DE3041540C2

DE3041540C2 - Vibrations-Sensor

Info

Publication number: DE3041540C2
Application number: DE3041540A
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: 1983-01-20
Also published as: US4373378A; JPS5667731A; FR2468894A1; GB2063009B; DE3041540A1; FR2468894B1; GB2063009A

Description

5. Vibrations-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationselemente zueinander relativ axial versetzt und im wesentlichen symmetrisch utn die Mittelachse des Gehäuses verteilt sind.

6. Vibrations-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationselemente in Kreuzform und im wesentlichen symmetrisch um die Mittelachse des Gehäuses angeordnet sind.

7. Vibrations-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationselemente nach Art von Propeller-Flügeln ausgebildet und angeordnet sind.

8. Vibrations-Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen der Vibrationselemente durch unterschiedliche Auskraglängen der Vibrationselemente vorbestimmt sind.

9. Vibrations-Sensor nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang jedes piezoelektrischen Vibrationselementes (70, 71) im Gehäuse festgelegt ist, während der Mittelbereich des Vibrationselementes membranartig in dem Hohlraum schwingbar ist.

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

11. Vibrations-Sensor nach einem der Ansprü* ehe 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen der Vibrationselemente durch unterschiedliche Durchmesser der membranartig freischwingenden Mittelbereiche vorherbestimmt

sind.

12. Vibrations-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Vibrationselemente durch schwingfähige Massen und einer dazwischen angeordneten Feder gegen das Gehäuse gepreßt sind.

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

14. Vibrations-Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Vibrationselemente auf jeder Seite eine Elektrode (142, 143) aufweisen und auf Metallplatten (91,92,93,95 und 96) befestigt sind.

15. Vibrations-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zu seiner Befestigung an einem Motor einen Ankerbolzen (41) aufweist.

Die Erfindung betrifft einen Vibrations-Sensor, insbesondere zum Erlassen des Klopfens eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine klopfende Verbrennung im Betrieb an einer Verbrennungskraft-Maschine kann bei längerer Dauer für einzelne Teile der Maschine schädlich sein. Andererseits liegen die besten Verbrennungszustände, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen, dann vor, wenn die Maschine mit schwach klopfender Verbrennung arbeitet Es sind deshalb verschiedene Systeme bekanntgeworden, die eine klopfende Verbrennung erfühlen und daraufhin den Zündzeitpunkt entsprechend regulieren, so daß eine s'hwach klopfende Verbrennung über längere Zeit aufrechterhalten wird, um den Drehmomentverlauf und uen Brennstoffverbrauch zu optimieren. Die Zündung wird deshalb verstellt, weil zwischen einer klopfenden Verbrennung und dem Zündzeitpunkt ein enges Verhältnis besteht In diesem System ist ein Vibrationssensor erforderlich.

Aus der DE-PS 7 41 195 ist ein Vibrationssensor bekannt, der ein den zu erfassenden Vibrationen ausgesetztes Gehäuse mit mehreren darin schwingungsfähig gelagerten piezoelektrischen Wandler- oder Vibrationselementen aufweist deren Ausgangssignal zusammengefaßt sind.

Der Nutzfrequenzbereich dieses Vibrationssensors liegt erheblich unter dessen Resonanzfrequenz und ist zudem verhältnismäßig schmal.

Aus der DE-OS 28 01 969 ist es weiterhin bekannt einen piezoelektrischen Vibrationssensor so auszugestalten, daß sein Nutzfrequenzbereich einer einzigen Resonanzfrequenz entspricht Jedoch ist auch hierbei der Nutzfrequenzbereich verhältnismäßig eng.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationssensor der eingangs genannten Art anzugeben, der sich durch einen erheblich vergrößerten Nutzfrequenzbereich und damit ein verbessertes An* sprechverhalten auf Klopf-Frequenz-Vibrationen aüszeichnet

