JP2016070689A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ハーメチックシール部分からのオイル漏れが生じた場合であっても、ダイアフラムの破損を抑制することができる圧力センサを提供する。
【解決手段】ダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間でオイルが封入された受圧空間が形成され前記受圧空間内に圧力検出素子が設けられたベースと、前記ダイアフラムを挟んで前記ベースと対向して設けられ且つ流体流入管と接続されており、前記ダイアフラムとの間に前記流体流入管を通じて圧力が導入される加圧空間が形成された受け部材と、を一体的に接合した圧力検出部を備え、前記圧力検出部に接続されるリードピンが前記ベースに設けられた貫通孔に対してハーメチックシール部により封止された圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムと前記ベースとの間の受圧空間内に、前記ダイアフラムの変形を抑制する接触面を有する変形抑制部材がさらに配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に圧力検出素子を収容した受圧空間内に液体を封入した圧力センサに関する。

従来、半導体圧力検出素子が収納された圧力検出室（受圧空間）内に液体（オイル）を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた冷媒等の圧力を、当該液体を介して半導体圧力検出素子に伝えることで、この圧力検出素子から圧力に応じた電圧信号を出力する圧力センサが種々提案されている。

このような圧力センサとして、例えば、ダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間でオイルが封入された受圧空間が形成されており前記受圧空間内に半導体圧力検出素子が設けられているベースと、前記ダイアフラムを挟んで前記ベースと対向して設けられ且つ流体流入管と接続されており前記ダイアフラムとの間に前記流体流入管を通じて圧力が導入される圧力導入空間が形成されている流管接続部材と、前記ベースの背後より引き出され、前記半導体圧力検出素子のボンディングパッド（端子）とボンディングワイヤを介して接続されたリードピン及び該リードピンに接続されたリード線とを備える圧力センサにおいて、前記圧力検出部を収容する樹脂製のカバーを更に備え、前記カバー内が前記圧力検出部で区切られて形成され且つ前記リードピン及び前記リード線を収容する第１空間、及び前記圧力検出部の前記流管接続部材側と前記カバーとの間に形成される第２空間には樹脂（接着剤）が封入され、前記リードピンがガラスを用いたハーメチックシールにより前記ベースに取り付け、封止されているものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１２−６８１０５号公報

上記圧力センサにおいては、ステンレススチール等で形成されたベースに貫通孔を設け、この中にリードピンを通し、ガラスによるハーメチックシールで封止する構成としている。
この封止の際にベースは溶融しないため、ハーメチックシール部のガラスとベースの金属とは一体化されることがない。このため、受圧空間内に高い圧力が加わったり、そしてこれが繰り返されたり、あるいは外気温度等の変化により圧力センサが高温状態の雰囲気と低温状態の雰囲気との双方に交互にさらされたり、あるいはまた圧力センサに強い衝撃が加わったりすると、ハーメチックシール部にクラックが生じたり、あるいはハーメチックシール部とベースとの間の界面に隙間が生じたり、場合によってはハーメチックシール部がベースから外れるという懸念があった。
ハーメチックシール部が破損すると、当該破損部から受圧空間内に封入されたオイルが漏洩し、この結果、圧力センサの動作時に圧力検知すべき冷媒等の流体の圧力がオイルを介することなくダイアフラムに直接加わり、当該ダイアフラムが破損するおそれもある。この場合には、圧力検出すべき冷媒等の液体が上記圧力センサを介して外部に漏洩してしまう。

そこで、本発明の目的は、ハーメチックシール部分からのオイル漏れが生じた場合であっても、ダイアフラムの破損を抑制することができる圧力センサを提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明による圧力センサは、ダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間でオイルが封入された受圧空間が形成され前記受圧空間内に圧力検出素子が設けられたベースと、前記ダイアフラムを挟んで前記ベースと対向して設けられ且つ流体流入管と接続されており、前記ダイアフラムとの間に前記流体流入管を通じて圧力が導入される加圧空間が形成された受け部材と、を一体的に接合した圧力検出部を備え、前記圧力検出部に接続されるリードピンが前記ベースに設けられた貫通孔に対してハーメチックシール部により封止され、前記ダイアフラムと前記ベースとの間の受圧空間内に、前記ダイアフラムの変形を抑制する接触面を有する変形抑制部材がさらに配置されている。
また、前記変形抑制部材は、少なくとも１つの貫通孔若しくは溝又はメッシュ状の部分を有してもよい。

