JPH11504711A - 圧力送信機のマウント組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は圧力送信機（１０）内の圧力センサ（３０）のためのマウント組立体（２１）に関する。マウント組立体（２１）は第１の表面（１０３）に開いている空洞（３２）を有するヘッダ（５８）を含む。空洞（３２）は内部の端壁（１６４）および内部の側壁（１３０）によって規定される。支持体（１２０）は支持体の第１端部（１５０）で空洞内の内部端壁（１６４）に結合される。台座（１０２）は圧力センサ（３０）を支持する第１の端部（１０２Ａ）および支持体の第２端部に（１３６）に結合された第２の台座端部（１０２Ｂ）を有する。整列手段（１３２）が、マウント組立体（２１）の体積が増加し、これによってセンサ空洞（３２）内で必要とされる充填流体の量が減少するように、第２の台座端部（１０２Ｂ）を支持体の第２端部（１３６）に整列させる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 圧力送信機のマウント組立体 発明の背景 本発明は圧力送信機に関する。より具体的には、本発明は圧力センサのセンサ 空洞を支持するための改善されたマウント組立体に関する。 電子圧力送信機においては、柔軟なダイヤフラムが、被測定圧力源からのライ ン圧力を受け、そうでなければ密封されるセンサ空洞の１つの壁を形成する。圧 力感応センサはセンサ空洞内に置かれる。空洞は、シリコーン油のような流体（ 以下「充填流体」という）で満たされる。充填流体は、ライン圧力をダイヤフラ ムから圧力センサに伝達する。 一般に、圧力センサはシリコンのような脆い材料から作られる。圧力センサを 支持するための支持表面は耐食性金属で作られる。この種の圧力送信機に関する 従来の設計の目標は、シリコン・センサを耐食性金属に組込むことに置かれてい た。送信機のシリコン・センサと耐食性金属はそれぞれの熱膨張係数が異なり、 もしも金属ハウジングが圧力センサを適正に支持していないとすると、前記熱膨 張係数の差がストレスを惹起して温度の関数となる測定誤差を誘発する。ライン 圧力が変化したときに、温度変化によって誘起される充填流体の膨脹収縮が圧力 センサで感知されないようにするために は、センサ空洞の中にある充填流体の量を減らすことが望ましい。 発明の概要 本発明は圧力送信機に使用される圧力センサのためのマウント組立体に関する 。マウント組立体は、第１の表面に開口している空洞を備えたヘッダを含む。空 洞は内側の端壁と側壁によって規定される。支持体は、第１の支持端で、空洞の 内にある内端壁に連結される。台座は圧力センサを支持している第１の台座端面 および、第２の支持端に結合された第２の台座端面を有する。マウント組立体の 体積を増加させ、それによってセンサ空洞内で必要とされる充填流体の量を減ら すために、整列手段が第２の支持端に第２の台座端面を一直線上に整列させる。 「整列手段」は、ここで使われているように、台座または中間支持体のいずれ かの対応する開口内にぴったり嵌合している中間支持体または台座の他方の突出 部として定義される。突出部の幅（寸法）は、それが突出している本体部より小 さい。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の圧力送信機の圧力センサマウント組立体を、一部は断面で、 また一部はブロック形式で示す図である。 図２はマウント組立体の断面図である。 図３は図２の部分拡大断面図である。 図４はろう接予備形成層の前の工程での図３のマウント組立体の断面図である 。 好ましい実施の詳細な説明 本発明の圧力センサマウント組立体１２（図２）を組込んでいる送信機１０が 図１に示される。送信機１０は、拡大本体部１８に結合されたベース１６を有す るハウジング１４を含む。ベース１６は、隔離マウント組立体２１を受け入れる 開口２０を含む。隔離マウント組立体２１および以下に説明する送信機１０の他 の構成要素を無視すると、開口２０はベース１６を介して、拡大本体部１８の内 部に形成された内部空洞２２に通じている。