JP3571149B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の圧力を測定するための圧力センサに関し、特に、半導体製造プロセス、化学、医療、食品加工の分野等において、腐蝕性薬品や金属成分等の溶出が問題となる圧力測定に最適な圧力センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、半導体製造プロセスにおいては、ウェハの表面洗浄やエッチング処理等にて多数の湿式処理が行われている。これらの湿式処理においては高純度の硝酸、塩酸、フッ化水素酸等の各種腐蝕性薬品が使用されている。これらの薬液を供給するにあたり、使用されるパイプ類の材質には、優れた耐腐蝕性や清浄性が要求される。
このような半導体製造プロセス等の洗浄工程では、超純水も多く使用される。この場合、超純水には、殺菌を行うためにオゾンが添加されることもある。
ここで、パイプ類の接液部に金属部品を使用するにあたり、当該金属部品としては、耐蝕性を有するとともに、当該金属部品の金属イオンが超純水中に溶出させないものを採用し、超純水中に含まれる不純物の濃度を増加させないようにする必要がある。
また、医療、食品加工産業においても、半導体製造プロセス等と同様に、パイプ類の接液部に金属部品を使用する場合、当該金属がイオンとなって測定流体へ溶け出すと、溶出した金属イオンが有害成分となるおそれがあるので、金属イオンの溶出を防ぐ必要がある。
さらに、化学分野においても、半導体製造プロセス等と同様に、非常に腐蝕性のある化学薬品等を使用することがあるので、パイプ類の接液部には、優れた耐蝕性が要求される。
【０００３】
一方、半導体製造プロセス等では、製造装置等に供給される流体の圧力を測定することが行われている。
このような測定に使用される一般的な圧力センサは、圧力を検知する部分である受圧部を、高弾性材料で作る必要がある。高弾性材料としては、金属、セラミック、および、ガラス等の材質が採用できる。
これらの材質のうち金属製の受圧部は、強腐蝕性の薬液に対しては弱い。従って、金属製の受圧部を有する圧力センサは、強腐蝕性の薬品の圧力測定に用いると、寿命が短かくなりやすい。
また、金属製の受圧部を有する圧力センサは、長期間の間に、金属成分（特に、人体に有害な重金属類）が測定流体中に溶け出すと、微量であっても、当該測定流体を汚染させるおそれがある。
このため、耐蝕性の向上、および、金属成分の溶出防止のため、圧力測定を行う受圧ダイアフラムとは別個に接液用ダイアフラムを設けた隔膜式の圧力センサや、受圧部としてのダイアフラムを保護皮膜で覆った保護皮膜式の圧力センサがある。
ここで、保護皮膜や接液用ダイアフラムの材質としては、フッ素樹脂が採用できる。フッ素樹脂は、一般的に金属材料や他の高分子材料と比較し、耐蝕性が優れており、有害成分の溶出も少ない材料である。
【０００４】
図６には、隔膜式の一例として、圧力センサ６０が示されている。この圧力センサ６０は、圧力測定を行う受圧ダイアフラム６１に測定流体が接しないように、受圧ダイアフラム６１とは別個の接液用ダイアフラム６２を設け、接液用ダイアフラム６２に加わる測定流体の圧力を受圧ダイアフラム６１へ伝達するために、接液用ダイアフラム６２および受圧ダイアフラム６１の間に封入液６３を満たしたものである。
封入液６３は、シリコンオイル等の非圧縮性流体であり、受圧ダイアフラム６１および接液用ダイアフラム６２を収納している高剛性のベース６４に設けられた導圧路６５の内部に充填されている。
図７には、保護皮膜式の一例として、圧力センサ７０が示されている（特開平６−１２９９２７号）。この圧力センサ７０は、センサ素子７１が収納されているハウジング７２を備えたものである。ハウジング７２は、硬質のフッ素樹脂製のものであり、センサ素子７１の受圧ダイアフラムの圧力受面である感圧部７３に接する側壁が、薄肉とされて保護皮膜７４となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の隔膜式の圧力センサ６０では、封入液６３をベース６４の内部に充填しているので、封入液６３の重さや熱膨張により、応答性の低下や、周囲温度や測定流体の温度変化による誤差が生じるおそれがあり、圧力センサとしての性能が損なわれやすいという問題がある。
また、接液用ダイアフラム６２が腐蝕し、当該接液用ダイアフラム６２に孔が開くと、圧力センサ６０の圧力測定機能が損なわれるばかりでなく、封入液６３が測定流体側へ流出し、超純水等を供給する配管系全体を汚染してしまうおそれがあるという問題もある。
一方、従来の保護皮膜式の圧力センサ７０は、感圧部７３と保護皮膜７４とを単に重ね合わせて密着させているだけなので、感圧部７３と保護皮膜７４との間には、微少隙間が存在する。このため、圧力の伝達が不完全となり、応答性が低下したり、ヒステリシスが大きくなりやすいという問題がある。
