JP5274848B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサの改良に関する。

この種、圧力センサとしては、たとえば、金属ダイヤフラムの表面にブリッジ回路を構成する複数の歪ゲージを備えたセンサ部を備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

この圧力センサでは、図３に示すように、筒状であって小径部２０ａと大径部２０ｂとを備えたケース２０と、ケース２０の小径部２０ａ内に収容固定されて内部に圧力が導入される有底筒状の金属ダイヤフラム２１と、金属ダイヤフラム２１の底部外面に設けられるとともにブリッジ回路を構成する複数の図示しない歪ゲージを有して上記底部の歪を検出するセンサ部２２と、ケース２０の大径部２０ｂ内に嵌合されるとともにセンサ部２２が出力する信号を処理する処理基板２３を保持するコネクタ２４と、センサ部２２と処理基板２３とを接続するとともにケース２０内に折り畳まれて収容されるフレキシブルケーブル２５とを備えて構成されている。

そして、この圧力センサでは、特に、ケース２０を筒状として、ケース２０を、金属ダイヤフラム２１を保持するものとコネクタ２４を保持するものに分割せずに、単一のケース２０で金属ダイヤフラム２１とコネクタ２４の両方を保持するようにしているので、シールが金属ダイヤフラム２１とコネクタ２４の嵌合部位のみで足り、部品点数や加工工数の点で有利となる構造を採用している。

また、センサ部２２は、複数の歪ゲージをループ状に接続した図示しないブリッジ回路と、このブリッジ回路にボンディングワイヤで接続される中継基板２６を備えており、処理基板２３は中継基板２６を介してブリッジ回路に接続される。

このセンサ部２２と処理基板２３の接続に際しては、センサ部のブリッジ回路に接続されるとともに並列配置される少なくとも四つ以上の導線と、導線を被覆する絶縁膜とでなるフレキシブルケーブル２５を用いている。

このようなフレキシブルケーブル２５を採用するのは、圧力センサに振動が作用する場合にフレキシブルケーブル２５がある程度自由に動いて、極細いボンディングワイヤに無理な負荷が作用しないようにするためである。
特開２００７−７８４６７号公報

このような従来の圧力センサでは、上記した種々の利点を享受するため、ケース２０を筒状として、ケース２０の一端側の小径部２０ａ内に収容される金属ダイヤフラム２１に設けられるセンサ部２２とケース２０の他端側の大径部２０ｂに嵌合されるコネクタ２４に保持される処理基板２３の接続にフレキシブルケーブル２５を用いて接続する構成を採用しているため、圧力センサを組み立てるには、まず、予めセンサ部２２にフレキシブルケーブル２５の一端を接続した状態で金属ダイヤフラム２１をケース２０の小径部２０ａ内に固定し、その後、フレキシブルケーブル２５の他端を処理基板２３に接続して、コネクタ２４をケース２０の大径部２０ｂ内に収めることになる。

このような組立工程を可能とするためには、金属ダイヤフラム２１をケース２０の小径部２０ａに収容した状態で、フレキシブルケーブル２５の他端をケース２０外にある処理基板２３へはんだ付できることが必要で、そのため、フレキシブルケーブル２５は金属ダイヤフラム２１をケース２０に固定した状態で他端がケース２０外へ突出する程度に長く、コネクタ２４をケース２０の大径部２０ｂ内に嵌合すると、フレキシブルケーブル２５はケース２０内に折り畳まれて収容されることになる。

すると、このフレキシブルケーブル２５がケース２０内でどのように折り畳まれているかを外部から確認することができず、製品によっては、フレキシブルケーブル２５がケース２０の小径部２０ａと大径部２０ｂとの境に形成される段部の内縁に圧迫されつつ接触してしまっているものがあり、このような圧力センサの場合、繰り返し圧力センサに振動が加わると、フレキシブルケーブル２５の絶縁膜が上記段部の内縁に擦り付けられて傷んでケース２０と導線が接触してしまいセンサ部２２と処理基板２３がケース２０に導通して、圧力センサが正しく信号を出力できなくなってしまうと指摘される可能性がある。

そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、圧力センサの耐振性能を向上させることである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、筒状であって小径部と大径部とを備えたケースと、ケースの小径部内に収容固定されて内部に圧力が導入される有底筒状の金属ダイヤフラムと、金属ダイヤフラムの底部外面に設けられるとともにブリッジ回路を構成する複数の歪ゲージを有して上記底部の歪を検出するセンサ部と、ケースの大径部内に嵌合されるとともにセンサ部が出力する信号を処理する処理基板を保持するコネクタと、センサ部と処理基板とを接続するとともにケース内に折り畳まれて収容されるフレキシブルケーブルとを備えた圧力センサにおいて、フレキシブルケーブルは、センサ部のブリッジ回路に接続されるとともに並列配置される少なくとも四つ以上の導線と、導線を被覆する絶縁膜とを有してなり、フレキシブルケーブルのケースにおける大径部内に収容される部位に予め曲り易い第１の折曲部を設け、第１の折曲部の周辺の一部をケースの大径部の内周に当接させてなることを特徴とする。

