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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Schwingungsaufnehmer für verschiedene Zwecke bekannt. Ein Zweck, auf den die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist der Einsatz eines Schwingungsaufnehmers als Klopfsensor für die Überwachung der Funktion eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
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Die
DE 199 60 325 A1 beschreibt einen derartigen Schwingungsaufnehmer. Bei dem Aufbau des Schwingungsaufnehmers ist ein ringförmiges piezoelektrisches Element mit einer darüber angeordneten Masse mit einer Feder innerhalb einer Hülse verspannt. Der gesamte Aufbau wird mittels einer Schraube an den Motorblock angeschraubt. Vibrationen vom Motor versetzen den Aufbau in Schwingungen. Die Masse im Aufbau übt dadurch eine zyklische Kraft auf das piezoelektrische Element aus. Diese wird in dem Element durch den piezoelektrischen Effekt in elektrische Signale, wie beispielsweise Strom und/oder Spannung, umgewandelt. Diese Signale werden von einer elektronischen Auswerteeinheit erfasst und zur Detektion des Auftretens eines Klopfereignisses im Motor genutzt.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungsaufnehmer beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist das piezoelektrische Element üblicherweise aus einem bleihaltigen Material hergestellt, wie beispielsweise Bleizirkoniumtitanat. Derartige Materialien sind aufwändig in der Herstellung. So müssen derartige keramische Materialien einem Sinterprozess unterzogen werden, welcher energie- und somit kostenintensiv ist. Des Weiteren sind die bleihaltigen Materialien hinsichtlich Gesundheits- und Umweltaspekten bedenklich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Schwingungsaufnehmer vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Schwingungsaufnehmer zumindest weitgehend vermeidet und der insbesondere in einem einfachen Schichtaufbau aus einer Vielzahl möglicher Materialien hergestellt sein kann, die bezüglich Gesundheits- und Umweltaspekten und entsprechenden Regularien wesentlich weniger bedenklich sind als aus dem Stand der Technik bekannte Schwingungsaufnehmer, die eine bleihaltige Keramik enthalten.
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Ein erfindungsgemäßer Schwingungsaufnehmer zum Aufnehmen von Schwingungen eines Schwingungen verursachenden Bauteils umfasst einen Träger, der zum Verbinden mit dem Bauteil ausgebildet ist, und eine Sensoranordnung, die mit dem Träger verbunden ist. Die Sensoranordnung weist mindestens ein triboelektrisches Wandlerelement auf.
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Unter einem triboelektrischen Wandlerelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein auf dem triboelektrischen Effekt beruhendes Element zu verstehen. Derartige Wandler beruhen auf der nachstehend beschriebenen Funktionsweise. Werden zwei Materialoberflächen, wie beispielsweise Kapton und PMMA, miteinander in Kontakt gebracht, so kommt es zu einem Austausch von Ladungsträgern zwischen den Oberflächen. Eine Oberfläche (bei dem hier genannten Beispiel: Kapton) lädt sich negativ, die andere (bei dem hier genannten Beispiel: PMMA) positiv auf. Bewegt man die Oberflächen nun auseinander, so werden Ladungsträger auf der Oberfläche der isolierenden Materialien verbleiben und es baut sich ein elektrisches Feld auf, da die Ladungen nicht länger durch die gegenteilig geladenen Ladungsträger auf der Oberfläche der gegenüberliegenden Kontaktfläche abgeschirmt werden. Dieses Feld führt zu einem Fluss von Kompensationsladungen in Elektroden auf den Rückseiten der isolierenden Kontaktflächen, bzw. zum Aufbau einer Spannung, wenn dieser Stromfluss behindert ist. Werden die beiden Oberflächen wieder in Kontakt gebracht, so kehrt sich der eben beschriebene Effekt um und es kommt zu einem Stromfluss oder einer Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen.
