JP5129070B2 - ノッキングセンサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を利用し、例えば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等のノッキングセンサに関する。

従来より、例えば内燃機関に発生するノッキングを検出するために、圧電素子を用いたノッキングセンサが開発されている。この種のノッキングセンサとしては、内部に錘等で押圧した圧電素子を保持し、この圧電素子によって内燃機関に生じる振動を検出し、その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。

一般的に、上述したノッキングセンサは、円筒形状の本体部及び本体部外周の鍔部を有する金属製の支持部材を備えており、この支持部材には、環状の圧電素子及び錘が外嵌されている。また、圧電素子の板厚方向の両側には、圧電素子に発生する検出信号を外部に出力するために、一対の出力端子が配置されている。

このように構成されたノッキングセンサは、支持部材の本体部に挿通されるボルトによって、内燃機関のシリンダヘッドに装着される。これにより、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し、その結果、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（特許文献１参照）。

この特許文献１には、出力端子として、圧電素子と接触する環状の電極板が開示されており、電極板には、鍔部や錘と直接に接触しないように（即ち電気的に短絡しないように）、電極板の一方の面（圧電素子とは反対側の面）に、絶縁粉体が吹き付けられて絶縁層が形成されている。
特開２００４−２５１７９２号公報

ところが、前記特許文献１に記載のノッキングセンサでは、環状の電極板を用いるので、電極板の材料である例えば黄銅等の金属材料の使用量が多いという問題があった。つまり、金属材料の使用量が多いと、省資源に寄与できず、コストアップにつながるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、出力端子のうち、特に圧電素子と接触する部分の金属材料の使用量を低減することができるノッキングセンサを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、環状の圧電素子と、前記圧電素子の厚み方向の両側に配置される出力端子と、を備えたノッキングセンサにおいて、前記出力端子は、環状の絶縁部と、該絶縁部から延びる導体部と、を備えるとともに、前記導体部は、前記絶縁部と一体化し前記圧電素子と接する非環状の電極部と、該電極部から前記圧電素子の外側に向かって延びる端子部と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、出力端子の導体部は、圧電素子に接触するとともに絶縁部と一体化された非環状の電極部を備えているので、従来に比べて、電極部に使用する金属材料の使用量を低減することができる。これにより、省資源に寄与し、コストダウンを図ることができる。

つまり、従来は、出力端子として、環状の圧電素子と同様な平面形状の（即ち環状の）電極部を設けていたので、金属材料の使用量が多かったが、本発明では、環状ではなく、例えば円弧等の非環状の電極部を使用するので、金属材料の使用量を低減することができる。

なお、以下に、本発明の各構成について説明する。
・前記圧電素子の材料としては、例えばＰＺＴが挙げられる。
・前記出力端子の導電部、従って電極部及び端子部の材料としては、例えば黄銅が挙げられる。

・絶縁部の材料としては、例えばポリブチルテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン６６、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。
（２）請求項２の発明では、前記絶縁部は、射出成形によって形成されて前記電極部と一体化されたものであることを特徴とする。

本発明により、電極部と絶縁部とが一体化した構成を容易に実現できる。
（３）請求項３の発明では、前記電極部は、前記絶縁部の全周の１／３以下であることを特徴とする。

本発明では、電極部は絶縁部の全周の１／３以下であるので、金属材料を大きく低減することができる。なお、ここで全周とは、環状の絶縁部を軸方向からみた場合の１周を示している。

なお、電極部は絶縁部の全周の１／３０以上であると、電極部と絶縁部とが強固に一体化するので好適である。
（４）請求項４の発明では、前記電極部の前記圧電素子側の露出する表面と、前記絶縁部の前記電極部の回りにおける前記圧電素子側の表面とが、同一平面をなすことを特徴とする。

本発明では、電極部の圧電素子側の表面と絶縁部の圧電素子側の表面とが同一平面をなしているので、電極部や絶縁部を圧電素子の表面に密着させることができる。
（５）請求項５の発明では、前記絶縁部は、円盤状の板状部と、該板状部の厚み方向に突出する筒状の筒状部とが、一体に形成された形状であることを特徴とする。

本発明では、絶縁部の板厚方向に筒状部を備えているので、この筒状部を環状の圧電素子等の内側に配置することができる。よって、支持部材が金属製のときに、電極部が絶縁部の内周面に到るまで延びている場合には、また、その際に、金属粉末が（金属製の）支持部材と圧電素子や出力端子との間に存在する場合でも、支持部材と出力端子の電極部との間の絶縁を容易に確保することができる。

