JP3660653B2

JP3660653B2 - Non-resonant knock sensor

Info

Publication number: JP3660653B2
Application number: JP2002243746A
Authority: JP
Inventors: 智大平田; 定光原田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP2004085255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関に取り付けられ、内燃機関に発生するノッキングを検出する様々な形態のノッキングセンサが開発されている。そして、その中の１つに、押圧した状態で内部に保持された圧電素子により、内燃機関に生じる振動を検出し、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。
【０００３】
一般的に、非共振型ノッキングセンサは、ボルトを挿通するための挿通孔を有す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からなる主体金具を備えている。そして、この主体金具には、本体部を挿通するための挿通孔を有した圧電素子と、同じく本体部を挿通するための挿通孔を有した錘とが、各挿通孔に本体部を挿通することにより、主体金具の鍔部に順に載置されている。更に、主体金具の鍔部と圧電素子との間、および圧電素子と錘との間には、圧電素子に発生する検出信号を外部に出力するための検出電極が配置されている。尚、主体金具と錘とは、通常、鉄や真鍮から構成されている。
【０００４】
また、本体部において、載置された錘よりも上部の外周壁には、雄ネジ部が形成されており、圧電素子および錘は、座金とナットとにより、鍔部方向に一定の押圧力を加えられた状態で検出電極と共に主体金具に固定されている。そして、これら全ての構成部品は樹脂製のケースに覆われ、外部から加わる衝撃などから保護されている。
【０００５】
このように構成された非共振型ノッキングセンサは、主体金具の本体部に形成された挿通孔に挿通されるボルトによって内燃機関のエンジンブロックに装着される。これにより、非共振型ノッキングセンサを構成する錘や圧電素子は、内燃機関に発生する振動と一体となって振動する。
【０００６】
振動の際に非共振型ノッキングセンサ全体に加速度が加わるが、その際に主体金具と錘に生じる力の差によって圧電素子に荷重が加えられる。その結果、検出電極に接続された出力端子からは、内燃機関に発生する振動と同様の波形を有する検出信号が外部に出力されることになる。
【０００７】
尚、非共振型ノッキングセンサは、個々の圧電素子や錘等の構成部品により決まる共振周波数を避け、比較的平坦な出力特性を持つ周波数帯に、ノッキング周波数帯として知られている１ｋ〜２０ｋＨｚが納まるように設計されている。そして、非共振型ノッキングセンサからの出力は、個々のエンジンのノッキング周波数に対応したバンドパスフィルタ等を介してエンジン制御装置等に取り込まれ、ノッキングが発生したか否かの判定がなされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように非共振型ノッキングセンサを用いたノッキング検出装置は、圧電素子を利用してエンジンの振動を検出するのであるが、圧電素子からの出力が小さくノッキング判定に適切な出力が得られないことがあった。この場合、出力を大きくするために、錘のサイズを大きくして錘を重くする方法がある。しかし、この方法ではセンササイズが大きくなってしまい、センササイズに制限がある場合には、センサをエンジンブロックに取り付けることができなくなるので、結果的に出力を大きくすることができない。また、この方法では個々の圧電素子や錘等の構成部品により決まる共振周波数が変化し、場合によってはノッキング周波数帯に共振周波数が現れ、ノッキング周波数帯における出力に悪影響を与えるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、錘を重くすることなく、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、内燃機関に固定するのに用いられる部材を挿通するための挿通孔を有する本体部および該本体部の軸方向の一端側に外側に張り出して設けられた鍔部を有する主体金具と、前記本体部を挿通するための挿通孔を有する圧電素子と、前記本体部を挿通するための挿通孔を有する錘と、前記圧電素子および前記錘の挿通孔に前記主体金具の本体部を挿通することにより、前記主体金具の鍔部に前記圧電素子および前記錘が順に載置された状態で、前記圧電素子および前記錘を前記主体金具に固定する固定部材とを備えた非共振型ノッキングセンサであって、少なくとも前記主体金具の鍔部は鉄よりも比重の小さい材料で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
このように、本発明の非共振型ノッキングセンサにおいては、主体金具の鍔部が、鉄よりも比重の小さい材料で構成されているため、錘を重くすることなく、センサ出力を大きくすることができる。
以下、この理由を説明する。
【００１２】
まず、非共振型ノッキングセンサの動作原理は、図１に示す如く、主体金具２０の鍔部に錘２４との間に挟まれて載置された圧電素子２１が、ノッキングセンサ全体に加速度Ａが加えられたとき、錘２４に生じる力Ｆｔと主体金具２０の鍔部に生じる力Ｆｓの差によって出力を生じることによる。
