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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckdetektor zur Erkennung eines Drucks in einem Raum, beispielsweise einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine.
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Beispiele eines Druckdetektors dieser Art sind in der
JP 7-253374 A und der
DE 689 05 967 T2 offenbart. Der hierin offenbarte Druckdetektor beinhaltet ein Gehäuse zum Einbau in eine Brennkammer eines Motors, ein druckempfindliches Element, welches in dem Gehäuse aufgenommen ist, ein Druckübertragungsteil zur Übertragung von auf das Gehäuse aufgebrachten Druck auf das druckempfindliche Element und einen Ausgangsverbinder zum Abgriff elektrischer Signale vom druckempfindlichen Element.
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In diesem Druckdetektor wird ein Verbindungsbauteil zur elektrischen Verbindung des druckempfindlichen Elementes mit dem Ausgangsverbinder verwendet. Als dieses Verbindungsbauteil wird eine Anschlussanordnung verwendet, welche eine Mehrzahl von Anschlüssen beinhaltet, welche durch hermetische Bauteile gehalten sind. Ein Ende der Anschlüsse in dem Verbindungsbauteil ist mit einem Verbinderstift des Ausgangsverbinders durch Schweißen verbunden und das andere Ende ist mit dem druckempfindlichen Element über eine Drahtbondierung verbunden.
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Wenn diese Art von Druckdetektor als Verbrennungsdrucksensor verwendet wird, wird ein Teil des Gehäuses, an welchem der Verbrennungsdruck anliegt, in eine Öffnung eingeführt, welche in dem Motorblock ausgebildet ist. Um Raum zum Einbau des Druckdetektors in den Motor einzusparen, ist es notwendig, den Durchmesser des Gehäuses zu miniaturisieren. Bei einem herkömmlichen Druckdetektor wird jedoch der Durchmesser des Gehäuses durch die Größe der Anschlussanordnung bestimmt, da die Anschlussanordnung die größte Komponente aus den Bauteilen zur Aufnahme in dem Gehäuse ist.
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Weiterhin muss der Durchmesser des Gehäuses so gesetzt werden, dass alle Abmessungsschwankungen der Anschlussanordnung abgedeckt sind. Es ist schwierig, die Abmessungsschwankungen der Anschlussanordnung zu verringern, da die Abmessungsschwankungen aus einer Mehrzahl von Schwankungen bestehen, beispielsweise denjenigen in der Größe des Anschlusses selbst, einem Raum zwischen den Anschlüssen und der Größe der hermetischen Bauteile. Daher muss der Durchmesser des Gehäuses auf Größe gesetzt werden, welche die größte Abmessungsschwankung in der Anschlussanordnung ermöglicht. Es war bislang daher schwierig, den Durchmesser des Gehäuses zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des oben mit Blick auf die
DE 689 05 967 T2 genannten Problems gemacht und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Druckdetektor zu schaffen, bei dem der Durchmesser des Gehäuses verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Druckdetektor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 oder durch den Druckdetektor mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
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Der Druckdetektor besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse; einer Membran an einem Ende des Gehäuses; einem druckempfindlichen Element in dem Gehäuse; einem Druckübertragungsteil, welches zwischen der Membran und dem druckempfindlichen Element liegt; Ausgangsanschlüssen, welche am anderen Ende des Gehäuses angeordnet sind; und einem Verbindungsteil zwischen dem druckempfindlichen Element und den Ausgangsanschlüssen. Ein von der Membran aufgenommener Druck wird dem druckempfindlichen Element über das Druckübertragungsteil übertragen. Elektrische Signale entsprechend dem auf das druckempfindliche Element aufgebrachten Druck werden erzeugt. Die Signale vom druckempfindlichen Element werden über das Verbindungsteil zu den Ausgangsanschlüssen geführt.
