WO1995004262A1

WO1995004262A1 - Detecteur de cliquetis

Info

Publication number: WO1995004262A1
Application number: PCT/JP1994/001267
Authority: WO
Inventors: Masahito Imai; Kenji Kanemaru; Norio Kitao; Nobuyasu Goto; Naohito Mizuno; Koichi Kamabora
Original assignee: Nippondenso Co., Ltd.
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1995-02-09
Also published as: DE69416820T2; EP0671612A1; EP0671612B1; JP3213945B2; DE69416820D1; EP0671612A4

Description

明細書ノックセンサ

技術分野

本発明は、車両等のエンジンのノッキング現象による異常振動を検出するノックセンサに関する。

背景技術

従来、車両等のエンジンのノッキング現象をエンジンに装着したノックセンサがこれを感知し、これをエンジンコントロールユニット（ E n g i n e C o n t r o l 1 U n i t ； E C U ) に伝達し、 E C Uがエンジンのシリンダ一内の着火プラグの着火タイミングをコントロールすることで、ノッキング現象を制御し、エンジンのトルク向上、燃費向上を図るノックセンサを利用したノックコントロールシステムが知られている。このノックセンサはエンジン内で発生するノッキング現象特有の振動を感知するもので、その振動検出部は従来、セラミックからなる圧電素子が使われている。

このノックセンサのノック振動の検出方法としては、大きく分けると 2種類あり、一つは、特開昭 6 2 — 9 6 8 2 3 号公報、特開昭 5 9 - 1 6 4 9 2 1 号公報、あるいは実開昭 6 2 — 1 2 8 3 3 2号公報に記載されているように、圧電素子をノッキング周波数に合わせて共振させ、その共振による出力をノック信号として検出する共振タイプと、もう一つは、実開昭 5 7 - 9 9 1 3 3 号公報に記載されているように、圧電素子の出力する出力信号が共振の影響を受けないフラッ卜な領域にてノック信号を検出するフラットタイプである。前者は、ノック振動に共振させるようにしているため、 S Z Nのよい出力が得られるが、その反面、唯一のノック振動しか検出することができず、気筒数の多いエンジンの場合には、一箇所にて全気筒のノック振動を検出することが不可能であり、複数のノックセンサが必要となるという問題がある。一方、後者は、様々な周波数のノック振動を検出することができるが、素子自体の共振周波数の影響以外にも、他の部品の振動が振動検出領域に影響を及ぼす可能性があり、ノックセンサ自体の設計自由度が狭いといった問題がある。

これらノックセンサの構造としては、エンジンに直接取り付—けられるようにネジ状の突起部を有する金属のハウジング（あるいはそれに代用される強固な材料からなるハウジング）と、外部とのコネクタ接続が可能な樹脂成形されたコネクタとにより形成される空間内に、振動検出部となる圧電素子を配設する構造が一般的である。

そして、圧電素子の取り付けには、ハウジング側にネジ等により強固に固定されるタイプと、コネクタ側にその固定台座となる金属製のステム（あるいはそれに代用される強固な固定台座）に固定された状態にて固定されるタイプの 2種類がある。また、後者にはその類似タイブとして、ステムに固定され、コネクタ側に直接固定されることはないが、かしめにより固定されるタイプや、ステムとハウジングとの接点を接着あるいは溶接等により接続するタイプがある。すなわち、後者はステムに固定され、ステムとハウジングとで形成される空間内に配置されるタイプといえる。

圧電素子をハゥジング側に固定する場合は、ハウジング自体が金属であるため共振周波数が高く、エンジン振動によりハウジング自体が共振してしまうことはなく、その影響が圧電素子に及ぶことはない。しかしながら、圧電素子からコネクタ端子までの電気的接続を例えばリード線により行う必要があり、ハウジングに圧電素子を固定し、リ一ド線を接続してコネクタとハウジングとをかしめ等により固定しなければならず、製造工程が困難という問題がある。

—方、コネクタ側に固定する場合は、圧電素子からコネクタ端子までの電気的接続をコネクタ側にて行うことができるため、圧電素子をコネクタに固定したものをハウジングにかしめ等により固定すればよく、その製造工程が容易となる反面、コネクタは一般的に樹脂であるため共振周波数が低く、何もなしに圧電素子をコネクタに接続する場合はコネクタの共振が圧電素子に減衰されることなく伝わってしまい、信号検出に影響を及ぼしてしまうという問題があり、これを防止するために金属製（あるいはヤング率が金属程度以上に強固な物質）のステムに搭載しコネクタの振動伝達を阻止するようにしなければならない。

この場合、圧電素子が共振タイプのものでは検出信号は圧電素子の共振出力であるため、コネクタ等の共振による出力が圧電素子の共振によるものよりもある程度小さければ影響はないが、圧電素子がフラットタイプのものではその周波数がフラッ卜な領域であった場合には、大きく S Z Nを低下させることがあるため、ステムの厚さを厚くすることで確実にコネクタからの振動を阻止するようにしなければならない。このことは、ステムとハウジングとの接点を接着あるいは溶接等により接続するタイプのものにも同じことが言える。すなわち、部分的な溶接等ではコネクタ振動の共振の影響を抑えることは十分に行えないのである。

