JP4691006B2 - ノッキングセンサ - Google Patents

Description

本発明は、支持部材に圧電素子が支持されたノッキングセンサに関する。

従来、上記ノッキングセンサとして、支持部材には貫通孔が形成されており、ボルト等の固定部材が支持部材の貫通孔に挿通された状態で締め付けられることにより、内燃機関に取り付けられるノッキングセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−９０２４２号公報

ところで、上記ノッキングセンサにおいては、支持部材が樹脂で構成されているものがある。このように支持部材が樹脂で構成されているものにおいては、高温の環境で長時間使用されると、線膨張係数が大きいため、熱収縮により支持部材が収縮することがある。そこで、上記ノッキングセンサにおいては、支持部材の熱収縮を考慮して、固定部材による締め付け力を高めに設定し、予め支持部材に圧縮応力をかけておくことにより、支持部材に僅かな熱収縮が発生したとしても締め付け力が弱くなり、固定部材が緩まないようにしている。

ところが、上記ノッキングセンサを非常に高温の環境で長時間使用した場合のように、過酷な条件が重なると、支持部材の熱収縮量が増加し、固定部材による締め付け力を高めに設定するだけでは、支持部材の熱収縮量を吸収できなくなる虞がある。このように支持部材が収縮すると、固定部材によりノッキングセンサを内燃機関に締め付ける締め付け力が弱くなり、固定部材が緩む虞がある。そして、固定部材が緩むと、内燃機関へのノッキングセンサの固定が不十分となり、センサの出力特性に悪影響を及ぼす虞がある。

そこで、このような問題点を鑑み、樹脂製の支持部材に圧電素子が嵌め込まれたノッキングセンサにおいて、ノッキングセンサを構成する支持部材が収縮したとしてもセンサの出力特性に悪影響を及ぼすことがないようにすることを本発明の目的とする。

かかる目的を達成するために成された請求項１に記載の発明は、軸線方向に延びる貫通孔を有する筒状の本体部と、該本体部の下端側に位置する鍔部と、を含む樹脂製の支持部材と、前記本体部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子と、前記本体部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部との間に前記圧電素子を挟む環状の環状部材と、を備え、前記貫通孔に挿通された固定部材によって前記本体部の上端側から下端側に向けて押圧されることにより、前記内燃機関に固定されるノッキングセンサであって、前記環状部材は、前記支持部材よりも線膨張係数が小さい素材からなり、該環状部材の上端は、前記支持部材の上端と同じ高さであるか前記支持部材の上端よりも軸線方向上側に突出していることを特徴としている。

このようなノッキングセンサによれば、環状部材の線膨張係数は小さく設定されているので、支持部材（本体部）が熱収縮したとしても、環状部材は熱収縮し難いため、環状部材とノッキングセンサを内燃機関に固定するための固定部材との密着状態を維持することができる。よって、ノッキングセンサの固定状態に緩みが生じることを防止することができる。

なお、本発明でいう「本体部の外周に嵌め込まれ」とは、圧電素子および環状部材が本体部の少なくとも一部分を取り囲んで配置されている状態を示す。よって、圧電素子および環状部材は、本体部と密着している必要はなく、圧電素子および環状部材と本体部との間に隙間が生じている場合も本発明に包含されるものとする。

また、本発明でいう「軸線方向上側」とは、本体部の下端側から上端側に向かう方向を意味する。
ところで、請求項１に記載のノッキングセンサにおいては、請求項２に記載のように、 少なくとも前記圧電素子および環状部材の周囲に、液状の樹脂部材が固化することにより形成されたカバー部材を備え、環状部材は、液状の樹脂部材を環状部材の外周側から内周側に導入するための流路を備えていてもよい。

このようなノッキングセンサによれば、環状部材と支持部材との間に隙間が形成されていたとしても、この隙間を樹脂部材で充填することができる。よって、環状部材と支持部材との間から侵入する水が圧電素子に到達することを防止することができるので、センサの防水性を向上させることができる。

