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Die Erfindung betrifft eine optische Druckmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie deren Verwendung.
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Mit zunehmenden Ansprüchen an die Feinfühligkeit der Regelung von Fahrzeugbremsanlagen, insbesondere im Bereich kleinster Hydraulikdrücke, ist es erforderlich, die jeweils vorherrschenden Druckverhältnisse in diesen Fahrzeugbremsanlagen möglichst exakt zu bestimmen. Zum Bestimmen der Druckverhältnisse sind im Stand der Technik dabei im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze bekannt: Zum Einen die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren, zum Anderen die indirekte Druckerfassung, z. B. über das vordruckbelastete Auslaufverhalten des elektrischen Motors eines Motorpumpenaggregats. Die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren ermöglicht dabei in der Regel eine vergleichsweise genauere Druckbestimmung, ist allerdings auch mit höherem Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden.
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Eine gattungsbildende optische Druckmesseinrichtung ist aus der
DE 10 2011 085 329 A1 bekannt, die in einer Hydraulikeinheit eines hydraulischen Kraftfahrzeugbremssystems angeordnet ist, um den Druck innerhalb des Kraftfahrzeugbremssystems zu bestimmen. Hierzu ist an einem Grundkörper eines in der Hydraulikeinheit integrierten Magnetventils eine Ventilhülse aus Federstahl mit einer verformbaren Membran mittels einer Schweißverbindung angeordnet. Dieser Grundkörper weist einen Fluidzugang auf, so dass die Membran direkt von dem innerhalb des Fahrzeugbremssystems vorhandenen Druck beaufschlagt und in Abhängigkeit dieses Druckes verformt wird. Eine Leiterplatte mit einer Infrarot-Leuchtdiode und einer Infrarot-Fotodiode ist gegenüberliegend zur Membran angeordnet. Die Infrarot-Leuchtdiode erzeugt einen Messstrahl, welcher auf die Membran auftrifft und zurück in die Infrarot-Fotodiode reflektiert wird. In Abhängigkeit der Verformung der Membran wird ein Teil des von der Infrarot-Leuchtdiode erzeugten Messstrahles von der Infrarot-Fotodiode detektiert.
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Bei dieser bekannten optischen Druckmesseinrichtung wird die sich ändernde Konvexität der Membran direkt als Maß für den an der Membran wirkenden Druck verwendet. Aufgrund von sich ändernden Reflexionseigenschaften der Membran, insbesondere bei über die Lebensdauer der Druckmesseinrichtung sich verändernden Materialeigenschaften ändert sich die Messgenauigkeit in nachteiliger Weise.
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Im Automotivebereich steht zudem einem Bedarf nach Steigerung der Robustheit von Fahrzeugkomponenten gegenüber Störeinflüssen ein erheblicher Kostendruck auf jedes Bauelement gegenüber.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Druckmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher eine verbesserte Messgenauigkeit erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Druckmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche optische Druckmesseinrichtung mit einem lichtemittierenden Element zur Erzeugung eines Messstrahles, einer Biegemembran, die mittels eines darauf ausgeübten Drucks verformbar ist, und einer mit der Biegemembran in Wirkverbindung stehenden und im Messstrahl angeordneten optischen Reflexionsfläche, welche in Abhängigkeit der durch den auf die Biegemembran ausgeübten Druck einen Teil des Messstrahles in Form eines Reflexionsstrahles in einen optischen Messdetektor reflektiert, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Reflexionsfläche und/oder die Biegemembran eine vorgegebene Oberflächenstrukturierung aufweist. In vorteilhafter Weise kann somit ein höherer druckabhängiger Signalanstieg erzielt werden, als es beispielsweise für spiegelnde Reflexion der Fall ist. Damit ist es Möglich die Messgenauigkeit erheblich zu verbessern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind als Oberflächenstrukturierung rillenförmige Vertiefungen vorgesehen, die im Wesentlichen senkrecht zu der von dem Mess- und Reflexionsstrahl gebildeten Ebene verlaufen. Die rillenförmigen Vertiefungen weisen bevorzugt eine gemittelte Rautiefe im Bereich von etwa 3 µm bis etwa 10 µm auf. Es hat sich gezeigt, dass durch rillenförmige Vertiefungen ein besonders ausgeprägter druckabhängiger Signalanstieg erzielt wird, welcher insbesondere für Vertiefungen im genannten bevorzugten Rautiefenbereich vorliegt.
