KR20150031995A - 압력 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재료비와 제조경비 등의 원가가 절감되고, 내구성과 신뢰성이 향상된 압력 센서 장치를 제공하기 위한 것으로 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력 센서 장치는 감지 신호를 전달하는 복수의 와이어가 연결되어 있는 압력센서, 와이어가 접합되는 회로부, 회로부에 전기적으로 연결되는 터미널을 구비한 커넥터, 일단에는 매체가 유입되는 유입공을 구비하며, 타단에는 유입공과 연결되며, 압력센서가 조립되는 공간부가 형성된 하우징을 포함하되, 회로부는 압력센서에 고정되게 형성되어, 회로부품이 실장된 경성회로기판과 이에 연결된 연성회로기판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

압력 센서 장치{Pressure sensor apparatus}
본 발명은 압력 센서 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 하우징과 커넥터를 조립하여 그 사이에 형성되는 내부공간에 압력센서를 수용하는 압력 센서 장치에 관한 것이다.
압력 센서는 압력을 감지해서 전기신호로 변환시키는 목적으로 사용되는 감지기로서, 최근 가전제품을 비롯하여 자동차, 의료 기기, 환경 관련 설비와 산업체의 대규모 시스템 제어에 이르기까지 그 응용 분야가 광범위하며, 고온, 고습, 습도 등 고진동 등의 환경에서도 사용할 수 있는 소형, 경량, 저가격의 압력 센서가 요구되고 있다.
이러한 압력 센서는 압력을 감지하는 압력센서, 감지된 신호를 외부로 출력하는 역할을 하는 커넥터, 압력센서가 감지한 신호를 증폭하여 커넥터로 전달하는 역할을 하는 회로부, 압력센서와 회로부를 수용하는 하우징을 결합함으로써 압력 센서 장치 만들 수 있다.
U.S. Pat. No. 6,487,911 Pressure sensor apparatus에는 압력 센서 장치의 한 형태가 개시되어 있다. 상기한 종래 미국 특허의 압력 센서 장치는 회로부가 FPCB(Flexible Printed Circuit Board; 이하 FPCB)만으로 이루어졌다. 즉, FPCB위에 증폭회로가 구성되어 부품이 실장됨으로써 신호를 증폭하는 역할을 한다. 그런데 FPCB은 얇고 가볍다는 장점도 있지만, PCB(Rigid Printed Circuit Board; 이하 PCB)에 비해 제조단가가 높고 찢어지기 쉽다. 따라서, 재료비가 상승하게 되고, 작업자가 FPCB을 취급하는 과정에서 FPCB가 파손돼, 회로부품들이 실장된 FPCB를 교체해야 함에 따라 손실이 많이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 압력 센서 장치는 고진동 및 물리적 충격 환경하에 노출되어 사용되는데, FPCB에 실장된 부품들의 접점이 진동 및 충격에 의해 일시적으로 단선되어 제품의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
U.S. Pat. No. 6,487,911 Pressure sensor apparatus
본 발명의 과제는 재료비와 제조경비 등의 원가가 절감되고, 내구성과 신뢰성이 향상된 압력 센서 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 장치는 감지 신호를 인출하는 복수의 와이어가 연결되어 있는 압력센서, 와이어가 접합되는 회로부, 회로부에 전기적으로 연결되는 터미널을 구비한 커넥터, 일단에는 매체가 유입되는 유입공을 구비하며, 타단에는 유입공과 유체연통되며, 압력센서가 조립되는 공간부가 형성된 하우징을 포함하되, 회로부는, 압력센서에 고정되게 형성되어, 회로부품이 실장된 PCB와 이에 연결된 FPCB를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, FPCB를 간소하게 만들 수 있으므로 재료비를 절감할 수 있고 회로부품들이 PCB상에만 실장되고, FPCB위에는 실장되지 않으므로 취급 과정에서 FPCB가 파손되는 경우에도 부품의 손실 없이 FPCB만 교체하면 돼, 제조경비를 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, PCB상에 회로부품들이 실장 되어 있어 제품의 내구성, 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 제품이 고장 난 경우 수리가 용이하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 장치의 사시도.
도 2는 도1의 압력 센서 장치의 분해도.
도 3은 도1의 압력 센서 장치의 단면도.
