JP5992517B2

JP5992517B2 - センサ・ハウジングに対して振動板を連結するための方法

Info

Publication number: JP5992517B2
Application number: JP2014517366A
Authority: JP
Inventors: カルスト、ディエター; フルター、パオル; ブレヒブール、ステファン
Original assignee: キストラーホールディングアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN103649707B; US8957345B2; WO2013003965A1; CH705261A1; EP2729779A1; EP2729779B1; US20140201968A1; JP2014518383A; KR20140045494A; CN103649707A; KR101958502B1

Description

本発明は、圧力センサ又は力センサのハウジングに対して振動板を連結するための方法に関する。測定素子が、このハウジング内に取り付けられ、この素子は、完成したセンサが展開されると、振動板に対して作用する外部荷重を記録することが可能である。ハウジングのハウジング・リング表面が、振動板の振動板リング表面との間に連結部を作製するために、振動板の振動板リング表面の反対側に配置される。

圧力センサ及び力センサは、多様な形態で提供される。これらのセンサは、センサを展開することが意図される分野に応じて、それぞれの条件に適合化されなければならない。多数のセンサが、センサ・ハウジング上に取り付けられた振動板を有し、センサは、この連結により耐密に封止される。展開時には、かかる振動板は、例えば圧力チャンバに露出される。圧力により発生する荷重が、この振動板に対して作用し、振動板がたわむ結果として、最終的に、測定素子で信号が生成される。この測定素子は、圧力方向に見て、ハウジング内で振動板の後方に配置される。

しかし、振動板が、振動板に対して作用する外部荷重に帰すことができず、例えば熱応力により又は取付け中に誘起される応力により生成されるたわみを受けると直ちに、エラー信号が、測定素子で生成される。特に、これは、前方封止センサの場合とすることができる。これら前方封止センサは、構成要素の前方表面の外方部と共に配置され、これによりシールが形成される。取付けにより生じる前方面振動板に対する応力を取り除くためには、ショルダ封止センサが指定される。これらのセンサにおいては、センサの前方面の全体が、荷重にさらされ、すなわち、圧力チャンバ又は力の影響にさらされる。かかるセンサの一実例が、特許文献１において明記されている。ハウジングとの共通表面上に、振動板が溶接される。

展開時に、これらの両ケースにおける荷重は、振動板の中央領域に対して作用し、振動板は、この荷重によりたわまされるが、また設計次第では、荷重は、振動板の側方領域、すなわち外方エッジに対してもより大きな又はより小さな度合いで作用する。かかるセンサ設計においては、圧力又は力の方向に見た場合に振動板のこの側方エッジ領域の後方に、振動板とハウジングとの間の連結部が配置される。幾分かの事前荷重に対して測定素子をさらすために、この連結部は、しばしば、製造過程で張力下において荷重を受ける。展開時には、振動板に対して印加される外部荷重が、この張力に対抗して作用し、この荷重の幾分かの大きさから、この連結部に対する圧力を発生させる。

特許文献２においては、事前荷重を受ける測定素子を有するセンサが記載されている。

特許文献３においては、中央圧力パッドとさらに側方支持壁部との両方に対して溶接された湾曲振動板を有する圧力センサが記載されている。非対称効果を回避するために、第２の溶接部が、振動板支持部の内方エッジ上に、この湾曲の開始部分の付近に施される。

ある種のセンサは、展開されたとき、例えば前方面振動板が内燃エンジンの圧力チャンバにさらされる場合など、短期的な激しい温度変動を受ける。このような状況において、振動板は、急速に加熱され、次いで、熱は、連結部を経由して振動板からハウジングに流れ、最終的には、温度平衡が得られるまで、又は次の燃焼事象により振動板の温度が再び上昇するまで、さらなる連結部を経由して周囲の構成要素の他の部材へと分布する。

振動板とハウジングとの間の温度差は、測定素子における測定エラーをもたらし、測定素子のモニタリングが、非常に困難となり得る。振動板からハウジングへの熱流は、これらの構成要素間の連結部に大きく左右される。連結部がより良好であるほど、熱はより多く流れる。しかし、同一構造のセンサの熱的特徴及び／又は感度が、大きなばらつきを受けると、これは問題となる。この場合、強烈な温度変動が存在した状態での一連の同一構造（ｂｕｉｌｄｓｅｒｉｅｓ）のセンサの挙動を評価又はしたがってモニタリングすることは、不可能となる。

