JP2007121196A - 圧力センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】受圧部に印加される圧力の不均一を抑制することで、メタルダイアフラムの割れやワイヤの断線の発生を防止する。
【解決手段】圧力導入孔31に、圧力導入孔31の断面積を縮小するオリフィス37を形成するか、圧力導入孔31を広げた部屋32に測定媒体となる流体の流動を規制するバッフル構造体38を設ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧力導入孔を通じて導入される測定媒体の圧力を検出するための圧力センサに関するものである。
従来より、圧力導入孔を通じて導入される測定媒体の圧力を検出するための圧力センサとして様々なものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。図4は、従来の圧力センサの断面構成を示したものである。
図4に示される圧力センサは、第1のケースとしてのコネクタケースJ1と測定媒体を導入するための第2のケースとしてのハウジングJ2とを備えて構成されるダイアフラムシールタイプの圧力センサである。すなわち、両ケースJ1、J2の間にメタルダイアフラムJ3を介在させた状態でハウジングJ2の収容凹部J4内にコネクタケースJ1が挿入されたのち、ハウジングJ2の収容凹部J4の入り口側をかしめて圧力センサの組み付けが成されることで、内部に圧力検出室J5が区画形成され、この圧力検出室J5内にセンシング部としてのセンサ素子J6などが設けられた構造となっている。
そして、圧力検出室J5は、コネクタケースJ1とハウジングJ2との間に介在するOリングJ7によってシールされており、圧力検出室J5の内部には、たとえばオイルなどの圧力伝達部材J8が封入されている。また、ハウジングJ2には圧力導入孔J9が形成され、この圧力導入孔J9を介して測定媒体が断面テーパ状(ラッパ形状)の部屋J10に導入されるように構成されている。そして、導入された測定媒体による圧力がメタルダイアフラムJ3における圧力検出室J5とは反対側の面に印加されると、それに応じた圧力がメタルダイアフラムJ3から圧力伝達部材J8を介してセンサ素子J6に印加される。
このようにセンサ素子J6に圧力が印加されると、それに応じた検出信号がアルミワイヤJ11およびコネクタターミナルJ12を通じて外部に出力される。これにより、測定媒体の圧力の検出が行われるようになっている。
特開平7−243926号公報
図4に示したように、圧力センサでは、測定媒体が断面テーパ状の部屋J10に導入されることで、測定媒体の圧力を広い面積の受圧部(メタルダイアフラムJ3)で受けるようにされる。これは、広い面積で圧力を受けることで受圧部の圧力損失を少なくするためである。高精度な圧力センサを構成するためには、このような構造が必要不可欠である。
このような構造では、圧力導入孔J9から導入される測定媒体の圧力伝達が例えば図5に(a)に示すように遅い場合には、均一な圧力分布となり、好適な圧力検出を行うことができる。
しかしながら、図5(b)に示すように、圧力導入孔J9から急峻な圧力(急激に大きく変化するような圧力)が入力される場合には、メタルダイアフラムJ3の中心部に圧力が伝わった後に径方向に広がりながら圧力が印加されることになるため、圧力伝達時間に差が生じる。
また、図5(c)に示すように、測定媒体が気液混合媒体等である場合には、圧力導入孔J9や断面テーパ状の部屋J10内に液体や気体が存在している場合、圧縮性の違いにより圧力伝達時間に差が生じる。
これらの場合、受圧部に印加される圧力の面内バラツキが発生し、圧力不均一が生じる。また、圧力媒体が液体の場合、圧力波が減衰し難いため、反射波による圧力の粗密が発生し、同様に、受圧部に印加される圧力分布が不均一となる。
このような圧力不均一が発生すると、受圧部であるメタルダイアフラムJ3に割れが発生したり、センサ内部に伝達されることでセンサ素子J6とコネクタターミナルJ12を接続するアルミワイヤJ11の断線を発生させる。
