JP2000506261A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特に非常に高い圧力を測定するために用いられる圧力センサであり、望ましくは測定子（1）の外部から圧力が加えられ、この測定子は中央キャビティ（3）を備え、かつこの測定子は中央キャビティを形成するために封止連結される二つの部品（1A-B）からなり、この測定子に圧力を加えたときにこの測定子の機械的応力状態を検出するセンサ手段（11-14）を備える。測定子の二つの部分（1A-B）はプレーナ技術、望ましくはシリコンまたは水晶のプレーナ技術により製造され、横方向の寸法に比べて長さ方向に充分に長く、キャビティ（3、23、33、63）はこの長さ方向に向いて配置される。センサ手段（11-14）は、測定子の外面（5）または内面に隣接して配置された圧電抵抗素子により構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 圧力センサ 〔技術分野〕 本発明は圧力センサに関する。特に、非常に高い圧力を測定するための圧力セ ンサであり、望ましくはそのような圧力が測定子（測定エレメント）の外部から 働くような用途で用いられ、その測定子は互いに封止連結されて中央キャビティ を形成する二つの部分からなり、圧力が加えられたときの測定子の機械的応力状 態を検出するセンサ手段を備えた圧力センサに関する。 〔背景技術〕 基本的に圧力センサは、バネ要素（測定子）と、測定素子またはセンサ素子と から構成される。市販されている通常の圧力センサにはシリコン技術を利用した ものがあり、そのような圧力センサでは、バネ要素としてメンブレンを採用し、 センサ手段として圧電抵抗性の抵抗器が設けられている。メンブレンを利用した バネ要素は、不均一な弾性率をもつ材料への偏位を伴って基板へ固定することに 関連する効果に敏感であるため、高圧で使用するには適していない。メンブレン で検出される応力は、圧縮応力と引張応力との組み合わせとなる。引張応力が大 き過ぎると、破損が発生することがある。変形が大きくなると、メンブレンの応 力が圧力の線形関数ではなくなり、得られる出力が非線形信号となってしまう。 上述したような高圧用の圧力センサは一般に公知であり、例えば、ノルウェイ 国特許出願94.0785号に開示されたものがある。ノルウェイ国特許出願94.0785号 に開示された圧力センサは、ブルドン効果を利用し、変形を容量で読み取ること ができる。この公知の圧力センサは、管状の測定子を基本としているが、測定子 の曲げを得るために、１または複数の内側キャビティが常に偏心配置される。そ のような曲げが生じると、結合部に剪断応力が発生し、この剪断応力がその部分 を破損に導くことがある。容量読取に伴う欠点は、非常に高い圧力を測定するた めには外径が非常に小さいことが必要であり、そのために、容量が非常に小さ くなってしまい、検出が非常に困難になってしまうことである。容量検出にはま た、測定子を直接にプロセス媒体にさらすことができないという欠点がある。そ の理由は、容量が媒体の誘電率に敏感であり、容量のギャップ内に入り込む粒子 のような汚染に対して非常に敏感になるからである。 オレ・エイ・ソルハイム著「インストルメンタリンクシュテクニク」（Ole A. Solheim,“Instumenteringsteknikk",Tapir publishers Trondheim 1966）には 、その118頁に、ここで採用された測定の原理が記載されている。この本によれ ば、この測定原理は、引張ゲージを管状測定子に取り付けることにある。測定子 の表面では、周囲方向の応力が常に軸方向の応力の二倍になる。二つの方向の応 力の違いは、圧力に比例する。管状の測定子の外側から圧力を加えるようにすれ ば、破壊を引き起こすような引張応力を防止することができる。この測定原理は 、ヨーロッパ特許公報0.107.549号に開示されたより新しい技術にも部分的に利 用されている。しかし、この公報に示された技術では、外部または内部に圧力を 加えたときの軸方向と放射方向との応力の違いを利用せず、変形の変化に基づい て測定を行なっているだけである。