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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor.
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In
der JP-A-5-34241 wird ein Drucksensor mit einer Erfassungseinheit
und einer Druckübertragungsstange,
die beide in einem Gehäuse
untergebracht sind, vorgeschlagen. Die Erfassungseinheit wie zum
Beispiel ein Dehnungsmesser gibt Signale entsprechend den Druckpegeln
aus. Das Gehäuse besitzt
einen Rohrabschnitt, der sich von einem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt
erstreckt, und eine Öffnung
an einem Ende des Rohrabschnitts. Eine Druckaufnahmemembran ist
an dem Ende des Rohrabschnitts durch Schweißen derart befestigt, dass
sie die Öffnung
bedeckt. Die Druckübertragungsstange
ist derart angeordnet, dass ihr erstes Ende und ihr zweites Ende
jeweils an der Seite der Erfassungseinheit und der Seite der Druckaufnahmemembran
angeordnet sind. Ein Druck, der auf die Druckaufnahmemembran ausgeübt wird,
wird über
die Druckübertragungsstange
an die Erfassungseinheit übertragen.
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Der
Drucksensor wird an einem Gegenstand wie zum Beispiel einem Motorblock
befestigt, und zwar durch Einführen
des Rohrabschnittes in ein Anbringungsloch, das in dem Gegenstand
vorgesehen ist, bis das Ende des Rohrabschnitts eine innere Oberfläche des
Gegenstandes über
die Membran berührt.
Die Öffnung
des Rohrabschnitts ist mit der Membran abgedichtet. Der Kontakt
zwischen dem Rohrabschnitt und der inneren Oberfläche des
Gegenstandes erzeugt eine Spannung, nämlich eine Kraft, die auf den
Rohrabschnitt in dessen Längsrichtung
ausgeübt
wird, und der Rohrabschnitt wird in Richtung der Erfassungseinheit
gestoßen.
Die Spannung wird außerdem
auf die Druckübertragungsstan ge
ausgeübt.
Demzufolge wird die Druckübertragungsstange
gegen die Erfassungseinheit gedrückt, und
es wird ein abnormes Signal von dem Drucksensor ausgegeben.
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Die
vorliegende Erfindung besitzt daher die Aufgabe, einen Drucksensor
bereitzustellen, der weniger dazu neigt, durch eine Kraft beeinflusst
zu werden, die einwirkt, wenn er an einem Gegenstand angebracht
ist.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
sind auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Ein
erfindungsgemäßer Drucksensor
enthält eine
Druckaufnahmemembran, eine Druckübertragungsstange,
eine Erfassungseinheit und ein Gehäuse. Der Druck, der von der
Druckaufnahmemembran aufgenommen wird, wird an die Erfassungseinheit über die
Druckübertragungsstange übertragen,
und die Erfassungseinheit gibt Signale entsprechend den Druckpegeln
aus.
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In
dem Gehäuse
sind die Erfassungseinheit und die Druckübertragungsstange untergebracht. Die
Druckübertragungsstange
ist in dem Gehäuse derart
angeordnet, dass deren erstes Ende auf einer Seite der Erfassungseinheit
sitzt und deren zweites Ende auf einer Seite der Druckaufnahmemembran sitzt.
Das Gehäuse
besitzt einen Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt, der eine
Erfassungseinheit und einen Rohrabschnitt unterbringt, der sich
von dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt in Form eines Rohres
erstreckt. Das erste Ende des Rohrabschnitts ist benachbart zum
Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt angeordnet, und das zweite
Ende des Rohrabschnitts ist von dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt
weg angeordnet. Der Rohrabschnitt besteht aus einem Innenrohr und
einem Außenrohr.
Das Innenrohr ist innerhalb des Außen rohres angeordnet und an
dem Außenrohr
befestigt. Das zweite Ende des Rohrabschnitts besitzt eine Öffnung,
und die Druckaufnahmemembran ist derart an das zweite Ende des Rohrabschnitts
geschweißt,
dass sie die Öffnung
bedeckt.
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Der
Rohrabschnitt wird in ein Anbringungsloch eines Gegenstands wie
zum Beispiel einem Motorblock eingeführt, an dem der Drucksensor
befestigt ist, bis das zweite Ende des Rohrabschnitts in Kontakt
mit einer inneren Oberfläche
des Gegenstandes gebracht wird. Eine Öffnung des Außenrohres
ist mit der inneren Oberfläche
des Gegenstandes abgedichtet. Eine Kraft kann auf das Außenrohr
in dessen Längsrichtung
ausgeübt
werden, wenn der Rohrabschnitt in das Anbringungsloch eingeführt wird.
Eine derartige Kraft neigt jedoch weniger dazu, auf das Innenrohr
zu wirken, da das Ende des Innenrohres nicht in Kontakt mit der
inneren Oberfläche des
Gegenstandes an dem zweiten Ende des Rohrabschnitts gebracht wird.
Somit neigt die Druckübertragungsstange,
die in dem Innenrohr untergebracht ist, weniger dazu, durch die
Kraft beeinflusst zu werden, und es ist weniger wahrscheinlich,
dass eine Kraft auf die Erfassungseinheit über die Druckübertragungsstange
ausgeübt
wird, wenn der Rohrabschnitt in das Anbringungsloch eingeführt wird.
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Ein
Zusammenbauverfahren eines Drucksensors enthält die folgenden Schritte:
Befestigen der Erfassungseinheit an ein erstes Gehäuse, Schweißen der
Druckaufnahmemembran an ein zweites Gehäuse, Zusammenbauen des ersten
und des zweiten Gehäuses
derart, dass die Druckübertragungsstange
in den ersten und zweiten Gehäusen untergebracht
ist. Das Gehäuse
wird als eine Einheit durch Zusammenbauen des ersten Gehäuses und des
zweiten Gehäuses
ausgebildet. Vor dem Zusammenbau des ersten Gehäuses und des zweiten Gehäuses wird
die Erfassungseinheit an dem ersten Gehäuse befestigt, und die Druckaufnahmemembran wird
an das zweite Gehäuse
geschweißt.
