JP2001296198A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超高圧流体用の圧力センサを提供する。 【解決手段】 圧力センサを流体の流路壁（５）に固定
する継手部（６）と、この継手部（６）に保持されるこ
の継手部（６）とは別体に形成された圧力検出素子部
（７）とを有した圧力センサにおいて、圧力検出素子部
（７）に、圧力シール面（１０）が設けられ、継手部
（６）に、圧力シール面（１０）と流路壁（５）との間
にシール力を与えるシール力付与手段（１３，１４）が
設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両における燃料
噴射装置の燃料圧等のように例えば２００ＭＰａ以上の
超高圧を検出するのに適した構造を有する圧力センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１−９６５２３号公報、特開平１
−２９６１３０号公報が開示するように、流体の圧力の
測定には被検知圧力と大気圧の圧力差を検出して電気信
号に変換する圧力センサが用いられる。図９又は図１０
に示すように、圧力センサは、センサ本体を流体の流路
壁１に取り付けるためのネジ，フランジ等からなる取付
手段やセンサ本体と流路との気密を形成するためのＯリ
ング溝，テーパ面，シール面等からなる気密手段を有す
る継手部２と、受圧ダイアフラム３ａやその受圧ダイア
フラム３ａ上に形成された歪みゲージ３ｂを有する圧力
検出素子部３とを備えている。また、図示しないが、圧
力検出素子部３の上方には歪みゲージ３ｂに電気的に接
続される出力手段部を備えている。継手部２の圧力導入
孔２ａ内に導かれた流体の圧力は受圧ダイアフラム３ａ
の歪みに変換され、この歪みがダイアフラム３ａ上の歪
みゲージ３ｂで検出され、この歪みゲージ３ｂの低抗値
に応じた電気信号が出力手段部から出力される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】検出圧力レンジを例え
ば２００ＭＰａ以上に高めようとする場合、圧力センサ
の受圧部の機械的強度も高めなければならない。

【０００４】例えば図９に示した圧力センサは継手部２
と圧力検出素子部３を溶接によって接合しているが、こ
の溶接部４の機械的強度を高めるためには例えば接合面
積を広くしなければならない。しかしながら、十分な接
合面積を得るために溶接の溶け込み深さを深くすると、
溶接による入熱が大きくなり、この入熱が大きくなると
薄膜歪みゲージ３ｂにダメージを与えることになる。従
って、この接合面積を広げる方法は採用することができ
ない。また、溶接の溶着金属部とその近傍の熱影響部
は、溶接の熱影響を受けていない部分と比較して粒界腐
食や応力腐食が発生しやすいし、流体と接触することに
より引き起こされる腐食の危険性が高くなり、性能劣化
が懸念される。

【０００５】溶接による薄膜歪みゲージ３ｂのダメージ
を回避するため薄膜歪みゲージ３ｂの替りに歪みゲージ
である半導体チップを金属ダイアフラム３ａの上面に接
着することも考えられる。しかし、その場合接着層の厚
さの均一化が困難でありセンサの性能にバラツキを生じ
る要因となる。また、接着層のすべりや経時変化による
出力ドリフトも懸念される。さらにダイアフラム３ａと
歪みゲージ３ｂである半導体チップとの間に接着層を介
しているため、歪みの伝達の遅れが生じ、出力応答速度
の遅れの要因となる場合もある。さらに、半導体チップ
を金属ダイアフラム３ａの最適な位置に配置することは
困難で、特性（例えば出力スパン）のバラツキの要因と
なったり、後工程の出力手段部への電気的接続（例えば
ワイヤボンディング）に不具合を生じる要因となる。

