JP7184609B2 - 圧力センサ素子および圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサ素子および圧力センサに関し、特にサニタリー用圧力センサ素子および圧力センサに関する。

流体の圧力を検出する圧力センサのうち、衛生的な配慮が必要とされる食品分野や医薬品分野等の製造現場等で用いられるサニタリー用圧力センサに対しては、一般的に耐食性、清浄性、信頼性および汎用性等に関して厳しい要件が課せられている。

例えば、耐食性の要件から、サニタリー用圧力センサは、圧力の測定対象の流体（例えば液体）が接触する接液部分にステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックスおよびチタン等の耐食性の高い材料を用いなければならない。また、清浄性の要件から、サニタリー用圧力センサは、洗浄しやすいフラッシュダイアフラム構造を有し、且つ蒸気洗浄に対する高い耐熱衝撃性を有していなければならない。また、信頼性の要件から、サニタリー用圧力センサは、封入剤を使用しない構造（オイルフリー構造）およびダイアフラムが破れ難い構造（バリア高剛性）を有していなければならない。

このように、サニタリー用圧力センサは、使用する材料や構造が他の圧力センサに比べて制限されるため、高感度化が容易ではない。例えば、ダイアフラムが破れ難い構造を実現するためには、ダイアフラムの膜厚を大きくする（ダイアフラムの厚みに対する径のアスペクト比を小さくする）必要があるが、ダイアフラムの膜厚を大きくするとダイアフラムの変形が微小となり、センサ感度が低下するという問題が生じる。このため、サニタリー用圧力センサでは、ダイアフラムの微小な変形を精度良く検出するための技術が求められている。

例えば、特許文献１，２には、拡散抵抗から成るひずみゲージが形成されたＳｉ等の半導体チップ（ビーム部材）に、ダイアフラムの中心部分の変位のみを伝達し、上記半導体チップの歪に基づくピエゾ抵抗効果による拡散抵抗の抵抗値の変化を検出することでセンサの高感度化を狙った荷重変換型の圧力センサが記載されている。

この特許文献１、２に記載の従来の荷重変換型の圧力センサでは、平面視長方形状の半導体チップの中心部分をダイアフラムの中心部分において支持するとともに、上記半導体チップの両端を実質的に変動しない位置に固定している。例えば、特許文献１では、短冊状の半導体チップの中心をピボットと呼ばれる棒状部材によってダイアフラムの中心において支持するとともに、半導体チップの長手方向の両端を、絶縁架台を介してダイアフラムの外周縁に形成された厚肉部分に固定している。また、特許文献２では、矩形状の半導体チップの中心をダイアフラムの中心に固定するとともに、半導体チップの長手方向の両端を変動しない台座上に固定している。

また、サニタリー用圧力センサでは、測定対象の流体が流れる配管との接続部分に継手（例えばフェルール継手）が一般的に採用されている。
配管とサニタリー用圧力センサとの接続は、クランプバンド（以下、単に「クランプ」とも称する。）と呼ばれる接続部材を用いることによって実現される。具体的には、配管の継手とサニタリー用圧力センサの継手とを対向させて配置し、その２つの継手をクランプのリング状の固定部によって挟み込み、ねじによって固定部を締め付けることによって、配管とサニタリー用圧力センサとを接続する。

また、クランプを用いて配管とサニタリー用圧力センサとを接続した場合、サニタリー用圧力センサのダイアフラムが少なからず変形し、ひずみゲージを構成する各抵抗の抵抗値が変化することにより、センサ出力のゼロ点（オフセット）がシフトするおそれがある。上記特許文献１，２に記載された平面視長方形状の半導体チップを有する圧力センサの場合、クランプを締め付けるねじの位置によって、ひずみゲージを構成する各抵抗の抵抗値のずれ量が変化するため、クランプを締め付ける位置によってゼロ点のシフト量がばらつく（以下、このばらつきを単に「ゼロ点のシフト量のばらつき」と称することがある。）。したがって、このような圧力センサにあっては、センサ出力のゼロ点を補償するために、クランプを締め付ける位置によってゼロ点の補正量を変えるか、または、ユーザに対して、クランプを締め付ける位置を予め指定しなければならない。

そこで、特許文献３に記載された圧力センサにおいては、以下に示す構成によって、配管と圧力センサとをクランプを用いて接続したときの、センサ出力におけるゼロ点のシフト量のばらつきを抑えることを可能にしている。
すなわち、測定流体の圧力を受ける第１主面とこの第１主面の反対側に位置する第２主面とを備えるダイアフラムにおいて、前記第２主面の中心に第１構造体を配設し、また、この第１構造体と離間する位置にあってかつ平面視において前記第２主面の中心を通り互いに直交する２本の直線上に少なくとも２つの第２構造体を設け、さらに、これら第１構造体および少なくとも２つの第２構造体によって２組の抵抗対（例えば、第１抵抗と第２抵抗とからなる抵抗対と、第３抵抗と第４抵抗とからなる抵抗対）が配設されたホイートストンブリッジ回路からなるひずみゲージを備えた半導体チップを支持する。当該構成に加えて、前記２組の抵抗対を、それぞれ平面視で第１構造体と少なくとも２つの第２構造体との間の領域にあって、かつ各組の一方の抵抗同士、例えば、第１抵抗と第４抵抗、および第２抵抗と第３抵抗とを、ともに同一方向に延在するように配置する。このような構成によれば、ダイアフラムが変形すると、第１抵抗と第４抵抗および第２抵抗と第３抵抗が同一の方向に伸縮するため、センサ出力におけるゼロ点のシフト量のばらつきが抑えられる。