また、感圧部７３と保護皮膜７４との間の隙間を小さくすることにより、圧力センサの応答性等の性能を向上することが考えられる。
しかし、感圧部７３と保護皮膜７４との間の隙間を小さくするには、感圧部７３および保護皮膜７４の互いに接する面を、高精度に仕上げる必要がある。
このため、圧力センサの性能を向上させるようとすると、感圧部７３および保護皮膜７４の表面の加工に著しく手間がかかり、コストが高くなるという問題が生じる。
なお、上述の圧力センサ６０， ７０では、測定流体側にダイアフラムが撓む、負圧（真空）の測定を行うことができない。
【０００６】
本発明の目的は、性能を損なうことなく耐蝕性が向上される圧力センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に設けられた受圧室に導入された測定流体の圧力により弾性変形するダイアフラムと、このダイアフラムを設けるケースと、このケースに取り付けられる継手と、を有する圧力センサであって、前記ダイアフラムは、前記測定流体の圧力を主に受ける弾性体からなる本体層と、前記測定流体に接するとともに主にフッ素樹脂からなる表面層とを含んで構成された複合体とされ、前記継手または前記ケースには前記ダイアフラムの表面層にくい込んで前記受圧室を密封するための凸部が前記ダイアフラムの周縁に沿って形成されていることを特徴とするものである。
以上において、前記ダイアフラムは、前記本体層となる面材の表面に前記表面層となる面材が接着されたものであることが好ましい。
ここで、前記表面層を構成するフッ素樹脂は、接着の困難な非接着性樹脂であるが、接着される面を炭化処理し、この炭化処理された面にエポキシ系、シリコン系またはウレタン系接着剤を均一に微量塗布し、当該表面を前記本体層に密着させ、前記表面層を前記本体層に向かって均等に加圧すれば、前記表面層を前記本体層に接着することができる。
ただし、炭化処理とは、フッ素樹脂を構成する分子に含まれる炭素と結合しているフッ素を取り除く処理をいう。具体的には、化学式エッチング処理および電気的エッチング処理が採用できる。
化学式エッチング処理は、液体アンモニア−金属ナトリウム（１重量％）の溶液、または、（ナフタリン＋テトラヒドロフラン）−金属ナトリウム溶液でフッ素樹脂を侵すものである。液体アンモニア−金属ナトリウム（１重量％）の溶液で約１秒、（ナフタリン＋テトラヒドロフラン）−金属ナトリウム溶液で約３０秒で処理すると、表面処理の深さを約０．００１mm以下とすることができる。
そして、炭化処理の深さを、０．００１mm以下とすれば、耐蝕性に影響することはない。
電気的エッチング処理は、放電等により発生するイオンをフッ素樹脂の表面に衝突させてフッ素分子を除去するものである。この電気的エッチング処理には、プラズマ発生装置やスパッタエッチング装置等が利用できる。
一方、前記表面層と前記本体層との間に、溶融時の粘度が低い別のフッ素樹脂を介装しても接着を行うことができる。
すなわち、溶融時の粘度が低い別のフッ素樹脂として、例えば、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合樹脂），ＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）を、前記表面層と前記本体層との間に介装し、この状態で前記表面層と前記本体層とを溶融圧着すれば、前記表面層を前記本体層に接着することができる。
さらに、前記表面層は、均質かつ厚さが均一となるように製造されたフッ素樹脂製の平板材を打ち抜いて製作されたものであることが望ましい。このようにすれば、安価で製作が容易なダイアフラムが得られるようになる。
【０００８】
このような本発明では、フッ素樹脂からなる表面層を設けたので、この表面層により耐蝕性が著しく向上される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の第一実施形態に係る圧力センサ１０が示されている。この圧力センサ１０は、円筒状に形成された静電容量式の感圧素子１１と、感圧素子１１の静電容量の変化を所定の電気信号に変換する変換回路１２とを備えている。
これらの感圧素子１１および変換回路１２は、中空の円柱状に形成された塩化ビニル製のケース１３の内部に収納されている。ケース１３は、図中上方のアッパーケース１３Ａ と、下方のロワーケース１３Ｂ とに分割されたものである。
アッパーケース１３Ａ には、変換回路１２に接続された電気信号ケーブル１４が挿通された挿通孔１５が設けられている。
ロワーケース１３Ｂ には、測定流体の圧力を導くための導圧路１６が内部に形成されたパイプ状の継手１７を挿通するための挿通孔１８が設けられている。継手１７は、フッ素樹脂の一種であるＰＦＡ樹脂製のものであり、ロワーケース１３Ｂ の内部に挿通された端部にフランジ１７Ａ が設けられ、このフランジ１７Ａ 側の端面には、導圧路１６の周囲が凹まされて受圧室１９が形成されている。
