DE4022779A1 - Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An­ spruchs 1. Bei derartigen bekannten Druckgebern drückt der Stempel orthogonal auf ein Aufnahmeelement, das auf einen möglichst biege­ steifen Träger angeordnet ist. Um einen möglichst hohen Druck zu er­ reichen, wird dabei die Auflagefläche des Stempels auf dem Aufnahme­ element möglichst kleingehalten. Je dünner aber der Stempel ausge­ bildet wird, desto leichter kann er abbrechen und desto störanfälli­ ger ist der Druckgeber.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den gekennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit einfachen kon­ struktiven Maßnahmen eine relativ hohe Druckbeanspruchung des Wider­ stands des Aufnahmeelements erreicht wird. Durch die keilförmige An­ ordnung des Stempels im Hybrid wird der Stempel gleichzeitig zen­ triert und fixiert. Es wird eine gleichmäßige Kraftübertragung auf die beiden diametral gegenüber an den Seitenflächen der Ausnehmung angeordneten Widerstände erreicht. In einfacher Weise kann der Stem­ pel durch die keilförmige Ausgestaltung in der Ausnehmung verklemmt werden. Es ist aber auch möglich den Stempel in die Ausnehmung ein­ zukleben oder durch Verglasung zu fixieren. Die Verbindungsart er­ höht auch die Bruchsicherung des Stempels während der Verarbeitung. Entsprechend der Neigung der Seitenfläche der Ausnehmung bzw. der Wand des Stempels kann die Druckbeanspruchung des Widerstands erhöht werden. Sind auf den Seitenwänden der Ausnehmungen vier in einer Vollbrückenschaltung verschaltete Widerstände angeordnet und ist der Hybrid geringfügig biegbar ausgebildet, so kann sowohl die Druck- als auch die Zugbeanspruchung der Widerstände zur Meßsignalerzeugung ausgenutzt werden, was Meßfehler minimiert und das Meßsignal selbst erhöht. Durch die automatische Zentrierung des Stempels in der Aus­ nehmung des Hybrides wird die Verarbeitung in der Fertigung verein­ facht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Druckgeber, die Fig. 2 eine Einzelheit und die Fig. 3 eine Abwandlung der Einzelheit nach Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Drucksensors 11 zur Be­ stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich­ net. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 wird von ei­ ner Membran 14 abgeschlossen. Die Membran 14 ist als sogenannte Kap­ penmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran 14 umgebogen ist und über das Ende des Schafts 15 des Gehäuses 10 geschoben wird. Die Membran 14 sitzt dadurch fest am Gehäuse 10, liegt aber, um eine Be­ weglichkeit der Membran 14 zu gewährleisten, nicht direkt an der Stirnseite 16 des Schafts 15 an. Der Biegebereich der Membran 14 kann sich dadurch frei bewegen. Die Membran 14 ist im Bereich des Randes am Schaft 15 angeschweißt. Besonders vorteilhaft ist die Mem­ bran 15 aus einer Superlegierung, das heißt aus einer Legierung von z. B. ca. 50% Ni, 20% Cr, 20% Fe ausgebildet. Am mittleren Be­ reich der Membran 14 liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende an, der mit seinem anderen Ende in eine Ausnehmung 20 im Träger 21 eines Hybrids 22 ragt. An den Seitenflächen der Ausnehmung 20 sind diame­ tral gegenüberliegend je ein Aufnehmer 24 angeordnet. Der Träger 21 ist z. B. eine keramische Scheibe aus Al₂O₃ der auf einem Gegen­ lager 25 aufgeklebt ist. Das Gegenlager 25 ist in die Bohrung 12 eingepreßt und weist eine achsparallel zur Bohrung 12 verlaufende, durchgehende Bohrung 26 auf, in der die Ableitleitung 27 geführt wird. Die Leitung 27 ist in einer Tülle 29 des die Bohrung 12 ab­ schließenden Deckels 30 befestigt. Über die Leitung 27 werden die Meßwerte zu einer nicht dargestellten Auswerteschaltung und Steuer­ einrichtung der Brennkraftmaschine geführt. Statt einer Bohrung 26, kann auch am Gegenlager 25 ein Segment zur Durchführung der Leitung 27 ausgeschnitten sein.

Zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen, wie z. B. Feuchtigkeit, ist die Bohrung 12 insbesondere im Bereich zu beiden Stirnseiten des Hybrids 22 mit einer Vergußmasse 32 ausgegossen.

In der Fig. 2 ist die keilförmige Anordnung des Stempels 18 im Trä­ ger 21 des Hybrides 22 näher dargestellt. Zur Erzeugung der Keilwir­ kung ist es notwendig, daß der Stempel 18 in seinem in den Träger 21 ragenden Ende im Querschnitt eine trapezförmige Form aufweist. Die Ausnehmung 20 im Träger 21 muß eine hierzu korrespondierende Form aufweisen. So kann z. B. der Stempel ein konisches Ende aufweisen. An zwei diametral gegenüberliegenden Seitenflächen der Ausnehmung 20 sind die Aufnehmer 24 angeordnet. Wird der Druck über die Membran 14 und den Stempel 18 eingeleitet, so drückt der Stempel auf die Auf­ nehmer 24. Das dabei wirkende Kräftediagramm ist in Fig. 2 einge­ zeichnet. Es ist ersichtlich, daß durch die keilförmige Anordnung des Stempels 18 und des Trägers 21 die Druckbeanspruchung des Wider­ stands 24 höher ist als der wirkende Druck. Von den Widerständen 24 führen in Dickschichttechnik aufgedruckte Leiterbahnen 39 zu den auf dem Träger 21 angeordneten elektronischen Bauteilen 40. Diese Bau­ teile 40 sind auf der der Membran 14 zugewandten Seite des Trägers 21 angeordnet. Die elektronischen Bauteile 40 sind untereinander mit Hilfe von Bonddrähten 41 verbunden. Als Aufnehmer 24 können piezore­ sistive Elemente, wie z. B. Cermets, conductive Plastic, Metall-Deh­ nungsmeßstreifen oder piezoelektrische Werkstoffe, wie z. B. Piezo­ keramik, Quarz, piezoelektrische Kunststoffe, verwendet werden. Vorteilhaft handelt es sich bei den piezoresistiven Elementen um meist in Dickschichttechnik hergestellte Widerstände, deren Wider­ standswert in Abhängigkeit vom zu messenden Druck geändert wird.

