(57)【要約】  特に自動車における過酷な環境用のこのセンサ構造がセンサ本体（１）を含み、そのセンサ本体は、一端に、過酷な環境において測定物理量に感応性を有する素子（２）、および他端に、それを接続するための、過酷な環境の外側に配置された回路（３）を有し、該素子と該回路は互いに物理的に分離され、結線なしにデータ送信用手段によって接続され、かつそれらの間には、環境から接続回路（３）を保護するための、データ透過性の手段（４）が設けられることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自動車における過酷な環境用のセンサ構造において、
センサ本体（１；１５；２２；２９）が、一端に、過酷な環境において測定物理量に感応性の素子（２；１６；２３；３０）、および他端に、それを接続するための、過酷な環境の外側に配置された回路（３；１７；２５；３１）を有し、該素子と該回路は互いに物理的に分離され、結線なしにデータ送信用の手段によって接続され、かつそれらの間には、前記環境から前記接続回路（３）を保護するための、データ透過性の手段（４；３２）が設けられ、前記データ送信用手段は、前記接続回路（５；１７；２５；３１）に組込まれた、前記感応性素子（２）に遠隔地から給電するための手段をさらに含むことを特徴とするセンサ構造。
【請求項２】
前記データ送信用手段が、無線電気ルートによるまたは電磁結合によるデータ送信／受信用の手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記感応性素子が感圧性素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
【請求項４】
前記感応性素子が温度感応性素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
【請求項５】
前記感応性素子が、ガス感応性素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
【請求項６】
前記感応性素子が、振動、加速または衝撃に感応性を有する素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
【請求項７】
前記感応性素子が、温度、圧力、ガス、振動、加速または衝撃の中の２種類以上の物理量に感応性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
【請求項８】
前記感応性素子が圧電材料で造られることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の構造。
【請求項９】
前記感応性素子が窒化アルミニウムをベースとすることを特徴とする請求項５に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に自動車における過酷な環境用のセンサ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の応用における主要な課題は、熱的、振動性、化学的などの環境条件を問わず、遭遇する過酷な環境条件のために従来のセンサ技術を使用することができない過酷な環境において測定を行うことができることである。
【０００３】
このような厳しい環境においてこのような測定を行うためにこれまで使用されてきた一手法は、変換器の端部における環境条件がセンサ技術に適合するように測定物理量と測定装置との間に変換器を挿入することである。
【０００４】
それゆえ、変換器の機能は、測定物理量の送信器となる一方で、センサの妨げとなるまたはセンサに適合しないいくつかの物理的構成成分のためのスクリーンを形成することである。
【０００５】
しかしながら、この変換器の使用には、特にデータの変形、損失または追加などの、これが引き起こし得るいくつかの欠点がある。
【０００６】
これらの歪みは、例えば振幅における不完全性（精度または飽和の欠如）および／または動的領域における不完全性（低周波および／または高周波における限定された通過帯域）を特徴とする。
【０００７】
過酷な環境におけるこのような測定例としては、自動車の内燃機関におけるシリンダー圧力の測定に関するものがある。
【０００８】
エンジンにおけるこのようなシリンダー圧力の測定は、新しい要件である。これは、種々のエンジンのサイクル（吸気、圧縮、燃焼、排気）の間のガス圧の変化の測定からなり、これにより、噴射と点火の制御を最適化して性能を向上させ、よって汚染を低減させている。
【０００９】
しかしながら、エンジンのサイクル中に温度がエンジン静止時の周囲温度から数百℃まで変化する一方で、シリンダー内の炎は約１８００℃であることが知られている。そのため、センサに使用される材料のいくつかはこのような温度に耐えられない。これは、例えばこのような圧力測定に通常使用されるシリコンなどの材料の場合である。
【００１０】
