(57)【要約】【課題】センサチップ内の接合部の剥離を防止する。【解決手段】センサチップ１１の一方の面に第１の管路部材１２を接合し、センサチップ１１の他方の面に第２の管路部材１３を接合し、所定間隔Ｌを隔てて、可撓性を有する第１の連通管１４を第１の管路部材１２の導圧路１２ａに連通させ、可撓性を有する第２の連通管１５を第２の管路部材１３の導圧路１３ａに連通させる。この際、連通管１４，１５の可撓性により、第１の管路部材１２にセンサチップ１１の一方の面へ向かう弾性力ＰＡが加わるようにし、第２の管路部材１３にセンサチップ１１の他方の面へ向かう弾性力ＰＢが加わるようにし、第１の管路部材１２と第２の管路部材１３との間にセンサチップ１１を挾圧保持させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面にその凹部を対峙させて接合され当該センサダイアフラムの他方の面に過大圧が印加された時の過度な変位を阻止する第１のストッパ部材と、前記センサダイアフラムの他方の面にその凹部を対峙させて接合され当該センサダイアフラムの一方の面に過大圧が印加された時の過度な変位を阻止する第２のストッパ部材とを備えたセンサチップと、
前記センサチップの一方の面に接合されその内部に前記センサダイアフラムの一方の面への測定圧を導く導圧路を有する第１の管路部材と、
前記センサチップの他方の面に接合されその内部に前記センサダイアフラムの他方の面への測定圧を導く導圧路を有する第２の管路部材と、
前記第１の管路部材に前記センサチップの一方の面へ向かう弾性力を加え、前記第２の管路部材に前記センサチップの他方の面へ向かう弾性力を加え、前記第１の管路部材と前記第２の管路部材との間に前記センサチップを挾圧保持させる弾性保持部材と
を備えることを特徴とする差圧センサ。
【請求項２】
請求項１に記載された差圧センサにおいて、
前記弾性保持部材は、
前記第１の管路部材の導圧路と連通する可撓性を有する第１の連通管と、前記第２の管路部材の導圧路と連通する可撓性を有する第２の連通管とで構成されている
ことを特徴とする差圧センサ。
【請求項３】
請求項１に記載された差圧センサにおいて、
前記弾性保持部材は、
前記第１の管路部材と前記第２の管路部材とを外側から挟み込む板バネとされている
ことを特徴とする差圧センサ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載された差圧センサにおいて、
前記センサチップは、
前記第１のストッパ部材に接合された第１の台座と、
前記第２のストッパ部材に接合された第２の台座とを備える
ことを特徴とする差圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた差圧センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工業用の差圧発信器（伝送器）として、圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた差圧センサを組み込んだ差圧発信器が用いられている。この差圧発信器は、高圧側および低圧側の受圧ダイアフラムに加えられる各測定圧を、圧力伝達媒体としての封入液によってセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に導き、そのセンサダイアフラムの歪みを例えば歪抵抗ゲージの抵抗値変化として検出し、この抵抗値変化を電気信号に変換して取り出すように構成されている。
【０００３】
このような差圧発信器は、例えば石油精製プラントにおける高温反応塔等の被測定流体を貯蔵する密閉タンク内の上下２位置の差圧を検出することにより、液面高さを測定するときなどに用いられる。
【０００４】
図４に従来の差圧発信器の概略構成を示す。この差圧発信器１００は、センサダイアフラム（図示せず）を有するセンサチップ１をメータボディ２に組み込んで構成される。センサチップ１におけるセンサダイアフラムは、シリコンやガラス等からなり、薄板状に形成されたダイアフラムの表面に歪抵抗ゲージが形成されている。メータボディ２は、金属製の本体部３とセンサ部４とからなり、本体部３の側面に一対の受圧部をなすバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）５ａ，５ｂが設けられ、センサ部４にセンサチップ１が組み込まれている。
【０００５】
メータボディ２において、センサ部４に組み込まれたセンサチップ１と本体部３に設けられたバリアダイアフラム５ａ，５ｂとの間は、大径のセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介してそれぞれ連通され、センサチップ１とバリアダイアフラム５ａ，５ｂとを結ぶ連通路８ａ，８ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体９ａ，９ｂが封入されている。
【０００６】
なお、シリコーンオイル等の圧力媒体が必要となるのは、センサダイアフラムに対する計測媒体中の異物付着を防ぐこと、センサダイアフラムを腐食させないため、耐食性を持つ受圧ダイアフラムと応力（圧力）感度を持つセンサダイアフラムとを分離する必要があるためである。
【０００７】
