DE1113104B - Piezoelektrischer Druckgeber und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

• Piezoelektrischer Druckgeber und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischein Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, der aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspannhülse besteht, die die Piezoelemente umschließt, wobei zwischen den Piezoelementen und dem Mantel der Vorspannhülse ein ringfönnigerZwischenraum zur Isolierung vorgesehen ist.
• Bei den bekannten Druckgebern dieser Art werden die an den geschliffenen Außenflächen der Piezoelemente entstehenden elektrischen Ladungen durch auf diese aufgebrachte Metallelektroden abgenommen und von diesen einerseits über eine isolierte Leitung und andererseits über Masse nach außen geführt. Zur Isolierung der Piezoelemente und der nicht an Masse liegenden Elektrode ist zwischen diesen und dem sie umgebenden Mantel der Vorspannhülse ein ringförmiger Luftspalt vorgesehen. Es hat sich dabei gezeigt, daß sich die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit während der Verwendung des Druckgebers oder auch danach auf die Piezoelemente und die Elektroden niederschlägt. Dadurch wird sowohl der fJbergangswiderstand zwischen den Piezoelementen und den Elektroden vergrößert als auch die gute Isolation der 'geschliffenen Oberflächen der Piezoelemente aufgehoben. Außerdem bilden sich an den Seitenflächen der Piezoelemente Kriechwege, die eine Ausgleichung der an den geschliffenen Flächen der Piezoelemente auftretenden Ladungen verursachen. Dies hat Störungen zur Folge, die die Empfindlichkeit und die Meßgenauigkeit des Druckgebers beeinträchtigen.
• Zur Beseitigung dieses Nachteiles wurde bereits vorgeschlagen, eine zur Aufnahme von Feuchtigkeit geeignete Substanz in die Vorspannhülse einzubauen.
• Dies erfordert jedoch komplizierte konstruktive Maßnahmen, da die Vorspannung der Piezoelemente mittels der Vorspannhülse dadurch erschwert wird.
• Außerdem konnten die auf diese Weise erzielten Ergebnisse nicht immer befriedigen.
• Die Erfindung schlägt nun abweichend vor, den ringförmigen Zwischenraum mit einem elektrisch hochisolierenden Polymer zu füllen. Bei Versuchen wurde festgestellt, daß dadurch die Empfindlichkeit und die Meßgenauigkeit des Druckgebers in keiner Weise vermindert werden und diese Eigenschaften auch bei längerem Betrieb sowie bei längerer Lagerung des Dmckgebers unverändert bleiben. Die bei den bisherigen Ausführungen mit einem ringförmigen Luftspalt erforderlichen Vorkehrungen zur Lufttrocknung fallen hierbei weg. Außerdem wird noch der weitere Vorteil erzielt, daß das elektrisch hochisolierende Polymer im ringförmigen Zwischenraum schwingungsdämpfend wirkt, wodurch unerwünschte Eigen schwingungen des Druckgebers gedämpft oder ausgeschaItet werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der ringförmige Zwischenraum mit Polytetrafluoräthylen gefüllt sein. Dieses elektrisch hochisolierende Polymer, das unter der Markenbezeichnung »Teflon« im Handel ist, ist ein gallertartiger Stoff, der die bei der Erfindung erforderlichen plastischen und elastischen Eigenschaften in besonderem Maß besitzt. Bei Versuchen mit derartigen Druckgebern wurden insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Eigensohwingungen sehr gute Ergebnisse erzieIt.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der ringförmige Zwischenraum mit einem flüssigen Polymer, vorzugsweise mit Silikonöl, gefällt. Hierbei handelt es sich um eine Isolierflüssigkeit, die auf einfache Weise in den ringförrnlgen Zwischenraum eingebracht werden kann und beim Zusammenbau des Druckgebers, wobei sehr enge Toleranzen eingehalten werden müssen, außerdem noch als Schmiermittel wirkt.
