DE3021451A1

DE3021451A1 - Vorrichtung zur feststellung einer winkelgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE3021451A1
Application number: DE19803021451
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Gotoh; Fumitaka Takahashi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1979-06-08
Filing date: 1980-06-06
Publication date: 1981-01-29
Also published as: JPS55177655U; FR2458810A1; US4348900A; GB2053470A; GB2053470B; FR2458810B1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. WniCXM.-iNNyUrPLi-Pinx. Dr. K. I'incki

Dipl.-Ing. R Ä.Weickmann, Dipl.-'Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska 3021451

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8000 MÜNCHEN 86, DEN - Q, ^SBrt POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA
27-8, Jingumae 6-chome, Shibuya-ku
Tokyo, Japan

Vorrichtung zur Feststellung einer Winkelgeschwindigkeit

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Diese Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Ablenkung einer Gasströmung.

Winkelgeschwindigkeitssensoren, die auch als "Gasströmungssensoren" bezeichnet werden, dienen zur Kurseinstellung oder Positionskontrolle eines Schiffs, eines Automobils usw. Solche Winkelgeschwindigkeitssensoren sind widerstandsfähiger gegen Vibrationen als Kreiselkompasse und können die Winkelgeschwindigkeit eines Schiffs oder eines Automobils mit höherer Genauigkeit und viel besserer Empfindlichkeit als Kurskreisel feststellen.

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor hat allgemein ein Gehäuse, in dem ein Sensorkörper angeordnet ist. Dieser enthält eine Düse und einen Gasströmungssensor aus wärmeempfindlichen Elementen. Eine Abdeckung verschließt die Öffnung des Gehäuses und bildet einen Teil der Wand einer Pumpkammer, die in dem Gehäuse ausgebildet ist. Ein derartiger Winkelgeschwindigkeitssensor stellt die Winkelgeschwindigkeit eines Objekts fest, in dem er montiert ist, und arbeitet derart, daß ein von der Pumpkammer zugeführtes Gas durch die Düse hindurch auf die wärmeempfindlichen Elemente strahlförmig gerichtet wird. Eine Änderung des Ausgangssignals des Gasströmungssensors, die durch Ablenkung der Gasströmung unter dem Einfluß einer Winkelgeschwindigkeit des Objekts verursacht wird, kann zur Bestimmung des Wertes der Winkelgeschwindigkeit ausgewertet werden.

Bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor bisheriger Art besteht der Sensorkörper aus einer zylindrischen Hülse, an deren einem Ende die Düse befestigt ist. Die Düsenöffnung ist in der diametralen Mitte der Hülse angeordnet, und ein Halter für den Gasströmungssensor ist am anderen Ende der Hülse befestigt.

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Er hält einen Gasströmungssensor, der aus zwei wärmeempfindlichen Elementen besteht, welche symmetrisch zur diametralen Mitte der Hülse angeordnet sind. Eine auf die wärmeempfindlichen Elemente durch die Düsenöffnung hindurch gerichtete Gasströmung wird je nach dem Grad der Winkelgeschwindigkeit des Objekts abgelenkt, wodurch sich eine Differenz der mit den beiden wärmeempfindlichen Elementen festgestellten Strahlungswärme der Gasströmung ergibt. Die damit verbundenen Ausgangssignale der beiden wärmeempfindlichen Elemente unterscheiden sich dann um einen Betrag, der der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit entspricht. Die Winkelgeschwindigkeit des Objekts kann auf diese Weise festgestellt werden.

Da Winkelgeschwindigkeitssensoren dieser Art den Wert einer auf sie einwirkenden Winkelgeschwindigkeit abhängig von einem feinen Unterschied der GasStrahlungswärme an den beiden wärmeempfindlichen Elementen feststellen können, muß die Achse der Düsenöffnung genau auf eine Linie ausgerichtet sein, die die beiden wärmeempfindlichen Elemente verbindet, damit die genaue Arbeitsweise des Sensors gewährleistet ist. Diese Linie wird im folgenden auch als "Symmetrielinie" bezeichnet. Bei den bisherigen Winkelgeschwindigkeitssensoren bestehen jedoch die Hülse und der Düsenkörper aus separaten Teilen, und der Halter für den Gasströmungssensor ist innerhalb des Gehäuses an einer separaten Platte befestigt. Deshalb können Fehler beim Zusammenbau des Geräts und bei der Einstellung der Einzelteile auftreten, wodurch die Symmetrielinie der beiden wärmeempfindlichen Elemente und die Achse der Düsenöffnung nicht genau aufeinander ausgerichtet sind. Dadurch können wiederum Gasturbulenzen im Raum zwischen den wärmeempfindlichen Elementen und der Düsenöffnung auftreten, die die Auswertegenauigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors beeinträchtigen.

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Außerdem bestehen die bisherigen Winkelgeschwindigkeitssensoren aus einer Vielzahl von Einzelteilen. Deshalb ist ein hoher Zeitaufwand zum Zusammenbau und zur Einstellung der Einzelteile erforderlich, und es treten Fehlerhäufungen beim Zusammenbau auf, die die Gesamtleistung des Sensors beeinträchtigen.

