DE69416820T2

DE69416820T2 - Klopfsensor mit balkenbeschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE69416820T2
Application number: DE69416820T
Authority: DE
Inventors: Nobuyasu Goto; Masahito Imai; Koichi Kamabora; Kenji Kanemaru; Norio Kitao; Naohito Mizuno
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2014-08-02
Also published as: JP3213945B2; EP0671612A4; EP0671612A1; DE69416820D1; EP0671612B1; WO1995004262A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Klopfmelder zum Erfassen einer anomalen Schwingung aufgrund einer Klopferscheinung bei einem Motor eines Fahrzeugs oder ähnlichem.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Ein Klopfsteuersystem zum Steuern einer Klopferscheinung, Erhöhen des Motor-Drehmoments und Verbessern des Treibstoffverbrauchs bei einem Motor eines Fahrzeugs oder ähnlichem, welches das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein einer Klopferscheinung an eine Motorsteuereinheit (ECU) übermittelt und den Zündzeitpunkt von Zündkerzen in Zylindern des Motors mit der ECU steuert, ist herkömmlicherweise bekannt. Dieser Klopfmelder erfaßt eine für die Klopferscheinung kennzeichnende Schwingung, und dessen Schwingungsdetektor arbeitet herkömmlicherweise mit einem aus Keramik bestehenden piezoelektrischen Element.
Allgemein existieren zwei Typen von Erfassungsverfahren für eine Klopfschwingung dieses Klopfmelders. Einer ist ein Resonanztyp, welcher ein piezoelektrisches Element mit einer Klopffrequenz in Resonanz bringt und ein Ausgangssignal infolge der Resonanz davon als Klopfsignal erfaßt, wie in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 62-96823, Patent Gazette, der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 59-164921, Patent Gazette, oder der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 62-128332 beschrieben ist. Der andere ist ein Flachtyp, welcher ein Klopfsignal in einem Flachbereich erfaßt, in welchem ein durch ein piezoelektrisches Element ausgegebenes Ausgangssignal nicht dem Einfluß von Resonanz unterliegt, wie in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 57-99 133 beschrieben. Aufgrund des Umstands, daß ersterer eine Resonanz mit der Klopfschwingung verursacht, wird ein Ausgangssignal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis erhalten, jedoch kann umgekehrt lediglich eine einzige Klopfschwingung erfaßt werden, und im Falle eines Motors mit vielen Zylindern ist es unmöglich, eine Klopfschwingung sämtlicher Zylinder an einem einzigen Ort zu erfassen, und es existiert das Problem, daß eine Vielzahl von Klopfmeldern erforderlich ist. Hingegen kann letzterer eine Klopfschwingung verschiedener Frequenzen erfassen, jedoch existiert die Möglichkeit, daß neben dem Einfluß der Resonanzfrequenz des Elements selbst die Schwingung anderer Bauteile einen Einfluß auf den Schwingungserfassungsbereich ausüben kann, und es existiert das Problem eines kleinen Freiheitsgrades beim Gestalten des Klopfmelders selbst.
Als Struktur dieser Sensoren ist eine Struktur mit einem in einem Raum angeordneten piezoelektrischen Element bestehend aus einem Schwingungsdetektor üblich, wobei der Raum durch ein Gehäuse aus Metall (oder ein Gehäuse bestehend aus einem dadurch zu ersetzenden festen Material) gebildet ist, wobei das Gehäuse einen Schraubanordnungsvorsprung zur direkten Anbringung an einem Motor und ein aus Harz geformtes Verbindungsstück aufweist, welches einen Verbindungsstück-Anschluß an einem äußeren Abschnitt ermöglicht.
Dementsprechend gibt es zwei Typen von Installationen eines piezoelektrischen Elements: Einen an der Gehäuseseite mittels einer Schraube oder ähnlichem fest befestigten Typ und einen Typ befestigt in einem Zustand befestigt an einer zu einem Befestigungssockel werdenden Tragerippe aus Metall (bzw. einem dadurch zu ersetzenden festen Sockel) auf der Verbindungsstückseite. Zusätzlich gibt es für letzteren als ähnliche Typen davon einen an der Tragerippe befestigten und an der Verbindungsstückseite nicht direkt befestigten, sondern mittels Verstemmen befestigten Typ, und einen Typ, bei welchem der Kontaktpunkt der Tragerippe und des Gehäuses durch Kleben oder Schweißen oder ähnliches verbunden ist. Das bedeutet, daß letzterer als an der Tragerippe befestigter und innerhalb eines durch die Tragerippe und das Gehäuse gebildeten Raums angeordneter Typ bezeichnet werden kann.
In einem Fall, bei welchem das piezoelektrische Element an der Gehäuseseite befestigt ist, ist eine Resonanzfrequenz hoch, da das Gehäuse selbst aus Metall besteht, und das Gehäuse selbst gerät nicht aufgrund einer Motorschwingung in Resonanz, und es wird kein Einfluß davon auf das piezoelektrische Element ausgeübt. Es ist jedoch notwendig, die elektrische Verbindung von dem piezoelektrischen Element zu dem Verbindungsstückanschluß beispielsweise durch Anschlußleitungen durchzuführen, das Verbindungsstück und das Gehäuse müssen mittels Verstemmen oder ähnlichem befestigt werden, um das piezoelektrische Element am Gehäuse zu befestigen und die Anschlußleitungen anzuschließen, und es existiert das Problem eines schwierigen Fertigungsverfahrens.
Hingegen ist es im Falle einer Befestigung an der Verbindungsstückseite aufgrund des Umstands, daß eine elektrische Verbindung von den piezoelektrischen Elementen zum Verbindungsstückanschluß an der Verbindungsstückseite durchgeführt werden kann, ausreichend, ein Verbindungsstück, auf welchem ein piezoelektrisches Element mittels Verstemmen oder ähnlichem an dem Gehäuse befestigt ist, zu befestigen, und das Fertigungsverfahren vereinfacht sich. Da jedoch das Verbindungsstück generell aus Harz besteht, ist die Resonanzfrequenz niedrig, und in einem Fall, bei welchem das piezoelektrische Element durch nichts mit dem Verbindungsstück verbunden ist, wird eine Resonanz des Verbindungsstücks ohne Dämpfung durch das piezoelektrische Element übertragen, und es existiert das Problem eines auf die Signalerfassung ausgeübten Einflusses. Um dies zu verhindern, ist eine Befestigung auf einer Tragerippe aus Metall (oder einem festen Material, dessen Youngscher Elastizitätsmodul nicht geringer als der von Metall ist) erforderlich, um einer Schwingungsübertragung des Verbindungsstücks entgegenzuwirken.