【００１０】
感圧素子１１は、受圧室１９に導入された測定流体の圧力により変形するダイアフラム２０が受圧室１９に面するように設けられたものである。
このダイアフラム２０は、測定流体の圧力を主に受ける弾性体である本体層２１と、測定流体に接するとともにＰＴＦＥ樹脂からなる表面層２２とを複合させた複合体となっている。
本体層２１は、円筒状の感圧素子１１の周縁に固着されたセラミック製の円盤であり、感圧素子１１と同じ半径を有している。一方、表面層２２は、全体的に均質で、厚さが均一となるように製造されたフッ素樹脂製の平板材を、本体層２１と同一半径の円盤状に打ち抜いて製作されたものである。
本体層２１と表面層２２とは、表面層２２の表面を炭化処理し、この炭化処理された表面にエポキシ系、シリコン系またはウレタン系接着剤を均一に微量塗布し、表面層２２を本体層２１に密着させるとともに、表面層２２を本体層２１に向かって均等に加圧する、あるいは、表面層２２と本体層２１との間に、ＦＥＰ樹脂やＰＦＡ樹脂等の溶融粘度の低い別のフッ素樹脂を介装し、この状態で表面層２２と本体層２１とを溶融圧着することにより、相互に接着されている。
ここで、表面層２２の厚さは、本体層２１の厚さの約２倍となっている。さらに具体的に説明すると、本体層２１の厚さが０．１〜１．０ｍｍの範囲内に設定され、かつ、表面層２２の厚さが０．２〜２．０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００１１】
一方、ロワーケース１３Ｂ の内周面には、図２にも示されるように、リング状部材２３が螺合されている。このリング状部材２３の内周面には、段付部２４が設けられ、この段付部２４が感圧素子１１の周縁部分に係合している。
継手１７に設けたフランジ１７Ａ のダイアフラム２０側の面には、周縁に沿って凸部２５が設けられている。
これにより、圧力センサ１０を組み立てる際に、ロワーケース１３Ｂ にリング状部材２３を螺合させて締付けると、ダイアフラム２０の表面層２２に継手１７の凸部２５がくい込み、受圧室１９を完全密封するシール構造が形成されるようになっている。
【００１２】
前述のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、セラミック製の本体層２１をフッ素樹脂製の表面層２２で覆い、しかも、表面層２２の厚さを０．２〜２ｍｍと厚くしたので、ダイアフラム２０に優れた耐蝕性を付与できる。
【００１３】
また、表面層２２の厚さを本体層２１の約２倍としたので、圧力センサ１０の測定誤差を損なうことがないうえ、表面層２２を本体層２１に接着したので、本体層２１および表面層２２の間に隙間が形成されず、圧力伝達が不十分となったり、応答性が低下したり、ヒステリシスが大きくなったりすることがなく、圧力センサ１０の性能を損なうことが全くない。
【００１４】
さらに、全体的に均質で、厚さが均一となるように製造されたフッ素樹脂製の平板材を打ち抜いて製作した表面層２２を、本体層２１に接着してダイアフラム２０を製作するようにしたので、ダイアフラム２０の製作を容易とでき、その製造コストを安価にできる。
【００１５】
また、継手１７のフランジ１７Ａ の周縁に沿って凸部２５を設け、ロワーケース１３Ｂ に螺合するリング状部材２３を締付けると、ダイアフラム２０の表面層２２に継手１７の凸部２５がくい込み、受圧室１９を完全密封するシール構造が形成されるようにしたので、エラストマからなるＯリング等が不要となり、耐蝕性が向上するうえ、Ｏリングを嵌め込むための、溝が不要となり、当該溝が不純物の溜まり場所となることを未然に防止でき、超純水等を汚染しない清浄な構造とできる。
なお、ダイアフラム２０は、本体層２１および表面層２２が相互に接着されて一体化されているので、負圧（真空）測定を行うこともできる。
【００１６】
さらに、上述のように継手１７に凸部２５を設けたので、圧力センサ１０を組る立てる際に、リング状部材２３の締付けにより容易にシール構造が形成されるようになるうえ、Ｏリング等が不要となるため、圧力センサ１０の組立を容易とできる。
【００１７】
図３には、本発明の第２実施形態が示されている。本実施形態は、前記第１実施形態における本体層２１と同一直径の表面層２２を、本体層よりも大きな直径を有する表面層としたものである。
すなわち、圧力センサ３０は、感圧素子３１とともに受圧室３９を形成する継手３７の端面が、ケース３３を構成するアッパーケース３３Ａ およびロワーケース３３Ｂ のうち、ロワーケース３３Ｂ の図中下面に当接されている。
ダイアフラム４０の表面層４２は、本体層４１よりも大きな直径を有し、端縁部分がロワーケース３３Ｂ および継手３７の端部に設けられたフランジ３７Ａ との間に介装されている。
