JPH05501012A - 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ 従来の技術 本発明は請求の範囲第１項の上位概念に記載の形式の圧力センサに関する。

ＤＥ−０３３１２５６４０，６号明細書から公知のこのような形式の圧力センサ においてば、例えばサーメット、導電性・プラスチック又はプラチナから成る厚 膜抵抗のようなピエゾ抵抗性の測定エレメントがベースにプリントされる。抵抗 エレメント及びベースは、圧力室で支配する圧力を規定するために、できるだけ 圧力室の近くに配置される。更に測定信号は電気的な導線を介して圧力センサの ケーシングの外部に配置された電子的な評価回路に案内される。これによってピ エゾ抵抗性の測定エレメント及び電子的な構成部材は絶縁された線材片を介して 互いに複雑に接続される。

ピエゾ抵抗性の測定エレメントは直接圧力にさらされるので、ピエゾ抵抗性の測 定エレメントは燃焼室内で支配する高い温度にもさらされる。燃焼室において炎 はほぼ２０００度Ｃの温度で拡散し、これによってケーシング内で応力が生ずる 。これによって高い温度に基づき圧力信号に誤りが生ずるようになる。

更ｊ：ＥＰ−Ｏ３８５１１１８９５，０号明細書から、厚膜抵抗がベースの底部 に配置されている圧力センサが公知°である。しかしこの圧力センサは分配ポン プ内の圧力を規定するためにのみ設けられているに過ぎない。燃焼室内で支配す る高温によってこの公知の構成のばあいにも測定信号に誤りが生ずるようになる 。

発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による圧力センサの利点は、ピエゾ 抵抗性の測定エレメントにポンチを介して均一に力を導入できるということにあ る。ポンチの端部で生ずる粗面性を補償することができる。ポンチのために比較 的軟質の材料を使用することによって、特にピエゾ抵抗性の測定エレメントに面 したポンチの端部のために軟質の材料を使用することによって、接触範囲全体に 亘って均一に力を導入できる。このばあいポンチが軟質の先端部によってピエゾ 抵抗性のエレメントを取り囲むガラス層に後で規定される圧力を上回る圧力をも って押し付けられるばあいには、ピエゾ抵抗性のエレメントのガラス被覆とポン チ端部間とのでほぼ遊びのない形状接続が得られる。

これによって特に均質に力を導入できるようになる。

更にポンチの端部の直径は抵抗エレメントの直径よりも小さく構成できる。ポン チとピエゾ抵抗性のエレメントとの間で特に半球状の力伝達部材を使用したばあ い特に簡単な形式でピエゾ抵抗性のエレメントに均質に力を導入できる。ポンチ 先端部又は力導入部材は比較的軟質な材料から形成できる。これによってポンチ の多部分からなる構成が回避される。この構成は構成部材、つまりポンチ、力導 入部材及びピエゾ抵抗性のエレメントのガラス被覆の押込み変形部の有無にかか わらず可能にされる。それというのもポンチに力導入部材を点状にのみ接触させ たばあいピエゾ抵抗性のエレメントに均質に力を導入できるからである。

ポンチにダイヤフラムを溶接することによって、不都合な力導入に基づく測定誤 差が回避される。このためにポンチは例えば０．１ｍｍに等しいか又はこれより 小さいポンチ直径に対して０．０１ｍｍに等しいが又はこれよりも小さなわずか な遊びをもって案内される。ピエゾ抵抗性のエレメントが互いに積層された多数 の抵抗層から形成されるばあい、ピエゾ抵抗性のエレメントの厚さは増大する。

この上下に配置された抵抗層が、縁部をオーバーラツプさせないようにピラミッ ド形状を有しているばあいには、抵抗層の調整不精度又は抵抗層の縁部のオーバ ーラツプに起因する縁部範囲での測定誤差が回避される。更に力導入を最上部の 層の範囲内でのみ規定して行うことができる。それというもの多層で形成された 抵抗の増大した厚さに基づき、製作技術的に平面的に形成されないポンチが抵抗 の横の範囲でも接触してそこで力の迂回を生ぜしめることが、回避されるからで ある。更に、多数の抵抗がライ−トストン・ブリッジ回路内に配線されることに よって、ピエゾ抵抗性の測定エレメントの温度補償が得られる。このばあいブリ ッジ回路の抵抗の一部のみが圧力にさらされかつ別の部分は圧力を受けずに別の 抵抗層のすぐ近くに配置される。このような配置形式は特に簡単には厚膜技術に よって実現される。これによって温度補償のために電子的な構成部材が省かれる ので、電子的な評価回路のために費用及び構造サイズを減少できる。これによっ て圧力センサは比較的小さく構成される。従って圧力センサは、安価に製作可能 な、特に簡単でしかも確実な構造を有する。

