JP7291948B2 - 圧力センサ - Google Patents

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高周波ノイズなどに起因して生じうる。

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、ボンディングワイヤを用いてアース端子ピン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２０１４－１７８１２５号公報

ここで、特許文献１に開示されている圧力センサによれば、導電性部材を設けることにより製造コストが増大する。更に、除電効果を十分に発揮するためには、圧力検出素子と導電性部材とをベースに対してそれぞれ精度よく位置決めする必要があり、これにより取り付け作業が煩雑となり、組立効率が低下する虞がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、静電気の影響を抑えつつ、組立作業を簡素化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、
前記受圧空間内において前記ベースに配置され、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、
外部の電気回路に電気的に接続され、前記圧力検出装置側と電気的に接続された複数の端子ピンと、
前記ベースに連結され、前記ダイアフラムとの間に、前記流体の配管から前記流体が導入される流体導入室を形成する受け部材と、を具備した圧力センサであって、
前記ダイアフラムよりも前記配管側に、ノイズ伝達防止用の絶縁性部材が設けられており、
前記ベースは、前記複数の端子ピンのうちグラウンドに接続された端子ピンと電気的に接続され、
前記ベースは、メッキを施したメッキ表面を備え、
前記ベースに施されたメッキは、前記ダイアフラムに接している、ことを特徴とする。

本発明によれば、静電気の影響を抑えつつ、組立作業を簡素化できる圧力センサを提供することができる。

図１は、第１実施形態にかかる圧力センサの縦断面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線における断面を底面視した図である。 図３は、第１実施形態の変形例を示す図２と同様な図である。 図４は、第２実施形態にかかる圧力検出ユニットの上面図である。 図５は、第２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６は、第３実施形態にかかる圧力センサを示す縦断面図である。 図７は、図６のＢ－Ｂ線における断面を底面視した図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明にかかる第１実施形態を説明する。図１は、第１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、図１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を介して接合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（受け部材）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。これら取付部材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等より形成されており、それらの外周部は溶接（接合部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。接続ナット２０と取付部材３０との間には、絶縁性部材１００が配置されている。絶縁性部材１００は、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される。

絶縁性部材１００は、中空円筒部１０１と、中空円筒部１０１の下端に接続された円形フランジ部１０２とを有する。中空円筒部１０１は、接続ナット２０の円筒部２０ａと取付部材３０の円孔３０ａとの間に介在し、また円形フランジ部１０２は、接続ナット２０の肩部２０ｃの上面と、取付部材３０の下面との間に介在する。これにより絶縁性部材１００は、接続ナット２０と取付部材３０との間の電気的導通を遮断して絶縁を維持する。

絶縁性部材１００を介して接続ナット２０及び取付部材３０を組み付ける場合、絶縁性部材１００の接合面のみにメタライズ層を形成した上で、接続ナット２０及び取付部材３０に対してろう付けなどの固着手段を介して固着すると好ましい。又は、絶縁性の接着剤を用いて、絶縁性部材１００と、接続ナット２０及び取付部材３０とを接合することもできる。さらに、接続ナット２０と、これに接続される配管との間に、絶縁性部材を取り付けてもよく、その場合には接続ナット２０と取付部材３０とを直接連結できる。すなわち、ノイズ伝達防止用の絶縁性部材は、取付部材３０より配管側に設けられていれば足りる。

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、すなわち不図示の配管とが連通している。

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の開口４０ａを介して受圧空間内に充填した後、これを密閉するため、図１に点線で示されるように、ボール４０ｂがベース４０に溶接等の手段で固着される。

ベース４０の受圧空間５２側の中央部に、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、ベース４０に固定されるガラス製の台座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。

図２において、圧力検出素子６４は、その外周近傍に８つ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であり、残る５つは信号調整用パッド６４ｄである。ただし、ボンディングパッドの数は８つに限られない。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。

半導体形の圧力検出装置６０の周囲には、ベース４０を貫通するようにして複数本（この例においては８本）の端子ピン７０、７２が配置されている。端子ピン７０、７２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。また、図２に点描で示すように、圧力検出装置６０の周囲におけるベース４０の表面にはメッキが施され、受圧空間側にメッキ表面４０ｃを形成している。なお、本実施形態のメッキはニッケルメッキであるが、ステンレス製のダイアフラム５０よりも電気抵抗が低い他の材質（例えば、金や銅等）でメッキを行ってもよい。

複数の端子ピンのうちの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７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、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。

図２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、信号調整用パッド６４ｄと、端子ピン７２とは、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、グラウンド用の端子ピン７０にボンディングワイヤ８２を介して接続（結線）されるとともに、メッキ表面４０ｃとグラウンド用の端子ピン７０とが、ボンディングワイヤ８１を介して接続（結線）される。

圧力センサ１の組み付け時には、図１において、圧力検出ユニット２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。

