JPH01301134A

JPH01301134A - 圧力伝送器

Info

Publication number: JPH01301134A
Application number: JP63130076A
Authority: JP
Inventors: Koji Hayata; 孝司早田
Original assignee: NIPPON BEELES- KK
Current assignee: NIPPON BEELES- KK
Priority date: 1988-05-30
Filing date: 1988-05-30
Publication date: 1989-12-05
Also published as: US4934193A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野Ｊ本発明は圧力伝送器に関する。

［従来の技術］従来の圧力伝送器は、金属製ダイアフラムの表而に金属
製抵抗体を貼付した圧力検出装置を用いている。

ところで、高寿命のダイアフラム材質としてセラミック
を用いることが考えられる。セラミックは塑性変形を生
じにくい故に、長時間の応力作用下でもクリープを発生
せず、発生歪を一定に保つことができる。

また、歪に対するゲージ歪抵抗変化感度が高い抵抗体ト
シテ、１８７３年ｌθ月発行ノＭ　ＩＣＲＯＥＬＥＣＴ
ｏＲＯ−ＮＩＣＳ　ＡＮＤ　ＲＥＬＩＡＢＩＬＩ丁Ｙ　
１２　＠　　４号（７）Ｃ）ＩＡＮＧＥＳ　ｌ５ＴＨＩ
ＣＫ　　ＦＩＬＭ　　Ｉ’１ＥＳＩＳ丁ＯＲＶＡＬＵＥ
Ｓ　　ＤＩＩＥ　　ＴＯ５ＵＢＳＴＲＡＴＥＦＬＥＸＵ
ＲＥ　ＡＮＮＯＵＮＣ：ＥＭＥＮＴ　（Ｒ，Ｊ、　ＨＯ
ＬＭＥＳ　ｍ）　ニ記載の如くの、厚膜抵抗体を用いる
ことも考えられる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、セラミックダイアフラムはヤング率が非
常に大きいため、応力による歪の発生が小さく、したが
ってセラミックダイアフラムと厚膜抵抗体との組合わせ
において、セラミックダイアフラムが破壊しない安全率
の範囲内で厚膜抵抗体に大きな出力を得るには困難があ
る。

また、セラミックダイアフラムに厚膜抵抗体を組合わせ
て構成した圧力検出装置を圧力伝送器内に組込むために
は、圧力伝送器のハウジングにセラミックタイアブラム
を固定するためのボルト、ナ、ト、シール材等の部品が
必要となる。この結果、Ｌ足固定部品の疲労により、セ
ラミックダイアフラムの境界条件が変化し、圧力伝送器
の出力が長時間使用経過により変化し長期安定性を補償
できないという問題点がある。

本発明は、セラミックの破壊に対する安全率を大きくと
りながら、厚膜抵抗体に大きな出力を高精度で得ること
ができ、かつこの出力を長期にわたり安定化することを
目的とする。

し課題を解決するための手段］本発明は、ハウジングと、ハウジングに接合されるセン
サベースと、センサベースに接合されるセラミックセン
サと、セラミックセンサに焼成される厚膜抵抗体と、ハ
ウジングに接合されセラミックセンサの受感面との間に
絶縁流体封入空間を形成し、かつこの絶縁流体封入空間
を被検流体流入空間に対して隔絶する絶縁ダイアフラム
と、絶縁流体封入空間に封入される絶縁流体とを有して
なる圧力伝送器であって、センサベースはハウジング接
合端の側からセラミックセンサ接合端に向けてその外形
寸法を漸増する曲線状の外形を備え、セラミックセンサ
接合端の外縁部肉厚を薄くしてなり、セラミックセンサ
は上記センサベースのセラミックセンサ接合端の端面に
ロー付接合され、該セラミックセンサの絶縁流体と接す
る受感面は球面状とされ、厚膜抵抗体はセラミックセン
サの絶縁流体と接する受感面に対する反対側の焼成面上
に焼成されるようにしたものである。