隔離マウント組立体２１は、プロセ ス流体（矢印２４で示す）が内部空洞２２に侵入することを防止する。一般に、 プロセス配管（示されない）は、プロセス流体２４を柔軟な隔離ダイヤフラム２ ６と接触させようとする。プロセス流体２４は、隔離ダイヤフラム２６に圧力を 加える。可成り多量の、シリコーン油のような実質的に非圧縮性の充填流体が通 路２８の中に供給される。通路２８の中の充填流体が、同様に充填流体で充満さ れたセンサ空洞３２の中に配置された圧力センサ３０にプロセス流体の圧力を伝 達する。 リード・ワイヤー３６が圧力センサ３０を前置回路基板３８に接続し、前記回 路基板３８はさらに配線４０によって送信機回路４２に接続される。当該技術に おいては既知のように、ポート４８を介して送信機１０に引き込まれる撚り線対 ４６によって、外部の直流電力源４４が送信機回路４２に給電する。撚り線対４ ６は、配線５２を通して送信機回路４２に接続されている端子ブロック５０に 接続される。カバー５４Ａと５４Ｂにより、端子ブロック５０と送信機回路４２ にアクセスが可能になる。 図２に示された実施例において、圧力センサ３０は、センサ空洞３２の中の圧 力に応答するストレインゲージを持っている既知の半導体型のもの（図示せず） である。本発明の目的のためには、流体的に隔離ダイヤフラム２６に結合された 、他の既知の圧力センサ、例えば容量型および光学型の圧力センサが使用可能で ある。 圧力センサ３０は、プロセス流体２４の圧力を代表するセンサ空洞３２内の充 填流体の圧力に応答する出力信号を提供する。適当な充填材料１６Ａでベース１ ６の中に組込まれた前置回路基板３８を通して、センサ出力信号は送信機回路４ ２に供給される。送信機回路４２は、撚り線対４６に流れる直流電流を４〜２０ ミリアンペアに調整することによって、プロセス流体の圧力を伝送する。送信機 回路４２はまた、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルのような既知のデジタル・プ ロトコルにより、撚り線対４６を介してデジタル方式で適当な制御装置と通信す ることができる。 隔離マウント組立体２１は、開口２０内に適合する直径を持つコネクター５７ とヘッダ５８とを含む。コネクター５７は、総括的に符号５３で示した内部通路 を有する。通路５３は、隔離プラグ５５を受納できる寸法である。図２をも参照 すると、ヘッダ５８は６２で示された適当な環状の溶接で、隔離プラグ５５の端 面６０に固着される。ヘッダ５８は円筒形であり、ベース１６内の開口２０に嵌 合される。ヘッダ５８の周囲のＯリングシール６４は、内部空洞２２に関して開 口２０を封止する。ヘッダ５８は隔離プラグ５５に対面している端面に符号６６ で示された適当な凹所を有するように形成され、センサ空洞３２を形成する。 凹所７０が表面６８の背後に形成され、小さい直径の孔７２に連通される。前 記孔７２は径方向に外側へ向かって、図１に示すように、ヘッダ５８の外周縁と ベース１６の内壁７６との間の間隙７４まで延びている。間隙７４はコネクター ５７をベース１６に対して保持するねじ部８０に開口されている。 センサ空洞３２、通路２８および空洞９０（ダイヤフラム２６の下側に位置し 、通路２８に対して開口する）は、充填チューブ９２を通して、シリコーン油の ような、適当な実質的に非圧縮性の充填流体で満たされている。充填流体に対す る熱および重力による影響が、圧力センサ30によって流体２４の圧力変化として 感知されることがないように、充填流体の量を減らすことが望ましい。充填流体 の量を減らすために、円筒形のスペーサ９４がセンサ空洞３２内に配置される。 充填流体の量をさらに減らすために、マウント組立体１２を構成する部品要素 は、互いに整列して配置される。マウント組立体１２は、圧力センサ30をセンサ 空洞３２の内部に支持する。図３に示されるように、センサ空洞３２は、好まし くは、表面１０３で開口し、かつ矢印１０１で示したように、縮小された直径を 持つ空洞部分 １００を含む。マウント組立体１２は実質的に、ヘッダ５８で支えられている空 洞部分１００の内部に位置される。 組込んでいるマウント組立体１２は、空洞部分１００内に配置された管状台座 １０２を含む。