JP2002156299A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パージを短時間で済ますと共にダストの発生
を防止する高性能な圧力センサを提供する。 【解決手段】 ダイアフラム３が流路４と共にボディ２
に一体形成され、従来技術のようにダイアフラム３を溶
接する必要がなくなるので、ダイアフラム３の溶接固定
で生じる隙間がなく、パージを短時間で済ますことがで
きると共にダストの発生を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体、液体等の流
体圧を検出するダイアフラムを備えた圧力センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧力センサは、例えば図
６、図７に示されるものがある。

【０００３】図６において、圧力センサ１０１は、概
略、検出対象の流体が流れる流路１０４が形成されたボ
ディ１０２と、流体圧を直接受ける流路側の受圧面１０
３ａを有するダイアフラム１０３と、を備えた構成であ
る。

【０００４】ボディ１０２に形成された流路１０４は、
流体が一定方向に流れるメイン流路１０４ａと、メイン
流路１０４ａの途中からダイアフラム１０３に向かって
延びる検出流路１０４ｂと、を備えている。

【０００５】ダイアフラム１０３は、検出流路１０４ｂ
の開口部に溶接によって固定されている。このダイアフ
ラム１０３の表面（図示上側）には、流体圧によるダイ
アフラム１０３の変形を電気信号に変換するゲージパタ
ーン部（不図示）が、直接、形成されている。

【０００６】一方、図７においても、圧力センサ２０１
は、概略、検出対象の流体が流れる流路２０４が形成さ
れたボディ２０２と、流体圧を直接受ける流路側の受圧
面２０３ａを有するダイアフラム２０３と、を備えた構
成である。

【０００７】この圧力センサ２０１は、ＬＳＩ等の半導
体を作製する半導体プロセス等に用いられるような各パ
ーツをブロック化して組み合わせて行く集積化に対応し
たもので、ダイアフラム２０３とボディ２０２とが１ブ
ロック化されている。

【０００８】ボディ２０２は、第１ポート２０７からダ
イアフラム２０３に向かう第１流路２０５と、ダイアフ
ラム２０３から第２ポート２０８に向かう第２流路２０
６と、を備えている。

【０００９】第１ポート２０７と第２ポート２０８は、
同一平面に設けられており、他のブロックと組み合わせ
ることで、第１ポート２０７と第２ポート２０８がそれ
ぞれ他のブロックの流路に接続されて配管が不要となる
構成である。

【００１０】ダイアフラム２０３は、第１流路２０５及
び第２流路２０６が交わって開口した開口部に溶接によ
って固定されている。このダイアフラム２０３の表面
（図示上側）には、流体圧によるダイアフラム２０３の
変形を電気信号に変換するゲージパターン部（不図示）
が、直接、形成されている。

【００１１】以上の構成の圧力センサ１０１，２０１で
は、流体圧によってダイアフラム１０３，２０３が変形
することに伴いゲージパターン部も変形し、変形したゲ
ージパターン部の抵抗値の変化を電気信号として取り出
し、外部へ出力している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
の圧力センサでは、ダイアフラムがボディ開口部に溶接
（レーザ等）により固定されているが、溶接固定では、
図８（ａ）に示すように、ダイアフラムとボディとの間
にわずかな隙間が生じてしまう。

【００１３】ここで、酸素や水に接触すると分解・酸化
反応や爆発を起こす非常に不安定なガスや毒性・危険性
の強いガスを流路に流す場合、事前に流路内の酸素や水
等を不活性ガスに置換したり、また終了後も流路内に不
安定ガス等が滞留することを防止するため不活性ガスに
置換したりする流路のパージを行っている。

【００１４】パージは、具体的には、真空引きと窒素や
アルゴン・ヘリウムといった不活性ガスへの置換作業を
数回繰り返して行われる。

【００１５】しかし、図８（ａ）に示す従来の圧力セン
サにおけるダイアフラムとボディとの間のわずかな隙間
は、流路のパージ、即ち真空引きとガス置換のみでは、
完全なガス置換は困難であり、残留ガスが溜まることが
ある。

【００１６】このため、残留ガス除去のために真空引き
とガス置換作業を何度も繰り返す等長時間のパージが必
要となっていた。また、ダイアフラムとボディとの間の
わずかな隙間は、残留ガスの反応等によるダストの発生
源となっていた。

【００１７】また、上記問題を防止するために、構造を
変更してダイアフラムとボディとの間の隙間を完全に塞
ぐように溶接すると、図８（ｂ）に示すように、溶接時
の溶融金属が流路内に噴出し、流体に混ざるおそれがあ
る。