また、セラミックセンサが酸化物アルミナからなり、セ
ンサベースがチタンからなり、セラミックセンサとセン
サベースとの接合ローがアルミニウムとチタンとバイン
ダからなる活性金属ローであるようにしたものである。

また、厚膜抵抗体がホイートストンブリッジ回路を形成
するように設けられ、該回路を形成する・対の厚膜抵抗
体はセラミックセンサの前記焼成面）−における受感部
投影領域の略中央部に焼成され、他の一対の厚膜抵抗体
はセラミックセンサの前記焼成面上における受感部投影
領域の外側部に焼成されるようにしたものである。

［作用１本発明によれば、セラミックセンサの絶縁流体と接する
受感面が球面状とされるから、セラミックセンサに発生
する応力はより低い値で分散し、結果としてセラミック
センサの機械的強度が向ｌ−する。これにより、破壊に
対する安全率を大きくとることができ、厚膜抵抗体に大
きな出力を得ることができる。

また本発明によれば、厚膜抵抗体はセラミックセンサの
絶縁流体と接する受感面に対する反対側の焼成面ヒに焼
成されるから、セラミックセンサに生ずる表面応力のみ
を検出し、高精度な出力特性が確保される。なお、厚膜
抵抗体の歪によって変化する抵抗変化率は厚膜抵抗体の
３軸方向に発生する各応力に比例して変化する。したが
って、厚膜抵抗体が本発明と異なって圧力流体に直接さ
らされると、セラミックセンサの表面応力だけでなく流
体圧力の影響を受け、高精度な出力特性を確保できない
。

また本発明によれば、セラミックセンサはセンサベース
にロー付接合されるから、セラミックセンサの境界条件
が長期間安定化し、出力の長期安定性が確保できる。こ
の時、センサベースの形状が、曲線状の外形でかつセラ
ミックセンサ接合端の外縁部肉厚を薄く設定されている
から、セラミックセンサに」−記ロー付に起因して生ず
る熱残留応力（セラミックセンサとセンサベースとの熱
１膨張着の差により生ずる応力）が軽減でき、これによ
っても出力の長期安定性が確保できる。

また本発明によれば、絶縁ダイアフラムを設け、セラミ
ックセンサの受感面の側に封入される絶縁温体封入空間
と、被検流体原人空間とを隔絶することとなる。これに
より、被検流体の過大圧力および腐食性流体からセラミ
ックセンサ、センサベース、ロー付材料を保護でき、こ
れによっても出力の長期安定性が確保できる。

また１本発明において、セラミックセンサが酸化物アル
ミナからなり、センサベースがチタンからなり、セラミ
ックセンサとセンサベースとの接合ローであるものとす
る場合には、以下の■、［相］により、厚膜抵抗体の出
力を長期にわたりより安定化できる。すなわちこの場合
には、■センサベースの構成材料が、セラミックセンサ
の構成材料である酸化物アルミナと近似で少し大きめの
熱膨張係数をもつチタンからなるため、セラミックセン
サに前記ロー付に起因して生ずる熱残留応力（セラミッ
クセンサとセンサベースとの熱膨張量の差により生ずる
応力）が軽減できる。また、■ロー付材料として上述の
如くの活性金属ローが用いられるから、厚膜抵抗体の焼
成温度（例えば８５０℃）より低い接合温度で接合でき
、結果として、厚膜抵抗体の特性（初期の抵抗値および
圧力により変化する抵抗変化率）を損なわず、かつ必要
十分な接合強度を確保できる。なおこの場合には、上記
０の理由により、セラミックセンナの応ノ１はその内部
にまで及ばず外周部のみに生ずるため、セラミックセン
サの表面におけるマイクロブラックを簡易に発見し、セ
ラミックセンサの破壊を未然に防止できる。

