JP4162012B2 - ノックセンサ - Google Patents
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Description
この発明は、ボルトによって内燃機関に取り付けられ、内燃機関にノッキング振動が生じると、この振動を内部に挟持した圧電素子により電圧信号に変換し、該電圧信号を出力信号として外部に導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は、円筒部と、円筒部の下部に形成された鍔部と、を有し、螺子が円筒部の上部外周面に形成されている金属製スリーブを備えている。そして、第１環状電極板が絶縁板を介して鍔部上に位置するように円筒部に外嵌され、環状圧電素子が第１環状電極板上に位置するように円筒部に外嵌され、第２環状電極板が環状圧電素子上に位置するように円筒部に外嵌され、さらに、重りが絶縁板を介して第２環状電極板上に位置するように円筒部に外嵌されている。そして、ナットが螺子に螺合して装着され、該ナットを締着して、各部材がナットと鍔部との間に挟圧保持されている。さらに、合成樹脂製ケースが、金属製スリーブの周囲にモールド成形され、各部材が合成樹脂製ケース内に埋設されている。（例えば、特許文献１参照。）
この環状圧電素子は、電極層がその表裏の全面に形成され、かつ、厚み方向に分極されている。そして、第１および第２環状電極板は、環状圧電素子と同じ内径および外径を有する形状に形成され、環状圧電素子の表裏の電極層にそれぞれ密着し、電気的接続状態が確保されている。さらに、接続杆部が第１および第２環状電極板のそれぞれの周縁から外方に延出され、合成樹脂製ケースに一体に形成されたコネクタ部の一対のターミナルにそれぞれ電気的に接続されている。
このように構成された従来のノックセンサは、金属製ブッシュの円筒部内に挿入されるボルトによって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が発生すると、環状圧電素子および重り等の構成部品がノッキング振動と一体になって振動する。この振動が環状圧電素子で電圧信号に変換される。この電圧信号は、コネクタ部に嵌着された雌カプラを介して外部に出力され、内燃機関を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に供給される。
従来のノックセンサにおいては、第１および第２環状電極板が環状圧電素子と同じ内径および外径を有する形状に形成され、かつ、第１および第２環状電極板に接する環状圧電素子の表裏の全面に電極層を形成されている。そして、静電容量は、環状圧電素子の厚みと電極層の面積に相応するレベルに定まり、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。しかし、環状圧電素子の厚み、若しくは直径を変えることで、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ことができるが、ノックセンサの外形形状を変更する必要が生じてしまう。
この不具合を解消するためには、電極層を、第１および第２環状電極板に接する環状圧電素子の表裏の全面に形成せず、環状圧電素子の表裏面に部分的に形成する必要がある。しかし、電極層を環状圧電素子の表裏面に部分的に形成した場合、電極層の厚みに相当する隙間が第１および第２環状電極板と環状圧電素子との間に存在してしまい、以下のような不具合が生じてしまう。
即ち、環状圧電素子は電極層形成部の分極処理を施す際に、電極層形成部の周辺の電極層非形成部にも分極作用が及んでしまう。そこで、ノックセンサの温度変化に伴うパイロ（焦電）効果により生じる電荷は、電極層形成部では、第１および第２環状電極板を介して逐次緩やかに放電されるが、電極層非形成部では、蓄積される。この環状圧電素子の電極層非形成部に蓄積された電荷は、第１および第２環状電極板と環状圧電素子との間に存在する隙間に応じた電圧で絶縁破壊を起こし、第１および第２環状電極板に向かい瞬時に放電される。この放電により第１および第２環状電極板に移った電荷は、環状圧電素子に環流される形で印加される。この際、環状圧電素子の電極極性と同じ極性の電荷が印加されることで、環状圧電素子は分極方向に瞬時に伸張し、逆極性の電荷が内部に生じてしまう。このように、従来のノックセンサの構成では、環状圧電素子の電極層を部分的に形成した場合、温度変化に起因するノイズが出力信号に重畳してしまい、ＥＣＵにおいてノッキング信号を誤判定してしまうという課題があった。
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサ外形形状を変えることなく出力感度を変えることができるセンサ構造を実現でき、かつ、温度変化に伴うノイズの発生を抑制できるノックセンサを得ることを目的とする。
