DE10014634A1 - Drucksensor mit Metallspindel, die mit einem Gehäuse verbunden ist, das direkt an einer Vorrichtung angebracht werden kann, und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents
Drucksensor mit Metallspindel, die mit einem Gehäuse verbunden ist, das direkt an einer Vorrichtung angebracht werden kann, und Verfahren zum Herstellen desselbenInfo
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Abstract
Ein Drucksensor besitzt eine zylindrische Metallspindel (10) mit einer Membran (11) an einem Ende davon und einem Öffnungsbereich (12) an dem anderen Ende davon, und ein Gehäuse (30), das darin einen Druckleitungskanal (32) definiert, der mit dem Öffnungsbereich (12) in Verbindung steht. Die Spindel (10) ist mit dem Gehäuse (30) mittels Zusammenfügen eines äußeren Gewindebereiches (21) eines Schraubenelementes (20), das zwischen der Spindel (10) und dem Gehäuse (30) angeordnet ist, und eines inneren Gewindebereiches (33) des Gehäuses (30) verbunden. Als ein Ergebnis wird ein Grenzbereich (K) zwischen der Spindel (10) und dem Gehäuse (30) hermetisch abgedichtet bzw. versiegelt. Die Spindel (10) und das Gehäuse (30) müssen nicht denselben Härtegrad bzw. dieselbe Härte besitzen.
Description
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen einen Drucksen
sor, in dem eine Metallspindel mit einer Membran an einem
Gehäuse fixiert bzw. befestigt ist, und ein Verfahren zum
Herstellen desselben, und betrifft insbesondere einen
Drucksensor, der geeignet ist, einen Druck in einem Bereich
von mehreren 10 MPa bis ungefähr 300 MPa zu erfassen bzw.
zu detektieren.
Als Beispiel für diese Art von Drucksensor ist in Fig.
23 ein Drucksensor gezeigt, der konventionellerweise ver
wendet wird, um einen Druck (Kraftstoffdruck) im Innern
einer Kraftstoffleitung (Vorrichtung) J3 zu erfassen, die
in einem Fahrzeugkraftstoffeinspritzsystem angeordnet ist.
Der Drucksensor umfaßt eine zylindrische hohle Metallspin
del J2 und ein Gehäuse J5. Die Metallspindel J2 ist an
einem Ende davon mittels einer Membran J1 verschlossen und
an dem anderen Ende offen, und das Gehäuse J5 besitzt darin
einen Druckleitungskanal J4, der mit dem offenen Ende der
Spindel J2 in Verbindung steht, um ein Druckmedium in die
Spindel J2 hineinzuleiten.
Die Seite des offenen Endes der Metallspindel J2 wird
unter Verwendung, beispielsweise, eines Elektronenstrahls
bei einem Schweißbereich J9 an das Gehäuse J5 geschweißt,
wodurch der Grenzbereich zwischen der Metallspindel J2 und
dem Gehäuse J5 versiegelt wird. Das Gehäuse J5 wird dann
mit der Kraftstoffleitung J3 durch eine Dichtung J6, eine
Verbindungsschraube J7 und ein Dichtungselement J8 hindurch
fest verbunden. Die Kraftstoffleitung J3 besteht aus Metall
oder dergleichen und ist innerhalb eines Fahrzeugmotorraums
angeordnet. Ein Kraftstoffdruck wird von der Kraftstoff
leitung J3 in die Metallspindel J2 geleitet, um die Membran
J1 zu deformieren, und ein Erfassungsbereich, der, bei
spielsweise, aus Dehnungsmeßelementen besteht, die auf der
Membran J1 bereitgestellt sind, wandelt die Deformation der
Membran J1 in ein elektrisches Signal um. Dann erfaßt der
Drucksensor den Kraftstoffdruck mittels Verarbeiten des
elektrischen Signals.
In dem obigen Drucksensor sind jedoch die Kosten hoch,
da die Verbindung des Gehäuses J5 mit der Kraftstoffleitung
J3 mehrere Verbindungsteile J6, J7 und J8 erfordert. Wei
terhin ist die Abdichtung an dem verbundenen Bereich für
einen hohen Druck von, beispielsweise, 200 MPa unzurei
chend. Um eine hinreichende Abdichtung für den hohen Druck
zu gewährleisten, ist es denkbar, daß das Gehäuse direkt an
der Kraftstoffleitung angebracht wird. Das direkte Anbrin
gen verursacht jedoch das folgende Problem.
Das heißt, es ist erforderlich, daß die Metallspindel
J2 und das Gehäuse J5 ungefähr dieselbe Härte besitzen, in
Berücksichtigung der Schweißeigenschaften zwischen der
Spindel J2 und dem Gehäuse J5. Weiterhin muß die Härte der
Spindel J2 erhöht werden, wenn der erfaßte Druck erhöht
wird. Es ist folglich erforderlich, daß das Gehäuse J5 eine
hohe Härte ungefähr wie jene der Spindel J2 besitzt. Sowohl
das Gehäuse J5 als auch die Spindel J2 werden konventionel
lerweise aus SUS630 (rostfreier Stahl 630 gemäß dem japani
schen Industriestandard) gemacht. Wenn dieses harte Gehäuse
J5 direkt an der Kraftstoffleitung J3 angebracht wird, kön
nen jedoch eine Kraft und dergleichen, die während des An
bringens erzeugt werden, die Kraftstoffleitung J3 deformie
ren. Obwohl der Drucksensor von der Kraftstoffleitung J3
ablösbar ist, so daß er leicht ausgetauscht werden kann,
ist die Kraftstoffleitung J3 innerhalb des Motorraumes be
festigt und es ist schwierig, sie auszutauschen. Es ist so
mit dringend erforderlich, die Deformation der Kraftstoff
leitung J3 zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die obi
gen Probleme gemacht worden. Es ist folglich eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustel
len, der eine Metallspindel mit einer Membran umfaßt, die
mit einem Gehäuse verbunden ist, das direkt an einer Vor
richtung angebracht werden kann, ohne eine Deformation der
Vorrichtung zu verursachen, und ein Verfahren zum Herstel
len desselben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale
der Ansprüche 1 bzw. 17.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt, kurz gesagt,
ein Drucksensor eine Schiebeeinrichtung, um eine Metall
spindel gegen ein Gehäuse zu schieben bzw. zu drücken, um
einen Grenzbereich zwischen der Spindel und dem Gehäuse zu
versiegeln bzw. abzudichten. Folglich wird die Spindel
durch eine drückende bzw. schiebende Kraft oder Schubkraft,
die von der Schiebeeinrichtung bereitgestellt bzw. ausgeübt
wird, an dem Gehäuse fixiert bzw. mit dem Gehäuse verbun
den. Folglich müssen die Spindel und das Gehäuse nicht die
selbe Härte bzw. denselben Härtegrad besitzen. Das Gehäuse
kann weicher sein als die Spindel. Wenn das Gehäuse weicher
als die Spindel ist und direkt an einer Vorrichtung ange
bracht wird, deformiert das Gehäuse die Vorrichtung nicht.
Vorteilhafterweise besitzt die Spindel einen abgestuf
ten Bereich, um die Schubkraft aufzunehmen. Dementsprechend
wird die Spindel effektiv bzw. wirkungsvoll in einer axia
len Richtung der Spindel mit der Schubkraft beaufschlagt.
Die Schiebeeinrichtung kann eine Schraubverbindungseinrich
tung sein, die so befestigt bzw. angebracht wird, daß sie
die Spindel gegen das Gehäuse schiebt bzw. drückt, oder ein
aufgespreizter Bereich des Gehäuses, der auf die Spindel
verstemmt wird.
Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Aus
gestaltungen der Erfindung.
Weitere Aufgaben und Merkmale und Vorteile der vorlie
genden Erfindung werden leichter mit einem besseren Ver
ständnis der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich
werden, die unten unter Bezugnahme auf die folgenden Zeich
nungen beschrieben sind, die zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors ge
mäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils, der in
Fig. 1 mittels eines Kreises II gekennzeichnet ist;
Fig. 3 eine Ansicht zum Erläutern der Abmessungen einer
Metallspindel in der ersten Ausführungsform;
Fig. 4A eine graphische Darstellung, die ein experimen
telles Ergebnis zum Optimieren eines Winkels θ 1 der Aufla
geoberfläche der Metallspindel anzeigt;
Fig. 4B eine graphische Darstellung, die ein experimen
telles Ergebnis zum Optimieren einer Länge L1 eines abge
stuften Bereiches der Metallspindel zeigt;
Fig. 5 eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung des
in Fig. 1 gezeigten Drucksensors;
Fig. 6A eine Draufsicht, die einen Schritt zum Zusam
menbauen des Drucksensors in der ersten Ausführungsform
zeigt, in einer Richtung, die in Fig. 6B mittels eines
Pfeiles VIA angezeigt ist;
Fig. 68 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie
VIB-VIB in Fig. 6A genommen ist;
Fig. 7A eine Draufsicht, die einen Schritt zum Zusam
menbauen des Drucksensors zeigt, der auf den in den Fig.
