JP6897421B2

JP6897421B2 - センサ

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Publication number: JP6897421B2
Application number: JP2017159401A
Authority: JP
Inventors: 平山　徹; 徹平山; 吉田　勇作; 勇作吉田; 淳志湯本; 龍彦宮内
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: CN109425459A; US11067462B2; US20190064023A1; CN109425459B; JP2019039682A

Description

本発明は、センサに関する。

従来から、下記特許文献１に示されるようなセンサが知られている。このセンサは、封入液が封入された圧力容器と、圧力容器を閉塞するダイヤフラムと、圧力容器内に収容されたセンサ本体と、センサ本体に電気的に接続されたピンと、を備えている。このセンサによれば、ダイヤフラムが受けた流体の圧力が、封入液を介してセンサ本体に伝えられる。そして、センサ本体が検出した封入液の圧力の検出結果が、ピンを介して、電気信号としてセンサの外部に出力される。

また、このセンサでは、封入液の漏出を防止しつつ、ピンを外部に引き出すための構造が採用されている。具体的には、圧力容器の下端開口部をハウジングで閉塞するとともに、ハウジングに形成された貫通孔にピンを挿通している。また、圧力容器およびハウジンは互いに溶接されるとともに、ピンと貫通孔との間の隙間には、封着ガラスが充填されている（下記特許文献１の第５図参照）。

実開昭６３−７００４３号公報

この種のセンサでは、圧力容器内に封入された封入液に、例えば数１００ＭＰａを超えるような高い圧力が作用しても、各部の破損や封入液の漏出が発生しないようにして、耐圧性を向上させることが求められている。
しかしながら、封入液にこのような高い圧力が作用すると、各部材同士の間の接合部に大きな応力が作用することで、これらの接合部が剥離してしまう場合がある。特に、異なる材質同士を接合する接合部については、接合の強度を大きくすることが困難な場合が多く、センサの耐圧性を向上させる上での課題となっていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、耐圧性を向上させたセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係るセンサは、封入液が封入された圧力容器と、前記圧力容器を閉塞するダイヤフラムと、前記圧力容器内に収容されたセンサ本体と、前記センサ本体と電気的に接続された配線を有する電気配線部材と、前記電気配線部材を前記圧力容器に固定する固定部材と、を備え、前記電気配線部材と前記固定部材との接合部のうち、前記封入液に接する部分に第１フィレットが形成され、前記固定部材と前記圧力容器との接合部のうち、前記封入液に接する部分に第２フィレットが形成されている。

上記態様に係るセンサによれば、電気配線部材と固定部材との接合部、および固定部材と圧力容器との接合部のうち、封入液に接する部分に、それぞれフィレットが形成されている。この構成により、これらの接合部に封入液が入り込み、この封入液により接合部が高い剥離力を受けてしまうのを防ぐことができる。従って、封入液に高い圧力が作用したとしても、接合部から封入液が漏れだしてしまうのが抑止され、センサの耐圧性を向上させることができる。特に、電気配線部材と固定部材、および固定部材と圧力容器が、互いに異なる材質によって形成されている場合には、接合部の強度が低くなりやすいため、上記構成は好適である。

また、前記圧力容器の底壁には下方に向けて窪む溝部が形成され、前記溝部は曲面状に形成されていてもよい。

この場合、例えば溝部が曲面状に形成されていない場合と比較して、封入液の圧力による引張応力が溝部に集中してしまうのを防止し、圧力容器の強度を高めることができる。

また、前記電気配線部材は、複数の板状のセラミック材を焼結した基部と、該基部に埋設された前記配線と、を有していてもよい。

この場合、基部および配線によって、センサ本体の電気信号を圧力容器の外部へと出力可能としつつ、例えば基部の内部を伝って封入液が漏れ出してしまうのを抑制することができる。