この発明によるノックセンサは、環状のフランジ部および該フランジ部から軸方向に延設された円筒部を有し、貫通孔が該フランジ部および円筒部を軸方向に貫通して形成されたベースと、電極部が表裏面に相対して形成され、上記円筒部に外嵌された環状の圧電素子と、上記圧電素子を挟持するように上記円筒部に外嵌され、上記電極部に密接して上記圧電素子の出力信号を取り出す第１および第２ターミナルプレートと、上記円筒部に外嵌され、上記圧電素子に加振力を与える環状のウェイトと、上記第１ターミナルプレートと上記フランジ部との間に介装され、該第１ターミナルプレートと該フランジ部とを電気的に絶縁する第１絶縁シートと、上記第２ターミナルプレートと上記ウェイトとの間に介装され、該第２ターミナルプレートと該ウェイトとを電気的に絶縁する第２絶縁シートと、上記第１絶縁シート、上記第１ターミナルプレート、上記圧電素子、上記第２ターミナルプレート、上記第２絶縁シートおよび上記ウェイトからなる積層体を上記フランジ部との間で挟圧保持する保持手段と、を備えている。そして、上記電極部が、上記圧電素子の表裏面に形成された上記圧電素子の径方向幅より狭い幅を有する環状の部分電極により構成され、上記部分電極の外周側において上記第１ターミナルプレートと上記圧電素子との間及び上記第２ターミナルプレートと上記圧電素子との間に上記部分電極の膜厚ｄに相当する空隙を有し、上記圧電素子の外周側電極非形成面の径方向距離Ｌと部分電極膜厚ｄの比がＬ／ｄ＜８０、望ましくはＬ／ｄ＜５０になるように形成されている。
この発明によれば、圧電素子に形成する電極層を部分電極として構成することができるため、センサ外形形状を変えることなく出力感度を変えることができる効果が得られる。また、圧電素子に形成する電極層を部分電極として構成した場合においても、環境温度変化に起因するノイズが出力信号に重畳することなく、安定した出力を得ることができる効果がある。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るノックセンサを示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。
図１および図２において、ベース１は、例えばSWＣH（冷鍛用鋼材）などの金属材料で作製され、環状のフランジ部１ａと、フランジ部１ａから軸方向に延びる円筒部１ｂと、を備え、貫通孔２がフランジ部１ａと円筒部１ｂとを軸方向に貫通するように形成されている。そして、複数の係合溝３ａ、３ｂが、フランジ部１ａの外周面と円筒部１ｂの先端外周面とにそれぞれ形成されている。さらに、雄ねじ部４が円筒部１ｂの先端側外周面の所定領域に螺刻されている。
図１はこの発明の実施の形態１に係るノックセンサを示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。
図１および図２において、ベース１は、例えばSWＣH（冷鍛用鋼材）などの金属材料で作製され、環状のフランジ部１ａと、フランジ部１ａから軸方向に延びる円筒部１ｂと、を備え、貫通孔２がフランジ部１ａと円筒部１ｂとを軸方向に貫通するように形成されている。そして、複数の係合溝３ａ、３ｂが、フランジ部１ａの外周面と円筒部１ｂの先端外周面とにそれぞれ形成されている。さらに、雄ねじ部４が円筒部１ｂの先端側外周面の所定領域に螺刻されている。
圧電素子５は、例えば、Pb(Zr,Ti)O3系やPbTiO3系の圧電セラミックス、LiNbO3圧電単結晶などの圧電材料を用い、環状の平板に作製され、ベース１の円筒部１ｂに外嵌されている。該圧電素子５は外周端に所定のＣ面取りを設けている。そして、部分電極６ａ，６ｂが、圧電素子５の径方向幅より狭い幅の環状の形状で、圧電素子５の表裏両面の径方向外周部に、Ｃ面取り終端から所定の径方向間隔Ｌだけ空けて、相対して、圧電素子５と同心状に形成されている。この部分電極６ａ、６ｂは、例えば銀ペースト等の導電材料を所定の厚みｄ（数ミクロンから十数ミクロン程度）に塗布、焼成して得られる。ここで、圧電素子５の外周端部電極非形成領域の径方向間隔Ｌと電極膜厚Ｔの間にＬ／ｄ＜８０、望ましくはＬ／ｄ＜５０の関係が成立するように部分電極６ａ，６ｂを形成する。
ここで言う「部分電極」は、圧電素子の電極形成面の全面を覆うように形成される「全面電極」に対し、圧電素子の電極形成面を部分的に覆うように形成される環状の電極を意味している。この圧電素子５の部分電極６ａ，６ｂは分極処理を施される。そして、圧電素子５は、その厚みと部分電極６ａ，６ｂの面積に相応する静電容量を有し、この静電容量がノックセンサの出力感度を決める要素となる。又、ここで言う「電極膜厚ｄ」は表面粗さ計で電極の段差を測定して求めた十点平均粗さＲzのことを意味している。
第１および第２ターミナルプレート７，８は、例えば、銅、ステンレスなどの導電性金属材料を用いて作製され、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きい設定の内径及び圧電素子５の外径と実質的に等しい外径を有する環状部７ａ，８ａと、環状部７ａ，８ａの外周縁部から径方向外方に延出されている接続端子部７ｂ，８ｂとを備えている。これらの第１および第２ターミナルプレート７，８は、環状部７ａ，８ａが圧電素子５の両側から部分電極６ａ，６ｂを覆うように、円筒部１ｂに外嵌されている。そして、接続端子部７ｂ，８ｂは、二度クランク状に折り曲げられ、それぞれ後述するコネクタ部１５の電気端子１６に接合されている。
