JP2023093378A - 静圧測定および動圧測定用の圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】低い圧力範囲においても正確で再現可能な測定を実施することが可能である圧力センサを提供する。【解決手段】本発明は、センサハウジング（１１）と、センサハウジングの圧力側に配置されたセンサ膜（１２）とを有する静圧測定および動圧測定用の圧力センサ（１０）に関し、センサハウジング（１１）内に膜平面（ε）に対して垂直に配向された担持要素（１５）が配置されており、担持要素は、センサ膜（１２）と少なくとも間接的に接触しており、センサハウジング（１１）、好ましくはセンサハウジングの床（１４）に摩擦係止によって支持されており、被測定圧力に応じた測定信号を得るための歪みゲージ素子（２０）を有する。本発明によると担持要素（１５）は、自身の長手方向への延伸において少なくとも一つの湾曲したウェブ（１６）を有し、ウェブの曲率またはウェブの曲率半径がセンサ膜（１２）によって導入された力に応じて変化し、歪みゲージ素子（２０）の感応部（２１）が湾曲したウェブ（１６）に固定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、センサハウジングと、前記センサハウジングの圧力側に配置されたセンサ膜とを有する静圧測定および動圧測定用の圧力センサであって、前記センサハウジング内に膜平面に対して垂直に配向された担持要素が配置されており、当該担持要素は、前記センサ膜と少なくとも間接的に接触しており、前記センサハウジング、好ましくは当該センサハウジングの床に摩擦係止によって支持されており、被測定圧力に応じた測定信号を得るための歪みゲージ素子を有する。

１０バールまでの範囲における低圧が例えばピエゾ抵抗技術（シリコン測定セル）を用いて測定されるのは、当該ピエゾ抵抗技術が極めて高い感度を有するからである。しかしながら長期安定性が低いため、この種の圧力センサを定期的に再調整する必要がある。さらにピエゾ抵抗センサは、非常に高価である。さらなる欠点は、前記ピエゾ抵抗技術では高温の場合、中間媒体（例えばシリコンオイル）が圧力伝達のために使用される結果、測定動特性が損なわれることにある。さらに被測定媒体の圧力は、一つ以上の前面側孔を介して前記測定セルの膜へと伝導される。例えば内燃機関の排気システムにおいて前記圧力センサを用いる場合、孔内に排気残渣が堆積することによりセンサ挙動が制御不能な状態に変化する。

特に直径が１０ｍｍ未満である圧力センサにおける従来の歪みゲージは、再現可能な圧力測定に必要な歪み値が得られないため、低圧の測定にはほとんど適していない。

この関連において欧州特許出願公開第２９９３４５３号明細書から公知となった圧力センサでは例えば歪みゲージ構造（ＤＭＳ構造）である歪みゲージ素子が圧力測定のために高温圧力センサの変形可能な膜の内側に配置されている。

同様のものが欧州特許第１９９１８４９号明細書にも開示されており、当該公報もまた高温圧力センサ素子の変形可能な基板上における複数の蛇行状の歪みゲージを有するＤＭＳ構造を開示している。前記歪みゲージ素子は、ここではセンサの外側（圧力側）に配置されている。

欠点は、前記ＤＭＳ構造の高い温度負荷と、特に直径が小さいコンパクトな圧力センサが必要とされる場合、センサ膜の変形可能な領域において前記ＤＭＳ構造を配置するためのスペースが多くの場合は限られるという点にある。

欧州特許出願公開第３５４３６７１号明細書に自身のセンサ膜が動圧測定用の第一の外側膜領域と静圧測定用の第二の内側膜領域とを有する圧力センサが開示されている。静圧測定には前記センサ膜の中央の内部領域に固定されているＤＭＳ構造が使用される。よって当該文献は、上記で引用した欧州特許出願公開第２９９３４５３号明細書に実質的に相応する。

最後に欧州特許第２７１５３００号明細書において静圧測定と動圧測定とを同時に実施するための圧力センサが開示されている。前記センサは、例えば、センサハウジング内で二つの圧電測定素子を有し、これらの圧電測定素子は横方向へ動き動圧測定を実施する。前記圧電測定素子は、前記センサハウジング内において直立するように保持され、予荷重がかけられている。センサ膜を介して力が矩形の測定素子の端面上に導入されて当該測定素子が付与される力に比例して圧縮される。同時に静圧測定を実施するために一つ以上の追加の圧電素子の上に配置されている歪みゲージ構造が設けられる。この際、前記一つ以上の追加の圧電素子（当該圧電素子は前記センサ膜と間接的に接触して前記センサの床に支持されている）の側面に絶縁体とさらに歪みゲージ構造とが被着され得る。よって動圧測定用の信号のみならず静圧測定用の信号も同一のセンサ膜を介して生成されるため、両信号を同位相で測定することが可能である。しかしながらその欠点は、前記圧電素子の変形（圧縮）がわずかであり、（特に圧力値が小さい場合には）使用可能で再現可能な測定結果がほぼ得られないということにある。

