(57)【要約】【解決手段】センサーダイヤフラム１３によって圧力若しくは力を測定するためのセンサー装置であって、センサーダイヤフラムのダイヤフラム外面２０にピエゾ抵抗効果の測定エレメント８が配置されており、測定エレメントと逆の側に、センサー装置１０をケーシングに対して密閉するためのシール面１５，１６が設けられている形式のものにおいて、密閉のためのシール力を導入する力導入領域２３，２４が、センサーダイヤフラム３に対して力学的に遮断されている。【効果】センサー装置を著しく小さくでき、かつセンサーダイヤフラムを測定領域に近づけて配置することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサーダイヤフラム（１３）によって圧力若しくは力を測定するためのセンサー装置であって、センサーダイヤフラムのダイヤフラム外面（２０）にピエゾ抵抗効果の測定エレメント（８）が配置されており、測定エレメントと逆の側に、センサー装置（１０）をケーシングに対して密閉するためのシール面（１５，１６）が設けられている形式のものにおいて、シール力を導入するための力導入領域（２３，２４）が、センサーダイヤフラム（３）に対して力学的に遮断されていることを特徴とするセンサー装置。
【請求項２】
力導入領域（２３，２４）とセンサーダイヤフラム（３）との間でセンサー装置の周囲に遮断溝（２１）が設けられている請求項１記載のセンサー装置。
【請求項３】
センサー装置（１０）の本体がシール円錐部（１５）を有しており、シール円錐部のシール面（１６）が３０°と６０°との間の円錐角（１７）を有している請求項１記載のセンサー装置。
【請求項４】
シール円錐部（１５）が、センサー装置（１０）の最大直径（２８）の領域から第１の端面（１１）に向かって延びている請求項３記載のセンサー装置。
【請求項５】
遮断溝（２１）の溝深さ（２２）が、センサー装置（１０）の最大直径（２８）と第１の直径（２７）との差にほぼ相当している請求項２記載のセンサー装置。
【請求項６】
遮断溝（２１）がセンサー装置（１０）の第１の端面（１１）と第２の端面（１２）との間のほぼ中央を全周にわたって延びている請求項２記載のセンサー装置。
【請求項７】
シール円錐部（１５）がセンサー装置（１０）の、センサーダイヤフラム（１３）を含む本体内に統合されている請求項１記載のセンサー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーダイヤフラムによって圧力若しくは力を測定するためのセンサー装置に関する。圧力若しくは力は一般的にピエゾ抵抗式のセンサー装置によって測定される。このようなセンサー装置（単に「センサー」ともいう）は、力若しくは圧力を受ける面の変形を用いて測定結果をもたらすものである。このような理由から、測定すべき圧力と関係のない変形、例えば組み付け応力若しくは締め付け応力並びに熱膨張による変形をセンサー装置に対して遮断する必要がある。
【背景技術】
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許第３８１１３１１Ｃ１号明細書は、内燃機関の燃焼室内の圧力検出のための圧力発信器を開示するものである。該圧力発信器（圧力センサー）のケーシングは、燃焼室に対して感圧可能なダイヤフラムによって閉じられている。ダイヤフラムはロッド（押し棒）の第１の端部に結合されており、ロッドの第２の端部は少なくとも１つのピエゾ抵抗効果のある結晶を支えている。結晶への力伝達は、隙間のない素材接続に基づき機械的な応力なしに行われる。ケーシングへのダイヤフラムの結合は、溶接結合によって行われ、ロッドの第２の端部に続く構成部分のすべての境界面は接着剤を用いて互いに結合されている。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２７８３Ａ１号明細書も、内燃機関の燃焼室内の圧力検出のための圧力発信器を開示するものである。ハイブリッド部材上に電気的な評価回路の電子部品を配置してある。ハイブリッド部材上にはさらに、接触面をプリント形成してある。ハイブリッド部材は直接にロッドと圧力発信器（圧力センサー）の対向支承部との間に配置されている。電子部品と接触面とは標準的な簡単なボンディングワイヤによって互いに接続されている。