Da die Auswertung der Winkelgeschwindigkeit von einem sehr kleinen Unterschied der Strahlungswärme der Gasströmung an den beiden wärmeempfindlichen Elementen abhängt, sollte die aus der Düsenöffnung austretende Gasströmung eine genau vorgegebene Stromlinienform haben. Zu diesem Zweck wird ein Gas verwendet, das eine kleine Molekülgröße hat und deshalb gute Stromlinienbildungseigenschaften aufweist. Ein übliches Dichtungsverfahren ist jedoch nicht zur vollständigen Vermeidung von Gasaustritten bei derart kleinen Molekülen geeignet, so daß nach längerer Betriebszeit Gas aus dem Sensorgehäuse austreten kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor anzugeben, der einfacher als bisher aufgebaut ist, jedoch eine höhere Genauigkeit gewährleistet und den Austritt von Gas zuverlässig vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem Sensor nach der Erfindung-sind der Düsenkörper, eine Hülse, ein Halter für die Sensorelemente, eine Pumpkammer und weitere Einzelteile einstückig ausgebildet. Es ergeben sich deshalb nur sehr wenige Lokalisierungspunkte beim Zusammenbau der Einzelteile, wodurch eine höhere Genauigkeit, verbunden mit einer besseren Konzentrizität der

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Düsenöffnung mit den wärmeempfindlichen Elementen gewährleistet ist. Dies macht eine Massenherstellung des Sensors besser als bisher möglich.

Der gesamte Sensor kann aus einem Sensorkörper, einem Gehäuse und einem Verschluß bestehen. Diese drei einheitlichen Teile können separat hergestellt werden, wonach der Sensor sehr einfach zusammengebaut werden kann.

Gleichzeitig ist es möglich, diese Teile sehr dicht miteinander zu verbinden, so daß auch der Austritt eines Gases verhindert wird, das eine kleine Molekülgröße hat.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Winkelgeschwindigkeitssensors bisheriger Art,

Fig. 2 den Schnitt II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Strahlungswärmeverteilung einer Gasströmung in einem Winkelgeschwindigkeitssensor ,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Auslenkung einer Gasströmung unter dem Einfluß einer Winkelgeschwindigkeit, die auf den Sensor einwirkt,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 die Vorderansicht einer einstückigen Konstruktion mit einer Düsenöffnung, einer Hülse und einem Halter für wärmeempfindliche Elemente bei dem in Fig. 5 gezeigten Sensor,

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Fig. 7 eine Seitenansicht der in Fig. 6 gezeigten Konstruktion,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung des Sensorkörpers bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 den Längsschnitt eines Gehäuses für den Sensorkörper nach Fig. 8,

Fig. 10 den Schnitt X-X nach Fig. 9,

Fig. 11 den Längsschnitt eines Halterings, der in der Öffnung des Sensorkörpers nach Fig. 8 zu befestigen ist, und

Fig. 12 den Längsschnitt einer Gasdichtung für einen Sensorkörper nach Fig. 8.

In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt die Konstruktion eines Winkelgeschwindigkeitssensors nach dem Stand der Technik. Es ist ein Gehäuse 1 mit einem Sensorkörper 2 vorgesehen, der einstückig angeformt ist. Die beiden Enden sind durch Platten 3 und 4 verschlossen. Der Sensorkörper 2 hat eine hohlzylindrische Hülse 5, die durch entsprechende Bearbeitung eines Teils des Gehäuses 1 hergestellt ist. An einem Ende der Hülse 5 ist ein Düsenkörper 6 befestigt, der eine Düsenöffnung 7 sowie mehrere Richtöffnungen 8 hat. Ein Halter 10 ist an dem Gehäuse mit der Hülse 5 befestigt, und eine Platte 9, die als Halter für ein Gasströmungssensor 11 dient, trägt zwei wärmeempfindliche Elemente 11a und 11b. Diese beiden Elemente 11a und 11b sind der Düsenöffnung 7 gegenüberliegend mit Abstand zueinander angeordnet.

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Eine Pumpkammer 13 ist in dem Gehäuse 1 zwischen der Platte und der Platte 3 ausgebildet und enthält eine piezoelektrische Platte 14 mit einer öffnung 14a. Die piezoelektrische Platte vibriert bei Anschaltung einer elektrischen Spannung und dient somit als Pumpelement.

Wenn die piezoelektrische Platte 14 so verlagert wird, daß das Volumen auf der Saugseite 13b der Pumpkammer 13 vergrößert wird, so wird Gas in die Abgabeseite 13a der Kammer 13 von der Saugseite 13b durch die öffnung 14a eingeführt. Wenn dann die piezoelektrische Platte 14 in Richtung einer Verringerung des Volumens der Saugseite 13b bewegt wird, so wird das Gas aus dem Raum 13a durch die öffnung 14a herausgedrückt und durch den Raum der Saugseite 13b und die Ausgabebohrung 9a der Platte 9 in eine Druckkammer 16 befördert, wo das Gas expandiert. Das expandierte Gas gelangt dann in einen Gaskanal 17 und expandiert nochmals in einer Düsenkammer 18. Es wird dann durch die Düsenöffnung 17 und die Richtöffnungen 8 in die Hülse 5 befördert. Das in die Hülse beförderte Gas wird durch öffnungen 11' des Gasströmungssensors 11 in eine Abgaskammer 21 befördert und dann wieder in den Saugraum 13b geführt. Durch Wiederholung dieses Zyklus zirkuliert das Gas in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb des Winkelgeschwindigkeitssensors.

