JP2004037318A

JP2004037318A - Pressure sensor

Info

Publication number: JP2004037318A
Application number: JP2002196326A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Yamakawa; 山川　知也
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-02-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure sensor having a high measuring accuracy by electrically insulating an outer housing and a sensor housing and suppressing a potential difference between the sensor housing and a pressure-sensitive element. <P>SOLUTION: The pressure sensor 1 includes a connector housing 30 having a pressure receiving surface 32 which disposes the pressure-sensitive element 20, a sensor housing 40 for inserting the housing 30, a mounting part for mounting an opposite member for filling a fluid to be pressure measured, and an outer housing 400 connected to the housing 40. Here, the sensitive element 20 is housed in a pressure chamber 42 formed between the housing 40 and the housing 30. An insulating member 60 for insulating both the housing 400 and the housing 40 is arranged between the housing 400 and the housing 40. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，感圧素子により圧力を計測する圧力センサに関する。
【０００２】
【従来技術】
圧力センサは，シリコン基板上に形成した歪ゲージと，シリコン基板を精密にエッチングして形成した圧力検知用のダイヤフラムとを有する感圧素子を利用したセンサである。そして，この圧力センサは，上記歪ゲージにより，圧力によるダイヤフラムのひずみ量を計測することにより圧力を測定する。
【０００３】
感圧素子を配置する受圧面を有するコネクタハウジングと，センサハウジングとからなる圧力センサにおいて，上記の感圧素子は，センサハウジングに挿入したコネクタハウジングと，センサハウジングとの間の圧力室に収容されるよう構成されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の圧力センサにあっては，次のような問題がある。
即ち，上記の圧力センサにおいては，上記センサハウジング又は上記コネクタハウジングと上記感圧素子との間に電位差を生じると，上記圧力室内の媒体に誘電分極を生じるおそれがある。そして，誘電分極を生じた媒体は，上記感圧素子に影響を及ぼし，その圧力計測に誤差を発生させるおそれがある。
【０００５】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，圧力計測精度の高い圧力センサを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
本発明は，感圧素子を配置した受圧面を有するコネクタハウジングと，該コネクタハウジングを挿入するセンサハウジングと，圧力計測対象である流体を充填してある相手部材に取り付けるための取り付け部を有すると共に，上記センサハウジングに接続されたアウターハウジングと，上記センサハウジングと上記コネクタハウジングとの間に形成される圧力室とを有し，該圧力室に上記感圧素子を収容してある圧力センサにおいて，
上記アウターハウジングと上記センサハウジングとの間には，両者の間を電気的に絶縁するための絶縁部材が配設されていることを特徴とする圧力センサにある（請求項１）。
【０００７】
本発明の圧力センサは，上記アウターハウジングと上記センサハウジングとの間に，上記絶縁部材を有している。そのため，上記相手部材に上記アウターハウジングを取り付けた状態において，アウターハウジングとセンサハウジングとの間を電気的に絶縁できる。それ故，アウターハウジングと感圧素子との間に電位差を生じた場合であっても，上記絶縁部材の存在によって，センサハウジングの電位とアウターハウジングの電位とが等電位となることを防止できる。そしてそれ故，センサハウジングと感圧素子との間の電位差を抑制することができる。
【０００８】
そのため，上記コネクタハウジングと上記センサハウジングとの間に形成される上記圧力室において，該圧力室中の媒体の誘電分極を抑制することができる。そして，上記圧力センサは，上記圧力室内に存在する媒体の誘電分極を抑制することにより，常に精度良く圧力計測を実施することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の圧力センサにおいて，上記絶縁部材を上記アウターハウジング及び上記センサハウジングに取り付ける方法としては，様々な方法をとることができる。例えば，接合すべき部分にそれぞれ設けた雄ネジ部と雌ネジ部とを係合させるネジ結合方法や，接着材によって接着する方法等がある。
また，上記絶縁部材は，例えば，アルミナ系セラミックス，ジルコニア系セラミックス，ＰＰＳ樹脂等より作製することができる。この中でも，特に，ハウジングとの接触部の耐圧性が高く，機械的強度も高いアルミナ系セラミックスより作製するのが良い。
【００１０】
また，上記絶縁部材を介して対峙する上記センサハウジングと上記アウターハウジングとの間隔は，１ｍｍ以上であることが好ましい（請求項２）。
この場合には，上記センサハウジングと上記アウターハウジングとの間を確実に絶縁して，上記感圧素子とセンサハウジングとの間の電位差を，さらに抑制できる。そして，上記圧力室における媒体の誘電分極を抑制して，上記圧力センサによる圧力計測精度をさらに向上できる。
一方，上記センサハウジングと上記アウターハウジングとの間隔が，１ｍｍ未満であると，上記圧力室における媒体の誘電分極を十分抑制できず，圧力計測誤差を生じるおそれがある。
