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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, der eine Metallmembran mit einer Konvexität besitzt, gemäß Anspruch 1.
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Vor kurzem sind die Emissionsstandards zur Beschränkung des Abgases, das von einem Fahrzeug emittiert wird, strenger geworden. Es ist insbesondere notwendig, Abgas, d. h. von einem dieselbetriebenen Fahrzeug emittierte Dieselteilchen, zu verringern. Um die Dieselteilchen zu verringern, wird für das dieselbetriebene Fahrzeug ein Teilchenfiltersystem (d. h. DPF-System (diesel particulate filter system)) verwendet. Das DPF-System schließt einen Filter zum Einfangen der Dieselteilchen ein. Der Filter ist in einer Abgasleitung des Fahrzeugs angeordnet. Wenn sich die Dieselteilchen in dem Filter über eine vorbestimmte Menge hinaus ansammeln, werden die Dieselteilchen verbrannt. Somit wird verhindert, daß die Dieselteilchen an die Atmosphäre abgegeben werden.
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Das DPF-System schließt ferner einen Drucksensor zum Erfassen eines Druckabfalls des Abgases ein. Der Druckabfall ist ein Unterschied zwischen dem Abgas vor dem Durchlauf durch den Filter und nach dem Durchlauf durch den Filter. Der Drucksensor wird in einer rauhen Umgebung, wie in dem Abgas, verwendet. Es ist erforderlich, einen IC-Chip, d. h. einen Drucksensorchip zum Erfassen des Drucks, zu schützen. Es ist daher nicht ausreichend, den Chip unter Verwendung eines Gels zu schützen. Somit wird der Chip mittels einer Metallmembran in einer Flüssigkeit abgedichtet, so daß ein Drucksensor vom Typ mit Flüssigkeitsabdichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Dieser Drucksensor vom Typ mit Flüssigkeitsabdichtung (flüssigkeitsabgedichteter Drucksensor) schließt eine Druckeinlaßkammer, einen Drucksensorchip und eine Metallmembran ein. Die Metallmembran trennt den Chip von einer Öffnungsseite der Kammer her derart ab, daß die Flüssigkeit (d. h. ein Öl) in einem auf der Chipseite angeordneten Zwischenraum abgedichtet ist. Das Erfassungsobjekt (d. h. das Abgas), das mittels des Drucksensors einer Erfassung unterzogen wird, hat keinen direkten Kontakt mit den Chip. Somit kann der Sensor in einer rauhen Umgebung, d. h. einer korrosiven Umgebung, verwendet werden. Durch eine Änderung der Atmosphärentemperatur wird jedoch das in dem Zwischenraum abgedichtete Öl thermisch expandiert oder kontrahiert, so daß der Sensor versagen kann. Insbesondere kann die Expansion oder Kontraktion einen Erfassungsfehler des Sensors bewirken.
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Wenn der flüssigkeitsabgedichtete Drucksensor unter einem vergleichsweise hohen Druck verwendet wird, zum Beispiel einem Druck von mehr als 1 MPa, ist der Erfassungsfehler des Sensors gering, so daß der Einfluß des Fehlers nicht wesentlich ins Gewicht fällt. Wenn jedoch der flüssigkeitsabgedichtete Drucksensor für das DPF-System des dieselbetriebenen Fahrzeugs verwendet wird, wird der Sensor unter einem vergleichsweise geringen Druck, zum Beispiel ungefähr 100 kPa, verwendet. In diesem Fall wird der Erfassungsfehler des Sensors groß, so daß der Einfluß des Fehlers notwendigerweise berücksichtigt werden muß.
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In der obigen Darstellung kann die Expansion oder Kontraktion des Öls aufgrund der Temperaturänderung durch eine Verformung der Metallmembran entspannt (d. h. absorbiert) werden, wenn die Metallmembran einen leicht deformierbaren Aufbau besitzt. Dadurch wird der Erfassungsfehler gering. Dieser flüssigkeitsabgedichtete Drucksensor mit einer einfach zu deformierenden Metallmembran ist in der Veröffentlichung der
japanischen Patentanmeldung Nr. H11-132887 offenbart. Im allgemeinen ist es in einem Fall, bei dem die Metallmembran als eine einfach zu deformierende Membran ausgebildet ist, wirksam, den Durchmesser der Membran zu erhöhen. Jedoch wird dadurch die Größe (d. h. die Abmessungen) des Sensors größer. Daher umfaßt der Sensor nach dem Stand der Technik eine Metallmembran mit einer Konvexität, so daß die Membran eine hohe Verformbarkeit besitzt. Hierbei ist die Konvexität konzentrisch auf der Membran ausgebildet, d. h. die Konvexität besitzt eine Wellenform.
