WO1990001153A1 - Pressure sensor, its production method and hydraulic apparatus equipped with the pressure sensor - Google Patents
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Definitions
- the present invention has a preferable structure for assembling to a hydraulic device such as a hydraulic pipe or a hydraulic pipe joint which is a component of a hydraulic machine, and furthermore, a diaphragm having a distortion detecting section.
- a pressure sensor with high measurement accuracy by positioning the diaphragm so that the gauge position is optimal, and by manufacturing this pressure sensor using semiconductor manufacturing technology The present invention relates to a pressure sensor manufacturing method that enables simple and large-scale production, and a highly practical hydraulic device having a structure in which the pressure sensor is previously assembled and commercialized. Background art
- a pressure sensor is a type of sensor that is included in a broad category of stress sensors that conceptually includes strain sensors, torque sensors, load sensors, etc., and measures fluid pressure, air pressure, etc. Used to do. Such pressure sensors are widely used as detection means for detecting the operating oil pressure of each part of a machine, for example, in a hydraulic machine for civil engineering and construction. I have. There are various types of pressure sensor structures. Here, a diaphragm type pressure sensor will be described.
- Fig. 39 shows the structure of a conventional diaphragm type pressure sensor.
- the pressure sensor includes a metal diaphragm substrate 300 that directly receives a pressure P such as a hydraulic pressure, an insulating film 301 formed by a film forming technique such as CVD using silane gas or the like, and a pressure P Four strain gauges 302 whose resistance values change according to the diaphragm distortion caused by the above, a thin-film conductor 3003 that is a terminal for electric wiring, and an airtight protective film. And a passivation film 304 functioning as a function.
- the metal diaphragm substrate 300 functionally consists of two parts.
- One is a diaphragm portion 305 which receives the pressure P and generates a distortion according to the pressure, and the other is a portion which supports the diaphragm portion 305 and is provided at a predetermined mounting position. It is a cylindrical support portion 360 having a function for fixing the pressure sensor.
- the diaphragm part 300 is formed at the top so as to close one end face of the cylindrical support part 360.
- Strain gauge 3 0 2 thin film conductor 3 0 3 S i N x film, covered by package Shibeshi tio emission film 3 0 4 such as S i 0 2 film, thin film conductor 3 0 3 3 0 3 each Are connected to the lower ends of the wires 307 and 307 in the figure.
- each wire 307 is connected to a voltmeter and current through a lead wire (not shown). It is connected to an electrical measuring device such as a gauge, and electrically measures the strain generated in the diaphragm section 305. That is, when there is no load in which the pressure P does not act on the diaphragm section 305, the specific resistance of the strain gauge 302 does not change. There is no potential difference between 0 7 and no current flows on the measuring instrument side. On the other hand, when the pressure P acts on the diaphragm section 305 to cause strain, the specific resistance of each strain gauge 302 changes, and the wires 307, 307 are changed. A potential difference is generated between the two, and the pressure applied to the diaphragm portion 305 by the measuring device can be measured.
- the diaphragm section 2005 and the support section 2006 are integrated as a metal diaphragm base 300.
- the diaphragm section 300 and the support section 106 are formed as separate members.
- Pressure sensors have also been proposed.
- the diaphragm portion 305 is formed as a thin metal diaphragm by itself as a single member, and then joined by welding to a metal cylinder body as a support member. .
- the support part 306 is required in relation to the object on which the pressure sensor is mounted, taking into account the practical use of the pressure sensor.
- the diaphragm section 2005 and the support section 2006 are separate. Even if the pressure sensor is configured as a member, a support element for supporting the diaphragm is not required, and a separate support member is added to the pressure sensor, so that the final It has almost the same structure as the pressure sensor shown in Fig. 39. Then, a semiconductor manufacturing technique is applied to a state in which the thin diaphragm and the cylindrical body are combined, and a semiconductor strain gauge is formed on the upper surface of the diaphragm.
- the strain gauge 302 described above a metal strain gauge or a semiconductor strain gauge is used.
- semiconductor strain gauges have a higher gauge factor than metal strain gauges, and can generate large changes in resistance values in response to slight mechanical strain. It is often used.
- the strain gauge 302 shown in FIG. 39 is a thin film semiconductor strain gauge formed on the upper surface of the insulating film 301.
- the strain gauges published in the Japanese Utility Model Publication No. 61-137372 are also semiconductor strain gauges as described above.
- the strain gauge 302 is formed by forming a gauge silicon thin film containing impurities such as phosphorus or boron on the insulating film 301 by, for example, a plasma CVD method, and then using a photolithography method.
- the thin film conductor forming the terminal 303 is made of gold, copper, aluminum, or the like by using, for example, a vacuum evaporation method.
- a thin film made of a good conductor material such as a miniature is formed, and then a pattern for connecting each of the strain gauges 302 is formed by a photolithography method. Is configured.
- the insulating film 301, the strain gage 302, the thin-film conductor 303, and the passivation film 304 are all formed by applying the semiconductor manufacturing technology. Manufactured. Semiconductor manufacturing technology is used to manufacture pressure sensors with semiconductor strain gauges.
- the pressure sensor having the structure shown in FIG. 39 attempts to directly form the strain gauge 302 etc. on the upper surface of the metal diaphragm base 300.
- the metal diaphragm substrate 300 has a thickness of about 3 to 6 thighs, whereas the strain detecting section including the strain gauge 302 is formed in a thin plate having a thickness of 2 mm or less.
- the thickness of the diaphragm base 300 is an obstacle and the semiconductor manufacturing technology cannot be fully utilized.
- Such a problem similarly occurs in the pressure sensor disclosed in Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 6-1133724 in which the diaphragm and the cylinder are formed as a member. . That is, when the strain gauge is formed by applying the semiconductor manufacturing technology, the diaphragm and the cylindrical body are in an integrated state, and thus have a predetermined thickness as in the conventional example. In manufacturing A similar problem arises in that semiconductor manufacturing technology cannot be fully utilized.
- a metal diaphragm section 300 with a substantially U-shaped cross section is formed by cutting, and is placed on the strain-causing section of the diaphragm section 2005.
- strain gauges 302 are formed. Since the strain gauge 302 is formed as an ultrathin film of 2 #m or less by semiconductor film forming technology, the performance of the semiconductor strain gauge 302, which originally has high strain detection sensitivity, is improved. In order to maintain the thickness, it is required that the thickness of the diaphragm portion 305 be formed with high accuracy and uniformity. However, it is difficult to meet such demands with current cutting technology o
- the four strain gauges 302 are determined by the inner diameter of the cylindrical support portion 303 on the upper surface of the pressure diaphragm portion 305 in order to effectively exhibit the high strain detection sensitivity. It is desirable to place them at the maximum distance within the range of the strain-causing part.
- the lower part of the diagram of the diaphragm substrate 300 in FIG. Roundness occurs at the periphery of the ceiling of the hole drilled from the side, and the cutting accuracy cannot be increased. Therefore, the range of the strain generating portion of the diaphragm portion 300 cannot be strictly defined only by the inner diameter of the support portion 306, and the strain gauge 302 is positioned with high accuracy. This makes it difficult, and as a result, the accuracy of positioning the strain gauge of the pressure sensor manufactured with the above structure is low.
- a thin plate as a diaphragm and a cylindrical body as a support are manufactured as a single body.
- the thin plate and the support are joined by welding, and then a strain gauge is formed on the upper surface of the thin plate. Since it can be made alone by using a thin plate member having a strain generating portion, the thickness of the thin plate can be made uniform.
- the thin plate is then joined by welding to the cylindrical body formed as a member, the strained portion of the thin plate is deformed due to the heat of the welding process, etc. As a result, an error occurs, and it is not possible to finally strictly define the size of the strain-causing portion range in the pressure sensor. Therefore, it is difficult to increase the positioning accuracy of the strain gauge formed on the strain-causing portion, and the positioning accuracy is low.
- the structure of the pressure sensor must always be determined in consideration of the environment where the pressure sensor is installed.
- the supporting member supporting the diaphragm is required to install the diaphragm and to protect the diaphragm from a disturbance deformation force.
- the diaphragm section 2005 and the support section 2006 are formed as a metal diaphragm base 300 by the manufacturer. Since the pressure sensor is formed integrally in advance and is not manufactured in consideration of the working environment of the pressure sensor, it cannot be said that it is easy to use for the user.
- the form of the support portion 360 of the metal diaphragm base 300 and the structure of the pressure sensor itself are generally standardized on one side, and are used by the user. Not formed to be optimal for the environment.
- a first object of the present invention is to clearly define a range of a strain generating portion on a diaphragm subjected to pressure, and to demonstrate the performance of a plurality of semiconductor strain gauges having high detection sensitivity for the strain generating portion. It has a structure that can be formed with high positioning accuracy so that it can be manufactured, and because it adopts this structure, it can be manufactured in a simple film forming process by effectively utilizing semiconductor manufacturing technology and can be manufactured in large quantities. Another object of the present invention is to provide a pressure sensor that can be manufactured at a high speed and a method for manufacturing the pressure sensor.
- a second object of the present invention is to accommodate a thin plate-shaped diaphragm in a stepped hole of a metal supporting member and perform high-precision diaphragm positioning with the stepped hole, as well as hydraulic equipment and the like.
- the diaphragm When the diaphragm is firmly supported by the support member during assembly, it can respond to high pressure detection, and can be fixed to the wall of the hydraulic equipment even if the diaphragm is fixed.
- the purpose of the present invention is to provide a pressure sensor having an optimal structure for wall assembly because no fixing force is directly applied to the pressure sensor.
- a third object of the present invention is to provide a thin diaphragm having a single sheet-like diaphragm provided with a strain detecting unit composed of a strain gauge or the like, so that different pressures can be applied to both surfaces of the diaphragm.
- An object of the present invention is to provide a pressure sensor that realizes a differential pressure sensor having a simple configuration with good responsiveness by using one diaphragm.
- a fourth object of the present invention is to effectively apply a semiconductor manufacturing technology to a diaphragm formed in a single thin plate shape, thereby achieving high precision positioning of a semiconductor in a strained portion of the diaphragm.
- a pressure sensor can be manufactured by forming a strain detector including a strain gauge, etc., and a pressure sensor having such high positioning accuracy can be manufactured easily and in large quantities. The purpose of this is to provide a production method.
- a fifth object of the present invention is to utilize semiconductor manufacturing technology.
- by providing diffusion bonding and crystallization of the amorphous strain gauge by a single heat treatment it is possible to provide a method of manufacturing a pressure sensor that can simplify the manufacturing process and manufacture the pressure sensor. I will.
- a sixth object of the present invention is to provide a simple configuration and a form that is not inconvenient in appearance, and that a measurement position such as hydraulic pressure can be freely selected, and that a low cost
- An object of the present invention is to provide a hydraulic device having a pressure sensor capable of performing highly reliable pressure measurement at a high speed. Disclosure of the invention
- a first pressure sensor is formed in a thin plate shape, has a strain detection unit provided on one surface and has at least one surface serving as a pressure receiving surface, a large-diameter hole and a diaphragm.
- a supporting member having a small-diameter hole coaxially connected thereto, wherein the large-diameter hole accommodates the diaphragm and the inner wall surface of the large-diameter hole restricts the position of the outer end of the diaphragm.
- the diaphragm installation position is determined for the small-diameter hole based on the small-diameter hole.
- the small-diameter hole stipulates the size of the strain-causing part of the diaphragm, and the step formed between the large-diameter hole and the small-diameter hole is It is configured so that the pressure medium is introduced to the pressure receiving surface of the diaphragm housed in the large-diameter hole.
- a second pressure sensor according to the present invention has the above configuration.
- the positioning of the diaphragm with respect to the small-diameter hole is configured to be performed by bringing the outer end of the diaphragm into contact with the inner wall surface of the large-diameter portion.
- a third pressure sensor having the first configuration, wherein the diaphragm is formed in a rectangular thin plate shape, and the inner wall surface of the large-diameter hole restricts the position of each vertex of the diaphragm. It is configured so that the above-mentioned positioning of the diaphragm is performed based on the positional relationship to be performed.
- a fourth pressure sensor according to the present invention has the first configuration, and the diaphragm is configured to be coupled to the support member by an adhesive.
- a fifth pressure sensor in the first pressure sensor having the first configuration, wherein the diaphragm and the support member are both made of a metal material, and the diaphragm is provided outside the strain detecting section.
- the peripheral surface of the periphery and the step surface of the support member are connected by diffusion bonding to the support member.
- the sixth pressure sensor according to the present invention is formed in a thin plate shape, and has two diaphragms having one surface provided with a strain detection unit and the other surface serving as a pressure receiving surface, and a large-diameter hole. And a supporting member having two sets of small-diameter holes connected to the same axis. Each of the large-diameter holes of the two sets accommodates one of the two diaphragms, respectively.
- Positional relationship where the inner wall of the large-diameter hole limits the position of the outer end of each diaphragm Determine the installation position of each diaphragm with respect to each small-diameter hole based on the criterion, define the size of the strain-causing portion of each diaphragm, and form each small-diameter hole between each large-diameter hole and each small-diameter hole.
- Each step serves as a coupling surface with each diaphragm, and a pressure medium of a different pressure is introduced into the pressure receiving surface of each diaphragm housed in each large-diameter hole, forming a differential pressure sensor. .
- a seventh pressure sensor includes a diaphragm provided with a strain detecting unit on one surface, a diaphragm having both one surface and the other surface as a pressure receiving surface, a large-diameter hole, and a small-diameter coaxially connected thereto.
- the large-diameter hole accommodates the diaphragm, and the inner wall surface of the large-diameter hole restricts the position of the outer end of each diaphragm with respect to the small-diameter hole.
- the small-diameter hole defines the size of the strain-causing portion of the diaphragm, and the step formed between the large-diameter hole and the small-diameter hole is the joint surface with the diaphragm. Further, pressure media having different pressures are introduced to one surface and the other surface of the diaphragm accommodated in the large-diameter hole, and are configured as a differential pressure sensor.
- a first method of manufacturing a pressure sensor according to the present invention includes a diaphragm forming step of forming a thin plate-shaped diaphragm from a metal material, and an insulating step of forming an insulating film near a central portion of one surface of the diaphragm.
- a second method for manufacturing a pressure sensor according to the present invention comprises the above-described method for manufacturing a pressure sensor, wherein the heat treatment step and the gauge pattern forming step are performed in the reverse order. .
- a diaphragm forming step of forming a thin plate-shaped diaphragm from a metal material, and forming an insulating film on one surface of the diaphragm An insulating film forming step, a silicon thin film forming step of forming a silicon thin film on the upper surface of the insulating film in an amorphous state, and a heat treatment of heat treating and crystallizing the amorphous silicon thin film
- a fourth method for manufacturing a pressure sensor according to the present invention is the same as the above method for manufacturing a pressure sensor, except that the heat treatment step and the gauge pattern forming step are performed in the reverse order.
- a metal material is used so that a plurality of diaphragms can be formed.
- a sixth method for manufacturing a pressure sensor according to the present invention is the method for manufacturing a pressure sensor, wherein the heat treatment step and the gauge pattern forming step are performed in the reverse order. is there.
- the seventh method of manufacturing a pressure sensor according to the present invention includes a base material forming step of forming a thin base material having an arbitrary area with a metal material so that a plurality of diaphragms can be formed; Film forming process for forming an insulating film on a silicon film, and forming a silicon thin film on the upper surface of the insulating film in an amorphous state. Forming a silicon thin film, heat-treating and crystallizing the amorphous silicon thin film, and forming a pattern of the crystallized silicon thin film on a plurality of strain gauges.
- a pressure sensor manufacturing method in which, in the pressure sensor manufacturing method, the order of performing the heat treatment step and the gauge pattern forming step is reversed. .
- the support member, the diaphragm and the heat treatment step of simultaneously heat treating the amorphous gauge O
- a tenth manufacturing method of a pressure sensor according to the present invention includes a base material forming step of forming a thin plate base material having an arbitrary area so that a plurality of diaphragms can be formed, and a method of forming each diaphragm.
- a mask placement process of placing a mask on the thin substrate to secure the space where the strain detection section of the lam is formed, and an insulating film is formed in the space created by the mask on the top surface of the thin substrate Forming a silicon thin film in an amorphous state on the upper surface of the insulating film; forming a silicon thin film on the upper surface of the insulating film; removing a mask from the thin plate base material;
- the diaphragm in which the gauge is formed and the supporting member for accommodating and positioning the diaphragm are diffusion-bonded and, at the same time, the supporting member is used to crystallize the amorphous strain gauge of the diaphragm. And a heat treatment step of simultaneously heat treating the diaphragm and the pit crystalline gauge.
- a hydraulic device with a pressure sensor is a hydraulic device having an inner wall having a wall portion that comes into contact with pressurized oil, wherein a pressure sensor installation hole formed from the outer wall surface of the wall portion to the inner wall surface.
- the pressure sensor installation hole communicates with the pressure oil contact surface.
- the pressure oil introduction hole formed in the wall portion, the pressure sensor installation hole includes a diaphragm provided with a strain detection section, and a pressure member for accommodating and positioning the diaphragm.
- a sensor is provided, and the pressure sensor is fixed to the pressure sensor installation hole in the wall by fixing the support member with the holding member.
- FIG. 1 is an enlarged view of the structure of a pressure sensor according to the present invention (a pressure sensor in a broad sense; in the embodiment, it is referred to as a pressure sensor unit, and is also referred to as a pressure sensor unit hereinafter).
- Fig. 2 is a bottom view of the pressure sensor unit shown in Fig. 1
- Fig. 3 is a longitudinal sectional view showing the structure of the pressure sensor in a narrow sense by enlarging the strain detection unit.
- FIG. 4 is a circuit diagram specifically showing the configuration of the electric circuit section
- FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a state where the pressure sensor unit is mounted on a wall or the like
- FIG. 6 is a view in FIG. ⁇ !-VI line cross-sectional view, Figs.
- FIGS. 7 to 16 are process diagrams showing one embodiment of a method for manufacturing a pressure sensor according to the present invention
- Fig. 17 is a diagram showing other components of the pressure sensor according to the present invention.
