KR102521006B1 - 압전 압력 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤브레인(21)을 수용하는 센서 하우징(20)과, 압전 센서(22)와, 전극 배열(23)과, 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)를 구비하며; 상기 멤브레인(21)이 압력 프로파일을 포착하고; 포착된 압력 프로파일에 의해 상기 압전 센서(22) 상에 편극 전하가 생성되며; 상기 전극 배열(23)이 생성된 편극 전하를 수신하며; 상기 전극 배열(23)이 전하 픽오프(23.1)와 전하 출력(23.2)을 구비하며, 상기 전하 픽오프(23.1)가 상기 전하 출력(23.2)에 전기적 및 기계적으로 연결되며; 상기 전하 출력(23.2)이 제3 갭에 의해 상기 사전응력 도입 몸체(24.2)와 전기적으로 절연되며; 상기 전하 출력(23.2)이, 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 사전응력 도입 몸체(21) 측의 전기적 도통 배열(27)을 통해 사전응력 도입 몸체(24.2)에 기계적으로 연결되어, 제3 갭을 주변 환경으로부터 압력 밀폐 상태로 밀봉하는 압전 압력 센서에 관한 것이다.

Description

압전 압력 센서{PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR}
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 압전 압력 센서에 관한 것이다.
압전(piezoelectric) 압력 센서는 공지되어 널리 사용되고 있다. 이에 따라, 이들은 내연기관의 압력 지표화(indexing)에 사용되어 압력 챔버(pressure chamber) 내의 지배적인 실린더 압력을 크랭크샤프트 위치나 시간의 함수로 감지한다. 내연기관은 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 방켈 엔진(Wankel engine) 등의 4-스토로크 엔진과 2-스트로크 엔진을 포함한다. 선박 디젤 엔진에서, 이는 실린더 압력의 장기 감시에 사용된다. 압전 압력 센서는 일반적으로 150 내지 250바의 범위에 있지만 조기 점화(pre-ignition)와 엔진 노킹(knocking)이 발생되면 400바 이상의 압력 피크를 포함하는 급속한 압력 프로파일(pressure profiles)을 감시하는데 사용된다. 그러나 압전 압력 센서는 제트 엔진, 가스 터빈, 증기 터빈, 증기기관 등의 압력 감시에도 사용될 수 있다.
이러한 압전 압력 센서는 문헌 CH394637A1에 개시되어 있다. 이 압전 압력 센서는 압력 챔버의 내경(bore)을 통해 압력 챔버 내로 직접 돌출하는 멤브레인(membrane)을 구비한다. 이 멤브레인의 가장자리는 압전 압력 센서의 하우징에 용접된다. 멤브레인에 의해 포착된 압력 프로파일은 하우징 내의 멤브레인 부근에 배치된 압전 센서에 작용한다. 압력 프로파일은 압전 센서에 전기적인 편극 전하(polarization charge)를 생성하고 이는 전극을 통해 신호로 전송된다. 이 신호는 압력 프로파일의 양에 비례한다. 압전 센서 상에 전극이 배치되어 있다. 신호는 도전체에 의해 전극으로부터 평가 유닛으로의 신호 케이블의 플러그 연결을 위한 소켓으로 전송된다. 소켓은 하우징의 멤브레인 대향측에 배치된다.
압전 센서에는 사전응력 도입 슬리이브(pre-stressing sleeve)를 통해 기계적인 사전응력(pre-stress)이 도입된다. 구조에 있어서, 이는 압전 압력 센서의 회전 대칭(circular-symmetrical) 구조로 구현된다. 하우징은 원통형이다. 멤브레인은 하우징 전방에 부착되고, 후방에는 압전 센서가 하우징의 종축을 따라 배치된다. 도전체는 압전 센서와 하우징의 중앙을 관통하여 연장된다. 종축 방향으로, 사전응력 도입 슬리이브는 압전 센서의 반경 방향 외측으로 배치된다. 사전응력 도입 슬리이브의 후단(rear end)이 하우징에 용접되는 한편, 사전응력 도입 슬리이브의 전단(front end)은 멤브레인에 용접된다. 이에 따라 사전응력 조립체가 압전 센서를 소켓에 대해 진공 밀폐(vacuum-tight) 및 압력 밀폐(pressure-tight) 상태로 밀봉한다.
실제, 압전 압력 센서의 사용중에 멤브레인의 파손이 발생될 수 있다. 이 경우, 고온 가스가 압력 챔버로부터 사전응력 도입 슬리이브로 유입된다. 사전응력 도입 슬리이브는 얇은 벽을 가지므로 기계적 응력에 그리 안정적이지 못해 고온 가스의 충격으로 파손될 수 있다. 결과적으로 고온 가스가 유입되어 압전 센서와 소켓을 손상시킬 수 있다. 소켓이 손상되면, 고온 가스가 압전 압력 센서의 하우징으로부터 주변 환경으로 탈출할 수 있다. 고온 가스는 주변 공기를 점화 및 연소시켜 손상을 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은 멤브레인의 파손시에도 고온 가스가 압전 압력 센서의 하우징으로부터 주변 환경으로 탈출할 수 없는 압전 압력 센서를 제공하는 것이다.
이 목적은 독립항의 특징에 의해 달성된다.
본 발명은 멤브레인(menbrane)을 수용하는 센서 하우징(sensor housing)과, 압전 센서(piezoelectric sensor)와, 그리고 전극 배열(electrode arrangement)과 사전응력 도입 몸체(pre-stressing body)를 구비하며; 상기 멤브레인이 압력 프로파일(pressure profile)을 포착(capture)하고; 포착된 압력 프로파일에 의해 상기 압전 센서 상에 편극 전하(polarization charge)가 생성되며; 상기 전극 배열이 생성된 편극 전하를 수신하며; 상기 전극 배열이 전하 픽오프(charge pick-off)와 전하 출력을 구비하고, 상기 전하 픽오프가 전하 출력에 전기적 및 기계적으로 연결되며; 그리고 상기 전하 출력이 제3 갭에 의해 사전응력 도입 몸체로부터 전기적으로 절연되고, 전하 출력이 멤브레인에 멀리 대향하는 사전응력 도입 몸체 측의 전기적 도통 배열(electrical feedthrough arrangement)을 통해 사전응력 도입 몸체에 기계적으로 연결되어 제3 갭을 압력 밀폐 상태로 주변 환경으로부터 밀봉하는 압전 압력 센서에 관한 것이다.
멤브레인이 파손되면, 고온 가스가 전하 출력과 사전응력 도입 몸체 사이의 제3 갭으로 유입될 것이다. 제3 갭은 주변 환경의 소켓과 신호 케이블로 연장된다. 본 발명에 의하면, 전하 출력을 전기적 도통 배열을 통해 사전응력 도입 몸체에 압력 밀폐 상태로 기계적 연결함으로써 제3 갭이 주변 환경으로부터 압력 밀폐 상태로 밀봉된다. 바람직하기로, 압력 밀폐 상태의 기계적 연결은 재질 접합(material bonding)이다. 바람직하기로, 사전응력 도입 몸체는 압전 압력 센서의 센서 하우징에 기계적으로 연결된다. 이에 따라, 전하 출력은 적어도 하나의 재질 접합을 통해 센서 하우징 조립체에 직접 또는 간접적으로 기계적 연결된다. 멤브레인이 파손되어도 고온 가스는 주변 환경으로 탈출할 수 없다.
