JP5634026B2 - 差動流体圧力測定装置 - Google Patents

Description

本出願は、概して流体圧力を測定する装置に関し、特に、高い圧力源および低い圧力源の各々と通じる流体内に配置するための２つのダイヤフラムを用いた、媒体と隔離された差動圧力センサを提供するような装置に関する。

ピエゾ抵抗圧力感知素子のような半導体圧力感知素子は、媒体に対して頑丈なフレキシブルな金属ダイヤフラムによって感知される媒体から隔離され、保護される。典型的にシリコーンオイルのような非圧縮性流体は、ダイヤフラムから感知素子へ圧力を伝達するのに使用される。一般に、対向する方向に面する第１および第２のダイヤフラムが提供され、それらの間に感知素子が配置される。センサに損傷を及ぼしかねないダイヤフラム上の媒体からのすす（soot）、水、凝縮液のような物質の蓄積を減少させるため、重力や圧力ポートに対して排水可能な方向にダイヤフラムを置くことがしばしば要求される。例えば、２００７年４月３日に発行された米国特許第７，１９７、９３６号では、ダイヤフラムの表面は、重力の方向に平行に配向されている。これは、所望の剛性を提供するために、特許に示されているように分厚い搭載ブラケットの使用をも必要とする高いアスペクト比になる。さらに、ダイヤフラムが対向する方向で直面するダイヤフラムの搭載は、各々が感知される媒体に頑丈であることを必要とする分離されたハウジング部材の使用を要求され得る。

本発明の目的は、ダイヤフラムの表面が重力の方向と垂直であるように容易に配向することができる差動流体圧力センサを提供することである。本発明の他の目的は、コンパクトであり、かつ典型的に要求されるものよりも高価な材料でないものから作ることができる差動流体圧力センサを提供することである
。さらなる本発明の目的は、その表面が時間節約の組立動作の使用を可能にする差動流体圧力センサを提供することである。

簡潔に、本発明の好ましい実施例では、ベースには、共通の方向に面するダイヤフラム搭載面から離れて２つの離間された開口間を延びる通路が形成される。１つの開口は、拡大され、ピエゾ抵抗感知素子アッセンブリのような流体圧力応答感知素子を受け取る。ダイヤフラムおよび通路は、感知素子へ圧力を伝達するための非圧縮性のオイルが充填される２つのチャンバーを形成する。

ベースの一方の面に双方のダイヤフラムを持つことは、組立工程を簡単にする。例えば、ダイヤフラムの取り付けのための接着性のリングを形成し、ダイヤフラムをリング上に配置し、かつキュア(curing)することは、双方のダイヤフラムについて同時に行うことができる。

以下に述べる本発明の好ましい実施例では、感知素子は、端子ピンの一方の端部へのワイヤボンドに接続され、端子ピンの他方の端部は、条件付け回路を有するプリント回路基板に結合され、これは、次に、金属スプリングによってコネクタ端子に接続される。シーラント（封止剤）がピンの周りに配置され、ピン／ベースのインターフェースを介してオイル漏れが防止される。

本発明の例示的な実施例が図面に提示され、かつ明細書に説明される。
本発明の第１の実施例に従い作成されたセンサアッセンブリの平面図である。 図１の２−２線断面図である。 金属ダイヤフラムの搭載前に示されたアッセンブリであり、図２に示された感知素子モジュールの底面図である。 モジュールに形成された通路で切り取られた図３のモジュールの断面図である。 感知素子アッセンブリの詳細を示す図３の拡大部分である。 図５の６−６線に沿って切り取られた断面図である。 縮小されたスケールで示された感知素子モジュールの平面図である。 図７の８−８線に沿って切り取られた断面図である。 図４と同様の拡大された断面図であるが、ダイヤフラムが取り付けられかつオイルチャンバーが充填された後を示している。 変更された感知素子モジュールの底面図である。 図１０の１１−１１線に沿って切り取られた断面図である。 図１０の１２−１２線に沿って切り取られた断面図である。 別の変更された感知素子モジュールの底面図である。 図１３の１４−１４線に沿って切り取られた断面図である。