本発明の圧力センサによれば、フレキシブルケーブルに積極的に曲がる第１の折曲部を設けているから、この折曲部が圧力センサの組立の際に、金属ダイヤフラムとコネクタおよび処理基板によって圧迫されると優先的に折れ曲り、第１の折曲部の周辺の一部がケースの大径部の内周に当接し、フレキシブルケーブルのケース内の段部の内縁への接触が阻止されることになる。

このように、フレキシブルケーブルに予め第１の折曲部を設けることにより、フレキシブルケーブルの段部の内縁への接触が阻止されるので、圧力センサの使用時に振動が繰り返し入力されても、フレキシブルケーブルの絶縁膜を傷めることがなくなり、圧力センサは金属ダイヤフラムの内部に導入された圧力に応じた正しい信号を出力し続けることができ、圧力センサの耐振性能が向上される。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態における圧力センサの縦断面図である。図２は、一実施の形態の一変形例における圧力センサの縦断面図である。

図１に示すように、一実施の形態における圧力センサ１は、基本的には従来の圧力センサと同様に、筒状であって小径部２ａと大径部２ｂとを備えたケース２と、ケース２の小径部２ａ内に収容固定されて内部Ａに圧力が導入される有底筒状の金属ダイヤフラム３と、金属ダイヤフラム３の底部３ａ外面に設けられるとともに図示しないブリッジ回路を構成する複数の歪ゲージを有して上記底部３ａの歪を検出するセンサ部４と、ケース２の大径部２ｂ内に嵌合されるとともにセンサ部４が出力する信号を処理する処理基板５を保持するコネクタ６と、センサ部４と処理基板５とを接続するとともにケース２内に折り畳まれて収容されるフレキシブルケーブル７とを備えて構成されている。

以下、各部について詳細に説明すると、ケース２は、図１中下方側の小径部２ａと、上方側の大径部２ｂと、小径部２ａの外周に設けられてケース２を図外の外部機器へ取付可能とする螺子部２ｃと、小径部２ａの上端外周に装着されるＯリング２ｄとを備え、内周側には小径部２ａと大径部２ｂとの境に段部２ｅが形成されている。

金属ダイヤフラム３は、底部３ａと、筒部３ｂとを備えて有底筒状とされており、ケース２の小径部２ａより軸方向長さは短く設定されるとともに、当該小径部２ａ内に内部Ａが外方を向くようにして収容固定されている。また、筒部３ｂの外周にはＯリング３ｃが装着されており、当該Ｏリング３ｃによってケース２と金属ダイヤフラム３との間がシールされている。

底部３ａは、内部Ａに導入される圧力で歪み易いように薄肉とされており、底部３ａの外表面上にセンサ部４を設けている。また、金属ダイヤフラム３の開口端には、オリフィス８ａを備えたプレート８が取り付けられており、金属ダイヤフラム３の内部Ａには、オリフィス８ａを介して圧力媒体が導入されるようになっており、当該オリフィス８ａがローパスフィルタの役割を果たして内部Ａの圧力変化が急激となることがないようになっている。

つづいて、センサ部４は、この実施の形態の場合、四つの歪ゲージをループ状に接続した図示しないブリッジ回路と、このブリッジ回路にボンディングワイヤで接続される中継基板４ａとを備えて構成されており、具体的には、歪ゲージとブリッジ回路は、金属ダイヤフラム３の底部３ａに、絶縁層を構成する二酸化珪素膜と、歪ゲージを構成する珪素膜と、電極層を構成するアルミニウム膜等を順次蒸着して形成される。なお、これに代えて、予め、ブリッジ回路を構成する歪ゲージを備えたセンサチップを底部３ａに接着して設けてもよい。

したがって、この圧力センサ１にあっては、金属ダイヤフラム３の底部３ａが内部Ａの圧力の作用によって歪むと、センサ部４がこれを検知して歪ゲージの抵抗変化に応じた信号を出力し、内部Ａの圧力を検出することができるようになっている。

そして、中継基板４ａは、処理基板５へフレキシブルケーブル７を介して接続され、センサ部４はフレキシブルケーブル７が接続された状態でシリコンゲル９およびポッティング材１０によってコーティングされて保護される。

さらに、コネクタ６は、ケース２の大径部２ｂに嵌合される基部６ａと、基部６ａの上方に設けられて図示しない外部電源をセンサ部４へ接続するための端子とセンサ部４が出力する信号を外部へ取り出すための端子を備えたソケット部６ｂとを備えて構成され、基部６ａの下端には処理基板５が垂下して固定されている。

