DE3036676C2

DE3036676C2 - Piezoelektrischer Schwingungssensor

Info

Publication number: DE3036676C2
Application number: DE3036676A
Authority: DE
Inventors: Toshifumi Yokosuka Kanagawa Nishimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-09-29
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1982-10-28
Also published as: DE3036676A1; FR2466758B1; CA1169144A; FR2466758A1; GB2061062B; US4374472A; GB2061062A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Das DE-GM 18 27 602 zeigt beispielsweise einen derartigen elektromechanischen Schwingungssensor, der ein im Inneren eines Gehäuses angebrachtes piezoelektrisches Element verwendet

In der letzten Zeit werden Schwingungssensoren bei Kraftfahrzeugen verwandt, um die Amplitude der Schwingung der Maschine aufzunehmen und zu bestimmen. Die Schwingung der Maschine ist einer der wichtigen Parameter für eine Steuerung des Zündzeitpunktes für die Brennkraftmaschine.
Im allgemeinen wird das Klopfen der Maschine zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Maschine führen und kann die Maschine insbesondere dann dauerhaft beschädigt werden, wenn ein erhebliches Klopfen längere Zeit andauert Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauches und der Optimierung

so der Maschinenausgangsleistung ist es jedoch wünschenswert, daß die Maschine im Zustand eines leichten Klopfens läuft Es ist allgemein bekannt, daß der Zündvorstellwinkel geändert wird, um ein Klopfen einer Brennkraftmaschine hervorzurufen. Im allgemeinen nimmt das Klopfen der Maschine entsprechend dem Zündvorstellwinkel zu. Eine Steuerung des Klopfens kann daher über eine Steuerung des Zündvorstellwinkels erfolgen. Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen entwickelt und vorgeschlagen worden, die die Brennkraftmaschine im Zustand eines leichten Klopfens über eine automatische rückgekoppelte Selbstregelung des Zündvorstellwinkels halten sollen.

Es ist weiterhin bekannt, daß beim Klopfen der Maschine andererseits die Schwingung der Maschine

stark in Abhängigkeit von der Änderung des Innendrukkes in der Verbrennungskammer zunimmt. Dabei liegt die Frequenz der Schwingung der Maschine, die dem Klopfen entspricht, im allgemeinen im Bereich von 6 bis

' 9 kHz. Unter Ausnutzung dieser Maschineneigenschaft sind bereits verschiedene Vorrichtungen zum Wahrnehmen des Klopfens der Maschine über eine Bestimmung der Schwingung der Maschine vorgeschlagen worden. Zur Wahrnehmung der Schwingung der Maschine wird ein Schwingungssensor vorgesehen, der in dem oben beschriebenen speziellen Bereich der Maschinenschwingung arbeitet Das aufgenommene Schwingungsfrequenzsignal wird in einen analogen Wert umgewandelt, der geglättet und mit der Schwingung des Schwingelements mit dem bestimmten Frequenzbereich verglichen wird, um ein Signa! zu erzeugen. Das Signal wird über jede Umdrehung der Kurbelwelle integriert. Wenn der integrierte Wert einen bestimmten Wert überschreitet, wird das als ein Klopfen der Maschine is angesehen und erzeugt die Vorrichtung ein Klopfausgangssignal. Entsprechend diesem Klopfsignal wird der Zündvorstellwinkel automatisch selbstgeregelt

Es ist bekannt Schwingungssensoren zum Wahrnehmen des Klopfens einer Brennkraftmaschine einzuset- zen. Ein derartiger Schwingungssensor hat im typischen Fall einen Aufbau aus einem Sensorkörper, der einen Innenraum mit einem Abdeckelement umschließt und aus einem Vibrator, der im Innenraum des Sensorkörpers angeordnet ist Der Vibrator umfaßt im allgemei- nen eine Metallplatte und ein piezoelektrisches Schwingelement, das entsprechend der anliegenden Schwingung elektrische Energie erzeugt. In üblicher Weise ist der Vibrator auf ein Vibratorgrundelement geklebt oder mit einem Vibratorgrundelement verbunden, das entweder aus dem Sensorkörper oder dem Abdeckelement besteht Um den Vibrator am Vibratorgrundelement zu befestigen, kann ein elektrisch leitendes Klebemittel verwandt werden. Der Vibrator ist mit einer Steuerung, beispielsweise der Steuerung für den Zündzeitpunkt über eine in den Innenraum des Vibratorkörpers eingeführte Zuleitung verbunden. Das Ende der Zuleitung ist am Vibrator durch Schweißen oder ein ähnliches Verfahren befestigt.

Der in der dieser Weise aufgebaute Sensor ist am Zylinderblock der Maschine mittels einer Ankerschraube befestigt die in einem Stück mit dem Sensorkörper ausgebildet ist Die im Vibrator erzeugte elektrische Energie wird über die Zuleitung auf die Steuerung übertragen.

Da das elektrisch leitende Klebemittel eine relativ niedrige Wärmebeständigkeit hat kann es unter extremen Wärmebedingungen brechen, so daß der Vibrator sich vom Vibratorgrundelement löst Darüberhinaus wird eine relativ hohe Temperatur die Resonanz- frequenz des Vibrators beeinflussen und die Dauerhaftigkeit des Vibrators herabsetzen.

Das Ende der Zuleitung wird weiterhin mit einer relativ hohen Wärmeentwicklung an das piezoelektrische Element geschweißt oder gelötet Das kann dazu führen, daß das piezoelektrische Element beschädigt wird, so daß es schwierig ist die Zuleitung am piezoelektrischen Element anzubringen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungssensor anzugeben, der dauerhaft im Inneren des Sensorgehäuses angebracht ist ohne daß durch die Anbringung die Schwingungseigenschaft beeinträchtigt wird

'Der erfindungsgemäße Schwingungssensor besitzt die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Vorzugsweise umfaßt der Vibrator ein piezoelektrisches Element etwa in Form einer dünnen Platte mit Elektroden auf beiden planaren Oberflächen und eine Metallplatte, die annähernd denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten vie das piezoelektrische Element hat.

Ein in der oben beschriebenen Weise aufgebauter Schwingungssensor ist zum Bestimmen der Schwingungsfrequenz einer Brennkraftmaschine anwendbar. Um das Sensorausgangssignal als Steuerparameter in einer elektrischen oder elektronischen Maschinensteuerung, beispielsweise in einer Steuerung für den Zündzeitpunkt zu verwenden, weist der Vibrator eine Resonanzfrequenz auf, die im wesentlichen der Schwingungsfrequenz der Maschine beim Klopfen entspricht Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einem Schwingungssensor mit einem piezoelektrischen Schwingelement zum Aufnehmen der Amplitude der Schwingung einer Maschine und zum Erzeugen elektrischer Energie, die der Schwingung entspricht. Der Schwingungssensor wird beispielsweise dazu verwandt das Klopfen einer Brennkraftmaschine wahrzunehmen. Das piezoelektrische Element ist an einem inneren Gewindeauge eines Sensorgehäuses über ein mit einem Gewinde versehenes Befestigungselement befestigt Das Befestigungselement hält das piezoelektrische Element fest am Gewindeauge des Sensorgehäuses, so daß die dazwischen bestehende Verbindung nicht durch die Schwingung beeinträchtigt wird, die sonst den elektrischen Kontakt verschlechtern würde.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Schwingungssensors.

F i g. 2 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht des in F i g. 1 dargestellten Schwingungssensors.

Fig.3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Vibrators für den in F i g. 1 dargestellten Schwingungssensor.

Fig.4 zeigt eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Schwingungssensors.

Fig.5 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer ersten Abwandlungsform des in Fig.4 dargestellten Vibrators.

Fig.6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer zweiten Abwandlungsform des in Fig.4 dargestellten Vibrators.

F i g. 7 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer dritten Abwandlungsform des in Fig.4 dargestellten Vibrators.