特開２００４－４５１４０号公報 特開昭６３－２１７６７１号公報 特開２０１８－４５９２号公報

上述した特許文献３に記載の発明は、クランプ締付位置が変わることによるダイアフラムの変形態様のばらつき（以下、単に「ダイアフラムの変形態様のばらつき」と称することがある。）を容認した上で、上述したような構造的な工夫、すなわち、ひずみゲージ含む半導体チップを積載する構造体をダイアフラム上に立設しかつひずみゲージを構成する抵抗の配置を工夫することで、クランプ締付位置が変わることによるゼロ点のシフト量のばらつきを、いわば間接的に抑制するものである。しかしながら、ダイアフラムの変形態様のばらつき自体を抑制できれば、上記工夫を要することなくゼロ点のシフト量のばらつきを低減できる。

そこで本発明では、ダイアフラムの変形態様のばらつき自体を抑制することで、ゼロ点のシフト量のばらつきを抑えた圧力センサ素子およびこれを含む圧力センサを提供することを目的とする。

本発明に係る圧力センサ素子（１）は、測定対象の流体の圧力を受ける第１主面およびこの第１主面の反対側に位置する第２主面を有するダイアフラム（２０）と、筒状を呈し前記ダイアフラムの外周縁（２０Ｅ）とその内周壁（３０Ａ）で接続するハウジング（３０）とを備え、前記ダイアフラムは、前記外周縁に沿って形成された、前記内周壁を通じて前記ダイアフラムに作用する力に対して所定の剛性を有する剛性領域（厚肉部２４）と、この剛性領域よりも前記力に対して変形し易い変形領域（薄肉部２５）とを有することを特徴とする。

前記圧力センサ素子において、 前記剛性領域の少なくとも一部は、前記第１主面上および第２主面の少なくともいずれか一方に形成された、前記変形領域に比べて相対的に膜厚が厚い厚肉部を含むように構成してもよい。

また、前記圧力センサ素子において、前記変形領域の少なくとも一部の膜厚中心は、前記剛性領域の少なくとも一部の膜厚中心から前記ダイアフラムの膜厚方向へオフセットするように構成してもよい。

さらに、前記圧力センサ素子において、前記剛性領域の少なくとも一部は、前記ハウジングの軸心に対して点対称にある２つの位置に一対の剛性領域として形成されるように構成してもよい。

また、前記圧力センサ素子において、前記一対の剛性領域が、少なくとも２組設けられるように構成してもよい。

さらに、前記圧力センサ素子において、前記剛性領域と前記ハウジングの内周壁とが接続する周方向の長さの合計は、前記変形領域と前記ハウジングの内周壁とが接続する周方向の長さの合計よりも小さくなるように構成してもよい。

また、前記圧力センサ素子を含み、前記第２主面上に配設され、前記ダイアフラムの変形に対応する所定の値を出力するセンシング部と、前記所定の値に基づいて前記流体の圧力を算出する圧力算出部とを備える圧力センサであってもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を、括弧を付して記載している。

本発明によれば、クランプを用いて配管と圧力センサとを接続する際、このクランプの締付位置がダイアフラムの変形に及ぼす影響を小さくすることができる。これによって、センサ出力におけるゼロ点のシフト量のばらつきを抑えることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子およびこれを含む圧力センサの断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの平面図である。 図２Ｂは、図２ＡにおけるＰ-Ｐ線の断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子が備える別の仕様のダイアフラムの垂直断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子と配管との接続態様を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子と配管とを接続する際に用いられるクランプの概要図である。 図６Ａ（ａ）は、従来のダイアフラムの平面図であり、図６Ａ（ｂ）は、従来のダイアフラムの変形態様を表すコンター図である。 図６Ｂは、圧力センサが備える従来のダイアフラムの変形態様を表すコンター図である。 図６Ｃは、圧力センサが備える従来のダイアフラムの変形態様を表すコンター図である。 図７Ａの（ａ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの平面図であり、同（ｂ）ないし（ｄ）は、このダイアフラムの変形態様を表すコンター図である。 図７Ｂの（ａ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの平面図であり、同（ｂ）ないし（ｄ）は、このダイアフラムの変形態様表すコンター図である。 図７Ｃの（ａ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの平面図であり、同（ｂ）ないし（ｄ）は、このダイアフラムの変形態様を表すコンター図である。 図７Ｄの（ａ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの平面図であり、同（ｂ）ないし（ｄ）は、このダイアフラムの変形態様を表すコンター図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの一部を構成するセンシング部のひずみゲージの構成を示す回路図である。

≪圧力センサ素子およびこれを含む圧力センサの構成≫
はじめに、本実施の形態に係る圧力センサ素子１およびこれを含む圧力センサ１０の構成を、図１ないし４を参照しながら説明する。なお、説明文中の前後方向、上下方向および左右方向は、図３に示された圧力センサ素子１の紙面に対する奥行き方向、上下方向および左右方向としてそれぞれ定義されるものとする。

圧力センサ素子１は、図１に示すように、ダイアフラム２０と、このダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに接続してこれを支持するハウジング３０とからその外観が形成されている。

また、圧力センサ１０は、圧力センサ素子１を含み、さらに、ダイアフラム２０の変形（量）を電気的信号として検出し所定の値を出力するセンシング部５０と前記所定の値に基づいて前記流体の圧力を算出する圧力算出部８０とを備える。

ダイアフラム２０は、測定対象である流体Ｆから圧力Ｐを受ける薄膜状の要素であって、例えば、円盤状に薄く成形されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるが、セラミックスまたはチタン等の耐食性の高い他の材料を用いてダイアフラム２０を成形してもよい。ダイアフラム２０の下面２１は、流体Ｆと接して圧力Ｐを受ける接液面（本発明における「第１主面」に相当。）であり、また、ダイアフラム２０の上面２２は、センシング部５０が配設される変形測定面（本発明における「第２主面」に相当。）であり、大気圧を受ける受圧面としても機能する。

