JP2022018624A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】取付けによる影響を受け難く小型化可能な圧力センサを提供する。【解決手段】被測定流体３の圧力が伝達される導圧口６を有するセンサ用取付座５にシール部材１１を介して重ねて取付けられたベース部１４を備える。ベース部１４に筒状の接続部１６を介して支持され、受圧ダイアフラム１９が壁の一部となる圧力室２０を含む圧力室部１７を備える。圧力室部１７が一端に接続されるとともに他端に圧力検出用のセンサ素子１３が接続され、受圧ダイアフラム１９からセンサ素子１３に圧力伝達用の液体２１によって圧力を伝達する導圧部２２を備える。接続部１６は、内部が被測定流体３または圧力伝達用の液体２１で満たされて圧力を伝達する導圧路２４として機能する。接続部１６の外径は、受圧ダイアフラム１９の外径より小さい。【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定流体の圧力を受ける受圧ダイアフラムを備えた圧力センサに関する。

従来の圧力センサとしては、被測定流体の圧力を受圧ダイアフラムで受け、この圧力を受圧ダイアフラムから圧力伝達用の液体を介してセンサ素子に伝達する構成のものがある。この種の圧力センサは、被測定流体の圧力が伝達される導圧ポートにボルト締結などによって取付けられる。この圧力センサにおいては、ボルトを締め付ける際に締付力が受圧ダイアフラムに伝達され、０点がシフトして特性が悪化する場合がある。

このような締付力の影響を少なく抑えた従来の圧力センサとしては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１に記載された圧力センサにおいては、導圧ポートに接続されるシール面から離れた位置に受圧ダイアフラムを配設することで、締め付けの影響を低減している。特許文献２に記載された圧力センサにおいては、受圧ダイアフラムと同一面内において、受圧ダイアフラムとシール部との間に応力吸収部を設けることで、締め付けの影響を低減している。

特開２００３－２９４５６３号公報 特開２０１１－２５２７３９号公報

特許文献１に示す圧力センサにおいて、受圧ダイアフラムが締付力の影響を受けないようにするためには、受圧ダイアフラムをシール面から十分に離す必要があり、他の機構部の配設位置や寸法の制約によっては、小型化が困難になる。また、受圧ダイアフラムが設けられている部材を大きく形成しなければならない。特許文献２に示す圧力センサにおいて、受圧ダイアフラムが締付力の影響を受けないようにするためには、受圧ダイアフラム、もしくは、受圧ダイアフラムの面内方向外側に十分に大きな応力吸収部を形成しなければならない。このため、特許文献１に示す圧力センサと特許文献２に示す圧力センサの両方とも締付力の影響を受けないようにすると小型化が困難になる。
近年の半導体市場向け差圧式マスフローコントローラにおいては、高精度化および小型化のニーズが高まっており、そのコンポーネントの一つである圧力センサに対しても更なる高精度化および小型化が要請されている。

