JP5919124B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、圧力検出素子を収容した受圧空間に液体を封入した液封入式の圧力センサに関する。

従来、圧力検出素子が収容された受圧空間内に液体を封入し、圧力検出室に外部から加えられた圧力を、液体を介して圧力検出素子に伝えることで、圧力検出素子から外部圧力に応じた電圧信号を出力する圧力センサが種々提案されている。

上記液封入式圧力センサの一例として、特許文献１には、外部からの圧力を導入する圧力導入管と底部に形成された貫通穴で接続され、圧力検出素子と外周に沿った溶接部で接続される蓋部材を備え、この蓋部材の外周部から貫通穴に至る縦断面の少なくとも一部をＬ字状に形成することで、蓋部材の内面に流体圧が作用した際における、溶接部を支点とした回転方向への力を低減し、溶接部の破断を防止する圧力センサが記載されている。

特開２００５−３０８３９７号公報

しかし、上記特許文献に記載の圧力センサにおいては、蓋部材の溶接部の破断を防止することで耐圧性能を向上させているが、ＣＯ_２等の高圧冷媒を用いた冷凍機器、空調機器の冷媒流路等の圧力の検出に用いた場合には、繰り返し高い圧力が上記溶接部等に加えられるため、溶接部に割れなどが発生し、破損に繋がるおそれがあった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、ＣＯ_２等の高圧冷媒が通過する流路等の圧力の検出に用いた場合でも、高圧による破損を防止し、安全な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、本発明は、圧力センサであって、圧力検出素子と、該圧力検出素子が内面に固定され、周縁部の内側から前記圧力検出素子が固定された面の反対側の面側に膨出する膨出部を備えるべースと、該べースに対向して配置され、周縁部の内側から、前記ベースから離間する方向に膨出する膨出部を備える受け部材と、前記べース及び前記受け部材の周縁部で挟持されたダイアフラムと、該ダイアフラムを挟持した状態の前記べース及び前記受け部材を、両者が互いに離間するのを防止するように両者を挟持し、一端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部又は周縁部と係合し、他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合された挟持部材と、前記ベースと前記ダイアフラムとの間の空間に封入された液体とを備え、 前記受け部材と前記ダイアフラムとの間の空間内の圧力が、前記ダイアフラム及び前記液体を介して前記圧力検出素子へ伝達されることを特徴とする。

そして、本発明によれば、挟持部材によって、ダイアフラムを挟持した状態のべース及び受け部材を挟持して両者が互いに離間するのを防止しているため、べースと受け部材との間に繰り返し高圧が付加された場合でも両者が離間することがなく、べースと受け部材とが溶接接合されている場合でも溶接部の割れを回避し、圧力センサの破損を防止することができる。

上記圧力センサにおいて、前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた内フランジ部より成り、該内フランジ部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の周縁部と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されていてもよい。

また、前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた傾斜部より成り、該傾斜部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部の肩部と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されていてもよい。

さらに、前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた内フランジ部より成り、該内フランジ部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部の上面部周辺と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されていてもよい。

この場合、前記内フランジ部の内周に、前記膨張部に形成されたハーメチック孔を逃げるための円弧状の凹みが形成されることができる。

さらにまた、前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた天井部より成り、該天井部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部の上面部全面と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されていてもよい。

この場合、前記天井部に、前記膨張部に形成されたハーメチック孔を逃げるための孔が形成されることができる。

以上のように、本発明によれば、ＣＯ_２等の高圧冷媒が通過する流路等の圧力の検出に用いた場合でも、高圧による破損を防止し、安全な圧力センサを提供することができる。

本発明に係る圧力センサの第１の実施形態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る圧力センサの第２の実施形態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る圧力センサの第３の実施形態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明に係る圧力センサの第４の実施形態を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る圧力センサの第１の実施形態を示し、この圧力センサ１は、圧力検出素子２と、べース４と、べース４に対向して配置された受け部材５と、べース４と受け部材５とで挟持されたダイアフラム６と、ダイアフラム６を挟持した状態のべース４及び受け部材５をさらに挟持（保持）する挟持部材（保持部材）１３とを備える。ベース４とダイアフラム６との間の受圧空間７には、液体（オイル）が封入される。

