DE3887642T2 - Zylinderdruckwandler für einen Verbrennungsmotor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich von Druckwandlern und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Zylinderdruckwandler, der auf Veränderungen des Drucks innerhalb eines Zylinders eines Verbrennungsmotors reagiert, um elektrische Signale entsprechend den Druckschwankungen zum Gebrauch bei der Regelung eines Motorbetriebs zu erzeugen.
• In US-A-4 620 438 und US-A-4 645 965 sind Zylinderdruckwandlervorrichtungen dargestellt, die einen Metallkörper zur Befestigung eines Körpers aus druckempfindlichen, keramischen, piezoelektrischen Material enthalten, der in Abdichtbeziehung zu einem Motorzylinder steht, derart, um auf Schwankungen des Zylinderdrucks während des Motorbetriebs zu reagieren und ursprüngliche elektrische Signale, die die Druckschwankungen im Zylinder kennzeichnen, zu erzeugen. Metallmembrane und dgl. schirmen die piezoelektrischen Materialien von einigen Erscheinungen der Zylinderumgebung ab, während sie gleichzeitig Druckkräfte von den Zylindern auf die piezoelektrischen Materialien zur Erzeugung des gewünschten, druckabhängigen Signals übertragen. In derartigen bekannten Vorrichtungen werden auf dem Metallkörper zur Aufbereitung der ursprünglichen elektrischen Signale, die vom piezoelektrischen Körper abgegeben werden, elektronische Mittel für die Übertragung an Rechnersteuerungsmittel oder andere Signalverarbeitungsmittel getragen, die sich an vom Motorzylinder entfernt angeordneten Stellen befinden.
• Es ist bekannt, daß derartige Zylinderdrucksensoren angelegten Drücken und Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, die über weite Bereiche variieren. Die keramischen, piezoelektrischen Materialien, die herkömmlicherweise für die Anwendung in derartigen Drucksensoren in Betracht gezogen werden, zeigen eine erhebliche Temperaturabhängigkeit. Man hat ebenso festgestellt, daß diese Materialien einen höheren Grad an Nichtlinearität des Antwortverhaltens aufweisen, wenn sie bei relativ hohen Beanspruchungen verwendet werden. Es wäre sehr wünschenswert, einen Zylinderdruckwandler mit verbesserter Linearität des Antwortverhaltens bei Druck- und Temperaturbereichen, auf die man mit hoher Wahrscheinlichkeit trifft, zu schaffen, so daß die ursprünglichen Signale, die von dem Sensor abgegeben werden, einfacher und billiger für den Gebrauch bei der Durchführung der gewünschten Motorkontrollfunktionen und dgl. aufbereitet werden könnten.
• GB-A-2 022 261 beschreibt einen piezoelektrischen Druckmeßwandler, bei dem der piezoelektrische Kristall an einer Seite mit einer Beryllium-Kupfer-Plattform, die starr in einem Gehäuse gehalten wird, und an seiner entgegensetzten Seite mit einer Druckplatte aus einer Aluminiumlegierung verklebt ist, die selbst mit einer dünnen Membran, die zum Messen des Druckes dient, verklebt ist.
• CH-A-434 802 beschreibt einen piezoelektrischen Druckmeßwandler, bei dem der piezoelektrische Kristall zwischen der verstärkten Stirnwand eines abgeschlossenen, hohlen, dünnwandigen Zylinders und dem starren Körper, an dem der Zylinder befestigt ist, eingebaut ist.
• DE-A-1 113 104 beschreibt einen piezoelektrischen Druckmeßwandler zur Uberwachung des Drucks in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, bei dem zwei piezoelektrische Kristalle eine Sandwich-Struktur mit zwei an den Enden eines Stahlzylinders befestigten Elektroden bilden. Eine dünnes Metallblech ist zwischen der äußeren Seite der äußeren Elektrode und einem Drucküberwachungselement angebracht. Die Kristalle, Elektroden und anderen Teile sind von einem elektrisch isolierenden, fließenden Polymer, wie z. B. einem Silikonöl, für Kühlungszwecke umgeben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung eine neue und verbesserte Sensorvorrichtung zu schaffen. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist besonders an den Gebrauch bei der Messung der Druckschwankungen in Zylindern eines Automobilmotors angepaßt und weist eine verbesserte Linearität des Antwortverhaltens bei den Umgebungs- und Betriebsbedingungen auf, die mit hoher Wahrscheinlichkeit vorzufinden sind. Die Vorrichtung ist charakterisiert durch Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Fertigung.
