(57)【要約】  ダイアフラムにステンレス鋼を採用した場合であっても、ダイアフラムとひずみセンサとが互いに剥離したりせず、かつ、使用環境温度の影響を受けにくいと共に、圧力センサの感度がダイアフラムを構成する材料の力学特性のみによって支配されず、圧力センサを構成する部材の設計自由度を高めること。本発明の圧力センサは、上記課題を解決するために、流体の圧力により変形するダイアフラムと、該ダイアフラムの全面を覆うと共に、一方側が前記ダイアフラムと接合する弾性体と、該弾性体の他方側で、かつ、前記ダイアフラムの中心に相当する位置から離れた端部側に接合して設置され、前記ダイアフラムの変形と連動する前記弾性体の変形をひずみとして検出するひずみセンサとを備え、前記弾性体は、前記ひずみセンサを形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成ることを特徴とする。
2016056555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の圧力により変形するダイアフラムと、該ダイアフラムの全面を覆うと共に、一方側が前記ダイアフラムと接合する弾性体と、該弾性体の他方側で、かつ、前記ダイアフラムの中心に相当する位置から離れた端部側に接合して設置され、前記ダイアフラムの変形と連動する前記弾性体の変形をひずみとして検出するひずみセンサとを備え、
前記弾性体は、前記ひずみセンサを形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成ることを特徴とする圧力センサ。 
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムは、ステンレス鋼又は該ステンレス鋼と他の金属材料とのクラッド材から成ることを特徴とする圧力センサ。 
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムは円筒形を成すと共に、中央部が端部より薄く形成され、その薄く形成された中央部の中心が盛り上がり、この盛り上がった部分が前記弾性体と接合していることを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記ひずみセンサはシリコンから成り、かつ、前記弾性体は、前記シリコンの線膨張係数に近い線膨張係数をもつコバール合金、４２合金又はインバー合金のいずれかから成ることを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記弾性体は円筒形を成すと共に、中央部が端部より薄く形成され、かつ、前記弾性体の前記ひずみセンサが設置される部分以外に穴が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の圧力センサにおいて、
前記穴は、前記ひずみセンサを挟むように形成され、前記弾性体の端から端まで延びた２本のスリットであり、かつ、該スリットは前記弾性体を貫通していることを特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
請求項５に記載の圧力センサにおいて、
前記穴は、前記ひずみセンサを挟むように形成され、前記弾性体を貫通している第１の貫通穴と、該第１の貫通穴と連通し、前記ひずみセンサが設置されている側とは反対側の前記弾性体に形成されている第２の貫通穴から成ることを特徴とする圧力センサ。
【請求項８】
請求項５に記載の圧力センサにおいて、
前記穴は、前記ひずみセンサを挟むように形成され、前記弾性体の端から端まで延びた２本のくぼみ（凹部）であり、かつ、該くぼみは前記弾性体を貫通していないことを特徴とする圧力センサ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記弾性体は、前記ひずみセンサの大きさと同等以上の幅を有し、少なくとも前記ダイアフラムの中央部及び外周部の２箇所と接合されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の圧力センサにおいて、
前記弾性体は、前記ダイアフラムの中央部とは１点で接合され、前記ダイアフラムの外周部とは全周で接合されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記弾性体と前記ひずみセンサは、金属又は低融点ガラスを用いて接合されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の圧力センサにおいて、
前記弾性体と前記ひずみセンサを接合する金属は、Ａｕ/Ｓｎ或いはＡｕ/Ｇｅから成ることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の圧力センサにおいて、
前記弾性体と前記ひずみセンサを接合する低融点ガラスは、バナジウム系ガラスから成ることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムは、その中央部と端部の間に複数の屈曲部が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１５】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムの外周部を固定するサポートと、該サポートに固定され、前記ダイアフラムと前記弾性体及び前記ひずみセンサを囲うように設置された気密ハウジングとを備え、前記サポートと前記気密ハウジングは、気密性が維持可能なように固定されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の圧力センサにおいて、
