JP2008020461A - 圧力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のチャンバに配置するための圧力測定装置、特に空気圧縮式で自己点火式の内燃機関のための圧力測定グロープラグであって、ケーシングが設けられており、力伝達エレメントが設けられており、外力伝達エレメントが、部分的にケーシングから突出しており、少なくとも１つの圧力センサが設けられており、圧力センサが、ケーシングの内室に配置されており、圧力センサが、一方では少なくとも間接的に力伝達エレメントと作用接続していて、かつ、他方では少なくとも間接的に固定エレメントに支持されている形式のものを改良する。
【解決手段】圧力センサ１０が、基板２５と、少なくとも基板２５上に取り付けられた圧電性の薄層２６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に配置するための圧力測定装置に関する。特に本発明は、空気圧縮式で自己点火式の内燃機関の予燃室、渦流室または燃焼室に配置するための圧力測定グロープラグに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３４６３３０号明細書から、ディーゼルエンジンのための圧力測定グロープラグが公知である。公知の圧力測定グロープラグは、ディーゼルエンジンのシリンダに挿入するためのプラグボディを備えている。さらに公知の圧力測定グロープラグは、プラグボディに配置された加熱ロッドと圧力センサとを備えており、加熱ロッドは、燃焼室側でプラグボディから突出しており、圧力センサは、シリンダの燃焼室における圧力に対応する信号を形成し、この場合圧力は、プラグボディまたは加熱ロッドを介して伝達される。公知の圧力測定グロープラグの圧力センサは、圧電式の圧力センサとして形成されており、この場合圧力センサの圧力負荷によって電荷が増加し、電荷の増加は、電子回路によって検出して、評価される。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３４６３３０号明細書から公知の圧力測定グロープラグの欠点によれば、公知の圧力センサ構造は高いコストを伴うか、または圧力測定グロープラグの耐用年数にわたって劣化作用が生じる。たとえば圧電式の圧力センサの変換器材料として石英を用いることが考えられ、石英は、感度が比較的小さいという欠点を有しているので、電荷に応じて並列に接続された２つまたは３つ以上のセンサエレメントが使用され、このことは構造技術的および接続技術的に高いコストを要求する。変換器材料としての石英の別の欠点によれば、２００度を超える温度で双晶形成特性が存在し、このことは変換器材料の劣化をまねく。さらに変換器材料として圧電セラミックを使用することも考えられるが、圧電セラミックは、減極に起因して、圧力測定グロープラグの耐用年数にわたって感度の変化の欠点をもたらす。さらに圧電セラミックは、電荷−力−特性曲線における比較的はっきりしたヒステリシスを有しており、ヒステリシスは、減極によって増強され、ひいては測定問題を生じさせる。高温、特にキュリー温度を５０％上回る温度では、このような不都合な作用が助成されるので、圧力測定グロープラグに関する圧電セラミックの使用範囲は制限されている。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３４６３３０号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の圧力測定装置を改良することである。

この課題を解決するための本発明の装置によれば、内燃機関のチャンバに配置するための圧力測定装置、特に空気圧縮式で自己点火式の内燃機関のための圧力測定グロープラグであって、ケーシングが設けられており、力伝達エレメントが設けられており、外力伝達エレメントが、部分的にケーシングから突出しており、少なくとも１つの圧力センサが設けられており、圧力センサが、ケーシングの内室に配置されており、圧力センサが、一方では少なくとも間接的に力伝達エレメントと作用接続していて、かつ、他方では少なくとも間接的に固定エレメントに支持されている形式のものにおいて、圧力センサが、基板と、少なくとも基板上に取り付けられた圧電性の薄層とを備えている。

