JPS6226410B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の気筒内圧力によつて気筒外
に生じる振動によつてノツキングを検出して、所
定のノツキング程度に点火時期を調整する機能を
もつ内燃機関用点火時期制御装置等に用いるノツ
キング検出器に関するものである。

点火時期と気筒内圧とは強い相関関係があるこ
とは一般に知られるところであるが、混合気を爆
発させた場合のシリンダ内圧はノツキングが生じ
ていない時は高調波（通常4KHz〜10KHz又は11
〜13KHzの周波数成分のもので、エンジンシリン
ダのボア径と燃焼の断続急速燃焼により生じるも
の）がのらないが、ノツキングが生じだすと内圧
の最大値近傍よりこの高周波がのりだし、その影
響によつて気筒外へ振動あるいは音となつて発生
する。その気筒内に発生する内圧信号あるいは気
筒外へ発生する振動あるいは音の発生状態をよく
みると、ノツキングの生じはじめ（トレースノツ
ク）は内圧の最大値になるエンジンクランク角よ
り出はじめ、除々に大きなノツキング（ライトノ
ツク，ヘビーノツク）になると内圧最大値より前
側（すなわち点火側）にその高調波が大きくのり
だす。そこで、このノツキングにより気筒外に発
生する振動・音を精度よく検出し、フイードバツ
クして点火時期を制御すれば機関の効率が大幅に
向上することになるが、フイードバツク要因であ
るノツキング状態を精度よく検出し、しかも車両
に要求される厳しく環境条件下で安定に作動しう
る検出器がないのが現状である。

従来、この種検出用として一般に振動検出に用
いられる圧電型加速度検出器を流用し、この検出
器の周波数特性がノツキング周波数よりも高く、
共振点以下で特性が平担になるもの（以下、非共
振型と呼ぶ）と、本発明者らの検討中のノツキン
グ周波数に共振特性を合わせた共振型とがある。
非共振型では共振点がノツキング周波数よりも高
いからこの共振点以下のノツキング周波数を含む
低周波帯における感度はほぼ一定となる。従つ
て、ノツキング周波数全域に渡り原理的にはノツ
キングの検出が可能である。しかし、機関運転時
にはバルブ着座振動の様な振動ノイズが多く発生
し、振動ノイズとノツキングとのＳ／Ｎ比が悪化
するために、実用上高回転時のノツキング検出が
非共振型では不可能である。また、全体の検出感
度も低く、低回転でも微弱なノツキングの検出が
難しい。

共振型は共振点近傍の特定周波数に対し、検出
感度が大幅に改善され、他周波数の振動ノイズは
乗りにくくノツキングに対するＳ／Ｎ比、感度と
も大幅に向上する。

しかし、共振はその程度（共振の尖鋭度Ｑ）が
高くなれば必然的に検知周波数幅が狭くなる欠点
も合せ持つており、Ｑが高いほど、共振周波数の
ずれや、燃焼に応じ変化するノツキング周波数の
少しのずれによりノツキング検出ができにくくな
る。

つまり、理想的な検出器はノツキングの全周数
帯内に幅広く、共振型程度のＳ／Ｎ比と感度とを
持つものが必要となる。

そこで、本発明は上記の点に鑑み、ノツキング
周波数帯内に複数の共振特性を持たせて周波数の
検知幅を拡大し、ノツキング周波数帯全域でＳ／
Ｎ比、感度が良く、微弱なノツキング検出をする
ことができ、また、異なる共振周波数を有する各
振動板部に圧電素子を固着することにより、小型
な構成で充分な強度が得られ、性能、製法、価格
等において優れた特徴を持つ検出器を提供するこ
とが望まれる。このため特開昭55―157737号に係
るものが開発されているが、複数の振動板部を持
つために、センサそのものの干渉を防止するため
に大型になる問題があつた。

