JP6410105B2 - 圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

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及びその製造方法に関する。

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、表面に複数の抵抗体の設けられたセラミック製のセンサを有し、前記センサがボディの内部に収納された状態で、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抵抗体が歪むことで、該歪みに応じた出力電圧から圧力が検出される。この抵抗体は、例えば、スクリーン印刷等の厚膜印刷によってセンサの表面に対して略菱形状となるように印刷された後、焼成することで形成されている。

欧州特許第２１７５２５２号明細書

しかしながら、上述した圧力センサでは、複数の抵抗体が略菱形状に配置されているため、スクリーン印刷においてスクリーンマスクを用いて前記抵抗体をペースト材によって印刷する際、その配置から同時に印刷することができず、印刷タイミングのわずかなずれが生じることとなる。

その結果、この抵抗体の印刷タイミングのずれに起因し、各抵抗体の印刷条件に差が生じると共に膜厚が不均一となってしまい、各抵抗体の抵抗値にばらつきが生じてしまうため、その調整作業が煩雑となり、製造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、複数の抵抗体を容易且つ均一に製造することで品質及び製造性の向上を図ることが可能な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。

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を備えた圧力センサにおいて、
ダイヤフラム部には、ルテニウム系の厚膜抵抗ペースト材を焼成する厚膜印刷によって印刷された複数の抵抗体が互いに所定間隔離間して一直線状に設けられると共に、抵抗体を覆う第１及び第２の保護膜を備え、抵抗体の装着されるセンサの端面には、ダイヤフラム部の径方向外側となる位置に凸部が設けられ、凸部が抵抗体と同一材料且つ同一高さで形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ボディの端部にセラミック製のセンサの設けられた圧力センサにおいて、センサにおける薄膜状のダイヤフラム部には厚膜印刷によって印刷された複数の抵抗体が互いに所定間隔離間して一直線状に設けられている。

従って、複数の抵抗体を厚膜印刷によって印刷する際、抵抗体を同時に印刷することが可能となるため、印刷条件及び膜厚を均一とすることで品質の向上を図ることができると同時に、抵抗体の調整作業を不要とすることができるため、製造性の向上が可能となる。

また、抵抗体を、少なくとも一列以上設けるとよい。

さらに、本発明は、セラミック製のセンサを有した圧力センサを製造する製造方法において、
センサに対して表面処理を施した後、センサの端面に対して導電性ペースト材を用いて配線を厚膜印刷によって印刷して焼成させる工程と、
ルテニウム系の厚膜抵抗ペースト材をスクリーンマスクに対して掻くことで、厚膜抵抗ペースト材を掻く方向と直交方向に複数の抵抗体を厚膜印刷によって同時に一直線状に印刷して焼成させる工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、センサの端面に対して導電性ペースト材から配線を厚膜印刷によって印刷して焼成させた後に、厚膜抵抗ペースト材を掻く方向に対して直交するように一直線状に配置した複数の抵抗体を厚膜印刷によってセンサの端面に対して印刷して焼成させている。

従って、複数の抵抗体を厚膜抵抗ペースト材によって同時にセンサに対して印刷することができるため、その印刷条件及び膜厚を同一とすることができ、それに伴って、各抵抗体における抵抗値を均一とすることが可能となる。その結果、各抵抗体における抵抗値の調整作業が不要となり、製造性の向上を図りつつ容易に品質の高い圧力センサを得ることができる。

また、抵抗体を低融点ガラスからなる第１の保護膜で覆う工程と、抵抗体の抵抗値が調整された後に第１の保護膜を有機材料からなる第２の保護膜で覆う工程とを有するとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、センサの端面に対して導電性ペースト材から配線を厚膜印刷によって印刷して焼成させた後に、厚膜抵抗ペースト材を掻く方向に対して直交するように一直線状に配置される複数の抵抗体を厚膜印刷によってセンサの端面に対して印刷して焼成させることで、複数の抵抗体をセンサに対して同時に印刷できるため、その印刷条件及び膜厚を均一とすることができ、それに伴って、各抵抗体における抵抗値を同一とすることが可能となる。その結果、各抵抗体における抵抗値の調整作業が不要となり、製造性の向上を図りつつ容易に品質の高い圧力センサを得ることができる。

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は、図３における抵抗体の配置を示すセンサの正面図であり、図４Ｂは、従来技術に係る抵抗体の配置を示したセンサの正面図である。

本発明に係る圧力センサ及びその製造方法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、図３に示されるように、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、防湿性及び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、断面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配線４２をスクリーン印刷等によって印刷した後、焼成させて結着させる。