【０００６】また、図１０に示した圧力センサは、継手
部２と圧力検出素子部３が一体構造になっているので、
上記溶接による機械的強度の低下等の問題は生じない
が、圧力導入孔２ａとして小径の深孔を形成しなければ
ならないという問題がある。圧力検出素子部３に使用さ
れる材質は機械的強度及びバネ性に優れた金属（例えば
析出硬化系ステンレス鋼ＳＵＳ６３０）であり、このよ
うな鋼種は総じて切削加工性が悪いため、形状を精度良
く高効率で加工することは困難である。特に、圧力導入
孔２ａの終端部はダイアフラム３ａであり、ダイアフラ
ム３ａの形状精度は圧力センサの精度特性や耐久性等に
影響を及ぼすにもかかわらず、刃具の摩耗等による形状
精度の劣化が最も顕著に現れる。

【０００７】また、ダイアフラム３ａ上に薄膜を形成す
る装置はチャンバ内を真空にする工程を要するので、内
容積はできる限り小さいようが良く、また、一回の薄膜
形成工程で数多くの圧力センサを生産するために、でき
る限り多くのワークを投入したほうが効率が良い。とこ
ろが、継手部２が圧力検出素子部３と一体である場合、
内容積の低減にも限度があり、投入数も限られてしまう
ため、薄膜歪みゲージ３ｂの形成工程における生産能力
が低下する。

【０００８】さらに、継手部２については用途・ユーザ
により要求が異なりその全てに対応するためには数多く
のバリエーションが出来てしまうが、製造設備等による
制約を受け対応が困難となる。

【０００９】本発明は、別個に作られた継手部と圧力検
出素子部との接合部に流体が触れることがないように
し、また継手部と圧力検出素子部との間を溶接する場合
にあっても溶接熱が圧力検出素子部の薄膜歪みゲージに
影響しないようにするとともにその溶接部と流体との接
触を回避することができ、又は用途やユーザの要求に応
じた継手部を簡易に装着することができる、超高圧流体
の圧力検出に適した圧力センサを提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、圧力センサを流体の流路壁
（５）に固定する継手部（６）と、この継手部（６）に
保持されるこの継手部（６）とは別体に形成された圧力
検出素子部（７）とを有した圧力センサにおいて、上記
圧力検出素子部（７）に、圧力シール面（１０）が設け
られ、上記継手部（６）に、上記圧力シール面（１０）
と上記流路壁（５）との間にシール力を与えるシール力
付与手段（１３，１４）が設けられた圧力センサを採用
する。

【００１１】また、請求項２の発明は、請求項１に記載
された圧力センサにおいて、圧力検出素子部（７）の圧
力感知部は、圧力検出素子部（７）の金属製のダイアフ
ラム（７ａ）上に絶縁膜を介して形成された薄膜歪みゲ
ージ（７ｅ）である圧力センサを採用する。

【００１２】また、請求項３の発明は、請求項１に記載
された圧力センサにおいて、継手部（６）と圧力検出素
子部（７）とが相互の相対的移動を許容するように結合
されている圧力センサを採用する。

【００１３】また、請求項４の発明は、請求項１に記載
された圧力センサにおいて、継手部（６）と圧力検出素
子部（７）とが固着された圧力センサを採用する。

【００１４】また、請求項５の発明は、請求項１に記載
された圧力センサにおいて、圧力検出素子部（７）は少
なくとも一部が鍛造加工によって形成された圧力センサ
を採用する。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１６】＜実施の形態１＞この圧力センサは、例え
ば車両用エンジンの燃料噴射装置における燃料等のよう
な超高圧（例えば２００ＭＰａ以上）の流体の圧力を測
定するためのものであって、図１に示すように、この圧
力センサを流体の流路壁５に固定する継手部６と、この
継手部６に保持されるこの継手部６とは別体に形成され
た圧力検出素子部７とを具備している。

【００１７】流体の流路壁５は例えば燃料噴射装置のチ
ャンバであり、圧力センサは継手部６を介しチャンバ壁
等の流路壁５に固定される。流路壁５には圧力センサが
連結される凹部５ａが設けられ、凹部５ａの底には連結
面５ｂが形成され、この連結面５ｂに流体の流路の開口
５ｃが臨んでいる。