本発明の上記態様によれば、耐圧性を向上させたセンサを提供することができる。

第１実施形態に係るセンサの縦断面図である。図１の拡大図である。第２実施形態に係るセンサの縦断面図である。第３実施形態に係るセンサの縦断面図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係るセンサの構成を、図１および図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。
図１に示すように、センサ１０Ａは、封入液が封入された圧力容器２と、圧力容器２を閉塞するダイヤフラム１と、圧力容器２内に収容されたセンサ本体３と、圧力容器２の内部から外部へと突出する電気配線部材５と、電気配線部材５を圧力容器２に固定する固定部材６（第１固定部材）と、スペーサ部材７と、を備えている。圧力容器２に封入される封入液としては、シリコンオイルなどを用いることができる。

ダイヤフラム１は、圧力容器２の外部の、検出対象となる液体や気体に接触する。
センサ１０Ａは、液体や気体などの流体中に配置されて、その流体の圧力を検出し、検出結果を上位装置１２に出力することができる。より詳しくは、ダイヤフラム１が受けた流体の圧力が、封入液を介してセンサ本体３に伝えられる。センサ本体３は、封入液の圧力を検出する圧力センサであり、この圧力に応じた電気信号を電子回路１１に出力する。電子回路１１は、センサ本体３が出力した電気信号を、圧力などに変換するための演算部である。電子回路１１による演算結果は、センサ１０Ａの外部の上位装置１２に出力される。
なお、封入液の温度上昇量とセンサ本体３が検出する圧力との間には相関関係があるため、センサ１０Ａは温度センサとして用いられることも可能である。

（方向定義）
圧力容器２は、筒状の容器本体２０および円柱状の蓋部材３０を有している。ここで本実施形態では、容器本体２０および蓋部材３０の各中心軸は、共通の中心軸線Ｏ上に位置している（図２参照）。以下、中心軸線Ｏ方向から見た平面視において、中心軸線Ｏに直交する方向を径方向といい、中心軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。
また、中心軸線Ｏに沿う方向を上下方向といい、上下方向における蓋部材３０側を上方といい、容器本体２０側を下方という。また、中心軸線Ｏに沿う断面を縦断面という。

（圧力容器）
圧力容器２の容器本体２０および蓋部材３０は、互いに同様の材質により形成されている。容器本体２０および蓋部材３０の材質としては、ニッケル基の超合金などの金属を用いることができる。なお、容器本体２０および蓋部材３０は、同一の材質によって形成されていなくてもよい。
図２に示すように、容器本体２０には、その下端部を覆う底壁２１が形成されている。底壁２１には、この底壁２１を上下方向に貫通する貫通孔２１ａが形成されている。底壁２１の上面（以下、底壁上面２３という）には、下方に向けて窪む溝部２２が形成されている。溝部２２は、筒状の容器本体２０の内周面と底壁上面２３との境界部に形成され、縦断面視で下方に向けて突となる曲面を有している。溝部２２の曲面は、容器本体２０の内周面と段差なく連なっている。

蓋部材３０には、円柱状の受圧部３１と、受圧部３１の下端部から径方向外側に向けて延びるフランジ部３２と、フランジ部３２の内周縁から下方に向けて延びる筒状の嵌合部３４と、が形成されている。また、蓋部材３０の下面には、上方に向けて窪むセンサ本体収容部３３が形成されている。センサ本体収容部３３は中心軸線Ｏと同軸の円柱状の空間であり、その内部にセンサ本体３が収容されている。以下、センサ本体収容部３３内の空間を測定室Ｓ２という。なお、蓋部材３０はフランジ部３２を有していなくてもよい。

受圧部３１の上面には、下方に向けて窪む凹部３１ａが形成されている。凹部３１ａは、下方に向けて突となる曲面状に形成されている。ダイヤフラム１は、この凹部３１ａを覆っており、ダイヤフラム１と凹部３１ａとの間には受圧室Ｓ１が形成されている。受圧部３１の径方向中央部には、この受圧部３１を上下方向に貫通する連通孔３１ｂが形成されている。連通孔３１ｂの上端部は受圧室Ｓ１に向けて開口し、連通孔３１ｂの下端部は測定室Ｓ２に向けて開口している。すなわち、連通孔３１ｂは、受圧室Ｓ１と測定室Ｓ２とを連通させている。