第１絶縁シート９は、例えばポリエステルフィルムなどの絶縁樹脂フィルムを環状に形成されている。この第１絶縁シート９は、第１ターミナルプレート７の環状部７ａとフランジ部１ａとの間に介装され、第１ターミナルプレート７とベース１との間の電気的絶縁を確保している。第２絶縁シート１０は、例えばポリエステルフィルムなどの絶縁樹脂フィルムを環状に形成されている。この第２絶縁シート１０は、第２ターミナルプレート８の環状部８ａと後述するウェイト１１との間に介装され、第２ターミナルプレート８とウェイト１１との間の電気的絶縁を確保している。
ウェイト１１は、圧電素子５に加振力を与えるものである。このウェイト１１は、例えば鉄などの金属材料を用いて環状に形成され、第２ターミナルプレート８の環状部８ａおよび第２絶縁シート１０を挟んで圧電素子５と相対するように、円筒部１ｂに外嵌されている。皿ばね１２は、ウェイト１１の反圧電素子側に配置されている。ナット１３は、円筒部１ｂの雄ねじ部４に螺着され、円筒部１ｂに外嵌されている第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体をフランジ部１ａとの間で挟圧保持している。ここで、皿ばね１２とナット１３とから保持手段を構成している。
樹脂ケース１４は、例えばナイロン６６などの絶縁性合成樹脂を用いて、ベース１の軸方向両端外周を除いて、ベース１の外周側を樹脂モールドして作製されている。これにより、フランジ部１ａとナット１３との間に挟圧保持されている上述の構成部品の積層体が樹脂ケース１４内に埋設されている。コネクタ部１５は、出力信号を取り出す一対の電気端子１６を備え、樹脂ケース１４の外周から延出するように、樹脂ケース１４と一体にモールド成形されている。
このように構成されたノックセンサ１００の組み立て方法について説明する。
まず、第１絶縁シート９が円筒部１ｂに外嵌されて、フランジ部１ａ上に設置される。ついで、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２が、外径基準で順次円筒部１ｂに外嵌される。これにより、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２が、フランジ部１ａ上に、同心状に積層される。そして、ナット１３が雄ねじ部４に螺着される。ついで、トルクレンチなどの工具を使用し、ナット１３を所定の締め付けトルクで締め付ける。これにより、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体が、フランジ部１ａとナット１３との間に、挟圧保持される。そして、接続端子部７ｂ，８ｂが、コネクタ部１５の電気端子１６に半田付けや抵抗溶接などにより接合される。ついで、例えばナイロン６６などの絶縁性合成樹脂を用いて、ベース１の外周側を樹脂モールドし、ノックセンサ１００が作製される。
まず、第１絶縁シート９が円筒部１ｂに外嵌されて、フランジ部１ａ上に設置される。ついで、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２が、外径基準で順次円筒部１ｂに外嵌される。これにより、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２が、フランジ部１ａ上に、同心状に積層される。そして、ナット１３が雄ねじ部４に螺着される。ついで、トルクレンチなどの工具を使用し、ナット１３を所定の締め付けトルクで締め付ける。これにより、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体が、フランジ部１ａとナット１３との間に、挟圧保持される。そして、接続端子部７ｂ，８ｂが、コネクタ部１５の電気端子１６に半田付けや抵抗溶接などにより接合される。ついで、例えばナイロン６６などの絶縁性合成樹脂を用いて、ベース１の外周側を樹脂モールドし、ノックセンサ１００が作製される。
このように構成されたノックセンサ１００は、ベース１の円筒部１ｂ内に挿入されたボルト５１を内燃機関５２に締着して取り付けられる。そして、内燃機関５２にノッキングが発生すると、圧電素子５およびウェイト１１等の構成部品がノッキング振動と一体になって振動する。この振動が圧電素子５で電圧信号に変換される。この電圧信号は、第１および第２ターミナルプレート７，８および電気端子１６を介してコネクタ部１５に嵌着された雌カプラ（図示せず）から外部に出力され、内燃機関を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ、図示せず）に供給される。
この実施の形態１によれば、部分電極６ａ，６ｂが、圧電素子５の表裏両面の径方向外周部に、相対して、圧電素子５の径方向幅より狭い幅の環状に形成されている。そして、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの内径は、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きい設定で、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの外径は圧電素子５の外径と実質的に等しい設定で環状形状に形成され、部分電極６ａ，６ｂに接するように、圧電素子５を挟持するように配置されている。このセンサ構造では、圧電素子５の部分電極６ａ，６ｂが形成されていない領域、即ち電極非形成領域は、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの内径部では該環状部７ａ，８ａと対向していないが、外径部では対向している。そこで、ノックセンサの温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の部分電極形成領域下で生じる電圧Ｖは圧電素子５の焦電係数をＰ、温度変化の傾斜をΔＴ、電極形成領域の面積をＳ、圧電素子の静電容量をＣとした場合、
