JPS5885123A - 内燃機関のノツキング検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気・機械変換器として圧電セラミック材料
から成る板片の両主面に電極を設けたノッキング・セン
サを、その板片への内燃機関のノッキングに伴うひずみ
の伝達が良好に行なわれる内燃機関の個所に取付けた内
燃機関の７・ノキング検出装置に関する。

内燃機関、特に自動車用の内燃機関としてガソリン消費
量が少ないものを開発するべく努力が続けられている。

内燃機関のガソリン消費量を節減するためには、点火時
期調整を最適に行なうことが重要な因子である。しかし
、運転状態によっては内燃機関、一層詳細にはそのシリ
ンダ内に望ましくないノッキング現象が生じ、著しい材
料損耗を招くおそれがある。従って、内燃機関のブロッ
クに取付けてノッキング現象の発生を直ちに検出するた
めのセンサが開発されている。このようなノッキング・
センサから得られる注意信号に基づいて適当な対策によ
り、ノッキング現象を生しないように運転状態特に点火
時期が変更される。

この目的のセンサとしては、電気・機械変換器として特
に圧電セラミック材料を用いた種々の構成の加速度計が
提案されている。このような加速度計の一例として、た
とえばドイツ連邦共和国特許出願公開第２８０２６７９
号明細書に記載されているものでは、圧電セラミック板
がその主表面でもって内燃機関のブロックまたはシリン
ダヘッドの外壁にねじにより押付けられており、そのね
じの場合によって；工拡大された頭部が付属の振動質量
をなしている。

それよりも高感度の加速度計の例として、たとえばソ連
特許第５７３．７５７号明細書から公知のものでは、振
動質量がリンクを介して、内燃機関のブロックまたはシ
リンダヘッドに取付けられた１１静止１１質量と連結さ
れており、立てて配置された薄い圧電セラミック板が１
１静止１′質量とリンクに取付けられた振動質量との間
に延在しており、振動質量に作用する慣性力によりリン
クにたわみが生じ、それがｔＥ電セラミック板に圧力作
用として伝達される。

冒頭に記載したセンサは、比較的堅牢である点で自動車
用としての苛酷な条件下で使用するのに適しているけれ
ども、感度が低いために、自動車で生ずる可能性のある
＊＊的電気的ノイズに対して十分に識別可能な電気的信
号を発生することができない。他方、前記の高感度の加
速度センサは、感度上の問題は少ないけれども、機械的
に比較的安定性が小さく、特に僅かな衝撃が加わった場
合でさえ特定されない方向に破損するという欠点を持っ
ている。このことは自動車の運転やそれと関連するその
他の運転条件については許容することができない。

本発明の目的は、十分高い感度と自動車用として必要な
堅牢性を有し、しかもそれらが技術的にたいそうな手数
をかけること・なく得られるノッキング・センサを提供
することである。また本発明の他の目的は、簡単な方法
と僅かな費用で大量生産品として製作できるようにする
ことにある。

この目的は本発明によれば、前記センサ取付個所として
ノッキングに伴う振動数の高い接線方向ひずみができる
かぎり大きく生ずる内燃機関の壁部分を選定し、この壁
部分に前記センサの板片を、その一方の主面で壁部分か
らその接線方向ひずみを伝達し得るように、また壁部分
と反対側の前記板片の他方の主面には外部からの機械的
力がほとんど作用しないように取付けることにより達成
される。本発明の実施態様は特許請求の範囲第２項以下
に記載されている。

本発明によるノッキング検出装置は、電気＋１機械変換
器として適当な圧電セラミック材料を用いる点では従来
のノッキング検出装置と同様であるが、ノッキングに伴
い内燃機関のブロックまたはシリンダヘッドの壁の材料
内に場所的に分散して生ずる材料ひずみを利用し、″そ
の振幅がたとえ極めて小さくとも接線方向の大きさ変化
を圧電セラミック材料から成る板片で検出するようにし
た点で従来のノッキング検出装置と異なる原理によって
いる。すなわち驚くべきことには、内燃機関の壁材料に
生じるひずみの接線方向の振幅は、圧電セラミック材料
から成る板片で検出するのに十分な大きさを持っている
ことが確認された。