受圧室Ｓ１、連通孔３１ｂ、および測定室Ｓ２内には、封入液が充填されている。この封入液により、ダイヤフラム１が受けた圧力が、センサ本体３に伝えられる。

フランジ部３２の下面は、容器本体２０の上面に当接している。さらに、嵌合部３４は、中心軸線Ｏと同軸上に形成されており、容器本体２０の周壁内に嵌合されている。この構成により、蓋部材３０は、容器本体２０の上端開口部を閉塞している。容器本体２０と蓋部材３０との間の境界部は、電子ビーム溶接等によって接合されている。容器本体２０と蓋部材３０との接合部の強度は、一例では、測定室Ｓ２内の封入液に数１００ＭＰａの圧力が加わったとしても、この接合部に剥離などが生じない程度である。

（電気配線部材）
電気配線部材５は、中心軸線Ｏと同軸上に配置された、上下方向に延びる略円柱状の部材である。電気配線部材５は、容器本体２０の貫通孔２１ａ内に挿通されており、容器本体２０の底壁２１を上下方向に貫通している。これにより、電気配線部材５の上端部は測定室Ｓ２内に位置し、電気配線部材５の下端部は圧力容器２の外部に位置している。電気配線部材５の端にセンサ本体３が設置されている。

電気配線部材５は、非導電性を有する基部５ａと、導電性を有する配線５ｂと、を有している。配線５ｂの大部分は、基部５ａの内部に埋設されている。また、配線５ｂの一部は、基部５ａのうち圧力容器２内に位置する部分と、基部５ａのうち圧力容器２外に位置する部分と、において、基部５ａの表面に露出している。
本実施形態では、配線５ｂは基部５ａの上端部および下端部で露出するとともに、上端部で露出する部分はリード線４に電気的に接続され、基部５ａの下端部で露出する部分は電子回路１１に電気的に接続されている。リード線４は、センサ本体３に電気的に接続されている。この構成により、電気配線部材５の配線５ｂは、リード線４を介して、センサ本体３と電子回路１１とを電気的に接続している。

本実施形態では、基部５ａはセラミックにより形成され、配線５ｂはタングステンにより形成されている。基部５ａは、例えば複数の板状のセラミックを積層して、これらを互いに焼結させることで形成可能である。この場合、配線５ｂは、基部５ａとなるセラミック板の表面にタングステンの配線パターンをプリントすることで形成可能である。さらに、例えば複数のセラミック板の表面に配線パターンをプリントしておき、これらの配線パターン同士をビアホールによって接続することで、配線５ｂを、セラミック板の積層方向に延ばすことも可能である。

このような方法により電気配線部材５を製造した場合、例えば電気配線部材５内を伝って封入液が外部に漏出してしまうのを防止しながら、センサ本体３の電気信号を、圧力容器２の外部に取り出すことができる。
なお、電気配線部材５の製造方法は上記の例に限られず、適宜変更してもよい。

（固定部材）
固定部材６は、中心軸線Ｏと同軸上に配置されたリング状に形成されており、電気配線部材５に外嵌されている。固定部材６の材質としては、金属および絶縁性を有する材質を採用することができる。

固定部材６の内周面６ａは、電気配線部材５の外周面に当接している。固定部材６の内周面６ａは、電気配線部材５の外周面に対して、銀ロウなどによってロウ付けされている。固定部材６の上端開口縁と電気配線部材５との境界部分には、ロウ付け材によるフィレットＦ１（第１フィレット）が形成されている。すなわち、フィレットＦ１は、電気配線部材５と固定部材６との接合部のうち、封入液に接する部分に形成されている。
フィレットＦ１は、固定部材６の上端開口縁における全周にわたって形成されている。同様に、固定部材６の下端開口縁と電気配線部材５との境界部分には、ロウ付け材によるフィレットＦ３が形成されている。

固定部材６の下面６ｂは、容器本体２０の底壁上面２３に当接している。固定部材６の下面６ｂは、この底壁上面２３に対して、銀ロウなどによってロウ付けされている。固定部材６の下端部における外周縁と、容器本体２０の底壁上面２３と、の境界部分には、ロウ付け材によるフィレットＦ２（第２フィレット）が形成されている。すなわち、フィレットＦ２は、固定部材６と圧力容器２との接合部のうち、封入液に接する部分に形成されている。
フィレットＦ２は、固定部材６の下端部における外周縁の全周にわたって形成されている。また、フィレットＦ２の一部は、溝部２２内に位置している。

