JP6340734B2

JP6340734B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP6340734B2
Application number: JP2015185684A
Authority: JP
Inventors: 充浩斉藤; 裕太大島; 健山岸
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: TW201712309A; US20170082513A1; CN106546376A; DE102016111625A1; US10067021B2; KR20170034300A; CN106546376B; JP2017058339A; TWI687665B; KR102444872B1

Description

本発明は、流路内を流通する圧力流体の圧力を検出する圧力センサに関する。

従来から、水、油及び薬液等の用いられる製造ラインにおいて、これらの液体の圧力を計測する目的で圧力センサが用いられている。この圧力センサは、例えば、特許文献１に開示されるように、継手状に形成されたボディと、該ボディの内部に収納されるセラミック製のセンサと、前記センサと前記ボディのポートとの間に設けられる薄膜とからなる。この薄膜は、センサの表面に設けられた歪みゲージに当接可能に設けられている。

そして、ボディ内において薄膜上にセンサが載置された状態で、ホルダを前記ボディに対して螺合させ締め付けることで前記薄膜の外縁部が前記センサとボディの内壁面との間に挟持されると共に、前記ボディの内壁面に設けられた環状のОリングに前記薄膜が当接する。

この圧力センサでは、ボディのポートを通じて内部へと導入された流体の圧力に応じて薄膜が変形し、センサに設けられた歪みゲージの歪量が変化することで該変化に応じた出力電圧に基づいて圧力が検出される。

特開２００９−８５９３１号公報

しかしながら、上述した圧力センサでは、ボディやホルダ等の構成部品に生じたばらつきに起因し、セラミックス製のセンサが前記ボディ、ホルダ等によって加重・固定される位置が一定とならずにばらつきが生じる場合がある。これにより、センサの表面に設けられた歪みゲージが歪んだ位置で固定されることで、センサに圧力が付与されていない状態で電圧の出力されるオフセット電圧が大きくなってしまう。その結果、このオフセット電圧の調整が煩雑となり、生産性の低下を招くこととなる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、センサをボディに対して安定的に固定することで電気的な校正を容易に行うことが可能な圧力センサを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、圧力流体の導入される流路を有したボディと、ボディの端部に設けられ流路に臨む薄膜状のダイヤフラム部を有したセラミック製のセンサと、センサが内部に収納された状態でボディの端部へと連結されるホルダとを有し、ホルダの外縁部に形成された押え部によってセンサをボディ側へと押圧して固定する圧力センサにおいて、
センサには、略中央部のダイヤフラム部に抵抗体が設けられ、抵抗体の外周側となり押え部に臨む位置に、ホルダ側に向かって突出した凸部が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、内部にセラミック製のセンサが収納されたホルダがボディの端部へと連結された圧力センサにおいて、センサにはホルダの押え部に臨む位置にホルダ側へと突出した凸部が設けられている。

従って、ホルダをボディに対して組み付ける際、押え部からの荷重が抵抗体に対して外周側に設けられた凸部へと付与されるため、抵抗体の設けられたダイヤフラム部に対して荷重が直接付与され歪んでしまうことが抑制され、且つ、その歪み量を一定とすることができる。

その結果、ホルダからの締付荷重を凸部に対して均等に付与することで、圧力センサを構成するセンサをボディに対して安定的に組み付けることができ、その組み付けばらつきに起因したセンサの検出圧力のばらつきが抑制されるため、歪みに起因したオフセット電圧を小さくすることが可能となり、圧力センサの校正を容易に行うことができる。

また、凸部を、センサの周方向に沿って互いに離間させて複数設けるとよい。

さらに、凸部を、ボディの軸線方向から見て矩形状又は円形状に形成するとよい。

さらにまた、抵抗体を保護膜によって覆うとよい。

またさらに、ホルダとセンサとの間に挟持されるスペーサを設けるとよい。

また、スペーサをホルダよりも低硬度の材質から形成するとよい。

さらに、凸部を、抵抗体と共にスクリーン印刷で形成するとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、圧力センサを構成するセンサにおいて、ホルダの押え部に臨む位置にホルダ側へと突出した凸部を設けることで、ホルダをボディに対して組み付ける際、押え部からの荷重が抵抗体に対して外周側に設けられた凸部へ付与されるため、抵抗体の設けられたダイヤフラム部に対して荷重が直接付与され歪んでしまうことが抑制され、且つ、歪み量を一定とすることができる。その結果、圧力センサを構成するセンサをボディに対して安定的に組み付けることができ、その組み付けばらつきに起因したセンサの検出圧力のばらつきが抑制されるため、歪みに起因したオフセット電圧を小さくすることが可能となり、圧力センサの校正を容易に行うことができる。