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Das
erste Gehäuse
und das zweite Gehäuse werden
in einer Einheit zusammengebaut, in der die Druckübertragungsstange
derart untergebracht ist, dass das erste Ende und das zweite Ende
der Druckübertragungsstange
jeweils gegen die Erfassungseinheit und die Druckaufnahmemembran
gedrückt werden.
Die Lasten werden nämlich
jeweils auf die Erfassungseinheit und die Druckaufnahmemembran durch
die Druckübertragungsstange
durch deren erste und zweite Enden ausgeübt.
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Die
Druckaufnahmemembran wird vor dem Zusammenbau des ersten Gehäuses und
des zweiten Gehäuses
geschweißt.
Ein Prozess zum Schweißen
der Druckaufnahmemembran an das Gehäuse und ein Prozess zur Ausübung der
Last auf die Druckaufnahmemembran werden nämlich getrennt durchgeführt. Somit
ist die Druckaufnahmemembran thermisch stabil und es wird keine
thermische Verformung aufgrund der Einwirkung der Last in der Druckaufnahmemembran
auftreten. Im Schweißprozess neigt
die Druckaufnahmemembran weniger dazu, aufgrund einer auf die Druckaufnahmemembran
einwirkende Last thermisch verformt zu werden.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung
mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt eines Drucksensors gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 einen
Querschnitt des Drucksensors gemäß der ersten
Ausführungsform,
der in einem Motorblock angebracht ist,
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3A einen
Querschnitt des Drucksensors um dessen Rohrabschnitt gemäß der ersten
Ausführungsform,
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3B einen
Querschnitt eines Außenrohres,
das in dem Rohrabschnitt enthalten ist, gemäß der ersten Ausführungsform,
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4A einen
Teilquerschnitt eines Drucksensors gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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4B einen
Teilquerschnitt eines Drucksensors gemäß der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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5 einen
Querschnitt eines Drucksensors gemäß der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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6 einen
Querschnitt eines Versuchsmodells eines Drucksensors gemäß dem Stand
der Technik, und
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7 einen
Querschnitt eines Versuchsmodells eines Drucksensors gemäß dem Stand
der Technik.
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Im
Folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden die gleichen
Bezugszeichen für
die gleichen Komponenten und Vorrichtungen verwendet.
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In 6 ist
ein Versuchsmodell eines Drucksensors gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
Dieser Drucksensor ist konstruiert, um das Problem eines abnormen
Ausgangs gemäß dem Stand
der Technik zu untersuchen. Ein Drucksensor 200 ist an einem
Motorblock 300 zum Erfassen des inneren Druckes einer Brennkammer 320 des
Motorblockes 300 angebracht. Der Drucksensor 200 enthält ein Gehäuse 210,
eine Erfassungseinheit 220, eine Druckübertragungsstange 280 und
einen Verbinder 400. Das Gehäuse 210 besteht aus
Metall und ist an einem Motorblock 300 anbringbar. Das
Gehäuse 210 besitzt
einen Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt 210a, der
die Erfassungseinheit 220 und einen Rohrabschnitt 210c unterbringt,
der die Druckübertragungsstange 280 unterbringt.
Die Erfassungseinheit 220 gibt Signale entsprechend den
Druckpegeln aus. Die Druckübertragungsstange 280 überträgt den Druck
an die Erfassungseinheit 220. Der Verbinder 400 überträgt die von
der Erfassungseinheit 220 ausgegebenen Signale an eine
externe Vorrichtung.
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Der
Rohrabschnitt 210c erstreckt sich von dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt 210a.
Eine Druckaufnahmemembran 213 ist an eine Öffnung 210d des
Gehäuses 210 geschweißt, die
an dem zweiten Ende des Rohrabschnitts 210c von der Erfassungseinheit 220 weg
derart angeordnet ist, dass sie die Öffnung 210d bedeckt.
Das erste Ende des Rohrabschnitts 210c benachbart zur Erfassungseinheit 220 ist
mit dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt 210a verbunden.
Der Rohrabschnitt 210c ist in ein Anbringungsloch 310 des
Motorblocks 300 eingefügt.
Das Ende des Rohrabschnitts 210c ist an einer Innenwand
des Motorblocks 300 über
die Druckaufnahmemembran 213 befestigt und abgedichtet.
Ein Teil des Außenumfangs
des Rohrabschnitts 210c ist mit einem Gewinde versehen
(Gewindeabschnitt 211) und in das Anbringungsloch 310 geschraubt.
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Die
Druckübertragungsstange 280 ist
in dem Rohrabschnitt 210c derart angeordnet, dass ihr erstes
Ende und ihr zweites Ende jeweils an der Seite der Erfassungseinheit
und der Seite der Druckaufnahmemembran sitzen. Ein Druck wird von
der Brennkammer 320 zur Druckaufnahmemembran 213 und über die
Druckübertragungsstange 280 zur
Erfassungseinheit 220 übertragen.
Ein Signal, das einen Pegel des Drucks anzeigt, wird von der Erfassungseinheit 220 ausgegeben.
Die Erfassungseinheit 220 kann durch Ausbilden eines Messwiderstandes
auf einem Halbleitersubstrat aufgebaut sein. Ein kuppelförmiges Element 220a aus
Stahl wie zum Beispiel Kohlenstoffstahl ist an der Erfassungseinheit 220 befestigt.
Durch die Druckübertragungsstange 280 wird über das
kuppelförmige
Element 220a eine Last auf die Erfassungseinheit 220 ausgeübt.
