JP5276375B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラムに生じる歪みに基づいて流体圧力を測定する圧力センサ及びその製造方法に関するものである。

従来、この種の圧力センサとして、図４の（ａ）、（ｂ）に示すものがある（特許文献１、２参照）。

これについて説明すると、圧力センサは、被取付部材に螺合する金属製センサハウジング１０と、このセンサハウジング１０に形成されるセンサ部収装穴１６と、このセンサ部収装穴１６に収められ金属製ダイヤフラム３０と、流体圧力に応じて撓むダイヤフラム３０の歪みを検出する検出回路（図示せず）とを備える。

センサ部収装穴１６とダイヤフラム３０の間にはアラミド紙などの絶縁材からなる隙間フィルム５１が介装される。

この場合、金属製センサハウジング１０と金属製ダイヤフラム３０との間は隙間フィルム５１を介して絶縁され、金属ダイヤフラム３０を経由して侵入してくる高周波ノイズが検出回路に侵入することを防止し、センサの出力特性の安定化がはかられる。
特開２００１−２７５７１号公報 特開２００７−７８４６７号公報

このような従来の圧力センサにあっては、図４の（ａ）に示すように、ダイヤフラム３０のダイヤフラムフランジ部３３に介装されたアラミド紙などからなる隙間フィルム５１にしわ等が生じた場合、図４の（ｂ）に矢印で示すように、センサハウジング１０を締結するネジ部の締め付け荷重によってダイヤフラム３０に偏った歪みが生じ、圧力センサの出力特性にバラツキが生じる可能性がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、センサハウジングの締結時に生じる出力特性のバラツキを抑えられる圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、流体圧力によって撓むダイヤフラムを備え、このダイヤフラムに生じる歪みに基づいて流体圧力を測定する圧力センサであって、被取付部材に締結されるセンサハウジングを備え、このセンサハウジングにダイヤフラムを収容するセンサ部収装穴を形成し、ダイヤフラムは、流体圧力に応じて撓む円盤状のダイヤフラム円盤部と、このダイヤフラム円盤部の外周端部から円筒状に延びるダイヤフラム円筒部と、このダイヤフラム円筒部の外周面から環状に突出するダイヤフラムフランジ部とを有し、センサ部収装穴とダイヤフラム円筒部との間に介装され両者の間を密封するＯリングを備え、センサ部収装穴とダイヤフラム円筒部との間に介装されダイヤフラムフランジ部とＯリングとの間に介在するバックアップリングを備え、センサ部収装穴の内周面とダイヤフラムフランジ部の外周面との間にフランジ部外周間隙を画成し、バックアップリングはフランジ部外周間隙に入り込む環状はみ出し部を有し、環状はみ出し部はバックアップリングがフランジ部外周間隙に押し出されるように塑性変形して形成されることを特徴とするものとした。

本発明によると、ダイヤフラムは、バックアップリングの環状はみ出し部を介してセンサハウジングに対して電気的に絶縁されるため、従来装置に設けられていた隙間フィルムを廃止することが可能となり、センサハウジングの締結時に隙間フィルムのしわ等に起因してダイヤフラム円盤部に偏った歪みが生じることを回避し、出力特性のバラツキを抑えられる。

また、隙間フィルムを廃止することにより、圧力センサの部品点数を減らし、構造の簡素化がはかれ、生産性を高められる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、薄膜型圧力センサ１は、流体圧力が作用するセンサ部２０と、このセンサ部２０を駆動してセンサ信号を出力するセンサ駆動部４０と、このセンサ部２０とセンサ駆動部４０が収められるセンサハウジング１０と、センサハウジング１０の取付部を密封するＯリング９とを備える。

センサハウジング１０は中空の本体部１５とネジ部１１を有し、この本体部１５にセンサ駆動部４０とコネクタ８が収められ、このネジ部１１にセンサ部２０が収められる。

センサ駆動部４０はセンサ出力を調整するキャリブレーション基板などの回路が設けられている。

センサハウジング１０は例えば油圧機械に備えられる油圧管路などの図示しない被取付部材に締結される。センサハウジング１０はそのネジ部１１が被取付部材のネジ穴に螺合し、本体部１５の座面１３が被取付部材に着座することにより、被取付部材に対して締結される。

ネジ部１１の基端側に首部１２が形成され、この首部１２にＯリング９が嵌められる。Ｏリング９は首部１２と座面１３の環状隅部と、被取付部材のネジ穴の開口端部に形成されるテーパ部との間に挟持され、センサハウジング１０の取付部を密封する。