本発明の目的は、取付けによる影響を受け難く小型化可能な圧力センサを提供することである。

この目的を達成するために本発明に係る圧力センサは、被測定流体の圧力が伝達される導圧口を有するセンサ用取付座にシール部材を介して重ねて取付けられたベース部と、前記ベース部に筒状の接続部を介して支持され、前記被測定流体の圧力を受ける受圧ダイアフラムが壁の一部となるように形成されて前記被測定流体とは仕切られた圧力室を含む圧力室部と、前記圧力室部が一端に接続されるとともに他端に圧力検出用のセンサ素子が接続され、前記受圧ダイアフラムから前記センサ素子に圧力伝達用の液体によって圧力を伝達する導圧部とを備え、前記接続部は、内部が前記被測定流体または前記圧力伝達用の液体で満たされて圧力を伝達する導圧路として機能し、前記接続部の外径は、前記受圧ダイアフラムの外径より小さいものである。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記圧力室部は、前記受圧ダイアフラムが前記導圧口内の前記被測定流体から圧力を受けるように前記導圧口の中に配置され、前記接続部は、前記ベース部における前記センサ用取付座と対向するシール面から前記センサ用取付座に向けて突出するように形成され、前記センサ素子は、前記ベース部に支持され、前記導圧部は、前記圧力室部および前記接続部の内部と、前記接続部から前記センサ素子まで延びるように前記ベース部内に形成された通路孔とを満たす前記圧力伝達用の液体によって圧力が伝達されるように構成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記接続部は、前記ベース部に一体に形成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記接続部は、前記ベース部とは別体に形成され、前記ベース部に固着されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記圧力室部は、前記ベース部に対して前記センサ用取付座とは反対側に配置され、前記接続部は、前記ベース部から前記センサ用取付座とは反対方向に突出するように形成され、前記センサ素子は、前記圧力室部に支持され、前記導圧部は、前記圧力室部の壁を貫通する貫通孔によって圧力が伝達されるように構成され、前記ベース部は、前記センサ用取付座と対向するシール面から前記接続部に延びる導圧孔を有し、前記被測定流体の圧力が前記導圧孔と前記接続部の内部とを介して前記受圧ダイアフラムに伝達されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記受圧ダイアフラムが前記シール面に対して垂直となるように構成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記接続部の突出側端部が前記シール面に対して垂直となる方向に延びるように形成されて前記圧力室部に接続されていてもよい。

本発明においては、ベース部の変形が接続部で遮られるようになって受圧ダイアフラムに伝わり難くなるから、受圧ダイアフラムとシール面との距離を大きくとる必要がなく、また、ベース部を大型に形成することなく受圧ダイアフラムへの締付力の影響を防ぐことができる。この受圧ダイアフラムもしくは受圧ダイアフラムの面内方向外側には、変形吸収構造を設ける必要はない。したがって、本発明によれば、ベース部をセンサ用取付座に取付ける際の影響を受け難く、小型化可能な圧力センサを提供することができる。

図１は、第１の実施の形態による圧力センサの断面図である。 図２は、接続部の変形例を示す断面図である。 図３は、第２の実施の形態による圧力センサの断面図である。 図４は、第３の実施の形態による圧力センサの断面図である。 図５は、第３の実施の形態による圧力センサの断面図である。 図６は、接続部の変形例を示す断面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１を参照して詳細に説明する。図１に示す圧力センサは、請求項１～３に記載した発明を適用したものである。
図１に示す圧力センサ１は、図１において最も下に描いてある圧力ポート２に取付けて圧力ポート２内の被測定流体３の圧力を検出するためのものである。圧力ポート２は、金属材料によって所定の形状に形成されており、被測定流体３が流れる流路（図示せず）から分岐した導圧用通路４と、圧力センサ１を取付けるための平坦なセンサ用取付座５とを有している。導圧用通路４の内部は、被測定流体３で満たされている。被測定流体３は、図１においては液体として描いてあるが、気体でもよい。センサ用取付座５は、導圧用通路４の開口からなる導圧口６を有している。

この実施の形態による圧力センサ１は、センサ用取付座５にシール部材１１を介して重ねられたベース部材１２を備えている。ベース部材１２は、金属材料によって所定の形状に形成されており、センサ用取付座５と対向するシール面１２ａと、シール面１２ａとは反対側のセンサ取付面１２ｂとを有している。シール部材１１は、Ｏリングからなり、シール面１２ａとセンサ用取付座５との間に挟まれている。センサ取付面１２ｂには、圧力検出用のセンサ素子１３が接着されている。センサ素子１３は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた素子、例えば歪式、静電容量式、磁歪式、光学式等が適用できる。この実施の形態によるベース部材１２のシール面１２ａとセンサ取付面１２ｂとの間の部分は、円板状に形成されている。以下においては、この円板状の部分をベース部１４という。ベース部１４の形状は円板状に限らず、角板状であってもよい。