この差圧発信器１００では、図５(ａ)に定常状態時の動作態様を模式的に示すように、プロセスからの第１の測定圧Ｐａがバリアダイアフラム５ａに印加され、プロセスからの第２の測定圧Ｐｂがバリアダイアフラム５ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム５ａ，５ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂがセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介し、圧力伝達媒体９ａ，９ｂを通して、センサチップ１のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、センサチップ１のセンサダイアフラムは、その導かれた圧力Ｐａ，Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。
【０００８】
これに対して、例えば、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わると、図５(ｂ)に示すようにバリアダイアフラム５ａが大きく変位し、これに伴ってセンタダイアフラム６が過大圧Ｐoverを吸収するように変位する。そして、バリアダイアフラム５ａがメータボディ２の凹部１０ａの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ａを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。バリアダイアフラム５ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、バリアダイアフラム５ｂがメータボディ２の凹部１０ｂの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ｂを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加によるセンサチップ１の破損、すなわちセンサチップ１におけるセンサダイアフラムの破損が未然に防止される。
【０００９】
この差圧発信器１００では、メータボディ２にセンサチップ１を内包させているので、プロセス流体など外部腐食環境からセンサチップ１を保護することができる。しかしながら、センタダイアフラム６やバリアダイアフラム５ａ，５ｂの変位を規制するための凹部１０ａ，１０ｂを備え、これらによってセンサチップ１を過大圧Ｐoverから保護する構造をとっているので、その形状が大型化することが避けられない。
【００１０】
そこで、センサチップに第１のストッパ部材および第２のストッパ部材を設け、この第１のストッパ部材および第２のストッパ部材の凹部をセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に対峙させることによって、過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止し、これによってセンサダイアフラムの破損・破壊を防止する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
図６に特許文献１に示された構造を採用したセンサチップの概略を示す。同図において、１１−１はセンサダイアフラム、１１−２および１１−３はセンサダイアフラム１１−１を挟んで接合された第１および第２のストッパ部材、１１−４および１１−５はストッパ部材１１−２および１１−３に接合された台座である。ストッパ部材１１−１，１１−２や台座１１−４，１１−５はシリコンやガラスなどにより構成されている。
【００１２】
このセンサチップ１１において、ストッパ部材１１−２，１１−３には凹部１１−２ａ，１１−３ａが形成されており、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａをセンサダイアフラム１１−１の一方の面に対峙させ、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａをセンサダイアフラム１１−１の他方の面に対峙させている。凹部１１−２ａ，１１−３ａは、センサダイアフラム１１−１の変位に沿った曲面（非球面）とされており、その頂部に圧力導入孔１１−２ｂ，１１−３ｂが形成されている。また、台座１１−４，１１−５にも、ストッパ部材１１−２，１１−３の圧力導入孔１１−２ｂ，１１−３ｂに対応する位置に、圧力導入孔１１−４ａ，１１−５ａが形成されている。
【００１３】
このようなセンサチップ１１を用いると、センサダイアフラム１１−１の一方の面に過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａの曲面によって受け止められる。また、センサダイアフラム１１−１の他方の面に過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの曲面によって受け止められる。
【００１４】
