(57)【要約】      （修正有）【課題】高感度で、高温や振動に耐える圧力および／もしくは力のような物理量を測定する測定装置を提供する。【解決手段】メンブレン部分１０２Ａを有する円形状の感知構造１０２を含み、メンブレン部分は円形状の感知素子に作用する力の変動により変形される。第１および第２の歪みゲージがメンブレン部分に取り付けられる。第１の歪みゲージはメンブレン部分の第１の表面領域の半径方向の歪みを測定するよう構成される。第２の歪みゲージはメンブレン部分の第２の表面領域の接線方向の歪みを測定するよう構成される。感知構造に作用する力の増大は、第１の歪みゲージによって測定される第１の表面領域の収縮と、第２の歪みゲージによって測定される第２の表面領域の伸張とをもたらす。【選択図】図１
2014102252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を測定するための測定装置（１００）であって、
円形状の感知素子（１０２）であって、当該円形状の感知素子（１０２）に作用する力の変動によって変形されるメンブレン部分を含む感知構造と、
前記メンブレン部分に取り付けられる第１の歪みゲージおよび第２の歪みゲージであって、第１の歪みゲージは前記メンブレン部分の第１の表面領域の歪みを測定するよう構成され、第２の歪みゲージは前記メンブレン部分の第２の表面領域の歪みを測定するよう構成され、前記感知構造に作用する力の増大は、前記第１の歪みゲージによって測定される第１の表面領域の収縮をもたらし、かつ前記第２の歪みゲージによって測定される第２の表面領域の伸張をもたらす、第１の歪みゲージおよび第２の歪みゲージと、を含み、
前記第１の歪みゲージ（１０３）が前記メンブレン部分の半径方向の歪みを測定し、前記第２の歪みゲージ（１０４）が前記メンブレン部分の接線方向の歪みを測定することを特徴とする、測定装置。
【請求項２】
前記第１の歪みゲージおよび前記第２の歪みゲージはピエゾ抵抗素子である、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
力の予め規定された増大に起因する前記第１の歪みゲージの抵抗の変化が、
ΔＲ１＝ＧＦ１×ε−×Ｒ０
の式によって定義され、ここでＧＦ１はゲージ率であり、ε−は前記第１の表面における負の歪みであり、Ｒ０は前記歪みゲージの歪みのない抵抗であり、
力の予め規定された増大に起因する前記第２の歪みゲージの抵抗の変化が、
ΔＲ２＝ＧＦ２×ε＋×Ｒ０
の式によって定義され、ここでＧＦ２はゲージ率であり、ε＋は前記第２の表面の正の歪みであり、Ｒ０は前記歪みゲージの歪みのない抵抗であり、前記第１の歪みゲージおよび前記第２の歪みゲージは、ＧＦ１×ε−＝ＧＦ２＝ε＋の相互関係を有する、
請求項１または２に記載された測定装置。
【請求項４】
前記第１の歪みゲージおよび前記第２の歪みゲージは、前記円形状の感知構造のシリンダー軸まで同様の距離（Ｒ２）を有する、請求項１ないし３いずれか１つに記載の測定装置。
【請求項５】
使用中に、前記メンブレン構造が半径方向の温度勾配を含み、前記第１および第２の歪みゲージは、相互に０．２℃よりも低い差の平均温度を有する、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項６】
前記第１の歪みゲージ（１０３）および前記第２の歪みゲージ（１０４）は中間点を有し、前記第１の歪みゲージおよび前記第２の歪みゲージの当該中間点は、前記円形状の感知構造（１０２Ｂ）のシリンダー軸まで同様の距離（Ｒ２）を有する、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項７】
前記第１位および第２の歪みゲージがひとつの感知素子（１０７）に組み込まれる、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項８】