（スペーサ部材）
スペーサ部材７は、中心軸線Ｏと同軸上に配置されたリング状に形成されており、固定部材６に外嵌されている。なお、図ではスペーサ部材７と固定部材６との間の隙間、およびスペーサ部材７と容器本体２０との間の隙間が誇張して表現されており、これらの隙間は、実際には極めて小さい。このため、スペーサ部材７は、固定部材６および電気配線部材５の、圧力容器２に対する径方向の位置を決める役割を果たしている。
なお、スペーサ部材７と固定部材６との間の隙間、およびスペーサ部材７と容器本体２０との間の隙間は、これらの隙間に封入液を存在させて、電気配線部材５および固定部材６に封入液の圧力がバランスよく作用するように設けられている。

次に、以上のように構成されたセンサ１０Ａの作用について説明する。

ダイヤフラム１が高い圧力を受けると、封入液に作用する圧力も高くなり、例えば数１００ＭＰａを超える場合がある。このような高圧が封入液に作用すると、異なる材質同士を接合した接合部が剥離してしまうことが懸念される。ここで、本実施形態の構成では、電気配線部材５と固定部材６との接合部、および固定部材６と容器本体２０との接合部が、異なる材質同士の接合部に相当するため、これらの接合部で剥離が生じないことが重要である。

本実施形態では、電気配線部材５と固定部材６との接合部のうち、封入液に接触する部分に、ロウ付け材によるフィレットＦ１が形成されている。同様に、固定部材６と容器本体２０との接合部のうち、封入液に接する部分に、ロウ付け材によるフィレットＦ２が形成されている。これらのフィレットＦ１、Ｆ２により、電気配線部材５と固定部材６との間、および固定部材６と容器本体２０との間の接合部に封入液が入りこみ、この接合部に高い剥離力が作用してしまうのが抑えられる。従って、接合部が剥離して封入液が漏れ出してしまうのを防ぎ、センサ１０Ａの耐圧性能を向上させることができる。

また、電気配線部材５が円柱状に形成されていることで、電気配線部材５と固定部材６との接合部に作用する応力を緩和することができる。
また、電気配線部材５が積層セラミック材料で形成されていることにより、例えば封着ガラスなどよりも配線５ｂの接合強度を大きくしたり、配線の密度を増加させたり、センサ１０Ａの耐圧性能をさらに向上させたりすることが可能となる。

また、容器本体２０の溝部２２が曲面状に形成されていることで、この溝部２２に作用する引張応力を低減することができる。これにより、容器本体２０の強度を向上させることができる。

また、スペーサ部材７が固定部材６と容器本体２０との間に配置されていることで、固定部材６の容器本体２０に対する径方向の位置が決まりやすく組立容易になるとともに、溝部２２およびその上方に充填される封入液の量を削減することができる。
また、電気配線部材５の周囲をメタライズし、圧力容器２との間に、絶縁材料である固定部材６が設けた場合に、圧力容器２に乗った電気ノイズが電気配線部材５に伝わるのを防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態では、電気配線部材５を圧力容器２に固定する手段が、第１実施形態と異なる。

図３に示すように、本実施形態のセンサ１０Ｂでは、固定部材６と容器本体２０の底壁２１との間に、固定部材８（第２固定部材）が設けられている。固定部材８は、固定部材６と容器本体２０とによって、上下方向で挟まれている。
固定部材６と固定部材８とでは、材質が異なっている。すなわち、本実施形態では、電気配線部材５が、互いに材質の異なる複数の固定部材６、８によって、圧力容器２に固定されている。

固定部材８はリング状に形成されている。固定部材８の上面８ａは固定部材６の下面６ｂにロウ付けなどによって接合されており、この接合部のうち封入液に接する部分には、フィレットＦ４が形成されている。固定部材８の下面８ｂは、容器本体２０の底壁上面２３にロウ付けなどによって接合されており、この接合部のうち封入液に接する部分には、フィレットＦ２が形成されている。