In diesem Fall ist bei einem piezoelektrischen Element des Resonanztyps das Erfassungssignal das Resonanz-Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements, so daß kein Einfluß vorhanden ist, wenn ein Ausgangssignal infolge einer Resonanz des Verbindungsstücks oder ähnlichem zu einem bestimmten Grad kleiner ist als das Ausgangssignal infolge einer Resonanz des piezoelektrischen Elements, jedoch kann bei einem piezoelektrischen Element des Flachtyps in einem Fall, bei welchem dessen Frequenz ein flacher Bereich ist, ein starker Abfall des Signal-Rausch-Verhältnisses verursacht werden, so daß eine Schwingung von dem Verbindungsstück durch Erhöhen der Dicke der Tragerippe zuverlässig gedämpft werden muß. Das gilt auch bei dem Typ, welcher die Kontaktstelle der Tragerippe und des Gehäuses durch Kleben oder Schweißen oder ähnlichem verbindet. Das heißt, daß mit teilweisem Schweißen oder ähnlichem eine angemessene Resonanzunterdrückung einer Verbindungsstückschwingung nicht durchführbar ist.
Entsprechend unterliegt dieses Problem dem größten Einfluß durch das Gewicht des piezoelektrischen Elements selbst, und falls bei einem Fall mit einer identischen Tragerippendicke das Gewicht davon schwerer wird, fällt die Resonanzfrequenz der Tragerippe ab, und der Einfluß davon tritt sogar stärker in Erscheinung. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Verringerung des Gewichts des piezoelektrischen Elements zu bewirken, jedoch tritt dann das Problem eines Abfalls der Empfindlichkeit auf. Infolgedessen erreicht der Erfassungsfrequenzbereich, welcher flache Merk male annimmt, ein Maximum von etwa 10 kHz, um den Einfluß eines Abfalls der Resonanzfrequenz bei Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit zu vermeiden, und es gibt das Problem, bei welchem ein Nachweis bis zu einem Hochfrequenzbereich nicht möglich ist.
Dementsprechend ist es angesichts dieses Problems eine Aufgabe der vorliegenden Idee, einen Klopfmelder zu schaffen mit einem Schwingungsdetektor des Flachtyps, welcher in der Lage ist, eine Vielzahl von Klopfsignalen zu erfassen, und welcher auf einem Befestigungssockel befestigt ist und auch den Schwingungsdetektor in einem durch den Befestigungssockel und ein Gehäuse gebildeten Raum beherbergt, mit einem einfachen Fertigungsvorgang und ferner mit der Fähigkeit einer Erfassung bis zu einem Hochfrequenzbereich, ohne daß ein Abfallen der erforderlichen Empfindlichkeit verursacht wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten zuerst eine Prüfung hinsichtlich des Schwingungsdetektors durch. Als Ergebnis einer von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchung wurde erkannt, daß in einem Fall, bei welchem der Erfassungsbereich des Klopfsignals mit einem Maximum von etwa 15 kHz genommen wird, die Resonanzfreguenz einer Tragerippe (aus Metall), welche diesen Erfassungsbereich nicht übermäßig beeinflußt, ein Minimum von etwa 40 kHz annimmt. Bei der Untersuchung einer Tragerippendicke, durch welche die Resonanzfrequenz 40 kHz annimmt, wurde erkannt, daß ungefähr 2,7 mm erforderlich waren, wie in Fig. 20 dargestellt. Dies ist eine mittels des in Fig. 22 angezeigten Modells durchgeführte Simulation, und diese Tragerippe 30 nimmt den Durchmesser von 19 mm an, ein Bereich, welcher den Schwingungsdetektor und den sonstigen Schaltungsaufbau davon verbindet, wird als Lastbereich 31 genommen, und der Durchmesser der Oberfläche, auf welcher der Lastbereich 31 angebracht wird, wird zu 16,5 mm genommen. Zusätzlich weist die Tragerippe 30 eine Stufe auf, und ein auf ein nicht dargestelltes Gehäuse geschweißter Schweißabschnitt M ist auf der Stufenoberfläche davon gebildet, um einen tatsächlichen Tragerippenaufbau anzunähern. Ebenso ist aus dieser Zeichnung zu ersehen, daß bei einer Änderung der Tragerippendicke D ohne Änderung des Durchmessers die Resonanzfrequenz der Tragerippe steigt. Dies läßt sich verstehen, falls bedacht wird, daß dort, worin der Schweißabschnitt M befestigt ist, ein Bild existiert, wodurch eine feste Anordnung schwieriger in eine Schwingung zu versetzen ist als eine Plattenanordnung.
Zusätzlich zeigt Fig. 21 eine Änderung der Resonanzfrequenz der Tragerippe bei Fällen, bei welchen die Tragerippendicke zu 2,8 mm bzw. 3,5 mm genommen wird, und ferner bei einem Fall, bei welchem eine Änderung der an diesen Tragerippen befestigten Last bewirkt wird. Fig. 21 zeigt Daten bei einem Fall, bei welchem eine Änderung des Lastbereichs 31 von 0,1 g bis 4,6 g bewirkt wird. Aus dieser Zeichnung ist zu ersehen, daß die Resonanzfrequenz bei einem Fall, bei welchem eine Last an die Tragerippe angelegt wird, abfällt. Infolgedessen ist sogar bei einem Fall, bei welchem eine Last angelegt wird, eine erhöhte Dicke erforderlich, um die Resonanzfrequenz bei etwa 40 kHz zu halten. Bei einem Fall, bei welchem zum Beispiel eine Last von 4,6 g genommen wird, um die Resonanzfrequenz der Tragerippe auf 40 kHz zu bringen, ist bei einer Tragerippendicke von 2,8 mm in Fig. 21 die Resonanzfrequenz davon 20 kHz und infolgedessen ist es notwendig, die Resonanzfrequenz zu verdoppeln. Dementsprechend wird, falls bei Fig. 20 die Resonanzfrequenz und die Tragerippendicke mit einer linearen Beziehung genommen werden, eine Tragerippendicke von 4,4 mm notwendig.
In Wirklichkeit beträgt das Gewicht eines piezoelektrischen Elements etwa 20 g, und um die Resonanzfrequenz einer mit diesem piezoelektrischen Element montierten Tragerippe bei 40 kHz zu bewirken, muß, falls die Resonanzfrequenz 10 kHz erreicht, bei einer hypothetischen Tragerippendicke von 2,8 mm in einem Fall, bei welchem eine Last von 20 g genommen wird, die Tragerippendicke sogar bei einer niedrigen Schätzung um 3 mm auf etwa 5,8 mm erhöht werden.
Infolgedessen gibt es nicht nur eine Vergrößerung als Klopfmelder, sondern bei einem Fall, bei welchem ein Durchgangsloch zum Durchführen eines Stifts zur Verbindung mit dem Verbindungsanschluß durch Stanzen oder Schneiden in der Tragerippe gebildet wird, ist es im Hinblick auf die Stärke des Stanzstempels bzw. des Schneidbohrers notwendig, den Durchmesser davon etwa gleich der Tragerippendicke zu machen, und es ist notwendig, ein Durchgangsloch von beträchtlicher Größe auf der Tragerippe zu bilden. Falls bei einem Fall der vorangehenden Tragerippe ein Schwingungsdetektor aus einem piezoelektrischen Element oder ähnlichem dazu genommen wird, auf der Oberfläche, an welche eine Last angelegt wird, befestigt zu werden, ist es notwendig, ein Durchgangsloch von 5,8 mm auf einer Oberfläche mit einem Durchmesser von 16,5 mm zu bilden, und der Befestigungsbereich des Elements wird beschränkt. Infolgedessen muß bei einem Versuch, einen anderen Schaltungsaufbau als das piezoelektrische Element zu befestigen, der Durchmesser der Tragerippe vergrößert werden. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Tragerippe bedeutet jedoch einen Abfall der Resonanzfrequenz, sogar bei der gleichen Dicke, und die Tragerippendicke muß weiter erhöht werden, um die Resonanzfrequenz beim gleichen Wert zu halten. Falls dies passiert, muß auch die Größe des Durchgangslochs proportional zur Tragerippendicke, wie oben beschrieben, erhöht werden, was einen Teufelskreis wiederholt und ein Versagen, bei welchem keine Gestaltungswerte erhalten werden, erzeugt. Infolgedessen beträgt bei einem Fall, bei welchem ein piezoelektrisches Element bei einem Schwingungsdetektor davon verwendet wird, die Grenze der maximalen erreichbaren Erfassungsfrequenz 10 kHz. Zusätzlich wird der Vorgang sogar bei einer hypothetischen Gestaltung mit einem großen Durch gangsloch aufgrund der zum Bilden des Durchgangslochs benötigten Vorrichtung komplex.
