JP2021056070A - 圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】静電気の影響を有効に抑えつつ、コスト低減を図れる圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサを提供する。【解決手段】圧力検出ユニットにおいて、筐体構造は、ベースに設置される底板と、前記底板に一方の端部を固定した筒壁と、前記筒壁の他方の端部を遮蔽する蓋部と、を備え、前記蓋部は、導電性素材から形成され、前記端子ピンのいずれかと電気的に接続されており、圧力検出装置が、蓋部に対向する底板の面に配置されている。外部環境により受圧空間内に充填された液状媒質に帯電が生じた場合においても、圧力検出装置が、筐体構造の内部に配置され、且つゼロもしくは低電位に維持された導電性素材の蓋部に対向しているため、帯電の影響を回避して、圧力検出装置の帯電に起因する出力誤動作などの発生が防止される。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサに関する。

ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧室内に半導体型圧力検出装置を収容した液封入式の圧力センサは、冷凍冷蔵装置や空調装置に装備されて冷媒圧力を検知し、また産業用機器に装備されて各種の流体圧力を検知するために使用されている。

半導体型圧力検出装置は、上記受圧室内に配置され、受圧空間内の圧力変化を圧力検出素子により電気信号に変換して外部に出力する機能を有している。

受圧空間内に配置されるダイアフラムは、可撓性の金属板である。このため、半導体型圧力検出装置の圧力検出素子とダイアフラムとの間で電位差が発生して、封入されたオイルが静電気を帯びると、圧力検出素子あるいはその出力信号に不具合が生ずる場合がある。圧力検出素子とダイアフラムとの間の電位差は、例えば圧力センサが取り付けられる配管系から伝達される高周波ノイズなどに起因して生じうる。

これに対し、特許文献１には、半導体型圧力検出装置を取り付けるベースをセラミックス材料で形成した圧力センサが開示されている。特許文献１の圧力センサによれば、セラミックス製のベースに半導体型圧力検出装置を取り付けることにより絶縁効果が発揮されるため、配管系から伝達される高周波ノイズなどの影響を有効に抑制できる。

特開２０１７−１４６１３６号公報

ところで、特許文献１の圧力センサはノイズの影響を有効に抑制できるが、ベースをセラミックス製としているため、加工及び製造コストが高くなるという課題がある。また、受圧空間に封入される絶縁性媒質としてのオイルは比較的高価であるため、圧力センサでの使用量を減らしてコスト低減を図りたいとの要請もある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、静電気の影響を有効に抑えつつ、コスト低減を図れる圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の圧力検出ユニットは、
流体の圧力を受けるダイアフラムと、
導電性素材から形成され、前記ダイアフラムとの間に絶縁性媒質が封入された受圧空間を形成するベースと、
前記受圧空間内において、前記絶縁性媒質に伝達された圧力を検出して電気的圧力信号に変換する圧力検出装置と、
前記ベースを貫通して配置され、前記受圧空間内で前記圧力検出装置と電気的に接続された複数の端子ピンと、
前記受圧空間内に設けられる筐体構造と、を有し、
前記筐体構造は、前記ベースに設置される底板と、前記底板に一方の端部を固定した筒壁と、前記筒壁の他方の端部を遮蔽する蓋部と、を備え、前記蓋部は、導電性素材から形成され、前記端子ピンのいずれかと電気的に接続されており、
前記圧力検出装置が、前記蓋部に対向する前記底板の面に配置されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、静電気の影響を有効に抑えつつ、コスト低減を図れる圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサを提供することができる。

図１は、本実施形態の圧力センサを示す縦断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線における断面を底面視した図である。 図３は、蓋部を外した状態で示す図２と同様な図である。 図４は、筐体構造の切断斜視図である。 図５は、本実施形態の変形例を示す図２と同様な図である。

以下、図面を参照して、本発明にかかる実施の形態を説明する。図１は、本実施形態の圧力センサ１を示す縦断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面を底面視した図である。図３は、蓋部を外した状態で示す図２と同様な図である。図４は、筐体構造１００の切断斜視図である。