先行技術においては、振動板とハウジングとの間の連結部は、溶接により実現されるが、この場合には、概して、レーザ溶接シームが、ハウジングと振動板との間の共通外方エッジに対して施される。連結深さは、レーザ設備の各パラメータに基づき決定されるが、これは、急速な経時劣化を受ける。このため、これらのパラメータを定期的に確認及び再調節することが必要となる。連結深さが、過剰に深く、ハウジングの内部に達する場合には、センサは、溶接プロセス中の熱浸透の結果として破壊される。連結深さが過剰に浅い場合には、連結部は、画定されず、その結果として、振動板からハウジングへの熱伝導は、十分には確保されなくなる。

スイス特許第７０２２５７号明細書スイス特許第３９４６３７号明細書米国特許第４５９７１５１号明細書

本発明の目的は、短期間の温度変動の発生時にセンサの規定の特徴をもたらす、序章において述べた力センサ又は圧力センサのハウジングの振動板間の連結部を作製するための方法を明示することとして設定される。

この目的は、第１の特許請求項の特徴により達成される。さらなる有利な方法は、従属請求項に記載されている。

本発明の基礎となる概念は、連結部が規定の連結深さを有するべきであるという前提に基づく。ここで、連結深さは、連結部が連続的なものであるか断続的なものであるかにかかわらず、最内連結部の最内端部から最外連結部の最外端部までの領域全体として規定される。この連結深さは、構造体の全センサについて厳格に規定されるべきものであり、再現可能に維持されるべきものである。

研究により、振動板における熱応力及び振動板のたわみが、センサの特徴に大きく影響を及ぼすことが判明している。振動板の熱応力及びたわみは、最終的にはこの連結部の連結深さによって決まる。

振動板とハウジングとの間の連結部について同一の連結深さを有する同一構造のセンサ同士は、例えば内燃機関の燃焼チャンバなどの、大きな温度変動を受ける圧力チャンバにさらされる場合に、同一の挙動を示す。しかし、連結深さが、センサ間で異なる場合には、その測定データのばらつきが、同一条件下において非常に大きくなり得る。

本発明の方法により、連結深さが規定されることが確保される。この方法によれば、第１の段階において、第１の連結部が、ハウジング・リング表面と振動板リング表面との間の内方領域において作製され、ついには、これらの表面は、この第１の連結部の半径方向外側において相互に当接する。その後、第２の連結部が、ハウジング・リング表面と振動板リング表面との間に作製され、これが、第１の連結部の半径方向外側において共通外方エッジまで、ハウジング及び振動板を相互に連結する。このようにすることで、規定された連結深さが、２つの連結部全体に対して維持される。

センサの再現性は、ハウジング・リング表面及び振動板リング表面が、第２の連結部がこれらの表面の間に作製される前に、第１の連結部の半径方向外側にいかなる間隙も伴わずに相互に当接する場合にのみ、確保されることが判明している。

図面を参照とする以下に続く内容において、本発明をより詳細に説明する。

圧力チャンバに露出される、構造体内に取り付けられたセンサの断面図である。連結される前のセンサ構成要素の断面図である。第１の連結後の調製工程におけるセンサの断面図である。両連結部を有するセンサの断面図である。代替的なデバイスにおける連結部位の領域における連結前のセンサ構成要素の断面図である。別の代替的なデバイスにおける連結部位の領域における連結前のセンサ構成要素の断面図である。連結部位の領域における第１の連結後の調製過程にあるセンサの断面図である。連結部位の領域における両連結部を有するセンサの断面図である。代替的な一実施例における連結部位の領域における両連結部を有するセンサの断面図である。

同一の参照記号は、全ての図面において同一の構成要素及び環境を常に指す。図１は、取付け構造体２内に取り付けられた本発明のセンサ１の断面を示す。この取付け構造体２は、圧力チャンバＰに露出され、この圧力チャンバＰは、例えば内燃機関の燃焼チャンバであり得る。センサ１の、好ましくは圧力センサ１の端面１８全体が、例えば圧力チャンバＰに対して又は力に対してなど、外部荷重にさらされる。

かかるセンサは、図４において概略的に表される。ここでは、端面１８は、振動板７により形成される。この振動板７は、中央圧力パッド８と、圧力パッド８の外側に隣接する可撓性環状領域９と、さらにこの領域９の外側に隣接する振動板リングとを備える。振動板リングは、圧力から離れる方向に向く側に、振動板リング表面１０を有する。