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Der
Verbinder 400 besteht aus einem Verbinderstopfen 410,
Anschlüssen 420 und
einer Platte 430. Der Verbinderstopfen 410 besteht
aus Polyphenylensulfid (PPS). Die Anschlüsse 420 und die Platte 430 sind
durch Einfügungsausformen
(insert molding) mit dem Verbinderstopfen 410 einstückig ausgebildet.
Der Verbinder 400 ist mit einer externen Vorrichtung elektrisch
verbunden, um Drucksignale in die externe Vorrichtung einzugeben.
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Die
Erfassungseinheit 220 ist mit den Anschlüssen 420 durch
Verbindung mit Gold- oder Aluminium-Bondierungsdrähten 220b zwischen
die Erfassungseinheit 220 und den Enden der Anschlüsse 420 elektrisch
geschaltet bzw. verbunden. Der Verbinder 400 ist mit dem
Gehäuse 210 durch
Schweißen
der Platte 430 an das Gehäuse 210 oder durch Gesenkschmieden
der Platte 430 an das Gehäuse 210 verbunden.
Der Drucksensor 200 ist in den Motorblock 300 geschraubt.
Das Ende des Rohrabschnitts 210 ist an der inneren Oberfläche des
Motorblocks 300 befestigt und abgedichtet.
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Die
Druckübertragungsstange 280 wird
in Längsrichtung
gestoßen,
wenn ein Druck auf die Druckaufnahmemembran 213 ausgeübt wird.
Der Druck wird über
die Druckübertragungsstange 280 und
das kuppelförmige
Element 220a auf die Erfassungseinheit 220 ausgeübt. Die
Erfassungseinheit 220 gibt ein Signal, das den Druckpegel
anzeigt, an die ex terne Vorrichtung über den Bondierungsdraht 220b und
die Anschlüsse 420 aus.
Demzufolge wird der Druck in der Brennkammer erfasst.
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Es
wird eine Kraft auf den Rohrabschnitt 210 in Längsrichtung
ausgeübt,
da der Rohrabschnitt 210c sich über die Druckaufnahmemembran 213 in Kontakt
mit der inneren Oberfläche
des Motorblockes 300 befindet. Die Kraft wird ebenfalls
auf die Druckübertragungsstange 280,
die in dem Rohrabschnitt 210c untergebracht ist, ausgeübt. Demzufolge
wird die Kraft zur Erfassungseinheit 220 übertragen,
und es wird ein abnormes Signal von der Erfassungseinheit 220 ausgegeben.
Somit kann der Druck in der Brennkammer 320 nicht richtig
erfasst werden.
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[Erste Ausführungsform]
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In
den 1 und 2 ist ein Drucksensor 100 in
einen Motorblock 300 eingeschraubt, um einen Druck in einer
Brennkammer 320 des Motorblocks 300 zu erfassen.
Der Drucksensor 100 enthält ein Gehäuse 10, eine Druckaufnahmemembran 13, eine
Druckübertragungsstange 80 und
eine Erfassungseinheit 20. Das Gehäuse 10 besitzt ein
erstes Gehäuse
bzw. Gehäuseteil 10a und
ein zweites Gehäuse
bzw. Gehäuseteil 10b.
Das erste Gehäuse 10a ist
in etwa einer zylindrischen Gestalt ausgebildet. Das zweite Gehäuse 10b besitzt
einen Rohrabschnitt 10c, der in einer Rohrgestalt mit einem
Durchmesser ausgebildet ist, der kleiner als derjenige des ersten Gehäuses 10a ist.
Der Rohrabschnitt 10c ist zum Zwecke der Darstellung in
den 1 und 2 sehr kurz gezeichnet.
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Das
erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b bestehen
aus Metall wie zum Beispiel rostfreiem Stahl und werden durch Schneiden
oder Kaltverformen ausgearbeitet. Das erste Gehäuse 10a und das zweite
Gehäuse 10b befinden durch Presspassung
des ersten Gehäuses 10a mit
einem erweiterten Abschnitt des zweiten Gehäuses 10b in Eingriff
miteinander. Das erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b können durch
Schweißen,
Bondieren oder mittels Schrauben aneinander befestigt sein. Ein
Teil des Außenumfangs
des Rohrabschnitts 10c ist mit einem Gewinde versehen,
um einen Schraubenabschnitt 11 auszubilden, so dass der Rohrabschnitt 10c in
den Motorblock 300 geschraubt werden kann. Der Rohrabschnitt 10c ist
in ein Anbringungsloch 320 des Motorblocks eingeführt und
mittels des Schraubenabschnitts 11 an den Motorblock 300 geschraubt.
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Die
Erfassungseinheit 20 ist in dem ersten Gehäuse 10a untergebracht.
Die Erfassungseinheit 20 gibt Signale entsprechend den
Druckpegeln aus. Die Erfassungseinheit 20 enthält einen
Metallstamm bzw. -stiel 21, eine Membran 23 und
einen Dehnungsmesser 30. Der Metallstamm 21 besitzt
an einem Ende eine Öffnung 22 und
die Membran 23 an dem anderen Ende. Er ist in einer zylindrischen
Gestalt mit einem Hohlraum in der Mitte zwischen den Enden ausgebildet.
Der Dehnungsmesser 30 ist an einer Oberfläche der
Membran 23 durch Glasschweißen befestigt. Der Metallstamm 21 ist
in Presspassung in einem Hohlraum des ersten Gehäuses 10a angebracht
und befestigt. Er kann an dem Gehäuse 10 mittels Schrauben
befestigt sein. Der Metallstamm 21 ist derart angeordnet,
dass die Öffnung 22 benachbart
zu einem Ende des ersten Gehäuses 10a,
das mit dem zweiten Gehäuse 10b verbunden ist,
sitzt und die Membran 23 benachbart zu einem Ende des ersten
Gehäuses 10a,
in dem die Erfassungseinheit 20 untergebracht ist, sitzt.
