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Die Erfindung betrifft ein Reflektormodul gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Verwendung des Reflektormoduls.
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Mit zunehmenden Ansprüchen an die Feinfühligkeit der Regelung von Kraftfahrzeugbremsanlagen, insbesondere im Bereich auch kleinster Hydraulikdrücke, ist es erforderlich, die jeweils vorherrschenden Druckverhältnisse in der Kraftfahrzeugbremsanlage möglichst exakt zu bestimmen. Dazu sind im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze bekannt: Zum Einen die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren, zum Anderen die indirekte Druckerfassung, z.B. über das vordruckbelastete Auslaufverhalten des elektrischen Motors eines Motorpumpenaggregats. Die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren ermöglicht dabei in der Regel eine vergleichsweise genauere Druckbestimmung, ist allerdings auch mit höherem Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden. Im Bereich der direkt messenden Drucksensoren sind zudem sogenannte optische Drucksensoren bekannt.
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In diesem Zusammenhang offenbart die unveröffentlichte
DE 10 2012 220 890.9 einen Drucksensor zur Bestimmung eines hydraulischen bzw. pneumatischen Drucks, wobei der Drucksensor einen Dehnkörper, einen Induktionskörper und eine Induktionssteller umfasst. Der Dehnkörper ist dabei rohrartig mit faltenbalgartigen oder gewellten Seitenwänden ausgebildet und an einem Ende geöffnet, so dass der zu bestimmende Druck in den Dehnkörper eindringen kann. Je größer der in den Dehnkörper eindringende Druck ist, desto weiter wird dieser insbesondere in seiner Längsrichtung gedehnt. Am geschlossenen Ende des Dehnkörpers ist der Induktionssteller angeordnet. Der Induktionskörper wiederum ist in einem vorgegebenen Abstand vom Dehnkörper angeordnet und liegt dem Induktionssteller derart gegenüber, dass sich der Abstand zwischen Induktionssteller und Induktionskörper abhängig von einer Dehnung des Dehnkörpers ändert. Mit dem Abstand zwischen Induktionssteller und Induktionskörper ändert sich auch die elektrisch messbare Induktivität des Induktionskörpers, welche somit als Maß für die Druckbeaufschlagung des Drucksensors herangezogen werden kann.
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Aus der
DE 10 2011 085 329 A1 ist ein optischer Druckfühler bekannt, welcher einen hydraulischen Druck in einer Fahrzeugbremsanlage erfühlt. Der optische Druckfühler umfasst einen optischen Sender in Form einer Leuchtdiode, einen optischen Empfänger in Form einer Photodiode oder eines Phototransistors und eine reflektierende Membran. Der optische Sender emittiert dabei Licht auf die Membran, welche das auf sie fallende Licht reflektiert, und der optische Empfänger empfängt das reflektierte Licht, um daraus ein elektrisches Signal zu erzeugen. Wenn die Membran nun mit einem zu erfühlenden Druck beaufschlagt wird, so verwölbt sich diese. Die Verwölbung wiederum bewirkt eine Änderung des Anteils des zum Empfänger reflektierten Lichts, wodurch auch das elektrische Signal geändert wird. Das elektrische Signal ist somit ein Maß für den hydraulischen Druck.
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Die im Stand der Technik bekannten optischen Drucksensoren sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass bei diesen die Membran direkt mit dem zu bestimmenden Druck beaufschlagt wird. Dadurch muss die Membran nicht nur die optischen Anforderungen an die Reflektivität sondern zugleich die notwendige Anforderungen an Materialfestigkeit, Verformbarkeit und Elastizität aufweisen. Beispielsweise muss die Membran einerseits hohen Drücken im Bereich von über 100 bar standhalten, zum anderen muss die Membran sich bereits bei vergleichsweise geringen Drücken ausreichend stark verformen und ihre Elastizität über den gesamten Druckbereich beibehalten. Insbesondere mit den zusätzlichen Anforderungen an die Reflektivität ergeben sich somit teilweise nur schwer vereinigbare Eigenschaften, welche eine Gesamt-Optimierung der Membraneigenschaften erschweren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Reflektormodul für einen optischen Drucksensor vorzuschlagen, das die genannten Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Reflektormodul gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Reflektormodul für einen optischen Drucksensor, umfassend ein Gehäuse sowie eine elastisch verwölbbare und optisch reflektierende Membran, wobei das Gehäuse einen Kanal zur Aufnahme eines Drucks und eine dem Kanal gegenüberliegende Öffnung aufweist, wobei der Kanal in eine hinter der Öffnung im Gehäuse liegende Kammer mündet und wobei die Membran die Öffnung verschließt. Das erfindungsgemäße Reflektormodul zeichnet sich dadurch aus, dass das Reflektormodul weiterhin einen Verwölbungssteller in der Kammer umfasst, welcher die Membran nach Maßgabe des Drucks verwölbt.
