JP2004020545A - 圧力センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【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
【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400mm3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D1および穴開きダイヤフラム21の剛性D2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E1およびE2とし、ダイヤフラムの厚さをh1およびh2とし、ポアソン比をu1およびu2とし、形状係数をK1およびK2とする。
【0016】
D1=E1h1 3K1/(12(1−u1 2)) ・・・(2)
D2=E2h2 3K2/(12(1−u2 2)) ・・・(3)
【0017】
そして、D1とD2の関係は、D1<D2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400mm3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 (8)
- 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。
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JP2015503749A (ja) * | 2011-12-28 | 2015-02-02 | ポスコ | センサー装置及びそれを含む冷却設備の性能評価装置 |
JP2016070689A (ja) * | 2014-09-26 | 2016-05-09 | 株式会社不二工機 | 圧力センサ |
CN114812898A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-07-29 | 森霸传感科技股份有限公司 | 一种带有薄膜传感器的构件及制备方法 |
-
2002
- 2002-06-20 JP JP2002180383A patent/JP2004020545A/ja active Pending
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