JP2002318167A - 圧力センサにおける受圧ダイアフラムの保護構造およびそのシール部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受圧ダイアフラムをシール部材によって被測
定流体から隔絶し直接接触しないようにすることによ
り、受圧ダイアフラムの腐食、水素透過等を防止する。 【解決手段】 検出器ボディ２の両側面８，９に受圧ダ
イアフラム１０，１１と、シール部材３０をそれぞれ設
ける。シール部材３０を、検出器ボディ２とカバー部材
３Ａ，３Ｂとの接合面３７をシールする環状のシール部
と、このシール部の内側に設けられ受圧ダイアフラム１
０，１１を覆うダイアフラム部３０ｂとで構成し、被測
定流体３３と受圧ダイアフラム１０，１１が直接接触し
ないようにする。シール部材３０の接液面に耐食性材料
からなる保護膜をコーティングし、接液ダイアフラム１
０，１１とシール部材３０との間に非圧縮性流体からな
る充填材４０を充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力センサにおけ
る受圧ダイアフラムの保護構造およびそのシール部材に
関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定流体の圧力を計測する圧力センサ
の代表的なものとしては、ダイアフラムの弾性変形によ
って差圧、圧力等を計測する差圧発信器、圧力発信器、
リモートシール型発信器等が従来から知られている
（例：特公平３−２２５７４号公報、特公平３−７７９
３９号公報等）。これらの発信器は、被測定流体に接し
その流体圧によって弾性変形する受圧ダイアフラムを有
し、この受圧ダイアフラムを覆うカバー部材を検出器ボ
ディにシール部材を介して密接し、ボルト締めすること
により、検出器ボディとカバー部材の接合面をシールし
たものが最も一般的である。

【０００３】ところで、プロセス流体の測定において
は、腐食性の高い流体を扱うことが多く、受圧ダイアフ
ラムの腐食が問題となる。このため、被測定流体が腐食
性流体の場合は、タンタル、チタン、ステンレス鋼、Ｎ
ｉ基合金等の耐食性材料によって形成した受圧ダイアフ
ラムを用いている。

【０００４】また、被測定流体中に含まれている水素原
子の一部が受圧ダイアフラムに吸着すると、受圧ダイア
フラムを拡散、透過して封入液中に侵入し水素ガスとな
って溜まるという問題もあった。このような現象を水素
透過という。そして、封入液中に水素ガスとなって溜ま
ると、封入液の圧力が変化するため、正確な測定ができ
なくなったり、水素脆化によってダイヤフラム自体の機
械的な特性が低下し、測定不能になる。そこで、このよ
うな水素透過を防止するための対策として、従来は受圧
ダイアフラムの表面に水素原子透過防止金属層（例：
金、タングステン）をメッキ、コーティング等によって
被覆したり（実開昭６２−８６５２８号公報）、水素原
子透過防止金属層、中間金属層（チタン、タングステ
ン、クロム、モリブデン等）および絶縁層（例：Ｓｉ
Ｃ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ ，ＳｉＯ₂ 等）を順次積層コ
ーティング（特開平５−２０９８００号公報）したりし
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
は受圧ダイアフラムに耐食性が要求される場合、耐食性
金属材料によって形成し、水素透過を防止する場合は、
その表面に水素透過を防止するための膜を被覆してい
た。しかしながら、このような方法では、特定の用途に
応じて受圧ダイアフラムを加工、選定する必要があるこ
とから、製造コストの増加につながり、またダイアフラ
ムの種類が増加するためにその管理が煩雑になるという
問題があった。

【０００６】そこで、本発明者らは鋭意検討した結果、
受圧部本体とカバーとの接合部をシールするガスケッ
ト、Ｏリング等のシール部材に着目し、このシール部材
にダイアフラムとしての機能を付与することにより、上
記問題を解決することができることを見いだした。

