JP3692092B2 - ノッキングセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ノッキングセンサに関し、特に、圧電素子を用いた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、自動車等の燃焼室内のノッキング現象を検出する装置として、圧電素子を用いたノッキングセンサが知られており、このノッキングセンサを用いた制御システムによって点火プラグの点火時期を最適な時期に調節している。このようなノッキングセンサとしては、例えば、図３に断面図を示すような、中心部に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３２０ｂを有する、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３００が挙げられる。
【０００３】
このノッキングセンサ３００は、図４に分解斜視図を示すように、円筒状の筒状部３２１とこの一端３２１ｃに位置する円環状の鍔部３２２とからなる主体金具３２０を有する。この主体金具３２０の筒状部３２１の外周には、鍔部３２２側から順に、円環状の第１絶縁板３３０、円環状の第１電極板３４０、円環状の圧電素子３５０、円環状の第２電極板３６０、円環状の第２絶縁板３３５、円環状のウエイト３７０、及び皿バネ３８０が嵌め込まれている。さらに、内周面にネジ部３８５ｂが形成されたナット３８５が筒状部３２１の外周面に形成されたネジ部３２１ｂに螺挿され、第１，第２絶縁板３３０，３３５、第１，第２電極板３４０，３６０、圧電素子３５０、ウエイト３７０、及び皿バネ３８０が鍔部３２２とナット３８５との間に挟まれて固定され、センサ本体３９０を形成している。なお、筒状部３２１と第１，第２電極板３４０，３６０及び圧電素子３５０との間には円筒状の絶縁スリーブ３３１が介在している。
【０００４】
このセンサ本体３９０が樹脂成形体３１０によって被覆され、ノッキングセンサ３００を形成している。なお、ノッキングセンサ３００を内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付け孔３２０ｂについては、樹脂成形体３１０によって被覆されないで露出している。また、樹脂成形体３１０はナイロン樹脂によって形成されており、密度が約１．５ｇ／ｃｍ3となっている。また、ウエイト３７０は真鍮によって形成されており、密度が約８．０ｇ／ｃｍ3となっている。なお、本明細書で示す密度は、室温下での密度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このノッキングセンサ３００は、ウエイト３７０の質量を調整することによって圧電素子３５０への荷重を調整し、センサ出力特性の調整を可能としている。従って、ノッキングセンサ３００の高出力化の要請に応えるべくセンサ出力特性を向上させるためには、ウエイト３７０を大きくしてウエイト３７０の質量を増大させる方法が考えられる。しかし、ノッキングセンサの取付けスペースが限られているためにウエイト３７０を大きくすることはできず、従って、センサ出力特性を向上させることが困難であった。
【０００６】
また、センサ本体３９０を被覆する樹脂成形体３１０についても圧電素子３５０への荷重となり、センサ出力特性に寄与することが知られている。例えば、特開平２−１７３５３０号では、予め大きく形成した樹脂を、形成後に切削することによって圧電素子への荷重を調整し、センサ出力特性を調整する方法が開示されている。しかしながら、この発明は、樹脂成形体の大きさを調整することによってセンサ出力特性を調整するものであるため、センサ出力特性を向上させるには、やはりセンサを大きくしなければならなかった。
【０００７】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、自身の大きさを変えることなく圧電素子への荷重を増大させ、センサ出力特性を向上させることが可能なノッキングセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
その解決手段は、筒状部とこの筒状部の一端に位置する鍔部とを含む主体金具、上記主体金具の上記筒状部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子、及び上記主体金具の上記筒状部の外周に嵌め込まれ、上記鍔部との間に上記圧電素子を挟む環状のウエイト、を有するセンサ本体と、上記センサ本体を被覆する樹脂成形体と、を備えるノッキングセンサであって、上記樹脂成形体のうち少なくとも上記圧電素子の厚さ方向について上記圧電素子よりも上記ウエイト側に位置するウエイト側部は、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入した樹脂からなり、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上であるノッキングセンサである。
【０００９】
従来の樹脂成形体の材質としては、例えば、ナイロン樹脂が用いられており、その密度は１．５ｇ／ｃｍ3程度であった。これに対し、本発明では、樹脂成形体の材質に着目し、この樹脂成形体のうち少なくとも圧電素子の厚さ方向（換言すれば筒状部の軸線方向）について圧電素子よりもウエイト側に位置するウエイト側部については、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入させた樹脂を用いて形成し、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上となるようにしている。樹脂成形体のウエイト側部は圧電素子への荷重に寄与していると考えられるため、本発明のノッキングセンサでは、少なくともこの部分の密度を２．０ｇ／ｃｍ3以上としている。
【００１０】
従って、本発明の樹脂成形体は、従来と同じ大きさに形成しても、少なくとも上記ウエイト側部の密度が大きくなっているため、従来に比して圧電素子への荷重を増大させることができる。かくして、本発明のノッキングセンサでは、その大きさを変えることなく圧電素子への荷重を増大させ、センサ出力特性を向上させることが可能となる。また、センサ出力特性を従来と同程度に確保した状態で、センサの小型化を図ることが可能となる。
