CN105890842A - 压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压力传感器，该压力传感器具备隔膜、与隔膜连结的连结部及两个受压元件。受压元件分别输出根据作用于受压面的压力和温度而变化的输出信号，且具有表示压力及温度与输出信号的关系的输出特性。两个受压元件具有相同的输出特性。两个受压元件中的一个受压元件的受压面经由连结部而与隔膜连接，另一受压元件的受压面不与隔膜连接。压力传感器输出与两个受压元件的输出信号之差对应的信号。
Description
技术领域
本发明涉及检测压力的压力传感器。
背景技术
在日本特开平6‐34455号公报中公开了一种压力传感器。该压力传感器具备隔膜、力转换元件及力传递块。力转换元件输出根据压力而变化的输出信号。力传递块与力转换元件连结。该压力传感器通过经由力传递块向力转换元件传递压力来检测作用于隔膜的压力。
在该压力传感器的力转换元件中，不仅是压力，根据温度而输出信号也变化。即，向力转换元件传递的压力即使恒定，在温度变化的情况下也输出不同的输出信号。因此，上述公报记载的压力传感器对力转换元件的输出信号进行去除了温度的影响的温度校正运算，基于该运算后的输出来检测压力。
另外，在上述压力传感器中预先存储有用于进行温度校正运算的校正系数。力转换元件的输出特性存在个体差，因此在各元件中为了高精度地校正因温度变化引起的输出信号的变化量，需要对应于各元件的输出特性来算出并存储校正系数。因此，存在压力传感器的制造工时增大而制造成本增大的可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需存储与各元件的输出特性对应的校正系数而能够检测压力的压力传感器。
用于实现上述的目的的压力传感器具备隔膜、与上述隔膜连结的连结部及两个受压元件。上述受压元件分别输出根据作用于受压面的压力和温度而变化的输出信号，且具有表示上述压力及上述温度与上述输出信号的关系的输出特性。两个上述受压元件具有相同的输出特性。两个上述受压元件中的一个受压元件的上述受压面经由上述连结部而与上述隔膜连接，另一受压元件的上述受压面不与上述隔膜连接。上述压力传感器输出与上述两个受压元件的输出信号之差对应的信号。
附图说明
图1是表示具备压力传感器的一实施方式即缸内压传感器的内燃机的结构的剖视图。
图2是将该实施方式的缸内压传感器的前端部放大表示的剖视图。
图3是表示从受压面侧观察该实施方式的缸内压传感器的受压元件时的结构的示意图。
图4是表示该实施方式的缸内压传感器中的作用于各受压元件的受压面的压力与电压的关系的坐标图。
图5是表示该实施方式的缸内压传感器的各受压元件的温度与电压的关系的坐标图。
图6是示意性地表示该实施方式的缸内压传感器的隔膜上作用有压力时作用于受压元件的压力的立体图。
图7是表示另一实施方式的图，是表示缸内压传感器的受压元件的结构的立体图。
图8是表示又一实施方式的图，是表示从受压面侧观察缸内压传感器的受压元件时的结构的示意图。
具体实施方式
以下，关于将压力传感器具体化为缸内压传感器的一实施方式，参照图1～图6进行说明。
如图1所示，在具备缸内压传感器12的内燃机的汽缸体1形成有汽缸2。在汽缸2内设有能够往复移动的活塞3。在汽缸体1的上部固定有汽缸盖4。由汽缸盖4、汽缸2及活塞3形成燃烧室5。在汽缸盖4设有向燃烧室5导入进气的进气口6。在进气口6设有将进气口6与燃烧室5连通或隔断的进气门7。而且，在进气口6设有向进气口6内喷射燃料的燃料喷射阀8。
在汽缸盖4设有用于使从燃料喷射阀8喷射的燃料与进气的混合气在燃烧室5内燃烧的火花塞9。在燃烧室5内燃烧后的混合气作为排气从设于汽缸盖4的排气口10排出。在排气口10设有将排气口10与燃烧室5连通或隔断的排气门11。
而且，在汽缸盖4设有检测燃烧室5内的压力的缸内压传感器12。
来自缸内压传感器12等各种传感器的输出信号向内燃机的控制装置13输入。并且，控制装置13基于这样的信号，控制燃料喷射阀8的燃料喷射量或控制火花塞9的点火时期。
接下来，参照图2及图3，说明缸内压传感器12的结构。
