(57)【要約】【課題】導電性のばねエレメント３１と対抗エレメント３２とを有し、該ばねエレメントと対抗エレメントとが、少なくとも１つのコンタクト領域３５を介して機械的に接触している形式の、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するためのセンサ装置３０を改良して、高い測定感度及び高い熱的な安定性に基づいて、高い測定精度が得られるようにする。【解決手段】ばねエレメント３１のコンタクト表面が、対抗エレメント３２のコンタクト表面とは異なる湾曲プロフィールを有し、ばねエレメント３１を弾性的に変形させる力作用又は圧力作用に基づいて、ばねエレメント３１と対抗エレメント３２との間のコンタクト領域３５の大きさが変化し、ばねエレメント及び／又は対抗エレメントのコンタクト表面が、高抵抗のコーティング部３１１を備え、コンタクト領域３５の大きさの変化に基づいて、ばねエレメント３１及び対抗エレメント３２より成る装置の抵抗が変化する。【選択図】図３ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するためのセンサ装置（３０）において、
少なくとも１つの導電性のばねエレメント（３１）と、少なくとも１つの導電性の対抗エレメント（３２）とを有しており、
前記ばねエレメント（３１）と対抗エレメント（３２）とが、少なくとも１つのコンタクト領域（３５）を介して機械的に接触しており、
ばねエレメント（３１）のコンタクト表面が、対抗エレメント（３２）のコンタクト表面とは異なる湾曲プロフィールを有していて、それによって、ばねエレメント（３１）を弾性的に変形させる力作用又は圧力作用に基づいて、ばねエレメント（３１）と対抗エレメント（３２）との間のコンタクト領域（３５）の大きさが変化するようになっており、
ばねエレメント（３１）及び／又は対抗エレメントのうちの少なくとも１つのコンタクト表面が、高抵抗のコーティング部（３１１）を備えていて、それによって、コンタクト領域（３５）の大きさの変化に基づいて、ばねエレメント（３１）及び対抗エレメント（３２）より成る装置の抵抗が変化するようになっている、
ことを特徴とする、圧力を測定するためのセンサ装置。
【請求項２】
高抵抗のコーティング部（３１１）は、ばねエレメント材料及び対抗エレメント材料の固有抵抗よりも少なくとも１単位だけ大きい固有抵抗を有する材料、殊に半導体材料、殊にＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４より成っている、請求項１記載のセンサ装置（３０）。
【請求項３】
高抵抗のコーティング部（３１１）が、ピエゾ抵抗式の層材料、殊にＳｉＣ又はダイヤモンド状の炭素（ＤＬＣ）より成っている、請求項１記載のセンサ装置（３０）。
【請求項４】
対抗エレメントが定置であって、力又は圧力が作用した時に実質的に変形しない、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項５】
対抗エレメント（３２）のコンタクト表面が実質的に平らである、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ装置（３０）。
【請求項６】
少なくとも１つのばねエレメント（４２，４３）と少なくとも１つの対抗エレメント（４１）とが、鏡像対称的に配置されており、それによってばねエレメント（４２，４３）と対応エレメント（４１）との間に少なくとも２つのコンタクト領域（４１−４２，４１−４３）が設けられており、これらのコンタクト領域（４１−４２，４１−４３）によって実現された抵抗が測定ブリッジ内で互いに接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ装置（４０）。
【請求項７】
２つのばねエレメント（４２，４３）の間に配置された少なくとも１つの対抗エレメント（４１）を有している、請求項６記載のセンサ装置（４０）。
【請求項８】
少なくとも１つのばねエレメント（６１）が２つの対抗エレメント（６２，６３）間に配置されている、請求項６記載のセンサ装置（６０）。
【請求項９】
少なくとも１つのばねエレメント（３１）と少なくとも１つの対抗エレメント（３２）とが環状に構成されていて、ばねエレメント（３１）がトーラス状に湾曲されたコンタクト表面を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置（３０）。
【請求項１０】
