JP2018044956A - 統合された圧力および温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定される流体媒体とセンサポートのサーミスタキャビティとの間の改善されたコンタクトを提供する複合の圧力および温度感知デバイスを提供する。
【解決手段】温度センサ素子は、全体のセンサポート直径を増加することなく、圧力センサキャビティ容積を増加するため、温度−圧力センサボディ／パッケージの中心軸に対して圧力センサ素子からオフセットされ、平行の製造プロセスにおいてサーミスタ支持部に抵抗溶接され、流体媒体との増加したコンタクト領域は、以前より改善された反応時間および精度を提供する。温度センサ素子は、全体のセンサポート直径を増加することなく、圧力センサキャビティ容積を実質的に増加するのを促進するよう、温度−圧力センサボディ／パッケージの中心軸に対して圧力センサ素子からオフセットされる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本開示は、自動車用センサの分野に関し、より詳細には、統合された圧力および温度センサの分野に関する。

一定の機械システムにおいて、正確および迅速に流体の温度を感知し、同時に、同じ位置で流体の圧力を感知することが望ましい。例えば、一定の燃料を注入されるガソリンエンジンにおいて、１つまたは複数の燃料注入経路内の特定の位置で燃料の温度および圧力を迅速に測定することが望ましい。

従来、ガソリンエンジンなどの多くの機械システムにおいて、温度センサは、流体の温度を測定するサーミスタを含む。従来の圧力センサは一般に、ダイアフラムタイプの圧力感知素子またはピエゾ電気圧力感知素子を含む。温度および圧力感知素子は一般に、測定される媒体の環境的な力および腐食作用から保護するため、保護センサパッケージ内部で包囲される。

サーミスタおよび圧力センサは一般に、規格の大きさの取り付け孔にねじ切り（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）するのに適した、規格のセンサパッケージ内に包囲される。典型的に自動車産業において使用される温度および圧力センサは、規格の自動車用コネクタに係合するための規格のコネクタ構成を含む。

複合の温度および圧力感知デバイスは、共通のセンサパッケージ内に、サーミスタなどの温度センサおよびピエゾ電気圧力感知素子などの圧力センサを含むことがある。

温度および／または圧力感知素子が収容される、センサの保護パッケージは、センサの精度および反応時間に有害に影響を及ぼすことがある。例えば、熱電対の周りのセンサの保護壁は、熱電対と、測定される流体媒体との間に熱バリアを作る。こうした熱バリアは、熱電対の反応時間を実質的に遅らせる。さらに、複合の温度および圧力センサにおいて、温度感知素子および圧力感知素子は必ず、互いからある程度の距離に配置される。温度感知素子と圧力感知素子との間の大きな位置ずれ
は、多くのアプリケーションで所望されるような、センサが同じ位置で温度および圧力を測定することを妨げる。また、一定のアプリケーションにおいて、実質的に中心からずれた偏心センサは不都合であることがある。というのも、偏心センサ素子は、例えば、センサボディが取り付け孔にどの程度きつくねじ止め（ｔｈｒｅａｄｅｄ）されたかによって、異なる位置に配置されることがあるからである。

以前より知られている複合の温度および圧力センサは、圧力および温度センサの実質的に中心の位置を維持しつつ、反応時間を改善し、圧力感知素子と温度感知素子との間の変位を削減させるために、様々なセンサポート幾何形状を取り入れてきた。

例えば、複合の圧力および温度測定のためのセンサプラグという表題の、Ｓｔｏｌｌ氏らへの先行技術文献１は、温度および圧力測定のためのセンサプラグを説明しており、当該センサプラグにおいて、温度センサおよび圧力センサは、センサボディ軸上に実質的に同心に配置される。温度センサおよび圧力センサの両方をセンサボディ軸上に位置決めするために、温度感知素子オリフィスが、センサボディ軸に対して傾斜された軸を有する。幅の狭い圧力感知オリフィスが、温度感知オリフィスと平行に延在する。しかし、温度感知素子オリフィスの傾斜した位置は、流体媒体と、たいていセンサボディ内部に埋め込まれる温度センサとの間の熱交換のための面領域が限定される結果となる。これが、測定される流体媒体と温度センサとの間の熱移動を妨げ、これにより比較的遅い温度応答という結果となる。

