JP2005043364A - 圧電抵抗式の金属薄膜を備えた金属ダイヤフラムを有する圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧で負荷される室内の圧力を検出するための圧力センサであって、この圧力センサ１によって検出された信号が評価エレクトロニクス１６に供給され、高圧で負荷された前記室に向いた側の、圧力センサ１の端部でセンサダイヤフラム７が受容されている形式のものを改良して、価格、操作性及び耐用年数に関連した一連の解決策の要求、及びそれと同時に燃焼室圧力の測定精度に関する要求を満たす燃焼室圧力センサを提供する。
【解決手段】センサダイヤフラム７が鋼ダイヤフラムとして構成されていて、この鋼ダイヤフラムの後ろ側７．２に、圧電抵抗式の測定エレメントを受容する金属薄層８が取付けられていて、該金属薄層８がこの金属薄層に接触する伝達エレメント１１を介して評価エレクトロニクス１６に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧で負荷される室内の圧力を検出するための圧力センサであって、この圧力センサによって検出された信号が評価エレクトロニクスに供給され、高圧で負荷された前記室に向いた側の、圧力センサの端部でセンサダイヤフラムが受容されている形式のものに関する。

内燃機関の燃焼室内でその都度形成される圧力に関する情報を得るために、自動車の内燃機関内で圧力を測定して燃焼室圧力を検出する必要がある。この燃焼室内でその都度形成される圧力に関する情報は、実際のエンジンモーメントを検出するために、及び最新のエンジン管理システムで燃焼（例えばミスファイア；Aussetzer、ノッキング）を監視するために用いられる。

“kraftfahrzeug Taschenbuch, 23. Auflage, Braunschweig; Wiesbaden, Viehweg 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seite 111”（自動車ハンドブック第２３版、ブラウンシュバイク；ヴィースバーデン、フィーベーク １９９９年、 ISBN 3-528-03876-4、第１１頁）によれば、統合型（integrierter）のシリコン燃焼室圧力センサが公知である。シリコン燃焼室圧力センサは、伝達ロッドと、力を導入するためのシリコン基台（Silizium-Podest）と、統合型のシリコン圧力センサとを有している。鋼製の組み付けプレートの一方側には、単数又は複数の接続ピンが設けられており、この接続ピンから接続導線が一体式のシリコン圧力センサに延びている。このような配置構成によれば、シリコンチップは、内燃機関の燃焼室内の高い温度に直接さらされることはない。これは、金属製の仕切ダイヤフラム、並びに力を伝達するために十分な長さを有するロッドとによって得られる。ダイヤフラムの中央に基台をマイクロメカニカル式に取り付けることによって、シリコンチップが力センサを形成する。フロントダイヤフラムによって受容される圧力は、ロッドを介して、付加的にわずかな誤差だけを伴って基台を介してシリコン製のセンサチップに導入される。このセンサチップは、引っ込んだ組み付けポジションに位置しているので、１５０℃以下の運転温度にさらされる。

国際公開第９７／３１２５１号明細書によれば、ノッキング発生及びミスファイアを検出するための燃焼室圧力センサが記載されている。点火プラグには、光学繊維式（光ファイバ）の燃焼室圧力センサが組み込まれている。この燃焼室圧力センサは、点火プラグ本体が導体によって貫通されるように構成されている。不均一な厚さを有するキー状に構成されたダイヤフラムが、ダイヤフラムに作用する機械的な負荷を減少させ、センサの信頼性を高めるようになっている。燃焼室圧力センサに作用する過圧が発生すると、この過圧は、ダイヤフラムに折り曲げられた区分が形成されていることによって、減少される。

マイクロメカニカル式の燃焼室圧力センサは、実際に標準装備可能であるが、重要な欠点がある。マイクロメカニカル式の燃焼室圧力センサは、熱に対して限定的な強度しか有していない。マイクロメカニカル式の燃焼室圧力センサは燃焼室のできるだけ近くに組み込む必要があるので、より高い温度にさらされ、従って、このような燃焼室圧力センサの熱に対する強度に相応の要求が課せられることになる。さらにまた、従来公知のマイクロメカニカル式の燃焼室圧力センサは、限定的にしか小型化できないという欠点を有している。それによって、今日使用されているマイクロメカニカル式の燃焼室圧力センサは、内燃機関のシリンダヘッドの領域内で大きい組み付け面を必要とすることになる。しかしながら、内燃機関のシリンダヘッドは、多数の組み込み及び取付け部品に基づいて燃焼室を既に制限している領域を形成している。

