KR101959150B1 - 압력 센서 및 차압 센서 및 그것들을 사용한 질량 유량 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

다이어프램에 스테인리스강을 채용한 경우에도, 다이어프램과 스트레인 센서가 서로 박리되거나 하지 않고, 또한 사용 환경 온도의 영향을 받기 어려운 동시에, 압력 센서의 감도가 다이어프램을 구성하는 재료의 역학 특성에 의해서만 지배되지 않아, 압력 센서를 구성하는 부재의 설계 자유도를 높이는 것이다. 본 발명의 압력 센서는, 상기 과제를 해결하기 위해, 유체의 압력에 의해 변형되는 다이어프램과, 해당 다이어프램의 전체면을 덮는 동시에, 일방측이 상기 다이어프램과 접합하는 탄성체와, 해당 탄성체의 타방측에서, 또한 상기 다이어프램의 중심에 상당하는 위치에서 떨어진 단부측에 접합해서 설치되어, 상기 다이어프램의 변형과 연동하는 상기 탄성체의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서를 구비하고, 상기 탄성체는, 상기 스트레인 센서를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

압력 센서 및 차압 센서 및 그것들을 사용한 질량 유량 제어 장치{PRESSURE SENSOR, DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR, AND MASS FLOW RATE CONTROL DEVICE USING SAME}
본 발명은 압력 센서 및 차압 센서 및 그것들을 사용한 질량 유량 제어 장치에 관한 것으로, 특히 압력 인가에 수반하는 다이어프램의 변형을 이용해서 압력을 검출하는 것에 적합한 압력 센서 및 차압 센서 및 그것들을 사용한 질량 유량 제어 장치에 관한 것이다.
압력 인가에 수반하는 다이어프램의 변형을 이용해서 압력을 검출하는 압력 센서로서는, 다이어프램 상에 스트레인 게이지를 형성(부착 등)함으로써, 압력 인가에 수반하는 다이어프램의 변형을 스트레인으로서 검출하는 압력 센서가 잘 알려져 있다.
상술한 스트레인 게이지는, 약간의 변형이라도 자신의 전기 저항을 바꾼다. 통상, 스트레인 게이지는 4개 1세트로 형성되어 있고, 브리지 회로를 구성함으로써, 압력에 비례한 차동 전압을 출력으로서 계측하는 방법이 자주 이용되고 있으며, 브리지 회로를 구성하고, 스트레인 게이지 자체의 온도 특성을 보상하는 것을 가능하게 하고 있다. 예를 들어, 스트레인 게이지 자체에 온도 특성을 갖고 있어도, 온도 변화에 의한 4개의 스트레인 게이지의 변형이 각각 동등한 때에는, 스트레인 센서의 출력은 변동하지 않는다.
또한, 계측 대상의 압력이 낮아 내식성이 불필요한 경우에는, 실리콘 기판을 일부 박막화함으로써 수압부가 되는 실리콘 다이어프램을 형성하고, 이 실리콘 다이어프램 상에 스트레인 게이지를 불순물 확산에 의해 형성하는 구성의 압력 센서가 사용된다. 이와 같은 구성의 압력 센서는, 감도가 높고, 실리콘 다이어프램 상에 스트레인 게이지를 일체 구조로서 형성하는 것이 가능한 등의 이점을 갖고 있다.
그러나 상술한 압력 센서는, 계측 대상의 압력이 높은 경우나 내식성이 필요한 경우에는 적합하지 않으며, 금속제의 다이어프램에 스트레인 게이지를 부착하거나, 또는 스트레인 게이지를 형성한 스트레인 센서를 부착한 구성의 압력 센서가 많이 사용되고 있다.
특허문헌 1에는, 압력 센서가 개시되어, 압력값을 검출하기 위한 마이크로 머시닝형의 장치이며, 2개의 구성 소자로 이루어져 있으며, 제1 구성 소자가 제1 재료로 이루어지는 제1 다이어프램을 구비하고, 제2 재료로 이루어지는 제2 구성 소자가 제1 영역과 제2 영역을 구비하고 있다. 또한, 제1 영역이, 제2 영역보다도 얇게 형성되고, 제1 다이어프램과 제1 영역의 적어도 일부가 서로 견고하게 결합되어 있다. 그리고 제1 재료가 제2 재료보다도 큰 열팽창 계수를 갖고 있는 형식의 것을 개량하기 위해, 제1 재료로 이루어지는 제1 다이어프램이, 온도에 관해서 횡 팽창을 제2 구성 소자의 제1 영역에 전달하게 되어 있고, 횡 팽창의 전달이 제1 다이어프램과 제1 영역의 적어도 일부와의 사이에 설치된 제1 결합 재료를 개재해서 행하여지고 있다.
일본 특허 공개 제2005-227283호 공보
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 크게 나누어서 2개 있다. 즉, 제1 과제는 이종 재료 간의 선 팽창 계수의 차이에 기인한 과제이며, 제2 과제는 압력 센서의 감도 향상에 관한 과제이다.
먼저, 제1 과제로부터 설명하면, 상기한 구성을 갖는 압력 센서의 부식에 대한 내성을 높이기 위해, 압력 센서를 구성하는 부재 중, 유체와 바로 접촉하는 부분(다이어프램)에, 스테인리스강 등의 고내식성 재료를 채용할 필요가 있다.
그러나 스트레인 센서의 재료로서 실리콘을 채용한 경우, 실리콘의 선 팽창 계수는 2.6×10-6K-1인 것에 반해, 스테인리스강의 선 팽창 계수는 15.9×10-6K-1이며, 양자에 큰 차가 있다.
이로 인해, 실리콘제의 스트레인 센서를 스테인리스강제의 다이어프램에 접착하려고 하면, 온도 변화에 의해 큰 치수의 차가 발생해 버리므로, 양자가 접착된 상태를 유지할 수 없어, 박리되거나 또는 제조의 과정에서 다이어프램 또는 스트레인 센서 중 어느 하나가 파손되거나 하는 문제가 발생하기 쉬워진다.
또한, 실리콘제의 스트레인 센서와 스테인리스강제의 다이어프램의 접착을 유지할 수 있고, 파손도 발생하지 않은 경우에도, 압력 센서의 사용 환경 온도가 변동하면, 상기한 선 팽창 계수의 차이에 기인해서 접착부에 큰 응력이 발생한다.
이로 인해, 실제로는 다이어프램이 유체의 압력이 변화하고 있지 않음에도, 스트레인 센서가 스트레인을 검지해 버리므로, 압력 센서의 사용 환경 온도의 변화에 수반하는 측정 오차가 발생하게 된다.
