JPH0544617B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ピエゾ抵抗素子をシリコン単結晶板
上に拡散法により形成し、このシリコン単結晶板
より作られたいわゆる拡散型ダイアフラムの両側
にそれぞれ高圧および低圧の流体圧を印加してダ
イアフラムから両流体圧力の差圧に対応した電気
信号を発生させるとともに、前記ダイアフラムを
過圧または衝撃圧から保護させるように構成して
いる半導体差圧発信器に関する。

〔発明の背景〕

この種の差圧発信器は例えば、特開昭53−
79582号公報に開示されており、検出素子となる
拡散型ダイアフラムは受圧部を構成する部材に接
合されており、さらに２枚の高圧及び低圧の受圧
ダイアフラムと、１枚の中心ダイアフラムとで前
記拡散型ダイアフラムを過負荷から保護する手段
を構成している。すなわち、前記高圧受圧ダイア
フラムによつて被測定高圧流体を導入する高圧流
体量と非圧縮性のシリコンオイル等の流体の充填
された高圧受圧室とを隔離し、被測定高圧流体の
圧力は高圧受圧ダイアフラムを介して高圧受圧室
内のシリコンオイルに伝達される。同様に低圧受
圧ダイアフラムによつて隔離された被測定低圧流
体を導入する低圧流体室とシリコンオイルの充填
された低圧受圧室とが設けられる。さらに前記中
心ダイアフラムによつて隔離されて、高圧隔離室
と低圧隔離室とが設けられ、一方、前記拡散型ダ
イアフラムの両側には高圧測定室と低圧測定室が
設けられる。高圧隔離室と高圧測定室とはそれぞ
れ細い導通路を介して前記高圧受圧室に導通し、
また低圧隔離室と低圧測定室はそれぞれ細い導通
路を介して前記低圧受圧室に導通している。した
がつて、高圧受圧室、高圧隔離室および高圧測定
室は互いに導通し内部にシリコンオイルが充填さ
れ、高圧流体室に導入された高圧流体の高圧はシ
リコンオイルによつて高圧測定室に導かれ拡散型
ダイアフラムの一側に印加され、低圧流体室に導
入された低圧は同様にシリコンオイルによつて低
圧測定室に導かれ拡散型ダイアフラムの他側に印
加される。前記高低圧室および高低圧隔離室は、
高低両流体圧の差圧が異常に高くなつたときのバ
ツフアとして働き拡散型ダイアフラムを過負荷か
ら保護する。

この公知の差圧発信器は多くの分野で望ましい
結果を得ているが、なおいくつかの欠点を有す
る。すなわち前記測定室と受圧室とが直接細い導
通路を介して接続されているため受圧室に衝撃圧
が印加された場合、その衝撃圧が測定室に直接に
伝達され差圧検出素子を損傷または誤動作させる
可能性が高い。また、高低受圧ダイアフラムとし
てベロー型式のものを用いると、その取付けのた
めの大きなペースを必要とするため、差圧検出素
子を受圧部部材の中心に配置することが困難とな
り、かつ差圧検出素子から出力信号を取り出す導
体の配置が複雑となり、また前記受圧室と測定室
とを接続する導通路を受圧部部材に設けることが
困難なため、受圧部部材の外側を迂回して導通開
パイプを設けねばならず構造が複雑となり、その
結果製造コストが高くなり、サイズが大きくなる
等の欠点がある。

このような欠点を除くため、本発明者等は特開
昭59−203936号公報に開示されているような構成
の半導体差圧発信器を提案した。この半導体差圧
発信器においては、一対の受圧ダイアフラム、中
心ダイアフラム及び差圧検出素子となる拡散型ダ
イアフラムは全て受圧部の中心軸に沿つてこれと
同軸にコンパクトに配置され、また高圧側、低圧
側の何れの側においても受圧室と測定室とを直接
接続せず、隔離室を介して接続するようにしてい
る。これにより受圧室に衝撃波が印加されても隔
離室のバツフア作用により測定室に伝達される圧
力が制限されるため、差圧検出素子の損傷や誤動
作を防ぐことができ、また受圧部部材中に各構成
部材がコンパクトに配置されるため差圧検出素子
から出力信号を取り出す導体の配置も簡単になり
サイズを小さくすることができる。しかしながら
この差圧発信器においても、下記の如き欠点のあ
ることがわかつた。

(1) 受圧部はその一側に凹部の形成された第１部
材とその凹部に嵌合する第２部材とよりなり、
中心ダイアフラムは前記第１部材の凹部内で、
第１部材と第２部材とに挟持されるように取り
つけられ、第１部材と第２部材とは前記凹部の
内周縁部に添つて溶接により結合される。この
ため第１部材と第２部材との結合強度が充分で
ない場合、中心ダイアフラムが安定に保持され
ず差圧測定に誤作を生じる恐れがある。

(2) 拡散型ダイアフラムの取りつけられた差圧セ
ンサ組立体は前記第１部材の凹部に形成された
第２の小さな凹部に嵌合され、第１部材に溶接
で固定されているが、差圧センサ組立体の両側
に印加される両流体圧の不平衡分が、差圧セン
サ組立体を前記第２の小さな凹部内で中心軸方
向に移動させるように作用し、差圧測定に影響
を与える。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述の如き欠点を除いて改良さ
れた半導体差圧発信器を提供することにある。す
なわち一対の受圧ダイアフラム、中心ダイアフラ
ムおよび拡散型ダイアフラムは全て特開昭59−
203936号公報記載と同様に受圧部の中心軸に沿つ
てこれと同軸に配置し、高圧側と低圧側は共に受
圧室と測定室とが隔離室を介して接続される構成
の半導体差圧発振器において、受圧部を構成する
第１部材と第２部材と結合強度を高めて中心ダイ
アフラムがその間に安定して保持された半導体差
圧発信器を提供することを目的としている。

さらに、本発明の好ましい実施例においては、
差圧センサ組立体の両側に印加される両流体圧の
不平衡分による差圧センサ組立体の中心軸方向移
動を阻止するような構成を付加することを目的と
している。

〔発明の概要〕

上述の目的を達成するため、本発明による半導
体差圧発信器は次の如く構成したことを特徴とし
ている。すなわち、受圧部を形成する第１部材と
第２部材とはそれぞれ受圧部の中心軸方向に互に
対向する側面を有し、両側面の周縁部は相補的な
形状につくられ、両側面を接合し、その間に中心
ダイアフラムを挟持するよう第１部材と第２部材
を組合して受圧部を形成したとき、その合せ面が
受圧部の外周面に表われるようにし、その合せ面
に沿つて両部材を溶接する。

また、本発明の好ましい実施例においては、差
圧検出素子を取りつけた差圧センサ組立体を前記
第１部材の前記第２部材に対向する側面に設けら
れた凹部に挿入し、該凹部に嵌合し、第１部材に
溶着された金属製のプレートでもつて差圧センサ
組立体を保持するに当り、該プレートを差圧セン
サ組立体に溶着すると共に、差圧センサ組立体に
前記プレートと係合する係合部を設けて差圧セン
サ組立体の両側面に印加された流体圧力の不平衡
分による該差圧センサ組立体の移動を防ぐように
している。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明による半導体差圧発信器の一実
施例を示す断面図である。

同図に示された差圧発信器の受圧部は主として
第１部材１０と第２部材１１とから構成されてい
る。受圧部の該第１部材１０と第２部材１１の外
側には可撓性に富んだ高圧側受圧ダイヤフラム
（高圧側受圧ダイアフラム）１２と低圧側受圧ダ
イヤフラム（低圧側受圧ダイアフラム１３が設け
られ、前記受圧部の第１部材１０と第２部材１１
の面には前記各受圧ダイヤフラム１２，１３と同
形状の波形面が形成されており、それぞれの受圧
ダイヤフラム１２と１３を前記第１部材１０と第
２部材１１にそれらの外周で溶接接合することに
より、受圧部材と受圧ダイヤフラム間に２つの受
圧室、すなわち高圧側受圧室１４、および低圧側
受圧室１５が形成される。受圧部の第１部材１０
の他方の合せ面に接続する面には、対向する第２
部材１１に形成された凸面部に嵌合される凹面部
が形成され、その凹面部に中心ダイアフラム１６
が収納されて外周が溶接接合され、第２部材１１
の凸面部との間に挟持される。なお第２部材１１
の凸面部の中心ダイアフラム１６との接触面に第
２の凸面部を設け、この第２の凸面部で中心ダイ
アフラム１６を圧着する構成にしてもよい。この
中心ダイヤフラム１６を溶接した後に第２部材１
１を第１部材１０へその外周部において溶接され
ている。これにより受圧部材１１と中心ダイヤフ
ラム１６の一方の面の間に高圧側隔離室１７が形
成される。この高圧側隔離室１７と前記高圧側受
圧室１４は、第２部材１１のほぼ中央に設けられ
た第１高圧側導圧路１９により連通されている。
一方、中心ダイヤフラム１６の他の面側には、半
導体差圧センサアセンブリ１００を挿入するため
の凹形状部が第１部材１０に形成され、これに半
導体差圧センサアセンブリ１００が嵌合し、かつ
溶接接合されている。前記半導体差圧センサアセ
ンブリ１００は、半導体差圧センサ２１、支持台
２２、シール金具２３、セラミツク基板２４およ
びハーメチツクシールピン２５で構成され、前記
半導体差圧センサ２１は支持台２２を介してシー
ル金具２３に溶接されている。このシール金具２
３には半導体差圧センサ２１の電気信号を取出す
ためのセラミツク基板２４およびハーメチツクシ
ールピン２５が固設されている。半導体差圧セン
サ２１とセラミツク基板２４の電気接続は、図示
しないワイヤボンデイング等によりなされてい
る。

前記半導体差圧センサアセンブリ１００を第１
部材１０に溶接接合することにより形成される第
１部材１０との間の高圧側測定室２６は、第１部
材に設けられている高圧側導圧路２８を介して、
前記中心ダイヤフラム１６と第２部材１１で形成
される前記高圧側隔離室１７と連通されている。
他方、半導体差圧センサ２１のもう一方の面で
は、まず半導体差圧センサ２１のダイヤフラムの
凹部面と前記支持台２２間において低圧側測定室
２７を形成し、この低圧側測定室２７は支持台２
２の貫通孔、すなわち第２の低圧側導圧路２９を
介して中心ダイヤフラム１６の一方の面に連絡す
るようになつている。さらに、この中心ダイヤフ
ラム１６と第１部材１０間においてプレート３０
の外周面を第１部材１０の内周面に溶接し、かつ
前記プレート３０の内周面をシール金具２３の外
周面と溶接接合されている。これにより中心ダイ
ヤフラム１６と第一部材１０およびプレート３０
間に低圧側隔離室１８が形成されている。この低
圧側隔離室１８は前記第２の低圧側導圧路２９を
介して半導体差圧センサ２１の前記低圧側測定室
２７に連通される。さらに低圧側受圧室１５と前
記低圧側隔離室１８とは、第１部材１０内に設け
られている第１の低圧側導圧路２０を介して連通
されている。なお前述の第２高圧側導圧路２８と
第１の低圧側導圧路２０は受圧部材１０内で交錯
しないように形成されている。

前記半導体差圧センサ２１の電気信号は前述の
如く、ハーメチツクシールピン２５から取出すこ
とができるようになつている。さらにこの電気信
号は第１部材１０の半導体圧力センサ２１の中心
線と直角方向に設けたリード路３３および前記プ
レート３０の切欠部を通つて、接続プリント板３
４等により容易に外部に引き出されている。リー
ド路３３と高圧側測定室２６および低圧側隔離室
１８間のシーリングは前述の如く、第１部材１０
とシール金具２３との溶接接合ならびに、第１部
材１０とシール金具２３とプレート３０との溶接
接合により完全に達成されている。

かかる構成において形成される各室および各通
路のすべてが、非圧縮性の流体例えばシリコン油
によつて満たされる。この油は前記第１の低圧側
導圧路２０、および第２の高圧側導圧路２８と分
岐している導圧路から注入されるようになつてお
り、その後密封ピン３１，３２により閉塞した後
溶接接合し、外気と密封されている。

このように構成された差圧発信器において、い
ずれか一方の受圧ダイヤフラム１２か１３面に衝
撃的な圧力が印加された場合、まず第１に衝撃圧
は受圧室１４（１５）に伝搬し、受圧室１４（１
５）から隔離室１７（１８）に伝搬し、その後第
２導圧路２８（２９）を介して測定室２６（２
７）に伝搬する経路をとる。すなわち、必ず中心
ダイヤフラム１６で形成される隔離室１７（１
８）から二次的に測定室２６（２７）に伝搬され
る構成をとつているので衝撃圧から半導体差圧セ
ンサ２１の誤動体、影響を十分回避できる。

次に、過大差圧が受圧ダイヤフラム１２および
１３の両面で発生した場合、高圧側受圧ダイヤフ
ラム１２、あるいは低圧側受圧ダイヤフラム１３
のどちらか一方が受圧部材の側面に形成されてい
る面に着座する。一方、中心ダイヤフラム１６は
受圧室の体積除去を吸収しても依然として隔離室
１７あるいは１８の側面に着座しないように、所
定の剛性を有していることになる。この関係によ
り半導体差圧センサ２１のいずれか一方の面に過
大な流体圧力が封入液を介して伝達されるのが阻
止されるため、半導体差圧センサ２１は破壊する
ことはない。

また前述の如く、封入油が満たされている空間
および通路には一切の有機物が介存させることな
く、過負荷機能および、衝撃圧回避機能を具備さ
せることができ、高温でも有機材料から融出する
可塑材などの含有物や、水分などで半導体差圧セ
ンサ２１が劣化したり、封入液の誘電率が変化す
ることがないため、動作が安定である。

次いでこの半導体差圧発信器を組み立てる工程
を説明すると、まず第１に半導体センサアセンブ
リ１００を受圧部材１０に溶接接合し、次いでプ
レート３０を半導体センサアセンブリ１００のシ
ール金具２３と、第１部材１０に溶接接合し、次
いで中心ダイヤフラム１６を第１部材１０に溶接
接合し、次いで第２部材１１を第１部材１０に溶
接接合し、最後に受圧ダイヤフラム１２および１
３を受圧部に溶接接合する。すなわち、発信器の
各構成部材を単に、一方向から順次同軸上に溶接
接合して行くだけで簡単に作成できる。

次に本実施例の動作を説明する。

(a) 受圧部を構成する第１部材１０と第２部材１
１の接合面は受圧部の中心軸方向に対向して、
両者の合せ面は受圧部の外周面に露呈するよう
になつている。この合せ面に沿つて両部材が溶
接されるので溶接後に生じる溶接歪みは両部材
を中心軸方向に互いに引張り合う方向となるた
め、中心ダイアフラム１６の挟持を強めるよう
に作用する。

中心ダイアフラム１６の周縁部は第１部材１
０の凹面部に溶接されるとともに第２部材１１
に設けられた凸面部または第２の凸面部によつ
て第１部材１０に強く圧着されいる。第１部材
１０と第２部材１１との接合合せ面は受圧部の
外周面に露呈し、その部分で溶着される。この
溶接の溶接歪により第１部材１０と第２部材１
１とは中心軸方向に互いに引張り合う左右方向
の力が発生するため中心ダイアフラム１６は強
固に両部材間に挟持され、また高圧隔離室１７
および低圧隔離室１８の容積も安定して保持さ
れるので差圧測定の信頼性が高くなる。つまり
中心ダイアフラム１６の運動支点を明確にで
き、かつ中心ダイアフラム１６の外周以外の箇
所で溶接しているので耐久性がよい。

(b) 差圧センサ組立体（半導体センサアセンブ
リ）１００は第１部材１０に設けられた凹部に
挿入され、プレート３０で封止されている。第
２図に示すようにプレート３０は第１部材１０
の凹部の周縁に溶接され、半導体センサ組立体
１００はプレート３０に溶接されている。図で
プレート３０及び半導体センサ組立体１００の
左側側面は低圧隔離室となつているので低圧側
流体圧、例えば99〜100Kg／cm²の圧力が印加さ
れ、半導体センサ組立体１００の右側側面は高
圧側測定室となつているため高圧側流体圧例え
ば100Kg／cm²の圧力が印加される。今差圧０と
して高低圧側とも圧力ＰKg／cm²が印加されてい
るとすると、半導体センサ組立体１００の右側
側面に印加される全圧力F₂は F₂＝d₂ ²π／４Ｐ で与えられ、半導体センサ組立体１００の左側
側面に印加される全圧力は F₂＝d₁ ²π／４Ｐ で与えられる。またプレート３０と半導体セン
サ組立体１００は組立体の段部５３において互
いに係合しているのでプレート３０の左側側面
に印加される全圧力F₃が段部５３を介して半
導体センサ組立体１００にも与えられる。

F₃＝（d₃ ²−d₁ ²）π／４Ｐ したがつて半導体センサ組立体１００に右方
向に印加される全圧力は、 F₁＋F₃＝d₃ ²π／４Ｐ 明らかにプレート３０が大径であつてd₃＞d₂
なので、F₁＋F₃＞F₂となり半導体センサ組立
体１００には全体として右向きの力が印加され
るが、半導体センサ組立体１００の右側側面は
第１部材１０の凹部の底面によつて支持されて
いるので上記右向きの力による組立体の移動は
阻止されている。

以上の如く、本発明による半導体差圧発信器
は、中心ダイアフラム及び差圧センサ組立体が安
定して保持される構造となつているので、特開昭
59−203936号公報に示されるような従来装置の利
点を損ずることなく、同従来装置の欠点を除去す
る効果を有するものである。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明による半導体
差圧発信器によれば、中心ダイアフラムの外周を
第１部材の凹面部に溶接するとともに第２部材の
凸面部で圧着し、第１部材と第２部材の外周を溶
接接合したため、高圧側隔離室及び低圧側隔離室
の容積が安定して保持され、また差圧センサ組立
体をプレートを介して第１部材に溶接したため、
差圧センサ組立体の位置が安定して保持され、差
圧測定の信頼性が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体差圧発信器の一実
施例を示す断面図、第２図は本発明の効果を示す
説明図である。 １０，１１……受圧部部材、１２，１３……高
圧側および低圧側受圧ダイアフラム、１４，１５
……高圧側および低圧側受圧室、１６……中心ダ
イアフラム、１７，１８……高圧側および低圧側
隔離室、１９，２０……第１の高圧および低圧側
導圧路、２８，２９……第２の高圧および低圧側
導圧路、３０……プレート、３１，３２……密封
ピン、２１……半導体差圧センサ、２２……支持
台、２３……シール金具、２４……厚膜基板、２
５……ハーメチツクシールピン、１００……半導
体センサアセンブリ、３３……リード路、３４…
…接続プリント板、３５……中継コネクター、３
６……ジヨイントカナグ、３７，３８……フラン
ジ、３９……ボルト、４０……ナツト、４１，４
２……ガスケツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１部材及び第２部材のそれぞれの合せ面を
   介して合体される受圧部に、該受圧部の中心軸と
   ほぼ直交する前記第１部材の側面に外周を固定さ
   れ該側面との間に低圧側受圧室を形成する低圧側
   受圧ダイアフラムと、前記第２部材の側面に外周
   を固定された該側面との間に高圧側受圧室を形成
   する高圧側受圧ダイアフラムと、前記第１部材及
   び第２部材の合せ面に外周を固定され前記第１部
   材の合せ面の接続面との間に前記低圧側受圧室と
   連通する低圧側隔離室と前記第２部材の合せ面の
   接続面との間に前記高圧側受圧室と連通する高圧
   側隔離室とを形成する中心ダイアフラムと、前記
   第１部材の前記中心軸方向に設けられた凹部に内
   蔵され前記高圧側隔離室と連通する高圧側測定室
   と低圧側隔離室と連通する低圧側測定室とを形成
   する差圧センサ組立体とを備えた半導体差圧発信
   器において、前記第１部材の合せ面に接続する凹
   面部と前記第２部材の合せ面に接続し該凹面部と
   互いに相補して嵌合される凸面部とが形成され、
   前記中心ダイアフラムが前記凹面部に挿着されて
   該凹面部に外周を溶接されるとともに前記凸面部
   に圧着され、それぞれの合せ面の外周が溶接接合
   されてなることを特徴とする半導体差圧発信器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の半導体差圧発信
   器において、差圧センサ組立体は、第１部材の凹
   部の底面に外周の少なくとも一部が当接され、前
   記第１部材の凹面部の接続面で大径のプレートと
   係合されるとともに、該プレートを介して前記凹
   部の内周と溶接されてなることを特徴とする半導
   体差圧発信器。