DE602004011549T2

DE602004011549T2 - Miniaturisierter Sensor zur Erfassung von Eigenschaften einer Flüssigkeit, insbesondere eines Schmieröls

Info

Publication number: DE602004011549T2
Application number: DE602004011549T
Authority: DE
Inventors: Marco Federico Pidria; Marco Pizzi; Paolo Faraldi; Edoardo Merlone Borla; Silvio Corrias; Gianfranco Innocenti
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: ATE384950T1; US7257984B2; EP1674865B1; EP1674865A1; US20060130562A1; DE602004011549D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine miniaturisierte Vorrichtung für die Erfassung der Eigenschaften einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung findet in vorteilhafter Weise, obwohl nicht ausschließlich, Anwendung bei der Messung der Eigenschaft eines Schmieröls, und zwar direkt an einem System oder einer Vorrichtung, die das Öl selbst verwendet, wie zum Beispiel eines Verbrennungsmotors.
Die heute weit verbreitet gezeigte Überzeugung ist diejenige, dass nur eine gleichzeitige Messung vieler Parameter eine zufriedenstellende Charakterisierung der Bedingungen einer Abnutzung und einer Kontamination eines Schmieröls ermöglicht. Unter diesen Parametern ist die Schmierfähigkeit des Öls von besonderer Wichtigkeit.
In dem Laboratorium können die Öle passend unter Verwendung von Werkzeugen, die dazu zugeordnet sind, bezeichnet als Tribometer, getestet werden, die dazu geeignet sind, quantitativ die Eigenschaften der Schmiereffektivität der Öle zu messen. Bei Systemen und Vorrichtungen, die Schmieröle verwenden, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, werden die Charakteristiken der Öle anstelle davon über geeignete Sensorvorrichtungen erfasst. Diese Vorrichtungen sind allgemein so ausgelegt, um die Zustände einer Abnutzung und Kontamination der Schmieröle auf der Basis der Messung von Parametern, wie beispielsweise Viskosität, Temperatur, Leitfähigkeit, Opazität, Dielektrizitätskonstante, abzuleiten, um nur ein paar zu nennen, die weit verbreitet berücksichtigt werden.
Das Patent-Dokument Nr. US-A-4,966,032 beschreibt ein Instrument, um ein Schmieröl zu überwachen, das mit Halteeinrichtungen ausgestattet ist, die einen Grundkörper aufweisen, der eine Oberfläche für einen Kontakt besitzt, der in das Schmieröl eingetaucht werden kann. Dem Grundkörper ist ein plattenähnliches Element zugeordnet, das in Vibration versetzt werden kann und einen Kontaktbereich besitzt, der auf der vorstehend angege benen Kontaktfläche ruht. Dem plattenähnlichen Element sind Stellglieder, die so ausgelegt sind, um eine Vibration des plattenähnlichen Elements zu bewirken, und Sensoreinrichtungen zugeordnet, um eine Vibration der Platten selbst, verursacht durch die Reibung zwischen dem Bereich und der Kontaktoberfläche, zu erfassen, um ein Ausgangssignal des Sensors zu erzeugen. Die Sensoreinrichtungen und die Stellglieder sind aus einem piezoelektrischen Material gebildet.
Das Patent-Dokument Nr. EP-A-0 675 355 beschreibt ein Sensorelement zum Erfassen von Feststoffteilchen in einem Fluid, wie beispielsweise einem Schmieröl, das ein frei tragendes Element mit solchen Dimensionen, um dessen Vibration, einer Kollision mit einem Feststoffteilchen folgend, zu ermöglichen, und Einrichtungen, um eine Vibration des frei tragenden Elements in ein elektrisches Signal umzuwandeln, aufweist. Die vorstehend angegebenen Einrichtungen sind durch eine Folie gebildet, die aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist. Eine mögliche Ausführungsform sieht die Verwendung einer Vielzahl von frei tragenden Elementen vor, wobei ein erstes davon als ein Sensor zum Erfassen der Feststoffteilchen verwendet wird und ein zweites davon als ein Sensor verwendet wird, um einen Referenzparameter zu erhalten, der für die Zwecke der Messung notwendig ist. Ein drittes frei tragendes Element kann möglicherweise in Vibration über die jeweiligen piezoelektrischen Einrichtungen (durch einen inversen, piezoelektrischen Effekt) versetzt werden, um so die Vibration für die Zwecke eines Erfassens des Grads einer Viskosität des Fluids auszunutzen.
Trotz der sehr umfangreichen Literatur über den Gegenstand ist bis jetzt noch kein miniaturisierter Sensor zum Überwachen der Eigenschaften einer Schmiereffektivität eines allgemeinen Fluids, wie beispielsweise eines Öls, vorgeschlagen worden.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, den Nachteil zu beseitigen und insbesondere eine miniaturisierte Vorrichtung anzugeben, die eine direkte Messung der Eigenschaften eines Fluids in Bezug auf die Schmierfähigkeit ermöglicht, d. h. deren Effekte auf die Modifizierung des dynamischen Reibungskoeffizienten unter kontrollierten Bedingungen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die die Erfordernisse für eine effektive Verwendung in Motorfahrzeugen, für die Zwecke eines Überwachens der Eigenschaften eines Öls, erfüllt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben aufgrund einer miniaturisierten Sensorvorrichtung, die die Eigenschaften des Anspruchs 1 besitzt, gelöst. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 17 angegeben. Die Ansprüche bilden einen integralen Teil der Beschreibung der vorliegenden Unterlagen.
Weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich deutlich aufgrund der detaillierten Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnungen ergeben, die nur als erläuternd und nicht als einschränkendes Beispiel vorgesehen sind, und in denen:
1 zeigt eine perspektivische, schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines frei tragenden Elements, das in Sensorvorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet wird;
3 zeigt eine perspektivische, schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
4 zeigt eine schematische Ansicht einer möglichen Verwendung der Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Sensorvorrichtung, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, ist dazu vorgesehen, die typischen Zustände in einem Mikromaßstab, in Bezug auf die Geometrie und die Kräfte, einer geschmierten, tribologischen Kupplung zu reproduzieren.
Für diesen Zweck weist, gemäß dem grundsätzlichen Aspekt der Erfindung, die Sensorvorrichtung ein Paar oder mehrere Paare aus vorstehenden Elementen, die hier nachfolgend auch als frei tragende Elemente bezeichnet sind, auf, die sich benachbart zueinander befinden und unter einem kontrollierten Abstand zueinander eingestellt sind. Die zwei frei tragenden Elemente jedes Paars sind so ähnlich wie möglich zueinander, wobei ein frei tragendes Element mit einer Betätigungseinrichtung ausgestattet ist, die so ausgelegt ist, um eine kontrollierte Oszillation des frei tragenden Elements selbst zu erzeugen, und das andere frei tragende Element mit Einrichtungen zum Erfassen der Oszillation, die durch das erste frei tragende Element erzeugt ist, ausgestattet ist. Die Oszillation der frei tragenden Elemente wird für die Zeit eingeleitet, die notwendig ist, um eine geeignete Messung zu erhalten.
Ein einzelnes Paar frei tragender Elemente ist theoretisch ausreichend, um die erwünschte Messung zu erhalten. Das Vorhandensein einer Anzahl von Paaren liegt allerdings vorzugsweise in der Größenordnung so, um einen Wert zu erhalten, der durch ein bevorzugteres Signal-zu-Rausch-Verhältnis charakterisiert ist.
Vorzugsweise sind die Betätigungseinrichtungen und die Einrichtungen zum Erfassen aus einem aktiven Material, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Material, vorzugsweise von einem polarisierten Typ, gebildet.
In 1 ist als Ganzes mit 1 eine miniaturisierte Sensorvorrichtung, die entsprechend der Erfindung aufgebaut ist, bezeichnet.
Die Vorrichtung 1 weist einen Trageteil, der mit 2 bezeichnet ist, auf, von dem sich eine Reihe von flexiblen, vorstehenden Elementen, oder frei tragenden Teilen, erstreckt, die parallel zueinander eingestellt und mit den Bezugszeichen von 3 bis 8 bezeichnet sind. In diesem Fall sieht, beispielhaft, die Vorrichtung 1 sechs frei tragende Elemente vor, und demzufolge drei Paare von frei tragenden Elementen 3-4, 5-6 und 7-8.
Die frei tragenden Elemente 3-8 jedes Paars sind so ähnlich wie möglich zueinander, vorzugsweise sind sie ähnlich einer im Wesentlichen parallel epipedalen Platte gebildet, die Dimensionen in der Größenordnung von 0,5-5 mm (Länge), 200 μm-1 mm (Breite) und 50-500 μm (Tiefe oder Dicke) besitzen.
Die frei tragenden Elemente 3-8 jedes Paars sind benachbart zueinander und unter einem kontrollierten Abstand zueinander, in dem Bereich von einigen hundert Mikron bis einigen zehn Mikron, eingestellt. Auf diese Art und Weise sind, zwischen den zueinander hinweisenden Flächen der zwei frei tragenden Elemente desselben Paars, Gleitbereiche 9 gebildet (es ist anzumerken, dass, in den Figuren, die Dimensionen der Bereiche 9 bewusst übertrieben dargestellt sind).
Auf mindestens einem der zwei größeren Flächen jedes frei tragenden Elements 3-8 ist ein jeweiliges Element angeordnet, das aus einem aktiven Material gebildet ist, vorzugs weise in der Form einer Schicht oder eines Films. Diese Schichten aus aktivem Material sind in den Figuren mit den Bezugszeichen von 3a bis 8a bezeichnet. Die Schichten 3a bis 8a sind, in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, aus einem piezoelektrischen Material gebildet und besitzen eine Dicke in der Größenordnung von 20-300 μm.
Eine Piezoelektrizität ist, wie bekannt ist, die Fähigkeit einiger kristalliner Materialien, eine elektrische Ladung hervorzurufen, wenn sie mechanischen Spannungen unterworfen werden oder auch einer Deformation unterliegen, wenn sie einem elektrischen Feld unterworfen werden. Beide Effekte, die erwähnt sind, die als direkter piezoelektrischer Effekt und inverser piezoelektrischer Effekt bekannt sind, sind zu Zwecken der Umsetzung der vorliegenden Erfindung angegeben, wie anhand des Nachfolgenden ersichtlich werden wird.
