DE3041540A1

DE3041540A1 - Vibrations-sensor

Info

Publication number: DE3041540A1
Application number: DE19803041540
Authority: DE
Inventors: Takeshi Yokosuka Kanagawa Fujishiro; Toru Yokosuka Kanagawa Kita; Kiyoshi Yokohama Kanagawa Takeuchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1980-11-04
Publication date: 1981-05-21
Also published as: JPS5667731A; FR2468894B1; GB2063009A; DE3041540C2; US4373378A; FR2468894A1; GB2063009B

Description

Beschreibung

.Die Erfindung betrifft einen Vibrations-Sensor, insbe- . .<.. sonderefür ein automobiles Fahrzeug, der mechanische Vibrationen erfühlen kann, die von einem Verbrennungskraftmotor erzeugt werden, z.B. bei klopfender Verbrennung. Insbesondere ist die Erfindung auf einen Vibrations-Sensor für ein automobiles Fahrzeug gerichtet, der eine Vibrationscharakteristik mit mehreren Scheitelpunkten sowie ein größeres S/IT-Verhältnis und eine erweiterte Ansprech-Empfindlichkeit aufweist.

Gewöhnlich übt eine klopfende Verbrennung, sofern das Klopfen stark ist und über eine längere Zeit beim Betrieb des Verbrennung skraftmot or s anhält, einen starken Einfluß auf die Standfestigkeit des Motors oder andere Betriebseigenschaften aus. Gleichzeitig ist es aber bekannt, daß·die besten Motorbetriebszustände, bezogen auf den Drehmomentverlauf und den Brennstoffverbrauch, dann erzielbar sind, wenn der Motor zumindest bei verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen mit schwach klopfender Verbrennung arbeitet.

Deshalb sind unterschiedliche Systeme vorgeschlagen worden, die Klopfzustände des Motors erfühlen können und daraufhin die Zündzeitpunkte für den Motor entsprechend regulieren, so daß ein schwaches Klopfen im Motor über längere Zeit aufrecht erhalten wird, um den Drehmomentverlauf und den Brennstoffverbrauch des Motors zu verbessern. Die Zündung wird deshalb verstellt, weil zwischen den klopfenden Verbrennungszuständen und dem geweiligen Zündzeitpunkt ein enges Verhältnis besteht.

In diesem erwähnten System ist ein Vibrations-Sensor ^Gedingt erforderlich, um die Klopf-Zustände im Verbrennungs-

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kraftmotor zu erfühlen. Es wurden zu diesem Zweck Vibrations-Sensoren für automobile Fahrzeuge geschaffen, in welchen ein piezoelektrisches Vibrationselement frei' schwingend .angebracht ist. Dieses einzelne Vibrationselement der bekannten Sensoren hat eine einen scharfen Gipfel enthaltende Empfindlichkeits-Charakteristik, woraus das Problem entstand, daß eine Abweichung der Klopf-Frequenz von der Resonanz-Frequenz es unmöglich maqnt, die durch das Klopfen hervorgerufenen Vibrationen in ausreichendem Maße und korrekt abzutasten. Zudem sank dann das S/N-Verhä ltni s des Sensors rasch und scharf ab.

Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse ist es ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Vibrations-Sensor j insbesondere für emSaftöäizeug zu schaffen, der sich durch eine Ansprechcharakteristik mit mehreren Scheitelpunkten, mit erweiterter Ansprechempfindlichkeit und mit einem höheren S/N-Verhältnis auszeichnet.

Um dieses vorerwähnte Ziel zu erreichen enthält ein erfindungsgemäßer Vibrations-Sensor eine Vielzahl von piezoelektrischen Vibrationselementen, die derart angeordnet sind, daß die piezoelektrischen Spannungssignale zweier Elemente nach Art einer Synthese mit umgekehrter Polarität erzeugt werden, wenn diese beiden Elemente in der gleichen Richtung deformiert werden, wobei diese beiden Elemente einander benachbart liegende Resonanz-Frequenzen aufweisen.

Mit anderen Worten sind die piezoelektrischen Vibrations-Elemente so angeordnet, daß sie ein piezoelektrisches Spannungssignal erzeugen, das mit gleicher Polarität

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dann erzeugt wird, wenn eine von außen einwirkende Klopf-Frequenz zwischen zwei einander benachbarten Resonanz-Frequenzen dieser Vibrationselemente liegt.

