JP6531072B2 - ノッキングセンサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いたノッキングセンサに関する。

自動車等の内燃機関のノッキング現象を検出するノッキングセンサが知られており、ノッキングセンサの検出に応じて点火プラグの点火時期の遅角制御が行われている。
上記したノッキングセンサとして、内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付孔を中心部に有する、いわゆるセンターホール式非共振型のノッキングセンサが知られている（特許文献１）。
このノッキングセンサは、筒状部と筒状部の一端に位置する鍔部とを有する主体金具を備え、筒状部の外周に鍔部側から順に、それぞれ環状の絶縁部材、圧電素子、ウェイト、及びナットを嵌め込んで構成されている。そして、筒状部の外周面の雄ネジ部にナットを螺合することによりウェイトを係止し、鍔部とウェイトとの間に圧電素子を挟んで固定している。さらに、主体金具に絶縁部材、圧電素子、ウェイト等を組み付けた内部部品全体が樹脂によって被覆されることで、ノッキングセンサは構成されている。なお、筒状部の内面が上記した取付孔となっている。
又、筒状部の周方向に溝を設け、ウェイト上の皿バネをこの溝よりも鍔部側まで押し込んだ状態で、溝にストッパリングを嵌めて固定するノッキングセンサも知られている（特許文献２）。

特開２０１０−１０１６９６号公報 特開２００７−１３９６８９号公報

しかしながら、従来のノッキングセンサは、上述のようにナットを用いてウェイトを主体金具に係止するため、ナットを螺合する際に金属粉が発生し、圧電素子の周囲に付着して、圧電素子と主体金具間との間での絶縁性を低下させるおそれがある。又、ナットの部品コストが高いという問題がある。又、ストッパリングを用いる場合も、溝の加工コストやストッパリングの部品コストが高くなる。
そこで、本発明は、製造時の金属粉の発生を防止して圧電素子の絶縁性を確保すると共に、コストを低減したノッキングセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のノッキングセンサは、筒状部と該筒状部の一端側に位置し、筒状部の周方向外側に向かって突出する鍔部とを有する主体金具と、前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部に面する側と反対側に天面を有する環状のウェイトと、前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部と前記ウェイトとの間に挟まれる環状の圧電素子と、前記鍔部と前記圧電素子との間に介在する絶縁体とを備えたノッキングセンサであって、前記筒状部の外周面には、周方向外側に向かって突出し、前記ウェイトの天面に直接又は他部材を介して接して該ウェイトを係止する突出部が一体に設けられ、該突出部の外周面は、当該外周面と、前記ウェイトの天面又は前記他部材との接点から前記筒状部の他端に向かって拡径している。

このノッキングセンサによれば、ナットを用いず、筒状部自身によって塑性変形などで一体に形成された突出部によってウェイトを主体金具に係止している。これにより、ウェイトを主体金具に係止するにあたってナットを主体金具の筒状部に対して回動させる必要がなく、ナットを螺合する際の金属粉の発生を防止して、圧電素子と主体金具間での絶縁性を良好に確保することができる。又、ナットの部品コストを削減し、コストを低下することができ、安価なノッキングセンサを提供することができる。
又、この突出部は、例えば筒状部の他端側の内面にカシメ刃を挿入して単純に拡径することで形成することができるので、突出部が筒状部の軸方向の中間に位置する場合のように複雑な工具や金型を用いて拡径する必要がなく、製造もより容易になるので、この点でもコストがさらに低下する。
なお、この突出部を、例えば筒状部の他端側の内面にカシメ刃を挿入して拡径することで塑性変形させて形成すれば、仮に金属粉が発生しても筒状部の内面からセンサ外部へ脱落するので、金属粉が圧電素子に付着する不具合を防止することができる。

本発明のノッキングセンサでは、前記筒状部の前記接点よりも前記一端側の内径ｄ１に対し、前記突出部の前記他端の内径ｄ２がｄ１＜ｄ２≦１．５×ｄ１であってもよい。
ノッキングセンサは、筒状部にボルトを挿通し、取付対象材（シリンダブロック等）にボルトをネジ止め等して固定される。この際、筒状部の他端側の上面にボルトの頭部を係止させる（抜け止めする）ためには、筒状部の他端の内径ｄ２が頭部の内周円の直径よりも小さくなっている必要がある。
一般的なボルトやネジは、頭部の内周円の直径が軸部の直径の１．５倍未満であるから、ｄ１＜ｄ２≦１．５×ｄ１とすれば、一般的な汎用のボルトやネジでノッキングセンサを容易に固定できる。

