DE69015984T2

DE69015984T2 - Piezoelektrischer Druckwandler.

Info

Publication number: DE69015984T2
Application number: DE69015984T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Kusakabe; Masuo Takigawa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-11-02
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: US5142914A; DE69015984D1; EP0430445A2; KR910010168A; ES2066155T3; EP0430445A3; CA2029041A1; CA2029041C; JPH03148028A; EP0430445B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Drucksensor und im besonderen, aber nicht ausschließlich, auf einen piezoelektrischen Drucksensor, der zum Erfassen eines Verbrennungsdrucks, beispielsweise innerhalb eines Zylinders einer Verbrennungsmaschine, geeignet ist.
Piezoelektrische Drucksensoren, die den piezoelektrischen Effekt, bei dem durch Anlegen von Spannung elektrische Ladungen erzeugt werden, anwenden, werden weitverbreitet verwendet. In jüngster Zeit ist intensiv an der Entwicklung eines piezoelektrischen Drucksensors gearbeitet worden, der zum Erfassen des Verbrennungsdruckes innerhalb eines Zylinders einer Verbrennungsmaschine geeignet ist.
Fig. 3 ist ein axialer Schnitt durch einen piezoelektrischen Drucksensor, wie er in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung 63-109342 beschrieben ist. Der piezoelektrische Drucksensor ist von dem Typ, bei dem an sein piezoelektrisches Element 24 eine Scherspannung angelegt wird. Das piezoelektrische Element 24 ist innerhalb eines Sensorgehäuses 21 angeordnet. Das piezoelektrische Element 24 ist auf die Art befestigt und vorgespannt, daß es von einem Befestigungsschraubelement 25 über ein Druckübertragungselement 23 gegen eine Druckaufnahmeoberfläche 22 gepreßt wird. Dieser Druck ist zum Messen eines negativen Druckes erforderlich, im besonderen beim Messen des Verbrennungsdruckes innerhalb eines Zylinders einer Verbrennungsmaschine. Der auf die Druckaufnahmeoberfläche 22 ausgeübte Druck wird über das gegen das Sensorgehäuse 21 elektrisch isolierte Druckübertragungselement 23 auf einen Innenumfangsabschnitt des piezoelektrischen Elements 24 übertragen. In diesem Fall wird in dem piezoelektrischen Element 24 eine Scherspannung erzeugt, weil es an seinem oberen Außenumfangsabschnitt von dem oberen Befestigungsschraubelement 25 gehalten ist. Daher werden entsprechend der Scherspannung an der Innen- und Außenumfangsfläche des piezoelektrischen Elements 24 elektrische Ladungen erzeugt und als ein elektrisches Signal von an der Innen - und der Außenumfangsfläche vorgesehenen Elektroden erfaßt. Der so aufgebaute piezoelektrische Drucksensor ist wegen seiner einfachen Struktur vorteilhaft. Wenn der piezoelektrische Drucksensor jedoch in einen Prüfgegenstand 32 eingeschraubt wird, werden im Flansch des Sensorgehäuses 21 im Verhältnis zu der Dichtkraft des Sensorgehäuses 21 gegen den Prüfgegenstand 32, wie in Fig. 4 gezeigt, Zugspannungen erzeugt, so daß der Abstand zwischen der Druckaufnahmeoberfläche 22 und der oberen Befestigungsschraube 25 vergrößert wird. Im Ergebnis wird die zum Befestigen oder Festlegen des piezoelektrischen Elements 24 angelegte Vorspannung vermindert, und daher wird der Kontakt zwischen dem Druckübertragungselement 23 und dem piezoelektrischen Element 24 sowie der zwischen dem piezoelektrischen Element 24 und dem Befestigungsschraubelement 25 instabil. Deswegen wird der Druck auf die Druckaufnahmeoberfläche 22 ungleichmäßig oder nur teilweise auf das piezoelektrische Element 24 übertragen, was zu einer erheblichen Schwankung des Sensorausgangssignals führt. Da sich die piezoelektrische Konstante des piezoelektrischen Elements entsprechend der Größe der Vorspannung verändert, wird das Sensorausgangssignal zusätzlich nachteilig beeinflußt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist also, einen piezoelektrischen Drucksensor anzugeben, der keine Veränderung der das piezoelektrische Element befestigenden Vorspannung erzeugt und dadurch ein stabiles Ausgangssignal liefert.