少なくとも１つのばねエレメントと少なくとも１つの対抗エレメントとが、シリンダヘッド構成部材、殊にグロープラグ（１）、インジェクタ又は点火プラグ内に組み込まれている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するためのセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼プロセスを調整若しくは制御することは公知である。燃料噴射を調整することによって、例えばディーゼルエンジンの燃料消費が最適化され、雑音程度が減少される。またこのような調整によって、すす（カーボンブラック）及びＮＯｘの排出も減少される。エンジン調整は、有利な形式で、燃焼室圧力センサによって検出される燃焼室内の圧力比に基づいている。このようなセンサは、寸法が大きくてはならず、また感度が十分であって、しかも良好な熱的安定性を有していなければならない。
【０００３】
圧電式の単結晶（例えば石英又はランガシット"Langasit"、或いは例えばＰＺＴ又はＢＩＴ等の圧電セラミック）の形状の変換器エレメントを備えている燃焼室センサは公知である。単結晶は、高価な機械的な加工を必要とし、一般的に比較的引く測定感度を有している。選択的に使用された圧電セラミックは高感度であるが、しばしばヒステリシス及び老化現象が生じる。
【０００４】
また、金属−歪み測定ストリップ又はＳｉ−変換器エレメントを有するピエゾ抵抗式の燃焼室圧力センサが公知である。金属をベースとする歪み測定ストリップは、良好な熱的安定性を有しているが、感度が低く、寸法が比較的大きいので、内燃機関の燃焼室圧センサに使用するには最適ではない。シリコンをベースとする圧力センサは、比較的高い感度を有しているが、約１４０℃までの温度にしか使用することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するためのセンサ装置を改良して、高い測定感度及び高い熱的な安定性に基づいて、高い測定精度が得られるようなものを提供することである。しかも、本発明のセンサ装置の構造によれば、システムの高い融通性が得られ、また特に内燃機関の燃焼室内にスペースを節約して組み付けることができるようなものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決した本発明のセンサ装置は、少なくとも１つの導電性のばねエレメントと、少なくとも１つの導電性の対抗エレメントとを有しており、ばねエレメントと対抗エレメントとが、少なくとも１つのコンタクト領域を介して機械的に接触しており、ばねエレメントのコンタクト表面が、対抗エレメントのコンタクト表面とは異なる湾曲プロフィールを有していて、それによって、ばねエレメントを弾性的に変形させる力作用又は圧力作用に基づいて、ばねエレメントと対抗エレメントとの間のコンタクト領域の大きさが変化するようになっており、しかも、２つのエレメント（ばねエレメント及び／又は対抗エレメント）のうちの少なくとも１つのコンタクト表面が、高抵抗のコーティング部を備えているので、それによってコンタクト領域の大きさの変化に基づいて、ばねエレメント及び対抗エレメントより成る装置の抵抗が変化するようになっている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセンサ装置は、ピエゾ抵抗式のマイクロコンタクトセンサである。力若しくは圧力作用の、電気的な信号への変換は、高抵抗の層を介して機械的に接触している２つのエレメント（ばねエレメントと対抗エレメント）の電気的な抵抗が、コンタクト領域の大きさに関連している、という点に基づいている。ばねエレメント及び対抗エレメントのコンタクト表面の表面プロフィールが異なっていることに基づいて、作用する力に応じてコンタクト領域の大きさが変化する。表面プロフィールの他に、ばねエレメント及び対抗エレメントの構造、並びに機械的及び電気的な特性が、センサ装置の負荷−抵抗特性曲線を規定するので、負荷−抵抗特性曲線は、簡単な構造的手段によって、それぞれの使用に関する要求に適合させることができる。
【０００８】
基本的に、センサ装置の個別の構成部材に関しても、また構成部材の数及び配置に関しても、本発明によるセンサ装置を実現するための種々異なる可能性が得られる。
【０００９】