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Besonders bevorzugt ist ein weiteres lichtemittierendes Element zur Erzeugung eines Referenzstrahles und ein den an der Reflexionsfläche reflektierten Referenzstrahl detektierender optischer Referenzdetektor vorgesehen.
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Der Vorteil einer solchen Anordnung, die neben dem Messstrahl zusätzlich noch einen Referenzstrahl vorsieht, besteht darin, dass auftretende Toleranzen sowohl bedingt durch wechselnde Umgebungstemperaturen als auch bedingt durch mechanische Toleranzen, wie Abstandstoleranzen, Achsenabweichungen und Kippwinkel sowie Montagetoleranzen, mittels eines solchen Referenzstrahles eliminiert werden können. Zur Kompensation solcher Toleranzen wird sowohl für den Messstrahl als auch für den Referenzstrahl die gleiche auf der Biegemembran angeordnete Reflexionsfläche verwendet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das weitere lichtemittierende Element und der Referenzdetektor derart angeordnet sind, dass der Referenzstrahl und der reflektierte Referenzstrahl in einer senkrecht zu der von dem Mess- und Reflexionsstrahl gebildeten Ebene verlaufen.
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Die zugehörigen Elemente zur Erzeugung des Referenzstrahls und zur Detektion des reflektierten Referenzstrahls einerseits und zur Erzeugung des Mess- und Reflexionsstrahls anderseits sind vorzugsweise kreuzartig angeordnet, so dass der Referenzstrahl und der reflektierte Referenzstrahl in einer senkrecht zu der von dem Mess- und Reflexionsstrahl gebildeten Ebene verlaufen.
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Dies führt dazu, dass der Referenzstrahl eine geringere Abhängigkeit gegenüber dem an der Biegemembran wirkenden Druck aufweist, da die rillenförmigen Vertiefungen aufgrund der Kreuzanordnung im Wesentlichen parallel zu der durch den Referenzstrahl und den reflektierten Referenzstrahl gebildeten Ebene verlaufen und somit hauptsächlich spiegelnde Reflexion mit geringerem druckabhängigen Signalanstieg vorliegt.
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Ferner ist in vorteilhafter Weise nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Biegemembran an einem Grundkörper angeordnet, welcher zur Druckbeaufschlagung der Biegemembran mit einem Fluidzugang ausgebildet ist.
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Weiterhin sind nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung das lichtemittierende Element, das weitere lichtemittierende Element, der optische Messdetektor und der optische Referenzdetektor auf einer Leiterplatte angeordnet.
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Vorzugsweise ist zur Aufnahme der Leiterplatte ein quaderförmiges Gehäuse vorgesehen, in welchem an einer inneren Seitenwand die Leiterplatte angeordnet oder die Seitenwand durch die Leiterplatte gebildet ist und an einer gegenüberliegenden Seitenwand eine insbesondere an die Kontur der Reflexionsfläche angepasste Durchtrittsöffnung ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Innere eines solchen Gehäuses mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung ausgebildet ist. Mit dem solchen Gehäuse können nur jene Lichtstrahlen die Detektoren erreichen, die an der Reflexionsfläche wieder zurück durch die Durchtrittsöffnung in das Gehäuse reflektiert werden. Störungen durch seitliche Reflexionen können daher vermieden werden.
