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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Kraft- oder Druckmessung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer solchen Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2009/067833 A2 geht ein Bauteil zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren hervor, das ein Messelement aus piezoelektrischem Material umfasst. Das Messelement aus piezoelektrischem Material weist beidseits je eine Elektrode mit daran angebrachten Leitungen zur Kontaktierung auf. An die beiden Elektroden grenzen Isolationskörper an, wobei ein Isolationskörper zugleich als Übertragungskörper dient. Alle Komponenten sind zentriert zueinander zu einem Bauteil fixiert, wobei die äußeren Flächen des Bauteils bezüglich seiner Achse eine Ebenheit aufweisen, die weniger als 10 µm beträgt. Dadurch ist der Einbau des Bauteils in einen Sensor möglich, ohne weitere Komponenten für die Zentrierung des Bauteils zu benötigen. Der Sensor kann somit kleiner gebaut werden, was zu einer Platzersparnis führt. Des Weiteren wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass wenigstens ein Isolationskörper wenigstens zwei Bohrungen aufweist, in denen die Leitungen zur Kontaktierung der Elektroden isoliert zueinander geführt sind. Auch diese bevorzugte Ausgestaltung des in einen Sensor einsetzbaren Bauteils soll eine Platzersparnis bewirken. Zudem erübrigt sich eine separate Isolierung der der Kontaktierung der Elektroden dienenden Leitungen.
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Im Inneren eines solchen Bauteils liegende Kontaktstellen erweisen sich jedoch als schwer zugänglich, was sich nachteilig auf die vorzunehmende Kontaktierung auswirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Kraft- oder Druckmessung mit wenigstens einem Sensorelement aus einem piezoelektrischen Material anzugeben, welche einfach aufgebaut und leicht zu kontaktieren ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor mit einer solchen Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Sensoranordnung zur Kraft- oder Druckmessung umfasst wenigstens ein Sensorelement aus einem piezoelektrischen Material mit zwei parallel zueinander liegenden Stirnflächen, von denen jede eine Elektrode ausbildet oder aufnimmt. Erfindungsgemäß liegt das Sensorelement mit einer Elektrode ausbildenden oder aufnehmenden Stirnfläche unmittelbar oder mittelbar an einer Stirnfläche eines weiteren Sensorelementes aus einem piezoelektrischen Material mit zwei parallel zueinander liegenden Stirnflächen, von denen jede eine Elektrode ausbildet oder aufnimmt, an. Ferner sind beide Sensorelemente elektrisch leitend verbunden, so dass im Kontaktbereich beider Sensorelemente eine gemeinsame Mittelelektrode ausgebildet wird.
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Zur Ausbildung einer gemeinsamen Mittelelektrode sind die beiden Sensorelemente derart aufeinandergelegt, dass die einander zugewandten Stirnflächen jeweils eine Anode oder jeweils eine Kathode ausbilden bzw. aufnehmen. Das heißt, dass die Anordnung der beiden Sensorelemente mit entgegengesetzter Polarisierung erfolgt. Entweder sind jeweils die Anoden oder die Kathoden innen- bzw. außenliegend angeordnet. Ferner kann die gemeinsame Mittelelektrode durch eine separate Elektrode, die zwischen den beiden einander zugewandten Stirnflächen der Sensorelemente angeordnet ist, ausgebildet sein. Sofern eine gemeinsame Mittelelektrode als separate Elektrode ausgebildet ist, können die auf den einander zugewandten Stirnflächen der Sensorelemente ausgebildeten Elektroden auch entfallen. Die elektrisch leitende Verbindung beider Sensorelemente wird dann unmittelbar über die gemeinsame Mittelelektrode hergestellt.