これにより、センサダイアフラム１１−１に過大圧が印加された時の過度な変位が阻止され、センサダイアフラム１１−１の周縁部に応力集中が生じないようにして、過大圧の印加によるセンサダイアフラム１１−１の不本意な破壊を効果的に防ぎ、その過大圧保護動作圧力（耐圧）を高めることが可能となる。また、図４に示された構造において、センタダイアフラム６や圧力緩衝室７ａ，７ｂをなくし、バリアダイアフラム５ａ，５ｂからセンサダイアフラム１１−１に対して直接的に測定圧Ｐａ，Ｐｂを導くようにして、メータボディ２の小型化を図ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−６９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このようなセンサチップ１１の構造において、その内部にかかる静圧はセンサダイアフラム１１−１の径に依存する。レンジアビリティを上げるために、センサダイアフラム１１−１の径を大きく、センサダイアフラム１１−１の膜厚を小さくする必要がある。しかしながら、このような要求を満たすと、内部での受圧面が増大し、センサチップ１１内の接合部に破壊に至る程の大きな圧力が加わることがある。
【００１７】
図６に示したセンサチップ１１の場合、センサダイアフラム１１−１とストッパ部材１１−２，１１−３と台座１１−４，１１−５の５層構造である。この場合、高圧時に、この５層構造の接合部に大きな圧力が加わり、これらの接合部が剥離してしまう虞がある。また、周囲温度の変化時にも、センサチップ１１とパッケージ２との熱膨張率の相違に起因した熱応力が加わり、センサチップ１１内の接合部の剥離を引き起こすことがある。
【００１８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、センサチップ内の接合部の剥離を防止することが可能な差圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような目的を達成するために、本発明に係る差圧センサは、圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムが形成されたセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面にその凹部を対峙させて接合され当該センサダイアフラムの他方の面に過大圧が印加された時の過度な変位を阻止する第１のストッパ部材と、センサダイアフラムの他方の面にその凹部を対峙させて接合され当該センサダイアフラムの一方の面に過大圧が印加された時の過度な変位を阻止する第２のストッパ部材とを備えたセンサチップと、センサチップの一方の面に接合されその内部にセンサダイアフラムの一方の面への測定圧を導く導圧路を有する第１の管路部材と、センサチップの他方の面に接合されその内部にセンサダイアフラムの他方の面への測定圧を導く導圧路を有する第２の管路部材と、第１の管路部材にセンサチップの一方の面へ向かう弾性力を加え、第２の管路部材にセンサチップの他方の面へ向かう弾性力を加え、第１の管路部材と第２の管路部材との間にセンサチップを挾圧保持させる弾性保持部材とを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、センサチップは、弾性保持部材によって、第１の管路部材と第２に管路部材との間に挾圧保持される。すなわち、弾性保持部材によって、第１の管路部材にセンサチップの一方の面へ向かう弾性力が加えられ、第２の管路部材にセンサチップの他方の面へ向かう弾性力が加えられることによって、第１の管路部材と第２に管路部材との間にセンサチップを挾圧保持される。これにより、高圧時や周囲温度の変化時、センサチップ内の接合部に加わる圧力や熱応力が緩和されるものとなり、センサチップ内の接合部の剥離が防止されるものとなる。
【００２１】
本発明において、弾性保持部材は、例えば、第１の管路部材の導圧路と連通する可撓性を有する第１の連通管と、第２の管路部材の導圧路と連通する可撓性を有する第２の連通管とで構成したり、第１の管路部材と第２の管路部材とを外側から挟み込む板バネとしたりすることができる。弾性保持部材を可撓性を有する第１の連通管と第２の連通管とで構成すると、センサチップへの測定圧を導く導通路（圧力伝達媒体の封入路）を兼ねることができるので、部品点数を低減し、小型化とコストダウンを図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、センサチップの一方の面に接合されその内部にセンサダイアフラムの一方の面への測定圧を導く導圧路を有する第１の管路部材と、センサチップの他方の面に接合されその内部にセンサダイアフラムの他方の面への測定圧を導く導圧路を有する第２の管路部材とを設け、弾性保持部材によって第１の管路部材と第２に管路部材との間にセンサチップを挾圧保持させるようにしたので、高圧時や周囲温度の変化時、センサチップ内の接合部に加わる圧力や熱応力を緩和するようにして、センサチップ内の接合部の剥離を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る圧力センサの一実施の形態の要部（メータボディに組み込まれたセンサチップの支持構造）を示す図である。
【図２】第１の管路部材と第２の管路部材とを外側から挟み込むリング状の板バネを設けるようにした例を示す図である。
【図３】第１の管路部材と第２の管路部材とを外側から挟み込むＵ字状の板バネを設けるようにした例を示す図である。
【図４】従来の差圧発信器の概略構成を示す図である。
