ振動ストロークでも、弾性導通部材２２自身の弾性力に摩擦のヒステリシス分が加わり、結果として、弾性定数が高くなる。このため、図１０に示すように、弾性導通部材２２の共振点が振動板１４（圧電素子１５）の共振点よりも高くなり、実使用範囲内での弾性導通部材２２の共振を防止できて、弾性導通部材２２の共振による接点部２５の浮き（瞬断）や疲労折損を防止でき、電気的接触の信頼性や耐久性を向上できる。
【００２６】
尚、図８に示す片持ち構造のターミナルの場合にも、ターミナル先端と圧電素子との間に摩擦が発生するが、共振するような条件下では、ターミナル先端は浮いてしまうため、摩擦による共振点向上は期待できない。
【００２７】
また、上記実施形態では、弾性導通部材２２を２本形成しているので、万一、いずれか１本が接触不良になったとしても、他の弾性導通部材２２を通して圧電素子１５の電圧（ノック信号）を取り出すことができ、信頼性を更に向上させることができる。尚、弾性導通部材２２を３本以上形成するようにしても良い。
【００２８】
以上説明した実施形態では、２本の弾性導通部材２２を同じ長さに形成したが、図１１に示す他の実施形態のように、２本の弾性導通部材２２ａ，２２ｂを互いに異なる長さに形成し、各弾性導通部材２２ａ，２２ｂ先端の摺動部２４ａ，２４ｂの位置をずらすようにしても良い。このようにすれば、２本の弾性導通部材２２ａ，２２ｂの共振点を互いに異ならせることができて、２本の弾性導通部材２２ａ，２２ｂが同時に共振して浮き上がることを防止できると共に、ノッキング振動時の弾性定数の設定を異ならせることができ、様々な使用環境や組付誤差にも柔軟に対処でき、信頼性を更に向上させることができる。尚、長さの異なる３本以上の弾性導通部材を設けるようにしても良い。
【００２９】
また、上記各実施形態では、弾性導通部材２２（２２ａ，２２ｂ）と出力端子２１とを一体化する固定部２３を四角形の板状に形成し、該固定部２３に孔を形成しない構造となっている。このような構造の信号取出し部材１８をコネクタハウジング１７にインサート成形する際に、コネクタハウジング１７の下面を固定部２３で封止して、成形樹脂の弾性導通部材２２（２２ａ，２２ｂ）側への流れ込みを防止することができ（つまり固定部２３を成形型のキャビティ内面の一部として利用することができ）、成形性を向上することができる。
【００３０】
但し、本発明は、固定部に他の部品を取り付けるネジ孔等の孔を形成する構成としても良く、この場合でも、固定部の孔を成形型で封止して成形すれば、該孔からの成形樹脂の漏れを防止することができる。
【００３１】
尚、上記各実施形態では、出力端子２１と弾性導通部材２２（２２ａ，２２ｂ）とを固定部２３を介して一体に形成したので、組付部品数を少なくできて、組付性を向上できる利点がある。しかし、本発明は、信号取出し部材１８を２部品又は３部品に分割して溶接やネジ止め等により一体化するようにしても良く、この場合でも、本発明の所期の目的を十分に達成することができる。
【００３２】
また、上記各実施形態では、弾性導通部材２２の摺動部２４を該弾性導通部材２２に一体に形成された固定部２３に摺動させるようにしたが、弾性導通部材２２とは別体に形成された固定部材に摺動させるようにしても良い。この固定部材は、導電体、絶縁体のいずれでも良く、必要な摩擦力が得られる摩擦係数の適宜の部材で形成すれば良い。また、弾性導通部材２２の摺動部２４は、コネクタハウジング１７に当接させて摺動させても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すノックセンサの縦断正面図
【図２】センサハウジングにコネクタサブアッセンブリをかしめ付ける直前の状態を示す縦断正面図
【図３】弾性導通部材周辺の構造を示す拡大縦断正面図
【図４】図３の矢印Ｂ方向から見た拡大縦断側面図
【図５】信号取出し部材の斜視図
【図６】圧電素子の各部の振動モードの測定結果を示すタイムチャート
【図７】実施形態の弾性導通部材のバネ特性を説明する図
【図８】比較例１（片持ち構造）のバネ特性を説明する図
【図９】比較例２（両持ち構造）のバネ特性を説明する図
【図１０】弾性導通部材の弾性定数と共振点との関係を説明する図
【図１１】本発明の他の実施形態を示す信号取出し部材の正面図
【符号の説明】
１１…センサハウジング（ハウジング）、１２…ネジ部、１３…突起部、１４…振動板、１５…圧電素子、１６…コネクタサブアッセンブリ、１７…コネクタハウジング（ハウジング）、１８…信号取出し部材、１９…カバーリング、２０…かしめ部、２１…出力端子、２２，２２ａ，２２ｂ…弾性導通部材、２３…固定部、２４，２４ａ，２４ｂ…摺動部、２５…接点部（凸部）。

Claims

ノック検出対象部位に取り付けられるハウジングと、
前記ハウジング内に設けられた突起部に固定された振動板と、
前記振動板上に接合された圧電素子と、
前記ハウジングから前記振動板を介して前記圧電素子に伝達された振動により該圧電素子に発生する電圧を前記ハウジングの外部に取り出す出力端子と、
前記圧電素子の電極面に弾性接触して該電極面と前記出力端子とを導通させる弾性導通部材とを備え、
前記弾性導通部材は、振動時に前記ハウジング内の所定の部分に当接して摺動する摺動部を有し、両者の摺動摩擦力によって振動時の弾性定数を静止状態の弾性定数よりも大きくすることを特徴とするノックセンサ。
前記弾性導通部材は、前記圧電素子側に凸となる屈曲形状に形成され、その基端部が固定され、先端部が前記摺動部として前記出力端子側の固定面に摺動可能に当接し、これら両端部間の凸部が該弾性導通部材の弾性力により前記圧電素子の電極面に弾性接触し、振動時に前記摺動部と前記固定面との摺動摩擦力によって振動時の弾性定数を静止状態の弾性定数よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載のノックセンサ。
前記弾性導通部材は、その基端部を固定する固定部を介して前記出力端子と一体に形成され、該弾性導通部材の先端部が前記固定部に摺動可能に当接してい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。
前記振動板を固定する前記突起部は環状に形成され、
前記弾性導通部材は、複数本形成され、それぞれに形成された凸部が前記圧電素子の電極面のうちの前記突起部に対応する部位に弾性接触していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のノックセンサ。
前記複数本の弾性導通部材は、互いに異なる長さに形成されていることを特徴とする請求項４に記載のノックセンサ。