また本発明においては、セラミックセンサの受感面を前
述の如く球面状としたので、その焼成面１−における受
感部投影領域には引張応力しか生じない、ところで、Ｆ
記受感面投影領域に本発明におけると異なって引張応力
と圧縮応力とが共存する場合であれば、ホイートストン
ブリッジ回路を構成する一対の厚膜抵抗体と他の一対の
厚膜抵抗体とを該受感部投影領域に焼成することが、ホ
イートストンブリッジ回路に大きな出力を得るＬでψま
しいことになる。ところが、本発明においては前述の如
く受感部投影領域には引張応力しか存しないので、一対
の厚膜抵抗体のみを受感部投影領域に焼成し、他の−・
対の厚膜抵抗体は受感部投影領域の外側部に焼成できる
。こうする場合には、各厚膜抵抗体と受感部投影領域の
内外両方に焼成するから、各厚膜抵抗体の焼成面積を太
きくとることが可能となり、結果として各厚膜抵抗体の
雑音を小とし、出力信号の信号／雑音比（ＳＮ比）を高
くとり大きな出力を得ることができる。

［実施例］第１図は本発明の一実施例に係る圧力伝送器を示す断面
図、第２図はセンサベースとセラミックセンサと厚膜抵
抗体の組立状態を示す断面図、第３図は第２図の平面図
、第４図はセンサベースとセラミックセンサと厚ＩＩＩ
抵抗体の組立順序を示す模式図、第５図はセラミックセ
ンサの形状と表面応力の関係を示す模式図である。

圧力伝送器ｌＯは、プロセス流体の圧力を検出し、その
検出結果を伝送可能とするものである。

この圧力伝送器１０は、第１図に示す如く、ステンレス
鋼等からなる金属製ハウジング１１と、ハウジング１１
に接合されるセンサベースと、センサベース１２に接合
されるセラミックセンサと、セラミックセンサ１３にス
クリーン印刷等により焼成される厚１１’Ｉ抵抗体１４
と、ハウジング１１に接合されセラミックセンサ１３の
受感面１３Ａとの間に絶縁流体封入空間１５を形成し、
かつこの絶縁流体封入空間１５を被検流体流入空間１６
に対して隔絶する金属製絶縁ダイアフラム１７と、絶縁
流体封入空間１５に封入される絶縁流体（絶縁油）１８
とを有して構成されている。

ナオ、ハウジング１１は、上ボディＩＩＡ、中ボディＩ
ＩＢ、下ボディｌＩＣの３者の結合によって構成され、
下ボディＩＩＣに被検波体流入空間１６を形成し、中ボ
ディＩＩＢに絶縁ダイアフラム１７を溶接し、絶縁ダイ
アフラム１７の外周部とこれに対応する下ボディＩＩＣ
との間に０リング１９を挟圧せしめている。

また、中ボディＩＩＢとセンサベース１２には絶縁流体
封入空間１５が形成され、中ボデ４１１Ｂに設けられる
絶縁流体封入口２０は、ねじ２１により背面支持される
ポール２２を圧入されることにより封止されている。ま
た、中ボディＩＩＢに設けられて絶縁ダイアフラム１７
の側に開口する絶縁流体封入空間１５の連通孔２３は、
絶縁ダイアフラム１７が薄くなるほど小口径とされ、絶
縁ダイアフラム１７を破壊から保護可能としている。

すなわち、に記圧力伝送器１０にあっては、絶縁ダイア
フラム１７が被検流体の圧力を受けた後、この圧力が絶
縁流体１８を経由してセラミックセンサ１３に伝達され
ると、セラミックセンサ１３にこの圧力により歪を生ず
ることとなる。厚膜抵抗体１４は上記セラミックセンサ
１３に焼成され、共有結合しているため高い歪伝達率で
上記歪を伝達され、高感度で抵抗変化する。圧力伝送器
１０は、上記厚膜抵抗体１４の抵抗変化を感知する電気
回路（ホイートストンブリッジ回路）を有しており、そ
の電気的出力を外部に伝送可能とする。

しかして、圧力伝送器ｌＯにあっては、第２図に示す如
く、センサベース１２が／＼ウジング接合端の側からセ
ラミックセンサ接合端に向けてその外形寸法を漸増する
曲線状の外形を備え、セラミックセンサ接合端の外縁部
肉厚ｔを極端に薄くしている。

