JPH08159900A - 圧力センサ用感圧ダイアフラムの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧力センサのケースへ組み込んだ状態での歪，
残留応力の影響が少なく、かつ高い平坦度が確保でき、
しかも組立時の取扱いも容易である信頼性の高い圧力セ
ンサ用感圧ダイアフラムの製造方法を提供する。 【構成】厚肉の金属平板を母材８として、該母材の両面
からダイアフラムの輪郭に対応するパターンでハーフエ
ッチングによる溝加工を施し、圧力センサのケースに溶
接接合する周縁接合部１５を母材の板厚のまま残して、
その内周面域に薄肉の中央平坦部１３，および同心円状
に凹凸面が並ぶ波形部１４を形成して波形ダイアフラム
を製作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば都市ガスの漏れ
検出などに適用する微圧検出用圧力センサに組み込んだ
感圧ダイアフラム、特に容量形圧力センサ用のダイアフ
ラムとして好適な波形ダイアフラムの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】頭記の微圧検出用圧力センサとして、図
５に示すような容量形圧力センサが、特願平５−１０９
６８６号として本発明と同一出願人より提案されてい
る。図において、１は感圧ダイアフラム２の固定板を兼
ねた金属製の上部ケース、３はプリント配線板基板を兼
ねた絶縁物製の下部ケース、４はダイアフラム２に対向
して下部ケース３に設けた固定電極、５は接続電極、６
は電子回路部品、７は外部導出端子であり、上部ケース
１には被測定圧の導圧孔１ａ，下部ケース３には大気圧
の導圧孔３ａが開口している。また、ダイアフラム２は
その周縁が上部ケース１の段部１ｂへ気密に溶接接合さ
れている。なお、かかる容量形圧力センサの圧力検知動
作は周知でありここではその説明を省略する。

【０００３】一方、図５に示した圧力センサでは、ダイ
アフラム２として平形ダイアフラムを採用しているが、
平形ダイアフラムの代わりに波形ダイアフラムを採用し
たものもある。この波形ダイアフラムは、板面中央部に
図５に示した固定電極４と対向する平坦部が形成され、
該中央平坦部と上部ケース３に溶接接合される周縁部と
の間の板面領域に断面が波形を呈するよう同心円状に並
ぶリング状の凹凸面が形成されたものであり、平形ダイ
アフラムに比べて溶接接合による熱歪，残留応力の影響
が小さく、かつダイアフラムの重要特性である圧力／変
位特性に優れていることから、この波形ダイアフラムが
多く採用されている。

【０００４】また、前記の波形ダイアフラムを製作する
場合に、従来の製造方法では肉厚の薄い円板状の金属箔
をプレス加工して波形部を形成した後、ダイアフラムを
焼鈍してプレス加工の際に生じた残留応力を除去するよ
うにしており、このようにして製作したダイアフラムは
圧力センサの組立工程で図５に示した金属製の上部ケー
スに溶接接合される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記方法で
製作した波形ダイアフラムを採用して組立てた容量形圧
力センサは出力特性，および組立性の面で次記のような
問題がある。 １）プレス加工，焼鈍工程を経て製作された波形ダイア
フラムを、圧力センサのケースへ組み込むために、ダイ
アフラムの周縁をケースに溶接接合すると、この溶接に
伴ってダイアフラム自身に機械的，熱的な歪が新たに生
じる。しかも、この場合に歪の影響がダイアフラムの中
央平坦部に集中してその平坦度を乱すため、特に容量形
圧力センサでは歪が原因で圧力センサの出力特性にバラ
ツキが生じ易くなる。

【０００６】２）さらに、微圧検出用のダイアフラムは
その肉厚が極めて薄い（例えば肉厚３０μｍ程度）ため
に僅かな衝撃が加わっても簡単に変形して新たな歪が生
じることから、圧力センサへの組み込みの際のハンドリ
ングには細心の注意を払う必要があるなど部品の取扱い
管理が面倒である。本発明は上記の点にかんがみなされ
たものであり、その目的は前記課題を解決し、圧力セン
サのケースへ組み込んだ状態での歪，残留応力の影響が
少なく、かつ高い平坦度が確保でき、しかも組立時の取
扱いも容易である信頼性の高い圧力センサ用感圧ダイア
フラムの製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
り次記のような製造方法で達成することかできる。 （１）第１の発明：厚肉の金属平板を母材として該母材
の両面にダイアフラムの輪郭と対応するパターンのエッ
チング溝加工を施し、ダイアフラムの外周接合部を母材
の板厚のまま残して、その内周面域に薄肉の中央平坦
部，および同心円状に凹凸面が並ぶ波形部を形成するも
のとし、具体的には、第１のエッチング工程で母材の片
面に同心円状に並ぶリング状の凹溝を加工し、第２のエ
ッチング工程では母材の反対側面に第１のエッチング工
程で形成した凹溝と半ピッチずらして同心円状に並ぶリ
ング状の凹溝を加工して波形部を形成するものとする。

