JP2020187046A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】導圧路の確保と高強度接着構造とを両立させることが可能な圧力センサを提供する。【解決手段】センサダイアフラム１３と、センサダイアフラム１３に接合される圧力室形成部材１２に設けられ、センサダイアフラム１３によって開口部が閉塞される凹部１５および凹部１５に開口する貫通孔１６（孔）とを備える。一端部が凹部１５に露出するように貫通孔１６に挿入されて接着剤２２によって接着された導圧パイプ２１と、凹部１５内と導圧パイプ２１内とに充填された圧力伝達媒体とを備える。導圧パイプ２１の一端部の周囲に空間Ｓが設けられ、導圧パイプ２１の一端部には接着剤２２が存在しない。【選択図】 図２

Description

本発明は、圧力センサに関する。

導圧孔に細管が挿入固定される圧力センサに関する技術が開発されている。上記技術としては、例えば特許文献１に記載の技術が挙げられる。

特開２０１７−１１６４５６号公報

例えば特許文献１に記載の技術を用いることによって、耐圧性能の向上と熱応力緩和とを同時に実現可能とすることができる。ここで、特許文献１に記載の技術を用いる場合、細管が接着剤によって導圧孔の内壁面に接合される。また、例えば細管が特許文献１において例示されているような超小径パイプである場合には、毛細管現象が生じることによって、接着剤が導圧孔を這い上がる可能性がある。そして、毛細管現象が生じた結果、接着剤により細管が塞がれることが生じると、導圧路が塞がれてしまい、圧力センサは正確に圧力を測定できなくなる。

上記のように接着剤により導圧路が塞がれることを防止するためには、毛細管現象が生じることがないように孔壁面（特許文献１に記載の導圧孔の内壁面に該当する。）と、導圧パイプ（特許文献１に記載の細管に該当する。）との隙間を拡げることが考えられる。しかし、この構成を採る場合は、接着層が厚くなり、剪断強度、引っ張り強度などが低くなる可能性がある。

本発明の目的は、導圧路の確保と高強度接着構造とを両立させることが可能な、圧力センサを提供することである。

この目的を達成するために本発明に係る圧力センサは、板状に形成され、圧力を受けることにより変位するセンサダイアフラムと、前記センサダイアフラムに接合される圧力室形成部材に設けられ、前記センサダイアフラムによって開口部が閉塞される凹部および前記凹部に開口する孔と、一端部が前記凹部に露出するように前記孔に挿入されて接着剤によって接着され、前記センサダイアフラムへ圧力を伝達する導圧路として機能する導圧パイプと、前記凹部内と前記導圧パイプ内とに充填され、圧力を伝達する圧力伝達媒体とを備え、前記導圧パイプの前記一端部の周囲に空間が設けられ、前記導圧パイプの前記一端部には、前記接着剤が存在しないものである。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記空間は、前記孔の開口部に形成された座繰り部によって構成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記座繰り部は、前記導圧パイプの長手方向と平行に延びるように形成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記圧力室形成部材は、前記凹部と前記座繰り部とが形成された第１の部材と、前記孔の前記座繰り部より孔径が小さい孔部が形成されて前記第１の部材に接合された第２の部材とを備えていてもよい。

本発明は、前記の圧力センサにおいて、前記第１の部材と前記第２の部材とが互いに異なる材料によって形成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記孔の開口部は、前記凹部に向かうにしたがって内径が次第に大きくなるテーパー状に形成され、前記空間は、前記孔の開口部と前記導圧パイプとの間に形成されていてもよい。

本発明は、前記圧力センサにおいて、前記導圧パイプの前記一端部は、他端側の部分より相対的に細く形成されていてもよい。

本発明によれば、導圧路の確保と高強度接着構造とを両立させることができる。

本発明に係る圧力センサの断面図である。 要部を拡大して示す断面図である。 差圧発信器の断面図である。 他の実施の形態を示す断面図である。 他の実施の形態を示す断面図である。 他の実施の形態を示す断面図である。 他の実施の形態を示す断面図である。 他の実施の形態を示す断面図である。 他の実施の形態を示す断面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る圧力センサの一実施の形態を図１および図２を参照して詳細に説明する。図１の中央部に図示されている圧力センサ１は、絶対圧発信器２のボディ３の中に設けられている。ボディ３は、図１において最も下に位置するベースボディ４と、ベースボディ４に接合されたカバーボディ５とから構成されている。ベースボディ４とカバーボディ５は、それぞれステンレス鋼によって形成されている。