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Das erfindungsgemäße Reflektormodul unterscheidet sich somit von den bekannten Reflektormodulen dadurch, dass der zu messende Druck die Membran nicht unmittelbar verwölbt, sondern nur mittelbar über den Verwölbungssteller. Die Membranverwölbung ist also nicht mehr direkt an den Druck gekoppelt, sondern wird indirekt eingestellt. Daraus ergibt sich zum Einen der Vorteil, dass die Membranverwölbung auch bei geringen Drücken bereits derart eingestellt werden kann, dass sie deutlich wahrnehmbar ist und somit auch ein geringer Druck gut erfassbar und entsprechend sensibel bestimmbar ist. Zum Anderen ergibt sich der Vorteil, dass über den Verwölbungssteller auch starke Drücke, die bei unmittelbarer Beaufschlagung der Membran zu deren Zerstörung führen würden, erfasst und bestimmt werden können. Dazu kann der Verwölbungssteller beispielsweise so ausgebildet sein, dass er die Membranverwölbung nicht proportional zum jeweiligen Druck einstellt, sondern im Bereich niedrigen Drucks sensibler reagiert als im Bereich hohen Drucks, d.h., dass die eingestellte Verwölbung dem Druck nicht proportional sonder etwa nur logarithmisch oder anderweitig gedämpft folgt. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass die Membran nicht zwangsläufig aus Metall und insbesondere nicht aus Stahl hergestellt sein muss, da die Membran – im Gegensatz zum Stand der Technik – erfindungsgemäß nicht mit dem Druck bzw. nicht mit dem den Druck enthaltenden Fluid in Kontakt kommt. Somit können z.B. die optischen Eigenschaften der Membran auf Kosten der mechanischen Eigenschaften verbessert werden, ohne dass dies wesentlich zur Verringerung der Robustheit eines das erfindungsgemäße Reflektormodul verwendenden optischen Drucksensors beiträgt. Beispielsweise könnte die Membran auch aus mit einer spiegelnden Oberfläche versehenem Kunststoff hergestellt sein.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Membran scheibenförmig ausgebildet und mittels einer Hülse am Gehäuse fixiert ist oder dass die Membran napfförmig ausgebildet ist und mittels ihrer Napfwände am Gehäuse fixiert ist. In ersterem Fall greift also die Hülse die Membran und umfasst gleichzeitig die Ausenwände des Gehäuses, so dass die Membran mit dem Gehäuse verbunden wird. In letzterem Fall ist die Membran durch ihre Form selbst derart ausgebildet, dass sie das Gehäuse umfassen kann und somit ebenfalls mit dem Gehäuse verbunden werden kann. Der Vorteil, der sich aus beiden Arten der Fixierung gleichermaßen ergibt, ist es, dass bei der Herstellung des Reflektormoduls auf einfachem Wege eine Kalibrierung des Reflektormoduls ermöglicht wird, da die Fixierung den Abstand der Membran zum Verwölbungssteller festlegt. Somit wird über die Fixierung der Membran am Gehäuse also festgelegt, ab welchem Druck der Verwölbungssteller eine Verwölbung der Membran einstellt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Verwölbungssteller ein rohrartiger, mit faltenbalgartigen oder gewellten Seitenwänden ausgebildeter Dehnkörper ist und insbesondere einen Fuß umfasst, wobei der Fuß den Dehnkörper mit dem Kanal druckfest verbindet. Durch die Ausbildung des Verwölbungsstellers als rohrartigen Dehnkörper mit faltenbalgartigen oder gewellten Seitenwänden, ergibt sich der Vorteil, dass dieser bei einer Druckbeaufschlagung in seinem Inneren im Wesentlichen entlang seiner Längsachse gedehnt wird. D.h. also, dass sich die Länge des Dehnkörpers mit zunehmendem Druck vergrößert. Diese Vergrößerung der Länge des Dehnkörpers kann dazu genutzt werden, auf einfache und effektive Art und Weise die Membran zu verwölben, indem sich der Dehnkörper gegen die Membran stemmt. Der Fuß kann da dabei als Verbindungsstück zwischen dem Kanal, welcher den Druck aufnimmt, und dem Dehnkörper dienen, d.h., der Fuß leitet den Druck aus dem Kanal in den Dehnkörper weiter.
