将膜片连接到传感器壳体的方法
【专利摘要】本发明所基于的概念涉及一种将膜片(7)连接到压力或力传感器(1)的壳体(4)的方法，其中测量元件(5)附接在所述壳体(4)中，在使用成品的传感器(1)时所述测量元件(5)能够捕获从外部作用在所述膜片(7)上的载荷。所述壳体(4)的壳体环表面(6)位于所述膜片(7)的膜片环表面(10)的对侧，用于在这些表面(6，10)之间产生连接(13，14)，在使用所述传感器(1)时所述连接(13，14)承受所述载荷的压缩载荷。根据本发明，首先，在所述壳体环表面(6)和膜片环表面(10)之间的内部区域中制造第一连接(13)，直到这些表面(6，10)在该第一连接的径向外侧彼此抵靠，然后，在所述壳体环表面(6)和所述膜片环表面(10)之间制造第二连接(14)，所述第二连接(14)在所述第一连接(13)的径向外侧将所述壳体(4)和所述膜片(7)彼此连接直到共同外缘(11)。这里，为整个双重连接(13，14)保持所限定的连接深度d。
【专利说明】将膜片连接到传感器壳体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种将膜片连接到压力或力传感器的壳体的方法，其中在壳体中安装测量元件，当使用成品的传感器时，所述元件可以记录作用在所述膜片上的外部载荷，并且其中所述壳体的壳体环表面位于所述膜片的膜片环表面的对侧，以便在这些表面之间制造连接。
【背景技术】
[0002]压力和力传感器有很多种变型。取决于传感器所要使用的领域，传感器必须适应于相应的条件。许多传感器具有安装在传感器壳体上的膜片，而通过此连接紧密地密封传感器。在使用中，这样的膜片例如暴露于压力室。由压力产生的载荷作用于膜片上，并且由于膜片的变形而最终在测量元件上产生信号，测量元件布置在壳体中，从压力方向看在膜片的后方。
[0003]然而，在膜片经历不是由作用在膜片上的外部载荷造成的变形，而是例如由热应力或由于在安装中引入的应力而产生的变形时，测量元件就会产生错误信号。对于前密封传感器尤其可能如此。前密封传感器具有位于部件上的前表面的外部并且由此产生密封。为了排除由安装导致的前表面膜片上的应力，而具体指出肩密封传感器。在肩密封传感器中，传感器的前表面的全部暴露于载荷，也就是说，暴露于压力室或力的影响。在CH 702257中具体说明了这样的传感器的示例。在与壳体的共同表面上，膜片焊接到壳体上。
[0004]在两种情况下，在使用中，载荷均作用在膜片的中央区域上，膜片的中央区域由于载荷而变形，并且取决于设计，载荷不同程度地作用在膜片的侧区域的外缘上。在这样的传感器设计中，从压力或力的方向上看，膜片和壳体之间的连接位于此膜片的侧外缘区域后方。为了使测量元件承受一定的预载荷，此连接常常在其制造过程中负载张力。在使用中，施加到膜片的外部载荷与此张力相反地作用，并且由一定幅度的载荷而对此连接产生压力。
[0005]在CH 394637中，描述了带有预载荷测量元件的传感器。
[0006]在US 4597151中，描述了一种压力传感器，其弯曲的膜片既焊接到中央压力垫也焊接到侧支撑壁上。为了避免非对称效应，在膜片支撑的内边缘上靠近弯曲的开始处施加第二个焊接。
[0007]使用时，例如在其前表面膜片暴露于内燃机中的压力室的情况下，某些传感器经受剧烈的短暂温度波动。在这种情况下，膜片很快变热，然后热经由膜片到壳体的连接传递，并最终经由进一步的连接分布到周围部件的其他构件上，直到产生热平衡，或直到另一个燃烧事件导致膜片的温度再次上升。
[0008]膜片和壳体之间的温度差导致可能难以监测的测量元件的测量值的误差。从膜片传递到壳体中的热很大程度上取决于这些部件之间的连接。连接得越好，传递的热越多。然而，如果相同构造的传感器的热特性和/或灵敏度具有很大的散布则是有问题的。从而在存在很大的温度波动时，可能无法估计或因而无法监测一个构造系列的传感器的表现。[0009]在现有技术中，通过焊接获得膜片和壳体之间的连接，其中通常将激光焊缝施加到壳体和膜片之间的共同外缘。连接的深度取决于激光设备的相应参数；然而，连接的深度经受快速的退化。这需要不断检查和重新调整这些参数。如果连接深度过深并且到达壳体的内部，则传感器由于在焊接过程中的热穿透而损坏。连接深度过浅则无法限定连接，其结果是不能充分地确保从膜片进入壳体的热传导。
