JP6860409B2

JP6860409B2 - 圧力センサを製造する方法

Info

Publication number: JP6860409B2
Application number: JP2017082778A
Authority: JP
Inventors: フェルディナンドズヴェイゼアルベール; ヨーンペータークレイセンヴェルナー; ヘンドリヤコブスフランク; ヘッツァーヴィエルスマデッデ
Original assignee: センサータテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: CN107449537B; US20170307457A1; EP3236226B1; JP2017194467A; CN107449537A; KR20170120040A; US10871413B2; EP3236226A1; KR102313908B1

Description

本発明は、デバイス内の流体圧力を測定するためのひずみゲージベースの圧力センサを製造する方法に関する。より具体的には、本発明は、流体検知側およびひずみ検知側を有する円形膜上のひずみゲージの位置を決定するための方法に関する。本発明は、円形膜に取り付けられたひずみゲージを備える圧力センサにさらに関する。

車両内の流体圧力などの圧力を測定するのに、ひずみゲージベースの圧力変換器が使用される。一体型ホイートストンブリッジを利用するひずみゲージベースの圧力変換器は、高過圧能力、高出力、低オフセットおよび線形出力を示す。

従来の圧力変換器は、通常、金属圧力ポート要素の膜に接着された４つのひずみゲージを利用する。膜は、流体圧力に晒される流体側とひずみ検知側を有する。当技術分野においてよく知られているように、圧力が隔膜に印加されると、２つのひずみゲージが圧縮状態にされ、２つのひずみゲージが伸長状態にされるように、ひずみゲージが膜のひずみ検知側に位置付けられる。

ＥＰ２７３５８５５は、圧縮ひずみの膜の中心から第１の距離にハーフホイートストンブリッジの１つのひずみゲージを、また引張ひずみの膜の中心から第２の距離にハーフホイートストンブリッジのもう１つのひずみゲージを位置付け、一対のひずみゲージの抵抗値から導出された電気信号の精度を高めることが可能であることを開示している。

しかしながら、圧力センサをデバイスに装着した後、金属圧力ポート要素に作用する寄生的な力（ｐａｒａｓｉｔｉｃｆｏｒｃｅ）が、センサの出力信号における誤差をもたらす。寄生的な力は、金属圧力ポートに作用する流体圧力以外の力であり、たとえば、装着力（ｍｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒｃｅ）、熱的不整合力およびパッケージ力（ｐａｃｋａｇｅｆｏｒｃｅ）から成る可能性がある。誤差は、寄生的な力の大きさと、金属圧力ポートに作用する力の位置および向きによって決まる。金属圧力ポート要素は、センサとデバイスとの間にハーメチックシール（気密封止）をもたらす密封面を備える。寄生的な力は、密封面または金属圧力ポートのその他の場所に作用する、均一な力、点力（ｐｏｉｎｔｆｏｒｃｅ）、または均一な力と点力との組み合わせの形態である可能性がある。寄生的な力によるセンサの出力信号における誤差がかなり目立つ場合がある。

本発明の目的は、流体圧力以外の膜に作用する力により出力信号における感度が低下したデバイス内の流体圧力を測定するためのひずみゲージベースの圧力センサを製造する方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する、デバイス内の流体圧力を測定するための圧力センサを製造する方法によって達成される。有利な実施形態、および本発明を実行するさらなる方法は、従属項に述べられた手段によって実現され得る。

本発明による、デバイス内の流体圧力を測定するための圧力センサを製造する方法は、
−ポート要素を提供することであって、ポート要素が、密封構造と、流体圧力に晒される流体側、ひずみ検知側および中心軸を有する膜とを備え、密封構造が、ポート要素がデバイスの開口部に取り付けられる際に密封をもたらし、膜が膜中心軸を有し、ポート要素がポート中心軸を有する、ことと、
−流体圧力が円形膜に印加されると、２つのひずみゲージが圧縮ひずみ状態にされ、２つのひずみゲージが引張ひずみ状態にされるように、４つのひずみゲージをひずみ検知側に位置付けることと、
−４つのひずみゲージを接続して、ホイートストンブリッジ回路を形成することと、を含む。

本方法は、本方法が位置決定動作をさらに含み、該位置決定動作が、
−ポート要素の数学的モデルを生成するステップと、
−第１の有限要素動作が、数学的モデルを使用した有限要素アルゴリズムを用いて、円形膜の検知側で、膜中心軸の周りの圧力に対して一様な第１のひずみ感度を有する第１の半径の第１の円すなわち等高線と、膜中心軸の周りの圧力に対して一様な第２のひずみ感度（逆の符号の）を有する第２の半径の第２の円すなわち等高線とを決定するステップであって、流体圧力シミュレーションが膜に印加される場合、第１の円すなわち等高線上の面の圧縮度が、第２の円すなわち等高線上の面の伸長度と等しい、ステップと、
−第２の有限要素動作が、数学的モデルを使用した有限要素アルゴリズムを用いて、第１の円すなわち等高線上で、４つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージ用の第１の位置および４つのひずみゲージのうちの第４のひずみゲージ用の第４の位置と、また第２の円すなわち等高線上で、４つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージ用の第２の位置および４つのひずみゲージのうちの第３のひずみゲージ用の第３の位置とを決定するステップであって、特有の寄生的な力が、密封構造上の任意の場所またはポート要素の任意のその他の場所に印加される場合、対応する決定された４つの位置に取り付けられた４つのひずみゲージを備えるシミュレートされたホイートストンブリッジによって測定された最も高い誤差信号と最も低い誤差信号との間の差が最小である、ステップと、を含むことをさらに特徴とする。