前記サポートの外周部につばが設けられ、該つばに前記気密ハウジングが固定され、前記つばの厚さは０．１０ｍｍ以上、０．２０ｍｍ以下であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の圧力センサにおいて、
前記サポートは鍛造材から成り、鍛造によって形成される鍛流線の方向が前記つばの面内方向と一致することを特徴とする圧力センサ。
【請求項１８】
互いに対向配置され、流体の圧力により変形する第１のダイアフラム及び第２のダイアフラムと、該第１のダイアフラム及び該第２のダイアフラムの間に配置され、一方側が前記第１のダイアフラムと接合すると共に、他方側が前記第２のダイアフラムと接合する弾性体と、該弾性体の一方側又は他方側で、かつ、前記第１のダイアフラム及び前記第２のダイアフラムの中心に相当する位置から離れた端部側に設置され、前記第１のダイアフラム及び前記第２のダイアフラムの変形と連動する前記弾性体の変形をひずみとして検出するひずみセンサとを備え、
前記弾性体は、前記ひずみセンサを形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成ることを特徴とする差圧センサ。
【請求項１９】
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の圧力センサ又は請求項１８に記載の差圧センサを組み込んで、流体の圧力をモニタリングすることを特徴とする質量流量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力センサ及び差圧センサ並びにそれらを用いた質量流量制御装置に係り、特に、圧力印加に伴うダイアフラムの変形を利用して圧力を検出するものに好適な圧力センサ及び差圧センサ並びにそれらを用いた質量流量制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力印加に伴うダイアフラムの変形を利用して圧力を検出する圧力センサとしては、ダイアフラム上にひずみゲージを形成（貼り付け等）することにより、圧力印加に伴うダイアフラムの変形をひずみとして検出する圧力センサが良く知られている。【０００３】
上述のひずみゲージは、わずかな変形であっても自身の電気抵抗を変える。通常、ひずみゲージは４つ一組で形成されており、ブリッジ回路を構成することで、圧力に比例した差動電圧を出力として計測する方法が良く用いられており、ブリッジ回路を構成し、ひずみゲージ自体の温度特性を補償することを可能としている。例えば、ひずみゲージ自体に温度特性を有していても、温度変化による４つのひずみゲージの変形が各々等しい時には、ひずみセンサの出力は変動しない。【０００４】
また、計測対象の圧力が低く耐食性が不要な場合には、シリコン基板を一部薄膜化することで受圧部となるシリコンダイアフラムを形成し、このシリコンダイアフラム上にひずみゲージを不純物拡散で形成する構成の圧力センサが用いられる。このような構成の圧力センサは、感度が高く、シリコンダイアフラム上にひずみゲージを一体構造として形成することが可能であるなどの利点を有している。【０００５】
しかしながら、上述した圧力センサは、計測対象の圧力が高い場合や耐食性が必要な場合には適しておらず、金属製のダイアフラムにひずみゲージを貼りつけるか、或いはひずみゲージを形成したひずみセンサを貼りつけた構成の圧力センサが多く使用されている。【０００６】
特許文献１には、圧力センサが開示され、圧力値を検出するためのマイクロマシニング型の装置であって、２つの構成素子から成っており、第１の構成素子が、第１の材料から成る第１のダイアフラムを備え、第２の材料から成る第２の構成素子が、第１の領域と第２の領域とを備えている。また、第１の領域が、第２の領域よりも薄く形成され、第１のダイアフラムと第１の領域の少なくとも一部とが、互いに堅固に結合されている。そして、第１の材料が、第２の材料よりも大きな熱膨張係数を有している形式のものを改良するために、第１の材料から成る第１のダイアフラムが、温度に関して、横膨脹を第２の構成素子の第１の領域に伝達するようになっており、横膨脹の伝達が、第１のダイアフラムと第１の領域の少なくとも一部との間に設けられた第１の結合材料を介して行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２７２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、大きく分けて２つある。即ち、第１の課題は、異種材料間の線膨張係数の違いに起因する課題であり、第２の課題は、圧力センサの感度の向上に関する課題である。【０００９】
まず、第１の課題から説明すると、上記の構成を有する圧力センサの腐食に対する耐性を高めるために、圧力センサを構成する部材のうち、流体と直に接触する部分（ダイアフラム）に、ステンレス鋼等の高耐食性材料を採用する必要がある。【００１０】
しかしながら、ひずみセンサの材料としてシリコンを採用した場合、シリコンの線膨張係数は２.６×１０-6Ｋ-1であるのに対し、ステンレス鋼の線膨張係数は１５.９×１０-6Ｋ-1であり、両者に大きな差がある。【００１１】
このため、シリコン製のひずみセンサをステンレス鋼製のダイアフラムに接着しようとすると、温度変化によって大きな寸法の差が生じてしまうので、両者が接着された状態を維持することができず、剥離したり或いは製造の過程でダイアフラム又はひずみセンサのいずれかが破損したりする不具合が発生しやすくなる。【００１２】
また、シリコン製のひずみセンサとステンレス鋼製のダイアフラムの接着を維持することができ、破損も発生しなかった場合であっても、圧力センサの使用環境温度が変動すると、上記の線膨張係数の違いに起因して接着部に大きな応力が発生する。【００１３】
このため、実際には、ダイアフラムが流体の圧力が変化していないにもかかわらず、ひずみセンサがひずみを検知してしまうため、圧力センサの使用環境温度の変化に伴う測定誤差が生じることになる。【００１４】
