(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を収納している容積に接続できるハウジング（１１，９）と、
セラミック材料をベースとした部品ないし構成要素で構成されており、ダイアフラムと、より厚いハウジング部分と、外部圧力によりダイアフラム要素が影響されるときに変化する電気的に検出可能な量を供給する導電体（１９）とを備えており、二つの大きい表面と周縁を延びている縁部表面を有する板体の形状を有している、センサ要素（１）と、
金属製であり、センサ要素を包囲しており、センサ要素をハウジングに固定して接続し、センサ要素が支持リングによってのみハウジングへ機械的に取り付けられる、支持リング（５，５’，５”）と
を備えている流体の圧力を測定する圧力センサにおいて、
支持リングは、支持リングの中心軸に面した内面に内側ショルダが設けられており、ショルダは環状の半径方向に且つ内方へ突出する突起（１５，１５’）を形成し、この突起とセンサ要素の大きい表面の一方の外周領域が係合しており、
支持リングがセラミックス製の接合部（３，３’）により、センサ要素の縁部表面の環状領域に沿って及び突起の表面に沿ってセンサ要素に直接的に接続されており、
支持リングが、内面と反対側の外面の溶接部（７）によりハウジングへ接続されており、
支持リングの金属材料がセンサ要素のセラミック材料の熱線形膨張係数と実質的に等しい熱線形膨張係数を有していることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
導電体（１９）は突起（１５，１５’）内の孔を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
環状接合部（３，３’）の幅が環状縁部表面の幅と実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
センサ要素（１）の大きい表面に直角な方向で得た支持リング（５，５’、５”）の厚さが、センサ要素の厚さに少なくとも等しく、支持リングとセンサ要素の間の環状接合部（３，３’）がセンサ要素の縁部表面の実質的に全部にわたって延びていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
支持リング（５，５’、５”）がスロット、窓、開口あるいは類似の装置を全く有さない完全なリングであり、支持リングとセンサ要素（１）の一方の側における流体が支持リングを通って支持リングおよびセンサ要素の反対側に行けないことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
流体を収納している容積に接続可能な、実質的に金属のハウジング（１１，９）と、センサ要素（１）とを備えている、流体の圧力を測定する圧力センサを作成する方法であって、
センサ要素の部品ないし構成要素を実質的にセラミック材料で作成するステップと、
支持リング（５，５’、５”）をセンサ要素の縁部表面に適合した内面を有する金属で作成するステップと、
センサ要素を配置して、支持リングで包囲するステップと、
支持リングをセンサ要素に取り付けるステップと、
支持リングをハウジングに取り付けるステップとを備えており、
支持リングは、支持リングの中心軸に面した内面に内側ショルダを含むように作られ、ショルダは環状の半径方向に且つ内方へ突出する突起（１５，１５’）を形成し、
セラミック製の接合部（３，３’）により、センサ要素の縁部表面に配置された環状領域に沿って及び突起の表面に沿って、支持リングがセンサ要素に直接的に取り付けられ、この突起とセンサ要素の大きい表面の一方の外周領域が係合しており、
支持リングがセンサ要素を作成するセラミック材料の熱線形膨張係数と実質的に等しい熱線形膨張係数を有する金属材料によって作成され、
支持リングが、内面と反対側の外面の溶接部（７）によりハウジングへ取り付けられる、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
センサ要素に接続され且つ外部圧力によりセンサ要素が影響されるときに変化する電気的に検出可能な量を供給する導電体（１９）のために突起（１５，１５’）内に孔が形成される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
接合部（３，３’）の作成にあたり、センサ要素（１）の環状縁部表面の幅に実質的に等しい幅を与えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
支持リング（５，５’，５”）の作成にあたり、センサ要素の大きい表面に直角な方向で得た場合に、センサ要素（１）の厚さに少なくとも等しい厚さを与え、
支持リングとセンサ要素の間に接合部（３，３’）を作成するにあたり、接合部にセンサ要素の縁部表面の実質的に全部にわたって延びているような幅を与えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
支持リング（５，５’，５”）がスロット、窓、開口あるいは類似の装置を全く有さない完全なリングであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
センサ要素が支持リングへ直接的に取り付けられるステップにおいて、
センサ要素の外縁およびその外周部分に結合剤とガラス粒子を含んでいるペーストないしコンパウンドの層を付着させ、
付着したペーストないしコンパウンド層を含むセンサ要素を加熱し、実質的にすべての結合剤が抜けるあるいは消滅し、かつガラス粒子が互いに接着し、冷却後に固体の層を形成するようにし、
前記層を所定の厚さないし所定の断面まで加工し、
支持リングをその内面をこの層にあてて配置し、
支持リングおよびセンサ要素をガラス粒子が溶融し、センサ要素および支持リングに接着する完全な、すなわち連続した接合層を形成するような高い温度まで、またそのような期間の間加熱し、
支持リングおよびセンサ要素を冷却する、
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
完全な、すなわち連続した接合層を形成するための加熱時に、支持リングおよび／またはセンサ要素に負荷をかけ、圧縮力がペーストないしコンパウンド層全体にわたってかけられるようにすることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