そこで、例えばディーゼル機関用の予熱プラグにシリンダー圧力センサを含ませることが提案されている。プラグの先端は、炎と接触するシリンダーの上部にある。センサは、プラグの他端において圧縮用変換器として使用され、これは、例えば水を循環させて冷却されたエンジンのシリンダーヘッドと接触して緩和された環境にあるセンサである。
【００１１】
しかしながら、予熱プラグの先端によって行われるエネルギー変換は、機械的慣性（変換器の質量）の影響を受け、使用される装置によって、漏れ防止性の問題のほか、低圧値においては精度の問題を生じ、および／または振動に敏感である。
【００１２】
この組み立て品の実施形態の一変形も、予熱プラグにシリンダー圧力センサを含むことからなるが、固定装置が、シリンダーヘッドの厚みのどちらかの側において圧力変換器を支持する点で先の解決方法とは異なる。その状態で、圧力の影響下においてシリンダーヘッドの変形を測定する。
【００１３】
しかしながら、この測定は、予熱プラグをシリンダーヘッドに締め付けるトルクに左右される。さらに、この測定では、所要信号に重ねられたシリンダーヘッドの振動モードを検出する。最後に、測定信号は、シリンダーヘッドおよびその環境に依存する伝達関数による影響を受ける。
【００１４】
別の解決方法は、圧力および温度にさらされた薄膜による光線の反射を検出するために光ファイバーを１つ以上使用することからなる。
【００１５】
次に光ファイバーは、このデータを、信号の取得および処理用の電子機器が配置されている調節箇所に伝達する。
【００１６】
しかしながら、光ファイバーも耐温度性に限界を有する。光線が反射する薄膜は測定の質を決定する。その定義は、機械的特性（固有振動モード）、および熱的特性（薄膜を変形させる膨張）、薄膜の機械的なエージングの問題、その反射面の酸化問題などを考慮すべきである。
【００１７】
さらに、電気通信技術の出現と併せて、データ通信および／または関連する電子装置へ遠隔地から電力を供給することが可能となる。
【００１８】
それゆえ、例えば、このような手段をタイヤの圧力の測定に使用する。
【００１９】
実際に、回転部品に電気接続を行うことは難しい。これに関して、タイヤに接続された圧力センサは、車両が移動するために車両との通信が困難となる。
【００２０】
一解決方法は、タイヤ内部に内蔵型の電力供給源を有するセンサと、車両内部に送信器／受信器とを含ませることからなる。そこでセンサは無線周波での接続によって送信器／受信器と通信できる。いくつかの装置においては、センサに誘導によってまたは無線周波によって遠隔地から給電もできる。
【００２１】
このような構造を、オーブン中の温度測定にも使用できる。
【００２２】
実際は、非常に高温の環境で電気接続を行うことは難しい。例えばはんだ接合を用いる接続は、例えばそのようなはんだ接合が溶融してしまうようなこの種の環境に敏感である。
【００２３】
自動車産業分野においても、車両の盗難防止装置用の通信の無線周波手段が使用される。
【００２４】
それゆえ、例えば、識別装置を自動車のキーに組込むことができ、この装置は、メンテナンスを最小限にするために給電の必要がない。
【００２５】
無線周波信号に応答して、キーに特有のデータを担持する信号を返信する装置をキーに含むことも可能である。次にこの装置を、受信した電磁信号の電力によって供給する。
【００２６】
ＲＦＩＤタイプの無線周波識別用の通信の無線周波手段を使用する他の例は、集電、プロセッサ、メモリおよび無線周波通信を組み合わせたパッシブまたはアクティブチップを用い、識別用に大規模に開発されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明の目的は、自動車における過酷な環境における使用に好適であるセンサ構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
このため、本発明の主題は、特に自動車における過酷な環境用のセンサ構造であって、一端に、過酷な環境において測定物理量に感応性を有する素子、および他端に、それを接続するための、過酷な環境の外側に配置された回路を有し、該素子と該回路は互いに物理的に分離され、無線データ送信用手段によって接続され、かつそれらの間には、環境から接続回路を保護するための、データ透過性の手段が設けられるセンサ本体を含むことを特徴とするセンサ構造である。
【００２９】
本発明の別の特徴によれば、
−データ送信用手段は、接続回路に組込まれた、感応性素子に遠隔地から給電するための手段をさらに含み、
−データ送信用手段は、無線電気（ｒａｄｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）ルートによるまたは電磁結合によるデータ送信／受信用の手段を含み、
−感応性素子は感圧性素子であり、
−感応性素子は温度感応性素子であり、
−感応性素子は、圧電材料で造られ、
−感応性素子は、窒化アルミニウムをベースとし、
−感応性素子は、他の物理的または化学的物理量（例えばガス、振動、加速、衝撃など）に感応性を有し得る。
【００３０】
本発明を、単に一例として与えられ、添付の図面を参照してなされた以下の説明を読むことでさらに理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
