ビームおよびダイヤフラムを使用する低圧トランスデューサ

专利摘要:
流体圧が加えられるディスク形状の金属ダイヤフラムであって、該ダイヤフラムが隆起ビームを含み、該ビームが、ビームを除くダイヤフラムの外面全体を薄くすることによって形成される、金属ダイヤフラムと、ビームにガラス結合される少なくとも１つのシリコン歪みゲージとを含む低圧トランスデューサであり、少なくとも１５ｐｓｉ程度の低い圧力を正確に計測できる低圧トランスデューサ。また、圧力トランスデューサを製造するための方法であって、上面と下面とを有する円柱ダイヤフラムを形成するステップと、トランスデューサ本体を軸線方向に貫通して該下面で終端する穴を形成することにより、作用面に対してダイヤフラムの直径および厚さを定めるステップと、作用面と一体のクロスビームの形状を成す隆起面を形成するステップと、隆起面上に１つ以上の歪みゲージを結合するステップとを含む方法にも関する。ａ
公开号:JP2011513736A
申请号:JP2010548910
申请日:2009-02-27
公开日:2011-04-28
发明作者:クリス グロス，
申请人:メジャメント スペシャリティーズ， インコーポレイテッド；
IPC主号:G01L9-00

专利说明:

[0001] [0001]本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、２００８年２月２７日に出願されたＡ ＬＯＷ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＵＳＩＮＧ ＢＥＡＭ ＡＮＤ ＤＩＡＰＨＲＡＧＭと題される米国仮出願第６１／０３１，８９７号の利益を主張する。]
技術分野

[0002] [0002]本発明は、流体圧力センサに関し、特に、歪みゲージに基づく圧力センサに関する。]
背景技術

[0003] [0003]歪みゲージに基づく圧力トランスデューサは、圧力、例えば車両における流体の圧力を測定するために使用される。これらの装置は、圧力源と接触するダイヤフラムと関連付けられる歪みゲージを使用する。低レベルの圧力を検出するために非常に薄い金属ダイヤフラムが使用されてきた。しかしながら、そのような薄い金属ダイヤフラムは、望ましくない相互作用を呈し、それにより、シリコン歪みゲージ／ガラス構造および金属の膨張の温度係数の差によって引き起こされる感度および精度の両方に影響を及ぼす。これは、ガラス結合されたシリコン歪みゲージおよび金属ダイヤフラムの異なる材料が数百度の華氏温度範囲の環境で作用する場合に特に問題となる。膨張係数の差は、歪みゲージと該歪みゲージが取り付けられる金属ダイヤフラムとの間に高い歪みレベルをもたらし、それにより、測定結果が信頼できないものとなる。]
[0004] [0004]圧力読み取りにおけるこれらの不安定性は、特に温度サイクルまたは圧力サイクル後に精度を低下させる。これは、金属ダイヤフラムゲージ用途を、約５０ｐｓｉよりも大きい圧力の正確な圧力測定に限定し、または、約５０ｐｓｉ未満の測定が低い精度で必要とされる用途に限定し、望ましくない。]
[0005] [0005]本発明の一実施形態は、流体圧が加えられる円柱金属ダイヤフラムであって、金属ダイヤフラムの上面がダイヤフラム上面を横切る隆起金属ビームを有する、円柱金属ダイヤフラムと、隆起金属ビームの上面にガラス結合される少なくとも１つのシリコン歪みゲージとを備え、流体圧がダイヤフラムを撓ませ、その結果、隆起金属ビームおよび関連する歪みゲージに歪みがもたらされ、それにより、圧力を示す電気的出力が生み出される、低圧流体トランスデューサである。この構造において、一体の隆起金属ビームおよび該ビームにガラス結合される歪みゲージは、隆起金属ビームを伴わないフラット金属ダイヤフラムを有する金属トランスデューサによって検出され得る圧力よりも数倍低い圧力を検出できる。]
[0006] [0006]また、本発明の一実施形態は、圧力トランスデューサを製造するための方法であって、上面と下面とを有する円柱金属ダイヤフラムを金属トランスデューサ本体に形成するステップと、トランスデューサ本体を軸線方向に貫通して配置され、ダイヤフラムの下面で終端する穴を形成することにより、作用面に対して円柱金属ダイヤフラムの直径および厚さを定めるステップと、ダイヤフラムの作用面と一体のビームの形状を成す隆起面を金属ダイヤフラムから形成するステップと、金属ビームの隆起面に１つ以上の歪みゲージをガラス結合するステップとを含む方法を備える。]
[0007] [0007]本発明の理解は、同様の参照符号が同様の部分を示す添付図面と併せて解釈される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を考慮することにより容易になる。]
図面の簡単な説明