支持リングおよびセンサ要素を作成するにあたり、支持リングの内面およびセンサ要素の縁部表面のそれぞれに、圧縮力をペーストないしコンパウンド層全体にわたってかけることを可能とするためにシリンダ状からわずかにずれた比較的軽い傾斜を有する円錐台形状を与えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
結合剤とガラス粒子を含んでいるペーストないしコンパウンドの層を付着させるステップにおいて、
ペーストないしコンパウンド層の付着を、層を加熱した場合の気体の消滅ないし逃出を容易とする隙間および／またはチャネルが設けられているドット状のパターンで行うことを特徴とする請求項１１から１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は気体および液体両方の各種の流体からの圧力を測定する圧力変換器ないしセンサならびに圧力変換器ないしセンサを生産する方法に関し、詳細にいえば、変換器／センサのセンサ要素の取付けないし接続に関する。
発明の背景および技術の観点
圧力センサ用のセンサ要素の開発にあたっては、考慮しなければならないきわめて多くの技術的パラメータが存在している。これらのパラメータは熱、電気、機械または化学的なものである。各々のこのようなグループはそれ自体が複数の技術的パラメータを含んでおり、さらに、センサ要素に供給された場合には、各種の特性がグループ間で相互に作用を及ぼしあう。化学的特性は表面のコーティングに影響を及ぼし、このコーティングは熱および機械的特性に影響を及ぼす。密度および不浸透性（impermeability）は構造的な厚さに影響する可能性があり、この厚さは機械的特性などに影響を及ぼす。各種の考えられる材料の特性に関する調査の結果は通常、次の材料をおそらく使用できるというものとなる。合金「Inconel」および「Hastalloy」などの特別なタイプの金属、たとえば、シリコンなどの半導体、たとえば、酸化アルミニウムなどのセラミック材料。
さまざまなタイプのセンサ要素の開発にはきわめて多くの研究が行われてきた。しかしながら、センサ要素を使用するためには、これをハウジング、ケーシングまたは類似の装置に取り付けて、媒体が存在している容積への簡単な接続を行って直ちに使用できる完全なすなわち完成した圧力センサを得る必要がある。しかしながら、完全な圧力センサを形成する取付けないし接続方法は、センサ要素そのものの高い精度が失われるということをもたらすことがしばしばある。このことは、取付け方法において、使用する材料に関する問題が、たとえば次の種類のどれかであると思われることによって左右される。金属の場合、高い熱膨張係数が熱応力をもたらし、ある種の気体に対して不浸透性であり、変形しやすい。半導体材料は温度に対して感応しやすく、化学的に侵されやすく、測定対象の圧力を感圧表面に伝えるために、オイル毛管（oil capillaries）からなるシステムを使用しなければならない、という結論がでる。セラミック材料の部品の接続ないし固定は、これらの材料の加工が困難であり、生産がきわめて高温で行われるため、Ｏリングによって行わなければならないことがしばしばあり、このＯリングは十分な化学的耐性ないし不活性（inertness）を有していない。
圧力センサのハウジングはほとんどが金属製であり、それ故、この金属にセンサ要素そのものを接続ないしクランプ止めしなければならない。センサ要素の構成に使用するのに適切なセラミック材料はガラスセラミックスであるが、それはこの材料の構成要素または部品を、このような状況では比較的低い温度で作成し、結合／接着できるからである。センサ要素をこのように金属に直接接着しなければならない場合、センサ要素を取り付けたり、クランプ止めしなければならない金属、さらには、センサ要素そのものの材料および使用される接着ないし結合材料の熱膨張係数に適合することが、重要な問題となる。
セラミック材料をベースとし、また膨張度（dilatation）センサまたは容量性センサとして構成された圧力センサのセンサ要素は、各種のセラミック材料を含むことができる。この場合、酸化アルミニウムをベースとしたセラミックがしばしば使用されるが、ガラスセラミックスも使用される。酸化アルミニウムをベースとしたセンサ要素の生産の際に、各種の表面被覆プロセスおよびセンサ要素に含まれている各種の要素を互いに焼付け／融着する手順を、ガラスセラミックスのものよりも大幅に高い温度で行わなければならない。酸化アルミニウムをベースとするセンサ要素を設計するには、各種の表面被覆プロセスおよび焼付け／融着プロセスからなるこれらのプロセスすべての順序を、生産における生産手順での以前の被覆プロセスおよびその他のプロセスの結果を破壊しないように考慮しなければならず、きわめて困難である。さらに、このようなセンサ要素に関して、広い温度範囲にわたって物理的パラメータ、たとえば、熱線膨張係数に適合することもきわめて困難である。これにより、当然の結論として、使用される高温は機械応力が完成したセンサ要素に存在し、これば圧力センサにセンサ要素を使用したときに各種の面倒な効果をもたらすことを意味することとなる。セラミック材料で構成されたセンサ要素の金属部品、たとえばステンレススチールのリングへの堅固な固定ないし接続は、ほとんどの場合、センサ要素の生産プロセス中の熱工学的条件によって生じた内部機械応力のため行うことができない。
従来の代替策は、従来は、たとえば、平坦な円板またはチップ（chip）の形状を有しているセンサ要素をＯリングにクランプ止めし、この表面の縁部に隣接した領域においてセンサ要素の平坦な表面の一方に押圧されるようにすることである。クランプ力はセンサ要素の対抗面およびこの面に隣接する領域におけるねじ止めリング（threaded ring）によって発生させることができる。ほかの周知の代替策はその圧力が測定対象である流体からの力が、主測定ダイアフラム（diaphragm）から補助流体を介してセンサ要素の表面に伝えられるものである。センサ要素のクランプ止めは後者の場合、測定対象圧力を伝えるために使用される補助流体、たとえばシリコンオイルの特性がわかっているため、簡単に達成することができる。しかしながら、このような方法はＯリングまたはシリコンオイルそれぞれの機械的弾性および機械的不安定性のため、限定された性能しか達成できず、高い精度および迅速なセンサの応答をほとんどの場合達成できない。