Bei einem so aufgebauten Sensor kann die durch die Düsenöffnung 7 in die Hülse 5 beförderte Gasströmung entweder laminar oder stromlinienförmig oder turbulent ausgebildet werden, was von der Strömungsgeschwindigkeit V, dem Durchmesser der Düsenöffnung 7 und einer Konstante V abhängt, die die Natur des Gases angibt (kinematischer Viskositätskoeffizient). Da ein Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Art die Winkelgeschwindigkeit durch Auswertung eines nur sehr geringen Unterschiedes der Strahlungswärmeverteilung in der Gasströmung

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auswertet, die auf die beiden wärmeempfindlichen Elemente in noch zu beschreibender Weise einwirkt, muß die Gasströmung eine genaue Stromlinienausbildung haben, ohne daß eine Turbulenz in dem geschlossenen Kreislauf auftritt. Zu diesem Zweck muß die Reynolds-Zahl R (dimensionslose Zahl), die durch die folgende Formel angegeben wird, durch Auswahl der Gasströmung V und des Düsenöffnungsdurchmessers D möglichst klein gehalten werden.

R = VD/v (1)

Die Stromlinienform der aus der Düsenöffnung 7 austretenden Gasströmung hat eine Strahlungswärmeverteilung, die in Fig. 3 für den Bereich des Gasströmungssensors 11 unter einem gewissen Abstand von der Düsenöffnung 7 dargestellt ist. Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Strahlungswärmeverteilungen in den Bereichen a und b gemäß Geraden verlaufen, die sich einander annähern. Deshalb sind die beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b des Gasströmungssensors 11 in den Mitten der linearen Änderungsbereiche a und b symmetrisch zueinander auf den beiden Seiten der Achse 0 der Gasströmung (Fig. 1) angeordnet, um Änderungen der Strahlungswärmemenge festzustellen. Wie Fig. 4 zeigt, kann bei stationärem Winkelgeschwindigkeitssensor das Gas längs einer Mittellinie strömen, die durchgezogen dargestellt ist, so daß die beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b des Gasströmungssensors 11 gleiche Strahlungswärmemengen aufnehmen und übereinstimmende Signale abgeben. Wenn auf den Winkelgeschwindigkeitssensor eine Winkelgeschwindigkeit ω einwirkt, so erfährt das Gas eine Ablenkung e , die durch die folgende Formel angegeben wird und einen Unterschied der Wärmemengen verursacht, die von den beiden wärmeempfindlichen Elementen 11a und 11b aufgenommen werden. Dadurch ergibt sich ein Unterschied der Ausgangssignale dieser beiden Elemente, der den Winkelgeschwindigkeitswert repräsentiert.

£ = r² ω/V (2)

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Hierbei ist r der Abstand zwischen der Düsenöffnung 7 und dem Strömungssensor 11.

Es sei bemerkt, daß bei einem solchen Winkelgeschwindigkeitssensor eine Turbulenz des Gasstrahls einen·großen Einfluß auf den festgestellten Winkelgeschwindigkeitswert hat. Dieser Einfluß ist besonders bei kleinen Winkelgeschwindigkeitswerten beachtlich. Um dies zu verhindern, muß der Gasstrahl seine genaue Stromlinienform beibehalten. Zu diesem Zweck muß die Reynolds-Zahl in beschriebener Weise auf einen minimalen möglichen Wert gebracht werden.

Aus der Formel (1) ist zu entnehmen, daß für einen kleinen Wert der Reynolds-Zahl entweder die Strömungsgeschwindigkeit V oder der Düsenöffnungsdurchmesser D möglichst klein sein muß. Wenn jedoch die Strömungsgeschwindigkeit V auf einen kleinen Wert gebracht wird, so ist die von dem Gasstrahl abgegebene Strahlungswärme klein, was in einer geringeren Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors resultiert. Deshalb muß der Düsenöffnungsdurchmesser D auf einen möglichst kleinen Wert gebracht werden. Eine Verringerung des Düsenöffnungsdurchmessers D bedeutet jedoch eine entsprechende Verringerung des Querschnitts des Gasstrahls, so daß damit der Abstand d zwischen den beiden wärmeempfindlichen Elementen 11a und 11b kleiner gemacht werden muß. Dadurch sind dann enge Herstellungstoleranzen erforderlich, wenn die Mitte des Abstandes d genau auf die Achse des Gasstrahls ausgerichtet werden soll.