有利には、基板が、導電性の基板として形成されている。

有利には、基板が、金属製の基板として形成されている。

有利には、基板が、少なくとも部分的に高濃度ドーピングされた半導体から形成されている。

有利には、圧力センサが、圧力センサで取出可能な測定電荷を電気測定信号に変換するための、基板の半導体に形成された集積回路を備えている。

有利には、薄層が、直接的に基板上に形成されている。

有利には、薄層上に取り付けられた電極上層が設けられており、電極上層が、薄層の電気コンタクトに役立つ。

有利には、薄層が、少なくとも１つの圧電性の窒化金属、特に窒化アルミニウムを有している。

有利には、薄層が、少なくとも１つの圧電性の酸化金属、特に酸化亜鉛を有している。

有利には、薄層の結晶構造のＣ軸が、力伝達エレメントから圧力センサへの力導入の方向に対して少なくとも実質的に平行に方向付けされている。

有利には、薄層が、石英、ランガサイトまたはＬｉＢＮＯ₃を有している。

有利には、圧力センサが、マイクロ技術のエッチング方法によって、有利にはリングまたはディスクとして製作されている。

本発明の構成によれば、圧力測定装置の耐用年数にわたって圧力測定の高い確実性が達成され、特に比較的一定に維持される圧力センサ特性が保証される。

従属請求項に記載した構成によって、請求項１に記載した圧力測定装置の有利な改良形が得られる。

有利には、基板が、導電性の基板として形成されている。したがって圧電性の薄層と測定線路との電気コンタクトは、基板を介して行うことができる。たとえば基板は、金属製の基板として形成するか、または少なくとも部分的に高濃度ドーピングされた半導体として形成することができ、この場合単数または複数の領域は、低濃度ドーピングすることもできる。さらに基板の、薄層の取り付けられた基板面に対する薄層の電気コンタクトは、電極下層によって行うこともできる。電極下層は、有利には白金から形成されており、これによって有利な成長が得られる。特に導電性の電極下層を使用する場合、基板は、電気的に絶縁性に形成するか、または比較的高い抵抗を有する材料から形成することができる。

さらに有利には、圧力センサは、部分的に高濃度ドーピングされた半導体として形成された基板では、基板の半導体に組み込まれた集積回路を備えている。そのような集積回路は、特に使用例にとって特有の集積回路として形成することができ、圧力センサで検出可能な測定電荷を電気出力信号に変換するのに役立ち、この場合適当な信号処理、特に信号コード化が可能である。

圧電性の薄層またはそのような複数の圧電性の薄層は、基板上に取り付けられた積層の単数または複数の部分層であってよい。この場合薄層は、基板に直に取り付けることができる。さらに薄層上に取り付けられた電極上層を設けることができ、電極上層は、薄層の電気コンタクトに役立つ。薄層の電気コンタクトは、薄層の構成に応じて直に薄層で行うこともきる。

有利には、薄層は、少なくとも１つの圧電性の窒化金属および／または圧電性の酸化金属を有している。測定電荷を形成するために圧電性の薄層を用いると有利であり、圧電セラミックまたは石英の劣化問題を回避することができる。さらに有利には、高い精度で圧力測定を実現する、ヒステリシスのない少なくともほぼ直線的な電荷−力−特性曲線が得られる。圧電性の窒化金属、特に窒化アルミニウムから成る薄層の場合、高いキュリー温度で、たとえば約５００度〜６００度の範囲の上限までの高い耐熱性が得られるので、薄層の化学的および物理的な特性が維持され、圧力測定装置が高温で負荷されても、圧力の精確な測定が実現される。

さらに圧力センサを製作する際に、薄層を製作するのに一般的な方法、特にＣＶＤ法またはスパッタリングのような一般的なコーティング法を用いることができるので、大量の圧力センサを経済的に製作することができる。この場合フリーフォーム面は追加コストなしに構造化に際してマスクプロセスによって実現することもでき、慣用の半導体基板のコーティング、たとえば窒化珪素または窒化ガリウムでは、標準半導体プロセスによるマイクロ構造化によって、集積回路の経済的な構造を実現することもできる。さらに破損に関して比較的高い縁品質が達成され、半導体基板の場合高い機械安定性が達成される。薄層は、少なくとも実質的に、つまり汚れを無視すると、圧電性の窒化金属、特に窒化アルミニウムから形成することができ、または少なくとも実質的に圧電性の酸化金属、特に酸化亜鉛から形成することができる。

有利には薄層の結晶構造のＣ軸は、力伝達エレメントから圧力センサへの力導入方向に対して少なくとも実質的に平行に方向付けされている。これによってＣ軸方向で成長する薄層に対するせん断力に関して僅かな横感度が達成される。

電荷に応じて平行に接続された圧電性の複数の薄層を設けることもでき、これらの薄層は、圧力センサの一部である。

有利には、薄層が、石英、ランガサイトまたはＬｉＢＮＯ₃を有している。さらに有利には、圧力センサは、高い有用性（バッチ法）において、マイクロ技術のエッチング法によって、任意の形状、有利にはリングまたはディスクの形状で製作可能である。