複合の圧力および温度センサという表題の、Ｅｎｇｅｌｈａｒｄｔ氏らへの特許文献２は、複合の圧力および温度センサを説明し、当該センサにおいて、圧力センサが中心に配置され、温度センサが中心軸から実質的にオフセットされたカバーローブにおいて包囲される。温度センサのオフセット位置は、流体媒体の、温度センサへのアクセスを抑制する。これは、流体媒体と、たいていセンサボディ内部に組み込まれる温度センサとの間の熱交換のための面領域が限定される結果となり、測定される流体媒体と温度センサとの間の熱移動を妨げ、これにより、比較的遅い温度応答という結果となる。

米国特許第８，０３８，３４５号 米国特許第７，４３４，４７０号

本開示の態様によれば、複合の温度および圧力感知デバイスが、共通のパッケージにおいて、ＭＥＭＳベースの圧力測定装置およびサーミスタベースの温度測定装置を組み込む。複合の圧力および温度感知デバイスは、測定される流体媒体とセンサポートのサーミスタキャビティとの間の増加されたコンタクト領域を提供するセンサポート幾何形状を組み込む。増加されたコンタクト領域は、以前より知られている統合された圧力−温度センサと比較して、反応時間および精度の改善をもたらす。

本明細書に組み込まれ、またその一部を構成する添付の図面は、本願において記載される１つまたは複数の実施形態を示し、そうした記載と共に、これらの実施形態を説明するものである。

本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスの例示的な実施形態を示す。 本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスの例示的な実施形態を示す。 本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスの例示的な実施形態を示す。 本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスの例示的な実施形態を示す。 本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスのセンサポートの例示的な実施形態を示す。 本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスのセンサポートの例示的な実施形態を示す。 本開示の態様に従った、複合の温度および圧力感知デバイスの温度感知素子キャリアの例示的な実施形態を示す。 以前より知られている温度および圧力感知デバイスのサンプルの反応時間のグラフと比較した、本開示の態様に従った温度および圧力感知デバイスのサンプルの反応時間のグラフを示す。

本開示の態様は、センサポート幾何形状を有する複合の温度および圧力感知デバイスを含み、当該デバイスは、規格の自動車用センサパッケージの寸法的制約内で、温度センサ素子および圧力センサ素子の実質的に中心の位置を維持しつつ、測定される流体媒体の容積に対する温度センサ素子の露出を実質的に増加させる。例えば自動車用燃料システムアプリケーションなどの機械システムにおいて、開示される温度および圧力感知デバイスは、温度および圧力測定の反応時間および精度を改善する。複合の温度および圧力感知デバイスのモジュール構造の態様が開示され、これが、大量の自動化したアセンブリ技法を促進する。

図１Ａ〜図１Ｄは、本開示の態様に従った複合の温度および圧力感知デバイス１００の例示的な実施形態を示す。複合の温度および圧力感知デバイス１００は、円筒形のハウジング部１０２を含み、円筒形のハウジング部１０２の中心軸は、複合の温度および圧力感知デバイス１００の中心軸１０４を規定する。ハウジング部１０２は、プリント回路板１０６を包囲且つ支持する。コネクタレセプタクル部１０８は、ハウジング部１０２の近位端から延在する。コネクタ端子１１０は、コネクタレセプタクルを通って、プリント回路板１０６へ延在する。説明的な実施形態において、コネクタスプリング１０７が、プリント回路板１０６の近位側で、コネクタ端子１１０を導電性パッドに電気的に結合する。プリント回路板１０６上の導電経路は、コネクタ端子１１０から温度感知素子１０９および圧力感知素子１１１への電気的結合を提供する。

温度感知素子１０９は、例えばサーミスタであってよい。説明的な実施形態において、温度感知素子１０９は、負の温度計数（ＮＴＣ）サーミスタである。説明的な実施形態において、複合の温度および圧力感知デバイス１００は、シングル六角（ｓｉｎｇｌｅ ｈｅｘ）２４センサパッケージにおいて、微小電子機械システム［ＭＥＭＳ］圧力センサ素子とＮＴＣサーミスタとを結合する。