このようにして、該圧力発信器は小さく形成されている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第１９５３８８５４Ｃ１号明細書にも、内燃機関の燃焼室内の圧力検出のための圧力発信器を記載してある。ケーシングの孔内にロッドを配置してあり、ロッドは一方の端部で、孔の開口を閉鎖しているダイヤフラムに接触して、ダイヤフラムに作用を及ぼすようになっており、これによって燃焼室内の圧力に比例した信号を形成するようになっている。ロッドの形状、ロッドの端部の表面、ダイヤフラムの表面及び各材料は、ほぼ誤差のない圧力導入を可能にするように互いに調整されている。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４１９１３８Ａ１号明細書には、高温圧力センサーを記載してある。この場合には、温度の高い流体の圧力がダイヤフラム区分の圧力ばね面に作用すると、ダイヤフラム区分に圧力たわみを生ぜしめるようになっている。圧力たわみは圧力伝達部分を介して変位量検出部分に伝達され、その結果、圧力に相応した電気的な信号が生ぜしめられる。ダイヤフラム区分は中央に切欠き部分を有しており、切欠き部分はダイヤフラム区分の中央の軸線を中心として対称的に延びている。圧力伝達部分の１つの端部は切欠き部分の中央の箇所に接触している。ダイヤフラム内の１つの円錐形の区分の厚さは、外側の周区分の厚さよりも大きくないか、若しくは中央の底部区分の厚さと同じである。ダイヤフラム上に熱絶縁プレートを設けてあり、これによって、ダイヤフラム区分の表面を温度の高い流体の放射熱から保護するようになっている。
【０００６】
圧力若しくは力の測定のために用いられるピエゾ抵抗式のセンサー装置は、作用する圧力若しくは力による変形を利用して測定結果を生ぜしめるようになっている。このような理由からセンサー装置の、例えば組み付けに起因する変形はできるだけ小さく保たれねばならない。このために、センサーのねじ込み用ねじ山並びにシール面は、センサー部材若しくは測定エレメントからできるだけ離して配置されて、これによって力学的に遮断するように、即ち組み付け力の影響を避けるようにしてある。
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許第３８１１３１１Ｃ１号明細書
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２７８３Ａ１号明細書
【特許文献３】ドイツ連邦共和国特許第１９５３８８５４Ｃ１号明細書
【特許文献４】ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４１９１３８Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明の効果】
【０００７】
センサー装置の本発明に基づく構成によって、１つの構成部分若しくは１つの構成部品で複数の機能を満たすことのできる特に小型のセンサーを製造することができる。本発明に基づくセンサー装置においては利点として、圧力測定のほかに、センサー装置のねじ込まれるケーシングを用いてセンサー装置を圧力下の測定媒体に対して密閉することができる。圧力測定機能と密閉機能とは同一のセンサー装置によって達成され、この場合に密閉機能はセンサー装置の変形による不都合な影響を圧力測定機能に及ぼすものではない。センサー装置は、センサー装置内にシール面を統合することによってセンサー装置全体の構成寸法を著しく減少される。さらに、センサーダイヤフラムを測定空間、例えば燃焼室に近づけて取り付けることができ、このことはピエゾ抵抗式の公知の圧力センサーでは極めて不可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に示すセンサー装置のセンサー本体１には、ピエゾ抵抗式の圧力センサー部材２を設けてある。センサー本体１は溶接継ぎ目７を介してピンに溶接結合されており、ピンはセンサー本体１から離れた箇所にねじ込み用ねじ山３を備えている。ピンの下側の端部にはねじ込み用ねじ山３の下側にシール円錐部４を設けてある。ピンは貫通孔５によって貫通されており、該貫通孔はピエゾ抵抗式の圧力センサー部材２のセンサーダイヤフラム６によって閉鎖されている。図１に示す従来技術の圧力センサーは、シール力若しくは締め付け力の導入のために役立つシール円錐部１４をセンサー本体１に対して力学的に遮断するため、即ちシール円錐部における締め付け力、ひいては変形をセンサー本体に伝えないようにするために、大きな構成高さ（高さ寸法）を有している。