次に、第２の課題について説明すると、低い圧力でも検知できるよう圧力センサの感度を高めるには、ダイアフラムの弾性係数を小さくして変形を容易にすることが有効である。即ち、ダイアフラムの弾性係数は、ダイアフラムを構成する材料のヤング率、ダイアフラムの受圧径及び厚さ等によって決まるため、ダイアフラムを構成する材料のヤング率を小さくすると共に、受圧径を大きくし、かつ、厚さを薄くするほど、ダイアフラムの弾性係数を小さくすることができる。【００１５】
ところが、ダイアフラムの弾性係数を小さくして変形を容易にすると、変形時に生じるダイアフラムの屈曲部に加わる主応力が増加して材料の弾性限界を超えてしまい、圧力センサとして継続的に使用できなくなる可能性がある。つまり、圧力センサの感度とダイアフラムの屈曲部に加わる主応力は、トレードオフの関係となるため、弾性体として単一のダイアフラムを使用している限り、圧力センサの感度は、ダイアフラムを構成する材料の力学特性によって支配される。【００１６】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ダイアフラムにステンレス鋼を採用した場合であっても、ダイアフラムとひずみセンサとが互いに剥離したりせず、かつ、使用環境温度の影響を受けにくいと共に、圧力センサの感度がダイアフラムを構成する材料の力学特性のみによって支配されず、圧力センサを構成する部材の設計自由度を高めることのできる圧力センサ及び差圧センサ並びにそれらを用いた質量流量制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の圧力センサは、上記課題を解決するために、流体の圧力により変形するダイアフラムと、該ダイアフラムの全面を覆うと共に、一方側が前記ダイアフラムと接合する弾性体と、該弾性体の他方側で、かつ、前記ダイアフラムの中心に相当する位置から離れた端部側に接合して設置され、前記ダイアフラムの変形と連動する前記弾性体の変形をひずみとして検出するひずみセンサとを備え、前記弾性体は、前記ひずみセンサを形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成ることを特徴とする。【００１８】
また、本発明の差圧センサは、上記課題を解決するために、互いに対向配置され、流体の圧力により変形する第１のダイアフラム及び第２のダイアフラムと、該第１のダイアフラム及び該第２のダイアフラムの間に配置され、一方側が前記第１のダイアフラムと接合すると共に、他方側が前記第２のダイアフラムと接合する弾性体と、該弾性体の一方側又は他方側で、かつ、前記第１のダイアフラム及び前記第２のダイアフラムの中心に相当する位置から離れた端部側に設置され、前記第１のダイアフラム及び前記第２のダイアフラムの変形と連動する前記弾性体の変形をひずみとして検出するひずみセンサとを備え、前記弾性体は、前記ひずみセンサを形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ダイアフラムにステンレス鋼を採用した場合であっても、ダイアフラムとひずみセンサとが互いに剥離したりせず、かつ、使用環境温度の影響を受けにくいと共に、圧力センサの感度がダイアフラムを構成する材料の力学特性のみによって支配されず、圧力センサを構成する部材の設計自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の圧力センサの実施例１を示す平面図である。
【図２】図１の破線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】本発明の圧力センサに採用されるひずみセンサを示し、４つのひずみゲージで形成したブリッジ回路の例である。
【図４】本発明の圧力センサの実施例２を示す平面図である。
【図５】図４の破線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図６】本発明の圧力センサの実施例３を示す平面図である。
【図７】図６の破線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図８】本発明の圧力センサの実施例４を示す平面図である。
【図９】図８の破線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図１０】本発明の圧力センサの実施例５を示す平面図である。
【図１１】図１０の破線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図１２】本発明の実施例６である絶対圧センサを示す断面図である。
【図１３】本発明の実施例７である差圧センサを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の圧力センサ及び差圧センサ並びにそれらを用いた質量流量制御装置を説明する。なお、以下に説明する各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
【実施例１】
【００２２】
図１及び図２に、本発明の圧力センサの実施例１を示す。【００２３】
該図に示す如く、本実施例の圧力センサ１は、流体の圧力により変形するダイアフラム２と、ダイアフラム２の全周を覆うと共に、一方側がダイアフラム２と接合する弾性体３と、弾性体３の他方側で、かつ、ダイアフラム２の中心に相当する位置から離れた端部側（図１及び図２の左側）に接合して設置され、ダイアフラム２の変形と連動する弾性体３の変形をひずみとして検出するひずみセンサ４とを備え、弾性体３は、ひずみセンサ４を形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成っており、ダイアフラム２の外周部を固定すると共に、流体を導入する穴が形成されたサポート５を備えて概略構成されている。【００２４】