• In dieser Hinsicht ist bekannt, daß piezoelektrische Materialien ein etwas nichtlineares Antwortverhalten aufweisen, wenn sie dem angelegten Druck ausgesetzt sind, und es hat sich gezeigt, daß diese Nichtlinearität mit zunehmend höherer Beanspruchung des piezoelektrischen Materials tendenziell größer wird. Es hat sich ebenso gezeigt, daß bei der Befestigung eines Körpers aus keramischem, piezoelektrischem Material zur Aufnahme von angelegten Drücken in herkömmlicher Weise eine Tendenz zu einem erheblichen Maß an Nichtlinearität der Lastübertragung in bezug auf die piezoelektrischen Körperflächen besteht, was zu hohen lokalen Spannungsbeanspruchungen in den piezoelektrischen Materialien führt. Eine Folge hiervon ist, daß tatsächlich eingesetzte piezoelektrische Materialien dazu neigen, bei der elektrischen Signalantwort ein erhebliches Maß an Nichtlinearität aufzuweisen. Dies bedeutet, daß sich selbst bei einem niedrigen angelegten Druck die Lastübertragung auf die Oberflächen der piezoelektrischen Körper zunächst auf drei sehr kleine Bereiche jeder beaufschlagten Fläche konzentriert. Diese Kräftekonzentrationen führen zu hohen, lokalisierten Beanspruchungswerten im Nachbargebiet dieser Flächenteilbereiche. Wird anschließend zusätzlicher Druck angelegt, so tritt gewöhnlich eine erhebliche Zunahme der belasteten Bereiche der Körperflächen auf, aber immer noch werden nur kleine Abschnitte der Körperfläche richtig belastet. Aus diesem Grund bewegen sich die lokalen Materialbeanspruchungen in oberen Bereichen, in denen die Materialien eine geringe Linearität des Antwortverhaltens zeigen. Diese unerwünschten Charakteristiken des Antwortverhaltens, die auf die Spannungseffekte zurückzuführen sind, neigen dazu, sich durch die Temperaturabhängigkeit der piezoelektrischen Materialien zu verschlechtern. Ferner überdeckt die mit der Variierung der angelegten Drücke auftretende Veränderung der Fläche der belasteten Teilgebiete zusätzlich die erwünschte druckabhägige Signaländerung. Weiterhin werden durch einen Mangel an Parallelität zwischen den piezoelektrischen Körperflächen und den Halte- oder Druckanlegemitteln, die diese Oberflächen beaufschlagen (unabhängig davon, ob dieser Mangel an Parallelität auf die Bildung der Körperfläche oder die Befestigung des Körpers relativ zu den Halte- oder Druckanlegemitteln zurückzuführen ist), weitere Modifikationen der gewünschten Wechselbeziehung zwischen dem wechselnden Druck und dem Ausgangssignal bewirkt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine druckempfindliche Vorrichtung geschaffen zur Abgabe eines elektrischen Signals mit einem Körper aus keramischem, piezoelektrischem Material mit einer ersten Fläche und einer gegenüberliegenden Fläche, einem Mittel zum Befestigen des Körpers, damit das piezoelektrische Material zwischen der ersten Fläche und der gegenüberliegenden Fläche als Reaktion auf einen angelegten Druck zusammengedrückt wird, um ein diesem Druck entsprechendes elektrisches Signal zu liefern, einem starren Lastverteilungsmittel, das ein einem vorbestimmten Hauptabschnitt der ersten Körperfläche gegenüberliegendes Ende aufweist, das in seiner Form exakt an diesen ersten KörperfIächenabschnitt angepaßt und starr an diesem befestigt ist, damit es in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des ersten Körperflächenabschnitts steht, einem starren Haltemittel, das ein einem vorbestimmten Hauptabschnitt der gegenüberliegenden Körperfläche gegenüberliegendes Ende aufweist, das in seiner Form exakt an diesen gegenüberliegenden Körperflächenabschnitt angepaßt und starr an diesem befestigt ist, so daß es in einer im wesenflichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des gegenüberliegenden Körperflächenabschnitts steht, wobei das Haltemittel an dem Befestigungsmittel so befestigt ist, daß der Körper aus piezoelektrischem Material und das Lastverteilungsmittel davon auslegerartig abstehen, um einen angelegten Druck aufzunehmen und das piezoelektrische Material zwischen den Körperflächenabschnitten in einem gleichmäßigen Ausmaß zusammenzudrücken, so daß ein elektrisches Signal entsprechend dem angelegten Druck geliefert wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das starre Lastverteilungsmittel eine erste starre Metallscheibe an dem einen Ende und ein längliches Kraftübertragungsglied aus keramischem Material enthält, das so verbunden ist, daß es sich in Längsrichtung von der Fläche der ersten Metallscheibe gegenüber der Fläche der Scheibe erstreckt, die starr an dem ersten Körperflächenabschnitt befestigt ist.
• Kurz beschrieben enthält die Druckmeßvorrichtung einen Körper aus keramischem, piezoelektrischem Material mit Mitteln zur Befestigung des Körpers, die eine im wesentlichen gleichmäßige Lastübertragung auf alle Teile von Hauptabschnitten der piezoelektrischen Körperfläche gestattet, wodurch das Auftreten von lokalen, hohen Spannungen im piezoelektrischen Material durch Verteilen der angelegten Kraft über eine größere Fläche hinweg reduziert wird und eine größere Linearität des Antwortverhaltens auf die angelegten Drücke erzielt wird. Ein starres Lastverteilungsmittel weist ein einem Hauptabschnitt einer ersten piezoelektrischen Körperfläche gegenüberliegendes Ende auf, und dieses Ende des Lastverteilungsmittels ist z. B. durch eine Schicht eines starren Verbindungsmaterial auf organischer Basis in seiner Form exakt und starr an dieser ersten Körperfläche befestigt, so daß das starre Lastverteilungsmittel mit der starren, angepaßten Verbindung derart zusammenwirkt, daß es in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen dieses ersten Körperflächenabschnittes steht. Ein starres Haltemittel weist ebenso ein Ende auf, das einem Hauptabschnitt einer gegenüberliegenden Oberfläche des piezoelektrischen Körpers gegenüberliegt, und dieses Ende des Haltemittels ist in seiner Form exakt an diesem gegenüberliegenden Körperflächenabschnitt angepaßt und starr an diesem befestigt, so daß es ebenso in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des gegenüberliegenden Körperflächenabschnittes steht. In dieser Anordnung bilden das Lastverteilungsmittel, der piezoelektrische Körper und das starre Halteglied eine piezoelektrische Einheit, und diese Einheit ist fest mit Befestigungsmitteln zur präzisen Befestigung der Einheit verbunden, um einen angelegten Druck aufzunehmen und ein diesem Druck genau entsprechendes elektrisches Signal mit verbesserter Linearität des Antwortverhaltens bei Variierung des angelegten Druckes zu erzeugen. Das Haltemittel wird vorzugsweise mit einem Preßsitz in einer Bohrung des Befestigungsmittels befestigt, so daß das Lastverteilungsmittel und der piezoelektrische Körpers freitragend von dem Ort des Preßsitzes zur örtlichen Festlegung eines entgegengesetzten Endes des Lastverteilungsmittels abstehen, um eine daran angelegte Druckkraft aufzunehmen. Hierdurch erzielt die Druckwandlervorrichtung ein präziseres und wesentlich lineareres Antwortverhalten auf angelegte Drücke und die Variierung dieser Drücke über einen weiten Bereich hinweg. Ausgewählte Kontaktmittel, Befestigungsmittel, Wärmeableitungsmittel, Membranmittel und keramische, piezoelektrische Körperausgetaltungen und -zusammensetzungen werden ebenso zur weiteren Verbesserung der Ausführungen der Befestigungsstruktur für die piezoelektrische Einheit geschaffen.
