JPH07113711A - 差圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過大圧に対してセンサ本体部分を保護出来、
センターダイアフラムの溶接不良の発生防止、ヒステリ
シスを減少し得る差圧測定装置を提供する。 【構成】 センターダイアフラムを具備する差圧測定装
置において、ハウジング内にシリコンダイアフラムと共
に高圧側室と低圧側室とに２分するように設けられた第
１センタダイアフラムと、高圧側室内に設けられ中央部
分が第１センターダイアフラムの中央部に固定され第１
センターダイアフラムよりも直径が小さい第２センター
ダイアフラムと、低圧側室内に設けられ中央部分が第１
センターダイアフラムの中央部に固定され第１センター
ダイアフラムよりも直径が小さくて第２センターダイア
フラムより板厚が薄い第３センターダイアフラムとを具
備したことを特徴とする差圧測定装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、瞬間的な過大圧に対し
てセンサ本体部分を保護出来、かつセンターダイアフラ
ムのハウジングへの溶接不良の発生を防止出来、また、
ヒステリシスを減少し得る差圧測定装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来より一般に使用されている
従来例の構成説明図で、例えば、特開昭５５―１２２１
２６号に示されている。この構造は、半導体ダイアフラ
ムに印加される圧力の方向によって耐圧強度がが異なる
ために、高圧側と低圧側とで異なる過大圧保護特性を有
する様にした差圧測定装置の構造を示す。

【０００３】図において、ハウジング１の両側に高圧側
フランジ２、低圧側フランジ３が溶接等によって固定さ
れており、両フランジ２，３には測定せんとする圧力Ｐ
_Hの高圧流体の導入口４、圧力Ｐ_Lの低圧流体の導入口５
が設けられている。

【０００４】ハウジング１内に圧力測定室６が形成され
ており、この圧力測定室６内に受圧ダイアフラム７とシ
リコンダイアフラム８が設けられている。受圧ダイアフ
ラム７とシリコンダイアフラム８はそれぞれ別個に圧力
測定室６の壁に固定されており、受圧ダイアフラム７と
シリコンダイアフラム８の両者でもって圧力測定室６を
２分している。

【０００５】受圧ダイアフラム７は、ダイアフラム７Ａ
と孔７０を有するダイアフラム７Ｂの２枚から構成され
ている。勿論ダイアフラムの数は３枚以上でもよく、ま
た、穴の直径は小さい方が好ましく、その数には制限は
無い。孔７０は平坦な面に形成した方が加工上有利であ
る。ダイアフラム７Ａと７Ｂの間隙は出来るだけ小さく
なるようにし、差圧ΔＰ（＝圧力Ｐ_H―圧力Ｐ_L）がダイ
アフラム７Ａ側から作用した時、即座に２枚のダイアフ
ラム７Ａ，７Ｂで受けるようにする。

【０００６】また、ダイアフラム７Ａと７Ｂは類似の形
状に形成し、両ダイアフラム間で形成する空間を少なく
するようにする。ダイアフラム７Ａ，７Ｂと対向する圧
力測定室６の壁６Ａ，６Ｂには、ダイアフラム７Ａ，７
Ｂと類似の形状のバックプレ―トが形成されている。こ
のバックプレ―ト６Ａ，６Ｂは、圧力測定室６の容積を
減少させるのに有効である。

【０００７】シリコンダイアフラム８は全体が単結晶の
シリコン基板から形成されている。シリコン基板の一方
の面にボロン等の不純物を選択拡散して４っのストレン
ゲ―ジ８０を形成し、他方の面を機械加工、エッチング
し、全体が凹形のダイアフラムを形成する。４っのスト
レインゲ―ジ８０は、シリコンダイアフラム８が差圧Δ
Ｐを受けてたわむ時、２つが引張り、２つが圧縮を受け
るようになっており、これらがホイ―トストン・ブリッ
ジ回路に接続され、抵抗変化が差圧ΔＰの変化として検
出される。

