特許 5731747 ノッキングセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5731747

(24)【登録日】2015年4月17日

(45)【発行日】2015年6月10日

(54)【発明の名称】ノッキングセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01H 17/00 20060101AFI20150521BHJP

【ＦＩ】

   G01H17/00 B

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2009-266837(P2009-266837)

(22)【出願日】2009年11月24日

(65)【公開番号】特開2011-112406(P2011-112406A)

(43)【公開日】2011年6月9日

【審査請求日】2011年12月2日

【審判番号】不服2013-23471(P2013-23471/J1)

【審判請求日】2013年11月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109298

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 昇

(72)【発明者】

【氏名】平田 智大

(72)【発明者】

【氏名】野村 拓馬

【合議体】

【審判長】 尾崎 淳史

【審判官】 藤田 年彦

【審判官】 三崎 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２５１７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公平０５−１２７４０（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】 特開平３−１４３９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１７０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６３２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１０５０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５８１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５１４４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01H1/00-17/00

G01M15/08

F02D35/00,45/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

筒状部及びこの筒状部の一端に位置しつつ径方向外側に向かって突出する鍔部を含む主体金具、
筒状部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子、
前記圧電素子の上面及び下面に重ねられる上側電極板及び下側電極板、
前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部との間に前記圧電素子を挟むウエイト、
前記鍔部と前記下側電極板との間に配置され、前記鍔部と下側電極板とを電気的に絶縁する下側絶縁板、
前記上側電極板と前記ウエイトとの間に配置され、前記上側電極板と前記ウエイトとを電気的に絶縁する上側絶縁板、を有するセンサ本体と、
前記センサ本体を被覆する樹脂製の樹脂成形体と、
を備えるノッキングセンサであって、
前記上側絶縁板及び前記下側絶縁板は、厚さがそれぞれ０．０５ｍｍ〜０．５０ｍｍの範囲内にあり、
前記樹脂成形体は、ポリフェニレンサルファイド、または、テトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体からなるノッキングセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子を用いたノッキングセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

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、図５、図６に示す構成のものが知られている（特許文献１、２）。このノッキングセンサ１００は、内燃機関のシリンダブロックへ取付けるための取付孔１２０ｂ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。

【0003】

図６の分解斜視図に示すように、ノッキングセンサ１００は、筒状部１２１と筒状部１２１の下端に位置する鍔部１２２とを有する主体金具１２０を有している。筒状部１２１の外周には、鍔部１２２側から順に、それぞれ円環状の下側絶縁板１３０、下側電極板１４０、圧電素子１５０、上側電極板１６０、上側絶縁板１３５、ウエイト１７０、及び皿バネ１８０が嵌め込まれている。なお、下側電極１４０及び上側電極１６０の径方向外側には、それぞれ電圧を取り出すための上側、下側端子１４１、１６１が片状に延びている。 筒状部１２１の上側外周面には雄ネジ部１２１ｂが形成され、一方でナット１８５の内面に雌ネジ部１８５ｂが形成されている。そして、ナット１８５を雄ネジ部１２１ｂに螺合することにより、下側絶縁板１３０から皿バネ１８０に至る積層体が鍔部１２２とナット１８５との間に挟まれて固定され、センサ本体１９０を構成している（図５参照）。そして、図５に示すように、センサ本体１９０は樹脂成形体１１０によって被覆され、ノッキングセンサ１００が構成されている。

【0004】

このような形態のノッキングセンサ１００は、主体金具１２０の鍔部１２２の下面が、シリンダブロックに接触するように取り付けられて使用に供されるため、主体金具１２０はシリンダブロックと電気的に接続（接触）することになり、また、主体金具１２０と電気的に接続するウエイト１７０も結果としてシリンダブロックに電気的に接続（接触）することになる。そこで、ノッキングセンサ１００では、センサ本体１９０の構成部品として、主体金具１２０の鍔部１２２と下側電極板１４０とを電気的に絶縁する下側絶縁板１４０、上側電極板１６０とウエイト１７０とを電気的に絶縁する上側絶縁板１３５を用いて、圧電素子１５０の主体金具１２０やウエイト１７０に対する絶縁を確保している。なお、筒状部１２１の外周面には円筒状の絶縁スリーブ１３１が嵌められており、下側電極１４０、圧電素子１５０及び上側電極１６０が筒状部１２１に電気的に接続するのを防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３−３２２５８０号公報