Beschreibung der Zeichnungen
• Weitere Ziele, Vorteile und Details der neuen und verbesserten Druckwandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erscheinen in der folgenden, detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungen der Erfindung, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf Zeichnungen bezieht, in denen
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Druckwandlervorrichtung gemäß dieser Erfindung darstellt;
• Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 2 zeigt, der eine alternative Ausführung dieser Erfindung darstellt;
• Fig. 4 eine Teilansicht gemäß Fig. 2 zeigt, die eine weitere alternative Ausführung der Erfindung zeigt;
• Fig. 5 eine Ansicht entlang einer Achse einer Komponente zeigt, die in einer weiteren alternativen Ausführung der Erfindung genützt wird; und
• Fig. 6 eine Ansicht entlang einer Achse einer anderen Komponente zeigt, die in einer anderen, alternativen Ausführung der Erfindung genützt wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
• Betreffend die Zeichnungen weist das Bezugszeichen 10 in den Fig. 1 bis 3 auf eine bevorzugte Ausführung der neuen und verbesserten Druckwandlervorrichtung gemäß der Erfindung hin die gemäß der Darstellung Befestigungsmittel 12, Membranmittel 14 an einer Seite der Befestigungsmittel und Anschlußmittel 16 an der gegenüberliegenden Seite der Befestigungsmittel zum Anschluß der Vorrichtung an einen elektrischen Steuerkreis oder dgl. enthält. Gemäß der Erfindung wird eine piezoelektrische Meßeinheit 18, wie in Fig. 2 gezeigt ist, sicher mit den Befestigungsmitteln zur Reaktion auf einen angelegten Druck verbunden, um ein dem Druck entsprechendes ursprüngliches elektrisches Signal zu liefern, und Signalaufarbeitungsmittel 20 werden vorzugsweise in die Vorrichtung miteinbezogen, um die ursprünglichen elektrischen Signale zur Übertragung an einen von der Wandlervorrichtung entfernt liegenden Ort zu verarbeiten. Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine allgemeine Größe und Zusammensetzung auf, die derjenigen einer kleinen Automobilzündkerze ähnlich ist.
• Das Befestigungsmittel beinhaltet vorzugsweise ein aus kaltgewalztem Stahl oder dgl. geformtes Metallbauteil, das eine zentrale Bohrung 12.1, ein Ende 12.2 mit verringertem Durchmesser, das einen neben diesem Bauteilende liegenden Ansatz 12.3 bildet, und ein außenliegendes Schraubgewinde 12.4 neben diesem Bauteil aufweist, um das Befestigungsbauteil abgedichtet innerhalb einer Öffnung 22.1 an einem Verbrennungsmotor 22 (der in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist) festzuschrauben, so däß das eine Ende des Bauteils zum Motor gerichtet und der Druckumgebung innerhalb eines Kolbenzylinders 22.2 dsr Motors ausgesetzt ist. Alternativ ist das Bauteil für die Befestigung der piezoelektrischen Einheit, die Druckkräften auszusetzen ist, in beliebig anderen zu überwachenden Druckzonen geeignet. Das Befestigungsbauteil enthält vorzugsweise einen Befestigungsansatz 12.5 zur Begrenzung des Eindringens der Vorrichtung in die Motoröffnung 22.1, eine mit der Bohrung 12. 1 in Verbindung stehende Kammer 12.6 am anderen Ende des Befestigungsbauteils zur Unterbringung von Signalaufbereitungsmitteln 20 oder dgl., und sechseckige Einspannmittel 12.7 zum Gebrauch beim Festschrauben des Bauteils, eine Schulter 12.8, die an dem anderen Ende des Bauteils ausgebildet ist, um die Anschlußmittel 16 daran zu befestigen, und einen umgebogenen Flansch 12.9 an dem anderen Ende zur Anbringung der Anschlußmittel an dem Bauteil in einer geeigneten Weise.
• Das Membranmittel 14 enthält vorzugsweise ein im allgemeinen napfförmiges Metallelement mit einem Boden 14.1 und einer Seitenwand 14.2, die vorzugsweise, wie bei 14.3 gezeigt, an das metallische Befestigungsbauteil 12 durch Schweißen oder dgl. angebracht wird und vorzugsweise einen um den Rand vollständig umlaufenden Verschluß zur Abdichtung eines Endes der Bohrung 12.1 bildet. Vorzugsweise stößt der Rand des Napfes an den Ansatz 12.3 des Befestigungsbauteils an, um das Anbringen an dem Befestigungsbauteil zu vereinfachen und mit der Schweißung beim präzisen Anordnen der Membran auf dem Metallbauteil zusammenzuwirken. In einer bevorzugten Ausführung weist der zentrale Abschnitt 14.4 des Membranmittels eine relativ große ebene Fläche auf, die normalerweise in einer in Fig. 2 durch eine Linie 14.5 angegebenen Ebene liegt, und das Material der Membran ist vorzugsweise ein dünnes, haltbares Material wie Inconel oder rostfreier Stahl oder dgl., das geeignet ist, eine erhebliche Biegsamkeit aufzuweisen, so daß sich der ebene, zentrale Abschnitt der Membran leicht relativ zu der Seitenwand 14.2 an der Rundung 14.6 in Richtung des in Fig. 2 angegebenen Pfeils 14.7 in Reaktion auf die Variation von angelegten Fluiddrücken in dem Motorzylinder 22.2 während des Betriebs des Motors bewegen kann, wie zu erkennen ist während er weiterhin das piezoelektrische Meßelement 18 beaufschlagt, wie unten beschrieben wird.