上述の弾性体３は円筒形を成すと共に、その中央部が端部より薄く形成され、かつ、弾性体３のひずみセンサ４が設置される部分以外に、穴であるスリット８Ａ及び８Ｂが形成され、このスリット８Ａ及び８Ｂは、ひずみセンサ４を挟むように弾性体３の端から端まで延びて形成され、弾性体３を図２の上下方向（以下、Ｚ方向という）に貫通している。【００２５】
更に詳細に説明すると、本実施例のダイアフラム２は金属材料で製作されており、例えば、耐食性の高いステンレス鋼やステンレス鋼と他の金属材料とのクラッド材を材質とする。【００２６】
また、本実施例のダイアフラム２は円筒形をしており、その中央部は、加工により端部より薄膜化（ｔ１＞ｔ２）されており、薄膜化したダイアフラム２の中央部の中心は、弾性体３との接合のために一部盛り上がった構造となっている。ダイアフラム２の中央部の薄膜化方法としては、切削やプレス加工等がある。このダイアフラム２は、計測対象の流体の圧力をひずみセンサ４の設置面と逆の面から受けることで変形し、接合したひずみセンサ４に圧力に比例したひずみを発生させる構造となっている。【００２７】
更に、本実施例のダイアフラム２は、その外周部がサポート５に固定され、ダイアフラム２とサポート５は、抵抗溶接やレーザー溶接を用いて気密を確保するよう固定されており、流体がダイアフラム２とサポート５との隙間から漏れ出さない構造となっている。【００２８】
一方、弾性体３は金属材料で製作されており、例えば、ひずみセンサ４の材料であるシリコンと線膨張係数の近いコバール合金、４２合金又はインバー合金等のいずれかを材質とする。また、弾性体３の２０℃における線膨張係数の値が、半導体基板（シリコン）の２０℃における線膨張係数の値の２．５倍を超えない材質でも構わない。【００２９】
また、本実施例の弾性体３は円筒形をしており、その中央部は、加工により端部より薄膜化されている。弾性体３は直に流体と接しないため、剛性を低下させることを目的に、ひずみセンサ４を設置する部分以外に穴を形成することが可能である。例えば、ひずみセンサ４の脇を、ひずみセンサ４を挟むように弾性体３の半径方向（以下、Ｘ方向という）に沿ってライン状にスリット８Ａ及び８Ｂを形成することで、ひずみセンサ４の設置箇所を梁状にしても良い。弾性体３を薄膜化した端部は、フィレットが形成されており、圧力印加や温度変化に伴う応力集中を緩和する構造となっている。【００３０】
また、弾性体３は、ひずみセンサ４を設置可能とするため、ひずみセンサ４の大きさと同等以上の幅を備えており、少なくともダイアフラム２の中央の接合部６とダイアフラム２の外周部の２箇所で固定（接合部６は１点固定、外周部は全周固定）されており、接合部６は圧力の印加や温度の変化等により剥離しないよう溶接を用いて強固に固定されている。この接合部６はダイアフラム２の薄膜部全面ではなく、一部領域（１点）でのみ固定することで、ダイアフラム２と弾性体３の線膨張係数差の影響を緩和している。弾性体３は接合部６を介してダイアフラム２と接合されているため、ダイアフラム２の変形と連動してたわみが発生するが、弾性体３の弾性係数を適切に設計することにより、ダイアフラム２の弾性係数を補強することができる。【００３１】
弾性体３の薄膜部の深さは、ダイアフラム２の高さよりも浅くなっており、弾性体３とダイアフラム２は接合部６を介して互いに押し合っている。互いに押し合うことにより弾性体３は膨らむように押し上げられ、ダイアフラム２は押し下げられる。圧力が加わっていない状態において弾性体３が押し上げられていることにより、圧力の印加に伴う弾性体３の凹凸反転を抑止し、感度の線形性の向上効果が得られる。また、ダイアフラム２が押し下げられていることにより、ダイアフラム２の裏面端部の主応力を、圧力が加わる時に発生する応力とは逆の圧縮応力とすることができ、圧力が加わった時のダイアフラム２に発生する主応力を低減させることが可能である。【００３２】
次に、ひずみセンサ４の構成について、図１乃至図３を用いて説明する。図３に示すように、ひずみセンサ４の表面中心にひずみゲージ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが形成されており、４つ一組のブリッジ回路が構成されている。また、ひずみセンサ４は、単結晶シリコン基板を材料に製作されており、ひずみゲージ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、シリコン基板に不純物拡散することにより形成されている。更に、ひずみゲージ７ａ、７ｂはＸ方向が、ひずみゲージ７ｃ、７ｄはダイアフラム２の円周方向（以下、Ｙ方向という）が、それぞれ電流が流れる方向と平行になるように配置されている。【００３３】
このようなひずみセンサ４の構成により、Ｘ方向とＹ方向のひずみ差に比例した出力が、ブリッジ回路の中間電位の差動出力（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）として得られる。一方で、ひずみゲージ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの電気抵抗の温度変化による影響は、温度特性が４つのひずみゲージで等しければ、電気抵抗の温度変化も等しくなるので、ひずみセンサ４の出力には影響しない。【００３４】
例えば、スリット８Ａ及び８Ｂの形成されていない弾性体３の場合、圧力による変形は軸対称で、ダイアフラム２の中央にひずみセンサ４を配置すると、Ｘ方向とＹ方向のひずみ差が得られない。よって、ひずみセンサ４は感度の向上を目的に、弾性体３の薄膜部端部に設置している。ひずみセンサ４を弾性体３の薄膜部端部に設置することで、ひずみセンサ４にＸ方向とＹ方向とでそれぞれ圧縮ひずみと引張ひずみが発生し、ひずみ差を大きくすることが可能になるためである。これにより、圧力センサ１の感度の向上が見込める。【００３５】
