BERTOLA, Andrea (Gladiolenweg 21, Zürich, CH-8048, CH)
UNZICKER, Kay (Schulstrasse 6, Jestetten, 79798, DE)
MÜLLER, Michael (Mörsburgstrasse 2A, Rickenbach-Attikon, CH-8544, CH)
BERTOLA, Andrea (Gladiolenweg 21, Zürich, CH-8048, CH)
UNZICKER, Kay (Schulstrasse 6, Jestetten, 79798, DE)
| Patentansprüche
1. Bauteil (2) zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren umfassend ein ringförmiges Messelement (3) aus piezoelektrischem Material, beidseitig des Messelements (3) anlie- gende erste und zweite Elektroden (4, 4') mit Leitungen (10, 10'), sowie angrenzend neben der ersten Elektrode (4) gegenüber dem Messelement (3) einen elektrisch isolierenden übertragungskörper (5), sowie angrenzend neben der zweiten Elektrode (4') gegenüber dem Messelement (3) einen elektrisch isolierenden Isolationskörper (6), wobei alle diese Komponenten (3, 4, 4', 5, 6) zentriert zueinander zum Bauteil (2) fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite des übertragungskörpers (5a) sowie die Aussenseite des Isolationskörpers (6b), die ab- gewandt von den Elektroden (4, 4') parallel zu diesen verlaufen, sehr plan ausgestaltet sind mit einer Ebenheit von weniger als lOμm.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die inneren Flächen des Bauteils (2), die parallel zu diesen Flächen (5a, 6b) verlaufen, namentlich die beiden Seiten des Messelements (3a, 3b), die beiden Seiten beider Elektroden (4a, 4b, 4'a, 4'b) sowie die innere Seite des übertragungskörper (5b) und die innere Seite des Isolationskörpers (6a) sehr plan ausgestaltet sind mit einer Ebenheit von weniger als lOμm.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (6) mindestens zwei Bohrungen
(9, 9') aufweist, in denen die Leitungen (10, 10') isoliert zueinander durch den Isolationskörper (6) durch treten.
4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einer Gluhkerze, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskorpers (6) eine weitere Bohrung (9'') aufweist, durch welche ein Gluhstromdraht (31) durchgeführt werden kann.
5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (9'') eine lokale Verjüngung (7) aufweist, welche einen Gluhstromdraht (31) satt fuhren kann.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung (7) naher an der Aussenseite (6b) als an der
Innenseite (6a) des Isolationskorpers (6) ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung (7) oder die engste Stelle der weiteren Bohrung (9'') exzentrisch durch den Isolati- onskorpers (6) verlauft.
8. Bauteil gemass einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ubertragungskorper (5) und/oder der Isolationskorpers (6) mit ihren benachbarten Elektroden (4, 4') einteilig ausgestaltet sind.
9. Bauteil gemass einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ubertragungskorper (5,) und/oder der Isolationskorpers (6) aus warme isolierendem Material besteht.
10. Bauteil gemass einem der vorhergehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch einen Gesamtdurchmesser von kleiner als 5 mm.
11. Bauteil gemass einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Bauteil zum serienmassigem Einbau in einen Drucksensor für Verbrennungs- kraftmaschinen, insbesondere in eine Glühkerze (1) eignet .
12. Bauteil gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bis 220 0 C funktionstüchtig einsetzbar ist.
13. Sensor umfassend ein Bauteil (2) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche zum Messen von Kräften oder Drücken.
14. Sensor gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Glühkerze (1) ausgebildet ist umfassend ein Gehäuse (24), einen Glühstift (20), einen Glühstromdraht (31), eine Fixierung (22) und ein Gewinde (27) .
15. Sensor gemäss Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) zwischen dem Glühstift (20) und dem Gewinde (27), angeordnet ist.
16. Sensor gemäss einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil 2 in einer Zwischenhülse angebracht sein, welche die Vorspannung aufbringt und vom Gehäuse 24, abgesehen von ihrer Befestigung daran, getrennt ist. |
BAUTEIL FüR KRAFT- ODER DRUCKMESSUNGEN UND SENSOR UMFASSEND EIN SOLCHES BAUTEIL
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Bauteil zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren umfassend ein Messelement aus piezoelektrischem Material gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie einen Sensor, umfassend ein solches Bauteil.