【发明内容】
[0010]现将本发明的目的设定为指出在引言中提及的力或压力传感器的膜片和壳体之间建立连接的方法，其在短暂温度波动的情况下得到所限定的传感器特性。
[0011]借助于专利第一个权利要求的特征可以获得该目的。另外，在从属权利要求中描述进一步有利的方法。
[0012]本发明的基本概念是基于这样的前提:连接应具有限定的连接深度。这里连接深度被定义为从最内部连接的最内端到最外部连接的最外端的整个区域，无论该连接是连续的还是中断的。应为同一构造的所有传感器准确地规定此连接深度，并可重现地保持此连接深度。
[0013]研究表明，膜片中的热应力和膜片的变形显著影响传感器的特性。热应力和膜片的变形最终取决于该连接的连接深度。
[0014]膜片和壳体之间的连接具有相同连接深度的相同构造的传感器在暴露于经受较大温度波动的压力室(诸如例如内燃机的燃烧室)的情况下具有相同表现。然而，如果各传感器的连接深度不同，则可能显著增大在相同条件下所测量的数据的变化。
[0015]本发明的方法确保所限定的连接深度。根据此方法，在第一种情况下，在壳体环表面和膜片环表面之间的内部区域中制造第一连接，直到这些表面在该第一连接的径向外侧彼此抵靠。随后，在所述壳体环表面和所述膜片环表面之间制造第二连接；此连接在所述第一连接的径向外侧将所述壳体和所述膜片彼此连接到远至共同外缘。用这种方式，为整个双重连接保持所限定的连接深度。
[0016]已经表明，只有在壳体环表面和膜片环表面之间制造第二连接之前，这些表面在第一连接的径向外侧彼此抵靠而无任何间隙，才能确保传感器的重现性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下文参照附图更详细地说明本发明。这里:
[0018]图1示出安装在传感器暴露于压力室的结构中的传感器的截面；
[0019]图2示出在其连接之前的传感器部件的截面；
[0020]图3示出在制备过程中，在第一次连接之后的传感器的截面；
[0021]图4示出具有两个连接的传感器的截面；
[0022]图5a示出在替代设备中，在连接部的区域中于其连接之前的传感器部件截面；
[0023]图5b示出在另一替代设备中，在连接部的区域中于其连接之前的传感器部件截面；
[0024]图6示出在制备过程中，在连接部的区域中于第一次连接之后的传感器截面；
[0025]图7a示出在连接部的区域中具有两个连接的传感器的截面；[0026]图7b示出在替代实施例中在连接部的区域中具有两个连接的传感器的截面。【具体实施方式】
[0027]相同的附图标记始终表示所有附图中相同的部件和情形。图1示出安装在安装结构2中的本发明的传感器1的截面，传感器1暴露于压力室P，其例如可以是内燃机的燃烧室。传感器1 (优选为压力传感器1)的整个端面18暴露于外部载荷，例如暴露于压力室P,或者暴露于一个力。
[0028]在图4中示意性示出这样的传感器。这里，端面18由膜片7形成。其包括中央压力垫8、在外部邻接压力垫8的柔性环形区域9、以及在外部邻接此区域9的膜片环，该膜片环在远离压力的侧部上具有膜片环表面10。
[0029]在此膜片7的后方布置传感器1的壳体4，壳体4与膜片7牢固地连接。测量元件5位于壳体中，测量元件5借助于膜片变形而记录信号或测量到的值，这可以得到与作用在膜片7上的外部载荷有关的结论，S卩，例如与压力室P中的压力有关的结论。测量元件5优选为压电式、压阻式、或光学测量元件5。当使用本发明的传感器1时，膜片7和壳体4之间的连接也始终暴露于从外侧作用在膜片上的载荷。本发明的传感器1可以被配置为肩密封或前密封传感器1。
[0030]尤其是，安装结构2可以配备有冷却通道3，诸如为例如通常用于内燃机的发动机缸体的情况。这些冷却通道3为散热片，因为这样可以迅速带走那里的热量。以传感器1的壳体4和安装结构2之间的良好连接，因而壳体4的温度也得到冷却。
[0031]图2示出在本发明的连接之前的传感器部件的截面；其包括膜片7和壳体4，在壳体4中包含测量元件5。膜片7包括在中央布置的压力垫8，压力垫8以柔性区域9为边界。在远离压力的方向的侧部上，膜片环和膜片环表面10位于径向外部区域中，膜片环表面10位于壳体4上的壳体环表面6的对侧。这里，以非常简单的方式表示传感器1的部件，并且这里仅限于对本发明的实施例有重大意义的特征。
