JP2771070B2

JP2771070B2 - 差圧センサ

Info

Publication number: JP2771070B2
Application number: JP4067278A
Authority: JP
Inventors: 藤男佐藤; 盛雄田村; 久儀橋本; 幸男坂本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JPH05273067A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は差圧センサに係り、特に
土木機械や建設機械等に組み込まれる油圧駆動システム
の油圧回路各部の差圧の検出に好適な差圧センサにおけ
る歪みゲージの配置位置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の差圧センサの機械的な構造とし
て、代表的に２つのタイプが存在する。第１のタイプ
は、それぞれ１つの圧力を検出するように構成された圧
力センサを２つ用意し、それらの出力に関し差の演算を
行うように構成される。このタイプの差圧センサは、各
圧力センサで検出特性が異なるので、主に、差圧の検出
精度が低くなり、信号処理に調整を要するという不具合
を有している。

【０００３】第２のタイプは、ダイヤフラムの両面に２
つの圧力を印加させる構造とし、一方の面に形成した差
圧検出用の成膜部の中にホイートストンブリッジ回路を
含ませ、このブリッジ回路を利用して差圧を直接的に検
出するように構成する。このタイプの差圧センサでは、
差圧に感応しこれを検出する成膜部が一方の圧力媒体に
直接に接液することになり、主に、当該成膜部の破損を
保護する手段を講じる必要があるという不具合を有して
いる。実際上、差圧検出用成膜部を完全に保護すること
は困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の差圧セン
サに対して、本発明者らは、特願平３−３０６３８９号
で新規で且つ実用性の高い構造を有する差圧センサを提
案した。この差圧センサでは、一体として形成された圧
力を検出するための圧力検出用部材に、それぞれ異なる
圧力を受ける受圧面を有した起歪部を２か所形成し、各
起歪部の表面にそれぞれの圧力に感応しこれを検出する
ための成膜部を同時に形成するように構成したものであ
る。圧力を検出するための当該成膜部は、半導体成膜技
術を利用して歪みゲージを所定の配置パターンで作ら
れ、且つこれらの歪みゲージを所定の接続関係により接
続することにより形成される。この圧力検出用部材を利
用すれば、検出特性の線形性及び検出精度を高め且つ動
作信頼性を向上することができる。

【０００５】しかし、その後の研究によって、圧力検出
用部材の中心点周辺領域で中心点に関し対称的な位置に
２つの起歪部を形成する構造は、２つの圧力印加に伴い
圧力検出用部材の変形において或る特性を有することが
見出された。この現象について図８及び図９を参照して
説明する。

【０００６】図８は、圧力Ｐ₁，Ｐ₂が、それぞれ対応
する起歪部に印加された結果、圧力検出用部材１００が
変形した状態を誇張して示した縦断面図である。この縦
断面を形成する切断線は、圧力検出用部材１００の中心
点を含む。図９は、図８の断面の上部において発生する
応力の分布を示したものである。

【０００７】図８に示す如く、圧力検出用部材１００は
その中心部近傍領域に２つの起歪部５１，５２を有す
る。圧力検出用部材１００の平面形状は円形である。圧
力Ｐ₁は圧力導入部５３を経由して第１の起歪部５１に
印加され、圧力Ｐ₂は圧力導入部５４を経由して第２の
起歪部５２に印加される。この圧力印加によって、各起
歪部５１，５２は変形し、上方に凸になる。これらの圧
力Ｐ₁，Ｐ₂の作用によって起歪部５１，５２には応力
が発生する。この応力の種類は、場所によって異なる。
すなわち、起歪部５１，５２において、起歪部における
圧力検出用部材の中心側及び外周側に近い箇所５５，５
６，５７，５８には圧縮応力が発生し、起歪部の中心部
５９，６０には引張応力が発生する。