図１に示すように、圧力センサ１は、横断面が例えば円管状である大筒部１０ａと、横断面が円環状、長円状、楕円状等である小筒部１０ｂとが同軸に配列され、それぞれの端部同士を、段部１０ｃを介して成形した形状の樹脂製のカバー１０を有する。カバー１０の大筒部１０ａの内側には、圧力検出ユニット２が取り付けられている。

圧力検出ユニット２は、図示されない流体流入管が接続される接続ナット２０を支持する皿状の取付部材３０と、取付部材３０に対向配置される皿状のベース４０と、取付部材３０とベース４０とにより外周が挟持される金属製のダイアフラム５０とを備えている。取付部材３０、ベース４０及びダイアフラム５０は、例えばステンレス合金などの導電性素材より形成することができる。

ベース４０とダイアフラム５０で区画される受圧空間（受圧室）５２には、オイルなどの絶縁性の液状媒質が充填される。受圧空間５２内において、ベース４０に筐体構造１００が固定されている。

図４において、筐体構造１００は、矩形板状の底板１０１と、底板１０１に一方の端部を固定した矩形枠部（筒壁）１０２と、矩形枠部１０２の他方の端部を遮蔽する蓋部１０３と、を有する。底板１０１及び矩形枠部１０２は、セラミックス、ガラス等の無機材料、又はポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ＰＰＳ等の耐熱性に富んだ絶縁性素材から形成されている。底板１０１が、接着剤を介してベース４０に固着される。

底板１０１のダイアフラム５０側の面には、ほぼ全面にわたる第１導電層１０１ａと、図２，３にハッチングで示す絶縁部１０１ｂと、第２導電層１０１ｃを形成している。第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃは金属の板状で構成したり、あるいは印刷や焼成で形成してもよい。また、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃの材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等が代表的であるが、高電圧耐久性を得るためにタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることもできる。第１導電層１０１ａと第２導電層１０１ｃとの間に絶縁部１０１ｂが介在するため、両者間の導通は遮断されている。

図２，３に示すように、絶縁部１０１ｂは、底板１０１の外周近傍に２か所配置され、底板１０１の素地を露出させる（導電層を形成しない）ことで絶縁性を確保している。各絶縁部１０１ｂによって囲われた内側に、第２導電層１０１ｃが形成されている。

図３、４に示すように、矩形枠部１０２は底板１０１より矩形サイズが小さくなっているため、矩形枠部１０２の端部を底板１０１に対して突き当てて固定した際に、底板１０１の外周近傍が、矩形枠部１０２の外側にはみ出すようになる。したがって、絶縁部１０１ｂ及び第２導電層１０１ｃは、矩形枠部１０２の端部に跨るようにして、矩形枠部１０２の内側と外側との間で延在する。また、第１導電層１０１ａも、矩形枠部１０２の内側と外側とに跨って延在する。

矩形枠部１０２の内側面及び／または外側面全体（端部を含む）に、メタライズ層などによる導電層が形成されている。ただし、第１導電層１０１ａと第２導電層１０１ｃとの短絡を阻止すべく、矩形枠部１０２の絶縁部１０１ｂ及び第２導電層１０１ｃに対応する位置（図４に示す、矩形枠部１０２の端面及びその周辺の領域Ｂ）には導電層を形成せず、すなわち素地のままとする。

ただし、それに対する変形例としては、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃを、底板１０１の面から一段下がった溝状に形成することもできる。これにより、矩形枠部１０２の全表面に導電層を形成した場合でも、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃは、矩形枠部１０２の導電層と接触することがなく、矩形枠部１０２から電気的に遮断される。

或いは、矩形枠部１０２が、底板１０１に接する部位に切欠部を備え、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃが、該切欠部の内側に形成されるようにしてもよい。これにより、矩形枠部１０２の全表面に導電層を形成した場合でも、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃは、矩形枠部１０２の導電層との接触が回避され、矩形枠部１０２より電気的に遮断される。また、底板１０１の第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃを溝状に形成する必要がなくなる。