その他の請求項に記載の本発明の構成によって請求項第１項に記載の圧力センサ の有利な構成が得られる。

次に図示の実施例につき本発明を説明する。

このばあい第１図は圧力センサの断面図であり、第２図は第１図の一部を示した 図であり、第３図は別の実施例図である。

第１図で図示されているように、内燃機関の燃焼室内の圧力を規定するための圧 力センサ１１のケーシング１０は、中央の一貫した段孔１２を有している。燃焼 室に面したケーシング１０の開口部１３はダイヤフラム１４によって閉じられて いて、このダイヤフラム１４はいわゆるキャップダイヤフラムとして構成されて いて、このばあいダイヤフラム１４の縁部は折り曲げられかつケーシングｌＯの 幹部１５の端部に被せられている。これによってダイヤフラムは不動にケーシン グに係合するが、ダイヤフラム１４の運動性を補償するために、直接幹部１５の 端面１６には係合していない。これによってダイヤプラムの曲げ範囲は自由に運 動できる。ダイヤフラム１４は縁部範囲で幹部１５に溶接されている。特に有利 にはダイヤフラム１４は超合金、即ち例えばほぼ５０パーセントのニッケル、２ ０パーセントのクロム、２０パーセントの鉄の合金から形成されている。ダイヤ フラム１４の中央範囲にはポンチ１８の一方の端部が接触し、ポンチの他端はピ エゾ抵抗性の測定エレメント１９に接触している。

ポンチ１８の端部は、良好で正確な力導入を可能にするために、ダイヤフラム１ ４に溶接されている。更にポンチ１８をダイヤフラムに押付けることもできる。

更にポンチ１８は、例えば０．１ｍｍに等しいか又はこれよりも小さいポンチ直 径に対して０．０１ｍｍに等しいか又はこれよりも小さいわずかな遊びをもって 段孔１２内で案内するすることができる。ピエゾ抵抗性の測定エレメント１９に 面したポンチ１８の端部は円錐形に形成されている。ポンチ１８の端部のこの円 錐形の構成は、ピエゾ抵抗性の測定エレメント１９とポンチ１８の端部との合致 する面をほぼ互いに適合させるために必要である。これに対してポンチ全体の直 径を減少させたばあいには、ポンチは場合によっては圧力伝達時に破損するよう になる。できるだけ規定された力をポンチ１８からピエゾ抵抗性の測定エレメン ト１９に導入できるようにするために、ポンチ１８は少なくとも端部範囲２０で 比較的軟質な材料から形成される。これによって、ポンチ端部の表面粗さ及び非 平坦性がピエゾ抵抗性の測定エレメント１９において測定誤差として不都合な作 用を及ぼすことがなく、このばあいこのようにしてポンチ端部の端面とピエゾ抵 抗性の測定エレメント１９の表面との間の形状接続が得られる。更に、ポンチ全 体を軟質な材料から形成することもできる。しかしこれによって矢張りポンチ１ ８の強度に不都合な影響が及ぼされる。ポンチ１８用の材料を選択するばあい、 炎フロントの温度に基づくダイヤフラムにおける温度変動によって測定信号に誤 差が生じないようにポンチ１８ができるだけわずかな熱伝導性を有するよう考慮 する必要がある。良好なわずかな熱伝導性は例えばガラスセラミックが有してい る。ポンチ１８の端部範囲２０用の材料として例えば比較的軟質な金属、例えば アルミニウム、黄銅、銅、プラスチック等が使用される。端部範囲２０用の材料 はわずかな熱伝導性を有する必要はない。

ピエゾ抵抗性の測定エレメント１９はハイブリッド２２上に配置されていて、こ のハイブリッドは段孔１２内に圧入された対応支承体２３に接触している。ハイ ブリッド２２のペースは対応支承体２３の端面に接着される酸化アルミニウム・ サブストレートから形成されている。ピエゾ抵抗性の測定エレメント１９の他に ハイブリッド２２のペースの同じ側に評価回路の電子的な構成部材２５、例えば 抵抗、トランジスタ等が設けられている。電子的な半導体構成部材２５及びピエ ゾ抵抗性の測定エレメント１９はボンディングワイヤ２６及び厚膜導体トラック ２７によって接続されている。リード線２８を介して処理回路の出力部は内燃機 関の制御装置及び評価回路（図示せず）に案内されている。このために対応支承 体２３は段孔１２に対してほぼ軸平行にのびる貫通孔２９を有していて、この貫 通孔内ではリード線２８が案内される。リード線２８は段孔１２を閉鎖するカバ ー３１のグロメット３０内に固定されている０例えば湿気のような不都合な外界 作用から防護するために、段孔１２はピエゾ抵抗性の測定エレメント１９及び電 子的な構成部材２５の範囲並びに対応支承体２３とカバー３１との間の範囲で鋳 型材料３２によって充填されている。