【００１８】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、パー
ジを短時間で済ますと共にダストの発生を防止する高性
能な圧力センサを提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、流体が流れる流路と、該流路内の
流体の流体圧を受けるダイアフラムと、を備えた圧力セ
ンサにおいて、前記ダイアフラムは、前記流路と共に一
体形成されたことを特徴とする。

【００２０】したがって、ダイアフラムを溶接する必要
がなくなるので、ダイアフラムの溶接固定で生じる隙間
がなく、パージを短時間で済ますことができると共にダ
ストの発生を防止できる。また、ダイアフラムを溶接し
た場合の溶融金属が流路内に噴出し、流体に混ざること
が防止できる。

【００２１】前記流路は、前記ダイアフラムの受圧面に
対して垂直に延びる第１流路と、前記ダイアフラムの受
圧面近傍で前記第１流路に連通する第２流路と、から構
成されたことが好適である。

【００２２】これにより、ダイアフラムの受圧面の形成
が容易にできる。

【００２３】前記ダイアフラム及び前記流路は、集積化
に対応して１ブロック化されたことが好適である。

【００２４】これにより、装置の小型化が図れると共
に、各ブロックパーツの組み合わせで装置を容易に設置
できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００２６】（第１の実施の形態）以下に、図１〜図４
を用いて第１の実施の形態を説明する。図１は第１の実
施の形態に係る圧力センサを示す断面図であり、図２は
第１の実施の形態に係る圧力センサを示す図である。図
３は第１の実施の形態に係るボディを示す図である。図
４は第１の実施の形態の他の例に係るボディを示す図で
ある。

【００２７】図１、図２において、圧力センサ１は、概
略、ボディ２と、接続基板８と、を備えた構成である。

【００２８】図３に示すように、ボディ２は、流体圧を
直接受ける流路側の受圧面３ａを有するダイアフラム３
と、検出対象の流体が流れる流路４と、が形成されてい
る。また、固定用のネジ穴２ａが形成されている。

【００２９】ボディ２に形成された流路４は、ダイアフ
ラム３の受圧面３ａに対して垂直に延びる第１流路５
と、ダイアフラム３の受圧面３ａ近傍で第１流路５に連
通する第２流路６と、から構成されている。本実施の形
態では、第１流路５から流体を流入させ、第２流路６か
ら流体を流出させる。

【００３０】ここで、ダイアフラム３の受圧面３ａ付近
に流体溜まりができることを極力抑制するするために、
第２流路６の第１流路５との連通部をダイアフラム３の
受圧面３ａ付近に近づけている。

【００３１】特に検出する圧力レンジによっては、図４
に示すように、ダイアフラム３の受圧面３ａに隣接して
第２流路６の第１流路５との連通部を設けることもでき
る。この場合には、ダイアフラム３の周辺から切削等の
加工でダイアフラム３を作成できるので製造容易とな
る。

【００３２】本実施の形態では、第１流路５に対し略直
角に第２流路６が接続されている。なお、第１流路５に
対し第２流路６を必ずしも直角に接続する必要はない。

【００３３】また、第１流路５及び第２流路６の各端部
は、継手接続部１１，１２となっている。継手接続部１
１，１２は、ＴＩＧ溶接によって、メタル・ガスケット
式面シール継手（例えばＣＡＪＯＮ（ケイジョン）社の
ＶＣＲ等）を溶接し、流体の配管（不図示）に接続され
る。なお、継手接続部１１，１２の接続は、オス・メス
のネジ止め等にも変更可能である。

【００３４】ダイアフラム３は、第１流路５の延長線上
で上方に凸状に突出してボディ２に一体形成されてい
る。即ち、第１流路５の内壁面の一部がダイアフラム３
の受圧面３ａとなっており、ダイアフラム３の受圧面３
ａに対して第１流路５が垂直に延びている。なお、ダイ
アフラム３は、必ずしもボディ２から凸状に突出して形
成する必要もなく、平面形状等でも構わない。

【００３５】ここで、ボディ２は、ゲージパターン部７
の形成や接続基板８の設置前に、図３に示す状態まで形
成される。このボディ２形成時には、ダイアフラム３及
び流路４が切削加工や鍛造等の機械加工によって形成さ
れる。ダイアフラム３の厚さは、検出する圧力に応じて
調整して設定される。本実施の形態では、第１流路５が
ダイアフラム３の受圧面３ａに対して垂直に延びる構成
であるため、切削加工や鍛造等の機械加工によるダイア
フラム３の受圧面３ａの形成が容易であり、加工上好ま
しい。

【００３６】また、ダイアフラム３の表面（図示上側）
には、流体圧によるダイアフラム３の変形を電気信号に
変換するゲージパターン部７が、直接、形成されてい
る。

【００３７】ゲージパターン部７の作製としては、例え
ば、図３に示す状態に形成されたボディ２のダイアフラ
ム３の表面に、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の方法で絶縁
膜としてＳｉＯ₂を成膜する。そのＳｉＯ₂上に同様の方
法で、ゲージ膜としてＮｉＣｒを成膜し、電極膜として
Ａｕを成膜する。

