JP6181663B2 - ノッキングセンサ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本国際出願は、２０１３年６月２５日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１３−１３２８３２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１３−１３２８３２号の全内容を本国際出願に援用する。

本発明は、内燃機関に発生するノッキングを検出する非共振型ノッキングセンサに関する。

内燃機関に発生するノッキングを検出する非共振型ノッキングセンサとして、ボルト等の固定部材を介して内燃機関の取付位置に固定されるものが知られている。このノッキングセンサは、センサ素子である圧電素子と、圧電素子を支持する支持部材と、を備えている。支持部材は、自身の中央に挿通孔が形成されており、この挿通孔にボルト等の固定部材を挿通することにより、ノッキングセンサが固定部材を介して内燃機関の取付位置に固定される。

上述のノッキングセンサには、測定したノッキング信号を外部に出力する一対の電極が設けられ、この電極の間をつなぐ金属皮膜抵抗器が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。このような金属皮膜抵抗器は、各種センサに用いられている（例えば、特許文献２から４参照。）。

特開２００６−３００６０５号公報 特許第３７７２５５８号公報 特許第４４１７１８６号公報 特開平０９−００７４３８号公報

ノッキングセンサに用いられる金属皮膜抵抗器としては、金属皮膜を有する抵抗本体の外側がエポキシ樹脂からなる外装皮膜で覆われた金属皮膜抵抗器が用いられていた。しかしながら、上述の金属皮膜抵抗器は、ノッキングセンサのケース形成時に加わる熱や、熱サイクル試験でのダメージが大きく耐熱性にネックがあるという問題があった。

具体的には、金属皮膜抵抗器の外装皮膜であるエポキシ樹脂が、高熱を加えることにより、金属皮膜及びノッキングセンサのケースを構成する６，６−ナイロン（以下、「６６ナイロン」と表記する。）と融着する。その後、外部の温度が変化して外装皮膜が膨張・収縮すると、融着した金属皮膜が連動して膨張・収縮するため、金属皮膜が抵抗本体から剥がれてしまう。このように金属皮膜が剥がれると、金属皮膜抵抗器の抵抗値が所望の値から外れて高くなってしまう虞があった。

本発明の一局面においては、耐熱性の向上を図ることができるノッキングセンサを提供することが望ましい。

本発明の１つの局面におけるノッキングセンサは、支持部材と、圧電素子と、一対の電極部と、抵抗器と、ケースと、を備える。
支持部材は、筒状の本体部を有する。圧電素子は、前記支持部材の前記本体部の外周に位置する環状の圧電素子である。一対の電極部は、前記支持部材の前記本体部の外周に位置し、前記圧電素子に積層され、前記圧電素子に発生する電気信号を外部に引き出す。抵抗器は、金属皮膜を有する抵抗本体を備え、前記一対の電極部と並列接続される。ケースは、前記支持部材の外側に形成され、前記抵抗器、前記圧電素子および前記電極部を少なくとも包囲する樹脂材料で構成されている。前記抵抗器は、前記金属皮膜を覆う外側皮膜を有する。外側皮膜は、前記ケースを構成する樹脂材料と比較して熱変形温度が高い樹脂材料で構成される。

このように構成されたノッキングセンサによれば、抵抗器はケースを構成する樹脂よりも熱変形温度が高い材料、例えば合成樹脂で構成された外側皮膜で覆われている。そのため、ノッキングセンサのケースを形成する際や、熱サイクル試験で熱を加えられても、当該外側皮膜は金属皮膜やケースと融着することを抑制できる。その結果、金属皮膜は抵抗本体から剥離しにくく、抵抗器は所望の抵抗値を保ち続けやすくなる。

上記のノッキングセンサは、一対のキャップと、内側皮膜と、をさらに備えてもよい。一対のキャップは、前記抵抗本体を支持する一対の金属製のキャップであって、前記電極部と電気的に接続されるとともに、メッキが施されてもよい。内側皮膜は、前記外側皮膜と前記金属皮膜の間に設けられるとともに、前記外側皮膜よりも緻密な膜構造を有する樹脂材料で構成されてもよい。

