JP2017502301A - 圧力測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、支持体（１４）と、外部圧力の変化の作用で変形するように支持体に取り付けられたセラミックダイヤフラム（１６）とを含む圧力センサと、上記のダイヤフラムの位置に応じて変化する電気特性を有するようにセラミックダイヤフラムに固定された応力ゲージと、この応力ゲージに電気的に接続されて、応力ゲージから受信した信号を処理するように構成された電子部品とを含む測定回路とを含む、外部圧力の測定装置に関し、この装置は、電子部品が支持体に固定されることを特徴とする。

Description

本発明は、特に自動車用の圧力測定装置に関する。

圧力測定装置は、一般に圧力センサと測定回路とを含んでいる。圧力センサは、一般に、用途に応じて支持体と、周囲の圧力の作用で変形するように支持体に取り付けられたセラミックダイヤフラムとを含んでいる。測定回路は、一般に、セラミックダイヤフラムに固定された応力ゲージと、上記応力ゲージに電気的に接続される外付け電子部品とを含んでいる。応力ゲージは、上記セラミックダイヤフラムの位置に応じて変化する電気特性たとえば抵抗を有するようにセラミックダイヤフラムに配置される。電子部品は、対応する圧力測定値を提供するために、上記応力ゲージから受信した信号を処理するように構成されている。

自動車電子工学の分野では、より小型で製造コストが安価な圧力測定装置の必要性が常に存在する。

本発明の目的は、少なくとも部分的にこの必要性を満たすことにある。

本発明によれば、この目的は、
‐支持体と、外部圧力の変化の作用で変形するように支持体に取り付けられたセラミックダイヤフラムとを含む圧力センサと、
‐上記ダイヤフラムの位置に応じて変化する電気特性を有するようにセラミックダイヤフラムに固定された応力ゲージと、上記応力ゲージに電気的に接続されて、上記応力ゲージから受信した信号を処理するように構成された電子部品とを含む測定回路と、
を含む外部圧力測定装置を用いて達成される。

本発明によれば、電子部品は支持体に固定される。

そのため、以下の説明でさらに詳しく述べるように、支持体は、ダイヤフラムと電子部品の両方を固定する役割を果たす。したがって、測定装置が一段と小型化される。しかも、測定装置に含まれる部品数は少ないので製造コストが抑えられる。

本発明による測定装置は、さらに、次のような任意の１つまたは複数の特徴を含むことができる。

‐測定装置は、可撓性のコネクタを介して支持体に接続される接続端子を含んでいる。

‐可撓性のコネクタは、スプリング、特にヘリカルスプリング、ワイヤまたは弾性の舌片の中から選択される。

‐上記可撓性のコネクタが上記電子部品と上記端子とを電気的に接続する。

‐上記可撓性のコネクタがヘリカルスプリングである。

‐上記可撓性のコネクタが、金の層で被覆されている。

‐金の層の下にニッケル下層が延びている。

‐支持体がセラミック材料からなる。

‐圧力センサが、上記セラミックダイヤフラムを外部から保護し、好ましくは隔離するガラス層を含んでいる。

‐支持体は、セラミックダイヤフラムが内部で変形可能な空洞を含んでいる。

‐支持体とセラミックダイヤフラムが一緒に密封内部チャンバを画定する。

‐セラミックダイヤフラムは、０〜３００バールの圧力測定に適している。

‐処理は、たとえば電磁的保護を行うために信号変換またはフィルタリングを包含する。

本発明は、また、自動車用の本発明による測定装置に関する。

本発明は、また、本発明による測定装置を含む機器に関し、この機器は、好ましくはエンジン、特に熱機関、ギヤボックス、制動装置、空調装置、冷蔵庫および冷凍庫からなるグループから選択される。圧力センサは、たとえば機器がギヤボックスもしくはエンジンである場合にはオイルと接触可能であり、または機器が空調装置、冷凍庫および冷蔵庫の中から選択される場合には冷媒と接触可能であり、または機器が制動装置の場合はブレーキオイルと接触することができる。本発明による測定装置は、特に、サーボ制御の範囲で使用され、および／または様々な安全機能を果たすことができる。

本発明は、さらに、本発明による機器を備えた自動車に関する。

本発明の他の特徴および長所は、さらに、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。
本発明による測定装置の１つの実施形態を示す透視投影図である。 本発明による測定装置の１つの実施形態を示す透視投影図である。 本発明による測定装置の１つの実施形態を示す透視投影図である。 本発明による測定装置の１つの実施形態を示す概略的な部分横断面図である。