【０００８】ハウジング１は一般にステンレス鋼で作ら
れており、シリコンダイアフラム８とではかなりの熱膨
脹係数の違いがある。このためハウジング１とシリコン
ダイアフラム８との間に、シリコンと大体同じ熱膨脹係
数を有する中空の支持体９を設け、シリコンダイアフラ
ム８を圧力測定室６内に突出させるようにする。支持体
９に硼圭ガラス等の耐熱ガラスを使えば、シリコンダイ
アフラム８、支持体９、ハウジング１の３陽極結合法で
接合出来、各部材間の接着面の滑りのない強固な接着が
出来る。

【０００９】ハウジング１と高圧側フランジ２、および
低圧側フランジ３との間に、圧力導入室１０，１１が形
成されている。この圧力導入室１０，１１内に隔液ダイ
アフラム１２，１３を設け、この隔液ダイアフラム１
２，１３と対向するハウジング１の壁１０Ａ，１１Ａに
隔液ダイアフラム１２，１３と類似の形状のバックプレ
―トが形成されている。

【００１０】隔液ダイアフラム１２，１３とバックプレ
―ト１０Ａ，１１Ａとで形成される空間と、圧力測定室
６は、連通孔１４，１５を介して導通している。そし
て、隔液ダイアフラム１２，１３間にシリコンオイル等
の封入液１０１，１０２が満たされ、この封入液が連通
孔１６，１７を介してシリコンダイアフラム８の上下面
にまで至っている、封入液１０１，１０２は受圧ダイア
フラム７とシリコンダイアフラム８とによって２分され
ているが、その量がほぼ均等になるように配慮されてい
る。

【００１１】封入液１０１，１０２の量は、周囲の温度
変化の影響を出来るだけ少なくする上で少ない方が好ま
しいが、バックプレ―ト６Ａ，６Ｂ，１０Ａ，１１Ａが
封入液量を少なくするのに役立っている。

【００１２】隔液ダイアフラム１２，１３のスチフネス
は、圧力に対する応答性、および封入液の熱膨脹を吸収
する上で小さい方が好ましい。受圧ダイアフラム７と隔
液ダイアフラム１２，１３との間には、隔液ダイアフラ
ム１２，１３がバックプレ―ト１０Ａ，１１Ａに当接す
る前に受圧ダイアフラム７がバックプレ―ト６Ａ，６Ｂ
に当接しないような関係にしておく。

【００１３】かかる差圧変換器において、導入口４，５
から圧力Ｐ_Hの被測定流体、圧力Ｐ_Lの被測定流体がハウ
ジング１内に導入された場合、流体の圧力Ｐ_H，Ｐ_Lはそ
れぞれ隔液ダイアフラム１２，１３を介して封入液１０
１，１０２に伝達され、シリコンダイアフラム８により
両流体の差圧ΔＰ＝｜Ｐ_H−Ｐ_L｜が検出される事にな
る。

【００１４】この時、Ｐ_H＞Ｐ_Lとすると、隔液ダイアフ
ラム１２および受圧ダイアフラム７は図の右方に移動す
る。そして、圧力測定室６の左側半分の容積変化量をΔ
Ｖ_H，ΔＰ_H＝Ｐ_HーＰ_Lとすると、ΔＰ_HとΔＶ_Hの関係は
図５のイとなる。

【００１５】すなわち、ΔＰ_Hの増加と共にΔＶ_Hも増加
するが、ａ点（ΔＰ₁，ΔＶ₁）を境にΔＶ_Hは増加しな
い。このａ点が隔液ダイアフラム１２がバックプレ―ト
１０ａに当接した時点であり、それ以上隔液ダイアフラ
ム１２が右方へ移動しないためΔＶ_Hは増加せず、また
シリコンダイアフラム８にもΔＰ₁以上の圧力は加わら
ないことになる。

【００１６】同様に、Ｐ_L＞Ｐ_H、ΔＰ_L＝Ｐ_L―Ｐ_H、圧
力測定室６の右半分の容積変化量をΔＶ_Lとすると、Δ
Ｐ_LとΔＶ_Lの関係は図５のロとなる。ｂ点（ΔＰ₂，Δ
Ｖ₂）は隔液ダイアフラム１３がバックプレ―ト１１Ａ
に当接した時点である。

