JP2007513349A - 絶縁圧力変換器 - Google Patents

Abstract

圧力変換器（２）は、容器から流体を受ける中心開口部（２４）を有する担体（２０）を備える。感知金型（６）は、容器からの流体と相互作用するように構成された第１の側部を有する担体（２０）上に取り付けられる。ゲルは感知金型を担体に取り付ける。感圧回路は、流体に曝されない感知金型の第２の側部に形成されている。さらに、セラミック板（２８）が担体上に取り付けられ、感圧回路に電気接続する導電経路（５８）を有する。感圧回路以外の回路はまた、セラミック板（２８）上に取り付けられ、導電経路（５８）に電気接続されている。密封蓋（５２）は流体または他の外部要素が感知金型（６）の第２の側部に接触するのを防ぐように構成されており、蓋は第２の側部を囲む規定量を作り出す。

Description

本発明は、概して圧力変換器に関するものであり、より詳細には、中に圧抵抗感知金型が組み込まれた圧力変換器に関する。

圧抵抗系センサ、または感知金型は、マニホールド絶対圧力（ＭＡＰ）応用例、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム、低圧燃料測定応用例などを含む多くの応用例で圧力を測定するのに使用することができる。普通、これらの応用例では、流体が相互作用し、感圧回路および結線を有する感知金型の側部から測定が行われる。図１１は、従来技術で実施される感知金型１００の一例を示している。図示されているように、抵抗器１０１は圧抵抗シリコン基板１０２内に埋め込まれている。金属接触子１０４がまた、基板１０２内に埋め込まれ、抵抗器１０１の各端部に別に接続されている。仕切板１０６が、基板１０２および抵抗器１０１の上に配置されている。流体または他の媒体が図示する方向１０８に力を発生させると、仕切板１０６は撓み、基板１０２の結晶構造が変わり、抵抗器１０１によって検出される。金属接触子１０４に接続されたワイヤ１１０は、検出された力に対応して信号を伝達する。

感知金型１００が流体の効果を損なわないように保護するため、感知金型１１２の表面、およびあらゆる配線１１０、金属接触子１０４、仕切板１０６などを覆うように、ゲル（図示せず）が塗布される。ワイヤ１１０および金属接触子１０４は普通、大量の金を含んでいる、または金全体が白金に交換される。これらの方法は、感知金型１００、ワイヤ１１０、および接触子１０４を経時劣化から保護する。しかし、圧力媒体が腐食要素を含む場合に、問題が明らかになる。腐食要素は、ゲル内に浸透して、配線結合、金属接触子１０４、および感知金型１００を攻撃的に腐食させる。

感知金型１００を媒体に固定する従来の技術は、ガラスを基板１０２の裏側に形成する詳細な過程を必要とする。ガラス取付技術は感知金型１００をしっかり固定し、取付完全性は広い圧力範囲にわたって一定している。しかし、シリコン感知要素へのガラス取付は、複雑性により費用および製造時間を不必要に増加させ、これはガラス取付の完全な動作範囲において動作しない感圧応用例においては望ましくない。

したがって、感知金型に結合された回路を圧力媒体と外部環境から保護しながら、あまり複雑でなくあまり費用のかからない取付技術の必要がある。

これらおよび他の需要は、容器から流体を受ける中心開口部を有する担体を備える圧力変換器を提供する開示の特定の実施形態によって満たされる。感知金型は担体上に取り付けられ、容器からの流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有する。感圧回路は、感知金型の第２の側部に形成される。特定の実施形態では、ゲルは感知金型を担体に取り付けるように、第１の側部と担体の間に結合を形成する。

開示の他の態様によれば、圧力変換器は容器から流体を受ける中心開口部を有する担体を備えている。感知金型は、容器から受けた流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有する担体上に取り付けられる。感圧回路は、感知金型の第２の側部に形成される。密封蓋は、流体または他の外部要素を少なくとも感知金型の第２の側部と接触するのを防ぐように位置決めされている。

さらに他の態様では、容器から流体を受ける中心開口部を有する担体を備えた圧力変換器が提供される。感知金型は担体上に取り付けられ、容器から受けた流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有する。感圧回路は、感知金型の第２の側部に形成される。セラミック板は担体上に取り付けられ、感圧回路を外部回路に電気接続させる導電経路を有する。