Fig.8 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer vierten Abwandlungsform des in Fig.4 dargestellten Vibrators,

Fig.9 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Schwingungssensors.

Fig. 10 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Vibrators gemäß F i g. 9.

F i g. 11 zeigt eine Schnittansicht des Schwingungssensors gemäß F i g. 9 längs der Linie 11-11.

Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Schwingungssensors.

Fi g. 13 zeigt in einer auseinandergezogenen Ansicht einen abgewandelten Aufbau des Vibrators und der Anordnung zum Anbringen des abgewandelten Vibrators an einem Vibratorgrundelement

Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels des Schwingungssensors gemäß Fig.9. Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 14

dargestellten Schwingungssensors längs der Linie 15-15.

Fig. 16 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer Vibrator- und Halteanordnung für den in Fig. 14 dargestellten Schwingungssensor.

Fig. 17 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer weiteren Abwandlungsform der Anordnung zum Anbringen des Vibrators am Vibratorgrundelement

Fig. 18 bis 22 zeigen vergrößerte Schnittansichten von Isolierelementen, die bei den abgewandelten Anordnungen zum Anbringen des Vibrators am Vibratorgrundelement in F i g. 17 verwandt werden.

F i g. 23 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer weiteren Abwandlungsform der Anordnung zum Anbringen des Vibrators.

F i g. 24 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Schwingungssensors.

F i g. 25 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Vibrators für den in F.y* 24 dargestellten Schwingungssensor.

F i g. 26 zeigt eine Schnittansicht des Schwingungssensors gemäß F i g. 24 längs der Linie 26-26.

F i g. 27 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine Vibrator- und Hakeanordnung für den in Fig.24 dargestellten Schwingungssensor.

F i g. 28 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Vibrator- und Halteanordnung von Fig.27 längs der Linie 28-28.

F i g. 29 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Haltelementes für die in Fig.27 dargestellte Vibrator- und Halteanordnung.

F i g. 30 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine Abwandlungsform der Vibrator- und Halteanordnung.

Fig.31 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Vibrator- und Halteanordnung von F i g. 30 längs der Linie3l-31.

F i g. 32 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine weitere Abwandlungsform der Vibrator- und Halteanordnung.

Fig.33 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Vibrator- und Halteanordnung gemäß F i g. 32 längs der Linie 33-33.

F i g. 34 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Vibrators mit herkömmlichem Aufbau.

F i g. 35 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Vibrators.

F i g. 36 zeigt eine Schnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Schwingungssensors.

F i g. 37 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Vibrators für den in F i g. 36 dargestellten Schwingungssensor.

F i g. 38 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Anordnung zum Anbringen des Vibrators am Vibratorgrundelement für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig.39 zeigt eine Schnittansicht des Schwingungssensors in F i g. 36 längs der Linie 39-39.

Fig.40 zeigt in einer grafischen Darstellung die Beziehung zwischen der Stärke des Sensorabdeckelementes und dessen Resonanzfrequenz.

Fig.41 zeigt in einer grafischen Darstellung die Beziehung zwischen der Amplitude der am Vibrator liegenden Schwingung und dem Ausgangssignal des Sensors.

In Fig.36 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungssensors 500 dargestellt Der Schwingungssensor 500 weist einen Körper 502 mit einem zylindrischen Teil 508 und einem geschlossenen Endteil 509 auf. Ein mit einem Gewinde versehener Schaft 506 ist mit dem geschlossenen Endteil 509 ausgebildet und dient als Einrichtung zum Anbringen des Schwingungssensors 500 an einer Maschine eines Fahrzeuges oder an einer anderen s Schwingungsquelle.

Der zylindrische Teil 508 ist mit einem Halterandansatz 510 neben dem offenen Ende und dem geschlossenen Endteil 509 gegenüber ausgebildet, um darin eine Scheibe 504 zu halten. Die Scheibe 504 weist ein ίο Grundelement 512 in ihrer Mitte zum Anbringen des flachen Teils 514 eines Vibrators auf. Der flache Teil 514 des Vibrators umfaßt ein elektrisch leitendes dünnes Vibratormetallelement 532 mit einem daran geklebten piezoelektrischen Schwingelement 531. Das piezoelektrische Schwingelement 531 besteht aus einer ersten Elektrode 526, einer zweiten Elektrode 530 und einem piezoelektrischen Körper 528, der in Sandwichbauweise dazwischen angeordnet ist. Der flache Teil 514 des Vibrators ist an der Grundscheibe 512 dadurch eingebracht, daß er mit einem elektrisch leitenden Klebemittel daran geklebt ist, um eine angemessene elektrische Verbindung dazwischen sicherzustellen. Der flache Teil 514 des Vibrators ist in seiner Lage durch ein mit einem Gewinde versehenes Befestigungselement 513 aus einem Bolzen 517 mit einem mit einem Gewinde versehenen Schaft 515 gehalten, auf den eine Mutter 516 geschraubt ist

Da der Körper 502 als elektrischer Kontakt des Schwingungssensors 500 dient, muß der flache Teil 514 des Vibrators an allen Kontaktbereichen außer an der Klebefläche zwischen dem Grundelement 512 und dem elektrisch leitenden dünnen Metallelement 532 dagegen isoliert sein. Es ist daher eine Isoliereinrichtung 522 um den mit einem Gewinde versehenen Schaft 515 herum vorgesehen, um den flachen Teil 514 des Vibrators dagegen zu isolieren. Der flache Teil 514 des Vibrators muß jedoch elektrisch mit der dem elektrisch leitenden dünnen Metallelement 532 gegenüberliegenden Seite verbunden sein, um richtig arbeiten zu können, eine Unterlegscheibe 518 ist daher daran vorgesehen und wird an ihrer Stelle durch die Mutter 516 so gehalten, daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Körper 528 über die Unterlegscheibe 518, die Mutter 516 und den mit einem Gewinde versehenen Schaft 515 und einem daran angeschlossenen Leitungsdraht 520 besteht Da der Bolzen 517 gleichfalls gegenüber dem Körper 502 isoliert sein muß, ist eine isolierende Unterlegscheibe 524 zwischen dem Bolzen 517 und der Grundscheibe 512 vorgesehen, um eine so elektrische Verbindung dazwischen zu verhindern.

In den F i g. 1 bis 3 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungssensors dargestellt Ein Sensorkörper 10 weist eine Ankerschraube 12 auf, die vom mittleren Teil seiner planaren Fläche ausgeht, um den Sensorkörper 10 an einem nicht dargestellten Zylinderblock einer Brennkraftmaschine ' zu befestigen und dadurch die Maschinenschwingungen über die Ankerschraube auf den Schwingungssensor zu übertragen. Der Sensorkörper 10 und die Ankerschraube 12 sind in einem Stück aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet

Ein Vibratorgrundelement 14 mit etwa zylindrischer oder konischer Form bildet den mittleren Teil an der gegenüberliegenden Seitenfläche des Sensorkörpers 10. es Eine abgestufte Bohrung 16 mit zwei Teilen 18 und 20 mit verschiedenen Durchmessern ist koaxial im Vibratorgrundelement 14 ausgebildet und erstreckt sich durch den Sensorkörper 10. Ein Vibrator 22 ist am