【００１３】
このとき圧電素子２１に加えられる力Ｆは、「Ｆ＝Ｆｔ−Ｆｓ」で表現でき、錘２４に生じる力Ｆｔと主体金具２０の鍔部に生じる力Ｆｓは、それぞれ，錘２４の重量Ｗｔと主体金具２０の鍔部の重量Ｗｓに比例する。
さらに圧電素子２１からの出力Ｖは、圧電素子に加えられる力Ｆに比例するので、圧電素子２１からの出力Ｖは、錘２４の重量Ｗｔと主体金具２０の鍔部の重量Ｗｓとの差に比例することとなる。つまり、「Ｖ∝Ｗｔ−Ｗｓ」となる。
【００１４】
上記の動作原理により、主体金具の鍔部の重量を軽くすることによって圧電素子からの出力向上を図ることができ、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサが得られる。
従来、前記主体金具の鍔部は鉄かそれよりも比重の大きい材料（真鍮等）から構成されていたため、鉄よりも比重の小さな材料を使用することによって、前記主体金具の鍔部の重量が軽くなることは明らかであり、前述の非共振型ノッキングセンサの動作原理より、従来に比べより大きな出力が得られるノッキングセンサを提供することができる。
【００１５】
また、充分な出力を確保できた後には錘を小型化することもでき、センサ全体を小型化できる効果も得られる。
尚、本発明（請求項１）のように、主体金具の鍔部を軽くするために、その鍔部を鉄よりも比重の小さい材料にて構成する場合、本体部を含めて主体金具全体を鉄よりも比重の小さい材料にて形成してもよく、鍔部のみを比重の小さい材料にて形成して、鍔部とは別体に形成された筒状の本体部に接着や溶接等で接合するようにしてもよい。
【００１６】
ここで、前記材料としては、ＰＰＳ樹脂等の樹脂や金属材料が考えられるが、耐熱性等を考慮すると請求項２のように、前記材料には金属材料を用いることが望ましい。さらに、より好ましくは、請求項３に記載のように、前記鍔部の金属材料にはアルミニウムを用いるのが望ましい。
【００１７】
つまり、アルミニウムの比重（約２．７）は、鉄の比重（約７．９）の約３５％と非常に小さく、前記主体金具の鍔部を充分に軽量化できるため、充分な出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供することができる。
また、アルミニウムは非共振型ノッキングセンサとしての充分な硬度を持ち、且つ、入手が容易であるため前記主体金具の材料としてふさわしい。
【００１８】
加えて、前記主体金具に鉄を使用していた場合、前記主体金具の表面には耐食性を向上させるためのメッキ処理（亜鉛クロメートメッキ等）を施す必要があったが、アルミニウムは耐食性に優れているため、メッキ処理が不要となり、製造工程を減らすことができる。
或いは、請求項１記載の非共振型ノッキングセンサにおいて、前記材料は、請求項４記載のように、樹脂で構成されていてもよい。
【００１９】
ところで、主体金具の鍔部を軽くするためには、請求項１〜４に記載のように、鍔部を鉄よりも比重の小さい材料にて構成するようにしてもよいが、この構成に加えて、請求項５に記載のように、鍔部に切欠部を形成するようにしてもよい。つまり、請求項５に記載のように、鍔部に切欠部を設ければ、鍔部の重量が軽くなることは明らかであり、従来のセンサに比べ、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供することができる。また、主体金具の鍔部を比重の小さい材料にするだけでなく、切欠部を設けることで、鍔部の重量をより軽くでき、非共振型ノッキングセンサの出力を大きくすることができる。
【００２０】
尚、このように鍔部に切欠部を設ける際には、圧電素子と鍔部との密着性、或いは、非共振型ノッキングセンサとエンジンブロックとの密着性を高めて、安定したセンサ出力を得るために、切欠部を設ける際に生じた角部やバリに対して、面取りを施すとよい。
【００２１】
鍔部において、圧電素子および錘が載置される側（表面）に切欠部を形成すると、エンジンブロックからの振動が圧電素子全面に伝わり難いために、センサ出力が低下したり、センサ波形が乱れたりする虞がある。そこで、請求項６に記載のように、切欠部は鍔部において、圧電素子および錘が載置される側とは反対側の底面に形成することが好ましい。このようにすることで、センサ出力の低下およびセンサの波形の乱れを有効に防止すると共に、鍔部の重量を軽くすることができ、より大きな出力を得られる非共振型ノッキングセンサとすることができる。
【００２２】
また、切欠部の形状としては、非共振型ノッキングセンサの振動検出特性を悪化させることがなければ、どのような形状であってもよく、例えば、請求項７に記載のように、本体部の周囲全周に渡って形成された溝部であってもよい。また、例えば、請求項８に記載のように、切欠部として、鍔部の底面に複数の凹部を形成するようにしてもよい。
【００２３】
そして、特に、請求項８に記載のように、切欠部として、鍔部の底面に複数の凹部を形成した際には、鍔部の重量を軽くできるだけでなく、凹部を、非共振型ノッキングセンサを組み立てる際に、主体金具が回転しないように固定したり、主体金具を位置決めしたりするのに利用できる。
【００２４】
尚、前記溝部および前記凹部は星形および多角形等にしてもよい。
【００２５】