Bei dem vorstehend beschriebenen bekannten Winkelgeschwindigkeitssensor führt die separate Herstellung der Düsenöffnung 7 und der Hülse 5 zu einer üngenauigkeit beim Zusammensetzen dieser Teile, wodurch die Symmetriemitte der beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b nicht genau auf die

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Achse der Düsenöffnung 7 ausgerichtet ist. Dadurch tritt eine Gasturbulenz im Raum zwischen den Elementen 11a und 11b und der Düsenöffnung 7 ein, die zu einer geringeren Auswertegenauigkeit führt. Fig. 3 zeigt, daß bei einer großen Differenz zwischen der Achse O des Gasstrahls und der Symmetrielinie O¹ der beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b infolge Herstellungstoleranzen entweder das rechte Element 11a oder das linke Element 11b eine Verlagerung gegenüber dem Bereich der linearen Änderung der Strahlungswärmeverteilung erfährt, wenn eine große Winkelgeschwindigkeit auf den Sensor einwirkt. Dies führt zu einer Verkleinerung des Winkelgeschwindigkeitsbereichs, der mit einer vorgegebenen Genauigkeit auswertbar ist. Gemäß Fig. 3 ist der auswertbare maximale Winkelgeschwindigkeitsbereich auf den kleineren der Werte ω = ε ..V/r² und ω_ = £ „v/r² begrenzt, entsprechend den Bereichen ε₁ und 6 ₂· ^Wenn ^₁ gleich t₂ ist, wobei die beiden Linien 0 und O¹ zusammenfallen, so wird der auswertbare Winkelgeschwindigkeitsbereich maximal.

Durch die separate Herstellung der Hülse 5 und des Halters für die wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b ergeben sich beim Zusammenbau des bekannten Winkelgeschwindigkeitssensors große Abweichungen der Hülse 5 und des Halters 10 von ihren vorgegebenen Positionen auf den in Fig. 1 gezeigten Auflageflächen A und B, wodurch ein ähnlicher Nachteil wie der vorstehend beschriebene eintritt. Zusätzlich führt die in Fig. erkennbare große Anzahl an Einzelteilen zu einer Akkumulierung von Fehlern.

In Fig. 5 bis 12 sind Winkelgeschwindigkeitssensoren nach der Erfindung dargestellt. Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Innengehäuse 19 einstückiger Ausführung, zu dem ein Düsenkörper 6, eine Hülse 5 und ein Gasströmungssensorhalter 10 gehören. Dieses Innengehäuse 19 ist ■

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in Fig. 6 vergrößert dargestellt. Es hat einen hohlzylindrischen Abschnitt 19a mit kreisrundem Querschnitt und eine Abschlußwand 6, die ein Ende des zylindrischen Abschnitts 19a abschließt. Der Abschnitt 19a schließt einen in seiner Längsrichtung verlaufenden Strömungskanal 27 ein. Eine axialsDüsenöffnung 7 ist in der Abschlußwand 6 in der Mitte vorgesehen und steht mit dem Strömungskanal 27 in Verbindung. Sie ist von mehreren Richtöffnungen 8 umgeben, die gleichfalls in der Abschlußwand 6 vorgesehen und auf einem Kreis angeordnet sind. In der Innenwand des Innengehäuses 19 ist ein Halter 10 durch zwei in Längsrichtung beabstandete Abstufungen 10a, 10b nahe dem anderen Ende des zylindrischen Abschnitts 19a ausgebildet. Die beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b sind an diesem Halteabschnitt 10 des Innengehäuses 9 mit einem Träger 20 befestigt. Die beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b sollten vorzugsweise aus Heizdraht bestehen.

Das andere Ende des einstückigen Körpers 19 steht über den Halteabschnitt 10 mit dem Strömungskanal 27 in Verbindung. An diesem Ende ist ein Pumpenhalter 9 befestigt. Dieser Pumpenhalter 9 hat einen ü-förmigen Längsschnitt und einen Außendurchmesser, der größer als derjenige des zylindrischen Abschnitts 19a ist, d.h. er entspricht dem Innendurchmesser des offenen Endes des Außengehäuses 1, in dem der Halter gehalten ist. Die dem zylindrischen Abschnitt 19a zugewandte Seite des Pumpenhalters 9 ist mit einer Abschlußwand 9¹ versehen, die eine Ausgabeöffnung 9a und eine zentrale öffnung 9b aufweist, während die andere Seite des Pumpengehalters 9 als eine öffnung 9c ausgebildet ist, deren Durchmesser größer als derjenige der öffnung 9b ist. In dieser öffnung 9c ist eine Pumpenkappe 3 befestigt, die eine Verschlußplatte sein kann.

Das Innengehäuse 19 ist in dem Außengehäuse 1 befestigt. Eine Abschlußplatte 4 ist in das Außengehäuse 1 an der Rückseite

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des Innengehäuses 19 eingesetzt. Auf der Rückseite der Abschlußplatte 4 ist in das Gehäuse 1 eine Endplatte 23 eingesetzt, die Anschlüsse 22, 24 trägt. Diese sind mit den wärmeempfindlichen Elementen und einer Pumpenplatte 14 über Leitungen 22a und 24a verbunden.