【０００７】本発明は上記した従来の問題および検討結
果に基づいてなされたもので、その目的とするところ
は、受圧ダイアフラムをシール部材によって被測定流体
から隔絶し直接接触しないようにすることにより、ダイ
アフラムの腐食、水素透過等を確実に防止し得るように
した圧力センサにおける受圧ダイアフラムの保護構造お
よびそのシール部材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、圧力センサにおける受圧ダイアフラ
ムの保護構造において、測圧面に前記受圧ダイアフラム
の外周縁部が固定された受圧部本体と、この受圧部本体
の前記測圧面を覆い前記受圧ダイアフラムに被測定流体
を導くための流体導入口を有するカバー部材と、前記受
圧部本体と前記カバー部材との接合面をシールするシー
ル部材とからなり、このシール部材は前記受圧部本体と
前記カバー部材の接合面によって挟持された環状のシー
ル部と、このシール部の内側に設けられることにより前
記受圧ダイアフラムの表面を覆い前記被測定流体の流体
圧によって弾性変形するダイアフラム部とで構成され、
前記受圧ダイアフラムと前記シール部材との間に非圧縮
性流体を介在させたものである。この発明において、シ
ール部材は受圧ダイアフラムを被測定流体から隔絶し、
被測定流体による受圧ダイアフラムの腐食、水素透過を
防止する。シール部材のダイアフラム部は、被測定流体
の流体圧によって弾性変形する。このダイアフラム部の
弾性変形に伴い、受圧ダイアフラムも弾性変形し、被測
定流体の流体圧が受圧ダイアフラムに伝達される。シー
ル部材の材質としては、フッ素樹脂系、ゴム系等の耐食
性に優れた材料が用いられる。受圧ダイアフラムとシー
ル部材のダイアフラム部との間には、空気が溜まらない
ように非圧縮性流体が介在されているので、流体圧をダ
イアフラム部を介して受圧ダイアフラムに確実に伝達す
ることができる。非圧縮性流体としては、封入液と同じ
液体またはグリース等が用いられる。受圧ダイアフラム
とシール部材との間に空気が存在すると、温度変化によ
って膨張収縮するため好ましくない。

【０００９】第２の発明は、上記第１の発明において、
シール部材のダイアフラム部が耐食性材料からなる保
護膜を備えているものである。この発明において、保護
膜は被測定流体によるシール部材の腐食を防止するとと
もに、強度を増大させる。保護膜の材質としては、金、
タングステン、フッ素樹脂、ゴム等が用いられる。保護
膜は、シール部材の表面に形成されるものに限らず内部
に形成されるものであってもよい。

【００１０】第３の発明は、上記第１の発明において、
シール部材のダイアフラム部の接液面に水素透過防止膜
を形成したものである。この発明において、水素透過防
止膜は水素原子の透過を防止する。水素透過防止膜とし
ては、水素原子透過防止金属層（例：金、タングステ
ン）をメッキ、コーティング等によって被覆したり（実
開昭６２−８６５２８号公報）、水素原子透過防止金属
層、中間金属層（チタン、タングステン、クロム、モリ
ブデン等）および絶縁層（例：ＳｉＣ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ａ
ｌＮ ，ＳｉＯ₂ 等）を順次積層コーティング（特開平
５−２０９８００号公報）したものであればよい。

【００１１】第４の発明は、ダイアフラム保護用シール
部材において、環状のシール部と、このシール部の内側
に設けられることにより受圧ダイアフラムの表面を覆い
被測定流体の流体圧によって弾性変形するダイアフラム
部とからなるものである。この発明において、シール部
材は受圧ダイアフラムの表面を覆い被測定流体が受圧ダ
イアフラムに接触しないようにする。ダイアフラム部は
流体圧によって弾性変形する。

【００１２】第５の発明は、上記第４の発明において、
ダイアフラム部が耐食性材料からなる保護膜を備えてい
るものである。この発明において、保護膜はシール部材
の腐食を防止する。

