JP2013007606A - センサユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】信号ラインとフレームグランド間の寄生容量とそのバラツキを抑えてノイズの減衰を図る共に、高圧・高耐圧特性を備えるセンサユニットを実現する。
【解決手段】所定の厚さをもって対向する第１面および第２面を有するセラミック部材と、
前記第１面側に実装されたセンサ部と、
前記第２面側に固定配置された複数の金属ピンと、
前記セラミック部材を貫通して前記センサ部と前記金属ピンとを接続する複数の内部配線と、
前記第２面側の周端部に形成され、溶接により筐体と結合する金属部材と、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロセス制御における物理量測定のためのセンサユニットの改良に関するものである。本発明は、差圧・圧力伝送器のセンサユニット、更には、圧力容器および真空封止されたデバイス、素子またはその組み立て品に対しても有効に適用される。
図９は、差圧・圧力伝送器に適用された従来のセンサユニット１の構成例を示す断面図である。振動式のセンサ部１０は、中空部を持つ絶縁材の支持台２０上に固定されている。この支持台２０が、所定の厚さをもって対向する第１面３０ａおよび第２面３０ｂを有する金属ボディ３０の第１面３０ａ側に搭載されている。振動式差圧センサの構造と動作原理については、特許文献１および非特許文献１に詳細な技術開示がある。
金属ボディ３０は、その厚さ方向に複数の貫通穴３０ｃが形成されている。金属ボディ３０の第２面３０ｂ側からこの貫通穴３０ｃに挿入された複数の金属ピン４０は、支持台２０を貫通してセンサ部１０の所定端子に電気的に接続されている。金属ピン４０は、センサ部１０の入出力端子となっている。
金属ボディ３０の貫通穴３０ｃ内では、ガラス材５０により金属ピン４０と金属ボディ３０が封着されたハーメチック構造を有する。ガラス材５０の上下面には凹面状のメニスカス５０ａが形成されている。
センサ部１０の上部は、封液カプセル６０で覆われ、封液室Ｌが形成されている。封液カプセル６０はカップ状の金属キャップ７０で覆われ、この開口端部は、金属ボディ３０の第１面３０ａの周端部で溶接されている。
図１０は、センサユニットの筐体への接合関係を示す断面図である。図１０に示したセンサユニット１をＰ方向に筐体８０の穴８０ａに挿入し、金属ボディ３０の第２面３０ｂの周端部と筐体８０の穴８０ａの周端部とを溶接９０により接合固定し、筐体８０をフレームグランドＦＧに接続している。
特公平８−１０１６９号公報
NIKKEI ELECTRONICS 1988.6.27(No.450)P96-P97
図９、図１０に示した構成において、フレームグランドＦＧにノイズが印加された場合を考える。フレームグランドに印加されたノイズは、ガラス材５０による封着部分の寄生容量を介して、金属ピン４０へ入り、信号ラインへ伝わることになる。
図１１は、ノイズと寄生容量とセンサ部により形成される等価回路である。図１１（Ａ）は、電磁駆動のＨ型振動子よりなるセンサ部１０に、ノイズVniが印加された場合の等価回路である。Ch1およびCh2は金属ピン４０とフレームグランドＦＧ間の容量、R1〜R3は振動子抵抗、Vnoは出力ノイズ電圧を示す。出力ノイズVnoは差動増幅器Ｑに入力される。
図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）を簡略化した等価回路である。この等価回路におけるノイズの伝達特性G(s)は、（式１）で表される。
Figure 2013007606
図１１（Ｂ）は、ブリッジ回路構成になっているため、R1とR2，Ch1とCh2のバラツキが大きいときに、ノイズが伝わりやすくなることがわかる。R1とR2は、半導体プロセスにより形成されるため、バラツキを小さくすることができる。
一方で、Ch1とCh2のバラツキは、機械的な精度に依存するため、R1とR2のバラツキに比べて、大きくなる傾向がある。フレームグランドＦＧと金属ピン４０間の寄生容量Ｃhは、（式２）で表される。
Figure 2013007606
耐圧構造を確保する為、ガラス材５０による封着部における貫通穴３０ｃの径ｂと金属ピン４０の径ａの比は、b/a=2〜3となる。金属ピン４０(=信号ライン)とフレームグランドＦＧ間の寄生容量のバラツキは、封着径比b/a、封着長L、封着中心ズレの３項目になる。
図１２は、封着部の構成と寄生容量との関係を説明する特性図である。図１２（Ａ）は封着径比b/aによる寄生容量のバラツキ、図１２（Ａ）´は封着径比b/aによる感度のバラツキを示す。図１２（Ｂ）は封着長Lによる寄生容量のバラツキ、図１２（Ｂ）´は封着長Lによる感度のバラツキを示す。図１２（Ｃ）は封着中心ズレによる寄生容量のバラツキ、図１２（Ｃ）´は封着中心ズレによる感度のバラツキを示す。