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Im Stand der Technik werden die Abmessungen und/oder die Form der Konvexität der Membran experimentell bestimmt. Daher ist eine Beziehung zwischen der Form oder den Abmessungen der Konvexität und der Verformbarkeit der Membran nicht eindeutig bekannt. Zum Beispiel offenbart der Stand der Technik, daß die Konvexität der Membran eine Höhe zwischen 0,075 mm und 0,15 mm besitzt und die Konvexität in einem Bereich ausgebildet ist, der außerhalb von zwei Drittel des Radius der Membran angeordnet ist. Der Stand der Technik offenbart jedoch keine Korrelation zwischen der Höhe und der Breite der Konvexität. Ferner offenbart der Stand der Technik lediglich eine ungefähre Anordnung der Konvexität in einem weiten Bereich auf der Membran, so daß der Stand der Technik keine genaue Anordnung der Konvexität auf der Membran offenbart. Sogar wenn die Konvexität in dem oben angegebenen Bereich angeordnet ist, der sich außerhalb von zwei Drittel des Radius der Membran befindet, ist daher die Verformbarkeit der Membran nicht ausreichend für eine Absorption der Expansion oder der Kontraktion des Öls.
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So offenbart die
EP 0 001 188 B1 eine Druckübertragungseinrichtung, bei der eine Membran mit mehreren Konvexitäten eine Flüssigkeit abdichtet. Es werden jedoch keine Hinweise bezüglich einer geeigneten Anpassung der konkreten Abmessungen an den jeweiligen Bedarfsfall gegeben. Gleiches gilt für die in
GB 159 168 A ,
EP 0 465 573 B1 ,
EP 0 655 615 B1 ,
EP 1 114 987 A2 und
EP 0 849 577 B1 offenbarten Druckmessvorrichtungen.
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Es ist somit erforderlich, die Abmessungen der Konvexität und die Anzahl der Konvexitäten zu bestimmen, um eine ausgezeichnete Verformbarkeit der Membran zu erhalten, so daß die Membran über eine hohen Verformbarkeit verfügt, um die Expansion oder die Kontraktion des Öls, die durch die Temperaturänderung verursacht wird, zu absorbieren.
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Im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der eine Metallmembran mit einer Konvexität besitzt. Im speziellen besitzt die Membran des Drucksensors eine ausgezeichnete Verformbarkeit, so daß ein Erfassungsfehler des Sensors verringert ist.
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Der Drucksensor schließt eine Membran zum Abdichten der Flüssigkeit ein. Die Membran schließt eine Vielzahl an Konvexitäten ein, die konzentrisch auf der Membran angeordnet sind. Jede Konvexität besitzt einen kreisbogenförmigen Querschnitt in einer radialen Richtung und besitzt eine ringförmige Gestalt. Jede Konvexität besitzt eine Länge des Kreisbogens auf einer Rückseite einer jeden Konvexität, die als L bezeichnet wird, eine Höhe der Konvexität, die als H bezeichnet wird, eine Breite der Konvexität auf einer Vorderseite der Konvexität in der radialen Richtung, die als W bezeichnet wird, und eine Abstandsweite (Pitch) zwischen zwei benachbarten Konvexitäten in der radialen Richtung, die als P bezeichnet wird. Die Membran besitzt einen effektiven Radius, der als R bezeichnet wird, und einen Abstand zwischen einem Zentrum der Membran und einem Zentrum der Konvexität, die am weitesten im äußeren Bereich der Membran angeordnet ist, der als r0 bezeichnet wird. Hierbei wird der effektive Radius der Membran als ein Radius eines Teils der Membran, der mit einem Druck beaufschlagt wird, definiert. Der Sensor besitzt einen Konfigurationsfaktor, der als α bezeichnet wird, welcher wie folgt definiert ist
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Der Konfigurationsfaktor liegt in einem Bereich zwischen 2,5 und 3,5.
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Die Membran des Sensors besitzt eine ausgezeichnete Verformbarkeit, so daß ein Erfassungsfehler des Sensors verringert ist. Im speziellen kann die Expansion oder Kontraktion der in der Membran abgedichteten Flüssigkeit entsprechend der Änderung der Atmosphärentemperatur durch die Verformung der Membran absorbiert werden.
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Die Membran besitzt vorzugsweise zwei Konvexitäten.
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Die Höhe der Konvexität liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,16 mm und 0,28 mm. Die Breite der Konvexität liegt in einem Bereich zwischen 1,3 mm und 1,5 mm. Die Konvexität ist außerhalb der Hälfte des effektiven Radius der Membran angeordnet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
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Es zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht, die einen Drucksensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufzeigt;
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2A eine Draufsicht, die eine Metallmembran des Sensors aufzeigt, und 2B eine Querschnittsansicht, die die Membran des Sensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufzeigt;
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3 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Konvexität der Membran des Sensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufzeigt;
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4A eine schematische Querschnittsansicht, die eine Position der Konvexität erläutert, und 4B einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Position der Konvexität und der Verformbarkeit der Membran gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufzeigt;
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5 einen Graph, der eine Beziehung zwischen dem Druck und der Verformbarkeit der Membran in verschiedenen Sensoren gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufzeigt;
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6 einen dreidimensionalen Graph, der eine Beziehung zwischen der Position der Konvexitäten und der Verformbarkeit der Membran in verschiedenen Sensoren gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufzeigt; und
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7 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Konfigurationsfaktor α und der Verformbarkeit der Membran in verschiedenen Sensoren gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufzeigt.