Ｖ＝Ｐ×ΔＴ×S／Ｃ
となる。ここで焦電係数は圧電素子の材質で決まる定数であり、通常４〜５×１０＾-8（Ｃ/Ｃm2・℃）程度である。
Ｖ＝Ｐ×ΔＴ×S／Ｃ
となる。ここで焦電係数は圧電素子の材質で決まる定数であり、通常４〜５×１０＾-8（Ｃ/Ｃm2・℃）程度である。
本実施の形態１の構成のノックセンサにおいて、温度変化の傾斜は実車装着状態で走行中に被水して急冷されるような場合を想定しており、これは例えば本ノックセンサの温度が120℃から４０℃に−３℃/秒の傾斜で急変するようなケースである。又、圧電素子５は部分電極の印刷工程で必要となる最低限の外周端部電極非形成領域を有しており、その径方向間１隔は少なくとも０．１〜０．２ｍｍ以上は必要となる。更に、電極膜厚は銀ペーストを用いる場合、一般的に数ミクロンから十数ミクロン程度に形成される。
次に、電極形成領域下で生じる電圧と、電極非形成領域下で生じる電圧との関係について図３を用いて説明する。本構成にて温度変化が始まった時点で圧電素子５の外周部電極形成領域と非形成領域の臨界部でパイロ効果により生じる電圧はほぼ等しく、圧電素子５の外周部非電極形成領域で生じる電圧をＶ‘とした場合、環境温度変化が生じた瞬間ではＶ＝Ｖ’の関係にあるが、時間の経過と共に電極形成下における電荷がターミナルプレート７，８を介して放電され、低下して行くのに対して、外周部非電極形成領域で生じた電荷は一部が電極形成領域に移動するが、温度変化の傾斜が急峻な場合、多くの電荷が非電極形成領域に取り残され蓄積される。然るに温度変化が生じた後のある経過時間においては、Ｖ‘＞Ｖの関係が生じ、その差は時間経過につれて拡大する。この（Ｖ‘−Ｖ）電圧が圧電素子５の外周側電極非形成面と対向するターミナル７，８の環状部７ａ．８ａ間の電極膜厚ｄに相当する空隙の絶縁破壊電圧を越えた時に圧電素子５の外周側電極非形成面から対向するターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａに向かって放電が生じる。
ここで、電極膜厚ｄを大きく設定することで空間放電に必要な電圧が高くなり、又、圧電素子５の外周端電極非形成領域の径方向距離Ｌを小さく設定することで圧電素子の電極非形成領域においてパイロ効果により生じた電荷が電極非形成領域に蓄積される量を抑制出来ることに着目し、この両設計値を変えてパイロ効果による本ノックセンサの出力に生じるノイズを検証した。図４はその検証結果を示すものである。
本実施の形態１に係るノックセンサについて、周囲温度を１２０℃から４０℃に−３℃／秒の傾斜で急変させた時にパイロ効果で本ノックセンサの出力に現れるノイズを２００秒間確認した。前記温度急変は本ノックセンサが実車装着状態で走行中に被水して急冷されるような場合を想定している。横軸は圧電素子５の外周端部電極非形成領域の径方向間隔Ｌと電極膜厚ｄの比率Ｌ／ｄであり、縦軸はパイロ効果で発生するノイズレベルと２００秒間のノイズ頻度である。この結果より、Ｌ／ｄが８０以下になるとパイロ効果によるノイズ発生レベル及び発生頻度が大幅に抑制されることがわかる。また、望ましくはＬ／ｄを５０以下の範囲とすることによりパイロ効果によるノイズが生じないことがわかる。
よって、圧電素子の環状部分電極をＬ／ｄ＜８０の関係が成立する範囲に形成することでＥＣＵのノッキング信号判定の閾値を下げる設定が可能となり、従来よりノッキング検出電圧が小さいエンジン回転の低い領域からノッキング信号の誤判定を防ぐことができる。更に望ましくは、圧電素子の環状部分電極をＬ／ｄ＜５０の関係が成立する範囲に形成することで、温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の電極非形成領域に生じた電荷が、環状部７ａ，８ａに向かって放電されること自体を防止することができる。
以上より、本実施の形態１の圧電素子５の外周部に外周部Ｃ面取り終端から所定の電極非形成領域を有した部分電極を形成した場合でも、温度変化に起因するノイズが出力信号に重畳することが抑制され、ＥＣＵのノッキング信号誤判定を招くノイズ発生を防ぐことができる。
また、環状の部分電極６ａ，６ｂの電極内径を変えることで電極面積を変えることができる。言い換えれば、圧電素子５の厚みや直径を変えることなく、部分電極６ａ，６ｂの幅を変えることでノックセンサの出力感度を決める要素となる圧電素子５の静電容量を変えることができる。そして、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａは、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きな内径と、圧電素子の外径と実質的に等しい外径を有する環状形状に形成されている。そこで、このセンサ構造を採用することにより、出力感度の異なるノックセンサが同一外形形状で、即ちセンサの外径形状を変えることなく実現される。