また、本発明のように主体金具の鍔部を軽くするには、必ずしも、鍔部の底面に所定形状の切欠部を設ける必要はなく、鍔部の底面全体を切り欠き、鍔部の厚みを薄くするようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施例］
図２は、本発明が適用された第１実施例の非共振型ノッキングセンサ１全体の外観図（ａ）と断面図（ｂ）である。断面図（ｂ）において非共振型ノッキングセンサは、外周に雄ネジ部２０ｃが形成された本体部２０ａとその雄ネジ部２０ｃの切り終わりよりも軸方向下方にて外側に張り出した鍔部２０ｂとを有し内燃機関に取り付け可能な主体金具２０と、圧電素子２１と、錘としての効果を発揮する程度の比重を持った金属材料（例えば黄銅）からなる錘２４と、電極端子２９を一端に有し、導電性材料（例えば黄銅）からなる一対の検出電極２２と、絶縁性を有するフィルム状の合成樹脂（例えばＰＥＴ）からなる一対の絶縁部材２３と、外部に電気信号を取り出す箇所となる電極端子２９と、合成樹脂（例えば６６ナイロン）からなり全体を保護するためのケース２７とを備えている。
【００２７】
この内、主体金具２０は非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８を備えている。また、圧電素子２１、錘２４、検出電極２２および絶縁部材２３は、本体部２０ａを挿通するための挿通孔を備えている。
次に非共振型ノッキングセンサ１を組み立てる手順について、図２（ｂ）を用いて説明する。
【００２８】
（１）まず、主体金具２０の鍔部２０ｂ上に圧電素子２１、錘２４および座金２５を順に載置する。この時、圧電素子２１を上下から一対の検出電極２２で挟み、鍔部２０ｂと圧電素子２１の下側に載置した検出電極２２との間および、錘２４と圧電素子２１の上側に載置した検出電極２２との間には、絶縁部材２３を挟む。尚、鍔部２０ｂに載置した下側の絶縁部材２３は、圧電素子２１と本体部２０ａとを絶縁するために、圧電素子２１の底面（鍔部２０ｂ側の面）を覆う部材と、圧電素子２１の内側の側面（本体部２０ａ側の面）を覆う部材との２部材から成る。
【００２９】
（２）次にナット２６を主体金具２０の雄ネジ部２０ｃに螺合し、圧電素子２１や錘２４等を主体金具２０に締め付ける。尚、この時の締め付けトルクは、圧電素子２１に所定の圧力がかかるように締め付ける。
（３）そして最後に、センサ全体をケース２７で覆う。以上のような手順により非共振型ノッキングセンサ１を組み立てることができる。
【００３０】
一方、非共振型ノッキングセンサ１の内燃機関への取り付けは、非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８を使用して内燃機関のエンジンブロック等に固定することにより行う。内燃機関より支持棒が突出している場合は、その支持棒に非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８を嵌め込み、上方よりナット等で固定する。また、内燃機関にボルト用の雌ネジがある場合は、ボルトを非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔２８の上方より挿通させ締め付けることにより固定する。電極端子２９については、本装置（非共振型ノッキングセンサ１）より発生する検出電圧を処理するためのエンジン制御装置に接続する。
【００３１】
ここで、本実施例（第１実施例）では、主体金具２０の材質には、従来から使用されてきた鉄や真鍮ではなく、一体形成されたアルミニウムを使用した。この結果、主体金具２０の鍔部２０ｂの重量が軽くなり、出力が向上した非共振型ノッキングセンサを得ることができた。
【００３２】
以上の結果を裏付けるために、本装置（非共振型ノッキングセンサ１）を用いた実験を行った。実験結果を以下に述べる。
まず、主体金具２０の材料が、鉄の場合とアルミニウム（ＫＳ２７）の場合の２種類の非共振型ノッキングセンサ１を準備した。
【００３３】
次に、常温において、内燃機関の振動周波数（以下、振動周波数）を変化させ、それぞれの場合の非共振型ノッキングセンサ１からの出力を測定した。
ここで、得られた出力結果から平均値を求める。
主体金具２０が鉄で構成された場合の出力の平均値をＦｅａｖｇ、主体金具２０がアルミニウムで構成された場合の出力の平均値をＡｌａｖｇとする。すると、
Ｆｅａｖｇに対するＡｌａｖｇの大きさを示す出力比は次式で求められる。
出力比＝（Ａｌａｖｇ−Ｆｅａｖｇ）×１００／Ｆｅａｖｇ
以上によって得られた出力比と振動周波数の関係を表したグラフを図３に示す。
【００３４】
図３から解るように、実験した全ての周波数において、主体金具２０がアルミニウムで構成されている非共振型ノッキングセンサ１では、主体金具２０が鉄で構成されてる非共振型ノッキングセンサ１に比べて、１５％以上大きな出力が得られた。
【００３５】
次に、１２５℃において、内燃機関の振動周波数（以下、振動周波数）を変化させ、それぞれの場合の非共振型ノッキングセンサ１からの出力を、上記常温の場合と同様に測定した。
１２５℃における、出力比と振動周波数の関係を表したグラフを図４に示す。
【００３６】
図４から解るように、実験した全ての周波数において、主体金具２０がアルミニウムで構成されている非共振型ノッキングセンサ１では、主体金具２０が鉄で構成されている非共振型ノッキングセンサ１に比べて、２３％以上大きな出力が得られた。
【００３７】