ベース部材１２は、シール部材１１がシール面１２ａとセンサ用取付座５との間で圧縮されるように、複数の取付用ボルト１５によってセンサ用取付座５に取付けられている。取付用ボルト１５は、シール部材１１より外側に配置されている。取付方法はボルト締結に限らず、クランプ、ねじ込み等により取付ける構造にしてもよい。
ベース部材１２の中央部には、シール面１２ａからセンサ用取付座５に向けて突出する接続部１６と、接続部１６の突出端に接続された圧力室部１７とが設けられている。
接続部１６は、筒状に形成されており、内部に貫通孔１６ａを有している。この実施の形態による接続部１６は、断面円形のパイプ状となるようにベース部１４に一体に形成されている。なお、接続部１６の形状は、断面円形のパイプ状に限定されることはなく、例えば角筒状に形成することができる。

圧力室部１７は、接続部１６を介してベース部１４に支持されている。この実施の形態による圧力室部１７は、ベース部１４とは反対方向に向けて開口する有底円筒状のハウジング１８と、ハウジング１８の開口部を閉塞する受圧ダイアフラム１９とによって構成されている。この圧力室部１７の中には、ハウジング１８と受圧ダイアフラム１９とによって囲まれた圧力室２０が形成されている。圧力室２０は、受圧ダイアフラム１９が壁の一部となるように形成されて被測定流体３とは仕切られている。

圧力室２０内は、圧力伝達用の液体２１で満たされており、ベース部材１２の中央部に設けられた後述する導圧部２２によってセンサ素子１３に接続されている。
受圧ダイアフラム１９は、金属製の板材によって円板状に形成されており、被測定流体３の圧力を受けて変形し、圧力室２０の容積を変える。このため、被測定流体３の圧力が受圧ダイアフラム１９を介して圧力室２０内の圧力伝達用の液体２１に伝達される。この実施の形態による圧力室部１７は、受圧ダイアフラム１９が導圧口６内の被測定流体３から圧力を受けるように導圧口６の中に配置されている。

この実施の形態による導圧部２２は、ハウジング１８の貫通孔１８ａと、接続部１６の内部の貫通孔１６ａと、接続部１６からセンサ素子１３まで延びるようにベース部１４内に形成された通路孔２３と、これらの孔に満たされた圧力伝達用の液体２１によって構成されている。この導圧部２２は、圧力室部１７が一端に接続されるとともに他端に圧力検出用のセンサ素子１３が接続され、受圧ダイアフラム１９からセンサ素子１３に圧力伝達用の液体２１によって圧力を伝達する。詳述すると、導圧部２２は、圧力室部１７および接続部１６の内部と、接続部１６からセンサ素子１３まで延びるようにベース部１４内に形成された通路孔２３とを満たす圧力伝達用の液体２１によって圧力が伝達されるように構成されている。封入液を充填するための封入孔は、例えばベース部１４、圧力室部１７、センサ素子１３に設け、鋼球の溶接や半田等により封止することができる。この実施の形態による接続部１６は、内部が圧力伝達用の液体２１で満たされて圧力を伝達する導圧路２４として機能する。この接続部１６の外径は、受圧ダイアフラム１９の外径より小さい。

このように構成された圧力センサ１においては、被測定流体３の圧力が受圧ダイアフラム１９から圧力伝達用の液体２１を介してセンサ素子１３に伝達され、センサ素子１３によって圧力が検出される。この圧力センサ１は、ベース部材１２に全ての部品を組み付けて圧力伝達用の液体２１が内部に封入された状態で圧力ポート２のセンサ用取付座５に取付けられる。この取付けを行うために取付用ボルト１５を締め込むと、ベース部１４のシール部材１１より外側の部分がセンサ用取付座５に向けて押圧され、ベース部１４が図１において上方に向けて凸になるように変形するおそれがある。従来の圧力センサのようにベース部に受圧ダイアフラムが設けられている場合は、ベース部の変形に伴って受圧ダイアフラムが変形するから、受圧ダイアフラムを締結部から大きく離れるようにベース部材を大きく形成する必要があった。

