DE4113784A1

DE4113784A1 - Schwingungssensor

Info

Publication number: DE4113784A1
Application number: DE4113784A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Komurasaki; Fumito Uemura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1991-10-31
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: DE4113784C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungssensor zum Messen von Schwingungen von beispielsweise eines Verbrennungsmotors, um ein Klopfen zu detektieren, und insbesondere auf ein Gehäuse (accomodation case) für einen derartigen Schwingungssensor.

Fig. 3 zeigt eine Teilschnittansicht eines derartigen Schwingungssensors. Wie in Fig. 3 gezeigt, hat ein Grundgehäuse 1, das eines von zwei äußeren Gliedern des Schwingungsdetektors ist und das aus Stahl gebildet ist, einen Gewindeabschnitt 1a und eine Grundfläche 1c zur Befestigung an einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt). Ein aus einer Metallplatte gebildetes Schwingungsglied 2 hat eine Schwingfläche 2a, an die ein scheibenähnliches piezoelektrisches Element 3 zum Umwandeln der Schwingung in ein elektrisches Signal geklebt ist, wobei dieses koaxial mit dieser ausgerichtet ist und die Metallplatte einen Umfangsbefestigungsabschnitt 2b hat. Das andere der beiden äußeren Glieder, d. h. eine Kunststoffabdeckung 5, ist mit einem Zwischenabschnitt eines darin eingebetteten Stahlkontaktes warmgeformt. Die Kunststoffabdeckung 5 besitzt einen an der Außenseite befindlichen Befestigungsabschnitt 5a. Der Anschluß 6 ist von einer Referenzelektrode durch die Kunststoffabdeckung 5 isoliert. Der Anschluß 6 ist mit einer oberen Elektrode des piezoelektrischen Elementes 3 durch einen Leitungsdraht 4 verbunden. Die Schwingungsplatte 2, eine Tellerfeder 7, und die Abdeckung 5, sind nacheinander in das Grundgehäuse 1 eingesetzt und durch einen eingestemmten Abschnitt lb befestigt. Ein festes Ende des Schwingungsabschnitts der Schwingungpslatte 2 ist somit festgelegt. Hohlräume 11a und 11b sind in dem Grundgehäuse 1 bzw. der Kunststoffabdeckung 5 ausgebildet. Eine Vergußaussparung 12 ist durch den eingestemmten Abschnitt 1b und die Kunststoffabdeckung 5 festgelegt.

Der herkömmliche derart ausgebildete Schwingungssensor wird an einem Verbrennungsmotor mit Hilfe des Gewindes 1a des Gehäuses 1 befestigt, wobei die Sitzfläche 1c an dem Motor anschlägt. Eine Schwingung, die entsprechend einem Betriebzustand des Verbrennungsmotors erzeugt wird, pflanzt sich zu dem Schwingungsdetektor durch die Bodenfläche 1c fort. Die Schwingung des Gehäuses 1 pflanzt sich gemäß der Motorschwingung zu der Schwingungsplatte 2 und zu dem piezoelektrischen Element 3 fort. Das piezoelektrische Element 3 erfährt aufgrund der Schwingung eine Deformation, erzeugt ein Detektorsignal, das proportional zu der Deformation ist und gibt am Anschluß 6 ein Detektorsignal aus, bezogen auf die Elektrode (nicht gezeigt) auf der Klebeseite der Schwingungsplatte. Da das Gehäuse 1 ein Metallbauteil ist, liegt es auf dem gleichen Potential wie die Schwingungsplatte 2. Der Schwingungssensor besitzt eine derartige Resonanzfrequenz, daß der Ausgang maximal ist, wenn dieser mit einer Komponente einer Klopfschwingung des Verbrennungsmotors in Resonanz liegt. Diese Resonanzfrequenz ist durch die Eigenschaften der Schwingungsplatte 2 und des piezoelektrischen Elements und von dem Stabilitätszustand des eingestemmten Abschnitts 1b bestimmt.