別の態様によれば、圧力変換器は容器から流体を受ける中心開口部を有する担体を備えている。感知金型は、容器から受けた流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有する担体上に取り付けられる。ゲルは感知金型を担体に取り付ける。感圧回路は、感知金型の第２の側部に形成される。さらに、セラミック板が担体上に取り付けられ、感圧回路を電気接続させる導電経路を有する。感圧回路以外の結合された回路がまた、セラミック板上に取り付けられ、導電経路に電気接続されている。密封蓋は、流体または他の外部要素が少なくとも感知金型の第２の側部と接触するのを防ぐ。

本発明の前述および他の特徴、態様および利点は、添付の図面と合わせて、本発明の以下の詳細な説明からより明らかになるだろう。

図１は、圧力変換器２およびその格納容器の断面図である。圧力変換器２は、圧抵抗感知金型（感知金型）６を使用して、容器４内に入れられた流体の圧力を感知する。容器４は流体が中を流れる管、流体を入れた容器、またはあらゆる他のタイプの流体格納容器であってもよい。さらに、流体は液体、気体、または他の状態であってもよい。圧力変換器２は、感知金型６に作用する力を感知することによって流体圧力を測定する。

従来、圧力は抵抗器回路および金属接触子を保持する、感知金型の側部から感知される。しかし、図示した配置では、流体の圧力は感知金型６の第１の側部１０、すなわちそれまたは抵抗器（図示せず）および金属接触子７と反対の側部に作用する。抵抗器および金属接触子７は、第１の側部と反対側に形成される必要はなく、容器からの流体に曝されていない側に形成される。特に、流体は流れ矢印５で示すように、ハウジング開口部１４および担体開口部２４を通して容器４から感知金型６の第１の側部１０に流れる。圧力の変化により、感知金型６の結晶構造の変化が生じ、容器４に入れられた流体の圧力を測定するように結合された回路によって検出および処理される。結合された回路は普通、以下に詳細に説明するＡＳＩＣ ５６と、抵抗器および金属接触子７と、配線４６と、導電経路５８などとを備えている。

感知金型６の第２の側部８上に配置された抵抗回路および金属接触子７は、流体とのあらゆる相互作用から隔離される。第２の側部８への流体接触は感知金型６を劣化させる傾向があるので、劣化は最小限に抑えられ、効率がこのような配置によって増加する。

ハウジング１２は、感知金型６および結合された回路用のハウジング格納領域１８を備えている。ハウジング１２はまた、ネック部１６を通して延びるハウジング開口部１４を備えている。ハウジング１２は、容器４内に延びるネック１６で容器４に取り付けられ、それによってハウジング１２を容器４に流体結合させる。その結果、流体はハウジング開口部１４を通してハウジングのネック１６に入ることができる。しかし、流体がハウジング格納領域１８に入り、結合された回路と相互作用することは望ましくない。

図２は、感知金型６の第１の側部１０とのみ相互作用するように流体流を絞るまたは制限するように配置され、流体がハウジング格納領域１８に入るのを防ぐ担体２０の拡大図を示す。担体２０は、中心開口部２４を備えたネック部２２を有する。担体のネック２２の外側寸法は、ハウジングのネック１６のハウジング開口部１４の内側寸法より僅かに小さい。担体２０は、ハウジングのネック１６内に延びる担体のネック２２でハウジング１２に含まれる。この配置により、容器４からハウジング開口部１４および担体開口部２４への流体流が絞られる。担体２０をハウジング１２にしっかり取り付けるため、ゲルまたはエポキシ２６は、ハウジング１２および担体２０が相互作用する領域に塗布される。塗布されると、ゲルまたはエポキシ２６は、担体２０をハウジング１２に永久的に取り付け、密封するように硬化される。硬化したゲル２６はさらに、流体が格納領域１８に入るのを防ぐ。有利には、圧力媒体４からの流体は担体開口部２４を通って流れるだけであり、ハウジング格納領域１８には入らず、感知金型６の第２の側部８および結合された回路に影響を与える。