6A und 6B gezeigten Schritt folgt, in einer Richtung, die
in Fig. 7B mittels eines Pfeiles VIIA angezeigt ist;
Fig. 7B eine Querschnittsansicht, die entlang einer Li
nie VIIB-VIIB in Fig. 7A genommen ist;
Fig. 8A eine Draufsicht, die einen Schritt zum Zusam
menbauen des Drucksensors zeigt, der auf den in den Fig.
7A und 7B gezeigten Schritt folgt, in einer Richtung, die
in Fig. 8B mittels eines Pfeiles VIIIA angezeigt ist;
Fig. 8B eine Querschnittsansicht, die entlang einer Li
nie VIIIB-VIIIB in Fig. 8A genommen ist;
Fig. 9A eine Draufsicht, die einen Schritt zum Zusam
menbauen des Drucksensors zeigt, der auf den in den Figuren
SA und 8B gezeigten Schritt folgt, in einer Richtung, die
in Fig. 9B mittels eines Pfeiles IXA angezeigt ist;
Fig. 9B eine Querschnittsansicht, die entlang einer Li
nie IXB-IXB in Fig. 9A genommen ist;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors ge
mäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung;
die Fig. 11A bis 11C Prozeßdiagramme, die ein Ver
stemmverfahren in der zweiten Ausführungsform zeigen;
Fig. 12 eine Ansicht zum Erläutern und Erklären eines
mittels Verstemmen bzw. Dichtstemmen erzeugten Auflage
druckes;
Fig. 13 eine graphische Darstellung, die eine Beziehung
zwischen einer Temperatur und einem Dichtungsoberflächen
auflagedruck zeigt;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht eines weiteren Druck
sensors in der zweiten Ausführungsform;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht eines anderen Druck
sensors in der zweiten Ausführungsform;
Fig. 16 eine Querschnittsansicht, die schematisch und
teilweise einen Drucksensor gemäß einer dritten bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
die Fig. 17A und 17B schematische Ansichten, die
weitere Beispiele in der dritten Ausführungsform zeigen;
Fig. 18 eine schematische Ansicht, die ein Vergleichs
beispiel in der dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 19A eine Draufsicht auf einen Drucksensor, in dem
ein Schraubenelement vollständig in einem Gehäuse unterge
bracht ist, in einer Richtung, die in Fig. 19B mittels
eines Pfeiles XIXA angezeigt ist, gemäß einer vierten be
vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19B eine Querschnittsansicht, die entlang einer
Linie XIXB-XIXB in Fig. 19A genommen ist;
Fig. 20A eine Draufsicht auf einen Drucksensor in der
vierten Ausführungsform in einer Richtung, die in Fig. 20B
mittels eines Pfeiles XXA angezeigt ist;
Fig. 20B eine Querschnittsansicht, die entlang einer
Linie XXB-XXB in Fig. 20A genommen ist;
Fig. 21 eine Draufsicht auf einen modifizierten Druck
sensor in der vierten Ausführungsform;
Fig. 22A eine Draufsicht auf einen weiteren modifizier
ten Drucksensor in der vierten Ausführungsform in einer
Richtung, die in Fig. 22B mittels eines Pfeiles XXIIA ange
zeigt ist;
Fig. 22B eine Querschnittsansicht, die entlang einer
Linie XXIIB-XXIIB in Fig. 22A genommen ist; und
Fig. 23 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors ge
mäß einem Stand der Technik.
Ein in Fig. 1 gezeigter Drucksensor 100 kann an einer
Kraftstoffleitung (Vorrichtung) in einem Fahrzeugkraft
stoffeinspritzsystem angebracht werden, um einen Druck
eines Druckmediums in der Kraftstoffleitung zu detektieren
bzw. zu erfassen. Das Druckmedium ist ein Kraftstoff. Wie
in Fig. 1 zu sehen ist, besitzt der Drucksensor 100 ein
Gehäuse 30 und eine zylindrische hohle Metallspindel 10,
die mittels eines Schraubenelementes 20 an dem Gehäuse 30
fixiert bzw. mit dem Gehäuse 30 verbunden ist. Die Metall
spindel 10 besitzt an einem Ende davon eine Membran 11 und
an dem anderen Ende davon einen Öffnungsbereich 12. Die
Metallspindel 10 ist mit einem abgestuften Bereich 13 an
der Seite des Öffnungsbereiches ausgebildet, mit einem
äußeren Durchmesser, der größer ist als jener der Seite
ihres Membranbereiches.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist ein Sensorchip 40, der
aus einem Siliziumeinkristall (Si) besteht, mit der äußeren
Oberfläche der Membran 11 durch ein Glas 50 mit niedrigem
Schmelzpunkt verbunden bzw. verklebt. Der Sensorchip 40 be
sitzt einen Erfassungsbereich (Dehnungsmeßelemente) zum Er
fassen einer mechanischen Spannung, die erzeugt wird, wenn
die Membran 11 durch den Druck des Druckmediums deformiert
wird, das durch den Öffnungsbereich 12 hindurch in die Me
tallspindel 10 hinein geleitet wird. Die Sensoreigenschaf
ten hängen grundlegend von der Membran 11 und dem Sen
sorchip 40 ab.
Es ist erforderlich, daß das Material zum Ausbilden der
Metallspindel 10 eine große Stärke bzw. Festigkeit besitzt,
da die Spindel 10 einen extrem hohen Druck empfängt bzw.
aufnimmt. Es ist weiterhin erforderlich, daß das Material
einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten be
sitzt, da der Si-Sensorchip 40 durch das Glas 50 mit der
Spindel 10 verbunden ist. Insbesondere besteht die Metall
spindel 10 aus einem Material, das als Hauptkomponenten Fe,
Ni und Co, oder Fe und Ni, und als Ablagerungsverstärkungs
material Ti, Nb, und Al oder Ti und Nb, die zu den Haupt
komponenten hinzugefügt werden, enthält, und wird mittels
Pressen, Schneiden, Kaltgießen oder dergleichen ausgebil
det.
Das Gehäuse 30 besitzt eine äußere Oberfläche mit Ge
winde, um eine Befestigungsschraube 31 zu bilden, um direkt
an der Kraftstoffleitung angebracht zu werden. Ein Druck
leitungskanal 32 ist in dem Gehäuse 30 definiert, um mit
dem Öffnungsbereich 12 der Metallspindel 10 in Verbindung
zu stehen. Der Druckleitungskanal 32 steht ebenfalls mit
der Kraftstoffleitung in Verbindung, um das Druckmedium in
die Metallspindel 10 einzuleiten.
Das Schraubenelement 20 ist zylindrisch und bedeckt den
äußeren Umfang bzw. die äußere Peripherie der Metallspindel
10. Ein äußerer Gewindebereich 21 ist auf der äußeren Um
fangsoberfläche des Schraubenelementes 20 ausgebildet, und
ein innerer Gewindebereich 33 ist auf dem Gehäuse 30 ausge
bildet, um mit dem äußeren Gewindebereich 20 zu korrespon
dieren. Eine Kraft zum Verschieben bzw. Schubkraft wird auf
den abgestuften Bereich 13 der Metallspindel 10 dadurch
ausgeübt, daß die Gewindebereiche 21 und 33 zusammengefügt
werden. Die Schubkraft verbindet die Metallspindel 10 mit
dem Gehäuse 30 und versiegelt den Grenzbereich K zwischen
der Metallspindel 10 an der Seite des Öffnungsbereiches und
dem Gehäuse 30 an der Seite des Druckleitungskanals. In
diesem Fall fungieren der äußere Gewindebereich 21 und der
innere Gewindebereich 33 auf kooperative Weise zusammen als
Schiebeeinrichtung.