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Ein Wandler mit analoger Funktion kann auch mit einer Kontaktfläche aus metallischem bzw. leitfähigem Material aufgebaut werden. Ladungstrennung findet wie oben beschrieben bei Kontakt zwischen der metallischen/leitfähigen Fläche und einer zweiten Fläche statt, die wie im oben beschriebenen Fall aus einem isolierenden Material mit rückseitiger Elektrode bestehen muss. Werden die beiden Kontaktflächen bei geschlossenem Stromkreis auseinander bewegt, so werden auf der metallischen/leitfähigen Oberfläche keine Ladungsträger gespeichert. Die Ladungen fließen ab und wandern als Kompensationsladungen in die Elektrode auf der Rückseite der aus isolierendem Material bestehenden Kontaktfläche, sodass auch in diesem Aufbau ein Strom fließt, wenn der Abstand zwischen den Kontaktflächen verändert wird. Bei offenem Stromkreis bzw. behindertem Stromfluss baut sich entsprechend eine Spannung auf.
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Statt horizontal können Kontaktflächen in einem Wandler auch lateral auseinander bewegt werden, um eine Trennung der Oberflächenladungen herbeizuführen und den beschriebenen Fluss von Kompensationsladungen zu verursachen.
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Empirische triboelektrische Reihen geben Auskunft darüber, welche Ladungstrennung beim Kontakt zweier Materialien zu erwarten ist. Dabei sind die triboelektrischen Reihen, die von verschiedenen Autoren in unterschiedlichen Studien aufgestellt wurden, gut miteinander vergleichbar. Das heißt die Reihenfolge, in der Materialien nach ihrer Neigung zur positiven oder negativen Aufladung geordnet werden, ist in allen Studien bis auf wenige Ausnahmen identisch. Materialkombinationen für besonders starke triboelektrische Ladungseffekte können also anhand veröffentlichter triboelektrischer Reihen ausgewählt werden.
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Triboelektrische Wandler können auch so ausgeführt werden, dass ein beweglicher Steg mit einer trägen Masse, beschichtet mit einem triboelektrisch aktiven Material, gegen eine Fläche schwingt, die aus einem Material besteht, welches bei Kontakt mit der Oberfläche des schwingenden Steges zu einer triboelektrischen Ladungstrennung führt. Durch das Schwingen des Stegs zu der gegenüberliegenden Kontaktfläche hin und von dieser weg kann Strom bzw. Spannung erzeugt werden, analog dem oben beschriebenen Prozess.
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Als Anwendung für triboelektrische Energiewandler wird in der Literatur primär die Erzeugung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie, beispielsweise aus Vibrationen oder menschlicher Bewegung, genannt. Mit dieser Energie sollen kleine Verbraucher betrieben oder Batterien gefüIIt werden. Auch ist bekannt, dass triboelektrische Wandler zur Druckdetektion genutzt werden können, beispielsweise für Touchdisplays oder zur Detektion der Belastung einer Fläche, auf der ein solcher Wandler aufgebracht ist.
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Unter einer Verbindung zweier Bauteile ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der die Bauteile lose bzw. lösbar oder fest bzw. unlösbar miteinander verbunden sind. So können die Bauteile insbesondere formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Beispielsweise kann die Sensoranordnung gegen den Träger verspannt sein.
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Das triboelektrische Wandlerelement kann eine erste Elektrode mit einer darauf aufgebrachten ersten Schicht eines ersten Materials und eine zweite Elektrode mit einer darauf aufgebrachten zweiten Schicht eines zweiten Materials umfassen. Alternativ kann die erste Elektrode aus dem ersten Material oder die zweite Elektrode aus dem zweiten Material hergestellt sein. Mit anderen Worten können die erste Elektrode und die erste Schicht oder die zweite Elektrode und die zweite Schicht integral bzw. einstückig aus dem ersten Material bzw. dem zweiten Material hergestellt sein. Die zweite Elektrode kann so zu der ersten Elektrode angeordnet sein, dass die zweite Schicht beabstandet und zugewandt zu der ersten Schicht angeordnet ist. Das erste Material kann sich von dem zweiten Material hinsichtlich einer Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe unterscheiden.
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Unter der triboelektrischen Reihe ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine empirisch aufgestellte Reihe zu verstehen, die die Ladungsträgeraffinität eines Materials angibt. Je weiter ein Material an einem Ende der Reihe steht, desto mehr Ladungsträger wird es bei Berührung oder Reibung an ein Material abgeben, welches weiter am anderen Ende der Reihe steht. Die tatsächliche Quantität der Ladungstrennung durch den triboelektrischen Effekt hängt jedoch von weiteren Faktoren wie Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit, elektrischer Leitfähigkeit und Wasseraufnahme ab.
