DE3026394A1 - Schwingungssensor - Google Patents

Schwingungssensor

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DE3026394A1 DE19803026394 DE3026394A DE3026394A1 DE 3026394 A1 DE3026394 A1 DE 3026394A1 DE 19803026394 DE19803026394 DE 19803026394 DE 3026394 A DE3026394 A DE 3026394A DE 3026394 A1 DE3026394 A1 DE 3026394A1
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Toshifumi Nishimura
Kunihiko Sugihara
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • G—PHYSICS
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Description

TER MEER - MÜLLER · STEINMEISTER Missan 0078/ 1 37(^>p| J fi 3 Q ^
- 3 BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. 5
Der erfindungsgemäße Schwingungssensor ist vorgesehen zur Erfassung mechanischer Schwingungen, die beispielsweise durch eine Brennkraftmaschine erzeugt werden, wie etwa ein Klopfen oder Klingeln.
Wenn ein starkes Klopfen einer Brennkraftmaschine über einen längeren Betriebszeitraum andauert, ergibt sich ein ungünstiger Einfluß auf die Haltbarkeit und andere Eigenschaften der Maschine. Andrerseits ist bekannt, daß sich die besten Betriebsbedingungen einer Brennkaftmaschine in Bezug auf Drehmoment und Brennstoffverbrauch erzielen lassen, wenn die Maschine bei relativ niedriger Drehzahl mit schwachem Klopfen oder Klingeln läuft.
Es sind verschiedene Systeme zur Abtastung eines Maschinenklopfens und zur Regulierung des Zündzeitpunkts entsprechend dem Klopfzustand entwickelt worden, durch die es möglich war, einen schwachen Klopfzustand zu jeder Zeit zur Verbesserung des Drehmoments und Verringerung des Brennstoffbedarfs aufrechtzuerhalten. Diese Systeme bauen auf der engen Beziehung zwischen dem Klopfverhalten der Maschine und dem Zündzeitpunkt auf.
Die US-PSen 4 002 155 und 4 012 942 beschreiben eine Zünd-Zeitpunktsteuerung dieser Art.
Bei dem oben erwähnten System ist ein Schwingungssensor zur Abtastung des KlopfVerhaltens der Brennkraftmaschine, das heißt zur Abtastung der Maschinenschwingungen, die sich mit dem Klopfen ergeben, unerläßlich.
Üblicherweise wurde ein rundes, piezo-elektrisches Schwin"
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gungselement als Schwingungssensor verwendet.
Wie weiter unten genauer ausgeführt wird, ist bei einem piezo-elektrischen Schwingungselement mit runder Form, das an seinem Umfang an dem Gehäuse befestigt ist, die Schwingung abhängig von thermischen Verformungen, sofern scharfe Temperaturänderungen eintreten, so daß sich eine Änderung der Resonanz-Frequenz ergibt.
Es besteht daher Bedarf nach einem Schwingungssensor für Kraftfahrzeuge, der ausreichend stabil gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen ist und bei dem sich auch unter diesen Umständen die Resonanz-Frequenz des Vibrators nicht ändert.-
Die Erfindung ist darauf gerichtet, einen Schwingungssensor für Kraftfahrzeuge zu schaffen, der im genannten Sinne unabhängig gegenüber Temperaturänderungen ist.
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der erfindungsgemäße Schwingungssensor zur Vermeidung thermischer Verformungen auskragend bzw. einseitig eingespannt angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Schwingungssensor umfaßt ein Gehäuse mit einem hohlen Innenraum, ein piezo-elektrisches Element, das in dem Innenraum auskragend angeordnet oder einseitig befestigt ist, und zwei Leitungsdrähte. Ein Ende des Vibrators ist an dem Gehäuse befestigt, das andere Ende ragt frei in den hohlen Innenraum hinein. Die beiden Leitungsdrähte sind mit dem Vibrator befestigt und übertragen ein piezo-elektrisches Signal. Die Leitungsdrähte sind mit dem Vibrator mit Hilfe eines Klebematerials oder
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in einem einstufigen Kunststoff-Formverfahren verbunden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen bekannten Schwingungssensor;
Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt durch
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingungssensor;
Fig. 3 zeigt den Schwingungssensor der Figur 2 von unten;
Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Schwingungssensors;
20
Fig. 5 ist ein senkrechter Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6A, 6B, sind senkrechte Längsschnitte zur Ver-6C, anschaulichung piezo-elektrischer
Schwingungselemente verschiedener Art.
Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung soll kurz auf den Stand der Technik Bezug genommen werden. In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 eine dünne, runde Schwingunsmembran aus einem piezo-elektrischen Element bezeichnet, deren beide Oberflächen beispielsweise mit Silber zur Bildung von Elektrodenflächen beschichtet sind.
Die Schwingungsmembran 1 liegt innerhalb eines Gehäuses 2 mit einer Aussparung 3 und ist durch eine Elektrode 5
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eingespannt, die einen Flansch 6 aufweist, der mit einer weiteren Aussparung 4 versehen ist. Die Schwingungsmembran 1 wird über das Gehäuse 2 zu Schwingungen angeregt.
5
Eine der Elektrodenflächen der Schwingungsmeinbran 1 ist mit dem leitenden Gehäuse 2 verbunden. Die andere Elektrodenfläche steht mit der leitenden Elektrode 5 in Verbindung.
Zur Befestigung der Schwingungsmeinbran 1 mit einer konstanten Klemmkraft ist eine Tellerfeder 9 zwischen einer Federscheibe 8 und einem Haltering 10 angeordnet. Mit 7 ist ein Isolator bezeichnet. Der Haltering 10 wird festgelegt durch einen nach innen gebogenen Flansch 11 des Gehäuses 2.
Da die Schwingunsmembran 1 durch eine elastische Kraft der Tellerfeder 9 mit nahezu konstantem Druck eingespannt ist, kann verhindert werden, daß sich die Resonanz-Frequenz der Schwingungsmeiribran 1 auf Grund des Befestigungsdruckes ändert. Im Übrigen ist der Durchmesser der Aussparung 3 des Gehäuses 2 gleich dem Durchmesser der Elektrode 5 gewählt, so daß die Schwingungsmembran 1 auf beiden Seiten mit gleichem Durchmesser abgestützt wird. In diesem Falle wird der freie Abstützdurchmesser derart gewählt, daß die Resonanz-Frequenz der Schwingungsmembran 1 bei üblichen Klopffrequenzen der Maschine zwischen 5 und 9 KHz liegt.
Ein Schwingungssensor dieser Art wird an der Maschine mit Hilfe eines Schraubgewindes befestigt, das unmittelbar an das Gehäuse 2 angeformtist. Im übrigen ist der Bodenbereich 13 des Gehäuses 2 sechseckig ausgebildet, so daß er leicht mit herkömmlichen mechanischen Werkzeugen erfaßt werden kann.
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Wenn die Schwingungsmembran 1 beginnt, aufwärts und abwärts entsprechend der Schwingungen der Maschine zu schwingen, und zwar in Bezug auf den Ansatzpunkt an ihrem Anfang, wird eine Potential-Differenz zwischen den beiden Elektrodenflächen des piezoelektrischen Elements entsprechend der Verformungsrate erzeugt. Da eine der Elektrodenflächen über das Gehäuse 2 auf Masse geschaltet ist, besteht die Möglichkeit, eine mechanische Schwingung der Schwin gungsmembran 1 ,das heißt des piezo-elektrischen Elements, in ein Spannungssignal zwischen der Elektrodenfläche 5 und Masse umzuwandeln. Da die Schwingungsmembran 1 derart gestaltet ist, daß sie inn erhalb des Klopf frequenzbereichs der Maschine nschwingung in Pvesonanz-Schwingung gerät, ist es möglich, die Schwingung auf Grund des Klopfens wirksam und genau abzutasten.
Ein Schwingungssensor dieser Art hat jedoch eine Reihe von Nachteilen.
Da der Schwingungskörper oder Vibrator an seinem Umfang fest eingespannt ist, entstehen bei scharfen Temperaturänderungen des Vibrators innere Zug- oder Druckspannungen, die zu einer Verformung des Vibrators führen. Dies bedeutet, daß der Vibrator Änderungen der Resonanz-Frequenz ausgesetzt ist.
Zur Erläuterung der Erfindung soll nunmehr auf die Zeichnung und zunächst insbesondere auf Fig. 2 Bezug genommen werden. In Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 ist ein Gehäuse 20 mit einem hohlen Innenraum 21 dargestellt, in dem sich ein Schwingungskörper oder Vibrator 22 befindet. An das Gehäuse ist ein Gewindeabschnitt 31 unmittelbar angeformt.
