JPH02503356A - 圧力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、感圧素子を有する圧力測定装置に関し、特に請求項１の前提文によ って規定された圧電抵抗膨圧力測定装置に関する。

圧電抵抗形圧力測定素子およびセンサは、例えばドイツ特許公開第３３４４７９ ９．３号明細書によって公知である。これは通常、円筒状の感圧素子と検出薄板 上に配設された圧電抵抗形紙抗体より成り、検出薄板は、ソケット状脚部を経由 して下方にある基板に固定されている。感圧素子はシリコン素子として形成され 、全体として１個の基板上に形成されている。この基板は、主としていわゆるガ ラス貫通部で、導体が個々に貫通するもので、感圧素子の接続部に半田付けされ ている。この感圧素子は、乾燥空気または絶縁性液体内のみに設定するすること ができる。それ故通常は鋼製のハウジングに内設され、媒体で隔離された薄板に より、測定される導電性、含湿性または腐食性の圧力媒体から隔離されている。

上記のように構成されて感圧素子を受は入れた薄板の内部空間には、さらに圧力 を伝達するための油が充填されている。但しこのような油充填方式の構成では、 通常金またはアルミニウム導線として形成された接続導線が、振動と圧力衝撃を 受けるので、導線はしばしば断線する。

ドイツ特許第３５００６１３　　ＡＩ号明細書には、いわゆるＴＡＢ（テープ自 動化接着）法という接続方法が提案されており、検出薄板の表面毎に共通に薄い 密閉薄板が付設されている。伝達薄板とそのハウジングがない場合は、感圧素子 が湿潤および導電性媒質と直接に接触する可能性がある。この方法では、薄い密 閉部材を付設する際に種々の技術的な問題点があり、適切ではなかった。

腐食性の加圧物質に対して感圧素子を保護するための鋼製ハウジングと感圧薄板 の使用を回避して製作費を低減するために、感圧素子をより安価な方法で保護し 、腐食性の物質内でも使用できるようにすることは、すでに試みられていた。

さらに現在では感圧素子を被着法または蒸着法などにより、シリコン基板上の高 粘度の液体ゲルによって保護することも行なわれている。この場合、いわゆる低 温蒸着、すなわち７００℃以下で蒸着できる蒸着材料が必要であり、これはアル ミニウムより成る端子を損傷しないためである。この方法は湿性または半流動性 の物質の使用には通するが、比較的低い圧力で特に急激な圧力変化がない場合に のみ適する。急激な圧力変化の場合は、ゲル（液体膠質）がその位置からずれる 可能性がある。

またゲルが湿度を抑制できるのは、圧力と温度の下で、ごく限られた時間のみで 、長時間にわたっては不可能である。

そこでこの発明の目的は、構造簡単で、感圧素子を鋼製のハウジングを使用せす かに含湿性、導電性、あるいは腐食性の物質内でも使用でき、特にきわめて急速 で急激な圧力変化を生起するような反応性の強い場合でも、感圧素子が構造簡単 で長期間に、特に高い圧力精度でも問題なく使用し設置することができるような 、圧力測定装置を提供することにある。

前記課Ｍば、特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴事項によって解決される。

この発明の実施例は、従属誦求項に記載のとおりである。

この発明によれば、きわめて製造容易であるのみならず、特に多くの用途に適す る感圧素子を製作することができる。従来は鋼製の保護ハウジング内に封入した 圧力センサによってのみ可能であった。この発明の感圧素子によれば、圧力の急 激な変化に対しても高い測定精度が得られる。さらに感圧素子の接続端子は、被 測定媒体の内部に強い振動や急激な圧力が存在しても、十分に保護される。この よう利点は、伝達薄板によって包囲する構造を使用しないでも十分に達成される 。

この発明により圧力測定装置に備わる感圧素子では、その上面の、通常、圧電抵 抗体を有する感圧薄板１１が、通常耐久性で腐食性のないガラスより成る保護被 膜上に形成されている。

ただし、ガラス保護層が形成されていない部分では、感圧素子は充填材料によつ て完全に注型され、それによって端子部が、導出された接続導線と同様に圧力媒 体に対して完全かつ確実な隔離されるようになっている。

またこの充填材料によって、圧力センサを確実に固定し保持することができる。

その実施例においては、上部の感圧薄板と下部の基板より成る感圧素子は、圧力 センサの担持体の上側または下側ではなく、その側面に配設されているので、充 填材料を、担持体の面から、担持体に直交する高さまで充填することができる。