- FIGS. 18 to 23 are process diagrams showing a method for manufacturing the pressure sensor shown in FIG. 17, and FIGS. Longitudinal sectional view showing another embodiment of a pressure cell Nsayuni Tsu bets according to the present invention, the second 5 Figure shows another embodiment further pressure cell Nsayuni Tsu bets according to the present invention
- FIG. 26 is a longitudinal sectional view showing a further embodiment of the pressure sensor unit according to the present invention formed in a compact
- FIG. 27 is a book constituted as a differential pressure sensor.
- FIG. 28 is a longitudinal sectional view showing an embodiment in which the pressure sensor unit according to the present invention is assembled to a wall or the like.
- FIG. 28 is another embodiment of the pressure sensor unit according to the present invention configured as a differential pressure sensor.
- FIG. 27 is a view similar to FIG. 27,
- FIG. 29 is an enlarged view of a main part in FIG. 28, and
- FIG. 30 is a modified embodiment of the differential pressure sensor shown in FIG.
- FIG. 31 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a hydraulic device with a pressure sensor according to the present invention;
- FIG. 32 is an enlarged plan view of a principal part of FIG. 31;
- Fig. 3 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the hydraulic device with a pressure sensor according to the present invention.
- FIG. 34 is an enlarged plan view of a main part of Fig. 33.
- Fig. 35 is a pressure sensor according to the present invention.
- Sensor FIG. 36 is a cross-sectional view taken along the line X XX V—XX XV in FIG. 35
- FIG. 37 is a hydraulic device with a pressure sensor according to the present invention.
- FIG. 38 is a side view showing the fourth embodiment, FIG. 38 is a cross-sectional view taken along line X XXW—XX XW in FIG. 37, and
- FIG. 39 is a vertical cross-sectional view for explaining the structure of a conventional pressure sensor.
- reference numeral 1 denotes a pressure sensor unit according to a first embodiment of the present invention
- the pressure sensor unit 1 is composed of a metal diaphragm 2 having a strain-flexing portion at the center thereof.
- the metal diaphragm 2 includes a metal supporting member 3 that accommodates, installs, and holds the metal diaphragm 2 at a lower portion, and an electric circuit portion 4 that is disposed at an upper portion of the supporting member 3.
- the pressure sensor unit 1 is composed of the metal diaphragm 2, the metal support member 3, and the electric circuit section 4 as described above, and forms a pressure sensor in a broad sense.
- the metal diaphragm 2 is provided with a strain detecting section 2 A composed of a semiconductor strain gauge or the like on the upper surface thereof. Therefore, the metal diaphragm 2 and the strain detector 2A constitute a pressure sensor 1A in a narrow sense.
- the support member 3 has a substantially cylindrical external shape with a short axial length, and a circular stepped hole 5 having a partially different diameter is formed in a central axis portion thereof.
- the support member 3 is generally made of metal.
- a large-diameter hole 5a having a circular concave shape on the lower surface
- a small-diameter hole 5b at the center and a large-diameter hole 5c having a circular concave shape on the upper surface in Fig. 1.
- the holes 5a, 5c, and 5b are formed in a coaxial positional relationship.
- Large-diameter hole 5a accommodates metal diaphragm;
- the large-diameter hole 5c is a space for accommodating the electric circuit unit 4, and the small-diameter hole 5b is a space for passing electric wiring.
- a circular annular groove 6 surrounding the large-diameter hole 5a is formed in the lower surface of the support member 3 as shown in FIGS. 1 and 2.
- the diaphragm 2 is disposed in the large-diameter hole 5a of the support member 3 and is a thin metal plate having a thickness of about 0.05 to 2 thighs, for example, as shown in FIG. It has a planar shape.
- a metal such as SUS630 or other rigid plate material is used.
- the length of the diagonal line of the diaphragm 2 is almost equal to the diameter of the large-diameter hole 5a, and the diaphragm 2 is fitted into the large-diameter hole 5a so as to fit into the large-diameter hole 5a. • Diaphragm 2 is formed to be installed.
- the diaphragm 2 is firmly fixed to the support member 3 by the peripheral portion of the upper surface being fixed to the stepped surface of the large-diameter hole 5a by the joint 7 by diffusion bonding.
- the central axes of the two coincide.
- the thin diaphragm 2 is accommodated in the large-diameter hole 5 a of the support member 3, and in this accommodated state, the four vertices that are the outer ends of the diaphragm 2 are provided. Diaphragm comes into contact with the inner wall surface of the large-diameter hole 5a. The ram 2 is positioned in the large diameter hole 5a. As a result, in the support member 3, the diaphragm 2 is positioned with high accuracy in the small-diameter hole 5b formed coaxially with the large-diameter hole 5a.
- the diaphragm 2 Since the diaphragm 2 is coupled to the step surface of the large-diameter hole 5a as described above, the uncoupled portion on the diaphragm 2 becomes a strain-flexing portion. Since the surface of this step is determined by the small-diameter hole 5b, the range of the strain-causing portion in the diaphragm 2 is limited as long as the positioning accuracy of the diaphragm 2 with respect to the small-diameter hole 5b is high. It is strictly specified with high accuracy by 5b. As described above, according to the configuration of the pressure sensor unit 1 according to the present invention, the manufacturing process of assembling the diaphragm 2 to the support member 3 and the assembling configuration are required. The structure of each of the diaphragm 2 and the support member 3 makes it possible to strictly determine the dimension of the strain-causing portion of the diaphragm 2 in dimension.
- the diaphragm 2 As described above, regarding the positioning of the diaphragm 2 on the support member 3, it is not necessary that all the vertices of the diaphragm 2 contact the inner wall surface of the large-diameter hole 5a. Even in a non-contact state, the position of each vertex of the diaphragm 2 is restricted by the inner wall surface based on the positional relationship between each vertex and the inner wall surface of the large-diameter hole 5a, If the diaphragm 2 is within the required range within the large-diameter hole 5a, the range of the strain-causing portion can be defined by the positional relationship with the small-diameter hole 5b. You.
- the planar shape of the diaphragm 2 is not limited to a square, but may be an arbitrary shape such as a circle or a polygon. In the case of a circle, the outer end is the periphery. As is clear from the example shown in FIG. 1, the thickness of the diaphragm 2 is smaller than the depth of the large-diameter hole 5a, but these can be made equal.
- FIG. 3 shows an enlarged view of the structure of the strain detection section 2A formed on the upper surface of the diaphragm 2.
- the pressure sensor 1A in a narrow sense is formed by the diaphragm 2 and the strain detector 2A.
- the strain detector 2A includes an insulating film 8 formed on the upper surface of the diaphragm 2 and four semiconductor strain gauges 9 formed on the insulating film 8 (only two are shown in the illustrated example). ),
- the insulating film 8 is not formed over the entire upper surface of the diaphragm 2, but is formed substantially corresponding to the range of the strain-generating portion, and the diaphragm surface 2a is formed on the peripheral portion of the diaphragm 2. It is formed to appear.
- the diaphragm surface 2a is a bonding surface used for the connection by the diffusion bonding. Insulating film 8, Other configurations, characteristics, etc. of the strain gauge 9, the thin-film conductor 10, the wire 11, and the nossion film 12 are described in the related art described with reference to FIG. The description is omitted because it is completely the same.
- the pressurized oil as a pressure medium causes the strain-generating portion of the diaphragm 2 to move. Distortion occurs in the formed part, and this distortion is detected by the four strain gauges 9 arranged in an optimal positional relationship with respect to the strain-generating part, and the distortion is generated between the wires 11 and 11. Generates the corresponding voltage.
- the distortion detecting section 2A having the above-described configuration has a thickness of a micron unit and is extremely thin compared to the thickness of the diaphragm 2; Its structure is not shown in the figure.
- the electric circuit section 4 is provided on a circuit board 13.
- the circuit board 13 is disposed in the large-diameter hole 5c formed on the upper surface side of the support member 3, and as a result, the electric circuit section 4 itself is accommodated and installed substantially in the large-diameter hole 5c. It is configured.
- the electric circuit section 4 includes an amplifier circuit section and an adjustment resistor.
- FIG. 4 shows an example of a circuit configuration including the distortion gauge 9 and the electric circuit section 4.
- the four resistors 9 a, 9 b, 9 c, and 9 d represent the aforementioned four strain gauges 9 as electric circuit elements.
- 9 c and 9 d are weights They are connected to form a bridge circuit.
- a power supply terminal 14 is connected to a node between the resistors 9a and 9b, and a ground terminal 16 is connected to a node between the resistors 9c and 9d.
- Variable resistance R 2 between the variable resistor R 1 and the resistor 9 b and 9 d between the resistor 9 a and 9 c are their respective resistance for zero To ⁇ adjustment.
- the output of the pre Tsu di circuit is Eject a resistor R i each terminal of the resistor R 2.
- the operational amplifier 1 7 form a differential amplifier I by the resistor 1 8-2 1 and the variable resistor R 3, R 4, R 5 .
- Each output voltage of the Wheat bridge circuit is divided by a corresponding input-side resistor and input to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 17, respectively.
- the voltage corresponding to the differential voltage on the input side is amplified and output to the output terminal 15 of the input terminal.
- the resistor R 3 is a resistor for adjusting the offset
- the resistors R 4 and R 5 are resistors for adjusting the gain.
- the electric circuit section 4 has a wide circuit section and a plurality of adjustment resistors, and has three connection terminals of a power supply terminal 14, an output terminal 15, and a ground terminal 16.
- Wirings 14a, 15a, and 16a are connected to the terminals as shown in Fig. 1, respectively, and are further drawn out.
- the adjustment of each of the adjusting resistors is configured to be easily performed from above the electric circuit unit 4. Pulled from the strain detector 2A formed on the diaphragm 2. The above-mentioned wires 11 and 11 are passed through the hole 5b and further pass through small holes formed in the circuit board 13 and connected to the electric circuit section 4 on the circuit board 13 Is done.
- FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a state in which the pressure sensor unit 1 having the structure shown in FIG. 1 is assembled to a wall 22 of a hydraulic device such as a hydraulic pipe.
- 22a indicates the outer surface of the wall 22
- 22b indicates the inner surface thereof.
- An oil passage or the like is formed on the inner surface 22b side.
- a circular hole 24 opened to the side is formed. Therefore, the side of the concave portion 23 and the side of the oil passage are in communication with each other via the hole 24.
- the depth of the recess 23 is larger than the thickness of the support member 3.
- the support member 3 in which the diaphragm 2 and the electric circuit section 4 are incorporated is fitted into the concave section 23 of the wall section 22 and installed.
- a seal ring 25 for an oil seal was arranged in an annular groove 6 formed on the lower surface of the support member 3, and this seal ring 25 was brought into contact with the bottom surface of the concave portion 23.
- the support member 3 is disposed in the recess 23 by bringing the lower surface of the support member 3 into contact with the bottom surface of the recess 23.
- FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. 5, and shows a state of the upper surface of the diaphragm 2 having a square planar shape.
- reference numeral 26 denotes the outline of the inner wall surface of the large-diameter hole 5a
- reference numeral 24 denotes the above-mentioned wall portion located below the diaphragm 2.
- reference numeral 27 denotes a pressing member for pressing and fixing the pressure sensor unit 1 installed in the concave portion 23 from the side of the outer surface 22a, and the pressing member 27 is provided with a concave portion. It is a circular plate-shaped member having a protruding part 27 a fitted to the part 23. The pressing member 27 is fixed to the wall 22 with at least two bolts 28 while pressing the supporting member 3 with the protrusion 27 a. 2 9 is a screw hole formed in the wall 2 2,
- Reference numeral 30 denotes a bolt through hole formed in the holding member 27.
- the large-diameter portion for accommodating the bolt head is formed in the bolt hole 30 so that the head of the bolt 28 does not protrude when the bolt is mounted.
- a stepped hole 31 is formed in the center of the holding member 27, and the pressure sensor is formed by the hole 31. Wirings 14 a, 15 a, and 16 a drawn from the electric circuit section 4 of the knit 1 are taken out.
- the pressing force of the holding member 27 is directly applied to the high-strength support member 3, so that no unnecessary deformation force is applied to the diaphragm 2, and the pressure is measured. Constant accuracy can be kept high.
- the insulating film 8 is formed so as to correspond to the portion of the diaphragm 2 whose strain is known to the manufacturer, and the peripheral portion of the diaphragm 2 is not formed with the insulating film 8 and has a joint surface. 2a.
- the semiconductor strain gauge 9 formed on the upper surface of the insulating film 8 is doped with an impurity such as phosphorus or boron by an amorphous silicon on the upper surface of the insulating film 8 by a plasma CVD method or the like.
- a thin film is formed, and an amorphous strain gauge is formed on the silicon thin film by applying a photolithography method, and then subjected to a heat treatment to form a crystalline strain gauge. Formed.
- An amorphous silicon thin film does not have a function as a strain gauge, but from the viewpoint of convenience of explanation and unification of terms, in this specification and the claims, the amorphous thin film and the crystalline material will not be used. Use the term “strain gauge” regardless of condition. In the above-described manufacturing method, the order of performing the pattern forming step and the heat treatment step may be reversed.
- the pressure sensor unit 1 of the above embodiment heat treatment for diffusion bonding between the diaphragm 2 and the support member 3 was performed, and the strain gauge 9 on the upper surface of the diaphragm 2 was changed from an amorphous state to a crystalline state. It is possible to simultaneously perform the heat treatment for changing the temperature into a single heat treatment.
- the bonding surface 2a of the diaphragm 2 and the step surface of the large-diameter hole 5a of the support member 3 are brought into contact with each other via an insert material such as aluminum, and a vacuum or argon atmosphere is applied.
- the entire body By heating the entire body at a temperature of 550 ° C or more for a certain period of time while maintaining the pressurized state under air, for example, atomic bonding between the diaphragm 2 made of the same metal material and the support member 3 It is possible to obtain an extremely strong bonding force.
- the diffusion bonding can be performed even when the diaphragm 2 and the support member 3 are not formed of the same metal but are formed of another member or a non-identical member.
- the temperature at which the strain gauge 9 in the amorphous state is crystallized is 500 to 65 ° C. Therefore, the diffusion bonding
- the crystallinity of the strain gauge 9 can be simultaneously performed by a single heat treatment using the heat treatment for the heat treatment.
- the diaphragm 2 is formed in advance in a state of being installed and accommodated in the concave portion 5a of the support member 3 and in accordance with the joint surface of the concave portion 5a (diaphragm forming step).
- An insulating film 8 is formed at a predetermined position on the upper surface of the diaphragm 2 (insulating film forming step), and an amorphous silicon thin film is formed on the upper surface of the insulating film 8 (silicon thin film forming). Then, an amorphous strain gage 9 is formed on the silicon thin film by patterning (gauge pattern forming step).
- the above-mentioned structural part of the pressure sensor unit 1 can be produced. .
- the heat treatment method for crystallizing the above-mentioned amorphous silicon thin film has been proposed by the present inventors in Japanese Patent Application No. 63-241,955. As described in detail in this application specification, etc., according to the above heat treatment, an amorphous silicon thin film having a resistance value almost close to an insulator is heated at a temperature of 500 ° C. or more. As a result, a crystalline silicon thin film having a reduced piezoresistive effect is formed.
- FIG. This manufacturing method is a method for manufacturing a large number of structural parts composed of the diaphragm 2, the insulating film 8 and the strain gauge 9.
- a thin metal substrate 32 shown in FIG. 7 is formed in a substrate forming step.
- the thin metal substrate 32 will be the diaphragm 2 later.
- the thin plate base material 32 is formed in a thin plate shape having a thickness of about 0.05 to 2 mm by, for example, SUS630. The size is large enough to form a large number of diaphragms 2 as described later.
- the metal mask 33 is mounted on the upper surface of the thin plate base material 32 in a fixed state. By providing the metal mask 33, a large number of circular spaces are formed on the upper surface of the thin plate base material 32, and these spaces are places where the strain detecting section 2A is formed.
- Figure 9 shows an insulating film forming step, the thin substrate 3, for example in the space formed by the metal mask 3 3 in the second upper surface S i 0 2, S i C , using S i N x and the like, and a vacuum deposition method, the thickness t 2 is formed about l to 2 0 ii m about insulating film 8 by a suitable deposition technique such as spatter method.
- FIG. 10 shows the process of forming a silicon thin film.
- the silicon thin film 3 in an amorphous (amorphous) state having a lower crystallinity is formed on the upper surface of the insulating film 8 by doping phosphorus or boron by, for example, a plasma CVD method.
- Form 4 After forming the silicon thin film, the metal mask 33 is removed as shown in the mask removing step of FIG. Next, as shown in FIGS. 12 and 13, four amorphous strain gages were applied to each of the silicon thin films 34 by the photolithography method.
- a gauge pattern forming step of forming a pattern of page 9 is performed.
- FIGS. 13 and 14 show the cutting process.
- the thin plate substrate 32 is cut as shown by the broken line in FIG. 13 for each of the four amorphous strain gauges 9 formed by the gauge pattern forming step.
- a pressure sensor 1A including a diaphragm 2, an insulating film 8, and four amorphous strain gauges 9 is formed.
- FIGS. 15 and 16 show a heat treatment step for diffusion-bonding the support member 3 and the diaphragm 2 and for crystallizing the strain gauge 9 in an amorphous state.
- the distortion detecting section faces the small-diameter hole 5b with an optimal positional relationship. Then, while holding the support member 3 and the diaphragm 2 in a pressure-contact state, as shown in Fig. 16, the support member 3 and the diaphragm 2 were placed in an electric furnace 36 provided with a heater 35, and the necessary diffusion bonding was performed. Heat at 50 or above temperature for a certain time. As a result, the support member 3 and the diaphragm 2 are atom-bonded, and the amorphous strain gauge 9 is crystallized to change into a semiconductor strain gauge having a piezoresistive effect.
- the diffusion bonding of the support member 3 and the diaphragm 2 and the crystallization of the semiconductor strain gauge 9 can be performed at the same time, thereby reducing the number of manufacturing steps and manufacturing.
- the manufacturing cost can be reduced.
- a large number of strain detecting sections can be simultaneously formed using a thin-plate base material having a large area, and a large number of pressure sensors of the same quality can be manufactured.
- Fig. 17 shows a modification of the structural part of the strain detecting section 1A composed of the diaphragm 2, the insulating film 37, the semiconductor strain gauge 9, the thin film conductor 10, and the passivation film 12.