【００１７】図５から理解出来るように、シリコンダイ
アフラムの強度が強い方に対しては大きい差圧ΔＰ₁、
または弱い方に対しては小さい差圧ΔＰ₂が加わるよう
にすることができ、ΔＰ₁〜ΔＰ₂の広く入出力特性の向
上された範囲の差圧を検出することができる。また、シ
リコンダイアフラムには、ΔＰ₁あるいはΔＰ₂以上の圧
力が加わらないため、測定流体の圧力に関係なく差圧測
定が可能となる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この様
な装置においては、測定差圧が大きく、一枚のセンター
ダイアフラムでは、十分な剛さが得られないため、ダイ
アフラム７Ａの他に、孔７０を有する一枚のダイアフラ
ム７Ｂを合わせて使用している。

【００１９】この二枚のダイアフラム７Ａ，７Ｂは、重
ね合わされて、外周部分がハウジング１に挟まれて溶接
固定されている。測定差圧の高い機種では、ダイアフラ
ム７Ｂの厚さは厚くなり、ダイアフラム７Ａと合わせる
と数ｍｍにもなる。

【００２０】このため次の様な問題が生じる。 （１）数ｍｍもある二枚のダイアフラム７Ａ，７Ｂをハ
ウジング１で挟み、一緒に溶接固定Ａする。この溶接固
定を確実にするために、溶接溶け込み深さは、一定以上
必要である。この深い溶接のために、例えば、電子ビー
ムが用いられるが、一定以上の溶接幅を安定に確保する
ことが難しく、溶接不良が頻発する。

【００２１】（２）厚板状のダイアフラム７Ａは、溶接
により、ハウジング１に挟まれ固定され、差圧が印加さ
れると変位するが、変位時に支点部（Ｂ点）の応力が大
きくなり、変位時にヒステリシス、ゼロドリフト、入出
力誤差等の特性誤差要因となる。

【００２２】本発明は、この問題点を、解決するもので
ある。本発明の目的は、瞬間的な過大圧に対してセンサ
本体部分を保護出来、かつセンターダイアフラムのハウ
ジングへの溶接不良の発生を防止出来、また、ヒステリ
シスを減少し得る差圧測定装置を提供するにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、内部に封入液が満たされたハウジング
と、該ハウジングの両側に設けられた一対の隔液ダイア
フラムと、該隔液ダイアフラムが一定以上ハウジング側
に変位しないように設けられた変位制限手段と、前記ハ
ウジング内に設けられ圧力―電気変換素子を有するシリ
コンダイアフラムとを具備する差圧測定装置において、
前記ハウジング内に該シリコンダイアフラムと共に高圧
側室と低圧側室とに２分するように設けられた第１セン
タダイアフラムと、前記高圧側室内に設けられ中央部分
が前記第１センターダイアフラムの中央部に固定され前
記第１センターダイアフラムよりも直径が小さくて測定
時には前記高圧側室の室壁に接することない第２センタ
ーダイアフラムと、前記低圧側室内に設けられ中央部分
が前記第１センターダイアフラムの中央部に固定され前
記第１センターダイアフラムよりも直径が小さくて測定
時には前記低圧側室の室壁に接することなく前記第２セ
ンターダイアフラムより板厚が薄い第３センターダイア
フラムとを具備したことを特徴とする差圧測定装置を構
成したものである。

【００２４】

【作用】以上の構成において、高圧側から圧力が印加さ
れた場合には、第１センタダイアフラムは第２センター
ダイアフラムに拘束され、第１センターダイアフラムの
中心部は変形が妨げられる。従って、第１センターダイ
アフラムの変形は、第２センターダイアフラムが取り付
けられている部分よりも、外周部分の変形が主体とな
り、変位量が小さく抑えられる。

【００２５】低圧側から圧力が印加された場合には、第
１センタダイアフラムは第３センターダイアフラムに拘
束され、第１センターダイアフラムの中心部は変形が妨
げられる。従って、第１センターダイアフラムの変形
は、第３センターダイアフラムが取り付けられている部
分よりも、外周部分の変形が主体となり、変位量が小さ
く抑えられる。