Folglich ist das Gehäuse 30 an einer Seite mit der
Kraftstoffleitung verbunden bzw. an dieser fixiert, und ist
über das Schraubenelement 20 an der anderen Seite mit der
Metallspindel 10 verbunden bzw. an dieser fixiert, wodurch
die verbundenen Bereiche in Bezug auf einen extrem hohen
Druck versiegelt bzw. abgedichtet und die Spindel 10 mecha
nisch gehalten wird. Zusätzlich wird ein Verbindungsgehäuse
80 wie unten beschrieben mit dem Gehäuse 30 verbunden.
Folglich ist es erforderlich, daß das Gehäuse 30 in einer
Nutzumgebung Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Druckme
dium besitzt, und eine Schraubenstärke, um eine axiale
Spannung aufrechtzuerhalten, die an dem Grenzbereich K
einen hohen Dichtungsauflagedruck erzeugen kann. Um diese
Anforderungen zu erfüllen, wird das Material zum Ausbilden
des Gehäuses 30 ausgewählt aus Kohlenstoffstahl (z. B.
S15C), der mit Zn, XM7, SUS430, SUS304, SUS630 und derglei
chen plattiert ist. Kohlenstoffstahl besitzt sowohl Korro
sionsbeständigkeit als auch eine große Stärke bzw. Festig
keit, und eine Zn-Plattierung erhöht die Korrosionsbestän
digkeit. XM7, SUS430, SUS304 und SUS630 besitzen Korrosi
onsbeständigkeit.
Es ist erforderlich, daß das Schraubenelement 20 eine
große Stärke besitzt, um eine axiale Spannung aufrechtzuer
halten, die einen hinreichenden Dichtungsauflagedruck er
zeugen kann, wenn die Metallspindel 10 mit dem Gehäuse 30
verbunden wird. Es ist nicht erforderlich, daß das Schrau
benelement 20 Korrosionsbeständigkeit besitzt, da es inner
halb der Baugruppe bzw. des Gehäuses angeordnet ist, die
bzw. das aus dem Gehäuse 30 und dem Verbindungsgehäuse 80
besteht. Das Schraubenelement 20 besteht aus Kohlen
stoffstahl oder dergleichen.
Das Bezugszeichen 60 bezeichnet ein Keramiksubstrat.
IC-Chips 62 wie z. B. ein Amp-IC-Chip zum Verstärken einer
Ausgabe von dem Sensorchip 40 und ein IC-Chip für charakte
ristische Einstellungen sind mit dem Substrat 60 mittels
eines Klebstoffes verbunden und sind mittels Al-Leitungen
64 mit den Beschaltungsbereichen des Keramiksubstrates
elektrisch verbunden. Ein Anschlußstift bzw. Pin 66 ist
mittels Silberlot mit einem Beschaltungsbereich des Kera
miksubstrates 60 verbunden und ist mit einem Verbindungsan
schluß 70 elektrisch verbunden.
Der Verbindungsanschluß 70 besitzt Anschlußstifte 72,
die zusammen mit Kunstharz 74 mittels Einspritzgießen aus
gebildet werden. Einer der Anschlußstifte 72 wird unter
Verwendung eines Lasers an den Pin 66 angeschweißt. Der
Verbindungsanschluß 70 ist mittels eines Klebstoffes 76 mit
dem Verbindungsgehäuse 80 verbunden. Die Anschlußstifte 72
können elektrisch mit externen Einheiten wie z. B. einem
elektronischen Steuergerät (ECU) verbunden sein. Das Ver
bindungsgehäuse 80 bedeckt den Verbindungsanschluß 70 und
wird über einen O-Ring 90 mit dem Gehäuse 30 zusammenge
fügt, um dadurch zusammen mit dem Gehäuse 30 das Baugrup
pengehäuse zu bilden. Das Baugruppengehäuse schützt den
Sensorchip 40 und die darin gehaltenen IC-Chips vor Feuch
tigkeit und Kräften, die daran mechanisch und von außen an
gelegt werden. Das Material des Verbindungsgehäuses 80 ist
Polyphenylsulfit (PPS) oder dergleichen, das leicht hydro
lisiert wird.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Ge
stalt der Metallspindel 10 ausführlicher erklärt werden.
Wie oben beschrieben wurde, besitzt die Metallspindel 10
den abgestuften Bereich 13 an der Seite des Öffnungsberei
ches, der einen größeren äußeren Durchmesser besitzt als
der des anderen Bereiches der Spindel 10 an der Seite der
Membran. Der Grund dafür ist, daß der abgestufte Bereich 13
die axiale Spannung aufnimmt, die von den zusammengefügten
Gewindebereichen 21 und 33 ausgeübt wird. Die axiale Span
nung erzeugt den Dichtungsauflagedruck an dem Grenzbereich
K und eine Reaktionskraft des Druckes.
Die Abmessungen der Metallspindel 10 werden unten unter
Bezugnahme auf Fig. 3 erklärt. Die Spindel 10 besitzt einen
Außendurchmesser D1 an der Seite der Membran, der bestimmt
wird durch die Größe des Sensorchips 40, die Abmessungen
eines Überlappungsbereiches zwischen dem Glas 50 und dem
Chip 40, und einen Freiraum zwischen dem äußeren Umfang des
Glases 50 und dem äußeren Umfang der Spindel 10. Die Kon
turgröße der Spindel 10 nimmt ab, wenn der Außendurchmesser
D1 abnimmt. Zum Beispiel beträgt der Außendurchmesser D1
ϕ 6,5 mm, was eine in der Praxis bewährte Abmessung ist.
Was einen Durchmesser D2 der Membran anbelangt, so ist
ein großer Durchmesser zwecks Verarbeitungsfähigkeit vor
teilhaft, und ein kleiner Durchmesser ist zwecks Empfind
lichkeit vorteilhaft. In der gegenwärtigen Ausführungsform
ist der Membrandurchmesser D2 im Hinblick auf Verarbei
tungsfähigkeit auf ϕ 2,5 mm gesetzt. Ein äußerer Durchmes
ser D3 des abgestuften Bereiches 13 ist im Hinblick auf die
Reduktion der Materialkosten und Reduktion der Größe der
Spindel 10 vorteilhafterweise klein. Jedoch beschränken der
Außendurchmesser D1 und eine Breite W2 der Auflageoberflä
che den Außendurchmesser D3.
Die Breite W2 der Auflageoberfläche an dem abgestuften
Bereich 13 ist eine Breite einer Stirnfläche bzw. Seite zum
Aufnehmen der axialen Spannung, die von dem inneren Gewin
debereich 33 ausgeübt wird. Die Positionierungsgenauigkeit
der Spindel 10 zum Zusammenbauen kann durch Erhöhen der
Breite W2 verbessert werden. Eine Breite W1 der Dichtungs
oberfläche der Spindel 10 ist, beispielsweise, auf 1 mm ge
setzt. Wenn die Breite W1 der Dichtungsoberfläche zu klein
ist, können die Dichtungseigenschaften durch Schäden an der
Dichtungsoberfläche leicht verschlechtert werden. Wenn die
Breite W1 zu groß ist, können die Dichtungseigenschaften
leicht durch einen verringerten Auflagedruck verschlechtert
werden. In dieser Ausführungsform läuft die Spindel 10
spitz zu bzw. verjüngt sich, um eine Dichtungsoberfläche
mit einer erwünschten Abmessung an der Seite des Endes des
Öffnungsbereiches zu besitzen.
Eine Abmessung R1 einer Innenecke ist ein Krümmungs
radius an dem Fußbereich der Membran 11, der zu dem hohlen
Bereich der Spindel 10 hin freiliegt. Wenn die Abmessung R1
der Innenecke groß ist, wird die Erzeugung von Verspannung
bzw. Belastung daran unterdrückt. Jedoch ist die Empfind
lichkeit niedrig. Andererseits, wenn die Abmessung R1 der
Innenecke klein ist, wird die daran erzeugte Belastung ver
größert, obwohl die Empfindlichkeit groß ist. Die Abmessung
R1 der Innenecke wird auf der Grundlage eines erfaßten
Druckbereiches zusammen mit einer Dicke L3 der Membran be
stimmt.
Eine Abmessung R2 einer Außenecke ist ein Krümmungs
radius an einer Ecke des Verbindungsbereiches zwischen dem
Spindelbereich, der den Außendurchmesser D1 besitzt, und
der Auflageoberfläche bzw. tragenden Oberfläche des abge
stuften Bereiches 13. Je größer die Abmessung R2 der Außen
ecke wird, desto mehr wird es unterdrückt, daß daran Ver
spannung bzw. Belastung erzeugt wird und desto kürzer wird
die Breite W2 der Auflageoberfläche. Zum Beispiel wird die
Abmessung R2 der Außenecke, gesichert in der Lücke (z. B.
