JPH07218331A - 自動車用内燃機関のノッキング検出装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】感度低下を抑止しつつ振動板を排除して堅牢な
自動車用内燃機関のノッキング検出装置、又は、共振型
及び非共振型の自動車用内燃機関のノッキング検出装置
の間の大幅な部品及び製造工程の共通化を実現した製造
方法を提供する。 【構成】振動検出部３は、圧電素子３１、ウエイト３２
及び弾性体３３からなり、従来の共振型のノックセンサ
のように振動板を必要とはしない。弾性体３３は振動検
出部３の固有共振周波数を低下させてノッキング振動の
基本周波数成分の帯域内とする。また、振動検出部３の
固有共振周波数がノッキング振動の基本周波数成分の帯
域より高い非共振型のノックセンサに弾性体３３を追加
するだけで共振型のノックセンサを製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子を用いて自動
車用内燃機関のノッキング振動を検出する装置に関す
る。本装置は、例えば自動車用内燃機関の点火時期制御
用途に採用できる。

【０００２】

【従来の技術】エンジンのノッキングを検出する自動車
用内燃機関のノッキング検出装置（ノックセンサともい
う）として従来より共振型と非共振型とが知られてい
る。共振型のノックセンサは、圧電素子が配設される振
動板にエンジンのノッキング振動を伝達して振動板及び
圧電素子をそれに共振させて出力を取り出すものであ
る。

【０００３】非共振型のノックセンサとして、例えば特
開平２−２１８９２７号公報及び実開平５−３０１２３
号公報は、自動車用内燃機関に固定されるベースの素子
載置面に支持軸部が立設され、支持軸部に振動検出部が
装着され、振動検出部が圧電素子、ウエイト及び皿ばね
を有する構造を開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、共振型
のノックセンサは感度が高く利点を有するが、堅牢性、
耐久性の点で振動板を必要としない非共振型に劣るとい
う欠点を有し、また、共振周波数がそれぞれ異なる各エ
ンジン毎に共振周波数を変更するのは簡単ではなかっ
た。

【０００５】一方、非共振型は、それぞれノッキング振
動の基本周波数成分が異なる各種エンジンに共用できる
という利点を有するが、共振型に比べて感度が低いとい
う欠点を有している。更に、車両用途毎に出力−周波数
特性がフラットな非共振型が好ましい場合や、出力−周
波数特性が共振ピークをもつ共振型が好ましい場合があ
るが、各車両用途に対応するために、全く構造が異なる
共振型及び非共振型のノックセンサを製造することは、
製造上、多大な負担が生じた。

【０００６】本発明はこれらの問題に鑑みなされたもの
であり、その第１の課題は、感度低下を抑止しつつ振動
板を排除して堅牢な自動車用内燃機関のノッキング検出
装置を実現することである。また、第２の課題は、各種
の共振周波数を有する自動車用内燃機関のノッキング検
出装置を簡単に製造可能な方法を提供することにある。

【０００７】更に、第３の課題は、共振型及び非共振型
の自動車用内燃機関のノッキング検出装置の間の大幅な
部品及び製造工程の共通化を実現した製造方法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の自動車用内燃機
関のノッキング検出装置は、自動車用内燃機関に固定さ
れるベースと、前記ベースの素子載置面に立設される支
持軸部と、両端に電極面を有する圧電素子、ウエイト及
び弾性体を有して前記支持軸部に軸方向変位可能かつ軸
方向離脱不能に装着される振動検出部とを備え、前記弾
性体は前記圧電素子及びウエイトを軸方向に弾性付勢す
る自動車用内燃機関のノッキング検出装置において、前
記弾性体は、前記振動検出部に前記自動車用内燃機関の
ノッキング振動の基本周波数成分を含む帯域内で共振ピ
ークを付与するばね定数を有することを特徴としてい
る。