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Das erste Material kann eine positive Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweisen und das zweite Material kann eine negative Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweisen. Alternativ kann das erste Material eine negative Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweisen und das zweite Material kann eine positive Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweisen. Die erste Elektrode kann mit dem Träger verbunden sein. Alternativ kann die zweite Elektrode mit dem Träger verbunden sein.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind positive oder negative Eigenschaften nach der triboelektrischen Reihe als relative Eigenschaften und nicht als absolute Eigenschaften zu verstehen. So bedeutet eine positive Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe lediglich, dass ein solches Material mehr Elektronen bei Berührung oder Reibung an ein anderes Material abgeben oder mehr Protonen von diesem aufnehmen wird, welches eine stärker negative Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweist.
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Die zweite Schicht, ggf. mit rückseitiger zweiter Elektrode, ist schwingungsfähig zu dem Träger bzw. der mit dem Träger verbundenen ersten Schicht angeordnet sein. Dadurch sind die erste Schicht und die zweite Schicht relativ zueinander schwingungsfähig angeordnet. Es versteht sich bei dieser Art von Anordnung, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode ebenfalls relativ zueinander schwingungsfähig sind, da diese entweder einstückig mit der jeweiligen Schicht ausgebildet sind oder fest mit der jeweiligen Schicht verbunden sind. Die zweite Schicht, ggf. mit rückseitiger zweiter Elektrode, kann mit einer schwingungsfähigen Masse verbunden sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode gegen die schwingungsfähige Masse verspannt oder mit ihr verklebt sein. Die schwingungsfähige Masse kann einen schwingungsfähig gelagerten Träger umfassen. Beispielsweise kann die schwingungsfähige Masse gegen den schwingungsfähig gelagerten Träger verspannt sein. Der schwingungsfähig gelagerte Träger kann mit dem Träger verbunden sein. Die schwingungsfähige Masse kann eine mit dem schwingungsfähig gelagerten Träger verbundene Masse umfassen. Zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann ein komprimierbarer Abstandshalter angeordnet sein. Die zweite Schicht kann in einer der ersten Schicht zugewandten Oberfläche eine Strukturierung aufweisen. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich die erste Schicht in einer der zweiten Schicht zugewandten Oberfläche eine Strukturierung aufweist. Der Schwingungsaufnehmer kann insbesondere zur Detektion von Körperschallwellen aus Fehl- bzw. Frühzündungen einer Verbrennungsmaschine ausgebildet sein.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist ein einfacher Mehrschichtaufbau aus Polymerschichten mit rückseitigen Elektroden auf Trägermaterialien. Diese Aufbauten lassen sich durch externe Vibrationen in Schwingung versetzen, wobei sie elektrische Signale, wie beispielsweise Spannung und/oder Strom, generieren. Diese elektrischen Signale können zur Detektion des Motorklopfens, also zur Detektion von Vibrationsmustern, die beim Motorklopfen auftreten, genutzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 einen Schwingungsaufnehmer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine vergrößerte Ansicht einer Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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4 eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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1 zeigt einen Schwingungsaufnehmer 10 zum Aufnehmen von Schwingungen eines Schwingungen verursachenden Bauteils 12 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Schwingungen verursachende Bauteil 12 kann beispielsweise ein Motorblock sein. Der Schwingungsaufnehmer 10 weist einen Träger 14 und eine Sensoranordnung 16 auf. Die Sensoranordnung 16 ist mit dem Träger 14 verbunden. Die Sensoranordnung 16 weist mindestens ein triboelektrisches Wandlerelement 18 auf. Das triboelektrische Wandlerelement 18 ist mit einer darüber angeordneten Masse 20 mittels einer Feder 22 in einer Hülse 24 verspannt. Die Sensoranordnung 16 muss nicht zwangsläufig unlösbar mit dem Träger 14 verbunden sein. So kann die Sensoranordnung lose oder lösbar mit dem Träger 14 verbunden sein. Beispielsweise ist die Sensoranordnung 16 lose auf den Träger 14 aufgelegt und mittels der Feder 22 und der Hülse 24 gegen den Träger 14 verspannt. Es versteht sich auch, dass die Feder 22 durch ein Bauteil ersetzt sein kann, das aus einem elastischen Material hergestellt ist, wie beispielsweise Gummi. Der Schwingungsaufnehmer 10 kann mittels einer Schraube 26 an dem Schwingungen verursachenden Bauteil 12 befestigt werden.