이어서, 제2 과제에 대해서 설명하면, 낮은 압력에서도 검지할 수 있게 압력 센서의 감도를 높이기 위해서는, 다이어프램의 탄성 계수를 작게 해서 변형을 용이하게 하는 것이 유효하다. 즉, 다이어프램의 탄성 계수는, 다이어프램을 구성하는 재료의 영률, 다이어프램의 수압 직경 및 두께 등에 의해 정해지므로, 다이어프램을 구성하는 재료의 영률을 작게 하는 동시에, 수압 직경을 크게 하고, 또한 두께를 얇게 할수록, 다이어프램의 탄성 계수를 작게 할 수 있다.
그런데, 다이어프램의 탄성 계수를 작게 해서 변형을 용이하게 하면, 변형 시에 발생하는 다이어프램의 굴곡부에 가해지는 주응력이 증가해서 재료의 탄성 한계를 초과해 버려, 압력 센서로서 계속적으로 사용할 수 없게 될 가능성이 있다. 즉, 압력 센서의 감도와 다이어프램의 굴곡부에 가해지는 주응력은, 상반된 관계가 되므로, 탄성체로서 단일인 다이어프램을 사용하고 있는 한, 압력 센서의 감도는 다이어프램을 구성하는 재료의 역학 특성에 의해 지배된다.
본 발명은 상술한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 다이어프램에 스테인리스강을 채용한 경우에도, 다이어프램과 스트레인 센서가 서로 박리되거나 하지 않고, 또한 사용 환경 온도의 영향을 받기 어려운 동시에, 압력 센서의 감도가 다이어프램을 구성하는 재료의 역학 특성에 의해서만 지배되지 않아, 압력 센서를 구성하는 부재의 설계 자유도를 높일 수 있는 압력 센서 및 차압 센서 및 그것들을 사용한 질량 유량 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 압력 센서는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 유체의 압력에 의해 변형되는 다이어프램과, 해당 다이어프램의 전체면을 덮는 동시에, 일방측이 상기 다이어프램과 접합하는 탄성체와, 해당 탄성체의 타방측에서, 또한 상기 다이어프램의 중심에 상당하는 위치에서 떨어진 단부측에 접합해서 설치되고, 상기 다이어프램의 변형과 연동하는 상기 탄성체의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서를 구비하고, 상기 탄성체는, 상기 스트레인 센서를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 차압 센서는, 상기 과제를 해결하기 위해, 서로 대향 배치되어, 유체의 압력에 의해 변형되는 제1 다이어프램 및 제2 다이어프램과, 해당 제1 다이어프램 및 해당 제2 다이어프램 사이에 배치되어, 일방측이 상기 제1 다이어프램과 접합하는 동시에, 타방측이 상기 제2 다이어프램과 접합하는 탄성체와, 해당 탄성체의 일방측 또는 타방측에서, 또한 상기 제1 다이어프램 및 상기 제2 다이어프램의 중심에 상당하는 위치로부터 떨어진 단부측에 설치되고, 상기 제1 다이어프램 및 상기 제2 다이어프램의 변형과 연동하는 상기 탄성체의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서를 구비하고, 상기 탄성체는, 상기 스트레인 센서를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다이어프램에 스테인리스강을 채용한 경우에도, 다이어프램과 스트레인 센서가 서로 박리되거나 하지 않고, 또한 사용 환경 온도의 영향을 받기 어려운 동시에, 압력 센서의 감도가 다이어프램을 구성하는 재료의 역학 특성에 의해서만 지배되지 않아, 압력 센서를 구성하는 부재의 설계 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 압력 센서의 실시예 1을 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1의 파선 A-A에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 압력 센서에 채용되는 스트레인 센서를 나타내고, 4개의 스트레인 게이지로 형성한 브리지 회로의 예이다.
도 4는 본 발명의 압력 센서의 실시예 2를 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 4의 파선 A-A에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 압력 센서의 실시예 3을 도시하는 평면도이다.
도 7은 도 6의 파선 A-A에 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 압력 센서의 실시예 4를 도시하는 평면도이다.
도 9는 도 8의 파선 A-A에 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 압력 센서의 실시예 5를 도시하는 평면도이다.
도 11은 도 10의 파선 A-A에 따른 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 6인 절대압 센서를 도시하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 7인 차압 센서를 도시하는 단면도이다.
이하, 도시한 실시예에 기초하여 본 발명의 압력 센서 및 차압 센서 및 그것들을 사용한 질량 유량 제어 장치를 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 각 실시예에 있어서, 동일 구성 부품에는 같은 부호를 사용한다.
<실시예 1>
도 1 및 도 2에, 본 발명의 압력 센서의 실시예 1을 나타낸다.
해당 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 압력 센서(1)는, 유체의 압력에 의해 변형되는 다이어프램(2)과, 다이어프램(2)의 전체 주위를 덮는 동시에, 일방측이 다이어프램(2)과 접합하는 탄성체(3)와, 탄성체(3)의 타방측에서, 또한 다이어프램(2)의 중심에 상당하는 위치에서 떨어진 단부측(도 1 및 도 2의 좌측)에 접합해서 설치되어, 다이어프램(2)의 변형과 연동하는 탄성체(3)의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서(4)를 구비하고, 탄성체(3)는 스트레인 센서(4)를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료, 즉 20℃에서의 탄성체(3)의 선 팽창 계수의 값이 20℃에서의 스트레인 센서(4)의 선 팽창 계수의 값의 2.5배 이하인 재료로 이루어져 있으며, 다이어프램(2)의 외주부를 고정하는 동시에, 유체를 도입하는 구멍이 형성된 서포트(5)를 구비해서 개략 구성되어 있다.
상술한 탄성체(3)는 원통형을 이루는 동시에, 그 중앙부가 단부보다 얇게 형성되고, 또한 탄성체(3)의 스트레인 센서(4)가 설치되는 부분 이외에, 구멍인 슬릿(8A 및 8B)이 형성되고, 이 슬릿(8A 및 8B)은 스트레인 센서(4)를 사이에 두도록 탄성체(3)의 단부에서 단부까지 연장되어 형성되고, 탄성체(3)를 도 2의 상하 방향(이하, Z 방향이라고 함)으로 관통하고 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 본 실시예의 다이어프램(2)은 금속 재료로 제작되어 있고, 예를 들어 내식성이 높은 스테인리스강이나 스테인리스강과 다른 금속 재료와의 클래드재를 재질로 한다.
