JP4903165B2 - 電気絶縁皮膜によって保持された圧電式力センサ用部品又は圧電式圧力センサ用部品 - Google Patents

Description

本発明は、主請求項の特徴部に記載された圧電材料からなる測定部材を含む、力センサ又は圧力センサに組込まれる部品に関するものである。

そのようなタイプの部材を含むセンサは、例えば、グロー・プラグなどの燃焼室に使用される。

独国特許発明第１９６８０９１２号（ＤＥ１９６８０９１２Ｃ２Ａ）（特許文献１）によれば、組込み圧力センサを有するグロー・プラグが知られており、発熱部のセンサが、ディーゼル・エンジンのシリンダ圧力からすると容認できるものであり、また、センサが固定部材によってその後方の所定位置に保持される。

独国特許発明第１０２０５８１９号（ＤＥ１０２０５８１９）（特許文献２）によれば、同じ目的の働きをする別の配置が知られており、圧電セラミック素子が、接点を有する２個の電極の間に配置される。

独国特許出願公開第１０２１８５４４号（ＤＥ１０２１８５４４Ａ１）（特許文献３）も、類似の構造を示す組込み圧力センサを有するグロー・プラグを説明している。

これらの配置は全て、非常に困難な組立てを必要とするので連続生産には適さない。

センサは、通常、熟練技術を有する製造業者が、必要な部品を予め作製したものを組み立て作製されており、必要な精度を保証している。しかし、センサ（例えばグロー・プラグ）への最終組立てを行なう製造業者に個々の部品が供給される場合には、別の要求を満たす必要がある。一方では、これらの部品は、損傷を受けることなく輸送されなければならない。他方では、センサの組込みは、精度不足による誤差が生じる危険性を最小化するために単純化するべきである。その上、大量生産への需要が高まっており、その結果、連続生産すなわち自動組立てが必要とされる。
独国特許発明第１９６８０９１２号明細書 独国特許発明第１０２０５８１９号明細書 独国特許出願公開第１０２１８５４４号明細書

本発明の目的は、センサへの連続的な組込みに適した、冒頭で述べたタイプの力測定部品又は圧力測定部品を提案することである。好ましい用途は、グロー・プラグでの利用である。これは、簡単で自動化された製造並びに製作コストに関して、高度な要求をもたらす。その上、この部品は、センサ内又はグロー・プラグ内への組込みまでの輸送及び取扱いにおける必要条件を満たさなければならない。具体的には、この部品の個々の構成部材が他の構成部材に対して変位しないことが必要である。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。

例えばグロー・プラグに組み込む際に、力測定又は圧力測定用の部品に必要な構成は、２個の電極に囲まれた圧電材料により作られた測定部材を含み、電極自体が２個の伝達体に囲まれている。本発明の具体例によれば、これらの構成部材は全て円板形状、穴の空いた円板形状、又は円筒形状であり、合わせて結合して並び又は列を形成できる。本発明の基礎をなす思想は、薄い絶縁皮膜によって、これらの構成部材を列状の同心の配置に合わせて保持し、部品を形成することである。この皮膜は、例えば収縮可能なチューブ又はラッカー吹き付けによって、非常に容易に自動的に付与でき、本発明の部品の全ての構成部材の同心状態を維持する目的にも作用する。この事実によって、高度な要求を満たすための、組み込まれた状態で部品を囲むセンサ又はグロー・プラグの他の部品は、もはや不要である。

以下では、本発明が、図面に関してより詳細に説明される。

図１は、本発明部品２をグロー・プラグ１に取り付けた、可能な一実施例を示す。図は、好ましいグロー・プラグ１の断面の概略を示す。グロー・プラグ１は、ハウジング２４を含み、その前部にグロー・ピン２０が挿入され、グロー・ピンがハウジングから突き出ている。グロー・ピン２０の後ろに、隣接して力伝達スリーブ２１を配置することができ、その後ろに本発明による部品２が設置されている。或いは、部品２を、グロー・ピンの後ろに直接配置することができる。部品２の次に、固定部材２２が存在して、連結部材２３の後面に接触している。連結部材２３は、その後端部がハウジング２４の凹部２５へ取り付けられている。同じ効果を有する代替構造も同様に可能である。具体的には、固定部材２２は、溶接個所３０でハウジング２４に溶接されてもよく、それにより、力がもはや連結部材２３を介してハウジング２４の凹部２５に伝えられない。