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Ein Drucksensor 1 mit einer Metallmembran 16 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 aufgezeigt. Der Drucksensor 1 ist ein flüssigkeitsabgedichteter Drucksensor. Im speziellen ist der Sensor 1 ein Drucksensor vom Differentialdruck-Typ. Der Sensor 1 wird zum Beispiel zum Erfassen des Drucks eines Abgases in einem DPF-System eines dieselbetriebenen Fahrzeugs verwendet. Der Sensor wird daher unter einem vergleichsweise geringen Druck (z. B. 100 kPa) verwendet.
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Der Sensor 1 schließt ein Gehäuse 2 und einen Drucksensorchip 5 ein. Das Gehäuse 2 schließt die erste Druckkammer 3 und die zweite Druckkammer 4 ein, so daß das Gehäuse zwei Druckkammern 3, 4 umfaßt. Das Gehäuse besteht aus einem Gehäusekörper 6, einem oberen Gehäuse 7 und einem unteren Gehäuse 8, welche zusammen eine Einheit bilden.
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Der Gehäusekörper 6 ist aus Kunststoff hergestellt und besitzt eine rechteckige Plattenform. Der Gehäusekörper 6 schließt ein Steckverbindergehäuse 9 ein, das an der rechten Seite in 1 angeordnet ist. Im speziellen ragt das Steckverbindergehäuse 9 aus der rechten Seite des Gehäusekörpers 6 heraus. Der Gehäusekörper 6 schließt ferner eine Konkavität 6a ein, die im Zentrum des Gehäusekörpers 6 angeordnet ist. Der Drucksensorchip 5 ist in der Konkavität 6a montiert. Am Boden der Konkavität 6a ist ein Durchgangsloch 6b ausgebildet. Das Durchgangsloch 6b durchdringt den Gehäusekörper 6. An den vier Ecken des Gehäusekörpers 6 sind für eine Verbindung mehrere Einsetzmuttern 10 angeordnet. Die Einsetzmuttern 10 werden durch ein Einsetzformverfahren gebildet.
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Der Gehäusekörper 6 schließt ferner mehrere Anschlüsse 11 ein, die durch das Einsetzformverfahren ausgebildet werden. Ein Ende eines jedes Anschlusses 11, welches in 1 ein linkes Ende des Anschlusses ist, ist nahe dem Drucksensorchip 5 angeordnet. Im speziellen liegt das linke Ende des Anschlusses 11 in der Konkavität 6a frei und ist an der rechten Seite der Konkavität 6a angeordnet. Der Hauptteil des Anschlusses 11 ist im Gehäusekörper 6 angeordnet und erstreckt sich in Richtung der rechten Seite des Gehäusekörpers 6. Somit ist das andere Ende des Anschlusses 11 in dem Steckverbindergehäuse 9 angeordnet, so daß der Anschluß 11 und das Steckverbindergehäuse 9 einen Steckverbinder zur Verfügung stellen. Hierbei ist das eine Ende des Anschlusses 11, das aus dem Gehäusekörper 6 herausragt, mit einem Abdichtmaterial wie Silikon abgedichtet.
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Der Drucksensorchip 5 besteht aus einem Einkristallsiliciumsubstrat, einem Druckerfassungsabschnitt (d. h. einer Siliciummembran), vier piezoelektrischen Widerständen und einer Basis. Der Druckerfassungsabschnitt ist im Zentrum des Substrats angeordnet und besitzt eine dünne Dicke, um die Membran zur Verfügung zu stellen. Die piezoelektrischen Widerstände sind auf dem Druckerfassungsabschnitt angeordnet, und die Widerstände stellen eine Brückenschaltung zur Verfügung. Das Substrat mit dem Druckerfassungsabschnitt und den Widerständen ist mit der Basis verbunden. Auf diese Weise ist der Chip 5 aufgebaut.
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Der Chip 5 ist mit dem Boden der Konkavität 6a im Gehäusekörper 6 mittels eines Klebstoffs verbunden. Jede Elektrode, die auf dem Chip 5 angeordnet ist, ist mittels eines Verbindungsdrahts 12 elektrisch mit dem einen Ende des Anschlusses 11 verbunden. Ein in der Basis des Chips 5 ausgebildetes Durchgangsloch steht in Verbindung mit dem Durchgangsloch 6b des Gehäusekörpers 6, so daß das Durchgangsloch 6b zwischen einer Unterseite des Gehäusekörpers 6 und einer Unterseite (d. h. einer Rückseite) des Chips 5 hindurchgeht.