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— 8 ~
Der Vibrator 22 umfaßt zwei rechtwinklige, dünne, piezoelektrische Elemente 23 und 24, die miteinander durch einen leitenden Kleber verbunden sind. Auf beiden Seiten des piezo-elektrischen Elements befindet sich eine Elektrodenfläche. Ein Vibrator 22 aus piezoelektrischen Elementen dieser Art, der üblicherweise auch als bimorphe Zelle bezeichnet wird, ist derart aufgebaut, daß die Elektrodenflächen der selben Polarität einander zugewandt sind, so daß die Piezo-Elekzitrität jedes Elements verdoppelt wird, wenn die beiden Elemente in dieselbe Richtung gebogen werden.
Ein Ende des Vibrators 22 wird zunächst durch eine längliche Öffnung oder einen Schlitz 26 hindurch in einen zweiten Hohlraum 25 eingeführt. Leitungsdrähte 28 und 29 sind mit den Elektrodenflächen der piezoelektrischen Elemente 23 und 24 beispielsweise durch Löten verbunden. Die Leitungsdrähte 28 und 29 erstrecken sich von dem zweiten Hohlraum 25 aus in der gezeigten Weise. Der Vibrator 22 wird sodann innerhalb des zweiten Hohlraums 25 mit Hilfe eines Befestigungsmaterials 27 festgelegt, so da2 die effektive Länge des Vibrators bestimmt wird durch den Abstand der Endfläche des Schlitzes 26 bis zum freien Ende des Vibrators.
Damit der Hohlraum 21 innerhalb des Gehäuses 20 luftdicht abgeschlossen ist, wird eine Schutzkappe 30 von außen in das Gehäuse 20 eingesetzt.
Mit 32 ist in Fig. 3 ein sechseckiger Bereich des Gehäuses bezeichnet, der verwendet wird zum Befestigen des Schwingungssensors an einem Maschinengehäuse.
Wenn bei einem derartigen Schwingungssensor der Vibrator 22 zu Schwingungen erregt wird, bildet das·
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abgestützte Ende den Schwingungsmittelpunkt bei einer Übertragung von Schwingungen von dem Maschinengehäuse auf das Gehäuse 20. Wenn der Vibrator verformt wird, erzeugen die piezo-elektrischen Elemente 23 und 24 ein elektrisches Signal, das über die Leitungsdrähte 28 und 29 übertragen wird.
Zur Abtastung von Klopfschwingungen der Maschine ist es notwendig, die Resonanz-Frequenz des Vibrators der Klopffrequenz anzupassen. Daher wird der Vibrator 20 zunächst auf eine relativ niedrige Resonanz-Frequenz ausgelegt und anschließend auf die gewünschte Frequenz durch Abschneiden des freien Endes eingestellt, bis sich die gewünschte Resonanz-Frequenz ergibt.
Bei der gewählten Aufhängung des Vibrators 22 in in auskragender Anordnung wird dieser auch bei einer thermischen Ausdehnung oder Zusammenziehung nicht thermischen Spannungen ausgesetzt. Die Charakteristika des Vibrators sind daher gegenüber einem Temperaturanstieg des Maschinengehäuses unempfindlich.
Die Positionen, in denen die Leitungsdrähte 28 und mit den Elektrodenflächen des Vibrators verlötet sind, sind vollständig mit Verbindungs- oder Klebematerial abgedeckt, so daß verhindert wird, daß die Leitungsdrähte von den Oberflächen getrennt werden, wenn der Vibrator stark schwingt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist das Gehäuse als eine Einheit aus Kunststoffmaterial hergestellt, und ein Ende des piezo-elektrischen Vibrators 22 und der beiden Leitungsdrähte 28 und 29 sind jeweils in einem einstufigen Vorgang in das Gehäuse ohne die Verwendung von Verbindungsmaterial unmittelbar ein-
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gebettet oder eingeformt worden.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausfuhrungsform der Erfindung. Ein Gehäuse 20 weist einen zusätzlichen Kanal auf, der von dem zweiten Hohlraum 25 ausgeht und die Leitungsdrähte aufnimmt. Ein Vibrator 22 ist in dem Hohlraum 21 durch Einführung eines Verbindungs- oder Klebematerials in den zweiten Hohlraum 25 festgelegt. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, die effective Länge des Vibrators durch Einstellung der Menge des Verbindungsmaterials zu regeln.
In der vorstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß nur der Vibrator 22 der bimorphen Zelle mit zwei piezo-elektrischen Elementen, die miteinander verbunden sind, verwendet wird. Es ist jedoch auch möglich, andere Arten von Vibratoren einzusetzten, wie sie beispielsweise in Fig. 6A-6C gezeigt sind.
