JP2005164270A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ケース内に設けられた圧力検出用のセンシング部と、測定圧力をセンシング部に導入するための圧力ポートとを備える圧力センサにおいて、簡単な構成にてセンシング部に異常な圧力が生じないようにする。
【解決手段】 ケース１０と、ケース１０内に設けられた圧力検出用のセンシング部２０と、センシング部２０から外方に延びる筒形状をなすとともに、先端部側にて被測定体Ｋ１に接続されて被測定体Ｋ１からの測定圧力をセンシング部２０に導入するための圧力ポート３０とを備える圧力センサにおいて、圧力ポート３０の先端部は閉塞されており、圧力ポート３０の側面には、圧力ポート３０の内径Ｄよりも穴径の小さい貫通穴３２が設けられており、貫通穴３２から測定圧力が導入されるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ケース内に設けられた圧力検出用のセンシング部と、測定圧力をセンシング部に導入するための圧力ポートとを備える圧力センサに関する。

図５は、この種の圧力センサの一般的な概略断面構成を示す図である。

図５において、ケース１０内には、圧力検出用のセンシング部としてのセンサ素子２１が設けられている。そして、ケース１０には、このセンサ素子２１から外方に延びる筒形状をなし被測定体からの測定圧力をセンサ素子２１に導入するための圧力ポート３０が形成されている。

ここで、センサ素子２１は、測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するもので、たとえばガラス台座２２に固定された半導体ダイアフラム式の圧力センサ素子とすることができる。

そして、圧力ポート３０は、その先端部側の部位にて被測定体に接続され、当該先端部に設けられている開口部から測定圧力を取り込んで、これをセンサ素子２１へ導入するようになっている。

ところで、上記図５に示されるような半導体圧力センサは、水やオイル等の液体の圧力を測定するのに用いられる。この場合、液体のサージ圧（いわゆるウオータハンマー）などの衝撃圧から、センシング部であるセンサ素子２１を保護する必要がある。

そのため、従来では、一般に、圧力ポートを迷路構造にしたり、圧力ポート内に発砲体を装着したりして、衝撃圧を緩和し、センシング部に異常な圧力が生じないようにしていた。しかしながら、このような構成では、部品形状が複雑になつたり、部品点数が増えたりし、コストアップになってしまうという問題があつた。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、ケース内に設けられた圧力検出用のセンシング部と、測定圧力をセンシング部に導入するための圧力ポートとを備える圧力センサにおいて、簡単な構成にてセンシング部に異常な圧力が生じないようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ケース（１０）と、前記ケース（１０）内に設けられた圧力検出用のセンシング部（２０）と、前記センシング部（２０）から外方に延びる筒形状をなすとともに、先端部側にて被測定体に接続されて前記被測定体からの測定圧力を前記センシング部（２０）に導入するための圧力ポート（３０）とを備える圧力センサにおいて、前記圧力ポート（３０）の先端部は閉塞されており、前記圧力ポート（３０）の側面には、前記圧力ポート（３０）の内径よりも穴径の小さい貫通穴（３２）が設けられており、前記貫通穴（３２）から前記測定圧力が導入されるようになっていることを特徴としている。

従来では、筒状の圧力ポートの先端部の開口部から測定圧力が直接導入されていたが、本発明では、圧力ポート（３０）の先端部は閉塞されており、測定圧力は、圧力ポート（３０）の先端部から側面に回り込んで、側面に設けられている小さい貫通穴（３２）から導入される。

そのため、測定圧力においてサージ等の異常な衝撃圧が生じても、この衝撃圧やそれによる圧力の脈動は緩和される。

つまり、本発明によれば、従来の圧力ポートに対して先端部を閉塞し、側面に小さな貫通穴を設けるという簡単な構成にて、衝撃圧を減衰させ、センシング部に異常な圧力が生じないようにすることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記貫通穴（３２）は複数個設けられていることを特徴としている。