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Das obere Gehäuse 7 ist eine Abdeckung mit einer kreisförmigen Konkavität. Das obere Gehäuse 7 ist so auf dem Gehäusekörper 6 angeordnet, daß die erste Druckkammer 3 zur Verfügung gestellt wird. Die Oberseite des Chips 5, auf welchem der Druckerfassungsabschnitt angeordnet ist, blickt in Richtung der ersten Druckkammer 3. Das heißt, der Druckerfassungsabschnitt des Chips 5 liegt frei in Richtung der ersten Druckerfassungskammer 3. In dem oberen Gehäuse 7 ist ein Schraubenloch für eine Schraube als Gegenstück zu der Einsetzmutter 10 des Gehäusekörpers 6 angeordnet. Die erste Öffnung 7a für eine Verbindung mit der ersten Druckkammer 3 ist einstückig in dem oberen Gehäuse 7 ausgebildet.
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Das untere Gehäuse 8 besitzt einen zu dem oberen Gehäuse 7 symmetrischen Aufbau. Das untere Gehäuse 8 ist am Boden des Gehäusekörpers 6 befestigt, so daß die zweite Druckkammer 4 zur Verfügung gestellt wird. Die Unterseite des Chips 5, auf welchem der Druckerfassungsabschnitt angeordnet ist, steht über das Durchgangsloch 6b in Verbindung mit der zweiten Druckkammer 4. Das heißt, die Rückseite des Druckerfassungsabschnitts des Chips 5 steht in Verbindung mit der zweiten Druckkammer 4. In dem unteren Gehäuse 8 ist ein weiteres Schraubenloch für eine Schraube als ein Gegenstück zu der Einsetzmutter 10 des Gehäusekörpers 6 angeordnet. Die zweite Öffnung 8a für eine Verbindung mit der zweiten Druckkammer 4 ist einstückig in dem unteren Gehäuse 8 ausgebildet.
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Der Umfang des oberen Gehäuses 7 ist oben auf dem Gehäusekörper 6 angeordnet, und der Umfang des unteren Gehäuses 8 ist auf dem Boden des Gehäusekörpers 6 angeordnet. Eine Schraube 13 ist durch das Schraubenloch des oberen Gehäuses 7 von der Oberseite des oberen Gehäuses 7 mit der Einsetzmutter 10 verbunden. Gleichzeitig ist die Spitze der Schraube 13 mit einer Mutter 14 vom Boden des unteren Gehäuses 8 verschraubt. Somit werden das obere Gehäuse 7, der Gehäusekörper 6 und das untere Gehäuse 8 durch ein Paar an O-Ringen 15 in dieser Reihenfolge unter Ausbildung einer Einheit verbunden. Im speziellen ist einer der O-Ringe 15 zwischen dem oberen Gehäuse 7 und dem Gehäusekörper 6 angeordnet, und der andere O-Ring 15 ist zwischen dem unteren Gehäuse 8 und dem Gehäusekörper 6 angeordnet. Dadurch werden die erste und zweite Druckkammer 3, 4 luftdicht abgedichtet.
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In der ersten Druckkammer 3 ist eine Metallmembran 16 befestigt. Die Metallmembran 16 besitzt eine Scheibenform und schließt eine Konvexität 16a ein. Der Kreisumfang der Metallmembran 16 liegt sandwichartig zwischen der Oberseite des Gehäusekörpers 6 und dem Boden des Umfangs des oberen Gehäuses 7. Die Oberseite der Metallmembran 16 und der Boden des oberen Gehäuses 7 sind mit einem Klebstoff (nicht aufgezeigt), wie einer Fluor-Silicium-Verbindung, verbunden. Der Boden der Metallmembran 16 und die Oberseite des Gehäusekörpers 6 sind mit einem O-Ring 17 luftdicht abgedichtet.
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Somit ist die erste Druckkammer 3 mittels der Metallmembran 16 in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt unterteilt. Der untere Abschnitt der ersten Druckkammer 3 stellt eine Öldichtungskammer zur Verfügung, die auf der Seite des Drucksensorchips angeordnet ist, so daß ein Öl 18 als eine Dichtungsflüssigkeit in der Öldichtungskammer abgedichtet ist. Das Öl 18 ist zum Beispiel ein Fluoröl oder dergleichen, welches den Drucksensorchip 5 nicht beeinträchtigt (d. h. beschädigt).
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In der zweiten Druckkammer 4 ist auf dieselbe Weise wie bei der Metallmembran 16 in der ersten Druckkammer 3 eine weitere Metallmembran 16 befestigt, wobei die andere Metallmembran 16 in der zweiten Druckkammer 4 vertikal symmetrisch zu der Metallmembran 16 in der ersten Druckkammer 3 befestigt ist. Der Kreisumfang der anderen Metallmembran 16 in der zweiten Druckkammer 4 liegt sandwichartig zwischen dem Boden des Gehäusekörpers 6 und der Oberseite des Umfangs des unteren Gehäuses 8. Der Boden der anderen Metallmembran 16 und die Oberseite des unteren Gehäuses 8 sind mit einem Klebstoff (nicht aufgezeigt), wie einer Fluor-Silicium-Verbindung, verbunden. Die Oberseite der anderen Metallmembran 16 und der Boden des Gehäusekörpers 6 sind mit dem O-Ring 17 luftdicht abgedichtet.