以上の実験結果から、主体金具２０の材料にアルミニウムを用いることにより、より大きな出力が得られる非共振型ノッキングセンサを提供できることが解る。
しかもアルミニウムはノッキングセンサとしての充分な硬度を持ち、且つ、入手が容易であるため、主体金具２０の材料としてふさわしい。
【００３８】
加えて、主体金具２０に鉄を使用していた場合、主体金具２０の表面には耐食性を向上させるためのメッキ処理（亜鉛クロメートメッキ等）を施す必要があったが、アルミニウムは耐食性に優れているため、メッキ処理が不要となり、製造工程を減らすことができる。
［第２実施例］
次に第２実施例について説明する。
【００３９】
本実施例の非共振型ノッキングセンサは、主体金具２０のみが異なるだけであり、その他の部分は第１実施例の非共振型ノッキングセンサと同様の構成である。従って、ここでは第１実施例と同様の部分については、同一の符号を付してその説明を省略し、主体金具２０のみについて詳述する。
【００４０】
第１実施例とは異なり、本実施例（第２実施例）では、主体金具２０の材料には従来通り、一体形成された鉄を用いるのであるが、図５に示す如く、主体金具２０の鍔部２０ｂの、圧電素子２１等が載置されている側とは反対側の底面に、本体部２０ａの周囲に全周に渡って溝部２０ｄを設けたことを特徴としている。
【００４１】
尚、図５において、主体金具２０の断面図（ａ）と主体金具２０底面図（ｂ）を示す。
図５に記載の溝部２０ｄを設けた主体金具２０を用いることにより、切欠がない従来の主体金具２０の鍔部２０ｂに比べて、重量が軽くなるのは明らかであり、圧電素子２１により大きな力が加えられ、出力が向上した非共振型ノッキングセンサを提供できる。主体金具２０に設けた切欠を溝部２０ｄとしたことにより、主体金具２０の強度と、図示しないエンジンブロックとの密着性を維持しながらノッキング振動を伝達することができる。
【００４２】
主体金具２０の鍔部２０ｂの重量を軽くするために、鍔部２０ｂを切欠く方法としては、図６に示す如く、主体金具２０の鍔部２０ｂに複数の円形状の凹部２０ｅを形成してもよいし、図７に示す如く、本体部２０ａの周囲に複数の溝部２０ｆを設けてもよい。
【００４３】
ここで、図６および図７は、図５と同様に、主体金具２０の断面図（ａ）と主体金具２０底面図（ｂ）を示す。
図６および図７に記載の主体金具２０を用いることにより、切欠がない従来の主体金具２０の鍔部２０ｂに比べて、鍔部２０ｂの重量が軽くなり、出力が向上した非共振型ノッキングセンサを提供できる。さらに、図６および図７に記載の主体金具２０を用いることにより、ノッキングセンサの部品を組み立てる際に、主体金具２０が回転しないように固定に利用したり、方向性がある物を組み立てる際の位置決めとしても利用することができる。
【００４４】
尚、前記溝部２０ｄおよび前記凹部２０ｅは星形および多角形等にしてもよいし、主体金具２０の材質も任意である。
また、本実施例（第２実施例）のように、主体金具２０の鍔部２０ｂを軽くするには、必ずしも、鍔部２０ｂの底面に所定形状の切欠部を設ける必要はなく、鍔部２０ｂの底面全体を切り欠き、鍔部２０ｂの厚みを薄くするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】非共振型ノッキングセンサの動作原理を示す説明図である。
【図２】実施の形態の非共振型ノッキングセンサの概略構成を示す説明図である。
【図３】常温において振動周波数に対する非共振型ノッキングセンサの出力比を示すグラフである。
【図４】１２５℃において振動周波数に対する非共振型ノッキングセンサの出力比を示すグラフである。
【図５】実施例の主体金具２０に溝部を形成したものを示す説明図である。
【図６】実施例の主体金具２０に円形の凹部を複数形成したものを示す説明図である。
【図７】実施例の主体金具２０に溝部を複数形成したものを示す説明図である。
【符号の説明】
１…非共振型ノッキングセンサ、２０…主体金具、２０ａ…本体部、２０ｂ…鍔部、２０ｃ…雄ネジ部、２０ｄ…溝部、２０ｅ…凹部、２０ｆ…溝部、２１…圧電素子、２２…検出電極、２３…絶縁部材、２４…錘、２５…座金、２６…ナット、２７…ケース、２８…非共振型ノッキングセンサ固定用挿通孔、２９…電極端子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-resonant knocking sensor that detects vibration generated in an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various types of knocking sensors that are attached to an internal combustion engine and detect knocking generated in the internal combustion engine have been developed. One of them is a non-resonant knocking sensor that detects vibration generated in the internal combustion engine by a piezoelectric element held inside in a pressed state and outputs a detection signal to the outside.