이하 도면을 참조한 실시예들을 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다. 도면에서:
도 1은 센서 조립체, 신호 케이블 조립체와 평가 유닛을 가지는 압전 압력 센서의 제1 단면에 대한 단면도;
도 2는 도 1에 의해 센서 조립체, 신호 케이블 조립체와 평가 유닛을 가지는 압전 압력 센서의 제2 단면에 대한 단면도;
도 3은 도 1 또는 도 2에 의한 센서 조립체의 제1 실시예의 단면도;
도 4는 도 1 또는 도 2에 의한 센서 조립체의 제2 실시예의 단면도;
도 5는 도 1 또는 도 2에 의한 센서 조립체의 제3 실시예의 단면도;
도 6은 도 1 또는 도 2에 의한 압전 압력 센서의 센서 조립체의 제4 실시예의 단면도;
도 7은 도 1에 의한 압전 압력 센서의 부분 단면도;
도 8은 도 2에 의한 압전 압력 센서의 부분 단면도;
도 9는 도 7과 8에 의한 압전 압력 센서의 부분 확대 단면도;
도 10은 도 1, 2, 7 내지 9에 의한 압전 압력 센서의 부분 사시도;
도 11은 센서 조립체를 신호 케이블 조립체에 기계적으로 연결하기 전의 도 1 내지 10에 의한 압전 압력 센서의 부분 사시도; 그리고
도 12는 센서 조립체의 전하 출력을 신호 케이블 조립체에 기계적으로 연결한 이후의 도 11에 의한 압전 압력 센서의 부분 사시도이다.
도 1과 도 2는 본 발명에 의한 압전 압력 센서(1)의 단면을 보인다. 이 단면은 장착된 상태의 사용 준비된(ready-to-use) 압전 압력 센서(1)의 종축(CC')을 따라 취한 것이다. 도 1은 압전 압력 센서(1)의 수직축(AA')이 절단선(A÷A')으로 작용한 전체 단면도이다. 도 2는 압전 압력 센서(1)의 수평축(BB')가 절단선(B÷B')으로 작용한 전체 단면도이다. 수직축(AA')와 수평축(BB')은 서로 직교한다. 단면에 있어서, 압전 압력 센서(1)와 그 요소들은 종축(CC')에 대해 대략 원형이다. "대략"이라는 부사는 원형으로부터 ±10%의 변형을 포함한다. 본 발명을 알고 나면, 압전 압력 센서와 그 요소들의 단면을 사각형, 다각형 등으로도 구성할 수 있다.
압전 압력 센서(1)의 요소들은 서로 기계적으로 접촉되거나 서로 기계적으로 연결된다. 본 발명의 관점에 있어서, 기계적 접촉은 몇 개의 요소들이 단지 서로 직접 접촉하여 위치하는 것을 의미하는 반면, 기계적 연결의 경우는 몇 개의 요소들이 재질 접합(material bonding), 힘 폐쇄(force closure), 형태 폐쇄(form closure) 등에 의해 서로 부착되는 것을 의미한다. 이에 따라 기계적 접촉은 압력 밀폐(pressure-tight)가 아니다. 형용사 "압력 밀폐"는 10바 이상의 압력 프로파일(pressure profile)에 저항할 수 있음을 지칭한다.
압전 압력 센서(1)는 센서 조립체(sensor assembly; 2), 신호 케이블 조립체(signal cable assembly; 4), 그리고 평가 유닛(evaluation unit; 5)을 구비한다. 센서 조립체(2)는 신호 케이블 조립체(4)에 의해 또는 평가 유닛(5)에 직접 전기적 및 기계적으로 연결됨으로써 평가 유닛(5)에 전기적 및 기계적으로 연결된다.
센서 조립체(2)는 압전 압력 센서(1)의 전방 영역에 배치되며 멤브레인(membrane; 21), 센서 하우징 조립체(sensor housing assembly; 20), 압전 센서(piezoelectric sensor; 22), 그리고 전극 배열(electrode arrangement; 23)을 구비한다. 압전 압력 센서(1)는 압력 챔버(pressure chamber)의 벽에 기계적으로 연결되고, 멤브레인(21)은 내경(bore)을 통해 압력 챔버 내로 직접 돌출한다. 기계적 연결은 힘 폐쇄 또는 형태 폐쇄로 형성된다. 압전 압력 센서(1)의 사용중 압전 압력 센서(1)의 전방 영역은 압력 챔버 부근의 강력한 엔진 진동과 고온에 영구 노출된다. "전방', "후방"이라는 용어는 압전 압력 센서(1)와 그 요소들에 대해 멤브레인(21)을 향하는 영역이 "전방"으로 지시되는 반면, 멤브레인(21)을 멀리 대향하는 영역은 "후방"으로 지칭된다.
신호 케이블 조립체(4)와 평가 유닛(5)은 압전 압력 센서(1)의 전방 영역에 인접한 둘레 영역에 위치된다. 압력 챔버의 둘레에서, 압력은 대기압이며 주변 공기 중에 사람이 있다. 신호 케이블 조립체(4)는 연결 부재 하우징(40), 신호 케이블(41), 지지 몸체(42), 그리고 전기적 연결 부재(43)를 구비한다. 신호 케이블 조립체(4)에 대한 더 구체적인 상세는 도 7 내지 13의 설명에서 후술할 것이다. 평가 유닛(5)은 회로기판 하우징(50)에 수용된 전기적 회로기판(circuit board)(51), 지지 몸체(52), 그리고 전기적 연결 부재(53)을 구비한다. 평가 유닛(5)에 대한 더 구체적인 상세는 도 9 내지 12의 설명에서 후술할 것이다.
센서 조립체(2)는 센서 하우징(20.1)과 보강 케이싱(reinforcement casing; 20.2)을 포함하는 센서 하우징 조립체(20)를 구비한다. 보강 케이싱(20.2)은 압전 압력 센서(1)를 압력 챔버의 벽에 기계적으로 연결함으로써 발생되는 기계적 인장력의 전송을 방지하는데, 상기 기계적 인장력은 센서 하우징 조립체(20)를 통해 압전 센서(22)로 전송되어 신호를 왜곡시키는 한편 압력 프로파일의 검출을 방해한다. 센서 하우징(20.1)과 보강 케이싱(20.2)은 단일 금속(pure metal), 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 기계적으로 유연한 금속으로 구성되어 서로 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접(diffusion welding), 열압착 접합(thermo compression bonding), 납땜(soldering) 등의 재질 접합(material bonding)에 의해 이뤄진다. 본 발명을 알고 나면, 당업계에 통상의 지식을 가진 자는 보강 케이싱이 없이도 센서 조립체를 제조할 수 있을 것인데, 그러면 센서 조립체는 센서 하우징만을 포함하게 된다.
도 3 내지 6은 도 1 또는 도 2에 의한 압전 압력 센서(1)의 센서 조립체(2)의 몇 가지 실시예들에 대한 단면도들이다. 전방의 멤브레인(21)은 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 기계적으로 유연한 금속으로 구성된다, 멤브레인(21)의 가장자리는 전체 둘레에 걸쳐 보강 케이싱(20.2)에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합에 의해 이뤄진다. 멤브레인(21)에 의해 포착된 압력은 압전 센서(22) 상에 수직력(normal force)으로 작용한다. 종축(CC')에 대해 압전 센서(22)는 멤브레인(21) 바로 뒤에 위치한다.
압전 센서(22)는 제1 지지 부재(22.1), 제2 지지 부재(22.3)와 함께 압전 센서 부재(22.2)를 구비한다. 종축(CC')에 대해, 압전 센서 부재(22.2)는 제1 및 제2 지지 부재(22.1, 22.3) 사이에 배치된다. 그 표면을 통해 멤브레인(21)은 제1 지지 부재(22.1)와 기계적으로 접촉한다. 도 3 내지 4에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에 있어서, 제1 및 제2 지지 부재(22.1, 22.3)는 그 표면을 통해 압전 센서 부재(22.2)와 기계적으로 접촉한다. 도 5 및 도 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에 있어서, 제1 및 제2 지지 부재(22.1, 22.3)는 그 표면을 통해 압전 센서 부재(22.2)와 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합에 의해 이뤄진다. 본 발명을 알고 나면, 당업계에 통상의 지식을 가진 자는 제1 지지 부재가 없이 그리고 제2 지지 부재가 없이 센서 조립체를 제조할 수 있을 것인데, 그러면 압전 센서 부재는 일단에서 멤브레인(21)과 타단에서 전극 배열(23)과 직접 기계적 접촉하게 된다. 표면의 기계적 접촉은 기계적 연결로도 달성될 수 있다. 이 기계적 연결은 열압착 접합, 확산 용접, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄질 수 있다.