担体２０は、感知金型６およびセラミック板２８を支持し、結合された回路を保持する。図３は、担体２０、およびその上の感知金型６の配置の斜視図である。図４は、セラミック板２８の斜視図である。図５は、セラミック板２８および担体２０上に配置された感知金型６の斜視図である。図３を参照すると、担体２０はセラミック板２８を支持すると共に、担体のネック２２に垂直で平らな表面３０を有する。担体開口部２４と一致する平らな表面３０の中心の持ち上げられた表面３２は、感知金型６を支持する。すなわち、担体開口部２４は担体のネック２２を通して、感知金型６が取り付けられる持ち上げられた表面３２の開口まで延びる。図示した例示的な実施形態では、持ち上げられた表面３２は感知金型６の周囲寸法ｌ_２、ｗ_２に対応する周囲寸法ｌ_１、ｗ_１を有する。さらに、持ち上げられた表面３２の高さｈ_１は、図４に示すようにセラミック板２８の厚さｈ_２とほぼ同じであってもよい。

セラミック板２８は、持ち上げられた表面３２の周囲寸法ｌ_１、ｗ_１、ｈ_１に対応する周囲寸法ｌ_３、ｗ_３、ｈ_３を有する、そこを通して延びる開口部４０を有する。したがって、セラミック板２８が図５に示すように担体２０に取り付けられると、ほぼ平らな表面３１はセラミック板２８および担体２０の持ち上げられた表面３２によって形成される。有利には、セラミック板２８は、以下に説明する感知金型６と担体２０の間の結合を妨げることなく、簡単に交換することができる。さらに、ゲルまたはエポキシ４１は、セラミック板２８を平らな表面３０に取り付けるように塗布および硬化することができる。

圧力変換器２は、担体２０への感知金型６の新たな取付を行う。従来の技術では、感知金型６の第１の側部１０上にガラスを形成する方法は、詳細な取付過程を利用する。本明細書で説明する圧力変換器２は従来のガラス取付に取って代わり、取付過程の複雑性をかなり小さくすると共に、製造費用を少なくする。ゲル４２は、担体２０に感知金型６を結合するのに使用される。ゲル４２の取付は、図６によく示されている。図示するように、ゲル４２は担体２０、より詳細には持ち上げられた表面３２と感知金型６の第１の側部１０の間の結合を形成する。ゲル４２は感知金型６の第１の側部１０に塗布され、感知金型６およびゲル４２はその後、担体開口部２４を覆う担体２０の持ち上げられた表面３２上に配置される。感知金型６の第１の側部１０は、担体開口部２４が占めているよりも大きい表面積を覆い、持ち上げられた表面３２上の担体開口部２４の周面に取付領域３３を提供する。ゲル４２は、感知金型６を担体２０に永久的に取り付けるために硬化される。担体２０をハウジング１２に取り付けるゲルまたはエポキシ２４と、セラミック板２８を担体２０に取り付けるゲル４１は、感知金型６の取付に使用される同じゲル４２であってもよい。しかし、当業者に知られている他の取付手段を利用することもできる。

ゲル４２は、ＴＲＡ−ＢＯＮＤの商標名でＮａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｒｃｈから市販されている。接着は、−４０から１５０℃の温度範囲、および−９６５２６．６から１０３４２１パスカル（−１４から１５ポンド／平方インチ、ＰＳＩ）の圧力範囲の間で最も優れており、同様の特徴を有するゲルまたはエポキシが使用に適していることもある。対応する範囲の外側の温度または圧力により、ゲル４２によって形成される結合が役に立たなくなり、それによって取付が切断される可能性がある。しかし、センサが記した温度および／または圧力範囲外で動作する場合に、結合が切断しないことを保証するのに、当業者に知られている他の固定方法を本設計で利用することができる。

別の独自の態様では、キャップまたはカバー５２（これ以降、「蓋５２」と呼ぶ）は、図１、２および７に示すように、感知金型６と結合された回路の両方を保護する。蓋５２は、セラミック板２８に密封されており、さらに大きな保護を保証する。密封シール５３は、当業者に知られている方法によって蓋５２とセラミック板２８の間に形成することができる。蓋５２はまた、セラミック板２８および蓋５２によって画定された容量５５を作り出す。液体または気体（例えば、空気）などの流体が、画定された容量５５に入れられている。

