JP2021067462A - 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、プレートが、受圧空間内に配置され、支持ピンによりベースから離間して支持される。圧力検出装置は、前記プレート上に配置され、前記プレートと前記ベースとの間には前記絶縁性媒質が介在する。このため、例えば外部の配管から接続ナットを介してベースに高周波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。

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、
前記ベースに対して絶縁された支持部材と、
前記受圧空間内に配置され、前記支持部材により前記ベースから離間して支持されるプレートと、を具備した圧力センサであって、
前記圧力検出装置は、前記プレート上に配置され、前記プレートと前記ベースとの間には前記絶縁性媒質が介在する、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、本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、本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。

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、本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、本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、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より形成することができる。取付部材３０、ベース４０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。

図３において、ベース４０を貫通するようにして、３本の端子ピン７０、７２と、５本の支持ピン７３が配置されている。端子ピン７０、７２及び支持ピン７３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。

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２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。

５本の支持ピン７３は、中継基板９０を支持するが、その配線層に接続されていない。又、支持ピン７３は端子ピン７０と同じ長さでベース４０から両方向に突出している。

図１，２に示すように、円盤状のプレート１００が、ベース４０から離間するようにして支持ピン７３及び端子ピン７０の先端により支持されている。本実施形態では、プレート１００はＳＵＳなどの導電性素材から形成され、支持ピン７３及び端子ピン７０に対し導電性接着剤により接着されている。プレート１００は、支持部材を構成する５本の支持ピン７３及び端子ピン７０により安定して支持されるため、耐振性（耐振動性）に優れるとともに、各ピン７０，７３に加わる応力が分散され、ハーメチックシールへのダメージを軽減できる。受圧空間５２に連通するプレート１００とベース４０との間には、絶縁性媒質が介在するようになっている。なお、支持ピン７３のみを支持部材として、プレート１００を支持してもよい。あるいは、支持ピンの代わりに、ベース４０に対して絶縁された他の部材を支持部材としてもよい。

図４に示すように、プレート１００の外周には、端子ピン７２に対応して、２カ所の切欠１０１が形成されており、これにより端子ピン７２をプレート１００から電気的に絶縁している。

図２，３において、プレート１００の中央には、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は接着剤を用いてプレート１００に固着されている。

図４において、圧力検出素子６４は、その外周近傍に複数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である。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。

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と、端子ピン７２とは、切欠１０１を通すことでプレート１００に接することなく、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８２を介して、プレート１００のダイアフラム側面に接続（結線）されている。一方、グラウンド用の端子ピン７０は、プレート１００のベース側面に導電性接着剤を介して固着されている。したがって、グラウンド用の端子ピン７０とグラウンドパッド６４ｂとが、プレート１００を介して導通する。複数の支持ピン７３にてプレート１００を支持する場合は、耐振動性の向上に加えて、強固に固定されたプレート１００にボンディングワイヤ８２を接続（結線）する際に、プレート１００が動きにくくワイヤボンドの精度が向上・安定する利点がある。

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。

圧力センサ１の組み付け時には、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、プレート１００に配置することによって、ベース４０と離間させ絶縁された状態とすることができる。更に、ベース４０とプレート１００との間には、絶縁性媒質が介在する。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に高周波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、圧力検出装置６０に影響を与えることが抑制される。

さらに、圧力検出装置６０の周囲が、導電性素材からなるプレート１００であるため、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プレート１００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。

(変形例)
プレート１００を、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することもできる。この場合、プレート１００の一部（少なくとも圧力検出装置６０の周囲）もしくは全面に導電層を形成する。導電層の材料としては、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。この変形例では、プレート１００の導電層を介して、グラウンド用の端子ピン７０とグラウンドパッド６４ｂとが導通する。

本変形例によれば、プレート１００を絶縁性素材から形成することで、ベース４０に対する絶縁性が更に高まり、ノイズ抑制効果が高まる。また、圧力検出装置６０の少なくとも周囲に導電層を形成したことで、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。

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 圧力センサ
２ 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
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
７３ 支持ピン
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
１００ プレート

Claims (4)

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、
   前記ベースに対して絶縁された支持部材と、
   前記受圧空間内に配置され、前記支持部材により前記ベースから離間して支持されるプレートと、を具備した圧力センサであって、
   前記圧力検出装置は、前記プレート上に配置され、前記プレートと前記ベースとの間には前記絶縁性媒質が介在する、ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記プレートは導電性素材から形成されており、グラウンドに接続される前記端子ピンと電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記プレートは、前記圧力検出装置の周囲に導電層を設けた絶縁性素材から形成されており、前記導電層がグラウンドに接続される前記端子ピンと電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記支持部材は、支持ピンと、グラウンドに接続される前記端子ピンである、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センサ。
   
   

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