또한, 본 실시예의 다이어프램(2)은 원통형을 하고 있으며, 그 중앙부는 가공에 의해 단부보다 박막화(t1>t2)되어 있으며, 박막화한 다이어프램(2)의 중앙부 중심은, 탄성체(3)와의 접합을 위해 일부 융기된 구조로 되어 있다. 다이어프램(2)의 중앙부의 박막화 방법으로서는, 절삭이나 프레스 가공 등이 있다. 이 다이어프램(2)은, 계측 대상인 유체 압력을 스트레인 센서(4)의 설치면과 반대인 면으로부터 받음으로써 변형하고, 접합한 스트레인 센서(4)에 압력에 비례한 스트레인을 발생시키는 구조로 되어 있다.
또한, 본 실시예의 다이어프램(2)은, 그 외주부가 서포트(5)에 고정되고, 다이어프램(2)과 서포트(5)는 저항 용접이나 레이저 용접을 사용해서 기밀을 확보하도록 고정되어 있고, 유체가 다이어프램(2)과 서포트(5)의 간극으로부터 누출되지 않는 구조로 되어 있다.
한편, 탄성체(3)는 금속 재료로 제작되어 있으며, 예를 들어 스트레인 센서(4)의 재료인 실리콘과 선 팽창 계수가 가까운 코바르 합금, 42 합금 또는 인바 합금 등 중 어느 하나를 재질로 한다. 또한, 탄성체(3)의 20℃에서의 선 팽창 계수의 값이, 반도체 기판(실리콘)의 20℃에서의 선 팽창 계수의 값의 2.5배를 초과하지 않는 재질이라도 상관없다.
또한, 본 실시예의 탄성체(3)는 원통형을 하고 있고, 그 중앙부는 가공에 의해 단부보다 박막화되어 있다. 탄성체(3)는 바로 유체와 접하지 않으므로, 강성을 저하시키는 것을 목적으로, 스트레인 센서(4)를 설치하는 부분 이외에 구멍을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 스트레인 센서(4)의 옆을 스트레인 센서(4)를 사이에 두도록 탄성체(3)의 반경 방향(이하, X 방향이라고 함)을 따라 라인 형상으로 슬릿(8A 및 8B)을 형성함으로써, 스트레인 센서(4)의 설치 부위를 빔 형상으로 해도 된다. 탄성체(3)를 박막화한 단부는 필렛이 형성되어 있고, 압력 인가나 온도 변화에 수반하는 응력 집중을 완화하는 구조로 되어 있다.
또한, 탄성체(3)는 스트레인 센서(4)를 설치 가능하게 하기 위해, 스트레인 센서(4)의 크기와 동등 이상의 폭을 구비하고 있고, 적어도 다이어프램(2)의 중앙 접합부(6)와 다이어프램(2)의 외주부 2개소에서 고정[접합부(6)는 1점 고정, 외주부는 전체 주위 고정]되어 있고, 접합부(6)는 압력의 인가나 온도의 변화 등에 의해 박리되지 않도록 용접을 이용해서 견고하게 고정되어 있다. 이 접합부(6)는 다이어프램(2)의 박막부 전체면이 아닌, 일부 영역(1점)에서만 고정함으로써, 다이어프램(2)과 탄성체(3)의 선 팽창 계수 차의 영향을 완화하고 있다. 탄성체(3)는 접합부(6)를 사이에 두고 다이어프램(2)과 접합되어 있으므로, 다이어프램(2)의 변형과 연동해서 휨이 발생하지만, 탄성체(3)의 탄성 계수를 적절하게 설계함으로써, 다이어프램(2)의 탄성 계수를 보강할 수 있다.
탄성체(3)의 박막부의 깊이는, 다이어프램(2)의 높이보다도 얕게 되어 있으며, 탄성체(3)와 다이어프램(2)은 접합부(6)를 사이에 두고 서로 밀고 있다. 서로 미는 것에 의해 탄성체(3)는 불룩해지도록 밀어 올려지고, 다이어프램(2)은 밀어 내려진다. 압력이 가해지고 있지 않은 상태에 있어서 탄성체(3)가 밀어 올려지고 있음으로써, 압력의 인가에 수반하는 탄성체(3)의 요철 반전을 억제하고, 감도의 선형성의 향상 효과가 얻어진다. 또한, 다이어프램(2)이 밀어 내려짐으로써, 다이어프램(2)의 이면 단부의 주응력을, 압력이 가해질 때에 발생하는 응력과는 반대인 압축 응력으로 할 수 있고, 압력이 가해졌을 때의 다이어프램(2)에 발생하는 주응력을 저감시킬 수 있다.
이어서, 스트레인 센서(4)의 구성에 대해서, 도 1 내지 도 3을 사용해서 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 스트레인 센서(4)의 표면 중심에 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)가 형성되어 있고, 4개 1세트의 브리지 회로가 구성되어 있다. 또한, 스트레인 센서(4)는 단결정 실리콘 기판을 재료로 제작되어 있고, 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)는 실리콘 기판에 불순물 확산함으로써 형성되어 있다. 또한, 스트레인 게이지(7a, 7b)는 X 방향이, 스트레인 게이지(7c, 7d)는 다이어프램(2)의 원주 방향(이하, Y 방향이라고 함)이, 각각 전류가 흐르는 방향과 평행해지도록 배치되어 있다.
이러한 스트레인 센서(4)의 구성에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인 차에 비례한 출력이, 브리지 회로의 중간 전위의 차동 출력(Out1-Out2)으로서 얻어진다. 한편, 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)의 전기 저항의 온도 변화에 의한 영향은, 온도 특성이 4개의 스트레인 게이지에서 동등하면, 전기 저항의 온도 변화도 동등해지므로, 스트레인 센서(4)의 출력에는 영향을 미치지 않는다.
예를 들어, 슬릿(8A 및 8B)이 형성되어 있지 않은 탄성체(3)의 경우, 압력에 의한 변형은 축 대칭이고, 다이어프램(2)의 중앙에 스트레인 센서(4)를 배치하면, X 방향과 Y 방향의 스트레인 차가 얻어지지 않는다. 따라서, 스트레인 센서(4)는 감도의 향상을 목적으로, 탄성체(3)의 박막부 단부에 설치하고 있다. 스트레인 센서(4)를 탄성체(3)의 박막부 단부에 설치함으로써, 스트레인 센서(4)에 X 방향과 Y 방향에서 각각 압축 변형과 인장 스트레인이 발생하여, 스트레인 차를 크게 하는 것이 가능해지기 때문이다. 이에 의해, 압력 센서(1)의 감도 향상을 예상할 수 있다.
