DE3403124A1

DE3403124A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3403124A1
Application number: DE19843403124
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Yokohama Kanagawa Takeuchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-01-31
Filing date: 1984-01-30
Publication date: 1984-08-02
Also published as: JPH0322577B2; US4524625A; DE3403124C2; JPS59141028A

Description

TER MEER - MÜLLER ■ STElNMEISTEr? : NiSSe^n Motor Co. , Ltd.

- 5 DRUCKSENSOR

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
5

Derartige Drucksensoren werden beispielsweise zur Abtastung des Innendruckes der Brennkammer oder der Brennkammern einer Brennkraftmaschine verwendet.

Es ist bekannt, den Innendruck der Brennkammer einer Brennkraftmaschine indirekt im Hilfe eines außen an dem Zylinderkopf angebrachten Drucksensors abzutasten. Der Drucksensor ist als Unterlegscheibe ausgebildet und umgibt eine Zylinderkopfschraube, mit der der Zylinderkopf an dem Zylinderblock befestigt ist. Der Drucksensor ist in ähnlicher Weise wie eine normale Unterlegscheibe zwischen der Schraube und dem Zylinderkopf eingespannt und enthält ein piezoelektrisches Element/ das durch die bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder erzeugte Kraft verformt wird und infolge dieser Verformung ein elektrisches Signal erzeugt, das den Druck in der Brennkammer des Zylinders angibt.

Allgemein nimmt die Genauigkeit von piezoelektrischen Elementen bei der Abtastung von Kräften oder Drücken ab, wenn die innere Spannung des piezoelektrischen Elements zunimmt. Bei dem oben beschriebenen Drucksensor steht das piezoelektrische Element ständig unter einer hohen Druckspannung, die hervorgerufen wird durch die Kraft, mit der der Zylinderkopf mit Hilfe der Zylinderkopfschraube auf den Zylinderblock gespannt wird. Dies führt dazu, daß die Meßgenauigkeit des Drucksensors verhältnismäßig klein ist.

Die Erfindung ist auf die Schaffung eines Drucksensors ge-,richtet, der insbesondere bei der Abtastung des Ver-

TER MEER -MÜLLER · STEINMEISTER-] ; - ; Nls&ari Motp.r. Co. , Ltd.

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brennungsdruckes einer Brennkraftmaschine eine höhere Meßgenauigkeit gestattet.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie Verfahren zur Herstellung bestimmter Ausführungsformen des Drucksensors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Drucksensor umfaßt ein Gehäuse und ein Fühlelement. Das Gehäuse weist zwei einander gegenüberliegende Innenflächen auf, die einen Hohlraum zur Aufnahme des Fühlelements begrenzen. Eine erste Stirnfläche des Fühlelements steht mit einer der Innenflächen des Gehäuses in Berührung, während die zweite Stirnfläche des Fühlelements mit der gegenüberliegenden Innenfläche des Gehäuses einen vorgegebenen Zwischenraum bildet. Das Fühlelement wird daher erst dann einer Druckspannung ausgesetzt, wenn die auf das Gehäuse ausgeübte Kraft so groß wird, daß das Gehäuse, elastisch verformt wird und auch die zweite Innenwand des Gehäuses mit dem Fühlelement in Berührung tritt. Auf diese Weise wird die mechanische Beanspruchung des Fühlelements verringert und damit die Meßgenauigkeit erhöht.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 " ist ein senkrechter Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit einem

erfindungsgemäßen Drucksensor;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den in

Fig. 1 gezeigten Drucksensor; 35

TER MEER · MÜLLER · STEINMElSTEf "_: Nicsa*! Motor Co. , Ltd.

Fig. 3 ist eine Explosionsdarstellung des Drucksensors aus Fig. 1;

Fig. 4 ist eine Grafik zur Veranschaulichung

der Beziehung zwischen der von außen auf den Drucksensor ausgeübten Kraft

und der Belastung des in Fig. 2 und 3 gezeigten piezoelektrischen Elements des Drucksensors;

Fig. 5 zeigt schematisch ein mechanisches

Modell des Drucksensors aus Fig. 1;

Fig. 6 zeigt das mechanische Modell des Drucksensors für einen Zustand-, in dem die auf den Drucksensor ausgeübte äußere

Kraft einen solchen Wert hat, daß die obere Scheibe des Sensors noch nicht das piezoelektrische Element berührt;

Fig. 7 zeigt das mechanische Element in einem

Zustand, in dem die äußere Kraft so groß ist, daß die obere Scheibe das piezoelektrische Element berührt;

Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch ein erstes

abgewandeltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors;

Fig. 9 ist ein Schnitt durch den abgewandelten Drucksensor, bevor die oberen und

unteren Scheiben des Sensor-Gehäuses mit inneren und äußeren Ringen verschweißt wurden;

TER meer · Müller · Steinmeister Nissan.Motor: Co.*,:

Fig. 10 zeigt den Drucksensor aus Fig. 8 und 9 nach dem Verschweißen der Scheiben mit den Ringen;

Fig. 11 ist ein Längsschnitt durch einen Drucksensor gemäß einem zweiten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 12 zeigt den Drucksensor aus Fig. 11 vor dem Einspritzen von Kunststoff in einen

inneren Hohlraum des Sensor-Gehäuses;

Fig. 13 zeigt den Drucksensor unmittelbar nach

dem Einspritzen des Kunststoffs; 15

Fig. 14 ist ein Längsschnitt durch einen Drucksensor gemäß einem dritten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 15 zeigt einen Grundriß eines Drucksensors

gemäß einem vierten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 16 ist ein Schnitt längs der Linie J-J in Fig. 15;

Fig. 17 ist eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung zu Fig. 16.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Brennkraftmaschine 100 einen Zylinderblock 102 und einen Zylinderkopf 104, der mit Hilfe von Zylinderkopfschrauben 106 an dem Zylinderblock 102 befestigt ist. In Fig. 1 ist nur eine der Zylinderkopfschrauben 106 erkennbar. Der Zylinderblock 102 und der

TER MEER -MÜLLER · STEINMEISTER KlSS^IT Motor Coy,. Li;d.

Zylinderkopf 104 bilden Brennkammern 108, von denen ebenfalls nur eine dargestellt ist. Ein ringförmiger Drucksensor 20 ist als Unterlegscheibe ausgebildet und umgibt einen von dem Zylinderkopf 104 vorspringenden Abschnitt der Zylinderkopfschraube 106. Der Drucksensor 20 ist in ähnlicher Weise wie eine normale Unterlegscheibe zwischen dem Zylinderkopf 104 und dem Kopf der Schraube 106 eingespannt.

In Fig. 2 und 3 ist der Drucksensor 20 im einzelnen dargestellt. Der Drucksensor 20 umfaßt einen Körper oder ein Gehäuse mit oberen und unteren Scheiben 21,22 aus Metall, die in Abstand koaxial zueinander angeordnet sind. Die Scheiben 21 und 22 weisen jeweils eine Mittelbohrung zur Aufnahme der Zylinderkopfschraube auf. Das Gehäuse des Drucksensors 20 umfaßt ferner einen inneren Ring 23 und einen äußeren Ring 24. Die Ringe 23 und 24 sind konzentrisch zueinander koaxial zwischen den Scheiben 21 und angeordnet und weisen gleiche axiale Abmessungen auf, die dem Abstand zwischen den Scheiben 21 und 22 entsprechen. Die Ringe 23 und 24 weisen einen radialen Abstand zueinander auf und begrenzen zusammen mit den Scheiben 21 und einen ringförmigen Hohlraum. Die Ringe 23 und 24 bestehen aus einem verhältnismäßig starren Material wie etwa Stahl. Die oberen Stirnflächen der Ringe 23 und 24 sind mit der unteren Stirnfläche der oberen Scheibe 21 verschweißt, und die unteren Stirnflächen der Ringe 23 und sind mit der oberen Stirnfläche der unteren Scheibe 22 verschweißt. Die Mittelbohrung des inneren Rings 23 dient zur Aufnahme der Zylinderkopfschraube 106.

Innerhalb des ringförmigen Hohlraums ist koaxial zu den Scheiben 21 und 22 ein ringförmiges Fühlelement 28 angeordnet. Das Fühlelement 28 umfaßt axial miteinander ausgerichtete, ringförmige elektromechanische Wandlerelemente

TER meer · Müller . Steinmeister Nissan rMdfor Co.:, XiTdI":.:.

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25 und 26 wie etwa keramische piezoelektrische Elemente und eine zwischen den beiden Wandlerelementen 25 und 26 eingefügte und axial mit diesen ausgerichtete Ringelektrode 27 ο Die Ringelektrode 27 ist mit ihrer oberen Stirnfläche an der unteren Stirnfläche des oberen piezoelektrischen Elements 25 befestigt, während die untere Stirnfläche der Ringelektrode 27 an der oberen Stirnfläche des unteren piezoelektrischen Elements 26 anliegt und mit dieser verbunden ist. Die piezoelektrischen Elemente 25 und 26 sind in Axialrichtung entgegengesetzt polarisiert, so daß die mit der Ringelektrode 27 in Berührung stehenden Flächen die gleiche Polarität aufweisen.

