(57)【要約】本発明は、金属ダイヤフラム（１）を用いて、圧力に依存しないで温度を求める方法に関する。ここでは複数の抵抗（６，７，８，９）を有するブリッジ回路（５）が収容される。抵抗（６，７，８，９）の抵抗対（１０）が中央近傍に配置され、抵抗（６，７，８，９）の抵抗対（１１）が中央から離れて配置される。中央近傍に配置された、抵抗（６，７，８，９）の抵抗対（１０）の引っ張り伸長（Δ１）が、中央から離れて配置された、抵抗（６，７，８，９）の抵抗対（１１）の圧縮（−Δ１）に絶対値的に相当するように、抵抗（６，７，８，９）が金属ダイヤフラム上に配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラム（１）を用いて、圧力に依存しないで温度を求める方法であって、
当該ダイヤフラム上に、複数の抵抗（６，７，８，９）を有するブリッジ回路（５）を収容し、
当該複数の抵抗から１つの抵抗対（１０）を中央近傍に配置し、１つの抵抗対（１１）を中央から離れて配置する形式の方法において、
前記中央近傍に配置された抵抗対（１０）の引っ張り伸長Δ１が、前記中央から離れて配置された抵抗対（１１）の圧縮−Δ１に相当するように、前記抵抗（６，７，８，９）を前記ダイヤフラム（１）上に配置する、
ことを特徴とする、圧力に依存しないで温度を求める方法。
【請求項２】
前記中央近傍に配置された抵抗対（１０）を、前記金属ダイヤフラム（１）上に、当該金属ダイヤフラム（１）に圧力が印加された時に生じる伸長最大部（１２）の領域内に配置する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記中央から離れて配置された抵抗対（１１）を、前記金属ダイヤフラム（１）上に、圧縮最大部（１３）が生じる領域（３）内に配置する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記伸長最大部（１２）が生じる前記金属ダイヤフラム（１）の領域および前記圧縮最大部（１３）が生じる前記金属ダイヤフラム（１）の領域を、有限要素法を用いて突き止める、請求項２および３記載の方法。
【請求項５】
前記ブリッジ回路（５）の伸長（Δ１）と圧縮（−Δ１）の絶対値（｜Δ１｜）は等しい、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記金属ダイヤフラム（１）の構造の幾何学的形状最適化を、ＦＥＭシミュレーションの枠内で行う、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ＦＥＭシミュレーションの枠内で、金属ダイヤフラム（１）の直径、金属ダイヤフラム（１）の厚さ並びに金属ダイヤフラム（１）の高さ等の幾何学的形状縁部条件を考慮する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記ＦＥＭシミュレーションの枠内で、金属ダイヤフラム１に印加される定常圧力を考慮する、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
燃焼室圧力センサとして今日では、圧電式クオーツセンサチップが使用されている。このようなセンサチップが、内燃機関の燃焼室内を占めている圧力を検出するのに使用される場合、Ｓｉチップは約６００°の温度領域になる高温に直接さらされてはならない。これは、金属製隔離ダイヤフラムと、充分な長さのはんだ付けプランジャーを用いて実現される。微小な基台をダイヤフラム中央に、マイクロメカニカル技術を用いて取り付けることによって、センサは力センサとして使用できる。
【０００２】
従来技術
自動車ハンドブック／Bosch（主任編集者：Horst Bauer）；第２３巻、改訂版 Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg 1999, ISBN 3-528-03876-4, １１０／１１１頁から、センサチップとして構成されている燃焼室圧力センサが公知である。このＳｉチップが直接的にではないが、最高６００℃の高温にさらされることを避けるために、金属製隔離ダイヤフラムおよび数ミリメートルの長さのはんだ付けプランジャーが設けられる。フロントダイヤフラムによって検出された圧力はプランジャーを経由して、基台を経由して歪みを抑えながらセンサチップに伝達される。このセンサは奥まった部分に取り付けられ、１５０℃を下回る作動温度に制限される。
【０００３】
１１０頁の、右側欄の下には、半導体圧力センサではブリッジ回路が公知である。これには供給電圧Ｕ０が加えられる。このブリッジ回路は測定抵抗Ｒ１並びに測定抵抗Ｒ２を含む。測定抵抗Ｒ１は負荷時に伸長し、測定抵抗Ｒ２は、取り付けられているシリコン基板の機械的な負荷時に圧縮される。