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Ausbildung weisen die piezoelektrischen Vibrationselemente unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf und ihre Ausgangssignale werden im Bereich zwischen den unterschiedlichen Resonanzfrequenzen mit gleicher Polarität kombiniert Dieser Bereich ist verhältnismäßig groß und verkörpert den Nutzfrequenzbereich. In diesem 3ereich durchläuft die Frequenz- AusgangsspannuDgs-Charakteristik mindestens zwei Maxima, zwischen denen hohe Ausgangsspannungen resultie. en, während sich für Frequenzen, die \q kleiner als die kleinere und größer als die größere der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen sind, nur sehr geringe Ausgangsspannungen ergeben. Es ergibt sich auf diese Weise ein verbessertes Ansprechverhalten des Vibrations-Sensors auf durch eine klopfende Verbrennung hervor; ehobene Vibrationen, deren Frequenzen in dem Nutzfrequenzbereich streuen.

Die in den Unteransprüchen hervorgehobenen Merkmale bilden den Vibrations-Sensor gemäß dem Hauptanspruch vorteilhaft weiter.

Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Ausfuhrungsformen der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Vibrations-Sensors,

Fig.2 ein Diagramm über die Ansprechcharakteristik des Vibrator-Sensors von Fig. 1,

F i g. 3A einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Vibrator-Sensors, F i g. 3B einen Vertikalschnitt in F i g. 3A, Fig.4A eine vergrößerte Draufsicht auf die Vibrationselemente, die in F i g. 3A gezeigt sind,

Fig.4B eine Seitenansicht der Vibrationselemente von F i g. 4A,

F i g. 5A einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Vibrations-Elemente für den Sensor von F i g. 3A, B,

F i g. 5B einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform der Vibrationselemente für den Sensor von Fig.3A.B.

F i g. 6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Satzes aus kreuzförmig und frei eingespannten Vibrationselementen.

F i g. 7 ein Diagramm über die Ansprechtharakteristika der Vibrationselemente von F i g. 6,

F i g. 8A eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Satzes kreuzförmig angeordneter frei eingespannter Vibrationselemente,

Fig.8B eine Druntersicht auf die Ausführungsform von F i g. 8A.

F i g. 8C einen Vertikalschnitt durch die Ausführungsform von F i g. 8A.

F i g 9 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von F i g. 8 zur Verdeutlichung des Zusammenbaus,

Fig. 1OA und 1OB Draufsichten auf eine weitere Ausführungsforrp propellerartig angeordneter, frei eingespannter Vibrationselemente,

Fig. 11 einen Vertikal-Schnitt durch eine weitere Ausführungsform membranartiger Vibrationselemente, Fig. 12 einen Vertikal-Schnitt duroh eine weitere Ausführungsform und

Fig. 13 ein Schema zum Aasführungsbeispiel von Fig. 12,

Gemäß Fig.l sind zwei Vibrations-Einheiten 151a und 1516 durch einen Bolzen 28 mit einer Unterlegscheibe 26 und Hülsen 23, 24 am Motorblock 29 befestigt. Die Einheiten 153a und 151/? bestehen aus zwei piezoelektrischen Elementen 131a Und 1316 Und Metallplatten 91a und y ib.

Zusätzlich ist eine zylindrische Isolierhülse 27 in die Mittelbohrungen der Hülsen 23,24 und 25 eingesetzt.

Die Resonanzfrequenzen der beiden Einheiten 151a und 1510 sind so gewählt, daß sie voneinander verschieden sind. Sie betragen beispielsweise 6,7 kHz und 6,3 kHz.

