DE3811311C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An
spruchs 1. Bei einem derartigen bekannten Druckgeber wird der zeit
liche Druckverlauf im Brennraum einer Brennkraftmaschine über die
Krafteinwirkung auf einen oder mehrere Quarze unter Ausnutzung ihrer
piezoelektrischen Eigenschaften bestimmt. Die die Kraft übertragen
den Elemente werden mit starker mechanischer Vorspannung gegen die
Quarze gedrückt. Diese Druckgeber weisen aber große dynamische Tem
peraturfehler auf und verschmutzen relativ schnell. Ferner ergibt
sich infolge des rein mechanischen Kraftschlusses ein stärkeres Si
gnalrauschen. Die bekannten Druckgeber sind nicht hinreichend unab
hängig von Temperaturschwankungen. Dynamische Temperaturfehler werden
verursacht durch zusätzliche Kräfte auf die Quarze im Motortakt,
infolge der periodischen Temperaturänderungen im oberflächennahen
Bereich zum Brennraum.
In der Schrift DE-OS 32 08 456 wird ein Schwingungssystem beschrieben,
das aus einem piezoelektrischen Wandler besteht, der durch eine Klebe
schicht mit einem Metallteil verbunden ist. Das Metallteil und die
Klebeschicht sind direkt den auftretenden Schwingungen und der Tempe
raturbelastung ausgesetzt, so daß bei hohen Belastugen die Klebe
schicht leicht beschädigt werden kann. Insbesondere wegen der Tempe
raturabhängigkeit der Klebeverbindung können Fehlmessungen auftreten,
bzw. müssen teuere Klebeverbindungen verwendet werden.
Bei dem aus der DE-OS 30 21 452 bekannten Drucksensor ist die Membran
von dem Druck der vorgesehenen mechanischen Vorspannung entlastet, in
dem der Stößel, mit dem der Druck übertragen wird, an einem Ansatz an
liegt. Zwar wird in der Figur eine kappenartige Membran dargestellt,
aber beim Einbau der Membran entstehende mechanische Spannungen werden
noch nicht vermieden, so daß Störsignale hervorgerufen werden können.
Von der auf die Stirnfläche des Druckgebers, die durch die Membran
und den Rand des Gehäuses gebildet wird, wirkenden Kraft wird ein
Teil direkt vom Gehäuse aufgenommen, der restliche Teil indirekt
über Stempel, Quarze und das Gegenlager ebenfalls vom Gehäuse. Dabei
liegt der auf die Quarze einwirkenden Kraft K folgender Zusammenhang
zugrunde:
K = Kraft
p = Druck
A eff = effektive Fläche
c M = Federkonstante des Membranrings
c S, Q = Federkonstante des Stempels mit Quarzen
p = Druck
A eff = effektive Fläche
c M = Federkonstante des Membranrings
c S, Q = Federkonstante des Stempels mit Quarzen
Die auf die Quarze wirkende Kraft K wird somit im wesentlichen durch
die effektive Fläche A eff der Druck/Kraftumwandlung bestimmt. Der
Membranring ist dabei wie eine am Gehäuserand eingespannte Feder
aufzufassen, die bei Belastung wegen der Stempelverkürzung elastisch
verformt wird. Dadurch wird von dem durch p · A eff bestimmten
Kraftanteil infolge des Kraftnebenschlusses durch den Membranring
ein Teil wieder direkt vom Gehäuse aufgenommen. Dieser Anteil ist
vom Verhältnis der Federkonstanten des Membranrings c M und des
Stempels mit den Quarzen c S, Q abhängig. Für einen eindeutigen Zu
sammenhang zwischen der gemessenen Kraft K und dem Druck p müssen
die effektive Fläche A eff und die Federkonstanten c M bzw. c S, Q
hinreichend unabhängig vom Druck und von der Temperatur sein. Bei
genügend kleiner Federkonstante c M wirken sich diese Abhängigkeiten
nicht störend aus.
Der zulässige Maximalwert für die Membranringfederkonstante c M
wird aber noch kleiner durch die Forderung der Unterdrückung der
dynamischen Temperaturfehler. Dafür muß die Federkonstante c M so
klein wie möglich, der Membranring also so dünn wie möglich sein.