定義

形容詞の「上」および「下」は、限定的ではないが、図１または図４に示された装置の位置に対して用いられている。

特に指示のない限り、「含む」または「包含する」とは、「少なくとも１つを含む」を意味する。

図に示したように、本発明による圧力測定装置１０は、ケーシング１１と、このケーシング１１に収容される圧力センサと測定回路とを含んでいる。

圧力センサは、支持体１４と、セラミック材料からなるダイヤフラム１６とを含んでいる。

支持体１４は、ほぼ一定の厚みのプレートであり、正面からみてほぼ長方形の形状である。支持体は、上面１４ｓと下面１４ｉとを有している。

支持体の厚さは、好ましくは１〜５ｍｍである。支持体の幅は、好ましくは８〜１６ｍｍである。支持体の長さは、好ましくは１０〜２０ｍｍである。

支持体１４は、セラミック材料の中から、好ましくは、アルミナ粉末を主成分とするセラミック材料の中から選択される材料とすることができ、たとえばモノリシックセラミックとすることができる。

好ましくは、支持体１４がモノブロックである。

好ましくは、下面１４ｉが、好ましくは回転円筒体の空洞１５を有し、ダイヤフラム１６は、外部圧力の上昇作用により上記空洞の内部で変形することができる。

ダイヤフラム１６は、ほぼ平面であり、好ましくは円盤状であって、上面１６ｓと下面１６ｉとを有する。

ダイヤフラム１６は、セラミック材料の中から、好ましくはアルミナ粉末を主成分とするセラミック材料の中から選択される材料とすることができ、たとえばモノリシックセラミック材料とすることができる。

ダイヤフラム１６は、好ましくは厚さが０．１５ｍｍ〜０．４ｍｍである。

好ましくは、ダイヤフラム１６は、外部圧力の作用で変形可能にされながら、外部環境からこのダイヤフラムを保護するガラス層１８により外部から隔離されている。好ましくは、ガラス層がダイヤフラム１６の表面の一部に延び、これによって、測定すべき外部圧力との接触面を画定している。

ダイヤフラム１６の縁は、支持体の下面１４ｉに密封式に固定され、たとえば貼り合わされる。ダイヤフラム１６は、圧力の測定対象となる流体を通さない、密封された内部チャンバ１７を支持体とともに画定するように空洞１５を塞ぎ、チャンバ内は「内部圧力」下におかれている。このようにして、ダイヤフラム１６の上面１６ｓは、この内部圧力を受ける。

ダイヤフラムは、また、その反対側の面で、装置の密封性を保証可能な環状リム２０に接触している。リム２０は、好ましくは、支持体１４の下面１４ｉからダイヤフラム１６を離隔するように１．５ｍｍを上回る厚さを有し、それによって、ダイヤフラムは外部圧力の作用下で自由に変形することができる。密封機能は、リムの圧縮により保証される。

リム２０は、支持体１４と一体式に構成することができる。

リム２０は、たとえば、対象とされる流体と、密封性を保証するのに必要な許容圧縮応力とに応じて化学組成の異なる材料から構成可能である。そのため、材料は、エラストマーの中から選択可能であり、たとえば水素化ニトリルゴムあるいはアクリルエラストマーとすることができる。

圧縮時にリムが発生する応力がダイヤフラムを変形しないように、したがって測定を誤らせないように全体が構成される。

ケーシング１１は、上記ダイヤフラムが周囲の圧力すなわち「外部圧力」を受けるように、外部流体とガラス層１８の下面１８ｉ（あるいは、このガラス層がない場合は、ダイヤフラム１６の下面１６ｉ）とを連通するダクト２２を画定する。

好ましくは、測定装置は、ダクト２２が通じる外部チャンバ２４を画定するために、一方ではケーシング１１と、他方では図示されているように支持体１４もしくはガラス層１８との間、またはダイヤフラム１６との間に、密封式に配置されるシールまたはリム２０を含んでいる。

したがって、外部圧力の変化の作用を受けて、ダイヤフラム１６は、ドラムシェルに固定される皮のように膨らみながら変形することができる。

ダクト２２の通路の断面は一般に１．５〜５ｍｍである。

測定回路は、爪３２を介して、支持体１４の下面１４ｉの反対側の上面１４ｓに固定される電子部品３０を含んでいる。電子部品３０は、ダイヤフラム１６に固定された応力ゲージ３３に電気的に接続され、電子部品３０と上記応力ゲージとの間で電流が流れることができる。

応力ゲージは、その幾何学的形状に依存する電気特性、たとえば電気抵抗または電気容量を有するという特徴がある。特に、応力ゲージは、変形可能なダイヤフラムに固定されると、こうした変形の作用でその幾何学的形状が変化することができる。

電子部品３０は、特に、応力ゲージ３３からの電気信号を、応力ゲージの変形を導く外部圧力に対応する情報に変換するように構成可能である。電子部品は、また、測定装置の環境を電磁的に保護するために、こうした電気信号を処理するように構成可能である。

測定回路は、支持体の上面１４ｓに当接する３個のヘリカルスプリング４０（図４では示さず）も含んでおり、複数のトラック（図示せず）が、各スプリング４０と電子部品３０とを電気的に接続する。スプリング４０の自由端は、それ自体がケーシング１１に固定されてケーシング１１から突出する端子４２に固定される。端子４２は、たとえば、測定装置に給電し、および／または測定結果を外部に伝達するために、外部電気機器と接続可能である。

