JP2021092489A

JP2021092489A - 差圧計測器

Info

Publication number: JP2021092489A
Application number: JP2019224262A
Authority: JP
Inventors: 鮎美津嶋; Ayumi Tsushima; 智久徳田; Tomohisa Tokuda; 石倉　義之; Yoshiyuki Ishikura; 義之石倉; 八尾　健史; Takeshi Yao; 健史八尾; 落合　耕一; Koichi Ochiai; 耕一落合
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17
Also published as: CN112985682A; US20210181051A1

Abstract

【課題】センサ素子のチップを筐体に内蔵する差圧計測器を小型化する。【解決手段】感圧センサを構成するチップ１０１と、筐体１０２とを備える。筐体１０２には、チップ１０１を配置するセンサ配置室１０３が形成されている。チップ１０１が収容されるセンサ配置室１０３において、第１連通路１０８のセンサ配置室１０３の側と、第１圧力導入部１２１ａとを接続する第１パイプ１１０と、第２連通路１０９のセンサ配置室１０３の側と、第２圧力導入部１２１ｂとを接続する第２パイプ１１１とを備える。第１パイプ１１０の側面および第２パイプ１１１の側面は、センサ配置室１０３の内壁と接することなく配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、差圧計測器に関する。

従来では、工業用に用いられる差圧計測器は、シリコンなどから構成されるセンサ素子のチップを、ＳＵＳなどによる金属から構成された筐体に内蔵し、腐食性の測定対象や測定環境から保護している。このように構成された差圧計では、内部に収容しているチップに圧力を伝達するために、オイルなどが圧力伝達媒体として封入されている（特許文献１参照）。

特開平３−０４８１２８号公報

ところで、上述した差圧計測器は、実際の測定時に、測定対象や測定環境からの熱伝達の影響を受けて、筐体や封入されている圧力伝達媒体の温度が上昇する場合も発生する。このような場合、従来は、筐体や圧力伝達物質の温度上昇に伴い、筐体に内蔵しているチップ（センサ素子）も温度が上昇する。センサ素子などの電子部品の耐熱温度はあまり高くないため、従来、筐体の内部に温度の上昇が抑制できる領域を設け、この領域にチップを配置することで熱の影響を緩和するようにしている。または、チップを内蔵している箇所への熱伝達を抑制する構造（放熱フィン、断熱材の埋め込みなど）を、筐体に設けている。筐体をこのような構造とするため、従来の差圧計測器は、チップを熱から十分に保護したうえで小型化することが容易ではないなどの問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、センサ素子のチップを筐体に内蔵する差圧計測器の小型化を目的とする。

本発明に係る差圧計測器は、第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムと、第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムのそれぞれに圧力伝達物質を作用させるための第１圧力導入部および第２圧力導入部とを備える感圧センサを構成するチップと、第１側面に設けられた第１バリアダイヤフラムと第２側面に設けられた第２バリアダイヤフラムとを備え、第１バリアダイヤフラムおよび第２バリアダイヤフラムによってそれぞれ外部と隔てられた第１圧力室および第２圧力室と、チップを配置するセンサ配置室と、第１圧力室および第２圧力室とセンサ配置室とをそれぞれ連通する第１連通路および第２連通路とを形成する筐体と、一端が第１連通路のセンサ配置室の側に接続され、他端がセンサ配置室に収容されたチップの第１圧力導入部に接続された第１パイプと、一端が第２連通路のセンサ配置室の側に接続され、他端がセンサ配置室に収容されたチップの第２圧力導入部に接続された第２パイプとを備える。

請求項１上記差圧計測器の一構成例において、第１パイプの側面および第２パイプの側面は、センサ配置室の内壁と接していない。

上記差圧計測器の一構成例において、チップは、第１パイプおよび第２パイプにより支持されて、センサ配置室の内壁と離間している。

上記差圧計測器の一構成例において、センサ配置室に配置され、チップを収容するパッケージをさらに備える。

上記差圧計測器の一構成例において、チップは、チップの外面の一部の領域のみでパッケージの内部の内壁と接し、チップの外面の他の領域は、パッケージの内壁と離間している。

上記差圧計測器の一構成例において、第１圧力導入部、第１パイプ、第１連通路、第１圧力室に充填された圧力伝達物質、および第２圧力導入部、第２パイプ、第２連通路、第２圧力室に充填された圧力伝達物質をさらに備える。