このように外側皮膜よりも緻密な膜構造を有する内側皮膜を設けることにより耐熱性の向上が図りやすくなる。つまり、抵抗器の構成要素であるキャップにメッキが施されている場合、緻密な膜構造を有する内側皮膜が設けられていると、ノッキングセンサに熱が加えられてメッキが溶融したとしても内側皮膜の外側に留め置くことができる。そのため、内側皮膜が設けられていない場合と比較して、溶融したメッキが金属皮膜に接触することによる、抵抗値の変化を抑制しやすくなる。

上記のノッキングセンサにおいては、前記内側皮膜は、少なくとも前記金属皮膜と前記キャップとの接触面の端部を覆っても良い。
このように抵抗本体の金属皮膜とキャップとの接触面の端部を覆うように内側皮膜を配置することにより、耐熱性の向上をより図りやすくなる。つまり、ノッキングセンサに熱が加えられてキャップのメッキが溶融したとしても、溶融したメッキは内側皮膜により概ね同じ領域に留め置かれる。その後ノッキングセンサの温度が下がると溶融したメッキも概ね元の位置で固化する。そのため、接触面の端部からのメッキの浸入が抑制され、抵抗値の変動が抑制される。つまり、熱による抵抗値の変化を抑制しやすくなる。

上記のノッキングセンサにおいては、前記ケースを構成する樹脂材料は６，６-ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、およびポリフェニレンサルファイドのいずれかであってもよく、前記外側皮膜を構成する樹脂材料はシリコーン樹脂であってもよい。

６，６-ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、およびポリフェニレンサルファイドのいずれかとシリコーン樹脂とを比較すると、シリコーン樹脂の熱変形温度は６，６-ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、およびポリフェニレンサルファイドのいずれかの熱変形温度よりも高い。そのため、ケースを構成する樹脂として６，６-ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、およびポリフェニレンサルファイドのいずれかを使用し、抵抗器の外側皮膜としてシリコーン樹脂を使用することにより、ノッキングセンサの耐熱性の向上を図ることができる。つまり、抵抗器はケースを構成する樹脂よりも熱変形温度が高いシリコーン樹脂で構成された外側皮膜で覆われている。そのため、ポリブチレンテレフタレート、およびポリフェニレンサルファイドのいずれかを用いてケースを形成する際や、熱サイクル試験で熱を加えられても、外側皮膜は金属皮膜や当該ケースと融着することを抑制できる。その結果、金属皮膜は抵抗本体から剥離しにくく、抵抗器は所望の抵抗値を保ち続けやすくなる。

本発明の上記の局面におけるノッキングセンサによれば、抵抗器を、ケースを構成する樹脂よりも熱変形温度が高い樹脂材料で構成された外側皮膜で覆うことにより、熱が加えられても当該皮膜はケースと融着しにくくなる。そのため抵抗器の金属皮膜は剥離しにくくなり、抵抗器は所望の抵抗値を保ち続けやすくなることから耐熱性の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るノッキングセンサ外観を説明する正面図である。 図１に示すノッキングセンサの内部構造を説明する断面図である。 図２に示すノッキングセンサの内部構造を説明する分解図である。 図２に示す抵抗器の内部構成を説明する断面図である。

１…ノッキングセンサ、１０…支持部材、１１…本体部、２０…下面側電極部（電極部）、３０…圧電素子、４０…上面側電極部（電極部）、７０…抵抗器、７１…抵抗本体、７３…キャップ、７４…内側皮膜、７５…外側皮膜、７２…金属皮膜、８０…ケース

この発明の一実施形態に係る非共振型ノッキングセンサ（以下、単に「ノッキングセンサ」と表記する。）について、図１から図４を参照しながら説明する。
本実施形態に係るノッキングセンサ１は、内燃機関に発生するノッキングの検出に用いられるものである。ノッキングセンサ１は、図１に示すようにケース８０の内部に種々の構成部品が収納されている。ケース８０は絶縁性を有する材料、例えば合成樹脂などのモールド樹脂から形成されている。本実施形態では、ケース８０をナイロンから形成している例に適用して説明する。