- the insulating film is formed on the entire upper surface of the diaphragm 2.
- the other configuration is the same as the configuration shown in FIG. With such a configuration
- the distortion detecting section to be fixed is fixed to the step of the circular large-diameter hole 5 a of the support member 3 using an adhesive. Since the bonding force between the support member 3 and the diaphragm 2 is weaker than when fixed by diffusion bonding, this configuration is used when the pressure to be detected is relatively weak. .
- a method of manufacturing the distortion detecting section having the above structure will be described with reference to FIGS. 18 to 23.
- This manufacturing method is basically the same as the manufacturing method described with reference to FIGS. 7 to 14.
- a circular metal thin plate base material 32 is formed by the base material forming step (FIG. 18), and the insulating film 3 is formed over the entire upper surface of the thin plate base material 32 in the insulating film forming step.
- 7 is formed by film forming technology (Fig. 19).
- a silicon thin film forming step an amorphous silicon thin film 38 is formed on the entire upper surface of the insulating film 37 (FIG. 20), and thereafter, photolithography is performed.
- a gage pattern formation process is performed by a method so that the silicon thin film 38 becomes a plurality of amorphous strain gages 9 (FIGS. 21 and 22). .
- This gauge pattern is formed in advance corresponding to the portion of the diaphragm 2 that will be the strain generating portion.
- the thin plate base material 32 and the insulating film 37 are cut as shown by the broken lines in FIG. 22 for each of the four strain gauges 9, and finally the diaphragm 2 is cut.
- a plurality of strain detecting portions composed of an insulating film 37 and an amorphous strain gauge 9 are formed (FIG. 23). like this Each of the strain detectors shown in FIG. 23 is then subjected to the heat treatment for crystallizing the amorphous strain gauge 9.
- Fig. 24 shows the main part of the pressure sensor unit 1.
- the pressure sensor unit 1 has a liquid contact surface where the lower side 39a in the figure comes into contact with the pressure oil, and this liquid contact surface 39a From the other side 39 b to a flat base 39 in which a large-diameter step 39 c and a small-diameter hole 39 d are formed concentrically, and a large-diameter step 39 c of the base 39. And, for example, a circular diaphragm 2.
- the base 39 is a wall that comes into contact with pressure oil of a hydraulic device such as a hydraulic pipe, a coupling, a hydraulic pump, and a hydraulic motor.
- Diaphragm 2 has a strain detecting portion 2A formed on the upper surface in the figure, and is then fixed to a large-diameter step portion 39c of base body 39 by diffusion bonding or an adhesive or the like. 2A is in a state of being accommodated in the small diameter hole 39d of the base 39.
- a base member 39 serving as a support member is substituted by a wall portion that comes into contact with hydraulic oil of a hydraulic device.
- reference numeral 40 denotes a cover formed of a synthetic resin into a closed cylindrical shape, and the cover 40 is fixed to the insulating film 8 so as to cover the distortion detecting section 2A.
- the wall 40a is provided with a plurality of wire insertion holes 41, 41 (two shown in the illustrated example).
- Reference numerals 42 and 42 denote connection terminals fixed to the upper surface of the top wall portion 40a and to which a plurality of lead wires 44 and 44 are connected. One end of a corresponding wire 11 is connected to each of the plurality of connection terminals 42. An unillustrated electric circuit unit, a measuring instrument, and the like are connected to respective ends of the lead wires 44, 44.
- the strength of the diaphragm 2 which is a main part of the pressure sensor 1A can be increased as in the above-described embodiment, and the diaphragm 2
- the base member 39 as a support member is directly connected to the hydraulic equipment. Because it is a wall, the pressure sensor unit 1 can be compactly assembled.
- FIG. 25 is similar to FIG. 24.
- the inner peripheral surface of the large-diameter step portion 46 c of the base body 46 and the outer peripheral surface of the circularly formed diaphragm 47 are shown.
- a snap ring 4.8 is interposed between them, and a 0-type seal ring 49 for oil seal is provided on the contact surface between the diaphragm 47 and the base 46. Oil liquid, etc., is prevented from entering the distortion detection section 2A side.
- the rest of the configuration is the same as the configuration described in FIG.
- the operation of assembling the diaphragm 47 to the base body 46 is easy, in addition to the effect of improving the accuracy of the alignment described in each of the above embodiments, and the diaphragm can be easily assembled.
- 4 7 can be removed to replace the strain detector 2A, which is excellent in operability such as assembly and maintenance.
- FIG. 26 shows the pressure sensor unit 1 formed in a more compact structure.
- 50 is a small supporting member
- 2 is a diaphragm housed and installed in the large-diameter hole 50a of the supporting member 50 and fixed to the supporting member 50 by diffusion bonding or the like.
- Reference numerals 4 denote electric circuit portions provided on the upper surface of the support member 50.
- a protruding band 50b is formed on the entire peripheral surface of the side surface of the support member 50, and the protruding band 5Ob is used to cover the upper side of the cover, which serves both as a cover and a holding member.
- Mate member 5 1 The sealing ring 52 is provided as shown by the imaginary line using the space below the protruding band 5Ob.
- the pressure sensor unit 1 according to this embodiment is easy to store and handle, does not damage the electric circuit section 4, and can be mounted on hydraulic equipment by an easy mounting operation.
- FIG. 27 shows a pressure sensor unit 100 similar to FIG. 5, but with a fundamentally different configuration.
- the pressure sensor unit 100 according to this embodiment is provided with two pressure sensors 1A, and aims at obtaining the difference between the outputs of the two pressure sensors 1A. It is configured to obtain a pressure signal. That is, the pressure sensor unit 100 is configured as a differential pressure sensor.
- Reference numeral 22 denotes a wall
- reference numeral 23 denotes a large-diameter circular recess for accommodating the pressure sensor unit 100
- reference numeral 27 denotes a pressure sensor unit 100 for fixing the pressure sensor unit 100 to the recess 23 of the wall 22.
- the holding member 28 is a port for fixing the holding member 27 to the outer surface of the wall 22.
- 53 is a support member of the pressure sensor unit 100 according to the present embodiment.
- This support member 53 has a larger diameter than the support member 3 of the above embodiment, and has a structure including two pressure sensors 1A. Therefore, the lower surface of the support member 53 in the drawing is the front surface for accommodating and fixing the diaphragm 2 of the pressure sensor 1A.
- Two large-diameter holes 5a described above are formed.
- the structure around the two pressure sensors 1A is the same, and the structure is as shown in FIG. Therefore, in the support member 53, two small-diameter holes 5b, two ring-shaped grooves 6, and two seal rings 25 are provided.
- the pressure sensor unit 100 is provided with two components capable of detecting pressure.
- two holes 24 for introducing pressure such as hydraulic pressure are also formed in the wall portion 22.
- the pressure introduced into each of the holes 24 and 24 is different.
- the structure around the housing portion of the electric circuit portion 4 provided on the upper part of the support member 53 is almost the same as that of the support member 3 except that the dimensions are slightly larger.
- the electric circuit section 4 is configured to receive detection signals for different pressures from the two pressure sensors 1A and output the difference.
- FIG. 28 shows a modified embodiment of the differential pressure sensor to which the configuration of the present invention is applied.
- one pressure A differential pressure sensor is realized with a 1 A sensor.
- reference numeral 54 denotes a part of a wall of a hydraulic device or the like, and the wall 54 has inner walls 54a and 54b which receive different hydraulic pressures.
- Each inner wall of wall 5 4 Holes 24 and 24a for introducing pressure oil are formed in the surfaces 54a and 54b, respectively.
- the outer wall 54c of the wall 54 has a large-diameter hole 55 with a female screw formed on the inner surface, and the bottom of the hole 55 has a support member 56 for holding the pressure sensor 1A.
- a hole 57 is formed for accommodating and installing the water. Holes 55 and 57 are coaxial.
- the support member 56 has a substantially cylindrical shape, and has a large-diameter hole 5a for accommodating and fixing the diaphragm 2 of the pressure sensor 1A on the lower surface in the figure.
- a groove 58 forming an oil passage is formed on the peripheral surface, and a hole 59 for an oil passage is formed inside the groove 58 which communicates with the upper surface of the diaphragm 2 in the figure and is connected to the groove 58.
- the hole 24 communicates with the lower surface of the diaphragm 2, and the hole 24 a has the opening at the left end in the figure facing the groove 58.
- the pressure oil on the inner wall surface 54a is guided to the lower surface of the diaphragm 2 through the hole 24, while the pressure oil on the inner wall surface 54b is transferred to the hole 24a and the groove 58, It is guided to the upper surface side of the diaphragm 2 through the hole 59.
- the supporting member 56 accommodates and arranges the electric circuit portion 4 in the concave portion 60 on the upper surface thereof.
- 6 1, 6 2, and 6 3 are seal rings
- 61 is a 0-type seal ring provided in an annular groove formed on the lower surface of the support member 56
- 6 2 and 6 3 are seal rings. It is a seal ring arranged in a groove formed in the circumferential direction on the side peripheral surface of the support member.
- the structure of the pressure sensor 1A is basically described in the above embodiment.
- the structure is the same.
- pressure oil is also guided to the upper side of diaphragm 2, it is protected by Si NX or molding film to protect the strain detector formed on the upper surface of diaphragm 2.
- a membrane 64 is provided.
- the differential pressure between the pressure sensor 1A and the pressure sensor 1A can be directly detected by employing a structure in which pressure is applied above and below the diaphragm 2 of the pressure sensor 1A. That is, both surfaces of the metal diaphragm 2 receive pressure, and a single pressure sensor 1A can realize a differential pressure sensor with good responsiveness.
- the differential pressure signal detected by the strain detecting section on the upper surface of the diaphragm 2 is guided to the electric circuit section 4 through the hermetic seal 66 by a plurality of wirings 65, and the electric circuit section 4
- the differential pressure signal is processed in the amplifier and the like.
- the hermetic seal 66 is for preventing pressure oil from entering the electric circuit section 4 side.
- FIG. 29 shows an example of a fixing structure of the wiring 65 on the upper surface of the diaphragm 2.
- the lower end of the wiring 65 in the figure is fixed around the upper surface of the diaphragm 2, and the lower part of the wiring 65 is coated with a protective film 64.
- a female pin receiver 68 is provided around the upper surface of the diaphragm 2 with solder 67, and the female pin receiver exposed outside the protective film 64. It has a pin stand structure in which the lower end is inserted into the socket for connection. Therefore, it is extremely easy to assemble. You. Also, it can be simply a soldering structure.
- reference numeral 69 denotes a thin film for wiring.
- the metal diaphragm 2 of the pressure sensor 1A is connected to the support member on the wall 54.
- the structure is sandwiched between the housing part of 56 and the step of the large-diameter hole 5a of the support member 56, so that it has a strong support structure.
- the differential pressure sensor can be constituted by one diaphragm, the number of parts is reduced, and an inexpensive differential pressure sensor unit having a small and simple structure can be manufactured. Can be done.
- a holding member (not shown) that is screwed into the female screw of the hole 55 and is fixed in the hole 55 and presses the support member 56 is disposed above the support member 56.
- FIG. 30 shows an embodiment in which a part of the structure of the differential pressure sensor shown in FIG. 28 is changed.
- the shape of the diaphragm which receives pressure is changed.
- the same elements as those described in FIG. 28 are denoted by the same reference numerals.
- 54 is a wall
- 54 a is an inner wall surface
- 24 is a hole for introducing pressure oil
- 56 is a support member
- 59 is a hole for an oil passage
- 65 is a wiring
- 66 is a wiring. Is a hermetic seal.
- the configuration of the peripheral portion not shown in FIG. 30 is the same as the configuration shown in FIG. 28 except that the sealing ring 61 is not used as described later.
- FIG. 30 shows an embodiment in which a part of the structure of the differential pressure sensor shown in FIG. 28 is changed.
- the shape of the diaphragm which receives pressure is changed.
- 54 is a wall
- 54 a is an inner wall surface
- 24 is a hole
- reference numeral 102 denotes a diaphragm according to the present embodiment, and the diaphragm 102 is a metal diaphragm made by cutting.
- the diaphragm 102 has a strain-generating portion 102 a on the top plate portion, a strain detecting portion protected by a protective film 64 provided on the upper surface of the strain-generating portion 102 a, and a strain-generating portion.
- the upper and lower surfaces of 102a are used as pressure receiving surfaces.
- a portion of the diaphragm 102 on the lower side of the periphery of the strain-generating portion 102a is formed continuously and integrally with the strain-generating portion.
- the cylindrical portion 102b supports the strain generating portion 102a.
- the upper surface of the cylindrical portion 102b is formed as a non-strain-induced portion, and the wiring 65 is connected to the non-strained portion.
- a step 102c is formed on the outer peripheral surface of the lower part of the cylindrical part 102b in the drawing.
- the diaphragm 102 having such a shape is fitted into the large-diameter hole 5a of the support member 56, accommodated and installed here, and fixed to the step portion by diffusion bonding or an adhesive.
- the tip of the cylindrical portion 102 b is inserted into the large-diameter hole 24 a of the hole 24 of the wall 54 as shown in FIG.
- an annular space is formed by the step 102c and the step of the large-diameter hole 24a.
- a 0-type sealing ring 103 is provided in this annular space.
- the hole 24 for guiding the pressure oil communicates with the inner space of the diaphragm, and the pressure oil is applied to the lower surface of the strain-causing portion 102a.
- Oilway 5 9 The other pressure oil is led to the space formed above the strain-generating portion 102a via the passage, and is added to the upper surface of the strain-generating portion 102a.
- the seal ring 103 is provided on the outer peripheral portion of the front end of the cylindrical portion 102 b of the diaphragm 102, so that the seal ring shown in FIG. 28 is provided. It is not necessary to provide 6 1.
- one diaphragm constitutes the differential pressure sensor.
- FIG. 31 shows a first embodiment of the joint
- FIG. 32 is a plan view of a main part of the joint.
- This embodiment shows a joint to which the pressure sensor unit 1 having the structure shown in FIG. 5 is attached.
- Reference numeral 70 denotes a push for connecting a pair of hydraulic pipes having different diameters
- the inner peripheral side of the push 70 is an oil-liquid contact surface 70a having a flat peripheral surface.
- An oil passage 71 is formed.
- both sides in the axial direction of the inner periphery of the pushing 70 are large-diameter female screw portions 72 and 73.
- 23 is a circular hole formed on the outer peripheral surface 70 b side of the pushing 70 for installing the pressure sensor unit 1
- 74 is a circular hole for installing the holding member 27, and 28 and 28 are holding members
- a bolt for fixing the member 27, 29 and 29 are screw holes for fixing the bolt 28, and 24 is a hole for introducing pressure oil opened at the oil-liquid contact surface 70a. is there.
- the bolt 28 has a hexagonal hole 28a at the top.
- the diaphragm 2 provided in the pressure sensor 1 receives the oil pressure through the pressure oil introduction hole 24. In this way, the pressure sensor unit 1 is assembled into the wall of the pushing 70 from the outer peripheral surface side, and the pressure sensor unit 1 is fixed by the holding member 27.
- the measuring device and the like are not shown in the figure.
- the pushing 70 having the above-described structure has a structure provided with a pressure sensor capable of detecting the pressure of the pressurized oil passing through the oil passage 71 in advance, and further includes the pressure sensor unit 1 and the pressing member 27.
- the pressure sensor is completely buried in the wall of the pushing 70, so that the pressure sensor can be reliably prevented from being damaged by rocks, earth and sand.
- the pressure sensor can be mounted without changing the entire length of the hydraulic pipe. The installation work is very simple.
- the connection of the pushing 70 to the hydraulic pipe By changing the connection position, the measurement point of the hydraulic pressure can be freely and easily selected.
- FIG. 33 and FIG. 34 show another embodiment of the joint.
- a pressing member for pressing the support member 3 of the pressure sensor unit 1 is different from that of the above embodiment. That is, a hole 75 for installing the holding member is formed as a large-diameter female screw hole in the upper part of the installation hole 23 of the pressure sensor unit 1 in the figure, and the screw hole 75 is formed on the outer peripheral surface. Screw the holding member 76 that has formed a male screw into it. As shown in Fig. 34, two holes 76a for rotating the holding member 76 are provided on the outer end surface of the holding member 76. Also. An insertion hole 76 b is formed in the shaft of the holding member 76, and a lead wire of the electric circuit unit 4 disposed above the pressure sensor unit 1 is drawn out from the hole 76 b. . Hole 76b is then sealed.
- FIGS. 35 and 36 show an embodiment in which the pressure sensor unit according to the present invention is attached to the flange portion of the hydraulic pipe.
- Reference numeral 77 denotes a flanged hydraulic pipe having a pipe portion 77a and a flange portion 77b, the inner peripheral surface of which is an oil-liquid contact surface 77c.
- 2 3 is the radial direction from the outer peripheral surface of the pipe 7 7 a This is the hole for installing the pressure sensor unit 1.
- Reference numeral 24 denotes an oil liquid introduction hole.
- Reference numeral 78 denotes a holder having a hollow cylindrical hole provided concentrically with the installation hole 23, and a female screw portion 78a is formed in the upper half of the inner peripheral surface thereof.
- a holding member 79 for holding and fixing the pressure sensor unit 1 is screwed into the female screw portion 78a.
- the hydraulic pressure can be measured at an arbitrary position by assembling the hydraulic pipe with a flange 77 having the pressure sensor unit 1 at a desired position of the hydraulic pipe.
- Fig. 37 and Fig. 38 show the pressure sensor according to the present invention applied to the flange 80b of the hydraulic pipe 80 with a flange composed of the hydraulic pipe 80a and the flange 80b.
- An embodiment in which a sensor is assembled is shown.
- an installation hole 23 for installing the pressure sensor unit 1 and a holding member 81 for fixing the installed pressure sensor unit 1 are attached to the flange portion 80b.
- the female screw hole 82 is formed coaxially.
- 24 is a pressure oil introduction hole
- 80 c is an oil-liquid contact surface.
- a pressure sensor and a hydraulic device with a pressure sensor according to the present invention have a structure that is most suitable for assembling with a hydraulic device for civil engineering and construction machinery and the like, and provide a positioning accuracy of each component such as a diaphragm. Improvement, simplification of assembly, and improvement of pressure measurement accuracy can be achieved, and the method of manufacturing a pressure sensor according to the present invention can effectively utilize semiconductor manufacturing technology.