上記差圧計測器の一構成例において、チップは、第１ダイヤフラムに設けられた第１歪みゲージと、第２ダイヤフラムに設けられた第２歪みゲージとを備える。

以上説明したように、本発明によれば、圧力伝達物質により圧力を伝達するための、チップの第１圧力導入部に接続する第１パイプ、および第２圧力導入部に接続する第２パイプを用い、筐体の内部のセンサ配置室においてチップを支持するので、チップを熱から十分に保護したうえで、センサ素子のチップを筐体に内蔵する差圧計測器の小型化が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る差圧計測器の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る差圧計測器の一部構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る差圧計測器の一部構成を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態に係る他の差圧計測器の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る差圧計測器について図１を参照して説明する。この差圧計測器は、感圧センサを構成するチップ１０１と、筐体１０２とを備える。筐体１０２は、例えば金属から構成されている。

筐体１０２には、チップ１０１を配置するセンサ配置室１０３が形成されている。センサ配置室１０３の内部は、気密とされ、例えば、窒素ガスが封入されている。また、筐体１０２は、第１側面に設けられた第１バリアダイヤフラム１０４と、第２側面に設けられた第２バリアダイヤフラム１０５とを備える。

また、筐体１０２には、第１バリアダイヤフラム１０４および第２バリアダイヤフラム１０５によってそれぞれ外部と隔てられた第１圧力室１０６および第２圧力室１０７が形成されている。また、筐体１０２には、第１圧力室１０６および第２圧力室１０７と、センサ配置室１０３とをそれぞれ連通する、第１連通路１０８および第２連通路１０９が形成されている。

ここで、図２に示すように、チップ１０１は、基部１２６と、基部１２６の裏面に接合された部品１２３と、部品１２３に接合されたダイヤフラム層１２２と、ダイヤフラム層１２２を介して部品１２３に取り付けられた部品１２１とを備える。基部１２６、部品１２３、ダイヤフラム層１２２、部品１２１は、Ｓｉから構成されている。また、基部１２６の主面には、凹部１２８が形成されている。凹部１２８の表面には、金属層１２９が形成されている。

凹部１２８は、基部１２６を貫通する貫通孔１２７により、部品１２３に形成されている連通路１２５、ダイヤフラム室１２４ａ、ダイヤフラム室１２４ｂなどのオイル収容部と連通している。凹部１２８より、圧力伝達物質となるオイルを供給し、貫通孔１２７を介して、連通路１２５、ダイヤフラム室１２４ａ、ダイヤフラム室１２４ｂなどのオイル収容部に、圧力伝達物質としてオイル１３１を充填する。このようにオイル１３１を充填した後、ソルダボール（ボールはんだ）を凹部１２８の金属層１２９の上に配置し、加熱して溶融させる。これにより、貫通孔１２７が、封止部材１３０で封止される。

また、部品１２１には、ダイヤフラム層１２２を挾んでダイヤフラム室１２４ａ，ダイヤフラム室１２４ｂに重なって配置される第１圧力導入部１２１ａ，第２圧力導入部１２１ｂが形成されている。ダイヤフラム層１２２の、ダイヤフラム室１２４ａ，ダイヤフラム室１２４ｂと第１圧力導入部１２１ａ，第２圧力導入部１２１ｂとに挾まれている領域が、第１ダイヤフラム１２２ａ，第２ダイヤフラム１２２ｂとなる。第１圧力導入部１２１ａ，第２圧力導入部１２１ｂは、部品１２１（チップ１０１）の同一の側に配置されている。

上述したチップ１０１が収容されるセンサ配置室１０３において、この差圧計測器は、第１連通路１０８のセンサ配置室１０３の側と、第１圧力導入部１２１ａとを接続する第１パイプ１１０と、第２連通路１０９のセンサ配置室１０３の側と、第２圧力導入部１２１ｂとを接続する第２パイプ１１１とを備える。

ここで、第１パイプ１１０の側面（管壁）および第２パイプ１１１の側面（管壁）は、センサ配置室１０３の内壁と接することなく配置されている。また、チップ１０１は、第１パイプ１１０および第２パイプ１１１により支持されて、センサ配置室１０３の内壁と接することなく配置され（離間し）ている。

