DE102017122244A1

DE102017122244A1 - Druckerfassungsvorrichtung, damit ausgestatteter Verbrennungsmotor und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102017122244A1
Application number: DE102017122244.8A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Satoh; Kazuo Takahashi; Aki SUDO; Keisuke Sasaki; Masakatsu Nagai
Original assignee: Toyota Motor Corp; Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-03-29
Also published as: JP2018054347A; US10724917B2; JP6606483B2; US20180087993A1

Abstract

Eine Druckerfassungsvorrichtung weist auf: einen zylindrischen Körper, der aus einem Leiter besteht; einen Druckempfänger, der aus einem Leiter besteht, wobei der Druckempfänger auf einer Endseite des Körpers montiert ist und Druck von außen empfangt; einen Signalerzeuger, der innerhalb des Körpers angeordnet ist, wobei der Signalerzeuger elektrisch mit dem Druckempfänger verbunden ist und ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, der vom Druckempfänger empfangen wird; und eine Abdeckung, die aus einem Isolator besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die jeweilige Wärmeleitfähigkeit des Körpers und des Druckempfängers, wobei die Abdeckung die Außenfläche des Druckempfängers und einen Abschnitt der Außenfläche des Körpers unterbrechungslos abdeckt, wobei der Abschnitt auf einer Seite liegt, die dem Druckempfänger näher ist.

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckerfassungsvorrichtung, einen damit ausgestatteten Verbrennungsmotor und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Einschlägig verwandte Technik
Eine Druckerfassungsvorrichtung, die einen Signalerzeuger, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, verwendet, wurde als Druckerfassungsvorrichtung vorgeschlagen, um unter anderem einen Druck innerhalb einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors zu erfassen.
Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2013-156171 offenbart eine Druckerfassungsvorrichtung, die aufweist: ein zylindrisches Metallgehäuse (einen Gehäusekörper); einen Membrankopf aus Metall (einen Druckempfänger), der an einer vorderen Endseite des Gehäusekörpers montiert ist, um Druck von außen zu empfangen; und ein piezoelektrisches Element (einen Signalerzeuger), der innerhalb des Gehäusekörpers an der hinteren Endseite des Druckempfängers angeordnet ist, um einen Druck zu erfassen, der durch den Druckempfänger wirkt, wobei die Masse des Signalerzeugers und des Gehäusekörpers über den Druckempfänger elektrisch verbunden sind. Das Dokument offenbart auch, dass diese Druckerfassungsvorrichtung in ein Verbindungsloch eingeführt wird, das in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, um den Gehäusekörper und den Zylinderkopf elektrisch zu verbinden, und dass der Druckempfänger so angeordnet ist, dass er einer Brennkammer zugewandt ist. Es offenbart auch, dass der Zylinderkopf als Massekörper dient und dass die Masse des Signalerzeugers über den Druckempfänger, den Gehäusekörper und den Zylinderkopf geerdet wird.
KURZFASSUNG
Wenn die Druckerfassungsvorrichtung so gestaltet ist, dass der Gehäusekörper (ein Leiter), der elektrisch mit der Masse des Signalerzeugers verbunden ist, so an einem aus einem Leiter bestehenden Befestigungskörper (z. B. dem Zylinderkopf) montiert wird, dass der Gehäusekörper mit dem Befestigungskörper einen ununterbrochenen elektrischen Leiter bildet, der dann geerdet wird, kann eine solche Gestaltung bewirken, dass ein Rauschen vom Befestigungskörper durch den Gehäusekörper in die Druckerfassungsvorrichtung gelangt. Das Rauschen kann einen Fehler in dem Druck bewirken, der auf Basis einer Ausgabe des Signalerzeugers erhalten wird.
Wenn die Druckerfassungsvorrichtung so gestaltet ist, dass der Druck, der vom Druckempfänger empfangen wird, auf den Signalerzeuger übertragen wird, kann außerdem Wärme, die zusammen mit dem Druck an den Druckempfänger angelegt wird, bewirken, dass sich der Druckempfänger aufgrund von Wärmeausdehnung verformt, und dies führt dazu, dass der Druck, der vom Druckempfänger auf den Signalerzeuger übertragen wird, höher oder niedriger wird als der ursprüngliche Druck, der übertragen werden sollte. Dies bewirkt anderseits, dass ein Ausgabewert, der vom Signalerzeuger erzeugt wird, größer oder kleiner wird als der richtige Wert, der ausgegeben werden sollte, und als Folge des Drucks, der auf Basis der Ausgabe vom Signalerzeuger erhalten wird, einen Fehler enthalten kann.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung von durch externes Rauschen bedingten Fehlern in Ausgabewerten und die Verringerung von Fehlern in Ausgabewerten, die durch eine Wärmeausdehnung des Druckempfängers, der einen Druck empfängt, bewirkt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Druckerfassungsvorrichtung angegeben, die aufweist: einen zylindrischen Körper, der aus einem Leiter besteht; einen Druckempfänger, der aus einem Leiter besteht, wobei der Druckempfänger auf einer Endseite des Körpers montiert ist und Druck von außen empfängt; einen Signalerzeuger, der innerhalb des Körpers angeordnet ist, wobei der Signalerzeuger elektrisch mit dem Druckempfänger verbunden ist und ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, der vom Druckempfänger empfangen wird; und eine Abdeckung, die aus einem Isolator besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die jeweilige Wärmeleitfähigkeit des Körpers und des Druckempfängers, wobei die Abdeckung die Außenfläche des Druckempfängers und einen Abschnitt der Außenfläche des Körpers unterbrechungslos abdeckt, wobei der Abschnitt auf einer Seite liegt, die dem Druckempfänger näher ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der vom ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung abhängt, weist die Abdeckung eine erste Abdeckungsschicht und eine zweite Abdeckungsschicht auf, wobei die erste Abdeckungsschicht auf dem Körper und dem Druckempfänger angeordnet ist, die zweite Abdeckungsschicht auf der ersten Abdeckungsschicht angeordnet ist und eine Porosität aufweist, die höher ist als die Porosität der ersten Abdeckungsschicht.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der vom zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung abhängt, weist die Abdeckung ferner eine dritte Abdeckungsschicht auf, die auf der zweiten Abdeckungsschicht angeordnet ist, wobei die dritte Abdeckungsschicht eine Porosität aufweist, die niedriger ist als die Porosität der zweiten Abdeckungsschicht.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor angegeben, der mit einer Druckerfassungsvorrichtung ausgestattet ist und der aufweist: einen Zylinderkopf, der ein Verbindungsloch aufweist, wobei das Verbindungsloch eine Brennkammer mit der Außenumgebung der Brennkammer in Verbindung bringt, wobei die Brennkammer auf einer Endseite liegt, die Außenumgebung der Brennkammer auf der anderen Endseite liegt; und eine Druckerfassungsvorrichtung, die in das Verbindungsloch eingeführt wird, um am Zylinderkopf montiert zu werden, wobei die Druckerfassungsvorrichtung einen Druck im Inneren der Brennkammer erfasst, wobei die Druckerfassungsvorrichtung aufweist: einen zylindrischen Körper, der aus einem Leiter besteht, wobei der Körper so angeordnet ist, dass er sich innerhalb und außerhalb des Verbindungslochs befindet; einen Druckempfänger, der aus einem Leiter besteht, wobei der Druckempfänger an der einen Endseite des Körpers montiert ist und Druck aus der Brennkammer empfängt; einen Signalerzeuger, der innerhalb des Körpers angeordnet ist, wobei der Signalerzeuger elektrisch mit dem Druckempfänger verbunden ist und ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, das am Druckempfänger empfangen wird; und eine Abdeckung, die aus einem Isolator besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die jeweilige Wärmeleitfähigkeit des Körpers und des Druckempfängers, wobei die Abdeckung eine Außenfläche des Druckempfängers und einen Abschnitt einer Außenfläche des Körpers unterbrechungslos bedeckt, wobei der Abschnitt innerhalb des Verbindungslochs liegt.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Druckerfassungsvorrichtung angegeben, das beinhaltet: Montieren eines Druckempfängers an einer Endseite eines zylindrischen Körpers, um den Druckempfänger und den Körper elektrisch zu verbinden, wobei der Druckempfänger und der Körper jeweils aus einem Leiter bestehen, wobei der Druckempfänger Druck von außen empfängt; Ausbilden einer Abdeckung auf Außenflächen des Körpers und des Druckempfängers durch ein Aerosolabscheidungsverfahren, wobei die Abdeckung aus einem anorganischen Isolator besteht; und Montieren eines Signalerzeugers innerhalb des Körpers, um den Signalerzeuger und den Druckempfänger elektrisch zu verbinden, wobei der Signalerzeuger ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, der vom Druckempfänger empfangen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Fehler in Ausgabewerten zu verringern, die auf ein Rauschen von außen zurückgehen, und Fehler in Ausgabewerten zu verringern, die auf eine Wärmeausdehnung des druckempfangenden Druckempfängers zurückgehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlich auf Basis der folgenden Figuren beschrieben, von denen:
1 eine schematische Gestaltung eines Druckerfassungssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt;
2 eine vergrößerte Ansicht von Teil II in 1 ist;
3 eine schematische Gestaltung einer Druckerfassungsvorrichtung darstellt;
4 eine Querschnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3 darstellt;
5 eine vergrößerte Ansicht von Teil V in 4 ist;
6 eine vergrößerte Ansicht von Teil VI in 5 ist;
7 ein Ablaufschema zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Druckerfassungsvorrichtung ist;
8 eine schematische Gestaltung einer Filmabscheidungsvorrichtung ist, die verwendet wird, um eine Isolierschicht zu bilden;
9A–9G Ergebnisse des Antennenstrahlungstests zeigen;
10A–10G Ergebnisse des Antennenstrahlungstests (Fortsetzung) zeigen; und
11A–11G Ergebnisse des Antennenstrahlungstests (Fortsetzung) zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen beschrieben.
[Gestaltung des Druckerfassungssystems]
1 stellt eine schematische Gestaltung eines Druckerfassungssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel dar.
2 ist eine vergrößerte Ansicht von Teil II in 1.
Das Druckerfassungssystem weist eine Druckerfassungsvorrichtung 5, eine Steuereinrichtung 6 und ein Übertragungskabel 8 auf. Die Druckerfassungsvorrichtung 5 erfasst einen Druck (Verbrennungsdruck) innerhalb einer Brennkammer C eines Verbrennungsmotors 1. Die Steuereinrichtung 6 liefert Energie zur Druckerfassungsvorrichtung 5 und steuert den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 auf Basis des von der Druckerfassungsvorrichtung 5 erfassten Drucks. Das Übertragungskabel 8 verbindet die Druckerfassungsvorrichtung 5 elektrisch mit der Steuereinrichtung 6, um elektrische Signale zu übertragen.
