JP6498021B2

JP6498021B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6498021B2
Application number: JP2015084545A
Authority: JP
Inventors: 倫久青山; 元桐向井
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: JP2016205873A

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、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に関する。

従来、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たり、産業用機器に装備されて各種の流体圧力の検知に使用されている。
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って、半導体からなる圧力検出素子との間で電位差が発生し、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。

そこで、上記圧力検出素子が収容されている受圧空間内に導電性部材（除電板）をさらに配置し、この導電性部材を検出装置における電気回路のゼロ電位に接続することにより、上記不具合の解消を図る圧力センサが下記の特許文献１に開示されている。

特開２０１５−４５９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている圧力センサにおいては、上記圧力検出素子と導電性部材とが別々に構成されているため、その製造時に、上記受圧空間を形成する上側部材（ベース）に上記圧力検出素子を取り付けた後に上記導電性部材を取り付けるか、あるいは上記上側部材に上記導電性部材を取り付けた後に上記圧力検出素子を取り付けることとなる。
したがって、これらの取り付けの際には、上記圧力検出素子又は導電性部材を上記上側部材に対してそれぞれ位置決めする必要があるため、取り付け作業が煩雑となり、組立効率が低下するとともに、複数回の位置決めに関わる製品精度が低下する懸念がある。

そこで、本発明の目的は、受圧空間内に導電性部材を取り付ける際に、組立作業を簡素化し、製品精度を向上できる圧力センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、流体の圧力を受圧するダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間で絶縁性媒質が封入された受圧空間が形成されるベースと、前記受圧空間内に設けられるとともにアースパッドを含む複数のボンディングパッドを備えた圧力検出素子と、前記ベースを貫通するとともに前記圧力検出素子と電気的に接続される複数の端子ピン及び１つのアース端子ピンとを具備し、前記ベースは、前記複数の端子ピン及び前記アース端子ピンが貫通する環状のシール部材と、前記環状のシール部材の内側に配置されて前記圧力検出素子が取り付けられる除電部材と、を含み、前記除電部材は、前記圧力検出素子のアースパッド及び前記アース端子ピンと電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサにおいて、前記除電部材は、前記環状のシール部材を形成する材料とほぼ同一の線膨張係数を有する材料で形成されることができる。
また、前記除電部材は、前記ベースと同一の材料で形成されても良い。

本発明の圧力センサによれば、受圧空間内に導電性部材を配置した場合に、組立作業を簡素化し、製品精度を向上できる。
また、本発明による圧力センサは、上記導電性部材を形成する材料を適宜選択することができるため、圧力センサ全体の軽量化を図ることができる。

本発明の一実施例による圧力センサの縦断面図である。本発明の一実施例による圧力センサの圧力検出素子を取り付けた部分の近傍を受圧空間側から見た概略図であり、図１のＡ−Ａ断面図よりカバーを取り除いた図である。

図１は、本発明の一実施例による圧力センサの縦断面図である。また、図２は、本発明による圧力センサの半導体型圧力検出装置を取り付けた部分の近傍を受圧空間側から見た概略図であり、図１のＡ−Ａ断面図よりカバーを取り除いた図である。
図１に示すように、圧力センサ１は、段付の円筒形状のカバー１０を有し、カバー１０の大径の開口部１０ａには、後述する半導体型圧力検出装置６０が搭載されたベース４０、図示されない流体流入管が接続される接続ナット２０を支持する取付部材３０、ベース４０及び取付部材３０によりその外周部が挟持されたダイアフラム５０等より成る圧力検出ユニット２が挿入される。

図１及び図２に示すように、ベース４０は、環状のシール部材（ガラスハーメチックシール）７４と、該シール部材７４の内側に配置された除電部材４０ａと、を中央部に含む。
皿状のベース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。ボール９９は、除電部材４０ａに形成された貫通孔４０ｂを介して受圧空間５２内に液状媒質を充填した後に該貫通孔４０ｂを封止する為のものであり、除電部材４０ａの外面側に溶接等の手段で固着される。