そして、この問題は圧電素子自体の重さに最も影響を受け、同じステム厚の場合、その重さが重くなるとステムの共振周波数が低下し、その影響がより一層大きく現れるようになる。そのため、圧電素子の重さを低下させる必要があるが、そうすると感度が低下するという問題が発生する。従って、感度を維持しつつ、共振周波数の低下の影響を受けないようにするためには、フラッ卜な特性となる検出周波数領域が最大 1 0 k H z程度となってしまい、高周波領域まで検出できないという問題がある。

そこで、本案はこの問題点に鑑み、複数のノック信号を検出することが可能なフラットタイプの振動検出部を有し、かつ固定台座に固定されるとともに、固定台座とハウジングとで形成される空間内に振動検出部が配設されるノックセンサであって、製造工程が容易かつ必要感度を低下させることなく高周波領域まで検出可能なノックセンサを提供することを目的とするものである。

本願発明者らは、まず、振動検出部について検証した。本願発明者らが検討した結果、ノック信号の検出領域を最大 1 5 k H z程度とした場合、この検出領域にあまり影響しないステム（金属板）の共振周波数は最低 4 0 k H z程度になることが分かり、共振周波数が 4 0 k H z となるステム厚を調べたところ、図 2 0 に示すように、およそ 2 . 7 m m必要なことがわかった。これは図 2 2 に示されるモデルによりシミュレーションを行ったものであり、このステム 3 0 はその直径を 1 9 mmとし、振動検出部およびその他の回路を合わせた領域を荷重領域 3 1 とし、荷重領域 3 1が搭載される面の直径を 1 6. 5 mm としている。また、このステム 3 0 は段差を有しており、その段差面には図示されないハウジングに溶接される溶接部 Mが形成されているといった実際のステム形状に近いものとした。この図からもわかるように直径を変えずにステム厚 Dを変化させるとステムの共振周波数が上昇することがわかる。これは、溶接部 Mが固定されたものにおいて、板状よりも立方体状の方が振動しにくいイメージがあること考えれば理解できょう。

また、図 2 1 にステム厚を 2. 8 mmと 3. 5 mmとした場合において、これらステムに搭載される荷重を変化させた場合のステムの共振周波数の変化を示した。図 2 1 は、荷重領域 3 1を 0. 1 gから 4 . 6 gまで変化させた場合のデータである。この図から、ステムに荷重を加えた場合には、共振周波数が低下することがわかる。従って、荷重を加えた場合にも共振周波数を 4 0 k H z程度に保っためには、厚くする必要があり、例えば荷重を 4. 6 gとした場合に、ステムの共振周波数を 4 0 k H z にするためには、図 2 1 において、ステム厚が 2 . 8 m mのときにその共振周波数は 2 0 k H zであり、従って、共振周波数をその倍にする必要がある。そして、図 2 0 において共振周波数とステム厚とがリニアな関係にあるとすれば、ステム厚は 4 . 4 m m '必要となる。

実際には圧電素子の重さは 2 O g程度であり、この圧電素子を搭載するステムの共振周波数を 4 0 k H z とするためには、仮にステム厚が 2 . 8 m mのとき、荷重を 2 0 gとした場合に、共振周波数が 1 0 k H zになるとすれば、ステム厚は少なく見積もっても 3 m mは厚くした 5 . 8 m m程度にしなければならない。

従って、ノックセンサとして大型になるばかりでなく、ステムにコネクタ端子に接続するピンを通すための貫通孔を打ち抜きあるいは切削にて開けようとする場合、その打ち抜きピンあるいは切削ドリルの強度を考慮すると、その径をステム厚と同程度にする必要があり、ステム上にかなり大きな貫通孔を形成する必要がある。上記のステムの場合、荷重を加えられた面に圧電素子等の振動検出部が搭載されるとすれば、径 1 6 . 5 m mの面上に 5 . 8 m mの貫通孔を形成する必要があり、素子の搭載領域が狭まってしまう。従って、圧電素子以外の信号処理回路を搭載しようとすると、ステムの径を大きくしなければならなくなる。しかしながら、ステムの径を大きくすることは、同じ厚さであっても共振周波数が低下を意味しており、共振周波数を同じ値に維持するために、さらにステム厚を厚くしなければならない。そうなると上述したように、ステム厚に比例して貫通孔の大きさも大きくしなくてはならないというように、悪循環を繰り返し、設計値がでないといった不具合が生じる。従って、圧電素子をその振動検出部に用いた場合には、最大検出周波数をせいぜい 1 0 k H zにすることが限界なのである。また、仮に大きな貫通孔で設計したとしたとしても、それを形成するための装置が必要となるなど工程が複雑になる。従って、高周波まで検出可能とするためには、圧電素子よりも軽いものを使用する必要がある。図 2 1 に示すように、ステム厚を 3 . 5 m m程度でも、ステムの共振周波数を 4 0 k H z に設定可能な荷重はおよそ 1 gである。ステム厚が 3 . 5 m m程度であれば、貫通孔の形成も大きく変えることなく形成が可能となる。

