JP2846869B2

JP2846869B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2846869B2
Application number: JP3108897A
Authority: JP
Inventors: 洋一小野
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2017-01-29
Also published as: JPH10213504A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、半導体
の製造や液晶の製造に用いられる各種の薬液流体や腐食
性の強い酸・アルカリ性流体の製造もしくは、それを取
り扱う分野において流体の圧力を検知するような圧力セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造や液晶にもちいる薬
液は、その製造過程に必要な各種のものが用いられ、特
にエッチングや洗浄工程においては、腐食性の強い強酸
や強アルカリ性の薬液やガスが用いられている。一方、
これらの流体は、半導体の集積度向上のために高純度の
流体が要求されると共に、その配管系や装置もその流体
に侵されたり、溶出しない材料で構成しなければならな
いが、その材料として最適なものとしては、ＰＴＦＥや
ＰＦＡがあるが、プラスチックにはガス透過という問題
がある。

【０００３】半導体製造や液晶に用いる薬品を供給した
り、反応させたりする場合の圧力を検知する圧力センサ
としては、図５、図６のような構成のものがある。以下
これらの構造と問題点について述べる。図５は、圧力を
検知する素子が半導体センサを用いた構造例であり、薬
液が接するボディ５１は、ＰＴＦＥやＰＦＡで造られて
おり、半導体センサ５２は、薬液が直接に接しない様
に、ＰＴＦＥやＰＦＡのフィルム５３で被覆されてい
る。また、ボディ５１と半導体センサ５２との接面との
気密性のためにガスケット５４が設けられ、高レベルの
フッ素ゴムで構成されてなるセンサである。

【０００４】図６は、圧力を検知する素子が歪みゲージ
６０を用いた構造例であり、上記の例と同様に、薬液が
接するボディ６１は、ＰＴＦＥやＰＦＡで造られてお
り、歪みゲージ６０が貼り付けられた薄板部６２に薬液
が接しないように、ＰＴＦＥやＰＦＡのフィルム６３で
被覆されており、同様にセンサ本体６５とボディ６１と
の接面には、ガスケット６４が間挿されてなるセンサの
例である。

【０００５】これらの図５、図６に用いられたセンサ
は、圧力を電気信号に切換える方法は異なるが、流体の
圧力をそのまま検知できるので、腐食性のない流体に対
しては、極めて多く利用されている方法であるが、腐食
性流体への使用については、流体が直接センサ部に接し
ないように、耐蝕性軟質材料で保護しなければならない
ため、その手段としてのＰＴＦＥやＰＦＡのフィルムが
使用されている。この場合、流体の圧力を正確にセンサ
に伝達させるためには、その厚さは０．２ｍｍ程度が適
当である。

【０００６】しかしながら、ＰＴＦＥやＰＦＡは、他の
プラスチックと同様に分子間を気体が透過する性質を有
しているために、ガスの透過により腐食性流体がフィル
ムを通して浸透し、上記のＰＴＦＥやＰＦＡの０．２ｍ
ｍ厚さのフィルムを使用したセンサでは、腐食性流体に
使用した場合、浸透した流体がセンサ本体を腐食させて
機能を低下させたり、破損させたりする問題があった。
フッ素樹脂に限らずプラスチックのガス透過性は、その
厚さに大きく関係し、例えばＰＴＦＥの場合、図７に示
した透湿度（ガス透過性として表わす）の如く、厚さが
厚くなるに従って低くなり、ガス透過を抑えるために
は、フィルム厚さを厚くするほどよい。従って、従来の
センサでは、フィルムの厚さを厚くする方法が考えられ
るが、透過性が無視できる厚さとされる０．５ｍｍまで
厚くするとセンサ感度が低下して実用性がなくなり、従
って厚さ０．２ｍｍが最適とされていた。

【０００７】なお、図７について説明を加えると、ガス
透過性の尺度として水蒸気透湿度で測定したもので、縦
軸に透湿度ｇ／ｍ^２／２４ｈｒｓ、横軸にフィルム厚
さｍｍとして、ＰＴＦＥの成型圧力をパラメータにした
もので、フィルムの厚さが厚くなるに従って透湿度が低
くなっている。また、成型圧力が、１００ｋｇｆ／ｃｍ
^２の場合は、透湿度がかなり高くなっているが、これ
は成型圧力の不足が原因でボイドができているためであ
り、従って通常の成型圧力は２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以
上が採用されており、フィルムや成形ボディはこの条件
で造られている。

