JP7325099B2 - pressure sensor - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサに関する。 The present invention relates to pressure sensors.
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。 A liquid-sealed pressure sensor that houses a semiconductor-type pressure sensing device in a pressure-receiving chamber partitioned by a diaphragm and filled with oil is installed in freezer/refrigerators and air conditioners to detect refrigerant pressure, and is also used in industrial equipment. installed and used to detect various fluid pressures.
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。 The semiconductor type pressure detection device is arranged in the pressure receiving chamber and has a function of converting the pressure change in the pressure receiving space into an electric signal by means of the pressure detecting element and outputting the electric signal to the outside.
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。 A diaphragm placed in the pressure receiving space is a flexible metal plate. Therefore, if a potential difference occurs between the pressure sensing element and the diaphragm of the semiconductor type pressure sensing device and the enclosed oil is charged with static electricity, the pressure sensing element or its output signal may malfunction. A potential difference between the pressure sensing element and the diaphragm can be caused, for example, by high frequency noise transmitted from the piping system to which the pressure sensor is attached.
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。
Therefore, by further arranging a conductive member (electrifying plate) in the pressure receiving space in which the pressure detecting element is accommodated and connecting this conductive member to the ground terminal pin using a bonding wire, the above problem can be eliminated. A pressure sensor intended to solve this problem is disclosed in
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で有効なノイズ対策を行えるが、静電気がより発生しやすい過酷な外部環境を想定して、より優れたノイズ耐性を圧力センサに持たせたいという要請がある。
According to the pressure sensor disclosed in
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、静電気が発生しやすい外部環境におかれても、ノイズの影響を抑制できる圧力センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a pressure sensor capable of suppressing the influence of noise even in an external environment where static electricity is likely to occur.
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た配線層を備えた中継基板と、
前記ベースを貫通して配置され、前記受圧空間内で前記圧力検出装置と電気的に接続された複数の端子ピンと、
前記受圧空間内において前記圧力検出装置に近接して配置された除電板と、を具備した圧力センサであって、
前記ベースは導電性素材から形成されており、
前記除電板は、前記ベース上に設けられる第1の絶縁性部材と、前記第1の絶縁性部材の表面に形成された導電層とを有し、前記導電層は、前記ベースに対して電気的に接続されておらず、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ており、
前記圧力検出装置は、前記ベース上に設けられる第2の絶縁性部材と、圧力検出素子とを備え、前記圧力検出素子と前記ベースとの間に前記第2の絶縁性部材が配置されており、
前記第1の絶縁性部材の誘電率をε1とし、前記第2の絶縁性部材の誘電率をε2とし、前記絶縁性媒質の誘電率をε3としたとき、以下の式(1)及び式(2)が成立する、ことを特徴とする。
ε1>ε2・・・(1)
ε1>ε3・・・(2)
In order to achieve the above object, the pressure sensor of the present invention
a diaphragm that receives fluid pressure;
a base forming a pressure-receiving space filled with an insulating medium between itself and the diaphragm;
a pressure detection device disposed in the pressure receiving space for detecting the pressure transmitted to the insulating medium and converting it into an electrical pressure signal;
a relay board having a wiring layer electrically connected to an external electric circuit;
a plurality of terminal pins disposed through the base and electrically connected to the pressure sensing device within the pressure receiving space;
and a static elimination plate disposed in the pressure receiving space in the vicinity of the pressure detection device,
the base is formed from a conductive material,
The static elimination plate has a first insulating member provided on the base and a conductive layer formed on the surface of the first insulating member, the conductive layer being electrically conductive with respect to the base. electrically connected to a terminal pin among the plurality of terminal pins that is grounded;
The pressure detecting device includes a second insulating member provided on the base and a pressure detecting element, the second insulating member being arranged between the pressure detecting element and the base. ,
When the dielectric constant of the first insulating member is ε1, the dielectric constant of the second insulating member is ε2, and the dielectric constant of the insulating medium is ε3, the following equations (1) and ( 2) is established.
ε1>ε2 (1)
ε1>ε3 (2)
本発明によれば、静電気が発生しやすい外部環境におかれても、ノイズの影響を抑制できる圧力センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a pressure sensor capable of suppressing the influence of noise even in an external environment where static electricity is likely to occur.
