DE102021116322A1

DE102021116322A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102021116322A1
Application number: DE102021116322.6A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kaneta
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2022-01-20
Also published as: US20220018727A1; CN113959633A; JP2022020330A

Abstract

Ein Drucksensor ist bereitgestellt und enthält Gehäuse (10, 20), die gebildet sind, um eine röhrenförmige Form aufzuweisen; ein Druckmesselement (80), das in dem Gehäuse aufgenommen ist und eine piezoelektrische Substanz (83) enthält, eine Membran (30), die ein flexibles plattenförmige Teil (31) an einer Spitzenseite der Gehäuse befestigt hat und ein Übertragungsteil (32) auf einer Achse (S) hervorragt, um eine Last auf das Druckmesselement zu übertragen; und eine Wärmeabschirmplatte (40), die von den Gehäusen gehalten wird, so dass die Membran abgedeckt ist, kommt in Kontakt mit der Membran in einem zentralen Bereich, der dem Übertragungsteil (32) entspricht und definiert ein ringförmiges Hohlraum (Vs) zwischen der Wärmeabschirmplatte und der Membran in einem anderen Bereich als dem zentralen Bereich.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks eines Druckmittels bzw. eines Druckmediums und betrifft insbesondere einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks eines Hochtemperatur-Druckmediums wie eines Verbrennungsgases in einem Brennraum eines Motors.
Beschreibung des Stand der Technik
Hinsichtlich eines Drucksensors in dem Stand der Technik, ist ein Drucksensor bekannt, der enthält ein röhrenförmiges Gehäuse, eine Membran, die an eine Spitzenseite des Gehäuses geklebt bzw. gebondet ist und als Antwort auf einen empfangenen Druck gebogen wird, ein Sensorteil, das im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, ein Verbindungsteil, das die Membran und das Sensorteil miteinander verbindet, und ein wärmeempfangendes Teil, das als Wärmeabschirmplatte dient, die in Kontakt mit der gesamten Außenfläche der Membran angeordnet ist und von der ein zentraler Teil mit der Membran verschweißt ist (z. B. Patentdokument 1).
Da bei diesem Drucksensor die gesamte Wärmeabschirmplatte mit der Membran in Kontakt kommt, wird die auf die Wärmeabschirmplatte übertragene Wärme wahrscheinlich auf die Membran übertragen. Da ein zentraler Bereich der Wärmeabschirmplatte mit der Membran verschweißt ist, ist zudem wahrscheinlich ein Abstand zwischen der Membran und der Wärmeabschirmplatte in einem äußeren Umfangsbereich der Membran, so dass die Membran durch den erzeugten Abstand direkt einem Hochtemperatur-Verbrennungsgas ausgesetzt wird und somit der Einfluss der Wärme nicht gedrosselt oder verhindert werden kann.
Wenn die Membran den Wärmeeinfluss empfängt, kommt es zu Verformungen durch Wärmeausdehnung und die Genauigkeit des Sensorteils wird herabgesetzt. Wenn der Abstand durch Alterung groß wird, wird die Genauigkeit des Sensorteils weiter beeinträchtigt, und es besteht die Sorge, dass die Wärmeabschirmplatte aufgrund der Verschlechterung eines geschweißten Teils abfallen könnte.
Patentdokumente
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Nr. 2017-40516
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorstehenden Umstände gemacht und stellt einen Drucksensor bereit, der in der Lage ist, thermische Verformungen einzudämmen, indem eine Membran vor einem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt wird und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums mit hoher Genauigkeit erfasst wird, indem die Verschlechterung der Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert wird.
Ein erfindungsgemäßer Drucksensor weist eine Konstitution auf, einschließlich eines zylindrischen Gehäuses, das eine Achse definiert; ein Druckmesselement, das im Inneren des zylindrischen Gehäuse untergebracht ist und eine piezoelektrische Substanz enthält; eine Membran, die ein flexibles plattenförmiges Teil an einer Spitzenseite des zylindrischen Gehäuses befestigt hat und ein Übertragungsteil, das auf der Achse hervorragt, um eine Last auf das Druckmesselement zu übertragen; und eine Wärmeabschirmplatte, die von dem zylindrischen Gehäuse gehalten wird, so dass die Membran abgedeckt ist, in einem zentralen Bereich, der dem Übertragungsteil entspricht, mit der Membran in Kontakt kommt und definiert einen ringförmigen Hohlraum zwischen der Wärmeabschirmplatte und der Membran in einem anderen Bereich als der zentrale Bereich.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der das Übertragungsteil eine Säulenform aufweist, die sich auf der Achse zentriert, und die Wärmeabschirmplatte enthält ein scheibenförmiges Kontaktteil, das auf der Achse zentriert ist und mit einem Bereich in Kontakt kommt, der eine Kontur aufweist, entsprechend einem Außendurchmesser des Übertragungsteil, und ein ringförmiges Isolationsteil, das mit dem scheibenförmigen Kontaktteil verbunden ist und den Hohlraum definiert, durch Anordnen in einer Weise, die von dem flexiblen plattenförmigen Teil isoliert wird.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der das zylindrische Gehäuse mit einem äußeren Umfangsrandteil des ringförmigen Isolationsteils in Kontakt kommt und so ausgebildet ist, dass die Wärmeabschirmplatte gehalten wird, um einen Abstand in Bezug auf eine äußere Umfangsfläche des ringförmigen Isolationsteils zu definieren.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der das zylindrische Gehäuse eine Endfläche enthält, an der das flexible plattenförmige Teil in eine Richtung der Achse befestigt ist, und ein Spitzenrohrteil, das sich zur Spitzenseite in der Richtung der Achse über die Endfläche auf einer Außenseite in einer radialen Richtung von der Endfläche aus erstreckt, und die Wärmeabschirmplatte wird auf einer Innenseite des Spitzenrohrteils gehalten.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der der Spitzenrohrteil ausgebildet ist, so dass ein Abstand zwischen dem Spitzenrohrteil und einer äußeren Umfangsfläche des flexiblen plattenförmigen Teils definiert ist.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der der Spitzenrohrteil ein Spitzenteil aufweist, das einer Abdichtungs- bzw. Verstemmen-Verarbeitung unterzogen wird, um die Wärmeabschirmplatte zu halten.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der das zylindrische Gehäuse ein Ringelement enthält, das auf der Spitzenseite in der Richtung der Achse von der Wärmeabschirmplatte angeordnet ist und die Wärmeabschirmplatte hält, und das Ringelement wird an dem Spitzenrohrteil befestigt.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der das zylindrische Gehäuse ein Außengehäuse und ein Teil-Gehäuse enthält, das an einer Innenseite des Außengehäuses eingepasst und befestigt ist, das Teil-Gehäuse nimmt das Druckmesselement auf und weist die Endfläche auf und das Außengehäuse weist das Spitzenrohrteil auf.
Der Drucksensor kann eine Konstitution verwenden, in der das Druckmesselement eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode enthält, die gestapelt sind, so dass die piezoelektrische Substanz sandwhichartig eingeschlossen ist, ein erster Leiter, der von einem Zustand des isoliert Seins aus dem zylindrischen Gehäuse stammt bzw. abgeleitet wird, mit der ersten Elektrode verbunden ist und ein zweiter Leiter, der in einem Zustand des isoliert Seins aus dem zylindrischen Gehäuse abgeleitet wird, mit der zweiten Elektrode verbunden ist.
Gemäß dem Drucksensor mit der vorstehenden Konstitution ist es möglich, einen Drucksensor zu erhalten, der in der Lage ist, thermische Verformungen einzudämmen, indem eine Membran vor einem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt wird, das in der Lage ist, die Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss einzudämmen oder zu verhindern und einen Druck des Hochtemperatur-Druckmediums mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die das Erscheinungsbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht durch eine Achse des Drucksensors, die in 1 dargestellt ist.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Sensormoduls und einer Wärmeabschirmplatte, die in dem Drucksensor enthalten ist, dargestellt in 1.
4 ist eine partielle Querschnittsansicht des Drucksensors, dargestellt in 1.
5 ist eine partielle Querschnittsansicht des Drucksensors an einer um 90 Grad gedrehten Position um eine Achse S in Bezug auf den in 4 dargestellten Querschnitt.
6 ist eine partielle Querschnittsansicht, die ein Gehäuse, eine Membran und die Wärmeabschirmplatte in der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
7 zeigt die Wärmeabschirmungseffekte der erfindungsgemäßen Wärmeabschirmplatte und ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung der Membran veranschaulicht, wenn ein Abstand zwischen der Wärmeabschirmplatte und der Membran geändert wird.
