JP2021060250A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】圧力センサにおいて、ベースは導電性素材から形成されており、除電板は、ベース上に設けられる第１の絶縁性部材と、第１の絶縁性部材の表面に形成された導電層とを有し、導電層は、ベースに対して電気的に接続されておらず、配線層のグラウンドと同電位に維持されており、圧力検出装置は、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、圧力検出素子とベースとの間に第２の絶縁性部材が配置されており、第１の絶縁性部材の誘電率をε１とし、第２の絶縁性部材の誘電率を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）【選択図】図１

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高周波ノイズなどに起因して生じうる。

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。

特開２０１４−１７８１２５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、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。

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。

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）

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。

図１は、本実施形態にかかる圧力センサの縦断面図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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、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（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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

（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）

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）

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。

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。

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 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)

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）
2. 前記ベースと前記第１の絶縁性部材とは、第１の絶縁性接着剤を介して接着されており、
   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。
3. 前記ベースと前記第１の絶縁性部材とは、第１の絶縁性接着剤を介して接着されており、
   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）
4. 前記除電板は、前記圧力検出装置の周囲を囲ってい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。
   
   

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