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HINTERGRUND
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Gebiet der Technik
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Die Offenbarung betrifft einen Drucksensor, der dazu ausgelegt ist, einen Druck eines druckführenden Mediums zu erfassen, und insbesondere einen Drucksensor, der dazu ausgelegt ist, einen Druck eines druckführenden Hochtemperaturmediums, wie eines Verbrennungsgases oder dergleichen in einem Brennraum eines Motors zu erfassen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Im Stand der Technik ist als Drucksensor ein Drucksensor mit einem rohrförmigen Gehäuse, einer Membran, die mit einer Spitzenseite des Gehäuses verbunden ist und entsprechend dem aufgenommenen Druck gebogen wird, einem in dem Gehäuse angeordneten Sensorteil, einem Verbindungsteil, der dazu eingerichtet ist, die Membran mit dem Sensorteil zu verbinden und einem Wärmeaufnahmeteil, der als Wärmeabschirmplatte dient und durch Schweißen einem mit im Wesentlichen zentralen Abschnitt einer Außenfläche der Membran verbunden ist, bekannt (beispielsweise aus Patentdokument 1).
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Wenn bei diesem Drucksensor die Membran bei der Montage durch eine Vorspannung nach außen konvex verformt wird, entsteht in einem äußeren Umfangsbereich der Membran ein Spalt zwischen der Membran und der Wärmeabschirmplatte. Durch den Spalt ist die Membran einem druckführenden Hochtemperaturmedium direkt ausgesetzt, sodass die Membran einen Wärmeeinfluss nicht minimieren oder verhindern kann.
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Da die Wärmeabschirmplatte durch Schweißen an der Membran befestigt ist, ist eine Röntgenaufnahme, ein Zerstörungstest oder dergleichen erforderlich, um eine Schweißfestigkeit sicherzustellen, es kommt zu einer Erhöhung der Managementstunden und Managementkosten, und die Wärmeabschirmplatte ist auf ein Metallmaterial beschränkt.
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Patentdokumente
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Patentdokument 1:
Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2017-40516 -
KURZDARSTELLUNG
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Die Ausführungsformen der Offenbarung sind darauf ausgerichtet, einen Drucksensor bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Membran sicher von einem druckführenden Hochtemperaturmedium abzuschirmen, einen Wärmeeinfluss zu minimieren und einen Druck des druckführenden Hochtemperaturmediums genau zu erfassen.
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Ein Drucksensor einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Gehäuse mit einem rohrförmigen Spitzenabschnitt; einen Druckmessteil, der, während er in dem Gehäuse aufgenommen ist, eine piezoelektrische Substanz umfasst; eine Membran mit einem flexiblen plattenförmigen Abschnitt, der auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts befestigt ist, und einen Stangenabschnitt, der zwischen dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt und dem Druckmessteil angeordnet ist; und eine Wärmeabschirmplatte, die auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts gehalten wird, um die Membran von einem druckführenden Medium abzuschirmen.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der rohrförmige Spitzenabschnitt einen ringförmigen Spitzenabschnitt umfassen, der an seiner Spitze eine Öffnung mit reduziertem Durchmesser definiert, und die Wärmeabschirmplatte kann durch den ringförmigen Spitzenabschnitt gehalten werden.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der ringförmige Spitzenabschnitt durch Nach-Innen-Falten eines Öffnungsrandbereichs des rohrförmigen Spitzenabschnitts gebildet werden.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann die Wärmeabschirmplatte so gehalten werden, dass sie ohne Last mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt in Kontakt kommt, oder dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt mit einem vorbestimmten Spielspalt dazwischen in einem Zustand zugewandt sein, in dem kein Druck eines druckführenden Mediums aufgenommen wird.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der Spielspalt so festgelegt sein, dass er in einem Bereich einer Plattendicke der Wärmeabschirmplatte oder darunter liegt.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der rohrförmige Spitzenabschnitt in einer zylindrischen Form ausgebildet sein, kann der flexible plattenförmige Abschnitt in Form einer Scheibe ausgebildet sein, die auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts angeordnet ist, und die Wärmeabschirmplatte kann in Form einer Scheibe ausgebildet sein, die einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des rohrförmigen Spitzenabschnitts.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der rohrförmige Spitzenabschnitt einen ersten rohrförmigen Abschnitt umfassen und einen zweiten rohrförmigen Abschnitt, der an einer Spitzenseite des ersten rohrförmigen Abschnitts angeordnet ist und eine geringere Wanddicke als der erste rohrförmige Abschnitt aufweist, und eine Stufenfläche, die an einer Grenze zwischen dem ersten rohrförmigen Abschnitt und dem zweiten rohrförmigen Abschnitt ausgebildet ist, wobei der flexible plattenförmige Abschnitt an der Stufenfläche befestigt sein kann, wobei der zweite rohrförmige Spitzenabschnitt einen ringförmigen Spitzenabschnitt umfassen kann, der an seiner Spitze eine Öffnung mit reduziertem Durchmesser definiert, und wobei die Wärmeabschirmplatte durch den ringförmigen Spitzenabschnitt gehalten werden kann.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der ringförmige Spitzenabschnitt von einem Koppelelement gebildet sein, das mit dem Gehäuse gekoppelt ist, um den zweiten rohrförmigen Abschnitt zu definieren.
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Bei dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann der Druckmessteil eine erste Elektrode, eine piezoelektrische Substanz und eine zweite Elektrode umfassen, die von einer Spitzenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts her aufeinanderfolgend laminiert sind, und die Membran kann als die erste Elektrode fungieren.