【００３８】次に、レジストを塗布して、電極パターン
を露光する。現像後、電極膜であるＡｕをエッチング
し、電極パターンを形成する。レジスト剥離後、再度レ
ジストを塗布する。

【００３９】その後、ゲージパターンを一次露光時に形
成した位置合わせマーカに合わせて露光し、現像・エッ
チングを行い、ゲージパターンを形成する。以上のよう
にして、ゲージパターン部７を作製する。

【００４０】なお、ダイアフラム３上には、ゲージパタ
ーン部７以外にも、ダイアフラム３の変形に伴い抵抗値
変化を生じるものとして、貼り付け型の歪ゲージや半導
体式・静電容量式等のセンサ構造を形成することも可能
である。

【００４１】一方、接続基板８は、ボディ２上部に、凸
状に突出したダイアフラム３を囲むように設置されてい
る（即ち、接続基板８には、図２（ｂ）に示すようにダ
イアフラム３の領域が孔となっている）。接続基板８に
は、配線パターン８ａが形成されている。なお、接続基
板８は、ゲージパターン部７の作成後に、ボディ２上部
に設置される。

【００４２】また、ゲージパターン部７と接続基板８の
配線パターン８ａとが、ボンディングワイヤ９を介して
結線されている。

【００４３】さらに、接続基板８の配線パターン８ａ
は、接続基板８上のピンヘッダ１０に接続されており、
ピンヘッダ１０からは外部出力が可能となっている。

【００４４】以上の構成の圧力センサ１では、流体圧に
よってダイアフラム３が変形することに伴いゲージパタ
ーン部７も変形し、変形したゲージパターン部７の抵抗
値の変化を電気信号として取り出し、ボンディングワイ
ヤ９及び接続基板８の配線パターン８ａを介してピンヘ
ッダ１０からアンプ等へ外部出力している。

【００４５】このような本実施の形態の圧力センサ１
は、ダイアフラム３が流路４と共にボディ２に一体形成
され、従来技術のようにダイアフラム３を溶接する必要
がなくなるので、ダイアフラム３の溶接固定で生じる隙
間がなく、パージを短時間で済ますことができると共に
ダストの発生を防止できる。

【００４６】また、ダイアフラム３を溶接した場合に溶
融金属が流路４内に噴出し、流体に混ざることが防止で
きる。

【００４７】さらに、本実施の形態では、第１流路５か
ら流体を流入させることで、流れる流体は一度ストレー
トにダイアフラム３の受圧面３ａに向かうので、ダイア
フラム３の受圧面３ａ付近での流体溜まり（流体の滞
留）が抑制される。このため、スムーズにパージでき、
パージを短時間で済ますことができると共に残留流体と
流入流体とが分解・酸化反応することによるダストの発
生が防止できる。

【００４８】この効果は、第２流路６をダイアフラム３
の受圧面３ａ近傍で第１流路５に連通した構成としたこ
とで、さらに向上している。

【００４９】第２流路６から流体を流入させ、第１流路
５から流体を流出させることもでき、この場合には、流
路４内の流体に突発的な圧力が生じても、その突発的圧
力は直接ダイアフラム３の受圧面３ａに向かわないの
で、突発的圧力の衝撃でダイアフラム３やゲージパター
ン部７が破損することが防止でき、耐性を向上できる。

【００５０】このため、本実施の形態の圧力センサ１で
流体を流す方向は、圧力センサ１を適用する環境（突発
的圧力が生じるかどうか等）に応じて変更するとよい。

【００５１】なお、パージは、酸素や水に接触すると分
解・酸化反応や爆発を起こす非常に不安定なガスや毒性
・危険性の強いガスを流路４に流す場合、事前に流路４
内の酸素や水等を不活性ガスに置換したり、また終了後
も流路４内に不安定ガス等が滞留することを防止するた
め不活性ガスに置換したりするもので、具体的には、真
空引きと窒素やアルゴン・ヘリウムといった不活性ガス
への置換作業を数回繰り返して行われる。

【００５２】（第２の実施の形態）図５には、第２の実
施の形態が示されている。図５に示されているのは１ブ
ロック化されたボディ２’である。上記第１の実施の形
態とほぼ同等の構成であるが、本実施の形態のボディ
２’は集積化に対応して１ブロック化された構成であ
る。

【００５３】ここで、集積化とは、配管部分（チュー
ブ）をなくし、直接、センサやバルブ等を接続する方法
であり、各パーツをそれぞれブロック化し、各ブロック
を組み合わせて行くことで設置する方法である。このよ
うな集積化は、ＬＳＩ等の半導体を作製する半導体プロ
セス（ガスを利用して成膜やエッチングを行う工程）等
に用いられる。