また、固定台座が金属ステムでなくても、結局、固定台座の共振周波数が低下してしまい、振動検出に影響を及ぼすことにに違いはないそこで、本願発明者らは、振動検出部を 1 g以下にできるものとして、エアバッグ等に使用される半導体基板に形成される半導体加速度センサに着目した。これは例えば半導体シリコン基板にエッチング等により錘部とこの錘を支える梁部と梁部が固定される枠部とから構成され、錘部が外部の振動により振動し、その振動により梁部に発生する応力を感知することで振動を検出するものでり、本願出願人も多数市場に出荷している。そして、この半導体による振動検出部は非常に小型で感度がよく、その重さを十分 1 g以下とすることができる。発明の開示

従って、本願発明のノックセンサは、半導体基板に形成された錘部と該錘部を支えるとともに振動を感知する梁部とを具備するセンサ素子と、該センサ素子を固定するとともに、その強度が金属程度に固い固定台座と、該固定台座の前記センサ素子が取り付けられた反対の面側に配設されるとともに、前記センサ素子の出力を外部へ伝達するコネクタ部と、前記センサ素子を覆うように配設されるとともに、ェンジンに取り付けられるハウジングとを有することを特徴としている。上記構成により、本発明では、振動検出部として、半導体基板に形成したセンサ素子としているため、その重さを非常に小さくすることができる。従って、固定台座とハウジングとで形成される空間内に振動検出部が配設されるノックセンサとして、必要感度を低下させることなく高周波領域まで検出可能な、かつ複数のノック信号を検出することが可能なノックセンサを提供することができる。図面の簡単な説明

図 1 は第 1 実施例を表すノックセンサの断面図である。図 2 は第 2 実施例を表すノックセンサの断面図である。図 3 は第 2実施例の効果を示す特性図である。図 4 は第 3実施例を表すノックセンサの断面図である。図 5 は信号処理回路を示すブロック図である。図 6 ( a ) は片持ち梁構造の振動検出部を示す図である。（ b ) は両持ち梁構造の振動検出部を示す図である。図 7 ( a ) はノックセンサの周波数特性を示す図である。（ b ) は梁の幅と共振周波数および感度との関係を表す図である。図 8 ( a ) は片持ち梁構造の錘の長さによる振動検出部の共振周波数と感度との関係を表す図である。（ b ) は両持ち梁構造の錘の長さによる振動検出部の共振周波数と感度との関係を表す図である。図 9〜図 1 1 は両持ち梁構造の振動検出部において梁の長さをある値に固定した場合の梁の厚さと共振周波数と感度との関係を表す図である。図 9 ( a ) は梁の長さを 0. 1 0 mmとしたときであり、（ b ) は梁の長さを 0. 1 5 mmとしたときでる。図 1 0 ( a ) は梁の長さを 0. 2 0 mmとしたときであり、（ b ) は梁の長さを 0. 2 5 mmとしたときでる。図 1 1 ( a ) は梁の長さを 0. 3 0 mmとしたときであり、（ b ) は梁の長さを 0. 3 5 mmとしたときでる。図 1 2 は図 9〜図 1 1 の結果をまとめたものであり、梁の幅と梁の厚さの成立領域を表す図である。図 1 3 は図 1 2 において、共振周波数を 6 0 k H z にした場合の梁の幅と梁の厚さの成立領域を示す図である。図 1 4 は錘を大きくした場合の梁の幅と梁の厚さの成立領域を表す図である。図 1 5 ( a ) は上記実施例に採用したセンサ素子の構造図である。（ b ) はその断面図である。図 1 6 はホイ一ストンプリッジを表す図である。図 1 7 は基板に固定された状態のセンサ素子を示す断面図である。図 1 8 ( a ) はセンサ素子の一部を示す図である。 ( b ) はその断面図である。図 1 9 は固定台座に固定された状態の素子等を載せた状態を表す図である。図 2 0 はステム厚と共振周波数の関係を示す図である。図 2 1 は荷重領域と共振周波数の関係を示す図である。図 2 2 は図 2 0及び図 2 1 の特性図を得たモデルを示す図である。発明を実施するための最良の形態本発明によるノックセンサの一実施例を図面を基に詳述する。

まず、ノックセンサ構造の一実施例を説明する。

図 1 は、ノックセンサの断面図である。端子 6を一体成形したコネク夕 2 には、基板 9が接着剤 1 3 により接着されている。固定台座 9 は金属よりも強固なセラミック基板からなり、その中には E M I フィルタを形成するコンデンサ（層間容量）及びフィルタ 8が内蔵または実装されている。また、固定台座 9 には後述する半導体からなるセンサ素子 1 1 、電源回路と増幅回路およびノック信号判定回路からなる信号処理部 1 0が接着されており、ワイヤ 1 4 にて素子間あるいは外部と電気的導通を図っている。また、固定台座 9 とコネクタ 2 とは、固定台座 9 に設置されたソケット 7 により電気的に接合されている。そして、金属からなるハウジング 1 が固定台座 9を覆うように、コネクタ 2 に、かしめ 1 6および接着剤 4 により固定されている。また、固定台座 9 は 0 リング 3および接着剤 5 より気密封止されている。このノックセンサはハウジング 1 のネジ 1 5 により、ノッキング現象を検出するエンジンに固定される。