欧州特許出願公開第２９９３４５３号明細書 欧州特許第１９９１８４９号明細書 欧州特許出願公開第３５４３６７１号明細書 欧州特許第２７１５３００号明細書

本発明の課題は、（冒頭で述べた構造の圧力センサに基づいて）低い圧力範囲においても正確で再現可能な測定を実施することが可能であるような改良策を提案することにある。さらにこのように改良された圧力センサは、小さな直径を有するコンパクトな構造においても製造可能であるべきである。

本発明においてこのことは前記歪みゲージ素子のための前記担持要素が自身の長手方向への延伸において少なくとも一つの湾曲したウェブを有し、当該ウェブの曲率または当該ウェブの曲率半径が前記センサ膜によって導入された力に応じて変化し、前記歪みゲージ素子の感応部が前記湾曲したウェブに固定されていることによって得られる。

実際の「測定セル」の本発明による設計（好ましくは薄く湾曲したウェブ上への歪みゲージ素子の取り付け）により、膜直径が小さくとも前記センサ膜を介して導入された力が（低圧の結果）小さいものであっても前記歪みゲージ素子の前記感応部において比較的大きな歪み値を得て測定に用いることが可能である。

この際、前記歪みゲージ素子の前記感応部は、好ましくは金属箔歪みゲージの蛇行状の測定グリッド（ＤＭＳ構造）として設計されることができ、あるいは圧力または張力による変形の場合に自身の電気抵抗が測定可能に変化するピエゾ抵抗素子を含むことも可能である。

好ましい一別途実施形態によると前記担持要素は、例えば対称的に配置される、二つの対向する湾曲したウェブを有し、各当該ウェブに前記歪みゲージ素子の感応部が固定されている。

本発明の別の態様では、前記担持要素が自身の長手方向の延伸において連続して少なくとも二つの湾曲したウェブを有し、これらのウェブはＳ形状または波状に配置され、それぞれ歪みゲージ素子の前記感応部を担持するようにされている。

取り付けられた歪みゲージ素子を含む前記担持要素の全ての前述の変形態様は、前記センサハウジングの内部において省スペースで配置され得るため、小さな外径を有するコンパクトな構造の圧力センサを実現することが可能である。

本発明について以下に各実施形態例を参照しつつ詳細に説明する。
本発明による圧力センサのセンサ軸に沿った断面図である。 本発明による圧力センサの第一の変形態様の図１による断面図である。 図１による圧力センサの詳細を拡大して三次元的に表した図である。 圧力センサのさらなる詳細の拡大平面図である。 本発明による圧力センサの第二の変形態様の図１による断面図である。 本発明による圧力センサの第三の変形態様の図１による断面図である。

図1に図示される、好ましくは０バールから１０バールの範囲における低圧の静圧測定だけではなく低周波の動圧測定にも使用することが可能である圧力センサ１０の実施形態は、円筒壁１７を有するセンサハウジング１１を有し、当該円筒壁は、一端において膜平面εにおいて被測定圧力ｐが荷重されたセンサ膜１２を有し、対向する端において前記円筒壁１７に固定された前記センサハウジング１１の床１４によって限界される。前記床１４は、前記センサハウジング１１の前記壁１７と一体的に製造されていてもよい。

前記センサハウジング１１の内部には、前記担持要素１５とその上に取り付けられた歪みゲージ素子２０からなる前記センサの実際の測定セルが配置されている。この際、前記担持要素１５は、前記圧力ｐの導入に起因する力の方向に配向されており、一方では前記センサ膜１２または当該センサ膜の膜材１３と摩擦係止によって接触しており、他方では前記センサハウジング１１、例えば当該センサハウジングの床１４に対して摩擦係止によって支持されている。この際、前記摩擦係止による支持は、前記担持要素１５の膜とは反対方向の端部から前記センサハウジング１１の構造への力の伝達または力の導入を可能にする。前記担持要素１５は、前記膜平面εに対して垂直に配向され、自身の長手方向の延伸において少なくとも一つの湾曲したウェブ１６を有し（図示された例において二つの対称的に対向するウェブ１６）、当該（各）ウェブの曲率または曲率半径は前記センサ膜１２によって導入される力に応じて変化し、前記歪みゲージ素子２０の感応部２１が前記湾曲した各ウェブ１６に固定される。

