JPS63289432A - 圧力センサを組み立てる方法並びに圧力センサ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、圧力センサを組み立てる方法であって、耐圧
性の測定セル本体と保持体とセンサ部材とをそれぞれ別
個に製造し、ダイヤフラムとセンサ部材との間に延在す
る室を圧縮不能な液体によって完全に満たす形式のもの
並びに圧力センサであって、センサ部材が耐圧性の測定
セル本体に組み込まれていて、ダイヤフラムを介して測
定すべき媒体と結合されており、この場合ダイヤフラム
とセンサ部材との間の室に圧縮不能な液体がある形式の
ものに関する。

従来の技術 このような形式の圧力センサは特に約４００バールの高
い圧力を測定するために使用される。センサ部材、通常
はピエゾ抵抗素子が測定のために使用され、この場合測
定すべき媒体の運転圧はダイヤフラムと、該ダイヤフラ
ムとセンサ部材との間にある液体例えばシリコンオイル
とを介して伝達される。

既に公知の上記形式の圧力センサでは、ダイヤフラムと
センサ部材との間の室は、耐圧性でかつリング状の測定
セル本体によって取り囲まれている。高い運転圧を比較
的小さな寸法において構造上克服するために、測定セル
本体とダイヤフラムとセンサ部材と場合によっては保持
体もレーザ光線を用いて互いに溶接される。閉じられた
室にシリコンオイルを入れるために、側部に孔が設けら
れており、この孔を介して測定セル本体とダイヤフラム
とセンサ部材とから成る測定セルの製造後にシリコンオ
イルが装入される。この孔はばね負荷された玉押によっ
て閉鎖されている。

シリコンオイルの充てんが完全である場合には、上記形
式の圧力センサによって高い圧力における比較的良好な
測定精度を得ることができる。しかしながら機械的な故
障に基づく玉押の短時間の非シール性が生じただけで、
液体は損失してしまい、これによってダイヤフラムは圧
力作用時に内方に向かって湾曲する。これによって代替
不能な非直線性が生ぜしめられ、この結果製造時に極め
て忠実な測定セルは使用不能になってしまう。

発明の課題 ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式に圧力センサ
を製造する方法並びに圧力センサを改良して、安価に製
造することができると共に機械的な振動に対する確実性
が与えられており、しかも精度を長時間安定化させるこ
とができる方法並びに圧力センサを提供することである
課題を解決するための手段 この課題を解決するために本発明の方法では、少なくと
もダイヤフラムか又はセンサ部材を組み付ける前に、液
体を完全に室内にもたらすようにした。

ダイヤフラムと保持体に対して別個の測定セル本体とが
前組立てされていると特に有利である。これによって、
センサ部材への圧力伝達のために液体によって満たされ
る室を、該室が完全につまり気泡なしに液体によって満
たされ得るまで、まず初め開放しておくことができる。

このことは種々異なった形式で例えば請求項２記載のよ
うに液体への単純な浸漬によって行うことができる。

この後で初めて測定セルは完全に組み立てられて、この
際にセンサ部材は液密に結合されるので、これによって
いかなる弁も不要となり、この結果測定セル本体は、室
内における圧力を受け止める中実のリング体として構成
され得る。この構造形式によって本発明による圧力セン
サは特に強い圧力ピークにも適している。可能な圧力ピ
ークはほぼ、物理的にセンサ部材の役に立つ値によって
のみ制限される。この場合有利な構成によれば、センサ
部材として使用されるチップの底を付加的に鋼製の受圧
円板を介して支持するようになっている。この受圧円板
は、接続導線の供給を妨げることなしに、チップの臨界
範囲を越える湾曲を阻止する。

特に有利にはさらに、センサ部材が弾性的な成形体を介
して浮遊に懸吊されている。これによって過負荷・圧力
ピークに対する敏感さが著しく柔らげられる。つまり場
合によっては生じる圧力は強く減衰され、この結果迅速
な振動減衰が行われる。

さらにこれによって外部からの非所望のザーモダイナミ
ック的な影響が可能な限り回避される。メタルに取り付
けられたセンサチップの導電性は弾性的な成形体の導電
性よりも常に大きいので、チップ形のブリッジ回路に取
り付けられたセンサ部材の内部には最高でも無視できる
程の温度勾配しか発生しない。