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Somit wird mit der anderen Metallmembran 16 die zweite Druckkammer in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt unterteilt. Der obere Abschnitt der zweiten Druckkammer 4 stellt eine weitere Öldichtungskammer zur Verfügung, die auf der Seite des Drucksensorchips angeordnet ist, so daß das Öl 18 in der anderen Öldichtungskammer abgedichtet ist. Das Öl 18 füllt die Rückseite des Druckerfassungsabschnitts des Drucksensorchips 5 durch das Durchgangsloch 6b.
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Der Sensor 1 ist hierbei in zum Beispiel einer Abgasleitung eines Motors des dieselbetriebenen Fahrzeugs montiert. Die erste Öffnung 7a der ersten Druckkammer 3 steht in Verbindung mit der stromaufwärts liegenden Seite eines Filters, und die zweite Öffnung 8a der zweiten Druckkammer 4 steht in Verbindung mit der stromabwärts liegenden Seite des Filters (nicht aufgezeigt). Der Filter ist so in der Abgasanlage angeordnet, daß der Filter das Abgas filtriert, d. h. der Filter Dieselteilchen einfängt. Somit erfaßt der Sensor 1 einen Druckunterschied (d. h. einen Druckabfall) zwischen dem Abgas vor dem Durchlauf durch den Filter und nach dem Durchlauf durch den Filter.
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Die ausführliche Beschreibung der Metallmembran 16 ist den 2A, 2B und 3 aufgezeigt. Die Membran 16 ist aus einem Metall wie Edelstahl hergestellt und besitzt ein Dicke von 25 μm und eine Scheibenform. Auf der Oberfläche der Membran 16 und am Rand der Membran 16 sind mehrere Konvexitäten 16a konzentrisch angeordnet. Die Konvexitäten 16a, die eine ringförmige Gestalt besitzen, sind bei dem Sensor 1 in dieser Ausführungsform zwei Konvexitäten. Die Konvexität 16a besitzt einen kreisbogenförmigen Querschnitt in einer radialen Richtung. Die Konvexität 16a ragt aus der Scheibe nach oben heraus, so daß die Membran gewellt ist.
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Die Konvexität 16a und die Membran 16 besitzen die folgenden Abmessungen. Wie in 3 gezeigt, bezeichnet L eine Länge des Kreisbogens auf der Rückseite der Konvexität 16a, bezeichnet H eine Höhe der Konvexität 16a, bezeichnet W eine Breite der Konvexität auf der Vorderseite der Konvexität in der radialen Richtung, bezeichnet P eine Schrittweite (d. h. einen Abstand) zwischen den Zentren der beiden Konvexitäten 16a in der radialen Richtung, bezeichnet r0 einen Radius der Konvexität 16a, die am weitesten Außen angeordnet ist (d. h. r0 bezeichnet einen Abstand zwischen dem Zentrum der äußersten Membran 16 und dem Zentrum der Konvexität 16a), und bezeichnet R einen effektiven Radius der Membran 16 (d. h. einen Radius des Teils der Membran, der mit dem Druck beaufschlagt wird). Hierbei ist ein Parameter α als ein Konfigurationsfaktor wie folgt definiert.
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In dem Sensor 1 ist der Parameter α auf einen Bereich zwischen 2,5 und 3,5 eingestellt.
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Im speziellen beträgt die Höhe H der Konvexität 16a gleich 0,22 mm, beträgt die Breite W der Konvexität 16a gleich 1,44 mm, beträgt die Schrittweite P zwischen den Konvexitäten 16a gleich 2,1 mm, beträgt der Abstand r0 zwischen der Konvexität 16a und dem Zentrum der Membran 16 gleich 7,75 mm, und beträgt der effektive Radius R der Membran 16 gleich 9,3 mm.
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Wenn der Parameter α auf einen Bereich zwischen 2,5 und 3,5 eingestellt wird, besitzt der Sensor 1, d. h. die Membran 16, die folgenden Vorteile. In dem Sensor 1 wird der Druck durch die erste Öffnung 7a in die erste Druckkammer 3 eingebracht. Der Druck wird durch die Membran 16 und das Öl 18 auf die Oberseite des Druckerfassungsabschnitts des Drucksensorchips 5 ausgeübt. Des weiteren wird der Druck durch die zweite Öffnung 8a auch in die zweite Druckkammer 4 eingebracht. Der Druck wird durch die Membran 16 und das Öl 18 auf den Druckerfassungsabschnitt des Drucksensorchips 5 ausgeübt. Somit wird der Unterschied zwischen dem in die erste Druckkammer 3 eingebrachten Druck und dem in die zweite Druckkammer 4 eingebrachten Druck durch den Drucksensorchip 5 erfaßt. Im speziellen erfaßt der Chip 5 den Druckabfall des Abgases vor dem Durchlauf durch den Filter und nach dem Durchlauf durch den Filter.
