DE102005022087B4

DE102005022087B4 - Druckerfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102005022087B4
Application number: DE102005022087A
Authority: DE
Inventors: Teruo Oda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: US7263891B2; DE102005022087A1; DE102005022087A8; FR2870340A1; US20050252299A1; KR20070081792A; KR20060047957A; KR100943325B1; FR2870340B1

Abstract

Druckerfassungsvorrichtung mit: – einem Gehäuse (10), das einen Rohrabschnitt (12) und einen Hauptkörperabschnitt (11) aufweist, wobei sich der Rohrabschnitt (12) von einem Ende des Hauptkörperabschnitts (11) erstreckt und eine längliche Form aufweist; und – einem drucksensitiven Element (20), um einen Druck zu erfassen und ein Signal auszugeben, das ein Maß für den erfassten Druck ist; und – einer Membran (15), die an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist, um das drucksensitive Element (20) zu überdecken, wobei – der Rohrabschnitt (12) einen Endabschnitt aufweist, der dazu geeignet ist, den Druck zu empfangen, – das drucksensitive Element (20) an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist, – das Gehäuse (10) mit einem Anschlussabschnitt (60) verbunden ist, um das Signal von dem drucksensitiven Element (20) auszugeben, – in dem Rohrabschnitt (12) ein Verdrahtungselement (50) aufgenommen ist, das eine elektrische Verbindung zwischen dem drucksensitiven Element (20) und dem Anschlussabschnitt (60) herstellt, und dadurch gekennzeichnet, dass – das drucksensitive Element (20) dazu geeignet ist, den Druck durch die Membran (15) zu empfangen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckerfassungsvorrichtung, d. h. einen Drucksensor. In der Druckerfassungsvorrichtung ist ein drucksensitives Element in einem Gehäuse angeordnet ist, das einen Hauptkörperabschnitt und einen länglichen Rohrabschnitt umfasst, wobei der Rohrabschnitt von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts hervorragt.
Eine derartige Druckerfassungsvorrichtung, die ein Gehäuse, einen länglichen Rohrabschnitt und ein drucksensitives Element umfasst, ist zum Beispiel in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. H05-34231 offenbart. Der längliche Rohrabschnitt ist so angeordnet, dass der Rohrabschnitt von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts hervorragt. Das drucksensitive Element ist in dem Gehäuse angeordnet und sendet als Antwort auf einen erfassten Druck ein Signal aus.
In der oben beschriebenen Druckerfassungsvorrichtung wird der Rohrabschnitt des Gehäuses in ein zu erfassendes Objekt, d. h. ein Objekt, dessen innerer Druck erfasst werden soll, eingeführt, und anschließend wird der erfasste Druck (im Folgenden auch als ”Erfassungsdruck” bezeichnet), der von dem zu erfassenden Objekt abgeleitet wird, einem Endabschnitt des Rohrabschnitts zugeführt, so dass das drucksensitive Element, das in dem Gehäuse angeordnet ist, mit diesem Erfassungsdruck beaufschlagt wird, um so den Druck zu erfassen.
In der herkömmlichen Druckerfassungsvorrichtung kann, da eine Membran zur Aufnahme des Erfassungsdrucks und ein stabförmiges Druckübertragungselement (im Folgenden als ”Stab” bezeichnet) an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts angeordnet ist, der Erfassungsdruck von der Membran über den Stab zu dem drucksensitiven Element übertragen werden.
Eine derartige Druckerfassungsvorrichtung, die mit dem Stab ausgestattet ist, der als das stabförmige Druckübertragungselement fungiert, wird auf einen Verbrennungsdrucksensor oder dergleichen angewendet. Der Verbrennungsdrucksensor erfasst einen Druck (Zylinderdruck) in einer Verbrennungskammer eines Motors. In diesem Fall wird der Rohrabschnitt des Gehäuses in ein Befestigungsloch eines Motorblocks eingeführt, der dem zu erfassenden Objekt entspricht. Als Folge davon muss die Länge des Stabes an die Länge des Rohrabschnitts, d. h. einer Druckübertragungsstrecke, angepasst werden.
Wie es oben ausgeführt ist, ist jedoch das Gewicht des Stabes erhöht, wenn der Stab verlängert wird. Daraus folgt, dass eine Resonanzfrequenz des Stabes einer Schwingungsfrequenz einer klopfenden Verbrennung überlagert wird, so dass in dem Stab Resonanzen auftreten können. Demzufolge kann ein das Problem auftreten, dass Klopfsignale in Rauschen eingebettet werden, das durch die Resonanzen in dem Stab erzeugt wird, so dass die Klopfsignale nicht gemessen werden können.
Ferner, wenn der Stab lang ausgebildet wird, werden Kontaktierungsbedingungen zwischen dem Stab und entweder der Membran oder dem drucksensitiven Element verändert. Wenn eine solche Änderung der Kontaktierungsbedingungen eintritt, ist die Genauigkeit der Druckübertragung verschlechtert, was einen starken Einfluss auf die Sensorcharakteristik hat.
Ferner, wenn bei einer solchen Druckerfassungsvorrichtung, in der ein drucksensitives Element mit einer flexiblen Schaltungsplatine mittels einer Flip-Chip-Verbindung verbunden ist, wiederholt ein Kühl/Heiz-Zyklus ausgeführt wird, ist es möglich, dass aufgrund von Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Strukturelemente, insbesondere eines Unterschieds zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium, aus dem das drucksensitive Element hergestellt ist, und dem eines Harzes, aus dem die flexible Schaltungsplatine hergestellt ist, starke Spannungen in den Bump-Verbindungsabschnitten auftreten.
Ferner, da die Erfassungseinheit wiederholt mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt wird, werden die Bumps durch diesen Druck zusammengedrückt, so dass in den Bump-Verbindungsabschnitten große Spannungen erzeugt werden können. Somit besteht bei den Bump-Verbindungsabschnitten, die die Spannungen aufnehmen, die Gefahr, dass eine Leitungsverbindung unterbrochen wird.
Ferner, da die flexible Schaltungsplatine in einer solchen Weise gebogen wird, dass der Biegewinkel ”θ” 90° oder kleiner wird, wird eine Spannung, die durch Kraftausübung in einer Richtung bewirkt wird, in der ein Randabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine von der Dehnungsmesseinrichtung abgezogen wird, in dem Randabschnitt, d. h. in dem Verbindungsabschnitt der Dehnungsmesseinrichtung mit der flexiblen Schaltungsplatine, praktisch nicht erzeugt.
Wenn die flexible Schaltungsplatine in einen Biegezustand gebracht wird, in dem der Biegewinkel ”θ” 90° oder kleiner wird, sind jedoch die Spannungen, die in dem Biegeabschnitt (d. h. dem Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine, der einen ersten Abschnitt, den sogenannten Verbindungsabschnitt, der mit der Erfassungseinheit verbunden ist, mit dem im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohrabschnitts sich erstreckenden Erstreckungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine verbindet) der flexiblen Schaltungsplatine auftreten, groß, so dass leicht Beschädigungen auftreten können. Als Folge davon können in einem Substrat, einer Kupferfolie, die zusammen die flexible Schaltungsplatine bilden, Risse, Verbiegungen und Brüche können auftreten.
Die EP0855 585 A2 offenbart eine Druckerfassungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine Druckerfassungsvorrichtung mit allen Merkmalen des geltenden Anspruchs 12 ist durch den bekannten Stand der Technik nicht bekannt oder nahegelegt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Angesichts der oben genannten Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Druckerfassungsvorrichtung bereitzustellen. Die Vorrichtung weist eine ausgezeichnete Sensorcharakteristik auf und besitzt eine ausgezeichnete Haltbarkeit.
Die Druckerfassungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Hauptkörperabschnitt und einem Rohrabschnitt, der von einem Randabschnitt des Hauptkörpers hervorragt und eine längliche Gestalt aufweist, und ein drucksensitives Element zum Erfassen eines Erfassungsdrucks und Ausgeben eines dem Druck entsprechenden Signals. Der Rohrabschnitt weist einen Endabschnitt auf, der dazu geeignet ist, den Erfassungsdruck aufzunehmen. Das drucksensitive Element ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts angeordnet. Das Gehäuse ist mit einem Anschlussabschnitt zum Abgreifen des Signals von dem drucksensitiven Element verbunden. Der Rohrabschnitt umfasst ferner ein Verdrahtungselement, das das drucksensitive Element mit dem Anschlussabschnitt elektrisch verbindet.
Da in der oben genannten Vorrichtung das drucksensitive Element an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts angeordnet ist, kann die Länge des Rohrabschnitts verringert werden. Somit können Resonanzen in dem Rohrabschnitt, die durch den externen Motor und dergleichen erzeugt werden, und Deformationen des Rohrabschnitts vermieden werden. Demzufolge weist die Vorrichtung eine ausgezeichnete Sensorcharakteristik auf und besitzt eine ausgezeichnete Haltbarkeit.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Druckübertragungselement, das zwischen der Membran und dem drucksensitiven Element angeordnet ist. Das Druckübertragungselement umfasst eine erste Oberfläche, die mit der Membran in Kontakt ist, und eine zweite Oberfläche, die sich in Kontakt mit dem drucksensitiven Element befindet. Die erste und die zweite Oberfläche sind sphärische Oberflächen. Das drucksensitive Element kann über die Membran und das Druckübertragungselement den Druck aufnehmen. In diesem Fall bilden der Kontakt zwischen der Membran und dem Druckübertragungselement einerseits und der Kontakt zwischen dem drucksensitiven Element und dem Druckübertragungselement andererseits stabile Punktkontakte. Somit kann die Kontaktfläche zwischen ihnen verringert werden, wird die Sensorcharakteristik des Vorrichtung nicht durch eine Änderung der Kontaktcharakteristik beeinflusst und weist die Vorrichtung eine ausgezeichnete Druckübertragung auf.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ferner eine kreisförmige Membran, die am Endabschnitt des Rohrabschnitts angeordnet ist, um das drucksensitive Element abzudecken. Das drucksensitive Element ist dazu geeignet, den Druck durch die Membran aufzunehmen. Das drucksensitive Element umfasst eine Dehnungsmesseinrichtung, die durch eine von der Membran aufgeprägte Last verformbar ist. Die Dehnungsmesseinrichtung weist eine Kontaktfläche auf, die mit der Membran in Kontakt ist. Die Kontaktfläche der Dehnungsmesseinrichtung ist gleich groß wie oder kleiner als ein Viertel einer Fläche der Membran. In diesem Fall kann der von der Membran aufgenommene Druck direkt auf das drucksensitive Element übertragen werden. Insbesondere ist die auf das drucksensitive Element ausgeübte Kraft gleich groß wie oder größer als der empfangene Druck. Somit ist die Messgenauigkeit selbst dann nicht herabgesetzt, wenn die Abmessungen des drucksensitiven Elements verkleinert sind.
Das Verdrahtungselement ist vorzugsweise eine flexible Schaltungsplatine. Die flexible Schaltungsplatine umfasst ein erstes Ende, das mit dem drucksensitiven Element verbunden ist, ein zweites Ende, und einen Biegeabschnitt. Die flexible Schaltungsplatine ist an dem Biegeabschnitt unter einem Biegewinkel gebogen. Das zweite Ende der flexiblen Schaltungsplatine ist auf der Seite des Anschlussabschnitts angeordnet. Der Biegewinkel ist gleich groß wie oder kleiner als 90°, so dass Spannungen in dem Biegeabschnitt kleiner sind als in einem Fall, in dem der Biegewinkel größer als 90° ist.
Das erste Ende der flexiblen Schaltungsplatine ist vorzugsweise auf einer Seite einer Innenwand des Rohrabschnitts angeordnet. Ein Erstreckungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine (d. h. ein mit dem Biegeabschnitt verbundener und bezüglich diesem auf der anderen Seite als der Verbindungsabschnitt mit dem drucksensitiven Element angeordneter Abschnitt) ist auf einer weiteren Seite der Innenwand des Rohrabschnitts angeordnet. Die eine Seite der Innenwand des Rohrabschnitts liegt der weiteren Seite der Innenwand des Rohrabschnitts gegenüber. In diesem Fall kann in geeigneter Weise realisiert werden, dass der Biegewinkel gleich groß wie oder kleiner als 90° eingestellt wird. Ferner sind die Spannungen, die ein Ablösen des drucksensitiven Elements von der Schaltungsplatine hervorrufen können, verringert. Somit kann die Verbindung zwischen dem Element und der Platte in geeigneter Weise gewährleistet werden.
Ferner umfasst die Druckerfassungsvorrichtung ein Gehäuse, eine flexible Schaltungsplatine, die in dem Gehäuse angeordnet ist, und einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen eines Drucks und zum Ausgeben eines dem Druck entsprechenden Signals und ist mit einem Anschlussgehäuse (Verbindungsabschnitt) verbunden, der das Signal von dem Erfassungsabschnitt abnimmt. Der Erfassungsabschnitt ist auf einer Seite des Gehäuses angeordnet, so dass die eine Seite des Gehäuses den Druck empfangen kann. Die flexible Schaltungsplatine stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Erfassungsabschnitt und dem Anschlussgehäuse her. Der Erfassungsabschnitt ist über eine Mehrzahl von Bumps, die auf der flexiblen Schaltungsplatine angeordnet sind, elektrisch und mechanisch mit der flexiblen Schaltungsplatine verbunden. Die flexible Schaltungsplatine weist eine Spannungsrelaxationskonstruktion zur Verringerung von auf den Bump übertragenen Spannungen auf.
In diesem Fall werden die Spannungen durch die Spannungsrelaxationskonstruktion abgebaut, selbst wenn die Spannungen auf den Bump übertragen werden. Demzufolge weist die Vorrichtung eine ausgezeichnete Sensorcharakteristik und eine ausgezeichnete Haltbarkeit auf.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine Querschnittsansicht, die eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
3 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt der Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
5 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 6B eine Draufsicht und 6C eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Wärmeabstrahlungselement in der in 6A gezeigten Vorrichtung zeigen;
7 eine Querschnittsansicht, die eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A eine Draufsicht gemäß der sechsten Ausführungsform, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine zeigt, bevor diese gebogen wird, und 8B eine Seitenansicht, die die Verbindung der Schaltungsplatine nach deren Umbiegung zeigt;
9 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Beispiel einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem zweitem Beispiel der siebten Ausführungsform;
11 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem dritten Beispiel der siebten Ausführungsform;
12 eine Querschnittsansicht, die eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem Vergleich mit der sechsten Ausführungsform zeigt;
13A eine Draufsicht gemäß dem Vergleich der sechsten Ausführungsform, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine vor deren Umbiegung zeigt, und 14B eine Seitenansicht, die die Verbindung der Schaltungsplatine nach deren Umbiegung zeigt;
14 eine Querschnittsansicht, die eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
15A eine Draufsicht gemäß der achten Ausführungsform, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine vor deren Umbiegung zeigt, und 15B eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt der Druckerfassungsvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform zeigt;
16 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer ersten Modifikation der achten Ausführungsform zeigt;
17 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer zweiten Modifikation der achten Ausführungsform zeigt;
18 eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt, die einen Endabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer dritten Modifikation der achten Ausführungsform zeigt;
19A bis 19I Draufsichten, die Verbindungen einer Schaltungsplatine gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor deren Umbiegung zeigen;
20 eine Seitenansicht, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach deren Umbiegung zeigt;
21 eine Seitenansicht, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine gemäß einer ersten Modifikation der zehnten Ausführungsform nach deren Umbiegung zeigt;
22 eine Seitenansicht, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine gemäß einer zweiten Modifikation der zehnten Ausführungsform nach deren Umbiegung zeigt;
23 eine Draufsicht, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor deren Umbiegung zeigt;
24A und 24B Draufsichten, die Verbindungen einer Schaltungsplatine gemäß einer ersten und einer zweiten Modifikation der elften Ausführungsform vor deren Umbiegung zeigt;
25A eine Draufsicht, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine gemäß einer dritten Modifikation der elften Ausführungsform vor deren Umbiegung zeigt, und 25B eine Querschnittsansicht, die die Verbindung der Schaltungsplatine nach deren Umbiegung zeigt;
26 eine Querschnittsansicht, die eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem Vergleich mit der achten Ausführungsform zeigt; und
27A eine Draufsicht, die eine Verbindung einer Schaltungsplatine gemäß dem Vergleich mit der achten Ausführungsform vor deren Umbiegung zeigt, und 27B eine Querschnittsansicht, die die Verbindung der Schaltungsplatine nach deren Umbiegung zeigt.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Gesamtstruktur bzw. einen Gesamtaufbau einer Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ferner ist 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts von 1, welcher ein oberes Ende der Vorrichtung 100 ist. Es ist zu beachten, dass in 2 zudem ein Motorblock 200 dargestellt ist.
Obwohl die Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform auf einen Verbrennungsdrucksensor angewendet wird, wobei ein Rohrabschnitt 12 eines Gehäuses 10 vermittels einer Schraubverbindung in einem Montageloch 201 befestigt ist, das zum Beispiel in einem Motorblock 200 eines Kraftfahrzeugs als ein zu erfassendes Objekt ausgebildet ist (siehe 2), und der Verbrennungsdrucksensor als Erfassungsdruck einen Druck (Zylinderdruck) innerhalb einer Verbrennungskammer 202 erfasst, ist die Druckerfassungsvorrichtung 100 nicht auf diese Verwendung begrenzt.
Das Gehäuse 10 ist aus einem zylindrischen Hauptkörperabschnitt 11 und dem Rohrabschnitt 12 aufgebaut. Der Rohrabschnitt 12, der eine längliche, allgemein kreiszylindrische Gestalt aufweist, ist schlanker ausgebildet als der Hauptkörperabschnitt 11. Sowohl der Hauptkörperabschnitt 11 als auch der Rohrabschnitt 12 sind aus rostfreiem Stahl hergestellt, der durch Schneiden, Kaltverformen oder dergleichen bearbeitet wurde. Gemäß dieser ersten Ausführungsform weist der Rohrabschnitt 12 zum Beispiel einen Außendurchmesser von 4 mm und einen Innendurchmesser von 3 mm auf. Alternativ kann der Rohrabschnitt 13 auch als allgemein rechteckiger Zylinder ausgebildet sein.
Es ist zu beachten, dass der Hauptkörperabschnitt 11 und der Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 miteinander zu einem einteiligen Körper verbunden sein können. Alternativ können der Hauptkörperabschnitt 11 und der Rohrabschnitt 12 als getrennte Elemente ausgebildet sein, die anschließend durch Verschweißen, Verkleben, Einpressen, Verschrauben, formschlüssiges Ineinandergreifen von jeweiligen Umfangsrändern etc. miteinander verbunden werden, um so einen einzigen Körper zu bilden.
Ferner ist ein Gewindeabschnitt 13 auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 ausgebildet. Der Gewindeabschnitt 13 kann mit dem oben genannten Motorblock 200, der als das zu erfassende Objekt fungiert, über eine Schraubverbindung verbunden werden. Wie oben ausgeführt ist, ist die Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser ersten Ausführungsform so aufgebaut, dass das Gehäuse 10 den Rohrabschnitt 12 umfasst, der eine längliche Form aufweist und von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 hervorragt.
Das Montageloch 201 in dem Motorblock 200 ist als Gewindeloch ausgebildet, so dass die Druckerfassungsvorrichtung 100 in dem Motorblock 200 eingebaut werden kann, indem der Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 in das Montageloch 201 eingeführt und über den Gewindeabschnitt 13 festgeschraubt wird.
Wenn die Druckerfassungsvorrichtung 100 in dem Motorblock 200 eingebaut ist, wird der Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 mit dem Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer 202 als Erfassungsdruck beaufschlagt, wie es durch einen nach unten weisenden Pfeil ”Y” in 1 und 2 gezeigt ist.
Ferner ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 ein drucksensitives bzw. auf Druck ansprechendes Element 20 angeordnet. Das drucksensitive Element 20 gibt in Antwort auf einen erfassten Druck ein Signal aus, d. h. das drucksensitive Element 20 ist in der Umgebung des Erfassungsdrucks angeordnet, und zwar in diesem Fall so, dass das drucksensitive Element 20 zur Verbrennungskammer 20 exponiert ist, wie es in 2 gezeigt ist. Somit kann das drucksensitive Element 20 direkt mit dem oben genannten Zylinderdruck als der Erfassungsdruck beaufschlagt werden.
Das drucksensitive Element 20 besitzt eine Dehnungsmessfunktionalität, d. h. die Funktion einer Dehnungsmesseinrichtung. Aufgrund dieser Dehnungsmessfunktionalität kann das drucksensitive Element 20 in Antwort auf den erfassten Druck ein Signal ausgeben, das ein Maß für die Deformation des drucksensitiven Elements 20 und somit den auf dieses wirkenden Druck ist.
Insbesondere ist das drucksensitive Element 20 aus einem hohlzylindrischen Metallschaft 21 und einer Dehnungsmesseinrichtung 30 gebildet. Eine Randseite dieses Metallschafts 21 ist ein sich in 2 nach oben öffnender Abschnitt (im Folgenden kurz als ”Öffnungsabschnitt” bezeichnet) 22, und eine weitere Seite ist eine Membran 23. Die Dehnungsmesseinrichtung 30 ist auf einer Oberfläche der Membran 23 des Metallschafts 21 durch Glasschweißen oder dergleichen aufgebracht.
Der Metallschaft 21 ist ein Metallelement, das so verarbeitet wurde, dass es die hohlzylindrische Gestalt aufweist. Ein Flansch 24 ist an einem Umfangsrand des Offnungsabschnitts 22 so ausgebildet, dass er sich nach außen, in einer zur Längsachse des Rohrabschnitts 12 orthogonalen Ebene erstreckt. Gemäß dieser ersten Ausführungsform weist die hohle Abschnitt des Metallschafts 21 eine kreiszylindrische Form auf. Alternativ kann dieser hohle Abschnitt eine rechteckigzylindrische Form aufweisen.
Der Metallschaft 21 ist so in den Rohrabschnitt 12 eingefügt, dass die Seite der Membran 23 des Metallschafts 21 ins Innere des Rohrabschnitts 1 und die Seite des Öffnungsabschnitts 22 zur Brennkammer 202 orientiert ist. Der Flansch 24 des Metallschafts 21 kann zum Beispiel durch Klebung oder Schweißung an dem Öffnungsabschnitt des Endabschnitts des Rohrabschnitts 12 befestigt werden.
Wenn die Druckerfassungsvorrichtung 100 in dem Motorblock 200 eingebaut wird, kann der Metallschaft 21 auch durch Pressschweißen befestigt werden, da der Flansch 24 des Metallschafts 21 zwischen dem Rohrabschnitt 12 und dem Motorblock 200, der aus einem Metall wie etwa Aluminium gebildet ist, angebracht ist.