【００１３】第６の発明は、上記第４の発明において、
ダイアフラム部の接液面に水素透過防止膜を形成した耐
食性材料からなる保護膜をコーティングしたものであ
る。この発明において、水素透過防止膜は水素原子の透
過を防止する。、また、シール部材を補強する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を差圧・
圧力発信器に適用した一実施の形態を示す断面図、図２
はシール部材の断面図である。これらの図において、全
体を符号１で示す差圧・圧力発信器は、検出器ボディ
（受圧部本体）２と、検出器ボディ２の両側面（測圧
面）８，９にそれぞれ取付けられた左右一対のカバー部
材３Ａ，３Ｂと、検出器ボディ２の上方にネック部４を
介して設けられた圧力伝送器５等で構成されている。

【００１５】前記検出器ボディ２は、円板状に形成され
た２つのボディ２Ａ，２Ｂを電子ビーム溶接等によって
一体的に接合することにより形成されており、両側面
８，９に受圧ダイアフラム１０，１１がそれぞれ取付け
られている。受圧ダイアフラム１０，１１は、通常燐青
銅、ベリリウム銅などの薄膜状金属板を塑性加工するこ
とで円板状に形成され、外周縁部（固定部）が検出器ボ
ディ２の各側面８，９にそれぞれ溶接によって固定され
ている。受圧ダイアフラム１０，１１の加工形成に際し
ては、圧力を受ける受圧部、すなわち前記側面８，９に
溶接される外周縁部（固定部）より内側部分に波形の襞
ａを同心円状に付けることで、ダイアフラムのコンプラ
イアンスを大きくし、言い換えれば受圧ダイアフラム１
０，１１を柔らかくし、荷重−弾性変形の式を満足する
線形域を広くしている。

【００１６】前記検出器ボディ２の各側面８，９で受圧
ダイアフラム１０，１１の受圧部と対向する部分には、
ダイアフラムが直接接触しないように円形の凹部１２，
１３が形成されており、その底面がこれらダイアフラム
が着底する着底面を構成し、ダイアフラムと同形の波形
の襞ｂが同心円状に形成されている。これは、受圧ダイ
アフラム１０，１１に所定圧以上の過大な圧力が作用し
たとき、受圧ダイアフラム１０，１１の受圧部を凹部１
２，１３の着底面に着底させることで受圧ダイアフラム
１０，１１の塑性変形、破損等を防止するとともに、後
述する半導体圧力センサ１５に所定値以上の圧力が加わ
らないようにするためである。

【００１７】また、検出器ボディ２の内部中央、すなわ
ち前記２つのボディ２Ａ，２Ｂの接合面間には内室２１
が設けられており、この内室２１をセンターダイアフラ
ム２２によって２つの室、すなわち高圧側ボディ内室２
１Ａと低圧側ボディ内室２１Ｂに仕切っている。センタ
ーダイアフラム２２は、外周縁部（固定部）が溶接によ
ってボディ２Ａ，２Ｂの接合面に挟持されて溶接され、
外周縁部より内側部分が受圧部を形成している。この受
圧部には、前記受圧ダイアフラム１０，１１の受圧部と
同様に波形の襞ｃが同心円状に形成されている。前記ボ
ディ内室２１Ａ，２１Ｂの内壁面は、前記センターダイ
アフラム２２の受圧部の着底面を構成し、センターダイ
アフラム２２と同形の波形の襞ｄがそれぞれ同心円状に
形成されている。

【００１８】前記検出器ボディ２の各側面８，９と各受
圧ダイアフラム１０，１１の裏面との間には、ダイアフ
ラム室２３ａ，２３ｂがそれぞれ形成されており、これ
らのダイアフラム室２３ａ，２３ｂと前記各ボディ内室
２１ａ，２１ｂは、ボディ２Ａ，２Ｂ内に形成した封入
回路２４ａ，２４ｂによってそれぞれ連通している。前
記ボディ内室２１Ａ，２１Ｂ、ダイアフラム室２３ａ，
２３ｂおよび封入回路２４ａ，２４ｂには、各ボディ２
Ａ，２Ｂに設けた封入液封入用孔２５ａ，２５ｂから圧
力伝達媒体であるプロピレングリコール、シリコーンオ
イル等の封入液２６ａ，２６ｂがそれぞれ封入されてい
る。各封入液封入用孔２５ａ，２５ｂは、ボール２７に
よってそれぞれ封止され、このボール２７の抜けを止め
ねじ２８によって防止している。