この差圧計測器において、第１バリアダイヤフラム１０４で受けた圧力は、第１圧力室１０６、第１連通路１０８、第１パイプ１１０、および第１圧力導入部１２１ａに充填される圧力伝達物質により、第１ダイヤフラム１２２ａに伝達され（作用し）、第１ダイヤフラム１２２ａを変形させる。また、第２バリアダイヤフラム１０５で受けた圧力は、第２圧力室１０７、第２連通路１０９、第２パイプ１１１、および第２圧力導入部１２１ｂに充填される圧力伝達物質により、第２ダイヤフラム１２２ｂに伝達され（作用し）、第２ダイヤフラム１２２ｂを変形させる。

なお、ダイヤフラム層１２２の、部品１２３の周囲に延長している図示しない領域の上には、図示していない電極が形成されている。また、図示していないが、第１ダイヤフラム１２２ａ，第２ダイヤフラム１２２ｂの各々には、圧力が加わることで変形した第１ダイヤフラム１２２ａ，第２ダイヤフラム１２２ｂの歪みを計測するための第１歪みゲージ，第２歪みゲージが形成されている。第１歪みゲージ，第２歪みゲージの各々は、例えば、複数のピエゾ抵抗素子から構成され、複数のピエゾ抵抗素子は、ブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路は、一定の電流が流れている状態において第１ダイヤフラム１２２ａ，第２ダイヤフラム１２２ｂに応力が発生したとき、発生した応力による各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を電圧の変化として出力する差圧検出部として機能する。このブリッジ回路の各ノードは、ダイヤフラム層１２２の図示しない領域の面に形成された配線パターンを介し、電極に接続されている。

上述した実施の形態に係る差圧計測器によれば、センサ配置室１０３の内壁より離間してチップ１０１を収容するので、筐体１０２の熱が、チップ１０１に伝導することが抑制される。また、センサ配置室１０３は、内部を真空（減圧）状態に気密に封止する構成とすることもでき、このような構成とすることで、上述した熱の伝導がより抑制できるようになる。このように熱の伝導が抑制できるので、筐体１０２の内部に温度の上昇が抑制できる領域を設け必要が無く、また、チップ１０１を内蔵している箇所への熱伝達を抑制するために、断熱材を埋め込むなどの必要が博なるため、より小型な筐体１０２を用いることができる。この結果、実施の形態によれば、差圧計測器を、より小型化することができる。

ところで、チップ１０１は、図３に示すように、パッケージ２００に収容し、センサ配置室１０３に配置することもできる。パッケージ２００は、パッケージ本体２０１と、蓋２０２とから構成されている。チップ１０１が収容されるパッケージ２００（パッケージ本体２０１）の内部は、例えば、窒素ガスが充填され、蓋２０２により封止されている。

チップ１０１は、チップ１０１の外面の一部の領域（固定部１０１ａ）のみでパッケージ２００（パッケージ本体２０１）の内部の内壁（チップ固定部２０３）と接し、チップ１０１の外面の他の領域は、パッケージ２００の内壁と離間している。例えば、図３に示すように、チップ１０１の底面の周辺部の固定部１０１ａで、パッケージ２００の内部のチップ固定部２０３に固定され、固定部以外のチップ１０１の外面（側面）は、パッケージ２００の内壁２０４と離間している。この固定は、所定の接着材により実施される。なお、パッケージ２００の中に、チップ１０１とともに、チップ１０１の感圧センサのキャラクタリゼーション（特性同定）を行うための電子部品を収容することもできる。

また、図４に示すように、センサ配置室１０３に、チップ格納構造２１０を設け、チップ格納構造２１０の内部に、チップ１０１を配置することもできる。チップ格納構造２１０は、例えば、筒状とされている。筒状とされたチップ格納構造２１０の一方の開口端の側が、センサ配置室１０３の筐体１０２の、第１バリアダイヤフラム１０４、第２バリアダイヤフラム１０５が配置されている側の内面に固定されている。

また、筒状とされたチップ格納構造２１０の他方の閉端部に、外部と内部とを連通するための第１連通孔２１１，第２連通孔２１２を備える。第１連通孔２１１のチップ格納構造２０１内部側に、第１パイプ１１０の一端が接続され、第１パイプ１１０の他端が第１圧力導入部１２１ａに接続されている。また、第２連通孔２１２のチップ格納構造２０１内部側に、第２パイプ１１１の一端が接続され、第２パイプ１１１の他端が、第２圧力導入部１２１ｂに接続されている。