Diese Forderung ist bei den bekannten Druckgebern nicht erfüllt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Druckgeber anzugeben, mit dem ein
Drucksignal nahezu unabhängig von Druck- und Temperaturschwankungen
erzeugbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus
den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Aufgrund der angegebenen Dicke des Membranringes hat dieser die not
wendige kleine und während der Messung ausreichend konstante Feder
konstante c M . Damit kann der dynamische Temperaturfehler gegenüber
bekannten Druckgebern stark verkleinert werden.
Durch die verwendeten Verbindungsarten Schweißen und Kleben, wodurch
die starke mechanische Vorspannung entfällt, entstehen keine zusätz
lichen, die Messung verfälschenden Störmöglichkeiten, insbesondere
durch temperaturbedingte Änderungen der Vorspannung. Ferner ermög
licht der durch Kleben und Schweißen sich ergebende Platzgewinn ei
nen kleineren Durchmesser des Druckgebers, der insbesondere einen
Einbau in das Gehäuse einer Zündkerze erlaubt. Der Bearbeitungsauf
wand für die im oben beschriebenen Kraftfluß liegenden Teil wird
verringert. Das Verhältnis zwischen dem Meßsignal und dem Grund
rauschen wird verbessert.
Bei Verwendung einer eingeschweißten Kappenmembran kann der Außen
durchmesser relativ klein gehalten werden und der Aufbau vereinfacht
werden. Ferner wird eine relativ große effektive Fläche A eff und
damit eine relativ große Empfindlichkeit des Druckgebers erreicht.
Die Kappenmembran macht einen Längenausgleich zwischen Gehäuse und
Innenaufbau durch Nacharbeit nicht erforderlich. Die Kappenmembran
wird durch den Kappenrand zentriert. Die Randschweißung, die mecha
nisch fest und gasdicht sein muß, bildet keine Begrenzung des Mem
branringes mehr.
Der Aufbau des Druckgebers bezüglich der Wärmewiderstände läßt an
der Brennraumseite eine Selbstreinigungstemperatur erreichen, die
den Dauereinsatz ermöglicht. Dabei steigt die Temperatur der Quarze
nicht über 150°C, so daß für den piezoelektrischen Koeffizienten
und damit für die Druckempfindlichkeit des Druckgebers der Bereich
stärkerer Temperaturabhängigkeit vermieden wird. Eine zusätzliche
Wasserkühlung ist nicht nötig.
Bei entsprechender Stempel- und Quarzgeometrie und wenn die damit
verbundene niedrigere Druckempfindlichkeit des Druckgebers, die
niedrigere Eigenfrequenz des Stempels sowie die höhere Beschleuni
gungsempfindlichkeit zulässig sind, kann zur Vereinfachung auch auf
die Wärmeableitfolie zwischen dem Stempel und den Quarzen verzichtet
werden, ohne die Quarztemperatur zu erhöhen. Dadurch kann auch ein
einzuschraubendes Gegenlager für den Stempel entfallen.
Der Druckgeber kann als selbständige Einheit mit eigenem Gehäuse
hergestellt werden und in das Gehäuse einer Zündkerze bereits vor
Einbau des Kerzensteins eingesetzt werden. Die Einheit kann einfach
mit einer vorne konischen Schraube gegen einen Sitz gedrückt werden.
Durch die Verwendung von im Querschnitt quadratischen Sensor-Blöcken
entsteht Platz für die Bond-Drähte, über die die Meßspannung von den
Quarzen abgegriffen werden kann. Die Herstellung der kleinen Sensor-
Blöcke durch Zersägen von größeren, bereits mit Leitkleber zusammen
geklebten Quarz- und Elektrodenplatten vermeidet die bei der Einzel
klebung an den Stirnflächen der nur 0,2 mm dicken Quarzplatten auf
tretenden Isolationsprobleme durch rausquellenden Leitkleber und
vereinfacht stark das Kleben der Platten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Druckgeber,
Fig. 2 einen
Schnitt durch das Gehäuse einer Zündkerze mit eingebautem Druckge
ber,
Fig. 3 eine Einzelheit aus Fig. 2 und
Fig. 4 eine Kappen
membran.
In der Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Druckgebers 11 zur Be
stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich
net. Es weist eine mittige, durchgehende, mehrfach abgesetzte Boh
rung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 wird von ei
ner geätzten Membran 14 abgeschlossen. Die Bohrung 12 ist im Be
reich der Öffnung 13 konisch ausgebildet, so daß der Biegebereich
der Membran 14 sich frei durchbiegen kann. Der äußere Ring der Mem
bran 14 ist auf der Stirnseite des Gehäuses aufgeschweißt. Am mitt
leren Bereich der Membran 14, der dieselbe Dicke wie der äußere Ring
aufweist, ist ein Stempel 16 mit seinem einen Ende angeschweißt, der
mit seinem anderen Ende mit einer Wärmeleitfolie 17 verklebt ist.