Wie es oben erläutert ist, ist der Öffnungsabschnitt 22 des Metallschafts 21 zur Verbrennungskammer 202 exponiert, so dass die hintere Oberfläche (d. h. die in 2 obere Oberfläche) der Membran 23 des Metallschafts 21 mit dem Druck der Verbrennungskammer 202 beaufschlagt wird.
Ferner ist die Dehnungsmesseinrichtung 30, die an der vorderen Oberfläche (d. h. der in 2 unteren Oberfläche) der Membran 23 des Metallschafts 21 angeordnet ist, aus einem Halbleiterchip wie etwa einem Siliziumchip hergestellt, auf dem zum Beispiel eine Brückenschaltung oder dergleichen ausgebildet ist. Die Dehnungsmesseinrichtung 30 besitzt die Eigenschaft, dass, wenn die Membran 23 des Metallschafts durch Einwirken eines Drucks deformiert wird, eine Änderung von Widerstandswerten, die in Antwort auf diese Deformation erzeugt wird, in ein elektrisches Signal umgewandelt und dieses Signal dann nach außen gegeben wird.
Obwohl die Membran 23 des Metallschafts 21 und die Dehnungsmesseinrichtung 30 als Deformationsabschnitte 23 und 30 ausgelegt sind, die durch Aufnahme von durch den erfassten Druck erzeugten Kräften deformiert werden, können die Deformationsabschnitte 23 und 30 einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit bzw. Güte der Druckerfassungsvorrichtung 100 haben.
In diesem Fall müssen die verwendeten metallischen Materialien, aus denen der Metallschaft 21 gebildet ist, zum einen eine hohe Festigkeit aufweisen, da sie einer großen Druckbelastung ausgesetzt sind. Zum anderen müssen die verwendeten metallischen Materialien niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, da die Dehnungsmesseinrichtung 30, die aus einem Halbleitermaterial wie etwa Silizium hergestellt ist, durch niedrig schmelzendes Glas mit dem Metallschaft 21 verbunden ist.
Während für den Metallschaft 21 hauptsächlich ein Material wie etwa Fe, Ni, Co oder Fe, Ni verwendet wird, kann auch ein Material ausgewählt werden, dem Ti, Nb, Al oder Ti, Nb als Mittel zur Förderung der Ausscheidungshärtung beigemengt wurde. Zum Beispiel kann ein ausscheidungshärtender, rostfreier Strahl ausgewählt werden. Dieser Metallschaft 21 kann durch Pressen, Schneiden oder Kaltverformen gebildet werden.
Ferner ist, wie es in 1 gezeigt ist, in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 eine Schaltungsplatine 40 angeordnet, die aus einem keramischen Substrat gebildet ist. Die Schaltungsplatine 40 ist so angeordnet, dass sie den Öffnungsabschnitt des Rohrabschnitts 12 in dem Hauptkörperabschnitt 11, d. h. den Übergang von dem Hauptkörperabschnitt 11 zu dem Rohrabschnitt 12, überdeckt. Ein Umfangsabschnitt der Schaltungsplatine 40 ist zum Beispiel durch Kleben an dem Gehäuse 10 befestigt.
Ein IC-Chip 42 ist durch Kleben auf einer Oberfläche der Schaltungsplatine 40 befestigt. Diese Oberfläche ist gegenüber dem Öffnungsabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet. Der IC-Chip 42 enthält eine Schaltung, die ein Ausgangssignal von der Dehnungsmesseinrichtung 30 verstärkt und einstellt.
Der IC-Chip 42 ist mit Hilfe von Bonddrähten 44 aus Aluminium (Al) elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Darüber hinaus ist die Schaltungsplatine 40 vermittels eines Verdrahtungselements (zum Beispiel eine flexible Schaltungsplatine: FPC = flexible printed circuit) 50 elektrisch mit dem oben genannten drucksensitiven Element 20 verbunden, wie es in 1 und 2 dargestellt ist.
In diesem Fall ist als das Verdrahtungselement 50 die flexible Schaltungsplatine (FPC) 50 verwendet. Es ist klar, dass auch andere Elemente statt der flexiblen Schaltungsplatine verwendet werden können, zum Beispiel kann ein Kontaktierungsdraht als das Verdrahtungselement 50 verwendet werden.
Als die flexible Schaltungsplatine 50 kann eine Allzweck-Schaltungsplatine verwendet werden, die durch Musterbildung eines Leiters wie etwa Kupfer (Cu) auf einer Basis, z. B. Polyimidharz, hergestellt ist. Wie es in 1 gezeigt ist, ist die flexible Schaltungsplatine 50 in dem Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass sie sich entlang der Längsrichtung des Rohrabschnitts 12 erstreckt.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform ist ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch Lötung oder dergleichen elektrisch und mechanisch mit der Dehnungsmesseinrichtung 30 des drucksensitiven Elements 20 verbunden.
Der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist umgebogen, und ein dem Randabschnitt 51 gegenüberliegender weiterer Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist entlang der Richtung der Schaltungsplatine 40 umgebogen. Der oben genannte Endabschnitt 51 entspricht dem Verbindungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem drucksensitiven Element 20.
Ferner befindet sich der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite von deren Randabschnitt 52 in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10. Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist durch ein Durchgangsloch 46 in der Schaltungsplatine 40, das eine erste Oberfläche der Schaltungsplatine 40, auf der der IC-Chip 42 angeordnet ist (in 1 oben), mit einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (in 1 unten) der Schaltungsplatine 40 verbindet, hindurchgeführt, so dass er auf dieser zweiten Oberfläche aufliegt.
Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist durch Löten oder dergleichen elektrisch mit der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 verbunden.
Ferner ist mit dem Gehäuse 10 ein Anschlussgehäuse 60, das einen Anschluss 61 enthält, an einer Position verbunden, die der der Verbindungsoberfläche der Schaltungsplatine 40 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 (also der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40) gegenüberliegt.
Das Anschlussgehäuse 60 ist aus einem Harz wie etwa PPS (Polyphenylensulfid) hergestellt. Der Anschluss 61 ist durch Insert Molding oder dergleichen einteilig bzw. integral mit dem Anschlussgehäuse 60 verbunden. Das Anschlussgehäuse 60 ist als Verbindungsabschnitt ausgebildet, der dazu geeignet ist, ein Signal von dem drucksensitiven Element 20 abzuleiten.
Der Anschluss 61 des Anschlussgehäuses 60 ist durch einen Federkontakt über ein Federelement 62 elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Somit ist das drucksensitive Element 20 über die flexible Schaltungsplatine 50 und die Schaltungsplatine 40 mit dem Anschlussgehäuse 60 verbunden.
Da der Randabschnitt 14 des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 mit dem Anschlussgehäuse 60 formschlüssig und dicht verbunden ist, ist das Anschlussgehäuse 60 fest mit dem Gehäuse verbunden. Der Anschluss 61 kann über ein (nicht gezeigtes) Verdrahungselement elektrisch mit eine ECU eines Kraftfahrzeugs verbunden sein.
Im Folgenden ist ein Beispiel eines Verfahrens zur Montage der Druckerfassungsvorrichtung 100 mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert. Der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 wird zuerst durch Löten oder dergleichen mit dem drucksensitiven Element 20 verbunden. In dem drucksensitiven Element 20 sind der Metallschaft 21 und die Dehnungsmesseinrichtung 30 zu einem einzigen Körper verbunden.
Anschließend wird der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite von deren weiterem Randabschnitt 52 von dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 her eingeführt, und danach wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 in 1 unten aus dem Rohrabschnitt 12 heraus bis ins Innere des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 gezogen.
Anschließend wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch das Durchgangsloch 46 in der Schaltungsplatine 40 geführt und durch Löten oder dergleichen mit der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 verbunden. Der IC-Chip 42 wurde zuvor durch Drahtbonden auf der ersten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 montiert.
Nachfolgend wird die Schaltungsplatine 40 mit dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 fest verbunden. Anschließend wird das Anschlussgehäuse 60 mit dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 zusammengefügt, und da der Randabschnitt 14 des Gehäuses 10 umgebogen ist, ist das Anschlussgehäuse 60 fest mit dem Gehäuse 10 verbunden.
Wenn das Anschlussgehäuse 60 an dem Gehäuse 10 befestigt ist, befindet sich der Anschluss 61 über das Federelement 6 mit der Schaltungsplatine 40 in federndem Kontakt, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschluss 61 und der Schaltungsplatine 40 hergestellt ist. Demzufolge kann die in 1 gezeigte Druckerfassungsvorrichtung 100 entsprechend dem oben ausgeführten Verfahren hergestellt werden.
Da die so erzeugte Druckerfassungsvorrichtung 100 über den Gewindeabschnitt 13 des Gehäuses 10 in dem Gewindeloch 201 angebracht wird, kann die Druckerfassungsvorrichtung 100 mit dem Motorblock 200 verbunden bzw. an diesem befestigt werden. Das Gewindeloch 201 ist in dem Motorblock 200 ausgebildet, der als das zu erfassende Objekt dient.
Wenn die Membran 23 des drucksensitiven Elements 20 wie es durch den Pfeil „Y” in 1 und 2 gezeigt ist mit dem Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer 202 beaufschlagt wird, wird die Membran 23 des Metallschafts 21 durch diesen auf sie wirkenden Druck deformiert. Diese Deformation wird dann in ein elektrisches Signal von der Dehnungsmesseinrichtung 30 umgewandelt, um so den Druck zu messen.
Das von der Dehnungsmesseinrichtung 30 abgeleitete elektrische Signal wird über die flexible Schaltungsplatine 50 zu der Schaltungsplatine 40 übertragen und in dem IC-Chip 42 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird anschließend über den Anschluss 61 einer externen Einheit zugeführt.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform ist in der Druckerfassungsvorrichtung 100, die den länglichen Rohrabschnitt 12, der so als Teil des Gehäuses 10 angeordnet ist, das er von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 hervorragt, und das drucksensitive Element 20 zum Ausgeben des Signals in Antwort auf den Erfassungsdruck umfasst, wobei der Erfassungsdruck auf den Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 wirkt, das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet, der Verbindungsabschnitt 60 zum Ableiten des Signals von dem drucksensitiven Element 20 mit dem Gehäuse 10 verbunden und teilweise in dieses hineinragend (siehe 1), und das Verdrahtungselement 50 zur elektrischen Verbindung des drucksensitiven Elements 20 mit dem Verbindungsabschnitt 60 in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen.
Da entsprechend der Druckerfassungsvorrichtung 100 eine Struktur verwendet wird, in der das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, kann auf den herkömmlich vorgesehenen Stab verzichtet werden.
Insbesondere ist gemäß dieser Ausführungsform das drucksensitive Element in der Umgebung des Erfassungsdrucks angeordnet, und zwar ist das drucksenstive Element 20 zur Verbrennungskammer 202 exponiert. Somit wird das drucksensitive Element 20 direkt mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Wie oben erläutert, tritt das durch den Stab verursachte Problem, das darin besteht, dass Resonanzen in dem Stab auftreten und dadurch die Messgenauigkeit herabgesetzt wird, nicht auf, wenn die Druckerfassungsvorrichtung 100 ohne den Stab ausgebildet ist.
Ferner, obwohl das Anschlussgehäuse 60 an dem Gehäuse 10 befestigt ist und das Anschlussgehäuse 60 als der Verbindungsabschnitt 60 zum Ableiten des Signals von dem drucksensitiven Element 20 fungiert, ist das Anschlussgehäuse 60 mit dem drucksensitiven Element 20, das an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, über die flexible Schaltungsplatine 50, die in dem Rohrabschnitt 12 des Verdrahtungselements aufgenommen ist, elektrisch verbunden, so dass das Ausgangssignal nicht beeiflusst wird.
Folglich wird gemäß dieser ersten Ausführungsform, in der die Druckerfassungsvorrichtung 100 so aufgebaut ist, dass das drucksensitive Element 20 innerhalb des Gehäuses 10 mit dem länglichen Rohrabschnitt 12, der von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 hervorragt, angeordnet ist, und dass der Verbindungsabschnitt 60 an dem Gehäuse 10 starr befestigt ist, der negative Einfluss auf die Sensorcharakteristik im Wesentlichen verhindert, der durch den länglichen Rohrabschnitt und den in diesem länglichen Rohrabschnitt aufgenommenen Stab verursacht wird.
Ferner ist gemäß dieser Ausführungsform, in der die Druckerfassungsvorrichtung 100 wie in 1 und 2 gezeigt und wie oben beschrieben aufgebaut ist, nur der Flansch 24 des Metallschafts 21 zwischen dem Motorblock 200 und dem Pumpenabschnitt 12 angeordnet.
Durch eine solche Struktur, in der nur der Flansch 24 des Metallschafts 21 eingespannt wird, kann verhindert werden, dass der Metallschaft 21 entlang der vertikalen Richtung in 2, d. h. der Längsrichtung des Metallschafts 21, deformiert wird. Mit anderen Worten, wenn die Druckerfassungsvorrichtung 100 eingeschraubt wird, um an dem Motorblock 200 angebracht zu werden, ist es möglich, das Auftreten eines abnormalen Ausgangssignals zu vermeiden, das durch Einschrauben der Druckerfassungsvorrichtung bewirkt wird.
(Zweite Ausführungsform)
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Hauptabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Folgenden ist im Wesentlichen ein Unterschied dieser Druckerfassungsvorrichtung gegenüber der der ersten Ausführungsform beschrieben.
Da gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform das drucksensitive Element 20 so angeordnet ist, dass es der Umgebung des Erfassungsdrucks exponiert ist, wird das drucksensitive Element 20 direkt mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform, ist in der Druckerfassungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, wie es in 3 gezeigt ist, eine Membran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass die Membran 15 das drucksensitive Element 20 überdeckt. Somit kann der Erfassungsdruck über die Membran 15 auf das drucksensitive Element 20 übertragen werden.
Es ist zu beachten, dass die Membran 15 im Folgenden als „Druckaufnahmemembran 15” bezeichnet wird, um sie von der oben genannten Membran 23 des Metallschafts 21 begrifflich zu unterscheiden.
Insbesondere befindet sich gemäß dieser zweiten Ausführungsform die Druckaufnahmemembran 15 in direktem Kontakt mit dem drucksensitiven Element 20. Konkret, ein konvexer Abschnitt 15a, der in Richtung des drucksensitiven Elements 20 hervorragt, ist auf der Druckaufnahmemembran 15 ausgebildet, und ein Endabschnitt des konvexen Abschnitts 15a befindet sich in Kontakt mit der Rückseite der Membran 23 des Metallschafts 21.
In diesem Fall ist die Druckaufnahmemembran 15 zum Beispiel scheibenförmig ausgebildet, und der konvexe Abschnitt 15a weist eine „nabelähnliche” Gestalt auf, die in der Mitte dieses Kreise angeordnet ist. Ferner, da der Umfangsabschnitt der Druckaufnahmemembran 15 mit dem Flansch 24 des Metallschafts 21 durch Schweißen verbunden ist, um auf diese Weise an dem Flansch 24 befestigt zu sein, sind die Druckaufnahmemembran 15 und das drucksensitiven Element 20 zu einem einteiligen Körper (engl.: ”integral body”) ausgebildet.
Die Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser zweiten Ausführungsform kann wie folgt hergestellt werden: Ein Endabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 wird durch Löten oder dergleichen mit dem drucksensitiven Element 20, das mit der Druckaufnahmemembran 15 zu einer Einheit verbunden ist, verbunden. Anschließend wird ein Herstellungsverfahren ausgeführt, das dem der ersten Ausführungsform ähnlich ist, um so die oben erläuterte Druckerfassungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform herzustellen.
Wenn bei einem Druckerfassungsvorgang gemäß dieser zweiten Ausführungsform die Druckaufnahmemembran 15 mit einem Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer 202 beaufschlagt wird, wird eine entsprechende Kraft von dem konvexen Abschnitt 15a der Druckaufnahmemembran 15 auf die Membran 23 des Metallschafts 21 übertragen. Anschließend wird eine Deformation der Membran 23 des Metallschafts 21 durch die Dehnungsmesseinrichtung 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt, um so den Druck zu erfassen.
Gemäß dieser zweiten Ausführungsform wird eine solche Druckerfassungsvorrichtung bereitgestellt, bei der das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, der Verbindungsabschnitt 60 an dem Gehäuse 10 befestigt ist, das Verdrahtungselement 50 zum elektrischen Verbinden des drucksensitiven Elements 20 mit dem Verbindungsabschnitt 60 in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen ist, und ferner die Druckaufnahmemembran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 so angeordnet ist, dass die Membran 15 das drucksensitive Element 20 überdeckt, so dass das drucksensitive Element 20 indirekt, über die Druckaufnahmemembran 15 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt wird.
Entsprechend der Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser zweiten Ausführungsform kann ebenso wie bei der Druckerfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der negative Einfluss auf die Sensorcharakteristik verhindert werden, der durch den länglichen Rohrabschnitt und den in diesem länglichen Rohrabschnitt aufgenommenen Stab hervorgerufen wird. Da ferner gemäß dieser zweiten Ausführungsform der konvexe Abschnitt 15a auf der Druckaufnahmemembran 15 vorgesehen ist, gelangt die Druckaufnahmemembran 15 direkt mit dem drucksensitiven Element 20 in Kontakt, so dass die Druckerfassungsvorrichtung ohne den Stab aufgebaut werden kann.
4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Modifikation dieser zweiten Ausführungsform zeigt. In 3 wird der konvexe Abschnitt 15a der Druckaufnahmemembran 15 mittels eines Schneidprozesses oder dergleichen hergestellt. Im Gegensatz dazu wird bei der in 4 gezeigten Druckaufnahmemembran 15 der konvexe Abschnitt 15a dadurch hergestellt, dass eine ebene Membran durch einen Pressvorgang geformt wird, so dass der konvexe Abschnitt 15a in einfacher Weise hergestellt werden kann.
(Dritte Ausführungsform)
5 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Hauptabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Unterschied dieser Druckerfassungsvorrichtung gegenüber denen der oben beschriebenen Ausführungsformen ist nachfolgend beschrieben.
Wie es in 5 gezeigt ist, so ist auch gemäß dieser dritten Ausführungsform, ähnlich wie gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, die Druckaufnahmemembran 15 so an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet, dass die Membran 15 das drucksensitive Element 20 überdeckt, so dass das drucksensitive Element 20 über die Druckaufnahmemembran 15 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt wird.
Da gemäß der Druckerfassungsvorrichtung der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform der konvexe Abschnitt 15a auf der Druckaufnahmemembran 15 angeordnet ist, befindet sich die Druckaufnahmemembran 15 in direktem Kontakt mit dem drucksensitiven Element 20, so dass diese Druckerfassungsvorrichtung ohne den Stab aufgebaut werden kann.
Im Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform ist gemäß dieser dritten Ausführungsform, wie es in 5 gezeigt ist, ein Druckübertragungselement 16 zwischen der Druckaufnahmevorrichtung 15 und dem drucksensitiven Element 20 eingefügt bzw. zwischen diesen angeordnet. Das drucksensitive Element 20 wird über das Druckübertragungselement 16 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Da gemäß dieser dritten Ausführungsform das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, kann ein Abstand zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 äußerst klein gemacht werden, so dass eine Anordnung hergestellt werden kann, in der das Druckübertragungselement 16 (der Stab) verkürzt ist. Demzufolge können das oben beschriebene Resonanzproblem, das durch Verlängern des Stabes bewirkt wird, und ein Problem, das darin besteht, dass der Stab selbst deformiert wird, weitestgehend vermieden werden.
Als das Druckübertragungselement 16, das in dieser dritten Ausführungsform verwendet wird, kann ein stabförmiges Element verwendet werden, das dem Stab der herkömmlichen Druckerfassungsvorrichtung ähnlich ist. Insbesondere wird in dem Beispiel in 5 ein kugelförmiges Element 16 als das Druckübertragungselement 16 verwendet.
Im Falle dieser speziellen Anordnung sind bei dem kugelförmigen Element 16, das als das Druckübertragungselement fungiert, sowohl eine Oberfläche, die sich in Kontakt mit der Druckaufnahmemembran 15 befindet, als auch eine weitere Oberfläche, die sich in Kontakt mit dem drucksensitiven Element 20 befindet (und zwar die Membran 23 des Metallschafts 21) sphärische Oberflächen.
Das heißt, in der Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß dieser dritten Ausführungsform, in der das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt 20 des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, der Verbindungsabschnitt 60 an dem Gehäuse 10 befestigt ist, das Verdrahtungselement 50 in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen ist, und ferner die Druckaufnahmemembran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 so angeordnet ist, dass die Druckaufnahmemembran 15 das drucksensitive Element 20 überdeckt, ist das Druckübertragungselement 16 zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 angeordnet, wobei die Oberflächen dieses Druckübertragungselements 16 sowohl mit der Druckaufnahmemembran 15 als auch mit dem drucksensitiven Element 20 in Kontakt sind und sphärisch ausgebildet sind.
Ebenso wie bei der oben beschriebenen Ausführungsformen kann in Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser dritten Ausführungsform der negative Einfluss auf die Sensorcharakteristik verhindert werden, der durch den länglichen Rohrabschnitt und den in diesem länglichen Rohrabschnitt aufgenommenen Stab verursacht wird.
Ferner können gemäß dieser dritten Ausführungsform die Kontakte zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 und dem Druckübertragungselement 16 als stabile Punktkontakte festgelegt werden. Ferner kann die Gesamtkontaktanzahl zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 einerseits und dem Druckübertragungselement 16 andererseits verringert werden.
Als Folge davon können die Änderungen der Kontaktierungsbedingungen zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element einerseits und dem Druckübertragungselement 16 andererseits auf ein Minimum reduziert werden, die stabilen Kontaktierungsbedingungen in den jeweiligen Kontaktabschnitten können gewährleistet werden, und ferner können Verschlechterungen der Druckübertragungsgenauigkeit verringert werden.
Insbesondere in dem in 5 gezeigten Beispiel entspricht das Druckübertragungselement 16 dem kugelförmigen Element 16. In diesem Fall wird das kugelförmige Element 16, das als das Druckübertragungselement fungiert, im Vergleich zu dem Stab des Standes der Technik kaum deformiert. Folglich können die Kontaktierungsbedingungen zwischen dem kugelförmigen Element 16 und der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 vorteilhafterweise stabil gehalten werden.
Es ist zu beachten, dass das kugelförmige Element 16 keine exakte Kugel sein muss, sondern alternativ durch eine ”leicht elliptische Kugel” bzw. eine ”Rugbyballförmige Kugel” ersetzt werden kann. Ferner ist die Erfindung nicht auf ein kugelförmiges Element begrenzt, solange die Kontaktflächen des Druckübertragungselements 16 mit der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 sphärisch sind. Zum Beispiel können beide Kontaktflächen sphärisch ausgebildet sein, der zwischen den Kontaktflächen sich befindende Teil jedoch zum Beispiel säulenförmig.