【０００８】（２）第２の発明：平坦な円板状金属箔を
圧力センサケースである金属製のダイアフラム固定板の
上に載置し、かつ該固定板に形成したリング状突起と金
属箔の周縁との間を溶接接合し、この状態で金属箔にダ
イアフラム波形部をプレス加工により成形した後、プレ
ス加工と逆方向からガス加圧して金属箔の残留応力を除
去する。

【０００９】また、前記におけるダイアフラム波形部の
プレス形成法としては、固定板自身をプレス金型として
金属箔にダイアフラム波形部をプレス成形する方法、あ
るいは固定板に専用のプレス金型を組合わせて金属箔に
ダイアフラム波形部をプレス成形する方法がある。

【００１０】

【作用】前記第１の発明によれば、厚肉な平板状の母材
に対して、ダイアフラムの外周接合部を厚肉のまま残
し、その内周面域に薄肉の中央平坦部，および波形部を
エッチング溝加工で形成したことにより、プレス加工法
で見られるような歪の発生するおそれがなく、かつ感圧
部として機能するダイアフラムの中央平坦部で高い平坦
度が確保できる。一方、ダイアフラムの外周接合部は厚
肉で剛性，熱容量が大きく、したがって圧力センサへの
組み込みに際してダイアフラムの周縁をケースに溶接接
合しても、熱歪，残留応力の影響が波形部，中央平坦部
の感圧部分に殆ど作用せず、かつ外周縁部は厚肉で機械
的強度が高いのでダイアフラムのハンドリングが行い易
くなる。

【００１１】また、第２の発明では、圧力センサのケー
ス一部であるダイアフラム固定板に波形ダイアフラムと
なる平板状の金属箔をその外周縁全域に沿って溶接接合
した後、この状態で金属箔にプレス加工を施して波形部
を形成することにより、溶接の際に生じた溶接歪（歪が
不均一に分布している）が波形部のプレス操作によりり
均一化される。但しプレス加工で新たに生じた残留応力
が残っている。そこで、プレス加工と反対側からダイア
フラムの板面に高圧空気，窒素ガスなどを加圧すると、
残留応力が解放されて殆ど歪，残留応力が残らない状態
になる。このことは発明者等が行った実験結果からもそ
の評価が確認されている。しかも、この製造方法では、
波形ダイアフラムを単独部品として取り扱うことなく、
圧力センサのケースへのダイアフラムの溶接接合，およ
びダイアフラムの波形部のプレス成形を同じ工程で同時
に行うことができ、かつ手間の掛かる焼鈍工程も必要な
い。なお、前記のガス加圧を行う代わりに、ダイアフラ
ムの周縁をケースに溶接接合して拘束したままの状態で
波形部のプレス成形後に焼鈍を行うと、逆に歪が増大す
ることが実験結果から明らかになっている。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 実施例１：図１，および図２は本発明の請求項１，２に
対応する実施例を示すものでり、以下その製造方法を図
１（ａ）〜（ｄ）により工程順に説明する。

【００１３】まず、（ａ）図に示す肉厚な金属平板（厚
さ0.３mm程度）を母材８として、第１のエッチング工程
では、母材８の片面側（上面）からハーフエッチングの
溝加工を施し、（ｂ）図で表すようにダイアフラムの外
形に対応したパターンのリング状周縁切込み溝９，中央
部の円形平坦溝１０，および同心円状に並ぶリング状の
凹溝１１を堀り込む。なお、切込み溝９の周囲数箇所に
は連結部９ａを切り残しておく。続く第２のエッチング
工程では、（ｃ）図で表すように、母材８の裏面側（下
面）からハーフエッチングし、前記凹溝１１と半ピッチ
ずらして同心円状に並ぶリング状の凹溝１２を堀り込
む。最後に前記連結部９ａを切断して（ｄ）図に示す波
形ダイアフラムが完成する。なお、（ｄ）図において、
１３は図５で述べた固定電極４に対向する中央平坦部、
１４はダイアフラム波形部、１５は周縁接合部である。
ここで、中央平坦部１３，波形部１４の肉厚は３０μｍ
程度とし、接合部１５はエッチングせずに母材８の板厚
（0.３mm程度）のまま残しておく。図２は完成した波形
ダイアフラムの平面図である。なお、図示例では波形部
１４の波数が二つであるが、この波数は図示例の数に限
定されるものではなく、ダイアフラムの肉厚との関連か
ら所望の圧力／変位特性が得られるよう適宜に決められ
る。