• Die piezoelektrische Einheit 18 enthält eine Scheibe oder Körper 24 aus einem polykristallinen, keramischen, piezoelektrischen Material mit einer ersten, vorzugsweise ebenen Fläche 24.1 an einem Ende des Körpers zur Aufnahme einer angelegten Druckkraft und einer entgegengesetzten, vorzugsweise ebenen und parallelen Fläche 24.2 zum Halten des Körpers, so daß die angelegte Druckkraft das piezoelektrische Material zwischen den Körperflächen zur Erzeugung eines der Kraft entsprechenden elektrischen Signal zusammendrückt. Vorzugsweise werden die Körperflächen 24.1, 24.2 mit einem Maß von Ebenheit und Parallelität ausgeführt, die mit einer wirtschaftlichen Fertigung in Einklang steht, und dünne, elektrisch leitende Kontakte 24.3, 24.4 werden an den entsprechenden Körperflächen durch den Gebrauch von Metallfarbe oder dgl. in herkömmlicher Weise unter genauer Anpassung an die keramischen Körpermaterialien zur Ausbildung eines Ohmschen Kontakts zu dem keramischen Körpermaterial gebildet. Gemäß der Erfindung lassen sich beliebige, herkömmliche, keramische, piezoelektrische Materialien in dem Körper 24 im Rahmen dieser Erfindung nützen, aber in einer bevorzugten Ausführung enthält das keramische, piezoelektrische Material vorzugsweise ein Blei-Strontium-Zirkon, Eisen-Titanat-Material mit einer empirischen Formel gemäß
• (PB Sr ) (Zr Ti ) Fe Cr 0
• (0,94 0,06) (0,54 0,46) 0,984-0,995 0,005-0,015 0-0,001 3-x
• wobei x eine leichte Variation des Sauerstoffbestandteils darstellt.
• Es wird angenommen, daß herkömmliche piezoelektrische Materialien mit ähnlichen Blei-, Strontium-, Titan- und Eisenbestandteilen bekannt sind, und diejenigen Materialien mit einem Eisenanteil von 0,5 mol% und weniger waren kommerziell verfügbar, aber die vorliegende Zusammenstellung mit dem erwähnten höheren Eisengehalt wird für die Hochdruckzylinderdruckanwendung aufgrund ihrer relativ viel härteren piezoelektrischen Charakteristik vorgezogen, um über die höheren Druckbereiche eine verbesserte Linearität des Antwortverhaltens zu schaffen, und der Chrombestandteil führt zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit am unteren Ende des Eisenbestandteilbereiches und verbessert ebenso den Verlustfaktor des Materials.
• Die piezoelektrische Einheit 18 enthält weiterhin ein starres Lastverteilungsmittel 26, das ein einem Kontakt 24.3 über einem Hauptabschnitt der ersten piezoelektrischen Körperfläche 24. 1 gegenüberliegendes Ende aufweist, und das in seiner Form exakt an dieser kontaktierten Fläche angepaßt und starr an dieser befestigt ist, damit es in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des ersten Körperflächenabschnittes steht. Das starre Lastverteilungselement 28 enthält eine Metallscheibe 28.1, ein starres, keramisches Kraftübertragungselement 28.2 und eine starre Befestigungsschicht 28.3, die die Scheibe und das Übertragungselement zur Bildung des Lastübertragungselements 28 starr zusammenhält. Vorzugsweise ist die Scheibe 28.1 ausreichend dick, so daß sie von selbst starr ist, und aus einem elektrisch leitenden Metallmaterial mit relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, der im allgemeinen demjenigen des piezoelektrischen Körpers 24 entspricht, geformt. Vorzugsweise ist die Scheibe 28 z. B. aus einem Material geformt, das unter der Bezeichnung Kovar (Nickel 23 % bis 30 %, Kobalt 30 % bis 70 %, Mangan 0,6 % bis 0,8 % und Rest Eisen) oder Invar (36 % Nickel und Rest Eisen) verkauft wird oder dgl., mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 11,7 x 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹ (6,5 x 10&supmin;&sup6; inch/inch/Grad Fahrenheit) oder weniger. Vorzugsweise weist das keramische Übertragungselement 28.2 eine allgemein zylindrische Konfiguration auf und ist aus Steatit oder Zirkonoxid oder dgl. gebildet. Vorzugsweise hat ein Ende des Übertragungselements einen engen Einschnitt 28.4 an einem äußeren Teil, und dieses Ende des Übertragungselements ist starr an einer Seite der Scheibe 28.1 durch ein starres Befestigungsmaterial 28.3 wie z. B. einem Epoxid oder dgl. befestigt. Vorzugsweise hat ein elektrischer Leiter 30, zwischen dessen Enden eine elektrische Isolation 30.1 aufgebracht ist, ein Ende 30.2 in elektrisch leitender Beziehung an die Scheibe 28.1 an dem Ort des Einschnittes 28.4, wie in Fig. 2 gezeigt, befestigt. Ein gegenüberliegendes Ende der Scheibe 28.1 ist starr an die gegenüberliegende,kontaktierte, erste Fläche 24.1 des piezoelektrischen Körpers durch eine starre Schicht 32 eines elektrisch leitenden Befestigungsmaterials wie z. B. einem metallverstärkten Epoxid, einem eingefüllten Polyimid oder einem anderen bekannten, starren Befestigungsmaterial, das an Ort und Stelle zwischen dem Lastübertragungselement 28 und dem angeschlossenen Flächenabschnitt 24.1 des piezoelektrischen Körpers gehärtet ist, befestigt, damit es in seiner Form exakt an diesen kontaktierten Körperflächenabschnitt angepäßt und starr an diesem befestigt ist. In einer bevorzugten Ausführung enthält ein Epoxidbefestigungsmaterial mit einem Füllstoff aus metallischen Teilchen auch Glaskugeln oder -stäbe, zur exakten Anordnung der Metallscheibe 28.1 mit Abstand vom Körper 24. Vorzugsweise wird zur Aufrechterhaltung einer guten Befestigung während thermischer Zyklen mit guter Steifigkeit das Befestigungsmaterial so gewählt, daß es in dem für den Gebrauch beabsichtigten Temperaturbereich einen Glasübergangspunkt aufweist.