【００１９】前記カバー部材３Ａ，３Ｂは、裏面の外周
縁部がシール部材３０を介して前記検出器ボディ２の側
面８，９の外周縁部に密接され、複数のボルト３１およ
びナット３２によって締結されている。各カバー部材３
Ａ，３Ｂの中央には、被測定流体３３を検出器ボディ２
に導く流体導入口３４ａ，３４ｂがそれぞれ表裏面に貫
通して形成されている。また、カバー３Ａ，３Ｂの内側
面中央には、前記流体導入口３４ａ，３４ｂに連通する
円形の凹部３５ａ，３５ｂがそれぞれ形成されており、
これらの凹部３５ａ，３５ｂと前記シール部材３０とで
被測定流体３３が供給される流体室３６ａ，３６ｂを形
成している。凹部３５ａ，３５ｂは、ボディ２Ａ，２Ｂ
の凹部１２，１３と略同一の大きさを有している。

【００２０】前記シール部材３０は、前記検出器ボディ
２とカバー３Ａ，３Ｂの接合面３７をシールするととも
に、受圧ダイアフラム１０，１１を被測定流体３３から
隔絶するためのもので、フッ素樹脂系、ゴム系等の耐食
性に優れた材料によって円板状に形成され、外周縁部が
環状のシール部３０ａを構成し、このシール部３０ａよ
り内側部分がダイアフラム部３０ｂを構成している。シ
ール部３０ａは、検出器ボディ２とカバー部材３Ａ，３
Ｂの接合面３７によって挟持されることにより、この接
合面３７をシールする。シール部３０ａの表面側には、
図２に示すように環状の突状体３０ｃが一体に突設され
ており、この突状体３０ｃは、前記カバー３Ａ（３Ｂ）
の裏面外周部寄りに形成した環状溝３８に嵌合されてい
る。ダイアフラム部３０ｂは、前記被測定流体３３の流
体圧（高圧ＰH または低圧ＰL ）を受けるとその圧力に
応じて弾性変形する部分で、前記受圧ダイアフラム１
０，１１の受圧部と略同一の大きさで、かつ受圧ダイア
フラム１０，１１と同形の波形の襞ｅが同心円状に形成
されている。また、ダイアフラム部３０ｂは、厚さが
０．２〜０．４ｍｍ程度で、被測定流体３３との接液面
には金等の耐食性材料からなる保護膜３９がコーティン
グされている。なお、各受圧ダイアフラム１０，１１と
シール部材３０とで囲まれた密閉空間には、空気が溜ま
らないように非圧縮性流体からなる充填材４０がそれぞ
れ充填されている。充填材４０としては、グリース、オ
イル等が用いられる。グリースの場合は、図２に示すよ
うに予めシール部材３０の裏面にグリース４０を塗布し
ておき、このシール部材３０を受圧ダイアフラム１０，
１１にそれぞれ密着させればよい。オイルの場合は、シ
リコーンオイル等が用いられ、シール部材３０を取付け
た後、各受圧ダイアフラム１０，１１とシール部材３０
との隙間に充填すればよい。また、充填材４０として
は、金の他にタングステン、フッ素樹脂、ゴム等を用い
ることが可能である。

【００２１】前記ネック部４は、検出器ボディ２の上面
に溶接によって一体的に接合された外筒４２，内筒４
３、内筒４３の内部に嵌合され外筒４２と内筒４３の上
端開口部を閉塞するセンサーベース４４等で構成され、
センサーベース４４の内部に前記半導体圧力センサ１５
が組み込まれている。半導体圧力センサ１５は、シリコ
ン基板のエッチングによって形成した半導体ダイアフラ
ム４５を有し、その表裏面に前記検出器ボディ２内の前
記封入液２６ａ，２６ｂが封入回路４６ａ，４６ｂ、４
７ａ，４７ｂを介してそれぞれ導かれている。封入回路
４６ａ，４６ｂは、前記各ボディ２Ａ，２Ｂ内に形成さ
れており、その一端が前記高圧側ボディ内室２１Ａと低
圧側ボディ内室２１Ｂにそれぞれ連通し、他端が前記各
封入回路４７ａ，４７ｂにそれぞれ連通している。封入
回路４７ａ，４７ｂは、ネック部４内にそれぞれ形成さ
れている。そして、半導体圧力センサ１５は、前記圧力
伝送器５内に組み込まれた信号処理回路に電気的に接続
されている。