本発明の実施の形態に係る圧力センサの全体断面図である。図１に示す圧力センサのセンサ近傍を示す拡大断面図である。図１に示す圧力センサにおけるセンサの正面図である。図４Ａ〜図４Ｄは、凸部の位置、数量並びに形状が異なる第１〜第４変形例に係るセンサを示す正面図である。変形例に係る圧力センサのセンサ近傍を示す拡大断面図である。

本発明に係る圧力センサについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る圧力センサを示す。

この圧力センサ１０は、図１に示されるように、圧力流体の導入される流路１２を有したボディ１４と、該ボディ１４の一端部に装着されるホルダ１６と、前記ホルダ１６の内部に収納されボディ１４との間に設けられるセンサ１８とを含む。

ボディ１４は、例えば、金属製材料から形成され、その断面円形状に形成された一端部の外周面には第１ねじ部２０が設けられ、後述するホルダ１６が螺合されることで一体的に連結される。また、一端部の端面には、環状溝を介してシールリング２２が設けられ後述するセンサ１８の下面が当接する。このシールリング２２は、リング状であれば環状でもよいし矩形状であってもよい。

また、ボディ１４の一端部には、該一端部から離間する方向（矢印Ａ方向）へ所定高さだけ突出した位置決めピン２４（図３参照）が設けられ、後述するセンサ１８の溝部５４へ挿入される。

一方、ボディ１４の他端部には、一端部側と同様に外周面に第２ねじ部２６が形成され、例えば、図示しない流体圧機器等のポートに螺合されることで接続されると共に、該他端部の中心には、その端面に開口した流体導入ポート２８が形成される。そして、流体導入ポート２８は、ボディ１４の中心を軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って形成され、該ボディ１４の一端部まで貫通した流路１２と連通している。

さらに、ボディ１４における軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿った略中央部の外周面には、断面六角状のナット部３０が形成され、該ナット部３０を図示しない工具等で把持してボディ１４を回すことで該ボディ１４が第２ねじ部２６を介して図示しない流体圧機器等へと接続される。

ホルダ１６は、例えば、黄銅やステンレス鋼等の金属製材料から有底円筒状に形成され、その底部となる一端部中央には軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に貫通した開口部３２が形成され、該開口部３２の外周側には押え部３４が形成される。また、ホルダ１６における他端部側（矢印Ｂ方向）の内周面には、ボディ１４の第１ねじ部２０へ螺合されるめねじ部３６を有している。そして、ホルダ１６は、めねじ部３６を介してボディ１４の一端部の外側を覆うように螺合されることで同軸上に連結される。

センサ１８は、図１〜図３に示されるように、例えば、酸化アルミニウム（Ａl₂О₃、アルミナ）等のセラミック材料から形成され、略中央部に凹部５２を有した断面Ｕ字状のベース体３８と、該ベース体３８の端面３８ａに装着された複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄと、該抵抗体４０ａ〜４０ｄに配線４２を介して接続された電極４４と、前記抵抗体４０ａ〜４０ｄを覆う２層の第１及び第２保護膜４６、４８と、前記端面３８ａから突出した複数の凸部５０とからなる。

そして、センサ１８は、凹部５２がボディ１４側（矢印Ｂ方向）となり流路１２に臨むように配置された状態でホルダ１６とボディ１４との間に収納される。

ベース体３８の外周面には、図３に示されるように、例えば、断面半円状で径方向内側に窪み、軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って延在した複数の溝部５４が形成され、ボディ１４の一端部にセンサ１８を組み付ける際、位置決めピン２４がそれぞれ挿入されることで周方向への位置決めがなされる。換言すれば、センサ１８がボディ１４に対して回転してしまうことが規制される。

一方、ベース体３８の略中央部には、凹部５２とは反対側となる端面３８ａ側（矢印Ａ方向）に所定厚さで形成された略円形状のダイヤフラム部５６が設けられると共に、該ダイヤフラム部５６の表面には、歪みゲージとして機能する複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄが設けられている。この抵抗体４０ａ〜４０ｄは、例えば、スクリーン印刷等の厚膜印刷技術を用いて印刷され焼成されると共に、それぞれの抵抗体４０ａ〜４０ｄは一直線状となるように互いに所定間隔離間して配置される。なお、この抵抗体４０ａ〜４０ｄは、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）系の厚膜抵抗ペースト材を焼成することで形成される。

