JP4138696B2

JP4138696B2 - ノックセンサ

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Publication number: JP4138696B2
Application number: JP2004124266A
Authority: JP
Inventors: 治昌柴田; 章人横井; 恵三三宅; 秀弘稲葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Fuji Ceramics Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Fuji Ceramics Corp
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: DE102004054763B4; KR100586141B1; US7007544B2; DE102004054763A1; US7207207B2; JP2005308482A; CN1690673A; US20060090543A1; US20050229678A1; CN100437052C; KR20050102043A

Description

この発明は、ノックセンサ、例えば内燃機関等の振動発生部に装着され、内燃機関等のノッキング振動を電気信号に変換して検出する非共振型のノックセンサに関するものである。

従来のノックセンサの構成を図にもとづいて説明する。図８は、一般的に知られているノックセンサ７０の内部構造を示す断面図である。内燃機関等の振動発生部にボルト等で装着される金属製のベース２１は、ボルト貫通用の孔２２が形成された筒部２１ｂと、その一端に形成された円板状のフランジ部２１ａとから構成され、筒部２１ｂにはフランジ部２１ａに接するように、下側絶縁シート７が嵌挿され、その上に順次次のものが嵌挿されている。

即ち、下側ターミナルプレート５、上下面に全面電極４ａを有する圧電素子４、上側ターミナルプレート６、上側絶縁シート８、ウェイト９である。次に、筒部２１ｂの先端外周面に螺刻された雄ネジ部２１ｃにナット２３を螺合して、トルクレンチなどの工具を使用して上記各構成部品を所定のトルクでフランジ部２１ａに締め付ける。その後、下側ターミナルプレート５及び上側ターミナルプレート６に端子部１４を半田付けまたは抵抗溶接などにより接合し、ベース２１の筒部２１ｂの内周面及び両端面以外を樹脂モールドによって被覆してケース１３を形成する一方、信号を取り出すためのコネクタ部１５をケース１３の一側面から突出するように一体に同時モールド成形する構成となっている。

この種のノックセンサは、ベース２１の軸方向に設けられた貫通孔２２に挿入されるボルトによって例えば内燃機関に取り付けられる。そして、内燃機関にノッキング振動が発生すると、ノックセンサを構成する圧電素子４やウェイト９などの構成部材がノッキング振動と一体になって振動し、この振動を圧電素子４で電圧信号に変換して、下側ターミナルプレート５及び上側ターミナルプレート６を介して検出信号を端子部１４から外部に出力するようにされている。（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−２５７６２４号公報（段落０００８−００１０、図１）

従来のノックセンサは上記のように構成されており、圧電素子４の電極４ａをターミナルプレート５、６と接する面の全面に設けているため、圧電素子４の有する静電容量は圧電素子の厚みと全面電極面積に相応するレベルによって定まり、ノッキング振動により取り出される出力信号のレベルも所定のレベルに定まる。しかるに、ノッキング振動により取り出される出力信号のレベルを変えるには圧電素子４の厚み、もしくは直径を変更することが必要であるが、この場合にはノックセンサの外形形状を変更する必要性も生じる。

このため、圧電素子４のターミナルプレート５、６と接する面に全面電極を設けるのではなく、部分的に電極を設ける必要性が生じるが、圧電素子４を部分電極にすると、圧電素子４とターミナルプレート５、６間には圧電素子の部分電極の厚みに相当する隙間が存在することになるため、以下のような問題点のあることが分かった。

即ち、圧電素子４は部分電極部の分極処理を施す際に、これに伴い部分電極周辺の無電極部にも分極作用が及び、環境温度変化に伴うパイロ（焦電）効果により生じる電荷は、電極がある部分はターミナルプレート５、６を通して逐次緩やかに放電されるが、電極が存在しない部分では蓄積されていく。この圧電素子の無電極部に蓄積された電荷は、圧電素子４とターミナルプレート５もしくは６間に存在する隙間に応じた電圧で絶縁破壊を起こし、ターミナルプレート５もしくは６に向かって瞬時に放電される。

この放電によってターミナルプレート５もしくは６に移った電荷は、圧電素子４に環流される形で印加される。この際、圧電素子４の電極極性と同じ極性の電荷が印加されることで圧電素子４は分極方向に瞬時に伸張し、逆極性の電荷を内部に生じる。このように従来のノックセンサの構成で圧電素子の電極を部分電極化した場合は温度変化の際にノックセンサの出力にノイズが重畳するという問題点を有していた。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、同一外形形状で出力感度の異なるノックセンサを提供することが必要な場合において、温度変化に伴う出力ノイズの発生を抑えることが可能なノックセンサを提供することを目的とする。