8 ist eine partielle Querschnittsansicht, die das Gehäuse, die Membran und die Wärmeabschirmplatte in einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
9 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Sensormoduls, der Wärmeabschirmplatte und eines ringförmigen Elements in einer dritten Ausführungsform.
10 ist eine partielle Querschnittsansicht, die das Gehäuse, die Membran, die Wärmeabschirmplatte und das ringförmige Element in der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Änderungsbeispiel einer im erfindungsgemäßen Drucksensor enthaltenen Wärmeabschirmplatte veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, wird ein Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform an einem Zylinderkopf Eh eines Motors befestigt und erfasst einen Druck eines Verbrennungsgases als ein Druckmedium in einem Brennraum.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, enthält der Drucksensor gemäß der ersten Ausführungsform ein Außengehäuse 10 und ein Teil-Gehäuse 20, das als zylindrisches Gehäuse H dient, das eine Achse S, eine Membran 30, eine Wärmeabschirmplatte 40, eine Halteplatte 50, ein Positionierelement 60, ein Wärmeisolationselement 70 definiert, ein Druckmesselement 80, ein Vorlast- bzw. Vorspannungs-auftragendes Element 90, ein Leitungsdraht 101 als erster Leiter, ein Leitungsdraht 102 als zweiter Leiter und ein Verbinder bzw. Stecker 110.
Hierbei besteht das Druckmesselement 80 aus einer ersten Elektrode 81, einer piezoelektrischen Substanz 82 und einer zweiten Elektrode 83, die in dieser Reihenfolge in einer Achse S-Richtung von einer Spitzenseite des Gehäuses gestapelt werden.
Das Vorspannungsauftragende-Element 90 besteht aus einem Befestigungselement 91 und einem Isolationselement 92.
Verwendend ein Metallmaterial wie Ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl oder ferritischer rostfreier Stahl, wie in 1 und 2 dargestellt, das Außengehäuse 10 ist ausgebildet, so dass es eine zylindrische Form aufweist, die sich in die Achse S-Richtung erstreckt und ein Spitzenrohrteil 11, eine passende Innenumfangswand 12, ein Stufenteil 13, einen Eindringweg 14, ein männliches Schraubteil 15, das auf einer äußeren Umfangsfläche gebildet ist, ein Flanschteil 16 und ein Steckverbinderkupplungsteil 17.
Wie in 4 und 5 dargestellt, ist das Spitzenrohrteil 11 ein Bereich zum Aufnehmen der Membran 30 und der Wärmeabschirmplatte 40, und eine Innendurchmesserabmessung einer inneren Umfangswand 11a ist ausgebildet, um größer als eine Außendurchmesserabmessung einer äußeren Umfangswand 21 des Teil-Gehäuses 20 zu sein.
Darüber hinaus wird das Spitzenrohrteil 11 ausgebildet, um sich zu der Spitzenseite in der Achse S-Richtung über eine Endfläche 23 auf einer Außenseite in einer radialen Richtung von der Endfläche 23 des Teil-Gehäuses 20 auszudehnen, an dem ein flexibles plattenförmiges Teil 31 der Membran 30 in der S-Achsen-Richtung befestigt ist.
Verwendend ein Metallmaterial wie Ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl oder ferritischer rostfreier Stahl, wie in 4 und 5 dargestellt, ist das Teil-Gehäuse 20 ausgebildet, um eine zylindrische Form aufzuweisen, die sich in die Achse S-Richtung erstreckt und die äußere Umfangswand 21, eingepasst an die passende Innenumfangwand 12, eine innere Umfangswand 22, zentriert auf der Achse S, die Endfläche 23 und eine Endfläche 24 enthält.
Die Endfläche 23 ist ein Bereich, der an einen äußeren Umfangsrandbereich des flexiblen plattenförmigen Teils 31 der Membran 30 grenzt und in der Achse S-Richtung befestigt ist.
Die Endfläche 24 ist ein Bereich, an den das Stufenteil 13 des Außengehäuses 10 grenzt.
Weiterhin ist das Teil-Gehäuse 20 an einer Innenseite des Außengehäuses 10 eingepasst und wird dadurch durch Schweißen oder dergleichen in einem Zustand befestigt, in dem die Membran 30, die Halteplatte 50, das Positionierelement 60, das Wärmeisolationselement 70, das Druckmesselement 80, das Vorspannungsauftragende-Element 90, der Leitungsdraht 101 und der Leitungsdraht 102 montiert sind.
Die Membran 30 wird beispielsweise aus einem Metallmaterial wie einem Ausscheidungsgehärteten rostfreier Stahlblech mit einer Plattendicke im Bereich von ca. 0,2 mm bis 0,4 mm (SUS630) ausgebildet und enthält das flexible plattenförmige Teil 31 und ein Übertragungsteil 32, das ausgebildet ist, um an das flexible plattenförmige Teil 31, wie in 4 bis 6 dargestellt, verbunden zu sein.
Das flexible plattenförmige Teil 31 ist ausgebildet, um eine elastisch verformbare Scheibenform mit einem Außendurchmesser aufzuweisen, der der Außendurchmesserabmessung des Teil-Gehäuses 20 entspricht, und dessen äußerer Umfangsrandbereich an die Endfläche 23 des Teil-Gehäuses 20 in der Achsen- S Richtung grenzt und wird dadurch durch Schweißen oder dergleichen befestigt.
Das Übertragungsteil 32 ist ausgebildet, um eine Säulenform aufzuweisen, zentriert auf der Achse S auf der Innenseite des flexiblen plattenförmigen Teils 31 und in Richtung der Innenseite des Teil-Gehäuses 20 in die Achse S - Richtung herausragt.
Eine äußere Umfangswand 32a des Übertragungsteils 32 ist mit einem ringförmigen Hohlraum zwischen dem Übertragungsteil 32 und der inneren Umfangswand 22 des Teil-Gehäuses 20 angeordnet.
Darüber hinaus spielt das Übertragungsteil 32 eine Rolle beim Übertragen einer von der Membran 30 empfangenen Kraft auf die piezoelektrische Substanz 82 über die Halteplatte 50, das Wärmeisolationselement 70 und die erste Elektrode 81.
Da das Übertragungsteil 32 bereitgestellt ist, wird zudem eine Wärmeübertragung auf die Membran 30 durch das Übertragungsteil 32 mit einer verengten Fläche begrenzt, wenn die Wärme in das Innere des Teil-Gehäuses 20 übertragen wird. Daher kann die Menge der Wärmeübertragung, die sich von der Membran 30 nach innen bewegt, gedrosselt werden.
Die Membran 30 mit der vorstehenden Form definiert einen wirksamen Teil A, in dem ein ringförmiger Bereich von der äußeren Umfangswand 32a des Übertragungsteils 32 zu der inneren Umfangswand 22 des Teil-Gehäuses 20 wirksam elastisch verformt ist und bei Empfang einer Last, die einem Druck eines Verbrennungsgases entspricht, in Achsenrichtung S elastisch verformt wird.
Genauer gesagt, wie in 6 dargestellt, ist der wirksame Teil A ein torischer Bereich, der einen kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser 2R zu einem kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser 2r ausschließt, wenn ein Radius der äußeren Umfangswand 32a r und ein Radius der inneren Umfangswand 22 des Teil-Gehäuses 20R zentriert ist.
Das heißt, der wirksame Teil A ist ein Bereich, der mit günstiger Reproduzierbarkeit als Antwort auf einen empfangenen Druck elastisch verformt wird und direkt die Sensorgenauigkeit des Druckmesselements 80 beeinflusst, wenn die Membran 30 einen Druck des Druckmediums empfängt.
Andererseits besteht die Sorge, dass sich der wirksame Teil A bei Empfang des Wärmeeinflusses eines Verbrennungsgases thermisch ausdehnt und zusätzlich zu einem Druck des Druckmediums eine Verformungskraft auf das Übertragungsteil 32 anwenden kann. Daher ist der wirksame Teil A auch ein Bereich, der wünschenswert ist, um Hitzeabschirmung unterzogen zu werden.
Die Wärmeabschirmplatte 40 wird beispielsweise mit einem Metallmaterial wie einem austenitischen rostfreien Stahlblech mit einer Plattendicke im Bereich von etwa 0,3 mm bis 0,4 mm (SUS304) press-geformt und enthält ein scheibenförmiges Kontaktteil 41 und ein ringförmiges Isolationsteil 42.