지지 부재(22.1, 22.3)는 압전 센서 부재(22.2)에 작용하는 수직력을 균일하게 배분한다. 지지 부재(22.1, 22.3)는 형태상 원통형이며 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금, 도전성 세라믹, 도전성 피복을 가지는 세라믹 등 전기적으로 도전성이며 기계적으로 견고한 재질로 구성된다. 압전 센서 부재(22.2) 역시 형태상 원통형이며, 석영(quartz; SiO2 단결정), 칼슘 갈로 저메네이트(calcium gallo-germanate; Ca3Ga2Ge4O14 또는 CGG), 랑가사이트(langasite; La3Ga5SiO14 또는 LGS), 전기석(tourmaline), 갈륨오르토인산염(gallium orthophosphate) 등의 압전 결정((piezoelectric crystal) 재질로 구성된다. 압전 센서 부재(22.2)가 절단되는 결정 방향(crystallographic orientation)은 포착될 압력 프로파일에 민감도가 높은 방향이다. 바람직하기로, 압전 센서 부재(22.2)는 수직력이 인가되면 음과 양의 편극 전하(polarization charge)가 같은 면에서 생성되도록 하는 방향을 가진다. 수직력은 이 면에 부하(loading) 또는 완화(relieving) 방식으로 작용할 수 있다. 수직력에 의한 기계적 부하 하에서는 음의 편극 전하가 생성되고; 수직력이 완화 효과(impact)를 가지면 양의 편극 전하가 생성된다. 전극 배열(23)은 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 종축(CC') 상의 압전 센서(22) 측의 압전 센서(22)의 바로 뒤에 위치한다. 본 발명을 알고 나면, 당업계에 통상의 지식을 가진 자가 둘 이상의 압전 센서 부재를 사용할 수 있을 것임은 당연하다.
전극 배열(23)은 원통형의 전하 픽오프(charge pick-off; 23.1)과 막대형의 전하 출력(23.2)을 가진다. 이 전극 배열(23)은 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 전기적 도전성 재질로 구성된다. 전하 픽오프(23.1)와 전하 출력(23.2)은 일체로 형성되거나 서로 기계적으로 연결된다. 재질 접합, 형태 폐쇄, 힘 폐쇄 등 임의 방식의 기계적 연결이 사용될 수 있다. 전하 픽오프(23.1)와 전하 출력(23.2)은 서로 전기적으로 연결된다. 음의 편극 전하는 제2 지지 부재(22.3)를 통해 전극 배열(23)로부터 신호로 수신되어 평가 유닛(5)으로 공급된다. 양의 편극 전하는 접지된(grounded) 보강 케이싱(20.2)으로부터 제1 지지 부재(22.1)와 멤브레인(21)을 통해 수신된다. 본 발명을 알고 나면, 당업계의 통상적인 기술자는 추가적인 양의 편극 전하를 신호로 사용할 수 있을 것이다. 이에 따라 당업자는 양의 편극 전하를 절연된 상태로 접지로부터 평가 유닛으로 전송하는 방법을 사용할 수 있다. 이는 센서 하우징 조립체를 신호 케이블의 쉴딩(shielding)에 크림핑(crimping) 등으로 재질 접합하고 전자기(electromagnetic) 쉴딩을 회로기판 하우징에 크림핑 등으로 전기적 연결을 형성함으로써 이뤄진다.
수직력의 영향(impact) 하에서도 높은 국부 전압과 전기적 누설이 발생될 수 있는 비접촉 영역이 없도록, 전하 픽오프(23.1)는 그 전면 전체에 걸쳐 제2 지지 부재(22.3)의 배면과 전기적으로 접촉하고 있는데, 여기서 전하가 방출된다. 도 3 및 4에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에서, 전하 픽오프(23.1)와 제2 지지 부재(22.3)의 전기적인 면접촉은 표면들 간의 기계적 접촉으로 이뤄진다. 도 5에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 전하 픽오프(23.1)와 제2 지지 부재(22.3)의 전기적 면접촉은 전하 픽오프(23.1)와 제2 지지 부재(22.3)의 기계적 연결로 이뤄진다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 도 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 전하 픽오프(23.1)와 제2 지지 부재(22.3)의 전기적 면접촉은 제2 지지 부재(22.3)와 일체로 구성된 전하 픽오프(23.1)을 통해 이뤄진다.
전극 배열(23)은 제1 전기적 절연 몸체(25)에 의해 보강 케이싱(20.2)에 대해 전기적으로 절연된다. 제1 전기적 절연 몸체(25)는 중공(hollow) 원통형이며 세라믹, Al2O3 세라믹, 사파이어 등 전기적으로 절연이고 기계적으로 견고한 재질로 구성된다. 종축(CC') 상에서, 제1 전기적 절연 몸체(25)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 전하 픽오프(23.1) 측의 전하 픽오프(23.1) 바로 뒤에 위치한다. 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 제1 전기적 절연 몸체(25)는 그 전체 표면에서 전하 픽오프(23.1)와 기계적으로 접촉하고 있다. 도 4 내지 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 제1 전기적 절연 몸체(25)는 전하 픽오프(23.1)와 기계적으로 연결되어 있다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다.
보상 부재(26)는 압전 압력 센서(1)의 요소들의 다른 열팽창계수들을 보상한다. 보상 부재(26)는 중공 원통형이며 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금, 세라믹, Al2O3 세라믹, 사파이어 등 기계적으로 견고한 재질로 구성된다. 종축(CC') 상에서, 보상 부재(26)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 제1 전기적 절연 몸체(25) 측의 제1 전기적 절연 몸체(25) 바로 뒤에 위치한다. 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 보상 부재(26)는 그 전체 표면에서 제1 전기적 절연 몸체(25)와 기계적으로 접촉한다. 도 4 내지 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 보상 부재(26)는 제1 전기적 절연 몸체(25)에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 보상 부재(26)는 선택적이므로 생략될 수도 있다. 본 발명을 알고 나면, 당업자는 보상 부재(26) 없이 압전 압력 센서를 제조할 수 있다. 그러나 이러한 상황은 도면에는 도시되지 않았다. 보상 부재(26)는 또한 도면에 도시되지 않은 압전 압력 센서(1)의 다른 요소들 간에도 배치될 수 있다. 이에 따라 보상 부재(26)는 사전응력 도입 슬리이브(24.1)와 압전 센서(22) 사이 또는 압전 센서(22)와 전하 픽오프(23.1) 사이 또는 전하 픽오프(23.1)와 제1 전기적 절연 몸체(25)와 사전응력 도입 몸체(24.2) 사이에 위치할 수 있다. 모든 경우에서, 보상 부재(26)는 압전 압력 센서(1)의 이들 요소들과 전체 표면에서 기계적으로 접촉한다.
압전 센서(22)는 사전응력 도입 조립체(pre-stressing assembly; 24)를 통해 기계적으로 사전응력(pre-stress)이 도입되어 있다. 이 사전응력 도입 조립체(24)는 각각 중공 원통형인 사전응력 도입 몸체(24.2)와 사전응력 도입 슬리이브(24.1)를 구비한다. 사전응력 도입 조립체(24)는 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 기계적으로 견고한 재질로 구성된다. 압전 센서(22)는 사전응력 도입 몸체(24.2)와 사전응력 도입 슬리이브(24.1) 사이에서 기계적으로 사전응력이 도입되어 있다. 사전응력 도입 몸체(24.2)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 전하 픽오프(23.1) 측에 위치한다. 종축(CC') 상에서, 사전응력 도입 몸체(24.2)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 전하 픽오프(23.1) 측의 보상 부재(26) 바로 뒤에 위치한다. 보상 부재(26)가 생략된다면, 사전응력 도입 몸체(24.2)는 종축(AA') 상에서 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 전하 픽오프(23.1) 측의 제1 전기적 절연 몸체(25) 바로 뒤에 위치한다. 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 보상 부재(26)는 전체 표면에 걸쳐 사전응력 도입 몸체(24.2)와 기계적으로 접촉한다. 도 4 내지 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에서, 보상 부재(26)는 사전응력 도입 몸체(24.2)와 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 이에 따라, 전하 픽오프(23.1)와 사전응력 도입 몸체(24.2)는 그 사이에 배치된 제1 전기적 절연 몸체(25)에 의해 서로 절연된다.