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Hierbei wird das Abgas des Motors des dieselbetriebenen Fahrzeugs als ein Erfassungsobjekt (d. h. Druckmedium) in die erste und zweite Druckkammer 3, 4 eingebracht, so daß der Sensor 1 in einer derart rauhen Umgebung verwendet wird. Der Chip 5 ist jedoch mit der Metallmembran 16 und dem Öl 18 abgedichtet, so daß der Chip 5 keinen direkten Kontakt mit dem Abgas besitzt. Daher ist der Chip 5 gegen die rauhe Umgebung, d. h. die korrosive Umgebung, geschützt.
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Der Sensor 1 ist an einem Fahrzeug montiert. Daher verändert sich für gewöhnlich die Atmosphärentemperatur um den Sensor 1 beträchtlich. Wenn sich die Temperatur ändert, expandiert oder kontrahiert sich das in der ersten und zweiten Druckkammer 3, 4 abgedichtete Öl 18. Die Expansion oder die Kontraktion des Öls 18 kann den Druckerfassungsabschnitt des Chips 5 so beeinflussen, daß ein Erfassungsfehler des Drucksensors 1 verursacht werden kann. Insbesondere wenn der Sensor 1 unter einem vergleichsweise geringen Druck (z. B. 100 kPa) verwendet wird, kann der Erfassungsfehler groß werden.
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Im Hinblick auf das obige Problem besitzt der Sensor 1 einen vorbestimmten Aufbau. Im speziellen wird der Konfigurationsfaktor α auf einen Bereich zwischen 2,5 und 3,5 eingestellt. Ferner wird die Anzahl der Konvexitäten 16a auf zwei festgelegt. Ohne eine Vergrößerung des Durchmessers der Membran 16 zeigt die Metallmembran 16 in diesem Fall eine ausgezeichnete Verformbarkeit (d. h. Flexibilität). Daher kann die Expansion oder Kontraktion des Öls 18 entsprechend der Temperaturänderung durch die Deformation der Membran 16 absorbiert werden. Im speziellen wird die Membran 16 leicht verformt (d. h. versetzt), so daß die Expansion oder die Kontraktion des Öls 18 den Chip 5 nicht wesentlich beeinflußt. Somit wird der Erfassungsfehler des Sensors 16 verringert.
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Der obige Vorteil des Sensors 1 wird im folgenden ausführlich beschrieben. Die 4A–7 zeigen eine Beziehung zwischen einer Anordnung der Konvexitäten 16a und der Verformbarkeit der Membran. Hierbei beträgt der effektive Radius R der Membran 16 gleich 9,3 mm.
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In den 4A und 4B, in einem Fall, bei dem der Sensor 1 eine einzelne Konvexität 16a besitzt, wird die Deformation (d. h. die Versetzung) der Membran 16, welche die einzelne Konvexität 16a an unterschiedlichen Positionen angeordnet hat, durch Simulation berechnet. X bezeichnet die Mittelachse der Membran. S1 bezeichnet eine Position der Konvexität 16a beabstandet von der Mittelachse X mit dem Abstand r0 von 7,75 mm. S2 bezeichnet die Position der Konvexität 16a beabstandet von der Mittelachse X mit dem Abstand r0 von 5,65 mm. S3 bezeichnet die Position der Konvexität 16a beabstandet von der Mittelachse X mit dem Abstand r0 von 3,55 mm. S4 bezeichnet die Position der Konvexität 16a beabstandet von der Mittelachse X mit dem Abstand r0 von 1,45 mm. Hierbei beträgt die Breite der Konvexität 16a gleich 1,44 mm, und die Höhe H der Konvexität 16a beträgt 0,2 mm. Der Sensor 1 wird auf 25°C erwärmt und mit dem Druck von 30 kPa beaufschlagt.
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Wie in 4B gezeigt, wird in einem Fall, in dem der Sensor die einzelne Konvexität 16a besitzt, die Deformation der Membran 16 maximal, wenn die Konvexität 16a an den Positionen von S1 und S2 angeordnet ist.
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In 5, in einem Fall, bei dem der Sensor 1 mehrere Konvexitäten 16a besitzt, wird die Deformation der Membran 16, welche mehrere Konvexitäten 16a besitzt, durch Simulation berechnet. Im speziellen zeigt 5 eine Beziehung zwischen der Deformation der Membran 16 und dem auf den Sensor 1, der verschiedene Konvexitäten 16a besitzt, aufgebrachten Druck. S5 bezeichnet den Sensor 1 mit vier Konvexitäten, die entsprechend an vier Positionen von S1–S4 angeordnet sind. S6 bezeichnet den Sensor 1 mit drei Konvexitäten, die entsprechend an drei Positionen von S1–S3 angeordnet sind. S7 bezeichnet den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten, die entsprechend an zwei Positionen von S1–S2 angeordnet sind. S8 bezeichnet den Sensor 1 mit einer einzelnen Konvexität, die an der Position von S1 angeordnet ist. Hierbei beträgt der effektive Radius R der Membran 16 gleich 9,3 mm. Die Breite der Konvexität 16a beträgt 1,44 mm, und die Höhe H der Konvexität 16a beträgt 0,2 mm. Der Sensor 1 wird auf 25°C erwärmt und mit dem Druck beaufschlagt.