また、絶縁部１０１ｂは、底板１０１の表面に加え、矩形枠部１０２側にシート状に設けてもよい。かかる場合、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃが、底板１０１の表面の絶縁部１０１ｂと、矩形枠部１０２側のシート状の絶縁部とに挟まれて形成される。シート状の絶縁部により、第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃは、矩形枠部１０２の導電層と接触することがなく、矩形枠部１０２より電気的に遮断される。また、底板１０１の第１導電層１０１ａ及び第２導電層１０１ｃを溝状に形成したり、矩形枠部１０２に切欠部を設けたりする必要がなくなる。

ステンレス合金などの導電性素材から形成される蓋部１０３は、４つの連通孔１０３ａを有している。連通孔１０３ａは、取付部材３０側から見て（底面視で）、圧力検出装置６４と重ならないよう、外周近傍に設けられている。すなわち、連通孔１０３ａは圧力検出装置６４と対向していないため、ダイアフラム５０側から侵入するノイズに直接さらされることがない。

底板１０１の中央であって矩形枠部１０２の内側に、半導体形の圧力検出装置６４が配置されている。圧力検出素子（半導体チップ）を備える圧力検出装置６４は、ガラス製の台座などを介して、底板１０１の第１導電層１０１ａ上に固定されている。ただし、底板１０１の中央に導電層を形成せず、セラミックスなどの素地上に圧力検出装置６４を配置してもよい。

図３において、圧力検出装置６４の圧力検出素子は、その外周近傍にボンディングパッド（電極）として、センサ入力電源パッド６４ａ、グラウンドパッド６４ｂ及びセンサ出力パッド６４ｃを備えている。ただし、ボンディングパッドの数は３つに限られない。本実施形態では、センサ入力電源パッド６４ａは５Ｖに維持され、グラウンドパッド６４ｂは０Ｖに維持され、センサ出力パッド６４ｃの電圧は、検出した圧力に応じて０Ｖ以上、５Ｖ以下（好ましくは０．５Ｖ以上、４．５Ｖ以下）の範囲で変化する。また、ボンディングパッドの配置は、以上に限られない。

底板１０１の周囲には、ベース４０の貫通孔４１を貫通するようにして複数本（この例においては３本）の端子ピン７０、７２が配置されている。端子ピン７０、７２と、貫通孔４１との間には、ハーメチックシール７４が設けられ、両者間を絶縁封止している。

複数の端子ピンのうちの１つは、グラウンド用の端子ピン７０である。グラウンド以外の端子ピン７２と、１本のグラウンド用の端子ピン７０は、図１に示す中継基板９０の配線に接続される。

中継基板９０につながるリード線９４は、当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた、図示されない電気回路に接続される。かかる電気回路から、リード線９４、端子ピン７０、７２を介して圧力検出装置６４に電源電圧を印加することができ、また圧力検出用の信号を出力できる。

図３において、半導体形の圧力検出装置６４における、センサ入力電源パッド６４ａは、矩形枠部１０２の内側で第２導電層１０１ｃにボンディングワイヤ８１を介して接続（結線）される。また対応する端子ピン７２は、矩形枠部１０２の外側で同じ第２導電層１０１ｃに、ボンディングワイヤ８２を介して接続される。これにより、センサ入力電源パッド６４ａと端子ピン７２との導通が確保される。

また、センサ出力パッド６４ｃも、矩形枠部１０２の内側で別の第２導電層１０１ｃに、ボンディングワイヤ８３を介して接続（結線）される。また対応する端子ピン７２は、矩形枠部１０２の外側で同じ第２導電層１０１ｃに、ボンディングワイヤ８４を介して接続される。これにより、センサ出力パッド６４ｃと端子ピン７２との導通が確保される。

一方、グラウンドパッド６４ｂは、矩形枠部１０２の内側で底板１０１の第１導電層１０１ａにボンディングワイヤ８５を介して接続（結線）される。またグラウンド用の端子ピン７０は、矩形枠部１０２の外側で底板１０１の第１導電層１０１ａにボンディングワイヤ８６を介して接続（結線）される。これにより、グラウンドパッド６４ｂと端子ピン７０との導通が確保され、また第１導電層１０１ａはゼロ電位に維持される。