低圧（１０バールまでの範囲）且つ前記センサ膜１２の有効面積が小さい場合の測定において外径が小さい圧力センサを使用する場合、前記センサの内部において前記担持要素１５に作用する小さい力しか得られない。前記歪みゲージ素子２０の前記感応部２１を前記湾曲した各ウェブ１６上に配置することとこれにより得られる前記感応部２１の大きな歪みとにより極めて小さな力（あるいは圧力）の測定が可能になる。

前記歪みゲージ素子の前記感応部（例えばＤＭＳ構造の金属製の測定グリッド）が好ましくは前記湾曲した各ウェブ１６の凸状の外表面に配置されていることによって、導入された変形のほぼ全てが有効な前記測定グリッドの長さ内に減少され得て当該領域の比較的大きな歪みにつながる。

個々の歪みゲージ素子２０の信号導出部２３は、破線で示されているだけであり、好ましくは二極を有するように実施され得る。

図２において前記圧力センサ１０の変形態様が図示されており、当該変形態様において前記担持要素１５が自身の長手方向への延伸の中央領域において一つだけ湾曲したウェブ１６を有し、当該ウェブの上に歪みゲージ素子が配置されている。

前記担持要素１５の前記湾曲したウェブ１６（図２を参照のこと）または前記両方の湾曲したウェブ１６（図１を参照のこと）は、前記担持要素１５の厚みＤの５％から２５％である厚みｄを有する。これにより圧力によって引き起こされた変形は、前記湾曲した各ウェブ１６に最適な形で導入される。

図１および図２において一点鎖線で示されているとおり、前記圧力センサは自身のセンサハウジング１１においてショルダーシール形式（図１を参照のこと）またはフロントシール形式（フロントシール１９を有する図２を参照のこと）において受容構造２５または２６内に挿入され得る。同様に図１による変形態様をフロントシール形式において、また図２による変形態様をショルダーシール形式において受容構造に固定することも可能である。

図３において横断面が例えば矩形である担持要素１５の具体的な実施形態例が図示されており、当該担持要素は一方では前記センサ膜１２の前記膜材１３、他方では詳細は図示されない前記センサハウジングの前記床１４に固定されている。前記湾曲した両ウェブ１６の凸状の外表面上にそれぞれ一つの歪みゲージ素子２０が、当該歪みゲージ素子の感応部２１が薄く湾曲した領域に配置されるように例えば接着、プリントあるいはスパッタリングによって固定され得る。

図４において例えばＤＭＳ構造の形における歪みゲージ素子２０の平面図が図示されている。前記ＤＭＳ構造の非感応部２２として例えばポリイミドからなる電気絶縁担持シートの上に、感応部２１として金属箔歪みゲージ（例えばコンスタンタンシートからなる）の蛇行状の測定グリッドが被着されて被覆層２４（例えばポリイミド）によって被覆されている。前記感応部２１の長さＬは、有効測定グリッド長さに相当する。

図５における前記圧力センサ１０のコンパクトな別途実施形態において前記担持要素１５は、自身の長手方向の延伸において連続して少なくとも二つの湾曲したウェブ１６を有し、これらのウェブはＳ形状または波状に配置され、それぞれ前記歪みゲージ素子２０の前記感応部２１を担持する。当該変形様態のハウジングは、ショルダーシール形式あるいはフロントシール形式において受容構造（図示されず）内に挿入され得る。

最後に図６において図1による圧力センサの変形態様が図示されており、ここでは前記センサハウジング１１が二重ケーシングの形における円筒壁１７とその間に配置された円筒隙間１８とを有する。前記隙間１８は、前記センサハウジング１１の床領域からほぼ前記センサ膜１２まで延伸し、一方では前記ＤＭＳ構造２０の熱絶縁のために役立つ。他方では前記隙間１８によって前記受容構造２５から（前記担持要素１５と前記歪みゲージ素子２０とからなる）前記測定セルへの変形力の導入が最小化される。前記センサハウジング１１は、例えば外側ケーシングによってショルダーシール形式において前記受容構造２５内に挿入される。