Die piezoelektrischen Schichten 3a, 5a und 7a werden, genauer gesagt, zum Erzeugen einer Oszillation oder einer kontrollierten Vibration der jeweiligen, frei tragenden Elemente 3, 5 und 7, im Wesentlichen in der Richtung senkrecht zu der Richtung, in der deren Normalen-Ebene liegt, verwendet. Für diesen Zweck wird der inverse, piezoelektrische Effekt erhalten. Die piezoelektrischen Schichten 4a, 6a und 8a werden anstelle davon als Sensoren verwendet, die äußere, mechanische Spannungen, die allerdings erzeugt sind, erfassen können, denen die jeweiligen frei tragenden Elemente 4, 6 und 8 unterworfen werden. Für diesen Zweck wird der direkte, piezoelektrische Effekt ausgenutzt.
Den piezoelektrischen Schichten 3a-8a sind erste Elektroden 3b-8b, die mit einer gemeinsamen Erdung verbunden sind, zugeordnet. Den piezoelektrischen Schichten 3a, 5a und 7a sind zweite Elektroden 3c, 5c und 7c für eine Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle oder einer gepulsten Spannungsquelle mit einer geeigneten Frequenz, die typischerweise zwischen einigen kHz und einigen zehn MHz liegt, bezeichnet mit 10, mit der Zwischenfügung jeweiliger, kontrollierter Schalteinrichtungen, die mit 11 bezeichnet sind, wobei die Bauteile 10 und 11 von einem Aufbau, der für sich selbst bekannt ist, sind, zugeordnet. Den piezoelektrischen Schichten 4a, 6a, 8a sind zweite Elektroden 4c, 6c, 8c für die Verbindung mit den jeweiligen Messschaltungen 12 zugeordnet. Die Messschaltungen 12 sind auch von einem Aufbau, der für sich selbst bekannt ist, und können jeweils zum Beispiel einen Verstärker, einen Hochpassfilter und einen Voltmeter aufweisen.
Die Verwendung der Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung in Kombination mit einem Motor erfordert natürlich die Verwendung von Lösungen, die dazu zugeordnet sind, die Vibrationskomponenten, die durch den Betrieb des Motors selbst hervorgerufen sind, zu entfernen. Die Frequenzbereiche, die eingesetzt sind, sind allerdings sehr unterschiedlich, so dass die Trennung des Signals, das von Interesse ist, mit einer geeignet ausgelegten Filterung erreicht werden kann, die selbst für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt ist.
Es muss nicht gesagt werden, dass, anstelle von drei bestimmten Versorgungsschaltungen und drei bestimmten Messschaltungen, die Vorrichtung 1 eine Einzelschaltung für eine gleichzeitige Versorgung der piezoelektrischen Schichten 3a, 5a und 7a und eine einzelne Schaltung zum Messen der mechanischen Spannungen, die auf die piezoelektrischen Schichten 4a, 6a und 8a ausgeübt werden, aufweisen könnte.
2 zeigt, in einer schematischen Querschnittsansicht, einen möglichen Aufbau des frei tragenden Teils 3, wobei davon ausgegangen wird, dass die anderen frei tragenden Elemente 4-8 ähnlich sind.
Das frei tragende Teil 3 kann zum Beispiel aus Aluminiumdioxid (Al₂O₃) oder Silizium hergestellt sein. Auf dem Substrat, das durch das frei tragende Teil 3a gebildet ist, ist die Schicht aus dem piezoelektrischen Material 3a, zum Beispiel PZT, oder PT, oder komplexere Mischungen aus Oxiden, einschließlich solcher, die in neuerer Zeit entwickelt sind, mit einem niedrigen oder keinem Bleigehalt, niedergeschlagen. Als nächstes sind die Elektroden 3b, 3c, die zum Beispiel aus Pt, Pd, Ag oder aus Mischungen dieser Metalle, die geeignet präpariert sind, und in der Form von serigrafischen Pasten verwendet werden, die auch in der Form einer leitfähigen Schicht oder eines Films vorliegen, niedergeschlagen. Dann wird eine isolierende Beschichtung 3d, die zum Beispiel aus einem serigrafischen Film oder einer Schicht mit einer niedrigen, dielektrischen Konstanten gebildet ist (es ist anzumerken, dass die isolierende Schicht 3d nicht in den 1 und 3 aus Gründen der besseren Deutlichkeit dargestellt ist), aufgebracht. Die Elektroden der verschiedenen frei tragenden Teile können auf verschiedene Arten und Weisen, entsprechend dem konstruktiven Aufbau, der ausgewählt ist (zum Beispiel auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht, an deren Seiten, eine auf der Oberseite und die andere darunter, usw.), positioniert werden.