前記感知素子が第１のボンドパス（１０７Ａ）と、第２のボンドパス（１０７Ｂ）と、第３のボンドパス（１０７Ｃ）とを含み、第２のボンドパスは、第１のボンドパスと第３のボンドパスとの間に位置され、前記第１の歪みゲージの第１の部分（１０３Ａ）は第１のボンドパスと第２のボンドパスとの間に位置され、前記第１の歪みゲージの第２の部分（１０３Ｂ）は第２のボンドパスと第３のボンドパスとの間に位置され、前記第２の歪みゲージ（１０４）は第１、第２および第３のボンドパスの側面に近接して位置される、請求項７に記載の測定装置。
【請求項９】
測定装置はさらに、第３の歪みゲージ（１０５）と、第４の歪みゲージ（１０６）とを含み、
前記第３の歪みゲージは前記メンブレン部分の半径方向の歪みを測定するよう構成され、前記第４の歪みゲージが前記メンブレン部分の接線方向の歪みを測定するよう構成される、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項１０】
前記第１、第２、第３および第４の歪みゲージがひとつの感知素子に組み込まれる、請求項９に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記歪みゲージはマイクロフューズドシリコン歪みゲージである、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項１２】
前記円形状の感知構造（１０２）は、外側部分（１０２Ｃ）と内側部分（１０２Ｄ）とを含み、前記円形状の感知構造により、内側部分（１０２Ｄ）が、前記メンブレン部分（１０２Ａ）が変形することで、前記円形状の感知構造（１０２）のシリンダー軸（１０２Ｂ）に沿って外側部分（１０２Ｃ）に対して相対的に移動することができる、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項１３】
内側部分（１０２Ｄ）は貫通孔を含む、請求項１２に記載の測定装置。
【請求項１４】
前記物理量は、前記円形状の感知構造に作用する圧力および／もしくは力である、請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力および／もしくは力のような物理量を測定するための測定装置に関する。より具体的には、本発明はピエゾ抵抗測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のタイプの測定装置は、特許文献１により公知である。圧力測定装置は、円形状の感知構造と、当該感知構造に取り付けられた歪みゲージとを含む。円形状の感知構造は、円形状の感知構造に作用する流体の圧力変動により歪められるメンブレン部分を含む。歪みゲージは、メンブレン部分の表面での圧力依存の歪みを測定する。第１の歪みゲージは、メンブレン部分の第１の表面領域の半径方向の歪みを測定するよう構成される。第２の歪みゲージは、メンブレン部分の第２の表面領域の半径方向の歪みを測定するよう構成される。感知構造に作用する圧力の増加は、第１の歪みゲージにより測定される第１の表面領域の収縮（＝負の歪み）と、第２の歪みゲージにより測定される第２の表面領域の伸張（＝正の歪み）とを引き起こす。第１および第２の歪みゲージは、感知電気素子に組み込まれる。２つのこのような感知電気素子が円形状の感知構造に取り付けられる。ひとつの感知素子は、ハーフホイートストンブリッジで使用され得る。それぞれが一対の歪みゲージを含む２つの感知電気素子は、フルホイートストンブリッジで使用され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＥＰ１７９０９６４Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歪みゲージはシリコンから作られ、表面で測定される歪みと関係のある抵抗を有する。感知電気素子にかかる費用は、感知電気素子のサイズを縮小することによって削減され得る。サイズを縮小することは、２つの歪みゲージの間の半径方向の距離が縮まり、双方の歪みゲージの下の表面領域における半径方向の歪みの差が減少するであろうことを意味する。これは、感知電気素子の感度を低下させる。