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Der Dehnkörper selbst kann mittels eines Deckels oder eines geeigneten Abschlussstücks oder Endstücks einseitig verschlossen werden oder bereits einseitig verschlossen hergestellt sein, um ein Entweichen des Drucks zu verhindern.
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Es ist vorteilhaft, dass der Verwölbungssteller ein abgerundetes Endstück aufweist. Durch diese Form des Endstücks kann vergleichsweise effektiv eine Verwölbung der Membran bewirkt werden, da nur ein punktförmiger Kontakt zwischen der Membran und dem Verwölbungssteller besteht, was insbesondere eine Verwölbung der Membran im Bereich geringer Drücke vereinfacht. Weiterhin vereinfacht sich durch die abgerundete Form des Endstücks die Montage des Reflektormoduls, da nicht eine Fläche der Verwölbungsstellers planparallel zur Membran ausgerichtet werden muss.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das Endstück in einer nicht druckbeaufschlagten Ruhestellung des Verwölbungsstellers an eine Innenseite der Membran anliegt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass bereits geringe Drücke, die zu einer nur vergleichsweise geringen Ausdehnung des Dehnkörpers führen, eine Membranverwölbung verursachen und somit für den optischen Drucksensor erfassbar sind. Würde stattdessen ein räumlicher Abstand zwischen dem Endstück und der Membran bestehen, so würde ein nur geringer Druck zunächst nicht für den optischen Drucksensor erfassbar sein, da mittels der anfänglichen Dehnung zunächst der räumliche Abstand zwischen dem Endstück und der Membran überwunden werden muss.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Dehnkörper und die Membran ein Kraftübertragungselement in der Öffnung einschließen, wobei ein Durchmesser des Dehnkörpers größer als ein Durchmesser der Öffnung ist, wobei das Kraftübertragungselement zumindest in Richtung des Dehnkörpers aus der Öffnung herausragt und wobei das Kraftübertragungselement an den Dehnkörper und an eine Innenseite der Membran anliegt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung liegt das Endstück des Dehnkörpers also nur mittelbar, nämlich über das Kraftübertragungselement, an die Membran an. Indem der Durchmesser des Dehnkörpers zudem größer als der Durchmesser der Öffnung ist, wird selbst bei sehr großem Druck vermieden, dass der Dehnkörper durch die Öffnung hindurchstößt. Sobald der Dehnkörper mit seinem Endstück auf den Rändern der Öffnung aufliegt, kann das Kraftübertragungselement nicht weiter auf die Membran gedrückt werden und somit keine weitergehende Verwölbung mehr verursachen. Damit ist eine maximale Verwölbung vorgegeben, die durch weiter ansteigenden Druck nicht weiter vergrößert werden kann.
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Eine mögliche Ausbildungsform für das Kraftübertragungselement ist eine Kugel. Die abgerundete Form der Kugel führt dabei zu den bereits beschriebenen Vorteilen.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem Herausragen des Kraftübertragungselements aus der Öffnung in Richtung des Dehnkörpers kann das Kraftübertragungselement auch in Richtung der Membran aus der Öffnung herausragen. In diesem Fall ist die Membran entweder entsprechend dem Maß des Herausragens vorverwölbt oder es besteht ein räumlicher Abstand zwischen der Membran und dem Gehäuse, d.h. die Membran liegt nicht auf das Gehäuse auf.
