JP5108202B2 - 圧力センサを製造する方法及び圧力センサ - Google Patents

Description

数多くの技術的なプロセスを制御もしくは調整するためには圧力を測定することが必要である。これは多くの場合には圧力センサで行なわれる。このような圧力センサは圧力に関連して変形されるダイヤフラムを備えた圧力検出器を有している。圧力検出器における漏洩を回避するためには、圧力検出器ケーシングが圧密に構成されていることが必要である。

公知技術で用いられる圧力センサにおいては圧力検出器は多部分から構成されている。個々のケーシング部分は有利には切削加工で製作される。次いでケーシング部分は圧密に溶接される。この場合には、特に高圧領域で使用する場合には、個々のケーシング部分の圧力安定的な結合が必要である。溶接継目における最小の欠陥でも漏洩損失と圧力測定誤差をもたらす。

圧力を測定するためのセンサ装置はDE１００１４９９２Ａ１号明細書により公知である。このためにはセンサ装置は圧力負荷された測定媒体によって変位可能な測定ダイヤフラムを有している。センサ回路としては測定ダイヤフラムに直接的に取付けられる測定ブリッジが存在している。評価回路はハイブリッド回路として構成されかつ測定ダイヤフラムに、ハイブリッド回路とセンサ回路との間の電気的な接続とケーシングに対するセンサ装置の測定接続を形成して直接的に固定可能である。センサ装置のケーシングは多部分から構成され、装置プラグの差込みピンとハイブリット回路接続部との接触は押圧接触によって行なわれる。

公知技術により公知であるケーシングの欠点は、個々のケーシング部分が圧密に互いに結合され得るためには、個々のケーシング部分がきわめて精密に製作されていなければならないことである。切削加工による相応する精密な製作は高い費用につながる。さらにこの場合には品質管理のための高い費用も必要である。何故ならば個々のケーシング部分は人的に視覚検査されなければならないからである。
DE１００１４９９２Ａ１号明細書

本発明の課題は圧力検出器のケーシングを安価に圧密に構成することである。

本発明によって構成された圧力センサは、ケーシングが一体に構成された圧力検出器を有している。圧力検出器のケーシングは有利には金属粉ダイカストとそれに続く焼結プロセスとにより製作される。

有利な実施例においてはセンサダイヤフラムを有する測定セルは付加的なインサート部分により受容されている。このインサート部分は有利には圧力検出器ケーシングの製造プロセスで圧密に鋳包まれかつ内部に焼結される。これによりインサート部分と圧力検出器ケーシングとの圧密でかつ堅固な結合が達成される。圧力検出器ケーシング内にインサート部分を鋳包みかつ、内部に焼結することでインサート部分とケーシングとの間の結合個所に漏洩が発生することはなくなる。

別の有利な実施例においては測定セルは圧力検出器のケーシングに直接的に受容されている。このためには圧力測定ダイヤフラムは金属粉ダイカストとこれに続く焼結プロセスに際し、圧力検出器のケーシングと一体に構成される。センサダイヤフラムと圧力検出器ケーシングとの一体的な製作はダイヤフラムとケーシングとの圧密でかつ安定した結合を可能にする。

本発明にしたがって構成された受容体には貫通孔が形成されている。この貫通孔は圧力下にある媒体に向かって開いているので、圧力下にある媒体が該貫通孔内へ流入することができる。貫通孔の他方の側は測定ダイヤフラムによって閉鎖されている。これにより測定ダイヤフラムは片側で、圧力下にある媒体によって負荷される。測定ダイヤフラムが圧力下にある媒体で片側で負荷される結果、測定ダイヤフラムは弾性的に変形される。圧力を測定するためには測定ダイヤフラムの弾性的な変化が規定される。変形に基づき媒体の圧力を逆推論することができる。

受容体における雄ねじで圧力検出器は、圧力下にある媒体で満たされた物体の壁に固定されることができる。圧力下にある媒体で満たされた物体は、圧力下にある媒体が流過する管であるか又は媒体で充たされた容器であることができる。

別の有利な実施例においては受容体に６角フランジが構成され、この６角フランジで圧力検出器を開口スパナ又は専門家に周知の開口スパナに相応する装置を用いて、圧力下にある媒体で充たされた部体の壁にねじ込むことができる。