膜のひずみ検知側に４つのひずみゲージを取り付ける際、４つのひずみゲージのうちの２つが、第１の円すなわち等高線上の第１および第４の位置に位置付けられ、その他の２つのひずみゲージが、第２の円すなわち等高線上の第２および第３の位置に位置付けられる。

ＥＰ２７３５８５５は、圧縮ひずみ状態にされるひずみゲージの位置が、同心膜の中心から第１の距離Ｒ１にあり、引張ひずみ状態にされるひずみゲージの位置が、同心膜の中心から第２の距離Ｒ２にあることを教示している。したがって、圧縮ひずみ状態にされる２つのひずみゲージの位置は、半径Ｒ１の円上のどの場所でもあり得、引張ひずみ状態にされる２つのひずみゲージは、半径Ｒ２の円上のどの場所でもあり得る。これは、膜の円形対称寸法によるものである。ハーフブリッジを形成する２つのひずみゲージの２つの構成がＵＳ７４１２８９２に開示されているように１８０°と９０°の角度に位置付けられているような構成が文献において見られるのはこのためである。本発明は、ポート要素の周縁に寄生的な力を印加したときに、４つのひずみゲージで形成されたフルホイートストンブリッジの出力信号にもたらされた誤差が、ポート要素上の寄生的な力が印加された、また膜上のひずみゲージが位置付けられた場所と、膜上のそれぞれのひずみゲージのひずみ感応方向がどの方向かによって決まる、という趣旨に基づく。各ハーフブリッジゲージの組み合わせは、それ自体の寄生的な力の誤差に特有な曲線を有する。事前定義の寄生的な力を受ける膜の中心の周りの２つのハーフブリッジゲージ間の適切な回転角度を選択することによって、フルホイートストンブリッジの出力信号における、寄生的な力による最大誤差と最小誤差との間の差が、圧力センサに対して最小限に抑えられる可能性があることが確認されている。さらに、６角ポートプラグとして知られている、第６次圧力ポート要素の別個の回転対称ポート要素の場合、ポート要素の外側に作用するあらゆる寄生的な力による誤差におけるバラツキが最小で、流体の圧力を測定する際の感度に優れた、膜上の４つのひずみゲージ用の位置を見つけるのにも、この方法が使用される可能性がある。同心すなわち円形膜では、膜に作用する流体力を受ける、一様なひずみの検知側上の等高線は、円形である。たとえばＭＥＭＳ技術によって製造された圧力センサは、非円形周端の膜を有することがある。非円形周端の膜の場合、等高線は、膜周端の形状と円形との間の形状を有する。

一実施形態において、第１の有限要素動作は、検知側上の半径方向の圧縮ひずみ度を使用して第１の等高線を決定し、検知側上の半径方向の引張ひずみ度を使用して第２の等高線を決定する。代替的な一実施形態において、第１の有限要素動作は、検知側上の半径方向の圧縮ひずみ度を使用して第１の等高線を決定し、また検知側上の接線方向の引張ひずみ度を使用して第２の等高線を決定する。これらの特徴は、膜に作用する流体圧力に対する最良の感度を提供する、ゲージの位置付けのための第１および第２の等高線を見つけることを可能にする。次に、ポート要素に作用する寄生的な力に最も影響を受けない、等高線上のひずみゲージ用の組み合わせ位置を見つけるための開始点として、等高線が使用される。

一実施形態において、第２の有限要素動作が、有限要素アルゴリズムを用いて、密封構造に作用する均一な力をシミュレートすることによって、４つのひずみゲージの第１から第４の位置をさらに決定し、シミュレートされたホイートストンブリッジによって測定された最も高い誤差信号は、最小である。この特徴は、圧力センサの出力信号における予測できない装着力の影響を少なくすることをさらに可能にする。

第２の態様において、デバイス内の流体圧力を測定するための圧力センサが提供される。圧力センサは、金属ポート要素を備える。金属ポート要素は、密封構造と、流体圧力に晒される流体側およびひずみ検知側を有する膜とを備える。膜は、中心軸をさらに備える。密封構造は、ポート要素がデバイスの開口部に添着される際に密封をもたらす。４つのひずみゲージは、流体圧力が円形膜に印加されると、２つのひずみゲージが圧縮状態にされ、２つのひずみゲージが伸長状態にされるような位置において、ひずみ検知側に取り付けられる。４つのひずみゲージは、電子的に接続され、ホイートストンブリッジ回路を形成する。４つのひずみゲージの位置は、添付の方法請求項のいずれか一項によって定義されるような位置決定動作によって決定される。本出願において説明される方法により４つのひずみゲージの最適な位置を予め決定することによって、寄生的な力に対する感度が最小であるような最良の位置が、特定の用途ごとに見つけられ得る。たとえば、低圧検知用途、高圧検知用途、自動車用途、家庭用途などである。