• Bei einem Druckgeber mit einem mindestens im Bereich des druckbeaufschlagten Endes der Vorspannhülse zwischen dieser und dem Gehäuse vorgesehenen Ringraum, der mindestens teilweise imBereich des ringförmigen Zwischenraumes liegt und von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung bei Verwendung eines elektrisch hochisolierenden, flüssigen Polymers zur Kühlung, insbesondere Silikonöl, der Mantel der Vorspannhülse im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes durchbrochen sein. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen dem Kühlsystem und dem die Piezoelemente umgebenden ringförmigen Zwischenraum, wodurch sich außer der guten Isolierung noch eine verbesserte Kühlwirkung ergibt, da die Isolierflüssigkeit im ringförmigen Zwischenraum ständig ausgewechselt wird. Außerdem besteht dabei die Möglichkeit, durch die vorgesehenen Durchbrechungen die erforderliche Elastizität der Vorspannhülse bei größerer Wandstärke, die fertigungstechnische Vorteile bietet, zu erhalten.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hierbei im Mantel der Vorspannhülse axial verlaufende, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Schlitze vorgesehen. Diese Schlitze sind einfach herstellbar, ergeben ein günstiges El astizitätsverh alten der Vorspannhülse und beeinträchtigen nicht die Festigkeit des Mantels der Vorspannhülse.
• Zur Herstellung des piezoelektrischen Druckgebers nach der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der ringförmige Zwischenraum mit einem flüssigen Vorpolymerisat, vorzugsweise mit einem flüssigen Silikonpolymer, gefüllt und dieses nach Zusammenbau des Druckgebers in ein Elastomer übergeführt wird.
• Durch diese Maßnahmen werden die Vorteile, die ein flüssiges Polymer bei der Herstellung des Druckgebers bietet, und die vorteilhaften Eigenschaften, die sich bei Verwendung eines festen Polymers ergeben, an einem Druckgeber vereinigt. Die Oberführung des flüssigen Vorpolymerisates in ein Elastomer kann hierbei dadurch erfolgen, daß das Vorpolymerisat vor seiner Einbringung in den ringförmigen Zwischenraum mit mindestens einem Katalysator vermischt wird. Dabei braucht das flüssige Vorprodukt lediglich in den ringförmigen Zwischenraum eingefüllt werden, worauf es ohne weitere Maßnahmen im Laufe einiger Stunden zu einem gallertartigen Isolierstoff erstarrt. Schließlich kann die Überführung des flüssigen Vorpolymerisates in ein Elastomer aber auch durch einmaliges Erhitzen des flüssigen Vorpolymerisates nach Zusammenbau des Druckgebers auf eine Temperatur von mehr als 1000 C erfolgen.
• In diesem Fall erübrigt sich die Beimischung eines Katalysators.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
• Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den druckseitigen Teil eines Druckgebers und Fig. 2 dazu ein Detail in vergrößertem Maßstab.
• Im Inneren des Gehäuses 1 des dargestellten Druckgebers, das an seinem unteren Ende ein Anschlußgewinde 2 zum Einschrauben beispielsweise in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine aufweist, ist eine Vorspannhülse3 festgeklemmt, die die Piezoelemente, z. B. ztvei Quarzkristalle 4 und 5, umschließt und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 6 abgeschlossen ist. Die Quarzkristalle 4 und 5 sind übereinander angeordnet und gegeneinandergeschaltet, wobei zwischen ihnen eine Elektrode 7 zur Ableitung z.B. der positiven Ladungen vorgesehen ist, während die negativen Ladungen über Masse abfließen können. Zu diesem Zweck ist auf der einen Seite der Quarzkristalle eine Elektrode 8 und auf der anderen Seite ein Stahlzylinder 9 vorgesehen, welcher mit dem Quarzkristall 4 in Verbindung steht und zugleich auch zur Vorspannung der Quarze dient. Die am Quarzkristall 5 anliegende Elektrode 8 steht über eine Schicht 10 aus weichem Metall, z. B. aus Aluminium, mit dem Stempel 6 und somit ebenfalls mit der Vorspannhülse3 und dem Gehäuse 1 in leitender Verbindung. Die Metallschicht 10 hat den Zweck, zwischen der Elektrode 8 und dem Stempel 6 einen elektrischen Kontakt mit möglichst geringem Übergangswiderstand herzustellen. Im Inneren des Stahlzylinders 9 ist ein Isolierrohrll angeordnet, welches die von der Elektrode 7 nach außen ftlhrende elektrische Leitung 12 umschließt.
