JP3682142B2

JP3682142B2 - 静電容量式の圧力センサ

Info

Publication number: JP3682142B2
Application number: JP05766197A
Authority: JP
Inventors: 嘉一金子; 茂夫中澤
Original assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Current assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2017-03-12
Also published as: JPH10253476A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定圧力を受けるダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出する静電容量式の圧力センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、静電容量式の圧力センサは圧力測定分野において一般的に利用されている。この静電容量式の圧力センサは、測定圧力を受けて変位するダイアフラムと、このダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出するための電極と、電極の静電容量の変化を所定の電気信号に変換する電気回路とを含んで構成された圧力変換部を有し、この圧力変換部で測定圧力を電気信号に変換している。
このような静電容量式の圧力センサは、浮遊容量や外部電界による影響を受けると、正確な測定が行えない。
例えば、圧力変換部の近傍に浮遊容量があると、浮遊容量による電界が圧力変換部の電極に蓄積される電荷量を変動させるので、ダイアフラムが受けた圧力に応じた静電容量を正確に検出することが困難となり、圧力の正確な測定が行えなくなる。
このため、特開平７−２８６９２５号公報の図２３に示されるように、圧力センサ全体をシールド板で覆う、あるいは、同公報の図１、２に示されるように、圧力変換部の電極のみをシールド板で覆い、これにより、浮遊容量や外部電界が電極に影響を及ぼさないようにし、正確な圧力測定を可能としている。
【０００３】
ここで、圧力センサの圧力変換部を覆うケースを金属製にすれば、ケース自体がシールド効果を備えることとなり、別個にシールド板を設けなくとも、浮遊容量や外部電界の影響を受けず、正確な圧力測定が行えるようになる。
しかも、金属製のケースは、熱に強く、金属製のケースを採用すれば、火災などの熱によって、内部の圧力変換部が破壊されても、被測定気体の外部漏洩を防止することができる。
例えば、ガスメータのガス圧力測定等のために、圧力センサを設ける場合、圧力センサのケースとして金属製のものを採用すれば、火災が生じても、ガス漏れが防止され、ガス爆発や、ガス中毒等の二次災害を防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような金属製のケースを有する圧力センサでは、ケース自身に電気絶縁性が全くないことから、ケースに瞬間的な高電圧が加わると、内部の圧力変換部が絶縁破壊されるので、高電圧が加わるおそれのある場所には、取付けることができないという問題がある。
このため、金属製ケース付の圧力センサは、雷サージ等の瞬間的な高電圧が加わるおそれのある金属配管に取付けられるガスメータ用の部品として使用する場合には、高電圧に対して充分な絶縁対策を施す必要がある。
一方、合成樹脂製のケースを有する圧力センサでは、ケース自身で充分な絶縁耐圧が確保されるので、高電圧が加わるおそれのある場所にも取付けることができるが、金属製ケース付の圧力センサとは異なり、前述したような耐熱性能を充分確保できないという問題がある。
なお、絶縁耐圧および耐熱性能の両方を向上させるために、圧力センサの構造を複雑にすると、工場での組立工数が増え、圧力センサの生産性が阻害されるという問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構造でありながら、雷サージ等の高電圧に耐えうる絶縁耐圧を有し、高温下でも被測定気体を外部に漏洩させない静電容量式の圧力センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体および金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、この圧力センサチップを収納するとともに、その内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設けられたケースと、前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた静電容量式の圧力センサであって、前記ケースは、樹脂製の絶縁部および金属製の耐熱部を一体化したボトムケースを有し、このボトムケースの耐熱部に前記圧力導入孔が設けられ、前記圧力センサチップは、前記圧力導入孔からはずれた位置に配置されるとともに、セラミック製の耐熱基板を介して前記ボトムケースに固定され、前記ボトムケースの耐熱部と前記耐熱基板との間には、前記圧力導入孔から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路が形成され、前記耐熱基板には、前記圧力センサチップと前記信号処理回路であるＩＣチップとが並んで配置されており、前記絶縁部は、前記耐熱基板の周囲を囲むように立設された立ち上がり部を有することを特徴とする。