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Gemäß dem Drucksensor mit dieser Ausgestaltung kann ein Drucksensor bereitgestellt werden, der in der Lage ist, einen Wärmeeinfluss zu minimieren und einen Druck eines druckführenden Hochtemperaturmediums genau zu erfassen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- die 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines offenbarungsgemäßen Drucksensors.
- die 2 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht eines Gehäuses mit einem rohrförmigen Spitzenabschnitt, einer Membran, einer Wärmeabschirmplatte, einem Druckmessteil etc. des in der 1 gezeigten Drucksensors.
- die 3 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, welche die gegenseitige Lagebeziehung zwischen dem rohrförmigen Spitzenabschnitt, der Membran und der Wärmeabschirmplatte des in der 1 gezeigten Drucksensors zeigt.
- die 4 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die den rohrförmigen Spitzenabschnitt, die Membran und die Wärmeabschirmplatte in einem Zustand vor und nach der Faltbearbeitung an einem Öffnungsrandbereich des rohrförmigen Spitzenabschnitts des in der 1 gezeigten Drucksensors zeigt.
- die 5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des offenbarungsgemäßen Drucksensors.
- die 6 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Gehäuses mit dem rohrförmigen Spitzenabschnitt, der Membran, der Wärmeabschirmplatte, dem Druckmessteil etc. des in der 5 gezeigten Drucksensors.
- die 7 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, welche eine gegenseitige Lagebeziehung zwischen dem rohrförmigen Spitzenabschnitt, dem Koppelelement, der Membran und der Wärmeabschirmplatte des in der 5 gezeigten Drucksensors zeigt.
- die 8 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die den rohrförmigen Spitzenabschnitt, die Membran, das Koppelelement und die Wärmeabschirmplatte in einem Zustand vor und nach dem Koppeln des Koppelelements, das einen Teil des rohrförmigen Spitzenabschnitts definiert, mit dem Gehäuse des in der 5 gezeigten Drucksensors, zeigt.
- die 9 ein Diagramm, in dem die Sensorausgänge des Drucksensors gemäß der Ausführungsform der Offenbarung mit dem Drucksensor im Stand der Technik verglichen werden.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Ein Drucksensor gemäß der ersten Ausführungsform ist an einem Zylinderkopf H eines Motors angebracht und erfasst als Druck eines druckführenden Mediums den Druck eines Verbrennungsgases in einem Brennraum.
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Wie in der 1 und der 2 dargestellt umfasst der Drucksensor ein Gehäuse 10, eine Membran 20, einen Druckmessteil 30, ein Anpresselement 40, einen Anschlussdraht 50, einen Verbinder 60 und eine Wärmeabschirmplatte 70.
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Das Gehäuse 10 ist in einer mehrstufigen zylindrischen Form ausgebildet, die einen sich in Richtung der Achse S erstreckenden Innenraum A definiert, wobei ein Metallmaterial wie ein ausscheidungshärtender oder ferntbasierter Edelstahl oder dergleichen verwendet wird.
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Weiterhin umfasst das Gehäuse 10 einen rohrförmigen Spitzenabschnitt 11, einen Dichtungsabschnitt 12, einen Außengewindeabschnitt 13, einen Öffnungsendabschnitt 14, Innenwandflächen 15 und 16 und einen Innengewindeabschnitt 17.
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Der rohrförmige Spitzenabschnitt 11 ist zylinderförmig mit einer zweistufigen Wanddicke in einem Bereich ausgebildet, der in Richtung der Achse S an einer Spitzenseite des Dichtungsabschnitts 12 angeordnet ist, und umfasst einen ersten rohrförmigen Abschnitt 11a, einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 11b, eine Stufenfläche 11c, einen ringförmigen Spitzenabschnitt 11d und eine durch den ringförmigen Spitzenabschnitt 11d definierte Öffnung 11e.
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Der erste rohrförmige Abschnitt 11a definiert eine Innenwandfläche 11a1 mit zylindrischer Form, und eine Außenwandfläche desselben ist so angeordnet, dass sie an einer Innenumfangsfläche H1 einer Befestigungsbohrung des Zylinderkopfes H anliegt oder in engem Kontakt mit dieser ist, sodass die Außenwandfläche nicht ohne Weiteres einem Verbrennungsgas ausgesetzt werden kann.
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Der zweite rohrförmige Abschnitt 11b definiert eine zylindrische Innenwandfläche 11b1 und weist eine Dicke auf, die kleiner ist als die des ersten rohrförmigen Abschnitts 11a in einem Zustand vor der Faltverarbeitung.
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Die Stufenfläche 11c ist als zu einer Achse S senkrechte ringförmige Ebene an einer Grenzfläche zwischen dem ersten rohrförmigen Abschnitt 11a und dem zweiten rohrförmigen Abschnitt 11b ausgebildet.
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Die Stufenfläche 11c fungiert dann als Fixierfläche, die einen flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 der Membran 20 durch Schweißen oder dergleichen fixiert.
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Der ringförmige Spitzenabschnitt 11d wird durch Nach-Innen-Falten eines Öffnungsrandbereichs des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b gefaltet und definiert in einem zentralen Bereich desselben die kreisförmige Öffnung 11e.
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Die Öffnung 11e weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als ein Außendurchmesser D der Wärmeabschirmplatte 70, d.h. die ist mit einem kleinen Innendurchmesser ausgebildet.
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Der ringförmige Spitzenabschnitt 11d hält somit die Wärmeabschirmplatte 70 innerhalb des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b, sodass die Wärmeabschirmplatte 70 nicht herunterfällt.
