JP2004245631A

JP2004245631A - Pressure sensor apparatus

Info

Publication number: JP2004245631A
Application number: JP2003033572A
Authority: JP
Inventors: Masato Imai; 正人今井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP4019966B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the inner surfaces of the part of a through hole at which a sealing member is arranged from being damaged when a stem is pressed in the through hole in a pressure sensor apparatus in which the stem is pressed in and fixed to the through hole of a housing with the sealing member arranged in the through hole. <P>SOLUTION: A hollow tubular stem 20 comprises a diaphragm 21 and a strain gauge part 23 on the side of one end and an opening part 22 on the side of the other end. The hollow tubular stem 20 is pressed in and fixed to a through hole 11 of a hosing 10 in such a way that the side of the diaphragm 21 may be exposed to the side of one surface of the housing 10 and that the side of the opening part 22 may be exposed to the side of the other surface of the housing 10. A face 22a of the stem 20 on the side of the other end is positioned further inside than the other surface of the housing 10 in the through hole 11. An O-ring 30 as the sealing member is provided inside the through hole 11 at a location adjacent to the face 22a of the stem 20 on the side of the other end. The diameter D1 of a pressed-in part of the stem 20 in the through hole 11 is smaller than the diameter D2 of a section at which the O-ring 30 is arranged. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センシング部としてのダイアフラムを有するステムを、ハウジングの貫通穴に固定してなる圧力センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、センシング部としてのダイアフラムを有するステムを、ハウジングの貫通穴に固定してなる圧力センサ装置としては、ステムを当該貫通穴に挿入し、ネジ結合させて固定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２７２２９７号（第５頁、第１−２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記したハウジングの貫通穴にステムをネジ結合させるタイプの代わりに、組付けの容易なものとして、ハウジングの貫通穴にステムを圧入して固定するタイプの圧力センサ装置の開発を進め、試作検討した。図１０にその試作品の断面構成を示す。
【０００５】
ステム２０は、一端側にダイアフラム２１およびこのダイアフラム２１の歪みを検出する歪みゲージ部２３を有し、他端側にダイアフラム２１に圧力を導入するための開口部２２を有する金属製中空筒状をなす。
【０００６】
ここで、歪みゲージ部２３は、シリコン基板に拡散抵抗を形成したピエゾ感圧素子等であり、ダイアフラム２１に低融点ガラス等の接着材２４を介して固定されている。
【０００７】
ハウジング１０は、例えばアルミダイカスト加工により形成されたもので、一面側から他面側に貫通する貫通穴１１を有する。そして、貫通穴１１には、ハウジング１０の一面側にダイアフラム２１側が露出し且つハウジング１０の他面側に開口部２２側が露出するように、ステム２０が圧入されて固定されている。
【０００８】
ここで、ステム２０の他端側の端面２２ａがハウジング１０の他面よりも奥まって貫通穴１１の内部に位置しており、貫通穴１１の内部にはステム２０の他端側の端面２２ａに隣り合った位置に、Ｏリング等の弾性材からなるシール部材３０が設けられている。
【０００９】
このような圧力センサ装置は、ハウジング１０と共にステム２０を被測定部材Ｋ１へ搭載したときに、シール部材３０を介して被測定部材Ｋ１とステム２０の他端側の端面２２ａとの間がシールされるようになっている。これにより、被測定部材Ｋ１からの圧力Ｐはステム２０の開口部２２からダイアフラム２１の裏面に対して漏れなく印加されるようになっている。
【００１０】
ところで、上記試作品においては、ステム２０をハウジング１０の他端側から貫通穴１１に挿入していく際に、圧入という形態を採っているがゆえに、貫通穴１１の内面とステム２０の外面との強い擦れにより、貫通穴１１の内面に傷が付くという問題がある。
【００１１】
特に、貫通穴１１のうちシール部材３０が配置される部位の内面に傷が付くと、傷ついた内面の部分によって、一般に弾性材からなるシール部材３０にも傷が付き、シール部材３０の劣化や破損等を招く恐れがある。その結果、圧力センサ装置におけるシール性の悪化を招き、圧力漏れ等の問題を生じさせることになる。