このため本発明は振動板部を複数持つものにお
いて共振時の相互干渉を防止し、小型化すること
のできる内燃機関用ノツキング検出器にすること
を目的とするものである。

以下本発明を図に示す実施例について説明す
る。第１図は本発明になるノツキング検出器を用
いたノツクフイードバツク点火システムの構成図
である。図中１は４気筒列型内燃機関であり、機
関１のシリンダブロツク部にノツキング検出部２
がねじ等の手段で装着してある。３はノツキング
検出器２の出力信号から機関のノツキングを検出
するノツキング検出回路、４は検出回路３の出力
に応じて点火時期を進遅角させて最適位置に制御
する点火時期制御装置である。この制御装置４の
出力信号は公知の点火装置５を介して、機関１に
装着した点火プラグにより混合気に着火する。こ
のシステムに用いたノツキング検出回路３は図示
しない点火信号を検出して、点火直後のノツキン
グの発生しない所定時間又は所定クランク角度に
おいて、機関振動によるノイズ成分を、前記検出
器２の出力を用いてサンプリングし、これとノツ
キングの発生しやすい上死点TDC後（指圧のピ
ーク後）の所定時間あるいは所定角度のセンサの
出力との比（積分値即ち平均化した値を用いるこ
ともある）をとつてノツキングの有無を検出して
いる。あるいはノツキングの有無を単に１個の信
号によらず確率的に処理する場合もある。例えば
100回の点火に対し何％のノツキングが生じたか
によつてノツキング有無を判定する。点火時期制
御装置４ではこのノツキングの有無に従つて点火
時期を進遅角させる。これらノツキング検出回路
３および点火時期制御装置４の詳細構成について
は公知であるため説明を省略するが、ノツキング
を検出して点火時期を制御するものであればいず
れの方式にでも本検出器が使用可能なことは明ら
かである。

次に、本発明ノツキング検出器について詳述す
る。第２図に示す第１実施例において、２１はノ
ツキング周波数４〜10KHzと11〜13KHzとのいず
れかで共振する複数の共振点を持つ各振動板部２
１ａを有する振動体であり、この各振動板部２１
ａはこれより肉厚の厚いリング状の支持部２１ｂ
より中心に向つて延びている。この振動体２１は
鉄等の金属平板（アルミニユーム等の軽合金や樹
脂、セラミツク等でもよい）を切り抜き又は打ち
抜き加工して形成してあり、共振特性は各振動板
部２１ａの形状、厚さｈ、長さｌ（支点からの等
価的長さ）、材質により決定される。共振周波数
はαｈ／l²によりほぼ定まる。振動板部２１
ａの共振周波数は、各振動板部２１ａの支持部２
１ｂ付近の幅と先端の幅とを任意に異ならしめ
て、互いに異なる共振周波数とする。２２は鉄等
の金属により作られ、外周壁がほぼ円筒状の底付
ハウジングであり、その外周壁および底壁にはレ
ンチを使用するための六角部２２ａとエンジンブ
ロツクに取付けるためのねじ部２２ｂとが設けて
あると共に、内周面は振動体２１の支持部２１ｂ
が当接する段部２２ｃが設けてあつて、振動体２
１の支持部２１ｂがハウジング２２内に打込んで
ある。２３は金属材料（樹脂でもよい）よりなる
リング状の押え用スペーサで、振動体２１の支持
部２１ｂの上よりハウジング２２内に打込んであ
つて、このスペーサ２３とハウジング２２の段部
２２ｃとによつて振動体２１の支持部２１ｂが挾
持されている。２４は各振動板部２１の上面に導
電性接着材（スパツタリングや真空蒸着でもよ
い）により個個に固着した圧電素子で、この各圧
電素子２４の一方の電極は振動板２１およびハウ
ジング２２を介してアースされ、他方の電極は各
リード線２５を介してコネクタ２６の内部端子２
７にそれぞれ共通接続されている。２８はリード
線２５の振動板部２１ａへの接触を防止するため
のキヤツプであり、スペーサ２３の上に配置して
ある。２９はキヤツプ２８とコネクタ２６との間
に介させたシール用のＯリングである。コネクタ
２６はハウジング２２の開口端を全周かしめるこ
とによりハウジング２２の上端に固定される。そ
して、この検出器はハウジング２２に設けたねじ
部２２ｂによりエンジンブロツクに強固に取付け
られ、内燃機関のノツキング振動はハウジング２
２を介して振動体２１に伝えられる。

