JPS6333139Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はエンジンの振動センサ、特にエンジン
に取付けられエンジン振動の特定周波数と共振す
る共振周波数に設定された振動体を含み、この振
動体の振動を電気信号に変換して前記エンジンの
振動検出を行なうエンジンの振動センサに関す
る。

今日、一般に、船舶用、自動車用等に多くのエ
ンジンが実用されており様々の形で我々の生活に
貢献している。これらのエンジンでは、運転条件
が適切でないと、出力が低下したり、ノツキング
による異常振動や異常損耗を発生し、更にその燃
費効率が低下する。

従つて、前述した最適な運転条件を得るために
は、エンジンの運転状態を正確に把握することが
要求され、このための有益な装置としてエンジン
の振動センサが知られており、エンジンの特定周
波数における振動がエンジンの運転状態を正しく
反映していることから、この特定周波数における
振動の大きさあるいは特性を測定することにより
運転条件を最適化するための多くの情報を得るこ
とができる。前記特定周波数は種々の運転状態に
応じて各種選択されるが以下にはエンジンのノツ
キング振動周波数を例に採り説明する。

一般に、エンジンの点火進角が過大（点火時期
が早い）な時にはノツキングおよび出力低下が引
きおこされ、同様に前記点火進角が過少（点火時
期が遅い）な時にも出力の低下が引きおこされ
る。それ故、ノツキングを避けつつ最大出力、最
大効率を得るためにはエンジンの点火進角の最適
化を図る必要がある。しかし、点火進角の最適な
値は、エンジン型式、エンジン個体差、エンジン
各気筒回転数、吸気圧においてそれぞれ異なり、
予め最適値に設定しておくことは容易でない。従
来、このような点火進角の設定は、エンジン回転
数および吸気圧に対応して機械的又は電気的に行
なつていたが、必ずしも完全に最適値に制御する
ことはできなかつた。このため、点火進角を最適
値よりも小さく設定しておき、最高出力を犠牲に
してノツキングの発生を生じにくくするのが常で
あつた。

ところが、最近、エンジンには低燃費化および
高効率化の要請が高まり、前述した安易な対処法
では時代の要請に充分対処しきれなくなつてき
た。特に近年、低燃費化、高出力化を目指して開
発されつつある過給機（ターボチヤージヤ）付エ
ンジン等においては、最適点火進角化の要請が強
い。これらの要請に応えるための一方法として、
最高効率の得られるトレースノツク（微弱なノツ
キング）状態を指標として点火進角を自動制御す
る手法（ノツクコントロールシステム）が開発さ
れた。そして、このようなノツクコントロールシ
ステムを効果的に作動させるためにはエンジンの
トレースノツクを正確にかつ迅速に検出すること
が要求される。この要求を満たすため従来から数
種類のエンジン用振動センサが用いられていた。

このような従来の振動センサとして、例えば、
磁歪型、圧電円板型、圧電片持梁型等の振動セン
サが知られているが、これらの各振動センサはい
ずれも性能が充分でないため、例えば温度変化、
エンジン回転数等の測定条件が変化すると正確な
測定が行なえず、その結果エンジンのノツクコン
トロールにも支承が生じていた。このため、充分
な性能を有する振動センサ、すなわち、エンジン
回転数、温度変化等の測定条件の変化に関係なく
エンジンのノツキング特有の振動を他の雑振動と
正確に区別して検出する振動センサの開発が望ま
れていた。また、一般にエンジンは多気筒からな
りこれら各気筒を最適点火進角に制御するため、
１個で多数の気筒のノツキング振動を検出可能な
振動センサの開発も望まれていた。

第１図は、周波数特性がフラツトな非共振型振
動体をエンジンに取付け、この振動体を介して得
られるエンジン振動を電気信号に変換して検出し
たエンジンの振動波形であり、第１Ａ図はノツキ
ングを発生しない通常燃焼状態での振動波形、第
１Ｂ図はノツキングを伴なう異常な燃焼状態での
振動波形を示すものである。同各図に示す如く、
燃焼のタイミングと同期して周期的にレベルの高
い大きな振動波形が双方の状態に見られるが、第
１Ｂ図に示すノツキングを伴なう異常燃焼状態の
場合には、前述した周期的な波形に加えて多少振
動のピークのタイミングからはずれたレベルの大
きな振動波形が認められる。

第２図は、第１図の振動波形の周波数スペクト
ルを示すものである。第１図の場合と同様、第２
Ａ図にはノツキングを発生しない通常の燃焼状態
での周波数スペクトルが示され、第２Ｂ図にはノ
ツキングを伴なう異常な燃焼状態での周波数スペ
クトルが示されている。これら第２図から明らか
な如く、ノツキングを発生しない通常の燃焼状態
では、略平担なスペクトルであるのに対し、ノツ
キングを伴なう異常な燃焼状態では特定周波数に
ピークを有する特徴あるスペクトル特性を示す。