図１３は、図１２の数値をまとめた寄生容量の測定値を示す表である。パラメータとしてガラス比誘電率ε=7、金属ボディのガラス挿入部穴径b=3mm、金属ピン径a=1mm、封着長
L=7mmとした場合、（式２）により寄生容量Ch=2.5pFと計算される。
バラツキについて実測値と計算値は一致している。平均値の差異については、封着径比は寸法管理が可能なのでバラツキの範囲内に収まり、封着中心ズレは感度が小さいので無視できる。封着長については、封着部にメニスカス５０ａが形成されるので高精度の寸法管理ができないことがバラツキの主要因である。
図１４は、寄生容量のバラツキΔCを（式１）に代入して、得られる従来構成例によるノイズ伝達特性G(s)の周波数特性を算出した結果を示す特性図である。図１４に示す通り、ΔCが大きくなるに従い、ノイズの影響を受けやすくなることがわかる。
本発明の目的の第１は、信号ラインとフレームグランド間の寄生容量とそのバラツキを抑えてノイズの減衰を図る共に、高圧・高耐圧特性を備えるセンサユニットを実現することにある。
本発明の目的の第２は、シールド構成を強化することにより、センサ部の電気的フローティング化を強化し、更にノイズの減衰を図ることにある。
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）所定の厚さをもって対向する第１面および第２面を有するセラミック部材と、
前記第１面側に実装されたセンサ部と、
前記第２面側に固定された複数の金属ピンと、
前記セラミック部材を貫通して前記センサ部と前記金属ピンとを接続する複数の内部配線と、
前記第２面側の周端部に形成され、溶接により筐体と接合する金属部材と、
を備えることを特徴とするセンサユニット。
（２）前記第１面側において前記センサ部を覆って前記セラミック部材の周縁部に固定された絶縁材キャップと、この絶縁材キャップの内壁面に形成された金属膜シールド部材とを備えることを特徴とする（１）に記載のセンサユニット。
（３）前記金属部材は、前記金属ピンと対向する内周壁にテーパー状切り欠き部が形成されていることを特徴とする（１）または（２）に記載のセンサユニット。
（４）前記セラミック部材を貫通する前記複数の内部配線の夫々を取り囲んで形成されたシールド部材を備えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のセンサユニット。
（５）前記複数の金属ピンの夫々を取り囲んで形成されたシールド部材を備えることを特徴とする（４）に記載のセンサユニット。
（６）前記セラミック部材を貫通する前記複数の内部配線の全体を囲んで形成されたシールド部材を備えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のセンサユニット。
（７）前記セラミック部材は多層セラミック部材で形成され、前記内部配線は、各多層セラミック部材間の貫通配線で接続されると共に、前記シールド部材は、各多層セラミック部材上に生成されたリング状の金属プリントを貫通配線で接続して形成されることを特徴とする（４）または（６）に記載のセンサユニット。
（８）記絶縁材キャップの内壁面に形成された前記金属膜シールド部材は、前記セラミック部材の側壁面の前記第２面側まで延長されていることを特徴とする（２）に記載のセンサユニット。
本発明によれば次のような効果を期待することができる。
（１）内部配線をもつセラミック部材１００の構成により、従来構造の金属ボディ３０と金属ピン４０を貫通穴３０Ｃ内で近接して配置させるガラス封着部に生ずる大きな寄生容量の発生を回避し、寄生容量を大幅に低減させてノイズ利得を低減させることができる。
（２）センサ部を覆ってセラミック部材の周縁部に固定された絶縁材キャップの内壁面に形成された金属膜シールド部材および内部配線や金属ピンのシールド構造の採用によるフローティング化により、信号ラインの寄生容量を小さく且つそのバラツキを抑えることが可能となり、ノイズ利得の低減に貢献することができる。
（３）内部配線をもつセラミック部材の採用により、ガラス封着部をもつ従来構造に比較して、高圧・高耐圧のセンサユニットを実現することができる。
本発明を適用したセンサユニットの一実施例を示す断面図である。 センサユニットの筐体への接合関係を示す断面図である。 本発明を適用したセンサユニットの他の実施例を示す断面図である。 本発明の効果を説明するノイズ伝達特性図である。 本発明を適用したセンサユニットの更に他の実施例を示す断面図である。 本発明を適用したセンサユニットの更に他の実施例を示す断面図である。 本発明を適用したセンサユニットの更に他の実施例を示す断面図である。 本発明を適用したセンサユニットの更に他の実施例を示す断面図である。 従来のセンサユニットの構成例を示す断面図である。 センサユニットの筐体への接合関係を示す断面図である。 ノイズと寄生容量とセンサ部により形成される等価回路である。 封着部の構成と寄生容量との関係を説明する特性図である。 図１２の数値をまとめた寄生容量の測定値を示す表である。 従来構成例によるノイズ伝達特性図である。