Bei dieser Ausfflhrungsform sind die piezoelektrischen Elemente 131a und 1316 der Einheiten 151a und 1516 so angeordnet, daß die Richtungen der dielektrischen Polaritäten beider Elemente, wie durch Pfeile markiert, gleich sind. Die piezoelektrischen Spannungssignale, die von jedem der Elemente erzeugt werden, werden auf die Hülse 24 übertragen und bei einem Anschluß 30 abgegriffen bzw. einem weiteren Anschluß 31 über den Motorblock 29 zugeführt Dies bedeutet, daß die obenliegende Oberflächen-Elektrode (in Fig. 1 nicht gezeigt) des piezoelektrischen Elementes 131a und die unten liegende Oberflächenelektrode (nicht gezeigt) des piezoelektrischen Elementes 1316 miteinander über die Hülre 23, die Scheibe 26, den Bolzen 28, der Motorblock 29, die Hülse 25 und .ie Metallplatte 916 verbunden sind, und daß die untere Ob?rf!ächene!ektro de des Elementes 131a und die obere Oberflächenelektrode des Elementes 1316 miteinander durch die Metallplatte 19 und die Hülse 24 verbunden sind. Daraus ergib: sich, daß bei einer in der gleichen Richtung erfolgenden Deformation der Einheiten 151a und 1516 die piezoelektrischen Spannungssignale der Einheiten miteinander in umgekehrter Polarität aufgebaut werden.

F i g. 2 zeigt die Amplituden- und Phasencharakteristik (kleines Bild im oberen Bereich) in Abhängigkeit der Frequenz einer äußeren Kraft Die Resonanz-Frequenz der ersten Einheit 151a ist auf 6,3 kHz eingestellt, während die der zweiten Einheit 1516 auf 6,7 kHz eingestellt ist. Wie aus der oberen grafischen Darstellung hervorgeht, liegt die Vibrationsbewegung in Phase mit der Vibration der äußeren Kraft, solange die Frequenzen der äußeren Kraft niedriger sine', als die Resonanz-Frequenz. Wenn die Frequenzen der äußeren Kraft größer sind, als die Resonanz-Frequenz, liegt die V.oration um 180° außerhalb der Phase der Vibration der äußeren Kraft vorausgesetzt der Dämpfungskoeffi zient ist 0. In dem Beispiel von F i g. 2 ist also die Vibration A (6,3 kHz) in Phase mit der Vibration 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 Vibrationsbewegung A um 180" aus der Phase der Vibrationsbewegung B.

Da die Einheit 151a (A in Fig. 2) und die zweite Einheit 1516(Bin Fig 2)derart miteinander verbunden sinr¹. daß ihr Ausgangssignal 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. Wem hingegen die Klopffrequenzen zwischen 6,3 kHz und 6,7 kHz liegen, werden die beiden Ausgangssignale verstärkt= Dementspreghend zeigt das gemeinsam abgegriffene Ausgangsspanncngssignal zwei benachbarte Scheitelpunkte (C in F ί g, 2), Aitf diese Weise werden die Klopfvibrationen brauchbarer und in einem gespreizten Bereich abgetastet. Es lassen sich die Resonanzfrequenzen der Elemente durch Veränderung der Kraglänge einstellen. Fig.3 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein

zylindrisches Metallgehäuse 40 einen Ankerbolzen 41 besitzt, im Mittelpunkt des Gehäuses 40 sind zwei Vibrationseinheiten 152a und 1526 mit zwei Verschiedenen Resonanzfrequenzen zwischen rechteckigen Blökken 44 und 45 durch einen Bolzen 49 festgespannt.

Ferner sind 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 festgelegt. Die Abdeckkappe 50 weist einen isolierenden Abschnitt 50a auf, ferner einen metallischen Anschlußbereich 506 mit einem Innenkanal 50c. In dem Kanal 50c ist ein Leitungsabschnitt 46a von der leitfähigen Zwischenlage 46a untergebracht. Nachdem die Abdeckkappe 50 am Gehäuse 40 festgelegt ist, wird das obere Ende des Ϊ5 Kanals 50c durch Löten verschlossen, so daß das Ende der Leitung 46a mit dem oberen Ende des Anschlusses 50b verbunden ist.