【０００８】図９に示す如く、各部には応力が発生して
いる。応力０を基準にすると、圧縮応力６２に比較して
引張応力６１は大きい値で発生する。また圧縮応力６２
について、図８に示した圧力検出用部材１００の中心部
及び各起歪部５１，５２の中心を結んだ線上の例では、
圧力検出用部材１００の中心側と外周側では、圧縮応力
６２の大きさが異なり、外周側が大きくなっている。す
なわち非対称の関係にある。この理由は、圧力検出用部
材１００の起歪部５１，５２に圧力Ｐ₁，Ｐ₂が加わる
と、ダイヤフラム部材の中心部が浮き上がり、箇所５
６，５７の圧縮応力がなだらかになるためである。

【０００９】従来、差圧センサの起歪部の表面に設けら
れる歪みゲージは４つであり、これらの歪みゲージでホ
イートストンブリッジ回路を組むように接続していた。
そして、従来、４つの歪みゲージは、圧縮応力が発生す
る箇所５５〜５８にそれぞれ１つずつ、また引張応力が
発生する箇所５９，６０に近接した状態で２つ配置する
のが一般的であった。しかし、図９で明らかなように、
各起歪部５１，５２において、ダイヤフラム部材の中心
部の浮き上がり作用に起因して中心側と外周側で発生す
る圧縮応力の大きさ及び分布が異なるので、それぞれの
箇所に歪みゲージを配置すると、圧縮応力に関する出力
が同一にならず、反対にばらつき、出力特性を悪化させ
る。

【００１０】本発明の目的は、２つの圧縮応力感応用歪
みゲージが配置される箇所の圧縮応力が等しくなるよう
に、前記２つの歪みゲージの配置箇所を適切に選択し、
２つの圧力の差を検出するブリッジ回路の出力特性を改
善した差圧センサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る差圧センサ
は、上記目的を達成するために、次のように構成され
る。

【００１２】１つの圧力検出用部材に２つの起歪部を形
成し、２つの起歪部のそれぞれの面に、圧力に感応する
成膜部を形成する。各成膜部は、２つの引張応力感応用
歪みゲージと２つの圧縮応力感応用歪みゲージを有す
る。これらのうち２つの圧縮応力感応用歪みゲージは、
起歪部の周辺部において、圧力検出用部材の中心部の圧
力変形が影響しない箇所で、且つ２つの起歪部の中心点
を結ぶ直線（Ａ−Ａ）に直交するとともに起歪部の中心
点を通る直線（Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ）の上であって中心点に
関し対称な位置に配置される。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】本発明による差圧センサでは、４つの歪みゲー
ジのうち、圧縮応力に感応するための２つの歪みゲージ
を、起歪部において、圧力検出部部材の圧力変形部の影
響を受けず且つ圧縮応力の等しい箇所に配置するように
したため、圧縮応力感応用歪みゲージの配置箇所に関
し、圧縮応力の分布が非対称になるのを避けることがで
き、圧力を検出するブリッジ回路の出力特性を改善する
ことができる。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１７】本発明による差圧センサでは、圧力を受け
てダイヤフラムとして作用する部材（以下圧力検出基体
という）を有する。図１は圧力検出基体の平面図であ
り、図２は図１中のＡ−Ａ線断面図である。

【００１８】１が圧力検出基体である。この圧力検出基
体１は差圧センサのベース部材となっている。圧力検出
基体１には、圧力検出基体の中心点を含む径方向の直線
Ａ−Ａ線の上に２つの起歪部２，３を、前記中心点に関
し対称的な位置に形成している。このＡ−Ａ線は、起歪
部２，３の各中心を結ぶ直線でも或る。起歪部２，３
は、図１に示す如く、平面形状が例えば円形に形成され
る。また図２に示す如く起歪部２，３は、それぞれその
下面が受圧面になり、圧力導入部４，５を経て圧力
Ｐ₁，Ｐ₂が印加される。また起歪部２，３の上面には
絶縁膜を介して圧力に感応するための成膜部６，７が形
成される。これらの成膜部６，７は、例えば半導体成膜
技術を用いて、４つの歪みゲージを含む。これらの４つ
の歪みゲージが、ホイートストンブリッジ回路を構成す
るように接続され、印加圧力に感応し圧力検出部として
作用する。各起歪部の上の４つの歪みゲージは、それぞ
れ、所定の位置に配置され、起歪部が圧力を受けて変形
するときに発生する応力に対応してその抵抗値を変化す
る。このとき、ブリッジ回路の出力端子には、印加した
圧力に対応する出力電圧が発生する。