Der Stempel 16 ist in der Bohrung 12 geführt. Der Sensorblock 18 be
steht aus zwei Quarzscheiben 19, 20 zwischen denen eine Zwischen
elektrode 21 als Ableitelektrode eingeklebt ist. Der Sensorblock 18
ist zwischen die Wärmeleitfolie 17 und das Gegenlager 23 geklebt,
das die Wärmeleitfolie 17 gegen eine Schulter des Gehäuses 10
drückt. Alle Klebungen im Bereich der Quarze werden mit einem hoch
temperaturfesten Leitkleber, z. B. Epoxydharz mit Silberpulver, aus
geführt. Das Gegenlager 23 wird durch eine Andrückhülse 24 und eine
in die Bohrung 12 eingeschraubte Abschlußschraube 25 in der Bohrung
12 befestigt. Ferner weist das Gegenlager 23 eine etwa achsparallel
zur Bohrung 12 verlaufende, durchgehende Bohrung 27 auf, in der in
einem Keramikrohr 28 die Ableitung 29 von der Zwischenelektrode
21 geführt wird. Die Ableitleitung 29 führt zu einem Transistor 30
bzw. direkt zu einem abgeschirmten Ableitkabel 31. Das Ableitkabel
31 ist in einer in die Bohrung 32 der Abschlußschraube 25 hineinra
genden Tülle 33 der Andrückhülse 24 befestigt. Über das Ableitkabel
31 werden die Meßwerte zu einer nicht dargestellten Auswerteschal
tung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine geführt.
Die Funktion eines Druckgebers ist allgemein bekannt und hier des
halb nicht näher erläutert. Die über die Membran 14 und den Stempel
16 auf den Sensor 18 einwirkende Kraft erzeugt eine durch Polarisa
tion hervorgerufene Oberflächenladung der Quarze 19, 20. Die durch
die Oberflächenladung hervorgerufene Spannung wird als Meßsignal
über die Zwischenelektrode 21 und die Ableitleitung 29 abgegriffen.
Die Wärmeleitfolie 17 trägt dazu bei, daß trotz hoher Temperaturen
im Bereich von ca. 600°C an der Brennraumseite - für eine aus
reichende Selbstreinigung der Druckgeberoberfläche - die Temperatur
im Sensorblock 18 maximal 150°C beträgt. Den Hauptbeitrag dazu lie
fert der hohe Wärmewiderstand des Stempels 16, der durch die geringe
Wärmeleitung des verwendeten Materials (V4A) und die Stempelgeometrie
bedingt ist. Die 150°-Grenze ergibt sich aus der Temperaturab
hängigkeit des piezoelektrischen Koeffizienten d₁₁, dessen Wert
beim verwendeten α-Quarz oberhalb 150°C steiler abfällt. Der
d₁₁-Koeffizient beruht auf den kristallographischen Eigenschaften
des α-Quarzes. Er bestimmt bei der vorausgesetzten Orientierung der
Plattennormalen parallel zur kristallographischen x-Richtung des
α-Quarzes, die gleichzeitig die Kraftrichtung ist, die Größe der
durch die Kraft erzeugten elektrischen Ladung.
Die Membran 14 ist mit einer ringförmigen, eingeätzten Vertiefung
hergestellt. Um die damit mögliche gut definierte, vom Druck mög
lichst unabhängige effektive Fläche A eff für eine Druck-Kraftum
wandlung zu erhalten, ist die Verschweißung des äußeren dicken Ringes
der Membran 14, der an der Stirnseite des Gehäuses 10 befestigt ist,
und des mittleren Bereiches der Membran 14, der am Stempel 16 an
liegt, bis möglichst dicht an den Rand der Vertiefung herangeführt.