前述の方法で感知金型６および結合された回路を保護することによって、流体、気体などの圧力は、感知金型６の第１の側部１０および第２の側部８に作用する。これは、圧力が中で第２の側部から感知される従来の配置と対照的であり、感知金型の第１の側部が取り付けられる媒体は一定のままである基準点として働く。すなわち、第１の側部は中実構造に完全に取り付けられ、それによって唯一の圧力変化は第２の側部８と相互作用する流体からである。本配置では、感知金型６の両方の側部８、１０は流体、すなわち容器４からの流体および感知金型６の第２の側部８を囲む気体（例えば、空気）に曝されている。したがって、容器６に入れられた流体の測定圧力は感知金型６の第２の側部８を囲む気体の圧力に相対的なものである。感知金型６の第２の側部８を囲む気体は、基準点として働く。ほとんどの状況では、この基準点は１気圧である。しかし、周囲環境の高さおよび／または圧力の変化により、基準点の変化が生じ、流体の不正確な圧力測定が生じることがある。蓋を密封することによって、基準点は変化しない、すなわち圧力は変動しない。圧力変換器２の感知配置はしたがって、基準点が固定されているので、「絶対的装置」と考えることができる。

加えて、圧力変換器２は絶対的装置の代わりに、計測装置として働くように構成することができる。図７を参照すると、開口部５４および調節可能開口５６、すなわち弁５６を蓋５２内に配置することによって、感知金型６を囲む大気は、圧力変換器２に外側に作用する圧力により（調節可能開口５６が開いた時に）変動することが可能になる。調節可能開口５６は、閉じている時に完全な密封であるように設計されており、圧力変換器２を絶対的装置と計測装置の間で切り換えることが可能になる。調節可能開口５２は、当業者に普通知られている調節可能弁であってもよい。

図１、２および７に示すように、ＡＳＩＣ ５７および接続配線４６はまた蓋５２に含まれる。蓋５２とセラミック板２８の間の密封を保証するため、感知金型６とＡＳＩＣ ５７への電気接続は蓋５２を貫通しない。セラミック板２８は、ＡＳＩＣ ５７を感知金型６および周辺装置６５に接続するように、図８〜１０に示す導電経路５８を含む。特に、配線４６は感知金型６の金属接触子７とセラミック板２８上に形成された接触子６６の間を接続する。配線４６はまた、ＡＳＩＣ ５７と接触子６６の間を接続する。

導電経路５８は、図示した実施形態では信号バス伝達ラインを示す。導電経路５８の数は例示する目的だけであり、必要な電気回路および接続によって増減することができる。

セラミック板２８内に導電経路５８を形成するため、セラミック板２８は多層に製造されている。図１０を参照すると、第１の層６２および第２の層６４は、セラミック板２８を形成するように互いに結合されている。第１の層６２は、第１の層の一方の表面からもう一方の表面まで延びる第１の導電経路５９を有するように形成されている。第１の導電経路５９の第１の端部はそれぞれ、感知金型６およびＡＳＩＣ ５７に電気接続するようにそれぞれの接触子６６に接続する。第１および第２の層６２、６４が組み合わせられる場合、第１の導電経路５９の第２の端部は第２の導電経路６０のそれぞれの端部に接続する。

第２の層６４の表面には、第２の導電経路６０が形成される。第２の導電経路６０は、第２の層６４の表面に沿って、（図８に示す）周辺装置６５を接続させるように接触子６６に接続する縁部まで延びている。周辺装置６５は、電力、追加の処理などを供給することができる。

その結果、第１および第２の層６２、６４が組み合わせられると、第１および第２の導電経路５９、６０はそれぞれの端部で接続する。金属接触子６６は、配線４６および周辺装置６５に電気接続する。導電経路５８の配置は、説明したようなものに限らない。導電経路５８は、例えば蓋５２を貫通することなく感知金型６をＡＳＩＣ ５７および周辺装置６５に接続させるあらゆる方法で配置することができる。