In jedem der vorstehend angegebenen Paare wird, wie zuvor erwähnt ist, ein frei tragendes Teil 3, 5, 7 mit der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 3a, 5a, 7a als Stellglied verwendet, während das benachbarte oder dazu hinweisende frei tragende Teil 4, 6, 8 mit der jeweiligen piezoelektrischen Schicht 4a, 6a, 8a als Sensor für die Spannung, die durch das frei tragende Stellglied-Teil erzeugt ist, arbeitet.
Mindestens die frei tragenden Teile 3-8 der Vorrichtung 1 sind, in Benutzung, in einem Bad des Fluids, dessen Schmierfähigkeit überwacht werden soll, wie zum Beispiel das Öl eines Verbrennungsmotors, eingetaucht.
Unter Nicht-Arbeitsbedingungen, d. h. dort, wo die piezoelektrischen Schichten 3a, 5a, 7a nicht versorgt werden, liegen die frei tragenden Teile 3-8 im Wesentlichen parallel zueinander, wie dies in 1 zu sehen ist. Wenn die Umschalteinrichtung 11 in deren geschlossenen Zustand versetzt ist, bewirkt dies, dass die jeweilige piezoelektrische Schicht 3a, 5a, 7a versorgt wird. Auf das kontrollierte Anlegen der Spannung an die Schicht 3a, 5a, 7a folgend wird diese deformiert, wobei sie oszilliert, und zwar entsprechend dem inversen piezoelektrischen Effekt, um dadurch eine zyklische Deformation der entsprechenden frei tragenden Stellgliedteile 3, 5, 7 zu bewirken. Die Deformation bestimmt grundsätzlich eine Biegung oder Krümmung des frei tragenden Stellgliedteils und demzufolge eine Oszillation davon, die im Wesentlichen in der Richtung senkrecht zu der Normalen-Ebene auftritt, in der das frei tragende Teil selbst liegt.
Auf diese Art und Weise tendiert die seitliche Fläche des frei tragenden Stellglieds, die eine Seite des Raums 9 begrenzt, dazu, sich in Bezug auf die seitliche Fläche des benachbarten frei tragenden Sensor-Teils 4, 6, 8 zu bewegen, das den Raum 9 auf der gegenüberliegenden Seite begrenzt. Tatsächlich gleitet dann die vorstehend angegebene Fläche des frei tragenden Stellgliedteils, wenn es sich bewegt, auf der dazu hinweisenden Fläche des frei tragenden Sensorteils. Unter den mikrometrischen oder sub-mikrometrischen Dimensionen der Bereiche 9 steht das frei tragende Sensorteil 4, 6, 8 in jedem Fall unter Spannung.
Es sollte angeführt werden, dass es auch möglich ist, eine normale Last auf die Seitenflächen der frei tragenden Teile aufzubringen, um so die tribologische Kopplung in einer entscheidenden Art und Weise zu kontrollieren. Diese Last kann über Elektroden erhalten werden, die zusätzlich zu denjenigen, die dargestellt sind, vorhanden sind, die geeignet in Bezug auf die piezoelektrische Schicht angeordnet sind, oder auch einfach durch Erhalten von Deformationen der piezoelektrischen Schicht in einer Anzahl von Richtungen unter Verwendung derselben Elektroden, wie dies vorstehend beschrieben ist (zum Beispiel unter Ausnutzen der Moden oder piezoelektrischen Konstanten d₃₁ und d₃₃), die in der Lage sind, einen geeigneten Biegemodus hervorzuheben, und zwar mit einer Gleichspannung, die über die Aktivierungszeit der Oszillationen des frei tragenden Teils oder mit einem geeigneten, synchronisierten Impulssignal angelegt ist.
Es ergibt sich dann, über die piezoelektrischen Schichten 3a, 5a, 7a, dass es möglich ist, eine bekannte und kontrollierte Kraft zwischen den zueinander hinweisenden Flächen der frei tragenden Teile jedes Paars anzulegen.
Die Energie, die durch ein frei tragendes Stellglied 3, 5, 7 auf die jeweiligen, frei tragenden Sensorteile 4, 6, 8 übertragen wird, wird abhängen von:

– der normalen Last, die die aneinander angrenzenden Flächen der zwei frei tragenden Teile gegeneinander in einer Position entsprechend zu dem jeweiligen Gleitbereich 9 drückt; und
– dem Medium, d. h. dem Fluid oder dem Öl, in dem die Vorrichtung 1 zumindest teilweise untergetaucht ist, und insbesondere deren Schmiereigenschaften.

Die Geometrie der zueinander hinweisenden Flächen der frei tragenden Stellglieder und der frei tragenden Sensorteile eines Paars werden, für den vorstehenden Zweck, auch in Bezug auf die Rauigkeit, und den entsprechenden Abstand mit einer Präzision im Submikrometerbereich kontrolliert, um eine ausreichende Wiederholbarkeit in der Funktion der Vorrichtung 1 zu ermöglichen. Die piezoelektrischen Schichten können auch, wie angegeben ist, zuvor so angeordnet werden, um eine kontrollierte Last in einer Richtung normal zu derjenigen einer Oszillation aufzubringen.