この発明によれば、製造時の金属粉の発生を防止して圧電素子の絶縁性を確保すると共に、コストを低減したノッキングセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るノッキングセンサの外観を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの断面図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの内部構造の分解図である。 本発明の実施形態に係るノッキングセンサの製造方法の一例を示す工程図である。

以下、図１〜図３を参照し、本発明の実施形態に係るノッキングセンサについて説明する。
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軸方向に破断した断面図を示し、図３はノッキングセンサの内部構造の分解図を示している。

図１において、ノッキングセンサ１は、内燃機関のシリンダブロック等へ取付けるための取付孔１１(図２参照)を中心部に有する、いわゆるセンターホール式非共振型のノッキングセンサである。ノッキングセンサ１は、樹脂モールド材料である合成樹脂（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ＳＰＨＤ、ＳＷＣＨ２５Ｋ）からなる主体金具９を備えており、主体金具９は、ボルト１００を挿通するための取付孔１１を有する円筒形状の筒状部１３と、筒状部１３の一端１３ｆ側（図１の下側）にて外周面から周方向外側に張り出す鍔部１５とを有している。なお、主体金具９（筒状部１３の外周面を含む）の外面に、防錆のため亜鉛メッキ等からなるメッキ層を設けてもよく、メッキ層の表面には、メッキ層の腐食の防止を図る目的からクロメート層を設けてもよい。
この主体金具９の鍔部１５の厚み方向の一面（図１の上面）側には、筒状部１３の外周に嵌められる環状（円筒形状）で、圧電セラミックス（例えばＰＺＴ）からなる圧電素子１７が載置されている。
また、圧電素子１７の上面側には、筒状部１３の外周に嵌められる環状（円筒形状）で、錘としての効果を発揮する比重を有する金属材料（例えばＳＭＦ４０５０）からなるウェイト１９が載置されている。

鍔部１５と圧電素子１７との間、及びウェイト１９と圧電素子１７との間、即ち圧電素子１７の厚み方向の両側には、導電材料（例えば黄銅）からなる出力端子２１、２３が、それぞれ圧電素子１７と接するように配置されている。なお、出力端子２１、２３のうち圧電素子１７と接する部分は環状である。
また、鍔部１５と出力端子２１との間、及び出力端子２３とウェイト１９との間には、絶縁性を有するフィルム状の合成樹脂（例えばＰＥＴ）からなる環状の絶縁体２５、２７がそれぞれ配置され、出力端子２１、２３が主体金具９の鍔部１５やウェイト１９と短絡しないようにされている。

なお、圧電素子１７とウェイト１９と出力端子２１、２３（環状部分）と絶縁体２５、２７との内周面と、筒状部１３の外周面１３ｂとの間には、環状の空間２０が形成されており、この環状の空間２０にも上記合成樹脂が充填されている。更に、主体金具９には、金属材料（例えばＳＫ−５Ｍ）からなり、ウェイト１９を鍔部１５方向（同図下方）へ押圧する環状の板バネ２９が取り付けられている。
なお、ウェイト１９の上面（図１の上面）１９ａに板バネ２９の下面の少なくとも一部が接しており、ウェイト１９の上面１９ａが特許請求の範囲の「天面」に相当する。又、板バネ２９が特許請求の範囲の「他部材」に相当する。又、鍔部１５と出力端子２１との間の絶縁体２５が特許請求の範囲の「絶縁体」に相当する。

