DE3403124C2

DE3403124C2 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3403124C2
Application number: DE3403124A
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: 1986-05-28
Also published as: JPH0322577B2; JPS59141028A; US4524625A; DE3403124A1

Abstract

Ein Drucksensor (20) zum Abtasten einer von außen einwirkenden Kraft umfaßt ein Gehäuse (21, 22, 23, 24) und ein Fühlelement (28). Das Gehäuse weist einander gegenüberliegende erste und zweite Innenflächen auf, durch die ein Hohlraum begrenzt wird. Das Fühlelement (28) ist in diesem Hohlraum angeordnet und weist entgegengesetzte erste und zweite Stirnflächen auf. Die erste Stirnfläche des Fühlelements berührt die erste Innenfläche des Gehäuses. Die zweite Stirnfläche des Fühlelements ist von der zweiten Innenfläche des Gehäuses durch einen vorgegebenen Zwischenraum (30) getrennt und tritt nur dann mit der Innenfläche des Gehäuses in Berührung, wenn die auf das Sensorgehäuse ausgeübte äußere Kraft einen vorgegebenen Wert übersteigt.

Description

(a) einen ersten Haupt-Abstandshalter (208), der mit einer Stirnfläche an einer der Innenwand? 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,

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

(g) einen zweiten Haupt-Abstandshalter ,^04) 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 dus Gehäuses bildet.

6. Drucksensor nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, 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

ir. 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 Materia! herstellt, das leichter plastisch verformbar ist als die Gehäusewände, 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 und das Gehäuse anschließend wieder entlastet

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

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

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

Es ist beispielsweise aus der DE-OS 29 02 305 bekannt, den Innendruck der Brennkammer einer Brennkraftmaschine indirekt mit 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 diese/ 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, der insbesondere bei der Abtastung des Verbrennungsdruckes 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 erfindungsgemäiSer Drucksensor umfaßt ein Gehäuse und ein Stirnfläche. 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

F i g. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Drucksensor;

F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch den in F i g. 1 gezeigten Drucksensor;

F i g. 3 ist eine Explosionsdarstellung des Drucksensors aus F i g. 1;

F i g. 4 ist eine Grafik zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der von außen auf den Drucksensor ausgeübten Kraft und der Belastung des in F i g. 2 und 3 gezeigten piezoelektrischen Elements des Drucksensors;

Fig.5 zeigt schematisch ein mechanisches Modell des Drucksensors aus Fig. 1;

F i g. 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 Sensor;· noch nicht das piezoelektrische Element berührt;

F i g. 7 zeigt das mechanische Element in einem Zustand, in dem die äußere Kraft so groß ist, daß die obere Scheibe das piezoelektrische Element berührt;

F i g. 8 ist ein Längsschnitt durch ein erstes abgewandeltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors;

F i g. 9 ist ein Schnitt durch den abgewandelten Drucksensor, bevor die oberen und unteren Scheiben des Sensor-Gehäuses mit inneren und äußeren Ringen verschweißt wurden;

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

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

Fig. 12 zeigt den Drucksensor aus F i g. 11 vor dem Einspritzen von Kunststoff in einen inneren Hohlraum des Sensor-Gehäuses;

Fig. 13 zeigt den Drucksensor unmittelbar nach dem Einspritzen des Kunststoffs;

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

F i g. 15 zeigt einen Grundriß eines Drucksensors gemäß einem vierten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
ίο Fig. 16 ist ein Schnitt längs der Linie /-/in Fig. 15;

Fig. 17 ist eine vergrößerte Ausschnittsdarsteliung 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 F i g. 1 ist nur eine der Zylinderkopfschrauben 106 erkennbar. Der Zylinderblock 102 und der Zylinderkopf 104 bilden Brennkammern 108, von denen ebenfalls nur eine dargestellt ist.

Ein ringförmiger Drucksensor 20 ist als Unterlegscheibe ausgebildet und umgibt einen von den: Zylinderkopf 104 vorspringenden Abschnitt der Zylinderiopfschraube 106. Der Drucksensor 20 ist in ähnlicher Weise wie eine normale Unterlegscheibe zwischen dem Zylinderkopf 104 und dem Kopf der Schraube 106 eingespannt.