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Elektrische Leiter verlaufen zwischen den beiden Längsenden des Verbindungsteiles. Das druckempfindliche Element ist elektrisch mit den elektrischen Leitern durch Bondierungsdrähte verbunden, während die Ausgangsanschlüsse die elektrischen Leiter kontaktieren. Somit werden die Signale vom druckempfindlichen Element den Ausgangsanschlüssen über das Verbindungsteil zugeführt.
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Das Verbindungsteil ist gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung in Form eines dreidimensionalen Pfeilers ausgebildet und ist in dem Gehäuse angeordnet, welches Zylinderform hat. Ausnehmungen oder Kerben sind an der zylindrischen Oberfläche des Verbindungsteils entlang dessen Längsachse ausgebildet und die elektrischen Leiter sind in den Ausnehmungen oder Kerben angeordnet, können z. B. als Leitermuster in den Ausnehmungen oder Kerben ausgebildet sein.
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Ein halbkugelförmiges Teil kann an dem druckempfindlichen Element befestigt sein, so dass das halbkugelförmige Teil das Druckübertragungsteil berührt.
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Das pfeilerförmige Verbindungsteil kann gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein leitfähiges Teil aus einem anisotropen Material mit dünner Scheibenform ersetzt werden. Das leitfähige Teil liegt zwischen Elektroden, die an einer Oberfläche des druckempfindlichen Elementes ausgebildet sind und den Ausgangsanschlüssen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Durchmesser des Gehäuses kleiner als bei einem herkömmlichen Gehäuse gemacht werden, da der Durchmesser des Gehäuses alleine durch die Größe des Verbindungsteiles bestimmt wird, ohne dass die Abmessungen und Größenschwankungen anderer Bauteile, welche die herkömmliche Anschlussanordnung bilden, berücksichtigt werden müssen. Bei Verwendung des scheibenförmigen leitfähigen Teils aus einem anisotropen Material mit einer Größe, welche die Größe des druckempfindlichen Elementes nicht übersteigt, kann der Durchmesser des Gehäuses noch kleiner gemacht werden.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine Querschnittsdarstellung eines Druckdetektors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsteils zum elektrischen Verbinden eines druckempfindlichen Elementes mit Ausgangsanschlüssen; und
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3 eine Querschnittsdarstellung eines Druckdetektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Ein Druckdetektor S1 kann als Detektor oder Sensor zum Erkennen von Druck in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Gemäß 1 besteht der Druckdetektor S1 im wesentlichen aus: einem langgestreckten Gehäuse 10, welches in einen Motor einbaubar ist; einem druckempfindlichen Element 20, das in dem Gehäuse 10 angeordnet ist; einem Druckübertragungsteil 30, das im wesentlichen stabförmig ist und zwischen dem druckempfindlichen Element 20 und einer Membran 15 liegt, welche ein Ende 11 des Gehäuses 10 verschließt; einem Verbinder 40 (Steckverbinder), der an einem anderen Ende 12 des Gehäuses liegt; und einem Verbindungsteil 50, das zwischen dem druckempfindlichen Element 20 und dem Verbinder 40 für eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Teilen liegt.
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Das Gehäuse 10 ist aus einem metallischen Material, beispielsweise rostfreiem Stahl und ist in Form eines langgestreckten Zylinders ausgebildet. Die Membran 15, welche durch hierauf wirkenden Druck belastet wird, ist so angeordnet, dass das eine Ende 11 des Gehäuses 10 hiervon verschlossen ist. Die Membran 15 ist mit dem Ende 11 des Gehäuses 10 durch Schweißen oder dergleichen verbunden. Wenn der Drucksensor S1 als Verbrennungsdrucksensor verwendet wird, wird das Gehäuse 10 in eine Öffnung eingeführt, die in einem Zylinderblock ausgebildet ist, so dass eine äußere Oberfläche der Membran 15 in die Brennkammer ragt. In diesem Fall ist ein Außengewinde um das zylindrische Gehäuse 10 herum ausgebildet und das Gehäuse 10 wird mit dem Motorblock durch Einschrauben hierin verbunden.