• Die piezoelektrische Einheit 18 enthält weiterhin ein starres Haltemittel 34 das ein Ende aufweist, das einem Kontakt 24.4 über einen Hauptteil der gegenüberliegenden piezoelektrischen Körperfläche 24.2 gegenüberliegt und das in seiner Form exakt an die kontaktierte Fläche 24.2 angepaßt und daran starr befestigt ist, damit es in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des gegenüberliegenden Körperflächenabschnittes steht. Vorzugsweise enthält ein starres Halteglied 36 z. B. eine Metallscheibe 36.1, ein starres metallisches Halteglied 36.2 und ein elektrisch leitendes starres Befestigungsmittel, das 36.3 angegeben ist, zur Befestigung der Scheibe an dem Halteglied und somit zur Bildung des starren Halteglieds 36. Vorzugsweise weist die Scheibe 36.1 genügend Dicke auf, um von selbst starr zu sein, und sie ist aus einem Metall wie die oben beschriebene Scheibe 28.1 gebildet. Auf diese Weise tragen die Scheiben 36.1 und 28.1 zu einer verbesserten Anpassung der thermischen Ausdehungskoeffizienten des keramischen Körpers 24 und anderer Komponenten der Einheit 18 bei. Vorzugsweise ist das Metallhalteglied 36.2 aus einem Stählmaterial ausgebildet, das demjenigen der metallischen Befestigungskomponente 12 entspricht, und es weist einen Abschnitt 36.4 mit einem ausgewählten Durchmesser auf, der relativ größer als derjenige der Scheibe 36.1 und relativ größer als derjenige des piezoelektrischen Körpers 24 und des Lastübertragungselements 28 ist, aus einem Grund, der weiter unten beschrieben wird. Das Befestigungsmittel 36.3 enthält ein elektrisch leitendes Befestigungsmaterial, wie z. B. ein oben beschriebenes Befestigungsmaterial 32, aber im Rahmen der Erfindung kann das Befestigungsmittel 36.3 ebenso eine Schweiß- oder Hartlötstelle oder dgl. zwischen der Scheibe 36.1 und dem Halteglied 36.2 enthalten. Das starre Halteglied 36 hat eine Seite der Scheibe 36.1 durch Anwendung eines starren, elektrisch leitenden Befestigungsmaterials 37 starr an der gegenüberliegenden kontaktierten Fläche 24.2 des piezoelektrischen Körpers entsprechend dem zuvor beschriebenen Befestigungsmaterial 32 befestigt.
• Es sei bemerkt, daß die starren Befestigungsschichten 32 und 34 zwar als elektrisch leitende Materialien auf organischer Basis oder dgl. beschrieben werden diese Schichten jedoch auch im Rahmen der Erfindung aus metallischen Befestigungsmitteln wie Weichlöt- oder Hartlötstellen oder dgl. gebildet werden können. In einer bevorzugten Ausführung werden die Befestigungsschichten z. B. aus einem starren aber schmiedbaren Metallmaterial geformt, und die piezoelektrische Einheit 18 wird an ihren entgegengesetzten Enden durch Anwendung eines bestimmten Druckniveaus zur Deformierung des schmiedbaren Metailbefestigungsmaterials zusammengedrückt, damit letzteres in seiner Form exakt an die Flächen des piezoelektrischen Körpers angepaßt und starr daran befestigt wird, damit es sehr starr an diesen Flächen während des nachfolgenden Gebrauchs der piezoelektrischen Meßeinheit bei relativ niedrigeren angelegten Drücken befestigt ist.