Das scheibenförmige Kontaktteil 41 ist ausgebildet, um eine Scheibenform aufzuweisen, die auf der Achse S zentriert ist und mit einem Bereich in Kontakt kommt, der eine Kontur aufweist, die einem Außendurchmesser (der äußeren Umfangswand 32a) des Übertragungsteils 32 in einer Richtung senkrecht zu der Achse S entspricht, d.h. in Kontakt mit der Membran 30 in einem zentralen Bereich (einem kreisförmigen Bereich mit dem Durchmesser 2r) kommt, der dem Übertragungsteil 32 entspricht.
Das ringförmige Isolationsteil 42 weist eine torische Plattenform mit einem Zylinder auf, der ausgebildet ist, um mit dem scheibenförmigen Kontaktteil 41 verbunden zu sein, in der Achse S-Richtung gebogen und sich in der radialen Richtung erstreckt und in einer Weise angeordnet ist, die von dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 durch einen Spalt L isoliert ist, um einen ringförmigen Hohlraum zwischen dem ringförmigen Isolationsteil 42 und der Membran 30 in einem anderen Bereich als der dem Übertragungsteil 32 entsprechende zentrale Bereich, d.h., dass er so in einer Weise angeordnet ist, dass er von dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 isoliert ist und der ringförmige Hohlraum Vs zwischen dem ringförmigen Isolationsteil 42 und dem Membran 30 definiert ist.
Wenn sich der Spalt L vergrößert, nimmt der Hohlraum Vs zu und ein wärmeisolierender Effekt wird verstärkt. Unter Berücksichtigung der Miniaturisierung, der Einschränkungen eines Layouts und eines erforderlichen wärmeisolierenden Effekts wird der Spalt L jedoch einen Wert in einem Bereich aufweisen, der etwa ein- bis zweifach so dick ist wie die Plattendicke der Wärmeabschirmplatte 40.
Der Spalt L ist nicht auf den vorstehenden Wert beschränkt und kann eingestellt werden, um andere Werte zu enthalten, solange andere Einschränkungen zulässig sind.
In Bezug auf ein Material der Wärmeabschirmplatte 40 ist es vorzuziehen, ein Material mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichneter Haltbarkeit zu verwenden. Zum Beispiel können zusätzlich zu dem vorgenannten rostfreien Stahl eine Nickellegierung, eine Legierung auf Eisenbasis, eine Titanlegierung oder dergleichen verwendet werden. Zum Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise 15 W/m-K oder niedriger und besonders bevorzugt 5 W/m·K oder niedriger.
Darüber hinaus kann bezüglich eines Materials der Wärmeabschirmplatte 40 bei Verwendung eines Materials mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als die Membran 30 die Wärmeübertragung von einem Hochtemperatur-Druckmedium auf die Membran 30 über die Wärmeabschirmplatte 40 wirksam gedrosselt werden.
Weiterhin wird, wie in 4 und 5 dargestellt, die Wärmeabschirmplatte 40 in das Spitzenrohrteil 11 des Außengehäuses 10 eingesetzt, das scheibenförmige Kontaktteil 41 überlappt den zentralen Bereich der Membran 30, um damit von der Außenseite in der Achse S-Richtung in Kontakt zu kommen, ein Spitzenteil 11b des Spitzenrohrteils 11 einer Verstemmen-Verarbeitung unterzogen wird, und in einem Zustand, in dem eine äußere Umfangsfläche 42a des ringförmigen Isolationsteils 42 mit der inneren Umfangswand 11a des Spitzenrohrteils 11 in Kontakt kommt, befindet sich ein äußeres Umfangsrandteil 42b in einem Zustand, der von dem äußeren Gehäuse 10 gehalten wird.
Das heißt, die Wärmeabschirmplatte 40 ist angeordnet, so dass die Membran 30, die dem Hochtemperatur-Druckmedium (Hochtemperatur-Verbrennungsgas) ausgesetzt ist, von der Außenseite in der Achse S-Richtung abgedeckt ist und von dem Außengehäuse 10 gehalten wird, ohne daran durch Schweißen oder dergleichen fixiert zu sein, während der Hohlraum Vs versiegelt ist.
Da die Wärmeabschirmplatte 40 mit der vorstehenden Konstitution als ein Element unabhängig von der Membran 30 gebildet wird, wiederholt sie allein als Antwort auf die von dem Hochtemperatur-Druckmedium empfangene Wärme Ausdehnung und Kontraktion und gibt Wärme ab. Da es sich um getrennte Elemente handelt, bildet sich auch eine thermische Barriere zwischen der Wärmeabschirmplatte 40 und der Membran 30, und die Wärmeabschirmplatte 40 funktioniert, um die Wärmeübertragung auf die Membran 30 zu drosseln.
Insbesondere, da die Wärmeabschirmplatte 40 ausgebildet ist, so dass der ringförmige Hohlraum Vs zwischen der Wärmeabschirmplatte 40 und dem wirksamen Teil A der Membran 30 definiert ist, kann eine wärmeisolierende Wirkung durch eine Gasschicht wie Luft in dem Hohlraum Vs verstärkt werden und die Menge der Wärmeübertragung, die auf die Membran 30 übertragen wird, gedrosselt werden.
Da die Wärmeabschirmplatte 40 nicht durch Schweißen oder dergleichen an der Membran 30 oder dem Außengehäuse 10 befestigt ist und durch einfaches damit in Kontakt kommen gehalten wird, kann auch wenn thermische Verformung auftritt, der Einfluss der thermischen Verformung der Wärmeabschirmplatte 40 auf die Membran 30 oder das Außengehäuse 10 gedrosselt oder verhindert werden.
Dementsprechend kann die Verformung der Membran 30 durch thermische Ausdehnung gedrosselt werden, der Verschlechterung der Sensorgenauigkeit des Druckmesselements 80 durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert werden, und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Unter Verwendung eines Metallmaterials wie Ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl oder ferritischer rostfreier Stahl, wie in 4 und 5 dargestellt, ist die Halteplatte 50 ausgebildet, um eine Scheibenform mit einem Außendurchmesser aufzuweisen, der größer ist als der Außendurchmesser des Übertragungsteils 32.
Weiterhin ist die Halteplatte 50 zwischen dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 und dem Wärmeisolationselement 70 sandwichartig zwischenpositioniert, hält das Positionierelement 60 so, dass es von dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 isoliert ist, und spielt eine Rolle bei der Definition eines Hohlraumes zwischen dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 der Membran 30 und dem Positionierelement 60.
Demnach kann durch das Vorhandensein des vorgenannten Hohlraums die Wärmeübertragung von der Membran 30 in Richtung der Innenseite des Teil-Gehäuses 20 effizient gedrosselt werden.
Die Halteplatte 50 kann aus einem Isoliermaterial oder anderen Materialien gebildet werden, solange das Material eine hohe mechanische Steifigkeit aufweist.
Unter Verwendung eines Isoliermaterials mit elektrischen Isoliereigenschaften und Wärmedämmeigenschaften, wie in 4 und 5 dargestellt, ist das Positionierelement 60 ausgebildet, um eine zylindrische Form aufzuweisen, sich erstreckend in die Achse S-Richtung und enthält ein Eindring-Hohlraum 61, ein passendes Aussparungsteil 62, eine äußere Umfangsfläche 63 und zwei Ausschnittnuten 64 enthält, die es den Leitungsdrähten 101 und 102 ermöglichen, dadurch zu führen.
Das Eindringloch 61 wird als ein kreisförmiges Loch gebildet, zentrierend auf der Achse S und sich erstreckend in Richtung Achse S.
Das passende Aussparungsteil 62 ist als ein kreisförmiges Aussparungsteil auf der Achse S ausgebildet, um die Halteplatte 50 zu empfangen.
Die äußere Umfangsfläche 63 ist als Zylinderfläche ausgebildet, zentrierend auf der Achse S, um an der inneren Umfangswand 22 des Teil-Gehäuses 20 eingepasst zu werden.
Die beiden Ausschnittnuten 64 weisen die gleiche Tiefenabmessung in Achse S-Richtung auf und sind an punktsymmetrischen Positionen 180 Grad voneinander um die Achse S angeordnet.