さらにまた本発明の別の構成のように弾性的な成形体が
複数の箇所で同時にシールとして作用すると特に有利で
ある。これによって単に多数のシール部材が節約される
のみならず、シールリップのくさび効果に基づいて確実
なシールを達成するために、小さな圧着力しか必要では
ない。さらに本発明による成形体においては、例えば過
熱に基づいて部材の交換が必要な場合に本発明による圧
力センサの個々の構成要素を交換することができる。

さらに、成形体の弾性塵に基づいてダイヤフラムとセン
サ部材との間の室を満たすことが可能であり、しかも測
定セル本体の内径とセンサ部材の外径との間における必
要な寸法許容誤差を維持することができる。

本発明による圧力センサの組立ては有利にはソリコンオ
イル浴において行われ、この場合測定セル本体と、弾性
的な成形体に加硫によって取り付けられたダイヤフラム
とから成る前組立てされたユニットはシリコンオイル浴
内に置かれ、この場合ダイヤフラムは下に位置し、ダイ
ヤフラムの上に位置する室は完全にシリコンオイルによ
って満たされる。有利にはある程度の時間シリコンオイ
ル浴内に滞在したセンサ部材は次いで上からゆっくりと
室のなかに降下される。シリコン部材によって押し除け
られたンリコンオイルは降下中に側部において上方に向
かって逃れることができる。この方法によって室の完全
に空気を含まない充てんが達成される。

また、ダイヤフラムが取付は後に緊張のない状態にある
と有利であり、このようになっているとダイヤフラムに
よる非直線性を回避することができる。同心的な溝及び
／又はリブによって、鉛直方向の振れに対するダイヤフ
ラムの抵抗モーメントはさらに減じられ得る。

特に高いシール作用を得るために、センサ部材を特に深
く成形体内に押し込むことが望まれている場合には、以
下に記載の方法が用いられる。すなわち、シリコンオイ
ル中にあるダイヤフラムと測定セル本体とから成るユニ
ットが適当な形の心棒によってダイヤフラムに支持され
るのに対して、センサ部材は成形体に押し込まれ、これ
によってダイヤフラムとセンサ部材との間の室がシール
される。これによって、ダイヤフラムが内方に湾曲され
、これは、保持体に対する成形体のシール作用を生ぜし
める閉鎖部分の螺合によって補償される。

閉鎖部分の圧力が成形体のシールリップと測定セル本体
と成形体の別のシールリップとを介して保持体に伝達さ
れ、この際にこれによってダイヤフラム又はセンサ部材
に影響が与えられないので、材料誤差に基づいて各圧力
センサにおいて異なった、保持体への閉鎖部材のねじ込
み力は圧力センサの直線性に影響を与えない。

それというのはダイヤフラムは緊張していない状態を保
つからである。

有利な構成によって設けられた衝突面は、本発明による
圧力センサが接続されているまず初め空の導管が、次い
で例えば２００バ一ル未満の液体で急激に満たされた場
合に生じる極端な圧力波を減少するために役立つ。衝突
面とダイヤフラムとの間にある室はまず初め空気で満た
されているので、圧力波はダイヤフラムに達することが
できず、衝突面を介して受け止められる。測定すべき媒
体が衝突面におけるノズル開口を通って、衝突面とダイ
ヤフラムとの間の室を完全に満たした場合に初めて、圧
力センサが接続されている導管への圧縮不可能な結合が
生じる。次いで本発明による圧力センサは圧力変化を極
めて正確に測定することができ、それというのは圧力パ
ルスは衝突面における開口を通してほぼ損失なしに導か
れ得るからである。

ノズル開口が側部に設けられていると特に有利であり、
このようになっていると、衝突面とダイヤフラムとの間
の室は、液体が直接ダイヤフラムに向けられることなく
満たされるからである。