Infolgedessen ist es zum Ermöglichen einer Erfassung bis zu hohen Frequenzen notwendig, einen leichteren Gegenstand als ein piezoelektrisches Element zu verwenden. Wie in Fig. 21 dargestellt, beträgt sogar bei einer Tragerippendicke von etwa 3,5 mm eine Last, welche die Festlegung der Resonanzfrequenz der Tragerippe bei 40 kHz ermöglicht, ungefähr 1 g. Falls die Tragerippendicke etwa 3,5 mm beträgt, wird eine Bildung eines Durchgangslochs ohne größere Änderung möglich.
Zusätzlich wird die Resonanzfrequenz des Befestigungssockels sogar bei dem Fall, daß der Befestigungssockel keine Metalltragerippe ist, letztlich zweifellos abfallen und einen Einfluß auf die Schwingungserfassung ausüben.
Dementsprechend befaßten sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung mit einem auf einem Halbleitersubstrat gebildeten und bei einem Luftsack oder ähnlichem verwendeten Halbleiter-Beschleunigungssensor, um es zu ermöglichen, den Schwingungsdetektor 1 g oder leichter zu machen. Dieser ist aus einem Gewicht (einer Masse), einem dieses Gewicht (diese Masse) stützenden Träger und einem Rahmen, an welchem der Träger mittels einer Ätzung oder ähnlichem beispielsweise auf einem Halbleiter-Siliziumsubstrat befestigt ist, aufgebaut. Das Gewicht (die Masse) schwingt durch eine Schwingung eines äußeren Abschnitts, und eine Schwingung wird durch Wahrnehmen einer im Träger erzeugten Belastung mittels einer Schwingung davon erfaßt; auch der Erfinder hat vielfache Beispiele auf den Markt gebracht. Dementsprechend ist ein Schwingungsdetektor gemäß diesem Halbleiter außerordentlich kompakt mit einer guten Empfindlichkeit, und die Dicke davon kann geeignet bemessen werden, um 1 g oder weniger zu erhalten.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Ein erfindungsgemäßer Klopfmelder ist in Anspruch 1 angegeben.
Gemäß der beanspruchten Struktur wird bei der vorliegenden Erfindung ein auf einem Halbleitersubstrat ausgebildetes Erfassungselement als Schwingungsdetektor verwendet, und somit läßt sich das Gewicht davon zu einem extremen Grad reduzieren. Infolgedessen kann ein Klopfmelder, welcher zu einer Erfassung bis zu einem Hochfrequenzbereich in der Lage ist, ohne einen Abfall der erforderlichen Empfindlichkeit zu verursachen, und welcher ferner in der Lage ist, eine Vielzahl von Klopfsignalen zu erfassen, als Klopfmelder, bei welchem der Schwingungsdetektor in einem durch den Befestigungssockel und das Gehäuse gebildeten Raum angeordnet ist, geschaffen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Klopfmelders, welche ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt. Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Klopfmelders, welche ein zweites Ausführungsbeispiel darstellt. Fig. 3(a) und 3(b) sind Kennliniendiagramme zum Anzeigen von Wirkungen des zweiten Ausführungsbeispiels. Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Klopfmelders, welche ein drittes Ausführungsbeispiel darstellt. Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches eine Signalverarbeitungsschaltung anzeigt. Fig. 6(a) ist ein Graph, welcher Frequenz-Kenndaten eines Klopfmelders darstellt. Fig. 6(b) ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen Trägerbreite, Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit darstellt. Fig. 7(a) ist eine Ansicht, welche einen Schwingungsdetektor mit einer auslegergestützten Trägerstruktur darstellt. Fig. 7(b) ist eine Ansicht, welche einen Schwingungsdetektor mit einer Doppelstützungs-Trägerstruktur darstellt. Fig. 8(a) ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen Empfindlichkeit und Resonanzfrequenz eines Schwingungsdetektors aufgrund der Länge eines Gewichts (einer Masse) einer Ausleger-Trägerstruktur darstellt. Fig. 8(b) ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen Empfindlichkeit und Resonanzfrequenz eines Schwingungsdetektors aufgrund der Länge eines Gewichts (einer Masse) einer Doppelstützungs-Ausleger-Trägerstruktur darstellt. Fig. 9(a), Fig. 9(b), Fig. 10(a), Fig. 10(b), Fig. 11(a) und Fig. 11(b) sind Graphen, bei welchen jeder eine Beziehung zwischen Trägerdicke, Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit bei einem Fall, bei welchem die jeweiligen Trägerlängen bei bestimmten Längen in einem Schwingungsdetektor mit einer Doppelstützungs-Trägerstruktur befestigt sind, darstellt, wobei: bei Fig. 9(a) eine Trägerlänge von 0,05 mm angenommen wird; bei Fig. 9(b) eine Trägerlänge von 0,10 mm angenommen wird; bei Fig. 10(a) eine Trägerlänge von 0,20 mm angenommen wird; bei Fig. 10(b) eine Trägerlänge von 0,25 mm angenommen wird; bei Fig. 11(a) eine Trägerlänge von 0,30 angenommen wird; und bei Fig. 11(b) eine Trägerlänge von 0,35 mm angenommen wird. Fig. 12 ist ein Graph, welcher einen Bildungsbereich von Trägerbreite und Trägerdicke darstellt. Fig. 13 ist ein Graph, welcher einen Bildungsbereich von Trägerbreite und Trägerdicke bei einem Fall, bei welchem die in Fig. 12 gezeigte Resonanzfrequenz von 60 kHz angenommen wird, darstellt. Fig. 14(a) und Fig. 14(b) sind Graphen, bei denen jeder einen Bildungsbereich von Trägerbreite und Trägerdicke bei einem Fall, bei welchem ein Gewicht (eine Masse) vergrößert wurde, darstellt. Fig. 15(a) ist eine strukturelle Draufsicht eines bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel verwendeten Erfassungselements. Fig. 15(b) ist eine Schnittansicht von Fig. 15(a). Fig. 16 ist ein Wheatstonebrücken-Schaltbild. Fig. 17 ist eine Schnittansicht, welche ein Erfassungselement in einem auf einem Substrat befestigten Zustand darstellt. Fig. 18(a) ist eine vergrößerte Ansicht, welche einen Abschnitt eines Erfassungselements darstellt. Fig. 18(b) ist eine Schnittansicht von Fig. 18(a). Fig. 19 ist eine Ansicht, welche einen mit einem auf einem Befestigungssockel befestigten Element angebrachten Zustand darstellt. Fig. 20 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen Trägerippendicke und Resonanzfrequenz darstellt. Fig. 21 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen Lastbereich und Resonanzfrequenz darstellt. Fig. 22 ist eine Ansicht, welche ein Modell zur Erhaltung der Kennliniendiagramme von Fig. 20 und Fig. 21 darstellt.

BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Klopfmelders. Ein Substrat 9 wird mit einem in einem Stück mit einem Anschluß 6 gebildeten Verbindungsstück 2 durch ein Klebemittel 13 verklebt. Ein Befestigungssockel 9 besteht aus einem Keramiksubstrat, welches stärker als Metall ist, und ein Kondensator (ein Schichtkondensator) und Filter 8, welcher einen elektromagnetischen Interferenzfilter bildet, werden eingebaut oder darin an der Oberfläche befestigt. Zusätzlich werden ein Erfassungselement 11, welches aus einem Halbleiter besteht und unten beschrieben wird, und eine Signalverarbeitungseinheit 10, welche aus einer Energieversorgungsschaltung, einer Verstärkerschaltung und einer Klopfsignal-Diskriminatorschaltung besteht, am Befestigungssockel 9 angeklebt, mit einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen Elementen oder mit einem durch einen Draht 14 vorgesehenen äußeren Abschnitt. Zusätzlich werden der Befestigungssockel 9 und das Verbindungsstück 2 mittels einer auf dem Befestigungssockel 9 eingerichteten Hülse 7 elektrogebondet. Demgemäß wird ein Gehäuse 1 aus Metall durch eine Verstemmung 16 und ein Klebemittel 14 am Verbindungsstück 2 befestigt, so daß der Befestigungssockel 9 bedeckt wird. Zusätzlich wird der Befestigungssockel 9 durch einen Dichtungsring 3 und ein Klebemittel 5 luftdicht versiegelt. Dieser Klopfmelder wird zur Erfassung einer Klopferscheinung mittels einer Schraube 15 des Gehäuses 1 an einem Motor befestigt.
Um zu ermöglichen, daß das kombinierte Gewicht des unten beschriebenen Erfassungselements 11 und der Signalverarbeitungsschaltung und ähnlichem auf etwa 0,1 g gebracht wird, kann ein in der vorangehenden Weise aufgebauter Klopfmelder die Resonanzfrequenz des Substrats selbst bei einer Verbindung mit der Verbindungsstückseite über den Befestigungssockel 9 bei etwa 40 kHz halten. Infolgedessen kann selbst bei einer Installation des Erfassungselements auf der Verbindungsstückseite durch den Befestigungssockel ein Sensor, welcher in der Lage ist, bis zu einem Hochfrequenzbereich von etwa 15 kHz oder mehr eine Erfassung durchzuführen, vorgesehen werden. Zusätzlich kann im Vergleich zu einem Fall, bei welchem ein Erfassungselement auf der Gehäuseseite installiert wird, gemäß der vorliegenden Struktur das Befestigungssockelsubstrat, auf welchem das Erfassungselement vorher montiert wird, auf der Verbindungsstückseite angebracht werden, und somit wird der Fertigungsvorgang vereinfacht und eine Verbindung des Verbindungsanschlusses und des verbundenen Substrats einfach und zuverlässig hergestellt.
Bei einem Klopfmelder gemäß des vorliegenden Ausführungsbeispiels jedoch beträgt die maximale Erfassungsfrequenz ungefähr 15 kHz oder mehr, was hoch ist, und bei Berücksichtigung der Resonanzfrequenz des Verbindungsstücks gibt es strukturelle Beschränkungen hinsichtlich einer zufriedenstellenden Arbeitsweise. Gemäß der vorliegenden Struktur wird versucht, Kompaktheit und ein leichtes Gewicht der montierten Vorrichtung durch Verwendung eines aus einem Halbleiter bestehenden Erfassungselements für den Schwingungsdetektor anstelle der Verwendung eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements herzustellen, und zusammen damit wurde die vorangehende Struktur durch Optimieren der Zusammensetzung und der Anordnung des Verbindungsstücks, wie auch des Elastizitätsmoduls des das Verbindungsstück und das Gehäuse befestigenden Klebemittels, erreicht. Diese Optimierung wurde mittels der Methode der finiten Elemente analysiert. Als Ergebnis davon betrug der Elastizitätsmodul der Zusammensetzung des Verbindungsstücks 1000 kgf/mm² bis 2000 kgf/mm², die in Fig. 1 angezeigte Klebemittelabschnitts-Verbindungsstückdicke d betrug 1 bis 3 mm, und der Elastizitätsmodul des Klebemittels betrug 10 bis 2000 kp/mm², wodurch die vorliegende Struktur festgelegt wurde.
Als nächstes zeigt Fig. 2 eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels als zweites Ausführungsbeispiel. Dieses wird am Verbindungsstück 2 durch ein Klebemittel oder ähnliches auf der gesamten Rückseite des Befestigungssockels 9 befestigt. Demgemäß wird ein Verbindungsanschluß 6a mit dem Erfassungselement 11 oder einer Signalverarbeitungsschaltung 10 oder ähnlichem durch eine Drahtbondung 14 verbunden. Die Signalverarbeitungsschaltung 11 und das Erfassungselement 10 gemäß des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden durch eine Hülle 24 versiegelt und gleichzeitig wird ein Berühren der Hülle 24 mit einem einspritzgehärteten Silikongel 25 innerhalb des Gehäuses 1 verursacht. Dadurch kann eine über den Befestigungssockel 9 übertragene Schwingung des Verbindungsstücks 2 durch das Silikongel 25 über die Hülle 24 absorbiert werden und eine Resonanz des Befestigungssockels 9 kann unterdrückt werden. Infolgedessen wird eine Resonanz des Verbindungsstücks nicht direkt auf das Erfassungselement übertragen. Demgemäß wird der Grad an Gestaltungsfreiheit der Schwingungs-Gegenmaßnahmen davon im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel erhöht.
Eine Schwingungsunterdrückung des Befestigungssockels 9 mittels des Silikongels 25 ist in Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt. Fig. 3(a) stellt einen Zustand ohne Silikongel dar, und Fig. 3(b) stellt einen Zustand mit Silikongel dar. Bei dem Befestigungssockel 9 des Sensors ohne Silikongel gibt es eine beträchtliche Erzeugung bei den Frequenzbändern von 20 kHz, 30 kHz und 50 kHz, jedoch wurde erkannt, daß bei dem Befestigungssockel 9 des Sensors mit Silikongel eine Schwingung bei den vorangehenden Singularitätspunkten unterdrückt wird. Ferner ist das schwingungsabsorbierende Material nicht ausschließlich speziell Silikongel. Zusätzlich ist es für den Anschluß 6a auch annehmbar, wenn dieser eine den Befestigungssockel 9 durchdringende Struktur ist.
Als nächstes zeigt Fig. 4 als drittes Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung, welche eine hermetische Versiegelungstechnik als Verfahren zum Versiegeln eines aus einem Halbleiter bestehenden Erfassungselements verwendet.
Bei diesem Fall werden ein Erfassungselement 11 und eine Signalverarbeitungseinheit 10 über ein Substrat 17 an einer Metalltragerippe 9', welche zu einem Befestigungssockel wird, befestigt, und werden ferner durch Schweißen an einem Gehäuse 1 befestigt. Die Struktur der Tragerippe 9' weist diesmal eine Dicke von 2,8 mm und einen Durchmesser von 19 mm auf, wie in Fig. 21 dargestellt, und der Durchmesser der Oberfläche, worauf das Erfassungselement und anderes angebracht werden, beträgt 16,5 mm, und der Durchmesser des durch einen Extraktionsstift 18 durchdrungenen Durchgangslochs beträgt etwa 2,8 mm. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden das Erfassungselement 11 und die Signalverarbeitungseinheit 10 auf der Metalltragerippe 9 über das Substrat 17 eingebaut, jedoch das Gesamtgewicht der eingebauten Bestandteile wird etwa 0,3 g. Zusätzlich ist es, wie später beschrieben, für dieses Substrat 17 annehmbar, abwesend zu sein, wie in Fig. 19 dargestellt.
Auf diese Weise wird, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, ein aus einem Halbleiter bestehender Schwingungsdetektor verwendet, ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, und somit ist die Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Kompaktheit günstig und das Gewicht davon kann extrem leicht, mit etwa 0,3 g, gemacht werden, und sogar bei einer Befestigung auf einer dünnen Metalltragerippe in der oben beschriebenen Weise kann eine Resonanzfrequenz der Metalltragerippe von 40 kHz im wesentlichen ohne einen Abfall verursacht werden. Zusätzlich beträgt die Dicke der Metalltragerippe etwa 2,8 mm, und das Durchgangsloch, durch welches der Extraktionsstift hindurchtritt, kann leicht gebildet werden. Infolgedessen kann ein Klopfmelder einer Bauart, durch welche der Fertigungsvorgang vereinfacht wird, und welcher ferner bis hinauf zu Hochfrequenzbereichen ohne einen Abfall der Empfindlichkeit messen kann, geschaffen werden.
Zusätzlich besteht im Vergleich zur Bauart des ersten Ausführungsbeispiels keine besondere Notwendigkeit, Schwingungs-Gegenmaßnahmen bei der Zusammensetzung des Verbindungsstücks oder dergleichen durchzuführen. Dadurch wird der Auswahlbereich zur Zusammensetzung des Verbindungsstücks 2 und der Zusammensetzung des Klebemittels weiter ausgedehnt. Zusätzlich werden das Erfassungselement 11 und die Signalverarbeitungseinheit 10 durch Buckelschweißen und eine Glasversiegelung des Extraktionsstifts 18 zuverlässig luftdicht versiegelt.