Der Abstand und die Last können entsprechend der Eigenschaften der Oberfläche, die zum Gleiten in dem System eingerichtet sind, das das Fluid verwendet, das mittels der Vorrichtung 1 überwacht werden soll, definiert werden. Anders ausgedrückt kann die Vorrichtung 1 für ein Simulieren zum Beispiel einer tribologischen Kopplung eines Zylinders/Ring/Kolben-Typs eines Motors vorgesehen werden, sogar obwohl die Vorrichtung selbst betriebsmäßig an einem anderen Punkt eines Ölkreislaufs positioniert ist, zum Beispiel in der Nähe eines Sumpfes.
Der Betrag einer mechanischen Spannung, der von dem frei tragenden Stellglied 3, 5, 7 auf das frei tragende Sensorteil 4, 6, 8 übertragen ist, ist, wie vorstehend erläutert ist, eine Funktion der Schmierfähigkeit des Fluids. Demzufolge wird, je größer die Schmierfähigkeit des Fluids ist, desto kleiner die Spannung sein, die auf das frei tragende Sensorelement, und vice versa, übertragen wird.
Die Spannung, die auf das frei tragende Sensorteil übertragen ist, führt zu einer Oszillation des frei tragenden Teils selbst, die auf die jeweilige piezoelektrische Schicht 4a, 6a, 8a übertragen wird. Die darauf folgende Deformation der piezoelektrischen Schicht 4a, 6a, 8a bewirkt, dass letztere eine Spannung, als ein direkter, piezoelektrischer Effekt, erzeugt. Die Spannung wird über die jeweilige Messschaltung 12 erfasst, die, wie erwähnt ist, für diesen Zweck einen Voltmeter oder eine ähnliche Einrichtung zum Messen der Spannung aufweisen kann.
Der Betrag der Spannung, der durch die Schaltung 12 gemessen ist, stellt demzufolge die Oszillation oder die Spannung, die auf das drei tragende Sensorteil durch das jeweilige, frei tragende Stellglied aufgebracht ist, dar, was wiederum eine Funktion der Schmierfähigkeit des Öls ist. Wie gezeigt werden kann, ist, je größer die Schmierfähigkeit des Fluids ist, desto kleiner die Spannung, die auf das frei tragende Sensorelement übertragen wird, und demzufolge wird umso kleiner die Größe einer Spannung sein, die durch deren piezoelektrischen Schicht selbst erzeugt wird, die durch die jeweilige Schaltung 12 erfasst werden kann. Anstelle davon wird, je kleiner die Schmierfähigkeit des Fluids ist, desto größer die Spannung sein, die auf das frei tragende Sensorelement übertragen wird, und demzufolge wird der Betrag der Spannung, der durch deren piezoelektrische Schicht übertragen ist, umso größer sein, was durch die jeweilige Schaltung 12 erfasst werden kann.
Das Steuersystem wird, auf der Basis des Werts, der durch die Schaltung 12 erfasst ist, mit dem die Vorrichtung 1 verbunden ist, in der Lage sein, die direkte Messung der Schmierfähigkeit des Fluids auszuführen, d. h. den dynamischen Reibungskoeffizienten, und zwar zwischen dem frei tragenden Stellglied 3, 5, 7 und dem frei tragenden Sensorteil 4, 6, 8. Das Steuersystem der Vorrichtung 1 ist für diese Zwecke zuvor so ausgelegt, um mit einer anderen Ausführung der kontrollierten Bewegung des frei tragenden Stellglieds 3, 5, 7 und der Bewertung, entsprechend dem Betrag der sich ergebenden Spannung des frei tragenden Sensorteils 4, 6, 8 des Werts, der die charakteristische Größe, die für das Fluid F von Interesse ist, darstellt, zu koordinieren. Für die Zwecke der Bewertung kann eine geeignete, bekannte Verarbeitungstechnik, zum Beispiel von dem Typ, der Algorithmen zum Berechnen geeignet zu einer Fuzzy-Logik verwendet, verwendet werden.
3 stellt eine mögliche Ausführungsvariante der Erfindung dar, entsprechend der die frei tragenden Stellglieder 3, 5, 7 und die frei tragenden Sensorteile 4, 6, 8 entsprechend einem ineinander verschachtelten Aufbau angeordnet sind. In dieser Figur sind dieselben Bezugszeichen wie solche der 1 verwendet, um Elemente anzugeben, die technisch zu solchen äquivalent sind, die bereits vorstehend beschrieben sind.
In der Ausführungsform der 3 sind, wie sich zeigt, zwei im Wesentlichen kammähnliche Trageteile vorgesehen, die mit 2a und 2b bezeichnet sind, wobei die Zähne davon jeweilige frei tragende Teile bilden. Die frei tragenden Teile 3, 5, 7 führen, zusammen mit den jeweiligen piezoelektrischen Schichten 3a, 5a, 7a des Elements 2a, die Funktionen eines Stellglieds durch, während die frei tragenden Teile 4, 6, 8, mit den jeweiligen piezoelektrischen Schichten 4a, 6a, 8a des Elements 2b, die Funktionen des Sensors vornehmen. Die Positionen der zwei Elemente 2a, 2b in Bezug zueinander ist derart, dass die frei tragenden Teile 3, 5, 7 von einem zwischen die frei tragenden Teile 4, 6, 8 des anderen gemischt sind, um die erwünschte ineinander verschachtelte Anordnung anzunehmen.