次に本発明の実施の形態を図示の実施例を用いて詳しく説明する。図面において、同じ構成部材には、同じ符号を用いた。

図１には、圧力測定装置１の第１実施例を軸方向断面図で示した。圧力測定装置１は、空気圧縮式で自己点火式の内燃機関のための圧力測定グロープラグ１として形成されている。圧力測定装置１の力伝達エレメント２は、この場合圧力測定グロープラグ１の棒状の加熱エレメント２によって形成されており、力伝達エレメント２は、予燃焼室式エンジンおよび渦流室式エンジンでは、内燃機関の室に突入していて、直噴型のエンジンでは、エンジンの燃焼室に突入している。本発明による圧力測定グロープラグ１は、別の使用例にも適している。

さらに圧力測定装置１は、燃焼室圧力センサまたは圧力測定点火プラグとして形成することもできる。したがって本発明による圧力測定センサ１の使用は、一般的に燃料室圧力センサ、グロープラグに組み込まれた燃焼室圧力センサ、点火プラグに組み込まれた燃料室圧力センサ、一般的な圧力センサシステムおよび力センサシステムに関する。

圧力測定グロープラグ１は、ケーシング３を備えており、ケーシング３に、円錐シール４が形成されている。棒状の加熱エレメント２は、力伝達スリーブ５を備えており、力伝達スリーブ５は、たとえば金属管から形成することができる。棒状の加熱エレメント２の電気コンタクトは、一方ではグロー電流線路６を介して、また他方ではケーシング３に対する適当な接続部を介して行われ、この場合ケーシング３を介してアースとの接続が形成可能である。

本実施例では、ケーシング３の内側に、金属ダイヤフラム７として形成されたシールエレメント７が設けられており、これによってケーシング３の内室８は、内燃機関のチャンバに対してシールすることができる。シールエレメント７は、Ｏリングまたはグラファイトブシュとして形成することができる。

内室８において、第１のコンタクトエレメント１１と第２のコンタクトエレメント１２との間に圧力センサ１０が配置されている。第２のコンタクトエレメント１２および力伝達スリーブ１３を介して、圧力センサ１０は、力伝達エレメント２と作用接続している。さらに圧力センサ１０は、第１のコンタクトエレメント１１を介して、結合箇所１４でケーシング３と結合された固定エレメント１５に支持されている。場合によっては単数または複数の絶縁層を設けることができ、これによって第１のコンタクトエレメント１１と固定エレメント１５との間、もしくは第２のコンタクトエレメント１２と力伝達スリーブ１３との間の電気絶縁を達成することができる。本実施例では、圧力センサ１０は、円筒リング形に形成されているので、グロー電流線路６は、圧力センサ１０を貫通ガイドすることができる。これに応じてコンタクトエレメント１１，１２もリング形に形成されている。さらに測定線路１６，１７が設けられており、測定線路１６，１７はコンタクトエレメント１１，１２と接続されており、これによって電気測定信号が圧力測定装置１から適当な評価装置に送られる。

力伝達エレメント２、力伝達スリーブ１３、コンタクトエレメント１１，１２、圧力センサ１０および固定エレメント１５は、圧力測定装置１のケーシング３の軸線１８に対して同軸的に配置されているので、矢印１９，２０，２１によって示された、軸線１８の方向で力伝達エレメント２から圧力センサ１０に向かう力導入が得られる。内燃機関のチャンバにおける現行の圧力に応じて、力２２が、軸線１８の方向で力伝達エレメント２に作用し、この力２によって、圧力センサ１０が適当に負荷される。したがって圧力センサ１０で適当な測定電荷が形成され、測定電荷は、測定線路１６，１７を介して取り出される。測定線路１６，１７は、図１に示したように、部分的にコンタクトエレメント１１，１２および圧力センサ１０の内側で延びるか、または外側からコンタクトエレメント１１，１２にガイドするか、もしくは直接的に圧力センサ１０にガイドすることができる。圧力測定装置１の圧力センサ１０の実施例および作用について、以下に図２につき詳しく説明する。

図２には、圧力測定装置１の第１実施例の圧力センサ１０を断面図で詳しく示した。圧力センサ１０は、基板２５を備えており、基板２５は、金属、たとえば鋼から、または半導体材料、たとえば高濃度ドーピングされたｎ−もしくはｐ−Ｓｉから形成することができる。基板２５に、圧電性の薄層２６が取り付けられている。この場合薄層２６を製作する際の成長方向は、軸線１８に対して平行に方向付けされるので、薄層２６の結晶構造のＣ軸の方向は、軸線１８に対して平行である。これによって図１において矢印１９，２０，２１で示した力導入に関する薄層２６の有利な感度が達成され、薄層２６は、横方向力もしくはせん断力に対してほとんど不感である。