ベースボディ４のカバーボディ５とは反対側の主面４ａは、受圧室６の壁の一部になる。受圧室６は、図示していない圧力伝達媒体で満たされている。圧力伝達媒体は、圧力を伝達する液体である。圧力伝達媒体としてはシリコンオイルがある。受圧室６には、バリアダイアフラム７を介して被計測流体の圧力が加えられる。カバーボディ５は、ベースボディ４に向けて開口する箱状に形成されており、ベースボディ４と協働して内部にセンサ室８を形成している。センサ室８は、カバーボディ５に形成された通気孔９を介して大気中に開放されている。センサ室８内には圧力センサ１と、中継基板１０とが設けられている。

圧力センサ１は、ベースボディ４に接着剤１１によって接着された圧力室形成部材１２と、圧力室形成部材１２に接合されたセンサダイアフラム１３と、センサダイアフラム１３に接合された通路形成部材１４とによって構成されている。これらの圧力室形成部材１２と、センサダイアフラム１３と、通路形成部材１４は、それぞれシリコンによって形成されている。センサダイアフラム１３は、通路形成部材１４より厚みが薄い板状に形成され、圧力を受けることにより厚み方向に変位するものである。

圧力室形成部材１２は、センサダイアフラム１３が接合された一端の主面１２ａに開口する凹部１５と、凹部１５の底に開口する貫通孔１６とを有している。凹部１５の開口部はセンサダイアフラム１３によって閉塞されている。凹部１５は、センサダイアフラム１３と協働して圧力室１７（図２参照）を形成している。また、凹部１５の形状は、センサダイアフラム１３の変位に沿った曲面（非球面）となるように形成されている。

貫通孔１６には、図１に示すように、導圧パイプ２１が通されている。導圧パイプ２１は、センサダイアフラム１３に圧力を伝達する導圧路として機能する金属製のパイプである。この実施の形態においては、貫通孔１６が本発明でいう「孔」に相当する。貫通孔１６の構成は後述する。導圧パイプ２１は、ベースボディ４を貫通し、図２に示すように、一端部２１ａが圧力室形成部材１２の中に挿入される状態で圧力室形成部材１２の貫通孔１６に接着剤２２によって接着されている。

導圧パイプ２１の長手方向から見た断面形状は円形である。接着剤２２は、例えばエポキシ接着剤や、半田などを用いることができる。導圧パイプ２１の一端部２１ａは、凹部１５に露出するように貫通孔１６に挿入されている。導圧パイプ２１の一端部２１ａの周囲に空間Ｓが設けられ、導圧パイプ２１の一端部２１ａには、接着剤３３が存在しない。受圧室６内と、導圧パイプ２１内と、貫通孔１６を含めて圧力室１７（凹部１５）内は、図示していない圧力伝達媒体で満たされている。受圧室６の圧力は、導圧パイプ２１の中に形成された導圧路２３（図２参照）を経て圧力室１７に伝達される。

センサダイアフラム１３における、凹部１５と対向する部分には、センサダイアフラム１３の変位を電気信号に変換するブリッジ回路（図示せず）が設けられている。ブリッジ回路は、ボンディングワイヤ２４を介して中継基板１０の外部出力ピン２５に接続されている。

通路形成部材１４の、センサダイアフラム１３を挟んで圧力室形成部材１２の凹部１５と対向する部分には、円形凹部２６が形成されている。円形凹部２６の中央部には通路形成部材１４を貫通する通気孔２７が開口している。このため、円形凹部２６内は大気圧である。