【００１４】なお、前記のようにして製作した波形ダイ
アフラムは、図５で述べたように圧力センサの金属製ケ
ースに搭載して前記の周縁接合部１５をケースに溶接接
合して組み立てる。また、当該ダイアフラムは１枚の母
材８から同時に多数個取りして製造することも可能であ
る。 実施例２：図３は本発明の請求項３，４に対応する実施
例を示し、（ａ）〜（ｃ）はその製造工程を順に表わし
ている。まず、（ａ）図において、圧力センサのケース
を兼ねた金属製の固定板１６（固定板１６は図５の上部
ケース１に相当し、中央には導圧孔１６ａが開口してい
る）には、あらかじめダイアフラムの周縁と溶接接合す
るリング状突起（プロジェクション）１６ｂ，およびダ
イアフラムの波形部をプレス成形する金型となるリング
状の成形溝１６ｃを鍛造法などにより形成しておく。そ
して、第１の工程で固定板１６に形成した前記のリング
状突起１６ａの上に、ダイアフラムとなる薄肉（肉厚３
０μｍ程度）の円板状金属箔１７を載置し、ここに溶接
電極１８を当がった上で溶接電源１９から電流を流して
金属箔１７の周縁部とリング状突起１６ｂとの間をその
全周に亙って抵抗溶接する。次に、（ｂ）図に示す第２
の工程で、前記した成形溝１６ｃの形状に適合したリン
グ状のポンチ２０で金属箔１７を上方からプレス操作
し、金属箔１７の板面にダイアフラムの波形部１７ａを
成形する。続いて（ｃ）図に示す第３の工程で固定板１
６の上にストッパ板２１を当がい、この状態で固定板１
６の導圧孔１６ａを通じて高圧の空気あるいは窒素ガス
を導入し、金属箔１７を下面側（プレス加工と逆方向）
からガス加圧する。これにより、前記のプレス工程で金
属箔１７に生じた歪，残留応力が除去される。なお、こ
の場合に前記ストッパ２１は、ガス加圧に伴う金属箔１
７の過渡な撓みを阻止する保護部材としての役目を果た
す。

【００１５】そして、上記方法で製作された固定板と波
形ダイアフラムとの組立体を、図５で述べた圧力センサ
の下部ケース３に取付けて組み立てる。 実施例３：図４は本発明の請求項５に対応する先記実施
例２の応用実施例を示すものである。この実施例におい
ては、固定板１６は環状の枠体とし、専用のプレス金型
を使って金属箔１７に波形部をプレス成形するようにし
たものであり、以下その製造工程を（ａ）〜（ｃ）で順
に説明する。まず、（ａ）図に示す第１の工程で、実施
例２と同様に固定板１６に形成したリング状突起１６ｂ
に薄肉な円板状の金属箔１７を載置し、この状態でリン
グ状突起１６ｂと金属箔１７の周縁部との間を抵抗溶接
する。続く第２の工程では、（ｂ）図で示すように固定
板１６を波形部成形用の専用プレス金型（ダイス）２２
の上にセットし、ポンチ２０を上方からプレス操作して
波形部１７ａを成形する。なお、２２ａはプレス金型２
２に形成した成形溝（図３の成形溝１６ｃに対応する）
である。そして、波形部１７ａを成形した後に、（ｃ）
図で示す第３の工程では、固定板１６の中央開口部に導
圧孔１６ａを開口した蓋部材１６ｄ（鎖線で表す）を取
付けた上で、反対側の端面にストッパ板２１をセット
し、この状態で実施例２と同様に外部からガス加圧して
プレス操作により金属箔１７に生じた歪，残留応力を除
去する。