사전응력 도입 몸체(24.2)의 중앙 영역은 전체 둘레에서 보강 케이싱(20.2)에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 종축(CC')에 대해 외측인 사전응력 도입 몸체(24.2)의 외면은 종축(CC')에 대해 내측인 보강 케이싱(20.2)의 내면에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 이 전기적 및 기계적 연결은 바람직하기로 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 사전응력 도입 몸체(24.2)의 전변(front edge)은 전체 둘레에서 사전응력 도입 슬리이브(24.1)의 후변(rear edge)에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 바람직하기로 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 도 5 및 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에서, 사전응력 도입 슬리이브(24.1)의 전단(front end)은 추가적으로 제1 지지 부재(22.1)의 외면에 기계적으로 연결된다. 종축(CC')에 대해 사전응력 도입 슬리이브(24.1)는 압전 센서(22), 제1 전기적 절연 몸체(25), 그리고 보상 부재(26)의 반경 방향 외측에 배치된다. 종축(CC')에 대해 사전응력 도입 슬리이브(24.1)은 보강 케이싱(20.2)의 반경 방향 내측에 배치된다. 사전응력 도입 슬리이브(24.1)는 보강 케이싱(20.2)으로부터 제1 갭(gap)만큼 이격된다. 사전응력 도입 슬리이브(24.1)는 압전 센서(22), 전하 픽오프(23.1), 제1 전기적 절연 몸체(25), 그리고 보상 부재(26)로부터 제2 갭만큼 이격된다. 사전응력 도입 슬리이브(24.1)의 전단은 전체 둘레에 걸쳐 멤브레인(21)의 후변에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 바람직하기로 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 사전응력 도입 조립체(24)는 압전 센서(22), 전하 픽오프(23.1), 제1 전기적 절연 몸체(25), 그리고 보상 부재(26)에 기계적으로 사전응력을 도입한다. 이 기계적 사전응력 도입은 강제-잠금(force-locking) 기계적 연결이다.
도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서, 전극 배열(23)은 전기적 도통 배열(electric feedthrough arrangement; 27)에 의해 보강 케이싱(20.2)으로부터 전기적으로 절연된다. 도 4 내지 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들은 이런 전기적 도통 배열(27)을 가지지 않는다. 전기적 도통 배열(27)은 제1 어댑터 부재(27.1), 제2 전기적 절연 몸체(27.2), 그리고 제2 어댑터 부재(27.3)를 구비한다. 종축(CC') 상에서, 전기적 도통 배열(27)은 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 사전응력 도입 몸체(24.2) 측의 사전응력 도입 몸체(24.2) 바로 뒤에 배치된다.
제1 어댑터 부재(27.1)는 중공 원통형이며 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 기계적으로 견고한 재질로 구성된다, 종축(CC') 상에서 제1 어댑터 부재(27.1)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 사전응력 도입 몸체(24.2) 측의 사전응력 도입 몸체(24.2) 바로 뒤에 위치된다. 제1 어댑터 부재(27.1)의 전변은 전체 둘레에 걸쳐 사전응력 도입 몸체(24.2)의 후단에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 바람직하기로 이 재질 접합은 제1 어댑터 부재(27.1)가 티타늄으로 구성되고, 사전응력 도입 몸체(24.2)가 재질 번호 1.4542로 구성되는 쌍(pair)을 사용하여 이뤄지는데, 상기 쌍은 재질 접합을 수행하는 동안 고온이 되어도 모든 방향으로의 선형 열팽창계수에 작은 차이를 나타낸다. 바람직하기로, 이 쌍에서 차이는 10ppm 미만이고, 더 바람직하기로 5ppm 미만이다.
제2 전기적 절연 몸체(27.2)는 제2 어댑터 부재(27.3)를 보강 케이싱(20.2)으로부터 전기적으로 절연한다. 제2 전기적 절연 몸체(27.2)는 중공 원통형이고 세라믹, Al2O3 세라믹, 사파이어 등의 전기적으로 절연이고 기계적으로 견고한 재질로 구성된다. 종축(CC') 상에서 제2 전기적 절연 몸체(27.2)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 제1 어댑터 부재(27.1) 측의 제1 어댑터 부재(27.1) 바로 뒤에 위치된다. 제1 어댑터 부재(27.1)의 후변은 전체 둘레에 걸쳐 제2 전기적 절연 몸체(27.2)의 전단에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 열압착 접합, 확산 용접, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 이 재질 접합의 수행에 있어서, 제1 어댑터 부재(27.1)가 티타늄으로 구성되고, 제2 전기적 절연 몸체(27.2)가 Al2O3 세라믹으로 구성되는 쌍이 선호되는데, 상기 쌍은 재질 접합이 이뤄지는 동안 고온이 되어도 모든 방향으로의 선형 열팽창계수에 작은 차이를 나타낸다. 바람직하기로, 이 쌍을 사용하면 이 차이는 5ppm미만, 더 바람직하기로 3ppm미만이다.
전하 출력(23.2)은 제2 어댑터 부재(27.3)에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 제2 어댑터 부재(27.3)은 중공 원통형이며 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등 전기적 도전성 재질로 구성된다. 종축(CC') 상에서, 제2 어댑터 부재(27.3)는 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 제2 전기적 절연 몸체(27.2) 측의 제2 전기적 절연 몸체(27.2) 바로 뒤에 위치한다. 제2 어댑터 부재(27.3)의 전단은 전체 둘레에 걸쳐 제2 전기적 절연 몸체(27.2)의 후단에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 열압착 접합, 확산 용접, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 재질 접합의 수행에 있어서, 제2 어댑터 부재(27.3)가 재질 번호 1.3981 또는 1.3982의 철 합금으로 구성되고 제2 전기적 절연 몸체(27.2)가 Al2O3 세라믹으로 구성되는 쌍이 선호되는데, 이 쌍이 재질 접합이 수행될 때 고온이 되어도 모든 방향으로의 선형 열팽창계수에 작은 차이를 나타내기 때문이다. 바람직하기로 이 쌍을 사용할 때 이 차이는 5ppm미만, 더 바람직하기로 3ppm미만이다.
전하 출력(23.2)은 제1 전기적 절연 몸체(25), 보상 몸체(26), 사전응력 도입 몸체(24.2), 그리고 전기적 도통 배열(27)을 통하는 중심에 종축(CC')을 따라 연장된다. 전하 출력(23.2)은 종축(CC')에 대해 제1 전기적 절연 몸체(25), 보상 몸체(26), 사전응력 도입 몸체(24.2), 제1 어댑터 부재(27.1), 그리고 제2 전기적 절연 몸체(27.2)과 반경 방향으로 제3 갭만큼 이격된다. 이 이격에 의해 전하 출력(23.2)은 이 요소들로부터 전기적으로 절연된다. 제2 어댑터 부재(27.3)의 후단은 전체 둘레에 걸쳐 전하 출력(23.2)의 중앙 영역에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 직접적이고 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 수행된다. 전하 출력(23.2)의 후단은 종축(CC') 상에서 제2 어댑터 부재(27.3)로부터 돌출한다. 본 발명을 알고 나면, 당업계에 통상의 지식을 가진 자는 이 실시예를 다양하게 변형할 수 있을 것이다. 이에 따라, 전하 출력과 제2 어댑터 부재는 일체로 구성될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 조립상의 이유로 두 부품으로 구성되었던 전하 픽오프와 전하 출력은, 전하 출력이 제1 절연 부재, 보상 부재, 그리고 사전응력 도입 부재를 통해 중앙으로 연장되도록 위치할 수 있다. 또한 전하 출력과 제2 어댑터 부재 간의 기계적 연결도 전하 출력과 제2 어댑터 부재 사이에 중간 슬리이브(intermediate sleeve)를 위치시켜 이를 전하 출력과 제2 어댑터 부재에 재질 접합으로 연결함으로써 간접적으로 이뤄질 수 있다. 이 경우에도, 중간 슬리이브와 전하 출력 또는 중간 슬리이브와 제2 어댑터 부재 간의 재질 접합은 바람직하기로 선형 열팽창계수에 작은 차이를 나타내는 쌍을 사용하여 이뤄진다. 바람직하기로 이들 쌍의 차이는 10ppm미만, 더 바람직하기로 5ppm미만, 더욱 바람직하기로 3ppm미만이다.