• Um den die Quarzkristalle 4 und 5 umschließenden Teil der Vorspannhülse 3 herum ist zwischen dieser und dem Gehäuse 1 ein Ringraum 13 ausgespart, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 6 dichtend angeordnete Membran 4 abgeschlossen ist. Diese wird durch Ringe 15 und 16 festgehalten. Im oberen Teil des Ringraumes 13 befindet sich eine ZuRuß- und eine Abflußöffnung, von denen in der Zeichnung nur eine zu sehen und mit 17 bezeichnet ist und durch welche über im Gehäuse 1 liegende Kanäle 18 dem Ringraum 13 Kühlflüssigkeit zu- bzw. abgeführt wird.
• Zwischen den Quarzkristallen 4 und 5 und den Elektroden7 und 8 einerseits sowie dem diese umschließenden Mantel der Vorspaunhülse 3 andererseits ist ein ringförmiger Zwischenraum 19 zur Isolierung vorgesehen, der mit einem elektrisch hochisolierenden Polymer gefüllt ist. Außerdem ist der Mantel der Vorspannhülse 3 im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes 19 beispielsweise durch Schlitze 20 durchbrochen. Dadurch wird eine Verbindung zwischen dem ringförmigen Zwischenraum 19 und dem zur Kühlung dienenden Ringraum 13 hergestellt, wobei zur Kühlung ein flüssiges Polymer, z. B. Silikonöl, verwendet wird, das gleichzeitig zur Isolierung dient.
• In Fig. 2 ist eine beispielsweise Ausbildung der im Mantel der Vorspannhülse3 angeordneten Schlitze 20 gezeigt. Die Schlitze 20 verlaufen dabei in axialer Richtung und sind in Umfangsrichtung derVorspannhülse 3 gegeneinander versetzt angeordnet. Bei der Anordnung der Schlitze muß insbesondere darauf geachtet werden, daß diese die Festigkeit und die Elastizität der Vorspannhülse nicht beeinträchtigen.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Piezoelektrischer Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspaminülse, die die Piezoelemente umschließt, wobei zwischen den Piezoelementen und dem Mantel der Vorspannhülse ein ringförmiger Zwischenraum zur Isolierung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Zwischenraum (19) mit einem elektrisch hochisolierenden Polymer gefüllt ist.
2. 2. Piezoelektrischer Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Zwischenraum (19) mit Polytetrafluoräthylen gefüllt ist.
3. 3. Piezoelektrischer Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Zwischenraum (19) mit einem flüssigen Polymer, vorzugsweise mit Silikonöl, gefüllt ist.
4. 4. Piezoelektrischer Druckgeber nach Anspruch 3 mit einem mindestens im Bereich des druckbeauftragten Endes der Vorspannhülse zwischein dieser und dem Gehäuse vorgesehenen Ringraum, der mindestens teilweise im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes liegt und von einer Kühlílüssigkeit durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines elektrisch hochisolierenden, flüssigen Polymers zur Kühlung, insbesondere Silikonöl, der Mantel der Vorspannhülse(3) im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes (19) durchbrochen ist.
5. 5. Piezoelektrischer Druckgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel der Vorspannhülse (3) axial verlaufende, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Schlitze (20) vorgesehen sind.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektischen Druckgebers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Zwischenraum mit einem flüssigen Vorpolymerisat, vorzugsweise mit einem flüssigen Silikonpolymer, gefüllt und dieses nach Zusammenbau des Druckgebers in ein Elastomer übergeführt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorpolymerisat vor seiner Einbringung in den ringförmigen Zwischenraum mit mindestens einem Katalysator vermischt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführung des flüssigenVorpolymerisates in ein Elastomer durch einmaliges Erhitzen des flüssigen Vorpolymerisates nach Zusammenbau des Druckgebers auf eine Temperatur von mehr als 1000 C erfolgt.