Stand der Technik
Sensoren umfassend solche Bauteile werden beispielsweise zum Messen in Brennräumen, beispielsweise in Glühkerzen verwendet.
Aus der WO 2006/089446 ist ein Bauteil oben beschriebener Art bekannt. Es ist insbesondere geeignet, in Glühkerzen verwendet zu werden. Dieses Bauteil muss aber entweder isolierte Leitungen zu den Elektroden aufweisen, oder deren Isolation zueinander muss mit einem aufwändigen Teil erreicht werden, das in das Bauteil eingreift. Diese Massnahmen sind sehr teuer .
Die WO 2007/096205 beschreibt eine Glühkerze, welche bei- spielsweise ein Bauteil wie in der WO 2006/089446 beschrieben verwenden kann. Es umfasst ein Zentrierelement mit einem Zentrierabschnitt, welches das Bauteil in der Glühkerze zentrieren soll. Die Schwierigkeit besteht aber darin, diesen Zentrierabschnitt und die Fläche, an der das Bauteil an- grenzt, in der geforderten Ebenheit herzustellen, um damit die Zentrierung durchzuführen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauteil zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren eingangs erwähnter Art anzugeben, welches derart konstruiert ist, dass ein zentrierter Einbau in einen Sensor ohne weitere Zentrierteile moglxch wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil anzugeben, welches keine aufwandigen Teile zum Isolieren der Leitungen für die Elektroden benotigt.
Die Aufgabe wird gelost durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs sowie durch die Unteranspruche .
Das erfindungsgemasse Bauteil umfasst ein Messelement aus piezoelektrischem Material, beidseits davon je eine Elektrode mit daran angebrachten Leitungen, sowie angrenzend an die erste Elektrode einen Ubertragungskorper, sowie angrenzend an die zweite Elektrode einen Isolationskorper . Der Ubertragungskorper sowie der Isolationskorper sind elektrisch isolierend. Alle diese Komponenten sind zentriert zueinander zu einem Bauteil fixiert. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die ausseren Flachen des Bauteils bezuglich seiner Achse eine Ebenheit aufweisen von weniger als lOμm. Dadurch lasst sich das Bauteil an diesen Flachen positioniert in einen Sensor einbauen, ohne weitere Komponenten für die Zentrierung zu benotigen. Dadurch können zusatz- liehe Komponenten eingespart werden, was abgesehen von den Kostenvorteilen auch Platzersparnisse bringt. Somit können Sensoren kleiner gebaut werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Eine besondere weitere erfin- dungsgemässe Ausgestaltung des Bauteils besteht darin, dass der Isolationskörper mindestens zwei Bohrungen aufweist, in denen die Leitungen isoliert zueinander durch den Isolationskörper durch treten. Dadurch können sie sich nicht berühren und sind stets elektrisch isoliert zueinander.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung einer erfindungsgemässen Glühkerze, im Querschnitt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer bevorzugten Glühkerze im Querschnitt, im Bereich des erfindungsgemässen Bauteiles;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Bauteiles mit einem Glühstromdraht;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Isolationsteils in Seitenansicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Fig. 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel als Anwendung eines erfindungsgemässen Bauteils 2 in einer Glühkerze
1. Die Figur zeigt in einem Querschnitt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Glühkerze 1. Diese umfasst ein Gehäuse 24, in dessen vorderem Bereich ein Glühstift 20 eingesetzt ist, der aus diesem herausragt. Anschliessend hinter dem Glühstift 20 kann sich eine Kraftübertragungshülse 21 befinden, hinter welcher das erfindungsgemässe Bauteil 2 angeordnet ist. Alternativ dazu kann das Bauteil 2 auch direkt hinter dem Glühstift angeordnet sein. Hinter diesem Bauteil 2 befindet sich eine Fixierung 22, welche rückseitig an einem Verbindungselement 23 anliegt. Das Verbindungselement 23 ist an seinem hinteren Ende an einem Absatz 25 des Gehäuses 24 angebracht. Alternative Konstruktionen mit denselben Wirkungen sind ebenfalls möglich. Insbesondere kann die Fixierung 22 am Gehäuse 24 an einer Schweissstelle 30 angeschweisst sein, wodurch keine Kraft mehr über das Verbindungselement 23 auf den Absatz 25 des Gehäuses 24 übertragen wird. Bei einer Messung wirkt ein Druck im Brennraum über den Glühstift 20 direkt oder über die Kraftübertragungshülse 21 auf das Bauteil 2, das den Druck in ein Messsignal umwandelt. Dieses Messsignal wird schliesslich über zwei Leitungen 10, 10' vom Bauteil 2 über eine Verkabelung 26 zu einem Auswertegerät (nicht dargestellt) geleitet.