0,3 mm) zwischen der Spindel 10 und dem Schraubenelement
20, auf R0.9 als ein Maximalwert gesetzt.
Die Dicke L3 der Membran beeinflußt die Empfindlichkeit
und den Standhaltedruck und wird durch den erfaßten Druck
bereich zusammen mit der Abmessung R1 der Innenecke wie
oben beschrieben bestimmt. Eine Lücke L4 zwischen der Dich
tungsoberfläche und der Auflageoberfläche ist eine Lücke
zwischen einer Mitte der Dichtungsoberfläche und einer
Mitte der Auflageoberfläche in einer Richtung senkrecht zu
der axialen Richtung der Spindel 10. Die Lücke L4 wird ge
mäß einer Auflagedruckverteilung an der Dichtungsoberfläche
bestimmt.
Ein Winkel θ 1 der Auflageoberfläche wird zwischen der
Auflageoberfläche zum Aufnehmen der axialen Spannung
(Schubkraft bzw. schiebende Kraft), die von dem Schrauben
element 20 ausgeübt wird, und der axialen Richtung der
Spindel 10 definiert. Der Auflagewinkel θ 1 wird gemäß der
Auflagedruckverteilung an der Auflageoberfläche bestimmt.
Fig. 4A zeigt die Belastungen (maximale Hauptbelastungen:
MPa) an, die an der Spindel 10 und dem Schraubenelement 20
in Bezug auf den Winkel θ 1 der Auflageoberfläche erzeugt
werden.
Insbesondere sind die Belastungen, die an der Ecke er
zeugt werden, die die Außeneckenabmessung R2 besitzt, mit
einer Markierung ⬩ dargestellt, und die Belastungen, die
an der Ecke erzeugt werden, die die Inneneckenabmessung R1
besitzt, sind mit der Markierung ∎ dargestellt. Die Be
lastungen, die an dem inneren Bereich erzeugt werden, der
zu dem hohlen Bereich der Spindel 10 hin freiliegt, sind
mit einer Markierung • dargestellt, und die Belastungen,
die an dem Schraubenbereich 20 erzeugt werden, sind mit
einer Markierung × dargestellt. Wie man Fig. 4A entnimmt,
sind die Belastungen bzw. Verspannungen, die an den jewei
ligen Spindelbereichen erzeugt werden, eng mit dem Winkel
θ 1 der Auflageoberfläche verknüpft. Ein geeigneter Bereich
für den Winkel θ 1 der Auflageoberfläche beträgt, bei
spielsweise, 40° bis 60°.
Ein Dichtungsoberflächenperipheriewinkel θ 2 ist ein
Winkel, der zwischen der Dichtungsoberfläche und dem äuße
ren Umfang bzw. der äußeren Peripherie der Seitenkanten
oberfläche der Dichtungsoberfläche definiert wird, und wird
auf geeignete Weise gemäß der Auflagedruckverteilung auf
bzw. an der Dichtungsoberfläche bestimmt. Eine Länge L1 des
abgestuften Bereiches ist eine Länge zwischen dem unteren
Ende der Auflageoberfläche und der Dichtungsoberfläche in
der axialen Richtung der Spindel 10 in Fig. 3. Wenn die
Länge L1 zu lang ist, kann die Belastung, die an der sen
sortragenden Oberfläche (der Oberfläche der Membran, auf
der der Sensorchip 40 angebracht ist) durch die axiale
Spannung beeinflußt werden, die von dem Schraubenelement 20
ausgeübt wird, so daß die Sensoreigenschaften verschlech
tert werden.
Fig. 4B zeigt eine Änderung in der Belastung an, die an
den Meßelementen des Sensorchips 40 infolge der axialen
Spannung, die von dem Schraubenelement 20 ausgeübt wird,
erzeugt wird. Diese Änderung wurde erfaßt, indem die Länge
L1 (mm) des abgestuften Bereiches geändert wurde, während
die Länge L2 der Spindel fixiert wurde, was eine Gesamt
länge in der axialen Richtung der Spindel 10 ist, bei
12,5 mm. Die Änderung in der Belastung der Meßelemente wird
als eine Änderungsrate (MPa) in der in Fig. 4B gezeigten
graphischen Darstellung angezeigt.
Wie man Fig. 4B entnehmen kann, beeinflußt die axiale
Spannung (schiebende Kraft bzw. Schubkraft) nicht die Bela
stung, die an bzw. auf der sensortragenden Oberfläche er
zeugt wird, wenn die Länge L2 der Spindel 12,5 mm und die
Länge L1 des abgestuften Bereiches ungefähr 5 mm oder weni
ger beträgt. Dementsprechend wird es bestätigt, daß die
Länge L1 des abgestuften Bereiches gleich oder kleiner als
eine Hälfte der Spindellänge L2 sein sollte. Weiterhin, je
kürzer die Länge L2 der Spindel ist, desto mehr wird die
Verarbeitungsfähigkeit der Spindel 10 verbessert und desto
mehr werden die Materialkosten verringert. Die untere
Grenze für die Länge L2 wird durch die Struktur des Schrau
benelementes 20 (beispielsweise einer nutzbaren Schrauben
länge und einer nicht-nutzbaren Schraubenlänge des Schrau
benelementes 20) bestimmt.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Zusammenbauen des
oben beschriebenen Drucksensors 100 unter Bezugnahme auf
die Fig. 5 bis 9 erläutert werden. Fig. 5 zeigt Teile
des Drucksensors 100 vor dem Zusammenbau. Die Teile werden
auf die folgende Weise in einer Achsenrichtung, die in Fig.
5 mittels einer gestrichelten Linie angezeigt ist, zusam
mengebaut.
Als erstes, in einem Schritt, der in den Fig. 6A und
6B gezeigt ist, wird das Schraubenelement 20 mit der Me
tallspindel 10, an der der Sensorchip 40 durch das Glas 50
angeklebt ist, zusammengebaut bzw. zusammengefügt. Dann
wird die Metallspindel 10 an dem Gehäuse 30 fixiert bzw.
damit verbunden, indem man den äußeren Gewindebereich 21
des Schraubenelementes 20 und den inneren Gewindebereich 33
des Gehäuses 30 relativ zueinander dreht und zusammenfügt.
Wenn die Gewindebereiche 21 und 33 zusammengefügt werden,
wird die Spindel 10, integriert mit dem Schraubenelement
20, an einer Unterseite des Gehäuses 30 angeordnet, die
nicht zusammen gedreht werden sollen. Folglich ist die Po
sitionierungsgenauigkeit der Spindel 10 hoch.
Als nächstes, in einem Schritt, der in den Fig. 7A
und 7B gezeigt ist, wird das Keramiksubstrat 60, das den
Chip 62, der daran drahtkontaktiert ist, und den Anschluß
stift bzw. Pin 66 trägt, mittels eines Klebstoffes mit dem
Schraubenelement 20 verbunden. Die leitfähigen Bereiche des
Keramiksubstrates 60 werden mittels Drahtkontaktierung
(Drahtbonden) oder dergleichen mit dem Sensorchip 40 elek
trisch verbunden. Als nächstes, in einem Schritt, der in
den Fig. 8A und 8B gezeigt ist, wird der Pin 66 mittels
eines Lasers wie z. B. einem YAG-Laser an den Verbindungsan
schluß 70 angeschweißt.
Als nächstes, in einem Schritt, der in den Fig. 9A
und 9B gezeigt ist, wird das Verbindungsgehäuse 80 über den
O-Ring 90 in einen Nutbereich des Gehäuses 30 eingepaßt,
und der Nutbereich wird verstemmt, wodurch das Verbindungs
gehäuse 80 mit dem Gehäuse 30 verbunden wird. Als eine
Folge ist der Drucksensor 100 wie in den Fig. 1 und 9B
gezeigt fertiggestellt. Der zusammengefügte Drucksensor 100
wird fest an der nicht gezeigten Kraftstoffleitung ange
bracht, indem man die Befestigungsschraube 31 des Gehäuses
30 und einen in der Kraftstoffleitung ausgebildeten Schrau
benbereich zusammenfügt.
Die Membran 11 wird durch den Kraftstoffdruck
(Druckmedium) verschoben bzw. verlagert, der von der Kraft
stoffleitung durch den Druckleitungskanal 32 des Gehäuses
30 und den Öffnungsbereich 12 der Spindel 10 hindurch in
den hohlen Bereich der Spindel 10 geleitet wird. Diese Ver
lagerung bzw. Verschiebung der Membran 11 wird durch den
Sensorchip 40 in ein elektrisches Signal umgewandelt, und
das elektrische Signal wird von einem Sensorverarbeitungs
schaltkreisbereich auf dem Keramiksubstrat 60 verarbeitet.
