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Gebiet
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Die Erfindung betrifft Drucksensoren für Hochdruck-Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzungs- oder Bremssysteme, und insbesondere einen Drucksensor, bei welchem Schweißen verwendet wird, um kostengünstige Einzelteile zu kombinieren, um die Gesamtkosten des Drucksensors zu reduzieren.
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Hintergrund
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Mit Bezug auf
1 wird eine Querschnittsansicht eines allgemein mit Bezugszeichen
10 bezeichneten Drucksensors gezeigt, wie beispielsweise in dem
US-Patent Nr. 6,813,953 offenbart ist. Eine allgemein mit Bezugszeichen
11 bezeichnete Anschlussanordnung weist eine zweiteilige Konfiguration einschließlich eines Anschlusses bzw. Stutzens
12 und einem umgebenden, mit einem Gewinde versehenen Gehäuse
13 auf. Eine solche komplizierte Konfiguration ist schwierig herzustellen, verschwenderisch hinsichtlich Rohmaterialien und mit hohen Kosten verbunden. Dieser Sensor ist auch groß dimensioniert, insbesondere hinsichtlich der Höhe.
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Somit besteht ein Bedarf nach einem Drucksensor mit einfacherer Geometrie, einfacherer Herstellung, geringerem Verbrauch von Rohmaterialien und preiswerter hinsichtlich der Kosten als herkömmliche Sensoren.
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Zusammenfassung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die oben erwähnten Anforderungen zu erfüllen. In Übereinstimmung mit den Prinzipien einer Ausführungsform wird diese Aufgabe mit einem Drucksensor erzielt, welcher ein Metallanschlusselement mit einem ersten geschlossenen Ende und einem zweiten gegenüberliegenden offenen Ende umfasst. Eine Metallummantelung umgibt einen Umfangsabschnitt des Anschlusses. Eine erste Schweißverbindung verbindet den Anschluss mit der Ummantelung. Eine Metallbasis weist obere und untere Flächen auf, wobei eine zweite Schweißverbindung die Ummantelung mit der unteren Fläche der Basis verbindet. Eine Messstruktur ist dem geschlossenen Ende des Anschlusselementes zugeordnet. Die Messstruktur ist derart ausgelegt und dazu ausgebildet, um Druckänderungen am geschlossenen Ende des Anschlusselementes zu messen. Ein Verbindergehäuse deckt die Messstruktur ab.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verbinden von Abschnitten eines Drucksensors bereitgestellt. Der Drucksensor weist ein Metallanschlusselement mit einem ersten geschlossenen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden offenen Ende auf; eine Metallummantelung, welche einen Umfangsabschnitt des Anschlusses umgibt; eine Metallbasis mit oberen und unteren Fläche; und eine Messstruktur, welche dem geschlossenen Ende des Anschlusselementes zugeordnet ist. Die Messstruktur ist derart ausgelegt und dazu ausgebildet, um am geschlossenen Ende des Anschlusselementes Druckänderungen zu messen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Schweißens des Anschlusselementes an die Ummantelung und des Schweißens der Ummantelung an die untere Fläche der Basis.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, als auch die Verfahren zum Betrieb und die Funktionen der entsprechenden Elemente der Struktur, die Kombination von Teilen und Einfachheit in der Herstellung werden nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen eher erkennbar, wobei all dies Teil dieser Spezifikation bildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Hinblick der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen davon in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, in denen:
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1 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Drucksensors mit einer zweiteiligen Anschlussanordnung ist.
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2 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist, und zwar mit einer vierteiligen Anschlussanordnung.
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3 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform ist.
