(57)【要約】      （修正有）【課題】堅牢で信頼性が高く、単純で集約された温度感知素子を含む複合センサを容易かつ確実に製造する方法を提供する。【解決手段】多機能センサ１００は、基板上に配置された感知回路２０を含む本体を含み、当該感知回路は圧力センサ２３および温度センサを含み、当該温度センサは基板のフレキシブルな部分に配置される。本体が、温度センサの保持のために構成される細長いスリーブを含み、該スリーブが、温度センサを含む温度アームの保持のための少なくともひとつのガイドを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された感知回路を含む本体を有し、当該感知回路は圧力センサと温度センサとを含み、当該温度センサは基板のフレキシブルな部分に配置される、多機能センサ。
【請求項２】
前記本体が、温度センサの保持のために構成される細長いスリーブを含む、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項３】
前記スリーブが、温度センサを含む温度アームの保持のための少なくともひとつのガイドを含む、請求項２に記載の多機能センサ。
【請求項４】
前記温度センサが、表面実装型（ＳＭＤ）のサーミスタおよび熱電対のひとつを含む、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項５】
サンプリングする環境に晒される内部の容積を含む、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項６】
前記圧力センサはサンプリングする環境に晒される、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項７】
前記圧力センサは基板のフレキシブルな部分上に配置される、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項８】
前記圧力センサが圧力状態を検出するよう構成され、前記温度センサが内燃機関エンジンおよびガスタービンのひとつの温度状態を感知するよう構成される、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項９】
さらに、前記本体と感知回路上に配置される蓋および保護キャップの少なくともひとつを含む、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項１０】
前記圧力センサがキャリアに配置される、請求項１に記載の多機能センサ。
【請求項１１】
前記キャリアがセラミック材料もしくはポリイミドをベースとした材料から構成される、請求項１０に記載の多機能センサ。
【請求項１２】
多機能センサを製造する方法であって、
フレキシブル基板上に少なくとも部分的に配置された感知回路を選択することと、
前記感知回路を本体に搭載することと、
少なくともひとつのセンサに配向するように基板の一部を曲げることと、
多機能センサを提供するために本体と感知回路とをキャップすることと、を含む方法。
【請求項１３】
前記曲げることは、前記一部を前記本体のスリーブ内に向けることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記曲げることは、手作業で、およびツールを使用して実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
キャップすることは、少なくともひとつのセンサ上か、保護キャップ内かの少なくともどちらかひとつに熱伝導ペーストを位置することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
キャップすることは、蓋および保護キャップの少なくともひとつを、前記本体および検知回路上に位置すること、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
位置することは、蓋および保護キャップのひとつを、圧力ばめ、接着剤、スナップフィットの少なくともひとつをすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくともひとつのセンサは、温度センサおよび圧力センサのひとつを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
フレキシブルな基板上に配置された単一の感知回路を含む本体を含み、当該感知回路は圧力センサおよび温度センサを含み、
前記圧力センサは、圧力センサと前記基板との間に配置されたキャリアに結合され、圧力センサがサンプリングする環境を受け取る容積に晒されるように向けられ、
前記温度センサは、前記サンプリングする環境に突出するよう向けられる、温度および圧力センサ。
【請求項２０】