本発明は上記点に鑑みて、受圧部に印加される圧力の不均一を抑制することで、メタルダイアフラムの割れやワイヤの断線が発生することが防止できる構造の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、本発明では、圧力導入孔(31)に、該圧力導入孔(31)の断面積を縮小するオリフィス(37)が備えられていることを特徴としている。
このように、オリフィス(37)を形成することで測定媒体となる流体の流入が規制され、圧力減衰効果が得られる。このため、受圧部となるメタルダイアフラム(34)に対して直接印加される圧力が急峻に変化することを抑制することができ、受圧部に印加される圧力の不均一を抑制することが可能となる。したがって、メタルダイアフラム(34)の割れやセンシング部(20)と電気的に接続されるワイヤ(13)の断線の発生を防止できる。
この場合、オリフィス(37)の径が圧力導入孔(31)の径の1/2となるようにすると好ましい。
このように、オリフィス(37)の径が圧力導入孔(31)の径の1/2になると、圧力減衰率の低下度合が高くなる。このため、オリフィス(37)の径が圧力導入孔(31)の径の1/2となるようにすることで、より上記効果を得ることができる。
また、オリフィス(37)からメタルダイアフラム(34)までの距離が10mm以上離れるようにすると好ましい。
このように、オリフィス(37)の受圧部からの距離が10mm以上離すことで、測定媒体となる流体の流速が急激に減衰し、オリフィス(37)による圧力減衰を効果的に発揮させることが可能となる。したがって、オリフィス(37)が受圧部から10mm以上離すことで、より有効に上記効果を得る事が可能となる。
また、本発明では、圧力導入孔(31)が広げられることで形成された部屋(32)には、測定媒体がメタルダイアフラム(34)に流動することを規制するバッフル構造体(38)が備えられていることを特徴としている。
このように、バッフル構造体(38)を備えると、このバッフル構造体(38)により測定媒体となる流体の流動が遮られることになるため、圧力伝達を分散させることができ、反射波を抑制することも可能となる。このため、上記と同様の効果を得ることが可能となる。
例えば、バッフル構造体(38)としては、複数の孔が形成された金属製のバッフル板か、金属網か、もしくは、金属性のウール状部材を用いることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
以下、本発明の一実施形態が適用された圧力センサについて説明する。図1に、本実施形態における圧力センサS1の断面図を示し、この図に基づいて説明する。なお、この圧力センサS1は、例えば、自動車に搭載され自動車のエアコンの冷媒配管内の冷媒圧力やディーゼル車の排気洗浄フィルタであるDPFの差圧計測等の検出に用いられる。
図1に示されるように、第1のケースとしてのコネクタケース10は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やPBT(ポリブチレンテレフタレート)等の樹脂を型成形することにより作られ、本実施形態では略円柱状をなしている。この樹脂ケースとしてのコネクタケース10の一端部(図1中、下方側の端部)には、凹部11が形成されている。
この凹部11の底面には、圧力検出用のセンシング部としてのセンサ素子20が配設されている。
センサ素子20は、その表面に受圧面としてのダイアフラムを有し、このダイアフラムの表面に形成されたゲージ抵抗により、ダイアフラムが受けた圧力を電気信号に変換し、この電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイアフラム式のものである。
そして、センサ素子20は、ガラス等よりなる台座21に陽極接合等により一体化されており、この台座21を凹部11の底面に接着することで、センサ素子20はコネクタケース10に搭載されている。
また、コネクタケース10には、センサ素子20と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル12が貫通している。
本実施形態では、ターミナル12は黄銅(真鍮)にメッキ処理(例えばNiメッキ)を施した材料よりなり、インサートモールドによりコネクタケース10と一体に成形されることによってコネクタケース10内にて保持されている。