Die Betriebsweise der Vorrichtung 1 in der Ausführung der 3 ist ähnlich zu derjenigen, die zuvor beschrieben ist. Ein Teil der Bereiche für ein Gleiten 9 ist, unter Vorgabe des vorstehend angegebenen, ineinander verschachtelten Aufbaus, in dieser Ausführungsform, auch zwischen den vorderen Flächen der frei tragenden Stellglieder 3, 5, 7 (oder frei tragenden Sensorteile 4, 6, 8) und der vorderen Fläche des Elements 2a (oder 2b), das zwischen zwei frei tragenden Sensorteilen 4, 6, 8 (oder frei tragenden Stellgliedern 3, 5, 7) angeordnet ist, gebildet. Dies ermöglicht eine Erhöhung in der Auflösung der Messung der Vorrichtung 1.
Es ist offensichtlich, dass auch, in dieser Ausführungsform, die Gleitbereiche 9 durch Flächen begrenzt sein werden, die unter einem kontrollierten Abstand zueinander eingestellt sind, typischerweise im Mikrometerbereich oder Submikrometerbereich, und zwar in einer Position im Wesentlichen parallel zu den Nicht-Betriebszuständen der Vorrichtung 1.
In der Varianten der 3 sind die frei tragenden Teile 3-8 aus einem einzelnen Teil mit den entsprechenden Trageteilen 2a, 2b gebildet. Eine ähnliche Ausführungsform könnte auch in dem Fall der 1 verwendet werden, d. h. Versehen alter frei tragenden Teile 3-8 eines einzelnen Teils mit dem jeweiligen gemeinsamen Trageteil 2.
Die Geometrie der zueinander hinweisenden Flächen der frei tragenden Stellglieder und der frei tragenden Sensorteile und der entsprechende Abstand müssen, wie bereits erläutert worden ist, durch eine sehr genaue Präzision kontrolliert werden. Für diesen Zweck ist eine mögliche Technik, die für die Herstellung der frei tragenden Teile 3-8 verwendet werden kann, sowohl in dem Aufbau der 1 als auch in demjenigen der 2, eine solche, die als "tiefes reaktives Ionen-Ätzen" ("Deep Reactive Ion Etching-DRIE) bekannt ist. Die piezoelektrischen Schichten 3a-8a und die Elektroden 3b-8b und 3c-8c können mit klassischen serigrafischen Techniken oder mit hoch auflösenden Techniken, wie zum Beispiel "Gravur-Drucken", niedergeschlagen werden. Die Schutzschicht 3d der 2 kann über Techniken ähnlich zu derjenigen, die zuvor beschrieben worden ist, niedergeschlagen werden.
Vorzugsweise werden, für die Zwecke der Bildung der piezoelektrischen Schichten 3a-8a, ferro-elektrische Materialien eines "weichen" oder "Relaxor"-Typs verwendet, die einen Betrieb auch außerhalb der Resonanz ermöglichen.
Die piezoelektrischen Schichten 4a, 6a, 8a der frei tragenden Sensorteile 4, 6, 8 nutzen, in den Anordnungen, die beispielhaft angegeben sind, die direkte, piezoelektrische Konstante, bekannt als "d₃₁", für die Zwecke der Erzeugung einer Spannung, die durch die Schal tung 12 erfassbar ist, aus. In möglichen Ausführungsvarianten könnte, für diesen Zweck, die piezoelektrische Konstante, bekannt als "d₅₁", anstelle davon genutzt werden.
Die Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung kann, in einer praktischen Umsetzung, einen Teil einer Erfassungsanordnung bilden, die verschiedene Sensoreinrichtungen eines Typs, der für sich selbst bekannt ist, für Zwecke der Bewertung anderer Charakteristika des Fluids, das von Interesse ist, bilden. 4 stellt beispielhaft eine Möglichkeit in diesem Sinne dar, zu der entsprechend eine Detektorvorrichtung, die zusammen mit 20 bezeichnet ist, vorgesehen ist, die in einer Position entsprechend zu einem Sumpf 21 des Öls F eines Verbrennungsmotors montiert ist. Die Vorrichtung 20 integriert sowohl den Sensor 1, der zuvor beschrieben ist, als auch die Sensoreinrichtungen 22-24 eines Typs, der für sich selbst bekannt ist, um Variablen, wie beispielsweise die dielektrische Konstante, die elektrische Leitfähigkeit, das Transmissionsvermögen/Absorptionsvermögen und die Viskosität des Öls zu erfassen. In vorteilhafter Weise kann auch eine Sensoreinrichtung 25 zum Erfassen der Temperatur des Öls F vorgesehen werden.