Der Raum 11a, der an dem Grundgehäuse 1 auf der Seite der Schwingungsplatte 2 vorgesehen ist, und der Raum 11b, der auf der Seite der Kunststoffabdeckung 5 vorgesehen ist, werden durch das Grundgehäuse 1 und die Kunststoffabdeckung 5 geschlossen, die ein äußeres Gehäuse des Schwingungssensors bilden. Eine luftdichte Verbindung (an dem eingestemmten Abschnitt 1b) zwischen dem Grundgehäuse 1 und der Kunststoffabdeckung 5 bezüglich thermischer Ausdehnung der Luft in den Räumen 11a und 11b ist wichtig für die Zuverlässigkeit.

Um die gewünschte luftdichte Verbindung sicherzustellen, wird ein Klebe- oder Vergußmittel auf diese Verbindung aufgetragen, um die durch den eingestemmten Abschnitt 1b des Grundgehäuses 1 und dem Rangabschnitt 5a des Kunststoffgehäuses 5 gebildete Aussparung 12 zu füllen. Jedoch hat der eingestemmte Abschnitt 1b wie dargestellt ein L-ähnliches eingestemmtes Aussehen und die Kapazität der Aussparung 12 ist gering, wie durch die Tiefe H1 festgelegt. Die Zuverlässigkeit dieser luftdichten Verbindung ist proportional zur Kapazität des Vergußmittels, das eine Dichtwirkung hat. Es ist deshalb wünschenswert, die Aufnahmefähigkeit der Aussparung 12 weiter zu erhöhen.

Somit ist bei dem herkömmlichen Schwingungssensor, der wie oben beschrieben ausgebildet ist, die Kapazität der Aussparung 12 gering und die luftdichte Wirkungsweise ist entsprechend dieser Kapazität begrenzt. Es ist notwendig, die Kapazität zu erhöhen und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

Beispielsweise hat ein an einem Kraftfahrzeugmotor befestigter Schwingungsdetektor eine Atmungswirkung, die durch eine Druckänderung von ca. 0,3 atm der abgeschlossenen Räume verursacht wird und dessen Beständigkeit gegen diese Wirkung ist unzureichend.

Eine gezahnte Schwingungsplatte, wie z. B. eine in Fig. 4 gezeigte Schwingungsplatte 2A, die nicht eine einfache Kreisscheibe ist, kann für den Schwingungssensor von Fig. 3 verwendet werden. Diese Schwingungsplatte ist als gezahnte Scheibe ausgebildet und weist mehrere Ausschnitte 2c auf, die an deren Umfang ausgebildet sind, um die Temperatureigenschaften zu verbessern. Die äußeren umfangsseitigen Enden der Ausschnitte 2c sind an dem Umfangsabschnitt 5a der Abdeckung 5 angeordnet. Der Raum 11b wirkt deshalb gleichzeitig wie der Raum 11a als ein Faktor für Luftdichtheit, wenn ein thermischer Schock, wie beispielsweise der oben erwähnte, auftritt. Das heißt, daß die Räume 11a und 11b auf beiden Seiten der Schwingungsplatte 2A miteinander in Verbindung stehen und die Luftdichtheit einiger Abschnitte einschl. des Abschnitts, in dem der Stahlanschluß 6 eingebettet ist, wird durch die thermische Ausdehnung der Luft in den Räumen 11a und 11b vermindert. Deshalb liegt darin das Problem einer Reduzierung der Zuverlässigkeit des Schwingungssensors.

Im Hinblick auf diese Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingungssensor zu schaffen, bei dem die Kapazität der Aussparung an der Verbindung zwischen dem Grundgehäuse und der Kunststoffabdeckung vergrößert werden kann, um die luftdichte Wirkungsweise und somit Zuverlässigkeit des Sensors zu verbessern.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingungssensor zu schaffen, der die gewünschte Zuverlässigkeit bei der Schwingungsmessung beibehält, auch wenn eine Schwingungsplatte mit Ausschnitten an ihrem äußeren Randbereich verwendet wird.