実際は、図１は、特に自動車における過酷な環境用のセンサ構造を示す。
【００３２】
概略的にこのセンサ構造は、この図において参照符号１で示すセンサ本体を含み、センサ本体は、一端に、参照符号２で示す、測定物理量に感応性を有する素子を有することが分かる。
【００３３】
次にこの感応性素子を過酷な環境に置く。
【００３４】
このセンサ本体は、他端において、過酷な環境の外側に置かれ、感応性素子から物理的に分離された、参照符号３で示す接続回路を含む。他方で、この回路３を無線データ送信手段によって感応性素子２に接続する。
【００３５】
実際は、この回路は、例えばデータ送信器／受信器、または増幅手段さえも含むことができ、信号を感応性素子から再生する、または感応性素子へ給電することさえも可能となる。
【００３６】
この場合、データ送信／受信用の手段、または遠隔電力供給、すなわち遠隔地からの給電用の手段さえも、例えばその支持体への接続なしに単体チップの形態でこの回路に組込まれる。
【００３７】
この接続回路３と感応性素子２との間には、データ透過性であり、過酷な環境に対して接続回路を保護するように設計される、参照符号４で示す手段が位置決めされる。
【００３８】
それゆえ、例えば、感応性素子２と回路３との間、すなわちセンサ本体１の２つの端部間に、回路３を保護するための断熱手段を想定することができる。
【００３９】
過酷な環境は、実際に、測定物理量に加えて、接続によって少なくとも１つの電子部品を有する電子測定システムと適合しない別の物理量が集積される環境である。
【００４０】
このような環境において、電子機器およびその接続は、通常弱点となる。実際に、接続は、２つの部品間を接触させるワイヤまたはシートである。
【００４１】
プリント回路のメタライズ層は接続として考慮されない。（例えばマイクロまたはナノテクノロジーなどにおけるチップのような）集積回路のメタライズ層も接続として考慮されない。
【００４２】
本発明によるセンサ構造においては、変換器、すなわち、例えば圧力などのデータを過酷でない域に置かれたセンサへ送信する働きをする素子の概念を省略する。測定をもたらすこの変換器については上述した。
【００４３】
他方では、接続回路自体を環境から保護できている限り、感応性素子を測定物理量とできる限り密着させて配置する。
【００４４】
それゆえ、図１に関して説明する例においては、センサから外側への接続の役割を果たす回路も、例えば無線電気ルートまたは電磁結合を用いたデータ送信／受信用の手段を有することができ、感応性素子から測定物理量の値を再生することが可能となる。
【００４５】
従来の方法でこの感応性素子に遠隔地から電力を供給する手段も想定できる。
【００４６】
上述したように、この感応性素子は圧力または温度に敏感な素子であり得る。
【００４７】
実際に、この感応性素子を例えば圧電材料、例えば窒化アルミニウムＡｌＮに基づいたもので造られ得る。
【００４８】
実際は、過酷な環境に耐える感応性素子におけるこのような圧電材料、例えばＡｌＮなどの使用により、高温に耐え、感応性素子を測定物理量に非常に近接して配置することを可能にする。
【００４９】
そこで、センサの感応性素子とその接続回路との間の接続をなくすことができ、これらの接続を電気通信機器およびおそらくはセンサ内に実際に設けられている遠隔電力供給源によって置き換える。そして、遠隔電力供給源によって、感応性素子がその動作に必要な電力を受けることが可能となる。
【００５０】
感応性素子と回路との間の電気通信手段および遠隔電力供給手段を透過する回路を保護するための手段の使用は、この回路を保護し、かつ回路を安全な環境に置くことを可能とする。
【００５１】
これらの保護手段は例えば空気または他の物質の層で構成できることに留意されたい。 
【００５２】
使用された電気通信手段は、例えば、対象に置かれたタグがこの対象を識別するための信号を発する電子タグ技術またはＲＦＩＤシステムに既に使用されているものと類似であり得る。
【００５３】
本発明によるセンサの構造の場合には、信号はさらに物理量の測定値のキャリアである。
【００５４】
感応性素子２、例えばマイクロまたはナノテクノロジーに基づいたチップは、接続なしに用いることができる単一ブロックの材料で素子を構成する。
【００５５】
そこで、そのような構造によって、構成部品のはんだ接合の融点のほか、電子チップとその接続タブとの間の接続が耐えることができる温度に関連した問題を解決することが可能であることを理解されたい。さらに、結線を使用しないので、ケーブルおよびその絶縁被膜の耐温度性の問題はもはや存在しない。
【００５６】
さらに、この構造によって、接続の振動、衝撃および移動に関連した問題、電力の測定、処理、増幅および供給用の電子装置の耐温度性に関連した問題およびデータを伝える必要のある過酷な環境と保護される部品との間のシーリング手段に関連した問題を解決することが可能となる。
【００５７】
特に、ＡｌＮタイプの材料の感応性材料としての使用は、特にその耐温度性に関していくつかの利点を示す。この材料は、非常な高温まで圧電特性を備え、それにより非常な高温にある環境において劣化せずに動作可能となる。