【０００５】
さらに、ピエゾ抵抗歪みゲージの抵抗値は非常に温度依存性がある。感知素子の２つの抵抗の間の０．２℃の温度差でさえ、フルスケールの１％の誤差を引き起こす。現在の設計では、温度差は最大２℃であり得、それは非常に大きな誤差をもたらす。２つの歪みゲージの間の半径方向の距離を縮めることによって温度差は小さくなり、それゆえ誤差も小さくなる。しかしながら、双方の抵抗の間で圧力をかけられた半径方向の歪みの差が減少するので、これは感度の低下という代償となる。
【０００６】
本発明の目的は、上記の不利益の少なくともひとつを克服する、物理量を測定するための改良された測定装置を提供することである。物理量は、圧力、力、もしくは圧力と力の組合せであり得る。本発明のもうひとつの目的は、信頼性があり、製造が安価で、長持ちしおよび／もしくは過酷な圧力媒体に対して堅牢であることの１つを備え、内燃エンジンに典型的な高温および振動に耐える測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する測定装置によって達成される。効果的な実施例と本発明を実施する追加の方法とが、従属クレームで言及される手段によって実現され得る。
【０００８】
本発明による測定装置は、第１の歪みゲージがメンブレン部分の半径方向の歪みを測定し、第２の歪みゲージがメンブレン部分の接線方向歪みを測定することを特徴とする。
【０００９】
円形状の感知構造に作用する力が増大するときに、円形状の感知素子上に伸張する領域があり（＝正の歪み）、かつ円形状の感知素子上に収縮する領域がある（負の歪み）という視点に、本発明は基づくものである。力は、円形状の感知素子に作用する圧力の形態をとり得る。半径方向の歪みは、接線方向の歪みとは異なり得るということが分かった。この視点は、円形状の感知素子を設計する自由度を増加させ、かつ円形状の感知構造に歪みゲージを位置決めする自由度を増加させ、力が増加するときに、ひとつの歪みゲージが正の歪みを、すなわち伸張を測定し、もうひとつの歪みゲージが負の歪みを、すなわち収縮を測定するようにする。
【００１０】
ひとつの実施例では、力の予め規定された増加による第１の歪みゲージにおける抵抗の変化は、
ΔＲ１＝ＧＦ１×ε−×Ｒ０
によって定義される。ここで、ＧＦ１とはゲージ率であり、ε−とは第１の表面における負の歪みであり、Ｒ０とは歪みゲージの歪みのない抵抗である。力の予め規定された増加による第２の歪みゲージにおける抵抗の変化は、
ΔＲ２＝ＧＦ２×ε＋×Ｒ０
によって定義される。ここで、ＧＦ２とはゲージ率であり、ε＋とは第２の表面における正の歪みであり、Ｒ０とは歪みゲージにおける歪みのない抵抗である。第１の歪みゲージおよび第２の歪みゲージは、次の相互関係を有する。
ＧＦ１×ε−＝ＧＦ２×ε＋
【００１１】
これらの特徴は、抵抗の比較可能な変化を提供する一対の歪みゲージを提供することを可能にし、但し、表面の歪みは異なり得る。これによって、一対の歪みゲージの抵抗値から抽出される電気信号の正確性が改善される。
【００１２】
ひとつの実施例では、第１の歪みゲージと第２の歪みゲージとが円形状の感知構造のシリンダー軸まで同様の距離を有する。これは、半径方向の歪みが接線方向の歪みとは反対のメンブレン部分の表面領域で可能である。円形状構造なので、これにより円形構造の中心軸から同一の距離で２つの歪みゲージを取り付けることができる。ひとつは半径方向で測定し、もうひとつは接線方向で測定する。これによりさらに、２つの歪みゲージの間の距離を最小化して、歪みゲージの感度を低下させることなく、２つの歪みゲージの間に起こり得る温度差を縮小することが可能となる。
【００１３】