本発明による圧力センサの実施形態において、前記変形抑制部材は、その外周部が前記ベースと前記受け部材との間に挟まれて接合されるように構成される。
また、本発明による圧力センサの他の実施形態において、前記ベースは、天壁と前記天壁の周囲に起立した鍔部とを備え、前記変形抑制部材は、その外周部が前記鍔部の内面と摺動自在に接触するように構成される。

本発明による圧力センサのさらに他の実施形態において、前記変形抑制部材は、その外周部が前記ベースの内面と直接接合されるように構成される。
このとき、前記変形抑制部材は、前記接触面を構成する板状部と前記板状部の外周に配置される脚部とにより構成されてもよい。
またこの場合、前記脚部に凹部を設け、前記凹部を前記ハーメチックシール部と対向するように構成してもよい。

本発明による圧力センサは、圧力検出部に変形抑制部材を設けたことにより、仮にハーメチックシール部からのオイル漏れが生じた場合であっても、ダイアフラムの破損を抑制することができる。
また、上記変形抑制部材の形状や構造を適宜選択することにより、簡単な工程で圧力検出部を製造することができる。

本発明の第１の実施例の圧力センサ１００の概要を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施例に適用される変形抑制部材５の概要を示す平面図である。 本発明の第２の実施例における圧力検出部２１０及びその近傍の構成部品を示す図であり、図３（Ａ）は圧力検出部２１０の縦断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ線における断面図である。 本発明の第２の実施例に適用される変形抑制部材５０の概要を示す図であり、図４（Ａ）は変形抑制部材５０の平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＹ−Ｙ線における断面図である。 本発明の第３の実施例における圧力検出部３１０及びその近傍の構成部品の縦断面図である。 本発明の第４の実施例における圧力検出部１０及びその近傍の構成部品の縦断面図である。 本発明の第１の実施例の圧力センサ１００に適用される変形抑制部材５の変形例を示す平面図である。

図１は、本発明による圧力センサの第１の実施例を示す縦断面図である。
図１に示すように、圧力センサ１００は、内部に圧力検出素子４１が設けられ流体流入管１１が接続される圧力検出部１１０と、当該圧力検出部１１０を覆い圧力検出素子４１に接続される基板４５やリード線４７を収容したコネクタ接続部１２０とを備えている。

圧力検出部１１０は、ベース１と、当該ベース１に対向して配置された受け部材２と、ベース１と受け部材２との間に挟まれたダイアフラム３と、ベース１とダイアフラム３との間にさらに挟み込まれた変形抑制部材５と、を備えている。
受け部材２は、中心部に流体流入管１１が接続される流管接続部材としての役割を担っている。ベース１とダイアフラム３との間には、オイルが封入される受圧空間３１が形成されており、図１に示すように、受圧空間３１に変形抑制部材５がダイアフラム３と対向するように設けられ、この状態でダイアフラム３及び変形抑制部材５がベース１及び受け部材２に挟持され取り付けられている。
一方、受け部材２とダイアフラム３との間には圧力導入空間としての加圧空間１２が形成されており、加圧空間１２には流体流入管１１が連通している。そして加圧空間１２には当該流体流入管１１を通じて圧力検出すべき流体（冷凍サイクルの冷媒等）が導入される。ここで、ベース１、受け部材２、ダイアフラム３、変形抑制部材５は、例えばステンレススチール等の金属製とすることが好ましい。またダイアフラム３は、加圧空間１２側の検知すべき流体圧を受圧空間３１側へ伝搬する機能を有するため、薄肉であることが望ましい。