Ein Isoliermaterial, das das Positionierelement 60 bildet, weist vorzugsweise eine große Wärmekapazität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Zum Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise 15 W/m·K oder niedriger und besonders bevorzugt 5 W/m·K oder niedriger. Beispiele für ein bestimmtes Material enthalten Keramik wie Quarzglas, Steatit, Zirkonia, Cordierit, Forsterit, Mullit oder Yttria oder ein leitfähiges Material, das einer Isolierungsverarbeitung unterzogen wird.
Weiterhin wird das Positionierelement 60 durch die Halteplatte 50 gestützt, die an das Übertragungsteil 32 grenzt, ist an der Innenumfangwand 22 des Teil-Gehäuses 20 eingepasst und hält das Wärmeisolationselement 70, das Druckmesselement 80, bestehend aus der ersten Elektrode 81, der piezoelektrischen Substanz 82 und der zweiten Elektrode 83, und das Isolationselement 92, die Positionieren in einem gestapelten Zustand innerhalb des Eindring-Lochs 61 unterzogen wurden.
Das heißt, das Positionierelement 60 ist auf der Innenseite des Teil-Gehäuses 20 angeordnet, bildend einen Abschnitt des Gehäuses und spielt eine Rolle bei der Positionierung des Wärmeisolationselements 70, des Druckmesselements 80 und des Isolationselements 92 auf der Achse S des Gehäuses, indem diese in das Eindring-Loch 61 eingepasst werden.
Daher können auf Basis des Positionierelements 60 das Wärmeisolationselement 70 und die erste Elektrode 81, die piezoelektrische Substanz 82 und die zweite Elektrode 83, die das Druckmesselement 80 bildet, Positionieren auf der Achse S unterzogen werden und leicht montiert werden, während die Isoliereigenschaften der beiden Elektroden gewährleistet sind.
Die Wärmeleitfähigkeit des Positionierelements 60 entspricht vorzugsweise der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeisolationselements 70 und niedriger als die Wärmeleitfähigkeit des Isolationselements 92. Dementsprechend kann das Positionierelement 60 auch als ein Wärmeisolationselement fungieren.
Da das Positionierelement 60 zudem in einer Weise angeordnet ist, dass es von der Halteplatte 50 gestützt ist und von dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 der Membran 30 isoliert ist und so ausgebildet ist, dass das Wärmeisolationselement 70 umgeben ist, kann die Wärmeübertragung von der Membran 30 und dem Wandteil des Gehäuses zu der piezoelektrischen Substanz 82 effizienter gedrosselt werden.
Unter Verwendung eines Isoliermaterials mit elektrischen Isoliereigenschaften und Wärmedämmeigenschaften, wie in 3 bis 5 dargestellt, ist das Wärmeisolationselement 70 ausgebildet, um eine Säulenform mit einem Außendurchmesser aufzuweisen, der dem Außendurchmesser der ersten Elektrode 81 entspricht.
Ein Isoliermaterial, das das Wärmeisolationselement 70 bildet, weist vorzugsweise eine große Wärmekapazität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Zum Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise 15 W/m-K oder niedriger und besonders bevorzugt 5 W/m·K oder niedriger. Beispiele für ein bestimmtes Material enthalten Keramik wie Quarzglas, Steatit, Zirkonia, Cordierit, Forsterit, Mullit oder Yttria oder ein leitfähiges Material, das einer Isolierungsverarbeitung unterzogen wird.
Weiterhin wird das Wärmeisolationselement 70 in enger Kontaktweise zwischen der Halteplatte 50 an das Übertragungsteil 32 der Membran 30 und der ersten Elektrode 81 auf der Innenseite des Teil-Gehäuses 20 angeordnet.
Dementsprechend funktioniert das Wärmeisolationselement 70, um die Wärmeübertragung von der Membran 30 zu der ersten Elektrode 81 zu drosseln.
Das heißt, eine Last durch den Druck, den die Membran 30 empfängt, wird über die Halteplatte 50, das Wärmeisolationselement 70 und die erste Elektrode 81 auf die piezoelektrische Substanz 82 übertragen. Andererseits wird die Wärmeübertragung von der Membran 30 zu der ersten Elektrode 81 durch das Wärmeisolationselement 70 gedrosselt.
So wird der Wärmeeinfluss auf die piezoelektrische Substanz 82 neben der ersten Elektrode 81 gedrosselt, Fluktuation eines Bezugspunkts (Nullpunkt) eines Sensorausgangs verhindert und die erwartete Sensorgenauigkeit erreicht.
Das Druckmesselement 80 weist die Funktion auf, einen Druck zu erfassen und enthält die erste Elektrode 81, die piezoelektrische Substanz 82 und die zweite Elektrode 83, die in dieser Reihenfolge in der Achse S-Richtung von der Spitzenseite auf der Innenseite des Teil-Gehäuses 20 gestapelt werden, wie in 3 bis 5 dargestellt.
Unter Verwendung eines leitfähigen Metallmaterials wie Ausscheidungsgehärteten rostfreien Stahl oder ferritischer rostfreier Stahl wird die erste Elektrode 81 so ausgebildet, dass eine Säulenform oder eine Scheibenform mit einem Außendurchmesser in das Eindring-Loch 61 des Positionierelements 60 eingebaut ist.
Weiterhin ist die erste Elektrode 81 so angeordnet, dass eine Oberfläche mit dem Wärmeisolationselement 70 in engen Kontakt kommt und die andere Oberfläche in engen Kontakt mit der piezoelektrischen Substanz 82 innerhalb des Eindring-Lochs 61 des Positionierelements 60 kommt.
Die piezoelektrische Substanz 82 ist so ausgebildet, dass sie eine viereckige Prismenform mit Abmessungen aufweist, die nicht mit dem Eindring-Loch 61 des Positionierelements 60 in Kontakt kommen.
Weiterhin ist die piezoelektrische Substanz 82 so angeordnet, dass eine Oberfläche mit der ersten Elektrode 81 in engen Kontakt kommt und die andere Oberfläche mit der zweiten Elektrode 83 innerhalb des Eindring-Lochs 61 des Positionierelements 60 in engen Kontakt kommt.
Dementsprechend gibt die piezoelektrische Substanz 82 ein elektrisches Signal basierend auf einer Verformung aufgrund einer in der Achse S Richtung empfangenen Last aus.
In Bezug auf die piezoelektrische Substanz 82 wird Keramik wie Zinkoxid (ZnO), Bariumtitanat (BaTiO₃) oder Bleizirkonattitanat (PZT), Kristall oder dergleichen aufgetragen.
Unter Verwendung eines leitfähigen Metallmaterial wie Ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl oder ferritischer rostfreier Stahl ist die zweite Elektrode 83 ausgebildet, um eine Säulenform oder eine Scheibenform mit einem Außendurchmesser aufweist, das in das Eindring-Loch 61 des Positionierelements 60 eingepasst ist.
Weiterhin ist die zweite Elektrode 83 so angeordnet, dass eine Oberfläche mit der piezoelektrischen Substanz 82 in engen Kontakt kommt und die andere Oberfläche mit dem Isolationselement 92 innerhalb des Eindring-Lochs 61 des Positionierelements 60 in engen Kontakt kommt.
Wie in 3 bis 5 dargestellt, ist das Vorspannungsauftragende-Element 90 auf der Innenseite des Teil-Gehäuses 20 angeordnet, bildet einen Abschnitt des Gehäuses, wendet eine Vorspannung an, durch Druckbeaufschlagen des Druckmesselements 80 auf die Membran 30, spielt eine Rolle, lineare Eigenschaften als einen Sensor an das Druckmesselement 80 zu vermitteln und besteht aus dem Befestigungselement 91 und dem Isolationselement 92.
Unter Verwendung eines Metallmaterials wie Ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl oder ferritischer rostfreier Stahl ist das Befestigungselement 91 ausgebildet, um im Wesentlichen eine feste Säulenform aufzuweisen, zentrierend auf der Achse S und in dem zentralen Bereich keine Hohlräume oder Aufhellungen aufweist, die eine Fläche einnehmen, die dem Eindring-Loch 61 entspricht oder größer ist.
Darüber hinaus enthält das Befestigungselement 91 zwei vertikale Nuten 91a in einem äußeren Umfangsbereich, der von dem zentralen Bereich abweicht.
Die beiden vertikalen Nuten 91a sind in erleichterter Weise an punktsymmetrischen Positionen 180 Grad voneinander um die Achse S gebildet, um es den Leitungsdrähten 101 bzw. 102 zu ermöglichen jeweils dadurch durchlaufen zu können.
