JP2004518984A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（１２）と、前記ハウジングの中に配置されて、測定されるべき圧力によって撓み可能である隔膜（２６）と、光学軸を有する光手段（ＬＥＤ）と、光学軸を有する光検出手段と、隔膜に対して連結され且つそれによって撓み可能である光遮断器（３６）とを含み、前記遮断器は光手段のビーム通路の中に配置される、圧力センサに関するものである。光手段および光検出手段は、ハウジング（１２）の内部に配置され、それらの光学軸が、互いに対して平行に位置する。第１プリズム（４０）は、光手段に対して割当てされ、第２プリズム（４２）は、光検出手段に対して割当てされ、両者のプリズムを介する光手段から光検出手段までの途切れないビーム通路が、達成される。この目的のために、光遮断器（３６）は、２つのプリズムの間に配置される。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に規定された特徴を備えた圧力センサに関するものである。
【０００２】
上述の種類の圧力センサは、例えば、米国特許出願３，１００，９９７ Ａか ら公知である。
【０００３】
更なる圧力センサは、例えば、ドイツ出願７９ ０６ １３２ Ｕ１から公知で ある。ドイツ出願７４ ０５ ４３９ Ｕ１もまた、圧力センサを開示する。
【０００４】
上述のすべての圧力センサは、それらの構造に比して割高に設計されるものであり、大量生産におけるそれらの使用は、高いコストの故に不可能であるという問題がある。更になお、それぞれの設計は、振動に対して敏感であり、この特性が、それらの大規模使用を妨げるのである。
【０００５】
以上の観点から、本発明の目的は、一方では費用有効的に生産されることが可能であり、他方ではその感度を劣化させることなく小型である、前述の種類の圧力センサを設けることである。
【０００６】
この目的は、保持器が、ハウジングの中に挿入可能であり、光手段および光検出手段のための受入れ開口部を含むようにして設けられ、保持器は、好適には第１および第２のプリズムである第１および第２の反射面をそれぞれの受入れ開口部の領域内において支持し、好適にはプラスチック材料である透明材料によって形成される、前述の種類の圧力センサによって解決される。
【０００７】
この形式の構成は、圧力センサの非常にコンパクトな組立体を生じるものであり、非常に費用有効的な生産を許容する。特には、既製品のコンポーネントが、光ビームを偏光させるプリズムの採用の故に、設計を拡張する必要なしに、使用されることが可能である。更になお、プリズムの使用は、標準的なＬＥＤの具体例に関して通常の幾何学的形状を採用し、ＬＥＤの全ビーム幅を使用することを許容するものであり、撓み可能な隔膜の検出可能通路が増大する。それと共に、圧力センサの測定範囲またはその感度が、増大することも可能である。
【０００８】
この点に関して、「光学軸」という表現は、光手段および光検出手段のそれぞれの軸を意味するものであり、それは、主要ビーム方向を規定するということが留意されるべきである。更なる１つの利点は、それぞれのプリズムに対する光手段および光検出手段のそれぞれの方向付けが保持器によって既に規定されているのであり、エラーが組立ての間には何も生じないということにおいて理解されることが可能である。光手段および光検出手段のそれぞれは、保持器の受入れ開口部の中に挿入されることだけが必要であり、その後、それぞれのプリズムに対する所望の方向付けを有することになる。更に、保持器の中にプリズムを組み込むことは、非常に費用有効的な設計を生じる。更なる１つのコスト削減は、好適にはプラスチック材料である透明材料によって保持器が形成されることにおいて達成される。それは、言い換えれば、プリズムを備えた保持器全体が１つの材料によって形成されるということを意味するのである。
【０００９】
新規な圧力センサの１つの好適な実施例において、光遮断器は、ビーム通路の中に位置する切形の部分を含む。
【００１０】
この方式は、光遮断器の非常に簡単であり従って費用有効的である設計を許容するものであり、この部分の回転対称性の故に、光遮断器の方向付けエラーすなわち調節エラーが組立ての間には生じ得ないという更なる１つの利点が存在する。