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Der
Dehnungsmesser 30 ist ein Siliziumhalbleiterchip, in dem
eine Brückenschaltung
ausgebildet ist. Ein Widerstand in der Schaltung verändert sich entsprechend
einer ver formung der Membran 23, wenn ein Druck ausgeübt wird.
Der Dehnungsmesser 30 wandelt die Änderung des Widerstandes in
ein elektrisches Signal um und gibt dieses elektrische Signal aus.
Der Metallstamm 21, die Membran 23 und der Dehnungsmesser 30 bewirken
die Grundfunktion des Drucksensors 100.
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Die
Materialien, die für
den Metallstamm 21 geeignet sind, müssen eine hohe Steifigkeit
und eine niedrige thermische Ausdehnung aufweisen, da der Metallstamm 21 sehr
hohem Druck ausgesetzt wird, und der Dehnungsmesser 30 ist
an dem Metallstamm 21 mit einem gering schmelzenden Glas
befestigt. Derartige Materialien enthalten Eisen (Fe), Nickel (Ni),
Kobalt (Co) oder Materialien, die Fe, Ni als Hauptbestandteile enthalten,
sowie Titan (Ti), Niob (Nb), Aluminium (Al) als Aushärtungsbestandteile, oder
es werden Ti und Nb dem Fe, Ni hinzugefügt. Der Metallstamm 21 wird
durch Pressen, Schneiden oder Kaltverformen ausgebildet.
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Die
erste Keramikschaltungskarte 40 ist um die Membran 23 innerhalb
des Gehäuses 10 angeordnet.
Der Dehnungsmesser 30 und die erste Schaltungskarte 40 sind über Aluminiumbondierungsdrähte 42 elektrisch
miteinander verbunden. Die zweite Keramikschaltungskarte 50 ist
derart angeordnet, dass deren erste Oberfläche der ersten Schaltungskarte 40 gegenüberliegt.
Ein IC-Chip 44 (integrierte Schaltung) ist an der ersten
Oberfläche
der zweiten Schaltungskarte 50 angebracht. Genauer gesagt
liegen sich die erste Oberfläche
der ersten Schaltungskarte 40, auf der die Bondierungsdrähte 42 gebondet sind,
und die erste Oberfläche
der zweiten Schaltungskarte 50 einander gegenüber.
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Der
IC-Chip 44 enthält
Schaltungen zum Verstärken
und Einstellen von Ausgängen
des Dehnungsmessers 30. Der IC- Chip 44 ist mit der zweiten Schaltungskarte 50 über die
Bondierungsdrähte 42 elektrisch
verbunden. Die erste Schaltungskarte 40 und die zweite
Schaltungskarte 50 sind über Federn 45 elektrisch
miteinander verbunden. Jede Feder 45 ist ein leitendes
elastisches Element, dessen eines Ende entweder an der ersten Schaltungskarte 40 oder
der zweiten Schaltungskarte 50 durch Hartlöten oder
Löten befestigt
ist. Die elektrische Verbindung zwischen der ersten Schaltungskarte 40 und
der zweiten Schaltungskarte 50 wird errichtet, wenn das andere
Ende der Feder 45 die andere der ersten und zweiten Schaltungskarte 40, 50,
an der die Feder 45 nicht befestigt ist, berührt.
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Ein
Verbindergehäuse 70,
das aus Harz wie zum Beispiel Polyphenylensulfid (PPS) besteht,
ist an der zweiten Oberfläche
der zweiten Schaltungskarte 50 befestigt, die an der gegenüberliegenden Seite
der ersten Oberfläche
vorgesehen ist. Ein Anschluss 61 ist einstückig mit
dem Verbindergehäuse 70 durch
Einfügungsausformen
(insert molding) vorgesehen und in dem Verbindergehäuse 70 untergebracht.
Der Anschluss 61 ist über
den leitenden Verbinder 63 mit der zweiten Schaltungskarte 50 elektrisch
verbunden. Der leitende Verbinder 63 kann eine Feder, ein
leitendes Haftmittel oder anisotrope Leiterstifte, die in einem
Gummi angeordnet sind, sein. Das Verbindergehäuse 70 ist in einen
Endabschnitt 12 des ersten Gehäuses 10a gesenkgeschmiedet.
Der Anschluss 61 ist über
ein Verbindungselement mit einer externen Vorrichtung elektrisch
verbindbar, die eine elektronische Steuereinheit (ECU), die in einem
Fahrzeug installiert ist, enthält.
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Der
Rohrabschnitt 10c steht von einem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt
des zweiten Gehäuses 10b,
in dem die Erfassungseinheit 20 untergebracht ist, vor.
Das erste Ende des Rohrabschnitts 10c ist benachbart zum
Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt angeordnet, und das zweite Ende
des Rohrabschnitts 10c ist von dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt
weg angeordnet. Die Druckaufnahmemembran 13 besteht aus
Metall wie zum Beispiel rostfreiem Stahl und ist an das zweite Ende
des Rohrabschnitts 10c derart angeschweißt, dass
sie die Öffnung 10d bedeckt.
De Drückübertragungsstange 80 besteht
ebenfalls aus Metall und ist in dem Gehäuse 10 derart angeordnet, dass
deren erstes und zweites Ende jeweils an der Seite der Erfassungseinheit
und der Seite der Druckaufnahmemembran sitzen.
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Die
Druckübertragungsstange 80 wird
mit dem ersten Ende in den Metallstamm 21 über die Öffnung 22 eingeführt, bis
das erste Ende die Membran 23 berührt. Die Druckübertragungsstange 80 wird derart
positioniert, dass sie Lasten auf die Membran 23 an dem
ersten Ende und die Druckaufnahmemembran 13 am zweiten
Ende ausübt.
Der Druck, der von der Druckaufnahmemembran 13 ausgenommen
wird, wird an die Erfassungseinheit 20 über die Druckübertragungsstange 80 übertragen,
und der Druck wird erfasst.
