JPH04258730A - ダイアフラム型変換器 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイアフラム型変換器
に関し、より詳細には、測定すべき圧力や荷重などを、
外気圧の影響を受けないようにして、ダイアフラムに添
着されたひずみゲージにより検出し得るようにしたダイ
アフラム型変換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧力や荷重の変化に伴って発生する圧力
変換器や荷重変換器の起歪部、例えばダイアフラムの機
械的なひずみ量を、抵抗値や電圧などの電気量に変換し
て検出するための変換素子の一つとして、ひずみゲージ
が従来から使用されている。

【０００３】例えば、このひずみゲージ３０は、図２に
示すように可撓性を有する例えばポリイミドなどの絶縁
材料からなる薄いゲージベース３１上に４つの電気抵抗
素子３２〜３５を添着した断面構造を有するものとして
構成される。

【０００４】この場合、４つの電気抵抗素子３２〜３５
は、図３に示すように例えばＣｕ−Ｎｉ合金材料からな
る直径１／５０〜１／２００ｍｍ程度の電気抵抗線に相
当する小さい矩形断面積を有する電気抵抗帯箔３８とし
て形成され、またパターン的には、狭いピッチで幾重に
も平行的に蛇行させた細幅の蛇行帯パターンとして形成
されるのが普通である。

【０００５】そして、これら４つの電気抵抗素子３２〜
３５は、ホイートストンブリッジ回路を構成するように
結線される。また、各電気抵抗素子３２〜３５の両接続
端は、配線部（図示せず）を介してゲージタブ３６ａ〜
３６ｅに接続され、さらにこれらは保護被履層（ラミネ
ート層）３７によって履われている。

【０００６】しかしながら、このように構成されたひず
みゲージは、電気抵抗素子３２〜３５がＣｕ−Ｎｉ合金
材料から製作されているため、湿気から保護する必要が
ある。特に湿気の場合は、徐々に保護被履層３７を浸入
・透過して電気抵抗素子３２〜３５にまで達し、その結
果、電気抵抗素子３２〜３５の絶縁低下を惹起したり、
酸化によってひずみゲージの特性を悪化させるという問
題が生じる。

【０００７】図４は、ひずみゲージを湿気から保護し得
るように構成された従来の絶対圧力変換器の一例を示す
断面図である。

【０００８】この図４において、１は金属製の導入部材
であり、電気信号に変換すべき被測定圧力を導入する圧
力導入路１ａが形成されている。この導入部材１には、
やはり金属製の起歪ダイアフラム２が周縁部において溶
接等により気密に固着されていて、この導入部材１と起
歪ダイアフラム２の間に、圧力導入路１ａにより導入さ
れた被測定圧力の受圧室ＰＲを形成している。起歪ダイ
アフラム２の受圧面とは反対の背面には、該起歪ダイア
フラム２の変形を検出するひずみゲージ３が添着されて
いる。

【０００９】また、起歪ダイアフラム２の外周側には、
やはり導入部材１に一端周縁部において溶接等により気
密に固着され、他端側を底部としてほぼ有底筒状の底部
中央に開口部を設けた形状をなす金属製の筒状部材４が
設けられている。この筒状部材４の底部の開口部周辺に
は第１気密端子５が形成されている。

【００１０】この第１気密端子５は、筒状部材４の底部
に形成された貫通孔に絶縁封止材としてのガラス等を介
して接続用リードピン５ａが貫通支持されたものである
。リードピン５ａは、筒状部材４の内部においてひずみ
ゲージ３に接続されている。

【００１１】筒状部材４の底部中央の開口部には、中央
に金属製の排気パイプ６が溶接等により気密に固着され
た封止金具７がやはり周縁部において溶接等により気密
に固着されている。

【００１２】このように、導入部材１，起歪ダイアフラ
ム２，筒状部材４，封止金具７等により第１真空室ＶＲ
１が形成され、排気パイプ６の外方に突出する端部から
該真空室内部を真空引きした後に、該排気パイプ６の突
出端を圧潰してから切断し、更にロー付けをして封止さ
れる。

【００１３】封止金具７の背後には、リードピン５ａ，
排気パイプ６等の外部突出端に固定支持され且つリード
ピン５ａに接続された配線基板８が設けられており、こ
の配線基板８上に設けられた補償抵抗９と共に検出変換
回路を構成している。

【００１４】１７はほぼ有底筒状をなす金属製の封止部
材であり、この封止部材１７の底部には、リードピン１
８ａを挿通した第２気密端子１８が形成されている。こ
の第２気密端子１８のリードピン１８ａを配線基板８に
接続した後、筒状部材４の外周側に金属製のケース１９
が装着される。