Dies geschieht dadurch, daß erfindungsgemäß ein Prinzip von Vibrationscharakteristiken eingesetzt wird, nämlich daß die Vibrationsphase eines Vibrators von O auf 180 relativ zu der von außen angreifenden Kraft umschlägt, (sofern der plastische Dämpfungskoeffizient O ist) und zwar in dem Moment, in dem die Frequenz der von außen einwirkenden Kraft die Resonanz-Frequenz des Vibrators übersteigt.

Zusammengefaßt löst die Erfindung die gestellte Aufgabe mit einem Vibrations-Sensor für* ein automobiles Fahrzeug, der eine Vibrationscharakteristik mit mehrfachen Scheitelpunkten und weiterer Ansprechempfindlichkeit und mit einem höheren S/N-Verhältnis aufweist. Der Vibrations-Sensor enthält eine Vielzahl piezoelektrischer Vibratoren, die so angeordnet sind, daß die piezoelektrischen Spannungssignale der Vibratoren zwischen zwei Elementen dann mit umgekehrter Polarität erzeugt werden, welche einander benachbarte Resonanzfrequenzen aufweisen, wenn die beiden Elemente in der gleichen Richtung deformiert werden. Auf diese Veise werden die Spannungswerte . mit

gleicher Polarität erzeugt, sobald die Klopf-Frequenz des Motors zwischen zwei benachbarten Resonanz-Frequenzen des Sensors liegt , weil dann einer der Vibratoren um 180° zusammen mit einem anderen, benachbart liegenden Vibrator außerhalb der Phase arbeitet.

Die Merkmale und die Vorteile des Vibrations-Sensors gemäß der Erfindung gehen klarer aus nachfolgender Beschreibung hervor, die aufgrund der beiliegenden Zeichnungen angefertigt wurde, in denen Bezugszeichen einander ent-

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sprechende Elemente hervorheben.
Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen be

kannten Vibrations-Sensor;

Fig. 2 ein Diagramm über die Ansprech

charakteristik des Vibrators in dem bekannten Sensor von Fig. 1;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine erste

Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes mit einem Satz von freitragend eingespannten Vibratoren, die zueinander parallel liegen;

Fig. 4- ein Diagramm über die Ansprech

charakteristik des Vibrators von Fig. 3;

Fig. 5A eine Querschnittsansicht einer zweiten

Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, mit einem Satz von freitragend eingespannten Vibratoren, die zueinander symmetrisch um einen Mittelpunkt e inge spannt sind,

Fig. 6B eine vertikale Schnittansicht aus Fig. 5A;

Fig. 6A eine vergrößerte Draufsicht auf die

Vibratoren, die in Fig. 5A gezeigt sind;

Fig. 7A eine vergrößerte Vertikalschnittansicht

einer dritten Ausführungsform der Vibratoren, die in dem Sensor von Fig. verwendbar sind,

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Fig. 7B eine vergrößerte VertikalSchnittansicht

einer vierten Ausführungsform der Vibratoren für den Sensor von Pig. 5;

Fig. 8 eine vergrößerte Draufsicht auf eine

fünfte Ausführungsform eines Satzes aus kreuzförmig und frei eingespannten Vibratoren;

I"ig. 9 ein Diagramm über die Ansprech

charakterist ika des Vibrators von Fig. 8;

Fig. 1OA eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform eines Satzes kreuzförmig angeordneter- frei eingespannter Vibratoren;

Fig. 1OB eine Druntersicht auf die Ausführungsform von Fig. 1OA;

Fig. 10G einen Vertikalschnitt durch die Aus-

führungsform von Fig. 10A;

Fig. 11 eine Draufsicht auf die Ausführungs

form von Fig. 10 zur Verdeutlichung des Zusammenbaus;

Fig. 12A und 12B Draufsichten auf eine siebte Ausführungsform propellerartig angeordneter,frei eingespannter Vibratoren;

Fig. 13 eine vertikale Schnittansicht eines

achten Ausführungsbeispieles mit einem Satz von membranartigen Vibratoren, die

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zueinander parallel und mit einem Zwischenraum angeordnet sind;