Als eine Folge wird der Druck erfaßt. Die Steuerung der
Kraftstoffeinspritzung wird dann mittels eines ECU und der
gleichen auf der Grundlage des erfaßten Druckes
(Kraftstoffdruck) ausgeführt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Me
tallspindel 10 und das Gehäuse 30 verbunden und der Grenz
bereich K wird versiegelt bzw. abgedichtet, indem die Ge
windebereiche 21 und 33 zusammengefügt werden. Die Spindel
10 und das Gehäuse 30 müssen nicht ungefähr dieselbe Härte
bzw. denselben Härtegrad besitzen zur Berücksichtigung des
Schweißvermögens wie in einem konventionellen Verfahren.
Das Gehäuse 30 kann aus einem weichen Material bestehen, in
Bezug auf die harte Metallspindel 10. Folglich wird die
Kraftstoffleitung nicht deformiert, sogar wenn das Gehäuse
30 direkt an der Kraftstoffleitung angebracht wird. Zusätz
lich, da das Gehäuse 30 direkt an der Kraftstoffleitung an
gebracht bzw. befestigt werden kann, werden keine Extra
teile zum Verbinden des Drucksensors mit der Kraftstofflei
tung benötigt, was zu einer vereinfachten Struktur und
einer verkürzten Zeit für das Anbringen führt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das zylindri
sche Schraubenelement 20 von der Spindel 10 getrennt, und
der äußere Gewindebereich 21 ist auf dem äußeren Umfang
bzw. der äußeren Peripherie des Schraubenelementes 20 aus
gebildet. Die schiebende Kraft bzw. Schubkraft wird von dem
Schraubenelement 20 auf den abgestuften Bereich 13 der
Spindel 10 ausgeübt, wodurch der Grenzbereich K versiegelt
wird. In diesem Fall kann die Spindel 10 effektiv bzw. wir
kungsvoll mit der Schubkraft in der axialen Richtung der
Spindel 10 beaufschlagt werden. Die Spindel 10 kann jedoch
einen äußeren Gewindebereich zum Einpassen des inneren Ge
windebereichs 33 besitzen, an einem äußerem Umfang davon,
so daß die Spindel 10 direkt mit dem Gehäuse 30 mittels Zu
sammenfügen der Gewindebereiche verbunden werden kann. An
dere Modifikationen sind ebenfalls geeignet, vorausgesetzt,
daß die zwei Gewindebereiche so zusammengefügt werden, daß
sie den Grenzbereich K versiegeln bzw. hermetisch abdich
ten.
In der ersten Ausführungsform wird die schiebende Kraft
bzw. Schubkraft mittels Zusammenfügen der Gewindebereiche
an die Spindel 10 angelegt. Im Gegensatz dazu, in einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform, wird die Schubkraft
angelegt, um den Grenzbereich K zu versiegeln, dadurch, daß
die Spindel 10 und das Gehäuse 30 miteinander verstemmt
werden. Die Unterschiede zwischen der ersten und zweiten
Ausführungsform werden unten erläutert werden. Dieselben
Teile wie jene in der ersten Ausführungsform sind durch
dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und dieselben zuge
hörigen Erklärungen werden nicht wiederholt werden.
Fig. 10 zeigt einen Drucksensor 200 in der zweiten Aus
führungsform, der den Druck in der Kraftstoffleitung wie in
der ersten Ausführungsform erfassen bzw. detektieren kann.
In dem Drucksensor 200, bei einem aufgespreizten Bereich
110, in Fig. 10 von einem Kreis umgeben, ist ein Teil des
Gehäuses 30 auf dem abgestuften Bereich 13 verstemmt, der
an der äußeren Umfangsoberfläche der Metallspindel 10 aus
gebildet ist. Dementsprechend wird der abgestufte Bereich
13 mit der Schubkraft beaufschlagt, wodurch die Spindel 10
und das Gehäuse 30 miteinander verbunden und der Grenzbe
reich K abgedichtet bzw. versiegelt werden.
Die Länge der Spindel 10 in der axialen Richtung davon
ist hinreichend lang, um zu verhindern, daß die Verspannung
bzw. die Belastung des Verstemmens die Membran 11 beein
flußt, die die Sensoreigenschaften dominiert. Deshalb ist
ein Raum zwischen dem Gehäuse 30 und dem Keramiksubstrat 60
bereitgestellt, und ein ringförmiger Abstandshalter 112 ist
in dem Raum angeordnet.
Die Fig. 11A bis 11C zeigen einen Prozeß zum Ver
stemmen der Metallspindel 10 und des Gehäuses 30 an dem
aufgespreizten Bereich 110. Wie in den Figuren gezeigt ist,
wird zuerst die Spindel 10 mit dem Gehäuse 30 zusammenge
fügt, um den Grenzbereich K zu bilden. Dann wird der Be
reich des Gehäuses 30, der in Fig. 11B mittels eines ge
strichelten Kreises A angezeigt ist, mittels eines Spann
elementes 120 verstemmt, das auf eine hohe Temperatur (z. B.
180°C) aufgeheizt wird.
Danach wird die Temperatur auf Raumtemperatur abge
senkt. Zu diesem Zeitpunkt, wie in Fig. 12 gezeigt, wird
ein Auflagedruck P an dem Grenzbereich K infolge eines Un
terschiedes in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen der Spindel 10 und dem Gehäuse 30 erzeugt. Die
Verstemmbedingungen wie z. B. die Temperatur werden so ge
setzt bzw. eingestellt, daß der Auflagedruck P eine be
stimmte Größe oder mehr besitzt. Demgemäß wird der Grenzbe
reich K auf geeignete Weise versiegelt bzw. abgedichtet.
Nach dem Verstemmen wird der Prozeß des Zusammenbauens im
wesentlichen auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausfüh
rungsform ausgeführt, wodurch der Drucksensor 200 fertigge
stellt wird.
Was den thermischen Ausdehnungskoeffizienten anbelangt,
so ist es vorteilhaft, daß der thermische Ausdehnungskoef
fizient der Spindel 10 kleiner ist als jener des Gehäuses
30. Dementsprechend kann das Gehäuse 30 auf dem Weg einer
Rückkehr zu der Raumtemperatur zusammenziehen gelassen wer
den, so daß eine Kraft angelegt wird, um die Verstemmung
stabil zu machen. Zum Beispiel liegt der thermische Ausdeh
nungskoeffizient der Spindel 10 ungefähr in einem Bereich
von 4 bis 9 ppm/°C (10-6/°C), und der thermische Ausdeh
nungskoeffizient des Gehäuses 30 liegt ungefähr in einem
Bereich von 10 bis 18 ppm/°C (10-6/°C). Je größer der
Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
wird, desto effektiver wird der Grenzbereich K versiegelt.
Der Auflagedruck P, der geeignet ist, den Grenzbereich
K geeignet zu versiegeln, wird durch das Ausführen der Ver
stemmung bei einer Temperatur erzeugt, die höher ist als
jene, bei der der Drucksensor 200 betrieben wird. Zum Bei
spiel wird ein Fahrzeugdrucksensor im allgemeinen bei 140°C
oder weniger verwendet. Fig. 13 zeigt Auflagedrücke P1 in
nerhalb eines Temperaturverwendungsbereiches, wenn das Ge
häuse 30, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von 14 × 10-6/°C besitzt, und die Spindel 10, die einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7 × 10-6/°C be
sitzt, bei 180°C verstemmt werden. Wie man Fig. 13 ent
nimmt, ist der Auflagedruck größer als eine bestimmte Größe
(z. B. ungefähr größer als 125 MPa), die in dem Temperatur
verwendungsbereich erforderlich ist. Dies impliziert, daß
der Grenzbereich K hinreichend versiegelt wird.
Es gibt einen Fall, wo die Metallspindel 10 keinen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen kann, der
kleiner ist als jener des Gehäuses 30, oder wo die Spindel
10 keinen hinreichenden Unterschied im thermischen Ausdeh
nungskoeffizienten gegenüber dem Gehäuse 30 in Bezug auf
der Materialstärke und dergleichen bereitstellen kann. In
so einem Fall wird, wie in Fig. 14 gezeigt, ein Hilfsele
ment 114 wie z. B. eine Scheibe zwischen der Spindel 10 und
dem Gehäuse 30 angeordnet und das Verstemmen wird mittels
dem Hilfselement 114 ausgeführt. Das Hilfselement 114 be
sitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der
größer ist als jene der Spindel 10 und des Gehäuses 30.
