(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに流動性充填材を充填する貫通孔を穿設し、該貫通孔の一面側に圧力検出素子を配置して本体部を構成し、該本体部に前記貫通孔に連通し前記流動性充填材を介して水圧を導入する圧力導入管を備えた継手部を結合してなる圧力センサであって、
前記本体部と継手部との間にシール部材を介在させて前記本体部と継手部とを結合すると共に、水撃圧力を吸収するために前記本体部側の貫通孔と前記継手部側の圧力導入管を前記シール部材の内径の内側に配設し、前記圧力導入管から分岐して前記シール部材に通じる前記流動性充填材の流路を設けたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記本体部側の貫通孔と前記継手部側の圧力導入管との間に、前記流動性充填材を貯留する貯留部を設けた請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記本体部側の貫通孔と前記継手部側の圧力導入管とは圧力センサの高さ方向に変位を設けた請求項１又は２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記圧力導入管入口は前記継手部の上方に配設した請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記継手部に前記圧力導入管入口を封止するキャップを設け、継手部とキャップとの間に前記流動性充填材用吸収体を装着した請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記流動性充填材用吸収体は繊維材料からなる請求項５記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記流動性充填材用吸収体は発泡性合成樹脂からなる請求項５記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに関し、特に風呂の浴槽の水位を圧力に変換し、圧力に横道するダイヤフラムの変位を半導体により検出するようにした、水位検知等に使用する半導体式圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の全自動風呂の浴槽の水位検知等に圧力センサが使用されており、図９に示すように、この圧力センサ１００は、樹脂等からなる本体（ケーシング）１０１と、水圧を導入する圧力導入管１０２と、圧力導入管１０２に充填されているシリコンオイル等からなる流動性充填材１０３と、流動性充填材１０３に加わる圧力を圧力検出素子に導く圧力導入パイプ１０４と、ダイヤフラム（厚さ数十μｍ）を備えた半導体チップからなる圧力検出素子１０５と、圧力検出素子１０５を取り付ける台座１０６と、圧力検出素子１０５を覆う金属パッケージ１０７と、圧力検出素子１０５の検出結果を処理する電子部品を搭載した回路基板１０８と、水分・湿気の侵入を防止する防湿用ゲル１１０と、この防湿用ゲル１１０と流動性充填材１０３の混入を防止するゴム製のシール材１１１とからなっている。
【０００３】
シール材１１１は、金属パッケージ１０７への圧力導入口径（圧力導入パイプ１０４の外径）に適合させるため、小さく構成する必要がある。また、前記構成部材の各部は水が入り込まないようにシールされている。なお、圧力導入管１０２の導入口１０２ａの内径ａは約１．５ｍｍであり、圧力導入パイプ１０４の内径ｂは約１．０ｍｍである。
【０００４】
かかる構成の圧力センサ１００を、図１０に示す風呂の浴槽１２１の下方側面に取り付けられた水位検出用のパイプ１２２に、圧力導入口１０２が浴槽側になるように設置する。
【０００５】
この設置状態において、浴槽の水が直接圧力検出素子１０５に当たると湿気（水分）で圧力検出素子１０５が破壊されるので、これを防止する目的、および人が浴槽に出入りすると水位が変化し、水位変化に伴う水圧変化が激しく変動するときに圧力検出素子１０５が破壊されるのを防止する目的で、前述の流動性充填材（例えばシリコンオイル）１０３を介して水圧が圧力検出素子１０５に間接的に加わるようにしている。
【０００６】
また、圧力センサは、シリコンオイル等の流動性充填材を充填した状態で出荷、輸送されるので、輸送中に流動性充填材が圧力センサの外部へ漏出しないように導入管１０２の導入口１０２ａにキャップを装着している。