【００５８】
そのような材料を使用するセンサの例の説明として例えば文献国際公開第０２／２３１４５Ａ２号パンフレットを参照することができる。
【００５９】
自動車用のシリンダー圧力センサへこのようなセンサ構造を組込んだ状態を図２に示す。
【００６０】
実際に、この図２においては、エンジンブロック１０、ならびにシリンダーヘッド１１、ピストン１２、燃焼室１３および参照符号１４で示すシリンダー圧力センサが見られる。
【００６１】
このセンサは、上述したように、一端に感応性素子１６が配置されかつ他端に接続回路１７が配置されるセンサ本体１５を有する。
【００６２】
このセンサ構造を詳細に図３に示し、ここでは同一の参照符号は、図２に関して説明したものと同一または類似の部品を示す。
【００６３】
それゆえ、この図３においては、センサ１４は、センサ本体１５、感応性素子１６および回路１７を有するとして認識される。
【００６４】
上述したように、そこで感応性素子を燃焼室に直接接触させて、非常な高温および超高圧にさらす。電子回路、すなわち送信器／受信器およびおそらく電力供給手段は、この感応性素子とは別個であり、分離されているので、エンジンヘッドの水冷の恩恵を受ける。 
【００６５】
耐高温性圧電材料、例えばＡｌＮなどを使用して、センサの感応性素子を造ることができる。
【００６６】
このＡｌＮをベースとする感応性素子を図３において参照符号１８で示し、例えば圧力によって変形する可撓性ダイアフラム１９に配置する。
【００６７】
自動車のディーゼル機関の予熱プラグへこのようなセンサを組込んだ状態を図４に示す。
【００６８】
次にプラグをこの図４において参照符号２０で示し、このプラグは参照符号２１で示す加熱素子を有する。参照符号２２で示す本発明によるセンサ構造も設けられる。
【００６９】
このセンサ構造は、従来のように、例えばこの予熱プラグに設けられ参照符号２４で示す連通オリフィスを通して燃焼室の圧力にさらされる感応性素子２３を含む。
【００７０】
プラグの他端に配置された電子回路の部品を参照符号２５で示す。
【００７１】
このようなセンサ構造の別の応用を図５に示す。
【００７２】
この例においては、センサは排気圧センサである。
【００７３】
実際は、この図５において参照符号２６で示す排気管が認識され、ここを参照符号２７で示す排気ガスが通過する。
【００７４】
参照符号２８で示す排気圧センサがこの排気管と連通し、このセンサは、従来のように、一端に感応性素子３０が配置されかつ他端に接続回路３１が配置されるセンサ本体２９を含む。
【００７５】
この電子回路を保護するための手段が、感応性素子と回路との間に設けられ、参照符号３２で示される。
【００７６】
これらの保護手段は、例えば断熱材で形成される。
【００７７】
当然、さらに他の実施形態を想定できることが明白である。
【００７８】
それゆえ、例えば、数個のセンサ、例えば圧力センサ、温度センサなどを同じ感応性素子に集めることが可能である。
【００７９】
そしてこれにより、相互電気通信および／または遠隔電力供給装置を使用することによって費用を削減することが可能となる。
【００８０】
これにより、例えば感応性素子におけるドリフトをいくらか補正することも可能となる。これは、例えば圧力センサと温度センサとの組み合わせの場合の温度ドリフトの補正である。
【００８１】
例えば燃焼室内部の高酸素度の測定のガス感応性のセンサの使用またはそれとの組み合わせを想定することも可能である。
【００８２】
振動、加速または衝撃に感応性のセンサを使用してまたはそれと組み合わせて、例えば、燃焼の進捗度合いを監視することを可能とすることを想定することも可能である。
【００８３】
温度、圧力、ガス、振動、加速または衝撃から選択される２種類以上の物理量に感応性の素子も想定できる。
【００８４】
当然、例えば電磁波または無線周波などを使用するものなど、種々のタイプの電気通信機器を想定できる。
【００８５】
同様に、電磁波または無線周波などによる遠隔電力供給装置も想定できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明によるセンサ構造の一般的な構造および動作を示すブロック図を示す。
【図２】このようなセンサ構造のシリンダー圧力センサとしての使用を示す。
【図３】このようなセンサ構造を詳細に示す。
【図４】予熱プラグ内へのこのようなセンサ構造の組込みを示す。
【図５】本発明によるセンサ構造を使用する排気圧センサの構造および動作を示す。
【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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【国際調査報告】
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2008547076.tif 000009
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