CH386729A

CH386729A - Piezoelektrischer Druckgeber und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: CH386729A
Application number: CH1045060A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Dr Hatschek
Original assignee: List Hans Dipl Ing Dr Techn
Priority date: 1959-10-02
Filing date: 1960-09-15
Publication date: 1965-01-15
Also published as: US3171989A; GB966542A; AT215704B

Description

Piezoelektrischer Druckgeber und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, der aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspantihülse besteht, die die Piezoelemente umschliesst, wobei zwischen den Piezoelementen und dem Mantel der Vorspannhülse ein ringförmiger Zwischenraum zur Isolierung vorgesehen ist.

Bei den bekannten Druckgebern dieser Art werden die an den geschliffenen Aussenflächen der Piezoelemente entstehenden elektrischen Ladungen durch auf diese aufgebrachte Metallelektroden abgenommen und von diesen einerseits über eine isolierte Leitung und anderseits über Masse nach aussen geführt. Zur Isolierung der Piezoelemente und der nicht an Masse liegenden Elektrode ist zwischen diesen und dem sie umgebenden Mantel der Vorspannhülse ein ringförmiger Luftspalt vorgesehen. Es hat sich dabei gezeigt, dass sich die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit während der Verwendung des Druckgebers oder auch danach auf die Piezoelemente und die Elektroden niederschlägt. Dadurch wird sowohl der Übergangswiderstand zwischen den Piezoelementen und den Elektroden vergrössert als auch die gute Isolation der geschliffenen Oberflächen der Piezoelemente aufgehoben.

Ausserdem bilden sich an den Seitenflächen der Piezoelemente Kriechwege, die eine Ausgleichung der an den geschliffenen Flächen der Piezoelemente auftretenden Ladungen verursachen. Dies hat Störungen zur Folge, die die Empfindlichkeit und die Messgenauigkeit des Druckgebers beeinträchtigen.

Zur Beseitigung dieses Nachteiles wurde bereits vorgeschlagen, eine zur Aufnahme von Feuchtigkeit geeignete Substanz in die Vorspannhülse einzubauen.

Dies erfordert jedoch komplizierte konstruktive Massnahmen, da die Vorspannung der Piezoelemente mittels der Vorspannhülse dadurch erschwert wird.

Ausserdem konnten die auf diese Weise erzielten Ergebnisse nicht immer befriedigen.

Die Erfindung schlägt nun abweichend vor, den ringförmigen Zwischenraum mit einem elektrisch isolierenden Polymer zu füllen. Bei Versuchen wurde festgestellt, dass dadurch die Empfindlichkeit und die Messgenauigkeit des Druckgebers in keiner Weise vermindert werden und diese Eigenschaften auch bei längerem Betrieb sowie bei längerer Lagerung des Druckgebers unverändert bleiben. Die bei den bisherigen Ausführungen mit einem ringförmigen Luftspalt erforderlichen Vorkehrungen zur Lufttrocknung fallen hierbei weg. Ausserdem wird noch der weitere Vorteil erzielt, dass das elektrisch isolierende Polymer im ringförmigen Zwischenraum schwingungsdämpfend wirkt, wodurch unerwünschte Eigenschwingungen des Druckgebers gedämpft oder ausgeschaltet werden.

Der ringförmige Zwischenraum kann mit Polytetrafluoräthylen gefüllt sein. Dieses elektrisch isolierende Polymer, das unter der Markenbezeichnung Teflon im Handel ist, ist ein gallerartiger Stoff der die bei der Erfindung erforderlichen plastischen und elastischen Eigenschaften in besonderem Mass besitzt. Bei Versuchen mit derartigen Druckgebern wurden insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von Eigenschwingungen sehr gute Ergebnisse erzielt.

Der ringförmige Zwischenraum kann auch mit einem flüssigen Polymer, vorzugsweise mit Silikonöl, gefüllt sein. Hierbei handelt es sich um eine Isolierflüssigkeit, die auf einfache Weise in den ringförmigen Zwischenraum eingebracht werden kann und beim Zusammenbau des Druckgebers, wobei sehr enge Toleranzen eingehalten werden müssen, ausserdem noch als Schmiermittel wirkt.