도 4는 압전저항형 압력 센서의 패턴도.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 장치(100)의 사시도이고, 도 2는 도1의 압력 센서 장치(100)의 분해도이며, 도 3은 도1의 압력 센서 장치(100)의 단면을 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서 장치(100)는 압력센서(20), 회로부(10), 커넥터(40), 하우징(30)를 포함한다.
압력센서(20)는 정전용량방식, 압전형, 압전저항형(Piezoresistive type) 중 어느 한가지일 수 있으나 이 중 압전저항형이 노이즈에 강해 정확한 압력을 측정할 수 있고, 소형이며 응답성이 빠를 뿐만 아니라 온도와 진동 및 충격의 영향이 적으므로 가장 바람직하다.
압전저항형 압력센서는 다이어프램(22)의 표면에 전기 전도성 물질로 이루어진 패턴(22a)과 다수의 스트레인 게이지(22b)를 형성하여 만들어져 압력을 스트레인 게이지(22b)의 저항 변화로 변환한다. 따라서, 압력을 효율적인 스트레인 게이지(22b)의 변형으로 변환하는 것이 중요하다. 외주면이 고정된 다이어프램(22)에 균일한 압력이 가해지면 그 표면에 굽힘 변형이 발생하고, 인가압력에 의해 다이어프램(22) 뒷면에 발생하는 미소변형은 4개의 스트레인 게이지(22b)로 이루어진 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge)에 의해서 미소저항 변화를 일으키고 이를 전기 신호로 변환한다
도 4는 압전저항형 압력센서(20)의 다이어프램(22)에 형성된 패턴(24)과 스트레인 게이지(22b)를 나타난 것이다. 전극과 4개의 스트레인 게이지(22b)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 두 개의 저항은 다이어프램(22) 원의 중심방향으로 변형이 가장 큰 중앙 부근에 위치하며 다른 두 개는 다이어프램(22) 원의 원주방향으로 변형이 가장 큰 가장자리에 걸치게 위치하여 배치하는 것이 바람직하다. 그러나 다이어프램(22)의 패턴과 스트레인 게이지의 모양 및 개수는 제한되지 않으므로 실시자에 의해 변형이 가능하다.
한편, 스트레인 게이지(22b)는 이온 빔 스퍼터링법을 이용하여 CuNi 또는 NiCr 박막을 증착하고 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 상기 패터닝 방법 외 그 밖의 공지된 패터닝 방법으로 패터닝할 수도 있음은 물론이다. 스트레인 게이지(22b)의 저항 값은 박막의 두께와 게이지의 길이를 변화시켜 100Ω ~ 1000Ω 사이에서 조정할 수 있다.
다이어프램(22)의 재질은 스트레인 게이지(22b)를 다이어프램(22)과 전기적으로 절연시켜야 하기 때문에 세라믹을 사용하는 것이 바람직하다.
기재(21)에는 도전성 물질로 채워진 복수의 전극홀(21a)이 형성된다. 전극홀(21a)의 수는 다이아프램(22)의 전극 수와 동일하게 구비될 수 있다. 기재(21)의 전극홀(21a)에 채워지는 전도성 물질은 은(silver), 백금(platinum), 금(gold), 알루미늄(aluminium), 크롬(chromium) 및 구리(copper) 중 하나로 구성될 수 있다.
전극홀(21a)의 상단에는 압력센서(20)가 감지한 신호를 전달하는 와이어(22)가 구비되어 회로부(11)에 접착될 수 있다. 회로부(11)에 형성된 패드(11b)에 와이어(22)가 납땜 접합될 수 있다. 와이어(22)의 수는 전극홀(21a)의 개수와 동일하게 형성될 수 있다.
기재(21)와 다이어프램(22)는 사각형의 평판으로 만드는 것이 바람직하다. 기재(21)와 다이어프램(22)을 사각형의 평판으로 만드는 경우 제작이 용이해 양산성이 뛰어나므로, 제작비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.
기재(21)와 다이어프램(22) 사이에는 스페이서(미도시)가 개재될 수 있다. 스페이서는 기재(21)와 다이어프램(22)을 접합시킴과 동시에 이격시키는 역할을 한다. 스페이서로는 저융점 유리, glass firt이 사용될 수 있다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 회로부(10)는 PCB(11)와 이에 연결된 FPCB(13)로 구성되어 있다. PCB(11)와 FPCB(13)의 연결은 PCB(11)상에 형성된 패드(11a)에 FPCB(13)을 납땜함으로써 이루어질 수 있다.