上記のように構成されたノックセンサは、後に詳述するセンサ素子 1 1 および信号処理部等を合わせた重さが 0 . l g程度にできるため、固定台座 9を介してコネクタ側に接続しても、基板の共振周波数を 4 0 k H z程度に維持することができる。従って、コネクタ側に固定台座を介してセンサ素子を設置しても、約 1 5 k H z以上の高周波領域まで検出可能なセンサを提供できる。また、ハウジング側にセンサ素子が設置される場合に比べて、本構造においては、予めセンサ素子が搭載された固定台座基板をコネクタ側に設置できるため、製造工程が容易になるとともに、コネクタの端子と基板との接続が、容易にかつ確実にできる。

しかし、本実施例におけるノックセンサは検出する最大周波数がおよそ 1 5 k H z以上と高く、コネクタの共振周波数から考えると、性能を満足する構造には制約がある。本構造においては、振動検出部をを従来の圧電素子を用いたものから半導体からなるセンサ素子を用いることで実装品の小型化、軽量化を図ったとともに、コネクタの材質、形状、コネクタとハウジングを固定する接着剤のヤング率を最適化することで、上記構造を達成した。その最適化を F E Mにより解析した。その結果、コネクタの材質のヤング率は 1 0 0 0 k g f / m m ² ~ 2 0 0 0 k g f / m m ² 、図 1 に示す接着部コネクタ厚さ dは 1〜 3 m m、接着剤ヤング率は 1 0〜 2 0 0 0 k g f / m m ² により、本構造が成立する。

次に、第 2実施例として第 1実施例の変形例を図 2 に示す。これは、コネクタ 2 に固定台座 9の裏面全面に接着剤等により固定されている。そしてコネクタ端子 6 aはワイヤボンド 1 4 によりセンサ素子 1 1 あるいは信号処理回路 1 0等に接続されている。そして、本実施例の信号処理回路 1 0およびセンサ素子 1 1 はかん 2 4 により封止されると同時にかん 2 4 はハウジング 1 内にて注入硬化させられたシリコンゲル 2 5 に接触するようにされている。こうすることで、固定台座 9を介して伝わってくるコネクタ 2の振動をかん 2 4 を介してシリコンゲル 3 1 にて吸収することができ、固定台座 9 の共振を抑制することができ、従って、コネクタの振動が直接センサ素子に伝達することはない。よって、第 1 実施例に比べてその振動対策の設計自由度が增すことになる。

シリコンゲル 2 5 による固定台座 9の振動抑制を図 3 ( a ) , ( b ) に示す。（ a ) 図は、シリコンゲルがない状態のものであり、（ b ) 図はシリコンゲルありの状態のものである。シリコンゲルがないセンサの固定台座 9 においては、 2 0 k H z、 3 0 k H z、 5 0 k H z の周波数帯にてかなり振動しているが、シリコンゲルありのセンサの固定台座 9 は上記特異点における振動が抑制されていることがわかる。尚、振動を吸収する部材は特にシリコンゲルに限るものではない。また、端子 6 a は固定台座 9を突き抜けた構造であってもよい。次に、第 3の実施例として、半導体からなるセンサ素子を封止する方法として、ハ一メチックシール技術を用いたものを図 4 に示す。

この場合、センサ素子 1 1 や信号処理部 1 0 は、基板 1 7を介して固定台座となる金属ステム 9 ' に固定され、さらにハウジング 1 に溶接固定されている。このときの金属ステム 9 ' の構造は、図 2 1 を参照すると、厚さは 2. 8 mm、径は 1 9 mm、またセンサ素子等が搭載される面の径は 1 6. 5 mmであり、取り出しピン 1 8が貫通している貫通孔の径は 2. 8 mm程度である。この実施例においてはセンサ素子 1 1 および信号処理部 1 0 は基板 1 7を介して金属ステム 9 ' 上に搭載されているが、搭載されている部品の全体の重さはおよそ 0 . 3 gとなる。また、後で説明する図 1 9 に示すようにこの基板 1 7 は無くてもよい。

このように本実施例では、第 1実施例同様にセンサ素子として半導体からなる振動検出部を用いているため、小型で感度がよく、その重さを約 0. 3 gと非常に軽くすることができ、上記のように薄い金属ステムに搭載したとしても、金属ステムの共振周波数をほとんど低下させることなく 4 0 k H z にすることができる。また、金属ステムの厚さが 2. 8 mm程度であり、容易に取り出しピンの貫通している貫通孔が容易に形成可能となる。従って、製造工程の容易となる構造のノックセンサであって、しかも感度を落とすことなく高周波数領域まで検出可能なノックセンサを提供することができる。

また、実施例 1 の構造に比べて、コネクタの材料などに、特に振動対策を施す必要はない。これにより、コネクタ 2の材質や接着剤の材質においては、より選択範囲が広がる。また、センサ素子 1 1 や信号処理部 1 0 は、プロジヱクシヨン溶接や取り出しピン 1 8をガラス封止することにより、確実に気密封止される。