ひとつの実施例では、使用中にメンブレン構造は放射状の温度勾配を有し、かつ第１および第２の歪みゲージは、相互に０．２℃よりも小さな差がある平均温度を有する。この特徴は、電気出力信号の熱衝撃の影響をフルスケールの１％よりも低く減少させる。
【００１４】
ひとつの実施例では、第１の歪みゲージおよび第２の歪みゲージは中間点を有し、第１および第２の歪みゲージの当該中間点は、円形状の感知構造のシリンダー軸まで同様の距離を有する。この特徴は２つの歪みゲージの間の温度差を減少させる。
【００１５】
ひとつの実施例では、第１および第２の歪みゲージがひとつの感知素子に組み込まれる。これはさらに２つの歪みゲージの間の温度差を減少させる。
【００１６】
ひとつの追加の実施例では、感知電気素子は、第１のボンドパスと、第２のボンドパスと、第３のボンドパスとを有する。第２のボンドパスは第１のボンドパスと第３のボンドパスとの間に置かれる。第１の歪みゲージの第１の部分は第１のボンドパスと第２のボンドパスとの間に置かれ、第１の歪みゲージの第２の部分は第２のボンドパスと第３のボンドパスとの間に置かれ、第２の歪みゲージは、第１、第２および第３のボンドパスの側面に近接して置かれる。これらの特徴は、従来使用されてきたものと同じワイヤボンド技術でワイヤ接続され得る、縮小されたサイズの感知電気素子を提供するのを可能にする。
【００１７】
ひとつの実施例では、装置はさらに第３の歪みゲージと第４の歪みゲージとを含む。第３の歪みゲージはメンブレン部分の半径方向の歪みを測定するよう構成され、第４の歪みゲージはメンブレン部分の接線方向の歪みを測定するよう構成される。これらの特徴は装置の感度を改善するのを可能にする。ひとつの追加の実施例では、第１、第２、第３および第４の歪みゲージがひとつの感知素子に組み込まれる。この特徴により、温度の感度および信号の質に関して譲歩することなく、製造コストを削減することができる。
【００１８】
ひとつの実施例では、円形状の感知構造は外側部分と内側部分とを有する。円形状の感知構造により、内部領域は、メンブレン部分が変形することで、円形状の感知構造のシリンダー軸に沿って外側部分に対して相対的に移動することができる。このタイプの感知構造は、接線方向の歪みとは反対の半径方向の歪みを有する表面を備えたメンブレンがあることがわかった。内側領域が貫通孔を含む場合にも同じことが当てはまる。より小さな感知素子を有する能力により、円形状の感知構造のサイズが縮小できる。これは測定装置の適用性を増大させる。
【００１９】
その他の特徴および利点が、例として本発明の様々な特徴を表す添付の図面を用いて、下記のより詳細な説明によって明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
これらおよびその他の態様、特定および利点が、図面を参照して下記の記述に基づいて以下で説明される。同様の参照番号は、同様のもしくは相当する部分を意味する。
【図１】図１は、圧力測定装置の断面図を概略的に示す。
【図２】図２は、第１の実施例による円形状の感知構造の上面図を示す。
【図３】図３は、第２の実施例による円形状の感知構造の上面図を示す。
【図４】図４は、半径の関数として半径方向および接線方向の歪みのグラフを示す。
【図５】図５は、従来技術の感知電気素子を示す。
【図６】図６は、感知電気素子の第１の実施例を示す。
【図７】図７は、感知電気素子の第２の実施例を示す。
【図８】図８は、温度および圧力の複合測定装置の断面図を概略的に示す。
【図９】図９は、第１の実施例による図８で示された円形状の感知構造の上面図を示す。
【図１０】図１０は、第２の実施例による図８で示された円形状の感知構造の上面図を示す。
【図１１】図１１は、別の圧力測定装置の断面図を概略的に示す。