Pig. 14 eine vertikale Schnitt ansicht einer

neunten Ausführungsform mit hintereinander geschalteten Vibratoren; und

Fig. 15 ein Schema, das den Aufbau des neunten

Ausführungsbeispieles gemäß Fig.; 14-verdeutlicht.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird kurz ein herkömmlicher Vibrations-Sensor für ein auto mobiles !Fahrzeug beschrieben. Gemäß Pig. 1 besteht ein dünner, runder und membranartiger Vibrator aus einem piezoelektrischen Element 1, dessen beide Oberflächen beispielsweise mit Silber beschichtet sind, um Elektrodenoberflächen zu schaffen. Der Vibrator 1 ist in einem Gehäuse 2 untergebracht, das eine Vertiefung 3 besitzt. Der Vibrator wird durch eine Elektrode 5 niedergespannt, die einen Plansch 6 zur Ausbildung einer anderen Vertiefung 4- aufweist. Der Vibrator 1 wird durch das Gehäuse 2 zu Membranschwingungen angeregt. Eine der Elektrodenoberflächen des Vibrators 1 ist mit dem leitfähigen Gehäuse verbunden, die andere Oberfläche steht mit der leitfähigen Elektrode 5 in Verbindung. Um den membranartigen Vibrator mit einer konstanten Klemmkraft festzulegen, ist eine Tellerfeder 9 zwischen einer Federplatte 8 und einem Anschlagring 10 eingebracht. Ein Isolator 7 schützt die Elektrode 5- Der Haltering 10 ist durch Umbiegen des zylindrischen Gehäuserandes zu einem Plansch 11 festgelegt.

Da der membranartige Vibrator mit einer elastischen Kraft über die Tellerfeder 9 unter annähernd konstanten Druck

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steht, wird verhindert, daß die Resonanz-Frequenz des Vibrators 1 sich in Abhängigkeit von dem Befestigungsdruck des Vibrators verändert. Zusätzlich ist der Durchmesser der Vertiefung 3 des Gehäuses 2 annähernd gleich dem Durchmesser der Vertiefung 4 in der Elektrode 5, so daß die Stützflächen dieser beiden Teile übereinstimmen. Bei dieser Ausführungsform wird der innere Durchmesser der Stützbereiche für den Vibrator so festgelegt, daß die Resonanz-Frequenz des Vibrators 1 in dem für Motor-Klopf-Frequenzen üblichen Bereich zwischen 5 und 9 KHz liegt.

Der derart ausgebildete Vibrations-Sensor wird dann am Motorblock mittels eines Ankerbolzens 12 festgelegt, welcher am Gehäuse einstückig ausgebildet ist. Zusätzlich dazu wird die Basis 13 des Gehäuses 2 sechseckig gestaltet, so daß das Gehäuse mit herkömmlichen Werkzeugen leicht ein- oder ausgeschraubt werden kann.

Sobald der Vibrator 1 mit seinem Umfang als Stützzone in Abhängigkeit von den Vibrationen des Motorblocks zu vibrieren beginnt, entsteht ein Potentialunterschied zwischen den beiden Elektrodenoberflächen des piezoelektrischen Elementes, und zwar in Übereinstimmung mit dem Deformationsgrad. Da die eine Elektrodenoberfläche durch das Gehäuse 2 geerdet ist, ist es möglich, aus einer mechanischen Vibration des Vibrators 1 (bzw. des piezoelektrischen Elementes) ein Spannungssignal zwischen . der Elektrode 5 und der Masse zu erzeugen. Da weiterhin der Vibrator 1 so ausgebildet ist, daß er innerhalb des· Bereiches der Klopf-Frequenz eines Motors in Resonanz gerät, läßt sich eine durch Klopfen bewirkte Vibration wirkungsvoll und genau abfühlen.

Die erzeugte und als Sensor-Ausgangssignal zwischen d;.~ Gehäusekörper (Erde) und der leitfähigen Elektrode (An-

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schluß) 5 erzeugte Spannung wird dann abgegriffen. In diesem Fall werden jedoch nur Vibrationsfrequenzen abgegriffen, welche innerhalb des Bereiches der Klopf-Frequenz liegen und als Sensorsignal für klopfende Verbrennung dienen, da die Resonanzfrequenz des Vibrators 1 in dem Bereich der Klopf-Frequenz des Hotars, gewöhnlich zwischen 5 und 9 KHz, je nach Motortyp, eingestellt ist".