Entsprechend dieser und anderen Aufgaben besteht die Erfindung aus einem piezoelektrischen Element; einem das piezoelektrische Element beherbergenden inneren Sensorgehäuse, wobei der innere Sensorgehäuse eine Druckaufnahmewand, eine Druckübertragungseinrichtung zum Übertragen des zu messenden und an einer Außenfläche der Wand anliegenden Druckes auf das piezoelektrische Element sowie eine Einrichtung zum Pressen des piezoelektrischen Elements gegen die Druckübertragungseinrichtung zum Anlegen einer axialen Vorspannung an dieses Element einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensoraußengehäuse mit einer Einrichtung, die das Gehäuse in einen Prüfgegenstand einschraubbar macht, in dem der Druck gemessen werden soll, wobei das Sensorinnengehäuse in dem Sensoraußengehäuse so untergebracht ist, daß die Druckaufnahmewand des Sensorinnengehäuses dem in dem Prüfgegenstand zu messenden Druck ausgelegt ist; und eine Einrichtung zum Befestigen des Sensorinnengehäuses innerhalb des Sensoraußengehäuses vorgesehen sind.
Fig. 1 ist ein Querschnitt längs der Achse eines piezoelektrischen Drucksensors nach einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Achse einer modifizierten Form des piezoelektrischen Drucksensors aus Fig. 1,
Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Achse eines typischen Beispiels für einen konventionellen piezoelektrischen Drucksensor und
Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Achse des an einem Prüfgegenstand angebrachten konventionellen piezoelektrischen Drucksensors und zeigt einen Zustand, bei dem an dem piezoelektrischen Drucksensor Zugspannungen angelegt sind.
Anhand Fig. 1 wird nachstehend ein piezoelektrischer Drucksensor nach einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der piezoelektrische Drucksensor schließt ein im wesentlichen hohlzylindrisches Sensoraußengehäuse 10 und ein Sensorinnengehäuse 12 ein. Das Sensorinnengehäuse 12 ist in das Sensoraußengehäuse 10 eingepaßt.
Das Außengehäuse 10 schließt einen Einschraubabschnitt 110, einen Zwischenabschnitt 111 mit größerem Außendurchmesser als der Einschraubabschnitt 110 und einen Abschnitt 112 mit dem größten Durchmesser ein. Der Einschraubabschnitt 110, der Zwischenabschnitt 111 und der Abschnitt 112 mit dem größten Durchmesser sind einstückig und koaxial ausgebildet. Zwischen dem Einschraubabschnitt 110 und dem Zwischenabschnitt 111 ist in einer Außenfläche des Sensoraußengehäuses 10 eine ringförmige Außenschulter 113 ausgebildet, während in einer Innenfläche des Sensoraußengehäuses 10 eine ringförmige Innenschulter 114 ausgebildet ist. Der Einschraubabschnitt 110 ist mit einem in seiner Äußenfläche ausgebildeten Schraubgewinde 115 versehen.
Das Sensorinnengehäuse 12 hat einen Sensorabschnitt 120 und einen mit dem Sensorabschnitt 120 koaxial und einstückig ausgebildeten Proximalabschnitt 121. In seiner Außenfläche ist zwischen dem Sensorabschnitt 120 und dem Proximalabschnitt 121 eine ringförmige Außenschulter 122 ausgebildet. Der Proximalabschnitt 121 ist an seiner Außenfläche mit einem Außenschraubgewinde 123 versehen, das dicht in ein an einer Innenfläche des Zwischenabschnitts 111 ausgebildetes Innenschraubgewinde 116 eingreift, so daß ein ringförmiges Dichtelement 17 zwischen der ringförmigen Innenschulter 114 des Sensoraußengehäuses 10 und der ringförmigen Außenschulter 122 des Sensorinnengehäuses 12 zum hermetisch Dichten eingeklemmt ist. Der Sensorabschnitt 120 ist in den Einschraubabschnitt 110 des Sensoraußengehäuses 11 gleitend eingepaßt und ist nicht an dem Einschraubabschnitt 110 festgelegt. Somit kann sich der Sensorabschnitt 120 ohne irgendeine Veränderung der axialen Länge axial bewegen, wenn in dem Sensoraußengehäuse 10 beim Anbringen an einen Prüfgegenstand axiale Spannungen, v.a. im Zwischenabschnitt 111, erzeugt werden. Das Sensorinnengehäuse 12 ist an seiner Spitze mit einer Druckaufnahmebodenwand 13 versehen, die mit ihrer Außenfläche 130 dem zu messenden Druck ausgelegt sein soll. Ein längliches Druckübertragungselement 14 ist so angeordnet, daß es mit seinem einen Ende über eine dünne elektrische Isolationsschicht 131, wie etwa Teflon (das Warenzeichen für Polytetrafluorethylen), eine Innenfläche der Druckaufnahmebodenwand 13 berührt. Das