圧力検出素子２は、受圧空間７の内部でベース４に固定される。受け部材５とダイアフラム６との間には圧力導入空間としての加圧空間８が形成され、加圧空間８には冷媒が流入する流入管３の内部空間が連通する。

ベース４は、例えばプレス加工により成形され、周縁部（鍔部）４ｃの内側から上方に膨出する膨出部を備え、下部が開口する蓋状に形成されている。この膨出部は、周縁部４ｃの内側から立ち上がる側面部４ｄ及び側面部４ｄに連続して設けられた上面部４ｅより成る。べース４の膨出部下面（すなわち上面部４ｅの下面）には、圧力検出素子２が接着等により固定される。

受け部材５は、例えばプレス加工により成形され、周縁部（鍔部）５ａの内側から下方に膨出する膨出部を備え、上部が開口する皿状に形成されている。この膨出部は、周縁部５ａの内側から立ち下がる側面部５ｂ及び側面部５ｂに連続して設けられた下面部５ｃより成る。受け部材５の膨出部中央（すなわち下面部５ｃの中央）の開口には流入管３がろう付け固定される。

ダイアフラム６は、その外周縁部がベース４の周縁部４ｃと受け部材５の周縁部５ａとの間に挟み込まれ、これら３つの部材４〜６は、ダイアフラム６の外周縁部が露出する外周縁部分においてレーザー溶接等によって同時に溶接され（溶接部１４）、一体化される。受圧空間７は、べース４の上面部４ｅを貫通して形成された充填孔（不図示）から液体（オイル）が注入された後、べース４の上面において、充填孔がボール９によって封じられる。

挟持部材１３は、ダイアフラム６を挟持した状態のべース４及び受け部材５の外径より若干大きい内径を備えた円筒部１３ｂと、該円筒部１３ｂの上部において内側に延出した内フランジ部１３ａとを備えており、べース４及び受け部材５を、両者が互いに離間するのを防止するように挟持する。挟持部材１３の円筒部１３ｂを上方よりベース４及び受け部材５の周縁部４ｃ、５ａの外周に装着し、内フランジ部１３ａがベース４の周縁部４ｃ上面に係合した状態で、円筒部１３ｂの下部が、受け部材５の周縁部５ａ側面にレーザー溶接等によって溶接される（溶接部１５）。

圧力検出素子２は、例えばピエゾ素子及び信号処理回路等から成るＩＣチップである。ピエゾ素子は、強誘電体の一種であって圧電素子とも呼ばれ、振動や圧力等の力が加わると電圧が発生し、逆に電圧が加えられると伸縮する。

圧力検出素子２は、ベース４の上面部４ｅに形成された貫通孔４ａを挿通する出力用リードピン１１（１１Ａ〜１１Ｃ）及び調整用リードピン１２（１２Ａ〜１２Ｅ）にワイヤ１０を介して電気的に接続される。出力用リードピン１１は、圧力検出素子２で検出された圧力に応じた電圧信号を外部に出力するためのものであり、調整用リードピン１２は、製造時の電圧補正用等に用いられる。この例においては、３本の出力用リードピン１１Ａ〜１１Ｃ及び調整用リードピン１２Ａ〜１２Ｅ、並びに上述の充填孔は、ベース４の中心から同一円周上に等角度で配置されている。

ベース４の貫通孔４ａは、出力用リードピン１１及び調整用リードピン１２を挿通させた後、ハーメチックシール４ｂによって液体（オイル）漏れがないように封じられる。出力用リードピン１１は、その上端部で図示されない基板に接続され、基板は、さらに図示されないコネクタを介して外部出力用リード線に接続される。