【図１２】図１２は、図１１に示された円形状の感知構造の上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、流体の圧力を測定するための圧力測定装置１００の断面図を概略的に示す。流体は、ガスもしくは液体の形態であり得る。装置１００は圧力測定プラグの形態であり、円形状の感知構造１０２を含む。円形状の感知構造１０２は、エンジンもしくは装置の孔に圧力測定装置１００を搭載するための雄ネジを有するプラグ本体部分１５０を含む。円形状の感知構造はさらにメンブレン部分１０２Ａを含む。メンブレン部分１０２Ａは、プラグ本体部分１５０の近位端に置かれる。プラグ本体部分１５０は、近位端から遠位端までの通路１６０を含む。流体の圧力はこの通路を介してメンブレン部分１０２Ａに作用し得る。歪みゲージ１２０はメンブレン部分１０２Ａの外側に取り付けられる。外側は、通路１６０を介して流体に接触するメンブレン部分の表面とは反対のメンブレン部分１０２Ａの表面である。
【００２２】
歪みゲージ１２０は、メンブレン部分１２０Ａの表面の歪みを測定するよう構成される。歪みゲージはピエゾ抵抗素子の形態であり得る。このタイプの歪みゲージは、金属製の歪みゲージよりも高いゲージ率（ＧＦ）を有する。しかしながら、本発明の着想は、金属製の歪みゲージを有する圧力測定装置もしくは力測定装置にも適用され得る。図５は、２つの歪みゲージ５１、５２を含む従来技術の感知電気素子５０の配置を示す。歪みゲージは、感知電気素子５０の長手方向の軸に沿って歪みを測定するよう構成される。３つのボンドパス５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃが、感知電気素子の第１の歪みゲージ５１と第２の歪みゲージ５２との間に置かれる。歪みゲージの動作原理は周知の事柄であるので、より詳細には説明されない。歪みゲージの特徴は、特定の方向の歪みを測定することである。歪みゲージは、マイクロフューズドシリコン歪みゲージの形態であり得る。この技術では、シリコンＭＥＭＳ歪みゲージ素子がステンレス鋼のダイアフラムにガラス接合される。感知電気素子５０は、１．５６ｍｍの長さと０．４８ｍｍの幅を有する。
【００２３】
図４は、半径の関数としての半径方向および接線方向の歪みのグラフを示す。正の歪みとは、正の値を有する歪みであり、特定の方向における表面の伸張に対応する。負の歪みとは、グラフ中で負の値を有する歪みであり、特定の方向における表面の収縮に対応する。圧力がメンブレン部分に作用するとき、円形状の感知構造の中心軸１０２Ｂ付近の表面には、半径方向と接線方向との双方で伸張がある。半径方向の歪みは、半径方向、すなわち中心軸１０２Ａまでの距離の増加に伴い減少することがわかる。およそ半径１．２ｍｍで、半径方向の歪みはほぼゼロである。その後、半径が大きくなるに連れて歪みは負になる。すなわち半径方向に収縮する。最も高い収縮は半径２ｍｍである。その後、収縮の量は半径の増大に伴い減少する。図４はさらに、接線方向の歪みは半径の増大に伴って徐々に減少するが、常に正であることを示す。
【００２４】
従来技術のゲージの動作原理は、感知電気素子の双方の歪みゲージが、２つの異なる半径で半径方向の歪みを測定するというものである。図２は、図１の円形状の感知構造の上面図を示すものであり、Ｒ１およびＲ２で半径が示されている。図４では、図５で示される通り、従来技術のＭＳＧ（マイクロフューズドシリコン歪みゲージ）の２つの半径方向のゲージによって測定される半径の領域が表される。ひとつの歪みゲージが正の歪みを測定し、もうひとつの歪みゲージが負の歪みを測定することが理解され得る。２つの歪みゲージは、ホイートストンブリッジのハーフブリッジで使用される。
【００２５】