Bei einem Druckgeber mit einem mindestens im Bereich des druckbeaufschlagten Endes der Vorspannhülse zwischen dieser und dem Gehäuse vorgesehenen Ringraum, der mindestens teilweise im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes liegt und von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, kann bei Verwendung eines elektrisch isolierenden, flüssigen Polymers zur Kühlung, insbesondere Silikonöl, der Mantel der Vorspannhülse im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes durchbrochen sein. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen dem Kühlsystem und dem die Piezoelemente umgebenden ringförmigen Zwischenraum, wodurch sich ausser der guten Isolierung noch eine verbesserte Kühlwirkung ergibt, da die Isolierflüssigkeit im ringförmigen Zwischenraum ständig ausgewechselt wird.

Ausserdem besteht dabei die Möglichkeit, durch die vorgesehenen Durchbrechungen die erforderliche Elastizität der Vorspannhülse bei grösserer Wandstärke, die fertigungstechnische Vorteile bietet, zu erhalten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hierbei im Mantel der Vorspannhülse axial verlaufende, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Schlitze vorgesehen. Diese Schlitze sind einfach herstellbar, ergeben ein günstiges Elastizitätsverhalten der Vorspannhülse und beeinträchtigen nicht die Festigkeit des Mantels der Vor spanuliülse.

Zur Herstellung des piezoelektrischen Druckgebers nach der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der ringförmige Zwischenraum mit einem flüssigen Vorpolymerisat, vorzugsweise mit einem flüssigen Silikonpolymer, gefüllt und dieses nach Zusammen bau des Druckgebers in ein Elastomer übergeführt wird. Durch diese Massnahmen werden die Vorteile, die ein flüssiges Polymer bei der Herstellung des Druckgebers bietet, und die vorteilhaften Eigenschaften, die sich bei Verwendung eines festen Polymers ergeben, an einem Druckgeber vereinigt. Die Überführung des flüssigen Vorpolymerisates in ein Elastomer kann hierbei dadurch erfolgen, dass das Vorpolymerisat vor seiner Einbringung in den ringförmigen Zwischenraum mit mindestens einem Katalysator vermischt wird.

Dabei braucht das flüssige Vorprodukt lediglich in den ringförmigen Zwischenraum eingefüllt zu werden, worauf es ohne weitere Massnahmen im Laufe einiger Stunden zu einem gallerartigen Isolierstoff erstarrt. Schliesslich kann die - Überführung des flüssigen Vorpolymerisates in ein Elastomer aber auch durch einmaliges Erhitzen des flüssigen Vorpolymerisates nach Zusammenbau des Druckgebers auf eine Temperatur von mehr als 1000 C erfolgen. In diesem Fall erübrigt sich die Beimischung eines Katalysators.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den druckseitigen Teil eines Druckgebers und Fig. 2 dazu ein Detail in vergrö ssertem Massstab.

Im Inneren des Gehäuses 1 des dargestellten Druckgebers, das an seinem-unteren Ende ein Anschlussgewinde 2raum Einschrauben beispielsweise in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine aufweist, ist eine Vorspannhülse 3 festgeklemmt, die die Piezoelemente, z. B. zwei Quarzkristalle 4 und 5, umschliesst und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 6 abgeschlossen ist. Die Quarzkristalle 4 und 5 sind übereinander angeordnet und gegeneinander geschaltet, wobei zwischen ihnen eine Elektrode 7 zur Ableitung z. B. der positiven Ladungen vorgesehen ist, während die negativen Ladungen über Masse abfliessen können. Zu diesem Zweck ist auf der einen Seite der Quarzkristalle eine Elektrode 8 und auf der anderen Seite ein Stahlzylinder 9 vorgesehen, welcher mit dem Quarzkristall 4 in Verbindung steht und zugleich auch zur Vorspannung der Quarze dient.

Die am Quarzkristall 5 anliegende Elektrode 8 steht über eine Schicht 10 aus weichem Metall, z. B. aus Aluminium, mit dem Stempel 6 und somit ebenfalls mit der Vorspannhülse 3 und dem Gehäuse 1 in leitender Verbindung.