Der Verbrennungsmotor 1, der das Objekt ist, dessen Druck erfasst werden soll, weist auf: einen Zylinderblock 2, der in seinem Inneren einen Zylinder 2a aufweist; einen Kolben 3, der sich im Zylinder 2a hin und her bewegt; und einen Zylinderkopf 4, der am Zylinderblock 2 fixiert ist, um die Brennkammer C mit dem Kolben 3 und den anderen Komponenten zu bilden. Ferner weist der Zylinderblock 4 ein Verbindungsloch 4a auf, das die Brennkammer C mit der Außenumgebung verbindet. Die Verbindung 4a weist von der Seite der Brennkammer C her hintereinander einen ersten Lochabschnitt 4b, einen schrägen Abschnitt 4c und einen zweiten Lochabschnitt 4d auf. Der schräge Abschnitt 4c weist einen Durchmesser auf, der ausgehend vom Lochdurchmesser des ersten Lochabschnitts 4b allmählich größer wird. Der zweite Lochabschnitt 4d weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des ersten Lochabschnitts 4b. In dem Ausführungsbeispiel bestehen der Zylinderblock 2 und der Zylinderkopf 4 aus einem leitenden Metallwerkstoff (beispielsweise Gusseisen und Aluminium). Aus diesem Grund liegt das Metall auf einer Innenfläche des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 frei.
[Druckerfassungsvorrichtung]
Es folgt eine ausführliche Erläuterung der Druckerfassungsvorrichtung 5.
3 stellt eine schematische Gestaltung der Druckerfassungsvorrichtung 5 dar. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV in 3. 5 ist eine vergrößerte Ansicht von Teil V in 4. 6 ist eine vergrößerte Ansicht von Teil VI in 5.
Die Druckerfassungsvorrichtung 5 weist einen Sensorteil 100, einen Signalprozessor 200 und ein Halteelement 300 auf. Der Sensorteil 100 weist ein piezoelektrisches Element 10 auf, das Druck innerhalb der Brennkammer C in elektrische Signale umwandelt. Der Signalprozessor 200 verarbeitet die elektrischen Signale vom Sensorteil 100. Das Halteelement 300 hält den Signalprozessor 200. Beim Montieren der Druckerfassungsvorrichtung 5 am Zylinderkopf 4 wird die Druckerfassungsvorrichtung 5 mit einem (weiter unten beschriebenen) Membrankopf 40 des Sensorteils 100 voran in das Verbindungsloch 4a des Zylinderkopfs 4 eingeführt. In der folgenden Erläuterung wird die linke Seite von 4 als vordere Endseite (oder die eine Endseite) der Druckerfassungsvorrichtung 5 bezeichnet, und die rechte Seite von 4 wird als hintere Endseite (oder die andere Endseite) der Druckerfassungsvorrichtung 5 bezeichnet.
(Sensorteil)
Zunächst wird der Sensorteil 100 erläutert.
Der Sensorteil 100 weist das piezoelektrische Element 10 auf, das angelegten Druck in elektrische Signale umwandelt, sowie ein zylindrisches Gehäuse 30, in dem ein röhrenartiges Loch zum Aufnehmen des piezoelektrischen Elements 10 und anderer Komponenten ausgebildet ist. Im Folgenden wird die Richtung der Mittellinie des röhrenartigen Lochs, das im Gehäuse 30 ausgebildet ist, einfach als Mittellinienrichtung bezeichnet.
Der Sensorteil 100 weist ferner den Membrankopf 40, eine erste Elektrode 50 und eine zweite Elektrode 55 auf. Der Membrankopf 40 ist so angeordnet, dass er eine Öffnung des Gehäuses 30 auf der vorderen Endseite verschließt, und der Druck innerhalb der Brennkammer C auf diesen Membrankopf 40 wirkt. Die erste Elektrode 50 ist zwischen dem Magnetkopf 40 und dem piezoelektrischen Element 10 angeordnet. Die zweite Elektrode 55 ist gegenüber der ersten Elektrode 50 mit dem piezoelektrischen Element 10 dazwischen angeordnet.
Der Sensorteil 100 weist ferner einen Isolierring 60, ein Trägerelement 65, eine Spiralfeder 70 und eine Isolierschicht 80 auf. Der Isolierring 60 isoliert die zweite Elektrode 55 elektrisch. Das Trägerelement 65 ist in Bezug auf den Isolierring 60 auf der hinteren Endseite angeordnet und trägt einen Endabschnitt eines (später beschriebenen) Abdeckungselements 23 des Signalprozessors 200. Die Spiralfeder 70 befindet sich zwischen der zweiten Elektrode 55 und einem (später beschriebenen) leitenden Element 70. Die Isolierschicht 80 besteht aus einem Film aus einem Isolator und bedeckt unterbrechungslos die Außenfläche des Membrankopfs 40 und die Außenfläche auf der vorderen Endseite des Gehäuses 30.
Das piezoelektrische Element 10, das ein spezifisches Beispiel für den beanspruchten Signalerzeuger ist, weist einen piezoelektrischen Körper auf, der eine piezoelektrische Funktion mit einem piezoelektrischen Longitudinaleffekt zeigt. Der piezoelektrische Longitudinaleffekt bezeichnet eine Funktion, bei der elektrische Ladungen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers in Richtung einer elektrischen Ladungserzeugungsachse erzeugt werden, wenn eine externe Kraft auf eine Belastungsachse wirkt, deren Richtung der Richtung der elektrischen Ladungserzeugungsachse des piezoelektrischen Körpers gleich ist. Das piezoelektrische Element 10 des Ausführungsbeispiels wird so im Gehäuse 30 aufgenommen, dass die Mittellinienrichtung der Richtung der Belastungsachse entspricht. Hierbei ist das piezoelektrische Element 10 so angeordnet, dass eine Lücke zwischen der Seitenfläche des piezoelektrischen Elements 10 und einer Innenwand des Gehäuses 30 gebildet wird, so dass das piezoelektrische Element 10 und das Gehäuse 30 einander nicht berühren.
Nun wird ein Beispiel geliefert, wo ein piezoelektrischer Transversaleffekt für das piezoelektrische Element 10 genutzt wird. Der piezoelektrische Transversaleffekt bezeichnet eine Funktion, bei der elektrische Ladungen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers in Richtung einer elektrischen Ladungsachse erzeugt werden, wenn eine externe Kraft auf eine Belastungsachse wirkt, deren Richtung senkrecht ist zur Richtung der elektrischen Ladungsachse des piezoelektrischen Körpers. Das piezoelektrische Element 10 kann aus einem Stapel mehrerer piezoelektrischer Körper bestehen, die jeweils in Form einer dünnen Platte ausgebildet sind. Eine solche Stapelstruktur ermöglicht eine effiziente Akkumulation elektrischer Ladungen, die an den piezoelektrischen Körpern erzeugt werden, und somit die Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors. Beispiele für piezoelektrische Einkristalle sind Kristalle auf Langasitbasis (Langasit, Langatat, Langanit, LGTA), Quarz, Galliumphosphat und dergleichen, die den piezoelektrischen Longitudinaleffekt und den piezoelektrischen Transversaleffekt haben. In dem Ausführungsbeispiel verwendet das piezoelektrische Element 10 einen Langatat-Einkristall als piezoelektrischen Körper.
Das Gehäuse 30, das ein spezifisches Beispiel für den beanspruchten Körper ist, beinhaltet ein erstes Gehäuse 31 auf der vorderen Endseite und ein zweites Gehäuse 32 auf der hinteren Endseite.
Das erste Gehäuse 31 ist ein dünnwandiges zylindrisches Element, in dem ein röhrenartiges Loch 310 ausgebildet ist. Der Durchmesser des Loches 310 ändert sich stufenweise von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite. An einem in der Mittellinienrichtung mittleren Teil der Außenfläche des ersten Gehäuses 31 ist ein Vorsprung 315 vorgesehen, der entlang des gesamten Umfangs von der Außenfläche vorsteht.
Das Loch 310 beinhaltet ein erstes Loch 311 und ein zweites Loch 312 in dieser Reihenfolge von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite. Das zweite Loch 312 weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des ersten Loches 311. Der Vorsprung 315 weist eine schräge Oberfläche 315a auf der vorderen Endseite und eine vertikale Oberfläche 315b auf der hinteren Endseite auf. Die schräge Oberfläche 315a weist einen Durchmesser auf, der von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite allmählich größer wird. Die vertikale Oberfläche 315b ist senkrecht zur Mittellinienrichtung.
Das zweite Gehäuse 32 ist ein zylindrisches Element, in dem ein röhrenartiges Loch 320 ausgebildet ist. Der Durchmesser des Loches 320 ändert sich stufenweise von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite. Das zweite Gehäuse 32 weist eine Außenfläche 330 auf, deren Durchmesser sich von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite stufenweise ändert.
Das Loch 320 beinhaltet ein erstes Loch 321, ein zweites Loch 322, ein drittes Loch 323, ein viertes Loch 324 und ein fünftes Loch 325 in dieser Reihenfolge von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite. Das zweite Loch 322 weist einen Lochdurchmesser auf, der kleiner ist als der Lochdurchmesser des ersten Loches 321. Das dritte Loch 323 weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des zweiten Loches 322. Das vierte Loch 324 weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des dritten Loches 323. Das fünfte Loch 325 weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des vierten Loches 324.
Der Lochdurchmesser des ersten Loches 321 ist so eingerichtet, dass er gleich groß ist wie oder kleiner ist als der Durchmesser der Außenfläche des ersten Gehäuses 31, so dass der vordere Endabschnitt des zweiten Gehäuses 32 in den hinteren Endabschnitt des ersten Gehäuses 31 gezwängt bzw. eingepasst (gepresst) wird.
Die Außenfläche 330 beinhaltet von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite eine erste Außenfläche 331, eine zweite Außenfläche 332, eine dritte Außenfläche 333, eine vierte Außenfläche 334 und eine fünfte Außenfläche 335. Die zweite Außenfläche 332 weist einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser der ersten Außenfläche 331. Die dritte Außenfläche 333 weist einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser der zweiten Außenfläche 332. Die vierte Außenfläche 334 weist einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser der dritten Außenfläche 333. Die fünfte Außenfläche 335 weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser der vierten Außenfläche 334. Ein erstes Dichtungselement 71 (später beschrieben) ist lose über die dritte Außenfläche 333 gepasst, und eine Maßtoleranz zwischen dem Außendurchmesser der dritten Außenfläche 333 und dem Innendurchmesser des ersten Dichtungselements 71 ist beispielsweise auf 0 bis 0,2 mm eingerichtet. Der hintere Endabschnitt der vierten Außenfläche 334 ist so geformt, dass er ein regelmäßiges sechskantiges Prisma mit sechs Schrägkanten in gleichen Abständen in der Umfangsrichtung ist. An einem in der Mittellinienrichtung mittleren Teil der fünften Außenfläche 335 ist entlang des gesamten Umfangs eine Eintiefung 335a ausgebildet, die von der Außenfläche aus eingetieft ist.
Ferner weist das zweite Gehäuse 32 eine Stoßfläche 340 an einem Teil des Übergangs vom vierten Loch 324 zum fünften Loch 325, das heißt am vorderen Ende des Loches 325 auf. An die Stoßfläche 340 stößt die vordere Stirnfläche eines (später beschriebenen) Platinenabdeckungsabschnitts 232 des Abdeckungselements 23 des Signalprozessors 200 an. Die Stoßfläche 340 weist eine Stifteinführungseintiefung 340a auf, in die ein (später beschriebener) zweiter Verbindungsstift 21b einer gedruckten Schaltung 210 des Signalprozessors 200 eingeführt wird.
Da das erste Gehäuse 31 und das zweite Gehäuse 32 nahe an der Brennkammer C liegen, sind Materialien für diese Komponenten vorzugsweise solche, die einer Umgebung mit einer Betriebsbedingung von mindestens –40°C bis 350°C standhalten können. Genauer ist es von Vorteil, einen hochwärmebeständigen Edelstahl wie SUS 630, SUS 316 und SUS 430 des JIS-Standards zu verwenden.