センサポート１１４は、ハウジング部１０２の遠位面から遠位に延在する。センサポート１１４の近位部は、ハウジング部１０２の遠位アパーチャを通って延在する。センサポート１１４は、ハウジング部１０２の遠位面に結合および封止される。センサポート１１４は、外側のＯリング１１５を位置決めするため、円周のＯリング溝を含んでよい。

温度センサキャリア１１２は、プリント回路板１０６とセンサポートとの間のハウジング部１０２内に部分的に位置決めされる。温度センサキャリア１１２は、ハウジング部１０２の遠位アパーチャを通って突出し、センサポート１１４へ延在する。

圧力センサ支持ユニット１１３は、センサポート１１４の近位部上に設置される。圧力感知素子１１１は、圧力センサ支持ユニット１１３の近位部とプリント回路板１０６との間に設置される。説明的な実施形態において、ハーメチックシールが、センサポート１１４の圧力感知素子および圧力感知オリフィスとの周囲に形成されてよい。

説明的な実施形態において、圧力感知素子は、微小電子機械システム［ＭＥＭＳ］圧力センサを含んでよい。開示される複合の温度および圧力感知デバイスの代替的な実施形態は、異なるタイプの圧力センサ素子を含んでよく、必ずしもＭＥＭＳ圧力センサを含まなくてもよいことを理解すべきである。

本開示の態様によれば、センサポート１１４は、印加媒体への最大のコンタクト（領域または容積）を提供するように成形されるキャビティを含む。最大のコンタクト領域または容積により、より迅速でより正確な温度感知が可能となる。

説明的な実施形態において、複合の温度および圧力感知デバイスは、ねじ切りの（ｔｈｒｅａｄｅｄ）搭載インターフェース部およびコネクタレセプタクル部など、規格の外側部分を含み、それらは、共通の自動車用アプリケーションおよび工具と互換可能である。

図１Ｃは、複合の温度および圧力感知デバイス１００の３次元の断面図である。図１Ｄは、温度および圧力感知デバイス１００の構成要素および部分を示す３次元の分解組立図である。

開示される複合の温度および圧力感知デバイスにおいて、センサポート１１４の幾何形状は、以前より知られているセンサデバイスと比較して、実質的に削減された温度センサ反応時間含め、利点を実質的に提供する。説明的な実施形態において、開示されるセンサポート幾何形状は、以前より知られているセンサよりも約１１倍大きい温度センサ面領域を提供し、以前より知られているセンサよりも約６倍大きい媒体容積を包囲する。開示されるセンサデバイスは、温度および圧力のより正確な測定を提供し、例えば自動車用アプリケーションにおける改善された燃料効率および改善された排出制御を可能にする。

図２Ａ〜図２Ｂを参照すると、センサポート１１４の第１のキャビティ２０２は、複合の温度および圧力感知デバイス１００の中心軸１０４に隣接する円筒状のボディ部２１６を通って延在する。第１のキャビティ２０２は、中心軸１０４からオフセットされた管状のオリフィス２０５を含む。円筒状のボディ部２１６は、管状のオリフィス２０５の開放された近位端から管状のオリフィス２０５の包囲された遠位端に延在する。管状のオリフィス２０５は、中心から外れたチューブ（管）を規定し、このチューブは、温度感知素子を収容して環境から保護する。

本開示の別の態様によれば、複合の温度および圧力感知デバイス１００は、センサポート１１４の円筒状のボディ部２１６から遠位に延在するローブ２１４を含む。ローブ２１４は、管状のオリフィス２０５の包囲された遠位端を含む。

本開示の態様によれば、センサポート１１４はまた、第２のキャビティ２０６を含み、第２のキャビティ２０６は、中心軸１０４からオフセットされ、円筒状のボディ部２１６を通って、第２のキャビティ２０６の開放された遠位端から、円筒状のボディ部２１６における近位貫通孔２０８へ延在する。第２のキャビティ２０６は、第２のキャビティ２０６の開放された遠位端から近位貫通孔２０８へ向かって延在し、且つ、管状のオリフィス２０５を部分的に囲繞する第２のオリフィス２１０を規定する。半円形の壁２１２は、管状のオリフィス２０５と半円形のオリフィス２１０との境界を規定する。中心から外れた貫通孔２０８は、測定される流体媒体を、貫通孔２０８の近位端に位置決めされた圧力感知素子に向かって導く。