【０００７】
このような本発明では、ボトムケースの耐熱部に圧力導入孔が設けられ、この圧力導入孔から被測定気体が導入される。そして、圧力導入孔から導入された被測定気体は、ボトムケースの耐熱部と耐熱基板との間に形成された圧力導入路を通って圧力センサチップに到達する。
ここで、被測定気体が接する部分は、金属およびセラミックのいずれかから形成されているうえ、圧力センサチップの絶縁物は、セラミックや耐熱性を有するガラス等で形成可能なので、被測定気体が接する部分のすべてが充分な耐熱性を確保している。これにより、簡単な構造でありながら、高温下でも被測定気体を外部に漏洩させることがない。
また、ボトムケースの樹脂製の絶縁部およびセラミック製の耐熱基板は、絶縁耐圧に優れ、ケースに加わる高電圧から圧力センサチップおよび信号処理回路を保護するので、雷サージ等の高電圧に耐えうる絶縁耐圧が確保される。
【０００８】
以上において、前記ボトムケースの絶縁部の材質は、熱可塑性樹脂、特に、結晶性ポリマーを採用することが好ましい。
このようにすれば、予め前記耐熱部となる金属部品を金型内に入れて成形を行うインサート成形により、絶縁部および耐熱部を一体したボトムケースの成形が容易となり、圧力センサの生産性が向上されるようになる。
しかも、熱可塑性樹脂製の絶縁部は、高温下で膨張しても、熱で柔らかくなって流動化しやすく、ボトムケースの耐熱部や耐熱基板に対し、これらを引き離す力を発生しないので、この点からも、圧力センサは、高温下でも被測定気体を外部に漏洩させなくなる。
また、前記圧力センサチップは、前記電極と平行に配置された一対の導電性シールド面の間に配置され、かつ、これら一対の導電性シールド面の一方は、前記耐熱基板の表面に形成された金属膜であり、他方は、前記基板に立設された支柱部に支持される金属板であることが好ましい。
このようにすれば、圧力センサチップを覆うシールドが形成され、このシールドにより、圧力センサチップが浮遊容量や外部電界による影響を受けなくなり、正確な圧力測定が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２には、本発明の一実施形態に係る静電容量式の圧力センサ１が示されている。圧力センサ１は、燃料ガス会社から供給されるガスの圧力を測定するものであり、当該ガスの使用量を計量するガスメータの一部品として利用される。
この圧力センサ１には、ガスの圧力を検出するための圧力センサチップ２と、この圧力センサチップ２で得た圧力信号を電気的に処理するための信号処理回路としてのＩＣチップ３と、これらの圧力センサチップ２およびＩＣチップ３を収納するためのケース10とが備えられている。
このうち、圧力センサチップ２およびＩＣチップ３は、電気絶縁性のあるセラミック製の耐熱基板である基板４の上に並んで取付けられている。
ケース10は、基板４が固定されたボトムケース10A を備えたものである。このボトムケース10A には、必要に応じて、図中上面を覆う図示しない略箱状のアッパーケースが取付可能となっている。
【００１０】
ボトムケース10A は、図中下方の面11の中心位置近傍に、継手部12が突設されたものである。継手部12は、被測定流体であるガスが流通する配管等に接続するためのものである。
ボトムケース10A の長手方向の両端は、ガスメータ等への取付のための取付部13となっている。この取付部13には、ボルトが挿通されるボルト挿通孔14が設けられている。
ボトムケース10A の継手部12の中心には、ガスの圧力を圧力センサ１の内部に導入するための圧力導入孔15が設けられている。
ボトムケース10A の図中上方の面16には、基板４の周囲を囲むように、高低二種類の立ち上がり部17A, 17Bが立設されている。
ここで、圧力センサチップ２は、ボトムケース10A の中心から周縁方向へ片寄った位置に配置されている。
ボトムケース10A の立ち上がり部17A, 17Bに囲まれた底面には、溝18が設けられいる。この溝18は、圧力導入孔15から圧力センサチップ２の直下にまで延び、かつ、図中上方に配置された基板４に覆われている。この溝18が圧力導入孔15から圧力センサチップ２にまで延びる圧力導入路となっている。
【００１１】