Der Membrankopf 40, der ein spezifisches Beispiel für den Druckempfänger ist, beinhaltet einen zylindrischen Abschnitt 41 von zylindrischer Form und einen Verschlussabschnitt 42 in Plattenform, der am vorderen Ende des zylindrischen Abschnitts 41 angeordnet ist, um das vordere Ende des zylindrischen Abschnitts 41 zu verschließen. Der Membrankopf 40 weist ferner einen abgekanteten Abschnitt 43 auf, der durch Abkanten der Außenfläche an der Ecke des zylindrischen Abschnitts 41 und des Verschlussabschnitts 42 um 45 Grad ausgebildet wird. Da sich der Membrankopf 40 in der Brennkammer C unter einer hohen Temperatur und einem hohen Druck befindet, ist das Material des Membrankopfs 40 vorzugsweise eine Legierung, die eine hohe Elastizität und ausgezeichnete Haltbarkeit, Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Zum Beispiel kann SUH 660 verwendet werden.
Der Verschlussabschnitt 42 weist eine Eintiefung 421 in einer vorderen Oberfläche und einen Vorsprung 422 an einer hinteren Oberfläche auf. Die Eintiefung 421 in der vorderen Oberfläche ist im mittleren Teil der vorderen Endseite, das heißt in der vorderen Oberfläche des Verschlussabschnitts 42, vorgesehen und in Richtung auf das piezoelektrische Element 10 eingetieft. Der Vorsprung 422 an der hinteren Oberfläche ist im mittleren Teil der hinteren Endseite, das heißt der hinteren Oberfläche des Verschlussabschnitts 42, vorgesehen und ragt zum piezoelektrischen Element 10 vor. Der Vorsprung 422 an der hinteren Oberfläche liegt hinterhalb der Eintiefung 421 in der vorderen Oberfläche.
Die erste Elektrode 50 ist ein röhrenartiges Element mit einem Durchmesser, der sich von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite stufenweise ändert. Die erste Elektrode 50 beinhaltet einen ersten röhrenartigen Abschnitt 51 und einen zweiten röhrenartigen Abschnitt 52, der einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser des ersten röhrenartigen Abschnitts 51. Der Außendurchmesser des ersten röhrenartigen Abschnitts 51 ist kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 41 des Membrankopfs 40. Der Außendurchmesser des zweiten röhrenartigen Abschnitts 52 ist dem Lochdurchmesser des ersten Loches 311 des ersten Gehäuses 31 im Wesentlichen gleich. Der erste röhrenartige Abschnitt 51 ist so angeordnet, dass er mit seiner vorderen Stirnfläche den rückseitigen Vorsprung 422 des Verschlussabschnitts 42 des Membrankopfs 40 berührt. Der zweite röhrenartige Abschnitt 52 ist so angeordnet, dass er mit seiner hinteren Stirnfläche die vordere Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10 berührt. Das vordere Ende des piezoelektrischen Elements 10 ist durch den Kontakt zwischen der Außenfläche des zweiten röhrenartigen Abschnitts 52 und der Innenfläche des ersten Gehäuses 31 und/oder den Kontakt zwischen der vorderen Stirnfläche des ersten röhrenartigen Abschnitts 51 und dem Membrankopf 40 elektrisch mit dem Gehäuse 30 verbunden.
Die erste Elektrode 50 wird zum Anlegen des Druckes innerhalb der Brennkammer C an das piezoelektrische Element 10 verwendet und ist so bemessen, dass die hintere Stirnfläche des zweiten röhrenartigen Abschnitts 52, das heißt die Oberfläche auf der Seite des piezoelektrischen Elements 10, gegen die gesamte Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10 drücken kann. Darüber hinaus sind beide Stirnflächen der ersten Elektrode 50 in der Mittellinienrichtung so ausgebildet, dass sie parallel zueinander (senkrecht zur Mittellinienrichtung) sind und dass sie glatte Oberflächen haben, so dass der Druck, der vom Membrankopf 40 empfangen wird, gleichmäßig auf das piezoelektrische Element 10 wirkt.
Beispiele für Materialien für die erste Elektrode 50 beinhalten Edelstahl.
Die zweite Elektrode 55 ist ein röhrenartiges Element. Die zweite Elektrode 55 ist so angeordnet, dass ihre vordere Stirnfläche die hintere Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10 berührt und ihre hintere Stirnfläche den Isolierring 60 berührt. An der hinteren Stirnfläche der zweiten Elektrode 55 ist ein röhrenartiger Vorsprung 55a bereitgestellt, der von der hinteren Stirnfläche zur hinteren Endseite vorsteht. Der Vorsprung 55a beinhaltet einen Basisabschnitt auf der Seite der Stirnfläche und ein vorderes Ende mit einem Außendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Basisabschnitts. Der Außendurchmesser des Vorsprungs 55a ist kleiner eingerichtet als der Innendurchmesser des Isolierrings 60. Die Länge des Vorsprungs 55a ist länger eingestellt als die Breite (Länge in der Mittellinienrichtung) des Isolierrings 60, so dass das vordere Ende des Vorsprungs 55a vom Isolierring 60 freigelassen wird. Die zweite Elektrode 55 ist ein Element, um zwischen der zweiten Elektrode 55 und der ersten Elektrode 50 eine bestimmte Last an das piezoelektrische Element 10 anzulegen. Die Stirnfläche der zweiten Elektrode 55 auf der Seite des piezoelektrischen Elements 10 ist so bemessen, dass die Stirnfläche gegen die gesamte Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10 drücken kann. Die Stirnfläche der zweiten Elektrode 55 ist ferner so ausgebildet, dass sie parallel ist zur Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10, und so, dass sie eine glatte Oberfläche aufweist. Der Außendurchmesser der zweiten Elektrode 55 ist kleiner eingerichtet als der Lochdurchmesser des zweiten Loches 312 des ersten Gehäuses 31, wodurch eine Lücke zwischen der zweiten Elektrode 55 und dem Innenumfang des ersten Gehäuses 31 ausgebildet wird.
Beispiele für Materialien für die zweite Elektrode 55 beinhalten Edelstahl.
Der Isolierring 60 ist ein zylindrisches Element aus Aluminiumkeramik oder dergleichen. Der Innendurchmesser (Lochdurchmesser im mittleren Teil) des Isolierrings 60 ist etwas größer eingerichtet als der Außendurchmesser des Basisabschnitts des Vorsprungs 55a der zweiten Elektrode 55. Der Außendurchmesser des Isolierrings 60 ist im Wesentlichen gleich eingestellt wie der Lochdurchmesser des zweiten Loches 312 des ersten Gehäuses 31. Die zweite Elektrode 55 wird so angeordnet, dass ihr Vorsprung 55a in das Loch im mittleren Teil des Isolierrings 60 eingeführt wird. Dadurch wird die Mittenposition der zweiten Elektrode 55 an der Mitte des zweiten Loches 312 des ersten Gehäuses 31 ausgerichtet.
Das Trägerelement 65 ist ein zylindrisches Element, das eine einzige Außenfläche aufweist und das innen von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite mehrere röhrenartige Löcher 650 mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.
Die Löcher 650 bestehen aus einem ersten Loch 651, einem zweiten Loch 652 und einem dritten Loch 653 in dieser Reihenfolge von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite. Das zweite Loch 652 weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des ersten Loches 651, und das dritte Loch 653 weist einen Lochdurchmesser auf, der größer ist als der Lochdurchmesser des zweiten Loches 652. Der Lochdurchmesser des ersten Loches 651 ist größer als der Lochdurchmesser des Basisabschnitts des Vorsprungs 55a der zweiten Elektrode 55, und der Vorsprung 55a liegt innerhalb des Trägerelements 65 frei. Der Lochdurchmesser des zweiten Loches 652 ist größer als der Außendurchmesser des vorderen Endes eines (später beschriebenen) leitenden Elements 22 des Signalprozessors 200. Der Lochdurchmesser des dritten Loches 653 ist kleiner als der Außendurchmesser des Endabschnitts des (später beschriebenen) Abdeckungselements 23 des Signalprozessors 200, und das Abdeckungselement 23 wird in eine umgebende Wand des dritten Loches 653 gezwängt. Das Trägerelement 65 dient daher dazu, den Endabschnitt des Abdeckungselements 23 zu tragen.
Die Spiralfeder 70 weist einen Innendurchmesser auf, der gleich groß ist wie oder größer ist als der Außendurchmesser des vorderen Endes des Vorsprungs 55a der zweiten Elektrode 55 und der kleiner ist als der Außendurchmesser des Basisabschnitts des Vorsprungs 55a, und weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser eines Einführungslochs 22 des leitenden Elements 22 (später beschrieben). Wenn das vordere Ende des Vorsprungs 55a der zweiten Elektrode 55 in die Spiralfeder 70 eingeführt ist, wird die Spiralfeder 70 in das Einführungsloch 22a des (später beschriebenen) leitenden Elements 22 eingeführt. Die Länge der Spiralfeder 70 ist auf eine Länge eingerichtet, durch welche die Spiralfeder 70 in einem komprimierten Zustand zwischen die zweite Elektrode 55 und das leitende Element 22 passt. Das Material der Spiralfeder 70 ist vorzugsweise eine Legierung, die eine hohe Elastizität und eine hervorragende Haltbarkeit, Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und dergleichen aufweist. Außerdem ist die Oberfläche der Spiralfeder 70 vorzugsweise vergoldet, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
Die Isolierschicht 80, die ein spezifisches Beispiel für die beanspruchte Abdeckung ist, besteht aus einem Isoliermaterial mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Die Isolierschicht 80 bedeckt unterbrechungslos die gesamte Fläche einer freiliegenden Außenfläche des Membrankopfs 40, die gesamte Fläche einer freiliegenden Außenfläche des ersten Gehäuses 31 und einen Teil einer freiliegenden Außenfläche des zweiten Gehäuses 32 auf der vorderen Endseite (das heißt die erste Außenfläche 331, die zweite Außenfläche 332 und die dritte Außenfläche 333, außer der vierten Außenfläche 334 und der fünften Außenfläche 335, die eher auf der hinteren Endseite liegen).
Das Material der Isolierschicht 80 kann organisch oder anorganisch sein, solange das Material ein Isoliermaterial ist. Das anorganische Material der Isolierschicht 80 ist vorzugsweise Keramik (einschließlich von amorpher Keramik), die eine hervorragende Haltbarkeit, Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und dergleichen aufweist. Beispiele schließen Zirconium, Aluminium, Siliciumdioxid und diamantartigen Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) ein. Andere Arten von Oxidkeramik, Nitridkeramik oder Carbidkeramik können ebenfalls verwendet werden. Indessen beinhalten Beispiele für organische Materialien für die Isolierschicht 80 Polyimid (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyetheretherketon (PEEK).