薄層２６は、基板２５の端面２７上に直に取り付けられている。さらに薄層２６上に電極上層２８が取り付けられており、電極上層２８は、薄層２６のコンタクトに役立つ。図１に示した第１のコンタクトエレメント１１は、たとえば金属リングとして形成されており、コンタクトエレメント１１は、電極上層２８の表面２９に接触する。この場合電極上層２８は、場合によっては第１のコンタクトエレメント１１の凹凸を補償する。要するに電極上層２８は、等ポテンシャル面を提供し、かつこれによって電極上層２８とコンタクトエレメント１１との間の中空スペースによって生じる恐れのある寄生容量を防止する。もちろん薄層２６側の第１のコンタクトエレメント１１の極めて扁平で平滑な構成では、薄層プロセス、たとえばＣＶＤ法またはスパッタリングによって、比較的簡単に得られる、薄層２６の高い表面品質に基づいて、特に薄層２６の比較的小さな粗さに基づいて、薄層２６の直接的なコンタクトは、第１のコンタクトエレメント１１を介して行うことができ、この場合電極上層２８は省略される。

図２に示した実施例では、基板２５は、導電性に形成されているので、基板２５の一方の端面３０に接触する第２のコンタクトエレメント１２を介して、一方の測定線路１６，１７との接続を行うことができる。特に電気絶縁性または高抵抗の基板２５を使用することのできる選択的なコンタクトについて、図４につき後述する。

電極上層２８は、有利には金属製の電極上層２８として形成されている。有利には電極上層２８は、少なくとも主にＣｒＡｕ、ＣｒＮｉＡｕまたはこれに類するものから形成されており、これは比較的高い耐熱性を有している。電極上層２８を形成するために考えられる別の金属は、アルミニウムおよび白金である。

圧力センサ１０全体は、連続的に延びる開口３１を備えているので、グロー電流線路６および測定線路１６，１７は、開口３１を通って、または開口３１にガイドすることができる。

図３には、圧力測定装置１の第１実施例の圧力センサ１０を、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図で示した。薄層２６の幾何学形状は、実質的に端面２７によって設定されるので、この実施例では、近似的に円形リング状の薄層２６が形成される。

図４には、本発明の第２実施例による圧力測定装置の圧力センサ１０を、図２に相当する断面図で示した。この実施例では、圧力センサ１０は、図２に示した圧力センサ１０とは異なって開口３１を有していない。これによって適当な寸法設定で比較的大きな測定電荷量が得られる。さらに電極下層３２が設けられており、電極下層３２は、直に基板２５上に取り付けられている。電極下層３２上に、先ず薄層２６が取り付けられ、次いで電極上層２８が取り付けられている。これによって層３２，２６，２８から成る積層３３が形成される。基板２５の材料に応じて、電極下層３２によって、薄層２６と基板２５との間の電気コンタクトが改善され、特に薄層２６と基板２５との間の付着が改善される。さらに電極下層３２は、一方の測定線路１６，１７との電気接続にも役立つ。電極下層３２の、考えられる構成、特に化学組成は、電極上層２８の構成、特に化学組成に相当し、この場合圧力センサ１０の電極上層２８と電極下層３２とは、同じ組成またはそれぞれ異なる組成を有してよい。

ここで付記しておくと、電極下層３２は省略することもできる。さらに圧力センサ１０は、円形、矩形、特に正方形の横断面を有してよい。

図５には、本発明の第３実施例による圧力測定装置の圧力センサ１０を、図４に相当する断面図で示した。この実施例では、基板２５は、半導体から形成されている。この場合基板２５の半導体材料の領域３４に、集積回路３５、特に使用例にとって特有の集積回路３５が形成されている。集積回路３５は、薄層２６と接続されており、生じた測定電荷の少なくとも部分的な評価を行うことができる。特に集積回路３５は、生じた測定電荷を、測定信号に、たとえば測定信号電圧に変換し、これによって測定線路１６，１７を介して、測定された測定電荷のエラーのない読取が達成される。この場合集積回路２５と薄層２６との接続は、図４に示した電極下層３２によって行うこともできる。

図６には、本発明による第３実施例の圧力測定装置１の圧力センサ１０を、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図で示した。この実施例では、基板２５は、正方形の横断面を有している。集積回路３５は、圧力センサ１０の内部に形成されているので、集積回路３５は、周囲に対して保護されている。