Unter Verwendung eines Isoliermaterials mit hohen elektrischen Isoliereigenschaften ist das Isolationselement 92 ausgebildet, um eine Säulenform oder eine Scheibenform mit einem Außendurchmesser aufzuweisen, eingepasst in das Eindring-Loch 61 des Positionierelements 60.
Das heißt, das Isolationselement 92 ist ausgebildet, um eine feste Form aufzuweisen, aufweisend keinen Hohlraum oder Aufhellung in dem gesamten Bereich, der die Fläche einnimmt, die dem Eindring-Loch 61 entspricht.
Darüber hinaus hält das Isolationselement 92 die elektrische Isolierung zwischen der zweiten Elektrode 83 und dem Befestigungselement 91 aufrecht und funktioniert, um Wärme, übertragen zu der piezoelektrischen Substanz 82, zu dem Befestigungselement 91 zu führen.
In dieser Ausführungsform sind das Wärmeisolationselement 70, die erste Elektrode 81, die zweite Elektrode 83 und das Isolationselement 92 ausgebildet, um im Wesentlichen die gleiche Außendurchmesserabmessung und im Wesentlichen die gleiche Dickenabmessung, d. h. im Wesentlichen die gleiche Form, aufzuweisen.
Ein Isoliermaterial des Isolierelements 92 weist vorzugsweise eine geringe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispiele für ein bestimmtes Material sind Keramik wie Aluminiumoxid, Saphir, Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid oder ein leitfähiges Material, das einer Isolierungsverarbeitung unterzogen wird.
Darüber hinaus weist das Isolationselement 92 vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit auf, die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeisolationselements 70, z.B. 30 W/m·K oder höher. Darüber hinaus weist das Isolationselement 92 vorzugsweise eine geringere Wärmekapazität als das Wärmeisolationselement 70 auf.
Demnach wird die Wärmeübertragung auf die piezoelektrische Substanz 82 durch das Wärmeisolationselement 70 so weit wie möglich gedrosselt, während die an die piezoelektrische Substanz 82 übertragene Wärme durch das Isolationselement 92 fließt, so dass die Wärmefreisetzung gefördert werden kann.
In Bezug auf die Montage des Vorspannungsauftragenden-Elements 90 mit der vorstehenden Konstitution, wie in 4 und 5 dargestellt, wird das Isolationselement 92 in das Eindring-Loch 61 eingepasst, dass es an die zweite Elektrode 83 in einem Zustand angrenzt, in dem das Druckmesselement 80 innerhalb des Positionierelements 60 angeordnet ist. Weiterhin grenzt das Isolierelement 92 an das Befestigungselement 91, so dass das Druckmesselement 80 in Richtung der Membran 30 in die Achse S-Richtung gedrückt wird und das Befestigungselement 91 durch Schweißen oder ähnliches am Teil-Gehäuse 20 befestigt wird in einem Zustand, in dem eine Vorspannung darauf angewendet wird.
Auf diese Weise können lineare Eigenschaften als ein Sensor an dem Druckmesselement 80 durch Anlegen einer Vorspannung unter Verwendung des Vorspannungsauftragenden-Element 90 vermittelt werden. Darüber hinaus hält das Isolationselement 92 die elektrische Isolierung zwischen der zweiten Elektrode 83 und dem Befestigungselement 91 aufrecht und funktioniert, um Wärme, übertragen an die piezoelektrische Substanz 82, an das Befestigungselement 91 zur Wärmefreisetzung zu leiten. Daher weist das Isolationselement 92 vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität auf, wie oben beschrieben.
Wie in 2 und 4 dargestellt, ist der Leitungsdraht 101 elektrisch mit der ersten Elektrode 81 des Druckmesselements 80 verbunden, durchläuft eine Ausschnittnut 64 des Positionierelements 60, eine vertikale Nut 91a des Befestigungselements 91 und den Eindringweg 14 des Außengehäuses 10 und wird in einem Zustand der Isolierung von dem Außengehäuse 10 zu dem Stecker 110 geleitet und abgeleitet.
Das heißt, die erste Elektrode 81 wird über den Leitungsdraht 101 an einen Anschluss 112 des Steckers 110 verbunden und über einen externen Stecker elektrisch an eine elektrische Schaltung auf einer Erdungsseite (negative Seite) verbunden.
Wie in 2 und 4 dargestellt, ist der Leitungsdraht 102 elektrisch mit der zweiten Elektrode 83 des Druckmesselements 80 verbunden, durchläuft die andere Ausschnittnut 64 des Positionierelements 60, die andere vertikale Nut 91a des Befestigungselements 91 und den Eindringweg 14 des Außengehäuses 10, und wird zu dem Stecker 110 in einem Zustand der Isolierung aus dem Außengehäuse 10 geführt und abgeleitet.
Das heißt, die zweite Elektrode 83 wird über den Leitungsdraht 102 an einen Anschluss 113 des Steckers 110 verbunden und über den externen Stecker elektrisch an die elektrische Schaltung auf einer Ausgangsseite (positive Seite) verbunden.
Wie in 2 dargestellt, enthält der Stecker 110 ein Gelenkteil 111, das mit dem Steckerverbinderkopplungsteil 17 des Außengehäuses 10 verbunden ist, der Anschluss 112 an das Gelenkteil 111 befestigt und elektrisch an den Leitungsdraht 101 verbunden ist, und der Anschluss 113, der an den Anschluss 112 befestigt ist, mit einem Isolationselement dazwischen und elektrisch an den Leitungsdraht 102 verbunden ist.
Die Anschlüsse 112 und 113 sind eingestellt, um jeweils an Verbindungsanschlüssen des externen Steckers verbunden werden.
Als nächstes werden die Montagearbeiten des Drucksensors mit der vorstehenden Konstitution beschrieben.
Während des Arbeiten, das Außengehäuse 10, das Teil-Gehäuse 20, die Membran 30, die Wärmeabschirmplatte 40, ein Ringelement 45, die Halteplatte 50, das Positionierelement 60, das Wärmeisolationselement 70, die erste Elektrode 81, die piezoelektrische Substanz 82, die zweite Elektrode 83, das Befestigungselement 91, das Isolierelement 92, der Leitungsdraht 101 , der Leitungsdraht 102 und der Stecker 110 sind vorbereitet.
Zunächst wird das flexible plattenförmige Teil 31 der Membran 30 durch Schweißen oder dergleichen an der Endfläche 23 des Teil-Gehäuses 20 befestigt.
Als nächstes werden die Halteplatte 50 und das Positionierelement 60 in das Teil-Gehäuse 20 eingepasst. Anschließend werden das Wärmeisolationselement 70, die erste Elektrode 81, an die der Leitungsdraht 101 verbunden ist, die piezoelektrische Substanz 82, die zweite Elektrode 83, an die der Leitungsdraht 102 verbunden ist, und das Isolationselement 92 in dieser Reihenfolge gestapelt und in das Positionierelement 60 eingepasst.
Die Leitungsdrähte 101 und 102 können im folgenden Schritt jeweils mit der ersten Elektrode 81 und der zweiten Elektrode 83 verbunden werden.
Danach wird das Befestigungselement 91 so in das Teil-Gehäuse 20 eingepasst, dass das Isolationselement 92 gedrückt wird und das Befestigungselement 91 durch Schweißen oder dergleichen in einem Zustand, in dem eine Vorspannung daran aufgebracht wird, an dem Teil-Gehäuse 20 befestigt wird.
Entsprechend wird, wie in 4 und 5 dargestellt, ein Sensormodul M gebildet.
Eine Methode zur Montage des Sensormoduls M ist nicht auf das vorgenannte Verfahren beschränkt. Die Halteplatte 50, das Wärmeisolationselement 70, die erste Elektrode 81, die piezoelektrische Substanz 82, die zweite Elektrode 83 und das Isolationselement 92 können im Voraus in das Positionierelement 60 eingebettet werden, und das Positionierelement 60, in das die vorgenannten verschiedenen Komponenten eingebettet sind, kann durch Schweißen oder ähnliches in das Teil-Gehäuse 20 eingepasst und an dem Teil-Gehäuse 20 befestigt werden, in einem Zustand, in dem das Befestigungselement 91 eine Vorspannung anwendet.