このように貫通穴（３２）は複数個あっても良い。それによれば、１個の場合に比べて圧力の応答性を早くすることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の圧力センサにおいて、前記センシング部（２０）は、前記測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するセンサ素子（２１）と、前記センサ素子（２１）と前記圧力ポート（３０）との間に介在し前記測定圧力を前記センサ素子（２１）へ伝達するオイル（２３）とを備えてなるものであることを特徴としている。

このように、センシング部（２０）が、測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するセンサ素子（２１）と、センサ素子（２１）と圧力ポート（３０）との間に介在する圧力伝達媒体としてのオイル（２３）とを備えてなるものである場合、上記した衝撃圧やそれによる圧力の脈動の緩和作用が功を奏して、ケース（１０）からのオイル（２３）の抜けを防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態では、本発明を半導体圧力センサに具体化したものとして説明する。

本実施形態の半導体圧力センサは例えば、浴槽の給湯器における湯（または水）の流路に取り付けられ、当該流路内の圧力によって浴槽の水位を検出する水位センサ等に適用可能である。

図１は、本実施形態に係る圧力センサＳ１の概略断面構成を示す図であり、図２は、この圧力センサＳ１を被測定体Ｋ１に取り付けた状態を示す概略断面図である。

本圧力センサＳ１は、大きくは、ケース１０と、ケース１０内に設けられた圧力検出用のセンシング部２０と、このセンシング部２０から外方に延びる筒形状をなすとともに先端部側の部位にて被測定体Ｋ１に接続されて被測定体Ｋ１からの測定圧力をセンシング部２０に導入するための圧力ポート３０とを備えて構成されている。

ケース１０は、コネクタケース１１とセンサケース１２とが組み付けられて構成されたものである。これらコネクタケース１１とセンサケース１２とは、たとえば、両ケース１１、１２のどちらか一方に設けられた突起部を他方に設けられた穴部にはめ込んで係止させることにより結合する、いわゆるスナップフィットにより結合することができる。

これらコネクタケース１１およびセンサケース１２は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等のプラスチック材料、または、金属等を成型や切削等により加工してなるものである。

図１に示されるように、センサケース１２は、その一側にセンサ素子２１等が配設された開口部１２ａを有する。そして、センサケース１２には、この開口部２０ａの底面より反対側に延びる内孔が形成されており、この内孔に圧力伝達媒体としてのオイル２３が充填されている。

また、センサケース１２における開口部１２ａの底面には、その平坦部から凹んだ凹部１２ｂが形成され、この凹部１２ｂ内に、センサ素子２１がガラス等よりなる台座２２を介して固定されている。

センサ素子２１は、図示しないが、ピエゾ抵抗効果を有した半導体材料（例えば単結晶シリコン）よりなるダイアフラム上に複数個の拡散抵抗を形成して、これら拡散抵抗をブリッジ接続した構成となっており、このダイアフラムの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化を上記ブリッジ回路から電気信号として取り出すようになっている。つまり、センサ素子２１は測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するものである。

センサ素子２１と台座２２とはガラス接合等にて接着されており、この台座２２の内部には、上記オイル２３が充填されている内孔と連通する貫通孔が形成されている。本実施形態では、これらセンサ素子２１、台座２２およびオイル２３によりセンシング部２０が構成されている。

そして、センシング部２０に対して圧力ポート３０から導入される測定圧力は、上記オイル２３から台座２２の貫通孔を経て、センサ素子２１のダイアフラムに伝達されるようになっている。

また、凹部１２ｂ内にはガラス台座２２の貫通孔と、オイル２３が充填されている内孔との気密性を高めるために、シリコンゲルや樹脂接着剤等からなる封止剤２４が充填されている。

また、リード４０は、センサケース１２にインサート成形され、センサケース１２と一体化されている。このリード４０は、一般的なリードフレームの材料（例えばリン青銅に電解ニッケルめっきしたもの等）を採用することができる。