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Description
明 細 書 圧力セ ンサ及びその製造方法、 並びに
圧力セ ンサを備える油圧機器 技術分野
本発明は、 油圧機械の構成要素である油圧パイ プや 油圧パイ プ用継手等の油圧機器に組付けるに当って好 ま しい構造を有し、 且つ歪み検出部を備えたダイ ヤフ ラムの歪みゲージの位置が最適となるよ う にダイ ヤフ ラムを位置決めする こ とによ り高い測定精度を有する 圧力センサと、 この圧力セ ンサを半導体製造技術を利 用 して製造する こ とによ り簡易な且つ大量の製造を可 能にする圧力セ ンサ製造方法と、 予め前記圧力セ ンサ を組付けて製品化される構造を有した実用性の高い油 圧機器に関する ものである。 背景技術
圧力セ ンサは、 歪みセ ンサ、 トルク セ ンサ、 荷重セ ンサなどを概念的に含む広義の応力セ ンサのカテゴ リ の中に含まれるセ ンサの一種であ り、 液圧や気圧等を 測定するのに利用される。 かかる圧力セ ンサは、 例え ば土木 · 建設用の油圧機械において、 機械各部の動作 油圧を検出するための検出手段と して多 く 使用されて
いる。 圧力センサにはその構造と して様々なタイ プの ものが存在する。 こ こでは、 ダイヤフ ラム式圧力セ ン ザについて説明する。
従来のダイヤフ ラ ム式圧力セ ンサの構造を第 3 9 図 に示す。 圧力セ ンサは、 油圧等の圧力 Pを直接的に受 ける金属ダイヤフラ ム基体 3 0 0 と、 シラ ンガス等を 使用 し C V D等の成膜技術によって形成される絶縁膜 3 0 1 と、 圧力 P に起因して生じるダイ ヤフ ラ ムの歪 みに応じて抵抗値がそれぞれ変化する 4個の歪みゲー ジ 3 0 2 と、 電気配線用端子である薄膜導体 3 0 3 と、 気密保護膜と して機能するパッ シベーシ ョ ン膜 3 0 4 とから構成される。 金属ダイヤフ ラ ム基体 3 0 0 は機 能的に 2つの部分からなる。 1 つは圧力 Pを受けこの 圧力に応じて歪みを生じるダイ ヤフ ラ ム部 3 0 5 であ り、 他の 1 つはダイヤフ ラ ム部 3 0 5 を支持する と共 に所定の取付け箇所に圧力セ ンサを固定せしめるため の機能を有する筒体形状の支持部 3 0 6である。 ダイ ャフ ラム部 3 0 5 は筒体状の支持部 3 0 6の 1 つの端 面を閉塞するよ う に頂部位置に形成される。 歪みゲー ジ 3 0 2、 薄膜導体 3 0 3 は S i N x 膜、 S i 0 2 膜 等のパッ シベーシ ョ ン膜 3 0 4 によって被覆され、 薄 膜導体 3 0 3, 3 0 3 のそれぞれにはワイヤ 3 0 7, 3 0 7 の図中下端が接続されている。 各ワ イ ヤ 3 0 7 の他端は、 図示しない リ ー ド線を介して電圧計、 電流
計等の電気的測定器に接続され、 ダイ ヤフ ラ ム部 3 0 5 に生じる歪みを電気的に測定する。 すなわち、 ダイ ャフ ラ ム部 3 0 5 に圧力 Pが作用 しない無負荷状態の と きには、 歪みゲー ジ 3 0 2 の比抵抗が変化する こ と はないから、 ワイヤ 3 0 7 , 3 0 7 の間に電位差が生 ぜず、 測定器側において電流は流れない。 一方、 ダイ ャフ ラ ム部 3 0 5 に圧力 Pが作用 して歪みが生じたと きには、 各歪みゲー ジ 3 0 2 の比抵抗が変化してワ イ ャ 3 0 7, 3 0 7の間に電位差が生じ、 測定器によ つ てダイヤフ ラム部 3 0 5 に加わっ た圧力を測定する こ とができ る。
第 3 9 図に示された構造を有する圧力セ ンサでは、 ダイヤフ ラ ム部 3 0 5 と支持部 3 0 6 は金属ダイ ヤフ ラム基体 3 0 0 と して一体化されている。 しかし、 従 来、 例えば実開昭 6 1 — 1 3 7 2 4 2号公報に示され るよ う に、 ダイ ヤフ ラ ム部 3 0 5 と支持部 3 0 6 が別 部材と して構成されている圧力セ ンサも提案されてい る。 このよ う な圧力セ ンサでは、 ダイ ヤフ ラム部 3 0 5 はそれ自体単独部材で薄板状の金属ダイ ヤフ ラ ム と して形成され、 その後支持部材である金属筒体と溶接 で結合される。 支持部 3 0 6 は、 圧力セ ンサの実際上 の使用状況を考慮にいれれば、 圧力セ ンサが取り付け られる対象物との関係において要求される ものである。 従っ て、 ダイ ヤフ ラ ム部 3 0 5 と支持部 3 0 6 とが別
部材と して構成される圧力セ ンサであっても、 ダイヤ フラムを支持するための支持要素が不要となる こ とは な く 、 別部材の支持部材は圧力セ ンサに付加され、 最 終的に第 3 9図に示された圧力セ ンサとほぼ同様な構 造を有している。 そ して、 薄板状ダイ ヤフ ラ ム と筒体 とが結合された状態のものに対して半導体製造技術が 適用されダイヤフ ラ ムの上面に半導体歪みゲージが形 成される。
前述した歪みゲージ 3 0 2 には、 金属歪みゲージや 半導体歪みゲージが使用される。 特に半導体歪みゲー ジは、 金属歪みゲージに比較してゲージ率が大き く 、 わずかな機械的歪みに応じて大きな抵抗値変化を生じ る こ とができるから、 圧力の測定精度が高く 、 近年広 く利用されている。 第 3 9図に示された歪みゲージ 3 0 2 は絶縁膜 3 0 1 の上面に形成された薄膜半導体歪 みゲージである。 また実開昭 6 1 — 1 3 7 2 4 2号公 報の歪みゲージも前述した通り半導体歪みゲージであ る。 歪みゲージ 3 0 2 は、 例えばプラズマ C V D法に よって絶縁膜 3 0 1上に リ ン又はホウ素等の不純物を 含むゲージ用シ リ コ ン薄膜を形成し、 その後ホ ト リ ソ グラ フ ィ 法によ りパターン形成を行い、 も って外力を 受けて歪みが生じたと き比抵抗が変化する ピエゾ抵抗 素子と して形成される。 また、 端子 3 0 3 を形成する 薄膜導体は、 例えば真空蒸着法を用いて金、 銅、 アル
ミ ニゥム等の良導体材料からなる薄膜を形成し、 その 後ホ ト リ ソグラ フィ 法によ り各歪みゲージ 3 0 2 を接 続するパター ンを形成し、 ホイ ー ト ス ト ンブリ ッ ジ回 路を構成する。 以上のよ う に、 絶縁膜 3 0 1 、 歪みゲ ージ 3 0 2、 薄膜導体 3 0 3、 更にパッ シベーシ ヨ ン 膜 3 0 4 は、 すべて半導体製造技術を適用する こ と に よ っ て製造される。 こ のよ う に半導体歪みゲー ジを備 える圧力セ ンサを製造する に際しては、 半導体製造技 術が利用されている。
しかしながら、 かかる製造事情にもかかわ らず、 第 3 9図の構造を有する圧力セ ンサは、 金属ダイ ヤフ ラ ム基体 3 0 0 の上面に歪みゲー ジ 3 0 2等を直接成形 しょ う とする場合、 金属ダイヤフ ラム基体 3 0 0 の厚 さが約 3 〜 6 腿あるのに対して歪みゲー ジ 3 0 2等を 含む歪み検出部は 2 mm以下の厚みの薄板に形成される ため、 金属ダイヤフ ラム基体 3 0 0 の厚みが障害とな つて半導体製造技術を十分に活用する こ とができない という問題が生じていた。 このよ うな問題は、 ダイ ヤ フラムと筒体が别部材と して形成される前記実開昭 6 1 一 1 3 7 2 4 2号公報に開示された圧力セ ンサであ つても同様に生じる。 すなわち、 半導体製造技術を適 用 して歪みゲー ジを形成する と きにはダイヤフ ラム と 筒体が一体化された状態にあ り、 そのため前記従来例 と同様に所定の厚みを有するので、 その製造において
半導体製造技術を十分に活用する こ とができないとい う同様な問題が生じる。
次に、 従来の圧力セ ンサでは、 その構造及び当該構 造に制約された製造方法に起因してダイ ヤフ ラ ムにお いて歪みゲージの歪み検出感度を高く 保つこ とが難し く 且つ歪みゲー ジの位置決めが難し く 、 位置決め精度 が低く なる とい う問題について説明する。
第 3 9図に示された圧力セ ンサでは、 切削加工によ つて断面ほぼコ字型の金属ダイャフ ラ ム部 3 0 0 を形 成し、 そのダイヤフ ラム部 3 0 5の起歪部上に 4個の 歪みゲージ 3 0 2 を形成する。 歪みゲージ 3 0 2 は半 導体成膜技術によって 2 # m以下の極薄の膜と して形 成される ものであるので、 本来高い歪み検出感度を有 する半導体歪みゲージ 3 0 2 の性能を維持するために はダイヤフ ラ ム部 3 0 5の厚みは高精度で均一となる よう に形成される こ とが要求される。 しかし、 現在の 切削加工技術ではかかる要求を満たすこ とが困難であ る o
また、 4個の前記歪みゲージ 3 0 2 は、 その高い歪 み検出感度を有効に発揮させるため、 圧力ダイヤフ ラ ム部 3 0 5 の上面において筒体状支持部 3 0 6 の内径 で決ま る と考えられる起歪部範囲内に最大限距離をあ けて配置される こ とが望まれる。 しかし、 従来の切削 加工技術によれば、 ダイヤフ ラ ム基体 3 0 0 の図中下
側から穿設される穴の天井部周縁に丸みが生じ、 その 切削精度を高く する こ とができない。 それ故、 ダイヤ フラム部 3 0 5 の起歪部の範囲を前記支持部 3 0 6 の 内径の寸法のみで厳密に規定する こ とができず、 歪み ゲージ 3 0 2の位置決めを高精度に行う こ とが困難と な り、 結果的に上記構造で製造された圧力セ ンサの歪 みゲージの位置決め精度が低い ものとなる こ とを免れ る こ とができない。
前記実開昭 6 1 — 1 3 7 2 4 2号公報に開示された 圧力セ ンサでは、 ダイ ヤフ ラム と しての薄板と支持部 と しての筒体を别体と して製造し、 薄板と支持部を溶 接で結合し、 その後薄板の上面に歪みゲージを形成す る。 起歪部を有する薄板部材によ り単独で作る こ とが でき るので、 薄板の厚みは均一に作る こ とができ る。 しかし、 その後薄板は别部材と して形成された筒体と 溶接によ っ て結合されるため、 溶接工程の熱等に起因 して薄板の起歪部が変形を受ける こ と とな り、 その結 果誤差が生じて最終的に圧力セ ンサにおける起歪部範 囲の寸法を厳密に規定する こ とができない。 それ故、 起歪部上に形成される歪みゲー ジの位置決め精度を高 く する こ とが難し く 、 当該位置決め精度が低い ものと なる。
ま た、 圧力セ ンサの使用 とい う観点を重視 してユー ザ一側の立場から圧力セ ンサを考える と以下のよ う な
問題がある。 圧力セ ンサの構造は、 常に圧力セ ンサの 取付け場所の環境を考慮して決定される必要がある。 圧力セ ンサの通常の取付け状態では、 ダイヤフ ラ ム部 支持する支持部材は、 ダイ ヤフ ラム部を設置せしめる と共に外乱的な変形力から保護する役割を要求される。 このよ う な観点で第 3 9図に示された従来の圧力セ ン サを見てみる と、 ダイヤフラム部 3 0 5 と支持部 3 0 6 は金属ダイヤフ ラム基体 3 0 0 と してメ ーカー側で 予め一体に形成され、 圧力セ ンサの使用環境を配慮し て製作されていないので、 ユーザーにと って利用 し易 いものとい う こ とができない。 また、 金属ダイヤフ ラ ム基体 3 0 0 の支持部 3 0 6 の形態、 圧力セ ンサ自体 の構造は一般的にメ 一力一側で規格化されたものであ り、 ユーザー側の使'用環境に最適なものと して形成さ れていない。
本発明の第 1 の目的は、 圧力を受けるダイヤフ ラ ム 上において、 起歪部範囲を明確に規定でき、 その起歪 部に対し高い検出感度を有する複数の半導体歪みゲー ジをその性能が発揮し得る よ う高い位置決め精度で形 成する こ とができる構造を有し、 且つかかる構造を採 用 したため半導体製造技術を有効に利用 して簡易な成 膜工程で製造する こ とができる と共に大量に製造する こ とができ る圧力セ ンサ及び圧力セ ンサの製造方法を 提供する こ とにある。
本発明の第 2 の目的は、 薄板状のダイ ヤフ ラ ムを金 属製支持部材の段付き孔に収容設置せ しめ、 段付き孔 で高精度のダイヤフ ラ ム位置決めを行う と共に、 油圧 機器等の組付けにおいて支持部材によ ってダイ ヤフ ラ ムを強固に支持する構造とする こ とによ り高圧力の検 出に対応でき、 油圧機器の壁部に固定してもダイ ヤフ ラ ムに直接的に固定力が加わらないため壁部組付けに 当り最適な構造を有する圧力セ ンサを提供する こ とに あ 。
本発明の第 3 の目的は、 歪みゲージ等からなる歪み 検出部が設けられた一枚の薄板状のダイ ヤフ ラ ムを有 し、 このダイヤフ ラ ムの両面に異なる圧力を加え られ るよ う に構成する こ とによ って 1 つのダイヤフ ラムで 応答性のよい且つ簡易な構成を有する差圧セ ンサを実 現する圧力センサを提供する こ とにある。
本発明の第 4の目的は、 単独に薄板状に形成される ダイヤフ ラムに対し半導体製造技術を有効に適用する こ とによって、 ダイ ヤフ ラ ムの起歪部に対し高精度の 位置決め状態で半導体歪みゲー ジ等を含む歪み検出部 を形成して圧力セ ンサを製造する こ とができ、 かかる 高い位置決め精度を有する圧力セ ンサを簡単に且つ大 量に製造する こ とができ る圧力セ ンサの製造方法を提 供する こ と にある。
本発明の第 5 の目的は、 半導体製造技術を利用する
と共に 1 回の熱処理で拡散接合と非晶質歪みゲージの 結晶質化を行う こ とによ り、 製造工程を簡略化して製 造する こ とができ る圧力セ ンサの製造方法を提供する と め る。
本発明の第 6 の目的は、 簡易な構成で組付けられ且 つ外観上も不都合がない形態にて形成され、 更に油圧 等の測定位置を自由に選択する こ とができ、 しかも低 ぃコス トで信頼性の高い圧力測定を行える圧力セ ンサ を備えた油圧機器を提供する こ とにある。 発明の開示
本発明に係る第 1 の圧力セ ンサは、 薄板状に形成さ れ、 一方の面に歪み検出部が設けられ且つ少な く と も 1つの面が受圧面となるダイヤフラムと、 大径孔とそ れに同軸に連なる小径孔とを有する支持部材とからな り、 前記大径孔はダイヤフ ラムを収容し且つ大径孔の 内壁面がダイヤフ ラ ムの外端部の位置を制限する位置 関係に基づき小径孔に対してダイヤフラ ムの設置位置 を決定し、 小径孔はダイヤフ ラ ムの起歪部寸法を規定 し、 大径孔と小径孔との間に形成される段部がダイ ヤ フラムとの結合面とな り、 更に大径孔に収容されたダ ィャフ ラ ムの受圧面に圧力媒体が導入される よ う に構 成される。
本発明に係る第 2 の圧力セ ンサは、 上記構成を有す
る ものにおいて、 小径孔に対するダイ ヤフ ラ ムの位置 決めは、 ダイヤフ ラ ムの外端部を大径部の内壁面に接 触させる こ とによ り行われるよ う に構成される。
本発明に係る第 3 の圧力セ ンサは、 前記第 1 の構成 を有する ものにおいて、 ダイヤフ ラムが矩形薄板状に 形成され、 大径孔の内壁面がダイ ヤフ ラ ムの各頂点の 位置を制限する位置関係に基づいてダイ ヤフ ラ ムの前 記位置決めが行われるよ う に構成される。
本発明に係る第 4 の圧力セ ンサは、 前記第 1 の構成 を有する ものにおいて、 ダイヤフ ラ ムは接着剤によ つ て支持部材に結合されるよ う に構成される。
本発明に係る第 5 の圧力セ ンサは、 前記第 1 の構成 を有する ものにおいて、 ダイヤフ ラ ム と支持部材が共 に金属材料によ って作られ、 ダイヤフ ラムは、 歪み検 出部の外周囲の周辺表面と支持部材の段部表面とを拡 散接合させる こ とによ り前記支持部材に結合されるよ う に構成される。
本発明に係る第 6 の圧力セ ンサは、 薄板状に形成さ れ、 一方の面に歪み検出部が設け られ、 他方の面が受 圧面となる 2個のダイ ヤフ ラ ム と、 大径孔とそれに同 軸に連なる小径孔とを 2組有する支持部材とからな り、 前記 2組の う ちの各大径孔は前記 2個のダイ ヤフ ラ ム の う ちの各 1個をそれぞれ収容 し且つ大径孔の内壁面 が各ダイ ヤフ ラ ムの外端部の位置を制限する位置関係
に基づき各小径孔に対して各ダイヤフ ラ ムの設置位置 を決定し、 各小径孔は各ダイヤフ ラムの起歪部寸法を 規定し、 各大径孔と各小径孔との間に形成される各段 部が各ダイヤフ ラムとの結合面とな り、 更に各大径孔 に収容された各ダイヤフラ ムの受圧面に異なる圧力の 圧力媒体が導入され、 差圧セ シサと して構成される。
本発明に係る第 7 の圧力セ ンサは、 一方の面に歪み 検出部が設けられ、 一方の面と他方の面が共に受圧面 となるダイ ヤフ ラム と、 大径孔とそれに同軸に連なる 小径孔とを有する支持部材とからな り、 大径孔はダイ ャフ ラムを収容し且つ大径孔の内壁面が各ダイヤフラ ムの外端部の位置を制限する位置関係に基づき小径孔 に対してダイヤフ ラムの設置位置を決定し、 小径孔は ダイヤフ ラ ムの起歪部寸法を規定し、 大径孔と小径孔 との間に形成される段部がダイ ヤフラムとの結合面と な り、 更に大径孔に収容されたダイヤフ ラムの一方の 面と他方の面とに異なる圧力の圧力媒体が導入され、 差圧センサと して構成される。
