JP4933972B2 - デュアル圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、デュアル圧力センサに関するものである。

２つの導圧管から導入された２つの被測定圧力を、感圧ダイヤフラムの両面に加え、その変形を拡散型歪みゲージによって電気信号に変換することにより、２つの被測定圧力を検出するようにしたデュアル圧力センサとしては、例えば特許文献１に開示されている半導体圧力センサが知られている。

前記引用文献１に開示されている半導体圧力センサは、２つの被測定圧力をそれぞれ感圧ダイヤフラムチップによって一旦個別に検出した後、これらの検出圧力を減算することにより流体の差圧を測定するようにしている。このため、この半導体圧力センサは、２つの被測定圧力にそれぞれ専用される２つの感圧ダイヤフラムチップと、この２つの感圧ダイヤフラムチップを同時に気密に装着し、しかも２つの感圧ダイヤフラムチップに対応する２つの貫通孔を有する１つの台座と、前記２つの感圧ダイヤフラムチップと１つの台座とを気密に覆い、しかも２つの貫通孔に対応する２本の導圧管を有する気密容器とを備えている。そして、気密容器の内部を２つの感圧ダイヤフラムチップに対して共通の圧力基準室とし、各感圧ダイヤフラムチップからの出力を端子によって気密容器から外部に取り出すようにしている。

特開平５−５２６９１号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載されている半導体圧力センサは、気密容器の底部に設けられた２本の導圧管と、各測定圧力を測定する２つの感圧ダイヤフラムチップと、各感圧ダイヤフラムチップが搭載された１つの台座と、各感圧ダイヤフラムチップにワイヤボンディングによって電気的に接続された２本の端子とを備えているので、部品点数が多くて組立作業に長時間を要し、センサの組立作業性が低いという問題があった。

また、特に１つの台座を２つの感圧ダイヤフラムチップに対して共通に用いているので、いずれか一方の感圧ダイヤフラムチップが何らかの原因で破損した場合でも、台座毎、言い換えればセンサ全体を新しいものと交換しなければならず、正常な感圧ダイヤフラムチップが無駄になり不経済である。また、各導圧管を別個に製作して蓋部に固着しているため、気密性の高い取付けが要求されるという問題もあった。

本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、部品点数を削減して簡素化するとともに組立作業性、気密性を向上させるようにしたデュアル圧力センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、２つの被測定圧力を検出するデュアル圧力センサにおいて、２つの挿通孔を有し内部が圧力基準室を形成する気密容器と、前記圧力基準室内に並設され２つの被測定圧力を検出する２つの圧力センサユニットとを備え、前記２つの圧力センサユニットは、それぞれ台座と、前記被測定圧力がそれぞれ印加されることによりダイヤフラムの変位を電気信号に変換し前記被測定圧力をそれぞれ検出する感圧ダイヤフラムチップとからなり、前記各圧力センサユニットの台座は、それぞれ上面に小孔を有するとともに内部がそれぞれ連通路を形成し、前記感圧ダイヤフラムチップが前記小孔をそれぞれ塞ぐように固着された台座本体と、これらの台座本体に一体に突設され前記連通路に連通する圧力導入孔とをそれぞれ有し、一端が前記挿通孔から前記気密容器の外部にそれぞれ突出し、前記連通路を介して各被測定圧力を前記各感圧ダイヤフラムチップのダイヤフラムにそれぞれ導く圧力導入部とからなり、前記台座本体の互いに対向する側面どうしが接触しているものである。

本発明においては、圧力導入部を台座に一体に設けているので、部品点数を削減でき、簡素化を可能にするとともにセンサの組立作業が容易で組立作業性を向上させることができる。また、圧力導入部は、気密容器に固着する必要がなく、挿通孔にシール部材を介して挿通するだけでよいので、圧力導入部と挿通孔との間のシール構造も簡単で組立作業性がよく、生産性を向上させることができる。
また、２つの圧力センサユニットは個々に独立しているため、いずれか一方の圧力センサユニットが故障した場合、その圧力センサユニットのみを新しい圧力センサユニットと交換するだけでよく、デュアル圧力センサ全体を新しいものと交換する必要がない。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係るデュアル圧力センサの正面図、平面図および側面図、図２は図１のII−II線断面図、図３は図２のIII −III 線平面図である。これらの図において、全体を参照符号１で示すデュアル圧力センサは、気密容器２と、この気密容器内２に収納された２つの圧力センサユニット３Ａ、３Ｂと、基板４等を備えている。