Anschließend wird das Sensormodul M in das Außengehäuse 10 eingebettet. Das heißt, die Leitungsdrähte 101 und 102 durchlaufen den Eindringweg 14 des Außengehäuses 10, und das Teil-Gehäuse 20 ist an der passenden Innenumfangwand 12 des Außengehäuses 10 montiert. Dann grenzt die Endfläche 24 an das Stufenteil 13. Danach wird das Teil-Gehäuse 20 durch Schweißen an dem Außengehäuse 10 befestigt.
In diesem Zustand, wie in 4 und 5 dargestellt, ist eine Beziehung zwischen der Membran 30 und dem Außengehäuse 10 ein Dispositionsverhältnis, in dem ein ringförmiger Abstand C zwischen der inneren Umfangswand 11a des Spitzenrohrteils 11 und einer äußeren Umfangsfläche 31a des flexiblen plattenförmigen Teils 31 definiert ist.
Das heißt, das Spitzenrohrteil 11 ist ausgebildet, sodass der Abstand C zwischen dem Spitzenrohrteil 11 und der äußeren Umfangsfläche 31a des flexiblen plattenförmigen Teils 31 in radialer Richtung definiert ist.
Auf diese Weise kann die Wärme, die von dem Spitzenrohrteil 11 des Außengehäuses 10 auf die Membran 30 übertragen wird, durch Bilden des Abstands C effizient gedrosselt werden.
Anschließend wird die Wärmeabschirmplatte 40 an der Innenseite des Spitzenrohrteils 11 so angebracht, dass die Membran 30 von der Außenseite in der Achse S-Richtung abgedeckt ist und das scheibenförmige Kontaktteil 41 so angeordnet ist, dass es mit dem zentralen Bereich in Kontakt kommt, der dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 entspricht.
Weiterhin wird in dem Spitzenrohrteil 11 des Außengehäuses 10 das Spitzenteil 11b in Richtung der Achse S gebogen, so dass der äußere Umfangsrandteil 42b der Wärmeabschirmplatte 40 gehalten wird, dadurch eine Verstemmen-Verarbeitung unterzogen wird.
Auf diese Weise kann durch Biegen des Spitzenrohrteils 11 verhindert werden, dass das Hochtemperatur-Druckmedium aus einem Bereich um den äußeren Umfangsrandteil 42b und die äußere Umfangsfläche 42a der Wärmeabschirmplatte 40 in das Innere des Hohlraums Vs eindringt und die Wärmeabschirmplatte 40 in einem Zustand des Kontakts mit dem Membran 30 gehalten werden kann.
Dementsprechend kann die Membran 30 vor dem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt werden, thermische Verformungen können gedrosselt werden, die Verschlechterung der Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert werden, und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Anschließend wird das Gelenkteil 111 an dem Steckerverbinderkopplungsteil 17 des Außengehäuses 10 befestigt.
Anschließend wird der Leitungsdraht 101 an den Anschluss 112 verbunden. anschließend wird der Anschluss 112 an das Gelenkteil 111 befestigt.
Anschließend wird der Leitungsdraht 102 an den Anschluss 113 verbunden. Danach wird der Anschluss 113 an den Anschluss 112 mit dem Isolierelement dazwischen befestigt. Dementsprechend ist der Stecker 110 an dem Außengehäuse 10 befestigt.
Damit ist die Montage des Drucksensors abgeschlossen.
Das vorgenannte Montageverfahren ist ein Beispiel und ist nicht darauf beschränkt, und es können andere Montageverfahren angewendet werden.
Im Drucksensor gemäß der vorstehenden ersten Ausführungsform wird die Wärmedämmplatte 40, ausgebildet als ein Element, unabhängig von der Membran 30, so von dem Außengehäuse 10 gehalten, dass die Membran 30 abgedeckt ist, und ist angeordnet, um mit der Membran 30 in dem zentralen Bereich, der dem Übertragungsteil 32 entspricht, angeordnet zu sein und der ringförmige Hohlraum Vs zwischen der Wärmeabschirmung 40 und dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 in einem anderen Bereich als der zentrale Bereich definiert ist. Somit kann die Wärmeübertragung auf den wirksamen Teil A der Membran 30 gedrosselt werden.
Insbesondere aufgrund der Wärme, die von dem Hochtemperatur-Druckmedium empfangen wird, wiederholt die Wärmeabschirmplatte 40 allein die Ausdehnung und Kontraktion und gibt Wärme ab, und der Hohlraum Vs fungiert als eine wirksame thermische Barriere. Somit kann die Wärmeübertragung auf die Membran 30 wirksam gedrosselt werden.
Dementsprechend kann eine Verformung der Membran 30 durch thermische Ausdehnung gedrosselt oder verhindert werden, ein Sensorfehler des Druckmessmembers 80 kann reduziert werden und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Zumal die Wärmeabschirmplatte 40 mit dem zentralen Bereich in Kontakt kommt, der dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 entspricht, und den Hohlraum Vs definiert, ohne mit einem anderen Bereich als dem zentralen Bereich in Kontakt zu kommen, wie in 7 dargestellt, kann der Temperaturanstieg der Membran 30 gedrosselt werden.
7 zeigt die Simulationsergebnisse einer Temperaturverteilung der Membran 30, wenn ein Abstand zwischen einem anderen Bereich als dem zentralen Bereich (ein kreisförmiger Bereich mit dem Durchmesser 2r) dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 und der Wärmeabschirmplatte 40 auf 0,0 mm, 10 µm und 1,0 mm geändert wird.
Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, gibt es bei einem Abstand von 0,0 mm einen signifikanten Temperaturanstieg des wirksamen Teils A der Membran 30.
Wenn der Abstand dagegen 10 µm und 1,0 mm beträgt, fällt die Temperatur im wirksamen Teil A der Membran 30 im Bereich von mehreren hundert Grad.
Das heißt, die thermische Verformung des wirksamen Teils A in der Membran 30 kann gedrosselt werden, indem die Wärmeabschirmplatte 40 den Hohlraum Vs in einem anderen Bereich als dem zentralen Bereich definiert, der dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 entspricht.
Darüber hinaus wird die auf die Membran 30 übertragene Wärme durch das Wärmeisolationselement 70 thermisch isoliert und somit die Wärmeübertragung von der Membran 30 zu der ersten Elektrode 81 und der piezoelektrischen Substanz 82 gedrosselt. Dadurch wird der Wärmeeinfluss auf die piezoelektrische Substanz 82 gedrosselt, Schwankungen des Referenzpunkts (Nullpunkt) eines Sensorausgangs verhindert und die erwartete Sensorgenauigkeit erreicht werden.
Hierbei besteht das Wärmeisolationselement 70 aus einem Isoliermaterial, die erste Elektrode 81 wird über den Leitungsdraht 101 direkt mit der elektrischen Schaltung verbunden und die zweite Elektrode 83 wird über den Leitungsdraht 102 direkt mit der elektrischen Schaltung verbunden. Dadurch kann die Erzeugung eines Leckstroms verhindert und die erwarteten Sensoreigenschaften aufrechterhalten werden.
Darüber hinaus umfasst das Gehäuse das Außengehäuse 10 und das an der Innenseite des Außengehäuses 10 eingepasste und befestigte Teil-Gehäuse 20 und die Membran 30, die Halteplatte 50, das Positionierelement 60, das Wärmeisolationselement 70, das Druckmesselement 80 und das Vorspannungsauftragende-Element 90 sind in dem Teil-Gehäuse 20 angeordnet.
Demnach kann das Sensormodul M durch Einbetten der Membran 30, der Halteplatte 50, des Positionierelements 60, des Wärmeisolationselements 70, des Druckmesselements 80 und des Vorspannungsauftragenden-Elements 90 im Voraus in das Teil-Gehäuse 20 gebildet werden.
Wenn daher eine Befestigungsform oder dergleichen je nach Anwendungsobjekt variiert, kann das Sensormodul M gemeinsam genutzt werden, indem nur das externe Gehäuse 10 für jedes Anwendungsobjekt eingestellt wird.
Wie oben beschrieben, kann im Drucksensor gemäß der ersten Ausführungsform die Membran 30 vor dem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt werden, thermische Verformungen können gedrosselt, die Verschlechterung der Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert werden, und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
8 zeigt einen Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform, der mit der ersten Ausführungsform identisch ist, mit der Ausnahme, dass eine Form des Haltens der Wärmeabschirmplatte 40 geändert wird. Die gleichen Bezugszeichen werden auf die gleichen Konstitutionen angewendet wie die erste Ausführungsform, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
In der zweiten Ausführungsform kommt das Spitzenrohrteil 11 in Linien-Kontakt mit dem äußeren Umfangsrandteil 42b des ringförmigen Isolationsteils 42, um einen Abstand C2 zwischen dem Spitzenrohrteil 11 und der äußeren Umfangsfläche 42a des ringförmigen Isolationsteils 42 in der radialen Richtung zu definieren und ist gebogen, um die Wärmeabschirmplatte 40 zu halten.