Fig. 5 zeigt ferner eine Pumpkammer 13, einen Ausgaberaum 13a, einen Saugraum 13b, eine Druckkamer 16, einen Gaskanal 17, eine Düsenkammer 18 und eine Gaskammer 21. Da diese Kammern in ähnlicher Anordnung wie in Fig. 1 gezeigt vorgesehen sind, müssen sie hier nicht weiter beschrieben werden. In der Pumpkammer 13 ist eine Pumpplatte 14 über ein flexibles Metallblech 14c befestigt. Diese Pumpplatte 14 kann eine piezoelektrische Platte wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Sensor sein. Sie hat eine öffnung 14a konzentrisch mit einer Abgabeöffnung 9a, die in der Abschlußwand 9' des Pumpenhalters 9 ausgebildet ist.

Beim Zusammenbau des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors werden zunächst die wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b an dem Halterteil 10 des Innengehäuses 19 mit dem Träger 20 in symmetrischer Anordnung zur Achse des Halterteils 10 befestigt. Hierbei erfolgt automatisch eine Positionierung der wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b lediglich dadurch, daß der Träger 20 an der abgestuften ringförmigen Fläche C befestigt wird, die an der Innenwand des Innengehäuses 19 (Fig. 6) ausgebildet ist. Das Innengehäuse wird dann mit den in ihm montierten wärmeempfindlichen Elementen in einen Führungsabschnitt 25 des Außengehäuses 1 eingesetzt. Dann wird der Pumpenhalter 9 mit seiner öffnung 9b auf einen ringförmig abgestuften Abschnitt D an einem Ende des Außenumfangs des Innengehäuses 19 (Fig. 6) aufgesetzt, wonach die Pumpenplatte 14 und die Pumpenkappe 3 in den Pumpenhalter 9 eingesetzt werden. Hierbei wird eine Positionierung des Pumpenhalters 9 durch das Aufsetzen auf eine ringförmig

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abgestufte Fläche E erreicht, die an der Innenwand des Gehäuses 1 ausgebildet ist. Gleichzeitig wird das einstückige Innengehäuse 19, das am Pumpenhalter 9 sitzt, gleichfalls mittels der Fläche E positioniert und fixiert. Beim Befestigen der Pumpenkappe 3 in dem Pumpenhalter 9 wird diese an einer Fläche F des Pumpenhalters 9 positioniert und befestigt, während gleichzeitig eine flexible Metallfolie 14c, die eine piezoelektrische Platte 14b als Pumpenplatte 14 trägt, mit ihrem Außenrand zwischen dem Pumpenhalter 9 und der Pumpenkappe 3 festgehalten wird. Am anderen Ende wird die Abschlußplatte 4 an einer abgestuften Fläche G an der Innenwand des Außengehäuses 1 befestigt und die Anschlußplatte 23 an einer abgestuften Fläche H an derselben Innenwand eingepaßt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird durch die einstückige Konstruktion mit der Düse 7, der Hülse 5 und dem Strömungssensorhalter 10 eine genaue Positionierung der Hauptteile des Winkelgeschwindigkeitssensors erreicht, die sich direkt auf die Meßgenauigkeit auswirkt. Hierzu muß lediglich der einstückige Körper 19 an der für ihn vorbestimmten Stelle im Außengehäuse 1 positioniert werden, und es ist keine weitere Einstellung dieser Position erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor wird durch die einstückige Ausbildung der Düse 7 und der Hülse 5 die Möglichkeit der Fehlausrichtung zwischen den beiden Teilen sowie die Möglichkeit der Akkumulation von Positionierungsfehlern vollständig ausgeschaltet. Ferner wird die Positionierung der beiden wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b durch Ausnutzung der Innenwand des Halters 10 als Führung über den Träger 20 erreicht, so daß eine Abweichung der Symmetrielinie der Elemente 11a und 11b von der Achse der Düsenöffnung 7 minimal gehalten werden kann.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser Sensorkörper hat ein Innengehäuse 19' einstückiger

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Konstruktion mit einem hohlzylindrischen Abschnitt 19'a mit kreisrundem Querschnitt, einem Pumpenhalterteil 19'b an einem offenen Ende des zylindrischen Abschnitts 19'a und eine Einschnürung 19'c, über die die beiden Teile verbunden sind. Der Sensorkörper dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich also hauptsächlich von dem in Fig. 5 bis 7 gezeigten dadurch, daß auch der Pumpenhalter 19'b einstückig an den Körper 19 angeformt ist. Ferner hat der Gasströmungssensor 11, der an einem Halter 10 an der Innenwand des Innengehäuses 19' in derselben Weise wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel befestigt ist, einen Träger 20 aus keramischem Material. In dem Träger 20 sind nicht dargestellte Bohrungen vorgesehen, die ähnlich den Bohrungen 11' in Fig. 1 und 2 sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei wärmeempfindliche Elemente 11a und 11b an dem Träger befestigt und werden in noch zu beschreibender Weise so positioniert, daß ihre Symmetrielinie auf die Achse einer Düsenöffnung 7 ausgerichtet ist, die am rechten Ende des Innengehäuses vorgesehen ist. Ferner hat der Pumpenhalter 19'b einen Teil an seinem Außenumfang, der mit einer in Längsrichtung verlaufenden Positionierungsnut 29 versehen ist.