センサ素子は音響表面波を利用して動作する 構成であり、このため、圧力センサの大きさはある最低限を越えるものでなけれ ばならない。 圧力センサの別の例として、本願とそれほど関係のあるものではないが、フラ ンス特許第2.531.533号に開示されたものもある。 〔発明の開示〕 本発明の圧力センサは、公知の技術を背景とし、「技術分野」の欄において説 明した構成において、測定子の二つの部分がプレーナ技術、望ましくはシリコン または水晶のプレーナ技術により製造され、横方向の寸法に比べて長さ方向に充 分に長く、キャビティがこの長さ方向に向いて配置され、センサ素子が測定子の 外面または内面に隣接して配置された圧電抵抗素子により構成されたことを新規 で独特の特徴とするものである。 測定子の二つの部分の一方または双方にはその広い面の一方から長い凹部すな わちチャネルが設けられ、二つの部分を結合したときに、上述のキャビティが形 成される。このキャビティは、広い意味で管状と見なすことができる。本発明に 係る測定子は、長さが横方向の寸法の少なくとも十倍のオーダであることが望ま しい。通常は直線的な形状が望ましく、そのように配置することにより、内外の 圧力差を検出できる。測定子の幾何学的形状は、圧力を加えたときの曲げ（ブル ドン効果）を防ぐことができる利点があり、連結面の剪断応力ならびに引張応力 を最小化できる利点がある。以下に説明するように、測定子の断面の中央にキャ ビティを配置することには多くの利点がある。キャビティには、差圧測定のため に参照圧力を加える構成としてもよく、絶対圧力測定のため、固定の参照圧力、 望ましくは真空にして閉じることもできる。測定子の外側については、圧力を測 定するためにどのような媒体にさらすか、プロセス媒体に直接にさらすか、また は隔離メンブレンを用いて既知の方法によりプロセス媒体から分離した既知また は選択された媒体にさらすかという目的にしたがって設定することができる。 本発明は、微細加工技術、すなわちプレーナ技術を利用することにより、測定 子を非常に小さい寸法で製造することができる。これは非常に高い圧力を測定す る場合に特に有効である。さらに、細長い構成は、実際の測定素子を実際の測定 装置に取り付け、組み込みあるいはパッケージングする場合に非常に望ましい。 本発明の別の観点によると、筐体または保持部材内の支持または取り付けに関 して新規で独特の測定装置が提供される。 以下では、図面に例示した種々の実施例を参照して本発明をさらに詳しく説明 する。 〔図面の簡単な説明〕 図1は本発明に係る第一実施例の測定子をホルダに取り付けた状態を示す斜視 図。 図2Aは図1に示した測定子の主要部の拡大断面図。 図2Bは図1に示した測定子の支持部を示す拡大断面図。 図3は図2Aおよび図2Bに対応する断面図であり、測定子の断面形状、すなわち 空洞の断面の変化を示す図。 図4は断面形状の別の変化、すなわち長方形本管形状の変化を示す図。 図5をは本発明に係る測定子を備えた測定装置を示す単純化した上面図。 図6は図5に示した装置を（左側の）端から見た図。 図7は本発明に係る測定子の特別の実施例を示す上面図であり、キャビティが 個々のチャネルに分割された実施例を示す図。 図8は図7の測定子を上から見た図。 図9は図7のIX-IX線に沿った断面図。 図9Aは図9の断面図の拡大詳細図。 〔発明を実施する最良の形態〕 図1に示した実施例では、細長い測定子1が二つの部分1A、1Bにより構成される 。これらは同等の部品であり、これらにより、二つの終端壁3A、3Bの間に内部キ ャビティ３を形成する。したがて、したがって、内部キャビティ3は測定子1の主 要部の終端まで延びるわけではない。この実施例では、測定子1の断面形状を八 角形とする。 測定子の表面5にはセンサ素子11、12、13および14が設けられ、多数のリード 線15により、外部の電子回路または測定回路に接続される。センサ素子11、12、 13よび14としては公知の圧電抵抗素子が用いられ、ブリッジ回路として構成され ることが望ましい。このセンサは、周囲の媒体と内部キャビティ３との間の圧力 差に変化が生じたときの機械的応力の変化または測定子の変形に対して感度があ る。 