또한, 탄성체(3)와 스트레인 센서(4)는, 접합층을 사이에 두고 견고하게 고정되어 있다. 양자의 접합에는, 금속(Au/Sn 또는 Au/Ge) 접합이나 저융점 유리(바나듐계 유리)를 사용함으로써, 장기간의 온도나 압력 인가에 수반하는 크리프 변형을 억제할 수 있다. 이들 금속(Au/Sn 또는 Au/Ge)이나 저융점 유리(바나듐계 유리)는 단단한 재료이기 때문에, 탄성체(3)의 변형을 스트레인 센서(4)에 효율적으로 전달할 수 있다.
또한, 서포트(5)는 계측 대상인 유체가 흐르는 배관에 설치된 플랜지(도시하지 않음)와 다이어프램(2)과의 접속을 서포트하는 부재이다. 플랜지와 배관은 나사에 의해 고정되어 있고, 플랜지와 다이어프램(2)을 직접 고정해 버리면, 나사를 체결하는 것에 의한 영향으로 감도가 변화되어 버리는 것을 생각할 수 있으므로, 서포트(5)의 하부로부터 전달되는 나사의 체결에 수반하는 응력을 완화하기 위해, 서포트(5)의 일부에 잘록부(5a)를 마련하고 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 탄성체(3)에는 슬릿(8A 및 8B)이 형성되어 있고, 탄성체(3)를 Z 방향으로 관통하고 있다. 슬릿(8A 및 8B)은, 도 1의 X 방향에 있어서, 길이는 탄성체(3)의 단부에서 단부까지 형성되어 있고, 위치는 스트레인 센서(4)로부터 일정 거리 떨어진 장소에 설치되어 있다. 스트레인 센서(4)가 설치되어 있는 탄성체(3)는 빔 형상으로 되어 있고, 중앙과 양단부가 다이어프램(2)으로 고정되어 있다.
예를 들어, 탄성체(3)에 슬릿(8A 및 8B)을 형성하지 않는 압력 센서(1)에 있어서, 탄성체(3)의 단부에 고정한 스트레인 센서(4)에는, 온도 변화에 수반하여 출력이 발생한다. 이것은, 다이어프램(2)의 재료인 스테인리스강의 선 팽창 계수가, 스트레인 센서(4)의 재료인 실리콘의 5배 이상으로 차가 있기 때문이다. 또한, 탄성체(3)의 변형을 효율적으로 스트레인 센서(4)에 전달하기 위한 접합층이 단단한 재료인 Au/Sn이나 Au/Ge나 저융점 유리(바나듐계 유리)로 형성되어 있는 영향도 크다.
압력 센서(1)의 외부 온도가 저하되면, 스트레인 센서(4)에는 X 방향과 Y 방향 모두, 압축 스트레인이 발생한다. X 방향과 Y 방향의 스트레인이 동등하면 출력은 변화되지 않지만, Y 방향의 압축 변형 쪽이 커지기 때문에, 출력이 변화된다. 이것은, X 방향은 탄성체(3)가 변형됨으로써 응력 완화하고 있지만, Y 방향에서는 탄성체(3)의 면적이 작게 변형되기 어렵기 때문에, X 방향보다도 응력을 완화할 수 없는 것이 원인이다.
또한, 탄성체(3)와 스트레인 센서(4)의 고정에는, 저융점 유리 등의 300℃ 이상의 고온에서의 접합을 사용하기 때문에, 접합 후에 온도를 저하시키면, X 방향과 Y 방향에서 스트레인 차가 발생하고, 초기 제로점의 출력 오프셋으로서 검출된다. 이 초기 제로점의 출력 오프셋이 발생하면, 오프셋 분을 제로로 수정하기 위한 회로가 필요해지는 외에, 압력 센서(1)의 사용 범위가 좁아지는 등의 과제가 발생한다. 또한, 압력 센서(1)의 사용 시에 있어서도, 민간용 압력 센서에 있어서는 100℃ 정도, 차량 탑재용 압력 센서에 있어서는 160℃ 정도의 온도는 변화되고, 압력 센서(1)의 제로점 출력은 변동한다.
따라서, 이것을 개선하기 위해, 탄성체(3)에 슬릿 등의 가공을 실시함으로써, 탄성체(3)를 Y 방향으로도 변형하기 쉽게 해, 스트레인 센서(4)에 가해지는 Y 방향의 압축 변형을 저감한다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향과의 스트레인 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제하는 것을 가능하게 한다. 스트레인 센서(4)에 가해지는 Y 방향으로의 압축 변형을 완화하는 수단으로서, 본 실시예에서는, 탄성체(3)에 라인 형상의 슬릿(8A 및 8B)을 형성하고 있다.
탄성체(3)의 박막부의 깊이는 다이어프램(2)의 높이보다도 얕게 되어 있어, 탄성체(3)와 다이어프램(2)은 접합부(6)를 사이에 두고 서로 밀고 있다. 서로 미는 것에 의해, 탄성체(3)는 적어도 평탄보다도 스트레인 센서(4)의 설치면을 향해 볼록 형상으로 되어 있다.
탄성체(3)가 볼록 형상인 것에 의해, 유체에 의한 압력이 가해지는 것에 수반하여, 탄성체(3)의 요철이 반전하는 것을 방지하고 있다. 이에 의해, 탄성체(3)의 요철이 반전하는 것에 의한 좌굴이나 스트레인 센서(4)의 부호 반전을 방지하여, 감도의 선형성 향상을 도모하고 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 다이어프램(2)은 금속 재료로 제작되어 있으며, 내식성이 높은 스테인리스강을 재질로 함과 함께, 다이어프램(2)은 원통형을 하고 있으며, 중앙부는 가공에 의해 단부보다 박막화되어 있으며, 박막화한 다이어프램(2)의 중앙부 중심은, 탄성체(3)와의 접합을 위해서 일부 융기된 구조로 되어 있다. 다이어프램(2)의 형성 방법으로서 프레스 가공을 이용하고 있으며, 다이어프램(2)의 외주부에는 서포트(5)와 용접하기 위한 플랜지(2a)가 구비되어 있으며, 다이어프램(2)의 플랜지(2a)와 서포트(5)를 용접함으로써 유체의 누설을 방지하고 있다. 다이어프램(2)의 외주부와 중심부까지의 사이에 굴곡부는 존재하지 않고, 유체에 의해 압력이 가해졌을 때의 변형은 굴곡부가 존재할 때에 비해 크고, 감도도 커진다.
유체에 의해 압력이 가해졌을 경우, 다이어프램(2)은 유체에 의해 밀어 올려지고, 최대의 주응력이 다이어프램(2)의 이면 단부에 발생한다. 이 인장의 최대 주응력이, 다이어프램(2) 재료의 내력을 초과하지 않도록 할 필요가 있으므로, 압력이 가해지고 있지 않은 상태에 있어서, 다이어프램(2)은 탄성체(3)에 의해 밀어 내려가는 구조로 되어 있다. 다이어프램(2)이 밀어 내려짐으로써, 압력이 가해지고 있지 않은 상태에 있어서, 다이어프램(2)의 이면 단부에는 압축 응력이 발생하고 있다. 이 응력은, 압력이 가해질 때에 발생하는 응력과는 반대의 응력이므로, 다이어프램(2)에 가해지는 주응력을 저감할 수 있어, 압력의 다이내믹 레인지를 확대하고 있다.