【０００７】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、浴槽への出入りの際に発生する水撃（ウォータハンマ）を受ける前記小さなシール材１１１においては、受圧面積が小さいため、シール材を構成するゴム材の弾性力が働かず、剛体に近い状態になっている。そのため、水撃作用による高圧が圧力検出素子に直接伝達され、破壊されるおそれがある。即ち、具体的には圧力検出素子を構成するダイヤフラム部分（厚さ数十μｍ）が破壊されるおそれがある。
【０００８】
また、浴槽への出入りの際に発生する水撃（ウォータハンマ）を受ける際、圧力導入管１０２の導入口１０２ａから圧力導入管１０２に充填されているシリコンオイル等からなる流動性充填材１０３が圧力導入パイプ１０４を経て圧力検出素子１０５へ圧力が加わり、その反動として流動性充填材１０３が圧力導入パイプ１０４を経て圧力導入管１０２の導入口１０２ａから浴槽へ流出し水と流動性充填材が置換されることがある。
【０００９】
更に、キャップを導入管１０２の導入口１０２ａに装着しただけでは、輸送中にキャップと導入管１０２の導入口１０２ａとの間から流動性充填材が漏出し圧力センサ全体に流動性充填材が付着することがある。そうすると、圧力センサを例えば全自動給湯器に取り付けた場合、浴槽に流動性充填材が流出してしまう問題点があった。
【００１０】
そこで本発明の第１の課題は、水撃による高圧が加えられた場合であっても破壊されることのない圧力センサを提供することである。本発明の第２の課題は、水撃による高圧が加えられた場合でも、流動性充填材が浴槽へ流出し水と流動性充填材が置換されることがないように構成された圧力センサを提供することである。本発明の第３の課題は、圧力センサ内に封止しているオイル等の流動性充填材がキャップから外へ漏出しないように構成した圧力センサを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、ハウジングに流動性充填材を充填する貫通孔を穿設し、該貫通孔の一面側に圧力検出素子を配置して本体部を構成し、該本体部に前記貫通孔に連通し前記流動性充填材を介して水圧を導入する圧力導入管を備えた継手部を結合してなる圧力センサであって、
前記本体部と継手部との間にシール部材を介在させて前記本体部と継手部とを結合すると共に、水撃圧力を吸収するために前記本体部側の貫通孔と前記継手部側の圧力導入管を前記シール部材の内径の内側に配設し、前記圧力導入管から分岐して前記シール部材に通じる前記流動性充填材の流路を設けた圧力センサを構成するものである。
【００１２】
本発明は、上記のように構成したので、水撃の圧力は、圧力検出素子に加わる圧力とシール部材（Ｏリング）に加わる圧力とがあり、Ｏリングに加わる圧力は圧力導入管よりも外側の径で圧力を受けるように配設されているので、内側で小さく受けているものよりも水撃圧力をバランスよく吸収することができる。
【００１３】
また、前記本体部側の貫通孔と継手部側の圧力導入管との間に、前記前記流動性充填材を貯留する貯留部を設けたので、水撃は、先ず貫通孔と貯留部との内径が変わることによって、緩和され、更に前述の大径のシール部材によるバランスの良い吸収により緩和される。
【００１４】
さらに、流動性充填材が浴槽へ流出し水と流動性充填材が置換されることがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１６】
図１（Ａ）は本実施の形態の圧力センサＡＳの分解側断面図、（Ｂ）は圧力センサＡＳを組み立て、内部に流動性充填材（たとえば、シリコンオイル）を充填した状態の側断面図である。
【００１７】
図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、圧力センサＡＳは、圧力センサ本体部１０と継手部３０とＯリングからなる枠状シール部材４１とを備えている。
圧力センサ本体部１０を構成するハウジング１１は合成樹脂製であって、中央部側に次に説明する継手部３０の第１凸部３１ａが挿入される第１凹部１１ａと、継手部３０の第２凸部３１ｂが挿入される第２凹部１１ｂを有する。ハウジング１１の外周側面に、防水用および次に説明する水撃緩和用のＯリング４１を外嵌・収納する段差状の収納部１１ｃを形成する。
【００１８】
前記第１凹部１１ａの中央部にシリコンオイル等からなる流動性充填材を導く貫通孔１１ｄを穿設し、該貫通孔１１ｄの左側面に、回路基板１２に固定した圧力検出素子１３を取り付ける。圧力検出素子１３は厚さ数十μｍのダイヤフラムを備えている。図１（Ｂ）の右方に示すｄは貫通孔１１ｄの直径であり、例えば約１．０ｍｍ以下である。１４は回路基板１２に取り付けた電子部品であり、１５は図示しない配管に接続・固定するカバーである。カバー１５の上下に設けられた掛止部３１ｃを、ハウジング１１に形成された係止片３１ｄに係合される。ハウジング１１に組み込んだカバー１５と継手部３０のハウジング３１は、図１（Ｄ），（Ｅ）に示すように２本のネジ４２で継手部３０側から固定される。