また、上記第 3実施例はハ一メチックシ一ル技術を用いて取り出しピンを固定し、気密封止構造としたが、例えばハ一メチックシールのガラス材に替え、フィラー入りの接着剤等により取り出しピンを固定して気密封止するようにしてもよい。あるいは、ガラス以外の部材を貫通孔に揷入し、気密封止構造とすればよい。

また、上記第 1乃至第 3実施例においては、振動を検出するセンシング部を小型化できたことにより、固定台座となるセラミック基板あるいは金属ステムの径を大きくすることなく、センサ素子の出力信号を増幅する増幅回路と、増幅された信号を処理し外部にノック信号を出力する判定回路とを同一基板上に設置することが可能となった。これによる効果を以下に説明する。

まず、本構造の振動検出回路のブロック図を図 5 に示す。センサ素子 1 1 により検出された信号は増幅回路 1 0 aで増幅され、ノック信号判定回路 1 0 bにおいてエンジン E C Uからの点火信号に同期させノッキング現象を判定し、 E C Uへ出力する。なお、 1 0 c は、増幅回路 1 0 aおよびノック信号判定回路 1 0 b とともに同一基板上に形成される電源回路であり、車等のバッテリーから供給される電力を各回路に供給するものである。その電圧としては、例えば 5 Vの定電圧を発生させる。従って、バッテリーの電圧を 1 2 Vとした場合には、その差が 7 Vあり、たとえバッテリー電圧がノイズ等により変動しても安定した電圧を各回路に提供することができる。

かつ、この図に示すように、増幅回路 1 0 aで増幅された信号はァナ口グ出力であるが、ノック信号判定回路 1 0 bで判定された信号はディジタル出力として E C Uへ接続されている。従って、ノックセンサとしてノイズに強い構成とすることができた。

これにより、例えば、接地（ G N D ) をエンジン（シャーシ）から取った場合に、アナログ出力の際には G N D電位が他の回路の影響を受けて変動した時、その変動がアナログ出力に重畳され、次の信号処理の段階で誤って処理されてしまうことがあるのに対し、ディジタル出力では、たとえ G N D電位の変動が出力に重畳されても、次の信号処理の段階では立ち上がり高さの 1 2で判断されるため、よほど大きいノイズでなければ、そのノイズの影響をを受けることはない。従つて、例えば図 1 に示すように、実際に G N Dをソケット 7 bおよびハウジングを介し、エンジンから取ることが可能となる。これによつて、 G N D用配線が必要なくなり信頼性が向上するとともに、 G N D 用のコネクタ端子を設ける必要がなくなりコネクタを小さくすることができる。

このように、センサ素子を小さく軽いもので構成できるため、他の回路素子を固定台座上に搭載することが可能となったことにより、バッテリーの変動や G N D電位変動に強いセンサを提供できる。

次に、本実施例に用いた半導体素子からなるセンサ素子について以下に説明する。

本願発明者らは、まず、センサ素子の共振周波数をどの辺りに設定したらよいかを検討した。これは図 6 ( a ) に示されるように、最大検出周波数を f s とし、共振周波数を f r とした場合、検出領域がフラッ卜な特性となるように、共振周波数が影響しないように共振周波数 rを設定しなければならない。しかしながら、エンジンのノツキング現象による振動を検出するにあたって、感度や共振周波数や破壊強度といったセンシング部の基本特性を、半導体加速度センサに用いていた半導体からなるセンサ素子が満たすことが可能かどうかが問題となってくる。これは、錘形状およびビーム形状、特にビーム厚およびビーム幅と、共振周波数および感度とが密接な関係にあり、ビーム厚およびビーム幅を変化させると共振周波数および感度は大きく変化する。ビーム幅を例に取ると、共振周波数はビーム幅の平方根に比例し、感度はビーム幅に反比例する。すなわち、ビーム幅と共振周波数、およびビーム幅と感度とは相反する関係にあるといえる。これを図 6 ( b ) にそれぞれ実線と破線で示す。従って、感度および共振周波数の基本特性を十分満たす構造が存在するかが問題となってきた。本願発明者らは、まず、安定した出力を得るために、センサ出力が、最大検出周波数においてもフラッ卜な特性となるように、共振周波数を設定する必要がある。図 6 ( a ) を見ても分かるように、フラット領域から共振周波数のピークまでに出力は指数関数的に増加する。従って、最大検出周波数における出力の変動が十分小さい値となるように、共振周波数のピークによる出力の立ち上がりが最大検出周波数に掛からないように共振周波数を設定しなければならない。しかしながら、この出力の立ち上がりは、理論解析により求めることは非常に難しく、実際に素子を作製して測定するまで明確にならない。このように、ノックセンサの振動検出部となる半導体加速度センサを設計することは容易ではない。

そこで、本発明者らは、従来の加速度センサのデータを取り、それらを集計した結果、センサ出力の応答周波数領域が常にフラットとなる共振周波数 f _r と最大検出周波数 f _s との関係を、以下のように見し )こ

f ≥ A · f _s ( 2 . 5 ≤ A≤ 4 )

