JP2002357501A - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液封型圧力センサの絶縁耐力を上げる。 【解決手段】 圧力検出エレメント１０において、金属
製のエレメントハウジング１１の中央開口部１２にハー
メチックガラス１３がハーメチック固着され、該ハーメ
チックガラス１３には、センサチップ１７からの電気信
号を外部に導出するためのリードピン１４、センサチッ
プ１７を保持するセンサチップマウント用ガラス部材１
６が設けられている。ハウジング１１の上側開口縁部に
は金属ダイヤフラム２０が固着されて液封型の圧力セン
サとなっている。ハウジングの中央開口部１２は、金属
ダイヤフラム側の内径よりもリードピン１４が導出され
ている側の内径の方が大きくされており、リードピン１
４とハウジング１１との絶縁距離を大きくしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力センサおよび
その製造方法に関するものであり、特に、高耐電圧を要
求される圧力センサに適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の液封型圧力センサの構成
を示す断面図である。この図に示すように液封型圧力セ
ンサは、圧力検出エレメント１０と、継手部３０と、コ
ネクタ部４０とにより構成されている。圧力検出エレメ
ント１０は、金属製のエレメントハウジング１１と、エ
レメントハウジング１１の中央開口部１２にハーメチッ
ク固着されたハーメチックガラス１３と、該ハーメチッ
クガラス１３に貫通状態でハーメチック装着された複数
のリードピン１４、オイル充填用パイプ１５、センサチ
ップマウント部材１６と、前記センサチップマウント部
材１６の上端面に固着された圧力検出用センサチップ１
７とからなっている。圧力検出用センサチップ１７と前
記リードピン１４とは、図示しないワイヤなどにより接
続されており、センサチップ１７からの電気信号はリー
ドピン１４を介して外部に導出される。

【０００３】また、前記エレメントハウジング１１の中
央開口部１２の上側開口縁部には、金属ダイヤフラム２
０と、これを覆う連通孔２１を有するダイヤフラム保護
カバー２２とが、それらの外周縁部を溶接することで気
密に固着されている。エレメントハウジング１１の中央
開口部１２、ハーメチックガラス１３および金属ダイヤ
フラム２０とにより、シリコンオイルなどのオイルが封
入される液封室２３が形成される。オイル充填用パイプ
１５は、液封室２３にオイルを充填する充填口として使
用され、オイル充填完了後に外側のパイプ先端をつぶし
て密着され、その部分を溶接される。これにより、オイ
ルが液封室２３に封止される。

【０００４】圧力検出エレメント１０は、Ｏリング２４
と共に、継手部３０のエレメント収納孔３１内に嵌め込
まれ、リードピン１４に結線材３５が導通接続されて、
結線材３５とコネクタ部４０の端子４１とが導通接続さ
れる。コネクタ部４０はＯリング２５とともに継手部３
０のエレメント収納孔３１内に嵌め込まれ、エレメント
収納孔３１の開口縁部３２がかしめられることにより、
圧力検出エレメント１０を挟んだ状態で継手部３０と固
定結合される。

【０００５】継手部３０は、センサ取り付け用ねじ部３
３により被測定部に取り付けられるようになされてお
り、被測定流体圧通路３４を介して、流体の圧力が前記
金属ダイヤフラム２０に伝達される。金属ダイヤフラム
２０は極めて薄いため圧力が低下されることなくオイル
に伝達され、この圧力により、センサチップ１７のシリ
コンダイヤフラムが変形し、これをピエゾ抵抗素子で検
出した電気信号が前記リードピン１４、端子４１を介し
て外部に取り出されることとなる。