さらに、前記本体および単一の感知回路上に配置される保護キャップを含む、請求項１９に記載の温度および圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される発明は温度センサに関し、特に、温度および圧力を感知する様々な装置に搭載されることのできる、温度および圧力の複合センサに関する。
【関連技術の説明】
【０００２】
様々な産業プロセスが周囲の温度および圧力状況についての情報を必要とする。例えば、自動車用システムでは、燃焼がより効率よく制御され得るように、ガスの圧力および温度を知ることが望ましい。多くのセンサが、この必要性に対処するように考案されてきた。
【０００３】
概して、これらのセンサは、温度および圧力の少なくともひとつの継続的な監視を提供する。いくつかの実施例では、センサは過酷な環境に適応される。推測され得るように、これらのセンサのいくつかは複雑な（それゆえ、高価な）装置である。
【０００４】
例えば、“圧力および温度の組合せ測定のためのセンサプラグ”という表題の、２０１１年１０月１８日にストール等に発行された特許文献１を考慮されたい。この特許は、液体媒体の圧力および温度測定のためのセンサプラグを開示する。センサプラグは、センサボディの軸を有するセンサボディと、センサボディの軸に実質的に同軸に配置された圧力センサとを含む。また、センサボディには、圧力センサを液体媒体に接触させるための貫通孔と、温度感知素子を有する温度感知素子孔とが提供され、温度感知素子は温度感知素子孔で受け取られる。温度感知素子孔は、センサボディの軸に対して傾斜される温度センサ素子孔の軸を有し、軸の端部が液体媒体の方向を向き、軸がセンサボディの軸方向に傾斜されるようにされる。
【０００５】
残念ながら、この装置は組み立てが比較的複雑である。例えば、“厳しい要求を満たさなければならない”レーザ溶接プロセスが使用される。そのため、組み立てに費用がかかり、時間を消費し、かつ多くの欠陥のあるユニットとなり得ることが予測される。
【０００６】
“液体の圧力および温度を測定するセンサ装置”という表題の、２００８年１２月２３日にジェニッセン等に発行された、特許文献２で説明された別の装置を考慮されたい。この特許は、液体の圧力および温度を測定するためのセンサ装置を開示する。センサ装置は、温度感知電気素子および圧力感知電気素子を含み、温度感知電気素子および圧力感知電気素子は、双方が金属膜構造のひとつの側に結合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許８，０３８，３４５号公報
【特許文献２】米国特許７，４６７，８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のストロール等のセンサプラグと同様に、ジェニッセン等のセンサ装置は、多数の個別の感知素子を含み、それゆえ組み立てが複雑であり得る。
【０００９】
例えば、大量生産の自動車におけるように、センサがたびたび大量に使用されると仮定すると、容易かつ確実に製造され得る堅牢なセンサを有することが望ましい。それゆえ、必要なのは、シンプルで費用効果の高い製造を提供し、かつ信頼性の高いパフォーマンスをもたらすセンサの設計である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ひとつの実施例では、多機能センサが開示される。多機能センサは、基板上に配置された感知回路を含む本体（ボディ）を含み、当該感知回路は、圧力センサおよび温度センサを含み、当該温度センサは前記基板のフレキシブルな部分に配置される。
【００１１】
別の実施例では、多機能センサの製造方法が提供される。方法は、フレキシブルな基板上に少なくとも部分的に配置された感知回路を選択することと、感知回路を本体に搭載することと、少なくともひとつのセンサに向くよう基板の一部を曲げることと、多機能センサを提供するよう本体および感知回路に蓋をすることと、を含む。
【００１２】
また別の実施例では、温度および圧力センサが提供される。温度および圧力センサは、フレキシブルな基板上に配置された単一の感知回路を含む本体を含み、当該検感知回路は圧力センサおよび温度センサを有し、当該圧力センサは、当該圧力センサと基板との間に配置されたキャリアに接合されて、圧力センサがサンプリングする環境を受け取るために体積（ボリューム）に晒されるように配向され、また、当該温度センサはサンプリングする環境に突出するように配向される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、多機能センサの実施例の斜視図である。
【００１４】
【図２】図２は、図１のセンサの断面の斜視図である。
【００１５】
【図３】図３は、図１のセンサに組み込まれ得る感知回路の斜視図である。
【００１６】
【図４】図４は、図１のセンサの組み立て中に本体内部に配置される、図３の感知回路の斜視図である。
【００１７】
【図５】図５は、蓋の取付け前の、最終構造での感知回路の斜視図である。
【００１８】
