DE10044481A1 - Schwingungsaufnehmer mit einstückigem Schwingungsaufnahmeelement sowie Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnahmeelements - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungsaufnehmer (1) zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit einem Gehäuse (2), einer Druckhülse (3) und einem zwischen zwei Kontaktscheiben (14, 15) angeordneten piezoelektrischen Element (13), wobei die beiden Kontaktscheiben (14, 15) zwischen zwei isolierenden Elementen (16, 17) angeordnet sind. Weiter weist der Schwingungsaufnehmer (1) eine seismische Masse (8) auf, welche über ein Federelement (9) auf das piezoelektrische Element (13) wirkt. Dabei bilden das piezoelektrische Element (13), die beiden Kontaktscheiben (14, 15) und die beiden isolierenden Elemente (16, 17) ein Schwingungsaufnahmeelement (12), welches einstückig ausgebildet ist. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Schwingungsaufnahmeelements (12).

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungs­ aufnehmer zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit einem einstückig ausgebildeten Schwingungsaufnahmeelement. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines einstückig ausgebildeten Schwingungsaufnahmeelements.

Schwingungsaufnehmer sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Schwingungsaufnehmer werden beispielsweise als Klopfsensoren für Verbrennungsmotoren eingesetzt, wobei die zu detektierenden Schwingungen in diesem Fall Klopfgeräusche des Verbrennungsmotors im Betrieb sind, welche über eine Druckhülse auf einen piezokeramischen Schwingungsaufnehmer geleitet werden und in ein auswertbares Ausgangssignal umgewandelt werden.

Ein derartiger Klopfsensor ist beispielsweise aus der EP- 0594796 bekannt. Dieser bekannte Klopfsensor ist derart aufgebaut, dass in einem Gehäuse ein zwischen Kontaktscheiben angeordnetes piezoelektrisches Element angeordnet ist, auf welches eine seismische Masse einwirkt. Zwischen der einen Kontaktscheibe und der seismischen Masse bzw. der anderen Kontaktscheibe und einer Auflagefläche des piezoelektrischen Elements ist jeweils eine Isolierscheibe angeordnet. Die Isolierscheiben bestehen aus elektrisch nicht leitfähigem Material. In dem bekannten Klopfsensor sind das piezoelektrische Element, die Isolierscheiben und die Kontaktscheiben als Einzelteile ausgebildet.

Da bei einem Klopfsensor durch das piezoelektrische Element Relativ-Bewegungen zwischen dessen Oberseite und dessen Unterseite von weniger als 0,1 µm in elektrische Ladung umgesetzt werden, müssen die einzelnen Oberflächen der Einzelteile in entsprechender Weise plan hergestellt werden, was zu sehr hohen Herstellungskosten führt, insbesondere da eine hohe Anzahl von Einzelteilkontakten zwischen den Elementen vorhanden ist. Um die Teilezahl zu verringern werden daher in jüngster Zeit die Kontaktscheiben mit einer Isolierschicht bedruckt, so dass die Isolierscheibe als Einzelteil entfallen kann. Trotzdem besteht ein derartiges Schwingungsaufnahmeelement immer noch aus mindestens drei Einzelteilen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Anzahl der Bauteile deutlich reduziert ist, da ein Schwingungsaufnahmeelement einstückig ausgebildet ist. Das Schwingungsaufnahmeelement besteht aus einem piezoelektrischen Element, welches zwischen zwei Kontaktscheiben angeordnet ist und isolierenden Elementen an den Außenseiten der Kontaktscheiben angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird somit nicht nur die Anzahl der Teile reduziert, sondern auch die Anzahl der Kontakte zwischen den Einzelteilen eines Schwingungsaufnehmers, so dass erfindungsgemäß auch eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten erreicht werden kann. Weiter kann die Anzahl der planen Oberflächen der Einzelteile entsprechend verringert werden.

Vorzugsweise sind bei dem einstückigen Schwingungsaufnahme­ element das eigentliche piezoelektrische Element und die beiden Kontaktscheiben als ein integrales Bauteil ausgebildet.

Besonders bevorzugt sind das piezoelektrische Element und die Kontaktscheiben als Keramikverbund ausgebildet. Dabei erfolgt eine Polarisierung des gesamten Keramikverbundes zum piezoelektrischen Element. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass während des Herstellungs­ prozesses der Keramik die Kontaktscheiben auf die Keramik mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs aufgeklebt werden. Nach einem Aushärten des Klebers beispielsweise in einem Durchlaufofen, wird der Keramikverbund polarisiert und somit das eigentliche piezoelektrische Element fertiggestellt.