センサ部２０は有底円筒状をした金属製ダイヤフラム３０と、このダイヤフラム３０の撓み量を測定するセンサ回路２１とを備える。

図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイヤフラム３０は、流体圧力に応じて撓む薄肉円盤状のダイヤフラム円盤部３１と、このダイヤフラム円盤部３１の外周端部から円筒状に延びるダイヤフラム円筒部３２と、このダイヤフラム円筒部３２の外周面から環状に突出するダイヤフラムフランジ部３３を有する。

センサハウジング１０にはセンサ部収装穴１６が形成される。このセンサ部収装穴１６とダイヤフラム３０との間に、絶縁リング４１、バックアップリング４５、Ｏリング４６、円盤状のチョーク４７がそれぞれセンサ部収装穴１６の軸方向に並んで介装される。チョーク４７の外周端部がセンサハウジング１０のカシメ部１８によってカシメ固定される。

Ｏリング４６はバックアップリング４５を介してダイヤフラムフランジ部３３に着座し、センサ部収装穴１６とダイヤフラム円筒部３２との間を密封する。

図１に白抜き矢印で示すように、チョーク４７に開口したオリフィス４８からダイヤフラム３０内に流体圧力が導かれ、この流体圧力に応じてダイヤフラム円盤部３１が撓む変形をする。

センサ回路２１は、複数の歪ゲージでブリッジ回路を組んだものであり、ダイヤフラム円盤部３１の表面に絶縁層を介して配設される。

ダイヤフラム３０はステンレス材を用い、研磨仕上げされたダイヤフラム円盤部３１の表面に絶縁層を構成する二酸化珪素（ＳｉＯ2）膜を形成し、その上に歪ゲージを構成する珪素（Ｓｉ）膜、電極層を構成するアルミニウム膜等を順次蒸着して形成し、微細加工を繰り返して膜を積み上げた構造となっている。

センサ回路２１は、流体圧力に応じてダイヤフラム円盤部３１が撓むと、これに応じて歪ゲージの抵抗が変化し、センサ回路２１の出力電圧が変化するもので、これらにより流体圧力に応じた出力を取り出せる。

金属製ダイヤフラム３０は、金属製センサハウジング１０に対して電気的に絶縁され、センサ回路２１のグランド側端子が接続される。これにより、センサ回路２１は、センサハウジング１０からの高周波ノイズがダイヤフラム３０を経由して侵入することが防止され、圧力センサ１の出力特性が安定化する。

絶縁リング４１は、例えばセラミック材などの絶縁材によって形成される。絶縁リング４１は、略矩形の断面を有し、センサ部収装穴１６の段部１７とダイヤフラム３０のダイヤフラムフランジ部３３との間に介装される。絶縁リング４１の内周面とダイヤフラム３０のダイヤフラム円筒部３２の外周面との間には環状間隙４３が形成される。

バックアップリング４５は、例えばフッ素樹脂材などの絶縁材によって形成される。バックアップリング４５は、略矩形の断面を有し、センサ部収装穴１６とダイヤフラム３０のダイヤフラム円筒部３２の外周面との間に介装されるとともに、ダイヤフラムフランジ部３３とＯリング４６との間に介装される。

センサ部収装穴１６の内径を、ダイヤフラム３０のダイヤフラムフランジ部３３の外径より所定の隙間分だけ大きく形成する。これにより、センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラム３０のダイヤフラムフランジ部３３の外周面との間にはフランジ部外周間隙４４が形成される。

図２の（ｂ）に示すように、バックアップリング４５は、フランジ部外周間隙４４に入り込む環状はみ出し部４５ａを有する。この環状はみ出し部４５ａは、バックアップリング変形工程にてバックアップリング４５を圧縮してバックアップリング４５を塑性変形させる。

圧力センサ１は、以下に説明する１〜３の各工程を順に行うことによって製造される。

１．組み付け工程…圧力センサ１の各部品を組み付ける。

この組み付け工程は、センサハウジング１０のセンサ部収装穴１６に、絶縁リング４１、ダイヤフラム３０、バックアップリング４５、Ｏリング４６、チョーク４７を組み付けるととともに、センサハウジング１０の中空の本体部１５にセンサ駆動部４０とコネクタ８を組み付け、これらをセンサハウジング１０の両端のカシメ部１８、１９によって固定する。

２．センターリング工程…組み立てられた圧力センサ１に所定の流体圧力Ｐ１を導いてＯリング４６を圧縮し、Ｏリング４６の圧縮反力によってダイヤフラム３０をセンサ部収装穴１６の中央部に配置する。

このセンターリング工程は、まず、センサハウジング１０のネジ部１１を図示しない治具のネジ穴に螺合して、圧力センサ１を治具に設けられる流体管路に取り付ける。そして、流体管路を介してセンサハウジング１０のセンサ部収装穴１６に所定の流体圧力Ｐ１（例えば５ＭＰａ）を導く。

