JPS5899723A - 差圧検出器 - 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】 本発明は、高圧側流体と低圧側流体の差の圧力を歪量に
変換し、これを電気抵抗の変化として検出する差圧検出
器に関する。

差圧検出に用いられているＳＭ等の半導体の測定ダイア
フラムとして、特開昭５１−６９６７８号公報に示すよ
うな、外周および中央が肉厚、その間が薄肉に形成され
、この薄肉の起歪部に拡散法らるいは一イオンプランテ
ーション法によってゲージ抵抗が設けられたダイアフラ
ムが知られている。

この測定ダイアフラムは、測定ダイアフラムに対する圧
力印加方向（高圧側流体が測定ダイアフラムに作用する
面）が異なってもほぼ同じ特性が得られる利点がるる。

しかしながら、かかる構成の測定ダイアフラムに心りて
は、高圧側流体と低圧側流体の圧力差が極めて低い領域
の測定を行うと、圧力と出力との直線性が悪くなるとい
う欠点を有している。この原因は、低差圧領域の測定の
ためには、測定ダイアフラムの起歪部の肉厚をよシ薄く
する必要がおるが、薄肉化すればするほど起歪部のたわ
みが大きくな〕、測定ダイアフラムの中央部が伸びてし
まう、いわゆるバルーン効果が生じるためである。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、低
差圧領域の測定を行っても圧力と出力との直線性の優れ
た差圧検出器を提供するにある。

このため本発明は、測定ダイアフラムを圧力をたわみに
変換する第１の部材と、この第１の部材に固定され友前
記第１の部材のたわみ全歪に変換する第２の部材とよシ
構成し九ものである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は差圧検出器の全体構造断面図で、差圧検出器は
受圧部１０と差圧検出部１２とから構成されている。受
圧部本体１４はその両側面にステンレス（高腐食流体の
場合はモネル、ハステロイ、タンタル等）の高圧側受圧
ダイアフラム１６、低出側受圧ダイアフラム１８が周囲
を溶接固定されておシ、受圧部本体１４との間に高圧側
受圧室２０、低圧側受圧室２２を形成している。受圧部
本体１４の中−心には、高圧側および低圧側受圧ダイア
フラム１６．１８よルスチツネメの大きなステンレス鋼
からなるセンターダイアフラム２４が溶接固定されてお
夛、受圧部本体１４との間に高圧側隔離室２６、低圧側
隔離室２８ｔ−形成している。高圧側受圧室２０と高圧
側隔離室２６は絞υ３０を有する導圧路３２、低圧側受
圧室２２と低圧側隔１１１隼２８は導圧路３４ｔ−介し
て連通している。受圧部本体１４には高圧側隔離室２６
と低圧側隔離室２８を差圧検出部にそれぞれ連通する導
圧路３６，３８が設けられ、また、受圧部１０および差
圧検出部１２内に封入されるシリコンオイル等の非圧縮
性の封入液の封入口４０．４２が設けられている。また
、受圧部本体１４の両側面には、高圧側シールダイアフ
ラム１６、および低圧側シールダイアスラム１８を覆う
ように高圧流体導入口４４を有する高圧側７ランジ４６
、および低圧流体導入口４８を有する低圧側７ランジ５
０が、その四隅近くにおいてボルト５２とナツト５４で
締付固定されている。

差圧検出部１２は、そのはぼ中央に差圧検出要素５６′
を有している。差圧検出要素５６は、第２図および第３
図に示す如く、圧力をたわみに変換するダイアフラム５
８、たわみを歪に変換する起歪梁６０．第１の支持部材
６２、第２の支持部材６４とから構成されている。ダイ
アプラム５８は単結晶シリコンから形成され、その中央
に中心剛体５８Ａ、外周に固定部５８Ｂの肉厚部、その
間に環状の肉薄部５８Ｃｔ−有している。ダイアフラム
５８の肉厚部にシリコンとほぼ同じ熱膨張係数含有する
硼珪酸塩ガラスの薄膜６５ｇ介してｎ形単ｉ晶シリ・ン
からなる起歪梁６０が接合されている。起歪梁６０もダ
イアフラム５８と同様ダイアフラム５８に対応した肉厚
部６０Ａ、６０Ｂと肉薄部６０Ｃｔ−有し、肉薄部６０
Ｃにｐ形のゲージ抵抗６６が形成されている。ゲージ抵
抗６６は起歪梁６０の長手方向でおる＜１１１＞軸に平
行でかつ肉厚部の近傍に２個ずつ拡散法、あるいはイオ
ンプランテーション法によって形成されている。ゲージ
抵抗６６は陵化膜に覆われておシ、ゲージ抵抗の出力が
アルミ配、１ｉ６８によって取シ出される。ダイアフラ
ム５８はそれぞれ導圧路７０゜７２ｔ−有する第１．第
２の支持部材６２．６４によってステンレス製の差圧検
出部本体７４から突出するように設けられている。第１
の支持部材６２はシリコンの熱膨張係＃！Ｌ（＆１２５
Ｘ１０−＠／Ｃ）゛とほぼ同じ熱膨張係数含有する硼珪
酸塩ガラス（＆１８Ｘ１０’／Ｃ）、第２の支持部材は
鉄−ニッケル谷金（＆６Ｘ１０’／Ｃ）６るいは鉄−ニ
ッケルーコバルト合金（５，４Ｘ１０’／ｌｌｌ’　）
から構成されている。差圧検出要素５６の各部材は全て
陽極接合法によシ接合され、差圧検出要素５６は差圧検
出部本体７４にアーク溶接によｐ接合されている。