[0032]下文描述本发明将膜片7连接到压力或力传感器1的壳体4的方法。壳体4具有测量元件5和膜片7，如图2所示，测量元件5和膜片7被放到一起使得壳体环表面6和膜片环表面10彼此相对。然后在径向内部区域中于壳体环表面6和膜片环表面10之间制造第一连接13，直到所述表面6、10在此第一连接的径向外侧彼此抵靠。图3示出在此第一步骤后的半成品传感器1。在图6中，再次以同一中间状态但放大地表示出此连接的区域。
[0033]所述两个表面，壳体环表面6和膜片环表面10现在彼此叠放并且形成共同外缘11和共同内缘12。第一连接部13位于壳体环表面6和膜片环表面10的分离线上，第一连接部13既延伸到膜片7中又延伸到壳体4中，并且与共同外缘11隔开。第一连接部13还优选地布置为与共同内缘12隔开距离a。这确保在第一连接是焊接的情况下，在传感器1的生产过程中传感器1的内部不受到过多的热。
[0034]在施加第一连接13之后，膜片环表面10和壳体环表面6必须彼此平坦抵靠并尽可能没有间隙，因为只有这样，才能确保膜片7不倾斜地附接到壳体4，如果倾斜则将在以后的测量中会导致不正确的表现。
[0035]在第一连接13之后,在壳体环表面6和膜片环表面10之间于第一连接的径向外侧制造第二连接14 ;这将壳体4和膜片7彼此连接到远至共同外缘11。[0036]图4示出在施加第二焊接14之后的此成品状态的传感器1。图7a和图7b示出在两个不同实施例中，在连接13、14的区域中此成品传感器的两个部分截面。在这些图4和图7中，连接深度d指定为包括两个连接区域13、14的区域。这里，应指出的是，两个连接区域13、14可以重叠，如图7a所示，但是其也可以施加为以分离距离c彼此隔开，如图7b所示。由于连接深度d包括连接部13、14的整个区域，包括两者之间的任何可能的分离距离c，所以在两种情况下连接深度d都相同。根据本发明，为整个双重连接13、14保持所限定的连接深度d。然而，应指出的是，第二连接14可以不比第一连接13向内穿透得更深，在这种情况下整个连接深度d将改变。
[0037]根据本发明，第一连接13可以是软焊接合、钎焊接合、焊接接合、电阻焊接接合、粘接接合、或者热压缩粘接接合。此方法可以制造连接13而使得无法直接接入该连接。
[0038]优选地，在壳体环表面6或在膜片环表面10上布置突起15，在突起15上由电阻焊接将第一连接13执行为环形突起焊接。在这样的突起15附近，优选地设置至少一个凹陷16，在焊接过程中可以在凹陷16中收集突起15的焊接材料。这示出在图2和图5a中，其中在图5a中，凹陷16布置在突起15的对侧，而在图2中，凹陷16布置在相同部件的侧方。以这种方式，确保了在第一连接之后没有来自第一连接13的多余材料妨碍壳体环表面6和膜片环表面10彼此抵靠。在各种情况下，这里描述的突起15和凹陷16均可以配置为任何形式，尤其可以为圆形或圆锥性，并且可以引入壳体4或膜片7中的任一个中。在各种情况下，仅示出一个可能的变型，而这对本发明并无限制效果。
[0039]可替代地，如图5b所示，可以通过电阻焊接借助于插入凹陷16中的插入件17来执行第一连接13。这里凹陷16可以在尺寸上适配使得在焊接过程之后没有多余的材料突出。
[0040]第二连接14尤其可以是激光焊接接合、电子束焊接接合、根据氩弧方法焊接的接合、钨极惰性气体焊接接合(TIG)、保护气体焊接接合、或者粘接接合。
[0041]从外部11可接入此连接部，所以只要穿透深度不超出第一连接并且因而不超过针对穿透深度d所确定的规定值就并不要紧。
[0042]通过该方法，可以制造一系列相同类型的传感器，其如果在使用中暴露于剧烈的温度波动，也能提供具有少量散布的测量值。
[0043]附图标记列表
[0044]1传感器、压力传感器
[0045]2安装结构
[0046]3冷却通道
[0047]4 壳体
[0048]5测量元件
[0049]6 壳体环表面
[0050]7 膜片
[0051]8压力垫
[0052]9柔性区域
[0053]10膜片环表面
[0054]11共同外缘[0055]12共同内缘
[0056]13第一连接部
[0057]14 第二连接部