その他の特徴および利点は、例示として、実施形態の様々な特徴を図示する添付図面に関連してなされる、以下の発明を実施するための形態から、明らかになるであろう。

これらとその他の態様、特性および利点が、同じ参照番号が同じまたは類似の部分を示す以下の図面を参照して、以下の発明を実施するための形態に基づき、以下に説明されることになる。

ひずみゲージベースの圧力センサ用のフルホイートストンブリッジを概略的に示す。圧力センサのモデルの斜視図を概略的に示す。図２におけるモデルの断面図を概略的に示す。図２におけるモデルの上面図を概略的に示す。膜のひずみ検知側における半径方向のひずみを半径の関数としたグラフを示す。それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージが１８０°の角度にある同心圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージが１８０°の角度にある同心圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージが１８０°の角度にある同心圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。ホイートストンブリッジの出力における誤差を図８におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示す。２つのハーフブリッジひずみゲージが９０°の角度にある、図６における同心圧力ポート要素の上面図を概略的に示す。ホイートストンブリッジの出力における誤差を図１０におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示す。それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージを有する非軸対称圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージを有する非軸対称圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージを有する非軸対称圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。ホイートストンブリッジの出力における誤差をハーフブリッジゲージが１８０°の角度にある図１４におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示す。２つのハーフブリッジひずみゲージが１２０°の角度にある図１２における非軸対称圧力ポート要素の上面図を概略的に示す。ホイートストンブリッジの出力における誤差を図１６におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示す。半径方向および接線方向のひずみを半径の関数とした、グラフを示す。

当業者に理解されるように、ひずみゲージベースの圧力センサは、ポート要素と、ポート要素の流体圧力感応部に取り付けられた４つのひずみゲージとを備える。４つのひずみゲージは、電気的に接続されて、ホイートストンブリッジを形成する。４つのひずみゲージは、流体圧力がポート要素の流体圧力感応部の流体圧力側に印加されると、２つのひずみゲージが圧縮ひずみ状態にされ、２つのひずみゲージが引張ひずみ状態にされるような、ひずみ検知側上の位置を有する。

図１は、ひずみゲージベースの圧力センサ用のホイートストンブリッジ回路図を概略的に示す。ホイートストンブリッジは、２つの並列分圧回路に電気的に相当するものである。Ｇ１とＧ２が、１つの分圧回路を構成し、Ｇ４とＧ３が第２の分圧回路を構成する。２つの分圧部の中間ノード間で、ホイートストンブリッジの出力が測定される。

試料に印加されたひずみにおける変化または温度シフトなどの物理的現象は、ホイートストンブリッジにおける検知要素の抵抗を変える。検知要素が試料における物理的変化に対応してもたらす、抵抗における小さなバラツキを測定するのを補助するために、ホイートストンブリッジ構成が使用される。

流体圧力が印加されると、ゲージＧ２およびＧ３は、引張ひずみ状態にされ、ゲージＧ１およびＧ４は、圧縮ひずみ状態にされる。圧縮ひずみが大きくなると、ひずみゲージの抵抗値の低下をもたらし、引張ひずみが大きくなると、ひずみゲージの抵抗値の上昇をもたらす。ひずみゲージのＧ１とＧ２が、ホイートストンブリッジのハーフブリッジを形成し、ひずみゲージのＧ３とＧ４が、もう１つのハーフブリッジを形成する。Ｇ１とＧ２との直列接続、ならびにＧ３とＧ４との直列接続は、１つの側で電圧Ｖ_Ｂに、もう１つの側で地面に結合される。ハーフブリッジを形成する２つのひずみゲージは、個々のひずみゲージがポート要素に取り付けられた形態であり得る。別の実施形態において、２つのひずみゲージが組み合わされ、ハーフブリッジひずみゲージとしても知られている、１つのひずみ検知要素を形成する。流体圧力が大きくなると、中間ノードＶ_Ｐにおける電圧が上がり、中間ノードＶ_Ｎにおける電圧が下がり、結果として、Ｖ_ＰとＶ_Ｎとの間の電圧が上がる。

図２は、圧力センサのモデルの斜視図を概略的に示し、本出願による、ひずみゲージベースの圧力センサを製造する方法を明らかにする。より具体的には、圧力ポートの膜部のひずみ検知側上の４つのひずみゲージの位置を決定するための方法を明らかにする。図３は、図２におけるモデルの断面図を概略的に示し、図４は、図２におけるモデルの上面図を概略的に示す。