Die anderen Konstruktionsmerkmale dieses Ausführungsbeispiels stimmen im wesentlichen mit denjenigen des zuvor beschriebenen überein, weshalb sie hier nicht erläutert werden müssen.

Bei diesem Sensorkörper muß zur Beibehaltung der erforderlichen Meßgenauigkeit die Konzentrizität der Düsenöffnung 7, des Halters 10, der Symmetrielinie der wärmeempfindlichen Elemente 11a, 11b und der Pumpenkammer 13 möglichst optimal sein und gleichzeitig die öffnung 14a der piezoelektrischen Platte 14 auf die Pumpenausgabeöffnung 15 in einer Wand 19'b' des Pumpenhalters 19'b ausgerichtet sein. Zu diesem Zweck

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werden die Düsenöffnung 7, der Halter 10 und die Pumpenkammer 13 gleichzeitig bezogen auf den Außenumfang des kreisrunden zylindrischen Abschnitts 19'a hergestellt, wodurch die erforderliche Konzentrizität erreicht wird. Ferner werden die Bohrungen im Träger 20 zur Befestigung der wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b, die öffnung 14a in der piezoelektrischen Platte 14 und die Pumpenausgabeöffnung 15 im Pumpenhalter 19'b gleichzeitig hergestellt, indem eine Lehrenplatte anstelle der Verschlußplatte 3 in den Pumpenhalter 19'b eingesetzt wird. Dadurch ist die Massenherstellung von Sensoren mit hoher Positionsgenauigkeit und ohne Änderungen der Positionierung der Einzelteile möglich.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel führt die einstückige Konstruktion des gesamten Sensorkörpers zu einer hohen Konzentrizität der verschiedenen Elemente und gleichzeitig zu einer wesentlich verringerten Möglichkeit des Gasaustritts, denn es sind wesentlich weniger Verbindungsstellen von Einzelteilen als bei bekannten Sensoren vorgesehen. Ferner ermöglicht der keramische Träger 20 für die wärmeempfindlichen Elemente 11a und 11b nicht nur eine gute elektrische Isolation, sondern auch eine exakte Zentrierung bezüglich des Außenumfangs des zylindrischen Abschnitts 19'a, wodurch eine genaue Symmetrie der wärmeempfindlichen Elemente zur Mitte des Strömungssensors erreicht wird.

Fig. 9 zeigt ein Gehäuse 1' für den in Fig. 8 gezeigten Sensorkörper 19'. Dieses Gehäuse 1' ist einstückig ausgeführt und hat einen Becher 30 mit hohlzylindrischem Querschnitt, dessen eines Ende mit einer Wand 31 verschlossen ist. Der Becher 30 hat drei in Längsrichtung verlaufende Vorsprünge 32, die nach innen zur Achse O gerichtet sind und übereinstimmende Abstände zueinander haben, wie Fig. 10 in einem Querschnitt zeigt. Längskanäle 33 sind zwischen einander benachbarten Vorsprüngen 32 und zugeordneten Außenflächen des Innengehäuses19'

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ausgebildet, wenn das Innengehäuse 19' in dem Außengehäuse 1' angeordnet ist.Am anderen Ende des Bechers 30 ist eine öffnung 34 vorgesehen, deren ümfangskante einstückig mit einem radial nach außen stehenden Ringflansch 35 versehen ist; Die öffnung 34 ist an ihrer Innenseite als Senkbohrung 36 ausgebildet. Ein Halteabschnitt 37 für den Halter 19'b des Sensorkörpers ist in der Senkbohrung 36 ausgebildet und endet in einer ringförmig abgestuften Fläche 38, die gleichfalls an der Innenwand des Gehäuses 1' ausgebildet ist. Der Halterabschnitt 37 hat ferner einen Positionierungsvorsprung 40, der radial nach innen ragt und in die Positionierungsnut 29 des Halters 19'b des Innengehäuses 19' paßt.

Fig. 11 zeigt einen Haltering 41, der in die Senkbohrung 36 des Außengehäuses 1' (Fig. 9) einzusetzen ist. Dieser Haltering 41 ist mit einem Außengewinde 41a versehen und hat eine zentrale Bohrung 41b zur Durchführung von Anschlußleitungen usw.

Fig. 12 zeigt eine Dichtungsvorrichtung 42. Diese umfaßt einen hermetisch dichtenden Grundkörper 43 aus Metall, dessen Ümfangskante entsprechend derjenigen des Flansches 35 des Außengehäuses 1' ausgebildet ist, so daß der Grundkörper 43 und der Flansch 35 durch Widerstandsschweißung miteinander verbunden werden können. Zu diesem Zweck bestehen der Grundkörper 43 und der Flansch 35 aus Materialien, die ein Widerstandsschweißen sowie eine hermetische Dichtung durch Kompression ermöglichen.

Der Grundkörper 43 hat einen verdickten Mittelteil 43a und einen dünneren Ringflansch 43b am Umfang des Mittelteils 43a. Der dünnere Flansch 43b hat einen ringförmigen Vorsprung 43b' an seiner Innenseite, der eine Verschweißung ermöglicht.