[0058]15突起
[0059]16凹陷
[0060]17插入件
[0061]18端面
[0062]P压力、压力室,具有指定的压力或力的方向(箭头)
[0063]a从连接部到共同内缘的距离
[0064]c两个连接之间的距离
[0065]d连接距离外缘的连接深度。
【权利要求】
1.一种将膜片(7)连接到压力或力传感器⑴的壳体⑷的方法，其中在所述壳体(4)中安装测量元件(5)，当使用成品的传感器(1)时，所述测量元件能够记录作用在所述膜片(7)上的外部载荷，并且其中所述壳体(4)的壳体环表面(6)位于所述膜片(7)的膜片环表面(10)的对侧，以便在这些表面(6，10)之间制造使用所述传感器⑴时承受压力的连接(13，14)，其特征在于，在第一种情况下，在所述壳体环表面(6)和膜片环表面(10)之间的内部区域中制造第一连接(13)，直到这些表面出，10)在该第一连接的径向外侧彼此抵靠，以及在于，随后，在所述壳体环表面(6)和所述膜片环表面(10)之间制造第二连接(14)，所述第二连接(14)在所述第一连接(13)的径向外侧将所述壳体⑷和所述膜片(7)彼此连接到远至所述共同外缘(11)，其中为整个双重连接(13，14)保持所限定的连接深度d。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用中，所述传感器(1)的所述膜片(7)将要暴露于内燃机的燃烧室。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述连接(13，14)的所述连接深度d在内部不延伸至远到所述壳体环表面(6)和所述膜片环表面(10)的所述共同内缘(12)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二连接(14)不比所述第一连接(13)向内穿透得更深。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二连接(14)比所述第一连接(13)穿透得更浅，使得在所述两个连接(13，14)之间保持距离c。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一连接(13)为软焊接合、钎焊接合、焊接接合、电阻焊接接合、粘接接合、或者热压缩粘接接合。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述壳体环表面(6)或者膜片环表面(10)上布置突起(15)，在所述突起(15)上由电阻焊接将所述第一连接(13)执行为环形突起焊接。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述突起(15)附近设置至少一个凹陷(16)，在焊接过程中在所述凹陷(16)中收集所述突起(15)的焊接材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于插入凹陷(16)中的插入件(17)通过电阻焊接(13)来执行所述第一连接(13)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二连接(14)为激光焊接接合、电子束焊接接合、根据氩弧方法焊接的接合、钨极惰性气体焊接接合TIG、保护气体焊接接合、或者粘接接合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述膜片(7)具有被柔性区域(9)围绕的中央压力垫(8)，其中在使用时，所述测量元件(5)通过所述压力垫(8)的变形来确定所述膜片(7)上的压力P或外力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于， 所述测量元件(5)能够压电式、压阻式、或光学地记录压力或力。
【文档编号】G01L23/10GK103649707SQ201280033676
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2011年7月7日
【发明者】迪特·卡斯特, 保罗·菲尔特, 斯蒂芬·布雷赫比尔 申请人:基斯特勒控股公司