この上面２２には、図１および図２Ａに示すように、その略中央に、後述するセンシング部５０を構成する半導体チップ５１が配設されるセンシング領域２３（各図中の破線で囲まれた領域）が設けられている。このセンシング領域２３は、例えば円形状を呈する外周縁２０Ｅの略１／３の直径をもつ円形領域として形成されている。
また、上面２２の外周縁（ダイアフラム２０の外周縁２０Ｅ）に沿って、所定の膜厚を有する厚肉部２４（以下、「凸部からなる厚肉部２４」とも称する。）と厚肉部２４よりも膜厚の薄い薄肉部２５（以下、「凹部からなる薄肉部２５」とも称する。）とが配設されている。

凸部からなる厚肉部２４は、円筒状を呈するハウジング３０の内周壁を通じて作用する力、具体的には後述する「クランプ締付力Ｆｃ」に対して所定の剛性を有する「剛性領域」を形成している。また、凹部からなる薄肉部２５は、クランプ締付力Ｆｃに対して変形し易い「変形領域（「変形領域２５」と称することもある。）」を形成している。
これら厚肉部２４および薄肉部２５の平面視における配置パターンは、後述するように、種々の形態をとり得る。ここでは、図２Ａに示す配置パターン（後述する図７Ｂ（ａ）に示す配置パターン２相当する。）に基づいてその構成について説明する。

厚肉部２４は、例えば、図２Ａに示すように、円形状を呈するダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿って形成された６つの凸部からなる。これら６つの凸部は、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が、平面視略４５度または略９０の間隔で３組配置されるよう、より詳細には、前後方向に配設された１組の凸部の左側および右側に２組の凸部がそれぞれ平面視略４５度の間隔で配置され、かつこれら２組の凸部が互いに平面視略９０度で離間するように配置されている。これら凸部の１個あたりの周方向の長さは、例えば外周縁２０Ｅの周長の略１／３２であり、その半径方向の長さは、例えばダイアフラム２０の半径の略１／１２である。

厚肉部２４を構成する６つの凸部の間には、変形領域としての薄肉部２５を構成する６つの凹部が形成されている。これら凹部は、例えばダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿った領域の一部を切削することで形成された切削溝からなる。薄肉部２５の膜厚Ｔ２は、例えば厚肉部２４の膜厚Ｔ１の略１／１０（例えば、Ｔ１は略０．５ｍｍ、Ｔ２は略０．０５ｍｍ）であり、したがって、薄肉部２５の溝深さ（上下方向の長さ＝溝の高さ）は、厚肉部２４の膜厚Ｔ１の略９／１０（例えば、溝深さは略０．９５ｍｍ）である。

なお、厚肉部２４を構成する凸部の周方向の長さおよび半径方向の長さ、ならびに薄肉部２５を構成する凹部の溝深さは、上記値に限定されるわけではなく、後述するクランプ締付力Ｆｃの大きさ、ダイアフラムを形成する材料のヤング率、および測定対象である流体Ｆの圧力Ｐ等の諸条件を考慮して適宜設定され得る。

さらに、変形領域２５は、切削溝からなる薄肉部２５のみによって構成されるわけではない。例えば、膜厚を厚肉部２４の膜厚Ｔ１と同値としつつ、クランプ締付力Ｆｃが入力（作用）するダイアフラム外周縁２０Ｅの膜厚中心から上下方向にオフセットした凹部からなり、図２Ｃに示すような、ダイアフラム外周縁２０Ｅから中心部に向けて斜め下方に膜厚中心が延在し、その垂直断面形状が略三角形状の凹部によって変形領域２５を形成してもよい。このような膜厚中心がオフセットした凹部（より具体的には、膜厚中心が、クランプ締付力Ｆｃが作用する水平面に対して上下方向へオフセットした凹部）には、曲げモーメントが作用することから、当該凹部から構成された変形領域２５は、例え膜厚が同一であっても、専ら圧縮力または引張力のみが働く部分（より具体的には、膜厚中心が、クランプ締付力Ｆｃが作用する水平面内に含まれる剛性領域としての厚肉部２４）に比べて変形し易くなる。

ダイアフラム２０とともに圧力センサ素子１を構成するハウジング３０は、円筒状を呈した要素であって、例えば耐食性の高いステンレス鋼（ＳＵＳ）から形成されており、ダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに接続してダイアフラム２０を支持する。なお、ステンレス鋼（ＳＵＳ）以外にも、例えばセラミックスまたはチタン等の耐食性の高い材料を用いてハウジング３０を成形してもよい。ハウジング３０の外周側壁面３０Ｂの下部には、図１および図４に示すように、半径方向外側に向かって突出したフェルールフランジ部３０ｆが設けられている。このフェルールフランジ部３０ｆの上端面は、錐面からなるテーパ上面Ｐｆとして形成されている。

このフェルールフランジ部３０ｆは、配管Ｈの接合端部に設けられたフェルールフランジ部Ｈｆと重なり合うように接合し、後述するクランプ１００によって、例えば図４に示すように、上下方向および左右方向に作用する力によって挟持されることで互いが連結する構造（いわゆるフェルール継手構造）を構成している。なお、配管Ｈに設けられたフェルールフランジ部Ｈｆの下端面は、例えばテーパ下面Ｐｈｆとして形成されている。このテーパ下面Ｐｈｆは、例えば接合するフェルールフランジ部３０ｆのテーパ上面Ｐｆと、その接合面に対して面対称の関係にある。

ハウジング３０の内周側壁面３０Ａは、その下部でダイアフラム２０の外周縁２０Ｅと接続し、ダイアフラム２０と共に、流体Ｆが流れる配管Ｈの内部と隔絶された円柱状の空間を形成している。また、この空間には、次に述べるセンシング部５０が配設されている。