ベース１は周縁に鍔部１ａを備える蓋状に形成されており、圧力検出素子４１は蓋の天壁１ｂの内面に取り付けられている。受け部材２は、周囲が立上り平坦な鍔部２ａとされた皿状に形成されている。受け部材２の中心部には開口２ｂが形成されており、開口２ｂに流体流入管１１がロウ付けされて固定されている。
ベース１と受け部材２との間に挟まれるダイアフラム３と変形抑制部材５とは、それらの外周縁部がベース１の鍔部１ａと受け部材２の鍔部２ａとの間に挟み込まれている。そして、これら４つの部材は、それらの外周縁部分において例えばレーザー溶接等の溶接部４によって同時に周溶接されており、圧力検出部１１０として一体的に連結・固定されている。

ベース１の天壁１ｂの内面に取り付けられる圧力検出素子４１は、例えばピエゾ素子とすることができる。ピエゾ素子は、強誘電体の一種であって圧電素子とも呼ばれ、振動や圧力などの力が加わると電圧が発生し、逆に電圧が加えられると伸縮する特性を有する素子である。
圧力検出素子４１のボンディングパッド（端子：図示せず）は、ベース１に形成されている貫通孔４２を通して延びるリードピン４３とボンディングワイヤ４８により電気的に接続され、またこのリードピン４３は基板４５に接続されている。ベース１の貫通孔４２は、ガラスを用いたハーメチックシール部４４によってオイル漏れがないように封止されている。
コネクタ４６は基板４５に取り付けられており、ボンディングワイヤ４８、リードピン４３、基板４５、コネクタ４６及びリード線４７を介して、外部から圧力検出素子４１に対して電力の供給が行われ、また圧力検出素子４１から出力される圧力信号が外部へと取り出される。

リードピン４３とリード線４７とは、それらの引き出し方向に対して交差する方向にオフセットしている。そこで、リードピン４３とリード線４７の接続は、基板４５を介して行われている。こうした基板４５による接続をすることで、リード線４７を当該圧力センサ１００の中心軸に引き出すことができる。即ち、圧力センサ１００の設置角度を問わず、圧力センサ１００の取扱いを容易にすることができる。

コネクタ接続部１２０は、ベース１に対してその外側から嵌合していて受け部材２の側方を覆うように圧力検出部１１０を収容するカバー６０を備えている。このカバー６０は、また基板４５及びコネクタ４６を覆うコネクタケースとしての役割を有する。
また、カバー６０は、例えばＰＰＥのような合成樹脂製の部材であり、コネクタ４６を覆う側の端部（上端部）は、リード線４７を取り囲むように縮径されて小径端部６１となっている。一方、圧力検出部１１０を収容する端部側は、内径を大きくして且つ筒状スカート状に延びる大径端部６３が形成されている。
カバー６０の内壁に設けられた段差部に圧力検出部１１０の外周部が当接された後、カバー６０の両端開口部（小径端部６１側の開口端Ａ及び大径端部６３側の開口端Ｂ）より樹脂がそれぞれ充填及び固化され、これによりカバー６０の内部に圧力検出部１１０が固着され、同時にカバー６０の両端側Ａ、Ｂが封止される。これらのことにより、圧力検出部１１０を防水構造とすることができる。

上述のように、受圧空間３１内にダイアフラム３の過大な変形を抑制する変形抑制部材５が設けられているが、変形抑制部材５は、ダイアフラム３が過剰に変形して破断する前に接触することにより、ダイアフラム３の破損を防ぐことができる位置に配置される。
このような構成により、本発明の圧力センサ１００は、仮に、圧力検出部１１０の受圧空間３１を封止するハーメチックシール部４４からオイル漏れが生じて当該受圧空間３１のオイルが不足しても、変形抑制部材５がダイアフラム３の過剰な変形を抑制することにより、ダイアフラム３が破損することを防ぐことができる。