さらに、１．７７ｍｍの半径を有する位置で比較可能な値を有する正の歪みと負の歪みとの双方を測定可能であることが理解され得る。これは、半径方向の歪みと接線方向の歪みとを測定することによって実行され得る。図２は、従来技術の感知電気素子を用いた実施例を示しており、歪みゲージのうちのひとつのみが半径方向の歪みもしくは接線方向の歪みを測定するために使用される。歪みゲージ１０３および１０５は、図５で示される従来技術の感知電気素子のひとつの歪みゲージを用いて半径方向の歪みを測定する。これらの従来技術の歪みゲージは、半径方向の長手方向の軸で位置決めされる。歪みゲージ１０４および１０６は、図５で示される従来技術の感知電気素子のひとつの歪みゲージを用いて接線方向の歪みを測定する。これらの従来技術の歪みゲージは、半径方向と直交する長手方向の軸で位置決めされる。
【００２６】
図３は、図１の感知構造のための第２の実施例による円形状の感知構造の上面図を示す。この実施例では、半径Ｒは図２の半径Ｒ２に対応する。２つの感知電気素子１０７が半径Ｒでメンブレン部分の表面に取り付けられる。感知電気素子１０７は図６に示される配置を有する。第１の部分１０３Ａと第２の部分１０３Ｂとによって形成される第１の歪みゲージは、第１の方向の歪みを測定する。第２の歪みゲージ１０４は、第２の方向の歪みを測定する。第２の方向は、第１の方向に直交する。図４の“スモールゲージ”とは、図６に示されるような感知電気素子が半径方向と接線方向の双方の歪みを測定する領域を示す。接線方向では正の歪みが測定され、半径方向では負の歪みが測定される。
【００２７】
感知電気素子１０７はさらに、第１のボンドパス１０７Ａと、第２のボンドパス１０７Ｂと、第３のボンドパス１０７Ｃとを含む。第２のボンドパスは第１のボンドパスと第３のボンドパスとの間に置かれる。第２のボンドパスは、第１のボンドパスと第３のボンドパスとの間に置かれる。第１の歪みゲージの第１の部分１０３Ａは、第１のボンドパスと第２のボンドパスとの間に置かれる。第１の歪みゲージの第２の部分１０３Ｂは、第２のボンドパスと第３のボンドパスとの間に置かれる。第２の歪みゲージ１０４は、第１、第２、および第３のボンドパスの側面に近接して置かれる。感知電気素子１０７は、０．５２ｍｍの長さと０．４６ｍｍの幅を有する。ボンドパス１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃは、図５に示された従来技術の感知電気素子５０のボンドパスに対応するサイズおよび位置を有する。これは、双方の感知電気素子に同じワイヤ接続技術を使用することを可能にする。感知電気素子のサイズは、図５に示される感知電気素子のサイズの３分の１である。これにより、感知素子のパッケージの小型化と原価の低下が可能となる。
【００２８】
図３では、第１の歪みゲージの領域の中間点と、第２の歪みゲージの中間点とが半径Ｒで円に位置されるように、２つの感知電気素子がメンブレン上面に取り付けられるのが理解される。歪みゲージ１０３および１０５は半径方向の歪みを測定し、歪みゲージ１０４および１０６は接線方向の歪みを測定する。図２に示された実施例と比較した本実施例の利点は、温度勾配の誤差がより小さいことである。
【００２９】
より小さな温度電気素子は、ほぼひとつの地点での測定を可能にし、負の半径方向の歪みと正の接線方向の歪みとの双方の同じ振幅により、比較可能な信号振幅を有する。さらに、小型のゲージ設計においては、圧力、力、もしくは圧力と力の組合せが円形状の感知構造に作用するときにホイートストンブリッジはバランスされたままであるので、非線形性はゼロである。
【００３０】
図８は、流体の圧力および温度を測定するための温度および圧力が組み合わされた測定装置の断面図を概略的に示す。測定装置は、ネジ式本体部８１に取り付けられた円形状の感知構造１０２を含む。円形状の感知構造１０２は、外側部分１０２Ｃと内側部分１０２Ｄとを有し、円形状の感知構造により、メンブレン部分１０２Ａの変形により、円形状の感知構造１０２のシリンダー軸に沿って内側部分１０２が外側部分１０２Ｄ対して相対的に移動することができる。閉じられた端部を有する細長い中空の本体８２は、内側部分１０２Ｄに取り付けられる。温度感知素子８３は、細長い中空の本体８２の閉じられた端部に位置決めされる。円系状の感知構造１０２は、温度感知素子の電気ワイヤを通すための貫通孔１０２Ｅを含む。