【００１９】なお、図１においてｘｙ座標の方向が定義
されている。上記Ａ−Ａ線はｘ方向に向いている。

【００２０】各起歪部の上面に形成される４つの歪みゲ
ージは、所定の配置パターンを有する。この所定の配置
パターンが、本発明の特徴である。まず、最も好ましい
実施例を説明する。

【００２１】図１に示すように、ダイヤフラム基体１の
上面において、Ａ−Ａ線に直角なＢ−Ｂ線とＣ−Ｃ線を
定義する。Ｂ−Ｂ線は起歪部２の中心を通り、Ｃ−Ｃ線
は起歪部３の中心を通る。Ｂ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線は、ｙ
方向を向いている。

【００２２】起歪部２，３に圧力Ｐ₁と圧力Ｐ₂が印加
された場合における応力分布の一例を図３（ａ），
（ｂ）に示す。この場合、図３（ａ）の応力分布は起歪
部２におけるＢ−Ｂ線に沿った分布であるとし、図３
（ｂ）の応力分布は起歪部３におけるＣ−Ｃ線に沿った
分布であるとする。また、圧力Ｐ₁は圧力Ｐ₂よりも高
いものとする。図３（ａ）で明らかなように、起歪部２
では、その中心部で引張応力８が発生し、両側の周囲部
９，１０で圧縮応力が発生する。起歪部３においても図
３（ｂ）に示される如く同様な応力分布特性が生じる。
起歪部２のＢ−Ｂ線方向の応力分布及び起歪部３のＣ−
Ｃ線方向の応力分布では、それぞれ、圧縮応力９，１０
の分布状態が対称に形成される。つまり、従来の問題点
で述べたように、非対称な分布とならない。

【００２３】上述した応力分布特性を考慮して、本実施
例による差圧センサでは、各起歪部の表面に形成される
圧力感応用の成膜部６，７における歪みゲージの配置パ
ターンを次のようにしている。

【００２４】まず図４に示すように、起歪部２では、歪
みゲージ６ａ，６ｃをＢ−Ｂ線上の両端周囲部に配置
し、歪みゲージ６ｂ，６ｄをＢ−Ｂ線に沿って中心部に
配置する。このとき、各歪みゲージの感応方向（長形で
示された歪みゲージの長手方向）はＢ−Ｂ線の方向に向
けられている。起歪部３では、歪みゲージ７ａ，７ｃを
Ｃ−Ｃ線上の両端周囲部に配置し、歪みゲージ７ｂ，７
ｄをＣ−Ｃ線に沿って中心部に配置する。このとき、各
歪みゲージの感応方向はＣ−Ｃ線の方向に向けられてい
る。各起歪部２，３において、４つの歪みゲージを上記
のように配置して形成すると、特に起歪部２，３で圧縮
応力の大きさが等しくその分布が対称に生じる起歪部の
周囲箇所に歪みゲージ６ａ，６ｃ（又は７ａ，７ｃ）を
配置するようにしたため、各ブリッジ回路の出力特性の
直線性が改善され、出力特性が良好となる。この結果、
差圧センサの差圧検出特性が良好になる。

【００２５】他の配置パターンとしては、図５に示すよ
うに、起歪部２，３の中心部に配置される歪みゲージ６
ｂ，６ｄ，７ｂ，７ｄの感応方向をＡ−Ａ線の方向に向
けることもできる。その他の構成は前記実施例の場合と
同じである。起歪部の中心部に配置される２つの歪みゲ
ージについては、当該中心部の周辺部では応力分布がい
ずれの方向にもほぼ対称に保持されるので、その感応方
向を自由に変更することができる。従って、起歪部の中
心部に配置される２つの歪みゲージについては、２つの
感応方向が同じであるという条件の下で、その感応方向
をＡ−Ａ線方向、又はＡ−Ａ線方向に直交する方向、又
はそれ以外の方向に向けて形成することができる。