（６）請求項６の発明では、前記絶縁部及び前記電極部に、前記絶縁部から前記電極部が脱落することを防止する抜け止め機構を備えたことを特徴とする。
本発明には、抜け止め機構を備えているので、絶縁部から電極部が脱落することを防止できる。この抜け止め機構としては、例えば凹凸形状により絶縁部と電極部とが互いに係止する構成を採用できる。

以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本実施形態の非共振型ノッキングセンサ（以下「ノッキングセンサ」と略称する）の概略構成を、図１〜図３に基づいて説明する。

なお、図１はノッキングセンサの外観を示し、図２はノッキングセンサを破断して示す、図３はノッキングセンサの内部構造を分解して示している。
図１に示すように、本実施形態のノッキングセンサ１は、合成樹脂（例えばナイロン６６）製のケース３により覆われている。このケース３は、上部がテーパ状に成形された円柱形状の素子収納部５と、図示しない点火時期制御装置からのコネクタを接続するコネクタ部７とから構成されている。

図２及び図３に示すように、ノッキングセンサ１は、金属材料（例えばＳＷＣＨ３５Ｋ）からなる支持部材９を備えており、支持部材９は、ボルトを挿通するための挿通孔１１を有する円筒形状の本体部１３と、本体部１３の一端側（図２の下側）にて外周壁から外側に張り出す鍔部１５とを備えている。

この支持部材９の鍔部１５の厚み方向（軸方向）の一面（図２の上面）側には、本体部１３の外周側に嵌められる、圧電セラミックス（例えばＰＺＴ）からなる環状（円筒形状）の圧電素子１７が載置されている。

また、圧電素子１７の厚み方向の一方の側（図２の上面側）には、本体部１３の外周側に嵌められる、金属材料（例えばＳＰＣＣ）からなる円筒形状の錘１９が載置されている。

更に、後に詳述する様に、前記鍔部１５と圧電素子１７との間には、第１出力端子２１が配置され、錘１９と圧電素子１７との間には、（第１出力端子２１とは多少形状が異なる）第２出力端子２３が配置されている。なお、以下では、圧電素子１７及び両出力端子２１、２３を圧電素子部２５と称する。

また、支持部材９には、金属材料（例えばＳＫ５Ｍ）からなり、錘１９を鍔部１５方向（同図下方）へ押圧する環状の板バネ２７が取り付けられている。
更に、板バネ２７の上部には、ナット２９が配置されており、このナット２９は、本体部１３の外周のねじ部３１に螺合している。

従って、このナット２９を締め付けることにより、板バネ２７が鍔部１５方向（同図下方）に押圧されるので、板バネ２７により、圧電素子１７や錘１９は、出力端子２１、２３と共に、支持部材９に固定される。

ｂ）次に、本実施形態の要部である第１、第２出力端子２１、２３について、図４〜図８に基づいて説明する。
なお、図４は第１出力端子２１を示し、図５は抜け止め機構を示し、図６は第２出力端子２３を示し、図７及び図８は圧電素子部２５を示している。

図４に示す様に、第１出力端子２１は、電気的絶縁性を有する例えばＰＢＴからなる環状の絶縁部３３と、その絶縁部３３から延びる導電性を有する例えば黄銅からなる導体部３５とから構成されている。なお、第１出力端子２１は、絶縁部３３が射出成形によって形成されることによって、絶縁部３３と導体部３５（詳しくはその電極部３９）とが一体に形成されている。

前記絶縁部３３は、例えば外径２３ｍｍ×内径１５ｍｍ×厚み１ｍｍの円環状の部材であり、その一部には、導体部３５の先端が嵌め込まれる切欠部３７が形成されている。
この切欠部３７は、圧電素子１７と接する側（図４（ｂ）の上面側）が略平行四辺形に開口するとともに、絶縁部３３の外周側が台形形状に開口したものである。つまり、図５にその断面（図４（ａ）のＡ−Ａ’断面）を示す様に、切欠部３７は、断面形状が台形となった長尺形状の空間である。

一方、導体部３５は、前記図４（ａ）に示す様に、圧電素子１７と接する非環状の電極部３９と、電極部３９から圧電素子１７の外側に向かって延びる端子部４１とから構成された板状の部材であり、絶縁部３３の中心から僅かにずれるように所定の直径方向（同図左右方向）と平行に配置されている。

このうち、前記電極部３９は、圧電素子１７や絶縁部３３のような環状ではなく、絶縁部３３の全周の１／３以下（ここでは円周の約１／３０）の寸法に設定されている。
また、電極部３９は、先端が斜めにカットされた略長方形（厚みは０．３ｍｍ）であり、その断面形状は、前記図５に示す様に、絶縁部３３の切欠部３７に隙間無く嵌り込む様に台形とされている。

更に、電極部３９の（台形の上辺に当たる）圧電素子１７側の表面（同図上面）は、絶縁部３３から外部に露出しているとともに、その露出する表面とその周囲の絶縁部３３の表面とは、同一平面をなしている（いわゆる面一である）。

