JPH10506718A - センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの抵抗測定ブリッジ（７、８）を有する測定ダイヤフラム（２）を持つセンサであって、前記測定ダイヤフラム（２）のひずみによって、それぞれの前記測定ブリッジ（７、８）のアンバランスが発生し、このアンバランスの結果生じるブリッジの対角線電圧の変化が評価されるセンサを提案する。このセンサ（１）は、それぞれ前記抵抗測定ブリッジ（７、８）を、前記測定ダイヤフラム（２）のそれぞれ半分（３、４）上に有しており、前記抵抗測定ブリッジ（７、８）の各々において、互いに向かい合って配置された２つのブリッジ分岐（Ｒ１、Ｒ４）は、半径方向の圧縮によってその抵抗値（ΔＲ）を変化させ、そしてそれぞれ他のブリッジ分岐（Ｒ２、Ｒ３）は、半径方向ないしは接線方向の引張によってその抵抗値（ΔＲ）を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】 センサ 従来技術 本発明は、主請求項の上位概念記載のセンサ、例えば圧力センサに関する。 例えば、測定ダイヤフラム上に、例えば液圧装置における絶対圧力又は圧力変 化を測定するための薄膜抵抗測定ブリッジを配置した圧力センサが公知である。 この場合、圧力変動による測定ダイヤフラムの動きが、通常はメアンダ状の抵抗 線路を圧縮又は引張することによって、それぞれの薄膜抵抗器における抵抗値の 変化をもたらす。薄膜抵抗器は、この場合、公知のやり方でホイートストン測定 ブリッジの形に接続されており、ブリッジ分岐に対する乃至は圧力センサダイヤ フラム上の領域に対する薄膜抵抗器の割り当ては、向かい合って配置された抵抗 器がそれぞれ同じ方向に変化し、ブリッジの対角線電圧をセンサ信号として測定 できるように選択される。 圧力センサの最もよくある適用事例、例えば自動車における液圧制動系におい ては、制動液圧装置の圧力（測定範囲はほぼ２５０バール）に相応する正確な出 力信号が、高い信頼性と故障に対する可能な限りの安全性をもって発生されなけ ればならない。とりわけ制 動装置の領域の安全性が問題となる装置、例えばアンチロックシステム又はアン チスリップ制御部においては、その正常な機能が絶えず検査されなければならな いセンサが必要不可欠となる。別の適用事例は、自動車における燃料供給のため の空気圧系並びに噴射装置の監視機能である。 さらに抵抗測定ダイヤフラムを有する圧力センサを次のことによって監視する ことが公知である。すなわち、所定の時間間隔で個々の抵抗の絶対測定を行い、 この結果、例えば経年変化又は破損（例えば腐食やひび割れ）による、個々の薄 膜抵抗器の抵抗特性の変化を識別することによって監視することが公知である。 また、ダイヤフラムの中心部の最も負荷のかかる箇所における過度の圧力又は引 き裂こうとする力（Reissen）によって発生する圧力測定ダイヤフラムの塑性変 形も、エラー測定をもたらす。この場合、ブリッジ分岐において同じ方向に変化 する抵抗器の変化は、既述の特別な手段なしでは識別することができない。とい うのも、この変化は、測定ブリッジではオフセットによって補償されてしまい、 見かけ上は測定ブリッジは変化していないように見えるのだが、実は感度が変化 しており、このためエラーがもたらされるからである。 測定ブリッジのそれぞれ同じ方向に変化する抵抗器は、有利には、圧力測定ダ イヤフラム上の、引張/圧 縮に関して同じ機械的特性を有する箇所（圧力測定ダイヤフラムの中心部又は周 縁部）に存在し、このため同じ負荷をかけられ、これら同じ方向に変化する抵抗 器の偏差は同じである。従って、圧力測定ダイヤフラムの塑性変形も、識別でき ない同じ信号エラーを示す。このようなエラーを識別する別の公知の方法は、個 々の抵抗器を安定した基準抵抗器と所定の間隔で繰り返し比較することである。 全寿命に亘って安定した基準抵抗器は、この場合、ブリッジ抵抗器に並列に接続 され、ブリッジの出力信号の変化を監視するために使用される。 この特別な監視機構を有する公知のセンサは、とりわけ次のような不利な点を 有する。すなわち、絶えず検査/監視モードと圧力センシングとの間で切り換え なくてはならず、基準抵抗値の測定には時間がかかるので、これによってセンサ のダイナミック特性がひどく低下してしまう、という不利な点を有する。さらに 、このため故障に対する安全性及び冗長性への要求を実現できない。 本発明の利点 冒頭に述べた種類の本発明のセンサは、請求項１の特徴部分記載の構成により 、特に次のことによって有利である。すなわち、互いに独立している２つの抵抗 測定ブリッジをそれぞれダイヤフラムの半分に配置す ることによって、特別な基準値測定なしで、動作中にセンサの機能能力を検査す ることができる、ということによって有利である。