【００１８】圧力検出素子部７は継手部６と別体の別部
品とされることにより、その形状の統一が可能になる。
これにより、単独の製造設備による効率の良い生産が可
能となるとともに、圧力センサの用途、ユーザの要求等
による継手部６に対する多種多様なアプリケーションに
も対応が可能となる。また、継手部６の材質の選択肢が
多くなり、強度を確保したうえで安価な材質、加工性の
よい材質の選択が可能となる。

【００１９】圧力検出素子部７は、ダイアフラム７ａ
と、ダイアフラム７ａを支持する筒状の支持台７ｂと、
支持台７ｂのダイアフラム７ａとは反対側の端に設けら
れたフランジ状の座板７ｃと、座板７ｃの下面からダイ
アフラム７ａの内面へと伸びる圧力導入孔７ｄとを有し
ている。これらの部分は特開平１０−４６２３９号公報
に例示される鍛造加工により形成される。この方法によ
り圧力検出素子部７を作るには、例えば析出硬化型ステ
ンレス鋼を素材として圧力導入孔７ｄとダイアフラム７
ａの内面とを鍛造により形成し、次にダイアフラム７ａ
の外面と支持台７ｂの外面と座板７ｃとを旋削等により
切り出す。超高圧（例えば２００ＭＰａ以上）で使用す
る場合、圧力検出素子部７のダイアフラム７ａ及び支持
台７ｂの受圧部内面は応力集中をさけるため段差の少な
い形状で面粗度が高いほうが好ましい。上記析出硬化型
ステンレス鋼の鍛造加工によれば、切削加工と比較し
て、同等以上の面粗度の内面が効率良く加工出来る。ま
た、ダイアフラム７ａと支持台７ｂの境界部８のＲ形状
も切削加工と比較してより高い精度で効率良く加工する
ことが出来る。より超高圧使用での信頼性を高める場
合、研磨仕上げ等によりダイアフラム７ａの受圧面の面
粗度を上げることも可能である。ダイアフラム７ａと支
持台７ｂの境界部８のＲ形状は、ダイアフラム７ａ上の
薄膜歪ゲージ７ｅで歪を検出することができる範囲で大
きい方が好ましい。

【００２０】ダイアフラム７ａはこの圧力センサの起歪
部となるもので圧力導入孔７ｄの一端を閉塞する。ダイ
アフラム７ａは上述したように析出硬化系ステンレス鋼
（ＳＵＳ６３０）等で構成されることにより機械的強度
及びバネ性が与えられる。圧力検出素子部７の圧力導入
孔７ｄに流入した流体の圧力がダイアフラム７ａの内側
の受圧面に作用することで、ダイアフラム７ａが弾性変
形する。

【００２１】ダイアフラム７ａの受圧面とは反対側の外
面には図示しない絶縁膜を介し薄膜歪みゲージ７ｅが設
けられている。絶縁膜は酸化珪素（ＳｉＯ₂）の薄膜で
形成される。薄膜歪みゲージ７ｅはシリコン薄膜で構成
され、特公平６−７０９６９号公報に例示されるシリコ
ン薄膜ピエゾ抵抗素子の製造法によって上記絶縁膜の上
に形成される。酸化珪素及びシリコン薄膜はプラズマＣ
ＶＤ法により、析出形成することができ、薄膜歪ゲージ
７ｅは上記シリコン簿膜に対してフォトエッチングを施
すことにより形成することができる。流体の圧力を受け
てダイアフラム７ａが撓むと薄膜歪みゲージ７ｅも同様
に撓みその変形量に応じて電気信号を発生する。この歪
みゲージ７ｅとダイアフラム７ａの金属面との間には接
着剤等が介在しないので、歪みの伝達に遅れを生ぜず、
出力応答速度が速い。また、歪みゲージ７ｅはダイアフ
ラム７ａ上適正位置に配置され、特性（例えば出力スパ
ン）にバラツキを生じないし、出力手段部（図７又は図
８参照）へも適正な電気的接続を行うことができる。