Vibratorgrundelement 14 angebracht, wobei der Vibrator 22 eine elektrisch leitende dünne Metallscheibe 24 und ein scheibenförmiges piezoelektrisches Schwingelement 26 umfaßt. Wie es im einzelnen in Fig.3 dargestellt, sind beide planaren Außenflächen des piezoelektrischen Schwingelementes 26 mit einem elektrisch leitenden Material mit guter Leitfähigkeit, wie beispielsweise Silber überzogen, um darauf Elektroden 28 und 30 auszubilden. Wie es in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, hat das piezoelektrische Schwingelement 26 einen Durchmesser, der größer als der Durchmesser des Vibratorgrundelementes 14 ist und steht das piezoelektrische Schwingelement 26 davon in radialer Richtung vor. Die Metallscheibe 24 weist einen größeren Durchmesser als das piezoelektrische Schwingelement 26 auf. Die Metallscheibe 24 und das piezoelektrische Schwingelement 26 sind an den gegenüberliegenden Flächen miteinander verklebt. Vorzugsweise wird ein elektrisch leitendes Klebemittel zum Verkleben der Metallscheibe und des piezoelektrischen Schwingelements 26 verwandt, um dazwischen für eine gute elektrische Leitfähigkeit zu sorgen. Sowohl die Metallscheibe 24 als auch das piezoelektrische Schwingelement 26 sind mit jeweiligen Öffnungen 32 und 34 mit gleichem Durchmesser wie der Teil 18 der Bohrung 16 im Grundelement ausgebildet Ein elektrisch leitendes Element 26 mit einer gebogenen Verlängerung 38 ist am Vibrator 22 so angebracht, daß es mit einer planaren Seitenfläche der Elektrode 28 in Kontakt steht Das Metallelement 36 weist gleichfalls eine Öffnung 40 mit dem gleichen Durchmesser wie der Teil 18 der Bohrung 16 auf. Durch die Öffnungen 32 und 34 des Vibrators 22 und durch die Öffnung 40 des Metallelementes 36 ist ein zylindrisches Isolierelement 42 mit einem oberen Ringflanschteil 44 in den Teil 18 der Bohrung 16 gepaßt um die Elektrode 28 gegenüber dem Sensorkörper 10 zu isolieren. Der Flanschteil 44 des Isolierelementes 42 weist einen Durchmesser auf, der im wesentlichen gleich dem des Vibratorgrundelementes 14 ist. Das Isolierelement 42 ist mit einer langgestreckten Öffnung 46 versehen, die konzentrisch zum Hauptkörperteil verläuft Eine Schraube 48 führt durch die Öffnung 46 des Isolierelementes 42 und steht mit einem Innengewinde in Eingriff, das im Teil 20 der Bohrung 16 ausgebildet ist In dieser Weise ist der Vibrator 22 in Sandwichbauweise zwischen dem Vibratorgrundelement 14 und dem Flanschteil 44 des Isolierelementes 42 angeordnet und dadurch am Vibratorgrundelement befestigt

Ein becherförmiges Abdeckelement 50 aus einem elektrisch leitenden Material ist auf dem zusammengesetzten Schwingungssensorkörper 10 angeordnet und daran befestigt Vorzugsweise besteht das Sensorabdeckelement aus dem gleichen Material wie der Sensorkörper. Das Abdeckelement 50 ist mit einer Öffnung 52 mit einer isolierenden Hülse 54 versehen. Eine Ausgangsleitung 56 geht durch die isolierende Hülse 54 und steht mit der gebogenen Verlängerung 38 des Metallelementes 36 in Verbindung.

Vorzugsweise hat der erfindungsgemäße Schwingungssensor einen Gesamtdurchmesser von annähernd 30 mm und hat die Schraube oder das mit einem Gewinde versehene Element einen Durchmesser von annähernd 6 mm. Das Gesamtgewicht des Grundelementes und der Vibratoranordnung sollte weiterhin etwa 15 g betragen, während das Gesamtgewicht des Schwingungssensors etwa 30 g betragen sollte.

Beim Zusammenbau wird zunächst der Vibrator 22 auf dem Vibratorgrundelement 14 angebracht und wird anschließend darauf das Meta'lelement 36 angeordnet Der Vibrator 22 wird nach einer Zentrierung mit dem Vibratorgrundelement 14 verbunden bzw. verklebt Danach wird das Isolierelement 42 durch die öffnungen 32,43 und 40 eingesetzt und wird die Schraube 48 durch das Isolierelement und in das Gewinde des Teiles 20 der Bohrung 16 geschraubt. Da die Metallscheibe 24 des Vibrators 22 dem elektrisch leitenden Sensorkörper 10 über das Vibratorgrundelement 14 zugewandt ist steht die Elektrode 30 mit dem Maschinenzylinderblock und somit mit Masse in Verbindung.

Indem andererseits zunächst das Isolierelement 42 eingebaut wird, kann der Vibrator genau und effektiv bezüglich der Achse des Vibratorgrundelementes 14 zentriert werden. Das Isolierelement 42 wird nämlich durch das Metailelemer.t 36, den Vibrator 22 und in den Teil 18 der Bohrung 16 eingesetzt um deren Achsen mit der Achse der Bohrung in einer Linie auszurichten. Da

der Innendurchmesser der Öffnungen 32 und 34 im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Isolierelementes 42 ist kann der Vibrator 22 genau bezüglich der Achse der Bohrung 16 zentriert werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Resonanzfrequenz des Vibrators 22 durch die Stärke der Metallscheibe und des piezoelektrischen Elementes und die Beziehung im Durchmesser zwischen der Metallscheibe und dem piezoelektrischen Element bestimmt Die Stärken und die Durchmesser der Metallscheibe und es piezoelektrischen Elementes sind daher so gewählt daß der Vibrator mit der Schwingungsfrequenz der Maschine, wenn diese im klopfenden Zustand läuft d. h. in einem Bereich von 5 kHz bis 9 kHz in Resonanz steht

Auf die über die Ankerschraube 12 übertragene Schwingung der Maschine ansprechend schwingt die Metallscheibe 24 des Vibrators 22, so daß das piezoelektrische Element 26 verformt wird. Entsprechend dem Ausmaß der Verformung liefert das piezoelektrische Element 26 ein Potential zwischen den Elektroden 28 und 30 an seinen beiden planaren Außenflächen. Das durch das piezoelektrische Element 26 erzeugte elektrische Signal liegt an einer Maschinensteuerung zum Steuern der Brennkraftmaschine mit dem Klopfen der Maschine als Steuerparameter, beispielsweise an der Steuerung für den Zündzeitpunkt und zwar über das Metallelement 36 und die Zuleitung 56. Das Potential des Signals, das vom piezoelektrischen Element 26 erzeugt wird, entspricht der Amplitude der Schwingung der Maschine.

Fig.4 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungssensors als eine Abwaridlungsforni des in den Fig.! bis 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels. Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind entsprechende Bauteile wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel mit denselben Bezugszeichen versehen.

Der Sensorkörper 10 weist eine Ankerschraube 12 am mittleren Teil seiner planaren Fläche auf. Der Sensorkörper 10 ist mit einem Ringvorsprung 11 ausgebildet der an seinem Außenrand entlang verläuft, so daß darin eine Aussparung 13 begrenzt wird. Ein etwa scheibenförmiges Abdeckelement 50 ist auf dem Sensorgrundelement 10 angeordnet und daran befestigt Das Abdeckselement 50 ist mit einem Vibratorgrundelement 58 versehen, das vom mittleren Teil der inneren planaren Fläche nach innen verläuft Das Vibratorgrundelement 58 ist etwa zylinder- oder kegelstumpfförmig

und mit einer langgestreckten öffnung 60 entlang seiner Achse ausgebildet. Der Vibrator 22 ist am inneren Ende des Vibratorgrundelementes 58 befestigt und durch eine Mutter 56 über ein Halteelement 64 etwa zylindrischer Form gehalten. Die Mutter 62 steht mit einem Gewindeteil 66 eines Verbindungsstückes 68 in Eingriff, das sich durch die öffnung 60 erstreckt Das Verbindungsstück 68 weist einen Kopfteil 70 auf, der vom Abdeckelement 50 nach außen verläuft. Ein etwa zylindrisches Isolierelement 42 mit einem Flanschteil 44 ist zwischen dem Innenumfang der öffnung 60 und dem Verbindungsstück 68 angeordnet. Das Isolierelement 42 verläuft entlang der Achse der Bohrung, um den Innenumfang des Vibrators 22 gegenüber dem Verbindungsstück 68 zu isolieren.