Ferner nimmt das vorangehende dritte Ausführungsbeispiel eine Struktur zur luftdichten Versiegelung mit einer Verwendung von hermetischer Versiegelungstechnik zum Befestigen des Extraktionsstifts an, jedoch ist es zum Beispiel auch annehmbar, den Extraktionsstift durch ein einen Füllstoff enthaltendes Klebemittel oder ähnliches anstelle eines hermetisch versiegelnden Glasmaterials zum luftdichten Versiegeln zu befestigen. Als Alternative ist es auch annehmbar, eine luftdicht versiegelte Struktur anzunehmen, bei welcher ein nicht aus Glas bestehendes Glied in das Durchgangsloch eingeführt wird.
Ferner wird es nach den vorangehenden ersten drei Ausführungsbeispielen durch das Erreichen von Kompaktheit bei dem Erfassungsabschnitt zum Erfassen einer Schwingung mög lich, eine Verstärkerschaltung zum Verstärken des Ausgangssignals des Erfassungselements und eine Diskriminatorschaltung zum Verarbeiten des verstärkten Signals und zum Ausgeben eines Klopfsignals an einen äußeren Abschnitt auf dem gleichen Substrat ohne eine Vergrößerung des Durchmessers des Keramiksubstrats, welches der Befestigungssockel der Metalltragerippe wird, anzuordnen. Daraus erwachsende Wirkungen werden später beschrieben.
Zuerst zeigt Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Schwingungserfassungsschaltung der vorliegenden Struktur. Ein durch das Erfassungselement 11 erfaßtes Signal wird durch eine Verstärkerschaltung 10a verstärkt, mit einem Zündsignal von einer elektronischen Steuereinheit des Motors bzw. Motor-ECU synchronisiert, und als Klopferscheinung durch eine Klopfsignal-Diskriminatorschaltung 10b bestimmt und zur ECU ausgegeben. Ferner ist 10c eine auf dem gleichen Substrat wie die Verstärkerschaltung 10a und die Klopfsignal-Diskriminatorschaltung 10b gebildete Energieversorgungsschaltung und führt den jeweiligen Schaltungen elektrische Energie von der Batterie des Fahrzeugs oder ähnlichem zu. Eine konstante Spannung von beispielsweise 5 V wird als Spannung davon erzeugt. Infolgedessen beträgt bei einem Fall, bei welchem eine Batteriespannung von 12 V genommen wird, die Differenz davon 7 V, und die jeweiligen Schaltungen können mit einer stabilen Spannung versorgt werden, sogar bei Schwankungen der Batteriespannung aufgrund eines Rauschens oder ähnlichem.
Ferner ist, wie in dieser Zeichnung dargestellt, ein durch die Verstärkerschaltung 10a verstärktes Signal ein analoges Ausgangssignal, jedoch ist ein durch die Klopfsignal-Diskriminatorschaltung unterschiedenes Signal mit der ECU als digitales Ausgangssignal verbunden. Infolgedessen kann eine gegenüber einem Rauschen unempfindliche Struktur als Klopfmelder erreicht werden.
Dadurch wird in einem Fall, bei welchem zum Beispiel Masse (MASSE) vom Motor (Fahrgestell) genommen wird, gegenüber dem Fall, bei welchem das MASSE-Potential einem Einfluß von einer anderen Schaltung unterliegt und während einer analogen Ausgabe schwankt, wobei die Schwankung davon dem analogen Ausgangssignal überlagert und fälschlicherweise bei der nächsten Stufe der Signalverarbeitung verarbeitet wird, bei einem digitalen Ausgangssignal selbst dann, wenn sich eine Schwankung des MASSE-Potentials einem Ausgangssignal überlagert, eine Unterscheidung bei 1/2 der Anstiegsflankenhöhe bei der nächsten Stufe der Signalverarbeitung durchgeführt, so daß, wenn das Raschen nicht beträchtlich ist, der Einfluß des Rauschens nicht empfangen wird. Folglich wird es möglich, die MASSE tatsächlich über eine Hülse 7b und das Gehäuse vom Motor zu nehmen, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt. Dadurch wird eine Verdrahtung zur MASSE-Verwendung unnötig, und die Zuverlässigkeit wird erhöht, und zusammen damit wird die Notwendigkeit, einen Verbindungsanschluß zur MASSE-Verwendung vorzusehen, beseitigt, und das Verbindungsstück kann verkleinert werden.
Auf diese Weise ist eine Struktur mit einem kleinen und leichten Erfassungselement möglich, und so wird es möglich, andere Schaltungselemente auf dem Befestigungssockel anzubringen, wodurch ein Sensor, welcher im Hinblick auf Batterieschwankungen und MASSE-Potentialschwankungen unempfindlich ist, vorgesehen werden kann.
Als nächstes wird ein bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendetes aus einem Halbleiterelement bestehendes Erfassungselement im folgenden beschrieben.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten zuerst den Frequenzbereich, in welchem die Resonanzfrequenz des Erfassungselements eingerichtet werden sollte. Hier muß, wie in Fig. 6(a) dargestellt, bei einem Fall, bei wel chem die maximale Erfassungsfrequenz als fs angenommen wurde und die Resonanzfrequenz als fr angenommen wurde, die Resonanzfrequenz fr so eingerichtet werden, daß die Resonanzfrequenz nicht beeinflußt wird, so daß der Erfassungsbereich flache Kennlinien annimmt. Beim Erfassen einer Schwingung infolge einer Klopferscheinung des Motors entsteht jedoch das Problem, ob das aus einem Halbleiter, welcher bei einem Halbleiter-Beschleunigungssensor verwendet wird, bestehende Erfassungselement die grundlegenden Kennmerkmale des Erfassungsabschnitts, wie Empfindlichkeit, Resonanzfrequenz und Bruchfestigkeit, erfüllen kann. Die Gewichtsanordnung (die Massenanordnung) und die Trägeranordnung, insbesondere die Trägerdicke und die Trägerbreite, stehen in einer engen Beziehung mit der Resonanzfrequenz und der Empfindlichkeit, und falls die Trägerdicke und die Trägerbreite geändert werden, ändern sich die Resonanzfrequenz und die Empfindlichkeit stark. Falls die Trägerbreite als Beispiel genommen wird, ist die Resonanzfrequenz proportional zur Quadratwurzel der Trägerbreite, und die Empfindlichkeit ist umgekehrt proportional zur Trägerbreite. Das heißt, daß man dies so ausdrücken kann, daß die Trägerbreite und die Resonanzfrequenz in einer wechselseitig widersprüchlichen Beziehung zu der Trägerbreite und der Empfindlichkeit stehen. Dies wird jeweils durch die durchgezogene Linie und durch die unterbrochene Linie in Fig. 6(b) angezeigt. Infolgedessen erwuchs das Problem, ob es eine Struktur gibt, welche in geeigneter Weise die grundlegenden Kennmerkmale der Empfindlichkeit und der Resonanzfrequenz erfüllt.
Um eine stabilisierte Ausgabe zu erreichen, mußten die Erfinder der vorliegenden Erfindung zuerst die Resonanzfrequenz so festlegen, daß das Sensor-Ausgangssignal flache Kennlinien selbst bei maximaler Erfassungsfrequenz aufwies. Wie aus Fig. 6 (a) zu ersehen ist, steigt die Ausgabe nach Art einer Exponentialfunktion von dem Flachbereich zu der Spitze der Resonanzfrequenz. Infolgedessen muß die Reso nanzfrequenz so eingerichtet werden, daß die Anstiegsflanke der Ausgabe aufgrund der Spitze der Resonanzfrequenz nicht mit der maximalen Erfassungsfrequenz überlappt, so daß die Ausgabeschwankung bei der maximalen Erfassungsfrequenz einen hinreichend kleinen Wert erreicht. Diese Anstiegsflanke ist jedoch außerordentlich schwer mittels der theoretischen Analyse zu bestimmen und bleibt unklar, bis ein Element tatsächlich verlegt und vermessen ist. Auf diese Weise ist es nicht leicht, einen Halbleiter-Beschleunigungssensor, welcher zu einem Schwingungsdetektor eines Klopfmelders wird, zu gestalten.
Demgemäß nahmen und tabellierten die Erfinder der vorliegenden Erfindung Daten von einem herkömmlichen Beschleunigungssensor und suchten im Ergebnis eine Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz fr und der maximalen Erfassungsfrequenz fs aus, bei welcher der Ansprechfrequenzbereich des Sensorausgangssignals konstant flach ist, wie unten dargestellt.
fr ≥ A · fs (2,5 ≤ A ≤ 4)
A ist jedoch eine durch das Stützverfahren des Gewichts (der Masse) bestimmte Konstante. Dementsprechend wurde durch die Entdeckung dieser Beziehung bestimmt, daß ein Klopfmelder, welcher grundlegende Kennmerkmale von Schwingungserfassungsempfindlichkeit, Resonanzfrequenz und Bruchfestigkeit erfüllen kann, sogar bei einer Verwendung eines Halbleiter-Beschleunigungssensors als Schwingungsdetektor realisierbar ist.
Demgemäß wurde erkannt, daß bei einer maximalen Erfassungsfrequenz von 15 kHz etwa 40 kHz oder mehr zulässig sind.
Als nächstes wurde die Sensorstruktur untersucht. Wie in Fig. 6(b) dargestellt, stehen die Resonanzfrequenz und die Empfindlichkeit in einer Kompromißbeziehung beispielsweise bei der Trägerbreite, und eine Sensorstruktur, welche gleichzeitig die erforderliche Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit gewährleistet, wurde untersucht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersuchten die in Fig. 7(a) und Fig. 7 (b) gezeigte Struktur. Bei der in Fig. 7 (a) gezeigten Vorrichtung wird ein Gewicht (eine Masse) 41 durch einen Träger 42 gestützt. Zusätzlich zeigt Fig. 7(b) eine Struktur, bei welcher ein Gewicht (eine Masse) 21 durch vier Träger 22 gestützt wird. Die schrägschraffierten Bereiche in der Zeichnung sind Abschnitte, welche durch eine Ätzung entfernt wurden. Im folgenden wird die in Fig. 7(a) gezeigte Vorrichtung als Ausleger-Trägerstruktur angenommen, und die in Fig. 7(a) gezeigte Vorrichtung wird als Doppelstützungs-Trägerstruktur angenommen.