しかし、この実施の形態による圧力センサ１においては、受圧ダイアフラム１９を有する圧力室部１７が細い接続部１６を介してベース部１４に支持されているから、ベース部１４の変形が接続部１６で遮られるようになって受圧ダイアフラム１９には伝わり難くなる。すなわち、ベース部１４が変形するような場合であっても受圧ダイアフラム１９は変形することがない。

このため、この圧力センサ１においては、従来の圧力センサと較べてベース部１４を大型に形成することなく、受圧ダイアフラム１９への締付力の影響を防ぐことができる。この受圧ダイアフラム１９には、変形吸収構造を設ける必要はない。したがって、この実施の形態によれば、ベース部１４をセンサ用取付座５に取付ける際の影響を受け難く、小型化可能な圧力センサ１を提供することができる。

この実施の形態による圧力センサ１の圧力室部１７は、受圧ダイアフラム１９が導圧口６内の被測定流体３から圧力を受けるように導圧口６の中に配置されている。接続部１６は、ベース部１４におけるセンサ用取付座５と対向するシール面１２ａからセンサ用取付座５に向けて突出するように形成されている。センサ素子１３は、ベース部１４に支持されている。導圧部２２は、圧力室部１７および接続部１６の内部と、接続部１６からセンサ素子１３まで延びるようにベース部１４内に形成された通路孔２３とを満たす圧力伝達用の液体２１によって圧力が伝達されるように構成されている。
このため、この実施の形態によれば、受圧ダイアフラム１９を有する圧力室部１７を導圧口６の中に収容できるから、センサ用取付座５から突出する部分が小さくコンパクトな圧力センサを実現できる。

この実施の形態による接続部１６は、ベース部材１２のベース部１４に一体に形成されている。このような接続部１６は、機械加工によって簡単に形成することができるため、圧力室部１７がベース部材１２から離れている構造の圧力センサ１を容易に製造することができる。

（接続部の変形例）
接続部は図２に示すように構成することができる。図２において、図１によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図２に示す圧力センサ３１は、請求項４に記載した発明を適用したものである。図２に示す接続部１６は、ベース部１４とは別体に形成されたパイプ３２によって構成されており、ベース部１４に固着されている。この実施の形態による接続部１６は、ベース部１４に溶接されている。また、この実施の形態による圧力室部１７のハウジング１８は、ベース部１４および接続部１６とは別体に形成され、接続部１６に溶接されている。接合方法は、溶接以外に、ろう付、半田、拡散接合、圧入、かしめ、接着等が適用できる。
この実施の形態に示すように接続部１６をベース部１４とは別体に形成する場合は、接続部１６を形成する材料をベース部１４の材料と較べて剛性が低い材料とすることができる。このように剛性が低い材料によって接続部１６が形成された場合は、ベース部１４の変形がより一層受圧ダイアフラム１９に伝達され難くなる。また、ベース部１４や圧力室部１７の形状により接続部１６の一体加工が困難な場合には、別体に形成して接合することが好ましい。

（第２の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは、図３に示すように構成することができる。図３において、図１によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図３に示す圧力センサは、請求項５に記載した発明を適用したものである。

図３に示す圧力センサ４１は、圧力室部１７の位置が第１の実施の形態による圧力センサとは異なっている。この実施の形態による圧力室部１７は、ベース部１４に対してセンサ用取付座５とは反対側に配置されている。この圧力室部１７のハウジング１８は、受圧ダイアフラム側を接続部１６に接続するために、受圧ダイアフラム１９を覆う円環状の蓋４２を有している。
接続部１６は、ベース部１４からセンサ用取付座５とは反対方向に突出するように形成され、蓋４２とベース部１４とを接続している。図３に示す接続部１６は、ベース部１４およびハウジング１８と一体に形成されているように描いてあるが、図２に示すようにベース部１４やハウジング１８とは別体に形成することができる。この実施の形態による接続部１６は、内部の貫通孔１６ａが被測定流体３で満たされて圧力を伝達する導圧路４３として機能する。