[0003]
In general, a non-resonant type knocking sensor has a metal shell composed of a cylindrical main body portion having an insertion hole for inserting a bolt and a flange portion projecting outward from an outer peripheral wall on one end side of the main body portion. I have. And in this metal shell, a piezoelectric element having an insertion hole for inserting the main body portion and a weight having an insertion hole for similarly inserting the main body portion insert the main body portion into each insertion hole. By this, it is mounted in order on the collar part of the metallic shell. Furthermore, a detection electrode for outputting a detection signal generated in the piezoelectric element to the outside is disposed between the flange portion of the metal shell and the piezoelectric element, and between the piezoelectric element and the weight. The metallic shell and the weight are usually made of iron or brass.
[0004]
In the main body, a male screw part is formed on the outer peripheral wall above the placed weight, and the piezoelectric element and the weight exert a constant pressing force in the buttock direction by a washer and a nut. In the added state, it is fixed to the metal shell together with the detection electrode. All these components are covered with a resin case and protected from external impacts.
[0005]
The non-resonant type knocking sensor configured as described above is attached to the engine block of the internal combustion engine by a bolt inserted into an insertion hole formed in the main body of the metal shell. As a result, the weight and the piezoelectric element constituting the non-resonant knock sensor vibrate together with the vibration generated in the internal combustion engine.
[0006]
While acceleration is applied to the entire non-resonant knock sensor during vibration, a load is applied to the piezoelectric element due to a difference in force generated between the metal shell and the weight. As a result, a detection signal having a waveform similar to the vibration generated in the internal combustion engine is output from the output terminal connected to the detection electrode.
[0007]
The non-resonant type knocking sensor avoids the resonance frequency determined by the components such as individual piezoelectric elements and weights, and the frequency band having a relatively flat output characteristic has a frequency range of 1 to 20 kHz known as a knocking frequency band. Designed to fit. Then, the output from the non-resonant type knocking sensor is taken into an engine control device or the like via a bandpass filter or the like corresponding to the knocking frequency of each engine, and it is determined whether or not knocking has occurred.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the knocking detection device using the non-resonant knocking sensor detects the vibration of the engine using the piezoelectric element. However, the output from the piezoelectric element is small and an output suitable for knocking determination cannot be obtained. was there. In this case, in order to increase the output, there is a method of increasing the weight size and increasing the weight weight. However, this method increases the sensor size, and when the sensor size is limited, the sensor cannot be attached to the engine block, and as a result, the output cannot be increased. In addition, this method has a problem that the resonance frequency determined by components such as individual piezoelectric elements and weights changes, and in some cases, the resonance frequency appears in the knocking frequency band, which adversely affects the output in the knocking frequency band.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a non-resonant type knocking sensor capable of obtaining a larger output without increasing the weight.
[0010]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
In order to achieve this object, the invention according to claim 1 is characterized in that a main body having an insertion hole for inserting a member used for fixing to the internal combustion engine and an axial end of the main body are provided. A metal shell having a flange portion projecting outward, a piezoelectric element having an insertion hole for inserting the main body portion, a weight having an insertion hole for inserting the main body portion, the piezoelectric element, and By inserting the body portion of the metal shell into the weight insertion hole, the piezoelectric element and the weight are attached to the metal shell in a state where the piezoelectric element and the weight are sequentially placed on the flange portion of the metal shell. A non-resonant type knocking sensor having a fixing member fixed to the metal shell, wherein at least a flange portion of the metal shell is made of a material having a specific gravity smaller than that of iron.
[0011]
Thus, in the non-resonant type knocking sensor of the present invention, since the collar portion of the metal shell is made of a material having a specific gravity smaller than that of iron, the sensor output can be increased without increasing the weight. it can.
Hereinafter, the reason will be described.
[0012]
First, the principle of operation of the non-resonant type knocking sensor is that, as shown in FIG. 1, the piezoelectric element 21 placed between the weight 24 and the flange of the metal shell 20 has an acceleration A across the entire knocking sensor. This is because, when applied, an output is generated by the difference between the force Ft generated on the weight 24 and the force Fs generated on the flange portion of the metal shell 20.
[0013]
The force F applied to the piezoelectric element 21 at this time can be expressed as “F = Ft−Fs”, and the force Ft generated on the weight 24 and the force Fs generated on the flange portion of the metal shell 20 are respectively the weight Wt of the weight 24 and the weight Wt. It is proportional to the weight Ws of the collar portion of the metal shell 20.
Further, since the output V from the piezoelectric element 21 is proportional to the force F applied to the piezoelectric element, the output V from the piezoelectric element 21 is the difference between the weight Wt of the weight 24 and the weight Ws of the collar portion of the metal shell 20. It will be proportional. That is, “V∝Wt−Ws”.
[0014]
Based on the above operating principle, the output from the piezoelectric element can be improved by reducing the weight of the collar portion of the metal shell, and a non-resonant knocking sensor capable of obtaining a larger output can be obtained.
Conventionally, since the collar portion of the metal shell is made of iron or a material having a higher specific gravity (such as brass), the weight of the collar portion of the metal shell is reduced by using a material having a specific gravity smaller than iron. Obviously, it is possible to provide a knocking sensor that can obtain a larger output than the conventional one because of the operation principle of the non-resonant knocking sensor described above.