各ターミナル12の一端側(図1中、下方端側)の端部は、センサ素子20の搭載領域の周囲において凹部11の底面から突出して配置されている。一方、各ターミナル12の他端側(図1中、上方端側)の端部は、コネクタケース10の他端側の開口部15内に露出している。
この凹部11内に突出する各ターミナル12の一端部とセンサ素子20とは、金やアルミニウム等のボンディングワイヤ13により結線され電気的に接続されている。
また、凹部11内にはシリコン系樹脂等からなるシール剤14が設けられており、このシール剤14によって、凹部11に突出するターミナル12の根元部とコネクタケース10との隙間が封止されている。
一方、図1において、コネクタケース10の他端部(図1中、上方側の端部)側は開口部15となっており、この開口部15は、ターミナル12の他端側を例えばワイヤハーネス等の外部配線部材(図示せず)を介して上記外部回路(車両のECU等)に電気的に接続するためのコネクタ部となっている。
つまり、開口部15内に露出する各ターミナル12の他端側は、このコネクタ部によって外部と電気的に接続が可能となっている。こうして、センサ素子20と外部との間の信号の伝達は、ボンディングワイヤ13およびターミナル12を介して行われるようになっている。
また、図1に示されるように、コネクタケース10の一端部には、第2のケースとしてのハウジング30が組み付けられている。具体的には、ハウジング30には収容凹部30aが形成されており、この収容凹部30a内にコネクタケース10の一端側が挿入されることで、コネクタケース10にハウジング30が組みつけられた構成となっている。
これにより、第1のケースとしてのコネクタケース10と第2のケースとしてのハウジング30とが一体に組み付けられてなるケーシング100が構成されており、このケーシング100内にセンサ素子20が設けられた形となっている。
このハウジング30は、例えばアルミニウム(Al)等の金属材料よりなるものであり、測定対象物から測定媒体となる流体が導入される圧力導入孔31と、圧力導入孔31におけるセンサ素子20側の端部が断面テーパ状(ラッパ形状)に広げられることで形成された部屋32と、圧力センサS1を測定対象物に固定するためのネジ部33とを有する。上述したように、測定対象物としては、たとえば自動車エアコンの冷媒配管などであり、測定圧力は、その冷媒配管内の冷媒圧力などである。
さらに、コネクタケース10の先端面10aとハウジング30における収容凹部30aのうちコネクタケース10の先端面10aと対向する一面30bとの間に、薄い金属(たとえばSUS等)製のメタルダイアフラム34と金属(たとえばSUS等)製のリングウェルド(押さえ部材)35とが配置されている。ハウジング30の一面30bとリングウェルド35とは、全周にわたって例えば溶接等によって気密接合されている。リングウェルド35とメタルダイアフラム34とは予め溶接によって、もしくは、リングウェルド35をハウジング30に溶接するときに、全周が気密接合された状態となっている。
そして、図1に示されるように、ハウジング30のうち収容凹部30a側の端部がコネクタケース10の一端部にかしめられることで、かしめ部36が形成され、それによって、ハウジング30とコネクタケース10とが固定され一体化されている。
こうして組み合わせられたコネクタケース10とハウジング30とにおいて、コネクタケース10の凹部11とハウジング30のダイアフラム34との間で、圧力検出室40が構成されている。
この圧力検出室40には圧力伝達媒体であり封入液であるオイル(フッ素オイル等)41が充填され封入されている。このオイル41の封入により、凹部11にはセンサ素子20及びワイヤ13等の電気接続部分を覆うようにオイル41が充填され、さらに、オイル41はダイアフラム34により覆われて封止された形となる。
このような圧力検出室40を構成することにより、圧力導入孔31から導入された圧力は、メタルダイアフラム34、オイル41を介して、圧力検出室40内のセンサ素子20、ボンディングワイヤ13、ターミナル12に印加されることになる。
また、コネクタケース10の先端面10aに、圧力検出室40の外周を囲むように、環状の溝(Oリング溝)42が形成され、この溝42内には、圧力検出室40を気密封止するためのOリング43が配設されている。