また、圧電素子５が環状に形成され、かつ、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａが環状に形成されているので、圧電素子５および第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａをベース１に配設する際に、それらの構成部品を外径基準でベース１の円筒部１ｂに外嵌できる。そこで、圧電素子５の部分電極６ａ，６ｂと環状部７ａ，８ａとの位置ずれの発生が抑えられ、温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の電極非形成領域に生じた電荷が、環状部７ａ，８ａに向かって放電されることが防止される。
また、複数の係合溝３ａ、３ｂが、フランジ部１ａの外周面と円筒部１ｂの先端外周面とにそれぞれ形成されているので、モールド樹脂とベース１の軸方向両端の外周面との接触面積が著しく大きくなる。そこで、モールド樹脂とベース１の軸方向両端の外周面との結合が確実になり、水などがモールド樹脂とベース１との界面から侵入し、環状部７ａ，８ａおよび部分電極６ａ，６ｂに到達して、電極部を腐蝕するようなことも未然に防止される。
また、この実施の形態１においては、部分電極６ａ，６ｂの内径部は環状部７ａ，８ａの内径部と厚み方向に重ならないので、環境温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の内径側電極非形成領域に生じた電荷が、接続端子部７ｂ，８ｂに向かって放電されることがなく、より安定した出力を得ることができる。更に第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体が、フランジ部１ａとナット１３との間に、挟圧保持された状態で、絶縁性合成樹脂で樹脂モールドされているので、絶縁性樹脂が圧電素子５の電極非形成領域と第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａとの間に介在し、温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の電極非形成領域に生じた電荷が、環状部７ａ，８ａに向かって放電されることが防止される。
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係るノックセンサを示す縦断面図、図６はこの発明の実施の形態２に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。上記実施の形態１では、圧電素子５にＣ面取りを設けた場合について説明したが、本実施の形態２では、圧電素子５にＣ面取りを設けない場合について説明する。
図５はこの発明の実施の形態２に係るノックセンサを示す縦断面図、図６はこの発明の実施の形態２に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。上記実施の形態１では、圧電素子５にＣ面取りを設けた場合について説明したが、本実施の形態２では、圧電素子５にＣ面取りを設けない場合について説明する。
図５および図６において、部分電極６ａ，６ｂが、圧電素子５の径方向幅より狭い幅の環状の形状で、圧電素子５の表裏両面の径方向外周部に、圧電素子の外周端から所定の径方向間隔Ｌだけ空けて、相対して、圧電素子５と同心状に形成されている。この部分電極６ａ、６ｂは、例えば銀ペースト等の導電材料を所定の厚みｄ（数ミクロンから十数ミクロン）に塗布、焼成して得られる。ここで、圧電素子５の外周端部電極非形成領域の径方向間隔Ｌと電極膜厚ｄの間にＬ／ｄ＜８０、望ましくはＬ／ｄ＜５０の関係が成立するように部分電極６ａ，６ｂを形成する。また、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａが、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きな内径と、圧電素子５の外径と実質的に等しい外径を有する環状形状に形成されている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
この実施の形態２では、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２を、それぞれ外径基準で円筒部１ｂに外嵌し、フランジ部１ａ上に、同心状に積層する。そして、トルクレンチなどの工具を使用し、ナット１３を所定の締め付けトルクで締め付け、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体を、フランジ部１ａとナット１３との間に、挟圧保持する。ついで、例えばナイロン６６などの絶縁性合成樹脂を用いて、ベース１の外周側を樹脂モールドし、ノックセンサ１０１を作製している。