台座１０２は、ここでは差圧センサとして図示されている圧力セ ンサ30に連結される。好ましくは、差圧センサ３０は、圧力感応ダイヤフラムを 組込まれているシリコンチップ１０４を含む。シリコンチップ１０４はシリコン 支持ベース１０６に接合され、ベース１０６はさらに台座１０２の端面１０２Ａ に取付けられる。台座１０２は、シリコン支持ベース１０６のそれと実質的に等 しい熱膨張係数を有するのが好ましい。本実施例において、台座１０２はパイレ ックス（登録商標；硼ケイ酸ガラス）で作られる。代わりに、台座１０２はシリ コン窒化物のような適当なセラミック製であることができる。陽極接合により、 ガラス製の台座１０２の端表面１０２Ａがシリコン支持ベース１０６の下部表面 に結合される。ヘッダ５８内の通路７２からシリコン・チップ１０４内のダイヤ フラムに大気圧を伝達する、支持ベース１０６内のオリフィス１１０、およびガ ラス製台座１０２内の通路１０８の周囲の気密シールを陽極接合が提供する。図 示された実施例においては、大気圧は間隙７４を通して通路７２から凹所７０へ 導入される。 ガラス製台座１０２の第２の端面１０２Ｂでは、ガラス製台座１０２は中間支 持体１２０（好ましくは、Ｋｏｖａｒの商標で販売 されている鉄ニッケル合金）に適当に結合される。前記中間支持体１２０はさら にヘッダ５８に連結される。中間支持体１２０は、凹所７０から台座の中の通路 １０８にまで延びている貫通空所すなわち中ぐり（ボア）１２２を有する。Ｋｏ ｖａｒ対ガラス封止はガラス製台座１０２の表面上の３層の金属層であるのが好 ましく、この層は沈積（デポジット）された薄いジルコニウムの第１層を含む。 ジルコニウムはガラス上にデポジットされることができ、ガラスと永久的に接合 する。それから、ハンダ濡れの良い層を形成するために、ニッケルの層が既知の 手法を使ってジルコニウムの上にデポジットされる。ニッケル・ジルコニウムの 接合面もまた永久接合である。金の外表面被覆がニッケル層の上に形成され、前 記ニッケルの酸化が防止される。 中間支持体１２０も同様に、ガラス製台座１０２に対して金属中間支持体１２ ０をハンダ付けする前に、その上に３層の金属層が形成される。３層金属層は中 間支持体１２０の表面に沈積されたチタン層、およびニッケル層ならびにその上 に形成された金層であることができる。その代わりに、金のメッキを伴なうニッ ケルメッキがヘッダ５８および中間支持体１２０の外表面に適用されることがで きる。 センサ空洞３２の空洞部分１００の中の、実質的に非圧縮性の充填流体の体積 を減らすために、それがガラス製台座１０２と中間支持体１２０の外表面１０２ Ｃと１２０Ｃに対応するように、空洞部 分１００の内壁１３０を形成することが望ましい。図示された実施例においては 、空洞部分１００の直径１０１は、ガラス製台座１０２と中間支持体１０２が膨 張したときでも、ガラス製台座１０２と中間支持体１２０が内壁１３０に接触し ないことをちょうど保証するのに十分な大きさである。マウント組立体１２は、 中間支持体１２０の上に形成された整列ボス１３２として図示された整列手段１ ３１を含む。前記整列ボスは、ガラス製台座１０２の中に形成された通路１０８ を収容するのには十分で、かつ整列ボス１３２が延び出ている部分の外径１３８ よりは小さい外径１３４を有する。整列手段１３２は、組立工程の間、中間支持 体１２０の支持表面１３６の上にガラス製台座１０２を一直線に整列させ、マウ ント組立体１２が実質的に円筒形（同軸状）になり、円筒形の空洞部分１００内 に適合されるように保証している。好ましくは、図示されるように、中間支持体 １２０の外径１３８はガラス製台座１０２の外径１４０に等しい。このようにし て、必要な充填流体の量が減少される。 台座１０２、中間支持体１２０、整列ボス１３２および通路１０８は円筒形で あり、かつ円筒形の空洞部分１００の内部に組込まれるように説明したけれども 、これが、組立終了の後に残っている空洞部分１００の体積を最小にするための 各要素の構成例の１つであることは、理解されるべきである。矩形状に形成され た各要素と通路のような、他の構成も使用されろことができる。