圧力室形成部材１２の貫通孔１６は、図２に示すように、凹部１５に開口する座繰り部３１と、導圧パイプ２１が接着される孔部３２とによって構成されている。座繰り部３１の開口形状は円形である。座繰り部３１の内径は孔部３２の内径より大きい。このような座繰り部３１は、エッチングやブラスト処理などによって形成することができる。また、座繰り部３１は、導圧パイプ２１の長手方向と平行に延びるように形成されている。孔部３２の内径は、孔壁面と導圧パイプ２１との間に接着剤層が形成される径である。

導圧パイプ２１の一端部２１ａは、座繰り部３１の中に突出されている。この実施の形態による座繰り部３１の内径は、導圧パイプ２１の一端部２１ａの周囲に、接着剤２２が毛細管現象で導圧パイプ２１の一端部２１ａを這い上がる隙間より広い空間Ｓが形成されるような径である。導圧パイプ２１を圧力室形成部材１２に接着するためには、先ず、貫通孔１６の孔部３２に導圧パイプ２１を挿入し、その後、座繰り部３１とは反対側に位置する孔部３２の開口から孔部３２内に接着剤２２を注入して行う。この接着剤２２は、毛細管現象によって孔部３２の孔壁面と導圧パイプ２１との間の微小な隙間を座繰り部３１の底まで這い上がる。

座繰り部３１は、導圧パイプ２１の一端部２１ａとの間に毛細管現象が生じることがない空間Ｓを有しているから、毛細管現象で座繰り部３１まで這い上がった接着剤２２が座繰り部３１内で導圧パイプ２１に沿って這い上がるようなことはない。
このため、接着剤２２が導圧パイプ２１の先端に達することはないから、導圧パイプ２１が接着剤２２で塞がれることはない。
したがって、この実施の形態によれば、導圧路の確保と高強度接着構造とを両立させることが可能な圧力センサを提供することができる。

この実施の形態において、導圧パイプ２１の一端部２１ａの周囲の空間、すなわち毛細管現象が生じることがない広さとなるように形成された空間Ｓは、貫通孔１６の開口部に形成された座繰り部３１によって構成されている。このため、導圧パイプ２１を貫通孔１６の中に収容した状態で毛細管現象による接着剤２２の這い上がりを防ぐことができる。このことは、センサダイアフラム１３が凹部１５に沿うように変位したときに導圧パイプ２１と当たることがないことを意味する。

この実施の形態による座繰り部３１は、導圧パイプ２１の長手方向と平行に延びるように形成されている。このため、圧力室形成部材１２に貫通孔１６を形成する工程で座繰り部３１を形成することができるから、座繰り部３１を容易に形成することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る圧力センサは図３に示すように差圧発信器に搭載することができる。図３おいて最も上に位置する圧力センサ４１は、差圧センサで、接着剤４２を介して差圧発信器４３のダイアフラムベース４４に搭載されている。この実施の形態による圧力センサ４１の通路形成部材４５は、センサダイアフラム４６によって閉塞される第１の凹部４７および第２の凹部４８と、これらの第１の凹部４７と第２の凹部４８とを連通する連通孔４９とを有している。これらの第１の凹部４７および第２の凹部４８と、連通孔４９の中は、圧力伝達媒体５０で満たされている。圧力伝達媒体５０は、連通孔４９に接続された封入孔５１から注入される。封入孔５１は、通路形成部材４５の一端面４５ａに開口し、封止材５２によって閉塞されている。

センサダイアフラム４６は、通路形成部材４５と支持部材５３とに挟まれて保持されている。通路形成部材４５と、センサダイアフラム４６と、支持部材５３は、それぞれシリコンによって形成されている。支持部材５３は、通路形成部材４５の第１および第２の凹部４７，４８にセンサダイアフラム４６を挟んで対向する位置に第１の貫通孔５４と第２の貫通孔５５とを有している。これらの第１の貫通孔５４の内部と第２の貫通孔５５の内部は、支持部材５３にセンサダイアフラム４６と絶縁部材５６とが接合された状態で第１の圧力室５７と第２の圧力室５８になる。

センサダイアフラム４６における、第１の凹部４７と対向する部分と、第２の凹部４８と対向する部分には、それぞれセンサダイアフラム４６の変位を電気信号に変換するブリッジ回路（図示せず）が設けられている。これらのブリッジ回路は、センサダイアフラム４６の側部に設けられた電極パッド５９に接続されている。