(Vierte Ausführungsform)
6A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Hauptabschnitt der Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 6B und 6C sind eine Draufsicht bzw. eine Ansicht eines Längsquerschnitts zur Darstellung eines oberen Abschnitts eines in 6A gezeigten Wärmeabstrahlungselements 70.
Wie zuvor erläutert wird im Stand der Technik das drucksensitive Element über den länglichen Stab mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt. Als Folge davon ist das drucksensitive Element so angeordnet, dass es von der Druckerfassungsumgebung wie etwa der Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors getrennt ist, um die Temperatur des drucksensitiven Elements zu verringern.
Im Gegensatz dazu ist das drucksensitive Element 20 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12, der nahe an der Druckerfassungsumgebung angeordnet ist, positioniert, so dass die Temperatur des druckempfindlichen Elements 20 leicht ansteigen kann.
Deshalb wird gemäß dieser vierten Ausführungsform ein Wärmeabstrahlungselement 70 so angeordnet, dass es das drucksensitive Element 20 berührt, wie es in den 6A bis 6C gezeigt ist. Das Wärmeabstrahlungselement 70 ist aus einem Material hergestellt, das einen hohen Wärmebeständigkeit und eine gute Wärmeabstahlungscharakteristik aufweist, wie etwa Aluminium oder rostfreier Stahl. In diesem Beispiel wird ein honigwabenförmiges Element mit einem Durchgangsloch 71 als Wärmetauscher verwendet.
Da hier das Wärmeabstrahlungselement 7 in dem in dem Öffnungsabschnitt 22 des Metallschafts 21 ausgebildeten Hohlraum aufgenommen ist, ist das Wärmeabstrahlungselement 70 mit dem Metallschaft 21 zum Beispiel über die innere Umfangsoberfläche des Metallschafts 21, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten, fest verbunden.
Da gemäß dieser vierten Ausführungsform das drucksensitive Element 20 über das Wärmeabstrahlungselement 70 Wärme abgestrahlt, kann die Temperatur des drucksensitiven Elements 20 vorteilhafterweise verbessert werden.
Das in dem Wärmeabstrahlungselement 70 ausgebildete Durchgangsloch 71 vergrößert dessen Oberfläche und verbessert damit weiter dessen Wärmeabstrahlungscharakteristik. Außerdem kann der Erfassungsdruck durch das Durchgangsloch 71 zu der Membran 23 des Metallschafts 21 geleitet werden. Mit anderen Worten, da das Durchgangsloch 71 ausgebildet ist, ist es möglich, eine Blockierung der Druckweiterleitung zu dem drucksensitiven Element 20 zu vermeiden.
Darüber hinaus haben sowohl das Wärmeabstrahlungselement 70 als auch der Dehnungsabschnitt 23 des drucksensitiven Elements 20 Platz, wie es in 6A gezeigt ist.
Insbesondere ist die dem Wärmeabstrahlungselement 70 gegenüberliegende Oberfläche der Membran 23 des drucksensitiven Elements 20, die dem Derformationsabschnitt entspricht, konkave geformt, wie es in 6A gezeigt ist, so dass eine untere Oberfläche des Wärmeabstrahlungselements 70 die Membran 23 nicht berührt und gleichsam ein Hohlraum zwischen diesen gebildet ist. Demzufolge wird eine Deformation der Membran 23 von dem Wärmeabstrahlungsabschnitt 70 nicht behindert.
Ferner befindet sich in dem in 6A gezeigten Beispiel der Flansch 24 des Metallschafts 21 mit dem Motorblock 200 in direktem Kontakt, wenn die Druckerfassungsvorrichtung in dem Motorblock 200 eingebaut ist. Weiterhin kann der Metallschaft 21 durch Kühlwasser gekühlt werden, das durch den Motorblock 200 strömt.
In dem in den 6A bis 6C gezeigten Beispiel, ist das Wärmeabstrahlungselement 70 so angeordnet, dass das drucksensitive Element 20 in der Umgebung des Erfassungsdrucks angeordnet ist. Außerdem wird keine Druckaufnahmemembran verwendet. Alternativ kann in einem Fall, in dem die Druckaufnahmemembran 15 wie im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschrieben angeordnet sein, d. h. das Wärmeabstrahlungselement 70 kann zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 angeordnet sein.
(Fünfte Ausführungsform)
Wie in den jeweiligen Ausführungsformen der Erfindung erläutert ist, muss in einem Fall, in dem das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des länglichen Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, das drucksensitive Element 20 kleiner gestaltet sein als das des Standes der Technik.
Wie es in den oben erläuterten Ausführungsformen beschrieben ist, werden in einem Fall, in dem das drucksensitive Element 20 die Funktionalität einer Dehnungsmesseinrichtung besitzt, d. h. in dem es die Deformationsabschnitte 23 und 30 umfasst, die sich bei Einwirken einer Kraft deformieren, wenn das drucksensitive Element verkleinert wird, die Flächen der Dehnungsabschnitte 23 und 30 ebenfalls verkleinert, und zwar werden sowohl die Fläche der Membran 23 des Metallschafts 21 als auch die Fläche der Dehnungsmesseinrichtung 30 verringert.
Daher kann es sein, dass sich die Empfindlichkeit verschlechtert. Demzufolge ist es erforderlich, dass die Kraft, mit dem das drucksensitive Element 20 beaufschlagt wird, erhöht wird. Diese fünfte Ausführungsform wurde gemacht, um die Kraft zu erhöhen, mit der das drucksensitive Element 20 beaufschlagt wird.
Diese fünfte Ausführungsform ist wie folgt aufgebaut: Ebenso wie in den in den 3 bis 5 gezeigten Anordnungen gemäß der zweiten und der dritten Ausführungsform, ist eine Druckaufnahmemembran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 so angeordnet, dass die Membran 15 das drucksensitive Element 20 überdeckt. Ferner ist die Druckaufnahmemembran 15 kreisförmig.
In diesem Fall werden die Dehnungsmesseinrichtungen 23 und 30 des drucksensitiven Elements 20 über den oben beschriebenen konvexen Abschnitt 15a (siehe 3 und 4) der Druckaufnahmemembran 15 oder über die Druckaufnahmemembran 15 und das Druckübertragungselement 16 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Gemäß dieser fünften Ausführungsform ist in einer solchen Anordnung eine Fläche eines Kontaktabschnitts der Dehnungsmesseinrichtungen 23 und 30 des drucksensitiven Elements 20 mit der Druckaufnahmemembran 15 so dimensioniert, dass sie kleiner oder gleich 1/4 der Fläche der Druckaufnahmemembran 15 ist.
Insbesondere entspricht in den in den 3 bis 5 gezeigten Beispielen die Fläche des Kontaktabschnitts der Dehnungsmesseinrichtungen 23 und 30 des drucksensitiven Elements 20 mit der Druckaufnahmemembran 15 einem Abschnitt in der hinteren Oberfläche der Membran 23 des Metallschafts 21, mit dem sich der konvexe Abschnitt 15a der Druckaufnahmemembran 15 in Kontakt befindet, oder einem weiteren Abschnitt, wo die Druckaufnahmemembran 15 in Kontakt mit dem Druckübertragungselement 16 ist.
Eine Fläche dieses Kontaktabschnitts entspricht einer Fläche eines Abschnitts innerhalb der hinteren Oberfläche der Membran 23 des Metallschafts 21, mit dem sich der hervorragende Endabschnitt des konvexen Abschnitts 15a in Kontakt befindet, oder einer weiteren Fläche eines Abschnitts, mit dem sich das Druckübertragungselement 16 in Kontakt befindet.
Wenn in einer solchen Anordnung der Druck, mit dem die Druckaufnahmemembran 15 beaufschlagt wird, unverändert ist, erhöht sich, wenn die Fläche der Druckaufnahmemembran 15 erhöht wird, die Kraft, die von der Druckaufnahmemembran 15 übertragen wird, und diese erhöhte Kraft wirkt auf eine kleines Flächenelement der Membran 23 des Metallschafts 21.
In Übereinstimmung mit Ergebnissen, die die Erfinder der Erfindung aus FEM-Berechnungen (finite element method) gewinnen konnten, beträgt in einem Fall, in dem die Druckaufnahmemembran 15 kreisförmig ist, ein Kraftübertragungswirkungsgrad einer Feder etwa 25%.
Daraus folgt, da die Fläche des oben beschriebenen Kontaktabschnitts in der Membran 23 des Metallschafts 21 kleiner als oder gleich groß wie 1/4 der Fläche der kreisförmigen Druckaufnahmemembran 15 gemacht ist, dass die Membran 23 des Metallschafts 21, d. h. das drucksensitive Element 20, mit einem hohen Druck beaufschlagt werden kann.
Dies ist nachstehend mit Hilfe von Formeln ausführlich erläutert. Der Radius der Druckaufnahmemembran 15 sei ”r”, und das Druckaufnahmeelement 15 werde mit einem Erfassungsdruck mit dem Betrag ”a” in MPa beaufschlagt.
Dann beträgt die Fläche der Druckaufnahmemembran 15 ”☐r2” und die Kraft ”F”, die auf die Druckaufnahmemembran 15 wirkt, beträgt a × ☐r2. Ferner, wenn die Fläche des Kontaktabschnitts in der Membran 23 des Metallschafts 21 auf 1/4 der Fläche der Druckaufnahmemembran 15 festgelegt wird, so beträgt diese Fläche 1/4 (☐r2).
Nimmt man weiter an, dass der Druck, mit dem der Kontaktabschnitt in der Membran 23 des Metallschafts 21 beaufschlagt wird, ”B” MPa beträgt, so ist die Kraft ”f”, die auf diesen Kontaktabschnitt wirkt, durch f = B × (☐r2/4) gegeben. Da in diesem Fall ein Kraftumwandlungswirkungsgrad der kreisförmigen Membran 15 etwa 25% beträgt, ist F = f/4, d. h. (1/4) × a × ☐r2 = B × (☐r2/4).
Mit anderen Worten, in einem Fall, in dem die Fläche des oben beschriebenen Kontaktabschnitts in der Membran 23 des Metallschafts 21 1/4 der Fläche der Druckaufnahmemembran 15 beträgt, ist B = a, so dass der zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und der Membran 23 des Metallschafts 21 wirkende Druck unverändert ist.
Ferner, in einem Fall, in dem die Fläche des oben beschriebenen Kontaktabschnitts in der Membran 23 des Metallschafts 21 kleiner als oder gleich groß wie 1/4 der Fläche der Druckaufnahmemembran 15 gemacht wird, wird der auf die Membran 23 des Metallschafts 21 wirkende Druck ”B” höher als der Druck ”a”, mit dem die Druckaufnahmemembran 15 beaufschlagt wird. Demzufolge kann die Kraftübertragung auf das drucksensitive Element 20 konzentriert werden.
Wie es oben erläutert ist, kann gemäß dieser fünften Ausführungsform eine solche Druckerfassungsvorrichtung bereitgestellt werden, in der das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, der Verbindungsabschnitt 60 an dem Gehäuse 10 befestigt ist, das Verdrahtungselement 50 in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen ist, die Druckaufnahmemembran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 so angeordnet ist, dass sie das drucksensitive Element 20 überdeckt, das drucksensitive Element 20 die Dehnungsabschnitte 23 und 30 aufweist, die durch Aufnahme der Kraft von der Druckaufnahmemembran 15 deformiert werden, und die Fläche des Kontaktabschnitts in den Dehungsabschnitten 21 und 30 des drucksensitiven Elements 20 mit der Druckaufnahmemembran 15 kleiner als oder gleich groß wie 1/4 der Fläche der Druckaufnahmemembran 15 ist.
Entsprechend der oben beschriebenen Druckerfassungsvorrichtung kann, wie oben erläutert, die Kraft, die von der Druckaufnahmemembran 15 aufgenommen wird, direkt übertragen werden, oder die Kraft, die höher als diese aufgenommene Kraft ist, kann auf die Dehnungsabschnitte 23 und 30 des drucksensitiven Elements 20 ausgeübt werden. Ebenso wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Druckerfassungsvorrichtung den negativen Einfluss auf die Sensorcharakteristik verhindern, der durch den länglichen Abschnitt und den in diesem länglichen Abschnitt gespeicherten Stab verursacht wird, und kann ferner eine ausreichend hohe Sensorempfindlichkeit gewährleisten.
Es ist klar, dass die obigen Ausführungsformen die folgende Hauptstruktur besitzen. Das heißt, in der Druckerfassungsvorrichtung, die den länglichen Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10, der so in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, dass der Rohrabschnitt 12 von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts 11 hervorragt, das drucksensitive Element 20 zum Ausgeben des Signals in Antwort auf den Erfassungsdruck, in dem der Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt wird, wird eine Hauptstruktur bereitgestellt, in der das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, der Verbindungsabschnitt 60 an dem Gehäuse 10 befestigt ist und das Verdrahtungselement 50 zum elektrischen Verbinden des drucksensitiven Elements 20 mit dem Verbindungsabschnitt 60 in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen ist und weitere strukturelle Abschnitte geändert werden können.
Wie der vorangehenden Beschreibung entnommen werden kann, ist die Druckerfassungsvorrichtung der Erfindung nicht darauf begrenzt, als der oben erläuterte Verbrennungsdrucksensor zur Erfassung des Drucks (Zylinderdrucks) in der Verbrennungskammer verwendet zu werden.
(Sechste Ausführungsform)
Die Erfinder versuchten, eine Druckerfassungsvorrichtung zu entwickeln, in der das drucksensitive Element näher an der Erfassungsumgebung angeordnet ist, um die Empfindlichkeit zu verbessern.
Normalerweise sind in einer derartigen Druckerfassungsvorrichtung Signalverarbeitungseinheiten wie etwa eine Verbindungseinheit zum Ableiten eines Signals von dem drucksensitiven Element in dem Gehäuse untergebracht. Herkömmlich ist das drucksensitive Element mit Hilfe einer Bondtechnik elektrisch mit diesen Signalverarbeitungseinheiten verbunden.
Wenn jedoch das drucksensitive Element näher an der Druckerfassungsumgebung angeordnet ist, so ist das drucksensitive Element auf der Seite des Endabschnitts des Rohrabschnitts des Gehäuses angeordnet, so dass der Abstand zwischen dem drucksensitiven Element und der Signalverarbeitungseinheit groß wird. Demzufolge kann in einem Fall, in dem das drucksensitive Element elektrisch mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, diese elektrische Verbindung nicht mit Hilfe einer solchen Bondtechnik bewerkstelligt werden.
Die Erfinder der Erfindung haben daher in einem Fall, in dem das drucksensitive Element mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden ist, die in einem großen Abstand von diesem drucksensitiven Element angeordnet ist, eine flexible Schaltungsplatine als Verbindungselement verwendet, da die Erfinder eine leichte Handhabung, Kompaktheit und eine leichte Herstellung der Verbindung angestrebt hatten.
Indem die Erfinder der Erfindung die nachfolgenden Punkte berücksichtigten, haben sie versucht, eine Druckerfassungsvorrichtung herzustellen, wie sie in 12 gezeigt ist. Die wesentlichen technischen Merkmale sind folgende: Das drucksensitive Element ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts in dem Gehäuse angeordnet, und die flexible Schaltungsplatine wird verwendet, um das drucksensitive Element mit der Signalverarbeitungseinheit zu verbinden, die die Verbindungseinheit enthält.
12 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Gesamtaufbau der Druckerfassungsvorrichtung eines von den Erfindern hergestellten Prototyps zeigt.
Obwohl die Verwendung der Druckerfassungsvorrichtung nicht darauf begrenzt ist, kann sie auf einen Verbrennungsdrucksensor angewendet werden, wobei ein Rohrabschnitt 12 eines Gehäuses 10 in einem Montageloch zum Beispiel durch Einschrauben eingebaut ist, das zum Beispiel in einem Motorblock eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Dieser Verbrennungsdrucksensor erfasst einen Druck (Zylinderdruck) in einer Verbrennungskammer.
Das Gehäuse 10, das aus einem Metall gebildet ist, umfasst einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 11 und einen Rohrabschnitt 12 in länglich-zylindrischer Gestalt, der schmaler als der Hauptkörperabschnitt 11 ist. Ein Gewindeabschnitt 13 ist an einer äußeren Umfangsoberfläche des Rohrabschnitts 13 des Gehäuses 10 ausgebildet. Der Gewindeabschnitt 13 kann in den oben genannten Motorblock eingeschraubt werden.
In diesem Fall wird in der Druckerfassungsvorrichtung der Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 mit einem Erfassungsdruck beaufschlagt, wie es in 12 durch einen Pfeil ”Y” gezeigt ist.
Ferner ist ein drucksensitives Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 angeordnet. Das drucksensitive Element 20 gibt in Antwort auf einen erfassten Druck (Erfassungsdruck) ein Signal aus. In diesem Fall ist das drucksensitive Element 20 in der Umgebung des Erfassungsdrucks angeordnet. Somit kann das drucksensitive Element 20 direkt mit dem oben genannten Zylinderdruck als dem Erfassungsdruck beaufschlagt werden.
Das drucksensitive Element 20 weist eine Dehnungsmessfunktionalität auf und kann aufgrund dieser Funktionalität ein Signal zum Beispiel in Antwort auf einen erfassten Druck auf der Grundlage einer durch den Erfassungsdruck hervorgerufenen Deformation (Dehnung) ausgeben.
Insbesondere umfasst das drucksensitive Element 20 einen Metallschaft 21 mit einer hohlzylindrischen Form und eine Dehnungsmesseinrichtung 30, wie es in 12 gezeigt ist. Eine Randseite dieses Metallschafts 21 ist bildet einen Öffnungsabschnitt 22, und die weitere Randseite des Metallschafts 21 bildet eine Membran 23. Die Dehnungsmesseinrichtung 30 ist auf einer Oberfläche der Membran 23 dieses Metallschafts 21 angeordnet.
In diesem Metallschaft 21, wird, da der Öffnungsabschnitt 22 zur Erfassungsumgebung exponiert ist, der Erfassungsdruck von diesem Öffnungsabschnitt 22 auf eine Rückseite einer Membran 23 des Metallschafts 21 übertragen. Wenn die Membran 23 des Metallschafts 21 durch einen auf sie wirkenden Druck deformiert wird, kann in Antwort auf diese Deformation von der Dehnungsmesseinrichtung 30 ein elektrisches Signal ausgegeben werden.
Wie in 12 gezeigt ist, ist ferner eine Schaltungsplatine 40 in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 angeordnet. Ein IC-Chip 42 ist auf eine Oberfläche der Schaltungsplatine 40 durch Kleben befestigt. In dem IC-Chip 42 ist eine Schaltung integriert, die das Ausgangssignal von der Dehnungsmesseinrichtung 30 verarbeitet.
Der IC-Chip 42 ist durch Bonddrähte 44 elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Ferner ist die Schaltungsplatine 40 mittels einer flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem oben genannten drucksensitiven Element 20 elektrisch verbunden. Diese flexible Schaltungsplatine 50 ist in dem Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass sie sich entlang der Längsrichtung des Rohrabschnitts 12 erstreckt.
In dieser Druckerfassungsvorrichtung ist ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 elektrisch mit der Dehnungsmesseinrichtung 30 verbunden. Die flexible Schaltungsplatine 50 ist an dem einen Randabschnitt 51, an einem Biegeabschnitt 653a, umgebogen und geht dort in einen Abschnitt 654 über, der sich entlang des Rohrabschnitts 12 in Richtung der Schaltungsplatine 40 erstreckt.
Ferner befindet sich der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite von deren weiterem Randabschnitt 52, in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10. Dieser weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist durch ein Durchgangsloch 46 in der Schaltungsplatine 40 hindurchgeführt, das eine erste Oberfläche der Schaltungsplatine 40, auf der der IC-Chip 42 angeordnet ist (in 12 oben) mit einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 verbindet, so dass er auf dieser zweiten Oberfläche aufliegt.
Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist auf der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 durch Löten oder dergleichen elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden.
Ferner ist an dem Gehäuse 10 ein Anschlussgehäuse 60 mit einem Anschluss 61 an einer Position befestigt, die der der Verbindungsebene der Schaltungsplatine 40 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 (also der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40) gegenüberliegt. Dieser Verbindungsabschnitt 60 ist als ein Verbindungsabschnitt ausgelegt, der dazu geeignet ist, ein Signal von dem drucksensitiven Element 20 abzuleiten.
Der Anschluss 61 des Anschlussgehäuses 60 ist vermittels eines Federkontaktes über ein Federelement 62 elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Dadurch ist das drucksensitive Element 20 über die flexible Schaltungsplatine 50 und die Schaltungsplatine 40 elektrisch mit dem Anschlussgehäuse 60, d. h. dem Verbindungsabschnitt 60, verbunden.
Da entsprechend der in 12 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung ein Anordnung verwendet wird, in der das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, kann auf den herkömmlich vorgesehenen Stab verzichtet werden, und die Länge des Stabes kann so weit wie möglich verkürzt werden.
Wie oben ausgeführt, wird in der in 12 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung die elektrische Verbindung von dem an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordneten drucksensitiven Element 20 zu dem Verbindungsabschnitt 60 mit Hilfe der flexiblen Schaltungsplatine 50 realisiert.
Die 13A und 13B sind Diagramme, die einen Verbindungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 vergrößert zeigen. 13A ist eine Draufsicht, die einen Zustand vor der Umbiegung der flexiblen Schaltungsplatine 50 zeigt. 13B ist eine Seitenansicht, die einen Zustand nach der Umbiegung der flexiblen Schaltungsplatine 50 zeigt, und zwar einen Zustand, in dem die flexible Schaltungsplatine 50 in der Druckerfassungsvorrichtung eingebaut ist.
Wie es in 13A gezeigt ist, wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50, nachdem der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über ein Verbindungselement 650a wie etwa eine Lötung mit der Dehnungsmesseinrichtung 30 des drucksensitiven Elements 20 verbunden wurde, in den Rohrabschnitt 12 eingeführt. Als Folge davon ist der Abschnitt 653a gebogen, wie es in 13B dargestellt ist.
In diesem Fall ist ein Biegewinke ”θ2” eines Biegeabschnitts 653a der flexiblen Schaltungsplatine 50 90°. In diesem Fall ist der Biegewinkel ”θ2” ein Winkel, der zwischen einer Ebene des Verbindungsabschnitts 51, die sich zum Biegeabschnitt 653a fortsetzt, und einer weiteren Ebene 4, eines Erstreckungsabschnitts 654, der sich innerhalb des Rohrabschnitts 12 erstreckt, definiert ist. Insbesondere ist der Biegewinkel. ”θ2” zwischen einer gepunkteten Linie in 13B und dem Erstreckungsabschnitt 654 angeordnet. Die gepunktete Linie wird durch Verlängern des Erstreckungsabschnitts 654 gewonnen. Somit ist der Biegewinkel ”θ2” gleich groß wie oder größer als 90°. Der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist von dem Erstreckungsabschnitt 654 an dem Biegeabschnitt 653 um einen Biegewinkel ”θ2” gebogen, der größer oder gleich 90° ist.