【００１１】
また，上記絶縁部材は，上記センサハウジングと当接するセンサ当接面及び上記アウターハウジングと当接するアウター当接面に，それぞれメタライズ処理を施して被膜を形成してあると共に，該被膜を介して上記センサハウジング及び上記アウターハウジングにろう付け接合されており，
上記センサ当接面に施された上記被膜と，上記アウター当接面に施された上記被膜とは，電気的に絶縁してあることが好ましい（請求項３）。
【００１２】
この場合には，上記絶縁部材における上記センサ当接面と上記アウター当接面とにメタライズ処理を施して被膜を形成することにより，センサ当接面及びアウター当接面の濡れ性を向上することができる。そのため，アウターハウジング及びセンサハウジングに対して，上記絶縁部材を強固にろう付け接合することができる。
【００１３】
さらに，上記センサ当接面に施されたメタライズ処理による被膜と，上記アウター当接面に施されたメタライズ処理による被膜とは，電気的に絶縁してある。そのため，上記絶縁部材の表面に施されたメタライズ処理に関わらず，上記アウターハウジングと上記センサハウジングとの間を，確実に絶縁することができる。
【００１４】
また，上記センサハウジング及び上記コネクタハウジングの外表面のうち導電性を有する面には，電気的な絶縁性を図るための絶縁膜を配設してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記圧力センサの外周面に水滴等が付着した場合であっても，上記アウターハウジングと上記センサハウジングとの間を，確実に絶縁して，上記センサハウジングと上記感圧素子との間に生じる電位差を抑制することができる。
【００１５】
また，上記センサハウジングは，シールダイヤフラムを有しており，上記圧力室は，上記シールダイヤフラムにより密閉されるよう構成されていると共に，該圧力室の中には，圧力伝達媒体が充填されていることが好ましい（請求項５）。この場合には，例えば，上記シールダイヤフラムが，上記感圧素子と対面するよう配設されている場合に，上記シールダイヤフラムと上記感圧素子との間の上記圧力伝達媒体の誘電分極を抑制でき，本発明による効果が特に高い。
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる圧力センサ１について，図１〜図４を用いて説明する。
本発明の圧力センサ１は，図１，図２に示すごとく，感圧素子２０を配置した受圧面３２を有するコネクタハウジング３０と，該コネクタハウジング３０を挿入するセンサハウジング４０と，圧力計測対象である流体を充填してある相手部材に取り付けるための取り付け部を有すると共に，センサハウジング４０に接続されたアウターハウジング４００とを有している。そして，センサハウジング４０とコネクタハウジング３０との間に形成される圧力室４２には，上記感圧素子２０を収容してある。
この圧力センサ１においては，アウターハウジング４００とセンサハウジング４０との間には，両者の間を絶縁するための絶縁部材６０が配設されている。以下に，この内容について詳しく説明する。
【００１６】
本例の圧力センサ１は，図１，図２に示すごとく，シールダイヤフラム４３を有するセンサハウジング４０に，ターミナルピン１０と感圧素子２０とを有するコネクタハウジング３０を挿入して組み立て，さらに，絶縁部材６０及びアウターハウジング４００とを組み付けてなるセンサである。
【００１７】
圧力センサ１は，シールダイヤフラム４３により密閉されると共に，圧力計測対象である流体とは隔離された圧力室４２を有している。そして，この圧力センサ１は，シールダイヤフラム４３に作用する上記流体の圧力を，圧力室４２に封入した圧力伝達媒体を介して，感圧素子２０により検知できるよう構成されている。
感圧素子２０は，シリコン層を加工して歪ゲージを形成するとともに，シリコン基板を精密にエッチングしてセンサダイヤフラムを形成したものである。
【００１８】
コネクタハウジング３０は，ＰＰＳ樹脂により，後述するごとくターミナルピン１０をインサートして一体成形されていると共に，センサハウジング４０に挿入する挿入部３５と，外部機器のコネクタ（図示略）と電気的に接続するためのソケット部３００とを有している。
【００１９】
コネクタハウジング３０における挿入部３５は，上記挿入方向に略平行な軸を中心とした略円柱形状の挿入基部３５３と，該挿入基部３５３よりも小径である略円柱形状の挿入先端部３５１とを有している。そして，該挿入先端部３５１と上記挿入基部３５３との間に，上記コネクタテーパ面３５２が配設されている。
【００２０】
さらに，この挿入先端部３５１は，その外周面に，圧力室４２を密閉するためのＯリング５０及びバックアップリング５１を配設できるよう構成されており，挿入先端部３５１の外周面に，Ｏリング５０及びバックアップリング５１を配設するためのリング溝３５０を設けてある。
なお，本例のリング溝３５０は，上記挿入方向の壁面がない不完全な溝形状を呈しており，後述するごとくセンサハウジング４０の内表面と組み合わされて溝形状が形成されるよう構成してある。
【００２１】
ソケット部３００は，外部機器と電気的に接続するための電極を配設したコネクタを挿入することができるよう構成されていると共に，該ソケット部３００の内部には，それぞれのターミナルピン１０における一方の端部を突出させてある。そして，それぞれのターミナルピン１０は，ソケット部３００に挿入された上記コネクタの各電極と電気的に接触するよう構成されている。
【００２２】
コネクタハウジング３０の挿入方向の端面である受圧面３２には，図２に示すごとく，ターミナルピン１０の他方の端部を露出させてあると共に，感圧素子２０を配置してある。
上記のターミナルピン１０としては，電源用，グランド用及び信号出力用の３本があり，これらのターミナルピン１０は，すべてソケット部３００から受圧面３２へとコネクタハウジング３０を貫通するように，インサート成形によってコネクタハウジング３０内に一体的に配置されている。
【００２３】
受圧面３２に露出する各ターミナルピン１０とＰＰＳ樹脂との境界部は，シリコーン系シール材からなるシール層１２によりシールされ，圧力室４２の気密性を保持できるように構成されている。
そして，各ターミナルピン１０は，図１，図２に示すごとく，感圧素子２０とボンディングワイヤ３４により相互に電気的に接続されている。
【００２４】
センサハウジング４０は，ステンレススチールよりなると共に，図１に示すごとく，上記シールダイヤフラム４３のコネクタハウジング３０側に，上記挿入部３５を挿入する凹部４５と，該凹部４５に挿入部３５を挿入した状態で挿入部３５と係合するカシメ部４１とを有している。
【００２５】