実施例 次に図面につき本発明の詳細な説明する。

図面にその１実施例が示されている本発明による圧カセ
ンザ１０は保持体１２と閉鎖部分１４と測定セル１６と
を有している。測定セル１６はセンサ部材１８とダイヤ
フラム２０と測定セル本体２２とから成っている。ダイ
ヤフラム２０は重合体製の成形体２４に加硫によって取
り付けられている。測定セル本体２２はリング状の基本
構造を有している。成形体２４は測定セル本体２２の高
さ全体にわたって延びていて、測定セル本体２２をシー
ルリップ２６．２８によって取り囲んでいる。成形体２
４とダイヤフラム２０とセンサ部材１８とによって取り
囲まれた室３０はシリコンオイル３２によって気泡なし
に満たされている。

測定セル１６はシールリップ２６を介して保持体１２の
肩３４に接触している。これによって保持体１２内にお
いてダイヤフラム２０の前に延在する円筒形の室３６は
側方に向かってシールされる。室３６は運転中、圧力を
測定すべき媒体によって満たされている。また室３６は
ダイヤフラム２０と向かい合っている側において壁部分
３８によって閉鎖されている。壁部分３８は帽子型の基
本構造を有していて、この場合突出している部分は衝突
面４０によって形成される。有利には壁部分３８は保持
体１２に押し込まれている。壁部分３８の円筒形の部分
４２にはノズル開口４４ａ、４４ｂが設けられておリ、
これらのノズル開口は次のような寸法及び構成を有して
いる。すなわち両ノズル開口４４ａ、４４ｂは液体によ
って室３６が満たされる場合に液体がダイヤフラム２０
に突然衝突することを回避し、しかしながら室３６が液
体によって満たされた場合には運転中に圧力変動が損失
なしに導かれるようになっている。この場合４つのノズ
ル開口が全周にわたって均一に分配配置されていると有
利である。

組み込まれた状態において測定セル１６は保持体１２の
肩３４と閉鎖部分１４との間に保持される。このために
閉鎖部分１４には雄ねじ山４６が設けられており、この
雄ねじ山４６は保持体１２の対応する雌ねじ山４８に係
合する。

閉鎖部分１４は図示されていない中央孔を有しており、
この中央孔はセンサ部材１８に接続導線を導くために設
けられている。閉鎖部分１４には受圧円板５０が支持さ
れており、この受圧円板５０はＶ４Ａスチール（ステン
レス・スチール）から成っていて、センサ部材１８の接
続導線のための小さな開口　（同様に図示せず）を有し
ている。センサ部材１８の電気的な絶縁のために受圧円
板５０には絶縁体円板５２が設けられており、この絶縁
体円板５２は同様に接続導線によって貫通される。グラ
スファイバによって強化されたエポキシ樹脂製の絶縁体
円板５２にはセンサ部材１８が支持されている。さらに
閉鎖部分１４のねじ込まれた状態において絶縁体円板５
２を介して圧力が成形体２４のシールリップ２８に加え
られる。測定セル本体２２はわずかな遊びをもって保持
体１２において案内されているので、閉鎖部分１４によ
って加えられる圧力は同時にシールリップ２６にも作用
する６ 保持体１２と閉鎖部分１４と成形体２４とが本発明のよ
うに協働することによって、室３０のダイヤフラム側及
びセンサ側のソール並びに外部に対する室３６の側方の
シールが一気に可能である。シールリップ２６．２８の
特殊な形状に基づいて、成形体２４における圧力は小さ
い。

測定セル本体２２と閉鎖部分１４との間のシールリップ
２８が極めて薄くかつシールリップ２６に対してわずか
な弾性塵しか有していないと有利である。これによって
測定セル１６の浮遊する支承が可能になり、閉鎖部分１
４と保持体１２との螺合によって生ぜしめられる圧力に
基づいて直線性誤差に対して鈍感になる。従ってダイヤ
フラム２０はこの圧力の大きさとは無関係に常に緊張の
ない同一位置にとどまり、かつ正確な測定結果を得るこ
とができる。

第２図の図面において同一部材は同一符号で示されてい
る。成形体２４に加硫によって取り付けられたダイヤフ
ラム２０と、測定セル本体２２とから成る前組立てされ
たユニットは、別個に示されたセンサ部材１８によって
閉鎖される。これはシリコンオイル浴において行われ、
この場合成形体２４によって取り囲まれた室３０全体は
気泡なしにシリコンオイルによって満たされねばならな
い。センサ部材１８による室３０の閉鎖直前に室３０に
向かってダイヤフラム２０に幾分圧力を加えると特に有
利である。