この振動板７の後方には、センサ１のハウジング４が配置され、このハウジング４は、振動板７と固定的に連結される。ハウジング内には、測定素子５が配置され、この測定素子５は、振動板のたわみにより、信号又は測定値を記録し、これにより、振動板７に対して作用する外部荷重に関する、すなわち例えば圧力チャンバＰ内の圧力などに関する、判定が導き出され得る。測定素子５は、好ましくは、圧電式、圧電抵抗式、又は光学式の測定素子５である。本発明のセンサ１が、展開されると、振動板７とハウジング４との間の連結部もまた、外部側から振動板に対して作用している荷重に対して常にさらされる。本発明のセンサ１は、ショルダ封止センサ又は前方封止センサ１として構成され得る。

取付け構造体２は、特に、例えば内燃機関のエンジンブロックの場合などに通常当てはまるように、冷却通路３を装着され得る。これらの冷却通路３は、そこでは熱が迅速に逃がされ得るため、ヒートシンクとなる。したがって、センサ１のハウジング４と取付け構造体２との間の良好な連結により、ハウジング４の温度は、同様に冷却される。

図２は、本発明による連結前のセンサ構成要素の断面を示す。これらのセンサ構成要素は、振動板７及びハウジング４を備え、測定素子５は、ハウジング４内に収容される。振動板７は、可撓性ゾーン９により結合された、中央に配置される圧力パッド８を備える。圧力の方向から離れる方向に向く側には、半径方向外方の領域の振動板リングと、ハウジング４のハウジング・リング表面６の反対側に配置される振動板リング表面１０とが配置される。ここでは、センサ１は、その構成要素に関して非常に簡略的に示され、本発明の実施例にとって重要な特徴に限定されている。

次に、圧力センサ又は力センサ１のハウジング４に対して振動板７を連結するための本発明の方法を説明する。図２に示すように、測定素子５及び振動板７を有するハウジング４は、ハウジング・リング表面６及び振動板リング表面１０が相互に対して反対側に配置されるように、一体化される。次いで、第１の連結部１３が、ハウジング・リング表面６と振動板リング表面１０との間の半径方向において内方の領域に作製され、ついには、前記表面６、１０は、この第１の連結部の半径方向外側において相互に対して当接される。図３は、この第１の手順の後の半完成状態のセンサ１を示す。図６においては、この連結部の領域が、同一の中間状態において、しかし拡大図において再度示される。

ここでは、２つの表面、すなわちハウジング・リング表面６及び振動板リング表面１０は、相互の上に位置し、共通外方エッジ１１及び共通内方エッジ１２を形成する。それらの分離ライン上には、第１の連結部位１３が配置される。この第１の連結部位１３は、振動板７内及びハウジング４内の両方に延在し、共通外方エッジ１１から離間される。また、好ましくは、第１の連結部位１３は、共通内方エッジ１２から距離ａだけ離間されて配置される。これにより、第１の連結部が溶接部である場合に、センサ１の内側が、センサ１の作製中に過剰な熱を被らないことが確保される。

第１の連結部１３を施した後に、振動板リング表面１０及びハウジング・リング表面６は、相互に対して平坦状になるように、及び間隙が可能な限りなくなるように、当接される。なぜならば、このようにすることによってのみ、振動板７がハウジング４に対して斜めに装着されず、それにより、後の測定における不正確な挙動が生じないことが、確保され得るからである。

第１の連結部１３に続き、第２の連結部１４が、ハウジング・リング表面６と振動板リング表面１０との間の第１の連結部の半径方向外側に作製される。これは、共通外方エッジ１１まで、ハウジング４及び振動板７を相互に連結する。

図４は、第２の溶接部１４が施された後のこの完成した状態のセンサ１を示す。図７ａ及び図７ｂは、２つの異なる実施例における連結部１３、１４の領域におけるこの完成したセンサの２つの断片断面を示す。これらの図４、図７においては、連結深さｄは、２つの連結領域１３、１４を含む領域として指定される。ここでは、これら２つの連結領域１３、１４は、図７ａに示すように重畳することが可能であるが、図７ｂに示すように分離距離ｃをおいて相互に離間された状態で施されることも可能である点に留意されたい。これらの両ケースにおいて、連結深さｄは、間の任意の可能な分離距離ｃを包含する連結部位１３、１４の領域全体を含むため、同一である。本発明によれば、規定される連結深さｄは、２つの連結部１３、１４の全体について維持される。しかし、第２の連結部１４は、第１の連結部１３よりもさらに内方に深く貫入しなくともよい点に留意されたい。なぜならば、その場合には、連結深さｄの全体が変わってしまうからである。