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Wie in 5 aufgezeigt, wird die Deformation der Membran 16 maximal, wenn der Sensor 1 zwei Konvexitäten 16a besitzt, die an den Positionen von S1 und S2 angeordnet sind (d. h. wenn der Sensor 1 der Sensor S7 ist). Dies ist so, da es nicht ausreichend ist, die Membran 16 in dem Sensor S8 mit der einzelnen Konvexität 16a zu verformen. Ferner ist in den Sensoren S5, S6 mit mehr als zwei Konvexitäten 16a mindestens eine Konvexität 16a innerhalb der Hälfte des Radius der Membran 16 angeordnet. Im speziellen ist die Konvexität 16a nahe der Mittelachse X der Membran 16 angeordnet, so daß die Biegesteifigkeit der Membran 16 hoch wird. Dadurch wird die Flexibilität der Membran 16 gering, so daß die Membran 16 nicht ausreichend verformt wird.
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In 6, in einem Fall, bei dem der Sensor 1 zwei Konvexitäten 16a besitzt, wird die Verformung der Membran 16, welche zwei Konvexitäten 16a besitzt, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind, durch Simulation berechnet. S9 steht für den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten 16a, die an den Positionen S1 bzw. S2 angeordnet sind. Im speziellen ist die erste Konvexität 16a, welche außerhalb der zweiten Konvexität 16a angeordnet ist, an der Position S1 angeordnet, und ist die zweite Konvexität 16a an der Position S2 angeordnet. S10 steht für den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten 16a, die an den Positionen S1 bzw. S3 angeordnet sind. S11 steht für den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten 16a, die an den Positionen S2 bzw. S3 angeordnet sind. In diesem Fall ist die erste Konvexität 16a an der Position S2 angeordnet, und die zweite Konvexität 16a ist an der Position S3 angeordnet. S12 steht für den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten 16a, die an den Positionen S1 bzw. S4 angeordnet sind. S13 steht für den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten 16a, die an den Positionen S2 bzw. S4 angeordnet sind. Hierbei beträgt der effektive Radius R der Membran 16 gleich 9,3 mm. Die Breite der Konvexität 16a beträgt 1,44 mm, und die Höhe H der Konvexität 16a beträgt 0,2 mm. Der Sensor 1 wird auf 25°C erwärmt und mit dem Druck von 30 kPa beaufschlagt.
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Wenn, wie in 6 gezeigt, der Sensor 1 zwei Konvexitäten 16a besitzt, die an den Positionen S1 und S2 angeordnet sind (d. h. wenn der Sensor 1 gleich dem Sensor S9 ist), wird die Verformung der Membran 16 maximal. In einem Fall, bei dem der Sensor 1 zwei Konvexitäten 16a besitzt, ist es demgemäß erforderlich, daß die Konvexitäten 16a so weit als möglich im Außenbereich der Membran 16 angeordnet sind. Im speziellen ist es erforderlich, daß der Abstand r0 so groß als möglich wird.
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In 7, in einem Fall, bei dem der Sensor 1 mehrere Konvexitäten 16a besitzt, wird die Verformung der Membran 16 mit mehreren Konvexitäten 16a, welche verschiedenen Konstruktionen besitzen, durch Simulation berechnet. Im speziellen zeigt 7 eine Beziehung zwischen der Verformung der Membran 16 und dem Konfigurationsfaktor α. S14 steht für den Sensor 1 mit drei Konvexitäten 16a. Im speziellen besitzt jede Konvexität 16a die Breite W von 1,8 mm und die Abstandsweite P von 2,5 mm und den Abstand r0 von 6,8 mm zwischen der am weitesten außen liegenden Konvexität 16a und der Mittelachse X. S15 steht für den Sensor 1 mit vier Konvexitäten 16a. Im speziellen besitzt jede Konvexität 16a die Breite W von 1,44 mm und die Abstandsweite P von 2,1 mm und den Abstand r0 von 7,75 mm zwischen der am weitesten außen liegenden Konvexität 16a und der Mittelachse X. S16 steht für den Sensor 1 mit zwei Konvexitäten 16a. Im speziellen besitzt jede Konvexität 16a die Breite W von 1,44 mm und die Abstandsweite P von 2,1 mm und den Abstand r0 von 7,75 mm zwischen der am weitesten außen liegenden Konvexität 16a und der Mittelachse X. S17 steht für den Sensor 1 mit vier Konvexitäten 16a. Im speziellen besitzt jede Konvexität 16a die Breite W von 0,95 mm und die Abstandsweite P von 1,8 mm und den Abstand r0 von 7,1 mm zwischen der am weitesten außen liegenden Konvexität 16a und der Mittelachse X. Hierbei beträgt der effektive Radius R der Membran 16 gleich 9,3 mm. Der Sensor 1 wird auf 25°C erwärmt und mit dem Druck von 30 kPa beaufschlagt.