さらに、請求項１または請求項２に記載のノッキングセンサにおいては、請求項３に記載のように、本体部は、所定の外形寸法を有する第１外径面と、第１外形面より上端側に第１外径面の外形寸法よりも小さな外形寸法を有する第２外径面と、第１外径面および第２外径面を接続する外径段差部と、を備え、環状部材は、第１外径面と略一致する内径寸法を有する第１内径面と、第１内径面より上端側に第２外径面と略一致する内径寸法を有する第２内径面と、第１内径面および第２内径面を外径段差部近傍で接続する内径段差部と、を備えていてもよい。

即ち、本体部における環状部材が配置される領域には、段差部（外径段差部）を設け、環状部材においても本体部の外径形状（外径段差部）に合わせた段差部（内径段差部）を設けている。

従って、このようなノッキングセンサによれば、支持部材と環状部材とが対向する部位の面積を、各段差部を設けない場合よりも大きくすることができる。よって、支持部材と環状部材との間から水が侵入することにより、圧電素子に対して侵入した水が与える悪影響を防止することができる。

ここで、各外径面と各内径面との寸法差、および各段差部の位置の偏差は、振動特性および圧電素子の防水性に悪影響を与えない範囲内で設定されていればよい。
なお、支持部材および環状部材の間に僅かな隙間が形成されていたとしても、請求項２の構成により、この隙間には液状の樹脂部材が充填されるので、圧電素子の防水性を充分担保することができる。

以下に本発明にかかる実施の形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
［ノッキングセンサ１の説明］
まず、本発明が適用された非共振型ノッキングセンサ１（以下、単に「ノッキングセンサ１」ともいう。）について、図１を用いて説明する。図１は非共振型ノッキングセンサ１の外観を表す正面図である。

図１に示すように、本実施形態の非共振型ノッキングセンサ１は、内部に圧電素子３１（図２参照）などの構成部品を収納する絶縁材料（ＰＡ（ポリアミド）等の各種樹脂材料など）からなるケース１１を備えている。

ケース１１は、上面側（図１における上側を示す。以下同じ。）がテーパ状に成形された円柱形状の素子収納部１３と、外部機器（例えば、点火時期制御装置など）に繋がる外部コネクタを接続するコネクタ部１５と、を備えている。コネクタ部１５は、素子収納部１３の外周壁から外向きに突出して形成される。

次に、ノッキングセンサ１の内部構造について図２を用いて説明する。図２はノッキングセンサ１の内部構造を示す断面図である。
図２に示すように、ノッキングセンサ１は、支持部材２１、下面側電極部材３４、圧電素子３１、上面側電極部材３６、錘部材５０（環状部材）、ケース１１（カバー部材）を備えて構成されている。

支持部材２１は、例えば、樹脂（ナイロンＭＸＤ６）等の絶縁材料からなり、軸線方向に延びる円筒形状の本体部２２を有すると共に、本体部２２のうち軸線方向における下面部２９から径方向外向きに突出する鍔部２３を備えている。なお、この鍔部２３の直径は２３ｍｍに設定されている。また、この支持部材２１の線膨張係数は、４×１０^-5℃である。

本体部２２の内部には、軸線方向に貫通する貫通孔２４が備えられている。また、鍔部２３の外周面には、ケース１１との密着性を高めるための溝部２７が備えられている。そして、本体部２２の外周面は、下面側に所定の外形寸法を有する大外径面４３（第１外径面：外形寸法は例えば１４ｍｍ）と、上面側に大外径面４３よりも外径寸法が小さく設定されている小外径面４１（第２外径面：外形寸法は例えば９．８ｍｍ）とから構成されている。

さらに、小外径面４１および大外径面４３における外周面は、直線的に接続されていることにより外径段差部４２が形成されている。また、大外径面４３には、錘部材５０に設けられた雌ネジ部５９（図４参照）と螺合するネジ溝２５が備えられている。

圧電素子３１は、圧電効果を有する材料（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム等の各種セラミックス、水晶等の各種結晶、ポリフッ化ビニリデン等の各種有機材料、等）からなり、本体部２２の外周を取り囲む環状形状に形成されて、鍔部２３の上面側に配置されている。そして、この圧電素子３１の上下面には電極が形成されている。

