DE3811311C1

DE3811311C1 -

Info

Publication number: DE3811311C1
Application number: DE3811311A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg De Moser; Hansjoachim Dr.-Phys. 1000 Berlin De Hamisch; Rainer Dipl.-Ing. 7144 Asperg De Burkel; Ingo 1000 Berlin De Bartig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-04-02
Filing date: 1988-04-02
Publication date: 1989-03-09
Also published as: US5095741A; EP0407397A1; WO1989009384A1; DE58900405D1; JP2839607B2; JPH03503565A; EP0407397B1

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

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

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.