【００２２】座板７ｃのダイアフラム７ａ側に位置する
上面は継手部６が接する座面９とされ、反ダイアフラム
７ａ側の下面は平滑な圧力シール面１０とされる。圧力
シール面１０と流路壁５の平滑な連結面５ｂとの間には
シール材である金属製の平パッキン１１が介在し、圧力
検出素子部７と流路壁５との間からの流体の漏れを防止
している。平パッキン１１には流体を流路壁５側から圧
力導入孔７ｄへ通すための貫通穴１１ａが形成されてい
る。

【００２３】継手部６は圧力検出素子部７を覆う筒体で
あり、その上記座板７ｃに対向する底部には座板７ｃの
座面９に当たる平滑な当接面１２が形成されている。上
記圧力検出素子部７はそのダイアフラム７ａ及び支持台
７ｂが継手部６の中心の貫通孔６ａへ挿入され、座板７
ｃの座面９が継手部６の当接面１２に当てられる。継手
部６の上部にはスパナ等の工具を係止するための六角部
６ｂが形成されている。継手部６における六角部６ｂと
当接面１２との中間個所には上記圧力シール面１０にシ
ール力を与えるためのシール力付与手段が設けられてい
る。シール力付与手段は具体的にはネジであり、その雄
ネジ１３がこの継手部６側に形成され、雌ネジ１４が流
路壁５側に形成されている。継手部６はその六角部６ｂ
に工具が掛けられ流路壁５上で回されることによりネジ
締めされる。継手部６を流路へ取付ける際のネジによる
軸方向推力により、継手部６の下端の当接面１２は圧力
検出素子部７の座面９と密着し、さらに座面９の反対側
の圧力シール面１０がシール材であるパッキン１１を流
路壁５の連結面５ｂとの間で加圧する。パッキン１１は
圧力シール面１０と連結面５ｂとの間で圧縮され両面に
密着する。パッキン１１等のシール材の材料としては、
例えば２００ＭＰａ以上の圧力の場合、軟鋼又はステン
レス鋼を用いるのが望ましい。このような構成により、
圧力検出素子部７と流路壁５の開口５ｃとの接続部の気
密性が確保され、高圧の流体は継手部６と圧力検出素子
部７との接合部に向かうことなく圧力導入孔７ｄ内に流
入する。

【００２４】その他、継手部６の六角部６ｂの上部には
電気信号を出力するための出力手段部（図７又は図８参
照）を固定するための構造が設けられる。

【００２５】なお、シール力付与手段はネジ１３，１４
及び六角部６ｂに代えてフランジとこのフランジが嵌り
込む凹溝とすることができる。

【００２６】また、上記圧力検出素子部７の座面９と継
手部６の当接面１２は溶接等により固定してもよい。こ
の圧力センサの構造によれば、座面９と当接面１２の溶
接部が流体圧力による引張荷重を受けることはなく、ま
た流体と直接接触することもないため、溶接部の機械的
強度に対する配慮は不要となり腐食による性能劣化の懸
念も解消される。

【００２７】また、上記圧力シール面１０のシール方法
としては、超高圧を想定した場合、金属同士のメタルシ
ールが望ましい。このシール方式としては図１に示した
メタル平パッキン１１のほか、図２のメタルコーンパッ
キン１５、図３のメタルレンズパッキン１６（レンズ型
部分の上下でシールするもの）、図４のメタルレンズパ
ッキン１７（レンズ型部分のテーパー面でシールするも
の）、図５のメタルＯリング１８又はメタルＣリングを
用いることができる。また、図６に示すように、座板７
ｃの圧力シール面１０に環状突起１９を形成しこの環状
突起１９を流路壁５の連結面５ｂに押し付けることによ
りシールする直接シール方式を採用することもできる。