전극 배열(23)은 보강 케이싱(20.2)에 기계적으로 연결된 사전응력 도입 몸체(24.2)에 의해 지지(carry)된다.
a. 제1 지지영역에서 전하 픽오프(23.1)가 제1 전기적 절연 몸체(25)와 보상 부재(26)를 통해 사전응력 도입 몸체(24.2)에 기계적으로 지지된다. 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서 전하 픽오프(23.1), 제1 전기적 절연 몸체(25), 보상 부재(26), 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)들은 서로 기계적으로 접촉된다. 도 4 내지 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에서 전하 픽오프(23.1), 제1 전기적 절연 몸체(25), 보상 부재(26), 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)들은 서로 기계적으로 연결된다. 제1 지지 영역의 적어도 하나의 기계적 연결은 압력 밀폐(pressure-tight)인 재질 접합에 의한 연결이다. 제1 지지 영역의 모든 기계적 연결이 압력 밀폐인 재질 접합에 의한 연결이면 아주 유용하다.
b. 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서 전하 출력(23.2)은 전기적 도통 배열(27)에 의해 제2 지지 영역에서 기계적으로 지지되는데, 여기서 전하 출력(23.2), 전기적 도통 배열(27), 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)들은 서로 기계적으로 연결되어 있다. 제2 지지 영역의 적어도 하나의 기계적 연결은 압력 밀폐인 재질 접합에 의한 연결이다. 제2 지지 영역의 모든 기계적 연결이 압력 밀폐인 재질 접합에 의한 연결이면 아주 유용하다.
c. 도 3 내지 6에 의한 센서 조립체(2)의 실시예들에서 전하 픽오프(23.1)는 압전 센서(22)를 통해 제3 지지 영역 내의 사전응력 도입 슬리이브(24.1) 상에 기계적으로 지지되는데, 여기서 전하 픽오프(23.1), 압전 센서(22), 사전응력 도입 슬리이브(24.1), 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)들은 서로 기계적으로 연결된다. 제3 지지 영역의 적어도 하나의 기계적 연결은 압력 밀폐인 재질 접합에 의한 연결이다. 제3 지지 영역의 모든 기계적 연결이 압력 밀폐인 재질 접합에 의한 연결이면 아주 유용하다.
종축(CC') 상에서 서로 이격된 몇 개의 지지 영역들에 의해 제공되는 다중(multiple) 기계적 지지는 신호 출력의 기계적 안정성을 향상시킨다. 그러나 이 점에 있어서, 센서 조립체(2)의 모든 기계적 연결들이 재질 접합인 것이 유용하다.
멤브레인(21)이 파손되면 고온 가스가 압력 챔버로부터 탈출하여 일측이 사전응력 도입 슬리이브(24.1)이고 타측이 보강 케이싱(20.2)인 제1 갭 내로 유입될 수 있다. 이에 따라 사전응력 도입 슬리이브(24.1)가 고온 가스로 손상되면, 고온 가스는 일측이 사전응력 도입 슬리이브(24.1)이고 타측이 압전 센서(22), 전하 픽업(charge pickup; 23.1), 제1 전기적 절연 몸체(25), 그리고 보상 부재(26)인 제2 갭 내로 유입될 수 있다. 전극 배열(23)이 전하 출력(23.2)을 통해 전기적 도통 배열(27)과 사전응력 도입 몸체(24.2)에 기계적으로 연결되어 있으므로, 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서 전극 배열(23)은 제1 전기적 절연 몸체(25)와 보상 부재(26)를 밀봉하여 고온 가스는 일측이 전하 출력(23.2)이고 타측이 제1 전기적 절연 몸체(25), 보상 부재(26), 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)인 제3 갭 내에 아주 느리게만 유입된다. 이 밀봉은 내연기관의 평균 지표화 실린더 압력(average indexed cylinder pressure)에 대한 압력 밀폐를 의미하도록 의도된 것이다. 평균 지표화 실린더 압력은 지표화된 평균 압력(indexed means pressure)으로도 지칭되며 150 내지 250바의 급속 압력 프로파일(rapid pressure profile)의 최대치의 1/3 내지 1/8 범위이다. 평균 지표화 실린더 압력은 멤브레인(21)의 파손과 사전응력 도입 슬리이브(24.1)의 손상시 제2 갭 내에 장기에 걸쳐 발생되는 압력이다. 전하 픽오프(23.1)와 제1 전기적 절연 몸체(25) 간의 기계적인 면접촉이 형태 폐쇄(form closure)에 의해 제3 갭을 제2 갭에 대해 밀봉한다. 제1 전기적 절연 몸체(25)와 보상 부재(26) 간의 기계적 면접촉이 형태 폐쇄에 의해 제3 갭을 제2 갭으로부터 밀봉한다. 보상 부재(26)와 사전응력 도입 몸체(24.2) 간의 기계적 면접촉이 형태 폐쇄에 의해 제 3갭을 제2 갭으로부터 밀봉한다. 보상 부재(26)가 생략되면, 전극 배열(23)은 제1 전기적 절연 몸체(25)만을 밀봉하여 고온 가스가 제3 갭에 유입되지 않도록 방지한다. 전하 픽오프(23.1)와 제1 전기적 밀봉 몸체(25) 간의 기계적 면접촉이 형태 폐쇄에 의해 제3 갭을 제2 갭으로부터 밀봉한다. 제1 전기적 절연 몸체(25)와 사전응력 도입 몸체(24.2) 간의 기계적 면접촉이 형태 폐쇄에 의해 제3 갭을 제2 갭으로부터 밀봉한다. 고온 가스가 이미 제1 전기적 절연 몸체(25)를 파괴하여 작은 파편으로 파열되고 고온 가스가 제3 갭으로 유입되어도, 제3 갭은 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예에서 제2 지지 영역에 의해 주변 환경에 대해 압력 밀폐 상태로 격리(separate)된다. 이에 따라 멤브레인(21)이 파손되어도 고온 가스가 주변 환경으로 유출될 수 없다.
도 7과 8은 도 1 또는 도 2 내지 7에 의한 압전 압력 센서(1)에 사용 준비된(ready-to-use) 상태로 장착되는 센서 조립체(2)와 신호 케이블 조립체(4)의 부분 확대 단면도들이다. 도 7은 절단선(A÷A')으로 작용하는 수직축(AA')을 가지는 압전 압력 센서(1)의 전체 단면이다. 도 8은 절단선(B÷B')으로 작용하는 수평축(BB')을 가지는 압전 압력 센서(1)의 전체 단면이다. 도 7과 8은 연결 부재 하우징(40), 신호 케이블(41), 지지 몸체(42), 그리고 신호 케이블조립체(4)의 전기적 연결 부재(43)를 도시한다.