上記構成によれば、ノツキングによるエンジン
振動がハウジング２２を介して振動体２１に伝え
られ、この振動体２１の各振動板部２１ａが振動
する。そして、この各振動板部２１ａはノツキン
グ振動に応じて独立に振動する。即ち、ノツキン
グ周波数成分のうち、共振周波数に近い振動板部
ほど大きく振動する。そして、この各振動板部２
１ａの振動によつてこの各振動板部２１ａに固着
した各圧電素子２４に各振動板部２１ａの振動の
大きさに応じた応力が加わり、この振動の大きさ
に応じた電気出力を発生し、この各電気出力が各
リード線２５を介しコクネクタ２６の内部端子２
７を介して合成されて外部に取出される。この実
施例では３つの振動板部２１ａを有するため、ノ
ツキング周波数帯において３つの共振周波数を有
し、この３つの共振周波数付近においてＳ／Ｎ比
のよいノツキング検出出力を発生する。この共振
周波数の数は単に振動板部２１ａの数により定ま
るものであり、数に制限はない。従つて、ノツキ
ングの周波数帯内である４〜10KHzと11〜13KHz
とのいずれか又は両方に適当な数（1KHz，又は
500KHzピツチで５個等）の振動板部２１ａを設
ければ、周数数帯全域に渡り高感度にかつ簡易に
ノツキングの検出ができる。そして、振動部２１
ａの幅、材質、厚さ、形状を規定すればその共振
点は単に長さのみにより決まる。

従つて、共振周波数の設定が容易である。

また、共振特性がシヤープであり、ノツキング
の検出感度が向上するとともに他周波数における
振動ノイズ成分に対する感度は低下する。よつ
て、微弱なノツキングが十分検出できるととも
に、検出する周波数幅も合計として広くすること
ができノツキング周波数帯全域に渡り、十分な感
度とＳ／Ｎ比が得られ、ノツキング検出精度が大
幅に向上する。また、ノツキング周波数が燃焼過
程に応じて変化しても十分検出ができる。また、
比較的振動や衝撃に弱い圧電素子２４がそれより
強固で製作の容易な振動板２１に固着してあるた
め、振動や衝撃に対して充分な強度が得られ、製
造も比較的簡単である。

第３図は３共振型の各振動板部２１ａの根本近
辺の幅l₁と先端部近辺の幅l₂との関係をl₁＜l₂とし
て設計した振動体２１部分の他の例を示すもので
ある。

第４図は逆にl₁＞l₂として設計した振動体２１
部分のさらに他の実施例を示すものであり、この
第４図のものにおいては各振動板部２１ａの片面
全体にスパツタリングにより圧電素子２４が個々
に固着してある。第３図および第４図のものはい
ずれも基本的な振動板部２１ａの厚さを決めてお
き、先端部分と根本部分との寸法を変えて共振周
波数を、各振動板部２１ａごとに異ならしめたも
のであり、第３図のものは一般に振動板２１の板
厚を厚くして作る場合に用い、第４図のものは板
厚が薄く、共振周波数を高くする場合に用い、
これらは振動体２１の材質に応じて変え得るもの
である。上記の各振動体２１は各振動板部２１ａ
と支持部２１ｂとの接続部にＲが付けてあるが、
これは振動体２１の切欠き作用による影響（切
損）を除くためのものであるが、強度的に問題な
い場合にはＲは省略できる。

第５図は支持部２１ｂに切欠き２１ｃを設けて
振動体２１を構成し、振動体２１をハウジング２
２内に打込む際に、支持部２１ｂが切欠き２１ｃ
によつて縮むことにより、打込み時の歪を吸収す
るようにしたものである。