告白（？、機関についてノッキングに伴う材料表面の接
線方向ひずみを検出するのに特に適する箇所の一つを探
す必要はあるものの、このような箇所は少くとも実験的
に簡単に見い出され、これは本発明にあってはひずみを
伝達するための板片の主面の全面で内燃機関の壁表面の
材料と機械的に良好な伝導接触をなすようにすることに
よって得られる。このような良好な接触を形成するのに
要する費用は、公知の取付法で必要とされた費用よりも
少なくてすむ。ノッキング・センサを取付けるのに適し
た壁部分は一般に内燃機関のブロックまたはシリンダヘ
ッドに存在し、この箇所では経験によれば接線方向のひ
ずみは均等に生じる。

内燃機関の壁部分に取付けられる主面と反対側の板片の
主面に、板片に慣性力を加える可能性のある質量を結合
する必要がないことは、本発明によるノッキング・セン
サの大きな利点である。すなわち、このことによって、
圧電セラミック板片に伝達すべき接線方向ひずみを生ず
る内燃機関ブロックまたはシリンダヘッドの表面と圧電
セラミック板片との間の機械的結合を非常に容易にする
。

なお、この機械的結合はなんらかの中間材を介して行な
われてもよい。要するに、壁部分から接線方向のひずみ
が圧電セラミック板片に忠実に伝達されればよいのであ
る。

以下、図面により本発明の好ましい実施例を説明する。

第１図には、本発明の第１の実施例として、内燃機関の
７ツキング現象に伴う振動、一層詳細には振動により内
燃機関の壁に生ずる接線方向のひずみ、を検出するため
壁部分２に中間保持板を介さずに直接に取付けられたノ
ッキング・センサが全体として符号１ｔＬ付して示され
ている。壁部分２は、センサの取付が容易でありかつノ
ツキング現象に伴う接線方向ひずみが比較的大きい壁部
分であれば、内燃機関のブロックの壁部分であってもよ
いし、そのシリンダヘッドの壁部分であってもよい。壁
部分２の表面付近の接線方向ひずみは両方向矢印３で示
されている。これらの接線方向ひずみは実際上一方向に
平行に生ずることが多いが、壁の表面に沿う多くの方向
に、さらにはすべての方向に生じてもよい。符号１１を
付されているのは、たとえばチタン酸ジルフン酸鉛のよ
うな圧電セラミック材料から成り、たとえば０２咽ない
し５．の厚みを有する板片である。このような圧電変換
器は当業者によく知られている。符号１２および１３を
付されているのは、電極層を設けられた板片１１の主面
である。これらの電極層１２．１．３は厚み１０μｍ以
下の非常に薄い層であり、それ自体は公知のように蒸着
銀から成ることが有利である。壁側の電極層１２への電
気的接続を簡単に行ない得るように、電極層１２は（第
１図で板片の右側に示されているように）板片１１の側
縁をめくって、電極層１３ておおわれている板片１１の
主面のじゅうぶん大きな面部分１２ａまで延びており、
そこで端子ピン１４と接続されている。この面部分１２
ａに対して電極層１３は間隔をおいている。電極層１３
には第２の端子ピン】５が接続されている。

壁側の主面で、すなわち電極層１２て板片】１は壁部分
２と、その表面付孟の接線方向ひずみ３と同様のひずみ
３′が板片１１の圧電セラミック材料内に生ずるように
固定的に結合されている。この板片１１と壁部分２との
相互結合はたとえば接着剤の層１６により行なわれてい
てよい。ノッキング現象に伴うひずみ３の高い振動数（
７ないし１０　ｋＨｚ　）に対しては、接着剤層１６は
十分に強固であり、ひずみを忠実に伝達し得る。接着剤
層１６により結合を行なうことは、費用の点で有利なだ
けでなく、板片１１の主面および壁部分２の表面が多少
湾曲していても、また多少粗くても支障がない点でも有
利である。それどころか、表面がある程度粗いことは結
合およびひずみ伝達のた′めにかえって有利である。