【００２６】本発明の他の実施例について説明する。本
発明の特徴は、前述の説明で明らかなように、１つの圧
力検出基体１にその中心点を境に対称な位置に２つの起
歪部２，３を形成した構造を有する差圧センサにおい
て、各起歪部における非対称な圧縮応力分布が生じる領
域を除外して、圧縮応力に感応するための２つの歪みゲ
ージを配置することにある。従って、圧縮応力を検出す
るための２つの歪みゲージ６ａ，６ｃ（又は７ａ，７
ｃ）のそれぞれを、ダイヤフラム基体１の中心部の近傍
領域を避け、且つ起歪部２（又は起歪部３）のほぼ実質
的に同一の圧縮応力分布を生じる箇所に配置すれば良
い。従って、この条件を満足する限り、歪みゲージ６
ａ，６ｃ，７ａ，７ｃは各起歪部において、任意の位置
に設けることができる。ただし、歪みゲージ６ａ，６ｃ
の配置箇所と歪みゲージ７ａ，７ｃの配置位置は同一で
あることが望ましい。図１において、圧縮応力を検出す
るための歪みゲージを配置する箇所として望ましくない
領域を斜線部１１で示す。

【００２７】図６に起歪部２のみを取り出して示す。起
歪部２の中心点に関して対称的な位置に歪みゲージ６
ａ，６ｃを配置する例としては、中心点を通る直線１２
（破線で示す）の上に配置することも可能である。この
場合も、圧縮応力の分布が対称となるいう上記条件を満
たす。更に、一点鎖線で示す線１３に沿って配置するこ
とも可能である。この場合も、圧縮応力の分布が対称と
なるいう上記条件を満たす。これらの実施例の場合に、
各直線の傾斜角としては、Ｂ−Ｂ線に対して最大３０度
程度の角度まで許容することができる。一方、起歪部３
の歪みゲージ７ａ，７ｃについては、起歪部２に対して
対称的な配置パターンを形成するように配置される。

【００２８】歪みゲージの他の配置パターンとしては、
更に、図７に示すようなパターンを考えることができ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、１つの圧力検出部材に２つの起歪部を有し、こ
の起歪部の一方の面に４つの歪みゲージを設けてブリッ
ジ回路を形成する構成において、圧縮応力感応用の２つ
の歪みゲージを、それぞれ圧縮応力の分布が等しい箇所
に配置したため、ブリッジ回路の出力の直線性が良好に
なり、検出特性が良好になる。これによって差圧センサ
の検出精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る差圧センサの圧力検出基体の平面
図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図３】引張応力及び圧縮応力に関する応力分布の特性
を示す図である。

【図４】歪みゲージの配置パターンの第１の例を示した
圧力検出基体の平面図である。

【図５】歪みゲージの配置パターンの第２の例を示した
圧力検出基体の平面図である。

【図６】圧縮応力感応用歪みゲージの配置許容範囲を説
明するための１つの起歪部の平面図である。

【図７】その他の起歪部配置パターンを示す２つの起歪
部の平面図である。

【図８】圧力検出基体における変形特性を説明するため
の縦断面図である。

【図９】従来の圧力検出基体における応力分布特性を説
明するための図である．

【符号の説明】

１ …圧力検出基体２，３ …起歪部６，７ …成膜部６ａ〜６ｄ …歪みゲージ７ａ〜７ｄ …歪みゲージ８ …引張応力９，１０ …圧縮応力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本幸男茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (56)参考文献特開昭54−123077（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−294930（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 9/04 101

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの圧力検出用部材に形成された２つ
の起歪部のそれぞれの面に、圧力に感応する成膜部を形
成し、前記成膜部のそれぞれは、２つの引張応力感応用歪みゲ
ージと２つの圧縮応力感応用歪みゲージを有し、前記２つの圧縮応力感応用歪みゲージは、前記起歪部の周辺部における前記圧力検出用部材の中心
部の圧力変形が影響しない箇所で、且つ前記２つの起歪部の中心点を結ぶ直線（Ａ−Ａ）に
直交するとともに前記起歪部の中心点を通る直線（Ｂ−
Ｂ，Ｃ−Ｃ）の上であって前記中心点に関し対称な位置
に配置されることを特徴とする差圧センサ。