センサ要素の堅固な固定／取付けは、上記で検討したところから、たとえば、半導体産業などの低い圧力が用いられる産業分野での測定のための高精度のセンサを達成するために必要なものであるだけでなく、通常の圧力の測定を目的とした圧力センサでも、センサ要素の堅固な接続／取付けは顕著に優れた特性をもたらす。
異なる大きさの真空圧および大気圧の両方の圧力を測定するために異なる寸法を有するように作成することのできる従来のセンサ（米国出願第５，２４９，４６９号参照）において、センサ要素は圧力の測定対象の流体で満たされた容積内にほぼ完全に配置されている。センサ要素はチューブの材料の断面積がきわめて小さい二本の細いチューブによってセンサのハウジングに接続されている。真空の測定などの低い圧力の測定に圧力センサを使用する際には、測定要素全体は周囲から熱工学的に絶縁され、周囲温度の変化に影響をほとんど受けない。対流および放射によってセンサとの間の熱伝達は少なく、熱の伝達は細いチューブを介した熱の伝導によって実質的に生じる。
たとえば低い圧力で使用する場合、真空まで急速にポンプ排気をする場合、流体が急速に流入する場合などの温度の急速な変化時に、圧力が測定される空気などの気体は膨張あるいは収縮する。これはセンサ要素と接触し、それ故センサ要素自体とも接触する測定容積内の気体の若干の冷却または加熱のそれぞれをもたらす。
この現象は低圧まで急速にポンプ排気する場合に特にわずらわしいものであるが、それはこの場合には細いチューブからなる上述の取付け具からなるセンサ要素がこれが接続されるものであり、かつ大きい表面を含んでおり、金属製であるため多くの場合新しい温度に急速に適合するハウジングと、気体そのものの両方から熱工学的に十分絶縁されているからである。センサ要素と周囲との間の温度平衡は、この場合、細いチューブを介してきわめて緩やかに生じ、センサのゼロ位置は比較的長い期間でずれたり、偏ったりする。このような変化の前に存在していた状態への復帰プロセスは、最悪の場合、数時間程度の時間がかかるものとなり、これは当然受け入れることができない。第１ａ図−第１ｃ図に、周囲に関し異なる熱伝導状態に対する出力信号のゼロ位置を示す時間図を示す。正規の場合、すなわち第１ａ図による良好な熱伝導状態の場合に、ゼロレベルは限定された時間の後に正規の値に戻る。センサ要素と周囲の材料の間に良好な熱工学的絶縁がもたらされているほかの場合には、ゼロレベルの時間依存性は、第１ｂ図および第１ｃ図の曲線で示すようなものとなり、ゼロレベルに戻るのに上述の長い時間がかかる。第１ｂ図においては、比較的長い時間にわたる正のゼロ点の偏りであり、第１ｃ図においては、負のゼロ点の偏りである。第１ｂ図および第１ｃ図の曲線形状の相違は、主として、センサ要素自体の生産に使用されるプロセス、すなわちその内部特性によるものである。原理上、ゼロレベルの急速な変化を電子的に補償することができるが、実際には、センサ要素自体がこの構造では、サーミスタなどの温度センサを構成するのに簡単に利用できないため、きわめて困難である。
二本の細いチューブにつるされたセンサ要素は一般に、簡単に製造することができない。しかしながら、高コストの圧力センサを受け入れることができる場合、および、たとえば、半導体要素の生産時の少量の場合には使用することができる。大量のセンサが必要であるが、高い性能が必要ない他の工業的センサの場合、このタイプの接続は不可能である。工業的センサは異なる媒体、すなわち気体と液体両方の圧力の測定に動作できることが好ましい。液体の場合、二本の細いチューブによる取付けは機能しない。
細いチューブによる接続で他に複雑なことは、センサ要素用のハウジングの周辺にチューブを溶接することである。この溶接ステップの際に、細いチューブにより、溶接工程で使用される溶接フレーム（welding flame）によって発生する熱のため、実質的にセラミック材料で構成されているセンサ要素そのものに機械応力がすぐに生じる。センサ要素の蓋（lid）ないしハウジングに対するこの溶接プロセスで発生する機械応力には、チューブの直径、溶接速度、冷却方法、二つの溶接部を同時に作成できる度合いなどの多くの要因が関係している。最終的な結果として、ハウジングに取り付けられた各センサは互いにかなり異なる個々の特性を有することとなる。これにより、センサの精度の問題はセンサ自体の最終的な較正に移り、これら各種の不完全性を個別に操作ないし取り扱わなければならず、またさまざまな複雑な方法で補償しなければならない。
二本の細いチューブによる他の接続方法は、一本の単一の中心に取り付けられたチューブによるものであり、このチューブにセラミック材料のセンサ要素に関連づけられた、あるいは接続されたハウジング部分ないし環状部分が溶接される。
二本の細いチューブによる接続の場合、センサ要素全体は測定対象の圧力にさらされるが、これは大気圧以上あるいは周囲圧力以上の圧力を測定する場合に特に有利である。すべてのセラミック部品には、組み込まれたセラミック材料が十分に耐えることのできる同じ圧縮力が負荷ないし印加される。大気圧以上を測定する場合のこの利点は、低い圧力の測定あるいは真空の測定には明白なものではない。
圧力が測定される、センサ要素の表面の一つだけに作用する流体が流入する単一の中央で溶接されたチューブからなる接続の場合、周囲圧力以上の圧力の測定に対して対応する態様でより悪い特性が得られる。圧力要素の一表面だけに負荷がかかるのであるから、要素は風船とほぼ同じ態様で「破裂（blown up）」する。この効果は低い圧力の測定を目的とした圧力センサに対しては当然存在しておらず、その場合、この接続方法は満足に機能する。周縁の環状突起ないしビード（bead）玉縁を一側面に有しており、また中央口を有している金属の円板の形状のハウジング部分に溶接される中央チューブによる接続は、現在、１０〜１５バールの圧力に耐えることができる。この圧力を超えると、破壊のおそれがあり、このおそれはセンサ要素を構成するセラミック部品の周囲、あるいはこれらの部品の間の結合部で明らかとなり、あるいはセンサ要素のダイアフラムが破壊することによって明らかとなる。これにより、破壊に対する安全係数（security factor）は低くなる。高温での処理工程が必要なことにより、破壊が生じる圧力の分布がさらに発生し、これがこの構成方法に受け入れがたい安全性のなさをもたらす。