このように、ノツキングによる振動は６〜８
〔ＫHz〕程度の特定周波数であるのに対し、ノツ
キング以外の雑振動は広範囲の周波数にわたつて
存在する。それ故、例えば第３図に示す如く、ノ
ツキング振動周波数と一致する共振周波数特性を
有する振動体を備えた振動センサを用い、エンジ
ンの振動を検出すれば、ノツキング振動を他の雑
振動から確実に分離し検出することができる。

ところが、従来用いられていた振動センサで
は、前述した共振周波数をノツキング振動周波数
と常に一致させておくことが困難であり、測定条
件の変動により前記振動センサの共振周波数とノ
ツキング振動周波数とがずれる場合が生ずる。こ
のようなずれにより前記両周波数に不一致が生ず
ると、振動センサはエンジン各部から発生する雑
振動とノツキング特有の振動との区別を正確に行
なうことができなくなり検出特性が悪化するとい
う欠点があつた。

このような特性悪化を引き起こす第１の原因と
して、振動体の振動部の実効長が変動することが
挙げられる。第４Ａ図には従来の片持梁方式の振
動センサの外観が、また第４Ｂ図には第４Ａ図に
おける振動体の外観が示され、第４Ａ図において
基台１０には振動体１２の基部１２ａが押え板１
４にて押圧された状態で固定ねじ１６によつて支
持固定されている。そして、振動体１２の基部１
２ａの表面には上記押え板１４の押圧力により第
４Ｂ図において黒色で示されるような圧痕１８が
形成されるが、この圧痕１８は第４Ｂ図において
二点鎖線で示される押え板１４の幅員よりもかな
り内側へ後退していることが理解される。

振動体１２の振動部１２ｂの実効長は上記圧痕
１８の振動側境界位置１８ａにより決定される
が、振動部１２ｂの共振周波数は振動部１２ｂの
実効長の２乗に反比例して変動する。従つて、振
動部１２ｂの共振周波数を一定にするためには、
圧痕１８の振動側境界位置１８ａを一定にして振
動部１２ｂの実効長を一定にしなければならな
い。ところが、圧痕１８の振動側境界位置１８ａ
は押え板１４の押圧力によつて変動し、また一定
の押圧力であつても温度によつて変動し、更に振
動体１２の耐久劣化によつても変動するので、こ
れらが振動部１２ｂの共振周波数等の特性を変動
させる原因となつていた。また、振動センサの部
品製造過程における不揃いによつても圧痕の振動
側境界位置１８ａが変動するので、振動部１２ｂ
の共振周波数等の特性を変動させる原因となつて
いた。

振動センサ側の第２の原因として押え板１４の
押圧力が集中することが挙げられる。すなわち、
第４Ｂ図から明らかなように圧痕１８は振動体１
２の基部１２ａの中央部では弱く、周辺部では強
く残つており、押え板１４の押え力が振動体１２
の基部１２ａの側周辺部に集中していることが理
解される。そして、振動センサは圧電素材で作ら
れることが多く、一般に圧電素材はもろい性質を
有するものが多いため、押え力が集中するとクラ
ツクが発生して劣化し、振動部１２ｂの共振周波
数等の特性を変動させる原因となつていた。

本考案はこのような従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、振動体の共振周波数等
の特性の安定化を図り、エンジンの特定周波数の
振動、例えばノツキング振動を雑振動から確実に
分離して正確に検出することができ、最適な条件
でエンジンを制御することを可能とするエンジン
の振動センサを提供するものである。

上記目的を達成するために、本考案はエンジン
に取付けられエンジン振動の特定周波数と共振す
る共振周波数に設定された振動体を含み、この振
動体の振動を電気信号に変換して前記エンジンの
振動検出を行う振動センサにおいて、前記振動体
は基部と振動部とを含み、振動体の基部を基台に
支持固定する押え板を備え、振動体の基部に補助
支持板を重ね合わせるかまたは基部自体を厚くす
ることによつて基部の厚みを振動部の厚みより実
質的に厚くするとともに、基部または補助支持板
の振動部側端面を滑かに厚みが変化するように形
成し、基部の断面二次モーメントを相対的に振動
部の断面二次モーメントより大きくしたことを特
徴とする。

以下図面に基づいて本考案の好適な実施例を説
明する。

第５図には本考案の好適な実施例が示されてい
る。

図において、エンジン本体と一体的に取り付け
られる基台２０には、エンジンの振動に同期して
振動する振動体２２が一対の補助支持板２４，２
６にて挟持され、押え板２８により押圧された状
態で固定ねじ３０にて固定されている。

