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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zu seinem Zusammenbau.
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In der
JP 5-34241 A 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 Druckübertragungsstange ausgeübt. Demzufolge wird die Druckübertragungsstange gegen die Erfassungseinheit gedrückt, und es wird ein abnormes Signal von dem Drucksensor ausgegeben.
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Die
GB 2 211 659 A beschreibt einen Drucksensor zur Anbringung an einem Motorblock, der aufweist: eine Druckaufnahmemembran, die einen Druck aufnimmt, eine Erfassungseinheit, die ein Signal entsprechend einem Pegel des Druckes ausgibt, eine Druckübertragungsstange, die den Druck, der von der Druckaufnahmemembran aufgenommen wird, zur Erfassungseinheit überträgt, und ein Gehäuse, das die Erfassungseinheit und die Druckübertragungsstange unterbringt, wobei die Druckübertragungsstange innerhalb des Gehäuses derart angeordnet ist, dass deren erstes Ende an einer Seite der Erfassungseinheit und deren zweites Ende an einer Seite der Druckaufnahmemembran sitzt, das Gehäuse einen Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt aufweist, der die Erfassungseinheit und einen Rohrabschnitt unterbringt, der sich von dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt in Form eines Rohrs erstreckt, ein erstes Ende des Rohrabschnitts benachbart zum Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt angeordnet ist, ein zweites Ende des Rohrabschnitts von dem Erfassungseinheitunterbringungsabschnitt weg angeordnet ist, das zweite Ende des Rohrabschnitts eine Öffnung aufweist, der Rohrabschnitt aus einem Innenrohr und einem Außenrohr aufgebaut ist, und das Innenrohr innerhalb des Außenrohrs angeordnet und an dem Außenrohr befestigt ist.
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Die
EP 0 156 081 B1 beschreibt einen Drucksensor mit einer Membran und einem Schraubenabschnitt an einem Rohr zur Übertragung des auf die Membran ausgeübten Druckes an eine Erfassungseinheit.
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Außerdem beschreibt die
JP 05034231 A einen piezoelektrischen Drucksensor.
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Die vorliegende Erfindung besitzt daher die Aufgabe, einen Drucksensor, der weniger dazu neigt, durch eine Kraft beeinflusst zu werden, die einwirkt, wenn er an einem Gegenstand angebracht ist, sowie ein Verfahren zum Zusammenbau desselben bereitzustellen.
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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 Außenrohres 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 erfindungsgemäßes Zusammenbauverfahren des obigen Drucksensors ist in Anspruch 10 angegeben. 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 einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 einen Querschnitt des Drucksensors gemäß der Ausführungsform, der in einem Motorblock angebracht ist,
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3A einen Querschnitt des Drucksensors um dessen Rohrabschnitt gemäß der Ausführungsform,
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3B einen Querschnitt eines Außenrohres, das in dem Rohrabschnitt enthalten ist, gemäß der Ausführungsform,
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4A einen Teilquerschnitt eines Drucksensors gemäß einem ersten nicht erfindungsgemäßen Beispiel,
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4B einen Teilquerschnitt eines Drucksensors gemäß einem zweiten nicht erfindungsgemäßen Beispiel,
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5 einen Querschnitt eines Drucksensors gemäß einem dritten nicht erfindungsgemäßen Beispiel,
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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 eine bevorzugte Ausführungsform 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 externe 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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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 Verformung 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 Presspassen 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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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 obigen Ausführungsform und wird nicht beschrieben. Mit dieser Konfiguration werden dieselben Wirkungen wie mit der obigen Ausführungsform erzielt.
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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 obigen Ausführungsform und wird nicht beschrieben. Mit dieser Konfiguration werden dieselben Wirkungen wie mit der obigen Ausführungsform erzielt.
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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 Halbleiterchip, 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 beschriebene Ausführungsform begrenzt sein, sondern kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. 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 Drucksensor 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.