【０００９】好適な態様において、前記帯域は、５〜２
０ｋＨｚ、更に好ましくは６〜１２ｋＨｚとされる。そ
の好適な製造方法の態様において、前記弾性体のばね定
数を調節することにより前記共振ピークを変化させる。
本発明の自動車用内燃機関のノッキング検出装置の製造
方法は、自動車用内燃機関に固定されるベースと、前記
ベースの素子載置面に立設される支持軸部と、両端に電
極面を有する圧電素子及びウエイトを有して前記支持軸
部に軸方向変位可能かつ軸方向離脱不能に装着される振
動検出部とを備え、前記振動検出部は前記自動車用内燃
機関のノッキング振動の基本周波数成分を含む検出帯域
内に共振ピークをもたない非共振型の自動車用内燃機関
のノッキング検出装置に、前記圧電素子及びウエイトを
軸方向に弾性付勢する弾性体を配設することにより、前
記自動車用内燃機関のノッキング振動の基本周波数成分
に共振する出力−周波数特性を前記振動検出部に付与す
ることを特徴としている。

【００１０】なお、非共振型の自動車用内燃機関のノッ
キング検出装置の製造に当たって、前記圧電素子及びウ
エイトに共振型と同様に弾性体を配設してもよい。ただ
し、この場合には、この圧電素子、弾性体及びウエイト
からなる振動検出部の共振周波数はノッキング振動の基
本周波数成分の帯域（最大振幅の１／２以上の帯域をい
う）外とされる。

【００１１】上記支持軸部は、素子載置面を有するベー
スと一体でもよく、別体でもよい。またボルトでもナッ
ト付きの無頭の螺子棒でもボルト状の有頭の螺子棒でも
よく、外周面に螺子が形成されたスリーブでもよい。上
記圧電素子は、ＰＺＴの他、市販の他の種類の圧電素子
を用いることができる。

【００１２】上記弾性体としては、皿ばね、コイルば
ね、ゴム、スプリングワッシャなどの内の一つまたはそ
れらの組合せを採用することができる。

【００１３】

【作用及び発明の効果】上記した本発明の自動車用内燃
機関のノッキング検出装置では、振動検出部は、圧電素
子、ウエイト及び弾性体からなり、従来の共振型のノッ
クセンサのように振動板を必要とはしない。弾性体は振
動検出部の共振周波数を低下させ、ノッキング振動の基
本周波数成分の帯域内とし、これにより、振動検出部が
ノッキング振動の帯域において共振ピークをもつことが
できるので、堅牢で高感度のノッキング振動検出が実現
する。

【００１４】好適な態様において、前記帯域は、５〜２
０ｋＨｚ、更に好ましくは６〜１２ｋＨｚとされる。６
６０ｃｃ〜３０００ｃｃの点火式自動車用内燃機関又は
ディーゼルエンジンのノッキング振動の基本周波数成分
はほぼこれらの帯域に入るので、これらの帯域で共振ピ
ークをもたせることにより感度が向上する。その好適な
製造方法の態様において、前記弾性体のばね定数を調節
することにより前記共振ピークを変化させる。このよう
にすれば、予め準備したそれぞれ異なるばね定数を有す
る複数種類の弾性体の一つを選択する方法や、弾性体を
押圧する力を調整する方法のどれか又は両方を採用する
ことにより、簡単に各種の共振ピーク周波数を得ること
ができる。

【００１５】上記した本発明の自動車用内燃機関のノッ
キング検出装置の製造方法では、振動検出部の共振周波
数がノッキング振動の基本周波数成分の帯域より高い非
共振型のノックセンサにおいて、圧電素子及びウエイト
を軸方向に弾性付勢する弾性体を配設し、かつ、この弾
性体の配設により振動検出部の共振周波数をノッキング
振動の基本周波数成分の帯域内として、共振型のノック
センサを製造する。

【００１６】このようにすれば、共振型及び非共振型の
自動車用内燃機関のノッキング検出装置の間の大幅な部
品及び製造工程の共通化を実現することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明のノックセンサの一実施例を図
１及び図２を参照して説明する。図１はその軸方向断面
正面図、図２は平面図を示す。このノックセンサは、ね
じ部１０が自動車用内燃機関（図示せず）に螺入される
ベース１と、ベース１の素子載置面１１に立設されるね
じ（支持軸部）２と、ねじ２に嵌着されて素子載置面１
１に押圧される振動検出部３とを備え、振動検出部３
は、両端に電極面を有する輪板状のＰＺＴ素子（圧電素
子）３１と、ウエイト３２と、皿ばね（弾性体）３３と
からなる。ＰＺＴ素子３１は図４に示すように軸方向に
分極されている。