圧力センサは、ポート要素１０を備える。ポート要素は、円形膜１２を有する流体圧力感応部、および密封構造１４を備える。圧力ポート１３を介して、デバイス内の流体圧力が、膜の流体圧力側に圧力による力を及ぼす。流体圧力側と反対側に、円形膜は、ひずみ検知側を備える。ひずみゲージは、たとえばＵＳ７４１２８９２Ｂ１に開示されたような、一般に知られている方法でポート要素に取り付けられる。

密封構造１４は、ポート要素１０がデバイスの開口部に取り付けられる際に、密封をもたらす。円形膜１２は、膜中心軸３０を有し、ポート要素は、ポート中心軸２０を有する。密封構造１４は、同心であり、ポート中心軸２０と一致する密封中心軸を有する。膜中心軸３０は、ポート中心軸２０と一致しない。

流体圧力が膜の流体圧力側に印加されると、半径Ｒ１の円Ｃ１上のゲージＧ１およびＧ４の下の面は、半径方向に圧縮ひずみ状態にされ、半径Ｒ２の円Ｃ２上のゲージＧ２およびＧ３の下の面は、半径方向に引張ひずみ状態にされる。これは、図５を用いて、明らかにされることになる。

図５は、膜のひずみ検知側における半径方向のひずみε＿ｒを半径の関数としたグラフを示す。正のひずみは、正の値のひずみであり、引張ひずみをもたらす特定の方向への面における伸長に対応する。負のひずみは、グラフでは負の値のひずみであり、圧縮ひずみをもたらす特定の方向への面における収縮に対応する。半径方向のひずみは、半径、すなわち中心軸３０までの距離が大きくなると小さくなることが分かる。約１．２ｍｍの半径では、半径方向のひずみは、ほぼゼロである。さらに半径が大きくなると、半径方向のひずみは、負になり、すなわち、半径方向に収縮する。最も大きな収縮は、２ｍｍの半径においてである。さらに半径が大きくなると、収縮量は少なくなる。

ひずみゲージに基づく圧力センサの作動原理は、検知電気素子の両方のひずみゲージが半径方向のひずみを測定するが、しかし２つの異なる半径においてであるということである。ひずみゲージの特徴は、ゲージが特定の方向のひずみに感応するということである。特定の方向が膜の半径に一致するようにひずみゲージを位置付けることによって、該ひずみゲージは、半径方向のひずみを検知することになり、ひずみゲージの抵抗値における変化は、膜の半径方向のひずみにおける変化により実質的に決まる。図２の円形検知構造の上面図を示す図４では、半径はＲ１とＲ２で示される。図５では、先行技術のハーフブリッジひずみゲージ、たとえばＵＳ７４１２８９２Ｂ１に開示されたようなＭＳＧ（ＭｉｃｒｏｆｕｓｅｄＳｉｌｉｃｏｎＳｔｒａｉｎＧａｇｅ、マイクロフューズドシリコンひずみゲージ）の２つの半径方向ゲージによって測定された半径領域が示される。圧力が膜の流体側に印加されると、図４における内側円Ｃ２上の内側ひずみゲージは、正のひずみ（引張ひずみ）を測定し、外側円Ｃ１上の外側ひずみゲージは、負のひずみ（圧縮ひずみ）を測定することが分かる。２つのひずみゲージがホイーストンブリッジのハーフブリッジにおいて使用される。

ひずみゲージの位置を決定する方法は、以下の動作を含む。

最初に、有限要素アルゴリズム用のポート要素の数学的モデルが、当業者に知られている方法において生成される。第２の動作において、有限要素アルゴリズムが使用され、円形膜の検知側で、ポート要素の数学的モデルを使用することによって、半径Ｒ１の膜中心軸３０の周りの第１の円Ｃ１、および半径Ｒ２の膜中心軸３０の周りの第２の円Ｃ２を決定し、円形膜に対して流体圧力がシミュレートされる場合、第１の円Ｃ１上の面の半径方向の圧縮度が、第２の円上の面の伸長度と等しい。第２の動作の結果は、半径方向のひずみを測定する際にハーフホイートストンブリッジの出力信号における最良の感度を有する、ハーフホイートストンブリッジの２つの抵抗器用の位置を提供する、Ｒ１とＲ２との１つの組み合わせを提供している。