圧力センサ１０の構成要素であるセンシング部５０は、ダイアフラム２０の変形（量）を検出し、この変形（量）に対応した電気的信号を出力するように構成されている。
本実施の形態におけるセンシング部５０は、例えば、図１に示すように、ダイアフラム２０の上面２２上に立設された複数の構造体５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｅと、これら構造体５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｅによって支持された半導体チップ５１とから構成されている。この半導体チップ５１は、例えば平面視略正方形に形成され、Ｓｉ等の半導体材料から成る基板Ｂと、この基板Ｂの上に形成されたホイートストンブリッジ回路５３からなるひずみゲージ５２とを含む。

ひずみゲージ５２として機能するホイートストンブリッジ回路５３は、図８に示すように、ダイアフラム２０上に貼設された抵抗素子Ｒ１ないしＲ４（例えば拡散抵抗）を具備し、ダイアフラム２０の変形（量）を、以下のようにして電圧値の形で検出する。すなわち、ダイアフラム２０が変形すると、この上に貼設された抵抗素子Ｒ１ないしＲ４の長さが変化して、その抵抗値Ｒが増減する。この抵抗値Ｒの変化を、一定の電流Ｉが流れたホイートストンブリッジ回路５３を用いて、互いが並列に接続された２組の抵抗対（抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２とからなる抵抗対および抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４とからなる抵抗対）の接点Ａと接点Ｂとの間の電圧値の変化として検出する。

なお、上述の構造体５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｅによって支持された半導体チップ５１は、本発明者らが創作した特許文献３に記載の半導体チップに準じたものであるが、これら構造体５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｅを介さずに、半導体チップ５１を直接上面２２に貼設してもよい。

圧力センサ１０の構成要素である圧力算出部８０は、例えばセンシング部５０から出力されるダイアフラム２０の変形（量）に対応した電圧値から、所定の較正曲線を用いて測定対象の流体Ｆの圧力Ｐを時系列的に算出する演算部である。

圧力算出部８０は、例えば、ＣＰＵおよびメモリ等のハードウェア資源とからなる制御部に含まれ、圧力センサ素子１と物理的に離間した位置に配設されている。圧力算出部８０における演算は、前記ハードウェア資源と前記メモリ内に記憶された所定の演算プログラムとが協働することによって実行される。

≪本実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの変形領域および剛性領域の配置≫
次に、本実施の形態に係る圧力センサ素子１が備えるダイアフラム２０の変形領域および剛性領域の配置について説明する。

上述したように、厚肉部２４から構成される剛性領域および薄肉部２５から構成される変形領域の配置は、図２に示すパターン以外にも、例えば、図７Ａ（ａ）ないし図７Ｄ（ａ）に示すような種々の形態をとり得る。

図７Ａ（ａ）に示す配置のパターン（以下、「配置パターン１」という。）は、円形状を呈するダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿って形成された８つの凸部からなる厚肉部２４、より具体的には、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が、平面視略４５度の等間隔で４組配設されるようにして形成された厚肉部２４と、これら８つの凸部の間に形成された８つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とから構成されている。
前記凸部の１個あたりの周方向の長さは、外周縁２０Ｅの周長の略１／３２であり、同半径方向の長さは、ダイアフラム２０の半径の略１／１２である。したがって、剛性領域を構成する厚肉部２４とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計は、外周縁２０Ｅの周長の略１／４であり、変形領域を構成する薄肉部２５とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計との比は、略１：３である。

ここで、上記一対の凸部を１組としたのは、以下の理由による。すなわち、クランプ締付力は、後述する所定の直線方向に沿って特に強く作用すると解されるため、ダイアフラム２０の変形態様（変形挙動）をある程度安定したものにするためには、上記所定の直線方向沿って印加される力に対する剛性（軸剛性および曲げ剛性）を一定以上確保する必要がある。そのためには、上記所定の直線方向に沿って剛性領域を構成すること、すなわち、平面視略１８０度離間した位置に２つの凸部を一対として配設することが有効と考えたからである。

図７Ｂ（ａ）に示す配置のパターン（以下、「配置パターン２」という。）は、上述した図１および図２Ａに示す配置パターンと同一であって、円形状を呈するダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿って形成された６つの凸部からなる厚肉部２４、より具体的には、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が、平面視略４５度または略９０の間隔で３組配置される（より詳細には、前後方向に配設された１組の凸部の左側および右側に２組の凸部が平面視略４５度の間隔で配置され、かつこれら２組の凸部が互いに平面視略９０度で離間するように配置される）ようにして形成された厚肉部２４と、これら６つの凸部の間に形成された８つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とから構成されている。
前記凸部の１個あたりの周方向の長さは、上述したように、外周縁２０Ｅの周長の略１／３２であり、同半径方向の長さは、ダイアフラム２０の半径の略１／１２である。したがって、剛性領域を構成する厚肉部２４とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計は、外周縁２０Ｅの周長の略３／１６であり、変形領域を構成する薄肉部２５とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計との比は、略３：１３である。

図７Ｃ（ａ）に示す配置のパターン（以下、「配置パターン３」という。）は、円形状を呈するダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿って形成された２つの凸部からなる厚肉部２４、より具体的には、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部から形成された厚肉部２４と、これら２つの凸部の間に形成された２つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とから構成されている。
前記凸部の１個あたりの周方向の長さは、外周縁２０Ｅの周長の略３／３２である。したがって、この配置パターン３では、剛性領域を構成する厚肉部２４とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが周方向に接続する長さの合計は、外周縁２０Ｅの周長の略３／１６であり、変形領域を構成する薄肉部２５とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計との比は、略３：１３である。