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Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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2 zeigt einen im Allgemeinen mit Bezugszeichen 14 bezeichneten Hochdrucksensor, vorzugsweise zur Verwendung in Hochdruckbenzin- oder Diesel-Direkteinspritzsystemen oder Bremssystemen und/oder weiteren ähnlichen Systemen. Der Sensor 14 umfasst ein Metallanschlusselement 15, vorzugsweise in der Gestalt eines Hohlzylinders mit einem ersten geschlossenen Ende 16 und einem zweiten, gegenüberliegenden geöffneten Ende 17. Eine Metallummantelung 18 umgibt einen Abschnitt des Umfanges des Anschlusselementes 15. Die Ummantelung 18 umfasst zur Befestigung des Sensors 14 Außengewinde 19. Eine erste Schweißverbindung 20 verbindet das Anschlusselement 15 und die Ummantelung 18 um ihre Umfänge herum nahe des Endes 17 des Anschlusselementes 15. Ein zu messender Druck wird an das geschlossene Ende 16 des Anschlusselementes 15 durch das offene Ende 17 übertragen. Eine im Allgemeinen mit Bezugszeichen 21 bezeichnete Messstruktur ist zur Druckänderungsmessung am geschlossenen Ende 16 dem geschlossenen Ende 16 des Anschlusselementes 15 zugeordnet. In der Ausführungsform umfasst die Messstruktur 21 ein an der Außenfläche des geschlossenen Endes 16 befestigtes Sensorelement 22 und ein Substrat 24, welche eine Schaltkreisplatine definieren, welche elektrisch mit dem Sensorelement 22 mithilfe von „Wire Bonding” (d. h. Drahtverbindung) auf herkömmliche Art und Weise verbunden ist. Das Substrat 24 ist vorzugsweise ein PCB-Substrat mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 23 darauf zur Bearbeitung und Konditionierung von Signalen vom Sensorelement 22. Das Sensorelement 22 kann eine Halbleitermesseinrichtung einschließlich (mechanischen) Spannungsanzeigen sein (nicht dargestellt), welche in synchroner Weise eine Beanspruchung ausüben, um eine elektrische Eigenschaft der Anzeigen zu ändern, wenn das geschlossene Ende 16 aufgrund des zu messenden Druckes beansprucht wird. Das Sensorelement 22 ist vorzugsweise an der Außenfläche 25 des geschlossenen Endes 16 des Anschlusselementes 15 „glasgebondet”. Das Substrat 24 ist mit den Anschlüssen 26 mithilfe von Metallfedern 28 elektrisch verbunden, und zwar vorzugsweise Spiralfedern. Lediglich eine Feder 28 und ein zugeordneter Anschlusse 26 sind in 2 gezeigt. Vom Substrat 24 bearbeitete Signale werden über die Federn 28 und Anschlüsse 26 an einen außen befindlichen Schaltkreis übermittelt. Die Federn 28 und Anschlüsse 26 können als Teil der Messstruktur 21 betrachtet werden.
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Eine Metallbasis 30, vorzugsweise von hexagonaler Gestalt zum Ansetzen eines Werkzeuges, wird an einer Bodenfläche 31 davon mit der Metallummantelung 18 über eine zweite Schweißverbindung 32 verbunden. Eine Struktur 34 mit einem hohlen Metallrohr wird an einem Ende 36 mit einer oberen Fläche 33 der Basis 30 über eine dritte Schweißverbindung 38 verbunden. Die Messstruktur 21 ist vorzugsweise von der Rohr-Struktur 34 umhüllt und darin angeordnet. Ein Verbindergehäuse 40, vorzugsweise aus Kunstharzmaterial, wird mit einem zweiten Ende 42 der Rohrstruktur 34 verbunden, vorzugsweise über eine Nut-und-Feder-Abdichtverbindung 44. Das Verbindergehäuse 40 deckt die Messstruktur 21 ab. Die ersten, zweiten und dritten Schweißverbindungen können mittels eines Lasers oder anderer Schweißtechniken erzielt werden. Die Schweißverbindungen werden bevorzugt, jedoch können stattdessen Befestigungsmittel, Klebemittel oder andere ähnliche Verbindungsverfahren verwendet werden.
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Das Anschlusselement 15, die Ummantelung 18, die Basis 30 und die Rohrstruktur 34 umfassen eine vierteilige Anschlussanordnung, im Allgemeinen mit Bezugszeichen 46 bezeichnet, wobei sie eine einfachere Geometrie aufweisen als herkömmliche Sensoren und somit einfacher herzustellen sind. Der Drucksensor 14 vermindert die Verwendung von Rohmaterialien und ist kostengünstiger als der in 1 gezeigte Sensortyp. Der Drucksensor 14 ist robust bzw. stabil gegenüber Beanspruchungen beim Befestigen und weist eine reduzierte Höhe auf, und zwar im Vergleich zu herkömmlichen Industrie-Drucksensor-Konfigurationen.