【００１２】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ハウジングの貫通穴にステムを圧入固定するとともに貫通穴にシール部材を配置するようにした圧力センサ装置において、ステムを貫通穴へ圧入する際に、貫通穴におけるシール部材の配置部分の内面が傷つくのを防止することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一端側にダイアフラム（２１）およびこのダイアフラムの歪みを検出する歪みゲージ部（２３）を有し、他端側にダイアフラムに圧力を導入するための開口部（２２）を有する中空筒状のステム（２０）と、一面側から他面側に貫通する貫通穴（１１）を有するハウジング（１０）とを備え、貫通穴には、ハウジングの一面側にダイアフラム側が露出し且つハウジングの他面側に開口部側が露出するように、ステムが圧入されて固定されており、ステムの他端側の端面（２２ａ）がハウジングの他面よりも奥まって貫通穴の内部に位置しており、貫通穴の内部にはステムの他端側の端面に隣り合った位置にシール部材（３０）が設けられており、貫通穴におけるステムの圧入部の径（Ｄ１）は、シール部材が設けられる部位の径（Ｄ２）よりも小さくなっており、ハウジングと共にステムを被測定部材（Ｋ１）へ搭載したときに、シール部材を介して被測定部材とステムの他端側の端面（２２ａ）との間がシールされるようになっていることを特徴とする。
【００１４】
それによれば、貫通穴（１１）においてシール部材（３０）が設けられる部位の径（Ｄ２）がステムの圧入部の径（Ｄ１）よりも大きくなっているため、ステム（２０）を貫通穴へ圧入していく際に、貫通穴におけるシール部材配置部の内面とステムの外面との強い擦れを防止できる。
【００１５】
よって、本発明によれば、ハウジングの貫通穴にステムを圧入固定するとともに貫通穴にシール部材を配置するようにした圧力センサ装置において、ステムを貫通穴へ圧入する際に、貫通穴におけるシール部材の配置部分の内面が傷つくのを防止することができる。
【００１６】
ここで、請求項２に記載の発明のように、貫通穴（１１）におけるステムの圧入部の形状と、シール部材（３０）が設けられる部位の形状とは、同心円の関係となっているものにできる。
【００１７】
それによれば、シール部材（３０）の中心軸とステム（２０）の中心軸とが実質的に同軸となるので、シール部材とステムの他端側の端面（２２ａ）との間の位置合わせが容易になる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る圧力センサ装置Ｓ１の全体概略断面図、図２は図１の上視平面図でありカバー６０を取り除いた状態で示してある。また、図３は図１中のハウジング１０単体を示す厚み方向の断面図、図４は図３の上視平面図である。
【００２０】
この圧力センサ装置Ｓ１は自動車の電子ブレーキ制御システムに適用され、ブレーキ油圧等を検出するものである。圧力センサ装置Ｓ１は、金属や樹脂等により成形された板状のハウジング１０を備えており、このハウジング１０は本例ではアルミダイカスト加工により成形されたものである。
【００２１】
図３および図４に示すように、ハウジング１０には一面（図３中の上面）側から他面（図３中の下面）側に貫通する複数個の貫通穴１１が形成されている。また、このハウジング１０はその他面側にて被測定部材であるアクチュエータＫ１（図５参照）上に搭載される。
【００２２】
ハウジング１０の他面側には樹脂などからなる位置決めピン１０ａが形成されており、この位置決めピン１０ａは被測定部材に設けられた穴に挿入される。そして、ハウジング１０は、その周辺部に形成されているネジ穴１２によりアクチュエータＫ１にネジ結合されるようになっている。
【００２３】
本例では、ハウジング１０の各貫通穴１１は７個形成されており、図２、図４に示すように、千鳥状に配置されている。また、図４に示すように、ハウジング１０においては、その周辺部および貫通穴１１の周囲を除く部位が他の部位よりも肉薄な肉薄部１０ｂとなっている。例えばハウジング１０の一面（図３中の上面）側においてこの肉薄部１０ｂの面と肉厚部の面とは約２ｍｍ以上の段差を有している。
【００２４】
そして、各貫通穴１１にはセンシング部としての金属製のステム２０が挿入され固定されている。図５はこのステム２０の拡大断面を示す図である。また、図６はステム２０をダイアフラム２１側からみた図すなわち図５の上視図であり、さらに、図７はステム２０の軸方向に沿った断面を示す斜視図である。
【００２５】
図５〜図７に示すように、ステム２０は、有底中空円筒形状をなすものである。ステム２０を構成する金属材料には、具体的にＦｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、必要強度によっては析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた材料を選定し、形成できる。
【００２６】
ステム２０は、その一端側すなわち底部側に圧力の印加により歪み可能なダイアフラム２１を有し、その他端側にダイアフラム２１に圧力を導入するための開口部２２を有する。また、ダイアフラム２１の表面にはシリコン基板等の半導体基板からなる矩形板状のセンサチップ２３が低融点ガラス等の接着材２４を介して固定されている。
【００２７】
このセンサチップ２３は、ダイアフラム２１が歪んだときにその歪みを検出する歪みゲージ部として構成されている。例えば、シリコン基板に拡散抵抗を形成し、この拡散抵抗によってフルブリッジまたはハーフブリッジなどのブリッジ回路を形成し、ダイアフラム２１の歪みに基づく電気信号を出力可能としている。なお、図６に示すように、センサチップ２３には、ステム２０の軸回りの位置決めを行うための目視可能なマーク２３ａが形成されている。
【００２８】
また、図５に示すように、ステム２０のダイアフラム２１部分およびセンサチップ２３は貫通穴１１から突出してハウジング１０の一面側に露出している。一方、ステム２０の開口部２２側は、ハウジング１０の他面側に露出している。ただし、ステム２０の他端側の端面２２ａすなわち開口部２２の縁部２２ａはハウジング１０の他面よりも奥まって貫通穴１１の内部に位置している。
【００２９】
このように筒状のステム２０はその軸方向（長手方向）に沿って貫通穴１１に挿入されている。また、ステム２０は外面に段差部２５を有し、この段差部２５を介してダイアフラム２１側（一端側）が小径部２６、開口部２２側（他端側）が大径部２７となっている。ここで、図５や図７に示すように段差部２５の角部には面取りが施され、面取り部２５ａが形成されている。
【００３０】
そして、貫通穴１１の内面はステム２０の外形に対応した段付形状をなしている。すなわち貫通穴１１は段付内孔としての丸穴であり、ステム２０はその大径部２７において貫通穴１１に圧入されることでハウジング１０に固定されている。この貫通穴１１に対するステム２０の取付は次の図８に示すようにしてなされる。
【００３１】
図８に示すように、貫通穴１１においてハウジング１０の他面側からステム２０のダイアフラム２１側を挿入していく。そして、ステム２０の段差部２５が貫通穴１１の段部１１ａに当たって止まり位置決めがなされる。このようなステム２０における段差部２５の大きさは、小径部２６と大径部２７との直径の差にして１ｍｍ以上の差を持たせる程度の大きさとしている。
【００３２】
また、詳しくは図５に示すように、個々のステム２０におけるダイアフラム２１側（一端側）の外面すなわち小径部２６の外面と貫通穴１１の内面との間には隙間１３が設けられている。この隙間１３の大きさは例えば０．２ｍｍ以上とすることができる。
【００３３】
また、貫通穴１１の内部にはステム２０の他端側（開口部２２側）の端面２２ａに隣り合った位置にシール部材３０が設けられている。このシール部材３０は弾性を有し気密性に優れたものを用いることができる。本例ではシール部材３０としてゴム等からなるＯリング３０を用いている。このＯリング３０は、上記図８に示したように、ステム２０を貫通穴１１に圧入した後、配置される。