PCB(11)는 세라믹 기판, FR4기판, BT기판 등으로 이루어질 수 있다. PCB(11)은 접착제 등에 의하여 압력센서(20)에 고정되게 형성된다. PCB(11)위에는 증폭회로의 패턴이 구성되어 회로부품(12)이 실장된다. 회로부품(12)은 본 발명의 목적에 부합하는 회로 등을 포함한 주문형 반도체(ASIC)가 될 수도 있다. 회로부품(12)이 실장된 PCB(11)는 압력센서(20)에서 감지된 미약한 신호를 입력 받아 이를 증폭하는 역할을 한다.
도 2와 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 장치(100)의 FPCB(13)에는 커넥터(40)의 터미널(41)과 전기적으로 연결하기 위하여 각 터미널에 대응하는 3개의 단자홀(13b)이 형성되어 있다. 단자홀(13b) 외주면에는 패드가 형성되어 있어 터미널(41)이 단자홀(13b)에 삽입되면 전기적으로 접속됨에 따라, PCB(11)에서 증폭된 신호가 FPCB(13)을 통하여 커넥터(40)로 전달된다. FPCB(13)는, 폴리이미드 필름의 표면에 동박 등의 패턴을 형성하여 만들 수 있다.
본 발명에 따른 압력 센서 장치(100)의 가장 큰 특징은 회로부(10)가 PCB(11)와 FPCB(13)로 분리, 형성되어 있다는 점이다. 회로부품(12)들은 PCB(11)에만 실장되고, FPCB(13)상에는 실장되지 않으므로 종래의 제품보다 FPCB(13)가 간단하고 제작이 용이하여 재료비를 절감할 수 있다. 그리고 조립 전 취급 과정에서 FPCB(13)가 파손되는 경우, 회로부품(12)의 손실없이 FPCB(13)만을 교체하면 돼, 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, PCB(11)상에 제품이 실장되어 있으므로 진동이나 충격에 대하여 상대적으로 강하여 제품의 신뢰성이 향상된다.
회로부(10)는 FPCB(11)의 양측으로부터 연장되어 상기 하우징(30)에 접촉됨에 따라 전기적으로 접지시켜주는 접지편(13a)을 더 포함할 수 있다. 접지편(13a)이 금속 재질로 된 하우징(30)에 전기적으로 연결되어 접지됨으로써 전자방해잡음(EMI, Electromagnetic interference)에 의해 본 발명에 따른 압력 센서 장치(100)가 오동작하는 것을 막을 수 있다. 접지편(13a)이 하우징(30a)에 연결될 수 있도록 커넥터(40a)의 일부분(40d)을 절단되게 형성할 수 있다.(도 3 참조)
커넥터(40)는 회로부(10)에 전기적으로 연결되는 터미널(41)을 구비한다. 커넥터(40)는 폴리부틸렌테레프탈렌(Poly butylene terephthalate; PBT) 등의 합성수지재를 인서트 성형하여 제작이 가능하다. 도 2와 도 3에 도시된 일 실시형태에 따르면, 커넥터(40)의 일단에는 상대물이 결합되는 체결홈(40a)이 형성되어 있다. 커넥터(40)의 타단에는 압력센서(20)와 회로부(10)가 수용되는 수용홈(40b)이 구비되어 있어 압력센서를 고정하는 역할을 하게 된다. 체결홈(40a)과 수용홈(40b) 내부에 돌출된 3개의 터미널(41)은 일단은 회로부(10)에, 타단은 상대물 커넥터의 핀과 전기적으로 연결되어 전기신호의 입출력 역할을 한다.
하우징(30)의 일단에는 측정매체가 유입되는 유입공(30c)이 구비되어 있다. 타단에는 상기 유입공(30c)과 유체연통 되며, 압력센서(20)와 커넥터(40)가 조립되는 공간부(30a)가 형성된다. 유입공(30c)을 통해 하우징(30) 내부로 들어온 자동차 냉매 등의 압력측정매체는 공간부(30a)에 조립된 압력센서(20)에 압력을 가하게 된다.
하우징(30)의 외주면에는 나사산(30d)이 형성될 수 있다. 이 나사산(30d)을 통하여 하우징(30)은 에어컨 파이프 너트 등과 같은 상대물과 체결된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 장치(100)에서는 나사산(30d)이 외주면에 형성되어 있으나 내주면에 형성하는 것도 가능하다.