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Zur Vermeidung von Toleranzabweichungen durch bauteilbedingte Parameter werden die lichtemittierenden Elemente als auch die Detektoren bei der Halbleiterherstellung aus demselben Wafer hergestellt, wodurch sichergestellt wird, dass diese verwendeten Bauteile hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften nahezu identisch sind. Auch die elektronischen Auswerteschaltungen von Messdetektor und Referenzdetektor sind aus identischen Bauteilen hergestellt, damit die Störeinflüsse auf den Messdetektor identisch durch den Referenzdetektor erfasst werden. Widerstände werden im Array, als Paar hergestellt, Transistoren und Operationsverstärker in einem Gehäuse geliefert, also in einem Chip. Die Übereinstimmung beider Detektoren kann noch erhöht werden, wenn diese als ein Chip komplett hergestellt werden, anstatt sie aus Einzelbauteilen bestehend zu nutzen. Hierdurch werden sowohl für den Messekanal als auch für den Referenzkanal identische Eigenschaften erzielt, wodurch eine sehr hohe Messgenauigkeit sichergestellt wird.
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Diese erfindungsgemäße optische Druckmesseinrichtung wird vorteilhaft in einem Fahrzeugbremssystem eingesetzt, indem die Biegemembran als Teil einer Ventilhülse eines in einer Hydraulikeinheit eines solchen Fahrzeugbremssystems angeordneten Magnetventils ausgebildet ist. Versuchsweise wird dabei die Reflektorhülse derart angeordnet, dass sie der Ventilhülse überstülpt wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Druckmesseinrichtung in einem Fahrzeugbremssystem.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße optische Druckmesseinrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen optischen Druckmesseinrichtung mit einer Biegemembran mit Druckbeaufschlagung in einer Schnittansicht gemäß Schnitt I-I nach 2,
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2 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte der optischen Druckmesseinrichtung nach 1,
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3 Messresultate eines Signalanstiegs in Abhängigkeit einer Oberflächenbeschaffenheit von Reflexionsfläche 9 und
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4 eine schematische Darstellung eines Gehäuses der erfindungsgemäßen optischen Druckmesseinrichtung nach 1 und 2.
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Um eine kurze und einfache Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu ermöglichen, werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung 1 eines Fahrzeugbremssystems mit einer Biegemembran mit Druckbeaufschlagung in einer Schnittansicht gemäß Schnitt I-I nach 2. Druckmesseinrichtung 1 umfasst dabei Biegemembran 4 und Grundkörper 2, welche mittels einer mediendichten Verbindung 3 mit Hydraulikeinheit 8 eines elektrohydraulischen Steuergeräts des Fahrzeugbremssystems verbunden sind. Biegemembran 4 besteht bevorzugt aus Federstahl und ist mittels Schweißverbindung 12 mit Grundkörper 2 mechanisch verbunden. Durch den in Grundkörper 2 vorgesehenen Fluidzugang 11 wirkt ein innerhalb des Fahrzeugbremssystems vorhandener Druck 10 direkt auf Biegemembran 4. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist Biegemembran 4 druckbeaufschlagt, weshalb diese einer druckabhängigen Verwölbung unterliegt. Leiterplatte 7 ist Biegemembran 4 gegenüberliegend angeordnet. Leiterplatte 7 umfasst Infrarot-Leuchtdiode 5 und Infrarot-Fotodiode 6, wobei Infrarot-Leuchtdiode 5 als optischer Sender und Infrarot-Fotodiode 6 als optischer Sensor verwendet wird. Infrarot-Leuchtdiode 5 erzeugt Messstrahl M1, der an Reflexionsfläche 9 auf der der Infrarot-Leuchtdiode 5 zugewandten Seite von Biegemembran 4 als Messstrahl M2 auf Infrarot-Fotodiode 6 reflektiert wird. Wenigstens ein Teil der von Infrarot-Leuchtdiode 5 emittierten Strahlungsleistung trifft somit auf Infrarot-Fotodiode 6. Infrarot-Fotodiode 6 erzeugt in Folge dessen einen zur empfangenen Strahlungsleistung proportionalen Fotostrom. Es können sich jedoch auch andere Verhältnisse ergeben. Anhand des mittels einer nicht dargestellten Auswerteelektronik ausgewerteten Fotostroms wird somit auf den Druck 10 innerhalb des Kraftfahrzeugbremssystems geschlossen. Aufgrund der druckabhängigen Verwölbung von Biegemembran 4 verlagert sich das reflektierte Intensitätsprofil ebenfalls druckabhängig, was mittels Infrarot-Fotodiode 6 erfasst und durch entsprechende Kalibrierung einem Wert des Drucks 10 zugeordnet werden kann. Reflexionsfläche 9 bzw. Biegemembran 4 weist zudem eine gerichtete Oberflächenstruktur in Form von rillenförmigen Vertiefungen auf, worauf in den Beschreibungen zu den 2 und 3 näher eingegangen wird.