Das Verbindungsstück 68 weist einen Flanschteil 72 im mittleren Teil zwischen dem Gewindeteil 66 und Kopfteil 70 auf. Der Flanschteil 72 des Verbindungsstükkes 68 ist dem Flanschteil 44 des Isolierelementes 42 zugewandt, um dieses gegen die Außenfläche des Abdeckelementes 50 durch ein Anziehen der Mutter 62 zu drücken. Zwischen dem Flanschteil 44 des Isolierelementes 42 und der Außenfläche des Abdeckelementes 50 ist ein Metallelement 74 mit einem gebogenen Teil 76 angeordnet, das mit einer Zuleitung 78 verbunden ist, um das Abdeckelement 50 mit Masse zu verbinden.

Das Ausgangssignal, das vom piezoelektrischen Element 24 des Vibrators 22 erzeugt wird, wird somit zum Kopfteil 70 des Verbindungsstückes 68 über die Elektrode 28, das Halteelemente 64, die Mutter 62 und den Gewindeteil 66 übertragen. Das Ausgangssignal wird weiterhin zur Maschinensteuerung als einer der Steuerparameter über eine Zuleitung 80 übertragen, die mit dem Kopfteil 70 des Verbindungsstückes 68 verbunden ist

Da bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die Vibratoren 22 jeweils an den Vibratorgrundelementen 14 und 58 befestigt sind, werden sie fest an den Vibratorgrundelementen gehalten, ohne sich davon zu lösen, selbst wenn die Vibratoren hohen Maschinentemperaturen ausgesetzt sind, die über die Ankerschrauben übertragen werden. Durch die Verwendung der Isolierelemente können die Vibratoren weiterhin genau und leicht auf den Vibratorgrundelementen zentriert werden, so daß sie sogar Resonanzfrequenzen in irgendeiner Richtung wahrnehmen und aufnehmen können.

Es versteht sich, daß der Vibrator nicht notwendigerweise in der in Fig.3 dargestellten Weise aufgebaut sein muß. Beispielsweise kann der Vibrator so aufgebaut sein, wie es in den F i g. 5 bis 8 dargestellt ist In F i g. 5 ist ein Vibrator 22 dargestellt, der nur aus dem piezoelektrischen Element 26 mit Elektroden 28 und 30 in. Form einer leitenden Beschichtung auf beiden Außenflächen besteht Fig.6 zeigt einen Vibrator 22, der zwei piezoelektrische Elemente 26 umfaßt, von denen jedes Elektroden 28 und 30 auf beiden Außenflächen trägt Die Elektroden 30 des oberen und des unteren piezoelektrischen Elementes 26 sind einander zugewandt Durch diesen Aufbau kann das Potential des Ausgangssignals erhöht werden. Dieselbe Wirkung wie bei dem in Fig.6 dargestellten Aufbau ist auch bei Vibratoren 22 mit dem in F i g. 7 und 8 dargestellten Bau zu erwarten. Fig.7 zeigt einen Vibrator aus zwei piezoelektrischen Elementen 26 und einer Metallscheibe 24, die zwischen den piezoelektrischen Elementen 26 angeordnet ist Die Elektroden 30 der piezoelektrischen Elemente 26 sind den planaren Flächen der Metaüscheibe zugewandt. Fig.8 zeigt eine andere Anordnung derselben Elemente gemäß F i g. 7. Bei der in F i g. 8 dargestellten Anordnung ist die Metallscheibe 24 der untersten Elektrode 28 des unteren piezoelektrischen Elementes 26 zugewandt

In den F i g. 9 bis 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungssensors dargestellt Ein Sensorkörper 102 ist im wesentlichen kreis- und becherförmig mit einer Ankerschraube 104 ausgebildet, die vom Boden nach außen verläuft Der Umfang des Sensorkörpers 102 ist mit einem hexagonal geformten Teil 106 neben dem Boden ausgebildet Eine Ringnut 108 ist im Innenumfang ausgebildet, um ein Sensorabdeckelement 110 mit einem wasserdichten

is Füllstoff 111 neben dem oberen Ende zu halten.

Das Sensorabdeckelement 110 ist mit einem Vibratorgrundelement 112 im mittleren Teil ausgebildet. Das Vibratorgrundelement 112 ist etwa zylinderförmig. Zur hindurchlaufenden Achse des Vibratorgrundelementes

Μ 112 in einer Linie ausgerichtet, ist eine langgestreckte Öffnung 114 durch das Vibratorgrundelement 112 und das Sensorabdeckelement UO ausgebildet Ein Vibrator 116 ist am inneren Ende des Vibratorgrundelementes 112 befestigt und daran mit einem elektrisch leitenden Halteelement 118 über eine Mutter 120 aus einem elektrisch leitenden Material festgelegt Die Mutter 120 ist auf einen Gewindeteil 112 eines Verbindungsstückes 124 geschraubt das durch die öffnung 114 geht und vom Vibratorgrundelement 112 nach innen verläuft Ein elastisches Isolierelement 126 mit einer etwa zylindrischen Form ist zwischen dem Innenumfang der öffnung 114 und dem Gewindeteil 122 des Verbindungsstückes 124 angeordnet um den Vibrator 116 gegenüber dem Verbindungsstück 124 zu isolieren. Das Isolierelement 126 weist einen Flanschteil 128 auf, der am äußeren Ende der öffnung 114 angebracht ist Der Flanschteil 128 ist in Sandwichbauweise zwischen dem äußeren Ende der öffnung und einem Flanschteil 130 des Verbindungsstückes 124 angeordnet

Das Verbindungsstück 124 weist weiterhin einen Kopfteil 132 auf, der mit einer Zuleitung 134 verbunden ist um den Sensor mit der Maschinensteuerung, die das Klopfsigr.al als einen Steuerparameter verwendet, beispielsweise mit der Steuerung des Zündzeitpunktes für eine Brennkraftmaschine zu verbinden.

Wie es in F i g. 10 dargestellt ist, umfaßt der Vibrator 116 eine Metallplatte 136 und ein piezoelektrisches Element 138, das auf beiden Außenflächen mit einem leitenden Material, beispielsweise Silber, beschichtet ist, um darauf Elektroden 140 und 142 zu bilden. Die Metallplatte 136 ist der Elektrode 140 an einer Seitenfläche zugewandt und die andere Elektrode 142 des piezoelektrischen Elementes ist dem Halteelement 118 zugewandt Das vom piezoelektrischen Element 138 erzeugte Ausgangssignal, das der Schwingung der Maschine entspricht, wird somit von der Zuleitung 134 über die Elektrode 142, das Halteelement 118, die Mutter 120 und das Verbindungsstück 124 ausgegeben. Der Vibrator 116 liegt über die Elektrode 140, das Sensorabdeckelement 110 und den Sensorkörper 102 an Masse.