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Die Zusammenbauabfolge des Drucksensors 14 kann auf vielfältige Arten ausgeführt werden, da es weniger Beschränkungen im Vergleich zu der Anordnung des Drucksensors aus 1 gibt. Beispielsweise können bei dem Drucksensor 14 die ersten und zweiten Schweißverbindungen 20 und 32 vor einem sogenannten „Glas-Printing” des Messelementes 22 am Anschluss 15 mit darauf folgendem „Wire Bonding” durchgeführt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, da zahlreiche Partikel während des Schweißvorganges erzeugt werden, welche ungeschützte Messelemente, den ASIC und das „Wire Bonding” kontaminieren könnten.
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Bei dem Drucksensor 14 kann ein endgültiges Schweißen zwischen der Basis 30 und der Rohrstruktur 34 durchgeführt werden, wenn der Schaltkreis bereits umkapselt und geschützt ist. Bei der herkömmlichen zweiteiligen Anschlussanordnung muss das Schweißen der zwei Teile vor dem „Wire Bonding” durchgeführt werden, wodurch der blossgelegte Chip während des Schweißens ungeschützt ist.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Drucksensors, welcher im Allgemeinen mit 14' bezeichnet ist. Anstelle des Bereitstellens der Rohrstruktur 34 in 2 wird das Verbindergehäuse 40' direkt mit der Fläche 33 der Basis 30 mit einem Klebemittel gekoppelt, wie z. B. einem hochfesten Silikon-Klebemittel. Diese Struktur vermeidet ebenso ein Schweißen 38 in 2. Die vorangegangenen bevorzugten Ausführungsformen wurden zum Zwecke der Darstellung der strukturellen und funktionellen Prinzipien der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben, als auch zur Darstellung der Verfahren der Verwendung der bevorzugten Ausführungsformen und können geändert werden, ohne solche Prinzipien zu verlassen. Daher umfasst diese Erfindung alle innerhalb des Umfanges der folgenden Ansprüche berücksichtigten Modifikationen.
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Weitere Ausführungsformen
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- 1. Drucksensor, umfassend:
eine Metallanschlusskomponente mit einem ersten geschlossenen Ende und einem zweiten offenen Ende,
eine Metallummantelung, welche einen Abschnitt des Umfanges des Anschlusses umgibt,
eine erste Schweißverbindung, welche den Anschluss mit der Ummantelung verbindet,
eine Metallbasis mit oberen und unteren Flächen,
eine zweite Schweißverbindung, welche die Ummantelung mit der unteren Fläche der Basis verbindet,
eine dem geschlossenen Ende der Anschlusskomponente zugeordnete Messstruktur, wobei die Messstruktur derart ausgelegt und dazu ausgebildet ist, Druckänderungen am geschlossenen Ende der Anschlusskomponente zu messen, und
ein die Messstruktur abdeckendes Verbindergehäuse.
- 2. Drucksensor nach Ausführungsform 1, wobei die Ummantelung Außengewinde umfasst.
- 3. Drucksensor nach Ausführungsform 1, wobei ein Umfang der Basis eine hexagonale Gestalt aufweist.
- 4. Drucksensor nach Ausführungsform 1, wobei die Messstruktur ein am geschlossenen Ende der Anschlusskomponente befestigtes Sensorelement umfasst, welches derart ausgelegt und dazu ausgebildet ist, Spannungen des geschlossenen Endes zu erkennen, ein Substrat, welches elektrisch mit dem Sensorelement sowie Anschlüssen verbunden ist, und ein Federelement, welches elektrisch das Substrat mit einem zugeordneten Anschluss verbindet.
- 5. Drucksensor nach Ausführungsform 4, wobei die Messstruktur einen ASIC auf dem Substrat umfasst.
- 6. Drucksensor nach Ausführungsform 4, wobei die Federelemente Spiralfedern sind.