【図６】図６は、図１のセンサを提供するための係合する部品を描画している。
【００１９】
【図７】図７は、図１のセンサの例示的な製造方法を提供するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書で開示されるのは、多機能センサである。例示的な実施例では、多機能センサは温度および圧力を感知するよう構成される。多機能センサは、効率的な製造を提供する感知回路を含む。感知回路は、少なくとも部分的にフレキシブルな基板上に配置され得る。いくつかの実施例では、感知回路は、単一の、フレキシブルな基板上に配置される。概して、多機能センサは、過酷な環境で長い耐用年数が必要とされる条件のような工業的用途に適応される。
【００２１】
ここで図１を参照すると、例示的な多機能センサ１００の斜視図が表されている。この例では、多機能センサ１００は本体１０を含み、本体１０の一部は感知ヘッド８と呼ばれる。本体１０は、外部コネクタ（図示しない）と結合するための電気的なポート６を含む。外部コネクタは、本体１０の上に配置されるか、本体の内部に配置されるかのいずれかである例示的な搭載構造４と結合することができる。搭載構造４と協働するように構成される外部コネクタの結合は信頼性があり、電気的なポート６内の電気部品と各々の外部コネクタとの堅牢な結合（例えば、ラッチすること）を提供する。
【００２２】
本体１０および感知ヘッド８（センサ１００のいくつかの他の部品も同様）は、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）やその他の同様の材料のような、適切なプラスチックで形成され得る。適切であると看做されるような他の材料も使用され得る。他の材料の一例はセラミック材である。概して、本体１０および感知ヘッド８の材料は、広範囲の温度および圧力に亘り堅牢な物理的強度と適切な誘電特性とを示す。多機能センサ１００の製造技術は、射出成形のような従来技術を含む。
【００２３】
感知ヘッド８は、保護キャップ５に少なくとも部分的に囲まれ得る。通常、動作中では、保護キャップ５は、環境温度および環境圧力の少なくともひとつを確認するためにサンプリングする環境に浸されるか、もしくは晒されているであろう。しばしば、サンプリングする環境は過酷であるだろう。例えば、高温および高圧力を示すことに加えて、サンプリングする環境は、酸性、腐食性であり得、もしくは多機能センサ１００の劣化を引き起こす現存の他の状況を示し得る。従って、保護キャップ５は、多機能センサ１００をサンプリング環境から保護するのに適した材料から製造され得る。
【００２４】
保護キャップ５は、少なくともひとつの突出７を含み得る。概して、突出７は、その内部に少なくともひとつの温度センサを含み、他方でサンプリングする環境からの温度センサの物理的な保護を提供する。保護キャップ５は、Ｏリングもしくは同様の装飾品をも含むことができ、例えば多機能センサ１００の効果的な封止を提供する。
【００２５】
図２を参照すると、多機能センサ１００の断面の側面図が表されている。図の上部から、電気ポート６が少なくともひとつのコンダクタ２９を含むことが理解され得る。少なくともひとつのコンダクタ２９は、大抵、感知ヘッド８を貫通して配置されて、感知回路２０に結合される。感知ヘッド８は、感知ヘッド８を少なくとも部分的に取り囲むハウジング９によって保護され得る。
【００２６】
感知回路２０は、図３を参照してより詳細に説明されるが、内部封止リング２６の上に配置され得る。内部封止リング２６は、圧力アニュラス２１に晒される体積との圧力の境界を提供する。圧力アニュラス２１が、その結果として、サンプリング環境に晒される。それゆえ、サンプリング環境内の圧力の遷移が、感知回路２０の一部分である圧力センサ２３に伝えられる。
【００２７】
感知回路２０は、蓋２８の追加を有する感知ヘッド８に対して適切に保持され得る。蓋２８は、感知回路２０と内部封止リング２６とを少なくとも部分的に取り囲む。蓋２８は、次いで、ハウジング９によって感知ヘッド８に概して保持され、ハウジング９はその後、保護キャップ５で覆われる。本図に示す通り、保護キャップ５は少なくともひとつのＯリング３１を含み得る。
【００２８】
蓋２８と、ハウジング９（必要に応じて）と、保護キャップ５との組合せが検知ヘッド８に搭載されたとき、圧力アニュラス２１が実現される。
【００２９】
いくつかの実施例では、蓋２８およびハウジング９は、ひとつの単体構造に一体化される。他の実施例では、蓋２８とハウジング９との少なくともひとつが多重部品構造である。蓋２８とハウジング９との少なくともひとつが、圧力ばめ、接着剤、スナップフィット、追加の保持部の搭載等のような従来技術を利用して組み立てられ得る。
【００３０】