【００２６】従って、高圧側、低圧側の圧力による、セ
ンターダイアフラムの変形に基づく容積の変化量は、一
定の変位を得るための圧力（過大圧保護出来る圧力）は
高圧側では高く、低圧側では低く抑える事が出来る。以
下、実施例に基づき詳細に説明する。

【００２７】

【実施例】図１は本発明の一実施例の要部構成説明図で
ある。図において、図５と同一記号の構成は同一機能を
表わす。以下、図５と相違部分のみ説明する。２１は、
ハウジング１内に、シリコンダイアフラム８と共に、高
圧側室２２と低圧側室２３とに２分するように設けられ
た第１センタダイアフラムである。

【００２８】２４は、高圧側室２２内に設けられ、中央
部分が第１センターダイアフラム２１の中央部に溶接固
定２５され、第１センターダイアフラム２１よりも直径
が小さくて測定時には、高圧側室２２の室壁であるバッ
クプレート６Ｂに接することない第２センターダイアフ
ラムである。

【００２９】２６は、低圧側室２３内に設けられ、中央
部分が第１センターダイアフラム２１の中央部に溶接固
定２７され、第１センターダイアフラム２１よりも直径
が小さくて測定時には、低圧側室２３の室壁であるバッ
クプレート６Ａに接することなく、第２センターダイア
フラム２４より薄い第３センターダイアフラムである。

【００３０】以上の構成において、高圧側から圧力が印
加された場合には、図２に示す如く、第１センタダイア
フラム２１は第２センターダイアフラム２４に拘束さ
れ、第１センターダイアフラム２１の中心部は変形が妨
げられる。従って、第１センターダイアフラム２１の変
形は、第２センターダイアフラム２４が取り付けられて
いる部分よりも、外周部分の変形が主体となり、変位量
が小さく抑えられる。

【００３１】低圧側から圧力が印加された場合には、図
３に示す如く、第１センタダイアフラム２１は第３セン
ターダイアフラム２６に拘束され、第１センターダイア
フラム２１の中心部は変形が妨げられる。従って、第１
センターダイアフラム２１の変形は、第３センターダイ
アフラム２６が取り付けられている部分よりも、外周部
分の変形が主体となり、変位量が小さく抑えられる。

【００３２】従って、高圧側、低圧側の圧力による、セ
ンターダイアフラム２１，２４，２６の変形に基づく容
積の変化量は、図４に示す如く、一定の変位を得るため
の圧力（過大圧保護出来る圧力）は高圧側ではΔＰ₁と
高く、低圧側ではΔＰ₂と低く抑える事が出来る。図４
において、この場合は、ΔＶ₁＝ΔＶ₂である。ΔＰ₁、
ΔＰ₂は、第２，第３センターダイアフラム２４，２６
の板厚の選定により自由に決定することができる。

【００３３】この結果、 （１）高圧側と低圧側の過大圧保護は、従来例と同様に
できる。 （２）センターダイアフラムの固定部分は従来と異な
り、一枚の薄いセンターダイアフラム２１のみを、ハウ
ジング１に挟んで溶接固定する様にしたので、溶接固定
が容易になり、従来例の様な溶接不良が発生せず、溶接
の信頼性がたかく、歩留が向上されるので、製造コスト
を低減出来る。