以下、図面を参照して、本発明にかかる実施形態を説明する。図1は、本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3は、図1の矢印Bで示す部位を拡大した断面図である。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a
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を介して成形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。
As shown in FIG. 1, the
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の導電性素材より形成されており、それらの外周部は周溶接されてなる溶接部Wにより一体化されている。
The
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。円筒部20aと取付部材30とは嵌合した後に、ろう付けなどの手段によって接合されている。
A
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の内部とが連通している。
A through
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(図2)を介して受圧空間内に充填した後、これを密閉するため、金属製のボール(不図示)がベース40に溶接などの手段で固着される。
1 and 2, a
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、ガラス製の台座(第2の絶縁性部材)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3に示すように、台座62は、第2の絶縁性接着剤BD2を用いてベース40に固着されている。
A semiconductor type
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。
In FIG. 2, the
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。
A plurality of (eight in this example)
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の上端は、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、その下端は除電板100の導電層102(図3)に、はんだ付けなどの手段で接合されている。
One of the plurality of terminal pins is
除電板100は、図2に示すように略多角形の平板形状を有し、矩形開口100aと、グラウンド用の端子ピン70を挿通する為の貫通孔100b(図1)を有する。ベース40に取り付けられた状態で、圧力検出装置60の全周は、隙間を開けて矩形開口100aにより囲われている。
The
図3において、除電板100は、例えば、セラミックス、ガラス等の無機材料等の耐熱性に富んだ絶縁板(第1の絶縁性部材)101と、絶縁板101の表面(ベース40から離れた面)に導電層102を形成した構造を有し、絶縁板101は第1の絶縁性接着剤BD1を介してベース40上に固着される。このとき、導電層102はベース40に対して絶縁され、電気的接続がなされていない。導電層102を金属の薄板で構成したり、あるいは印刷や焼成で薄膜状に形成してもよい。また、導電層102の材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等が代表的であるが、高電圧耐久性を得るためにタングステンやモリブデン等が高融点材料を用いることもできる。
In FIG. 3, the neutralizing
図3から明らかなように、除電板100の板厚は、圧力検出装置60の台座62の板厚より薄く、また図1から明らかなように、圧力検出素子64とダイアフラム50との距離よりも小さい。更に、図2から明らかなように、除電板100の導電層102の面積は、圧力検出装置60の圧力検出素子64の面積より大きい。
As is clear from FIG. 3, the plate thickness of the neutralizing
ここで、除電板100の絶縁板101の誘電率をε1とし、圧力検出装置60の台座62の誘電率をε2とし、絶縁性媒質の誘電率をε3としたとき、以下の式(1)及び式(2)が成立する。
ε1>ε2・・・(1)
ε1>ε3・・・(2)
ただし、本実施形態では、第1の絶縁性接着剤BD1と第2の絶縁性接着剤BD2は共通(同一組成)であり、その誘電率εcが共通であるとする。このため、ベース40と導電層102の間の合成誘電率(ε1+εc)と、ベース40と圧力検出素子64の間の合成誘電率(ε2+εc)との間には、以下の式(4)が成立する。
(ε1+εc)>(ε2+εc)・・・(4)
加えて、ベース40と導電層102の間の合成誘電率(ε1+εc)と、ダイアフラム50と圧力検出素子64との間の絶縁性媒質の誘電率ε3との間には、以下の式(5)が成立する。
(ε1+εc)>ε3・・・(5)
Here, when the dielectric constant of the insulating
ε1>ε2 (1)
ε1>ε3 (2)
However, in this embodiment, the first insulating adhesive BD1 and the second insulating adhesive BD2 have the same composition (same composition) and the same dielectric constant εc. Therefore, the following equation (4) holds between the combined dielectric constant (ε1+εc) between the base 40 and the
(ε1+εc)>(ε2+εc) (4)
In addition, between the composite dielectric constant (ε1+εc) between the base 40 and the
(ε1+εc)>ε3 (5)
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。
In FIG. 1, a
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、受圧空間52内において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、受圧空間52内においてボンディングワイヤ82を介して、除電板100の導電層102に接続(結線)される。
In FIG. 2, the semiconductor type
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。
When assembling the