Das Fühlelement 28 weist einen radialen Abstand sowohl zu dem Ring 23 als auch zu dem Ring 24 auf, so daß die Ringelektrode 27 elektrisch von den Ringen 23 und 24 isoliert ist. Damit eine zuverlässige elektrische Isolierung zwischen der Elektrode 27 und dem inneren Ring gewährleistet ist, ist in dem betreffenden Abschnitt des ringförmigen Raums zwischen dem Fühlelement 28 und dem inneren Ring 23 ein Isolierungsrohr 29 angeordnet. An der äußeren Mantelfläche des äußeren Rings 24 ist eine nicht gezeigte Klemme montiert, die über nicht gezeigte, durch eine ebenfalls nicht gezeigte Radialbohrung des äußeren Rings 24 verlaufende Leitungen elektrisch mit der Ringelektrode 27 verbunden ist. Die Leitungen sind mit Isolationsmaterial beschichtet und somit elektrisch von dem äußeren Ring 24 isoliert. : ,

Das untere piezoelektrische Element 26 ist mit seiner unteren Stirnfläche an der oberen Stirnfläche der unteren Scheibe 22 befestigt. Das untere piezoelektrische Element

26 dient zur Erzeugung eines elektrischen Signals oder einer Spannung zwischen der unteren Scheibe 22 und der

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Ringelektrode 27.

Wenn sich der Drucksensor in seinem ursprünglichen, von der Zylinderkopfschraube 106 gelösten Zustand befindet, so ist das obere piezoelektrische Element 25 in axialer Richtung durch einen vorgegebenen Zwischenraum 30 von der oberen Scheibe 21 getrennt. Wenn sich der Drucksensor 20 in seiner Montagestellung befindet, in der er die Zylinderkopfschraube 106 umgibt, so wird die obere Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 25 mit der unteren Stirnfläche der oberen Scheibe 21 in Berührung gebracht, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Das obere piezoelektrische Element 25 dient zur Erzeugung eines elektrischen Signals oder einer Spannung zwischen der oberen Scheibe 21 und der Elektrode 27.

Der Drucksensor 20 ist in der Weise um die Schraube 106 herum angeordnet, daß die Schraube 106 sich durch die Mittelbohrungen der Scheiben 21 und 22 und des inneren Rings 23 erstreckt. Die obere Stirnfläche des Drucksensors 20 steht mit dem Kopf der Zylinderkopfschraube 106 in Berührung, während die untere Stirnfläche des Drucksensors 20 den Zylinderkopf 104 berührt. Auf diese Weise ist der Drucksensor 20 zwischen der Schraube 106 und dem Zylinderkopf 104 eingespannt. Das Ausgangssignal des Drucksensors 20 wird über das Gehäuse des Drucksensors und die Klemme" ' abgeleitet.

Wenn die auf den Drucksensor 20 ausgeübte äußere Kraft F von Null auf einen vorgegebenen Schwellenwert Fs zunimmt, so bleibt gemäß Fig. 4 die innere Spannung oder Belastung Ofp der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 null da der Zwischenraum 30 bestehenbleibt und somit das Fühlelement noch nicht mit der oberen Scheibe 21 in Berührung tritt und keiner Belastung oder äußeren Kraft ausgesetzt wird.

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Wenn die äußere Kraft F den Schwellenwert Fs erreicht, wird die elastische Verformung des Gehäuses des Drucksensors 20 so groß, daß der Zwischenraum 30 überbrückt und die obere Scheibe 21 mit dem Fühlelement 28 in Berührung gebracht wird. Wenn die äußere Kraft F über den Schwellenwert Fs hinaus ansteigt, so nimmt die Belastung Op linear mit der äußeren Kraft F zu. In Fig. 4 gibt die gestrichelte Linie die Beziehung zwischen der äußeren Kraft F und der Belastung Ορο der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 an, die sich ergeben würde, wenn das Fühlelement 28 in herkömmlicher Weise bereits im entspannten Zustand des Sensors mit der oberen Scheibe 21 in Berührung stünde. Gemäß Fig. 4 nähme in diesem Fall die Belastung Cpo vom Nullpunkt aus proportional mit der

äußeren Kraft F zu. >.

In Fig. 5 werden die Verhältnisse in dem Drucksensor 20 anhand eines mechanischen Modells veranschaulicht. Die beiden Ringe 23 und 24 werden durch eine Feder C mit der Federkonstanten kc repräsentiert. Das Fühlelement 28 wird durch eine Feder P mit der Federkonstanten kp dargestellt. Die Breite des Zwischenraums 30 hat den Wert d, wenn keine äußere Kraft auf das Gehäuse des Sensors 20 einwirkt. In diesem Zustand hat die Länge der Ringe 23 und 24 den Wert h.

Wenn die auf die obere Scheibe 21 ausgeübte äußere Kraft F kleiner ist als der Schwellenwert Fs = d · kc, so ist die durch Zusammendrücken der Feder C bewirkte Auslenkung Ad der oberen Scheibe 21 kleiner als die Breite d des Zwischen raums, so daß die gesamte äußere Kraft F auf die Feder C und nicht auf die Feder P einwirkt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Somit hat die auf die Feder P einwirkende Kraft Fp den Wert null.