この目的のためにシリンダ・ヘッド内に設けられた穴にグロー・プラグ１を取り付けるために、ハウジング２４は、通常、ねじ山２７及び工具が接触する点として作用する六角形ボルト２８を有する。この場合、溶接個所３０は、ねじ山２７とグロー・ピン２０との間の領域にある。取り付けの間にグロー・プラグ１に応力がかかることによって、測定に誤った影響が生じることを防止するために、溶接個所３０は、好ましくはハウジング２４と直接ではなく、ハウジングと分離した中間スリーブ（図示せず）に位置付けることができる。

グロー・プラグ１の最後部領域は、配線２６用の開口を含む。配線は、部品２のための導体も含んでいる。グロー・プラグ１の最前部領域には、燃焼室からハウジング２４の内側を密閉している膜２９が存在する。この膜２９によって、部品２に所望の初期応力を与えることもできる。

燃焼室内の圧力は、グロー・ピン２０及び（存在するのであれば）力伝達スリーブ２１を通じて、固定部材２２を介してハウジング２４によって支持されている部品２に伝達される。この実施例では、力伝達スリーブ２１、部品２及び連結部材２３は、これらの構成部材の中心部を通って延びるピン９によって支持される。このピン９は、力の伝達には影響しない。ピン９は、グロー・ピン２０を加熱するためのグロー電流電線３１を含むか、又はそれを中心部に収容する。部品２が燃焼室の熱負荷にさらされにくいように、力伝達スリーブ２１の少なくとも一部は断熱材で作製されることが好ましい。

図２は、部品２の領域における図１の詳細な断面を示す。部品２は、この例では、円板形状、穴の空いた円板形状、又は円筒形状の様々な構成部材からなる。これらの構成部材は、同一の外径を有することが好ましい。測定部材３は、部品２の中核部を形成する。測定部材３は、例えば圧電結晶又は圧電セラミックである圧電材料により作製されることが好ましい。この測定部材３は、その両側が電極４によって囲まれ、電極４は、伝達体５によってその両側が囲まれている。或いは、電極４の各々は、その隣接する伝達体５と一体に作製することもできる。これらの電極は、力又は圧力が印加された場合に測定部材３の両側に発生する電荷を収集して、この目的のために設けられている接続個所８に伝達する作用を果たす。これらの接続個所８は、電極の内側又は中心に配置されることが好ましい。通常、外側には、部品２とハウジング２４との間にこれらの導体を導くための十分な空間がないので、このことは有利である。

伝達体５は、様々な機能を供する。伝達体５のうちの少なくとも１個が、ハウジング２４の熱膨張を補償する膨張体であることが好ましい。他の伝達体５は、膨張体、絶縁体６、別の物体又はそれらの組合せであることができる。伝達体５は、両側に電極４を有する測定部材３を機械的に保護する機能をさらに供する。

好ましい実施例では、少なくともグロー・ピン２０の後方の伝達体５の前面も熱絶縁体である。これは、伝達体の後ろに組み込まれた部品２の曝される温度がより低くなり、したがって要求基準がより低くなるという利点がある。

これらの構成部材、すなわち、測定部材３、電極４及び伝達体５は、外部の薄い絶縁皮膜７によって中央位置に一緒に保持される。この目的のために、これらの構成部材は、基本的に同一の外径を有することが好ましい。この皮膜７は、部品２がグロー・プラグ又は別のセンサに組み込まれるまで、好ましくは、前記の構成部材３、４及び５が互いに動かないことを確かなものにする必要がある。この時点で、部品２は、これらの構成部材がこれ以後変位しないように初期応力の下に置かれる。グロー・プラグ１又はセンサ内への組込みの後は、絶縁皮膜７は絶縁を担うだけである。

センサを構成するために組み込まれるまで、部品は、初期応力が存在しないか又は些細なものであるという状態にある。しかし、絶縁皮膜７の組込みに際して、最大で５Ｎ／ｍｍ^２の小さな初期応力が生成され得る。圧力を受ける面積は通常１０ｍｍ^２〜２０ｍｍ^２なので、これは総計で５０Ｎ〜１００Ｎの最大荷重に相当する。しかし、ほとんどの場合、初期応力が１０Ｎを上回ることはない。後にセンサへの組込みに際して部品２に通常与えられる初期応力は、数倍であるが、少なくとも２００Ｎである。

皮膜７は、例えば収縮チューブ又はラッカー吹き付けから成り、好ましくは約０．２ｍｍよりも厚いことはない。いずれにせよ、皮膜７の層厚さは、部品２の直径の１／１０未満であるべきであり、好ましくは１／２０未満である。このようにして、測定部材３は、できるだけ大きな圧力検出面積を有することができ、それにより、感度が必要以上に制限されることがない。好ましくは、電気絶縁は、１５０℃で少なくとも約１０^１３オームであるべきである。収縮チューブが使用される場合、これらのデータは完成した収縮状態において該当する。チューブは、好ましくは２００℃で収縮するべきであり、また、約１５０℃の高温でしっかりと嵌められるべきである。