第６図は支持部２１ｂの厚さをスペーサ２３の
厚さ分だけ厚くして振動体２１を構成したもので
あり、この振動体２１を用いる場合にはスペーサ
２３を省略できる。

第７図は振動板部２１ａを90゜間隔で４個放射
状射に設けて４個の共振周波数を得るようにした
振動体２１の他の例を示すものであり、この第７
図のものにおいては、支持部２１ｂの各振動板部
２１ａが延びる各支持基部２１ｂを除き、各振動
板部２１ａと支持部２１ｂとの同一平面のほぼ全
体にわたり連続的に圧電素子２４がスパツタリン
グにより固着してあり、また、圧電素子２４の表
面には銀ペーストや銀等の薄膜電極２４ａが固着
してあつて、この電極２４ａより一本のリード線
２５により圧電素子２４の出力が取出される。な
お、第７図図示以外の圧電素子２４においても図
示はしないがリード線２５の接続面には薄膜電極
が固着してあることは勿論である。また、第７図
示の振動体２１には第８図に示すごとき押え用ス
ペーサ２３が用いられる。このスペーサ２３に
は、各支持基部２１ｄに対向してこの各支持基部
２１ｄの面積より若干小さい押え面を持つ各押え
突起２３ａが一体に設けられていて、この押え突
起２３ａが各支持基部２１ｄに当接して振動体２
１の支持部２１ｂをハウジング２２の段部２２ｃ
に押え付けるようにしてある。このように支持部
２１ｂまで圧電素子２４を固着した場合にはスペ
ーサ２３を樹脂、セラミツク等の電気絶縁体によ
り構成する必要がある。

第９図は本発明検出器の第２実施例を示すもの
であり、振動体２１の一面全体に圧電素子２４を
スパツタリングにより固着すると共に、金属材料
よりなる押え用スペーサ２３と振動体２１の圧電
素子２４を固着した支支持部２１ｂとの間に、セ
ラミツク、樹脂等の絶材よりなるリング状スペー
サ２３Ａを介在させたものである。

第１０図は本発明検出器の第３実施例の要部構
成を示すものであり、平板状の中心電極をなす所
定形状の振動体２１の両面に、この振動体２１と
ほぼ同形状の各圧電素子２４を固着したバイモル
フ構造となしたものである。この各圧電素子２４
のうち下側の圧電素子の下面には図示はしないが
薄膜電極が固着してあつて、この電極はハウジン
グ２２を介してアースされ、かつ上側の圧電素子
の上面には薄膜電極が固着してあつて、この電極
も金属（導電体）製の押え用スペース２３および
ハウジング２２を介してアースされ、下側の圧電
素子の上面および上面の圧電素子の下面は中心電
極をなす振動板２１を介してリード線２５に接続
され、このリード線２５より振動検出出力を取出
す。

第１１図は本発明検出器の第４実施例を示すも
のであり、長方形で長さが異なる平板状の中心電
極をなす振動板部２１ａを個々に独立して設け、
この各振動板部２１ａの両面に、この振動板部２
１ａとほぼ同形状の各圧電素子２４をそれぞれ固
着してバイモルフ構造となし、ハウジング２２の
段部２１ｃに複数個形成した凹部２２ｄにバイモ
ルク構造となした各圧電素子構造体の一端を嵌合
し、その上よりアルミニユーム、鉄、黄銅等の金
属（導電体）製の押え用スペーサ２３にて押え付
けるようにしたものである。