さらにノッキングセンサ１には、図２に示すように、支持部材１０と、下面側電極部（電極部）２０と、圧電素子３０と、上面側電極部（電極部）４０と、錘部材５０と、ナット６０と、抵抗器７０と、が設けられている。これらの構成部品は、上述のケース８０の内部に収納されている。

ケース８０は、ノッキングセンサ１の外形を構成するものであり、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８１と、点火時期制御装置などの外部機器に繋がる外部コネクタを接続するコネクタ部８２と、を備えている。コネクタ部８２は、素子収納部８１の外周壁から外向きに突出して形成されている。

支持部材１０は、鉄から構成される部材である。図２及び図３に示すように、支持部材１０には、本体部１１および鍔部１２が主に設けられている。本体部１１は、軸線Ｌ方向を中心とする円筒形状に形成された支持部材１０の部分である。鍔部１２は、本体部１１の下部（図２および図３における下側の部分）から径方向外側へリング状に突出する支持部材１０の部分である。

本体部１１の内部には、軸線Ｌ方向に貫通する貫通孔１３が存在する。本体部１１の外周面の上端側には溝部１４が、鍔部１２の外周面には溝部１５が設けられている。溝部１４および溝部１５は、ケース８０と本体部１１との密着性を高めるためのものである。本体部１１の外周面には、溝部１４の下側に、ナット６０と噛み合わされるネジ溝１６が設けられている。

下面側電極部２０は主に円環状の環状部２１と、この環状部２１から突出する端子部２２と、を備えている。環状部２１は、本体部１１の外周を取り囲むとともに、圧電素子３０の下面と接して配置され、さらに圧電素子３０と電気的に接触して配置されている。

また端子部２２は、圧電素子３０の下面（環状部２１）からコネクタ部８２までの区間を電気的に接続するものであり、圧電素子３０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ものである。端子部２２は、所定の位置でコネクタ部８２の高さに合わせて上面側に曲げられている。

圧電素子３０は、圧電効果を有する材料である、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や、水晶等の各種結晶や、ポリフッ化ビニリデン等の各種有機材料等から構成される素子である。圧電素子３０は、鍔部１２との間に下面側電極部２０を挟む位置に配置されている。また圧電素子３０は、本体部１１の外周を取り囲む環状形状に形成されており、断面が矩形状となるように形成されている。

上面側電極部４０は主に円環状の環状部４１と、この環状部４１から突出する端子部４２と、を備えている。環状部４１は、本体部１１の外周を取り囲むとともに、圧電素子３０の上面と接して配置され、さらに圧電素子と電気的に接触して配置されている。

また端子部４２は、圧電素子３０の上面（環状部４１）からコネクタ部８２までの区間を電気的に接続するものであり、圧電素子３０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ものである。端子部４２は、所定の位置でコネクタ部８２の高さに合わせて上面側に曲げられている。

錘部材５０は、真鍮等の各種金属材料から形成された部品であり、圧電素子３０と同様に、本体部１１の外周を取り囲む環状形状に形成された部品である。その断面が矩形状となる点についても圧電素子３０と同様である。さらに錘部材５０は、圧電素子３０に対して荷重を印加するものであり、圧電素子３０の上面側に配置され、圧電素子３０との間で上面側電極部４０を挟んで配置されている。

ナット６０は、本体部１１のネジ溝１６と噛み合わされるネジ溝が形成されたものであり、これらネジ溝１６に対して回転させながら噛み合わせる（ねじ込む）ことにより本体部１１に締め付け固定されるものである。なお、ナット６０は、外周が六角形などの多角形状に形成され、この形状に対応可能な工具を用いて締め付け固定を行える構成とされている。

次に、本実施形態の特徴である抵抗器７０について説明する。抵抗器７０は金属皮膜抵抗器であり、図２に示すように、上面側電極部４０と下面側電極部２０と並列接続される抵抗器である。抵抗器７０には、図４に示すように、金属皮膜７２を有する抵抗本体７１と、抵抗本体７１を支持するキャップ７３と、抵抗本体７１およびキャップ７３を包む内側皮膜７４と、内側皮膜を包む外側皮膜７５と、が主に設けられている。