如图2所示，在缸内压传感器12的前端部设有例如由金属构成的隔膜14。隔膜14呈有底筒状，燃烧室5内的压力作用于隔膜14的底部15。在隔膜14中，底部15的中心部弯曲。隔膜14通过作用于该底部15的压力而挠曲变形。
而且，在隔膜14上，比其他部分向径向外侧延伸的凸缘16设于整周。隔膜14在使该凸缘16与圆筒形状的外壳体17的前端抵接的状态下固定于该外壳体17。
而且，在外壳体17中收容有圆筒形状的内壳体18。内壳体18固定于隔膜14。在内壳体18设有将与隔膜14相向的开口密封的密封部件19。该开口位于比相反侧的开口接近燃烧室5的位置、即图2的左侧。由此，使隔膜14的内部的空间密闭。在缸内压传感器12的前端部的内侧形成有通过隔膜14而与缸内压传感器12的外部隔开的收容空间20。
在收容空间20内设有固定于密封部件19的两个受压元件21、22。这两个受压元件21、22是半导体元件，是在同一硅晶片中被制造于彼此相邻的位置的元件。
如图2及图3所示，受压元件21、22分别为长方体状。两个受压元件21、22在与受压面23、24平行的截面中的长边彼此在全长上抵接的状态下被一体地切出。各受压元件21、22包括用于确保与相邻的受压元件的电绝缘的区域。另外，受压面23、24位于图2中的受压元件21、22的左侧面，且位于图3中的受压元件21、22的正面。因此，两个受压元件21、22彼此相邻地并排配置。
换言之，各受压元件21、22在图3的俯视观察时为长条状，两个受压元件21、22在图3的俯视观察时以长边34彼此在全长上抵接的状态并排配置。
在本说明书中，“抵接的状态”是指两个受压元件21、22未隔开间隔地配置的状态。由此，“抵接的状态”包括两个受压元件21、22在共用的硅晶片上被制造的状态，也包括在物理上独立的两个受压元件并排配置的状态。
各受压元件21、22输出根据作用于受压面23、24的压力和温度而变化的作为输出信号的电压。各受压元件21、22具有表示压力及温度与电压的关系的输出特性。两个受压元件21、22具有相同的输出特性。
两个受压元件21、22中的一个受压元件21设置在与隔膜14的中心轴L重合的位置，另一受压元件22设置在不与隔膜14的中心轴L重合的位置。
在受压元件21、22的受压面23、24上分别设有测量部25、26。以覆盖该测量部25、26的方式分别连结玻璃块27、28。在与受压元件21连结的玻璃块27上连接有杆29。在杆29上形成有半球形状的抵接面。该抵接面与隔膜14的底部15的中心部连接。换言之，在受压元件21上经由杆29而连结有与隔膜14连接的玻璃块27。该受压元件21的受压面23经由玻璃块27而与隔膜14连接。即，受压元件21与隔膜14连接。详细而言，受压元件21与隔膜14间接连接。该玻璃块27作为连结部发挥功能。
与受压元件22连结的玻璃块28不与杆29连接，且不与隔膜14连接。即，玻璃块28不与隔膜14连接。换言之，在受压元件22连结有不与隔膜14连接的玻璃块28。该受压元件22的受压面24不与隔膜14连接。即，受压元件22的受压面24不与隔膜14连接。换言之，在与隔膜14连接的受压元件21上连结有与隔膜14连接的玻璃块27。在不与隔膜14连接的受压元件22上连结有不与隔膜14连接的玻璃块27。
在本实施方式中，与隔膜14连接的受压元件21对应于一个受压元件，不与隔膜14连接的受压元件22对应于另一受压元件。另外，为了区别两个受压元件21、22，可以将与隔膜14连接的受压元件21定义为第一受压元件，将不与隔膜14连接的受压元件22定义为第二受压元件。
如图3所示，在受压元件21形成有一对电极30A、30B，在受压元件22形成有一对电极31A、31B。并且，经由与各电极30A、30B、31A、31B连接的引线32来检测一个受压元件21的电极30A、30B间的电压及另一受压元件22的电极31A、31B间的电压。另外，引线32以贯通了密封部件19的状态埋入于该密封部件19。在缸内压传感器12中，检测两个受压元件21、22的电压作为输出信号，将与这些受压元件21、22的电压之差对应的信号向控制装置13输出。另外，作为输出与两个受压元件21、22的电压之差对应的信号的方法，只要适当使用公知的方法即可，例如，可以通过使用运算放大器等来输出与电压之差对应的信号。