【特許文献2】特開２００８−１４４６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記したノッキングセンサの樹脂成形体としては、一般にナイロン等のポリアミド系樹脂が用いられ、ノッキングセンサの使用温度は１３０℃程度になっている。ところで近年、エンジンの燃費向上を図るため、エンジンを高温で運転する傾向が高まっており、ノッキングセンサの使用温度も１５０℃以上にすることが要求されている。

【0007】

ところが、従来のノッキングセンサの場合、１５０℃以上の高温では絶縁抵抗が低下するという問題がある。ここで、本発明者らの検討により、ノッキングセンサの絶縁抵抗は、樹脂成形体１１０の表面抵抗と、下側絶縁板１３０及び上側絶縁板１３５の厚み（換言すれば、体積抵抗）によって決まることが判明した。つまり、ノッキングセンサ１００の絶縁抵抗が温度上昇によって低下する現象は、主体金具１２０の鍔部１２２と下側電極板１４０との間でみると、下側絶縁板１３０の厚み方向（下側絶縁板１３０自身）、及び、樹脂成形体１１０の内側の表面（樹脂成形体１１０のうち、下側絶縁板１３０と接する面）の少なくともいずれかが導通経路となって生ずる。また、上記の現象は、上側電極板１６０とウエイト１７０との間でみると、上側絶縁板１３５の厚み方向（上側絶縁板１３５自身）、及び、樹脂成形体１１０の内側の表面（樹脂成形体１１０のうち、上側絶縁板１３５と接する面）の少なくともいずれかが導通経路となって生ずる。なお、樹脂成形体１１０は肉厚であるので、その厚み方向でなく表面が導通経路となり、表面抵抗が絶縁特性を左右する対象となる。

【0008】

ここで、下側絶縁板１３０及び上側絶縁板１３５は、加工が容易であることから、厚みの調整や材料の選択の余地があり、それら絶縁板１３０,１３５自身の体積抵抗を高め易い傾向がある。しかし、樹脂成形体１１０は、成型性が要求され、また、ノッキングセンサとしての大きさの制約があるため、それを考慮した樹脂材料の選定や寸法の設定が余儀なくされ、樹脂成形体１１０の表面抵抗を高めることは容易ではない。従って、ノッキングセンサの絶縁抵抗を全体として高くして１５０℃といった高温での使用を可能とするためには、高温下での樹脂成形体１１０自身の表面抵抗率を高くし、樹脂成形体１１０の表面抵抗を高めることが重要になる。

【0009】

また、樹脂成形体１１０の材料をこれまでのポリアミド系樹脂としながら、下側絶縁板１３０及び上側絶縁板１３５の厚みを厚くすることで、温度上昇に伴う樹脂成形体１１０の表面抵抗（表面抵抗率）の低下を補いながら、ノッキングセンサ１００の絶縁抵抗を高めることが考えられる。しかしながら、下側絶縁板１３０及び上側絶縁板１３５の厚みを大きくすると、ノッキングセンサ１００の周波数特性が乱れ、ノッキングの検出精度が低下してしまう問題がある。
そこで、本発明は、１５０℃以上の使用温度でも絶縁特性が良好で、かつノッキングの検出特性に優れたノッキングセンサの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明のノッキングセンサは、筒状部及びこの筒状部の一端に位置しつつ径方向外側に向かって突出する鍔部を含む主体金具、筒状部の外周に嵌め込まれた環状の圧電素子、前記圧電素子の上面及び下面に重ねられる上側電極板及び下側電極板、前記筒状部の外周に嵌め込まれ、前記鍔部との間に前記圧電素子を挟むウエイト、前記鍔部と前記下側電極板との間に配置され、前記鍔部と下側電極板とを電気的に絶縁する下側絶縁板、前記上側電極板と前記ウエイトとの間に配置され、前記上側電極板と前記ウエイトとを電気的に絶縁する上側絶縁板、を有するセンサ本体と、前記センサ本体を被覆する樹脂製の樹脂成形体と、を備えるノッキングセンサであって、前記上側絶縁板及び前記下側絶縁板は、厚さがそれぞれ０．０５ｍｍ〜０．５０ｍｍの範囲内にあり、前記樹脂成形体は、ポリフェニレンサルファイド、または、テトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体からなるノッキングセンサである。