Dementsprechend kann dasselbe Dichtungsvermögen wie oben an
dem Grenzbereich K bereitgestellt werden. Falls die durch
das Verstemmen erzeugte Verspannung bzw. Belastung die
Membran 11 nicht beeinflußt, kann die Länge der Spindel 10
verringert werden. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, kann der
Drucksensor 200 ohne den Abstandshalter 112 auskommen. Dem
entsprechend kann die Größe des Drucksensors 200 verringert
werden.
In dem Drucksensor 200 gemäß der zweiten Ausführungs
form werden die Spindel 10 und das Gehäuse 30 durch die
Schubkraft, die mittels des Verstemmens erzeugt wird, mit
einander verbunden. Folglich ist es nicht notwendig, daß
die Spindel 10 und das Gehäuse 30 dieselbe Härte bzw. den
selben Härtegrad besitzen. Folglich können dieselben Effek
te wie jene in der ersten Ausführungsform bereitgestellt
werden. Zusätzlich, da das Schraubenelement 20 nicht ver
wendet wird, um die Spindel 10 mit dem Gehäuse 30 zu ver
binden, ist die Anzahl der Teile im Vergleich zu jener in
der ersten Ausführungsform verringert. Der Verstemmprozeß
ist nicht auf jenen, der oben beschrieben wurde, be
schränkt. Zum Beispiel kann der Teil des Gehäuses 30 in
einer Aussparung eingebettet werden, die an der äußeren Um
fangsoberfläche der Spindel 10 ausgebildet ist.
Weiterhin, da das Gehäuse 30 aus einem weichen Material
bestehen kann, ist die Verarbeitungsfähigkeit des Gehäuses
30 verbessert. Das Gehäuse 30 kann mittels Pressen oder
dergleichen mit niedrigen Herstellungskosten hergestellt
werden, die im Vergleich zu einem konventionellen Schneide
verfahren ungefähr auf ein Fünftel verringert werden kön
nen. Die Materialkosten können im Vergleich zu dem konven
tionellen Verfahren ungefähr auf ein Zehntel verringert
werden. Diese Effekte werden in der ersten Ausführungsform
ebenfalls bereitgestellt. Weiterhin sind die Dichtungs
eigenschaften, die durch die Verfahren in den ersten und
zweiten Ausführungsformen zwischen der Metallspindel 10 und
dem Gehäuse 30 bereitgestellt werden, hinreichend, wenn die
Dichtungsoberflächen der Spindel 10 und des Gehäuses 30
flach bzw. eben sind. Es werden keine Hohlräume bzw. Kavi
täten an dem Grenzbereich K wie in einem konventionellen
Schweißverfahren erzeugt. Die Dichtungsoberflächen können
überprüft werden, wenn montiert wird. Folglich besitzen die
Drucksensoren in den vorliegenden Ausführungsformen eine
hohe Dichtungszuverlässigkeit.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird die
Gestalt des hohlen Bereiches der Spindel von jener in den
obigen Ausführungsformen modifiziert, um zu verhindern, daß
Verunreinigungen bzw. Kontaminanten in dem hohlen Bereich
zurückbleiben.
Im allgemeinen ist es vorteilhaft, daß Kontaminanten,
die in dem Druckmedium enthalten sind, nicht an einen
Drucksensor gebracht und nicht von dem Drucksensor ausge
stoßen werden. Zum Beispiel, in einem Fall, wo der Druck
sensor verwendet wird, um einen Kraftstoffdruck in einer
Fahrzeugspeichereinspritzung zu erfassen, kann ein Anhaften
bzw. Verkleben einer Düse, die an einer Austrittsseite des
Drucksensors angeordnet ist, durch relativ große Verun
reinigungen bzw. Kontaminanten verursacht werden, die von
dem Drucksensor ausgestoßen werden.
In der in Fig. 23 gezeigten konventionellen Struktur
wird eine Leitung J10 in den hohlen Bereich der Metallspin
del J2 eingeführt, um an den Schweißbereich J9 anzugrenzen
bzw. anzustoßen, wo die Spindel J2 und das Gehäuse J5 mit
einander verschweißt werden, wodurch verhindert wird, daß
die Stärke durch das Schweißen verringert wird. Die Leitung
J10 bildet jedoch einen engen Teil in dem hohlen Bereich
der Spindel J2 zwischen dem Druckleitungskanal J4 und der
Membran J1. In dieser Struktur haften Kontaminanten leicht
an dem engen Teil an und lagern sich darauf ab, nicht nur,
wenn der Drucksensor zusammengebaut wird, sondern auch,
wenn der Drucksensor verwendet wird. Es ist schwierig, die
anhaftenden Kontaminanten durch Waschen oder dergleichen zu
entfernen. Die Kontaminanten können dann von dem Drucksen
sor als eine Masse ausgestoßen werden und das obige Problem
und dergleichen verursachen.
In der gegenwärtigen Ausführungsform, wie in den
Fig. 16, 17A und 17B gezeigt, ist der Durchmesser S2 des
Öffnungsbereiches 12 der Spindel 10 kleiner als der Durch
messer S1 des Druckleitungskanals 32. Dementsprechend ist
es für Verunreinigungen bzw. Kontaminanten schwierig, an
der Innenwand des hohlen Bereiches der Spindel 10 anzuhaf
ten und sich darauf abzulagern.
Da die Spindel 10 und das Gehäuse 30 mittels der Schub
kraft auf dieselbe Weise, wie es in der ersten oder zweiten
Ausführungsform beschrieben wurde, miteinander verbunden
werden, muß man nicht die konventionelle Leitung verwenden,
um zu verhindern, daß die Stärke durch das Schweißen ver
ringert wird. In Fig. 16 beträgt der Durchmesser S2 des
Öffnungsbereiches 12 ϕ 3.5 mm, und der Durchmesser S1 des
Druckleitungskanals 32 beträgt ϕ 5 mm. Selbst wenn die
Mitte der Spindel 10 von der Mitte des Gehäuses 30 durch
das Zusammenbauen irrtümlich um 0,75 mm verschoben wird,
wenn montiert wird, kann die Dichtungsoberfläche 30a des
Gehäuses 30 die Dichtungsoberfläche der Spindel 10 kontak
tieren.
Wie in Fig. 17A gezeigt, wenn die Innenwand des hohlen
Bereiches der Spindel 10 einen abgestuften Bereich besitzt,
der einen großen Durchmesser S2 und einen kleinen Durchmes
ser S3 besitzen soll, sollten die Durchmesser S1, S2 und S3
eine Beziehung S1 ≧ S2 ≧ S3 erfüllen. Weiterhin, wie in
Fig. 17B gezeigt, wenn der hohle Bereich der Spindel 10
spitz zuläuft und sich in Richtung der Membran 11 vergrö
ßert, sollten die Durchmesser S1 und S2 eine Beziehung S1 ≧ S2
erfüllen. Dementsprechend kann derselbe Effekt wie oben
beschrieben erreicht werden. Übrigens, wie in dem in Fig.
18 gezeigten Vergleichsbeispiel, wenn die Innenwand des
hohlen Bereiches der Spindel 10 einen sich plötzlich auf
weitenden Bereich wie z. B. eine Aussparung oder einen kon
kaven oder gewölbten Bereich besitzt, lagern sich Kontamin
anten leicht in dem sich aufweitenden Bereich ab, sogar
wenn der Durchmesser S2 des Öffnungsbereiches 12 kleiner
ist als der Durchmesser S1 des Druckleitungsloches 32.
Folglich ist es wünschenswert, daß die Spindel 10 im Inne
ren keinen solchen sich plötzlich aufweitenden Bereich be
sitzt.
In der ersten Ausführungsform hält bzw. trägt das Ge
häuse 30 das Schraubenelement 20 nicht vollständig und ein
Teil des Schraubenelementes 20, der verschieden ist von dem
äußeren Gewindebereich 21, wird von dem Gehäuse 30 nicht
bedeckt und liegt frei. Hier, wie in den Fig. 19A und
19B gezeigt, tritt das folgende Problem auf, wenn das ge
samte Schraubenelement 20 in dem Gehäuse 30 untergebracht
wird.