Das heißt, ein Spitzenteil 11c des Spitzenrohrteils 11 wird einer Verstemmen-Verarbeitung in einer Weise unterzogen, die in Bezug auf die äußere Umfangsfläche 42a der Wärmeabschirmplatte 40 geneigt ist, die innere Umfangswand 11a kommt mit dem äußeren Umfangsrandteil 42b des ringförmigen Isolationsteils 42 in Kontakt, und die Wärmeabschirmplatte 40 wird auf der Innenseite des Spitzenrohrteils 11 gehalten.
Dementsprechend wird der Abstand C2 zwischen der inneren Umfangswand 11a des Spitzenrohrteils 11 und der äußeren Umfangsfläche 42a der Wärmeabschirmplatte 40 definiert. Wenn sich die Wärmeabschirmplatte 40 thermisch ausdehnt, kann daher der direkte Einfluss der Verformung der Wärmeabschirmplatte 40 auf die Membran 30 gedrosselt oder verhindert werden, indem ein erweiterter Abschnitt in den Abstand C2 entweicht.
In dem Drucksensor gemäß der zweiten Ausführungsform kann, ähnlich der ersten Ausführungsform, die Membran 30 vor dem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt werden, thermische Verformungen gedrosselt werden, Verschlechterung der Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert werden können und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums kann mit hoher Genauigkeit erkannt werden.
9 und 10 veranschaulichen einen Drucksensor gemäß einer dritten Ausführungsform, die mit der ersten Ausführungsform identisch ist, mit der Ausnahme, dass ein Ringelement 120 verwendet wird, das einen Abschnitt des Gehäuses H bildet, um die Wärmeabschirmplatte 40 zu halten. Die gleichen Bezugszeichen werden auf die gleichen Konstitutionen angewendet wie die erste Ausführungsform, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
In dem Drucksensor gemäß der dritten Ausführungsform enthält das Gehäuse H das Ringelement 120, das auf der Spitzenseite in der Achse S Richtung von der Wärmeabschirmplatte 40 angeordnet ist und hält die Wärmeabschirmplatte 40, zusätzlich zu dem Außengehäuse 10 und dem Teil-Gehäuse 20.
Unter Verwendung des gleichen Materials wie die Wärmeabschirmplatte 40, z.B. eines Metallmaterials wie austenitischem rostfreien Stahl (SUS304), wird das Ringelement 120 als torische Flachplatte ausgebildet, wenn betrachtet in der Achse-S Richtung und enthält einen äußeres Öffnungsteil 121 und eine äußere Umfangsfläche 122, wie in 10 dargestellt.
Die Außendurchmesserabmessung des Ringelements 120 ist so ausgebildet, dass sie eine Größe aufweist, die eng mit der Innenseite des Spitzenrohrteils 11 des Außengehäuses 11 in Kontakt kommt und an diese eingepasst ist, d.h. eine Außendurchmesserabmessung, die der Innendurchmesserabmessung der Innenumfang 11a entspricht. Darüber hinaus muss die Innendurchmesserabmessung des Öffnungsteils 121 nur eine Abmessung sein, die es ermöglicht, das scheibenförmige Kontaktteil 41 der Wärmeabschirmplatte 40 freizulegen. Hierbei ist das Öffnungsteil 121 so ausgebildet, um eine Innendurchmesserabmessung aufzuweisen, die der inneren Umfangswand 22 des Teil-Gehäuses 20 entspricht.
Das Ringelement 120 wird neben der Wärmeabschirmplatte 40 von der Außenseite in der Achse S-Richtung angeordnet, und die äußere Umfangsfläche 122 wird an die Innenumfangswand 11a des Spitzenrohrteils 11 geschweißt und an dem Außengehäuse10 in einem Zustand befestigt, in dem das scheibenförmige Kontaktteil 41 der Wärmeabschirmplatte 40 in einer Weise des in Kontaktbringens mit der Membran 30 gedrückt wird.
Da hier das Material des Ringelements 120 mit dem Material der Wärmeabschirmplatte 40 identisch ist, können thermische Eigenschaften daran gehindert werden, sich zwischendurch zu unterscheiden, und die Wärmeabschirmplatte 40 kann stabil mit der Membran 30 in Kontakt kommen und gehalten werden.
In dem Drucksensor gemäß der dritten Ausführungsform kann, ähnlich der ersten Ausführungsform, die Membran 30 vor dem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt werden, thermische Verformungen gedrosselt werden, die Verschlechterung der Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert werden und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
11 zeigt ein Modifikationsbeispiel einer Wärmeabschirmplatte.
Eine Wärmeabschirmplatte 140 gemäß diesem Modifikationsbeispiel besteht aus demselben Material wie die oben beschriebene Wärmeabschirmplatte 40 und enthält ein scheibenförmiges Kontaktteil 141 und ein ringförmiges Isolationsteil 142.
Ähnlich wie das oben beschriebene scheibenförmige Kontaktteil 41 ist das scheibenförmige Kontaktteil 141 ausgebildet, um eine Scheibenform aufzuweisen, die mit der Membran 30 in dem zentralen Bereich in Kontakt kommt, die dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 entspricht und einen Außendurchmesser von 2r aufweist.
Der ringförmige Isolationsteil 142 weist eine konische Plattenform auf, die mit dem scheibenförmigen Kontaktteil 141 verbunden ist, in einer Weise gebogen ist, in der man in einem vorgegebenen Winkel geneigt ist, und einen Abschnitt einer konischen Oberfläche definiert und ist so angeordnet, um von dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 durch einen Spalt L1 maximal getrennt zu sein, um den ringförmigen Hohlraum Vs zwischen dem ringförmigen Isolationsteil 142 und der Membran 30 in einer anderen Bereich als der zentralen Bereich, die dem Übertragungsteil 32 entspricht, d.h. so, um in einer Weise angeordnet zu sein, um von dem flexiblen plattenförmigen Teil 31 isoliert zu sein und der ringförmige Hohlraum Vs zwischen dem ringförmigen Isolationsteil 142 und der Membran 30 definiert ist.
Wenn der Spalt L1 zunimmt, nimmt der Hohlraum Vs zu und ein wärmeisolierender Effekt wird verstärkt. Unter Berücksichtigung der Miniaturisierung, der Einschränkungen eines Layouts und eines erforderlichen wärmeisolierenden Effekts wird der Spalt LI jedoch eingestellt, um einen Wert in einem Bereich von etwa ein- bis zweifacher Plattendicke der Wärmeabschirmplatte 40 aufzuweisen.
Der Spalt L1 ist nicht auf den vorstehenden Wert beschränkt und kann so eingestellt werden, dass er andere Werte aufweist, solange andere Einschränkungen zulässig sind.
Weiterhin wird, wie in 11 dargestellt, die Wärmeabschirmplatte 140 in den Spitzenrohrteil 11 des Außengehäuses 10 eingesetzt, das scheibenförmige Kontaktteil 141 überlappt den zentralen Bereich der Membran 30, um damit von der Außenseite in der Achse S-Richtung in Kontakt zu kommen, das Spitzenteil 11b des Spitzenrohrteils 11 einer Verstemmen-Verarbeitung unterzogen wird, und in einem Zustand, in dem eine äußere Umfangsfläche 142a des ringförmigen Isolationsteils 142 mit der inneren Umfangswand 11a des Spitzenrohrteils 11 in Kontakt kommt, befindet sich ein äußerer Umfangsrandteil 142b in einem Zustand, der von dem Außengehäuse 10 gehalten wird.
Das heißt, die Wärmeabschirmplatte 140 ist so angeordnet, dass die Membran 30, die dem Hochtemperatur-Druckmedium (Hochtemperatur-Verbrennungsgas) ausgesetzt ist, von der Außenseite in Richtung Achse S abgedeckt ist und von dem Außengehäuse 10 gehalten wird, ohne dass sie durch Schweißen oder dergleichen befestigt wird, während der Hohlraum Vs versiegelt ist.