図６による前記圧力センサ１０は、フロントシール形式において相応する受容孔（図示せず）内に挿入またはねじ込まれていてもよく、その際、前記円筒壁１７内の前記隙間１８が前記外側ケーシングに作用する変形力を前記圧力センサの内部から遠ざける上で役立つ。

前記隙間１８を通って例えば冷却水などの冷却剤が流れることが可能であり、その際、前記冷却剤の導入および導出のための相応する接続部２７が図６において示されている。

図６による変形態様によって図示されているように、前記湾曲したウェブ１６の湾曲の（前記担持要素１５の長手方向軸から前記ウェブ１６の凸状の外表面までを測定した）高さＨは、前記歪みゲージ素子２０の前記感応部２１の長さＬの１０％から２５％であることが好ましい。

Claims (14)

1. センサハウジング（１１）と、前記センサハウジングの圧力側に配置されたセンサ膜（１２）とを有する静圧測定および動圧測定用の圧力センサ（１０）であって、前記センサハウジング（１１）内に膜平面（ε）に対して垂直に配向された担持要素（１５）が配置されており、当該担持要素は、前記センサ膜（１２）と少なくとも間接的に接触しており、前記センサハウジング（１１）、好ましくは当該センサハウジングの床（１４）に摩擦係止によって支持されており、被測定圧力に応じた測定信号を得るための歪みゲージ素子（２０）を有する圧力センサにおいて、前記担持要素（１５）は、自身の長手方向への延伸において少なくとも一つの湾曲したウェブ（１６）を有し、当該ウェブの曲率または当該ウェブの曲率半径が前記センサ膜（１２）によって導入された力に応じて変化し、前記歪みゲージ素子（２０）の感応部（２１）が前記湾曲したウェブ（１６）に固定されていることを特徴とする圧力センサ（１０）。
2. 前記担持要素（１５）は、好ましくは対称的に配置される、二つの対向する湾曲したウェブ（１６）を有し、各当該ウェブに前記歪みゲージ素子（２０）の感応部（２１）が固定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（１０）。
3. 前記担持要素（１５）は、自身の長手方向の延伸において連続して少なくとも二つの湾曲したウェブ（１６）を有し、これらのウェブはＳ形状または波状に配置され、各当該ウェブに前記歪みゲージ素子（２０）の前記感応部（２１）が固定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（１０）。
4. 前記歪みゲージ素子（２０）の前記感応部（２１）は、それぞれ前記湾曲したウェブ（１６）の凸状の外表面に固定されていることを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
5. 前記担持要素（１５）の前記湾曲したウェブ（１６）または前記湾曲した各ウェブ（１６）は、前記担持要素（１５）の厚みＤの５％から２５％である厚みｄを有することを特徴とする、請求項１から４のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
6. 前記湾曲したウェブ（１６）の湾曲の高さＨは、前記歪みゲージ素子（２０）の前記感応部（２１）の長さＬの１０％から２５％であることを特徴とする、請求項１から５のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
7. 前記センサ膜（１２）は、前記担持要素（１５）に端面において接触する中央における膜材（１３）を有することを特徴とする、請求項１から６のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
8. 前記圧力センサ（１０）の前記ハウジング（１１）は、ショルダーシール形式において受容構造（２５）内に挿入可能であることを特徴とする、請求項１から７のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
9. 前記圧力センサ（１０）の前記ハウジング（１１）は、フロントシール形式において受容構造（２５）内に挿入可能であることを特徴とする、請求項１から７のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
10. 前記センサハウジング（１１）は、二重ケーシングの形における円筒壁（１７）とその間に配置された円筒隙間（１８）とを有することを特徴とする、請求項１から９のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
11. 前記隙間（１８）は、前記センサ膜（１２）から反対方向に向く側において例えば冷却水である冷却剤の導入および導出のための接続部（２７）を有することを特徴とする、請求項１０に記載の圧力センサ（１０）。
12. 前記担持要素（１５）と前記歪みゲージ素子（２０）とは、前記センサハウジング（１１）の好ましくは閉じられた内部に配置されていることを特徴とする、請求項１から１１のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
13. 前記歪みゲージ素子（２０）の前記感応部（２１）は、金属箔歪みゲージの蛇行状の測定グリッドを有することを特徴とする、請求項１から１２のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。
14. 前記歪みゲージ素子（２０）の前記感応部（２１）は、ピエゾ抵抗素子を有することを特徴とする、請求項１から１２のうちいずれか一つに記載の圧力センサ（１０）。

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