続いて、有限要素アルゴリズムが使用され、第１の円Ｃ１上で第１の位置Ｇ１および第４の位置Ｇ４と、また第２の円Ｃ２上で第２の位置Ｇ２および第３の位置Ｇ３を決定し、密封構造上の任意の場所に寄生的な力が印加される場合、対応する決定された４つの位置に取り付けられた４つのひずみゲージを備えるシミュレートされたホイートストンブリッジによって測定された、最も高い誤差信号と最も低い誤差信号との間の差が最小になる。この第２の有限要素動作によって、ひずみゲージ用の最良の位置が、ポート要素のたとえば密封構造に作用する寄生的な力に最も影響を受けない、半径Ｒ１およびＲ２の円上で見つけられることになる。通常、ポート要素に作用する総装着力は全体的には分かっているが、この装着力が密封構造に沿ってどのように分散されるかは、多くの要因、たとえば、ポート要素の密封面の平面度やデバイスの対向密封面の平面度によって決まるので、この特徴は重要である。さらに、実際には、最も大きな装着力を有する密封構造上の点は、不明であり、その結果としてホイートストンブリッジの出力における誤差になる。デバイスに圧力センサをもっときつくねじ込んで、総装着力を少し大きくすることによって、ポート要素に作用する最も大きな力を有する点が、密封面上の別の位置に変わる可能性があり得る。特定の寄生的な力によるホイートストンブリッジの出力信号における誤差が、密封面に沿ってバラツキがあるということは、ハーフブリッジひずみゲージのその他の角度位置が、非均一装着力にそれほど影響を受けない圧力センサをもたらす可能性があるという洞察を与えている。このことは、以下の２つの例によって明らかにされることになる。

図６、図７、および図８は、それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージが１８０°の角度にある同心圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。密封構造１４は、同心であり、ポート中心軸２０に一致する密封中心軸を有する。さらに、膜中心軸３０は、ポート中心軸２０に一致する。

図９は、ホイートストンブリッジの出力における誤差を図７におけるポート要素の密封面１４に作用する点力の向き／角度の関数とした、グラフを示す。図７では、向きは、矢印０°、９０°、１８０°および２７０°で示される。グラフは、図１におけるホイートストンブリッジのゲージＧ１およびＧ２を備えるハーフブリッジＧ１２の出力における誤差（ΔＶ_Ｐ）が、点力の向きによりバラツキがあることを示す。誤差ΔＶ_Ｐの曲線は、正弦波コースをとる。最も高い誤差値は、約８０°においてであり、もう１つのトップは、約２６０°においてである。最も低い誤差値は、約３４５°においてであり、もう１つの最低は、１７０°においてである。２つのトップ値も２つのボトム値も、異なっており、それは、同心膜を備えるポート要素の上部の平坦な側によるものである。この平坦な側により、ポート要素は、完全には同心ではなく、このことが、間隔０〜１８０°と間隔１８０〜３６０°とで、異なる曲線をもたらす。

誤差ΔＶ_Ｎの曲線も正弦波コースをとる。最も高い誤差値は、約１５°においてであり、もう１つのトップは、約１９５°においてである。最も低い誤差値は、約１００°においてであり、もう１つの最低は、２８０°においてである。

ホイートストンブリッジの出力における誤差は、四角印の「点力誤差」の名称の実線に対応する。この誤差は、以下の式によって求められ得る。
点力誤差（ｘ）＝ΔＶ_Ｐ（ｘ）−ΔＶ_Ｎ（ｘ）（１）
ここで、ｘは、密封面における点力の角度であり、０≦ｘ＜３６０の値を有する。

さらに、図９のグラフでは、均一な力による誤差の曲線が示される。この誤差は、向きに関係がなく、一定値の線である。

図１０は、２つのハーフブリッジひずみゲージが９０°の間隔にある、図６における同心圧力ポート要素の上面図を概略的に示し、図１１は、ホイートストンブリッジの出力における誤差を図１０におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示す。図１１におけるΔＶ_Ｐの曲線は、ハーフブリッジひずみゲージＧ_１２がポート要素上の同じ位置にあるので、図９におけるΔＶ_Ｐの曲線と同じである。図１１におけるΔＶ_Ｎの曲線は、図９におけるΔＶ_Ｎの曲線の９０°シフトした型のように見える。ΔＶ_Ｎの曲線は、膜を備えるポート要素の上部の平坦な側により均等ではない。このことは、ポート要素が完全には同心ではないという事実によって生じる。

図９と図１１とで曲線を比較すると、図１１におけるホイートストンブリッジの出力信号における最大誤差と最小誤差との間の差（点力誤差）は、図９におけるホイートストンブリッジの出力信号における最大誤差と最小誤差との間の差（点力誤差）よりも小さいことが分かる。この特定の例では、この差は、１／４程度に改善される。このことは、ハーフブリッジひずみゲージが９０°の間隔にある構成が、ハーフブリッジひずみゲージが１８０°の間隔にある構成よりも、密封面の不完全さにあまり影響を受けないことを意味する。さらに、密封構造に作用する均一な力によって生じる誤差の値を比較すると、ホイートストンブリッジの出力における誤差の値がほとんど同じであることが分かる。ポート要素製作物の平坦な側が完全には同心ではないことによって差が生じる。

図１２、図１３、および図１４は、それぞれ、２つのハーフブリッジひずみゲージを備える非軸対称圧力ポート要素の斜視図、断面図および上面図を概略的に示す。この実施形態において、膜１２の中心軸は、ポート要素の中心軸２０と一致しない。ポート要素の中心軸２０は、ポート要素のねじ込み式胴体部１１がデバイスにねじ込まれる場合の、ポート要素の回転軸である。中心軸２０は、ポート要素の密封構造の中心軸でもある。この実施形態では、ポート要素は、その開口側がポート要素のねじ込み式胴体部を通る通路の端に気密に取り付けられた、有底金属管１５を備える。有底金属管１５は、流体における圧力は別にして、デバイス内の流体の温度も検知するように、有底端に温度センサを位置付けるのに使用され得る。