特に図１および図２を参照すると、本発明の第１の好ましい実施例に従い作成された差動流体圧力センサアッセンブリ１０は、例えばＰＥＩ（ポリエーテルイミド）のような適切なモールド可能な材料からなる上部ハウジング１２を含み、上部ハウジング１２には、３つのインサートモールドされた端子１２ｂ（図２に１つが示されている）を有するコネクタ部分１２ａが形成される。監視されるべき高低の流体圧力源のポートを有するサポートにアッセンブリを搭載するため、上部ハウジングは１２には、金属ブッシング（軸受筒）１６間に感知素子モジュール１４を受け取るための窪みが形成されている。ＰＥＩのような適切なモールド可能な材料からなる下部ハウジング１８は、図２に示されるように、圧力感知モジュール１４の下方に上部ハウジング１２の窪みに受容される。

取り囲むＯリング２０は、上部ハウジング１２と感知素子モジュール１４の表面との間に形成された回路チャンバー１２ｃに形成されたシートに配置される。回路ボード２２は、チャンバー１２ｃ内の感知素子モジュール１４の表面に配置される。コンタクトスプリング２４は、各々の端子１２ｂの端部１２ｄと回路ボード２２間の上部ハウジング１２の壁の適切なボア（口径）内を延在し、図２にはそのような１つのスプリングが示されている。アッセンブリおよびキャリブレーションの直後に、でボアは、ＲＴＶのような適切な材料で封止される。

感知素子モジュール１４は、並んで、第１および第２のほぼ円形状の金属ディスク１４ａ、１４ｂを搭載するボディ（本体）を含む。第１および第２のディスクは、後述される。下部ハウジング１８には、各ディスク１４ａ、１４ｂと整合されＯリング２６を受け取るためのＯリングシートが形成される。各ポート１８ａ、１８ｂには、好ましくは、開口を規定するクロスバーのようなグリル状の配列が形成され、そこを介して流体が流され、図２の断面図は、バーの１つで切り取られている。外部Ｏリング２８は、下部ハウジング１８の底面の各ポート１８ａ、１８ｂの周りの適切なＯリングシート内に配置され、センサアッセンブリ１０と高低の流体圧力源を含むハウジング（図示されない）との間に流体シールを提供する。

図３および４を参照すると、フレキシブルな金属ダイヤフラムの搭載前の感知素子モジュール１４が示されている。感知素子モジュール１４は、ＰＰＳ（ポリフェニールサルファイド）のような適切な材料からなるベースのような概ね硬いプレートのように形成され、平坦な底面１４ｃを有する。窪み１４ｄは、底面１４ｃに形成され、金属ディスク１４ａ、１４ｂを伴うように構成され、ディスク１４ａ、１４ｂの底面が同じ方向に面し、かつ好ましくは同一面に横たわる。ディスク１４ａ、１４ｂには、それぞれのディスクを介して窓１４ｆが形成され、窪み１４ｄは、各々の窓に延在しかつ各窓の全体的な外周に選択された深さのチャンネル１４ｅを形成するように構成される。チャンネル１４ｅは、エラストマー（弾性的な）シール材が充填され、オイル漏れを防止する。

ほぼＵ字形状の通路１４ｇは、モジュールのベースを介して形成され、ディスク１４ａの窓１４ｆの面１４ｃの開口からディスク１４ｂの窓１４ｆの面１４ｃの開口まで通じる。第１の実施例の特徴によれば、Ｕ字形状の通路の湾部（bight portion）は、真鍮または他の適切な材料からなるチューブ１４ｈによって形成されている。ディスク１４ｂの窓１４ｆの通路の一端の拡大された開口１４ｋには、図５および図６により明瞭に示されるように、ピエゾ抵抗素子１５のような圧力感知素子の配置が提供され、圧力感知素子は、シリコーンベースの接着剤または他の適切な接着材料１５ａによって拡大された開口１４ｋのフランジに取り付けられる。ワイヤ１５ｃは、圧力感知素子１５と各電気端子ピン１５ｄ間に結合される。接着性のジェル（gel）は、端子ピンと周囲のプラスチック間の強固な圧力封止を提供するために使用される。