Fig. 8(a) und Fig. 8(b) zeigen eine Untersuchung, ob es tatsächlich Gestaltungslösungen mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz oder mehr und einer Empfindlichkeit von 12 uV/G oder mehr für die vorangehende Ausleger-Trägerstruktur und die Doppelstützungs-Trägerstruktur gibt. Dabei wird als Horizontalachse die Länge des Gewichts (der Masse) 41 bzw. 21 genommen, als Vertikalachse auf der linken Seite wird die Resonanzfrequenz genommen, als Vertikalachse auf der rechten Seite wird die Empfindlichkeit genommen, wobei die Resonanzfrequenz durch eine durchgezogene Linie und die Empfindlichkeit durch eine punktierte Linie angezeigt wird. Nach diesen zwei Zeichnungen existiert eine Gestaltungslösung für eine Ausleger-Trägerstruktur lediglich in dem extrem schmalen Bereich, bei welchem die Länge des Gewichts (der Masse) zur Erfüllung der oben beschriebenen Bedingungen etwa 0,35 bis 0,36 mm beträgt, und bei dem Vorgang ist es praktisch unmöglich, das Gewicht (die Masse) mit diesem Bereich mit einem guten geplanten Ergebnis auszurichten. Im Gegensatz dazu wurde erkannt, daß mit einer Vorrichtung mit einer Doppelstützungs-Trägerstruktur die Länge des Gewichts (der Masse) etwa 0,6 bis 2,7 mm beträgt, was ein herstell barer Bereich mit einem hinreichend guten geplanten Ergebnis ist. Infolgedessen ist eine Doppelstützungs-Trägerstruktur mit einem guten geplanten Ergebnis als Struktur, welche Empfindlichkeit und Festigkeit gleichzeitig gewährleistet, herstellbar.
Zusätzlich wurden als nächstes die Länge und die Dicke des Trägers untersucht.
Hierbei erreicht der Minimalwert für die in Fig. 7(b) gezeigte Trägerbreite WB im wesentlichen 0,13 mm aufgrund des Widerstandselements des piezoelektrischen Elements, welches innerhalb seiner Breite gebildet wird. Infolgedessen entspricht die Bestimmung bei einem Fall, bei welchem eine Kompaktheit des Elements angestrebt wird, der Größe des Gewichts (der Masse) bzw. der Länge des Trägers. Beim Gewicht (bei der Masse) wird die Fläche der in Fig. 7(b) angezeigten Oberseite zu etwa 0,9 mm² von 1,2 · 0,7 aufgrund der Fertigungsgenauigkeit davon. Zusätzlich hängt die Dicke des Gewichts (der Masse) von der Dicke des gefertigten Wafers ab und wird beim vorliegenden Beispiel zu etwa 0,3 mm. Infolgedessen wird eine Untersuchung hinsichtlich der in Fig. 7(b) angezeigten Länge des Trägers LB ein entscheidender Punkt im Hinblick auf die Kompaktheit.
In Fig. 9(a) und 9(b), Fig. 10(a) und 10(b) und Fig. 11(a) und 11(b) wurde der Gestaltgebungsbereich der Trägerbreite untersucht, in welchem die Resonanzfrequenz und die Empfindlichkeit Bedingungen ähnlich den vorhergehenden erfüllen, wenn die Länge des Trägers LB als Parameter von 0,05 bis 0,35 mm geändert wird. Als Ergebnis werden, wie in Fig. 12 dargestellt, das Trägerbildungs-Dickeintervall und die Trägerlänge, welche auf der Grundlage der oben beschriebenen Bedingungen erhalten wurden, gezeigt. Dabei ist es aufgrund des Umstands, daß die Trägerdicke durch eine Naßätzung unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit gebildet wird, außerordentlich schwierig, das Ätzen mit einer Genau igkeit in der Größenordnung von Mikrometern durchzuführen, und es besteht eine Schwankung von ungefähr 4 um. Infolgedessen wird ein Bereich, von welchem diese 4 um abgezogen werden, zu einem Bereich, in welchem Träger mit einem guten geplanten Ergebnis gebildet werden können. Bei einer Bestimmung nach Fig. 12 wird die Trägerlänge zu 0,05 bis 0,215 mm. Die untere Grenze von 0,05 mm zeigt die Fertigungsgrenze an.
Hierbei sind, falls eine maximale Erfassungsfrequenz von 15 kHz beim Schwingungsdetektor angenommen wird, etwa 40 kHz oder mehr annehmbar und ausreichend für eine Gestaltung, wie oben beschrieben, doch da das Erfassungselement ein hochgradig kristalliner Halbleiter ist, ist der Q-Wert bei einer Resonanz extrem hoch. Wenn die Resonanz des Befestigungssockels und des Erfassungselements identisch werden, verursacht das Erfassungselement daher eine starke Schwingung, wenn die Schwingungskomponente davon hinzugefügt wird, und es besteht die Möglichkeit eines Abfalls bei dem Signal-Rausch-Verhältnis oder sogar einer Zerstörung. Um dies zu vermeiden, wird demgemäß die Beziehung zwischen dem oben beschriebenen Trägerbildungs-Dickeintervall und der Trägerlänge untersucht, wobei eine Resonanzfrequenz des Erfassungselements von 60 kHz oder mehr angenommen wurde. Die Ergebnisse davon werden in Fig. 13 dargestellt. Bei einem Fall wie diesem, bei welchem eine Resonanzfrequenz von 60 kHz oder mehr angenommen wird und eine Empfindlichkeit von 12 uV/G oder mehr angenommen wird, erreicht der Trägerlängenbereich, in welchem die Trägerbildungsbreite existiert, etwa 0,05 bis 0,1 mm.
Zusätzlich wurde die Grundlage von Bedingungen ähnlich denen von Fig. 13 für eine Vorrichtung bestimmt, bei welcher die Größe des Gewichts (der Masse) im wesentlichen verdoppelt wird, zusammen mit der Annahme einer Resonanzfrequenz von 60 kHz im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis und die Robustheit, wie oben beschrieben, bestimmt.
Dies sind Daten, welche unter Verwendung des Gewichts (der Masse) in Fig. 14(a) erhalten wurden, welches 2,02-mal größer ist als die Vorrichtung, für welche die Daten in Fig. 13 erhalten wurden, und eines Gewichts (einer Masse) in Fig. 14(a), welches 2,14-mal größer ist als die Vorrichtung, für welche Daten in Fig. 13 erhalten wurden. Dies ist eine Vorrichtung, für welche der obere Grenzwert untersucht wurde, und es ist aus dieser Zeichnung zu ersehen, daß der obere Grenzwert der Trägerlänge zu 0,215 mm wird.
Infolgedessen wird bei einer Doppelstützungs-Trägerstruktur bei einem Fall, bei welchem eine Verkleinerung der Oberfläche des Gewichts (der Masse) und der Kompaktheit angestrebt werden, und ferner Minimalbedingungen (das heißt, eine Resonanzfrequenz von 40 kHz oder mehr und eine Empfindlichkeit von 12 uV/G oder mehr) eines Klopfmelders beachtet werden, sogar bei einem Fall hoher Größe, bei welchem eine Resonanzfrequenz von 60 kHz oder mehr angenommen wird und das Signal-Rausch-Verhältnis und die Festigkeit beachtet werden, die Trägerlänge zu 0,05 bis 0,215 mm. Ferner ergibt sich bei einem Fall, bei welchem die Größe kompakt gemacht wird und das Signal-Rausch-Verhältnis und die Festigkeit beachtet werden, eine geeignete Trägerlänge von etwa 0,05 bis 0,1 mm.
Zusätzlich werden die nachfolgend beschriebenen Überlegungen für eine Doppelstützungs-Trägerstruktur wie die oben beschriebene vorgenommen.
Das heißt, daß verschiedene Resonanzpunkte existieren anstelle von einem; insbesondere sind die Primärresonanz, bei welcher das Gewicht (die Masse) senkrecht mitschwingt, und die Sekundärresonanz, bei welcher das Gewicht (die Masse) so mitschwingt, daß diese verdreht wird, groß; wenn die Primärresonanzfrequenz und die Sekundärresonanzfrequenz nahe beieinander liegen, schwingt das Gewicht (die Masse) komplex und der Träger wird zerstört. Infolgedessen ist es im Hinblick auf die Trägerfestigkeit erforderlich, daß die Primärresonanzfrequenz und die Sekundärresonanzfrequenz getrennt werden.
Aus dem vorangehenden wurde eine Struktur angenommen, bei welcher ein Gewicht (eine Masse) 21 mit länglicher Anordnung durch vier Träger 22 gestützt wird, wie in Fig. 15(a) und 15(b) dargestellt. Gemäß dieser Struktur ist eine Verdrehungserzeugung schwierig, und somit können die Primärresonanzfrequenz und die Sekundärresonanzfrequenz getrennt werden. Zusätzlich wird aufgrund des Umstands, daß eine Wheatstone-Brücken-Schaltung bei einer Schwingungserfassung gebildet werden kann, eine hohe Empfindlichkeit erreicht.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird festgelegt, daß eine Resonanzfrequenz 60 kHz oder mehr und eine Empfindlichkeit 12 uV/G oder mehr beträgt, und die Trägerstruktur und die Gewichtsstruktur (die Massenstruktur) werden, wie im folgenden beschrieben, festgelegt. Die in Fig. 15(a) angezeigte Trägerbreite WB wird zu 0,13 mm. Zusätzlich wird die Trägerlänge LB zu 0,11 mm. Ferner wird aufgrund des Umstands, daß ein piezoelektrisches Element auf dem Träger gebildet wird, die Trägerdicke Tg durch den pn- Übergang bestimmt und gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Wert von 13 um angenommen. Ferner wird die in Fig. 15(b) angezeigte Dicke des Gewichts (der Masse) TM mittels der Dicke des verwendeten Wafers bestimmt und wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als 0,3 mm angenommen. Ferner wird die Breite des Gewichts (der Masse) WM mittels der Dicke des Gewichts (der Masse) TM bestimmt, da aufgrund der Empfindlichkeitsbeziehung die Ätzflächenorientierung zum Bilden des Gewichts (der Masse) als (100) Oberfläche genommen wird und das Substrat mittels einer Ätzung abgeschrägt wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Rand hinzugefügt, und dieser wird als Wert von 0,7 mm angenommen. Demgemäß muß die Länge des Gewichts (der Masse) LM als eine primäre Schnell-Mikro-Steuerung und eine Sekundärresonanz mit dieser Breite des Gewichts (der Masse) WM als Grundlage festgelegt werden und wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Wert von 1,2 mm angenommen.