また、セラミックセンサ１３は上記センサベース１２の
セラミックセンサ接合端の端面にロー付接合される。な
お、センサベース１２は前記中ボディ１１Ｂにロー付接
合されている。

また、セラミックセンサ１３の絶縁流体１８と接する受
感面１３Ａは球面状とされている。

また、厚膜抵抗体１４はセラミックセンサ１３の絶縁流
体１８と接する受感面１３Ａに対する反対側の焼成面１
３Ｂにスクリーン印刷等により焼成される。この厚膜抵
抗体１４の印刷、焼成はセラミックセンサ１３の大きさ
による熱容量の有無により困難であり、したがって、セ
ラミックセンサ１３は、第４図に示す如く、該セラミッ
クセンサ１３に厚膜抵抗体１４が焼成された後、センサ
ベース１２にロー付するのがよい。

また、上記圧力伝送器１０にあっては、セラミックセン
サ１３が酸化物アルミナＣＡｌ２０３）からなり、セン
サベース１２がチタンからなり、セラミックセンサ１３
とセンサベース１２との接合ローがアルミニウムとチタ
ンとバインダからなる活性金属ローであるものとするこ
とが好適である。この理由は後述する。ここで、活性金
属ローはアルミニウムをベースにチタンを数％混入しバ
イ　ダで希釈しペースト状にした後シルクスクリーンに
よりセラミックセンサ１３に印刷される。

また、上記圧力伝送器１０にあっては、厚膜抵抗体１４
がホイートストンブリッジ回路を形成するように設けら
れ、第３図に示す如く、該回路を形成する一対の厚膜抵
抗体１４Ａはセラミックセンサ１３の前記焼成面１３Ｂ
における受熱面投影領域１３Ｇの略中央部に焼成され、
他の一対の厚膜抵抗体１４Ｂはセラミックセンサ１３の
前記焼成面１３Ｂにおける受熱面投影領域１３ｃの外側
部に焼成されるのが好適となる。この理由は後述する。

次に、上記実施例の作用について説明する。

圧力伝送器ｌＯによれば、セラミックセンサ１３の絶縁
流体１８と接する受感面１３Ａが球面状とされるから、
セラミンクセンサ１３に発生する応力はより低い値で分
散し、結果としてセラミックセンサ１３の機械的強度（
耐力）が向上する。これにより、破壊に対する安全率を
大きくとることができ、厚膜抵抗体１４に大きな出力を
得ることができる０表１はセラミックセンサ１３の厚み
を同一とし、セラミックセンサ１３の受感面１３Ａの隅
肉部半径を変化させた時の該隅肉部に発生する相当応力
の値を示したものである。また表２はセラミックセンサ
１３の受感面１３Ａの隅肉部を球面状とし、セラミック
センサ１３の厚みを変化させた時の該隅肉部に発生する
相当応力の値を示したものである０表１、表２によれば
、受感面１３Ａを球面状としたセラミックセンサ１３の
発生応力は、平形のセラミックセンサにおけるより小で
あることが認められる。

また本発明によれば、厚膜抵抗体１４はセラミックセン
サ１３の絶縁流体１８と接する受感面１３Ａに対する反
対側の焼成面１３Ｂに焼成されるから、セラミックセン
サ１３に生ずる表面応力のみを検出し、高精度な出力特
性が確保される。

なお、厚膜抵抗体１４の歪によって変化する抵抗変化率
は厚膜抵抗体１４の３軸方向に発生する各応力に比例し
て変化する。したがって、厚膜抵抗体１４が本発明にお
けると異なって圧力流体に直接さらされると、セラミッ
クセンサ１３の表面応力だけでなく流体圧力の影響を受
け、高精度な出力特性を確保できない。