この発明に係るノックセンサは、振動発生部に装着された筒部と、この筒部の一部に設けられたフランジ部とを有するベース、上記筒部に挿着され上記振動発生部のノッキング振動を電気信号に変換して検出する環状の圧電素子、上記圧電素子の両面にそれぞれ接するように設けられた電極、上記各電極に当接配置され、上記圧電素子の出力を外部に取り出すターミナルプレート、上記圧電素子、電極及びターミナルプレートを上記フランジ部に押圧保持する保持手段を備え、上記電極は上記圧電素子の幅より狭い幅を有し連続した環状に形成され上記圧電素子の幅方向の中央部に沿って装着されると共に、上記電極の両側における上記圧電素子が上記電極と接触しない部分には、上記電極とほぼ同じ厚さの電気絶縁材料を設けるようにしたものである。

この発明に係るノックセンサは以上のように構成されているため、圧電素子の部分電極面積を変えることにより圧電素子の静電容量を変えることが可能となり、出力感度の異なるノックセンサが同一外形形状で得られると共に、ノックセンサは温度変化に伴うパイロ効果で圧電素子の無電極部に生じた電荷によるターミナルプレートへの放電を防ぐことができ、温度変化が生じた際にもノイズが重畳することのない安定した出力を得ることも可能となる。
また、電気絶縁性材料の圧電素子もしくはターミナルプレートへの塗布を合理的かつ均一に行なう製造方法を採用することが可能となるものである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１におけるノックセンサ１の内部構成を示す断面図である。
ノックセンサ１は合成樹脂（例えば、ナイロン６６）製のケース１３によって全ての構成部品が覆われた構成とされ、上記ケース１３には点火時期制御装置（図示せず）からのコネクタを接続するコネクタ部１５が形成されている。

ベース２は金属製で、貫通孔３を有する筒部２ｂと、その一端部に設けられた円板状のフランジ部２ａとからなり、フランジ部２ａの外周面及び筒部２ｂの先端（図では上端）外周面にはケース１３との係合を確実にすると共に外部からの水などの侵入を防止する複数の係合溝１１、１２が形成されている。筒部２ｂのフランジ部２ａ寄りの部分に環状の圧電素子４が嵌挿されている。この圧電素子４は詳細構成が図２（ａ）の平面図と、そのＥ−Ｅ線からの断面を示す図２（ｂ）に示されている。

即ち、圧電素子４の両面のターミナルプレート５、６と接する面には所定の厚み(数ミクロンから十数ミクロン)を有する部分電極４ｂが形成されており、中央の孔部４ｃが筒部２ｂに嵌挿され、ベース２を介して伝わる軸方向の振動を電圧信号として出力するようにされている。
また、圧電素子４の部分電極４ｂは圧電素子４のターミナルプレートの全面ではなく、一部に接触するような形状に成形されて分極処理が施され、圧電素子４はその厚みと部分電極４ｂの面積に相応する静電容量を有し、ノックセンサ１の出力感度を決める要素となるものである。

また、圧電素子４の表面の無電極部、即ち部分電極４ｂが設けられていない部分とターミナルプレート５、及び６間に存在する圧電素子４の部分電極４ｂの厚みに相当する隙間には電気絶縁性材料Ａが充満されている。この電気絶縁性材料Ａとしてはシリコーングリスやシリコーンオイルが適当である。電気絶縁性材料Ａを圧電素子４の電極形成面に塗布するには、所定の材料を吐出させるディスペンサーの吐出口下で圧電素子４を回転させ、所定の塗布面に均一に塗布する方法や圧電素子４を固定し、ディスペンサーを所定の軌跡で移動させて塗布する方法等がある。

更に、所定の材料を回転ローラーへ滴下させ、回転ローラー間へ圧電素子４を通過させることで上下の電極形成面に同時に塗布する方法でもよい。
下側ターミナルプレート５は導電性金属板により形成され、ベース２の筒部２ｂに嵌挿された状態で、圧電素子４の下面から部分電極４ｂに当接している。また、上側ターミナルプレート６は同じく導電性金属板により形成され、ベース２の筒部２ｂに嵌挿された状態で、圧電素子４の上面から部分電極４ｂに当接するようにされている。

