JP2004020545A

JP2004020545A - 圧力センサ装置

Info

Publication number: JP2004020545A
Application number: JP2002180383A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Shinoda; 篠田　茂; Katsumichi Kamiyanagi; 上▲柳▼　勝道; Kimiyasu Ashino; 芦野　仁泰
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】圧力センサ装置において、過大な圧力が急激に印加されても、薄膜ダイヤフラムが塑性変形したり、破裂したりせずに、長期にわたって安定したセンサ出力を得ること。
【解決手段】ステム１１の凹部１２に圧力センサ素子１４を取り付け、その凹部１２の開口端を穴開きダイヤフラム２１で塞ぎ、その穴開きダイヤフラム２１の外側に隙間２３をあけて薄膜ダイヤフラム１５を押さえ金１６で固定し、薄膜ダイヤフラム１５により密閉された前記凹部１２内にシリコンオイル１８を封入する。穴開きダイヤフラム２１には、ステム１１の凹部１２の開口端の径よりも小さい径で前記凹部１２の内外に貫通する孔２２を設ける。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用、医療用、産業用または民生用などの各種装置等に用いる圧力センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用等に用いられる、１ＭＰａ以上の圧力を検出するための圧力センサ装置は、図６に示すように、金属製のステム１の凹部２に台座３を介して圧力センサ素子４を取り付け、その凹部２の開口端を、押さえ金６により固定された金属製の薄膜ダイヤフラム５で塞ぎ、さらにその密閉された空間内に液体導入口７より圧力伝達媒体としてシリコンオイル８を注入し、封入した構成となっている。このような構成の圧力センサ装置では、装置外部の圧力に応じて薄膜ダイヤフラム５が変形し、その変形により生じた圧力がシリコンオイル８を介して圧力センサ素子４に伝わり、圧力センサ素子４で電気信号が発生する。その電気信号は、ステム１を貫通する端子９により装置の外部に取り出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の圧力センサ装置では、過大な圧力が薄膜ダイヤフラム５に急激に印加されると、図７に示すように薄膜ダイヤフラム５が塑性変形したり、図８に示すように破裂してしまうという問題点がある。特に、長期にわたって薄膜ダイヤフラム５が変位を繰り返すことにより金属疲労を起こし、薄膜ダイヤフラム５の強度が低下した場合に、薄膜ダイヤフラム５に塑性変形や破裂が起こりやすい。薄膜ダイヤフラム５が塑性変形すると、シリコンオイル８の圧力が変化し、それによって圧力センサ素子４に応力が加わり、圧力センサ素子４から出力される電気信号に狂いが生じたり、薄膜ダイヤフラム５がボンディングワイヤに接触したりしてしまう。また、薄膜ダイヤフラム５が破裂すると、圧力センサ素子４が直接、被測定媒体にさらされ、センサ特性が損なわれてしまう。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、過大な圧力が急激に印加された場合でも、薄膜ダイヤフラムが塑性変形したり、破裂したりせずに、長期にわたって安定したセンサ出力を得ることができる圧力センサ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる圧力センサ装置は、ステムの凹部に圧力センサ素子を取り付け、その凹部の開口端を穴開きダイヤフラムで塞ぎ、その穴開きダイヤフラムの外側に隙間をあけて薄膜ダイヤフラムを押さえ金で固定し、薄膜ダイヤフラムにより密閉された前記凹部内に圧力伝達媒体を封入した構成となっており、穴開きダイヤフラムには、ステムの凹部の開口端の径よりも小さい径で前記凹部の内外に貫通する孔が設けられていることを特徴とする。この発明によれば、薄膜ダイヤフラムに過大な圧力が印加された場合、穴開きダイヤフラムにより、薄膜ダイヤフラムの変位量が制限される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明にかかる圧力センサ装置の一例の構成を示す縦断面図である。図１に示すように、この圧力センサ装置は、金属製のステム１１と、このステム１１の凹部１２の開口端を塞ぐ金属製の薄膜ダイヤフラム１５との間に、穴開きダイヤフラム２１を設けた構成となっている。