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Die auf der Leiterplatte 7 angeordneten optischen Bauelemente zeigt die 2 in einer Draufsicht und umfasst Infrarot-Leuchtdiode 5 zur Erzeugung des Messstrahles M1, der an Reflexionsfläche 9 als Reflexionsstrahl M2 auf Infrarot-Fotodiode 6 reflektiert wird. Weiterhin umfasst Leiterplatte 7 Infrarot-Leuchtdiode 5.1 zur Erzeugung eines Referenzstrahles R1, der ebenso an Reflexionsfläche 9 als reflektierter Referenzstrahl R2 in einen Referenzdetektor 6.1 reflektiert wird.
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Die beiden Infrarot-Leuchtdioden 5 und 5.1 sind jeweils zusammen mit den Infrarot-Fotodioden 6 und 6.1 paarweise in einer Kreuzanordnung auf der Leiterplatte 7 angeordnet, so dass Infrarot-Leuchtdiode 5 und Infrarot-Fotodiode 6 zusammen mit dem Mess- und Reflexionsstrahl M1 und M2 eine der x-z-Ebene entsprechende Ebene E1 bilden und die von dem weiteren Infrarot-Leuchtdiode 5.1 und der zugeordneten Infrarot-Fotodiode 6.1 zusammen mit dem Referenzstrahl R1 und dem reflektierten Referenzstrahl R2 eine hierzu senkrechte Ebene E2 bilden, die der y-z-Ebene entspricht. Mit Infrarot-Leuchtdiode 5 und Infrarot-Fotodiode 6 wird der an der Biegemembran 4 wirkende Druck 10 des Bremssystems detektiert und diese bilden somit einen Messkanal, während Infrarot-Leuchtdiode 5.1 zusammen mit Infrarot-Fotodiode 6.1 einen Referenzkanal bilden, mittels welchem veränderte Reflexionseigenschaften (bspw. aufgrund von Alterungserscheinungen) von Reflexionsfläche 9, Temperaturänderungen, Montagetoleranzen (bspw. zwischen der Leiterplatte 7 und der Hydraulikeinheit 8) sowie mechanische Toleranzen (wie Abstandstoleranzen, Achsenabweichungen, Kippwinkel usw.) der optischen Druckmesseinrichtung 1 kompensiert werden.
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Die Oberflächenstruktur von Reflexionsfläche 9 ist beispielsgemäß als gerichtete und spezifizierte Rauheit in Form vom Rillen oder Riefen ausgebildet, welche senkrecht zum Messkanal der Ebene E1 bzw. parallel zum Referenzkanal der Ebene E2 ausgerichtet sind. Eine solche Oberflächenstruktur kann beispielsweise mittels Schleifen in entsprechender Richtung erzeugt werden. In 2 ist eine Schar derartiger rillenförmiger Vertiefungen mittels Linien repräsentativ dargestellt. In Folge der gerichteten Rauheit von Reflexionsfläche 9 wird Messstrahl M1 des Messkanals zusätzlich zur spiegelnden Reflexion auch diffus reflektiert, wie in Unterabbildung a) von 2 gezeigt. Da die rillenförmigen Vertiefungen von Reflexionsfläche 9 im Wesentlichen parallel zu Referenzstrahl R1 bzw. Ebene E2 ausgerichtet sind, liegt entlang von Ebene E2 eine geringere Rauheit vor, weshalb Referenzstrahl R1 somit hauptsächlich spiegelnd reflektiert wird, wie in Unterabbildung b) der 2 dargestellt.