Als Membran 14 kann z. B. eine 250 µm starke Nimonic-90-Folie ver
wendet werden, in die eine 1 mm breite ringförmige Vertiefung einge
ätzt ist. Der dadurch entstehende Membranring weist als Biegebereich
der Membran 14 eine Dicke von 60 bis 80 µm auf. Er hat eine ge
wünschte kleine Federkonstante c M . Die Membran 14 kann, ohne daß
dabei die Federkonstante c M beeinflußt wird, im weniger empfind
lichen, dickeren Bereich verschweißt werden. Um eine minimale Vor
spannung für die Quarzplatten zu erhalten, werden vor dem Schweißen
Gehäuse- und Stempelende in Nacharbeit bündig geschliffen.
Die Membrandicke wurde so klein wie von den Festigkeitsanforderungen
her möglich gewählt (Prüfdruck 300 bar). Die Federkonstante des Mem
branringes c M ist damit so klein, daß die von periodischen Tempe
raturänderungen ausgehenden Kraftwirkungen auf die Quarze, deren
Größe mit der Federkonstanten c M bzw. mit der dritten Potenz der
Membrandicke zunimmt, ebenfalls so klein wie möglich werden. Der
dynamische Temperaturfehler wird dadurch auf ein Minimum reduziert.
Der Ersatz der mechanischen Vorspannung durch Schweißen und Kleben
in der Herstellung des Kraftschlusses von der Membran über Stempel,
Quarze, Zwischenlagen und Gegenlager bis zum Gehäuse hat die bereits
genannten Vorteile.
In Fig. 2 ist ein in das Gehäuse 36 einer Zündkerze 37 eingebauter,
als eigene Einheit hergestellter Druckgeber 11 a dargestellt. Hierzu
ist die Bohrung 38 für den Kerzenstein der Zündkerze 37 außermittig
ausgebildet. In einer im dadurch entstehenden dickeren Teil 39 aus
gebildeten Bohrung 40 ist der Druckgeber 11 A angeordnet. Im Unter
schied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist der Druckgeber 11 a
eine in Fig. 4 näher dargestellte, als Kappenmembran 42 ausgebilde
te Membran auf. Der Stempel 16 a hat gegenüber dem Stempel in Fig. 1
eine größere Länge und einen kleineren Durchmesser. Damit ist sein
Wärmewiderstand soweit vergrößert, daß in Verbindung mit den dünne
ren Quarzplatten 43, 44 auf eine Wärmeleitfolie verzichtet werden
kann. Der Sensorblock 18 a ist mit dem anliegenden Stempel 16 a und
der Abschlußschraube 50 mit Leitkleber verbunden. Der Sensorblock
18 a weist, wie aus Fig. 3 näher ersichtlich, zwei Quarzplatten 43,
44 auf, deren x-Achsen entgegengesetzte Richtung, d. h. entgegenge
setzte Polarisierung haben. Zwischen den Quarzplatten 43, 44 befindet
sich eine Mittelelektrode 45 und oberhalb und unterhalb der
Quarzplatten 43, 44 je eine Deckplatte 46. Die einzelnen Platten 43
bis 46 sind mit einem Leitkleber zusammengeklebt. Das Kleben wird
bereits mit größeren Platten ausgeführt. Der geklebte Plattensatz
wird nach dem Aushärten in die kleinen, hier quadratischen Sensor
blöcke z. B. (1,8 × 1,8 mm²) zersägt. Dadurch entsteht genügend
Raum, um für das Kontaktieren der Elektroden das Bonden der Halbleitertechnik
einsetzen zu können, so daß der Platzbedarf für das Kon
taktieren über den unteren Stempeldurchmesser nicht hinausgeht. Als
Werkstoff für die Deckplatten 46 kann Eisen oder anderes Bondeigen
schaften aufweisendes Material verwendet werden. Mit Hilfe eines
Bond-Drahtes 47 ist die Mittelelektrode mit der Ableitleitung 29 a
und mit Hilfe eines zweiten Bond-Drahtes 48 sind die beiden Deck
platten 46 verbunden.
Die Ableitung 29 a ist in einer mit isolierendem Kunstharz gefüllten
Seitenbohrung 52 der Abschlußschraube 50 fixiert. Die Verbindung mit
dem Anschlußkabel, das in einer anderen nicht dargestellten Ebene
des Zündkerzengehäuses 36 fest und auswechselbar montiert ist, wird
z. B. mit einer Kontaktschraube 53 hergestellt, die den Verbindungs
draht 54 gegen das Ende der Ableitleitung 29 a drückt. Die Abschluß
schraube 50 und somit das Gehäuse 10 a des Druckgebers 11 a wird mit
einer von der Seite eingesetzten, vorne konischen Schraube 51 gegen
die Wand der Bohrung 40 gedrückt und im Gehäuse 36 der Zündkerze 37
fixiert. Die Passung des Gehäuses 10 a mit der Bohrung 40 sollte mög
lichst spielfrei sein. Um einen definierten Wärmeübergang zum Gehäuse
36 der Zündkerze 37 zu haben, sollte vor dem Einsetzen des Druck
gebers 11 a der Bereich des durch die Schraube 51 entstandenen Sitzes
mit Silikonfett eingestrichen werden.