Zur Lösung dieser Aufgaben ist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Schwingungssensor vorgesehen, umfassend: ein piezoelektrisches Element; eine Schwingungsplatte, die mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist; ein Metallgehäuse zum Halten der Schwingungsplatte, wodurch ein erster Raum auf der Seite des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, die von der Oberfläche, an der das piezoelektrische Element befestigt ist, entfernt ist; und eine Kunststoffabdeckung, mit der das piezoelektrische Element derart abgedeckt wird, daß ein zweiter Raum an der Oberfläche des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, wobei die Kunststoffabdeckung und das Gehäuse die Schwingungsplatte einklemmen und befestigen; wobei die Abdeckung an ihrem Ende am Umfang durch Einstemmen eines Randabschnitts des Gehäuses befestigt ist, wobei der Gehäuserandabschnitt um einen Winkel von mindestens 90° gebogen ist und die Höhe des eingestemmten Abschnitts des Gehäuserandabschnitts größer ist als die Dicke der Abdeckung an diesem Ende.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Schwingungssensor vorgesehen, umfassend: ein piezoelektrisches Element; eine mit dem piezoelektrischen Element verbundene Schwingungsplatte, die in ihrem Endabschnitt am Umfang ausgebildete Ausschnitte hat; ein Metallgehäuse zum Halten der Schwingungsplatte, so daß ein erster Raum auf der Seite des piezoelektrischen Elementes ausgebildet wird, die von der Oberfläche, an der das piezoelektrische Element befestigt ist, entfernt ist; und eine Kunststoffabdeckung, mit der das piezoelektrische Element derart abgedeckt ist, daß ein zweiter Raum an der Oberfläche des piezoelektrischen Elementes ausgebildet wird, wobei die Kunststoffabdeckung und das Gehäuse die Schwingungsplatte festklemmen und befestigen; wobei die Kapazität des ersten Raums einige 10% der Kapazität des zweiten Raums beträgt.

Vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei Bauteile, die in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, identisch sind oder einander entsprechen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Schwingungssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines Schwingungssensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Teilschnittansicht eines herkömmlichen Schwingungssensors; und

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Schwingungsplatte mit ausgeschnittenen Abschnitten.

Ein Grundgehäuse 1 weist einen Gewindeabschnitt 1a sowie eine Grundfläche 1c zum Befestigen des Schwingungssensors auf. Eine Schwingungsplatte 2, eine Tellerfeder 7 und eine Kunststoffabdeckung 5 sind in das Grundgehäuse eingesetzt und durch einen eingestemmten Abschnitt 20 befestigt. Ein Raum 11a ist von der Schwingungsplatte 2 und dem Grundgehäuse 1 umgeben, während ein Raum 11b von der Schwingungsplatte 2 und der Kunststoffabdeckung 5 umgeben ist.

Eine Aussparung 21 wird durch den eingestemmten Abschnitt 20 und einen Befestigungsabschnitt 5a der an dem eingestemmten Abschnitt 20 anschlagenden Abdeckung 5 bestimmt, und ist mit einer Vergußmasse oder ähnlichem gefüllt.

Die Kapazität der durch den eingestemmten Abschnitt 20 und den an der Außenseite befindlichen Abschnitt 5a bestimmten Aussparung 21 ist abhängig von der Ausbildung des eingestemmten Abschnitts 20 festgelegt.

Der eingestemmte Abschnitt 20 ist an seinem Ende um einen Winkel von 90° oder größer gebogen, so daß dieser ein im Querschnitt U-ähnliches oder V-ähnliches Äußeres aufweist und daß dessen Endfläche grundsätzlich parallel zur axialen Mittelpunktslinie des Schwingungssensors verläuft.

Die durch den eingestemmten Abschnitt 20 und den Umfangsabschnitt 5a bestimmte Aussparung 21 hat deshalb eine Kapazität, die proportional zur Höhe H2 des eingestemmten Abschnitts ist. Die Höhe H2 ist größer als die Höhe H1 der herkömmlichen Anordnung und die Kapazität ist dementsprechend größer. Das Volumen der in der Aussparung 21 vergossenen Vergußmasse ist somit vergrößert und die Dichtwirkung der Vergußmasse ist entsprechend verbessert. Somit ist der Grad an Luftdichtheit des eingestemmten Abschnitts mit diesem Volumen vergrößert.

Dies heißt, daß die Luftdichtheit des Schwingungssensors bezogen auf die Vergrößerung der Höhe von der Höhe H1 des eingestemmten Abschnitts 1B von Fig. 3 auf die Höhe H2 verbessert ist. Der Wert H2 ist größer als die Dicke des Grundgehäuses 1 am eingestemmten Abschnitt 20.