この実施の形態によるセンサ素子１３は、圧力室部１７のハウジング１８に支持されている。ハウジング１８には、圧力室２０内からセンサ素子１３に圧力が伝達されるように、センサ素子１３と対応する位置に貫通孔４４が形成されている。この実施の形態による導圧部２２は、ハウジング１８の貫通孔４４（圧力室部１７の壁を貫通する貫通孔）を含む導圧路４５によって圧力が伝達されるように構成されている。
ベース部１４は、センサ用取付座５と対向するシール面１２ａから接続部１６に延びる導圧孔４６を有している。この場合、被測定流体３の圧力が導圧孔４６と接続部１６の内部の貫通孔１６ａとを介して受圧ダイアフラム１９に伝達される。

このように圧力室部１７がベース部１４に対してセンサ用取付座５とは反対側に位置する構成を採る場合であっても、ベース部１４をセンサ用取付座５に取付ける際の影響を受け難く、小型化可能な圧力センサ４１を提供することができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは、図４および図５に示すように構成することができる。図４および図５において、図１によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図４および図５に示す圧力センサは、請求項６に記載した発明を適用したものである。図５の破断位置は、図４中にV－V線で示す位置である。

図４および図５に示す圧力センサ５１は、圧力室部１７の構成が第１の実施の形態で示した圧力センサ１とは異なっている。この実施の形態による圧力室部１７は、ベース部１４に対してセンサ用取付座５とは反対側に配置されており、受圧ダイアフラム１９がベース部１４のシール面１２ａに対して垂直となるように構成されている。
圧力室部１７のハウジング１８は、中空の円板状に形成され、圧力室２０とは受圧ダイアフラム１９を挟んで対向する受圧室５２を有している。受圧室５２は、接続部１６の内部を介してベース部１４の導圧孔５３に接続されている。導圧孔５３は、ベース部１４のシール面１２ａから接続部１６に延びている。この場合、被測定流体３の圧力が導圧孔５３と、接続部１６の内部の貫通孔１６ａと、受圧室５２とを介して受圧ダイアフラム１９に伝達される。

この実施の形態によるセンサ素子１３は、圧力室部１７のハウジング１８に導圧用のパイプ５４を介して支持されている。導圧用のパイプ５４の一端はハウジング１８の貫通孔５５を介して圧力室２０に接続され、他端はセンサ素子１３に接続されている。このため、この実施の形態による導圧部２２は、ハウジング１８の貫通孔５５（圧力室部１７の壁を貫通する貫通孔）を含む導圧路５６によって圧力が伝達されるように構成されている。

このように構成された圧力センサ５１においては、取付用ボルト１５でベース部１４がセンサ用取付座５に締結されることにより、ベース部１４が図４中に矢印で示す方向に変形するようになる。変形方向は、センサ用取付座５に近づきつつベース部材１２の側方に向かうような斜め方向である。

この場合、接続部１６が径方向の外側に向けて拡がる方向にベース部１４によって引っ張られるようになる。この接続部１６を引っ張る力の方向、言い換えれば、ハウジング１８を変形させるように接続部１６からハウジング１８に伝達される力の方向は、受圧ダイアフラム１９の面に沿う方向とは異なる。このため、締付けにより生じる力は、受圧ダイアフラム１９にこれを変形させるように作用することはない。
したがって、この実施の形態を採ることにより、ベース部１４をセンサ用取付座５に取付ける際の影響をより一層受け難くなる。