前記気密容器２は、合成樹脂等によって形成された上方に開放する有底箱型のケース７と、同じく合成樹脂等によって形成され、前記ケース７の上方開口部を気密に覆う蓋体８とで構成され、内部が２つの圧力センサユニット３Ａ、３Ｂに対して共通の圧力基準室９を形成している。また、ケース７は、底板７ａと、この底板７ａの各辺に沿って一体に立設された４つの側板７ｂ〜７ｅとによって直交する２辺の長さの比が略２対１の矩形箱型に形成され、内部に前記２つの圧力センサユニット３Ａ、３Ｂが互いに密接して並設されている。ケース７の内面の各隅角部と、対向する長辺側の側板７ｄ、７ｅの内面の長手方向中央には、各圧力センサユニット３Ａ、３Ｂを位置決めする三角柱状の位置決め用突出部１０がそれぞれ一体に設けられている。また、底板７ａには、２つの挿通孔１１ａ、１１ｂが各圧力センサユニット３Ａ、３Ｂに対応して形成されている。

前記蓋体８は、下面に淺い凹陥部１２を有する平板状に形成され、前記ケース７の上面に図示を省略したシール部材を介してねじ止め固定されることにより、ケース７の開口部を気密に密封している。蓋体８の上面中央には、外部信号線１３の一端が接続されるコネクタ部１４が設けられている。

前記圧力センサユニット３Ａは、台座１５Ａと、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａと、出力補正回路１７Ａとで構成されている。

前記台座１５Ａは、合成樹脂によって一体に形成されることにより、台座本体１５Ａ−１と、この台座本体１５Ａ−１の下面中央に一体に突設された圧力導入部１５Ａ−２とで構成されている。台座本体１５Ａ−１は、ケース７の内部形状の半分の大きさと略一致する平面視正方形の薄箱型に形成されて内部が連通路２１ａを形成し、上面には前記感圧ダイヤフラムチップ１６Ａに被測定圧力Ｐ₁ を導くための小孔２２ａが形成されている。台座本体１５Ａ−１の四隅部は、前記位置決め用突出部１０に対応して斜めに切り落とされている。なお、台座本体１５Ａ−１を大きく形成して、連通路２１ａの容積を大きくした理由は、被測定圧力Ｐ₁ の急激な変動を吸収し、ダイヤフラムの破損を防止するためである。

前記圧力導入部１５Ａ−２は、円筒状に形成されて、内部が前記台座本体１５Ａ−１の連通路２１ａに連通し、前記被測定圧力Ｐ₁ を前記連通路２１ａおよび小孔２２ａを介して感圧ダイヤフラムチップ１６Ａに導く圧力導入孔２３ａを形成している。

前記感圧ダイヤフラムチップ１６Ａは、薄肉の感圧部（ダイヤフラム）が形成された半導体基板（シリコン）と、この半導体基板に不純物もしくはイオンの打ち込み技術によって形成され前記ダイヤフラムの被測定圧力Ｐ₁ による歪みをピエゾ抵抗効果を利用して検出し電気信号に変換する拡散型歪みゲージとで公知の半導体圧力センサ（例えば、特開平０６−２１３７４３号公報等）を構成しており、前記基板４の電気回路にボンディングワイヤ２５ａを介して電気的に接続されている。そして、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａは、台座本体１５Ａ−１の上面に固着され、前記小孔２２ａから被測定圧力Ｐ₁ がダイヤフラムの一方の面に印加されている。なお、他方の面には、気密容器２内の圧力が基準圧力として印加されている。