以上述べたように本発明においては、ノツキン
グの発生する周波数帯内に複数の共振周波数を有
する構成とし、各共振出力を合成してノツキング
の検出を行なうから、共振特性のない非共振型検
出器で問題となる車両運転時の振動ノイズ（例え
ばバルブ着座振動）により微弱なノツキングが検
出できないという欠点は大幅に改善され、また、
共振のＱが大きくなると、共振点に相当する付近
の周波数のみ、感度が良くなり、ノイズを検出し
にくくなる半面、検出周波数範囲が逆に狭くな
り、共振点のずれや燃焼過程に応じたノツキング
周波数の変化により目標とするノツキング周波数
がずれると、Ｑが高く周波数幅がせまいため、時
として、ノツキングの検出ができにくくなるとい
う欠点に対しても、複数の共振点をノツキングの
生じる周波数帯内に設け、感度の良い周波数検知
幅が拡大されることから、いずれかの共振特性内
で検出できることになり、結果として、ノツキン
グの検出性能が大幅に向上するという効果があ
る。また、中心方向つまり内方向に放射状に、リ
ング状支持部より分岐した複数の振動板部を設け
ているため、振動板部の根元つまり分岐部分相互
間を互いに十分に離すことができるため相互干渉
を極力抑えた検出器にできるという格別な効果が
ある。そしてこのことにより小型に構成できると
いう効果がある。

さらに、各振動板部に圧電素子を固着して、各
振動板部の振動を検出するようにしたから、振動
体として、振動や衝撃に強く、製作の容易なもの
を用いることができ、比較的振動や衝撃に弱い圧
電素子を用いるにもかかわらず、この圧電素子を
振動板部に固着することによつて振動や衝撃に対
して充分な強度が得られ、製造も比較的簡単、か
つ小型であるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明検出器を適用するノツクフイー
ドバツク点火システムの構成図、第２図Ａ，Ｂは
本発明検出器の第１実施例を示す横断面図および
縦断面図である。第３図乃至第７図は第２図図示
検出器に適用する振動体部分の５例をそれぞれ示
すもので、第３図Ａはその１番目の例を示す正面
図、第３図Ｂは第３図Ａ図示のＡ―A′線に沿う
縦断面図、第４図Ａはその２番目の例を示す正面
図、第４図Ｂは第４図Ａ図示のＢ―B′線に沿う縦
断面図、第５図はその３番目の例を示す正面図、
第６図Ａはその４番目の例を示す正面図、第６図
Ｂは第６図Ａ図示のＣ―C′線に沿う縦断面図、
第７図Ａはその５番目の例を示す正面図、第７図
Ｂは第７図Ａ図示のＤ―D′線に沿う縦断面図で
ある。第８図は第７図Ａ，Ｂ図示の振動体部分と
組合わされる押え用スペーサを示す縦断面図、第
９図は本発明検出器の第２実施例を示す縦断面
図、第１０図Ａは本発明検出器の第３実施例の要
部構成を示す正面図、第１０図Ｂは第１０図Ａ図
示のＥ―E′線に沿う縦断面図、第１１図Ａは本
発明検出器の第４実施例を示す横断面図、第１１
図Ｂは第１１Ａ図示検出器の要部構成を示す縦断
面図である。 １……内燃機関、２……ノツキング検出器、２
１……振動体、２１ａ……振動板部、２１ｂ……
支持部、２２……ハウジング、２３……押え用ス
ペーサ、２４……圧電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関のノツキングによる振動に応じて振
   動し、かつノツキング周波数帯内において互いに
   異なる共振周波数を有する複数の振動板部を有す
   る振動体と、この振動体の各振動板部に固着さ
   れ、この各振動板部の振動に応じた電気出力を発
   生する圧電素子とを備える内燃機関用ノツキング
   検出器において、前記振動体は、前記振動板部を
   支持するためのリング状の支持部を有し、この支
   持部より中心方向に放射状に分岐して複数の前記
   各振動板部が一体に設けられていることを特徴と
   する内燃機関用ノツキング検出器。 ２ 前記振動体の支持部は前記各振動板部より板
   圧が厚いことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の内燃機関用ノツキング検出器。 ３ 前記各振動板部は、根元部分の幅と先端の幅
   とを各振動板部毎に異ならせることによつて、互
   いに異なる共振周波数を有するものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の内燃機関用ノツキング検出器。