このように構成されたノックセンサ１０１では、部分電極６ａ，６ｂが、圧電素子５の表裏両面の径方向外側周縁部に、相対して、圧電素子５の外周端より電極非形成領域の径方向間隔Ｌを設けて、圧電素子５の幅より狭い幅の環状に形成されている。そして、該部分電極６ａ，６ｂの膜厚ｄと前記Ｌはその比率がＬ／ｄ＜８０、望ましくはＬ／ｄ＜５０の範囲で設定されている。第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａは、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きな内径と圧電素子５の外径と実質的に等しい外径を有する環状形状に形成され、部分電極６ａ，６ｂに接するように、圧電素子５を挟持するように配置されている。さらに、絶縁性樹脂が圧電素子５の電極非形成領域と第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａとの間に充填されている。
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様に、圧電素子５に部分電極を形成した場合でも、温度変化に起因するノイズが出力信号に重畳することがなく、安定した出力を得ることができる。また、出力感度の異なるノックセンサが同一外形形状で、即ちセンサの外径形状を変えることなく実現される。さらに、温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の外側周縁部電極非形成領域に生じた電荷が、環状部７ａ，８ａに向かって放電されることが抑制され、ＥＣＵのノッキング信号誤判定を招くノイズ発生を防ぐことが出来る。
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係るノックセンサを示す縦断面図、図８はこの発明の実施の形態３に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。本実施の形態３は、上記実施の形態１におけるナット１３に替えて、係止溝１７とストッパリング１８とで圧電素子５などを挟圧保持する例を示すものである。
図７はこの発明の実施の形態３に係るノックセンサを示す縦断面図、図８はこの発明の実施の形態３に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。本実施の形態３は、上記実施の形態１におけるナット１３に替えて、係止溝１７とストッパリング１８とで圧電素子５などを挟圧保持する例を示すものである。
図７において、ベース１Ａは、例えば鋼材などの金属材料で作製され、環状のフランジ部１ａと、フランジ部１ａから軸方向に延びる円筒部１ｂと、を備え、貫通孔２がフランジ部１ａと円筒部１ｂとを軸方向に貫通するように形成されている。そして、複数の係合溝３ａ、３ｂが、フランジ部１ａの外周面と円筒部１ｂの先端外周面とにそれぞれ形成されている。さらに、係止溝１７が円筒部１ｂの先端側外周面に形成されている。
ストッパリング１８は、係止溝１７にカシメ固定され、円筒部１ｂに外嵌されている第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体をフランジ部１ａとの間で挟圧保持している。ここで、皿ばね１２とストッパリング１８とから保持手段を構成している。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
この実施の形態３では、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２を、それぞれ外径基準で円筒部１ｂに外嵌し、フランジ部１ａ上に、同心状に積層する。そして、ストッパリング１８を円筒部１ｂに外嵌し、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体上に重ね、所定の加圧力で該積層体を押圧した状態で、ストッパリング１８を係止溝１７にカシメ固定する。これにより、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体が、フランジ部１ａとストッパリング１８との間に、挟圧保持される。ついで、例えばナイロン６６などの絶縁性合成樹脂を用いて、ベース１の外周側を樹脂モールドし、ノックセンサ１０２を作製している。
このように構成されたノックセンサ１０２では、圧電素子５は外周端に所定のＣ面取りを設けている。そして、部分電極６ａ，６ｂが、圧電素子５の径方向幅より狭い幅の環状の形状で、圧電素子５の表裏両面の径方向外周部に、Ｃ面取り終端から所定の径方向間隔Ｌだけ空けて、相対して、圧電素子５と同心状に形成されている。この部分電極６ａ、６ｂは、例えば銀ペースト等の導電材料を所定の厚みｄ（数ミクロンから十数ミクロン）に塗布、焼成して得られる。ここで、圧電素子５の外周端部電極非形成領域の径方向間隔Ｌと電極膜厚ｄの間にＬ／ｄ＜８０、望ましくはＬ／ｄ＜５０の関係が成立するように部分電極６ａ，６ｂを形成する。そして、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの内径は、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きい設定で、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの外径は圧電素子５の外径と実質的に等しい設定で環状形状に形成され、部分電極６ａ，６ｂに接するように、圧電素子５を挟持するように配置されている。さらに、絶縁性樹脂が圧電素子５の電極非形成領域と第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａとの間に充填されている。