【０００４】
スチール製ダイヤフラムまたはシリコンダイヤフラム上に載せられ、伸長測定に基づいて、このように構成された圧電抵抗式半導体センサは、自動車領域内の多くのシステムにおいて使用されている。これには、ガソリン直接噴射部、高圧蓄積噴射部（コモンレール）、走行動的特性調整部並びに電気液圧式ブレーキが挙げられる。圧電抵抗式半導体センサの将来の用途は、内燃機関の燃焼室内のシリンダ選択式圧力測定である。
【０００５】
圧力を測定するために、適切な寸法に構成されたスチール製ダイヤフラム上に複数の抵抗が配置され、ホイートストンブリッジ形状に相互接続される。これらの抵抗の伸長（Dehnung）ないし圧縮（Stauchung）によってホイートストンブリッジの状態が変わり、加えられた圧力に比例する電気信号を供給する。ブリッジ信号の所望の圧力依存性の他に、ブリッジ信号は温度依存性を有する。精度要求が高いので、この温度依存性は補償されなければならない。この補償は、これまでに公知の実施形態では、直接的にスチール製ダイヤフラム上に取り付けられた付加的な補償抵抗または評価電子回路領域内の温度測定およびこれに続く、出力信号計算時の考慮によって行われる。
【０００６】
本発明の説明
本発明で提案される解決方法では、ダイヤフラムの幾何形状を適切に設計すること、並びに伸長測定ストリップ（Dehnmessstreifen:ＤＭＳ）をダイヤフラム上に適切に位置付けることによってブリッジ回路に次のような影響を与える。すなわち測定ブリッジの全体抵抗がダイヤフラムの変位に依存しなくなり、ひいては全体抵抗がダイヤフラムの温度のみに依存するように影響を与える。このようにして、ホイートストンブリッジとして構成されている同じ測定ブリッジによって、測定されるべき圧力に依存せず、ダイヤフラムの温度がこの測定ブリッジによって突き止められ、補償目的で使用される。このようにして、センサエレメントとして用いられる測定ブリッジによるダイヤフラムの、圧力に依存しない温度特定が可能になる。しかも、金属製ダイヤフラム上に付加的な補償抵抗または温度測定抵抗を設ける必要ない。
【０００７】
有利には、本発明で提案される解決方法では、補償抵抗または温度測定抵抗並びにそれらの電気的な接続点によって金属製ダイヤフラムの付加的な面積は必要とされない。これによって同じように、より高い矮小度合いが得られる。これは、圧力センサが使用される内燃機関のシリンダヘッド領域内の今日の場所比率では相当のものである。センサ素子の矮小化は再び、製造コストに関する利点をもたらす。矮小化された燃焼室圧力センサに基づいて、内燃機関でのこの種のセンサ素子の使用可能性が格段に広げられる。
【０００８】
さらに、本発明で提案される解決方法によって、付加的な電気的接触接続点が省かれる。これは一方では加工プロセスを格段に容易にし、他方ではポテンシャル欠損箇所（例えばコンタクト破壊による）が回避される。燃焼室圧力センサの場合には、評価電子回路は、約１４０℃の許容最高温度に基づいて、６００℃までのピーク温度が生じ得る元来の圧力測定箇所から遠く離れて位置する。従ってこれまで使用されている圧力センサでは評価電子回路領域における温度測定は、ホイートストン測定ブリッジの温度補償を行うためには不正確すぎる信号を供給してきた。本発明で提案される、圧力依存ブリッジ抵抗の測定および評価は、燃焼室圧力センサの測定精度を格段に改善する。
【０００９】
図面
図面に基づいて本発明を以下でより詳細に説明する。
【００１０】
図１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄには、金属製ダイヤフラム上に配置された、圧縮測定ストリップ（ＤＭＳ）の複数の実施形態が示されており、
図２には、変位された状態の、金属製ダイヤフラムと、この金属ダイヤフラム上に取り付けられた圧縮測定ストリップが示されており、
図３には伸長最大部および圧縮変形最大部を有する、ダイヤフラム材料の横断面が示されている。
【００１１】
実施形態
スチール製ダイヤフラム上の、連続図１ａ、１ｂ、１ｃおよび１ｄに示されたブリッジ回路は、目下の従来技術である。
【００１２】
金属ダイヤフラム１上にはブリッジ回路５が取り付けられている。これはホイートストンブリッジ回路から構成されている。ブリッジ回路５は、複数の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を含む。これらの抵抗は参照番号６，７，８および９によって示されている。金属ダイヤフラム１は有利にはスチール製ダイヤフラムである。このスチール製ダイヤフラムの中心部は参照番号２によって示されており、半径ｒで構成されている。周辺領域、すなわち金属ダイヤフラム１の中央部２から遠く離れて位置する領域はそれぞれ参照番号３によって示されている。金属ダイヤフラム１の縁部は、参照番号４によって示されている。