内燃機関の燃焼室圧力又はシリンダ内室圧力を正確に検出するために、圧電原理に従って作業する圧力センサを使用してもよいが、この圧力センサは高価な評価エレクトロニクスを必要とする。またこのような圧力センサは一方では、非常に精確であるが、他方では非常に高価で、評価エレクトロニクスがかさばるために、テスト装置に使用できるだけであり、最良の場合にはテスト車両に使用できるだけである。このように使用する他に、燃焼室圧力に基づいたエンジン制御を得るために、大量生産によるエンジンにおいて燃焼室圧力を測定しようとする努力もなされている。価格、操作性及び耐用年数に関連した一連の解決策の要求、及びそれと同時に燃焼室圧力の測定精度に関する要求を満たす燃焼室圧力センサは、まだ市販されていない。
国際公開第９７／３１２５１号明細書 kraftfahrzeug Taschenbuch, 23. Auflage, Braunschweig; Wiesbaden, Viehweg 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seite 111

そこで本発明の課題は、価格、操作性及び耐用年数に関連した一連の解決策の要求、及びそれと同時に燃焼室圧力の測定精度に関する要求を満たす燃焼室圧力センサを提供することである。

この課題を解決した本発明によれば、センサダイヤフラムが鋼ダイヤフラムとして構成されていて、この鋼ダイヤフラムの後ろ側に、圧電抵抗式の測定エレメントを受容する金属薄層が取付けられていて、該金属薄層がこの金属薄層に接触する伝達エレメントを介して評価エレクトロニクスに接続されている。

本発明によって提案された圧力センサは、燃焼室の近くに配置された鋼ダイヤフラムを有しており、この鋼ダイヤフラムは、その後ろ側で金属薄層より成る圧電抵抗式の測定ブリッジを備えている。シリンダヘッド内の組み込みスペースが小さいことに基づいて、燃焼室圧力センサは非常に細い構造で構成されており、これは、金属薄層がばね弾性的なエレメントと圧力接触することによって得られる。圧力信号は、非導電性のベース体内に挿入された挿入部を介して、細いセンサネックを通って評価回路に伝達される。有利な形式で、評価回路は、圧力センサの直径拡大領域内、つまり例えば圧力センサの上方領域の中空室内に設けることができる。

燃焼室圧力センサを本発明に従って構成したことによって、鋼ダイヤフラムを用いて、例えば内燃機関の燃焼室内を支配する熱いアグレッシブな雰囲気に対して、安価にかつ確実にセンサ内部が保護されるようになっている。これは、本発明に従って提案された燃焼室圧力センサの耐用年数に特に好都合に作用する。さらにまた、本発明に従って提案された燃焼室圧力センサの圧電抵抗式の金属薄層は、オフセットつまりセンサドリフト（センサ変動）並びに感度及び電気抵抗に関連した非常に低い温度係数によって得られる非常に高い精度を提供する。さらにまた、使用された圧電抵抗式の金属薄層は、特に燃焼室に近い鋼ダイヤフラムの後ろ側で燃焼室内に発生した、薄壁状の鋼ダイヤフラムに作用する温度を持続的に維持する、という利点を有している。本発明によって提案された、内燃機関の燃焼室に使用するための圧力センサの構造は、特に燃焼室に近い領域つまりシリンダヘッド領域内で非常に細く構成され、従ってわずかな構造スペースしか必要とせず、頑丈であって、内燃機関のシリンダヘッドで発生する温度において確実に作動する。

本発明によって提案された圧力センサの構造によって、内燃機関のシリンダ内に発生する、非常にダイナミックに変化する圧力が高い精度で測定される。本発明によって提案されたセンサは、大量生産の内燃機関において、非常に安価で、良好に操作可能で、特に細い構造形式に基づいて、内燃機関のシリンダヘッド領域における組み込み条件のために非常に良く適している。

例えば内燃機関の燃焼室に圧力を検出するために使用される本発明によって提案された圧力センサが、以下に図示の実施例を用いて説明されている。

変化実施例
図１には、高圧で負荷される室のための、本発明によって提案された圧力センサの平面図が示されている。

図１に示した圧力センサは、回転対称的に構成されていて、センサネック３とセンサヘッド２７とを有している。センサヘッド２７のセンサ体２内には、図１に示されていない評価エレクトロニクスが組み込まれている。圧力センサ１のセンサヘッド２７のセンサ体２の下にはねじ山付き区分５が設けられており、このねじ山付き区分５は円錐形シール座４で終わっている。圧力センサ１は、円錐形シール座４に直接続いて、センサネック３を形成するカバー管９を有している。圧力センサ１のセンサネック３は図１では、センサヘッド２７の直径２２と比較して小さい直径２１に形成されている。センサネック３の、圧力で負荷される室に向いた側の端部には、センサダイヤフラム７を有するインサート２５が嵌め込まれている。このインサート２５は、センサネック３を形成するカバー管に溶接されるか、又は別の形式で結合される。