なお、金属粉末としては、例えば、タングステン、モリブデン、鉛、鉄、ステンレス等の粉末が挙げられ、金属酸化物粉末としては、酸化タングステン、酸化モリブデン、フェライト等の粉末が挙げられる。ただし、人体への影響を考慮すれば、金属粉末及び金属酸化物粉末には鉛が含まれていないのが好ましい。
【００１１】
また、環境保護に対する規制が高まりつつある近年では、鉛を含まない圧電素子を用いたノッキングセンサが検討されているが、鉛を含まない圧電素子を用いると、鉛を含む圧電素子と比較してセンサ出力特性が低下する傾向にある。そこで、この鉛を含まない圧電素子を用いる構造のノッキングセンサにおいては、本発明のように、樹脂成形体のうち少なくともウエイト側部について、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入させた樹脂を用いて形成し、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上とすることが有用となる。このようにすることで、鉛を含む圧電素子を用いたノッキングセンサと同等ないしそれ以上のセンサ出力特性を得ることが可能となる。
【００１２】
さらに、上記ノッキングセンサであって、前記樹脂に混入した粉末は導電性を有し、前記樹脂成形体は、前記圧電素子の表裏面間の絶縁性を保つ絶縁性を有するノッキングセンサとすると好ましい。
本発明では、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上となるように、粉末を混入させた樹脂を用いて樹脂成形体を形成するが、センサ本体部の外周を導電性の粉末を含有する樹脂成形体で被覆する場合には、圧電素子の表裏面間の絶縁性を確保するように、導電性の粉末の混入量、粒径、粒形状等を調整・制限して樹脂成形体の密度を設定すると良い。例えば、圧電素子の表裏面間の絶縁抵抗として、１ＭΩ以上を保てるようにするのが好ましい。
【００１３】
さらに、上記ノッキングセンサであって、前記樹脂に混入した粉末は、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末であるノッキングセンサとすると良い。
【００１４】
前述したように、本発明のノッキングセンサでは、少なくとも樹脂成形体のウエイト側部については、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入した樹脂を用いて成形する。このため、樹脂に対する粉末の体積比率が大きくなれば、樹脂成形体の成形が困難となる虞がある。
そこで、本発明のノッキングセンサでは、樹脂に混入する粉末について、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末を用いることにした。真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上との粉末を用いることで、少なくとも樹脂成形体のウエイト側部の密度を２．０ｇ／ｃｍ3以上とするために必要な粉末の樹脂に対する体積比率を小さくすることができるので、樹脂成形体の成形に支障が生じることはない。なお、真密度とは、粉末の粒子を構成している固体物質の密度をいう。
【００１５】
さらに、上記いずれかに記載のノッキングセンサであって、前記樹脂に混入した粉末は、絶縁性の金属酸化物粉末であるノッキングセンサとすると良い。
【００１６】
ノッキングセンサは、とりわけ単一の材質からなる樹脂成形体にてセンサ本体の外周全体を被覆する構造のノッキングセンサは、樹脂成形体が絶縁性を有しているのが好ましい。樹脂成形体の絶縁性を確保するには、樹脂に混入する粉末が絶縁性であることが好ましい。そこで、本発明のノッキングセンサでは、樹脂に混入する粉末として、絶縁性の金属酸化物粉末を用いることにした。絶縁性の金属酸化物粉末を用いることで樹脂成形体の絶縁性を確保できるので、樹脂成形体を介して第１電極板と第２電極板とが導通する虞がない。さらに、本発明のノッキングセンサでは、樹脂に混入する粉末の割合に関係なく樹脂成形体の絶縁性を確保することができるため、樹脂成形が可能な範囲で樹脂成形体の密度が調節でき、圧電素子への荷重の調整が可能となる。
なお、このような金属酸化物粉末としては、例えば、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化鉛、フェライト等の粉末が挙げられる。
【００１７】
さらに、上記いずれかに記載のノッキングセンサであって、前記ウエイトの密度は１０．０ｇ／ｃｍ3以上であるノッキングセンサとすると良い。
【００１８】
従来のノッキングセンサのウエイトとしては、例えば、真鍮が用いられており、その密度は８．０ｇ／ｃｍ3程度であった。これに対し、本発明のノッキングセンサでは、密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上のウエイトを用いることにしたので、従来と同じ大きさのウエイトを用いても、ウエイトによる圧電素子への荷重を増大させることができる。従って、本発明のノッキングセンサは、大きさを変えずに樹脂成形体及びウエイトによる圧電素子への荷重を増大させることができ、さらに、センサ出力特性を向上させることが可能となる。密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上となるウエイトの材質としては、例えば、タングステン、モリブデン、鉛等の密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の重金属、これら重金属の合金、及びこれら重金属の焼結金属等が挙げられる。なお、人体への影響を考慮すれば、ウエイトには鉛が含まれていないのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態）
本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態のノッキングセンサ１００は、図１に断面図を示すように、中心部に取付孔１２０ｂを有する、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。このノッキングセンサ１００は、図２に分解斜視図を示すように、円筒状の筒状部１２１とこの一端１２１ｃに位置し、筒状部１２１の径方向外側に向かって突出する円環状の鍔部１２２とからなる主体金具１２０を有する。この主体金具１２０の筒状部１２１の外周には、鍔部１２２側から順に、円環状の第１絶縁板１３０、円環状の第１電極板１４０、円環状の圧電素子１５０、円環状の第２電極板１６０、円環状の第２絶縁板１３５、円環状のウエイト１７０、及び皿バネ１８０が嵌め込まれている。さらに、内周面にネジ部１８５ｂが形成されたナット１８５が筒状部１２１の外周面に形成されたネジ部１２１ｂに螺挿され、第１，第２絶縁板１３０，１３５、第１，第２電極板１４０，１６０、圧電素子１５０、ウエイト１７０、及び皿バネ１８０が鍔部１２２とナット１８５との間に挟まれて固定され、センサ本体１９０を形成している。