センサハウジング４０における凹部４５は，図１，図２に示すごとく，上記挿入先端部３５１を挿入する略円柱形状の内周面を形成する第１凹部４５１と，上記挿入基部３５３を挿入する略円柱形状の第２凹部４５３とを有している。そして，該第２凹部４５３と上記第１凹部４５１との間に，センサテーパ面４５２が配設されている。
【００２６】
センサテーパ面４５２は，コネクタハウジング３０の上記挿入先端部３５１に配設されたＯリング５０を第１凹部４５１に滑らかに挿入できるよう上記挿入方向とのなす角Ｒ（図２参照）を２５度に設定してある。
また，図２に示すごとく，シールダイヤフラム４３は，その外周部をシールリング４３１により保持された状態で，凹部４５における挿入方向に略直交する底面に配置されている。そして，該シールダイヤフラム４３は，センサハウジング４０に対して，シールリング４３１と共にレーザ溶接され，溶接部４３５をセンサハウジング４０に達するように設けることにより，センサハウジング４０に強固に固定してある。
【００２７】
さらに，センサハウジング４０は，図１に示すごとく，シールダイヤフラム４３の被計測環境４４側に，圧力計測対象としての流体を導入する圧力導入室４４０と，コネクタハウジング３０と反対側の面に，絶縁部材６０をろう付けするための取り付け面４６０とを有している。
【００２８】
アウターハウジング４００は，図１に示すごとく，被計測対象である流体を密閉する配管パイプ等に対して圧力センサ１を取り付けるための銅系合金（黄銅）よりなるジョイント用の部材である。このアウターハウジングは，略円筒状の部材であって，軸方向にある一方の端部には，その内周面に，上記配管パイプ等に取り付けるためのネジ部４４２を配設した取り付け部４４８を有している。
【００２９】
また，アウターハウジング４００における他方の端面には，絶縁部材６０と取り付けるための取り付け面６４０を設けてある。そして，アウターハウジング４００には，センサハウジング４０側に，圧力計測対象である流体を導入するための圧力導入孔４４１が配設されている。
【００３０】
絶縁部材６０は，図１，図２に示すごとく，アルミナ系セラミックスよりなり，電気的絶縁性を有している。この絶縁部材６０は，略円筒形状の挿入パイプ部６０１と，その軸方向中央において大径化されたツバ状の部分であって，軸方向の長さが１ｍｍのリング部６１を有している。
【００３１】
絶縁部材６０における挿入パイプ部６０１は，図１に示すごとく，センサハウジング４０の上記圧力導入室４４０及びアウターハウジング４００の圧力導入孔４４１に挿入できるよう構成されている。また，挿入パイプ部６０１には，アウターハウジング４００側とセンサハウジング４０側との間において，圧力計測対象である流体を自由に流通させることができるよう貫通穴６４を設けてある。
【００３２】
絶縁部材６０におけるリング部６１の軸方向の両表面であるセンサ当接面６３及びアウター当接面６２には，モリブデン−マンガンをメタライズし，その上にＮｉメッキを施した被膜が形成してある。なお，センサ当接面６３及びアウター当接面６２における被膜は，独立して形成されており，両者の間が電気的に接触しないようにしてある。
【００３３】
さらに，センサハウジング４０に挿入されたコネクタハウジング３０と，センサハウジング４０との間に形成される圧力室４２には，図１，図２に示すごとく，スペーサ７０が配設してある。
スペーサ７０の一方の面は，受圧面３２のうち，コネクタハウジング３０における挿入先端部３５１の端面に当接すると共に，他方の面は，上記のごとくシールダイヤフラム４３を保持するシールリング４３１に当接するよう構成されている。そして，スペーサ７０は，コネクタハウジング３０とセンサハウジング４０との間において，両者間の挿入方向の荷重を負担できるよう構成されている。
また，スペーサ７０は，シールダイヤフラム４３側と感圧素子２０側との間で，圧力伝達媒体を流通させることができるよう流通孔７１を有している。
【００３４】
上記のごとく構成されたコネクタハウジング３０とセンサハウジング４０とを組み立てて製造された圧力センサ１は，図１に示すごとく，コネクタハウジング３０を収容したセンサハウジング４０のカシメ部４１を内径方向に変形させ，挿入基部３５３に係合させることにより固定してある。
【００３５】
また，図２に示すごとく，コネクタハウジング３０とセンサハウジング４０とは，コネクタテーパ面３５２とセンサテーパ面４５２とを当接させて位置決めすると共に，この当接部に上記カシメ部４１（図１）をカシメることにより生ずる荷重を受け止める構造としてある。そのため，上記コネクタハウジング３０の先端面（受圧面３２）とスペーサ７０との間には所定の隙間が設けられている。
【００３６】
さらに，絶縁部材６０は，図１，図２に示すごとく，そのセンサ当接面６３とセンサハウジング４０の端面である取り付け面４６０とを銀ろうによるろう付けにより，センサハウジング４０に接合されている。さらにまた，絶縁部材６０のアウター当接面６２には，ろう付けによりアウターハウジング４００を接合してある。
そして，以上のごとく構成された圧力センサ１を用いて，圧力を計測するに当たっては，アウターハウジング４００のネジ部４４２により，被計測対象である流体を密閉する配管パイプ等に圧力センサ１を取り付ける。
【００３７】
本例の圧力センサ１は，図１に示すごとく，センサハウジング４０とアウターハウジング４００との間を絶縁する絶縁部材６０を有している。そのため，上記の配管パイプ等及びこの部材に当接するアウターハウジング４００と，センサハウジング４０との間を電気的に絶縁できる。それ故，アウターハウジング４００と感圧素子２０との間に電位差を生じた場合であっても，センサハウジング４０がアウターハウジング４００と等電位となることがない。そしてそれ故，センサハウジング４０と感圧素子２０との間に大きな電位差を生じることがない。
【００３８】
したがって，センサハウジング４０のシールダイヤフラム４３と，コネクタハウジング３０の受圧面３２との間に形成される圧力室４２において，その圧力室４２内の圧力伝達媒体に誘電分極を生じることがない。
このように，本例の圧力センサ１は，圧力室４２における圧力伝達媒体の誘電分極を抑制して，精度良く圧力計測を実施することができる。
【００３９】
なお，本例の圧力センサ１における外部と隔離された圧力室４２に代えて，上記シールダイヤフラム４３を廃し，外部に開放した圧力室４２としてもよい。この場合には，圧力計測対象である流体が，直接上記感圧素子２０のセンサダイヤフラム（図示略）に作用することとなる。
【００４０】
次に，絶縁部材６０におけるリング部６１の軸方向の長さと，絶縁部材６０の静電容量及び圧力伝達媒体に印加される電圧との関係を図３及び図４を用いて説明する。
図３は，横軸にリング部６１の長さを，縦軸にリング部６１の静電容量を示している。また，図４は横軸にリング部６１の長さを示していると共に，縦軸には，アウターハウジング４００と感圧素子２０との間に１００ボルトの電位差を生じた場合における，圧力室４２の圧力伝達媒体に印加される電圧を示している。