このOリング43は例えばシリコンゴム等の弾性材料よりなり、コネクタケース10とハウジング30とにより挟まれて押圧されている。こうして、メタルダイアフラム34とOリング43とにより圧力検出室40が封止され閉塞される。
そして、このような構造の圧力センサS1において、本実施形態では、圧力導入孔31にオリフィス37を形成すると共に、部屋32内にバッフル手段を構成するバッフル構造体38を形成している。
オリフィス37は、圧力導入孔31の断面積を縮小したものである。具体的には、オリフィス37の径が圧力導入孔31の径の1/2以下となるように縮径されている。例えば、圧力導入孔31の径がφ3.0の場合、オリフィス37の径がφ1.5以下となるようにサイズ設定されている。このオリフィス37は、受圧部となるメタルダイアフラム34から10mm以上距離を離して配置されている。
バッフル構造体38は、圧力導入孔31から導入される測定媒体となる流体が直接メタルダイアフラム34に伝わるのを軽減するものである。バッフル構造体38は、例えば、複数の孔が設けられた金属性のバッフル板や金属網もしくはスチールウールのような金属製のウール状部材で構成され、バッフル板もしくは金属網が単数もしくは複数枚重ねられるか、ウール状の金属を部屋32に配置することで、測定媒体となる流体の移動を規制する。本実施形態では、図1に示されるように、バッフル構造体38を孔が設けられたバッフル板で構成してある。このバッフル構造体38の外周部は、部屋32を構成するハウジング30のテーパ状の部分の内壁面と溶接等によって接合されている。
なお、バッフル構造体38をバッフル板で構成する場合の孔は、必ずしも圧力導入孔31の断面積よりも小さなものでなければならないわけでない。例えば、孔が空けられていない金属板の部分が圧力導入孔31の軸上に配置されることで、圧力導入孔31が導入される測定媒体となる流体が直接メタルダイアフラム34に伝わるのを遮るような構造であっても良い。
次に、上記圧力センサS1の製造方法について、圧力センサS1の製造工程図を参照して説明する。
まず、ターミナル12がインサート成形されたコネクタケース10を用意する。シリコン系樹脂等よりなる接着剤を用いて、コネクタケース10の凹部11内へセンサ素子20を台座21を介し接着固定する。
そして、凹部11内へシール剤14を注入し、シール剤14を、凹部11の底面まで行き渡らせる。ここで、シール剤14がセンサ素子20の表面に付着しないように、注入量を調整する。
続いて、注入したシール剤14を硬化させる。そして、ワイヤボンディングを行って、各ターミナル12の一端部とセンサ素子20とをボンディングワイヤ13で結線し、電気的に接続する。
そして、センサ素子20側を上にしてコネクタケース10を配置し、コネクタケース10の上方から、ディスペンサ等によりフッ素オイル等よりなるオイル41を、凹部11へ一定量注入する。
続いて、バッフル構造体38をハウジング30における部屋32を構成するテーパ状部分の内壁面に搭載し、溶接等を行うことで接合する。次いで、リングウェルド35と共にメタルダイアフラム34をハウジング30における収容凹部30a内に配置する。そして、リングウェルド35の上方から溶接を行うことで、リングウェルド35とメタルダイアフラム34とハウジング30とを接合する。
次に、メタルダイアフラム34およびリングウェルド35と共にハウジング30を上から水平を保ったまま、コネクタケース10に嵌合するように降ろす。そして、この状態のものを真空室に入れて真空引きを行い圧力検出室40内の余分な空気を除去する。
その後、コネクタケース10の先端面とハウジング30の一面30bとが十分接するまで押さえることによって、メタルダイアフラム34とOリング43によってシールされた圧力検出室40が形成される。
最後に、ハウジング30の端部をコネクタケース10の一端側にかしめることにより、かしめ部36を形成する。こうして、ハウジング30とコネクタケース10とを一体化することにより、かしめ部36によるコネクタケース10とハウジング30との組み付け固定がなされる。このようにして、図1に示される圧力センサS1が完成する。
かかる圧力センサS1の基本的な圧力検出動作について述べる。
圧力センサS1は、たとえば、ハウジング30のネジ部33を介して、車両におけるエアコンの冷媒配管系の適所に取り付けられる。そして、該配管内の圧力がハウジング30の圧力導入孔31より圧力センサS1内に導入される。