【０００６】このような圧力センサは、冷凍、冷蔵、空
調機器用の冷媒圧力センサ、給水、産業用ポンプなどの
水圧センサ、蒸気ボイラの蒸気圧センサ、空／油圧産業
機器の空／油圧センサ、自動車などの圧力センサなど、
各種の用途に使用されており、用途によっては、高耐電
圧を要求される場合がある。絶縁耐力を向上させるため
に、従来は、接着剤やゲル材等を用いて、前記リードピ
ン１４、ハーメチックガラス１３およびエレメントハウ
ジング１１の表面をコーティングあるいはポッティング
し、絶縁距離を増やし、絶縁耐力を上げるようにしてい
た。図７は、絶縁耐力を向上させた前記圧力検出エレメ
ント１０の構成を示す図である。図中３６で示すよう
に、図中下部（アウター側）においてハーメチックガラ
ス１３とエレメントハウジング１１との間に接着剤やシ
リコンゲル材などをポッティングあるいはコーティング
処理している。なお、以下、本明細書において、圧力検
出エレメント１０の圧力流体と接触する継手部側を金属
ダイヤフラム側あるいはインナー側、リードピン４１が
突出しているコネクタ部側をリードピンが導出されてい
る側あるいはアウター側と呼ぶこととする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、接着剤やゲ
ル材等は接着面と完全に接着・硬化することで、性能を
発揮する。そのため、接着面側では完全な脱脂・洗浄が
必要であり、これが不十分であると、接着面で剥離が生
じる。また、接着剤の硬化温度や時間の管理が必要とな
り、これが不十分であると剥離や吸湿などが生じ、接着
剤やゲル材等のコーティング材、ポッティング材として
の絶縁性能を発揮できなくなる。また、コーティング
後、周囲温度変化があると、ハーメチックガラスやエレ
メントハウジングとの線膨張係数の違いから、接着剤や
ゲル材に応力が加えられ、特に、エポキシ系などの場合
には、接着面でのクラックや剥離の可能性がある。この
対策として、シリコン系のコーティング材などで弾性を
利用して、線膨張係数の違いを緩和させる方法が広く一
般的に用いられている。しかし、この方法を用いた場合
でも、接着面の状態のバラツキを考慮すると、必ずしも
完璧ではない。

【０００８】また、絶縁耐力を上げるには、上述の方法
をとらなくとも、エレメントハウジングの内径を単に大
きくしてやれば、リードピンとの絶縁距離が増え、絶縁
耐力を上げることができる。しかしながら、この場合に
は、インナー側のオイル充填量が増え、温度変化に対し
て熱膨張による内圧変化が多くなり、オフセット電圧温
度特性の傾きが大きくなってしまうという問題点があ
る。

【０００９】そこで、本発明は、接着剤やゲル材等のコ
ーティングを無くし、なおかつ、それと同等の絶縁耐力
をもつ圧力センサおよびその製造方法を提供することを
目的としている。また、オイル充填量を増やすことな
く、省スペースでガラスハーメチックすることにより、
リード・ハウジング間の絶縁距離を如何に増やすことの
できる圧力センサおよびその製造方法を提供することを
目的としている。さらに、安価にかつ容易に製作するこ
とのできる絶縁耐力の安定した圧力センサおよびその製
造方法を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の圧力センサは、金属製のハウジングと、該
金属製のハウジングに設けられた中央開口部に固着さ
れ、圧力センサチップを支持するセンサチップマウント
部材、オイル充填用パイプおよび前記圧力センサチップ
からの電気信号を外部に導出するためのリードピンが設
けられたハーメチックガラスと、前記ハウジングの一方
の端面に接合された金属ダイヤフラムとを有する圧力検
出エレメントを備えた液封型の圧力センサであって、前
記ハウジングに設けられた中央開口部の内径は、前記金
属ダイヤフラム側よりも前記リードピンが導出されてい
る側の方が大きくされているものである。また、前記ハ
ウジングに設けられた中央開口部における前記金属ダイ
ヤフラム側の内径よりも前記リードピンが導出されてい
る側の内径を大きくするために、前記ハウジングに設け
られた中央開口部の内周面に段部が設けられているもの
である。あるいは、前記ハウジングに設けられた中央開
口部における前記金属ダイヤフラム側の内径よりも前記
リードピンが導出されている側の内径を大きくするため
に、前記ハウジングに設けられた中央開口部の内周面に
テーパー部が設けられているものである。