【００４１】
図３，図４によれば，リング部６１の長さが長いほど，その静電容量が低く，圧力室４２における圧力伝達媒体に印加される電圧が低くなる傾向にあることが明白である。
そのため，圧力伝達媒体の誘電分極を抑制するという目的に対しては，リング部６１の長さは長いほど抑制効果を完全にすることができる一方，圧力センサ１の大型化を招来する。
【００４２】
センサが出力異常を発生しない印加電圧に押さえようとした場合，本実施例においては，リング部６１の長さを１ｍｍとすることにより，誘電分極の抑制効果を十分に得られると共に，圧力センサ１を必要以上に大型化することがない。
【００４３】
すなわち，リング部６１の長さを１ｍｍとすれば，アウターハウジング４００と感圧素子２０との間に１００ボルト程度の高電圧が生じた場合でも，センサハウジング４０と感圧素子２０との間の電位差をセンサが出力異常を発生しない程度に抑制でき，圧力室４２内における圧力伝達媒体の誘電分極を有効に抑制できる。
【００４４】
なお，上記メタライズ処理としては，本例のほか，Ｍｏ，Ｍｏ−Ｗ，Ｍｏ−Ｍｎ−Ｔｉを用いたメタライズ処理を採用することができ，さらには，メタライズ処理に代えて，セラミックフリット法，活性金属法，ＰＶＤ，ＣＶＤ法等の処理方法を適用することもできる。
さらに，絶縁部材６０は，本例に示す材質のほか，窒化珪素，炭化珪素などの各種セラミックス材料，ガラス，ＰＢＴ樹脂などの樹脂材料により作製することもできる。
【００４５】
（実施例２）
本例の圧力センサ１は，実施例１の圧力センサ１に基づいて，絶縁部材６０の取り付け方法を変更した例である。
本例の圧力センサ１における絶縁部材６０は，図５に示すごとく，略円筒形状のリング部６１と，このリング部６１と同軸上に連接すると共にアウターハウジング４００に挿入可能な挿入パイプ部６０１とを有している。
【００４６】
リング部６１は，その軸方向の両面に，センサハウジング４０と当接するセンサ当接面６３及び，アウターハウジング４００に当接するアウター当接面６２を有している。
そして，リング部６１における貫通穴６４の内周面には，後述するセンサハウジング４０におけるネジ部４０１と係合可能なよう構成された雌ネジ６４２を有している。
絶縁部材６０における挿入パイプ部６０１は，その外周面に雄ネジ６４１を有している。該雄ネジ６４１は，後述するアウターハウジング４００におけるネジ部４４４に係合可能なように構成されている。
【００４７】
また，絶縁部材６０におけるセンサ当接面６３及びアウター当接面６２は，シール面をなし，センサ当接面６３及びアウター当接面６２には，Ｏリング６２１，６３１が配設されている。該Ｏリング６２１，６３１は，アウターハウジング４００及びセンサハウジング４０と，絶縁部材６０との間において，圧力計測対象である流体を密閉できるよう構成されている。
なお，絶縁部材６０には，実施例１と同様，アウターハウジング４００側とセンサハウジング４０側との間において圧力伝達媒体を自由に流通させることができるよう貫通穴６４を設けてある。
【００４８】
センサハウジング４０は，絶縁部材６０におけるセンサ当接面６３と当接する取り付け面４６０から突出する略円筒形状のネジ部４０１を有している。このネジ部４０１は，絶縁部材６０における雌ネジ６４２と係合可能なように構成されている。
【００４９】
アウターハウジング４００は，その内周面に，絶縁部材６０における挿入パイプ部６０１の外周面に配設された雄ネジ６４１と係合可能なようにネジ部４４４を有している。
なお，その他の構成及び，作用効果については，実施例１と同様である。
絶縁部材６０は，本例のほか，さらに圧入，接着剤による接着等の接合方法により取り付けることもできる。
【００５０】
（実施例３）
本例の圧力センサ１は，実施例１の圧力センサ１に基づいて，センサハウジング４０の外表面に絶縁膜を配設した例である。
本例の圧力センサ１においては，図６に示すごとく，センサハウジング４０コネクタハウジング４０の外表面のうち，導電性を有する面にパリレンコート（ポリパラキシリレン）よりなる厚さ５μｍの絶縁膜４９を，ＣＶＤ法により形成してある。
【００５１】
本例の圧力センサ１１によれば，その外周面に水滴等が付着した場合であっても，センサハウジング４０とアウターハウジング４００とが電気的に接続されることがない。そのため，センサハウジング４０のシールダイヤフラム４３と感圧素子２０との間に電位差を生じることがなく，誘電分極を生じた圧力伝達媒体により圧力計測結果が影響を受けることもない。
【００５２】
このように本例の圧力センサ１は，粉塵や，水滴等が発生する環境にも適用しうる対環境性に優れたセンサである。
なお，その他の構成及び作用効果については，実施例１と同様である。
また，本例のコネクタハウジング３０は，ＰＰＳ樹脂よりなる電気的な絶縁性を有するものであるため，その外周面に絶縁膜を配設する必要がない。コネクタハウジング３０を，導電性を有する金属等により作製した場合には，その外周面に絶縁膜を配設することが好ましい。
【００５３】
なお，絶縁膜としては，本例による処理方法のほか，セラミックコーティング，絶縁塗料，各種絶縁コーティング等の処理により形成することもできる。
また，コネクタハウジング３０における導電性を有する外表面が，外部に露出している場合には，本例の圧力センサ１におけるセンサハウジング４０の外表面に形成した絶縁膜４９に加えて，コネクタハウジング３０の外表面に絶縁膜を形成することも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，圧力センサの構造を示す断面図。
【図２】実施例１における，圧力センサの圧力室近傍の構造を示す拡大説明図。
【図３】実施例１における，絶縁部材における接合部の長さと，接合部の静電容量との関係を示すグラフ。
【図４】実施例１における，絶縁部材における接合部の長さと，圧力室内の圧力伝達媒体に印加される電圧との関係を示すグラフ。
【図５】実施例２における，圧力センサの構造を示す断面図。
【図６】実施例３における，圧力センサの構造を示す断面図。
【符号の説明】
１．．．圧力センサ，
１２．．．シール層，
２０．．．感圧素子，
３０．．．コネクタハウジング，
３２．．．受圧面，
３４．．．ボンディングワイヤ，
４０．．．センサハウジング，
４３．．．シールダイヤフラム，
４６０．．．取り付け面，
４００．．．アウターハウジング，
５０．．．Ｏリング，
５１．．．バックアップリング，
６０．．．絶縁部材，
７０．．．スペーサ，
７１．．．流通孔，
６２．．．アウター当接面，
６３．．．センサ当接面，
６４．．．貫通穴，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a pressure sensor that measures pressure using a pressure-sensitive element.
