JP2019168456A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】公知の圧力センサの上述した短所を回避し、容易に製造可能であると共に、異なった測定原理の要件に最適適合化可能な、同時静的及び動的測定用の圧力センサを提案する。【解決手段】本発明は、センサハウジング２と、圧力側に配置されたセンサ膜３とを有し、センサハウジング２内に、センサ膜３の作用を受ける動的圧力測定用の圧電測定素子４及び静的圧力測定用のさらに別の測定素子５が配置された、動的及び静的圧力測定用の圧力センサ１に関する。本発明によれば、センサ膜３は動的圧力測定用の第一の膜領域１１を有すると共に、該領域から区分された、静的圧力測定用の第二の膜領域１２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、センサハウジングと、圧力側に配置されたセンサ膜とを有し、前記センサハウジング内に、前記センサ膜の作用を受ける動的圧力測定用の圧電測定素子及び静的圧力測定用のさらに別の測定素子が配置された、動的及び静的圧力測定用の圧力センサに関する。

圧力センサのセンサ膜は、当該膜に印加されている圧力がそれぞれの測定システムに最適に伝達されるように構成されている。当該圧力測定に求められるすべての要件は、必ずしも常に、単一の測定システムで満たすことができるとはかぎらない。まさしく、基礎圧力が高まる動的プロセスにあっては、支配的圧力を複数の異なったシステムによって評価することが望ましい。一例は、内燃機関の燃焼室の測定である。この場合、内燃機関の運転状態に応じた数バールの基礎圧力が支配的であり、それにミリバール領域の燃焼室振動が重なり合っている。当該燃焼室振動の測定には圧電センサが非常に適しているが、それは該センサが、基礎圧力とは無関係に、僅かな圧力振動の非常に良好な解像を可能とするからである。ただし、静的圧力成分は圧電センサでは測定することができない。それには、例えば、ＤＭＳ（歪みゲージ）原理によって作動するセンサが非常に適している。

しかしながら、それぞれの測定目的によく適した二つの圧力センサの組付けには短所がひそんでいる。双方の測定原理は、互いにオーバラップする低周波領域まで測定する。ところで、双方の圧力センサが空間的に互いに切り離されていれば、場所的分離のせいで、同相測定を行なうことはできない。加えてさらに、内燃機関の燃焼室へのアクセスは、ほとんどの場合に、非常に多くの手間とコストをかけなければ達成できない。それゆえ、二つの別々のアクセスはコスト面から見ても短所である。

ただし、静的及び動的測定原理を一つの圧力センサに合一しようとすれば―例えば、ＤＭＳセンサとピエゾセンサのコンビネーションに際して―センサ膜につき異なった要件が生ずる。この点につき、ＤＭＳセンサとピエゾセンサとの双方の測定原理を簡単に説明しておかなければならない。

圧電圧力センサとは、基本的に、圧力を力に変換する助勢されたセンサ膜を有する力センサである。当該膜は、端縁領域においてハウジングに、中央領域において圧電測定素子にそれぞれ支保されている。信号を発生するピエゾ素子は比較的剛的であることから、圧力印加作用に際し、その他の測定原理に比較して、センサ膜の測定変位を確認することはほとんど不可能である。

歪み測定原理を基礎とするセンサは上記とは相違している。この種のセンサによれば、静的圧力及び低周波圧力振動を良好に検知することができる。この原理に際しては、歪みが測定され、センサ膜は圧力印加作用に際して相対的に大きな測定変位が生ずるように設計されている。当該膜に導体構造（メアンダー）が被着されていれば、歪みに応じて、電気抵抗が変化する。したがって、双方の測定原理は、使用される膜に関して、根本的に異なっている。

欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書に開示された圧電式測定値記録装置は、少なくとも一つの圧電センサ素子の他に、少なくとも一つのさらに別の、静的ないし準静的測定用の測定素子を有し、該測定素子は―圧電素子と同様に―測定される数量による作用を受けていると共に、専用の信号回線を有している。上記さらに別の測定素子は同じく、逆圧電効果を利用して機械的振動励起される圧電素子によって形成されていてよく、その際、励起されたピエゾ素子及びその環境によって形成される振動系の振動挙動の変化が静的ないし準静的測定の測定値として利用される。

上記欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書の一実施態様において、測定値記録装置は二体的なハウジングを有し、該ハウジングの下部は、測定空間の境界壁に設けられた穴に測定値記録装置をねじ留めするための雄ねじを具えている。ハウジングの下側面には、助勢ブシュ及び、該ブシュ上に、前置された熱シールドと共に一つの膜が封止溶接接合されている。中央助勢ブシュは一組の石英ディスクからなる圧電センサ素子を含み、該センサ素子はスラストプレートを介して当該膜の中央領域と連結されている。絶縁ブシュによって中央助勢ブシュに対して電気絶縁された圧電センサ素子の一方の極はハウジング体を介してガイドされ、他方の極は絶縁ガイドされた信号回線によって差込み接点と接続されている。薄肉の一領域において、中央助勢ブシュの外面に歪み計が取り付けられ、該歪み計の一方の極は同じくハウジング体を介して、他方の極は電気絶縁された信号回線を介してさらに別の差込み接点と接触させられている。この実施態様において、当該圧電センサ素子は、測定される状態量の動的測定に使用され、歪み計は静的ないし準静的測定に使用される。