In dem Drucksensor einschließlich der Wärmeabschirmplatte 140 gemäß diesem Modifikationsbeispiel kann ähnlich der ersten Ausführungsform zu der dritten Ausführungsform die Membran 30 vor dem Hochtemperatur-Druckmedium geschützt werden, thermische Verformungen gedrosselt, die Verschlechterung der Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinfluss gedrosselt oder verhindert werden können und ein Druck des Hochtemperatur-Druckmediums kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen wurden die Wärmeabschirmplatten 40 und 140 mit den vorstehenden Formen als Wärmeabschirmplatte beschrieben, aber ist nicht beschränkt darauf. Eine Wärmeabschirmplatte mit einer anderen Form kann eingesetzt werden, solange zwischen der Wärmeabschirmplatte und der Membran 30 in einem anderen Bereich als dem zentralen Bereich, der dem Übertragungsteil 32 der Membran 30 entspricht, ein Hohlraum definiert werden kann.
In den vorstehenden Ausführungsformen wurde die Membran 30, die integral den flexiblen plattenförmigen Teil 31 und den Übertragungsteil 32 enthält, als eine Membran beschrieben, ist aber nicht darauf beschränkt. Eine Konstitution, in der das flexible plattenförmige Teil 31 und das Übertragungsteil 32 unabhängig ausgebildet sind, das flexible plattenförmige Teil 31 als eine Membran fungiert und das Übertragungsteil 32 als Kraftübertragungselement eingesetzt werden kann.
In den vorstehenden Ausführungsformen wurde eine Konstitution einschließlich des Außengehäuses 10 und des Teil-Gehäuses 20 als ein Gehäuse beschrieben, aber sie ist nicht beschränkt darauf. Ein Gehäuse kann eingesetzt werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen wurde die Membran 30 mit dem säulenförmigen Übertragungsteil 32 als eine Membran beschrieben, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Solange eine Last auf das Druckmesselement übertragen wird, kann ein Übertragungsteil mit einer anderen Form als einer Säulenform verwendet werden, und es kann eine Wärmeabschirmplatte verwendet werden, die einen ringförmigen Hohlraum zwischen dem Übertragungsteil und der Membran in einem anderen Bereich als den zentralen Bereich, der dem Übertragungsteil entspricht, definiert.
Wie oben beschrieben, ist der erfindungsgemäße Drucksensor in der Lage, thermische Verformungen einzudämmen, indem er eine Membran vor einem Hochtemperatur-Druckmedium schützt und einen Druck des Hochtemperatur-Druckmediums mit hoher Genauigkeit erfasst, indem er die Sensorgenauigkeit durch Wärmeeinflüsse eindämmt oder verhindert. Daher kann es natürlich als Drucksensor zum Erfassen eines Drucks eines Hochtemperatur-Druckmediums wie eines Verbrennungsgases in einem Brennraum eines Motors eingesetzt werden, und es ist auch als ein Drucksensor zum Erfassen eines Drucks eines anderen Hochtemperatur-Druckmediums als eines Verbrennungsgases oder anderer Druckmedien nützlich.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Variationen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder Geist der Erfindung abzuweichen. Nach alledem soll die Erfindung Änderungen und Variationen umfassen, sofern sie in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Bezugszeichenliste

S-: Achse
Vs: Hohlraum
C, C2: Abstand
H: Gehäuse
10: Außengehäuse
11: Spitzenrohrteil
11a: Innere Umfangswand
11b, 11c: Spitzenteil
20: Teil-Gehäuse
22: Innere Umfangswand
23: Endfläche
30: Membran
31: Flexibles plattenförmiges Teil
31a: Äußere Umfangsfläche
31b: Äußeres Umfangsrandteil
32: Übertragungsteil
32a: Äußere Umfangswand
40: Wärmeabschirmplatte
41: Scheibenförmiges Kontaktteil
42: Ringförmiges Isolationsteil
42a: Äußere Umfangsfläche
42b: Äußeres Umfangsrandteil
80: Druckmesselement
81: Erste Elektrode
82: Piezoelektrische Substanz
83: Zweite Elektrode
101: Leitungsdraht (erster Leiter)
102: Leitungsdraht (zweiter Leiter)
120: Ringelement (Gehäuse)
140: Wärmeabschirmplatte
141: Scheibenförmiges Kontaktteil
142: Ringförmiges Isolationsteil
142b: Äußeres Umfangsrandteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017040516 [0005]

Claims

Drucksensor, umfassend: ein zylindrisches Gehäuse (H), das eine Achse (S) definiert; ein Druckmesselement (80), das in dem zylindrischen Gehäuse (H) untergebracht ist und eine piezoelektrische Substanz (82) enthält; eine Membran (30), die einen flexiblen plattenförmigen Teil (31) aufweist, befestigt an einer Spitzenseite des zylindrischen Gehäuses (H), und ein Übertragungsteil (32), das auf der Achse (S) hervorsteht, um eine Last auf das Druckmesselement (80) zu übertragen; und dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor umfasst: eine Wärmeabschirmplatte (40), die von dem zylindrischen Gehäuse (H) gehalten wird, so dass die Membran (30) abgedeckt ist, in Kontakt kommt mit der Membran (30) in einem zentralen Bereich, der dem Übertragungsteil (32) entspricht, und definiert einen ringförmigen Hohlraum (Vs) zwischen der Wärmeabschirmplatte (40) und der Membran (30) in einem Bereich anders als der zentrale Bereich.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsteil (32) eine Säulenform aufweist, zentrierend auf der Achse (S), und die Wärmeabschirmplatte (40) umfasst ein scheibenförmiges Kontaktteil (41), zentrierend auf der Achse (S) und mit einem Bereich in Kontakt kommend, der eine Kontur aufweist, die einem Außendurchmesser des Übertragungsteils (32) entspricht, und ein ringförmiges Isolationsteil (42), das mit dem scheibenförmigen Kontaktteil (41) verbunden ist und definierend den ringförmigen Hohlraum (Vs), durch angeordnet sein in einer Weise, die von dem flexiblen plattenförmigen Teil (31) isoliert ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse (H) mit einem äußeren Umfangsrandteil (42b) des ringförmigen Isolationsteils (42) in Linien-Kontakt kommt und ausgebildet ist, sodass die Wärmeabschirmplatte (40) gehalten wird, um einen Abstand in Bezug auf eine äußere Umfangsfläche (42a) des ringförmigen Isolationsteils (42) zu definieren.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse (H) umfasst, eine Endfläche (23), auf der das flexible plattenförmige Teil (31) in einer Richtung der Achse (S) fixiert ist, und ein Spitzenrohrteil (11), das sich zu der Spitzenseite in Richtung der Achse (S) jenseits der Endfläche (23) auf einer Außenseite in einer radialen Richtung von der Endfläche (23) erstreckt, und die Wärmeabschirmplatte (40) auf einer Innenseite des Spitzenrohrteils (11) gehalten wird.
Drucksensor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spitzenrohrteil (11) ausgebildet ist, so dass ein Abstand zwischen dem Spitzenrohrteil (11) und einer äußeren Umfangsfläche (31a) des flexiblen plattenförmigen Teils (31) definiert ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spitzenrohrteil (11) ein Spitzenteil (IIb) aufweist, das einer Verstemmen-Verarbeitung unterzogen wird, um die Wärmeabschirmplatte (40) zu halten.
Drucksensor gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse (H) ein Ringelement (120) umfasst, das auf der Spitzenseite in der Richtung der Achse (S) von der Wärmeabschirmplatte (40) angeordnet ist und die Wärmeabschirmplatte (40) hält, und das Ringelement (120) an dem Spitzenrohrteil (11) befestigt ist.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Gehäuse (H) ein Außengehäuse (10) und ein Teil-Gehäuse (20) umfasst, das an einer Innenseite des Außengehäuses (10) eingepasst und befestigt ist, wobei das Teil-Gehäuse (20) das Druckmesselement (80) aufnimmt und die Endfläche (23) aufweist, und das Außengehäuse (10) das Spitzenrohrteil (11) aufweist.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement (80) eine erste Elektrode (81) und eine zweite Elektrode (83) umfasst, die gestapelt sind, so dass die piezoelektrische Substanz (82) sandwichartig eingeschlossen ist; ein erster Leiter (101), der in einem Zustand abgeleitet wird, isoliert zu sein von dem zylindrischen Gehäuse (H), mit der ersten Elektrode (101) verbunden ist, und ein zweiter Leiter (102), der in einem Zustand abgeleitet wird, isoliert von dem zylindrischen Gehäuse (H), mit der zweiten Elektrode (102) verbunden ist.