Vorzugsweise werden die Kontaktscheiben mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes mit dem piezoelek­ trischen Element verbunden. Dabei kann beispielsweise ein Klebstoff mit Silberkomponenten verwandt werden, um die Leitfähigkeit des Klebstoffs herzustellen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die isolierenden Elemente als Isolierschichten an den Kontaktscheiben ausgebildet. Hierdurch können die Isolierschichten unmittelbar auf die Kontaktscheiben aufgebracht werden, so dass eine einfache und sichere Verbindung zwischen der Kontaktscheibe und dem isolierenden Element gewährleistet ist.

Um die Herstellung besonders einfach und kostengünstig auszugestalten, sind die Isolierschichten mittels Siebdrucktechnik aufgebracht.

Um eine weitere Vereinfachung des Schwingungsaufnahme­ elements des Schwingungsaufnehmers zu ermöglichen, sind an den Kontaktscheiben Anschlußelemente wie z. B. Anschlußfahnen für eine Kabelverbindung oder eine Steckverbindung ausgebildet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnahmeelements für einen Schwingungsaufnehmer wird zuerst eine Keramik für das piezoelektrische Element hergestellt. Vorzugsweise ist die Keramik als ringförmige Scheibe ausgebildet. Anschließend wird auf eine Oberseite und eine Unterseite der Keramik ein elektrisch leitfähiger Kunststoff aufgebracht. Danach wird jeweils eine Kontaktscheibe, welche vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildet ist, an der Oberseite und der Unterseite der Keramik aufgeklebt und ausgerichtet. Danach wird der Klebstoff z. B. in einem Durchlaufofen ausgehärtet und anschließend erfolgt das Polarisieren des aus den Kontaktscheiben und der Keramik bestehenden Keramikverbundes zum eigentlichen piezoelektrischen Element. Dann wird an der Oberseite und der Unterseite des Keramikverbundes, d. h. an den Kontaktscheiben jeweils ein isolierendes Element aufgebracht. Beispielsweise wird das isolierende Element als eine Isolierschicht aufgebracht. Somit ist das Schwingungsaufnahmeelement des Schwingungs­ aufnehmers einstückig ausgebildet, so dass insbesondere auf die sehr aufwendigen und teueren Herstellungsverfahren für die Einzelteile zur Sicherstellung einer planen Oberfläche verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß werden somit die Keramik und die Kontaktscheiben als integriertes Bauteil hergestellt. Somit kann im Vergleich mit dem Stand der Technik die Teileanzahl verringert werden und die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden. Es ist noch anzumerken, dass aufgrund der Alterungsprobleme des piezoelektrischen Elements dieses nach der Polarisierung üblicherweise eine gewisse Zeit gelagert wird, um während des Einsatzes des piezoelektrischen Elements nur geringe Abweichungen aufgrund von Alterungserscheinungen zu haben.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnahmeelements für einen Schwingungsaufnehmer wird zuerst ein piezoelektrisches Element hergestellt. Anschließend wird auf eine Oberseite und eine Unterseite des piezoelektrischen Elements ein leitfähiger Klebstoff aufgebracht. Danach wird jeweils an der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Elements eine Kontaktscheibe aufgeklebt und gegebenenfalls ausgerichtet. Nach dem Aushärten des Klebstoffs wird ein isolierendes Element an den Kontaktscheiben für eine Isolation zur Außenseite aufgebracht. Bei diesem Verfahren ist vorteilhaft, dass die bisher als Einzelteile verwendeten Bauteile auf einfach Weise mittels eines leitenden Klebstoffs zusammengeklebt werden können, so dass sie im Schwingungsaufnehmer einstückig ausgebildet sind. Dadurch wird die Anzahl der Teilekontakte der Einzelteile im Schwingungsaufnehmer verringert und eine Montage des Schwingungsaufnehmers kann einfacher ausgeführt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmer bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Anzahl der Verbindungsflächen im Schwingungsaufnahmeelement durch eine Reduzierung der Anzahl der Einzelteile verringert. Dadurch werden die Schwingungen bzw. Vibrationen eines Schwingungen aufweisenden Bauteils wie z. B. eines Motorblocks besser als im Stand der Technik an das piezoelektrische Element weitergeleitet. Der gesamt Verbund neigt weniger zur Eigenresonanzen und ein Klappern bzw. Aneinanderschlagen der Einzelteile während des Betriebes kann verhindert werden, so dass sich keine negativen Auswirkungen auf das Kennlinienverhalten des Schwingungsaufnehmers ergeben. Ein Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmers liegt beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich in einer Verwendung als Klopfsensor an Motorblöcken. Erfindungsgemäß kann somit eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten, insbesondere aufgrund des Wegfallens der Erzeugung von möglichst planen Flächen am piezoelektrischen Element, den Kontaktscheiben und den Isolierscheiben, verringert werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Hälfte eines erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Schwingungen aufnehmenden Bauteils des in Fig. 1 gezeigten Schwingungsaufnehmers.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Schwingungsaufnehmer 1 zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil (nicht dargestellt) gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen jeweils nur eine Hälfte des Schwingungsauf­ nehmers und sind entlang einer Mittellinie 0-0 rotationssymmetrisch ausgebildet.