【００２８】＜実施の形態２＞図７に示す圧力センサの
継手部６と圧力検出素子部７は相互の相対移動が許容さ
れるように結合しており、そのため継手部６は圧力検出
素子部７の筒状支持台７ｂの回りを回転可能であり且つ
支持台７ｂに沿ってスライド可能である。

【００２９】圧力検出素子部７の支持台７ｂの外周に
は、例えばＳＵＳ４３０からなる金属をプレスや切り起
こし等により加工してなる円筒ケース２０が被せられ溶
接により固定されている。円筒ケース２０は圧力検出素
子部７のダイアフラム７ａよりも上方に立ち上がってい
る。

【００３０】円筒ケース２０の外周には、メッキ処理
（例えば無電解ニッケルメッキ、亜鉛メッキ）を施した
一般鋼材で構成された継手部６が被せられている。継手
部６は円筒ケース２０の形状に応じ円筒ケース２０より
も先又は後に圧力検出素子部７の支持台７ｂに被せられ
る。円筒ケース２０の外周と継手部６の貫通穴６ａの内
周との間には微小なクリアランスが設けられ、そのため
上述のごとく継手部６は支持台７ｂに対し回転可能且つ
スライド可能である。

【００３１】円筒ケース２０のダイアフラム７ａよりも
上方には流体圧力を電気信号として出力するための出力
手段部が設けられている。すなわち、円筒ケース２０内
のダイアフラム７ａよりもやや上方には増幅回路等を含
んだ回路基板２１が固定され、回路基板２１よりも上方
にはコネクタ２２が固定され、回路基板２１とコネクタ
２２との間はフレキシブル基板２３で電気的に接続され
ている。

【００３２】回路基板２１は例えば積層セラミック基
板、ガラエポ基板等で構成され、接着剤等により円筒ケ
ース２０に固定される。回路基板２１及びフレキシブル
基板２３はダイアフラム７ａ上の薄膜歪みゲージ７ｅに
ボンディングワイヤ２４により電気的に接続される。

【００３３】コネクタ２２はＰＢＴ，ＡＢＳ，ＰＰＳ等
の樹脂材料にて構成され、カシメ等により円筒ケース２
０に固定される。カシメ部分には円筒ケース２０内を密
封するためのＯリング２５が設けられている。回路基板
２１はこのコネクタ２２にフレキシブル基板２３により
電気的に接続される。

【００３４】この圧力センサによれば、圧力検出素子部
７の座板７ｃの圧力シール面１０を流路壁５の連結面５
ｂに押し付けるようにして圧力検出素子部７を流路壁５
に固定した状態で、継手部６を回転させることで流路壁
５に取り付けることが出来る。継手部６を回転させると
雌雄ネジ１４，１３が螺合することによる軸方向推力に
より、継手部６の下端の当接面１２が圧力検出素子部７
の座面９と密着し、さらに座面９の反対側の圧力シール
面１０がパッキン１１などのシール材を流路壁５の連結
面５ｂとの間で加圧する。パッキン１１は圧力シール面
１０と連結面５ｂとの間で圧縮されて両面に密着する。
また、継手部６を回転させる間、圧力検出素子部７から
コネクタ２２に至る部分は流路壁５に対して静止可能で
あるから、コネクタ２２の姿勢及び位置を正確に流路壁
５上に定めることが可能である。

【００３５】＜実施の形態３＞図８に示すように、この
圧力センサは実施の形態２の圧力センサと異なり、継手
部６が圧力検出素子部７に固着されている。すなわち、
圧力検出素子部７の座板７ｃの座面９に例えばＳＵＳ３
０４，ＳＵＳ４３０からなる溶接が可能な金属で出来た
継手部７の当接面１２が突き当てられ、溶接（例えばレ
ーザー溶接）により接合されている。

【００３６】しかし、圧力シール面１０は圧力検出素子
部７の座板７ｃの下面に形成され、この圧力シール面１
０が流路壁５の連結面５ｂにパッキン１１を介し押し付
けられるので、上記溶接部２６が流体圧力による引張荷
重を受けることはなく、また流体と直接接触することも
ない。従って、溶接部２６はその締め付け時の機械的強
度のみ考慮すればよく、気密接合である必要はない。