また、圧力伝送器１０によれば、セラミックセンサ１３
はセンサベース１２にロー付接合されるから、セラミッ
クセンサ１３の境界条件が長期間安定化し、出力の長期
安定性が確保できる。この時、センサベース１２の形状
が、曲線状の外形でかつセラミックセンサ接合端の外縁
部肉厚を薄く設定されているから、ロー付接合されるセ
ラミックセンサ１３の変形に対しセンサベース１２がよ
くなじむ如くに追従して変形し、セラミックセンサに上
記ロー付に起因して生ずる熱残留応力（セラミックセン
サ１３とセンサベース１２との熱膨張量の差により生ず
る応力）が軽減でき、これによっても出力の長期安定性
が確保できる。

また圧力伝送器１０によれば、絶縁ダイアフラム１７を
設け、セラミックセンサ１３の受感面１３Ａの側に封入
される絶縁流体１８と、被検流体流入空間とを隔絶する
こととなる。これにより、被検流体の過大圧力および腐
食性流体からセラミックセンサ１３、センサベース１２
．ロー付材料を保護でき、これによっても出力の長期安
定性が確保できる。また、セラミックセンサ１３の割れ
、ロー付接合部の剥離、または絶縁流体１８の洩れを生
じた時、絶縁ダイアフラム１７は、被検流体の流出を防
ぐことができる。

また、圧力伝送器ｌＯにあっては、セラミックセンサ１
３が酸化物アルミナからなり、センサベース１２がチタ
ンからなり、セラミックセンサ１３とセンサベース１２
との接合ローがアルミニウムとチタンとバインダからな
る活性金属ローであるものとしたから、以下の■、■に
より、厚膜抵抗体１４の出力を長期にわたりより安定化
できる。すなわち、この場合には、■センサベース１２
の構成材料が、セラミックセンサ１３の構成材料である
酸化物アルミナと近似で少し大きめの熱膨張係数をもつ
チタンからなるため、セラミックセンサ１３に前記ロー
付に起因して生ずる熱残留応力（セラミックセンサ１３
とセンサベース１２との熱膨張量の差により生ずる応力
）が軽減できる。また、■ロー付材料としてアルミニウ
ムとチタンとバインダからなる活性金属ローが用いられ
るから、厚膜抵抗体の焼成温度（例えば８５０℃）より
低い接合温度で接合でき、結果として。

厚膜抵抗体１４の特性（初期の抵抗値および圧力により
変化する抵抗変化率）を損なわず、かつ必要十分な接合
強度を確保できる。なおこの場合には、上記■の理由に
より、セラミックセンサ１３の応力はその内部にまで及
ばず外周部のみに生ずるため、セラミックセンサ１３の
表面におけるマイクロクラックを簡易に発見し、セラミ
ックセンサ１３の破壊を未然に防止できる。

また圧力伝送器ｌＯにおいては、セラミックセンサ１３
の受感面１３Ａを前述の如く球面状としたので、その焼
成面１３Ｂにおける受感部投影領域１３ｃには引張応力
しか生じない、すなわち。

セラミックセンサ１３の受感面１３Ａが第５図の■〜■
の如く異なる時、各セラミックセンサの表面応力は第５
図の線図の如くになる。すなわち、セラミックセンサの
隅肉部半径が小さい場合のセラミックセンサの表面応力
は、中央部で引張応力衛生じ、外側部で圧縮応力を生ず
ることになる。

これに対し、受感面の隅肉部が球面状となる場合のセラ
ミックセンサの表面応力は、引張応力のみとなる。とこ
ろで、上記受感部投影領域１３Ｃに本発明におけると異
なって引張応力と圧縮応力とが共存する場合であれば、
ホイートストンブリッジ回路を構成する一対の厚膜抵抗
体１４Ａと他の一対の厚膜抵抗体１４Ｂとを該受感部投
影領域１３Ｃに焼成することが、ホイートストンブリッ
ジ回路に大きな出力を得る上で望ましいことになる。と
ころが、本発明においては前述の如く受感部投影領域１
３ｃに引張応力しか存しないので。