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Wenn die auf die obere Scheibe 21 ausgeübte äußere Kraft F größer als der Schwellenwert Fs ist, so ist die Auslenkung Ad der oberen Scheibe 21 größer als die Zwischenraum-Breite d, und die äußere Kraft F wirkt sowohl auf die Feder C als auch auf die Feder P, wie in Fig. 7 gezeigt ist. In diesem Fall gelten für die äußere Kraft F die folgenden Gleichungen:

F = Fc + Fp (1), wobei

Fc = Adkc (2)

Fp = {Ad - d) kp (3)

Eliminiert man die Größen Ad und Fc aus Gleichungen (1) bis (3), so ergibt sich die folgende Gleichung (4). 15

Fp = (F- dkc) kp/(kc + kp) (4).

Allgemein ist die Federkonstante k eines Materials gegeben durch:
20

k = EA// (5),

wobei mit E der Young'sehe Elastizitätsmodul, mit A die Querschnittsfläche und I die Länge des Materialstücks bezeichnet ist.

Folglich sind die Federkonstanten kc und kp gegeben durch:

kc = EcAc/h (6)

kp = EpAp/(h - d) (7),

wobei Ec den Elastizitätsmodul der Ringe 23 und 24, Ep den Elastizitätsmodul des Fühlelements 28 (es wird angenommen, daß der Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 gleich dem Elastizitätsmodul der Ring-

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elektrode 27 ist), Ac die Summe der Querschnittsflächen der Ringe 23 und 24 und Ap die Querschnittsfläche des Fühlelements 28 bezeichnet.

Setzt man in Gleichung (4) für kc und kp die Größen gemäß Gleichungen (6) und (7) ein, so ergibt sich die folgende Gleichungι

Ap Fp = ^Ep h-d (F - dEc ψ-) (8)

Wegen Op = Fp/Ap folgt:

_j£ _A

tfp = h-d (F - Ec ψ-) (9)

_ Ac ^ _ Ap ⁿ

^Ec ΪΓ ^{+ e}p 4

Da d im Vergleich zu h sehr klein ist, gilt die Näherung h - ds h. Folglich gilt die Näherung

Cp "= Ep_ (F - dEc r—) (10)

EcAc - EpAp

Dabei ist zu beachten, daß Cfp stets größer oder gleich null ist.

Aus Gleichung (10) geht deshalb hervor, daß die Belastung Cp Null bleibt, bis die äußere Kraft F auf den Wert d · Ec · Ac/h zunimmt. Für den Schwellenwert Fs gilt daher: Fs = d · Ec · Ac/h. ) Nachfolgend soll der Wert d für die Breite des Zwischenraums 30 hergeleitet werden. Die maximale äußere Kraft F, die auf die Scheiben 21 und 22 ausgeübt wird, soll mit Fmax bezeichnet werden, und die durch die maximale äußere Kraft Fmax hervor-

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gerufene Belastung oder Spannung des piezoelektrischen Elements 25 und 26 soll mit tfpmax bezeichnet werden. Mit Bezug auf Gleichung (10) ergibt sich für den Wert d:

In dem Fall, in dem der Drucksensor 20 in der zuvor beschriebenen Weise mit Hilfe der Zylinderkopfschraube 106 eingespannt wird, soll angenommen werden, daß der innere Durchmesser des Drucksensors 20 10 Millimeter und der äußere Durchmesser 23,4 Millimeter beträgt. Die Scheiben 21 und sowie die Ringe 23 und 24 bestehen aus einem Stahl mit

6 2

einem Elastizitätsmodul von 2 · 10 kg/cm . Der Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 und der Elektrode 27 stimmt mit dem des Stahls überein. Die Summe der Querschnittsflächen der Ringe 23 und 24 beträgt

2
2 cm , und die Querschnittsfläche des Fühlelements 28 soll

2
1,11 cm betragen. Die Ringe 23 und 24 haben eine axiale

Länge von 0,4 cm.
20

Wenn Fmax den Wert 3.600 kg hat, so erhält man die Breite d des Zwischenraums 30, die erforderlich ist, um die maximale Spannung Cpmax des piezoelektrischen Elements auf

2
300 kg/cm einzustellen, indem man die oben angegebenen Werte für die entsprechenden Variablen in Gleichung (11) einsetzt. Man erhält:

d = 2.7 χ 10~⁴ (cm)

d = 2.7 (m) (12)

Wenn man in Gleichung (10) für d den Wert 2.7 μπι und für die übrigen Variablen dieser Gleichung die oben angegebenen Werte einsetzt, so erhält man für die Spannung Cfp des piezoelektrischen Elements den Wert: 35

Cp « (F - 2700 (kg) )/3 (13)

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Somit liefert der Drucksensor 20 ein nutzbares Ausgangssignal, wenn die auf den Sensor ausgeübte äußere Kraft F über den Schwellenwert Fs = 2700 kg ansteigt.