【０００９】
従来技術の圧力センサーの平面を示す図２から明らかなように、ピエゾ抵抗式の圧力センサー部材２のセンサーダイヤフラム６の上面に、ピエゾ抵抗効果をもつ複数の測定エレメント８を取り付けてある。センサーダイヤフラム６は、貫通孔５（図１）の内部が圧力で負荷されると変形され、該変形はピエゾ抵抗効果の測定エレメント８に影響を及ぼし、その結果、測定エレメント８は変形、即ち圧力に相応した信号を生ぜしめる。
【００１０】
図３は、本発明に基づきシール面を統合されたセンサー装置１０の斜視図である。シール面を統合された、即ち組み込まれたセンサー装置１０は、第１の端面１１及び第２の端面１２を有している。第１の端面１１は、中空室３０の開口を有しており、中空室３０は第２の端面１２に設けられたセンサーダイヤフラムに通じている。中空室３０はセンサー装置１０の内壁１８（図４も参照）によって画成されている。センサー装置１０の第１の端面１１にシール円錐部１５を設けてある。シール円錐部１５はシール面１６によって形成されており、該シール面はセンサー装置１０の第１の端面１１から第２の端面１２の側に向かって末広がりに延びている。
【００１１】
図４は本発明に基づく、シール面、即ちシール円錐部の統合された、換言すれば一体成形されたセンサー装置１０の部分断面図である。
【００１２】
センサー装置１０は、対称軸線１４を中心として回転対称的に形成された構成部材から成っている。図４に示してあるように、センサー装置１０の第１の端面１１の側でセンサー装置１０のセンサー本体に直接にシール円錐部１５を成形してある。シール円錐部１５のシール面（円錐面）１６は、センサー装置の第１の端面１１に対して所定の角度（円錐角１７と称する）を成している。円錐角１７は有利には３０°と６０°との間の範囲にある。図４のセンサー装置１０の、内壁１８によって画成された中空室３０は、センサーダイヤフラム１３によって画定されている。センサーダイヤフラムのダイヤフラム内面１９は中空室３０に面しているのに対して、ダイヤフラム外面２０はセンサー装置１０の第２の端面１２を成している。ダイヤフラム外面２０に、測定エレメント８を配置してある。
【００１３】
図４に示すセンサー装置１０の外側で力導入領域２３の上側に、センサー装置１０の内壁１８に向かって延びる遮断溝２１を設けてある。センサー装置１０は力導入領域２３に環状面２４を有している。環状面（リング面）に実施例ではスリーブ管を溶接結合してあり、スリーブ管はシール円錐部１５の領域での密閉のために必要な力、即ち締め付け力若しくはシール力を導入するために役立っている。シール円錐部１５のシール面１６は、力導入領域２３の環状面２４を介して導入されるシール力によって、センサーダイヤフラム１３を変形させることになるモーメントがほとんど生ぜしめられないように形成されている。
【００１４】
遮断溝２１を所定の溝深さ２２で形成してあることに基づき、センサー装置１０の下側の領域、即ち遮断溝２１の下側での変形は上側の領域に伝わらず、即ち、ピエゾ抵抗式の測定エレメント８の取り付けられたセンサーダイヤフラム１３に伝達されない。遮断溝２１は所定の溝深さ２２並びに所定の溝幅２５で形成されている。力導入領域２３から測定エレメント８を配置された上側の領域への力学的な極めて有効な遮断のために、遮断溝２１はできるだけ大きな溝深さ２２並びに大きな溝幅２５で構成されている。溝深さ２２及び溝幅２５の構成は、シール面１６の組み込まれたセンサー装置１０が、中空室３０内に作用する内圧並びにセンサー装置１０のねじ込みのために必要な締め付けトルクに対する機械的な十分な安定性、即ち十分な形状安定性を有しているように適切に行われる。
【００１５】
