JP4278569B2 - 圧力測定器 - Google Patents
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Description
このような圧力センサでは、薬液の圧力を受ける受圧部に金属イオンの溶出量が少ないフッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン等)を用いたものが多く使用されている。しかし、受圧部がフッ素樹脂で構成される場合には、腐食性薬液が透過し、圧力センサのダイアフラムを保持する部材や、測定回路などを腐食させて圧力センサの寿命を短くするという問題がある。また、例えば化学分野においても、半導体製造プロセスと同様に、腐食性の高い化学薬品等を使用することがあるので、高寿命な圧力センサが要求されている。
またこのとき、ケース外部と基準圧力室とを連通する基準圧力室連通路が設けられているので、基準圧力室内の圧力がケース内部の空間の圧力と別個に設定可能となり、不活性ガスの圧力の影響を受けない。したがって、ケース内部の空間に不活性ガスが流通していても、基準圧力室は不活性ガスの圧力変動などに関わりなく常に一定の圧力に保持可能となり、被測定流体の圧力測定が高精度となる。
そして、シール材外周に沿った環状であって前記ガス流通口が開口した溝としてのガス流通路が形成されている。そのため、ガス流通口の一つから流入した不活性ガスがシール材外周に沿って環状に流通する。したがって、被測定流体の腐食性ガス成分がシール材を透過し、シール材外周の雰囲気が腐食性ガス雰囲気になった場合でも、内部部品の腐食が確実かつ良好に防止される。これによって、圧力測定器の耐久性がより一層向上する。
この発明によれば、ガス供給流通口の内寸が、ガス排出流通口の内寸より小さく設定されているので、ガス供給流通口側が絞られることにより、ガス排出流通口側の圧力損失が抑制される。これにより、ケース内部の圧力が過剰に上昇するのが防止される。したがって、ケースの気密性が良好に維持される。また、ケースの材料として耐圧性の高いものを要求されないので、安価な材料を採用することが可能となり、圧力測定器の製造コストが低減する。
図1には、本発明の第一実施形態にかかる圧力測定器1の側断面図が示されている。この図1において、圧力測定器1は、円柱状に形成された静電容量式の圧力センサ素子2と、圧力センサ素子2から取り出された静電容量の変化を所定の電気信号に変換する変換回路3と、圧力センサ素子2および変換回路3を収納するケース4とを備えている。ケース4は、圧力センサ素子2が固定されるハウジング5と、ハウジング5に係合されて変換回路3を収納するキャップ6とを備えている。
圧力センサ素子本体21は、円柱状の厚肉基板で構成されており、この圧力センサ素子本体21の材料としては、例えばセラミックスなどが採用できる。圧力センサ素子本体21においてダイアフラム22に対向する面には、電極24が形成されている。また、圧力センサ素子本体21には、厚み方向に貫通する基準圧力室連通孔としての連通路21Aが形成されている。
ダイアフラム22は、セラミックスやサファイア、金属、ガラスなど、弾性変形可能な任意の材料によって構成され、円盤薄板状に形成されている。このダイアフラム22において、圧力センサ素子本体21に対向する面には、電極25が形成されている。つまり、圧力センサ素子本体21の電極24と、ダイアフラム22の電極25とは、互いに所定間隔を有して対向配置されている。
接合部材23は、ガラスフリットなどの高耐食性の材料で構成されるリング状部材であり、圧力センサ素子本体21およびダイアフラム22がこの接合部材23に接着されている。この接合部材23の厚みにより、圧力センサ素子本体21とダイアフラム22との間には所定間隔の隙間が形成される。なお、接合部材23は、圧力センサ素子本体21およびダイアフラム22の外周部にそれぞれスクリーン印刷で低融点ガラスを印刷し、圧力センサ素子本体21とダイアフラム22とを合わせて焼成し、接着する方法によって形成してもよい。