Ferner, wenn die flexible Schaltungsplatine 50 so gebogen ist, dass der Biegewinkel ”θ2” kleiner oder gleich 90° ist, wird an dem Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50, d. h. an dem Verbindungsabschnitt 653a mit der Dehnungsmesseinrichtung 30, keine Spannung in einer Richtung erzeugt, in der der Endabschnitt 51 von der Dehnungsmesseinrichtung 30 abgelöst wird.
Wenn jedoch die flexible Schaltungsplatine 50 so gebogen wird, dass der Biegewinkel ”θ2” größer als 90° wird, so ist die auf den Biegeabschnitt 653 der flexiblen Schaltungsplatine 50 wirkende Spannung so groß, dass leicht Beschädigungen wie etwa Risse, Verbiegungen und Brüche in einer Basis, einer Kupferfolie und dergleichen, die die flexible Schaltungsplatine 50 bilden, auftreten können.
Angesichts der oben genannten Probleme ist gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine flexible Schaltungsplatine 50 vorgesehen. 8A und 8B sind Diagramme, die vergrößert eine Verbindung dieser flexiblen Schaltungsplatine 50 darstellen. 8A ist eine Draufsicht, die einen Zustand vor dem Durchbiegen der flexiblen Schaltungsplatine 50 zeigt. 8B ist eine Seitenansicht, die einen Zustand nach dem Durchbiegen der flexiblen Schaltungsplatine 50 zeigt, und zwar einen Zustand, in dem die flexible Schaltungsplatine 50 in der Druckerfassungsvorrichtung 100 eingebaut ist. Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die 8A und 8B die flexible Schaltungsplatine 50 beschrieben.
Ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist unter Verwendung des Verbindungselements 650a wie etwa einer Lötung elektrisch und mechanisch mit der Dehnungsmesseinrichtung 30 in dem drucksensitiven Element 20 verbunden. In diesem Fall sind die Verbindungselemente 650a an vier Eckabschnitten der Dehnungsmesseinrichtung 30 angeordnet, wie es in 8A gezeigt ist.
Die flexible Schaltungsplatine 50 ist an dem einen Randabschnitt 51, der einem Verbindungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 entspricht, mit dem drucksensitiven Element 20 verbunden. Der mit dem drucksensitiven Element 20 verbundene Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 geht in einen Biegeabschnitt 653 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über, die den mit dem drucksensitiven Element 20 verbundenen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 mit einem angrenzenden Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbindet, der sich innerhalb des Rohrabschnitts 12 in Richtung der Schaltungsplatine 40, d. h. entlang einer Richtung des Verbindungsabschnitts als Anschlussgehäuse 60 (welches nachstehend erläutert ist) erstreckt, wie es in 8A und 8B gezeigt ist.
In dieser Ausführungsform ist ein Biegewinkel ”θ1” an einem Biegeabschnitt 653 in der flexiblen Schaltungsplatine 50 ein spitzer Winkel oder ein Winkel von 90°, und zwar ist der Biegewinkel, ”θ1” als ein Winkel definiert, der zwischen dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 und dem an den Biegeabschnitt 635 angrenzenden Abschnitt des Erstreckungsabschnitt 654 gebildet ist, wie es in 8B gezeigt ist. Der Biegewinkel ”θ1” ist kleiner oder gleich 90°. Somit wird der Erstreckungsabschnitt 654 zuerst an dem Biegeabschnitt 653 mit einem Biegewinkel von kleiner oder gleich 90° gebogen. Dann wird der Erstreckungsabschnitt 654 erneut an einem Biegeabschnitt 653b um einen weiteren Biegewinkel gebogen, der kleiner oder gleich 90° ist.
Somit ist die flexible Schaltungsplatine 50, wie es in den 7, 8A und 8B gezeigt ist, zusätzlich zu der Biegung an dem Biegeabschnitt 653 an dem bezüglich dieses Biegungsabschnitts 653 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 gelegenen Abschnitt 653b gebogen. Mit anderen Worten, gemäß diesem Beispiel ist die flexible Schaltungsplatine 50 nicht nur an einer Stelle (wie es im Stand der Technik der Fall ist) sondern an einer Mehrzahl von Stellen gebogen.
Ferner befindet sich der Biegeabschnitt 653 der flexiblen Schaltungsplatine 50 an einer Position nahe einer inneren Wand (und zwar der rechtsseitigen inneren Wand in 7) von gegenüberliegenden Wänden des Rohrabschnitts 12, wie es in 7 gezeigt ist, während der Erstreckungsabschnitt 654 an einer Position nahe einer weiteren inneren Wand (und zwar der linksseitigen Wand in 7) der gegenüberliegenden inneren Wände angeordnet ist. Dieser Erstreckungsabschnitt 654 der flexiblen Schaltungsplatine 50 erstreckt sich innerhalb des Rohrabschnitts 12 in Richtung des Verbindungsabschnitts 60. In diesem Beispiel erstreckt sich der Erstreckungsabschnitt 654, wie es in 7 gezeigt ist, in Richtung des Verbindungsabschnitts 60, und zwar so, dass er sich in Kontakt mit der weiteren inneren Wand der gegenüberliegenden inneren Wände befindet.
Ferner ist, wie es in den 8A und 8B gezeigt ist, ein Durchgangsloch 655 in dem einen Randabschnitt 51 so angeordnet, dass das drucksensitive Element 20, und zwar die Dehnungsmesseinrichtung 30, exponiert ist. Der eine Randabschnitt 51 entspricht dem Verbindungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem drucksensitiven Element, d. h. der Dehnungsmesseinrichtung 30.
Ferner bildet ein Grenzabschnitt zwischen dem Durchgangsloch 655 und dem Biegeabschnitt 653 einen ”R”-Abschnitt 655a, der eine ”R”-förmige Gestalt besitzt, die nicht rechteckig, sondern gerundet ausgebildet ist. Dieser ”R”-Abschnitt 655a kann eine Spannungskonzentration verringern und kann Beschädigungen der flexiblen Schaltungsplatine 50 im Vergleich zu einem Fall, in dem dieser Grenzabschnitt rechteckig ausgebildet ist, verringern.
Ferner ist der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite des Randabschnitts 52 in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 angeordnet, wie es in 7 gezeigt ist. Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist durch ein Durchgangsloch 46 in der Schaltungsplatine 40, das eine erste Oberfläche der Schaltungsplatine 40 (oben in 7), auf der der IC-Chip 42 angeordnet ist, mit einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 (unten in 7) verbindet, hindurchgeführt.
Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist mit der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 durch eine Lötung oder dergleichen elektrisch verbunden.
Wie es in 7 gezeigt ist, ist in dem Gehäuse 10 ein Anschlussgehäuse 60 mit einem Anschluss 61 als Verbindungsabschnitt an einer Position angeordnet, die der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40, mit der die flexible Schaltungsplatine 50 verbunden ist, gegenüberliegt.
Das Anschlussgehäuse 60 ist aus einem Harz wie etwa PPS (Polyphenylensulfid) hergestellt. Der Anschluss 61 ist durch Insert Molding oder dergleichen einteilig mit dem Anschlussgehäuse geformt und ist als Verbindungsabschnitt ausgebildet, der dazu geeignet ist, ein Signal von dem drucksensitiven Element 20 abzuleiten.
Der Anschluss 61 des Anschlussgehäuses 60 ist mittels eines Federkontakts über ein Federelement 62 elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Daher ist das drucksensitive Element 20 über die flexible Schaltungsplatine 50 und die Schaltungsplatine 40 mit dem Anschlussgehäuse 60 verbunden.
Ferner, da der Randabschnitt 14 des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 durch Umbiegen fest und formschlüssig mit dem Anschlussgehäuse 60 verbunden ist, sind das Anschlussgehäuse 60 und das Gehäuse 10 zu einer Einheit (integral) verbunden. Der Anschluss 61 kann über ein (nicht gezeigtes) Verdrahtungselement mit einer ECU eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen verbunden werden.
Im Folgenden ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Zusammenbau bzw. zur Montage der Druckerfassungsvorrichtung 100 mit dem oben angegebenen Aufbau beschrieben. Zuerst wird das drucksensitive Element 20, in dem der Metallschaft 21 und die Dehnungsmesseinrichtung 30 zu einem einteiligen Körper bzw. zu einer Einheit ausgebildet wurde, vorbereitet. Dann wird der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über das Verbindungselement 650 wie etwa die Lötung mit der Dehnungsmesseinrichtung 30 des drucksensitiven Elements 20 verbunden. Dieser Zustand ist in 8A gezeigt.
Anschließend wird, bevor der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 in den Rohrabschnitt 12 eingeführt wird, die flexible Schaltungsplatine 50 in die in 8B gezeigte Form gebogen.
Anschließend wird der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 von dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 her in das Gehäuse 10 eingeführt, und dann wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 bis ins Innere des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 herausgezogen.
Danach wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch das Durchgangsloch 46 der Schaltungsplatine 40 geführt, und die Schaltungsplatine 40 wird mit dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 verbunden, um in dem Hauptkörperabschnitt 11 befestigt zu werden. Als nächstes wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch Löten oder dergleichen mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Der IC-Chip 42 wird durch Drahtbonden auf der Schaltungsplatine 40 angebracht.
Danach wird das Anschlussgehäuse 60 an dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 angebracht, und da der Randabschnitt 14 des Gehäuses 10 nach innen gebogen ist, ist das Anschlussgehäuse 60 mit dem Gehäuse 10 fest verbunden.
Wenn das Anschlussgehäuse 60 an dem Gehäuse 10 angebracht ist, besteht über das Federelement 62 zwischen dem Anschluss 61 und der Schaltungsplatine 40 ein Federkontakt, so dass der Anschluss 61 elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden ist. Auf diese Weise kann die in 7 gezeigte Druckerfassungsvorrichtung erzeugt werden.
Da die montierte Druckerfassungsvorrichtung 100 über den Gewindeabschnitt 13 des Gehäuses 10 in dem Gewindeloch montiert wird, kann diese Druckerfassungsvorrichtung 100 an dem Motorblock befestigt und so mit diesem verbunden werden.
Wenn die Membran 23 des drucksensitiven Elements 20, wie es durch den Pfeil ”Y” in 7 gezeigt ist, mit dem Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer beaufschlagt wird, wird die Membran 23 des Metallschafts 21 durch diesen Druck deformiert, und diese Deformation wird durch die Dehnungsmesseinrichtung 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt, so dass der Druck erfasst wird.
Das von der Dehnungsmesseinrichtung 30 abgeleitete elektrische Signal wird über die flexible Schaltungsplatine 50 zu der Schaltungsplatine 40 übertragen und durch den IC-Chip 42 verarbeitet. Anschließend wird das verarbeitete Signal über den Anschluss 61 zu einer externen Einheit ausgegeben.
Gemäß dieser Ausführungsform weist die Druckerfassungsvorrichtung 100, die das Gehäuse 10 mit dem länglichen Rohrabschnitt 12, der so angeordnet ist, dass er von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts 11 hervorragt, und das drucksensitive Element 20 zum Ausgeben des Signals in Antwort auf den Erfassungsdruck umfasst, wobei der Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt wird, die nachstehenden Merkmale auf.
Das heißt, das drucksensitive Element 20 ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 20 angeordnet, und der Verbindungsabschnitt 60 zum Ableiten des Signals von dem drucksensitiven Element 20 ist an dem Gehäuse 10 und teilweise in dieses hineinragend angeordnet (siehe 7).
Die flexible Schaltungsplatine 50 zum elektrischen Verbinden des drucksensitiven Elements 20 mit dem Verbindungsabschnitt 60 ist in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen. Der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist mit dem drucksensitiven Element 20 verbunden, und die flexible Schaltungsplatine 50 ist um den an den einen Randabschnitt 51 sich anschließenden Biegeabschnitt 653 gebogen. Der bezüglich dieses Biegeabschnitts 653 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 liegende Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 erstreckt sich in dem Rohrabschnitt 12 in Richtung des Verbindungsabschnitts 60 (siehe 7).
Der Biegewinkel ”θ1” der flexiblen Schaltungsplatine 50 um den Biegeabschnitt 653 ist der spitze Winkel, der kleiner als 90° ist (siehe die 8A und 8B).
Da entsprechend der Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform, die diese Struktur aufweist, der Biegewinkel ”θ1” der flexiblen Schaltungsplatine 50 um den Biegeabschnitt 653 auf einen spitzen Winkel kleiner als 90° eingestellt ist, können die durch Biegen der flexiblen Schaltungsplatine 50 verursachten Beschädigungen im Vergleich zu der herkömmlichen Druckerfassungsvorrichtung verringert werden, in der der Biegewinkel auf einen Winkel größer oder gleich 90° eingestellt ist.
Ferner ist in der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform die flexible Schaltungsplatine 50, zusätzlich zu der Biegung an dem Biegeabschnitt 653, an einem Abschnitt gebogen, der bezüglich des Biegeabschnitts 653 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 (siehe die 7, 8A und 8B) angeordnet ist.
Wie zuvor erläutert, ist die flexible Schaltungsplatine 50 nicht nur an einer Stelle gebogen, wie es im Stand der Technik gelehrt wird, sondern an mehreren Stellen, so dass der Biegewinkel der jeweiligen Biegeabschnitte verkleinert werden kann. Dadurch kann eine technische Idee, die darin besteht, dass der Biegewinkel ”θ1” des Biegeabschnitts 653 der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf den spitzen Winkel keiner als 90° eingestellt wird, umgesetzt werden.
Ferner ist in der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform der Biegeabschnitt 653 in der flexiblen Schaltungsplatine 50 an der Position nahe an einer inneren Wand der gegenüberliegenden inneren Wände in dem Rohrabschnitt 12 angeordnet, während der Erstreckungsabschnitt 654 an der Position nahe der weiteren inneren Wand der gegenüberliegenden inneren Wänden in dem Rohrabschnitt 12 angeordnet ist. Dieser Erstreckungsabschnitt 654 der flexiblen Schaltungsplatine 50 erstreckt sich in dem Rohrabschnitt 12 in Richtung des Verbindungsabschnitts 60 (siehe 7).
Mit anderen Worten, sowohl der Biegeabschnitt 653 des Erstreckungsabschnitts 654 als auch der zusätzliche Biegeabschnitt 653b der flexiblen Schaltungsplatine 50 sind an Positionen nahe der verschiedenen inneren Wänden innerhalb der gegenüberliegenden Wände in dem Rohrabschnitt 12 angeordnet.
Dadurch kann eine technische Idee realisiert werden, gemäß der der Biegewinkel ”θ1” des Biegeabschnitts 653 der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf einen spitzen Winkel kleiner als 90° eingestellt ist. Ferner können in dem Verbindungsabschnitt 51 mit dem drucksensitiven Element 20 in der flexiblen Schaltungsplatine 50 die in der Richtung, in der die flexible Schaltungsplatine 50 von der Dehnungsmesseinrichtung 30 abgelöst wird, wirkenden Spannungen verringert werden, und die Verbindungsstärke in diesem Verbindungsabschnitt 51 kann gewährleistet werden.
Da in der Struktur der in 13 gezeigten herkömmlichen flexiblen Schaltungsplatine 50 sowohl der Biegeabschnitt 653 als auch der Erstreckungsabschnitt 654 an den Positionen nahe an derselben inneren Wand der gegenüberliegenden inneren Wände in dem Rohrabschnitt 12 angeordnet sind, ist es zum Beispiel schwierig, den oben genannten Biegewinkel ”θ2” auf weniger als 90° einzustellen.
Ferner, in der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform ist ein Durchgangsloch 655 in dem einen Endabschnitt 51 so ausgebildet, dass das drucksensitive Element 20 exponiert ist (siehe die 8A und 8B). Dieser Endabschnitt 51 entspricht dem Verbindungsabschnitt mit dem drucksensitiven Element 20 in der flexiblen Schaltungsplatine 50.
Dadurch kann nicht der Fall eintreten, dass die Erfassungsoberfläche des drucksensitiven Elements 20 von der flexiblen Schaltungsplatine 50 fest verschlossen ist. Somit kann Luft zu der frei zu der Erfassungsoberfläche hin und von der Erfassungsoberfläche weg zirkulieren. Demzufolge ist es möglich, Störungen der Druckerfassung durch das drucksensitive Element 20 zu vermeiden. Als Folge davon kann die Druckerfassungsvorrichtung 100 mit hoher Empfindlichkeit realisiert werden.
Es ist zu beachten, dass das Durchgangsloch 655 nicht in dem Mittenabschnitt des einen Randabschnitts 51 in der flexiblen Schaltungsplatine 50 ausgebildet sein muss. Ferner muss die Gesamtanzahl an Durchgangslöcher 655 nicht notwendigerweise 1 sein, sondern es können auch eine Mehrzahl von Durchgangslöcher ausgewählt werden.
Ferner, da die Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform so aufgebaut ist, dass das drucksensitive Element 20 in dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, kann auf den herkömmlich vorgesehenen Stab verzichtet werden.
Ferner, da in dieser Ausführungsform das drucksensitive Element 20 in der Umgebung des Erfassungsdrucks angeordnet ist, und zwar in diesem Beispiel zur Verbrennungskammer exponiert ist, kann das drucksensitive Element direkt mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt werden.
Da in der herkömmlichen Druckerfassungsvorrichtung die Membran zum Empfangen des Erfassungsdrucks an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts angeordnet ist und das stabförmige Druckübertragungselement (als ”Stab” bezeichnet) in dem Rohrabschnitt angeordnet ist, kann der Erfassungsdruck von der Membran über den Stab zu dem drucksensitiven Element übertragen werden.
In diesem Fall muss die Länge des Stabes entsprechend der Länge des Rohrabschnitts, d. h. die Druckübertragungsstrecke, verlängert werden. Wenn zum Beispiel in dem Verbrennungsdrucksensor die Länge des Stabes verlängert wird, dann wird die Kraft dieses Stabes erhöht. Dadurch wird einer Resonanzfrequenz des Stabes eine Vibrationsfrequenz einer klopfenden Verbrennung überlagert, so dass ein Resonanzphänomen in dem Stab auftreten kann. Demzufolge kann ein Problem hinsichtlich der Sensorcharakteristik auftreten, d. h. Klopfsignale können in Rauschsignalen eingebettet sein, die durch das Resonanzphänomen des Stabes erzeugt werden, so dass die Klopfsignale gemessen werden können.
Ferner sind in dem Fall, in dem die Länge des Stabes vergrößert wird, die Kontaktierungsbedingungen zwischen dem Stab und entweder der Membran oder dem drucksensitiven Element verändert, da sich der Stab selbst leicht verformen kann. Wenn eine solche Veränderung der Kontaktierungsbedingungen eintritt, ist die Genauigkeit der Druckübertragung verschlechtert, was einen negativen Einfluss auf die Sensorcharakteristik hat.
Wenn hingegen, wie es in dieser Ausführungsform erläutert ist, die Druckerfassungsvorrichtung 100 so aufgebaut ist, dass sie keinen Stab aufweist, kann ein Problem, das durch den Stab verursacht wird und das darin besteht, dass das Resonanzphänomen in dem Stab auftritt und die Druckübertragungsgenauigkeit verschlechtert ist, gelöst werden.
Als Folge davon kann gemäß dieser Ausführungsform in einer Druckerfassungsvorrichtung 100, die so aufgebaut ist, dass das drucksensitive Element 20 in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, das den länglichen Rohrabschnitt 12 umfasst, der von einer Randseite des Hauptkörperabschnitts 11 hervorragt, und der Verbindungsabschnitt 60 an bzw. in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, der negative Einfluss auf die Sensorcharakteristik verhindert werden, die durch den länglichen Rohrabschnitt und den in diesem länglichen Rohrabschnitt aufgenommenen Stab verursacht ist.
(Siebte Ausführungsform)
Da in der Druckerfassungsvorrichtung 100, die in den 7, 8A und 8B gezeigt ist, das drucksensitive Element so angeordnet ist, dass es der Umgebung des Erfassungsdrucks ausgesetzt ist, wird das drucksensitive Element 20 direkt mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Druckerfassungsvorrichtung 100 eine Struktur auf, bei der der Erfassungsdruck über Membrane auf das drucksensitive Element 20 übertragen wird.
9 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Hauptabschnitt eines erstes Beispiel einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der in 9 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung ist eine Membran 15 an dem Endabschnitt 12 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass sie das drucksensitive Element 20 überdeckt. Somit kann das drucksensitive Element 20 über diese Membran mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Membran 15 im Folgenden als ”Druckaufnahmemembran 15” bezeichnet wird, um sie von der oben genannten Membran 23 des Metallschafts 21 begrifflich zu unterscheiden.
Insbesondere ist die Druckaufnahmemembran 15 in diesem Beispiel in direktem Kontakt mit dem drucksensitiven Element 20. Insbesondere ist ein konvexer Abschnitt 15a, der in Richtung des drucksensitiven Elements 20 hervorragt, auf der Druckaufnahmemembran 15 ausgebildet, und ein Endabschnitt des konvexen Abschnitts 15a berührt die hintere (d. h. in 9 obere) Oberfläche der Membran 23 des Metallschafts 21.
In diesem Fall ist die Druckaufnahmemembran 15 zum Beispiel scheibenförmig ausgebildet, und der konvexe Abschnitt 15a weist in etwa die Form eines ”Nabels” auf, der im Wesentlichen in der Mitte dieses Kreises angeordnet ist. Ferner, da der Umfangsabschnitt der Druckaufnahmemembran 15 mit dem Flansch 24 des Metallschafts 21 durch Schweißen verbunden ist, um so an diesem Flansch 24 befestigt zu sein, bilden die Druckaufnahmemembran 15 und das drucksensitive Element 20 eine (integrale) Einheit.
Die Druckerfassungsvorrichtung gemäß diesem ersten Beispiel kann wie folgt hergestellt werden: Das mit der Druckaufnahmemembran 15 einteilig ausgebildete drucksensitiven Elements 20 wird mit einem Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch Löten oder dergleichen verbunden. Anschließend wird ein Montageverfahren ähnlich dem der sechsten Ausführungsform ausgeführt, um so die oben genannte Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform herzustellen.
Wenn in der Druckerfassungsvorrichtung gemäß diesem ersten Beispiel die Druckaufnahmemembran 15 mit einem Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer beaufschlagt wirkt, wird eine entsprechende Kraft von dem konvexen Abschnitt 15a der Druckaufnahmemembran 15 auf die Membran 23 des Metallschafts 21 übertragen. Dann wird eine Deformation der Membran 23 des Metallschafts 21 durch die Dehnungsmesseinrichtung 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt, um so den Druck zu erfassen.