Wie es in Fig. 11 dargestellt ist, umfassen das piezoelektrische Element 138 und die Metallplatte 136 jeweils einen kreisförmigen Teil 144 und 148 und einen etwa rechteckigen Zungenteil 146 und 150. Jeder kreisförmige Teil 144 und 148 ist mit einer zentralen öffnung 152 und 154 zur Aufnahme des Verbindungsstückes 124 versehen. Durch den beschriebenen Aufbau

des Vibrators 116 kann der Vorteil erwartet werden, daß aufgrund der Tatsache, daß der Vibrator 116 an dem Vibratorgrundelement 112 freitragend befestigt ist und die Zungenteile 146 und 130 in eine Richtung verlaufen, die Resonanzfrequenz des Vibrators immer gleich ist und daß es weiterhin leicht ist, die Resonanzfrequenz dadurch einzustellen, daß die Länge der Zungenteile eingestellt wird. Durch eine Verkürzung der Länge des Vibratorzungenteils kann nämlich die Resonanzfrequenz des Vibrators in einem konstanten Verhältnis erhöht werden. Selbst nach der Montage des Vibrators auf dem Vibratorgrundelement kann daher die Resonanzfrequenz zur Genauigkeit der Aufnahme der Schwingung der Maschine leicht nachgestellt werden. Zum Nachstellen der Resonanzfrequenz beim Zusammenbau wird der Vibrator beispielsweise durch Feilen oder in ähnlicher Weise verkürzt Die Resonanzfrequenz kann auch dadurch bestimmt werden, daß ein Wechselstrom an den Vibrator gelegt wird und dessen Impedanz gemessen wird. Die Resonanzfrequenz wird der Frequenz des am Vibrator liegenden Wechelstromes entsprechen, wenn seine Impedanz ein Maximum hat

F i g. 12 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Schwingungssensors gemäß Fig.9 bis 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Vibrator 116 am Vibratorgrundelement 160 angebracht, das am Sensorkörper 102 ausgebildet ist Der Vibrator 116 ist fest am Vibratorgrundelement 160 über eine durch das elastische Isolierelement 126 hindurchgehende Schraube 162 befestigt Zwischen dem Flanschteil 128 und dem oberen Teil des Vibratorgrundelementes 160 ist ein Metallelement 164 mit einem gebogenen Teil 166 angeordnet Der gebogene Teil 166 des Metallelementes 164 steht mit einer Ausgangsleitung 170 in Verbindung, über die ein Sensorsignal, das vom piezoelektrischen Element 138 erzeugt wird, auf die Maschinensteuerung übertragen wird. Die Ausgangsleitung 170 verläuft von dem Sensorabdeckelement 110 durch ein Loch 172 in einer isolierenden Hülse 174.

Bei dem oben beschriebenen abgewandelten Ausführungsbeispiel ist der Aufbau des Vibrators 116 im wesentlichen derselbe wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel, das anhand der Fig.9 bis 11 beschrieben wurde. Dieselben Vorteile können daher auch bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel erwartet werden.

Fig. 13 zeigt eine Abwandlungsform des Vibrators 116 der im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele. Bei dieser Abwandlungsform umfaßt der Vibrator 116 das piezoelektrische Element 138 und die Metallplatte 136, wobei jedes dieser Elemente einen quadratischen Teil 180 und 182 und einen im wesentlichen rechteckigen Zungenteil 146 und 150 aufweist Dementsprechend sind das Halteelement 118 und das Vibratorgrundelement 112 mit Ausschnitten 184 und 186 versehen. Da bei dieser Abwandlungsform die Länge der Zungonteile 146 und ISO proportional konstant gehalten werden kann, nimmt die Genauigkeit der Einstellung der Resonanzfrequenz zu.

In den Fig. 14 bis 16 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungssensors dargestellt. Entsprechende Teil oder Bauelemente wie bei den vorhergehenden Ausfuhrungsbeispielen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie bei dem in den F i g. 9 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Vibrator 116 am Vibratorgrundelement 112 befestigt, das am Sensorabdeckelement 110 ausgebildet ist Der Vibrator 116 ist zwischen zwei Halteelementen 190 und 192 gehalten. Das Halteelement 190 weist abgewinkelte Teile 194 an seinen beiden Seiten auf. Die quadratischen Teile 180 und 182 sind in einer Aussparung angeordnet, die vom abgewinkelten Teil 194 des Halteelementes 190 begrenzt wird. Das Halteelement 192 weist einen Seitenrandteil auf, auf dem ein elektrisches Isolierelement, beispielsweise ein Papierstreifen 196, vorgesehen ist Das Halteeiement 192 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Vibrators angeordnet und der Außenfläche des quadratischen Teils des piezoelektrischen Elementes zugewandt Der Vibrator und die Halteelementanordnung sind über eine Mutter 120 am Vibratorgrundelement 112 befestigt Die Mutter 120 ist auf einen Gewindeteil 122 des Verbindungsstückes 124 geschraubt

Fig. 17 zeigt eine weitere Abwandlungsform des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In einer auseinandergezogenen Ansicht ist die Anordnung zum Anbringen des Vibrators 116 am Vibratorgrundelement 112 dargestellt das von der Innenfläche des Sensorabdeckelementes UO aus gebildet ist Das Vibratorgrundelement 112 ist mit einer etwa quadratischen öffnung 202 versehen, die durch das Sensorabdeckelement 110 verläuft Der Vibrator 116 hat denselben Aufbau, wie er anhand von Fig. 13 beschrieben wurde. Der Vibrator 116 umfaßt das Resonanzelement 138 und die Metallplatte 136, wobei jedes dieser Bauelemente einen quadratischen Teil 180 und 182 und einen etwa rechteckigen Zungenteil 146 und 150 aufweist Die quadratischen Teile 180 und 182 des Resonanzelementes 138 und der Metallplatte 136 sind mit hindurchgehenden quadratischen öffnungen 204 und 206 ausgebildet In ähnlicher Weise weist das Halteelement 118 eine quadratisch geformte öffnung 208 auf. Durch die öffnungen 202, 204, 206 und 208 ist ein quadratisch geformtes Isolierelement 210 eingesetzt. Das Isolierelement 210 ist mit einer langgestreckten kreisförmigen Öffnung 212 versehen, um den Gewindeteil des in Fig. 17 nicht dargestellten Verbindungsstückes aufzunehmen. Aufgrund dieses Aufbaues wird verhindert daß sich der Vibrator 116 um das Isolierelement 210 dreht, so daß die Resonanzfrequenz des Vibrators konstant gehalten werden kann.

Um den oben beschriebenen Vorteil zu erzielen, muß nicht unbedingt ein quadratisch geformtes Isolierelement verwandt werden. Zur Vermeidung einer Drehung des Vibrators um das Isolierelement sind verschiedene abgewandelte Ausführungen möglich. Fig. 18 bis 22 zeigen verschiedene Ausführungen von Isolierelementen 210. Anhand dieser abgewandelten Ausführungsformen ist erkennbar, daß der Vibrator an einer Drehung dadurch gehindert wird, daß ein Winkelteil am Isolierelement vorgesehen wird.

Fig.23 zeigt noch eine weitere Abwandlungsform des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das Sensorabdeckelement UO weist das Vibratorgrundelement 112 an seiner Innenfläche auf. Wie bei der Ausführung in Fig. 13, ist das Vibratorgrundelement 112 mit einem ausgeschnittenen Teil 184 versehen, um dem Zungenteil des Vibrators 116 mit demselben Aufbau, wie er in Fi g. 13 dargestellt ist eine konstante Länge zu geben. Der Vibrator 116 und das Vibratorgrundelement 112 sind mit zueinander ausgerichteten öffnungen 212 und 214 versehen, die durch beide Elemente hindurchgehen. Das Halteelement 118 ist gleichfalls mit einer öffnung 216 mit demselben Durchmesser wie die öffnungen 212 und 214 ausgebil-

det wobei die öffnung 216 zu den öffnungen 212 und 214 in einer Linie ausgerichtet ist

Beim Zusammenbau wird der Vibrator 116 zwischen dem inneren Ende des Vibratorgrundelementes 112 und dem Halteelement 118 zu der öffnungen 212,214 und 216 in einer Linie ausgerichtet befestigt Durch die zueinander ausgerichteten Öffnungen 212,214 und 216 wird ein Stift 218 eingesetzt, um die Richtung der Zungenteile 146 und 150 des Resonanzelementes 138 und der Metallplatte 136 festzulegen. Wie bei dem vorhergehenden Ausfuhrungsbeispiel wird der Vibrator 116 an einer Drehung um seine Achse gehindert

In dem Fig.24 bis 29 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungssensors dargestellt, bei dem eine Einrichtung zur Vormontageeinstellung der Schwingungsfrequenz vorgesehen ist