絶縁部材５６は、ガラスによって形成されており、支持部材５３とダイアフラムベース４４とを電気的に絶縁している。この実施の形態においては、支持部材５３と絶縁部材５６とによって本発明でいう「圧力室形成部材」が構成されている。また、この実施の形態において、本発明でいう「凹部」は、第１および第２の貫通孔５４，５５と絶縁部材５６の一部とによって構成されている。さらに、支持部材５３のセンサダイアフラム４６が接合される主面５３ａが本発明でいう「一端の主面」に相当する

絶縁部材５６における第１の圧力室５７の壁になる部分には第３の貫通孔６１が形成されている。また、絶縁部材５６における第２の圧力室５８の壁になる部分には、第４の貫通孔６２が形成されている。この実施の形態においては、これらの第３の貫通孔６１と第４の貫通孔６２とが本発明でいう「凹部に開口する孔」に相当する。第３の貫通孔６１には第１の導圧パイプ６３が挿入されて接着剤６４によって接着されている。第４の貫通孔６２には、第２の導圧パイプ６５が挿入されて接着剤６４によって接着されている。接着剤６４は、エポキシ接着剤や半田などを使用することができる。

第３の貫通孔６１は、第１の圧力室５７に開口する第１の座繰り部６６と、第１の導圧パイプ６３が接着された第１の孔部６７とによって構成されている。第４の貫通孔６２は、第２の圧力室５８に開口する第２の座繰り部６８と、第２の導圧パイプ６５が接着される第２の孔部６９とによって構成されている。第１の座繰り部６６と第２の座繰り部６８の内径は、第１および第２の導圧パイプ６３，６５の一端部６３ａ，６５ａの周囲に毛細管現象で接着剤６４が這い上がることがない広さの空間が形成される内径である。

第１の導圧パイプ６３と第２の導圧パイプ６５の一端部６３ａ，６５ａは、第１および第２の座繰り部６６，６８の中に収容されている。なお、図３に示すように第１および第２の圧力室５７，５８がセンサダイアフラム４６の変位可能な深さより深く形成されている場合は、第１および第２の導圧パイプ６３，６５の一端部６３ａ，６５ａを第１および第２の圧力室５７，５８に挿入することができる。この場合は、第３および第４の貫通孔６１，６２に第１の座繰り部６６と第２の座繰り部６８は不要である。

第１および第２の導圧パイプ６３，６５は、ダイアフラムベース４４の第５および第６の貫通孔７１，７２に挿入されてダイアフラムベース４４を貫通している。第１および第２の導圧パイプ６３，６５の他端部は、ダイアフラムベース４４が壁の一部となる第１および第２の受圧室７３，７４に開口している。

ダイアフラムベース４４は、例えばステンレス鋼などの金属材料によって所定の形状に形成されている。ダイアフラムベース４４の絶縁部材５６側の一方の（図３において上側の）主面４４ａには、圧力センサ４１と隣接するように中継基板７５が設けられている。中継基板７５には、電極パッド７６と、図示していない複数の外部出力ピンなどが設けられている。電極パッド７６は、図示してない配線によって外部出力ピンに接続されている。また、電極パッド７６は、ボンディングワイヤ７７を介してセンサダイアフラム４６の電極パッド５９に接続されている。これにより、センサダイアフラム４６のブリッジ回路は、センサダイアフラム４６側の電極パッド５９と、ボンディングワイヤ７７と、中継基板７５側の電極パッド７６と、外部出力ピンなどを介して図示していない信号処理回路や電源回路等のその他の回路に電気的に接続される。

ダイアフラムベース４４の他方の主面４４ｂには、絶縁部材５６とは反対方向に向けて開口する凹部からなる第１の受圧室７３と第２の受圧室７４とが形成されている。第１の受圧室７３の開口部は第１のバリアダイアフラム８１によって閉塞されている。第２の受圧室７４の開口部は、第２のバリアダイアフラム８２によって閉塞されている。第１のバリアダイアフラム８１は、図示していないが、被計測流体が流れる低圧側流体通路の壁の一部となるように構成されており、ダイアフラムベース４４に接合されている。第２のバリアダイアフラム８２は、被計測流体が流れる高圧側流体通路の壁の一部となるように構成され、ダイアフラムベース４４に接合されている。