貫通孔２９の代わりに対応支承体２３にリード線２８を貫通案内するためのセグ メントを切り欠くこともできる。しかし対応支承体２３をケーシングｌＯの段孔 １２内にねじ込むこともできる。

第２図ではピエゾ抵抗性の測定エレメントの本発明による構成が図示されている 。酸化アルミニウム・サブストレートから成るハイブリッド２２のペースには第 １及び第２の導体トラック３６．３７がプリントされている。両導体トラック３ ６．３７の間にはａ４１の抵抗層３８がプリントされていて、このばあい抵抗層 ３８の端部は、電気的な接触を得るために、両導体トラック３６．３７の端部に オーバーラツプされている。

第１の抵抗層３８には層状に別の多数の抵抗トラック３９がプリントされている 。このばあいこの別の抵抗トランク３９は、一種のピラミッドを形成するように 配置されていて、これによって抵抗は上向きの層順序でそれぞれ短く形成されひ いては縁部範囲で覆われないか又はオーバーラツプされなくなる。抵抗トラック ３８．３９のピラミッド状の配置全体及び少なくとも導体トラックの端部は、電 気的及び機械的な絶縁作用を得るために、ガラスペーストから製作されるガラス 層４０によって覆われる。ポンチの端部は端部範囲２０で、ポンチ１８が中央で 抵抗トラック３９にのみ座着するように、ガラス層４０もしくは抵抗トラック３ ゛　９のガラス層に接触する。このことは、力が最上部の抵抗層の範囲でのみ導 入されかつこのようして力の迂回が回避されることを意味している。

更１こ、ピラミッド状の構成を有する単一のピエゾ抵抗性の測定エレメントの代 わりに付加的に別のピエゾ抵抗性の測定エレメントをハイブリッド上に配置する か又は４つの測定部材を配置することもできる。このばあい抵抗エレメントはホ イートストン・ハーアブシジン回路又はフルブリッジ回路内に互いに配線される 。

両ピエゾ抵抗性の測定エレメントの１つ又は４つのピエゾ抵抗性の測定エレメン トの１つ乃至２つはポンチによって圧力負荷されるのに対して、別のピエゾ抵抗 性の測定エレメント又は２乃至３の別のピエゾ抵抗性の測定エレメントは第１の ピエゾ抵抗性の測定エレメントの範囲又は第１の両ピエゾ抵抗性の測定エレメン トの範囲の近くに配置されるが、圧力負荷されない。

これによって、評価回路内に温度変動を補償するための付加的な電子的な構成部 材を設ける必要ないしに、温度補償を行うことができる。

橋々の抵抗トラック３８．３９は抵抗トラックを貫流する電流の方向又はこの方 向に対して横方向でプリントされる。

ピエゾ抵抗性の測定エレメント１９に特に均質に力を導入するためにポンチ１８ の軟質な先端部はピエゾ抵抗性の測定エレメント１９にかつこのばあい特にガラ ス層４０に押し付けられる。このために圧力は後で規定される圧力よりも大きく なければならない。このために整数倍の最大圧力をダイヤフラム及びポンチにか けるか又は対応支承体を押し込むばあい意識的に所定の位置より余分に押し込む ことができる。これによって軟質のポンチに押込み変形部が生ずる。

ピエゾ抵抗性の測定エレメント１９の本発明の構成によって特に良好な測定値を 得ることができる。更に。

ハイブリッド上に構成部材を配置することによって圧力センサを特に簡単に組立 ることができる。ケーシング１０の外部ですでにピエゾ抵抗性の測定エレメント １９、電子的な構成部材２５及び対応支承体２３をリード線２８と共に構成ユニ ットとして予め組み立てることができる。従って圧力センサのケーシング１０の 外部ですでに構成部材２５及びピエゾ抵抗性の測定エレメント１９をその機能性 に関しチェックすることができる。従って最終組立に際してすでにチェックされ た予め岨み立てられたユニットだけをすでに差し込まれたポンチ１８を有するケ ーシング１０内に、ユニットがポンチにかつポンチがダイヤフラムに接触するま で、段孔１２の開口部から押し込むことができる。対応支承体はケーシング１０ 内に圧入されるので、ユニットはケーシング内で藺単に定心して固定できる。