測定子1はその八角形の主要部の内側端が支持部2なっており、この支持部2は 、測定子全体が取り付けられた保持部材18との協同動作のため、外側断面形状が 正方形となっている。保持部材18には貫通孔19が設けられ、測定子の取付部7 を収容する構成となっている。貫通孔19の形状は円形であることが望ましい。ま た、取付部7は、測定子1の主要部と同じ外側断面形状をもつことが有利である。 結合部2は測定子を保持部材18にしっかりと噛み合わせるために設けられ、測定 子1を非常に高い圧力にさらす場合には特に重要となる。測定子1を非常に高い圧 力にさらした場合、測定子1の軸方向に貫通孔19内に押し込むような力が加わる が、突出した角2A、2B、2Cおよび2D（図2Aも参照）が、そのような圧力による測 定子1の移動を効果的に防止する。貫通孔19を通る取付部7については、八角形断 面と円形の貫通孔19との間の空間を満たす適当な接着剤で固定することもできる 。 図2Aは測定子の断面形状をさらに詳しく示す。この測定子は二つの部分1Aおよ び1Bからなり、これらが参照番号8で示される面で結合される。図2Aには、保持 部材18に当接する四つの角2A、2B、2Cおよび2Dを示す。 図2Bに示す正方形の外側断面形状は支持部2の断面に相当するが、絶対圧力測 定を行なう場合、すなわち図1に示したように内側キャビティ3が終端壁3A、3Bで 閉じられているような場合には、支持部2内には実際には内側キャビティ3は存在 しない。図2Bに示したものは、内部キャビティ3の断面形状は図2Aおよび図1に示 したものと同等であり、測定子1の実効長の別な主形状を示すものと見なすこと ができる。したがって、本発明によれば、二つの部分1A、1Bの結合面8に二つの 角が配置されたダイヤモンド型断面をもつように、内側キャビティ３を形成する ことが便利である。 図3は変形例を示す。測定子の外側断面形状が図2Aと同じ八角形であるが、内 側キャビティ33は六角形の断面形状をもつ。これはキャビティ３と同様にダイヤ モンド型形状であり、プレーナ技術、特にエッチングでの製造に適している。方 形および八角形の外側断面形状の他に、本発明に係る測定子は、他の形状の多角 形、例えば六角形の断面形状に製造することもできる。 上述したようにプレーナ技術に基づき、測定子の二つの部分を陽極接合（ anodic bonding）により、またはいわゆる融着（fusion bonding）により連結す ることが便利である。図1、2A、2Bおよび3例示した測定子の断面は結合面8に対 して（およびそれに垂直な中央面に対して）対称であるが、図4に示す長方形断 面は、同じ断面形状をもっているわけではない二つの部分21A、21Bで構成される 。部分21Aは厚く、こちらだけに、所望のキャビティを形成するための凹部23が 設けられている。結合面を参照番号28より示すが、部分21Bは単純な板状であっ て、部分21Aと組み合わせることで、測定子12の断面を形成している。ただし、 この実施例の場合にも、キャビティ23は、測定子21の全体としての断面内で中央 の対称位置に配置される。 図5および6は、本発明に係る測定子を内蔵したより完全な測定装置の実用的な 例を示す。図5に示した筐体すなわちホルダは、スリーブ部41、内側部42および 中間部43の三つの主要部からなる。スリーブ部41には中央ボア41Aが設けられる 。内側部42には、外部にねじ山が設けられることが望ましい。中間部43は、その 外側がナットヘッドとして構成される。測定子51の実効的主要部が注入ボア41A に突出するように取り付けられ、スリーブ部41は圧力測定が行なわれる領域に挿 入される。一方、内側部42は低圧側に配置される。中間部43は、図1に示した保 持部材18に相当する保持部材48を供え、その貫通孔49には、図1に示した支持部2 に相当する測定子の支持部を収容するための比較的広い部分49Aが設けられる。 測定子51に設けられた取付部57は、低圧側の外部に設けられた電子回路または電 気回路への電気的な接続のため、貫通孔49を通って内側部42内に入り込む。 最後に、図7、8、9および9Aは本発明の特別の実施例を示す。この実施例では 、図9および9Aに示すように、測定子が非常に平坦な断面形状をもつ。