再び図１を参照すると、導管３２はハウジング１２に接続する。導管は、圧力変換器２を周辺装置６５に電気接続させる電気接続を含んでいる。図示するように、電気接続３４はハウジング１２を貫通し、セラミック板２８に接続する。シール３６は、電気接続３４がハウジング１２を貫通するところに設けられる。電気接続は、電力を供給し、必要な信号などを伝達することができる。

蓋４０は、ハウジング１２の周面周りに形成された溝４２内に配置されている。ゲル１５はまた、密封を保証するようにこの溝４２内に提供される。計測装置としての動作中、絶対動作と計測動作を切り換えるため、調節可能弁は蓋４０内に設けられているべきである。

この設計では、感知金型６および結合された電子部品を備えた多数の担体２０は、上記の同じ構成を利用してハウジング１２内に配置することができる。この開示は、１つの感知金型構造に限らず、多数の構造を含むことができる。

上に示すように、ゲル４２を使用して感知金型６を取り付けることにより、従来のガラスを備えた感知金型６の取付と比べて必要な製造ステップが少なくなり、費用が少なくなる。さらに、感知金型６の第１の側部８から容器４に入れられた流体の圧力を感知することにより、配線４６、抵抗器および金属接触子７、および結合された回路を流体からの接触から隔離する。セラミック板２８に密封された蓋５２は、さらに流体との接触から感知金型６およびＡＳＩＣ ５７の回路を隔離し、圧力を感知する固定基準点を保証する。圧力変換器は、蓋５２および蓋４０内の調節可能開口５６と組み合わせて絶対状態または計測状態で動作することができる。セラミック板２８に含まれる導電経路５９、６０は、密封シール５３が犠牲にならず、電気接続への追加の保護を提供することを保証する。ハウジング１２および蓋４０はさらに、圧力変換器２を外的環境要因の影響または効果から隔離する。その結果、上記圧力変換器装置の耐用年数はかなり長くなる。

本発明を詳細に説明および図示したが、これは図示および例示するためだけのものであり、限定するものであると解釈するものではなく、本発明の範囲は頭記の特許請求の範囲の表現によってのみ限定されるものであることを明らかに理解されたい。

圧力変換器および格納容器の断面図である。 図１に示す圧力変換器の拡大断面図である。 担体および圧抵抗感知金型の斜視図である。 セラミック板の斜視図である。 セラミック板および担体上に取り付けられた感知金型の斜視図である。 図１および２に示すように、担体上に取り付けられた圧抵抗感知金型およびキャップの断面図である。 穴または調節可能開口を備えた蓋の断面図である。 導電経路を示す、セラミック板の断面図である。 導電経路を示す、セラミック板の表面図である。 導電経路を示す、セラミック板の斜視図である。 従来の圧抵抗感知金型を示す図である。

Claims (23)