ここで、圧力センサ素子本体21、ダイアフラム22、および接合部材23で囲まれる領域には空間が形成され、この空間は、被測定流体の圧力を測定する際の基準圧力を作成する基準圧力室26となっている。そして、圧力センサ素子本体21には連通路21Aが形成されているため、この連通路21Aにより、基準圧力室26は、圧力センサ素子2の外部と連通している。
変換回路3は、圧力センサ素子本体21のダイアフラム22が設けられる側とは反対側の面に固定されている。
継手部51は、ダイアフラム22を挟んで基準圧力室26とは反対側に設けられ、外周にねじ部51Aが形成されることにより、被測定流体が流通する配管などに接続可能となっている。したがって、継手部51内部は、被測定流体が導入される圧力導入口51Bとなっている。また、継手部51のパイプ状内部は、ダイアフラム22に近い側の端部が、ダイアフラム22に向かって徐々に内径が大きくなる略円錐形に形成されている。この略円錐形部分内部の空間は、被測定流体が導入されて内部に被測定流体の圧力を作成する被測定流体圧力室53となっている。また、ダイアフラム22の被測定流体圧力室53に露出する略円形の面は、被測定流体の圧力を受ける受圧面22Aとなっている。
継手部51において、受圧面22A外縁に対応する位置には、円形の溝54Aが形成され、この溝54AにOリングなどのシール材54が収納されている。このシール材54により、ハウジング5とダイアフラム22とがシールされ、被測定流体圧力室53が気密に構成される。
押さえ55は、圧力センサ素子本体21の連通路21Aに対応する位置に、パイプ55Aを備えており、内部が連通路21Aと連通している。パイプ55Aは、変換回路3を貫通し、先端側がキャップ6内部に突出している。また、パイプ55Aの基端側はシール材55Bを介して圧力センサ素子本体21にシールされている。
ここで、ガス供給ノズル57内部には、段差57Cが形成され、収納部52内部に近い側のほうがより内径が小さい小径部57Dとなっている。この小径部57Dの内径(内寸)Eは、ガス排出ノズル58の内径(内寸)Fに対して、
E≦F
の関係を満たすことが望ましい。つまり、小径部57Dにより、ガス供給ノズル57には絞りが形成され、ガス供給側の流量が絞られる構成となっている。なお、本実施形態では、小径部57Dの内径Eは0.2mm、ガス排出ノズル58の内径Fは0.5mmに設定されており、供給ガスの圧力を0.2〜0.5MPaとすると、ハウジング5およびキャップ6内の内圧が2〜5kPaに抑えられる。
図1に戻って、収納部52内周には、複数箇所(本実施形態では二カ所)に圧力センサ素子2の厚み方向に沿って貫通する溝(ガス流通路)59A,59Bが形成されている。これらの溝59A,59Bは、収納部52内周においてガス供給ノズル57、およびガス排出ノズル58の開口部分に対応する位置にそれぞれ設けられている。また、押さえ板56には、溝59A,59Bに連続する溝56A,56Bが、圧力センサ素子2の中心に向かって(径方向に沿って)それぞれ形成されており、これらの溝56A,56Bがキャップ6内部に開口することにより、ガス供給ノズル57およびガス排出ノズル58が、溝59A,59B,56A,56Bを介してキャップ6内部に連通している。
なお、ガス供給ノズル57から供給される不活性ガスは、例えば窒素ガスなどが採用でき、この圧力測定器1が半導体製造プロセスで使用される場合では、製造プロセス内にもともと設けられている不活性ガス供給ラインを流用すれば、ガス供給の構成が簡単となる。
キャップ6の底面部6Bの略中央には、変換回路3に接続された電気信号線としての電気信号ケーブル31が貫通する信号線ポートとしてのポート63が設けられている。このポート63は、キャップ6に対して回転可能に、かつ気密に取り付けられている。また、キャップ6の底面部6Bには、キャップ6の内外を連通するケース連通孔としての連通孔64が形成されている。連通孔64のキャップ6外部側は、大気に開放されている。また、連通孔64において、キャップ6内部側の端部には、連通手段としてのチューブ65の一端が接続され、このチューブ65の他端は、パイプ55Aに接続されている。したがって、基準圧力室26は、連通路21A、パイプ55A、チューブ65、および連通孔64を介してキャップ6外部に連通している。すなわち、連通路21A、パイプ55A、チューブ65、および連通孔64とを備えて、本発明の基準圧力室連通路が構成されている。