図２は、本発明の第１の実施例の圧力センサ１００に適用される変形抑制部材５の平面図である。
図１及び図２に示すように、変形抑制部材５は板状部（板状部材）５１からなり、当該板状部５１の中央部に１又は複数の貫通孔５２が形成されている。これら１又は複数の貫通孔５２は、受圧空間３１に配置されたときに変形抑制部材５でさらに仕切られる２つの空間（変形抑制部材５を境としてダイアフラム３側の空間及び圧力検出素子４１側の空間）を連通することにより、ダイアフラム３から付加される受圧空間３１の内部のオイルへの圧力を圧力検出素子４１に伝達する機能を有する。
板状部５１は、外周付近の鍔状領域と該鍔状領域の内側の傾斜領域と傾斜領域のさらに内側の平坦領域とにより、断面で凹面を形成する形状となっている（図１参照）。また、第１の実施例において、変形抑制部材５は、外周部分の鍔状領域がダイアフラム３とともにベース１及び受け部材２の間に挟まれて溶接されることにより一体化される。
ここで、図１及び図２においては、傾斜領域が１つの場合を示しているが、複数の傾斜領域を形成して上記凹面を形成してもよい。また、平坦領域は平面だけでなく曲面であってもよい。
本発明の圧力センサ１００に適用される変形抑制部材５は、上記のような構成を備えることにより、ダイアフラム３が加圧空間１２に導入される流体圧が負荷されて変形したときに、無負荷状態から所定の位置又は距離に配置される凹面に沿ってダイアフラム３が変形することとなり、過剰な変形を抑制して破断を防ぐことができる。

次に図３及び図４を用いて、本発明の第２の実施例の圧力センサの概要を説明する。
ここで、図３は、第２の実施例における圧力検出部２１０を示す図であり、図３（Ａ）は圧力検出部２１０の縦断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ線における断面図である。また図４は、第２の実施例に適用される変形抑制部材５０の概要を示す図であり、図４（Ａ）は変形抑制部材５０の平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＹ−Ｙ線における断面図である。

図３及び図４に示すように、変形抑制部材５０は、板状部（板状部材）５０１と当該板状部５０１の外周部に設けられた環状の脚部５０３とからなる。また、板状部５０１の中央部には１又は複数（この例では４つ）の貫通孔５０２が形成されており、脚部５０３のダイアフラム３とは反対側の端部には脚部５０３の一部を切り欠いた複数の切欠き部５０４が形成されている。要するに、環状の脚部５０３は、板状部５０１に固着される側の面は平坦であるが、板状部５０１に固着される側の面とは反対側の面は、凹凸形状とされている。
第２の実施例において、変形抑制部材５０の脚部５０３はベース１の天壁１ｂに溶接又は接着によって取り付けられている。その際、変形抑制部材５０は、切欠き部５０４がベース１に形成されたハーメチックシール部４４と対向するように配置されることにより、脚部５０３がハーメチックシール部４４と干渉しないようにされている。すなわち、切欠き部５０４を形成してこれをハーメチックシール部４４と対向させることにより、ベース１の天壁１ｂの面積を大きくすることなく、変形抑制部材５０を受圧空間内に配置・固着することが可能となっている。
また、変形抑制部材５０の高さは、無負荷状態のダイアフラム３が加圧空間１２に導入される流体圧により変形したときに、ダイアフラム３が破断せずに板状部５０１が接触し得る位置となるように設定されている。
ここで、図３及び図４に示すように、第２の実施例では、板状部５０１と脚部５０３とは別部材を組立一体化したものとして例示しているが、単一の部材を曲げ加工して板状部５０１及び脚部５０３として形成してもよい。また、板状部５０１と脚部５０３とは同一の材料であっても異なる材料であってもよい。特に脚部５０３を樹脂等の材料で形成してベース１に接着する構造とすれば、金属等の材料で形成した場合に比べて変形抑制部材５０ひいては圧力センサ全体の軽量化を図ることができる。
この圧力検出部２１０と、図１に示されたような基板４５、コネクタ４６、リード線４７、樹脂製のカバー６０等を用いて圧力センサが構成される。また後述の圧力検出部３１０、４１０についても同様である。