In dem Ausführungsbeispiel besteht die Isolierschicht 80 aus einem Stapel aus mehreren Schichten. Genauer beinhaltet die Isolierschicht 80 des Ausführungsbeispiels eine erste Isolierschicht 81 (ein spezifisches Beispiel für die beanspruchte erste Abdeckungsschicht), eine zweite Isolierschicht 82 (ein spezifisches Beispiel für die beanspruchte zweite Abdeckungsschicht) und eine dritte Isolierschicht 83 (ein spezifisches Beispiel für die beanspruchte dritte Abdeckungsschicht). Die erste Isolierschicht 81 ist auf den Außenflächen der Komponenten ausgebildet, auf denen die Isolierschicht 80 ausgebildet werden soll (d. h. auf dem Gehäuse 30 und dem Membrankopf 40). Die zweite Isolierschicht 82 weist andere Eigenschaften auf als die erste Isolierschicht 81 und ist auf der ersten Isolierschicht 81 ausgebildet. Die dritte Isolierschicht 83 weist andere Eigenschaften auf als die zweite Isolierschicht 82 und ist auf der zweiten Isolierschicht 82 ausgebildet. Man beachte, dass die erste Isolierschicht 81 und die dritte Isolierschicht 83 gleiche Eigenschaften aufweisen können.
Hierbei gibt der Ausdruck „andere Eigenschaften” sowohl den Fall an, wo die Schichten aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Materialien unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, als auch den Fall, wo die Schichten trotz der Verwendung gleicher Materialien aufgrund von Unterschieden in der Struktur der Materialien der jeweiligen Schichten unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Im letztgenannten Fall beinhalten Beispiele für solche Unterschiede in der Struktur, ob sie kristallin/amorph sind, den Teilchendurchmesser und die Porosität.
In dem Ausführungsbeispiel wird stabilisiertes Zircondioxid, das durch Hinzufügen von Yttriumoxid als Stabilisator zu Zircondioxid erhalten wird, für die erste Isolierschicht 81 bis dritte Isolierschicht 83, die Bestandteile der Isolierschicht 80 sind, verwendet. In dem Ausführungsbeispiel sind die erste Isolierschicht 81 und die dritte Isolierschicht 83 aus einem Film gebildet, der eine höhere Dichte aufweist als die zweite Isolierschicht 82 (ist die zweite Isolierschicht 82 aus einem Film mit einer niedrigeren Dichte gebildet als die erste Isolierschicht 81 und die dritte Isolierschicht 83).
Auch wenn die Isolierschicht 80 in dem Ausführungsbeispiel aus drei Schichten besteht, kann die Isolierschicht 80 aus einer einzigen Schicht, aus zwei Schichten oder aus vier oder mehr Schichten bestehen.
Hierin wird eine Beziehung der Isolierschicht 80 zum Gehäuse 30 (dem ersten Gehäuse 30 und dem zweiten Gehäuse 32) und dem Membrankopf 40, der in der Druckerfassungsvorrichtung 5 verwendet wird, erläutert. Im Folgenden werden das Gehäuse 30 und der Membrankopf 40 gemeinsam als „Gehäuseeinheit” bezeichnet.
Die Gehäuseeinheit des Ausführungsbeispiels besteht aus einem Metallmaterial (Edelstahl in diesem spezifischen Beispiel), wie oben beschrieben. Dagegen besteht die Isolierschicht 80 aus einem anorganischen Material (stabilisiertem Zircondioxid in diesem spezifischen Beispiel), wie oben beschrieben. Infolgedessen ist in dem Ausführungsbeispiel die elektrische Leitfähigkeit der Isolierschicht 80 niedriger als die der Gehäuseeinheit.
Ferner werden in dem Ausführungsbeispiel Materialien der Isolierschicht 80 und der Gehäuseeinheit so gewählt, dass die Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht 80 niedriger als die der Gehäuseeinheit. In diesem spezifischen Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit von stabilisiertem Zircondioxid 2–3 W/m·K, während die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl 16–27 W/m·k beträgt.
Außerdem werden in dem Ausführungsbeispiel Materialien der Isolierschicht 80 und der Gehäuseeinheit so gewählt, dass der Schmelzpunkt der Isolierschicht 80 höher ist als derjenige der Gehäuseeinheit. In diesem spezifischen Beispiel beträgt der Schmelzpunkt von stabilisiertem Zircondioxid 2715°C, während der Schmelzpunkt von Edelstahl 1400–1500°C beträgt.
Außerdem werden in dem Ausführungsbeispiel Materialien der Isolierschicht 80 und der Gehäuseeinheit so gewählt, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient der Isolierschicht 80 nahe an dem der Gehäuseeinheit liegt. In diesem spezifischen Beispiel beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient von stabilisiertem Zircondioxid 10–11 (10^–6/K), während der lineare Ausdehnungskoeffizient von Edelstahl 9–18 (10^–6/K) beträgt.
(Signalprozessor)
Nun wird der Signalprozessor 200 beschrieben.
Der Signalprozessor 200 beinhaltet einen Schaltungsplatinenteil 21, das stabförmige leitende Element 22, das Abdeckungselement 23 und einen O-Ring 24. Der Schaltungsplatinenteil 21 führt zumindest eine Verstärkungsverarbeitung an elektrischen Signalen durch, die schwache elektrische Ladungen sind, die aus dem piezoelektrischen Element 10 des Sensorteils 100 erhalten werden. Das leitende Element 22 leitet die elektrischen Ladungen, die am piezoelektrischen Element 10 erzeugt werden, zum Schaltungsplatinenteil 21. Das Abdeckungselement 23 deckt den Schaltungsplatinenteil 21, das leitende Element 22 und dergleichen ab. Der O-Ring 24 dichtet den Schaltungsplatinenteil 21 und dergleichen ab.
Der Schaltungsplatinenteil 21 beinhaltet die gedruckte Schaltung 210, auf der elektronische Komponenten montiert sind, die einen Schaltkreis bilden zur Verstärkung der schwachen elektrischen Ladungen, die aus dem piezoelektrischen Element 10 des Sensorteils 100 erhalten werden. Der vordere Endabschnitt der gedruckten Schaltung 210 wird durch Lot oder andere Mittel mit einem ersten Verbindungsstift 21a zur elektrischen Verbindung des hinteren Endabschnitts des leitenden Elements 22 verbunden und mit dem zweiten Verbindungsstift 21b zum Erden und Positionieren verbunden. Ferner wird der hintere Endabschnitt der gedruckten Schaltung 210 durch Lot oder andere Mittel mit drei dritten Verbindungsstiften 21c verbunden, die über ein Verbindungsstück 8a am vorderen Endabschnitt des Übertragungskabels 8 mit der Steuereinrichtung 6 verbunden werden. Die drei dritten Verbindungsstifte 21c werden verwendet, um eine Energieversorgungsspannung von der Steuereinrichtung 6 zur gedruckten Schaltung 210 zu liefern, eine Erdungsspannung von der Steuereinrichtung 6 zur gedruckten Schaltung 210 zu liefern bzw. um eine Ausgangsspannung von der gedruckten Schaltung 210 zur Steuereinrichtung 6 zu liefern.
Das leitende Element 22 ist ein stabförmiges (röhrenförmiges) Element und weist an seinem vorderen Ende das Einführungsloch 22a auf, in welches das vordere Ende des Vorsprungs 55a der zweiten Elektrode 55 eingeführt wird. Der hintere Endabschnitt des leitenden Elements 22 wird über einen Leiterdraht elektrisch mit der gedruckten Schaltung 210 des Schaltungsplatinenteils 21 verbunden. Beispiele für Materialien für das leitende Element 22 beinhalten Messing und Berylliumkupfer. Von diesen wird Kupfer unter dem Gesichtspunkt der Verarbeitbarkeit und der Kosten bevorzugt. Dagegen wird Berylliumkupfer unter dem Gesichtspunkt der elektrischen Leitfähigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und Zuverlässigkeit bevorzugt.
Das Abdeckungselement 23 beinhaltet eine Leiterelementabdeckung 231, die Platinenabdeckung 232 und ein Verbindungsstück 233. Die Leiterelementabdeckung 231 deckt die Außenfläche des leitenden Elements 22 ab. Die Platinenabdeckung 232 deckt Seiten- und Bodenflächen der gedruckten Schaltung 210 des Schaltungsplatinenteils 21 ab. Das Verbindungsstück 233 deckt einen Umfangsrand der dritten Verbindungsstifte 21c ab, die mit der gedruckten Schaltung 210 verbunden sind. Das Verbindungsstück 8a am vorderen Endabschnitt des Übertragungskabels 8 wird in dieses Verbindungsstück 233 gepasst.
Die Leiterelementabdeckung 31 deckt das leitende Element 22 so ab, dass der vordere Endabschnitt des leitenden Elements 22 in der Mittellinienrichtung freiliegt, und weist eine Außenfläche 240 mit einem Durchmesser auf, der sich von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite stufenweise ändert. Die Außenfläche 240 beinhaltet: eine erste Außenfläche 241; eine zweite Außenfläche 242 mit einem Außendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser der ersten Außenfläche 241; eine dritte Außenfläche 243 mit einem Außendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser der zweiten Außenfläche 242; und eine vierte Außenfläche 244 mit einem Außendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser der dritten Außenfläche 243. Der Durchmesser der ersten Außenfläche 241 ist größer als der Lochdurchmesser des dritten Loches 653 des Trägerelements 65, und der vordere Endabschnitt der Leiterelementabdeckung 231 wird in die umgebende Wand des dritten Loches 653 des Trägerelements 65 gezwängt (gepresst). Der Durchmesser der zweiten Außenfläche 242 ist kleiner als der Lochdurchmesser des zweiten Loches 322 des zweiten Gehäuses 32, und der Durchmesser der dritten Außenfläche 243 ist kleiner als der Lochdurchmesser des dritten Loches 323 des zweiten Gehäuses 32. Der Durchmesser der vierten Außenfläche 244 ist größer als der Lochdurchmesser des vierten Loches 324 des zweiten Gehäuses 32, und der hintere Endabschnitt der Leiterelementabdeckung 231 wird in eine umgebende Wand des vierten Loches 324 des zweiten Gehäuses 32 gezwängt (gepresst). Diese Gestaltung führt dazu, dass zumindest beide Endabschnitte der Leiterelementabdeckung 231 in der Mittellinienrichtung in Kontakt mit dem Trägerelement 65 und dem zweiten Gehäuse 32 stehen und von diesen getragen werden. Dadurch kann eine nachteilige Wirkung auf das leitende Element 22 auch in einer Umgebung mit schlechter Vibration verhindert werden, wodurch ein Lösen von Verbindungen, eine schlechte Verbindung und dergleichen im leitenden Element 22, die auf Vibrationen zurückzuführen sind, vermieden werden können.
Die Platinenabdeckung 232 ist ein grundsätzlich zylindrischer Abschnitt und beinhaltet eine rechtwinklige Öffnung 232a auf ihrer Seitenfläche, die eine Installation der gedruckten Schaltung 210 im Inneren ermöglicht. Ferner ist eine Ringnut 232b für den O-Ring 24 auf der hinteren Endseite der Platinenabdeckung 232 ausgebildet. Der O-Ring 24 dichtet das Innere des Gehäuses 30 und den Installationabschnitt der gedruckten Schaltung 210 ab.
Das Verbindungsstück 233 ist ein dünnwandiger Abschnitt, der von einer hinteren Stirnfläche 232c der Platinenabdeckung 232 vorsteht und den Umfangsrand der drei dritten Verbindungsstifte 21c, die mit der gedruckten Schaltung 210 verbunden sind, abdeckt. Der hintere Endabschnitt des Verbindungsstücks 233 wird geöffnet, um darin das Verbindungsstück 8a aufzunehmen, das am vorderen Endabschnitt des Übertragungskabels 8 vorgesehen ist. Ferner ist auf der hinteren Endseite des Verbindungsstücks 233 ein Loch 233a ausgebildet, das das Innere mit dem Äußeren in Verbindung bringt. Durch Einführen eines Hakens, der am Verbindungsstück 8a des Übertragungskabels 8 vorgesehen ist, in dieses Loch 233a wird verhindert, dass das Verbindungsstück 8a vom Verbindungsstück 233 herunterfällt.