【００３１】
図９は、第１の実施例による図８に示された円形状の感知素子の上面図を示す。この実施例では、図５に示された配置を有する従来技術の感知構造素子が使用される。従来技術の感知電気素子の各々から、ただひとつの歪みゲージのみが半径方向の歪みもしくは接線方向の歪みを測定するために使用される。歪みゲージ１０３および１０５は半径方向の歪みを測定する。これらの従来技術の感知素子は、半径方向の長手方向の軸で位置決めされる。歪みゲージ１０４および１０６は接線方向の歪みを測定する。これらの従来技術の感知素子は、円形状の感知構造の半径と直交して長手方向の軸で位置決めされる。この実施例では、歪みゲージの有効測定領域の中間点は、円形状の感知構造の中心軸１０２Ｂからの距離Ｒにある。
【００３２】
図１０は、図８の感知構造の第２の実施例による円形状の感知構造の上面図を示す。２つの感知電気素子１０７は半径Ｒでメンブレン部分の表面に取り付けられる。感知電気素子１０７は、図６に示された配置を有する。感知電気素子１０７の第１の歪みゲージ１０３および１０５は、半径方向の歪みを測定する。感知電気素子の第２の歪みゲージ１０４および１０６は、接線方向の歪みを測定する。
【００３３】
図１１は、圧力測定プラグの形態のもうひとつの圧力測定装置の断面図を概略的に示す。この圧力測定装置は内燃機関エンジンでの使用に適している。装置は、細長い中空のネジ付きの本体部１１１を含む。コネクタを有するハウジング１１２が本体部１１１の近位端に取り付けられる。ハウジング１１２は歪みゲージからの信号を処理するための電子部品を収容する。円形状の感知構造１０２は、本体部１１１の遠位端に取り付けられる。
【００３４】
円形状の感知構造１０２は、外側部分１０２Ｃと内側部分１０２Ｄとを有する。円形状の感知構造により、力が内側部分に作用するときにメンブレン部分１０２Ａの変形により、円形状の感知構造１０２のシリンダー軸１０２Ｂに沿って内側部分１０２Ｄが外側部分１０２Ｃに対して相対的に移動することができる。フレキシブルなメンブレン１１３は、外側部分１０２Ｃと内側部分１０２Ｄに取付けられる。フレキシブルなメンブレン１１３は、燃焼ガスの過酷な環境からメンブレン部分１０２Ａを保護する封止を形成する。フレキシブルなメンブレン１１３と内側部分１０２Ｄとに作用する圧力は力に変換される。力は、内側部分１０２Ｄを介してメンブレン部分１０２Ａに運ばれ、その結果、メンブレン部分１０２が変形する。
【００３５】
内側部分１０２Ｄは、棒状の素子を内側部分に位置決めするための軸方向の通路を含むことができる。この方法で、第２の機能が圧力測定装置に加えられ得る。第２の機能の例は、グロープラグ、温度センサである。図１２は、図６に示された感知電気素子を備えた、図１１に示された円形状の感知構造の上面図を表す。円形状の感知構造１２０が小型であるので、従来技術の感知電気素子をメンブレン部分１０２Ａの表面に取り付けることはできない。２つの感知電気素子１０７がメンブレン部分の表面に取り付けられる。感知電気素子１０７の第１の歪みゲージ１０３および１０５は、半径方向の歪みを測定する。感知電気素子の第２の歪みゲージ１０４および１０６は接線方向の歪みを測定する。
【００３６】
感知電気素子の歪みゲージが実質的に同一のゲージ率を有することに注意すべきである。歪みゲージのゲージ率（ＧＦ）もしくは歪み率は、機械的な歪みεに対する電気抵抗の相対的変化の比率であり、機械的な歪みεは、長さの相対的な変化である。第１の歪みゲージおよび第２の歪みゲージの下の表面の機械的な歪みεが、振幅は同程度であるが符号が反対であるならば、結果としてホイートストンブリッジはバランスされる。
【００３７】
圧力、力、もしくは圧力と力の組合せの予め規定された増加による第１の歪みゲージの抵抗の変化は、次の式によって定義される。
ΔＲ１＝ＧＦ１×ε−×Ｒ０