図４に示す本発明に基づくセンサー装置１０は、上側の領域に第１の直径２７を有している。最大直径２８はシール円錐部１５のシール面１６の終端領域、即ち力導入領域の外周によって規定されている。符号２９はシール面１６の平均的な直径を表している。本発明に基づくセンサー装置は、図１に示す従来のセンサー装置に比べて極めて小さい構成高さ２６しか有していない。本発明ではシール円錐部１５のシール面１６をセンサー装置１０の本体内に統合する、即ち組み込むことによって、本発明に基づくセンサー装置の構成高さ（高さ寸法）は著しく減少でき、かつセンサーダイヤフラム１３は、制限された組み込みスペース条件下でも測定領域（測定空間）に接近させられる。このこと、即ちセンサーダイヤフラムを測定領域に近づけることは、図１に示す従来のセンサー装置においてはセンサーダイヤフラム６とシール面４との間の長い距離（寸法）に基づき達成され得ない。公知技術のセンサー装置のシール円錐部４は、ダイヤフラム６から遠くに離され、即ちピン状の部材の全長にわたってダイヤフラムから隔てられている。
【００１６】
図４に示す丸みの付けられた断面を有する遮断溝２１の代わりに、別の遮断用幾何学構造若しくは遮断用成形部を、力導入領域２３と第２の端面１２側のセンサーダイヤフラム１３との間に設けること考えられる。図４に示す断面Ｕ字形に成形された遮断溝２１の代わりに、遮断溝は断面半円形の溝底部を有しているか、若しくはスリット状に形成されていてよい。遮断溝２１の幾何学形状、特に溝深さ２２及び溝幅２５は、使用される材料並びにセンサー装置１０の組み込みスペースに応じて任意に変更され得るものである。第２の端面１２のセンサーダイヤフラム１３に対する第１の端面１１のシール円錐部１５のメカニカルな最適な遮断を達成するために、遮断溝２１は第１の端面１１と第２の端面１２との間のできるだけ中央に配置されている。図３及び図４に示す本発明に基づくセンサー装置１０は、同一の構成部材によって、圧力センサーの測定の機能及び、該圧力センサーのねじ込まれるケーシングに対する密閉の機能を保証するものである。
【００１７】
センサー装置１０は、センサースリーブ管３１を用いて例えば内燃機関のシリンダーヘッドの燃焼室の近傍に組み付けられる。センサースリーブ管（センサー外套管）３１は端面で力導入領域２３の環状面２４と接触している。センサースリーブ管３１の、環状面２４に向いた端面は、環状面２４と図４に暗示すように素材接続的な結合部３３によって結合されていてよい。センサースリーブ管は例えば溶接によって結合されてよい。ねじ山区分３２を有するセンサースリーブ管３３のねじ込みによって、センサー装置１０はシール円錐部１５のシール面１６で以て内燃機関のシリンダーヘッド内に密接に、即ち気密に受容される。センサーダイヤフラム１３、並びにダイヤフラム外面２０に配置された測定エレメント８は、遮断溝２１によって、測定結果に影響を及ぼす組み付け応力に対して確実に絶縁（遮断）されている。
【００１８】
図４に示すセンサー装置１０は例えば特殊鋼から製造されてよく、ほぼ５ｍｍの直径を有している。本発明に基づくセンサー装置１０は、例えば８．６ｍｍの直径でも製造でき、またそれよりも大きな寸法でも製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術のセンサー装置の断面図
【図２】図１のセンサー装置の平面図
【図３】本発明に基づくセンサー装置の斜視図
【図４】本発明に基づくセンサー装置の一部分の断面図
【符号の説明】
【００２０】
１  センサー本体、  ２  圧力センサー部材、  ３  ねじ込み用ねじ山、  ４  シール円錐部、  ５  貫通孔、  ６  センサーダイヤフラム、  ７  溶接継ぎ目、  ８  測定エレメント、  １０  センサー装置、  １１，１２  端面、  １３  センサーダイヤフラム、  １４  対称軸線、  １５  シール円錐部、  １６  シール面、  １９  ダイヤフラム内面、  ２０  ダイヤフラム外面、  ２１  遮断溝、  ２２  溝深さ、  ２３  力導入領域、  ２４  環状面、  ２６  構成高さ、  ２７  直径、  ２８  最大直径、  ２９  平均的な直径、  ３０  中空室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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