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Das Druckübertragungsteil 30 hat Stabform und ist im Gehäuse 10 so angeordnet, dass ein Ende 31 hiervon in Kontakt mit der Membran 15 ist. Das Druckübertragungsteil 30 ist aus einem metallischen Material, beispielsweise rostfreiem Stahl. Der zu messende Druck wird auf die äußere Oberfläche der Membran 15 aufgebracht, wie durch dem Pfeil in 1 gezeigt. Das druckempfindliche Element 20, mit welchem ein halbkugelförmiges Bauteil 22 über einen Verbindungsstab 21 verbunden ist, ist in dem Gehäuse 10 so angeordnet, dass das halbkugelförmige Bauteil 22 die andere Oberfläche 32 des Druckübertragungsteiles 30 berührt. Als druckempfindliches Element 20 können verschiedene Arten von Drucksensoren verwendet werden. Beispielsweise kann ein Sensor, gebildet durch Ausbildung von Eichwiderständen auf einem Halbleitersubstrat verwendet werden. Genauer gesagt, die Eichwiderstände können durch ein Diffusionsverfahren hergestellt werden und diese Eichwiderstände werden verbunden, um einen Brückenschaltkreis zu bilden.
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Der Verbindungsstab 21 ist aus Glas und ist mit dem druckempfindlichen Element 20 durch ein Anodenverbindungsverfahren oder dergleichen verbunden. Das halbkugelförmige Bauteil 22 aus einem metallischen Material, beispielsweise Kohlenstoffstahl ist mit dem Verbindungsstab 21 beispielsweise über einen Kleber verbunden. Somit sind das druckempfindliche Element 20, der Verbindungsstab 21 und das halbkugelförmige Bauteil 22 einstückig verbunden. Der auf die Membran 15 einwirkende Druck wird auf das halbkugelförmige Bauteil 22 über das Druckübertragungsteil 30 übertragen. Der auf das halbkugelförmige Bauteil 22 übertragene Druck wird über den Verbindungsstab 21 auf das druckempfindliche Element 20 übertragen.
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Gemäß 2 hat das Verbindungsteil 50 die Form eines dreidimensionalen zylindrischen Pfeilers. Das Verbindungsteil 50 besteht aus einem zylindrischen Pfeiler 51 und leitfähigen Mustern 52, die auf der Oberfläche des zylindrischen Pfeilers 51 ausgebildet sind, wie in 2 gezeigt. Der zylindrische Pfeiler 51 ist aus einem harten Kunstharz oder Kunststoff, beispielsweise Flüssigkristallpolymer (LCP) gefertigt und das leitfähige Muster 52 ist aus einem Metallfilm, beispielsweise einem Kupfer- oder Goldfilm gefertigt. Ausnehmungen oder Kerben 51c sind in der äußeren Zylinderoberfläche des zylindrischen Pfeilers 51 von einem ersten Längsende 51a zu einem zweiten Längsende 51b verlaufend ausgebildet. Die leitfähigen Muster 52 können durch Aufplattieren von Kupfer oder Gold auf die Oberfläche des zylindrischen Pfeilers 51 gebildet werden, nachdem diejenigen Abschnitte, auf denen keine leitfähigen Muster 52 auszubilden sind, mit einem Resist abgedeckt worden sind.
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Das druckempfindliche Element 20 ist in einem Bereich 20a angeordnet, der in 2 mit dem gestrichelten Kreis dargestellt ist und mit diesem Bereich 20a mit einem Kleber verbunden. Wie in 1 gezeigt, ist das druckempfindliche Element 20 mit den leitfähigen Mustern 52 durch Bondierungsdrähte 24 aus Gold, Aluminium oder dergleichen elektrisch verbunden. Die Ausgangssignale vom druckempfindlichen Element 20 werden somit von dem ersten Längsende 51a zu dem zweiten Längsende 51b des zylindrischen Pfeilers 51 geleitet. Anstelle der Ausnehmungen oder Kerben 51c können in dem zylindrischen Pfeiler Durchgangsbohrungen gemacht werden und die leitfähigen Muster 52 werden dann in den Durchgangsbohrungen ausgebildet.