この配置は、主としてその単純性によって特徴付けられ、その結果、自動化された、費用効果の大きい製造が可能になる。絶縁皮膜７の取り付けに先立って、部品２の全ての構成部材は中心合わせされる。皮膜７は、部品２がセンサに組み込まれて初期応力をかけられるまで、中心合わせが確実に保たれるようにする。したがって、グロー・プラグ１内への組込みの間に、精巧な芯出しの必要性はない。電極のうちの１個がハウジングに接続される同じ用途の他の部材とは対照的に、本構造に起因して、部品２はアース絶縁もされる。このアース絶縁は、自動車内の全ての部材に対して多くの国々の規則に規定されている。

グロー・プラグ１へ組み込むために、部品２は、ピン９上に持って来られる。部品２のどちらかの側に絶縁体６が取り付けられなければならない。この絶縁体は、部品２の片側又は両側、或いは隣接した構成部材、例えば圧力伝達スリーブ２１及び／又は固定部材２２に、予め一体化されることが可能である。或いは、追加の構成部材として、ピン９を通して取り付けることもできる。この場合、部品２の他の構成部材のように、絶縁皮膜７によって固定することができる。さらに、伝達体５の外側にある２つの絶縁体６は、絶縁皮膜７によって結合することができる。

部品２は、組み込まれた状態でシリンダ・ヘッドのグロー・プラグ穴の領域にあるグロー・プラグ１の前部に配置されることが有利である。したがって、部品２は、ねじ山２７の前方に、又はねじ山の領域に配置されることが好ましい。一方では、このことは、シリンダ・ヘッドが冷却されるので、部品が２２０℃を超えて加熱されないことを確実にする。この組込み位置の別の利点としては、部品２が圧力室すなわち燃焼室のより近くに位置するので、測定誤差がより小さくなることである。

部品２のこの組込み位置の別の利点は、このように、グロー・ピンの後部領域に、例えば連結部材２３の領域に、組込み増幅器のための空間があることである。このようにして、増幅された出力信号が配線２６によって伝えられることができる。

しかし、前部領域に部品２を組み込む前提条件は、Ｍ８のねじ山２８を有するグロー・プラグ１内に場所を見出すために、部品２の外径が最大で６ｍｍ、好ましくは最大で５ｍｍであることである。部品の全長は、一般に、約６ｍｍ〜約１５ｍｍである。

電極の内側に突き出る接点８において、絶縁された又は非絶縁の導体１０が接続されてよい。導体は、ピン９にこの目的のために設けられた溝内をグロー・プラグ１の後部領域まで延び、そこで一体型アンプ又は配線２６のいずれかに接続される。他方では、ピン９は、グロー・プラグ１内への組込みの際に、例えば溶接又は半田付けによって接点８に接続された２個の一体型導体１０を有してもよい。

グロー・プラグ用途向けの代替実施例の例が、図３に説明されている。グロー電流電線３１に接近できるように、ピン９を、グロー・プラグ内に差し込まないことが考えられる。ピン９を案内し、同時にグロー電流電線３１と導体１０との間のいかなる接触をも回避するために、部品２はガイド・ピン９’を備えることができ、ガイド・ピン９’は、部品２の別の構成部材であり得るか、或いは前記の部品２の構成部材のうちの１個、例えば伝達体５のうちの１個又は別の伝達体５’に取り付けて一体化することができる。伝達体５’は、伝達体５の前記の可能な特性の個々のもの又はいくつかを有することができる。

具体的には、このガイド・ピン９’は、グロー電流電線３１および２個の導体１０のための、必要な、好ましくは３つの通路３２及び／又は開口を有する円板として形成できる。或いは、このガイド・ピン９’は、部品２のほぼ全長にわたって延びるか、そこから突き出ることさえあるピンの形状を有してもよい。このガイドは、導体１０をグロー電流電線３１から熱的及び電気的に絶縁する機能を特に果たし、導体１０を絶縁することが絶対に必要とされることがもはやない。別の実施例では、ガイド・ピン９’は、取り付けられているか又は一体化されている部品と同じ全長を有する。

測定部材３の直径は、必要な構成部材がセンサに個々に組み込まれる場合よりも実質的に小さくなるが、このタイプの本発明による部品（２）の利点は、部品が統一体として共に保持されることである。その上、組込みの間、構成部材の追加の芯合わせは不要である。