【００１１】
１つの好適な実施例において、保持器は、ハウジングの中におけるそれぞれの凹部と係合するようにして外部に装着される少なくとも２本のスナップ取付けピンを含む。
【００１２】
この方式は、圧力センサの組立てが簡単且つ確実であり、工具なしで行なわれることが可能であるという利点を有する。
【００１３】
１つの好適な実施例において、ハウジングは、全周囲に沿って延在する内側ショルダを含み、そのショルダの上において、保持器のそれぞれの支持面が位置し、隔膜のエッジ領域は、支持面とショルダの間において締付けされる。
【００１４】
この方式は、ハウジングの内部における隔膜のための独立した装着要素が必要でないという利点を有する。むしろ、ハウジング内部に隔膜を取付けすることは、隔膜をハウジングのショルダに対して締付けするようにして、保持器を被せることによって達成される。その利点は、更なる生産の単純化が達成され得るということでもある。
【００１５】
１つの好適な実施例において、光手段は、ＬＥＤであり、光検出手段は、フォトトランジスタである。
【００１６】
この方式は、既製品のコンポーネントが使用されることが可能であり、高価な特殊コンポーネントの使用が回避されることが可能であるという利点を有する。
【００１７】
本発明の更なる利点および実施例は、後続の説明および添付の図面から理解されることが可能である。上述の特徴および以下で説明されることになる特徴は、指摘されたそれぞれの組合せにおいて使用され得るだけでなく、本発明の範囲から離れることなく、その他の組合せにおいて或いは単独で使用されることもまた可能であると理解されるべきである。
【００１８】
ここで、本発明は、実施例および図面を詳細に参照して説明されることになる。
【００１９】
図１において、圧力センサは、概略的且つ断面において示され、参照番号１０によって表示されている。圧力センサ１０は、プリント回路基板１４によって閉鎖されるカップ形状ハウジング１２を含み、圧力センサは、そのプリント回路基板に対してハンダ付けされる。ハウジング１２およびプリント回路基板１４は、内部１６を取り囲む。内部１６の内側には、ＬＥＤ２０およびフォトトランジスタ２２をそのために設けられた受入れ開口部２４の中に受入れする保持器１８が設けられる。
【００２０】
透明材料によって形成されるハウジング１２の中には、更に、保持器１８と共に内部１６の部分を第１の部分的体積２８および第２の部分的体積３０に分割する隔膜２６が配置される。両者の部分的体積は、隔膜２６によって互いに対して密閉される。両者の部分的体積２８、３０の間における圧力差に応じて、隔膜２６は、上下に撓む。
【００２１】
バネ・カップ３２は、専ら隔膜２６の上に位置し、その対向端部においてバネ３４の一方の端部を支持する。バネ３４の他方の端部は、保持器１８によって支持される。
【００２２】
バネ・カップ３２は、バネ３４に面するその端部において、バネ・カップ３２に対して被せられ摩擦接触によって保持される開口部または光遮断器３６を支持する。
【００２３】
保持器１８は、第１反射面４０および第２反射面４２を含む。第１反射面４０は、ＬＥＤ２０に対して割当てされ、第２反射面４２は、フォトトランジスタ２２に対して割当てされる。反射面４０、４２における反射は、いわゆる全反射によって引き起こされるものであり、それは、反射面４０、４２の傾斜がそれに応じて選択されることを必要とする。両者の反射面は、図２において観察され得るような円錐面として形成される。それらの円錐面は、ＬＥＤ２０の光ビームが軸Ｌ上において線状に焦点合わせされるようにして寸法形成される。
【００２４】
本件の実施例では、それぞれの反射面４０、４２は、垂直方向軸Ｌに対して４５度の傾斜角度で配置される。受入れ開口部２４は、挿入されたＬＥＤ２０がその光学軸４４によって垂直方向軸に対して平行に位置するようにして、保持器１８の中に設けられる。同じことは、その光学軸４４もまた垂直方向軸に対して平行に位置するフォトトランジスタ２２についても適用される。それに従って、ＬＥＤ２０は、ビームを４５度の角度で反射面４０に対して発射するものであり、その反射面は、このビームを９０度だけ偏向させて、そのビームを対向反射面４２に対して水平方向において反射させ、続いて、この反射面が、ビームをフォトトランジスタ２２に対して反射する。周辺領域内に位置する２本の光線は、図１において説明目的のために示されるのであり、参照番号４６によって表示される。