継手３７のフランジ３７Ａ は、図中下方に配置されたリング状部材４３と、ロワーケース３３Ｂ との間に介装されている。リング状部材４３には、ロワーケース３３Ｂ と螺合するボルト４４が挿通されている。
【００１８】
継手３７のフランジ３７Ａ には、図４および図５に示されるように、本体層４１からはみ出した表面層４２の周縁部分に応じてリング状の帯状突出部３５Ａ が設けられている。この帯状突出部３５Ａ の表面層４２と密着する面には、表面層４２の周縁に沿って延びる凹部３５Ｂ が設けられている。
一方、ロワーケース３３Ｂ の表面層４２と密着する面には、フランジ３７Ａ 側の凹部３５Ｂ に応じた凸部３５Ｃ が設けられている。
ここで、ロワーケース３３Ｂ と螺合するボルト４４を締付けることにより、ダイアフラム２０の表面層４２にロワーケース３３Ｂ の凸部３５Ｃ がくい込み、凸部３５Ｃ に押し出された表面層４２の一部分がフランジ３７Ａ 側の凹部３５Ｂ に収納され、これにより、受圧室３９を確実に密封するシール構造が形成されるようになっている。
このような本実施形態においても、前記第１実施形態と同様な効果を奏することができる他、本体層４１から表面層４２の周縁部分をはみ出させるとともに、表面層４２のはみ出し部分を、ロワーケース３３Ｂ の凸部３５Ｃ と、フランジ３７Ａ の凹部３５Ｂ との間に挟ん込んだので、シール部分の密封性が向上し、受圧室３９のシール性能をさらに向上できるという効果を付加できる。
【００１９】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
例えば、本体層の材質としては、セラミック製に限らず、金属製やガラス製のものでもよいが、前記実施形態のようにセラミック製のものを採用すれば、フッ素樹脂製の表面層を設けることによる影響を最小限にとどめることができる。
また、感圧素子としては、静電容量式のものに限らず、抵抗ストレンゲージ式のものでもよく、要するに、本発明は、測定圧力を受けて変形するダイアフラムを含む圧力センサに広く適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
前述のように本発明によれば、性能を損なうことなく、圧力センサの耐蝕性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを示す断面図である。
【図２】前記実施形態の要部を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す図１に相当する図である。
【図４】前記実施形態の要部を示す図２に相当する図である。
【図５】図４をさらに拡大した図である。
【図６】従来例を示す断面図である。
【図７】異なる従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０， ３０ 圧力センサ
１９， ３９ 受圧室
２０， ４０ ダイアフラム
２１， ４１ 本体層
２２， ４２ 表面層

Claims (5)

1. 内部に設けられた受圧室に導入された測定流体の圧力により弾性変形するダイアフラムと、このダイアフラムを設けるケースと、このケースに取り付けられる継手と、を有する圧力センサであって、
   前記ダイアフラムは、前記測定流体の圧力を主に受ける弾性体からなる本体層と、前記測定流体に接するとともに主にフッ素樹脂からなる表面層とを含んで構成された複合体とされ、前記継手または前記ケースには前記ダイアフラムの表面層にくい込んで前記受圧室を密封するための凸部が前記ダイアフラムの周縁に沿って形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記ダイアフラムは、前記本体層となる面材の表面に前記表面層となる面材が接着されたものであることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧力センサにおいて、前記表面層は、均質かつ厚さが均一となるように製造されたフッ素樹脂製の平板材を打ち抜いて製作されたものであることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧力センサにおいて、前記表面層は、一方の表面が炭化処理され、この炭化処理された表面が前記本体層に接着されていることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧力センサにおいて、前記表面層は、前記本体層との間に溶融時の粘度が低い別のフッ素樹脂が介装されるとともに溶融圧着されて前記本体層に接着されていることを特徴とする圧力センサ。

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