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Insbesondere ist es bevorzugt, dass eine Höhe des Kraftübertragungselements derart ausgebildet ist, dass eine unelastische Verwölbung der Membran ausgeschlossen ist. Dazu wird die Höhe des Kraftübertragungselements so gewählt, dass die Verwölbung der Membran selbst bei Aufliegen des Endstücks des Dehnkörpers auf den Rändern der Öffnung noch in einem elastischen Verformungsbereich ist. Da das Kraftübertragungselement somit nicht mehr weitergehend auf die Membran gedrückt werden kann, ist entsprechend eine weitergehende Verwölbung und somit eine Beschädigung der Membran ausgeschlossen.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, dass ein Endstück des Dehnkörpers eine Aussparung zur teilweisen Aufnahme des Kraftübertragungselements aufweist. Dies ermöglicht es, bei ansonsten identischen Abmessungen des Reflektormoduls, das Kraftübertragungselement größer und damit massiver und robuster auszuführen. Ein weiterer sich ergebender Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass die Gehäusewand, die die Öffnung aufweist, dünner ausgebildet sein kann, wodurch die Herstellung des Reflektormoduls vereinfacht und vergünstigt wird.
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Es ist zweckmäßig, dass das Gehäuse derart ausgebildet ist, dass es in einen hydraulischen Port einer hydraulischen Steuereinheit einer Kraftfahrzeugbremsanlage druckfest einfügbar ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Gehäuse – und somit das Reflektormodul – in einem Kraftfahrzeugbremssystem verwendbar ist. In Kraftfahrzeugbremssystemen besteht die Notwendigkeit, einen jeweils herrschenden Druck möglichst präzise zu erfassen, wobei ein zur Drucksensierung verwendeter Drucksensor möglichst robust und kostengünstig sein soll. Diese Anforderungen werden durch einen optischen Drucksensor, welcher das erfindungsgemäße Reflektormodul umfasst, erfüllt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung des erfindungsgemäßen Reflektormoduls in einem optischen Drucksensor einer Kraftfahrzeugbremsanlage.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigen
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1 eine erste Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Reflektormoduls,
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2 eine zweite Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Reflektormoduls,
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3 eine dritte Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Reflektormoduls und
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4 eine vierte Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Reflektormoduls.
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1 zeigt erfindungsgemäßes Reflektormodul 10 in einer ersten Ausbildungsform. Reflektormodul 10 ist zur Verwendung in einem an sich bekannten optischen Drucksensor geeignet und umfasst Gehäuse 1 sowie elastisch verwölbbare und optisch reflektierende Membran 2. Membran 2 ist napfförmig ausgebildet und greift mit ihren Seitenwänden wie ein Napf über Gehäuse 1. Gehäuse 1 weist seinerseits Kanal 3 zur Aufnahme eines Drucks sowie Öffnung 4 auf, welche Kanal 3 gegenüberliegt und von Membran 2 verschlossen ist. Kammer 5 liegt in Gehäuse 1 und enthält Verwölbungssteller 6, welcher wiederum aus Fuß 7 und Dehnkörper 8 besteht. Dehnkörper 8 ist rohrartig mit faltenbalgartigen Seitenwänden ausgebildet, die bei einer Druckbeaufschlagung im Inneren von Dehnkörper 8 eine Ausdehnung von Dehnkörper 8 im Wesentlichen entlang seiner Längsachse ermöglichen, d.h., in der Darstellung der 1 nimmt die Länge von Dehnkörper 8 von unten nach oben zu. Dehnkörper 8 mit abgerundetem Endstück 9 ist beispielsgemäß einteilig ausgebildet. Fuß 7 erfüllt den Zweck, Kanal 3 druckfest mit Dehnkörper 18 zu verbinden, so dass ein von Kanal 3 aufgenommener Druck über Fuß 7 in das Innere von Dehnkörper 8 geführt wird. Bei der Kalibrierung von Reflektormodul 10 wird Membran 2 soweit über Gehäuse 1 gestülpt, bis Membran 1 gerade abgerundetes Endstück 9 berührt, d.h. abgerundetes Endstück 9 von Dehnkörper 1 liegt an Membran 2 an. In dieser Position wird Membran 2 mit Gehäuse 1 verschweißt und somit fixiert. Da sich Dehnkörper 8 bei Beaufschlagung mit einem Druck ausdehnt, wird Membran 2 durch diese Ausdehnung angehoben und verwölbt, wodurch sich das Reflektionsverhalten von Membran 2 verändert.