下側ターミナルプレート５とフランジ部２ａとの間には薄い板状の絶縁樹脂を円環状に形成した下側絶縁シート７が配設され、下側ターミナルプレート５とフランジ部２ａとを絶縁している。また、同じく上側ターミナルプレート６の上面には薄い板状の絶縁樹脂を円環状に形成した上側絶縁シート８が載置され、上側ターミナルプレート６と後述するウェイト９とを絶縁している。

ウェイト９は圧電素子４に加振力を与えるためのもので、環状に形成されてベース２の筒部２ｂに嵌挿され、上側絶縁シート８の上側に設けられている。ナット２３は筒部２ｂの先端外周面に螺刻された雄ネジ部２ｃに螺合され、筒部２ｂに嵌挿された下側絶縁シート７、下側ターミナルプレート５、圧電素子４、上側ターミナルプレート６、上側絶縁シート８、ウェイト９を所定の締め付けトルクで締め付け、フランジ部２ａとの間で挟圧保持した状態で固定する。

この結果、圧電素子４の電極形成面に塗布された電気絶縁性材料Ａは圧電素子４の電極形成面の無電極部とターミナルプレート５及び６間に存在する圧電素子４の部分電極４ｂの厚みに相当する隙間に流動し、充満する。その後、下側ターミナルプレート５、上側ターミナルプレート６に端子部１４を半田付けまたは抵抗溶接などにより接合し、ベース２の筒部２ｂの内周面及び両端面以外を樹脂モールドによって被覆してケース１３を形成する一方、信号を取り出すためのコネクタ部１５をケース１３の一側面に突出させて一体に同時モールド成形する構成となっている。

このように、実施の形態１によるノックセンサは、圧電素子４の電極形成面に部分電極４ｂを形成すると共に、無電極部とターミナルプレート５、６間に存在する圧電素子の部分電極厚みに相当する隙間に電気絶縁性材料Ａを充満させたものである。

このような構成とすることにより、部分電極４ｂの電極面積を変えて圧電素子の静電容量を変えることが可能となり、出力感度の異なるノックセンサを同一外形形状で得ることができ、また、温度変化に伴なうパイロ効果で圧電素子の無電極部に生じた電荷によるターミナルプレートへの放電を防ぐことができ、温度変化が生じた際にもノイズが重畳することのない安定した出力を得ることが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。
図３は、この発明の実施の形態２におけるノックセンサ２０の内部構成を示す断面図である。
実施の形態２は実施の形態１と同様の構成であるが、圧電素子４の電極形成面の無電極部とターミナルプレート５及び６間に存在する圧電素子４の部分電極４ｂの厚みに相当する隙間には導電性接着剤Ｂが充満されている。導電性接着剤Ｂとしては導電性金属粉を含有するエポキシ系接着剤が適当である。

導電性接着剤Ｂを圧電素子４の電極形成面に塗布するには、所定の材料を吐出させるディスペンサーの吐出口下で圧電素子４を回転させ、所定の塗布面に均一に塗布する方法や圧電素子４を固定し、ディスペンサーを所定の軌跡で移動させて塗布する方法等がある。
導電性接着剤Ｂを圧電素子４の電極面に塗布した後、実施の形態１と同様に、ベースの筒部２ｂに、下方から下側絶縁シート７、下側ターミナルプレート５、圧電素子４、上側ターミナルプレート６、上側絶縁シート８、ウェイト９を順次嵌挿し、フランジ部２ａ上に積み上げる。

その後、筒部２ｂの先端外周面に螺刻した雄ネジ部２ｃに螺合したナット２３をトルクレンチ締付ヘッドなどの工具を使用して所定のトルクで締め付け、上記構成部品をフランジ部２ａとの間で挟圧保持した状態で固定する。この結果、圧電素子４の電極形成面に塗布された導電性接着剤Ｂは圧電素子４の電極形成面の無電極部とターミナルプレート５及び６間に存在する圧電素子４の部分電極４ｂの厚みに相当する隙間に流動し、充満する。

この状態にて１００℃から１２０℃程度の乾燥炉にて数時間加熱し、導電性接着剤Ｂを乾燥させる。その後、下側ターミナルプレート５、上側ターミナルプレート６に端子部１４を半田付けまたは抵抗溶接などにより接合し、ベース２の筒部２ｂの内周面及び両端面以外を樹脂モールドによって被覆してケース１３を形成する一方、信号を取り出すためのコネクタ部１５をケース１３の一側面に突出させて一体に同時モールド成形する構成となっている。