Das Abdeckungselement 23 mit der oben genannten Gestaltung besteht aus einem Material mit isolierender Eigenschaft, beispielsweise Harz. Ferner ist das Abdeckungselement 23 einstückig mit dem leitenden Element 22, dem ersten Verbindungsstift 21a, dem zweiten Verbindungsstift 21b und den drei dritten Verbindungsstiften 21c ausgebildet. Genauer wird das Abdeckungselement 23 durch Drücken eines erwärmten Harzes in eine Form, in der das leitende Element 22, der erste Verbindungsstift 21a, der zweite Verbindungsstift 21b und die drei dritten Verbindungsstifte 21c platziert worden sind, ausgebildet.
Der Signalprozessor 200 wird gemäß dem folgenden Verfahren modularisiert. Die gedruckte Schaltung 210 des Schaltungsplatinenteils 21 wird von der Öffnung 232a des ausgebildeten Abdeckungselements 23 aus eingeführt, und die gedruckte Schaltung 210 wird im mittleren Teil in der Platinenabdeckung 232 installiert. Beim Installieren der gedruckten Schaltung 210 werden vordere Enden des ersten Verbindungsstifts 21a, des zweiten Verbindungsstifts 21b und der drei dritten Verbindungsstifte 21c jeweils durch Durchgangsöffnungen in einer Dickenrichtung durchgeführt und dann festgelötet. Dann werden der erste Verbindungsstift 21a und das leitende Element 22 unter Verwendung eines Leiterdrahts miteinander verbunden. Der O-Ring 24 wird an der Ringnut 232b der Platinenabdeckung 232 des Abdeckungselements 23 montiert. Der O-Ring 24 kann ein bekannter O-förmiger Ring sein, der aus einem Kautschuk auf Flourbasis besteht.
(Halteelement)
Nun wird das Halteelement 300 beschrieben.
Das Halteelement 300 ist ein dünnwandiges zylindrisches Element und beinhaltet am hinteren Endabschnitt einen Vorsprung 300a, der von der Innenfläche nach innen vorsteht. Nachdem das Halteelement 300 am zweiten Gehäuse 32 montiert worden ist, wird ein Abschnitt, welcher der Eintiefung 335a an der fünften Außenfläche 335 entspricht, von der Außenseite her eingepresst und somit kaltverformt. Dadurch kann sich das Halteelement 300 in Bezug auf das Gehäuse 30 praktisch nicht bewegen, wodurch verhindert wird, dass sich der Signalprozessor 200 in Bezug auf das Gehäuse 30 bewegt.
[Elektrische Verbindungsstruktur der Druckerfassungsvorrichtung]
Nun wird die elektrische Verbindungsstruktur der Druckerfassungsvorrichtung 5 erläutert.
(Positiver Weg)
In der Druckerfassungsvorrichtung 5 wird die hintere Stirnfläche (eine positive Elektrode) des piezoelektrischen Elements 10 elektrisch mit der zweiten Elektrode 55 verbunden, die aus Metall besteht. Die zweite Elektrode 55 wird über den Vorsprung 55a elektrisch mit der Spiralfeder 70 verbunden, die aus Metall besteht. Die Spiralfeder 70 wird elektrisch mit dem leitenden Element 22 aus Metall verbunden. Das leitende Element 22 wird über den ersten Verbindungsstift 21a elektrisch mit einer positiven Signalelektrode der gedruckten Schaltung 210 verbunden. Im Folgenden wird der elektrische Weg von der hinteren Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10 durch das leitende Element 22 und dergleichen zu der positiven Signalelektrode der gedruckten Schaltung 210 als „positiver Weg” bezeichnet.
(Negativer Weg)
Indessen wird in der Druckerfassungsvorrichtung 5 die vordere Stirnfläche (eine negative Elektrode) des piezoelektrischen Elements 10 über die erste Elektrode 50 und den Membrankopf 40, die beide aus Metall bestehen, elektrisch mit dem ersten Gehäuse 31 und dem zweiten Gehäuse 32 (dem Gehäuse 30) verbunden, die beide aus Metall bestehen. Ferner wird das elektrische Gehäuse 32 über den zweiten Verbindungsstift 21b elektrisch mit einer negativen Signalelektrode der gedruckten Schaltung 210 verbunden. Im Folgenden wird der elektrische Weg von der vorderen Stirnfläche des piezoelektrischen Elements 10 durch den Membrankopf 40, das Gehäuse 30 und dergleichen zu der negativen Signalelektrode der gedruckten Schaltung 210 als „negativer Weg” bezeichnet.
(Beziehung zwischen dem positiven Weg und dem negativen Weg)
In der Druckerfassungsvorrichtung 5 des Ausführungsbeispiels befindet sich der negative Weg außerhalb des positiven Wegs. Anders ausgedrückt ist der positive Weg auf der Innenseite des negativen Wegs untergebracht. Zwischen dem positiven Weg und dem negativen Weg sind der Isolierring 60, das Trägerelement 65 und das Abdeckungselement 23, die aus einem isolierenden Material bestehen, angeordnet. Infolgedessen werden der positive Weg und der negative Weg durch den Isolierring 60, das Trägerelement 65, das Abdeckungselement 23 und einen Luftspalt, der in manchen Bereichen zwischen den beiden Wegen vorhanden ist, elektrisch voneinander isoliert.
[Montage des Druckerfassungssystems]
Beim Montieren der Druckerfassungsvorrichtung 5 mit der oben angegebenen Gestaltung am Zylinderkopf 4 des Verbrennungsmotors 1 wird die Druckerfassungsvorrichtung 5 mit dem Membrankopf 40 des Sensorteils 100 voran in das Verbindungsloch 4a des Zylinderkopfs 4 eingeführt. Das Montieren der Druckerfassungsvorrichtung 5 am Zylinderkopf 4 wird in einem Zustand durchgeführt, wo das erste Dichtungselement 71 und ein zweites Dichtungselement 72 zwischen dem Zylinderkopf 4 und der Druckerfassungsvorrichtung 5 angeordnet sind. Dabei sind die Außenflächen des zylindrischen Abschnitts 41 und des abgekanteten Abschnitts 43 des Membrankopfs 40, die Außenfläche des ersten Gehäuses 31, die erste Außenfläche 331 und die zweite Außenfläche 332 des zweiten Gehäuses 32 der Innenfläche des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 zugewandt. In dem Ausführungsbeispiel ist ein Teil der Gehäuseeinheit (das Gehäuse 30 und der Membrankopf 40) der Druckerfassungsvorrichtung 5, der innerhalb des Verbindungslochs 4a untergebracht werden soll, auf seiner gesamten Außenfläche mit der Isolierschicht 80 versehen. Somit ist eigentlich die Isolierschicht 80 der Innenfläche des Kommunikationslochs 4a zugewandt. Andererseits liegt die vierte Außenfläche 334 des zweiten Gehäuses 32, die nicht mit der Isolierschicht 80 versehen ist, außerhalb des Zylinderkopfs 4 frei.
Dann wird in einem Zustand, wo die Druckerfassungsvorrichtung 5 in den Zylinderkopf 4 des Verbrennungsmotors 1 eingeführt ist, der regelmäßige sechskantige Prismenteil, der am hinteren Endabschnitt der vierten Außenfläche 334 der Druckerfassungsvorrichtung 5 ausgebildet ist, mit einer (in der Figur nicht gezeigten) Spanneinrichtung versehen. Die Oberfläche der Spanneinrichtung ist mit einem Isolator bedeckt. Die Spanneinrichtung wird mit einem (in der Figur nicht gezeigten) Bolzen am Zylinderkopf 4 fixiert, und die Druckerfassungsvorrichtung 5 wird unter Verwendung der Spanneinrichtung am Zylinderkopf 4 festgespannt.
Das Montieren der Druckerfassungsvorrichtung 5 am Zylinderkopf 4 auf diese Weise stellt sicher, dass die Gehäuseeinheit, die aus dem Gehäuse 30 und dem Membrankopf 40 besteht, nicht elektrisch mit dem Zylinderkopf 4 aus Metall verbunden wird, sondern über die gedruckte Schaltung 210 elektrisch mit der Erdungsspannung bzw. der GND-Spannung der Steuereinrichtung 6 verbunden wird. Dank der Isolierschicht 80 wird somit die Druckerfassungsvorrichtung 5 des Ausführungsbeispiels elektrisch vom Zylinderkopf 4, der das Montageziel ist, elektrisch isoliert.
[Dichtungselement]
Nun wird das Dichtungselement 7 beschrieben.
Das Dichtungselement 7 beinhaltet das erste Dichtungselement 71, das in einer Befestigungsrichtung der Druckerfassungsvorrichtung 5 gesehen zwischen einer Stirnfläche der umgebenden Wand des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 und der vorderen Stirnfläche des röhrenartigen Abschnitts, wo die vierte Außenfläche 334 des Gehäuses 30 der Druckerfassungsvorrichtung 5 ausgebildet ist, angeordnet ist. Das erste Dichtungselement 71 dient der Abdichtung zwischen dem Zylinderkopf 4 und der Druckerfassungsvorrichtung 5. Das Dichtungselement 7 beinhaltet ferner das zweite Dichtungselement 72, das zwischen dem schrägen Abschnitt 4c des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 und der schrägen Oberfläche 315a des ersten Gehäuses 31 des Gehäuses 30 der Druckerfassungsvorrichtung 5 angeordnet ist. Das zweite Dichtungselement 72 dient der Abdichtung zwischen dem Zylinderkopf 4 und der Druckerfassungsvorrichtung 5.
Ein Beispiel für das erste Dichtungselement 71 ist eine Dichtung, die aus einem Isolator wie PTFE besteht. Die Querschnittsform des ersten Dichtungselements 71 weist vorzugsweise eine S-Form oder eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Wenn die Druckerfassungsvorrichtung 5 am Zylinderkopf 4 befestigt wird, wird das erste Dichtungselement 71 durch die Aufnahme einer Kraft in der Befestigungsrichtung so verformt, dass seine Länge in der Befestigungseinrichtung verkürzt wird. Dies erhöht die Luftdichtigkeit der Brennkammer C. Anders ausgedrückt werden als Ergebnis dessen, dass die Druckerfassungsvorrichtung 5 in den Zylinderkopf 4 geschraubt wird, der Kontaktdruck zwischen dem ersten Dichtungselement 71 und dem Zylinderkopf 4 und der Kontaktdruck zwischen dem ersten Dichtungselement 71 und dem Gehäuse 30 der Druckerfassungsvorrichtung 5 höher. Dadurch wird verhindert, dass das Verbrennungsgas zwischen dem ersten Dichtungselement 71 und dem Zylinderkopf 4 und zwischen dem ersten Dichtungselement 71 und dem Gehäuse 30 der Druckerfassungsvorrichtung 5 austritt. Außerdem besteht das Dichtungselement 71 aus einem Isolator, und daher trennt es den Zylinderkopf 4 elektrisch von der vorderen Stirnfläche des röhrenartigen Abschnitts, wo die vierte Außenfläche 334 der Druckerfassungsvorrichtung 5 ausgebildet ist.
