DE4113784C2 - Schwingungssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungssensor zum Messen von Schwingungen, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, um ein Klopfen zu detektieren, und insbesondere auf seine Gehäuseausgestaltung.

Fig. 2 zeigt eine Teilschnittansicht eines Schwingungssensors. Wie in Fig. 2 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 1b befestigt. Ein festes Ende des Schwingungsabschnitts der Schwingungsplatte 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.

Ein derart ausgebildeter Schwingungssensor kann an einem Verbrennungsmotor mit Hilfe des Gewindes 1a des Gehäuses 1 befestigt werden, wobei die Sitzfläche 1c an dem Motor anschlägt. Eine Schwingung, die entsprechend einem Betriebszustand 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 Grund- bzw. Metallgehäuses 1 und dem Randabschnitt 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 einem 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. 3 gezeigte Schwingungsplatte 2A, die nicht eine einfache Kreisscheibe ist, kann für den Schwingungssensor von Fig. 2 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.

Ein dem Schwingungssensor nach Fig. 2 vergleichbarer Schwingungssensor, bei dem die Schwingplatte jedoch lediglich vom Gehäuse gehalten ist, ergibt sich z. B. gemäß US 4 483 80.

In der DE 3 643 956 A1 ist ein Klopfsensor mit einem Piezoelement beschrieben, bei dem zwecks Gehäuseabdichtung eine Spritzmasse aufnehmende Nuten vorgesehen sind.

Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), einen Schwingungssensor zu schaffen, bei dem die Kapazität der Aussparung an der Verbindung zwischen dem Metallgehäuse und der Kunststoffabdeckung vergrößert werden kann, um den luftdichten Abschluß und somit die Zuverlässigkeit des Sensors zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch einen Schwingungssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines Schwingungssensors, wie bereits erläutert; und

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Schwingungsplatte mit ausgeschnittenen Abschnitten.

Ein Grund- bzw. Metallgehäuse 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 nach Fig. 1 an seinem Ende um einen Winkel von größer als 90° gebogen, so daß dieser ein im Querschnitt U-ähnliches oder V-ähnliches Äußeres aufweist und seine Endfläche grundsätzlich parallel zur axialen Mittelpunktlinie 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 nach Fig. 2 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. 2 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 hat sich in der Praxis bewährt.

Claims (1)

1. Schwingungssensor,

   • - mit einem piezoelektrischen Element (3);
   • - meit einer Schwingungsplatte (2), die mit dem piezoelektrischen Element (3) verbunden ist;
   • - mit einem Metallgehäuse (1) zum Halten der Schwingungsplatte (2), die mit dem Metallgehäuse (1) einen ersten Raum (11a) auf der dem piezoelektrischen Element (3) abgewandten Seite der Schwingungsplatte (2) begrenzt; und
   • - mit einer Kunststoffabdeckung (5), die mit dem piezoelektrischen Element (3) einen zweiten Raum (11b) auf der Seite des piezoelektrischen Elements (3) begrenzt; wobei
   • - die Schwingungsplatte (2) zwischen einem umfangsseitigen Befestigungsabschnitt (5a) der Kunststoffabdeckung (5) und einem Randabschnitt (20) des Metallgehäuses (1) befestigt ist;
   • - die Kunststoffabdeckung (5) an ihrem Befestigungsabschnitt (5a) durch Einstemmen des Randabschnittes (20) des Metallgehäuses (1) befestigt ist;
   • - der Randabschnitt (20) um einen Winkel von mehr als 90° gebogen ist, um gemeinsam mit der Kunststoffabdeckung (5) eine Aussparung (21) zur Aufnahme einer Vergußmasse festzulegen; und
   • - die Höhe (H2) des eingestemmten Randabschnittes (20) größer ist als die Dicke des Befestigungsabschnittes (5a) der Kunststoffabdeckung (5).