本発明によれば、第１の連結部１３は、はんだ継手、ろう付け継手、溶接継手、抵抗溶接継手、接着継手、又は熱圧着継手であることが可能である。この方法により、連結部１３は、この連結部に対する直接的なアクセスを有することを伴わずに作製することが可能となる。

好ましくは、突出部１５が、ハウジング・リング表面６の上に又は振動板リング表面１０の上に構成され、この突出部１５に対して、第１の連結部１３が、環状突出溶接部として抵抗溶接により形成される。好ましくは、かかる突出部１５の付近には、少なくとも１つのくぼみ部１６が、設けられ、このくぼみ部１６内には、突出部１５の溶接される材料が、溶接プロセスの過程において収集され得る。これは、図２及び図５ａに示され、図５ａにおいては、くぼみ部１６は、突出部１５の反対側に構成されるが、図２においては、同一構成要素中に並んで構成される。このようにすることで、第１の連結後に、第１の連結部１３からの余分な材料がなくなることによって、ハウジング・リング表面６及び振動板リング表面１０が相互に当接するのが回避されることが、確保される。各ケースにおいてここで説明される突出部１５及びくぼみ部１６は、任意の形態で構成することが可能であり、特に、丸形又は角形であることが可能であり、ハウジング４又は振動板７のいずれかに導入することが可能である。これらの各ケースにおいて示されるものは、単なる１つの可能な変形例であり、これは、本発明に対していかなる限定的な影響をも有するべきではない。

代替的には、図５ｂに示すように、第１の連結部１３は、くぼみ部１６内に挿入されるインサート１７により抵抗溶接によって形成され得る。この場合には、くぼみ部１６は、溶接プロセス後に、過剰な材料が飛び出さないようなサイズに構成することが可能である。

第２の連結部１４は、特に、レーザ溶接継手、電子ビーム溶接継手、アルゴンアーク法により溶接された継手、タングステン不活性ガス溶接継手（ＴＩＧ：tungsten inert gas welded joint）、保護ガス溶接継手、又は接着継手であることが可能である。

この連結部位は、外側部１１からアクセス可能であり、したがって、貫入深さが第１の連結部を越えず、したがって貫入深さｄに対して決定された規定値を超過しない限りにおいては、重要とはならない。

この方法により、展開時に激しく変動する温度にさらされた場合に、少量のばらつきを伴いつつ測定値を送達する、同一タイプの一連のセンサを製造することが可能となる。

１センサ、圧力センサ
２取付け構造体
３冷却通路
４ハウジング
５測定素子
６ハウジング・リング表面
７振動板
８圧力パッド
９可撓性領域
１０振動板リング表面
１１共通外方エッジ
１２共通内方エッジ
１３第１の連結部位
１４第２の連結部位
１５突出部
１６くぼみ部
１７インサート
１８端面
Ｐ圧力、圧力又は力（矢印）の方向の指定を伴う圧力チャンバ
ａ連結部位から内方共通エッジまでの距離
ｃ２つの連結部間の距離
ｄ外方エッジからの連結部の連結深さ