差圧検出部１２内４にはドーナツ状のセラミック廃らな
るプリント基板７６が設けられてお〕、プリント基板７
６と起歪梁６０はほぼ同一平面になるように構成されて
いる。プリント基板７６は、差圧検出部本体に同一円周
に沿って中心軸方向に設けられた複数の透孔７８を通っ
ている導体８０にハンダ付けによシ保持されそいる。導
体８０は透孔７８内に設けられた＾−メチツクシール８
２に支持されている。プリント基板７６と起歪梁６０の
ゲージ抵抗６６とは導体８４で接続され、ハーメチック
シール８２に支持され九導体８０は外部引出し用導体８
６に接続されている。受圧部本体１４に導圧路８８，９
０ｔ−有する連結金具９２が溶接固定され、この連結金
具９２に差圧検出部本体７４が溶接固定される。差圧検
出部本体７４には、導圧路９０と第２の支持部材６４の
導圧路７２を連通するようにプレート９４が溶接固定さ
れ、また起歪梁６０等と導圧路８８との間に起歪梁６０
等を保護する保護カバー９６が設けられている。差圧検
出部本体７４は、ハーメチックシール８２全施した時焼
なましされ差圧検出部本体７４の耐食性が低下するが、
それを保護するためステンレス製の保護カバー９８が設
けられている。差圧検出部の上方には図示しない増幅部
が接続されるが、増幅部本体ケース１００は連結金具９
２にボルト１０２で固定されている。

高圧側受圧室２０と高圧側隔離室２６、あるいは低圧仰
受圧室２２と低圧側隔離室２８の容積は、隔離室の方が
大きくなるようく形成されている。

すなわち、高圧側、めるいは低圧側シールダイアフラム
１６．１８が過負荷圧力によって受圧部本体１４に着座
してもセンターダイアフラム２４は受圧部本体１４に着
座しないようになっている。

この結果、ダイアフラム５８および起歪梁６０には過負
荷屋力が作用しないため、ダイアフラム５８および起歪
梁６０の特性劣化、損傷を防止することができる。

さて、プロセス流体等の高圧流体が高圧側７ランジ４６
の高圧流体導入口４４よシ導かれると、導圧路３２、高
圧側隔離室２６、導圧路３６゜８８を介してダイアフラ
ム５８の一方の面に作用する。ｔた、低圧流体も同様に
低圧側フランジ５０の低圧流体導入口４８より導かれる
と、低圧流体の圧力は低圧側シールダイアフラム１８、
導圧路３４、低圧側隔離室２８、導圧路３８，９０゜７
２．７０ｔ″介してダイア７２人５８の他方の面に作用
する。この結果、ダイアフラム５８の肉薄部５８Ｃが圧
力差に応じてたわみ、これに伴ってダイアフラム５８に
接合されている起歪梁６ｏも同様にたわみ、起歪梁のゲ
ージ抵抗６６に歪を与えゲージ抵抗６６の抵抗値が変化
する。この抵抗変化は導体８４、プリント基板７６、導
体８０゜８６ｔ−介して増幅部に至シ圧力差を表示する
。

次に、第４図に示した差圧測定要素の一部拡大断面図を
用いて本発明の測定原理全説明する。′ダイアフラム５
８の肉薄部５８Ｃに発生する最大歪−〇は、 中心剛体５８Ａのたわみ量ｖ、は、 ここに、ａ：肉薄部の外径 ｂ：肉薄部の幅 ｈ：肉薄部の厚さ　　　　、 ｐ：圧力 Ｅ：シリコンのヤング率 この時の曲げ歪による非直線誤差ＮＬｔ−最大歪の生じ
る肉薄部端部で求めると、 となる。

（１）式及び（３ン式よシ測定圧力５　Ｑ　Ｏ＋ｗＨｔ
Ｏ１肉薄部の幅５ＩＩＩ１１最大歪１０００μｍとじた
時の肉薄部５８Ｃの幅と非直線誤差との関係は第５図の
ようになシ、肉薄部５８Ｃの幅が小さいほど非直線誤差
が小さくなる。しかし、よシ低い圧力を測定すべく肉薄
部５８Ｃの厚さｈを薄くすると、（３）式から明らか１
ように非直線誤差が大きくなる。