従って、この実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様に、圧電素子５に部分電極を形成した場合でも、温度変化に起因するノイズが出力信号に重畳することがなく、安定した出力を得ることができる。また、出力感度の異なるノックセンサが同一外形形状で、即ちセンサの外径形状を変えることなく実現される。さらに、温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の電極非形成領域に生じた電荷が、環状部７ａ，８ａに向かって放電されることが抑制され、ＥＣＵのノッキング信号誤判定を招くノイズ発生を防ぐことが出来る。
実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４に係るノックセンサを示す縦断面図、図１０はこの発明の実施の形態４に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。本実施の形態４は、上記実施の形態２におけるナット１３に替えて、係止溝１７とストッパリング１８とで圧電素子５などを挟圧保持する例を示すものである。
図９はこの発明の実施の形態４に係るノックセンサを示す縦断面図、図１０はこの発明の実施の形態４に係るノックセンサの要部を説明する拡大断面図である。本実施の形態４は、上記実施の形態２におけるナット１３に替えて、係止溝１７とストッパリング１８とで圧電素子５などを挟圧保持する例を示すものである。
図９において、ベース１Ａは、例えば鋼材などの金属材料で作製され、環状のフランジ部１ａと、フランジ部１ａから軸方向に延びる円筒部１ｂと、を備え、貫通孔２がフランジ部１ａと円筒部１ｂとを軸方向に貫通するように形成されている。そして、複数の係合溝３ａ、３ｂが、フランジ部１ａの外周面と円筒部１ｂの先端外周面とにそれぞれ形成されている。さらに、係止溝１７が円筒部１ｂの先端側外周面に形成されている。ストッパリング１８は、係止溝１７にカシメ固定され、円筒部１ｂに外嵌されている第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体をフランジ部１ａとの間で挟圧保持している。ここで、皿ばね１２とストッパリング１８とから保持手段を構成している。なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
この実施の形態４では、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２を、それぞれ外径基準で円筒部１ｂに外嵌し、フランジ部１ａ上に、同心状に積層する。そして、ストッパリング１８を円筒部１ｂに外嵌し、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体上に重ね、所定の加圧力で該積層体を押圧した状態で、ストッパリング１８を係止溝１７にカシメ固定する。これにより、第１絶縁シート９、第１ターミナルプレート７の環状部７ａ、圧電素子５、第２ターミナルプレート８の環状部８ａ、第２絶縁シート１０、ウェイト１１および皿ばね１２からなる積層体が、フランジ部１ａとストッパリング１８との間に、挟圧保持される。ついで、例えばナイロン６６などの絶縁性合成樹脂を用いて、ベース１の外周側を樹脂モールドし、ノックセンサ１０３を作製している。
このように構成されたノックセンサ１０３では、部分電極６ａ，６ｂが、圧電素子５の径方向幅より狭い幅の環状の形状で、圧電素子５の表裏両面の径方向外周部に、圧電素子の外周端から所定の径方向間隔Ｌだけ空けて、相対して、圧電素子５と同心状に形成されている。この部分電極６ａ、６ｂは、例えば銀ペースト等の導電材料を所定の厚みｄ（数ミクロンから十数ミクロン）に塗布、焼成して得られる。ここで、圧電素子５の外周端部電極非形成領域の径方向間隔Ｌと電極膜厚ｄの間にＬ／ｄ＜８０、望ましくはＬ/ｄ＜５０の関係が成立するように部分電極６ａ，６ｂを形成する。そして、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの内径は、部分電極６ａ，６ｂの内径より大きい設定で、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａの外径は圧電素子５の外径と実質的に等しい設定で環状形状に形成され、部分電極６ａ，６ｂに接するように、圧電素子５を挟持するように配置されている。さらに、絶縁性樹脂が圧電素子５の電極非形成領域と第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａとの間に充填されている。