このように、実施の形態２によるノックセンサは、圧電素子４の電極形成面に部分電極４ｂを形成すると共に、電極形成面の無電極部とターミナルプレート５、６間に存在する圧電素子の部分電極の厚みに相当する隙間に導電性接着剤Ｂを充満させたものである。

このような構成とすることにより、部分電極４ｂの電極面積を変えて圧電素子の静電容量を変えることが可能となり、出力感度の異なるノックセンサを同一外形形状で得ることができ、また、温度変化に伴なうパイロ効果で圧電素子の無電極部に生じた電荷が随時、導電性接着剤Ｂを経てターミナルプレートへ移動し、圧電素子の無電極部とターミナルプレート間での放電が生じないので、温度変化が生じた際にもノイズが重畳することのない安定した出力を得ることが可能となる。また、導電性接着剤Ｂの圧電素子への塗布を合理的かつ均一に行なう製造方法を採用することが可能となるものである。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図４は、実施の形態４の構成を示す断面図である。実施の形態３のノックセンサにおいては、圧電素子４の電極形成面の無電極部とターミナルプレート５及び６間に存在する圧電素子４の部分電極４ｂの厚みに相当する隙間に、その隙間より粒径の小さなフィラーを含有する電気絶縁性材料Ｃを充満させるものである。その他の構成は実施の形態１と同一であるため、説明を省略する。また、製造方法は実施の形態１と同様な製造方法により製造可能であるが、電気絶縁性材料Ａ中のフィラーが上述した隙間内で潰されることなく分散されるため、電気絶縁性材料Ｃの有する物性を損なうことなく上記隙間に充満させることが出来るものである。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。
図５は、この発明の実施の形態４におけるノックセンサ４０の内部構成を示す断面図である。
実施の形態４のノックセンサは実施の形態１のノックセンサとほぼ同様であるが、ウェイト９の上にはスプリング１０が位置するようにベース２の筒部２ｂに嵌挿される。
ナット２３はスプリング１０を介して筒部２ｂに嵌挿された下側絶縁シート７、下側ターミナルプレート５、圧電素子４、上側ターミナルプレート６、上側絶縁シート８、ウェイト９をフランジ部２ａとの間で挟圧保持することになるため、しっかりと締め付け固定することができる。

その後、下側ターミナルプレート５、上側ターミナルプレート６に端子部１４を半田付けまたは抵抗溶接などにより接合し、ベース２の筒部２ｂの内周面及び両端面以外を樹脂モールドによって被覆してケース１３を形成する一方、信号を取り出すためのコネクタ部１５をケース１３の一側面に突出させて一体に同時モールド成形する構成となっている。
なお、図５では圧電素子４の部分電極４ｂの厚みに相当する隙間に電気絶縁性材料Ａが充満されている例を示しているが、電気絶縁性材料Ａの代わりに導電性接着剤Ｂを充満するようにしても同様な効果を期待することができる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５を図にもとづいて説明する。
図６は、この発明の実施の形態５におけるノックセンサ５０の内部構成を示す断面図である。
実施の形態５のノックセンサは実施の形態１のノックセンサとほぼ同様であるが、ナット２３に代わるストッパリング２４をベース２の筒部２ｂに嵌挿し、筒部２ｂに嵌挿されたウェイト９、上側絶縁シート８や上側ターミナルプレート６、圧電素子４、下側ターミナルプレート５、下側絶縁シート７をベース２のフランジ部２ａとの間で挟圧保持した状態で、筒部２ｂの溝２５にカシメ固定するものである。

その後、下側ターミナルプレート５、上側ターミナルプレート６に端子部１４を半田付けまたは抵抗溶接などにより接合し、ベース２の筒部２ｂの内周面及び両端面以外を樹脂モールドによって被覆してケース１３を形成する−方、信号を取り出すためのコネクタ部１５をケース１３の一側面に突出させて一体に同時モールド成形する構成となっている。
なお、図６では圧電素子４の部分電極厚みに相当する隙間に電気絶縁性材料Ａが充満されている例を示しているが、電気絶縁性材料Ａの代わりに導電性接着剤Ｂを充満するようにしても同様な効果を期待することができる。

実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６を図にもとづいて説明する。
図７は、この発明の実施の形態６におけるノックセンサ６０の内部構成を示す断面図である。
実施の形態６のノックセンサは実施の形態５のノックセンサとほぼ同様であるが、筒部２ｂにカシメ固定するストッパリング２４とウェイト９の間に皿ばねであるスプリング１０を嵌め込み、皿ばね１０を介してウェイト９、上側絶縁シート８や上側ターミナルプレート６、圧電素子４、下側ターミナルプレート５、下側絶縁シート７をベースのフランジ部２ａとの間で挟圧保持するようにしたものである。