【００１５】ケース１９は、筒状の一端が周縁部におい
て導入部材１に溶接等により気密に固着され、他端側が
段差部を介して小径の筒状部をなすとともにこの小径の
筒状部内に封止部材１７が嵌挿されて端縁部において溶
接等により気密に固着される。このケース１９の段差部
には、抜気孔１９ａが形成されており、このケース１９
の両端の固着が完了した段階で抜気孔１９ａから内部を
脱気したのち、電子ビーム溶接等で該抜気孔１９ａを真
空封止する。

【００１６】具体的には、ケース１９の固着完了後全体
を真空室に入れて脱気し、この真空室内に入れたまま電
子ビーム溶接等により抜気孔１９ａを封止する。このよ
うに筒状部材４，封止金具７，封止部材１７，ケース１
９等により配線室である第２真空室ＶＲ２を形成する。

【００１７】そしてリードピン１８ａにコード抜け止め
金具２０を装着したコード１１を接続し、封止部材１７
の内部に高分子化合物の充填材２１を充填した後に、金
属製の止めねじ２２（ほぼ円板状で中央にコード１１が
挿通され外周にねじ部が形成されている）で封止部材１
７の端部を閉塞し且つコード１１を固定する。止めねじ
２２の周縁部も、封止部材１７に溶接する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た圧力変換器は、真空室によってひずみゲージを外気か
ら完全に遮断しているから、ひずみゲージを湿気からほ
ぼ完全に保護し得るものの、第１真空室ＶＲ１内の圧力
を基準とした圧力を検出するいわゆる絶対圧力変換器で
あるため、その出力には外気圧の変動がそのまま含まれ
、従って、外気圧を基準とした一般的な変換器として用
いることはできない。

【００１９】また、真空構造にするために気密端子を使
用しているので構造も複雑で、コストアップを招来する
と共に小型化を阻害する要因にもなっていた。

【００２０】さらに、真空室ＶＲ１，ＶＲ２内に希ガス
を封入するような場合には、温度変化によって内圧も変
化するため、その内圧影響を補償しなければならなかっ
た。

【００２１】一方、上記した外気圧を基準とした圧力を
検出し得るようにした圧力変換器として、差圧計型の圧
力変換器がある。この差圧計型の圧力変換器は、ひずみ
ゲージを添着した起歪板を境にして一方側に被測定圧力
導入部を、他方側に外気圧導入部をそれぞれ設け、両導
入部外周にそれぞれ例えばベローズを配して密封構造と
したものである。

【００２２】しかしながら、この差圧計型の圧力変換器
は、ベローズで気密性を保持してひずみゲージを外気か
ら遮断しているので、ひずみゲージを湿気から保護する
ことはできるが、被測定圧力と外気圧の両方を感知する
機構が必要であるため、変換器全体が大型化し、構造が
複雑化するうえ、高価なものとなっていた。

【００２３】ところで、ひずみゲージの防湿性を実現す
るための簡易的な手段として、ひずみゲージやその配線
部分などを樹脂で薄くコーティングしたものがある。

【００２４】この場合は、ひずみゲージなどをコーティ
ングした樹脂被膜が薄いため、長期にわたる防湿性を維
持することができず、従って屋外等の環境の悪い場所で
は、使用することができなかった。

【００２５】なお、防湿性を高めるには、ひずみゲージ
へのコーティング被膜を厚く形成すればよいが、厚くす
ると、樹脂コーティングのみかけの剛性が高くなったり
、温度による膨張・収縮量が大きくなり、ひずみゲージ
やダイアフラムの本来の特性に悪影響を及ぼす結果とな
る。

【００２６】本発明は、上述のような問題点を除去する
ためになされたもので、その目的とするところは、ベロ
ーズや気密端子などの特別な封止構造を用いることなく
、簡略且つ安価な構成でひずみゲージの長期にわたる防
湿効果を持続可能とし、しかも外気圧に影響されない圧
力検出または荷重検出を可能とするダイアフラム型変換
器を得ることにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、外気圧を含んだ被測定圧力を
受ける受圧面と、この受圧面とは反対側の面であって外
気圧のみを受ける非受圧面との圧力差によるダイアフラ
ムの変形をそのダイアフラムに添着されたひずみゲージ
を用いて電気信号に変換するダイアフラム型変換器にお
いて、前記ダイアフラムの前記非受圧面側に外気圧を導
入し得るようにした配線室を設け、前記非受圧面に添着
された前記ひずみゲージおよび前記ひずみゲージの検出
出力を外部に導出するための配線の少なくとも一部の周
りに、高い防湿性を有すると共に圧力伝達性を有するゲ
ル状物質を充填してモールドし、前記ひずみゲージによ
り、外気圧を含んだ被測定圧力から前記外気圧をキャン
セルした圧力に対応する電気信号を得るように構成した
ことを特徴としたものである。