次に、図示しないスクリーンマスク上にルテニウム（Ｒｕ）系の厚膜抵抗ペースト材を置き、スキージ（図示せず）で直線状（図４Ａ中、矢印Ｃ方向）に掻いていくことで印刷パターンから送出された前記厚膜抵抗ペースト材によって抵抗体４０ａ〜４０ｄを印刷する。この際、図４Ａに示されるように、図示しないスキージによって厚膜抵抗ペースト材を掻いていく方向（矢印Ｃ方向）は、並列且つ一直線状に配置される抵抗体４０ａ〜４０ｄと直交した方向となる。

そのため、複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄは、スクリーンマスクに形成された印刷パターンを介して厚膜抵抗ペースト材がベース体３８の端面３８ａに対して同時に印刷されることとなる。

換言すれば、図４Ｂに示される従来技術に係るセンサ１８ａのように複数の抵抗体６０ａ〜６０ｄが一直線状ではなく、例えば、略菱形状に配置された場合には、例えば、矢印Ｃ方向に厚膜抵抗ペースト材を掻いて印刷する際、最初に抵抗体６０ａが、次に抵抗体６０ｂ、６０ｃが同時に、最後に抵抗体６０ｄが印刷されることとなる。すなわち、複数の抵抗体６０ａ〜６０ｄを印刷する際、その印刷タイミングに時間差が生じてしまうため、印刷条件に差が生じると同時に膜厚にも差が生じることとなる。

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に印刷ばらつきが生じている場合には、その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、上述したようにセンサ１８の製造された圧力センサ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、圧力センサ１０を構成するセンサ１８の端面３８ａに、ルテニウム（Ｒｕ）系の厚膜抵抗ペースト材から複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄを一直線状に配置することにより、例えば、スクリーン印刷によって複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄを同時に印刷することが可能となる。

その結果、複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄを設ける場合でも、各抵抗体４０ａ〜４０ｄの印刷条件を同一とし、且つ、その膜厚を均一とすることができるため、複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄにおける抵抗値を同一とすることが可能となり、抵抗体４０ａ〜４０ｄの抵抗値を調整するためのトリミング作業を不要とすることができ、容易に製造時間の短縮を図ることが可能となることで、製造性の向上並びに品質の向上を図ることができる。

なお、複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄは、上述したように一列で一直線状に設けられる場合に限定されるものではなく、例えば、二列でそれぞれ一直線状に形成される場合にも同時に印刷して形成することが可能となるため、印刷条件及び膜厚の均一化を図ることで、製造時間のさらなる短縮化を図ることができる。

また、複数の抵抗体４０ａ〜４０ｄの抵抗値が同一となることで、例えば、周辺温度が変化しても各抵抗体４０ａ〜４０ｄの抵抗値が同じように変化するため、その温度特性を良好とすることが可能となる。

なお、本発明に係る圧力センサ及びその製造方法は、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…圧力センサ １２…流路
１４…ボディ １６…ホルダ
１８…センサ ３８…ベース体
４０ａ〜４０ｄ…抵抗体 ４２…配線
４４…電極 ４６…第１保護膜
４８…第２保護膜 ５０…凸部
５６…ダイヤフラム部

Claims (5)

1. 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を備えた圧力センサにおいて、
   前記ダイヤフラム部には、ルテニウム系の厚膜抵抗ペースト材を焼成する厚膜印刷によって印刷された複数の抵抗体が互いに所定間隔離間して一直線状に設けられると共に、前記抵抗体を覆う第１及び第２の保護膜を備え、前記抵抗体の装着される前記センサの端面には、前記ダイヤフラム部の径方向外側となる位置に凸部が設けられ、前記凸部が前記抵抗体と同一材料且つ同一高さで形成されることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記抵抗体は、少なくとも一列以上設けられることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１又は２記載の圧力センサにおいて、
   前記第１の保護膜は、低融点ガラスを印刷して焼成することで前記抵抗体を覆うように形成され、前記第２の保護膜が、前記第１の保護膜を覆うように有機材料を印刷して焼成することで形成されることを特徴とする圧力センサ。
4. セラミック製のセンサを有した圧力センサを製造する製造方法において、
   前記センサに対して表面処理を施した後、該センサの端面に対して導電性ペースト材を用いて配線を厚膜印刷によって印刷して焼成させる工程と、
   ルテニウム系の厚膜抵抗ペースト材をスクリーンマスクに対して掻くことで、該厚膜抵抗ペースト材を掻く方向と直交方向に複数の抵抗体を厚膜印刷によって同時に一直線状に印刷して焼成させる工程と、
   を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法において、
   前記抵抗体を低融点ガラスからなる第１の保護膜で覆う工程と、
   前記抵抗体の抵抗値が調整された後に前記第１の保護膜を有機材料からなる第２の保護膜で覆う工程と、
   を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。

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