ここで、突出７を含むエリアを参照されたい。本体が下方に延在して、開いたスリーブ５１（図５でより詳細に表される）を提供するのが理解され得る。すなわち、温度アーム４１が横方向にスリーブ５１内に挿入されことができるように、スリーブ５１の長さの少なくとも一部が開いた状態であり得る。温度アーム４１は、感知回路の一部であり、温度アーム４１の末端に近接して配置された少なくともひとつの温度センサ２２を含む。概して、少なくともひとつの温度センサ２２は、適切なジェルの中か、もしくは保護キャップ５の突出領域から温度センサ２２へ温度を伝達するように設計されたその他の材料の中に配置される。追加の特徴は（特に、支持する電子部品２４、リターン３２、およびコネクタ部３４）は、図３でより詳細に表される。
【００３１】
ここでまた、図３を参照されたい。図３では、感知回路２０が、搭載された幾何学と等価の幾何学で描かれている。しかしながら本図では、感知回路２０は本体１０から分離されて表されている。この実施例では、感知回路２０は、少なくとも部分的にフレキシブルである回路基板に搭載される。キャリア４４が含まれ得、支持する電子部品２４に対する基準を提供するために使用され得る。この例では、圧力センサ２３は容量性の感知素子であり、支持する電子部品２４と反対側のキャリア４４の面上に搭載される。キャリア４４は、圧力センサ２３から支持する電子部品２４へ信号を伝えるよう構成されたコンダクタ（導体）の通路のための、少なくともひとつの経路(図示しない)を含み得る。圧力センサ２３と、支持する電子部品２４を提供する感知回路２０の部分との各々が、例えば、エポキシペーストのような適切な粘着剤によりキャリア４４に取り付けられ得る。キャリア４４は、セラミックもしくは高温ポリマー（例えばポリイミド）のような、適切な材料から作られ得る。キャリア４４は、高温の回路基板のための基板のような、積層材料として提供され得る。
【００３２】
リターン３２は、回路基板のフレキシブルな部分であり、支持する電子部品２４からコネクタ部３４へ信号を伝える導体を含む。コネクタ部３４は、少なくともひとつのコンダクタ２９と接続するための適切な接続特徴を含む。リターン３２に対向しており、かつコネクタ部３４と接続しているのは、温度アーム４１である。温度アーム４１は適切な長さで延在し、最終的な形態に組立られたとき、温度アーム４１に搭載された温度センサ２２が突出７の内部に適切に配置される。
【００３３】
ここで図４を参照すると、本体１０に配置された感知回路２０の斜視図が表される。図５は、本体１０に搭載された感知回路２０が描かれている。
【００３４】
感知回路２０の本体１０への搭載は、手動で（手作業で）、もしくは、例えば専用のツール(図示しない)を使用して達成され得る。ひとつの例では、接着剤が少なくともひとつのコネクタ２９を取り囲む本体１０の一部分に塗布される。実質的に、感知回路２０のコネクタ部３４が接着剤上に位置される。専用のツールはその後、温度アーム４１を開いたスリーブ５１に圧入するであろう。
【００３５】
具体的には、またひとつの例として図５に示される通り、スリーブ５１は、スリーブ５１に配置されたリッジ５２を含み得る。感知回路２０の温度アーム４１がリッジ５２の下に押し込まれて、それゆえスリーブ５１内に保持されるように、リッジ５２が含まれ得る。ひとつの実施例では、温度アーム４１の横方向の幅が縮小するように、ツールが温度アーム４１の横方向の圧縮を提供する。温度アーム４１の横幅が十分に縮小されると、温度アーム４１は開いたスリーブ５１へ横方向に挿入され得る。その後、温度アームは緩和することができ、その場所でリッジ５２は温度アーム４１の側部を適切に保持する。
【００３６】
リッジ５２は不連続であり得、それゆえ少なくともひとつのギャップ５３を含み得ることに注意されたい。少なくともひとつのギャップ５３は、とりわけ、温度センサ２２の適切な位置決めを維持するのをアシストするために含まれ得る。
【００３７】
図５に表された構造にいったん組み立てられると、蓋２８（および、必要に応じて、ハウジング９）は、感知回路２０と本体１０との上に配置される。
【００３８】
図６を参照すると、結果として生じる多機能センサ１００は、その後、保護キャップ５内へ挿入され得る。保護キャップ５の突出７と温度センサ２２との間の熱伝導を提供するのに使用される熱伝導ペーストは、突出７へ装填され得、さらに、挿入前にスリーブ５１およびアーム４１に装填され得る。従って、多機能センサ１００が保護キャップ５に挿入されたとき、温度センサ２２は熱伝導ペースト内に浸される。
【００３９】
図７を参照すると、多機能センサ１００の組み立て７０の例示的な方法が示されている。この例では、最初のステップは感知回路２０を選択することを要求する（７１）。選択された感知回路２０は、ひとつもしくは複数の様々なタイプのセンサを含み得る。第２のステップは、感知回路２０を搭載することを要求する（７２）。第３のステップは、センサに蓋をかぶせることを要求する（７３）。センサに蓋をかぶせること（７３）は、例えば、蓋２８と、ハウジング９と、保護キャップ５との搭載を含み得る。
【００４０】
例示的な実施例を開示したが、特定の追加の態様が提供される。