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Der
Rohrabschnitt 10c ist in einer Doppelrohrstruktur ausgebildet,
die ein Innenrohr 11c und ein Außenrohr 12c aufweist.
Das Innenrohr 11c ist innerhalb des Außenrohres 12c angeordnet
und an dem Außenrohr 12c befestigt.
Das erste Ende des Innenrohrs 11c ist mit dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt
des zweiten Gehäuses 10b über den Schraubenabschnitt 11 verbunden.
Das zweite Ende des Innenrohrs 11c steht von dem Außenrohr 12c vor.
Die Druckaufnahmemembran 13 ist an das zweite Ende des
Innenrohrs 11c derart angeschweißt, dass sie eine Öffnung des
Innenrohrs 11c bedeckt.
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Ein
Verfahren zum Zusammenbauen des Rohrabschnitts 10c wird
im Folgenden erläutert.
Es werden ein zweites Gehäuse 10b,
das nur das Innenrohr 11c aufweist, das in 3A gezeigt
ist, und das Außenrohr 12c,
das in 3B gezeigt ist, vorbereitet.
Das Innenrohr 11c wird in das Außenrohr 12c eingeführt, und
das Innenrohr 11c und das Außenrohr 12c werden
durch Schweißen
oder Hartlöten
an Punkten aneinander befestigt, die mit schwarzen Punkten K in 2 dicht
am Ende des Rohrabschnitts 10c gezeigt sind. Die Druckaufnahmemembran 13 wird
an das zweite Ende des Innenrohrs 11c geschweißt.
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Ein
Verfahren zum Zusammenbauen des Drucksensors 100 wird im
Folgenden erläutert.
Der Metallstamm 21, an dem der Dehnungsmesser 30 befestigt
ist, wird in Presspassung in das erste Gehäuse 10a eingepasst
und befestigt. Die erste Schaltungskarte 40 wird um den
Metallstamm 21 angeordnet, und die erste Schaltungskarte 40 und
der Dehnungsmesser 30 werden über Bondierungsdrähte 42 miteinander
verbunden. Die erste Schaltungskarte 40 und die zweite
Schaltungskarte 50, auf der der IC-Chip 44 angebracht
und mit den Bondierungsdrähten 42 elektrisch
verbunden ist, werden über
die Federn 45 miteinander verbunden.
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Der
Verbindergehäuse 70 wird
in das erste Gehäuse 10a eingepasst
und durch Gesenkschmieden des Endabschnitts 12 des ersten
Gehäuses 10a befestigt.
Der Anschluss 61 und die zweite Schaltungskarte 50 werden
mit einem leitenden Verbindungselement 63 verbunden. Die
Erfassungseinheit 20, das erste Gehäuse 10a und das Verbindergehäuse 70 werden
in eine Einheit zusammengebaut.
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Die
Membran 13 wird an das zweite Ende des Innenrohrs 11c geschweißt, und
das Innenrohr 11c wird innerhalb des Außenrohrs 12c durch Schweißen befestigt.
Die Druckübertragungsstange 80 wird
in dem Metallstamm 21 durch die Öffnung von dem ersten Ende
aus und in den Rohrabschnitt 10c von dem zweiten Ende aus
eingeführt.
Danach werden das erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b durch
Press passen in eine Einheit zusammengebaut. Als Ergebnis wird der
in 1 gezeigte Drucksensor 100 erstellt.
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Der
Drucksensor 100 wird an dem Motorblock 300 durch
Einführen
des Rohrabschnitts 10c und des Schraubenabschnitts 11 in
das Anbringungsloch 310 des Motorblocks 300 und
Eingreifen des Schraubenabschnitts 11 in einen Schraubenabschnitt
des Motorblockes 300, wie es in 2 gezeigt ist,
eingeführt.
Das zweite Ende des Innenrohrs 11c darf die Innenoberfläche des
Motorblocks 300 nicht berühren. Das zweite Ende des Außenrohrs 12c wird in
Kontakt mit der Innenoberfläche
des Motorblocks 300 an der Grenze zwischen einem größeren Durchmesser
und einem kleineren Durchmesser des Anbringungsloch 310 in
Kontakt gebracht und abgedichtet. Diese Abdichtungsstruktur wird
leicht durch mechanisches Entwerfen unter Berücksichtigung der Durchmesser
des Anbringungsloches 310 und der Durchmesser und der Dicken
des Innenrohrs 11c und des Außenrohrs 12c erreicht.
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Der
Druck in der Brennkammer 320 wird auf die Druckaufnahmemembran 13 ausgeübt, wie
es mit einem weißen
Pfeil Y in den 1 und 2 angezeigt
ist, und zur Erfassungseinheit 20 über die Druckübertragungsstange 80 übertragen.
Die Membran 23 des Metallstamms 21 wird durch
den Druck verformt, und die Verformung der Membran 23 wird durch
den Dehnungsmesser 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das elektrische Signal, das einen Pegel des Druckes anzeigt, wird
durch den IC-Chip 44 verarbeitet und über den Anschluss 61 an
eine externe Vorrichtung ausgegeben.
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Wie
es oben beschrieben ist, weist der Drucksensor 100 das
Gehäuse 10,
die Erfassungseinheit 20, die in dem Gehäuse 10 untergebracht
ist, die Druckaufnahmemembran 13 und die Druckübertragungsstange 80 auf.
Das Gehäuse 10 weist
den Rohrabschnitt 10c, der an seinem zweiten Ende die Öffnung 10d aufweist,
auf, und die Druckaufnahmemembran 13 ist an das zweite
Ende des Rohrabschnitts 10c derart angeschweißt, dass
sie die Öffnung 10d bedeckt.
Die Druckübertragungsstange 80 ist
in dem Gehäuse 10 derart
angeordnet, dass deren erstes Ende an der Seite der Erfassungseinheit
und deren zweites Ende an der Seite der Druckaufnahmemembran sitzt.