圧電セラミック板片１１に伝達された接線方向交番ひず
み３′により、ポアソン比に応じて板片１１の厚み方向
に交番ひずみが生ずる。それに伴い電極層１２と１３と
の間、従ってまた端子ピン１４と１５との間に相応した
交流電工信号が生ずる。この信号が内燃機関の７ツキン
グ現象の発生を示す電気的信号として取り出される。

主として機械的保護のため、圧電セラミック板片に対し
て被覆１８が設けられている。この被覆１８はたとえば
エポキシ樹脂のような合成樹脂から成る。その剛性は小
さいので、板片１１の両方向矢印３′の方向のひずみお
よびそれに伴う厚み方向のひずみに影響を及ぼさない。

電極層１３とそれに向かい合う被覆１８の面との間には
小さな空隙が設けられていてよい。板片１１の側縁にお
いても被覆１８は板片に有害な影響を及ぼさないように
されている。

第１図に示されている実施例では、内燃機関ブロックの
壁部分２に接着剤層１６により板片】１を結合し、その
上に被覆１８をかぶせている。しかし、壁部分２および
接着剤層１６を除いて第１図に示されているすべての部
分を予めノッキング・センサとして製作することもでき
る。このようなノッキング・センサでは、板片１１は、
その電極層１２を有する一方の主面が露出しかつこの主
面がその周囲の被覆１８の端面Ｊ８ａと同一の平面をな
すように、被覆１８に予め埋込まれている。

、このようなノッキング・センサを壁部分２に取付ける
ためには、電極層１２および被覆端面１８ａに接着剤を
塗布してからセンサを壁部分２に押付けて接着するだけ
でよい。以上に説明した実施例では、センサの取外しは
センサを破壊しなければｆ可能である。しかし、このこ
とは欠点ではない。

なぜならば、このようなノッキング・センサ１は内燃機
関の使用期間を通じて取外される必要がないからである
。もし交換が必要な場合には、使用不能になったノッキ
ング・センサ１をたとえばハンマーでたたいて壁部分２
から取除き、新しいノッキング・センサ１を取付ければ
よい。

第２ａ図および第２ｂ図ならびに第３ａ図および第３ｂ
図には、取外し可能な本発明によるノッキング・センサ
の実施例がそれぞれ平面図および側断面図で示されてい
る。これらのセンサは、第１図のセンサと同様に、内燃
機関のノッキングに伴い壁部分に生ずるひずみに応動す
る。

第２ａ図および第２ｂ図で、圧電セラミック材料から成
る板片は同様に符号１１を付されており、その両側の主
面には同様に電極層１２および１３が設けられている。

この板片１１はその電極層１２によりおおわれた（図面
で下側の）主面で中間保持板２１の面と結合されている
。好ましい実施例では、この中間保持板２１は、図面に
示され、ているように、薄い部分２？を有し、その一方
の面２３で好ましくは接着により板片１１に取付け１．
られる。それにより、薄い部分２２に生ずるひずみが板
片１１に忠実に伝達される。両側の縁で部分２２はそれ
よりも厚い部分・２４に移行している。

部分２４は各１つの孔２５を有し、それに通されるねじ
１２５により中間保持板２１か内燃機関の壁部分２にね
し締めされ得る。両側の部分２４の内縁間の寸法はその
間に位置する板片１１の長手方向寸法すよりも若干大き
く選定されている。