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Die 3 zeigt eine für den Messkanal erfasste, beispielsgemäße Abhängigkeit eines druckabhängigen Signalanstiegs in mV/bar (Ordinate) für unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten von Reflexionsfläche 9 (Abszisse), um den oben beschriebenen und der Erfindung zugrundeliegenden Effekt zu verdeutlichen. Dabei entspricht:
- A einer glatten Oberfläche bzw. Vertiefungen entlang des Messkanals mit im Wesentlichen spiegelnder Reflexion,
- B senkrecht zum Messkanal verlaufenden Walzriefen mit einer gemittelten Rautiefe RZ von etwa 3 bis 5 µm,
- C senkrecht zum Messkanal verlaufenden Schleifriefen mit einer gemittelten Rautiefe RZ von etwa 5 bis 10 µm und
- D einer matten Oberfläche mit im Wesentlichen diffuser Reflexion. Zwischen den erfassten Messpunkten S1 bis S4 wurde jeweils linear interpoliert; reale Verläufe können davon abweichen. Wie aus 3 hervorgeht, ergeben sich für die Messpunkte S2 und S3 der Oberflächen B und C mit etwa 10 mV/bar größere Signalanstiege als für die Messpunkte S1 mit Oberfläche A und etwa 2 mV/bar sowie S4 mit Oberfläche D und etwa 1 mV/bar. Die aufgeführten Signalanstiege sind dabei lediglich beispielhaft.
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Wie bereits oben ausgeführt, ändert sich in Abhängigkeit der Druckbeaufschlagung an Biegemembran 4 die durch Infrarot-Fotodiode 6 erfasste Intensität des Reflexionsstrahles M2. Für die Oberflächen B und C ergibt sich für den senkrecht zur Richtung der Vertiefungen verlaufenden Messkanal damit eine höhere Empfindlichkeit gegenüber der druckabhängigen Verwölbung von Biegemembran 4 als für den Referenzkanal, in dessen Ebene eine Oberfläche entsprechend A vorliegt. Aufgrund der im Vergleich zum Messkanal vergleichsweise geringen Abhängigkeit des Referenzkanals vom im Bremssystem vorherrschenden Druck 10, kann der Referenzkanal dazu herangezogen werden, Alterungserscheinungen der Reflexionsfläche 9, thermische Einflüsse, Montagetoleranzen sowie mechanische Toleranzen im Messergebnis zu eliminieren. So wird bspw. als Messsignal, welches den auf die Biegemembran 4 wirkenden Druck anzeigt, das Differenzsignal aus dem Messkanal und dem Referenzkanal verwendet. Da für beide Kanäle die gleiche Reflexionsfläche 9 verwendet wird, wirken sich alle Veränderungen an der Reflexionsfläche 9, auch thermische Einflüsse und Toleranzen, in beiden Kanälen identisch aus und werden aufgrund der Differenzbildung eliminiert.
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Ein solches derart gebildetes Messsignal weist eine hohe Stabilität gegenüber elektrischen Störungen von außen auf, wobei die gesamte Anordnung zur Bildung der optischen Messvorrichtung sehr kompakt ausgelegt werden kann.
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Die durch bauteilbedingte Parameter entstehenden Toleranzabweichungen der optischen Bauelemente 5 und 5.1 sowie 6 und 6.1 können dadurch reduziert werden, dass diese optischen Bauteile aus dem selben Wafer hergestellt werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass solche Bauteile im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen.