Mit dem beschriebenen Vibrations-Sensor ist es jedoch unmöglich, Klopf-Vibrationen wirkungsvoll abzugreifen, wenn diese von der Resonanz-Frequenz fO abweichen, da die Ansprechcharakteristik einen verhältnismäßig scharfen Gipfel (Fig. 2) aufweist. Daraus resultiert auch ein weiteres Problem, in dem nämlich das S/N-Verhältnis des Vibrations-Sensors dann spürbar,reduziert ist.

Unter Berücksichtigung dieser vorstehenden Erläuterungen wird nun auf die Fig. 3 bis 15 verwiesen und zwar zunächst auf Fig. 3, in der eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vibrations-Sensors gezeigt ist.

Gemäß Fig. 3 sind zwei Vibrator-Einheiten 151a und 151b durch einen Bolzen 28 mit einer Unterlegscheibe 26 und Hülsen 23, 24 und 25 am Motorblock 29 befestigt. Die Einheiten 151a und 151b bestehen aus zwei piezoelektrischen Elementen 131a und 131b und Metallplatten 91a und 91b, entsprechend der Konstruktion von Fig. 1. Zusätzlich ist eine zylindrische Isolierhülse 27 in die Mittelbohrungen der Hülsen 23, 24 und 25 eingesetzt.

Die Resonanzfrequenzen der beiden Vibratoreinheiten 151a und 151b sind so gewählt, daß sie voneinander verschieden sind. Sie betragen beispielsweise 6,7 KHz und 6,3 KHz. Bei dieser Ausführungsform sind die piezoelektrischen Elemente 131a und 131b der Vibratoreinheiten 151a und 151b

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so angeordnet, daß die Eichtungen der dielektrischen Polaritäten beider Elemente, wie durch Pfeile markiert, gleich sind. Die piezoelektrischen Spannungssignale, die von jedem der Elemente erzeugt werden, werden von einem Anschluß 30 auf gegriffen und auf die Hülse 24- übertragen, und über einen weiteren Anschluß 31 auf den Motorblock 29 geführt. Dies bedeutet, daß die obenliegende Oberflächen-Elektrode (in Fig. 3 nicht gezeigt) des piezoelektrischen Elementes 131a und die unten liegende Oberflächenelektrode (nicht gezeigt) des piezoelektrischen Elementes 131b miteinander über die Hülse 23» die Scheibe 26, den Bolzen 28, den Motorblock 29, die Hülse 25 und die Metallplatte 91b verbunden sind, und daß die untere Oberflächenelektrode des Elementes 131a und die obere Oberflächenelektrode des Elementes 131b miteinander durch die Metallplatte 19 und die Hülse 24- verbunden sind. Daraus ergibt sich, daß bei einer in der gleichen Richtung erfolgenden Deformation der Einheiten 151a und 151b die piezoelektrischen Spannungssignale der Vibratoreinheiten miteinander in umgekehrter Polarität aufgebaut werden. Nunmehr soll das Prinzip der Ansprechcharakteristik des Vibrators im Bereich der Resonanz-Frequenzen detailiert erläutert werden.

Fig. 4- zeigt beispielsweise die Vibrationsansprechempfindlichkeitscharakteristik im Verhältnis zur Frequenz einer äußeren Kraft, xrobei in dem Diagramm die Vibrationsausgangsspannung und die Vibratorphase (kleines Bild im oberen Bereich) in ein und dem selben Diagramm gezeigt werden. Die Resonanz-Frequenz der ersten Vibratoreinheit -151a ist auf 6,3 KHz eingestellt, während die der zweiten Vibratoreinheit 151t> auf 6,7 KHz eingestellt ist. Wie aus der oberen grafischen Darstellung hervo geht, liegt die Vibratorbewegung in einer Phase mit der