この担持体は、カップ状または箱形に形成して、その上部端面まで充填材料を注 型することができる。この充填材料は、端子部のみならず感圧薄板のガラス保護 層をも被覆することができる。

この充填材料は、用途に応じて弾性、半弾性、あるいは硬質非弾性の材質のいず れかを選択することができる。勿論充電材料の硬度が大となわば、それに応じて 担持体の構造に起因する応力が感圧薄板に伝達され易くなり、誤信号を発生する 可能性は大となる。ただし感圧素子が側面方向に延長して形成されているため、 担持体表面に被着された感圧素子の側面が、圧電抵抗素子から十分に隔離されて いるので、この欠点は防止される。なおこの場合、特にエポキシ樹脂等の合成樹 脂が適している。

ドイツ特許ｍ３６１６３０８Ａ１号明細書により基本的にはセンサが公知である が、これは内燃期間の燃焼空間における物理的な過程を検出するための特殊な用 途に使用されるセンサである。この公知のセンサは、アルファ結晶の酸化アルミ ニウムを成分として感圧薄板を包囲する２個のサファイア部材、および、通常の ものとも、また前記の場合とも異なって、一体の形成された感圧薄板を有するシ リコン板から成り、ガラスソケットによって圧力センサ素子に簡単に接続される 。さらにこのドイツ特許第３６１６３０８Ａ１号明細書に開示された内燃期間の 燃焼空間を監視するために特殊な用途に使用されるセンサにおいては、感圧薄板 上に、いわゆる「サファイア基板上のシリコン法Ｊ　　Ｃ３ＯＳ法）による体積 感受性抵抗体が被着されている。要するに感圧薄板全体は、その上に被着された 抵抗体および端子導体がガラス層によって絶縁されて保護され、同時に圧力セン サ全体を包囲すると共に、保持部材および充填材として圧力センサをハウジング １２内に保持している。

このような特殊な圧力センサの製造は、極度に手間を要するのみならす、複雑な 結合構造をも必要とする。つまり、その製造が技術的にきわめて困難となり、多 くのノウハウも必要となる。

これに対してこの発明によれば、特に液圧装置、ピストン機械、その他含湿性媒 湿を使用する場合において高性能の測定装置の実現が可能となる。圧力センサか らの端子導線は、通常の金またはアルミニウムの導線、あるいはいわゆるＴＡＢ （テーブル自動化接続）法により、導線セグメントを端正屈曲性の薄層セグメン トに添着あるいは一体化して構成することができる。特にこの方法によれば、圧 力センサを保持するエポキシ樹脂等より成る充填材料内に、データ読み取り用の 印刷回路をも一体化することができる。さらに基準圧力測定装置として使用する 場合には、弾性に富む圧力管を感圧素子の内部まで延長させ、これも充填材料に よって固定し保持することができる。

さらにこの発明の他の利点、独自性および特徴を、添付の図面に基づいて以下に 詳細に説明する。

第１図は、圧力測定装置の第１の実施例の長さ方向の断面図、第２図は、他の実 施例の長さ方向の部分断面図、第３図は、さらに他の実施例の長さ方向の部分断 面図、第４図は、基準圧力測定用の実施例の断面図である。

第１図は、圧力測定装置のハウジングの断面図であり、内部には図中の右側に電 子測定装置および表示装置を配設することができる。

第１図中のハウジング１の側壁には、細径開口部３と広幅断部５が形成され、接 続管７には、被測定物質が圧力センサ９に銹導される圧力管が接続される。

圧力センサ９は、シリコンの上部感圧薄板１】から成る圧電抵抗形感三素子から 成り、包囲するソケットを介してガラス基板１３に固定されている。

上部感圧薄板１１に配設された圧電抵抗センサ素子は、ガラス保護層１５で保護 されて、湿度が生じる場合でも、長期にわたって保護される。

感圧素子９には、その感圧薄板の方向あるいは基底部の方向ではなく、むしろ垂 直の方向に、延長部１７が形成されていて、それを経由して感圧薄板１１が担持 体１９に付設されている。基本的には担持体１９の材質としては、金属、合金、 合成樹脂その他種々の材質が使用できる。但し、適切な合成ｓ４脂とか、さらに はセラミックあるいはセラミック圧縮部品ならば、安価で、しかも適切な特性を 与えることができるので、好適である。

担持体１９は、その底面にスリット状の開口部２１を備え、電子回路へ導出され る端子導線２３が貫通される。この端子導線２３は、個々に開口部２１から引き 出してもよいが、合成樹脂箔に埋め込んで形成してもよい。これはドイツ公開特 許第３５００６１３号明細書にも開示されている。