下面側電極部材３４は、本体部２２の外周を取り囲む環状形状に形成されており、圧電素子３１の下面に当接している。また、この下面側電極部材３４は、圧電素子３１の下面からコネクタ部１５まで延びる端子部３５を備えている。この端子部３５は、圧電素子３１の下面から出力される電気信号の通電経路として使用される。

上面側電極部材３６は、本体部２２の外周を取り囲む環状形状に形成されており、圧電素子３１の上面に当接している。また、この上面側電極部材３６は、圧電素子３１の上面からコネクタ部１５まで延びる端子部３７を備えている。この端子部３７は、圧電素子３１の上面から出力される電気信号の通電経路として使用される。

錘部材５０は、上面側電極部材３６の上面側において、本体部２２の外周を取り囲むように配置されて、圧電素子３１に上面側電極３６を介して当接される。そして、圧電素子３１に対して荷重を印加するために備えられている。

［錘部材５０の詳細説明］
ここで、この錘部材５０について図３および図４を用いてより詳しく説明する。図３は錘部材５０の上面図、図４は錘部材５０の正面図（部分断面図）である。

まず、錘部材５０は、環状形状の金属材料（支持部材２１を構成する樹脂よりも線膨張係数が小さい鉄（線膨張係数は、１．０７×１０^-5℃）等の各種金属材料）により形成されており、
錘部材５０は、図３および図４に示すように、段階的に外形寸法が変化する円環状の部材を積層した形状に一体形成にされている。即ち、錘部材５０は、最も大きな外形寸法を有する第１段部５１と、第１段部５１の外形寸法よりも小さな外形寸法を有する第２段部５２と、最も小さな外形寸法を有する第３段部５３と、を備えている。

第１段部５１は、支持部材２１に組み付けられる際に最も圧電素子３１に近接して配置される。この第１段部５１の下面側（圧電素子３１側の面）には、固化したときにケース１１となる液状の樹脂部材を第１段部５１の外周面側から内周面側に導入するために、外周面側から内周面側に渡って第１段部５１の下面側を切り欠いた注入溝５５（流路）が形成されている。この注入溝５５は、第１段部５１の周方向の４箇所（９０度毎）に形成されており、第１段部５１の周囲の複数方向（本実施形態では４方向）から内部に液状の樹脂部材を導入できるように設定されている。

第２段部５２は、第１段部５１と第３段部５３との中間位置に形成されており、曲面状に形成された外周面の対向する位置が平行な平面状になるよう切り欠いた切欠部５４（本実施形態では４箇所）を備えた構成にされている。

第３段部５３は、錘部材５０が支持部材２１に組み付けられる際に、上端面６０（第２段部５２とは反対側の端面）がノッキングセンサ１を固定する固定部材と当接するよう各寸法が設定されている。

ここで、錘部材５０の内周面は、大外径面４３における外径寸法と略一致する内径寸法を有する大内径面５８（第１内径面）と、小外径面４１における外形寸法と略一致する内径寸法を有する小内径面５６（第２内径面）とが、第２段部５２の内周面に形成された内径段差部５７により接続された２段構成にされている。

また、大内径面５８の下面側の領域（主に第１段部５１の内周面）には、本体部２２のネジ溝２５と螺合する雌ネジ部５９が形成されて、本体部２２に螺合固定できるように構成されている。なお、錘部材５０の第２段部５２には、前述の切欠部５４に形成されており、この錘部材５０を本体部２２と螺合する際には、この切欠部５４に工具等の機材を係合することができるので、工具等の機材と錘部材５０とが滑ることなく錘部材５０を締め付け固定することができる。

［ノッキングセンサ１の組み立て作業についての説明］
次に、ノッキングセンサ１の組み立て作業について図５を用いて説明する。図５はノッキングセンサ１の内部に備えられる主要構成部品の分解斜視図である。

図５に示すように、ノッキングセンサ１の組み立て作業においては、まず、支持部材２１における本体部２２の外周を取り囲むように、鍔部２３の上に、下面側から上面側に向けて、下面側電極部材３４、圧電素子３１、上面側電極部材３６、および錘部材５０を、この順に積層する作業を行う。

