JP5542830B2 - 高圧センサを製造する方法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、圧力検出のためのセンサエレメントと、該センサエレメントを測定システムに結合するための接続部材とを備えた高圧センサを製造する方法に関する。センサエレメントのベースボディには、ダイヤフラムが形成され、接続部材のベースボディには、圧力通路が形成される。センサエレメントは、ダイヤフラムが圧力通路を介して測定圧によって負荷可能になるように接続部材に組み付けられる。

実際の使用現場では、センサエレメントと接続部材とを備えた高圧センサを構成するための種々のコンセプトが知られている。

通常、これら両コンポーネント（センサエレメントおよび接続部材）は互いに別個に独立して、金属製のベースボディから製作される。センサエレメントの場合には、ベースボディに盲孔が設けられ、これによりベースボディの反対の側の表面に設けられたダイヤフラムが露出される。この表面には、信号検出のための複数の回路素子が配置される。このためには、たとえば半導体技術の方法が使用される。接続部材のベースボディには、圧力通路が形成される。さらに、接続部材には、たとえば測定システムへの結合のためのねじ山を装備させることができる。次いで、センサエレメントは、このセンサエレメントに設けられた後側の盲孔が、接続部材に設けられた圧力通路に対して整合して配置されるように接続部材に組み付けられる。

接続部材へのセンサエレメントのこのような組付けは、実際の使用事例においては問題であることが判っている。コストの理由から、センサエレメントはたいてい接続部材と溶接される。この場合、接続部材に設けられた圧力通路も、センサエレメントに設けられた盲孔も、閉じられたり、汚染されたり、あるいは不都合に変形されたりしないように注意しなければならない。このことは、再現可能な機械的な特性を持った溶接結合部の形成を困難にする。溶接結合部の耐圧性には、溶接シームのジオメトリ（幾何学的形状）と、センサエレメントおよび接続部材に対する接触面のジオメトリとによって影響が与えられる。溶接結合部におけるノッチまたは凹部は、高い圧力負荷を受けた場合、特に脈動負荷を受けた場合に、亀裂の開始点を形成する。したがって、このような高圧センサの使用分野は、典型的には２２００バールよりも小さい圧力範囲に制限されている。

センサエレメントと接続部材との間の溶接結合よりも信頼性が良いとされるのは、クランプ結合である。クランプ結合は、１００００バールよりも高い圧力において使用するためにも適している。しかし、これに伴うコストは極めて高い。これにより、この構築・結合技術は特殊使用のための小規模シリーズにおいてしか使用されない。

センサエレメントと接続部材とは、金属製のベースボディから一体に製造することもできる。しかし、この場合には、構成部分サイズに基づいて、信号検出のための回路素子を半導体技術の方法によってセンサダイヤフラムへ容易に被着させることができない。

発明の開示
本発明によれば、２２００バールよりも大きな圧力領域のためにも信頼性良く使用される高圧センサの簡単でかつ廉価な製造を可能にする、高圧センサのための構築コンセプトが提案される。

このことは、本発明によれば、圧力検出のためのセンサエレメントと、該センサエレメントを測定システムに結合するための接続部材とを備えた高圧センサを製造する方法であって、前記方法は、
−センサエレメントのベースボディに、ダイヤフラムを形成し、
−接続部材のベースボディに圧力通路を形成し、
−センサエレメントを、ダイヤフラムが圧力通路を介して測定圧によって負荷可能になるように接続部材に組み付ける
方法であって、
センサエレメントのベースボディを接続部材のベースボディに組み付け、両ベースボディの組付け面の間に全面にわたる結合部を形成し、その後にはじめて、接続部材に圧力通路を形成し、センサエレメントのダイヤフラムを露出させることにより達成される。

すなわち、本発明によれば、貫通通路の透過性を考慮する必要がなければ、両コンポーネント、つまりセンサエレメントおよび接続部材の各組付け面の間に再現可能な、特に耐圧性の溶接結合を形成することの方が、方法技術的な観点では著しく簡単であることが判った。両コンポーネントの位置調整も、この場合にはあまり複雑にならない。本発明によれば、接続部材における圧力通路およびこの圧力通路に続いた、センサエレメントにおける盲孔が、あとからようやく形成され、しかも場合によっては多段階式の方法で形成される。この場合、センサエレメントと接続部材とから成るアッセンブリは、１つのワークのように取り扱われるので有利である。

本発明による方法の特に有利な変化形では、センサエレメントのベースボディが接続部材のベースボディに組み付けられる前に、センサエレメントのベースボディにダイヤフラム範囲において、信号検出のための複数の回路素子が被着される。この変化形では、組付け後の接続部材の寸法に基づいてもはや簡単に使用され得ないような技術を用いても、たとえば半導体プロセスの使用によって回路素子を実現することができる。これによって、回路素子は、少なくとも１つの曲げ敏感な層、つまりたとえばピエゾ抵抗型または圧電型の層を備えた薄膜構造の形で簡単に実現され得る。