ヨーロッパ特許願第ＥＰ−Ａ２  ０５４９２２９号から、セラミックハウジング３８とこの上に配置された金属（Inconel）製のダイアフラム３６を有するセンサ要素を備えた圧力変換器が周知である。外部安定支持リング４２の間に、中間リング８６が設けられており、これはその一縁部において、安定支持リング４２に溶接されている。他方の縁部表面はショルダ（shoulder）ないし段部において、ガラス接合によって、セラミックハウジング３８の上の傾斜突起に接続されている。中間リング８６はハウジング３８の材料に適合した熱膨張係数を有する金属（「Inconel」）製であり、表面の間に狭いウェブ（web）を有しており、このウェブでリング８６が外部支持リング４２およびセラミックハウジング３８に接続されている。この構造は支持リング４２と中間リング８６の間の熱膨張係数の相違による温度変化で生じる機械応力の伝達を少なくする。これらの応力の影響をさらに減少させるために、中間リングにはスロットが付けられている（第４図の品目９８参照）。しかしながら、このような構造はセンサ要素の取付けを、総合的に考えて、不明確なものとし、完成した圧力センサの精度を低下させる。センサ要素の環状突起への接続は熱伝達を低下させ、また突起は比較的簡単に破損する。さらに、圧力の測定対象であり、かつダイアフラム３６の外面に存在している流体はセンサ要素全体にも、すなわちセラミックハウジング３８の後面にも作用し、これは液体の圧力を測定する場合などに不利であり、この場合には測定容積の清掃が必要となる。
発明の説明
本発明の目的は、センサ要素を破壊する実質的な危険を何ら生じることなく達成できるセラミックセンサ要素の堅固な取付けを有する圧力センサを提供することである。
本発明の他の目的は、気体および液体両方の圧力の測定を可能とするセンサ要素が固定的あるいは堅固に固定ないし接続された圧力センサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、衛生上（hygienic）の要件を満たし、また圧力が測定される媒体に露出されるセンサの一部に以前に測定した媒体が残らないようにできる要件を一般的に満たすセンサ要素の接続部を備えた圧力センサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、センサ要素を接続ないし取り付けたときに、センサ要素に本質的な固有ないし混合機械応力が生じない圧力センサを提供することである。
本発明の他の目的は、化学的に不安定な材料を含有していない、センサ要素の取付け部材を備えた圧力センサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、測定の高い再現性を有する圧力センサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、良好な長期にわたる安定性を有しており、かつ温度変化に対して特性の変化が小さい圧力センサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、圧力センサ要素に温度センサなどの補助センサを取り付けることのできる圧力センサを提供することである。
本発明の他の目的は、高い精度ないし確度を有する圧力センサを生産する方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、高い確度を有する圧力センサを作成するために圧力センサにセンサ要素を取り付ける方法、詳細にいえば、不透過性接合部によりセラミック材料を他の材料に接続する方法を提供することである。
上述の目的は、詳細な特徴が付記の請求の範囲から明らかとなる本発明によって達成される。
ガラスセラミックスをベースとする部品で構成されたセンサ要素はステンレススチールの中間部品に接続されたガラス材料の接合部によるものであり、これによってセンサ要素の堅固な接続が得られる。ステンレススチールの中間部品は次いで、おそらくは他のステンレス部品を介してセンサのハウジングないしケーシングに溶接される。
この基本的な構成の場合、圧力センサには、測定対象の圧力がある測定容積内の流体と接触する化学的に不安定な材料はない。これは低い圧力、すなわち真空で使用する場合に特に重要である。しかしながら、上述したように、センサ要素の堅固な接続が多数の技術的特性、たとえば電気的に検出された出力の量に対する一般的な再現性、測定範囲内での再現性、ならびにさらに重要なのは、過圧負荷に対する再現性を改善することの方がかなり重要である。これにより、圧力センサのヒステリシスを、これを実証または証明できない程度までの高いところまで排除することができる。長期にわたる安定性が向上し、たとえばＯリングによってクランプ止めされたセンサ要素と比較して、温度変化による変化が減少する。このＯリングの材料特性は異なる温度において、このようなクランプ止めされたセンサの測定結果に大きな影響を及ぼす。
センサ要素そのものが溶接されるステンレス部品の材料は、特に各種の温度における熱膨張に関して適合した特性を有するように選択されているので、きわめて特殊な組成を有する鋼を使用しなければならないことがしばしばある。さらに、セラミックのセンサ要素と金属部品の材料との間の接続が、圧力センサの生産時にも、あるいはその使用時にもセンサ要素の破壊ないし破損を生じないように機能するように、金属部品を特別な態様で熱処理しなければならない。
センサ要素自体は異なる態様で処理され、ガラス材料の接合部によって互いに接合ないし接着されたセラミック板ないしチップで構成されている。センサ要素の外周において、詳細にいえば、外縁部分においてのみ、センサ要素のセラミック材料と包囲外部ステンレススチールリングとの間のガラス接合が得られる。ステンレススチールリングはショルダないし段部を有するように設計されており、この部分は本質的に板状のセンサ要素の大表面の一方の外縁部に乗置する。センサ要素自体は好ましい態様では、比較的小さい直径、実際には、たとえば１０から２０ｍｍ程度の大きさ、好ましくは１０から１５ｍｍの範囲内という実際の条件によって可能とされるような小さい直径を有するようにも設計される。センサ要素のダイアフラムそのものだけが食品製造工業の液体などの、圧力測定対象の流体に露出される特別な場合には、ガラス接合部がセンサ要素のシリンダ状外縁全体にわたってのび、センサ要素の外周縁部と支持リングの内包表面の間にスロットや凹部が形成されないようにしなければならない。この場合、ガラス接合部はセンサ要素の横断方向に比較的長い延長部を有し、したがって、細かく砕かれたガラス粒子を含んでおり、ガラス接合部を作成するために被覆されてから、ガラス粒子が溶融または融着するために加熱されるペーストないしコンパウンドを、ガラス接合ペーストが付着していない規則的な内部を有する適当なドット状ないしチャネル状（channelled）のパターンで被覆することができる。これにより、接合部そのものを得るために加熱した際に発生する種々の気体を、加熱プロセス中に接合部から逃がすことができるとともに、完全に気密な接合部が得られる。ステンレスリングの内部の適切な設計、たとえば、この部分が中心軸に向かった方向で狭くなる、ないしテーパが付けられるという態様の設計によって、センサ要素の周縁における狭いスロット（slot）も回避することができる。