Diese Werte können wie gefordert festgelegt werden, wobei die festzulegende Resonanzfrequenz als Grundlage genommen wird und der Fertigungsvorgang, der verwendete Wafer, die Beziehung zwischen der Primärresonanzfrequenz und der Sekundärresonanzfrequenz und ähnlichem beachtet werden.
Ein Erfassungsverfahren zum Erfassen einer Schwingung des Gewichts (der Masse) wird nachfolgend beschrieben.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden piezoelektrische Elemente 23a bis 23d angeordnet, wie in Fig. 15(a) dargestellt. Auf diese Weise werden die Elemente 23a und 23c auf der Gewichtsseite (der Massenseite) und die Elemente 23b und 23d auf der befestigten Rahmenseite angeordnet, und die Ausrichtbarkeit wird verbessert, wenn eine Wheatstone-Brücken-Schaltverbindung durchgeführt wird, wie sie in Fig. 16 dargestellt ist. Das heißt, daß bei einem Fall, bei welchem das Gewicht (die Masse) 21 senkrecht schwingt, das Element 23a (das Element 23c) und das Element 23b (das Element 23d) wechselseitig unterschiedlichen Belastungen, das heißt Zugbelastungen und Kontraktionsbelastungen, ausgesetzt werden, und die Sensorempfindlichkeit verbessert wird. Zusätzlich werden im Hinblick auf eine Verdrehungsschwingung (Schwingung einer weiteren Achse) das Element 23a (das Element 23c) und das Element 23b (das Element 23d) wechselseitig identischen Belastungen ausgesetzt, und somit kann die Empfindlichkeit einer weiteren Achse bei der Wheatstone-Brücke von Fig. 16 ausgelöscht werden. Ferner ist Fig. 15(b) eine Schnittansicht, welche längs einer Linie entlang des Trägerabschnitts von Fig. 15(a) genommen wird. Zusätzlich sind das m und das n von Fig. 16 Belastun gen, und V stellt die Energieversorgung dar. Ferner ist die Anzahl der angeordneten piezoelektrischen Elemente nicht ausschließlich vier und kann beispielsweise acht sein.
In der vorher beschriebenen Weise kann eine Resonanzfrequenz von 60 kHz oder mehr und eine Empfindlichkeit von 12 uV/G oder mehr durch die Gestaltung der Elemente erfüllt werden.
Zusätzlich können aufgrund des Umstands, daß die Erfassungsfrequenz von etwa 15 kHz beachtlich hoch im Vergleich zu einigen hundert Hz bei einem herkömmlichen Beschleunigungssensor geworden ist, die Träger des Beschleunigungssensors fest gemacht werden. Dadurch wird die Auslenkung des Gewichts (der Masse) 21 im Erfassungs- Schwingungsbereich ungefähr einige um groß, und dadurch, daß dieser Leerraum mit dem Klebemittel 18 (mit einer Dicke von etwa 10 um) versehen wird, wird der Hohlraum (der punktierte Linienabschnitt in der Zeichnung), welcher im Befestigungssockel zum Anbringen eines herkömmlichen Beschleunigungssensors erforderlich ist, unnötig. Dadurch kann der Vorgang zum Bilden eines Hohlraums im Befestigungssockel 12 eliminiert werden. Ferner ist der Leerraum des Befestigungssockels 12 und des Gewichts (der Masse) 21 die ungefähre Dicke von 10 um des Klebemittels 18, was schmal ist, und somit wird bei einem Fall, bei welchem das Gewicht (die Masse) 21 aufgrund einer starken Erschütterung stark schwingt, der Befestigungssockel 12 zu einem Schwingungsdämpfer für das Gewicht (die Masse) 21, und eine Zerstörung der Sensorträger kann verhindert werden.
Zusätzlich ergibt sich gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Bruchfestigkeit von 47.000 bis 48.000 G. Diese Bruchfestigkeit wird insbesondere beim Fertigungsvorgang und beim Übertragungsvorgang und ähnlichem bis hin zum Einbau des Klopfmelders zu einem Problem und ist ein Wert, welcher auf der Grundlage wirklicher Fallversuche auf Beton und Eichenholz gestaltet wurde und im Hinblick auf eine tatsächliche Fallerschütterung und Resonanzfrequenz der Träger bestimmt wurde. Bei einem Fall wie dem vorliegenden mit einer Resonanzfrequenz von 60 kHz ergab sich, daß bis zu 50.000 G ausreichend sind, und somit kann der vorangehende Wert von 47.000 bis 48.000 G als im wesentlichen ausreichend bezeichnet werden.
Ferner ist es, falls eine Steigerung davon bis zu 50.000 G angestrebt wird, annehmbar, einen dünnen Film für den Trägerbefestigungs-Grundabschnitt 50, welcher durch punktierte Linien in Fig. 18(a) und in der längs der Linie A-A' davon genommenen Schnittansicht von Fig. 18(b) angezeigt wird, zu verwenden. Bei einer derartigen Durchführungsweise kann die Belastungskonzentration der Abschnitte, welche durch Kreise in der Zeichnung dargestellt werden, vermindert werden und die Trägerfestigkeit kann gesteigert werden.
Zusätzlich wird eine Einflußwirkung, welche im folgenden beschrieben wird, auch bei einem Fall der in Fig. 18(a) und 18(b) dargestellten Struktur angezeigt.
Das heißt, daß es, wenn das Gewicht (die Masse) geschwungen hat, zu bevorzugen ist, die piezoelektrischen Elemente am Befestigungsgrund des Gewichts (der Masse) und der Träger anzuordnen, was ein Befestigungspunkt ist, oder am Befestigungsgrund der Träger und des Rahmens, was ein weiterer Befestigungspunkt ist, wo die Trägerbelastung am größten ist. Wenn jedoch die Elemente klein werden, wie beim vorangehenden Ausführungsbeispiel, wird eine außerordentlich hohe Genauigkeit bei der Positionsausrichtung der Maske zum Bilden der piezoelektrischen Elemente gefordert. Bei einem Fall, bei welchem ein Verrutschen der Maske verursacht wird und die piezoelektrischen Elemente vom Befestigungsgrund des Gewichts (der Masse) und der Träger oder vom Befestigungsgrund der Träger und des Rahmens verschoben werden und piezoelektrische Elemente lediglich bei der Mitte des Gewichts (der Masse) bzw. lediglich bei der Mitte des Rahmens ohne Befestigung an den Trägern gebildet werden, fällt die Belastungsempfindlichkeit der Elemente davon außerordentlich stark ab. Demgemäß kann durch Annehmen einer Struktur wie bei den vorangehenden Fig. 18(a) und 18(b) das piezoelektrische Element ohne Versagen bis nahe zur Maximalbelastung gebildet werden, selbst bei einem leichten Verrutschen der Maske, und das herkömmliche Problem einer Unfähigkeit, viel Belastung bei einem Fall, bei welchem ein Verrutschen der Maske eingetreten ist, zu erfassen, kann ausgeräumt werden.
Zusätzlich fällt gemäß einem beim ersten bzw. beim dritten Ausführungsbeispiel angezeigten Klopfmelder, bei welchem ein Befestigungssockel 9, wie in Fig. 19 gezeigt, am Gehäuse bzw. am Verbindungsstück durch Schweißen oder Kleben oder ähnlichem durch einen durch 50 angezeigten Befestigungsabschnitt befestigt wird, aufgrund des Umstands, daß die Struktur derartig beschaffen ist, daß der Umfang des Befestigungssockels 9 befestigt wird, die Resonanzfrequenz am stärksten ab, wenn ein Erfassungselement 11 und Signalverarbeitungsschaltungen 10a und 10b usw. bei einem Mittelabschnitt davon befestigt werden. Infolgedessen kann, falls der Schwerpunkt des vorangehenden Elements und der Signalverarbeitungsschaltungen usw. nicht zur Anordnung auf dem Schwerpunkt aus dem Blickwinkel des Befestigungsabschnitts des Befestigungssockels angelegt wird, ein Abfall der Resonanzfrequenz in einem gewissen Maß unterdrückt werden. Ferner ist es, wie in Fig. 4 dargestellt, bei einer Vorrichtung mit einer Struktur, bei welcher ferner ein Sockel (ein Substrat 17) zwischen dem Befestigungssockel 9 und dem Erfassungselement und der Signalverarbeitungsschaltung und ähnlichem vorhanden ist, annehmbar, wenn der gemeinsame Schwerpunkt des Sockels und des Erfassungselements und der Signalverarbeitungsschaltung und ähnlichem nicht zum Schwerpunkt aus dem Blickwinkel des Befestigungsabschnitts wird. Das heißt, daß es annehmbar ist, wenn beim Schwerpunkt des Befestigungssockels, woran dessen Umfangsabschnitt befestigt wird, der offensichtliche Schwerpunkt des Gesamtgewichts von darüber angebrachten Elementen nicht überlappt.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Die vorliegende Erfindung als Schwingungserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Klopferscheinung bei einem in einem Fahrzeug oder ähnlichem eingebautem Motor kann als Klopfmelder angewandt werden, wobei eine Struktur verwendet wird, bei welcher ein Fertigungsverfahren einfach ist, und wobei ferner eine Erfassung selbst bis zu einem Hochfrequenzbereich ohne Abfall der Empfindlichkeit durchführbar ist.