Bei der Ausbildung des Drucksensors nach der Fig. 3 wird kein Ge­ genlager verwendet, sondern eine geringfügige Durchbiegung des Trä­ gers 21a des Hybrides 22a ist angestrebt. Diese Durchbiegung sollte möglichst nur im Nanometerbereich (nm-Bereich) liegen. Wie bei einem Biegebalken herrschen dann im auf der Membran 14 zugewandten Bereich Druckspannungen, während im auf der Membran abgewandten Seite des Trägers 21a Zugspannung wirksam sind. Zwischen beiden Bereichen befindet sich die sogenannte neutrale Phase 44. Zug- und Druckspan­ nungen haben bei dieser Anordnung jeweils den gleichen Betrag aber unterschiedliches Vorzeichen. Dieser Effekt kann nun zu einer Ver­ besserung und insbesondere einer Erhöhung des Meßsignals verwendet werden. Das Ende des Stempels 18 kann, wie in der Fig. 2, auch eine konische oder jede andere eine Keilwirkung erzeugende Form aufweisen. Die Ausnehmung 20a sollte im Bereich 45 der Druckzone des Trägers 21a wiederum eine zur Form des Stempels 18 korrespondieren­ de, die Keilwirkung erzeugende Form aufweisen. Dies bedeutet, daß die Seitenwände der Ausnehmung 20a wiederum parallel zu der Außen­ wand des Stempelendes verlaufen. Ab der neutralen Phase 44 des Trä­ gers 21a ändert sich die Kontur der Seitenwände der Ausnehmung 20a und ist im Bereich der Zugspannungen spiegelbildlich zum Bereich der Druckspannungen ausgebildet. Man erhält dadurch eine sogenannte Dop­ pelkeilöffnung. Im Bereich der Druckspannungen sind diametral gegen­ überliegend je ein Aufnehmer 24 und im Bereich der Zugspannungen ebenfalls diametral gegenüberliegend je ein Aufnehmer 24 angeordnet. Diese Aufnehmer 24 sind wie in der Fig. 2 ausbildbar. Ferner sind die Aufnehmer 24 nach der Fig. 3 in einer Wheatstone′ schen Voll­ brückenschaltung miteinander verschaltet. Insbesondere im Bereich des Trägers, in dem Zugspannungen herrschen, ist der Raum zwischen dem Stempel 18 und dem Träger 21a mit einer glasartigen Masse 45 oder mit einem Kleber ausgefüllt, um eine Spannungsübertragung zwi­ schen dem Stempel 18 und dem Aufnehmer 24 bzw. dem Träger 21a her­ stellen zu können.

Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor ist es wichtig, daß der zu bestimmende Druck über eine keilförmige Verbindung zwischen dem Stempel und dem Aufnehmer bzw. dem Träger 21 auf die Aufnehmer 24 eingeleitet wird. Dabei ist es auch möglich, mit schlitzartigen Ver­ tiefungen im Träger 21 zu arbeiten. Auch ist es nicht unbedingt not­ wendig, daß im Träger 21 durchgehende Bohrungen ausgebildet sind.

Claims (10)

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraft­ maschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) mindestens ein auf einen Aufnehmer (19) einwirkender Stempel (18), ein das Gehäuse (10) abschließende und am Stempel (18) anliegende Membran (14) und eine elektrische Auswerteschaltung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (18) teilweise in eine im Träger (21) eines Hybrids (22) ausgebildeten Ausnehmung (20) ragt, daß an den Seitenwänden der Ausnehmung (20) Aufnehmer (24) ange­ ordnet sind, und daß die Seitenwände der Ausnehmung (20) und der Stempel (18) wenigstens im Bereich der Ausnehmung (20) so ausgebil­ det sind, daß eine Keilwirkung entsteht.

2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dia­ metral gegenüberliegenden Seitenflächen der Ausnehmung (20) je min­ destens ein Aufnehmer (24) angeordnet ist.

3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (21) in das Gehäuse (10) eingepreßt ist.

4. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (21) auf einem Gegenlager (25) für den Stempel (18) aufliegt.

5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenflächen der Ausnehmung (20) in Achsrichtung des Stempels (18) zueinander geneigte Bereiche aufweisen und daß sich auf jeden dieser Bereiche mindestens ein Aufnehmer (24) befindet, die in einer Vollbrückenschaltung verschaltet sind.

6. Druckgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ ger (21a) des Hybrids (22a) geringfügige biegeelastische Eigen­ schaften aufweist.

7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Raum zwischen dem Stempel (18) und den Aufnehmern (24) in dem der Membran (14) abgewandten Bereich mit einer die Zugbela­ stung übertragenden Masse (45) ausgefüllt ist.

8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aufnehmer (24) aus piezoresistiven Dickschichtelementen besteht.

9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aufnehmer (24) aus piezoelektrisch wirkenden Werkstof­ fen besteht.

10. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Aufnehmer (24) piezokeramische Elemente sind.