【００２５】
図２から図６では、図１において示された圧力センサが、詳細に且つ斜視図において示されている。図２において示されたような保持器１８は、円筒形部分５０とそれに追従する受入れ部分５２とを含む。円筒形部分５０の内部において、両者ともに円錐状に設計される反射面４０、４２は、それぞれがプリズム５４の一部であるようにして、明瞭に示されている。両者のプリズム５４は、図１において既に示されているように、互いに対向して配置される。斜視図は、更に、管状部分５８と連絡する中央開口部５６をも示している。管状部分５８は、円筒形部分５０の長手方向軸に対して垂直に延在するものであり、受入れ部分５２によって支持される。管状部分５８および開口部５６は、部分的体積３０に対して第１の圧力を掛けるようにして機能する。
【００２６】
図２は、受入れ部分５２の中に、両者の受入れ開口部２４が設けられ、その中に、ＬＥＤ２０およびフォトトランジスタ２２がそれぞれに挿入され、ストッパ手段５９が、受入れ開口部２４の内壁の中にステップを設けることによって、ＬＥＤ２０およびフォトトランジスタ２２の各フランジ面とそれぞれに係合するようにして、設けられることが可能であるということを更に示している。それによって、ＬＥＤ２０を反射面４０に対して且つフォトトランジスタ２２を反射面４２に対して、それぞれに組立てし、位置決めして調節することが、容易に達成されることも可能である。
【００２７】
円筒形部分５０上には、ハウジング１２と係合可能に接続するために機能するようにして、合計で４本のスナップ取付けピン５７が設けられる。更に、２本の更なるスナップ取付けピン５５もまた、プリント回路基板１４上における圧力センサの事前固定を達成するためのハンダ付けの前にプリント回路基板１４と係合するようにして、設けられるのであり、そのことは、図１において明瞭に観察されることが可能である。そこでは、スナップ取付けピン５５は、プリント回路基板１４を貫通して延在する。
【００２８】
図２において示されたプリズム５４は、透明材料によって形成されるものであり、ＬＥＤ２０によって発射されたビームは、それらのプリズムの中に進入することが可能であり、各反射面４０および４２によってそれぞれに反射されることも可能であり、それと同時に、軸Ｌに対する線状の焦点合わせが行なわれる。好適には、保持器１８の全体は、この材料によって形成されるものであり、それは単純な様式で注型成形されることが可能である。
【００２９】
図３において、ハウジング１２は、斜視図で示されている。ハウジング１２は、カップ形状において設計されるものであり、底部６１だけでなく円筒形側壁６２をも含む。側壁６２の中には、凹部６３が設けられ、スナップ取付けピン５７は、その中に係合することが可能である。側壁６２の内側表面には、これもまた図１において明瞭に観察されることが可能である、周方向に延在するステップすなわちショルダ６４が配置される。
【００３０】
底部６１と側壁６２の間における接合部には、底部領域の中におけるハウジング１２の内部に対する接続を提供する管状部分６５が装着される。底部６１に対向する側壁６２の領域内には、以下で説明されるように保持器１８の管状部分５８を受入れするようにして機能する、開放端部を有する開口部６６が設けられる。開口部６６は、管状部分６５に整列して位置する。しかしながら、この開口部６６は、側壁６２の周囲に沿ったもう１つの個所に設けられることもまた可能である。
【００３１】
図４において、円形隔膜２６は、斜視図で示されている。隔膜２６は、円形エッジ７１と、そのエッジによって取り囲まれる隔膜表面７２とを含む。円形隆起領域７４は、この円形隔膜表面７２の中央に設けられるものであり、その領域７４もまた図１において明瞭に観察されることが可能である。隔膜表面７２は、必要な可撓性を提供するようにして、シリコーンによって形成される。