図７Ｄ（ａ）に示す配置のパターン（以下、「配置パターン４」という。）は、円形状を呈するダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿って形成された６つの凸部からなる厚肉部２４、より具体的には、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が、平面視略６０度の等間隔で３組配設されるようにして形成された厚肉部２４と、これら６つの凸部の間に形成された６つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とから構成されている。
前記凸部の１個あたりの周方向の長さは、配置パターン２と同様に、外周縁２０Ｅの周長の略１／３２であり、同半径方向の長さは、ダイアフラム２０の半径の略１／１２である。したがって、剛性領域を構成する厚肉部２４とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計は、外周縁２０Ｅの周長の略３／１６であり、変形領域を構成する薄肉部２５とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計との比は、略３：１３である。

≪圧力センサ要素が備えるダイアフラムの変形態様≫
本発明者らは、後述する図６Ａ（ｂ）ないし図６Ｃに示す従来のダイアフラム２０´にみられる変形態様、すなわち、外周縁部に現れる局所的に大きく変位する４つの領域（図６Ａ（ｂ）、図６Ｂおよび図６Ｃ中の位置Ｓ１ないし位置Ｓ４の近傍領域。以下、「大変位領域」とも称する。）の周りに複数の略同心円からなる等値線群が４組形成され、これら４組の等値線群が、大変位領域に連れられてクランプ締付位置の変化に同調して移動するといった変形態様に着目し、ダイアフラムの変形態様のばらつきを抑えるには、局所的に大きく変位する領域を１個所に集中させること、例えば、ダイアフラムの中心部に変位が集中するようにクランプ締付力Ｆｃを作用させることが有効であり、そのためには、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａと接続するダイアフラム２０の外周縁２０Ｅに沿った領域に、上記剛性領域２４（厚肉部２４）とこの剛性領域２４よりも剛性の低い変形領域２５（薄肉部２５）とを設け、これら少なくとも２つの異なる剛性をもつ領域によってクランプ締付力Ｆｃを受けるように構成すること、換言すれば、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａと剛性領域２４との接続面積を所定の範囲に限定することが有用であると考えた。
さらに、本発明者らは、ダイアフラム２０およびハウジング３０の形状に関し、本実施の形態と異なる非円形状および非円筒形状が用いられ、また、半導体チップ５１の形状についても、本実施の形態以外と異なる長方形等が用いられることを想定して、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａと剛性領域２４との接続面積に加えて、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａと接続する剛性領域２４の位置も、ダイアフラムの変形態様のばらつきを抑える上で重要な要因であると考えた。
上記理解のもと、厚肉部２４から構成される剛性領域および薄肉部２５から構成される変形領域の配置（およびこれら領域を構成する凸部および凹部の形状）に関し、上述した図７Ａないし図７Ｄの（ａ）に示す配置パターン１ないし４のダイアフラム２０を例に挙げ、以下に述べるように、これらダイアフラム２０と、図６Ａ（ａ）に示す変形領域を持たない従来のダイアフラム２０´とに関して、クランプ締付位置が図５に示すＰ１、Ｐ２およびＰ３にある時のそれぞれの変形態様を、有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて解析し、その効果を検証した。

なお、それぞれの解析における境界条件は、厚肉部２４および薄肉部２５の配置パターンを除く各種条件、例えばダイアフラム２０、ハウジング３０およびクランプ１００の材質（ヤング率などの物性値）やサイズ（直径、高さ、膜厚Ｔ１およびＴ２、切削溝幅）、ならびに入力（クランプ締付力Ｆｃ）等は同一とする。本実施の形態におけるダイアフラム２０およびハウジング３０においては、上述したように、その材質はステンレス鋼である。また、剛性領域としての厚肉部２４の膜厚Ｔ１は略０．５ｍｍ、変形領域としての薄肉部２５の膜厚Ｔ２は略０．０５ｍｍであり、クランプ締付力Ｆｃ、より具体的には、クランプ締付力Ｆｃの値を管理するネジ部１０４の締付トルクは略３Ｎ・ｍである。

<圧力センサ素子と配管との接続態様>
はじめに、ダイアフラム２０を変形させる要因となる、クランプ１００を用いた圧力センサ素子１およびこれを含む圧力センサ１０と配管Ｈとの接続態様について説明する。

図４は、クランプ１００を用いて圧力センサ素子１およびこれを含む圧力センサ１０と配管Ｈとの接続態様を示す断面図であり、図５は、クランプ１００および圧力センサ素子１を平面視から見たときの様子を示した概略図である。

クランプ１００は、図５に示すように、一対の環状部１０１ａおよび１０１ｂと、これらの一端とそれぞれ接続する蝶番部１０２と、これらの各他端とそれぞれ接続する締付部１０３とネジ部１０４とから構成されている。

環状部１０１ａおよび１０１ｂは、図５に示すように、半管状を呈し、かつその垂直断面は、図４に示すように、略コの字状を呈していている。
また、環状部１０１ａおよび１０１ｂは、ネジ部１０４を締めると、蝶番部１０２を中心に互いが接近するように回動する。これにより、環状部１０１ａおよび１０１ｂは、ハウジング３０の外周側壁面３０Ｂに形成されたフェルールフランジ部３０ｆと配管Ｈの接合端部に設けられたフェルールフランジ部Ｈｆとを上下に重ね合わせるようにして挟持する。

ここで、フェルールフランジ部３０ｆの上端面およびフェルールフランジ部Ｈｆの下端面は、上述したように、それぞれテーパ上面Ｐｆおよびテーパ下面Ｐｈｆで形成されている。このため、これらフェルールフランジ部には、所定の力（ネジ部１０４に加えられる軸力）で挟持された状態にあるとき、垂直方向の力と水平方向の力とが作用する。垂直方向の力は、フェルールフランジ部３０ｆとフェルールフランジ部Ｈｆとを上下方向に圧着させるように作用し、これによって圧力センサ素子１と配管Ｈとを強固に接続する。これに対し水平方向の力は、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａを通じてダイアフラム２０の外周縁２０Ｅを水平方向、特に、蝶番部１０２と締付部１０３とを結ぶ線と直交する直線方向（例えば、クランプ締付位置が位置Ｐ１にあるときには、図４における左右方向。この方向は、上述した所定の直線方向に相当する。）に沿ってダイアフラム２０を強く押圧するように作用する。このため、ダイアフラム２０は、後述する態様で変形する。