前述のように、コンタクト表面は、２つのエレメント（ばねエレメント及び／又は対抗エレメント）の少なくとも１つのコンタクト表面が、高抵抗のコーティング部を備えている。ばねエレメント及び／又は対抗エレメントは、種々異なる固有抵抗を有する少なくとも２つの材料より成る接続エレメントとして製造されているので、ばねエレメントと対抗エレメントとから成る装置の全抵抗は、ほぼ高抵抗のコーティング部によって規定される。従って、この実施例ではコンタクト領域の面は、逆比例的に、作用する力に基づく全抵抗のために重要である。コーティング材料としては、例えばＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４等の半導体材料が適している。本発明によるセンサ装置の感度は、ピエゾ抵抗式のコーティング材料（例えばＳｉＣ又はＤＬＣ）を使用することによって、さらに改善される。
【００１０】
本発明によるセンサ装置の簡単な構造を考慮して、対抗エレメントが定置であって、力又は圧力が作用した時に実質的に変形しないようになっていれば、有利である。
【００１１】
本発明によれば、コンタクト表面の湾曲プロフィールは、ばねエレメント及び対抗エレメントとは異なっているので、機械的な接触は単数又は複数のコンタクト領域を介してのみ行われる。このために、コンタクト表面は例えば均一に変形される。しかしながらコンタクト表面における湾曲された領域は、規定された表面プロフィールを圧刻することによって形成される。例えば高抵抗のコーティングを被着するための技術的な層は、コーティングしようとするコンタクト表面が平らであれば有利である。ばねエレメントのばね作用が湾曲された構造によって形成されていれば、対抗エレメントは有利な形式で平らに構成される。
【００１２】
高抵抗の層材料の抵抗はしばしば温度に著しく依存しているので、本発明によるセンサ装置を所定に使用するためには、温度補整のための手段を選択する必要がある。本発明の特に有利な実施態様によれば、温度の影響は、構造的な手段と回路技術的な手段とを組み合わせることによって修正される。このために、センサ装置は、鏡像対称的に構成されているので、２つのばねエレメント間に配置された少なくとも１つの対抗エレメントを有しているか、又は２つの対抗エレメント間に配置された少なくとも１つのばねエレメントを有している。互いに隣接し合う２つのエレメント間にはそれぞれ少なくとも１つのコンタクト領域が配置されているので、このような形式の装置は、ばねエレメントと対抗エレメントとの間に少なくとも２つのコンタクト領域を有している。これら２つのコンタクト領域の抵抗は、力が作用すると逆向きに変化する。これらの抵抗は、測定ブリッジ内において、温度の影響が測定値に及ぼされることがないように、互いに接続されている。
【００１３】
本発明によるセンサ装置は、例えばオットー機関の燃焼室内に独立形式で使用するために有利である。しかしながら本発明によるセンサ装置は、簡単に組み付けられるだけではなく、特別な使用状況においても相応の構造的な手段によって簡単に組み込むことができる。
【００１４】
例えばディーゼルエンジンにおいて燃焼室を検出するために、本発明によるセンサ装置の少なくとも１つのばねエレメントと少なくとも１つの対抗エレメントとが環状に構成されていて、ばねエレメントがトーラス状に湾曲されたコンタクト表面を有していれば、有利である。この場合、センサ装置は、簡単にシリンダヘッド構成部分、特にグロープラグ又はインジェクタ内に組み込むことができる。開放した環状部材の中央を介して、シリンダヘッド構成部分のための（例えばセンサ装置をグロープラグに組み込む場合にはグロー電流のための、又はセンサ装置をインジェクタ内に組み込む場合には燃料のための）供給ラインがガイドされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
前述のように、本発明の思想を有利な形式で実施する種々異なる可能性が得られる。このために、一方では請求の範囲が参照され、他方では、図面を用いて以下に説明されている本発明の複数の実施例が参照される。
【００１６】
実施例
図１に示した測定装置１０において、シリンダヘッド部材つまりグロープラグ１が圧力−力−変換エレメントとして用いられる。グロープラグ１の一端部は、燃焼室内に突入している。グロープラグ１の、燃焼室とは反対側の端部の外周部に、支持パイプ２が固定されており、この支持パイプ２はグロープラグ１のこの端部を越えて突き出している。燃焼室側で、グロープラグ１は、引っ張り弾性的なシールダイヤフラム３を介してスリーブ４に接続されており、このスリーブ４は支持パイプ２のためのガイドを形成しており、それによってグロープラグ１は軸方向１１で摺動可能に支承されている。スリーブ４は、燃焼室とは反対側で、支持パイプ２のための環状の支持部５を備えている。しかもこの支持部５は、本発明に従って同様に環状に構成されたセンサ装置６のための支持体としても用いられる。図示のセンサ装置１０において、燃焼室内に形成された圧力比は力作用Ｆとして、支持パイプ２と共に摺動可能に支承されたグロープラグ１を介してセンサ装置６に伝達される。センサ装置６は、通常は支持部と支持パイプとの間でプリロード（予備加重）をかけられているので、組み付け時に発生する引っ張りモーメントにおいて、及びシリンダヘッド内に熱的に誘導された応力において、センサ装置６に殆ど影響は及ぼされない。グロープラグ１のためのグロー電流導線７は、支持パイプ２、センサ装置６及び支持部５の環状開口を通ってガイドされている。