In Fig. 4 ist die Kappenmembran 42 näher dargestellt. Sie ist topf
förmig ausgebildet und weist einen ca. 80 µm dicken, als Membran
dienenden Boden 55 und einen dickeren, z. B. 200 µm dicken zylin
drischen Rand 56 auf. Dadurch kann in einfacher Weise die Dicke des
Bodens 55, d. h. der Membran, sehr dünn sein, während zur Befestigung
ein dickerer Rand 56 möglich ist. Nur der Rand 56 ist am Gehäuse 10 a
angeschweißt. Bei gleicher effektiver Fläche A eff kann der Durch
messer an dem dem Brennraum zugewandten Ende des Gehäuses 10 a gegen
über der Ausbildung nach Fig. 1 verkleinert werden. Ferner ist die
Kappenmembran 42 automatisch zentriert. An den Boden 55 der Kappen
membran 42 ist der Stempel 16 a angeschweißt. Hierzu eignet sich ins
besondere das sogenannte Laserschweißen. Die Kappenmembran 42 hat
eine gleichmäßige Druckempfindlichkeit über den ganzen Druckbereich
und weist geringe Meßfehler bei Temperaturänderungen auf.
Claims (9)
1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschi
nen, insbesondere Kraftfahrzeugen, dessen Gehäuse (10) gegenüber dem
Brennraum mit einer druckempfindlichen Membran (14) abgeschlossen ist,
mit einem mit seinem ersten Ende mit der Membran (14) verbundenen
Stempel (16), dessen zweites Ende mindestens einen piezoelektrischen
Kristall (19, 20) beaufschlagt, der sich an einem Gegenlager (23) ab
stützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) im Biegebereich
eine Dicke von 60 bis 100 µm aufweist, daß die Kraftübertragung zu
dem mindestens einen piezoelektrischen Kristall (19, 20, 43, 44) auf
grund lückenlosen Stoffschlusses ohne mechanische Vorspannung herge
stellt wird, daß die Verbindung von der Membran (14) zum Gehäuse (10)
eine Schweißverbindung ist, und daß alle Grenzflächen der dem zweiten
Ende des Stempels (16) folgenden Bauteile (19, 20, 21) mit Hilfe einer
Klebeverbindung verbunden sind.
2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke
der Membran (14) im Biegebereich 60 bis 80 µm beträgt.
3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Klebeverbindung mit Hilfe eines Leitklebers hergestellt ist.
4. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schweißverbindung mit Hilfe von Laserschweißen hergestellt ist.
5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran als Kappenmembran (42) ausgebildet ist.
6. Druckgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kap
penmembran (42) einen als Biegebereich dienenden Boden (55) auf
weist, dessen Dicke kleiner ist als die Dicke des Randes (56).
7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Kristallen (19, 20) und dem Stempel (16) eine
Wärmeleitfolie (17) angeordnet ist.
8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmewiderstand zwischen der Membran (14) und den Kri
stallen (19, 20) so hoch bemessen ist, daß an der Brennraumseite
der Membran (14) eine für eine Selbstreinigung dieser Brenn
raumseite ausreichende Temperatur herrscht, daß aber die Temperatur
im Bereich der Kristalle (19, 20) so niedrig ist, daß die Abnahme
des piezoelektrischen Koeffizienten (d₁₁) mit der Temperatur die
Funktionsfähigkeit der Kristalle (19, 20) wenig beeinflußt.
9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß ein quadratischer Sensorblock (18) aus einer zwischen den
Kristallscheiben (43, 44) angeordneten Eisenschicht als Mittelelek
trode (45) und zwei außenliegenden Eisenschichten (46) besteht, und
daß die Zwischenelektrode (45) mittels eines ersten Bond-Drahtes
(47) mit einem Ableitdraht (29) und die außenliegenden Eisenschich
ten (46) mittels eines zweiten Bond-Drahtes (48) verbunden sind.
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