なお、上記水平方向に作用する力を「クランプ締付力Ｆｃ」ということがある。このクランプ締付力Ｆｃは、ネジ部１０４に作用する軸力に起因する力であって、ネジ部１０４（より具体的にはネジ部１０４を構成する雄ネジ）の締付トルクによってその値が管理される。本実施の形態では、上述したように、当該締付トルクを略３Ｎ・ｍに設定している。なお、図５、図６Ａないし図６Ｃ、および図７Ａないし図７Ｄにおいて、クランプ締付力Ｆｃを便宜的にネジ部１０４に作用する軸力として表示している。
また、環状部１０１ａおよび１０１ｂによってフェルールフランジ部３０ｆおよびフェルールフランジ部Ｈｆが挟持された状態を「クランプ締付状態」といい、クランプ締付状態にあるときの締付部１０３の位置を「クランプ締付位置」ということがある。

<従来のダイアフラムの変形態様>
次に、クランプ締付位置が、図５に示す位置Ｐ１、Ｐ２およびＰ３にあるときの、従来の圧力センサ素子が備えるダイアフラム２０´の変形態様について説明する。

図６Ａ（ｂ）は、図４中の位置Ｐ１をクランプ締付位置として所定の軸力Ｆでクランプ１００を締め付けたときの、従来のダイアフラム２０´の変形態様を表したコンター図（等値線図）である。この図における色の濃淡は変形（量）の大きさの程度を表し、変形（量）が大きい領域ほど濃い色で表示され、変形（量）が小さい領域ほど淡い色で表示されている。

この図６Ａ（ｂ）からも解るように、クランプ締付位置Ｐ１に近接する位置Ｓ１と、当該位置Ｓ１と対向する（ハウジング３０の軸心Ｃが通るダイアフラムの中心に対して点対称にある）位置Ｓ２、およびこれら位置Ｓ１およびＳ２と平面視において略９０度離間する位置Ｓ３およびＳ４が最も大きく変形する。なお、位置Ｓ１および位置Ｓ２は同一方向に変位し、位置Ｓ３および位置Ｓ４も同一方向に変位する。また、位置Ｓ１および位置Ｓ２の変位方向と位置Ｓ３および位置Ｓ４の変位方向とは逆向きである。

図６Ｂは、クランプ締付位置を、位置Ｐ１から平面視において略４５度回転させた位置Ｐ２に移動させたときの、従来のダイアフラム２０´の変形態様を表すコンター図であり、 図６Ｃは、クランプ締付位置を、位置Ｐ１から平面視において略９０度回転させた位置Ｐ３に移動させたときの、従来のダイアフラム２０´の変形態様を表すコンター図である。これらの図からも解るように、クランプ締付位置の移動（回転）と同調するように、最大変位部分（位置Ｓ１ないし位置Ｓ４）も移動（回転）する。

これら図６Ａないし図６Ｃを比較すると、クランプ締付位置が変わることで各図中の破線で囲まれたセンシング領域２３内の変形態様も変化している（ばらついている）ことが解る。この事実から、クランプ締付位置の変化は、センサ出力におけるゼロ点のシフト量のばらつきを誘発する要因であることが解る。

<本実施の形態に係る圧力センサ素子が備えるダイアフラムの変形態様>
次に、クランプ締付位置が、図５に示す位置Ｐ１、Ｐ２およびＰ３にあるときの、本実施の形態に係る圧力センサ素子１が備えるダイアフラム２０の変形態様について、図７Ａないし図７Ｄを参照しながら説明する。

図７Ａないし図７Ｄの（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、上述した図７Ａないし図７Ｄの（ａ）で示される配置パターン１ないし４を持つダイアフラム２０の変形態様を示したコンター図である。図７Ａないし図７Ｄの（ｂ）は、クランプ締付位置が位置Ｐ１にあるときのダイアフラム２０の変形態様を表し、同（ｃ）は、クランプ締付位置が位置Ｐ２にあるときのダイアフラム２０の変形態様を表し、同（ｄ）は、クランプ締付位置が位置Ｐ３にあるときのダイアフラム２０の変形態様を表している。

図７Ａ（ａ）に示す配置パターン１を持つダイアフラム２０、すなわち、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が平面視略４５度の等間隔で４組配設されるようにして形成された厚肉部２４と、これら８つの凸部の間に形成された８つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とが設けられたダイアフラム２０においては、図７Ａ（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すように、クランプ締付位置に関わらず、ダイアフラム２０の中心から略同心円状に等値線が形成されており、クランプ締付力Ｆｃによる変位が中心部に集中していることが解る。そして、ダイアフラム２０の変形態様のばらつきに関しては、センシング領域２３の周縁部にやや残存するものの、ダイアフラム２０の中央部（例えば外周縁２０Ｅの略１／４の直径をもつ円形領域）においては好適に抑えられており、従来のダイアフラム２０´のそれに比べて良好であることが図６Ａないし図６Ｃとの比較から解る。このような変形態様のばらつきが小さい配置パターン１を持つダイアフラム２０によれば、従来のダイアフラム２０´に比べて、「ゼロ点のシフト量のばらつき」を改善することができる。