担持体１９は、カップ状あるいは箱型に形成され、センサ９の側端２５は担持体 １９の底面に収納され、充填材料２９が周辺部の高さまで充填されている。感圧 素子９の上面にはガラス保護層が除去、あるいは最初から形成されていなシ）接 続位置が形成され、この位置から端子導線２３導出される。そして、充填材料２ ９によって完全に被覆されることにより、完全密閉構造が形成される。つまり特 定の重畳部においても、充填材料２９はガラス保護層１５をも被覆して適切な保 護構造が形成される。

この場合、周辺部２７を適切な高さに形成することによって、接合部が充填材料 ２９によって確実に被覆される。

また充填材料２９によって、開口スリット２１も完全に密封される。細径開口部 ３内の底面部にも充填材料２９が注入される。

充填材料２９としていは、例えば合成樹脂、エポキシ樹脂、シリコンゴム材質そ の他の周知の材料が使用できる。この場合、材質は、硬質、弾性、あるいは半弾 性質の何れの材質でもよい、延長部１７を長くすればする程、感圧薄板１１と充 填材料２９との距離が遠くなるので、担持体１９都よび充填材料２９を経由する 電圧、およびそれによる誤差信号が圧力センサに導入される危険を防止すること が可能となる。また使用条件に応じて予め調節することができる。

また構造によっても、圧力センサに対してハウジングを完全に密封することが可 能である。例えば、さらに担持体１９を筒状部７に密封して、嵌め込み方式とし 、さらに接着するようにして、ハウジングに対する密封を一層改善することがで きる。

第１図中には、側面のみで平面形状が図示されていないが、圧力センサ９はその 他の異なる形状とすることもできる。図示の場合は四角形の平面形状を想定した ものであるから、長さ方向に対して直交する底面２５に、圧力センサ９が設置さ れている。

また圧力センサ９を円筒状に形成することもできる。この場合は、平坦な設置面 の円形部を省略してもよい。またこのように圧力センサ９を円筒状に形成する場 合には、測定区域を中央に形成することができる。但し、材質を削減しても底面 ２５の間から測定区域までの距離をできるだけ大きくできるという点では、むし ろ同心円上でない方がよい。

第２図は他の実施例を示し、センサがエポキシ樹脂等の接着剤により延長部１７ に充填され、担持体に直接接触しない構成である。但し第１図と同様に、感圧薄 板１１の区域に金属接続部を介して抵抗体１６と、延長部１７の接点部２０にあ る端子とを備えており１例えば金線またはアルミニウム線の端子導線２３を半田 付けすることができる。接続区域２０にある端子導線２３の接続部は、ガラス質 保；１＠ｉｓなしで形成される。

第３図の実施例では、プリント電子回路３１を使用した場合の詳細が図示されて いる。第１のガラス質保護膜１５１により、感圧薄板１１は接続孔以外の部分が 被覆されている。そこから、外部ガラス保護層１５″によって被覆された金属接 続部１８が、抵抗体１６から接点部２０まで引き出されている。接点区域２０内 に、第１の半田メッキ部２２を通じて被膜材質部２３′に形成された端子導線２ ３までと、さらに第２の半田メッキ部３５を通じて印刷回路３１に形成された金 属導線３３までの接続を形成する。これがＴＡＢ（テープ自動化接続）法と称す る方式で、プラスチック材料を経由する端子導線２３の半田処理を簡素化するこ とができる。

第４図は圧力センサを基準圧力計として使用する実施例を示す。感圧素子の内部 空間３７内で、基板１３に貫通孔を設け、この孔を通してプラスチック管等の屈 曲性管を感圧素子の内部まで導入し密封する。この管は、直径１ｅｎｓの弾性に 富むシリコン管で、例えば、ダウンコーニングの９６０８３　（商品名）等のシ リコン接着剤を熱硬化して接着することができる。この弾性管は、ハウジングの 解放面の基底板４１を貫通して導出され、センサと一緒に充填材料２９によって 注型される。

基底板４１を貫通して剛性管４５が導通され、気密に固定されていて、屈曲性管 ３９は、基底板４１から僅かに突出した剛性管に連結できるようになっている。

屈曲性管を使用しないで、圧力センサを絶対圧力計として使用する場合は、構造 は通常の場合と類似である。この基準圧力測定装置の場合は、第４図の実施例に おいて、センサ、前記のＴＡＢ法により屈曲性被膜材料区画２３′に設けられた 端子導線２３を使用してガラス貫通導線４７に接続され、そこに半田付けされる 。このガラス貫通導線は、鋼製の基底板４１の対応する貫通孔を通過して引き出 され、前記ガラス部５１によりガラス貫通ソケット４９からも隔離される。この ソケット４９は、解放ハウジング４３の内部で環状段部に溶接される。かくして 形成された筒状ハウジングには、前記の通り硬質のエポキシ接着剤等の充填材料 が注型される。