図１，２において、接続ナット２０の上端に円筒部２０ａが突出して形成されており、取付部材３０の中央に形成された円孔３０ａにろう付けなどの手法により密封的に嵌合固着されている。円筒部２０ａの内部には貫通路２０ｂが形成されていて、これを介して、取付部材３０の内部と接続ナット２０の内部とは連通している。

組み付け時には、圧力検出装置６４を固定した底板１０１をベース４０に接着し、上述したように底板１０１の導電層と、端子ピン７０，７２との間でワイヤボンディングを行う。その後、矩形枠部１０２の端部を底板１０１に突き当てて導電性接着剤で固着することにより、底板１０１の導電層と矩形枠部１０２の導電層とが互いに導通する。しかし、導電性接着剤を絶縁部１０１ｂには塗布しないため、第１導電層１０１ａと第２導電層１０１ｃとの短絡は生じない。

さらに、矩形枠部１０２の開放端に蓋部１０３を遮蔽するとともに、両者を導電性接着剤により固着する。これにより、底板１０１の第１導電層１０１ａと、蓋部１０３との間で電気的導通が確保され、また圧力検出装置６４が面する空間は、筐体構造１００により周囲を囲われることとなる。

更に組み付けの一例として、図１に示す状態から天地を逆にして、筐体構造１００を組み付けたベース４０の内側にオイルなどの絶縁性媒質を注入する。このとき、注入された絶縁性媒質は、ベース４０内に貯留されると共に、連通孔１０３ａから筐体構造１００内へと進入するので、圧力検出装置６４の周囲が絶縁性媒質で満たされる。その後、取付部材３０、ベース４０、及びダイアフラム５０の外周部を重ねて溶接して溶接部Ｗを形成することで、これらを一体化できる。尚、絶縁性媒質の注入方法は以上に限られない。

図１において、端子ピン７０，７２を中継基板９０の配線層にはんだ付けし、リード線９４に接続したコネクタ９２を中継基板９０に係合させる。その後、リード線９４をカバー１０内に通しつつ、圧力検出ユニット２のベース４０の外周端を、カバー１０の大筒部１０ａの内側に形成された段部１０ｄに突き当てる。かかる状態を維持しつつ、大筒部１０ａの下端側及び小筒部１０ｂの上端側（リード線９４が導出される側）からカバー１０の内部に樹脂Ｐを充填し、これを固化させる。これによりカバー１０内に、圧力検出ユニット２の電気的構造部が密封固定される。

圧力検出装置６４は、外部の電気回路から入力電源用の端子ピン７２を介して給電されることで動作する。流体が接続ナット２０に導入されて、取付部材３０の内側の流体導入室３２内に進入すると、流体圧力でダイアフラム５０が弾性変形し、受圧空間５２内の絶縁性媒質を加圧する。圧力検出装置６４は、連通孔１０３ａを介して筐体構造１００内に出入り可能な絶縁性媒質の圧力変動を検知して電気信号に変換し、端子ピン７２を介して電気信号、すなわち圧力検出用の信号を外部に出力する。かかる圧力検出用の信号を入力した外部の電気回路は、それに基づき、接続ナット２０に導入された流体の圧力を精度よく検出することができる。

本実施形態においては、図１、２に示すように、半導体形の圧力検出装置６４の周囲が、絶縁性素材からなる底板１０１及び矩形枠部１０２と、導電性素材からなる蓋部１０３とにより構成された筐体構造１００によって囲われている。又、グラウンド用の端子ピン７０と、グラウンドパッド６４ｂとは、底板１０１の第１導電層１０１ａを介して接続されている。

本実施形態によれば、受圧空間５２内で、圧力検出装置６４に対向して導電性の素材からなる蓋部１０３が配置されており、また蓋部１０３はグラウンド用の端子ピン７０に電気的に接続されている。

更に、グラウンド用の端子ピン７０は、リード線９４（図１）を介して当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた電気回路のゼロ電位に維持される。つまり、圧力検出装置６４の周囲を囲う筐体構造１００を構成する、底板１０１の第１導電層１０１ａ、矩形枠部１０２の導電層、及び蓋部１０３は、ゼロ電位に維持される。このため、仮に絶縁性媒質に帯電が生じた場合においても、帯電の影響を回避して、圧力検出装置６４の帯電に起因する出力誤動作などの発生が防止される。