上記構成を有する圧力センサ１は、流入管３から流入した冷媒の圧力変化によって加圧空間８の圧力が変化し、ダイアフラム６を変形させる。ダイアフラム６の変形により受圧空間７の内部に封入されている液体（オイル）の圧力が変化し、その圧力変化が圧力検出素子２へ伝播する。圧力検出素子２により検出された圧力は、電圧に変換され、その際、圧力センサ１の特性に応じた所定の電圧補正がなされる。補正後の電圧信号は、出力用リードピン１１、基板及びコネクタを介して外部出力用リード線へ伝送される。

この圧力センサ１を、ＣＯ_２等の高圧冷媒を用いた空調機器の冷媒流路等の圧力を検出するために使用すると、流入管３から流入した冷媒の高い圧力が加圧空間８に繰り返し加わり、ベース４と受け部材５とを離間させる方向に大きな力が繰り返し作用するが、受け部材５及びダイアフラム６が溶接部１４において一体化されていることに加え、挟持部材１３によってダイアフラム６を挟持した状態のべース４及び受け部材５のそれぞれの周縁部を挟持しているため、溶接部１４に割れなどが生ずるおそれがなく、圧力センサ１の破損を効果的に防止することができる。

次に、本発明に係る圧力センサの第２の実施形態について、図２を参照しながら説明する。

この圧力センサ２１は、図１に示す圧力センサ１とは異なる挟持部材（保持部材）２２を備えていることを特徴とし、その他の構成要素は、圧力センサ１と同一である。そこで、図２において、図１の圧力センサ１と同一又は同等の構成要素については、同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。

この挟持部材２２は、ダイアフラム６を挟持した状態のべース４及び受け部材５の外径より若干大きい内径を備えた円筒部２２ｂと、円筒部２２ｂの上部に連続して形成され、円筒部１３ｂの中心軸方向に傾斜するように設けられた傾斜部２２ａと、傾斜部２２ａから内側に延出した内フランジ部２２ｃとを備えており、ベース４の膨出部肩部と受け部材５の周縁部５ａとを挟持（保持）することにより、べース４及び受け部材５が互いに離間するのを防止する。傾斜部２２ａは円錐台の側面形状を呈している。

挟持部材２２の円筒部２２ｂを上方よりベース４及び受け部材５の周縁部４ｃ、５ａの外周に装着し、傾斜面２２ａの内面がベース４の膨出部の肩部（すなわち側面部４ｄの傾斜部分）と当接・係合した状態で、円筒部２２ｂの下部が受け部材５の周縁部５ａの側面にレーザー溶接等によって接合される。

これにより、圧力センサ２１は、図１に示す圧力センサ１と同様にベース４と受け部材５とが互いに離間しないように、両者をより確実に挟持することが可能になると共に、ベース４を、その周縁部４ｃよりも内側で支持することができるので、図１の圧力センサ１に比較して、高圧導入時におけるベース４の変形をさらに抑えることができる。この結果、ハーメチックシール４ｂ部分に対する過度な応力が低減され、該シール部の破壊防止効果を強化することができる。

なお、受け部材５の変形を抑えたい場合には、この挟持部材２２を、上下方向に逆転させて取り付けるようにしても良く、この場合は、傾斜部２２ａを受け部材５の膨出部の肩部（側面部５ｂの傾斜部分）に係合させ、円筒部２２ｂをベース４の周縁部４Ｃ側面に溶接接合させればよい。

次に、本発明に係る圧力センサの第３の実施形態について、図３を参照しながら説明する。

この圧力センサ３１は、図１及び２に示す圧力センサ１、２１とは異なる挟持部材（保持部材）３２を備えていることを特徴とし、その他の構成要素は、圧力センサ１、２１と同一である。そこで、図３において、図１、２の圧力センサ１、２１と同一又は同等の構成要素については、同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。