ところで、中心剛体を有するダイアフラムのたわみに着
目すると、（２）式よシ厚さｈを一定とした時のたわみ
は肉薄部５８Ｃの幅すの３乗、圧力の１乗に比例するこ
とがわかる。すなわち、例えば幅すを２倍にすれば同じ
圧力を加えた時のたわみは８倍となる。逆に、幅すを２
倍にすれば同じたわみを発生させるためには１／８の圧
力で良い。

−このように、肉薄部５８Ｃの幅を大きくすることによ
シ、低い圧力で所定のたわみを発生させることができる
。そこで、肉薄部５８Ｃの幅を大きくしたダイアフラム
を形成し、その両側の肉厚部５８Ａ、５８Ｂに肉薄部５
８Ｃをまたぐ細い起歪梁６０を固定しておけば、低い圧
力で起歪梁６０の内側肉厚部６０Ａが変位し、梁には曲
げ応力が発生する。ここで、起歪梁６０の肉薄部６０Ｃ
の長さをダイアフラム５Ｂの肉薄部５８０の幅よシも狭
くしておけば、梁の曲げ応力は大きくなシ、小さなたわ
みで梁の肉薄部５８Ｃに形成したゲージ抵抗６６に大き
な抵抗変化を発生させることができる。尚、起歪梁６０
に大きなたわみを与えたいときは、肉薄部６０Ｃの長さ
をダイアフラム５８の肉薄部５８Ｃの幅と同じかそれ以
上とすればよい。

第６図は差圧検出要素の他の例を示すものである。図か
ら明らかなように、起歪梁６０とダイアフラム５８′と
の間に硼珪酸塩ガラス、かうなる肉厚のガラス膜６５′
が設けられている。しかも、この肉厚のガラス膜６５′
は起歪梁６０の肉厚部よシも長くなるように構成されて
いる。このため、起歪梁６０の肉厚部の剛性が強化され
、肉薄部の厚さを肉厚部のそれに近づけても正確な圧力
測定が可能になる。

また、ダイアフラム５８′の中心剛体５８Ａ′の肉厚を
大きくシ、第１の支持部材６２との間の間隙がよシ小さ
くなるように形成されている。すなわち、上面から測定
圧力範囲の数倍の過大圧（起歪梁あるいはダイアフラム
の耐圧以下の圧力）が加わった場合、ダイアフラム５８
′が゛下方にたわみ中心剛体５８Ａ′が第１の支持部材
６２に当接するように構成されている。したがって、ダ
イアプラム５８′および起歪梁６０はそれ以上変形しな
いため、肉薄部５８Ｃ’　、６０Ｃの破壊を防止するこ
とができる。なお、差圧検出要素５６をシリコンオイル
等に封入して使用する場合は、中心剛体５８Ａ′の下面
にシリコンオイルの移動を助ける溝を形成するようにし
ても良い。

第７図は差圧検出要素の頁に他の例を示すものである。

この例は、第１の支持部材６２′に導圧路を形成せず、
ダイアフラム５８＃との間を真空室等の基準室としたも
のである。また、ダイアフラム５８“の中心剛体５８Ａ
＃の下面にリング状の＄５８Ｄが形成されている。かか
る構成にすると、ダイアフラム５８＃に大きな変位を与
えても、中心剛体５８人＃のリング状の肉薄部のたわみ
によって中心剛体の圧力−変位の関係を直線に維持する
ことができるため、起歪梁６０に大きな歪を発生させる
ことができ、−さらに高出力、高精度の一検出器が得ら
れる。　　　− 以上本発明は、圧力をたわみに変換する部材と、たわみ
を歪に変換する部材とよ多構成したことにより、よシ低
い圧力範囲の測定も正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一笑施例になる差圧検出器の全体構造
断面図、第２図は差圧検出部の詳細断面図、第３図は差
圧検出要素の上面図、第４図は差圧検出要素の一部詳細
断面図、第５図はダイア７２ムの肉薄部の幅と非直線誤
差との関係を示す図、ｊ１！６図および第７図は差圧検
出要素の他の例を示す断面図である。 １０・・・受圧部、１２・・・差圧検出部、５６・・・
差圧検出要素、５８・・・ダイアフラム、６０・・・起
歪梁、６２・・・第一１の支持部材、６４・・・第２の
支持部材、７２図 亙 ７３図 １Ｔｈ’ｙηｇ 同傅名ｐｅＩ）幅　（ｍｙｎ） ７９図 ７７図−パ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、差圧検出部、この差圧検出部に固定された支持部材
   、この支持部材に固定され九圧力全たわみに変換する第
   １の部材、この第１の部材に固定された前記第１の部材
   のたわみを歪に変換する第２の部材、この第２の部材に
   形成されたゲージ抵抗とよ多構成した差圧検出器。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記第１の部
   材金、中央肉厚部、この中央肉厚部の外周に形成された
   リング状の肉薄部、この肉薄部の外周に形成されたリン
   グ状の外縁肉厚部とよ多構成した差圧検出器。 ３、特許請求の範囲第２項記載において、前記第２の部
   材は、その一端が前記中央肉厚部、他端が前記外縁肉厚
   部に固定され九起ｉ梁とした差圧検出器。