図１には測定領域３００ｂａｒまでの圧力センサに使用される圧力検出器１が示されている。

図１に示されたような圧力検出器１は受容体２とインサート部分３とを有している。圧力検出器１の受容体２は有利には、金属粉ダイカストによって製作される。インサート部分３には、図１に示された実施例では、有利には円錐状に構成された拡径部９が配置されている。拡径部９の上側ではインサート部分３に溝１０が配置されている。拡径部９と溝１０とによりインサート部分３は受容体２に固定される。

圧力検出器１を製作するためには有利にはアンバー、熱膨張値の低い鉄／ニッケル合金又は黄銅から製造済みのインサート部分３が受容体２を製造するためのダイカスト型に入れられる。ダイカスト型内では金属粉、結合剤及び可塑化剤から成る混合物がダイカストされる。ダイカストのあとで結合剤は有利にはアセトンで洗い流されることで受容体２から追い出される。

結合剤を追い出したあとで受容体２は焼結される。この場合に、まだ残留する結合剤は蒸発させられる。焼結プロセスによって金属粉ダイカストで製作された受容体２にて、再現可能な製作品質が達成される。最後に焼結プロセスには別の高級化プロセス、例えば熱処理がつづくことができる。

受容体２には雄ねじ５が設けられ、この雄ねじ５で圧力検出器１は、例えば管の壁に固定されることができる。前記管を通っては、圧力下にある媒体が流れる。又、圧力検出器１は圧力下にある媒体で充たされた容器の壁に固定されることもできる。同様に受容体２に構成された６角フランジ４で圧力検出器１は例えば開口スパナで壁へねじ込むことができる。雄ねじは有利にはダイカストの間に同時に形成される。

受容体２内には孔８が構成され、この孔８は円錐状の狭窄部７を介して貫通孔６へ移行している。孔８、円錐状の狭窄部７と貫通孔６の幾何学的形状は圧力検出器１の使用に関連している。したがって例えば圧力検出器１を内燃機関の高圧タンクに使用する場合には、孔８は高圧タンクに圧力検出器１を接続しかつシールするために貫通孔６よりも大きな直径で構成される。

貫通孔６は同様にインサート部分３を貫通している。圧力測定のためにはインサート部分３の上側の端面１２の上に図示されていない圧力測定セルが取付けられる。この圧力測定セルは圧力測定ダイヤフラムを有している。圧力測定セルとインサート部分３との結合は有利には形状接続的に、例えば溶接、アノードボンディング、ろう接又は接着によって行なわれる。

インサート部分３とは反対側で受容体２は円錐部１１を備えている。この円錐部１１によって圧力負荷に際して受容体２における応力分布が改善される。このような形式で受容体２における応力ピークが回壁され、これにより受容体２の安定性は改善される。

図２には図１の圧力検出器が平面図で示されている。

貫通孔６を有するインサート部分３は有利には６角フランジ４に対し同心的に配置されている。これによって圧力検出器１のねじ込みはねじ込み工具を用いて軽便に行なわれる。圧力検出器１をねじ込む際の応力分布を改善するためには６角フランジ４のコーナーは有利には丸味の付けられたエッジ２３の形に構成されている。圧力検出器１がねじ込まれる最大のねじ締めモーメントはM１２又はM１８として構成された雄ねじ５の場合には例えば１００Nmである。

図３には２０００ｂａｒまでの使用に適した統合された圧力測定セルを有する圧力検出器１が示されている。

図３に示された実施例では圧力検出器１は圧力測定セル３０と一体に構成されている。圧力測定セル３０の重要な特徴は受容体２に同心的に形成された孔１３を閉鎖するダイヤフラム１４である。ダイヤフラム１４とは反対側では孔１３は開放している。孔１３の開放側から圧力下にある媒体は孔１３へ流入する。これにより孔１３に向いたダイヤフラム１４のダイヤフラム面３３は媒体の圧力で負荷される。ダイヤフラム１４の、前記ダイヤフラム面３３に対向するダイヤフラム外側面３４は大気に向いておりかつ孔１３における媒体の圧力よりも低い大気圧によりコンスタントに負荷される。ダイヤフラム１４の異なる圧力負荷に基づきダイヤフラムは変形させられる。ダイヤフラム１４の変形に基づき孔１３における媒体の圧力が決定される。受容体２における応力を回避するためには孔１３の開放側には面取り部１５が形成されている。