ガラス製台 座１０２と中間支持体１２０に関しては、これらの要素の両方とも、平坦でカー ブした種々の外表面を持つことができる。しかし、空洞部分１００の中で必要と される充填流体の量を減らすためには、例えば、ガラス製台座１０２あるいは中 間支持体１２０の外表面に突出部があったとしても、内壁１３０の一部がこれに 合致した凹所を含むことによって対向する両表面の間に所要の間隙を維持するよ うに、内壁１３０がガラス台座１０２および中間支持体１２０の外表面と同じで あることが好ましい。 充填流体の量を減らすために、マウント組立体１２は空洞（チャンバ）部分１ ００の容積の少くとも７０パーセントを占めるのがよいが、台座１０２と中間支 持体１２０の熱膨張を許容するためには９８パーセント以下がよい。好ましくは 、マウント組立体１２の体積は、チャンバ部分１００の容積の少なくとも８０パ ーセントで、９８パーセントを超えないのがよい。 以上に加えて、他の実施例（示されない）においては、整列手段１３１が中間 支持体と衝合する端面表面から延び出ている整列手段を持っている台座を含むこ とができることも、理解されなければならない。その場合、中間支持体は、台座 の整列ボスを受け入れるための適当な開口をその衝合表面に持つことができる。 ここで使われるように、「整列手段」は、台座または中間支持体の対応する開口 内に嵌合する中間支持体または台座の突出部として定義される。突出部は、それ が延び出している部分よりも小さい幅（寸法）を有す る。 図３および４には、中間支持体１２０をヘッダ５８に結合するろう接技術を示 す。図示されるように、中間支持体１２０は好ましくは、凹所７０内に形成され た適当な対応開口１５２の内部に配置された突出部１５０を含む。凹所７０は開 口１５２に臨んで連通する。開口１５２内への突出部１５０の位置決めが、空洞 部分１００の内部で中間支持体１２０をヘッダ５８に整列させるための方法を提 供する。 図４を参照すると、突出部１５２はろう接予備形成層１５８の中の開口１５２ を通して挿入され、開口１５２内に位置決めされる。ろう接工程の間に、予備形 成層１５８が溶かされ、突出部１５０とヘッダ５８の開口１５２との間に位置し 、好ましくは円環状である間隙１６０内へ毛管作用によって引き降ろされる。図 示されるように、ろう接予備形成層１５８の幅（寸法）は、予備形成層１５８が 載っているセンサ空洞３２の端表面と中間支持体１２０の下部表面の間に形成さ れた間隙１６１より小さい。好ましくは、ろう接予備形成層１５８は、内側の環 状エッジとして図示された部分を有し、この部分は間隙１６０上にまで延びてい るので、ろう接予備形成層１５８は溶けると間隙１６０に流れ込み始める。この ようにして、ろう接予備形成層１５８は間隙１６０内に注入され、表面１６２お よび１６４の間に形成された空間には事実上残らない。中間支持体１２０をその 突出部１５０だけでヘッダ５８に連結することによっ て、中間支持体１２０は温度変化に応じて自由に膨脹収縮することができるよう になり、それによってガラス製台座１０２に加わるストレスを減らすことができ る。 好ましくは、ろう接予備形成層１５８は薄いワッシャー（およそ0.002 〜0.00 4 インチの厚さの）のように形成される。ろう接予備形成層１５８が表面１６２ と１６４との間に必要な距離を減らし、それによってセンサ空洞３２の中にある 実質的に非圧縮性の充填流体の量を減らす。図３に示されるように、ろう接予備 形成層１５８は適当な量のろう材を間隙１６０内に提供するのに十分な面積を有 する。真空引きされるか、不活発なガスを含む適当な炉の中で、ろう接予備形成 層１５８が溶かされるのが好ましい。所望により、ろう接材料は、ガラス製台座 １０２を中間支持体１２０に結合するのに使われることができるハンダ材料と類 似の溶融温度を持つように選ばれる。このようにして、１つの製造工程でガラス 製台座１０２が中間支持体１２０に結合され、かつ中間支持体１２０がヘッダ５ ８に結合される。ガラス製台座１０２およびＫｏｖａｒ製の中間支持体１２０は 、圧力センサをセンサ空洞３２内に支持するための１つの組合せ例に過ぎないこ とは、理解されなければならない。