また、抵抗体４０ａ〜４０ｄに接続される配線４２及び電極４４が、導電性ペースト材を用いて印刷されてから焼成され、この配線４２はベース体３８の外縁部に設けられた各電極４４にそれぞれ接続されている。

第１保護膜４６は、図２に示されるように、例えば、ベース体３８の端面３８ａに対して各抵抗体４０ａ〜４０ｄを覆うように設けられ、低融点ガラスを印刷して焼成することによって形成される。これにより、各抵抗体４０ａ〜４０ｄが保護され、且つ、絶縁性が確保される。

第２保護膜４８は、前記第１保護膜４６を覆うように設けられ、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機材料を印刷して焼成することで形成される。

また、ベース体３８の端面３８ａには、図２及び図３に示されるように、ダイヤフラム部５６の径方向外側となる位置に前記端面３８ａから所定高さだけ突出した複数の凸部５０を有する。この凸部５０は、例えば、長方形状でダイヤフラム部５６に対して約２０〜４０μｍの高さで形成され、抵抗体４０ａ〜４０ｄ等と同一の材料から形成される。また、凸部５０は、抵抗体４０ａ〜４０ｄを印刷する際、同一の材料且つ同一高さで同時に印刷して焼成すると好適である。

この凸部５０は、例えば、ベース体３８の中心を支点として互いに等角度毎離間するように複数（例えば、４個）設けられる。凸部５０の位置は、ホルダ１６をボディ１４に対して螺合させ締結する際、ホルダ１６からセンサ１８の端面へと垂直方向（矢印Ｂ方向）に荷重（締付荷重）が付与された際に、該荷重によって前記ダイヤフラム部５６に設けられた抵抗体４０ａ〜４０ｄが歪みにくい位置（角度）となるように設定される。さらに、凸部５０は、ダイヤフラム部５６に対してなるべく径方向外側へと離間した位置に設けると好適である。

なお、ここでは、凸部５０が、ベース体３８における溝部５４に対して周方向に約４５°だけオフセットした位置となるように４箇所設けられた場合について説明する。

そして、ホルダ１６の内部にセンサ１８が収納された状態で、該ホルダ１６とボディ１４とを締結する際、前記ホルダ１６の押え部３４が前記センサ１８の凸部５０へと当接し、垂直方向（軸方向）に働く締付荷重が前記凸部５０へ付与された状態で固定される。

また、上述した第１及び第２保護膜４６、４８は、凸部５０まで覆うように形成してもよい。

本発明の実施の形態に係る圧力センサ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に抵抗体４０ａ〜４０ｄを含むセンサ１８の製造方法について説明する。

先ず、例えば、酸化アルミニウム等のセラミック材料からなるベース体３８に対して洗浄、ベーキング等を行うことで表面処理を施す。

次に、上述したベース体３８の端面３８ａに対して、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ等を含んだ導電性ペースト材を用いてスクリーン印刷等によって配線４２を印刷した後、焼成させて結着させる。

次に、ルテニウム（Ｒｕ）系の厚膜抵抗ペースト材を用いて抵抗体４０ａ〜４０ｄを印刷し、焼成する。この複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄは一直線状に形成される。

次に、抵抗体４０ａ〜４０ｄを覆うようにベース体３８の端面３８ａに対して低融点ガラスを印刷して焼成させることで第１保護膜４６を形成する。これにより、抵抗体４０ａ〜４０ｄが保護されると同時に防湿性と絶縁性とが確保される。

次に、上述した抵抗体４０ａ〜４０ｄの印刷ばらつきに起因した抵抗値のばらつきを調整するため、例えば、レーザ等によって前記抵抗体４０ａ〜４０ｄと直列又は並列に接続された図示しない調整用厚膜抵抗のトリミングを行う。

最後に、第１保護膜４６を覆うように、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機材料からなる第２保護膜４８を印刷して焼成することでトリミング部の保護を行ってセンサ１８の製造が完了する。

なお、上述した第１及び第２保護膜４６、４８は、抵抗体４０ａ〜４０ｄのみを覆うように形成してもよいし、複数の凸部５０を覆うようにセンサ１８の外縁部近傍まで設けるようにしてもよい。

次に、上述したように製造されたセンサ１８を含む圧力センサ１０の組み付け方法について説明する。

先ず、ボディ１４の他端部を下方（矢印Ｂ方向）とした状態で、その一端部の環状溝にシールリング２２を装着し、凹部５２が前記ボディ１４側（矢印Ｂ方向）となるようにセンサ１８を載置する。これにより、センサ１８の凹部５２とボディ１４の流路１２とが連通した状態となる。この際、センサ１８の溝部５４には、前記ボディ１４の一端部に立設した位置決めピン２４が挿通されることで回転方向に位置決めされる（図３参照）。