Ein Beispiel für das zweite Dichtungselement 72 ist ein O-Ring mit einem kreisförmigen Querschnitt, der aus Edelstahl oder Aluminium besteht. Wenn die Druckerfassungsvorrichtung 5 am Zylinderkopf 4 befestigt wird, verformt sich das zweite Dichtungselement 72 durch Aufnehmen einer Kraft vom schrägen Abschnitt 4c des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 und von der schrägen Oberfläche 315a des ersten Gehäuses 31 des Gehäuses 30 in einer Richtung, welche die Befestigungsrichtung schneidet. Dies erhöht die Luftdichtigkeit der Brennkammer C. Anders ausgedrückt werden als Ergebnis dessen, dass die Druckerfassungsvorrichtung 5 in den Zylinderkopf 4 geschraubt wird, der Kontaktdruck zwischen dem zweiten Dichtungselement 72 und dem schrägen Teil 4c des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 und der Kontaktdruck zwischen dem zweiten Dichtungselement 72 und der schrägen Oberfläche 315a des ersten Gehäuses 31 des Gehäuses 30 höher. Dadurch wird verhindert, dass das Verbrennungsgas zwischen dem zweiten Dichtungselement 72 und dem Zylinderkopf 4 und zwischen dem zweiten Dichtungselement 72 und dem Gehäuse 30 der Druckerfassungsvorrichtung 5 austritt.
[Verfahren zur Herstellung der Druckerfassungsvorrichtung]
7 ist ein Ablaufschema zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Druckerfassungsvorrichtung 5.
Zunächst wird ein Schweißprozess durchgeführt (Schritt 10), in dem das erste Gehäuse 31 und der Membrankopf 40 miteinander verschweißt werden und das erste Gehäuse 31 und das zweite Gehäuse 32 miteinander verschweißt werden. Genauer wird zunächst das vordere Ende des ersten Gehäuses 31 vom hinteren Ende des Membrankopfs 40 aus in den Membrankopf 40 eingeführt (gepresst). Dann wird ein Abschnitt (auf der Außenfläche), wo das hintere Ende des Membrankopfs 40 und das vordere Ende des ersten Gehäuses 31 einander berühren, mit einem Laserstrahl in einer Richtung bestrahlt, welche die Mittellinienrichtung schneidet (z. B. in einer Richtung, die senkrecht ist zur Mittellinienrichtung), um den Membrankopf 40 und das erste Gehäuse 31 zu verschweißen (aneinanderzufügen). Anschließend wird das vordere Ende des zweiten Gehäuses 32 vom hinteren Ende des ersten Gehäuses 31 aus in das erste Gehäuse 31 eingeführt (gepresst). Dann wird ein Abschnitt (auf der Außenfläche), wo das hintere Ende des ersten Gehäuses 31 und das vordere Ende des zweiten Gehäuses 32 einander berühren, mit einem Laserstrahl in einer Richtung bestrahlt, welche die Mittellinienrichtung schneidet (z. B. in einer Richtung, die senkrecht ist zur Mittellinienrichtung), um das erste Gehäuse 31 und das zweite Gehäuse 32 zu verschweißen (aneinanderzufügen). Somit wird die Gehäuseeinheit erhalten, die den Membrankopf 40, das erste Gehäuse 31 und das zweite Gehäuse 32 integriert. Man beachte, dass die Reihenfolge des Laserschweißens in Schritt 10 umgekehrt sein kann. Ebenso ist ein anderes Schweißverfahren als das Laserschweißen in Schritt 10 anwendbar.
Dann wird ein Isolierschichtausbildungsschritt durchgeführt (Schritt 20), in dem die Isolierschicht 80 auf der Außenfläche der in Schritt 10 erhaltenen Gehäuseeinheit ausgebildet wird. Um die dreischichtige Isolierschicht 80 zu erhalten, werden im Isolierschichtausbildungsprozess des Ausführungsbeispiels ein erster Isolierschichtausbildungsprozess, um die erste Isolierschicht 81 zu bilden (Schritt 21), dann ein zweiter Isolierschichtausbildungsprozess, um die zweite Isolierschicht 82 zu bilden (Schritt 22), und schließlich ein dritter Isolierschichtausbildungsprozess, um die dritte Isolierschicht 83 zu bilden (Schritt 23), durchgeführt. Im Isolierschichtausbildungsprozess des Ausführungsbeispiels wird von der Außenfläche der Gehäuseeinheit die Isolierschicht 80 auf der vierten Außenfläche 334 und der fünften Außenfläche 335 des zweiten Gehäuses 32 nicht ausgebildet. Um die Isolierschicht 80 auszubilden, wird in dem Ausführungsbeispiel ein Aerosolabscheidung(AD)-Verfahren verwendet, das feine Pulver (Rohmaterialteilchen) aus dem getrockneten Rohmaterial (Keramik in diesem spezifischen Beispiel) in einem festen Zustand durch ein Gas (Trägergas) transportiert, und die Pulver werden aus einer Düse verspritzt, so dass sie mit dem Ziel (der Gehäuseeinheit in diesem spezifischen Beispiel) kollidieren, wodurch eine Hochgeschwindigkeits-Dickfilmbeschichtung bei hoher Temperatur ermöglicht wird. Einzelheiten der Filmausbildung anhand des AD-Verfahrens werden weiter unten beschrieben.
Anschließend wird ein Montageprozess durchgeführt (Schritt 30), in dem verschiedene Komponenten, aus denen die Druckerfassungsvorrichtung 5 besteht, beispielsweise das piezoelektrische Element 10, vom hinteren Ende der Gehäuseeinheit aus mit der Gehäuseeinheit zusammengesetzt werden, deren Außenfläche in Schritt 20 mit der Isolierschicht 80 versehen wurde. Durch die oben genannten Prozesse wird die Druckerfassungsvorrichtung 5 erhalten.
[Filmabscheidungsvorrichtung]
8 stellt schematisch eine Gestaltung einer Filmabscheidungsvorrichtung 500 dar, die verwendet wird, um eine Isolierschicht 80 zu bilden.
Die Filmabscheidungsvorrichtung 500 weist eine Kammer 510, ein Gestell 520 und eine Kreiselpumpe 530 auf. In der Kammer 510 wird die Gehäuseeinheit aufgenommen, die das Ziel ist, auf dem der Film ausgebildet werden soll. Das Gestell 520 ist innerhalb der Kammer 510 angeordnet, und die Gehäuseeinheit wird an diesem Gestell 520 montiert. Die Kreiselpumpe 530 wird mit der Kammer 510 verbunden, um den Druck in der Kammer 510 zu senken. Die Filmabscheidungsvorrichtung 500 weist ferner einen Gaszylinder 540, einen Aerosolerzeuger 560 und eine Düse 570 auf. Der Gaszylinder 540 liefert ein Trägergas. Der Aerosolerzeuger 560 enthält Rohmaterialteilchen 550 (stabilisierte Zircondioxidteilchen in diesem spezifischen Beispiel) und aerosolisiert die Teilchen 550 mit dem Trägergas, das vom Gaszylinder 540 geliefert wird. Die Düse 570 wird innerhalb der Kammer 510 angeordnet und spritzt die aerosolisierten Rohmaterialteilchen 550, die vom Aerosolerzeuger 560 geliefert werden, auf die Gehäuseeinheit, die an dem Gestell 520 montiert ist.
In der Filmabscheidungsvorrichtung 500 des Ausführungsbeispiels ist das Gestell 520 innerhalb der Kammer 510 in allen Richtungen bewegbar. Somit kann das Gestell 520 zusätzlich dazu, dass es der Gehäuseeinheit direkt vor der Düse 570 gegenüberliegt, der am Gestell 520 montierten Gehäuseeinheit beispielsweise schräg zur Düse 570 gegenüberliegen.
Ferner werden in dem Ausführungsbeispiel verschiedene Anpassungen vorgenommen, beispielsweise an der Teilchengröße der Rohmaterialteilchen 500, die für die Filmabscheidungsvorrichtung 500 verwendet werden, der Sprühgeschwindigkeit des Trägergases und der Rohmaterialteilchen 500 aus der Düse 570, wodurch die erste Isolierschicht 81, die zweite Isolierschicht 82 und die dritte Isolierschicht 81 gebildet werden, die jeweils andere Eigenschaften aufweisen.
Man beachte, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwar das oben genannte AD-Verfahren verwendet wird, um die Isolierschicht 80 der Druckerfassungsvorrichtung 5 zu bilden, dass das Verfahren der Ausbildung der Isolierschicht 80 aber nicht darauf beschränkt ist. Beispiele für andere Verfahren zur Ausbildung der Isolierschicht 80 beinhalten verschiedene physikalische Dampfabscheidung(PVD)-Verfahren, verschiedene chemische Dampfabscheidung(CVD)-Verfahren und verschiedene Beschichtungsverfahren (Rotationsbeschichtung, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung usw.)
[Druckerfassungsbetrieb der Druckerfassungsvorrichtung]
Nun wird der Betrieb der Druckerfassungsvorrichtung 5 zur Erfassung eines Drucks des Verbrennungsmotors 1 beschrieben.
Wenn der Verbrennungsmotor 1 in Betrieb ist, wird ein Druck des Verbrennungsgases, das in der Brennkammer C erzeugt wird, (d. h. der Verbrennungsdruck) an das vordere Ende (die Oberfläche) des Verschlussabschnitts 42 des Membrankopfs 40 angelegt. Im Membrankopf 40 wird der Druck, der von der Eintiefung 421 in der vorderen Oberfläche empfangen wird, auf den Vorsprung 422 an der hinteren Oberfläche übertragen und wirkt dann auf das piezoelektrische Element 10, das zwischen der ersten Elektrode 50 und der zweiten Elektrode 55 angeordnet ist. Dies bewirkt, dass das piezoelektrische Element 10 elektrische Ladungen erzeugt, die dem Verbrennungsdruck entsprechen. Die elektrischen Ladungen, die im piezoelektrischen Element 10 erzeugt werden, werden dann über die zweite Elektrode 55, die Spiralfeder 70 und das leitende Element 22 an den Schaltungsplatinenteil 21 geliefert. Die elektrischen Ladungen, die an den Schaltungsplatinenteil 21 geliefert werden, werden einer Verstärkungsverarbeitung durch den Schaltungsplatinenteil 21 unterzogen, und dann wird die Spannung, die den elektrischen Ladungen entspricht, über die dritten Verbindungsstifte 21c, die mit dem Schaltungsplatinenteil 21 verbunden sind, und über das Übertragungskabel 8 zur Steuereinrichtung 6 geliefert.
[Vorteilhafte Effekte des Ausführungsbeispiels]
Die Druckerfassungsvorrichtung 5 des Ausführungsbeispiels ist am Verbrennungsmotor 1 (genauer am Zylinderkopf 4) montiert. In einem Fall, wo dieser Verbrennungsmotor 1 in einem Fahrzeug eingebaut ist, gelangt ein Rauschen, das außerhalb des Verbrennungsmotors 1 erzeugt wird, in den Zylinderkopf 4 des Verbrennungsmotors 1.