• Gemäß der Erfindung wird die piezoelektrische Einheit 18 fest an dem Metallbauteil 12 zur Anordnung des entgegengesetzten Endes 26.2 des Lastverteilungsmittels an einer exakt bestimmten Stelle befestigt, um eine angelegte Druckkraft aufzunehmen und diese Kraft auf die Oberflächen des piezoelektrischen Körpers gleichmäßig zu übertragen, damit eine Druckmeßvorrichtung mit verbesserter Präzision und Linearität des Antwortverhaltens auf Änderungen der angelegten Drücke geschaffen wird. In einer bevorzugten Ausführung gemäß Fig. 2 ist die piezoelektrische Einheit 18 in die Bohrung 12.1 des Metallbauteils eingefügt, wobei der Durchmesser 36.3 des Halteglieds derart gewählt wird, daß es fest in der Bohrung durch einen Preßsitz des Randabschnittes des Halteglieds an einer ausgewählten Stelle in der Bohrung befestigt ist, wie bei 38 in Fig. 2 gezeigt ist. Vorzugsweise wird der Randabschnitt 36.3 des Halteglieds so ausgebildet, daß die Formung eines Preßsitzes erleichtert wird. Dies bedeutet, daß die Einheit 18 mit einem Preßsitz an der ausgewählten Stelle 38 befestigt ist, so däß die Lastverteilungsmittel 26 und der piezoelektrische Körper 24 freitragend von der Halterung innerhalb der Bohrung abstehen und vorzugsweise das entgegengesetzte Ende 26.2 des Lastverteilungsmittels mit der Membran 14 koppeln, um eine ausgewählte Vorlastdruckkraft auf den piezoelektrischen Körper 24 auszuüben. Der Leiter 30 wird durch die Bohrung 12.1 mit Hilfe einer Rille 40 geführt, die in der Bohrung 12.1 des Befestigungsbauteils ausgebildet ist, damit sich der Leiterin die Kammer 12.6 erstreckt. In dieser Anordnung ist das starre Halteglied mit guter elektrischer Verbindung zum Bauteil 12 an der Stelle 38 befestigt, damit eine Seite des piezoelektrischen Körpers 24 mit einer elektrischen Schaltung elektrisch verbunden wird und die entgegengesetzte Seite des Körpers sich leicht an diese Schaltung mit Hilfe des Leiters 30 anschließen läßt. Falls gewünscht, wird die piezoelektrische Einheit an der Stelle 38 des Preßsitzes an das metallische Befestigungsbauteil 12 zur Gewährleistung der gewünschten Vorspannung angeschweißt, wie bei 41 in Fig. 2 gezeigt ist. Wie zu erkennen ist, lassen sich Signalaufbereitungsmittel 20 leicht an den Leiter 30 und/oder an das Bauteil 12 und an die Anschlußmittel 16 innerhalb der Kammer 12.6 in jeder herkömmlichen Weise anschließen. Die piezoelektrische Einheit kann leicht und präzise gefertigt, getestet oder dgl. werden, falls gewünscht, bevor sie in einem Bauteil 12 angebracht wird, und sie wird anschließend in einfacher Weise und genau in dem Bauteil 12 befestigt, wobei gewährleistet ist, daß sie exakt angeordnet ist, um eine genaue elektrische Signalantwort in Reaktion auf von der Membran 14 aufgenommen angelegte Drücke zu liefern. Hierdurch werden Änderungen im Antwortverhalten der Vorrichtung durch die sorgfältige Befestigung des piezoelektrischen Körpers beträchtlich reduziert, so däß die Linearität des Antwortverhaltens des piezoelektrischen Körpers auf angelegte Drücke im wesentlichen den Grenzen der Linearität des Antwortverhaltens entspricht, die durch die Art des ausgewählten piezoelektrischen Materials selbst vorgegeben sind. In dieser Anordnung ist die Verbesserung des Antwortverhaltens der Vorrichtung aufgrund der erwähnten Verbesserung bei den Befestigungsfaktoren so wesentlich, däß sich der Gebrauch eines bevorzugten piezoelektrischen Eisen- Strontium-Zirkon-Eisen-Titanat-Materials, wie oben beschrieben, als wünschenswert erwiesen hat, wobei dieses neue und verbesserte piezoelektrische Material charakterisiert ist durch eine verbesserte Linearität der Signalantwort während Temperaturänderungen über einen weiten Bereich hinweg von Raumtemperaturen bis zu 200ºC oder mehr. Dies bedeutet, daß diese Zusammensetzung durch einen erhöhten Eisengehalt von über 0,5 % besonders geeignet für die Nutzung bei den beschriebenen piezoelektrischen Einheiten 18 zur Schaffung einer insgesamt verbesserten Linearität des Antwortverhaltens der Vorrichtung unter variablen Druck- und Temperaturbedingungen ist. Wie im folgenden beschrieben, weist die piezoelektrische Einheit 18 einen bei 42 in Fig. 2 gezeigten ausgewählten Abstand zwischen den Wänden der Bohrung 12.1 und dem Lastverteilungsmittel 26 und piezoelektrischen Körper 24 auf. In einer bevorzugten Ausführung ist der durch den Abstand gebildete Raum mit einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material z. B. Siliconfett oder dgl. gefüllt, das in seiner Form frei an die Form des Raumes anpaßbar ist, so daß es eine genaue Antwort der piezoelektrischen Einheit 18 auf angelegte Druckkräfte nicht begrenzt, sondern vielmehr dazu neigt, Wärme von den Lastverteilungsmitteln 26 und dem Körper 24 abzuziehen und diese Wärme über die Gewindegänge 12.4 oder das Metallbauteil z. B. an den Motor 22 abzuleiten, wodurch die Grenzwerte des Temperaturbereichs, dem der piezoelektrische Körper 24 ausgesetzt ist, reduziert werden.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 3, bei der entsprechende Bezugszeichen entsprechende Bauteile bezeichnen, hat das Metallbauteil 12' eine Bohrung 12.1', die mit einem Boden 44 ausgebildet ist, und die piezoelektrische Einheit 18' ist in diese Bohrung durch einen Preßsitz in ihr an der Stelle 38' befestigt. In einer bevorzugten Ausführung stößt das Haltemittel 34' der piezoelektrischen Einheit 18' gegen den Bohrungsboden, und die Membran 14' ist gegen das gegenüberliegende Ende 26.2' des Lastverteilungsmittels gepreßt, um eine gewünschte, als Vorlast wirkende Druckkraft auf den piezoelektrischen Körper 24' vor dem Anschweißen der Membran an dem Bauteil 12' auszuüben.