[0008] 本発明の一態様に係るビーム・ダイヤフラム構造を使用する低圧トランスデューサを示している。
本発明の一態様に係る図１の構造の平面図を示している。
本発明の一態様に係る図２の断面図Ａ−Ａを示している。
本発明の一態様に係る図３の詳細図Ｂを示している。
本発明の一実施形態に係る中心ボスを有する典型的な圧力ポートトランスデューサの１／４部分の斜視図を示している。
本発明の一実施形態に係る中心ボスを有する典型的な圧力ポートトランスデューサの１／４部分の斜視図を示している。
本発明の一実施形態に係る中心ボスを有する典型的な圧力ポートトランスデューサの１／４部分の斜視図を示している。
本発明を実施するのに有用な典型的なボス付き低圧ポートトランスデューサの断面図を示している。
図６ａの金属ダイヤフラム部の一部のより詳細な図を示している。
本発明の一実施形態に関連する歪み径方向分布結果を描くグラフである。] 図１ 図２ 図３ 図６ａ
実施例

[0009] [0016]本発明の明瞭な理解のために関連する要素を示す一方で、明確にするために典型的な圧力検出方法およびシステムにおいて見出される多くの他の要素を排除するように、本発明の説明および図面が簡略化されていることを理解すべきである。しかしながら、そのような要素は当分野において良く知られているため、また、それらの要素が本発明のより良い理解を容易にしないため、そのような要素の議論がここではなされない。本明細書中の開示は、当業者に知られるような全ての変形および修正に向けられる。]
[0010] [0017]本発明は、円柱部分から形成される金属ダイヤフラムと一体の金属ストックから形成されるクロスビームとも称される隆起した金属面にガラス結合されるシリコン歪みゲージを利用する低圧金属トランスデューサに関する。金属ダイヤフラム上面の総面積に対する金属ビームを具現化するダイヤフラム上面の面積の比率は、ダイヤフラムの下面または背面に作用する流体圧によって生み出される力を増幅させることにつながる。ビームとダイヤフラム上面との一体化は、さもなければ膨張の温度係数の差に少なくとも部分的に起因して従来技術で生じる結合された歪みゲージと金属ダイヤフラムとの間の望ましくない相互作用を減らす。]
[0011] [0018]図２と併せて図１を参照すると、円形の薄型金属ダイヤフラム７０を形成する金属円柱部分を備える低圧金属トランスデューサ５０の本発明の一実施形態が示されている。金属ダイヤフラムは、直径７２と、上面４７と、上面と対向する下面７４とを有する。中心孔４５がトランスデューサの本体の長さにわたって軸線方向に延びてダイヤフラム下面７４で終端している。上面４７は、トランスデューサ５０の上端を形成し、金属ハウジング４０と一体である。金属ダイヤフラムは、ステンレス鋼から形成されて、ハウジング４０のステンレス鋼体または金属ストックと一体を成すことが好ましい。] 図１ 図２
[0012] [0019]更に図１を参照すると、ビーム６０と称されるダイヤフラム７０の隆起した金属面が、上面からダイヤフラムの作用面に対して垂直に所定の距離（Ｈ）にわたって延びており、長さＬＢおよび幅（Ｗ）をそれぞれの軸線に沿って有する。１つの実施形態において、ビーム６０の高さ、長さ、および、幅は、トランスデューサ５０のダイヤフラムの初期厚さが作用上面４７の平面内で（例えば、従来のフラットダイヤフラムトランスデューサの厚さから）減少されるようにビーム６０の場所を除いてダイヤフラムの上面から金属材料を除去することによって得られる。ビーム６０、ダイヤフラム７０、および、ハウジング本体４０は、一体のまたはモノリシック構造のユニットを形成する。] 図１
[0013] [0020]ダイヤフラムの厚さは、ダイヤフラム上面を機械加工して金属ビーム６０を形成することにより、ビーム６０によって画定される領域以外で減少される。ビーム６０は、ビーム領域の外側のダイヤフラム７０の上面４７（および、下面７４）によって画定される一様に平らな領域８０よりもかなり厚くなるように形成される。ダイヤフラム７０の上面を機械加工または切削することによってビーム６０の高さが領域８０内で定められると、ガラスを金属に結合する、当業者に良く知られる方法を使用して１つ以上の歪みゲージ１５がビーム６０の上面にガラス結合される。そのようなガラス結合技術は、当分野において知られるように、ガラスフリット・スクリーン印刷プロセス、焼成プロセス、および、ワイヤボンディングプロセスを利用して、ビーム上に形成され、一般にハーフまたはフルホイートストン・ブリッジ形態を成して構成される歪みゲージを設ける。]