【００１３】
ブリッジ回路５内に相互接続されている抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は有利には伸長測定ストリップである。ブリッジ回路５は、供給電圧Ｕ０に接続されている；測定電圧ＵＡのピックアップは、抵抗Ｒ１とＲ４の間、ないしはＲ２とＲ３の間に位置している。
【００１４】
金属ダイヤフラム１上に配置された抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は次のように配置される。すなわち金属ダイヤフラム１へ圧力が加えられたとき、伸長ないしは圧縮変形を受けるように配置される。これによってブリッジ回路の状態が変わり、金属ダイヤフラム１に印加された圧力に比例した電圧信号ＵＡを供給する。これは評価回路に供給される。このような信号ＵＡは圧力のみに依存するのではなく、温度にも依存する。圧力に依存することが望まれている。しかし、燃焼室圧力センサとして使用される場合に設定される高い精度要求を満たすために、得られた信号ＵＡの温度依存性は補償抵抗ＲＴ１，ＲＴ２を必要とする。図１において示された解決方法では、測定信号ＵＡの温度依存性を補償するために、金属ダイヤフラム１上に付加的な補償抵抗ＲＴ１，ＲＴ２が取り付けられる。しかしこのような補償抵抗ＲＴ１，ＲＴ２は、感度の温度依存性だけにのみ影響を与え、零点は補償されないままである。信号精度に影響を与える温度依存性を排除する別の方法では、温度測定が評価電子回路内で行われ、出力信号ＵＡを温度影響ぶんだけ修正して、測定信号ＵＡの精度が改善される。燃焼室圧力センサとしての使用時には、評価電子回路は約１４０℃である自身の温度制限に基づいて、６００℃までのピーク温度が生じる元来の圧力測定箇所と離れて位置する。従って評価電子回路領域における温度測定によって、ブリッジ回路の温度補償に不正確すぎる信号が供給されてしまう。これは評価電子回路の温度制限に起因している。図１ａ，１ｂ，１ｃおよび１ｄ内に示された形態では、付加的に設けられた補償抵抗ＲＴ１，ＲＴ２（オプショナル）は、一方で金属ダイヤフラム上の高い面積要求を前提とし、他方で付加的なコンタクトパッドを前提とする。
【００１５】
図２には、本発明によって提案されるブリッジ回路の構造が示されている。これは金属ダイヤフラム上に取り付けられている。
【００１６】
有利にはスチール製ダイヤフラムである、図２に示された金属ダイヤフラム１は中央部２並びに、半径方向において延在する周辺領域３を含む。金属ダイヤフラム１は縁部４によって制限されており、ブリッジ回路５が設けられている。このブリッジ回路は図１に示された、従来技術から公知の実施形態に相似して実現される。ブリッジ回路５は同じようにホイートストン回路として構成されており、相互接続された４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を含む。これらは参照番号６，７，８および９によって示されている。ブリッジ回路５には供給電圧Ｕ０が供給される；得られた測定信号（すなわち測定電圧ＵＡ）に対する電圧ピックアップは一方では抵抗Ｒ１とＲ４との間で行われ、他方では抵抗Ｒ２とＲ３の間で行われる。
【００１７】
抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、有利には伸長測定ストリップとして構成されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４が金属ダイヤフラム１上に取り付けられる位置は有限要素法（ＦＥＭ）によって定められる。金属ダイヤフラム１の幾何学形状的なモデルの設定、および適切な縁部条件の決定に応じて、有限要素法は結果として、圧力印加のもとでの金属ダイヤフラム１の伸長トポロジー（Dehnungstopologie）を結果として供給する。
【００１８】
有限要素法が使用される縁部前提条件は、別の最適化パラメータの他に、金属ダイヤフラム１の半径伸長が値的に金属ダイヤフラム１の圧縮変形（εｓｔａｕｃｈ）に等しいことを考慮する。変調パラメータとして、さらに、金属ダイヤフラム１に印加される定常圧力（Nenndruck）が考慮される。幾何学的な縁部条件として金属ダイヤフラム１の直径並びにダイヤフラム厚さが考慮される。ダイヤフラム厚さは半径方向で見て完全に変化する。このことは有限要素法では影響パラメータとして考慮される。さらに金属ダイヤフラム１のダイヤフラム高さ並びに、金属ダイヤフラム１が製造される材料の原材料特性が考慮される。ダイヤフラムを金属ダイヤフラム１として構成する他に、ダイヤフラムを例えばセラミック原材料から製造してもよい。