圧力検出器１の固定は、圧力下にある媒体が流れる管の壁又は圧力下にある媒体で充たされた容器の壁に受容体２をねじ込むことで行なわれる。壁への受容体２のねじ込みは有利には開口スパナ又は専門家に公知である適当な工具で行なわれる。このためには、受容体２に６角フランジ４が構成されている。ダイヤフラム１４に向いた側では６角フランジ４に第１のリング溝１６が形成されている。このリング溝１６は第１のリングリブ１７によって制限されている。第１のリングリブ１７には第２のリング溝１８と第２のリングリブ１９とが接続している。第１のリングリブ１７は第２のリング溝１８に向いた段部２１を備えている。第２のリング溝１８は図示されていない装置プラグを受容するために役立つ。受容体２と図示されていない装置プラグとの間の結合をシールするためには、有利にはシールリングが段部２１の上に配置される。このシールリングは装置プラグと第１のリングリブ１７との間に挟持される。

ダイヤフラム１４の他に圧力測定セル３０は孔１３を取囲む側壁３１を有している。円弧部２４に沿って側壁３１は側壁３１に対し直角に配置されたダイヤフラム１４に移行している。側壁３１の壁圧ｈはダイヤフラム１４による側壁３１の圧力負荷が側壁３１の変形を惹起さないように選択される。このためには壁厚は有利には２ｍｍよりも大きい。

図３に示されているように圧力検出器１の下側２７に円錐部が形成されていない実施例とは異って、圧力検出器の組込み形式が及び連続したシールメカニズムに関連して、図１に示すように下側２７にも円錐部１１を設けることもできる。

６角フランジ４の下側には有利には１つのリング溝２０が構成されている。これによって、圧力検出器を挿入した場合にこれを支持する支持部３５が６角フランジ４の縁に沿って形成される。圧力検出器１を壁内へ挿入する際に支持部３５は壁との間に周方向に連続する接触線を形成し、補助的なシールを行なう。

圧力検出器１の受容体２は図３に示すように、有利には金属粉ダイカストで製作される。このためにはまず金属粉が結合剤と可塑化剤と混合される。この混合物は専門家には周知であるようにダイカスト機において高圧下で型内に射出される。このようにして金属粉ダイカストで製作された受容体からは結合剤が有利にはアセトンを用いた洗浄で追い出される。次いで金属粉ダイカストで製作された受容体２は焼結方法で相応の品質を有する最終形状にもたらされる。金属粉ダイカストのための材料としては特に高硬度の高級鋼もしくは鉄含有合金が適している。

図３に示された圧力検出器に対する平面図は図４に示されている。この実施例においても６角フランジ４の縁２３には応力を回避するために丸味が付けられている。

図４においてはダイヤフラム１４、第１のリング溝１６、第１のリングリブ１７、第２のリング溝１８、第２のリングリブ１９は同心的に配置されている。第１のリングリブ１７には段部２１が第２のリング溝１８に向かって接続している。

図５には図３にて符号Ｘで示した部位が拡大されて示されている。

図５では圧力測定セル３０の側壁３１とダイヤフラム１４との間の移行部は円弧部２４として構成されている。この場合にも円弧部２４によって、孔１３の内部の圧力媒体によりダイヤフラムが片側から圧力負荷された場合に受容体２において均等な応力分布が達成される。均等な応力分布は受容体２の低い材料負荷につながる。これにより圧力検出器１の寿命は長くなる。円弧部２４の下側では孔１３に面取り部２２が構成されている。この面取り部２２は圧力測定セル３０を寸法的に正確な製作する移行領域を示す。

図３にて符号Ｙで示した部位の詳細は図６に示されている。この場合にも、圧力検出器１が負荷された場合の応力分布を均等化するために第１のリング溝１６に移行円弧部２５が構成されかつ第２のリング溝１８に移行円弧部２６が構成されている。第１のリング溝１６と第２のリング溝１８との間に構成された第１のリングリブ１７には段部２１が第２のリング溝１８に向かって配置されている。第２のリング溝１８は第１のリングリブ１７と第２のリングリブ１９との間に形成されている。第１のリングリブ１７と第２のリングリブ１９とによって制限された第２のリング溝１８は装置プラグを受容するために役立つ。装置プラグのシールと装置プラグを固定する場合の付加的な確保は装置プラグと第１のリングリブ１７との間で段部２１の上に取付けられたシールによって行なわれる。有利にはＯリングとして構成されたシールの取付けを簡便にするためには、第１のリングリブ１７は段部２１に向いた側に円弧部３２を備えている。