エポキシやシリコーンベースの材料からなる適切な接着材料１４Ｉは、図３に示されるように、円形状のリングまたは窓１４ｆを越える他の所望の幾何学をステンシル塗りまたはディスペンス（分配）することによりディスク１４ａ、１４ｂの外側の表面に塗布され、それからフレキシブル金属ダイヤフラム１４ｍがディスク１４ａ、１４ｂの各搭載面上に取り付けられる。

感知素子の上面を示す図７を参照すると、図４と同様に、オイル注入穴１４ｎがベースと各ディスク１４ａ、１４ｂとを通して形成される。通路は空にされ、そして、オイル注入穴１４ｎを介してシリコーンオイルのような非圧縮性の流体が充填され、それから、ディスク１４ａ、１４ｂに溶接された図８に示すボール１４ｏによってシールされ、図９に示すアッセンブリが提供される。

ベースの一方の面上に双方のダイヤフラムを持つことは、上記したように組立工程を簡易にすることが理解されよう。例えば、接着性のリングを形成し、ダイヤフラムを位置決めし、かつ接着剤をキュアすることは、双方のダイヤフラムについて同時になし得ることができる。もし、所望ならば、さらなる工程の簡略化のため、２つの分離されたダイヤフラムの部材ではなく、単一部材の金属を使用することができる。長期間の信頼性のため、使用されるダイヤフラムは、感知される媒体（流体）に対して不浸透性でありかつ頑強であることが必要とされる。例えば、酸性の排出ガス媒体の使用のために適切な材料は、タンタル、ニオブ、チタンおよびステンレススチールを含むことができる。

本発明に従い、センサアッセンブリ１０は、重力に対して垂直な面に横たわるダイヤフラムの表面に搭載することができ、すなわち、図２に示すようにである。これは、従来技術で使用された金属ブラケットの必要をなくしたよりコンパクトなセンサアッセンブリとなる。本発明のセンサ装置は、感知される媒体に対して頑強である唯一のハウジング部材、すなわち下部ハウジング１８を必要とし、その結果、他の部材は、高価でない材料を使用することが可能である。

もし、所望ならば、感知素子モジュールは、図４のモールド可能なプラスチック以外の材料から形成することができる。第２の好ましい実施例に従い、感知素子モジュールは、図１０−１２に示されるように、ステンレス鋼のような適切な材料から形成することができる。図１０において、モジュール１４０は、ステンレス鋼から形成されたベース部材を含み、さらに平坦な面１４４に開口するほぼＵ字形状の通路１４２を有し、その結果、ダイヤフラムを平坦な面１４４上に直接取り付けることができる。通路１４２は、ステンレス鋼のプレート部材１４８またはモジュール１４０に溶接可能な部材によって、上面１４６で閉じられたトレンチ（溝）によって形成される。通路１４２の１つの開口は、図１、２の素子１５に対応するピエゾ抵抗感知素子を受容するために拡大される。端子ピン１５２は、ガラスシール１５４によって搭載されかつ絶縁される。オイル注入穴１５６は、図７のオイル注入穴１４ｎに対応する。

セラミックに関して、センサ感知モジュール２４０は、図１３および１４に示され、例えばアルミナから形成することができ、モジュール１４０の実施例と同様の方法で、底面２４４を通して開口する対応するＵ字形状の通路２４２が形成される。通路は、アルミナのカバー２４６またはモジュール２４０にガラスで取り付けられる部材によって閉じられる。オイル注入穴２５６は、第２の実施例のオイル注入穴１５６に対応する。この場合、オイル注入穴は、プラスチックプラグで密封することができる。ガラス２５４で搭載された端子ピン２５２は、本実施例でも同様に使用され得る。

種々の変更は、本発明を逸脱することなく上記の構成に成しえることができ、上記の記載に含まれまたは添付図面に示されたすべての事項は、例示として解釈されかつ限定されるものでないことを意図している。

Claims (13)