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Der Dichtungsabschnitt 12 ist an einer vorbestimmten, von einer Spitze des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 in Richtung der Achse S zurückgezogenen Position in einer konischen Oberflächenform ausgebildet, und liegt an einer Dichtfläche H2 des Zylinderkopfes H an, um eine Leckage eines Verbrennungsgases in einem Brennraum CH zu verhindern.
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Zur Befestigung des Gehäuses 10 steht der Außengewindeabschnitt 13, der in einem von dem Dichtungsabschnitt 12 in Richtung der Achse S zurückgezogenen durchmesservergrößerten Bereich ausgebildet ist, mit einem Innengewindeabschnitt H3 eines in dem Zylinderkopf H ausgebildeten Befestigungslochs in Gewindeeingriff.
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Der Öffnungsendabschnitt 14 fungiert als Einführöffnung, wenn das Anpresselement 40 oder dergleichen durch diese hindurch befestigt wird, und ist derart ausgebildet, dass der Verbinder 60 über einen Abstandshalter 61 an ihm befestigt ist.
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Die Innenwandfläche 15 ist als zylindrische Innenumfangsfläche ausgebildet, deren Innendurchmesser so bemessen ist, dass das Anpresselement 40 hindurchgesteckt werden kann.
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Die Innenwandfläche 16 ist als zylindrische Innenumfangsfläche ausgebildet, deren Innendurchmesser so bemessen ist, dass ihr Durchmesser kleiner ist als derjenige der Innenwandfläche 15, und der Druckmessteil 30 ist in diesem Bereich aufgenommen.
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Der Innengewindeabschnitt 17 ist in einem Bereich zwischen der Innenwandfläche 15 und der Innenwandfläche 16 derart ausgebildet, dass das Anpresselement 40 durch Verschrauben mit dem Innengewindeabschnitt 17 fixierbar ist.
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Die Membran 20 ist aus einem Metallmaterial mit ausscheidungshärtender Eigenschaft, wie beispielsweise Edelstahl oder dergleichen, gebildet.
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Die Membran 20 umfasst den flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21, und einen mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 zusammenhängend ausgebildeten Stangenabschnitt 22.
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Der flexible plattenförmige Abschnitt 21 ist scheibenförmig mit einer Plattendicke t1 ausgebildet, und ein Außenrandbereich desselben ist durch Schweißen oder dergleichen an der Stufenfläche 11c des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 befestigt.
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Der flexible plattenförmige Abschnitt 21 ist ein Bereich, auf den über die Wärmeabschirmplatte 70 eine dem Druck eines Verbrennungsgases entsprechende Last übertragen wird, und wird der entsprechend der Last in Richtung der Achse S elastisch verformt.
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Hier beträgt die Plattendicke t1 des flexiblen plattenförmigen Abschnitts 21 etwa 0,2 mm bis 0,6 mm.
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Der Stangenabschnitt 22 ist säulenförmig ausgebildet und erstreckt sich vom im Wesentlichen mittleren Bereich des flexiblen plattenförmigen Abschnitts 21 in Richtung der Achse S.
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Eine äußere Umfangsfläche des Stangenabschnitts 22 ist so angeordnet, dass zwischen ihr und den Innenwandflächen 11a1 und 16 des Gehäuses 10 ein Spalt vorhanden ist, und eine Endfläche des Stangenabschnitts 22 ist so angeordnet, dass sie an einer piezoelektrische Substanz 32 des Druckmessteils 30 anliegt.
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Das heißt, der Stangenabschnitt 22 ist zwischen dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 und der piezoelektrischen Substanz 32 des Druckmessteils 30 angeordnet und hat die Funktion, eine von dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 aufgenommene Kraft auf die piezoelektrische Substanz 32 zu übertragen.
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Der Druckmessteil 30 fungiert als piezoelektrisches Element und umfasst, wie in der 2 dargestellt, eine erste Elektrode 31, die piezoelektrische Substanz 32 und eine zweite Elektrode 33, die von einer Spitzenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 in Richtung der Achse S aufeinanderfolgend gestapelt sind.
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Die erste Elektrode 31 ist aus einem leitfähigen Metallmaterial gebildet, und in der Ausführungsform hat die Membran 20 die Funktion der ersten Elektrode 31.
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Die erste Elektrode 31, d.h. die Membran 20, ist folglich so angeordnet, dass der Stangenabschnitt 22 in engem Kontakt mit der piezoelektrischen Substanz 32 steht und über das Gehäuse 10 und den Zylinderkopf H elektrisch mit einer Masse (einer negativen Seite) verbunden ist.
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Die piezoelektrische Substanz 32 ist in Form einer rechteckigen Säule ausgebildet, sandwichartig zwischen dem Stangenabschnitt 22 der ersten Elektrode 31, d.h. der Membran 20, und der zweiten Elektrode 33, festgelegt, und gibt auf der Grundlage einer Verformung durch eine in Richtung der Achse S aufgenommenen Last ein elektrisches Signal aus, und ein piezoelektrisches Element, Zinkoxid, ein Kristall oder dergleichen wird hierbei verwendet.
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Die zweite Elektrode 33 ist säulen- oder scheibenförmig aus einem leitfähigen Metallmaterial gebildet, in engem Kontakt mit der piezoelektrischen Substanz 32 angeordnet und über den Anschlussdraht 50 elektrisch mit einer positiven Seite verbunden.
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Da die Membran 20 als erste Elektrode 31 fungiert, kann in dem Druckmessteil 30 im Vergleich zu dem Fall, in dem eine dedizierte Elektrode vorgesehen ist, die Anzahl der Teile reduziert und ein Aufbau vereinfacht werden.
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Des Weiteren ist die Offenbarung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt, und als erste Elektrode 31 kann eine von der Membran 20 getrennte Elektrode enthalten sein.