【００１８】ウエイト３２は所定の質量を有する穴明き
の鋼鉄円柱からなり、ＰＺＴ素子３１はウエイト３２と
素子載置面１１の間に挟持されている。ＰＺＴ素子３１
の両主面には銀電極が焼付けされている。皿ばね３３
は、ねじ２の径大な頭部に内周端が係止され、外周端が
ウエイト３２を圧電素子圧縮方向に付勢している。ＰＺ
Ｔ素子３１と素子載置面１１との間にはターミナル４の
基部４１が挟持されており、基部４１と素子載置面１１
との間には電気絶縁用の輪板状の樹脂フィルムからなる
インシュレータ５が介設されている。ＰＺＴ素子３１と
ウエイト３２との間にはターミナル６の基部６１が挟持
されており、基部６１とウエイト３２との間には電気絶
縁用の輪板状の樹脂フィルムからなるインシュレータ７
が介設されている。ターミナル４を図３に示す。

【００１９】ベース１は、底部からねじ部１０が垂下す
る上端開口の碗状金属体からなり、その周壁には樹脂を
素材とするコネクタ８が密着されている。コネクタ８
は、下端開口の碗部８１と、碗部８１の上面から立設さ
れる接続筒部８２とからなり、碗部８１の内面には薄肉
金属板からなる碗状カバー８３が密着している。ターミ
ナル４はＰＺＴ素子３１の下側電極面に密着するリング
状の基部４１と、基部４１の一端から垂直（軸方向）に
立設される直線状の端子部４２とからなる。ターミナル
６はＰＺＴ素子３１の上側電極面に密着するリング状の
基部６１と、基部６１の一端から垂直（軸方向）に立設
される直線状の端子部６２とからなる。なお、図１で
は、ターミナル６の端子部６２はターミナル４の端子部
４２の裏側に重なっている。

【００２０】ターミナル４、６の端子部４２、６２の先
端部は、コネクタ８の碗部８１の底部を貫通してその接
続筒部８２の内部に突出している。このため、薄肉金属
板からなる碗状カバー８３は、ターミナル４、６の端子
部４２、６２の近傍において開口されて、電気的に絶縁
されている。８４は、コネクタ８とベース１とにより形
成される密閉空間Ｓ内に位置して両端子部４２、６２に
ＰＺＴ素子３１と並列に接続される抵抗である。

【００２１】以下、上記説明したノックセンサの動作を
説明する。図示しないエンジンの振動はベース１を通じ
て、振動検出部３に伝達され、振動検出部３の振動
（力）に応じてＰＺＴ素子３１は信号電圧を発生し、こ
の信号電圧は両ターミナル４、６を通じて外部回路（図
示せず）に導出される。このノックセンサの組立は、ま
ず、ねじ２に、皿ばね３３、ウエイト３２、インシュレ
ータ７、ターミナル６の基部６１、ＰＺＴ素子３１、タ
ーミナル４の基部４１の順に嵌着する。なお、上記皿ば
ね３３、ウエイト３２、インシュレータ７、ターミナル
６の基部６１、ＰＺＴ素子３１、ターミナル４の基部４
１は軸方向に変位自在となっているが、ねじ２の螺入に
つれて弾性変形した皿ばね３３がこれらの嵌着部品を軸
方向に所定の力で圧縮付勢する。その後、インシュレー
タ５が敷かれたベース１の中央軸孔１２にねじ２を螺入
し、次に、カバー８３を被せてサブアセンブリを形成
し、このサブアセンブリを金型に入れて、コネクタ８を
樹脂成形する。カバー８３のターミナル貫通孔にはゴム
が嵌め込まれている。

【００２２】ここで、ｋを支持軸部２と振動検出部３を
併せた振動検出系２３のばね定数、ｍを振動質量（ここ
ではほぼウエイト３２の質量とみなせる）とすれば、こ
の振動検出系の固有振動数ｗは、大体、ｗ＝（ｋ／ｍ）
^1/2 で表わされる。つまり、このセンサは、振動検出系
のバネ定数ｋ及びウエイト３２の質量ｍを適切な値に選
定することにより、ノッキング振動の基本周波数成分の
帯域である５〜２０ｋＨｚ、好ましくは６〜１２、更に
好ましくは６〜１０ｋＨｚとすることができる。