一対の厚膜抵抗体１３Ａのみを受感部投影領域１３ｃの
略中央部に焼成し、他の一対の厚膜抵抗体１４Ａを受感
面投影領域１３Ｃの外側部に焼成できる。こうする場合
には、各厚膜抵抗体１４Ａ、１４Ｂを受感部投影領域１
３Ｃの内外両方に焼成するから、各厚膜抵抗体１４Ａ、
１４Ｂの焼成面積を大きくとることが可能となり、結果
として各厚膜抵抗体１４Ａ、１４Ｂの雑音を小とし、出
力信号の信号／Ｑｌ音比（ＳＮ比）を高くとり大きな出
力を得ることができる。

以上のように、上記圧力伝送器１０によれば、セラミッ
クセンサ１３の破壊に対する安全率を大きくとりながら
、厚膜抵抗体１４に大きな出力を高精度で得ることがで
き、かつこの出力を長期にわたり安定化することができ
る。また、非破壊試験、リーク試験、耐圧試験等を行な
うことにより信頼性を高め、セラミックと厚膜抵抗体の
持つ特徴を十分生かした工業用圧力伝送器を提供できる
。

［発明の効果］以上のように１本発明によれば、セラミックの破壊に対
する安全率を大きくとりながら、厚膜抵抗体に大きな出
力を高精度で得ることができ、かつこの出力を長期にわ
たり安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る圧力伝送器を示す断面
図、第２図はセンサベースとセラミックセンサと厚膜抵
抗体の組立状態を示す断面図、第３図は第２図の平面図
、第４図はセンサベースとセラミックセンサと厚膜抵抗
体の組立順序を示す模式図、第５図はセラミックセンサ
の形状と表面応力の関係を示す模式図である。１０・・・圧力伝送器。１１・・・ハウジング、１２・・・センサベース、１３・・・セラミックセンサ、１３Ａ・・・受感面、１３Ｂ・・・調整面、１３Ｃ・・・受感部投影領域、１４．１４Ａ、１４Ｂ・・・厚膜抵抗体。１５・・・絶縁流体封入空間、１６・・・試験流体流入空間、１７・・・絶縁ダイアフラム、１８・・・絶縁流体。代理人　弁理士　　塩　川　修　治表　　　１受感部投影半径：　８ｍｍ受感部投影半径＝８■■ 第１図第２図　　　第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ハウジングと、ハウジングに接合されるセンサベ
ースと、センサベースに接合されるセラミックセンサと
、セラミックセンサに焼成される厚膜抵抗体と、ハウジ
ングに接合されセラミックセンサの受感面との間に絶縁
流体封入空間を形成し、かつこの絶縁流体封入空間を被
検流体流入空間に対して隔絶する絶縁ダイアフラムと、
絶縁流体封入空間に封入される絶縁流体とを有してなる
圧力伝送器であって、センサベースはハウジング接合端
の側からセラミックセンサ接合端に向けてその外形寸法
を漸増する曲線状の外形を備え、セラミックセンサ接合
端の外縁部肉厚を薄くしてなり、セラミックセンサは上
記センサベースのセラミックセンサ接合端の端面にロー
付接合され、該セラミックセンサの絶縁流体と接する受
感面は球面状とされ、厚膜抵抗体はセラミックセンサの
絶縁流体と接する受感面に対する反対側の焼成面上に焼
成される圧力伝送器。
（２）セラミックセンサが酸化物アルミナからなり、セ
ンサベースがチタンからなり、セラミックセンサとセン
サベースとの接合ローがアルミニウムとチタンとバイン
ダからなる活性金属ローである請求項１記載の圧力伝送
器。
（３）厚膜抵抗体がホイートストンブリッジ回路を形成
するように設けられ、該回路を形成する一対の厚膜抵抗
体はセラミックセンサの前記焼成面上における受感面投
影領域の略中央部に焼成され、他の一対の厚膜抵抗体は
セラミックセンサの前記焼成面上における受感面投影領
域の外側部に焼成される請求項１または２記載の圧力伝
送器。