[0015]
Moreover, after securing a sufficient output, the weight can be reduced in size, and the effect of reducing the size of the entire sensor can be obtained.
As in the present invention (Claim 1), in order to lighten the collar portion of the metal shell, when the collar portion is made of a material having a specific gravity smaller than that of iron, the entire metal shell including the main body portion is made. It may be formed of a material having a specific gravity smaller than that of iron, and only the collar portion is formed of a material having a small specific gravity, and is bonded or welded to a cylindrical body portion formed separately from the collar portion. You may make it join.
[0016]
Here, as the material, a resin such as a PPS resin or a metal material can be considered. However, considering heat resistance and the like, it is desirable to use a metal material for the material as in claim 2. More preferably, as described in claim 3, it is desirable to use aluminum for the metal material of the collar portion.
[0017]
In other words, the specific gravity of aluminum (about 2.7) is very small, about 35% of the specific gravity of iron (about 7.9), and the collar part of the metal shell can be sufficiently reduced in weight so that sufficient output can be obtained. A non-resonant knock sensor can be provided.
Aluminum is suitable as a material for the metal shell because it has sufficient hardness as a non-resonant knock sensor and is easily available.
[0018]
In addition, when iron was used for the metal shell, the surface of the metal shell had to be subjected to a plating treatment (zinc chromate plating, etc.) to improve corrosion resistance, but aluminum was excellent in corrosion resistance. Therefore, the plating process becomes unnecessary and the manufacturing process can be reduced.
Alternatively, in the non-resonant knock sensor according to claim 1, the material may be made of resin as described in claim 4.
[0019]
Meanwhile, in order to lighten the flange portion of the metal shell, as described in claims 1 to 4, although the flange portion may be configured by having a small specific gravity material than iron, in addition to the configuration Thus, as described in claim 5 , a notch portion may be formed in the collar portion. In other words, as described in claim 5 , it is clear that if the notch portion is provided in the collar portion, the weight of the collar portion is reduced, and a non-resonant knocking that provides a larger output than a conventional sensor is obtained. A sensor can be provided. Further, not only is the material of the collar portion of the metal shell made of a material having a small specific gravity, but the weight of the collar portion can be further reduced by providing the notch portion, and the output of the non-resonant knock sensor can be increased.
[0020]
In addition, when the notch is provided in the flange as described above, the adhesion between the piezoelectric element and the flange or the adhesion between the non-resonant knocking sensor and the engine block is improved to obtain a stable sensor output. For this reason, it is preferable to chamfer corners and burrs generated when the cutouts are provided.
[0021]
If a notch is formed on the side (surface) on which the piezoelectric element and weight are placed in the buttocks, vibration from the engine block is difficult to be transmitted to the entire surface of the piezoelectric element, so the sensor output decreases or the sensor waveform is disturbed. There is a risk that. Therefore, as described in claim 6, it is preferable that the notch portion is formed on the bottom surface of the collar portion opposite to the side on which the piezoelectric element and the weight are placed. By doing so, it is possible to effectively prevent a decrease in sensor output and a disturbance in the sensor waveform, reduce the weight of the collar, and obtain a non-resonant knocking sensor that can obtain a larger output. it can.
[0022]
Further, the shape of the notch may be any shape as long as the vibration detection characteristics of the non-resonant knock sensor are not deteriorated. For example, as described in claim 7 , It may be a groove formed over the entire circumference. Further, for example, as described in claim 8 , a plurality of recesses may be formed on the bottom surface of the flange as the notch.
[0023]
In particular, as described in claim 8 , when a plurality of recesses are formed on the bottom surface of the collar as the notches, not only can the weight of the collar be reduced, but the recess can also be a non-resonant knocking sensor. When assembling the metal shell, it can be used to fix the metal shell so that it does not rotate or to position the metal shell.
[0024]
Note that the groove and the recess may have a star shape, a polygonal shape, or the like .
[0025]
In addition, in order to lighten the collar part of the metal shell as in the present invention, it is not always necessary to provide a notch with a predetermined shape on the bottom surface of the collar part, and the entire bottom surface of the collar part is notched to increase the thickness of the collar part. You may make it thin.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First embodiment]
2A and 2B are an external view (a) and a cross-sectional view (b) of the entire non-resonant knock sensor 1 of the first embodiment to which the present invention is applied. In the cross-sectional view (b), the non-resonant type knocking sensor includes a main body portion 20a having a male screw portion 20c formed on the outer periphery and a flange portion 20b projecting outwardly in the axial direction below the end of cutting of the male screw portion 20c. A metal fitting 20 that can be attached to an internal combustion engine, a piezoelectric element 21, a weight 24 made of a metal material (for example, brass) having a specific gravity that exhibits an effect as a weight, and an electrode terminal 29 at one end. And a pair of detection electrodes 22 made of a conductive material (for example, brass), a pair of insulating members 23 made of an insulating film-like synthetic resin (for example, PET), and a place for taking out an electric signal to the outside. An electrode terminal 29 and a case 27 made of synthetic resin (for example, 66 nylon) for protecting the whole are provided.