【０００８】このようにＰＴＦＥやＰＦＡは、ガス透過
があるため、図４や図６のようなフィルムによってセン
サを保護する方法ではガス透過が起こり、フィルムを透
過した腐食性ガスがセンサ本体との微小隙間に溜まった
状態となり、センサ本体のスキマ腐食を助長させる結果
となって、センサの寿命を短くする問題があった。

【０００９】上記問題点を解決するために、例えば図４
のような、圧力伝達部にベローズを用いると共に、この
ベローズを含む接液部をフッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ
など）で構成し、かつベローズからの推進力を荷重換算
手段で圧力に換算する構成の圧力センサを提案したが、
樹脂性ベローズには加工誤差があるため、外圧タイプの
圧力センサで該ベローズの推進力を該荷重変換手段（ロ
ードセル）に伝達するために検出棒を設ける構成とする
場合、該検出棒が一体の構成である従来型のセンサにお
いては、検出棒とロードセルとの間にギャップが出た
り、組立時からロードセルに荷重が加わって検出精度に
バラツキがあるという問題が生じていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、図４に示し
た従来の圧力センサの問題点を解決するために、上記検
出棒が、軸方向に２分割されており、かつ該２分割され
た検出棒の一方の部分がおねじの形状、他方の部分がめ
ねじの形状を有し、該おねじと該めねじのねじ部を互い
にねじこむことにより、組立における荷重変換手段とベ
ローズの間隔に合わせて該検出棒の長さを調節出来る圧
力センサを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、流体の圧力を
受けるベローズと、上記ベローズの推進力が伝達されて
荷重を圧力に換算する荷重換算手段とを備え、上記ベロ
ーズを含む接液部がフッ素樹脂で構成された圧力センサ
であって、該ベローズの推進力を該荷重変換手段に伝達
する検出棒を有し、該検出棒が軸方向に２分割され、か
つ該２分割された検出棒の一方の部分がおねじの形状、
他方の部分がめねじの形状を有しており、前記検出棒は
該おねじと該めねじがねじ部によって互いに結合した構
成であって、組立における荷重変換手段とベローズの間
隔に合わせて該検出棒の長さを調節出来ることを特徴と
する圧力センサである。

【００１２】本発明の圧力センサは、上記構成と併せ
て、上記ベローズおよび上記荷重換算手段を保持するケ
ーシングを設け、該ケーシングに通気孔を形成するのが
好ましい。

【００１３】また、本発明の圧力センサは、流体の圧力
を受けるベローズの推進力が、圧力に換算されるロード
セルの出力レンジの目盛りに適合させるべく、荷重の目
盛りに対して、圧力の目盛りが整数値で一致するよう
に、ベローズの推進力の作用面積となるベローズの有効
径をロードセルのレンジに適合させることが好ましい。

【００１４】さらに、本発明の圧力センサは、上記ベロ
ーズの厚さを０．４ｍｍ以上に設定することが好まし
い。

【００１５】

【実施例】本発明を、実施例を用いて以下図面に基づい
て詳述する。図面は半導体製造に用いられる高純度薬液
の流体圧力を検知するような圧力センサを示す。図１は
本発明の一実施例である圧力センサの断面図であって、
この圧力センサ１はＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）
やＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ樹脂）などのフッ素
樹脂で形成されたボディ２と、ＰＴＦＥで形成されたベ
ローズ３と、このベローズ３の鍔部３ａをボディ２側に
固定するポリプロピレン等の安価な硬質プラスチック材
料で作られたケース４と、ベローズ３の推進力が伝達さ
れて荷重を圧力に換算する荷重換算手段としてのロード
セル５と、このロードセル５を上述のケース４側に固定
する上記プラスチック材料で作られた袋ナット６とを備
えている。

【００１６】上述のボディ２には薬液を送液する管路に
対して螺合固定するテーパネジ部２ａを備えた取付けボ
ス部２ｂが一体形成されると共に、該ボディ２の軸線方
向中央部には上述の薬液をベローズ３の外周側へ導入す
る導入口７が形成されている。

【００１７】また上述のボディ２の取付けフランジ部２
ｃよりも図面上の上部外周にはネジ部２ｄを形成し、ケ
ース４の対応部に形成されたネジ孔４ａに対して、この
ネジ孔２ｄを螺合することで、ボディ２とケース４との
対向面間に上述のベローズ３の鍔部３ａを挟持固定すべ
く構成している。