本発明に係る第 1 の圧力セ ンサの製造方法は、 金属 材料で薄板状のダイャフラムを形成するダイ ヤフ ラム 形成工程と、 ダイヤフ ラ ムの一方の面の中央部付近に 絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 絶縁膜の上面に シ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シリ コ ン薄膜 形成工程と、 非晶質状シ リ コ ン薄膜を熱処理し結晶化
する熱処理工程と、 結晶化されたシ リ コ ン薄膜を歪み ゲージにパター ン形成するゲージパター ン形成工程と、 ダイヤフ ラ ム と このダイ ヤフ ラ ムを収容し位置決めす る支持部材とを結合させる結合工程とから構成される。 本発明に係る第 2 の圧力セ ンサの製造方法は、 上記 圧力セ ンサの製造方法において、 上記熱処理工程と上 記ゲージパター ン形成工程の実施順序を反対に して構 成される ものである。
本発明に係る第 3 の圧力セ ンサの製造方法は、 金属 材料で薄板状のダイ ヤフ ラ ムを形成するダイ ヤフ ラ ム 形成工程と、 ダイ ヤフ ラ ムの一方の面に絶縁膜を形成 する絶縁膜形成工程と、 絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜 を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 非晶質状シ リ コ ン薄膜を熱処理し結晶化する熱処理ェ 程と、 結晶化されたシ リ コ ン薄膜を歪みゲー ジにパタ ー ン形成するゲージパター ン形成工程と、 ダイ ヤフ ラ ム と このダイヤフ ラ ムを収容し位置決めする支持部材 とを結合させる結合工程とから構成される。
本発明に係る第 4の圧力セ ンサの製造方法は、 上記 の圧力セ ンサの製造方法において、 上記熱処理工程と 上記ゲー ジパター ン形成工程の実施順序を反対に して 構成される ものである。
本発明に係る第 5 の圧力セ ンサの製造方法は、 ダイ ャフ ラムを複数形成でき る よ う に、 金属材料によ っ て
任意の面積を有する薄板基材を成形する基材成形工程 と、 各ダイヤフ ラムの歪み検出部が形成されるスぺー スを確保するためのマスクを薄板基材に載置するマス ク載置工程と、 薄板基材の上面のマス ク によ って生じ た前記スペース内に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程 と、 絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形 成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 薄板基材からマスク を除去する マス ク除去工程と、 非晶質状シ リ コ ン薄膜 を熱処理し結晶化する熱処理工程と、 結晶化されたシ リ コ ン薄膜を複数の歪みゲージにパター ン形成するゲ ージパター ン形成工程と、 歪みゲージごとに薄板基材 を切断し歪み検出部が設けられた複数のダイャフ ラ ム を形成する切断工程と、 ダイヤフ ラム と このダイヤフ ラムを収容し位置決めする支持部材とを結合させる結 合工程とから構成される。
本発明に係る第 6 の圧力セ ンサの製造方法は、 上記 圧力セ ンサの製造方法において、 上記熱処理工程と上 記ゲージパター ン形成工程の実施順序を反対にして構 成される される ものである。
本発明に係る第 7 の圧力セ ンサの製造方法は、 ダイ ャフラムを複数形成できるよ う に、 金属材料によって 任意の面積を有する薄板基材を成形する基材成形工程 と、 薄板基材の上面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成ェ 程と、 絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて
形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 非晶質状シ リ コ ン 薄膜を熱処理し結晶化する熱処理工程と、 結晶化され たシ リ コ ン薄膜を複数の歪みゲー ジにパター ン形成す るゲージパター ン形成工程と、 歪みゲー ジごとに薄板 基材を切断し歪み検出部が設け られた複数のダイ ヤフ ラムを形成する切断工程と、 ダイ ヤフ ラムと このダイ ャフ ラ ムを収容し位置決めする支持部材とを結合させ る結合工程とから構成される。
本発明に係る第 8 の圧力セ ンサの製造方法は、 上記 圧力セ ンサの製造方法において、 上記熱処理工程と上 記ゲージパター ン形成工程の実施順序を反対に して構 成される ものである。
本発明に係る第 9 の圧力セ ンサの製造方法は、 金属 材料で薄板状のダイ ヤフ ラ ムを形成するダイ ヤフ ラ ム 形成工程と、 ダイヤフラムの一方の面の中央部付近に 絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 絶縁膜の上面に シ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜 形成工程と、 シ リ コ ン薄膜を非晶質状歪みゲージにパ ター ン形成するゲージパタ ー ン形成工程と、 非晶質状 歪みゲー ジがパター ン形成されているダイ ヤフ ラムと こ のダイ ヤフ ラ ムを収容し位置決めする支持部材とを 拡散接合する と共にダイヤフ ラ ムの非晶質歪みゲー ジ を結晶化するため、 支持部材と ダイ ヤフ ラ ム と非晶質 状ゲー ジを同時に熱処理する熱処理工程とから構成さ
れる o
本発明に係る第 1 0 の圧力セ ンサの製造方法は、 ダ ィャフ ラ ムを複数成形でき る よ う に、 任意の面積を有 する薄板基材を成形する基材成形工程と、 各ダイ ヤフ ラ ムの歪み検出部が形成されるスペースを確保するた めのマスク を薄板基材に載置するマス ク載置工程と、 薄板基材の上面のマスク によって生じたスペース内に 絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 絶縁膜の上面に シ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜 形成工程と、 薄板基材からマスクを除去するマスク除 去工程と、 シ リ コ ン薄膜を複数の非晶質状歪みゲージ にパター ン形成するゲージパター ン形成工程と、 非晶 質状歪みゲージごとに薄板基材を切断し歪み検出部が 設け られた複数のダイ ヤフ ラムを形成する切断工程と、 非晶質状歪みゲージがバタ一ン形成されているダイ ヤ フ ラ ム と このダイ ヤフ ラ ムを収容し位置決めする支持 部材を拡散接合する と共にダイ ヤフ ラムの非晶質歪み ゲージを結晶化するため、 支持部材とダイヤフラムと 穽晶質状ゲージを同時に熱処理する熱処理工程とから 構成される(3
本発明に係る圧力セ ンサ付き油圧機器は、 内壁面が 圧油と接触する壁部を有する油圧機器において、 壁部 の外壁面から内壁面に向けて形成された圧力セ ンサ設- 置孔と、 圧力セ ンサ設置孔と圧油接触面とを連通する
よ う に壁部に形成された圧油導入孔とを有し、 圧力セ ンサ設置孔に、 歪み検出部を備えたダイ ヤフ ラムと こ のダイヤフ ラムを収容し位置決めする支持部材とから なる圧力セ ンサを配設し、 押え部材で支持部材を固定 して圧力セ ンサを壁部の圧力セ ンサ設置孔に固定する よ う に構成される。 図面の簡単な説明
第 1 図は本発明に係る圧力セ ンサ (広義の圧力セ ン サ、 実施例では圧力セ ンサュニ ッ ト と いい、 こ こで も 以下圧力セ ンサュニ ッ ト と記す) の構造を拡大して示 す縦断面図、 第 2図は第 1 図で示す圧力セ ンサュニッ 卜の下面図、 第 3図は狭義の圧力セ ンサの構造を歪み 検出部を拡大する こ とによ り示した縦断面図、 第 4図 は電気回路部の構成を具体的に示した回路図、 第 5 図 は圧力セ ンサュニッ ト を壁部等に組付けた状態を示す 縦断面図、 第 6 図は第 5図中^!一 VI線断面図、 第 7 図 乃至第 1 6 図は本発明に係る圧力セ ンサの製造方法の 一実施例を示す工程図、 第 1 7図は本発明に係る圧力 セ ンサの他の実施例を示す縦断面図、 第 1 8 図乃至第 2 3図は第 1 7 図に示された圧力セ ンサの製造方法を 示す工程図、 第 2 4図は本発明に係る圧力セ ンサュニ ッ トの他の実施例を示す縦断面図、 第 2 5 図は本発明 に係る圧力セ ンサュニ ッ トの更なる他の実施例を示す
縦断面図、 第 2 6図はコ ンパク ト に形成された本発明 に係る圧力センサュニッ トの更なる実施例を示す縦断 面図、 第 2 7図は差圧セ ンサと して構成された本発明 に係る圧力セ ンサュニッ トを壁部等に組付けた実施例 を示す縦断面図、 第 2 8図は差圧センサと して構成さ れた本発明に係る圧力センサュニッ トの他の実施例を 示す第 2 7図と同様な図、 第 2 9図は第 2 8図中の要 部拡大図、 第 3 0図は第 2 8図で示された差圧セ ンサ の変更実施例を示す要部縱断面図、 第 3 1図は本発明 に係る圧力センサ付き油圧機器の第 1実施例を示す縦 断面図、 第 3 2図は第 3 1図の要部拡大平面図、 第 3 3図は本発明に係る圧力センサ付き油圧機器の第 2実 施例を示す縦断面図、 第 3 4図は第 3 3図の要部拡大 平面図、 第 3 5図は本発明に係る圧力セ ンサ付き油圧 機器の第 3実施例を示す側面図、 第 3 6図は第 3 5図 中の X XX V— XX X V線断面図、 第 3 7図は本発明 に係る圧力セ ンサ付き油圧機器の第 4実施例を示す側 面図、 第 3 8図は第 3 7図中の X XXW— X X XW線 断面図、 第 3 9図は従来の圧力セ ンサの構造を説明す るための縦断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す る O
第 1 図において、 1 は本発明の第 1 実施例に係る圧 力セ ンサユニッ トであ り、 この圧力セ ンサユニ ッ ト 1 は、 その中央部に起歪部を有する金属ダイ ヤフ ラ ム 2 と、 この金属ダイヤフ ラ ム 2 を下部において収容、 設 置して保持する金属製支持部材 3 と、 支持部材 3 の上 部に配設される電気回路部 4 とから構成される。 圧力 セ ンサュニ ッ ト 1 は、 上記の通り金属ダイ ヤフラム 2 と金属支持部材 3 と電気回路部 4 からな り、 広義の圧 力セ ンサを構成する。 また、 圧力セ ンサュニ ヅ ト 1 の 中で、 特に金属ダイヤフ ラ ム 2 は、 その上面に半導体 歪みゲージ等からなる歪み検出部 2 Aが設け られる。 そのため、 これらの金属ダイ ヤフ ラ ム 2及び歪み検出 部 2 Aは狭義の圧力セ ンサ 1 Aを構成する。 支持部材 3 は、 軸方向の長さが短いほぼ円柱状の外観形状を有 し、 その中心軸部分に部分的に径を異な らせた円形の 段付き孔 5 が形成されている。 支持部材 3 は一般に金 属で作られる。 孔 5 において、 第 1 図中、 下面側に円 形凹部状の大径孔 5 a、 中央部に小径孔 5 b、 上面側 に円形凹部状の大径孔 5 c の 3つの孔部が形成され、 孔部 5 a, 5 c , 5 b と は同軸的な位置関係にて形成 されている。 大径孔 5 a は金属ダイ ヤ.フ ラム 2 を収容
し設置するためのスペースであ り、 大径孔 5 c は電気 回路部 4を収容するためのスペースであ り、 小径孔 5 b は電気配線が揷通されるスペースである。 また支持 部材 3 の下面部には、 第 1 図及び第 2図に示されるよ う に大径孔 5 a を囲んで円形環状の溝部 6が形成され る Ο
ダイヤフ ラム 2 は支持部材 3 の大径孔 5 a 内に配設 され、 その厚みが約 0 . 0 5 〜 2 腿の金属製薄板であ り、 第 2図に示されるよ う に例えば正方形の平面形状 を有している。 ダイヤフラム 2 の材料と しては例えば S U S 6 3 0等の金属又は剛性を有するその他の板材 が使用される。 この例においては、 ダイヤフ ラ ム 2 の 対角線の長さが大径孔 5 a の直径とほぼ等し く 、 ダイ ャフ ラ ム 2が大径孔 5 a 内にぴっ たり と嵌合し、 収容 • 設置されるよ う にダイヤフ ラ ム 2 は形成される。 ダ ィャフラ ム 2 は、 その上面の周辺部分が大径孔 5 a の 段部面に拡散接合による結合部 7 によって固着される こ とによ り、 支持部材 3 に強固に固定される。 ダイ ヤ フ ラ ム 2 が大径孔 5 a 内に設置された状態では両者の 中心軸は一致している。
上記構成によれば、 薄板状のダイヤフ ラ ム 2 は支持 部材 3 の大径孔 5 a の中に収容され、 こ の収容状態に おいて、 ダイヤフ ラ ム 2 の外端部である 4つの頂点が 大径孔 5 a の内壁面に接触する こ と によ っ てダイ ヤフ
ラム 2 は大径孔 5 a 内に位置決めされる。 その結果、 ダイ ヤフ ラ ム 2 は、 支持部材 3 において、 大径孔 5 a に対して同軸的に形成された小径孔 5 b に対して高い 精度で位置決めされる こ とになる。 ダイ ヤフ ラ ム 2 は 上記のよ う に大径孔 5 a の段部面に結合されるため、 ダイヤフ ラ ム 2上非結合部が起歪部となる。 こ の段部 面は小径孔 5 b によ って決ま るから、 ダイヤフ ラ ム 2 における起歪部の範囲は、 小径孔 5 b に対するダイ ヤ フ ラ ム 2 の位置決め精度が高い以上、 小径孔 5 b によ つて高い精度で厳密に規定される。 こ のよ う に、 本発 明による圧力セ ンサユニッ ト 1 の構成によれば、 ダイ ャフ ラ ム 2 を支持部材 3 に組付ける とい う製造上のプ ロセスと、 その組付け構成のためにダイ ヤフ ラム 2 と 支持部材 3 のそれぞれが有する構造と によ っ て、 ダイ ャフ ラム 2 における起歪部範囲を寸法的に厳密に決め る こ とができるのである。
以上において、 支持部材 3 におけるダイ ヤフ ラ ム 2 の位置決めに関し、 ダイヤフ ラム 2 の各頂点のすべて が大径孔 5 a の内壁面に接触する必要はない。 たとえ 非接触の状態であっても、 ダイ ヤフ ラ ム 2 の各頂点の 位置が、 各頂点と大径孔 5 a の内壁面との位置関係に 基づき当該内壁面によ っ て制限を受け、 ダイ ヤフ ラ ム 2が大径孔 5 a 内にて所要範囲に収まれば小径孔 5 b との位置関係によ り起歪部範囲を規定する こ とができ
る。 なお、 ダイ ヤフ ラ ム 2の平面形状は正方形に限定 される ものではな く 、 円形或いは多角形など任意な形 状が採用される。 円形の場合には外端部は周縁となる。 第 1 図の図示例で明らかなよう にダイヤフ ラ ム 2 の厚 みは大径孔 5 a の深さよ り も小さ く なつているが、 こ れらを等し く する こ と もできる。
第 3図にダイ ヤフラム 2 の上面に形成される歪み検 出部 2 Aの構造を拡大して示す。 前述した通り ダイヤ フラム 2 と歪み検出部 2 Aとによって狭義の圧力セ ン サ 1 Aが形成される。 歪み検出部 2 Aは、 ダイ ヤフ ラ ム 2の上面に形成される絶縁膜 8 と、 この絶縁膜 8の 上に形成される 4個の半導体歪みゲージ 9 (図示例で は 2個のみが示される) と、 歪みゲージ 9 のそれぞれ に備えられた端子用の薄膜導体 1 0 と、 薄膜導体 1 0 から引き出される ワイヤ 1 1 と、 すべての歪みゲージ 9 と薄膜導体 1 0等を被覆しこれらを保護するパッ シ ベーシ ョ ン膜 1 2 とから構成される。 これらはすべて 後述されるよ う に半導体製造技術に基づいて形成され る。 絶縁膜 8 はダイヤフラム 2 の上面のすべてにわた つて形成されているのではな く 、 前記起歪部の範囲に ほぼ対応して形成され、 ダイヤフ ラ ム 2の周辺部分に ついてはダイヤフラム面 2 aが表れる よ う に形成され ている。 このダイ ヤフラム面 2 a は前記拡散接合によ る結合のために使用される接合面である。 絶縁膜 8、
歪みゲー ジ 9、 薄膜導体 1 0、 ワ イ ヤ 1 1、 ノ ッ シベ ー シ ヨ ン膜 1 2 についてのその他の構成、 特質等につ いては、 第 3 9 図に基づいて説明 した従来の ものと全 く 同じであるので説明を省略する。 かかる構造によ つ て、 ダイ ヤフ ラ ム 2 の下面に第 1 図に示すよ う に油圧 等の圧力 Pが加わる と、 圧力媒体である圧油がダイ ヤ フ ラ ム 2 の起歪部が形成された部分に歪みが生じ、 こ の歪みを起歪部に対し最適な位置関係で配設された 4 個の歪みゲージ 9が検出 して、 ワイ ヤ 1 1 , 1 1 の間 に歪みに対応した電圧を発生する。 なお、 以上のよ う な構成を有する歪み検出部 2 Aは、 ミ ク ロ ン単位の厚 みであ り、 ダイ ヤフ ラ ム 2 の厚さ に比較して極めて薄 いものであるので第 1 図中ではその構造は示されてい ない。
第 1 図において、 前記電気回路部 4 は回路基板 1 3 の上に配設される。 回路基板 1 3 は支持部材 3 の上面 側に形成された大径孔 5 c 内に配置され、 その結果電 気回路部 4 自体もほぼ大径孔 5 c 内に収容 , 設置され るよ う に構成されている。 電気回路部 4 は増幅回路部 や調整用抵抗等を含む。 前記の歪みゲー ジ 9 と電気回 路部 4 からなる回路構成の一例を第 4 図に示す。 第 4 図において、 4個の抵抗 9 a , 9 b , 9 c , 9 d は前 記 4個の歪みゲージ 9 を電気回路要素と して表現した ものであ り、 抵抗 9 a, 9 b , 9 c, 9 d はホイ ー ト