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。
The
本実施形態によれば、圧力検出装置60と除電板100との間で上記式(4)が成立するので、例えば外部の配管から接続ナット20を介して圧力検出ユニット2に高周波ノイズが伝達された場合、かかる高周波ノイズは台座62から圧力検出素子64に伝達されるよりも除電板100側に伝達されやすい。
According to this embodiment, since the above formula (4) is established between the
また、除電板100と絶縁性媒質との間で上記式(5)が成立するので、該高周波ノイズはダイアフラム50から絶縁性媒質を介して圧力検出素子64に伝達されるよりも除電板100側に伝達されやすい。このようにして、除電板100の導電層に入力されたノイズは、グラウンド用の端子ピン70を介して、中継基板90のグラウンドに伝わる。
Also, since the above equation (5) is established between the neutralizing
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。以上より、圧力検出素子64にノイズが伝わることが抑制され、圧力検出装置60の正常な動作を確保できる。
The ground of the wiring layer of the
さらに、除電板100を設けることにより、圧力検出装置60の周囲に帯電する電位、あるいは受圧空間52内に充填された液状媒質に帯電する電位が除電板100を介して除電され、これにより圧力検出装置60の帯電に起因する作動不良が防止される。
Further, by providing the
(変形例)
本変形例においては、図3において、第1の絶縁性接着剤BD1と第2の絶縁性接着剤BD2を異ならせており、第1の絶縁性接着剤BD1の誘電率ε4と、第2の絶縁性接着剤BD2の誘電率ε5とは、以下の式(3)´が成立する。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、重複説明を省略する。
ε4>ε5・・・(3)´
ただし、第1の絶縁性接着剤BD1と第2の絶縁性接着剤BD2は同じものを用いる場合は厚さを変えて誘電率を調整(BD1の厚さを薄くしてε4を大きくする)してもよい。また、第1の絶縁性接着剤BD1と第2の絶縁性接着剤BD2を同じもので且つ同じ厚さとしてもよく、この場合は、ε4=ε5となるため、以上の関係をまとめると、以下の式(3)が成立する。
ε4≧ε5・・・(3)
(Modification)
In this modification, the first insulating adhesive BD1 and the second insulating adhesive BD2 are different from each other in FIG. The dielectric constant ε5 of the insulating adhesive BD2 satisfies the following equation (3)'. Other configurations are the same as those of the above-described embodiment, and redundant description will be omitted.
ε4>ε5 (3)'
However, if the first insulating adhesive BD1 and the second insulating adhesive BD2 are the same, the thickness should be changed to adjust the dielectric constant (the thickness of BD1 should be reduced to increase ε4). may Also, the first insulating adhesive BD1 and the second insulating adhesive BD2 may be the same and have the same thickness. In this case, ε4=ε5. Formula (3) holds.
ε4≧ε5 (3)
上記式(1)~(3)から、ベース40と導電層102の間の合成誘電率(ε1+ε4)と、ベース40と圧力検出素子64の間の合成誘電率(ε2+ε5)との間には、以下の式(6)が成立する。
(ε1+ε4)>(ε2+ε5)・・・(6)
また、ベース40と導電層102の間の合成誘電率(ε1+ε4)と、ダイアフラム50と圧力検出素子64との間の絶縁性媒質の誘電率ε3との間には、以下の式(7)が成立する。
(ε1+ε4)>ε3・・・(7)
From the above equations (1) to (3), between the combined dielectric constant (ε1+ε4) between the base 40 and the
(ε1+ε4)>(ε2+ε5) (6)
Further, the following equation (7) is obtained between the combined dielectric constant (ε1+ε4) between the base 40 and the
(ε1+ε4)>ε3 (7)
本変形例によれば、圧力検出装置60と除電板100との間で上記式(6)が成立するので、例えば外部の配管から接続ナット20を介して圧力検出ユニット2に高周波ノイズが伝達された場合、かかる高周波ノイズは台座62から圧力検出素子64に伝達されるよりも除電板100側に更に伝達されやすい。
According to this modification, since the above formula (6) is established between the
また、除電板100と絶縁性媒質との間で上記式(7)が成立するので、該高周波ノイズはダイアフラム50から絶縁性媒質を介して圧力検出素子64に伝達されるよりも除電板100側に伝達されやすい。このようにして、除電板100の導電層に入力されたノイズは、グラウンド用の端子ピン70を介して、中継基板90のグラウンドに伝わる。したがって、圧力検出素子64にノイズが伝わることが更に抑制され、圧力検出装置60の正常な動作を確保できる。
Moreover, since the above equation (7) is established between the neutralizing
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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments. Further, within the scope of the present invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component from each embodiment.