[0002]
[Prior art]
The pressure sensor is a sensor using a pressure-sensitive element having a strain gauge formed on a silicon substrate and a diaphragm for pressure detection formed by precisely etching the silicon substrate. The pressure sensor measures the pressure by measuring the amount of strain of the diaphragm caused by the pressure using the strain gauge.
[0003]
In a pressure sensor comprising a connector housing having a pressure-receiving surface on which a pressure-sensitive element is disposed and a sensor housing, the pressure-sensitive element is housed in a pressure chamber between the connector housing inserted into the sensor housing and the sensor housing. It is configured to:
[0004]
[Problem to be solved]
However, the conventional pressure sensor has the following problems.
That is, in the above-described pressure sensor, if a potential difference is generated between the sensor housing or the connector housing and the pressure-sensitive element, dielectric polarization may occur in the medium in the pressure chamber. The medium in which the dielectric polarization has occurred may affect the pressure-sensitive element and cause an error in the pressure measurement.
[0005]
The present invention has been made in view of such a conventional problem, and has as its object to provide a pressure sensor with high pressure measurement accuracy.
[0006]
[Means for solving the problem]
The present invention includes a connector housing having a pressure-receiving surface on which a pressure-sensitive element is disposed, a sensor housing into which the connector housing is inserted, and a mounting portion for mounting to a counterpart member filled with a fluid whose pressure is to be measured. A pressure sensor having an outer housing connected to the sensor housing, and a pressure chamber formed between the sensor housing and the connector housing, wherein the pressure chamber contains the pressure-sensitive element.
The pressure sensor is characterized in that an insulating member for electrically insulating the outer housing and the sensor housing is provided between the outer housing and the sensor housing.
[0007]
The pressure sensor of the present invention has the insulating member between the outer housing and the sensor housing. Therefore, when the outer housing is attached to the mating member, the outer housing and the sensor housing can be electrically insulated. Therefore, even when a potential difference occurs between the outer housing and the pressure-sensitive element, the presence of the insulating member can prevent the potential of the sensor housing and the potential of the outer housing from becoming equal. Therefore, the potential difference between the sensor housing and the pressure-sensitive element can be suppressed.
[0008]
Therefore, in the pressure chamber formed between the connector housing and the sensor housing, dielectric polarization of the medium in the pressure chamber can be suppressed. The pressure sensor can always accurately measure the pressure by suppressing the dielectric polarization of the medium existing in the pressure chamber.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the pressure sensor according to the present invention, various methods can be used for attaching the insulating member to the outer housing and the sensor housing. For example, there are a screw connection method in which a male screw portion and a female screw portion provided at respective portions to be joined are engaged, and a method of bonding with an adhesive.
Further, the insulating member can be made of, for example, alumina-based ceramics, zirconia-based ceramics, PPS resin, or the like. Among them, it is particularly preferable to use alumina-based ceramics which have high pressure resistance at the contact portion with the housing and high mechanical strength.
[0010]
It is preferable that a distance between the sensor housing and the outer housing facing each other via the insulating member is 1 mm or more.
In this case, the sensor housing and the outer housing are reliably insulated, and the potential difference between the pressure-sensitive element and the sensor housing can be further suppressed. In addition, the dielectric polarization of the medium in the pressure chamber is suppressed, and the pressure measurement accuracy by the pressure sensor can be further improved.
On the other hand, if the distance between the sensor housing and the outer housing is less than 1 mm, dielectric polarization of the medium in the pressure chamber cannot be sufficiently suppressed, and a pressure measurement error may occur.
[0011]
The insulating member has a coating formed by metallizing a sensor contact surface that contacts the sensor housing and an outer contact surface that contacts the outer housing. Brazed to the sensor housing and the outer housing,
It is preferable that the coating applied to the sensor contact surface and the coating applied to the outer contact surface are electrically insulated (claim 3).
[0012]
In this case, the wettability of the sensor contact surface and the outer contact surface is improved by performing metallization on the sensor contact surface and the outer contact surface of the insulating member to form a coating. Can be. Therefore, the insulating member can be firmly brazed to the outer housing and the sensor housing.
[0013]
Further, the metallized coating applied to the sensor contact surface and the metallized coating applied to the outer contact surface are electrically insulated. Therefore, regardless of the metallization process performed on the surface of the insulating member, the insulation between the outer housing and the sensor housing can be reliably ensured.
[0014]
It is preferable that an insulating film for electrical insulation is provided on a conductive surface of the outer surfaces of the sensor housing and the connector housing.
In this case, even if water droplets or the like adhere to the outer peripheral surface of the pressure sensor, the outer housing and the sensor housing are reliably insulated from each other, and the sensor housing and the pressure-sensitive element are connected to each other. Can be suppressed.
[0015]
The sensor housing has a seal diaphragm, the pressure chamber is configured to be sealed by the seal diaphragm, and the pressure chamber is filled with a pressure transmitting medium. It is preferable (claim 5). In this case, for example, when the seal diaphragm is disposed so as to face the pressure-sensitive element, dielectric polarization of the pressure transmitting medium between the seal diaphragm and the pressure-sensitive element can be suppressed. The effect of the present invention is particularly high.