チップ格納構造２０１の内部において、チップ１０１は、第１パイプ１１０および第２パイプ１１１により支持されて、チップ格納構造２０１の内壁と離間している。ここで、チップ格納構造２１０の閉端部において、第１連通孔２１１および第２連通孔２１２の内部側開口端が配置される面は、筐体１０２の、第１バリアダイヤフラム１０４、第２バリアダイヤフラム１０５が配置されている側を向いている。従って、図１を用いて説明した差圧計測器に対し、図４を用いて説明する差圧計測器では、筐体１０２に対してチップ１０１が上下反転して配置されるものとなる。

なお、第１連通路１０８のセンサ配置室１０３の側と、第１連通孔２１１の外部側とが、第３パイプ１１２で接続されている。また、第２連通路１０９のセンサ配置室１０３の側と、第２連通孔２１２の外部側とが、第４パイプ１１３で接続されている。

以上に説明したように、本発明では、圧力伝達物質により圧力を伝達するための、チップの第１圧力導入部に接続する第１パイプ、および第２圧力導入部に接続する第２パイプを用い、筐体の内部のセンサ配置室においてチップを支持するので、チップを、センサ配置室の内壁と離間させることができ、筐体の熱が、チップに伝導することが抑制できるようになる。この結果、本発明によれば、センサ素子のチップを筐体に内蔵する差圧計測器について、チップを熱から十分に保護したうえで小型化が可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…チップ、１０２…筐体、１０３…センサ配置室、１０４…第１バリアダイヤフラム、１０５…第２バリアダイヤフラム、１０６…第１圧力室、１０７…第２圧力室、１０８…第１連通路、１０９…第２連通路、１１０…第１パイプ、１１１…第２パイプ、１２１ａ…第１圧力導入部、１２１ｂ…第２圧力導入部、１２２…ダイヤフラム層、１２２ａ…第１ダイヤフラム、１２２ｂ…第２ダイヤフラム、１３１…オイル。

Claims

第１ダイヤフラムおよび第２ダイヤフラムと、前記第１ダイヤフラムおよび前記第２ダイヤフラムのそれぞれに圧力伝達物質を作用させるための第１圧力導入部および第２圧力導入部とを備える感圧センサを構成するチップと、
第１側面に設けられた第１バリアダイヤフラムと第２側面に設けられた第２バリアダイヤフラムとを備え、前記第１バリアダイヤフラムおよび前記第２バリアダイヤフラムによってそれぞれ外部と隔てられた第１圧力室および第２圧力室と、前記チップを配置するセンサ配置室と、前記第１圧力室および前記第２圧力室と前記センサ配置室とをそれぞれ連通する第１連通路および第２連通路とを形成する筐体と、
一端が前記第１連通路の前記センサ配置室の側に接続され、他端が前記センサ配置室に収容された前記チップの前記第１圧力導入部に接続された第１パイプと、
一端が前記第２連通路の前記センサ配置室の側に接続され、他端が前記センサ配置室に収容された前記チップの前記第２圧力導入部に接続された第２パイプと
を備える差圧計測器。
請求項１記載の差圧計測器において、
前記第１パイプの側面および前記第２パイプの側面は、前記センサ配置室の内壁と接していないことを特徴とする差圧計測器。
請求項１または２記載の差圧計測器において、
前記チップは、前記第１パイプおよび前記第２パイプにより支持されて、前記センサ配置室の内壁と離間していることを特徴とする差圧計測器。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の差圧計測器において、
前記センサ配置室に配置され、前記チップを収容するパッケージをさらに備えることを特徴とする差圧計測器。
請求項４記載の差圧計測器において、
前記チップは、前記チップの外面の一部の領域のみで前記パッケージの内部の内壁と接し、前記チップの外面の他の領域は、前記パッケージの内壁と離間していることを特徴とする差圧計測器。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の差圧計測器において、
前記第１圧力導入部、前記第１パイプ、前記第１連通路、前記第１圧力室に充填された圧力伝達物質、
および
前記第２圧力導入部、前記第２パイプ、前記第２連通路、前記第２圧力室に充填された圧力伝達物質
をさらに備えることを特徴とする差圧計測器。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の差圧計測器において、
前記チップは、
前記第１ダイヤフラムに設けられた第１歪みゲージと、
前記第２ダイヤフラムに設けられた第２歪みゲージと
を備えることを特徴とする差圧計測器。