前記出力補正回路１７Ａは、前記感圧ダイヤフラムチップ１６Ａによって検出された
被測定圧力Ｐ₁ を補正するための回路で、回路内に測温抵抗素子を有し、この測温抵抗素子の抵抗値に基づいて被測定圧力Ｐ₁ を補正するものであり、前記台座本体１５Ａ−１の上面に固着され、感圧ダイヤフラムチップ１６Ａにボンディングワイヤ２６ａを介して電気的に接続されている。

前記圧力センサユニット３Ｂは、前記圧力センサユニット３Ａと同一構造に形成されているため、同一構成部材、部分についてはその数字の添え字「Ａ」、「ａ」、「−１」を「Ｂ」、「ｂ」、「−２」にそれぞれ置き換えて示し、その説明を省略する。

このような圧力センサユニット３Ａと３Ｂは、ケース７内に互いに密接して並設されることにより、図３に示すように台座１５Ａと１５Ｂの台座本体１５Ａ−１、１５Ｂ−１がケース内面と位置決め用突出部１０とによって位置決めされ、互いに対向する側面２０ａどうしが接触し、残り３つの側面２０ｂ〜２０ｄがケース７の内面にそれぞれ接触し、台座本体１５Ａ−１、１５Ｂ−１の底面が底板７ａの内面に接触している。そして、各台座１５Ａ、１５Ｂの圧力導入部１５Ａ−２、１５Ｂ−２は、底板７ａの挿通孔１１ａ、１１ｂからケース７の下方に図示を省略したＯリングを介して突出され、圧力配管２４Ａ、２４Ｂにそれぞれ接続されている。なお、各圧力センサユニット３Ａ、３Ｂは、ケース７内に収納されると、止めねじによって固定される。このように、２つの台座本体１５Ａ−１、１５Ｂ−１の側面２０ａどうしを互いに接触させておくと、２つの台座１５Ａ、１５Ｂの温度を等しくすることができる。

前記基板４は、ボンディングワイヤ２５ａ、２５ｂがボンディングされた後、圧力センサユニット３Ａ、３Ｂとともに前記ケース７内に収容されると、複数個の止めねじによって位置決め用突出部１０に固定され、リード線２８が蓋体８のコネクタ部１４に接続される。

このようなデュアル圧力センサ１は、例えば弁本体内を流れる流体の流量を制御する流量制御弁と組合わせて、差圧式流量計測により幅広く流量を測定できる。

流量制御弁の流路内を流れる流体の流量Ｑは、弁体の一次側（上流側）流路と二次側（下流側）流路中の流体の差圧と、弁体の開度で決まる流量係数（Ｃｖ値）から次式（１）によって算出することができる。

Ｑ＝Ａ・Ｃｖ・√ΔＰ ・・・・（１）
ただし、Ａは定数、ΔＰは流体の上流側と下流側の圧力差である。
一般に固定オリフィスを用いた差圧式流量計測に比べ、流量制御弁の開度に応じて絞り効果が変わるために幅広い流量の測定が可能になる。また、流量制御弁部の配管圧力が判るため、流量を測定する他に圧力異常などの診断にもその情報を利用することができる。