【Example】
(Example 1)
A pressure sensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, a pressure sensor 1 of the present invention includes a connector housing 30 having a pressure receiving surface 32 on which a pressure-sensitive element 20 is arranged, a sensor housing 40 into which the connector housing 30 is inserted, and a pressure measurement target. It has a mounting portion for mounting to a mating member filled with a certain fluid, and has an outer housing 400 connected to the sensor housing 40. The pressure-sensitive element 20 is housed in a pressure chamber 42 formed between the sensor housing 40 and the connector housing 30.
In the pressure sensor 1, an insulating member 60 is provided between the outer housing 400 and the sensor housing 40 to insulate them from each other. The details will be described below.
[0016]
As shown in FIGS. 1 and 2, the pressure sensor 1 of this embodiment is assembled by inserting a connector housing 30 having a terminal pin 10 and a pressure-sensitive element 20 into a sensor housing 40 having a seal diaphragm 43 and further insulating the sensor housing 40. This is a sensor in which the member 60 and the outer housing 400 are assembled.
[0017]
The pressure sensor 1 has a pressure chamber 42 sealed by a seal diaphragm 43 and isolated from a fluid whose pressure is to be measured. The pressure sensor 1 is configured so that the pressure of the fluid acting on the seal diaphragm 43 can be detected by the pressure-sensitive element 20 via a pressure transmission medium sealed in the pressure chamber 42.
The pressure-sensitive element 20 is formed by processing a silicon layer to form a strain gauge and by precisely etching a silicon substrate to form a sensor diaphragm.
[0018]
The connector housing 30 is integrally formed of a PPS resin by inserting the terminal pins 10 as described later, and is electrically connected to an insertion portion 35 inserted into the sensor housing 40 and a connector (not shown) of an external device. And a socket part 300 for performing the operation.
[0019]
The insertion portion 35 of the connector housing 30 has a substantially cylindrical insertion base 353 centered on an axis substantially parallel to the insertion direction, and a substantially columnar insertion tip 351 smaller in diameter than the insertion base 353. are doing. The connector taper surface 352 is provided between the insertion tip 351 and the insertion base 353.
[0020]
Further, the insertion distal end 351 is configured so that an O-ring 50 and a backup ring 51 for sealing the pressure chamber 42 can be disposed on the outer peripheral surface thereof. A ring groove 350 for disposing the backup ring 50 and the backup ring 51 is provided.
Note that the ring groove 350 of this example has an incomplete groove shape having no wall surface in the insertion direction, and is configured so as to be formed in combination with the inner surface of the sensor housing 40 as described later. is there.
[0021]
The socket section 300 is configured so that a connector provided with electrodes for electrically connecting to an external device can be inserted therein, and inside the socket section 300, one of the terminal pins 10 is provided. End is projected. Each terminal pin 10 is configured to be in electrical contact with each electrode of the connector inserted into the socket 300.
[0022]
As shown in FIG. 2, the other end of the terminal pin 10 is exposed on the pressure receiving surface 32, which is the end face in the insertion direction of the connector housing 30, and the pressure-sensitive element 20 is arranged.
There are three terminal pins 10 for power supply, ground, and signal output. These terminal pins 10 are all inserted so that they penetrate the connector housing 30 from the socket portion 300 to the pressure receiving surface 32. It is integrally disposed in the connector housing 30 by molding.
[0023]
The boundary between each terminal pin 10 exposed on the pressure receiving surface 32 and the PPS resin is sealed by the sealing layer 12 made of a silicone-based sealing material, so that the pressure chamber 42 can be kept airtight.
Each terminal pin 10 is electrically connected to each other by a pressure-sensitive element 20 and a bonding wire 34 as shown in FIGS.
[0024]
The sensor housing 40 is made of stainless steel and, as shown in FIG. 1, a recess 45 for inserting the insertion portion 35 on the connector housing 30 side of the seal diaphragm 43 and a state where the insertion portion 35 is inserted in the recess 45. And a caulking portion 41 that engages with the insertion portion 35.
[0025]
As shown in FIGS. 1 and 2, the concave portion 45 in the sensor housing 40 includes a first concave portion 451 that forms a substantially cylindrical inner peripheral surface into which the insertion tip 351 is inserted, and a substantially cylindrical shape into which the insertion base 353 is inserted. And a second concave portion 453 having a shape. A sensor tapered surface 452 is provided between the second concave portion 453 and the first concave portion 451.
[0026]
The angle R (see FIG. 2) between the sensor taper surface 452 and the insertion direction is set to 25 degrees so that the O-ring 50 provided at the insertion tip 351 of the connector housing 30 can be smoothly inserted into the first recess 451. It has been set.
As shown in FIG. 2, the seal diaphragm 43 is disposed on the bottom surface of the recess 45 substantially perpendicular to the insertion direction with the outer peripheral portion held by the seal ring 431. The seal diaphragm 43 is laser-welded to the sensor housing 40 together with the seal ring 431, and is provided with a welded portion 435 reaching the sensor housing 40, thereby being firmly fixed to the sensor housing 40.
[0027]
Further, as shown in FIG. 1, the sensor housing 40 has a pressure introduction chamber 440 for introducing a fluid as a pressure measurement target on the measurement environment 44 side of the seal diaphragm 43 and an insulating surface on the side opposite to the connector housing 30. And a mounting surface 460 for brazing the member 60.
[0028]
As shown in FIG. 1, the outer housing 400 is a joint member made of a copper-based alloy (brass) for attaching the pressure sensor 1 to a pipe or the like that seals a fluid to be measured. The outer housing is a substantially cylindrical member. At one end in the axial direction, a mounting portion 448 having a screw portion 442 for mounting to the above-mentioned pipe or the like is provided on an inner peripheral surface thereof. Have.
[0029]
Further, on the other end surface of the outer housing 400, a mounting surface 640 for mounting the insulating member 60 is provided. The outer housing 400 is provided with a pressure introduction hole 441 for introducing a fluid whose pressure is to be measured on the sensor housing 40 side.
[0030]
As shown in FIGS. 1 and 2, the insulating member 60 is made of alumina ceramics and has electrical insulation. This insulating member 60 has a substantially cylindrical insertion pipe portion 601 and a ring-shaped portion 61 which is a flange-shaped portion having a large diameter at the center in the axial direction and having an axial length of 1 mm. .