本発明による方法の枠内では、鋼または鋼合金から成るセンサエレメントおよび接続部材が使用されると有利である。同じく、本発明による圧力センサ構造の両コンポーネントは焼結材料から成るプレス加工品の形でも実現され得る。これらの材料では、両ベースボディの間の全面結合が溶接によって形成されると有利である。次いで、接続部材における圧力通路と、センサエレメントのダイヤフラムとが、適当な技術、たとえば電解研磨法、穿孔法またはフライス加工法によって簡単に形成され得る。このためには、ベースボディの材料および圧力接続部の目標とされる形状に応じて、種々の方法を組み合わせることもできる。

既に前で説明したように、本発明の思想を有利に形成しかつ改良するためには種々の可能性が存在する。このためには、一方では請求項１の従属項である請求項２以下、他方では以下に図面につき説明する本発明の実施形態を参照するものとする。

センサエレメントのベースボディを、接続部材のベースボディへの組付け後の状態で示す概略的な断面図である。 図１に示した構造を、圧力接続部の導入およびダイヤフラムの形成の後の状態で示す概略的な断面図である。

発明の実施形態
図１および図２には、図２に図示されているような高圧センサ３を製造するための本発明による方法が示されている。高圧センサ３は圧力検出のためのセンサエレメント１と、このセンサエレメント１を測定システムに結合するための接続部材２とを備えている。本発明によれば、センサエレメント１のベースボディ（基体）１０が、接続部材２のベースボディ２０に装着されて組み付けられ、そのあとでセンサエレメント１にダイヤフラム１１が形成され、そしてセンサエレメント１に設けられた盲孔１２と、この盲開口１２に続いた、接続部材２に設けられた圧力通路２１との形の適当な圧力接続部が形成される。両ベースボディ１０，２０のこのような構造化は、両ベースボディ１０，２０の組付け面の間に全面にわたる結合部３１が形成された後でしか行われない。

図１には、両ベースボディ１０，２０の組付け後の構造が示されている。センサエレメント１のベースボディ１０は比較的細い金属製の支持体であり、この支持体上には、組付け前に、半導体プロセスを用いて薄膜構造体１３が形成されている。この薄膜構造体１３は、たとえばピエゾ抵抗型、圧電型または容量型の、信号検出のための複数の回路素子を有している。接続部材２のベースボディ２０は同じく金属製の材料、たとえば鋼または鋼合金から成っている。最終製造段階のための準備段階（Vorkonfektionierung）の枠内で、このベースボディ２０には、測定システムへの結合のための雄ねじ山２２が設けられる。センサエレメント１のベースボディ１０の、薄膜構造体１３とは反対の側の表面は、全面にわたって接続部材２のベースボディ２０の組付け面と溶接されている。形成された全面にわたる溶接シーム３１は、極めて安定的でかつ特に耐圧性の結合部を成す。

図２には、図１につき詳しく説明した組付けの後ではじめてダイヤフラム１１と圧力接続部１２，２１とが露出されたことが示されている。図示の実施形態では、このことは２段階の穿孔方法で行われている。第１の穿孔器を用いて、接続部材２のベースボディ２０の裏面、つまり組付け面とは反対の側の表面に、孔が形成され、この孔は圧力通路２１の約３／４を形成する。次いで、この孔は、より小さな直径の第２の穿孔器を用いて、溶接シーム３１を越えてセンサエレメント１のベースボディ１０内にまで継続される。このときに、センサエレメント１のベースボディ１０に盲孔１２が形成され、そしてダイヤフラム１１が露出される。

Claims (6)

1. 圧力検出のための金属製のセンサエレメント（１）と、該センサエレメント（１）を測定システムに結合するための金属製の接続部材（２）とを備えた高圧センサ（３）を製造する方法であって、前記方法は、センサエレメント（１）のベースボディ（１０）に、ダイヤフラム（１１）を形成し、接続部材（２）のベースボディ（２０）に圧力通路（２１）を形成し、センサエレメント（１）を、ダイヤフラム（１１）が圧力通路（２１）を介して測定圧によって負荷可能になるように接続部材（２）に組み付ける方法において、
   センサエレメント（１）のベースボディ（１０）を、接続部材（２）のベースボディ（２０）に直接組み付け、両ベースボディ（１０，２０）の組付け面の間に全面にわたる結合部（３１）を形成し、その後にはじめて、接続部材（２）に圧力通路（２１）を形成し、センサエレメント（１）のダイヤフラム（１１）を露出させることを特徴とする、高圧センサを製造する方法。
2. センサエレメント（１）のベースボディ（１０）を接続部材（２）のベースボディ（２０）に組み付ける前に、センサエレメント（１）のベースボディ（１０）にダイヤフラム範囲において、信号検出のための回路素子を備えた薄膜構造体（１３）を被着させる、請求項１記載の方法。
3. センサエレメント（１）および／または接続部材（２）を、鋼または鋼合金から製造するか、または焼結材料から成るプレス加工品として実現するか、またはバルク金属ガラスから変形加工法で製造する、請求項１または２記載の方法。
4. 両ベースボディ（１０，２０）の間の全面にわたる結合部（３１）を溶接により形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 接続部材（２）における圧力通路（２１）の形成と、センサエレメント（１）のダイヤフラム（１１）の露出とを、多段階式の方法で行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 接続部材（２）における圧力通路（２１）の形成と、センサエレメント（１）のダイヤフラム（１１）の露出とを、種々の穿孔法および／またはフライス加工法および／または電解研磨法の組合せによって行う、請求項５記載の方法。

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