【００２８】また、上記の目的を達成するために、請求
項２の発明は、中心部に被測定荷重を受ける剛性大なる
荷重導入部を有し、周縁部に前記被測定荷重に対応する
反力を受ける剛性大なる荷重支持部を有し、中間部に円
環状のダイアフラムが一体に連設されてなる起歪体と、
この起歪体の荷重印加側とは反対側の面であって外気圧
のみを受ける非受圧面側に添着されたひずみゲージとか
ら成り、前記ひずみゲージにより、被測定荷重に対応す
る電気信号を得るダイアフラム型変換器において、前記
ダイアフラムの前記非受圧面側に外気圧を導入し得るよ
うにした配線室を設け、前記非受圧面に添着されたひず
みゲージおよび前記ひずみゲージの検出出力を外部に導
出するための配線の少なくとも一部の周りに高い防湿性
を有すると共に圧力伝達性を有するゲル状物質を充填し
てモールドし、前記ひずみゲージにより、外気圧の影響
を受けない被測定荷重のみに対応した電気信号を得るよ
うに構成したことを特徴としたものである。

【００２９】上記の目的をより充分に達成するために、
請求項３の発明は、ゲル状物質として、圧力伝達性を有
すると共に高い防湿性および高い熱伝導性を有するシリ
コン物質を用いたことを特徴としたものである。

【００３０】

【作用】上記のように構成されたダイアフラム型変換器
は、ひずみゲージおよびこれに接続された配線の少なく
とも一部を厚くモールドしたゲル状物質が高い防湿性と
圧力伝達性を有するので、外気中の湿気の浸入を阻止し
つつ、ダイアフラムの非受圧面に外気圧のみを作用させ
る。

【００３１】一方、ダイアフラムの受圧面には、外気圧
を含んだ被測定圧力又は荷重が作用するが、この外気圧
は、非受圧面にも作用して打消されるため、ダイアフラ
ムは、外気圧の影響を受けない圧力又は荷重のみによっ
て変形することになる。この変形をひずみゲージによっ
て検出することで、外気圧がキャンセルされた圧力又は
荷重を電気信号に変換して取り出すことができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳し
く説明する。図１は、本発明に係るダイアフラム型変換
器の一実施例としての外気圧補正型圧力変換器の構成を
示す断面図である。

【００３３】図１において、１０１は金属製の導入部で
、その中心に電気信号に変換すべき被測定圧力を導入す
る圧力導入路１０１ａが穿孔されている。この導入部１
０１の一端部（右端部）には、やはり金属製の起歪体と
してのダイアフラム１０２がその周縁に一体に連設され
た剛体部１０３を介して溶接等の手段により固着されて
いる。上記導入部１０１端面とダイアフラム１０２との
間に、圧力導入路１０１ａから導入された被測定流体の
受圧室１０４が形成されている。

【００３４】そして、ダイアフラム１０２の受圧面とは
反対の非受圧面には、該ダイアフラム１０２の変形を検
出するひずみゲージ１０５が接着、スパッタリングその
他の手段により添着されている。

【００３５】ダイアフラム１０２の外周側に間隙をおい
てケース１０６が、その一端部を導入部１０１にねじ結
合されている。このケース１０６の内部が配線室Ｒとさ
れている。

【００３６】１０７はひずみゲージ１０５からの電気信
号を外部に導出するための防水レセプタクルで、後記す
るコネクタ１２２が着脱可能なるように構成されている
。このレセプタクル１０７は、鍔部１０８と、ねじ軸１
１１とを有する。この鍔部１０８は、外気導入用の通気
孔１０９を有するキャップ１１０に対し、僅かの間隙を
存して挿入され得るようになっている。

【００３７】また、レセプタクル１０７のねじ軸１１１
の外周部には、フィルタ１１２と、通気孔１１３を有す
る中蓋１１４が挿入され、これらフィルタ１１２と中蓋
１１４は、ナット１１５で鍔部１０８との間に締付けら
れている。

【００３８】また、ねじ軸１１１の先端面に設けられた
複数本の端子ピン１１６には、調整抵抗や補償抵抗など
の抵抗１１７などが予め塔載された印刷配線基板からな
るフレキシブル基板１１８がピン孔に挿通された状態で
半田付けによって電気的に接続され且つ機械的に固定さ
れている。