第１の受圧室７３と、第１の導圧パイプ６３の内部と、第３の貫通孔６１の座繰り部６６と、第１の圧力室５７とは、第１のバリアダイアフラム８１に加えられた圧力をセンサダイアフラム４６に伝達する第１の導圧路８３を構成し、圧力伝達媒体としてのオイル８４が充填されている。このオイル８４は、ダイアフラムベース４４の一側部に設けられた第１のオイル導入孔８５から第１の受圧室７３内に注入される。第１のオイル導入孔８５は、オイル注入後に第１の栓部材８６によって閉塞されている。

また、第２の受圧室７４と、第２の導圧パイプ６５の内部と、第４の貫通孔６２の座繰り部６８と、第２の圧力室５８とは、第２のバリアダイアフラム８２に加えられた圧力をセンサダイアフラム４６に伝達する第２の導圧路８７を構成し、第１の導圧路８３内と同様に圧力伝達媒体としてのオイル８４が充填されている。第２の導圧路８７内のオイル８４は、ダイアフラムベース４４の他側部に設けられた第２のオイル導入孔８８から第２の受圧室７４内に注入される。第２のオイル導入孔８８は、オイル注入後に第２の栓部材８９によって閉塞されている。

このように構成された差圧発信器４３においては、第１のバリアダイアフラム８１に加えられた被計測流体の圧力がオイル８４を介して第１の圧力室５７に伝達される。また、第２のバリアダイアフラム８２に加えられた被計測流体の圧力がオイル８４を介して第２の圧力室５８に伝達される。このように第１の圧力室５７と第２の圧力室５８とに圧力が伝達されることによりセンサダイアフラム４６が変位し、圧力センサ４１によって差圧が検出される。

図３に示す第１の導圧パイプ６３の一端部６３ａの周囲と、第２の導圧パイプ６５の一端部６５ａの周囲には、それぞれ接着剤６４が毛細管現象で這い上がることがない広さの空間Ｓが形成されている。このため、接着剤６４が第１および第２の導圧パイプ６３，６５の一端部６３ａ，６５ａに沿って這い上がることがないから、第１および第２の導圧パイプ６３，６５が接着剤６４で塞がれることはない。
したがって、この実施の形態によれば、導圧路の確保と高強度接着構造とを両立させることが可能な圧力センサ（差圧センサ）を提供することができる。

（圧力室形成部材と導圧パイプの変形例）
導圧パイプの周囲に毛細管現象が生じることがない広さの空間を形成するためには、図４〜図９に示すように構成することができる。図４〜図９において、図１および図２によって説明したものと同等の部材については、同一符号を付し、詳細は説明は省略する。

図４に示す圧力室形成部材１２は、ガラスによって形成されており、シリコン製のセンサダイアフラム１３と接合されている。圧力室形成部材１２を形成する材料は、シリコンに限定されることはなく、図４に示すようにガラスであったり、ステンレス鋼やコバールなどのセンサチップの台座として使用できる材料であれば、どのようなものでも用いることができる。

図５に示す圧力室形成部材１２は、凹部１５と座繰り部３１とが形成された第１の部材１０１と、貫通孔１６の座繰り部３１より孔径が小さい孔部３２が形成された第２の部材１０２とを備えている。第２の部材１０２は、第１の部材１０１に接合されている。この構成を採ることにより、一つの部材に段付きの貫通孔を形成する必要がなくなるから、貫通孔１６を簡単に形成することができる。

図５に示す構成を採る場合は、第１の部材１０１と第２の部材１０２とを互いに異なる材料によって形成することができる。例えば、第１の部材１０１をシリコンによって形成し、第２の部材１０２をガラスによって形成することができる。

図６と図７に示す貫通孔１６の凹部１５に開口する一端部は、凹部１５に向かうにしたがって内径が次第に大きくなるテーパー状に形成されている。図６に示す貫通孔１６は、凹部１５とは反対側の開口から凹部１５側の開口まで内径が次第に大きくなるテーパー面１０３を有している。