하우징(30)의 공간부(30a)에 커넥터(40)가 조립된 후에는 커넥터(40)를 하우징(30)에 밀착함으로써 압력센서(10)의 주변을 밀폐시키기 위하여 하우징(30)의 끝단부를 절곡하여 구성할 수 있다. 그러나 반드시 이에 국한되는 것은 아니며 하우징(30)과 커넥터(40)의 억지끼움 구조나 걸림턱 구조 등을 이용할 수도 있다. 하우징(30)의 재질은 상기한 나사산 형성이나 절곡 등을 위하여 알루미늄 등의 금속이 바람직하다.
본 발명에 따른 압력 센서 장치(100)는 오링(50, 51)이 추가로 구비될 수도 있다. 오링(50, 51)은 외부의 물, 습기 등의 침입을 막고 압력센서(20) 주위를 밀폐하기 위한 것으로서 하우징(30)의 공간부(30a)에 오링을 조립하기 위한 그루브(30b)를 형성한 후 삽입될 수 있다. 또한, 하우징(30)과 상대물과의 연결부위인 나사산(30d)에도 오링(51)을 설치함으로써 보다 긴밀하게 밀폐시킬 수 있다.
상기와 같은 구성으로 된 본 발명의 압력 센서 장치(100)의 작동 원리를 설명하면, 먼저 하우징(30)의 유입공(30c)으로 인입된 냉매 등의 압력측정매체가 압력센서(20)의 다이어프램(22)에 압력을 가하면 스트레인 게이지(22b)의 저항값이 변화된다. 저항값은 전기신호로 변환되어 압력센서(20)에 연결된 와이어(21)를 통하여 PCB(11)에 전달되며, PCB(11)에 전달된 전기신호는 PCB(11)상의 전기회로에 의해 증폭된 후 FPCB(11)와 커넥터(40)를 통하여 전자제어장치(ECU)와 같은 외부 전기장치에 전달되게 된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 압력 센서 장치(100)는 회로부(10)가 PCB(11)와 FPCB(13)로 분리, 형성되어 있으므로 재료비 및 제조경비를 절감할 수 있으며 PCB(11)상에 제품이 실장되어 있어 제품의 내구성이 향상되므로 압력을 보다 정확하게 센싱할 수 있을 뿐만 제품이 고장난 경우 수리가 용이하다는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 : 압력 센서 장치 10 : 회로부
11 : PCB 12 : 회로부품
13 : FPCB 13a : 접지편
20 : 압력센서 21 : 기재
22 : 다이어프램 30 : 하우징
40 : 커넥터 41 : 터미널
50 : 오링

Claims (6)

  1. 감지 신호를 인출하는 복수의 와이어가 연결되어 있는 압력센서;
    상기 와이어가 접합되는 회로부;
    상기 회로부에 전기적으로 연결되는 터미널을 구비한 커넥터;
    일단에는 매체가 유입되는 유입공을 구비하며, 타단에는 상기 유입공과 유체연통되며, 압력센서가 조립되는 공간부가 형성된 하우징;을 포함하되,
    상기 회로부는, 상기 압력센서에 고정되게 형성되어, 회로부품이 실장된 경성회로기판과 이에 연결된 연성회로기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압력 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력센서는 압전저항형 센서인 것을 특징으로 하는 압력 센서 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압전저항형 압력센서는
    도전성 물질로 채워진 복수의 전극홀이 형성되어 있는 기재;
    상기 기재에 대향 배치되고 상기 기재와 마주보는 면에 센서 패턴과 단자가 형성된 다이어프램;
    상기 기재와 상기 다이어프램 사이에 개재되어 상기 기재와 상기 다이어프램을 접합시킴과 동시에 이격시키는 것으로서, 상기 기재와 상기 다이어프램의 외곽선을 따라 형성된 스페이서;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 압력 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 FPCB은 상기 터미널이 삽입됨에 따라 상기 터미널과 전기적으로 연결되는 복수의 단자홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력 센서 장치는, 밀폐를 위하여 방수 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회로부는 FPCB의 양측으로부터 연장되어 상기 하우징에 접촉됨에 따라 전기적으로 접지시켜주는 접지편을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170136356A (ko) * 2016-06-01 2017-12-11 현대모비스 주식회사 차량용 압력 측정장치

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