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Der Mittelteil 43a ist mit einer Bohrung 43a¹ versehen, durch die ein Anschlußdraht 45 hindurchgeführt ist. Dieser ist in einem Glaskörper 44 gehalten, welcher in die Bohrung 43a¹ eingesetzt ist. Die piezoelektrische Platte 14 in der Pumpkammer 13 wird über diese Leitung 45 mit elektrischer Leistung versorgt. Die Bohrung 43a¹ kann auch zur Führung eines Anschlußdrahtes für das Ausgangssignal des Gassensors 11 ' nach außen verwendet werden. Der Glaseinsatz 44 besteht aus einem Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der demjenigen des Grundkörpers 43 nahekommt.

Beim Zusammenbau des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors werden der Sensorkörper 19', das Außengehäuse 1' und die Dichtungsvorrichtung 42 separat hergestellt. Der Sensorkörper 19' wird mit den in ihn eingebauten Teilen in den Becher 30 des Gehäuses 1' durch die öffnung 34 hindurch eingesetzt und an der für ihn vorbestimmten Stelle positioniert. Danach wird der Haltering 41 in die Senkbohrung 36 des Gehäuses 1' eingeschraubt, wodurch der Sensorkörper 19' festgelegt ist.

Nach der elektrischen Beschaltung mit dem Anschlußdraht 45 wird der Dichtungsgrundkörper 43 auf den Flansch 35 des Außengehäuses 1' aufgelegt, wobei sein ringförmiger Vorsprung 43b¹ die ihm zugewandte Fläche des Flansches 35 berührt. Danach werden der Grundkörper 43 und der Flansch zwischen den beiden Elektroden einer nicht dargestellten Schweißmaschine angeordnet. Dann werden der Grundkörper 43 und der Flansch 35 zusammengedrückt₇ so daß der Vorsprung 43b¹ auf den Flansch 35 einwirkt, während gleichzeitig Schweißstrom über die Schweißelektroden konzentriert über die Berührungspunkte geführt wird, um beide Teile miteinander zu verbinden. Auf diese Weise ist die Herstellung des Winkelgeschwindigkextssensors abgeschlossen.

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Wie vorstehend beschrieben, kann durch separate Herstellung des Sensorkörpers, des Gehäuses und der Dichtungsvorrichtung der Winkelgeschwindigkeitssensor leicht zusammengebaut werden, indem lediglich der Sensorkörper in das Gehäuse eingesetzt und dieses mit der Dichtungsvorrichtung verschweißt wird. Der Zusammenbau des Sensors wird auf diese Weise vereinfacht, und es ist eine Massenherstellung möglich. Ferner kann durch die Anwendung der Schweißverbindung beim Verschließen eine vollständig übergangslose Verbindung des Flansches 35 am Gehäuse 1' mit dem Grundkörper 43 der Dichtungsvorrichtung 42 verwirklicht werden, so daß eine vollständige Abdichtung auch für Gase vorliegt, die eine kleine Molekülgröße haben. Dadurch wird ein stets gleichbleibendes Strömungsverhalten des Gases im Inneren des Sensors gewährleistet.

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Claims

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Patentansprüche

.J Vorrichtung zur Feststellung einer Winkelgeschwindigkeit mit einem Außengehäuse, in dem einen Innenraum umgebende Längskanäle für eine Gasströmung sowie eine öffnung an einem Ende und eine Abschlußwand am anderen Ende vorgesehen sind, mit einem in dem Außengehäuse befestigten Innengehäuse, das einen hohlzylindrischen Teil in dem mittleren Innenraum des Außengehäuses aufweist, welcher einen zentralen Längskanal für eine Gasströmung bildet, mit einer am anderen Ende des Innengehäuses vorgesehenen Abschlußwand mit einer axialen Düsenöffnung in ihrem Mittelpunkt, die mit dem zentralen Strömungskanal und den Strömungskanälen des Außengehäuses in Verbindung steht, mit einem in dem hohlzylindrischen Teil konzentrisch zur Düsenöffnung angeordneten Halter für einen Gasströmungssensor, mit einem in der öffnung des Innengehäuses angeordneten Pumpengehäuse, in dem eine Pumpvorrichtung zur Zuführung von Gas in die Strömungskanäle des Außengehäuses angeordnet ist, und mit zwei wärmeempfindlichen Elementen als Gasströmungssensor, die symmetrisch bezüglich der Achse der Düsenöffnung auf dem Halter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der hohlzylindrische Teil (19a), seine Abschlußwand (6) und der Halter (10) einstückig ausgebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (10) durch eine Abstufung an der Innenfläche des hohlzylindrischen Teils (19a) des Innengehäuses (19) konzentrisch mit der Düsenöffnung (7) gebildet ist.
3, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halter (10) ein Träger (20) für die wärmeempfindlichen Elemente (11a, 11b) eingesetzt ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) aus keramischem Material besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Innengehäuse (19) gehörende Pumpgehäuse durch ein hohlzylindrisches Element (9) mit einer offenen Seite und einer in der anderen Seite vorgesehenen zentralen Öffnung (9b) sowie mit einer in der offenen Seite angeordneten Abdeckung (3) gebildet ist und daß das hohlzylindrische Element (9) in der Öffnung des Außengehäuses (1) so angeordnet ist, daß die zentrale Öffnung (9b) auf den hohlzylindrischen Teil (19a) desi Innengehäuses (19) aufgesetzt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Außengehäuses (1) eine abgestufte Innenumfangsflache (E) aufweist, daß der hohlzylindrische Teil (19a) des Innengehäuses (19) eine abgestufte Außenumfangsflache (D) aufweist, daß das hohlzylindrische Element (9) mit seinem Außenumfang in die erstgenannte Abstufung (E) eingesetzt ist und daß die zentrale Öffnung (9b) auf die zweitgenannte Abstufung (D) aufgesetzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylindrische Element (9) einen größeren Durchmesser als der hohlzylindrische Teil (19a) des Innengehäuses