Im allgemeinen beträgt die Spannkraft, mit der die Zylinderkopfschraube 106 den Zylinderkopf 104 gegen den Zylinderblock 102 spannt, etwa 3500 kg. Der Schwellenwert Fs = 2700 kg ist kleiner als diese Spannkraft. Folglich steht die obere Stirnfläche des oberen piezoelektrischen EIements 25 mit der unteren Stirnfläche der oberen Scheibe 21 in Berührung, wenn der Drucksensor in der zuvor beschriebenen Weise auf der Schraube 106 angeordnet und die Schraube angezogen wird. Die durch die Spannkraft der Zylinderkopfschraube hervorgerufene ständige Spannung oder Vorspannung der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 ist hinreichend klein gegenüber dem unteren Grenzwert von

beispielsweise 500 kg/cm , oberhalb dessen die Wirkungsweise der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 ungenau oder in sonstiger Weise fehlerhaft ist. Daher ist das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Drucksensors 20 ein genaues und zuverlässiges Maß für den Druck in der Brennkammer 108.

Fig. 8 zeigt einen Drucksensor 40 gemäß einem ersten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Drucksensor 40 umfaßt einen in dem Hohlraum des Sensorgehäuses angeordneten, koaxial mit dem oberen piezoelektrischen Element 25 ausgerichteten ringförmigen Abstandshalter 41. Der Abstandshalter 41 ist mit seiner unteren Stirnfläche an der oberen Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 25 befestigt und besteht aus einem plastisch verformbaren Metall, also einem Metall, das eine verhältnismäßig kleine maximale Grenzspannung hat, wie beispielsweise Weicheisen oder Aluminium. Die axialen Abmessungen der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 und der Ringelektrode 27 sind

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bei dem Druckmesser 40 kleiner als bei dem zuvor beschriebenen Drucksensor 20. Wenn keine äußere Kraft auf den Drucksensor 40 ausgeübt wird, ist die obere Stirnfläche des Abstandshalters 41 durch den Zwischenraum 30 von der unteren Stirnfläche der oberen Scheibe 21 getrennt.

Wenn die auf den Sensor 40 einwirkende äußere Kraft F den Schwellenwert Fs übersteigt, tritt der Abstandshalter 41 mit der oberen Scheibe 21 in Berührung. Die Ausgangsspannung des oberen piezoelektrischen Elements 25 liegt über den Abstandshalter 41 zwischen der oberen Scheibe 21 und der Ringelektrode 27 an.

Vor dem letzten Schritt beim Zusammenfügen des Drucksensors 40, d.h., wenn die obere Scheibe 21 noch gemäß Fig. von den Ringen 23 und 24 getrennt ist, ist die Summe der ursprünglichen axialen Abmessungen der piezoelektrischen Elemente 25 und 26, der Elektrode 27 und des Abstandshalters 41 etwas größer als die axiale Länge der Ringe 23 und 24, so daß das obere Ende des Abstandshalters 41 etwas Über die Ringe 23 und 24 hinaus vorsteht. Bei dem letzten Herstellungsschritt werden die Scheiben 21 und 22 gemäß Fig. mit einer Kraft zusammengepreßt, die der maximal auf die Scheiben 21 und 22 ausgeübten äußeren Kraft Fmax entspricht, und die Scheiben 21 und 22 werden mit den Ringen 23 und verschweißt. Wenn anschließend der Drucksensor wieder entlastet wird, so bildet sich der Zwischenraum 30, da der Abstandshalter 41 leichter plastisch verformbar ist, als die Ringe 23 und 24. Die Einstellung der auf die Scheiben 21,22 ausgeübten Kraft gewährleistet so eine genaue Einstellung der Breite des Zwischenraums 30. Rechnerisch ergibt sich die Breite des Zwischenraums 30, indem in Gleichung (11) für (Xpmax die Spannung Cs des Abstands-

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- 18 halters 41 eingesetzt wird.

Fig. 11 zeigt ein zweites abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Drucksensor 50 umfaßt einen ringförmigen Abstandshalter 51 ähnlich dem zuvor beschriebenen Abstandshalter 41. Der Drucksensor 50 weist jedoch kein oberes piezoelektrisches Element auf. Die untere Stirnfläche des Abstandshalters 51 liegt an der oberen Stirnfläche der Ringelektrode 27 an. Die obere Stirnfläche des Abstandshalters 51 ist durch den Zwischenraum 30 von der unteren Stirnfläche der oberen Scheibe 21 getrennt, wenn keine äußere Kraft auf den Drucksensor 50 einwirkt. Der Abstandshalter 51 besteht aus Kunststoff.