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Vibration der äußeren. Kraft, solange die Frequenzen der äußeren Kraft niedriger sind, als die Eesonanz-Frequenz. Wenn die Frequenzen der äußeren Kraft großer sind, als die Resonanz-Frequenz, liegt die Vibratorbewegung um 180° außerhalb der Phase der Vibration der äußeren Kraft, vorausgesetzt der plastische Dämpfungskoeffizient ist 0. In dem Beispiel von Fig. A- ist also die Vibratorbewegung A (6,3 KHz) in einer Phase mit der Vibratorbewegung B/ (6,7 KHz) solange die Frequenzen der äußeren Kräfte kleiner als 6,3 KHz oder größer als 6,7 KHz sind. Wenn jedoch die Frequenzen der äußeren Kraft zwischen 6,3 KHz und 6,7 KHz liegen, wandert die Vibratorbewegung A um 180° aus der Phase der Vibratorbewegung B.

Da jedoch die erste Vibratoreiniieit 151a (A in Fig. A-) und die zweite Vibratoreinheit 151B (B in Fig. A-) derart miteinander verbunden sind, daß ihr Signal mit umgekehrter Polarität aufgebaut wird, wenn sie in der gleichen Richtung verformt werden, werden beide piezoelektrischen Spannungsausgangssignale gelöscht, solange die Klopffrequenzen weniger als 6,3 KHz oder mehr als 6,7 KHz betragen. Wenn hingegen die Klopffrequenzen zwisehen 6,3 und 6,7 KHz liegen, werden die beiden Ausgangssignale verstärkt. Dementsprechend zeigt das gemeinsam abgegriffene Ausgangsspannung ssignal in dem Schaubild der Ansprechempfindlichkeit zwei benachbarte - Scheitelpunkte (C in Fig. A-). Auf diese Weise läßt sich das S/N-Verhältnis verbessern und werden die Klopfvibrationen brauchbarer abgetastet. In diesem Ausführungsbeispiel laßt sich die Resonanzfrequenz des Vibrators durch Veränderung der Kraglänge der Vibratoren einstellen.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der ein zylindrisches Metallgehäuse A-O

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einen Ankerbolzen 41 besitzt. Im Mittelpunkt des Gehäuses 40 sind zwei Vibratoreinheiten 152a und 152b mit zwei verschiedenen Resonanz-Frequenzen zwischen rechteckigen Blöcken 44 und 45 durch einen Bolzen 49 festgespannt. Ferner ist eine leitfähige Unterlage 46, eine Isolierhülse 47 und eine Scheibe 48 entsprechend eingeordnet. Am oberen Ende des Gehäuses 40 ist eine Abdeckkappe 50 durch Umbördeln des Gehäuses festgelegt. Die Abdeckkappe 50 weist einen isolierenden Abschnitt 50a auf, ferner einen metallischen Anschlußbereich 50b mit einem Innenkanal 50c. In dem Kanal 50c ist ein Leitungsabschnitt 46a von der leitfähigen Zwischenlage 46a untergebracht. Nach dem die Abdeckkappe 50 am Gehäuse 40 festgelegt wird, wird das obere Ende des Kanals 50c durch Löten verschlossen, so daß das Ende der Leitung 4.6a mit dem oberen Ende, des Anschlusses 50b verbunden i st.

Bei dieser Ausführungsform sind die Vibratoreinheiten 152a und 152b in axialer Relation zueinander angeordnet, und zwar im wesentlichen symmetrisch um die Mittelachse des Gehäuses (Fig. 6Δ und 6B). Und zwar sind die beiden piezoelektrischen Vibratoreinheiten 152a und 152b durch Elektroden 142a und 142a¹, ferner 142b und 142b¹ auf einer Metallplatte 92 gebildet. Piezoelektrische Elemente 132a und 132b sind so auf der Metallplatte befestigt, daß die Richtungen ihrer Polaritäten einander entgegengesetzt sind, wie durch die Pfeile markiert ist. Daraus resultiert, daß die piezo- ■ elektrischen Signale der Elemente mit umgekehrter Polarität aufgebaut werden, wenn die Elemente in der gleichen Richtung deformiert werden. Das zwischen dem Anschluß 50b und dem Gehäuse 40 erzeugbare Sensor-Signal zeigt zweckmäßigerweise die gleiche Charakteristik, wie sie in Fig. 4 für das ertJe Ausführungsbeispiel erläutert wurde.