【０００７】
圧力センサ素子１４は、従来同様、ステム１１の凹部１２に台座１３を介して取り付けられている。穴開きダイヤフラム２１および薄膜ダイヤフラム１５は、押さえ金１６により、ステム１１の、凹部１２を囲む外周壁部分に固定されている。また、薄膜ダイヤフラム１５により密閉された凹部１２内には、圧力伝達媒体としてシリコンオイル１８が封入されている。ステム１１には、このシリコンオイル１８を注入するための液体導入口１７が設けられている。また、ステム１１には、圧力センサ素子１４からボンディングワイヤ２０を介して電気信号を取り出すための端子１９が設けられている。
【０００８】
前記穴開きダイヤフラム２１の、特にその位置を限定しないが、たとえば中央には、図１に示すように、穴開きダイヤフラム２１の表裏に貫通する孔２２が設けられている。貫通孔２２は、ステム１１の凹部１２の上方に位置していればよい。すなわち、貫通孔２２が、ステム１１の、凹部１２を囲む外周壁部分と重ならずに、シリコンオイル１８と接触していればよい。この貫通孔２２の径は、ステム１１の凹部１２の開口端の径よりも小さい。
【０００９】
また、穴開きダイヤフラム２１は、ステム１１の凹部１２に対応する部分が、その外側部分、すなわちステム１１の、凹部１２を囲む外周壁部分に固定される部分よりも、一段低くなるように、皿状に成形されている。それに対して、薄膜ダイヤフラム１５は、特に図示しないが、同心円状に広がる波形状に成形されているが、全体的には平板状である。そのため、ステム１１の凹部１２に対応する部分において、穴開きダイヤフラム２１と薄膜ダイヤフラム１５との間には隙間２３が存在する。
【００１０】
ここで、シリコンオイル１８の圧縮係数をＹ、シリコンオイル１８の体積をＶ、薄膜ダイヤフラム１５の可動部分の直径をＤとすると、仕様圧力Ｐにおける薄膜ダイヤフラム１５の変位量δは、つぎの（１）式で表される。
【００１１】
δ＝２×Ｙ×Ｄ^−２×Ｖ　・・・（１）
【００１２】
したがって、前記隙間２３により、穴開きダイヤフラム２１と薄膜ダイヤフラム１５とは、このδに相当する寸法以上離れている必要がある。そうすれば、仕様圧力Ｐまでは薄膜ダイヤフラム１５は、穴開きダイヤフラム２１に制限されることなく、弾性変形する。ただし、隙間２３は、薄膜ダイヤフラム１５に過大な圧力が印加されたときに、薄膜ダイヤフラム１５が塑性変形しない程度でなければならない。そうすれば、薄膜ダイヤフラム１５に仕様圧力Ｐを超える圧力や、局部的に大きい圧力が印加された場合に、薄膜ダイヤフラム１５が穴開きダイヤフラム２１に当たり、それ以上の変形が阻止されるので、薄膜ダイヤフラム１５の塑性変形や破裂は起こらない。
【００１３】
穴開きダイヤフラム２１と薄膜ダイヤフラム１５との間の隙間２３の寸法について具体的に説明する。シリコンオイル１８の粘度を１００ｃｓとした場合の、シリコンオイル１８の２５℃における圧力と圧縮係数との関係を図２に示す。このような特性を有するシリコンオイル１８を用い、シリコンオイル１８の体積を４００ｍｍ^３とし、薄膜ダイヤフラム１５の可動部の直径を１０ｍｍとすると、圧力と薄膜ダイヤフラム１５の変位量δとの関係として、前記（１）式より、図３に示す関係が得られる。
【００１４】