【００３４】
そして、図５に示すように、ハウジング１０と共に複数個のステム２０を被測定部材Ｋ１へ搭載したときに、Ｏリング３０を介して被測定部材Ｋ１とステム２０の他端側の端面２２ａとの間がシールされるようになっている。これにより、被測定部材Ｋ１からの圧力Ｐはステム２０の開口部２２からダイアフラム２１の裏面に対して漏れなく印加されるようになっている。
【００３５】
ここで、図５に示すように、貫通穴１１におけるステム２０の圧入部の径Ｄ１は、Ｏリング３０が設けられる部位の径Ｄ２よりも小さくなっている。図５や図１等ではこの穴径の違いをデフォルメしてしめしてあるが、具体的には、Ｏリング３０が設けられる部位の径Ｄ２は、ステム２０の圧入部の径Ｄ１よりも数十μｍ〜数百μｍ程度大きくなっている。
【００３６】
また、貫通穴１１におけるステム２０の圧入部の径Ｄ１により構成される円と、Ｏリング３０が設けられる部位の径Ｄ２により構成される円とは、同心円の関係にあることが好ましい。
【００３７】
また、図１、図２に示すように、ハウジング１０の一面上にはステム２０のセンサチップ２３から出力される信号を増幅したり調整したりするなど信号処理を行うための回路基板（本例ではプリント基板）４０が搭載されハウジング１０に固定されている。
【００３８】
回路基板４０には信号処理用のＩＣパッケージ４１やコンデンサ４２などが実装されている。そして、図２に示すように、ステム２０のセンサチップ２３は回路基板４０のパッド４３に対して、ワイヤボンディングなどにより形成されたワイヤ５０により結線され電気的に接続されている。なお、図１ではワイヤ５０は省略してある。
【００３９】
ここで、回路基板４０とハウジング１０との固定は図示しない接着剤によりなされる。この接着剤は上記回路基板４０におけるパッド４３の直下には必ず存在させることが好ましい。これは、回路基板４０におけるパッド４３の部分を十分に固定し、ワイヤボンディングの超音波パワーを確実にワイヤ５０に伝えるためである。
【００４０】
また、回路基板４０とハウジング１０とを固定するための上記接着剤は、ステム２０と貫通穴１１との隙間１３に流れ込む懸念がある。隙間１３に当該接着剤が流れ込んだ場合、接着剤のヤング率が高いとダイアフラム２１に対してセンサ特性上無視できない応力を発生する可能性がある。そのため、本発明者らの検討によれば、当該接着剤のヤング率は１００ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００４１】
また、図２に示すように、回路基板４０の周辺部には外部と接続するためのリードピン４４がはんだ４５などにより電気的・機械的に接続されている。こうして、センサチップ２３からの電気信号は回路基板４０にて処理され、リードピン４４を介して外部に出力される。
【００４２】
また、図１に示すように、回路基板４０の上は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの樹脂などからなるカバー６０により覆われており機械的な保護をなしている。このカバー６０は、ハウジング１０に対して圧入や接着などにより固定される。図９はカバー６０で覆った状態を示す概略平面図である。
【００４３】
ここで、図１、図９に示すように、リードピン４４は途中部で曲げられてカバー６０の上に重なるとともにカバー６０に近接して配置されている。これにより、リードピン４４が図１中の上方から押し付け力を受けてたわんだ場合に、リードピン４４がカバー６０に当たって支持される。そのため、リードピン４４における過大な変形を防止したり、リードピン４４におけるはんだ接合部の破損等が防止できる。
【００４４】
このような圧力センサ装置Ｓ１は例えば次のようにして製造される。切削加工やプレス加工等により形成された中空円筒状のステム２０に対し、低融点ガラスからなる接着材２４を印刷しこれを仮焼成する。そして接着材２４の上に半導体製造プロセスなどにより形成されたセンサチップ２３を組み付け、焼成することでステム２０にセンサチップ２３を固定する。
【００４５】
次に、アルミダイカスト加工により形成されたハウジング１０の各貫通穴１１に対して、上記図８に示すようにステム２０を圧入し固定する。このとき、上記図６に示したセンサチップ２３のマーク２３ａを画像認識などにより確認しながら、ステム２０の軸回りの位置決めを行う。それにより、正確なワイヤボンディングが可能となる。その後、Ｏリング３０を配置する。
【００４６】
次に、ハウジング１０に回路基板４０を接着などにより組み付け固定する。その後、センサチップ２３と回路基板４０のパッド４３とをワイヤボンディングすることにより結線する。そして、図示しないが、回路基板４０上においてＩＣパッケージ４１の接続部やワイヤ５０の接続部を保護するためにゲルを塗布し硬化させる。
【００４７】
その後、カバー６０を組み付け、さらにリードピン４４を回路基板４０にはんだ付けする。こうして上記圧力センサ装置Ｓ１が完成する。
【００４８】
ところで、本実施形態によれば、上述したように、ハウジング１０の貫通穴１１においてシール部材としてのＯリング３０が設けられる部位の径Ｄ２がステム１０の圧入部の径Ｄ１よりも大きくなっている。そのため、ステム２０を貫通穴１１へ圧入していく際に、貫通穴１１におけるＯリング３０の配置部の内面とステム２０の外面との強い擦れを防止できる。
【００４９】
よって、本実施形態によれば、ハウジング１０の貫通穴１１にステム２０を圧入固定するとともに貫通穴１１にＯリング３０を配置するようにした圧力センサ装置Ｓ１において、ステム２０を貫通穴１１へ圧入する際に、貫通穴１１におけるＯリング３０の配置部分の内面が傷つくのを防止することができる。
【００５０】
その結果、弾性材からなるＯリング３０の傷付きを防止でき、Ｏリング３０の耐久性を適切に確保することができるため、信頼性の高い圧力センサ装置Ｓ１を実現することができる。
【００５１】
また、上述したように、貫通穴１１におけるステム２０の圧入部の形状と、Ｏリング３０が設けられる部位の形状とは、同心円の関係となっていることが好ましい。
【００５２】
それによれば、Ｏリング３０の中心軸とステム２０の中心軸とが実質的に同軸となるので、Ｏリング３０とステム２０の他端側の端面２２ａとの間の位置合わせが容易になる。
【００５３】
また、本実施形態の圧力センサ装置Ｓ１によれば、複数個の圧力センサすなわち複数個のステム２０を一つのハウジング１０に固定しユニット化した構成とすることによって、次に示すような各種の効果等を発揮することができる。
【００５４】
各ステム２０はその開口部２２から圧力を導入しこの圧力をダイアフラム２１で受圧して歪みージ部としてのセンサチップ２３にてセンシングするという１個のセンサとして機能する。そして、複数個のステム２０がハウジング１０によって一体化、すなわちパッケージ化されることにより、このハウジング１０を介して被測定部材Ｋ１に装着可能となる。
【００５５】
よって、あるステム２０が故障したとしても、ハウジング１０を被測定部材Ｋ１から取り外して交換すれば良く、従来のように被測定部材Ｋ１ごと取り替える必要はなくなる。
【００５６】