デュアル圧力センサ１は、流量制御弁に取付けられると、一方の圧力センサユニット３Ａの台座１５Ａの圧力導入部１５Ａ−２が流量制御弁に導圧管２４Ａを介して接続され、弁体より上流側の被測定圧力Ｐ₁ が感圧ダイヤフラムチップ１６Ａのダイヤフラムに印加される。また、他方の圧力センサユニット３Ｂの台座３Ｂの圧力導入部１５Ｂ−２は、流量制御弁に導圧管２４Ｂを介して接続され、弁体より下流側の被測定圧力Ｐ₂ が感圧ダイヤフラムチップ１６Ｂのダイヤフラムに印加される。このため、各感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ、１６Ｂのダイヤフラムは、印加された圧力Ｐ₁ 、Ｐ₂ に応じて歪み、この歪みにより拡散型歪みゲージの出力電圧が変化することで、圧力Ｐ₁ 、Ｐ₂ が測定される。この場合、ダイヤフラムには気密容器２内の圧力が基準圧力として印加されているので、各感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ、１６Ｂの出力電圧は、それぞれ被測定圧力Ｐ₁ 、Ｐ₂ に相当する絶対圧の出力電圧となる。そして、各感圧ダイヤフラムチップ１６Ａ、１６Ｂの出力電圧は、出力補正回路１７Ａ、１７Ｂに送られる。出力補正回路１７Ａ、１７Ｂでは、それぞれの回路内の測温抵抗素子の抵抗値に基づいて温度補償した後、出力補正されたそれぞれの被測定圧力Ｐ₁ 、Ｐ₂ を外部信号線１３を介してこのデュアル圧力センサ１に接続されている流量測定装置（図示せず）に送る。そして、流量測定装置では、受信した出力補正されたそれぞれの被測定圧力Ｐ₁ 、Ｐ₂ から差圧ΔＰ（Ｐ₁−Ｐ₂）を算出し、この差圧ΔＰを上記式１に代入して演算処理することにより、流量制御弁を流れる流体の流量Ｑが測定される。

このような構造からなる流量制御弁１においては、各台座１５Ａ、１５Ｂに圧力導入部１５Ａ−２、１５Ｂ−２をそれぞれ一体に突設しているので、部品点数を削減することができる。また、前述した特許文献１のように圧力導入部１５Ａ−２、１５Ｂ−２を別部材によって製作した場合は、ケース７の下面に位置決めして気密に固定する必要があるが、本発明においては挿通孔１１ａ、１１ｂにＯリング等のシール部材を介して挿通するだけでよいため、圧力導入部１５Ａ−２、１５Ｂ−２の取付作業が容易で、センサの組立性を向上させることができる。

また、個々独立した２つの圧力センサユニット３Ａ、３Ｂを備えているので、いずれか一方が故障した場合、その故障したセンサユニットのみを新しいものと交換するだけで、センサ全体を交換する必要がなく、経済的である。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係るデュアル圧力センサの正面図、平面図および側面図である。 図１のII−II線断面図である。 図２のIII −III 線平面図である。

符号の説明

１…デュアル圧力センサ、２…気密容器、３Ａ、３Ｂ…圧力センサユニット、４…基板、７…ケース、８…蓋体、９…圧力基準室、１１ａ、１１ｂ…挿通孔、１５Ａ、１５Ｂ…台座、１５Ａ−１、１５Ｂ−１…台座本体、１５Ａ−２、１５Ｂ−２…圧力導入部、１６Ａ、１６Ｂ…感圧ダイヤフラムチップ、２１ａ、２１ｂ…連通路、２２ａ、２２ｂ…小孔。

Claims (1)

1. ２つの被測定圧力を検出するデュアル圧力センサにおいて、
   ２つの挿通孔を有し内部が圧力基準室を形成する気密容器と、
   前記圧力基準室内に並設され２つの被測定圧力を検出する２つの圧力センサユニットとを備え、
   前記２つの圧力センサユニットは、それぞれ台座と、前記被測定圧力がそれぞれ印加されることによりダイヤフラムの変位を電気信号に変換し前記被測定圧力をそれぞれ検出する感圧ダイヤフラムチップとからなり、
   前記各圧力センサユニットの台座は、それぞれ上面に小孔を有するとともに内部がそれぞれ連通路を形成し、前記感圧ダイヤフラムチップが前記小孔をそれぞれ塞ぐように固着された台座本体と、これらの台座本体に一体に突設され前記連通路に連通する圧力導入孔とをそれぞれ有し、一端が前記挿通孔から前記気密容器の外部にそれぞれ突出し、前記連通路を介して各被測定圧力を前記各感圧ダイヤフラムチップのダイヤフラムにそれぞれ導く圧力導入部とからなり、
   前記台座本体の互いに対向する側面どうしが接触していることを特徴とするデュアル圧力センサ。

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