【００２０】
なお、筒状部１２１と第１，第２電極板１４０，１６０及び圧電素子１５０との間には円筒状の絶縁スリーブ１３１が介在しており、これらの絶縁を保っている。また、第１，第２電極板１４０，１６０には、両電極間に発生した電圧を外部に出力するための第１，第２端子１４１，１６１がそれぞれ延設されている。このようなセンサ本体１９０が、図１に示すように、樹脂成形体１１０によって被覆され、ノッキングセンサ１００を構成している。ただし、ノッキングセンサ１００を内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付け孔１２０ｂについては、樹脂成形体１１０によって被覆されないで露出している。なお、この樹脂成形体１１０によってコネクタ部１１３が形成され、第１，第２電極板１４０，１６０の第１，第２端子１４１，１６１の一部がコネクタ部１１３の内側に突出する形態で配置される。このコネクタ部１１３を介してノッキングセンサ１００が外部と接続される。また、ノッキングセンサ１００の各構成部品は、従来のノッキングセンサ３００の各構成部品と同等の大きさに形成されている。
【００２１】
この樹脂成形体１１０は、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させたタングステン粉末入り樹脂を用いて形成されており、樹脂成形体１１０全体の密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっている。従って、樹脂成形体１１０のウエイト側部１１１についても密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっており、従来の樹脂成形体３１０の密度（約１．５ｇ／ｃｍ3）に比して大きくなっている。このため、本実施形態の樹脂成形体１１０は、従来の樹脂成形体３１０と同じ大きさに形成しても、従来に比して圧電素子１５０への荷重を増大させることができた。かくして、本実施形態のノッキングセンサ１００では、その大きさを変えることなく圧電素子１５０への荷重を増大させ、センサ出力特性を向上させることができた。
【００２２】
ところで、本実施形態では、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入している。タングステンの真密度は約１９．２ｇ／ｃｍ3であるため、極めて少量のタングステン粉末によって、樹脂成形体１１０のウエイト側部１１１の密度を約２．１ｇ／ｃｍ3とすることができた。従って、ナイロン樹脂に対するタングステン粉末の体積比率が極めて小さいために、樹脂成形体１１０の成形に支障が生じることがなかった。
【００２３】
また、ウエイト１７０についてもタングステンによって形成されており、密度が約１９．２ｇ／ｃｍ3となっている。従って、従来の真鍮製のウエイト３７０の密度（約８．０ｇ／ｃｍ3）に比して大きくなっている。このため、本実施形態のウエイト１７０は、従来のウエイト３７０と同じ大きさに形成しても、従来に比して圧電素子１５０への荷重を増大させることができた。
従って、本実施形態のノッキングセンサ１００は、その大きさを変えずに樹脂成形体１１０及びウエイト１７０による圧電素子１５０への荷重を増大させることができ、センサ出力特性を向上させることができた。しかも、本実施形態のタングステン粉末の混入量では、圧電素子の表裏面間の絶縁性を低下させることがなかった。
【００２４】
このようなノッキングセンサ１００は、次のようにして製造する。
まず、タングステンを円筒状に加工して、図２に示すような、ウエイト１７０を形成する。また、図２に示すような、円筒状の筒状部１２１とこの一端１２１ｃに円環状の鍔部１２２を有する、軟鉄製の主体金具１２０を用意する。次いで、主体金具１２０の筒状部１２１の外周に、ＰＥＴ製の絶縁スリーブ１３１、ＰＥＴ製の第１絶縁板１３０、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金製の第１電極板１４０、ＰＺＴ製の圧電素子１５０、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金製の第２電極板１６０、ＰＥＴ製の第２絶縁板１３５、タングステン製のウエイト１７０、及び皿バネ１８０をこの順に嵌め込む。次いで、軟鉄製のナット１８５を筒状部１２１のネジ部１２１ｂに螺挿し、圧電素子１５０に所定の荷重が加わるまで締付けると共に、第１，第２絶縁板１３０，１３５、第１，第２電極板１４０，１６０、圧電素子１５０、ウエイト１７０、及び皿バネ１８０を鍔部１２２とナット１８５との間に挟んで固定する。このとき、センサ本体１９０が形成される。
【００２５】
一方、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させ、密度を約２．１ｇ／ｃｍ3としたタングステン粉末入り樹脂を用意する。次いで、このタングステン粉末入り樹脂を公知の樹脂モールド成形手法によって射出成形し、図１に示すような、コネクタ部１１３を有する樹脂成形体１１０を形成する。このとき、センサ本体１９０が樹脂成形体１１０によって被覆される。ただし、ノッキングセンサ１００を内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付け孔１２０ｂについては被覆しないで露出させる。このようにして、図１に示すような、ノッキングセンサ１００が完成する。
【００２６】
（変形形態）
実施形態のノッキングセンサ１００の変形形態であるノッキングセンサ２００について、図面を参照しつつ説明する。本変形形態のノッキングセンサ２００は、実施形態のノッキングセンサ１００と比較して樹脂成形体の材質が異なり、その他については同様である。従って、実施形態のノッキングセンサ１００と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については説明を省略または簡略化する。