薄い測定ダイアフラムを含んでいる、低い圧力用のセンサの場合、このダイアフラムの側に、カウンタプレートやカウンタリングなどの特別な部品を配置すると有利である。カウンタプレートから、あるいはカウンタリングの平坦な環状表面から軸方向に突出し、かつその縁部に配置された部分をガラス接合部によって薄いダイアフラムに接合ないし接着する。カウンタプレートには、この場合、圧力が測定される媒体からの圧力がカウンタプレートの下にある測定ダイアフラムそのものに到達するように貫通孔が設けられる。カウンタ部品を備えているこのような構成は、測定ダイアフラムが周縁に配置された部分により一様に接続されるという効果をもたらす。カウンタプレートないしカウンタリングはそれ故、薄いダイアフラムを安定させる。
薄い可動ダイアフラムと、セラミック板よりも一般にかなり厚いセンサ要素のハウジング部分との間のガラス接合部はきわめて薄く、それ故、可動ダイアフラムとセンサのハウジング部品を離隔する、一様な機械的部材である部分を形成する。接合部における温度勾配によって、可動ダイアフラムの変位をもたらす機械応力が生じ、これによって測定媒体からの圧力の影響を受けたときのダイアフラムの変位で検出される出力信号の不正確さが生じる。これは低い圧力を測定するための薄いダイアフラムで特に観察されるものである。温度勾配は製造時の各種の加熱プロセスで生じ、また圧力センサの使用時には、周囲から、また圧力が測定される媒体からも生じる。これら二つの場合は異なる態様で処理することができる。
センサ要素の温度変化が生じる速度は、センサ要素の温度ドリフトにきわめて重要である。最良の場合、温度変化が緩やかに生じるため、これに対応して、出力信号のゼロレベルの変化も緩やかに生じる。出力信号のこのタイプの不正確さには対処できる。センサ要素のセラミック部品に好ましいセラミック材料は、さらに、温度変化と誤差信号の間に線形関係をもたらすきわめて好ましい特性を有している。このような効果は電子的に簡単に補償することができる。
温度変化が緩やかなこの場合を、測定媒体の一定圧力に対する出力信号を時間の関数としてプロットした第２ａ図に示す。急速な温度変化の場合、第２ｂ図および第２ｃ図の曲線で示したタイプの出力信号の応答が得られる。第２ｂ図および第２ｃ図による温度変化後の最終レベルは、第２ａ図の曲線で示した場合と同じであり、電子的に補償することができる。しかしながら、曲線の導関数の多少高い値を有する中間領域はこの方法では補償できない。
急速な温度勾配にはセンサ要素を「バッファ（buffering）」することによって、すなわち周囲の温度変化からこれを隠すことによって影響を及ぼすことができる。これはさまざまな方法、たとえば、厚さが２ｍのミネラルウール（mineral wool）を充填したものに対応したきわめて厚い熱絶縁などによって達成できるが、このような方策は製造時の技術的見地およびこれがユーザにもたらす利便と必ずバランスを取ったものでなければならない。センサ要素を周囲に対してこのようにして熱工学的にバッファした場合、急速な温度変化に対しても、第２ａ図に示すタイプの信号の応答が得られ、これは電子的に補償できるため、得られる出力信号は滑らかないし一様な挙動を有するようになる。
温度変化に対する出力信号の偏差を補償できないのであれば、最良の場合、これは温度変化そのものにおける短いスパイク状のパルスを含んでいる第２ｂ図に示した曲線にしたがった形状を有するはずである。
圧力が測定される媒体の温度変化は異なる一定のレベルの間で生じるのが好ましい。気体状媒体の場合、気体の熱容量が小さいため、大きな問題は生じない。媒体における温度変化はセンサ要素の適切な設計により、媒体に迅速に影響を及ぼすのが好ましく、温度はできるだけ迅速にセンサ要素において平均化すなわち平衡状態に達しなければならない。温度変化の好ましい状態は、上述したように、第２ａ図および第２ｄ図に示した曲線である。
ガラス接合部による周囲金属リングに対するこのような接続を有するこの種のセンサ要素は次の利点を有している。
気体および液体の両方に対してセンサ要素を使用することができる。センサ要素を絶対圧力センサとして使用することができ、また差圧センサ（differential sensor）として、すなわち大気圧に関して使用することができる。
センサ要素はステンレススチールのセンサハウジングに、ガラス接合部および溶接によって、堅固に接続される。
好ましい場合に、ダイアフラムはカウンタプレートやカウンタリングなどのカウンタ部品を含んでいる二つの方向から堅固に接続ないし固定される。
電子的な補償のため、およびセンサ要素上に配置できるサーミスタなどの温度センサ用にセンサ要素を外部で使用することができる。
要素は圧縮応力の形で、測定による力に適合できる。すなわち、圧力が測定される媒体からの圧力はセンサ要素に機械的圧縮応力だけしかもたらさない。
「裸のnaked）」ダイアフラムだけが測定媒体にさらされる。
センサ要素そのものが接合ないし接続される外部接続リングからなる構造が、センサ要素自体を安定させる。
周囲の温度変化による温度勾配が最小となる。
圧力が測定される媒体の温度に迅速に適合する。
【図面の簡単な説明】
本発明を限定的なものではない実施の形態および添付図面を参照して詳細に説明する。
第１ａ図、第１ｂ図、および第１ｃ図は圧力が測定される媒体に温度変化が生じた場合の、無負荷で、周囲から十分に熱絶縁されているセンサの時間の関数としての出力信号のゼロレベルの変位を示す図である。
第２ａ図、第２ｂ図、第２ｃ図、第２ｄ図は良好に絶縁されたセンサに対し、かつ媒体の所定の圧力に対する、圧力が測定される媒体の温度の変化に対する時間の関数としての出力信号の変位を示す図である。
第３図は過圧、または大気圧からあまりずれていない圧力に対する圧力センサの断面図である。