この図３より、仕様圧力が１０ＭＰａである場合には、薄膜ダイヤフラム１５と穴開きダイヤフラム２１との間の隙間２３の寸法は１００μｍ以上必要であり、仕様圧力が２０ＭＰａである場合には、隙間２３は１７０μｍ以上必要であることがわかる。なお、ここで挙げた種々の数値は一例であり、圧力伝達媒体がシリコンオイル以外の他の物質であったり、温度が変わったり、圧力伝達媒体の体積が変わったり、薄膜ダイヤフラム１５の可動部の直径が変わったりした場合には、その都度それにあった隙間が必要となるのは勿論である。
【００１５】
また、薄膜ダイヤフラム１５の剛性Ｄ_１および穴開きダイヤフラム２１の剛性Ｄ_２は、それぞれつぎの（２）式および（３）式で表される。ただし、薄膜ダイヤフラム１５および穴開きダイヤフラム２１のそれぞれについて、ヤング率をＥ_１およびＥ_２とし、ダイヤフラムの厚さをｈ_１およびｈ_２とし、ポアソン比をｕ_１およびｕ_２とし、形状係数をＫ_１およびＫ_２とする。
【００１６】
Ｄ_１＝Ｅ_１ｈ_１ ^３Ｋ_１／（１２（１−ｕ_１ ^２））　・・・（２）
Ｄ_２＝Ｅ_２ｈ_２ ^３Ｋ_２／（１２（１−ｕ_２ ^２））　・・・（３）
【００１７】
そして、Ｄ_１とＤ_２の関係は、Ｄ_１＜Ｄ_２である。つまり、穴開きダイヤフラム２１の剛性の方が、薄膜ダイヤフラム１５の剛性よりも高い。これは、薄膜ダイヤフラム１５が塑性変形したり、破裂したりするほど過度に変形するのを防ぐためである。したがって、穴開きダイヤフラム２１と薄膜ダイヤフラム１５とが同種の材料でできている場合には、穴開きダイヤフラム２１は薄膜ダイヤフラム１５よりも厚くなる。あるいは、穴開きダイヤフラム２１が薄膜ダイヤフラム１５と異なる材料でできている場合には、穴開きダイヤフラム２１は、薄膜ダイヤフラム１５よりも剛性の高い材料でできている。薄膜ダイヤフラム１５の剛性は、圧力センサ素子１４に設けられたダイヤフラムの剛性よりも低い。
【００１８】
また、穴開きダイヤフラム２１が薄膜ダイヤフラム１５と異なる材料でできている場合、穴開きダイヤフラム２１は、薄膜ダイヤフラム１５の材料よりも金属疲労強度が高い材料でできている。これは、過大な圧力が繰り返し印加されたことによって薄膜ダイヤフラム１５が金属疲労を起こした状態で、さらに薄膜ダイヤフラム１５に過大な圧力が印加されたときに、穴開きダイヤフラム２１がストッパーとして働いて、薄膜ダイヤフラム１５の変位を制限するためである。
【００１９】
また、上述したように、薄膜ダイヤフラム１５が波形状に成形されている理由は、薄膜ダイヤフラム１５を収縮させることにより、過大な圧力が印加されたときに、その過大な圧力を吸収し、薄膜ダイヤフラム１５が塑性変形したり、破裂するのを防ぐためである。
【００２０】
図４は、本実施の形態にかかる圧力センサ装置の使用状態の要部を示す図である。図４に示すように、本実施の形態にかかる圧力センサ装置は、有底筒状の容器４１の底にＯリング４２を介して、薄膜ダイヤフラム１５が容器４１の開口端に臨んだ状態で取り付けられて使用される。圧力は、容器４１の開口端側から印加される。圧力センサ装置の端子１９は、容器４１の底部を貫通して外部に突出する。
【００２１】
上述した実施の形態によれば、薄膜ダイヤフラム１５に過大な圧力が印加された場合、穴開きダイヤフラム２１により、薄膜ダイヤフラム１５の変位が弾性域に制限されるので、薄膜ダイヤフラム１５が塑性変形したり破裂したりするのを防ぐことができる。また、過大な圧力が印加されたときに、薄膜ダイヤフラム１５がボンディングワイヤ２０に接触するのを防ぐことができる。したがって、長期にわたって安定したセンサ出力を得ることができる。
【００２２】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、図５に示すように、貫通孔３２を有する平板状の穴開きダイヤフラム３１と、逆皿状に成形された薄膜ダイヤフラム３５を用いることによって、穴開きダイヤフラム３１と薄膜ダイヤフラム３５との間に隙間３３を設ける構成としてもよい。この場合も、隙間３３は、前記（１）式より求まるδに相当する寸法以上であり、薄膜ダイヤフラム３５に過大な圧力が印加されたときに、薄膜ダイヤフラム３５が塑性変形しない程度である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜ダイヤフラムに過大な圧力が印加されても、穴開きダイヤフラムにより、薄膜ダイヤフラムの変位量が制限されるので、薄膜ダイヤフラムが塑性変形したり破裂したりするのを防ぐことができる。したがって、長期にわたって安定したセンサ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる圧力センサ装置の一例の構成を示す縦断面図である。