次に、センサ１８を覆うように円筒状のホルダ１６をボディ１４の一端部側へと移動させ、その内部に前記センサ１８を収納した状態で、回転させることでめねじ部３６を前記ボディ１４の第１ねじ部２０に対して螺合させていく。そして、ホルダ１６の押え部３４がセンサ１８における複数の凸部５０に対して当接することで、前記ホルダ１６と前記ボディ１４の一端部との間にセンサ１８が挟持され固定される。これにより、ボディ１４とホルダ１６との間にセンサ１８が固定され圧力センサ１０の組み付けが完了する。

この際、ホルダ１６からセンサ１８の端面３８ａへと付与される軸方向（矢印Ｂ方向）に沿った締付荷重は、該端面３８ａに直接付与されることはなく、該端面３８ａから突出した各凸部５０へと付与されることとなる。そのため、センサ１８の端面３８ａに設けられた抵抗体４０ａ〜４０ｄの歪みが極力抑制される。

また、センサ１８の下面がシールリング２２へと当接することで、流路１２から凹部５２へと導入された圧力流体が外周側へと漏出することが防止される。

次に、上述したように組み付けられた圧力センサ１０の動作について簡単に説明する。なお、圧力センサ１０は、ボディ１４の他端部が図示しない流体圧機器のポートに螺合され取り付けられている状態とする。

図示しない流体圧機器から圧力流体がボディ１４の流体導入ポート２８を通じて流路１２へと導入され、該圧力流体が流路１２に沿ってセンサ１８側（矢印Ａ方向）へと流れ、凹部５２内に導入されることでダイヤフラム部５６が前記圧力流体の圧力によって押圧され撓む。

このダイヤフラム部５６に設けられた抵抗体４０ａ〜４０ｄが撓みに応じた歪みを電気信号へと変換した後、配線４２を通じて電極４４へと出力する。そして、電極４４に接続された各リード線５８を通じて電圧が図示しない計測装置等へと出力され、該電圧に基づいた圧力流体の圧力が計測される。

以上のように、本実施の形態では、ホルダ１６をボディ１４に対して螺合させ圧力センサ１０を組み付ける際、前記ホルダ１６からの荷重をセンサ１８の外縁部、且つ、歪みにくい位置に設けられた複数の凸部５０で受けることで、抵抗体４０ａ〜４０ｄの設けられたダイヤフラム部５６に歪みが生じることを抑制しつつ、歪み量を略一定とすることが可能となる。その結果、圧力センサ１０の組み付けばらつきに起因したセンサ１８の検出圧力のばらつきが抑制され、それに伴って、内部応力の発生に起因したオフセット電圧を小さくすることができるため、製造時に必要とされる前記圧力センサ１０の校正を容易に行うことができる。

また、抵抗体４０ａ〜４０ｄの歪みを特に考慮することなく、単にボディ１４に対してホルダ１６を組み付けるだけで前記歪みの抑制された圧力センサ１０を構成することができるため、組付性を良好とすることができる。

さらに、センサ１８の端面３８ａに、抵抗体４０ａ〜４０ｄと同一厚みで形成された凸部５０を設けることで、前記抵抗体４０ａ〜４０ｄを覆うように第１及び第２保護膜４６、４８を形成した後に、該第１及び第２保護膜４６、４８で覆われていない凸部５０の厚さと比較することで、抵抗体４０ａ〜４０ｄの厚さを確認することが可能となる。これにより、センサ１８の製造工程全てが完了した後に、膜厚を確認することで品質管理を容易に行うことができる。

さらにまた、圧力センサ１０を組み付ける際に生じた内部応力が、例えば、周囲温度の変化、振動及び衝撃の付与等によって解放された場合でも、初期のオフセット電圧が小さく抑制されているため、前記内部応力の変化が小さい。そのため、圧力センサ１０を長年にわたって使用した場合の経年変化も小さく抑制される。

一方、凸部５０は上述したように断面長方形状で溝部５４から４５°毎オフセットした位置に設けられる場合に限定されるものではなく、例えば、図４Ａに示されるセンサ６０のように、各溝部５４と同一角度となる位置にそれぞれ凸部６２を設けるようにしてもよい。すなわち、各凸部６２は、圧力センサ１０の組み付け状態において、センサ６０に設けられた抵抗体４０ａ〜４０ｄの歪みが抑制可能な位置に配置されていればよい。