[0014] [0021]図３を参照すると、図１のトランスデューサ５０のＡ−Ａで示される軸線に沿う断面が示されている。軸線方向穴４５は、トランスデューサ５０の中心軸線を貫く圧力ポート２０を形成する。これにより、ポート内の流体の圧力をダイヤフラム７０の下面７４に対して加えることができる。該圧力は、ビーム６０に対して歪みをもたらす金属ダイヤフラム７０の撓みを引き起こす。また、ビーム６０の撓みは、流体圧を示す電気的出力を生成する歪みゲージ１５に歪みをもたらす。] 図１ 図３
[0015] [0022]図４を参照すると、本発明の一実施形態に係る図３の領域Ｂの詳細図が示されている。ダイヤフラム７０の領域８０は約０．００３インチ（ｉｎ．）まで薄くされてもよい。ビーム６０は、ガラス結合されたシリコン歪みゲージに関する安定した歪みゲージ読み取りを可能にするために、０．００７ｉｎ．程度の薄さであってもよい。典型的な実施形態において、ビーム６０は、幅が０．０５０ｉｎ．であってもよく、また、ダイヤフラム７０の初期厚さの上面から機械加工で０．００４ｉｎ．除去されることにより形成されてもよい。ダイヤフラム厚の減少によるビーム６０の構造（例えば、高さ、幅、および、長さ）は、金属ダイヤフラム上面を所望の寸法まで切削または機械加工することにより得られる。そのような金属切削または機械加工は、例えば当分野で知られるように、金属機械加工のための標準的な機械加工具を使用してまたはワイヤＥＤＭを介した放電加工（ＥＤＭ）によって達成される。] 図３ 図４
[0016] [0023]ダイヤフラム７０の下面７４に対して加えられる圧力によってビーム６０に課される歪みは、ビームと領域８０とによって共有される共通の領域に対する領域８０の比率に関連する。本発明の１つの実施形態において、歪みゲージ１５は、隆起ビームの利点を伴わない、すなわち、さもなければ領域８０の平坦面上に配置される従来技術において見出される歪みレベルの３倍を超える歪みレベルを測定する。金属ビーム６０断面と金属ダイヤフラム７０の領域８０との比率の効果によって生み出される増幅は、１５ｐｓｉの範囲の低い圧力を測定する際に、より高い精度ももたらす。ガラス金属シリコン部は、ビームの厚い上端部に部分的に起因して、薄い金属ダイヤフラム部分と比べて殆ど相互作用しない。これは、ビーム部分が相対的に厚い（例えば、２〜３倍の厚さ）からである。また、ビーム６０は、歪みゲージ１５と金属ダイヤフラム７０との間の膨張係数によってもたらされる歪みに起因する不安定性に左右され得ない。]
[0017] [0024]ここで、図５ａ，５ｂ，５ｃを参照すると、図１−４に示されるトランスデューサに類似するが、中心ボス５５を有する本発明の他の実施形態に係る典型的な圧力ポートトランスデューサ５００の１／４部分の斜視図が示されている。同様の参照符号は、同様の部分を示すために使用されている。図５ａ−５ｃから分かるように、金属ビーム６０はダイヤフラム７０の上面４７とモノリシックに一体であり、上面４７は、そこから軸線孔４５によって形成されるポート２０内へ延びる中心ボス５５を含む。歪みゲージ（図５ｃに概略的形態で見られる）は、既に説明したように、また、当分野において知られるように、ビーム６０の上面に貼り付けられる。本実施形態により、金属ダイヤフラムと一体でかつ歪みゲージを含む隆起ビーム部を有するように非常に薄い金属ダイヤフラムのモノリシック構造を形成して、正確な低圧トランスデューサ構造を提供することができる。軸線孔４５は、トランスデューサ５５０の中心軸線を貫く圧力ポート２０を形成し、それにより、ポート内の圧力をダイヤフラム７０のボス５５に加えることができる。ダイヤフラム７０の撓みがビーム６０に歪みをもたらし、その結果、図５ｃに最も良く示されるように、圧力を示す電気的出力を生成するための１つ以上の歪みゲージを圧縮および／または引張状態で配置することにより、歪みゲージ１５に歪みが引き起こされる。典型的な実施形態では、印加圧力に対応する電気的出力を適切な受信回路（図示せず）に供給するために、２組の歪みゲージがホイートストン・ブリッジ配列などの電気回路を成して形成される。] 図１ 図５ａ 図５ｃ