【００３４】（３）センターダイアフラム２１が固定さ
れている支点部分のセンターダイアフラム２１の変形が
小さくなったため、従来例の様な変形摩擦に起因するヒ
ステリシスが減少し、ヒステリシス特性が大幅に向上さ
れる。 なお、前述の実施例においては、動作説明を分かり易く
するために、平板状のダイアフラムに付いて説明した
が、これに限ることはなく、例えば、コルゲートを有す
る波形ダイアフラムでも良く、要するに、ダイアフラム
であればよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、内部に
封入液が満たされたハウジングと、該ハウジングの両側
に設けられた一対の隔液ダイアフラムと、該隔液ダイア
フラムが一定以上ハウジング側に変位しないように設け
られた変位制限手段と、前記ハウジング内に設けられ圧
力―電気変換素子を有するシリコンダイアフラムとを具
備する差圧測定装置において、前記ハウジング内に該シ
リコンダイアフラムと共に高圧側室と低圧側室とに２分
するように設けられた第１センタダイアフラムと、前記
高圧側室内に設けられ中央部分が前記第１センターダイ
アフラムの中央部に固定され前記第１センターダイアフ
ラムよりも直径が小さくて測定時には前記高圧側室の室
壁に接することない第２センターダイアフラムと、前記
低圧側室内に設けられ中央部分が前記第１センターダイ
アフラムの中央部に固定され前記第１センターダイアフ
ラムよりも直径が小さくて測定時には前記低圧側室の室
壁に接することなく前記第２センターダイアフラムより
板厚が薄い第３センターダイアフラムとを具備したこと
を特徴とする差圧測定装置を構成した。

【００３６】この結果、 （１）高圧側と低圧側の過大圧保護は、従来例と同様に
できる。 （２）センターダイアフラムの固定部分は従来と異な
り、一枚の薄いセンターダイアフラムのみを、ハウジン
グに挟んで溶接固定する様にしたので、溶接固定が容易
になり、従来例の様な溶接不良が発生せず、溶接の信頼
性がたかく、歩留が向上されるので、製造コストを低減
出来る。

【００３７】（３）センターダイアフラムが固定されて
いる支点部分のセンターダイアフラムの変形が小さくな
ったため、従来例の様な変形摩擦に起因するヒステリシ
ス、ゼロドリフト、入出力誤差等の特性が大幅に向上さ
れる。

【００３８】従って、本発明によれば、瞬間的な過大圧
に対してセンサ本体部分を保護出来、かつセンターダイ
アフラムのハウジングへの溶接不良の発生を防止出来、
また、ヒステリシスを減少し得る差圧測定装置を実現す
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。

【図２】図１の動作説明図である。

【図３】図１の動作説明図である。

【図４】図１の動作説明図である。

【図５】従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図である。

【図６】図５の動作説明図である。

【符号の説明】

１…ハウジング ２…高圧側フランジ ３…低圧側フランジ ４…導入口 ５…導入口 ６…圧力測定室 ６Ａ…バックプレ―ト ６Ｂ…バックプレ―ト ８…シリコンダイアフラム ９…支持体 １０…圧力導入室 １０Ａ…バックプレ―ト １１…圧力導入室 １１Ａ…バックプレ―ト １２…隔液ダイアフラム １３…隔液ダイアフラム １４…連通孔 １５…連通孔 １６…連通孔 １７…連通孔 ２１…第１センターダイアフラム ２２…高圧側室 ２３…低圧側室 ２４…第２センターダイアフラム ２５…溶接固定 ８０…ストレインゲ―ジ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に封入液が満たされたハウジングと、
   該ハウジングの両側に設けられた一対の隔液ダイアフラ
   ムと、該隔液ダイアフラムが一定以上ハウジング側に変
   位しないように設けられた変位制限手段と、前記ハウジ
   ング内に設けられ圧力―電気変換素子を有するシリコン
   ダイアフラムとを具備する差圧測定装置において、 前記ハウジング内に該シリコンダイアフラムと共に高圧
   側室と低圧側室とに２分するように設けられた第１セン
   タダイアフラムと、 前記高圧側室内に設けられ中央部分が前記第１センター
   ダイアフラムの中央部に固定され前記第１センターダイ
   アフラムよりも直径が小さくて測定時には前記高圧側室
   の室壁に接することない第２センターダイアフラムと、 前記低圧側室内に設けられ中央部分が前記第１センター
   ダイアフラムの中央部に固定され前記第１センターダイ
   アフラムよりも直径が小さくて測定時には前記低圧側室
   の室壁に接することなく前記第２センターダイアフラム
   より板厚が薄い第３センターダイアフラムとを具備した
   ことを特徴とする差圧測定装置。