JP7195994B2

JP7195994B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP7195994B2
Application number: JP2019060721A
Authority: JP
Inventors: 和人大竹; 誠古小高
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159918A

Description

本発明は、流体の圧力を測定する圧力センサに関する。

一般に、ダイアフラムに流体を接触させ、オイル等の液体を介して、歪ゲージに伝達された圧力を測定する圧力センサが知られている。
例えば、封入された液体の温度変化に伴う膨張、収縮を吸収するべくメタルダイアフラムの大きな変位を得ることができる液封型圧力センサが開示されている（特許文献１参照）。また、ダイアフラムの外周に凸部が設けられ、零点ドリフトの発生を抑える圧力検出装置が開示されている（特許文献２参照）。

特許第４７０８６７９号公報特開平１１－１３２８８７号公報

しかしながら、液体の熱膨張による検出誤差を軽減するには、ダイアフラムを薄くすることが有効であるが、ダイアフラムを薄くすると、ダイアフラムが変動限界に達するのが早くなる。このため、基準温度からの温度差が大きくなると、ダイアフラムの変形が鈍くなり、圧力センサの温度特性が２次的に悪化する。これにより、温度特性が２次的カーブになる。このような２次的カーブの温度特性は、温度補償抵抗の追加による温度補償で改善することが困難である。

本発明の実施形態の目的は、ダイアフラムを薄くした上で、温度補償をし易くした圧力センサを提供することにある。

本発明の観点に従った圧力センサは、圧力を測定するセンサ部と、センサ部が収容される空間に充填される液体と、表面に受けた測定対象の流体からの圧力が前記液体を介して前記センサ部に伝達され、前記表面における前記流体と接触する有効面の有効外周直径が６ｍｍ以上、及び、厚さが１０μｍ以上３０μｍ以下であり、温度特性が２次的なカーブから１次的なカーブに近似されるように、前記有効外周直径の半分より短い直径の輪状の内側凸部及び前記有効外周直径の半分より長い直径の輪状の外側凸部が同じ中心で前記表面に設けられたダイアフラムとを備える。

本発明の実施形態によれば、ダイアフラムを薄くした上で、温度補償をし易くした圧力センサを提供することができる。

本発明の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図。本実施形態に係る圧力センサの圧力導入ポートを取り外した構成を示す斜視図。本実施形態に係る２つの凸部が設けられたダイアフラムの一例を側面から見た側面図。本実施形態に係る圧力センサの温度特性を示す特性図。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る圧力センサ１０の構成を示す断面図である。図２は、本実施形態に係る圧力センサ１０の圧力導入ポート７を取り外した構成を示す斜視図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、適宜説明を省略する。

圧力センサ１０は、腐食性流体等の圧力を測定する液封型圧力センサである。
圧力センサ１０は、ベース部材１、ダイアフラム２、センサチップ３、台座４、液体５、複数の端子６、及び、圧力導入ポート７を備える。
ベース部材１は、底面の中央部分が凹むように空間が形成された高さの低い円柱形状（碗形状）である。ベース部材１は、圧力センサ１０の本体部分の外形を形成するハウジングの機能を有する。ベース部材１は、例えば金属製である。

ダイアフラム２は、薄い円板状で、底面側の表面（測定対象の流体との接触面）に２つの同心円状の凸部２１，２２が設けられた形状の部材である。なお、凸部は、２つ以上であれば、いくつ設けられてもよい。ダイアフラム２は、ベース部材１に設けられた空間を塞ぐように、ベース部材１の底面に設けられる。ダイアフラム２は、測定対象の流体と表面で接触し、流体からの圧力を受ける。ダイアフラム２は、表面で受けた圧力を裏面に接触する液体５を介してセンサチップ３に伝達される。ダイアフラム２は、腐食性流体に晒されても腐食しない耐性を有する材質である。例えば、ダイアフラム２は、ステンレススチール等の金属製である。なお、ダイアフラム２は、少なくとも表面が腐食に対する耐性を有していればよい。

センサチップ３は、ベース部材１に設けられた空間に液体５が充填された状態で収容される。センサチップ３は、液体５の圧力を測定することで、流体の圧力を測定する。センサチップ３は、例えば歪ゲージを備える。歪ゲージは、加えられた圧力により変形することで、変形量を電気的信号（電圧又は抵抗等を示す信号）に変換する。センサチップ３には、圧力を検出するための回路（例えば、ホイートストンブリッジ回路）が形成されてもよい。例えば、センサチップ３は、シリコン基板により構成される。センサチップ３の基板は、全体的に薄い板状になるように、裏面側に空洞が形成された凸形状である。これにより、センサチップ３の基板は、ダイアフラムとして機能する。なお、センサチップ３は、加えられた圧力を電圧に変換する圧電素子を用いてもよい。