その後、下側ターミナルプレート５、上側ターミナルプレート６に端子部１４を半田付けまたは抵抗溶接などにより接合し、ベース２の筒部２ｂの内周面及び両端面以外を樹脂モールドによって被覆してケース１３を形成する一方、信号を取り出すためのコネクタ部１５をケース１３の一側面に突出させて一体に同時モールド成形する構成となっている。
なお、図７では圧電素子４の部分電極厚みに相当する隙間に電気絶縁性材料Ａが充満されている例を示しているが、電気絶縁性材料Ａの代わりに導電性接着剤Ｂを充満するようにしても同様な効果を期待することができる。

この発明の実施の形態１におけるノックセンサの内部構成を示す断面図である。実施の形態１における圧電素子の構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＥ−Ｅ線からの断面を示す断面図である。この発明の実施の形態２におけるノックセンサの内部構成を示す断面図である。この発明の実施の形態３におけるノックセンサの内部構成を示す断面図である。この発明の実施の形態４におけるノックセンサの内部構成を示す断面図である。この発明の実施の形態５におけるノックセンサの内部構成を示す断面図である。この発明の実施の形態６におけるノックセンサの内部構成を示す断面図である。従来のノックセンサの構成を示す断面図である。

符号の説明

１、２０、３０、４０、５０、６０、７０ノックセンサ、
２ベース、２ａフランジ部、２ｂ筒部、２ｃ雄ネジ部、
４圧電素子、４ｂ圧電素子部分電極、５、６ターミナルプレート、
７、８絶縁シート、９ウェイト、１０皿ばね、１３ケース、
１４電極部、２３ナット、２４ストッパリング、２５溝、
Ａ電気絶縁性材料、Ｂ導電性接着剤、
Ｃフィラーを含有する電気絶縁性材料。

Claims

振動発生部に装着された筒部と、この筒部の一部に設けられたフランジ部とを有するベース、上記筒部に挿着され上記振動発生部のノッキング振動を電気信号に変換して検出する環状の圧電素子、上記圧電素子の両面にそれぞれ接するように設けられた電極、上記各電極に当接配置され、上記圧電素子の出力を外部に取り出すターミナルプレート、上記圧電素子、電極及びターミナルプレートを上記フランジ部に押圧保持する保持手段を備え、上記電極は上記圧電素子の幅より狭い幅を有し連続した環状に形成され上記圧電素子の幅方向の中央部に沿って装着されると共に、上記電極の両側における上記圧電素子が上記電極と接触しない部分には、上記電極とほぼ同じ厚さの電気絶縁材料を設けるようにしたことを特徴とするノックセンサ。
振動発生部に装着された筒部と、この筒部の一部に設けられたフランジ部とを有するベース、上記筒部に挿着され上記振動発生部のノッキング振動を電気信号に変換して検出する環状の圧電素子、上記圧電素子の両面にそれぞれ接するように設けられた電極、上記各電極に当接配置され、上記圧電素子の出力を外部に取り出すターミナルプレート、上記圧電素子、電極及びターミナルプレートを上記フランジ部に押圧保持する保持手段を備え、上記電極は上記圧電素子の幅より狭い幅を有し連続した環状に形成され上記圧電素子の幅方向の中央部に沿って装着されると共に、上記電極の両側における上記圧電素子が上記電極と接触しない部分には、上記電極とほぼ同じ厚さの導電性接着剤を設けるようにしたことを特徴とするノックセンサ。
上記電気絶縁材料は上記電極の厚さを上回らない粒径のフィラーを含むことを特徴とする請求項１記載のノックセンサ。
上記保持手段は、上記ターミナルプレートとの間に設けられたウェイトと、上記ウェイト上に配設された環状スプリングとを介して圧電素子と電極とターミナルプレートとをフランジ部に押圧することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のノックセンサ。
上記保持手段は上記筒部にカシメ固定されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のノックセンサ。
上記保持手段は、上記ターミナルプレートとの間に設けられたウェイトと、上記ウェイト上に配設された環状スプリングとを介して圧電素子と電極とターミナルプレートとをフランジ部に押圧すると共に、上記筒部にカシメ固定されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のノックセンサ。