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Die gemeinsame Mittelelektrode reduziert den Aufwand der Kontaktierung, da es lediglich die Mittelelektrode zu kontaktieren gilt. Darüber hinaus weist die Sensoranordnung einen einfachen Aufbau auf. Die gestapelten Sensorelemente der Sensoranordnung stellen eine in sich zusammenhängende Baugruppe dar, die nicht erst durch kraftschlüssiges Aufeinanderpressen der Einzelelemente im eingebauten Zustand eine Einheit bilden. Denn die Sensorelemente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise werden die Sensorelemente zunächst einzeln gefertigt und danach zu einem gut handhabbaren Doppelsensorelement zusammengefügt. Dabei ist es möglich, die Polarisierung der Sensorelemente vor oder nach dem Fügen vorzunehmen. Ferner können die außenliegenden Elektroden vor oder nach dem Fügen ausgebildet bzw. auf die jeweiligen Stirnflächen der Sensorelemente aufgebracht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrisch leitende Verbindung beider Sensorelemente über eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Klebe- oder Lötverbindung, hergestellt. Das Verbindungs- bzw. Fügemittel, vorzugsweise ein elektrisch leitfähiger Klebstoff oder ein Lot, insbesondere Silberlot, kann dann zur Ausbildung der gemeinsamen Mittelelektrode herangezogen werden. Wie bereits erwähnt, kann die gemeinsame Mittelelektrode unmittelbar oder mittelbar eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Sensorelementen aus piezoelektrischem Material herstellen. Dies hängt davon ab, ob die einander zugewandten Stirnflächen der Sensorelemente jeweils eine weitere Elektrode ausbilden oder aufnehmen. Das elektrisch leitfähige Verbindungs- bzw. Fügemittel kann auch direkt auf die Stirnfläche des jeweiligen Sensorelements aus piezoelektrischem Material aufgebracht sein. Als piezoelektrisches Material findet vorzugsweise eine piezoelektrische Keramik Einsatz.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode auf eine Stirnfläche eines Sensorelementes aufgedruckt. Die hierzu auf einer Stirnfläche eines Sensorelementes aufgebrachte und eingebrannte Druckpaste kann dann der Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung beider Sensorelemente dienen, sofern es sich bei dieser Stirnfläche um die dem anderen Sensorelement zugewandte Stirnfläche handelt. Die auf diese Weise hergestellte elektrisch leitende Verbindung gewährleistet ferner die Ausbildung einer gemeinsamen Mittelelektrode. Vorzugsweise sind auf beiden einander zugewandten Stirnflächen aufgedruckte Elektroden aufgebracht. Weiterhin vorzugsweise erfolgt das Fügen der beiden Sensorelemente in einem Zustand, in dem die Druckpaste noch nicht eingebrannt, also nass ist. Die elektrisch leitende Verbindung der beiden Sensorelemente wird dann durch den Einbrennvorgang der Druckpaste im gefügten Zustand erzeugt. Gegebenenfalls erweist es sich hierbei als vorteilhaft, wenn die jeweils zu bedruckende Oberfläche aus piezoelektrischem Material zuvor einer Vorbehandlung unterzogen wurde. Die Vorbehandlung kann beispielsweise ein chemisches Anätzen oder ein Sandstrahlen der Oberfläche umfassen. Derartige Maßnahmen erhöhen die Rauigkeit der Oberfläche, welche wiederum zu einer verbesserten Haftung der Druckpaste auf der Oberfläche führt. Zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung beider Sensorelemente gilt es eine Druckpaste zu verwenden, die im eingebrannten Zustand elektrisch leitfähig ist.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die gemeinsame Mittelelektrode über die beiden Sensorelemente aus einem piezoelektrischen Material elektrisch isoliert ist. Das heißt, dass keine weitere elektrische Isolation der Mittelelektrode erforderlich ist. Dadurch wird der Aufbau der Sensoranordnung sowie deren Einbau in einem Bauteil, wie beispielsweise einem Kraftstoffinjektor, vereinfacht.