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Wie in der 2 dargestellt, ist das Anpresselement 40 aus einem Schraubelement 41 und einem Isolierelement 42 gebildet.
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Das Schraubelement 41 ist aus einem Metallmaterial, wie beispielsweise einem ausscheidungshärtenden oder ferntbasierten Edelstahl oder dergleichen im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet und umfasst einen Außengewindeabschnitt 41a, der mit dem Innengewindeabschnitt 17 des Gehäuses 10 in Gewindeeingriff steht, ein Durchgangsloch 41b, durch das der Anschlussdraht 50 hindurchtritt, und eine Anlagefläche 41c, die an dem Isolierelement 42 anliegt.
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Das Isolierelement 42 ist aus einem Isoliermaterial mit elektrisch hochisolierenden Eigenschaften, beispielsweise Aluminiumoxid oder dergleichen, in einer im Wesentlichen umlaufenden Form gebildet und umfasst eine Stirnfläche 42a, die an der Anlagefläche 41c des Schraubelements 41 anliegt, eine Stirnfläche 42b, die an der zweiten Elektrode 33 anliegt, und ein Durchgangsloch 42c, durch das der Anschlussdraht 50 hindurchtritt.
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Wie in der 1 und der 2 dargestellt, wird folglich, wenn das Isolierelement 42 in einem Zustand eingesetzt ist, in dem der Druckmessteil 30 an einer vorbestimmten Position angeordnet ist, und das Schraubelement 41 von oben her auf das Isolierelement 42 aufgeschraubt ist, eine Vorspannung in Richtung der Achse S auf den Druckmessteil 30 aufgebracht oder der Druckmessteil 30 an einer vorbestimmten Position im Gehäuse 10 positioniert und gehalten.
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Wie in der 1 dargestellt, ist der Anschlussdraht 50 elektrisch mit der zweiten Elektrode 33 des Druckmessteils 30 verbunden, tritt durch die Durchgangsbohrung 42c des Isolierelements 42, die Durchgangsbohrung 41b des Schraubelements 41 und den Innenraum A des Gehäuses 10 hindurch, und wird zu dem Verbinder 60 geführt.
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Der Verbinder 60 ist als Steckbuchse ausgebildet, über den Abstandshalter 61 mit dem Öffnungsendabschnitt 14 des Gehäuses 10 gekoppelt und lösbar mit einem externen Verbinder (Stecker) verbunden.
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Die Wärmeabschirmplatte 70 ist innerhalb des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 derart angeordnet, dass die Membran 20 von einem Verbrennungsgas, das ein druckführendes Medium ist, abgeschirmt ist, und ist aus einem wärmebeständigen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einer scheibenförmigen Edelstahlplatte, gebildet.
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Eine Plattendicke t2 der Wärmeabschirmplatte 70 beträgt dabei beispielsweise etwa 0,2 mm bis 0,5 mm.
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Als Material der Wärmeabschirmplatte 70 wird beispielsweise ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, guter Haltbarkeit und hoher Steifigkeit verwendet, und neben Edelstahl kann auch vernickelter Kohlenstoffstahl, eine Nickellegierung, eine Eisenbasislegierung, eine Titanlegierung oder dergleichen verwendet werden.
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Dann wird die Wärmeabschirmplatte 70, wie in der 4 gezeigt, in den zweiten rohrförmigen Abschnitt 11b des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 eingesetzt und wird dann auf einer Innenseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b durch den unter Verwendung einer Faltmaschine M durch Nach-Innen-Biegen eines Öffnungsrandbereichs des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b gebildeten ringförmigen Spitzenabschnitt 11d so gehalten, dass die Wärmeabschirmplatte 70 nicht herausfällt.
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Hier wird die Wärmeabschirmplatte 70 ohne Last in einem Zustand, in dem kein Druck eines Verbrennungsgases aufgenommen wird, mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 in Kontakt gehalten.
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Außerdem ist der Außendurchmesser D der Wärmeabschirmplatte 70 größer als ein effektiver Durchmesser des flexiblen plattenförmigen Abschnitts 21, der als Membran fungiert, und kleiner als ein Innendurchmesser des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b, sodass die Wärmeabschirmplatte 70 nicht durch Scheuern, Anhaften oder dergleichen innerhalb des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b unbeweglich wird.
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Während die Wärmeabschirmplatte 70 ohne Last in Kontakt mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 gehalten wird, kann die Wärmeabschirmplatte 70 ferner so angeordnet sein, dass sie dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 mit einem vorbestimmten Spielspalt in Richtung der Achse S dazwischen zugewandt ist.
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In diesem Fall kann der Spielspalt so festgelegt sein, dass er in einem Bereich der Plattendicke t2 der Wärmeabschirmplatte 70, oder darunter, insbesondere bei etwa 0,1 bis 0,2 mm liegt.
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Da der Spielspalt vorhanden ist, entfällt die Notwendigkeit, die Faltverarbeitung genau so zu steuern, dass die Wärmeabschirmplatte 70 gegen den flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 gedrückt wird und keine Last ausübt.
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Als Nächstes wird die Montage eines die Ausgestaltung bildenden Drucksensors beschrieben.
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Zunächst werden das Gehäuse 10, die Membran 20, die piezoelektrische Substanz 32, die zweite Elektrode 33, mit der der Anschlussdraht 50 verbunden ist, das Schraubelement 41, das Isolierelement 42, der Verbinder 60, der Abstandshalter 61 und die Wärmeabschirmplatte 70 vorbereitet.
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Anschließend wird die Membran 20 an dem Gehäuse 10 montiert.