10 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Hauptabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der oben beschriebenen ersten Modifikation, die in 9 gezeigt ist, wird der konvexe Abschnitt 15a der Druckaufnahmemembran 15 mit Hilfe eines Schneidprozesses oder dergleichen gebildet. Im Gegensatz dazu wird in der in 10 gezeigten Druckaufnahmemembran 15 ein konvexer Abschnitt 15a durch Eindrücken einer flachen Membranoberfläche in einem Pressprozess hergestellt, so dass dieser konvexe Abschnitt 15a auf einfache Weise hergestellt werden kann.
11 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Hauptabschnitt einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem dritten Beispiel der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 11 gezeigt, ist auch in diesem dritten Beispiel, ebenso wie in dem oben beschriebenen ersten und zweiten Beispiel, die Druckaufnahmemembran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 so angeordnet, dass es das drucksensitive Element 20 überdeckt, so dass das drucksensitive Element 20 über die Druckübertragungsmembran 15 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt werden kann.
Da in dem oben beschriebenen ersten und zweiten Beispiel der konvexe Abschnitt 15a auf der Druckaufnahmemembran 15 angeordnet ist, ist ein direkter Kontakt dieser Druckaufnahmemembran 15 mit dem drucksensitiven Element 20 hergestellt, so dass diese Druckerfassungsvorrichtung keinen Stab benötigt.
Im Gegensatz zu dem ersten und zweiten Beispiel ist gemäß dem in 11 gezeigten dritten Beispiel ein Druckübertragungselement 16 zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 angeordnet, und das drucksensitive Element 20 wird von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Da entsprechend diesem dritten Beispiel das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, kann ein Abstand zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 so klein wie möglich gemacht werden, so dass eine Anordnung realisiert werden kann, in der das Druckübertragungselement 16 (d. h. der Stab) gekürzt ist. Dadurch kann das obige Resonanzproblem, das durch verlängern des Stabes verursacht wird, und das Problem, dass der Stab selbst deformiert wird, verhindert werden.
Als in der gemäß diesem dritten Beispiel erläuterten Anordnung verwendetes Druckübertragungselement 16 kann ein stabförmiges Element verwendet werden, das ähnlich dem Stab der herkömmlichen Druckerfassungsvorrichtung ist. Insbesondere wird in dem in 11 gezeigten Beispiel ein kugelförmiges Element 16 als das Druckübertragungselement 16 verwendet.
In dieser Anordnung, in der das kugelförmige Element 16 als das Druckübertragungselement fungiert, bilden sowohl eine Oberfläche des kugelförmigen Elements 16, die sich in Kontakt mit der Druckaufnahmemembran 15 befindet, als auch eine weitere Oberfläche des kugelförmigen Elements 16, die sich in Kontakt mit dem drucksensitiven Element 20 befindet (und zwar die Membran 23 des Metallschafts 21), sphärische Oberflächen.
Gemäß diesem Beispiel können die Kontakte zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element einerseits und dem Druckübertragungselement 16 andererseits als stabile Punktkontakte festgelegt werden. Ferner kann eine Gesamtanzahl von Kontakten zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 einerseits und dem Druckübertragungselement 16 andererseits verringert werden.
Daraus folgt, dass die Änderungen der Kontaktierungsbedingungen zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 einerseits und dem Druckübertragungselement 16 andererseits so weit wie möglich reduziert werden können, die stabilen Kontaktierungsbedingungen in den jeweiligen Kontaktabschnitten gewährleistet werden können und ferner Verschlechterungen in der Druckübertragungsgenauigkeit verhindert werden können.
In einem Fall, in dem das Druckübertragungselement 16 in Form des kugelförmigen Elements 16 gebildet ist, kann insbesondere das kugelförmige Element 16, das als das Druckübertragungselement fungiert, im Vergleich zu dem Stab des Standes der Technik nur schwer deformiert werden. Daraus folgt, dass die Kontaktierungsbedingungen zwischen dem kugelförmigen Element 16 und der Druckaufnahmemembran 15 einerseits und dem drucksensitiven Element 20 andererseits in vorteilhafter Weise stabil gehalten werden können.
Es ist ferner zu beachten, dass das kugelförmige Element 16 nicht unbedingt ”exakt kugelförmig” sein muss, sondern dass es durch einen Ellipsoid geringer Exzentrizität (”Rugby-Ball”) ersetzt werden kann. Ferner ist die Erfindung nicht auf das kugelförmige Element begrenzt, solange die Kontaktoberflächen des Druckübertragungselement 16 mit der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 sphärisch sind. Zum Beispiel können beide Kontaktoberflächen sphärische Flächen sein, und der Abschnitt zwischen den sphärischen Kontaktoberflächen kann säulenförmig ausgebildet sein.
Es ist ferner zu beachten, dass der Erstreckungsabschnitt 654 der flexiblen Schaltungsplatine, der sich in dem Rohrabschnitt 12 erstreckt, verdreht sein kann, so dass er spiralförmig ist.
Alternativ kann die flexible Schaltungsplatine 50 in dem Rohrabschnitt 12 durch Kleben an dem Rohrabschnitt 12 befestigt sein.
Ferner kann in der flexiblen Schaltungsplatine 50, die in dem Rohrabschnitt 12 angeordnet ist, auch eine leichtgewichtige Komponente wie etwa ein Kondensator auf der Oberfläche der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet sein.
Ferner ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet, der nahe der Umgebung des Erfassungsdrucks angeordnet ist, so dass sich die Temperatur des drucksensitiven Elements 20 leicht erhöhen kann.
Als eine Lösungsmaßnahme in einem solchen Fall kann in der Druckerfassungsvorrichtung ein Wärmeabstrahlungselement so vorgesehen sein, dass es sich in Kontakt mit dem drucksensitiven Element 20 befindet. Da entsprechend dieser Ausführungsform Wärme des drucksensitiven Elements 20 über das Wärmeabstrahlungselement abgestrahlt wird, kann die Temperaturverminderung des drucksensitiven Elements 20 verbessert werden.
Als ein solches Wärmeabstrahlungselement kann zum Beispiel das folgende Wärmeabstrahlungselement verwendet werden, das aus einem Material mit einer hohen Wärmebeständigkeit und einer guten Wärmeabstrahlungscharakteristik wie etwa Aluminium oder rostfreier Stahl besteht. Ein solches Wärmeabstrahlungselement kann durch Schweißen oder Löten an dem Metallschaft 21 befestigt sein.
Zusammenfassend besitzt die Druckerfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung, die das Gehäuse 10 mit dem länglichen Rohrabschnitt 12, der in dem Gehäuse 10 so angeordnet ist, dass der Rohrabschnitt 12 von einer Randseite Hauptkörperabschnitts 11 hervorragt, und das drucksensitive Element 20 zur Ausgabe eines Signals in Antwort auf den Erfassungsdruck umfasst, wobei der Erfassungsdruck auf den Endabschnitt des Rohrabschnitts wirkt, eine Hauptstruktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das drucksensitive Element 20 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, der Verbindungsabschnitt 60 in dem Gehäuse 10 angeordnet ist und das Verdrahtungselement 50 zur elektrischen Verbindung des drucksensitiven Elements 20 mit dem Verbindungsabschnitt 60 in dem Rohrabschnitt 12 aufgenommen ist, der Biegewinkel ”θ1” des Biegeabschnitts 653 in der flexiblen Schaltungsplatine 50 ein spitzer Winkel kleiner 90° eingestellt ist, wobei die weiteren Strukturabschnitte in geeigneter Weise geändert werden können.
Wie aus der obigen Beschreibung klar hervorgeht, ist die Druckerfassungsvorrichtung der Erfindung nicht auf die Verwendung als der oben erläuterte Verbrennungsdrucksensor zur Erfassung eines Drucks (Zylinderdrucks) in der Verbrennungskammer begrenzt.
(Achte Ausführungsform)
Die Erfinder versuchten, eine Druckerfassungsvorrichtung herzustellen, bei der eine Erfassungseinheit näher auf der Seite der Erfassungsdruckumgebung angeordnet ist, um deren Empfindlichkeit zu verbessern.
26 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Gesamtstruktur eines von den Erfindern hergestellten Prototyps der Druckerfassungsvorrichtung zeigt.
Eine Erfassungseinheit 831 zur Ausgabe eines Signals in Antwort auf den Erfassungsdruck ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 in dem Gehäuse 10 angeordnet.
In diesem Fall umfasst die Erfassungseinheit 831 eine Druckaufnahmemembran 15, einen Metallschaft 21, ein Druckübertragungselement 16 und ein drucksensitives Element 20. Die Druckaufnahmemembran 15 ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet und dient dazu, den Erfassungsdruck aufzunehmen. Das Druckübertragungselement 16 ist in dem Metallschaft 21 angeordnet. Der Erfassungsdruck wird von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 auf das drucksensitive Element 20 übertragen.
Konkret, das drucksensitive Element 20 ist auf einer Oberfläche der Membran 23 durch eine Glasverbindung in dem Metallschaft 21 angebracht, der als Halteelement dient, das eine hohlzylindrische Gestalt aufweist, wobei ein (Öffnungsabschnitt 22 auf einer Randseite und die Membran 23 auf der weiteren Randseite angeordnet ist. Das drucksensitive Element 20 besitzt die Funktionalität einer Dehnungsmesseinrichtung. Diese Dehnungsmessfunktionalität kann in Antwort auf zum Beispiel einen Erfassungsdruck auf der Grundlage einer durch den Erfassungsdruck hervorgerufenen Deformation ein Ausgangssignal ausgeben.
Das Druckübertragungselement 16 ist in dem hohlen Abschnitt dieses Metallschafts 21 angeordnet. Die Druckaufnahmemembran 15 ist auf dem Öffnungsabschnitt 22 des Metallschafts 21 so befestigt, dass die Membran 15 die Öffnung 21 überdecken kann.
Dann kann, wie es in 26 durch einen Pfeil ”Y” gezeigt ist, der Erfassungsdruck von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 auf die hintere Oberfläche (Rückseite) der Membran 23 des Metallschafts 21 übertragen werden.
Wenn die Membran 23 des Metallschafts 21 durch den Druck deformiert wird, wird ein der Deformation entsprechendes elektrisches Signal von dem drucksensitiven Element 20 ausgegeben.
Ferner ist, wie es in 26 gezeigt ist, eine Schaltungsplatine 40 in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 angeordnet. Ein IC-Chip 42 ist auf einer Oberfläche der Schaltungsplatine 40 durch Kleben befestigt. Dieser IC-Chip 42 enthält eine Schaltung, die ein Ausgangssignal von dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 verarbeitet.
Der IC-Chip 42 ist über Bonddrähte 44 mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Ferner ist die Schaltungsplatine 40 mit Hilfe einer flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem oben genannten drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 verbunden. Die flexible Schaltungsplatine 50 ist in dem Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass sie sich entlang der Längsrichtung des Rohrabschnitts 12 erstreckt.
In dieser Druckerfassungsvorrichtung ist ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem drucksensitiven Element 20 verbunden, und ein weiterer Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 erstreckt sich in dem Rohrabschnitt 12 in Richtung der Schaltungsplatine 40. Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist durch Löten oder dergleichen mit der Schaltungsplatine 40 verbunden.
Ferner ist in dem Gehäuse 10 ein Anschlussgehäuse 60 mit einem Anschluss 61 an einer der Schaltungsplatine 40 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Dieses Anschlussgehäuse 60 ist als Verbindungsabschnitt ausgebildet, der dazu geeignet ist, ein Signal von dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 in dieser Druckerfassungsvorrichtung abzuleiten.
Der Anschluss 61 des Anschlussgehäuses 60 ist über einen Federkontakt durch ein Federelement 62 mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Dadurch ist das drucksensitive Element 20 der Erfassungseinheit 831 über die flexible Schaltungsplatine 50 und die Schaltungsplatine 40 mit dem Anschlussgehäuse 60, d. h. dem Verbindungsabschnitt 60, verbunden.
Da entsprechend der in 26 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung eine Anordnung verwendet wird, in der die Erfassungseinheit 831 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, der einem Randabschnitt des Gehäuses 10 entspricht, kann die Länge des Druckerfassungselements so weit wie möglich verkürzt werden, obwohl dieses Druckübertragungselement herkömmlich so angeordnet ist, dass es sich über den gesamten Rohrabschnitt erstreckt.
Wie zuvor erläutert, ist in der in 26 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung die elektrische Verbindung zwischen dem drucksensitiven Element 20, das an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet ist, und dem Verbindungsabschnitt 60 mit Hilfe der flexiblen Schaltungsplatine 50 realisiert.
In diesem Fall kann erreicht werden, dass die Verbindung zwischen dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch Drahtbonding realisiert ist. Jedoch untersuchten die Erfinder der Erfindung die Verwendung einer Flip-Chip-Verbindung, deren erforderliche Fläche kleiner als die einer Drahtbondverbindung ist, um so eine kompaktere Struktur als die mit der Drahtbondverbindung herzustellen.
27A und 27B sind Diagramme, die Detailstrukturen einer Flip-Chip-Verbindung zwischen dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 und dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 in der Druckerfassungsvorrichtung zeigen, die als der in 26 gezeigte Prototyp fungieren. Diese Flip-Chip-Verbindung verwendet eine typische Anordnung von Bumps 832.
In den Zeichnungen ist 27A eine Draufsicht, die einen Zustand einer Flip-Chip-Verbindung der flexiblen Schaltungsplatine 50 vor dem Durchbiegen zeigt. 27B ist eine Seitenansicht, die einen Zustand der Flip-Chip-Verbindung in einem in die Druckerfassungsvorrichtung eingebauten Zustand, d. h. in einem Zustand nach dem Durchbiegen, zeigt.
Es sei darauf hingewiesen, dass 27A eine Draufsicht ist, die einer von oben betrachteten Oberfläche von 27B entspricht. Die Bumps 832, die unterhalb des drucksensitiven Elements 20 angeordnet sind, sollten eigentlich als verdeckte Kanten dargestellt sein. Jedoch sind aus Gründen der Deutlichkeit die Bumps 832 in 27 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt.
Nachdem der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über die Bumps 832 wie etwa Löt-Bumps oder Stud-Bumps mit dem drucksensitiven Element 20 verbunden sind, wird der weitere Randabschnitt 52 in den Rohrabschnitt 12 eingeführt, wobei ein Abschnitt 853 der flexiblen Schaltungsplatine 50 gebogen wird, wie es in 27B dargestellt ist.
In diesem Fall sind als typische Anordnung der Bumps 832 auf der Anordnungsoberfläche der Bumps 832 in der Erfassungseinheit 831 die Bumps 832 an vier Eckabschnitten einer Oberfläche des drucksensitiven Elements 20 angeordnet. Somit ist mittels der Flip-Chip-Verbindung über diese Bumps 832 eine elektrische und mechanische Verbindung des drucksensitiven Elements 20 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 hergestellt.
Wie zuvor erläutert, können in dem Fall, in dem eine Druckerfassungsvorrichtung verwendet wird, in der das drucksensitive Element 20, d. h. die Erfassungseinheit 831, mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 mittels der Flip-Chip-Verbindung verbunden ist, aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Strukturelemente, insbesondere einer Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des drucksensitiven Elements 20 aus Silizium und eines weiteren Wärmeausdehnungskoeffizienten der flexiblen Schaltungsplatine 5 aus Harz, in den Bump-Verbindungsabschnitten große Spannungen erzeugt werden, wenn ein Kühl-/Heiz-Zyklus wiederholt ausgeführt wird.
Ferner, da die Erfassungseinheit 831 wiederholt einen Erfassungsdruck aufnimmt, werden die Bumps 832 durch diesen Druck zusammengedrückt, so dass in den Bump-Verbindungsabschnitten große Spannungen erzeugt werden können. Somit besteht in den Bump-Verbindungsabschnitten, die diese Spannungen aufnehmen, die Gefahr, dass eine Drahtverbindung unterbrochen wird.
Angesichts des oben genannten Problems wird eine Druckerfassungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. 14 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Gesamtstruktur der Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß der achten Ausführungsform zeigt.
Ferner, die 15A und 15B sind vergrößerte Ansichten, die die Flip-Chip-Verbindungsabschnitte zwischen einem drucksensitiven Element 20 einer Erfassungseinheit 831 und einer in 14 gezeigten flexiblen Schaltungsplatine 50 zeigen. 15A ist eine Draufsicht, die einen Zustand einer Flip-Chip-Verbindung der flexiblen Schaltungsplatine 50 vor der Umbiegung zeigt. 15B ist eine Seitenansicht, die einen Zustand einer Flip-Chip-Verbindung in einem Zustand zeigt, in dem die flexible Schaltungsplatine 50 in eine Druckerfassungsvorrichtung eingebaut ist, d. h. einen Zustand nach deren Umbiegung.
15A ist eine Draufsicht, die eine von oben betrachtete Oberfläche von 15B zeigt. Bumps 832 und Blind-Bumps 833, die unter dem drucksensitiven Element 20 angeordnet sind, sollten eigentlich als verdeckte Kanten dargestellt sein. Aus Gründen der besseren Erkennbarkeit und Verständlichkeit sind jedoch sowohl die Blind-Bumps 833 als auch die Bumps 832 in 15A als durchgezogene Linien dargestellt. Ferner sind in 15A die Blind-Bumps 833 schraffiert, um sie von den Bumps 832 zu unterscheiden.
Obwohl der Gebrauch der Druckerfassungsvorrichtung 100 nicht darauf begrenzt ist, kann sie als Verbrennungsdrucksensor verwendet werden.
In diesem Fall entspricht der Verbrennungsdrucksensor einem Sensor, bei dem, während ein Rohrabschnitt 12 eines Gehäuses 10 in einem zum Beispiel in einem Motorblock eines Kraftfahrzeugs als ein zu erfassendes Objekt ausgebildeten Loch mittels Verschraubung angebracht ist, ein Druck (Zylinderdruck) in einer Verbrennungskammer als Erfassungsdruck erfasst wird.
Die Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform umfasst im Wesentlichen das Gehäuse 10, die Erfassungseinheit 831, die in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, um ein Signal in Antwort auf den erfassten Druck auszugeben, eine Verbindungseinheit als ein Anschlussgehäuse 60, das an dem Gehäuse 10 vorgesehen ist, um das Signal von der Erfassungseinheit 831 abzuleiten, und ferner eine flexible Schaltungsplatine 50, die in dem Gehäuse 10 aufgenommen ist, um die Erfassungseinheit 831 mit der Verbindungseinheit als einem Anschlussgehäuse 60 elektrisch zu verbinden.
Das Gehäuse 10 umfasst einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 11 und einen Rohrabschnitt 12. Der längliche, zylindrische Rohrabschnitt 12 ist schmaler ausgebildet als der Hauptkörperabschnitt 11.
Der Hauptkörperabschnitt 11 und der Rohrabschnitt 12 sind aus einem Metall wie etwa einem rostfreien Stahl gebildet, der durch Schneiden, Kaltverformen oder dergleichen verarbeitet wurde. Obwohl in dieser Ausführungsform der Rohrabschnitt 12 eine kreiszylindrische Gestalt besitzt, kann der Rohrabschnitt 12 auch eine rechteckigzylindrische Gestalt aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass in dem Gehäuse 10 der Hauptkörperabschnitt 11 und der Rohrabschnitt 12 als einteiliger Körper ausgebildet sein können. Alternativ können der Hauptkörperabschnitt 11 und der Rohrabschnitt 12 als getrennte Körper ausgebildet sein, die anschließend zum Beispiel durch Schweißen, Kleben, Einpressen, Schrauben, Ineinandergreifen gebördelter Umfangsränder etc. miteinander verbunden werden.
Ferner ist auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 ein Gewindeabschnitt 13 ausgebildet. Der Gewindeabschnitt 13 kann in den oben genannten Motorblock, der als das zu erfassende Objekt dient, eingeschraubt werden.
Wie es oben beschrieben ist, ist die Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform so aufgebaut, dass das Gehäuse 10 den Rohrabschnitt 12 mit der länglichen Gestalt umfasst, der von einer Randseite des Körperhauptabschnitts 11 hervorragt.
In diesem Fall wird der Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 in das Befestigungsloch eingefügt und über den Gewindeabschnitt 13 befestigt. Das Befestigungsloch ist in dem Motorblock als ein Gewindeloch ausgebildet. Auf diese Weise ist die Druckerfassungsvorrichtung an dem Motorblock befestigt.
Wenn diese Druckerfassungsvorrichtung 100 an dem Motorblock befestigt ist, wird der Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 wie es in den 14, 15A und 15B durch einen Pfeil ”Y” gezeigt ist, mit einem Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer als Erfassungsdruck beaufschlagt. Mit anderen Worten, in der Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform wirkt der Erfassungsdruck auf einen Randabschnitt des Gehäuses 10.
Ferner ist in der Druckerfassungsvorrichtung 10 die Erfassungseinheit 831 zur Ausgabe eines Signals in Antwort auf einen Erfassungsdruck an einem Randabschnitt des Gehäuses 10, und zwar dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet.
In diesem Fall ist die Erfassungseinheit 831 aus einer Druckaufnahmemembran 15, einem Metallschaft 21, einem Druckübertragungselement 16 und einem drucksensitiven Element 20 gebildet. Die Druckaufnahmemembran 15 ist an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet und dient dazu, den Erfassungsdruck aufzunehmen. Das Druckübertragungselement 16 ist in dem Metallschaft 21 angeordnet. Der Erfassungsdruck wird von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 auf das drucksensitive Element 20 übertragen.
Konkret, das drucksensitive Element 20 ist auf einer Oberfläche einer Membran 23 mittels eines Glasverbindung in dem Metallschaft 21 befestigt, der als Halteelement dient und eine hohlzylindrische Form aufweist, wobei ein Öffnungsabschnitt 22 an einer Randseite und die Membran 23 an der weiteren Randseite angeordnet sind.
In dieser Druckerfassungsvorrichtung 100 besitzt das drucksensitive Element 20 eine Dehnungsmessfunktionalität. Diese Dehnungsmessfunktionalität kann ein Signal in Antwort auf zum Beispiel einen erfassten Druck auf der Grundlage einer durch den erfassten Druck verursachten Deformation ausgeben.
Der Metallschaft 21 ist ein Metallelement, das zu einer hohlzylindrischen Form bearbeitet wurde. Ein Flansch 24 ist an einem Öffnungsrandabschnitt des Öffnungsabschnitts 22 ausgebildet. Der Flansch 24 ist an einem Umfangsrand des Öffnungsabschnitts 22 so ausgebildet, dass er sich nach außen, in einer zur Längsachse des Rohrabschnitts 12 orthogonalen Ebene erstreckt. Obwohl in dieser Ausführungsform der hohle Abschnitt des Metallschafts 21 eine kreiszylindrische Gestalt besitzt, ist die Erfindung nicht hierauf begrenzt. Alternativ kann der hohle Abschnitt eine rechteckigzylindrische Gestalt besitzen.