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用したセンサユニットの一実施例を示す断面図である。図９で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
センサ部１０と支持台２０の構成および封液カプセル６０は、図９に示した構成と同一である。本発明の構成上の特徴部は、所定の厚さをもって対向する第１面１００ａおよび第２面１００ｂを有するセラミック部材１００の第１面１００ａ側に支持台２０を介してセンサ部１０が実装されている。
セラミック部材１００の第２面１００ｂ側には、複数の金属ピン４０が固定されている。セラミック部材１００と支持台２０を貫通してセンサ部１０と金属ピン４０とを電気的に接続する複数の内部配線２００が設けられている。更に、第２面１００ｂ側の周端部にはリング状の金属部材３００が接合固定されている。
金属部材３００の材質としては、セラミック部材１００と膨張係数の近い低膨張材であるコバール（鉄、ニッケル、コバルト合金）の採用が有効である。コバールの膨張係数は、
６ｅ―６（２０℃〜１００℃）、セラミック（アルミナ）の膨張係数は、６ｅ―６（２０℃〜１００℃）である。セラミックとコバールの接合は一般的に行われている。
第１面１００ａ側においてセンサ部１０を覆ってセラミック部材１００の周縁部には、絶縁材キャップ４００が固定され、この絶縁材キャップの内壁面には、無電解メッキ処理などによる金属膜シールド部材５００が蒸着または塗装により形成されている。図示されていないが、この金属膜シールド部材５００は回路コモンに配線接続される。
図９に示す従来構成では、パラメータとして、ガラス材の比誘電率ε=7、金属ボディガラス挿入部穴径b=3mm、金属ピン径a=1mm、封着長L=7mmとした場合、寄生容量Chは、Ch=2.5pFと計算される。
一方、図１に示す本発明構成による貫通配線を持つセラミック部材１００は、ガラス封着構造と同レベルの耐圧構造を得る場合、パラメータは次のようになる。電極取出し部穴径A=9mm、ピン間隔B=3mm、セラミック部材１００の比誘電率ε=9とする。このようなパラメータによるセラミック部材１００とフレームグランドとなる金属部材３００間の寄生容量Ch’は、（２式）の計算でCh’=0.19pFとなる。
このような寄生容量のオーダーであると、フレームグランドとなる金属部材３００とセラミック部材１００間より、金属ピン４０とフレームグランドとなる金属部材３００間の大気の影響を受けるため、寄生容量は従来のガラス封着構造の１／１０程度となる。
図２は、センサユニットの筐体への接合関係を示す断面図である。図１０に示した従来の構成との相違は、筐体８０との溶接接合構造である。本発明では、金属部材３００の外周端部と筐体８０とを溶接９０で接合固体し、金属部材３００をフレームグランドＦＧ電位としている。
このように、貫通する内部配線２００を有するセラミック部材１００は、ハーメチック構造を有し、フレームグランドＦＧ電位から絶縁されている。従って、このセラミック部材１００上にセンサ部１０が実装されるセンサユニット１は、それ自身でフローティング構造となっている。
本発明で使用する、貫通した内部配線２００を有するセラミック部材１００としては、多層セラミック部材の採用が有効である。セラミック部材を貫通する内部配線２００は、各多層セラミック部材間の貫通配線で接続される。更に、セラミック部材１００内に形成されるシールド部材は、各多層セラミック部材上に生成されたリング状の金属プリントを貫通配線で接続して形成される。
図３は、本発明を適用したセンサユニットの他の実施例を示す断面図である。耐圧構造を考慮し、金属部材３００内周部にテーパー状切り欠き部３００ａを形成することにより、寄生容量をガラス封着構造の約１／２０にすることが可能である。
図４は、本発明の効果を説明するノイズ伝達特性図である。図１４に示した従来構成のノイズ伝達特性に比較し、寄生容量のバラツキが２桁小さくなることにより、伝達特性は４０ｄＢ減衰し、ノイズに対する脆弱性は大きく改善されていることが分かる。
図５乃至図８は、本発明を適用したセンサユニットの更に他の実施例を示す断面図であり、シールド構造の変形実施例を示す。