図７には図３にて符号Ｚで示された部位の詳細が示されている。受容体２の下方の端面２７には突起２８が構成されている。突起２８は孔１３に対する開口を取囲んでいる（図３を参照）。突起２８から下方の端面２７への移行部においては、有利な実施例ではシールリングを受容するためのリング溝２９が構成されている。リング溝２９は有利には円区分の形をした横断面を有している。

インサート部分を有する、本発明によって構成された圧力検出器の断面図。

図１の圧力検出器の平面図。

ケーシングに受容された測定セルを有する圧力検出器の断面図。

図３の圧力検出器の平面図。

図３の圧力検出器のＸ部位の詳細図。

図３の圧力検出器の部位Ｙの詳細図。

図３の圧力検出器のＺ部位の詳細図。

符号の説明

１ 圧力検出器、 ２ 受容体、 ３ インサート部分、 ４ ６角フランジ、 ５ 雄ねじ、 ６ 貫通孔、 ７ 狭窄部、 ８ 孔、 ９ 拡径部、 １０ 溝、 １１ 円錐部、 １２ 端面、 １３ 孔、 １４ ダイヤフラム、 １５ 面取り部、 １６ 第１のリング溝、 １７ 第１のリングリブ、 １８ 第２のリング溝、 １９ 第２のリングリブ、 ２０ 第３のリング溝、 ２１ 段部、 ２２ 面取り部、 ２３ 縁部、 ２４ 円弧状、 ２５ 移行円弧部、 ２６ 移行円弧部、 ２７ 下側端面、 ２８ 突起、 ２９ リング溝、 ３０ 圧力測定セル、 ３１ 側壁、 ３２ 円弧、 ３３ ダイヤフラム面、 ３４ ダイヤフラム外面、 ３５ 支持面、 ３６ 壁厚

Claims (11)

1. 圧力負荷可能なダイヤフラム（１４）を備えた圧力測定セル（３０）と圧力を受容する受容体（２）とを備える圧力検出器（１）を有する圧力センサを製作する方法において、前記受容体（２）を金属粉末射出成型法とそれに続く焼結プロセスとによって一体に製作し、前記受容体（２）の前記金属粉末射出成型に際して、圧力測定セル（３０）を受容するためのインサート部分（３）を圧密に鋳包みかつ内部に焼結し、前記圧力測定セル（３０）は側壁（３１）を備え、該側壁（３１）は円弧部（２４）に沿って前記側壁（３１）に直角に配置されたダイヤフラム（１４）に移行していることを特徴とする、圧力センサを製造する方法。
2. 前記金属粉末射出成型を１５０から１０００ｂａｒの領域の圧力と１４０から１９０℃までの領域の温度で行なう、請求項１記載の方法。
3. 焼結プロセスを１０００から１４００℃の領域の温度と大気圧とで行なう、請求項１又は２記載の方法。
4. 圧力検出器（１）を圧力負荷された構成部分の壁に固定するための雄ねじ（５）が前記受容体（２）に製作される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記受容体（２）に６角フランジ（４）を構成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記６角フランジ（４）に第１の溝（１６）及び／又は第２の溝（１８）を形成する、請求項５記載の方法。
7. 前記第１の溝（１６）と前記第２の溝（１８）との溝底から溝壁への移行部を円弧部（２５，２６）として構成する、請求項６記載の方法。
8. 当該圧力検出器（１）をねじ込む構成部分の壁に向いた側で前記６角フランジ（４）に溝（２０）を形成して、圧力負荷された構成部分に当該圧力検出器（１）を取付ける場合に付加的なシールとして役立つ支持部（３５）を形成する、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記圧力センサが一体の受容体（２）を有しており、前記受容体（２）内に、前記圧力測定セル（３０）を受容するためのインサート部分（３）が受容されており、前記圧力測定セル（３０）は側壁（３１）を備え、該側壁（３１）は円弧部（２４）に沿って前記側壁（３１）に直角に配置されたダイヤフラム（１４）に移行していることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法で製作された圧力センサ。
10. 前記受容体（２）内に圧力測定セル（３０）が構成されている、請求項９記載の圧力センサ。
11. 前記圧力測定セル（３０）が前記インサート部分（３）と形状接続的に結合されている、請求項９または１０記載の圧力センサ。

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