【0011】

本発明のノッキングセンサによれば、センサ本体を被覆する樹脂成形体が、成型性及び耐熱性が良好なポリフェニレンサルファイド、又はテトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体から構成されている。これらポリフェニレンサルファイド、テトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体は、常温下での表面抵抗率が高く、さらに１５０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω（またはΩ／ｑ）以上を示す。このため、上記の特定材料によって樹脂成形体を構成することで、ノッキングセンサが１５０℃以上といった高温下に晒された場合にも、上側絶縁板及び下側絶縁板を過度に厚くすることなく、ノッキングセンサの絶縁抵抗を全体として高くすることができる。

【0012】

また、本発明のノッキングセンサでは、樹脂成形体を上記の特定材料にて構成しているため、上述したように上側絶縁板及び下側絶縁板の厚みを過度に厚くする必要がないため、その厚みを０．５０ｍｍ以下に抑えることができる。よって、本発明によれば、高絶縁でありながらノッキングセンサの周波数特性が低下せず、ノッキングの検出精度に優れたノッキングセンサが得られる。一方、上側絶縁板及び下側絶縁板の厚みは、０．０５ｍｍ以上としている。樹脂成形体自身の表面抵抗率を高めても、絶縁板自身の体積抵抗が低下しては、ノッキングセンサの絶縁抵抗を全体として高く維持することができないからである。なお、上側絶縁板及び下側絶縁板としては、上記の厚みの範囲を満たす条件であれば、汎用の樹脂材料（例えば、ＰＥＴ）を用いることができる。

【発明の効果】

【0013】

この発明によれば、１５０℃以上の使用温度でも絶縁特性が良好で、かつノッキングの検出特性に優れたノッキングセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係るノッキングセンサの軸方向に沿う断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るノッキングセンサの分解斜視図である。

【図3】ノッキングセンサの１５０℃での絶縁抵抗値を示す図である。

【図4】各種樹脂の表面抵抗率を示す図である。

【図5】従来のノッキングセンサの軸方向に沿う断面図である。

【図6】従来のノッキングセンサの分解斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るノッキングセンサ１０の断面図である。
図１において、ノッキングセンサ１０は、内燃機関のシリンダブロックへ取付けるための取付孔１２ｆ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１０は、詳しくは後述するセンサ本体２０を樹脂成形体１１によって被覆して構成され、全体として短寸の円筒状に形成され、円筒の外周の一部からコネクタ部１１ｂが径方向外側に突出している。コネクタ部１１ｂの内側には、下側電極１４及び上側電極１６からそれぞれ延びる第１端子１４ａ、第２端子１６ａが突出し（図１では第１端子１４ａのみ図示）、図示しない外部コネクタと接続されるようになっている。