さらに、１つの抵抗測定ブリ ッジが故障した場合でも、もう１つの測定ブリッジによって装置の緊急作動が保 証されるので、センサの有用性が高まる。 本発明のセンサの有利な実施形態では、２つの抵抗測定ブリッジのうちの少な くとも１つの測定ブリッジの薄膜抵抗器は、測定ダイヤフラムの半径方向の引張 /圧縮が抵抗値の上昇乃至は低下をもたらすように、測定ダイヤフラム上に配置 される。もう１つの抵抗測定ブリッジでは、ブリッジ内で互いに向かい合って配 置された薄膜抵抗器は、有利にはダイヤフラムの周縁領域で接線方向の引張を検 出し、この接線方向の引張が抵抗値の上昇をもたらすように、測定ダイヤフラム 上に配置される。この接線方向の効果を利用することによって、これらの抵抗器 には比較的小さく負荷がかかり、このため、偏差もその寿命に亘ってより小さく なる。 上述した実施形態の２つの測定ブリッジは、ブリッジの対角線信号に関しては その寿命に亘って異なる挙動をし、さらに接線方向の引張を検出するための薄膜 抵抗器は、半径方向の引張又は圧縮とは異なるダイヤフラムの動きを検出するの で、この２つのブリッジ信号を比較することによって、簡単に機能の検査が実施 できる。圧力測定ダイヤフラムの塑性変形もブリッジのオフセットにおいて明確 に識別することができる。というのも、２つのブリッジの対角線信号は、この圧 力測定ダイヤフラムの塑性変形によって明らかに相互に別々にドリフトするから である。経年変化現象ならびに機械的又は物理的・化学的な効果は、この２つの ブリッジの感度に異なった影響を与えるので、この経年変化現象ならびに機械的 又は物理的・化学的な効果は、比較によって識別することができる。 さらに別の有利な実施形態は、従属請求項から得られる。 図面 本発明のセンサの実施例を図而に基づいて説明する。 図１は、圧力センサの測定ダイヤフラムの平面図である。 図２は、右側の測定ブリッジの電気回路図である。 図３は、左側の測定ブリッジの電気回路図である。 図４は、薄膜抵抗器の詳細図である。 図５は、測定ダイヤフラム上の機械的応力/引張を示す線図である。 実施例の説明 図１には、自動車の制動液圧装置の圧力状態を検出 するための圧力センサとして使用されるセンサ１が図示されている。このセンサ １は、（例えば金属製の）測定ダイヤフラム２を有しており、この測定ダイヤフ ラム２において、（例えば多結晶質シリコン製の）薄膜抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 及びＲ４が、２つのセンサ半分３及び４のそれぞれの上に設けられている。これ ら薄膜抵抗器Ｒ１〜Ｒ４は、測定ダイヤフラム２上のポイント５で接続されてお り、外部との接続のために、ポイント５は、それぞれ接点パッド６に通じている 。これは、図１では、見やすいように、右側のセンサ半分４の抵抗器Ｒ１にただ 例としてのみ図示されている。 図２及び３は、それぞれホイートストン測定ブリッジ７および８を形成するセ ンサ半分３（図２）及びセンサ半分４（図３）の抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の電気的等価 回路図を図示している。評価のために、センサ出力信号として、ブリッジの対角 線電圧Ｕｍｌ（図２）及びＵｍｒ（図３）が使用される。 薄膜抵抗器Ｒ１〜Ｒ４のうちの１つの実施例を図４は示しており、この図から ポイント５の間の抵抗線路９のメアンダ状の構造が見て取れる。抵抗器Ｒ１〜Ｒ ４は、この場合、図示された方向の引張（十Δｌ）によって、その抵抗値を変化 （＋ΔＲ）させる。別の材料から作られた抵抗器の場合には、同様の測定効果を 得るために別の幾何学的構造を選択してもよい。 図５には、圧力の変化による機械的応力σ、そしてこの機械的応力σから生じ る、測定ダイヤフラム２の半径方向の異なる領域での引張乃至は圧縮εの曲線の 線図が示されている。この線図の説明は、この実施例の記述に基づいて、とくに 図１〜３に関連して行われる。 右側のセンサ半分４（図１及び３を参照）のブリッジ抵抗器Ｒ１及びＲ４は、 測定ダイヤフラム２の周縁領域の機械的固定部の近傍に存在し、ブリッジ抵抗器 Ｒ２及びＲ３は、測定ダイヤフラム２の中心部に存在する。圧力上昇によって測 定ダイヤフラム２がひずむか又は湾曲する場合には、測定ダイヤフラム２の中心 部のブリッジ抵抗器Ｒ２及びＲ３は、半径方向に作用する機械的応力のために、 同じ方向に引張される。これによって、これらの抵抗器の抵抗値の上昇（＋ΔＲ ）がもたらされる。周縁領域のブリッジ抵抗器Ｒ１及びＲ４においては、測定ダ イヤフラム２の固定部領域の逆方向の湾曲によって圧縮が起こる。