基板４には、圧力センサチップ２の直下となる位置に設けられた連通孔19が設けられている。この基板４は、溝18に導かれるガスの圧力に耐えうるようにボトムケース10A に接合されている。
また、基板４には、図３ないし図５示されるように、複数の外部接続端子20が設けられている。これらの外部接続端子20は、圧力センサ１の外部との信号の送受信や、電源電圧を受けるために設けられたものである。
これらの外部接続端子20のうち、圧力センサチップ２に最寄りの端子20A は、接地用の端子となっている。この端子20A には、圧力センサチップ２を覆う金属製のシールド板21が、基板４と平行となるように取付けられている。
ここにおいて、外部接続端子20A は、金属製のシールド板21を支持する支柱部となっている。
【００１２】
基板４の圧力センサチップ２側の面4Aは、二層構造となっている。圧力センサチップ２の面4Aの表面には、厚膜印刷によりパターン配線22が設けられている。圧力センサチップ２、ＩＣチップ３および外部接続端子20の相互間の電気配線は、主にパターン配線22によって形成されている。
パターン配線22は、図６に示されるように、基板４の面4Aを覆うように設けられた絶縁膜22A の上に形成されている。絶縁膜22A の図中下方には、厚膜印刷によるシールド層23が形成されている。
シールド層23は、図３および図５の如く、圧力センサチップ２に応じた位置に配置され、圧力センサチップ２を覆うように形成されている。
このシールド層23およびシールド板21は、互いに電気的に導通されており、これらのシールド層23およびシールド板21の間に、圧力センサチップ２が配置され、これにより、圧力センサチップ２が静電遮蔽されている。
【００１３】
圧力センサチップ２は、図６の如く、中央部分が表裏とも凹んだダイアフラム31の表側および裏側の両方に、図示しない電極が形成された面状の絶縁物32, 33を一体化したものである。この圧力センサチップ２の絶縁物33側の面が、接着剤34により基板４に接着されている。
絶縁物32, 33の電極は、基板４と平行とされ、これにより、前述のシールド層23およびシールド板21とも平行となっている。
ダイアフラム31は、半導体（シリコン単結晶）から形成されたものある。ダイアフラム31の周縁部分は、両側から絶縁物32, 33に挟持されている。
この際、ダイアフラム31の中央部分は、その凹みにより、絶縁物32, 33との間に空隙が設けられ、図中上下方向に変位可能となっている。
絶縁物32, 33の各々は、耐熱ガラスで形成されたものである。ここで、絶縁物32, 33を形成する耐熱ガラスおよび基板４を形成するセラミックは、熱膨張係数が互いに近似したものが採用されている。これにより、高温下において、圧力センサチップ２と基板４との間に作用する、熱膨張による力が小さくなる。
絶縁物32, 33の各々には、ダイアフラム31との対向面に前述の電極が形成されている。なお、これらの電極は、ボンディングワイヤ35により基板４のパターン配線22と電気的に接続されている。
【００１４】
絶縁物32, 33のうち、図中下方の絶縁物33には、測定圧を導入するための測定圧導入孔36が形成され、図中上方の絶縁物32には、基準圧を導入するための基準圧導入孔37が形成されている。
ここで、圧力センサチップ２を基板４に接着する接着剤34は、高温下においても、基板４および絶縁物32の間の空間を、基板４の連通孔19および絶縁物32の測定圧導入孔36の全周に渡って完全に密閉するものとなっている。
これにより、圧力導入孔15から導入される測定圧がダイアフラム31まで確実に伝達され、測定圧による変位でダイアフラム31と絶縁物32, 33の電極との間の静電容量が変化し、測定圧が正確に検出可能となっている。
【００１５】
ボトムケース10A は、図７ないし図９に示されるように、アルミダイカスト製の耐熱部40と、合成樹脂製の絶縁部50とを一体化したものである。
耐熱部40の平面形状は、圧力センサ１の長手方向の両端まで延びた細長い短冊の角を丸めたものとなっている。
耐熱部40の中央部分は、その肉厚が最も厚くされた厚肉部41となっている。厚肉部41は、ボトムケース10A の面16側に露出する平面42を有している。この露出した平面42の形状は、小判型となっている。この平面42に、基板４が接着されるとともに、前述の溝18が形成されている。
耐熱部40の厚肉部41には、ボトムケース10A の面11側に、前述の継手部12および圧力導入孔15が形成されている。
ここにおいて、ボトムケース10A に基板４を接着すると、溝18により、耐熱部40と基板４との間に、圧力導入孔15から圧力センサチップ２にまで延びる圧力導入路が形成されるようになっている（図１参照）。
耐熱部40の両端部分は、肉厚が厚肉部41に次いで厚い肉厚を有し、その表面および裏面の両方が絶縁部50から露出しており、この部分が前述の取付部13となっている。
耐熱部40の中央部分および両端部分の間の部分は、肉厚の最も薄い薄肉部43となっている。