上述の実 施例と同様にプレーナ技術により製造された二つの部分61Aおよび61Bは、測定子 61平板型となるように連結される。内側キャビティは多数の別々のチャネルに分 割される。図9Aでは参照番号63により四つのチャネルを示す。測定子61内にいく つかのキャビティすなわちチャネルを配置したこのような構成は、用途に よっては有効である。測定子を圧力にさらしたときに発生する応力については、 大きい側の面、例えば図7に示した表面面65、またはその近傍に圧電抵抗素子に よるセンサ素子を設けることで、効果的に検出できる。センサ素子およびその配 線について図7-9Aには示していないが、図1の表面5に示したのと同様にして配置 することができる。 図7には、参照番号60により、高圧力側と低圧力側との境界を模式的に示す。 取付部材68が、例えば陽極接続により、測定子の主要な面65に取り付けられる。 取付部材68は、測定子61上のセンサ素子（図示せず）からの配線を収容するため 、参照番号68で示すように中空である。したがって、取付部材68の中空内部69は 低圧側に繋がっており、センサ素子からの電気的接続に必要な事項を満たしなが ら、高圧側と低圧側との間の実用的かつ有効な推移が得られる。図1の場合と同 様に、圧電抵抗素子を測定子の構造内、すなわち表面65に隣接する部分61Bに集 積することが便利である。圧電抵抗素子およびそこからの配線は、測定子の表面 、すなわち図1の表面5および図7の表面65の内側に埋め込まれた構成とすること もできる。 図7および8に示したような形態の測定素子61を取り付け、すなわち「パッケー ジング」の構成としては、取付部材68が主要な構成要素であり、ある場合には便 利である。また、これが完全な測定装置として重要な点である。この実施例の取 り付け方法は、測定子61の非常に平坦で板状の形に密接に関係する。 上述したように、図1に示した比較的「普通」の測定子1の取り付けまたはパッ ケージングは、図7および8に示したパッケージングの方法とは異なる。図1（お よび図5）にしたがうパッケージング方法は、ここで説明したとは別の構成およ び別の目的の測定子には有効である。それが有効なのは、測定子の長さが横方向 の寸法の十倍もあるような場合である。そのような長い形状に対しては、この特 定のパッケージング方法が有効である。しかし、製造コストを考えると、比較的 短い測定子を採用することがよい。製造と実際の取り付けとの双方を十分に考慮 すると、この実施例に示した支持部2となる。これに関連する重要な点は、突出 した角2A、2B、2Cおよび2D（図２Ａも参照）の当接面を測定子の軸に対して垂直 な面内で放射状に配置するのではなく、傾斜させて配置することができることで ある。 このような測定子の取り付け、パッケージングおよび力プセルへの挿入のため には、測定子を直接に圧力媒体にさらすことができるように、その表面に例えば Si₃N₄またはポリアミド・プラスチック材料の保護フィルムを設けることができ る。 本発明の基本的な構成の範囲内で多くの修正および変形が可能であり、特に、 所望の効果および経済的製造プロセスに関連して修正および変形が可能である。 例えば、測定子の二つの部分のそれぞれについて、それ自身を異なる種類の材料 を積層して組み立てた構造とすることもできる。また、純粋に強度的な理由から 考えると円形の内部キャビティが理想的な形状であることは明らかであるが、製 造上からは、そのような形状は不利である。さらに、測定子の1以上の面、例え ば互いに向かい合う二つの主要面のそれぞれにセンサ素子を設けることも可能で ある。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．特に非常に高い圧力を測定するために用いられ、 望ましくは測定子（1、21、31、51、61）の外部から圧力が加えられる構成であり 、 前記測定子は、中央キャビティ（3、23、33、63）を備え、かつこの中央キャ ビティを形成するために封止連結される二つの部品（1A-B、21A-B、31A-B、61A- B）からなり、 この測定子に圧力を加えたときにこの測定子の機械的応力状態を検出するセン サ手段（11-14）を備えた 圧力センサにおいて、 前記測定子の前記二つの部分（1A-B、21A-B、31A-B、61A-B）はプレーナ技術 、望ましくはシリコンまたは水晶のプレーナ技術により製造され、 横方向の寸法に比べて長さ方向に充分に長く、 前記キャビティ（3、23、33、63）はこの長さ方向に向いて配置され、 前記センサ手段（11-14）は前記測定子の外面（5）または内面に隣接して配置 された圧電抵抗素子により構成された ことを特徴とする圧力センサ。 