第２の実施例によれば、変形抑制部材５０の直径を小型化することが可能となる。また、変形抑制部材５をベース１の天壁１ｂに直接取り付ける構造となるため、圧力検出部２１０を組み立てる際に変形抑制部材５０をベース１と受け部材２との間に挟み込んで位置決めする必要がなく、周溶接の施工を簡略化できる。
なお、板状部５０１の中央部には１又は複数の貫通孔５０２が設けられるものとして説明したが、切欠き部５０４を介して変形抑制部材５０の内外の空間を連通することができるので、貫通孔５０２は省略してもよい。
また、脚部５０３をハーメチックシール部４４の外側に配置するようにすれば、貫通孔５０２のみを形成し、切欠き部５０４は省略することもできる。

図５は、本発明の第３の実施例における圧力検出部３１０及びその近傍の構成部品の縦断面図である。
図５に示すように、変形抑制部材６０は、例えばステンレススチールにより板状に形成され、その外周付近の鍔状領域と該鍔状領域の内側の傾斜領域と傾斜領域のさらに内側の平坦領域とにより、断面で凹面を形成する形状となっている。上記平坦領域には、図２に示されたような１又は複数の貫通孔が形成されている。一方、圧力検出部３１０のベース１ｘには鍔部１ａの中間部に環状の段差部１ｃが形成されており、当該段差部１ｃに上記変形抑制部材６０の鍔状領域が当接され、例えば溶接等で接合されている。
第３の実施例において、変形抑制部材６０の平坦領域は、無負荷状態のダイアフラム３が加圧空間１２に導入される流体圧が負荷されて変形したときにダイアフラム３が破損せずに当該平坦領域が接触し得る位置となるように設定されている。
第３の実施例によれば、変形抑制部材６０をベース１ｘの段差部１ｃに予め接合してからベース１ｘと受け部材２とダイアフラム３とを溶接することができるため、圧力検出部３１０を組み立てる際に変形抑制部材６０をベース１ｘと受け部材２との間に挟んで位置決めする必要がなく、周溶接の施工を簡略化できる。
また、変形抑制部材６０の鍔状領域をベース１ｘの段差部１ｃに接合する際に位置決めする手間が省けるため、圧力検出部３１０の組立作業全体を簡略化できる。

図６は、本発明の第４の実施例における圧力検出部４１０及びその近傍の構成部品の縦断面図である。
図６に示すように、変形抑制部材７０は、板状部（板状部材）と当該板状部の外周部に設けられた脚部７１とからなり、全体として皿形状とされている。また図示されていないが、板状部の中央部には図２に示されたような１又は複数の貫通孔が形成されている。
第４の実施例において、変形抑制部材７０の脚部７１は、その端部の外径がベース１の鍔部１ａの内径とほぼ同一となるように形成されており、当該脚部の端部はベース１とは接合（固着）されていない。すなわち、変形抑制部材５は、圧力検出部１１０の受圧空間３１内の鍔部１ａと摺動自在に接触して図６の上下方向（圧力検出部４１０の中心軸方向）に自由に移動できるように構成されている。また、脚部７１の高さは無負荷状態のダイアフラム３が加圧空間１２に導入される流体圧が負荷されて変形したときにダイアフラム３が破断せずに板状部が接触し得る位置となるように設定されている。
第４の実施例によれば、変形抑制部材７０をベース１に接合して固定する必要がないため、圧力検出部４１０の組立工程を簡略化することが可能となる。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施例の圧力センサ１００に適用される変形抑制部材５の変形例を示す平面図である。
図２においては、変形抑制部材５に形成される貫通孔５２が、板状部５１の平坦領域の中央部に４つの円形の貫通孔として形成されているものを例示したが、例えば図７（ａ）に示すように、４つの貫通孔５２ａの形状を長円又は楕円として放射状に配置してもよい。また、図７（ｂ）又は図７（ｃ）に示すように、小径の貫通孔５２ｂを５つ又はそれ以上の数で配置したり、大径の貫通孔５２ｃを中央部に形成してもよい。
なお、図７（ａ）〜（ｃ）に示す貫通孔５２ａ〜５２ｃはあくまでも例示であり、上記したとおり、本発明に適用される変形抑制部材５が、ダイアフラム３の過剰な変形を抑制するとともに受圧空間３１で圧力検出素子４１への圧力の伝達を行うという機能を果たすことができるものであれば、貫通孔５２の形状、サイズ、数及び配置については任意のものを採用することができる。
また、図３〜図６に示された実施例においても同様に、貫通孔の形状、個数等は、適宜変更することが可能である。