【００１９】
金属ダイヤフラム１の伸長トポロジーから、金属ダイヤフラム１への圧力印加時に、伸長最大部が生じる領域も圧縮変形最大部が生じる領域も現れる。通常は、伸長最大部（Dehnungsmaximum）１２は金属ダイヤフラム１の中央部２に位置する。なぜなら、この中央部はテンション箇所（すなわち金属ダイヤフラム１の縁部４）から最も離れて位置しており、金属ダイヤフラム１に印加される圧力によって、最も離れて変位されるからである。圧縮最大部（Stauchungsmaxima）１３は通常は金属ダイヤフラム１の周辺領域３内に位置している。すなわちこれは通常は、有利にはスチール製ダイヤフラムとして構成されている金属ダイヤフラム１の縁部４の領域内に位置している。ＦＥＭシミュレーションの縁部条件は有利には次のように選択される。すなわち、幾何形状的な最適化の進行過程において、金属ダイヤフラム１の中央部２内に生じる伸長最大部１２が、絶対値的に、金属ダイヤフラム１の周辺領域３内に位置する圧縮変形最大部１３の値に相当するように選択される。幾何学的形状モデルで得られた、金属ダイヤフラム１の適切な造形によって最適化された伸長トポロジーに基づいて、４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４の位置が次のように選択される。すなわち伸長Δ１の絶対値が圧縮変形の絶対値−Δ１に相当するように選択される。
【００２０】
金属ダイヤフラム１の伸長トポロジーを求めたことによって定められた位置に、４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４が伸長測定ストリップとして、金属ダイヤフラム１上に構成される。ブリッジ回路５の４つの抵抗を、図２に示されたポジションで金属ダイヤフラム１上に配置する場合、全ての４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４の圧力印加時の抵抗変化の値は絶対値的に等しい。図２から次のことが明らかである。すなわち参照番号６ないし８によって示された２つの抵抗Ｒ１およびＲ３が、金属ダイヤフラム１の中央近傍領域において、中央近傍抵抗対１０を構成するように配置されていることが明らかである。この２つの抵抗は、金属ダイヤフラム１の圧力印加の中央部２の領域を占領している伸長が原因で自身の元来の長さから、長さｌ＋Δ１だけ伸びる。伸長測定ストリップとして構成されている２つの抵抗Ｒ１およびＲ３の伸び分Δ１（すなわち伸長分）は等しい。２つの抵抗Ｒ１およびＲ２の、図２に示された向きの代わりに、これらの抵抗を金属ダイヤフラム１の水平軸に対して平行に、または垂直軸に対して平行に配置してもよい。これに対して周辺抵抗対１１のポジションは金属ダイヤフラム１の周辺３内に位置し、この領域で圧縮変形最大部１３が生じる。一方の側から金属ダイヤフラム１に圧力が印加されたとき、中央近傍抵抗対１０は伸長するように印加される。すなわち値Δｌだけ伸びる。
【００２１】
これに対して周辺抵抗対１１は距離−Δ１ぶんだけ圧縮変形される。これは２つの抵抗Ｒ２ないしＲ４の破線で示された表現によって示されている。圧縮変形ｌ−Δ１は次のような長さをあらわしている。すなわち金属ダイヤフラム１の圧縮変形領域内に位置する２つの抵抗Ｒ２ないしＲ４が、金属ダイヤフラム１の圧力印加時に圧縮変形される長さをあらわしている。中央近傍に配置され、中央近傍抵抗対１０を構成する２つの抵抗Ｒ１およびＲ３はの伸びは１＋Δ１によってあらわされ、同じように破線で示されている。中央近傍抵抗対１０および周辺抵抗対１１の配置によって、圧縮変形された抵抗Ｒ２およびＲ４の絶対値Δ１は、中央近傍に配置された抵抗対１０の長さΔ１と同じになる。このような事実に基づいて、２つの中央近傍抵抗Ｒ１およびＲ３の引っ張り伸長（Zugdehnung）Δ１は、さらに外側に、金属ダイヤフラム１の周辺３内に位置する、圧力が印加される抵抗Ｒ２およびＲ４の圧縮変形−Δ１に相当する。この場合にブリッジ回路５の全抵抗は、温度のみに依存し、印加されている電圧に依存しない。これは金属ダイヤフラム１の変位を介して求められる。従って全抵抗ＲＧＥＳを測定することによって、ブリッジ回路５の温度が突き止められ、温度の影響を補償するために使用される。
【００２２】