ただし、 Aは、錘の支え方によって決まる定数である。そして、この関係の発見により、半導体加速度センサをその振動検出部として用いても、感度や共振周波数や破壊強度といった振動検出の基本特性を満たすことのできる、ノックセンサが実現可能なことが判明した。そして、最大検出周波数を 1 5 k H z とすると、約 4 0 k H z以上であれば良いことがわかる。

次に、センサ構造について検討した。図 6 ( b ) に示したとおり、例えばビーム幅において、共振周波数と感度とはトレードオフの関係にあり、必要とされる共振周波数と感度とを同時に満たすセンサ構造について検討した。本願発明者らは、図 7 に示す構造について検討した。（ a ) 図に示したものは、錘 4 1 を梁 4 2 により支えるものである。また（ b ) 図に示すものは、錘 2 1 を 4本の梁（ビーム） 2 2 により支えられた構造である。図中の斜線部はエッチングにより除去される部分である。以下、（ a ) 図に示したものを片持ち梁構造とし、 ( b ) 図に示したものを両持ち梁構造とする。

図 8 ( a ) , ( b ) に上記片持ち梁構造と両持ち梁構造について、共振周波数を 4 0 k H z以上、感度を 1 2 VZG以上として実際に設計解が存在するかを検討したものを示す。これは、横軸が錘 4 1 あるいは 2 1 の長さにとり、左側の縦軸を共振周波数、右側の縦軸を感度とし、共振周波数を実線により、また感度を点線により示した。この両図より、片持ち梁構造においては上記条件を満たすためには錘長が 0. 3 5〜 0. 3 6 mm程度と非常に狭い範囲でしか設計解が存在せず、工程上、歩留りよくこの範囲に錘長を合わせることはほとんど不可能である。それに対し、両持ち梁構造のものでは錘長が 0. 6 〜 2. 7 mm程度と、十分歩留り良く製造可能な範囲であることがわかった。従って、感度および強度の両方を同時に満たす構造として歩留り良く製造可能なのは両持ち梁構造となる。

また、次に、梁（ビーム）の長さおよび厚さについて検討した。これは、図 7 ( b ) に示すようにビーム幅 W B はその幅のなかに形成するピエゾ抵抗素子により、最小値がほぼ 0. 1 3 m mとなってしまう。従って、素子を小型化しょうとする場合、錘の大きさあるいは梁の長さによって決まってくる。錘はその加工精度により図 7 ( b ) に示される上面の面積が 1. 2 X 0. 7のおよそ 0. 9 mm² となる。また、錘の厚さは加工するウェハの厚さに依存され、今回のサンプルにおいてはほぼ 0. 3 mmとなる。従って、図 7 ( b ) に示される梁の長さ L B について検討することが小型化における重要なボイントとなる。

図 9 ( a ) , ( 3 ) 、図 1 0 ( 3 ) , ( b ) 、図 1 1 ( a ) , ( b ) にビームの長さ L B をパラメータとして 0. 0 5〜 0. 3 5 mmまで変化させた時の共振周波数および感度を上記と同様な条件を満たすビーム厚の成立領域を調べた。その結果、図 1 2 に示すように、上記条件の基に得られた成立ビーム厚さ間隔とビーム長さを示す。ここで、ビーム厚はエッチング液を用いたゥヱットエッチングにより形成されるものであるため、エッチングをオーダ一の精度で行うことは非常に難しく、およそ 4 〃 mのばらつきを有する。従って、この 4 mを差し引いた領域が歩留り良くビームを形成することのできる領域となる。これを図 1 1 より求めると、ビーム長さを 0. 0 5 ~ 0. 2 1 5 mmとなる。下限の 0. 0 5 mmは、加工限界を示すものであるここで、上述したように振動検出部は最大検出周波数を 1 5 k H z とすると、約 4 0 k H z以上であれば良く、そのように設計すればよいが、センサ素子は半導体であり、結晶性の高いものであるため、共振時の Qは非常に高い。よって、固定台座とセンサ素子の共振が同一になると、この振動成分が加わつた時にセンサ素子が大きな振動を起こし、 S /Nの低下、ひいては破壊に至る可能性がある。そこでこの様なことをさける為、センサ素子の共振周波数を 6 0 k H z以上とし、上記のように成立ビーム厚さ間隔とビーム長さとの関係を調べた。その結果を図 1 3 に示す。このように共振周波数 6 0 k H z以上、感度 1 2 VZG以上とした場合では、成立ビーム厚の存在するビーム長さ領域は 0. 0 5 ~ 0. 1 mm程度となる。

また、錘の大きさをほぼ倍にするとともに、上記のように S / Nおよび強度を考慮し、共振周波数を 6 0 k H z としたものにおいて図 1 3 と同様な条件の基で成立ビーム厚を求めた。これは錘を図 1 3のデ —夕を得たものよりもその大きさを図 1 4 ( a ) においては、 2. 0 2倍のものを、また図 1 4 ( b ) においては 2. 1 4倍のものを用いて得たデータである。これは、上限値を調べたものであり、この図からビームの長さの上限値は 0. 2 1 5 m mとなることがわかる。