【００１９】
ハウジング１１の左側面と回路基板１２の右側面との間に防湿用ゲルを充填する空間部１６を形成し、回路基板１２の左側面とカバー１５の右側面との間に同様に防湿用ゲルを充填する空間部１７を形成する。
【００２０】
継手部３０を構成するハウジング３１は合成樹脂製であって、左側面中心部に前記第２凸部３１ｂを形成し、該第２凸部３１ｂの中心部に前記第１凸部３１ａを形成する。第２凸部３１ｂの一部を切り欠いて流動性充填材を貯留する貯留部３１ｄを形成する。ハウジング３１の外周部側壁３１ｅの内面側に前記Ｏリング４１を収納する段差状の収納部３１ｆを形成する。第２凸部３１ｂの外側に流動性充填材を充填する圧力導入管３１ｇを穿設する。図１（Ｂ）の右方に示すｃは圧力導入管３１ｇの直径であり、例えば約１．５ｍｍ以下である。
【００２１】
以上の本体部１０と継手部３０との構成において、第２凹部１１ｂと第２凸部３１ｂとの各部の対向面には、流動性充填材を充填する隙間をそれぞれ形成する。また、本体部１０側の貫通孔１１ｄと継手部３０側の圧力導入管３１ｇとの間隔Ｌは十分に離しておく。
【００２２】
以上のように構成した圧力センサ本体部１０と継手部３０とＯリング４１とを組み立てた後、図１（Ｂ）において、流動性充填材５１を圧力導入管３１ｇ→貯留部３１ｄ→ハウジング１１の貫通孔１１ｄ→圧力検出素子１３の右側面の部分にわたって充填する。なお、本体部１０と継手部３０とは符号４２に示す位置等で２本のネジ（図示せず）により固定する。
【００２３】
また、防湿用ゲル５２を回路基板１２の左右両側の空間部１６，１７に充填する。
【００２４】
次に、前記図１０に示したパイプ１２２に圧力センサ１００を取り付ける。この状態で水撃はハウジング３１の圧力導入管３１ｇに加えられ、圧力導入管３１ｇから貯留部３１ｄを経てハウジング１１の貫通孔１１ｄへの経路に充填された流動性充填材５１を介して、水撃圧力は間接的に圧力検出素子１３の右側面であるダイヤフラム取付面に加えられる。
【００２５】
図１（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、Ｏリング４１のシール機能部のシール内径Ｄは非常に大きく、且つ、水撃が直接加わる圧力導入管３１ｇおよび間接的に加わる貫通孔１１ｄの両者は、いずれもシール内径Ｄの内側に配設されると共に、更に貯留部３１ｄを設けている。
【００２６】
従って、水撃は、流動性充填材が充填された管状部の内径が変わることによって、先ず内径の太い貯留部３１ｄで緩和される。水撃の圧力は、圧力検出素子１３に加わる圧力とシール材であるＯリング４１に加わる圧力とがあり、Ｏリングは圧力導入管３１ｇよりも外側で圧力を受けるように配設されており、内側で小さく受けているものよりも、水撃圧力をバランスよく吸収することができる。
【００２７】
すなわち、前記図９で説明した従来例では、シール材１１１の内径が小さいために圧力検出素子のダイヤフラムに水撃がそのまま伝わってしまい、破壊に至っていたが、本実施の形態の圧力センサＡＳでは、前述の水撃を干渉するという理由により、破壊、特にダイヤフラムの破壊が発生することがない。
【００２８】
また、浴槽に圧力センサＡＳを設置する場合に、図１（Ａ）に示すように、継手部３０の圧力導入管３１ｇが上方になるように設置さえすれば、流動性充填材は水より重いので、流動性充填材と水との置換は抑えられる。
【００２９】
次に本実施の形態の圧力センサＡＳ〔図１（Ａ），（Ｂ）〕を用いて各種のウォータハンマ試験を行い、水撃のピーク圧の減少効果の結果を説明する。
【００３０】
図２は、今回の調査の試験方法を示すブロック図である。
図２において、符号Ａの部分に水位センサ取付治具を配置しておき、この取付治具に、被試験圧力センサである本実施の形態の圧力センサＡＳ、または計測器としての圧力センサ（横河電機製、１０ｋｇｆ／ｃｍ×ｃｍタイプのFP101-C22-L20A*A、以下計測用圧力センサという）を取り付けて水撃を計測する。
【００３１】
被試験圧力センサの取付条件は、継手部なし（パターン１）の場合が、図３（Ａ）の右上に示すように、圧力センサＡＳの本体部１０だけであるに対し、継手部あり（パターン２）が図３（Ｂ）の右上に示すように、本体部１０にＯリング４１および継手部３０を取り付けた状態の圧力センサＡＳ〔図１（Ａ），（Ｂ）〕である。
【００３２】