米国特許第７１８１９７２号明細書から、静的及び動的作動する圧力センサが知られている。当該センサは、窒化ガリウムで形成された膜を有する。当該膜は、閉じた圧力可変空洞を形成すべく湿式エッチング処理された支持体上に配置されている。当該膜は、圧力印加作用に際し、歪みによって容量性信号及び圧電信号の双方を供する。当該センサは、圧力、力及び機械的振動の測定に使用される。

最後に、欧州特許第２７１５３００号明細書から、一つのセンサハウジング内に二つの測定原理（動的及び静的測定）を組み合わせた、圧力及び／又は力を測定するためのセンサが知られている。当該センサは、動的圧力測定のために圧電横効果モードで使用される二つの圧電測定素子を有する。当該圧電測定素子はセンサハウジング内に定置保持され、助勢されている。力は、センサ膜を介して、測定素子の前面に伝達され、その際、前面は印加された力に比例して僅かに圧縮される。この圧縮歪みは、動的圧力に応じた測定信号を発生させるために利用される。静的圧力測定のために、一つ又は複数の付加的な圧電素子上に被着された歪み測定構造が設けられている。例えば、一つ又は複数の圧電素子の電極面上に、薄膜技術によって誘電材料が被着され、続いて、歪み測定構造が被着されていてよい。したがって、動的測定用の信号も静的測定用の信号も共に同一の膜を介して発生させられるため、双方の信号の同相測定が可能である。ただし、不都合なことに、センサ膜はその成形及び機械的特性の点で双方の測定原理に対して最適化されることができないために、常に妥協が図られなければならない。

欧州特許出願公開第００６５５１１号明細書 米国特許第７１８１９７２号明細書 欧州特許第２７１５３００号明細書

本発明の目的は、公知の圧力センサの上述した短所を回避し、容易に製造可能であると共に、異なった測定原理の要件に最適適合化可能な、同時静的及び動的測定用の圧力センサを提案することである。

上記目的は、本発明により、前記センサ膜は動的圧力測定用の第一の膜領域、並びに、該領域から区分された、静的圧力測定用の第二の膜領域を有することによって達成される。

前記第一の膜領域は前記センサハウジングへの固定用の外側保持リングを有すると共に、力を伝達するための内側支持リングによって前記圧電測定素子に支保され、前記第二の膜領域は前記内側支持リング内に配置され、例えば、歪み測定構造又はピエゾ抵抗構造を有しているのが、好適である。

本発明によるセンサ膜は、例えば、第一の測定原理（歪み測定構造）用の中央の柔軟な領域と、支持リングによって画定された、第二の測定原理（圧電測定素子）用の環状領域とを有することができ、その際、双方の膜領域は互いに独立にそれぞれの測定原理に対して最適化されることが可能である。

本発明の好適な実施態様において、前記センサ膜は多体的に製造されていてよく、その際、前記静的圧力測定用の前記第二の膜領域は外側保持リングを有し、該保持リングは前記第一の膜領域の前記内側支持リングのリング状収容部に摩擦係止固定又は材料一体接合固定されている。これによって、前記第一及び前記第二の膜領域用の材料は自由に選択可能であると共に、異なったそれぞれの測定目的に対して最適化することが可能である。

以下、一部概略的に示した実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。各図は以下を示している。

本発明による静的及び動的圧力測定用測定センサの第一の実施態様の断面図である。 図１に示したＩＩ‐ＩＩ線による、図１の圧力センサの断面図である。 本発明による圧力センサの第二の実施態様の、図１と同じ断面図である。

上記双方の実施態様において、機能的に同一の部品には同一の符号が付されている。

図１及び図２に示した本発明の上記第一の実施態様は、基本的に基礎８、円筒壁９及び圧力側に配置されたセンサ膜３からなるセンサハウジング２を有する、静的及び動的圧力測定用の圧力センサ１を示している。センサハウジング２内に、センサ膜３の作用を受ける動的圧力測定用の圧電測定素子４及び静的圧力測定用のさらに別の測定素子５（例えば、歪み測定構造（ＤＭＳ）又はピエゾ抵抗構造）が配置されている。センサ膜３と圧電測定素子４との間には、支持要素１３が配置されている。図１に示されているように、圧電測定素子４は中央助勢要素１９、例えば支持要素１３と接合されたスプリングチューブ、によって助勢されていてよい。

センサ膜３は、圧電測定素子４による動的圧力測定用の第一の膜領域１１、並びに、該領域から区分された、歪み測定構造５による静的圧力測定用の第二の膜領域１２を有する。

したがって、センサ膜３は、複数の機能領域に区分されている。第一の膜領域１１は、センサハウジング２の壁９に（例えば溶接によって）固定するための外側保持リング６を有すると共に、圧電測定素子４に力を伝達するための内側支持リング７によって同所に支保されている。第二の膜領域１２は、内側支持リング７内に円形をなして配置されて、例えば、測定ブリッジの形態のＤＭＳ構造５を有している（図２参照）。