台座４は、ベース部材１の内部の空間に設けられ、表面にセンサチップ３を実装するための部材である。台座４は、ガラス等の電気絶縁性の材料で形成される。
液体５は、ダイアフラム２に加えられた圧力をセンサチップ３に伝達する物質である。液体５は、例えばシリコンオイルである。液体５は、ベース部材１のセンサチップ３が収容された空間を完全に満たすように充填される。液体５は、ベース部材１の底面に設けられたダイアフラム２の裏面と全面的に隙間なく接触する。

端子６は、センサチップ３から出力された電気信号をベース部材１の外部に取り出すための配線である。端子６は、いくつ設けられてもよい。端子６は、センサチップ３と配線ＷＲ（例えば、ワイヤボンディング）で電気的に接続される。端子６は、ベース部材１のダイアフラム２と反対側の表面から突き出た状態に設けられる。端子６と端子６が貫通するベース部材１の穴との間の隙間には、ベース部材１の内部の空間を密閉するための絶縁材ＩＳ（例えば、ガラス）が充填される。

圧力導入ポート７は、測定対象の流体をダイアフラム２の表面に接触するように誘導するための部材である。圧力導入ポート７は、ベース部材１のダイアフラム２側に取り外し可能に接合される。圧力導入ポート７は、円筒に近い形状であり、中心部分には、測定対象の流体が通り抜ける穴が垂直方向に設けられた形状である。圧力導入ポート７のダイアフラム２側には、厚みのある円板状の空間を形成する凹み部分が設けられる。圧力導入ポート７がベース部材１に取り付けられた状態では、測定対象の流体がダイアフラム２の表面と全面的に接触するような空間が形成される。

次に、図３を参照して、ダイアフラム２の凸部２１，２２について説明する。
図３は、２つの凸部２１，２２が設けられたダイアフラム２の一例を側面から見た側面図である。
まず、凸部２１，２２を設ける基本的な設計方法について説明する。
温度変化によりベース部材１の内部の液体５が膨張又は収縮すると、センサチップ３に膨張圧又は収縮圧がかかるため、圧力を印加していなくても、圧力センサ１０の出力に変動が生じる。これを軽減するために、ダイアフラム２を薄くすることで、内部の膨張圧を緩和する。具体的には、ダイアフラム２の有効外周径（測定対象の流体と接触する有効面の外周の直径）が６ｍｍ以上の場合、ダイアフラム２の厚さを１０μｍ以上３０μｍ以下とする。

一方、ダイアフラム２を薄くすると、ダイアフラム２が変動限界に達するのが早くなる。即ち、塑性変形し易くなる。このため、基準温度（例えば、室温２５度）からの温度差が大きくなると、ダイアフラム２の変動が鈍くなり、圧力センサ１０の温度特性が２次的に悪化する。したがって、圧力センサ１０の温度特性は、２次的なカーブになる。しかし、２次的なカーブの温度特性は、温度補償抵抗の追加よる温度補償では、十分に温度補償することができない。

例えば、温度補償抵抗は次のとおりである。
センサチップ３がシリコン単結晶の感圧素子で構成され、感圧素子内の拡散抵抗によりブリッジ回路が形成されている場合について説明する。この場合、感圧素子に圧力が加わると、ブリッジ回路に不均衡が生じて、出力端に電圧差が生じる。この電圧差を検出することで、圧力が測定される。

このような構成において、温度補償抵抗には、ゼロ点用温度補償抵抗、ブリッジバランス用温度補償抵抗、及び、スパン（感度）用温度補償抵抗がある。これらの温度補償抵抗をブリッジ回路に設けることで、温度補償が行われる。ゼロ点用温度補償抵抗は、圧力センサに圧力が加えられていないゼロ点の温度補償を行う抵抗である。ブリッジバランス用温度補償抵抗は、ブリッジ回路のブリッジ不平衡を改善するための温度補償を行う抵抗である。スパン用温度補償抵抗は、圧力センサの感度を改善するための温度補償を行う抵抗である。これらの温度補償抵抗の追加による温度補償は、液体５の熱膨張による温度特性分を加味して行うことができる。

そこで、ダイアフラム２の表面に凸部２１，２２（コルゲーション）を設けることで、液体５の膨張又は収縮によるダイアフラム２の伸び量（変形量）を大きくするとともに、２次的なカーブな温度特性を１次的なカーブになるように修正する。
凸部２１，２２は、ダイアフラム２と同じ中心の同心円の輪状である。内側凸部２１は、ダイアフラム２の有効外周径の半分の長さよりも短い外周径である。外側凸部２２は、ダイアフラム２の有効外周径の半分の長さよりも長い外周径である。