[0031]
As shown in FIG. 1, the insertion pipe 601 of the insulating member 60 is configured to be inserted into the pressure introduction chamber 440 of the sensor housing 40 and the pressure introduction hole 441 of the outer housing 400. Further, the insertion pipe portion 601 is provided with a through hole 64 between the outer housing 400 side and the sensor housing 40 side so that a fluid to be subjected to pressure measurement can be freely circulated.
[0032]
The sensor contact surface 63 and the outer contact surface 62, which are both surfaces in the axial direction of the ring portion 61 of the insulating member 60, are provided with a metallized molybdenum-manganese film and a Ni-plated coating thereon. . The coatings on the sensor contact surface 63 and the outer contact surface 62 are formed independently of each other so that they do not come into electrical contact with each other.
[0033]
Further, a spacer 70 is provided in the pressure chamber 42 formed between the connector housing 30 inserted into the sensor housing 40 and the sensor housing 40, as shown in FIGS.
One surface of the spacer 70 comes into contact with the end surface of the insertion end portion 351 in the connector housing 30 of the pressure receiving surface 32, and the other surface comes into contact with the seal ring 431 holding the seal diaphragm 43 as described above. It is configured. The spacer 70 is configured to bear a load in the insertion direction between the connector housing 30 and the sensor housing 40.
The spacer 70 has a flow hole 71 between the seal diaphragm 43 side and the pressure-sensitive element 20 side so that a pressure transmission medium can flow.
[0034]
As shown in FIG. 1, the pressure sensor 1 manufactured by assembling the connector housing 30 and the sensor housing 40 configured as described above deforms the caulking portion 41 of the sensor housing 40 housing the connector housing 30 in the radial direction. , Are fixed by engaging with the insertion base 353.
[0035]
As shown in FIG. 2, the connector housing 30 and the sensor housing 40 are positioned by bringing the connector taper surface 352 and the sensor taper surface 452 into contact with each other, and the caulking portion 41 (FIG. 1) is provided at the contact portion. It has a structure to receive the load generated by caulking. Therefore, a predetermined gap is provided between the distal end surface (pressure receiving surface 32) of the connector housing 30 and the spacer 70.
[0036]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the insulating member 60 has its sensor contact surface 63 and the mounting surface 460, which is the end surface of the sensor housing 40, joined to the sensor housing 40 by brazing with silver solder. . Furthermore, the outer housing 400 is joined to the outer contact surface 62 of the insulating member 60 by brazing.
In measuring pressure using the pressure sensor 1 configured as described above, the pressure sensor 1 is attached to a pipe or the like that seals a fluid to be measured by the screw portion 442 of the outer housing 400.
[0037]
As shown in FIG. 1, the pressure sensor 1 of the present embodiment has an insulating member 60 that insulates between the sensor housing 40 and the outer housing 400. Therefore, the sensor housing 40 can be electrically insulated from the above-described piping pipe or the like and the outer housing 400 abutting on this member and the sensor housing 40. Therefore, even when a potential difference occurs between the outer housing 400 and the pressure-sensitive element 20, the sensor housing 40 does not have the same potential as the outer housing 400. Therefore, a large potential difference does not occur between the sensor housing 40 and the pressure-sensitive element 20.
[0038]
Therefore, in the pressure chamber 42 formed between the seal diaphragm 43 of the sensor housing 40 and the pressure receiving surface 32 of the connector housing 30, dielectric polarization does not occur in the pressure transmission medium in the pressure chamber 42.
As described above, the pressure sensor 1 of the present embodiment can accurately measure the pressure by suppressing the dielectric polarization of the pressure transmitting medium in the pressure chamber 42.
[0039]
Note that, instead of the pressure chamber 42 isolated from the outside in the pressure sensor 1 of the present embodiment, the seal diaphragm 43 may be omitted and the pressure chamber 42 opened to the outside. In this case, the fluid whose pressure is to be measured directly acts on the sensor diaphragm (not shown) of the pressure-sensitive element 20.
[0040]
Next, the relationship between the axial length of the ring portion 61 of the insulating member 60, the capacitance of the insulating member 60, and the voltage applied to the pressure transmitting medium will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows the length of the ring 61 on the horizontal axis and the capacitance of the ring 61 on the vertical axis. FIG. 4 shows the length of the ring portion 61 on the horizontal axis and the pressure chamber 42 when a potential difference of 100 volts is generated between the outer housing 400 and the pressure-sensitive element 20 on the vertical axis. 3 shows the voltage applied to the pressure transmission medium.
[0041]
According to FIGS. 3 and 4, it is apparent that the longer the length of the ring portion 61, the lower its capacitance and the lower the voltage applied to the pressure transmitting medium in the pressure chamber 42.
Therefore, for the purpose of suppressing the dielectric polarization of the pressure transmission medium, the longer the length of the ring portion 61 is, the more the suppression effect can be completed, but the size of the pressure sensor 1 is increased.
[0042]
In the present embodiment, when the sensor is intended to hold down the applied voltage at which no abnormal output occurs, the effect of suppressing the dielectric polarization can be sufficiently obtained by setting the length of the ring portion 61 to 1 mm. Does not become unnecessarily large.
[0043]
That is, if the length of the ring portion 61 is 1 mm, even if a high voltage of about 100 volts is generated between the outer housing 400 and the pressure-sensitive element 20, the distance between the sensor housing 40 and the pressure-sensitive element 20 can be increased. The potential difference can be suppressed to the extent that the sensor does not cause output abnormality, and the dielectric polarization of the pressure transmitting medium in the pressure chamber 42 can be effectively suppressed.
[0044]
As the above-mentioned metallizing process, a metallizing process using Mo, Mo-W, Mo-Mn-Ti can be adopted in addition to the present example. Processing methods such as a metal method, PVD, and CVD method can also be applied.
Further, the insulating member 60 can be made of various ceramic materials such as silicon nitride and silicon carbide, glass, and resin materials such as PBT resin, in addition to the materials shown in this embodiment.