図７Ｂ（ａ）に示す配置パターン２を持つダイアフラム２０、すなわち、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が平面視略４５度または略９０の間隔で３組配置される（より詳細には、前後方向に配設された１組の凸部の左側および右側に２組の凸部が平面視略４５度の間隔で配置され、かつこれら２組の凸部が互いに平面視略９０度で離間するように配置される）ようにして形成された厚肉部２４と、これら６つの凸部の間に形成された８つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とが設けられたダイアフラム２０においては、図７Ｂ（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すように、クランプ締付位置に関わらず、ダイアフラム２０の中心から略同心円状に等値線が形成されており、クランプ締付力Ｆｃによる変位が中心部に向けて集中していることが解る。そして、クランプ締付位置が変わってもセンシング領域２３の変形態様に殆どばらつきがみられない。このような変形態様のばらつきが極めて小さい配置パターン２を持つダイアフラム２０によれば、センシング領域２３の「ゼロ点のシフト量のばらつき」を略完全に抑制することができる。

ここで、配置パターン１と配置パターン２とを比較すると、厚肉部２４とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計が小さい、すなわち、「剛性領域の接続面積」が小さい配置パターン２の方が、クランプ締付位置の変化に伴うセンシング領域２３の変形態様のばらつきを好適に抑制している。このことは、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａとの接続部の剛性をある程度低下させることが「ゼロ点のシフト量のばらつき」を抑える上で有効であることを示している。

図７Ｃ（ａ）に示す配置パターン３を持つダイアフラム２０、すなわち、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部から形成された厚肉部２４と、これら２つの凸部の間に形成された２つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とが設けられたダイアフラム２０においては、図７Ｃ（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すように、クランプ締付位置に関わらず、ダイアフラム２０の中心から略同心円状に等値線が形成されており、クランプ締付力Ｆｃによる変位が中心部に集中していることが解る。そして、ダイアフラム２０の変形態様のばらつきに関しては、センシング領域２３の周縁部に残存するものの、ダイアフラム２０の中央部（例えば外周縁２０Ｅの略１／４の直径をもつ円形領域）においては、従来のダイアフラム２０´のそれに比べて好適に抑えられていることが図６Ａないし図６Ｃとの比較で解る。このような配置パターン３を持つダイアフラム２０によれば、従来のダイアフラム２０´に比べて「ゼロ点のシフト量のばらつき」を改善することができる。

ここで、厚肉部２４とハウジング３０の内周側壁面３０Ａとが接続する周方向の長さの合計がほぼ同じである配置パターン２と配置パターン３とを比較すると、接続位置が６か所に分散された配置パターン２の方が、２か所に集約された配置パターン３よりも、クランプ締付位置の変化に伴うセンシング領域２３の変形態様のばらつきを好適に抑制している。このことは、ハウジング３０の内周側壁面３０Ａとの接続位置を分散させることが「ゼロ点のシフト量のばらつき」を抑える上で有効であることを示している。

図７Ｄ（ａ）に示す配置パターン４を持つダイアフラム２０、すなわち、ダイアフラム２０の中心を通るハウジング３０の軸心Ｃに対して点対称にある２つの位置に配設された一対の凸部が平面視略６０度の等間隔で３組配設されるようにして形成された厚肉部２４と、これら６つの凸部の間に形成された６つの凹部（切削溝）からなる薄肉部２５とが設けられたダイアフラム２０においては、図７Ｅ（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すように、クランプ締付位置に関わらず、ダイアフラム２０の中心から略同心円状に等値線が形成されており、クランプ締付力Ｆｃによる変位が中心部に集中していることが解る。そして、ダイアフラム２０の変形態様のばらつきに関しては、センシング領域２３の周縁部に若干残存するものの、ダイアフラム２０の中央部（例えば外周縁２０Ｅの略１／４の直径をもつ円形領域）においては略完全に抑えられており、従来のダイアフラム２０´のそれに比べて明らかに良好であることが図６Ａないし図６Ｃとの比較で解る。このような変形態様のばらつきが小さい配置パターン４を持つダイアフラム２０によれば、従来のダイアフラム２０´に比べて「ゼロ点のシフト量のばらつき」を改善することができる。

ここで、「剛性領域の接続面積」が等しく、かつ「剛性領域の接続位置（接続位置の分散）」に関連する凸部の数が等しい配置パターン２と配置パターン４とを比較すると、
凸部の間隔が一部異なる配置パターン２においては、外周縁２０Ｅに表われる大変位領域が残存しているのに対し、凸部が全て等間隔で配設された配置パターン４では、当該大変位領域が殆どみられない。このことから、対称性の高い配置パターンによれば、クランプ締付位置に関わらずより均一に変形させることが可能になることが解る。
他方、ダイアフラム２０の中央部の等値線で囲まれた領域に関しては、凸部の間隔が一部異なる配置パターン２の方が、凸部が全て等間隔で配設された配置パターン４よりも大きく現れており、結果としてセンシング領域２３の変形態様の変化をより好適に抑制している。
以上の事実から、配置パターンの対称性については、用いられる圧力センサの検出手法（センシング原理）、センサの形状（例えば平面視略正方形または平面視略長方形）、センシング領域の大きさおよびセンシング精度等、ならびにダイアフラム２０およびハウジング３０の形状（円形状および円筒形状、または非円形状および非円筒形状）等を考慮して適宜選択することが、「ゼロ点のシフト量のばらつき」の改善の観点から有用であると考えられる。

≪本実施の形態の効果≫
上述したように、本発明に係る圧力センサ素子１が備えるダイアフラム２０にあっては、上記配置パターン１ないし４のいずれもおいても、従来の圧力センサ素子が備えるダイアフラム２０´と比較して変形態様のばらつきが小さく、「ゼロ点のシフト量のばらつき」を改善することができる。
特に図７Ｂに示す配置パターン２を持つダイアフラム２０においては、「剛性領域の接続面積」および「剛性領域の接続位置（接続位置の分散）」を好適にバランスさせることで、センシング領域２３における変形態様のばらつきを効果的に抑え、「ゼロ点のシフト量のばらつき」を略完全に抑制することができる。