【００１６】
絶縁部50は、ボトムケース10A のほぼ全体に広がったものであり、耐熱部40の長手方向に延びる側面全体を覆うとともに、ボトムケース10A の面11とは反対側において、耐熱部40の薄肉部43の表面を覆っている。
絶縁部50の表面には、前述の高低二種類の立ち上がり部17A, 17Bが一体に形成されている。
ここで、ボトムケース10A は、予め耐熱部40となる金属部品を金型内に入れた後、当該金型内に溶融した結晶性ポリマーを充填するインサート成形により、耐熱部40および絶縁部50を一体成形したものである。
この際、耐熱部40の側面には、絶縁部50へ向かって突出する突片44と、内側に凹んだ凹部45とが設けられている。これらの突片44および凹部45により、絶縁部50を形成する樹脂の、耐熱部40への付着強度が高められ、耐熱部40と絶縁部50とが強固に一体化している。
【００１７】
前述のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、ボトムケース10A のアルミダイカスト製の耐熱部40に圧力導入孔15を設け、アルミダイカスト製の耐熱部40およびセラミック製の基板４の間に、圧力導入孔15から圧力センサチップ２に至る圧力導入路を設け、さらに、圧力センサチップの絶縁物32, 33を耐熱ガラスで形成し、かつ、ダイアフラム31を半導体（シリコン単結晶）で形成し、これにより、圧力センサ１のガスが接する部分のすべてに充分な耐熱性を確保させたので、簡単な構造でありながら、高温下でもガスの外部への漏洩を防止できる。
【００１８】
また、ボトムケース10A の絶縁部50を絶縁耐圧に優れた合成樹脂で形成し、さらに、絶縁耐圧に優れたセラミック製の基板４の上に、圧力センサチップ２およびＩＣチップ３を設け、これらの絶縁部50および基板４により、導電性のあるダイカスト製のボトムケース10A から、圧力センサチップ２、および、ＩＣチップ３を含む回路部分を、電気的に隔離したので、ケース10に加わる高電圧から圧力センサチップ２、および、ＩＣチップ３を含む回路部分が保護されるようになり、雷サージ等の高電圧に耐えうる絶縁耐圧を確保することができる。
【００１９】
さらに、熱膨張係数が互いに近似した材料で、絶縁物32, 33および基板４の各々を形成し、高温下において、圧力センサチップ２と基板４との間に、熱膨張による力が作用しないようにしたので、熱により、圧力センサチップ２が基板４から外れることがなく、この点からも、高温下において、ガスの外部への漏洩を防止できる。
【００２０】
また、ボトムケース10A の絶縁部50の材料として、結晶性ポリマーを採用したので、インサート成形により、ボトムケース10A の絶縁部50および耐熱部40を容易に一体成形することができ、圧力センサ１の生産性を向上できるうえ、絶縁部50に熱が加わると、絶縁部50は、柔らかくなって流動化するので、高温下で膨張しても、ボトムケース10A の耐熱部40や基板４に対し、これらを引き離す力を発生せず、圧力センサ１の高温下における気密性が確保され、この点からも、高温下において、ガスの外部漏洩を防止できる。
【００２１】
さらに、圧力センサチップ２を、その電極と平行に配置されたシールド層23およびシールド板21の間に配置したので、圧力センサチップ２が浮遊容量や外部電界による影響を受けなくなり、正確な圧力測定を行うことができる。
【００２２】
また、耐熱部40の側面に、絶縁部50へ向かって突出する突片44と、内側に凹んだ凹部45とを設け、これらの突片44および凹部45により、絶縁部50を形成する樹脂の、耐熱部40への付着強度を高めたので、材質の異なる耐熱部40と絶縁部50とが強固に一体化され、堅牢なボトムケース10A を得ることができる。
【００２３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
例えば、耐熱部としては、アルミダイカスト製のものに限らず、他の金属からなるものでもよい。ここで、耐熱部を成形するにあたり、鋳型を用いる鋳造法に限らず、プレス成形や機械切削加工等他の方法を用いてもよい。
【００２４】
また、信号処理回路は、耐熱基板ではなく、樹脂製の絶縁部に取付けてもよい。
さらに、ボトムケースとしては、インサート成形により、金属製の耐熱部と樹脂製の絶縁部とを一体成形したものに限らず、耐熱部と絶縁部とを接着剤で接着したものでもよい。
【００２５】
また、圧力センサチップのダイアフラムとしては、半導体からなるものに限らず、金属製のものでもよい。
さらに、圧力センサチップの絶縁物としては、耐熱ガラスからなるものに限らず、他のガラスやセラミックス製のものでもよい。
また、圧力センサチップとしては、ダイアフラムを挟む両方の絶縁物に電極を設けたものに限らず、ダイアフラムを挟む一対の絶縁物のうちの一方のみに電極を設けたものでもよい。