図１に示されているように、本発明によって提案されたセンサ１の細い構造によって、例えば内燃機関のシリンダヘッド領域のような制限された組み込みスペース状況において、圧力センサを取り付けることができる。図１に示されていない評価エレクトロニクスを、センサ体２内に形成された中空室内に組み込むことに基づいて、本発明によって提案された圧力センサは、その後ろ側がケーブルハーネスプラグによって内燃機関のエンジン制御装置に直接接続することができる。

図１に示された、ねじ山付き区分５の下側に形成された円錐形シール座４は、圧力センサをシリンダヘッドに対してシールするために役立つ。円錐形シール座４として構成されたシール面は、センサネック３に亘って形成されたカバー管９への移行部から、センサダイヤフラム７を有するインサート２５に向かってずらしてもよい。センサダイヤフラムはインサート２５に形成されていて、図１の実施例には図示されていない。符号２６で示された接合継ぎ目は、インサート２５とカバー管９との間の溶接結合部を示している。

図２は、図１に示した圧力センサの縦断面図である。

図２に示した圧力センサ１は、センサヘッド２７において、図１で示した前記ねじ山付き区分５を有している。センサヘッド２７のねじ山付き区分５は、円錐台形に形成された円錐形シール面４に移行しており、この円錐形シール面４に、センサネック３を形成するカバー管９が続いている。カバー管９の燃焼室側の端部６にインサート２５が受容されている。このインサート２５は鉢状の凹部２４を有していて、この凹部２４の制限面はセンサダイヤフラム７によって形成されている。有利にはセンサダイヤフラム７は鋼ダイヤフラムとして構成されていて、この鋼ダイヤフラムの後ろ側７．２は、金属薄膜８より成る圧電抵抗性の測定ブリッジを備えている。

センサダイヤフラムの、燃焼室に向いた側は符号７．１で示されており、一方、センサダイヤフラム７の、センサネック３に向いた側、つまり燃焼室とは反対側は符号７．２で示されている。センサダイヤフラム７の、燃焼室とは反対側７．２には、圧電抵抗式の金属薄膜８が被着されており、この金属薄膜８に、図２ではばねエレメント１５が接触している。

センサネック３を形成するカバー管９内に、非導電性材料より成るベース体１０が挿入されている。また、センサネック３のカバー管９内に挿入されたベース体１０内に、導電性材料より成る挿入部１１（伝達エレメント）が挿入されている。細長く構成され、しかも小さい構造スペースしか必要としない、導電性材料より成る挿入部１１の構造によって、センサヘッド２７内に設けられた評価エレクトロニクス１６を備えた、センサダイヤフラム７の、燃焼室とは反対側７．２（後ろ側）に設けられた圧電抵抗式の金属層８の圧力接触部が得られる。評価エレクトロニクス１６は、図２に示した回路担体を示している。回路担体２８は、例えばプリント基板又はハイブリッドであってよい。導電性材料より成る挿入部（非導電性材料より成るベース体１０内に形成されている）は、圧力接触又はボンディング接触を介して、又は熱圧着溶接されたワイヤによって、回路担体２８と電気的に接続されている。図２によれば、棒状に構成された、導電性材料より成る挿入部１１の下端部は、ばねエレメント１５（ばね接点）を介して、センサダイヤフラム７の後ろ側７．２に接続されている。図２に示した圧力センサ１の変化実施例によればばねエレメント１５を介して得られる圧力接触部は、ばねエレメントの代わりにＳ字形ばね、圧力ピン又はシンチコンタクト（Cinch-Kontakt)によっても得られる。シンチコンタクトにおいては、ワイヤ例えば紐状のゴールドワイヤ（Golddraht）が使用される。この紐状のゴールドワイヤは、紐状の構造に基づいてややばね弾性的に、長さ変化を補償することができる。さらにまた、ボンディング結合又は熱圧縮溶接が可能である。導電性のボンディング結合も、また熱圧縮溶接も、電気接続部を貫通ガイドした後で、センサ長手方向に関連して上方に折り畳むことができるが、これはスペースの理由から必要である。