【図５】この差圧発信器の動作態様を模式的に示す図である。
【図６】特許文献１に示された構造を採用したセンサチップの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る圧力センサの一実施の形態の要部を示す図である。この図は、差圧発信器に組み込まれた圧力センサの構造として、メータボディに組み込まれたセンサチップ１１（図６）の支持構造を示したものである。
【００２５】
この支持構造では、センサチップ１１の一方の面に第１の管路部材１２を接合し、センサチップ１１の他方の面に第２の管路部材１３を接合している。第１の管路部材１２は、その内部にセンサダイアフラム１１−１の一方の面への測定圧Ｐａを導く導圧路１２ａを有し、第２の管路部材１３は、その内部にセンサダイアフラム１１−１の他方の面への測定圧Ｐｂを導く導圧路１３ａを有している。
【００２６】
また、この支持構造では、可撓性を有する第１の連通管１４と第２の連通管１５を基台１６の上面に所定の間隔Ｌを隔てて突出させ、第１の連通管１４を第１の管路部材１２の導圧路１２ａに連通させ、第２の連通管１５を第２の管路部材１３の導圧路１３ａに連通させている。
【００２７】
この際、連通管１４，１５の可撓性により、第１の管路部材１２にセンサチップ１１の一方の面へ向かう弾性力ＰＡが加わるようにし、第２の管路部材１３にセンサチップ１１の他方の面へ向かう弾性力ＰＢが加わるようにし、第１の管路部材１２と第２の管路部材１３との間にセンサチップ１１を挾圧保持させている。
【００２８】
すなわち、本実施の形態では、第１の連通管１４に、圧力伝達媒体９ａの封入路の機能と、センサチップ１１を押さえる圧縮方向への弾性力ＰＡを発生させる機能の２つの機能を持たせ、第２の連通管１５に、圧力伝達媒体９ｂの封入路の機能と、センサチップ１１を押さえる圧縮方向への弾性力ＰＢを発生させる機能の２つの機能を持たせている。この場合、第１の連通管１４と第２の連通管１５とが本発明でいう弾性保持部材として機能する。これにより、高圧時や周囲温度の変化時、センサチップ１１内の接合部に加わる圧力や熱応力を緩和するようにして、センサチップ１１内の接合部の剥離が防止されるものとなる。
【００２９】
なお、この支持構造において、第１の管路部材１２および第２の管路部材１３の材質は例えばコバールとされ、第１の連通管１４および第２の連通管１５の材質は例えばＳＵＳ３１６とされている。
【００３０】
上述した実施の形態では、可撓性を有する連通管１４，１５を用いることによってセンサチップ１１を管路部材１２と１３との間に挾圧保持するようにしたが、図２に示すように、第１の管路部材１２と第２の管路部材１３とを外側から挟み込むリング状の板バネ１７を設けるようにしてもよい。また、図３に示すように、第１の管路部材１２と第２の管路部材１３とを外側から挟み込むＵ字状の板バネ１８を設けるようにしてもよい。この場合、連通管１４，１５は可撓性を有するものとする必要はなく、板バネ１７，１８が本発明でいう弾性保持部材として機能する。
【００３１】
図１に示したように、可撓性を有する連通管１４と１５とで弾性保持部材を構成すると、センサチップ１１への測定圧を導く導通路（圧力伝達媒体の封入路）を兼ねることができるので、部品点数を低減し、小型化とコストダウンを図ることが可能となる。また、連通管１４，１５の管内外径の調節により、弾性力ＰＡ，ＰＢを任意に設計可能であり、近年特に需要増傾向にある高圧、高差圧アプリケーションに平易に対応可能となる。
【００３２】
また、上述した実施の形態では、センサチップ１１の構造をストッパ部材１１−２，１１−３に台座１１−４，１１−５を接合した５層構造としたが、必ずしも台座１１−４，１１−５を接合した構造としなくてもよく、センサダイアフラム１１−１とストッパ部材１１−２，１１−３との３層構造としてもよい。
【００３３】
また、上述した実施の形態では、センサダイアフラム１１−１を圧力変化に応じて抵抗値が変化する歪抵抗ゲージを形成したタイプとしているが、静電容量式のセンサチップとしてもよい。静電容量式のセンサチップは、所定の空間（容量室）を備えた基板と、その基板の空間上に配置されたダイアフラムと、基板に形成された固定電極と、ダイアフラムに形成された可動電極とを備えている。ダイアフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極との間隔が変化してその間の静電容量が変化する。
【００３４】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００３５】
９ａ，９ｂ…圧力伝達媒体、１１…センサチップ、１１−１…センサダイアフラム、１１−２…第１のストッパ部材、１１−３…第２のストッパ部材、１１−２ａ，１１−３ａ…凹部、１１−２ｂ，１１−３ｂ…圧力導入孔、１１−４，１１−５…台座、１１−４ａ，１１−５ａ…圧力導入孔、１２…第１の管路部材、１３…第２の管路部材、１２ａ，１３ａ…導圧路、１４…第１の連通管、１６…第２の連通管、１６…基台、１７…リング状の板バネ、１８…Ｕ字状の板バネ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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