【００２７】
上述したノッキングセンサ１００では、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入したタングステン粉末入り樹脂を用いて樹脂成形体１１０を形成した。これに対し、図１に示すように、本変形形態のノッキングセンサ２００では、タングステン粉末の代わりに酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を用いてコネクタ部２１３を有する樹脂成形体２１０を形成した。その他の部品については、図１に示すように、実施形態のノッキングセンサ１００と同じ部品を使用している。
なお、樹脂成形体２１０は、実施形態と同様に、酸化タングステン（ＷＯ3）粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させ、密度を約２．１ｇ／ｃｍ3とした酸化タングステン粉末入り樹脂を射出成形して形成した。従って、樹脂成形体２１０全体の密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっており、ウエイト側部２１１についても密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっている。
【００２８】
本変形形態のノッキングセンサ２００では、樹脂に混入する粉末として、絶縁性の酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を用いた。絶縁性の酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を用いることで、樹脂成形体２１０を介して第１電極板１４０と第２電極板１６０とが導通する虞、コネクタ部２１３の絶縁性が低下する虞が全くなかった。さらに、本変形形態のノッキングセンサ２００では、樹脂に混入する粉末の割合に関係なく樹脂成形体２１０の絶縁性を確保することができるので、樹脂成形が可能な範囲で樹脂成形体２１０の密度が調節でき、圧電素子１５０への荷重の調整が可能となった。
【００２９】
以上において、本発明を実施形態及び変形形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態及び変形形態で用いたウエイト１７０，皿バネ１８０，ナット１８５の３部品を１部品に構成して、部品点数を削減したノッキングセンサとしても良い。
【００３０】
また、実施形態では、ナイロン樹脂にタングステン粉末を混入したが、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末、例えば、モリブデン、鉛、鉄、ステンレス等を含んだ粉末を用いても良い。ただし、人体への影響を考慮すれば、鉛が含まれていないのが好ましい。また、混入する粉末の真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上である必要はなく、樹脂成形体全体の密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上となれば良い。さらに、実施形態では、粉末入り樹脂成形体１１０の密度を２．１ｇ／ｃｍ3としたが、この密度は２．０ｇ／ｃｍ3以上とすれば良く、一例として、絶縁性樹脂にタングステン粉末を含有させたカネボウ株式会社製の高比重樹脂ＭＣ１０２Ｋ０７を用いて樹脂成形体１１０の密度を６．０ｇ／ｃｍ3としても良い。
【００３１】
また、粉末入りの樹脂成形体の密度は２．０ｇ／ｃｍ3以上であれば良いが、センサ本体の外周全体を導電性の粉末を含有する樹脂成形体によって被覆する場合には、圧電素子の表裏面に配置される電極板間の絶縁性、及びコネクタ部の端子金具同士の絶縁性を確保することができるように、導電性の粉末の混入量、粒径、粒形状等を調整・制限して樹脂成形体の密度を設定すれば良い。
また、変形形態では、ナイロン樹脂に酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を混入したが、絶縁性の粉末であれば良い。例えば、酸化モリブデン、酸化鉛、フェライト等を含んだ粉末を用いても良い。ただし、人体への影響を考慮すれば、鉛が含まれていないのが好ましい。
【００３２】
また、実施形態では金属粉末であるタングステン粉末を混入し、変形形態では金属酸化物粉末である酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を混入したが、金属粉末と金属酸化物粉末との混合粉末を樹脂に混入するようにしても良い。
また、実施形態及び変形形態では、粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させ、密度を約２．１ｇ／ｃｍ3とした粉末入り樹脂を射出成形して樹脂成形体を形成しており、樹脂成形体全体の密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっている。しかし、樹脂成形体のうち少なくともウエイト側部について粉末入り樹脂を用いて形成すれば良く、例えば、ウエイト側部を密度が約２．１ｇ／ｃｍ3の粉末入り樹脂によって形成し、鍔部側を粉末を含有しない樹脂によって形成した２層からなる樹脂成形体としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかるノッキングセンサ１００の断面図である。
【図２】実施形態にかかるノッキングセンサ１００の組立部品の分解斜視図である。
【図３】従来のノッキングセンサ３００の断面図である。
【図４】従来のノッキングセンサ３００の組立部品の分解斜視図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００ ノッキングセンサ
１２０，３２０ 主体金具
１２１，３２１ 筒状部
１２２，３２２ 鍔部
１５０，３５０ 圧電素子
１７０，３７０ ウエイト
１１０，２１０，３１０ 樹脂成形体
１９０，３９０ センサ本体