そして、このリード４０は、センサ素子２１の電気信号（出力）を外部へ取り出すための取り出し部を構成している。具体的には、リード４０は、コネクタケース１１におけるリード４０の周囲部とともに、外部端子に接続可能なコネクタ部を構成している。

そして、このコネクタ部は、一般のコネクタ部材の外部端子に対し嵌合等により接続可能となっている。このようにして、センサ素子２１の電気信号は、リード４０を介して外部へ取り出し可能となっている。

また、図１に示されるように、センサケース１２の開口部１２ａ内には、センサ素子２１からの出力信号を増幅するバイポーラトランジスタ素子等からなる増幅回路チップ５１、これらセンサ素子２１からの出力信号や増幅回路チップ５１の信号等を調整するＭＯＳトランジスタ素子等からなる調整回路チップ５２が、接着剤等により固定されている。

そして、これらセンサ素子２１、増幅回路チップ５１および調整回路チップ５２は、ワイヤボンディングにより形成された金やアルミニウム等よりなる複数本のワイヤ（図中、太線にて図示）５３により、適宜互いに電気的に接続されている。

なお、図示しないが、これらセンサ素子２１、増幅回路チップ５１および調整回路チップ５２とリード４０との間も、適宜ワイヤ５３により電気的に接続されている。そして、センサ素子２１からの電気信号（出力）は、これらワイヤ５３を通して、各チップ５１、５２及びリード４０から外部へ取り出されるようになっている。

ここにおいて、本圧力センサＳ１では、圧力ポート３０は、センサケース１２と一体に成形されたものであり、センシング部２０から外方に延びる筒形状をなしている。

そして、この圧力ポート３０は、被測定体Ｋ１からの測定圧力をセンシング部２０に導入するものであり、図２に示されるように、その先端部側の部位にて被測定体Ｋ１に接続されている。

なお、本圧力センサＳ１では、図示しないが、コネクタケース１１に、被測定体Ｋ１に固定するためのフランジ部が形成されており、このフランジ部を介してネジ締めする等により、圧力センサＳ１は被測定体Ｋ１に固定される。

ここで、被測定体Ｋ１は、たとえば、浴槽の給湯器における湯（または水）の流路であり、この流路Ｋ１に設けられたセンサ接続用の継ぎ手Ｋ２に、圧力ポート３０の先端部側の部位が挿入されている。圧力ポート３０と継ぎ手Ｋ２との間には、Ｏリングやガスケット等からなるシール部材Ｋ３が介在設定され、シールが行われている。

そして、本実施形態では、独自の構成として、圧力ポート３０の先端部は、閉塞部材３１によって閉塞されており、圧力ポート３０の側面には、圧力ポート３０の内径Ｄよりも穴径の小さい貫通穴３２が設けられており、この貫通穴３２から被測定体Ｋ１内を流れる流体の圧力すなわち測定圧力が導入されるようになっている。

ここで、閉塞部材３１は、樹脂や金属等からなるものであり、センサケース１２の作製時に同時に一体成形したり、センサケース１２を作製した後に、接着等により圧力ポート３０の先端部の開口部に固定して、当該開口部を密閉することにより、形成することができる。

また、圧力ポート３０の側面に形成されている貫通穴３２は、切削や型成形あるいはレーザ加工等により形成することができる。ここでは、圧力ポート３０の側面に４個の貫通穴３２が設けられているが、２個でもよく、少なくとも１個以上設けられていればよい。

圧力ポート３０の側面に１個の貫通穴３２が設けられている例を、本実施形態の変形例として図３に示しておく。また、圧力ポート３０の側面に２個の貫通穴３２が設けられている例を、本実施形態の変形例として図４に示しておく。

この貫通穴３２の穴径は、圧力ポート３０の内径にもよるが、たとえば圧力ポート３０の内径の１／５から１／１０程度の大きさとする。本例の場合は、圧力ポート３０の内径５ｍｍに対し貫通穴３２の穴径は０.８ｍｍ〜１ｍｍ程度である。