【００１８】さらに、この実施例では流体圧力をベロー
ズ３の外周部に作用させるため、ボディ２の上部には導
入口７と連通するベローズ配設凹部２ｅを形成し、この
ベローズ配設凹部２ｅ内に上述のベローズ３の主体部を
伸縮可能に配設している。加えて、ベローズ３の位置決
め性を確保するため、ボディ２の図面上の上端部（反ボ
ス部側の端部）には環状の位置決め凹部２ｆを形成する
一方、ベローズ３の鍔部３ａ下面には環状の位置決め凸
部３ｂを一体形成してこれらを凹凸嵌合することで、ベ
ローズ３を位置決め保持している。

【００１９】上述のケース４は上方が開放された円柱状
のロードセル配設凹部４ｂと、袋ナット６のネジ孔６ａ
に螺合するネジ部４ｃとを有し、このケース４の取付け
座４ｄと袋ナット６の内底部６ｂとの間でロードセル５
を保持すべく構成すると共に、このケース４にはベロー
ズ３の内部空間８とケース４外部とを連通する複数例え
ば２つの通気孔９，９を形成している。

【００２０】しかも、接液部としてのベローズ３および
ボディ２の全体はフッ素樹脂で構成している。なお、図
１における５ｂはセンサコード導出部、５ｃは圧力に対
応した電気信号を出力するセンサコードである。このよ
うに、図１に示す圧力センサ１はベローズ３の外周部で
流体圧力を受けると共に、このベローズ３の推進力をロ
ードセル５に伝達して荷重を圧力に換算すべく構成し、
かつ接液部としてのベローズ３およびボディ２をフッ素
樹脂で構成したものである。

【００２１】この圧力センサ１は、上述のベローズ３と
ロードセル５の間に、ベローズ３の主体部の推進力をロ
ードセル５に伝達するための検出棒１０を設けている。
該検出棒１０は、おねじ形状を有する部分１０ａ、めね
じ形状を有する部分１０ｂの、２つの縦方向に分割され
た部分からなり、１０ａと１０ｂがねじ部によって互い
に結合して一つの検出棒１０を構成している。該ねじ部
を相互に移動させることにより、検出棒１０の長さは自
由に調整できる。なお、上述のベローズ３における円板
部３ｃに該検出棒１０の下端部を位置決め状に配設する
凹部（図示せず）を形成して、この凹部に上述の検出棒
１０を位置保持してもよい。また、本発明の圧力センサ
は、上記検出棒に緩み止めとして六角ナット等の留め具
を設けてもよい。

【００２２】この圧力センサ１において、検出棒１０の
長さは以下の様に調整を行う。図３は本発明の圧力セン
サのロードセル固定前のケース４とベローズの相関を示
す模式断面図である。図３においてケース４の図面上の
上端部（反ボス部側の端部）からベローズ３における円
板部３ｃの上面までの深さをＨ₂とし、同じく図３のケ
ース４の図面上の上端部から、ケース４におけるロード
セル５が保持される円柱状のロードセル配設凹部４ｂの
底面までの深さをＨ₁として、ロードセルとベローズの
間隔Ｈ₃は、Ｈ₃＝Ｈ₂−Ｈ₁で表わされる。Ｈ₁、Ｈ₂を実
測して、Ｈ₃を検出し、検出棒の長さＨ₄をＨ₃＝Ｈ₄とな
るよう、検出棒１０を構成する２つの部分１０ａと１０
ｂのねじ部を移動させて調整すればよい。

【００２３】さらに、上述のベローズ３の有効径Ｄはロ
ードセル５の定格荷重Ｆ（ロードセル検知スケールのこ
と）測定レンジに適合させる目的で、次の如く所定寸法
に設定している。つまり、ベローズ３に流体圧力Ｐが図
１の矢印方向から作用した時の推進荷重は、ロードセル
５の出力に対応する荷重が出せるようにベローズの有効
径Ｄを設定する。一例としてロードセル５の定格荷重Ｆ
を５ｋｇｆとし、この定格値に対する流体圧力Ｐを５ｋ
ｇｆ／ｃｍ^２とすると、ベローズ３の有効径Ｄは次の
［数１］により求められる。

【００２４】

【数１】

【００２５】またベローズ３の圧力感度について説明す
ると、ベローズ３の厚さを０．５ｍｍとし、圧力の最小
読み取り単位を０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２とすると、ベロ
ーズ３の１山当たりの変位は次の［数２］で求められ
る。