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ノッキングセンサに関し、特に、圧電素子を用いた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、自動車等の燃焼室内のノッキング現象を検出する装置として、圧電素子を用いたノッキングセンサが知られており、このノッキングセンサを用いた制御システムによって点火プラグの点火時期を最適な時期に調節している。このようなノッキングセンサとしては、例えば、図３に断面図を示すような、中心部に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３２０ｂを有する、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３００が挙げられる。
【０００３】
このノッキングセンサ３００は、図４に分解斜視図を示すように、円筒状の筒状部３２１とこの一端３２１ｃに位置する円環状の鍔部３２２とからなる主体金具３２０を有する。この主体金具３２０の筒状部３２１の外周には、鍔部３２２側から順に、円環状の第１絶縁板３３０、円環状の第１電極板３４０、円環状の圧電素子３５０、円環状の第２電極板３６０、円環状の第２絶縁板３３５、円環状のウエイト３７０、及び皿バネ３８０が嵌め込まれている。さらに、内周面にネジ部３８５ｂが形成されたナット３８５が筒状部３２１の外周面に形成されたネジ部３２１ｂに螺挿され、第１，第２絶縁板３３０，３３５、第１，第２電極板３４０，３６０、圧電素子３５０、ウエイト３７０、及び皿バネ３８０が鍔部３２２とナット３８５との間に挟まれて固定され、センサ本体３９０を形成している。なお、筒状部３２１と第１，第２電極板３４０，３６０及び圧電素子３５０との間には円筒状の絶縁スリーブ３３１が介在している。
【０００４】
このセンサ本体３９０が樹脂成形体３１０によって被覆され、ノッキングセンサ３００を形成している。なお、ノッキングセンサ３００を内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付け孔３２０ｂについては、樹脂成形体３１０によって被覆されないで露出している。また、樹脂成形体３１０はナイロン樹脂によって形成されており、密度が約１．５ｇ／ｃｍ3となっている。また、ウエイト３７０は真鍮によって形成されており、密度が約８．０ｇ／ｃｍ3となっている。なお、本明細書で示す密度は、室温下での密度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このノッキングセンサ３００は、ウエイト３７０の質量を調整することによって圧電素子３５０への荷重を調整し、センサ出力特性の調整を可能としている。従って、ノッキングセンサ３００の高出力化の要請に応えるべくセンサ出力特性を向上させるためには、ウエイト３７０を大きくしてウエイト３７０の質量を増大させる方法が考えられる。しかし、ノッキングセンサの取付けスペースが限られているためにウエイト３７０を大きくすることはできず、従って、センサ出力特性を向上させることが困難であった。
【０００６】
また、センサ本体３９０を被覆する樹脂成形体３１０についても圧電素子３５０への荷重となり、センサ出力特性に寄与することが知られている。例えば、特開平２−１７３５３０号では、予め大きく形成した樹脂を、形成後に切削することによって圧電素子への荷重を調整し、センサ出力特性を調整する方法が開示されている。しかしながら、この発明は、樹脂成形体の大きさを調整することによってセンサ出力特性を調整するものであるため、センサ出力特性を向上させるには、やはりセンサを大きくしなければならなかった。
【０００７】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、自身の大きさを変えることなく圧電素子への荷重を増大させ、センサ出力特性を向上させることが可能なノッキングセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
その解決手段は、筒状部とこの筒状部の一端に位置する鍔部とを含む主体金具、上記主体金具の上記筒状部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子、及び上記主体金具の上記筒状部の外周に嵌め込まれ、上記鍔部との間に上記圧電素子を挟む環状のウエイト、を有するセンサ本体と、上記センサ本体を被覆する樹脂成形体と、を備えるノッキングセンサであって、上記樹脂成形体のうち少なくとも上記圧電素子の厚さ方向について上記圧電素子よりも上記ウエイト側に位置するウエイト側部は、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入した樹脂からなり、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上であるノッキングセンサである。
【０００９】
従来の樹脂成形体の材質としては、例えば、ナイロン樹脂が用いられており、その密度は１．５ｇ／ｃｍ3程度であった。これに対し、本発明では、樹脂成形体の材質に着目し、この樹脂成形体のうち少なくとも圧電素子の厚さ方向（換言すれば筒状部の軸線方向）について圧電素子よりもウエイト側に位置するウエイト側部については、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入させた樹脂を用いて形成し、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上となるようにしている。樹脂成形体のウエイト側部は圧電素子への荷重に寄与していると考えられるため、本発明のノッキングセンサでは、少なくともこの部分の密度を２．０ｇ／ｃｍ3以上としている。
【００１０】
従って、本発明の樹脂成形体は、従来と同じ大きさに形成しても、少なくとも上記ウエイト側部の密度が大きくなっているため、従来に比して圧電素子への荷重を増大させることができる。かくして、本発明のノッキングセンサでは、その大きさを変えることなく圧電素子への荷重を増大させ、センサ出力特性を向上させることが可能となる。また、センサ出力特性を従来と同程度に確保した状態で、センサの小型化を図ることが可能となる。
なお、金属粉末としては、例えば、タングステン、モリブデン、鉛、鉄、ステンレス等の粉末が挙げられ、金属酸化物粉末としては、酸化タングステン、酸化モリブデン、フェライト等の粉末が挙げられる。ただし、人体への影響を考慮すれば、金属粉末及び金属酸化物粉末には鉛が含まれていないのが好ましい。
【００１１】