図２に、例に基づいて示された抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４の配置によって、ブリッジ回路５の全抵抗は金属ダイヤフラム１の変位に依存しない。ひいては金属ダイヤフラム１の温度にのみ依存する。これによって、測定されるべき圧力に依存しないでブリッジ回路５によって、金属ダイヤフラム１の温度がブリッジ回路５によって突き止められ、補償目的のために使用される。これによって、ブリッジ回路５がさらされる温度は実際の温度であることが保証され、その影響ぶんだけ、ブリッジ回路５の得られた測定信号ＵＡが補償される。熱負荷が原因で金属ダイヤフラム１から遠く離されている評価電子回路の領域における温度補償による測定不正確性は、本発明で提案された温度補償によって直接的に、設計（すなわち抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４のポジショニング）によって除去される。従って、本発明で提案された解決方法によって、金属ダイヤフラム１の格段に精度の高い、圧力に依存しない温度特定が実現される。従来技術から公知の解決方法とは異なり、本発明で提案された方法によって、付加的な補償抵抗または温度測定抵抗を配置することが省かれる。さらに、補償抵抗または温度測定抵抗を取り付けるために必要な燃焼室面積が省かれる。この場合には同じように、補償抵抗および温度測定抵抗用の電気的な接続点も省かれる。従って金属ダイヤフラム１は全体的に見て、格段に小さく構成される。なぜなら必要とされる面積が格段に小さいからである。従来技術から公知の解決方法に相応した、付加的に設けられる補償抵抗または温度測定抵抗の電気的なコンタクト箇所を省略することによって、ポテンシャル欠損箇所である弱い点が回避される。
【００２３】
図３は、伸長最大部ないし圧縮最大部の位置が分かるダイヤフラム材料の横断面図である。
【００２４】
図３に部分的に断面図で示された金属ダイヤフラム１は、対称軸１４に対して対称である。ダイヤフラム材料は一方では金属原材料のことであり、他方ではセラミック材料のことである。金属ダイヤフラム１に圧力を印加する時には、これは図３に示された形状をとる。金属ダイヤフラム１は中央領域２において伸長され、周辺部３において圧縮変形される。中央近傍抵抗１０のポジションは図３では参照番号１６によって示されている。また、金属ダイヤフラム１の周辺部３に配置された、中央部から離れた抵抗対５のポジションは参照番号１７によって示されている。ダイヤフラム材料１５のゲオメトリー変形に基づいて、中央部２は半径方向における伸長を被る。金属ダイヤフラム１の中央部２で生じる半径伸長εｒ，ｄｅｈｎは絶対値的に、金属ダイヤフラム１の周辺部３の領域における半径圧縮変形εｒ，ｓｔａｕｃｈに相当する。半径伸長領域１８における半径方向における伸長は絶対値的に、半径圧縮変形εｒ，ｓｔａｕｃｈに相当する。これは金属ダイヤフラム１の周辺領域３において参照番号１９によって示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】金属ダイヤフラム上に配置された伸長測定ストリップ（ＤＭＳ）の実施形態
【図１ｂ】金属ダイヤフラム上に配置された伸長測定ストリップ（ＤＭＳ）の実施形態
【図１ｃ】金属ダイヤフラム上に配置された伸長測定ストリップ（ＤＭＳ）の実施形態
【図１ｄ】金属ダイヤフラム上に配置された伸長測定ストリップ（ＤＭＳ）の実施形態
【図２】変位された状態における、金属ダイヤフラムと、金属ダイヤフラム上に取り付けられた伸長測定ストリップ
【図３】伸長最大部および圧縮変形最大部を伴う、ダイヤフラム材料の横断面図
【符号の説明】
【００２６】
１  金属ダイヤフラム、  ２  中央部、  ３  周辺部、  ４  縁部、  Ｕ０  供給電圧、ＵＡ  出力電圧、  ５  ブリッジ回路、  ６  第１のＤＭＳ（Ｒ１）、  ７  第２のＤＭＳ（Ｒ２）、  ８  第３のＤＭＳ（Ｒ３）、  ９  第４のＤＭＳ（Ｒ４）、  ＲＴ１  第１の温度補償抵抗、  ＲＴ２  第２の温度補償抵抗、  １０  中央近傍抵抗対（Ｒ１，Ｒ３）、  １１  周辺抵抗対（Ｒ２，Ｒ４）、  Δ１  中央近傍抵抗の伸長分、  −Δ１  周辺抵抗の圧縮変形分、  ｜Δ１｜  伸長／圧縮変形の絶対値、  １２  伸長最大部、  １３  圧縮変形最大部、  １４  対称軸、  １５  ダイヤフラム材料、  Ｅｒ  半径伸長、  １６  中央近傍抵抗対のポジション、  １７  周辺抵抗対のポジション、  １８  半径伸長領域εｒ，ｄｅｈｎ、  １９  半径圧縮変形領域εｒ，ｓｔａｕｃｈ
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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