Insbesondere wird die Metallspindel 10, mit der der
Sensorchip 40 verbunden bzw. verklebt ist, gegen das Me
tallgehäuse 30 geschoben bzw. gedrückt, um den Grenzbereich
K abzudichten bzw. zu versiegeln. Um die Spindel 10 gegen
das Gehäuse 30 zu schieben bzw. zu drücken, wird ein
hexagonaler Befestigungsbereich 22 des Schraubenelementes
20 unter Verwendung eines Befestigungsspannelementes wie
z. B. eines Schraubenziehers oder eines Schraubenschlüssels
gedreht. Dementsprechend wird das Schraubenelement 20 an
dem Gehäuse 30 befestigt, während eine axiale Spannung er
zeugt wird.
Hier wird das Schraubenelement 20 mit dem darauf mon
tierten Keramiksubstrat 30 zum Verstärken und Einstellen
eines Signals von dem Sensorchip 40 verbunden. Folglich muß
die Kontur des Befestigungsbereiches 22 des Schraubenele
mentes 20 zum Durchführen der Positionierung größer sein
als jene des Keramiksubstrates 30. Weiterhin, da das oben
beschriebene Befestigungsspannelement verwendet wird, um
das Schraubenelement 20 zu montieren, muß ein Freiraum S
zwischen dem Gehäuse 30 und dem Befestigungsbereich 22 aus
gebildet sein. Der Freiraum S erhöht jedoch die Größe des
Gehäuses 30, was zu einer erhöhten Größe des Drucksensors
führt.
Die vierte Ausführungsform stellt einen Drucksensor be
reit, der geeignet ist, die obigen Probleme zu lösen. Wie
in den Fig. 20A und 20B zu sehen ist, besitzt das
Schraubenelement 20 in einem Drucksensor gemäß der gegen
wärtigen Ausführungsform an einer oberen Seite davon einen
Befestigungsbereich 23. Der Befestigungsbereich 23 besitzt
einen hexagonalen konkaven Bereich an einer Innenseite da
von und eine Wand, die den konkaven Bereich umgibt. Die
Wand bildet eine kreisförmige Gestalt an einer Seite des
äußeren Umfangs bzw. der äußeren Peripherie davon, um mit
der inneren Gestalt des Gehäuses 30 zu korrespondieren bzw.
übereinzustimmen. Das Schraubenelement 20 kann mittels des
Befestigungsbereiches 23 befestigt werden. Es ist nicht er
forderlich, den in den Fig. 19A und 19B gezeigten großen
Freiraum S auszubilden. Da die Gestalt der Seite des äuße
rem Umfangs bzw. der äußeren Peripherie des Befestigungsbe
reiches 23 mit der inneren Gestalt des Gehäuses 30 überein
stimmt bzw. damit korrespondiert, kann der Freiraum zwi
schen dem Gehäuse 30 und dem Schraubenelement 20 minimal
gemacht werden, was zu einer Größenreduktion des Gehäuses
30 führt.
Die Gestalt des konkaven Bereiches ist nicht auf ein
Sechseck beschränkt, sondern kann ein Polygon sein wie z. B.
ein Achteck oder ein Zwölfeck, das in der axialen Richtung
davon beobachtet wird. Dementsprechend kann der Befesti
gungsbereich 23 leicht mittels des Spannelementes wie z. B.
eines Schraubenschlüssels befestigt werden. Eine vorteil
hafte Anzahl der Polygonecken des konkaven Bereiches ist
acht oder mehr, um die Wand des Befestigungsbereiches 23
dünner zu machen und um die Fläche zum Anbringen des
Substrates 60 zu erhöhen. Weiterhin ist die vorteilhafte
Anzahl der Polygonecken achtzehn oder weniger. Der Grund
dafür ist, daß das Befestigungsspannelement an dem Befesti
gungsbereich 23 abrutschen kann, wenn die Anzahl der Poly
gonecken zu groß ist. Wie in Fig. 21 gezeigt kann der Befe
stigungsbereich 23 anstatt der Gestalt eines Polygons die
Gestalt eines Zahnrades besitzen.
In den in den Fig. 20A, 20B und 21 gezeigten Druck
sensoren ist das untere Ende des Befestigungsbereiches 23
ungefähr komplanar mit dem Montagebereich, auf dem das Ke
ramiksubstrat 60 angebracht bzw. montiert wird. Wie jedoch
in den Fig. 22A und 22B gezeigt ist, kann ein Befesti
gungsbereich 23a mit einem unteren Ende ausgebildet werden,
das nicht komplanar mit dem Montagebereich ist, auf dem das
Keramiksubstrat 60 angebracht ist. In den Fig. 22A und
22B ist eine Stufe 24 an einem oberen Bereich ausgebildet,
der von dem Montagebereich verschieden ist, und der Befe
stigungsbereich 23a ist mit einer dünnen Wand an einem obe
ren Bereich ausgebildet, der von der Stufe 24 verschieden
ist. Dementsprechend kann ein weiteres Teil auf der Stufe
24 angebracht bzw. montiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf
die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen gezeigt
und beschrieben worden ist, ist es für Fachleute offen
sichtlich, daß Änderungen an der Form und im Detail daran
gemacht werden können, ohne von dem Anwendungsbereich der
Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen.
Zum Beispiel kann die Schubkraft zum Versiegeln bzw.
Abdichten des Grenzbereiches K unter Verwendung eines
Ringes in Gestalt eines C erzeugt werden. In diesem Fall
ist, beispielsweise, eine ringförmige Nut an einem Bereich
des Gehäuses 30 zum Halten bzw. Tragen der Spindel 10 aus
gebildet, und der abgestufte Bereich 13 der Spindel 10, der
darauf den Ring in der Gestalt eines C trägt, wird in der
Nut untergebracht. Der Ring in der Gestalt eines C dehnt
sich aufgrund einer elastischen Kraft von sich, so daß er
in die Nut paßt, während der abgestufte Bereich 13 gescho
ben wird. Als eine Folge werden die Spindel 10 und das Ge
häuse 30 miteinander verbunden und an dem Grenzbereich K
miteinander versiegelt.
Was den Erfassungsbereich (Sensorelement) des Drucksen
sors anbelangt, so können Dehnungsmeßelemente aus Poly
silizium direkt auf der Membran 11 angeordnet werden. Ande
rerseits kann ein Erfassungsbereich vom Kapazitätstyp aus
gebildet werden. In dem Erfassungsbereich vom Kapazitätstyp
ist eine Elektrode ausgebildet, um einer Membran in einem
Abstand zugewandt zu sein und eine Änderung in dem Abstand
zu erfassen, der durch die Verschiebung bzw. Verlagerung
der Membran verursacht wird, als eine Änderung in der Kapa
zität.
Der Drucksensor in der vorliegenden Erfindung kann
direkt an Hochdruckleitungssystemen angebracht werden wie
z. B. einer Kraftstofftransportleitung, die in einer Fabrik
installiert ist, einer Hochdruckvorrichtung und der
gleichen, zusätzlich zu der Kraftstoffleitung in dem Fahr
zeugkraftstoffeinspritzsystem wie z. B. dem Speicherein
spritzsystem.
Zusammengefaßt besitzt ein Drucksensor eine zylindri
sche Metallspindel 10 mit einer Membran 11 an einem Ende
davon und einem Öffnungsbereich 12 an dem anderen Ende da
von, und ein Gehäuse 30, das darin einen Druckleitungskanal
32 definiert, der mit dem Öffnungsbereich 12 in Verbindung
steht. Die Spindel 10 ist mit dem Gehäuse 30 mittels Zusam
menfügen eines äußeren Gewindebereiches 21 eines Schrauben
elementes 20, das zwischen der Spindel 10 und dem Gehäuse
30 angeordnet ist, und eines inneren Gewindebereiches 33
des Gehäuses 30 verbunden. Als ein Ergebnis wird ein Grenz
bereich K zwischen der Spindel 10 und dem Gehäuse 30 herme
tisch abgedichtet bzw. versiegelt. Die Spindel 10 und das
Gehäuse 30 müssen nicht denselben Härtegrad bzw. dieselbe
Härte besitzen.