【００３７】なお、この圧力センサのコネクタ２２は、
実施の形態２の場合と異なり、継手部６の上部の薄肉部
にて気密用Ｏリング２５を含めて加締め固定されてい
る。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、圧力センサの継手部と
圧力検出素子部との接合部に流体が触れることがないよ
うにし、また継手部と圧力検出素子部との間に溶接部を
設ける場合にあっても溶接熱が圧力検出素子部の薄膜歪
みゲージに影響しないようにすることができるとともに
その溶接部と流体との接触を回避することができる。従
って、例えば２００ＭＰａ以上の超高圧を検出すること
が可能となる。また、用途やユーザの要求に応じた継手
部を簡易に装着することができるので、継手部の多種多
様なアプリケーションに対応しながら製作することが可
能となる。また、継手部と圧力検出素子部とが別体であ
るから、薄膜歪みゲージの形成工程において圧力検出素
子部のみを薄膜形成装置の真空チャンバ内に投入するこ
とができ、一回の薄膜形成工程で数多くの圧力センサを
生産することができる。従って、圧力センサの生産能率
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力センサの要部を示す縦断面図
である。

【図２】メタルコーンパッキンにより圧力センサをシー
ルした状態を示す縦断面図である。

【図３】メタルレンズパッキンにより圧力センサをシー
ルした状態を示す縦断面図である。

【図４】他の形状のメタルレンズパッキンにより圧力セ
ンサをシールした状態を示す縦断面図である。

【図５】メタルＯリング又はメタルＣリングにより圧力
センサをシールした状態を示す縦断面図である。

【図６】圧力検出素子部と一体の環状突起により圧力セ
ンサをシールした状態を示す縦断面図である。

【図７】本発明に係る圧力センサの第二の実施の形態を
示す縦断面図である。

【図８】本発明に係る圧力センサの第三の実施の形態を
示す縦断面図である。

【図９】従来の圧力センサの一例を示す縦断面図であ
る。

【図１０】従来の圧力センサの他の例を示す縦断面図で
ある。

【符号の説明】

５…流路壁 ６…継手部 ７…圧力検出素子部 ７ａ…ダイアフラム ７ｅ…薄膜歪みゲージ １０…圧力シール面 １３…雄ネジ １４…雌ネジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 正継 東京都大田区東馬込１−30−４ 長野計器 株式会社内 (72)発明者 東海林 昭 茨城県ひたちなか市津田1895−18 株式会 社青山製作所茨城工場内 (72)発明者 小瀬 勝美 茨城県ひたちなか市津田1895−18 株式会 社青山製作所茨城工場内 Ｆターム(参考） 2F055 BB16 CC02 DD01 EE11 FF43 GG11 HH03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力センサを流体の流路壁に固定する継
   手部と、この継手部に保持されるこの継手部とは別体に
   形成された圧力検出素子部とを有した圧力センサにおい
   て、上記圧力検出素子部に、圧力シール面が設けられ、
   上記継手部に、上記圧力シール面と上記流路壁との間に
   シール力を与えるシール力付与手段が設けられたことを
   特徴とする圧力センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された圧力センサにおい
   て、圧力検出素子部の圧力感知部は、圧力検出素子部の
   金属製のダイアフラム上に絶縁膜を介して形成された薄
   膜歪みゲージであることを特徴とする圧力センサ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載された圧力センサにおい
   て、継手部と圧力検出素子部とが相互の相対移動を許容
   するように結合されていることを特徴とする圧力セン
   サ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載された圧力センサにおい
   て、継手部と圧力検出素子部とが固着されたことを特徴
   とする圧力センサ。
5. 【請求項５】 請求項１に記載された圧力センサにおい
   て、圧力検出素子部は少なくとも一部が鍛造加工によっ
   て形成されたことを特徴とする圧力センサ。