次に、錘部材５０を支持部材２１のネジ溝２５に螺合する作業を行い、支持部材２１の鍔部２３と錘部材５０との間で、下面側電極部材３４、圧電素子３１、上面側電極部材３６、錘部材５０を、挟持固定する。

このとき、錘部材５０の内径段差部５７と支持部材２１の外径段差部４２との間には、図１に示すように、僅かな隙間部２６形成される。このように隙間部２６を形成するのは、錘部材５０の雌ネジ部５９を支持部材２１のネジ溝２５に螺合する際に、錘部材５０の内径段差部５７と支持部材２１の外径段差部４２とが当接してしまうことにより錘部材５０と上面側電極部材３６との間に隙間で生じることを防止するためである。

続いて、これらの構成部品を射出成型用金型で取り囲み、これらの構成部品を覆うように液状の樹脂部材（絶縁材料）を射出し、固化させることにより、ケース１１を射出形成する作業を行う。

このようにして、非共振型ノッキングセンサ１は組み立てられる。
なお、ノッキングセンサ１は、ケース１１の下面側から支持部材２１（鍔部２３）の下面部２９が露出し、ケース１１の上面側からは支持部材２１（本体部２２）の上面部２８および錘部材５０（第３段部５３）の上端面６０が露出するように形成される。

また、錘部材５０の上端面６０は、支持部材２１の上面部２８と同一平面上に位置するか、支持部材２１の上面部２８よりも上方（図１、図２では紙面上側）に突出した状態となる。また、コネクタ部１５は、その内側において、下面側電極部材３４の端子部３５および上面側電極部材３６の端子部３７の一部が露出するように形成される。

このように構成された非共振型ノッキングセンサ１は、内燃機関に組み付ける工場まで搬送された後に、この工場にて、自身の下面（詳細には、支持部材２１における鍔部２３の下面部２９）が内燃機関の最適な箇所（一般にはシリンダブロックの取付部）に当接するようにして、固定部材を用いて内燃機関に取り付けられる。ここで、この固定部材は、例えばボルトとして構成されており、ノッキングセンサ１は、支持部材２１の挿通孔２４に上端側から固定部材が挿通され、少なくとも錘部材５０の上端面６０が固定部材（具体的にはボルトのヘッド）に押圧されることにより取り付けられる。

このように取り付けられたノッキングセンサ１においては、内燃機関でノッキングなどの異常振動が発生すると、その異常振動が支持部材２１の鍔部２３を介して圧電素子３１に達し、その異常振動に応じて圧電素子３１から出力される電気信号が、下面側電極部材３４の端子部３５および上面側電極部材３６の端子部３７から外部機器に対して出力される。

［第１実施形態による作用および効果］
以上のように詳述したノッキングセンサ１においては、樹脂製の支持部材２１と、支持部材２１に支持された圧電素子３１と、圧電素子３１に自身の下面側が当接された錘部材５０と、を備え、支持部材２１の下端側（下面部２９側）を内燃機関に向けた状態で、支持部材２１の上端側から押圧されることにより内燃機関に対して固定されるノッキングセンサ１として構成されている。特にノッキングセンサ１において錘部材５０は、支持部材２１よりも線膨張係数が小さい素材からなり、この錘部材５０の上端面６０は、支持部材２１の上面部２８と同じ高さか支持部材２１の上面部２８よりも軸線方向上側に突出している。

従って、このようなノッキングセンサ１によれば、錘部材５０の線膨張係数は支持部材２１の線膨張係数よりも小さく設定されているので、支持部材２１の本体部２２（特に本体部２２のうちネジ溝２５より上端側）が熱収縮したとしても、ノッキングセンサ１全体の高さの変化を最小限にすることができる。この結果、錘部材５０とノッキングセンサ１を上端側から押圧する固定部材との密着状態を維持することができるので、ノッキングセンサ１の固定状態に緩みが生じることを防止することができる。

なお、錘部材５０が本発明の環状部材に相当する。また、錘部材５０は、支持部材２１のネジ溝２５に螺合するためのネジ部を有するとともに、圧電素子３１に対して荷重を印可する機能も有する。