第４図および第５図はそれぞれ過圧の測定および低圧の測定用のセンサ要素の接続を示す図である。
第６図は特別な要件が設定されている、圧力の測定を目的とするセンサの断面図である。
第７ａ図、第７ｂ図、および第７ｃ図はセンサ要素のダイアフラムの一様な接続を備えているセンサ要素の接続部の断面図である。
詳細な説明
ガラスセラミック材料は通常、周囲温度と約５００℃の間で比較的線形な熱膨張係数を有している。約４７５−５００℃において、熱膨張係数はきわめて大きい値まで増加する。このような材料はガラス接合部によって金属に接合されるものである。接合領域はこれによって、三種類の材料、すなわちガラスセラミックス、ガラス接合部および金属で構成される。接合部を作成する際に、ガラスセラミックス／ガラス／金属のアセンブリ全体は、接合ガラスが溶融するまで加熱される。冷却プロセス中に、接合部のガラスが固化する。さらに冷却すると、ガラスはガラス中に永続的な応力を生じることなくガラスを冷却できる最高温度である「ひずみ点（strain point）」に達する。それ故、この温度において接合領域にできるだけ応力のない状態を達成するために、関連する材料の熱膨張および収縮特性ができるだけ類似したものでなければならない。
ガラス接合部を達成するために、特定の場合に、ガラスセラミック材料と金属の間の接合部に、有機結合剤であることが好ましい結合剤をその溶剤およびガラス粒子とともに含有するペーストないしコンパウンドが使用される。結合剤がガラス粒子をまとめているため、ペーストを通常はガラスセラミック材料の表面である、接合される表面の一方の上に、選択した厚さで、しかも適切なパターンで付着することができる。適切な付着方法はスクリーン印刷とパッド／ブラシ（pad/brush）印刷である。粒子のガラス材料は上記によるガラスセラミックスのものに適合した熱線形膨張特性を有しているように選択しなければならず、またいわゆる「シール領域（sealing region）」である約４５０から５３０℃の温度範囲内で完全に流動し、接着するようなものでなければならないが、それはガラスセラミックスの熱線形膨張曲線が約４７５℃でその傾斜を変え、使用する最高温度がこの温度よりもあまり高くてはならないからである。ガラスペーストの付着後、通常、次のステップが行われる。
１００から１５０℃で乾燥する。
３２５から３７５℃で「焼切り（burn-off）」を行う。
４９０から５００℃で「事前融着（prefusion）」／焼結を行う。
乾燥プロセスにおいて、付着層は硬化するため、取扱いに耐えることができる。「焼切り」段階はきわめて重要である。この段階において、有機溶剤と結合剤が除去される。これが適切な態様で行われないと、接合部は不透過性とはならず、機械的に十分な強度のものとならない。次いで、接合材料が十分ガス抜きされると、温度は「事前融着」／焼結ステップを実行するために、「シール領域」内の温度、たとえばこの範囲の上限よりもわずかに低い温度まで上げられる。次いで、ガラス粒子が完全に流動することなく、その表面で少なくとも部分的に溶け合わされる、すなわち融着される。その後、接合材料を冷却させる。接合材料はここできわめて固くなり、気体および「シール領域」内の温度で気体を発生する材料がかなり十分に排除されるが、若干は残留することとなる。
適切な付着方法を使用すれば、接合層には上記のステップの実行後に十分に規定された厚さが与えられるため、この層は、たとえば「事前融着」／焼結ステップ後に、２５μｍの厚さを有する。接合層はこのステップの後、機械的に加工、たとえば研磨されるため、さらに薄くなり、多くの場合有利である。焼結層が約５μｍの厚さを有しているためこのような研磨が有利であり、これにより完成した接合部はこれよりも少ない値の厚さを有することとなる。
最後に、互いに接合される表面が、接合層を間に配置して、互いに対して配置される。接合領域がすべて「シール領域」の高温領域、たとえば、ガラス材料が完全に液体となり、接合部を充填する約５３０℃のピーク温度のある領域まで加熱される。この場合も、圧縮力が常に接合領域全体にわたってかけられる。
容易とするために、接合プロセスそのものの最終的なガス抜きの際に、金属材料を接合層が間挿されているガラスセラミック材料に貼付されたとき、および「シール領域」の最高温度領域内の温度を使用したときに、接合材料を隙間および／またはチャネルがガラスペーストの領域の間に設けられたドット状またはチャネル状のパターンとして付着させるのが有利である。典型的なパターンを第３ａ図および第３ｂ図に示すが、第３ａ図は斜めにした正方形の形状のパターンを示しており、接合材料が菱形または平行六面形の領域内に配置され、点が互いに隣接して配置されているので、対応する形状を有する領域がこれらの間に設けられる。第３ｂ図の形態において、付着されたガラスペーストの領域は、間にチャネルを有する六角形の形状を有している。島（isle）のサイズとこれらの間に配置された隙間ないしチャネルの寸法は、希望するガス抜き効果が達成できるように選択される。島は通常、０．１から０．５ｍｍの最大寸法ないし直径を有しており、同じ程度の幅を有する隙間ないしチャネルを備えている。
不連続な層に、接合領域全体にわたって平均して分散された離隔した小さい領域として接合材料を付着させたことで見いだされる他の利点は、最終的な溶融ないし融着後の最終的に完成した接合部がガラスペーストの以前に付着された層自体よりも薄く、また焼結ステップ後のおそらくは薄い厚さまで加工される層よりさえも薄くなることである。付着したガラスペースト層における島の分布も、ガラス接合部の希望する最終的な厚さを考慮して選択される。
上述したところによる「シール領域」の高温部分内の温度までの加熱における最終的な接合において、圧縮力が、たとえば適切なおもりの重量でセラミック材料または金属材料に負荷をかけることにより、接合領域全体にわたって印加される。残留気体は第４ａ図および第４ｂ図に示すようなドット状のパターンによって排気される。第４ａ図には、離隔して付着された接合材料４０１を有しており、隣接する島が焼結ステップ後に５μｍの厚さを有している接合領域の断面が示されている。接合材料は接合される二つの部品４０３および４０５の間に配置される。接合領域が適切な温度まで加熱され、残留気体が抜ける（矢印４０７参照）。同時に、部品４０３および４０５が互いに向かって押圧され、矢印４０９で示されている接合層の圧縮を達成する。ガス抜きプロセス、圧縮力および高い温度により、島４０１のガラス材料は完全に流動して、第４ｂ図の対応する断面に示すように、完全に充填され、不透過性の接合部４１１を形成する。当然、接合部の厚さはかなり減少する。