また、弾性体３とひずみセンサ４は、接合層を介して強固に固定されている。両者の接合には、金属（Ａｕ/Ｓｎ或いはＡｕ/Ｇｅ）接合や低融点ガラス（バナジウム系ガラス）を用いることにより、長期間の温度や圧力印加に伴うクリープ変形を抑制できる。これら金属（Ａｕ/Ｓｎ或いはＡｕ/Ｇｅ）や低融点ガラス（バナジウム系ガラス）は堅い材料であるため、弾性体３の変形をひずみセンサ４に効率よく伝達することができる。【００３６】
また、サポート５は、計測対象である流体の流れる配管に取り付けられたフランジ（図示せず）とダイアフラム２との接続をサポートする部材である。フランジと配管はねじにより固定されており、フランジとダイアフラム２を直接固定してしまうと、ねじを締結することによる影響で感度が変化してしまうことが考えられるので、サポート５の下部から伝達されるねじの締結に伴う応力を緩和するために、サポート５の一部にくびれ５ａを設けている。【００３７】
また、上述した如く、弾性体３にはスリット８Ａ及び８Ｂが形成されており、弾性体３をＺ方向に貫通している。スリット８Ａ及び８Ｂは、図１のＸ方向において、長さは弾性体３の端から端まで形成されており、位置はひずみセンサ４から一定距離離れた場所に設けられている。ひずみセンサ４が設置している弾性体３は梁状になっており、中央と両端がダイアフラム２で固定されている。【００３８】
例えば、弾性体３にスリット８Ａ及び８Ｂを形成しない圧力センサ１において、弾性体３の端部に固定したひずみセンサ４には、温度変化に伴い出力が発生する。これは、ダイアフラム２の材料であるステンレス鋼の線膨張係数が、ひずみセンサ４の材料であるシリコンの５倍以上と差があるためである。また、弾性体３の変形を効率よくひずみセンサ４に伝えるための接合層が堅い材料であるＡｕ/ＳｎやＡｕ/Ｇｅや低融点ガラス（バナジウム系ガラス）で形成されている影響も大きい。【００３９】
圧力センサ１の外部の温度が低下すると、ひずみセンサ４にはＸ方向とＹ方向共に、圧縮のひずみが発生する。Ｘ方向とＹ方向のひずみが等しければ出力は変化しないが、Ｙ方向の圧縮ひずみの方が大きくなるために、出力が変化する。これは、Ｘ方向は弾性体３が変形することにより応力緩和しているが、Ｙ方向では弾性体３の面積が小さく変形し辛いため、Ｘ方向よりも応力を緩和できないことが原因である。【００４０】
また、弾性体３とひずみセンサ４の固定には、低融点ガラスなどの３００℃以上の高温での接合を用いるため、接合後に温度を低下させると、Ｘ方向とＹ方向でひずみ差が発生し、初期ゼロ点の出力オフセットとして検出される。この初期ゼロ点の出力オフセットが発生すると、オフセット分をゼロに修正するための回路が必要になる他、圧力センサ１の使用範囲が狭くなるなどの課題が発生する。また、圧力センサ１の使用時においても、民生用圧力センサにおいては１００℃程度、車載用圧力センサにおいては１６０℃程度の温度は変化し、圧力センサ１のゼロ点出力は変動する。【００４１】
よって、これを改善するため、弾性体３にスリット等の加工を施すことによって、弾性体３をＹ方向にも変形しやすくし、ひずみセンサ４に加わるＹ方向の圧縮ひずみを低減する。これにより、Ｘ方向とＹ方向とのひずみの差が小さくなり、温度変化に伴うゼロ点の出力変動を抑制することを可能とする。ひずみセンサ４にかかるＹ方向への圧縮ひずみを緩和する手段として、本実施例では、弾性体３にライン状のスリット８Ａ及び８Ｂを形成している。【００４２】
弾性体３の薄膜部の深さはダイアフラム２の高さよりも浅くなっており、弾性体３とダイアフラム２は接合部６を介して互いに押し合っている。互いに押し合うことにより、弾性体３は少なくとも平坦よりもひずみセンサ４の設置面に向かって凸形状になっている。
弾性体３が凸形状であることにより、流体による圧力が加わることに伴い、弾性体３の凹凸が反転することを防いでいる。これにより、弾性体３の凹凸が反転することによる座屈やひずみセンサ４の符号反転を防ぎ、感度の線形性向上を図っている。【００４３】
また、上述した如く、ダイアフラム２は金属材料で製作されており、耐食性の高いステンレス鋼を材質とすると共に、ダイアフラム２は円筒形をしており、中央部は加工により端部より薄膜化されており、薄膜化したダイアフラム２の中央部の中心は、弾性体３との接合のために一部盛り上がった構造となっている。ダイアフラム２の形成方法としてプレス加工を用いており、ダイアフラム２の外周部にはサポート５と溶接するためのつば２ａが備わっており、ダイアフラム２のつば２ａとサポート５を溶接することで流体の漏れを防いでいる。ダイアフラム２の外周部と中心部までの間に屈曲部は存在せず、流体により圧力が加わった際の変形は屈曲部が存在する時に比べ大きく、感度も大きくなる。【００４４】
流体により圧力が加わった場合、ダイアフラム２は流体により押し上げられ、最大の主応力がダイアフラム２の裏面の端部に発生する。この引張の最大主応力が、ダイアフラム２の材料の耐力を超えないようにする必要があるため、圧力が加わっていない状態において、ダイアフラム２は弾性体３により押し下げられる構造となっている。ダイアフラム２が押し下げられることにより、圧力が加わっていない状態において、ダイアフラム２の裏面端部には圧縮の応力が発生している。この応力は、圧力が加わる時に発生する応力とは逆の応力であるため、ダイアフラム２に加わる主応力を低減することができ、圧力のダイナミックレンジを拡大している。【００４５】
このように本実施例の構成によれば、圧力センサ１の可動部分が、弾性体３とダイアフラム２の２つの部材で構成されていることになり、例えば、流体と直に接するために高耐食性材料を採用することが要求される部分については、ステンレス鋼等でなるダイアフラム２で構成し、ひずみセンサ４と結合する必要から低線膨張係数が要求される部分については、コバール合金、４２合金又はインバー合金等のいずれかでなる弾性体３で構成するなど、各部材に求められる複数の機能にそれぞれ最も適した材料を独立して選択することが可能となる。【００４６】
このため、流体に対する高耐食性を維持しつつ、ひずみセンサ４の線熱膨張係数と、ひずみセンサ４が設けられる弾性体３の線熱膨張整数との差を小さくすることができるので、剥離や使用温度環境に関する上記の第１の課題を解決することができる。【００４７】
なお、上記の構成において、個別に設計されたダイアフラム２と弾性体３のそれぞれの表面を接合することにより、流体の圧力を受圧したダイアフラム２の変形を、ひずみセンサ４が設けられた弾性体３に伝達することができる。【００４８】
このため、接合されたこれら複数の部材が一体となって圧力センサ１としての機能が発揮される。ここで、例えば、ステンレス鋼でなるダイアフラム２と、コバール合金、４２合金又はインバー合金等のいずれかでなる弾性体３とを、溶融部（溶接）でなる接合部を介して接合した場合であっても、両者は広い領域で接合されているのではなく、両者の一部同士が小さな面積で接合されているに過ぎない。【００４９】
従って、ダイアフラム２と弾性体３の間で線膨張係数に差があったとしても、そのことによって両者が剥離するおそれは、従来技術における面による接着に比べて少なくなる。
同様に、使用環境温度の変化によって線熱膨張係数の差に応じて生じる引っ張り応力又は圧縮応力の大きさも、広い面で接着されている場合に比べて小さい。【００５０】
また、上記の構成によれば、複数の部材によって圧力センサ１を構成することにより、単一の部材によって構成する場合に比べて材料の選択のみならず、各部材の形状及び寸法等の設計の自由度が大きくなる。【００５１】
即ち、可動部をダイアフラム２のみによって構成する場合は、可動部の弾性係数ｋはダイアフラム２のヤング率及び形状によって決まる。一方、ダイアフラム２及び弾性体３で可動部を構成する場合は、互いに接合された部材は全体としてｋ＝ｋ１＋ｋ２（ただし、ｋ１はダイアフラム２の弾性係数、ｋ２は弾性体３の弾性係数）に等しい弾性係数を有する可動部として動作する。このため、例えば、全体の弾性係数ｋを大きく変えることなく、ダイアフラム２の弾性係数ｋ１を小さく設計し、弾性体３の弾性係数ｋ２は大きく設計することなどが可能となるので、設計自由度が高まる。【００５２】
更に、可動部をダイアフラム２と弾性体３の２つに分離していることで、例えば、弾性体３を押し上げたり、ダイアフラム２を押し下げたりする構造が可能となる。【００５３】
また、流体により圧力が加わった場合、ダイアフラム２は流体により押し上げられ、最大の主応力はダイアフラム２の裏面の端部に発生し、この最大主応力がダイアフラム２の材料の耐力を超えないようにする必要がある。従来では圧力のダイナミックレンジを確保するため、最大主応力を緩和する構造、例えば、ダイアフラム裏面の端部の曲率を大きくするなどで対応してきた。しかしながら、ダイアフラムの裏面の端部の曲率を大きくするとダイアフラム自体の変形量が小さくなり、感度が低下するおそれがあった。【００５４】
そこで、本実施例のように、ダイアフラム２と弾性体３を互いに加圧する構造にすることで、ダイアフラム２を押し下げ、初期状態のダイアフラム２の裏面端部の主応力を圧力が加わる時に発生する応力とは逆の圧縮応力とすることができ、ダイアフラム２に加わる主応力を低減し、圧力センサによって測定することができる圧力の範囲が拡大できる。【００５５】
また、従来のダイアフラムでは、加工精度や接合による影響でダイアフラムの接合面が凹むことがあった。流体による圧力が加わることでダイアフラムは膨れることから、ダイアフラムは圧力が加わることで凹凸が反転していた。これは、ダイアフラムに接合されたひずみセンサにも影響を与えており、ひずみセンサに加わるひずみが引張から圧縮へと反転する。ダイアフラムの凹凸反転と、ひずみセンサの引張と圧縮の反転によりダイアフラムの座屈やひずみセンサの符号反転などが発生し、非線形性が大きくなる可能性があった。【００５６】
そこで、本実施例では、弾性体３を初期状態から押し上げることにより、圧力が加わることに伴う弾性体３の凹凸反転を抑止し、感度の線形性の向上を図るようにした。これらのことより、上記の第２の課題を解決することができる。【００５７】
従って、本実施例の構成によれば、ダイアフラムにステンレス鋼を採用した場合であっても、ダイアフラムとひずみセンサとが互いに剥離したりせず、かつ、使用環境温度の影響を受けにくいと共に、圧力センサの感度がダイアフラムを構成する材料の力学特性のみによって支配されず、圧力センサを構成する部材の設計自由度を高めることができる。
【実施例２】
【００５８】
図４及び図５に、本発明の圧力センサの実施例２を示す。以下に示す実施例２では、実施例１との相違点のみ説明する。【００５９】
該図に示す本実施例の圧力センサ１は、弾性体３のひずみセンサ４が設置される部分以外に、ひずみセンサ４を挟むように、弾性体３をＺ方向に貫通している第１の貫通穴９Ａと、この第１の貫通穴９Ａと連通し、ひずみセンサ４が設置されている側とは反対側の弾性体３に、Ｚ方向に貫通している第２の貫通穴９Ｂが形成されている。【００６０】
即ち、本実施例の圧力センサ１でのひずみセンサ４からＹ方向に一定距離離れた場所の弾性体３に設けられている第１の貫通穴９Ａは、Ｘ方向長さにおいて弾性体３の端から端まで形成され、また、接合部６から見てひずみセンサ４の設置している方向とは逆の弾性体３にも第２の貫通穴９Ｂが形成されている。ひずみセンサ４が設置している弾性体３は、梁状になっており、中央とひずみセンサ４が設置されている方向の端部でのみダイアフラム２で固定されている。【００６１】
このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、弾性体３の固定箇所が実施例１よりも少なくなっているため、弾性体３の剛性は小さくなっており、弾性体３は実施例１に比べ大きく変形し、感度も大きくなる効果が得られる。