図７に示す貫通孔１６は、凹部１５に開口する一端に向かうにしたがって内径が次第に大きくなる第１のテーパー部１０４と、凹部１５とは反対側の他端に向かうにしたがって内径が次第に大きくなる第２のテーパー部１０５とによって形成されている。図７に示す構成を採ることによって、貫通孔１６内に接着剤２２を注入する作業を第２のテーパー部１０５から簡単に行うことができる。

図８と図９に示す貫通孔１６は、一端から他端まで内径が一定となるように形成されている。図８と図９に示す導圧パイプ２１の一端部２１ａは、他端側の部分より相対的に細く形成されている。詳述すると、図８に示す導圧パイプ２１の一端部２１ａは、他の部分より相対的に細い円筒１０６によって形成されている。図９に示す導圧パイプ２１の一端部２１ａには、先端に向かうにしたがって外径が次第に小さくなるテーパー面１０７が形成されている。図８と図９に示す構成を採ることにより、接着剤２２が毛細管現象で這い上がることがない広さの空間Ｓを形成するにあたって、シリコンに較べて加工が容易な導圧パイプ２１を加工して行うことができるから、本発明を容易に実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明した。しかしながら、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、様々な変形例に想到しうることは明らかであり、これらの変形例についても、当然に本発明の技術的範囲に属する。

１，４１…圧力センサ、１２…圧力室形成部材、１２ａ，５３ａ…一端の主面、１５…凹部、１６…貫通孔（孔）、１３，４６…センサダイアフラム、２１…導圧パイプ、２２，６４…接着剤、６３…第１の導圧パイプ（導圧パイプ）、６５…第２の導圧パイプ（導圧パイプ）、３１…座繰り部、３２…孔部、５３…支持部材（圧力室形成部材）、５４…第１の貫通孔（凹部）、５５…第２の貫通孔（凹部）、５６…絶縁部材（圧力室形成部材）、６６…第１の座繰り部（座繰り部）、６７…第１の孔部（孔部）、６８…第２の座繰り部（座繰り部）、６９…第２の孔部（孔部）、８４…オイル（圧力伝達媒体）、１０１…第１の部材、１０２…第２の部材、１０３，１０７…テーパー面、１０４…第１のテーパー部、１０５…第２のテーパー部、１０６…円筒、１０７…テーパー面、Ｓ…空間。

Claims (7)

1. 板状に形成され、圧力を受けることにより変位するセンサダイアフラムと、
   前記センサダイアフラムに接合される圧力室形成部材に設けられ、前記センサダイアフラムによって開口部が閉塞される凹部および前記凹部に開口する孔と、
   一端部が前記凹部に露出するように前記孔に挿入されて接着剤によって接着され、前記センサダイアフラムへ圧力を伝達する導圧路として機能する導圧パイプと、
   前記凹部内と前記導圧パイプ内とに充填され、圧力を伝達する圧力伝達媒体とを備え、
   前記導圧パイプの前記一端部の周囲に空間が設けられ、前記導圧パイプの前記一端部には、前記接着剤が存在しないことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記空間は、前記孔の開口部に形成された座繰り部によって構成されていることを特徴とする、請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記座繰り部は、前記導圧パイプの長手方向と平行に延びるように形成されていることを特徴とする、請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記圧力室形成部材は、
   前記凹部と前記座繰り部とが形成された第１の部材と、
   前記孔の前記座繰り部より孔径が小さい孔部が形成されて前記第１の部材に接合された第２の部材とを備えていることを特徴とする、請求項３記載の圧力センサ。
5. 前記第１の部材と前記第２の部材とが異なる材料によって形成されていることを特徴とする、請求項４記載の圧力センサ。
6. 前記孔の開口部は、前記凹部に向かうにしたがって内径が次第に大きくなるテーパー状に形成され、
   前記空間は、前記孔の開口部と前記導圧パイプとの間に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の圧力センサ。
7. 前記導圧パイプの前記一端部は、他端側の部分より相対的に細く形成されていることを特徴とする、請求項１記載の圧力センサ。

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