【００１１】さらに、本発明の圧力センサの製造方法
は、金属製のハウジングと、該金属製のハウジングに設
けられた中央開口部に固着され、圧力センサチップを支
持するセンサチップマウント部材、オイル充填用パイプ
および前記圧力センサチップからの電気信号を外部に導
出するためのリードピンが設けられたハーメチックガラ
スと、前記ハウジングの一方の端面に接合された金属ダ
イヤフラムとを有する圧力検出エレメントを備え、前記
ハウジングに設けられた中央開口部における前記金属ダ
イヤフラム側の内径よりも前記リードピンが導出されて
いる側の内径を大きくするために、前記ハウジングに設
けられた中央開口部の内周面にテーパー部が設けられて
いる液封型の圧力センサの製造方法であって、前記ハウ
ジングに設けられた中央開口部に、その金属ダイヤフラ
ム側の内径と等しい外径を有し、前記リードピン、前記
センサチップマウント部材および前記オイル充填用パイ
プを挿入するための孔が設けられたガラスフリットを挿
入する工程、前記リードピン、前記センサチップマウン
ト用部材および前記オイル充填用パイプを前記ガラスフ
リットに設けられた孔に挿入する工程、および、前記ガ
ラスフリットを焼成する工程を有するものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】前述のように、リードピン１４と
エレメントハウジング１１間の絶縁距離を増やすには、
エレメントハウジング１１の内径を大きくすればよい事
は明白である。ただし、インナー側のエレメントハウジ
ング内径は小さいほうが液封室２３のシリコンオイル充
填量が減り、オフセット電圧温度特性の傾きが小さくな
る。また、耐圧性能も上がるため、できる限り内径を小
さくする必要がある。インナー側はシリコンオイルに満
たされているため、絶縁耐力は十分高いレベルにある。
一方、リードピン１４は内径方向に詰めればリードピン
とエレメントハウジング間の絶縁距離が増えるため、詰
めたいが、センサチップ１７の大きさからリードピン１
４の位置はおのずと決まってしまう。

【００１３】そこで、本発明の圧力センサでは、アウタ
ー側のエレメントハウジングの内径は、絶縁耐力を上げ
るべく大きくとるようにしている。そのため、リードピ
ン１４とエレメントハウジング１１の距離がインナー側
とアウター側とで異なるハウジング形状となる。エレメ
ントハウジング１１の内面にガラスハーメチック処理を
する。

【００１４】図１は、本発明の圧力センサの第１の実施
の形態における圧力検出エレメント１０の構成を示す図
である。この図において、前記図６、図７と同一の構成
要素には同一の番号を付し、説明を省略する。図１に示
すように、この実施の形態では、前記エレメントハウジ
ング１１の中央開口部１２の内周面に段部１を設け、ア
ウター側のエレメントハウジングの内径を大きく、イン
ナー側の内径を小さくしている。そして、このエレメン
トハウジング１１の中央開口部１２に圧縮封着あるいは
整合封着によりハーメチックガラス１３をハーメチック
固着している。これにより、アウター側におけるリード
ピン１４とエレメントハウジング１１の距離を大きくす
ることができ、絶縁耐力を向上させることができる。な
お、この図１に示した段付きタイプでは、図中Ａで示す
アウター側のザグリ深さは１mm以上とすることが望まし
い。１mm以下の場合には、ガラスの厚さが薄くなり、熱
サイクルなどでクラックが入りやすくなる。