【００１７】
マイクロコンタクトセンサエレメントの機能原理（図１に示したセンサ装置６もこの機能原理に基づいている）について、以下に図２ａ及び図２ｂを用いて説明する。マイクロコンタクトセンサ装置は少なくとも２つの部分、図示の実施例では部分２１及び２２より成っており、これら２つの部分２１，２２は、すくなくとも１つのコンタクト領域２３を介して機械的に接触している。２つの部分２１，２２は一緒に、ほぼコンタクト領域２３の大きさによって規定される電気抵抗を形成する。部分２１のコンタクト表面は湾曲されていて、高抵抗の層２４を備えており、この層２４は、部分２１の導電性の担体材料よりも高い固有抵抗（抵抗率）を有している。従って担体材料として、例えばＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４等の半導体材料でコーティング（被覆）された金属を使用することができる。これとは異なり、金属の部分２２のコンタクト表面は、ほぼ平らに構成されていて、コーティングされていない。したがって、２つの部分２１，２２の全抵抗は、コンタクト領域２３の大きさ及び高抵抗の層２４によって規定される。検出しようとする力Ｆは、２つの部分２１，２２に作用し、それによってこれら２つの部分は互いに押し付けられ、２つの部分２１及び／又は２２のうちの少なくとも１つが弾性的に変形せしめられる。この場合、コンタクト領域２３の大きさ、ひいては装置全体の電気抵抗も変化する。これによって、センサ装置の抵抗とこのセンサ装置に作用する力Ｆとの間の所定の依存性が得られる。ピエゾ抵抗式の層材料例えばＳｉＣ又はＤＬＣが高抵抗の層２４のために使用されれば、センサ装置の感度は、さらに付加的に高められる。
【００１８】
図３ａ及び図３ｂを用いて、図１に示したセンサ装置のために設計されたセンサ装置３０について説明する。センサ装置３０はばねエレメント３１を有しており、このばねエレメント３１は、図３ａには単独で示されている。ばねエレメント３１はコーティングされた環状の金属皿ばね３１１として構成されており、この金属皿ばね３１１はトーラス（torus；隆起部）状に湾曲されている。上方に向かって湾曲された、金属皿ばね３１１の表面は、高抵抗の半導体層３１２を備えている。図３ｂには、このセンサ装置３０の電気抵抗を検出するための測定電圧用の接続部３４を備えた、２つの金属製の孔付き円板状の対抗エレメント３２と３３との間に配置されたばねエレメント３１が示されている。電気抵抗のために受容なコンタクト領域３５は、この実施例では、ばねエレメント３１のコーティングされた表面と下側の対抗エレメント３２との間におけるばねエレメント３１の湾曲に応じて、円環状に構成されている。
【００１９】
図４〜図６には、本発明によるセンサ装置の最も簡単な変化実施例が示されており、この変化実施例において、ばねエレメントの高抵抗のコーティングの抵抗の、場合によっては存在する温度依存性は、センサ装置の巧みな構造及び巧みな接続回路によって補正される。図４〜図６に示したすべての変化実施例において、センサ装置は鏡像対称的に構成されているので、センサ装置内において少なくとも２つのコンタクト領域がばねエレメントと対抗エレメントとの間に形成されている。
【００２０】
従って、図４に示したセンサ装置４０は孔付き円板状の対抗エレメント４１を有しており、この対抗エレメント４１は、２つのばねエレメント４２と４３との間に配置されている。これらのばねエレメント４２及び４３は、図３ａに示したばねエレメント３１のような、コーティングされた環状の金属皿ばねとして構成されている。２つのばねエレメント４２，４３の、トーラス状に上方に向かって湾曲された表面は、それぞれ対抗エレメント４１に対するコンタクト表面を形成しているので、下側のばねエレメント４２と対抗エレメント４１との間にも、また上側のばねエレメント４３と対抗エレメント４１との間にも、円環状のコンタクト領域４１−４２若しくは４１−４３が形成されている。センサ装置４０は、中央の対抗エレメント４１の他に、下側の孔付き円板状の対抗エレメント４４及び上側の孔付き円板状の対抗エレメント４５を有している。すべての対抗エレメント４１，４４及び４５は、導電性の材料例えば金属より成っているので、電圧低下は、対抗エレメント４１と４４との間、若しくは対抗エレメント４１と４５との間で、コンタクト領域４１−４２及び４１−４３を介して読み取ることができる。