1. 容器から流体を受ける中心開口部を有する担体と、
   前記容器から受けた前記流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有すると共に、前記担体上に取り付けられた感知金型と、
   前記流体に曝されていない前記感知金型の第２の側部に形成された感圧回路と、
   前記感圧回路を保護する非金属カバーとを備える圧力変換器。
2. 前記担体は、前記容器から前記中心開口部を通ってハウジングに入り、前記回路に接触する流体を制限するように位置決めおよび構成されたハウジング内に取り付けられている、請求項１に記載の圧力変換器。
3. 前記感知金型の前記第１の側部は、前記中心開口部の断面表面積と少なくとも同じ表面積を有し、前記中心開口部を覆うように前記担体上に位置決めされている、請求項１に記載の圧力変換器。
4. 容器から流体を受ける中心開口部を有する担体と、
   前記容器から受けた前記流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有すると共に、前記担体上に取り付けられた感知金型と、
   感知金型の前記第１の側部と前記担体の間に結合を形成するゲルとを備えた圧力変換器。
5. 前記担体は、ハウジングに入る流体を前記中心開口部に制限するように位置決めおよび構成されたハウジング内に取り付けられている、請求項４に記載の圧力変換器。
6. 前記感知金型の前記第１の側部は、前記中心開口部の断面積と少なくとも同じ表面積を有し、前記第１の側部と前記中心開口部の周面の間に形成された結合を有する、請求項４に記載の圧力変換器。
7. 容器から流体を受ける中心開口部を有する担体と、
   前記容器から受けた前記流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有する、前記担体上に取り付けられた感知金型と、
   前記感知金型の第２の側部に形成された感圧回路と、
   前記流体または他の外部要素が少なくとも前記感知金型の前記第２の側部と接触するのを防ぐように位置決めされた密封蓋とを備える圧力変換器。
8. 前記蓋は、前記圧力変換器に対して外側の圧力に相対する規定量の圧力の変動を可能にするように構成されている、請求項７に記載の圧力変換器。
9. 圧力の変動を可能にする第１の位置と、圧力の変動を防ぐ第２の位置の少なくとも２つの位置を有する前記蓋内に弁をさらに備える、請求項７に記載の圧力変換器。
10. 前記担体は、前記ハウジングに入る流体を前記中心開口部に制限するように位置決めおよび構成されているハウジング内に取り付けられている、請求項９に記載の圧力変換器。
11. 容器から流体を受ける中心開口部を有する担体と、
    前記容器から受けた前記流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有すると共に、前記担体上に取り付けられた感知金型と、
    前記流体に曝されない前記感知金型の第２の側部に形成された感圧回路と、
    前記感圧回路を外部回路に電気接続させる導電経路を支承すると共に、前記担体上に取り付けられたセラミック板とを備える圧力変換器。
12. 前記導電経路は、前記セラミック板内に形成され、前記感圧回路に電気接続する第１の組の接触子と、前記外部回路に電気接続する第２の組の接触子とを有する、請求項１１に記載の圧力変換器。
13. 前記セラミック板は少なくとも第１の層および第２の層を備え、前記第１の層は少なくとも前記感圧回路に電気接続された少なくとも第１の導電経路を備え、前記第２の層は前記第１の導電経路と接触する第２の導電経路を備える、請求項１１に記載の圧力変換器。
14. 前記第２の導電経路は、前記外部回路に電気接続する、請求項１３に記載の圧力変換器。
15. 前記第１の導電経路は、前記外部回路に電気接続する、請求項１３に記載の圧力変換器。
16. 前記第１の導電経路は前記第１の層の一方の側部から反対の側部まで通過し、前記第２の導電経路は前記第２の層の表面に沿って形成される、請求項１３に記載の圧力変換器。
17. 前記第１の層は前記第２の層に固定され、前記第２の導電経路は前記第１の層と第２の層の間に含まれる、請求項１６に記載の圧力変換器。
18. 前記流体または他の外部要素が前記感知金型の前記第２の側部に接触するのを防ぐように位置決めされ、密封された非金属蓋をさらに備える、請求項１１に記載の圧力変換器。
19. 前記担体は、ハウジングに入る流体を前記中心開口部に制限するように位置決めおよび構成されたハウジング内に取り付けられている、請求項１１に記載の圧力変換器。
20. 前記ハウジングの格納領域へのアクセス開口に密封された蓋をさらに備える、請求項１９に記載の圧力変換器。
21. 容器から流体を受ける中心開口部を有する担体と、
    前記容器から受けた前記流体と相互作用するように位置決めされた第１の側部を有する、前記担体上に取り付けられた感知金型と、
    前記担体に前記感知金型を取り付けるゲルと、
    前記流体に曝されない前記感知金型の第２の側部に形成された感圧回路と、
    前記感圧回路を電気接続させる導電経路を有すると共に、前記担体上に取り付けられたセラミック板と、
    前記流体または他の外部要素が、少なくとも前記感知金型の前記第２の側部に接触するのを防ぐように位置決めされた密封蓋とを備える圧力変換器。
22. 前記ゲルが、−４０から１５０℃の温度からの結合を保持する、請求項４に記載の圧力変換器。
23. 前記ゲルが、−９６５２６．６から１０３４２１パスカル（−１４から１５ポンド／平方インチ）からの結合を保持する、請求項４に記載の圧力変換器。

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