Bei dieser Ausführungsform sind die Einheiten i52a und 1526 derart angeordnet, daß sie im wesentlichen symmetrisch um die Mittelachse des Gehäuses (F i g. 4A und 4B) liegen. Und zwar werden die Einheiten 152a und 152i> durch Elektroden 142a und 142a', ferner 1426 und 1426' auf einer Metallplatte 92 gebildet. Piezoelektrische Elemente 132a und 1326 sind so auf der Metallplatte befestigt, daß die Richtungen ihrer Polaritäten einander entgegengesetzt sind, wie durch die Pfeile markiert ist. Daraus resultiert, daß die piezoelektrischen Signale der Elemente mit umgekehrter Polarität aufgebaut werden, wenn die Elemente in der gleichen Richtung deformiert werden. Das zwischen dem Anschluß 506 und dem Gehäuse 40 erzeugbare Sensor-Signal zeigt die gleiche Charakteristik, wie sie in F i g. 2 erläutert wurde.

Fig.5A verdeutlicht eine erste Einheit 153a auf der nach links gerichteten, oberen Oberfläche einer Metallplatte 93. während eine zweite Einheit 1536 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 F i g. 5A angedeutet wird.

Gemäß F i g. 5B können die Einheiten 154a und 1546 so ausgebildet sein, daß ein piezoelektrisches Element l34a, das auf dem rechten Teil seiner Oberseite keine Elektrode besitzt, auf einem anderen piezoelektrischen « Element 1346 befestigt ist, das keine Elektrode an dem linken Teil seiner Unterseite besitzt. Es fehlt dabei eine metallische Basisplatte.

Fig.6 zeigt ein kreuzförmiges piezoelektrisches Element 135 mit vier frei auskragenden Armen, das auf einer ebenfalls kreuzförmigen Metallplatte befestigt ist, die wesentlich größer ist, als das Element 135. Die Resonanz-Frequenzen der Arme des Kreuzes sind so ausgelegt, daß sie über die einzelnen Arme 95a, 956,95c und 95cf ansteigen, und zwar in der Richtung der Diagonalen. Auf der Metallplatte 95 sind die vier piezoelektrischen Elemente in zwei Gruppen unterteilt, nämlich 135a und 135a und 1356 und 135c/, die die Form eines Kreuzes bilden, das schräg in zwei Hälften unterteilt ist Die Richtung der Polarität jeder Gruppe ist umgekehrt zu der anderen. Elektroden 145a und 1456 haben ebenfalls einander entgegengesetzt gerichtete Polaritäten. Gestützt wird die Anordnung durch eine Basis 6Z

Da die Polaritäten der piezoelektrischen Elemente 135a und 135cder Polarität der Elemente 1356 und 135c/ entgegengesetzt sind, und da die Resonanz-Frequenzen dieser Elemente in Richtung Ober die Arme 95a, 956,95c und 95c/ ansteigen, ergibt sich eine Charakteristik gemäß F i g. 7,

Nach F i g. 8A und B und C sind auf tier Oberfläche eines kreuzförmig ausgebildeten piezoelektrischen Elementes 136 zwei Elektroden i46a und 1466 ebenfalls kreuzförmig ausgebildet und schräg in zwei Hälften geteilt. Auf der RüGkenfläche des Elementes 136 ist eine einzelne Elektrode 146c vorgesehen. Das piezoelektrische Element 136 wird durch die beiden Elektroden i46a und 1466 dielektrisch polarisiert (Fig.8C)₁ und zwar so, daß zwei unterschiedliche Polaritätsrichtungen in ein und demselben piezoelektrischen Element 136 erreicht werden.

Fig.9 zeigt, wie vier piezoelektrische Elemente auf einer Metallplatte 96 befestigt sind.

Gemäß Fig. 1OA und 1OB sind Metallplatten propellerartig angeordnet. Da diese Propellerform zu einer Vergrößerung der Äquivalenz-Massen führt, ist es möglich, die Länge der Fiügei im Vergieiuh mit den frei auskragenden Elementen bei kreuzförmiger Anordnung zu verringern.