接下来，参照图4～图6，说明本实施方式的作用。
设于缸内压传感器12的两个受压元件21、22输出根据作用于受压面23、24的压力而变化的电压。即，作用于受压面23、24的压力越高，则电压越高。两个受压元件21、22在同一晶片中被制造于彼此相邻的位置。因此，由同一晶片制造出的受压元件21、22彼此的输出特性的变动小于由不同晶片制造出的受压元件之间的输出特性的变动。
图4中，在能够检测的压力的范围内，表示受压元件21的压力与电压的关系的输出特性由实线表示，表示受压元件22的压力与电压的关系的输出特性由单点划线表示。而且，受压元件21的输出特性的±20％的范围由虚线表示。
如图4所示，在能够检测的压力的范围内，受压元件22的输出特性包含在受压元件21的输出特性的±20％的范围内。
而且，各受压元件21、22的电压也反映出温度的影响。即，各受压元件21、22的温度越高，则电压越升高或降低。在图5中，示出各受压元件21、22的温度越高则电压越增大的情况。另外，在图5中，在能够允许的温度的范围内，表示受压元件21的温度与电压的关系的输出特性由实线表示，表示受压元件22的温度与电压的关系的输出特性由单点划线表示。而且，受压元件21的输出特性的±20％的范围由虚线表示。
如图5所示，在能够允许的温度的范围内，受压元件22的输出特性包含在受压元件21的输出特性的±20％的范围内。
在本实施方式中，这样一来，在能够检测的压力的范围内受压元件22的输出特性包含在受压元件21的输出特性的±20％的范围内、且在能够允许的温度的范围内受压元件22的输出特性包含在受压元件21的输出特性的±20％的范围内的情况下，定义为双方的受压元件21、22的输出特性定义相同。
因此，受压元件21的输出特性与受压元件22的输出特性相同。因此，在受压元件21、22中，在同一压力及同一温度时，电压大致相同，并且与压力及温度的变化对应的电压的变化程度也大致相同。
并且，与具有相同的输出特性的两个受压元件21、22中的一个受压元件21的受压面23连结的玻璃块27经由杆29而与隔膜14连接。与另一受压元件22的受压面24连结的玻璃块28不与杆29连接。该玻璃块28不与隔膜14连接。玻璃块28不与隔膜14连接。
因此，如图6的箭头所示，与燃烧室5内的压力对应的隔膜14的变形产生的压力经由杆29及玻璃块27而仅作用于受压元件21。因此，从受压元件21检测反映了压力和温度的影响的电压，从受压元件22检测仅反映了温度的影响的电压。在这些受压元件21、22中，温度的影响所引起的电压的变化量共用，因此在受压元件21的电压与受压元件22的电压之差中仅反映了压力的影响。
并且，在本实施方式中，输出与受压元件21的输出信号和受压元件22的输出信号之差对应的信号。即，去除温度的影响，输出仅反映了压力的影响的信号。因此，无需使用校正系数对信号进行校正运算，能够检测作用于隔膜14的压力。
而且，为了利用未传递作用于隔膜14的压力的受压元件22的电压来高精度地去除传递作用于隔膜14的压力的受压元件21的电压中的温度的影响，优选将这两个受压元件21、22配置在同一温度环境下。
在本实施方式中，两个受压元件21、22配置在通过隔膜14而与缸内压传感器12的外部隔开的收容空间20内。因此，与将受压元件21配置在收容空间20内并将受压元件22配置在与该收容空间20不同的场所的情况相比，两个受压元件21、22的温度接近。
而且，两个受压元件21、22彼此相邻地配置，因此两个受压元件21、22的温度更接近于相等的状态。
而且，如本实施方式的缸内压传感器12那样，在将作用于隔膜14的压力向受压元件21传递来检测压力的压力传感器中，在通过隔膜14而与缸内压传感器12的外部隔开的收容空间20内收容受压元件21。因此，在通过隔膜14而与缸内压传感器12的外部隔开的收容空间20收容两个受压元件21、22，由此无需另行设置用于收容不与隔膜14连接的受压元件22的空间。因此，能抑制设置2个受压元件所引起的压力传感器的大型化。
而且，如上所述，为了利用未传递作用于隔膜14的压力的受压元件22的电压而高精度地去除传递作用于隔膜14的压力的受压元件21的电压中的温度的影响，希望使这两个受压元件21、22的输出特性接近。