Wie in Fig. 1 gezeigt umfasst der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer 1 ein Gehäuse 2 in welchem eine Druckhülse 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist durch eine Kunststoffumspritzung hergestellt, welche nach Montage der Einzelteile des Schwingungsaufnehmers 1 auf die Druckhülse umspritzt wird.

Die Druckhülse 3 besteht aus einem flanschartigen Rand 4 und einem zylindrischen Teil 5, und weist am flanschartigen Rand 4 eine Auflagefläche 6 auf, welche zur mittelbaren oder unmittelbaren Auflage an dem Schwingungen aufweisenden Bauteil ausgebildet ist.

Weiter weist die Druckhülse eine zentrale Bohrung 7 auf, welche zur Aufnahme eines Befestigungselements dient, um den Schwingungsaufnehmer 1 an dem Schwingungen aufweisenden Bauteil zu befestigen.

Weiter umfasst der Schwingungsaufnehmer 1 eine seismische Masse 8, eine Tellerfeder 9 und einen Gewindering 10, welcher auf ein Außengewinde 11 der Druckhülse 3 aufgeschraubt ist. Mittels des Gewinderings 10 wird eine Vorspannung auf die Tellerfeder 9 erzeugt, welche ihrerseits auf die seismische Masse 8 wirkt (vgl. Fig. 1).

Weiter umfasst der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer 1 ein Schwingungsaufnahmeelement 12, welches aus einem piezoelektrischen Element 13, einer oberen Kontaktscheibe 14, einer unteren Kontaktscheibe 15, sowie zwei Isolierschichten 16 und 17 besteht. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das piezoelektrische Element 13 zwischen den beiden Kontaktscheiben 14 und 15 angeordnet. Die beiden Isolierschichten 16 und 17 sind an der Außenseite der beiden Kontaktscheiben 14 und 15 für eine Isolation des Schwingungsaufnahmeelements nach außen angeordnet.

Das Schwingungsaufnahmeelement 12 ist derart hergestellt, dass zuerst eine Keramik für das piezoelektrische Element 13 hergestellt wird, auf welche dann eine geeignete, elektrische leitfähige dünne Kleberschicht, z. B. ein Klebstoff mit Silberkomponenten, aufgebracht wird, um die beiden Kontaktscheiben 14 und 15 an die Keramik zu kleben. Anschließend wird der Klebstoff in einem Durchlaufofen ausgehärtet. Hierbei können vor dem Aushärten die beiden Kontaktscheiben 14 und 15, welche teilweise über das piezoelektrische Element 13 vorstehen (vgl. Fig. 2) für Anschlüsse für eine Kabel- oder Steckerverbindung ausgerichtet werden. Nach dem Aushärten des Klebstoffs wird die Keramik samt den beiden Kontaktscheiben 14 und 15 polarisiert, so dass das eigentliche piezoelektrische Element entsteht. Nach einer aufgrund der Alterungserscheinungen des piezoelektrischen Elements üblichen Lagerung wird die Impedanz des integrierten Keramikverbunds gemessen. Im nächsten Arbeitsgang wird dann auf die beiden Kontaktscheiben 14 und 15 ein isolierendes Element, wie z. B. eine Isolierschicht, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht. Anschließend kann das derart gebildete Schwingungsaufnahmeelement 12 im Schwingungsaufnehmer 1 montiert werden.