【実施例３】
【００６２】
図６及び図７に、本発明の圧力センサの実施例３を示す。以下に示す実施例３では、実施例１との相違点のみ説明する。【００６３】
該図に示す本実施例の圧力センサ１は、ひずみセンサ４を挟むように弾性体３に形成され、弾性体３の端から端まで延びた２つのくぼみ（凹部）１０Ａ及び１０Ｂを備えており、このくぼみ（凹部）１０Ａ及び１０Ｂは、弾性体３を貫通していない構成である。【００６４】
即ち、本実施例の圧力センサ１では、くぼみ（凹部）１０Ａ及び１０ＢのＸ方向において、長さは弾性体３の端から端まで形成されており、そのくぼみ（凹部）１０Ａ及び１０Ｂの位置は、ひずみセンサ４から一定距離離れた場所に設けられている。弾性体３が梁状ではないため、接合部６がＹ方向に位置ズレしてしまったとしても、梁のねじれは抑制される。【００６５】
このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、実施例１に比べくぼみ（凹部）１０Ａ及び１０Ｂは、弾性体３を貫通していないため、変形は小さいが実装誤差や加工誤差などの位置ズレに強い構造を得ることができる。
【実施例４】
【００６６】
図８及び図９に、本発明の圧力センサの実施例４を示す。以下に示す実施例４では、実施例１との相違点のみ説明する。【００６７】
該図に示す本実施例の圧力センサ１は、弾性体３の表面には、ひずみセンサ４が設置されているだけで、スリット等の加工が施されていないものである。【００６８】
このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、実施例１に比べ変形は小さいが、実装誤差や加工誤差などの位置ズレに強く、加工コストも低減可能である。
【実施例５】
【００６９】
図１０及び図１１に、本発明の圧力センサの実施例５を示す。以下に示す実施例５では、実施例１との相違点のみ説明する。【００７０】
該図に示す本実施例の圧力センサ１は、ダイアフラム２の中央部と端部の間に複数の屈曲部１１が形成されている。【００７１】
即ち、本実施例の圧力センサ１は、弾性体３にはスリット８Ａ及び８Ｂが形成されており、そのスリット８Ａ及び８Ｂは、弾性体３を貫通している。そして、スリット８Ａ及び８ＢのＸ方向において、長さは弾性体３の端から端まで形成されており、位置はひずみセンサ４から一定距離離れた場所に設けられている。ひずみセンサ４が設置されている弾性体３は梁状になっており、中央と両端がダイアフラム２に固定されている。【００７２】
また、ダイアフラム２は金属材料で製作されており、耐食性の高いステンレス鋼を材質とすると共に、ダイアフラム２は円筒形をしており、中央部は加工により端部より薄膜化されており、薄膜化した中央部の中心は弾性体３との接合のために一部盛り上がった構造となっている。しかも、ダイアフラム２の外周部（端部）と中心部（中央部）までの間に、複数の屈曲部１１が形成されている構造となっている。【００７３】
このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、ダイアフラム２の外周部（端部）と中心部（中央部）までの間に、複数の屈曲部１１が形成されており、流体により圧力が加わった際の応力集中を緩和することができる。
【実施例６】
【００７４】
図１２に、本発明の実施例６としての絶対圧センサを示す。【００７５】
該図に示す如く、本実施例の絶対圧センサ１２は、上述した実施例1と同様な構成の圧力センサ１と気密ハウジング１３で構成されている。気密ハウジング１３は、ダイアフラム２やひずみセンサ４を囲うようにサポート５と固定されており、ひずみセンサ４の周囲の気密空間１４を一定の気圧に維持している。【００７６】
気密ハウジング１３とサポート５の固定には、例えば、抵抗溶接やレーザー溶接などの気密性を維持可能な固定方法を用いる。これにより、絶対圧センサ１２の使用時には、計測対象以外の圧力変動の影響を受けない構造としている。【００７７】
サポート５の外周部には気密ハウジング１３と溶接するためのつば５ｂが備わっており、サポート５のつば５ｂを気密ハウジング１３に隙間なく固定することにより、気密空間１４の気密が確保される。抵抗溶接やレーザー溶接などの固定方法を用いる場合、サポート５のつば５ｂの厚さが厚すぎると溶接時に溶融部を形成することが困難になるので、つば５ｂの厚さは０．２０ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましいつば５ｂの厚さは０．１５ｍｍ以下である。また、つば５ｂの厚さが薄すぎるとつば５ｂが溶接の影響で損傷して気密空間１４の気密が確保できなくなるので、つば５ｂの厚さは０．１０ｍｍ以上であることが好ましい。【００７８】
上記の好ましい厚さを有するつば５ｂを用いて抵抗溶接やレーザー溶接を行う場合、つば５ｂの厚さが薄いため、溶接の衝撃でつば５ｂに貫通孔が形成されたり、溶接後の冷却の過程でつば５ｂが割れたりして、気密空間１４の気密が確保できなくなる恐れがある。サポート５を形成する材料に異物や空隙などの欠陥の少ない材料を採用することは、そのような異物や空隙などの欠陥がつば５ｂの部分に存在することが防止され、つば５ｂに貫通孔が形成されたり割れたりする恐れがなくなるため、好ましい。つば５ｂの部分に異物や空隙などの欠陥の少ないサポート５を製造するには、例えば、真空再溶解法や鍛造法などの公知の技術を採用した材料を機械加工して製造することができる。【００７９】
サポート５を形成する材料の欠陥を少なくする方法として鍛造法を選択した場合、鍛造によって形成される鍛流線の方向（ファイバー方向）がつば５ｂの面内方向と一致するようにしてサポート５を製造することがより好ましい。鍛造された金属材料では鍛流線の方向の引張強さが他の方向に比べて大きいので、鍛流線の方向をつば５ｂの面内方向と一致させることにより、溶接後の冷却の過程でつば５ｂが割れることをより確実に防止することができる。なお、サポート５の鍛流線の方向は、サポート５の切断面を研磨して光学顕微鏡等により金属組織を観察するなどの方法により容易に判別することができる。【００８０】