在受压元件的制造过程中，按照各晶片来实施各种加工，因此由同一晶片制造出的受压元件彼此的输出特性的变动小于由不同晶片制造出的受压元件之间的输出特性的变动。
在本实施方式中，两个受压元件21、22由1个晶片制造，因此双方的输出特性接近。
此外，在本实施方式中，两个受压元件21、22在同一晶片中被制造于彼此相邻的位置并被一体地切出，因此与使用在同一晶片中被制造于彼此分离的位置的两个受压元件的情况相比，各受压元件21、22的输出特性更接近。
而且，长方体状的两个受压元件21、22在与受压面23、24平行的截面中的长边34彼此在全长上抵接的状态下被一体地切出。因此，能够在具有比长边34的2倍短的长度的收容空间20内配置各受压元件21、22。
而且，在受压元件21连结有与隔膜14连接的玻璃块27，在受压元件22上连结有不与隔膜14连接的玻璃块28。因此，与采用仅在受压元件21连结玻璃块27的结构的情况相比，两个受压元件21、22的配置形态更接近，两个受压元件21、22的温度变化更接近。
根据以上说明的一实施方式，能得到以下的效果。
(1)缸内压传感器12具备具有相同的输出特性的两个受压元件21、22。两个受压元件21、22中的一个受压元件21的受压面23经由玻璃块27而与隔膜14连接，另一受压元件22的受压面24不与隔膜14连接。因此，根据一个受压元件21的电压与另一受压元件22的电压之差，能够检测仅反映了压力的影响的电压。并且，通过输出与一个受压元件21的电压和另一受压元件22的电压之差对应的信号，不用为了高精度地校正温度变化引起的输出信号的变化量而使用对应于各元件的特性算出的校正系数对信号进行校正运算，就能够检测作用于隔膜14的压力。其结果是，在制造缸内压传感器12时，无需算出或存储用于进行温度校正的校正系数。因此，无需存储与各元件的特性对应的校正系数就能够检测压力，与存储校正系数的情况相比，能够减少制造工时。进而，能够实现制造成本的削减。
(2)两个受压元件21、22配置在通过隔膜14而与缸内压传感器12的外部隔开的收容空间20内。因此，与将一个受压元件21配置在收容空间20内并将另一受压元件22配置在与该收容空间20不同的场所的情况相比，在本实施方式中，两个受压元件21、22的温度接近。因此，能够利用不与隔膜14连接的受压元件22的电压而高精度地去除与隔膜14连接的受压元件21的电压中的温度的影响。
(3)两个受压元件21、22彼此相邻地配置。因此，两个受压元件21、22的温度更接近，利用不与隔膜14连接的受压元件22的电压，能够更高精度地去除与隔膜14连接的受压元件21的输出信号中的由温度引起的影响。
(4)两个受压元件21、22由同一晶片制造。因此，受压元件21的输出特性与受压元件22的输出特性接近，能够高精度地检测压力。
(5)两个受压元件21、22在同一晶片中被制造于彼此相邻的位置并被一体地切出。因此，受压元件21的输出特性与受压元件22的输出特性更接近，能够更高精度地检测压力。
(6)受压元件21、22分别为长方体状。两个受压元件21、22以与受压面23、24平行的截面中的长边34彼此在全长上抵接的状态并排配置。因此，能够在具有比长边34的2倍短的长度的收容空间20内配置受压元件21、22，受压元件21、22的搭载性提高。
(7)在与隔膜14连接的受压元件21上连结有与隔膜14连接的玻璃块27。不与隔膜14连接的受压元件22上连结有不与隔膜14连接的玻璃块28。因此，能够使两个受压元件21、22的温度变化更接近，能够高精度地检测压力。
另外，上述实施方式可以如以下那样变更实施。
·可以变更各受压元件21、22中的玻璃块27、28的配置形态。可以采用例如如图7所示在受压元件21上连结玻璃块27且在受压元件22上不连结玻璃块28的结构。根据这样的结构，也能够实现受压元件21的受压面23与隔膜14连接且受压元件22的受压面24不与隔膜14连接的结构。