好ましくは、端子４２と電子部品３０の爪３２との電気的な接続が、スプリングのみ、場合によっては支持体１４の上面の電流トラックにより保証される。

好ましくは、スプリング４０は、ニッケル下層で被覆され、ニッケル下層自体が金の層で被覆される。有利には、このようにして、嵌合による腐食を制限し、さらには回避して、良好な導電性を保証することができる。

端子４２と電子部品３０とを電気的に接続するためにスプリング４０以外の可撓性のコネクタ、たとえば板ばねまたはワイヤを検討することも可能である。可撓性のコネクタは、弾性の舌片形状としてもよい。

可撓性のコネクタを使用することで、好ましくはセラミック材料からなる支持体１４と、一般には金属製の端子４２との熱膨張差を有利には吸収可能であり、したがって、電気接続が切断されるリスクが制限される。

有利には、本発明による測定装置は、振動および温度変化を受ける様々な用途に特に適しており、とりわけ、−４０°Ｃ〜＋１６０°Ｃの温度変化を被ることがある自動車の用途に適している。特に、溶接部は、このような温度変化に耐えにくい。

本発明による装置は、ギヤボックスの油圧センサに、また空調装置、冷凍庫もしくは冷蔵庫では冷媒の圧力を測定するために、制動装置では特にブレーキオイルの圧力を測定するために、またはエンジンでは、上記エンジンの油圧を測定するために、特に使用可能である。

図示されている測定装置の動作は次の通りである。

端子４２は、電源に、および／または圧力測定を受ける必要がある機器に接続される。

使用位置では、測定装置を囲む流体が、ダクト２２を介して外部チャンバ２４の内部に入る。そのとき、場合によってはガラス層を介してこの流体の圧力がダイヤフラム１６に及ぼされる。シール２０は、この流体が、支持体１４および／または電子部品３０および／または可撓性コネクタこの場合にはスプリング４０に、接触しないようにしている。

流体の圧力変動の作用で、周辺縁が空洞１５のエッジに固定されるダイヤフラム１６は、外部圧力が内部圧力よりもそれぞれ高いか低いかに応じて、空洞の内部で支持体１４方向に、あるいはダクト２２方向に膨らむ。この変形は、ダイヤフラム１６に固定されている応力ゲージの幾何学的な形状を変える。図４の破線は、内部圧力より高い外部圧力の作用を受けているダイヤフラムの上面１６ｓの位置を誇張して示している。したがって、電子部品３０と応力ゲージ３３とを通る電気回路の挙動は、外部圧力に応じて変化する。たとえば、応力ゲージの電気抵抗を変えることができ、これは、電気回路を流れる電流の強さの減少となって表すことができる。電子部品３０は、たとえば１つのモデルを用いて、上記の電気回路の挙動に応じて外部圧力の測定値を決定するように構成される。この情報は、たとえば、安全機能を保証するために（たとえば過圧の場合に機器の作動を止める）、または、たとえば自動制御ループにおいて個々の調整を行うために、端子４２を介してあらゆる機器に伝達可能である。

温度上昇の作用で端子４２の長さが伸びることがある。スプリング４０は、端子が伸びても支持体１４と実質的に相互作用しないように、この伸長を吸収することができる。

以上からよくわかるように、本発明による装置は、有利には低価格で、しかも限られた数の部品により外部圧力測定を可能にする。さらに、この装置は変化の激しい温度条件下でも動作可能である。

もちろん、本発明は、限定的ではなく例として挙げられ、記載および図示された実施形態に制限されるものではない。

Claims (11)

1. 外部圧力の測定装置であって、
   ‐支持体（１４）と、外部圧力の変化の作用で変形するように前記支持体に取り付けられたセラミックダイヤフラム（１６）とを含む圧力センサと、
   ‐前記ダイヤフラムの位置に応じて変化する電気特性を有するように前記セラミックダイヤフラムに固定された応力ゲージ（３３）と、前記応力ゲージに電気的に接続されて、前記応力ゲージから受信した信号を処理するように構成された電子部品（３０）とを含む測定回路と、
   を含む装置において、前記電子部品が前記支持体に固定されることを特徴とする装置。
2. 可撓性のコネクタ（４０）を介して前記支持体に接続される接続端子（４２）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記可撓性のコネクタが、スプリング、特にヘリカルスプリング、ワイヤまたは弾性の舌片の中から選択されることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 前記可撓性のコネクタがヘリカルスプリングであることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記可撓性のコネクタが前記電子部品と前記端子とを電気的に接続することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記可撓性のコネクタが金の層で被覆されていることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の測定装置。
7. 前記スプリングと金の層との間にニッケル下層が延びていることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
8. 前記支持体がセラミック材料からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記圧力センサが、前記セラミックダイヤフラムを外部から保護し、好ましくは隔離するガラス層（１８）を含んでいることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の測定装置。
10. 前記支持体と前記セラミックダイヤフラムが一緒に密封内部チャンバ（１７）を画定することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
11. エンジン、特に熱機関、ギヤボックス、制動装置、空調装置、冷蔵庫および冷凍庫からなるグループから選択される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定装置を含む機器。

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