Druckübertragungselement 14 kann aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, wie etwa Strukturkeramik (structural ceramic). Das Druckübertragungseleinent 14 ist an seinem anderen Ende mit einem mit diesem Ende koaxialen Abschnitt 140 mit verminderten Durchmesser versehen. Ein hohlzylindrisches piezoelektrisches Element 15 paßt mit einem unteren Innenumfangsabschnitt 151 um den Abschnitt 140 mit vermindertem Durchmesser des Druckübertragungselementes 14. Das piezoelektrische Element 15 weist eine Polarisationsachse längs seiner Achse auf und ist an seiner Innen- und Außenumfangsfläche mit Elektroden versehen (nicht gezeigt). Ein Befestigungsschraubelement 16 paßt um einen oberen Außenumfangsabschnitt 152 des piezoelektrischen Elements 15. Das Befestigungsschraubelement 16 ist mit seinem Kopfabschnitt 160 in eine Innenumfangsfläche 124 des Proximalabschnitts 121 eingeschraubt, um das piezoelektrische Element 15 über das Druckübertragungselement 14 gegen die Druckaufnahmebodenwand 13 zur Vorspannung des piezoelektrischen Elements 15 zu drücken. Auf diese Art sind das piezoelektrische Element 15 und das Druckübertragungselement 14 in dem Sensorinnengehäuse 12 befestigt. Das Befestigungsschraubelement 16 ist mit den an der Außenumfangsfläche des piezoelektrischen Elements 15 angebrachten Elektroden elektrisch verbunden und dient als Zuleitung.
Bei diesem piezoelektrischen Drucksensor wird ein infolge einer Druckschwankung in einer zu messenden Zone an die Druckaufnahmebodenwand 13 angelegter Druck über das Druckübertragungselement 14 auf den unteren Innenumfangsabschnitt 151 des piezoelektrischen Elements 15 übertragen. Das piezoelektrische Element 15 wird an dem oberen Außenumfangsabschnitt 152 von dem Befestigungsschraubelement 16 gehalten, und daher erzeugt der auf das piezoelektrische Element 15 übertragene Druck eine Scherspannung in dem piezoelektrischen Element 15, so daß in den Elektroden des piezoelektrischen Elements 15 elektrische Ladungen im Verhältnis zu der Scherspannung erzeugt werden.
Fig. 2 zeigt eine modifizierte Form des piezoelektrischen Drucksensors aus Fig. 1. Bei dem modifizierten piezoelektrischen Drucksensor ist der Proximalabschnitt des Sensorinnengehäuses 12 an seinem oberen Kantenabschnitt 126 an der Innenumfangsfläche des Zwischenabschnitts 111 des Sensoraußengehäuses 10 angeschweißt. Der Proximalabschnitt 121 kann an dem oberen Kantenabschnitt 126 auch an dem Zwischenabschnitt 111 angelötet statt angeschweißt sein. Eine solche Verschweißung oder Verlötung des Proximalabschnitts 121 hat eine ähnliche Wirkung wie der Schraubgewindeeingriff in der vorhergehenden Ausführungsform.
Der piezoelektrische Drucksensor nach der Erfindung erzeugt keinerlei Veränderung der Vorspannung des piezoelektrischen Elements 15 infolge von axialen Spannungen im Sensorgehäuse wie im Stand der Technik und vermindert daher die Schwankung des Sensorausgangssignals. Der piezoelektrische Drucksensor nach dieser Ausführungsform verwendet zum Erfassen des Druckes eine Scherspannung und ist deswegen dahingehend vorteilhaft, daß der Einfluß eines pyroelektrischen Ausgangssignals des piezoelektrischen Elements vermindert wird.
Obwohl in der Ausführungsform ein piezoelektrischer Drucksensor vom eine Scherspannung verwendenden Schereffekttyp gezeigt ist, ist es auch möglich, einen piezoelektrischen Drucksensor vorzusehen, der Spannungen in der Kompressionsrichtung oder der radialen Richtung des piezoelektrischen Elements verwendet.
Das piezoelektrische Element kann aus einem Material mit einein Hauptanteil Bleititanat unter Zusatz von Mn 15 und La hergestellt sein. Bleititanat verleiht dem piezoelektrischen Element eine exzellente Hitzebeständigkeit und eine stabile Charakteristik bei hohen Temperaturen. Bei hohen Temperaturen hat das piezoelektrische Element verstärkte Ausgangscharakteristiken. Wenn ein eine Scherspannung verwendendes piezoelektrisches Element, wie in dieser Erfindung, aus einem solchen Bleititanatmaterial hergestellt ist, ergibt das einen zum Druckerfassen bei hohen Temperaturen geeigneten piezoelektrischen Drucksensor.