圧電測定素子４は、例えば、図１に示したように、圧電横効果を利用した棒状又は薄板状の結晶要素１０を有し、その際、ＤＭＳ構造５の信号導線１４は、例えば、スプリングチューブ１９の中央穴を通すことが可能である。圧電測定素子４の別の信号導線には符号１５が付されている。

センサ膜３は、好ましくは、一体的に製造されていてよく、その際、動的圧力測定用の第一の膜領域１１は、静的圧力測定用の第二の膜領域１２周りに同心的に配置されている。

特に、第二の内側膜領域１２がＤＭＳ構造５を有している場合には、該領域は、より大きな測定変位を可能とすべく、第一の膜領域１１に比較してさらに柔軟に形成されていてよい。

本発明によれば、外側保持リング６及び内側支持リング７は、第一の膜領域１１の二倍の厚さＤよりもさらに厚い材料厚さを有する。双方の膜領域１１及び１２は、内側膜領域１２の問題のない加工を可能とすべく、一つの平面内又は―図示されるように―好ましくは平行平面内に配置されている。

単体ないし一体的な製造の場合、センサ膜３は、例えば、時間安定な材料、例えばニッケル合金（例えばＮｉＣｒ２０Ｃｏ１８Ｔｉ ＥＮ 材料番号２．４６３２又はＵＮＳ Ｎ０７０９０）で製造されていてよい。

図３に示した実施態様は、多体的なセンサ膜３を特徴とし、その際、静的圧力測定用の第二の膜領域１２は、第一の膜領域１１の内側支持リング７のリング状収容部１８に摩擦係止固定又は材料一体接合固定された外側保持リング１７を有する。

多体的である実施態様は、内側膜領域１２及び外側膜領域１１用に異なった材料が使用可能であることを特徴としている。例えば、内側膜領域１２は電気絶縁材料（例えばサファイア）で構成されていてよいことから、ＤＭＳ構造を直接に膜上に組み込むことが可能である。

圧電測定素子４は、図３に示した実施例において、圧電縦効果を利用して使用される複数の環状の結晶要素１６を有し、その際、ＤＭＳ構造５の信号導線１４は、例えば、スプリングチューブ１９の中央穴を通すことが可能である。圧電測定素子４の別の信号導線には符号１５が付されている。

Claims (10)

1. センサハウジング（２）と、圧力側に配置されたセンサ膜（３）とを有し、前記センサハウジング（２）内に、前記センサ膜（３）の作用を受ける動的圧力測定用の圧電測定素子（４）及び静的圧力測定用のさらに別の測定素子（５）が配置された、動的及び静的圧力測定用の圧力センサ（１）であって、
   前記センサ膜（３）は、動的圧力測定用の第一の膜領域（１１）、並びに、該領域から区分された、静的圧力測定用の第二の膜領域（１２）を有することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第一の膜領域（１１）は、前記センサハウジング（２）への固定用の外側保持リング（６）を有すると共に、力を伝達するための内側支持リング（７）によって前記圧電測定素子（４）に支保され、
   前記第二の膜領域（１２）は、前記内側支持リング（７）内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ（１）。
3. 前記のさらに別の測定素子（５）は、歪み測定構造又はピエゾ抵抗構造として形成され、該構造は前記第二の膜領域（１２）に組み込まれているか又は前記第二の膜領域（１２）に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧力センサ（１）。
4. 前記センサ膜（３）は一体的に製造され、前記動的圧力測定用の前記第一の膜領域（１１）は、前記静的圧力測定用の前記第二の膜領域（１２）周りに同心的に配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。
5. 前記センサ膜（３）は多体的に製造され、前記静的圧力測定用の前記第二の膜領域（１２）は外側保持リング（１７）を有し、該外側保持リングは前記第一の膜領域（１１）の前記内側支持リング（７）のリング状収容部（１８）に摩擦係止固定又は材料一体接合固定されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。
6. 前記第一の膜領域（１１）及び前記第二の膜領域（１２）の材料は異なっていることを特徴とする、請求項５に記載の圧力センサ（１）。
7. 前記外側保持リング（６）及び前記内側支持リング（７）はそれぞれ、前記第一の膜領域（１１）の二倍の厚さ（Ｄ）よりもさらに厚い材料厚さを有することを特徴とする、請求項２から６のいずれか一項に記載の圧力センサ（１）。
8. 前記圧電測定素子（４）は、圧電横効果を利用した棒状又は薄板状の結晶要素（１０）を有す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圧力センサ（１）。
9. 前記圧電測定素子（４）は、圧電縦効果を利用した板状又は環状の結晶要素（１６）を有す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圧力センサ（１）。
10. 前記圧電測定素子（４）の前記結晶要素（１０，１６）は中央助勢要素（１９）を有し、該中央助勢要素は動的圧力測定用の前記信号導線（１４）を収容することを特徴とする、請求項８又は９に記載の圧力センサ（１）。

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