この流体圧力Ｐ１は、センサハウジング１０、ダイヤフラム３０とチョーク４７の隙間からセンサ部収装穴１６に導かれ、図２の（ａ）に矢印で示すように、Ｏリング４６の受圧部に作用する。

流体圧力Ｐ１によって、Ｏリング４６は、センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラム３０の外周面とバックアップリング４５の端面と間で圧縮される。これにより、Ｏリング４６の圧縮反力が、センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラム３０の外周面とバックアップリング４５の端面にそれぞれ作用し、ダイヤフラム３０の外周面を全周に渡って押すことにより、ダイヤフラム３０をセンサ部収装穴１６の中央部に移動する。これにより、フランジ部外周間隙４４の開口幅が周方向について均一になる。

３．バックアップリング変形工程…圧力センサ１に所定の流体圧力Ｐ２を導いてＯリング４６を圧縮し、Ｏリング４６の圧縮反力によってバックアップリング４５を圧縮し、バックアップリング４５の外周縁部をフランジ部外周間隙４４に膨出させて環状はみ出し部４５ａを形成する。

このバックアップリング変形工程は、センターリング工程から引き続いて行われ、前記の流体管路を介してセンサハウジング１０のセンサ部収装穴１６にセンターリング工程における流体圧力Ｐ１より高い所定の流体圧力Ｐ２（例えば５０ＭＰａ）を図２の（ｂ）に矢印で示すように導く。

この流体圧力Ｐ２によってＯリング４６は圧縮され、図２の（ｂ）に矢印で示すようにバックアップリング４５の端面に作用するＯリング４６の圧縮反力によって、バックアップリング４５がＯリング４６とダイヤフラムフランジ部３３の側面との間で圧縮される。これにより、略矩形の断面形状をしたバックアップリング４５の外周縁部が、フランジ部外周間隙４４に押し出されるように塑性変形し、フランジ部外周間隙４４に入り込む環状はみ出し部４５ａが形成される。

環状はみ出し部４５ａは、センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラムフランジ部３３の外周面とにそれぞれ当接し、その周方向について均一な断面幅（厚さ）を有する。

フッ素樹脂材からなるバックアップリング４５は、流体圧力Ｐ２やフランジ部外周間隙４４の断面積に応じてその硬度を任意に設定し、環状はみ出し部４５ａが所定の長さ（突出量）を持つ円筒状に形成されるように構成する。

なお、センターリング工程とバックアップリング変形工程とにおいて、センサ駆動部４０におけるセンサ出力を調整するキャリブレーションが行われる。

圧力センサ１は、以上のように構成され、次に作用を説明する。

センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラムフランジ部３３の外周面との間にバックアップリング４５の環状はみ出し部４５ａが設けられ、金属製ダイヤフラム３０と金属製センサハウジング１０との間に環状間隙４３、４４が画成される。これにより、ダイヤフラム３０は、環状はみ出し部４５ａを介してセンサハウジング１０に対して電気的に絶縁され、センサ回路２１にセンサハウジング１０からの高周波ノイズがダイヤフラム３０を経由して侵入することが防止され、圧力センサ１の出力特性が安定化する。

センサハウジング１０のネジ部１１が被取付部材のネジ穴に螺合する締結時に、センサハウジング１０に締め付け力が図３に矢印で示すように働く。センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラム３０のダイヤフラムフランジ部３３の外周面との間にはフランジ部外周間隙４４が形成され、このフランジ部外周間隙４４に介装されるバックアップリング４５の環状はみ出し部４５ａがその周方向について均一な断面幅（厚さ）を有しているため、センサハウジング１０に働く締め付け力によって、図３に破線で示すように、ダイヤフラム円盤部３１に同心円状の歪みが生じる。このため、ダイヤフラム円盤部３１に図４に示す従来装置のように偏った歪みが生じることがなく、圧力センサ１の出力特性にバラツキが生じることを抑えられる。

本実施の形態では、流体圧力によって撓むダイヤフラム３０を備え、このダイヤフラム３０に生じる歪みに基づいて流体圧力を測定する圧力センサ１であって、被取付部材に締結されるセンサハウジング１０を備え、このセンサハウジング１０にダイヤフラム３０を収容するセンサ部収装穴１６を形成し、ダイヤフラム３０は、流体圧力に応じて撓む薄肉円盤状のダイヤフラム円盤部３１と、このダイヤフラム円盤部３１の外周端部から円筒状に延びるダイヤフラム円筒部３２と、このダイヤフラム円筒部３２の外周面から環状に突出するダイヤフラムフランジ部３３とを有し、センサ部収装穴１６とダイヤフラム円筒部３２との間に介装され両者の間を密封するＯリング４６を備え、センサ部収装穴１６とダイヤフラム円筒部３２との間に介装されダイヤフラムフランジ部３３とＯリング４６との間に介在するバックアップリング４５を備え、センサ部収装穴１６の内周面とダイヤフラムフランジ部３３の外周面との間にフランジ部外周間隙４４を画成し、バックアップリング４５はフランジ部外周間隙４４に入り込む環状はみ出し部４５ａを有する構成とした。