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Das heißt, der flexible plattenförmige Abschnitt 21 wird mit der Stufenfläche 11c des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 verbunden und durch Schweißen oder dergleichen an dieser befestigt.
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Anschließend werden die piezoelektrische Substanz 32, die zweite Elektrode 33, das Isolierelement 42 und das Schraubelement 41 von dem Öffnungsendabschnitt 14 aus in das Gehäuse 10 so eingesetzt, dass sie sich aufeinanderfolgend überlappen.
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Weiterhin können die piezoelektrische Substanz 32, die zweite Elektrode 33 und das Isolierelement 42 zuvor gestapelt und vorübergehend montiert werden.
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Dann wird das Schraubelement 41 entsprechend verschraubt, und es wird eine vorbestimmte Vorspannung aufgebracht, um dem Druckmessteil 30 als Sensor lineare Kennlinien bereitzustellen.
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Als Nächstes wird der Abstandshalter 61 an dem Öffnungsendabschnitt 14 des Gehäuses 10 befestigt, ein extrahierter Anschlussdraht 50 wird mit dem Verbinder 60 verbunden und der Verbinder 60 wird mit dem Abstandshalter 61 verbunden.
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Als Nächstes wird die Wärmeabschirmplatte 70 so angebracht, dass sie innerhalb des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 des Gehäuses 10 gehalten wird. „Halten“ bedeutet hier, dass ein Element so abgestützt wird, dass es nicht herunterfällt, ohne unverrückbar an dem rohrförmigen Spitzenabschnitt 11 fixiert zu sein.
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Das heißt, die Wärmeabschirmplatte 70 ist auf einer Innenseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 angeordnet.
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Anschließend wird, wie in der 4 gezeigt, ein Öffnungsrandbereich des zweiten rohrförmigen Abschnitts 11b mit der vorgegebenen Faltmaschine M nach innen gefaltet, und der ringförmige Spitzenabschnitt 11d wird gebildet. Hier wird die Öffnung 11e, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der Außendurchmesser D der Wärmeabschirmplatte 70 ist, durch den ringförmigen Spitzenabschnitt 11d definiert.
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Wie vorstehend beschrieben, ist die Montage des Drucksensors abgeschlossen.
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Ferner ist diese Montagereihenfolge lediglich beispielhaft und nicht hierauf beschränkt, und eine andere Montagereihenfolge kann zum Einsatz kommen.
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In dem diese Ausgestaltung bildenden Drucksensor weisen der rohrförmige Spitzenabschnitt 11, die Membran 20 und die Wärmeabschirmplatte 70 eine in der 3 dargestellte Anordnungsbeziehung auf.
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Das heißt, die Wärmeabschirmplatte 70 wird innerhalb des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 gehalten und auf einer Außenseite der Membran 20 so angeordnet, dass die Wärmeabschirmplatte 70 ohne Last in einem Zustand, in dem kein Druck eines Verbrennungsgases aufgenommen wird, mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 in Kontakt steht.
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Wenn die Wärmeabschirmplatte 70 durch die Öffnung 11e einen Druck eines Verbrennungsgases aufnimmt, wird demnach die druckabhängige Last sofort über die Wärmeabschirmplatte 70 auf den flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 aufgebracht. Anschließend verformt sich die Membran 20 entsprechend der aufgenommenen Last, während sie durch die Wärmeabschirmplatte 70 von dem Verbrennungsgas abgeschirmt wird.
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Dementsprechend wird die Wärme des Verbrennungsgases durch die Wärmeabschirmplatte 70 im Wesentlichen abgeschirmt und die Wärmeübertragung auf die Membran 20 wird minimiert oder verhindert. Dementsprechend wird in dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 der Membran 20 ein Wärmeeinfluss durch ein Verbrennungsgas minimiert oder verhindert und im Wesentlichen wird nur ein Druck eines Verbrennungsgases aufgenommen.
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Da die Wärmeabschirmplatte 70 so angeordnet ist, dass sie mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 in Kontakt kommt, tritt außerdem keine der Bewegung entsprechende Aufprallkraft oder Aufprallschall auf, und die Eigenschaften der Membran 20 werden nicht beeinflusst.
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Darüber hinaus wird die Wärmeabschirmplatte 70 auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts 11 gehalten und nicht durch Schweißen oder dergleichen befestigt. Dementsprechend können als Material der Wärmeabschirmplatte 70 andere Materialien als ein metallisches Material verwendet werden, solange durch das Material eine Wärmeabschirmwirkung erzielt wird.
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Wie vorstehend beschrieben, kann auch in einer Messumgebung, die einem druckführenden Hochtemperaturmedium ausgesetzt ist, eine wärmebedingte Verformung der Membran 20 minimiert werden, und eine Kontaktposition zwischen dem Stangenabschnitt 22 der Membran 20 und der piezoelektrischen Substanz 32 des Druckmessteils 30 kann in einem erwarteten Setzzustand gehalten werden.
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Dadurch können die Schwankung einer auf den Druckmessteil 30 aufgebrachten Vorspannung und ein Ausgangsrauschen der piezoelektrischen Substanz 32 aufgrund der Schwankung einer Vorspannung verhindert werden.
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Aus diesem Grund kann ein Messfehler aufgrund thermischer Verformung oder dergleichen minimiert werden, und ein Druck eines Verbrennungsgases in dem Brennraum CH des Motors ist genau erfassbar.