【００１６】この実施例では、ダイアフラムの波形部の
成形に専用のプレス金型２２を使用するので、実施例２
と比べて高い生産性が得られる。なお、実施例２，実施
例３では、金属箔１７の供給，打ち抜き，固定板１６へ
の溶接接合，プレス成形，ガス加圧の各工程を連続的に
行うことが可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の製造方法に
よれば次記の効果を奏する。 （１）請求項１，２のエッチング法を採用して製作した
波形ダイアフラムは、プレス成形品で見られるように歪
の発生が殆どなく、かつ中央平坦部の平坦度も高く、こ
れにより圧力／変位特性のばらつきが少なく製品の歩留
りが向上する。しかも当該ダイアフラムはその周縁部が
厚肉であるためにハンドリング，圧力センサのケースへ
の組み込みが容易であるほか、ケースへの溶接接合に伴
う熱歪，残留応力の影響も殆ど受けることがないなどの
利点が得られる。

【００１８】（２）また、請求項３ないし５の製造方法
を採用することにより、従来のように波形ダイアフラム
を単独部品として取り扱うことなく、ダイアフラムのプ
レス成形，および圧力センサのケースへの組み込みが同
じ工程で行えて高い生産性が得られるとともに、ケース
への溶接接合に伴ってダイアフラムに生じた歪，残留応
力をその後に行う波形部のプレス成形，ガス加圧により
除去してばらつきの少ない圧力／変位特性を確保でき
る。しかも、従来の製造方法のように手間の掛かる焼鈍
工程も必要なく、圧力検出精度の高い波形ダイアフラム
を安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応する波形ダイアフラム
の製造工程図であり、（ａ）〜（ｄ）はその各工程を順
に表す図

【図２】図１の製造方法で製作した波形ダイアフラムの
平面図

【図３】本発明の実施例２に対応する波形ダイアフラム
の製造工程図であり、（ａ）〜（ｃ）はその各工程を順
に表す図

【図４】本発明の実施例３に対応する波形ダイアフラム
の製造工程図であり、（ａ）〜（ｃ）はその各工程を順
に表す図

【図５】本発明の実施対象となる容量型圧力センサの従
来構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図

【符号の説明】

８ 母材 ９ 周縁切込み溝 １０ 中央部の平坦溝 １１ リング状の凹溝 １２ リング状の凹溝 １３ 中央平坦部 １４ 波形部 １５ 周縁接合部 １６ 固定板 １６ａ 導圧孔 １６ｂ リング状突起 １６ｃ 成形溝 １７ 金属箔 １７ａ 波形部 １８ 溶接電極 ２０ ポンチ ２２ 専用プレス金型

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力センサに組み込んで用いる断面波形の
   感圧ダイアフラムの製造方法であって、厚肉の金属平板
   を母材として該母材の両面にダイアフラムの輪郭と対応
   するパターンのエッチング溝加工を施し、ダイアフラム
   の外周接合部を母材の板厚のまま残してその内周面域に
   薄肉の中央平坦部，および同心円状に凹凸面が並ぶ波形
   部を形成したことを特徴とする圧力センサ用感圧ダイア
   フラムの製造方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の製造方法において、第１の
   エッチング工程で母材の片面に同心円状に並ぶリング状
   の凹溝を加工し、第２のエッチング工程では母材の反対
   側面に第１のエッチング工程で形成した凹溝と半ピッチ
   ずらして同心円状に並ぶリング状の凹溝を加工して波形
   部を形成することを特徴とする圧力センサ用感圧ダイア
   フラムの製造方法。
3. 【請求項３】圧力センサに用いる断面波形の感圧ダイア
   フラムの製造方法であって、平坦な円板状金属箔を圧力
   センサケースである金属製のダイアフラム固定板の上に
   載置し、かつ該固定板に形成したリング状突起と金属箔
   の周縁との間を溶接接合し、この状態で金属箔にダイア
   フラム波形部をプレス加工により成形した後、プレス加
   工と逆方向からガス加圧して金属箔の残留応力を除去す
   ることを特徴とする圧力センサ用感圧ダイアフラムの製
   造方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の製造方法において、固定板
   自身をプレス金型として金属箔にダイアフラム波形部を
   プレス成形することを特徴とする圧力センサ用感圧ダイ
   アフラムの製造方法。
5. 【請求項５】請求項３記載の製造方法において、固定板
   に専用のプレス金型を組合わせて金属箔にダイアフラム
   波形部をプレス成形することを特徴とする圧力センサの
   感圧ダイアフラムの製造方法。