Bei der Herstellung werden die Scheiben 21 und 22 zunächst ohne den Abstandshalter 51 mit den Ringen 23 und 24 verschweißt, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Das piezoelektrische Element 26 und die Elektrode 27 werden dabei vorübergehend mit Hilfe eines an dem Isolierungsrohr 52 ausgebildeten Ansatzes 53 in dem Hohlraum festgelegt. Nach dem Verschweißen des Sensorgehäuses wird durch eine in dem äußeren Ring 24 ausgebildete Einspritzöffnung eine flüssige Kunststoffmasse 54 in den Bereich des Hohlraums zwischen der oberen Scheibe 21 und der Elektrode 27 eingespritzt, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Anschließend läßt man die Kunststoffmasse 54 durch eine bekannte chemische Reaktion oder eine geeignete Behandlung aushärten, so daß aus der Kunststoffmasse 54 der Abstandshalter 51 entsteht. Der Zwischenraum 30 bildet sich durch Schrumpfung der Kunststoffmasse 54 während des Aushärtens, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Sofern es sich bei der Kunststoffmasse 54 um ein thermoplastisches Material handelt, so wird die Masse durch Erwärmen aufgeweicht und in den Hohlraum eingespritzt

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und anschließend durch Kühlen ausgehärtet. Da der Ansatz 53 leichter plastisch verformbar ist als das piezoelektrische Element 26, ist die durch diesen Ansatz auf das piezoelektrische Element 26 ausgeübte Kraft nach dem Einspannen des Drucksensors 50 vernachlässigbar klein.

Fig. 14 zeigt einen Drucksensor 60 gemäß einem dritten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Drucksensor 60 ist die untere Scheibe 22 in einem Stück mit den Ringen 23 und 24 ausgebildet. Da in diesem Fall die axialen Abmessungen der Ringe 2 3 und 24 in einem gemeinsamen Bearbeitungsschritt auf gleiche Werte eingestellt werden, wird eine einfache und genaue Anpassung dieser Abmessungen ermöglicht. Der einstückige Aufbau des Sensorgehäuses gemäß Fig. 14 kann auch bei den in Fig. und 11 gezeigten Drucksensoren 40 und 50 gemäß den ersten und zweiten abgewandelten Ausführungsbeispielen verwendet werden.

Fig. 15 bis 17 zeigen einen Drucksensor 200 gemäß einem vierten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gehäuse dieses Drucksensors wird durch die oberen und unteren Scheiben 21,22 und die inneren und äußeren Ringe 23 und 24 gebildet. Die obere Scheibe 21 ist in einem Stück mit den inneren und äußeren Ringen 23 und 24 ausgebildet. Das ringförmige Fühlelement 28 ist in dem ringförmigen Hohlraum des Sensorgehäuses angeordnet, und weist einen vorgegebenen Abstand zu der oberen Scheibe auf, wenn keine äußere Kraft auf das Sensorgehäuse ausge-

übt wird. ;

Der Drucksensor 200 umfaßt eine ringförmige Klemme 202, die koaxial zwischen der unteren Scheibe 22 und den beiden Ringen 23 und 24 angeordnet ist und zusammen mit diesen Ringen und der oberen Scheibe 21 den Hohlraum des Gehäuses begrenzt.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER ·] ; ; "Nissan MctOJT CO. , Ltd,

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Das Fühlelement 28 umfaßt gemäß Fig. 17 ringförmige obere und untere piezoelektrische Elemente 25 und 26 und eine zwischen den piezoelektrischen Elementen 25 und 26 angeordnete ringförmige Elektrode 27. Außerdem umfaßt das Fühlelement 28 je einen oberen und unteren Haupt-Abstandshalter 204,208 und je einen oberen und unteren Hilfs-Abstandshalter 206,210. Die Haupt-Abstandshalter 204 und 208 weisen eine wesentlich größere Dicke als die Hilfs-Abstandshalter 206 und 210 auf. Die Abstandshalter 204, 206,208 und 210 sind ringförmig ausgebildet und axial mit den piezoelektrischen Elementen 25 und 26 und der Elektrode 27 ausgerichtet. Die Bauteile 204,206,25,27,26,210,208 und 202 sind in der angegebenen Reihenfolge zwischen den Scheiben 21 und 22 angeordnet.

Das Sensorgehäuse und die Elektrode 27 bestehen aus Metall. Die Abstandshalter 204,206,208 und 210 sind ebenfalls aus Metall hergestellt. Das Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements 25 wird über die oberen Abstandshalter 204 und 206 weitergeleitet und liegt somit zwischen der Elektrode 27 und dem Sensorgehäuse an. Entsprechend wird das Ausgangssignal des unteren piezoelektrischen Elements 26 über die unteren Abstandshalter 208,210.weitergeleitet, so daß es ebenfalls zwischen der Elektrode 27 und dem Sensorgehäuse anliegt. Das Fühlelement 28, weist einen Abstand zu dem äußeren Ring 24 auf und ist von dem inneren Ring 23 durch das innerhalb des Hohlraums angeordnete Isolationsrohr 29 getrennt.