【００３９】上記レセプタクル１０７に、上述したよう
にフィルタ１１２，中蓋１１４およびフレキシブル基板
１１８が組み付けられた状態において、ひずみゲージ１
０５とフレキシブル基板１１８とをフラットケーブル１
１９で電気的に互いに接続する。　　その後、配線室Ｒ
内にシリコンからなるゲル状物質１２０を充填して上記
ひずみケージ１０５を始めとして、フラットケーブル１
１９、抵抗１１７、端子ピン１１６、フレキシブル基板
１１８等を埋め込むようにしてモールドする。その後、
キャップ１１０をＯリング１２１を介してケース１０６
の外端部にねじ結合して組み付けることになる。なお、
キャップ１１０の回転は、通気孔１０９に工具を差し込
んで行う。

【００４０】１２２は、レセプタクル１０７に機械的且
つ電気的に結合されてひずみゲージ１０５からの出力を
電気信号として取り出すためのコネクタ、１２３は、コ
ネクタ１２２から引き出されたコードである。

【００４１】尚、本実施例において、モールド材にゲル
状物質を使用したのは、ゲル状物質の特性、すなわち、
（ａ）　　非常に柔らかく剛性が無いに等しいため、ゲ
ル状物質をひずみゲージ１０５上に所定の厚さに塗布ま
たは充填してモールド化しても、ダイアフラム１０２や
ひずみゲージ１０５に対してひずみ（可撓性）を抑制す
るなど測定上の悪影響を与えない。 （ｂ）　　厚く塗布または充填することができる。 （ｃ）　　密着性がよく且つ、防湿性が高い。 （ｄ）　　厚く充填しても圧力伝達性が得られる。 （ｅ）　　高い熱伝導性がある。 という特性に着目してのことである。

【００４２】このようなゲル状物質１２０の材料として
は、例えば、以下の代表特性表および硬化後特性表に記
すＳＥ４４４０ゲル（東レ・ダウコーニング・シリコー
ン株式会社の製品名）がある。

【００４３】このゲル材料の熱伝導率は、従来から知ら
れているシリコンゲルの熱伝導率に比べて約１０倍も高
い特性を有するため、本発明のゲル状物質１２０に適し
ていると云える。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】 このゲル材料を、ひずみゲージ１０５が添着されたダイ
アフラム１０２の非受圧面側であって、ひずみゲージ１
０５の表面、剛体部１０３の上面および外周面、並びに
ケース１０６の内周面に接する範囲内に、塗布または充
填などの方法を用いて所要の厚みとし、目的とする防湿
層を作製する。

【００４６】このように本発明によるダイアフラム型変
換器は、上記した特性を有するゲル状物質１２０でひず
みゲージ１０５をモールドしたので、下記のような優れ
た諸効果を得ることができる。

【００４７】（１）　　ひずみゲージ１０５への湿気の
浸入が完全に阻止され、ひずみゲージの絶縁性の低下や
酸化による特性上の悪化を回避することができる。

【００４８】（２）　　外気圧のみがゲル状物質１２０
中を伝達し、ダイアフラム１０２面に所定の大気圧を付
与することができる。従って、外気圧を含む被測定圧力
がダイアフラム１０２の受圧面側に印加されても、非受
圧面側にも外気圧が印加されることになるので、外気圧
は互いに相殺され、外気圧の変動に影響されない圧力の
測定を行うことができる。

【００４９】（３）　　ひずみゲージ１０５の自己加熱
によって発生する熱を、ゲル状物質１２０が吸収し、さ
らにこれを、ケース１０６や剛体部１０３に伝導して放
散させるので、温度上昇に伴うみかけひずみ、ゲージ率
の変化、熱ヒステリシス、クリープなどを小さく抑える
ことができ、測定精度を向上させることができる。

【００５０】（４）　　フラットケーブル１１９やフレ
キシブル基板１１８がゲル状物質１２０内に埋め込まれ
るため、ひずみゲージ以外の部品も湿気から保護するこ
とができる。

【００５１】以上、一実施例について説明したが、本発
明はこれに限定されるものでなく、その要旨を変更しな
い範囲内で、種々に変形実施することが可能である。

【００５２】例えば、ゲル状物質の材料は、実施例のも
のに限らず、高い防湿性と圧力伝達性を有するものであ
れば他のゲル状物質であってもよい。

【００５３】また、本発明では圧力変換器を例示して説
明したが、ダイアフラム型の荷重変換器にも適用可能で
ある。

【００５４】即ち、荷重変換器として、中心部に被測定
荷重を受ける剛性大なる小円柱状の荷重導入部を有し、
周縁部に上記被測定荷重に対応する反力を受ける剛性大
なる厚肉円筒状の荷重支持部を有し、中間部に円環状の
ダイアフラムを有する起歪体と、この起歪体の荷重印加
側とは反対側の面であって外気圧のみを受ける非受圧面
側に添着されたひずみゲージとで構成され、上記ダイア
フラムは、その内周端が上記荷重導入部に一体に連設さ
れ、その外周端が上記荷重支持部に一体に連設されて成
るものについて、説明する。