このような圧力センサＳ１は、たとえば、リード４０が一体化されたセンサケース１２に対して、上述のように、台座２２に接着されたセンサ素子２１、両回路チップ５１、５２を接着し、ワイヤボンディングを行い、そして、この状態のセンサケース１２をコネクタケース１１に結合することで、製造することができる。

かかる圧力センサＳ１は、たとえば、次のように相対圧センサとして作動する。被測定体Ｋ１としての給湯器における湯（または水）の流路内の圧力（測定圧力）は、圧力ポート３０の貫通穴３２からセンサ内に導入される。

導入された測定圧力は、オイル２３によって台座２２の貫通孔を経て、センサ素子２１のダイアフラムの裏面側に伝達される。一方、たとえば、コネクタケース１１の適所に大気と連通する穴（図示せず）を設けたり、両ケース１１、１２の隙間を利用する等によって、センサ素子２１のダイアフラムの表面は大気と連通して大気圧（基準圧）となっている。

そして、両面の圧力差によって当該ダイアフラムが歪んだとき、この歪みに基づく電気信号が発生する。この信号は、ワイヤ５３、各回路チップ５１、５２及びリード４０を経て、外部端子へ取り出される。そして、外部回路にて信号処理を行うことにより、流路内の圧力が相対圧として検出され、この圧力に応じて水位等を求めることが可能となっている。

ところで、本実施形態によれば、ケース１０と、ケース１０内に設けられた圧力検出用のセンシング部２０と、センシング部２０から外方に延びる筒形状をなすとともに、先端部側にて被測定体Ｋ１に接続されて被測定体Ｋ１からの測定圧力をセンシング部２０に導入するための圧力ポート３０とを備える圧力センサＳ１において、圧力ポート３０の先端部は閉塞されており、圧力ポート３０の側面には、圧力ポート３０の内径Ｄよりも穴径の小さい貫通穴３２が設けられており、貫通穴３２から測定圧力が導入されるようになっていることを特徴とする圧力センサＳ１が提供される。

従来では、上述したように、筒状の圧力ポートの先端部の開口部から測定圧力が直接導入されていたが、本実施形態では、圧力ポート３０の先端部は閉塞されており、測定圧力は、圧力ポート３０の先端部から側面に回り込んで、側面に設けられている小さい貫通穴３２から導入される。

そのため、測定圧力においてサージ等の異常な衝撃圧が生じても、この衝撃圧やそれによる圧力の脈動は緩和される。

つまり、衝撃圧による圧力波は、圧力ポート３０の先端部に直接印加されるが、圧力ポート３０の先端部は閉塞されているため、圧力波は、圧力ポート３０の側面の小さい貫通穴３２を通過しなけばならなく、そのためセンシング部２０においては、直接的に異常な圧力が生じない。

また、貫通穴３２を小さく絞ることで、流速を抑える役割もある。これにより、センシング部２０に加わる衝撃圧、流れ乱れ等の圧力を抑えることができる。

つまり、本実施形態によれば、従来の圧力ポートに対して先端部を閉塞し、側面に小さな貫通穴を設けるという簡単な構成にて、衝撃圧を減衰させ、センシング部に異常な圧力が生じないようにすることができる。

また、上述したように、貫通穴３２は複数個設けられていてもよい。貫通穴３２の数を変えることで圧力の応答性を変えられる。貫通穴３２が１個の場合、応答性は悪くなるが、複数個の場合は応答性はよくなる。これにより、圧力に敏感な特性が必要であれば、貫通穴３２の数をふやし応答性の向上に対応することができる。

また、本実施形態では、センシング部２０は、測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するセンサ素子２１と、センサ素子２１と圧力ポート３０との間に介在し測定圧力をセンサ素子へ伝達するオイル２３とを備えてなるものであることを特徴としている。