Mit dieser Konfiguration wird der Druck, der von der Druckaufnahmemembran 13 aufgenommen
wird, über
die Druckübertragungsstange 80 zur
Erfassungseinheit 20 übertragen.
Als Ergebnis wird der Druck erfasst.
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Der
Rohrabschnitt 10c ist in einer Doppelrohrstruktur ausgebildet,
die das Innenrohr 11c und das Außenrohr 12c aufweist.
Das Innenrohr 11c ist innerhalb des Außenrohrs 12c angeordnet
und am Außenrohr 12c befestigt.
Das zweite Ende des Innenrohrs 11c, das eine Öffnung aufweist,
steht von dem Außenrohr 12c vor.
Die Druckaufnahmemembran 13 ist an dem zweiten Ende des
Innenrohrs 11c derart angeschweißt, dass sie die Öffnung bedeckt.
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Der
Rohrabschnitt 10c wird in das Anbringungsloch 310 derart
eingeführt,
dass sich das zweite Ende des Außenrohrs 12c in Kontakt
mit der inneren Oberfläche
des Motorblocks 300 befindet und abgedichtet wird. Das
zweite Ende des Innenrohrs 11c wird mit der Druckaufnahmemembran 13 abgedichtet,
ohne an der inneren Oberfläche
angebracht zu sein. Eine Kraft neigt weniger dazu, auf das Innenrohr 11c in
dessen Längsrichtung
einzuwirken, obwohl sie auf das Außenrohr 12c in dessen
Längsrichtung
einwirkt. Demzufolge neigt eine Kraft weniger dazu, auf die Druckübertragungsstange 80,
die in dem Innenrohr 11c untergebracht ist, einzuwirken, und
die Druckübertragungsstange 80 neigt
weniger dazu, die Erfassungseinheit 20 zu stoßen, wenn
der Rohrabschnitt 10c in das Anbringungsloch 310 eingeführt wird.
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Das
Innenrohr 11c ist an dem Außenrohr 12c in der
Nähe des
ersten Endes des Rohrabschnitts 10c befestigt, das heißt, dass
das Außenrohr 12c in der
Nähe des
ersten Endes des Rohrabschnitts 10c befestigt ist. Somit
kann eine Kraft, die das Außenrohr 12c verformen
kann, in einem großen
Bereich des Außenrohrs 12c aufgenommen
werden, und die Kraft, die auf das Innenrohr 11c in dessen
Längsrichtung
ausgeübt
werden kann, kann verringert werden.
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Die
Erfassungseinheit 20 besteht aus dem Metallstamm 21 und
dem Dehnungsmesser 30. Der Metallstamm 21 weist
in der Mitte den Hohlraum, an seinem ersten Ende die Öffnung 22 und
an dem zweiten Ende die Membran 23 auf. Der Dehnungsmesser 30 ist
an der Oberfläche
der Membran 23 angebracht. Mit dieser Konfiguration wird
der Druck in der Brennkammer 320 richtig erfasst.
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[Zweite Ausführungsform]
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In 4A ist
das Innenrohr 11c derart angeordnet, dass das zweite Ende
des Innenrohrs 11c innerhalb des zweiten Endes des Außenrohrs 12c positioniert
ist. Die Öffnungen
des Innenrohrs 11c und des Außenrohrs 12c sind
durch die Druckaufnahmemembran 13 an ihren zweiten Enden
abgedichtet. Das zweite Ende des Außenrohrs 12c ist an
der Innenoberfläche
des Motorblocks 300 angebracht, wenn der Rohrabschnitt 10c in
das Anbringungsloch 310 des Motorblocks 300 eingeführt ist.
Die Struktur anderer Teile ist dieselbe wie die der ersten Ausführungsform
und wird nicht beschrieben. Mit dieser Konfiguration werden dieselben
Wirkungen wie mit der ersten Ausführungsform erzielt.
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[Dritte Ausführungsform]
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In 4B ist
das Innenrohr 11c derart angeordnet, dass das zweite Ende
des Innenrohrs 11c innerhalb des zweiten Endes des Außenrohrs 12c positioniert
ist. Die Öffnung
des Innenrohrs 11c ist durch die Druckaufnahmemembran 13 an
dessen zweiten Ende abgedichtet, und die Öffnung des Außenrohrs 12c ist
durch die Druckaufnahmemembran 13 in der Nähe seines
zweiten Endes abgedichtet. Das zweite Ende des Außenrohrs 12c ist
an der inneren Oberfläche
des Motorblocks 300 angebracht, wenn der Rohrabschnitt 10c in
das Anbringungsloch 310 des Motorblocks 300 eingeführt ist.
Die Struktur anderer Teile ist dieselbe wie die der ersten Ausführungsform und
wird nicht beschrieben. Mit dieser Konfiguration werden dieselben
Wirkungen wie mit der ersten Ausführungsform erzielt.
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[Vierte Ausführungsform]
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In 7 ist
ein Versuchsmodell eines Drucksensors gemäß einem anderen Stand der Technik gezeigt.
Ein Teil eines Außenumfangs
eines Metallgehäuses 710 ist
mit einem Gewinde versehen, um den Drucksensor an einen Motorblock
zu schrauben. Der Gewindeteil wird als ein Gewindeabschnitt 711 bezeichnet.
Eine Erfassungseinheit 720 ist in dem Gehäuse 710 untergebracht.
Die Erfassungseinheit 720 enthält einen Metallstamm 721,
eine Membran 723 und einen Dehnungsmesser 730.
Der Metallstamm 721 weist an einem Ende eine Öffnung 722 und
an dem anderen Ende die Membran 723 auf. Er ist in einer
zylindrischen Gestalt ausgebildet, die einen Hohlraum in der Mitte
zwischen den Enden aufweist.