なお、コネクタ６の基部６ａの外周には、Ｏリング６ｃが装着されており、ケース２の大径部２ｂとの間がシールされ、ケース２内が水密に保たれている。

また、処理基板５は、センサ部４が出力する信号に含まれるノイズを除去するとともに、信号を増幅するなどの処理を行う処理回路を備えており、センサ部４にフレキシブルケーブル７を介して接続されるとともにコネクタ６のソケット部６ｂに内接される図外の端子に接続され、当該処理基板５を介してセンサ部４へ電力供給されるようになっている。

そして、フレキシブルケーブル７は、センサ部４のブリッジ回路に接続されるとともに並列配置される図示しない五つの導線と、当該導線を被覆する符示しない絶縁膜とを備えて構成されている。

なお、導線は、センサ部４のブリッジ回路への電力供給と接地の二つと、ブリッジ回路中の歪みゲージの抵抗変化を検出するための二つの合計四つあれば足りるが、この実施の形態の場合、処理基板５において歪ゲージの抵抗値の製造誤差等の補正をするためにセンサ部４にて完全にブリッジ回路を形成するのではなく、一部を開放して処理基板５を介してブリッジ回路を組むようにしているため、導線を五つとしてある。

また、この実施の形態の場合、絶縁膜は、具体的にはたとえば、アラミド紙とされており、フレキシブルケーブル７は、互いに接触しないように並列配置される五つの導線をアラミド紙で巻き込んで一体化して形成されている。

このように構成されたフレキシブルケーブル７は、ケース２の大径部２ｂ内に収容される部位に予め曲がり易い折曲部７ａが設けられており、この折曲部７ａは一度曲げて曲げ癖をつけることによって設けられている。

ここで、圧力センサ１を組み立てるには、まず、予めセンサ部４にフレキシブルケーブル７の一端を接続した状態で金属ダイヤフラム３をケース２の小径部２ａ内に固定し、その後、フレキシブルケーブル７の他端を処理基板５にはんだ付により接続して、最後にコネクタ６をケース２の大径部２ｂ内に収めることになる。

したがって、この実施の形態の場合にあっても、従来の圧力センサと同様に、フレキシブルケーブル７は長く、金属ダイヤフラム３とコネクタ６および処理基板５によって圧迫されて折り畳まれた格好でケース２内に収容されることになる。

しかしながら、上述のように、本実施の形態におけるフレキシブルケーブル７には、積極的に曲がる第１の折曲部７ａが設けられており、この折曲部７ａが圧力センサ１の組立の際に金属ダイヤフラム３とコネクタ６および処理基板５によって圧迫されると優先的に折れ曲り、折曲部７ａが図中で右側へ張り出す形となって折曲部７ａの周辺の一部がケース２の大径部２ｂの内周に当接する。

そして、このフレキシブルケーブル７の折曲部７ａの周辺の一部である中間部７ｂにおけるケース２の大径部２ｂの内周への当接により、フレキシブルケーブル７の中間部７ｂよりセンサ部４側が弓形になってケース２の段部２ｅの内縁を回避して、フレキシブルケーブル７の段部２ｅの内縁への接触が阻止されることになる。

このように、フレキシブルケーブル７に予め折曲部７ａを設けることにより、フレキシブルケーブル７の段部２ｅの内縁への接触が阻止され、圧力センサ１の使用時に振動が繰り返し入力されても、フレキシブルケーブル７の絶縁膜を傷めることがなくなり、圧力センサ１は金属ダイヤフラム３の内部Ａに導入された圧力に応じた正しい信号を出力し続けることができ、圧力センサ１の耐振性能が向上される。

なお、フレキシブルケーブル７に折曲部７ａを設けるには、上記した曲り癖を付ける以外にも、導線に脆弱な部位を設けることによってもよいが、曲がり癖を付けることによるほうが、折曲部７ａの設置の際の加工が容易でコストもかからず、また、導線の強度低下を招かないといった種々の利点を享受することができる。

つづいて、一実施の形態の一変形例の圧力センサ１１について説明する。この一変形例における圧力センサ１１が上記した一実施の形態の圧力センサ１と異なるのは、図２に示すように、フレキシブルーブル１２に二つの第１の折曲部１２ａと第２の折曲部１２ｂを設けたことである。

なお、この異なる点を除けば、一変形例における圧力センサ１１は、一実施の形態における圧力センサ１と同様の構成を採用しており、これら同様の構成については、説明の重複を避けるため同じ符号を付すのみとして詳細には説明しない。

以下、異なるフレキシブルケーブル１２について説明する。フレキシブルケーブル１２は、フレキシブルケーブル７と同様に、センサ部４のブリッジ回路に接続されるとともに並列配置される図示しない五つの導線と、当該導線を被覆する符示しない絶縁膜とを備えて構成されているが、ケース２の大径部２ｂ内に収容される部位に予め二つ曲がり易い折曲部１２ａ，１２ｂが設けられている。この折曲部１２ａ，１２ｂは、一度曲げて曲げ癖をつけることによって設けられている。