Claims

圧力センサ又は力センサ（１）のハウジング（４）に対して振動板（７）を連結するための方法において、
完成した前記センサ（１）が展開されると、前記振動板（７）に対して作用する外部荷重を記録することが可能である測定素子（５）を、前記ハウジング（４）内に取り付ける段階と、
前記ハウジング（４）のハウジング・リング表面（６）と前記振動板（7）の振動板リング表面（１０）との間に、前記センサー（１）が展開されると圧力にさらされる第１の連結部（１３）と第２の連結部（１４）とを製作するために、前記振動板リング表面（１０）の反対側に、前記ハウジング・リング表面（６）を配置する段階と、
を含み、
第１に、前記ハウジング・リング表面（６）と前記振動板リング表面（１０）との間の内方領域に前記第１の連結部（１３）を作製する段階と、これらの表面（６、１０）を、前記第１の連結部（１３）の半径方向外側において相互に当接させる段階と、
続いて、前記ハウジング・リング表面（６）と前記振動板リング表面（１０）との間に前記第２の連結部（１４）を作製する段階であって、
前記第２の連結部（１４）は、前記第１の連結部（１３）の半径方向外側において外方共通エッジ（１１）まで、前記ハウジング（４）及び前記振動板（７）を相互に連結し、
規定された連結深さｄが、前記第１の連結部（１３）、及び前記第２の連結部（１４）の２つの連結部全体について維持される段階と、
を特徴とする、
方法。
ハウジング（４）と、前記ハウジング（４）に連結される振動板（７）とを備える圧力センサ又は力センサ（１）において、
前記ハウジング（４）に取り付けられる測定素子（５）であって、完成した前記センサ（１）が展開されると、前記振動板（７）に対して作用する外部荷重を記録することが可能である測定素子（５）と、
前記ハウジング（４）のハウジング・リング表面（６）と前記振動板（7）の振動板リング表面（１０）との間に、前記センサー（１）が展開されると圧力にさらされる第１の連結部（１３）と第２の連結部（１４）とを製作するために、前記振動板リング表面（１０）の反対側に、配置される前記ハウジング・リング表面（６）と、
を備え、
前記第１の連結部（１３）は、前記ハウジング・リング表面（６）と前記振動板リング表面（１０）との間の内方領域に製作され、これらの表面（６、１０）は、前記第１の連結部（１３）の半径方向外側において相互に当接され、
前記第２の連結部（１４）は、前記ハウジング・リング表面（６）と前記振動板リング表面（１０）との間に作製され、
前記第２の連結部（１４）は、前記第１の連結部（１３）の半径方向外側において外方共通エッジ（１１）まで、前記ハウジング（４）及び前記振動板（７）を相互に連結し、
規定された連結深さｄが、前記第１の連結部（１３）、及び前記第２の連結部（１４）の２つの連結部全体について維持されることを特徴とする、
圧力センサ又は力センサ（１）。
展開時に、前記センサ（１）の前記振動板（７）は、内燃機関の燃焼チャンバに露出されることが意図されることを特徴とする、請求項２に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
内側における前記連結部（１３、１４）の前記連結深さｄは、前記ハウジング・リング表面（６）及び前記振動板リング表面（１０）の共通内方エッジ（１２）まで延在しないことを特徴とする、請求項２又は３に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記第２の連結部（１４）は、前記第１の連結部（１３）よりも内方に深く貫入しないことを特徴とする、請求項２から４までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記第２の連結部（１４）は、距離ｃが前記２つの連結部（１３、１４）間に残るように、前記第１の連結部（１３）よりも深くは貫入しないことを特徴とする、請求項２から５までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記第１の連結部（１３）は、はんだ継手、ろう付け継手、溶接継手、抵抗溶接継手、接着継手、又は熱圧着継手であることを特徴とする、請求項２から６までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
突出部（１５）が、前記ハウジング・リング表面（６）の上又は前記振動板リング表面（１０）の上に構成され、前記突出部（１５）に対して、前記第１の連結部（１３）が、環状突出溶接部として抵抗溶接により形成されることを特徴とする、請求項２から７までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
少なくとも１つのくぼみ部（１６）が、前記突出部（１５）の付近に設けられ、溶接プロセスの過程において、前記くぼみ部（１６）内に、前記突出部（１５）の溶接材料が収集されることを特徴とする、請求項８に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記第１の連結部（１３）は、くぼみ部（１６）内に挿入されたインサート（１７）による抵抗溶接（１３）により形成されることを特徴とする、請求項２から９までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記第２の連結部（１４）は、レーザ溶接継手、電子ビーム溶接継手、アルゴンアーク法により溶接された継手、タングステン不活性ガス溶接継手（ＴＩＧ）、保護ガス溶接継手、又は接着継手であることを特徴とする、請求項２から１０までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記振動板（７）は、可撓性ゾーン（９）により囲まれた中央圧力パッド（８）を有し、
展開時に、前記測定素子（５）は、前記圧力パッド（８）のたわみにより前記振動板（７）に対する圧力Ｐ又は外部力を判定すること
を特徴とする、請求項２から１１までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。
前記測定素子（５）は、前記圧力又は前記力を圧電的に、圧電抵抗的に、又は光学的に記録することが可能であることを特徴とする、請求項２から１２までのいずれか一項に記載の圧力センサ又は力センサ（１）。