[0027]
Among these, the metal shell 20 includes a non-resonant knock sensor fixing insertion hole 28. Moreover, the piezoelectric element 21, the weight 24, the detection electrode 22, and the insulating member 23 are provided with an insertion hole for inserting the main body portion 20a.
Next, a procedure for assembling the non-resonant knock sensor 1 will be described with reference to FIG.
[0028]
(1) First, the piezoelectric element 21, the weight 24, and the washer 25 are placed in this order on the flange 20b of the metal shell 20. At this time, the piezoelectric element 21 is sandwiched between the pair of detection electrodes 22 from above and below, and placed between the flange 20 b and the detection electrode 22 placed on the lower side of the piezoelectric element 21 and on the weight 24 and the piezoelectric element 21. An insulating member 23 is sandwiched between the detection electrode 22 and the detection electrode 22. Note that the lower insulating member 23 placed on the flange 20b includes a member that covers the bottom surface (surface on the flange 20b side) of the piezoelectric element 21 and a piezoelectric element in order to insulate the piezoelectric element 21 from the main body 20a. It consists of two members, a member that covers the inner side surface of the element 21 (the surface on the main body 20a side).
[0029]
(2) Next, the nut 26 is screwed into the male screw portion 20 c of the metal shell 20, and the piezoelectric element 21, the weight 24, and the like are fastened to the metal shell 20. The tightening torque at this time is such that a predetermined pressure is applied to the piezoelectric element 21.
(3) Finally, the entire sensor is covered with a case 27. The non-resonant knock sensor 1 can be assembled by the procedure as described above.
[0030]
On the other hand, the non-resonant knock sensor 1 is attached to the internal combustion engine by fixing the non-resonant knock sensor 1 to the engine block or the like of the internal combustion engine using the non-resonant knock sensor fixing insertion hole 28. When the support rod protrudes from the internal combustion engine, the non-resonant type knocking sensor fixing insertion hole 28 is fitted into the support rod and fixed with a nut or the like from above. If the internal combustion engine has a female screw for a bolt, the bolt is inserted from above the non-resonant type knocking sensor fixing insertion hole 28 and fixed by tightening. The electrode terminal 29 is connected to an engine control device for processing a detection voltage generated from the present device (non-resonant type knocking sensor 1).
[0031]
Here, in the present embodiment (first embodiment), the integrally formed aluminum was used as the material of the metallic shell 20 instead of the conventionally used iron or brass. As a result, the weight of the flange 20b of the metal shell 20 is reduced, and a non-resonant knocking sensor with improved output can be obtained.
[0032]
In order to support the above results, an experiment using this device (non-resonant type knocking sensor 1) was performed. The experimental results are described below.
First, two types of non-resonant type knocking sensors 1 were prepared, in which the metal shell 20 was made of iron and aluminum (KS27).
[0033]
Next, at room temperature, the vibration frequency of the internal combustion engine (hereinafter referred to as vibration frequency) was changed, and the output from the non-resonant knock sensor 1 in each case was measured.
Here, an average value is obtained from the obtained output result.
The average value of the output when the metal shell 20 is made of iron is Feavg, and the average value of the output when the metal shell 20 is made of aluminum is Alavg. Then
The output ratio indicating the magnitude of Alavg relative to Feavg is obtained by the following equation.
Output ratio = (Alavg−Feavg) × 100 / Feavg
A graph showing the relationship between the output ratio and the vibration frequency obtained as described above is shown in FIG.
[0034]
As can be seen from FIG. 3, the non-resonant knock sensor 1 in which the metallic shell 20 is made of aluminum at all frequencies tested is compared with the non-resonant knock sensor 1 in which the metallic shell 20 is made of iron. A large output of 15% or more was obtained.
[0035]
Next, at 125 ° C., the vibration frequency of the internal combustion engine (hereinafter referred to as vibration frequency) was changed, and the output from the non-resonant knock sensor 1 in each case was measured in the same manner as at the normal temperature.
A graph showing the relationship between the output ratio and the vibration frequency at 125 ° C. is shown in FIG.
[0036]
As can be seen from FIG. 4, the non-resonant type knocking sensor 1 in which the metallic shell 20 is made of aluminum at all frequencies tested is compared with the non-resonant knocking sensor 1 in which the metallic shell 20 is made of iron. Thus, a large output of 23% or more was obtained.
[0037]
From the above experimental results, it can be seen that by using aluminum as the material of the metal shell 20, it is possible to provide a non-resonant knock sensor capable of obtaining a larger output.
Moreover, since aluminum has a sufficient hardness as a knocking sensor and is easily available, it is suitable as a material for the metal shell 20.
[0038]
In addition, when iron is used for the metal shell 20, the surface of the metal shell 20 needs to be plated (such as zinc chromate plating) to improve the corrosion resistance, but aluminum has excellent corrosion resistance. Therefore, the plating process becomes unnecessary and the manufacturing process can be reduced.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
[0039]
The non-resonant type knocking sensor of the present embodiment is different only in the metal shell 20, and the other parts have the same configuration as the non-resonant type knocking sensor of the first example. Therefore, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted, and only the metal shell 20 is described in detail.