【００２６】

【数２】

【００２７】そこで、ベローズ３の山数を４とすれば、
（０．００５ｃｍ＝０．０５ｍｍ）×４×２＝０．４ｍ
ｍ動くことになるので、ベローズ３の荷重をロードセル
５に伝達することができる。このように上述のベローズ
３が半導体製造に用いられる高純度薬液の流体圧力を図
１の矢印方向から受けると、このベローズ３が流体圧力
に対応して伸縮するので、該ベローズ３の推進力は検出
棒１０を介してロードセル５に伝達され、このロードセ
ル５で荷重が圧力に換算される。

【００２８】しかも、上述のベローズ３を含む接液部
（ベローズ３、ボディ２参照）はフッ素樹脂で構成さ
れ、かつベローズ３の厚さを充分厚く設定することがで
きるので、このベローズ３により薬液ガスの透過を防止
して、ロードセル５の腐食を確実に防止することができ
る効果がある。また、上述のベローズ３の伸縮性により
微少な流体圧力変化を良好に検知することができる効果
がある。

【００２９】さらに、上述のベローズ３およびロードセ
ル５を保持するケース４に対して通気孔９，９を形成し
たので、この通気孔９，９によりベローズ３の容積変化
にともなう圧力のバランスを図ることができ、この結
果、圧力検知制度の向上を達成することができる効果が
ある。加えて、上述のベローズ３の厚さを０．５ｍｍ以
上に設定したので、薬液のガス透過を最小限に抑止する
ことができる効果がある。

【００３０】また上述のベローズ３の厚さ設定と上述の
通気孔９の形成とにより、金属腐食を誘発しない程度の
極めて微量のガスがベローズ３を構成するＰＴＦＥの分
子間透過したとしても、この微少漏洩ガスを通気孔９か
らケース４外方へ放出することができるので、ロードセ
ル５配設部位にガスが充満することはなく、より一層良
好な長寿命化を達成することができる効果がある。

【００３１】さらに、図１の圧力センサ１にあっては、
流体圧力がベローズ３の外周部に作用するので、この圧
力によりベローズ径が変化することはなく、ベローズ３
で検出棒１０を介してロードセル５を押圧する圧力変動
（ベローズ径変化による圧力変動）がないため、微妙な
流体変化に良好に対応することができる。

【００３２】試験例として実施例の圧力センサ１を用い
て、ロードセルとベローズの間隔と検出棒の長さとの違
いによる基準圧力に対する表示圧力の測定を行った。表
示圧力の測定結果を表１に示す。試験例１：ロードセルとベローズの間隔と検出棒の長さ
との間にギャップがある場合（ギャップがプラスの値）試験例２：ロードセルとベローズの間隔と検出棒の長さ
が等しい場合（ギャップがゼロの値）試験例３、４：ロードセルとベローズの間隔に対し、検
出棒が長すぎて当初から初荷重がある場合（ギャップが
マイナスの値）また、比較例として図４に示される検出棒が一体の構成
である従来型のセンサを用いて基準圧力に対する表示圧
力の測定を行い（比較例１、２）、表示圧力の測定結果
を併せて表１に示す。

【００３３】

【表１】ロードセルとベローズの間隔と検出棒の長さと
の違いによる基準圧力に対する表示圧力の違い

【００３４】試験例１〜４の結果から判るように、ギャ
ップがある場合は圧力が低く表示され、検出棒が長すぎ
る時は基準圧力がゼロの時でも高い圧力を表示する。ま
た［基準圧力−表示圧力］の絶対値の和から、実施例１
の圧力センサにおいて、ギャップを０．０ｍｍに調整し
た場合が最も誤差が少なくなっていることがわかる。さ
らに、検出棒が一体の構成である従来型のセンサの場
合、ギャップが０．０ｍｍに設定されていても基準圧力
に対し表示圧力が低く、［基準圧力−表示圧力］の絶対
値の和、即ち誤差も実施例１のセンサに比較して大き
い。従って、検知精度を高めるためには、センサ毎に検
出棒の長さを調整してギャップをゼロにする必要がある
ことがわかる。

【００３５】この発明の構成と、上述の実施例との対応
において、この発明の荷重換算手段は、実施例のロード
セル５に対応し、以下同様に、接液部は、ボディ２およ
びベローズ３に対応し、ケーシングは、ケース４に対応
するも、この発明は、上述の実施例の構成のみに限定さ
れるものではない。