【0016】

そして、図２の分解斜視図に示すように、ノッキングセンサ１０は、筒状部１２ａと、筒状部１２ａの下端に位置する鍔部１２ｂとを有する金属製の主体金具１２を有している。筒状部１２ａの外周には、鍔部１２ｂ側から順に、それぞれ円環状の下側絶縁板１３、下側電極１４、圧電素子１５、上側電極１６、上側絶縁板１３ｔ、ウエイト１７、及び皿バネ１８が嵌め込まれ、下側絶縁板１３が鍔部１２ｂ上に載置されている。
筒状部１２ａの上部外周面には雄ネジ部１２ｘが形成され、一方でナット１９の内面に雌ネジ部１９ｙが形成されている。そして、ナット１９を雄ネジ部１２ｘに螺合することにより、下側絶縁板１３から皿バネ１８に至る積層体が鍔部１２ｂとナット１９との間に挟まれて固定され、センサ本体２０を構成している。なお、筒状部１２ａの外周面には円筒状の絶縁スリーブ１３ｓが嵌められ、下側電極１４、圧電素子１５及び上側電極１６が筒状部１２ａに電気的に接続（接触）するのを防止している。

【0017】

ここで、下側絶縁板１３は、主体金具１２の鍔部１２ｂの上面と下側電極板１４との電気的な接続（接触）を防止するための部材であり、上側絶縁板１３ｔは、上側電極板１６とウエイト１７０との電気的な接続（接触）を防止するための部材である。上側絶縁板１３ｔ及び下側絶縁板１３のそれぞれの厚みが、０．０５ｍｍ〜０．５０ｍｍ以下の範囲内で設定され、この厚み範囲を満たせば十分な体積抵抗が得られるので、この上側絶縁板１３ｔ及び下側絶縁板１３は、汎用の樹脂材料で構成されている。本実施形態では、上側絶縁板１３ｔ及び下側絶縁板１３は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）にて構成されており、それぞれの厚みは０．３５ｍｍとされ、体積抵抗は５０ＧΩ以上である。

【0018】

一方、本実施形態のノッキングセンサ１０では、センサ本体２０を被覆する樹脂成形体１１として、成型性に優れるポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、または、テトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体（ＥＴＦＥ）から構成されている。ＥＴＦＥは、下記の式１
-（CF₂-CF₂）_m-（CH₂-CH₂）_n ・・・（１）
（ｍ，ｎは自然数）で表され、フッ素樹脂の特性を有しつつ、成形性（押出成形・射出成形等）を備えている。ＥＴＦＥは、例えば旭硝子株式会社のフッ素樹脂ＥＴＦＥとして市販されている。

【0019】

樹脂成形体１１を構成する樹脂材料であるＰＰＳまたはＥＴＦＥは、１５０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω以上であるばかりか、１８０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω以上の値を示す（後述する図４参照）。そのため、この材料によって樹脂成形体１１を構成することで、ノッキングセンサが１５０℃以上といった高温下に晒された場合にも、上側絶縁板及び下側絶縁板を０．５０ｍｍ以下と厚みが薄い状況でありながらも、ノッキングセンサ１０の絶縁抵抗を全体として高くすることができる。

【0020】

図３は、種々の樹脂材料から構成した樹脂成形体１１を有するノッキングセンサ１０を作製し、絶縁抵抗を測定した結果を示す。なお、上側絶縁板１３ｔ及び上側絶縁板１３は、厚み０．３５ｍｍ、内径１４．７２ｍｍ、外径２３．１０ｍｍのＰＥＴから構成されたものを用いた。
まず、樹脂成形体として従来のナイロン樹脂（図３のＰＡ６６）を用いた場合、１５０℃で絶縁抵抗が１０ＭΩ未満であるのに対し、樹脂成形体として本発明のポリフェニレンサルファイド（図３のＰＰＳ）を用いた場合では、１５０℃で絶縁抵抗が１０ＭΩ以上となった。

【0021】

図４は、各種樹脂の表面抵抗率を示す。絶縁抵抗が１０ＭΩ未満であるナイロン樹脂（図４のＰＡ６６）の場合、１５０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω未満であった。一方、絶縁抵抗が１０ＭΩ以上であるポリフェニレンサルファイド（図４のＰＰＳ）の場合、１５０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω以上となった。このことより、１５０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω以上の樹脂成形体を用いることで、１５０℃以上でノッキングセンサを使用できることがわかる。
なお、テトラフルオロエチレンとエチレンとの共重合体（図４のＥＴＦＥ）の場合も、１５０℃における表面抵抗率が１．０×１０^１０Ω以上となり、本発明に使用できることがわかる。
この表面抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ６９１１に沿って求めたものであり、樹脂成形体１１０を構成する材料にてバルク体を形成し、そのバルク体の表面上に複数の円環状の電極を設けた試料体を準備して求めた。