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Fig. 7-A- verdeutlicht eine dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstan.des, bei dem eine erste Vibrator-Einheit 153a auf der nach links gerichteten, oberen Oberfläche einer Metallplatte 93 angebracht ist, während eine zweite Vibratoreinheit 153b auf der nach rechts weisenden Unterseite der Metallplatte 93 befestigt ist. Die beiden Einheiten haben die gleiche Richtung ihrer dielektrischen Polarität, wie durch die Pfeile in Fig. ?A angedeutet wird.

Fig. 7B zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Die Vibratoren 154-a und 154-b können hierbei so hergestellt sein, daß ein piezoelektrisches Element 134-, das auf dem rechten Teil seiner Oberseite keine Elektrode besitzt, auf einem anderen piezoelektrischen Element 134- befestigt ist, das keine Elektrode an dem linken Teil seiner Unterseite besitzt, und zwar ohne die Verwendung einer metallischen Basisplatte.

Fig. 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der ein kreuzförmiges piezoelektrisches Vibrationselement 135 vier frei auskragende Arme aufweist und auf einer ebenfalls kreuzförmigen Metallplatte befestigt ist, die wesentlich größer ist, als das Element 135- Die Resonanz-Frequenzen der vier Arme des Kreuzes sind so ausgelegt, daß sie über die einzelnen Arme 95a, 95b» 95c und 95d ansteigen, und zwar in der Richtung der Diagonalen. Auf der Metallplatte 95 sind die vier piezoelektrischen Elemente in zwei Gruppen unterteilt, nämlich 135a und 135c, und 135"b und 135d-» <iie üe Form eines Kreuzes bilden, das schräg in zwei Hälften unterteilt ist. · Die Richtung der Polarität jeder Gruppe ist umgekehrt zu der anderen. Elektroden i4-5a und 145b haben ebenfalls einander entgegengesetzt gerichtete Polaritäten. Gestützt wird die Anordnung durch eine Basis 62.

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Da die Polaritäten der piezoelektrischen Elemente 135a und 135c der Polarität der Elemente 135b und 135d entgegengesetzt sind, und da die Resonanz-Frequenzen dieser Elemente in Richtung über die Arme 95a? 95b, 95c und 95d ansteigen, läßt sich die Charakteristik des gesamten piezoelektrischen Spannungssignals durch die in Fig.9 angedeutete Kurve darstellen.

Fig. 10 zeigt eine sechste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der auf der Oberfläche eines kreuzförmig ausgebildeten piezoelektrischen Vibrationselementes 136 zwei Elektroden 146a und 146b ebenfalls kreuzförmig ausgebildet und schräg in zwei Hälften geteilt sind(Fig. 10A). Auf der Rückenfläche des Elementes 136 ist eine einzelne"Elektrode 146c vorgesehen (Fig. 10B). Das piezoelektrische Element 136 wird durch die beiden Elektroden 146a und 146b dielektrisch polarisiert, Fig. 1OC, und zwar unter einem hohen Potential, so daß zwei unterschiedliche Polaritätsrichtungen in ein und demselben piezoelektrischen Element 136 erreicht werden.

Fig. 11 zeigt, wie die vier piezoelektrischen Elemente auf einer Metallplatte 96 befestigt sind.

Fig. 12A und Fig. 12B zeigen eine siebte Ausführungsform des Erfxndungsgegenstandes, bei der die Metallplatten propellerartig angeordnet sind. Da diese Propellerform zu einer Vergrößerung der Iquivalenz-Masse führt, ist es möglich, die Länge der Vibratoren im Vergleich mit den frei auskragenden Vibratoren bei der kreuzförmigen Anordnung zu verringern.

