JP2004504593A - 高圧センサ、該高圧センサを製作するための方法および工具 - Google Patents

Abstract

高圧センサは、変形体（１）と、この変形体（１）に溶接シームによって結合された管片（２）とを有している。変形体（１）は円錐台形の周面区分（８）を有している。この周面区分（８）を介して溶接電流が供給可能となる。これによって、変形体（１）と圧力管片（２）とを同時に互いに近づく方向に押圧したまま両部材が互いに溶接される。このために適切な溶接電極（１６）はカップ状に形成されていて、カップの内側で軸方向に変位可能な、ばね負荷された非導電性の挿入体（１７）を備えて形成されている。

Description

【０００１】
本発明は、高圧センサならびに該高圧センサを製作するための方法および工具に関する。
【０００２】
背景技術
高圧センサは自動車産業の数多くの分野に使用される。高圧センサは、たとえば噴射システム、アンチロックブレーキシステム、ビークルスタビリティコントロールおよびその他の多数の分野に使用される。
【０００３】
慣用の高圧センサは、基板とも呼ばれる変形体を有している。この変形体には、薄膜テクノロジにおいて、たとえば酸化ケイ素から成る絶縁体と、たとえばポリシリコン（多結晶シリコン）またはＮｉＣｒから成る構造化された機能層とによって形成された層システムと、コンタクト形成層と、不動態化層とが被着されている。機能層を介して、変形体のダイヤフラムの機械的な変形が電気信号に変換される。
【０００４】
次いで、完全な高圧センサを形成するために、変形体と、被着された薄膜とから成るセンサが圧力管片および射出成形ハウジングと共にまとめられる。この射出成形ハウジングはコンタクト形成部を備えていて、場合によっては、評価電子装置を装備している。
【０００５】
高圧センサの製作時の問題となるステップは圧力管片と変形体との接合である。この結合部は、一方では、圧力管片を介して変形体に接近する圧力媒体が溶接シームの非シール性に基づき逃出しないように絶対的に密でなければならない。さらに、この結合部は、溶接過程によって生ぜしめられた変形体の内部応力が変形体の測定信号を改竄しかつ／または大量生産された圧力センサの感度および応答特性の、コントロール不能なばらつきを招かないように、可能な限り応力なしに形成されていなければならない。
【０００６】
現在、圧力管片と変形体との溶接のためには、主として、電子ビーム溶接法が使用される。この方法は比較的手間がかかる。なぜならば、電子ビーム溶接法は真空中で実施されなければならず、個々の各高圧センサにおいて、閉じられた溶接シームを形成するために、電子ビームが高圧センサの全周を巡ってガイドされなければならないので多くの加工時間を必要とするからである。さらに、この場合、１回の溶接過程の開始時および終了時の互いに異なる熱的な条件に基づき、応力が溶接シームの全周にわたって均一に分配されていないという問題が生ぜしめられる。さらに、電子ビーム溶接によって、時間と費用とをかけて除去されなければならない消耗（Ａｂｂｒａｎｄ）が生ぜしめられる
電子ビーム溶接に対する簡単で廉価な択一的な溶接は抵抗溶接であってもよい。しかし、この方法は、ワークへの溶接電流の通電のためにコンタクト面が必要となるという欠点を有している。このコンタクト面を介して、圧力が、溶接したい対象物に加えられる。また、供給された溶接電流によるコンタクト領域の過熱を阻止するためには、対象物の表面が過度に小さく形成されていてはならない。このようなコンタクト面を十分なサイズで提供するためには、変形体を側方で拡大することが必要となる。これによって、付与されたサイズの１つのウェーハから製造することができる、変形体に対する歩留りが減少させられる恐れがある。これによって、その都度共通して１回のコーティングプロセスで後続処理することもできる変形体の個数もより僅かとなるので、より簡単な１回の溶接法による組立て時に達成可能となるコスト削減が変形体の製作時の多大な手間によってもはや無理となってしまう。
【０００７】
発明の利点