【００３２】
図５において、バネ・カップ３２は、斜視図で示されている。この回転対称コンポーネントは、隔膜表面７２上に位置するその一方の端部において大きな支持面７８を含む。バネ・カップ３２を隔膜表面７２上に中心配置し、更に、如何なるスリップをも回避するようにして、隔膜表面７２の隆起領域７４は、管状部分７９の中に係合する。これもまた、図１における断面図において明瞭に観察されることが可能である。管状部分７９の他方の端部には、バネ３４の一方の端部を支持する、ステップ１８が設けられる。更になお、管状部分７９は、光遮断器３６をも支持する。如何なる光の反射をも回避するために、バネ・カップ３２は、黒色表面を有する。
【００３３】
この光遮断器３６は、図６において斜視図で示されている。それもまた、回転対称コンポーネントとして配置されるものであり、第１の切形部分８２と円筒形部分８４とを含む。円筒形部分８４は、それが、バネ・カップ３２の管状部分７９の中に挿入され得るものであり、更には、例えばセルフ・ロッキング式摩擦係合によってそこに保持されることが可能であるようにして、配置される。その結果、切形部分８２は、管状部分７９上に位置する。これもまた、図１において明瞭に観察されることが可能である。光遮断器における如何なる光の反射をも回避するために、それは、黒色表面を有する。
【００３４】
好適には、光遮断器は、窓として機能するようにして部分８２の領域の中において開口部を設けられることが可能であり、それぞれの２つの開口部は、互いに対向して位置する。光は、２つの対向する開口部を介して、部分８２を通じて半径方向に伝わることが可能である。
【００３５】
図１において示された圧力センサ１０の組立ては、以下の通りに行なわれる。
【００３６】
光遮断器３６は、バネ・カップ３２の中に挿入され、続いて、バネ３４が、管状部分７９に被せて装着される。その後、この組立体は、隔膜表面７２上に敷設され、隆起部分４２を介して中心配置される。
【００３７】
続いて、中心領域５０を備えた保持器１８は、この組立体に被せて装着され、隔膜２６のエッジ７１が、保持器１８の円筒形部分５０に被せて取付けされ、そこで、スナップ取付け的または準スナップ取付け的に係合する。この組立体は、その後、ハウジング１２の中に容易に挿入されることが可能であり、その固定は、凹部６３の中に係合するスナップ取付けピン５７によって達成される。それによって、保持器１８は、エッジ７１に対して完全に押し込まれ、エッジ７１それ自体もまたハウジング１２のステップ６４の領域内においてハウジング１２に対して完全に押し込まれ、良好な密閉が達成されるのである。
【００３８】
次のステップにおいて、ＬＥＤ２０およびフォトトランジスタ２２は、その後、保持器１８の各受入れ開口部２４の中に挿入され、その端部位置は、ストッパ５９によって規定されるのである。
【００３９】
その後、圧力センサ１０は、プリント回路基板１４に被せて装着され、第１のスナップ取付けピン５５が、プリント回路基板と係合し、事前固定が達成されるのである。続いて、ＬＥＤ２０およびフォトトランジスタ２２の端末は、プリント回路基板１４に対してハンダ付けされる。
【００４０】
ここで、図１において示された圧力センサは、以下の通りに機能することになる。
【００４１】
第１の部分的体積２８は、ハウジング１２の管状部分６５を介して第１の圧力を掛けられることになる。第２の部分的体積３０は、保持器１８の管状部分５８を介して第２の圧力を掛けられるのであり、両者の圧力の一方が、大気圧であることも可能である。両者の圧力が異なっている場合には、圧力差が引き起こされることになり、バネ３４の力に対抗して隔膜２６の撓みを生じるのである。隔膜２６のこの撓みは、バネ・カップ３２を介して光遮断器３６に対して伝えられるのであり、光遮断器３６は、長手方向の方向Ｌにおいて上下のいずれかに運動する。
【００４２】
光遮断器３６およびその切形部分８２のそれぞれは、２本の単一光線４６によって示されている、ビーム通路すなわちＬＥＤ２０のビーム通路の中に位置する。長手方向の方向Ｌにおける光遮断器３６の位置に応じて、反射面４０によって反射されたビーム４６の多かれ少なかれ大きな領域が、遮断されるのであり、その結果、反射面４２を介してフォトトランジスタ２２には達しないことになる。反射面の焦点合わせ効果の故に、光遮断器の回転軸が軸Ｌに対してオフセットしているか否かということは、重要でない。