ス ト ンブリ ッ ジ回路を形成するよ う に接続されている。 抵抗 9 a と 9 b との間の節点には電源端子 1 4が接続 され、 抵抗 9 c と 9 dとの間の節点にはァース端子 1 6が接続される。 抵抗 9 a と 9 c との間の可変抵抗 R 1 と抵抗 9 b と 9 d との間の可変抵抗 R 2 は、 それぞ れゼロ点捕償調整用の抵抗である。 前記プリ ッ ジ回路 の出力は、 抵抗 R i と抵抗 R 2 の各端子から取り 出さ れる。 演算増幅器 1 7 は抵抗 1 8〜 2 1及び可変抵抗 R 3 , R4 , R5 によ って差動増幅器を形成する。 ホ ィ ー トス ト ンブリ ッ ジ回路の各出力電圧は、 それぞれ、 対応する入力側の抵抗によって分圧されて演算増幅器 1 7の非反転入力端子と反転入力端子とに入力され、 演算増幅器 1 7の出力端子 1 5 には入力側の差電圧に 対応する電圧が増幅されて出力される。 可変抵抗 R3 , R4 , R 5 のう ち抵抗 R 3 はオフセ ッ ト調整用の抵抗 であ り、 抵抗 R4 , R 5 はゲイ ンを調整するための抵 抗である。 このよう に、 電気回路部 4は增幅回路部と 複数の調整用抵抗器を有し、 電源端子 1 4 , 出力端子 1 5 , アース端子 1 6の 3つの接続用端子を備え、 こ れらの端子にはそれぞれ第 1図に示すよ う に配線 1 4 a, 1 5 a, 1 6 aが接続され、 更に外部に引き出さ れる。 上記各調整用抵抗器の調整は電気回路部 4の上 方から容易に行える よう に構成されている。 ダイ ヤフ ラム 2の上に形成された前記歪み検出部 2 Aより 引 き
出された前記のワイ ヤ 1 1、 1 1 は孔 5 b内を揷通さ れ、 更に回路基板 1 3 に形成された小孔を通過して回 路基板 1 3上の電気回路部 4 に接続される。
第 5図は、 第 1 図に示された構造を有する圧力セ ン サュニッ ト 1 を油圧パイ プなどの油圧機器の壁部 2 2 に組付けた状態を示す縦断面図である。 第 5 図におい て、 2 2 a は壁部 2 2 の外面、 2 2 b はその内面を示 す。 内面 2 2 b側は油通路等が形成されている。 壁部 2 2 の外面 2 2 a には圧力セ ンサュニッ ト 1 の支持部 材 3が収容、 設置される円形孔の凹部 2 3が形成され、 且つその凹部 2 3 の底面には内面 2 2 b側に開通され た例えば円形の孔 2 4が形成されている。 従っ て、 凹 部 2 3 の側と油通路側とは孔 2 4 を介して連通状態に ある。 凹部 2 3 の深さ寸法は支持部材 3 の厚み寸法よ り も大きい。 第 1 図に示された圧力セ ンサュニッ ト構 造にてダイヤフ ラム 2及び電気回路部 4等が組込まれ た支持部材 3 を、 壁部 2 2 の凹部 2 3 に嵌合させて設 置する。 このと き、 支持部材 3 の下面に形成された環 状の溝部 6 の中にオイルシール用のシールリ ング 2 5 を配置し、 このシール リ ング 2 5 を凹部 2 3 の底面に 当接させた状態で、 支持部材 3 の下面を凹部 2 3 の底 面に接触させる こ と によ り、 支持部材 3 を凹部 2 3 内 に配設する。 圧力セ ンサュニッ ト 1 の壁部 2 2 におけ る組付け状態において、 第 5 図に示される よ う にダイ
ャフラム 2 の受圧面である下面が孔 2 4 を介して油通 . 路に臨み、 その結果圧力 Pを受ける こ とになる。 第 5 図中、 下側から圧力を受けるダイヤフ ラ ム 2 は、 支持 部材 3 の大径孔 5 a の段部で支持され且つ当該段部面 に拡散接合によって結合されているのため、 高い圧力 に対して圧力検出を行う こ とが可能である。 第 6 図は 第 5 図中の VI— VI線断面図で、 正方形の平面形状を し たダイヤフ ラム 2 の上面部の様子を示している。 第 6 図において、 2 6 は大径孔 5 aの内壁面の輪郭を示し、 2 4 はダイ ヤフ ラム 2 の下側に位置する前述した壁部
2 2の孔である。 4個の小さい矩形 9 は前記歪みゲー ジの配置状態の一例を示す。
第 5図において、 2 7 は凹部 2 3内に設置された圧 力セ ンサュニッ ト 1 を外面 2 2 a の側よ り押圧し固定 するための押え部材であり、 この押え部材 2 7 は、 凹 部 2 3 に嵌合する突出部 2 7 a を有する円形板状部材 である。 押え部材 2 7 は、 突出部 2 7 a で支持部材 3 を押圧しつつ、 少な く と も 2本のボル ト 2 8 で壁部 2 2に固定される。 2 9 は壁部 2 2 に形成されたネジ孔、
3 0 は押え部材 2 7 に形成されたボル ト揷通孔である。 ボル ト揷通孔 3 0 は、 ボル ト装着時ボル ト 2 8 の頭部 が突出しないよ う に、 ボル ト頭部を収容する大径部が 形成されている。 また押え部材 2 7の中央には段付き 孔 3 1が形成され、 この孔 3 1 によ っ て圧力セ ンサュ
ニッ ト 1 の電気回路部 4から引き出される配線 1 4 a , 1 5 a , 1 6 aが外部に取り 出される。 上記押え部材 2 7 による押え構造によれば、 押え部材 2 7 による押 圧力は強度の高い支持部材 3 に直接的に加わるため、 ダイ ヤフ ラム 2 には不要な変形力が加わ らず、 圧力測 定精度を高く 維持する こ とができ る。
次に第 1図に示した圧力セ ンサュニ ッ ト 1 に関し、 ダイヤフ ラ ム 2 と支持部材 3 と絶縁膜 8 と歪みゲー ジ 9からなる構造部分の製造方法について詳述する。
前述した形状に形成された薄板片状の金属ダイヤフ ラム 2の上面に、 絶縁膜 8が、 従来の ものと同様に、 例えば S i 02 , S i C , S i Nx 等を用いて、 C V D法、 真空蒸着法、 スパッ タ法等の成膜技術を適用す る こ とによ り厚さが約 1〜 2 0 mの薄膜状に形成さ れる。 この場合、 絶縁膜 8 は製作者にと っては既知の ダイ ヤフ ラム 2の起歪部の部分に対応させて形成され、 ダイ ヤフラム 2の周辺部分は絶縁膜 8が形成されず接 合面 2 a と して残される。 絶縁膜 8の上面に形成され る半導体歪みゲージ 9 は、 リ ン又はホウ素等の不純物 を ドー ピングしつつプラズマ C V D法等によ って絶縁 膜 8の上面に非晶質状態の シ リ コ ン薄膜を形成し、 こ のシ リ コ ン薄膜にホ ト リ ソグラ フ ィ 法を適用 して非晶 質状歪みゲージをパター ン形成し、 その後熱処理を施 して結晶質状の歪みゲージと して形成される。 なお、
非晶質状態のシ リ コ ン薄膜は歪みゲージと しての機能 を持たないが、 説明の便宜及び用語の統一という観点 から、 この明細書及び請求の範囲では非晶質状態、 結 晶質状態に関係な く 「歪みゲージ」 という用語を使用 する。 また、 上記の製造方法において、 前記のパター ン形成工程と熱処理工程の実施順序を反対にする こ と も可能である。
前記実施例の圧力セ ンサユニッ ト 1 では、 ダイ ヤフ ラム 2 と支持部材 3 との間における拡散接合のための 熱処理と、 ダイヤフ ラ ム 2 の上面における歪みゲージ 9 を非晶質状態から結晶質状態に変化させるための熱 処理とを、 単一の熱処理で同時に行う こ とが可能であ る。 拡散接合は、 ダイヤフ ラ ム 2 の接合面 2 a と支持 部材 3 の大径孔 5 a の段部面とをアル ミ ニウム等のィ ンサー ト材を介して当接させ、 真空又はアルゴン雰囲 気の下で加圧状態にしたまま、 全体を 5 5 0 °C以上の 温度で一定時間加熱する こ と によ り、 例えば同一金属 材からなるダイヤフ ラ ム 2 と支持部材 3 とを原子結合 させる方法であ り、 極めて強い結合力を得る こ とがで きる。 なお、 ダイヤフ ラ ム 2 と支持部材 3が同一金属 で形成されてお らず、 他の部材或いは同一でない部材 で形成されている場合でも拡散接合する こ とは可能で ある。 また、 非晶質状態の歪みゲージ 9 を結晶化する 温度は 5 0 0 〜 6 5 0 °Cである。 従って、 拡散接合の
ための熱処理を利用 して歪みゲージ 9 の結晶質化を一 度の熱処理によって同時に行う こ とができ る。
以上のよ う に、 支持部材 3 の凹部 5 a に設置収容さ れる状態で且つ凹部 5 a の接合面に合わせて予めダイ ャフ ラ ム 2 を形成し (ダイ ヤフ ラ ム形成工程) 、 この ダイ ヤフ ラ ム 2 の上面の所定箇所に絶縁膜 8 を形成し (絶縁膜形成工程) 、 絶縁膜 8 の上面に非晶質状態の シ リ コ ン薄膜を形成し (シ リ コ ン薄膜形成工程) 、 そ の後この シ リ コ ン薄膜に非晶質状の歪みゲー ジ 9 をパ ター ン形成する (ゲージパター ン形成工程) 。 そ して、 非晶質状歪みゲージ 9 がパター ン形成されているダイ ャフ ラ ム 2 を支持部材 3 に拡散接合する と共に、 非晶 質状の歪みゲー ジ 9 を結晶質化するため、 支持部材 3 とダイ ヤフ ラム 2 と非晶質の歪みゲー ジ 9 とを一体的 に熱処理する (熱処理工程) こ と によ り圧力セ ンサュ ニッ ト 1 の前記構造部分を作る こ とができ る。
なお、 上述した非晶質の シ リ コ ン薄膜を結晶質化す るための熱処理の方法は、 本発明者等によっ て特願昭 6 3 — 2 4 1 9 9 5号で提案されており、 こ の出願明 細書等で詳述される よ う に、 上記熱処理によれば、 抵 抗値がほとんど絶縁体に近い非晶質シ リ コ ン薄膜を 5 0 0 °C以上の温度で加熱する こ と によ り 、 抵抗値が減 少し ピエゾ抵抗効果を持っ た結晶質シ リ コ ン薄膜が形 成される。
次に第 7図乃至第 1 6図に基づいて圧力セ ンサュニ ッ ト 1の前記構造部分の製造方法の他の実施例につい て説明する。 こ の製造方法は、 ダイヤフ ラ ム 2 と絶縁 膜 8 と歪みゲー ジ 9からなる構造部分を大量に製造す るための方法である。
先ず、 基材成形工程によって第 7図に示す金属製薄 板基材 3 2を成形する。 この金属製薄板基材 3 2は後 にダイヤフ ラ ム 2 となる ものである。 薄板基材 3 2 は 例えば S U S 6 3 0等によって厚さ が約 0. 0 5 〜 2 mmの薄板状に形成される。 後述されるよう に多数 のダイヤフ ラム 2を成形できる程度の大き さ になって いる。 そ して、 第 8図のマスク載置工程で示されるよ う に、 薄板基材 3 2の上面には金属マスク 3 3が固定 状態にて載置される。 金属マスク 3 3を設ける こ とに よって薄板基材 3 2の上面に多数の円形スペースが形 成され、 これらのスペースは歪み検出部 2 Aが形成さ れる箇所となる。
第 9図は絶縁膜形成工程を示し、 前記薄板基材 3 2 の上面における金属マスク 3 3 によって形成されたス ペースに例えば S i 02 , S i C, S i Nx 等を用い て、 且つ真空蒸着法、 スパッ タ法等の適宜な成膜技術 によって厚さ t 2 が約 l〜 2 0 ii m程度の絶縁膜 8を 形成する。
第 1 0図はシ リ コ ン薄膜形成工程を示し、 多数の前
記絶縁膜 8 のそれぞれの上面に例えばプラズマ C V D 法によ っ て リ ン又はホウ素を ドー ピングさせる こ とに よ り結晶度の低い非晶質 (アモルフ ァ ス) 状態の シ リ コ ン薄膜 3 4を形成する。 シ リ コ ン薄膜を形成した後、 第 1 1 図のマスク除去工程に示される よ う に金属マス ク 3 3が除去される。 次に、 第 1 2 図及び第 1 3 図に 示される よ う にホ ト リ ソグラ フ ィ 法によ って前記シ リ コ ン薄膜 3 4のそれぞれに対し 4個の非晶質状歪みゲ ージ 9 をパター ン形成するゲー ジパタ ー ン形成工程を 実行する。
前記第 1 3図と第 1 4図は切断工程を示す。 切断ェ 程では薄板基材 3 2 を、 ゲージパター ン形成工程によ つて形成された 4個の非晶質状歪みゲー ジ 9 ごとに第 1 3 図中の破線で示すよ う に切断し、 ダイ ヤフ ラ ム 2 と絶縁膜 8 と 4個の非晶質状の歪みゲー ジ 9 とを含む 圧力セ ンサ 1 Aを形成する。
次に第 1 5 図及び第 1 6 図は、 支持部材 3 とダイ ヤ フラム 2 とを拡散接合する と共に非晶質状態の歪みゲ ージ 9 を結晶質化するための熱処理工程を示す。 先ず、 拡散接合の準備と して第 1 5 図に示すよ う に、 支持部 材 3 の大径孔 5 a の段部接合面又はダイ ヤフ ラ ム 2 の 接合面 2 a のいずれかにアル ミ ニウム等のィ ンサー ト 材を配設又は塗布し、 支持部材 3 と、 歪み検出部を備 えたダイ ヤフ ラ ム 2 とを密着する。 こ の時、 ダイ ヤフ
ラム 2 は支持部材 3 の大径孔 5 a の内壁面に案内され て位置決めされながら大径孔 5 a 内に収容、 設置され る。 このダイヤフラム 2の大径孔 5 a における設置状 態において前記歪み検出部は最適な位置関係で小径孔 5 b に臨む。 そ して、 支持部材 3 とダイヤフラム 2 と を圧接状態に保持したまま、 第 1 6図に示すよ う にヒ 一夕 3 5 を備える電気炉 3 6内に入れ、 拡散接合に必 要な 5 5 0で以上の温度で一定時間加熱する。 これに よって、 支持部材 3 とダイヤフラム 2 は原子結合する と共に、 非晶質状歪みゲージ 9 は結晶質化してピエゾ 抵抗効果を持つ半導体歪みゲージに変化させる。 こ う して、 1 回の熱処理によって、 支持部材 3 とダイヤフ ラム 2の拡散接合と半導体歪みゲ一ジ 9 の結晶質化と を同時に行う こ とができ、 も って製造工程の減少と製 造コス トの低減を図る こ とができる。 更に大面積の薄 板基材を使用 して多数の歪み検出部を同時に作る こ と ができ、 同品質の圧力センサを大量に製造する こ とが できる。
第 1 7図は、 ダイヤフラム 2 と、 絶縁膜 3 7 と、 半 導体歪みゲージ 9 と、 薄膜導体 1 0 と、 パッ シベーシ ョ ン膜 1 2 からなる歪み検出部 1 Aの構造部分の変更 実施例であ り、 この実施例では、 絶縁膜がダイ ヤフ ラ ム 2 の上面全面に形成されている。 その他の構成は第 3図に示 した構成と同じである。 このよ うな構成を有
する歪み検出部は、 接着剤を使用 して支持部材 3 の円 形大径孔 5 a の段部に固定される。 拡散接合によ って 固定する場合に比較して、 支持部材 3 とダイ ヤ フ ラ ム 2 との結合力が弱いので、 検出対象である圧力が比較 的に弱い場合に採用される構成である。
上記構造を有する歪み検出部の製造方法を第 1 8 図 乃至第 2 3 図に基づいて説明する。 こ の製造方法は、 基本的に、 前記第 7図乃至 1 4図に従って説明した製 造方法と同じである。 先ず、 基材成形工程によ っ て円 形の金属製薄板基材 3 2 を成形し (第 1 8 図) 、 絶縁 膜形成工程においてこの薄板基材 3 2 の上面の全面に わたり絶縁膜 3 7を成膜技術によ っ て形成する (第 1 9図) 。 次いで、 シ リ コ ン薄膜形成工程において絶縁 膜 3 7の上面の全面に非晶質状のシ リ コ ン薄膜 3 8 を 形成し (第 2 0図) 、 その後、 ホ ト リ ソ グラ フ ィ 法に よってシ リ コ ン薄膜 3 8が複数の非晶質状の歪みゲー ジ 9 となるよ う にパター ン形成するゲー ジパター ン形 成工程を行う (第 2 1 図及び第 2 2図) 。 こ のゲー ジ パター ンは予めダイ ヤフラム 2 の起歪部となる部分に 対応して形成される。 切断工程では、 4個の歪みゲ一 ジ 9 ごとに前記薄板基材 3 2 と絶縁膜 3 7 を第 2 2 図 中の破線で示すよ う に切断し、 最終的にダイ ヤフ ラ ム 2 と絶縁膜 3 7 と非晶質状の歪みゲー ジ 9 とからなる 複数の歪み検出部を形成する (第 2 3 図) 。 こ のよ う
にして形成された第 2 3図に示される各歪み検出部は、 その後非晶質状態の歪みゲージ 9を結晶質化するため の前記熱処理が施される。 その後、 絶縁膜 3 7の所定 の上面箇所に接着剤を付着して圧力セ ンサ 1 Aを支持 部材 3に固定する。 上記実施例による圧力セ ンサの構 造によれば、 金属マスクを使用する必要がないので簡 単に製造することができる。 また接着材を利用して支 持部材 3 とダイヤフ ラ ム 2を結合するため、 結合方法 が容易である。
その他の圧力セ ンサュニッ ト 1 の変更実施例を第 2 4図乃至第 2 6図に基づいて説明する。
第 2 4図は圧力セ ンサュニッ ト 1 の要部を示し、 圧 力セ ンサュニッ ト 1 は、 図中下側面 3 9 aが圧油に接 触する接液面となり、 この接液面 3 9 aから他の側面 3 9 bにかけて大径段部 3 9 c と小径孔部 3 9 dが同 心状に形成された平板状の基体 3 9 と、 この基体 3 9 の大径段部 3 9 c に嵌合された例えば円形のダイヤフ ラム 2 とから構成される。 基体 3 9 は、 例えば油圧パ イブ、 継手、 油圧ポンプ及び油圧モータ等の油圧機器 の圧油と接触する壁部である。 ダイヤフ ラ ム 2は図中 上面に歪み検出部 2 Aが形成された後、 基体 3 9の大 径段部 3 9 c に拡散接合又は接着剤等によつて固着さ れており、 歪み検出部 2 Aが基体 3 9の小径孔部 3 9 d内に収容された伏態になっている。 以上のように、