従って、この実施の形態４においても、上記実施の形態２と同様に、圧電素子５に部分電極を形成した場合でも、温度変化に起因するノイズが出力信号に重畳することがなく、安定した出力を得ることができる。また、出力感度の異なるノックセンサが同一外形形状で、即ちセンサの外径形状を変えることなく実現される。さらに、温度変化に伴うパイロ効果により圧電素子５の電極非形成領域に生じた電荷が、環状部７ａ，８ａに向かって放電されることが抑制され、ＥＣＵのノッキング信号誤判定を招くノイズ発生を防ぐことができる。
なお、上記各実施の形態では、第１および第２ターミナルプレート７，８の環状部７ａ，８ａが、圧電素子５と実質的に等しい外径を有する環状形状に形成されているものとして説明している。ここで、「実質的に等しい」とは、環状部７ａ，８ａの外径が圧電素子５の外径と完全に一致しているものに限定されるものではなく、製造上の寸法公差の範囲内でのばらつきをも許容するものである。
１，１Ａ ベース、１ａ フランジ部、１ｂ 円筒部、５ 圧電素子、６ａ，６ｂ 部分電極、７ 第１ターミナルプレート、７ａ 環状部、８ 第２ターミナルプレート、８ａ 環状部、９ 第１絶縁シート、１０ 第２絶縁シート、１１ ウェイト、１２ 皿ばね（保持手段）、１３ ナット（保持手段）、１４ 樹脂ケース、１８ ストッパリング（保持手段）、１００，１０１，１０２，１０３ ノックセンサ
Claims (4)
- 環状のフランジ部および該フランジ部から軸方向に延設された円筒部を有し、貫通孔が該フランジ部および円筒部を軸方向に貫通して形成されたベースと、電極部が表裏面に相対して形成され、上記円筒部に外嵌された環状の圧電素子と、上記圧電素子を挟持するように上記円筒部に外嵌され、上記電極部に密接して上記圧電素子の出力信号を取り出す第１および第２ターミナルプレートと、上記円筒部に外嵌され、上記圧電素子に加振力を与える環状のウェイトと、上記第１ターミナルプレートと上記フランジ部との間に介装され、該第１ターミナルプレートと該フランジ部とを電気的に絶縁する第１絶縁シートと、上記第２ターミナルプレートと上記ウェイトとの間に介装され、該第２ターミナルプレートと該ウェイトとを電気的に絶縁する第２絶縁シートと、上記第１絶縁シート、上記第１ターミナルプレート、上記圧電素子、上記第２ターミナルプレート、上記第２絶縁シートおよび上記ウェイトからなる積層体を上記フランジ部との間で挟圧保持する保持手段と、を備えたノックセンサにおいて、
上記電極部が、上記圧電素子の表裏面の外周寄りに上記圧電素子の径方向幅より狭い幅を有する環状の部分電極により構成され、上記部分電極の外周側において上記第１ターミナルプレートと上記圧電素子との間及び上記第２ターミナルプレートと上記圧電素子との間に上記部分電極の膜厚ｄに相当する空隙を有し、上記圧電素子の外周側電極非形成面の径方向距離Ｌと部分電極膜厚ｄの比がＬ／ｄ＜８０になるように形成されていることを特徴とするノックセンサ。 - 環状のフランジ部および該フランジ部から軸方向に延設された円筒部を有し、貫通孔が該フランジ部および円筒部を軸方向に貫通して形成されたベースと、電極部が表裏面に相対して形成され、上記円筒部に外嵌された環状の圧電素子と、上記圧電素子を挟持するように上記円筒部に外嵌され、上記電極部に密接して上記圧電素子の出力信号を取り出す第１および第２ターミナルプレートと、上記円筒部に外嵌され、上記圧電素子に加振力を与える環状のウェイトと、上記第１ターミナルプレートと上記フランジ部との間に介装され、該第１ターミナルプレートと該フランジ部とを電気的に絶縁する第１絶縁シートと、上記第２ターミナルプレートと上記ウェイトとの間に介装され、該第２ターミナルプレートと該ウェイトとを電気的に絶縁する第２絶縁シートと、上記第１絶縁シート、上記第１ターミナルプレート、上記圧電素子、上記第２ターミナルプレート、上記第２絶縁シートおよび上記ウェイトからなる積層体を上記フランジ部との間で挟圧保持する保持手段と、を備えたノックセンサにおいて、
上記電極部が、上記圧電素子の表裏面の外周寄りに上記圧電素子の径方向幅より狭い幅を有する環状の部分電極により構成され、上記部分電極の外周側において上記第１ターミナルプレートと上記圧電素子との間及び上記第２ターミナルプレートと上記圧電素子との間に上記部分電極の膜厚ｄに相当する空隙を有し、上記圧電素子の外周側電極非形成面の径方向距離Ｌと部分電極膜厚ｄの比がＬ／ｄ＜５０になるように形成されていることを特徴とするノックセンサ。 - 第１および第２ターミナルプレートは部分電極の内径より大きな内径と圧電素子の外径と実質的に等しい外径を有する環状形状に形成された環状部を有し、該環状部が上記部分電極の全面に密接するように積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノックセンサ。
- 上記圧電素子の表裏面の上記部分電極が形成されていない領域と、上記第１および第２絶縁シートとの隙間が、絶縁性樹脂で充填されていることを特徴とする請求項３記載のノックセンサ。
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