Zur Anbringung der Glühkerze 1 in einer dafür vorgesehenen Bohrung eines Zylinderkopfes verfügt das Gehäuse 24 in der Regel über ein Gewinde 27 und über einen Sechskant 28 als Angriffsfläche für ein Werkzeug. Die Schweissstelle 30 ist in diesem Fall im Bereich zwischen dem Gewinde 27 und dem Glühstift 20 angeordnet. Um fehlerhafte Auswirkungen durch das Verspannen der Glühkerze 1 beim Einbau auf eine Messung zu vermeiden, kann die Schweissstelle 30 vorzugsweise anstatt am Gehäuse 24 an einer nicht dargestellten Zwischenhülse ange-
bracht sein, welche die Vorspannung aufbringt und vom Gehäuse 24, abgesehen von ihrer Befestigung daran, getrennt ist.
Im hintersten Bereich der Glühkerze 1 befindet sich der Ausgang für die Verkabelung 26, die abgesehen von den Leitungen 10, 10' für das .Bauteil 2 auch die Stromversorgung für einen Glühstromdraht 31, der für die Beheizung des Glühstiftes 20 vorgesehen ist, umfasst. Im vorderen Bereich der Glühkerze 1 befindet sich eine Membran 29, welche das Innere des Gehäuses 24 vom Brennraum abdichtet. Mittels dieser Membran 29 kann auch eine gewünschte Vorspannung auf das Bauteil 2 gebracht werden .
Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Kraftübertragungshülse 21 aus wärmeisolierendem Material, sodass das Bauteil 2 weniger der Wärmebelastung aus dem Brennraum ausgesetzt ist.
Fig. 2 zeigt einen detaillierten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich des Bauteiles 2. Vorzugsweise weisen die verschiedenen Komponenten des Bauteil 2 im Wesentlichen dieselben äusseren Durchmesser auf. Ein Messelement 3 bildet das Kernstück des Bauteiles 2. Dieses besteht aus piezoelektrischem Material, beispielsweise aus piezoelektrischem Kristall oder aus piezoelektrischer Keramik. Dieses Messelement 3 ist beidseitig in Achsrichtung umgeben von einer ersten Elektrode 4 und von einer zweiten Elektrode 4' . An diesen Elektroden 4, 4' sind an Kontaktstellen 8 die Leitungen 10, 10' angebracht. Angrenzend neben der ersten Elektrode 4 gegenüber dem Messelement 3 ist ein elektrisch isolierender übertragungskörper 5 angebracht, und angrenzend neben der zweiten Elektrode 4' gegenüber dem Messelement 3 ist ein elektrisch isolierender Isolationskörper 6 angebracht. Alle diese Komponenten 3, 4, 4', 5 und 6 sind zentriert zueinander zu einem Bauteil 2 fixiert. Diese fixierende Befestigung kann beispielsweise durch einen Film
oder Schrumpfschlauch erbracht werden, der diese Komponenten umgibt .
In Fig. 3 ist das Bauteil 2 mit dem Glühstromdraht 31 dargestellt. Die Brennraumseitigen Flächen der Komponenten werden mit a, deren Steckerseitigen Flächen mit b gekennzeichnet. Erfindungsgemäss sind die Aussenseite des übertragungskörpers 5a sowie die Aussenseite des Isolationskörpers 6b, die abgewandt von den Elektroden 4, 4' parallel zu diesen verlaufen, sehr plan ausgestaltet mit einer Ebenheit von weniger als lOμm, vorzugsweise weniger als 5μm. Dies erlaubt ein späteres einfaches, zentriertes Einbauen in einen Sensor. Es hat sich erwiesen, dass das in der WO 2007/096205 verwendete Zentrierelement an seiner Berührungsfläche zum Bauteil 2 nur mit erheblichem Aufwand in der erforderlichen Ebenheit ausgestaltet werden kann. Zudem kann auf die Ausführung von Zentrierelementen und Zentrierabschnitten mit entsprechend hoher Genauigkeit gänzlich verzichtet werden. Die hier beschriebene Ausführung kommt somit viel billiger.