Claims (19)
1. Drucksensor mit:
einer zylindrischen hohlen Metallspindel (10) mit einer Membran (11) an einem ersten Ende davon und einem Öffnungs bereich (12) an einem zweiten Ende davon, wobei die Membran (11) durch einen daran angelegten Druck verlagert wird;
einem Erfassungsbereich (40), der auf der Membran (11) angeordnet ist, zum Erfassen des Druckes auf der Grundlage der Verlagerung der Membran;
einem Gehäuse (30) zum Anbringen an einer Vorrichtung, wobei das Gehäuse darin einen Druckleitungskanal (32) defi niert, der mit dem Öffnungsbereich (12) der Spindel (10) zum Leiten des Druckes von der Vorrichtung in Richtung der Membran (11) durch den Öffnungsbereich (12) hindurch in Verbindung steht; und
einer Schiebeeinrichtung (20, 21, 33, 110) zum Schieben der Spindel (11) gegen das Gehäuse (30), derart, daß ein Grenzbereich (K) zwischen der Spindel (11) und dem Gehäuse (30) versiegelt wird.
einer zylindrischen hohlen Metallspindel (10) mit einer Membran (11) an einem ersten Ende davon und einem Öffnungs bereich (12) an einem zweiten Ende davon, wobei die Membran (11) durch einen daran angelegten Druck verlagert wird;
einem Erfassungsbereich (40), der auf der Membran (11) angeordnet ist, zum Erfassen des Druckes auf der Grundlage der Verlagerung der Membran;
einem Gehäuse (30) zum Anbringen an einer Vorrichtung, wobei das Gehäuse darin einen Druckleitungskanal (32) defi niert, der mit dem Öffnungsbereich (12) der Spindel (10) zum Leiten des Druckes von der Vorrichtung in Richtung der Membran (11) durch den Öffnungsbereich (12) hindurch in Verbindung steht; und
einer Schiebeeinrichtung (20, 21, 33, 110) zum Schieben der Spindel (11) gegen das Gehäuse (30), derart, daß ein Grenzbereich (K) zwischen der Spindel (11) und dem Gehäuse (30) versiegelt wird.
2. Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß
die Spindel (10) einen ersten Bereich an einer Seite des Öffnungsbereiches (12) und einen zweiten Bereich an einer Seite der Membran (11) besitzt, wobei der erste Be reich einen Außendurchmesser besitzt, der größer ist als jener des zweiten Bereiches, um einen abgestuften Bereich (13) zu bilden; und
die Schiebeeinrichtung (20, 21, 33, 110) den abgestuf ten Bereich (13) mit einer Schubkraft beaufschlagt, derart, daß der Grenzbereich (K) versiegelt wird.
die Spindel (10) einen ersten Bereich an einer Seite des Öffnungsbereiches (12) und einen zweiten Bereich an einer Seite der Membran (11) besitzt, wobei der erste Be reich einen Außendurchmesser besitzt, der größer ist als jener des zweiten Bereiches, um einen abgestuften Bereich (13) zu bilden; und
die Schiebeeinrichtung (20, 21, 33, 110) den abgestuf ten Bereich (13) mit einer Schubkraft beaufschlagt, derart, daß der Grenzbereich (K) versiegelt wird.
3. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebeeinrichtung eine
Schraubverbindungseinrichtung (20, 21, 33) ist, die zusam
mengefügt wird, derart, daß die Spindel (10) gegen das Ge
häuse (30) geschoben wird.
4. Drucksensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Schraubverbindungseinrichtung aus einem inne
ren Gewindebereich (33) des Gehäuses (30) und einem äußeren
Gewindebereich (21), der an der Seite des äußeren Umfangs
der Spindel (10) bereitgestellt ist, besteht.
5. Drucksensor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der äußere Gewindebereich (21) auf einem Schrau
benelement (20) bereitgestellt ist, das von der Spindel
(10) getrennt ist.
6. Drucksensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß
die Schraubverbindungseinrichtung einen ersten Gewin debereich (21), der auf einem Element (20) bereitgestellt ist, das an der Spindel (10) angebracht oder mit der Spin del (10) integriert ist, und einen zweiten Gewindebereich (33), der auf dem Gehäuse bereitgestellt ist, um mit dem ersten Gewindebereich (21) zusammengefügt zu werden, umfaßt; und
das Element (20) einen Befestigungsbereich (23, 23a) an einer dem Gehäuse (30) abgewandten Seite besitzt, wobei der Befestigungsbereich (23, 23a) einen konkaven Bereich und eine Wand besitzt, die den konkaven Bereich umgibt, zum Aufnehmen eines Spannelementes, um den ersten Gewindebe reich und den zweiten Gewindebereich zusammenzufügen.
die Schraubverbindungseinrichtung einen ersten Gewin debereich (21), der auf einem Element (20) bereitgestellt ist, das an der Spindel (10) angebracht oder mit der Spin del (10) integriert ist, und einen zweiten Gewindebereich (33), der auf dem Gehäuse bereitgestellt ist, um mit dem ersten Gewindebereich (21) zusammengefügt zu werden, umfaßt; und
das Element (20) einen Befestigungsbereich (23, 23a) an einer dem Gehäuse (30) abgewandten Seite besitzt, wobei der Befestigungsbereich (23, 23a) einen konkaven Bereich und eine Wand besitzt, die den konkaven Bereich umgibt, zum Aufnehmen eines Spannelementes, um den ersten Gewindebe reich und den zweiten Gewindebereich zusammenzufügen.
7. Drucksensor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß das Element (20) gänzlich in dem Gehäuse (30)
untergebracht ist.
8. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 und
7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Befestigungsbereich (23, 23a) des Elementes (20) von einer Innenwand des Gehäuses (30) umgeben wird; und
eine Gestalt des äußeren Umfangs der Wand des Befesti gungsbereiches (23, 23a) ungefähr dieselbe ist, wie jene der Innenwand.
der Befestigungsbereich (23, 23a) des Elementes (20) von einer Innenwand des Gehäuses (30) umgeben wird; und
eine Gestalt des äußeren Umfangs der Wand des Befesti gungsbereiches (23, 23a) ungefähr dieselbe ist, wie jene der Innenwand.
9. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Bereich die Ge
stalt eines Polygons besitzt.
10. Drucksensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß eine Anzahl der Ecken des konkaven Bereiches
gleich oder größer als acht ist.
11. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gewindebereich
(21) ein äußerer Gewindebereich und der zweite Gewinde
bereich (33) ein innerer Gewindebereich ist.
12. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebeeinrichtung (20,
21, 33, 110) ein aufgespreizter Bereich (110) des Gehäuses
(30) ist, der auf der Spindel (10) verstemmt ist, derart,
daß der Grenzbereich (K) versiegelt wird.
13. Drucksensor gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Spindel (10) einen thermischen Ausdehnungs
koeffizienten besitzt, der kleiner als ein thermischer Aus
dehnungskoeffizient des Gehäuses (30) ist.
14. Drucksensor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Spindel
(10) ungefähr in einem Bereich von 4 × 10-6/°C bis
9 × 10-6/°C und der thermische Ausdehnungskoeffizient des
Gehäuses (30) ungefähr in einem Bereich von 10 × 10-6/°C
bis 18 × 10-6/°C liegt.
15. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgespreizte Bereich
(110) auf der Spindel (10) mittels einem dazwischen ange
ordneten Hilfselement (114) verstemmt ist.
16. Drucksensor gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Hilfs
elementes (114) größer ist als jene der Spindel (10) und
des Gehäuses (30).
17. Verfahren zum Herstellen des Drucksensors, der in
irgendeinem der Ansprüche 13 bis 16 definiert ist, wobei
das Verfahren die Schritte aufweist:
Verstemmen des aufgespreizten Bereiches (110) auf der Spindel (30) während der aufgespreizte Bereich (110) aufge heizt wird; und
Abkühlen des aufgespreizten Bereiches (110) herunter auf eine Raumtemperatur.
Verstemmen des aufgespreizten Bereiches (110) auf der Spindel (30) während der aufgespreizte Bereich (110) aufge heizt wird; und
Abkühlen des aufgespreizten Bereiches (110) herunter auf eine Raumtemperatur.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß das Verstemmen des aufgespreizten Bereiches (110)
bei einer Temperatur ausgeführt wird, die höher ist als
eine Betriebstemperatur, bei der der Drucksensor betrieben
wird.
19. Drucksensor gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (10) spitz zu
läuft, derart, daß sie eine Dichtungsoberfläche an dem
zweiten Ende davon besitzt, wobei die Dichtungsoberfläche
mit dem Gehäuse (30) an dem Grenzbereich (K) in Kontakt
steht.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: YAMASHITA, YASUHIRO, KARIYA-CITY, AICHI-PREF, JP Inventor name: IMAI, MASAHITO, KARIYA-CITY, AICHI-PREF, JP Inventor name: ITO, OSAMU, KARIYA-CITY, AICHI-PREF, JP |
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R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110619 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |