JPH045131B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、プロセス変量である２点間の圧力差
を測定する差圧発信器に関し、特に過大圧力によ
る半導体圧力センサの損傷、破壊を防止し得るよ
うにしたものである。

〔従来技術〕

この種の差圧発信器に使用される半導体圧力セ
ンサは、拡散技術によつて拡散抵抗パターンが形
成された面と反対側の面と周縁部分と中心部分が
肉厚に形成された単結晶のシリコンダイヤフラム
と、このシリコンダイヤフラムの周縁部分を支持
する支持体とで構成されている。そして、この半
導体圧力センサの一方の面、すなわち抵抗が形成
された表面に高圧流体の圧力が高圧側バリアダイ
ヤフラムと高圧側内封液を介して加えられ、また
他方の面、すなわち内側面に低圧流体の圧力が低
圧側バリアダイヤフラムと低圧側内封液を介して
加えられる。この結果、高圧流体と低圧流体の差
の圧力がシリコンダイヤフラムを歪ませ、この歪
みが抵抗によつて電気信号に変換され外部に取り
出される。なお、差圧発信器のボデイ本体内には
一般に半導体圧力センサの過負荷保護のためのセ
ンターダイヤフラムが設けられている。

ところで、半導体圧力センサは一般にシリコン
ダイヤフラムの一方の面の中央部に抵抗が形成さ
れ、他方の面の中央部を化学エツチングあるいは
電解エツチングすることにより製造されるため、
エツチングされた面に作用する圧力に対する強度
と抵抗が形成された面に作用する圧力に対する強
度とが異なり、エツチングされた面に対する破壊
臨界圧が小さくなる。このため、従来の差圧発信
器においては、半導体圧力センサを保護するため
にシリコンダイヤフラムの強度が小さな面に対す
る破壊臨界圧の応じてセンターダイヤフラムの剛
性を設定するようにしている。

しかしながら、このようにセンターダイヤフラ
ムの剛性を設定すると、高圧側から作用する圧力
に対して容易に弾性変形することになり、その結
果測定レンジを大きくすることができないという
不具合が生ずる。一方、大きな測定レンジを得る
ためにセンターダイヤフラムの剛性を大きくする
と低圧側から作用する力によつて半導体圧力セン
サが破壊されることになる。

〔発明の概要〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
で、ボデイ本体内に形成されセンターダイヤフラ
ムによつて仕切られた２つの内室のうち半導体圧
力センサの低圧側に連通する低圧側内室のセンタ
ーダイヤフラムと対向する波形面の中央に前記セ
ンターダイヤフラムに当接する過圧保護用突起を
設け、該ダイヤフラムの剛性を前記半導体圧力セ
ンサの各面に対する破壊臨界圧に応じて異ならせ
るという極めて簡単な構成により、半導体圧力セ
ンサの損傷、破壊を防止し得るようにした差圧発
信器を提供するものである。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る差圧発信器の一実施例を
示す断面図である。同図において、１はボデイ本
体で、このボデイ本体１は２個のブロツク１Ａ，
１Ｂによつて構成され、これらは例えばステンレ
ス鋼で作られている。前記ボデイ本体１の両側
面、すなわち受圧側面２，３にはそれぞれ波形円
板状に形成されて可撓性を有する高圧側のバリア
ダイヤフラム４と、低圧側のバリアダイヤフラム
とがその周縁部を溶接されて配設されている。前
記各受圧側面２，３はそれぞれバリアダイヤフラ
ム４，５と同形の波形に形成されている。また受
圧側面２と高圧側バリアダイヤフラム４および受
圧側面３と低圧側バリアダイヤフラム５との間に
はそれぞれ適宜な間隔で設けられ、この間隔によ
つて裏側室６，７をそれぞれ形成している。そし
て、各バリアダイヤフラム４，５の外表面にはオ
リフイス上流側の高圧P_Hと、オリフイス下流側
の低圧P_Lがそれぞれ印加されている。

前記ボデイ本体１の中央接合部には内室８が形
成されており、この内室８はセンターダイヤフラ
ム９によつて高圧側内圧８ａと低圧内室８ｂとに
仕切られている。高圧側内室８ａと高圧側裏側室
６とは連絡路１０によつて連通され、同様に低圧
側圧内室８ｂと低圧側裏側室７とは連通路１１に
よつて連通されている。前記センターダイヤフラ
ム９は中央部と周縁部がフラツトで、その中間が
波形に形成され、周縁部が前記ボデイ本体１に溶
接されている。そして、前記ボデイ本体１の、前
記センターダイヤフラム９と共に前記各内室８
ａ，８ｂをそれぞれ形成する面も、前記センター
ダイヤフラム９と同形の波形面１９ａ，１９ｂに
形成され、かつ低圧側内室８ｂを形成する波形面
１９ｂの中央には本発明を特徴づける過圧保護用
突起１２が一体に突設され、その先端面が前記セ
ンターダイヤフラム９の中央に接触している。

前記ボデイ本体１の外周面にはセンサ部１３が
一体的に設けられている。このセンサ部１３は前
記ボデイ本体１に溶接された連結金具１４と、こ
の連結金具１４に溶接されたシール金具１５とを
備え、前記シール金具１５の内部に半導体圧力セ
ンサ１６が収納配置されている。この半導体圧力
センサ１６は従来周知のもので表面中央部に抵抗
が形成された内側面の周縁部と中央部分が肉厚に
形成されたカツプ状のシリコンダイヤフラム１６
ａと、このシリコンダイヤフラム１６ａを支持す
る支持体１６ｂとで構成されている。この場合支
持体１６ｂはシリコンダイヤフラム１６ａと熱膨
張係数がほぼ等しく、かつヤング率もほぼ等しい
材料で製作されている。そして、前記半導体圧力
センサ１６は前記ボデイ本体１内に形成された２
つの封入回路１７，１８を仕切る如く配設される
もので、高圧側の封入回路１７の一端が高圧側内
室８ａに連通され、他端が前記連結金具１４に形
成された一方の連通路２０に連通されることによ
り前記シリコンダイヤフラム１６ａの表面側に高
圧P_Hが与えられている。一方、低圧側封入回路
１８の一端が低圧側内室８ｂに連通され、他端が
前記連結金具１４に形成された他の導通路２１に
連通されることにより、前記シリコンダイヤフラ
ム１６ａの内側面に低圧P_Lが与えられている。

前記各裏側室６，７から連通路１０，１１、内
室８ａ，８ｂ、封入回路１７，１８、導通路２
０，２１を経て半導体圧力センサ１６の高圧側と
低圧側とに至る間にはシリコンオイル等の内封液
２３がそれぞれ封入されている。なお、２４ａ，
２４ｂは液封孔、２５はボール、２６はねじであ
る。

このように構成された差圧発信器においては、
高圧側から圧力が作用した場合、センターダイヤ
フラム９はその中央部が過圧保護用突起１２に当
接しているため移動することができず、波形部分
が圧力に比例して弾性変形し、高圧側裏側室６内
に内封液２３が高圧側内室８ａに移動し、高圧側
バリアダイヤフラム４に作用する圧力が内封液２
３によつて半導体圧力センサ１６に伝達される。
一方、低圧側から圧力が作用した場合、センター
ダイヤフラム９は周辺固定の円板を構成するため
この時の圧力に比例して高圧側に移動し、低圧側
裏側室７内の内封液２３が低圧側内室８ｂに移動
し、低圧側バリアダイヤフラム５に作用する圧力
が内封液２３によつて半導体圧力センサ１６に伝
達される。その結果、高圧側と低圧側との圧力差
に応じて半導体圧力センサ１６のシリコンダイヤ
フラム１６ａがひずみ、このひずみ量が抵抗によ
つて電気的に取り出され、差圧の測定が行われ
る。

ここで、上述したような半導体圧力センサ１６
を保護する過圧保護機構の動作する圧力Ｐは次式
によつて示される。

Ｐ＝V₀／Φ 但し、 V₀：バリアダイヤフラム下封入液量 Φ：（体積変化／圧力）係数（コンブライアンス） センターダイヤフラム９は高圧側から圧力を受
けた場合と低圧側から圧力を受けた場合とでは弾
性変形可能な部分の表面積が異なつているため、
高圧側から作用する圧力に対しては、低圧側から
作用する圧力に対してよりも大きな剛性を有する
ことになる。このため、センターダイヤフラム９
のコンプライアンスΦは高圧側から圧力が加わつ
た場合と、低圧側から圧力が加わつた場合とでは
大きく異なり、過圧保護が働く圧力も大きく違え
ることが可能となる。

第２図は高圧側を正側とし低圧側を負側とし、
半導体圧力センサ１６に伝達される圧力Psと内
封液２３の移動量Ｖとの関係を示す図で、高圧側
の圧力に対しては圧力P₁において内封液２３が
高圧側内封液量V₀だけ移動し、バリアダイヤフ
ラム４が受圧側面２に接触して半導体圧力センサ
１６の過圧保護が行われる。これと同様に低圧側
からの圧力に対しては前記圧力P₁より小さな圧
力P₂でバリアダイヤフラム５が受圧側面３に接
触することになる。その結果、第３図に半導体圧
力センサ１６に伝達される圧力Psと差圧発信器
に作用する差圧Ｐとの関係を、高圧側を正側、低
圧側を負側として示すようにP₁以上あるいはP₂
以下の差圧が半導体圧力センサ１６に伝達される
のが防止される。

これはとりもなおさず低圧側内室８ｂに設けた
過圧保護用突起１２をセンターダイヤフラム１２
に当接されることにより、該センターダイヤフラ
ム１２が破壊臨界圧の大きな半導体圧力センサ１
６の上側に連通された高圧側に作用する圧力に対
しては大きな剛性を有し、破壊臨界圧の小さな半
導体圧力センサ１６の下側に連通された低圧側に
対しては小さな剛性を有することによるもので、
そのため半導体圧力センサ１６の高圧側には大き
な圧力を作用させることができると共に、破壊臨
界圧が小さい低圧側に対しては大きな圧力が伝達
されのを防止し、半導体圧力センサ１６を過圧保
護することができる。

なお、過圧保護用突起１２のセンターダイヤフ
ラム９に接触する先端面の面積は、半導体圧力セ
ンサ１６のシリコンダイヤフラム１６ａの各面の
破壊臨界圧に応じて設定される。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る差圧発信器に
よれば、ボデイ本体内に形成された内室をセンタ
ーダイヤフラムによつて半導体圧力センサの高圧
側の面に連通される高圧側内室と、低圧側の面に
連通される低圧側内室とに画成し、この低圧側内
室のセンターダイヤフラムと対向する波形面の中
央部に前記センターダイヤフラムに接触する過圧
保護用突起を設けて構成したので、センターダイ
ヤフラムは前記各内室に作用する圧力に対して異
なつた剛性を有することになり、半導体圧力セン
サの破壊臨界圧が大きい高圧側の面には大きな圧
力を作用させることができると共に破壊臨界圧が
小さな低圧側の面には大きな圧力が作用するのを
防止することができる。したがつて、センターダ
イヤフラムの剛性が破壊臨界圧の小さい面に対応
して設定された従来の差圧発信器に比べて測定レ
ンジを大きくすることができ、しかも半導体圧力
センサの損傷、破壊を防止できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る差圧発信器の一実施例を
示す断面図、第２図は半導体圧力センサに伝達さ
れる圧力Psと内封液の移動量Ｖとの関係を示す
図、第３図は半導体圧力センサに伝達される圧力
Psと差圧発信器に作用する差圧Ｐとの関係を示
す図である。 １……ボデイ本体、２，３……受圧側面、４，
５……バリアダイヤフラム、６，７……裏側室、
８……内室、８ａ……高圧側内室、８ｂ……低圧
側内室、９……センターダイヤフラム、１０，１
１……連通路、１２……過圧保護用突起、１６…
…半導体圧力センサ、１６ａ……シリコンダイヤ
フラム、１７，１８……封入回路、１９ａ，１９
ｂ……波形面、２３……内封液。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 両側面にそれぞれバリアダイヤフラムが配設
   され内部に内封液を封入してなるボデイ本体と、
   このボデイ本体内に設けられセンターダイヤフラ
   ムによつて画成された高圧側内室および低圧側内
   室と、前記各バリアダイヤフラムとボデイ側面と
   の間に形成された裏側室と前記各内室とをそれぞ
   れ連通させる２つの連通路と、一端がそれぞれ前
   記各内室に連通する２つの封入回路と、これら２
   つの封入回路を仕切る如く配設された半導体圧力
   センサとを具備してなり、前記半導体圧力センサ
   の低圧側の面に連通し前記センターダイヤフラム
   と共に前記低圧側内室を形成する波形面の中央部
   に前記センターダイヤフラムに当接する過圧保護
   用突起を設けたことを特徴とする差圧発信器。