ひずみセンサ４で計測した出力は、気密ハウジング１３に形成された貫通電極１５から外部に引き出されている。貫通電極１５はメッキで形成されており、ひずみセンサ４とはフレキシブル基板電極（図示せず）を介して接続され、かつ、気密空間１４の気密が確保されている。【００８１】
一方、サポート５は、計測対象である流体の流れる配管に取り付けられたフランジ１６とダイアフラム２との接続をサポートする部材である。フランジ１６と配管はねじにより固定されており、フランジ１６とダイアフラム２を直接固定してしまうとねじの締結影響で感度が変化してしまうことが考えられる。【００８２】
そこで、サポート５の下部から伝達されるねじ締結に伴う応力を緩和するために、サポート５の一部にくびれ５ａを設けている。【００８３】
このような本実施例の構成の絶対圧センサであっても、実施例１と同様な効果を得ることができる。
【実施例７】
【００８４】
図１３に、本発明の実施例７としての差圧センサを示す。【００８５】
該図に示す如く、本実施例の差圧センサ１７は、互いに対向配置され、流体の圧力により変形する第１のダイアフラム２２及び第２のダイアフラム３２と、第１のダイアフラム２２及び第２のダイアフラム３２の間に配置され、一方側が第１のダイアフラム２２と接合すると共に、他方側が第２のダイアフラム３２と接合する弾性体３と、弾性体３の一方側又は他方側で、かつ、第１のダイアフラム２２及び第２のダイアフラム３２の中心に相当する位置から離れた端部側（図１３の左側）に設置され、第１のダイアフラム２２及び第２のダイアフラム３２の変形と連動する弾性体３の変形をひずみとして検出するひずみセンサ４とを備え、弾性体３は、ひずみセンサ４を形成する材料の線膨張係数に近い線膨張係数をもつ材料から成って概略構成されている。【００８６】
即ち、本実施例の差圧センサ１７は、上述した実施例1と類似する構成の２つの圧力センサ２１及び３１と気密ハウジング１８で構成される。圧力センサ２１及び３１には、それぞれ第１のダイアフラム２２と第２のダイアフラム３２が備えられており、圧力センサ２１及び３１に共通する弾性体３を挟んで互いに対向するように固定されている。また、気密ハウジング１８は、圧力センサ２１及び３１を囲っており、圧力センサ２１及び３１の周囲の気密空間１４を一定の気圧に維持している。これにより、計測対象以外の圧力変動の影響を受けない構造としている。【００８７】
また、第１のダイアフラム２２と第２のダイアフラム３２が第１の流体と第２の流体にそれぞれ接しており、第１のダイアフラム２２と第２のダイアフラム３２は、それぞれ接合部２６と接合部３６にて弾性体３に接合されている。接合部２６と接合部３６は溶接により強固に固定されており、第１の流体と第２の流体の圧力に差が発生した際に、第１のダイアフラム２２と第２のダイアフラム３２が変形する構造となっている。第１のダイアフラム２２と第２のダイアフラム３２のそれぞれの変形と連動して弾性体３にたわみが発生し、そのたわみをひずみセンサ４で検出することで第１の流体と第２の流体の差圧を計測するものである。第１の流体と第２の流体は、同じ流体系の異なる場所と連通している同一の流体であってもよい。【００８８】
このような本実施例の構成の差圧センサであっても、実施例１と同様な効果を得ることができる。【００８９】
また、本発明に係る圧力センサ１又は差圧センサ１７は、例えば、半導体製造装置に用いられる質量流量制御装置に組み込んで、評価対象の圧力をモニタリングする用途に用いることができる。【００９０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものでは無く、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものでは無い。また、実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００９１】
１、２１、３１…圧力センサ、２…ダイアフラム、２ａ…ダイアフラムのつば、３…弾性体、４…ひずみセンサ、５、２５、３５…サポート、５ａ…サポートのくびれ、５ｂ…つば、６、２６、３６…接合部、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ…ひずみゲージ、８Ａ、８Ｂ…スリット、９Ａ…第１の貫通穴、９Ｂ…第２の貫通穴、１０Ａ、１０Ｂ…くぼみ（凹部）、１１…屈曲部、１２…絶対圧センサ、１３、１８…気密ハウジング、１４…気密空間、１５…貫通電極、１６…フランジ、１７…差圧センサ、２２…第１のダイアフラム、３２…第２のダイアフラム。
【図１】
2016056555.tif 000003
【図２】
2016056555.tif 000004
【図３】
2016056555.tif 000005
【図４】
2016056555.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2016056555.tif 000009
【図８】
2016056555.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2016056555.tif 000014
【図１３】
2016056555.tif 000015
【国際調査報告】
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2016056555.tif 000017
2016056555.tif 000018
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