上記振動体２２は基部２２ａと振動部２２ｂと
を含み、これらは均一な厚さの圧電素材等の材料
を２枚重ねて一体的に構成されている。振動体２
２の基部２２ａには上記一対の補助支持板２４，
２６が重ね合わされた状態で挟持され、振動体２
２の基部２２ａの断面二次モーメントが相対的に
振動部２２ｂの断面二次モーメントよりも大きく
設定されている。そして、振動体２２を基台２０
に向けて押圧支持するために設けられた前記押え
板２８は、その中央部に振動体２２に沿つた凸起
状の支持部２８ａが設けられ、押え板２８の支持
部２８ａが一方の補助支持板２４を押圧支持した
状態で固定ねじ３０にて基台２０に固定されてい
る。

なお、振動体２２には振動体２２の機械的振動
を電気信号に変換する検出部（図示せず）が設け
られ、振動体２２の共振周波数はエンジンのノツ
キング振動周波数に設定されており、ノツキング
状態を電気的に検出することができる。

このように本考案において特徴的なことは振動
体２２の基部２２ａの断面二次モーメントを相対
的に振動部２２ｂの断面二次モーメントよりも大
きくしたことである。

本考案は以上の構成から成り、均一な厚みの振
動体２２の基部２２ａに補助支持板２４，２６を
重ね合わせ、実質的に振動体２２の基部２２ａの
厚みを振動部２２ｂの厚みよりも厚くしたことに
より、振動体２２の基部２２ａの断面二次モーメ
ントは相対的に振動部２２ｂの断面二次モーメン
トよりも大きく設定される。すなわち、断面二次
モーメントは部材の厚みの３乗に比例することか
ら、例えば振動体２２の基部２２ａの厚みを振動
部２２ｂの厚みの３倍にすることにより、基部２
２ａの断面二次モーメントは振動部２２ｂの断面
二次モーメントの27倍となる。この結果、振動部
２２ｂの歪は基部２２ａには殆んど生じないの
で、振動部２２ｂの実効長が基部２２ａまで延長
して振動部２２ｂの共振周波数が低下することを
防止できる。

そして、押え板２８により加えられる押圧力が
補助支持板２４，２６の表面内で均一化されるの
で、振動体２２の基部２２ａへの応力集中がなく
なり、圧電材料等のもろい素材で振動部２２ｂを
作つた場合であつてもクラツクの発生を防止する
ことができ共振周波数等の特性の安定化を図るこ
とができる。また、押え板２８の押圧力が補助支
持板２４，２６の表面内で均一化されることによ
り、圧痕境界の押え力依存性、温度依存性、耐久
依存性が少なくなり、共振周波数等の特性の安定
性が増加すると共に、初期ばらつきも狭くなり、
歩留り向上にも寄与することができる。

更に、実施例においては押え板２８はその中央
部に振動体２２に沿つた凸起状の支持部２８ａが
設けられ、該支持部２８ａにて補助支持板２４，
２６が押圧支持されている。この結果、従来の押
え板の如くその中央部を凹形状とし、振動部２２
ａの角部を押圧支持していた場合のように、基部
２２ａの角部に応力が集中することがなく、補助
支持板２４，２６の全面にほぼ均一な応力が加わ
ることになる。従つて、押え板２８の押え力依存
性、温度依存性、耐久依存性が少なくなり、共振
周波数等の特性の安定性を増加することができ
る。

さらに、本考案においては、前述した補助支持
板２４，２６は、その振動部側端面を第６図で示
されるように滑らかに厚みが変化するように形成
しても好適である。補助支持板２４，２６の振動
部側端面を円弧状又はテーパ状に形成することに
より、補助支持板２４，２６の振動部側端面に発
生する応力の集中を避けることができ、前述した
共振周波数等の特性の安定性を増加することがで
きるという効果に加え、初期ばらつきを防止する
ことができるという効果が得られる。

次に、第７図には本考案に係るエンジンの振動
センサにおける振動体の好適な実施例が示されて
いる。

図において、振動体２３は基部３２ａと振動部
３２ｂとを一体に成形した一対の圧電板３４，３
６を互いに固着して構成され、振動体３２の基部
３２ａの厚みは振動部３２ｂの厚みよりも厚く設
定されている。従つて、振動体３２の基部３２ａ
の断面二次モーメントは相対的に振動部３２ｂの
断面二次モーメントよりも大きく設定されるの
で、前述した実施例と同様振動部３２ｂの実効長
の変動を防止することができ、共振周波数等の特
性の安定化を図ることができる。

また、上述した振動体３２はその基部３２ａの
振動部側端面を第８図で示されるように滑らかに
厚みが変化するように形成してある。振動体３２
の基部３２ａの振動部側端面を円弧状又はテーパ
状に形成することにより、振動によつて生じる基
部３２ａと振動部３２ｂとの境界付近の歪を低減
することができ、耐久性にすぐれた振動センサを
得ることができる。