経験的に規定される圧力の大きさは、ダイヤフラム２０
が室３０の閉鎖後に完全に緊張のない状態にあるように
選択されるべきである。

有利にはセンサ部材の組立て時に前記ユニットが１８０
°だけ回転させられて心棒に設置され、この結果一方で
は圧力がダイヤフラムに加えられ、かつ他方では、セン
サ部材１８が室を去る前に、室３０における気泡が上昇
可能でるセンサ部材１８は、規格化されたＴｏ炉ケーシ
ング取り付けられた半導体チップ５４から成っている。

ケーシングの底は接続導線５８によって貫通され、この
場合有利なブリッジ回路の配線のためには８つの接続導
線が使用され得る。Ｔｏ炉ケーシング底５６は比較的薄
い。底５６の湾曲は、第１図に示された受圧円板５０に
よって阻止される。

受圧円板５０に対して接続導線５８を確実に絶縁するた
めに接続導線は受圧円板５０の範囲において例えば対を
なしてガラスに埋め込まれる。

発信された測定信号を電気的に検出するために公知の測
定増幅器が使用され得る。この場合半導体チップ５４に
設けられたホイートストン・ブリッジ回路の出力信号を
チョッパ増幅器を介して増幅してＡ／Ｄ変換器に送ると
特に有利である。Ａ／Ｄ変換器の出力信号はデジタル式
のアドレス信号としてＥＰＲＯＭに送られ、この場合例
えば２０００測定点の分析が可能である。ＥＰＲＯＭに
貯えられたデータはその都度使用される圧力信号の直線
性誤差のための修正信号を形成する。このデジタル式の
修正信号はＡ／Ｄ変換器に送られ、アナログ式の修正信
号としてチョッパ増幅器の出力側に供給される。

このような回路によって本発明による圧力センサの仕様
時間にはわずかな費用で、最終値の０３％の直線性と０
．０１％のヒステリシスと０．０５％の反復性とがＯ〜
４００バールの圧力測定範囲において得られる。

本発明のよる圧力センサは極めて強い持続振動が存在す
る場合でも使用可能である。それというのは成形体２４
を介して導入される振動は強く減衰されるからである。

さらに、例えば温度センサのような他の形式のセンサを
本発明による方法によって製造することも可能である。

上に述べた実施例ではダイヤフラムのためにかなり薄い
高級鋼部材が使用される。この高級鋼部材は特に高負荷
範囲においてパルス負荷時に次のような利点、すなわち
たとえパルスが高い振動を有している場合でもシリコン
オイルにおいてキャビテーションが発生せず、４０００
バールにおいても確実な機能が保証されるという利点を
提供する。

本発明による特に有利な別の実施態様ではダイヤフラム
２０が薄いエラストマダイヤフラムとして構成されてお
り、この場合１５μｍの厚さが可能である。

このように薄いエラストマダイヤフラムは極めてフレキ
シブルでかつ小さな質量しか有していないので、高級鋼
ダイヤフラム２０に比べてパルスの分散が改善されてい
る。このような薄いエラストマダイヤフラムはさらに、
パルス振幅ないしパルス相互コンダクタンスがある程度
の値を越えていない場合には、約４００バールの高い圧
力においても使用可能である。

別の利点としては、測定範囲が下に向かって著しく増大
され得るということがある。

１５０°の温度上昇時にはつまりシリコンオイルは約６
％だけ膨張し、これによってダイヤフラムが変形する。

このダイヤフラムはしかしながら一方では非直線性を生
せしめ、かつ他方では室３０における圧力増大を生ぜし
める。

この場合１５μｍの厚さのフルオルエラストマダイヤフ
ラムの使用時には、エラストマの弾性モジュールが鋼の
弾性モジュールよりも著しく小さいので、圧力増大は比
較的小さい。従って、例えば２００ミリバールの小さな
圧力範囲における圧力増大が圧力センサのその都度所定
の測定範囲における最終圧力になることを回避すること
ができる。

さらにまた、温度補償を保証するための多大な電子的な
付加的費用は十分に回避することができる。

エラストマダイヤフラム２０のためには種々異なった材
料を使用することができ、この場合材料の選択に際して
は、圧力を測定すべき攻撃的な媒体に対するその都度の
材料の抵抗を考慮することができる。