また、単純にハウジングに複数個のセンサを取り付けた場合、各部のシール構成が複雑化するなどの問題となるが、本実施形態では、各ステム２０と被測定部材Ｋ１との間にシール部材としてのＯリング３０を設けるだけでシール性を確保できる。つまり、被測定部材Ｋ１からの圧力はステム２０の開口部２２から導入されるが、この圧力導入部分はＯリング３０にてシールされており圧力の漏れはない。
【００５７】
また、ステム２０の他端側の端面２２ａをハウジング１０の他面よりも奥まって貫通穴１１の内部に位置させることで、空いたスペースにＯリング３０を設けている。そのため、Ｏリング３０を貫通穴１１内に保持することができ、Ｏリング３０の取り扱い性に優れる。
【００５８】
さらに、装置Ｓ１側すなわちハウジング１０にＯリング３０を保持できるため、被測定部材Ｋ１側にＯリング３０を保持するための溝などを設けるといった手間が不要となる。
【００５９】
また、装置Ｓ１側のシール面は、ハウジング１０の他面よりも奥まって位置するステム２０の他端側の端面２２ａである。そのため、シール面２２ａが傷つくのを防止できるとともに、ハウジング１０にシール面を持たせることが不要となり、ハウジング１０の材質や加工などの面で制約を低減することができる。
【００６０】
このように、本圧力センサ装置Ｓ１によれば、単純に複数個の圧力センサすなわちステム２０をユニット化しただけでなく、上記した種々の効果を有するものとなる。そのため、本実施形態によれば、複数個のステム２０をユニット化して被測定部材Ｋ１への取り付けを適切に行えるような圧力センサ装置Ｓ１を提供することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、個々のステム２０における一端側の外面すなわち小径部２６の外面と貫通穴１１の内面との間には隙間１３が設けられている。ダイアフラム２１および歪みゲージ部としてのセンサチップ２３はステム２０におけるセンシング部を構成し、センサ特性を決定する部位である。
【００６２】
本実施形態では、ステム２０のセンシング部がハウジング１０と非接触状態にできるため、ステム２０とハウジング１０との熱膨張係数の差などによる応力が当該センシング部に加わるのを抑制できる。そのため、良好なセンサ特性を確保できる。
【００６３】
また、上述したように、ステム２０を貫通穴１１に圧入すると互いの段差部１１ａ、２５で当たってステム２０が止まり、ステム２０の軸方向の位置決めがなされる。そのとき、ステム２０がハウジング１０を削り、その削りかすが互いの段差部１１ａ、２５の間に溜まり、溜まった削りかすの厚みによってステム２０の軸方向の位置がばらつく可能性がある。
【００６４】
その点、本実施形態では、ステム２０の段差部２５の角部に面取りを施すことにより、貫通穴１１とステム１０の面取り部２５ａとの間に上記削りかすを溜めるスペースが形成され、ステム２０の位置決めに有利である。
【００６５】
また、本実施形態では、ハウジング１０はダイカスト加工により成形されたものにできる。上述したように、ステム２０にシール面があるためハウジング１０にはシール面を持たせることが不要となる。すなわちシール面を持つ場合に必要な平坦性や気密性といった制約がハウジング１０には不要となる。そのため、安価なダイカスト加工にてハウジング１０を形成することができる。
【００６６】
また、本実施形態では、ハウジング１０において、その周辺部および貫通穴１１の周囲を除く部位が他の部位よりも肉薄となっている。もし、ハウジング１０を全体が均一な肉厚であるものとした場合、反りなどが発生しやすいが、本実施形態によれば、そのような反りを防止し強度を向上させたハウジング１０を実現できる。また、必要な部位のみを肉厚とし、それ以外を肉薄とすることでハウジング１０の軽量化が図れる。
【００６７】
また、本実施形態では、複数個の貫通穴１１を千鳥形状に配置しているため、複数個の貫通穴１１を面積的に効率良く配置することができ、圧力センサ装置Ｓ１の小型化に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサ装置の全体概略断面図である。
【図２】図１の圧力センサ装置におけるカバーを取り除いた状態の上視図である。
【図３】図１中のハウジング単体を示す断面図である。
【図４】図３の上視平面図である。
【図５】図１中のステムの拡大断面図である。
【図６】図５の上視図である。
【図７】ステムの一部断面斜視図である。
【図８】ハウジングの貫通穴に対するステムの取付の様子を示す断面図である。
【図９】図１に示す圧力センサ装置におけるカバーをつけた状態を示す概略平面図である。
【図１０】本発明者が試作した試作品としての圧力センサ装置を被測定部材に取り付けた状態にて示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…ハウジング、１１…貫通穴、１３…隙間、２０…ステム、
２１…ダイアフラム、２２…開口部、２２ａ…ステムの他端側の端面、
２３…歪みゲージ部としてのセンサチップ、
２５…段差部、３０…シール部材としてのＯリング、
Ｄ１…貫通穴におけるステムの圧入部の径、
Ｄ２…貫通穴におけるＯリングが設けられる部位の径、Ｋ１…被測定部材。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure sensor device in which a stem having a diaphragm as a sensing unit is fixed to a through hole of a housing.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a pressure sensor device in which a stem having a diaphragm as a sensing unit is fixed in a through hole of a housing, a pressure sensor device in which the stem is inserted into the through hole and screwed and fixed is proposed ( For example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-272297 (page 5, FIG. 1-2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventor has developed a pressure sensor device of a type in which the stem is press-fitted into the through-hole of the housing and is fixed, instead of the above-described type in which the stem is screw-coupled to the through-hole of the housing, as an easy assembly. We proceeded and considered a prototype. FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of the prototype.
[0005]
The stem 20 has a metal hollow cylindrical shape having a diaphragm 21 on one end side and a strain gauge section 23 for detecting distortion of the diaphragm 21 and an opening 22 for introducing pressure to the diaphragm 21 on the other end side. Eggplant
[0006]
Here, the strain gauge portion 23 is a piezo pressure-sensitive element or the like having a diffusion resistance formed on a silicon substrate, and is fixed to the diaphragm 21 via an adhesive 24 such as low-melting glass.
[0007]
The housing 10 is formed by, for example, aluminum die casting, and has a through hole 11 penetrating from one surface side to the other surface side. The stem 20 is press-fitted and fixed to the through hole 11 such that the diaphragm 21 is exposed on one surface of the housing 10 and the opening 22 is exposed on the other surface of the housing 10.
[0008]
Here, the other end surface 22a of the stem 20 is located deeper than the other surface of the housing 10 inside the through hole 11, and the inside of the through hole 11 is located at the other end surface 22a of the stem 20. A seal member 30 made of an elastic material such as an O-ring is provided at an adjacent position.
[0009]
In such a pressure sensor device, when the stem 20 is mounted on the member to be measured K1 together with the housing 10, the gap between the member to be measured K1 and the end face 22a on the other end side of the stem 20 is sealed via the seal member 30. It has become so. Thus, the pressure P from the member to be measured K1 is applied from the opening 22 of the stem 20 to the back surface of the diaphragm 21 without leakage.
[0010]
By the way, in the above-mentioned prototype, when the stem 20 is inserted into the through hole 11 from the other end side of the housing 10, the inner surface of the through hole 11 and the outer surface of the stem 20 are formed by press-fitting. There is a problem that the inner surface of the through-hole 11 is scratched by the strong rubbing.
[0011]
In particular, if the inner surface of the portion of the through hole 11 where the seal member 30 is disposed is damaged, the damaged inner surface portion also damages the seal member 30 which is generally made of an elastic material. There is a risk of causing damage. As a result, the sealing performance of the pressure sensor device is deteriorated, which causes problems such as pressure leakage.
[0012]
In view of the above problems, the present invention provides a pressure sensor device in which a stem is press-fitted into a through-hole of a housing and a seal member is arranged in the through-hole. An object of the present invention is to prevent the inner surface of a portion where the seal member is disposed from being damaged.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a diaphragm (21) and a strain gauge (23) for detecting distortion of the diaphragm are provided at one end, and pressure is introduced to the diaphragm at the other end. And a housing (10) having a through hole (11) penetrating from one surface side to the other surface side. The stem is press-fitted and fixed so that the diaphragm side is exposed on one surface side and the opening side is exposed on the other surface side of the housing, and the other end surface (22a) of the stem is smaller than the other surface of the housing. The seal member (30) is provided at a position adjacent to the other end face of the stem inside the through hole. Diameter (D ) Is smaller than the diameter (D2) of the portion where the sealing member is provided, and when the stem is mounted on the member to be measured (K1) together with the housing, the other end of the member to be measured and the other end of the stem via the sealing member. It is characterized in that the space between the side end surface (22a) is sealed.
[0014]
According to this, since the diameter (D2) of the portion where the seal member (30) is provided in the through hole (11) is larger than the diameter (D1) of the press-fit portion of the stem, the stem (20) is inserted into the through hole. At the time of press-fitting, strong rubbing between the inner surface of the seal member arrangement portion and the outer surface of the stem in the through hole can be prevented.
[0015]
Therefore, according to the present invention, in a pressure sensor device in which a stem is press-fitted into a through-hole of a housing and a seal member is arranged in the through-hole, when the stem is press-fitted into the through-hole, the seal member in the through-hole is formed. Can be prevented from being damaged.
[0016]
Here, as in the second aspect of the invention, the shape of the press-fit portion of the stem in the through hole (11) and the shape of the portion where the seal member (30) is provided have a concentric relationship. Can be.
[0017]
According to this, since the central axis of the seal member (30) and the central axis of the stem (20) are substantially coaxial, the alignment between the seal member and the end face (22a) on the other end side of the stem is achieved. It will be easier.
[0018]
It should be noted that reference numerals in parentheses of the above-described units are examples showing the correspondence with specific units described in the embodiments described later.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention shown in the drawings will be described. FIG. 1 is an overall schematic cross-sectional view of a pressure sensor device S1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 when viewed from above, with a cover 60 removed. 3 is a sectional view in the thickness direction showing the housing 10 alone in FIG. 1, and FIG. 4 is a plan view of FIG.
[0020]
The pressure sensor device S1 is applied to an electronic brake control system of an automobile, and detects a brake oil pressure and the like. The pressure sensor device S1 includes a plate-shaped housing 10 formed of metal, resin, or the like, and the housing 10 is formed by aluminum die casting in this example.
[0021]
As shown in FIGS. 3 and 4, the housing 10 has a plurality of through holes 11 penetrating from one surface (upper surface in FIG. 3) to the other surface (lower surface in FIG. 3). The housing 10 is mounted on the actuator K1 (see FIG. 5), which is a member to be measured, on the other surface side.
[0022]
A positioning pin 10a made of resin or the like is formed on the other surface side of the housing 10, and the positioning pin 10a is inserted into a hole provided in the member to be measured. The housing 10 is adapted to be screw-coupled to the actuator K1 by a screw hole 12 formed in a peripheral portion thereof.
[0023]
In this example, seven through holes 11 of the housing 10 are formed, and are arranged in a staggered manner as shown in FIGS. As shown in FIG. 4, in the housing 10, a portion excluding the peripheral portion and the periphery of the through hole 11 is a thin portion 10 b which is thinner than other portions. For example, on one surface (upper surface in FIG. 3) of the housing 10, the surface of the thin portion 10b and the surface of the thick portion have a step of about 2 mm or more.
[0024]
A metal stem 20 as a sensing unit is inserted and fixed in each through hole 11. FIG. 5 is an enlarged sectional view of the stem 20. 6 is a view of the stem 20 viewed from the diaphragm 21 side, that is, a top view of FIG. 5, and FIG. 7 is a perspective view showing a cross section of the stem 20 along the axial direction.
[0025]
As shown in FIGS. 5 to 7, the stem 20 has a hollow cylindrical shape with a bottom. Specifically, the metal material constituting the stem 20 is mainly Fe, Ni, Co or Fe, Ni, and depending on the required strength, a material to which Ti, Nb, Al or Ti, Nb is added as a precipitation strengthening material. Can be selected and formed.
[0026]
The stem 20 has a diaphragm 21 on one end side, that is, a bottom side, which can be distorted by application of pressure, and an opening 22 for introducing pressure to the diaphragm 21 on the other end side. On the surface of the diaphragm 21, a rectangular plate-shaped sensor chip 23 made of a semiconductor substrate such as a silicon substrate is fixed via an adhesive 24 such as low-melting glass.
[0027]
The sensor chip 23 is configured as a strain gage for detecting the distortion when the diaphragm 21 is distorted. For example, a diffusion resistor is formed on a silicon substrate, and a bridge circuit such as a full bridge or a half bridge is formed by the diffusion resistor, so that an electric signal based on the distortion of the diaphragm 21 can be output. In addition, as shown in FIG. 6, a visible mark 23 a for positioning the stem 20 around the axis is formed on the sensor chip 23.
[0028]
As shown in FIG. 5, the diaphragm 21 of the stem 20 and the sensor chip 23 protrude from the through hole 11 and are exposed on one side of the housing 10. On the other hand, the opening 22 side of the stem 20 is exposed on the other surface side of the housing 10. However, the end face 22 a on the other end side of the stem 20, that is, the edge 22 a of the opening 22 is located deeper than the other face of the housing 10 inside the through hole 11.
[0029]
Thus, the cylindrical stem 20 is inserted into the through hole 11 along the axial direction (longitudinal direction). The stem 20 has a step 25 on the outer surface. Through the step 25, the diaphragm 21 side (one end side) becomes a small diameter section 26, and the opening 22 side (the other end side) becomes a large diameter section 27. I have. Here, as shown in FIG. 5 and FIG. 7, the corner of the step 25 is chamfered to form a chamfer 25a.
[0030]
The inner surface of the through hole 11 has a stepped shape corresponding to the outer shape of the stem 20. That is, the through hole 11 is a round hole as a stepped inner hole, and the stem 20 is fixed to the housing 10 by being pressed into the through hole 11 at the large diameter portion 27. The attachment of the stem 20 to the through hole 11 is performed as shown in FIG.
[0031]
As shown in FIG. 8, the diaphragm 21 side of the stem 20 is inserted into the through hole 11 from the other surface side of the housing 10. Then, the step 25 of the stem 20 comes into contact with the step 11a of the through hole 11, and the positioning is performed. The size of the step 25 in the stem 20 is such that the difference between the diameter of the small diameter portion 26 and the diameter of the large diameter portion 27 is 1 mm or more.
[0032]
Further, as shown in detail in FIG. 5, a gap 13 is provided between the outer surface of the individual stem 20 on the diaphragm 21 side (one end side), that is, the outer surface of the small diameter portion 26 and the inner surface of the through hole 11. The size of the gap 13 can be, for example, 0.2 mm or more.
[0033]
A seal member 30 is provided inside the through hole 11 at a position adjacent to the end face 22 a on the other end side (opening 22 side) of the stem 20. As the sealing member 30, a member having elasticity and excellent airtightness can be used. In this example, an O-ring 30 made of rubber or the like is used as the seal member 30. The O-ring 30 is disposed after the stem 20 is press-fitted into the through hole 11 as shown in FIG.
[0034]
Then, as shown in FIG. 5, when the plurality of stems 20 are mounted on the member to be measured K1 together with the housing 10, the member between the member to be measured K1 and the end face 22 a on the other end side of the stem 20 via the O-ring 30. The space is sealed. Thus, the pressure P from the member to be measured K1 is applied from the opening 22 of the stem 20 to the back surface of the diaphragm 21 without leakage.
[0035]
Here, as shown in FIG. 5, the diameter D1 of the press-fit portion of the stem 20 in the through hole 11 is smaller than the diameter D2 of the portion where the O-ring 30 is provided. In FIG. 5 and FIG. 1, etc., this difference in hole diameter is deformed and shown. Specifically, the diameter D2 of the portion where the O-ring 30 is provided is several tens of times larger than the diameter D1 of the press-fit portion of the stem 20. It is about μm to several hundred μm.
[0036]
Further, it is preferable that a circle formed by the diameter D1 of the press-fit portion of the stem 20 in the through hole 11 and a circle formed by the diameter D2 of the portion where the O-ring 30 is provided have a concentric relationship.