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Vorteilhafterweise weist die gemeinsame Mittelelektrode einen Bereich auf, der seitlich über den Umfang wenigstens eines Sensorelementes hinaus ragt. Der über den Umfang eines Sensorelementes hinaus ragende Bereich ist von außen leicht zugänglich und erleichtert somit die Kontaktierung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der seitlich über den Umfang wenigstens eines Sensorelementes hinaus ragende Bereich der gemeinsamen Mittelelektrode elastisch oder plastisch verformbar. Der über den Umfang wenigstens eines Sensorelementes hinaus ragende Bereich der gemeinsamen Mittelelektrode vermag auf diese Weise die Funktion eines Kontaktierungsdrahts zu übernehmen, der beim Einbau der Sensoranordnung in ein Bauteil direkt bis zu einem Bauteil-internen Kontakt oder Anschlusspunkt geführt und dort elektrisch angeschlossen werden kann. Damit können durch das Bauteil zu führende separate Leitungen zur Kontaktierung der gemeinsamen Mittelelektrode entfallen, wodurch der Einbau der Sensoranordnung in ein Bauteil vereinfacht wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass sich die gemeinsame Mittelelektrode nur über einen Teilbereich der beiden einander zugewandten Stirnflächen der Sensorelemente erstreckt. Beispielsweise kann die Mittelelektrode gitter- oder netzartig ausgebildet sein. Die Durchbrechungen innerhalb einer solchen Gitter- oder Netzstruktur verbessert die stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung beider Sensorelemente. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die gemeinsame Mittelelektrode zumindest in einem Teilbereich beabstandet zum außenliegenden Rand einer Stirnfläche eines Sensorelementes ausgebildet bzw. angeordnet ist. Der Randabstand gewährleistet die elektrische Isolation der Mittelelektrode über die beidseits angeordneten Sensorelemente.
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Der des Weiteren beanspruchte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung aus. Dabei ist die Sensoranordnung in einem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet und beim Öffnen und Schließen einer Düsennadel unmittelbar oder mittelbar mit einer Axialkraft beaufschlagbar, die proportional zum Steuerraumdruck in einem Steuerraum ist. Anhand charakteristischer Druckänderungen beim Öffnen und Schließen der Düsennadel kann dann über die Sensoranordnung der Nadelschließzeitpunkt erkannt werden. Durch die Anordnung im Niederdruckbereich wird die Sensoranordnung im Unterschied zur Anordnung im Hochdruckbereich nur geringen Belastungen ausgesetzt. Ferner wird wiederum die Kontaktierung der Sensoranordnung erleichtert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Sensorelement der Sensoranordnung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zur Herstellung einer Masseverbindung über wenigstens eine Stirnfläche oder über eine auf der Stirnfläche ausgebildete Elektrode unmittelbar oder mittelbar mit einem Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors elektrisch verbunden. Die erforderliche Masseverbindung wird dann automatisch über den Einbau der Sensoranordnung realisiert. Eine Kontaktierung über separate Leitungen ist nicht erforderlich. Dadurch kann der Einbau der Sensoranordnung in den Kraftstoffinjektor vereinfacht werden, was wiederum zu einer Reduzierung der Herstellungskosten des Kraftstoffinjektors führt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Sensoranordnung,
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2 einen Querschnitt durch ein Sensorelement einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
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3 einen Querschnitt durch die Sensorelemente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung vor dem Fügen,
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4a einen Querschnitt durch die Sensorelemente der erfindungsgemäßen Sensoranordnung der 3 nach dem Fügen und
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4b eine Draufsicht auf die Sensoranordnung der 4a.
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Ausführl iche Beschreibung der Zeichnungen
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Aus 1 geht eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfassend zwei Sensorelemente 1, 2 aus einer piezoelektrischen Keramik mit jeweils zwei parallel zueinander liegenden Stirnflächen 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 hervor, die jeweils eine Elektrode 3, 4, 5 ausbilden oder aufnehmen. Die beiden Sensorelemente 1, 2 sind derart gestapelt angeordnet, dass sich die Anoden ausbildenden oder aufnehmenden Stirnflächen 1.2, 2.1 der Sensorelemente 1, 2 gegenüberliegen. Das heißt, dass die Sensorelemente 1, 2 umgekehrt polarisiert sind. Während die beiden innenliegenden Stirnflächen 1.2, 2.1 Anoden ausbilden oder aufnehmen, dienen die beiden außenliegenden Stirnflächen 1.1, 2.2 der Ausbildung bzw. Aufnahme der Kathoden. Beim Einbau der Sensoranordnung in ein Bauteil, beispielsweise in einen Kraftstoffinjektor, werden die Kathoden ausbildenden oder aufnehmenden Stirnflächen 1.1, 2.2 vorzugsweise direkt an ein Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors (nicht dargestellt) angelegt und über den Kontakt mit dem Gehäuseteil die erforderliche Masseverbindung 8 hergestellt. Lediglich der Anschluss der gemeinsamen Mittelelektrode 5 bedarf dann noch einer gezielten Kontaktierung. Hierzu kann ein Kontaktierungsdraht 9 über den Umfang der Sensoranordnung an die gemeinsame Mittelelektrode 5 heran geführt werden.