第３の実施例ではポンチ１８とピエゾ抵抗性の測定エレメント１９との間に付加 的な力伝伝達部材４５が配置されている。この力伝達部材はポンチに面した側で 、特に半球状に形成されている湾曲した表面を有している。ポンチの先端部又は 力伝達部材は比較的軟質な材料から形成される。力伝達部材４５の湾曲した表面 によってポンチ１８における力伝達部材４５のほぼ点状の接触及びピエゾ抵抗性 の測定エレメント１９に対する均質な力導入が得られる。第３図のこの実施例は 組立中押込み変形部が生ずるか否かにかかわらず製作しかつ使用できる。ピエゾ 抵抗性の測定エレメント１９に対するポンチ１８の大規模な調整は不用である。

組立中ポンチ１８並びにピエゾ抵抗性の測定エレメント１９に対して相対的な力 伝達部材の滑落を防止するために、前記接触面の少なくとも１つを接着又はガラ ス被覆することができる。

要　約　書 圧力センサ（１１）において力がダイヤフラム（１４）及びポンチ（１８）を介 してピエゾ抵抗性の測定エレメント（１９）に導入される。測定エレメント（１ ９）はハイブリッド（２１）のベース（２０）にプリントされていてかつ層状に 重ね合わされて配置された多数の抵抗トラック（３８，３９）から形成されてい て、この抵抗トラックが特にピラミッド状に重ねて配置されている。これによっ て特に間車な形式で規定された力導入が可能にされる。更にハイブリッドがポン チ（１８）の対応支承体（２３）の端面に配置されている。ハイブリッド（２２ ）及びピエゾ抵抗性の測定エレメント（１９）の空間的にコンパクトな配置形式 によって比較的誤差のない大きな測定信号が得られると共に比較的小さな安価な 構造形式が得られる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に自動車の内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサであっ て、圧力センサのケーシング（１０）内にピエゾ抵抗性の材料から成るセンサエ レメント（１９）が配置されている形式のものにおいて、ダイヤフラム（１４） とセンサエレメント（１９）との間に、規定すべき圧力をセンサエレメントに導 入するポンチ（１８）が配置されていて、少なくともピエゾ抵抗性のセンサエレ メント（１９）に面したポンチ（１８）の端部が、比較的軟質な材料から形成さ れていることを特徴とする圧力センサ。 ２．特に自動車の内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサであっ て、圧力センサのケーシング（１０）内にピエゾ抵抗性の材料から成るセンサエ レメント（１９）が配置されている形式のものにおいて、ダイヤフラム（１４） とセンサエレメント（１９）との間に、次の順序で、規定すべき圧力を導入する ポンチ（１８）と力伝達部材（４５）とが配置されていて、このばあい力伝達部 材（４５）がポンチ（１８）に向けて湾曲した表面を有していて、かつ、力伝達 部材（４５）又は少なくとも力伝達部材（４５）に面したポンチ（１８）の端部 が、比較的軟質な材料から形成されていることを特徴とする、圧力センサ。 ３．力伝達部材（４５）が半球体から構成されている、請求項２記載の圧力セン サ。 ４．ポンチが組立中センサエレメント（１９）に、測定すべき圧力を上回る圧力 によって押し付けられ、これによって組立後センサエレメント（１９）とポンチ （１８）の端部又は圧力伝達部材（４５）とのほぼ遊びのない形状接続が生ぜし められる、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力センサ。 ５．ピエゾ抵抗性のセンサエレメント（１９）が互いに重ねてプリントされた多 数の抵抗層（３８，３９）から形成されている、請求項１から４までのいずれか １項記載の圧力センサ。 ６．抵抗層（３８，３９）がピラミッド状に重ねて配置されている、請求項５記 載の圧力センサ。 ７．抵抗層（３８，３９）が電気的に絶縁されたガラス層（４０）によって被覆 されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力センサ。 ８．力伝達部材（４５）及びガラス層が互いにガラス被覆されている、請求項７ 記載の圧力センサ。 ９．ポンチ（１８）とダイヤフラム（１４）とが互いに溶接されている、請求項 １から８までのいずれか１項記載の圧力センサ。 １０．ポンチ（１８）がガラスセラミックから形成されている、請求項１から９ までのいずれか１項記載の圧力センサ。 １１．ポンチ（１８）が金属から形成されている、請求項１から１０までのいず れか１項記載の圧力センサ。 １２．ポンチ（１８）が滑動可能にケーシング（１０）内で案内されている、請 求項１から１１までのいずれか１項記載の圧力センサ。 １３．ピエゾ抵抗性のセンサエレメント（１９）に面したポンチ（１８〕の端部 がダイヤフラム（１４）に面したポンチ（１８）の端部よりも小さな直径を有し ている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の圧力センサ。 １４．ピエゾ抵抗性のセンサエレメント（１９）に面したポンチ（１８）の端部 （２０）がセンサエレメント（１９）の最上部の抵抗トラック（３９）よりも小 さな直径を有している、請求項１３記載の圧力センサ。