また、「ゼロ点のシフト量のばらつき」が抑えられることで、ゼロ点のずれ量が圧力感度に及ぼす影響も低減することができ、測定精度の高い圧力センサ素子１およびこれを含む圧力センサ１０を提供することができる。

≪本実施の形態の変形例≫
上述した実施の形態では、ダイアフラム２０の上面２２上に厚肉部２４を配設している（換言すると、切削溝からなる薄肉部２５が上面２２上に設けられている）が、この厚肉部２４を下面２１上に設けてもよい。また、下面２１と上面２２とに厚肉部２４を設けてもよい。両面に厚肉部２４を設ける場合、各面で異なる配置パターンの厚肉部２４を設けてもよい。例えば、下面２１には配置パターン２の厚肉部２４を設け上面２２には配置パターン４の厚肉部２４を設けてもよい。

さらに、凹部の形態に関し、切削溝ではなく、上述した図２Ｃに示す垂直断面形状が略三角形状の凹部であってもよい。このとき、ダイアフラム２０の膜厚は均一であってもよいし、均一でなくてもよい。また、このような略三角形状の垂直断面形状をもつ変形領域２５を、切削以外の加工法、例えばプレスによって成形してもよい。プレス成形により、ダイアフラム２０およびこれを備える圧力センサ素子１ならびに圧力センサ素子１を含む圧力センサ１０の製造コストを低く抑えることができる。

また、本実施の形態では、ダイアフラム２０およびハウジング３０の形状が略円形状および略円筒形状を呈し、また、半導体チップ５１の形状が略正方形を呈していることを想定している関係で、剛性領域（厚肉部２４）および変形領域（薄肉部２５）の配置パターン１ないし４は、いずれも比較的対称性の高いパターン（ダイアフラム２０の中心点に対して点対称かつダイアフラム２０の中心点を通る少なくとも２本の中心線に対して線対称のパターン）となっているが、このような対称性の高い配置パターンに限定されるわけではない。例えば、ダイアフラム２０およびハウジング３０の形状が非円形状および非円筒形状であり、または、半導体チップ５１の形状が長方形等の場合には、前記配置パターンをダイアフラム２０の中心点に対して非点対称とし、または、中心点を通る中心線に対して非線対称の配置パターン等としてもよい。

さらに、上記実施の形態においては、ダイアフラム変形による圧力検出手法（センシング原理）として、ひずみゲージ５２を含む半導体チップ５１（半導体ひずみゲージ式）を用いているが、これに限定されるわけではなく、例えば、静電容量式、金属歪みゲージ式、抵抗ゲージをスパッタ等により成膜した方式を用いた圧力検出手法（センシング原理）であってもよい。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、明細書および図面に直接記載のない構成であっても、本発明の作用・効果を奏する以上、本発明の技術的思想の範囲内である。さらに、前記記載および各図で示した実施の形態は、その目的および構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることも可能である。

１…圧力センサ素子、１０…圧力センサ、２０…ダイアフラム、２０Ｅ…ダイアフラム外周縁、２１…ダイアフラムの下面、２２…ダイアフラムの上面、２３…センシング領域、２４…厚肉部（剛性領域）、２５…薄肉部（変形領域）、３０…ハウジング、３０Ａ…ハウジング内周側壁面、３０Ｂ…ハウジング外周側壁面、３０ｆ…フェルールフランジ部、５０…センシング部、５１…半導体チップ、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｅ…構造体、５２…ひずみゲージ、５３…ホイートストンブリッジ回路、８０…圧力算出部。

Claims (7)

1. 測定対象の流体の圧力を受ける第１主面及びこの第１主面の反対側に位置する第２主面を有するダイアフラムと、
   筒状を呈し前記ダイアフラムの外周縁とその内周壁で接続するハウジングと、
   を備え、
   前記ダイアフラムは、前記内周壁を通じて前記ダイアフラムに作用する力に対して所定の剛性を有する剛性領域と、この剛性領域よりも前記力に対して変形し易い変形領域とを有し、前記外周縁が前記剛性領域と前記変形領域とによって形成されている
   ことを特徴とする圧力センサ素子。
2. 請求項１に記載の圧力センサ素子において、
   前記剛性領域の少なくとも一部は、前記第１主面上および第２主面の少なくともいずれか一方に形成された、前記変形領域に比べて相対的に膜厚が厚い厚肉部を含むことを特徴とする圧力センサ素子。
3. 請求項１または２に記載の圧力センサ素子において、
   前記変形領域の少なくとも一部の膜厚中心は、前記剛性領域の少なくとも一部の膜厚中心から前記ダイアフラムの膜厚方向へオフセットしていることを特徴とする圧力センサ素子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力センサ素子において、
   前記剛性領域の少なくとも一部は、前記ハウジングの軸心に対して点対称にある２つの位置に一対の剛性領域として形成されていることを特徴とする圧力センサ素子。
5. 請求項４に記載の圧力センサ素子において、
   前記一対の剛性領域が、少なくとも２組設けられていることを特徴とする圧力センサ素子。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の圧力センサ素子において、
   前記剛性領域と前記ハウジングの内周壁とが接続する周方向の長さの合計は、前記変形領域と前記ハウジングの内周壁とが接続する周方向の長さの合計よりも小さいことを特徴とする圧力センサ素子。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の圧力センサ素子と、
   前記第２主面上に配設され、前記ダイアフラムの変形に対応する所定の値を出力するセンシング部と、
   前記所定の値に基づいて前記流体の圧力を算出する圧力算出部と、
   を備える
   ことを特徴とする圧力センサ。

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