図１５は、２つのハーフブリッジゲージＧ_１２、Ｇ_３４およびホイートストンブリッジの出力における誤差をハーフブリッジゲージが１８０°の間隔にある図１４におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示し、ハーフブリッジゲージは、ポート要素の対称面に関して対称に位置付けられる。誤差ΔＶ_Ｐは、常に負であり、誤差ΔＶ_Ｎは、常に正であることが分かる。ホイートストンブリッジの出力における絶対最小誤差は、ΔＶ_ＰおよびΔＶ_Ｎの曲線の絶対最大誤差よりもずっと大きい。

図１６は、２つのハーフブリッジひずみゲージが１２０°の間隔にある図１２における非軸対称圧力ポート要素の上面図を概略的に示す。図１７は、２つのハーフブリッジゲージＧ_１２、Ｇ_３４およびホイートストンブリッジの出力における誤差をハーフブリッジゲージが１２０°の間隔にある図１４におけるポート要素に対する点力の方向の関数とした、グラフを示し、ハーフブリッジゲージは、ポート要素の対称面に関して対称に位置付けられる。この構成では、ΔＶ_Ｐ（図１７参照）の絶対値は、ゲージが１８０°の間隔にある構成の場合のΔＶ_Ｐ（図１５参照）の最小絶対値より小さいことが分かる。同じことが、ΔＶ_Ｎの値に当てはまる。ホイートストンブリッジの出力における誤差の最大値と最小値との間の差、点力誤差曲線は、約０．０４％ＦＳであるが（図１７参照）、１８０°構成では、差は０．２５％ＦＳである。ＦＳは、測定最大値を意味する。このように２つのハーフブリッジゲージ間の角度を１８０°から１２０°に変更することによって、点力に対する感度が著しく下げられる（１／６）。密封構造に作用する均一な力に対する感度が、−０．４３２％ＦＳから０．００７％ＦＳにさらに下げられる（１／６２）。

上記の例は、第１の円Ｃ１上の半径方向のひずみを両方が測定する第１のゲージＧ１および第４のゲージＧ４の異なる位置と、第２の円Ｃ２上の半径方向のひずみを両方が測定する第２のゲージＧ２および第３のゲージＧ３の異なる位置に対して、ホイートストンブリッジの出力における誤差の対応する曲線を計算する、第２の有限要素動作を使用することによって、決定された対応する４つの位置に４つのひずみゲージを取り付け、寄生的な力に対する圧力センサの感度を下げることが可能であることをはっきり示している。

しかしながら、この方法を使用して、ハーフブリッジゲージの２つのひずみゲージのうちの１つが、半径方向のひずみを測定し、もう１つが接線方向のひずみを測定する、ハーフブリッジゲージに対してより良い半径方向の位置を決定することも可能である。接線方向のひずみは、同心膜の半径に対して垂直の方向のひずみである。図１８は、半径方向および接線方向のひずみを半径の関数とした、グラフを示す。図１８は、図５に示されたように、半径方向のひずみε＿ｒを半径の関数とした曲線を示す。図１８は、接線方向のひずみε＿ｔを半径の関数とした曲線をさらに示す。接線方向のひずみは、半径が大きくなるに従って徐々に小さくなるが、常に正である。グラフは、半径１．７ｍｍの円上の位置において、比較可能な絶対値で、正の接線方向の引張ひずみと負の半径方向の圧縮ひずみの両方を測定することが可能であることを示す。

上記の例は、第１および第２の円上の位置を決定するのに、密封面に作用する装着力のみを考慮する。装着力は別にして、その他の寄生的な力が考慮される場合がある。たとえば、圧力センサの一部が、ポート要素に溶接、押圧、または圧着されることがある。このことは、製造品にわたって異なる、膜における特有の応力（＝ひずみ）をもたらす。この特有の応力は、ポート要素の特定の面または場所に作用する特有の点力として、モデル化される可能性がある。様々な寄生的な力源の大きさもモデル化される場合、すべてのこれらの寄生的な力のバラツキの組み合わせに最も影響を受けない、第１および第２の円上の位置が決定される可能性がある。