【００１５】図２を参照して、前記図１に示した本発明
の圧力検出エレメント１０の製造工程について説明す
る。図２の（ａ）は焼成前、（ｂ）は焼成後の圧力検出
エレメント１０を示している。なお、この図において
は、前記図１とは上下逆に紙面上方向をアウター側、下
方向をインナー側として記載している点に注意された
い。図２の（ａ）において、５１および５２はガラスフ
リット（ガラスパウダーとバインダーを混ぜ仮焼成した
もの）である。第１のガラスフリット５１は前記中央開
口部１２の小さいほうの内径（インナー側内径）と等し
い外径を有し、前記センサチップマウント部材１６、複
数のリードピン１４およびオイル充填用パイプ１５を挿
入するための孔を有する円筒形状とされている。また、
第２のガラスフリット５２は、前記中央開口部１２の大
きいほうの内径（アウター側内径）と等しい外径を有す
るリング形状とされている。図２の（ａ）に示すよう
に、エレメントハウジング１１の中央開口部１２のイン
ナー側内径の部分に前記第１のガラスフリット５１を挿
入し、次に、前記中央開口部１２のアウター側内径の部
分にリング形状の前記第２のガラスフリット５２を挿入
する。そして、前記複数のリードピン１４、前記オイル
充填用パイプ１５および前記センサチップマウント部材
１６を前記第１のガラスフリット５１に設けられた孔に
挿入し、ハーメチック処理（焼成）を行う。これによ
り、前記円筒形状のガラスフリット５１およびリング形
状のガラスフリット５２が溶融し、図２の（ｂ）に示す
ように、リードピン１４、オイル充填用パイプ１５およ
びセンサチップマウント部材１６が組み込まれたハーメ
チックガラス１３がエレメントハウジング１１に接合さ
れる。

【００１６】また、上述の方法では、リング形状の第２
のガラスフリット５２を使用していたが、これに代え
て、円筒形状の第３のガラスフリット５３を使用するよ
うにしてもよい。この第３のガラスフリット５３は、前
記中央開口部１２のアウター側内径と等しい外径を有
し、前記第１のガラスフリット５１と同様に、前記複数
のリードピン１４、オイル充填用パイプ１５および前記
センサチップマウント部材１６を挿入するための孔が設
けられた円筒形状とされているものである。なお、この
第３のガラスフリット５３を使用する場合には、前記第
１のガラスフリット５１の厚さは第２のガラスフリット
５２を使用する場合とは異なる厚さとする。前記リング
形状の第２のガラスフリット５２を用いる場合には、ガ
ラスフリット５２が薄肉であるため、その製造において
寸法精度が出しにくく、組み込み作業が困難となる場合
があったが、このような外径の異なる２つの円筒形状の
ガラスフリット５１と５３を用いる場合には、リング形
状ではないため比較的寸法精度が安定し、エレメントハ
ウジング１１内部に組み込みやすくなるというメリット
がある。ただし、リードピン１４やオイル充填用パイプ
１５を挿入する際に、ガラスフリット５１、５３間での
孔の位置合わせが必要となる。

【００１７】なお、上述においては、円筒形状の第１の
ガラスフリット５１とリング形状の第２のガラスフリッ
ト５２、あるいは、円筒形状の第１のガラスフリット５
１と第３のガラスフリット５３というように、２つのガ
ラスフリットを用いていた。これは、単一のガラスフリ
ット（例えば、前記円筒形状の第１のガラスフリット５
１よりも高さが高い単一のガラスフリット）を用いた場
合には、溶融したガラスの流れが安定せず、前記エレメ
ントハウジング１１の中央開口部１２に設けられた段部
１にガラスが流れきらないケースが発生するためであ
る。このことは、焼成時のガラスの表面張力（粘性）が
高いことが主な原因であると考えられるが、焼成条件の
わずかなばらつきで起こりやすく、管理が困難である。

【００１８】そこで、本発明の圧力センサの他の実施の
形態について説明する。この実施の形態においては、前
記圧力検出エレメント１０の製造工程において、単一の
ガラスフリットを用いるだけで良い。図３は、本発明の
圧力センサの他の実施の形態における圧力検出エレメン
ト１０の構成を示す図である。この図において、前記図
６、図７と同一の構成要素には同一の番号を付し、説明
を省略する。図３に示すように、この実施の形態では、
前記エレメントハウジング１１の中央開口部１２の内周
面にテーパー部１２を設けている。これにより、段部を
設けている前述の実施の形態の場合のようにインナー側
の内径とアウター側の内径の違いにより角部ができるの
を排除している。

【００１９】図４は、前記図３に示した実施の形態にお
ける圧力検出エレメント１０の製造工程について説明す
るための図であり、（ａ）は焼成前、（ｂ）は焼成後を
示している。図４の（ａ）に示すように、この実施の形
態では円筒形状とされた単一のガラスフリット５４を用
いる。このガラスフリット５４は、前記円筒形状のガラ
スフリット５１と同様に、前記中央開口部１２の小さい
ほうの内径（インナー側内径）と等しい外径を有し、前
記センサチップマウント部材１６、複数のリードピン１
４およびオイル充填用パイプ１５を挿通するための孔を
有するものとされているが、前記ガラスフリット５１よ
りも高さが高くされており、溶融したときにガラスが前
記アウター側の側面に到達するようになされている。圧
力検出エレメント１０を製造するときは、前記エレメン
トハウジング１１の中央開口部１２のインナー側内径の
部分に前記ガラスフリット５４を挿入し、前記複数のリ
ードピン１４、前記オイル充填用パイプ１５および前記
センサチップマウント部材１６をそれぞれ対応する孔に
挿入し、焼成を行う。これにより、溶融したガラスが前
記テーパー部２を伝わってスムーズにアウター側側面
（大きい方の内径の部分）にまで均一に流れ、図４の
（ｂ）に示す焼成後の状態を得ることができる。

【００２０】このように、この実施の形態によれば、テ
ーパー部２を設けていることにより、溶融したガラスを
中央開口部１２の大きい方の内径を有するアウター側側
面に均一に流すことができ、２つに分割されたガラスフ
リットではなく一体化されたガラスフリットを使用する
ことが可能となる。したがって、部品点数が少なくなる
とともに組み込みの工数も減少させることできる。さら
に、ガラスフリットの形状は通常ハーメチック品と比べ
て径方向は変らずに高さ方向のみ若干増すだけであるた
め、ガラスフリットを作る際のガラス用金型は通常ハー
メチック品の金型を使用することができる。さらにま
た、通常ハーメチック品の焼成条件と同一の焼成条件で
ガラスを均一に流すことが可能となったため、一つの焼
成ライン（焼成条件）で生産することが可能となる。

【００２１】なお、前記テーパー部２を設ける位置は、
前記図３に示した実施の形態のように、前記エレメント
ハウジング１１の中央開口部１２の内周の中央部に設け
る場合に限らない。図５は、本発明の圧力センサのさら
に他の実施の形態における圧力検出エレメント１０の構
成を示す図である。この図に示すように、この実施の形
態では、前記エレメントハウジング１１の中央開口部１
２の内周に設けられたテーパー部２を内径の小さいイン
ナー側から内径の大きいアウター側の端部にまで設けて
いる。これにより、前述の場合と同様に、アウター側の
リードピン１４とエレメントハウジング１１との距離を
大きくし、絶縁耐力を向上させることができる。なお、
この図５に示したタイプでは、テーパーがつき過ぎる
と、ガラスとハウジング間で剥離が生じ易く、耐圧の低
下をまねく恐れがある。その為、大きさを一定として、
インナー側とアウター側のハウジング内径に大きく差を
つけたい場合には、前記図１に示した段付きタイプある
いは前記図３に示した中央開口部１２の内周部の中央部
分にテーパー部を設けるタイプを採用することが望まし
い。

【００２２】なお、以上の説明では、絶対圧型の圧力セ
ンサを例にとって説明したが、これに限られることはな
く、前記センサチップ１７を搭載するセンサチップマウ
ント部材１６を貫通する圧力導入孔を有する相対圧型の
圧力センサの場合にも全く同様に適用することができ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明の圧力センサによ
れば、コーティングやポッティングなどの手法を用いる
ことなく、省スペースで絶縁耐力を上げることができ
る。また、インナー側のオイル充填量を増やすことがな
い形状とすることができ、センサーの性能をそのまま維
持することができる。さらに、コーティングやポッティ
ングなどの手法を用いないので、コーティングあるいは
ポッティングの工程が省け、安定した生産を可能にする
とともに、コストダウンを図ることができる。さらにま
た、コーティング材やポッティング材の剥離の問題がな
くなる為、長期にわたり、安定した絶縁性能を得ること
ができる。さらにまた、テーパー部を設けた本発明によ
れば、一体化されたガラスフリットを用いることが可能
となり、部品点数を減少させることができるとともに、
製造工程を簡素化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の圧力センサの第１の実施の形態にお
ける圧力検出エレメントの構成を示す断面図である。