·两个受压元件21、22可以是由1个晶片分别切出的元件。即使是这样的结构，也优选将两个受压元件21、22以与受压面23、24平行的截面中的长边34彼此在全长上抵接的状态并排配置。即，优选将两个受压元件21、22以俯视观察时的长边34彼此在全长上抵接的状态并排配置。在这种情况下，两个独立的受压元件21、22如图3所示配置。作为长边34所示的线是物理上独立的两个受压元件21、22抵接的交界。
·两个受压元件21、22的配置形态可以变更。例如如图8所示，可以分别切出长方体状的两个受压元件21、22，以与受压面23、24平行的截面中的短边33彼此在全长上抵接的状态并排配置。即，各受压元件21、22在俯视观察时为长条状，两个受压元件21、22以俯视观察时的短边33彼此在全长上抵接的状态并排配置。即使是这样的结构，只要在缸内压传感器12形成至少具有长边34的2倍的长度的收容空间20，就能够将各受压元件21、22搭载于收容空间20。
·可以使用在同一晶片中被制造于彼此分离的位置的两个受压元件作为受压元件21、22。
·可以使用由不同的晶片制造出的两个受压元件作为受压元件21、22。
·可以将两个受压元件21、22以相互分离的状态配置于收容空间20。
·可以将两个受压元件21、22中的一个受压元件21配置在通过隔膜14而与缸内压传感器12的外部隔开的收容空间20内，并将另一受压元件22配置在与该收容空间20不同的场所、例如内壳体18的内部等。根据这样的结构，也能够通过输出与一个受压元件21的电压和另一受压元件22的电压之差对应的信号来检测压力。另外，在由于受压元件21、22的配置位置分离而温度不同的情况下，可以对与一个受压元件21的电压和另一受压元件22的电压之差对应的信号进行温度校正的运算。即，只要通过进行与各受压元件21、22的分离的距离对应的校正运算，输出与配置在相邻的位置的情况的电压差相等的信号即可。在这样的结构中，仅通过存储与分离的距离对应的校正系数，就能够高精度地检测压力，因此无需存储与各元件的特性对应的校正系数就能够检测压力。
·也可以省略杆29而将玻璃块27直接与隔膜14连接。
·可以使用除玻璃块以外的部件作为连结部。另外，在与由硅构成的受压元件的线膨胀系数一致方面，优选使用玻璃块。
·本实施方式记载的结构并不局限于缸内压传感器12，在其他压力传感器中也能够同样地应用。
Claims (7)
1.一种压力传感器，具备：
隔膜；
与所述隔膜连结的连结部；及
两个受压元件，
所述受压元件分别输出根据作用于受压面的压力和温度而变化的输出信号，且具有表示所述压力及所述温度与所述输出信号的关系的输出特性，两个所述受压元件具有相同的输出特性，
两个所述受压元件中的一个受压元件的所述受压面经由所述连结部而与所述隔膜连接，另一受压元件的所述受压面不与所述隔膜连接，
所述压力传感器输出与所述两个受压元件的输出信号之差对应的信号。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，
所述两个受压元件配置在通过所述隔膜而与所述压力传感器的外部隔开的收容空间内。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，
所述两个受压元件彼此相邻地并排配置。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，
所述两个受压元件由同一晶片制造。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，
所述两个受压元件在同一晶片中被制造于彼此相邻的位置并被一体地切出。
6.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，
所述受压元件分别为长方体状，所述两个受压元件以俯视观察时的长边彼此在全长上抵接的状态并排配置。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的压力传感器，其中，
在与所述隔膜连接的所述受压元件上连结有与所述隔膜连接的玻璃块作为所述连结部，
在不与所述隔膜连接的所述受压元件上连结有不与所述隔膜连接的玻璃块。
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