圧電性の薄層２６は、有利には圧電性の窒化金属、特に窒化アルミニウムから形成されているか、または圧電性の酸化金属、特に酸化亜鉛から形成されている。圧電性の薄層２６は、石英、ランガサイトから形成することも、つまりＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄またはＬｉＢＮＯ₃から形成することもできる。有利には圧電性の薄層は、たとえば５ｐｃ／Ｎまでの高感度と僅かな温度範囲とを備えている。薄層２６は、様々な基板２５上に形成することができ、基板２５は、たとえばＳｉ、Ａｌ₂Ｏ₃、または鋼から形成することができる。この場合たとえば石英の感度のほぼ２倍の高感度が達成される。

本発明は、説明した実施例に制限されるものではない。

本発明による第１実施例の圧力測定装置を概略的に示す縦断面図である。 図１に示した、本発明による圧力測定装置の圧力センサを詳しく示す縦断面図である。 図２に示した圧力センサの、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った横断面図である。 図２に相当する、本発明による第２実施例の圧力測定装置の圧力センサを示す縦断面図である。 図４に相当する、本発明による第３実施例の圧力測定装置の圧力センサを示す縦断面図である。 図５に示した、本発明による圧力測定装置の第３実施例の圧力センサを、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿って示す横断面図である。

符号の説明

１ 圧力測定装置、 ２ 加熱エレメント、力伝達エレメント、 ３ ケーシング、 ４ 円錐シール、 ５ 力伝達スリーブ、 ６ グロー電流線路、 ７ シールエレメント、 ８ 内室、 １０ 圧力センサ、 １１ 第１のコンタクトエレメント、 １２ 第２のコンタクトエレメント、 １３ 力伝達スリーブ、 １４ 結合箇所、 １５ 固定エレメント、 １６ 測定線路、 １７ 測定線路、 １８ 軸線、 １９ 矢印、 ２０ 矢印、 ２１ 矢印、 ２２ 力、 ２５ 基板、 ２６ 薄層、 ２７ 端面、 ２８ 電極上層、 ２９ 表面、 ３０ 端面、 ３１ 開口、 ３２ 電極下層、 ３３ 積層、 ３４ 領域、 ３５ 集積回路

Claims (12)

1. 内燃機関のチャンバに配置するための圧力測定装置（１）、特に空気圧縮式で自己点火式の内燃機関のための圧力測定グロープラグであって、
   ケーシング（３）が設けられており、力伝達エレメント（２）が設けられており、外力伝達エレメント（２）が、部分的にケーシング（３）から突出しており、少なくとも１つの圧力センサ（１０）が設けられており、該圧力センサ（１０）が、ケーシング（３）の内室（８）に配置されており、圧力センサ（１０）が、一方では少なくとも間接的に力伝達エレメント（２）と作用接続していて、かつ、他方では少なくとも間接的に固定エレメント（１５）に支持されている形式のものにおいて、
   圧力センサ（１０）が、基板（２５）と、少なくとも該基板（２５）上に取り付けられた圧電性の薄層（２６）とを備えていることを特徴とする、圧力測定装置。
2. 基板（２５）が、導電性の基板（２５）として形成されている、請求項１記載の圧力測定装置。
3. 基板（２５）が、金属製の基板（２５）として形成されている、請求項２記載の圧力測定装置。
4. 基板（２５）が、少なくとも部分的に高濃度ドーピングされた半導体から形成されている、請求項２記載の圧力測定装置。
5. 圧力センサ（１０）が、該圧力センサ（１０）で取出可能な測定電荷を電気測定信号に変換するための、基板（２５）の半導体に形成された集積回路（３５）を備えている、請求項４記載の圧力測定装置。
6. 薄層（２６）が、直接的に基板（２５）上に形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力測定装置。
7. 薄層（２６）上に取り付けられた電極上層（２８）が設けられており、該電極上層（２８）が、薄層（２６）の電気コンタクトに役立つ、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力測定装置。
8. 薄層（２６）が、少なくとも１つの圧電性の窒化金属、特に窒化アルミニウムを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力測定装置。
9. 薄層（２６）が、少なくとも１つの圧電性の酸化金属、特に酸化亜鉛を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力測定装置。
10. 薄層（２６）の結晶構造のＣ軸が、力伝達エレメント（２）から圧力センサ（１０）への力導入の方向（２０）に対して少なくとも実質的に平行に方向付けされている、請求項９記載の圧力測定装置。
11. 薄層（２６）が、石英、ランガサイトまたはＬｉＢＮＯ₃を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力測定装置。
12. 圧力センサ（１０）が、マイクロ技術のエッチング方法によって、有利にはリングまたはディスクとして製作されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧力測定装置。

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