さらに、板バネ２９の上側の位置において、筒状部１３の外周面１３ｂには、周方向外側に向かって突出する突出部１３ｐが筒状部１３と一体に設けられている。この突出部１３ｐは、板バネ２９との接点Ｐから上方（筒状部の他端１３ｅ）に向かってテーパ状に拡径している。後述するように、突出部１３ｐは、例えば筒状部１３を塑性変形して形成することができる。
そして、突出部１３ｐの外周面１３ｂが板バネ２９の上面に接点Ｐで接することによって、板バネ２９が下方に押圧され、さらに板バネ２９の弾性力によりウェイト１９が係止され、ウェイト１９と鍔部１５との間の積層構造体（圧電素子１７、出力端子２１、２３、絶縁体２５、２７）が主体金具９に固定される。
つまり、本実施形態においては、突出部１３ｐが板バネ２９を介してウェイト１９の天面１９ａに接し、主体金具９の鍔部１５に向けてウェイト１９を押圧するようにして、ウェイト１９を間接的に主体金具９に係止している。

なお、「一体」とは、突出部１３ｐが筒状部１３と切れ目なく繋がっていることをいい、テーパ状の突出部をネジ、嵌合、溶接等で筒状部の他端側に後付けする場合を除く。又、「一体」であるか否かは、突出部１３ｐを含む筒状部１３の軸方向の断面画像から、溶接後や別部品同士の接合部（切れ目）が視認できるか否かで判別できる。
又、「突出部１３ｐが接点Ｐから筒状部１３の他端１３ｅに向かって拡径している」とは、接点Ｐから他端１３ｅに向かって突出部１３ｐの外周面１３ｂが縮径することなく広がり、他端１３ｅで最大外径となることをいう。従って、突出部１３ｐが筒状部１３の軸方向の中間に形成され、他端１３ｅで突出部１３ｐよりも縮径する場合は含まないが、突出部１３ｐの外周面１３ｂが他端１３ｅに向かって拡径しつつ、他端１３ｅへ繋がるストレート部（軸方向に平行な部位）、又は他端１３ｅとの間にストレート部を有する場合を含む。

以上のように、ナットを用いず、筒状部１３に設けた突出部１３ｐによってウェイト１９を主体金具９に係止することで、ナットを螺合する際の金属粉の発生を防止して圧電素子１７と主体金具９との間の絶縁性を良好に確保することができる。又、ナットの部品コストを削減し、ノッキングセンサ１のコストを低下することができる。
なお、ナットを用いずに筒状部１３の外周面１３ｂに直接プレス加工等を行って突起部を形成することで、ウェイト１９を主体金具９に係止することも可能である。しかしながら、この場合には、筒状部１３の外周面１３ｂに加工を施す際、やはり金属粉が発生して圧電素子１７の周囲に金属粉が付着し、圧電素子１７と主体金具９との間の絶縁性を低下させることがある。
そこで、詳しくは後述するが、例えば筒状部１３の他端１３ｅ側の取付孔１１にカシメ刃を挿入し、筒状部１３を内面１３ａ側から塑性変形させて拡径することで、仮に金属粉が発生しても取付孔１１から外部へ脱落するので、金属粉が圧電素子に付着する不具合を防止することができる。

なお、図２に示すように、ノッキングセンサ１は、筒状部１３の取付孔１１に他端１３ｅ側からボルト１００を挿通し、取付対象材（シリンダブロック等）にボルト１００をネジ止め等して固定される。そして、筒状部１３の他端１３ｅ側の上面にボルト１００の頭部（六角形等）１０１を係止させる（抜け止めする）ためには、筒状部１３の他端１３ｅ側の内径ｄ２が頭部１０１の内周円の直径よりも小さくなっている必要がある。
六角ボルト等の一般的なボルトやネジは、頭部１０１の内周円の直径が軸部１０２の直径の１．５倍未満であるから、筒状部１３の接点Ｐよりも一端１３ｆ側の内径ｄ１に対し、ｄ１＜ｄ２≦１．５×ｄ１とすれば、一般的な汎用のボルトやネジでノッキングセンサを容易に固定できる。

次に、図４を参照し、本実施形態のノッキングセンサ１の製造方法の一例を説明する。
まず、主体金具粗形材９ｘを用意する。この主体金具粗形材９ｘは、外周面１３ｂに突出部１３ｐが形成されていない筒状部１３ｘと、筒状部１３ｘの一端１３ｆ側（下側）に上述の鍔部１５とを有している(図３参照)。そして、筒状部１３ｘの外周側に嵌めるようにして、鍔部１５上に、絶縁部材２５、出力端子２１、圧電素子１７、出力端子２３、絶縁部材２７、ウェイト１９、板バネ２９を順次載置する。なお、筒状部１３ｘの他端１３ｅの端面１３ｘｅは、一端１３ｆ側に向かって窄まるテーパ状をなしているが、これは、後述するように筒状部１３ｘの上端側（他端１３ｅ側）を押し広げて拡径した際に、端面１３ｘｅを水平に近付けるためである。
次に、円筒ピン１２０を上方から下ろし、円筒ピン１２０の下面にて板バネ２９を押圧し、板バネ２９の上面が水平になるように弾性変形させる(図４（ａ）)。