固定部材８の材質としては、その線膨張係数が、固定部材６と容器本体２０の中間である金属などを用いることができる。この場合、線膨張係数の差に起因して作用する、接合部へのストレスを低減することができる。
より詳しくは、例えば図２の構成では、底壁上面２３と固定部材６の下面６ｂとの間の接合部に作用する温度変化によるせん断力は、固定部材６と容器本体２０との線膨張係数の差に比例して大きくなる。

これに対して、図３の構成では、固定部材６の下面６ｂと固定部材８の上面８ａとの間、および固定部材８の下面８ｂと底壁上面２３との間、の各接合部に作用するせん断力が、図２の構成よりも小さくなる。これは、固定部材６と容器本体２０との間の線膨張係数の差よりも、固定部材６と固定部材８との間および固定部材８と容器本体２０との間の線膨張係数の差が小さいためである。

以上のように、本実施形態のセンサ１０Ｂによれば、互いに材質の異なる固定部材６、８のうち、線膨張係数が圧力容器２に近い方を、圧力容器２に対して接合している。また、これら固定部材６、８のうち、線膨張係数が電気配線部材５に近い方を、電気配線部材５に対して接合している。この構成により、各部材同士の間の接合部に作用する、温度変化に伴うせん断力を低減することが可能となる。従って、温度変化によるストレスが作用して接合部が剥離し、封入液が漏れてしまうのを抑止することができる。
また、第１実施形態と同様に、電気配線部材５の周囲をメタライズし、圧力容器２との間に絶縁材料である固定部材６が設けた場合に、圧力容器２に乗った電気ノイズが電気配線部材５に伝わるのを防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

図４に示すように、本実施形態のセンサ１０Ｃは、電気配線部材５と一体になっている中間部材９を備えている。中間部材９は、電気配線部材５と固定部材６との間に配置されている。中間部材９は、絶縁体若しくは金属により形成されている。中間部材９は筒状に形成されるとともに、電気配線部材５に外嵌されている。さらに、中間部材９は、固定部材６内に嵌合されている。電気配線部材５の一部である中間部材９と、固定部材６との接合部のうち、封入液に接する部分に、フィレットＦ１が形成されている。
このような構成においても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、第１実施形態と同様に、電気配線部材５の周囲をメタライズし、圧力容器２との間に絶縁材料である中間部材９が設けた場合に、圧力容器２に乗った電気ノイズが電気配線部材５に伝わるのを防止することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記第１実施形態〜第３実施形態において、電気配線部材５の外周面に金属の薄膜を形成してもよい。この構成によれば、圧力容器２が帯電した場合などに、電気配線部材５の配線５ｂに作用するノイズを低減することができる。すなわち、この金属の薄膜をシールドとして用いることができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…ダイヤフラム２…圧力容器３…センサ本体５…電気配線部材５ａ…基部５ｂ…配線６…第１固定部材７…スペーサ部材８…第２固定部材１０Ａ〜１０Ｃ…センサ２１…底壁２２…溝部Ｆ１…第１フィレットＦ２…第２フィレット

Claims

封入液が封入された圧力容器と、
前記圧力容器を閉塞するダイヤフラムと、
前記圧力容器内に収容されたセンサ本体と、
前記センサ本体と電気的に接続された配線を有する電気配線部材と、
前記電気配線部材を前記圧力容器に固定する固定部材と、を備え、
前記電気配線部材と前記固定部材との接合部のうち、前記封入液に接する部分に第１フィレットが形成され、
前記固定部材と前記圧力容器との接合部のうち、前記封入液に接する部分に第２フィレットが形成されている、センサ。
前記圧力容器の底壁には下方に向けて窪む溝部が形成され、
前記溝部は曲面状に形成されている、
請求項１に記載のセンサ。
前記電気配線部材は、複数の板状のセラミック材を焼結した基部と、該基部に埋設された前記配線と、を有する、請求項１または２に記載のセンサ。