ビニリデンフルオリドーへキサフルオルプロピレン−共
重合体をベースにした加硫可能なフルオルエラストマを
使用すると有利である。

このようなダイヤフラムの使用時には、シールリップ２
６が成形体２４の外周部のかなり近くに位置していると
特に有利である。このような処置によって、極めて高い
圧力及び温度においても塑性変形をエラストマ材料の残
留粘性に基づいて無視できるほどの値にまで下げること
＝２３− が可能である。

本発明の別の有利な構成によれば、測定セル本体２２が
受圧円板５０ないし絶縁円板５２に向かって突出部を有
しており、この突出部によって、成形体２４のシールリ
ップ２８が極端に高い圧力時につぶれることを回避する
ことができる。この特に有利な構成では、シールリップ
２８の逆転可能な弾性変形は最適なシール圧まで保証さ
れているのに対し、ダイヤフラム２０にさらに高い圧力
が作用する場合には測定セル本体２２と受圧円板５０と
の間の間隔は回避されず、従ってシールリップ２８はつ
ぶれない。

通常の運転圧ではしかしながら測定セル本体２２の浮遊
支承の利点は完全に守られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧力センサの１実施例を部分的に
断面して示す図、第２図は本発明による圧力センサにお
いて使用される測定セルをセンサ部材の組付けの前の状
頼で示す図である１０・・・圧力センサ、１２・・・保
持体、１４・・・閉鎖部分、１６・・・測定セル、１８
・・・センサ部材、２０・・・ダイヤフラム、２２・・
・測定セル本体、２４・・・成形体、２６．２８・・・
シールリップ、３０・・・室、３２・・シリコンオイル
、３４・・・肩、３６・・・室、３８・・・壁部分、４
０・・・衝突面、４２・・・部分、４４ａ、４４ｂ・・
・ノズル開口、４６・・・雄ねじ山、４８・・・雌ねじ
山、５０・・・受圧円板、５２・・・絶縁体円板、５４
・・・半導体チップ、５６・・・底、５８・・・接続導
線 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ　１ ＦＩＧ　２ 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示　昭和６３年特許願第２４０９０号２、
発明の名称 圧力センサを組み立てる方法並びに圧力センサ３、補正
をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代　理　人 昭和６３年　５月３１日　　（発送日）６６補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧力センサを組み立てる方法であって、耐圧性の測
   定セル本体と保持体とセンサ部材とをそれぞれ別個に製
   造し、ダイヤフラムとセンサ部材との間に延在する室を
   圧縮不能な液体によって完全に満たす形式のものにおい
   て、少なくともダイヤフラムか又はセンサ部材を組み付
   ける前に、液体を完全に室内にもたらすことを特徴とす
   る、圧力センサを組み立てる方法。 ２、まず初めにダイヤフラムを液密に測定セル本体に取
   り付け、次いで前組立てされた測定セル本体・ダイヤフ
   ラムユニットを、ダイヤフラムが下に位置するような位
   置にもたらし、次に前記ユニットをシリコンオイル浴の
   ような液体に浸漬させて、室を液体によって完全に満た
   し、前記ユニットを液体から取り出す前に、センサ部材
   を液密に測定セル本体に組み付ける、請求項１記載の方
   法。 ３、ダイヤフラムを室の液密な閉鎖中に内側に向かって
   押圧する、請求項１又は２記載の方法。 ４、圧力センサであって、センサ部材が耐圧性の測定セ
   ル本体に組み込まれていて、ダイヤフラムを介して測定
   すべき媒体と結合されており、この場合ダイヤフラムと
   センサ部材との間の室に圧縮不能な液体がある形式のも
   のにおいて、ダイヤフラム（２０）が無圧状態において
   緊張なしに保持されており、室（３０）が、存在する運
   転圧に対して機械的な振動時にも圧力を受け止める安定
   的な測定セル本体（２２）によって完全に、弁なしにか