さらに、圧力センサチップの基板４への取付は、接着剤による接着に限らず、ねじ等にる機械的な結合でもよい。
なお、本発明は、ガスメータの一部品として使用される圧力センサに限らず、他の用途に使用される圧力センサにも適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
前述のように本発明によれば、簡単な構造でありながら、雷サージ等の高電圧に耐えうる絶縁耐圧を確保できるうえ、高温下でも被測定気体を外部に漏洩させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサを示す断面図である。
【図２】前記実施形態の圧力センサを示す異なる断面図である。
【図３】前記実施形態の圧力センサの耐熱基板を示す平面図である。
【図４】前記実施形態の圧力センサの耐熱基板を示す側面図である。
【図５】前記実施形態の圧力センサの耐熱基板を示す底面図である。
【図６】前記実施形態の圧力センサチップを示す拡大断面図である。
【図７】前記実施形態のケースの要部を示す平面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線における断面図である。
【図９】図７のIX−IX線における断面図である。
【符号の説明】
１圧力センサ
２圧力センサチップ
３信号処理回路を構成するＩＣチップ
４耐熱基板としての基板
10 ケース
10A ボトムケース
15 圧力導入孔
18 圧力導入路を形成する溝
20A 支柱部となる外部接続端子
21 導電性シールド面を形成する金属板としてのシールド板
23 導電性シールド面を形成する金属膜としてのシールド層
31 ダイアフラム
32, 33 絶縁物
36 測定圧導入孔
37 基準圧導入孔
40 耐熱部
50 絶縁部

Claims

半導体および金属のいずれか一方からなるダイアフラムの中央部分が変位可能となるように空隙を形成した状態で、当該ダイアフラムの周縁部分を両側から狭持する一対の絶縁物が設けられ、前記一対の絶縁物の一方には、測定圧を導入する測定圧導入孔が形成され、前記一対の絶縁物の他方には、基準圧を導入する基準圧導入孔が形成され、かつ、これらの一対の絶縁物の少なくとも一方の絶縁物には、前記ダイアフラムとの対向面に電極が形成され、前記測定圧による前記ダイアフラムの変位を、当該ダイアフラムと前記電極との間の静電容量の変化から検出するための圧力センサチップと、
この圧力センサチップを収納するとともに、その内部に前記測定圧を導入するための圧力導入孔が設けられたケースと、
前記圧力センサチップの静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた静電容量式の圧力センサであって、
前記ケースは、樹脂製の絶縁部および金属製の耐熱部を一体化したボトムケースを有し、このボトムケースの耐熱部に前記圧力導入孔が設けられ、
前記圧力センサチップは、前記圧力導入孔からはずれた位置に配置されるとともに、セラミック製の耐熱基板を介して前記ボトムケースに固定され、
前記ボトムケースの耐熱部と前記耐熱基板との間には、前記圧力導入孔から前記圧力センサチップにまで延びる圧力導入路が形成され、
前記耐熱基板には、前記圧力センサチップと前記信号処理回路であるＩＣチップとが並んで配置されており、前記絶縁部は、前記耐熱基板の周囲を囲むように立設された立ち上がり部を有することを特徴とする静電容量式の圧力センサ。
請求項１に記載の静電容量式の圧力センサにおいて、前記ボトムケースの絶縁部の材質は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする静電容量式の圧力センサ。
請求項２に記載の静電容量式の圧力センサにおいて、前記ケースの絶縁部を形成する熱可塑性樹脂は、結晶性ポリマーからなることを特徴とする静電容量式の圧力センサ。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電容量式の圧力センサにおいて、前記ボトムケースは、予め前記耐熱部となる金属部品を金型内に入れて成形を行うインサート成形により、前記絶縁部および前記耐熱部を一体に成形したものであることを特徴とする静電容量式の圧力センサ。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の静電容量式の圧力センサにおいて、当該圧力センサは、ガスメータの部品として用いられることを特徴とする静電容量式の圧力センサ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の静電容量式の圧力センサにおいて、前記圧力センサチップは、前記電極と平行に配置された一対の導電性シールド面の間に配置され、これら一対の導電性シールド面の一方は、前記耐熱基板の表面上に形成された金属膜であり、他方は、前記基板に立設された支柱部に支持される金属板であることを特徴とする静電容量式の圧力センサ。