上記構成に基づき、ダイヤフラム３０は、バックアップリング４５の環状はみ出し部４５ａを介してセンサハウジング１０に対して電気的に絶縁されるため、従来装置に設けられていた隙間フィルムを廃止することが可能となり、センサハウジング１０の締結時に隙間フィルムのしわ等に起因してダイヤフラム円盤部３１に偏った歪みが生じることを回避し、出力特性のバラツキを抑えられる。

また、隙間フィルムを廃止することにより、圧力センサ１の部品点数を減らし、構造の簡素化がはかれ、生産性を高められる。

本実施の形態では、Ｏリング４６はその圧縮反力によってダイヤフラム３０をセンサ部収装穴１６の中央部に配置する構成とした。

上記構成に基づき、フランジ部外周間隙４４の開口幅を周方向について均一にし、センサハウジング１０の締結時にダイヤフラム円盤部３１に偏った歪みが生じることを抑えられ、出力特性のバラツキを抑えられる。

本実施の形態では、環状はみ出し部４５ａは前記Ｏリング４６の圧縮反力によって前記バックアップリング４５を圧縮して形成する構成とした。

上記構成に基づき、フランジ部外周間隙４４の開口幅を周方向について均一になった状態でバックアップリング４５の環状はみ出し部４５ａがフランジ部外周間隙４４に入り込むことにより、バックアップリング４５の環状はみ出し部４５ａがその周方向について均一な断面幅（厚さ）を有するため、センサハウジング１０の締結時にダイヤフラム円盤部３１に偏った歪みが生じることを抑えられ、出力特性のバラツキを抑えられる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の高圧対応圧力センサは、例えば油圧機械に取り付けられるもの、さらに他の機械、設備等に利用できる。

本発明の実施の形態を示す圧力センサの断面図。 同じく圧力センサの一部を拡大した断面図。 同じくダイヤフラムに歪みが生じる様子を示す断面図。 従来例のダイヤフラムに歪みが生じる様子を示す断面図。

符号の説明

１ 圧力センサ
１０ センサハウジング
１６ センサ部収装穴
２０ センサ部
３０ ダイヤフラム
３１ ダイヤフラム円盤部
３２ ダイヤフラム円筒部
３３ ダイヤフラムフランジ部
４１ 絶縁リング
４５ バックアップリング
４５ａ 環状はみ出し部
４６ Ｏリング

Claims (4)

1. 流体圧力によって撓むダイヤフラムを備え、
   このダイヤフラムに生じる歪みに基づいて流体圧力を測定する圧力センサであって、
   被取付部材に締結されるセンサハウジングを備え、
   このセンサハウジングに前記ダイヤフラムを収容するセンサ部収装穴を形成し、
   前記ダイヤフラムは、
   流体圧力に応じて撓む円盤状のダイヤフラム円盤部と、
   このダイヤフラム円盤部の外周端部から円筒状に延びるダイヤフラム円筒部と、
   このダイヤフラム円筒部の外周面から環状に突出するダイヤフラムフランジ部とを有し、
   前記センサ部収装穴と前記ダイヤフラム円筒部との間に介装され両者の間を密封するＯリングを備え、
   前記センサ部収装穴と前記ダイヤフラム円筒部との間に介装され前記ダイヤフラムフランジ部と前記Ｏリングとの間に介在するバックアップリングを備え、
   前記センサ部収装穴の内周面とダイヤフラムフランジ部の外周面との間にフランジ部外周間隙を画成し、
   前記バックアップリングは前記フランジ部外周間隙に入り込む環状はみ出し部を有し、
   前記環状はみ出し部は前記バックアップリングが前記フランジ部外周間隙に押し出されるように塑性変形して形成されることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記Ｏリングはその圧縮反力によって前記ダイヤフラムを前記センサ部収装穴の中央部に配置することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記環状はみ出し部は前記Ｏリングの圧縮反力によって前記バックアップリングを圧縮して形成することを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサの製造方法であって、
   前記ダイヤフラムに導かれる第１の流体圧力で前記Ｏリングを圧縮し、前記ダイヤフラムを前記センサ収装穴の中央部に配置し、
   前記ダイヤフラムに導かれる第１の流体圧力より高い第２の流体圧力で前記Ｏリングを圧縮し、前記Ｏリングの端面に作用する前記Ｏリングの圧縮反力によって前記バックアップリングを塑性変形させて前記環状はみ出し部を形成することを特徴とする圧力センサの製造方法。

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