【００２３】一方、通常のエンジン（すなわち６００〜
３５００ｃｃの自動車用内燃機関）のノッキング振動の
基本周波数成分は一般に５〜２０ｋＨｚ、特に６〜１
２、最も多くは６〜１０ｋＨｚであるので、結局、この
ノックセンサは、ノッキング振動の基本周波数成分の帯
域に共振ピークを有する共振型センサとして作動可能で
あることがわかる。

【００２４】図５に、振幅一定の軸方向振動の周波数ｆ
とこのセンサの信号電圧Ｖ（リニアスケール）との関係
を示す。ａは図１のセンサのｆ−Ｖ特性であり、ｂは図
１のセンサにおいて皿ばね３３を除去してねじ２を更に
締めた場合のｆ−Ｖ特性である。ここではｍを７ｇ、ｋ
を２６００００ｋｇｆ／ｍｍとし、約６ｋＨｚの共振ピ
ークを得た。

【００２５】図５からわかるように、皿ばね３３を除去
した場合ｂにおいて、固有共振周波数ｆは約３０ｋＨｚ
とまったくノッキング振動の基本周波数成分とは掛け離
れた値となることがわかる。もちろん、ｍを極めて大き
く例えば１０倍以上とすることにより、ｂの場合でも共
振ピークの低下を予想し得る。しかし、このようなウエ
イト３２の質量増大は、それを支持するベース１やねじ
２やＰＺＴ素子３１などの堅牢化、大型化を必要とし、
実用化困難である。

【００２６】すなわち、本実施例は、振動検出系２３の
ｋ（単位はｋｇｆ／ｍｍ）を１７００００〜３００００
００、好ましくは２６００００〜９９００００、特に好
ましくは２６００００〜７０００００とすることによ
り、ウエイト３２のｍを通常の非共振型ノックセンサと
して用いる５〜２５ｇ、好ましくは５〜１５ｇ、特に好
ましくは５〜１０ｇとした場合でも、共振型ノックセン
サを構成することができるという知見に基づくものであ
る。

【００２７】以下、上記説明した本実施例のノックセン
サの作用効果を説明する。第一に、従来の共振型のノッ
クセンサのように振動板を必要とはしない堅牢で高感度
のノックセンサを実現することができる。第二に、皿ば
ね３３のばね定数を調節することにより、それぞれ異な
るノッキング振動の共振ピークを有する各種エンジンに
合わせて共振型ノックセンサの共振ピークを極めて簡単
に変更することができる。

【００２８】なお、皿ばね３３を含む弾性体のばね定数
の変更は、皿ばね３３又は弾性体の形状を変更すること
により、又は、ねじ２の締め込み量を調節することによ
り調節ことができ、更に両者の組合せで調節してもよ
い。第三に、非共振型ノックセンサと共振型ノックセン
サを、共通部品及び共通の製造ラインを用いて製造する
ことができ、これにより量産性の向上も含めて多品種の
ノックセンサの製造が従来より格段に容易となり、保守
管理も容易となる。

【００２９】（変形態様）以下に上記した実施例の変形
態様を説明する。なお、図示する場合、実施例１の構成
要素と基本機能が共通の構成要素には同一符号を付す。
まず、有頭のねじ２の代わりに無頭のねじを用い、この
ねじにナットを螺着してもよい。

【００３０】図６は、ＰＺＴ素子３１の下端面をベース
１を通じて接地し、ＰＺＴ素子３１の上端面をウエイト
３２を通じてターミナル４に電気的に接続したものであ
る。この実施例ではウエイト３２とベース１とを電気絶
縁する必要があり、この例では、皿ばね３３及びねじ２
に接するウエイト３２の表面は絶縁樹脂がコートされて
いる。

【００３１】図７は、図１の実施例において、皿ばね３
３をコイルバネ３３に変更したものである。図８は、図
１の実施例において、皿ばね３３をウエイト３２とター
ミナル６の基部６１との間に介設したものである。図９
は、図１の実施例において、皿ばね３３をスプリングワ
ッシャ３３に変更したものである。