Wie es allgemein in den F i g. 25 und 26 dargestellt ist, umfaßt der Schwingungssensor einen Sensorkörper 300 mit einer Ankerschraube 302 und einem Sensorabdeckelement 304. Der Sensorkörper 300 weist einen im wesentlichen kreisförmigen Grundteil 306 und einen vertikalen Umfangsteil 30S auf. Wie es deutlich in F i g. 26 dargestellt ist, ist ein hexagonal geformter Teil 310 am unteren Teil des Umfangsteiles 308 ausgebildet, um die Ankerschraube 302 an einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine festzuschrauben. Neben dem oberen Ende des Umfangsteiles 308 ist eine Ringnut 312 ausgebildet, in die das Sensorabdeckelement 304 mit seinem Umfangsteil eingreift

Das Sensorabdeckelement 304 weist eine planare Innenfläche 314 und eine hindurchgehende mittlere öffnung 316 auf. In einer Linie zur mittleren öffnung 316 ist an der öffnung 319 eine Vibrator- und Halteanordnung 318 an der inneren planaren Fläche des Sensorabdeckelementes 304 angebracht. Die Vibrator- und Halteanordnung 318 umfaßt einen Vibrator 320 und zwei Halteelemente 322 und 324. Der Vibrator 320 weist ein piezoelektrisches Element 326 und eine Metallplatte 328 auf. Sowohl das piezoelektrische Element 326 als auch die Metallplatte 328 weisen halbkreisförmige Teile 330 und 332 und etwa rechteckförmige Zungenteile 334 und 336 auf. Jede planare Oberfläche des piezoelektrischen Elementes 326 weist eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Silber auf, um darauf Elektroden 325 und 327 zu bilden. Die Halteelemente 322 und 324 liegen einander an dem Teil gegenüber, der die Flanschteile 338 und 340 bildet. Die Halteelemente 322 und 324 sind zwischen den halbkreisförmigen Teilen 330 und 332 des Vibrators 320 gehalten und eingeklemmt In der Lage, in der die Halteelemente 322 und 324 den Vibrator 320 halten, erfaßt ein Haltering 342 die Flanschteile 338 und 340, um die Vibrator- und Halteanordnung 318 im zusammengesetzten Zustand zu halten, wie es in Fig.27 und 28 dargestellt ist. Der Haltering 342 besteht aus einem Kunstharz oder einem ähnlichen Material, wie beispielsweise aus Phenolharz. Vorzugsweise enthält das Kunstharz, aus dem der Haltering besteht ein geeignetes Verstärkungsmaterial, beispielsweise Glasfasern. Der Haltering 342 ist ringförmig und weist eine Nut 343 in seiner inneren Umfangsfläche auf. Die Nut 343 hat eine vertikale Breite, die der Stärke des Vibrators 318 und der Flanschteile 338 und 340 entspricht, wie es in Fig.28 dargestellt ist und überdeckt den größten Teil des halbkreisförmigen Teils der Vibrator- und Halteanordnung 318.

In dieser Weise montiert, ist die Vibrator- und Halteanordnung 318 an der Innenfläche des Sensorabdeckelementes 304 durch eine Mutter 344 befestigt Die Mutter 344 ist auf den Gewindeteil 346 eines Verbindungsstückes 348 geschraubt, fiber das der Sensor mit der Maschinensteuerung über eine Zuleitung 350 verbunden ist die mit seinem Kopf 352 in Verbindung steht

Wie es in Fig.24 dargestellt ist ist zwischen dem Gewindeteil 346 und den zueinander ausgerichteten öffnungen 316 und 319 des Sensorabdeckteiles 304

ίο sowie der Vibrator- und Halteanordnung 318 ein Isolierzylinder 354 angeordnet, um die Elektrode 327 gegenüber dem Sensorabdeckelement 304 zu isolieren. Zur Vervollständigung der Isolation zwischen der Elektrode 327 und dem Sensorabdeckelement 304 ist ein

is Isolierring .356 auf der Außenfläche des Sensorabdeckelementes 304 an einer Stelle zwischen einem Flanschteil 358 des Verbindungsstückes 348 und dem Sensorabdekkelement 304 angebracht Die Elektrode 327 steht über das Halteelement 324, die Mutter 344 und das Verbindungsstück 348 mit der Zuleitung 350 in Verbindung. Die andere Elektrode ist mit dem Maschinenzylinderblock verbunden und liegt somit über das Sensorabdeckelement 304, den Sensorkörper 300 und die Ankerschraube 302 an Masse.

Da bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau der Vibrator 320 fest zwischen zwei Halteelementen 322 und 324 gehalten ist kann die Einstellung der Resonanzfrequenz des Vibrators 320 im nicht montierten Zustand von dem

Vibratorgrundelement erfolgen. Daher ergibt sich eine

höhere Produktivität bei der Herstellung des Sensors sowie eine genauere Einstellung der Resonanzfrequenz.

In den F i g. 30 und 31 ist eine Abwandlungsform der Vibrator- und Halteanordnung zur Verwendung bei

dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Die Vibrator- und Halteanordnung 318 weist einen Vibrator 320 aus dem piezoelektrischen Element 326 und der Metallplatte 328 auf. Das piezoelektrische Element 326 ist auf jeder seiner planaren Oberflächen

♦o mit Elektroden 325 und 327 versehen. Das piezoelektrische Element 326 und die Metallplatte umfassen jeweils einen halbkreisförmigen Teil 330 und 332 sowie einen Zungenteil 334 und 336. Das piezoelektrische Element 326 und die Metallplat te 328 sind an den gegenüberliegenden Flächen zur Bildung des Vibrators 320 verklebt Der halbkreisförmige Teil des Vibrators 320 ist von einem Halteelement 370 aus einem Kunstharz, beispielsweise aus einem Phenolharz, umgeben. Der halbkreisförmige Teil des Vibrators 320 wird dazu in eine Form eingesetzt und das Harz wird in die Form gespritzt, so daß es das Halteelement bildet, das den halbkreisförmigen Teil umgibt Das Halteelement 370 ist mit öffnungen 372 und 374 ausgebildet durch die Teile des halbkreisförmigen

Teiles des Vibrators 370 freiliegen. Ringförmige Elektroden 376 und 378 mit Verlängerungen 380, 382

sind an die freiliegenden Teile des halbkreisförmigen

Teils des Vibrators 370 geschweißt. In den F i g. 32 und 33 ist eine weitere Abwandlungs-

form der in den F i g. 30 und 31 dargestellten Vibrator- und Halteanordnung dargestellt Bei dieser Abwandlungsform ist der Aufbau des Vibrators 320 und des Halteelementes 370 im wesentlichen der gleiche wie bei dem in Fig.30 und 31 dargestellten Ausführungsbei spiel. Elektroden 390 und 392 sind auf den Außenflächen des Halteelementes 370 ausgebildet und erstrecken sich zu den freiliegenden Teilen des halbkreisförmigen Teiles des Vibrators 370.

Bei beiden oben beschriebenen Abwandlungsformen können dieselben Vorteile wie beim im Vorhergehenden beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel erwartet werden.