本開示の態様によれば、第２のオリフィス２１０は、管状のオリフィス２０５を部分的に囲繞する。これは、測定される流体媒体と管状のオリフィス２０５との間の、温度感知素子を収容する接触面積を増加させ、これにより、開示されるセンサデバイスの温度測定反応時間および精度が改善される。例示的な実施形態において、第２のオリフィス２１０は半円形であってよく、例えば半月形状の断面を有してよい。第２のオリフィス２１０は、貫通孔２０８に向かって先細りにされてよい。

第２のオリフィス２１０の半円形のおよび／または半月形状の断面により、測定される流体媒体は、部分的に、温度感知チューブ／オリフィスの大部分を囲繞することが可能となる。これは、センサパッケージの限定的および／または規格の外部寸法を維持しつつ、測定される媒体と温度センサとの間のコンタクト領域および熱界面を大幅に増加させる。

説明的な実施形態において、例えば、センサポート１１４は、流体経路の壁にセンサを搭載するため、図１Ａ〜図２Ｂに示すようなねじ切り外面２１６を含んでよい。開示される複合の温度および圧力感知デバイスの様々な代替的な実施形態は、ねじ切りされない外側の面を有するセンサポート１１４を含んでもよいことを理解すべきである。

本開示の態様によれば、センサポート１１４は、金属注入成形技法を用いて構成されてよく、当該技法において、センサポートのねじ切り外面は、後続の切削プロセスにより形成され得る。センサポートに適した材料には、１７−４ステンレス鋼が含まれる。

本開示の別の態様によれば、複合の温度および圧力感知デバイスは温度センサキャリア１１２を含む。温度センサキャリア１１２は、製造プロセスの融通性を可能にするように構成される。温度センサキャリア１１２は、管状のオリフィス２０５の開放された近位端に取り付けられる。図３を参照すると、温度センサキャリア１１２は、導電性近位面３０２、および、導電性近位面３０２に電気的に結合された温度感知素子１０９を含む。導電性近位面３０２は、例えば、プリント回路板１０６上の導電性パッドにワイヤボンディングするためのワイヤボンディング可能な面であってよい。ワイヤボンディング可能な面に適した材料には、例えばアルミニウムおよび金が含まれる。

説明的な実施形態において、導電性近位面３０２は、温度センサキャリア１１２の成形部分（ｍｏｌｄｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）３０５を通って延在する導電性タブ上に形成される。温度センサキャリア１１２は、温度感知素子１０９の対応する端子３０７に結合するための一対の導電性タブを含む。導電性タブは、例えば成形部分３０５にインサート成形されてよい。

導電性タブのそれぞれの遠位部は、抵抗溶接可能な面３０４を含む。導電性タブのそれぞれの抵抗溶接可能な面３０４は、対応する溶接窓３０３における成形部分３０５から露出される。成形部分３０５におけるスロット３０６は、溶接窓３０３のそれぞれから遠位に延在する。スロット３０６は、温度感知素子１０９の対応する端子３０７を位置決めするために構成される。温度感知素子１０９の端子３０７は、導電性タブの抵抗溶接可能な面３０４に抵抗溶接される。抵抗溶接可能な面に適した材料には、例えば、青銅、スズおよび金が含まれる。

端子が抵抗溶接可能な面に溶接された後、温度感知素子は、管状のオリフィスの包囲された遠位端に取り付けられる。

図４は、本明細書において開示される態様を含む複合の温度および圧力感知デバイスの反応時間のグラフ４０４と比較した、以前より知られている温度および圧力感知デバイスの反応時間のグラフ４０２を示す。反応時間のグラフ４０２、４０４は、０℃の流体媒体に各デバイスのいくつかのサンプルを、各デバイスが熱平衡に達するまで浸し、その後、各デバイスを、１００℃のシリコーンオイルバスへ直接置くことによって作成された。以前より知られているデバイスのサンプルが、シリコーンオイルバスに浸漬された後、６３℃の温度に到達する平均時間は、１２．０２秒であった。本願で開示される温度およびセンサデバイスのサンプルが、シリコーンオイルバスに浸漬された後、６３℃に到達する平均時間は、６．８１秒であった。