図５の実施例では、セラミック部材１００内を貫通する複数の内部配線２００の夫々を取り囲むシールド部材６００を備え、絶縁キャップ４００の内周面に形成された金属膜シールド５００とともに電気的に接続して回路コモンに接続し、フローティングされたセンサユニット１を実現している。
図６の実施例では、図５のシールド構造６００に加えて、このシールド構造を金属ピン４０の夫々に延長したシールド構造６００ａを備える。これによりセンサユニット１のフローティング効果をより向上させることができる。
図７の実施例では、セラミック部材１００を貫通する複数の内部配線２００の全体を囲んで形成されたシールド部材７００を備える。図７（Ａ）は、セラミック部材１００の第２面１００ｂ側に、金属部材３００の高さを超える延長絶縁材８００を接続し、内部配線２００をこの延長絶縁材を貫通させ、この延長部分の内部配線を含めてシールド部材７００を延長する。
このようなシールド構造により、金属ピン４０と金属部材３００間の寄生容量を低減させることができる。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示した延長絶縁材８００に代えてセラミック部材１００の延長部を備えるものであり、シールド効果は同一である。
図８実施例は、図７（Ａ）の変形であり、金属膜シールド部材５００をセラミック材１００の側面全体に延長した延長部５００ａにより、セラミック材１００内の内部配線２００をシールドし、セラミック材１００の第２面１００ｂ側でシールド部材７００に接続している。シールド効果は図７（Ａ）と同一である。
以上説明した実施例のセンサユニット１は、センサ部１０として差圧・圧力伝送器に適用される振動式のセンサを例示したが、これに限定されるものではなく、ジャンクション式温度センサを真空封止したデバイス等にも応用が可能である。
以上説明した実施例のセラミック材１００として多層セラミック部材を例示したが、これに限定されるものではなく、粉末セラミックを焼き固めて実現することもできる。この場合には、シールド部材６００、７００は金属円筒部材で構成される。
１ センサユニット
１０ センサ部
２０ 支持台
４０ 金属ピン
６０ 封液カプセル
８０ 筐体
９０ 溶接
１００ セラミック部材
１００ａ 第１面
１００ｂ 第２面
２００ 内部配線
３００ 金属部材
３００ａ テーパー状切り欠き部
４００ 絶縁材キャップ
５００ 金属膜シールド部材
６００ シールド部材
７００ シールド部材

Claims (8)

  1. 所定の厚さをもって対向する第１面および第２面を有するセラミック部材と、
    前記第１面側に実装されたセンサ部と、
    前記第２面側に固定された複数の金属ピンと、
    前記セラミック部材を貫通して前記センサ部と前記金属ピンとを接続する複数の内部配線と、
    前記第２面側の周端部に形成され、溶接により筐体と接合する金属部材と、
    を備えることを特徴とするセンサユニット。
  2. 前記第１面側において前記センサ部を覆って前記セラミック部材の周縁部に固定された絶縁材キャップと、この絶縁材キャップの内壁面に形成された金属膜シールド部材とを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサユニット。
  3. 前記金属部材は、前記金属ピンと対向する内周壁にテーパー状切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサユニット。
  4. 前記セラミック部材を貫通する前記複数の内部配線の夫々を取り囲んで形成されたシールド部材を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサユニット。
  5. 前記複数の金属ピンの夫々を取り囲んで形成されたシールド部材を備えることを特徴とする請求項４に記載のセンサユニット。
  6. 前記セラミック部材を貫通する前記複数の内部配線の全体を囲んで形成されたシールド部材を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサユニット。
  7. 前記セラミック部材は多層セラミック部材で形成され、前記内部配線は、各多層セラミック部材間の貫通配線で接続されると共に、前記シールド部材は、各多層セラミック部材上に生成されたリング状の金属プリントを貫通配線で接続して形成されることを特徴とする請求項４または６に記載のセンサユニット。
  8. 前記絶縁材キャップの内壁面に形成された前記金属膜シールド部材は、前記セラミック部材の側壁面の前記第２面側まで延長されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサユニット。
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