[0040]
Unlike the first embodiment, in the present embodiment (second embodiment), the metal of the metal shell 20 is conventionally formed by using integrally formed iron, but as shown in FIG. A groove 20d is provided around the entire periphery of the main body 20a on the bottom surface of the flange 20b opposite to the side on which the piezoelectric element 21 or the like is placed.
[0041]
In addition, in FIG. 5, sectional drawing (a) of the metal shell 20 and bottom view (b) of the metal shell 20 are shown.
By using the metal shell 20 provided with the groove 20d shown in FIG. 5, it is clear that the weight is lighter than that of the flange portion 20b of the conventional metal shell 20 having no notch. Thus, a non-resonant type knocking sensor with improved output can be provided. By making the notch provided in the metal shell 20 into the groove portion 20d, knocking vibration can be transmitted while maintaining the strength of the metal shell 20 and the adhesion to an engine block (not shown).
[0042]
In order to reduce the weight of the flange 20b of the metal shell 20, as a method of notching the flange 20b, a plurality of circular recesses 20e are formed in the flange 20b of the metal shell 20, as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 7, a plurality of groove portions 20f may be provided around the main body portion 20a.
[0043]
6 and 7 show a cross-sectional view (a) of the metal shell 20 and a bottom view (b) of the metal shell 20, similarly to FIG.
By using the metal shell 20 shown in FIGS. 6 and 7, the non-resonant type knocking sensor in which the weight of the flange portion 20b is lighter and the output is improved as compared with the flange portion 20b of the conventional metal shell 20 having no notch. Can provide. Furthermore, by using the metal shell 20 shown in FIG. 6 and FIG. 7, when assembling the components of the knocking sensor, it is used for fixing so that the metal shell 20 does not rotate or when assembling a directional object. It can also be used for positioning.
[0044]
The groove 20d and the recess 20e may be star-shaped, polygonal, or the like, and the material of the metal shell 20 is arbitrary.
Further, as in the present embodiment (second embodiment), in order to lighten the flange portion 20b of the metal shell 20, it is not always necessary to provide a notch with a predetermined shape on the bottom surface of the flange portion 20b. It is also possible to cut out the entire bottom surface of the plate and reduce the thickness of the flange portion 20b.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an operation principle of a non-resonant knock sensor.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a non-resonant type knocking sensor according to an embodiment.
FIG. 3 is a graph showing an output ratio of a non-resonant type knocking sensor with respect to a vibration frequency at room temperature.
FIG. 4 is a graph showing an output ratio of a non-resonant knock sensor with respect to a vibration frequency at 125 ° C.
FIG. 5 is an explanatory view showing a metal shell 20 according to an embodiment in which a groove is formed.
FIG. 6 is an explanatory view showing a metal shell 20 according to an embodiment in which a plurality of circular recesses are formed.
FIG. 7 is an explanatory view showing a metal shell 20 according to an embodiment in which a plurality of grooves are formed.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Non-resonance type knocking sensor, 20 ... Main metal fitting, 20a ... Main body part, 20b ... Gutter part, 20c ... Male screw part, 20d ... Groove part, 20e ... Recessed part, 20f ... Groove part, 21 ... Piezoelectric element, 22 ... Detection electrode , 23 ... insulating member, 24 ... weight, 25 ... washer, 26 ... nut, 27 ... case, 28 ... non-resonant knock sensor fixing insertion hole, 29 ... electrode terminal.

Claims

A metal shell having a main body portion having an insertion hole for inserting a member used for fixing to the internal combustion engine and a flange portion projecting outward on one end side in the axial direction of the main body portion;
A piezoelectric element having an insertion hole for inserting the body portion;
A weight having an insertion hole for inserting the body portion;
By inserting the main body of the metal shell into the insertion hole of the piezoelectric element and the weight, the piezoelectric element and the weight are placed in a state where the piezoelectric element and the weight are sequentially placed on the flange portion of the metal shell. A fixing member for fixing the metal shell to the metal shell,
A non-resonant type knocking sensor comprising:
A non-resonant type knocking sensor characterized in that at least a collar portion of the metallic shell is made of a material having a specific gravity smaller than that of iron.

The non-resonant knock sensor according to claim 1, wherein the material is made of a metal material.

3. The non-resonant type knocking sensor according to claim 2, wherein the metal material is made of aluminum.

The non-resonant knock sensor according to claim 1, wherein the material is made of resin.

The non-resonant type knocking sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a notch is formed in the flange.

6. The non-resonant knock sensor according to claim 5 , wherein the notch is formed on a bottom surface of the flange opposite to the side on which the piezoelectric element and the weight are placed.

7. The non-resonant knock sensor according to claim 5 , wherein the notch is a groove formed over the entire circumference of the main body.

The non-resonant knock sensor according to claim 5 or 6 , wherein the notch includes a plurality of recesses.