[0045]
(Example 2)
The pressure sensor 1 of the present embodiment is an example in which the method of attaching the insulating member 60 is changed based on the pressure sensor 1 of the first embodiment.
As shown in FIG. 5, the insulating member 60 of the pressure sensor 1 of the present embodiment includes a substantially cylindrical ring portion 61 and an insertion pipe portion 601 which is coaxially connected to the ring portion 61 and can be inserted into the outer housing 400. have.
[0046]
The ring portion 61 has a sensor contact surface 63 that contacts the sensor housing 40 and an outer contact surface 62 that contacts the outer housing 400 on both surfaces in the axial direction.
The inner peripheral surface of the through hole 64 in the ring portion 61 has a female screw 642 configured to engage with a screw portion 401 in the sensor housing 40 described later.
The insertion pipe portion 601 of the insulating member 60 has a male screw 641 on its outer peripheral surface. The male screw 641 is configured to be able to engage with a screw portion 444 of the outer housing 400 described later.
[0047]
The sensor contact surface 63 and the outer contact surface 62 of the insulating member 60 form a sealing surface, and the sensor contact surface 63 and the outer contact surface 62 are provided with O-rings 621 and 631. The O-rings 621 and 631 are configured to be able to hermetically seal a fluid whose pressure is to be measured between the outer housing 400 and the sensor housing 40 and the insulating member 60.
As in the first embodiment, a through hole 64 is provided in the insulating member 60 so that the pressure transmission medium can freely flow between the outer housing 400 side and the sensor housing 40 side.
[0048]
The sensor housing 40 has a substantially cylindrical screw portion 401 protruding from a mounting surface 460 in contact with the sensor contact surface 63 of the insulating member 60. The screw portion 401 is configured to be able to engage with the female screw 642 of the insulating member 60.
[0049]
The outer housing 400 has a screw portion 444 on an inner peripheral surface thereof so as to be able to engage with a male screw 641 provided on the outer peripheral surface of the insertion pipe portion 601 in the insulating member 60.
The other configuration and operation and effect are the same as in the first embodiment.
The insulating member 60 can be attached by a joining method such as press-fitting, bonding with an adhesive or the like in addition to the present example.
[0050]
(Example 3)
The pressure sensor 1 of this embodiment is an example in which an insulating film is provided on the outer surface of the sensor housing 40 based on the pressure sensor 1 of the first embodiment.
In the pressure sensor 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 6, a 5 μm thick insulating film 49 made of parylene coat (polyparaxylylene) is formed on the conductive surface of the outer surface of the sensor housing 40. Is formed by the CVD method.
[0051]
According to the pressure sensor 11 of the present embodiment, the sensor housing 40 and the outer housing 400 are not electrically connected even when water droplets or the like adhere to the outer peripheral surface. Therefore, a potential difference does not occur between the seal diaphragm 43 of the sensor housing 40 and the pressure-sensitive element 20, and the pressure measurement result is not affected by the pressure transmitting medium having the dielectric polarization.
[0052]
As described above, the pressure sensor 1 of the present embodiment is a sensor excellent in environmental friendliness that can be applied to an environment where dust, water droplets, and the like are generated.
The other configuration and operation and effect are the same as in the first embodiment.
In addition, since the connector housing 30 of the present embodiment has electrical insulation properties made of PPS resin, it is not necessary to provide an insulating film on the outer peripheral surface. When the connector housing 30 is made of a conductive metal or the like, it is preferable to provide an insulating film on the outer peripheral surface.
[0053]
The insulating film can be formed by processing such as a ceramic coating, an insulating paint, and various insulating coatings, in addition to the processing method according to the present embodiment.
When the conductive outer surface of the connector housing 30 is exposed to the outside, in addition to the insulating film 49 formed on the outer surface of the sensor housing 40 of the pressure sensor 1 of this embodiment, the connector housing 30 It is also effective to form an insulating film on the outer surface of the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pressure sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is an enlarged explanatory view showing a structure near a pressure chamber of the pressure sensor in the first embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the length of a joint in an insulating member and the capacitance of the joint in Example 1.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a length of a joint portion in an insulating member and a voltage applied to a pressure transmission medium in a pressure chamber in the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pressure sensor according to a second embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a pressure sensor according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
1. . . Pressure sensor,
12. . . Sealing layer,
20. . . Pressure sensitive element,
30. . . Connector housing,
32. . . Pressure receiving surface,
34. . . Bonding wire,
40. . . Sensor housing,
43. . . Seal diaphragm,
460. . . Mounting surface,
400. . . Outer housing,
50. . . O-ring,
51. . . Backup ring,
60. . . Insulating material,
70. . . Spacer,
71. . . Distribution hole,
62. . . Outer contact surface,
63. . . Sensor contact surface,
64. . . Through hole,

Claims

A connector housing having a pressure-receiving surface on which a pressure-sensitive element is disposed, a sensor housing into which the connector housing is inserted, and a mounting portion for mounting to a counterpart member filled with a fluid to be pressure-measured; And a pressure chamber formed between the sensor housing and the connector housing, wherein the pressure chamber contains the pressure-sensitive element.
A pressure sensor, wherein an insulating member for electrically insulating between the outer housing and the sensor housing is provided between the outer housing and the sensor housing.

2. The pressure sensor according to claim 1, wherein a distance between the sensor housing and the outer housing that face each other via the insulating member is 1 mm or more.

In claim 1 or 2, the insulating member is formed by applying a metallizing process to a sensor contact surface contacting the sensor housing and an outer contact surface contacting the outer housing, respectively. Brazed to the sensor housing and the outer housing via a coating,
A pressure sensor, wherein the coating applied to the sensor contact surface and the coating applied to the outer contact surface are electrically insulated.

4. An insulating film according to claim 1, wherein an outer surface of said sensor housing and said connector housing has a conductive film on a surface having conductivity. Pressure sensor characterized by the above-mentioned.

The sensor housing according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor housing has a seal diaphragm, and the pressure chamber is configured to be sealed by the seal diaphragm, and is provided in the pressure chamber. Is a pressure sensor characterized by being filled with a pressure transmitting medium.