すると、導入された圧力がメタルダイアフラム34から圧力検出室40内のオイル41を介して、センサ素子20の表面すなわち受圧面に印加される。そして、印加された圧力に応じた電気信号がセンサ信号として、センサ素子20から出力される。
このセンサ信号は、センサ素子20からワイヤ13、ターミナル12を介して、上記外部回路へ伝達され、冷媒配管の冷媒圧力が検出される。このようにして、圧力センサS1における圧力検出が行われる。
このとき、上述したように、本実施形態の圧力センサS1では、圧力導入孔31にオリフィス37を配置している。このオリフィス37によって測定媒体となる流体の流入が規制され、圧力減衰効果が得られる。このため、受圧部となるメタルダイアフラム34に対して直接印加される圧力が急峻に変化することを抑制することができ、受圧部に印加される圧力の不均一を抑制することが可能となる。したがって、メタルダイアフラム34の割れやボンディングワイヤ13の断線の発生を防止できる。
特に、オリフィス37の径を圧力導入孔31の径の1/2以下としているため、その効果が顕著になる。これについて、図2に示すオリフィス37の径と圧力減衰率との関係を参照して説明する。
圧力減衰率は、オリフィス37を形成していない従来の構造(つまり圧力導入孔31の径(=φ3.0)のままの場合)における圧力伝達に対して、オリフィス37を形成した場合の圧力伝達の比である。
図2に示されるように、オリフィス37を形成した場合、圧力減衰率が1未満となっていることから、オリフィス37を形成していない場合と比べて、受圧部の中心に集中して圧力が印加されることを緩和できることが判る。そして、オリフィス37の径が小さくなるほど、圧力減衰率が高くなり、特に、オリフィス37の径が圧力導入孔31の径の1/2になると、圧力減衰率の低下度合が高くなっていることが判る。
このため、オリフィス37の径が圧力導入孔31の径の1/2となるようにすることで、より上記効果を得ることができる。
また、本実施形態では、オリフィス37の配置に関して、オリフィス37が受圧部(メタルダイアフラム34)から10mm以上離れた位置に配置されるようにしている。これについて、図3に示すオリフィス37の受圧部からの距離と測定媒体となる流体の流速との関係を参照して説明する。
図3では、矢印の太さが太いほど、流速が大きいことを示している。この図に示されるように、オリフィス37を形成した場合、その出口において流体の流速が早くなっていることが判る。そして、この関係について、シミュレーション解析を行ったところ、受圧部からの距離が10mm以上離すことで、測定媒体となる流体の流速が急激に減衰し、オリフィス37による圧力減衰を効果的に発揮させることが可能となることが確認された。
したがって、本実施形態のように、オリフィス37が受圧部から10mm以上離すことで、より有効に上記効果を得る事が可能となる。
さらに、本実施形態では、オリフィス37に加えて、バッフル構造体38を備えた構成としている。このバッフル構造体38により、圧力導入孔31から導入される測定媒体となる流体が直接メタルダイアフラム34に伝わるのを軽減するようにしている。このため、圧力伝達速度を低下することができ、メタルダイアフラム34の面内における圧力伝達の時間差を低減することができる。
また、バッフル構造体38により、測定媒体となる流体の流動が遮られることになるため、圧力伝達を分散させることができ、反射波を抑制することも可能となる。
このため、バッフル構造体38を備えることにより、より上記効果を得ることが可能となる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、オリフィス37とバッフル構造体38を共に用いる例を挙げて説明したが、これはより上記効果を得るために採用したものであり、これらのうちの少なくとも1つを備えた構造であれば、上記効果を得ることが可能である。
上記各実施形態において、圧力検出室40には、オイル41が封入されていなくてもよい。つまり、メタルダイアフラム34を介して圧力検出室40内のセンサ素子20に測定圧力が印加されればよく、圧力検出室40内の圧力伝達媒体としては気体等であっても構わない。
また、第1のケースとなるコネクタケース10や第2のケースとなるハウジング30の材質などについても、それぞれ樹脂や金属というように限定されるものではなく、適宜変更可能である。