【発明の作用及び効果】本発明の圧力センサは、上述の
ベローズが流体の圧力を受けると、このベローズが流体
圧力に対応して、伸縮するので、該ベローズの推進力は
荷重換算手段に伝達され、この荷重換算手段で荷重が圧
力に換算される。本発明の圧力センサは、ベローズの主
体部の推進力を荷重換算手段（ロードセル）に伝達する
ための検出棒を有しているが、該検出棒が軸方向に２分
割され、かつ該２分割された検出棒の一方の部分がおね
じの形状、他方の部分がめねじの形状を有しており、該
おねじと該めねじをねじ部によって互いにねじこみ、結
合した構成とすることによって、組立において、荷重変
換手段とベローズの間隔を測定し、その間隔に合わせて
該検出棒の長さを調節することが出来る。即ち、ベロ
ーズをボディとケーシングに組立た後の検出棒装着部深
さには必ずバラツキがあるが、そのバラツキの為にギャ
ップが出ないように、２分割された検出棒をねじ込みな
がら、その深さに適合する長さに検出棒を調整してロー
ドセルを組み付けることができ、検出精度を高くするこ
とができる。

【００３６】また、上述のベローズを含む接液部はフッ
素樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡなど）で構成され、かつベロ
ーズの厚さを充分厚く設定することができるので、この
ベローズにより薬液ガスの透過を防止して、ロードセル
等からなる荷重換算手段の腐食を確実に防止することが
できる効果がある。

【００３７】さらに、上述のベローズの伸縮性により微
小な流体圧力の変化を良好に検知することができる効果
がある。

【００３８】本発明は、併せて、上述のベローズおよび
荷重換算手段を保持するケーシングに対して通気孔を形
成することにより、ベローズ厚さ間を通過する僅かな透
過ガス体もセンサ部位に溜まることもないので、センサ
部位の腐食の心配は全くなくなり、センサの長期寿命が
図れる。

【００３９】本発明は、ロードセルの検知目盛りに適合
するように、ベローズの有効径をロードセルのレンジに
合わせることにより、流体の圧力をベローズの推進力に
変えて荷重を測定し、その荷重を圧力に換算して読み変
えるため、流体圧力からの推進力測定による圧力換算が
容易になり、特別な計算を行なう必要もなくロードセル
の検知目盛りをそのまま適用できる。

【００４０】本発明は、上述のベローズの厚さを０．４
ｍｍ以上に設定することにより、薬液のガス透過を最小
限に抑止することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力センサを示す断面図である。

【図２】本発明の別の圧力センサを示す断面図である。

【図３】図１の圧力センサのケース４とベローズの相関
を示す模式断面図および検出棒の形状の一例を示す正面
図である。

【図４】従来の圧力センサの一例を示す断面図である。

【図５】従来の圧力センサの一例を示す断面図である。

【図６】従来の圧力センサの一例を示す断面図である。

【図７】ＰＴＦＥの透湿度データを示す説明図である。

【符号の説明】１圧力センサ２ボディ（接液部）３ベローズ（接液部）４ケース５ロードセル（荷重変換手段）６袋ナット７導入口８ベローズ内部空間９通気孔１０検出棒

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の圧力を受けるベローズと、上記ベ
ローズの推進力が伝達されて荷重を圧力に換算する荷重
換算手段とを備え、上記ベローズを含む接液部がフッ素
樹脂で構成された圧力センサであって、該ベローズの推
進力を該荷重変換手段に伝達する検出棒を有し、該検出
棒が軸方向に２分割され、かつ該２分割された検出棒の
一方の部分がおねじの形状、他方の部分がめねじの形状
を有しており、前記検出棒は該おねじと該めねじがねじ
部によって互いに結合した構成であって、組立における
荷重変換手段とベローズの間隔に合わせて該検出棒の長
さを調節出来ることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】上記ベローズおよび上記荷重換算手段を
保持するケーシングを設け、該ケーシングに通気孔を形
成した請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】流体の圧力を受けるベローズの推進力
が、圧力に換算されるロードセルの出力レンジの目盛り
に適合させるべく、荷重の目盛りに対して、圧力の目盛
りが整数値で一致するように、ベローズの推進力の作用
面積となるベローズの有効径をロードセルのレンジに適
合させる請求項１もしくは２記載の圧力センサ。
【請求項４】上記ベローズの厚さを０．４ｍｍ以上に
設定した請求項１乃至３記載の圧力センサ。