所望ならば、台座１０２のためのセラミック のような他の適当な材料および中間支持体１２０のための他の適当な合金が、本 発明において使用されることができる。 好ましい実施例に関して本発明を説明したが、熟練した当該分野 の技術者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに形式および詳細におい て変更が可能であることを理解するであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョスト，ミシェル ビー. アメリカ合衆国 55317 ミネソタ州、サ ベイジ、ウェスト 131 ストリート 5506 (72)発明者 オルソン，マーク エイチ. アメリカ合衆国 55409 ミネソタ州、ミ ネアポリス、ペン アベニュー サウス 4925

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の表面に開口し、内部の端壁および側壁によって規定された空洞を備 えたヘッダと、 第１の支持端および第２の支持端を有し、前記第１の支持端が前記空洞内の前 記内部の端壁に結合された支持体と、 圧力センサを支持する第１の台座端面、および第２の支持端に結合された第２ の台座端面を有する台座と、 第２の台座端面を第２の支持端に整列させるための整列手段とを具備した、圧 力送信機内の圧力センサのためのマウント組立体。 ２．前記整列手段が第２の支持端から延び出した整列ボス、および前記台座に 形成され、前記第２の台座端に開いている開口を具備した請求項１に記載のマウ ント組立体。 ３．開口が第１の台座端面から第２の台座端面まで延びている台座通路を含み 、整列ボスが第１の支持端に開口し、かつ台座通路と流体的に連通しているボア を含む請求項２に記載のマウント組立体。 ４．センサ空洞は円筒形であり、前記第２の台座端および第２の支持端が円形 である請求項３に記載のマウント組立体。 ５．第２の台座端面の直径が第２の支持端の直径に等しい請求項４に記載のマ ウント組立体。 ６．前記第２の支持端は突出部を含み、前記ヘッダは前記突出部を受け入れる ように前記端壁に開口している凹所を含む請求項２のマウント組立体。 ７．突出部の側壁を前記凹部の側壁に結合する結合材をさらに含む請求項６に 記載のマウント組立体。 ８．前記支持体の外表面が、前記支持体の外表面に対向する前記空洞の内方側 壁の対応部分のそれと一致する請求項１に記載のマウント組立体。 ９．前記台座の外表面が、前記台座の外表面に対向する前記空洞の内方側壁の 対応部分のそれと一致する請求項８に記載のマウント組立体。 １０．第１の表面に開口し、内部の端壁および側壁によって規定された空洞を 備えたヘッダと、 第１の支持端および第２の支持端を有し、前記第１の支持端が前記空洞内の前 記内部の端壁に結合された支持体であって、その外表面が、前記支持体の外表面 に対向する前記空洞の内方側壁の対応部分のそれと一致する支持体と、 圧力センサを支持する第１の台座端面、および第２の支持端に結合された第２ の台座端面を有する台座とを具備した、圧力送信機内の圧力センサのためのマウ ント組立体。 １１．前記台座の外表面が、前記台座の外表面に対向する前記空洞の内方側壁 の対応部分のそれと一致する請求項１０に記載のマウント組立体。 １２．前記第２の台座端面を前記支持体の第２端に整列させる整列手段を更に 具備した請求項１０に記載のマウント組立体。 １３．圧力センサをセンサ空洞内に支持するために使用される圧力送信機の支 持体であって、突出部を有する前記支持体を、前記突出部を受け入れるような寸 法の開口を備えた圧力送信機の支持表面に結合する方法であって、 支持表面と前記支持体の対向表面との間に、前記支持表面と前記支持体の対向 表面との間の距離よりも小さい幅の、溶融可能な予備形成層を配置する段階と、 前記溶融可能な予備形成層を加熱して溶融させ、溶融された予備形成層が前記 開口内へ流入するようにする段階とを具備した方法。 １４．前記支持体は、溶融可能な材料で支持表面から遠い側にある端面で台座 に結合されることができ、前記加熱段階は、前記溶融可能な予備形成層を溶かし ている間中、前記溶融可能な材料を溶かすことを含む請求項１３に記載の方法。