Claims

1. Klopfmelder, umfassend:

ein auf einem Motor installiertes Gehäuse (1);

einen auf dem Gehäuse (1) angeordneten Verbindungsabschnitt (2) zum Bilden eines isolierten Inneren zusammen mit dem Gehäuse (1), wobei der Verbindungsabschnitt (2) ein Glied (6) einschließt, welches eine elektrische Verbindung zwischen einer Seite des Inneren und einer Seite eines Äußeren des Klopfmelders darstellt;

ein innerhalb des isolierten Inneren angeordnetes Meßelement (11) mit einem Gewichtsteil (21, 41), einem den Gewichtsteil (21, 41) stützenden Trägerteil (22, 42) und einem Detektor (23a-23d), welcher eine auf ein bei dem Motor auftretendes Klopfen ansprechende Schwingung des Gewichtsteils (21, 41) nachweist, wobei der Gewichtsteil (21, 41) und der Trägerteil (22, 42) aus einem Halbleiterstoff gebildet werden; und

einen Befestigungssockel (9), welcher in dem isolierten Inneren angeordnet wird, um das Meßelement darauf zu befestigen.

2. Klopfmelder nach Anspruch 1, wobei das Meßelement (11) einen Rahmenteil umfaßt, wobei der Gewichtsteil (21) in den Rahmenteil eingesetzt und vom Rahmenteil abgesetzt wird und eine Vielzahl von Trägerteilen (22) den Gewichtsteil (21) mit dem Rahmenteil zur Doppelstützung des Gewichtsteils (21) innerhalb des Rahmenteils verbindet, wobei der Rahmenteil und die Trägerteile (22) aus einem Halbleiterstoff gebildet werden.

3. Klopfmelder nach Anspruch 2, wobei der Rahmenteil des Meßelements (11) einen quadratischen Aufbau aufweist und der Gewichtsteil (21) einen länglichen Aufbau aufweist und innerhalb des Rahmenteils derartig angeordnet wird, daß dieser sich im wesentlichen bei einer Mitte des Rahmenteils befindet, und wobei die Trägerteile (22) verbunden werden, um den Gewichtsteil (21) von zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmenteils zu stützen, und paarweise von einer Seite der zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmenteils angeordnet werden.

4. Klopfmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Trägerteil (22) eine derartig gewählte Geometrie aufweist, daß eine Resonanzfrequenz des Meßelements (11) 40 kHz oder größer gemacht wird, um zu gewährleisten, daß eine maximale Nachweisfrequenz des Detektors (23a-23d) etwa 15 kHz beträgt.

5. Klopfmelder nach Anspruch 4, wobei der Befestigungssockel (9) eine Resonanzfrequenz von 40 kHz oder mehr aufweist.

6. Klopfmelder nach Anspruch 5, wobei die Resonanzfrequenz des Meßelements (11) höher als die Resonanzfrequenz des Befestigungssockels gewählt wird.

7. Klopfmelder nach Anspruch 6, wobei die Resonanzfrequenz des Meßelements (11) zu 60 kHz oder mehr gewählt wird.

8. Klopfmelder nach Anspruch 4, wobei die Geometrie des Trägerteils (22) derartig gewählt wird, daß gewährleistet ist, daß die Resonanzfrequenz des Meßelements (11) 60 kHz oder mehr beträgt.

9. Klopfmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Detektor (23a-23d) ein wenigstens auf dem Trägerteil (22) angeordnetes Piezo-Widerstandswirkungselement umfaßt.

10. Klopfmelder nach Anspruch 9, wobei die Geometrie des Trägerteils (22) derartig gewählt wird, daß eine Resonanz frequenz des Meßelements (11) 40 kHz oder größer gemacht wird und ebenso eine Empfindlichkeit des Detektors (23a- 23d) 12umV/G oder größer gemacht wird.

11. Klopfmelder nach Anspruch 10, wobei die Länge des Trägerteils (22) innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,215 mm liegt, vorzugsweise von 0,05 mm bis 0,1 mm.

12. Klopfmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Meßelement (11) eine an dem Befestigungssockel (9) befestigte Meßeinrichtung bildet.

13. Klopfmelder nach Anspruch 12, wobei die Meßeinrichtung an dem Befestigungssockel (9) an einer Oberflächenseite, welche einer Rückseite gegenüberliegt, welche dem Verbindungsabschnitt (2) zugewandt ist, in dem isolierten Inneren befestigt wird.

14. Klopfmelder nach Anspruch 12 oder 13, wobei die an dem Befestigungssockel (9) befestigte Meßeinrichtung ein Signalverarbeitungselement (10) einschließt.

15. Klopfmelder nach Anspruch 14, wobei das Signalverarbeitungselement (10) eine Verstärkerschaltung (10a) zum Verstärken eines durch das Meßelement (11) nachgewiesenen Ausgangssignals, eine Klopfsignal-Diskriminatorschaltung (10b) zum Bestimmen eines Auftretens eines Klopfens auf der Grundlage eines verstärkten Signals von der Verstärkerschaltung (10a) und eine Energieversorgungsschaltung (10c) zum Zuführen von Energie zu den Schaltungen (10a, 10b) einschließt.

16. Klopfmelder nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Befestigungssockel (9) an einer Innenwand des Inneren bei einem Umfangsabschnitt des Befestigungssockels (9) befestigt wird und die Positionen des Meßelements und des Signalverarbeitungselements (10) auf dem Befestigungssockel (9) aus einem Schwerpunkt des Befestigungssockels (9) verschoben werden.

17. Klopfmelder nach Anspruch 16, wobei ein scheinbarer Schwerpunkt, welcher durch das Meßelement (11) und das Signalverarbeitungselement (10) gebildet wird, aus dem Schwerpunkt des Befestigungssockels (9) verschoben wird.

18. Klopfmelder nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Meßeinrichtung (11) ein Gewicht von 1g oder weniger aufweist.

19. Klopfmelder nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Gewichtsteil (21) an zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmenteils durch zwei Paare von zwei angrenzenden Trägerteilen (22) aufgehängt wird, wobei jeder Trägerteil (22) mit wenigstens einem Piezo-Widerstandswirkungselement (23a-23d), welches nahe bei einem der Verbindungspunkte zwischen dem Rahmenteil und dem Trägerteil (22) und einem Verbindungspunkt zwischen dem Gewichtsteil (21) und dem Trägerteil (22) angeordnet ist, versehen wird.

20. Klopfmelder nach Anspruch 19, wobei jeder Trägerteil (22) mit einem Piezo-Widerstandswirkungselement (23a-23d) versehen wird, und wobei bei jedem der zwei Paare der zwei angrenzenden Trägerteile (22) auf einem der zwei angrenzenden Trägerteile (22) ein Piezo-Widerstandswirkungselement (23a-23d) auf einer ersten Seite nahe bei dem Verbindungspunkt zwischen dem Rahmenteil und dem Trägerteil (22) angeordnet wird, während auf dem anderen der zwei angrenzenden Trägerteile (22) ein Piezo-Widerstandswirkungselement (23a-23d) an einer zweiten Seite nahe bei dem Verbindungspunkt zwischen dem Gewichtsteil (21) und dem Trägerteil (22) angeordnet wird.

21. Klopfmelder nach Anspruch 20, wobei vier angeordnete Piezo-Widerstandswirkungselemente (23a-23d) eine Wheatstone-Brücke, bei welcher auf den jeweiligen Trägerteilen (22) an der gleichen Seite von entweder der ersten Seite oder der zweiten Seite angeordnete Piezo-Widerstandswirkungselemente (23a-23d) an diagonal gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone-Brücke angeordnet werden, bilden.

22. Klopfmelder nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Rahmenteil und der Gewichtsteil (21) eine dickere Dicke als eine Dicke der Trägerteile (22) aufweisen.

23. Klopfmelder nach Anspruch 22, wobei ein Abschnitt von entweder dem Trägerteil oder dem Gewichtsteil (21), wo das Piezo-Widerstandswirkungselement (23a-23d) in der Nähe angeordnet wird, die gleiche Dicke wie der Trägerteil (22), welcher durchgehend davon verbunden wird, aufweist.

24. Klopfmelder nach Anspruch 22, wobei beide Randabschnitte des Rahmenteils und des Gewichtsteils (21), wo die zwei Paare der zwei angrenzenden Trägerteile (22) eine Verbindung dazwischen herstellen, die gleiche Dicke wie die Trägerteile aufweisen.

25. Klopfmelder nach Anspruch 13, wobei der Befestigungssockel (9) an dem Verbindungsabschnitt (2) an der Rückseite davon befestigt wird.

26. Klopfmelder nach Anspruch 25, wobei die Meßeinrichtung (11) im Inneren von einem Rest des Inneren durch eine Hülle (24) und den Befestigungssockel (9) isoliert wird.

27. Klopfmelder nach Anspruch 26, wobei der Rest des Inneren mit einem absorbierenden Material gefüllt wird.

28. Klopfmelder nach Anspruch 27, wobei das absorbierende Material (25) ein Silikongel ist.

29. Ein Klopfmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Meßelement (11) bei einem Umfang davon ein absorbierendes Glied (25) zum Absorbieren einer Schwingung außerhalb eines Nachweisfrequenzbereichs, welche zu einem Rauschen wird, aufweist, so daß eine Schwingung, welche zu einem Rauschen wird, nicht auf das Meßelement übertragen wird.

30. Klopfmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei der Befestigungssockel (9) aus einem Material, welches durch Schweißen an das Gehäuse (1) gebondet werden kann, zusammengesetzt wird und der Befestigungssockel (9) und das Gehäuse (1) durch Schweißen gebondet werden.