計測用の圧力センサ（横河電機製）を用いて、サイプリングレートを５０ｋｓａ／ｓに固定し、パターン１、パターン２の状態でピーク圧を測定する。圧力伝達液はいずれも水であり、ミクスト・シグナルオシロスコープ（HEWLETTPACKARD製、HP54645D）で観察する。確定回数は各５０回、測定位置は図２の符号Ａに示す位置である。
【００３３】
試験結果の代表例を図３（Ａ），（Ｂ）に示す。（Ａ）が継手部なし、（Ｂ）が継手部ありの場合である。
５０回のピーク圧分布図を図４に示す。この図４において、菱形（◇）が継手部なし、正方形（□）が継手部ありの場合である。図４から明らかなように、継手部ありの場合は、ピーク圧が下がり、更にピーク圧のバラツキを小さくしていることが分かる。その理由は、Ｏリング４１が圧力を吸収し、安定化させているからと考えられる。
【００３４】
次に、計測用の圧力センサおよびサンプリングレートは前記したものと同一であり、パターン２にて圧力伝達液を水とオイルで比較する。ここに、水とオイルを選択した理由は、万一、圧力伝達液のオイルが全て抜けてしまい、代わりに水が入り込んだ場合を想定したものである。その置換の結果、水だけになったとしても、水撃をキャンセル（吸収）できることを証明するためである。測定結果の代表例を図５に示す。
【００３５】
図５から明らかなように、水とオイルとでは、水撃圧力に違いが殆どないことが分かる。
【００３６】
これらの結果から、水撃圧力を減衰させる重要要因は継ぎ手構造であるＯリングにあり、大型のＯリング４１を採用した効果が顕著である。圧力伝達液としてのオイルは、圧力減衰効果を有していない。
【００３７】
また、水撃による流動性充填材の抜け量と出力電圧の変化について考察する。一般的に圧力センサＡＳに水撃を繰り返し印加すると、オイル（流動性充填材）が抜けてくる。図６に示すように、オイルが全体量の約５６％だけ抜けると圧力検出素子である半導体チップ１３に浴槽等の水が接する状態となり、場合によっては浴槽水中の汚れ等により、圧力センサＡＳ本来の性能の水頭圧を電圧で出力する機能を発揮することができなくなるおそれがある。
【００３８】
そこで、以下の各種試験を行う。
試験ａ…サンプルの圧力センサＡＳをウォータハンマにかけ、オイル量と出力電圧を規定回数毎（１，２，３，６万回）に１０万回まで調査する。
【００３９】
試験ｂ…サンプルをウォータハンマにかけ、オイル量を１０万回後に調査する
。
【００４０】
試験ｃ…サンプルにオイルを封入後、オイルを抜き取りウォータハンマにかけて出力電圧の変化量を調べる。この試験ｃはオイル量の最悪状態（オイルの全てが水に置換された状態）を想定した場合の出力電圧の確認である。
【００４１】
0003991253.tif 000002
【００４２】
試験結果を図７に示す。
【００４３】
試験結果から下記の結論が得られる。
試験ａ…オイル抜けは初期（３万回未満）に見られるが、その後は安定する方向にある。電圧出力（オフセット電圧変化）は１０万回を通じて正常動作している。オイル抜けが試験ｂより大きいのは、途中測定があったためと考えられる。即ち、オイル抜けを確認するため、圧力センサＡＳを乾燥させ水分を蒸発させて純粋なオイルの量を確認し、引き続き試験を続行したために空気の混入があり、それと水との置換の際にオイルも一緒に出ていったために、途中で測定を行ったものは、結果として減少量が多くなった。
【００４４】
試験ｂ…１０万回後のオイル抜け量は最大でも２８．９％（図７における「オイル量の推移（％評価）」のＮＯ７、試験ｂの試験対象はＮＯ５，６，７，８）であり、圧力検出素子（半導体チップ）への接水のおそれがないことが確認できた。図７において、サイクル数の単位は万回、サンプルＮｏ．の−３０００，５０００は水頭（ｍｍ）、ＦＳは−３０００から５０００の水頭のフルスケール（ｍｍ）である。
【００４５】
試験ｃ…オイルを抜いたサンプルについても１０万回を通じて正常動作していることを確認した（図８のＮＯ９，１０を参照）。試験後の充電部と非充電部の絶縁抵抗測定では、ＮＯ９，１０は２台いずれも１０ＭΩ以上を確認した。
【００４６】
ここで、充電部とは入出力端子を全て短絡した内部回路を指し、非充電部とは配管等に取り付ける側（例えば、継ぎ手、本実施の形態の場合は全体が樹脂なので、接水する部分であるオイル）を指す。即ち、絶縁抵抗測定は内部回路を同電位にしてその部分と配管側（接水部）の絶縁がとれているかを見ることであり、絶縁抵抗が１０ＭΩ以上であった。
【００４７】