Der Metallschaft 21 ist in den Rohrabschnitt 12 so eingefügt, dass der membranseitige Abschnitt 23 des Metallschafts 21 ins Innere des Rohrabschnitts 12 und der öffnungsseitige Abschnitt zur Verbrennungskammer gerichtet ist. Der Flansch 4 des Metallschafts 21 ist an dem Öffnungsabschnitts des Endabschnitts des Rohrabschnitts 12 mit Hilfe eines Klebemittels, durch Schweißen oder Pressschweißen befestigt.
Ferner ist in der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform, wie es in den 14, 15A und 15B gezeigt ist, eine Membran 15 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuse 10 so angeordnet, dass die Membran 15 den Öffnungsabschnitt 22 des Metallschafts 21 abdeckt.
Es ist zu beachten, dass die Membran 15 im Folgenden als ”Druckaufnahmemembran 15” bezeichnet ist, um sie begrifflich von der oben genannten Membran 23 des Metallschafts 21 zu unterscheiden.
In diesem Fall ist die Druckaufnahmemembran 15 scheibenförmig, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl, hergestellt. Ein Umfangsabschnitt der Druckaufnahmemembran 15 ist mit dem Flansch 24 des Metallschafts 21 durch Schweißen befestigt. Dadurch sind die Druckaufnahmemembran 15 und der Metallschaft 21 zu einer Einheit (einem einzigen Körper) verbunden.
Die Druckaufnahmemembran 15 empfängt den Erfassungsdruck, wie es durch den Pfeil in 14 gezeigt ist. Konkret, die Druckaufnahmemembran 15 ist so ausgelegt, dass sie den Verbrennungsdruck (Zylinderdruck) aufnimmt, wobei die Membran 15 zur Verbrennungskammer ausgerichtet ist, wenn die Druckerfassungsvorrichtung 100 an dem Motorblock befestigt ist.
Wie es in den 14, 15A und 15B gezeigt ist, ist ferner in dieser Druckerfassungsvorrichtung 100 ein Druckübertragungselement 16 in dem hohlen Abschnitt des Metallschafts 21 angeordnet. Mit anderen Worten, das Druckübertragungselement 16 ist zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 angeordnet. Das Druckübertragungselement 16 ist zum Beispiel aus Metall oder Keramik hergestellt.
In diesem Fall ist ein Randabschnitt des Druckübertragungselements 16 mit der Membran 23 des Metallschafts 21 in Kontakt, so dass das Druckübertragungselement 16 eine Kraft auf die Membran 23 ausübt. Der weitere Randabschnitt 16 des Druckübertragungselements 16 befindet sich in Kontakt mit der Druckaufnahmemembran 15, so dass der weitere Randabschnitt eine Kraft auf die Membran 15 ausübt.
Dadurch können, wie zuvor erläutert, die Kontakte zwischen dem Druckübertragungselement 16 und beiden Membranen 15 und 23 gewährleistet werden, selbst wenn sich das Druckübertragungselement 16 aufgrund seines linearen Ausdehnungskoeffizienten zusammengezogen hat und der Druck in der Verbrennungskammer negativ wird.
Obwohl in den in den 14, 15A und 15B gezeigten Beispielen das Druckübertragungselement 16 kugelförmig ist, ist die Form des Druckübertragungselements 16 in dieser Druckerfassungsvorrichtung 100 nicht auf die Kugelform begrenzt.
Der Erfassungsdruck wird von der Druckaufnahmemembran 15 aufgenommen und wird von dem Druckaufnahmeelement 15 über das Druckübertragungselement 16 sowohl zu der Membran 23 des Metallschafts 21 als auch zu dem drucksensitiven Element 20 weitergeleitet.
Ferner, obwohl nicht auf das oben beschriebene drucksensitive Element 20 gemäß dieser Ausführungsform begrenzt, kann ein solches Element als das drucksensitive Element 20 mit der Dehnungsmessfunktionalität angewendet werden. D. h. in dem drucksensitiven Element ist eine aus einem Diffusionswiderstandselement gebildete Brückenschaltung aus einem Siliziumhalbleiterchip zum Beispiel durch einen Halbleiterprozess gebildet.
Ein solcher Halbleiterchip mit der Dehnungsmessfunktionalität kann die folgende Funktionen aufweisen. Das heißt, wenn die Membran 23 des Metallschafts 21 durch Druck deformiert wird, wird, da die Dehnungsmesseinrichtung 30 selbst in Antwort auf diese Deformation deformiert wird, eine Änderung der Widerstandswerte, die durch diese Deformation erzeugt wird, in ein elektrisches Signal umgewandelt und dieses elektrische Signal dann ausgegeben.
Wenn die Membran 23 des Metallschafts 21 und das drucksensitive Element 20 als Deformationsabschnitte angeordnet sind, die durch Einwirken von Kräften, welche von dem Erfassungsdruck erzeugt werden, deformiert werden, können diese Deformationsabschnitte einen Einfluss auf die grundlegende Leistung der Druckerfassungsvorrichtung 100 haben.
In diesem Fall müssen die metallischen Materialien, die den Metallschaft 21 bilden, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, da diese metallischen Materialien einen hohen Druck aufnehmen, so dass die Festigkeit der metallischen Materialien hoch ist, und ferner da das drucksensitive Element 20 aus einem Si-Halbleiter und dergleichen mit dem Metallschaft 21 durch ein niedrig schmelzendes Glas verbunden ist.
Konkret, als metallisches Material für den metallischen Schaft 21 können Fe, Ni, Co oder ein Material, dessen Hauptbestandteil Fe oder Ni ist und dem Ti, Nb, Al oder Ti, Nb als Mittel zur Unterstützung der Ausscheidungshärtung hinzugefügt ist, ausgewählt werden. Zum Beispiel kann ein rostfreier Stahl vom Ausscheidungshärtungstyp ausgewählt werden. Der Metallschaft 21 kann durch Pressen, Schneiden oder Kaltverformen gebildet werden.
Ferner ist, wie es in 14 gezeigt ist, eine Schaltungsplatine 40, die aus einem Keramiksubstrat oder dergleichen gebildet ist, in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform angeordnet.
Die Schaltungsplatine 40 ist so angeordnet, dass sie den Öffnungsabschnitt des Rohrabschnitts 12 an einem Rand zu dem Hauptkörperabschnitt 11 überdeckt. Ein Umfangsabschnitt der Schaltungsplatine 40 ist zum Beispiel durch Kleben an dem Gehäuse 10 befestigt.
Ein IC-Chip 42 ist auf eine Oberfläche der Schaltungsplatine 40 geklebt. Diese Oberfläche ist gegenüber dem Öffnungsabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet. Der IC-Chip 42 enthält eine Schaltung, die ein Ausgangssignal von dem drucksensitiven Element 20 verstärkt und einstellt.
Der IC-Chip 42 ist mit Hilfe von Bonddrähten 44 aus Aluminium (Al) oder Gold (Au) elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden.
Wie es in den 14, 15A und 15B gezeigt ist, ist in der Druckerfassungsvorrichtung 100 die Schaltungsplatine 40 unter Verwendung der flexiblen Schaltungsplatine 50, die dem Verdrahtungselement entspricht, elektrisch mit dem oben genannten drucksensitiven Element 20 verbunden.
Als die flexible Schaltungsplatine 50 kann eine Allzweck-Schaltungsplatine verwendet werden, die durch Mustern eines Leiters wie etwa Kupfer (Cu) auf einer Basis von z. B. einem Polyimidharz hergestellt ist. Wie es in 14 gezeigt ist, ist diese flexible Schaltungsplatine 50 in dem Rohrabschnitt 12 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass sie sich entlang der Längsrichtung des Rohrabschnitts 12 erstreckt.
In dem in den 15A und 15B gezeigten Beispiel ist ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über eine Mehrzahl von Bumps 832 elektrisch und mechanisch mit dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 durch eine Flip-Chip-Verbindung verbunden.
Als Bumps 832 können Löt-Bumps (Lötaugen), Stud-Bumps aus Gold oder dergleichen verwendet werden. Konkret, obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, sind auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20 ausgebildete Pads (Kontakierungsflächen) über die Bumps 832 mit Leiterabschnitten wie etwa Pads, die auf der Oberfläche der flexiblen Schaltungsplatine 50 gebildet sind, verbunden.
In diesem Fall entspricht in dieser Ausführungsform das drucksensitive Element 20 einem Verbindungsabschnitt mit den Bumps 832 in der Erfassungseinheit 831. Die Oberfläche des drucksensitiven Elements 20, das gegenüber der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet ist, bildet eine Anordnungsoberfläche der Bumps 832 der Erfassungseinheit 831.
Wie es in 15A gezeigt ist, sind in dieser Ausführungsform, ebenso wie bei der typischen Bump-Anordnung (siehe 27A) die Bumps 832 an 4 Eckabschnitten der Anordnungsoberfläche, d. h. der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20 angeordnet.
Ferner sind, wie es in den 15A und 15B gezeigt ist, in der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform Blind-Bumps 833 in der Umgebung der Bumps 832 zwischen der Erfassungseinheit 831, d. h. dem drucksensitiven Element 20, und dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet. Die Blind-Bumps 51 dienen der Relaxation von Spannungen, die auf die Bumps 832 übertragen werden.
Als Blind-Bumps 833 kann ein Löt-Bump, ein Stud-Bump oder dergleichen verwendet werden, ebenso wie im Falle der oben genannten Bumps 832, die dazu verwendet werden, das drucksensitive Element 20 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 über eine Flip-Chip-Verbindung zu verbinden.
Das drucksensitive Element 20 der Erfassungseinheit 831 ist über die Blind-Bumps 833 mechanisch mit dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden. Es ist zu beachten, dass die Blind-Bumps 833 das drucksensitive Element 20 nicht elektrisch mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbinden dürfen.
Wie es in 14 gezeigt ist, ist ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 an einem Biegeabschnitt 653 gebogen, und ein Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50, der bezüglich des Biegeabschnitts 653 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 angeordnet ist, erstreckt sich in dem Rohrabschnitt 12 in Richtung der Schaltungsplatine 40. Der oben beschriebene eine Randabschnitt 51 entspricht dem Verbindungsabschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem drucksensitiven Element 20.
Ferner befindet sich der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10. Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist durch ein in der Schaltungsplatine 40 vorgesehenes Durchgangsloch 46, das eine erste Oberfläche der Schaltungsplatine 40 (in 14 oben), auf der der IC-Chip 42 angebracht ist, mit einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (in 14 unten) der Schaltungsplatine 40 verbindet, hindurchgeführt.
Der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 ist auf der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40, d. h. der Oberfläche, die der Oberfläche, auf der der IC-Chip 42 angeordnet ist, gegenüberliegt, durch Löten oder dergleichen befestigt.
Wie es in 14 gezeigt ist, ist in dieser Druckerfassungsvorrichtung 100 ferner in dem Gehäuse 10 ein Anschlussgehäuse 60 mit einem Anschluss 61 an einer Position angeordnet, die der zweiten Oberfläche der Schaltungsplatine 40 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 gegenüberliegt.
Dieses Anschlussgehäuse 60 ist aus einem Harz wie etwa PPS (Polyphenylsulfid) hergestellt. Der Anschluss 61 ist durch Insert Modling oder dergleichen mit dem Anschlussgehäuse 60 einteilig verbunden. Das Anschlussgehäuse 60 ist als Verbindungsabschnitt 60 ausgebildet, der dazu geeignet ist, ein Signal von dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 abzuleiten.
Der Anschluss 61 des Anschlussgehäuses 60 ist über ein Federelement elektrisch mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Dadurch ist das drucksensitive Element 20 der Erfassungseinheit 831 über die flexible Schaltungsplatine 50 und die Schaltungsplatine 40 mit dem Anschlussgehäuse 60 verbunden.
Ferner ist das Anschlussgehäuse 60, wie es in 14 gezeigt ist, fest mit dem Gehäuse 10 verbunden, da der Randabschnitt 14 des Hauptkörperabschnitts 11 des Gehäuses 10 und das Anschlussgehäuse 60 durch formschlüssiges Ineinandergreifen jeweiliger Umfangsrandabschnitte miteinander verbunden sind.
Der Anschluss 61 des Anschlussabschnitts 60 kann über ein (nicht gezeigtes) Verdrahtungselement elektrisch mit einer ECU eines Fahrzeugs oder dergleichen verbunden sein. Dadurch kann die Druckerfassungsvorrichtung ein Signal zu einer externen Einheit senden bzw. ein Signal von dieser empfangen.
Im Folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung der Druckerfassungsvorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Struktur erläutert.
Zuerst wird das Druckübertragungselement 16 zwischen dem Metallschaft 21 und der Druckaufnahmemembran 15 angeordnet. Konkret, das Druckübertragungselement 16 wird in den hohlen Abschnitt des Metallschafts 21 eingeführt, und anschließend wird die Druckaufnahmemembran 15 so angebracht, dass der Öffnungsabschnitt 22 des Metallschafts 21 überdeckt ist.
Als nächstes wird in einem Zustand, in dem eine Kraft von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 auf die Membran 23 des Metallschafts 21 ausgeübt wird, die Druckaufnahmemembran 15 verschweißt. Dadurch ist die Druckaufnahmemembran 15 einteilig mit dem Metallschaft 21 verbunden.
Mit anderen Worten, während ein Zustand aufrecht erhalten wird, in dem die Kraft in einer Richtung, entlang der das Druckübertragungselement 16 zwischen dem Metallschaft 21 und der Druckaufnahmemembran 15 angeordnet ist (”Stapelrichtung”), wird der gesamte Umfangsabschnitt der Druckaufnahmemembran 15 zum Beispiel durch Laserschweißen mit dem Flansch 24 verschweißt.
Nachdem die Druckaufnahmemembran 15 verschweißt ist, so dass die Druckaufnahmemembran 15 in der oben beschriebenen Weise einteilig mit dem Metallschaft 21 verbunden ist, wird das drucksensitive Element 20 an dem Metallschaft 21 befestigt.
Konkret, das drucksensitive Element 20 wird auf einer äußeren Oberfläche der Membran 23 des Metallschafts 21 befestigt, wobei sich dazwischen ein (nicht gezeigtes) niedrig schmelzendes Glas befindet. Anschließend wird das Glas gesintert, um eine Glasverbindung zwischen dem drucksensitiven Element 20 und dem Metallschaft 21 herzustellen.
Anschließend wird in der aus dem Druckübertragungselement 16, dem Metallschaft 21, dem drucksensitiven Element 20 und der Druckaufnahmemembran 15 gebildeten Erfassungseinheit 831 der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über die Bumps 832 mit dem drucksensitiven Element 50 durch eine Flip-Chip-Verbindung verbunden.
Da die Bumps 832 zuvor auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20 ausgebildet wurden, ist der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 mit dem auf den Bumps 832 ausgebildeten drucksensitiven Element 20 verbunden, und anschließend wird 32 durch ein Zinnaufschmelz-(Lotung) und Pressklebeverfahren über die Bumps 8 die Verbindung hergestellt.
Als nächstes wird der Abschnitt der flexiblen Schaltungsplatine 50 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 von dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 des Gehäuses 10 aus eingeführt, und anschließend wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 bis ins Innere des Hauptkörpers 11 des Gehäuses 10 herausgezogen.
Anschließend wird der weitere Randabschnitt 52 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch das Durchgangsloch 60 der Schaltungsplatine 40 hindurchgeführt und durch Löten oder dergleichen mit der Schaltungsplatine 40 verbunden. Der IC-Chip 42 wird durch Drahtbonden auf der Schaltungsplatine 40 befestigt.
Danach wird die Schaltungsplatine 40 in dem Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 an diesem befestigt. Anschließend werden das Anschlussgehäuse 60 und der Hauptkörperabschnitt 11 des Gehäuses 10 durch Ineinandergreifen jeweiliger Umfangsränder formschlüssig miteinander verbunden.
Wenn das Anschlussgehäuse 60 in dem Gehäuse 10 eingebaut ist, ist der Anschluss 61 über das Federelement 62 als Federkontakt mit der Schaltungsplatine 40 verbunden, so dass zwischen dem Anschluss 61 und der Schaltungsplatine 40 ein elektrischer Kontakt hergestellt ist. Dadurch kann die in 14 gezeigte Druckerfassungsvorrichtung 100 wie oben beschrieben realisiert werden.
Da die fertiggestellte Druckerfassungsvorrichtung 100 über den Gewindeabschnitt 13 des Gehäuses 10 in dem in dem Motorblock, der das zu erfassende Objekt ist, ausgebildeten Gewindeloch eingebaut ist, ist die Druckerfassungsvorrichtung 100 an dem Motorblock befestigt und mit diesem verbunden.
Wenn ein Druck (Zylinderdruck) in der Verbrennungskammer von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 auf die Membran 23 der Metallschafts 21 wirkt, wie es durch den Pfeil ”Y” in den 14, 15A und 15B gezeigt ist, wird die Membran 22 des Metallschafts 21 durch diesen ausgeübten Druck deformiert, und diese Deformation wird durch das drucksensitive Element 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt, um so den Druck zu erfassen.
Das von dem drucksensitiven Element 20 der Erfassungseinheit 831 abgeleitete elektrische Signal wird über die flexible Schaltungsplatine 50 zu der Schaltungsplatine 40 übertragen und zum Beispiel von dem IC-Chip 42 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird über den Anschluss 61 zu einer externen Einheit ausgegeben.
In dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren wird, nachdem die Druckaufnahmemembran 15 verschweißt worden ist, um so ein einteiliges Element aus der Druckaufnahmemembran 15, dem Druckübertragungselement 16 und dem Metallschaft 21 gebildet ist, wird das drucksensitive Element 20 an dem Metallschaft 21 befestigt. Alternativ können, nachdem das drucksensitive Element 20 an dem Metallschaft 21 befestigt wurde, die Druckaufnahmemembran 15, das Druckübertragungselement 16 und der Metallschaft 21 als integraler Körper ausgebildet werden.
Jedoch kann vorzugsweise das nachfolgende Herstellungsverfahren wie es in dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren erläutert ist, verwendet werden. Das heißt, obwohl das Druckübertragungselement 16 zwischen dem Metallschaft 21 und der Druckaufnahmemembran 15 angeordnet ist, wird in einem Zustand, in dem die Kraft von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 auf den Metallschaft 21 ausgeübt wird, nachdem die Druckaufnahmemembran 15 verschweißt wurde, das drucksensitive Element 20 an dem Metallschaft 21 befestigt.
Der Grund hierfür ist folgender: In einem Verfahren, in dem, nachdem das drucksensitive Element 20 mittels der Glasverbindung auf dem Metallschaft 21 befestigt wurde, die Druckaufnahmemembran 15 mit dem Metallschaft 21 verschweißt wird, können die nachstehend genannten Nachteile auftreten.
Ein erstes Problem ergibt sich daraus, dass ein negativer Einfluss, der durch das Schweißen verursacht wird, groß wird, da die Länge des Druckübertragungselements 16 verkürzt ist, um so den Abstand zwischen dem drucksensitiven Element 20 und dem Schweißabschnitt der Druckaufnahmemembran 15 zu verkleinern. Dadurch kann die Schweißwärme der Druckaufnahmemembran 15 das drucksensitive Element 20 an dem Metallschaft 21 thermisch beschädigen.
Ein zweites Problem ergibt sich daraus, dass, nachdem das drucksensitive Element 20 an dem Metallschaft 21 in einem Zustand befestigt wurde, in dem die Kraft von dem Druckübertragungselement 16 über die Membran 23 des Metallschafts 21 auf das drucksensitive Element 20 ausgeübt wird, die Druckaufnahmemembran 15 durch Schweißen befestigt wird. Dadurch wird die Kraft, die zu diesem Zeitpunkt ausgeübt wurde, auch nachdem die Druckaufnahmemembran 15 verschweißt wurde, auf das drucksensitive Element 20 ausgeübt. Folglich kann diese fortdauernde Kraft einen Offset eines Ausgangssignals erzeugen.
Im Gegensatz dazu wird gemäß diesem bevorzugten Herstellungsverfahren, bevor das drucksensitive Element 20 auf dem Metallschaft 21 befestigt und während die Kraft von der Druckaufnahmemembran 15 über das Druckübertragungselement 16 ausgeübt wird, die Druckaufnahmemembran 15 mit dem Metallschaft 21 verschweißt.
Daraus folgt, dass, wenn die Druckaufnahmemembran 15 während die Kraft wirkt verschweißt wird, das drucksensitive Element 20 noch nicht an dem Metallschaft 21 befestigt wird. Folglich existiert das Problem, das darin besteht, dass durch das Verschweißen der Druckaufnahmemembran 15 während die Kraft ausgeübt wird das drucksensitive Element 20 thermisch beschädigt wird, nicht. Aus diesem Grund ist das oben erläuterte Herstellungsverfahren vorteilhaft.
Gemäß dieser Ausführungsform hingegen kann in der Druckerfassungsvorrichtung 100, die das Gehäuse 10, die Erfassungseinheit 831, die in dem Gehäuse 10 aufgenommen ist, um das Signal in Antwort auf den erfassten Druck auszugeben, und den Verbindungsabschnitt 60, der an dem Gehäuse 10 angebracht ist, um das Signal von der Erfassungseinheit 831 abzuleiten, umfasst und die folgenden Merkmale aufweist, bereitgestellt werden.
Die Erfassungseinheit 831 ist an der einen Randseite des Gehäuses 10, d. h. dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 in dieser Ausführungsform angeordnet, und ferner wird der eine Randabschnitt des Gehäuses 10 mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt.
Die flexible Schaltungsplatine 50 zur elektrischen Verbindung der Erfassungseinheit 831 mit dem Verbindungsabschnitt 60 ist in dem Gehäuse 10 aufgenommen. Die Erfassungseinheit 831 ist mechanisch und elektrisch mit dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 über die Mehrzahl von Bumps 832 durch die Flip-Chip-Verbindung verbunden.
Ferner sind die Blind-Bumps 833 zur Relaxation der auf die Bumps 832 ausgeübten Spannungen zwischen der Erfassungseinheit 831 und dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50, in der Umgebung der Bumps 832 vorgesehen. Die Erfassungseinheit 831 ist über die Blind-Bumps 833 mechanisch mit dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden.
Da entsprechend der Druckerfassungsvorrichtung 100, die die oben beschriebenen Merkmale besitzt, die Erfassungseinheit 831 in der Nähe der Druckerfassungsumgebung angeordnet sein kann, kann die Sensorcharakteristik, insbesondere die Empfindlichkeit des Sensors, verbessert werden.
Konkret, da die Erfassungseinheit 831 nahe an der Druckerfassungsumgebung angeordnet ist, kann der Abstand zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 verkürzt werden, und die Länge des Druckübertragungselements 16 kann kürzer ausgelegt werden als es im Stand der Technik der Fall ist. Dadurch kann die Sensorcharakteristik verbessert werden.