   つ液密に取り囲まれていることを特徴とする圧力センサ
   。 ５、室（３０）が幾分圧縮可能な壁を有しており、該壁
   がダイヤフラム（２０）とセンサ部材（１８）との間に
   環状に延在し、測定セル本体（２２）の支持されている
   、請求項４記載の圧力センサ。 ６、弾性的な成形体（２４）が設けられていて、該成形
   体にダイヤフラム（２０）が支承されている、請求項４
   又は５記載の圧力センサ。 ７、弾性的な成形体（２４）が同時に、センサ部材（１
   ８）と測定セル本体（２２）との間並びに測定セル本体
   （２２）とダイヤフラム（２０）との間のシール装置と
   して働く、請求項６記載の圧力センサ。 ８、成形体（２４）がシールリップ（２６）を有し、該
   シールリップで測定セル本体（２２）がダイヤフラム側
   において保持体（１２）に支持されていて、該保持体が
   ノズル（４４ａ、４４ｂ）を有しており、該ノズルを介
   してダイヤフラム（２０）が測定すべき媒体と液体結合
   されている、請求項６又は７記載の圧力センサ。 ９、測定セル本体（２２）が、壁厚で短いリングの形を
   しており、センサ部材（１８）が絶縁体円板（５２）に
   支持されていて、該絶縁体円板自体が受圧円板（５０）
   に支持されている、請求項４から８までのいずれか１項
   記載の圧力センサ。 １０、測定セル本体（２２）が保持体（１２）の切欠き
   に受容されていて、閉鎖部分（１４）によって保持体（
   １２）に位置固定に保持され、この場合成形体（２４）
   がセンサ側において測定セル本体（２２）と閉鎖部分（
   １４）との間においてシールを形成していて、受圧円板
   （５０）がねじ込まれた閉鎖部分（１４）に支持されて
   いる、請求項４から９までのいずれか１項記載の圧力セ
   ンサ。 １１、保持体（１２）に耐圧性の衝突面（４０）を備え
   た壁部分（３８）が組み込まれていて、衝突面（４０）
   がダイヤフラム（２０）の前においてほぼダイヤフラム
   （２０）の全面にわたって延在しており、壁部分（３８
   ）に構成されたノズル開口（４４ａ、４４ｂ）の直径が
   ダイヤフラム直径よりも著しく小さい、請求項４から１
   ０までのいずれか１項記載の圧力センサ。 １２、衝突面（４０）が測定すべき媒体に向かって突出
   していて、ノズル開口（４４ａ、４４ｂ）が側部に設け
   られている、請求項１１記載の圧力センサ。 １３、少なくとも２つのノズル開口（４４ａ、４４ｂ）
   が設けられている、請求項１０又は１１記載の圧力セン
   サ。 １４、センサ部材（１８）が圧電素子としてブリッジ回
   路に構成されていて、この場合ブリッジ回路がセンサ部
   材（１８）に一体に組み込まれた形で取り付けられてい
   る、請求項４から１３までのいずれか１項記載の圧力セ
   ンサ。 １５、センサ部材（１８）と絶縁体円板（５２）と受圧
   円板（５０）とを貫通している接続導線（５８）が設け
   られている、請求項９から１４までのいずれか１項記載
   の圧力センサ。 １６、支持円板が金属製で、対称的に配置されていて各
   ２つの接続導線（５８）によって貫通される４つの孔を
   有している、請求項９から１５までのいずれか１項記載
   の圧力センサ。 １７、センサ部材（１８）の出力信号がチョッパ増幅器
   とさらにＡ／Ｄ変換器に送られ、該Ａ／Ｄ変換器の出力
   信号が誤差修正のために使用される、請求項４から１６
   までのいずれか１項記載の圧力センサ。 １８、ダイヤフラム（２０）が極めて薄いエラストマダ
   イヤフラムであり、測定すべき媒体の形式に応じて選択
   される、請求項４から１７までのいずれか１項記載の圧
   力センサ。 １９、測定セル本体（２２）が少なくとも、保持体（１
   ２）と耐圧性に結合された受圧円板（５０）のような部
   分に作用するストッパを有しており、該ストッパによっ
   て測定セル本体（２２）が、最適なシール圧維持のため
   に所定の入力圧以上ではシールリップ（２８）に支持可
   能である、請求項４から１８までのいずれか１項記載の
   圧力センサ。