また、絶縁性素材からなる底板１０１を介在させることで、ベース４０と圧力検出装置６４とが絶縁されるため、接続ナット２０などを介して伝達されるノイズが、圧力検出装置６４に伝達されることを有効に阻止できる。

圧力検出装置６４は、蓋部１０３で遮蔽されているためにダイアフラム５０から伝達されるノイズに直接さらされることがなく、また矩形枠部１０２に囲まれているためにベース４０から伝達されるノイズにも直接さらされることがなく、受圧空間５２内に侵入するノイズの影響を有効に抑制できる。

受圧空間５２に侵入するノイズから圧力検出装置６４を遮断するためには、矩形枠部１０２及び蓋部１０３を導電物、すなわち絶縁物と導電物から構成しなくてもよい。圧力検出装置６４は、矩形枠部１０２及び蓋部１０３によって、受圧空間５２に侵入するノイズから遮断されるからである。

更に本実施形態によれば、受圧空間５２内に筐体構造１００を設けることで、その体積分、絶縁性媒質の使用量を抑えることができ、それによりコスト削減に貢献する。

（変形例）
図５は、本実施形態の変形例を示す図２と同様な図である。本変形例の圧力検出ユニット２Ａにおいては、筐体構造１００Ａの底板１０１Ａ、矩形枠部１０２Ａ，蓋部１０３Ａが、四隅をカットされた八角形の形状を有する。これにより、圧力検出ユニット２Ａをより小型化できる。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本発明は、以上述べた実施形態に限られない。例えば底板１０１の第１導電層１０１ａに電気的接続される端子ピンは、センサ入力電源パッド６４ａ、又はセンサ出力パッド６４ｃに接続される端子ピン７２であっても良い。

１ 圧力センサ
２，２Ａ 圧力検出ユニット
１０ カバー
２０ 接続ナット
３０ 取付部材
３２ 流体導入室
４０ ベース
５０ ダイアフラム
５２ 受圧空間
６４ 圧力検出装置
７０ グラウンド用の端子ピン
７２ 端子ピン
８１〜８４ ボンディングワイヤ
８５，８６ グラウンド用のボンディングワイヤ
９０ 中継基板
９２ コネクタ
９４ リード線
１００，１００Ａ 筐体構造
１０１，１０１Ａ 底板
１０２，１０２Ａ 矩形枠部
１０３，１０３Ａ 蓋部

Claims (5)

1. 流体の圧力を受けるダイアフラムと、
   導電性素材から形成され、前記ダイアフラムとの間に絶縁性媒質が封入された受圧空間を形成するベースと、
   前記受圧空間内において、前記絶縁性媒質に伝達された圧力を検出して電気的圧力信号に変換する圧力検出装置と、
   前記ベースを貫通して配置され、前記受圧空間内で前記圧力検出装置と電気的に接続された複数の端子ピンと、
   前記受圧空間内に設けられる筐体構造と、を有し、
   前記筐体構造は、前記ベースに設置される底板と、前記底板に一方の端部を固定した筒壁と、前記筒壁の他方の端部を遮蔽する蓋部と、を備え、前記蓋部は、導電性素材から形成され、前記端子ピンのいずれかと電気的に接続されており、
   前記圧力検出装置が、前記蓋部に対向する前記底板の面に配置されている、
   ことを特徴とする圧力検出ユニット。
2. 前記底板は、絶縁性素材から形成されており、絶縁部によって互いに絶縁された複数の導電層を表面に有し、前記端子ピンと前記圧力検出装置とは、前記導電層を介して接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出ユニット。
3. 前記底板の導電層と、前記筒壁に設けた導電層とを介して、前記蓋部と前記端子ピンのいずれかが、電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧力検出ユニット。
4. 前記蓋部が電気的に接続される端子ピンは、前記圧力検出装置のグラウンドに接続された端子ピン、前記圧力検出装置の電源電圧端子に接続された端子ピン、または前記圧力検出装置の電気的圧力信号を出力する端子ピンである、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力検出ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力検出ユニットを有することを特徴とする圧力センサ。
   
   

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