(1) ガス供給ノズル57およびガス排出ノズル58が設けられているので、キャップ6内に不活性ガスが供給されて充満する。したがって、変換回路3全面を不活性ガスで覆うことができ、被測定流体が腐食性流体である場合でも、ケース4内に漏れた腐食性流体と変換回路3との接触を最小限に抑制できるから、変換回路3やその他の構成部品の腐食を良好に防止でき、圧力測定器1の耐久性を向上させることができる。
このとき、基準圧力室26は、連通路21A、パイプ55A、チューブ65、および連通孔64を介して大気に連通しているので、不活性ガスの圧力に関わりなく基準圧力室26内を常に一定の圧力(大気圧)に保持することができる。したがって、不活性ガスの圧力変化に影響されることなく、被測定流体の圧力を高精度に測定することができる。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態のケース連通孔が電気信号線を通すポートと共通とされる点が第一実施形態と異なる。
図3には、第二実施形態にかかる圧力測定器1の側断面図が示されている。この図3において、キャップ6には第一実施形態のような連通孔64は設けられておらず、チューブ65は、ポート63を電気信号ケーブル31とともに貫通している。チューブ65はケーブル31とともに外部の計測装置近傍へ導かれ、当該外部の計測装置近傍で大気に開放されている。
(5) 電気信号ケーブル31を貫通するポート63が基準圧力室26に連通するチューブ65を通す連通路を兼ねているので、キャップ6の形状を簡単にでき、圧力測定器1の構成を簡略化できる。これにともない、ケース4を貫通する孔の数が少なくなるので、ケース4内の気密性を良好かつ容易に保持できる。また、電気信号ケーブル31およびチューブ65がキャップ6の底面部6B略中心に設けられたポート63を貫通してケース4外部に導かれるので、キャップ6をハウジング5に対してねじ止めする場合にも、電気信号ケーブル31およびチューブ65がねじれることがなく、圧力測定器1の組立が簡単に行え、かつ電気信号ケーブル31の断線などの不具合を確実に防止できる。
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、第一実施形態のガス流通口が複数設けられているものである。
図4には、第三実施形態にかかる圧力測定器1の側断面図が示されている。この図4において、圧力測定器1のケース4には、第一実施形態と同様のガス供給ノズル57およびガス排出ノズル58が設けられているほか、キャップ6にもう一対のガス連通口としてのガス供給ノズル57Eおよびガス排出ノズル58Eが形成されている。すなわち、キャップ6の側面には、ガス供給ノズル57と同様の別のガス供給ノズル57Eが、ガス供給ノズル57とほぼ平行に配置されて、キャップ6の内外を連通している。またキャップ6の側面には、ガス排出ノズル58と同様の別のガス排出ノズル58Eが、ガス排出ノズル58とほぼ平行に配置されて、キャップ6の内外を連通している。ガス供給ノズル57Eには、不活性ガスが供給され、不活性ガスは、キャップ6内に充満した後、ガス排出ノズル58Eから排出される。
(7) 一対のガス供給ノズル57Eおよびガス排出ノズル58Eがキャップ6に設けられているので、ガス供給ノズル57Eから供給される不活性ガスが直接キャップ6内に流入し、充満するから、変換回路3などの構成部品の腐食をより確実に防止でき、圧力測定器1の耐久性を確実に向上させることができる。