【0022】

ここで、ノッキングセンサの絶縁抵抗は、主体金具１２と上側電極１６との間の絶縁抵抗、主体金具１２と下側電極１４との間の絶縁抵抗、上側電極１６と下側電極１４との間の絶縁抵抗、及び上側電極１６とウエイト１７との間の絶縁抵抗をそれぞれ測定し、それらのうち最も値の低い抵抗値として採用した。

【0023】

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。
例えば、上記実施形態では、ウエイト１７を、別部材であるナット１９にて皿バネ１８を介して保持する構成を採ったが、皿バネ１８を省略してもよいし、また、ウエイト及びナットを一体化した一部材にて構成してもよい。また、ナット１９は、主体金具１２に螺合にて固定する必要はなく、主体金具１２の上部に対して溶接によって固着させてもよい。さらに、上記実施形態では、樹脂成形体１１にコネクタ部１１ｂを一体化させた構成を採用したが、コネクタ部を樹脂成形体から離間させると共に、ケーブルを介して両者を接続し、離間したコネクタ部から圧電素子１５の出力を取り出すようにしてもよい。

【実施例】

【0024】

上側絶縁板１３ｔ及び下側絶縁板１３として厚み０．３５ｍｍ、内径１４．７２ｍｍ、外径２３．１０ｍｍのＰＥＴを用い、圧電素子１５としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用い、ウエイト１７として鉄材料を用い、主体金具１２として鉄材料を用い、樹脂成形体１１としてそれぞれナイロン樹脂及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を用いて、ノッキングセンサ１０を２個作製した。
得られたノッキングセンサ１０の１５０℃での絶縁抵抗値を測定した。測定は、主体金具１２と上側電極１６との間の絶縁抵抗、主体金具１２と下側電極１４との間の絶縁抵抗、上側電極１６と下側電極１４との間の絶縁抵抗、及び上側電極１６とウエイト１７との間の絶縁抵抗をそれぞれ測定し、それらのうち最も値の低い抵抗値を採用した。なお、絶縁抵抗（絶縁抵抗値）は、絶縁抵抗計ＷＴ−８７５３（日置電機株式会社製）を用い、５００Ｖの電圧を上記の各部材間に印加することにより測定した。

【0025】

得られた結果を図３に示す。上記したように、樹脂成形体としてナイロン樹脂（図３のＰＡ６６）を用いた場合、１５０℃で絶縁抵抗値が１０ＭΩ未満であるのに対し、樹脂成形体としてポリフェニレンサルファイド（図３のＰＰＳ）を用いた場合、１５０℃で絶縁抵抗値が１０ＭΩ以上となった。なお、樹脂成形体としてナイロン樹脂を用いた場合の５０℃での絶縁抵抗値、樹脂成形体としてポリフェニレンサルファイドを用いた場合の５０℃及び１００℃での絶縁抵抗値は絶縁抵抗計の測定の上限値を示したため、図３ではその上限値を記載している。
このように、樹脂成形体としてポリフェニレンサルファイドを用いた本発明のノッキングセンサでは、高温下にて良好な絶縁特性を示すことが確認された。

【符号の説明】

【0026】

１０ ノッキングセンサ
１１ 樹脂成形体
１２ 主体金具
１２ａ 筒状部
１２ｂ 鍔部
１３ 下側絶縁板
１３ｔ 上側絶縁体
１４ 下側電極
１５ 圧電素子
１６ 上側電極
１７ ウエイト
２０ センサ本体

【図3】

【図4】

【図5】

【図1】

【図2】

【図6】