また、環境保護に対する規制が高まりつつある近年では、鉛を含まない圧電素子を用いたノッキングセンサが検討されているが、鉛を含まない圧電素子を用いると、鉛を含む圧電素子と比較してセンサ出力特性が低下する傾向にある。そこで、この鉛を含まない圧電素子を用いる構造のノッキングセンサにおいては、本発明のように、樹脂成形体のうち少なくともウエイト側部について、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入させた樹脂を用いて形成し、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上とすることが有用となる。このようにすることで、鉛を含む圧電素子を用いたノッキングセンサと同等ないしそれ以上のセンサ出力特性を得ることが可能となる。
【００１２】
さらに、上記ノッキングセンサであって、前記樹脂に混入した粉末は導電性を有し、前記樹脂成形体は、前記圧電素子の表裏面間の絶縁性を保つ絶縁性を有するノッキングセンサとすると好ましい。
本発明では、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上となるように、粉末を混入させた樹脂を用いて樹脂成形体を形成するが、センサ本体部の外周を導電性の粉末を含有する樹脂成形体で被覆する場合には、圧電素子の表裏面間の絶縁性を確保するように、導電性の粉末の混入量、粒径、粒形状等を調整・制限して樹脂成形体の密度を設定すると良い。例えば、圧電素子の表裏面間の絶縁抵抗として、１ＭΩ以上を保てるようにするのが好ましい。
【００１３】
さらに、上記ノッキングセンサであって、前記樹脂に混入した粉末は、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末であるノッキングセンサとすると良い。
【００１４】
前述したように、本発明のノッキングセンサでは、少なくとも樹脂成形体のウエイト側部については、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入した樹脂を用いて成形する。このため、樹脂に対する粉末の体積比率が大きくなれば、樹脂成形体の成形が困難となる虞がある。
そこで、本発明のノッキングセンサでは、樹脂に混入する粉末について、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末を用いることにした。真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上との粉末を用いることで、少なくとも樹脂成形体のウエイト側部の密度を２．０ｇ／ｃｍ3以上とするために必要な粉末の樹脂に対する体積比率を小さくすることができるので、樹脂成形体の成形に支障が生じることはない。なお、真密度とは、粉末の粒子を構成している固体物質の密度をいう。
【００１５】
さらに、上記いずれかに記載のノッキングセンサであって、前記樹脂に混入した粉末は、絶縁性の金属酸化物粉末であるノッキングセンサとすると良い。
【００１６】
ノッキングセンサは、とりわけ単一の材質からなる樹脂成形体にてセンサ本体の外周全体を被覆する構造のノッキングセンサは、樹脂成形体が絶縁性を有しているのが好ましい。樹脂成形体の絶縁性を確保するには、樹脂に混入する粉末が絶縁性であることが好ましい。そこで、本発明のノッキングセンサでは、樹脂に混入する粉末として、絶縁性の金属酸化物粉末を用いることにした。絶縁性の金属酸化物粉末を用いることで樹脂成形体の絶縁性を確保できるので、樹脂成形体を介して第１電極板と第２電極板とが導通する虞がない。さらに、本発明のノッキングセンサでは、樹脂に混入する粉末の割合に関係なく樹脂成形体の絶縁性を確保することができるため、樹脂成形が可能な範囲で樹脂成形体の密度が調節でき、圧電素子への荷重の調整が可能となる。
なお、このような金属酸化物粉末としては、例えば、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化鉛、フェライト等の粉末が挙げられる。
【００１７】
さらに、上記いずれかに記載のノッキングセンサであって、前記ウエイトの密度は１０．０ｇ／ｃｍ3以上であるノッキングセンサとすると良い。
【００１８】
従来のノッキングセンサのウエイトとしては、例えば、真鍮が用いられており、その密度は８．０ｇ／ｃｍ3程度であった。これに対し、本発明のノッキングセンサでは、密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上のウエイトを用いることにしたので、従来と同じ大きさのウエイトを用いても、ウエイトによる圧電素子への荷重を増大させることができる。従って、本発明のノッキングセンサは、大きさを変えずに樹脂成形体及びウエイトによる圧電素子への荷重を増大させることができ、さらに、センサ出力特性を向上させることが可能となる。密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上となるウエイトの材質としては、例えば、タングステン、モリブデン、鉛等の密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の重金属、これら重金属の合金、及びこれら重金属の焼結金属等が挙げられる。なお、人体への影響を考慮すれば、ウエイトには鉛が含まれていないのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態）
本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態のノッキングセンサ１００は、図１に断面図を示すように、中心部に取付孔１２０ｂを有する、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。このノッキングセンサ１００は、図２に分解斜視図を示すように、円筒状の筒状部１２１とこの一端１２１ｃに位置し、筒状部１２１の径方向外側に向かって突出する円環状の鍔部１２２とからなる主体金具１２０を有する。この主体金具１２０の筒状部１２１の外周には、鍔部１２２側から順に、円環状の第１絶縁板１３０、円環状の第１電極板１４０、円環状の圧電素子１５０、円環状の第２電極板１６０、円環状の第２絶縁板１３５、円環状のウエイト１７０、及び皿バネ１８０が嵌め込まれている。さらに、内周面にネジ部１８５ｂが形成されたナット１８５が筒状部１２１の外周面に形成されたネジ部１２１ｂに螺挿され、第１，第２絶縁板１３０，１３５、第１，第２電極板１４０，１６０、圧電素子１５０、ウエイト１７０、及び皿バネ１８０が鍔部１２２とナット１８５との間に挟まれて固定され、センサ本体１９０を形成している。