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sensoranordnung gemäß 16 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu erkennen ist insbesondere das triboelektrische Wandlerelement 18. Das triboelektrische Wandlerelement 18 weist eine erste Elektrode 28 mit einer darauf aufgebrachten ersten Schicht 30 eines ersten Materials und eine zweite Elektrode 32 mit einer darauf aufgebrachten zweiten Schicht 34 eines zweiten Materials auf. Die Elektroden 28, 32 können beispielsweise ein Leitkleber oder eine auf die erste bzw. zweite Schicht aufgedampfte, auflaminierte oder gesputterte Metallschicht sein. Die zweite Elektrode 32 ist so zu der ersten Elektrode 28 angeordnet, dass die zweite Schicht 34 zugewandt zu der ersten Schicht 30 angeordnet ist. Optional ist dabei die zweite Schicht 34 zu der ersten Schicht 30 in ihrer Ausgangs- oder Ruhestellung beabstandet. Alternativ ist die zweite Schicht 34 zu der ersten Schicht 30 in ihrer Ausgangs- oder Ruhestellung ohne Abstand angeordnet und ein temporärer Abstand zwischen der zweiten Schicht 34 und der ersten Schicht 30 bildet sich bei Schwingungen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 relativ zueinander. Das erste Material der ersten Schicht 30 unterscheidet sich von dem zweiten Material der zweiten Schicht 34 hinsichtlich einer Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe. Das erste Material der ersten Schicht 30 weist eine positive Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe auf und das zweite Material der zweiten Schicht 34 weist eine negative Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe auf. Die Sensoranordnung 16 mit dem triboelektrischen Wandlerelement 18 ist so angeordnet, dass die erste Elektrode 28 mit dem Träger 14 verbunden ist.
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Das erste Material kann ein Polymer sein. Beispielsweise ist das erste Material Polyamid. Die erste Schicht 30 ist vergleichsweise dünn ausgebildet und weist vorzugsweise eine Schichtdicke von nicht mehr als 100 µm auf. Besonders bevorzugt weist die erste Schicht 30 eine Schichtdicke von nicht mehr als 20 µm auf, wie beispielsweise 10 µm. Es versteht sich jedoch, dass auch Schichtdicken von mehr als 100 µm möglich sind, dann jedoch unter Umständen die Signale des triboelektrischen Wandlerelements 18 schwächer werden. Die erste Schicht 30 kann in einer der zweiten Schicht 34 zugewandten Oberfläche 36 eine Strukturierung 38 aufweisen, wodurch die effektive Oberfläche erhöht wird, was zu einer Verstärkung triboelektrischer Effekte führt. Auf der Rückseite der ersten Schicht 30 befindet sich die leitfähige erste Elektrode 28. Das zweite Material kann ebenfalls ein Polymer sein. Allerdings steht das zweite Material verglichen mit dem ersten Material auf der negativen Seite in der triboelektrischen Reihe. Beispielsweise ist das zweite Material Polytetrafluorethylen, das auch als Teflon bekannt ist. Die zweite Schicht 34 ist vergleichsweise dünn ausgebildet und weist vorzugsweise eine Schichtdicke von nicht mehr als 100 µm auf. Besonders bevorzugt weist die zweite Schicht 32 eine Schichtdicke von nicht mehr als 20 µm auf, wie beispielsweise 10 µm. Es versteht sich jedoch, dass auch Schichtdicken von mehr als 100 µm möglich sind, dann jedoch unter Umständen die Signale des triboelektrischen Wandlerelements 18 schwächer werden. Die zweite Schicht 34 kann in einer der ersten Schicht 30 zugewandten Oberfläche 40 eine Strukturierung 42 aufweisen, wodurch die effektive Oberfläche erhöht wird, was zu einer Verstärkung triboelektrischer Effekte führt. Gemäß diesem Aufbau neigt die Oberfläche 40 der zweiten Schicht 34 bei Kontakt mit dem Material der ersten Schicht 30 dazu, sich relativ stark positiv aufzuladen, wohingegen, die Oberfläche der ersten Schicht 30 bei Kontakt mit dem Material der zweiten Schicht 34 dazu neigt, sich relativ stark negativ aufzuladen.