Gemäß F i g. 11 ist ein Paar scheibenförmiger Doppelplattenzellen 70 und 71 in einem Gehäuse 74 so angeordnet, daß sie parallel zueinander verlaufen und einander zugewandt sind. Die Doppelplattenzelle 70 enthält ein piezoelektrisches Element 70a und ein weiteres piezoelektrisches Element 706, weiche in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, und zwar aufeinander zuweisend, wie die Pfeile andeuten. Auf gleiche Weise besteht die Doppelptattenzelle 71 aus piezoelektrischen elementen 71a, 6, welche in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, und zwar voneinander wegweisend. Die beiden Doppelplattenzellen 70 und 71 sind an ihren Umfangen durch eine Hülse 73, einen Anschluß 72 und ein Isolierglied 75 am Gehäuse 74 festgeklemmt.

Die Resonanzfrequenzen sind hierbei durch Verändern der Durchmesser der Zellen voreingestellt. Hierbei wäre es auch möglich, 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

Die Fig. 12 und 13 zeigen Massen 83 und 84, die paarweise unter Zwischenlage einer Tellerfeder 82 festgelegt sind. Piezoelektrische Elemente 85 und 86 mit gleicher Polaritätsrichtung sind zwischen der Masse 83 und dem Gehäuse 80 und der Masse 84 und dem Anschluß 81 paarweise angeordnet In Fig. 13 stellen die Federn 53 und 54 die Elemente 85 und 86 dar, während die Kästchen 51 und 52 die Massen 83 und 84 versinnbildlichen, wodurch ein Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden entsteht Die Federkonstante (Steifigkeit) 50 der Tellerfeder 82 ist sehr klein, verglichen mit denen der Federn 53 und 54 bzw. der Elemente 85 und 86. Es ist möglich, die Feder 82 als Leiter auszubilden.

Es können die Resonanz-Frequenzen durch Veränderung der Massen verstellt werden. Wie erläutert wurde, werden die piezoelektrischen Signale 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 ist, daß die piezoelektrischen Spannungssignale der Elemente zwischen den zwei Elementen mit benachbarten Resonanz-Frequenzen mit umgekehrter Polarität aufgebaut werden, sobald die Elemente in der gleichen Richtung deformiert werden und wenn die Klopf-Frequenz zwischen den

beiden einander benachbarten Resonanzfrequenzen Hegt.

Zusammenfassend läßt sich auf diese Weise das Ansprechverhalten des Sensors auf KIopf^Frequenz^Vl· brationen verbessern.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Vibrations-Sensor, insbesondere zum Erfassen des Klopfens eines Verbrennungsmotors, mit einem einen Hohlraum aufweisenden Genäuse, mit einer Vielzahl piezoelektrischer Vibrationselemente, die im Hohlraum des Gehäuses frei vibrieren können, wobei jedes piezoelektrische Vibrationselement vom Gehäuse derart abgestützt wird, daß es mit seiner wählbaren Resonanzfrequenz vibrieren kann, und mit Mitteln zum elektrischen Übertragen der durch Vibrationen erzeugten piezoelektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Vibrationselemente (131,132,133, 134, 135, 136, 70, 71, 85 und 86) mit zueinander benachbarten Resonanzfrequenzen ausgelegt sind, und daß die Ausgangssignale der piezoelektrischen Vibrationselemente in einem Bereich zwischen diesen benachbarten bzw. unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, der den zu erfassenden Vibrations-Frequenzbereich verkörpert, mit gleicher Polarität Eusammengefaßt sind.

2. Vibrations-Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gerade Anzahl piezoelektrischer Vibrations-Elemente.

3. Vibrations-Sensor nach \nspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Vibrationselemente jeweils mit einem Ende im Gehäuse abgestützt sind, und daß die anderen Enden der Vibrationselemente in dem Hohlraum des Gehäuses nach Art ein-, s frei auskragenden, einseitig eingespannten Trägers angeordnet ?>nd.

4. Vibrations-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationselemente an einer Seite zueinander parallel angeordnet