ここで、不図示の配管を介して、接続ナット２０にノイズが伝達される場合がある。本実施形態によれば、接続ナット２０と取付部材３０とが絶縁性部材１００を介して絶縁されているため、取付部材３０側へのノイズの伝達を抑制することができる。加えて、圧力検出素子６４のグラウンドパッド６４ｂが、ボンディングワイヤ８１，８２を介してベース４０のメッキ表面４０ｃと同電位とされ、且つ端子ピン７０を介して中継基板９０の配線層のグラウンドと同電位とされている。

中継基板９０の配線層のグラウンドは、リード線９４（図１）を介して当該圧力センサ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電気回路のゼロ電位に接続される。つまり、ベース４０のメッキ表面４０ｃは、圧力検出素子６４のグラウンドパッド６４ｂと同じく、ゼロ電位に維持されるため、安定した圧力検出素子６４の動作を実現することができる。なお、本実施形態の圧力センサに、特開２０１４－１７８１２５号公報などに記載の除電板を追加することで、より高いノイズ抑制効果が発揮される。

ここで、絶縁性部材１００は誘電材料であるため、接続ナット２０側からのノイズの一部が取付部材３０側に伝達されることがある。ダイアフラム５０にノイズが伝達されると瞬間的に受圧空間内の液状媒質との間に電位差が生じ、液状媒質の分極が誘発されて圧力検出装置６０の出力値が乱れるおそれがある。しかし、メッキ表面４０ｃを有する構成では、ダイアフラム５０よりもベース４０側の電気抵抗の方が低いため、絶縁性部材１００を介して接続ナット２０側から取付部材３０側に伝達されるノイズの大部分は、ベース４０を介してグラウンドに伝わることになり、ダイアフラム５０に伝達されるノイズは大幅に減少する。特に、ダイアフラム５０よりも電気抵抗の低いメッキ層４０ｃをダイアフラム５０の接合部Ｗ近くまで配置することで、ダイアフラム５０に伝達されるノイズの多くがメッキ層４０ｃを介してベース４０側に伝わるため、ダイアフラム５０に伝達されるノイズをより効果的に低減できる。

また、上述の実施形態では、メッキ表面４０ｃがベース４０の外周部まで形成されていないが、ダイアフラム５０の外周部に接する範囲までメッキを施してもよい。このようにしてメッキ表面をダイアフラム５０に電気的に接続することで、接続ナット２０側からのノイズのダイアフラム５０への伝達をさらに低減できる。また、ベース４０の表面全体にメッキを施した後に端子ピン７０、７２とハーメチックシール７４を取り付け、更にダイアフラム５０を溶接すると、接合部Ｗにメッキ層を電気的に接続でき、ノイズ低減効果が高まる。

（変形例）
図３は、第１実施形態の変形例を示す図２と同様な図である。本変形例では、信号調整用の端子ピンを省略し、圧力検出素子６４’のグラウンドパッド６４ｂ、センサ入力電源パッド６４ａ、センサ出力パッド６４ｃに接続された３本の端子ピン７０，７２のみをベース４０’に取り付けている。それ以外の構成は上述した実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

上述した実施形態と同様に、圧力検出素子６４’のグラウンドパッド６４ｂが、ボンディングワイヤ８１，８２を介してベース４０’のメッキ表面４０ｃ’と同電位とされ、且つ端子ピン７０を介して中継基板９０（図１）の配線層のグラウンドと同電位とされている。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる圧力検出ユニット２Ａの上面図である。図５は、第２実施形態にかかる圧力検出ユニット２Ａの縦断面図である。本実施形態では、ＳＵＳ製のベース４０Ａの受圧空間側にメッキ表面が形成されておらず、またグランド用の端子ピン７０とベース４０Ａとの間にワイヤによる結線が行われていない。

代わりに、端子ピン７０には、ベース４０Ａの上面側において環状部材１１０（架橋部材）が取り付けられている。金属製の板材をプレス成形することによって形成できる環状部材１１０は、円板１１１と、円板１１１の外周に接合されたテーパ筒１１２とを有する。円板１１１の中央には孔１１３が形成されている。

孔１１３に端子ピン７０を挿通するようにして、環状部材１１０を嵌合取り付けすることができ、円板１１１は端子ピン７０に対してハンダ付けなどによって接合固定される。このとき環状部材１１０を上方から加圧してテーパ筒１１２を拡径するよう弾性変形させることにより、その下端が、ハーメチックシール７４の径方向外方にてベース４０の表面に対して当接して押圧される。これにより環状部材１１０を通じて電気的接続が確保され、ベース４０は、端子ピン７０を介して中継基板９０（図１）の配線層のグラウンドに対して同電位に維持される。圧力検出ユニット２Ａは、図１に示すカバー１０に組み付けることで、圧力センサを形成することができる。それ以外の構成は上述した実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

本実施形態では、ベース４０Ａにメッキ表面を形成する必要がなく、また端子ピン７０とベース４０Ａとの間にワイヤによる結線を行う必要がないため、圧力センサの製造工数をより低減できる。