この挟持部材３２は、ダイアフラム６を挟持した状態のべース４及び受け部材５の外径より若干大きい内径を備えた円筒部３２ｂと、円筒部３２ｂの上部に連続して形成され、円筒部３２ｂの中心軸方向に傾斜するように設けられた傾斜部３２ａと、傾斜部３２ａから内側に延出した内フランジ部３２ｃとを備えており、ベース４の膨出部の上面部周辺（上面部４ｅの周囲）と受け部材５の周縁部５ａとを挟持（保持）することにより、べース４及び受け部材５が互いに離間するのを防止する。傾斜部３２ａは円錐台の側面形状を呈している。

内フランジ部３２ｃの内周端は、出力用リードピン１１Ａ〜１１Ｃ及び調整用リードピン１２Ａ〜１２Ｅ、並びに上述の充填孔のそれぞれの中心を結ぶ円周近くにまで接近して設けられ、かつハーメチック用の貫通孔４ａ及びボール９からはそれぞれ等距離で多少後退するように円弧状の凹み３２ｘ、３２ｙが形成されている。

このように構成された挟持部材３２は、その円筒部３２ｂからベース４及び受け部材５の周縁部４ｃ、５ａの外周に装着し、内フランジ部３２ｃがベース４の上面部４ｅに当接・係合した状態で、円筒部３２ｂの下部が受け部材５の周縁部５ａ側面にレーザー溶接等によって溶接接合される。これにより、圧力センサ３１は、図２に示す圧力センサ２１と比較してベース４をさらに内側で支持することができるため、ベース４と受け部材５との確実な挟持と、ハーメチックシール部の破壊をさらに効果的に防止することが可能となる。

次に、本発明に係る圧力センサの第４の実施形態について、図４を参照しながら説明する。

この圧力センサ４１は、図１〜３に示す圧力センサ１、２１、３１とは異なる挟持部材（保持部材）４２を備えていることを特徴とし、その他の構成要素は、圧力センサ１、２１、３１と同一である。そこで、図４において、図１〜３と同一又は同等の構成要素については、同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。

この挟持部材４２は、ダイアフラム６を挟持した状態のべース４及び受け部材５の外径より若干大きい内径を備えた円筒部４２ｃと、円筒部４２ｃの上部に連続して形成され、円筒部４２ｃの中心軸方向に傾斜するように設けられた傾斜部４２ｄと、傾斜部４２ｄに連続して設けられ、複数の孔（この実施例においては、８個の孔４２ａと１つの孔４２ｂ）を有する天井部４２ｅとを備え、ベース４の膨出部先端部全面（上面部４ｅの全面）と受け部材５の周縁部５ａとを挟持（保持）することにより、べース４及び受け部材５が互いに離間するのを防止する。傾斜部４２ｄは、円錐台の側面形状を呈している。

複数の孔４２ａ、４２ｂは、挟持部材４２の円筒部４２ｃをベース４及び受け部材５の周縁部４ｃ、５ａの外周に装着した際、天井部４２ｅがボール９、リードピン１１（１１Ａ〜１１Ｃ）、１２（１２Ａ〜１２Ｅ）、ハーメチックシール用のガラスと干渉しないように、これらを通過されるべく、ボール９及びハーメチック用の貫通孔４ａよりも大きく設定されている。挟持部材４２は、円筒部４２ｃをベース４及び受け部材５の周縁部４ｃ、５ａの外周に装着し、天井部４２ｅがベース４の上面部４ｅに当接・係合した状態で、円筒部４２ｃの下部が受け部材５の周縁部５ａ側面とレーザー溶接等により溶接・接合される。

このように構成された圧力センサ４１は、ベース４と受け部材５との確実な挟持が可能であり、また挟持部材４２がベース４の上面部４ｅを全面に亘って支持されるので、高圧流体導入時におけるベース４の膨張をさらに効果的に防止することができ、この結果、図１〜図３に示す圧力センサ１、２１、３１と比較してハーメチックシール部の破壊防止をさらに確実に行うことが可能となる。

さて、前述の各実施例において説明した、各挟持部材の円筒部１３ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｃと受け部材５の周縁部５ａとの溶接（溶接部１５）は、各円筒部の全周に亘って行われても良いし、その周囲に部分的に成されても良い。また各挟持部材と周縁部５ａとの溶接は、溶接部１４の熱影響部から成るべく離れるように、該挟持部材の下端側で行うと良い。