ねじ１２５のところで中間保持板２１と壁部分２とが固
定的に結合されているので、ノッキング現象に伴い壁部
分２に生ずるひずみ３は中間保持板２１の薄い部分２２
に両方向矢印３″により示されているように忠実に伝達
される。このひずみ３″　は部分２２から板片１１に両
方向矢印３′により示されているように忠実に伝達され
る。このひずみ３′により端子ピン１４と１５との間に
電気的出力信号が生ずる。

ひずみ３ができるかぎり忠実に圧電セラミック板片１１
内にひずみ３′として伝達され得るように、中間保持板
の部分２２はできるかぎり薄く、少なくとも板片１１の
厚みＣのオーダーに選定する必要がある。また、板片１
１の寸法すはその厚みＣの数倍以上に選定する必要があ
る。さらに、寸法すは寸法ａよりも大きいことが好まし
い。壁部分２に生ずるひずみが同一の極性を有する範囲
内で寸法ａすなわち板片の幅を大きく選定することは、
端子ピン１４と１５との間にパワの大きい出力信号を得
られる点で有利である。部分２２における中間保持板２
１の厚みｔは、ひずみ３″　が板片１１の側縁（ａ＠ｃ
）と中間保持板２１の部分２４との間の部分２３で局部
的に生ずるほど薄くてはならない。寸法選定に際しては
、ひずみ３″が特に板片１１の下側の部分２２に生ずる
ように留意すべきである。中間保持板２１にひずみ３″
は壁部分２から機械的結合たとえば中間保持板２１の部
分２４におけるねじ締め１２５を介して伝達される。

本発明の他の実施例が第３ａ図に平面図で示されている
。第３ｂ図は第３ａ図の線Ａ−Ｂに沿う側断面図である
。第１図ならびに第２ａ図および第２ｂ図で既に説明し
た細部をここで繰返して説明することは省略する。この
実施例では、先に説明した実施例と異なり、はぼ三角形
状の中間保持板３１が３点で壁部分２に取付けられてい
る。この中間保持板３１は前記の部分２２に相当する部
分３２を薄い部分として構成されており、そこにたとえ
ば円形の圧電セラミック板片１１′が接着されている。

３つの孔３５に通されるねじ１２５により中間保持板３
１は壁部分２に固定的にねじ締めされる。３点取付によ
り、第２ａ図および第２ｂ図に示した実施例にくらべて
、壁部分２のひずみが（第１図に示した実施例のように
板片１１を壁部分２に直接に接着する場合とほぼ同様に
）実際上すべての方向で板片１１′に伝達されるという
利点が得られる。

先に説明した実施例と同様に、板片】１′を機械的に保
護しかつ端子ピン１４および１５を保持するための被覆
１１８が設けられている。

第３ｂ図には、板片１１′の電気的出力信号を与えられ
る雷４子装置３９も示されている。電子装置３９で、た
とえば内燃機関の点火時期を適当な仕方で変更するため
の信号処理が行なわれる。このよ゛うな電子装置３９は
先に説明した実施例でも同様に用いられる。電子装置３
９はノッキングの発生に対して保護されるべき（ここに
は壁部分２のみが示されている）内燃機関を搭載した自
動車の装備品の１つである。

内燃機関の運転中、電気的ノイズとして本発明によるセ
ンサの端子ビン１４．１５間の電気的信号に重畳する電
流が内燃機関の壁に流れる可能性がある。その対策とし
て、壁部分２と板片１１との間を電気的に絶縁しておく
ことは有利である。

そのために、第２ａ図および第２ｂ図ならびに第３ａ図
および第３ｂ図に示した実施例で、アルミニウムから成
る中間保持板２１または３１を用い、その壁側または板
片側の表面をアルマイト化して電気絶縁層を形成するこ
とは有利である。このような電気絶縁層によって壁部分
２から板片１１へのひずみ伝達特性が悪影響を受けるこ
とはない。