이와 같이 본 실시예의 구성에 의하면, 압력 센서(1)의 가동 부분이, 탄성체(3)와 다이어프램(2)의 2개의 부재로 구성되어 있게 되어, 예를 들어 유체와 바로 접촉하기 위해서 고내식성 재료를 채용하는 것이 요구되는 부분에 대해서는, 스테인리스강 등으로 이루어지는 다이어프램(2)으로 구성하고, 스트레인 센서(4)와 결합할 필요에서 저선 팽창 계수가 요구되는 부분에 대해서는, 코바르 합금, 42 합금 또는 인바 합금 등 중 어느 하나로 이루어지는 탄성체(3)로 구성하는 등, 각 부재에 요구되는 복수의 기능에 각각 가장 적합한 재료를 독립하여 선택할 수 있게 된다.
이로 인해, 유체에 대한 고내식성을 유지하면서, 스트레인 센서(4)의 선 열팽창 계수와, 스트레인 센서(4)가 설치되는 탄성체(3)의 선 열팽창 정수와의 차를 작게 할 수 있으므로, 박리나 사용 온도 환경에 관한 상기한 제1 과제를 해결할 수 있다.
또한, 상기한 구성에 있어서, 개별로 설계된 다이어프램(2)과 탄성체(3)의 각각의 표면을 접합함으로써, 유체의 압력을 수압한 다이어프램(2)의 변형을, 스트레인 센서(4)가 설치된 탄성체(3)에 전달할 수 있다.
이로 인해, 접합된 이들 복수의 부재가 일체가 되어 압력 센서(1)로서의 기능이 발휘된다. 여기서, 예를 들어 스테인리스강으로 이루어지는 다이어프램(2)과, 코바르 합금, 42 합금 또는 인바 합금 등 중 어느 하나로 이루어지는 탄성체(3)를, 용융부(용접)로 이루어지는 접합부를 사이에 두고 접합한 경우에도, 양자는 넓은 영역에서 접합되어 있는 것이 아닌, 양자의 일부끼리가 작은 면적으로 접합되어 있는 것에 지나지 않는다.
따라서, 다이어프램(2)과 탄성체(3) 사이에서 선 팽창 계수에 차가 있었다고 해도, 그에 의해 양자가 박리될 우려는, 종래 기술에 있어서의 면에 의한 접착에 비해 적어진다.
마찬가지로, 사용 환경 온도의 변화에 의해 선 열팽창 계수의 차에 따라서 발생하는 인장 응력 또는 압축 응력의 크기도, 넓은 면에서 접착되어 있는 경우에 비하여 작다.
또한, 상기한 구성에 의하면, 복수의 부재에 의해 압력 센서(1)를 구성함으로써, 단일 부재에 의해 구성하는 경우에 비하여 재료의 선택뿐만 아니라, 각 부재의 형상 및 치수 등의 설계의 자유도가 커진다.
즉, 가동부를 다이어프램(2)에 의해서만 구성할 경우에는, 가동부의 탄성 계수 k는 다이어프램(2)의 영률 및 형상에 의해 결정된다. 한편, 다이어프램(2) 및 탄성체(3)로 가동부를 구성할 경우에는, 서로 접합된 부재는 전체적으로 k=k1＋k2[단, k1은 다이어프램(2)의 탄성 계수, k2는 탄성체(3)의 탄성 계수]에 동등한 탄성 계수를 갖는 가동부로서 동작한다. 이로 인해, 예를 들어 전체 탄성 계수 k를 크게 바꾸는 일 없이, 다이어프램(2)의 탄성 계수 k1을 작게 설계하고, 탄성체(3)의 탄성 계수 k2는 크게 설계하는 것 등이 가능해지므로, 설계 자유도가 높아진다.
또한, 가동부를 다이어프램(2)과 탄성체(3)의 2개로 분리하고 있음으로써, 예를 들어 탄성체(3)를 밀어 올리거나, 다이어프램(2)을 밀어 내리거나 하는 구조가 가능해진다.
또한, 유체에 의해 압력이 가해졌을 경우, 다이어프램(2)은 유체에 의해 밀어 올려지고, 최대의 주응력은 다이어프램(2)의 이면 단부에 발생하고, 이 최대 주응력이 다이어프램(2)의 재료의 내력을 초과하지 않도록 할 필요가 있다. 종래에는 압력의 다이내믹 레인지를 확보하기 위해, 최대 주응력을 완화하는 구조, 예를 들어 다이어프램 이면의 단부 곡률을 크게 하는 등으로 대응해 왔다. 그러나 다이어프램의 이면 단부의 곡률을 크게 하면 다이어프램 자체의 변형량이 작아져, 감도가 저하될 우려가 있었다.
따라서, 본 실시예와 같이, 다이어프램(2)과 탄성체(3)를 서로 가압하는 구조로 함으로써, 다이어프램(2)을 밀어 내려, 초기 상태의 다이어프램(2)의 이면 단부의 주응력을 압력이 가해질 때에 발생하는 응력과는 반대인 압축 응력으로 할 수 있어, 다이어프램(2)에 가해지는 주응력을 저감하고, 압력 센서에 의해 측정할 수 있는 압력의 범위를 확대할 수 있다.
또한, 종래의 다이어프램에서는, 가공 정밀도나 접합에 의한 영향으로 다이어프램의 접합면이 오목해지는 경우가 있었다. 유체에 의한 압력이 가해지는 것으로 다이어프램은 팽창되므로, 다이어프램은 압력이 가해지는 것으로 요철이 반전하고 있었다. 이것은, 다이어프램에 접합된 스트레인 센서에도 영향을 주고 있으며, 스트레인 센서에 가해지는 스트레인이 인장에서 압축으로 반전한다. 다이어프램의 요철 반전과, 스트레인 센서의 인장과 압축의 반전에 의해 다이어프램의 좌굴이나 스트레인 센서의 부호 반전 등이 발생하여, 비선형성이 커질 가능성이 있었다.