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Zwischen den Oberflächen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 kann sich an einigen Stellen, beispielsweise in Form eines Rahmens nahe den Rändern der Schichten 30, 34, optional ein Abstandshalter 44 befinden. Der Abstandshalter 44 kann aus einem komprimierbaren Material hergestellt sein, beispielsweise Schaumstoff, Silikon, Gummi oder dergleichen, oder in Form von mechanischen Federn ausgebildet sein. Dieser Abstandshalter 44 gewährleistet einen Luftspalt zwischen den Oberflächen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34, wenn das triboelektrische Wandlerelement 18 in Ruhe ist. Wenn das triboelektrische Wandlerelement 18 in Schwingung versetzt wird, lässt der Aufbau des optionalen Abstandshalters 44 aber zu, dass es zu einem Kontakt zwischen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 kommt. Der Luftspalt zwischen den Oberflächen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 bzw. die maximale Luftspalthöhe, die sich bei Schwingung des beschriebenen Aufbaus ausbilden kann, sollte vorzugsweise höher sein als die Schichtdicke der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34, beispielsweise um den Faktor 5 bis 10 höher.
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Das triboelektrische Wandlerelement 18 wird in dem Schwingungsaufnehmer 10 wie folgt verbaut. Die träge Masse 20 wird auf das triboelektrische Wandlerelement 18 aufgelegt. Die Form dieser Masse 20 kann so ausgeführt sein, dass sie das triboelektrische Wandlerelement 18 nur in Bereichen berührt, die nicht durch den Abstandshalter 44 gestützt werden. Bei einer Schwingung der Masse 20, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, werden dann primär die nicht durch den Abstandshalter 44 gestützten Bereiche des triboelektrischen Wandlerelements 18 belastet und deformiert. Eine deutliche Änderung der Luftspalthöhe findet dadurch schon bei geringeren Kräften statt. Entsprechend steigt das Verhältnis zwischen aufgebrachter Kraft und erzeugtem elektrischem Signal. Über der trägen Masse 20 wird die Feder 22 angeordnet. Alle diese übereinander angeordneten Bauteile werden in der Hülse 24, die aus Metall, Polymer, Keramik oder einem anderem Material hergestellt sein kann, verklemmt, beispielsweise indem die Hülse 24 mit dem Träger 14, auf welchem die zuvor genannten Bauteile angeordnet werden, verschraubt, verklebt, vercrimpt oder aufgeschrumpft wird. Dabei wird die erste Schicht 30 mit der ersten Elektrode 28 auf dem starren Träger 14 angeordnet und die zweite Schicht 34 mit der zweiten Elektrode 32 ist schwingungsfähig zu dem Träger 14 angeordnet. Die zweite Elektrode 32 ist mit der schwingungsfähigen Masse 20 verbunden. Der beschriebene Aufbau des Schwingungsaufnehmers 10 wird auf einer Oberfläche des Bauteils 12 angebracht, dessen Schwingungen überwacht werden, also am Motor, wenn dessen Klopfen detektiert werden soll. Die beiden Elektroden 28, 32 des triboelektrischen Wandlerelements 18 werden aus der Hülse 24 herausgeführt und mit einer nicht näher gezeigten Auswerteeinheit, wie beispielsweise einem Motorsteuergerät, verbunden, so dass elektrische Signale, die die Sensoranordnung 16 im Betrieb generiert, an diese Auswerteeinheit weitergegeben werden und von dieser ausgewertet werden können.