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Das heißt, wenn die Membran 20 als Mechanismus vorübergehend durch Wärme verformt wird, während eine auf den Druckmessteil 30 aufgebrachte Vorspannung variiert und die Genauigkeit des erfassten Drucks verringert wird, kann in der Ausführungsform der Offenbarung, da die wärmebedingte Verformung der Membran 20 durch die Wärmeabschirmplatte 70 minimiert wird, der Druck genau erfasst werden durch: Wärmeabschirmung → Minimierung der thermischen Verformung der Membran 20 → Vermeidung einer Schwankung einer Vorspannung.
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Die 5 bis 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des offenbarungsgemäßen Drucksensors , welche die gleiche Ausgestaltung wie die oben genannte Ausführungsform aufweist - mit der Ausnahme, dass der zweite rohrförmige Abschnitt 11b, der die oben genannte Wärmeabschirmplatte 70 hält, abgeändert ist. Dementsprechend werden gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
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Der ausführungsgemäße Drucksensor umfasst ein Gehäuse 100, die Membran 20, den Druckmessteil 30, das Anpresselement 40, den Anschlussdraht 50, den Verbinder 60 und die Wärmeabschirmplatte 70.
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Das Gehäuse 100 ist in einer mehrstufigen zylindrischen Form ausgebildet, die den sich in Richtung der Achse S erstreckenden Innenraum A definiert, wobei ein Metallmaterial, wie ein ausscheidungshärtender oder ferntbasierter Edelstahl oder dergleichen verwendet wird.
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Dann umfasst das Gehäuse 100 einen rohrförmigen Spitzenabschnitt 110, den Dichtungsabschnitt 12, den Außengewindeabschnitt 13, den Öffnungsendabschnitt 14, die Innenwandflächen 15 und 16, den Innengewindeabschnitt 17 und ein mit dem rohrförmigen Spitzenabschnitt 110 gekoppeltes Koppelelement 120.
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Der rohrförmige Spitzenabschnitt 110 ist zylinderförmig mit einer zweistufigen Dicke in einem Bereich ausgebildet, der von dem Dichtungsabschnitt 12 in Richtung der Achse S zu einer Spitzenseite hin angeordnet ist, und umfasst einen ersten rohrförmigen Abschnitt 111, eine Stirnfläche 112 und das mit der Stirnfläche 112 gekoppelte Koppelelement 120.
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Dann umfasst das Koppelelement 120 einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 121, der mit dem ersten rohrförmigen Abschnitt 111 so gekoppelt ist, dass eine äußere Außenumfangswand durchgehend ist, einen ringförmigen Spitzenabschnitt 122, der an einer Spitzenseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121 ausgebildet ist, eine Stirnfläche 123, die an einer hinteren Stirnseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121 gebildet ist, und eine durch den ringförmigen Spitzenabschnitt 122 definierte Öffnung 124.
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Der erste rohrförmige Abschnitt 111 definiert eine Innenwandfläche lila mit zylindrischer Form, und eine Außenwandfläche desselben ist so angeordnet, dass sie an einer Innenumfangsfläche H1 einer Befestigungsbohrung des Zylinderkopfes H anliegt oder in engem Kontakt mit dieser ist, sodass die Außenwandfläche nicht ohne Weiteres einem Verbrennungsgas ausgesetzt werden kann.
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Die Stirnfläche 112 definiert eine Stufenfläche, die in einem Zustand, in dem der erste Rohrabschnitt 111 und der zweite Rohrabschnitt 121 miteinander gekoppelt sind, an einer Grenzfläche zwischen dem ersten rohrförmigen Abschnitt 111 und dem zweiten rohrförmigen Abschnitt 121 eine ringförmige Ebene senkrecht zur Achse S bildet.
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Die in einem Innenrandbereich der Stirnfläche 112 angeordnete Stufenfläche fungiert dann als Befestigungsfläche, an welcher der flexible plattenförmige Abschnitt 21 der Membran 20 durch Schweißen oder dergleichen befestigt ist.
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Der zweite rohrförmige Abschnitt 121 definiert eine Innenwandfläche 121a, die eine zylindrische Form mit einer Wanddicke aufweist, die kleiner ist als die des ersten rohrförmigen Abschnitts 111. Ein Innendurchmesser der Innenwandfläche 121a ist geringfügig größer als der Außendurchmesser D der Wärmeabschirmplatte 70.
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Der ringförmige Spitzenabschnitt 122 ist an einer Spitzenseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121 ringscheibenförmig ausgebildet, und definiert in seinem mittleren Bereich die kreisförmige Öffnung 124.
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Die Stirnfläche 123 ist in einer ringförmigen planaren Form ausgebildet und mit einem äußeren Umfangsrandbereich der Stirnfläche 112 gekoppelt.
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Die Öffnung 124 ist so ausgebildet, dass sie einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121 als dem rohrförmigen Spitzenabschnitt, sodass der Innendurchmesser der Öffnung 124 kleiner ist als der Außendurchmesser D der Wärmeabschirmplatte 70.
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Das heißt, der ringförmige Spitzenabschnitt 122 hält die Wärmeabschirmplatte 70 so auf einer Innenseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121, dass die Wärmeabschirmplatte 70 in Richtung der Achse S bewegbar ist und nicht abfällt.
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Hier wird die Wärmeabschirmplatte 70 in einem Zustand, in dem kein Druck eines Verbrennungsgases aufgenommen wird, so gehalten, dass sie dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 mit einem vorgegebenen Spielspalt C dazwischen gegenüberliegt.
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Hier kann der Spielspalt C so festgelegt sein, dass er in einem Bereich der Plattendicke t2 der Wärmeabschirmplatte 70, oder darunter, insbesondere bei etwa 0,1 bis 0,2 mm liegt.
