JP2021060306A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑えつつも、ノイズの影響を抑制できる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサにおいて、ベースは、前記ダイアフラムに固着される金属製の環状部と、前記環状部の内側に配置された絶縁性素材から形成される中央部と、を有し、前記圧力検出装置は、前記中央部に配置されている。圧力検出装置を、絶縁性素材から形成された中央部に配置しているので、ベースの外周部とは絶縁が確保される。このため、例えば外部の配管からベースの外周部に高周波等のノイズが伝達された場合でも、かかるノイズを有効に遮断できる。【選択図】図２

Description

本発明は、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等のノイズなどの影響を有効に抑制できる。

特開２０１７−１４６１３６号公報

特許文献１に開示されている圧力センサによれば、ベースをセラミックス材料により形成することで有効なノイズ対策を行えるが、一般的にセラミックス材料は加工難易度が高く、それによりコスト高を招くという問題がある。特に、ベースとダイアフラムとは直接溶接できないため、間に金属製のリング部材を介在させる必要があり、それにより部品コストがさらに増大する。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、コストを抑えつつも、ノイズの影響を抑制できる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、本発明の圧力センサは、
流体の圧力を受けるダイアフラムと、
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、
前記受圧空間内に配置され、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、を具備した圧力センサであって、
前記ベースは、前記ダイアフラムに固着される金属製の環状部と、前記環状部の内側に配置された絶縁性素材から形成される中央部と、を有し、
前記圧力検出装置は、前記中央部に配置されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、コストを抑えつつも、ノイズの影響を抑制できる圧力センサを提供することができる。

図１は、第１の実施形態にかかる圧力センサを示す縦断面図である。 図２は、第１の実施形態にかかる圧力検出ユニットの縦断面図である。 図３は、圧力検出ユニットの上面図である。 図４は、圧力検出ユニットにおける図２のＡ−Ａ線における断面を底面視した図である。 図５は、第２の実施形態にかかる圧力センサを示す縦断面図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態にかかる圧力センサ１を示す縦断面図である。図２は、第１の実施形態にかかる圧力検出ユニット２の縦断面図である。図３は、圧力検出ユニット２の上面図である。図４は、圧力検出ユニット２における図２のＡ−Ａ線における断面を底面視した図である。

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（配管）が螺合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及びダイアフラム５０は、例えばステンレス合金などより形成することができる。

ベース４０は、図２において、ＳＵＳ（ステンレス合金）などの金属製の導電性素材から形成された環状部４１と、環状部４１の内側に接合された円盤状のマウント部材（中央部）４２とを有する。マウント部材４２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。マウント部材４２がセラミックスの場合は、ロウ付け又は接着にて環状部４１に全周固着され、またガラスの場合はハーメチックシールにて環状部４１に全周固着されている。マウント部材４２がポリアミド等の樹脂の場合は接着剤を介して全周にわたって環状部４１に固着されている。これにより受圧空間５２からの絶縁性媒質の漏れを防止する。

マウント部材４２のダイアフラム５０側の面の中央に、底面視で矩形状の凹部４２ａが形成されている。また凹部４２ａの底面、側面及び周囲には、導電層４２ｂが形成されている。導電層４２ｂ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が高融点材料を用いることもできる。

取付部材３０、ベース４０の環状部４１及びダイアフラム５０の外周部は、周溶接されてなる溶接部Ｗにより一体化されている。

また、接続ナット２０の上端に円筒部２０ａが突出して形成されている。一方、取付部材３０の中央には、円孔３０ａが形成されている。円筒部２０ａと取付部材３０とは嵌合した後に、ろう付けなどの手段によって接合されている。

円筒部２０ａの内部には貫通路２０ｂが形成されていて、貫通路２０ｂを介して、取付部材３０の内部と接続ナット２０の内部とが連通している。

図１，２において、ベース４０とダイアフラム５０で区画される受圧空間５２には、オイル等の絶縁性の液状媒質が充填される。この液状媒質を、ベース４０の環状部４１に形成した開口４０ａ（図４）を介して受圧空間内に充填した後、これを密閉するため、金属製のボール４３がベース４０に溶接などの手段で固着される。

ベース４０の凹部４２ａ内には、半導体形の圧力検出装置６０が配置されている。圧力検出装置６０は、ガラス製の台座６２と、その表面に貼付された圧力検出素子（半導体チップ）６４とからなる。台座６２は接着剤を用いて凹部４２ａの底面に固着されている。圧力検出素子６４と導電層４２ｂとの間には、隙間が設けられている。

ダイアフラム５０側の圧力検出装置６０の表面は、凹部４２ａの周囲におけるマウント部材４２の表面よりも、ダイアフラム５０から離間するように凹部４２ａ内に位置している。ただし、圧力検出装置６０の該表面が、凹部４２ａの周囲面と同一面内にあるようにしてもよい。

図４において、圧力検出素子６４は、その外周近傍に８つのボンディングパッド（電極）を備えている。ボンディングパッドのうち３つは、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であり、残る５つは信号調整用パッド６４ｄである。ただし、ボンディングパッドの数は８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。

半導体形の圧力検出装置６０の周囲には、ベース４０を貫通するようにして複数本（この例においては８本）の端子ピン７０、７２が配置されている。端子ピン７０、７２は、これらが挿通されたベース４０の貫通孔に対してハーメチックシール７４により絶縁封止されている。