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Der 2 ist der Aufbau eines einzelnen Sensorelementes 2 einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zu entnehmen. Das in der 2 gezeigte Sensorelement 2 weist zwei parallele Stirnflächen 2.1, 2.2 auf, welche Elektroden 3, 4 ausbilden oder aufnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst zwei solcher Sensorelemente 1, 2, welche in umgekehrt polarisierter Anordnung beispielsweise über eine Klebe- oder Lötverbindung elektrisch leitend verbunden sind. Zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung und zur Ausbildung einer gemeinsamen Mittelelektrode 5 wird vorzugsweise ein elektrisch leitfähiger Klebstoff oder ein elektrisch leitfähiges Lot verwendet. Auf diese Weise ist eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung beider Sensorelemente 1, 2 mit einfachen Mitteln herstellbar.
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Wie in der 3 dargestellt, kann die gemeinsame Mittelelektrode 5 durch eine separate, zwischen die beiden Sensorelemente 1, 2 vor dem Fügen einzulegende Elektrode ausgebildet werden. Die Elektrode kann zugleich ein Verbindungsoder Fügemittel zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung der Sensorelemente 1, 2 sein.
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Wie in der 4a dargestellt, kommt die gemeinsame Mittelelektrode 5 auf den Elektroden 4 zu liegen, die auf den einander zugewandten Stirnflächen 1.2, 2.1. der beiden Sensorelemente 1, 2 ausgebildet bzw. aufgebracht sind. Um die Kontaktierung der gemeinsamen Mittelelektrode 5 zu vereinfachen, weist diese einen Bereich 6 auf, welche seitlich über den Umfang 7 der Sensorelemente 1, 2 hinaus ragt. Besonders deutlich ist dies der Draufsicht der 4b zu entnehmen. Ist der Bereich 6 zudem flexibel bzw. biegsam ausgeführt, kann der überstehende Kontaktbereich bis an einen internen Anschlusspunkt herangeführt werden. Der Bereich 6 ersetzt somit einen zusätzlichen Kontaktierungsdraht 9.
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Alternativ zu den in den 1 bis 4b dargestellten Ausführungsformen kann die elektrisch leitende Verbindung der Sensorelemente 1, 2 auch ohne Verwendung eines zusätzlichen Fügemittels hergestellt werden. Werden beispielsweise die Elektroden 4 auf die einander zugewandten Stirnflächen 1.2, 2.1 der Sensorelemente 1, 2 aufgedruckt und anschließend eingebrannt, kann die aufgebrachte noch nasse Druckpaste als Fügemittel dienen. Die aufgebrachte und eingebrannte Druckpaste bildet zugleich die gemeinsame Mittelelektrode 5 aus. Dabei kann die Druckpaste nur auf eine oder beide Stirnflächen 1.2, 2.1 aufgetragen werden.
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Ferner ist bei Ausbildung einer gemeinsamen Mittelelektrode 5 die Ausbildung separater Elektroden 4 auf den einander zugewandten Stirnflächen 1.2, 2.1 der Sensorelemente 1, 2 verzichtbar. Es genügt, dass zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung und zur Ausbildung der gemeinsamen Mittelelektrode 5 ein elektrisch leitfähiges Fügemittel zwischen beiden Sensorelementen 1, 2 angeordnet wird. Die gemeinsame Mittelelektrode 5 kann demnach auch die Elektroden 4 der Sensorelemente 1, 2 ersetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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