従って、両持ち梁構造において、錘の面積を小さくして小型化を図り、かつノックセンサとしての最低限の条件（共振周波数 4 0 k H z 以上 · 感度 1 2 VZG以上）を考慮した場合と、大型であっても共振周波数を 6 0 k H z以上として SZN及び強度を考慮した場合とにおいては、ビーム長さは 0. 0 5 ~ 0. 2 1 5 mmとなる。さらに、サイズを小型化して SZN及び強度を考慮した場合には、梁の長さは 0. 0 5〜 0. 1 mm程度が好適となる。

また、上記のような両持ち梁構造は以下に示すような配慮が成されている。

すなわち、共振点は一つではなく幾つも存在し、特に、錘が垂直に共振する一次共振と錘が捩じれるように共振する二次共振とが大きく、一次共振周波数と二次共振周波数とが近いと錘が複雑に振動し、梁 (ビーム）が破壊されてしまう。従って、梁の強度を考慮すると、一次共振周波数と二次共振周波数とが離れていることが要求される。以上のことから、図 1 4 に示すような長方形の錘 2 1 を 4つのビーム 2 2 により支える構造のものとした。この構造では、捩じれが発生しにくくなるため、一次共振周波数と二次共振周波数とを離すことができる。また、振動検出においてもホイーストンブリッジ回路を形成できるため、高い感度が得られる。本実施例においては、共振周波数を 6 0 k H z以上、感度を 1 2 / Vノ G以上に設定し、梁構造および錘構造を以下のとおり設定した。図 1 4 ( a ) に示すビーム幅 W B は 0 . 1 3 m mとなる。また、ビーム長 L B は 0 . 1 1 m mとなった。また、ビーム厚 T _B は、ビーム上にピエゾ素子を形成するため、その P N接合によって決定され、本実施例では 1 3 mとした。また、図 1 4 ( b ) に示す錘厚 T M は、使用するウェハ厚さにより決定され、本実施例において、 T _M は 0 . 3 m mとした。また、錘幅 W _M は、感度の関係上、錘を形成するためのエッチングの面方位を（ 1 0 0 ) 面としており、エッチングにより基板がテーパ付けされるため、錘厚 T _M により決定される。本実施例においては、余裕を取って 0 . 7 m mとした。そして、錘長 L _M においては、この錘幅 W _M を基に一次共振と二次共振とを離すようにして設計する必要があり、本実施例においては、 1 . 2 m mとした。

これらの数値は、設定する共振周波数を基にして、製造工程や使用ウェハ、あるいは一次および二次の共振周波数との関係等を考慮して、その都度設定すればよい。

次に、錘の振動を検出する検出方法について説明する。

本実施例においては、ピエゾ素子 2 3を図 1 5 ( a ) に示すように配置した。このように、錘側の素子 2 3 aおよび素子 2 3 c と、固定枠側の素子 2 3 bおよび素子 2 3 d というように配置し、図 1 6のようにホイーストンプリッジ結線すると指向性が向上する。すなわち、錘 2 1 が垂直に振動する場合には、素子 2 3 a (素子 2 3 c ) と、素子 2 3 b (素子 2 3 d ) とが互いに異なる応力、すなわち引っ張り応力と圧縮応力とが掛かることになり、センサ感度が向上し、また、捩じれの振動（他軸の振動）に対しては、素子 2 3 a (素子 2 3 c ) と、素子 2 3 b (素子 2 3 d ) とが互いに同一な応力が掛かるため、図 1 6のホイーストンブリッジにおいて、他軸感度をキャンセルすることができる。なお、図 1 5 ( b ) は（ a ) 図の断面図であり、また図 1 6の m， nは出力であり、 Vは電源を表す。なお、ピエゾ素子の配置数は 4つに限らず、例えば 8つでもよい。

以上のように、素子を設計することで、共振周波数 6 0 k H z以上、感度 1 2 VZG以上を満たすことができる。

また、検出周波数が従来の加速度センサの数百 H z比べ、約 1 5 k H z以上とかなり、高くなったため、加速度センサのビームを強固にすることができる。これにより、検出振動領域での錘 2 1 の変 {Ϊが数 m程度となり、この空隙を接着剤 1 8 (厚さ約 1 0 m) で設けることにより、図 1 7 に示すように、従来加速度センサを設置するための台座に必要であった凹部（図中の点線部）が不要となった。これにより、台座 1 2 に凹部を形成するための工程を減らすことができる。さらに、台座 1 2 と錘 2 1 との空隙が接着剤 1 8の厚さ約 1 0 mと狭いため、強い衝撃により錘 2 1 が大きく振動する場合に、台座 1 2が錘 2 1 の振動ストツバとなり、センサビームの破壊を防ぐことができる。

また、破壊強度は、本構造において、 4 7 0 0 0〜 4 8 0 0 0 Gが得られる。この破壊強度は、特に、製造工程やノックセンサを取り付けるまでの運搬工程等に於いて問題となり、実際のコンクリ一ト上ゃ樫の木上での落下試験を基に設計する値であり、実際の落下衝撃とビ —ムの共振周波数とを加味して決定される。今回のように共振周波数 6 0 k H zの場合、 5 0 0 0 0 Gまであれば十分といった結果が出たため、上記 4 7 0 0 0 ~ 4 8 0 0 0 Gという値はほぼ十分と言える。なお、これを 5 0 0 0 0 Gまで上げたいというのであれば、図 1 8 ( a ) および、その A— A ' '間の断面（ b ) 図の破線で示すビーム付け根部 5 0を薄膜化すればよい。このようにすると、図中の〇印で示した部分の応力集中を緩和することができ、ビーム強度を増すことができる。