特に適切なエポキシ樹脂はＣ０Ｂ（チップオンボード）法において周知である。

この場合、特に適切なものは、エボテック３５３ＮＤ　（商品名）より成る充填 材料である。その熱膨張計数が適切な値であるため、微細導線の場合でも最良の 断線率が保証される。

上記各実施例においては、シリコンより成る感圧薄板と、ガラスソケットより成 る基板を使用した構成について説明したが、その他に、シリコン基板上のシリコ ン薄板、ガラス基板上のサファイア薄板、あるいはシリコン基板上のサファイア 薄板、その他適切な材質、あるいは構成を考慮することが可能である。これらの 場合には、センサ抵抗までの導線、あるいはセンサ抵抗自体が絶縁被覆層によっ て被覆される。

ＦＩＧ、１ 平成１年１０月１７日 特許庁長官　　吉　１）文　毅　殿 】、特許出願の表示 国際出願番号　ＰＣＴ／ＥＰ８９１００１３８２、発明の名称　　　圧力測定装 置 ３、特許出願人 住所　　スイス国、ヴインターツール　ツェハ−８４０４、セントーガレアース トラッセ　１１９番地名　称　ケラ−アーゲー　フィーア　ドラックメステクニ ック４、代理人 住　所　　　東京都港区新橋３丁目３番１４号田村町ビルディング ５、補正書の提出年月日　　　１９８９年７月６日特許請求の範囲の補正 （１）特に上層の感圧薄板１１と下層の基板１３より構成され、上側と下側に延 長する側面方向に延長部１７を有する圧電抵抗素子を備え、この延長部１７に、 感圧素子９に設けられて端子導線２３が導出される端子が設置され、感圧素子９ は、少なくともセンサ素子の区域には、ガラス質等より成る保護層１５が形成さ れ、この保護層１５は、感圧薄板１１から外れた位置にある端子の接触区域では 、除去あるいは省略され、この端子はガラスを含まない充填材料によって被覆さ れて成る圧力測定装置において、感圧素子９が横側面方向の部材高さだけガラス を含まない充填材料２９によって注型包囲されることにより、感圧素子９は、そ の延長部１７のみが前記充填材料２９によって固定保持されると共に、担持体１ ９から突出して担持されることを特徴とする圧力測定装置。

（２）　（削除） （３）！三素子９が、側方平面、すなわち延長部１７の側面２５によって担持体 １９に載置され、この担持体１９がカップ状または箱型に形成され、周辺端部２ ７から突出した感圧素子９を部材高さ区域内に収納することを特徴とする請求項 １または２記載の圧力測定装置。

（４）横方向に配設された感圧素子９を、感圧薄板１１から偏位した位置で部材 高さ区域内に収納する担持体１９が、その周辺端部２７まで充填材料２９によっ て充填されていることを特徴とする請求項ｌから３までのいずれかに記載の圧力 測定装置。

（５）充填材料２９が、ガラスより成る保護被膜１５の、感圧薄板１１から外れ た区域にある部分を被覆することを特徴とする請求項１か６４までのいずれかに 記載の圧力測定装置。

ドイツ゛　此　　　　゛　　１９条に　ず〈米国特許４，２７４，４２３号明細 書には、カテーテル方式の圧力測定装置が開示されている。管状のハウジング体 は、血圧を測定するための側面開口部を備える。内部には、棒状のハウジングの 長さ方向に延長区画が付設され、そこから端子導線が導出される。感圧薄板は全 体としてエポキシ樹脂等の保護部によって被覆保護され、さらに圧力測定装置の 全長にわたって被覆保護される。基板によって閉鎖された感圧素子の下面には、 担持素子の全平面にわたり感圧管が当接する。これに対してこの発明による多用 途の圧力測定装置においては、拘束を受けない感圧素子を備え、特に感圧薄板の 区域は完全に自由である。単に延長区画のみがガラスを含まない充填材料で保持 されている。測定結果に影響を及ぼし易い担持体の部分は、基板に対して付加的 な感圧薄板の下面には不必要となる。特にこの発明の圧力測定装置においては、 延長部１７の部分が充填材料によって保持されるだけであり、それ以外の感圧素 子の部分は完全に自由となっている。