【００２０】
なお、筒状部１２１と第１，第２電極板１４０，１６０及び圧電素子１５０との間には円筒状の絶縁スリーブ１３１が介在しており、これらの絶縁を保っている。また、第１，第２電極板１４０，１６０には、両電極間に発生した電圧を外部に出力するための第１，第２端子１４１，１６１がそれぞれ延設されている。このようなセンサ本体１９０が、図１に示すように、樹脂成形体１１０によって被覆され、ノッキングセンサ１００を構成している。ただし、ノッキングセンサ１００を内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付け孔１２０ｂについては、樹脂成形体１１０によって被覆されないで露出している。なお、この樹脂成形体１１０によってコネクタ部１１３が形成され、第１，第２電極板１４０，１６０の第１，第２端子１４１，１６１の一部がコネクタ部１１３の内側に突出する形態で配置される。このコネクタ部１１３を介してノッキングセンサ１００が外部と接続される。また、ノッキングセンサ１００の各構成部品は、従来のノッキングセンサ３００の各構成部品と同等の大きさに形成されている。
【００２１】
この樹脂成形体１１０は、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させたタングステン粉末入り樹脂を用いて形成されており、樹脂成形体１１０全体の密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっている。従って、樹脂成形体１１０のウエイト側部１１１についても密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっており、従来の樹脂成形体３１０の密度（約１．５ｇ／ｃｍ3）に比して大きくなっている。このため、本実施形態の樹脂成形体１１０は、従来の樹脂成形体３１０と同じ大きさに形成しても、従来に比して圧電素子１５０への荷重を増大させることができた。かくして、本実施形態のノッキングセンサ１００では、その大きさを変えることなく圧電素子１５０への荷重を増大させ、センサ出力特性を向上させることができた。
【００２２】
ところで、本実施形態では、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入している。タングステンの真密度は約１９．２ｇ／ｃｍ3であるため、極めて少量のタングステン粉末によって、樹脂成形体１１０のウエイト側部１１１の密度を約２．１ｇ／ｃｍ3とすることができた。従って、ナイロン樹脂に対するタングステン粉末の体積比率が極めて小さいために、樹脂成形体１１０の成形に支障が生じることがなかった。
【００２３】
また、ウエイト１７０についてもタングステンによって形成されており、密度が約１９．２ｇ／ｃｍ3となっている。従って、従来の真鍮製のウエイト３７０の密度（約８．０ｇ／ｃｍ3）に比して大きくなっている。このため、本実施形態のウエイト１７０は、従来のウエイト３７０と同じ大きさに形成しても、従来に比して圧電素子１５０への荷重を増大させることができた。
従って、本実施形態のノッキングセンサ１００は、その大きさを変えずに樹脂成形体１１０及びウエイト１７０による圧電素子１５０への荷重を増大させることができ、センサ出力特性を向上させることができた。しかも、本実施形態のタングステン粉末の混入量では、圧電素子の表裏面間の絶縁性を低下させることがなかった。
【００２４】
このようなノッキングセンサ１００は、次のようにして製造する。
まず、タングステンを円筒状に加工して、図２に示すような、ウエイト１７０を形成する。また、図２に示すような、円筒状の筒状部１２１とこの一端１２１ｃに円環状の鍔部１２２を有する、軟鉄製の主体金具１２０を用意する。次いで、主体金具１２０の筒状部１２１の外周に、ＰＥＴ製の絶縁スリーブ１３１、ＰＥＴ製の第１絶縁板１３０、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金製の第１電極板１４０、ＰＺＴ製の圧電素子１５０、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金製の第２電極板１６０、ＰＥＴ製の第２絶縁板１３５、タングステン製のウエイト１７０、及び皿バネ１８０をこの順に嵌め込む。次いで、軟鉄製のナット１８５を筒状部１２１のネジ部１２１ｂに螺挿し、圧電素子１５０に所定の荷重が加わるまで締付けると共に、第１，第２絶縁板１３０，１３５、第１，第２電極板１４０，１６０、圧電素子１５０、ウエイト１７０、及び皿バネ１８０を鍔部１２２とナット１８５との間に挟んで固定する。このとき、センサ本体１９０が形成される。
【００２５】
一方、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させ、密度を約２．１ｇ／ｃｍ3としたタングステン粉末入り樹脂を用意する。次いで、このタングステン粉末入り樹脂を公知の樹脂モールド成形手法によって射出成形し、図１に示すような、コネクタ部１１３を有する樹脂成形体１１０を形成する。このとき、センサ本体１９０が樹脂成形体１１０によって被覆される。ただし、ノッキングセンサ１００を内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付け孔１２０ｂについては被覆しないで露出させる。このようにして、図１に示すような、ノッキングセンサ１００が完成する。
【００２６】
（変形形態）
実施形態のノッキングセンサ１００の変形形態であるノッキングセンサ２００について、図面を参照しつつ説明する。本変形形態のノッキングセンサ２００は、実施形態のノッキングセンサ１００と比較して樹脂成形体の材質が異なり、その他については同様である。従って、実施形態のノッキングセンサ１００と異なる部分を中心に説明し、同様な部分については説明を省略または簡略化する。
【００２７】
上述したノッキングセンサ１００では、タングステン粉末をナイロン樹脂に混入したタングステン粉末入り樹脂を用いて樹脂成形体１１０を形成した。これに対し、図１に示すように、本変形形態のノッキングセンサ２００では、タングステン粉末の代わりに酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を用いてコネクタ部２１３を有する樹脂成形体２１０を形成した。その他の部品については、図１に示すように、実施形態のノッキングセンサ１００と同じ部品を使用している。