In einem Fall zum Beispiel, in dem die Druckerfassungsvorrichtung 100 auf einen Verbrennungsdrucksensor eines Motors angewendet wird, wird, wenn die Länge des Druckübertragungselements groß ausgelegt ist, eine Resonanzfrequenz des Druckübertragungselements 16 einer Schwingungsfrequenz einer klopfenden Verbrennung überlagert, so dass in dem Druckübertragungselement 16 ein Resonanzphänomen auftreten kann. Demzufolge kann das Problem auftreten, dass die Klopfsignale, die ursprünglich nicht ausgeprägt sind, in Rauschen eingebettet sind, das durch das Resonanzphänomen des Druckübertragungselements 16 erzeugt wird, so dass Klopfsignale nicht gemessen werden können, so dass die Sensorcharakteristik ungünstig beeinflusst wird.
Ferner sind in dem Fall, in dem das Druckübertragungselement 16 lang ist, da das Druckübertragungselement 16 selbst leicht verformbar ist, Kontaktierungsbedingungen zwischen dem Druckübertragungselement 16 und der Druckaufnahmemembran 15 bzw. dem drucksensitiven Element 20 verändert. Wenn einen solche Veränderung der Kontaktierungsbedingungen eintritt, ist die Genauigkeit der Druckübertragungscharakteristik verschlechtert, was einen negativen Einfluss auf die Sensorcharakteristik haben kann.
Da jedoch die Druckerfassungsvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform dadurch gebildet ist, dass das drucksensitive Element 20 näher an der Druckerfassungsumgebung angeordnet ist, um so das Druckübertragungselement 16 zu verkürzen, ist es möglich, das Resonanzphänomen und die Deformation des Druckübertragungselements 16 so weit wie möglich zu unterdrücken, die dadurch verursacht werden, dass das Druckübertragungselement 16 eine große Länge aufweist. Somit ist die Sensorcharakteristik verbessert.
Ferner, entsprechend der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform kann die elektrische Verbindung zwischen der Erfassungseinheit 831 und dem Verbindungsabschnitt 60, der in einem großen Abstand von der Erfassungseinheit 831 angeordnet ist, durch Verwenden der flexiblen Schaltungsplatine 50 realisiert werden. Ferner, da die Erfassungseinheit 831 durch die Flip-Chip-Verbindung mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden ist, kann eine Anordnung realisiert werden, die dazu geeignet ist, die Druckerfassungsvorrichtung 100 kompakt auszubilden.
Ferner, entsprechend dieser Druckerfassungsvorrichtung 100 kann durch die Blind-Bumps 833 ein Effekt erzielt werden, der die gleiche Wirkung hat, wie wenn die Abstände zwischen den Bumps 832, die im Wesentlichen benachbart sind, verringert sind. Dadurch können Ausdehnungsdeformationen zwischen den Bumps 832 verringert werden. Ferner kann eine Deformation jedes einzelnen Bumps 832 verringert werden, da die Gesamtanzahl von Bumps 832 notwendigerweise erhöht ist.
Mit anderen Worten, in dieser Druckerfassungsvorrichtung 100 kann durch das Vorhandensein der Blind-Bumps 833 eine Spannungsrelaxationsstruktur realisiert werden, die dazu geeignet ist, die auf die Bumps 832 übertragenen Spannungen zu verringern. Da eine solche Spannungsrelaxationsstruktur verwendet wird, die Blind-Bumps 833 verwendet, können selbst dann erzeugte Spannungen abgebaut werden, wenn die Spannungen auf die Bumps 833 übertragen werden.
Daraus folgt, dass gemäß dieser Ausführungsform in einer Druckerfassungsvorrichtung 100, in der die Erfassungseinheit 831, die an dem einen Randabschnitt des Gehäuses 10 angeordnet ist, durch die flexible Schaltungsplatine 50 mit dem Verbindungsabschnitt 60 verbunden ist, der in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, können, wenn die Erfassungseinheit 81 durch die Flip-Chip-Verbindung mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden ist, selbst dann Leitungsunterbrechungen der Flip-Chip-Verbindungen verhindert werden, wenn die Spannungen durch den Erfassungsdruck und den Kühl-/Heizzyklus auf die Bumps 832 übertragen werden.
Ferner, in der Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform kann die folgende Konstruktion eines der Merkmale haben. Das heißt, während der in 14 obere Abschnitt des Gehäuses 10 als der längliche Rohrabschnitt 12 ausgebildet ist, ist die Erfassungseinheit 831 an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet, die flexible Schaltungsplatine 50 in dem Rohrabschnitt 12 angeordnet, der eine Randabschnitt 51 mit der Erfassungseinheit 831 verbunden und an dem Biegeabschnitt gebogen, und der bezüglich des Biegeabschnitts 653 auf der Seite des weiteren Randabschnitts 52 liegende Abschnitt erstreckt sich innerhalb des Rohrabschnitts 12 in Richtung des Anschlussabschnitts 60, so dass er (über die Schaltungsplatine 40 in diesem Beispiel) mit dem Verbindungsabschnitt 60 elektrisch verbunden ist.
Wie oben erläutert kann gemäß der länglichen Druckerfassungsvorrichtung 100 diese Struktur in geeigneter Weise in einer Verbrennungskammer oder dergleichen angeordnet sein.
Ferner kann die Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform in einer der folgenden Anordnungen realisiert werden. Das heißt, die Erfassungseinheit 831 ist so ausgebildet, dass die Druckaufnahmemembran 15, die durch den Erfassungsdruck deformiert wird, und das drucksensitive Element 20 zur Ausgabe des Signals auf der Grundlage dieser Deformation verwendet werden, wobei das drucksensitive Element 20 die Verbindungsabschnitte mit den Bumps 832 in der Erfassungseinheit 831 bildet.
Ferner kann die Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform in einer der folgenden Anordnungen realisiert werden. Das heißt, das drucksensitive Element 20 weist die Dehnungsmessfunktionalität zur Ausgabe des Signals in Antwort auf den Erfassungsdruck auf der Grundlage der durch den Erfassungsdruck bewirkten Deformation auf.
Ferner kann die Druckerfassungsvorrichtung 100 dieser Ausführungsform in einer der folgenden Anordnungen realisiert werden. Das heißt, das Druckübertragungselement 16 ist zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 angeordnet, wobei das Druckübertragungselement 16 den von der Druckaufnahmemembran 15 empfangenen Druck auf das drucksensitive Element 20 überträgt.
Obwohl als das Druckübertragungselement 16 ein stabförmiges Element verwendet werden kann, wird in diesem Beispiel ein kugelförmiges Element verwendet. In dem Fall der speziellen Anordnung sind bei dem kugelförmigen Element 16, das als das Druckübertragungselement fungiert, sowohl eine Oberfläche, die sich in Kontakt mit der Druckaufnahmemembran 15 befindet, als auch eine weitere Oberfläche, die sich in Kontakt mit der Membran 23 des Metallschafts 21 befindet, sphärische Oberflächen.
Dadurch können die Kontakte zwischen diesen Oberflächen als stabile Punktkontakte festgelegt werden. Ferner kann eine Gesamtkontaktanzahl zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und der Membran 23 des Metallschafts 21 und dem Druckübertragungselement 16 reduziert werden.
Als Folge davon können die Änderungen des Kontaktierungsbedingungen zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und der Membran 23 einerseits und dem Druckübertragungselement 16 andererseits so weit wie möglich vermieden werden, die stabilen Punktkontakte können in den jeweiligen Kontaktabschnitten gewährleistet werden, und ferner können Verschlechterungen der Druckübertragungsgenauigkeit verhindert werden.
In diesem Fall wird das kugelförmige Element, das als das Druckübertragungselement 16 fungiert, im Vergleich zu dem stabförmigen Druckübertragungselement des Standes der Technik aufgrund seiner Form kaum deformiert. Dadurch können die Bedingungen zwischen dem kugelförmigen Element und der Druckaufnahmemembran 15 und dem Membran 23 vorteilhafterweise stabil gehalten werden.
Es ist zu beachten, dass das kugelförmige Element als das Druckübertragungselement 16 nicht unbedingt eine exakt kugelförmige Gestalt aufweisen muss, wie es in den 14, 15A und 15B gezeigt ist, sondern durch einen Ellipsoid geringer Exzentrizität (”Rugby-Ball-förmige Kugel”) ersetzt werden kann.
Ferner, die Form des Druckerfassungselements 16, dessen Kontaktoberflächen mit der Druckaufnahmemembran 15 und der Membran 23 des Metallschafts 21 sphärische Oberflächen sind, ist erfindungsgemäß nicht auf eine Kugelform begrenzt. Zum Beispiel kann ein Element verwendet werden, dessen Kontaktoberflächen mit den Membranen 15, 23 sphärisch sind, dessen zwischen diesen sphärischen Oberflächen liegender Abschnitt jedoch säulenförmig ist.
In der oben beschriebenen Ausführungsform, die in den 14, 15A und 15B gezeigt ist, besteht die Erfassungseinheit 831 aus der Druckaufnahmemembran 15 und dem Metallschaft 21, die an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts 12 angeordnet sind, dem Druckübertragungselement 16, das in dem Metallschaft 21 angeordnet ist, und dem drucksensitiven Element 20, das auf der Membran 23 des Metallschafts 21 angeordnet ist.
Die Erfassungseinheit 831 dieser Ausführungsform ist nicht auf das in den 14, 15A und 15B dargestellte Beispiel begrenzt, sondern jede Art von Erfassungseinheit kann verwendet werden, wenn sie Signale in Antwort auf den von diesen Erfassungseinheiten empfangenen Druck ausgeben kann.
Nachfolgend sind weitere Beispiele der Erfassungseinheit 831, die gemäß dieser ersten Ausführungsform verwendet werden können, in den 16 bis 18 gezeigt.
16 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Erfassungseinheit 831 gemäß einer ersten Modifikation zeigt. 17 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Erfassungseinheit 831 gemäß einer zweiten Modifikation zeigt. 18 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Erfassungseinheit gemäß einer dritten Modifikation zeigt. Es sollte klar sein, dass diese Erfassungseinheiten 31 alternativ in den nachstehend genannten jeweiligen Ausführungsformen verwendet werden können.
In der 16 gezeigten ersten Modifikation umfasst die Erfassungseinheit 831 die Druckaufnahmemembran 15, den Metallschaft 21 und das drucksensitive Element 20. Das drucksensitive Element 20 bildet einen Verbindungsabschnitt mit den Bumps 832 der Erfassungseinheit 831, der ähnlich dem oben erläuterten Erfassungseinheit 831 ist.
Jedoch ist in dieser ersten Modifikation kein Druckübertragungselement zwischen der Druckaufnahmemembran 15 und dem drucksensitiven Element 20 vorhanden, so dass die Druckaufnahmemembran 15 die Membran 23 des Metallschafts 21 berührt.
Konkret, ein konvexer Abschnitt 15a, der in Richtung des drucksensitiven Elements 20 hervorragt, ist auf der Druckaufnahmemembran 15 ausgebildet, wie es in 16 gezeigt ist, und ein Endabschnitt dieses hervorragenden konvexen Abschnitts 15a berührt die hintere, d. h. in 16 obere, Oberfläche der Membran 23 des Metallschafts 21. In diesem Fall ist die Druckaufnahmemembran 15 zum Beispiel scheibenförmig, und der konvexe Abschnitt 15a ist ähnlich wie ein ”Nabel” ausgebildet, der in der Mitte dieses Kreises angeordnet ist.
In der Erfassungseinheit 831 gemäß dieser Ausführungsform wird der Erfassungsdruck, der auf die Druckaufnahmemembran 15 wirkt, über den konvexen Abschnitt 15a auf die Membran 23 des Metallschafts 21 übertragen. Die Membran 23 des Metallschafts 21 wird deformiert, und die Deformation wird durch das drucksensitive Element 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt, so dass der Druck erfasst wird.
Gemäß der in 17 gezeigten zweiten Modifikation ist die Erfassungseinheit 831, ebenso wie die in 16 gezeigte erste Modifikation, so konstruiert, dass der konvexe Abschnitt 15a auf der Druckaufnahmemembran 15 angeordnet ist und die Druckaufnahmemembran 15 sich in direktem Kontakt mit der Membran 23 des Metallschafts 21 befindet, so dass ein Druckübertragungselement weggelassen ist. In diesem Fall wird jedoch der konvexe Abschnitt 15a weiter deformiert.
In 16 wird der konvexe Abschnitt 15a der Druckaufnahmemembran 15 durch einen Schneidprozess oder dergleichen gebildet. Im Gegensatz dazu wird in der in 17 gezeigten Druckaufnahmemembran 15 der konvexe Abschnitt 15a dadurch hergestellt, dass eine ebene Membran durch einen Pressprozess geformt wird, so dass der konvexe Abschnitt 15a auf einfache Weise hergestellt werden kann.
In der in 18 gezeigten dritten Modifikation ist die Erfassungseinheit 831 aus dem Metallschaft 21 und dem drucksensitiven Element 20 gebildet, wobei auf eine Membran verzichtet ist.
Wie es in 18 gezeigt ist, ist der Öffnungsabschnitt 22 des Metallschafts 21 direkt zu einer Druckerfassungsumgebung wie etwa eine Verbrennungskammer exponiert, und der Erfassungsdruck wie etwa der Zylinderdruck wird direkt auf die Membran 23 des Metallschafts 21 übertragen.
Mit anderen Worten, in der Erfassungseinheit 831 gemäß dieser dritten Modifikation wird die Membran 23 des Metallschafts 21 direkt mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt, die Membran 23 des Metallschafts 21 wird durch diesen Druck deformiert und diese Deformation wird von dem drucksensitiven Element 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt, um so den Druck zu erfassen.
(Neunte Ausführungsform)
Die 19A bis 19I sind Diagramme, die schematisch ebene Strukturen von Flip-Chip-Verbindungsabschnitten zwischen einer Erfassungseinheit 831 und einem Randabschnitt 51 einer flexiblen Schaltungsplatine 50 gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Es sei angemerkt, dass nachfolgend hauptsächlich die Unterschiede zu den obigen Ausführungsformen beschrieben sind und auf eine erneute Beschreibung entsprechender Abschnitte verzichtet ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den 19A bis 19I Bumps 832, die unter einem drucksensitiven Element 20 angeordnet sind, durch eine verdeckte Kante dargestellt werden sollten, doch aus Gründen der Übersichtlichkeit die Bumps 832 als durchgezogenen Linien dargestellt sind.
Ferner sind in einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform die nachstehend erwähnten Strukturen ähnlich wie jene der oben beschriebenen Ausführungsformen. Das heißt, in der Druckerfassungsvorrichtung 100, die ein Gehäuse 10, die oben beschriebene Erfassungseinheit 831, die in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, und den oben beschriebenen Verbindungsabschnitt 60, der in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, umfasst, ist die Erfassungseinheit 831 an einem Randabschnitt des Gehäuses 10 angeordnet, und der Erfassungsdruck wird auf den Randabschnitt des Gehäuses 10 übertragen, die flexible Schaltungsplatine ist in dem Gehäuse 10 aufgenommen, und das drucksensitive Element 20 der Erfassungseinheit 831 ist über eine Mehrzahl von Bumps 832 elektrisch und mechanisch mit dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch eine Flip-Chip-Verbindung verbunden.
Die Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bumps 832 der Spannungsrelaxationsstruktur in der Flip-Chip-Verbindung zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 verschieden angeordnet sind.
Mit anderen Worten, die Druckerfassungsvorrichtung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in der in 14 gezeigte Druckerfassungsvorrichtung 100 die Struktur des Flip-Chip-Verbindungsabschnitts zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 modifiziert ist und die weiteren strukturellen Abschnitte ähnlich wie die in 14 gezeigten sind.
Wie es in 15A gezeigt ist, sind diese Bumps 832 allgemein auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20, in den vier Eckabschnitten der Anordnungsoberfläche der Bumps 832, d. h. der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20 angeordnet.
Demgegenüber können gemäß dieser Ausführungsform, wie es in den 19A bis 19I gezeigt ist, verschiedene Anordnungen verwendet werden.
In den in den 19A bis 19F gezeigten Beispielen sind auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20, das die Form einer rechteckigen Scheibe aufweist, d. h. auf der Anordnungsoberfläche der Bumps 832, alle Bumps 832 in einer Reihe von einer Seite zu der weiteren Seite der gegenüberliegenden Seiten angeordnet.
In den in den 19G und 19H gezeigten Beispielen sind auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20, das die Form einer rechteckigen Scheibe aufweist, d. h. auf der Anordnungsoberfläche der Bumps 832, alle Bumps 832 in einer Reihe entlang einer diagonalen Linie angeordnet.
In dem in 19I gezeigten Beispiel sind auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20, das die Form einer rechteckigen Scheibe aufweist, d. h. auf der Anordnungsoberfläche der Bumps 832, alle Bumps 832 in der Mitte der Scheibe angeordnet, anstatt in dem äußeren Umfangsabschnitt, wie es im Stand der Technik gelehrt wird.
Wie zuvor erläutert, kann gemäß dieser Ausführungsform eine Druckerfassungsvorrichtung bereitgestellt werden, in der auf der Anordnungsoberfläche der Bumps 832 der Erfassungseinheit 831, d. h. auf der Oberfläche des drucksensitiven Elements 20, alle Bumps 832 in einer Reihe von einem Randabschnitt zu einem weiterem Randabschnitt oder im Mittenabschnitt angeordnet sind.
Entsprechend dieser Ausführungsform können die Abstände zwischen benachbarten Bumps 832 kleiner gemacht werden als im Falle der herkömmlichen Anordnungsstruktur (siehe die 27A und 27B), und die Dehnungsdeformationen zwischen den Bumps 832 kann verringert werden.
Als Folge davon können gemäß dieser Ausführungsform in einer Druckerfassungsvorrichtung 100, in der die Erfassungseinheit 831, die auf dem einen Randabschnitt des Gehäuses 10 angeordnet ist, mit dem Verbindungsabschnitt 60, der an dem Gehäuse 10 angeordnet ist, durch die flexible Schaltungsplatine 50 verbunden ist, Leitungsunterbrechungen der Bump-Verbindungsabschnitte vermieden werden, wenn die Erfassungseinheit 831 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch die Flip-Chip-Verbindung verbunden ist, selbst wenn die Spannungen durch den Erfassungsdruck und den Kühl-/Heizzyklus auf die Bumps 832 übertragen werden.
Es ist ersichtlich, dass eine derartige Druckerfassungsvorrichtung, die die in den obigen Ausführungsformen gezeigten Merkmale aufweist, in dieser Ausführungsform zusätzlich vorgesehen sein kann.
(Zehnte Ausführungsform)
20 ist ein Diagramm, das schematisch ebene Strukturen von Flip-Chip-Verbindungsabschnitten zwischen einer Erfassungseinheit 831 und einem Randabschnitt 51 einer flexiblen Schaltungsplatine 50 gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Es ist zu beachten, dass nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede zu den oben beschriebenen Ausführungsformen genannt sind und auf eine Beschreibung von Gemeinsamkeiten verzichtet ist.
Ferner, in einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform sind die nachfolgend aufgeführten Anordnungen ähnlich wie die der oben beschriebenen Ausführungsformen. Das heißt, in der Druckerfassungsvorrichtung, die ein Gehäuse 10, die oben beschriebene Erfassungseinheit 831, die auf dem Gehäuse 10 angeordnet ist, und den oben beschriebenen Verbindungsabschnitt 60, der an dem Gehäuse 10 angeordnet ist, umfasst, ist die Erfassungseinheit 831 an dem einen Randabschnitt des Gehäuses 10 vorgesehen und wird ein Erfassungsdruck auf den einen Randabschnitt des Gehäuses 10 übertragen, ist die flexible Schaltungsplatine in dem Gehäuse 10 aufgenommen und das drucksensitive Element 20 der Erfassungseinheit 831 über eine Mehrzahl von Bumps 832 elektrisch und mechanisch mit dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch eine Flip-Chip-Verbindung verbunden.
Die Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass als eine Spannungsrelaxationsstruktur in einer Flip-Chip-Verbindung zwischen der Erfassungsseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 das nachstehend beschriebene Eingriffselement 970 verwendet wird.
Mit anderen Worten, die Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in der in 14 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung die Struktur des Flip-Chip-Verbindungsabschnitts zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 modifiziert ist und die weiteren strukturellen Abschnitten ähnlich wie jene in 14 sind.
Wie es in 20 gezeigt ist, wird gemäß dieser Ausführungsform eine Druckerfassungsvorrichtung bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Eingriffselement 970 vorgesehen ist, das dazu geeignet ist, durch einen Unterschied der Wärmeausdehungskoeffizienten zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 verursachte Spannungen abzubauen, auf der flexiblen Schaltungsplatine 50.
In dem in 20 gezeigten Beispiel entspricht das Eingriffselement 970 einer Platte 970. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient dieser Platte 970 ist gleich dem des Verbindungsabschnitts mit dem Bumps 832 in der Erfassungseinheit 831, d. h. dem des drucksensitiven Elements 20. Ferner ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Platte 970 gleich einem mittleren Wert zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des drucksensitiven Elements 20 und dem der flexiblen Schaltungsplatine 50.
Die Platte 970, die als dieses Eingriffselement fungiert, ist zwischen den Bumps 832 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet und befestigt.
In diesem Beispiel sind die Bumps 832 elektrisch und mechanisch mit der Platte 970 verbunden, während die Platte 970 über ein elektrisch leitendes Klebeagens oder Lot (die nicht gezeigt sind) elektrisch und mechanisch mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden sind. Dadurch kann eine elektrische Verbindung zwischen dem drucksensitiven Element 20 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 hergestellt werden.
Da normalerweise das drucksensitive Element 20 aus Silizium und die flexible Schaltungsplatine 50 aus Polyimid hergestellt ist, kann als die Platte 970, die den oben beschriebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, zum Beispiel eine Platte verwendet werden, deren Wärmeausdehnungskoffizient fast gleich dem von Silizium ist oder zwischen dem von Silizium und dem von Polyimid liegt.
Obwohl nicht hierauf begrenzt, so kann gemäß dieser Ausführungsform eine Platte als die Platte 970, welche als das Eingriffselement fungiert, verwendet werden, die aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid hergestellt ist.
Wenn eine solche Platte 970 als das Eingriffselement verwendet wird, kann der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der benachbarten Abschnitte in dem Bump-Verbindungsabschnitt reduziert werden. Dadurch können die Spannungen, die durch den Kühl-/Heizzyklus in dem Bump-Verbindungsabschnitt erzeugt werden, durch die als das Eingriffselement fungierende Platte 970 relaxiert werden, und darüber hinaus kann eine Deformation jedes einzelnen Bumps 832 durch diese Platte 970 vermindert werden.
Als Folge davon können gemäß dieser Ausführungsform in einer Druckerfassungsvorrichtung 100, in der die Erfassungseinheit 831, die auf dem einen Randabschnitt des Gehäuses 10 angeordnet ist, mit dem Verbindungsabschnitt 60, der an dem Gehäuse 10 angeordnet ist, durch die flexible Schaltungsplatine 50 verbunden ist, Leitungsunterbrechungen der Bump-Verbindungsabschnitte verhindert werden, wenn die Erfassungseinheit 831 mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch die Flip-Chip-Verbindung verbunden ist, selbst wenn die Spannungen durch den Erfassungsdruck und den Kühl-/Heizzyklus auf die Bumps 832 übertragen werden.