Fig.34 zeigt einen Vibrator 400 aus einer Messingplatte 402 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 19XlO-V⁰C und aus einem piezoelektrischen Schwingelement 404 aus Keramik (PZT) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,5 bis 3 χ 10-V⁰C Die Messingplatte 402 und das keramische Element sind mit einem in Wärme aushärtenden Klebemittel miteinander verklebt Der zusammengesetzte Vibrator 400 zeigt daher Bimetalleigenschaften aufgrund des beträchtlichen Unterschiedes im Wärmeausdehnungskoeffizienten seiner Bestandteile und wird daher durch die Außentemperatur und die Ober die Ankerschraube und den Sensorkörper übertragene Maschinentercperatur beeinflußt Das fahrt möglicherweise zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Vibrators entsprechend einer Änderung der Temperatur, so daß die Genauigkeit der Aufnahme der Maschinenschwingung abnimmt DarQberhinaus wird durch eine Biegung des Vibrators 400 eine Schubkraft an dem in Wärme aushärtenden Klebemittel liegen, was die Dauerhaftigkeit des zusammengebauten Vibrators herabsetzt

Vorzugsweise umfaßt daher der Vibrator 400 eine Stahlplatte 410 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,2 χ 10-V°C und ein keramisches Material 412 als piezoelektrisches Schwingelement mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 χ 10-V⁰C. Die Platte 410 und das keramische Element 412 sind zur Bildung des Vibrators 400 mit einem in Wärme aushärtenden Klebemittel verklebt, wie es in Fig.35 dargestellt ist Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Metall zur Bildung der Platte 410 eine Legierung aus 64% Eisen und 36% Nickel, so daß sich ein kleinerer Wärmeausdehnungskoeffizient als der von Messing ergibt

Beim Zusammenbau ist ein Stahl mit hohem Nickelgehalt sehr schwierig zu kleben. Die Klebefestigkeit ist beträchtlich kleiner als die von Messing. Die Platte aus diesem Stahl wird daher vorzugsweise so bearbeitet, daß sie eine höhere Klebefestigkeit zeigt, indem eine Phosphatmembran auf ihrer Oberfläche ausgebildet wird. Das Verfahren zum Erhöhen der Klebefestigkeit des Metalles kann so erfolgen, daß nach einem chemischen Verfahren unter Verwendung von Salzsäure oder Fluorwasserstoff ein Teilätzen erfolgt oder daß eine Bearbeitung durch Sandstrahlen durchgeführt wird, um auf der Oberfläche eine Unebenheit auszubilden.

Im allgemeinen kann das Ausmaß der Biegung des Vibrators, der freitragend angebracht ist, aus der folgenden Gleichung berechnet werden.

DH-

hXDTXL²

wobei

DH = Ausmaß der Biegung

' ■ h = Unterschied im Wärmeausdehnungs-

|i koeffizienten

pi DT — Änderung der Temperatur

L ** Länge des Zungen teiles

fö / = Stärke des Vibrators.

Angenommen daß 07-120"C, h-17,5 χ 10-*, L—7 mm und f—0,2 nun, so ist D//-0,51 mm im Fall eines Vibrators aus der Messingplatte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 19 χ 10-⁶/°C und aus dem piezoelektrischen Element mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 χ 10-V⁰C, während DH- 0,015 mm im Fall eines Vibrators, der au: einer Stahlplatte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,2 χ 10-V⁰C und aus dem piezoelektrischen Element mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 χ 10-VC besteht Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das Ausmaß der Biegung des Vibrators auf 1/34 des herkömmlichen Vibrators unter Verwendung einer Messingplatte herabgesetzt werden kann.

Falls es notwendig ist kann durch eine Erhöhung des Nickelanteiles in d;r Legierung, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalles den des piezoelektrischen

Elementes erreichen.

Fig.40 zeigt die Schwingungskennlinien entsprechend verschiedener Stärken des Sensorabdeckelementes 504 bei dem in F i g. 36 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel. Zur Darstellung der Änderung der Resonanz- frequenz und der Steilheit der Resonanzkurve für verschiedene Stärken des Sensorabdeckelementes sind Beispiele für 1,5 mm, 1,8 mm und 3,0 mm starke Sensorabdeckelemente 514 dargestellt Aus F i g. 40 ist ersichtlich, daß die Resonanzfrequenz mit einer entsprechenden Abnahme der Stärke des Sensorabdeckelementes abnimmt

Fig.41 zeigt in einer grafischen Darstellung die Beziehung zwischen der Amplitude der Schwingung des Vibrators und dem durch das piezoelektrische Element auf die Schwingungen ansprechend erzeugte Sensorausgangssignal für verschiedene Stärken des Sensorabdeckelementes 504. Da bei einem 1,5 mm starken Sensorabdeckelement die Resonanzfrequenz des Vibrators und des Sensorabdeckelementes bei 8 kHz aufeinander abgestimmt sind, nimmt die Amplitude der Schwingung um die Schwingungsfrequenz von 8 kHz beträchtlich zu, so daß das Signalrauschverhältnis entsprechend auf 666 ansteigt

Da bei einem 1,8 mm starken Sensorabdeckelement

die Resonanzfrequenz des Sensorabdeckelementes bei 10 kHz liegt erscheinen zwei Sensorausgangssignalspitzen in der Graphik. Trotz des Unterschiedes in der Resonanzfrequenz nimmt das Signalrauschverhältnis nur auf 31 zu.

so Für ein 3,0 mm starkes Sensorabdeckelement dessen Resonanzfrequenz bei 16 kHz liegt unterscheidet sich die Resonanzfrequenz des Sensorabdeckelementes beträchtlich von der Resonanzfrequenz des Vibrators. Das Signalrauschverhältnis des Vibrators nimmt den noch auf 10 zu.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß dadurch, daß dem Sensorabdeckelement eine ausreichende Biegsamkeit gegeben wird, die Amplitude der Resonanzschwingung am Vibrator erhöht und daher das Signalrauschverhält nis verbessert werden kann.

Bei der praktischen Anwendung unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen des Vibrators und der Abdeckplatte etwas, um das Signalrauschverhältnis des Schwingungssensors einzustellen. Für die tatsächliche Anwendung ist ein Signalrauschverhältnis von etwa 21 bevorzugt Wie es in Fig.41 dargestellt ist, wird natürlich das Signalrauschverhältnis des Schwingungssensors zunehmen, wenn sich die Resonanzfrequenz der

Abdeckplatte der Resonanzfrequenz des Vibrators nähert, was zu einem verbesserten Alisprechvermögen css Schwingungssensors führen wird. Hinsichtlich der tatsächlichen Herstellung des Schwingungssensors ist es jedoch schwierig, die Resonanzfrequenzen -ies Vibrators und der Abdeckplatte genau aufeinander abzustimmen. Es wurde daher empirisch festgestellt, daß für optimale Ergebnisse die Resonanzfrequenz der Abdeckplatte vorzugsweise im Frequenzbereich von 10 kHz bis 13 kHz liegt

Hierzu 14 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingungssensor mit einem Gehäuse und einem daran angebrachten Vibrator, der ein piezoelektrisches Element aufweist, das auf die anliegende Schwingung anspricht und ein der Amplitude der Schwingung entsprechendes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (514, 22, 116, 320, 400) an dem Gehäuse (506, 10, 50, 104, 302) mittels eines ein Gewinde aufweisenden Befestigungselements (517, 48, 68, 124,162,348) angebracht ist

2. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (514,22,116,320, is 400) das piezoelektrische Element (531,26,138,326, 404) und eine Metallplatte (532, 24, 136, 328, 410) umfaßt, wobei das piezoelektrische Elemental, 26, 138, 326, 404) ein elektrisch leitendes Element auf beiden planaren Außenflächen aufweist, um darauf Elektroden (526, 530, 28, 30, 140, 142, 325,327) zu bilden.

3. Schwingungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (532, 24, 136, 328, 410) aus einem Metall besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient annähernd der gleiche wie der des piezoelektrischen Elementes (531, 26,138,326,404) ist

4. Schwingungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (410) aus einer Legierung mit 64% Eisen und 36% Nickel besteht, so daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallplatte (410) 1,2 χ 10-'/⁰C beträgt

5. Schwingungssensor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (526, 530,28,30,140,142,325,327) gegeneinander durch ein Isolierelement (522,42,126,196,210,354) isoliert sind, das zwischen Jem Vibrator (514,22, 116, 320, 400) und dem mit einem Gewinde versehenen Befestigungselement (517, 48, 68, 124, 162, 348) angeordnet ist

6. Schwingungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierelement (522,42,126, 196,210,354) aus einem elastischen Material besteht, so daß es den Vibrator (160) bezüglich des mit einem Gewinde versehenen Befestigungselementes (124) zentriert halten kann.

7. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß der Vibrator (22) ein etwa scheibenförmiges piezoelektrisches Element (26) und eine etwa scheibenförmige Metallplatte (24) aufweist die einen größeren Durchmesser als das piezoelektrische Element (26) hat

8. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (116) einen Befestigungsteil (136) mit einer mittleren öffnung (148) und einem etwa rechteckigen Zungenteil (150) aufweist, und daß der Befestigungsteil (136) am Sensorgehäuse so angebracht ist, daß der Zungenteil (150) freitragend gehalten ist.

9. Schwingungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß am Vibrator (116) durch eine Positioniereinrichtung eine Richtung festgelegt ist, in die sich der Zungenteil (150) erstreckt.

• 10. Schwingungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung am

Isolierelement (210) vorgesehen ist

11. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß das Sensorgehäuse einen Sensorkörper (10, 102) und ein Abdeckelement (50, 110) umfaßt das auf dem Sensorkörper (10, 102) angeordnet ist wobei der Sensorkörper (10,102) mit einem Vibratorgrundslement (14,112) ausgebildet ist, das in den Innenraum im Sensorgehäuse vorsteht und der Vibrator (22, 116) fest am Vibratorgrundelement (14, 112) angebracht ist wobei das mit einem Gewinde versehene Befestigungselement (48, 162) mit einer mit einem Gewinde versehenen Bohrung (16) im Vibratorgrundelement (14,112) in Eingriff steht

12. Schwingungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (28, i42) einem elektrisch leitenden Verbindungselement (36, 166) zugewandt ist und mit einer da hindurchgehenden Ausgangsleitung (56, 170) verbunden ist und daß die andere Elektrode (30, 140) der Metallplatte (24,136) zugewandt ist so daß sie über die Metallplatte (24,136) und den Sensorkörper (10,102) an Masse liegt

13. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse einen Sensorkörper (502, 10, 102) und ein Abdeckelement (504, 50, UO) umfaßt das am Sensorkörper (502,10,102) befestigt ist wobei das Abdedcelement (504, 50, 110) mit einem Vibratorgrundelement (512, 58, 112) ausgebildet ist das in den Innenraum im Sensorgehäuse vorsteht und mit einer öffnung (60,114) ausgebildet ist die sich längs ihrer mittleren Achse erstreckt und wobei das mit einem Gewinde versehene Befestigungselement (517, 68, 124) in den Innenraum durch die öffnung (60,114) eingesetzt ist und mit einem Befestigungselement in Eingriff steht um den Vibrator (514, 22, 116) zwischen dem Vibratorgrundelement (512, 58, 112) und dem Befestigungselement zu befestigen.

14. Schwingungssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß das Befestigungselement ein Halteelement (64,118) und eine Mutter (62,120) umfaßt die mit dem Gewinde an dem mit einem Gewinde versehenen Befestigungselement (68,124) in Eingriff steht wobei das mit einem Gewinde versehene Befestigungselement (68, 124) aus einem elektrisch leitenden Material besteht und einen Gewindeteil (66, 122) und einen Kopfteil (70, 132) aufweist der mit einer Ausgangsleitung (80, 124) verbunden ist

15. Schwingungssensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß das Halteelement (180) etwa dieselbe Form wie der Befestigungsteil (136) desVibrators(116)hat.

16. Schwingungssensor nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet daß der Befestigungsteil (136) des Vibrators (116), das Halteelement (118) und das Vibratorgrundelement (112) mit einer etwa quadratischen öffnung (208, 204, 202) ausgebildet sind und daß das Isolierelement (210) einen quadratischen Außenumfang aufweist und mit einer im Schnitt kreisförmigen öffnung (212) versehen ist wobei die quadratischen öffnungen (208, 204, 202) und der quadratische Außenumfang des Isolierelementes (210) als Positioniereinrichtung zum Festlegen der Richtung dienen, in der der Zungenteil (150) des Vibrators (160) verläuft.

17. Schwingungssensor nach Anspruch 13 oder 15,

dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsteil (136) des Vibrators (116), das Halteelement (118) und das Vibratorgrundeiement (112) mit kleinen öffnungen (216,214,213) im wesentlichen parallel zu ihren mittleren öffnungen ausgebildet sind tnd daß ein als Positioniereinrichtung wirkender Stift (218) in den kleinen öffnungen (216, 214,213) aufgenommen ist und mit diesen öffnungen (216,214,213) in Eingriff steht, um das Vibratorgrundeiement (112), das Halteelement (118) und den Vibrator (116) in einer bestimmten Richtung mit ausgerichteten kleinen öffnungen (216,214,213) in Stellung zu bringen.

18. Schwingungssensor nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement ein oberes und ein unteres Element (190, 192) umfaßt, die den Befestigungsteil (136) des Vibrators (116) dazwischen halten, wobei das Halteelement eine etwa quadratische Form hat, so daß es als Positioniereinrichtung wirkt

19. Schwingungssensor nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (370) aus einem Kunstharz besteht und so geformt ist, daß es den Befestigungsteil des Vibrators (320) umgibt, wobei das Halteelement (370) öffnungen (372,374) in beiden planaren Außenflächen aufweist, durch die die Elektroden (376,378) jeweils mit dem Sensorkörper und dem Ausgangselement zur Ausgabe des Sensorausgangssignals verbunden sind.

20. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (116) eine Resonanzfrequenz hat, die einer bestimmten Schwingungsfrequenz entspricht

21. Schwingungssensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Schwingungsfrequenz die Schwingungsfrequenz einer Maschine beim Klopfen ist

22. Schwingungssensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (504, 50, 110, 304) auf eine bestimmte Frequenz der anliegenden Schwingung ansprechend schwingen kann und eine Resonanzfrequenz annähernd gleich der Resonanzfrequenz des Vibrators (514, 26, 116, 320) aufweist, um die am Vibrator (514,26,116,320) liegende Schwingung zu verstärken und dadurch das Signalrauschverhältnis des Sensors zu erhöhen.

23. Schwingungssensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet daß das Abdeckelement (504, 50, UO, 304) auf die anliegende Schwingung einer Maschine ansprechend schwingen kann und eine Resonanzfrequenz annähernd gleich der Resonanzfrequenz des Vibrators (514, 26, 116,320) aufweist, um die am Vibrator (514, 26, 116, 320) liegende Schwingung zu verstärken und dadurch das Signalrauschverhältnis des Sensors zu erhöhen.

24. Schwingungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalrauschverhältnis etwa 21 beträgt

25. Schwingungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet daß die Resonanzfrequenz des Vibrators (514, 26, 116, 320) auf etwa kHz eingestellt ist, und daß die Resonanzfrequenz des Abdeckelementes (504,50, UO, 304) im Bereich von 10 kHz bis 13 kHz liegt, wobei das Signalrausch verhältnis des Sensorausgangssignals bei etwa 21 liegt.

26. Schwingungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Gehäuse mittels einer Befestigung (506,12,104, 302) an einer Brennkraftmaschine angebracht ist und der Schwingungssensor -als Klopfsensor dient

27. Schwingungssensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet daß die Befestigung ein Ankerbolzenteil (506,12,104,302) ist das mit einem Gewinde versehen ist

28. Schwingungssensor nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet daß der Vibrator (116) eine Resonanzfrequenz hat bei der er mit der Maschinenschwingung beim Klopfen der Maschine in Resonanz steht

29. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet daß das Abdeckelement (HO) auf eine bestimmte Frequenz der Maschinenschwingung zusammen mit dem Vibrator (116) schwingen kann, und eine Resonanzfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Vibrators (116) hat um die am Vibrator (116) anliegende Schwingung zu verstärken und dadurch das Signalrauschverhältnis des Sensorausgangssignals zu erhöhen.

30. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet daß die Resonanzfrequenzen des Vibrators (116) und des Abdeckelementes (HO) jeweils bei etwa 8 kHz und bei etwa 1OkHz bis 13 kHz liegen, wobei das Signalrauschverhältnis des Sensorausgangssignals bei 2 !liegt