In dem Ausführungsbeispiel ist die Gehäuseeinheit (das Gehäuse 30 und der Membrankopf 40) der Druckerfassungsvorrichtung 5 auf einem Teil ihrer Außenfläche, welcher der Innenfläche des Verbindungslochs 4a des Zylinderkopfs 4 zugewandt ist, mit der Isolierschicht 80 versehen. Demgemäß ist in dem Ausführungsbeispiel der negative Weg in der Druckerfassungsvorrichtung 5 elektrisch vom Zylinderkopf 4 des Verbrennungsmotors 1 isoliert. Die Isolierschicht 80 hindert das in den Zylinder 4 eingedrungene Rauschen daran, sich über die Gehäuseeinheit der Druckerfassungsvorrichtung 5 bis zur gedruckten Schaltung 210 fortzusetzen. Dadurch wird eine rauschbedingte Oszillation (Schwankung) des Potentials in der gedruckten Schaltung 210 minimiert, wodurch es möglich ist, die Oszillation (Schwankung) der Ausgangssignale, die von der gedruckten Schaltung 210 nach außen (z. B. zur Steuereinrichtung 6) geliefert werden, zu verringern.
Während der oben beschriebenen Druckerfassungsoperation der Druckerfassungsvorrichtung 5 des Ausführungsbeispiels wird der Membrankopf 40 dem heißen Verbrennungsgas ausgesetzt und von diesem erwärmt, und dehnt sich aufgrund der Wärme aus. Wenn sich der zylindrische Abschnitt 41 des Membrankopfs 40 wegen dieser Wärmeausdehnung in einer axialen Richtung ausdehnt, verringert er die Vorbelastung, die über den Membrankopf 40, die erste Elektrode 50, die zweite Elektrode 55 und dergleichen an das piezoelektrische Element 10 angelegt wird. Wenn die nächste Verbrennung in der Kammer C stattfindet, bevor die Wärmeausdehnung beendet ist, das heißt vor einer Kontraktion des Membrankopfs 40, wird der Ausgabewert aus der Druckerfassungsvorrichtung 5 wegen der Verringerung der Vorbelastung niedriger als der richtige Ausgabewert.
In dem Ausführungsbeispiel sind die Außenflächen des Membrankopfs 40 und die vordere Endseite des Gehäuses 30 der Druckerfassungsvorrichtung 5 unterbrechungslos mit der Isolierschicht 80 bedeckt, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die niedriger ist als die der Metallwerkstoffe des Membrankopfs 40 und des Gehäuses 30. Mit der Isolierschicht 80 wird weniger Wärme des in der Brennkammer C erzeugten Verbrennungsgases auf den Membrankopf 40 und das Gehäuse 30 übertragen als in dem Fall ohne die Isolierschicht 80. Da die Isolierschicht 80 unterbrechungslos bereitgestellt ist, kommt es ferner weniger wahrscheinlich zu einer lokalen Erwärmung der Außenfläche des Membrankopfs 40 oder des Gehäuses 30. Dadurch kommt es weniger wahrscheinlich zu einer Wärmeausdehnung des zylindrischen Abschnitts 41 des Membrankopfs 40 aufgrund der Wärme des Verbrennungsgases. Infolgedessen wird unter anderem eine Schwankung der vom Membrankopf 40 an das piezoelektrische Element 10 angelegten Vorbelastung verhindert, wodurch wiederum die Schwankung des Ausgabewerts aus der Druckerfassungsvorrichtung 5 verhindert wird.
[Sonstiges]
Auch wenn die obige Erläuterung des Ausführungsbeispiels anhand eines Falles gegeben wurde, wo die Druckerfassungsvorrichtung 5 das piezoelektrische Element 10 als Druckerfassungselement nutzt, ist das Druckerfassungselement nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein Dehnungsmessstreifen oder eine separate Elektrode verwendet werden.
[Beispiele]
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung ausführlicher anhand von Beispielen beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt ist; es können andere Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.
Die Erfinder haben mehrere Druckerfassungsvorrichtungen 5 erzeugt, jeweils mit oder ohne die Isolierschicht 80, deren Aufbau sich ferner von Druckerfassungsvorrichtung zu Druckerfassungsvorrichtung 5 unterscheidet, und die an der Gehäuseeinheit bereitgestellt werden. Die Erfinder haben diese Druckerfassungsvorrichtungen 5 anhand eines Antennenstrahlungstests und eines Erwämungssimulationstests bewertet.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen den jeweiligen Aufbau der Isolierschichten 80, die in den Beispielen (Beispielen 1–20) und dem Vergleichsbeispiel verwendet werden, und ihre Bewertungsergebnisse. Man beachte, dass die Druckerfassungsvorrichtung 5, die in dem obigen Ausführungsbeispiel erläutert wird, dem in Tabelle 2 gezeigten Beispiel 16 entspricht. [Tabelle 1]
[Tabelle 2]
[Aufbau der Beispiele und des Vergleichsbeispiels]
Nun wird der jeweilige Aufbau der Beispiele (Beispiele 1–20) und des Vergleichsbeispiels beschrieben.
Die in Tabelle 1 gezeigten Beispiele 1–10 verwenden die Isolierschicht 80 (es ist nur die erste Isolierschicht 81 vorhanden), die aus einer einzigen Schicht aus ZrO₂ besteht (eigentlich aus stabilisiertem Zircondioxid mit einem Yttriumoxidzusatz; das gleiche gilt für die folgende Erläuterung). Die erste Isolierschicht 81 der Beispiele 1–7 ist eine wenig dichte Schicht mit einer höheren Porosität als die erste Isolierschicht 81 der Beispiele 8–10. Die erste Isolierschicht 81 der Beispiele 8–10 ist eine dichte Schicht mit einer geringeren Porosität als die erste Isolierschicht 81 der Beispiele 1–7. Im Folgenden wird eine Schicht, deren Porosität derjenigen der ersten Isolierschicht 81 der Beispiele 1–7 vergleichbar ist, als „wenig dicht” bezeichnet, und eine Schicht, deren Porosität derjenigen der ersten Isolierschicht 81 der Beispiele 8–10 vergleichbar ist, wird als „dicht” bezeichnet.
Außerdem wird in den Beispielen 1–10 das AD-Verfahren verwendet, um die erste Isolierschicht 81 herzustellen. Die Filmdicke der ersten Isolierschicht 81 ist wie folgt: Beispiel 1: 80 μm; Beispiel 2: 55 μm; Beispiel 3: 40 μm; Beispiel 4: 8,0 μm; Beispiel 5: 5,0 μm; Beispiel 6: 2,3 μm; Beispiel 7: 1,2 μm; Beispiel 8: 10 μm; Beispiel 9: 1,8 μm; und Beispiel 10: 1,0 μm.
Die in Tabelle 2 gezeigten Beispiele 11–15 verwenden die Isolierschicht 80, die aus zwei Schichten besteht (es sind die erste Isolierschicht 81 und die zweite Isolierschicht 82 vorhanden), die aus ZrO₂ (dicht) bzw. aus ZrO₂ (wenig dicht) bestehen. Außerdem wird in den Beispielen 11–15 das AD-Verfahren verwendet, um sowohl die erste Isolierschicht 81 als auch die zweite Isolierschicht 82 herzustellen. Die Filmdicke der ersten Isolierschicht 81 ist wie folgt: Beispiele 11–14: 1,0 μm; und Beispiel 15: 12,2 μm. Die Filmdicke der zweiten Isolierschicht 82 ist wie folgt: Beispiel 11: 30 μm; Beispiel 12: 17,5 μm; Beispiel 13: 10 μm; Beispiel 14: 4,5 μm; und Beispiel 15: 13,1 μm.
Das in Tabelle 2 gezeigte Beispiel 16 verwendet die Isolierschicht 80, die aus drei Schichten besteht (es sind die erste Isolierschicht 81, die zweite Isolierschicht 82 und die dritte Isolierschicht 83 vorhanden), die aus ZrO₂ (dicht), ZrO₂ (wenig dicht) bzw. ZrO₂ (dicht) bestehen. Außerdem wird in Beispiel 16 das AD-Verfahren verwendet, um sowohl die erste Isolierschicht 81 als auch die zweite Isolierschicht 82 und die dritte Isolierschicht 83 herzustellen. Im Beispiel 16 beträgt die Filmdicke der ersten Isolierschicht 81, der zweiten Isolierschicht 82 und der dritten Isolierschicht 83 11,6 μm, 14 μm bzw. 8,9 μm.
Die in Tabelle 2 gezeigten Beispiele 17 und 18 verwenden die Isolierschicht 80 (es ist nur die erste Isolierschicht 81 vorhanden), die aus einer einzigen Schicht aus SiO₂ besteht. Außerdem wird in den Beispielen 17 und 18 ein CVD-Verfahren (genauer ein Plasma-CVD-Verfahren) verwendet, um die erste Isolierschicht 81 herzustellen. Die Filmdicke der ersten Isolierschicht 81 der Beispiele 17 und 18 beträgt 5,0 μm bzw. 1,0 μm.
Das in Tabelle 2 gezeigte Beispiel 19 verwendet die Isolierschicht 80 (es ist nur die erste Isolierschicht 81 vorhanden), die aus einer einzigen Schicht aus Polyimid (PI) besteht. Außerdem wird in Beispiel 19 ein Rotationsbeschichtung(SC)-Verfahren verwendet, um die erste Isolierschicht 81 herzustellen. Im Beispiel 19 ist die Filmdicke der ersten Isolierschicht 81 2,0 μm.
Das in Tabelle 2 gezeigte Beispiel 20 verwendet die Isolierschicht 80 (es ist nur die erste Isolierschicht 81 vorhanden), die aus einer einzigen Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC) besteht. Außerdem werden in Beispiel 20 ein PVD-Verfahren und ein CVD-Verfahren (genauer ein Plasma-CVD-Verfahren) verwendet, um die erste Isolierschicht 81 herzustellen. Im Beispiel 20 ist die Filmdicke der ersten Isolierschicht 81 1,0 μm.
Dagegen weist das in Tabelle 2 gezeigte Vergleichsbeispiel keine Isolierschicht 80 auf, wodurch das Metall auf der gesamten Außenfläche der Gehäuseeinheit freiliegt.
[Antennenstrahlungstest]
Zunächst wird der Antennenstrahlungstest, der zur Bewertung der Druckerfassungsvorrichtung 5 verwendet wird, kurz erläutert.
Der Antennenstrahlungstest ist ein Test, der von Standards für die elektromagnetische Kompatibilität (EMC) von Fahrzeugen vorgegeben wird, beispielsweise von ISO11452-2:2014. Hierbei wurde der Antennenstrahlungstest in einem Zustand durchgeführt, wo die zweite Außenfläche 332 der Druckerfassungsvorrichtung 5 von jedem der Beispiele und der Vergleichsbeispiele mit Kupferband geerdet worden war. Anders ausgedrückt wurde der Antennenstrahlungstest unter der Annahme durchgeführt, dass die Druckerfassungsvorrichtung 5 an dem geerdeten Zylinderkopf 4 montiert (darin eingeführt) ist. In dem Test wurde das Rauschen, das an die Druckerfassungsvorrichtung 5 angelegt wurde, im Bereich von 1000 kHz (1 MHz) bis 2000 kHz (2 MHz) eingestellt. Die Erfinder maßen den Umfang der Variation der Ausgangsspannung (im Folgenden als „Ausgangsspannungsvariation” bezeichnet) aus der gedruckten Schaltung 210 der Druckerfassungsvorrichtung 5, während sie die Frequenz des Rauschens änderten.