신호 케이블 조립체(4)의 전기적 연결 부재(43)는 중공 원통형이다. 전기적 연결 부재(43)는 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 전기적 도전성 재질로 구성된다. 전하 출력(23.2)은 전기적 연결 부재(43)와과 결합(join with)된다. 전하 출력(23.2)의 후단은 종축(CC') 상에서 전극 연결 부재(43) 내로 돌출한다. 이 영역에서, 종축(CC')에 대해 외측인 전하 출력(23.2)의 외면과 종축(CC')에 대해 내측인 전기적 연결 부재(43)의 내면은 서로 전기적 및 기계적으로 연결된다. 이 전기적 및 기계적인 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜, 크림핑 등의 재질 접합에 의해 이뤄진다. 전하 출력(23.2)은 전기적 연결 부재(43)와 어떤 영역에서 재질 접합을 형성한다. 어떤 영역에서의 재질 접합은 전체 외주에 걸친 스팟 용접(spot welding)이나 시임 용접(seam welding)으로 이뤄질 수 있다. 본 발명을 알고 나면, 당업자가 다른 형태의 전기적 연결 부재(43)를 사용할 수도 있음은 당연하다. 이에 따라, 전기적 연결 부재(43)는 평판 또는 반구의 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 전하 출력(23.2)은 전기적 연결 부재(43) 내까지 연장되지 않는다. 전기적 및 기계적 연결을 위해, 전하 출력(23.2)은 평판 또는 반구 형태의 전기적 연결 부재(43) 상에 놓이게(place on) 된다.
신호 케이블(41)의 전단은 신호 케이블 조립체(4)의 지지 몸체(42) 내에 배치된다. 이 지지 몸체(42)는 중공 원통형이고 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 기계적 내구성(resistant) 재질로 구성된다. 지지 몸체(42)의 후방 영역은 전체 둘레에 걸쳐 연결 부재 하우징(40)의 후변에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 지지 몸체(42)의 전방 영역은 지지 몸체 프레임(42.1)을 구비한다. 지지 몸체 프레임(42.1)은 적어도 하나의 창(window)을 구비한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 지지 몸체 프레임(42.1)은 종축(CC')에 평행한 방향을 향하는 두 스트럿(strut)으로 구성되어 그 사이에 두 창이 수직축(BB') 상에 배열된다. 이 창들을 통해, 외부로부터 조립 툴(joining tool)에 의해 전기적 연결 부재(43)에 근접할 수 있다. 연결 부재 하우징(40)의 전변은 전체 둘레에 걸쳐 완전히 센서 하우징(20)의 후변과 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합에 의해 이뤄진다.
신호 케이블(41)은 전기적 신호 도체(electric signal conductor; 41.1)와, 전기적 절연 부재(41.2)와, 그리고 신호 케이블 피복(signal cable sheath; 41.3)을 구비한다. 종축(CC')에 대해 외측인 신호 케이블 피복(41,3) 전단의 외면은 신호 케이블 조립체(4)의 종축(CC')에 대해 내측인 지지 몸체(42)의 외면과 기계적으로 연결된다. 재질 접합, 형태 폐쇄와 힘 폐쇄 등 임의의 기계적 연결이 사용될 수 있지만, 크림핑이 선호된다. 전기적 신호 도체(41.1)는 단일 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등의 전기적 도전성 재질로 구성된다. 전기적 신호 도체(41.1)의 전단과 전기적 연결 부재(43)의 후단은 서로 전기적 및 기계적으로 연결된다. 재질 접합, 형태 폐쇄와 힘 폐쇄 등 임의의 전기적 및 기계적 연결이 사용될 수 있다. 전기적 절연 부재(41.2)는 중공 원통형이며 4불화 에틸렌 수지(polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(polyimide), 6불화 프로필렌 불화비닐리덴 공중합체(hexafluoropropylene vinylidenefluoride copolymer; FKM) 등 적어도 200℃까지 열적으로 안정된 전기적 절연 재질로 구성된다. 이 전기적 절연 부재(41.2)는 전기적 연결 부재(43)와 전기적 신호 도체(41.1) 사이의 영역을 완전히 둘러싸며, 전기적 신호 도체(41.1)를 완전히 둘러싼다. 전기적 절연 부재(41.2)는 전기적 연결 부재(43)와 전기적 신호 도체(41.1)를 지지 몸체(42)에 대해 전기적으로 절연한다. 이 전기적 절연 부재(41.2)는 또한 엔진 진동(motor vibration)을 흡수한다.
도 9는 도 7 또는 8에 의한 압전 압력 센서(1)의 센서 조립체(2)와 신호 케이블 조립체(4)의 상세를 도시한다. 전기적 연결 부재(43)는 그 외면에 예를 들어 반경 방향으로 돌출하는 돌기 형태의 제1 잠금 부재(locking element)(43.00)를 구비한다. 전기적 절연 부재(41.2)는 그 내면에 예를 들어 홈(groove) 형태의 제2 잠금 부재(41.20)를 구비한다. 제1 잠금 부재(43.00)와 제2 잠금 부재(41.20)는 유격(play)을 가지는 형태 또는 접촉 폐쇄(contact closure)를 형성한다. 형태 또는 접촉 폐쇄는 전기적 연결 부재(43)를 전기적 절연 부재(41.2)에 밀어 넣으면 자동으로 형성된다. 홈은 종축(CC')에 대해 비스듬히 연장된다. 홈과 돌기는 서로 맞물리도록 형성되어; 돌기가 홈 내로 연장된다. 전달된 엔진 진동은 압전 센서 부재(22.2)에 작용하여 편극 전하를 생성함으로써 압력 프로파일의 감지가 왜곡될 수 있으므로, 유격은 엔진 진동이 전기적 신호 도체(41.1)로부터 전하 출력(23.2)으로 전달되는 것을 방지한다. 이 유격은 5μm보다 크다. 유격은 전기적 연결 부재(43)와 전기적 절연 부재(41.2) 사이에 작은 상대적 이동을 허용한다. 본 발명을 알고 나면, 당업자가 다른 방식의 잠금 부재를 채택할 수도 있음은 당연한데; 이에 따라 제1 잠금 부재가 홈이고 제2 잠금 부재가 돌기가 될 수 있다.
전기적 신호 도체(41.1)과 전기적 절연 부재(41.2)는 종축(CC') 상에서 신호 케이블 피복(41.3)에 평행하게 연장된다. 신호 케이블 피복(41.3)은 전기적 신호 도체(41.1)와 전기적 절연 부재(41.2)를 오염(먼지, 습기 등) 등 유해한 환경 영향으로부터 보호한다. 신호 케이블(41)은 동축 전자기 쉴딩(coaxial electromagnetic shielding)을 더 가져 신호 도체(41.1)를 전자파 복사 형태의 전기적 및 전자기적 간섭으로부터 보호함으로써 압전 압력 센서(1)에 전자 환경 적합성(electromagnetic compatibility)을 부여할 수도 있다. 신호 케이블(41)은 수 cm의 길이를 가질 수도 있지만 수 m의 길이를 가질 수도 있다.
그러나 신호 케이블 조립체(4) 역시 완전히 생략될 수 있어서, 센서 조립체(2)를 직접 평가 유닛(5)에 전기적 및 기계적으로 연결할 수도 있다. 이 경우, 전하 출력(23.2)은 평가 유닛(5)의 전기적 연결 부재(53)에 재질 접합으로 연결될 수 있다. 그러면 센서 하우징(20.1)은 평가 유닛(5)의 지지 몸체(52)에 일체로 형성된다. 후자의 경우, 연결 부재 하우징(40) 대신 회로기판 하우징(50)이 센서 하우징(20.1)에 기계적으로 연결된다. 그러면 이 실시예는 도 10에 관련된 설명과 유사한 특징을 나타내 평가 유닛(5)의 지지 몸체(52)가, 전기적 연결 부재가 외부에서 조립 툴로 근접할 수 있는 적어도 하나의 창을 가지는 지지 몸체 프레임을 구비한다. 이 경우, 이 실시에는 도 9에 관련된 설명의 특징 역시 구비하는데, 평가 유닛(5)의 지지 슬리이브(52)의 제1 잠금 부재가 평가 유닛(5)의 전기적 절연 부재의 제2 잠금 부재와 유격을 가지는 형태 또는 접촉 폐쇄를 형성할 수 있다.