更に、第９図には本考案に係るエンジンの振動
センサにおける振動体の他の好適な実施例が示さ
れている。

図において、振動体３８は基部３８ａと振動部
３８ｂとを一体に成形した一対の圧電板４０，４
２を互いに固着して構成され、振動体３８の基部
３８ａの幅員は振動部３８ｂの幅員よりも広く設
定されている。従つて、この振動体３８によれ
ば、基部を実質的に厚くすることに加え幅員を広
くすることによつて、振動体３８の基部３８ａの
断面二次モーメントは相対的に振動部３８ｂの断
面二次モーメントよりも大きく設定されるので、
前述した実施例と同様振動部３８ｂの実効長の変
動を防止することができ、共振周波数等の特性の
安定化を図ることができる。

そして、上述した振動体３８はその基部３８ａ
の振動部側端面を第１０図で示されるように滑ら
かに幅員が変化するように形成しても好適であ
る。振動体３８の基部３８ａの振動部側端面を円
弧状又はテーパ状に形成することにより、振動に
よつて生じる基部３８ａと振動部３８ｂとの境界
付近の歪を低減することができ、共振周波数等の
特性の安定性を更に増加することができる。

以上説明したように本考案によれば、振動体の
基部の断面二次モーメントを相対的に振動部の断
面二次モーメントよりも大きくし、共振周波数等
の特性の安定化を図ることにより、振動体の共振
周波数の値をエンジンの特定種類の振動周波数、
例えばノツキング周波数に一致させることがで
き、その結果これら特定種類の振動を他の雑振動
から正確に区別して検出しエンジンを最適な条件
で制御することを可能とするエンジンの振動セン
サを提供することができる。さらに、基部の実質
的厚みを厚くするとともに、その振動部側端面を
滑らかに厚みが変化するように形成したため、応
力の集中を防止でき、振動体におけるクラツクの
発生防止を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は周波数特性の平担な振動センサによ
つて測定した通常燃焼状態でのエンジンの振動波
形図、第１Ｂ図は周波数特性の平担な振動センサ
によつて測定した異常な燃焼状態でのエンジンの
振動波形図、第２Ａ図は第１Ａ図の振動波形の周
波数スペクトル図、第２Ｂ図は第１Ｂ図の振動波
形の周波数スペクトル図、第３図は共振型振動セ
ンサにおける振動体の周波数特性図、第４Ａ図は
従来のエンジンの振動センサの実例を示す図、第
４Ｂ図は第４Ａ図における振動体の外観図、第５
図は本考案に係るエンジンの振動センサの好適な
実施例を示す外観図、第６図は第５図における補
助支持板の変形例を示す説明図、第７図〜第１０
図は第５図における振動体の変形例を示す説明図
である。 ２０……基台、２２，３２，３８，４４，４８
……振動体、２２ａ，３２ａ，３８ａ，４４ａ，
４８ａ……基部、２２ｂ，３２ｂ，３８ｂ，４４
ｂ，４８ｂ……振動部、２４，２６……補助支持
板、２８……押え板。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) エンジンに取付けられエンジン振動の特定周
   波数と共振する共振周波数に設定された振動体
   を含み、この振動体の振動を電気信号に変換し
   て前記エンジンの振動検出を行う振動センサに
   おいて、 前記振動体は基部と振動部とを含み、 振動体の基部を基台に支持固定する押え板を
   備え、 振動体の基部に補助支持板を重ね合わせるか
   または基部自体を厚くすることによつて基部の
   厚みを振動部の厚みより実質的に厚くするとと
   もに、基部または補助支持板の振動部側端面を
   滑かに厚みが変化するように形成し、基部の断
   面二次モーメントを相対的に振動部の断面二次
   モーメントより大きくしたことを特徴とするエ
   ンジンの振動センサ。 (2) 実用新案登録請求の範囲(1)記載の振動センサ
   において、振動体は一体に成形され、振動体の
   基部の幅員を振動部の幅員よりも広くしたこと
   を特徴とするエンジンの振動センサ。 (3) 実用新案登録請求の範囲(2)記載の振動センサ
   において、振動体の基部の振動部側端面を滑ら
   かに幅員が変化するように形成したことを特徴
   とするエンジンの振動センサ。 (4) 実用新案登録請求の範囲(1)，(2)，(3)のいずれ
   かに記載の振動センサにおいて、押え板はその
   中央部を凸設させ、該凸設部にて振動体を支持
   固定することを特徴とするエンジンの振動セン
   サ。 (5) 実用新案登録請求の範囲(1)，(2)，(3)，(4)のい
   ずれかに記載の振動センサにおいて、振動体の
   共振周波数はエンジンのノツキング周波数に設
   定されていることを特徴とするエンジンの振動
   センサ。