2．前記測定子（1）の長さは少なくとも横方向の寸法の十倍である請求項1記載 の圧力センサ。 3．前記測定子の外側断面形状は方形、六角形または八角形であり、二つの長さ 方向の面に対して対称形である請求項1または2記載の圧力センサ。 4．前記キャビティ（3）の断面形状は二つの対向する角が前記測定子を構成する 前記二つの部分（1A-B）の接合面（8）に配置されたダイヤモンド型である請求 項1ないし3のいずれか記載の圧力センサ。 5．前記二つの部分（1A-B、21A-B、31A-B、61A-B）は少なくとも断面形状 について同等である請求項1ないし4のいずれか記載の圧力センサ。 6．前記二つの部分（21A-B）はその厚さが異なり、前記キャビティ（23）は前記 二つの部分の一方（21A）の他方に向き合う面に設けられた凹部により形成せれ た請求項1ないし4のいずれか記載の圧力センサ。 7．前記二つの部分が陽極接合により連結された請求項1ないし6のいずれか記載 の圧力センサ。 8．前記二つの部分は融着により連結された請求項1ないし6のいずれか記載の圧 力センサ。 9．前記キャビティ（3、23、33、63）には参照圧力が加えられるように構成され た請求項1ないし8のいずれか記載の圧力センサ。 10．前記測定子（1）が保持部材（18）内の望ましくは円形の孔（19）に取り付 けられ、 前記測定子（1）には、前記孔（19）内に配置される取付部（7）に隣接して、 高圧側に、一部（2A-B）が前記孔（19）の周囲の外側に放射状に配置された外側 断面形状をもつ支持部（2）が設けられた 請求項1ないし9のいずれか記載の圧力センサ。 11．前記取付部の断面形状は、前記測定子（1）の多角形外側断面形状からその 多角形とは異なる形状で放射状に突出し、望ましくは前記取付部（7）に対して 傾斜した角（2A-B）を含む請求項10記載の圧力センサ。 12．前記圧電抵抗素子（11-14）とその配線（15）とが前記測定子（1）の構造と 一体に形成された請求項1ないし11のいずれか記載の圧力センサ。 13．前記圧電抵抗素子（11-14）とその配線（15）とが前記測定子（1）の面（5 ）に埋め込まれた請求項1ないし12のいずれか記載の圧力センサ。 14．前記圧電抵抗素子（11-14）、望ましくは多数の4素子（49）が電気的ブリッ ジ回路に配置された請求項1ないし13のいずれか記載の圧力センサ。 15．前記キャビティは、平坦な断面をもつ測定子（61）に、互いに隣接して配置 された多数の別々のチャネル（63）を含む請求項1ないし14のいずれか記載の圧 力センサ。 16．前記測定子（61）の大きな面（65）は中空の取付部材（68）に連結され、こ の取付部材（68）は外側の一部が高圧にさられ、この取付部材（68）の内部（69 が低圧側に配置され、前記センサ手段への配線が前記取付部材（68）の内側から 外に向けて設けられた請求項15記載の圧力センサ。 17．特に非常に高い圧力を測定するために用いられ、 外部から高圧力および比較的大きな力が加えられる構成の測定子（1）を備え た 測定装置において、前記測定子は、プレーナ技術、望ましくはシリコンまたは 水晶のプレーナ技術により製造され、かつ筐体すなわち保持部材（18）内の貫通 孔（19）内に取り付けられ、 前記測定子（1）には、前記貫通孔（19）内の取付部（7）に隣接して、高圧側 に、前記貫通孔（19）内に配置される取付部（7）に隣接して、高圧側に、一部 が前記貫通孔（19）の周囲の外側に放射状に配置された外側断面形状をもつ支持 部（2）が設けられた ことを特徴とする測定装置。 18．前記取付部の断面形状は、前記測定子（1）の多角形外側断面形状からその 多角形とは異なる形状で放射状に突出し、望ましくは前記取付部（7）に対して 傾斜した角（2A-D）を含む請求項17記載の測定装置。