次に、円筒ピン１２０を下ろした状態で、筒状部１３ｘの取付孔に、上方からピストン１３０を挿入する(図４（ｂ）)。ピストン１３０は先端に向かって狭まるテーパ状のカシメ刃１３０ｓを有し、筒状部１３ｘの取付孔にピストン１３０を挿入すると、カシメ刃１３０ｓが筒状部１３ｘの取付孔に挿入されて筒状部１３ｘの上端側（他端１３ｅ側）が押し広げられ、塑性変形して拡径し、突出部１３ｐを形成する。この際、筒状部１３ｘは、押圧された状態の板バネ２９よりも上面側で広げられるので、板バネ２９の上面側に突出部１３ｐが形成される。
なお、カシメ刃１３０ｓを筒状部１３ｘの取付孔に挿入すると、筒状部１３ｘに外周側へ向かう押圧力が働き、板バネ２９との接点Ｐ近傍を支点として外側へ曲がるように塑性変形する。

そして、円筒ピン１２０を離すと、板バネ２９が弾性的に戻り、突出部１３ｐに接点Ｐで接しながら板バネ２９の弾性力によりウェイト１９の天面１９ａを鍔部１５側へ押圧し、上述の積層構造体が主体金具９に固定される。
このようにしてノッキングセンサ１を組み立てた後、主体金具９を含む上述の積層構造体を覆うように樹脂モールド材料（合成樹脂）を射出し固化させることにより、ケース３を形成し、ノッキングセンサ１が完成する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
絶縁体の種類としては、上述のフィルム状の合成樹脂の他、セラミック材でもよく、絶縁性接着剤を塗布してもよい。又、上記実施形態では、突出部１３ｐが板バネ２９を介してウェイト１９の天面１９ａに接し、ウェイト１９を係止したが、これは合成樹脂製の絶縁体２５、２７が熱クリープにより薄くなって軸方向に隙間が生じることから、この隙間を板バネ２９の弾性変形で埋めるためである。一方、熱クリープが生じないセラミック等の絶縁体を用いる場合には、板バネ２９を用いず、突出部１３ｐをウェイト１９の天面１９ａに直接接しさせてウェイト１９を係止してもよい。

１ ノッキングセンサ
９ 主体金具
１３ 筒状部
１３ａ 筒状部の内面
１３ｂ 筒状部の外周面
１３ｅ 筒状部の他端
１３ｆ 筒状部の一端
１３ｐ 突出部
１５ 鍔部
１７ 圧電素子
１９ ウェイト
１９ａ ウェイトの天面
２５ 絶縁体
２９ 他部材
Ｐ 突出部とウェイトの天面又は他部材との接点

Claims (2)

1. 筒状部と該筒状部の一端側に位置し、筒状部の周方向外側に向かって突出する鍔部とを有する主体金具と、
   前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部に面する側と反対側に天面を有する環状のウェイトと、
   前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部と前記ウェイトとの間に挟まれる環状の圧電素子と、
   前記鍔部と前記圧電素子との間に介在する絶縁体とを備えたノッキングセンサであって、
   前記筒状部の外周面には、周方向外側に向かって突出し、前記ウェイトの天面に直接又は他部材を介して接して該ウェイトを係止する突出部が一体に設けられ、
   該突出部の外周面は、当該外周面と、前記ウェイトの天面又は前記他部材との接点から前記筒状部の他端に向かって拡径しているノッキングセンサ。
2. 前記筒状部の前記接点よりも前記一端側の内径ｄ１に対し、前記突出部の前記他端の内径ｄ２がｄ１＜ｄ２≦１．５×ｄ１である請求項１記載のノッキングセンサ。

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