上記したところは、ガラスおよびガラスセラミックスのものに適合した熱線形膨張係数を有する金属材料への接合であって、５００℃よりも若干低い温度から周囲温度までの上記の温度範囲にもっともよくあっている可能性のある接合を使用しなければならない。適切な金属材料は良好な化学的耐性を有していなければならず、またこの材料は材料を溶接できなければならないこと、機械的に加工できなければならないことなどのその他の特性も有していなければならない。ステンレススチールのうち、鉄ニッケル合金が熱線形膨張の希望する特性に少なくとも近いものを有しており、かつ他の要件を妥当な範囲で満たすものであることが判明した。
第５図には、典型的なガラスセラミック材料に対する温度の関数としての熱線形膨張の図が示されている。この曲線は０℃以下の温度と５００℃より若干低い温度の間に線形領域を有しており、二つの材料の熱線形膨張係数が互いに適合しなければならないのはこの領域内である。さらに、５０１および５０３には、二つの考えられるＮｉＦｅ合金に対応する曲線が示されており、前者はガラスセラミックスよりも若干高い熱線形膨張を有しており、後者は若干低い熱線形膨張を有している。それ以外の箇所で、曲線は考慮した温度範囲内で十分平行である。図でわかるものよりもよく適合しているが、設計によっては、若干熱線形膨張がずれている金属材料を使用するのに適する合金を作成して、たとえば、セラミック材料が加熱プロセスにおいて接合領域全体にわたって引っ張り力ではなく圧縮力に常にさらされるようにすることもできる。
第６図に、過圧またはある程度の過小圧力を目的とした容量性圧力センサの断面図を示す。図示しないダイアフラムの内面上の導電プレートおよび図示しない厚いハウジング部分の内面上の対向する導電プレートなどの図示しないコンデンサプレートを備えているセンサ要素１は、ガラスセラミック材料をベースとした図示しない異なる部品からなる本質的に円形のシリンダ板状のユニット１の形状を有しており、支持リング５に対してガラス接合部３によって接合されている。上述したところにしたがった、特定の組成を有する適合した特性を有するステンレススチールの支持リング５は、支持リング５を半径方向に包囲している取付けリング９に環状の溶接部７によって溶接されている。取付けリング９は他の環状溶接部１０によって、たとえば図示のように、取付けリング９の外縁においてセンサハウジング１１に接続されている。センサハウジング１１は取付けリング９への接続のために軸方向に突出した環状のビードまたはプラットフォームと、圧力が測定される媒体が進入する中央部に配置された開口１３の両方を有する板体として形成された主部分を有している。開口１３には、適切なねじ山を配置したり、図示しない内部または外部にねじが切られたニップル（nipple）ないしスリーブ（sleeve）を取り付けて、圧力センサが圧力を測定する媒体のための図示しない流体管路へ圧力センサ全体を接続することもできる。
第７図に、第６図の圧力センサの必須部分、すなわち、若干修正された実施の形態における、この場合も断面で示されているセンサ要素１ならびに内部および外部リング５および９の詳細を示す。支持リング５が一側面に内部ショルダを有しているため、環状の内方に突出した突起１５が支持リング５の一側面に形成される。この突起１５には、接合部を介して、セラミックセンサ要素１の側面が乗置している。センサ要素１は突起１５によって形成されたショルダに対する係合面に接続する本質的にシリンダ状の環状表面に沿った支持リングの外部の本質的にシリンダ状の包囲表面において、支持リング５にも接合されている。実際には、センサ要素の外部の本質的にシリンダ状の表面は、たとえば、約８５から８８°の円錐角を有するごく軽い円錐形となっており、センサ要素への支持リングの接合プロセスにおいて、外部の接合領域全体にわたって圧縮力を印加できるようになっている。本質的にシリンダ状ないし軽く円錐状の接合表面は、しかしながら、センサ要素１の包囲表面全体には延びていないが、その一部に延びている。センサ要素と支持リング５の間の接合面にガラス材料で形成されている接合部３の全幅は、しかしながら、良好な熱伝達および確実な接続を得るためにセンサ要素の厚さと同じ程度のものでなければならない。このような幅の広い接合部を構成することによって、満足できる機械的強度も達成され、また完全に不透過性の接合部が達成されるため、媒体はセンサ要素１の後面に達することができない。
センサ要素１と支持リング５の間に短い外部環状接合面を作成するために、１５で示すさらに他のショルダないし段部が支持リング５の内面に設けられている。
取付けリング９は周知のステンレススチール製であり、また、取付けリング９と支持リング５の間の溶接接合部７が、この場合には、過圧に対する圧力が作用する側面、すなわち図示しないダイアフラムがセンサ要素１に配置されるのと同じ側面に構成されている。さらに、支持リング５と取付けリング９の間の係合表面は円錐台状に形成されている、すなわち測定媒体の圧力が作用して、過圧用の圧力センサを使用した際の圧力に適合するあるいは適応するセンサ要素１の側面から遠ざかるテーパが付けられている。
導電ワイヤ１９（第６図参照）が、センサ要素１内部の図示しない導電体の回路板２１上の電子回路との接続のために半径方向内方へ突出している突起１５の図示しない孔ないし凹部を貫通している。前記回路板は適切な材料のシリンダ状リング２３などの何らかの適当な支持装置によって、取付けリング９に接続されている。
センサ要素１の取付け部の第６図に略示した実施の形態は第７図に示したものと若干異なっている。軸方向から見た支持リング５の厚さは第６図による実施の形態においては、本質的にセンサ要素１の厚さと等しいが、第７図による実施の形態においては、支持リング５の厚さはセンサ要素のものよりも厚い。詳細にいえば、後者の場合、支持リング５の厚さはセンサ要素１との厚さと突起１５の軸方向幅の合計に対応するようになっている。この場合には、それ故、ショルダ１７が配置されている支持リング５の内部包囲表面の幅は、本質的にセンサ要素の厚さと等しい。第６図による実施の形態において、センサ要素１が乗置する突起は、軸方向に見た場合に、かなり厚い厚さを有するように設計されており、また対応する態様で、センサ要素１の外周縁に向いている支持リング５の内包表面の軸方向に見た幅はより小さく、第７図に示した実施の形態のショルダ１７と支持突起１５の係合面との間の軸方向長さに対応している。