また、図２に関して説明した実施例においては、挟持部材２２の傾斜部２２ａがベース４の膨張部肩部を支持するので、該傾斜部２２ａの端部に設けられた内フランジ部２２ｃは省略することができる。

さらに、図３及び４に関して説明した実施例においては、挟持部材３２、４２の内フランジ部３２ｃ、天井部４２ｂがベース４の膨出部を支持し、傾斜部３２ａ、４２ｄは膨出部に当接・支持しない構造となっているが、本発明は特にこれのみに限定されることはなく、内フランジ部３２ｃ、天井部４２ｂと共に、傾斜部３２ａ、４２ｄにも膨出部を支持させる機能を持たせても良い。この場合、内フランジ部３２ｃ及び傾斜部３２ａ、あるいは天井部４２ｂ及び傾斜部４２ｄの内側輪郭を、ベース４の周縁部４ｃ、側面部４ｄ及び上面部４ｅの輪郭と同様にすることにより、挟持部材の全面においてベース４を支持することが可能となる。

１ 圧力センサ
２ 圧力検出素子
３ 流入管
４ べース
４ａ 貫通孔
４ｂ ハーメチックシール
４ｃ 周縁部
４ｄ 側面部
４ｅ 上面部
５ 受け部材
５ａ 周縁部
５ｂ 側面部
５ｃ 下面部
６ ダイアフラム
７ 受圧空間
８ 加圧空間
９ ボール
１１（１１Ａ〜１１Ｃ） 出力用リードピン
１２（１２Ａ〜１２Ｅ） 調整用リードピン
１３ 挟持部材
１３ａ 内フランジ部
１３ｂ 円筒部
１４、１５ 溶接部
２１ 圧力センサ
２２ 挟持部材
２２ａ 傾斜部
２２ｂ 円筒部
２２ｃ 内フランジ部
３１ 圧力センサ
３２ 挟持部材
３２ａ 傾斜部
３２ｂ 円筒部
３２ｃ 内フランジ部
３２ｘ、３２ｙ 凹み
４１ 圧力センサ
４２ 挟持部材
４２ａ、４２ｂ 孔
４２ｃ 円筒部
４２ｄ 傾斜部
４２ｅ 天井部

Claims (7)

1. 圧力検出素子と、
   該圧力検出素子が内面に固定され、周縁部の内側から前記圧力検出素子が固定された面の反対側の面側に膨出する膨出部を備えるべースと、
   該べースに対向して配置され、周縁部の内側から、前記ベースから離間する方向に膨出する膨出部を備える受け部材と、
   前記べース及び前記受け部材の周縁部で挟持されたダイアフラムと、
   該ダイアフラムを挟持した状態の前記べース及び前記受け部材を、両者が互いに離間するのを防止するように両者を挟持し、一端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部又は周縁部と係合し、他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合された挟持部材と、
   前記ベースと前記ダイアフラムとの間の空間に封入された液体とを備え、
   前記受け部材と前記ダイアフラムとの間の空間内の圧力が、前記ダイアフラム及び前記液体を介して前記圧力検出素子へ伝達されることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた内フランジ部より成り、
   該内フランジ部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の周縁部と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた傾斜部より成り、
   該傾斜部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部の肩部と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた内フランジ部より成り、
   該内フランジ部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部の上面部周辺と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記内フランジ部の内周に、前記膨張部に形成されたハーメチック孔を逃げるための円弧状の凹みが形成されたことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記挟持部材は、円筒部及び該円筒部の一端に設けられた天井部より成り、
   該天井部が、前記ベース及び前記受け部材のいずれか一方の膨出部の上面部全面と係合し、その他端が前記ベース及び前記受け部材のいずれか他方の周縁部と溶接接合されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
7. 前記天井部に、前記膨張部に形成されたハーメチック孔を逃げるための孔が形成されたことを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。

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