また、本実施形態において圧電素子３１および錘部材５０は、支持部材２１の外周部の少なくとも一部分を取り囲む環状形状を有し、ノッキングセンサ１は、少なくとも圧電素子３１および錘部材５０の周囲に、液状の樹脂部材が固化することにより形成されたケース１１を備え、錘部材５０は、液状の樹脂部材を錘部材５０の外周側から内周側に導入するための注入溝５５を備えている。

従って、このようなノッキングセンサ１によれば、錘部材５０と支持部材２１との間に隙間が形成されていたとしても、この隙間を樹脂部材で充填することができる。よって、錘部材５０と支持部材２１との間から侵入する水が圧電素子３１に到達することを防止することができるので、センサの防水性を向上させることができる。

さらに、本実施形態において本体部２２は、所定の外形寸法を有する大外径面４３と、大外径面４３より上端側に大外径面４３の外形寸法よりも小さな外形寸法を有する小外径面４１と、大外径面４３および小外径面４１を接続する外径段差部４２と、を備えている。また、錘部材５０は、大外径面４３と略一致する内径寸法を有する大内径面５８と、大内径面５８より上端側に小外径面４１と略一致する内径寸法を有する小内径面５６と、大内径面５８および小内径面５６を外径段差部４２近傍で接続する内径段差部５７と、を備えている。

従って、このようなノッキングセンサ１によれば、支持部材２１と錘部材５０とが対向する部位の面積を、各段差部を設けない場合よりも大きくすることができる。よって、支持部材２１と錘部材５０との間から水が侵入することにより、圧電素子３１に対して侵入した水が与える悪影響を防止することができる。

なお、各外径面と各内径面との寸法差、および各段差部の位置の偏差は、振動特性および圧電素子３１の防水性に悪影響を与えない範囲内で設定されていればよい。
［第２実施形態］
次に、別形態のノッキングセンサについて説明する。本実施形態（第２実施形態）においては、第１実施形態のノッキングセンサ１と異なる箇所のみを詳述し、第１実施形態のノッキングセンサ１と同様の箇所については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のノッキングセンサにおいては、第１実施形態の錘部材５０に換えて、図６および図７に示す環状部材７０を備えている。なお、図６は環状部材７０の上面図、図７は環状部材７０の正面図（部分断面図）である。

環状部材７０においては、第１実施形態の錘部材５０に形成されていた注入溝５５に換えて、第２段部５２の上面から内径段差部５７までを貫通した注入孔７１（流路）が形成されている。この注入孔７１は、第２段部５２の周方向の４箇所（９０度毎）に形成されている。

このような環状部材７０を備えたノッキングセンサによれば、隙間部２６により近い位置に注入孔７１を設けているので、より効率的に隙間部２６を樹脂部材で充填することができる。

［第３実施形態］
次に、さらに別形態のノッキングセンサ２について説明する。本実施形態（第３実施形態）においても、上記実施形態のノッキングセンサ１と異なる箇所のみを詳述し、上記実施形態のノッキングセンサ１と同様の箇所については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のノッキングセンサ２においては、図８に示すように、上記実施形態における錘部材５０（７０）に換えて、上記実施形態における錘部材５０（７０）の第１段部５１のみに相当する錘部材３２と、第１実施形態における錘部材５０の第２段部５２および第３段部５３に相当する環状部材３３とを備えている。つまり、本実施形態においては、上記実施形態の錘部材５０（７０）が有する、圧電素子３１に対して荷重を印加する機能、およびノッキングセンサ１を上端側から押圧する部材と当接する機能、をそれぞれ錘部材３２および環状部材３３に分離して担わせるようにしている。

環状部材３３には、支持部材２１のネジ溝２５に螺合するためのネジ部を有している。そして、本実施形態においても、環状部材３３の上端面８１は、支持部材２１の上面部２８よりも上方（図１、図２では紙面上側）に突出した状態となる。

以上のように説明した第３実施形態のノッキングセンサ２においても、支持部材２１よりも線膨張係数が小さい素材からなり、下端部が錘部材５０に支持され、上端部が、支持部材２１の上端よりも突出した環状部材３３を備えている。