【００２２】このような構造からなる差圧・圧力発信器
１において、被測定流体３３の高圧ＰH と、低圧ＰL を
各流体導入口３４ａ，３４ｂを通って流体室３６ａ，３
６ｂに導き、各シール部材３０のダイアフラム部３０ｂ
に印加すると、各シール部材３０のダイアフラム部３０
ｂは、このときの差圧（ＰH −ＰL ）に応じて弾性変形
する。このため、受圧ダイアフラム１０，１１も弾性変
形し、その弾性変形が封入液２６ａ，２６ｂを介してセ
ンターダイヤフラム２２に伝達される。これによりセン
ターダイアフラム２２は差圧（ＰH −ＰL ）に応じて弾
性変形し、この変形がさらに封入液２６ａ，２６ｂを介
して半導体圧力センサ１５の半導体ダイヤフラム４５に
伝達される。このため、半導体ダイヤフラム４５は差圧
（ＰH −ＰL ）に応じて歪み、その歪量が電気信号に変
換されて取り出されることにより差圧が測定される。

【００２３】このように、本発明においては、検出器ボ
ディ２とカバー部材３Ａ，３Ｂとの接合面３７をシール
するシール部材３０に受圧ダイアフラム１０，１１を被
測定流体３３から隔絶するダイアフラム部３０ｂを設
け、このダイアフラム部３０ｂによって被測定流体３３
の流体圧を受け、その弾性変形を受圧ダイアフラム１
０，１１に伝達するように構成したので、差圧を確実に
測定することができると同時に、被測定流体３３と受圧
ダイアフラム１０，１１が直接接触しないので、被測定
流体３３による受圧ダイアフラム１０，１１の腐食を防
止することができる。それ故、受圧ダイアフラム１０，
１１自体を安価な材料で、しかも表面に耐食性材料をコ
ーティングしたりことなく製作することができ、受圧ダ
イアフラム１０，１１の製造コストおよび種類を削減す
ることができる。また、検出器ボディ２自体は何ら設計
変更する必要がないので、検出器ボディ２の種類が増加
したりすることもない。

【００２４】この場合、被測定流体３３によるシール部
材３０自体の腐食については防止することができない
が、その接液面にコーティングした耐食性の保護膜３９
によって耐食性を向上させているので、実用上何ら問題
ない。また、保護膜３９の耐食性が低下したときはカバ
ー部材３Ａ，３Ｂを取り外してシール部材３０のみを交
換するだけでよいので、受圧ダイアフラム１０，１１を
交換する場合に比べて交換作業がきわめて簡単（封入液
を入れ替えたり、ダイアフラムを溶接したりする必要が
ないため）で、短時間に行うことができる。

【００２５】ここで、本実施の形態においては、シール
部材３０のダイアフラム部３０ｂの接液面に耐食性材料
からなる保護膜３９をコーティングしたが、水素脆化、
水素透過を防止する場合は、保護膜３９の代わりにまた
はその表面（またはシール部材と保護膜３９との間）に
水素原子透過防止層を形成しておけばよい。水素透過防
止膜としては、金、タングステン等をメッキまたはコー
ティングしたり（実開昭６２−８６５２８号公報）、あ
るいは水素原子透過防止金属層、中間金属層（チタン、
タングステン、クロム、モリブデン等）および絶縁層
（例：ＳｉＣ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ ，ＳｉＯ₂ 等）を
順次積層コーティング（特開平５−２０９８００号公
報）して形成したものであればよい。