除電部材４０ａの中央部には半導体型圧力検出装置６０が接着や拡散接合あるいは常温接合等の適宜の手法により固着される。圧力検出装置６０は、ガラス製の支持基板６２とそれに貼付された圧力検出素子（半導体チップ）６４とからなる。圧力検出素子６４は、この例においては８つのボンディングパッド（電極）を備え、そのうちの３つは出力信号用の電源入力パッド、アースパッド及び信号出力パッドであり、残る５つは信号調整用パッドである。

環状のシール部材７４には、ベース４０を貫通する複数本（例えば８本）の端子ピン７０，７２が、ハーメチックシール７４により絶縁封止されて設けられる。
また、図２に示すように、複数の端子ピンのうちの１つはアース端子ピン７２として機能する。そして、当該アース端子ピン７２とそれ以外の７本の端子ピン７０とは、中継基板９０に接続される。

半導体型圧力検出装置６０（圧力検出素子６４）に形成されている電源入力パッド及び信号出力パッドは上記複数本の端子ピン７０のうちの２本と接続され、アースパッドはアース端子ピン７２と接続される。そして、これら３つの端子ピン７０，７２は、中継基板９０に設けられた金属配線パターン及び該中継基板９０に取り付けられたコネクタ９２を介してリード線９４のそれぞれに連結される。
また、リード線９４は、当該圧力センサ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。これにより、アース端子ピン７２は、リード線９４を介して外部アースに接続される。

なお、中継基板９０に接続される複数本の端子ピン７０，７２は、出力信号を出力する上記３つのパッドに接続された出力用端子ピンのみでも良く、またそれらに加えて圧力検出素子６４に形成されている信号調整用パッドに接続された５つの端子ピン７０のうちの少なくとも１つをさらに接続しても良い。
このような構成により、中継基板９０は、コネクタ９２を挟んで両側の位置に端子ピン７０，７２との接続点を備える構造となっているため、リード線９４に引張力等が加えられた場合であっても、端子ピン７０，７２に横方向の応力が加わることがなく、結果として端子ピン７０，７２とベース４０とを固定するハーメチックシール７４が破損するのを防止できる。

図２に示すように、除電部材４０ａは、環状のシール部材（ガラスハーメチックシール）７４の内側に一体固定される円柱形状の部材であって、シール部材７４を形成するガラスの線膨張係数（熱膨張率）に近い、導電性を有するＦｅＮｉ又はコバール等で形成される。
そして、除電部材４０ａは周囲をシール部材７４に囲まれているため、ベース４０において除電部材４０ａの部分のみをアースに接続してゼロ電位とすることにより、従来技術で開示されている追加的な除電板を設ける必要がない。
また、除電部材４０ａは、ベース４０と同一又は同等の材料（例えば鋼やステンレス等）や一般的な導電性材料であっても良い。要するに、環状のガラス部材でリードピンがハーメチックシール出来れば良いものである。

除電部材４０ａは、アース端子ピン７２とボンディングワイヤ８１で電気的に接続（結線）されている。そして、除電部材４０ａとして非導電性の材料を用いる場合には、該除電部材４０ａの受圧空間５２側の面に導電層を形成し、この導電層がアース端子ピン７２とボンディングワイヤ８１で電気的に接続される。
また、上述のとおり、除電部材４０ａには、半導体型圧力検出装置６０の取り付け部分以外の位置に、受圧空間５２内に液状媒質を充填するための貫通孔４０ｂが形成されており、当該貫通孔４０ｂの外面側はボール９９で封止されている。