Die Elektrode 27 weist einen radial nach außen vorspringenden Fortsatz 212 auf, der sich durch eine radiale öffnung in dem äußeren Ring 24 erstreckt, ohne den Ring zu berühren. Gemäß Fig. 16 umfaßt ein Kabel 214 isolierte Leitungen, die an das freie äußere Ende des Fortsatzes 212 angelötet sind. Das elektrische Signal der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 wird somit einerseits über das

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Kabel 214 und andererseits über das Sensorgehäuse abgeleitet. Die Klemme 202 weist einen nach außen gerichteten Vorsprung 216 auf, der mit einem Halter 218 zum Festlegen des Kabels 214 versehen ist. Ein Formteil oder Stopfen 220 aus isolierendem Material füllt den Raum zwischen dem Fortsatz 212 der Elektrode und dem mit der radialen öffnung versehenen Bereich des äußeren Ringes 24 aus. Zugleich füllt der Stopfen 220 den Freiraum zwischen dem äußeren Ring 24 und dem Halter 218 aus und bedeckt die Lötstelle zwischen dem Kabel 214 und dem Fortsatz 212.

Wie in Fig. 16 zu erkennen ist, ist die untere Scheibe 22 an ihren inneren und äußeren unteren Rändern abgeschrägt. Die inneren und äußeren Ringe 23 und 24 sind jeweils mit einem nach unten vorspringenden Kragen 23A bzw. 24A versehen. Die untere Scheibe 22 ist zwischen diesen Kragen 23A und 24A angeordnet. Der Kragen 23A des inneren Rings 23 ist derart nach außen abgewinkelt, daß er starr an der inneren Abschrägung der unteren Scheibe 22 anliegt. Entsprechend ist der Kragen 24A des äußeren Rings 24 nach

innen abgewinkelt und liegt starr an der äußeren Abschrägung der unteren Scheibe 22 an. Auf diese Weise wird die untere Scheibe 22 fest durch die Kragen 23A und 24A gehalten.
25

Der Vorgang der Herstellung des Drucksensors 20 umfaßt die folgenden Schritte. Zunächst werden die Bauteile derart positioniert, daß die Teile 204,206,25,27,26,210,208 und 202 sandwichartig zwischen den Scheiben 21 und 22 eingefügt sind. Die axialen Abmessungen der Teile 204,206,25, 27,26,210 und 208 werden derart gewählt, daß ihre Summe im wesentlichen mit der ursprünglichen axialen Länge der Ringe 23 und 24, d.h., mit der ursprünglichen axialen Länge des inneren Hohlraums des Sensorgehäuses übereinstimmt oder geringfügig größer als diese ist. Das Metall, aus dem die Haupt-Abstandshalter 204 und 208 hergestellt sind, ist

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER '"_ " : -Ni S San Motor V.O., Ltd.

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im Vergleich zu dem die Scheiben 21 und 22, die Ringe 23 und 24, die Elektrode 27 und die Klemme 202 bildenden Metall verhältnismäßig leicht plastisch verformbar. Die Kragen 23A und 24A der Ringe 23 und 24 sind ursprünglich gerade ausgerichtet. Anschließend werden mit Hilfe einer geeigneten Form- oder Quetscheinrichtung die Kragen 23A und 24A der Ringe 23 und 24 abgewinkelt, während gleichzeitig die Scheiben 21 und 22 mit einer vorgegebenen Kraft zusammengepreßt werden. Auf diese Weise wird die untere Scheibe 22 durch die Kragen 23A und 24A eingefaßt und festgelegt. Gleichzeitig werden die Haupt-Abstandshalter 204 und 208 zu einem vorgegebenen Grad plastisch verformt. Wenn anschließend das Sensorgehäuse wieder entlastet wird, ergibt sich aufgrund der plastischen Verformung der Haupt-Abstandhslater 204 und 208 ein vorgegebener Zwischenraum zwischen dem Sensorgehäuse und der oberen Stirnfläche des Fühlelements 28. Dieser Abstand ist als Funktion der aufgewendeten Preßkraft veränderlich. Die radiale Komponente der insgesamt auf das Sensorgehäuse ausgeübten Kraft bewirkt die Verformung der Kragen 23A und 24A, während die axiale Komponente dieser Kraft der zwischen den Scheiben 21 und 22 wirkenden und die Breite des Zwischenraums bestimmenden Preßkraft entspricht.

Nach der Fertigstellung wird der gesamte Drucksensor 200 an Ort und Stelle montiert und zwischen dem Kopf der Zylinderkopfschraube und dem Zylinderkopf mit einer vorgegebenen Kraft eingespannt, die größer ist als die zum überwinden des Zwischenraums erforderliche Kraft.

Die Preßkraft zur Bildung des Zwischenraums zwischen dem Fühlelement und der oberen Scheibe kann auch in einem von der Verformung der Kragen 23A und 24A verschiedenen Arbeitsschritt ausgeübt werden.