なお、台形形状の切欠部３７とそれに嵌り込む台形形状の電極部３９とによって、即ち切欠部３７と電極部３９とが互いに係止する構成によって、同図上面側への電極部３９の抜け止めを防止する抜け止め機構４３が構成されている。

一方、端子部４１は、前記図４（ｂ）に示す様に、４箇所で屈曲した長尺の板状であり、その先端が圧電素子１７の外側に延びるように、前記コネクタ部７の方向に合わせて斜め上方に延びている。

また、図６に示す様に、第２出力端子２３は、第１出力端子２１とほぼ同様な構造であり、電気的絶縁性を有する環状の絶縁部４５と、その絶縁部４５から延びる導電性を有する導体部４７とから構成されている。なお、第２出力端子２３も、射出成形によって絶縁部４５と導体部４７とが一体に形成されている。

前記絶縁部４５は、第１出力端子２１と同様な寸法の円環状の部材であり、その一部には、（第１出力端子２１と）同様な形状の切欠部４９が形成されている。
一方、前記導体部４７も、第１出力端子２１とほぼ同様に、圧電素子１７と接する非環状の電極部５１と、電極部５１から圧電素子１７の外側に向かって延びる端子部５３とから構成されており、絶縁部５１の所定の直径方向と平行に配置されている。なお、この電極部５１も、絶縁部５１の全周の１／３以下（ここでは円周の約１／３０）の寸法に設定されている。

また、電極部５１の圧電素子１７側の表面も、第１出力端子２１と同様に、絶縁部５１の表面と同一平面をなしており、更に、同様な抜け止め機構５５も設けられている。
なお、この端子部５３は、（第１出力端子２１とは異なり）その途中で２箇所にて屈曲し、その先端が圧電素子１７の外側に延びている。

従って、上述した両出力端子２１、２３を備えた圧電素子部２５においては、図７に示す様に、両出力端子２１、２３は、各絶縁部３３、４５が平行になるように配置されるとともに、各電極部３９、５１の露出部分が圧電素子１７に接するように、即ち、各電極部３９、５１が内向きになるように配置される。

詳しくは、図８に示す様に、第１出力端子２１は、その電極部３９の露出部分が上になるようして、圧電素子１７の下側に配置される。これにより、端子部４１は、第２出力端子２３の端子部５３と位置（高さ）が揃い、その先端が斜め上方に延びるように配置されることになる。

一方、第２出力端子２３は、その電極部５１の露出部分が下になるようにして、圧電素子１７の上側に配置される。これにより、端子部５３は、（第１出力端子２１の端子部４１と同方向である）斜め上方に配置されることになる。

このように構成されたノッキングセンサ１は、従来装置と同様に、支持部材９の本体部１３に形成された挿通孔１１に挿通されるボルト（図示せず）によって、図示しない内燃機関のシリンダヘッドに装着され、従来装置と同様に使用される。

ｃ）次に、本実施形態のノッキングセンサ１の組み立て方法を簡単に説明する。
まず、予め、各出力端子２１、２３の導体部３５、４７の先端側（電極部３９、５１側）を含むように、（絶縁部３３、４５形成用の）射出成形用金型（図示せず）で取り囲み、液状樹脂部材（絶縁材料）を射出し固化させる。

なお、この射出成形の際には、完成した両出力端子２１、２３において、電極部３９、５１の一方の表面（圧電素子１７側の表面が）絶縁部３３、４５から露出するように、その露出する表面を金型に密着させておく。

これにより、導体部３５、４７と絶縁部３３、４５とが一体化した両出力端子２１、２３が製造される。
そして、前記図２に示すように、支持部材９の本体部１３の外周側に嵌めるようにして、鍔部１５上に、第１出力端子２１、圧電素子１７、第２出力端子２３、錘１９を順次載置する。このとき、第１出力端子２１、圧電素子１７、第２出力端子２３は、両出力端子２１、２３を平行にして組み付ける（前記図７（ａ）参照）。

次に、本体部１３に板バネ２７を圧入し、更に、板バネ２７の上にナット２９を嵌め込んで締め付けることにより板バネ２７を押圧する。
これにより、各構成部品（圧電素子１７、錘１９、両出力端子２１、２３）は、板バネ２７により鍔部１５に向けて押圧された状態で、支持部材９に固定される。

その後、これらの支持部材９及び構成部品を射出成形用金型（図示せず）で取り囲み、構成部品を覆うように液状樹脂部材（絶縁材料）を射出し固化させることにより、ケース３を形成する。これにより、ノッキングセンサ１が製造される。