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Die Vibrationen des Bauteils 12, beispielsweise des Motors, auf dem der beschriebene Schwingungsaufnehmer 10 angebracht ist, versetzen den beschriebenen Aufbau in Schwingung. Die Masse 20 im Aufbau verursacht dabei eine zyklische Belastung und Entlastung des triboelektrischen Wandlerelements 18. Bei Belastung des triboelektrischen Elements 18 kommt es zum Kontakt zwischen den Oberflächen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34, wodurch eine Ladungstrennung basierend auf dem triboelektrischen Effekt an den Oberflächen der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 stattfindet. Bei Entlastung findet dann eine Trennung der Oberflächen statt. Dadurch findet ein Stromfluss zwischen den Elektroden 28, 32 auf den Rückseiten der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 statt, um Kompensationsladungen für die Ladungsträger auf den Oberflächen ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 zur Verfügung zu stellen. Wird dieser Stromfluss behindert, so baut sich stattdessen eine Spannung auf. Strom- oder Spannungssignal können in einer elektronischen Auswerteeinheit, beispielsweise einem Motorsteuergerät oder einer eigenen Auswerteeinheit, für den Schwingungsaufnehmer 10 ausgewertet werden. Die Charakteristika der vom triboelektrischen Wandlerelement 18 erzeugten elektrischen Signale sind bei normalem Motorbetrieb anders als beim Auftreten von Klopfereignissen. Also kann durch die Analyse der vom triboelektrischen Wandlerelement 18 generierten Signale festgestellt werden, ob Klopfen auftritt oder nicht.
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Andere triboelektrisch aktive Materialien statt Teflon und Polyamid können ebenfalls verwendet werden. Mindestens eines der beiden Materialien, die durch die Schwingung der Masse 20 im Aufbau miteinander in Kontakt gebracht werden, muss isolierend sein. Das andere kann leitfähig und gegebenenfalls auch gleich dem Material der Elektroden 28, 32 sein, so dass also die Elektrode als triboelektrisch aktive Kontaktfläche wirkt. Grundsätzlich kommen fast alle festen Materialien in Frage, beispielsweise Polymere, Gläser, Keramiken, sogar natürliche Materialien wie Holz oder Wolle, solange sie in der triboelektrischen Reihe ausreichend weit auseinander liegen, um ein signifikantes elektrisches Signal zu liefern. Bevorzugt sind Materialien, die in der triboelektrischen Reihe möglichst weit auseinander liegen.
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Der Abstandshalter 44 im beschriebenen Aufbau kann weggelassen werden. Stattdessen kann man die Oberflächen der beiden Polymermaterialien, wie beispielsweise Teflon und Polyamid, an den Rändern des Aufbaus miteinander verbinden, beispielsweise verkleben, während die beiden Polymermaterialien im zentralen Bereich des Aufbaus lose aufeinander liegen. Auch ein Aufbau, bei dem die beiden Polymeroberflächen gar nicht miteinander verbunden werden, also aufeinander gelegt und nur durch die Verspannung durch die Hülse 24 des Schwingungsaufnehmers fixiert werden, ist möglich. Die Funktionsweise dieses Aufbaus ist analog zu der des eben beschriebenen Aufbaus mit Abstandshalter 44, allerdings kann die Amplitude geringer ausfallen und die erzeugten elektrischen Signale können entsprechend schwächer sein.
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Die auf das triboelektrische Wandlerelement 18 aufgelegte Masse 20 kann auch so strukturiert sein, dass einzelne Stutzen jeweils in Bereichen drücken, die zwischen den Abstandshaltern des triboelektrischen Wandlerelements 18 liegen.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 16 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bei der ersten Ausführungsform ist die erste Elektrode 28 auf einem starren Träger 14 angeordnet und die erste Schicht 30 ist wiederum auf der ersten Elektrode 28 angeordnet. Die erste Elektrode 28 kann beispielsweise ein Leitkleber oder eine aufgedampfte, auflaminierte oder gesputterte Metallschicht sein. Verbunden mit dem starren Träger 14 ist ein schwingungsfähiger Träger 46, der beispielsweise in Form eines Stegs ausgebildet sein kann. Auf dessen, dem starren Träger 14 zugewandter Oberfläche befindet sich die leitfähige zweite Elektrode 32. Auf der zweiten Elektrode 32 ist wiederum die zweite Schicht 34 angeordnet. Die zweite Elektrode 32 kann beispielsweise ein Leitkleber oder eine aufgedampfte Metallschicht sein. Somit umfasst bei der zweiten Ausführungsform die schwingungsfähige Masse 20 den schwingungsfähig gelagerten Träger 46. Optional ist an dem schwingungsfähigen Träger 46 ist eine träge Masse 48 angebracht, die beispielsweise aus Metall, Keramik oder einem anderen Material hergestellt ist.