なお、樹脂成形体２１０は、実施形態と同様に、酸化タングステン（ＷＯ3）粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させ、密度を約２．１ｇ／ｃｍ3とした酸化タングステン粉末入り樹脂を射出成形して形成した。従って、樹脂成形体２１０全体の密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっており、ウエイト側部２１１についても密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっている。
【００２８】
本変形形態のノッキングセンサ２００では、樹脂に混入する粉末として、絶縁性の酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を用いた。絶縁性の酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を用いることで、樹脂成形体２１０を介して第１電極板１４０と第２電極板１６０とが導通する虞、コネクタ部２１３の絶縁性が低下する虞が全くなかった。さらに、本変形形態のノッキングセンサ２００では、樹脂に混入する粉末の割合に関係なく樹脂成形体２１０の絶縁性を確保することができるので、樹脂成形が可能な範囲で樹脂成形体２１０の密度が調節でき、圧電素子１５０への荷重の調整が可能となった。
【００２９】
以上において、本発明を実施形態及び変形形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態及び変形形態で用いたウエイト１７０，皿バネ１８０，ナット１８５の３部品を１部品に構成して、部品点数を削減したノッキングセンサとしても良い。
【００３０】
また、実施形態では、ナイロン樹脂にタングステン粉末を混入したが、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末、例えば、モリブデン、鉛、鉄、ステンレス等を含んだ粉末を用いても良い。ただし、人体への影響を考慮すれば、鉛が含まれていないのが好ましい。また、混入する粉末の真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上である必要はなく、樹脂成形体全体の密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上となれば良い。さらに、実施形態では、粉末入り樹脂成形体１１０の密度を２．１ｇ／ｃｍ3としたが、この密度は２．０ｇ／ｃｍ3以上とすれば良く、一例として、絶縁性樹脂にタングステン粉末を含有させたカネボウ株式会社製の高比重樹脂ＭＣ１０２Ｋ０７を用いて樹脂成形体１１０の密度を６．０ｇ／ｃｍ3としても良い。
【００３１】
また、粉末入りの樹脂成形体の密度は２．０ｇ／ｃｍ3以上であれば良いが、センサ本体の外周全体を導電性の粉末を含有する樹脂成形体によって被覆する場合には、圧電素子の表裏面に配置される電極板間の絶縁性、及びコネクタ部の端子金具同士の絶縁性を確保することができるように、導電性の粉末の混入量、粒径、粒形状等を調整・制限して樹脂成形体の密度を設定すれば良い。
また、変形形態では、ナイロン樹脂に酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を混入したが、絶縁性の粉末であれば良い。例えば、酸化モリブデン、酸化鉛、フェライト等を含んだ粉末を用いても良い。ただし、人体への影響を考慮すれば、鉛が含まれていないのが好ましい。
【００３２】
また、実施形態では金属粉末であるタングステン粉末を混入し、変形形態では金属酸化物粉末である酸化タングステン（ＷＯ3）粉末を混入したが、金属粉末と金属酸化物粉末との混合粉末を樹脂に混入するようにしても良い。
また、実施形態及び変形形態では、粉末をナイロン樹脂に混入しつつ分散させ、密度を約２．１ｇ／ｃｍ3とした粉末入り樹脂を射出成形して樹脂成形体を形成しており、樹脂成形体全体の密度が約２．１ｇ／ｃｍ3となっている。しかし、樹脂成形体のうち少なくともウエイト側部について粉末入り樹脂を用いて形成すれば良く、例えば、ウエイト側部を密度が約２．１ｇ／ｃｍ3の粉末入り樹脂によって形成し、鍔部側を粉末を含有しない樹脂によって形成した２層からなる樹脂成形体としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかるノッキングセンサ１００の断面図である。
【図２】実施形態にかかるノッキングセンサ１００の組立部品の分解斜視図である。
【図３】従来のノッキングセンサ３００の断面図である。
【図４】従来のノッキングセンサ３００の組立部品の分解斜視図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００ ノッキングセンサ
１２０，３２０ 主体金具
１２１，３２１ 筒状部
１２２，３２２ 鍔部
１５０，３５０ 圧電素子
１７０，３７０ ウエイト
１１０，２１０，３１０ 樹脂成形体
１９０，３９０ センサ本体
Claims (4)
- 筒状部とこの筒状部の一端に位置する鍔部とを含む主体金具、
上記主体金具の上記筒状部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子、及び
上記主体金具の上記筒状部の外周に嵌め込まれ、上記鍔部との間に上記圧電素子を挟む環状のウエイト、
を有するセンサ本体と、
上記センサ本体を被覆する樹脂成形体と、
を備えるノッキングセンサであって、
上記樹脂成形体のうち少なくとも上記圧電素子の厚さ方向について上記圧電素子よりも上記ウエイト側に位置するウエイト側部は、金属粉末及び金属酸化物粉末の少なくともいずれかからなる粉末を混入した樹脂からなり、密度が２．０ｇ／ｃｍ3以上である
ノッキングセンサ。 - 請求項１に記載のノッキングセンサであって、
前記樹脂に混入した粉末は、真密度が１０．０ｇ／ｃｍ3以上の粉末である
ノッキングセンサ。 - 請求項１または請求項２に記載のノッキングセンサであって、
前記樹脂に混入した粉末は、絶縁性の金属酸化物粉末である
ノッキングセンサ。 - 請求項１〜請求項３に記載のノッキングセンサであって、
前記ウエイトの密度は１０．０ｇ／ｃｍ3以上である
ノッキングセンサ。
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