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In 2 ist erfindungsgemäßes Reflektormodul 10‘ gemäß einer zweiten beispielhaften Ausbildungsform zu sehen. Reflektormodul 10‘ unterscheidet sich von Reflektormodul 10 in 1 durch Verwölbungssteller 6‘, Membran 2‘ und Hülse 11. Verwölbungssteller 6‘ in 2 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst neben Dehnkörper 8‘ separates Endstück 9‘, welches mit Dehnkörper 8‘ druckfest zusammengefügt ist, also ein von Dehnkörper 8‘ unabhängiges Bauteil ist. Die Formulierung „druckfest zusammengefügt“ drückt aus, dass Dehnkörper 8‘ und Endstück 9‘ so fest miteinander verbunden sind, dass die im Inneren von Dehnkörper 8‘ zu erwartende Druckbeaufschlagung Dehnkörper 8‘ nicht von Endstück 9‘ trennen kann. Die Verbindung von Dehnkörper 8‘ und Endstück 9‘ in 2 erfolgte beispielsgemäß mittels Schweißen. Im Gegensatz zu napfförmiger Membran 2 in 1 ist Membran 2‘ in 2 scheibenförmig ausgebildet und mittels Hülse 11 an Gehäuse 1‘ fixiert. Auch in diesem Fall erfolgt die Kalibrierung von Reflektormodul 10‘ derart, dass abgerundetes Endstück 9‘ gerade an Membran 2‘ anliegt, wenn Dehnkörper 6‘ nicht mit Druck beaufschlagt ist. Eine Beaufschlagung von Dehnkörper 6‘ mit Druck führt entsprechend selbst bei nur geringem Druck unmittelbar zu einer Verwölbung von Membran 2‘.
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3 zeigt eine dritte mögliche Ausbildungsform von erfindungsgemäßem Reflektormodul 10‘‘. Ein Unterschied dieser Ausbildungsform zu den vorher beschriebenen Reflektormodulen 10 und 10‘ der 1 und 2 besteht darin, dass Dehnkörper 8‘‘ und Membran 2‘‘ Kraftübertragungselement 12 in Form einer Kugel in Öffnung 4‘‘ einschließen, wobei der Durchmesser von Dehnkörper 8‘‘ größer ist als der Durchmesser von Öffnung 4‘‘, so dass Dehnkörper 8‘‘ mit Endstück 9‘‘ Kugel 12 nicht vollständig durch Öffnung 4‘‘ hindurchschieben kann, weil die Ränder von Endstück 9‘‘ vorher auf Gehäuse 1‘‘ zum Aufliegen kommen. Kugel 12 ragt sowohl in Richtung von Dehnkörper 8‘‘ bzw. Endstück 9‘‘ als auch in Richtung von Membran 2‘‘ aus Öffnung 4‘‘ heraus. Die Justage von Reflektormodul 10‘‘ während der Herstellung erfolgt auch in diesem Fall derart, dass Endstück 9‘‘ über Kugel 12 mittelbar an Membran 2‘‘ anliegt, d.h., Membran 2‘‘ wird in genau dieser Position an Gehäuse 1‘‘ befestigt. Bei einer Beaufschlagung von Dehnkörper 8‘‘ mit Druck dehnt sich dieser aus und presst Kugel 12 gegen Membran 2‘‘, so dass sich Membran 2‘‘ verwölbt. Zudem ist Gehäuse 1‘‘ zweiteilig ausgeführt, was eine Befestigung von Dehnkörper 8‘‘ direkt an Gehäuse 1‘‘ begünstigt, da die hierfür vorgesehenen Befestigungspunkte während der Herstellung vergleichsweise gut zugänglich sind. Daher weist der in 3 dargestellte Verwölbungssteller keinen Fuß auf.
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In 4 ist eine vierte beispielhafte Ausbildungsform von erfindungsgemäßem Reflektormodul 10‘‘‘ dargestellt. Reflektormodul 10‘‘‘ unterscheidet sich dadurch von bereits beschriebenen Reflektormodulen 10, 10‘ und 10‘‘, dass Endstück 9‘‘‘ Aussparung 13 aufweist, welche Kugel 12‘ teilweise aufnimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220890 [0003]
- DE 102011085329 A1 [0004]