[0018] [0025]図６ａは、図５ａ−５ｃに示されるようなボス付き構造を有し、低圧（例えば、１５ＰＳＩ）測定のために構成される圧力ポートトランスデューサの断面図を示している。図示のように、トランスデューサは、１．４２７ｉｎ．の長さＬと、０．５３９ｉｎ．のネジ端断面ＴＳとを有する。中心孔またはポート２０は０．３１６ｉｎ．の直径Ｄ１を有する。ボス５５は、金属ダイヤフラム７０の下面７４の中心から一体に０．０４８ｉｎ．の距離Ｌ１にわたって延びており、０．０６３ｉｎ．の幅Ｗ１を有する。ビーム６０は、０．５００ｉｎ．の長さＬＢと、０．０５０ｉｎ．の幅Ｗとを有する。図６Ｂの詳細断面図に最も良く示されるように、ダイヤフラム領域８０の減少前の初期厚さは０．０１１ｉｎ．であり、減少後は０．００３５ｉｎ．のＤＴとして与えられる。したがって、ビーム高さＨＢ（薄いダイヤフラム厚さがない状態）は０．００７５ｉｎ．である。] 図５ａ 図６ａ
[0019] [0026]この実施形態は、金属ダイヤフラム７０の下面７４を機械加工してボス５５を形成した後に、金属ダイヤフラム７０の上面４７を更に機械加工してビーム６０を形成することにより達成されてもよい。]
[0020] [0027]図７は、１５ＰＳＩ圧力ポートフルビームトランスデューサ構造における本発明の一実施形態に関連する歪み径方向分布結果を描くグラフを示している。] 図７
[0021] [0028]前述した説明は、特定の実施形態および本発明の実施に関する詳細を含んでいたが、言うまでもなく、ダイヤフラムおよびボス構造と一体の隆起ビームを使用することによる歪みレベルの増大は、ビーム寸法およびダイヤフラム寸法を含むファクタによって決まる。歪みレベルを高めることにより、温度・圧力サイクルを伴う不安定性を避けるのに十分な厚さの平坦なダイヤフラムを用いて検出できる圧力よりも数倍小さい圧力を測定することができる。これにより、圧力トランスデューサは、ほぼ同じ精度をもって、より低い圧力で動作できる。]
[0022] [0029]また、ダイヤフラムの直径が更に大きくされ、ウェブが更に薄くされ、あるいは、クロスビーム寸法が変えられれば、１５ｐｓｉよりも小さい圧力レベルを達成できる場合があることは言うまでもない。]
[0023] [0030]したがって、本発明は、金属圧力トランスデューサ５０を製造するための方法であって、作用上面４７と下面７４とを有する薄い金属円柱ダイヤフラム７０を形成するステップと、トランスデューサ５０の本体を軸線方向に貫通して下面７４で終端する穴４５を形成することにより作用面に対して円柱ダイヤフラム７０の直径および厚さを定めるステップと、ダイヤフラム上面を機械加工して作用面４７と一体のクロスビームの形状を成す隆起ビーム６０を形成するステップと、クロスビーム上に１つ以上の歪みゲージ１５をガラス結合するステップとを含む方法において具現化される。ダイヤフラムまたはウエハ構造７０の機械加工は、長方形ビーム６０を画定する非常に狭い、または細い領域を除く能動領域のほぼ全体にわたってダイヤフラムを薄くする。ボス構造は、図５−６に示されるボス５５を形成するための中心部を除いて金属ダイヤフラムの下面を所定量だけ機械加工することにより形成されてもよい。]
[0024] [0031]形成される単一モノリシック材料構造は、ステンレス鋼合金、チタン、ガラス、または、セラミックなどの金属を含む。歪みゲージは、シリコンまたは他の半導体から形成されてもよく、また、以下の方法、例えばガラス結合、エポキシ結合、または、陽極接合のうちのいずれかによってビーム６０に取り付けられてもよい。そのような結合技術は、当分野において知られており、したがって、ここでは、簡潔にするため、これらの技術の詳しい説明が省かれる。]
[0025] [0032]当業者であれば明らかなように、本発明の思想または範囲から逸脱することなく、本発明の装置およびプロセスにおいて修正および変形がなされてもよい。この発明の修正および変形が均等物の範囲内に入る場合には、これらの修正および変形を本発明が網羅することが意図される。]