따라서, 본 실시예에서는 탄성체(3)를 초기 상태에서 밀어올림으로써, 압력이 가해지는 것에 수반하는 탄성체(3)의 요철 반전을 억제하여, 감도의 선형성의 향상을 도모하도록 하였다. 이들에 의해, 상기한 제2 과제를 해결할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 구성에 의하면, 다이어프램에 스테인리스강을 채용한 경우에도, 다이어프램과 스트레인 센서가 서로 박리되거나 하지 않고, 또한 사용 환경 온도의 영향을 받기 어려운 동시에, 압력 센서의 감도가 다이어프램을 구성하는 재료의 역학 특성에 의해서만 지배되지 않아, 압력 센서를 구성하는 부재의 설계 자유도를 높일 수 있다.
<실시예 2>
도 4 및 도 5에, 본 발명의 압력 센서의 실시예 2를 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 2에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.
해당 도면에 나타내는 본 실시예의 압력 센서(1)는, 탄성체(3)의 스트레인 센서(4)가 설치되는 부분 이외에, 스트레인 센서(4)를 사이에 두도록, 탄성체(3)를 Z 방향으로 관통하고 있는 제1 관통 구멍(9A)과, 이 제1 관통 구멍(9A)과 연통하고, 스트레인 센서(4)가 설치되어 있는 측과는 반대측의 탄성체(3)에, Z 방향으로 관통하고 있는 제2 관통 구멍(9B)이 형성되어 있다.
즉, 본 실시예의 압력 센서(1)에서의 스트레인 센서(4)로부터 Y 방향으로 일정 거리 떨어진 장소의 탄성체(3)에 설치되어 있는 제1 관통 구멍(9A)은, X 방향 길이에 있어서 탄성체(3)의 단부에서 단부까지 형성되고, 또한 접합부(6)로부터 보아 스트레인 센서(4)의 설치하고 있는 방향과는 반대인 탄성체(3)에도 제2 관통 구멍(9B)이 형성되어 있다. 스트레인 센서(4)가 설치되어 있는 탄성체(3)는, 빔 형상으로 되어 있고, 중앙과 스트레인 센서(4)가 설치되어 있는 방향의 단부에서만 다이어프램(2)에 의해 고정되어 있다.
이러한 본 실시예의 구성에 의하면, 실시예 1과 마찬가지인 효과를 얻을 수 있는 것은 물론, 탄성체(3)의 고정 개소가 실시예 1보다도 적어지고 있으므로, 탄성체(3)의 강성은 작게 되어 있고, 탄성체(3)는 실시예 1에 비해 크게 변형되어, 감도도 커지는 효과를 얻을 수 있다.
<실시예 3>
도 6 및 도 7에, 본 발명의 압력 센서의 실시예 3을 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 3에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.
해당 도면에 나타내는 본 실시예의 압력 센서(1)는, 스트레인 센서(4)를 사이에 두도록 탄성체(3)에 형성되고, 탄성체(3)의 단부에서 단부까지 연장한 2개의 함몰 부분(오목부)(10A 및 10B)을 구비하고 있고, 이 함몰 부분(오목부)(10A 및 10B)은, 탄성체(3)를 관통하고 있지 않은 구성이다.
즉, 본 실시예의 압력 센서(1)에서는, 함몰 부분(오목부)(10A 및 10B)의 X 방향에 있어서, 길이는 탄성체(3)의 단부에서 단부까지 형성되어 있고, 그 함몰 부분(오목부)(10A 및 10B)의 위치는, 스트레인 센서(4)로부터 일정 거리 떨어진 장소에 설치되어 있다. 탄성체(3)가 빔 형상이 아니기 때문에, 접합부(6)가 Y 방향으로 위치 어긋나 버렸다고 해도, 빔의 비틀림은 억제된다.
이러한 본 실시예의 구성에 의하면, 실시예 1과 마찬가지인 효과를 얻을 수 있는 것은 물론, 실시예 1에 비해 함몰 부분(오목부)(10A 및 10B)은, 탄성체(3)를 관통하고 있지 않으므로, 변형은 작지만 실장 오차나 가공 오차 등의 위치 어긋남에 강한 구조를 얻을 수 있다.
<실시예 4>
도 8 및 도 9에, 본 발명의 압력 센서의 실시예 4를 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 4에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.
해당 도면에 나타내는 본 실시예의 압력 센서(1)는, 탄성체(3)의 표면에는 스트레인 센서(4)가 설치되어 있는 것만으로, 슬릿 등의 가공이 실시되어 있지 않은 것이다.
이러한 본 실시예의 구성에 의하면, 실시예 1과 마찬가지인 효과를 얻을 수 있는 것은 물론, 실시예 1에 비해 변형은 작지만, 실장 오차나 가공 오차 등의 위치 어긋남이 강하고, 가공 비용도 저감 가능하다.
<실시예 5>
도 10 및 도 11에, 본 발명의 압력 센서의 실시예 5를 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 5에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.
해당 도면에 나타내는 본 실시예의 압력 센서(1)는, 다이어프램(2)의 중앙부와 단부 사이에 복수의 굴곡부(11)가 형성되어 있다.
즉, 본 실시예의 압력 센서(1)는, 탄성체(3)에는 슬릿(8A 및 8B)이 형성되어 있고, 그 슬릿(8A 및 8B)은 탄성체(3)를 관통하고 있다. 그리고 슬릿(8A 및 8B)의 X 방향에 있어서, 길이는 탄성체(3)의 단부에서 단부까지 형성되어 있고, 위치는 스트레인 센서(4)로부터 일정 거리 떨어진 장소에 설치되어 있다. 스트레인 센서(4)가 설치되어 있는 탄성체(3)는 빔 형상으로 되어 있고, 중앙과 양단부가 다이어프램(2)에 고정되어 있다.
또한, 다이어프램(2)은 금속 재료로 제작되어 있고, 내식성이 높은 스테인리스강을 재질로 함과 함께, 다이어프램(2)은 원통형을 하고 있고, 중앙부는 가공에 의해 단부보다 박막화되어 있고, 박막화한 중앙부의 중심은 탄성체(3)와의 접합을 위해 일부 융기된 구조로 되어 있다. 게다가, 다이어프램(2)의 외주부(단부)와 중심부(중앙부)까지의 사이에, 복수의 굴곡부(11)가 형성되어 있는 구조로 되어 있다.
이러한 본 실시예의 구성에 의하면, 실시예 1과 마찬가지인 효과를 얻을 수 있는 것은 물론, 다이어프램(2)의 외주부(단부)와 중심부(중앙부)까지의 사이에, 복수의 굴곡부(11)가 형성되어 있고, 유체에 의해 압력이 가해졌을 때의 응력 집중을 완화할 수 있다.
<실시예 6>
도 12에, 본 발명의 실시예 6으로서의 절대압 센서를 나타낸다.