Vorzugsweise sind auch die inneren Flächen des Bauteils 2, die parallel zu diesen Flächen 5a, 6b verlaufen, namentlich beide Seiten des Messelements 3a, 3b, beide Seiten beider E- lektroden 4a, 4b, 4'a, 4'b sowie die innere Seite des übertragungskörper 5b und die innere Seite des Isolationskörpers 6a sehr plan ausgestaltet mit einer Ebenheit von weniger als lOμm.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Isolationskörper 6 mindestens zwei Bohrungen 9, 9' auf, in denen die Leitungen 10, 10' isoliert zueinander durch den Isolationskörper 6 durch treten. Dies erübrigt eine separate Isolierung der Lei- tungen 10, 10' . Dadurch kann vermieden werden, dass ein Zentrierkörper, wie in der WO 2007/096205 beschrieben, eingesetzt
werden muss, dessen Funktion es unter anderem auch war, für die Isolierung dieser Leitungen 10, 10' zu sorgen. Die beiden Bohrungen 9, 9' können auch miteinander verbunden sein, solange die Isolation der darin verlaufenden Leitungen 10, 10' gewahrleistet ist. Insbesondere können es Segmente derselben Bohrung sein, solange die Leitungen 10, 10' distanziert voneinander angebracht sind. Der durch das Wegfallen des Zent- rierkorpers neu entstandene Raum in Zentrum des Ubergangskor- pers 5 kann nun anders genutzt werden, beispielsweise für ei- nen Heizwendel.
Der Ubertragungskorper 5 und der Isolationskorper 6 erfüllen weitere wichtige Funktionen. Mindestens einer dieser Korper 5, 6 ist vorzugsweise ein Expansionskorper, der die thermische Ausdehnungen des Gehäuses 24 kompensiert. Die beiden Korper 5, 6 erfüllen zudem die Aufgabe, das Messelement 3 mit den beidseitigen Elektroden 4, 4' mechanisch zu schützen. Sie sind erfindungsgemass gepresste Teile, in der Regel aus Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxyd.
In einer bevorzugten Ausfuhrung ist mindestens der Ubertra- gungskorper 5 auch ein thermischer Isolator. Dies hat den Vorteil, dass das dahinter angebrachte Bauteil 2 einer tieferen Temperatur ausgesetzt ist und somit geringeren Anforderungen genügen muss.
Insbesondere kann jede Elektrode 4, 4' auch mit ihrem benach- barten Ubertragungskorper 5 resp. mit ihrem benachbarten Isolationskorper 6 einteilig ausgestaltet sein. Die Elektroden dienen dazu, die bei Druck- oder Krafteinwirkung auftretenden Ladungen beidseitig des Messelementes 3 zu sammeln und an die dafür vorgesehenen Kontaktstellen 8 weiter zu leiten. Diese Kontaktstellen 8 befinden sich vorzugsweise im inneren Bereich des Bauteils 2. Dies ist von Vorteil, da in der Regel
auf der Aussenseite kaum Platz zwischen dem Bauteil 2 und dem Gehäuse 24 für das Wegführen der Leitungen vorhanden ist.
Eine Befestigung am Bauteil 2 muss insbesondere dafür sorgen, dass die genannten Komponenten 3, 4, 4' 5 und 6 solange nicht verschoben werden, bis das Bauteil 2 in einem Sensor oder in einer Glühkerze 1 eingebaut ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das
Bauteil 2 unter Vorspannung gebracht, welche eine spätere
Verschiebung dieser Komponenten ausschliesst . Nach dem Einbau in eine Glühkerze 1 oder in einen Sensor wird diese Befesti- gung hinfällig.