ここで、ＧＦ１とはゲージ率であり、ε−とは第１の表面の負の歪みであり、Ｒ０とは歪みゲージの歪みのない抵抗である。圧力、力、もしくは圧力および力の組合せの予め規定された増加による第２の歪みゲージの抵抗の変化は、次の式によって定義される。
ΔＲ２＝ＧＦ２×ε＋×Ｒ０
ここでは、ＧＦ２とはゲージ率であり、ε＋とは第２の表面の正の歪みであり、Ｒ０とは歪みゲージの歪みのない抵抗である。
【００３８】
εｒａｄｉａｌ＝−εｔａｎｇｅｔｉａｌを保持するための感知電気素子を取り付け可能な領域がメンブレンの表面上にないならば、第１の歪みゲージおよび第２の歪みゲージが相互関係ＧＦ１×ε−＝ＧＦ２×ε＋を有するように、歪みゲージのゲージ率を適合させることが可能である。そのような場合にもまた、ホイートストンブリッジはバランスされる。
【００３９】
図７は感知電気素子の実施例を示すものであり、４つの歪みゲージが組み込まれている。歪みゲージ７１および７３は第１の方向の歪みを測定する。歪みゲージ７２および７４は第２の方向の歪みを測定する。第２の方向は第１の方向と直交する。この感知電気素子はすべての抵抗をフルホイートストンブリッジのためのすべての抵抗を提供する。４つの“ボンド”ワイヤのみが、４つの歪みゲージを対応する電子部品に結合するために必要とされ、これに対し、６つの“ボンド”ワイヤが、図５および図６に示された２つの歪みゲージを有する２つの感知電気素子を対応する電子部品に結合するために必要とされる。これは、圧力および力のような物理量を測定するための測定装置の製造コストを削減する可能性を提供する。その上、この“フルブリッジ”設計により、温度勾配の誤差をさらに低減できる。
【００４０】
図６および図７に示された感知素子を使用することによって、２つの直交する方向での歪み測定が実行され得、メンブレン部分の１つの地点での、いわゆる一点測定の実行が可能となる。符号が反対である半径方向および接線方向の歪みが測定される。この場合、半径方向および接線方向の歪みを測定する抵抗が実質的に同じ半径上にあり、かつ実質的に同じ温度を有するので、温度勾配の影響が著しく低減される。
【００４１】
すべての上記に示された実施例は、物理的な量の圧力を測定する測定装置に関する。図１１に示された測定装置では、円形状の感知構造のフレキシブルなメンブレンおよび内側部分に作用する圧力は、力に変換される。力はもうひとつの物理量である。圧力は、単位面積当たりの力の量として定義され得る。力は、円形状の感知構造の内側部分を介してメンブレン部分に運ばれる。力はメンブレン部分を変形させ、この変形が歪みゲージによって測定される。それゆえ、円形状の感知構造は、圧力の代わりに力を測定する装置で使用されることもできる。そのような他のアプリケーションとは、概して搭乗者体重センサ、重量センサ、踏力センサ、および力がひとつの特定の軸方向に作用するあらゆる他のアプリケーションである。円形状の感知構造のシリンダー軸と平行する軸に沿った力は、その後、円形状の感知構造の内側部分を介してメンブレン部分に運ばれ得る。それゆえ、上記の円形状の感知構造は、力および圧力のような物理量を測定するのに適している。圧力がメンブレン部分に直接作用するならば、円形状の感知構造が力および圧力の組合せを測定することも可能である。図８に示された円形状の感知構造は、円形状の感知構造の内側部分に作用する力を、半径方向および接線方向のメンブレン部分の歪みに変換するために使用されることもできる。この場合、半径方向の歪みは接線方向の歪みとは反対である。
【００４２】
いくつかの実施例の観点から本発明が説明されたが、代替物、修正物、置換されたものや同等物が、本明細書を読み、かつ図面を検討することによって当業者に明らかとなることが予期される。本発明は、説明された実施例に制限されるものではない。本発明の着想から逸脱することなく変更がなされ得る。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
2014102252000001.pdf