【００４３】
開口部が光遮断器３６の中に設けられる場合、その光ビームは、これらの開口部を通過することが可能である。それらの開口部の解放表面が、遮断され或いは通過される光の量を決定する。
【００４４】
従って、フォトトランジスタ２２に到達する光の量は、光遮断器３６の位置に依存することになり、結果として、両者の部分的体積２８，３０の間における圧力差に依存するのである。その圧力差は、この従属性に基づいて、フォトトランジスタ２２によって生起される電気信号を分析することによって測定されることが可能である。
【００４５】
光遮断器３６および／または反射面４０、４２の傾斜に関するそれぞれの設計によって、圧力センサの特性は、所定の範囲内において調節されることが可能である。更に、バネ３４もまた、当然ながら、圧力センサの特性に影響を与えるものであり、従って、その用途に応じて選択される。
【００４６】
要約すれば、その圧力センサは、非常に容易に且つ費用有効的に組立てされることが可能であり、それにも関わらず、多くの応用分野において使用されるものとして適していると述べられることが可能なのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に従った圧力センサを示す、概略的な断面図である。
【図２】
保持器を示す、２つの斜視図である。
【図３】
ハウジングを示す、斜視図である。
【図４】
隔膜を示す、斜視図である。
【図５】
バネ・カップを示す、斜視図である。
【図６】
光遮断器を示す、斜視図である。

Claims (5)

1. ハウジング（１２）と、前記ハウジングの中に配置されて、測定されるべき圧力によって撓み可能である隔膜（２６）と、光学軸を有する光手段（ＬＥＤ）と、光学軸を有する光検出手段と、隔膜に対して連結され且つそれによって撓み可能である光遮断器（３６）とを含み、前記遮断器は、光手段のビーム通路の中に配置され、光手段および光検出手段は、ハウジング（１２）の内部に配置され、それらの光学軸が、互いに対して平行に位置し、好適には第１プリズムである第１反射面（４０）は、光手段に対して割当てされ、好適には第２プリズムである第２反射面は、光検出手段に対して割当てされ、両者の反射面を介する光手段から光検出手段までの途切れないビーム通路が達成され、光遮断器（３６）は両者の反射面の間に配置される、圧力センサであって、保持器（１８）が、ハウジングの中に挿入可能であり、光手段および光検出手段のそれぞれのための受入れ開口部（２４）を含むようにして設けられ、保持器（１８）は、それぞれの受入れ開口部（２４）の領域の中において第１および第２の反射面を支持し、好適にはプラスチック材料である透明材料によって形成されることを特徴とする、圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサであって：
   光遮断器（３６）は、ビーム通路の中に位置する切形の部分（８２）を含むことを特徴とする、圧力センサ。
3. 請求項１に記載の圧力センサであって：
   保持器（１８）は、係合可能な様式でハウジング（１２）の中におけるそれぞれの凹部（６３）と相互作用するようにして外部に装着される少なくとも２本のスナップ取付けピンを含むことを特徴とする、圧力センサ。
4. 先行する請求項の１つに記載の圧力センサであって：
   ハウジング（１２）は、全周囲に沿って延在する内側ショルダ（６４）を含み、その上に、保持器（１８）のそれぞれの支持面（７８）が位置し、隔膜（２６）のエッジ領域が、支持面（２８）とショルダ（６４）の間において締付けされることを特徴とする、圧力センサ。
5. 先行する請求項の１つに記載の圧力センサであって：
   光手段は、ＬＥＤ（２０）であり、光検出手段は、フォトトランジスタ（２２）であることを特徴とする、圧力センサ。

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