第８図に、低圧の測定用に設計された、すなわち真空センサ用に設計された第７図におけるのと同じ部分を断面で示している。第８図の実施の形態は各種の力受け面が対向する方向からの力、すなわち、第７図の場合には、この図を描いたときの紙の下方の点から始まる力、第８図の場合には、上方から、すなわち製図用紙の上方部分からの力に適合するように配置されていることで、第７図のものと異なっている。支持リング５’上の内方に突出する環状突起１５’は、第５図による実施の形態において、圧力が測定される媒体を配置することを目的とした圧力センサの側面に配置されている。また、センサ要素１と取付けリング５との間のガラス接合部３はこの側面に配置されている。取付けリング９の内部シリンダ状面のショルダ１７’は、この場合、第７図によるショルダ１７に比べて反対方向に向けられている。内部支持リング５’と外部取付けリング９’の間を分離する円錐面は、この場合、反対の円錐性を有している。すなわち、分離面は媒体をおくことを目的としてセンサ要素の圧力が検出される側面に向かった方向で狭くなる。
食品製造工業内のもののように特別な要件が存在する用途の場合、第７図による種類のセンサでは、ガラス接合部３の軸方向長さを減らすためにショルダ１７の構成によって形成されたスロットないし凹部２５を受け入れることができない。このような場合には、過剰圧力または大気圧程度の圧力を測定するために、センサ要素１とこのすぐ外部におけれた支持リングの間のガラス接合部３’をセンサ要素１の全幅にわたって作成し、十分な強度を得なければならない。その例を第９図に示す。この図には、このようなセンサの断面が略示されている。支持リング５”は、この場合、センサ要素１の大きい表面に直角な軸方向で、第６図の実施の形態におけるよりも厚くなっており、また軸方向に見たときに、センサ要素１よりも若干厚い第７図および第８図の示した実施の形態と同様となっている。ガラス接合部３’は、ここでは、上述したように、ガラス接合部を形成する材料をドット状またはチャネルを有する形態で付着させて、材料を含んでいる領域の間に空の領域が形成されるようにすることによる特別な態様で作成されている。材料が全く付着されていない領域は、接合部３’の自由縁部までチャネルを形成できるものでなければならない。ただし、ドット状すなわちパターン化された付着は必ずしも接合部の領域全体にわたって作成する必要はなく、その内方部分に主として形成すればよい。このようにして、空気または気体の大きいエンクロージャ（enclosure）の形成、すなわち気泡の形成が回避される。適切な凝集（cohesive）剤または結合剤に細かく砕かれたガラス材料を含んでいるこの材料を加熱した場合、ガラス材料は適切な加熱で接合領域全体にわたって流動する。ほとんどの凝集剤はパターンの稜部（ridge）に形成されたチャネルから抜け出す、すなわちここから出る。
きわめて低い圧力の測定に使用されるダイアフラムを含んでいる場合、補強要素を薄いダイアフラムの縁部に取り付けることによって、ダイアフラムをさらに補強することができる。これを第１０ａ図、第１０ｂ図および第１０ｃ図に断面で略示する。周知の態様のセンサ要素１が厚い板体またはハウジング部品２７と、ハウジング部品２７から短い距離を離隔して配置された薄いダイアフラム２９を備えていることがわかる。ハウジング部品２７から離隔しており、圧力が測定される媒体に面するようになされたダイアフラム２９の反対側には、それ故、第１０ａ図による板体に環状突起と貫通孔を内部に備えている板体３１の形状を有する補強要素が取り付けられている。カウンタプレート３１は適切な材料、たとえば、センサ要素１自体の他の部品と同様なガラスセラミック材料製である。補強要素を第１０ｂ図にしたがった環状要素３１’によって構成することもできる。センサ要素１の周縁に軸方向スロットを有していない第９図によるタイプのセンサの場合、第１０ａ図によるタイプのカウンタプレートを、第１０ｃ図に示すように使用することができる。これにより、センサ要素１’は厚いアセンブリによって構成され、その結果、この場合の包囲支持リング５’の軸方向高さをこれに対応して増やし、支持リング５’の内面がカウンタプレート３１を含む組み立てられたセンサ要素１’のシルンダ状包囲表面を完全に包囲するようにしなければならなくなる。
第９図による圧力センサの製造をここで簡単に説明する。すでに設けられており、適切なステンレススチール製であるハウジング１１と外部取付けリング９を支持する。センサ要素１をまず、導電性層が上にあるか、これを挟持している適切なセラミック材料製の部品である程度最終的に組み立てる。外縁表面は上述したところにしたがって軽い円錐台形となっている。また、支持リング５”はセンサ要素の縁部表面に適合した内面を有しており、また対応した軽い円錐台形状を有している金属製である。接合材料の層がセンサ要素１の縁部表面に、支持リングをセンサ要素の周囲においたときのセンサ要素の縁部表面に対する支持リングの係合面全体にわたって付着される。接合材料が上述したところにしたがって、ドット状になされるか、パターン化されているのが有利である。センサ要素は支持リングの内側におかれ、これによって包囲されており、支持リングは加熱され、次いで支持リング５”およびセンサ要素１に適切な力を加えることによってセンサ要素に接続されるため、接合材料は圧縮力にさらされ、接合層の材料は流動して、完全な、すなわち連続した接合部を形成する。支持リング５’は溶接によって取付けリング９に接続される。
支持リングを作成する際には、支持リングを適合した熱線形膨張係数を有する金属材料で作成する、すなわち、支持リングがセンサ要素を作成するセラミック材料の熱線形膨張係数と本質的に等しい熱線形膨張係数を有するようにすることに、特に注意する。さらに、支持リングをスロット、開口あるいは窓、または同様な装置を有していない完全なリングとして作成する。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図７】
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【図８】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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