【００２６】なお、上記した実施の形態においては、圧
力センサとして、差圧・圧力発信器に適用した例を示し
たが、本発明はこれに何等限定されるものではなく、受
圧ダイアフラムを備えた圧力発信器、リモートシール型
発信器等の各種センサにも適用することができる。ま
た、上記した実施の形態においては、シール部材３０の
表面に保護膜３９を形成した例を示したが、本発明はこ
れに何ら限定されるものではなく、内部に設けてもよ
い。その場合は、予め薄い金属板等からなる保護膜を形
成しておき、その上にシール部材３０をコーティングす
ることにより、保護膜を内部に備えたシール部材３０を
製作すればよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る圧力セ
ンサにおける受圧ダイアフラムの保護構造は、受圧ダイ
アフラムが被測定流体と直接接触しないので、受圧ダイ
アフラムの腐食、水素脆化、水素透過等を確実に防止す
ることができる。したがって、受圧ダイアフラムを安価
に製作することができる。また、受圧ダイアフラムの種
類を削減でき、部品管理が容易である。

【００２８】また、シール部材はダイアフラムとしての
機能を有するので、受圧ダイアフラムに流体圧を確実に
伝達することができ、シール部材が腐食したり劣化した
ときは、カバー部材を取り外してシール部材のみを交換
すればよいので、交換作業が容易で短時間に行なうこと
ができる。さらに、シール部材に耐食性材料からなる保
護膜およびまたは水素透過防止膜を設けているので、シ
ール部材の耐食性、水素透過防止性能、強度等を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を差圧・圧力発信器に適用した一実施
の形態を示す断面図である。

【図２】 シール部材の断面図である。

【符号の説明】

１…差圧・圧力発信器、２…検出器ボディ、３Ａ，３Ｂ
…カバー部材、４…ネック部、５…ヘッダー、８，９…
側面、１０，１１…受圧ダイアフラム、１５…半導体圧
力センサ、３０…シール部材、３０ａ…シール部、３０
ｂ…ダイアフラム部、３４ａ，３４ｂ…流体導入口、３
７…接合面、３９…保護膜、４０…充填材。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力センサにおける受圧ダイアフラムの
   保護構造において、 測圧面に前記受圧ダイアフラムの外周縁部が固定された
   受圧部本体と、この受圧部本体の前記測圧面を覆い前記
   受圧ダイアフラムに被測定流体を導くための流体導入口
   を有するカバー部材と、前記受圧部本体と前記カバー部
   材との接合面をシールするシール部材とからなり、この
   シール部材は前記受圧部本体と前記カバー部材の接合面
   によって挟持された環状のシール部と、このシール部の
   内側に設けられることにより前記受圧ダイアフラムの表
   面を覆い前記被測定流体の流体圧によって弾性変形する
   ダイアフラム部とで構成され、前記受圧ダイアフラムと
   前記シール部材との間に非圧縮性流体を介在させたこと
   を特徴とする圧力センサにおける受圧ダイアフラムの保
   護構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧力センサにおける受圧
   ダイアフラムの保護構造において、 シール部材のダイアフラム部が耐食性材料からなる保護
   膜を備えていることを特徴とする圧力センサにおける受
   圧ダイアフラムの保護構造。
3. 【請求項３】 請求項１記載の圧力センサにおける受圧
   ダイアフラムの保護構造において、 シール部材のダイアフラム部の接液面に水素透過防止膜
   を形成したことを特徴とする圧力センサにおける受圧ダ
   イアフラムの保護構造。
4. 【請求項４】 環状のシール部と、このシール部の内側
   に設けられ受圧ダイアフラムの表面を覆うダイアフラム
   部とからなることを特徴とするダイアフラム保護用シー
   ル部材。
5. 【請求項５】 請求項４記載のダイアフラム保護用シー
   ル部材において、 ダイアフラム部が耐食性材料からなる保護膜を備えてい
   ることを特徴とするダイアフラム保護用シール部材。
6. 【請求項６】 請求項４記載のダイアフラム保護用シー
   ル部材において、 ダイアフラム部の接液面に水素透過防止膜を形成したこ
   とを特徴とするダイアフラム保護用シール部材。