また、溝52Aに連通するガス供給ノズル57およびガス排出ノズル58とは別個にガス供給ノズル57Eおよびガス排出ノズル58Eが形成されているので、シール材54外周およびキャップ6内のそれぞれに別個に不活性ガスを供給することができる。したがって、溝52Aへ供給される不活性ガスおよびキャップ6内へ供給される不活性ガスの供給圧力、供給流量を安定させることができる。したがって圧力測定器1内の各部品に不活性ガスを安定して接触させることができ、各部品の腐食を確実に防止できる。
また、これにより、溝52Aへ供給される不活性ガスおよびキャップ6内へ供給される不活性ガスの供給圧力や供給流量を別個に設定でき、それぞれの条件に適した供給を行うことができる。
ガス流通路の形成個数は、シール材外周に一つ設けられているものに限らず、シール材外周に二つ以上設けられていてもよい。また、前述の実施形態のように、ガス流通路は、シール材外周のガス流通路からさらに、圧力センサ素子の厚み方向に沿って形成されていてもよい。この場合には、圧力センサ素子の厚み方向に沿ったガス流通路は、前述の実施形態のように二箇所に設けられているものに限らず、一箇所あるいは三箇所以上設けられていてもよい。また、このようなガス流通路は、圧力センサ素子の厚み方向に対して所定角度で傾斜して形成されていてもよい。この場合には、これらのガス流通路からの不活性ガスがケース内部に旋回しながら流入し、ケース内部に良好に循環するので、ケース内部の各構成部品の腐食をより確実に防止できる。
ガス流通路の形状は、環状に形成されるものに限らず任意に設定でき、例えばシール材外周に沿って等間隔に複数のガス流通口が形成されていてもよい。さらに、ガス流通口の形成位置は、シール材外周に限らず任意に設定でき、シール材外周近傍であれば、不活性ガスがシール材外周に良好に接触できる。
また、ガス流通口の取付位置は、少なくとも一つがシール材外周近傍に形成されていればよく、例えばガス流通口の一つがシール材外周近傍に開口され、他の一つは変換回路が設けられた位置近傍に開口されていてもよい。ここで、ガス流通口がシール材の外周近傍に形成されるとは、例えばガス流通口の開口位置が圧力センサ素子の側面に対向する範囲に配置されることをいう。
継手部の形状は外周に設けられたねじ部によって被測定流体が流通する配管に接続される構成に限らず、被測定流体が流通する配管の形状、配置、寸法などに応じて任意に設定できる。
圧力測定器は、静電容量式のものに限らず、例えば抵抗ストレンゲージ式のものであってもよい。ただし、静電容量式のものを使用すれば、温度特性に優れた圧力測定器を提供することができる。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
Claims (2)
- 被測定流体の圧力変化により弾性変形するダイアフラム、および前記被測定流体の圧力測定の基準圧を有する基準圧力室を備えた圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子で検出された圧力変動を所定の電気信号に変換する変換回路と、
前記圧力センサ素子および前記変換回路を収納するとともに、前記ダイアフラムの受圧面に被測定流体を導入する圧力導入口が形成されたケースと、
前記ダイアフラムの受圧面外縁と前記圧力導入口外周とを封止するシール材とを備え、
前記ケースには、前記ケース外部と前記基準圧力室とを連通する基準圧力室連通路と、前記ケース内部であり前記基準圧力室及び前記基準圧力室連通路と異なる空間と外部とを連通し、前記ケース内部の空間に不活性ガスを流通させる少なくとも二つのガス流通口と、前記シール材外周に沿った環状であって前記ガス流通口が開口した溝とが形成される
ことを特徴とする圧力測定器。 - 請求項1に記載の圧力測定器において、
前記ガス流通口の少なくとも一つは、前記ケース外部から不活性ガスが供給されるガス供給流通口とされ、
前記ガス流通口の少なくとも一つは、前記ケース外部に不活性ガスが排出されるガス排出流通口とされ、
前記ガス供給流通口の内寸は、前記ガス排出流通口の内寸より小さく設定されている
ことを特徴とする圧力測定器。
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