1 圧力センサ
2 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 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 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
82 グラウンド用のボンディングワイヤ
90 中継基板
92 コネクタ
94 リード線
100 除電板
Claims (4)
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、
前記ベースを貫通して配置され、
前記受圧空間内で前記圧力検出装置と電気的に接続された複数の端子ピンと、
前記受圧空間内において前記圧力検出装置に近接して配置された除電板と、を具備した圧力センサであって、
前記ベースは導電性素材から形成されており、
前記除電板は、前記ベース上に設けられる第1の絶縁性部材と、前記第1の絶縁性部材の表面に形成された導電層とを有し、前記導電層は、前記ベースに対して電気的に接続されておらず、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ており、
前記圧力検出装置は、前記ベース上に設けられる第2の絶縁性部材と、圧力検出素子とを備え、前記圧力検出素子と前記ベースとの間に前記第2の絶縁性部材が配置されており、
前記第1の絶縁性部材の誘電率をε1とし、前記第2の絶縁性部材の誘電率をε2とし、前記絶縁性媒質の誘電率をε3としたとき、以下の式(1)及び式(2)が成立する、ことを特徴とする圧力センサ。
ε1>ε2・・・(1)
ε1>ε3・・・(2) a diaphragm that receives fluid pressure;
a base forming a pressure-receiving space filled with an insulating medium between itself and the diaphragm;
a pressure detection device disposed in the pressure receiving space for detecting the pressure transmitted to the insulating medium and converting it into an electrical pressure signal;
disposed through the base;
a plurality of terminal pins electrically connected to the pressure detection device within the pressure receiving space;
and a static elimination plate disposed in the pressure receiving space in the vicinity of the pressure detection device,
the base is formed from a conductive material,
The static elimination plate has a first insulating member provided on the base and a conductive layer formed on the surface of the first insulating member, the conductive layer being electrically conductive with respect to the base. electrically connected to a terminal pin among the plurality of terminal pins that is grounded;
The pressure detecting device includes a second insulating member provided on the base and a pressure detecting element, the second insulating member being arranged between the pressure detecting element and the base. ,
When the dielectric constant of the first insulating member is ε1, the dielectric constant of the second insulating member is ε2, and the dielectric constant of the insulating medium is ε3, the following equations (1) and ( 2) is established, The pressure sensor characterized by the above-mentioned.
ε1>ε2 (1)
ε1>ε3 (2)
前記ベースと前記第2の絶縁性部材とは、第2の絶縁性接着剤を介して接着されており、
前記第1の絶縁性接着剤と前記第2の絶縁性接着剤は同一組成である、ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 The base and the first insulating member are adhered via a first insulating adhesive,
The base and the second insulating member are adhered via a second insulating adhesive,
2. The pressure sensor according to claim 1, wherein said first insulating adhesive and said second insulating adhesive have the same composition.
前記ベースと前記第2の絶縁性部材とは、第2の絶縁性接着剤を介して接着されており、
前記第1の絶縁性接着剤の誘電率ε4と、前記第2の絶縁性接着剤の誘電率ε5とは、以下の式(3)が成立する、ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
ε4≧ε5・・・(3) The base and the first insulating member are adhered via a first insulating adhesive,
The base and the second insulating member are adhered via a second insulating adhesive,
2. The method according to claim 1, wherein the dielectric constant .epsilon.4 of the first insulating adhesive and the dielectric constant .epsilon.5 of the second insulating adhesive satisfy the following formula (3). pressure sensor.
ε4≧ε5 (3)
4. The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the neutralization plate surrounds the pressure detection device.
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