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Die elektronischen Schaltungen von Infrarot-Fotodiode 6 des Messkanals und Infrarot-Fotodiode 6.1 des Referenzkanals werden aus den identischen Bauteilen hergestellt, damit Störeinflüsse auf die Infrarot-Fotodiode 6 identisch durch die Infrarot-Fotodiode 6.1 erfasst werden. Widerstände werden im Array, als Paar hergestellt, Transistoren und Operationsverstärker in einem Gehäuse geliefert, also in einem Chip. Die Übereinstimmung beider Detektoren kann noch erhöht werden, wenn diese in einem einzigen Chip komplett hergestellt werden, anstatt sie aus Einzelbauteilen bestehend aufzubauen.
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Die optische Messeinrichtung 1 wird in einem in 4 dargestellten quaderförmigen Gehäuse 13 eingesetzt. Dieses Gehäuse 13 weist sechs Seitenwände auf, wobei an einer inneren Oberfläche einer Seitenwand 13.1 die Leiterplatte 7 der optischen Messeinrichtung 1 angeordnet oder durch diese gebildet ist. Auf diese Leiterplatte 7 ist die kreuzartige Anordnung von Infrarot-Leuchtdiode 5 und der zugeordneten Infrarot-Fotodiode 6 einerseits und der weiteren Infrarot-Leuchtdiode 5.1 und der zugehörigen Infrarot-Fotodiode 6.1 zu erkennen. In der zur Leiterplatte 7 gegenüberliegenden Seitenwand 13.2 ist eine Durchtrittsöffnung 14 vorgesehen, so dass diese Durchgangsöffnung 14 der auf Biegemembran 4 (lediglich ausschnittsweise dargestellt) angeordneten Reflexionsfläche 9 gegenüberliegt. Die Durchtrittsöffnung 14 übernimmt damit die Funktion einer optischen Blende und entspricht in seiner Position und seiner relativen Maßen derjenigen von Reflexionsfläche 9, wobei die absoluten Maße den Strahlenverlauf vorgeben und entsprechend variabel gestaltet werden können. Ferner ist der gesamte Innenraum von Gehäuse 13 mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung verkleidet, so dass dadurch unerwünschte Reflexionen unterdrückt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optische Messeinrichtung
- 2
- Grundkörper der Druckmesseinrichtung
- 3
- mediendichte Verbindung Grundkörper 2 mit Hydraulikeinheit
- 8
- eines Bremssystems
- 4
- Biegemembran der Ventilhülse 4.1
- 4.1
- Ventilhülse
- 5
- Infrarot-Leuchtdiode des Messkanals
- 5.1
- Infrarot-Leuchtdiode des Referenzkanals
- 6
- Infrarot-Fotodiode des Messkanals
- 6.1
- Infrarot-Fotodiode des Referenzkanals
- 7
- Leiterplatte der optischen Messeinrichtung 1
- 8
- Hydraulikeinheit eines Bremssystems
- 9
- Reflexionsfläche
- 10
- Druck innerhalb eines Bremssystems
- 11
- Fluidzugang der Hydraulikeinheit 8
- 12
- Schweißverbindungen
- 13
- Gehäuse der optischen Messeinrichtung 1
- 13.1, 13.2
- Seitenwände von Gehäuse 13
- 14
- Durchtrittsöffnung in Gehäuse 13
- E1
- Ebene des Messkanals
- E2
- Ebene des Referenzkanals
- M1
- Messstrahl
- M2
- Reflexionsstrahl
- R1
- Referenzstrahl
- R2
- reflektierte Referenzstrahl
- A
- spiegelnd reflektierende Oberfläche
- B
- Oberfläche mit senkrecht zum Messkanal verlaufenden Walzriefen
- C
- Oberfläche mit senkrecht zum Messkanal verlaufenden Schleifriefen
- D
- diffus reflektierende Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085329 A1 [0003]