Fig. 13 zeigt eine achte Ausführungsform, bei der eir Paar scheibenförmiger Doppelplattenzellen 70 und 71 in einem Gehäuse 74 so angeordnet sind, daß sie parallel

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zueinander verlaufen und einander zugewandt sind. Die Doppelplattenzelle 70 enthält ein piezoelektrisches Element 70a und ein weiteres piezoelektrisches Element 70b, welche in zueinander entgegengesetzten Eichtungen polarisiert sind, und zwar aufeinander zuweisend, wie die Pfeile andeuten. Auf gleiche Weise besteht die Doppelplattenzelle 71 aus einem piezoelektrischen Element 71a und einem weiteren piezoelektrischen Element 71t», welche in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, und zwar voneinander wegweisend. Die beiden Doppel— plattenzellen 70 und 71 sind an ihren Umfangen durch eine Hülse 73, einen Anschluß 72 und ein Isolierglied 75 am Gehäuse 74· festgeklemmt.

Die Resonanzfrequenzen der Zellen sind durch Verändern der Durchmesser der Zellen vorher eingestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es natürlich möglich, auch ein Paar Einplatten-Zellen so anzuordnen, daß die Richtungen ihrer Polaritäten einander entgegengesetzt sind, wobei in jeder Zelle nur ein einziges piezoelektrisches Element enthalten ist.

Fig. 14 zeigt eine neunte Ausführungsform, die schematisch in Fig. 15 verdeutlicht wird. Hierbei sind Gewichte 83 und 84 paarweise zwischen einem Gehäuse 80 und einem Anschluß 81 unter Zwischenlage einer Tellerfeder festgelegt. Piezoelektrische Elemente 85 und 86 mit der gleichen Polaritätsrichtung sind zwischen dem Gewicht 83 und dem Gehäuse 80· und dem Gewicht 84 und dem Anschluß 81 paarweise angeordnet. In Fig. 16 stellen die Federn 53 und 54- die Elemente und 86 dar, während die Massen 51 und 52 die Gewichte und 84 versinnbildlichen, wodurch ein Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden entsteht. Die Federkonstante (Steifigkeit) 50 der Tellerfeder 82 ist sehr klein, verglichen mit der der Federn 53 und 54- der .Elemente 85 und 86. Es ist möglich, die Feder 82 als Leiter auszubilden. Bei dieser Ausführungsform läßt sich der gleiche Effekt erzielen, wie

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er zuvor erläutert wurde. Weiterhin können bei dieser Ausführungsform die entsprechenden Resonanz-Frequenzen durch Veränderung der Gewichte verstellt werden. Wie vorstehend erläutert wurde, werden die piezoelektrischen Spannungssignale mit der gleichen Polarität aufgebaut, da das erste Vibrationselement um 180° aus der Phase des anderen Vibrationselementes liegt, wenn eine Vielzahl von piezoelektrischen Vibrationselementen so angeordnet sind, daß die piezoelektrischen Spannungssignale der Elemente zwischen den zwei Elementen mit benachbarten Resonanz-Frequenzen mit umgekehrter Polarität aufgebaut werden, wenn die Elemente in der gleichen Richtung deformiert werden und wenn die Klopf-Frequenz (Vibration einer äußeren Kraft) zwischen den beiden einander benachbarten Resonanzfrequenzen liegt". Es ist auf diese Weise möglich, eine Vibrationsansprechcharakteristik in gespreizter Breite und mit mehreren Scheitelpunkten zu erreichen und das S/N-Verhältnis des Klopf-Sensors zu verbessern.

Es liegt auf der Hand, daß die vorhergehende Beschreibung nur auf zweckmäßige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes gerichtet ist, und daß verschiedene Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne daß dadurch der Rahmen des Schutzumfanges der Erfindung ,wie er sich aus den Patentansprüchen ergibt, verlassen würde.

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Claims

PATENTANWÄLTE

Ref RKSENTATIVES BEFORE THE EUHJPEAN PATENT OFFICE

NISSAN MOTOR COMPANY, LIMITED 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan

A. GRÜNECKER

OPU-tNG

H. KINKELDEY

DH-ING

W. STOCKMAIR

OR-INa-AaE (CALTECH

K. SCHUMANN

DH HEH NAT »PL-PHYS

P. H. JAKOB

DlPt.-ING.