9A–11G zeigen die Ergebnisse des Antennenstrahlungstests. 9A–9G zeigen die Ergebnisse der Beispiele 1–7. 10A–10G zeigen die Ergebnisse der Beispiele 8–14. 11A–11G zeigen die Ergebnisse der Beispiele 15–20 und des Vergleichsbeispiels. In jeder Figur gibt die horizontale Achse die Frequenz des Rauschens an, und die vertikale Achse gibt die Ausgangsspannungsvariation an. Man beachte, dass die obigen Tabellen 1 und 2 den maximalen Wert der Ausgangsspannungsvariation (im Folgenden als „maximale Variation” bezeichnet) in jedem der Beispiele und im Vergleichsbeispiel angeben.
In jedem der Beispiele (Beispiele 1–20) betrug die maximale Variation im Antennenstrahlungstest weniger als 40 mV. Dagegen betrug die maximale Variation im Vergleichsbeispiel 190 mV, eine Größenordnung mehr als in den Beispielen 1–20. Somit zeigte der Test, dass die Druckerfassungsvorrichtung 5 mit der Isolierschicht 80 eine höhere Beständigkeit gegen externes Rauschen aufweist als die Druckerfassungsvorrichtung 5 ohne die Isolierschicht 80.
In den Beispielen wurden Filme, die aus ZrO₂, SiO₂, PI und DLC bestanden, als Beispiel für die Isolierschicht 80 bewertet. Wenn ein ZrO₂-Film und ein SiO₂-Film als Isolierschicht 80 verwendet werden, können sie eine gute elektrische Isolierung zwischen der Druckerfassungsvorrichtung 5 und dem Zylinderkopf 4 aufrechterhalten, weil diese Filme ausgezeichnete isolierende Eigenschaften mit einem Gleichstromisolierwiderstand von 10¹² Ohm oder mehr aufweisen. Genauer weist ein ZrO₂-Film einen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem eines Metallwerkstoffs für die Gehäuseeinheit, beispielsweise Edelstahl, vergleichbar ist, und ist somit beständig gegen ein Reißen oder ein Ablösen der Isolierschicht 80, das durch den Unterschied in den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Gehäuseeinheit und der Isolierschicht 80 bewirkt wird. Aus diesem Grund kann ein ZrO₂-Film in einer Umgebung mit heftigen Temperaturschwankungen effektiv verwendet werden. Wenn ein PI-Film und ein DLC-Film als Isolierschicht 80 verwendet werden, weisen sie ein höheres Haftvermögen an der Gehäuseeinheit auf als ein Film, der aus einem Oxid hergestellt wird, und sind somit weniger anfällig für ein Versagen, wie eine Ablösung der Isolierschicht 80. Genauer ist ein DLC-Film, der ein sehr hohes Haftvermögen und eine hohe Filmstärke aufweist, beständig gegenüber Abrieb und dergleichen und kann in einer großen Vielfalt von Umgebungen zuverlässig verwendet werden.
Ferner kann die Isolierschicht 80 dadurch, dass sie aus mehreren Schichten besteht, die jeweils eine andere Porosität aufweisen, beständig sein gegen Rauschen mit einem breiten Bereich von Frequenzen. Dies nutzt die Eigenschaft, dass die Isolierschicht 80 abhängig vom Unterschied in der Porosität eine jeweils andere Permittivität aufweisen kann. Eine Isolierschicht 80 mit einer hohen Porosität weist eine niedrigere Permittivität auf als eine Isolierschicht 80 mit einer geringen Porosität, und somit kann die Verwendung einer Isolierschicht 80 mit einer hohen Porosität bewirken, dass die Isolierschicht 80 weniger durchlässig ist für hochfrequentes Rauschen. Dagegen weist eine Isolierschicht 80 mit einer geringen Porosität eine höhere Permittivität auf als eine Isolierschicht 80 mit einer hohen Porosität, und somit kann die Verwendung einer solchen Isolierschicht 80 mit geringer Porosität bewirken, dass die Isolierschicht 80 weniger durchlässig ist für niedrigfrequentes Rauschen. Mit der mehrschichtigen Struktur aus gestapelten isolierenden Filmen, die jeweils eine andere Porosität aufweisen, kann daher die Isolierschicht 80 beständig sein gegen Rauschen in einem breiten Bereich von Frequenzen.
Für das Zusammenstellen der Isolierschicht 80 aus mehreren Schichten ist die erste Isolierschicht 81 der Isolierschicht 80, die direkt mit der Gehäuseeinheit in Kontakt kommt, vorzugsweise ein Film mit geringer Porosität. Ein solcher Film mit geringer Porosität weist ein höheres Haftvermögen auf als ein Isolierfilm mit einer hohen Porosität, was eine bessere Haftung zwischen der Gehäuseeinheit und der Isolierschicht 80 ermöglicht. Ferner ist die äußerste Oberflächenschicht der Isolierschicht 80 vorzugsweise ein Film mit geringer Porosität. Ein solcher Film mit geringer Porosität weist eine höhere Filmstärke auf als eine Isolierschicht mit einer hohen Porosität, wodurch die Isolierschicht 80 beständig sein kann gegen Abrieb und dergleichen.
Ferner werden für die Druckerfassungsvorrichtung 5 der vorliegenden Erfindung Materialien der Isolierschicht 80 und der Gehäuseeinheit so gewählt, dass die Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht 80 niedriger ist als die der Gehäuseeinheit. Die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl, aus dem die Gehäuseeinheit besteht, beträgt 16–27 W/m·k, während die Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht 80 der obigen Beispiele 2–3 W/m·k im Falle eines ZrO₂-Films, 1,38 W/m·k im Falle eines SiO₂-Films, 0,18 W/m·k im Falle eines PI-Films, und 0,2–30 W/m·k (repräsentativer Wert: 15 W/m·k) im Falle eines DLC-Films beträgt. Daher kann die Druckerfassungsvorrichtung 5 mit der Isolierschicht 80 im Gegensatz zur Druckerfassungsvorrichtung 5 ohne die Isolierschicht den Temperaturanstieg aufgrund der Wärme von außen und die resultierende Wärmeausdehnung verhindern.
Verfahren zur Ausbildung der Isolierschicht 80 der obigen Beispiele beinhalten beispielsweise verschiedene PVD-Verfahren, verschiedene CVD-Verfahren und verschiedene Beschichtungsverfahren (Rotationsbeschichtung, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung usw.). Insbesondere ermöglicht das AD-Verfahren eine einfache Ausbildung gestapelter Filme und eine einfache Steuerung der Porositäten der Filme, wodurch es einfach ist, die Isolierschicht 80 mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Da das AD-Verfahren eine Filmbildung bei Raumtemperatur ermöglicht, bewirkt das Verfahren außerdem kaum eine thermische Beanspruchung oder thermische Belastung in der Gehäuseeinheit während der Filmbildung, wodurch die Druckerfassungsvorrichtung 5 mit minimalen Fehlern in den Ausgabewerten bereitgestellt werden kann.
Die obige Beschreibung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung vorgelegt. Sie erhebt weder Anspruch auf Vollständigkeit, noch soll sie die Erfindung auf genau die offenbarten Formen beschränken. Es liegt auf der Hand, dass von einem erfahrenen Fachmann zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können. Das Ausführungsbeispiel wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen so gut wie möglich zu erläutern, um andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen und mit den verschiedenen Modifikationen, die sich für den jeweiligen ins Auge gefassten Zweck eignen, zu verstehen. Der Bereich der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche und ihre Entsprechungen definiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-156171 [0003]

Claims

Druckerfassungsvorrichtung, aufweisend: einen zylindrischen Körper aus einem Leiter; einen Druckempfänger, der aus einem Leiter besteht, wobei der Druckempfänger an einer Endseite des Körpers montiert ist und Druck von außen empfängt; einen Signalerzeuger, der innerhalb des Körpers angeordnet ist, wobei der Signalerzeuger elektrisch mit dem Druckempfänger verbunden ist und ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, der vom Druckempfänger empfangen wird; und eine Abdeckung, die aus einem Isolator mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht, die niedriger ist als Wärmeleitfähigkeiten des Körpers und des Druckempfängers, wobei die Abdeckung eine Außenfläche des Druckempfängers und einen Abschnitt einer Außenfläche des Körpers unterbrechungslos bedeckt, wobei der Abschnitt auf einer Seite liegt, die näher am Druckempfänger ist.
Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung eine erste Abdeckungsschicht und eine zweite Abdeckungsschicht aufweist, wobei die erste Abdeckungsschicht auf dem Körper und dem Druckempfänger angeordnet ist, die zweite Abdeckungsschicht auf der ersten Abdeckungsschicht angeordnet ist und eine Porosität aufweist, die höher ist als die Porosität der ersten Abdeckungsschicht.
Druckerfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2, wobei die Abdeckung ferner eine dritte Abdeckungsschicht aufweist, die auf der zweiten Abdeckungsschicht angeordnet ist, wobei die dritte Abdeckungsschicht eine Porosität aufweist, die niedriger ist als die Porosität der zweiten Abdeckungsschicht.
Verbrennungsmotor, der mit einer Druckerfassungsvorrichtung ausgestattet ist, aufweisend: einen Zylinderkopf mit einem Verbindungsloch, wobei das Verbindungsloch eine Brennkammer mit einer Außenumgebung der Brennkammer verbindet, wobei die Brennkammer auf einer Endseite liegt, die Außenumgebung der Brennkammer auf der anderen Endseite liegt; und eine Druckerfassungsvorrichtung, die in das Verbindungsloch eingeführt wird, um am Zylinderkopf montiert zu werden, wobei die Druckerfassungsvorrichtung einen Druck innerhalb der Brennkammer erfasst, wobei die Druckerfassungsvorrichtung aufweist: einen zylindrischen Körper aus einem Leiter, wobei der Körper so angeordnet ist, dass er sich innerhalb und außerhalb des Verbindungslochs befindet; einen Druckempfänger, der aus einem Leiter besteht, wobei der Druckempfänger an der einen Endseite des Körpers montiert ist und Druck aus der Brennkammer empfängt; einen Signalerzeuger, der innerhalb des Körpers angeordnet ist, wobei der Signalerzeuger elektrisch mit dem Druckempfänger verbunden ist und ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, der vom Druckempfänger empfangen wird; und eine Abdeckung, die aus einem Isolator mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht, die niedriger ist als Wärmeleitfähigkeiten des Körpers und des Druckempfängers, wobei die Abdeckung eine Außenfläche des Druckempfängers und einen Abschnitt einer Außenfläche des Körpers unterbrechungslos bedeckt, wobei der Abschnitt innerhalb des Verbindungslochs liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Druckerfassungsvorrichtung, umfassend: Montieren eines Druckempfängers an einer Endseite eines zylindrischen Körpers, um den Druckempfänger und den Körper elektrisch zu verbinden, wobei der Druckempfänger und der Körper jeweils aus einem Leiter bestehen, wobei der Druckempfänger Druck von außen empfängt; Ausbilden einer Abdeckung auf Außenflächen des Körpers und des Druckempfängers anhand eines Aerosolabscheidungsverfahrens, wobei die Abdeckung aus einem anorganischen Isolator besteht; und Montieren eines Signalerzeugers innerhalb des Körpers, um den Signalerzeuger und den Druckempfänger elektrisch zu verbinden, wobei der Signalerzeuger ein Signal erzeugt, das dem Druck entspricht, der vom Druckempfänger empfangen wird.