【図２】 図１に示した実施の形態における圧力検出エ
レメントの製造工程について説明するための図である。

【図３】 本発明の圧力センサの他の実施の形態におけ
る圧力検出エレメントの構成を示す断面図である。

【図４】 図３に示した実施の形態における圧力検出エ
レメントの製造工程について説明するための図である。

【図５】 本発明の圧力センサのさらに他の実施の形態
における圧力検出エレメントの構成を示す断面図であ
る。

【図６】 従来の圧力センサの構成を示す断面図であ
る。

【図７】 従来の圧力センサにおける圧力検出エレメン
トの構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 段部 ２ テーパー部 １０ 圧力検出エレメント １１ エレメントハウジング １２ 中央開口部 １３ ハーメチックガラス １４ リードピン １６ センサチップマウント部材 １７ 圧力検出用センサチップ ２０ 金属ダイヤフラム ２１ 連通孔 ２３ 液封室 ３０ 継手部 ４０ コネクタ部 ５１、５３、５４ 円筒形状のガラスフリット ５２ リング形状のガラスフリット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製のハウジングと、該金属製のハウ
   ジングに設けられた中央開口部に固着され、圧力センサ
   チップを支持するセンサチップマウント部材、オイル充
   填用パイプおよび前記圧力センサチップからの電気信号
   を外部に導出するためのリードピンが設けられたハーメ
   チックガラスと、前記ハウジングの一方の端面に接合さ
   れた金属ダイヤフラムとを有する圧力検出エレメントを
   備えた液封型の圧力センサであって、 前記ハウジングに設けられた中央開口部の内径は、前記
   金属ダイヤフラム側よりも前記リードピンが導出されて
   いる側の方が大きくされていることを特徴とする圧力セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 前記ハウジングに設けられた中央開口部
   における前記金属ダイヤフラム側の内径よりも前記リー
   ドピンが導出されている側の内径を大きくするために、
   前記ハウジングに設けられた中央開口部の内周面に段部
   が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力
   センサ。
3. 【請求項３】 前記ハウジングに設けられた中央開口部
   における前記金属ダイヤフラム側の内径よりも前記リー
   ドピンが導出されている側の内径を大きくするために、
   前記ハウジングに設けられた中央開口部の内周面にテー
   パー部が設けられていることを特徴とする請求項１記載
   の圧力センサ。
4. 【請求項４】 金属製のハウジングと、該金属製のハウ
   ジングに設けられた中央開口部に固着され、圧力センサ
   チップを支持するセンサチップマウント部材、オイル充
   填用パイプおよび前記圧力センサチップからの電気信号
   を外部に導出するためのリードピンが設けられたハーメ
   チックガラスと、前記ハウジングの一方の端面に接合さ
   れた金属ダイヤフラムとを有する圧力検出エレメントを
   備え、前記ハウジングに設けられた中央開口部における
   前記金属ダイヤフラム側の内径よりも前記リードピンが
   導出されている側の内径を大きくするために、前記ハウ
   ジングに設けられた中央開口部の内周面にテーパー部が
   設けられている液封型の圧力センサの製造方法であっ
   て、 前記ハウジングに設けられた中央開口部に、その金属ダ
   イヤフラム側の内径と等しい外径を有し、前記リードピ
   ン、前記センサチップマウント部材および前記オイル充
   填用パイプを挿入するための孔が設けられたガラスフリ
   ットを挿入する工程、 前記リードピン、前記センサチップマウント用部材およ
   び前記オイル充填用パイプを前記ガラスフリットに設け
   られた孔に挿入する工程、および、 前記ガラスフリットを焼成する工程を有することを特徴
   とする圧力センサの製造方法。