板片１１と結合された中間保持板２】または３１を壁部
分２に取付けるようにした実施例において、永久的に粘
性を有する層、たとえば油特にシリコン油、パテまたは
他の不硬化性接着剤の層１０１を中間保持板と壁部分と
の間に設けることは有利である。この粘性層１０１は、
壁部分２からひず生振動が生じるおそれをなくすために
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の壁部分に直接にセンサを取付ける本
発明の実施例の側断面図、第２ａ図および第２ｂ図は内
燃機関の壁部分に中間板を介してセンサを取外し・再取
付可能に取付ける本発明の実施例の平面図および側断面
図、第３ａ図および第３ｂ図は同じくセンサを取外し・
再取付可能に取付ける本発明の第２の実施例の平面図お
よび側面図である。 １・・ノッキング・センサ、２・・・壁部分、３．３’
。 ３″　・・接線方向ひずみ、１．１．１１’・圧電セラ
ミック板片、１２．１３・・・主面（電極層）、１４゜
１５・・・端子ビン、１６・・・接着剤層、２１　、３
１　・中間保持板、２５．３５・・取付装置、１２５・
・ねじ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電気・機械変換器として圧電セラミック材料から成
   る板片の両生面に電極を設けたノンキング・センサを、
   その板片への内燃機関のノッキングに伴うひずみの伝達
   が良好に行なわれる内燃機関の個所に取付けた内燃機関
   のノッキング検出装置において、前記センサ取付個所と
   してノツキン冬に伴う振動数の高い接線方向ひずみがで
   きるかぎり大きく生ずる内燃機関の壁部分を選定し、こ
   の壁部分に前記センサの板片を、その一方の主面で壁部
   分からその接線方向ひずみを伝達し得るように、また壁
   部分と反対側の前記板片の他方の主面には外部からの機
   械的力がほとんど作用しないように取付けることを特徴
   とする内燃機関のノッキング検出装置。 ２）センサの板片の一方の主面がその全面で内燃機関の
   壁部分の表面と接着され得るように露出していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関のノッ
   キング検出装置。 ３）板片の露出主面と反対側の主面と板片の側縁とが１
   １覆により囲まれていることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の装置。 ４）板片がその一方の主面の全面で中間保持板と接合さ
   れており、中間保持板がそれにほぼ最大の間隔をおいて
   配置された取付装置により内燃機関の壁部分に固定的に
   取付けられており、中間保持板が板片との接合範囲で板
   片の厚み以下またはたかだかそれと同程度の厚みを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機
   関のノッキング検出装置。 ５）中間保持板と接合される板片の主面と反対側の板片
   の主面が被覆されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載の装置。 ６）中間保持板と板片との間が電気的に絶縁されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項または第５項記
   載の装置。 ７）中間保持板がアルミニウムから成り、また電気的絶
   縁がアルミニウム表面にアルマイト層を形成することに
   より行なわれていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ６項記載の装置。 ８）内Ｐ機関の壁部分と内燃機関に取付けられる中間板
   との間にダンピング層が設けられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項ないし第７項のいずれかに記載
   の装置。 ９）ダンピング層がシリコン油の層であることを特徴と
   する特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０）中間保持板を内燃機関の壁部分に取付けるための
   装置としてねしが用いられていることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項ないし第９項のいずれかに記載の装置
   。 中間保持板を内燃機関の壁部分に取付けるための装部が
   中間保持板の長手方向の両端に位置していることを特徴
   とする特許請求の範囲第・１項／ｆいし第１０項のいず
   れかに記載の装置。 １２）　　ｙノキング・センサおよびその中間保持板が
   ほぼ三角形状であり、また板片がほぼ円形状であり、中
   間保持板を内燃機関の壁部分に取付けるための装置がほ
   ぼ三角形のかどに位置していることを特徴とする特許請
   求の範囲第・１項ないし第１０項のいずれかに記載の装
   置。 １３）板片の電極上それぞれ電気的に接続されており接
   続ビンとして用いられるピンが被覆物中に埋込まれてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項または第５項
   ないし第１２項のいずれかに記載の装置。