신호 케이블(41)의 후단은 평가 유닛(5)에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 이를 위해, 평가 유닛(5)은 지지 몸체(52)를 구비한다. 이 지지 몸체(52)는 중공 원통형이며 스테인리스 강, 강철 합금 등 기계적 내구성 재질로 구성된다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 지지 몸체(52)의 후변은 전체 둘레에 걸쳐서 회로기판 하우징(50)의 전변에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 신호 케이블 피복(41.3)의 후단의 종축(CC')에 대한 외면은 평가 유닛(5)의 지지 몸체(520의 종축(CC')에 대한 내면과 어떤 영역에서 기계적으로 연결된다. 재질 접합, 형태 폐쇄, 힘 폐쇄 등 임의의 기계적 연결이 사용될 수 있지만 크림핑이 선호된다. 신호 케이블(41)의 전기적 신호 도선(electrical signal wire; 41.1)의 후단은 전기적 연결 부재(53)를 통해 회로기판(51)의 전기적 신호 도체(51.1)에 전기적 및 기계적으로 연결된다. 재질 접합, 형태 폐쇄와 힘 폐쇄 등 임의의 전기적 및 기계적 연결이 사용될 수 있다. 전기적 연결 부재(53)와 전기적 신호 도체(51.1)는 일체로 형성될 수도 있다. 전극 배열(23)에 의해 수신된 신호는 전하 출력(23.2)을 통해 신호 케이블 조립체(4)의 전기적 연결 부재(43)로 전송된 뒤, 신호 케이블 조립체(4)의 전기적 연결 부재(43)로부터 신호 케이블(41)의 전기적 신호 도체(41.1)를 통해 회로기판(51)의 전기적 신호 커넥터(51.1)로 전송되고, 거기서 전기적으로 증폭되어 평가된다. 이 신호는 멤브레인(21)에 포착된 압력 프로파일의 양에 비례한다. 물론 회로기판과 회로기판의 전기적 신호 도체는 신호 케이블 조립체의 요소가 될 수도 있다.
도 11 및 12는 압전 압력 센서(1)를 제조하는 공정의 단계들을 도시하고 있다. 도 3에 의한 센서 조립체(2)의 실시예와 신호 케이블 조립체(4)는 별도의 반제품(semi-finished product)으로 제조된다. 이는 다양한 센서 조립체(2)가 다양한 신호 케이블 조립체(4)와 함께 제조되거나 평가 유닛(5)에 직결되어 압전 압력 센서(1)를 형성할 수 있도록 하여 제조를 비용 효율적으로 할 수 있다. 다양한 센서 조립체(2)는 다른 멤브레인 두께를 가지는 멤브레인(21) 및/또는 다른 작동 온도 범위를 가지는 압전 센서(22)를 포함한다. 다양한 신호 케이블 조립체(4)는 다른 길이의 신호 케이블(41) 및/또는 전자기 쉴딩을 가지거나 가지지 않는 신호 케이블(41) 및/또는 아주 짧은 신호 케이블(41)을 포함한다. 다른 변형으로, 센서 조립체(2)는 신호 케이블 조립체(4)를 가지지 않고 직접 평가 유닛(5)에 기계적 및 전기적으로 연결될 수 있다.
센서 조립체(2)는 센서 하우징 조립체(20)에 수용된 멤브레인(21)과, 압전 센서(22)와, 전극 배열(23)과, 사전응력 도입 조립체(24)와, 제1 전기적 절연 몸체(25)와, 보상 부재(26)와, 전극 도통 배열(27)과, 그리고 보강 케이싱(20.2)을 구비한다. 신호 케이블 조립체(4)는 연결 부재 하우징(40), 신호 케이블(41), 지지 몸체(42), 그리고 전기적 연결 부재(43)를 구비한다. 지지 몸체(42) 내에는 전기적 연결 부재(43)와, 그리고 신호 케이블(41)의 전단이 수용된다. 종축(CC')에 대해, 연결 부재 하우징(40)이 지지 몸체(42) 상에 밀어 넣어져, 지지 몸체(42) 후단 외측에 기계적으로 접촉한 상태로 연결 부재 하우징 돌출부(ledge)(40.1)에 인접하게 된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 지지 몸체(42)의 후단은 이에 따라 연결 부재 하우징(40)에 가려지는 반면, 지지 부재 프레임(42.1)을 가지는 지지 몸체(42)의 전방 영역은 외부에서 보이며 근접할 수 있다.
공정의 첫 단계에서, 전하 출력(23.2)의 후단이 종축(CC') 상의 전기적 연결 부재(43)에 밀어 넣어져 전하 출력(23.2)의 후단이 전기적 연결 부재(43) 내로 돌출하고, 종축(CC')에 대한 전하 출력(23.2)의 외면과 종축(CC')에 대한 전기적 연결 부재(43)의 내면이 어떤 영역에서 서로 기계적으로 접촉하게 된다.
[0044] 공정의 다음 단계에서, 전하 출력(23.2)의 외면과 전기적 연결 부재(43)의 내면은 어떤 영역에서 서로 전기적 및 기계적으로 연결된다. 이 전기적 및 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 이를 위해, 지지 몸체 프레임(42.1)의 창을 통한 조립 툴이 전하 출력(23.2)과 전기적 연결 부재(43) 간의 재질 접합을 수행한다. 도 11에 조립 툴은 조시되어 있지 않다. 이 조립 툴은 전기 저항 용접 시스템의 전극일 수 있지만 크림핑 툴(crimping tool)이나 레이저 등이 될 수도 있다.
또 다른 단계의 공정에서, 연결 부재 하우징(40)이 센서 하우징(20)에 대해 종축(CC') 상을 이동하여 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 연결 부재 하우징(40)의 전변이 센서 하우징(20)의 후변과 기계적으로 접촉하여 외측으로부터 접근 가능하게 된다. 연결 부재 하우징(40)의 이 이동은 도 12에 화살표로 표시되어 있다. 도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 이와 같은 방법으로 지지 몸체(42)의 후방 영역이 연결 부재 하우징(40)의 후변과 대략 평탄(flush)하여 외부로부터 근접이 가능한 반면, 지지 몸체(42)의 전방 영역은 지지 몸체 프레임(42.1)으로 덮여 있다.
이제 다른 공정 단계에서, 연결 부재 하우징(40)이 어떤 영역에서 센서 하우징(20.1)에 연결된다. 바람직하기로, 연결 부재 하우징(40)의 전변과 센서 하우징(20.1)의 후변은 전체 둘레에 걸쳐 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합으로 이뤄진다. 이를 위해, 조립 툴이 연결 부재 하우징(40)의 전변과 센서 하우징(20.1)의 후변 사이에 재질 접합을 수행한다. 이 조립 툴은 도 12에 도시되지 않았다.
공정의 또 다음 단계에서, 지지 몸체(42)는 어떤 영역에서 연결 부재 하우징(40)에 기계적으로 연결된다. 바람직하기로, 지지 몸체(42)의 후방 영역은 전체 둘레에 걸쳐 연결 부재 하우징(40)의 후변에 기계적으로 연결된다. 이 기계적 연결은 용접, 확산 용접, 열압착 접합, 납땜 등의 재질 접합에 의해 이뤄진다. 이를 위해, 조립 툴이 지지 몸체(42)의 후방 영역과 연결 부재 하우징(40)의 후변 간에 재질 접합을 수행한다. 조립 툴은 도 12에 도시되어 있지 않다.
당업계에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 알고 나면 다른 실시예들을 조합할 수 있을 것이다. 이에 따라, 도 3에 의한 센서 조립체의 실시예는 도 4 및/또는 도 5 및/또는 도 6의 실시예들과 조합될 수 있다. 이와 같이, 당업자는 압전 압력 센서의 신호 전송에 직접적으로 관련된 모든 요소들이 재질 접합에 의해 연결된 압전 압력 센서를 구현할 수 있을 것이다. 또한, 모든 구성 부품들 간의 기계적 연결이 재질 접합으로 이뤄진 압전 압력 센서도 구현할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 전하 출력이 재질 접합에 의해 전기 회로 기판에 직결되는 압전 압력 센서도 구현할 수 있을 것이다.