Die Variable, die durch die Sensoreinrichtung 25 erfasst ist, zusätzlich dazu, dass sie in absoluten Angaben wichtig ist (d. h. in Bezug auf die Kenntnis der Temperatur des Öls), wird auch für den Zweck einer "Kompensierung" irgendeiner Erfassung, die mittels eines oder mehreren der anderen Sensoren 1 und/oder 22-24 vorgenommen ist, verwendet; tatsächlich können bestimmte, physikalische Charakteristika des Öls bei unterschiedlichen Temperaturen des Fluids variieren (zum Beispiel der Wert der Viskosität des Öls bei einer ersten Temperatur ist gegenüber dem Wert, der bei einer unterschiedlichen Betriebstemperatur desselben Fluids erfassbar ist, unterschiedlich). Zu dieser Vorrichtung können in jedem Fall Einrichtungen zum Kontrollieren und Stabilisieren der Temperatur des Fluids, das durch den Sensor bewertet werden soll, wie beispielsweise eine Heiz- und/oder Kühlenrichtung, zugeordnet werden. Die Vorrichtung 1 kann, zum Beispiel, betriebsmäßig in einer jeweiligen Umhüllung oder Kammer positioniert sein, die von dem Hydraulikkreis abzweigt und demzufolge so ausgelegt ist, um eine Probe des Fluids, das analysiert werden soll, aufzunehmen. Der Kammer ist eine mit Thermostat versehene Heizeinrichtung zugeordnet, die auch in der Lage ist, das Fluid bis zu einer vorbestimmten Temperatur zu bringen, und die Vorrichtung 1 wird, wenn sie erreicht ist, eine Erfassung unter Verwendung der Betriebsmoden, die vorstehend beschrieben sind, ausführen.
Nur als Beispiele:

– die Sensoreinrichtungen 22 zum Erfassen der dielektrischen Konstante und/oder der Leitfähigkeit kann von einem kapazitiven Typ sein;
– die Sensoreinrichtung 23 zum Erfassen des Transmissionsvermögens/des Absorptionsvermögens kann von einem optischen Typ sein;
– die Sensoreinrichtung 24 zum Erfassen der Viskosität kann von dem Typ sein, der einen Quarzoszillator verwendet;
– die Sensoreinrichtung 25 zum Erfassen der Temperatur kann von dem Typ sein, der einen NTC-Widerstand (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient) verwendet.

Die Vorrichtung 20 ist mit einer Steuereinheit 30 für die Signale, die durch die verschiedenen Sensoreinrichtungen 1, 22-25 erfasst sind, zum Verarbeiten der Signale selbst verbunden. Die eine Umschalteinrichtung 11 oder mehrere davon und/oder die Schaltungen 12 können in der Einheit 30 integriert sein.
Natürlich können die Details des Aufbaus und der Ausführungsformen ohne Präjudiz des Prinzips der Erfindung, in Bezug auf dasjenige variieren, was hier nur anhand eines Beispiels beschrieben und dargestellt ist.
Zum Beispiel könnte, wenn es als notwendig erachtet wird, eine piezoelektrische Schicht, mit den entsprechenden Elektroden und einer isolierenden/schützenden Beschichtung, auch auf der Unterseitenfläche der frei tragenden Teile 3-8 zugeordnet werden.
Die Erfindung ist zuvor unter Bezugnahme auf die Verwendung eines piezoelektrischen Materials für die Zwecke einer Herstellung der Schichten des Stellglieds 3a, 5a, 7a und der Sensoren 4a, 6a, 8a beschrieben worden. In möglichen, geänderten Ausführungsformen könnten allerdings die Schichten aus einem anderen, aktiven Material, oder aus Kombinationen einer Anzahl von aktiven Materialien, gebildet werden. Hierzu ist insbesondere die Möglichkeit einer Verwendung eines magneto-striktiven Materials hervorzuheben. In diesem Fall werden die magneto-striktiven Schichten, die auf die frei tragenden Stellglieder aufgebracht sind, durch ein magnetisches Feld anregbar sein, um deren De formation zu bewirken. Der Umfang der darauf folgenden Deformation, der in den frei tragenden Sensorteilen induziert ist, und demzufolge in den entsprechenden magnetostriktiven Schichten, kann auf der Basis des inversen, magneto-striktiven Effekts erfasst werden.
In weiteren, geänderten Ausführungsformen könnten die frei tragenden Teile 3-8 insgesamt aus einem aktiven Material gebildet sein, ohne das Erfordernis, die jeweiligen Schichten 3a-8a, zum Beispiel aus piezoelektrischem Material oder magneto-striktivem Material, vorzusehen.