図２に示すように、圧力検出素子６４に設けられた各ボンディングパッドのうち、アースパッドを除く７つのボンディングパッドは、７本の端子ピン７０とボンディングワイヤ８０でそれぞれ電気的に接続（結線）される。また、アースパッドは、除電部材４０ａとボンディングワイヤ８１で電気的に接続（結線）される。
このとき、除電部材４０ａとして非導電性の材料を用いる場合には、アースパッドは、除電部材４０ａの受圧空間５２側の面に形成された導電層とボンディングワイヤ８１で電気的に接続される。すなわち、アースパッドは、除電部材４０ａ（又は導電層）を介してアース端子ピン７２と電気的に接続される。

そして、上述の圧力検出ユニット２がカバー１０内に配置された後、カバー１０の大径の開口部１０ａ側及び小径の開口部１０ｂ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（図１においては、ハッチングによる図示を省略している）が充填、固化され、これによりカバー１０内に圧力検出ユニット２が固定される。

上記のような構成を備えた本発明による圧力センサ１において、接続ナット２０に導入される流体は流体導入室３２内に入り、その圧力でダイアフラム５０が変形し、受圧空間５２内の媒質を加圧する。
そして、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７０を介して電気信号を外部に出力する。

また、アース端子ピン７２は、上記のとおり、リード線９４を介して本発明の圧力センサ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電気回路のゼロ電位（外部アース）に接続されている。
このような構成により、圧力検出ユニット２の内部に帯電する電荷を効率的に外部に逃がすことができるため、半導体型圧力検出装置６０の周囲あるいは受圧空間５２内に充填された液状媒質に電荷が帯電するのを抑制することができ、結果として、半導体型圧力検出装置６０の帯電に起因する作動不良が防止される。

本発明による圧力センサ１は、ベース４０が、複数の端子ピン７０及びアース端子ピン７２を貫通させて絶縁封止する環状のシール部材７４と、当該環状のシール部７４の内側に配置された除電部材４０ａとを含む構成となっている。
上記の構成により、従来型の圧力センサで用いられている除電板をベースと一体で形成できるため、圧力検出ユニット２の構造を簡素化し、その結果として全体の軽量化を実現できる。
また、従来型の圧力センサを製造する際にも実施されていた、ハーメチックシールによる端子ピンの植設工程を利用して、ベース４０に除電部材４０ａを位置決め固定する工程を実施できるため、組立作業を削減して簡素化できるとともに製品精度を向上できる。

なお、本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、種々の改変を施すことができる。
例えば、図２において、除電部材４０ａが円柱形状である場合を例示したが、除電部材４０ａの機能を損なわない範囲で、断面多角形（例えば五角形や六角形、あるいは八角形）の角柱形状を採用することも可能である。

また、除電部材４０ａを有底の円筒又は角筒形状とし、その底部を受圧空間５２側に配置して半導体型圧力検出装置６０を取り付けるように構成してもよい。
このような形状を採用すれば、圧力検出ユニットの重量をさらに削減することが可能となる。

１圧力センサ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
４０ａ除電部材５０ダイアフラム
５２受圧空間６０半導体型圧力検出装置
６２支持基板６４圧力検出素子
７０端子ピン７２アース端子ピン
７４ハーメチックシール８０ボンディングワイヤ
８１アース用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

流体の圧力を受圧するダイアフラムと、
前記ダイアフラムとの間で絶縁性媒質が封入された受圧空間が形成されるベースと、
前記受圧空間内に設けられるとともにアースパッドを含む複数のボンディングパッドを備えた圧力検出素子と、
前記ベースを貫通するとともに前記圧力検出素子と電気的に接続される複数の端子ピン及び１つのアース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、前記複数の端子ピン及び前記アース端子ピンが貫通する環状のシール部材と、前記環状のシール部材の内側に配置されて前記圧力検出素子が取り付けられる除電部材と、を含み、
前記除電部材は、前記圧力検出素子のアースパッド及び前記アース端子ピンと電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサ。
前記除電部材は、前記環状のシール部材を形成する材料とほぼ同一の線膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
前記除電部材は、前記ベースと同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。