また、図 1 8 に示す構造とした場合には以下に示す波及効果も奏する。

すなわち、ピエゾ素子は重りが振動した際に、梁の応力が最も最大となる一方の固定点である重りと梁との付け根あるいは他方の固定点である梁と枠との付け根に配置することが望ましい。しかしながら、素子が上記実施例の如く小さくなつてくると、ピエゾ素子を形成するためのマスクの位置合わせに精度の非常に高いものが要求される。マスクずれをおこしてピエゾ素子が重りと梁との付け根あるいは梁と枠との付け根からずれてしまい、梁には掛からずに重りの中のみあるいは枠の中のみにピエゾ素子が形成された場合には、その素子の応力感度は非常に低下してしまう。そこで、上記図 1 8のような構造としたことにより、多少マスクずれが有ったとしてもピエゾ素子は最大応力付近に必ず形成されることになり、従来のようにマスクずれが発生した場合に応力をあまり感知できなくなることがあるという不具合を解消することができる。

また、図 1 9 に示すような固定台座 9が 5 0 に示される固定部によりハウジングあるいはコネクタに溶接あるいは接着等により、固定される、第 1 、第 3実施例に示されるノックセンサにおいては、固定台座 9の周囲を固定される構造のため、その中心部にセンサ素子 1 1 や信号処理回路 1 0 a , b等が搭載されると最も共振周波数が低下する。従って、上記素子および信号処理回路等の重心が固定台座の固定部からみた重心点に置かないようにすると共振周波数の低下をある程度抑制することができる。また、図 4 に示すように、固定台座 9 とセンサ素子および信号処理回路等との間にさらに台座（基板 1 7 ) があるような構造のものにおいては、その台座とセンサ素子および信号処理回路等の合わせた重心が固定部からみた重心点にならないようにすると良い。すなわち、その周辺部が固定される固定台座の重心点に、その上に搭載される素子のあわせた重量の見かけ上の重心点が、重ならないようにすればよい。産業上の利用可能性

本発明は、車両等に搭載されるエンジンのノッキング現象を検出する振動検出装置として、製造工程が容易な構造を採用しつつ、しかも高周波数領域までも感度を落とすことなく検出可能なノックセンサとして利用できる。

Claims

請求の範囲

1 . 半導体基板に形成された錘部と該錘部を支えるとともに振動を感知する梁部とを具備するセンサ素子と、

該センサ素子を固定するとともに、その強度が金属程度に固い固定台座と、

該固定台座の前記センサ素子が取り付けられた反対の面側に配設されるとともに、前記センサ素子の出力を外部へ伝達するコネクタ部と前記固定台座とともに形成する空間内に前記センサ素子を配設するように設けられるとともに、エンジンに取り付けられるハウジングとを有することを特徴とするノックセンサ。

2 . 前記センサ素子は、半導体基板に形成されるとともに、四角形状の枠部と、

該枠部の略中央に該枠部から離間して配置される長方形上の錘部と前記枠部の対向する両辺から前記錘部を支えるように接続され、前記対向する両辺の片側から 2本づっ所定の間隔にて配置される梁部とを有している請求の範囲第 1項に記載のノックセンサ。

3 . センサ素子と、

エンジンに直接取り付けられるハウジング部と、

該ハウジングとともに、前記センサ素子を封止するコネクタ部とを有し、エンジンのノッキング現象による振動を前記センサ素子において感知するノックセンサにおいて、

前記センサ素子は半導体基板に形成されるとともに、四角形状の枠部と、

該枠部の略中央に該枠部から離間して配置される錘部と、前記枠部の対向する両辺から前記錘部を支えるように接続され、前記対向する両辺の片側から 2本づっほぼ同等の間隔にて配置される梁部と

を有していることを特徴としたノックセンサ。

4 . 前記梁部の前記枠部から前記錘部に至る長さが 0 . 0 5 〜 0 . 2 1 5 m mの範囲である請求の範囲第 2項又は第 3項に記載のノックセンサ。

5 . 前記センサ素子は検出周波数領域以外のノイズとなる振動を吸収する吸収部材をその周りに配設し、ノイズとなる振動が前センサに伝達しないようにしたことを特徴とする請求の範囲第 4項に記載のノックセンサ。

6 . 前記センサ素子は前記ハウジング部と溶融接合可能な固定台座に配置され、該台座とハウジング部とが溶融接合された請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載のノックセンサ。

7 . 定電圧源あるいは 2値化信号出力手段を有する請求の範囲第 1 項乃至第 6項のいずれかに記載のノックセンサ。

8 . 前記固定台座はその周辺部が所定場所に固定されるものであり

、該固定台座上に搭載される素子、部品あるいは該素子、部品等を合わせた素子群の見かけ上の重心点が固定された状態の前記固定台座の重心点からずれている請求の範囲第 1 項乃至第 7項のいずれかに記載のノックセンサ _n