抵抗本体７１の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。本実施形態ではセラミックス製の抵抗本体７１を金属皮膜７２で包んだ構成である例に適用して説明する。抵抗本体７１を覆う金属皮膜７２は、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケル−クロム）合金の皮膜であってもよいし、メタルグレーズ皮膜であってもよく、特にその種類を限定するものではない。

キャップ７３は、抵抗本体７１を両側から挟みこみ保持する保持部材であるとともに、抵抗本体７１と上面側電極部４０および下面側電極部２０との間を電気的に接続するものでもある。本実施形態では、鉄から形成された骨格にスズメッキを施したキャップ７３である例に適用して説明する。

内側皮膜７４はエポキシ樹脂から構成された皮膜であり、外側皮膜７５と比較して緻密な膜構造を有する皮膜である。また内側皮膜７４は、抵抗本体７１およびキャップ７３の周囲を覆い、少なくとも抵抗本体７１の金属皮膜７２とキャップ７３との接触面の境界、つまり接触面の端部に存在するように配置されている。

外側皮膜７５はシリコーン樹脂から構成された皮膜であり、ケース８０を構成する樹脂である６６ナイロンと比較して高い熱変形温度をもつ皮膜である。外側皮膜７５は、内側皮膜７４、抵抗本体７１およびキャップ７３の周囲を覆い、これら覆われる部材とケース８０とが接触しないようにするものである。

次に、本実施形態のノッキングセンサ１の組み立て作業について図３を用いながら説明する。
ノッキングセンサ１の組み立て作業は、下面側電極部２０、圧電素子３０、上面側電極部４０、および錘部材５０を、下面側から上面側に向けて、この順に積層する作業を最初に行う。このとき、下面側電極部２０、圧電素子３０、上面側電極部４０、および錘部材５０は、支持部材１０における本体部１１の外周を取り囲むように配置されている。

積層作業を行う際には、下面側電極部２０の端子部２２と、上面側電極部４０の端子部４２とを、抵抗器７０を介して電気的に接続する作業も行う。
次に、ナット６０を支持部材１０のネジ溝１６に螺合する作業を行い、支持部材１０の鍔部１２とナット６０との間で、下面側電極部２０、圧電素子３０、上面側電極部４０、錘部材５０を、挟み込み固定する。

このあと、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６６ナイロンを射出成形して、ケース８０を形成する作業を行う。以上の作業によりノッキングセンサ１は完成する。

なお、ノッキングセンサ１は、ケース８０の下面側から支持部材１０の鍔部１２の下面側の端部が露出し、ケース８０の上面側からは支持部材１０の本体部１１の上面側の端部が露出するように形成される。また、コネクタ部８２は、その内側において、下面側電極部２０の端子部２２および上面側電極部４０の端子部４２の一部が露出するように形成される。

ノッキングセンサ１は、その下面（詳細には、支持部材１０における鍔部１２の下面）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）と接触するようにして、内燃機関に対して取り付けられる。

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１０の鍔部１２を介して圧電素子３０に達し、その異常振動に応じて圧電素子３０から出力される電気信号が、下面側電極部２０の端子部２２および上面側電極部４０の端子部４２から外部機器に対して出力される。

上記の構成のノッキングセンサ１によれば、抵抗器７０は６６ナイロンよりも熱変形温度が高い材料、シリコーン樹脂で構成された外側皮膜７５で覆われている。そのため、ノッキングセンサ１のケース８０を形成する際や、熱サイクル試験で熱を加えられても、当該皮膜はケース８０と融着することがない。その結果、抵抗器７０の金属皮膜７２が剥離せず、抵抗器７０は所望の抵抗値を保ち続けることができることとなり、ノッキングセンサ１の耐熱性の向上を図ることもできる。

外側皮膜７５よりも緻密な膜構造を有する内側皮膜７４を設けることにより、ノッキングセンサ１の耐熱性の向上が図りやすくなる。つまり、抵抗器７０の構成要素であるキャップ７３にはスズメッキが施されている場合、緻密な膜構造を有する内側皮膜７４が外側皮膜７５と金属皮膜７２との間に設けられていると、ノッキングセンサ１に熱が加えられてメッキが溶融したとしても内側皮膜７４の外側に留め置くことができる。そのため、内側皮膜７４が設けられていない場合と比較して、溶融したメッキが金属皮膜７２に接触することによる抵抗器７０の抵抗値の変化を抑制しやすくなる。