このようなノッキングセンサ１においても、環状部材３３の線膨張係数は小さく設定されているので、支持部材２１が熱収縮したとしても、環状部材３３と支持部材２１を上端側から押圧する部材との密着状態を維持することができる。よって、ノッキングセンサ１の固定状態に緩みが生じることを防止することができる。

なお、環状部材３３の上端面８１は、ノッキングセンサ１を上端側から押圧する部材との密着状態をより一層維持するために、支持部材２１の上面部と同一平面上に位置するより、支持部材２１の上面部より上方に突出させたほうがより好ましい。

［その他の実施形態］
本発明の実施の形態は、上記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

例えば、本実施形態において、錘部材５０（７０、３２）は、注入溝５５および注入孔７１の両方を備えていてもよい。錘部材５０（７０、３２）に注入溝５５および注入孔７１の両方を設けることにより、液状の樹脂部材が環状部材３３と支持部材２１との間（隙間部２６）に注入される際に、空気が隙間部２６に閉じ込められ難くすることができる。

また、第３実施形態にて示したように、錘部材３２および錘部材３２の上面側に位置する環状部材３３を備えている場合には、注入溝５５および注入孔７１は、環状部材３３のみに形成されていてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

非共振型ノッキングセンサの外観を表す正面図である。 第１実施形態および第２実施形態におけるノッキングセンサ１の内部構造を示す断面図である。 第１実施形態における錘部材の上面図である。 第１実施形態における錘部材の正面図（部分断面図）である。 第１実施形態におけるノッキングセンサの内部に備えられる主要構成部品の分解斜視図である。 第２実施形態における錘部材の上面図である。 第２実施形態における錘部材の正面図（部分断面図）である。 第３実施形態におけるノッキングセンサ１の内部構造を示す断面図である。

符号の説明

１，２…（非共振形）ノッキングセンサ、１１…ケース、１３…素子収納部、１５…コネクタ部、２１…支持部材、２２…本体部、２３…鍔部、２４…貫通孔、２５…ネジ溝、２６…隙間部、２７…溝部、２８…上面部、２９…下面部、３１…圧電素子、３２，５０，７０…錘部材、３３…環状部材、３４…下面側電極部材、３５…端子部、３６…上面側電極部材、３７…端子部、４１…小外径面、４２…外径段差部、４３…大外径面、５１…第１段部、５２…第２段部、５３…第３段部、５４…切欠部、５５…注入溝、５６…小内径面、５７…内径段差部、５８…大内径面、５９…雌ネジ部、７１…注入孔。

Claims (3)

1. 軸線方向に延びる貫通孔を有する筒状の本体部と、該本体部の下端側に位置する鍔部と、を含む樹脂製の支持部材と、
   前記本体部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子と、
   前記本体部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部との間に前記圧電素子を挟む環状の環状部材と、を備え、
   前記貫通孔に挿通された固定部材によって前記本体部の上端側から下端側に向けて押圧されることにより、前記内燃機関に固定されるノッキングセンサであって、
   前記環状部材は、前記支持部材よりも線膨張係数が小さい素材からなり、
   該環状部材の上端は、前記支持部材の上端と同じ高さであるか前記支持部材の上端よりも軸線方向上側に突出していること
   を特徴とするノッキングセンサ。
2. 当該ノッキングセンサは、少なくとも前記圧電素子および前記環状部材の周囲に、液状の樹脂部材が固化することにより形成されたカバー部材を備え、
   前記環状部材は、前記液状の樹脂部材を当該環状部材の外周側から内周側に導入するための流路を備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載のノッキングセンサ。
3. 前記本体部は、
   所定の外形寸法を有する第１外径面と、
   前記第１外形面より上端側に前記第１外径面の外形寸法よりも小さな外形寸法を有する第２外径面と、
   前記第１外径面および前記第２外径面を接続する外径段差部と、
   を備え、
   前記環状部材は、
   前記第１外径面と略一致する内径寸法を有する第１内径面と、
   前記第１内径面より上端側に前記第２外径面と略一致する内径寸法を有する第２内径面と、
   前記第１内径面および前記第２内径面を前記外径段差部近傍で接続する内径段差部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノッキングセンサ。

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