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Wie in 1 gezeigt, steht ein Teil des zweiten Längsendes 51b des zylindrischen Pfeilers 51 vor und kontaktiert den Verbinder 40. Der Verbinder (Steckverbinder) 40 besteht aus einem Verbindergehäuse 41 mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende 41a, einer Verbinderplatte 43, welche das andere Ende 12 des Gehäuses 10 verschließt und Ausgangsanschlüssen 42. Das Verbindergehäuse 41 ist aus einem Kunststoff- oder Kunstharzmaterial, beispielsweise Polyphenyl-Sulfid (PPS) gefertigt. Die Ausgangsanschlüsse 42 und die Verbinderplatte 43 sind einstückig mit dem Verbindergehäuse 41 durch Einsetzgießen verbunden. Die Anschlüsse 42 sind aus Kupfer oder dergleichen gefertigt und die Verbinderplatte 43 ist eine Metallplatte, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Die Verbinderplatte 43 ist mit dem offenen Ende 12 des Gehäuses 10 durch Schweißen oder Verkerben verbunden.
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Der vorstehende Abschnitt des zweiten Längsendes 51b des zylindrischen Pfeilers 51 kontaktiert die Verbinderplatte 43, so dass der von der Membran 15 auf das Verbindungsteil 50 übertragene Druck von der Verbinderplatte 43 aufgenommen wird. Ein Ende der Ausgangsanschlüsse 42 erstreckt sich durch die Verbinderplatte 43 in den Innenraum des Gehäuses 10 und kontaktiert das leitfähige Muster 52. Die elektrische Verbindung zwischen den leitfähigen Mustern 52 und den Ausgangsanschlüssen 42 wird sicher durch Verwendung einer Federwirkung der Ausgangsanschlüsse 42 hergestellt. Das andere Ende der Ausgangsanschlüsse erstreckt sich in Richtung des offenen Endes 41a des Verbindergehäuses 41. Die Signale vom druckempfindlichen Element 20 werden durch Verbinden der Ausgangsanschlüsse mit einer äußeren Vorrichtung herausgeführt.
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Der Druckdetektor S1 wird auf folgende Weise zusammengebaut: das druckempfindliche Element 20, mit welchem das halbkugelförmige Bauteil 22 einstückig über den Verbindungsstab 21 verbunden ist, wird an dem ersten Längsende 51 des zylindrischen Pfeilers 51 angebracht. Dann wird das druckempfindliche Element 20 mit den leitfähigen Mustern 52 über die Bondierungsdrähte 24 elektrisch verbunden. Nachdem das Druckübertragungsteil 30 in das Gehäuse 10 eingesetzt worden ist, wird das Verbindungsteil 50, welches das druckempfindliche Element 20 trägt, in das Gehäuse 10 eingesetzt. Dann wird die Verbinderplatte 43 an dem offenen Ende 12 des Gehäuses 10 eingeschweißt oder verstemmt, während die Verbinderplatte 43 in Richtung des Verbindungsteiles 50 geschoben wird. Danach ist der Druckdetektor S1 fertig zusammengebaut.
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Wenn der Druckdetektor S1 als Verbrennungsdrucksensor verwendet wird, wird das Gehäuse 10 in eine Öffnung im Motorblock eingeführt, so dass die Membran 15 in einer Brennkammer zu liegen kommt und der Druck hierin auf die Membran 15 wirkt. Der auf die Membran 15 einwirkende Druck wird auf das druckempfindliche Element 20 über das Druckübertragungsteil 30 übertragen. Das druckempfindliche Element 20 erzeugt Ausgangssignale in Antwort auf den hierauf aufgebrachten Druck. Die Ausgangssignale werden von den Ausgangsanschlüssen 42 über die Bondierungsdrähte 24 und die leitfähigen Muster 52 in den zylindrischen Pfeiler 51 abgegeben.