このように、センシング部２０が、測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するセンサ素子２１と、センサ素子２１と圧力ポート３０との間に介在する圧力伝達媒体としてのオイル２３とを備えてなるものである場合、上記した衝撃圧や圧力の脈動の緩和作用が功を奏して、センサケース１２からのオイル２３の抜けを防止することができる。

ここで、本実施形態の衝撃圧や圧力の脈動の緩和作用について、具体的な効果を述べておく。

上記図５に示される従来の圧力センサ、上記図３に示される貫通穴３２を１個持つ本実施形態の圧力センサ、および上記図４に示される貫通穴３２を２個持つ本実施形態の圧力センサについて、上記図２に示される取付状態にて、圧力ポート３０の先端に７０ｋＰａの衝撃圧を加えた。

このとき、センサ出力を、オシロスコープを用いて出力波形の大きさ（センサ出力の大きさ）と時間的な減衰の様子を調査した。

上述したように７０ｋＰａの衝撃圧を印加したとき、従来の圧力センサでは、センサ出力は５００ｍＶ、このセンサ出力が減衰して安定状態となるまでの時間（減衰時間）は７５０ｍｓｅｃであった。

それに対して、貫通穴３２を１個持つ本実施形態の圧力センサでは、センサ出力は１５０ｍＶ、減衰時間は２００ｍｓｅｃであり、貫通穴３２を２個持つ本実施形態の圧力センサでは、センサ出力は３００ｍＶ、減衰時間は１２０ｍｓｅｃであった。

このように、本実施形態の圧力センサは、従来の圧力センサに比べて、衝撃圧の影響が小さく、脈動の影響も少ないことが確認できた。さらに、貫通穴３２が多い方が衝撃圧の影響は受けやすいが、圧力の応答性が早いことが確認された。

以上述べてきたように、本発明は、ケース内に設けられた圧力検出用のセンシング部と、測定圧力をセンシング部に導入するための圧力ポートとを備える圧力センサにおいて、センシング部に直接、サージ等の衝撃圧が来ないように、圧力ポート先端を密閉し、圧力を伝達する小さな貫通穴をポート側面に設けることで衝撃圧や脈動を緩和したことを要部とするものであり、その他の細部については、上記実施形態に限定されず、適宜設計変更可能である。

本発明の実施形態に係る圧力センサの概略断面構成を示す図である。 図１に示される圧力センサを被測定体に取り付けた状態を示す概略断面図である。 圧力ポートの側面に１個の貫通穴が設けられている圧力センサの例を示す概略断面図である。 圧力ポートの側面に２個の貫通穴が設けられている圧力センサの例を示す概略断面図である。 従来の圧力センサの一般的な概略断面構成を示す図である。

符号の説明

１０…ケース、２０…センシング部、２１…センサ素子、２３…オイル、
３０…圧力ポート、３２…貫通穴。

Claims (3)

1. ケース（１０）と、
   前記ケース（１０）内に設けられた圧力検出用のセンシング部（２０）と、
   前記センシング部（２０）から外方に延びる筒形状をなすとともに、先端部側にて被測定体に接続されて前記被測定体からの測定圧力を前記センシング部（２０）に導入するための圧力ポート（３０）とを備える圧力センサにおいて、
   前記圧力ポート（３０）の先端部は閉塞されており、
   前記圧力ポート（３０）の側面には、前記圧力ポート（３０）の内径よりも穴径の小さい貫通穴（３２）が設けられており、
   前記貫通穴（３２）から前記測定圧力が導入されるようになっていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記貫通穴（３２）は複数個設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記センシング部（２０）は、前記測定圧力に応じたレベルの電気信号を出力するセンサ素子（２１）と、前記センサ素子（２１）と前記圧力ポート（３０）との間に介在し前記測定圧力を前記センサ素子（２１）へ伝達するオイル（２３）とを備えてなるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
   

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