1. 差動流体圧力センサ装置であって、
   共通の方向に面する第１および第２のダイヤフラム搭載面を有する感知素子モジュールを搭載するハウジングと、
   前記感知素子モジュールは、窪みによってそれぞれ離間された第１および第２の窓を有し、第１および第２の窓は、前記第１および第２のダイヤフラム搭載面の一部を提供し、
   前記感知素子モジュール内に形成され、かつ第１および第２のダイヤフラム搭載面間を延在しかつ搭載面の内側に開口を形成する通路と、
   第１および第２のダイヤフラム搭載面上であって各々の開口上に搭載されるフレキシブルな金属ダイヤフラムと、
   前記通路の開口の１つに配置された圧力応答感知素子と、
   通路を充填しかつ前記金属ダイヤフラムと係合し通路内に封止される非圧縮性流体と、
   前記圧力応答感知素子に動作可能に接続された電気信号条件付け回路と、
   監視のために、前記金属ダイヤフラムに高い流体圧力と低い流体圧力をそれぞれ提示する第１および第２の流体圧力接続手段とを有し、
   前記通路は、間に湾部を有する２つの脚部を有するほぼＵ字形状であり、一方の脚部が第１の窓に接続され、他方の脚部が第２の窓に接続され、前記湾部は金属製のチューブを有する、差動流体圧力センサ装置。
2. 第１および第２のダイヤフラム搭載面は、共通の面に置かれる、請求項１に記載の差動流体圧力センサ装置。
3. 前記感知素子モジュールは、主として樹脂製材料から構成される、請求項１に記載の差動流体圧力センサ装置
4. 前記感知素子モジュールは、主として金属から構成される、請求項１に記載の差動流体圧力センサ装置。
5. 前記感知素子モジュールは、主としてセラミックから構成される、請求項１に記載の差動流体圧力センサ装置。
6. 前記圧力応答感知素子は、ピエゾ抵抗素子である、請求項１に記載の差動流体圧力センサ装置。
7. 差動流体圧力センサ装置であって、
   ハウジングと、
   ハウジング内に搭載された感知素子モジュールであって、感知素子モジュールは、第１および第２の金属ダイヤフラム搭載ディスクを搭載し、第１および第２のディスクは、それぞれ平坦なダイヤフラム搭載面を有し、第１および第２の搭載面は共通の方向に面しており、窪みによってそれぞれ離間された第１および第２の窓がそれぞれ第１および第２のディスクを介して形成されかつ第１および第２の窓は第１および第２の金属ダイヤフラム搭載面の一部を提供し、通路が感知素子モジュール内に形成されかつ第１および第２の窓の間を延在する、前記感知素子モジュールと、
   流体シールされた関係でかつ第１および第２の金属ダイヤフラム搭載面上に搭載されかつ第１および第２の窓上に延在するフレキシブルな金属ダイヤフラムと、
   前記通路を充填しかつ前記金属ダイヤフラムと係合しかつ通路内に封止される非圧縮性流体と、
   第１のディスクの窓の前記通路内の圧力を受け取る通路内に配置され、各ダイヤフラムによって伝達された流体圧力の差に応答する圧力応答感知素子と、
   前記圧力応答感知素子に動作可能に接続された電気信号条件付け回路と、
   第１および第２のダイヤフラムとの流体伝達において前記ハウジング上に搭載された第１および第２の流体圧力接続手段とを有し、
   前記通路は、間に湾部を有する２つの脚部を有するほぼＵ字形状であり、一方の脚部が第１の窓に接続され、他方の脚部が第２の窓に接続され、前記湾部は金属製のチューブを有する、差動流体圧力センサ装置。
8. 前記感知素子モジュールは、モールド可能なプラスチックから主に構成される、請求項７に記載の差動流体圧力センサ装置。
9. 前記第１および第２の流体圧力接続手段は、前記感知素子モジュールに隣接して配置された他のハウジングの一部であり、前記他のハウジングは、流体圧力センサ装置によって監視される流体媒体に対して頑強な材料から形成される、請求項８に記載の差動流体圧力センサ装置。
10. 前記感知素子モジュールは、主として金属から構成される、請求項７に記載の差動流体圧力センサ装置。
11. 前記感知素子モジュールは、主としてセラミックから構成される、請求項７に記載の差動流体圧力センサ装置。
12. 前記圧力応答感知素子は、ピエゾ抵抗素子である、請求項７に記載の差動流体圧力センサ装置。
13. 前記第１および第２のディスクのダイヤフラム搭載面は、共通の面にある、請求項７に記載の差動流体圧力センサ装置。

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