実施形態の前述の説明は、例示および説明を提供することを意図するものであり、網羅的であること、または、開示された厳密な形態に本発明を限定することを意図するものではない。修正形態および変形形態が、上記の教示を考慮して可能であり、または、本発明の実施から獲得され得る。

本明細書において使用された要素、行為、または指示は、明確に記載される場合を除いて、本発明にとって重要または不可欠なものと解釈されるべきでない。また、本明細書において使用されるように、冠詞「ａ」は、１つまたは複数のアイテムを含むことが意図される。１つのアイテムのみが意図される場合、「１つ（ｏｎｅ）」という語または同様の語が使用されている。さらに、「〜に基づいて（ｂａｓｅｄ ｏｎ）」という言い回しは、そうではないと明確に述べられる場合を除いて、「少なくとも部分的に、〜に基づいて（ｂａｓｅｄ、ａｔ ｌｅａｓｔ ｉｎ ｐａｒｔ、ｏｎ）」を意味することが意図される。

Claims (14)

1. 複合の温度および圧力感知デバイスであって、
   中心軸を規定する円筒状のボディと、
   第１のキャビティであって、前記中心軸に隣接する前記円筒状のボディを通って延在し、
   前記中心軸からオフセットされた管状のオリフィスであって、前記管状のオリフィスの開放された近位端から前記管状のオリフィスの包囲された遠位端へ延在する、前記管状のオリフィスを含む、前記第１のキャビティと、
   第２のキャビティであって、前記円筒状のボディを通って、前記第２のキャビティの開放された遠位端から、前記中心軸からオフセットされた、前記円筒状のボディにおける近位貫通孔へ延在し、
   前記第２のキャビティの前記開放された遠位端から前記近位貫通孔へ向かって延在し、且つ、前記管状のオリフィスを部分的に囲繞する、第２のオリフィスを含む、前記第２のキャビティと、
   前記管状のオリフィスと前記第２のオリフィスとの間の境界を規定する壁と
   を含む、前記デバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスであって、前記壁が、断面において半円形の幾何形状を含む、前記デバイス。
3. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記円筒状のボディから遠位に延在し、且つ、前記管状のオリフィスの前記包囲された遠位端を含む、ローブ
   を含む、前記デバイス。
4. 請求項１に記載のデバイスであって、
   前記管状のオリフィスの前記開放された近位端に取り付けられた温度センサキャリアを含み、前記温度センサキャリアが、
   導電性近位面と、
   前記導電性近位面に電気的に結合され、且つ、前記管状のオリフィスの前記包囲された遠位端に取り付けらる、温度感知素子と
   を含む、前記デバイス。
5. 請求項４に記載のデバイスであって、
   前記ワイヤボンディング可能な近位面から抵抗溶接可能な面に遠位に延在する電気的に導電性の部材を含み、前記抵抗溶接可能な面が前記温度感知素子の端子に溶接される、
   前記デバイス。
6. 請求項４に記載のデバイスであって、前記導電性近位面がワイヤボンディング可能な面を含む、前記デバイス。
7. 請求項４に記載のデバイスであって、前記温度感知素子がサーミスタを含む、前記デイバス。
8. 請求項７に記載のデバイスであって、前記サーミスタが負の温度計数（ＮＴＣ）サーミスタを含む、前記デイバス。
9. 請求項４に記載のデバイスであって、前記近位貫通孔上に密封封止される圧力感知素子を含む、前記デバイス。
10. 請求項４に記載のデバイスであって、前記円筒状のボディの外側円周上にねじ部を含む、前記デイバス。
11. 請求項４に記載のデバイスであって、前記導電性面にワイヤボンディングされる１つまたは複数の導電性パッドを有するプリント回路板を含む、前記デバイス。
12. 請求項１に記載のデバイスであって、前記第２のオリフィスが半円形の断面を有する、前記デバイス。
13. 請求項１に記載のデバイスであって、前記第２のオリフィスが、前記貫通孔に向かって先細りにされる、前記デバイス。
14. 請求項１に記載のデバイスであって、前記円筒状のボディに機械的に結合されるコネクタ部を含む、前記デバイス。