ｄ）この様に、本実施形態のノッキングセンサ１では、両出力端子２１、２３の導体部３５、４７は、圧電素子１７に接触するとともに各絶縁部３３、４５と一体化された非環状の電極部３９、５１を備えているので、即ち、電極部３９、５１は絶縁部３３、４５の全周の１／３以下であるので、従来に比べて、電極部３９、５１に使用する金属材料の使用量を低減することができる。これにより、省資源に寄与し、コストダウンを図ることができる。

また、本実施形態では、前記絶縁部３３、４５と電極部３９、５１とは、射出成形により一体化されるので、各出力端子２１、２３を容易に作製できる。
更に、本実施形態では、電極部３９、５１の圧電素子１７側の露出する表面と、絶縁部３３、４５の圧電素子１７側の表面とが同一平面をなしているので、電極部３９、５１や絶縁部３３、４５を圧電素子１７の表面に密着させることができる。これにより、精度良くノッキングを検出できる。

その上、本実施形態では、両出力端子２１、２３に、抜け止め機構４３、５５を備えているので、絶縁部３３、４５から電極部３９、５１が脱落することを防止できる。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。

本実施形態のノッキングセンサは、第１実施形態のノッキングセンサとは、特に絶縁部の構成が異なっている。
図９に示す様に、本実施形態のノッキングセンサ６１は、前記第１実施形態とほぼ同様に、本体部６３及び鍔部６５からなる支持部材６７を備えており、その鍔部６５の上に、第１出力端子６９、圧電素子７１、第２出力端子７３、錘７５が順次載置され、板バネ７７及びナット７９により、一体に固定されたものである。

特に、本実施形態では、図１０に示す様に、第１出力端子６９は、環状の絶縁体８１と絶縁体８１から延びる導体部８３とから構成されており、絶縁体８１は、円盤状の板状部８５と円筒状の筒状部８７とから構成されている。つまり、絶縁部８１は、板状部８５の内周端に筒状部８７が立設された構造を有している。

本実施形態は、前記第１実施形態と同様な効果を奏するとともに、筒状部８７は本体部６３と圧電素子７１との間に配置されるので、支持部材６７との絶縁を容易に確保することができるという利点がある。

特に、図示しないが、例えば第２出力端子７３の電極部が絶縁部の内周面に到るまで延びている場合には、或いは、その際に、金属粉末が支持部材６７と圧電素子７１や第２出力端子７３との間に存在する場合でも、支持部材６７と第２出力端子７３の電極部等との間の絶縁を容易に確保することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記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とり得ることはいうまでもない。

第１実施形態のノッキングセンサの外観を示す正面図である。 第１実施形態のノッキングセンサの断面図である。 第１実施形態のノッキングセンサの内部構造を分解して示す説明図である。 （ａ）は第１出力端子の電極部側から見た平面図であり、（ｂ）はその正面図である。 図４（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 （ａ）は第２出力端子の電極部側から見た平面図であり、（ｂ）はその正面図である。 （ａ）は圧電素子部の平面図であり、（ｂ）はその正面図である。 圧電素子部を示す斜視図である。 第２実施形態のノッキングセンサの断面図である。 （ａ）は第１出力端子の平面図であり、（ｂ）はその正面を一部破断して示す説明図である。

符号の説明

１、６１…ノッキングセンサ
１７、７１…圧電素子
２１、２３、６９、７３…（第１、第２）出力端子
３３、４５、８１…絶縁部
３５、４７、８３…導体部
３９、５１…電極部
４１、５３…端子部
４３、５５…抜け止め機構
８５…板状部
８７…筒状部

Claims (6)

1. 環状の圧電素子と、
   前記圧電素子の厚み方向の両側に配置される出力端子と、
   を備えたノッキングセンサにおいて、
   前記出力端子は、環状の絶縁部と、該絶縁部から延びる導体部と、を備えるとともに、
   前記導体部は、前記絶縁部と一体化し前記圧電素子と接する非環状の電極部と、該電極部から前記圧電素子の外側に向かって延びる端子部と、を備えたことを特徴とするノッキングセンサ。
2. 前記絶縁部は、射出成形によって形成されて前記電極部と一体化されたものである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. 前記電極部は、前記絶縁部の全周の１／３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のノッキングセンサ。
4. 前記電極部の前記圧電素子側の露出する表面と、前記絶縁部の前記電極部の回りにおける前記圧電素子側の表面とが、同一平面をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のノッキングセンサ。
5. 前記絶縁部は、円盤状の板状部と、該板状部の厚み方向に突出する筒状の筒状部とが、一体に形成された形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のノッキングセンサ。
6. 前記絶縁部及び前記電極部に、前記絶縁部から前記電極部が脱落することを防止する抜け止め機構を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のノッキングセンサ。

Images