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Wie in 7 gezeigt, wird die Verformung der Membran 16 maximal, wenn der Konfigurationsfaktor α in einem bestimmten Bereich Δ zwischen 2,5 und 3,5 liegt. Sogar wenn im speziellen der Sensor 1 mehrere Konvexitäten 16a mit verschiedenen Konstruktionen besitzt, wird die Verformung der Membran 16 in einem Fall, bei dem der Konfigurationsfaktor α in dem Bereich Δ zwischen 2,5 und 3,5 liegt, maximal. Wenn ferner der Sensor 1 zwei Konvexitäten 16a mit der Breite W von 1,44 mm, der Höhe H von 0,22 mm, der Abstandsweite P von 2,1 mm und dem Abstand r0 von 7,75 mm besitzt (d. h. wenn dem Sensor 1 gleich dem Sensor S16 ist), wird die Verformung der Membran 16 maximal.
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Die Erfinder haben ferner eine Beziehung zwischen der Höhe H der Konvexität 16a und der Verformung der Membran 16 untersucht. Die Erfinder haben darüber hinaus eine Beziehung zwischen der Breite W der Konvexität 16a und der Verformung der Membran 16 untersucht. Als ein Ergebnis dieser weitergehenden Untersuchungen ist es bevorzugt, daß die Höhe H der Konvexität 16a in einem Bereich zwischen 0,16 mm und 0,28 mm liegt, und daß die Breite W der Konvexität 16a in einem Bereich zwischen 1,3 mm und 1,5 mm liegt.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist der Konfigurationsfaktor α so definiert, daß die Membran 16 eine ausgezeichnete Verformbarkeit (d. h. ausgezeichnete Flexibilität) besitzt. Wenn der Konfigurationsfaktor α im Bereich Δ zwischen 2,5 und 3,5 liegt, besitzt die Metallmembran 16 die ausgezeichnete Verformbarkeit, so daß die Expansion oder die Kontraktion entsprechend der Temperaturänderung des Öls 18, das in den Druckkammern 3, 4 abgedichtet ist, in ausreichendem Maße absorbiert wird. Somit wird der Erfassungsfehler des Sensors 1 unterdrückt.
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Ferner sind der effektive Radius R der Membran 16 und die Höhe H, die Breite W, die Anzahl und die Position der Konvexitäten 16a optimiert, um die ausgezeichnete Verformbarkeit der Membran 16 zu erhalten. Die Verformbarkeit der Membran 16 ist verbessert, ohne daß der effektive Radius R der Membran 16 vergrößert wird. Im speziellen besitzt die Membran 16 eine ausgezeichnete Verformbarkeit ohne die Vergrößerung der Größe (d. h. der Abmessungen) des Sensors 1.
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Wenn darüber hinaus der Sensor 1 zwei Konvexitäten 16a besitzt, zeigt die Membran 16 die maximale Verformbarkeit.
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Obwohl der Sensor 1 ein Drucksensor vom Differentialdruck-Typ ist, der zwei Druckkammern 3, 4 mit zwei Membranen 16 zum Abdichten des Öls 18 besitzt, kann der Sensor 1 ein Drucksensor eines anderen Typs sein, wie ein Drucksensor mit einem Drucksensorchip, dessen Boden mit Atmosphärendruck beaufschlagt wird. Im speziellen kann der Sensor 1 eine einzelne Membran besitzen, so daß lediglich eine obere Druckkammer luftdicht abgedichtet ist, d. h. daß lediglich die Oberseite des Drucksensorchips abgedichtet ist.
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Obwohl der Sensor 1 für ein dieselbetriebenes Fahrzeug zum Erfassen des Abgasdrucks verwendet wird, kann der Sensor 1 auch für andere Anwendungen eingesetzt werden.
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Obwohl der Sensor 1 einen vorbestimmten Aufbau besitzt, wie das Gehäuse 2 usw., kann der Sensor 1 auch andere Konstruktionen des Gehäuses und anderer Bauteile besitzen. Solange der Konfigurationsfaktor α in dem bestimmten Bereich Δ zwischen 2,5 und 3,5 liegt, kann der Sensor 1 mehr als zwei Konvexitäten 16a besitzen. Darüber hinaus kann der Sensor 1 eine andere Membran 16 mit einer unterschiedlichen Konstruktion besitzen, solange der Konfigurationsfaktor α im Bereich Δ zwischen 2,5 und 3,5 liegt.
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Solche Änderungen und Modifikationen liegen verständlicherweise innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen Drucksensor, der eine Membran (16) zum Abdichten einer Flüssigkeit einschließt. Die Membran (16) schließt eine Vielzahl an Konvexitäten (16a) ein, die konzentrisch auf der Membran (16) angeordnet sind. Jede Konvexität (16a) besitzt einen kreisbogenförmigen Querschnitt in einer radialen Richtung und besitzt eine ringförmige Gestalt. Der Sensor weist einen Konfigurationsfaktor (α) auf. Der Konfigurationsfaktor (α) liegt in einem Bereich zwischen 2,5 und 3,5. Die Membran (16) des Sensors besitzt eine ausgezeichnete Verformbarkeit, so daß ein Erfassungsfehler des Sensors verringert ist.