Gemäß Fig. 6A ist eine Metallplatte 41 mit Hilfe : eines leitenden Klebemäterials mit einer Seite eines mit zwei Elektroden versehenen piezo-elektrischen Elements 40 verbunden. In Fig. 6B ist die Metallplatte mit Hilfe eines leitenden Verbindungsmaterials zwischen zwei piezo-elektrischen Elementen 40 angeordnet. Fig. 6C zeigt, daß die Metallplatte 41 auf einer Seite von zwei piezo-elektrischen Elementen angeordnet ist,die miteinander verbunden sind. In diesen Fällen wird die Metallplatte 41 zur Verstärkung des Schwingungselements verwendet.
Da der erfindungsgemäße Vibrator auskragend oder einseitig eingespannt angeordnet ist, ist er keinen
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Verformungen auf Grund thermischer Spannungen ausgesetzt, so daß er Klopfschwingungen des Maschinengehäuses auch bei häufigen und scharfen Temperaturänderungen zuverlässig abtastet. 5
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ZUSAMMENFASSUNG
Ein Schwingungssensor für Kraftfahrzeuge umfasst einen Schwingungskorper oder Vibrator (22) der einseitig eingespannt oder auskragend innerhalb eines Gehäuses ßO) festgelegt ist. Bei dem Schwingungssensor dieser Art kann verhindert werden, daß der Vibrator durch thermische Spannungen auf Grund plötzlicher Temperaturänderungen verformt wird. Es ergibt sich daher stets eine stabile Resonanz-Frequenz des Vibrators und damit eine genaue Abtastung der Schwingungen eines Maschinengehäuses oder dergleichen.
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Claims (6)

  1. PATENTANWÄLTE »3 U 2 Q O 9 A
    TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER
    Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives betöre the European Patent Ollice Mandataires agrees pres !'Office europeen des brevets
    Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl -Ing H. Steinmeister
    Dipl.-lng, F. E. Muller Siekerwall 7. Tnftstrasse 4,
    D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1
    0078/137 (3)
    st/Ad 11. Juli 1980
    NISSAN MOTOR CO., LTD.
    No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,
    Yokohama-shi, Kanagawa-ken
    Japan
    SCHWINGUNGSSENSOR
    PRIORITÄT: 13. Juli 1979, Japan, No. 54-96577 (Gbm)
    PATENTANSPRÜCHE
    1J Schwingungssensor für Kraftfahrzeuge, mit einem einen Hohlraum aufweisenden Gehäuse und einem piezo-elektrischen Schwingungselement innerhalb des Gehäuses sowie Verbindungen zur Übertragung eines piezo-elektrischen Signals entsprechend den Schwingungen des piezo-elektrischen Elements, dadurch gekennzeichnet, daß das piezo-elektrische Schwingungselement (22)
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    mit einem Ende an dem Gehäuse (20) befestigt ist und mit dem anderen Ende frei in den Hohlraum (21) in auskragender Anordnung hineinragt.
  2. 2. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das festgelegte Ende des Schwingungselements (22) von dem Hohlraum (21) aus durch einen engen Schlitz (26) in einen zweiten Hohlraum (25) verläuft und dort durch ein Befestigungs- oder Klebematerial zusammen mit Verbindungsleitungen (28, 29) zur Übertragung des piezo-elektrischen Signals festgelegt ist.
  3. 3. Schwingungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungselement (22) und die Verbindungsleitungen (28, 29), zur übertragung des Signals in einem einstufigen Kunststoff-Formvorgang in das Gehäuse eingeformt sind.
  4. 4. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß das festgelegte Ende des Schwingungselements (22) durch eine das Schwingungselement mit Abstand aufnehmende öffnung hindurch in einen zweiten Hohlraum (25) des Gehäuses (20) verläuft und dort zusammen mit Verbindungsleitungen (28, 29) mit Hilfe eines Verbindungs- oder Klebematerials festgelegt ist, das zur Einstellung der freien Länge des Schwingungselements durch die öffnung hindurch in den ersten Hohlraum (25) eindrückbar ist.
  5. 5. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Schutzkappe (30)an dem Gehäuse (20) zum Einschließen des Schwingungselements (22)
  6. 6. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch einen Gewindeabschnitt (31) an dem Gehäuse (20) zur Befestigung des
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DE19803026394 1979-07-13 1980-07-11 Schwingungssensor Withdrawn DE3026394A1 (de)

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