上記の例は、本出願の方法が円形膜を備えることを明らかにしている。半径Ｒ１の第１の円Ｃ１と半径Ｒ２の第２の円Ｃ２は、膜に作用する流体圧力による、一様なひずみ感度を有する膜の中心の周りの等高線である。ひずみ検知側の第１の円Ｃ１上の面のひずみ感度は、第２の円Ｃ２上の面のひずみ感度と逆の値を有する。しかしながら、膜が非円形周縁、たとえば四角張った、横長の楕円の周縁を有する場合、圧力に対して一様な感度を有する等高線は、円形ではないが、円形と膜の周縁の形状との間の形状を有する。ＭＥＭＳは、たとえば、どんな形状の周縁の膜でも製作することを可能にする技術である。その場合、第１の有限要素動作を用いて、膜の中心の周りの一様なひずみ感度を有する等高線が決定され、続いて、流体圧力に対するホイートストンブリッジの出力における感度が最適であるような第１の等高線および第２の等高線が決定される。第１および第２の等高線を見つける際の制約が、ハーフブリッジひずみゲージの第１のひずみゲージの測定面の中心と、第２のひずみゲージの測定面の中心との間の距離である可能性がある。ポート要素の外側に作用するあらゆる分かっている寄生的な力に最も影響を受けない、２つの等高線上のひずみゲージ用の位置を決定する第２の有限要素動作において、第１および第２の等高線が使用される。この方法を用いて、ポート要素に圧力センサの構成要素を取り付けることによる、ポート要素における装着力および／または応力による、圧力センサの出力信号のバラツキの幅が最も小さい、多くの流体圧力センサが製造される。

本発明は、いくつかの実施形態に関して説明されたが、その代替形態、修正形態、並べ替え形態、および同等形態が、本明細書を読んだ時点で、また図面を研究した時点で、当業者には明らかとなることが予期される。本発明は、図示された実施形態に限定されない。添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、変更が行われ得る。