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Der oben beschriebene Aufbau der Sensoranordnung 16 wird auf einer Oberfläche des Bauteils 12 angebracht, dessen Schwingungen überwacht werden sollen, also am Motor, wenn dessen Klopfen detektiert werden soll. Diese Verbindung kann durch Verschrauben, Verkleben, Verklemmen oder einen anderen Prozess erfolgen. Optional kann der beschriebene Aufbau in eine schützende Umhüllung verpackt werden. Die beiden Elektroden 28, 32 des Aufbaus sind mit einer Auswerteeinheit verbunden, so dass elektrische Signale, die der Aufbau im Betrieb generiert, an diese Auswerteeinheit weitergegeben werden und von dieser ausgewertet werden können.
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Die Vibrationen des Bauteils 12, auf dem der beschriebene Schwingungsaufnehmer 10 angebracht ist, beispielsweise des Motors, versetzen den beschriebenen Aufbau in Schwingung. Dabei kommt es durch diese Schwingungen zum Kontakt zwischen den Schichten 30, 34 des triboelektrischen Wandlerelements 18, wodurch eine Ladungstrennung an den Oberflächen Schichten 30, 34 basierend auf dem triboelektrischen Effekt stattfindet. Im weiteren Verlauf der Schwingung findet dann eine Trennung der Oberflächen statt. Dadurch findet ein Stromfluss zwischen den Elektroden 28, 32 auf den Rückseiten der Schichten 30, 34 statt, um Kompensationsladungen für die Ladungsträger auf den Oberflächen zur Verfügung zu stellen. Wird dieser Stromfluss behindert, so baut sich stattdessen eine Spannung auf. Strom- oder Spannungssignal können in einer elektronischen Einheit, beispielsweise dem Motorsteuergerät oder einer eigenen Auswerteeinheit für die Sensoranordnung 16, ausgewertet werden. Die Charakteristika der vom triboelektrischen Wandlerelement 18 erzeugten elektrischen Signale sind bei normalem Motorbetrieb anders als beim Auftreten von Klopfereignissen. Also kann durch die Analyse der vom triboelektrischen Wandlerelement 18 generierten Signale festgestellt werden, ob ein Klopfen auftritt oder nicht.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Sensoranordnung 16 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform ist die erste Elektrode 28 auf einem starren Träger 14 angeordnet und die erste Schicht 30 ist wiederum auf der ersten Elektrode 28 angeordnet. Die erste Elektrode 28 kann beispielsweise ein Leitkleber oder eine aufgedampfte, auflaminierte oder gesputterte Metallschicht sein. Dem starren Träger 14 gegenüberliegend ist ein flexibler Träger 50 angeordnet. Auf dessen, dem starren Träger 14 zugewandter Oberfläche befindet sich die leitfähige zweite Elektrode 32. Auf der zweiten Elektrode 32 ist wiederum die zweite Schicht 34 angeordnet. Die zweite Elektrode 32 kann beispielsweise ein Leitkleber oder eine aufgedampfte, auflaminierte oder geputterte Metallschicht sein.
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Zwischen den Oberflächen 36, 40 der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 kann sich optional an einigen Stellen, beispielsweise in Form eines Rahmens nahe den Rändern der Schichten, wiederum ein Abstandshalter 44 befinden, der aus einem komprimierbarem Material, wie beispielsweise Schaumstoff, Silikon oder Gummi hergestellt oder als Feder ausgeführt sein kann. Der optionale Abstandshalter 44 gewährleistet einen Luftspalt zwischen der Oberfläche 36 der ersten Schicht 30 und der Oberfläche 40 der zweiten Schicht 34, wenn das triboelektrische Wandlerelement 18 in Ruhe ist. Wenn das triboelektrische Wandlerelement 18 in Schwingung versetzt wird, lässt der Aufbau des Abstandshalters 44 aber zu, dass es zu einem Kontakt zwischen der Oberfläche 36 der ersten Schicht 30 und der Oberfläche 40 der zweiten Schicht 34 kommt. Der Luftspalt zwischen den Oberflächen 36, 40 bzw. die maximale Luftspalthöhe, die sich bei Schwingung des beschriebenen Aufbaus ausbilden kann, sollte vorzugsweise höher sein als die Schichtdicke der der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34, beispielsweise um den Faktor 5 bis 10 höher. Auf einer Rückseite des flexiblen Träger 50 kann eine träge Masse 48 angebracht sein, die beispielsweise aus Metall, Keramik oder einem anderen Material hergestellt ist.