• In einer anderen, weiteren Ausführung der Erfindung, die in Fig. 4 gezeigt ist, wird das Membranmittel weggelassen, so daß das entgegengesetzt liegende Ende 26.2" der piezoelektrischen Einheit 18" die an sie angelegten Druckkräfte direkt aufnehmen kann. Eine derartige Vorrichtung ist für denselben Gebrauch geeignet oder für den Gebrauch in Anwendungen außerhalb des automobilen Bereichs und/oder für Anwendungen mit niedrigerem Druck oder niedrigerer Temperatur. In dieser Vorrichtung sind die wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Materialien wie Siliconfett 42" frei an die Form der Bohrung 12.1" anpaßbar, weisen aber genügend Formbeständigkeit auf, so daß sie in der Bohrung zurückgehalten werden können. In dieser Anordnung wird ein dünnes, röhrenförmiges Element 46 aus elektrisch isolierendem Material vorzugsweise so über die Einheit 18" geführt, daß es durch das Fett oder ein anderes wärmeableitendes Material in der Bohrung zurückgehalten wird, während es gewährleistet, daß der freitragende Teil der Einheit 18" nicht an dem Material des Bauteils 12" an Masse gelegt wird.
• In einer anderen, weiteren Ausführung der Erfindung, die in Fig. 5 gezeigt ist, wird ein piezoelektrischer Körper 48 als Ersatz für den Körper 24 aus Verbundwerkstoffen geformt. Dies bedeutet, daß der Körper 48 aus einem zusammengesetzten, keramischen, piezoelektrischen Körper gebildet wird mit einer Teilschicht 48.1, die aus einem piezoelektrischen Material, z. B. Blei- Zirkon-Titanat, mit einer ausgewählten Zusammenstellung oder einem ausgewählten Verhältnis von Funktionseigenschaften, wie Linearität des Antwortverhaltens und Widerstandsfähigkeit des Materials, geformt ist. Eine zweite Teilschicht 48.2 wird aus einem anderen piezoelektrischen Material, z. B. dem zuvor beschriebenen Blei-Strontium-Zirkon-Eisen-Titanat, geformt. In dieser Anordnung wird zumindest eine Körperschicht vorzugsweise an Ort und Stelle auf der anderen Schicht gebildet, um in der Form exakt an die andere Schicht entlang der Grenzschicht 48.3 zwischen den Schichten angepäßt zu sein. Elektrische Kontakte 48.4, 48.5 werden in Ohmscher Kontaktbeziehung mit den entgegengesetzten Seiten des Körpers ausgebildet. In dieser Anordnung wirken die Körperschichten zur Schaffung eines Verbundkörpers zusammen, mit einer Zusammenstellung von Funktionseigenschaften, z. B. Widerstandsfähigkeit und Linearität des Antwortverhaltens, die neu und für spezifische Anwendungen vorteilhaft sind, wobei der Körper 48 den zuvor beschriebenen Körpers 24 ersetzt.
• In einer anderen, weiteren Ausführung, die in Fig. 6 gezeigt ist, wird ein piezoelektrischer Körper 50 aus einem zusammengesetzten, keramischen, piezoelektrischen Körper gebildet, der eine Kernschicht 50.1 aus einem piezoelektrischen Material, wie das zuvor beschriebene Blei-Strontium-Zirkon-Eisen- Titanat, aufweist. Weitere Schichten 50.2 und 50.3 aus anderen keramischen Materialien, die vorzugsweise elektrisch leitend sind, aber keine piezoelektrischen Effekte zeigen, werden an den entgegengesetzten Seiten der Kernschichten gebildet, um der Reihe nach als starres Lastverteilungsmittel und starres Haltemittel zu dienen. Dies bedeutet, daß derartige äußere Keramikschichten 50.2 und 50.3 vorzugsweise an Ort und Stelle auf der Kernschicht 50.1 gebildet werden, so daß sie in ihrer Form exakt an die gegenüberliegenden Flächen 50.4, 50.5 der Kernschicht angepaßt und starr an dieser befestigt sind, damit sie in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit den Kernschichtflächen stehen. Vorzugsweise werden Metallkontakte 50.6, 50.7 in Ohmschem Kontakt zu den elektrisch leitenden Halte- und Lastverteilungsmitteln gebildet. In dieser Anordnung kann der Körper 50 die piezoelektrischen Einheiten, z. B. die zuvor beschriebene Einheit 18, ersetzen und starr in einem Metallbauteil 12 oder dgl. durch Klebemittel oder dgl. befestigt werden.
• Es ist zu erkennen, daß zwar einzelne Ausführungen dieser Erfindung anhand der Veranschaulichung der Erfindung beschrieben wurden, diese Erfindung aber alle Modifikationen und Äquivalente möglicher Ausführungen enthält, die im Rahmen der Ansprüche liegen.