（接続部の変形例）
図４および図５に示すように圧力室部１７を配置する場合、接続部１６を図６に示すように構成することができる。図６において、図１、図４および図５によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図６に示す圧力センサは、請求項６に記載した発明を適用したものである。

図６に示す圧力センサ６１の接続部１６は、ベース部１４からセンサ用取付座５とは反対方向に延びる基部６２と、基部６２の先端からベース部１４のシール面１２ａに対して垂直となる方向に延びる突出側端部６３とを有している。突出側端部６３の先端は、中空の円板状を呈するハウジング１８の中心部に接続されている。
この実施の形態を採ることにより、ベース部１４の変形が圧力室部１７に殆ど伝達されなくなるから、ベース部１４をセンサ用取付座５に取付ける際の影響を殆ど受けることがない圧力センサを提供することができる。

１，３１，４１，５１，６１…圧力センサ、３…被測定流体、５…センサ用取付座、６…導圧口、１１…シール部材、１２ａ…シール面、１３…センサ素子、１４…ベース部、１５…取付用ボルト（締結部材）、１６…接続部、１７…圧力室部、１９…受圧ダイアフラム、２０…圧力室、２１…圧力伝達用の液体、２２…導圧部、２３…通路孔、４４，５５…貫通孔、２４，４５，５６…導圧路、４６，５３…導圧孔、６３…突出側端部。

Claims (7)

1. 被測定流体の圧力が伝達される導圧口を有するセンサ用取付座にシール部材を介して重ねて取付けられたベース部と、
   前記ベース部に筒状の接続部を介して支持され、前記被測定流体の圧力を受ける受圧ダイアフラムが壁の一部となるように形成されて前記被測定流体とは仕切られた圧力室を含む圧力室部と、
   前記圧力室部が一端に接続されるとともに他端に圧力検出用のセンサ素子が接続され、前記受圧ダイアフラムから前記センサ素子に圧力伝達用の液体によって圧力を伝達する導圧部とを備え、
   前記接続部は、内部が前記被測定流体または前記圧力伝達用の液体で満たされて圧力を伝達する導圧路として機能し、
   前記接続部の外径は、前記受圧ダイアフラムの外径より小さいことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記圧力室部は、前記受圧ダイアフラムが前記導圧口内の前記被測定流体から圧力を受けるように前記導圧口の中に配置され、
   前記接続部は、前記ベース部における前記センサ用取付座と対向するシール面から前記センサ用取付座に向けて突出するように形成され、
   前記センサ素子は、前記ベース部に支持され、
   前記導圧部は、前記圧力室部および前記接続部の内部と、前記接続部から前記センサ素子まで延びるように前記ベース部内に形成された通路孔とを満たす前記圧力伝達用の液体によって圧力が伝達されるように構成されていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項２記載の圧力センサにおいて、
   前記接続部は、前記ベース部に一体に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項２記載の圧力センサにおいて、
   前記接続部は、前記ベース部とは別体に形成され、前記ベース部に固着されていることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記圧力室部は、前記ベース部に対して前記センサ用取付座とは反対側に配置され、
   前記接続部は、前記ベース部から前記センサ用取付座とは反対方向に突出するように形成され、
   前記センサ素子は、前記圧力室部に支持され、
   前記導圧部は、前記圧力室部の壁を貫通する貫通孔を含む導圧路によって圧力が伝達されるように構成され、
   前記ベース部は、前記センサ用取付座と対向するシール面から前記接続部に延びる導圧孔を有し、
   前記被測定流体の圧力が前記導圧孔と前記接続部の内部とを介して前記受圧ダイアフラムに伝達されることを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項５記載の圧力センサにおいて、
   前記受圧ダイアフラムが前記シール面に対して垂直となるように構成されていることを特徴とする圧力センサ。
7. 請求項６記載の圧力センサにおいて、
   前記接続部の突出側端部が前記シール面に対して垂直となる方向に延びるように形成されて前記圧力室部に接続されていることを特徴とする圧力センサ。

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