权利要求:

請求項1
低圧トランスデューサを製造するための方法であって、上面と下面とを有する円柱金属ダイヤフラムを金属トランスデューサ本体に形成するステップと、前記トランスデューサ本体を軸線方向に貫通して配置し、前記ダイヤフラムの前記下面で終端する穴を形成することにより、作用面に対して前記円柱金属ダイヤフラムの直径および厚さを定めるステップと、前記金属ダイヤフラムの厚さを該金属ダイヤフラムの上面から減少させて、前記ダイヤフラムの上面と一体のビームの形状を成す隆起面を前記上面に形成するステップと、前記金属ビームの前記隆起面に１つ以上の歪みゲージをガラス結合するステップと、を含む方法。
請求項2
減少させる前記ステップが機械加工を含む請求項１に記載の方法。
請求項3
前記機械加工が放電加工（ＥＤＭ）を含む請求項２に記載の方法。
請求項4
前記ビームと反対側の前記ダイヤフラムの下面に中心ボス構造を形成するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
請求項5
中心ボス構造を形成する前記ステップは、前記金属ダイヤフラムの厚さを下面から減少させて前記下面にボスを形成することを含む請求項４に記載の方法。
請求項6
前記ビームの厚さが前記ダイヤフラムの厚さよりも大きい請求項１に記載の方法。
請求項7
前記ビームの厚さが前記ダイヤフラムの厚さの２倍よりも大きい請求項１に記載の方法。
請求項8
前記ボスが前記ビームの厚さと前記ダイヤフラムの厚さとの間の厚さを有する請求項５に記載の方法。
請求項9
前記歪みゲージがシリコン歪みゲージである請求項１に記載の方法。
請求項10
流体圧を伝えるためのポートを画定する中心孔を有する金属本体であって、前記ポートが円柱金属ダイヤフラムにより前記本体の後端で終端し、前記円柱金属ダイヤフラムには流体圧が加えられ、前記金属ダイヤフラムの上面が、前記ダイヤフラムと一体でかつダイヤフラム上面を横切る隆起金属ビームを有する、金属本体と、前記隆起金属ビームの上面にガラス結合される少なくとも１つのシリコン歪みゲージと、を備え、前記ダイヤフラムの下面に加えられる流体圧が前記ダイヤフラムを撓ませ、その結果、前記隆起金属ビームおよび関連する歪みゲージに歪みがもたらされ、それにより、流体圧を示す電気的出力が生み出される、低圧流体トランスデューサ。
請求項11
前記金属ビームの厚さが前記ダイヤフラムの厚さよりも大きい請求項１０に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項12
前記ビームの厚さが前記ダイヤフラムの厚さの２倍よりも大きい請求項１０に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項13
前記歪みゲージがシリコン歪みゲージである請求項１０に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項14
前記ビームと反対側の前記ダイヤフラムの下面に一体形成される中心ボスを更に備える請求項１０に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項15
前記ボスが前記ビームの厚さと前記ダイヤフラムの厚さとの間の厚さを有する請求項１４に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項16
前記金属ダイヤフラムがステンレス鋼である請求項１０に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項17
前記金属ダイヤフラムが０．００３５インチの厚さを有し、前記金属ビームが０．００７５インチの厚さを有する請求項１６に記載の低圧流体トランスデューサ。
請求項18
前記ビームと反対側の前記ダイヤフラムの下面に一体形成される中心ボスが０．０６３インチの厚さを有する請求項１６に記載の低圧流体トランスデューサ。