【図２】粘度が１００ｃｓのシリコンオイルの２５℃における圧力と圧縮係数との関係を示す特性図である。
【図３】図２に示す特性を有するシリコンオイルの体積を４００ｍｍ^３とし、薄膜ダイヤフラムの可動部の直径を１０ｍｍとしたときのシリコンオイルの圧力と薄膜ダイヤフラムの変位量との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる圧力センサ装置の使用状態の要部を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる圧力センサ装置の他の例の構成を示す縦断面図である。
【図６】従来の圧力センサ装置の構成を示す縦断面図である。
【図７】従来の圧力センサ装置において薄膜ダイヤフラムが塑性変形した状態を示す縦断面図である。
【図８】従来の圧力センサ装置において薄膜ダイヤフラムが破裂した状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１１　ステム
１２　凹部
１４　圧力センサ素子
１５，３５　薄膜ダイヤフラム
１８　圧力伝達媒体（シリコンオイル）
１９　端子
２１，３１　穴開きダイヤフラム
２２，３２　貫通孔

Claims

凹部を有するステムと、
前記凹部に収納された圧力センサ素子と、
前記凹部の開口端を塞ぎ、かつ該開口端の径よりも小さい径で前記凹部の内外に貫通する孔を有する穴開きダイヤフラムと、
前記穴開きダイヤフラムの外側に近接して取り付けられ、外部の圧力に応じて変形する薄膜ダイヤフラムと、
前記薄膜ダイヤフラムおよび前記凹部により構成される空間内に充填され、前記薄膜ダイヤフラムの変形を前記圧力センサ素子に伝達する圧力伝達媒体と、
前記圧力センサ素子から出力された電気信号を外部に取り出すための端子と、
を具備することを特徴とする圧力センサ装置。
前記穴開きダイヤフラムの剛性は、前記薄膜ダイヤフラムの剛性よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
前記穴開きダイヤフラムは、前記薄膜ダイヤフラムを構成する材料と同じ材料でできており、前記薄膜ダイヤフラムよりも厚いことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ装置。
前記穴開きダイヤフラムは、前記薄膜ダイヤフラムを構成する材料よりも剛性の高い材料でできていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ装置。
前記穴開きダイヤフラムは、前記薄膜ダイヤフラムの材料よりも金属疲労強度が高い材料でできていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ装置。
前記薄膜ダイヤフラムは、同心円状に広がる波形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の圧力センサ装置。
前記薄膜ダイヤフラムの剛性は、前記圧力センサ素子のダイヤフラムの剛性よりも低いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の圧力センサ装置。
前記圧力伝達媒体の圧縮係数をＹ、前記圧力伝達媒体の体積をＶ、および前記薄膜ダイヤフラムの可動部分の直径をＤとすると、前記穴開きダイヤフラムと前記薄膜ダイヤフラムとの間に、２×Ｙ×Ｄ^−２×Ｖで表される寸法以上の隙間が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の圧力センサ装置。