Claims

Miniaturisierte Sensorvorrichtung für die Erfassung mindestens einer charakteristischen Größe eines Fluids (F), insbesondere eines Schmieröls, die zwei oder mehr frei tragende Elemente (3-8) aufweist, die so angepasst sind, um zumindest teilweise dem Fluid (F) ausgesetzt oder darin untergetaucht zu werden, wobei mindestens ein erstes frei tragendes Element (3, 5, 7) in der Lage ist, kontrollierte Bewegungen vorzunehmen, und mindestens ein zweites frei tragendes Element (4, 6, 8) in der Lage ist, eine Spannung, die darauf ausgeübt ist, zu erfassen, wobei die Vorrichtung eine Stellgliedeinrichtung (3a, 5a, 7a), um die kontrollierten Bewegungen zu verursachen, besitzt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste und das zweite frei tragende Element (4, 6, 8) in relativen Positionen so angeordnet sind, dass eine Deformation, die auf das erste frei tragende Element (3, 5, 7), die einer kontrollierten Bewegung des Elements selbst zugeordnet ist, aufgebracht ist, an dem zweiten frei tragenden Element (4, 6, 8) eine Spannung hervorruft, deren Betrag als eine Funktion der charakteristischen Größe variabel ist, und dass die Vorrichtung (1) Steuereinrichtungen (10, 11, 12, 30) aufweist, die zuvor so eingerichtet sind, um dazwischen die Ausführung der kontrollierten Bewegung des ersten frei tragenden Elements (3, 5, 7) und die Bewertung, als eine Funktion der Größe der darauf folgenden Spannung des zweiten frei tragenden Elements (4, 6, 8), eines Werts, der für die charakteristische Größe repräsentativ ist, zu koordinieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Größe die Schmierfähigkeit des Fluids (F) ist, d. h. der dynamische Reibungskoeffizient zwischen dem ersten frei tragenden Element (3, 5, 7) und dem zweiten frei tragenden Element (4, 6, 8).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste frei tragende Element (3, 5, 7) eine Oberfläche besitzt, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des zweiten frei tragenden Elements (4, 6, 8) erstreckt, wobei sich die zwei Oberflächen unter einem vorgegebenen Abstand, insbesondere einem Mikrometer- oder Submikrometerabstand, voneinander entfernt befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen in der Lage sind, in Bezug zueinander als Folge einer Bewegung des ersten frei tragenden Elements (3, 5, 7) in Bezug auf das zweite frei tragende Element (4, 6, 8) zu gleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste frei tragende Element (3, 5, 7) in einer kontrollierten Art und Weise über die Anwendung eines Auslöseimpulses eines elektrischen oder magnetischen Typs bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedeinrichtung eine Stellgliedeinrichtung (3a, 5a, 7a), die mit dem ersten frei tragenden Element (3, 5, 7) ausgestattet ist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite frei tragende Element (4, 6, 8) mit Sensoreinrichtungen (4a, 6a, 8a) ausgestattet ist, die eine Bewegung des Elements selbst, induziert durch die Bewegung des ersten frei tagenden Elements (3, 5, 7), erfassen können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedeinrichtung ein aktives Material umfasst, aus dem das erste frei tragende Element insgesamt gebildet ist, wobei das aktive Material, dem Anlegen daran eines elektrischen oder magnetischen Auslöseimpulses folgend, deformierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedeinrichtung eine Schicht aus einem aktiven Material (3a, 5a, 7a) aufweist, das, dem Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Auslöseimpulses folgend, deformierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen (4a, 6a, 8a) eine Schicht aus aktivem Material aufweisen, das auf eine Deformation des jeweiligen zweiten frei tragenden Elements (4, 6, 8) hin folgend deformierbar ist und das dazu in der Lage ist, entsprechend ein entsprechendes Signal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material ausgewählt ist aus: – piezoelektrischen Materialien; und – magnetstriktiven Materialien.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Stellgliedeinrichtung (3a, 5a, 7a) jeweilige Elektroden (3b, 3c, 5b, 5c, 7b, 7c) für eine Verbindung mit einer Spannungsversorgungsquelle (10) zugeordnet sind; zu den Sensoreinrichtungen (4a, 6a, 8a) jeweilige Elektroden (4b, 4c, 6b, 6c, 8b, 8c) für eine Verbindung mit einer Schaltung (12) für die Erfassung oder Messung des Signals zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von frei tragenden Elementen (3-8) zu ein und derselben Komponenten (2), von der sie sich in im Wesentlichen parallelen Positionen erstrecken, zugeordnet sind oder einen Teil davon bilden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die frei tragenden Elemente (3-8) entsprechend einer ineinander geschachtelten Anordnung angeordnet sind, wobei insbesondere ein oder mehrere erste frei tragende Element(e) (3, 5, 7) zu einer ersten Komponenten (2a) zugeordnet ist (sind) oder einen Teil davon bildet (bilden) und ein oder mehrere zweite frei tragende Element(e) (4, 6, 8) zu einer zweiten Komponenten (2b) zugeordnet ist (sind) oder einen Teil davon bildet (bilden).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer Anordnung für die Erfassung mindestens einer weiteren Eigenschaft des Fluids (F), ausgewählt aus einer dielektrischen Konstanten, einer elektrischen Leitfähigkeit, einem Transmissionsvermögen/Absorptionsvermögen, Viskosität, Temperatur, ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Paaren von frei tragenden Elementen (3-4, 5-6, 7-8) vorgesehen ist, wobei die Paare der frei tragenden Elemente (3-4, 5-6, 7-8) jeweils eines des ersten frei tragenden Elements (3, 5, 7) und eines des zweiten frei tragenden Elements (4, 6, 8) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zum Kontrollieren und/oder Stabilisieren der Temperatur eines Volumens des Fluids (F), dem das erste und das zweite frei tragende Element (3-7) zumindest teilweise ausgesetzt sind, vorgesehen sind, wobei die Einrichtungen insbesondere Einrichtungen zum Beheizen und/oder Kühlen des Fluids (F) aufweisen.