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Außerdem ist der Außendurchmesser D der Wärmeabschirmplatte 70 größer als ein effektiver Durchmesser des flexiblen plattenförmigen Abschnitts 21, der als Membran fungiert, und kleiner als der Innendurchmesser des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121, sodass die Wärmeabschirmplatte 70 nicht aufgrund von Scheuern, Anhaften oder dergleichen unbewegbar ist, oder durch Gleiten auf einer Innenseite des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121 eine Erhöhung des Widerstands bewirkt.
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Außerdem kann die Wärmeabschirmplatte 70 so gehalten werden, dass sie in einem Zustand, in dem keine Last aufgebracht wird, mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 ohne Last in Kontakt kommt.
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Als Nächstes wird die Montage des die Ausgestaltung bildenden Drucksensors beschrieben.
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Zunächst werden das Gehäuse 100, das Koppelelement 120, die Membran 20, die piezoelektrische Substanz 32, die zweite Elektrode 33, mit der der Anschlussdraht 50 verbunden ist, das Schraubelement 41, das Isolierelement 42, der Verbinder 60, der Abstandshalter 61 und die Wärmeabschirmplatte 70 vorbereitet.
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Als Nächstes wird die Membran 20 an dem Gehäuse 100 montiert. Das heißt, der flexible plattenförmige Abschnitt 21 wird durch Schweißen oder dergleichen mit der Stirnfläche 112 des rohrförmigen Spitzenabschnitts 110 gekoppelt und an dieser befestigt.
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Als Nächstes werden die piezoelektrische Substanz 32, die zweite Elektrode 33, das Isolierelement 42 und das Schraubelement 41 von dem Öffnungsendabschnitt 14 aus in das Gehäuse 100 so eingesetzt, dass sie sich aufeinanderfolgend überlappen.
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Weiterhin können die piezoelektrische Substanz 32, die zweite Elektrode 33 und das Isolierelement 42 zuvor laminiert und vorübergehend montiert werden.
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Anschließend wird das Schraubelement 41 entsprechend verschraubt, und es wird eine vorbestimmte Vorspannung aufgebracht, um dem Druckmessteil 30 als Sensor lineare Kennlinien bereitzustellen.
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Anschließend wird der Abstandshalter 61 an dem Öffnungsendabschnitt 14 des Gehäuses 100 befestigt, der extrahierte Anschlussdraht 50 wird mit dem Verbinder 60 verbunden und der Verbinder 60 wird mit dem Abstandshalter 61 verbunden.
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In einem Zustand, in dem die Wärmeabschirmplatte 70 innerhalb des Koppelelements 120 aufgenommen ist, wird anschließend, wie in der 8 gezeigt, die Stirnfläche 123 des Koppelelements 120, mit der Stirnfläche 112 des rohrförmigen Spitzenabschnitts 110 gekoppelt und durch Schweißen oder dergleichen an dieser befestigt.
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Dementsprechend ist die Wärmeabschirmplatte 70 so montiert, dass sie auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts 110 des Gehäuses 100 gehalten wird.
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„Halten“ bedeutet hier, dass ein Element so abgestützt wird, dass es nicht herunterfällt, wobei es nicht unverrückbar an dem rohrförmigen Spitzenabschnitt 110 fixiert ist und in Richtung der Achse S bewegbar ist.
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Wie vorstehend beschrieben, ist die Montage des Drucksensors abgeschlossen.
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Ferner ist die Montagereihenfolge beispielhaft und nicht hierauf beschränkt, und eine andere Montagereihenfolge kann zum Einsatz kommen.
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In dem diese Ausgestaltung bildenden Drucksensor weisen der rohrförmige Spitzenabschnitt 110, die Membran 20 und die Wärmeabschirmplatte 70 eine in der 7 dargestellte Anordnungsbeziehung auf.
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Das heißt, die Wärmeabschirmplatte 70 ist auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts 110 gehalten und auf einer Außenseite der Membran 20 so angeordnet, dass sie in einem Zustand, in dem kein Druck eines Verbrennungsgases aufgenommen wird, dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 gegenüberliegt.
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Wenn die Wärmeabschirmplatte 70 durch die Öffnung 124 einen Druck eines Verbrennungsgases aufnimmt, kommt demnach die Wärmeabschirmplatte 70 sofort mit dem flexiblen plattenförmigen Abschnitt 21 in Kontakt.
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Anschließend verformt sich die Membran 20 entsprechend dem aufgenommenen Druck, während sie durch die Wärmeabschirmplatte 70 von dem Verbrennungsgas abgeschirmt wird.
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Dementsprechend wird die Wärme des Verbrennungsgases durch die Wärmeabschirmplatte 70 im Wesentlichen abgeschirmt und die Wärmeübertragung auf die Membran 20 wird minimiert oder verhindert.
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Indem ein Wärmeeinfluss durch das Verbrennungsgas minimiert oder verhindert wird, nimmt der flexible plattenförmige Abschnitt 21 der Membran 20 demnach im Wesentlichen nur einen Druck eines Verbrennungsgases auf.
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Da der Spielspalt C der Wärmeabschirmplatte 70 so festgelegt ist, dass er im Bereich der Plattendicke t2 der Wärmeabschirmplatte 70, oder darunter liegt, wird außerdem eine der Bewegung entsprechende Aufprallkraft reduziert, sodass kein Aufprallgeräusch oder dergleichen entsteht und auch die Eigenschaften der Membran 20 nicht beeinflusst werden.
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Auf diese Weise wird durch die Bereitstellung des Spielspalts C das Managen einer Dimension des zweiten rohrförmigen Abschnitts 121 in Richtung der Achse S erleichtert und die Managementkosten oder dergleichen können reduziert werden.