Fig. 3 zeigt das Bauteil, wenn es von dem Glühstromdraht 31 durchdrungen wird. Dies ist der Fall, wenn es in einer Glühkerze eingebaut ist. In dieser Anwendung verfügt der Isolationskörper 6 über eine weitere Bohrung 9' ' , durch welche der Glühstromdraht 31 durchgeführt werden kann. Diese Bohrung 9'' verfügt vorzugsweise über eine lokale Verjüngung 7, welche den Glühstromdraht 31 satt führen kann. Dadurch wird der Glühstromdraht 31 gut gehalten und hält späteren Vibrationen stand. Diese Verjüngung 7 ist vorzugsweise näher an der Aus- senseite 6b als an der Innenseite 6a des Isolationskörpers 6. Dadurch ist die Wärmeeinflusszone weiter vom Messelement 3 entfernt, wodurch die Temperatur am diesem niedrig gehalten werden kann. Die Bohrung 9'' mit der Verjüngung 7 kann aber auch eine andere geometrische Ausgestaltung haben.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist diese Verjüngung 7 oder die Bohrung 9' ' selbst vorzugsweise exzentrisch im Isolationskörper 6 angeordnet. Dadurch ist bei der Zusammensetzung von Glühstift 20 mit dem Glühstiftdraht 31 einerseits und Bauteil 2 mit den Leitungen 10, 10' andererseits die Lage der beiden Bohrungen 9, 9' eindeutig bestimmt. Dies ist notwendig für
eine maschinelle Verbindung der Leitungen 10, 10' zu den dafür vorgesehenen Verkabelungen.
Ein solches eben beschriebenes Bauteil 2 ist speziell darauf ausgerichtet, in einem serienmässigen Einbau in Drucksensoren für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in Glühkerzen, eingebaut zu werden. Dies bedingt einen einfachen, kostengünstigen Aufbau sowie eine hohe Prozesssicherheit zum Schaffen der hochpräzisen ebenen Flächen.
Die hier beschriebene erfindungsgemässe Ausführung des Bau- teils 2 zeichnet sich vorwiegend durch ihre Einfachheit und der daraus folgenden kostengünstigen Herstellung aus, die automatisiert werden kann. Vor der Anbringung der Befestigung werden alle Komponenten des Bauteils 2 zentriert. Die Befestigung gewährleistet die Erhaltung der Zentrierung bis das Bauteil 2 im Sensor eingebaut und vorgespannt ist. Somit und durch die planen Aussenflachen erübrigt sich der Aufwand des Zentrierens beim Einbau in die Glühkerze 1. Durch diese Anordnung ist, im Gegensatz zu anderen Bauteilen für dieselben Anwendungen, bei denen eine der Elektroden mit dem Gehäuse verbunden ist, das Bauteil 2 auch masseisoliert. Diese Masseisolation ist in vielen Ländern vorschriftgemäss notwendig für alle Bauteile in einem Automobil.
Vorteilhafterweise ist das Bauteil 2 im vorderen Bereich der Glühkerze 1 angeordnet, welcher sich im eingebauten Zustand im Bereich der Glühkerzenbohrung des Zylinderkopfes befindet. Demnach ist das Bauteil 2 vorzugsweise vor oder im Bereich des Gewindes 27 angeordnet. Dadurch ist einerseits gewährleistet, dass dieses nicht über 220 0 C warm wird, da der Zylinderkopf gekühlt ist. Ein weiterer Vorteil dieser Einbaula- ge besteht darin, dass der Messfehler geringer ist, je näher das Bauteil 2 an der Druckkammer, also am Brennraum ist.
Ein weiterer Vorteil der vorderen Einbaulage des Bauteiles 2 besteht darin, dass dadurch im hinteren Bereich des Glühstiftes, beispielsweise im Bereich des Verbindungselementes 23, Platz für einen integrierten Verstärker ist. Dadurch kann ein bereits verstärktes Ausgangssignal durch die Verkabelung 26 weitergeleitet werden.
Der Einbau des Bauteiles 2 im vorderen Bereich setzt allerdings voraus, dass das Bauteil 2 einen Aussendurchmesser von höchstens 5 mm aufweist, um in einer Glühkerze 1 mit einem M8 Gewinde 27 Platz zu finden. Die Länge des Bauteiles ist typischerweise zwischen etwa 6 und 15 mm.
Bezugszeichenliste
1 Glühkerze
2 Bauteil
3 Messelement 4 4' Elektrode
5 übertragungskörper
6 Isolationskörper
7 Verjüngung
8 Kontaktstelle 9 9' 9'' Bohrungen
10 10' Leitung
20 Glühstift
21 Kraftübertragungshülse
22 Fixierung 23 Verbindungselement
24 Gehäuse
25 Absatz
26 Verkabelung
27 Gewinde 28 Sechskant
29 Membran
30 Schweissstelle
31 Glühstromdraht