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Der Abstandshalter 44 im beschriebenen Aufbau kann weggelassen werden. Stattdessen kann man die Oberflächen der beiden Polymermaterialien, wie beispielsweise Teflon und Polyamid, an den Rändern des Aufbaus miteinander verbinden, beispielsweise verkleben, während die beiden Polymermaterialien im zentralen Bereich des Aufbaus lose aufeinander liegen. Die Funktionsweise dieses Aufbaus ist analog zu der des eben beschriebenen Aufbaus mit Abstandshalter 44, allerdings kann die Amplitude geringer ausfallen und die erzeugten elektrischen Signale können unter Umständen entsprechend schwächer sein.
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Der Schwingungsaufnehmer wird auf einer Oberfläche des Bauteils 12 angebracht, dessen Schwingungen überwacht werden sollen, also am Motor, wenn dessen Klopfen detektiert werden soll. Diese Verbindung kann durch Verschrauben, Verkleben, Verklemmen oder einen anderen Prozess erfolgen. Optional kann der beschriebene Aufbau in eine schützende UmhüIIung verpackt werden. Die beiden Elektroden 28, 32 der Sensoranordnung 16 sind mit einer Auswerteeinheit, wie beispielsweise einem Motorsteuergerät, verbunden, so dass elektrische Signale, die der Aufbau im Betrieb generiert, an diese Auswerteeinheit weitergegeben werden und von dieser ausgewertet werden können.
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Die Vibrationen des Bauteils 12, auf dem der Schwingungsaufnehmer angebracht ist, beispielsweise des Motors, versetzen den die Sensoranordnung und insbesondere das triboelektrische Wandlerelement 18 in Schwingung. Dabei kommt es durch diese Schwingungen zum Kontakt zwischen den Oberflächen 36, 40, wodurch eine Ladungstrennung an den Oberflächen 36, 40 basierend auf dem triboelektrischen Effekt stattfindet. Im weiteren Verlauf der Schwingung findet dann eine Trennung der Oberflächen 36, 40 statt. Dadurch findet ein Stromfluss zwischen den Elektroden 28, 32 auf den Rückseiten der ersten Schicht 30 und der zweiten Schicht 34 statt, um Kompensationsladungen für die Ladungsträger auf den Oberflächen 36, 40 zur Verfügung zu stellen. Wird dieser Stromfluss behindert, so baut sich stattdessen eine Spannung auf. Strom- oder Spannungssignal können in einer elektronischen Einheit, beispielsweise einem Motorsteuergerät oder einer eigenen Auswerteeinheit für den beschriebenen Sensor, ausgewertet werden. Die Charakteristika der von dem triboelektrischen Wandlerelement 18 erzeugten elektrischen Signale sind bei normalem Motorbetrieb anders als beim Auftreten von Klopfereignissen. Also kann durch die Analyse der vom triboelektrischen Wandlerelement 18 generierten Signale festgestellt werden, ob Klopfen auftritt oder nicht.
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Die Masse 48 muss kein eigenes separates Element im Aufbau sein, sondern kann auch in den flexiblen Träger 50 integriert werden, beispielsweise indem dieser Träger 50 aus einem Material mit ausreichend hoher Dichte und Dicke aufgebaut wird, der Träger 50 also selbst als träge Masse fungiert. Wenn die Abstandshalter 44 im Aufbau ausreichend gut komprimierbar sind oder ein Aufbau gewählt wird, der keine Abstandshalter enthält, so kann der flexible Träger 50 auch starr ausgeführt werden, da in solchen Fallen auch ein Kontakt der durch den Luftspalt getrennten Oberflächen erfolgen kann, ohne dass sich der flexible Träger 50 verformen muss.
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Anstelle des Klopfens eines Motors können auch andere Vibrationen oder Schwingungen mit analogen Aufbauten detektiert werden, beispielsweise für Anwendungen zur Zustandsüberwachung von Industrieanlagen, Gebäuden, Brücken usw.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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