また、センサ素子20は、上記したダイアフラムが受けた圧力を電気信号に変換し、この電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイヤフラム式のものに限定されるものではない。
本発明の第1実施形態に係る圧力センサの全体構成を示す断面図である。 オリフィス37の径と圧力減衰率との関係を示したグラフである。 オリフィス37の受圧部からの距離と測定媒体となる流体の流速との関係を示した図である。 従来の圧力センサの全体構成を示す断面図である。 図4に示す圧力センサに関して圧力導入孔から導入される測定媒体の圧力伝達の様子を示した模式図である。
符号の説明
10…第1のケースとしてのコネクタケース、
20…センシング部としてのセンサ素子、30…第2のケースとしてのハウジング、
34…メタルダイアフラム、35…リングウェルド、37…オリフィス、
38…バッフル構造体、42…溝、43…Oリング。

Claims (6)

  1. 第1のケース(10)と測定媒体が導入される圧力導入孔(31)が形成された第2のケース(30)とを一体に組み付けてなるケーシング(100)と、
    該ケーシング(100)内に備えられた圧力検出用のセンシング部(20)と、
    前記第1のケース(10)の先端面(10a)と前記第2のケース(30)の一面(30b)との間に配置されたメタルダイアフラム(34)と、を備え、
    前記第2ケース(30)のうち前記圧力導入孔(31)が広げられることで形成された部屋(32)内に前記圧力導入孔(31)を通じて前記測定媒体が導入されることで、前記部屋(32)内の測定媒体の圧力を前記メタルダイアフラム(34)を介して前記センシング部(20)に伝え、圧力検出を行うように構成されており、
    前記圧力導入孔(31)に、該圧力導入孔(31)の断面積を縮小するオリフィス(37)が備えられていることを特徴とする圧力センサ。
    前記部屋(32)には、前記測定媒体が前記メタルダイアフラム(34)に流動することを規制するバッフル構造体(38)が備えられていることを特徴とする圧力センサ。
  2. 前記圧力導入孔(31)および前記オリフィス(37)は断面が円形を成しており、前記オリフィス(37)の径が前記圧力導入孔(31)の径の1/2であることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
  3. 前記オリフィス(37)から前記メタルダイアフラム(34)までの距離が10mm以上離れていることを特徴とする請求項1または2に記載の圧力センサ。
  4. 前記部屋(32)には、前記測定媒体が前記メタルダイアフラム(34)に流動することを規制するバッフル構造体(38)が備えられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の圧力センサ。
  5. 第1のケース(10)と測定媒体が導入される圧力導入孔(31)が形成された第2のケース(30)とを一体に組み付けてなるケーシング(100)と、
    該ケーシング(100)内に備えられた圧力検出用のセンシング部(20)と、
    前記第1のケース(10)の先端面(10a)と前記第2のケース(30)の一面(30b)との間に配置されたメタルダイアフラム(34)と、を備え、
    前記第2ケース(30)のうち前記圧力導入孔(31)が広げられることで形成された部屋(32)内に前記圧力導入孔(31)を通じて前記測定媒体が導入されることで、前記部屋(32)内の測定媒体の圧力を前記メタルダイアフラム(34)を介して前記センシング部(20)に伝え、圧力検出を行うように構成されており、
    前記部屋(32)には、前記測定媒体が前記メタルダイアフラム(34)に流動することを規制するバッフル構造体(38)が備えられていることを特徴とする圧力センサ。
  6. 前記バッフル構造体(38)は、複数の孔が形成された金属製のバッフル板か、金属網か、もしくは、金属性のウール状部材であることを特徴とする請求項4または5に記載の圧力センサ。
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