また、図１（Ｂ）に示すように、継手部３０に圧力導入管入口３１ｇを封止するキャップ６０を設け、継手部３０とキャップ６０との間に流動性充填材用吸収体６１を装着する。吸収体６１は天然繊維、合成繊維等の繊維材料からなるものであってもよい。また、発泡性ポリウレタン樹脂等の発泡性合成樹脂からなるものであってもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、圧力センサを構成する本体部とアダプタ部との間にシール用のＯリングを介在させて本体部と継手部とを結合すると共に、Ｏリングの内側に本体部側の貫通孔と継手部側の圧力導入管入口を配置したので、水撃の圧力は、圧力検出素子に加わる圧力とＯリングに加わる圧力とがあり、Ｏリングに加わる圧力は圧力導入管よりも外側の径で圧力を受けるように配置されており、水撃圧力をバランスよく吸収することができる。
【００４９】
また、本体部側の貫通孔と継手部側の圧力導入管との間に、流動性充填材を貯留する貯留部を設けたので、水撃は、先ず貫通孔と貯留部との内径が変わることによって、緩和され、更に前述のバランスの良い吸収により緩和される。
【００５０】
また、本体部側の貫通孔と継手部側の圧力導入管とは圧力センサの高さ方向に変位を設けたので、水と流動性充填材とが交換しにくくなり、安定した圧力を圧力センサに加えることができる。
【００５１】
さらに、圧力導入管入口は継手部の上方に配設したので、通常の水位では水が圧力導入管の入口から入らなくなるので、水と流動性充填材とが交換することがない。
【００５２】
貫通孔と圧力導入管とは直径を小径にしたので、さらに圧力導入管から水が入りにくくなるとともに、水撃は緩和され、圧力センサが損傷をうけることがない。
【００５３】
継手部に圧力導入管入口を封止するキャップを設けたので、流動性充填材用吸収体が流動性充填材をその量に応じた量だけ吸収され、圧力センサ内部に充填された流動性充填材を調整することができる。また、外気温度、気圧の変動により輸送中にキャップと導入管の導入口との間から流動性充填材が漏出することはない。したがって、流動性充填材の漏出による拭き取り作業をする必要がなくなる。
【００５４】
流動性充填材用吸収体は繊維材料又は発泡性合成樹脂からなるので、外気温度、気圧の変動により流動性充填材の膨脹する量を予測し、それに見合った種類の吸収体を選択して、これを継手部とキャップとの間に装着することによって、吸収量に応じた流動性充填材だけ充填量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図であって、（Ａ）は本体部とＯリングと継手部との分解側断面図、（Ｂ）は組み合わせた側断面図、（Ｃ）は図１（Ａ）のＡ’部の拡大断面図、（Ｄ）は組み合わせた平面図、（Ｅ）はその側面図である。
【図２】同実施の形態の圧力センサを用いて計測を行う際の計測系を示すブロック図である。
【図３】同実施の形態における継手部なしと継手部ありの場合のピーク圧波形の代表例であって、（Ａ）は継手部なし、（Ｂ）は継手部ありの場合である。
【図４】図３に示した試験におけるピーク圧分布図である。
【図５】同実施の形態における圧力伝達液（水、オイル）の違いによるピーク圧波形を示す図であって、（Ａ）は水、（Ｂ）はオイルの場合である。
【図６】同実施の形態におけるオイルの減少を説明する断面図である。
【図７】同実施の形態における試験結果（ウォータハンマによるオイル抜け量）を示すデータである。
【図８】同実施の形態における試験結果（ウォータハンマによる出力電圧変化量）を示すデータである。
【図９】従来の圧力センサの側断面図である。
【図１０】従来の圧力センサの浴槽への取付位置を示す概略図である。
【符号の説明】
１０      本体部
１１      ハウジング（本体側）
１１ｄ    貫通孔
１２      基板
１３      圧力検出素子
１５      カバー
１６      空間
３０      継手部
３１      ハウジング（継手側）
３１ｇ    圧力導入管
４１      シール部材
５１      流動性充填材
【図１】
0003991253.tif 000003
0003991253.tif 000004
【図２】
0003991253.tif 000005
【図３】
0003991253.tif 000006
【図４】
0003991253.tif 000007
【図５】
0003991253.tif 000008
【図６】
0003991253.tif 000009
【図７】
0003991253.tif 000010
【図８】
0003991253.tif 000011
【図９】
0003991253.tif 000012
【図１０】
0003991253.tif 000013