この実施例では、 支持部材の役目を有する基体 3 9 が 油圧機器の圧油に接触する壁部で代用されている。
またこ の実施例では、 絶縁膜 8、 半導体歪みゲー ジ 9、 薄膜導体 1 0、 パッ シベー シ ヨ ン膜 1 2 、 ワイ ヤ 1 1 からなる歪み検出部 2 Aの構造は第 3図で説明 し た構造と同じであるが、 その周辺の構造が前記実施例 と異なっている。 すなわち、 4 0 は合成樹脂によ っ て 有蓋筒状に形成されたカバーで、 このカバー 4 0 は歪 み検出部 2 Aをを覆う よ う に絶縁膜 8 に固着されてお り、 その頂壁部 4 0 a には複数のワイ ヤ挿通孔 4 1 , 4 1 (図示例では 2つ示されている) が設け られてい る。 4 2 , 4 2 は、 頂壁部 4 0 a の上面に固着され、 且つ複数の リ ー ド線 4 4, 4 4 のそれぞれが接続され た接続端子である。 複数の接続端子 4 2 のそれぞれに は対応する ワイヤ 1 1 の一端が接続されている。 リ ー ド線 4 4 , 4 4のそれぞれの先端には図示しない電気 回路部及び計測器等が接続される。
前記構成を有する圧力セ ンサュニッ ト 1 によれば、 前記実施例と同様に圧力セ ンサ 1 Aの要部をなすダイ ャフラム 2 の強度を高める こ とができ、 またダイ ヤフ ラ ム 2 を基体 3 9 の大径段部 3 9 c に嵌合し収容、 設 置させるだけで、 ダイヤフ ラ ム 2 における歪み検出部 2 Aの位置合せを精度よ く 且つ容易に行う こ とができ る。 更に、 支持部材である基体 3 9 を直接油圧機器の
壁部と したため、 圧力セ ンサュニッ ト 1 の組付けをコ ンパク ト にする こ とができる。
第 2 5 図も第 2 4図と同様な図であ り、 この実施例 では、 基体 4 6 の大径段部 4 6 c 内周面と、 円形に形 成されたダイヤフラム 4 7 の外周面との間にスナ ッ プ リ ング 4. 8 を介装し、 また、 ダイヤフ ラ ム 4 7 と基体 4 6 との当接面にはオイルシール用の 0型シール リ ン グ 4 9 を設け、 歪み検出部 2 Aの側に油液等が浸入し ないよう にされている。 その他の構成は第 2 4図で説 明した構成と同じである。 この実施例によれば、 前記 各実施例で説明された位置合せの精度向上等の効果に 併せて、 ダイヤフ ラ ム 4 7を基体 4 6 に組付ける作業 が容易である と共に、 ダイ ヤフ ラ ム 4 7 を取り外して 歪み検出部 2 Aの交換作業を行う こ とができ、 組立て、 保守等の作業性に優れている。
第 2 6 図は一層コ ンパク トな構造に形成された圧力 センサュニッ ト 1 を示す。 第 2 6 図において、 5 0 は 小型の支持部材、 2 は支持部材 5 0の大径孔 5 0 a に 収容設置され且つ拡散接合等によ って支持部材 5 0 に 固着されたダイヤフ ラ ム、 4 は支持部材 5 0 の上面に 配設された電気回路部である。 この圧力セ ンサュニッ ト 1では、 支持部材 5 0 の側面の全周面に突起帯 5 0 b を形成し、 この突起帯 5 O bを利用 して、 その上側 にカバー と押え部材を兼用する カバー部材 5 1 を嵌合
等によって備え、 突起帯 5 O b の下側のスペースを利 用 して想像線で示すよ う にシールリ ング 5 2 を配設せ しめる。 この実施例による圧力セ ンサユニッ ト 1 は、 保管、 取扱いが容易であ り、 電気回路部 4 を破損する こ とがな く 、 容易な取付け作業で油圧機器に装着する こ とができ る。
第 2 7図は第 5図に類似した図面であるが、 構成が 基本的に異なる圧力セ ンサュニッ ト 1 0 0を示す。 こ の実施例によ る圧力セ ンサュニ ッ ト 1 0 0 では、 圧力 センサ 1 Aを 2個備え、 2個の圧力セ ンサ 1 Aの出力 の差をと る こ とによ って目的とする圧力信号を得る よ う に構成される。 すなわち、 圧力セ ンサュニッ ト 1 0 0 は差圧セ ンサと して構成されている。 第 2 7図にお いて、 第 5 図で示した要素と同一の要素には同一の符 号を付している。 2 2 は壁部、 2 3 は圧力セ ンサュニ ッ ト 1 0 0 を収容する大径の円形凹部、 2 7 は圧力セ ンサュニッ ト 1 0 0 を壁部 2 2 の凹部 2 3 に固定する ための押え部材、 2 8 は押え部材 2 7 を壁部 2 2 の外 面に固定するポル トである。 5 3 は本実施例によ る圧 力セ ンサュニ ッ ト 1 0 0 の支持部材であ る。 こ の支持 部材 5 3 は、 前記実施例の支持部材 3 よ り も大きな径 を有し、 且つ圧力セ ンサ 1 Aを 2個備える構造を有 し ている。 従って、 支持部材 5 3 の図中下面には圧力セ ンサ 1 Aのダイ ヤフ ラ ム 2 を収納し固着するための前
述した大径孔 5 aが 2個形成されている。 2個の圧力 セ ンサ 1 Aについて、 その周辺の構造はそれぞれ同じ 構造であ り、 その構造は第 5図に示された通り である。 そのため、 支持部材 5 3では、 2個の小径孔 5 b、 2 個の リ ング状溝部 6、 2個のシールリ ング 2 5が設け られる。 このよ う に、 圧力センサュニッ ト 1 0 0では 圧力を検出する こ とができる構成を 2か所備えている。 他方、 このよ う な圧力センサュニッ ト 1 0 0 の構造に 対応して、 壁部 2 2 にも油圧等の圧力を導き入れる孔 2 4が 2個形成されている。 孔 2 4, 2 4のそれぞれ に導入される圧力はそれぞれ異なる ものである。 また、 支持部材 5 3の上部に設けられる電気回路部 4の収容 '部周辺の構造は寸法が若干大き く なるだけで、 前記支 持部材 3 の場合とほとんど同じである。 ただし、 電気 回路部 4 は 2つの圧力センサ 1 Aから異なる圧力につ いての検出信号を入力され、 その差をと つて出力する よう に構成される。
第 2 8 図は本発明の構成が適用された差圧センサの 変更実施例を示し、 この差圧セ ンサと して構成された 圧力センサユニッ ト 2 0 0 の構造によれば、 1つの圧 力セ ンサ 1 Aによって差圧セ ンサを実現している。 第 2 8 図において、 5 4 は油圧機器等の壁部の一部分を 示し、 この壁部 5 4 はそれぞれ異なる油圧を受ける内 壁面 5 4 a と 5 4 b を有している。 壁部 5 4 の各内壁
面 5 4 a , 5 4 b にはそれぞれ圧油を導入する孔 2 4 と 2 4 a が形成されている。 壁部 5 4 の外壁面 5 4 c には内面に雌ネ ジが形成された大径の孔 5 5、 更に孔 5 5 の底部には、 圧力セ ンサ 1 Aをホール ドする支持 部材 5 6 を収容、 設置せしめるための孔 5 7 が形成さ れている。 孔 5 5 と 5 7 は同軸的位置関係にある。 支 持部材 5 6 はほぼ円柱状の形状をな し、 図中下面部に 圧力セ ンサ 1 Aのダイ ヤフ ラ ム 2 を収容し且つ固着せ しめる大径孔 5 a を有し、 その側部周面部に油路を形 成する溝 5 8、 内部に図中ダイ ヤフ ラ ム 2 の上面部に 通じ且つ前記溝 5 8 につながる油路用の孔 5 9が形成 されている。 前記の孔 2 4 はダイ ヤフ ラ ム 2 の下面側 に通じ、 孔 2 4 a は図中左端の開口部が溝 5 8 に対面 している。 従って、 内壁面 5 4 a側の圧油は孔 2 4 を 通してダイ ヤフ ラ ム 2 の下面側に導かれ、 一方内壁面 5 4 b側の圧油は孔 2 4 a及び溝 5 8、 孔 5 9 を通し てダイヤフ ラ ム 2 の上面側に導かれる。 また、 支持部 材 5 6 はその上面の凹部 6 0 に電気回路部 4 を収容、 配設している。 6 1 , 6 2, 6 3 はそれぞれシール リ ングであ り、 6 1 は支持部材 5 6 の下面に形成された 環状の溝に配設される 0型シール リ ング、 6 2及び 6 3 は支持部材の側部周面の周方向に形成された溝に配 置されたシール リ ングである。
圧力セ ンサ 1 Aの構造は基本的に前記実施例で説明
した構造と同じである。 ただし、 ダイヤフ ラ ム 2 の上 面側にも圧油が導かれる こ とから、 ダイヤフ ラ ム 2 の 上面に形成される歪み検出部を保護すべく S i N X や モ一ルディ ング膜等による保護膜 6 4が設け られてい る。 この実施例による構成では、 圧力セ ンサ 1 Aのダ ィャフ ラ ム 2の上下に圧力をかける構造とする こ とに よ り両者の差圧を直接検出する こ とができ る。 すなわ ち、 金属ダイヤフラム 2 の両面が圧力を受け、 1個の 圧力セ ンサ 1 Aによって応答性の良好な差圧セ ンサを 実現でき る。 ダイヤフ ラム 2 の上面の歪み検出部で検 出された差圧信号は複数の配線 6 5 によってハ ーメ チ ッ ク シール 6 6 内を通って電気回路部 4 に導かれ、 電 気回路部 4の増幅器等において差圧信号の処理が行わ れる。 ハ ーメ チ ッ ク シール 6 6 は圧油が電気回路部 4 側に浸入するの防止するためのものである。
第 2 9 図はダイヤフ ラ ム 2 の上面における配線 6 5 の固定構造の一例を示す。 配線 6 5の図中下端は、 ダ ィャフ ラ ム 2の上面周辺に固着されており、 配線 6 5 の下部は保護膜 6 4 によってコ ーティ ングされている。 配線 6 5 の接続構成と しては、 例えば、 ダイ ヤフ ラ ム 2 の上面周辺にハンダ 6 7 で雌型ピン受け 6 8 を設け、 保護膜 6 4 の外側に露出 した雌型ピン受け 6 8 の受け 口に下端を差込むこ とによ り接続する という ピン立て 構造となっ ている。 従って、 組立てが極めて簡単であ
る。 また、 単にハンダ付け構造とする こ と もでき る。 なお第 2 9図中、 6 9 は配線用薄膜である。
第 2 8 図に示された構造によれば、 前記各実施例で 説明された本発明の効果に加えて、 圧力セ ンサ 1 Aの 金属ダイ ヤフ ラ ム 2 を、 壁部 5 4 における支持部材 5 6 のハウ ジ ジ ング部分と支持部材 5 6 の大径孔 5 a の 段部で挟込む構造と したため、 強固な支持構造とな り、 圧油に関し高圧、 低圧の選択の仕方は任意となる。 ま た本実施例によれば、 1枚のダイ ヤフ ラ ムで差圧セ ン サを構成でき るため、 部品点数が減り、 小型且つ簡単 な構造で安価な差圧セ ンサュニッ トを作る こ とができ る。 なお、 支持部材 5 6 の上側には、 孔 5 5 の雌ネ ジ に螺合して孔 5 5 内に固定され支持部材 5 6 を押える 押え部材 (図示されず) が配設される。
第 3 0図は第 2 8 図で示した差圧セ ンサの構造の一 部を変更した実施例を示し、 この実施例では圧力を受 けるダイヤフ ラ ムの形状を変更している。 第 3 0 図に おいて第 2 8図で説明 した同一要素には同一の符号を 付す。 第 3 0図において、 5 4 は壁部、 5 4 a は内壁 面、 2 4 は圧油を導く 孔、 5 6 は支持部材、 5 9 は油 路用の孔、 6 5 は配線、 6 6 はハ ーメ チ ッ ク シールで ある。 また第 3 0 図において図示されなかっ た周辺部 分の構成は、 後述する よ う にシール リ ング 6 1 を使用 しない点を除き第 2 8 図に示された構成と同 じである。
第 3 0図において、 1 0 2 は本実施例によるダイヤフ ラムであ り、 このダイヤフラム 1 0 2 は切削加工によ つて作られる金属製ダイヤフ ラムである。 ダイヤフラ ム 1 0 2 は天板部分に起歪部 1 0 2 a を有し、 起歪部 1 0 2 aの上面に保護膜 6 4で保護された歪み検出部 が設けられる と共に、 起歪部 1 0 2 aの上面及び下面 が受圧面と して使用される。 起歪部 1 0 2 a の周辺下 側のダイヤフ ラ ム 1 0 2 の部分は、 起歪部と連続的に 且つ一体的に筒部 1 0 2 b形成される。 この筒部 1 0 2 bは起歪部 1 0 2 aを支持している。 筒部 1 0 2 b の上面は非起歪部と して構成され、 この非起歪部に配 線 6 5が接続されている。 また筒部 1 0 2 b の図中下 部外周面には段部 1 0 2 cが形成される。 かかる形状 を有するダイヤフ ラ ム 1 0 2 は、 支持部材 5 6 の大径 孔 5 a に嵌合され、 こ こに収容、 設置されてその'段部 に拡散接合又は接着剤によって固着される。 またダイ ャフ ラム 1 0 2 は、 組付け時、 第 3 0図に示すよ う に 筒部 1 0 2 bの先部が壁部 5 4の孔 2 4の大径孔 2 4 a内に位置する こ とになり、 且つ前記段部 1 0 2 c と 大径孔 2 4 a の段部とで環状スぺースが形成される。 この環状スペースには 0型シールリ ング 1 0 3が配設 される。 こ のよ う な組付け構造において、 圧油を導く 孔 2 4 はダイヤフ ラ ムの内側スペースに通じ、 圧油が 起歪部 1 0 2 a の下面に加え られる。 また油路 5 9 を
経由 して他の圧油が起歪部 1 0 2 a のの上側に形成さ れたスペースに導かれ、 起歪部 1 0 2 a の上面に加え られる。 こ う して金属製ダイ ヤフ ラム 1 0 2 の上下よ り異なる圧力を加える こ とによ り両者の差圧が歪み検 出部で検出される。 なお、 前述のよ う にダイ ヤフ ラ ム 1 0 2 の筒部 1 0 2 b の先部外周部にシール リ ング 1 0 3 を設けるよ う に したため、 第 2 8 図で示したシー ルリ ング 6 1 を設ける必要はない。 この実施例による 差圧セ ンサでも第 2 8図に示された差圧セ ンサと同様 に 1 個のダイ ヤ フ ラ ムで差圧セ ンサが構成される。 次に、 前記の各実施例で説明された各種圧力セ ンサ ュニッ トのいずれかが予め組付け られた油圧パイ プ用 継手、 油圧パイ プ等を説明する。
第 3 1 図は継手の第 1実施例を示し、 第 3 2 図は継 手の要部平面図である。 こ の実施例では、 第 5 図に示 された構造を有する圧力セ ンサュニッ ト 1 が組付け ら れた継手を示す。 第 3 1 図及び第 3 2 図において第 5 図で示された要素と実質的に同一の要素には同一の符 号を付す。 7 0 は径の異なる一対の油圧パイ プを接続 するためのプッ シ ングであ り、 プッ シ ング 7 0 の内周 側は平坦な周面からなる油液接触面 7 0 a とな り、 油 通路 7 1 を形成している。 また、 プッ シ ング 7 0 の内 周の軸方向両側は大径の雌ネ ジ部 7 2 , 7 3 にな っ て いる。
2 3 はプッ シング 7 0の外周面 7 0 b側に形成され た前記圧力センサユニッ ト 1 を設置する円形孔、 7 4 は前記押え部材 2 7 を設置する円形孔、 2 8 , 2 8 は 押え部材 2 7を固定するためのボル ト、 2 9, 2 9 は ボル ト 2 8 を固着するネジ孔、 2 4 は油液接触面 7 0 a に開口された圧油を導入するための孔である。 第 3 2図に示されるよ う にボル ト 2 8 はその頂部に 6角孔 2 8 aを有する。 圧力セ ンサュニッ ト 1 に設けられた ダイ ヤフ ラム 2 は圧油導入孔 2 4 を介して油圧を受け る。 こ う して、 プッ シング 7 0 の壁部の中に外周面側 から圧力センサュニッ ト 1 が組み付け られ、 且つ押え 部材 2 7 によって圧力セ ンサュニッ ト 1が固定される。 図中測定器等は図示されていない。
前記構成を有する プッ シ ング 7 0では、 予め油通路 7 1 を通過する圧油の圧力を検出できる圧力セ ンサを 備えた構造を有し、 且つ圧力セ ンサュニッ ト 1及びそ の押え部材 2 7をプッ シング 7 0 の壁部に完全に埋設 するよ う に し、 そのため、 岩石、 土砂等で圧力センサ 部分が破損する こ とを確実に防止する こ とができ る。 また、 圧力セ ンサを備えていない従来のブッ シ ングを、 本実施例による プッ シング 7 0 と交換するだけで、 油 圧パイ プの全体の長さを変える こ とな く 圧力センサを 取り付ける こ とができ、 また取付け作業も極めて簡単 である。 更に油圧パイ プに対する プッ シ ング 7 0 の接
続位置を変更する こ とによって、 油圧の測定箇所を自 由に且つ容易に選定する こ とができる。
第 3 3図及び第 3 4図は継手の他の実施例を示す。 この実施例において、 第 3 1 図に示された構成と同一 の構成には同一の符号を付し、 その説明を省略する。 この実施例では、 圧力セ ンサュニッ ト 1 の支持部材 3 を押さえ付ける押え部材が前記実施例の ものと異なる。 すなわち、 圧力セ ンサュニッ ト 1 の設置孔 2 3 の図中 上部に押え部材を設置する孔 7 5 を大径の雌ネ ジ孔と して形成し、 このネ ジ孔 7 5 に、 外周面に雄ネ ジを形 成した押え部材 7 6 を螺合して取り付ける。 押え部材 7 6 の外端面には.、 第 3 4図に示される よ う に、 押え 部材 7 6 を回転せ しめるための孔 7 6 a が 2個設け ら れている。 また。 押え部材 7 6 の軸部には挿通孔 7 6 bが形成され、 この孔 7 6 bから圧力セ ンサユニ ッ ト 1 の上部に配置された電気回路部 4の リ ー ド線が引 き 出される。 孔 7 6 b はその後封止される。