Die Luftdichtheit des eingestemmten Abschnitts 20 hat während mehrerer Testzyklen nicht abgenommen, bei denen der Luftdruck in den Räumen 11a und 11b innerhalb eines Bereichs von ca. 0,3 atm wiederholt verändert wurde. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung ist in der Praxis ausreichend.

Fig. 2 zeigt einen Schwingungsdetektor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine Schwingungsplatte 2a mit Ausschnitten 2c verwendet, wie die in Fig. 4 gezeigten. Ein Raum 22, der von dem Gehäuse 1 und der Schwingungsplatte 2A umgeben ist, ist klein, d. h. entspricht ca. einigen 10% des Raumes 11b, der von der Abdeckung 5 und der Schwingungsplatte 2A umgeben ist. Die Tiefe des Raums 22 ist beispielsweise ungefähr gleich groß wie die Dicke der Schwingungsplatte 2, d. h. ca. 1 mm.

Bei dieser Anordnung ist die Expansion der Innenluft, die durch einen thermischen Schock verursacht ist, im wesentlichen gleich der Expansion der in dem Raum 11b alleine enthaltenen Luft und die Expansion von Luft in dem Raum 22 ist vernachlässigbar klein. Folglich ist der Einfluß des Raumes 22 auf die Luftdichtheit des Abschnittes, in dem der Stahlanschluß eingebettet ist und auf andere Abschnitte vernachlässigbar.

Im Falle eines Klopfsensors zum Messen von Schwingungen eines Kraftfahrzeugmotors ist die Schwingungsamplitude der Schwingungsplatte 2a in der Größenordnung eines Mikrons und es ist möglich, die Tiefe des Raums 22 sehr gering zu machen, mit der das Metallgehäuse 1 ausgeschnitten wird.

Somit ist die Kapazität des Raums auf der Seite der Schwingungsplatte mit Ausschnitten entfernt von der Anschlußseite dieser Platte auf einige wenige 10% der Kapazität des Raums auf der Anschlußseite festgelegt und die gewünschte Luftdichtheit kann deshalb beibehalten werden, wenn ein thermischer Schock auftritt, wodurch eine verminderte Zuverlässigkeit verhindert ist.

Claims

1. Schwingungssensor, umfassend:

- ein piezoelektrisches Element (3);
- eine Schwingungsplatte (2, 2A), die mit dem piezoelektrischen Element (3) verbunden ist;
- ein Metallgehäuse zum Halten der Schwingungsplatte, wodurch ein erster Raum (11a, 22) auf der Seite des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, die von der Oberfläche, an der das piezoelektrische Element befestigt ist, entfernt ist; und
- eine Kunststoffabdeckung (5), mit der das piezoelektrische Element derart abgedeckt wird, daß ein zweiter Raum (11b) an der Oberfläche des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, wobei die Kunststoffabdeckung (5) und das Gehäuse (1) die Schwingungsplatte (2, 2A) einklemmen und befestigen;
- wobei die Abdeckung (5) an ihrem Ende am Umfang durch Einstemmen eines Randabschnitts des Gehäuses befestigt ist, wobei der Gehäuserandabschnitt um einen Winkel von mindestens 90° gebogen ist und die Höhe (H2) des eingestemmten Abschnitts (5a) des Gehäuserandabschnitts größer ist als die Dicke der Abdeckung (5) an dem Ende.

2. Schwingungssensor, umfassend:

- ein piezoelektrisches Element (3);
- eine mit dem piezoelektrischen Element (3) verbundene Schwingungsplatte (2A), die in ihrem Endabschnitt am Umfang ausgebildete Ausschnitte (2c) hat;
- ein Metallgehäuse (1) zum Halten der Schwingungsplatte (2A), so daß ein erster Raum (22) auf der Seite des piezoelektrischen Elementes ausgebildet wird, die von der Oberfläche, an der das piezoelektrische Element befestigt ist, entfernt ist; und
- eine Kunststoffabdeckung (5), mit der das piezoelektrische Element (3) derart abgedeckt ist, daß ein zweiter Raum (11b) an der Oberfläche des piezoelektrischen Elementes (3) ausgebildet wird, wobei die Kunststoffabdeckung (5) und das Gehäuse (1) die Schwingungsplatte (2A) festklemmen und befestigen;
- wobei die Kapazität des ersten Raums (22) einige 10% der Kapazität des zweiten Raums (11b) beträgt.