国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）特に感圧素子９に配設された接続端子を有する圧電抵抗素子を備え、この 接続端子から電気的接続導線２３が導出され、感圧素子９は、そのセンサ素子の 区域において、ガラス等より成る保護層１５を備えて成る圧力測定装置において 、前記ガラス等より成る保護層１５においても、接続端子が除去あるいは省略さ れ、この接続区域にある感圧素子９が、ガラスを含まない充填材料２９によって 充填されることにより、感圧素子が固定して保持され、担持体１９に対して保護 されることを特徴とする圧力測定装置。
2. （２）上部感圧薄板１１およびこれと結合された基板１３とによって構成された 感圧素子９が、上面および下面に交差する側面方向に延長部１７を備え、この延 長部１７に、ガラスを含まない充填材料によって注型された端子部を備え、対応 する端子導線２３が導出されることを特徴とする請求項１記載の圧力測定装置。
3. （３）感圧素子９が、側方平面、すなわち延長部１７の側面２５によって担持体 １９に載置され、この担持体１９がカップ状または箱型に形成され、周辺端部２ ７から突出した感圧素子９を部材高さ区域内に収納することを特徴とする請求項 １または２記載の圧力測定装置。
4. （４）横方向に配設された感圧素子９を感圧薄板１１から偏位した位置で部材高 さ区域内に収納する担持体１９が、その周辺端部２７まで充填材料２９によって 充填されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の圧力測 定装置。
5. （５）充填部材２９が、ガラスより成る保護被膜１５の、感圧薄板１１から外れ た区域にある部分を被覆することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに 記載の圧力測定装置。
6. （６）担持体１９の底部に、端子導線２３を貫通させるための開口スリット２１ を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の圧力測定装置 。
7. （７）前記開口スリット２１も充填材料２９によって充填されていることを特徴 する請求項６記載の圧力測定装置。
8. （８）端子導線２３を更に貫通させるためにハウジング１に形成された細径開口 部３が、前記担持体１９によって被覆されることを特徴とする請求項１から７ま でのいずれかに記載の圧力測定装置。
9. （９）ハウジング内に形成された細径開口部３にも、感圧素子９に対して反対側 の担持体１９の部分において、充填材料２９によって注型されていることを特徴 とする請求項８記載の圧力測定装置。
10. （１０）感圧素子９は、担持体１９の方に向いた側面２５に接近した位置では、 少なくとも２面、乃至はすべての周囲面にわたって、充填材料２９で注型包囲さ れていることを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の圧力測定装置 。
11. （１１）端子導線２３が、接点区域２０から合成樹脂薄層区画２３′に達するよ うに形成されることを特徴とする請求項１から１０までのいずれかに記載の圧力 測定装置。
12. （１２）端子導線２３がガラス貫通導線４７まで導出されると共に、この貫通導 線４７が、端子導線２３に接続される区域において、ガラスを含まない充填材料 ２９で注型包囲されることを特徴とする請求項１から１１までのいずれかに記載 の圧力測定装置。
13. （１３）端子導線２３が電子回路３１へ導出されて、信号伝達および信号処理が 実行されると共に、この電子回路３１がガラスを含まない充填材料２９で一緒に 注型されることを特徴とする請求項１から１２までのいずれかに記載の圧力測定 装置。
14. （１４）感圧素子９が基準感圧素子として構成され、この感圧素子９の内部空間 が基準圧力管３９，４５において閉鎖され、少なくともその一部分が充填材料２ ９によって注型固定されることを特徴とする請求項１から１３までのいずれかに 記載の圧力測定装置。
15. （１５）屈曲性導管３９を通じて感圧素子９の内部空間３７に基準圧力を印加す ることができ、この屈曲性導管３９から、担持休の一部を成す基底板４１を貫通 する固定管４５に導通されることを特徴とする請求項１４記載の圧力測定装置。
16. （１６）少なくても屈曲性導管３９の接続区域が、基底板４１を貫通して突出し た固定管４５の一端において、ガラスを含有しない充填材料２９で注型包囲され ることを特徴とする請求項１５記載の圧力測定装置。
17. （１７）基底板４１を通過して、複数個のガラス貫通導線４７が相互に絶縁され て導出されることを特徴とする請求項１５または１６記載の圧力測定装置。
18. （１８）ガラスを合有しない充填材料が、エポキシ樹脂、特に硬質エポキシ樹脂 より成ることを特徴とする請求項１から１７までのいずれかに記載の圧力測定装 置。