【００２１】
２つのコンタクト領域４１−４２及び４１−４３に相当する抵抗は、ホイートストーンブリッジ回路のハーフブリッジに接続されている。２つの規定された抵抗Ｒ１及びＲ２は、別のハーブブリッジを形成しているので、ブリッジ回路によって、コンタクト領域４１−４２及び４１−４３の、温度とは無関係な相対的な抵抗変化が検出される。
【００２２】
センサ装置４０の２つのばねエレメント４２及び４３はプリロード（予備荷重）をかけられている（つまり付勢されている）。測定しようとする力は、中央の対抗エレメント４１に導入され、ばねエレメント４２及び４３を付加的に負荷するか、若しくは負荷解除するように作用する。それに応じてそれぞれのコンタクト領域４１−４２若しくは４１−４３の大きさが変化する。前述のように、これから得られる相対的な抵抗変化は、温度とは無関係であり、ブリッジ回路によって簡単に検出することができる。
【００２３】
図５に示したセンサ装置５０と、図４に示したセンサ装置４０との主要な相違点は、図５に示したセンサ装置５０においては、ばねエレメント５２と５３との間で中央に配置された孔付き円板状の対抗エレメント５１の平らなコンタクト表面が、高抵抗のコーティング５１１を備えていて、ばねエレメント５２及び５３のコンタクト表面ではない、という点である。しかしながらこのことは、センサ装置４０の機能形式に相当する、センサ装置５０の機能形式に作用しない。しかも図５に示されているように、別の対抗エレメントの図示は省かれているが、これは同様に機能形式にとっては重要ではない。
【００２４】
図４及び図５に示した変化実施例とは異なり、図６には、２つの対抗エレメント６２と６３との間に配置されたばねエレメント６１を備えたセンサ装置６０が示されている。対抗エレメント６２及び６３は、前記実施例と同様に金属製の孔付き円板の形状を有しているのに対して、図６に示した実施例では、環状のばねエレメント６１の２つのコンタクト表面は、トーラス状に湾曲されていて、高抵抗のコーティング部６１１を備えている。この実施例では、信号読み取りは、図４に示したように測定ブリッジを用いて行われる。
【００２５】
最後にもう一度、本発明による圧力検出のためのセンサ装置は、シリンダヘッド構成部材に組み込むことができ、また例えば図１に関連して示されているように、独立した構成部材としても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるセンサ装置を用いて燃焼室圧力を検出するための測定装置の概略的な断面図である。
【図２ａ】ピエゾ抵抗式のマイクロコンタクトセンサ装置の機能原理を示す部分断面図である。
【図２ｂ】ピエゾ抵抗式のマイクロコンタクトセンサ装置の機能原理を示す部分断面図である。
【図３ａ】本発明によるセンサ装置の構造を示す斜視図である。
【図３ｂ】本発明によるセンサ装置の構造を示す断面図である。
【図４】本発明による温度補償式のセンサ装置の変化例の概略的な断面図である。
【図５】本発明による温度補償式のセンサ装置の変化例の概略的な断面図である。
【図６】本発明による温度補償式のセンサ装置の変化例の概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  グロープラグ、  ２  支持パイプ、  ３  シールダイヤフラム、  ４  スリーブ、  ５  支持部、  ６  センサ装置、  ７  グロー電流導線、  １０  測定装置、  ２１，２２  部分、  ２３  接触領域、  ２４  高抵抗の層、  ３０  センサ装置、  ３１  ばねエレメント、  ３１１  金属皿ばね、  ３１２  高抵抗の半導体層、  ３２，３３  孔付き円板状の対抗エレメント、  ３４  接続部、  ３５  コンタクト領域、  ４０  センサ装置、  ４１  孔付き円板状の対抗エレメント、  ４２，４３  ばねエレメント、  ４１−４２，４１−４３  コンタクト領域、  ５０  センサ装置、  ５１１  高抵抗のコーティング部、  ５２，５３  ばねエレメント、６０  センサ装置、  ６１  ばねエレメント、  ６１１  高抵抗のコーティング部、  ６２，６３  対抗エレメント
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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