[0037]
As shown in FIGS. 1 and 2, a circuit board (in this example) for performing signal processing such as amplifying or adjusting a signal output from the sensor chip 23 of the stem 20 is provided on one surface of the housing 10. , A printed circuit board) 40 is mounted and fixed to the housing 10.
[0038]
On the circuit board 40, an IC package 41 for signal processing, a capacitor 42, and the like are mounted. Then, as shown in FIG. 2, the sensor chip 23 of the stem 20 is connected to and electrically connected to the pad 43 of the circuit board 40 by a wire 50 formed by wire bonding or the like. In FIG. 1, the wire 50 is omitted.
[0039]
Here, the circuit board 40 and the housing 10 are fixed with an adhesive (not shown). It is preferable that this adhesive is always present immediately below the pads 43 on the circuit board 40. This is to sufficiently fix the portion of the pad 43 on the circuit board 40 and reliably transmit the ultrasonic power of the wire bonding to the wire 50.
[0040]
In addition, the adhesive for fixing the circuit board 40 and the housing 10 may flow into the gap 13 between the stem 20 and the through hole 11. When the adhesive flows into the gap 13, if the Young's modulus of the adhesive is high, a stress that cannot be ignored in the sensor characteristics of the diaphragm 21 may be generated. Therefore, according to the study by the present inventors, the Young's modulus of the adhesive is preferably 100 MPa or less.
[0041]
Further, as shown in FIG. 2, lead pins 44 for connection to the outside are electrically and mechanically connected to the periphery of the circuit board 40 by solder 45 or the like. Thus, the electric signal from the sensor chip 23 is processed by the circuit board 40 and output to the outside via the lead pin 44.
[0042]
As shown in FIG. 1, the upper surface of the circuit board 40 is covered with a cover 60 made of a resin such as polybutylene terephthalate (PBT) to provide mechanical protection. The cover 60 is fixed to the housing 10 by press-fitting, bonding, or the like. FIG. 9 is a schematic plan view showing a state covered with a cover 60.
[0043]
Here, as shown in FIGS. 1 and 9, the lead pin 44 is bent at an intermediate portion, overlaps the cover 60, and is disposed close to the cover 60. Thereby, when the lead pin 44 is bent by receiving a pressing force from above in FIG. 1, the lead pin 44 hits and is supported by the cover 60. Therefore, excessive deformation of the lead pin 44 can be prevented, and breakage of the solder joint of the lead pin 44 can be prevented.
[0044]
Such a pressure sensor device S1 is manufactured, for example, as follows. An adhesive 24 made of low-melting glass is printed on a hollow cylindrical stem 20 formed by cutting, pressing, or the like, and calcined. Then, the sensor chip 23 formed by a semiconductor manufacturing process or the like is assembled on the adhesive 24, and the sensor chip 23 is fixed to the stem 20 by firing.
[0045]
Next, as shown in FIG. 8, the stem 20 is press-fitted into each through-hole 11 of the housing 10 formed by aluminum die-casting and fixed. At this time, the stem 20 is positioned around the axis while confirming the mark 23a of the sensor chip 23 shown in FIG. 6 by image recognition or the like. This enables accurate wire bonding. After that, the O-ring 30 is arranged.
[0046]
Next, the circuit board 40 is assembled and fixed to the housing 10 by bonding or the like. Thereafter, the sensor chip 23 and the pad 43 of the circuit board 40 are connected by wire bonding. Then, although not shown, a gel is applied and cured on the circuit board 40 to protect the connection portion of the IC package 41 and the connection portion of the wire 50.
[0047]
Thereafter, the cover 60 is assembled, and the lead pins 44 are soldered to the circuit board 40. Thus, the pressure sensor device S1 is completed.
[0048]
By the way, according to the present embodiment, as described above, the diameter D2 of the portion where the O-ring 30 as the seal member is provided in the through hole 11 of the housing 10 is larger than the diameter D1 of the press-fit portion of the stem 10. . Therefore, when the stem 20 is pressed into the through-hole 11, strong rubbing between the inner surface of the through-hole 11 where the O-ring 30 is disposed and the outer surface of the stem 20 can be prevented.
[0049]
Therefore, according to the present embodiment, in the pressure sensor device S1 in which the stem 20 is press-fitted and fixed in the through hole 11 of the housing 10 and the O-ring 30 is disposed in the through hole 11, the stem 20 is press-fitted into the through hole 11. In doing so, it is possible to prevent the inner surface of the portion where the O-ring 30 is disposed in the through hole 11 from being damaged.
[0050]
As a result, the O-ring 30 made of an elastic material can be prevented from being damaged and the durability of the O-ring 30 can be appropriately secured, so that a highly reliable pressure sensor device S1 can be realized.
[0051]
Further, as described above, it is preferable that the shape of the press-fit portion of the stem 20 in the through hole 11 and the shape of the portion where the O-ring 30 is provided have a concentric relationship.
[0052]
According to this, since the central axis of the O-ring 30 and the central axis of the stem 20 are substantially coaxial, the alignment between the O-ring 30 and the end face 22a on the other end side of the stem 20 is facilitated.
[0053]
Further, according to the pressure sensor device S1 of the present embodiment, a plurality of pressure sensors, that is, a plurality of stems 20 are fixed to one housing 10 to form a unit, so that the following various effects can be obtained. Etc. can be exhibited.
[0054]
Each stem 20 functions as a single sensor that introduces pressure from its opening 22, receives this pressure with the diaphragm 21, and senses it with the sensor chip 23 as a strain gauge. Then, the plurality of stems 20 are integrated, that is, packaged, by the housing 10, so that the stem 20 can be mounted on the member to be measured K1 via the housing 10.
[0055]
Therefore, even if a certain stem 20 breaks down, the housing 10 may be removed from the member to be measured K1 and replaced, and there is no need to replace the member to be measured K1 as in the related art.