해당 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 절대압 센서(12)는, 상술한 실시예 1과 마찬가지인 구성의 압력 센서(1)와 기밀 하우징(13)으로 구성되어 있다. 기밀 하우징(13)은, 다이어프램(2)이나 스트레인 센서(4)를 둘러싸도록 서포트(5)와 고정되어 있고, 스트레인 센서(4)의 주위의 기밀 공간(14)을 일정한 기압으로 유지하고 있다.
기밀 하우징(13)과 서포트(5)의 고정에는, 예를 들어 저항 용접이나 레이저 용접 등의 기밀성을 유지 가능한 고정 방법을 사용한다. 이에 의해, 절대압 센서(12)의 사용 시에는, 계측 대상 이외의 압력 변동의 영향을 받지 않는 구조로 하고 있다.
서포트(5)의 외주부에는 기밀 하우징(13)과 용접하기 위한 플랜지(5b)가 구비되어 있고, 서포트(5)의 플랜지(5b)를 기밀 하우징(13)에 간극 없이 고정함으로써, 기밀 공간(14)의 기밀이 확보된다. 저항 용접이나 레이저 용접 등의 고정 방법을 사용할 경우, 서포트(5)의 플랜지(5b)의 두께가 너무 두꺼우면 용접 시에 용융부를 형성하는 것이 곤란해지므로, 플랜지(5b)의 두께는 0.20㎜ 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 플랜지(5b)의 두께는 0.15㎜ 이하이다. 또한, 플랜지(5b)의 두께가 너무 얇으면 플랜지(5b)가 용접의 영향으로 손상되어 기밀 공간(14)의 기밀을 확보할 수 없게 되므로, 플랜지(5b)의 두께는 0.10㎜ 이상인 것이 바람직하다.
상기한 바람직한 두께를 갖는 플랜지(5b)를 사용해서 저항 용접이나 레이저 용접을 행하는 경우, 플랜지(5b)의 두께가 얇기 때문에, 용접의 충격으로 플랜지(5b)에 관통 구멍이 형성되거나, 용접 후의 냉각 과정에서 플랜지(5b)가 갈라지거나 해서, 기밀 공간(14)의 기밀을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 서포트(5)를 형성하는 재료에 이물질이나 공극 등의 결함이 적은 재료를 채용하는 것은, 그러한 이물질이나 공극 등의 결함이 플랜지(5b)의 부분에 존재하는 것이 방지되어, 플랜지(5b)에 관통 구멍이 형성되거나 깨지거나 할 우려가 없어지므로, 바람직하다. 플랜지(5b)의 부분에 이물질이나 공극 등의 결함이 적은 서포트(5)를 제조하기 위해서는, 예를 들어 진공 재용해법이나 단조법 등의 공지된 기술을 채용한 재료를 기계 가공해서 제조할 수 있다.
서포트(5)를 형성하는 재료의 결함을 적게 하는 방법으로서 단조법을 선택한 경우, 단조에 의해 형성되는 단유선의 방향(파이버 방향)이 플랜지(5b)의 면 내 방향과 일치하도록 해서 서포트(5)를 제조하는 것이 보다 바람직하다. 단조된 금속 재료에서는 단유선 방향의 인장 강도가 다른 방향에 비해 크기 때문에, 단유선의 방향을 플랜지(5b)의 면 내 방향과 일치시킴으로써, 용접 후의 냉각 과정에서 플랜지(5b)가 깨지는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 서포트(5)의 단유선 방향은, 서포트(5)의 절단면을 연마해서 광학 현미경 등에 의해 금속 조직을 관찰하는 등의 방법에 의해 용이하게 판별할 수 있다.
스트레인 센서(4)로 계측한 출력은, 기밀 하우징(13)에 형성된 관통 전극(15)으로부터 외부로 인출되어 있다. 관통 전극(15)은 도금으로 형성되어 있고, 스트레인 센서(4)와는 플렉시블 기판 전극(도시하지 않음)을 사이에 두고 접속되고, 또한 기밀 공간(14)의 기밀이 확보되고 있다.
한편, 서포트(5)는 계측 대상인 유체가 흐르는 배관에 설치된 플랜지(16)와 다이어프램(2)과의 접속을 서포트하는 부재이다. 플랜지(16)와 배관은 나사에 의해 고정되어 있으며, 플랜지(16)와 다이어프램(2)을 직접 고정해 버리면 나사의 체결 영향으로 감도가 변화되어 버리는 것이 고려된다.
따라서, 서포트(5)의 하부로부터 전달되는 나사 체결에 수반하는 응력을 완화하기 위해, 서포트(5)의 일부에 잘록부(5a)를 형성하고 있다.
이러한 본 실시예의 구성의 절대압 센서라도, 실시예 1과 마찬가지인 효과를 얻을 수 있다.
<실시예 7>
도 13에, 본 발명의 실시예 7로서의 차압 센서를 나타낸다.
해당 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 차압 센서(17)는 서로 대향 배치되고, 유체의 압력에 의해 변형되는 제1 다이어프램(22) 및 제2 다이어프램(32)과, 제1 다이어프램(22) 및 제2 다이어프램(32) 사이에 배치되어, 일방측이 제1 다이어프램(22)과 접합하는 동시에, 타방측이 제2 다이어프램(32)과 접합하는 탄성체(3)와, 탄성체(3)의 일방측 또는 타방측에서, 또한 제1 다이어프램(22) 및 제2 다이어프램(32)의 중심에 상당하는 위치에서 떨어진 단부측(도 13의 좌측)에 설치되고, 제1 다이어프램(22) 및 제2 다이어프램(32)의 변형과 연동하는 탄성체(3)의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서(4)를 구비하고, 탄성체(3)는 스트레인 센서(4)를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어져 개략 구성되어 있다.
즉, 본 실시예의 차압 센서(17)는, 상술한 실시예 1과 유사한 구성의 2개의 압력 센서(21 및 31)와 기밀 하우징(18)으로 구성된다. 압력 센서(21 및 31)에는, 각각 제1 다이어프램(22)과 제2 다이어프램(32)이 구비되어 있고, 압력 센서(21 및 31)에 공통되는 탄성체(3)를 사이에 두고 서로 대향하도록 고정되어 있다. 또한, 기밀 하우징(18)은 압력 센서(21 및 31)를 둘러싸고 있으며, 압력 센서(21 및 31)의 주위의 기밀 공간(14)을 일정한 기압으로 유지하고 있다. 이에 의해, 계측 대상 이외의 압력 변동의 영향을 받지 않는 구조로 하고 있다.