AA': 수직축(vertical axis)
A÷A': 절단선(sectional line)
BB': 수평축(horizontal axis)
B÷B': 절단선(sectional line)
CC': 종축(longitudinal axis)
1: 압전 압력 센서(piezoelectric pressure sensor)
2: 센서 조립체(sensor assembly)
4: 신호 케이블 조립체(signal cable assembly)
5: 평가 유닛(evaluation unit)
20: 센서 하우징 조립체(sensor housing assembly)
20.1: 센서 하우징(sensor housing)
20.2: 보강 슬리이브(reinforcement sleeve)
21: 멤브레인(membrane)
22: 압전 센서(piezoelectric sensor)
22.1: 제1 지지 부재(first support element)
22.2: 압전 센서 부재(piezoelectric sensor element)
22.3: 제2 지지 부재(second support element)
23: 전극 배열(electrode arrangement)
23.1: 전하 픽오프(charge pick-off)
23.2: 전하 출력(charge output)
24: 사전응력 도입 조립체(pre-stressing assembly)
24.1: 사전응력 도입 슬리이브(pre-stressing sleeve)
24.2: 사전응력 도입 몸체(pre-stressing body)
25: 제1 전기적 절연 몸체(first electric insulation body)
26: 보상 부재(compensation element)
27: 전기적 도통 배열(electric feedthrough arrangement)
27.1: 제1 어댑터 부재(first adapter element)
27.2: 제2 전기적 절연 몸체(second electric insulation body)
27.3: 제2 어댑터 부재(second adapter element)
40: 연결 부재 하우징(connection element housing)
40.1: 연결 부재 하우징 돌출부(connection element housing ledge)
41: 신호 케이블(signal cable)
41.1: 전기적 신호 도체(electrical signal conductor)
41.2: 전기적 절연 부재(electrical insulator element)
41.20: 제2 잠금 부재(second locking element)
41.3: 신호 케이블 피복(signal cable sheath)
42: 지지 몸체(supporting body)
42.1: 지지 몸체 프레임(supporting body frame)
43: 전기적 연결 부재(electrical connecting element)
43.00: 제1 잠금 부재(first locking element)
50: 회로기판 하우징(circuit board housing)
51: (전기적) 회로기판(electric circuit board)
51.1: 전기적 신호 도체(electrical signal conductor)
52: 지지 몸체(supporting body)
53: 전기적 연결 부재(electrical connecting element)

Claims (15)

  1. 멤브레인(21)을 수용하는 센서 하우징(20)과, 압전 센서(22)와, 전극 배열(23)과, 그리고 사전응력 도입 몸체(24.2)를 구비하며; 상기 멤브레인(21)이 압력 프로파일을 포착하고; 포착된 압력 프로파일에 의해 상기 압전 센서(22) 상에 편극 전하가 생성되며; 상기 전극 배열(23)이 생성된 편극 전하를 수신하며; 상기 전극 배열(23)이 전하 픽오프(23.1)와 전하 출력(23.2)을 구비하며, 상기 전하 픽오프(23.1)가 상기 전하 출력(23.2)에 전기적 및 기계적으로 연결되며; 상기 전하 출력(23.2)이 제3 갭에 의해 상기 사전응력 도입 몸체(24.2)와 전기적으로 절연되며, 상기 전하 출력(23.2)이, 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 사전응력 도입 몸체(24.2) 측의 전기적 도통 배열(27)을 통해 사전응력 도입 몸체(24.2)에 기계적으로 연결되어, 제3 갭을 주변 환경으로부터 압력 밀폐 상태로 밀봉하는 압전 압력 센서(1)에 있어서, 전기적 도통 배열(27)이 제1 어댑터 부재(27.1)와, 제2 전기적 절연 몸체(27.2)와, 그리고 제2 어댑터 부재(27.3)를 구비하고; 전하 출력(23.2)이 제2 어댑터 부재(27.3)에 전기적 및 기계적으로 연결되며, 전하 출력(23.2)과 사전응력 도입 몸체(24.2)가 그 사이에 배치된 제2 전기적 절연 몸체(27.2)에 의해 서로 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 압전 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    전하 픽오프(23.1)가 전하 출력(23.2)에 일체로 또는 재질 접합으로 연결되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    전하 픽오프(23.1)가 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 압전 센서(22) 측에 배치되고;
    제1 전기적 절연 몸체(25)가 멤브레인(21)에 멀리 대향하는 전하 픽오프(23.1) 측에 배치되며;
    압전 센서(22), 전하 픽오프(23.1), 그리고 제1 전기적 절연 몸체(25)가 사전응력 도입 몸체(24.2)와 사전응력 도입 슬리이브(24.1) 사이에서 기계적으로 사전응력이 도입되고;
    사전응력 도입 슬리이브(24.1)가 제2 갭에 의해 압전 센서(22), 전하 픽오프(23.1), 그리고 제1 전기적 절연 몸체(25)와 이격되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    기계적으로 도입된 사전응력이 없어진 상태에서, 제1 전기적 절연 몸체(25)가 전하 픽오프(23.1)와 사전응력 도입 몸체(24.2)와 기계적으로 면접촉하여 제3 갭을 제 2갭으로부터 형태 폐쇄로 밀봉하는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    전하 출력(23.2)이 제1 전기적 절연 몸체(25)와 사전응력 도입 몸체(24.2)를 통해 중앙으로 연장되고, 제3 갭에 의해 제1 전기적 절연 몸체(25)와 사전응력 도입 몸체(24.2)와 이격되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    보상 부재(26)가 사전응력 도입 슬리이브(24.1)와 압전 센서(22)의 사이 또는 압전 센서(22)와 전하 픽오프(23.1)의 사이 또는 전하 픽오프(23.1)와 제1 전기적 절연 몸체(25)의 사이 또는 제1 전기적 절연 몸체(25)와 사전응력 도입 몸체(24.2) 사이에 배치되고;
    사전응력 도입 슬리이브(24.1)가 압전 센서(22), 전하 픽오프(23.1), 제1 전기적 절연 몸체(25), 그리고 보상 부재(26)와 제2 갭에 의해 이격되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    보상 부재(26)가 제1 전기적 절연 몸체(25)와 사전응력 도입 몸체(24.2) 사이에 배치되고;
    기계적으로 도입된 사전응력이 없어진 상태에서, 제1 전기적 절연 몸체(25)와 보상 부재(26)가 전하 픽오프(23.1)와 사전응력 도입 몸체(24.2)와 기계적으로 면접촉하여 제3갭을 제2 갭으로부터 형태 폐쇄로 밀봉하는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    센서 하우징 조립체(20)가 센서 하우징(20.1)과 보강 케이싱(20.2)을 구비하고;
    상기 센서 하우징(20.1)과 보강 케이싱(20.2)이 재질 접합에 의해 서로 연결되며;
    상기 사전응력 도입 몸체(24.2)가 재질 접합에 의해 보강 케이싱(20.2)에 연결되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  9. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제2 어댑터 부재(27.3)가 재질 등급 번호 1.3981 또는 1.3982인 강철 합금으로 구성되고; 그리고
    제2 전기적 절연 몸체(27.2)가 Al2O3 세라믹으로 구성되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  10. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 어댑터 부재(27.1)가 재질 접합에 의해 제2 전기적 절연 몸체(27.2)에 연결되는 것, 및
    - 제1 어댑터 부재(27.1)와 제2 전기적 절연 몸체(27.2) 짝의 선형 열팽창계수의 차이가 5ppm미만 또는 3ppm미만인 것
    중 적어도 하나인 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    제1 어댑터 부재(27.1)가 티타늄으로 구성되고; 그리고
    제2 전기적 절연 몸체(27.2)가 Al2O3 세라믹으로 구성되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  12. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 어댑터 부재(27.1)가 재질 접합에 의해 사전응력 도입 몸체(24.2)에 연결되는 것, 및
    - 제1 어댑터 부재(27.1)와 사전응력 도입 몸체(24.2) 짝의 선형 열팽창계수의 차이가 10ppm미만 또는 5ppm미만인 것
    중 적어도 하나인 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    제1 어댑터 부재(27.1)가 티타늄으로 구성되고; 그리고
    사전응력 도입 몸체(24.2)가 재질 등급 번호 1.4542인 강철 합금으로 구성되는 것을
    특징으로 하는 압전 압력 센서.
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