Gemäß dieser Ausführungsform kann als das Eingriffselement, das auf der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet ist, jedes Eingriffselement verwendet werden, solange es die Spannungen abbauen kann, die durch die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 erzeugt werden. Somit ist die Erfindung nicht auf die in 20 gezeigte Platte begrenzt.
Weitere Beispiele des Eingriffselements, das gemäß dieser dritten Ausführungsform verwendet werden kann, sind in den 21 und 22 dargestellt und nachfolgend beschrieben.
21 ist ein Diagramm, das schematisch eine Seitenansicht eines Flip-Chip-Verbindungsabschnitts zeigt, in dem ein Eingriffselement 971 als eine erste Modifikation dieser Ausführungsform verwendet wird.
In der in 21 gezeigten ersten Modifikation ist das Eingriffselement 971 so angeordnet, dass eine Mehrzahl von Bumps 832 zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 übereinander angeordnet sind. Obwohl in 21 drei dieser Bumps 832 übereinander angeordnet sind, dient dieser ”gestapelte Körper” 71 als das Eingriffselement 971.
Wenn ein solcher gestapelter Körper aus Bumps 832 als das Eingriffselement 971 verwendet wird, kann ein Abstand zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 970 groß gemacht werden, so dass eine Toleranz bezüglich einer durch Spannungen hervorgerufenen Deformation verbessert werden kann. Daraus ergibt sich, dass die Stärke der Bumpdeformation verringert werden kann.
22 ist ein Diagramm, dass schematisch eine Seitenansicht einer Struktur eines Flip-Chip-Verbindungsabschnitts zeigt, in dem ein Eingriffselement 972 als eine zweite Modifikation gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird.
In der in 22 gezeigten zweiten Modifikation entspricht das Eingriffselement 972 eine Blind-Platte 972, die aus dem gleichen Material wie der Verbindungsabschnitt 30 mit den Bumps 832 in der Erfassungseinheit 831 hergestellt ist, d. h. dem des drucksensitiven Elements 20. Obwohl nicht darauf begrenzt, so kann, da das drucksensitive Element 20 normalerweise aus Silizium gebildet ist, diese Blind-Platte 972 ebenfalls als ein Siliziumsubstrat ausgebildet sein.
Die Blind-Platte 972 ist auf der anderen als der Oberfläche angeordnet, auf der das drucksensitive Element 20 der Erfassungsschaltung 831 mit einem Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden ist, und ist über die Bumps 832 verbunden.
Da entsprechend der zweiten Modifikation die flexible Schaltungsplatine 50 zwischen dem drucksensitiven Element 20, das dem Verbindungsabschnitt mit den Bumps 832 in der Erfassungseinheit 831 entspricht, und der Blind-Platte 972, die aus dem gleichen Material hergestellt ist, angeordnet ist, kann eine Deformation der flexiblen Schaltungsplatine 50 vermieden werden. Daraus ergibt sich, dass die Stärke einer Bumpdeformation verringert werden kann.
Wie oben erläutert können auch in der in den 21 und 22 gezeigten ersten bzw. zweiten Modifikation die oben erläuterten Operationen und Effekte dieser Ausführungsform erreicht werden. Ferner kann, wie es aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, gemäß dieser Ausführungsform eine Druckerfassungsvorrichtung mit den in der obigen Ausführungsform gezeigten Merkmalen alternativ bereitgestellt werden.
(Elfte Ausführungsform)
23 ist ein Diagramm, das schematisch eine ebene Struktur eines Randabschnitts 51 einer flexiblen Schaltungsplatine 50 gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar vor der Umbiegung der flexiblen Schaltungsplatine 50. Nachfolgend sind nur die wesentlichen Unterschiede dieser Ausführungsform von den oben erläuterten Ausführungsformen beschrieben, und auf eine erneute Beschreibung entsprechender Abschnitte ist verzichtet.
Ferner sind in einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform die nachstehend beschriebenen Anordnungen ähnlich zu jenen der oben beschriebenen Ausführungsformen. Das heißt, in der Druckerfassungsvorrichtung, die ein Gehäuse 10, die oben beschriebene Erfassungseinheit 831, die in dem Gehäuse 10 angeordnet ist, und den oben beschriebenen Verbindungsabschnitt 60, der an dem Gehäuse 10 angeordnet ist, umfasst, ist die Erfassungseinheit 831 an dem einen Randabschnitt des Gehäuses 10 angeordnet, und der eine Randabschnitt des Gehäuses 10 wird mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt, die flexible Schaltungsplatine in dem Gehäuse 10 aufgenommen, und das drucksensitive Element 20 der Erfassungseinheit 831 über eine Mehrzahl von Bumps 832 elektrisch und mechanisch mit dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 durch eine Flip-Chip-Verbindung verbunden.
Die Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform verwendet die nachstehend beschriebene Einkerbungsstruktur der flexiblen Schaltungsplatine 50 als eine Spannungsrelaxationsstruktur in dem Flip-Chip-Verbindungsabschnitt zwischen dem Erfassungsabschnitt 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50.
Mit anderen Worten, die Druckerfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in der in 14 gezeigten Druckerfassungsvorrichtung 100 die Struktur des Flip-Chip-Verbindungsabschnitts zwischen der Erfassungseinheit 831 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 modifiziert ist und die weiteren strukturellen Abschnitte ähnlich wie die in 14 gezeigten sind.
Gemäß dieser, in 23 gezeigten Ausführungsform kann eine Druckerfassungsvorrichtung mit der folgenden beschriebenen Struktur bereitgestellt werden. Das heißt, auf dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 sind zwischen Pads 854, die jeweiligen Abschnitten entsprechen, mit denen die Bumps 832 verbunden sind, Einkerbungen 855 ausgebildet, so dass die jeweiligen Pads 854 unabhängig verlagert werden können. Diese Einkerbungen 855 können durch einen Pressprozess oder mittels eines Schneidwerkzeugs gebildet werden.
Daraus ergibt sich, dass die jeweiligen Pads 854, mit denen die Bumps 832 verbunden sind, unabhängig voneinander auf dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet bzw. platziert werden können, so dass Deformationen der jeweiligen Bumps 832, die durch Spannungen verursacht sind, leicht vermieden werden können, und die Stärke einer Bumpdeformation kann verringert werden.
Als Folge davon können gemäß dieser vierten Ausführungsform in einer Druckerfassungsvorrichtung 100, in der die Erfassungseinheit 831, die auf dem einen Randabschnitt des Gehäuses 10 angeordnet ist, mit dem Verbindungsabschnitt 60, der an dem Gehäuse 10 angeordnet ist, über die flexible Schaltungsplatine 50 verbunden ist, Leitungsunterbrechungen der Bump-Verbindungsabschnitte verhindert werden können, wenn die Erfassungseinheit 831 durch die Flip-Chip-Verbindung mit der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden ist, selbst wenn die Spannungen durch den Erfassungsdruck und den Kühl-/Heizzyklus auf den Bumps 832 übertragen werden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Erfindung hinsichtlich der Einkerbungen 855, die auf dem Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 angeordnet sind, nicht auf das in 23 gezeigte Beispiel begrenzt, sondern weitere Beispiele können verwendet werden, solange die jeweiligen Pads 854 unabhängig verlagert werden können, wobei die Einkerbungen 855 als Grenzen verwendet werden.
24A und 24B sind Draufsichten, die schematisch weitere Beispiele der Einkerbungen 855 zeigen, die gemäß dieser Ausführungsform verwendet werden. Obwohl die Einkerbungen 855 in dem in 23 gezeigten Beispiel linienförmig sind, haben die in den 24A und 24B gezeigten Einkerbungen 855 eine gewisse Breite.
Ferner ist in den in den 23, 24A und 24B gezeigten Beispielen der eine Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatinen 50 zweidimensional ausgelegt. Alternativ kann als eine weitere Modifikation, die in den 25A und 25B gezeigt ist, ein Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 eine dreidimensionale Gestalt haben.
Gemäß dieser Ausführungsform ist 25A ein Diagramm, das schematisch eine ebene Struktur des einen Randabschnitts 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50 vor dessen Umbiegung darstellt. 25B ist ein Diagramm, das schematisch eine Seitenansicht einer Struktur in einem solchen Zustand zeigt, in dem das drucksensitive Element 20 mit dem einen Randabschnitt 51 der in 25A gezeigten flexiblen Schaltungsplatine Flip-Chip-artig verbunden ist.
In dem in den 25A und 25B gezeigten Beispiel sind die jeweiligen Pads 854 auf dem einen Randabschnitt 51 der flexiblen Schaltungsplatine 50, mit denen die Bumps 832 verbunden sind, so gebogen, dass sie entlang der Richtung der Bumps 832, d. h. der Richtung der Erfassungseinheit 831 angehoben sind.
Gemäß dieser Modifikation können die jeweiligen Komponenten, mit denen die Bumps 832 auf der flexiblen Schaltungsplatine 50 verbunden sind, d. h. die jeweiligen Pads 854, leicht entlang der Stapelrichtung der Erfassungseinheit 831, des Bumps 832 und der flexiblen Schaltungsplatine 50 verlagert werden. Daraus folgt, dass die Intensität der Bumpdeformation weiter verringert werden kann.
Wie zuvor erläutert, können auch in den in den 24A, 24B, 25A und 25B gezeigten Modifikationen die oben ausgeführten Operationen und Effekte dieser vierten Ausführungsform erreicht werden. Ferner kann gemäß dieser Ausführungsform, wie es aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, eine Druckerfassungsvorrichtung mit den in den oben beschriebenen Ausführungsformen gezeigten Merkmalen bereitgestellt werden.
In dem in 14 gezeigten Beispiel sind der IC-Chip 42, die Schaltungsplatine 40 und verschiedene elektrische Verbindungselemente auf dem Abschnitt zwischen dem drucksensitiven Element 20 und dem Verbindungsabschnitt 60 in dem Gehäuse 10 angeordnet. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf begrenzt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert werden.
Ferner ist die Erfindung hinsichtlich der Form des Gehäuses 10, das in der Druckerfassungsvorrichtung der Erfindung verwendet wird, nicht auf das Gehäuse 10 mit einem derartigen Rohrabschnitt 12, wie er in den oben beschriebenen Ausführungsformen gezeigt ist, begrenzt.
Zusammenfassend besitzt die Erfindung die folgenden Hauptmerkmale. In der Druckerfassungsvorrichtung, in der sowohl die Erfassungseinheit als auch der Anschlussabschnitt in dem Gehäuse angeordnet sind, ist die Erfassungseinheit auf der Seite des einen Randabschnitts des Gehäuses angeordnet, und der eine Randabschnitt des Gehäuses wird mit dem Erfassungsdruck beaufschlagt. Die flexible Schaltungsplatine zur elektrischen Verbindung der Erfassungseinheit mit dem Anschlussabschnitt ist in dem Gehäuse aufgenommen. Die Erfassungseinheit ist über die Mehrzahl von Bumps mechanisch und elektrisch mit dem einen Randabschnitt des flexiblen Schaltungsplatine durch eine Flip-Chip-Verbindung verbunden. Die Spannungsrelaxationsstruktur, die dazu geeignet ist, auf die Bumps wirkende Spannungen abzubauen, ist vorgesehen. Alle weiteren strukturellen Abschnitte können in geeigneter Weise geändert werden.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Druckerfassungsvorrichtung mit: – einem Gehäuse (10), das einen Rohrabschnitt (12) und einen Hauptkörperabschnitt (11) aufweist, wobei sich der Rohrabschnitt (12) von einem Ende des Hauptkörperabschnitts (11) erstreckt und eine längliche Form aufweist; und – einem drucksensitiven Element (20), um einen Druck zu erfassen und ein Signal auszugeben, das ein Maß für den erfassten Druck ist; und – einer Membran (15), die an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist, um das drucksensitive Element (20) zu überdecken, wobei – der Rohrabschnitt (12) einen Endabschnitt aufweist, der dazu geeignet ist, den Druck zu empfangen, – das drucksensitive Element (20) an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist, – das Gehäuse (10) mit einem Anschlussabschnitt (60) verbunden ist, um das Signal von dem drucksensitiven Element (20) auszugeben, – in dem Rohrabschnitt (12) ein Verdrahtungselement (50) aufgenommen ist, das eine elektrische Verbindung zwischen dem drucksensitiven Element (20) und dem Anschlussabschnitt (60) herstellt, und dadurch gekennzeichnet, dass – das drucksensitive Element (20) dazu geeignet ist, den Druck durch die Membran (15) zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein Druckübertragungselement (16) umfasst, das zwischen der Membran (15) und dem drucksensitiven Element (20) angeordnet ist, wobei – das Druckübertragungselement (16) eine erste Oberfläche, die sich in Kontakt mit der Membran (15) befindet, und eine zweite Oberfläche, die sich in Kontakt mit dem drucksensitiven Element (20) befindet, umfasst, – die erste und die zweite Oberfläche sphärische Oberflächen sind, und – das drucksensitive Element (20) dazu geeignet ist, den Druck über die Membran (15) und das Druckübertragungselement (16) zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckübertragungselement (16) eine Kugel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein Wärmeabstrahlungselement (70) umfasst, das auf dem drucksensitiven Element (20) angeordnet ist, wobei – das drucksensitive Element (20) eine Konkavität enthält, und – zwischen dem Wärmeabstrahlungselement (70) und der Konkavität des drucksensitiven Elements (20) ein Zwischenraum vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das drucksensitive Element (20) durch den Druck deformierbar ist, so dass das drucksensitive Element (20) das Signal, das ein Maß für den Druck ist, auf der Grundlage der Deformation des drucksensitiven Elements (20) ausgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine kreisförmige Membran (15) umfasst, die an dem Endabschnitt des Rohrabschnitts (12) so angeordnet ist, dass sie das drucksensitive Element (20) überdeckt, wobei – das drucksensitive Element (20) dazu geeignet ist, den Druck über die Membran (15) zu empfangen, – das drucksensitive Element (20) eine Dehnungsmesseinrichtung (20) enthält, die durch eine über die Membran (15) aufgebrachte Last deformiert werden kann, – die Dehnungsmesseinrichtung (20) eine Kontaktfläche aufweist, die sich in Kontakt mit der Membran (15) befindet, und – die Kontaktfläche der Dehnungsmesseinrichtung (20) gleich groß wie oder kleiner als ein Viertel der Fläche der Membran (15) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Verdrahtungselement (50) eine flexible Schaltungsplatine (50) ist; – die flexible Schaltungsplatine (50) einen ersten Endabschnitt (51), der mit dem drucksensitiven Element (20) verbunden ist, einen Erstreckungsabschnitt (654) und einen Biegeabschnitt (653) aufweist; – die flexible Schaltungsplatine (50) an dem Biegeabschnitt (653) um einen Biegewinkel gebogen ist; – sich der Erstreckungsabschnitt (654) der flexiblen Schaltungsplatine (50) in Richtung des Anschlussabschnitts (60) erstreckt; und – der Biegewinkel gleich groß wie oder kleiner als 90° ist, so dass Spannungen in dem Biegeabschnitt (653) kleiner als in einem Fall sind, in dem der Biegewinkel größer als 90° ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: – die flexible Schaltungsplatine (50) ferner einen zweiten Biegeabschnitt (653b) mit einem zweiten Biegewinkel umfasst; – der zweite Biegeabschnitt (653b) bezüglich des ersten Biegeabschnitts (653) auf der Seite eines zweiten Endes (52) der flexiblen Schaltungsplatine (50) angeordnet ist; und – der zweite Biegewinkel gleich groß wie oder kleiner als 90° ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass: – der erste Biegeabschnitt (653) der flexiblen Schaltungsplatine (50) in dem Rohrabschnitt (12) auf einer Seite einer Innenwand des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist; – der Erstreckungsabschnitt (654) der flexiblen Schaltungsplatine (50) auf einer weiteren Seite der Innenwand des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist; und – die eine Seite der Innenwand des Rohrabschnitts (12) der weiteren Seite der Innenwand des Rohrabschnitts (12) gegenüberliegt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Schaltungsplatine (50) ein Durchgangsloch (655) an dem ersten Ende (51) umfasst, so dass das drucksensitive Element (20) von der flexiblen Schaltungsplatine (50) offengelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das drucksensitive Element (20) durch den Druck deformierbar ist, so dass das drucksensitive Element (20) das Signal, das ein Maß für den Druck ist, auf der Grundlage der Deformation des drucksensitiven Elements (20) ausgibt.
Druckerfassungsvorrichtung, mit: – einem Gehäuse (10); – einer flexiblen Schaltungsplatine (50), die in dem Gehäuse (10) angeordnet ist; und – einer Erfassungseinheit (831), um einen Erfassungsdruck zu erfassen und ein Signal, das ein Maß für den Druck ist, auszugeben, wobei – das Gehäuse (10) mit einem Anschlussabschnitt (60) verbunden ist, der das Signal von der Erfassungseinheit (831) empfängt, – der Erfassungseinheit (831) auf einer Seite des Gehäuses (10) angeordnet ist, so dass die eine Seite des Gehäuses (10) dazu geeignet ist, den Druck zu empfangen, – die flexible Schaltungsplatine (50) eine elektrische Verbindung zwischen der Erfassungseinheit (831) und dem Anschlussabschnitt (60) herstellt, – die Erfassungseinheit (831) über eine Mehrzahl von Bumps (832), die auf der flexiblen Schaltungsplatine (50) angeordnet sind, elektrisch und mechanisch mit der flexiblen Schaltungsplatine (50) verbunden ist, und – die flexible Schaltungsplatine (50) eine Spannungsrelaxationskonstruktion (833, 855, 970–972) aufweist, um auf die Bumps (832) übertragene Spannungen zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Spannungsrelaxationskonstruktion (833) ein Blind-Bump (833) ist, der in der Nähe der Bumps (832) angeordnet ist; und – die flexible Schaltungsplatine (50) über den Blind-Bump (833) mechanisch mit der Erfassungseinheit (831) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bumps (832) entlang einer Linie auf der flexiblen Schaltungsplatine (50) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bumps (832) in der Mitte der flexiblen Schaltungsplatine (50) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsrelaxationskonstruktion (970–972) ein Eingriffselement (970–972) ist, das zwischen der flexiblen Schaltungsplatine (50) und der Erfassungseinheit (831) so angeordnet ist, dass das Eingriffselement (970–972) Spannungen reduziert, die durch eine Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der flexiblen Schaltungsplatine (50) und der Erfassungseinheit (831) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Eingriffselement (970) ein Substrat (970) ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der nahezu gleich groß wie der der Erfassungseinheit (831) ist; und – das Eingriffselement (970) zwischen der flexiblen Schaltungsplatine (50) und den Bumps (832) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Eingriffselement (970) ein Substrat (970) ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der zwischen dem der Erfassungseinheit (831) und dem der flexiblen Schaltungsplatine (50) liegt; und – das Eingriffselement (970) zwischen der flexiblen Schaltungsplatine (50) und den Bumps (832) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffselement (971) aus einer Mehrzahl von Bumps (971) besteht, die übereinander und zwischen derflexiblen Schaltungsplatine (50) und der Erfassungseinheit (831) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Spannungsrelaxationskonstruktion (972) ein Blindsubstrat (972) ist, das aus dem gleichen Material wie die Erfassungseinheit (831) hergestellt ist; – die Erfassungseinheit (831) auf einer Seite der flexiblen Schaltungsplatine (50) angeordnet ist; – das Blindsubstrat (972) auf der weiteren Seite der flexiblen Schaltungsplatine (832) durch eine Mehrzahl von Blind-Bumps (832) so angeordnet ist, dass das Blindsubstrat (972) Spannungen reduziert, die durch einen Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der flexiblen Schaltungsplatine (50) und der Erfassungseinheit (831) erzeugt werden; und – die weitere Seite der flexiblen Schaltungsplatine (50) gegenüber der einen Seite der flexiblen Schaltungsplatine (50) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Spannungsrelaxationskonstruktion (855) aus einer Mehrzahl von Einkerbungen (855) besteht; und – die Einkerbungen (855) die flexible Schaltungsplatine (50) in eine Mehrzahl von Abschnitten (854) unterteilt, von denen jeder einen Bump (832) enthält und unabhängig von den weiteren Abschnitten (854) deformierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt (854) der flexiblen Schaltungsplatine (50) in Richtung der Erfassungseinheit (831) gebogen ist, so dass der Bump (832) auf dem Abschnitt (854) die Erfassungseinheit (831) mit Druck kontaktiert und eine Verbindung zu diesem herstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Gehäuse (10) einen Hauptkörperabschnitt (11) und einen Rohrabschnitt (12) umfasst, wobei sich der Rohrabschnitt (12) von einem Randabschnitt des Hauptkörperabschnitts (11) erstreckt und eine längliche Gestalt aufweist; – die Erfassungseinheit (831) an einem Endabschnitt des Rohrabschnitts (12) angeordnet ist; – die flexible Schaltungsplatine (50) in dem Rohrabschnitt (12) angeordnet ist; – die flexible Schaltungsplatine (50) ein erstes Ende (51), das mit der Erfassungseinheit (831) verbunden ist, einen Biegeabschnitt (653) und einen Erstreckungsabschnitt (654) umfasst; – die flexible Schaltungsplatine (50) an dem Biegeabschnitt (653) gebogen ist; und – sich der Erstreckungsabschnitt (654) der flexiblen Schaltungsplatine (50) in Richtung des Anschlussabschnitts (60) erstreckt, so dass der Erstreckungsabschnitt (654) der flexiblen Schaltungsplatine (50) elektrisch mit dem Anschlussabschnitt (60) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Erfassungseinheit (831) eine Membran (15) und ein drucksensitives Element (20) umfasst; – die Membran (15) durch den auf sie wirkenden Druck deformierbar ist; – das drucksensitive Element (20) dazu geeignet ist, eine Deformation der Membran (15) zu erfassen und das Signal, das ein Maß für den Druck ist, auszugeben; und – das drucksensitive Element (20) der Erfassungseinheit (831) die Bumps (832) kontaktiert, so dass die Erfassungseinheit (831) elektrisch und mechanisch mit der flexiblen Schaltungsplatine (50) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst: – ein Druckübertragungselement (16), das zwischen der Membran (15) und dem drucksensitiven Element (20) angeordnet ist; wobei – das drucksensitive Element (20) dazu geeignet ist, den Druck über die Membran (15) und das Druckübertragungselement (16) zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckübertragungselement (16) eine Kugel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das drucksensitive Element (20) durch den Druck deformierbar ist, so dass das drucksensitive Element (20) ein Signal, das ein Maß für den Druck ist, auf der Grundlage einer Deformation des drucksensitiven Elements (20) ausgibt.