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Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS DipL-Chem. Dr. N. tar Meer Dipl,-lng. H. Steinmeister SSwSee 4Ε· MÜUer Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1 WG 83235/186(2) St/la/m NISSAN MOTOR COMPANY, LIMITED No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan DRUCKSENSOR Priorität: 31. Januar 1983, Japan, No. 58-14380 (P) PATENTANSPRÜCHE

1.) Drucksensor mit einem Gehäuse mit zwei einander gegenüberliegenden, einen Hohlraum begrenzenden Innenflächen

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER ; : - ; : : - I&isjsen Motor Co. , Ltd.

und einem in dem Hohlraum angeordneten Fühlelement mit den Innenflächen des Gehäuses zugewandten Stirnflächen, auf die über die Innenflächen des Gehäuses eine Kraft ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche des Fühlelements (28) bei unbelastetem Drucksensor-Gehäuse (21,22,23,24) einen Zwischenraum (30) mit der entsprechenden Innenfläche des Gehäuses bildet und daß der Zwischenraum (30) derart bemessen ist, daß diese Stirnfläche des Fühlelements (28) mit der Innenfläche des Gehäuses in Berührung tritt, wenn die auf das Gehäuse ausgeübte Kraft einen vorgegebenen Wert überschreitet.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nzeichnet, daß das Fühlelement (28) ein piezoelektrisches Element (26), das mit einer Stirnfläche an einer der Innenfläche des Gehäuses anliegt, und eine an der gegenüberliegenden Stirnfläche des piezoelektrischen Elements (26) anliegende Elektrode (27) umfaßt.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (28) ein zweites piezoelektrisches Element (25) umfaßt, daß mit einer Stirnfläche an der dem ersten piezoelektrischen Element (26) gegenüberliegenden Seite an der Elektrode (27) anliegt.

4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g ekennzeichnet, daß das Fühlelement (28) einen Abstandshalter (41;51) umfaßt, dessen eine Stirnfläche mit der Elektrode (27) bzw. dem zweiten piezoelektrischen Element (25) in Berührung steht und dessen andere.Stirnfläche den Zwischenraum (30) mit der Innenwand des Gehäuses bildet.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER '. ' '. Nissan .MO-ttv.C Co. , Ltd.

5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (28)

(a) einen ersten Haupt-Abstandshalter (208), der mit einer Stirnfläche an einer der Innenwände des Gehäuses anliegt,

(b) einen mit einer Stirnfläche an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Haupt-Abstandshalters (208) anliegenden ersten Hilfs-Abstandshalter (210),

(c) ein mit einer Stirnfläche an der gegenüberliegenden Stirnfläche des ersten Hilfs-Abstandshalters (210) anliegendes erstes piezoelektrisches Element (26),

(d) eine Elektrode (27), die mit einer Stirnfläche an der anderen Stirnfläche des ersten piezoelektrischen Elements (26) anliegt,

(e) ein zweites piezoelektrisches Element (25), das mit einer Stirnfläche an der anderen Stirnfläche der Elektrode (27) anliegt,

(f) einen zweiten Hilfs-Abstandshalter (206), der mit einer Stirnfläche an der anderen Stirnfläche des zweiten piezoelektrischen Elements (25) anliegt und

(g) einen zweiten Haupt-Abstandsha'lter (204) umfaßt, der mit einer Stirnfläche an der anderen Stirnfläche des zweiten Hilfs-Abstandshalters (206) anliegt und dessen gegenüberliegende Stirnfläche den Zwischenraum (30) mit der anderen Innenwand des Gehäuses bildet.

6. Drucksensor nach Anspruch 2 und 4, dadurch g e k e η n-

TER MEER -MÜLLER · STEINMEISTER; ; - Nissäh Motor. ;CO. , Ltd.

zeichnet, daß der Abstandshalter (51) aus Kunststoff besteht.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse konzentrisch in radialem Abstand zueinander angeordnete innere und äußere Ringe (23,24) mit gleichen axialen Abmessungen und zwei jeweils mit einer Mittelbohrung versehene Scheiben (21,22) umfaßt, die die Ringe in Axialrichtung zwischen sich aufnehmen und mit diesen einen ringförmigen Hohlraum bilden, und daß das in diesem Hohlraum angeordnete Fühlelement (28) als zu den inneren und äußeren Ringen (23,24) koaxialer Ring ausgebildet ist.

8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Ringe (23, 24) in einem Stück mit einer der Scheiben (22) ausgebildet sind.

9 . Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Abstandshalter aus einem Material herstellt, das leichter plastisch verformbar ist als die Gehäus.ewände, daß man den Abstandshalter zunächst derart formt, daß er an der Innenwand des Gehäuses anliegt und daß man zur Bildung des Zwischenraums zwischen dem Abstandshalter und der Innenwand des Gehäuses einen Druck auf das Gehäuse ausübt.

10. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Abstandshalters, der den Zwischenraum mit der Innenwand des Gehäuses bildet, in den Hohlraum des Gehäuses eine plastische Masse einspritzt, die beim Aushärten schrumpft.