Claims

1. Piezoelektrischer Drucksensor des Typs, bei dem durch Anlegen einer dynamischen Spannung an ein piezoelektrisches Element erzeugte elektrische Ladungen erfaßt werden, mit:

einem piezoelektrischen Element (15); einem das piezoelektrische Element (15) beherbergenden inneren Sensorgehäuse (12), wobei das innere Sensorgehäuse (12) eine Druckaufnahmewand (13), eine Druckübertragungseinrichtung (14) zum Übertragen des zu messenden und an einer Außenfläche (130) der Wand (13) anliegenden Druckes auf das piezoelektrische Element (15) sowie eine Einrichtung (16) zum Pressen des piezoelektrischen Elements gegen die Druckübertragungseinrichtung (14) zum Anlegen einer axialen Vorspannung an dieses Element einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensoraußengehäuse (10) mit einer Einrichtung (115), die das Gehäuse (10) in einen Prüfgegenstand einschraubbar macht, in dem der Druck gemessen werden soll, wobei das Sensorinnengehäuse (12) in dem Sensoraußengehäuse (10) so untergebracht ist, daß die Druckaufnahmewand (13) des Sensorinnengehäuses (12) dem in dem Prüfgegenstand zu messenden Druck ausgesetzt ist; und eine Einrichtung (116, 123, 126) zum Befestigen des Sensorinnengehäuses (12) innerhalb des Sensoraußengehäuses (10) vorgesehen sind.

2. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensoraußengehäuse (10) eine im wesentlichen zylindrische Gestalt hat und einen in den Prüfgegenstand passend ausgelegten Einpaßabschnitt (110), wobei der Einpaßabschnitt (110) eine Außenfläche hat; einen mit dem Einpaßabschnitt (110) koaxialen Zwischenabschnitt (111) mit einem größeren Außendurchmesser als der des Einpaßabschnitts (110), wobei der Zwischenabschnitt (111) eine Innenfläche hat; eine mit sowohl dem Einpaßabschnitt (110) als auch dem Zwischenabschnitt (111) einstückig ausgebildete ringförmige Außenschulter (113) aufweist; und daß die Einrichtung zum in den Prüfgegenstand einschraubbar Machen des Gehäuses (10) ein in der Außenfläche des Einpaßabschnitts zum Eingreifen in den Prüfgegenstand ausgebildetes Schraubgewinde (115) aufweist, wobei die ringförmige Außenschulter (113) dazu ausgelegt ist, gegen den Prüfgegenstand gepreßt zu werden, um darin axiale Spannung zu erzeugen, wenn das Schraubgewinde mit dem Prüfgegenstand in Eingriff steht; daß das Sensorinnengehäuse (12) einen Sensor (120) aufweist, der zur Anordnung innerhalb des Einpaßabschnitts (110) des Sensoraußengehäuses in bezüglich des letzteren axial beweglicher Weise ausgelegt ist; und einen mit dem Sensorabschnitt (120) koaxialen Proximalabschnitt (121) hat, der auf einer der junigen Seite der ringförmigen Außenschulter (113), auf der die Druckaufnahmefläche (130) liegt, entgegengesetzten Seite der ringförmigen Außenschulter (113) des Sensoraußengehäuses liegt; und daß die Befestigungseinrichtung (116, 123, 126) zwischen dem Proximalabschnitt (121) des Sensorinnengehäuses (12) und der Innenfläche des Zwischenabschnitt (111) des Sensoraußengehäuses (10) angeordnet ist, um den Proximalabschnitt des Sensorinnengehäuses an der Innenfläche des Zwischenabschnitts zu befestigen.

3. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (116, 123) ein in dem Proximalabschnitt (121) des Sensorinnengehäuses ausgebildetes Außenschraubgewinde (123) und ein in der Innenfläche des Zwischenabschnitts des Sensoraußengehäuses zum Eingriff in das Außengewinde (123) ausgebildetes Innenschraubgewinde (116) aufweist.

4. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Proximalabschnitt (121) des Sensorinnengehäuses (12) einen größeren Durchmesser als dessen Sensorabschnitt (120) aufweist, wodurch eine ringförmige Außenschulter gebildet wird; das Sensoraußengehäuse eine zur Anlage an der Außenschulter (122) des Sensorinnengehäuses ausgelegte Innenschulter aufweist; und ferner ein Dichtelement (17) vorgesehen ist, das dazu ausgelegt ist, zwischen die Innenschulter (122) des Sensoraußengehäuses und die Außenschulter (114) des Innengehäuses zum hermetischen Abdichten des Sensorinnengehäuses zwischengelegt zu werden.

5. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (126) ein an die Innenfläche des Zwischenabschnitts (111) des Sensoraußengehäuses angeschweißter Abschnitt an dem Proximalabschnitt (121) des Sensorinnengehäuses ist.

6. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (116) ein an die Innenfläche des Zwischenabschnitts (111) des Sensoraußengehäuses angelöteter Abschnitt an dem Proximalabschnitt (121) des Sensorinnengehäuses ist.

7. Piezoelektrischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckanlegeeinrichtung (16) und die Druckübertragungseinrichtung (14) dazu ausgelegt sind, das piezoelektrische Element (15) zu halten, um in dem piezoelektrischen Element (15) eine Scherspannung zu erzeugen, wenn der Druck von der Druckübertragungseinrichtung (14) auf das piezoelektrische Element (15) übertragen wird, wodurch infolge der Scherspannung erzeugte elektrische Ladungen erfaßt werden.

8. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (15) im wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders hat und einen Innenrandabschnitt (151) und einen Außenrandabschnitt (152) aufweist; das piezoelektrische Element (11) so ausgelegt ist, daß es mit seinem Innenrandabschnitt (151) an der Druckübertragungseinrichtung (14) und mit seinem Außenrandabschnitt (152) an der Druckanlegeeinrichtung (16) anliegt; das Sensorinnengehäuse (12) eine Innenfläche (124) aufweist; und die Druckanlegeeinrichtung (16) zum Anlegen der Vorspannung an das piezoelektrische Element (15) mit der Innenfläche des Sensorinnengehäuses verschraubt ist.

9. Piezoelektrischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (15) aus einem Bleititanat enthaltenden Material hergestellt ist.