[0056]
In addition, when a plurality of sensors are simply attached to the housing, there is a problem that a sealing configuration of each part becomes complicated, but in the present embodiment, a sealing member is provided between each stem 20 and the member to be measured K1. Only by providing the O-ring 30, the sealing performance can be ensured. In other words, the pressure from the member to be measured K1 is introduced through the opening 22 of the stem 20, but this pressure introduction part is sealed by the O-ring 30 and there is no pressure leakage.
[0057]
The O-ring 30 is provided in the empty space by locating the end surface 22a on the other end side of the stem 20 deeper than the other surface of the housing 10 and inside the through hole 11. Therefore, the O-ring 30 can be held in the through hole 11, and the O-ring 30 can be easily handled.
[0058]
Further, since the O-ring 30 can be held on the device S1 side, that is, on the housing 10, it is not necessary to provide a groove or the like for holding the O-ring 30 on the measured member K1 side.
[0059]
Further, the sealing surface on the device S1 side is an end surface 22a on the other end side of the stem 20 positioned deeper than the other surface of the housing 10. Therefore, it is possible to prevent the sealing surface 22a from being damaged, and it is not necessary to provide the housing 10 with a sealing surface, so that restrictions on the material and processing of the housing 10 can be reduced.
[0060]
As described above, according to the present pressure sensor device S1, not only the plurality of pressure sensors, that is, the stems 20 are simply unitized, but also the various effects described above are obtained. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide the pressure sensor device S1 in which the plurality of stems 20 are unitized and can be appropriately attached to the member to be measured K1.
[0061]
In the present embodiment, the gap 13 is provided between the outer surface of one end of each stem 20, that is, the outer surface of the small diameter portion 26 and the inner surface of the through hole 11. The diaphragm 21 and the sensor chip 23 as a strain gauge part constitute a sensing part in the stem 20 and are parts that determine sensor characteristics.
[0062]
In the present embodiment, since the sensing portion of the stem 20 can be brought into a non-contact state with the housing 10, it is possible to suppress a stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the stem 20 and the housing 10 from being applied to the sensing portion. Therefore, good sensor characteristics can be secured.
[0063]
Further, as described above, when the stem 20 is press-fitted into the through-hole 11, the stem 20 stops at the step portions 11a and 25, and the stem 20 is positioned in the axial direction. At this time, the stem 20 scrapes the housing 10, and the shavings are accumulated between the step portions 11a and 25, and the axial position of the stem 20 may vary depending on the thickness of the accumulated shavings.
[0064]
In this regard, in the present embodiment, by chamfering the corners of the step portion 25 of the stem 20, a space is formed between the through-hole 11 and the chamfered portion 25a of the stem 10 for storing the shavings. This is advantageous for positioning.
[0065]
Further, in the present embodiment, the housing 10 can be formed by die casting. As described above, since the stem 20 has the sealing surface, the housing 10 does not need to have the sealing surface. That is, there is no need for the housing 10 to have restrictions such as flatness and airtightness required when the housing 10 has a sealing surface. Therefore, the housing 10 can be formed by inexpensive die casting.
[0066]
In the present embodiment, the portion of the housing 10 other than the peripheral portion and the periphery of the through hole 11 is thinner than other portions. If the entire housing 10 has a uniform thickness, warpage or the like is likely to occur, but according to the present embodiment, the housing 10 that prevents such warpage and has improved strength can be realized. . In addition, by making only necessary portions thick, and by thinning the other portions, the weight of the housing 10 can be reduced.
[0067]
Further, in the present embodiment, since the plurality of through holes 11 are arranged in a staggered manner, the plurality of through holes 11 can be efficiently arranged in area, which is advantageous for downsizing the pressure sensor device S1. It is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic sectional view of a pressure sensor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a top view of the pressure sensor device of FIG. 1 with a cover removed.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a housing alone in FIG. 1;
4 is a top plan view of FIG. 3;
FIG. 5 is an enlarged sectional view of a stem in FIG. 1;
FIG. 6 is a top view of FIG. 5;
FIG. 7 is a partially sectional perspective view of a stem.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing how a stem is attached to a through hole of a housing.
FIG. 9 is a schematic plan view showing a state where a cover is attached to the pressure sensor device shown in FIG.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a pressure sensor device as a prototype manufactured by the inventor is mounted on a member to be measured.
[Explanation of symbols]
10 ... housing, 11 ... through hole, 13 ... gap, 20 ... stem,
21: diaphragm, 22: opening, 22a: end face on the other end side of the stem,
23 ... Sensor chip as strain gauge part
25: stepped portion, 30: O-ring as seal member,
D1: diameter of press-fit portion of stem in through hole,
D2: diameter of a portion of the through hole where the O-ring is provided, K1: member to be measured.

Claims

A hollow cylindrical stem having a diaphragm (21) at one end and a strain gauge portion (23) for detecting distortion of the diaphragm, and an opening (22) at the other end for introducing pressure to the diaphragm. (20),
A housing (10) having a through hole (11) penetrating from one surface side to the other surface side,
In the through hole, the stem is press-fitted and fixed such that the diaphragm side is exposed on one surface side of the housing and the opening side is exposed on the other surface side of the housing,
An end surface (22a) on the other end side of the stem is located inside the through hole so as to be deeper than the other surface of the housing;
A seal member (30) is provided inside the through hole at a position adjacent to an end surface on the other end side of the stem,
The diameter (D1) of the press-fit portion of the stem in the through hole is smaller than the diameter (D2) of a portion where the seal member is provided,
When the stem is mounted on the member to be measured (K1) together with the housing, the gap between the member to be measured and the other end surface (22a) of the stem is sealed via the sealing member. A pressure sensor device characterized in that:

The pressure according to claim 1, wherein the shape of the press-fit portion of the stem in the through hole (11) and the shape of a portion where the seal member (30) is provided have a concentric relationship. Sensor device.