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In der ersten Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung werden die Ausgangssignale vom druckempfindlichen Element 20 zu den Ausgangsanschlüssen 42 über das Verbindungsteil 50 mit Zylinderform geführt, welches in dem Gehäuse 10 angeordnet ist. Da der Innendurchmesser des Gehäuses 10 durch den Außendurchmesser des Verbindungsteils 50 bestimmt ist, muss nur die Größenschwankung oder -abweichung des Verbindungsteils bei der Bestimmung des Innendurchmessers des Gehäuses 10 berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, es ist nicht notwendig, Größenabweichungen oder -schwankungen anderer Bauteile zu berücksichtigen, was bei einem herkömmlichen Detektor bislang notwendig war, bei dem die Anschlussanordnung verwendet wird. Somit kann bei der vorliegenden Erfindung die Größe des Gehäuses verringert werden.
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf 3 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist das in der ersten Ausführungsform verwendete Verbindungsteil 50 durch ein leitfähiges Teil 60 ersetzt. Elektroden 25 zum Herausführen der elektrischen Signale, die in dem druckempfindlichen Element 20 erzeugt worden sind, sind an der Bodenoberfläche des druckempfindlichen Elementes 20 durch Sputtern oder Dampfabscheidung ausgebildet. Das leitfähige Teil 60 liegt zwischen den Elektroden 25 und den Ausgangsanschlüssen 42. Somit sind das druckempfindliche Element 20 und die Ausgangsanschlüsse 42 elektrisch verbunden.
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Das leitfähige Teil 60 ist ein anisotroper leitfähiger Film, der hergestellt wird durch Aufbringen eines leitfähigen Pulvers, beispielsweise Silberpulver, nur entlang der Dickenrichtung des Films, so dass der Film nur in Dickenrichtung leitfähig ist. Alternativ kann das leitfähige Teil 60 aus einem anisotropen leitfähigen Kleber oder leitfähigen Kleber, beispielsweise einer Silberpaste sein. Wenn das leitfähige Teil 60 aus einem derartigen leitfähigen Kleber gemacht ist, ist es notwendig, das leitfähige Teil 60 in zwei Abschnitte zu unterteilen, um einen Kurzschluss zwischen zwei Anschlüssen 42 zu vermeiden.
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In der zweiten Ausführungsform ist es nicht notwendig, Bondierungsdrähte außerhalb des druckempfindlichen Elementes 20 auszubilden. Die Elektroden 25, welche das leitfähige Teil 60 kontaktieren, liegen innerhalb der Größe des druckempfindlichen Elementes 20, d. h. der äußeren Umfangsgröße des druckempfindlichen Elementes 20 in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung des Gehäuses 10 und die Ausgangsanschlüsse 42 liegen innerhalb der Größe des druckempfindlichen Elementes 20. Daher kann das zylindrische Gehäuse 10 noch kleiner gemacht werden.
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Beschrieben wurde ein Druckdetektor, beispielsweise ein Verbrennungsdrucksensor, der ein druckempfindliches Element beinhaltet, welches in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist. Elektrische Signale in Antwort auf einen Druck, der auf das druckempfindliche Element aufgebracht wird, werden in dem Element erzeugt und zu Ausgangsanschlüssen über leitfähige Muster geführt, welche auf der Oberfläche eines Verbindungsteils ausgebildet sind, das zwischen dem druckempfindlichen Element und den Ausgangsanschlüssen liegt. Die leitfähigen Muster können in Kerben ausgebildet sein, welche wiederum in der Oberfläche des Verbindungsteils ausgebildet sind. Anstelle des Verbindungsteils kann auch ein scheibenförmiges dünnes leitfähiges Teil aus einem anisotropen leitfähigen Material verwendet werden.