Claims (12)

1. Druckempfmdliche Vorrichtung zur Abgabe eines elektrischen Signals mit einem Körper (24) aus keramischem, piezoelektrischem Material mit einer ersten Fläche (24.1) und einer gegenüberliegenden Fläche (24.2), einem Mittel (12) zum Befestigen des Körpers, damit das piezoelektrische Material zwischen der ersten Fläche und der gegenüberliegenden Fläche als Reaktion auf einen angelegten Druck zusammengedrückt wird, um ein diesem Druck entsprechendes elektrisches Signal zu liefern, einem starren Lastverteilungsmittel (28), das ein einem vorbestimmten Hauptabschnitt der ersten Körperfläche (24.1) gegenüberliegendes Ende aufweist, das in seiner Form exakt an diesen ersten Körperflächenabschnitt angepaßt und starr an diesem befestigt ist, damit es in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des ersten Körperflächenabschnitts steht, einem starren Haltemittel (36), das ein einem vorbestimmten Hauptabschnitt der gegenüberliegenden Körperfläche (24.2) gegenüberliegendes Ende aufweist, das in seiner Form exakt an diesen gegenüberliegenden Körperflächenabschnitt angepaßt und starr an diesem befestigt ist, so daß es in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des gegenüberliegenden Körperflächenabschnitts steht, wobei das Haltemittel (36) an dem Befestigungsmittel (12) so befestigt ist, daß der Körper als piezoelektrischem Material und das Lastverteilungsmittel davon auslegerartig abstehen, um einen angelegten Druck aufzunehmen und das piezoelektrische Material zwischen den Körperflächenabschnitten in einem gleichmäßigen Ausmaß zusammenzudrücken, so daß ein elektrisches Signal entsprechend dem angelegten Druck geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Lastverteilungsmittel (28) eine erste starre Metallscheibe (28.1) an dem einen Ende und ein längliches Kraftübertragungsglied (28.2) aus keramischem Material enthält, das so verbunden ist, daß es sich in Längsrichtung von der Fläche der ersten Metallscheibe (28.1) gegenüber der Fläche der Scheibe erstreckt, die starr an dem ersten Körperflächenabschnitt befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste starre Metallscheibe (28.1) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem des piezoelektrischen Körpers (24) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel (12) ein starres Metailbauteil mit einer darin eine Öffnung bildenden Bohrung (36.4, 12.1) aufweist, wobei auf dem Befestigungsmittel (12) in Abdichtbeziehung mit der Öffnung als Reaktion auf angelegtem Druck bewegliche Membranmittel (14) angebracht sind, und daß ein Randabschnitt des Starren Haltemittels (36) mit einem Preßsitz in der Bohrung (36.4) an einer ausgewählten Stelle angeordnet ist, damit das Lastverteilungsmittel (28) so positioniert wird, daß die Membranmittel (14) auf es einwirken, um eine ausgewählte Vorbelastung auf den Körper (24) aus piezoelektrischem Material zwischen den Körperflächen auszuüben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Haltemittel (36) mit dem Metallbauteil des Befestigungsmittels (12) an der ausgewählten Stelle verschweißt ist, um das Lastverteilungsmittel (28) in einer gewünschten Position relativ zu den Membranmitteln (14) festzuhalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (26.2) des Lastverteilungsmittels (28), das von dem piezoelektrischen Körper entfernt liegt, eine ebene Fläche aufweist, die dem Flächeninhalt nach der ersten Körperfläche (24.1) entspricht und parallel zu dieser verläuft, wobei der mittlere Abschnitt der Membranmittel (14) ausreichend biegsam ist, um sich an die Fläche des von dem piezoelektrischen Körper entfernt liegenden Endes (26.2) des Lastverteilungsmittels (24) anzupassen und sich ebenso wie diese zu erstrecken, damit er in gleicher Erstreckung mit der Fläche während des Anlegens von Kraft durch die Membranmittel (14) als Reaktion auf angelegtem Druck gehalten wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Haltemittel (36) eine zweite starre Metallscheibe (36.1) und ein starres, aus Metall bestehendes Halteglied (36.2) aufweist, die durch ein elektrisch leitendes Verbindungsmittel (36.3) miteinander verbunden sind, wobei die zweite Metallscheibe (36.1) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem des piezoelektrischen Körpers (24) ist, wobei sie an der gegenüberliegenden Fläche des piezoelektrischen Körpers (24) befestigt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seitliche Abschnitte des Körpers (14) aus piezoelektrischem Material und das von dem starren Haltemittel (36) abstehende Lastverteilungsmittel (28) von Wänden einer Öffnung in dem Befessstigungsmittel (12) mit einem dazwischen befindlichen Abstand umgeben sind und das Ende des Lastverteilungsmittels (28) von dem piezoelektrischen Körper (24) entfernt halten, damit darauf direkt ein an einem offenen Ende der Öffnung ausgeübter Druck aufgenommen wird, und daß ein warmeleitendes, elektrisch isolierendes Material (42"), das in seiner Form frei an den Raum anpaßbar ist, in dem Raum um die Umfangsbereiche des Lastverteilungsmittels (28) festgehalten ist, damit die Wärmeableitung von dem Lastverteilungsmittel zu dem Befestigungsmittel (12) verstärkt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende, elektrisch isolierende Material (42") ein Silikonfett mit einer solchen Konsistenz ist, daß es in dem Raum festgehalten wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material (42") ein elektrisch und thermisch isolierendes Rohr (46) so angeordnet ist, daß es das Lastverteilungsmittel (28) und den Körper (24) aus piezoelektrischem Material umgibt und darin durch das Material festgehalten wird, damit ein elektrischer Abstand zwischen dem Körper (24) aus piezoelektrischem Material und den Wänden der Öffnung gewährleistet wird, während ermöglicht wird, daß sich das Material (42") frei an die Form des Raums anpaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallscheibe (28.1) an einem Körperflächenabschnitt mittels einer Schicht aus einem starren Verbindungsmaterial befestigt ist, das exakt in seiner Form an die Oberfläche der ersten Metallscheibe und an den ersten Körperflächenabschnitt angepaßt ist, so daß das Lastübertragungsmittel in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des ersten Körperflächenabschnitts gesichert wird, und daß die zweite Metallscheibe (36.1) an den gegenüberliegenden Körperflächenabschnitt mittels einer Schicht aus einem starren Verbindungsmaterial befestigt wird, das hinsichtlich seiner Form an die Oberfläche der zweiten Metallscheibe (36.1) und an den gegenüberliegenden Körperflächenabschnitt angepaßt ist, damit das starre Haltemittel in einer im wesentlichen gleichmäßigen Lastübertragungsbeziehung mit allen Teilen des gegenüberliegenden Körperflächenabschnitts gesichert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Metailseheihe (28.1, 36.1) mit Hilfe eines elektrisch leitenden Verbindungsmaterials mit der ersten Körperfläche (24.1) bzw. mit der gegenüberligenden Körperfläche (24.2) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das starre, elektrisch leitende Verbindungsmaterial metallverstärktes, an Ort und Stelle gehärtetes Epoxyd- oder Polyimidharz ist.