또한, 제1 다이어프램(22)과 제2 다이어프램(32)이 제1 유체와 제2 유체에 각각 접하고 있고, 제1 다이어프램(22)과 제2 다이어프램(32)은, 각각 접합부(26)와 접합부(36)에 의해 탄성체(3)에 접합되어 있다. 접합부(26)와 접합부(36)는 용접에 의해 견고하게 고정되어 있고, 제1 유체와 제2 유체의 압력에 차가 발생했을 때에, 제1 다이어프램(22)과 제2 다이어프램(32)이 변형되는 구조로 되어 있다. 제1 다이어프램(22)과 제2 다이어프램(32)의 각각의 변형과 연동해서 탄성체(3)에 휨이 발생하고, 그 휨을 스트레인 센서(4)로 검출함으로써 제1 유체와 제2 유체의 차압을 계측하는 것이다. 제1 유체와 제2 유체는, 동일한 유체계의 다른 장소와 연통하고 있는 동일한 유체라도 된다.
이러한 본 실시예의 구성의 차압 센서라도, 실시예 1과 마찬가지인 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 압력 센서(1) 또는 차압 센서(17)는, 예를 들어 반도체 제조 장치에 사용되는 질량 유량 제어 장치에 내장하고, 평가 대상의 압력을 모니터링하는 용도로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 변형예가 포함된다.
예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한 어떤 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
1, 21, 31 : 압력 센서, 2 : 다이어프램, 2a : 다이어프램의 플랜지, 3 : 탄성체, 4 : 스트레인 센서, 5, 25, 35 : 서포트, 5a : 서포트의 잘록부, 5b : 플랜지, 6, 26, 36 : 접합부, 7a, 7b, 7c, 7d : 스트레인 게이지, 8A, 8B : 슬릿, 9A : 제1 관통 구멍, 9B : 제2 관통 구멍, 10A, 10B : 함몰 부분(오목부), 11 : 굴곡부, 12 : 절대압 센서, 13, 18 : 기밀 하우징, 14 : 기밀 공간, 15 : 관통 전극, 16 : 플랜지, 17 : 차압 센서, 22 : 제1 다이어프램, 32 : 제2 다이어프램

Claims (19)

  1. 유체의 압력에 의해 변형되는 다이어프램과, 해당 다이어프램의 전체면을 덮는 동시에, 일방측이 상기 다이어프램과 접합하는 탄성체와, 해당 탄성체의 타방측에서, 또한 상기 다이어프램의 중심에 상당하는 위치에서 떨어진 단부측에 접합해서 설치되고, 상기 다이어프램의 변형과 연동하는 상기 탄성체의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서를 구비하고,
    상기 탄성체는, 상기 스트레인 센서를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램은 스테인리스강 또는 해당 스테인리스강과 다른 금속 재료와의 클래드재로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램은 원통형을 이루는 동시에, 중앙부가 단부보다 얇게 형성되고, 그 얇게 형성된 중앙부의 중심이 융기하고, 이 융기된 부분이 상기 탄성체와 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스트레인 센서는 실리콘으로 이루어지고, 또한 상기 탄성체는, 상기 실리콘의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 코바르 합금, 42 합금 또는 인바 합금 중 어느 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 탄성체는 원통형을 이루는 동시에, 중앙부가 단부보다 얇게 형성되고, 또한 상기 탄성체의 상기 스트레인 센서가 설치되는 부분 이외에 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구멍은, 상기 스트레인 센서를 사이에 두도록 형성되고, 상기 탄성체의 단부에서 단부까지 연장한 2개의 슬릿이며, 또한 해당 슬릿은 상기 탄성체를 관통하고 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 구멍은, 상기 스트레인 센서를 사이에 두도록 형성되고, 상기 탄성체를 관통하고 있는 제1 관통 구멍과, 해당 제1 관통 구멍과 연통하고, 상기 스트레인 센서가 설치되어 있는 측과는 반대측의 상기 탄성체에 형성되어 있는 제2 관통 구멍으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  8. 제5항에 있어서, 상기 구멍은, 상기 스트레인 센서를 사이에 두도록 형성되고, 상기 탄성체의 단부에서 단부까지 연장한 2개의 함몰 부분(오목부)이며, 또한 해당 함몰 부분은 상기 탄성체를 관통하고 있지 않은 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  9. 제6항에 있어서, 상기 탄성체는, 상기 스트레인 센서의 크기와 동등 이상의 폭을 갖고, 적어도 상기 다이어프램의 중앙부 및 외주부의 2개소와 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 탄성체는, 상기 다이어프램의 중앙부와는 1점으로 접합되고, 상기 다이어프램의 외주부와는 전체 주위로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄성체와 상기 스트레인 센서는, 금속 또는 저융점 유리를 사용해서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 탄성체와 상기 스트레인 센서를 접합하는 금속은, Au/Sn 또는 Au/Ge로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  13. 제11항에 있어서, 상기 탄성체와 상기 스트레인 센서를 접합하는 저융점 유리는, 바나듐계 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다이어프램은, 그 중앙부와 단부 사이에 복수의 굴곡부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  15. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램의 외주부를 고정하는 서포트와, 해당 서포트에 고정되어, 상기 다이어프램과 상기 탄성체 및 상기 스트레인 센서를 둘러싸도록 설치된 기밀 하우징을 구비하고, 상기 서포트와 상기 기밀 하우징은 기밀성이 유지 가능하도록 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  16. 제15항에 있어서, 상기 서포트의 외주부에 플랜지가 설치되고, 해당 플랜지에 상기 기밀 하우징이 고정되고, 상기 플랜지의 두께는 0.10㎜ 이상, 0.20㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 서포트는 단조재로 이루어지고, 단조에 의해 형성되는 단유선의 방향이 상기 플랜지의 면 내 방향과 일치하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
  18. 서로 대향 배치되어, 유체의 압력에 의해 변형되는 제1 다이어프램 및 제2 다이어프램과, 해당 제1 다이어프램 및 해당 제2 다이어프램 사이에 배치되고, 일방측이 상기 제1 다이어프램과 접합하는 동시에, 타방측이 상기 제2 다이어프램과 접합하는 탄성체와, 해당 탄성체의 일방측 또는 타방측에서, 또한 상기 제1 다이어프램 및 상기 제2 다이어프램의 중심에 상당하는 위치에서 떨어진 단부측에 설치되어, 상기 제1 다이어프램 및 상기 제2 다이어프램의 변형과 연동하는 상기 탄성체의 변형을 스트레인으로서 검출하는 스트레인 센서를 구비하고,
    상기 탄성체는, 상기 스트레인 센서를 형성하는 재료의 선 팽창 계수에 가까운 선 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 차압 센서.
  19. 제14항에 기재된 압력 센서 또는 제18항에 기재된 차압 센서를 내장하고, 유체의 압력을 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 질량 유량 제어 장치.
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