有利な形式で、導電性材料より成る挿入部１１は、非導電性材料より成るベース体１０の組み付け前に、ベース体１０内に挿入することができる。このような形式の前組み立てされたベース体１０は、やはり、本発明に従って提案された圧力センサ１のセンサネック３を形成するカバー管９内に挿入される。それによってセンサの簡単な組み立てが得られる。符号１３で示されたカバー管９の長さは、可変に構成することができ、導電性材料より成る挿入部１１の長さ関係を調整しながら、内燃機関のシリンダヘッド領域内のそれぞれの組み付け状状態に合わせることができる。

センサダイヤフラム７の、燃焼室とは反対側７．２における、導電性材料より成る挿入部１１と圧電抵抗式の素子との間の接触部１２によって、内燃機関の燃焼室とは遠い方の領域において発生するような高い温度においても、確実な振動伝達が得られる。図２によれば、センサダイヤフラム７を有するインサート２５が、継ぎ目２６に沿って、圧力センサ１の、燃焼室に向いた側の端部に摩擦接続（摩擦による束縛）式に結合されている。

符号１４で、圧力センサ１のセンサヘッド２７の広がった直径領域が記されている。この直径領域に評価エレクトロニクスの回路担体２８が収容されている。圧力センサ１のセンサヘッド２７の、符号２０で記された外周面は、圧力センサ１の後ろの領域で圧力センサ１を付加的にガイドし、それによって有利な形式で、本発明に従って前置された圧力センサ１がさらされる振動負荷を減少させるために用いられる。

図３は、図２の縦断面に対して９０゜回転した縦断面で、図１による圧力センサを示している。

図３によれば、評価エレクトロニクス１６を受容する回路担体２８が、圧力センサ１の左右対称軸線１９に対して平行に、センサヘッド２７の中空室２３内に受容されている。符号２３で記された、センサヘッド２７の中空室２３内には、図３に示されたように片側に装着された回路担体２８も、また両側に装着された回路担体２８も取り付けることができる。回路担体２８は、図３に示した配置の変化実施例の他に、圧力センサ１のセンサヘッド２７内の中空室２３内で横方向に受容されるようにしてもよい。圧力センサ１の上側の領域内に接続領域１８が配置されており、この接続領域１８で以て、後ろ側の領域つまり本発明に従って提案された圧力センサのセンサヘッドが、内燃機関のためのエンジン制御装置の図３に示されていないケーブルハーネスに接続される。図３によれば、インサート２５が凹部２４を有しており、この凹部２４の制限部は、鋼ダイヤフラムとして構成されたセンサダイヤフラム７を形成している。センサダイヤフラム７の後ろ側は、ばねエレメント１５によって圧力接触せしめられていて、このばねエレメント１５自体は、圧力センサ１のネック領域３内にロッド状に構成された、導電材料より成る挿入部１１に接触している。導電材料より成るロッド状の挿入部自体は、評価エレクトロニクス１６の回路担体２８と、同様に圧力接触を介して又はボンディング接触を介して導電接続されている。圧力センサ１のセンサヘッド２７内の直径拡張部１４に基づいて、評価エレクトロニクス１６の回路担体２８は中空室２３内に問題なく収納することができるので、導電材料より成るロッド状に構成された挿入部１１によって伝達されるセンサ信号は、短い伝達区間を介して評価エレクトロニクス１６に供給される。

本発明に従って提案された圧力センサ１の細い構造によって、圧力センサ１は、内燃機関のシリンダヘッド領域内の制限された組み込みスペース内に組み込むことができる。ばねエレメント１５によって実現された、センサダイヤフラム７の後ろ側７．２に取り付けられた圧電抵抗式の金属薄層８の圧力接触によって、確実な信号伝達が得られる。取り出された信号は、導電材料より成るロッド状に構成された挿入部１１を介して、センサヘッド２７内に受容された評価エレクトロニクス１６に伝達される。センサネック３のカバー管９内に挿入された、非導電性材料より成るベース体１０の選択された配置、及びこのベース体１０内に組み込まれた、導電材料より成るほぼロッド状の挿入部１１の選択された配置に基づいて、圧力信号のための伝達区間を形成する挿入部１１の振動の影響を受けない支承部並びに絶縁部が得られる。

図４には、圧電抵抗式の測定エレメントを有する金属薄層の構造の詳細が示されている。

圧電抵抗式の測定エレメントを有する金属薄層８に、多数の接点パッド３１が配置されている。接点パッド３１は、ばね接点（ばねエレメント１５）又はシンチ接点つまりばね弾性特性を有する巻いたワイヤ又はボンディング結合又は溶接されたワイヤ結合を介して接触せしめられる。接点パッド３１は、金属薄層８内に組み込まれた、圧電抵抗式の測定エレメントのそれぞれの端部に導電接続されている。さらにまた、図４の平面図に示した金属薄層の赤道平面上に、２つの薄層抵抗３２が圧縮された形状で受容されており、これらの薄層抵抗３２は、センサダイヤフラム７の圧力負荷によって圧縮されている。さらに、図４に著しく拡大して示された金属薄層８は、別の２つの薄層抵抗３３を有しており、これらの薄層抵抗３３は、センサダイヤフラム７の圧力負荷によって伸張される。