さらに抵抗本体７１の金属皮膜７２とキャップ７３との接触面の端部を覆うように内側皮膜７４を配置することにより、耐熱性の向上をより図りやすくなる。つまり、ノッキングセンサ１に熱が加えられてキャップ７３のメッキが溶融したとしても、溶融したメッキは内側皮膜７４により概ね同じ領域に留め置かれる。その後ノッキングセンサ１の温度が下がると溶融したメッキも概ね元の位置で固化する。そのため、接触面の端部からのメッキの浸入が抑制され、抵抗器７０の抵抗値の変動が抑制される。つまり、熱による抵抗値の変化を抑制しやすくなる。そのため、接触面の端部からのメッキの浸入が抑制され、抵抗値の変動が抑制される。つまり、熱による抵抗値の変化を抑制しやすくなる。

ケース８０を構成する６，６-ナイロンと、外側皮膜７５を構成するシリコーン樹脂とを比較すると、シリコーン樹脂の熱変形温度は６，６-ナイロンの熱変形温度よりも高い。そのため、ケース８０を構成する樹脂として６，６-ナイロンを使用し、抵抗器７０の外側皮膜７５としてシリコーン樹脂を使用することにより、ノッキングセンサ１の耐熱性の向上を図ることができる。つまり、抵抗器７０はケース８０を構成する６，６-ナイロンよりも熱変形温度が高いシリコーン樹脂で構成された外側皮膜７５で覆われている。そのため、ケース８０を形成する際や、熱サイクル試験で熱を加えられても、外側皮膜７５は金属皮膜７２やケース８０と融着することがない。その結果、金属皮膜７２は抵抗本体７１から剥離しにくく、抵抗器７０は所望の抵抗値を保ち続けやすくなる。

なお、上述の実施形態のようにケース８０を構成する樹脂として６，６-ナイロンを用いてもよいし、ポリブチレンテレフタレートや、ポリフェニレンサルファイドを用いてケース８０を構成してもよく、特に限定するものではない。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、抵抗器７０が適用されるノッキングセンサ１の構成は、上記の実施形態に記載された形態であってもよいし、その他の形態を有するノッキングセンサであってもよい。

Claims (4)

1. 筒状の本体部を有する支持部材と、
   前記支持部材の前記本体部の外周に位置する環状の圧電素子と、
   前記支持部材の前記本体部の外周に位置し、前記圧電素子に積層され、前記圧電素子に発生する電気信号を外部に引き出す一対の電極部と、
   金属皮膜を有する抵抗本体を備え、前記一対の電極部と並列接続される抵抗器と、
   前記支持部材の外側に形成され、前記抵抗器、前記圧電素子および前記電極部を少なくとも包囲する樹脂材料で構成されたケースと、
   が設けられたノッキングセンサであって、
   前記抵抗器は、前記ケースを構成する樹脂材料と比較して熱変形温度が高い樹脂材料で構成される外側皮膜であって、前記金属皮膜を覆う前記外側皮膜を有するノッキングセンサ。
2. 前記抵抗本体を支持する一対の金属製のキャップであって、前記電極部と電気的に接続されるとともに、メッキが施されたキャップをさらに備え、
   前記外側皮膜と前記金属皮膜の間に、前記外側皮膜よりも緻密な膜構造を有する樹脂材料で構成された内側皮膜が設けられている請求項１記載のノッキングセンサ。
3. 前記内側皮膜は、少なくとも前記金属皮膜と前記キャップとの接触面の端部を覆う請求項２記載のノッキングセンサ。
4. 前記ケースを構成する樹脂材料は６，６-ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、およびポリフェニレンサルファイドのいずれかであり、前記外側皮膜を構成する樹脂材料はシリコーン樹脂である請求項１から３のいずれか１項に記載のノッキングセンサ。

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