Claims

デバイス内の流体圧力を測定するための圧力センサを製造する方法であって、
−ポート要素（１０）を提供することであって、前記ポート要素が、密封構造（１４）と、前記流体圧力に晒される流体側およびひずみ検知側を有する膜（１２）とを備え、前記密封構造が、前記ポート要素が前記デバイスの開口部に取り付けられる際に密封をもたらし、前記膜が膜中心軸（３０）を有し、前記ポート要素がポート中心軸（２０）を有する、ことと、
−流体圧力が前記膜に印加されると、２つのひずみゲージ（Ｇ１、Ｇ４）が圧縮ひずみ状態にされ、２つのひずみゲージ（Ｇ２、Ｇ３）が引張ひずみ状態にされるように、４つのひずみゲージ（Ｇ１〜Ｇ４）を前記ひずみ検知側に位置付けることと、
−前記４つのひずみゲージを接続してホイートストンブリッジ回路を形成することと、を含み、
前記方法が、位置決定動作をさらに含み、前記位置決定動作が、
−前記ポート要素の数学的モデルを生成することと、
−第１の有限要素動作が、前記数学的モデルを使用した有限要素アルゴリズムを用いて、前記膜の前記検知側で、圧力に対して一様な第１のひずみ感度を有する前記膜中心軸の周りの第１の等高線（Ｃ１）と、圧力に対して一様な第２のひずみ感度を有する前記膜中心軸の周りの第２の等高線（Ｃ２）と、を決定することであって、流体圧力が前記膜に印加される場合、前記第１の等高線上の面の圧縮度が前記第２の等高線上の面の伸長度と等しい、ことと、
−第２の有限要素動作が、前記数学的モデルを使用した有限要素アルゴリズムを用いて、前記第１の等高線上で、前記４つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージ（Ｇ１）用の第１の位置、および前記４つのひずみゲージのうちの第４のひずみゲージ（Ｇ４）用の第４の位置と、また前記第２の等高線上で、前記４つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージ（Ｇ２）用の第２の位置、および前記４つのひずみゲージのうちの第３のひずみゲージ（Ｇ３）用の第３の位置と、を決定することであって、特有の寄生的な力が、前記密封構造上の任意の場所または前記ポート要素の任意のその他の場所に印加される場合、前記対応する決定された４つの位置に取り付けられた前記４つのひずみゲージを備える前記シミュレートされたホイートストンブリッジによって測定された最も高い誤差信号と最も低い誤差信号との間の差が、最小である、ことと、を含み、
前記方法が、
−前記第１の等高線（Ｃ１）上の前記２つの位置に前記４つのひずみゲージのうちの２つを、また前記第２の等高線（Ｃ２）上の前記２つの位置に前記４つのひずみゲージのうちの２つを、位置付けること、をさらに含む、ことを特徴とする、方法。
前記第１の有限要素動作が、前記検知側上の半径方向の圧縮ひずみ度を使用して、前記第１の等高線を決定し、前記検知側上の半径方向の引張ひずみ度を使用して、前記第２の等高線を決定する、請求項１に記載の方法。
前記第１の有限要素動作が、前記検知側上の半径方向の圧縮ひずみ度を使用して、前記第１の等高線を決定し、前記検知側上の接線方向の引張ひずみ度を使用して、前記第２の等高線を決定する、請求項１に記載の方法。
前記膜が円形膜である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の位置および前記第２の位置が第１の半径方向線上にあり、前記第３の位置および前記第４の位置が第２の半径方向線上にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
前記ポート要素が非軸対称である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
前記密封構造が、前記円形膜の前記膜中心軸と一致しない密封中心軸を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
前記第２の有限要素動作が、前記有限要素アルゴリズムを用いて、前記密封構造に作用する均一な力をシミュレートすることによって、前記４つのひずみゲージの前記第１から第４の位置をさらに決定し、前記シミュレートされたホイートストンブリッジによって測定された最も高い誤差信号が最小である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
前記密封構造が同心である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
前記ポート要素が少なくとも１つの対称面を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
前記膜が円形膜であり、前記４つのひずみゲージが２つのハーフブリッジひずみ検知要素として具体化され、１つのハーフブリッジひずみ検知要素が２つのひずみゲージを備え、前記２つのひずみゲージの両方が、前記２つのひずみゲージの中心点を通る線に平行な方向のひずみを測定し、前記中心点が互いから所定の距離にあり、前記方法が、第１の円の半径と第２の円の半径との間の差が前記所定の距離と等しくなるように、前記第１の円および第２の円を決定し、前記第１の位置および第２の位置が、前記第１および第２の円上の第１の半径方向線を使用することによって決定されており、前記第３の位置および第４の位置が、前記第１および第２の円上の第２の半径方向線を使用することによって決定されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記膜が円形膜であり、前記４つのひずみゲージが２つのハーフブリッジひずみ検知要素として具体化され、１つのハーフブリッジひずみ検知要素が２つのひずみゲージを備え、前記２つのひずみゲージのうちの１つが前記２つのひずみゲージの中心点を通る線に平行な方向のひずみを測定し、もう１つが前記中心点を通る前記線に垂直な方向のひずみを測定し、前記中心点が互いから所定の距離にあり、前記第１の有限要素動作が、第１の円の半径と第２の円の半径との間の差が前記所定の距離と等しくなるように、前記第１の円および前記第２の円を決定し、前記第１の位置および第２の位置が、前記第１および第２の円上の第１の半径方向線を使用することによって決定されており、前記第３の位置および第４の位置が、前記第１および第２の円上の第２の半径方向線を使用することによって決定されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記４つのひずみゲージが２つのハーフブリッジひずみ検知要素として具体化され、１つのハーフブリッジひずみ検知要素が２つのひずみゲージを備え、前記２つのひずみゲージのうちの１つが前記２つのひずみゲージの中心点を通る線に平行な方向のひずみを測定し、もう１つが前記中心点を通る前記線に垂直な方向のひずみを測定し、前記中心点が互いから所定の距離にあり、前記第１の有限要素動作が等高線を決定し、前記等高線上の接線方向の引張ひずみが前記等高線上の半径方向の圧縮ひずみと逆であり、前記第２の有限要素動作が、前記等高線を第１および第２の等高線として使用して、前記４つのひずみゲージの位置を決定し、前記第１の位置と前記第４の位置との間の距離、また前記第２の位置と前記第３の位置との間の距離が、前記２つのひずみゲージの前記中心点間の前記所定の距離である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
デバイス内の流体圧力を測定するための圧力センサであって、前記センサがポート要素を備え、前記ポート要素が、密封構造と、前記流体圧力に晒される流体側、ひずみ検知側および中心軸を有する膜とを備え、前記密封構造が、前記ポート要素が前記デバイスの開口部に添着される際に密封をもたらし、流体圧力が前記円形膜に印加されると、２つのひずみゲージが圧縮状態にされ、２つのひずみゲージが伸長状態にされるように、４つのひずみゲージが前記ひずみ検知側に取り付けられ、前記４つのひずみゲージが電子的に接続されてホイートストンブリッジ回路を形成し、
前記４つのひずみゲージの位置が、請求項１から１３のいずれか一項によって定義されたような位置決定動作によって決定される、ことを特徴とする、圧力センサ。
前記位置決定動作が、
−前記ポート要素の数学的モデルを生成することと、
−第１の有限要素動作が、前記数学的モデルを使用した有限要素アルゴリズムを用いて、前記膜の前記検知側で、第１の等高線および第２の等高線を決定することであって、流体圧力が前記膜に印加される場合、前記第１の等高線上の面の圧縮ひずみ度が前記第２の等高線上の面の引張ひずみ度と等しい、ことと、
−第２の有限要素動作が、前記数学的モデルを使用した有限要素アルゴリズムを用いて、前記第１の等高線上で、前記４つのひずみゲージのうちの第１のひずみゲージ（Ｇ１）用の第１の位置、および前記４つのひずみゲージのうちの第４のひずみゲージ（Ｇ４）用の第４の位置と、また前記第２の等高線上で、前記４つのひずみゲージのうちの第３のひずみゲージ（Ｇ３）用の第３の位置、および前記４つのひずみゲージのうちの第２のひずみゲージ（Ｇ２）用の第２の位置と、を決定することであって、特有の寄生的な力が、前記密封構造上の任意の場所または前記ポート要素の任意のその他の場所に印加される場合、前記対応する決定された４つの位置に取り付けられた前記４つのひずみゲージを備える前記ホイートストンブリッジによって測定された最も高い誤差信号と最も低い誤差信号との間の差が最小である、ことと、を含む、請求項１４に記載の圧力センサ。