(19) und eine Abschlußwand dem hohlzylindrischen Teil (19a) gegenüberstehend aufweist, in der eine Pumpenaustrittsöffnung (9a) vorgesehen ist, die die Strömungskanäle des Außengehäuses (1) mit der Pumpkammer (13 ) verbindet.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (19') einstückig einen ersten hohlzylindrischen Teil (19'a) zum Einsatz in

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den Innenraum des Außengehäuses (T) mit einer die Düsenöffnung (7) enthaltenden Abschlußwand (6) und einem ringförmig abgestuften Teil (10) zur Haltung des Gasströmungssensors (11a, 11b) in Abstand und konzentrisch zur Düsenöffnung (7) und einen zweiten hohlzylindrischen Teil (19'b) an dem anderen Ende aufweist, der an einer Seite offen ist, eine Pumpkammer (13) einschließt und über eine Einschnürung (19¹C) mit dem ersten hohlzylindrischen Teil (19'a) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (1¹) eine ringförmig abgestufte Innenfläche (38) aufweist und daß der zweite hohlzylindrische Teil (19'b) mit seinem Außenumfang an der Abstufung (38) anliegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine in Längsrichtung verlaufende Positionierungsnut (29) am Außenumfang des zweiten hohlzylindrischen Teils (19'b) und durch einen dieser angepaßten Positionierungsvorsprung (40) an der Innenwand des Außengehäuses (1¹)·
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite hohlzylindrische Teil (19'b) einen größeren Durchmesser als der erste hohlzylindrische Teil (19'a) hat und in einer Wand mit einer Pumpenaustrittsöffnung (15) versehen ist, die dem ersten hohlzylindrischen Teil (19'a) zugewandt ist und die Pumpkammer (13) mit den Strömungskanälen des Außengehäuses (1¹) verbindet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (1¹) ein hohlzylindrisches Element mit offener erster Seite und verschlossener zweiter Seite (31) ist, das an seiner Innenwand mit mehreren

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nach innen ragenden, in Längsrichtung verlaufenden Vorsprüngen (32) versehen ist, die zueinander übereinstimmende Winkelabstände haben und daß die Strömungskanäle des Außengehäuses (1) zwischen einander benachbarten Vorsprüngen (42) und der Außenfläche des Innengehäuses (19') ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch einen Ringflansch (35) der einstückig an die öffnung des Außengehäuses (1) angeformt ist_fund durch ein mit dem Ringflansch (35) verbundenes Dichtungselement (43) mit einem verdickten Mittelteil (43a) und einem diesen umgebenden dünnen Ringflansch (43b), der auf seiner dem Außengehäuse (T) zugewandten Seite einen ringförmigen Vorsprung (43b¹) aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (43) eine Bohrung (43a¹) zur Durchführung mindestens einer Anschlußleitung (45) für Ausgangssignale des Gasströmungssensors bzw. für die elektrische Speisung der Pumpvorrichtung aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß separat ein einstückiges Außengehäuse mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende sowie einem Ringflansch am Umfang des offenen Endes, ein einstückiges Innengehäuse mit einer Düsenöffnung an einer geschlossenen Seite und einem Pumpengehäuse an der anderen Seite sowie einem dazwischenliegenden hohlzylindrischen Teil mit einem Halter für einen Gasströmungssensor und ein Dichtungselement mit einem an einer Umfangsseite vorgesehenen ringförmigen Vorsprung gefertigt werden, daß in das Pumpengehäuse eine Pumpvorrichtung und in den Halter ein Gasströmungssensor eingesetzt werden, daß das Innengehäuse in das Außengehäuse durch dessen offene

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Seite hindurch eingesetzt wird, daß das Dichtungselement auf den Flansch des Außengehäuses mit diesem zugewandtem ringförmigem Vorsprung angesetzt wird und daß das Außengehäuse und das Dichtungselement miteinander durch Elektroschweißung verbunden werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung, die Pumpkammer und die Abstufung an dem hohlzylindrischen Teil gleichzeitig mit Maßbeziehung auf den Außenumfang des hohlzylindrischen Teils hergestellt werden.

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