【００４１】
多機能センサ１００が、様々な感知アプリケーションで使用され得ることを理解すべきである。すなわち、多機能センサ１００は、特別の温度もしくは圧力範囲を感知するよう構成され得る。いくつかの実施例では、圧力センサおよび温度センサはそれぞれ、内燃機関エンジン、ガスタービン、および他の同様の構成要素の動作中に遭遇する状態を検出するようそれぞれ構成される。
【００４２】
概して、多機能センサ１００は従来の材料および部品から作製される。例えば、様々なプラスチック、セラミックおよび金属が使用され得る。感知回路２０は、全体が、もしくは一部のみがフレキシブル回路であり得る。従って、感知回路２０は様々な部品で製造され得、続いて、本体１０に搭載される前に組み立てられ得るか、もしくは感知回路２０は単一の感知回路２０であり得る。本体１０は、設計者、ユーザ、製造者もしくはその他の同様の関係者の少なくとも一人によって適切だと考えられる形および大きさであり得る。
【００４３】
製造という観点から感知回路２０の簡素化のために、多機能センサ１００の組み立ては、高い生産性および高い信頼性を持って達成され得る。これは、感知回路２０の事前の組立を可能にし、かつ多機能センサ１００への簡単な適応および改良を提供する。さらに、感知回路２０全体を別々に組み立てることにより、本体１０は、はんだ付けに必要とされ得るような悪影響を及ぼす恐れのある温度および材料の影響を受けない
【００４４】
いくつかの実施例では、温度センサ２２は、表面実装装置（ＳＭＤ）のサーミスタである。しかしながら、温度センサ２２は、適切であると考えられるあらゆる技術（例えば、熱電対）を含み得る。圧力センサ２３は、絶対圧力および／もしくはゲージ圧力を測定し得る。いくつかの実施例では、圧力センサ２３は容量性の検出素子を含む。これらの実施例では、容量性素子の少なくとも一部のたわみ（そこに与えられる圧力が原因である）が、素子からの出力信号の変化をもたらす。出力信号のこの変化は、与えられる圧力に相関されることができる。
【００４５】
本明細書の教示が単に例示的なものであり、本発明を限定するものではないことを認識すべきである。さらに、当業者は、追加の構成要素、構造、配列等が、本発明の範囲内で実現され得ることを認識するであろう。例えば、センサ、回路、キャップ等の構造は、本明細書で開示された実施例とは異なり得る。概して、多機能センサの構成要素の設計および／もしくは適用は、システム設計者、製造者、操作者、および／もしくは使用者のニーズおよびあらゆる特定の状況に存在する要望によってのみ制限される。
【００４６】
様々な他の構成要素が本明細書の教示の態様を提供するために含まれ、かつ要求され得る。例えば、追加の材料、材料の組合せおよび／もしくは材料の削除が使用され得、本明細書の教示の範囲内である追加された実施例を提供するよう使用され得る。
【００４７】
本発明の要素もしくは実施例を説明する際の、“ａ”、“ａｎ”もしくは“Ｔｈｅ”といった冠詞は、ひとつもしくは複数の要素であることを意味するよう意図される。同様に、要素を説明するのに使用される、“その他の（ａｎｏｔｈｅｒ）”といった形容詞は、ひとつもしくは複数の要素を意味するよう意図される。“含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”や“有する（ｈａｖｉｎｇ）”といった言葉は包括的であるよう意図され、列挙された要素とは別の、追加の要素があり得る。
【００４８】
本出願では、様々な変化可能なものが説明され、構成要素や、状態、動作特性を含むが、これに限定されるものではない。これらの変化可能なもののあらゆる組合せが本発明の実施例を明らかにし得ることを理解すべきである。例えば、所定の環境状況の特定の範囲での、一組のセンサを有する本体の特定の材料の組合せであるが、特定の組合せが明示されたのではなく、本発明のひとつの実施例である。当業者には明らかであるように、品目、構成要素、状況、および／もしくは方法の別の組合せが、別の実施例を明示するために、本明細書で列挙された変化可能なもののなかから特に選択されても良い。
【００４９】
本発明は例示的な実施例を参照して説明されたが、様々な変化が成され得、かつ同等物が本発明の範囲から逸脱することなく要素を代用し得ることが、当業者により理解されるであろう。さらに、本発明の必須の範囲から逸脱することなく、本発明の教示に、特定の道具、状況もしくは材料を適用するために、多くの修正が当業者により理解されるであろう。それゆえ、本発明は、本発明を実施するのに熟考された最良の形態として開示された特定の実施例に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲内にある全ての実施形態を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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