- 7. Drucksensor nach Ausführungsform 1, wobei ein Abschnitt des Verbindergehäuses mit der Basis verbunden ist.
- 8. Drucksensor nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend:
eine Metallrohrstruktur mit ersten und zweiten Enden und
eine dritte Schweißverbindung, welche das erste Ende der Rohrstruktur mit der oberen Fläche der Basis verbindet,
wobei die Messstruktur innerhalb der Rohrstruktur angeordnet ist und das Verbindergehäuse mit dem zweiten Ende der Rohrstruktur verbunden ist.
- 9. Drucksensor nach Ausführungsform 8, wobei die Verbindung zwischen dem Verbindergehäuse und der Rohrstruktur eine abgedichtete Verbindung ist.
- 10. Drucksensor, umfassend:
ein Metallanschlusselement mit einem ersten geschlossenen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden offenen Ende,
eine Metallummantelung, welche einen Abschnitt des Umfangs des Anschlusses umgibt,
erste Mittel zum Verbinden des Anschlusses mit der Ummantelung,
eine Metallbasis,
zweite Mittel zum Verbinden der Ummantelung mit der Basis,
dem geschlossenen Ende des Anschlusselementes zugeordnete Mittel zum Messen von Druckänderungen am geschlossenen Ende des Anschlusselementes, und
ein Verbindergehäuse, welches die Mittel zum Messen abdeckt.
- 11. Drucksensor nach Ausführungsform 10, wobei die Ummantelung Außengewinde umfasst.
- 12. Drucksensor nach Ausführungsform 10, wobei ein Umfang der Basis eine hexagonale Gestalt aufweist.
- 13. Drucksensor nach Ausführungsform 10, wobei die Mittel zum Messen ein Sensorelement umfassen, welches am geschlossenen Ende des Anschlusselementes befestigt ist, um mechanische Spannungen des geschlossenen Endes zu erkennen, ein mit den Mitteln zum Erkennen elektrisch verbundenes Substrat, Anschlüsse, und Mittel zum elektrischen Verbinden des Substrats mit einem zugeordneten Anschluss.
- 14. Drucksensor nach Ausführungsform 13, wobei die Messstruktur einen ASIC auf dem Substrat umfasst.
- 15. Drucksensor nach Ausführungsform 13, wobei die Mittel zum elektrischen Verbinden eine Spiralfeder umfassen.
- 16. Drucksensor nach Ausführungsform 10, wobei ein Abschnitt des Verbindergehäuses mit der Basis verbunden ist.
- 17. Drucksensor nach Ausführungsform 10, weiterhin umfassend:
eine Metallrohrstruktur mit ersten und zweiten Enden, und dritten Mitteln zum Verbinden des ersten Endes der Rohrstruktur mit der oberen Fläche der Basis,
wobei die Mittel zum Messen innerhalb der Rohrstruktur angeordnet sind und das Verbindergehäuse mit dem zweiten Ende der Rohrstruktur verbunden ist.
- 18. Drucksensor nach Ausführungsform 10, wobei die Verbindung zwischen dem Verbindergehäuse und der Rohrstruktur eine abgedichtete Verbindung ist.
- 19. Drucksensor nach Ausführungsform 10, wobei jeweils die ersten, zweiten und dritten Mittel zum Verbinden eine Schweißverbindung sind.
- 20. Verfahren zum Verbinden von Abschnitten eines Drucksensors, wobei der Drucksensor ein Metallanschlusselement mit einem ersten geschlossenen Ende und ein zweites gegenüberliegendes offenes Ende aufweist; eine Metallummantelung, welche einen Umfangsabschnitt des Anschlusses umgibt; eine Metallbasis mit oberen und unteren Flächen; und eine Messstruktur, welche dem geschlossenen Ende des Anschlusselementes zugeordnet ist, wobei die Messstruktur dazu ausgelegt und dazu ausgebildet ist, Druckänderungen am geschlossenen Ende des Anschlusselementes zu messen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Schweißen des Anschlusses an die Ummantelung und
Schweißen der Ummantelung an die untere Fläche der Basis.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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