In F i g, 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 22 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 22 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 24 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 25 und 2o wie etwa keramische piezoelektrische Elemente und eine zwischen den beiden Wandlerelementen 25 und 26 eingefügte und axial mit diesen ausgerichtete Kingelektrode 27. Die Ringelektrode 27 ist mit ihrer oberen Stirnfläche an der unteren Stirnfläche des oberen piezoelektrischen Elements 25 befestigt, während d'it 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 Z6 sind in Axialrichtung entgegengesetzt polarisiert, so daß die mit der Ringelektrode 27 in Berührung stehenden Flächen die gleiche Polari öt 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

23 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 Eiement 26 dient zur Erzeugung eines elektrischen Signals oder einer Spannung zwischen der unteren Scheibe 22 und der Ringelektrode 27.

Wenn sich der Drucksensor in seinem ursprünglichen, von der Zyiinderkopfschraube iö6 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 Zyiinderkopfschraube 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 ZylinderkopfsciiraüuC iw ?n Lrcrünrung, iVanrcHvi uic untere υίΐΓΠιια-che 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 σρ der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 null, da der Zwischenraum 30 bestehen bleibt und somit das Fühlelement 28 noch nicht mit der oberen Scheibe 21 in Berührung tritt und keiner BeIastung oder äußeren Kraft ausgesetzt wird.

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 σρ linear mit der äußeren Kraft F zu. In F i g. 4 gibt die gestrichelte Linie die Beziehung zwischen der äußeren Kraft F und der Belastung σρ Ο der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 an, die sich ergeben würde, wenn das Fühlelement 28 in herkömmlicher Weise bereits im entspannten Zustand de Sensors mit der oberen Scheibe 21 in Berührung stünde. Gemäß Fig.4 nähme in diesem Fall die Belastung σρΟ vom N'uiipunkt aus proportional mil der äußeren Kra.'t fzu. 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 Pmit 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 Fkleiner 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 c/des Zwischenraums, so daß die gesamte äußere Kraft F auf die Feder C und nicht auf die Feder P einwirkt, wie in F i g. 6 gezeigt ist. Somit hat die auf die Feder /'einwirkende Kraft Fpden Wert Null.

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 Cais auch auf die Feder F. wie in Fig. 7 gezeigt ist. In diesem Fall gelten für die äußere Kraft Fdie folgenden Gleichungen:

F= Fc+ Fp
wobei

Fc = Adkc

Fp = (Ad-d)kp

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

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

Allgemein ist die Federkonstante k eines Materials gegeben durch:

A- =. EA/I

wobei mit ifder Young'sche Elastizitätsmodul, mit A die Querschnittsfläche und / die Länge des Materialstücks bezeichnet ist.

Folglich sind die Federkonstanten kc und kp gegeben durch:

kc = EcAc/h

kp = EpApZ(h-d)

wobei £cden 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 Ringelektrode 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 Gleichung:

Ep

Ap h-d

r- Ac _c

E_c -^- + Ep
η

Ap h-d

Wegen σρ = Fp/Ap folgt:

ap =

Ep h-cl

(9)

h-d

Da d im Vergleich zu h sehr klein ist. gilt die Näherung h t d s h. Folglich gilt die Näherung

ap

Ep

EcAc - EpAp

(10)

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

Aus Gleichung (10) geht deshalb hervor, daß die Belastung ap Null bleibt, bis die äußere Kraft Fauf 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 hervorgerufene Belastung oder Spannung des piezoelektrischen Elements 25 und 26 soll mit apmax bezeichnet werden. Mit Bezug auf Gleichung (10) ergibt sich für den Wert d:

/' f
EcAc I

Fmax - apmax

(EcAc - EpAp) Ep

(H)

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 22 sowie die Ringe 23 und 24 bestehen aus einem Stahl mit einem Elastizitätsmodul von 2 · 10⁶ kg/cm². 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 cm², und die Querschnittsfläche des Fühlelements 28 soll 1,11 cm² betragen. Die Ringe 23 und 24 haben eine axiale Länge von 0,4 cm.