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。グラウンド用以外の７本の端子ピン７２は、図１に示す中継基板９０の配線層の端子に接続されている。１本のグラウンド用の端子ピン７０の上端は、図１に示す中継基板９０の配線層のグラウンドに接続されている。

図１において、中継基板９０にコネクタ９２を介して接続されるリード線９４は、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を介して圧力検出素子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４において、半導体形の圧力検出装置６０における、グラウンドパッド６４ｂ以外の、センサ入力電源パッド６４ａ、センサ出力パッド６４ｃ、信号調整用パッド６４ｄと、端子ピン７２とは、ボンディングワイヤ８０で接続（結線）される。また本実施形態では、グラウンドパッド６４ｂが、ボンディングワイヤ８１を介して、マウント部材４２の導電層４２ｂに接続（結線）される。また、端子ピン７０と導電層４２ｂとが、ボンディングワイヤ８２を介して接続（結線）される。

圧力センサ１の組み付け時には、図１において、圧力検出ユニット２のベース４０の環状部４１を、カバー１０の大筒部１０ａの内側に形成された段部１０ｄに突き当てるようにして配置する。その後、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されるようにして固定される。

圧力検出装置６０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内に導入されて、取付部材３０の内側の流体導入室３２内に進入すると、その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。圧力検出素子６４は、こ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。

本実施形態によれば、圧力検出装置６０を、絶縁性素材から形成されたマウント部材４２に配置しているので、ベース４０の環状部４１とは絶縁が確保される。このため、例えば外部の配管から接続ナット２０を介してベース４０の環状部４１に高周波等のノイズが伝達された場合でも、かかるノイズを有効に遮断できる。

加えて、圧力検出装置６０を凹部４２ａ内に配置しているため、圧力検出装置６０とダイアフラム５０との間の距離を広げることができる。特に、圧力検出装置６０の表面を凹部４２ａ内に配置することで、更にダイアフラム５０から遠ざけることができるため、ダイアフラム５０が帯電した場合でも、その影響が圧力検出装置６０に及ぶことを抑制できる。

さらに、圧力検出装置６０の周囲に導電層４２ｂを設けることにより、圧力検出装置６０の周囲に帯電する電荷、あるいは受圧空間５２内に充填された液状媒質に帯電する電荷が導電層４２ｂを介して除電され、これにより圧力検出装置６０の帯電に起因する作動不良が防止される。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態にかかる圧力センサ１Ａを示す縦断面図である。本実施形態においては、上述した実施形態に対し、圧力検出ユニット２Ａのベース４０Ａにおけるマウント部材４２Ａの形状が異なる。より具体的には、上述した実施形態よりも凹部４２Ａａの深さが浅くなっている。一方、圧力検出装置６０は同じ形状を有するため、凹部４２Ａａに圧力検出装置６０を固着させることで、ダイアフラム５０側の圧力検出装置６０の面は、凹部４２Ａａの周囲面よりも、ダイアフラム５０に接近することとなる。

一方、ダイアフラム５０における中央平坦部の受圧空間５２側の面に、圧力検出装置６０に対向するようにして、円形の絶縁層５１が固着されている。絶縁層５１は、例えばポリイミドフィルムであって、ダイアフラム５０の中央平坦部に接着されていると好ましい。絶縁層５１は、絶縁性媒質よりも高い誘電率を有する。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。

本実施形態によれば、ダイアフラム５０側の圧力検出装置６０の面が、凹部４２Ａａの周囲面よりダイアフラム５０側に突出している。しかし、圧力検出装置６０に対向するダイアフラム５０の面に絶縁層５１を設けたことにより、ノイズ伝達時に絶縁性媒質から絶縁層５１に帯電しやすくなり、これにより圧力検出装置６０への帯電を抑制できる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。また、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１、１Ａ 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
４０，４０Ａ ベース
５０ ダイアフラム
５２ 受圧空間
６０ 圧力検出装置
６２ ガラス製の台座
６４ 圧力検出素子
７０ グラウンド用の端子ピン
７２ 端子ピン
７４ ハーメチックシール
８０ ボンディングワイヤ
８２ 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

Claims (5)

1. 流体の圧力を受けるダイアフラムと、
   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、
   前記受圧空間内に配置され、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、を具備した圧力センサであって、
   前記ベースは、前記ダイアフラムに固着される金属製の環状部と、前記環状部の内側に配置された絶縁性素材から形成される中央部と、を有し、
   前記圧力検出装置は、前記中央部に配置されている、ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記中央部は、前記ダイアフラムから離間するように窪んだ凹部を備え、前記圧力検出装置は、前記凹部内に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記圧力検出装置の前記ダイアフラム側の表面は、前記凹部の周囲における前記中央部の表面に対して同一面内にあるか、もしくは前記凹部内に位置する、ことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記圧力検出装置の前記ダイアフラム側の表面は、前記凹部の周囲における前記中央部の表面に対して前記ダイアフラム側に突出しており、前記圧力検出装置に対向する前記ダイアフラムの面には絶縁層が配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記凹部の周囲には導電層が形成されており、前記圧力検出装置とグラウンド用の前記端子ピンとは、前記導電層を介して電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
   
   

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