Wie weiter in Fig. 1 gezeigt, weist der Schwingungsauf­ nehmer 1 einen Ableitwiderstand 18 auf, um die durch den piezoelektrischen Effekt entstehenden Ladungen des Schwingungsaufnahmeelements 12 ableiten zu können.

Anstelle der beiden Isolierschichten 16 und 17 können selbstverständlich auch bekannte Isolierscheiben verwendet werden, welche auf die beiden Kontaktscheiben 14 und 15 jeweils aufgeklebt werden. Weiter ist es auch möglich, ein aus dem Stand der Technik bekanntes piezoelektrisches Element zu verwenden, auf welches die Kontaktscheiben 14 und die Isolierscheiben 15 aufgeklebt werden.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Schwingungsaufnehmer 1 zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit einem Gehäuse 2, einer Druckhülse 3 und einem zwischen zwei Kontaktscheiben 14, 15 angeordneten piezoelektrischen Element 13, wobei die beiden Kontaktscheiben 14, 15 zwischen zwei isolierenden Elementen 16, 17 angeordnet sind. Weiter weist der Schwingungsaufnehmer 1 eine seismische Masse 8 auf, welche über ein Federelement 9 auf das piezoelektrische Element 13 wirkt. Dabei bilden das piezoelektrische Element 13, die beiden Kontaktscheiben 14, 15 und die beiden isolierenden Elemente 16, 17 ein Schwingungsaufnahmeelement 12, welches einstückig ausgebildet ist. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Schwingungsaufnahme- Elements 12.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (10)

1. Schwingungsaufnehmer (1) zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit einem Gehäuse (2), einer Druckhülse (3), einem zwischen zwei Kontaktscheiben (14, 15) angeordneten piezoelektrischem Element (13), wobei die beiden Kontaktscheiben (14, 15) zwischen zwei isolierenden Elementen (16, 17) angeordnet sind, und einer auf das piezoelektrische Element (13) wirkenden seismischen Masse (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem piezoelektrischen Element (13), den beiden Kontaktscheiben (14, 15) und den beiden isolierenden Elementen (16, 17) gebildetes Schwingungsaufnahmeelement (12) einstückig ausgebildet ist.

2. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (13) und die beiden Kontaktscheiben (14, 15) als integrales Bauteil ausgebildet sind.

3. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (13) und die beiden Kontaktscheiben (14, 15) als Keramikverbund ausgebildet sind, wobei eine Polarisierung des gesamten Keramikverbundes zur Erzeugung der piezoelektrischen Eigenschaften erfolgt.

4. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktscheiben (14, 15) mittels eines Klebstoffs mit dem piezoelektrischen Element (13) verbunden sind.

5. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Elemente als Isolierschicht (16, 17) auf den Kontaktscheiben (14, 15) ausgebildet sind.

6. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschichten (16, 17) mittels Siebdruck aufgebracht sind.

7. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kontaktscheiben (14, 15) Anschlußelemente für eine Kabelverbindung oder eine Steckverbindung ausgebildet sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnahme­ elements (12) für einen Schwingungsaufnehmer (1) umfassend die Schritte des Herstellens einer Keramik für ein piezoelektrisches Element, des Aufbringens eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs auf eine Oberseite und eine Unterseite der Keramik, des Aufklebens und Ausrichtens jeweils einer Kontaktscheibe (14, 15) an der Oberseite und der Unterseite der Keramik, des Aushärtens des Klebstoffs, des Polarisierens des aus den Kontaktscheiben (14, 15) und der Keramik bestehenden Keramikverbundes und des Aufbringens eines isolierenden Elements (16, 17) an der Oberseite und der Unterseite des Keramikverbundes.

9. Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnahme­ elements (12) für einen Schwingungsaufnehmer (1) umfassend die Schritte des Herstellens eines piezoelektrischen Elements (13), des Aufbringens eines leitfähigen Klebstoffs auf eine Oberseite und eine Unterseite des piezoelektrischen Elements (13), des Aufklebens und Ausrichtens jeweils einer Kontaktscheibe (14, 15) an der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Elements (13), des Aushärtens des Klebstoffs und des Aufbringens eines isolierenden Elements (16, 17) an den beiden Kontaktscheiben (14, 15).

10. Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnahme­ elements (12) für einen Schwingungsaufnehmer (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Element (16, 17) im Siebdruck-Verfahren aufgebracht wird.