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Darüber hinaus wird die Wärmeabschirmplatte 70 auf einer Innenseite des rohrförmigen Spitzenabschnitts 110 gehalten und ist nicht durch Schweißen oder dergleichen befestigt. Folglich kann als das Material der Wärmeabschirmplatte 70, durch das eine Wärmeabschirmwirkung erzielt wird, ein von einem Metallmaterial verschiedenes Material verwendet werden.
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Wie vorstehend beschrieben, kann auch in einer Messumgebung, die einem druckführenden Hochtemperaturmedium ausgesetzt ist, eine wärmebedingte Verformung der Membran 20 minimiert werden, und eine Kontaktposition zwischen dem Stangenabschnitt 22 der Membran 20 und der piezoelektrischen Substanz 32 des Druckmessteils 30 kann in einem erwarteten Setzzustand gehalten werden.
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Dadurch können die Schwankung einer auf den Druckmessteil 30 aufgebrachten Vorspannung und ein Ausgangsrauschen der piezoelektrischen Substanz 32 aufgrund der Schwankung der Vorspannung verhindert werden.
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Aus diesem Grund kann ein Messfehler aufgrund thermischer Verformung oder dergleichen minimiert werden, und ein Druck eines Verbrennungsgases in dem Brennraum CH des Motors ist genau erfassbar.
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Die 9 ist ein Diagramm, das Vergleichsprüfdaten zeigt, die durch Messen eines Drucks eines Verbrennungsgases in einem Brennraum eines Motors unter Verwendung des Drucksensors gemäß der Ausführungsform der Offenbarung und eines Drucksensors des Standes der Technik erhalten werden.
- - Eingesetzter Motor: Zweizylinder-Benzinmotor, Abgasvolumen 1000 ccm
- - Betriebsbedingungen: Motordrehzahl 5000 U/min, Volllast
- - Referenzsensor: Sensor für die Präzisionsanalyse (hergestellt von AVL Co., Ltd.)
- - Ergebnisdaten: punktierte Linie → Sensor für die Präzisionsanalyse (Ist-Verbrennungsdruck), durchgezogene Linie → Drucksensor der Ausführungsform der Offenbarung, strichpunktierte Linie → Drucksensor des Stands der Technik
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Wie aus den in der 9 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, wird in dem Drucksensor der Ausführungsform der Offenbarung, der die Wärmeabschirmplatte 70 umfasst, im Vergleich zu dem Drucksensor im Stand der Technik ein Abweichungsbetrag von dem Ist-Verbrennungsdruck, d.h. ein Messfehler, reduziert.
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Auf diese Weise, kann gemäß dem Drucksensor der Ausführungsform der Offenbarung, die Sensorgenauigkeit verbessert werden, und ein Druck eines druckführenden Mediums, wie beispielsweise eines Verbrennungsgases oder dergleichen im Brennraum des Motors, kann genau erfasst werden.
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Auch wenn in der Ausführungsform als Membran die Membran 20, in welcher der flexible plattenförmige Abschnitt 21 und der Stangenabschnitt 22 einstückig ausgebildet sind, dargestellt ist, ist die Ausführungsform nicht hierauf beschränkt, und eine Ausgestaltung, in der der flexible plattenförmige Abschnitt 21 und der Stangenabschnitt 22 getrennt ausgebildet sind - der flexible plattenförmige Abschnitt 21 fungiert als Membran und der Stangenabschnitt 22 fungiert als Kraftübertragungselement - kann eingesetzt werden.
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In der Ausführungsform ist zwar eine Ausgestaltung dargestellt, in der die Membran 20 als erste Elektrode 31 des Druckmessteils 30 fungiert, es besteht jedoch keine Einschränkung hierauf, und eine Ausgestaltung, in der eine dedizierte Elektrode als erste Elektrode 31 vorgesehen ist, kann verwendet werden.
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Da, wie oben beschrieben, der Drucksensor der Ausführungsform der Offenbarung einen Wärmeeinfluss minimieren und einen Druck eines druckführenden Hochtemperaturmediums genau erfassen kann, kann der Drucksensor der Ausführungsform der Offenbarung insbesondere als ein Drucksensor eingesetzt werden, der dazu ausgelegt ist, einen Druck eines druckführenden Hochtemperaturmediums, wie beispielsweise eines Verbrennungsgases oder dergleichen in der Brennkammer eines Motors zu erfassen, und eignet sich als ein Drucksensor, der dazu ausgelegt ist, einen Druck eines von einem Verbrennungsgas verschiedenen druckführenden Hochtemperaturmediums, oder einen Druck eines anderen druckführenden Mediums zu erfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Rohrförmiger Spitzenabschnitt
- 11a
- Erster rohrförmiger Abschnitt
- 11b
- Zweiter rohrförmiger Abschnitt
- 11c
- Stufenfläche
- 11d
- Ringförmiger Spitzenabschnitt
- 11e
- Öffnung
- 20
- Membran
- 21
- Flexibler plattenförmiger Abschnitt
- t1
- Plattendicke
- 22
- Stangenabschnitt
- 30
- Druckmessteil
- 31
- Erste Elektrode
- 32
- Piezoelektrische Substanz
- 33
- Zweite Elektrode
- 70
- Wärmeabschirmplatte
- t2
- Plattendicke
- 100
- Gehäuse
- 110
- Rohrförmiger Spitzenabschnitt
- 111
- Erster rohrförmiger Abschnitt
- 112
- Stirnfläche (Stufenfläche)
- 120
- Koppelelement
- 121
- Zweiter rohrförmiger Abschnitt
- 122
- Ringförmiger Spitzenabschnitt
- 124
- Öffnung
- C
- Spielspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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