２つの凸部２１，２２は、いずれもダイアフラム２の最大の弾性変形量を大きくする。一方、内側凸部２１を設けた場合と外側凸部２２を設けた場合では、ダイアフラム２の剛性（変形のし易さ）に対する影響は異なる。例えば、外周径の短い内側凸部２１の方が、外周径の長い外側凸部２２よりも、ダイアフラム２の剛性を高くする。

したがって、凸部２１，２２の設けられていないダイアフラム２の２次的なカーブの温度特性に対して、１次的なカーブになるように、２つの凸部２１，２２の位置関係を微調整する。なお、温度特性を１次的なカーブにするために、３つ目の凸部を設けてもよく、この凸部の外周径は任意の長さでよい。

次に、図３を参照し、凸部２１，２２の具体例を説明する。なお、温度特性が２次的なカーブから１次的なカーブに近付くのであれば、ここで説明する形態に限らず、凸部２１，２２の位置又は形状等はどのようにしてもよい。
ダイアフラム２は、厚さが２０μｍ、有効外周径が１２．５ｍｍである。

内側凸部２１は、輪状の内側の直径が４．２ｍｍ、輪状の外側の直径が５．８ｍｍ、中央に位置する頂点部分の直径が５ｍｍである。
外側凸部２２は、輪状の内側の直径が９．４ｍｍ、輪状の外側の直径が１１ｍｍ、中央に位置する頂点部分の直径が１０．２ｍｍである。

凸部２１，２２の高さ（ダイアフラム２の厚さを含む）は、０．１７５ｍｍである。凸部２１，２２の形状は、頂点部分と裾野部分とで、互いに異なる曲率で形成される。
図４は、本実施形態に係る圧力センサ１０の温度特性を示す特性図である。
図４に示すように、基準温度２５度に対して、約０度から約５０度までの測定範囲であれば、ほぼ一次的なカーブと見ることができる。したがって、温度補償抵抗の追加による温度補償で、温度特性を改善することができる。なお、デジタル手法による温度補償を同時に行ってもよい。

これに対して、輪状の凸部が１つ以下の場合は、凸部をどの場所に設けても、基準温度２５度±約１０度の範囲を超えると、温度特性が２次的なカーブになり、１次的なカーブに近似することは困難である。
本実施形態によれば、有効外周径が６ｍｍ以上のダイアフラム２において、ダイアフラム２の厚さを１０～３０μｍとし、径の小さい輪状の凸部２１と径の大きい輪状の凸部２２を、圧力センサ１０としての温度特性が一次的なカーブに近似されるように配置することで、圧力センサ１０の温度特性変動（温度による出力変動量又は出力変動挙動）を簡易で高精度な温度補償をすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。また、複数の実施形態について構成要素を組合せ又は交換等をすることで、新たな実施形態としてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。

１…ベース部材、２…ダイアフラム、３…センサチップ、４…台座、５…液体、６…端子、７…圧力導入ポート、１０…圧力センサ、２１，２２…凸部。

Claims

圧力を測定するセンサ部と、
前記センサ部が収容される空間に充填される液体と、
表面に受けた測定対象の流体からの圧力が前記液体を介して前記センサ部に伝達され、前記表面における前記流体と接触する有効面の有効外周直径が６ｍｍ以上、及び、厚さが１０μｍ以上３０μｍ以下であり、温度特性が２次的なカーブから１次的なカーブに近似されるように、前記有効外周直径の半分より短い直径の輪状の内側凸部及び前記有効外周直径の半分より長い直径の輪状の外側凸部が同じ中心で前記表面に設けられたダイアフラムと
を備えることを特徴とする圧力センサ。
前記ダイアフラムは、前記流体との接触による腐食に対する耐性を有すること
を特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記温度特性に基づく温度補償をするための温度補償抵抗
を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
圧力を測定するセンサ部が収容される空間に液体が充填された圧力センサの製造方法であって、
表面に受けた測定対象の流体からの圧力が前記液体を介して前記センサ部に伝達され、前記表面における前記流体と接触する有効面の有効外周直径が６ｍｍ以上、及び、厚さが１０μｍ以上３０μｍ以下であるダイアフラムに、温度特性が２次的なカーブから１次的なカーブに近似されるように、前記有効外周直径の半分より短い直径の輪状の内側凸部及び前記有効外周直径の半分より長い直径の輪状の外側凸部を前記ダイアフラムと同じ中心で前記表面に設けること
を含むことを特徴とする圧力センサの製造方法。