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Der
Dehnungsmesser 730 ist an einer Oberfläche der Membran 723 durch
Glasschweißen
befestigt. Die Membran 723 verformt sich, wenn eine den
Druck betreffende Kraft ausgeübt
wird. Der Dehnungsmesser 730 ist ein Halbleiter chip, der
eine Änderung
des Widerstandes aufgrund der Verformung der Membran 723 in
ein elektrisches Signal umwandelt und dieses Signal ausgibt. Ein
Gewindeabschnitt 724 ist in einem Teil des Außenumfangs
des Metallstamms 721 ausgebildet. Der Metallstamm 721 ist
an dem Gehäuse 710 durch
den Gewindeabschnitt 724 angeschraubt.
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Eine
Keramikschaltungskarte 740 ist an einer Seite des Außenumfangs
des Metallstamms 721 angeordnet. Die Schaltungskarte 740 haftet
an dem Abstandshalter 741. Der Dehnungsmesser 730 und die
Schaltungskarte 740 sind über Bondierungsdrähte 742 elektrisch
miteinander verbunden. Ein Stift 743 ist mit einer Oberfläche der
Schaltungskarte 740 verbunden, an der Bondierungsdrähte 742 zur
elektrischen Verbindung mit einem Anschluss 760 verbunden
sind. Ein IC-Chip 744 ist an der gegenüberliegenden Oberfläche der
Schaltungskarte 740 angebracht, um Ausgänge des Dehnungsmessers 730 zu verstärken oder
einzustellen. Der IC-Chip 744 ist mit dem Stift 743 über ein
Durchgangsloch, das in der Schaltungskarte 740 vorgesehen
ist, elektrisch verbunden.
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Der
Verbinder 760 ist ein Aufbau, bei dem ein Anschluss 761 mit
einem Harzteil 762 durch Einfügungsausformen (insert molding)
zusammengebaut ist. Der Anschluss 761 und die Schaltungskarte 740 werden
durch Laserschweißen
mit dem Stift 743 verbunden. Der Verbinder 760 ist
in einem Harzverbindergehäuse 770 untergebracht
und durch Gesenkschmieden eines Endabschnitts 712 des Gehäuses 710 an
dem Verbindergehäuse 770 befestigt.
In diesem Prozess wird das Verbindergehäuse 770 mit dem Gehäuse 710 integriert
und bildet zusammen mit dem Gehäuse 10 eine
Packung, um den Dehnungsmesser 730, die ICs und elektrisch
verbundene Teile gegenüber
Feuchtigkeit und mechanischer Spannung zu schützen. Der Anschluss 761 ist über ein
Verbindungselement mit einer externen Vorrichtung verbindbar.
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Das
Gehäuse 710 besitzt
einen Rohrabschnitt 710c, der sich von einem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt
erstreckt, der die Erfassungseinheit 720 unterbringt. Der
Rohrabschnitt 710c weist an seinem Ende eine Öffnung 710d auf. Eine
metallene Druckaufnahmemembran 713 ist an das Ende des
Rohrabschnitts 710c derart angeschweißt, dass sie die Öffnung 710d bedeckt.
Der Rohrabschnitt 710c bringt eine metallene Druckübertragungsstange 780 unter.
Die Druckübertragungsstange 780 ist
durch die Öffnung 722 mit
dem ersten Ende in den Metallstamm 721 eingeführt, und
das erste Ende ist derart mit der Membran 723 in Kontakt gebracht,
dass eine Last über
das erste Ende auf die Membran 723 wirkt.
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Das
zweite Ende der Druckübertragungsstange 780 ist
derart mit der Druckaufnahmemembran 713 in Kontakt gebracht,
dass eine Last über
das zweite Ende auf die Druckaufnahmemembran 713 wirkt.
Der Druck, der von der Druckaufnahmemembran aufgenommen wird, wird über die
Druckübertragungsstange 780 zur
Erfassungseinheit 720 übertragen
und durch die Erfassungseinheit 720 erfasst.
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Im
Folgenden wird ein Prozess zum Zusammenbauen des Drucksensors erläutert. Der
Dehnungsmesser 730 wird an dem Metallstamm 721 angebracht.
Der Metallstamm 721 wird an das Gehäuse 710 geschraubt.
Der Abstandshalter 741 wird in das Gehäuse 710 eingeführt und
mit der Schaltungskarte 740 verbunden. Der Dehnungsmesser 730 und
die Schaltungskarte 740 werden mit den Bondierungsdrähten 742 elektrisch
verbunden. Der Anschluss 760 und der Stift 743 werden
durch Laserschweißen miteinander
verbunden. Das Verbindergehäuse 770 wird
in das Gehäuse 710 eingepasst
und durch Gesenkschmieden des Endabschnitts 712 des Gehäuses 710 an
dem Verbindergehäuse 770 befestigt.
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Die
Druckübertragungsstange 780 wird
in das Gehäuse 710 durch
die Öffnung 710d eingeführt, und
die Druckaufnahmemembran 713 wird an dem Ende des Rohrabschnitts 710 derart
angeordnet, dass sie die Öffnung 710d bedeckt.
Die Druckaufnahmemembran 713 wird an das Ende des Rohrabschnitts 710 geschweißt, während eine
Last auf die Druckaufnahmemembran 713 einwirkt, so dass
die Membran 723 durch die Druckübertragungsstange 780 gestoßen wird.
Danach ist der Zusammenbauprozess vollendet.
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Der
Drucksensor ist mit dem Gewindeabschnitt 711 an einem Gegenstand
wie zum Beispiel einem Motorblock anbringbar. Ein Druck, der auf
die Druckaufnahmemembran in der Richtung, die durch den weißen Pfeil
Y gezeigt ist, einwirkt, wird über
die Druckübertragungsstange 780 an
die Erfassungseinheit 720 übertragen. Der Druck verformt
die Membran 723, und die Verformung wird durch den Dehnungsmesser 730 in
ein elektrisches Signal umgewandelt. Als Ergebnis wird der Druck
erfasst.