【００３２】図１０は、図１の実施例において、皿ばね
３３を輪板状のゴム板３３に変更したものである。図１
１は、図１の実施例において、皿ばね３３をベース１の
素子載置面１１に形成した凹部にはめ込み、更に皿ばね
３３の付勢力を中間輪板３５を通じてターミナル４、Ｐ
ＺＴ素子３１、ターミナル６及びウエイト３２の順に伝
達するものである。当然、中間輪板３５とターミナル４
との間にはインシュレータが介設されるが、中間輪板３
５が電気絶縁性であれば、このインシュレータを省略す
ることができる。なお、この実施例では、振動検出部３
は中間輪板３５も含み、その固有共振周波数は中間輪板
３５の質量も加味して計算される。

【００３３】上記した説明からわかるように、本発明に
おいて、振動検出部３におけるＰＺＴ素子３１、ウエイ
ト３２及び弾性体３３の軸方向の組合せは自由であり、
弾性体３３がＰＺＴ素子３１及びウエイト３２に軸方向
へ弾性圧縮する構造であればよいことがわかる。なお、
皿ばね３３を含むこれら弾性体は従来と同様にねじ２の
緩みも防止する効果も奏する。

【００３４】また、更なる変形態様として、ねじ２を締
め込むことにより皿ばね３３又は他の弾性体３３の弾性
を殺すことによっても、上記各図の共振型ノックセンサ
を非共振型とすることができる。更に、ＰＺＴ素子３１
は厚さ方向に分極されるが、その方法については周知で
あり本発明の要旨でもないので説明を省略する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のノックセンサの軸方向断面正面図で
ある。

【図２】図１のノックセンサの平面図である。

【図３】図１のノックセンサのターミナル４の斜視図で
ある。

【図４】図１のノックセンサのＰＺＴ素子３１の斜視図
である。

【図５】図１のノックセンサのｆ−Ｖ特性図である。

【図６】変形態様のノックセンサの軸方向断面正面図で
ある。

【図７】変形態様のノックセンサの軸方向断面正面図で
ある。

【図８】変形態様のノックセンサの軸方向断面正面図で
ある。

【図９】変形態様のノックセンサの軸方向断面正面図で
ある。

【図１０】変形態様のノックセンサの軸方向断面正面図
である。

【図１１】変形態様のノックセンサの軸方向断面正面図
である。

【符号の説明】

１はベース、２はねじ（支持軸部）、３は振動検出部、
４、６はターミナル、３１はＰＺＴ素子、３２はウエイ
ト、３３は皿ばね（弾性体）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自動車用内燃機関に固定されるベースと、
   前記ベースの素子載置面に立設される支持軸部と、両端
   に電極面を有する圧電素子、ウエイト及び弾性体を有し
   て前記支持軸部に軸方向変位可能かつ軸方向離脱不能に
   装着される振動検出部とを備え、前記弾性体は前記圧電
   素子及びウエイトを軸方向に弾性付勢する自動車用内燃
   機関のノッキング検出装置において、 前記弾性体は、前記振動検出部に前記自動車用内燃機関
   のノッキング振動の基本周波数成分を含む帯域内で共振
   ピークを付与するばね定数を有することを特徴とする自
   動車用内燃機関のノッキング検出装置。
2. 【請求項２】前記帯域は、５〜２０ｋＨｚとされる請求
   項１記載の自動車用内燃機関のノッキング検出装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の自動車用内燃機関のノッキ
   ング検出装置において、前記弾性体のばね定数を調節す
   ることにより前記共振ピークを変化させる自動車用内燃
   機関のノッキング検出装置の製造方法。
4. 【請求項４】自動車用内燃機関に固定されるベースと、
   前記ベースの素子載置面に立設される支持軸部と、両端
   に電極面を有する圧電素子及びウエイトを有して前記支
   持軸部に軸方向変位可能かつ軸方向離脱不能に装着され
   る振動検出部とを備え、前記振動検出部は前記自動車用
   内燃機関のノッキング振動の基本周波数成分を含む検出
   帯域内に共振ピークをもたない非共振型の自動車用内燃
   機関のノッキング検出装置に、前記圧電素子及びウエイ
   トを軸方向に弾性付勢する弾性体を配設することによ
   り、前記自動車用内燃機関のノッキング振動の基本周波
   数成分に共振する出力−周波数特性を前記振動検出部に
   付与することを特徴とする共振型の自動車用内燃機関の
   ノッキング検出装置の製造方法。