【００５４】このため、従来、各種センサやバルブを一
つのガスボックス等に収納しただけでは配管は大きいも
のであったが、この集積化によって、配管部分（チュー
ブ）がなくなり、小型化が図れると共に、各ブロックパ
ーツの組み合わせで装置を容易に設置できる。

【００５５】圧力センサ１の全体構成については第１の
実施の形態で説明したので、その説明を省略し、図５に
示すボディ２’を説明する。また、その他の構成および
作用についても第１の実施の形態と同一なので、その説
明は省略する。

【００５６】図５に示すように、ボディ２’は、１ブロ
ック化され、流体圧を直接受ける流路側の受圧面３ａを
有するダイアフラム３と、検出対象の流体が流れる流路
４と、が形成されている。また、固定用のネジ穴２’ａ
が形成されている。

【００５７】本実施の形態では、流路４は、第１流路５
に対し第２流路６’も同一平面に端部がくるような角度
で接続されている。なお、第１流路５と第２流路６’と
の関係はこれに限るものではない。

【００５８】また、第１流路５及び第２流路６’の各端
部には、第１，第２ポート１３，１４が設けられてい
る。第１，第２ポート１３，１４は、同一平面に設けら
れており、他のブロックと組み合わせることで、第１ポ
ート１３と第２ポート１４がそれぞれ他のブロックの流
路に接続されて配管が不要となる構成である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にあって
は、ダイアフラムは、流路と共に一体形成されたこと
で、ダイアフラムを溶接する必要がなくなるので、ダイ
アフラムの溶接固定で生じる隙間がなく、パージを短時
間で済ますことができると共にダストの発生を防止でき
る。また、ダイアフラムを溶接した場合の溶融金属が流
路内に噴出し、流体に混ざることが防止できる。

【００６０】流路は、ダイアフラムの受圧面に対して垂
直に延びる第１流路と、ダイアフラムの受圧面近傍で第
１流路に連通する第２流路と、から構成されたことで、
ダイアフラムの受圧面の形成が容易にできる。

【００６１】第１流路から流体を流入させ、第２流路か
ら流体を流出させることで、流れる流体は一度ストレー
トにダイアフラムの受圧面に向かうので、ダイアフラム
の受圧面付近での流体溜まり（流体の滞留）が抑制され
る。このため、スムーズにパージでき、パージを短時間
で済ますことができると共に残留流体と流入流体とが分
解・酸化反応することによるダストの発生が防止でき
る。

【００６２】また、第２流路から流体を流入させ、第１
流路から流体を流出させることで、流路内の流体に突発
的な圧力が生じても、その突発的圧力は直接ダイアフラ
ムの受圧面に向かわないので、突発的圧力の衝撃でダイ
アフラムが破損することが防止でき、耐性を向上でき
る。

【００６３】ダイアフラム及び流路は、集積化に対応し
て１ブロック化されたことで、装置の小型化が図れると
共に、各ブロックパーツの組み合わせで装置を容易に設
置できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る圧力センサを示す断面
図である。

【図２】第１の実施の形態に係る圧力センサを示す図で
ある。

【図３】第１の実施の形態に係るボディを示す図であ
る。

【図４】第１の実施の形態の他の例に係るボディを示す
図である。

【図５】第２の実施の形態に係るボディを示す図であ
る。

【図６】従来技術の圧力センサを示す断面図である。

【図７】従来技術の圧力センサを示す図である。

【図８】従来技術のダイアフラムとボディの溶接状態を
示す拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 圧力センサ ２，２’ ボディ ２ａ，２’ａ ネジ穴 ３ ダイアフラム ３ａ 受圧面 ４ 流路 ５ 第１流路 ６，６’ 第２流路 ７ ゲージパターン部 ８ 接続基板 ８ａ 配線パターン ９ ボンディングワイヤ １０ ピンヘッダ １１，１２ 継手接続部 １３，１４ ポート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体が流れる流路と、該流路内の流体の流
   体圧を受けるダイアフラムと、を備えた圧力センサにお
   いて、 前記ダイアフラムは、前記流路と共に一体形成されたこ
   とを特徴とする圧力センサ。
2. 【請求項２】前記流路は、前記ダイアフラムの受圧面に
   対して垂直に延びる第１流路と、前記ダイアフラムの受
   圧面近傍で前記第１流路に連通する第２流路と、から構
   成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力セン
   サ。
3. 【請求項３】前記ダイアフラム及び前記流路は、集積化
   に対応して１ブロック化されたことを特徴とする請求項
   １又は２に記載の圧力センサ。