Die Metallschicht 10 hat den Zweck, zwischen der Elektrode 8 und dem Stempel 6 einen elektrischen Kontakt mit möglichst geringem Übergangswiderstand herzustellen. Im Inneren des Stahlzylinders 9 ist ein Isolierrohr 11 angeordnet, welches die von der Elektrode 7 nach aussen führende elektrische Leitung 12 umschliesst.

Um den die Quarzkristalle 4 und 5 umschliessenden Teil der Vorspannhülse 3 herum ist zwischen dieser und dem Gehäuse 1 ein Ringraum 13 ausgespart, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 6 dichtend angeordnete Membran 14 abgeschlossen ist. Diese wird durch Ringe 15 und 16 festgehalten. Im oberen Teil des Ringraumes 13 befindet sich eine Zufluss-und eine Abflussöffnung, von denen in der Zeichnung nur eine zu sehen und mit 17 bezeichnet ist, und durch welche über im Gehäuse 1 liegende Kanäle 18 dem Ringraum 13 Kühlflüssigkeit zu- bzw. abgeführt wird.

Zwischen den Quarzkristallen 4 und 5 und den Elektroden 7 und 8 einerseits sowie dem diese umschliessenden Mantel der Vorspannhülse 3 anderseits ist ein ringförmiger Zwischenraum 19 zur Isolierung vorgesehen, der mit einem elektrisch isolierenden Polymer gefüllt ist. Ausserdem ist der Mantel der Vorspannhülse 3 im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes 19 beispielsweise durch Schlitze 20 durchbrochen. Dadurch wird eine Verbindung zwischen dem ringförmigen Zwischenraum 19 und dem zur Kühlung dienenden Ringraum 13 hergestellt, wobei zur Kühlung ein flüssiges Polymer, z. B. Silikonöl, verwendet wird, das gleichzeitig zur Isolierung dient.

In Fig. 2 ist eine beispielsweise Ausbildung der im Mantel der Vorspannhülse 3 angeordneten Schlitze 20 gezeigt. Die Schlitze 20 verlaufen dabei in axialer Richtung und sind in Umfangsrichtung der Vorspannhülse 3 gegeneinander versetzt angeordnet. Bei der Anordnung der Schlitze muss insbesondere darauf geachtet werden, dass diese die Festigkeit und die Elastizität der Vorspannhülse nicht beeinträchtigen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Piezoelektrischer Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspannhülse, die die Piezoelemente umschliesst, wobei zwischen den Piezoelementen und dem Mantel der Vorspannhülse ein ringförmiger Zwischenraum zur Isolierung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Zwischenraum (19) mit einem elektrisch isolierenden Polymer gefüllt ist.

II. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Druckgebers nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Zwischenraum mit einem flüssigen Vorpolymerisat gefüllt und dieses nach Zusammenbau des Druckgebers in ein Elastomer überführt wird.

UNTERANSPRUCHE 1. Piezoelektrischer Druckgeber nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Zwischenraum (19) mit Polytetrafluoräthylen gefüllt ist.

2. Piezoelektrischer Druckgeber nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Zwischenraum (19) mit einem flüssigen Polymer, vorzugsweise mit Silikonöl, gefüllt ist.

3. Piezoelektrischer Druckgeber nach Unteranspruch 2, mit einem mindestens im Bereich des druckbeaufschlagten Endes der Vorsp annhülse zwischen dieser und dem Gehäuse vorgesehenen Ringraum, der mindestens teilweise im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes liegt und von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel ein elektrisch isolierendes, flüssiges Polymer, insbesondere Silikonöl, dient und der Mantel der Vorspannhülse (3) im Bereich des ringförmigen Zwischenraumes (19) durchbrochen ist.

4. Piezoelektrischer Druckgeber nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantel der Vorspannhülse (3) axial verlaufende, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Schlitze (20) vorgesehen sind.

5. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorpolymerisat vor seiner Einbringung in den ringförmigen Zwischenraum mit mindestens einem Katalysator vermischt wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung des flüssigen Vorpolymerisates in ein Elastomer durch einmaliges Erhitzen des flüssigen Vorpolymerisates nach Zusammenbau des Druckgebers auf eine Temperatur von mehr als 100" C erfolgt.