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In
dem Zusammenbauprozess wird während des
Schweißens
der Membran 713 durch die Druckübertragungsstange 780 eine
Last auf die Druckaufnahmemembran 713 ausgeübt. Zwei
Hauptgründe, warum
das Schweißen
durchgeführt
wird, während eine
Last auf die Druckaufnahmemembran 713 ausgeübt wird,
werden im Folgenden erläutert.
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Der
erste Grund besteht darin, dass die Druckübertragungsstange 780 von
zumindest einer der Druckaufnahmemembran 713 und der Membran 723 getrennt
werden kann, wenn die Last nicht ausgeübt wird. Dieses kommt daher,
dass die Druckübertragungsstange 780 sich
auf Temperaturänderungen
hin entsprechend einem linearen Ausdehnungskoeffizienten zusammenziehen
kann.
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Der
zweite Grund besteht darin, dass sich die Druckaufnahmemembran 713 nach
außen
krümmen
und von der Druckübertragungsstange 780 getrennt
werden kann, wenn ein negativer Druck einwirkt. Der negative Druck
wird möglicherweise
ausgeübt,
wenn der Drucksensor zur Erfassung eines Druckes in einer Brennkammer
eines Motors verwendet wird.
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Aus
den obigen beiden Gründen
wird die Druckaufnahmemembran 713 geschweißt, während eine
Last einwirkt, um den Kontakt zwischen der Druckübertragungsstange 780 und
den Membranen 713 und 723 aufrechtzuerhalten.
Die Druckaufnahmemembran 713 neigt jedoch mehr dazu, durch
Hitze verformt zu werden, wenn während
des Schweißens
eine Last auf die Druckaufnahmemembran 713 einwirkt, da
sie aufgrund der Schweißhitze
weich wird. Dieses kann zu einem anderen Problem führen, das
heißt,
Lasten, die auf die Membran 713 und 723 durch
die Druckübertragungsstange 780 ausgeübt werden,
können
nicht richtig auf vorbestimmte Werte eingestellt werden.
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Mit
Bezug auf 5 wird daher ein Zusammenbauverfahren
des Drucksensors 100 erläutert. Das Gehäuse 10 wird
als eine Einheit durch Zusammenbauen des ersten Gehäuses 10a und
des zweiten Gehäuses 10b ausgebildet.
Vor dem Zusammenbau des ersten Gehäuses 10a und des zweiten
Gehäuses 10b wird
die Erfassungseinheit 20 an dem ersten Gehäuse 10a befestigt,
und die Druckaufnahmemembran 13 wird an das zweite Gehäuse 10b geschweißt. Das
erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b werden
in eine Einheit zusammengebaut, in der die Druckübertragungsstange 80 derart untergebracht
ist, dass das erste Ende und das zweite Ende der Druckübertragungsstange 80 jeweils
gegen die Erfassungseinheit 20 und die Druckaufnahmemembran 13 gedrückt werden.
Die Lasten werden jeweils auf die Erfassungseinheit 20 und
die Druckaufnahmemembran 13 durch die ersten und zweiten Enden
der Druckübertragungsstange 80 ausgeübt.
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Die
Druckaufnahmemembran 13 wird vor dem Zusammenbau des ersten
Gehäuses 10a und des
zweiten Gehäuses 10b geschweißt. Das
heißt, es
werden ein Prozess zum Schweißen
der Druckaufnahmemembran 13 an das Gehäuse 10 und ein Prozess
zur Ausübung
der Last auf die Druckaufnahmemembran 13 getrennt durchgeführt. Somit
ist die Druckaufnahmemembran 13 thermisch stabil, und es wird
keine thermische Verformung aufgrund der Ausübung der Last in der Druckaufnahmemembran 13 auftreten.
In dem Schweißprozess
neigt die Druckaufnahmemembran 13 weniger dazu, aufgrund
der Last, die auf die Druckaufnahmemembran 13 ausgeübt wird,
thermisch verformt zu werden.
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Das
erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b werden
durch Presspassen zusammengebaut. Die Erfassungseinheit 20 besteht
aus dem Metallstamm 21 und dem Dehnungsmesser 30.
Der Metallstamm 21 weist in der Mitte den Hohlraumabschnitt,
an seinem ersten Ende die Öffnung 22 und
an dem zweiten Ende die Membran 23 auf. Der Dehnungsmesser 30 ist
an der Oberfläche
der Membran 23 angebracht. Mit dieser Konfiguration wird
der Druck in der Brennkammer richtig erfasst.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt sein, sondern kann auf verschiedene Weise implementiert
sein, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
kann das Gehäuse 10 in einem
einzigen Stück
ohne den Zusammenbau mehrerer Teile wie zum Beispiel dem ersten
Gehäuse 10a und
dem zweiten Gehäuse 10b ausgebildet
sein. Die Erfassungseinheit 20 kann anders aufgebaut sein, solange
wie sie dem Druck, der von der Druckübertragungsstange 80 übertragen
wird, entsprechende Signale ausgibt. Der Druck sensor 100 kann
zur Erfassung eines anderen Druckes als den Druck in einer Brennkammer
eines Motors verwendet werden.
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Das
erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b können so
ausgebildet sein, dass sie in dem Rohrabschnitt 10c gegliedert
sind. In diesem Fall kann der Metallstamm 21 nicht in das
Gehäuse 10 von
dem Rohrabschnitt 10c in Presspassung eingepasst werden.
Somit kann der Metallstamm 21 an das Gehäuse 10 geschraubt
sein. Das erste Gehäuse 10a und
das zweite Gehäuse 10b können durch Schweißen oder
mit Haftmittel oder Schrauben aneinander befestigt sein.