このタイプの部品２は、他のセンサ内にも、例えば力センサ内に組み込むことができる。部品がその外側で電気的に絶縁されるので、そのような部品２を使用すると、短絡を回避するために特定の注意を払う必要がないという利点を特に有する。具体的には、円板形状の測定部材３は、その中心に何かを通過させる必要がない場合、この目的に使用することができる。説明された配置の代替として、どちらかの電極４の導体１０を、測定部材３の両側の部品から引き出すことができる。しかし、本発明の大きな利点は、センサ内への自動組込みの可能性に加えて部品の自動製造にあり、廉価で大量生産が可能になることである。

グロー・プラグ内の好ましい配置の概略断面図。 図１のＸ−Ｙの領域の概略断面図。 本発明の部品の斜視図。

符号の説明

１ グロー・プラグ
２ 部品
３ 測定部材
４ 電極
５、５’ 伝達体
６ 絶縁体
７ 絶縁皮膜
８ 接点
９ ピン
９’ ガイド・ピン
１０ 導体
２０ グロー・ピン
２１ 力伝達スリーブ
２２ 固定部材
２３ 連結部材
２４ ハウジング
２５ 凹部
２６ 配線
２７ ねじ山
２８ 六角形
２９ 膜
３０ 溶接個所
３１ グロー電流電線
３２ 中心部のガイド

Claims (21)

1. 力センサ又は圧力センサのハウジング（２４）内に設けられたピン（９）上に嵌入される部品（２）であって、該部品（２）が、
   圧電材料製の穴の空いた円板形状の測定部材（３）と、
   前記測定部材の両側にある、穴の空いた円板形状の電極（４）と、
   前記電極（４）から前記ピン（９）に向かって延在し、前記ピン（９）に設けられた導体（１０）にそれぞれ接続される接点（８）と、
   さらに、各々の電極（４）の外側に配置された１個又は複数個の伝達体（５，５’）と
   を含む部品（２）において、
   前記部品（２）の外側表面は、電気絶縁皮膜（７）によって覆われ、前記測定部材（３）、前記電極（４）および前記伝達体（５，５’）は、穴の空いた部分を互いに整列させて保持されていることを特徴とする、部品。
2. 前記測定部材（３）、前記電極（４）、さらに前記伝達体（５，５’）が実質的に同じ外径を有することを特徴とする請求項１に記載された部品。
3. 前記伝達体（５）の一方又は両方が、隣接する電極（４）と一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された部品。
4. 前記伝達体（５，５’）の少なくとも１個が膨張体を含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された部品。
5. 前記伝達体（５，５’）の少なくとも１個が電気絶縁体を含むことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された部品。
6. 前記伝達体（５，５’）の少なくとも１個が断熱材料で作製されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された部品。
7. 前記電気絶縁皮膜（７）が収縮チューブであることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された部品。
8. 前記電気絶縁皮膜（７）が被覆であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の部品。
9. 前記電気絶縁皮膜（７）が、前記部品の直径の１/１０未満、好ましくは１/２０未満の層厚さを有することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された部品。
10. 前記電気絶縁皮膜（７）が、１５０℃で少なくとも１０^１３オームを有する電気絶縁性を有することを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された部品。
11. 前記部品（２）には、前記センサに組み込まれる前に、初期応力がかからないか、又は５Ｎ／ｍｍ^２未満の初期応力がかかるか、或いは全体で１００Ｎ未満、好ましくは１０Ｎ未満の初期応力がかかることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載された部品。
12. 前記部品の直径が、６ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載された部品。
13. 前記部品（２）が、自動化工程によって組み立てられることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された部品。
14. 前記部品（２）が、センサへの連続的組込みに適することを特徴とする請求項１から１３までのいずれか１項に記載された部品。
15. 力又は圧力の測定のために、請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載された部品（２）を含むセンサ。
16. 前記センサが、グロー・ピン（２０）、グロー電流電線（３１）及びねじ山（２７）を有するグロー・プラグ（１）として形成されていることを特徴とする請求項１５に記載されたセンサ。
17. 前記部品（２）が、前記グロー・プラグ（１）の前部領域で、前記グロー・ピン（２０）と前記ねじ山（２７）との間に配置されていることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載されたセンサ。
18. 前記グロー電流電線（３１）が、前記部品（２）の中心部を通って延びていることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載されたセンサ。
19. 前記部品（２）の後方に固定部材（２２）があることを特徴とする請求項１５から請求項１８までのいずれか１項に記載されたセンサ。
20. 前記固定部材（２２）が、溶接個所（３０）によって前記ハウジング（２４）に取り付けられていることを特徴とする請求項１９に記載されたセンサ。
21. 前記センサの後部領域に連結部材（２３）が配置されていることを特徴とする請求項１５から請求項２０までのいずれか１項に記載されたセンサ。