第 3 5 図及び第 3 6図は油圧パイ プのフラ ン ジ部に 本発明にかかる圧力セ ンサュニッ トを組付けた実施例 を示す。 組付け られる圧力セ ンサュニッ ト は第 5 図に 示された構造を有する ものである とする。 7 7 はパイ プ部 7 7 a と フラ ン ジ部 7 7 b とを有する フ ラ ン ジ付 き油圧パイ プで、 その内周面は油液接触面 7 7 c とな つている。 2 3 はパイ プ部 7 7 a の外周面から径方向
に形成された孔で、 圧力セ ンサュニッ ト 1 を設置する ための孔である。 2 4 は油液導入孔である。 7 8 は設 置孔 2 3 と同心状に立設された中空筒孔を有するホル ダで、 その内周面の上半部には雌ネ ジ部 7 8 aが刻設 されている。 この雌ネジ部 7 8 a には圧力セ ンサュニ ッ ト 1 を押え且つ固定するための押え部材 7 9が螺合 するよ う になつている。
上記実施例によれば、 圧力セ ンサュニッ ト 1 を備え たフ ラ ンジ付き油圧パイプ 7 7 を油圧パイ プの所望の 箇所に組付ける こ とにより、 油圧を任意の位置で測定 する こ とができ る。
第 3 7 図及び第 3 8 図は油圧パイプ 8 0 a と フ ラ ン ジ部 8 0 b からなる フ ラ ンジ付き油圧パイ プ 8 0 のフ ラ ンジ部 8 0 b に本発明にかかる圧力セ ンサュニッ ト を組付けた実施例を示す。 この実施例では、 フ ラ ンジ 部 8 0 b に、 圧力セ ンサュニッ ト 1 を設置するための 設置孔 2 3 と、 設置された圧力セ ンサュニッ ト 1 を固 定するための押え部材 8 1 を取り付ける雌ネ ジ孔 8 2 を同軸的に形成している。 なお、 2 4 は圧油導入孔、 8 0 c は油液接触面である。
以上の各実施例で説明した圧力セ ンサは主に油圧を 測定する ものについて説明したが、 その他の液圧、 気 圧に関する ものであ っても同様に本発明を適用する こ とができ るのは勿論である。
産業上の利用分野
本発明による圧力セ ンサ及び圧力セ ンサ付き油圧機 器は、 土木 · 建設機械用の油圧機器等に組付けるのに 最適な構造を有し、 ダイ ヤフ ラ ムなどの各構成要素の 位置決め精度の向上、 組付けの簡易化、 圧力測定精度 の向上を達成でき、 また本発明による圧力セ ンサの製 造方法によれば半導体製造技術を有効に利用する こ と ができる。
Claims
1 . 薄板状に形成され、 一方の面に歪み検出部が設け られ且つ少な く と も 1 つの面が受圧面となるダイヤフ ラムと、 大径孔とそれに同軸に連なる小径孔とを有す る支持部材とからなり、 前記大径孔は前記ダイヤフ ラ ムを収容し且つ前記大径孔の内壁面が前記ダイ ヤフ ラ ムの外端部の位置を制限する位置関係に基づき前記小 径孔に対して前記ダイヤフ ラ ムの設置位置を決定し、 前記小径孔は前記ダイ ヤフ ラ ムの起歪部寸法を規定し、 前記大径孔と前記小径孔との間に形成される段部が前 記ダイヤフ ラム との結合面とな り、 更に前記大径孔に 収容された前記ダイヤフラムの受圧面に圧力媒体が導 入される こ とを特徵とする圧力セ ンサ。
2 . 請求の範囲第 1項において、 前記小径孔に対する 前記ダイ ヤフ ラ ムの位置決めは、 前記ダイヤフ ラ ムの 外端部を前記大径孔の内壁面に接触させる こ と によ り 行われる こ とを特徵とする圧力センサ。
3 . 請求の範囲第 1項において、 前記ダイヤフ ラ ム力 矩形薄板状に形成され、 前記大径孔の内壁面が前記ダ ィャフラムの各頂点の位置を制限する位置関係に基づ いてダイヤフ ラ ムの前記位置決めが行われる こ とを特 徵とする圧力セ ンサ。
4 . 請求の範囲第 1項において、 前記ダイヤフ ラ ムは 接着剤によって前記支持部材に結合される こ とを特徵
とする圧力セ ンサ。
5 . 請求の範囲第 1項において、 前記ダイ ヤフ ラ ムは、 前記歪み検出部の外周囲の周辺表面と前記支持部材の 前記段部表面とを拡散接合させる こ と によ り前記支持 部材に結合される こ とを特徴する圧力セ ンサ。
6 . 請求の範囲第 1項において、 前記支持部材は油圧 機器の圧力媒体と接触する壁部である こ とを特徴とす る圧力セ ンサ。
7 . 請求の範囲第 1 項において、 前記支持部材は、 前 記歪み検出部から出力される検出信号を処理する電気 回路部を収容し設置するよ う に構成されたこ とを特徵 とする圧力セ ンサ。
8 . 薄板状に形成され、 一方の面に歪み検出部が設け られ、 他方の面が受圧面となる 2個のダイヤフ ラ ム と、 大径孔とそれに同軸に連なる小径孔とを 2組有する支 持部材とからな り、 前記 2組の う ちの各大径孔は前記 2個のダイヤフラムの う ちの各 1 個をそれぞれ収容し 且つ前記大径孔の内壁面が前記各ダイヤフ ラ ムの外端 部の位置を制限する位置関係に基づき前記各小径孔に 対して前記各ダイ ヤフ ラ ムの設置位置を決定 し、 前記 各小径孔は前記各ダイ ヤフ ラ ムの起歪部寸法を規定し、 前記各大径孔と前記各小径孔との間に形成される各段 部が前記各ダイ ヤフ ラ ム と の結合面とな り、 更に前記 各大径孔に収容された前記各ダイ ヤフ ラ ムの受圧面に
異なる圧力の圧力媒体が導入され、 差圧セ ンサと して 構成される こ とを特徵とする圧力セ ンサ。
9 . 薄板状に形成され、 一方の面に歪み検出部が設け られ、 一方の面と他方の面が共に受圧面となるダイヤ フ ラ ム と、 大径孔とそれに同軸に連なる小径孔とを有 する支持部材とからな り、 前記大径孔は前記ダイ ヤフ ラムを収容し且つ前記大怪孔の内壁面が前記各ダイヤ フ ラ ムの外端部の位置を制限する位置関係に基づき前 記小径孔に対して前記ダイヤフ ラ ムの設置位置を決定 し、 前記小径孔は前記ダイヤフ ラ ムの起歪部寸法を規 定し、 前記大径孔と前記小径孔との間に形成される段 部が前記ダイヤフ ラ ム との結合面とな り、 更に前記大 径孔に収容された前記ダイヤフ ラ ムの一方の面と他方 の面とに異なる圧力の圧力媒体が導入され、 差圧セ ン サと して構成される こ とを特徵とする圧力セ ンサ。
1 0 . 金属材料で薄板状のダイ ヤフ ラ ムを形成するダ ィャフ ラ ム形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ムの一方の面 の中央部付近に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形 成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記非晶質状シ リ コ ン薄膜を熱処理し結晶化する熱処理工程と、 結晶化さ れたシ リ コン薄膜を歪みゲージにパタ ーン形成するゲ ージパタ ー ン形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ムと このダ ィャフラムを収容し位置決めする支持部材とを結合さ
せる結合工程とからなる こ とを特徵とする圧力セ ンサ の製造方法。
1 1 . 金属材料で薄板状のダイ ヤフ ラ ムを形成するダ ィ ャフ ラ ム形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ムの一方の面 の中央部付近に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形 成する シ リ コ ン薄膜工程と、 前記シ リ コ ン薄膜を歪み ゲー ジにパター ン形成するゲージパター ン形成工程と、 前記非晶質状の歪みゲージを熱処理し結晶化する熱処 理工程と、 前記ダイヤフ ラ ム と このダイ ヤフ ラ ムを収 容し位置決めする支持部材とを結合させる結合工程と からなる こ とを特徵とする圧力セ ンサの製造方法。
1 2 . 金属材料で薄板状のダイ ヤフラ ムを形成するダ ィ ャフ ラ ム形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ムの一方の面 に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の 上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記非晶質状シ リ コ ン薄膜を熱処 理し結晶化する熱処理工程と、 結晶化されたシ リ コ ン 薄膜を歪みゲージにパター ン形成するゲージパタ ー ン 形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ム と このダイヤフ ラ ムを 収容し位置決めする支持部材とを結合させる結合工程 とからなる こ とを特徴とする圧力セ ンサの製造方法。
1 3 . 金属材料で薄板状のダイ ヤフ ラ ムを形成する ダ ィ ャ フ ラ ム形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ムの一方の面
に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の 上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記シ リ コ ン薄膜を歪みゲージに パターン形成するゲージパター ン形成工程と、 前記非 晶質状歪みゲージを熱処理し結晶化する熱処理工程と、 前記ダイ ヤフラムと このダイヤフラムを収容し位置決 めする支持部材とを結合させる結合工程とからなる こ とを特徴とする圧力セ ンサの製造方法。
1 4 . ダイヤフラムを複数形成できるよ う に、 金属材 料によって任-意の面積を有する薄板基材を成形する基 材成形工程と、 前記各ダイヤフ ラ ムの歪み検出部が形 成されるスペースを確保するためのマス クを前記薄板 基材に載置するマスク載置工程と、 前記薄板基材の上 面の前記マスクによって生じた前記スペース内に絶縁 膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面に シ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜 形成工程と、 前記薄板基材から前記マスクを除去する マスク除去工程と、 前記非晶質状シ リ コ ン薄膜を熱処 理し結晶化する熱処理工程と、 結晶化されたシ リ コ ン 薄膜を複数の歪みゲージにパタ ー ン形成するゲージパ ター ン形成工程と、 前記歪みゲージごとに前記薄板基 材を切断し歪み検出部が設けられた前記複数のダイ ヤ フ ラ ムを形成する切断工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ム と こ のダイヤフ ラ ムを収容し位置決めする支持部材とを結
合させる結合工程とからなる こ とを特徴とする圧力セ ンサの製造方法。
1 5 . ダイ ヤフ ラムを複数形成でき る よ う に、 金属材 . 料によっ て任意の面積を有する薄板基材を成形する基 材成形工程と、 前記各ダイ ヤフ ラムの歪み検出部が形 成されるスペースを確保するためのマスクを前記薄板 基材に載置するマスク載置工程と、 前記薄板基材の上 面の前記マスク によ って生じた前記スペース内に絶縁 膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面に シ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜 形成工程と、 前記薄板基材から前記マス クを除去する マスク除去工程と、 前記シ リ コ ン薄膜を複数の歪みゲ ージにパター ン形成するゲージパター ン形成工程と、 前記非晶質状の複数の歪みゲー ジを熱処理し結晶化す る熱処理工程と、 前記歪みゲー ジごとに前記薄板基材 を切断し歪み検出部が設け られた前記複数のダイ ヤフ ラムを形成する切断工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ム と こ の ダイヤフ ラ ムを収容し位置決めする支持部材とを結合 させる結合工程とからなる こ とを特徵とする圧力セ ン ザの製造方法。
1 6 . ダイ ヤフ ラムを複数形成できる よ う に、 金属材 料によっ て任意の面積を有する薄板基材を成形する基 材成形工程と、 前記薄板基材の上面に絶縁膜を形成す る絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄
膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記非晶質状シ リ コ ン薄膜を熱処理し結晶化する熱処 理工程と、 結晶化されたシ リ コ ン薄膜を複数の歪みゲ ージにパター ン形成するゲージパター ン形成工程と、 前記歪みゲージごとに前記薄板基材を切断し歪み検出 部が設け られた前記複数のダイヤフ ラ ムを形成する切 断工程と、 前記ダイヤフラ ム と このダイ ヤフ ラ ムを収 容し位置決めする支持部材とを結合させる結合工程と からなる こ とを特徵とする圧力セ ンサの製造方法。
1 7 . ダイ ヤフラムを複数形成できるよ う に、 金属材 料によって任意の面積を有する薄板基材を成形する基 材成形工程と、 前記薄板基材の上面に絶縁膜を形成す る絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄 膜を非晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記シ リ コ ン薄膜を複数の歪みゲージにパター ン形成 するゲージパター ン形成工程と、 前記非晶質状の複数 の歪みゲージを熱処理し結晶化する熱処理工程と、 前 記歪みゲージごとに前記薄板基材を切新し歪み検出部 が設けられた前記複数のダイヤフ ラムを形成する切断 工程と、 前記ダイ ヤフ ラム と このダイ ヤフラ ムを収容 し位置決めする支持部材とを結合させる結合工程とか らなる こ とを特徵とする圧力セ ンサの製造方法。
1 8 . 金属材料で薄板状のダイ ヤフ ラ ムを形成するダ ィャフ ラ ム形成工程と、 前記ダイ ヤフ ラ ムの一方の面
の中央部付近に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜を非晶質状態にて形 成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記シ リ コ ン薄膜を 非晶質状歪みゲージにパター ン形成するゲー ジパタ ー ン形成工程と、 前記非晶質状歪みゲー ジがパター ン形 成されている前記ダイヤフ ラ ム と このダイヤフ ラ ムを 収容し位置決めする支持部材とを拡散接合する と共に 前記ダイ ヤフ ラ ムの前記非晶質歪みゲー ジを結晶化す るため、 前記支持部材と前記ダイ ヤフ ラムと前記非晶 質状ゲー ジを同時に熱処理する熱処理工程とからなる こ とを特徵とする圧力セ ンサの製造方法。
1 9 . ダイ ヤフ ラ ムを複数成形でき る よ う に、 任意の 面積を有する薄板基材を成形する基材成形工程と、 前 記各ダイ ヤフ ラ ムの歪み検出部が形成されるスペース を確保するためのマス クを前記薄板基材に載置するマ スク載置工程と、 前記薄板基材の上面の前記マスク に よ っ て生じた前記スペース内に絶縁膜を形成する絶縁 膜形成工程と、 前記絶縁膜の上面にシ リ コ ン薄膜を非 晶質状態にて形成する シ リ コ ン薄膜形成工程と、 前記 薄板基材から前記マス クを除去するマス ク除去工程と、 前記シ リ コ ン薄膜を複数の非晶質状歪みゲー ジにバタ ー ン形成するゲージパター ン形成工程と、 前記非晶質 状歪みゲー ジごとに前記薄板基材を切断し歪み検出部 が設け られた前記複数のダイ ヤフ ラ ムを形成する切断
工程と、 前記非晶質状歪みゲージがパター ン形成され ている前記ダイ ヤフ ラム と このダイ ヤフ ラムを収容し 位置決めする支持部材を拡散接合する と共に前記ダイ ャフラムの前記非晶質歪みゲー ジを結晶化するため、 前記支持部材と前記ダイヤフラムと前記非晶質状ゲー ジを同時に熱処理する熱処理工程とからなる こ とを特 徵とする圧力セ ンサの製造方法。
2 0 . 内壁面が圧油 と接触する壁部を有する油圧機器において、 前記壁部 の外壁面から前記内壁面に向けて形成された圧力セ ン サ設置孔と、 前記圧力セ ンサ設置孔と前記圧油接触面 とを連通するよ う に前記壁部に形成された圧油導入孔 とを有し、 前記圧力セ ンサ設置孔に、 歪み検出部を備 えたダイ ヤフラムと このダイヤフラムを収容し位置決 めする支持部材とからなる圧力セ ンサを配設し、 押え 部材で前記支持部材を固定して前記圧力セ ンサを前記 壁部の前記圧力セ ンサ設置孔に固定するよう に したこ とを特徵とする圧力セ ンサ付き油圧機器。
2 1 . 請求の範囲第 2 0項において、 前記油圧機器は 油圧パイ プである こ とを特徵とする圧力セ ンサ付き油 圧機器。
2 2 . 請求の範囲第 2 0項において、 前記油圧機器は 油圧継手である こ とを特徵とする圧力セ ンサ付き油圧
2 3 . 請求の範囲第 2 0項において、 前記油圧機器は
フラ ンジを備えた油圧パイ プで有り、 前記フ ラ ン ジの 部分に前記圧力セ ンサを組付けたこ とを特徴とする圧 カセ ンサ付き油圧機器。
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