本発明の圧力センサは、以上説明したような構造を備えているが、本発明の特許請求の範囲に記載された構成を備える限りにおいて、種々の変更が可能である。
例えば、変形抑制部材には、受圧空間３１に配置されたときに当該変形抑制部材で仕切られる２つの空間を連通するために、貫通孔５２、５２ａ〜５２ｃ、５０２が設けられるものとして説明したが、本発明は特にこの態様のみに限定されることなく、板状の変形抑制部材の外周部から帯状の切込みを入れ、この切込みを介して、受圧空間３１のダイアフラム３側の空間及び圧力検出素子４１側の空間を連通させるようにしても良い。
さらに、変形抑制部材の一部に格子状の開口や金網状（以下、「メッシュ状」という）の部分を設けても良く、さらにまた変形抑制部材全体がメッシュ状であっても良い。
また、カバーは、段差のある多段形状に形成されていてもよく、また全体をテーパ状に傾斜させることも可能である。一方、ベースや受け部材の具体的な形状についても、圧力検出部としての機能を損なわず、またカバーとの固定強度を損なわない限り、形状等について種々の変形が可能であることは明らかである。

１、１ｘ ベース
１ａ 鍔部
１ｂ 天壁
１ｃ 段差部
２ 受け部材（流管接続部材）
２ａ 鍔部
３ ダイアフラム
４ 溶接部
５、５０、６０、７０ 変形抑制部材
１１ 流体流入管
１２ 加圧空間
３１ 受圧空間
４１ 圧力検出素子
４２ 貫通孔
４３ リードピン
４４ ハーメチックシール部
４５ 基板
４６ コネクタ
４７ リード線
５１ 板状部
５２、５２ａ〜５２ｃ、５０２ 貫通孔
５３ 脚部
６０ カバー
６１ 小径端部
６３ 大径端部
１００ 圧力センサ
１１０、２１０、３１０、４１０ 圧力検出部
１２０ コネクタ接続部

Claims (7)

1. ダイアフラムと、前記ダイアフラムとの間でオイルが封入された受圧空間が形成され前記受圧空間内に圧力検出素子が設けられたベースと、前記ダイアフラムを挟んで前記ベースと対向して設けられ且つ流体流入管と接続されており、前記ダイアフラムとの間に前記流体流入管を通じて圧力が導入される加圧空間が形成された受け部材と、を一体的に接合した圧力検出部を備え、前記圧力検出部に接続されるリードピンが前記ベースに設けられた貫通孔に対してハーメチックシール部により封止された圧力センサにおいて、
   前記ダイアフラムと前記ベースとの間の受圧空間内に、前記ダイアフラムの変形を抑制する接触面を有する変形抑制部材がさらに配置されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記変形抑制部材は、少なくとも１つの貫通孔若しくは溝又はメッシュ状の部分を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記変形抑制部材は、その外周部が前記ベースと前記受け部材との間に挟まれて接合されている
   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. 前記ベースは、天壁と前記天壁の周囲に起立した鍔部とを備え、
   前記変形抑制部材は、その外周部が前記鍔部の内面と摺動自在に接触する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
5. 前記変形抑制部材は、その外周部が前記ベースの内面と直接接合されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
6. 前記変形抑制部材は、前記接触面を構成する板状部と前記板状部の外周に配置される脚部とにより構成されたものである
   ことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記変形抑制部材は、前記脚部に凹部を備え、前記凹部が前記ハーメチックシール部と対向するように、前記ベースの内面と直接接合されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。

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