G. BEZOLD

DR FER NAT- 0ΐΡΐ_-Ο*Μ

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 15 592-25/Ga 4-. November I98O

Vibrations-Sensor

Patentansr>rüche

1. Vibrations-Sensor ' · :

gekennzeichnet durch

a) ein Gehäuse mit hohler Ausnehmung (4-0, 74·» 80);

b) eine Vielzahl piezoelektrischer Vibrationselemente (.131, 132, 133, 134, 135, 136, 70, 71, 85 und 86), die in der hohlen Ausnehmung des Gehäuses frei vibrieren können und deren Resonanz-Frequenzen einander benachbart festgelegt sind, wobei die Vibrationselemente so angeordnet sind, daß sie ein piezoelektrisches Sensorsignal erzeugen, für das die von

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TELEFON (089) 22 28 62

TELEX OS-29 38O

TELEGRAMME MONAPAT

TELEFAX

den Vibrationselementen abgegebenen jeweiligen piezoelektrischen Spannungen nach Art einer Synthese mit der gleichen Polarität zusammengesetzt werden, sobald die Klopf-Frequenz des Motors zwischen zwei benachbart liegenden Resonanz-Frequenzen der Vibrationselemente liegt; und

c) stromleitende Mittel (24-, 50, 72 und 81) zum Weiterleiten der piezoelektrischen Signale nach Ansprechen der piezoelektrischen Elemente auf Vibrationen, wodurch eine Vibrations-Ansprechcharakteristik mit mehreren Spitzenwerten erreicht wird.

2. Vibrations-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der piezoelektrischen Vibrations-Elemente eine gerade Zahl ist.

3. Vibrations-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Enden der piezoelektrischen Vibrationselemente an dem Gehäuse festgelegt sind, und daß die zweiten Enden der Elemente in der hohlen Ausnehmung des Gehäuses nach Art eines frei auskragenden, einseitig eingespannten Trägers zu Vibrationen frei anregbar sind.

4. Vibrations-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vibrationselemente an der gleichen Seite und zueinander parallel angeordnet sind.

5. Vibrationssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vibrationselemente zueinander relativ axial versetzt und im wesentlichen symmetrisch um die Mittelachse des Gehäuses verteilt sind.

6. Vibrations-Sensor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Vibrationselemente

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in Kreuzform und im wesentlichen symmetrisch um die Mittelachse des Gehäuses angeordnet sind.

7- Vibrations-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vibrationselemente nach Art von Propeller-Flügeln ausgebildet und angeordnet sind.

8. Vibrations-Sensor nach den Ansprüchen 3, 4-, 5» 6 oder

7» dadurch gekennz ei chnet , daß die Resonanz-Frequenzen der Vibrationselemente durch unterschiedliche Auskraglängen der Vibratoren vorherbestimmt sind.

9. Vibrations-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenumfänge der piezoelektrischen Vibrationselemente (70 und 71) am Gehäuse festgelegt sind, während die Mittelbereiche der Elemente in der hohlen Ausnehmung nach Art einer Membrane frei schwingbar sind.

10. Vibrations-Sensor nach Anspruch 9) dadurch gekennzeichnet , daß die Vibrationselemente von Doppelplatten-Zellen gebildet sind.

11. Vibrations-Sensor nach einem der Ansprüche .9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanz-Frequenzen der Vibrationselemente durch unterschiedliche Durchmesser der membranartig frei schwingenden Mittelbereiche vorherbestimmt sind.

12. Vibrations-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die piezoelektrischen Vibrationselemente durch das Gehäuse mit einer dazwischenliegenden Feder eingeklemmt sind,und zwar in einer aus Masse-Feder-Masse gebildeten, linearen Reihe.

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12. Vibrations-Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanz-Frequenzen der Vibrationselemente durch unterschiedliche Massen der Vibratoren vorherbestimmt sind.

14. Vibrations-Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2, 3₅ 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß die piezoelektrischen Vibrationselemente eine Elektrode (142, 143)auf jeder Seite aufweisen und auf Metallplatten (91, 92, 93, 95 und 96) befestigt sind.

15· Vibratons-Sensor nach Anspruch 14-, dadurch gekennzeichnet , daß isolierende Mittel (26, 50a, 75) zum elektrischen Trennen des Gehäuses von den leitfähigen Mitteln vorgesehen sind'.

16. Vibrations-Sensor nach Anspruch 15₅ dadurch gekennzeichnet , daß zum Festlegen des Gehäuses an einem Motorblock ein Ankerbolzen (4-1) vorgesehen ist.

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