さらに、ホルダ１６からの締付荷重に対応可能であれば、図４Ｂに示されるセンサ７０のように凸部７２を円形状に形成するようにしてもよい。このように凸部７２を形成することで、長方形状に形成した場合と比較して凸部７２を小さく構成できるため、配置の自由度を高められたり、製造コストの削減を図れる等の利点が得られる。

さらにまた、図４Ｃに示されるセンサ８０のように凸部８２を等間隔で３箇所設けるようにしてもよいし、図４Ｄに示されるセンサ９０のように、各凸部９２の形状をそれぞれ異なる形状で形成するようにしてもよい。

また、凸部５０、６２、７２、８２、９２は互いに等間隔離間するように形成される場合に限定されるものではなく、不等間隔で離間させ配置するようにしてもよい。すなわち、ホルダ１６からの荷重が付与された際、ダイヤフラム部５６における歪みの発生を抑制可能な位置であればよい。

また、上述したようにホルダ１６からの荷重を直接凸部５０で受ける構造に限定されるものではなく、例えば、図５に示される圧力センサ１００のように、ホルダ１６とセンサ１８の凸部５０との間に環状のスペーサ１０２を設け、該ホルダ１６を組み付ける際に付与される垂直荷重をスペーサ１０２を介して凸部５０で受けるようにしてもよい。なお、スペーサ１０２は、例えば、黄銅やステンレス鋼から形成される。

このように、ホルダ１６とセンサ１８との間にスペーサ１０２を介在させることで、前記ホルダ１６を回転させながらボディ１４へと締結する際、予めスペーサ１０２を凸部５０に当接させるように配置しておくことで、前記ホルダ１６と前記凸部５０との摺動を防止することが可能となるため、前記凸部５０に傷や摩耗等が生じることがなく、前記凸部５０が常に一定高さで維持される。

また、ホルダ１６をボディ１４に対して締結する際、前記ホルダ１６の押え部３４の表面粗さによっては接触時の摩擦力によって軸力（締結力）が低下してしまうことがあるが、スペーサ１０２を設けることで該スペーサ１０２を介してセンサ１８へと軸力が付与されるため、既定の締付力でより強固に固定することが可能となる。

さらに、例えば、スペーサ１０２を凸部５０よりやや低硬度の材質からなるワッシャとすることで、多少の凹凸がある凸部５０に対して面接触させることができるため、前記凸部５０へかかる面圧を低下させることが可能となる。その結果、凸部５０に対して点接触となってしまった場合に懸念される該凸部５０の割れ等を防止することができる。

さらにまた、スペーサ１０２をホルダ１６より硬度の低い材質で形成することで、前記ホルダ１６から付与される垂直荷重をスペーサ１０２によって好適に分散させ、センサ１８側への付与を緩和することが可能となる。これにより、センサ１８に設けられた抵抗体４０ａ〜４０ｄの歪みをより一層抑制することができ、オフセット電圧の低下を図ることが可能となる。

なお、本発明に係る圧力センサは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０、１００…圧力センサ１４…ボディ
１６…ホルダ１８、６０、７０、８０、９０…センサ
２２…シールリング３４…押え部
３８…ベース体４０ａ〜４０ｄ…抵抗体
４６…第１保護膜４８…第２保護膜
５０、６２、７２、８２…凸部５６…ダイヤフラム部
１０２…スペーサ

Claims

圧力流体の導入される流路を有したボディと、該ボディの端部に設けられ前記流路に臨む薄膜状のダイヤフラム部を有したセラミック製のセンサと、前記センサが内部に収納された状態で前記ボディの端部へと連結されるホルダとを有し、前記ホルダの外縁部に形成された押え部によって前記センサを前記ボディ側へと押圧して固定する圧力センサにおいて、
前記センサには、略中央部の前記ダイヤフラム部に抵抗体が設けられ、該抵抗体の外周側となり前記押え部に臨む位置に、該ホルダ側に向かって突出した凸部が設けられることを特徴とする圧力センサ。
請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記凸部は、前記センサの周方向に沿って互いに離間した複数設けられることを特徴とする圧力センサ。
請求項１又は２記載の圧力センサにおいて、
前記凸部は、前記ボディの軸線方向から見て矩形状又は円形状に形成されることを特徴とする圧力センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記抵抗体は保護膜によって覆われることを特徴とする圧力センサ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記ホルダと前記センサとの間に挟持されるスペーサが設けられることを特徴とする圧力センサ。
請求項５記載の圧力センサにおいて、
前記スペーサは前記ホルダよりも低硬度の材質から形成されることを特徴とする圧力センサ。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記凸部は、前記抵抗体と共にスクリーン印刷で形成されることを特徴とする圧力センサ。