図５は、薄層抵抗の電気回路の原理図が示されている。

薄層抵抗３２及び３３は、ブリッジ回路の形で互いに回路接続される。ブリッジ回路に電圧供給３０が印加される。測定電圧Ｕ_Ｍは、それぞれ、図４で外側に配置され、かつ圧縮された薄層抵抗３２と、図４で内側に配置、かつ伸張された薄層抵抗３３との間で取り出される。図４によれば、伸張された薄層抵抗３３は、圧電抵抗式の測定エレメントを有する金属薄層８の赤道に対して平行に配置されている。

測定電圧Ｕ_Ｍの取り出しは、図４に示された接点パッド３１において、導電材料より成る挿入部１１を用いて行われる。圧電抵抗式の測定エレメントを有する金属薄層８上の接点パッド３１の数に応じて、圧力センサ１の非導電性材料より成るベース体１０内に、ロッド状の４つまでの挿入部１１が設けられる。

回転対称的に構成された、本発明によって提案された圧力センサの平面図である。 図１に示した圧力センサの縦断面図である。 図１に示した圧力センサの、図２とは異なる断面による縦断面図である。 金属薄膜の詳細を示す図である。 電気回路の原理図である。

Claims (12)

1. 高圧で負荷される室内の圧力を検出するための圧力センサであって、この圧力センサ（１）によって検出された信号が評価エレクトロニクス（１６）に供給され、高圧で負荷された前記室に向いた側の、圧力センサ（１）の端部でセンサダイヤフラム（７）が受容されている形式のものにおいて、
   センサダイヤフラム（７）が鋼ダイヤフラムとして構成されていて、この鋼ダイヤフラムの後ろ側（７．２）に、圧電抵抗式の測定エレメントを受容する金属薄層（８）が取付けられていて、該金属薄層（８）がこの金属薄層（８）に接触する伝達エレメント（１１）を介して評価エレクトロニクス（１６）に接続されていることを特徴とする、圧力センサ。
2. 直径（２２）が拡張されたセンサヘッド（２７）と、直径（２１）が減少されたセンサネック（３）とを有している、請求項１記載の圧力センサ。
3. 評価エレクトロニクス（１６）が圧力センサのセンサヘッド（２７）内に組み込まれている、請求項２記載の圧力センサ。
4. センサ体（２）が、燃焼室の近くに形成された円錐形シール座（４）を有している、請求項１記載の圧力センサ。
5. センサネック（３）を形成するカバー管（９）にねじ山付き区分（５）が形成されている、請求項２記載の圧力センサ。
6. 非導電性の材料より成るベース体（１０）内に、導電性の材料より成る、伝達エレメントとしての挿入部（１１）が設けられており、この挿入部（１１）が圧力センサ内に挿入されてセンサダイヤフラム（７）の金属薄層（８）とベース体（１０）とを接触させるようになっている、請求項１記載の圧力センサ。
7. 挿入部（１１）が一方では、センサダイヤフラム（７）の金属薄層（８）と圧力接触、ボンディング接触又はシンチコンタクトを形成しており、他方では、ボンディング接触又は圧力接触を介して圧力センサ（１）の評価エレクトロニクス（１６）に接続されている、請求項６記載の圧力センサ。
8. センサダイヤフラム（７）が、センサネック（３）内に嵌め込まれたインサート（２５）に形成されている、請求項２記載の圧力センサ。
9. 金属薄層（８）を伝達エレメント（１１）に接触させるためにばねエレメント（１５）が設けられている、請求項１記載の圧力センサ。
10. 評価エレクトロニクス（１６）が、センサヘッド（２７）の中空室（２３）内で、圧力センサの左右対称軸線（１９）に対して平行に、又はこの左右対称軸線（１９）に対して直交する横方向に受容されていて、評価エレクトロニクス（１６）が、片側又は両側に装着されたプリント基板（２８）を有している、請求項２記載の圧力センサ。
11. センサヘッド（２７）の外周面が、組み込みスペース内での圧力センサ（１）のガイド区分（２０）として用いられる、請求項２記載の圧力センサ。
12. 前記圧力センサを内燃機関の燃焼室内で圧力を検出するために用い、この場合、前記圧力センサ（１）が内燃機関のシリンダヘッド内に受容されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧力センサ。

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