【００５５】上記のような構成における起歪体のダイア
フラムの非受圧面側に外気を導入し得るようにした配線
室を形成し、上記非受圧面に添着されたひずみゲージの
表面およびひずみゲージの検出出力を外部に導くための
配線類の少なくとも一部の周りに、高い防湿性を有する
と共に圧力伝達性を有するシリコンゲル状物質を充填す
ればよい。

【００５６】このように構成することで、外気圧の影響
を全く受けない荷重変換器を得ることができる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、気密端子やベローズな
どの特別な封止構造を用いることなく、小型で簡略且つ
安価な構成で、ひずみゲージの長期にわたる防湿効果を
持続させることができ、しかもダイアフラムやひずみゲ
ージの可撓性に何ら影響を与えない状態で、外気圧変動
の影響を受けない圧力検出または荷重検出を可能とする
ダイアフラム型変換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るダイアフラム型変換器の一例とし
ての圧力変換器の構成を示す断面図である。

【図２】一般的なひずみゲージの概略構成を示す断面図
である。

【図３】図２におけるひずみゲージの一部分の構成を示
す部分平面図である。

【図４】従来の絶対圧力変換器の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０１　　導入部 １０１ａ　　圧力導入路 １０２　　ダイアフラム １０３　　剛体部 １０４　　受圧室 １０５　　ひずみゲージ １０６　　ケース １０７　　レセプタクル １０８　　鍔部 １０９　　通気孔 １１０　　キャップ １１１　　ねじ軸 １１２　　フィルタ １１３　　通気孔 １１４　　中蓋 １１５　　ナット １１６　　端子ピン １１７　　抵抗 １１８　　フレキシブル基板 １１９　　フラットケーブル １２０　　ゲル状物質 １２１　　Ｏリング １２２　　コネクタ １２３　　コード Ｒ　　配線室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　外気圧を含んだ被測定圧力を受ける受
   圧面と、この受圧面とは反対側の面であって外気圧のみ
   を受ける非受圧面との圧力差によるダイアフラムの変形
   をそのダイアフラムに添着されたひずみゲージを用いて
   電気信号に変換するダイアフラム型変換器において、前
   記ダイアフラムの前記非受圧面側に外気圧を導入し得る
   ようにした配線室を設け、前記非受圧面に添着された前
   記ひずみゲージおよび前記ひずみゲージの検出出力を外
   部に導出するための配線の少なくとも一部の周りに、高
   い防湿性を有すると共に圧力伝達性を有するゲル状物質
   を充填してモールドし、前記ひずみゲージにより、外気
   圧を含んだ被測定圧力から前記外気圧をキャンセルした
   圧力に対応する電気信号を得るように構成したことを特
   徴とするダイアフラム型変換器。
2. 【請求項２】　　中心部に被測定荷重を受ける剛性大な
   る荷重導入部を有し、周縁部に前記被測定荷重に対応す
   る反力を受ける剛性大なる荷重支持部を有し、中間部に
   円環状のダイアフラムが一体に連設されてなる起歪体と
   、この起歪体の荷重印加側とは反対側の面であって外気
   圧のみを受ける非受圧面側に添着されたひずみゲージと
   から成り、前記ひずみゲージにより、被測定荷重に対応
   する電気信号を得るダイアフラム型変換器において、前
   記ダイアフラムの前記非受圧面側に外気圧を導入し得る
   ようにした配線室を設け、前記非受圧面に添着されたひ
   ずみゲージおよび前記ひずみゲージの検出出力を外部に
   導出するための配線の少なくとも一部の周りに高い防湿
   性を有すると共に圧力伝達性を有するゲル状物質を充填
   してモールドし、前記ひずみゲージにより、外気圧の影
   響を受けない被測定荷重のみに対応した電気信号を得る
   ように構成したことを特徴とするダイアフラム型変換器
   。
3. 【請求項３】　　前記ゲル状物質が、圧力伝達性を有す
   ると共に高い防湿性および高い熱伝導性を有するシリコ
   ン物質であることを特徴とする請求項１または２に記載
   のダイアフラム型変換器。