JP7345173B2 - 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ノイズなどに起因して生じうる。

これに対し、特許文献１には、半導体型圧力検出装置を取り付けるベースをセラミックス材料で形成した圧力センサが開示されている。特許文献１の圧力センサによれば、セラミックス製のベースに半導体型圧力検出装置を取り付けることにより絶縁効果が発揮されるため、配管系から伝達される高周波ノイズなどの影響を有効に抑制できる。

特開２０１７－１４６１３６号公報

特許文献１に開示されている圧力センサによれば、ベースをセラミックス材料により形成することで有効なノイズ対策を行えるが、一般的にセラミックス材料は加工難易度が高く、それによりコスト高を招くという問題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、コストを抑えつつも、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。

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、
前記圧力検出装置と前記中継基板の配線層との間で、電気的接続を行うための複数の端子ピンと、を具備した圧力センサであって、
前記受圧空間内における前記ダイアフラムの面に、前記圧力検出装置に対向する位置にのみ、前記絶縁性媒質よりも誘電率が高い絶縁層を形成した、ことを特徴とする。

本発明によれば、コストを抑えつつも、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。

図１は、第１の実施形態にかかる圧力センサを示す縦断面図である。 図２は、第１の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３は、圧力検出ユニットの上面図である。 図４は、圧力検出ユニットにおける図２のＡ－Ａ線における断面を底面視した図である。 図５は、圧力検出ユニットにおける図２のＢ－Ｂ線における断面を上面視した図である。 図６は、第２の実施形態にかかる圧力センサを示す縦断面図である。

（第１の実施形態）
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、第１の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、第１の実施形態にかかる圧力検出ユニット２の縦断面図である。図３は、圧力検出ユニット２の上面図である。図４は、圧力検出ユニット２における図２のＡ－Ａ線における断面を底面視した図である。図５は、圧力検出ユニット２における図２のＢ－Ｂ線における断面を上面視した図である。

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。ベース４０を金属製とすることで、コストを抑制できる。

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。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。

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。

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４）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４１がベース４０に溶接などの手段で固着される。

図５において、ダイアフラム５０は、中央の平坦部５０ａと、平坦部５０ａの周囲において同心円状に隆起し、もしくは隆起と沈降とを繰り返した環状凹凸部５０ｂとを有する。平坦部５０ａの受圧空間５２側の面に、円形の絶縁層５１が固着されている。絶縁層５１は、例えばポリイミドフィルムであって、平坦部５０ａに接着されていると好ましい。絶縁層５１は、絶縁性媒質よりも高い誘電率を有する。

絶縁層５１に対向して、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。台座６２は接着剤を用いてベース４０に接合されている。

圧力検出装置６０の厚さ方向（ダイアフラム５０を向いた面の法線方向）に沿って、絶縁層５１を圧力検出装置６０に投影したときに、投影された絶縁層５１が圧力検出装置６０の一部もしくは全体を覆うと好ましい。特に、投影された絶縁層５１の中心と、圧力検出装置６０の中心とを一致させると好ましい。

図４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。

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ている。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の表面の導電層１０２（図４）に、はんだ付けなどの手段で接合されている。

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。

除電板１００は、例えば、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板の表面に導電層１０２を形成した構造を有しており、絶縁板は接着剤を介してベース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。

図２から明らかなように、圧力検出装置６０と絶縁層５１との間隔は、除電板１００とダイアフラム５０との間隔よりも狭くなっている。すなわち、圧力検出装置６０は除電板１００よりもダイアフラム５０側に突出している。

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４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、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。

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。

本実施形態によれば、圧力検出装置６０に対向するダイアフラム５０の面に、絶縁性媒質よりも誘電率が高い絶縁層５１を設けているため、絶縁層５１を設けない場合に比べ、圧力検出装置６０とダイアフラム５０との間の合成誘電率が高くなる。このため、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、コンデンサと同様の効果が発揮されて、高周波ノイズによる電荷が絶縁層５１側に蓄積され、圧力検出素子６４に影響を与えることが抑制される。

特に、圧力検出装置６０と絶縁層５１との間隔が、除電板１００とダイアフラム５０との間隔よりも狭くなっているため、高いノイズ抑制効果を実現できる。

本実施形態では、絶縁層５１の形状をダイアフラム５０の平坦部の形状に合わせて円形としたが、圧力検出装置６０の形状に合わせて矩形としてもよい。この場合、圧力検出装置６０の形状と同寸、もしくはそれ以上の寸法とすることが望ましい。

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荷、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荷が除電板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。ただし、除電板１００を設けることなく、絶縁層５１のみを設けるようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかる圧力センサ１Ａを示す縦断面図である。本実施形態においては、上述した実施形態に対し、圧力検出ユニット２Ａの除電板１００Ａの形状が異なる。より具体的には、上記実施の形態に比して除電板１００Ａの厚さが厚くなっており、除電板１００Ａの導電層１０２Ａが、圧力検出装置６０の下面より下方に突出している。すなわち圧力検出装置６０と絶縁層５１との間隔は、除電板１００Ａとダイアフラム５０との間隔よりも広くなっている。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。

本実施形態によれば、絶縁層５１を設けたことによる圧力検出装置６０のノイズ抑制効果に加え、除電板１００Ａの導電層１０２Ａが圧力検出装置６０の下面より下方に突出させているため、ノイズ伝達時に絶縁性媒質から除電板１００Ａの導電層１０２Ａに帯電しやすくなり、更に帯電した電荷を、端子ピン７０を介してグラウンドへ伝達させることができる。

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、１Ａ 圧力センサ
２、２Ａ 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
１００，１００Ａ 除電板

Claims (6)

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、
   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、を具備した圧力センサであって、
   前記受圧空間内における前記ダイアフラムの面に、前記圧力検出装置に対向する位置にのみ、前記絶縁性媒質よりも誘電率が高い絶縁層を形成した、ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ダイアフラムは、中央の平坦部と、前記平坦部の周囲に形成された同心円状の環状凹凸部とを有し、前記絶縁層は前記平坦部に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記絶縁層は円形または矩形である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 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を有し、前記除電板は、前記圧力検出装置の周囲を囲っており、グラウンドに接続される前記端子ピンと、前記除電板の導電層との間で電気的接続が行われる、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記圧力検出装置と前記絶縁層との間隔は、前記除電板と前記ダイアフラムとの間隔よりも狭い、ことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記圧力検出装置と前記絶縁層との間隔は、前記除電板と前記ダイアフラムとの間隔よりも広い、ことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。

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