これによって 、同様に半径方向に作用する機械的応力のために、ブリッジ抵抗器Ｒ１及びＲ４ の抵抗値の低下（−ΔＲ）がもたらされる。これによって起こる測定ブリッジ８ のアンバランスを、ブリッジの対角線電圧Ｕｍｒの変化を介して評価することが できる。 左側のセンサ半分３では、ブリッジ抵抗器Ｒ１及びＲ４（図１及び２参照）は 、右側のセンサ半分４の対 応するブリッジ抵抗器Ｒ１及びＲ４と同じように配置されており、従って同じ抵 抗変化をうける。しかし、この記述の初めの方に挙げた有利な特性を作り出すた めには、測定ブリッジ７のブリッジ抵抗器Ｒ２及びＲ３を同様に圧力測定ダイヤ フラム２の周縁領域に配置する。ただし、ここで機械的応力によるダイヤフラム 表面の接線方向の引張効果が評価されるように配置するのである。抵抗器Ｒ２及 びＲ３のメアンダ状の抵抗線路９は、ここではなるほど引張による抵抗値の上昇 （＋ΔＲ）を受けるのだが、圧力変化（＋Δｐ）とブリッジ対角線電圧Ｕｍｌの アンバランスとの間の機械的相互作用は、右側のセンサ半分４における相互作用 とは異なる。 この結果、２つのセンサ半分３及び４における圧力変化（Δｐ）の異なる評価 に基づいて、他の場合であればブリッジ抵抗器の同じ方向の変化をもたらしその ためブリッジのオフセットによって補償されてしまう多数のセンサ１のエラー（ 例えば、経年変化、腐食又はダイヤフラムのひび割れによるエラー）を識別する ことができる。さらに、左側の測定ブリッジ７のブリッジ抵抗器Ｒ２及びＲ３は 、測定ダイヤフラム２の比較的機械的な負荷がかからない領域にあるので、左側 の測定ブリッジ７の信頼性は非常に高く、それゆえセンサ１の緊急作動特性も改 善される。 図５の線図は、概略的に測定ダイヤフラム２の半径 ｒ上に機械的応力σ、及びこの機械的応力σから生じるブリッジ抵抗器Ｒ１〜Ｒ ４での引張/圧縮εの幾つかの典型的な曲線経過をプロットしたものである。曲 線１０は半径方向に作用する応力σｒの経過であり、曲線１１は接線方向に作用 する応力σｔの経過である。曲線１２は半径方向の引張εｒの経過を、曲線１３ は接線方向の引張εｔの経過を、右側の垂直座標軸を基準にして示したものであ る。 図５の曲線１２からは、測定ダイヤフラム２の中心部（ｒ＝０）における大き な引張から周縁領域における圧縮への移行がはっきりと見て取れる。これは、圧 力上昇Δｐから生じる半径方向応力σｒ（曲線１０）によって惹起されたもので ある。これに対して、接線方向応力σｔ（曲線１１）及びこの接線方向応力σｔ によって生じる引張εｔは、はるかに平坦に経過し、それゆえ圧力変化Δｐに対 する異なる依存関係を有する。しかし、ブリッジ対角線電圧の標準的な評価にお いてほぼ同一の測定範囲を得るためには、左側のセンサ半分３のブリッジ抵抗器 Ｒ２及びＲ３を、右側のセンサ半分４のブリッジ抵抗器Ｒ２及びＲ３における引 張と比較できるような引張が検出される測定ダイヤフラム２の領域に配置すべき である。ブリッジ分岐の最も有利な配置方法を、図５の線図の中に小さな円で示 した。これらの小さな円は、引張及び圧縮の軸εのゼロ点に対してほぼ対称的な （＋ε１；−ε１）の範囲 内に存在する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イェルク ヴォルフ ドイツ連邦共和国 Ｄ−76139 カールス ルーエ ルーシュグラーベン 63

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの抵抗測定ブリッジ（７、８）から構成される、測定ダイ ヤフラム（２）上の測定素子を有するセンサであって、 前記測定ダイヤフラム（２）のひずみによって、それぞれの前記測定ブリッジ （７、８）のアンバランスが発生し、このアンバランスの結果生じるブリッジの 対角線電圧の変化が評価され、 センサ（１）は、それぞれ前記抵抗測定ブリッジ（７、８）を、前記測定ダイ ヤフラム（２）のそれぞれ半分（３、４）上に有しているセンサにおいて、 第１の抵抗測定ブリッジ（８）において、４つ全てのブリッジ分岐（Ｒ１、Ｒ ２、Ｒ３、Ｒ４）は、前記測定ダイヤフラム（２）上の半径方向に作用する機械 的応力（σｒ）を加えられ、半径方向の引張によって負荷をかけられるこれらブ リッジ分岐は、前記測定ダイヤフラム（２）の中心部に設けられており、 前記第１の抵抗測定ブリッジ（８）とは異なり、第２の抵抗測定ブリッジ（７ ）においては、接線方向の引張を加えられるブリッジ分岐（Ｒ２、Ｒ３）は、前 記測定ダイヤフラム（２）の周縁領域に設けられており、さらに、前記ブリッジ 分岐（Ｒ２、Ｒ３）は、該ブリッジ分岐（Ｒ２、Ｒ３）に対して接線方向の機械 的応力（σｔ）が作用するように配向されていること を特徴とするセンサ。