この一変形例の場合、フレキシブルケーブル１２には、積極的に曲がる折曲部１２ａ，１２ｂが設けられているので、この折曲部１２ａ，１２ｂが圧力センサ１１の組立の際に、金属ダイヤフラム３とコネクタ６および処理基板５によって圧迫されて優先的に折れ曲り、折曲部１２ａ，１２ｂが図中で右側へ張り出す形となり、コの字状となって折曲部１２ａ，１２ｂ間の部位１２ｃがケース２の大径部２ｂの内周に当接する。

そして、このフレキシブルケーブル１２の折曲部１２ａ，１２ｂ間の部位１２ｃのケース２の大径部２ｂの内周への当接により、フレキシブルケーブル１２の図２中下方側の折曲部１２ａよりセンサ部４側が弓形になってケース２の段部２ｅの内縁を回避して、フレキシブルケーブル１２の段部２ｅの内縁への接触が阻止されることになる。

このように、フレキシブルケーブル１２に予め二つの折曲部１２ａ，１２ｂを設けることによっても、フレキシブルケーブル１２の段部２ｅの内縁への接触が阻止され、圧力センサ１１の使用時に振動が繰り返し入力されても、フレキシブルケーブル７の絶縁膜を傷めることがなくなり、圧力センサ１１は金属ダイヤフラム３の内部Ａに導入された圧力に応じた正しい信号を出力し続けることができ、圧力センサ１１の耐振性能が向上される。

また、この一変形例の場合、フレキシブルケーブル１２に予め二つの折曲部１２ａ，１２ｂを設けることによって、フレキシブルケーブル１２が鋭い角度をもってして折れ曲ることが回避されるためフレキシブルケーブル１２の強度の著しい低下を招く心配がなく、また、二つの折曲部１２ａ，１２ｂの設置によってフレキシブルケーブル１２が折り畳まれたときにコの字状を形成するので、折曲部１２ａ，１２ｂ間の部位１２ｃが座りよくケース２の大径部２ｂの内周に当接してその状態を維持することができ、フレキシブルケーブル１２のケース２の段部２ｅの内縁への干渉をより確実に防止することができ、圧力センサ１１の信頼性がより向上する。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における圧力センサの縦断面図である。 一実施の形態の一変形例における圧力センサの縦断面図である。 従来の圧力センサの縦断面図である。

符号の説明

１，１１ 圧力センサ
２ ケース
２ａ ケースにおける小径部
２ｂ ケースにおける大径部
２ｃ ケースにおける螺子部
２ｄ，３ｃ，６ｃ Ｏリング
２ｅ ケースにおける段部
３ 金属ダイヤフラム
３ａ 金属ダイヤフラムにおける底部
３ｂ 金属ダイヤフラムにおける受圧部
４ センサ部
４ａ センサ部における中継基板
５ 処理基板
６ コネクタ
６ａ コネクタにおける基部
６ｂ コネクタにおけるソケット部
７，１２ フレキシブルケーブル
７ａ，１２ａ，１２ｂ フレキシブルケーブルにおける折曲部
７ｂ フレキシブルケーブルの中間部
８ プレート
８ａ プレートにおけるオリフィス
９ シリコンゲル
１０ ポッティング材
１２ｃ フレキシブルケーブルにおける折曲部間の部位
Ａ 金属ダイヤフラムの内部

Claims (3)

1. 筒状であって小径部と大径部とを備えたケースと、ケースの小径部内に収容固定されて内部に圧力が導入される有底筒状の金属ダイヤフラムと、金属ダイヤフラムの底部外面に設けられるとともにブリッジ回路を構成する複数の歪ゲージを有して上記底部の歪を検出するセンサ部と、ケースの大径部内に嵌合されるとともにセンサ部が出力する信号を処理する処理基板を保持するコネクタと、センサ部と処理基板とを接続するとともにケース内に折り畳まれて収容されるフレキシブルケーブルとを備えた圧力センサにおいて、フレキシブルケーブルは、センサ部のブリッジ回路に接続されるとともに並列配置される少なくとも四つ以上の導線と、導線を被覆する絶縁膜とを有してなり、フレキシブルケーブルのケースにおける大径部内に収容される部位に予め曲り易い第１の折曲部を設け、第１の折曲部の周辺の一部をケースの大径部の内周に当接させてなることを特徴とする圧力センサ。
2. フレキシブルケーブルに第２の折曲部をさらに設け、第１、第２の折曲部間をケースの大径部の内周に当接させてなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 第１、第２の折曲部は、フレキシブルケーブルに曲がり癖をつけることにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。

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