なお、ＳＵＳ製のベース４０Ａは、ダイアフラム５０よりも低い電気抵抗を有するように、その厚さや材質を選択すると、前述の第１実施形態のように、接続ナット２０側からのノイズによる悪影響を抑制することができる。また、図５に記載していないが、ベース４０Ａの外周面にメッキを施すことで、接続ナット２０側からのノイズのダイアフラム５０への流れを低減できる。この場合、外周面のメッキ表面が環状部材１１０および接合部Ｗに接するようにするとよい。なお、本実施形態のベース４０Ａにメッキ表面を形成してもよく、さらに、メッキ表面をダイアフラム５０に電気的に接続するように形成してもよいことはもちろんである。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態にかかる圧力センサ１Ｂを示す縦断面図である。図７は、図６のＢ－Ｂ線における断面を底面視した図である。

本実施形態では、ベース４０Ｂにグラウンド用の端子ピン、及びそれを挿通する貫通孔を設けていない。代わりに、ＳＵＳ製のベース４０Ｂの上面に円形凹部４０ｄを形成している。円形凹部４０ｄには、導電部材である金属製のコイルばね１２０の下端が嵌合しており、コイルばね１２０の上端は、中継基板９０Ｂの、ベース４０の外周部上面と対向配置されている配線層のグラウンド（不図示）に当接している。また、圧力検出素子６４のグラウンドパッド６４ｂが、ボンディングワイヤ８３を介してメッキ表面４０Ｂｃに接続（結線）される。それ以外の構成は、図１，２の実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。

組み付け時に、コイルばね１２０を介在させつつ圧力センサユニット２Ｂを中継基板９０Ｂに相対的に接近させて当接させると、当接した両端からコイルばね１２０に圧縮力が付与され、コイルばね１２０に生じた弾性力によりその両端がベース４０Ｂと中継基板９０Ｂに対して押圧され、電気的導通が実現する。その後、樹脂Ｐが充填され固化した後は、かかる導通状態が固定されることとなる。

本実施形態では、金属製のコイルばね１２０を介して、中継基板９０Ｂの配線層のグラウンドと、ベース４０Ｂとが同電位に維持され、またベース４０Ｂと圧力検出素子６４のグラウンドパッドが同電位に維持されている。このためグラウンド用の端子ピンを設ける必要がなくなり、それにより製造コスト低減を図れる。なお、コイルばね１２０の代わりに、フレキシブルプリント基板やリード線を用いてもよい。また、本実施形態と図３の変形例を組み合わせることで、２本の端子ピンのみを持つ圧力センサを実現することができる。なお、本実施形態でもメッキ表面を、ダイアフラム５０に電気的に接続する位置を含むように形成することで、第１実施形態のように、接続ナット２０側から侵入するノイズの悪影響を抑制できることはもちろんである。

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、１Ｂ 圧力センサ
２，２Ａ，２Ｂ 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、４０’、４０Ａ、４０Ｂ 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
６４，６４’ 圧力検出素子
７０ グラウンド用の端子ピン
７２ 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、８２、８３ グラウンド用のボンディングワイヤ
９０，９０Ｂ 中継基板
９２ コネクタ
９４ リード線
１００ 絶縁性部材
１１０ 環状部材
１２０ コイルばね

Claims (7)

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、
   前記受圧空間内において前記ベースに配置され、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、
   外部の電気回路に電気的に接続され、
   前記圧力検出装置側と電気的に接続された複数の端子ピンと、
   前記ベースに連結され、前記ダイアフラムとの間に、前記流体の配管から前記流体が導入される流体導入室を形成する受け部材と、を具備した圧力センサであって、
   前記ダイアフラムよりも前記配管側に、ノイズ伝達防止用の絶縁性部材が設けられており、
   前記ベースは、前記複数の端子ピンのうちグラウンドに接続された端子ピンと電気的に接続され、
   前記ベースは、メッキを施したメッキ表面を備え、
   前記ベースに施されたメッキは、前記ダイアフラムに接している、ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記配管に接続される接続ナットと前記受け部材との間に、前記絶縁性部材が配置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。
3. 前記メッキ表面と前記グラウンドに接続された端子ピンとが、ボンディングワイヤにより接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力センサ。
4. 前記ベースは導電性素材から形成され、前記グラウンドに接続された端子ピンに導電性の架橋部材が設けられており、前記架橋部材は前記ベースに接することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
5. 前記圧力検出装置は、配線層を備えた中継基板を介して外部の電気回路に電気的に接続され、
   前記ベースは導電性素材から形成され、前記ベースと前記配線層のグラウンドとの間に、弾性変形可能な導電部材を配置したことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
6. 前記配線層のグラウンドは、前記ベースの外周部上面と対向配置されており、
   前記導電部材は、金属製のコイルばねであることを特徴とする請求項５記載の圧力センサ。
7. 前記ベースに施されたメッキは、前記ベースと前記ダイアフラムとの接合部に接していることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の圧力センサ。

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