Wenn Fmax den Wert 3600 kg hat, so erhält man die Breite d des Zwischenraums 30, die erforderlich ist, um die maximale Spannung apmax des piezoelektrischen Elements auf 300 kg/cm² einzustellen, indem man die oben angegebenen Werte für die entsprechenden Variablen in Gleichung (11) einsetzt. Man erhält:

d= 2,7 χ 10-" (cm)
d = 2,7 (μπι)

(12)

Wenn man in Gleichung (10) für ti den Wert 2,7 μΐη und für die übrigen Variablen dieser Gleichung die oben angegebenen Werte einsetzt, so erhält man für die Spannung öpdes piezoelektrischen Elements den Wert:

(F- 2700 (kg)V3

(13)

Kraft Füber 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 sieht die obere Stirnfläche des oberen piezoelektrischen Elements 25 mit der unteren Stirnfläche der oberen Scheibe 21 in Berührung, wenn der Drucksensor in der zuvor beschriebenen Weise auf der

;o 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/cm², oberhalb dessen die Wirkungsweise der piezoelektrischen Elemente 25 und 26 ungenau oder in sonstiger Weise fehlerhaft ist. Daher ist das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Drucksen-

Somit liefert der Drucksensor 20 ein nutzbares Ausgangssignal, wenn die auf den Sensor ausgeübte äußere Druck in der Brennkammer 108.

F i g. 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 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 F i g. 9 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 und22gemäß Fig. 10 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 24 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 apmax die Spannung as des Abstandshalters 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 Sensorgenäüscs 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 F i g. 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 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 Drucksensor* 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 »xialen Abmessungen der Ringe 23 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 F i g. 14 kann auch bei den in F i g. 8 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 21 auf, wenn keine äußere Kraft auf das Sensorgehäuse ausgeübt 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.

Das Fühlelement 28 umfaßt gemäß ^pig. 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 ?10 sind ebenfalls aus Metall hergestellt. Das Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements 25 wird über die oberen Abstandshalter 204 und 206 weitergsieitct 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 !solationsrohr 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 F i g. 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 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 For^atz 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 F i g. 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 23,4 bzw. 24/4 versehen. Die untere Scheibe 22 ist zwischen diesen Kragen 23Λ und 24A angeordnet Der Kragen 23/4 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 24Λ 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 23Λ und 24Λ gehalten.

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.

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mit der ursprünglichen axialen Länge des inneren Hohlraums des Sensorgehäuses übereinstimmt oder geringfügig größe- als diese ist. Das Metall, aus dem die /laupi-Abstandshalter 204 und 208 hergestellt sind, ist im Vergleich /u dem die Scheiben 21 und 22, die Ringe ^r, 23 und 24, die Elektrode 27 und die Klemme 202 bildenden Metall verhältnismäßig leicht plastisch verformbar. Die Kragen 23,4 und 24,4 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 234 und 24/4 eingefaßt und festgelegt. Gleichzeitig werden die Haupt-Abstandshalter 204 und 208 zu einem vorgegeben Grad plastisch verformt. Wenn anschließend das Sensorgehäuse wieder entlastet wird, ergibt sirh aufgrund Ηργ plastischen Verformung der Haupt-Absiatidshalter 204 und 208 ein vorgegebener Zwischenraum zwischen dem Sensorgehäuse und der oberen Stirnfläche des Fühlelement 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 24/4 verschiedenen Arbeitsschritt ausgeübt werden.

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Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Drucksensor mit einem Gehäuse mit zwei einander gegenüberliegenden, einen Hohlraum begrenzenden Innenflächen 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (28) ein piezoelektrisches Elenttnt (26), das mit einer Stirnfläche an einer der Innenflächen 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, das 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 gekennzeichnet, daß das Fühlelement (28) einen Abstandshalter (41; 51) umfaßt, dessen eine Stirnfläche mit der Elektrode (27) bzw. den: zweiten piezoelektrischen Element (25) in Berührung steht und dessen andere Stirnfläche den Zwischenraum (30) mit der Innenwand des Gehäuses bildet.

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