本発明によって、廉価な抵抗溶接を変形体と圧力管片との間の結合にウェーハ面に対して僅かな消費で可能にする高圧センサ、該高圧センサを製作するための方法ならびに工具が提供される。特に従来の電子ビーム溶接ほど多くのウェーハ面が必要とされないようになっているかもしくは全周にわたって延びる１ｍｍの幅のつばを介した抵抗溶接よりもウェーハ面が少なくなっている。
【０００８】
この利点は、一方では、変形体と、該変形体に溶接シームによって結合された管片とを備えた高圧センサにおいて、変形体が、円錐台形の周面区分を有しており、該周面区分を介して溶接電流が、変形体に導入されるようになっていることによって達成される。
【０００９】
このような円錐台形の周面区分は圧力管片から離れる方向で先細りにすることができるので、周面区分に対して相補的に成形された、溶接電流を導入するための電極を円錐台形の周面区分に直接載置することができる。
【００１０】
円錐台形の周面区分が、圧力管片に向かって先細りになっていると特に有利である。このことは、確かに変形体への電極の直接的な載置を許容していないが、その代わりに、電流を電極からまずコンタクトリングに通電することができ、このコンタクトリングから、これに接触する円錐台形の周面区分を介して変形体に通電することができる。コンタクトリングは、高圧センサの構成に応じて、この高圧センサに残されてもよいし、溶接過程の終了後に除去されてもよい。
【００１１】
変形体が、全周にわたって延びるつばを有していると有利である。このつばによって、変形体の製作の途中の変形体の操作が簡単となる。このような事例では、円錐台形の周面区分が、つばと溶接シームとの間にスペースを節約して配置されていると有利である。つばの幅が、０．２５〜０．４ｍｍに寸法設定されていると有利である。このつばは操作のためにしか使用されず、溶接電流の通電のためには、つばは使用されないようになっている。
【００１２】
過熱および場合によっては変形体へのコンタクトリングの望ましくない溶着を回避するためには、円錐台形の周面区分の表面が、溶接シームの横断面よりも大きく設定されていると有利である。
【００１３】
コンタクトリングが、圧力管片に対して導電的に直接接続されることなしに円錐台形の区分に配置されていると有利であり、これによって、コンタクトリングを介して供給された溶接電流が、変形体と圧力管片との間の、溶接シームを形成したいコンタクト領域を通って完全に通電しなければならない。
【００１４】
溶接シームでの材料の溶融によって、変形体とコンタクトリングとが溶接時に下方に移動させられる。この移動時に、電極を押圧するための規定された逆圧をコンタクトリングに加えるためには、ばねリングが、コンタクトリングの、溶接シームに面した側に配置されていると有利である。ばねリングが、非導電性の弾性的な材料、たとえば硬質ゴムから成っていると有利である。
【００１５】
上述したような高圧センサの製作時には、変形体と管片とが互いに近づく方向に押圧され、溶接電流が、コンタクトリングから変形体を通って管片に通電され、これによって、溶接シームが、変形体と管片との間に形成される。こうして、溶接シームが管片のもしくは変形体の全周に同時に形成される。すなわち、溶接シームの形成時の熱的な条件は全周で同一である。したがって、溶接後に残る、管片と変形体との間の残留応力を電子ビーム溶接に比べて少なく保つことができる。これによって、この方法に基づき製作されたセンサの精度が改善され、センサの特性のばらつきが減少させられる。
【００１６】
この場合、溶接電流をコンタクトリングに供給するために、溶接電極が、変形体に対するコンタクトなしにコンタクトリングに載置されると有利である。したがって、溶接電極は大きな圧力をコンタクトリングに加えることができ、したがって、加えられた圧力によって変形体に損傷が与えられる危険なしに、電極とコンタクトリングとの間の電気的な移行抵抗を少なく保つことができる。
【００１７】
電極と変形体との間の間接的な導電を確実に排除するためには、溶接電流の供給前に絶縁性のエプロンが、変形体の外側の周面と、変形体を環状に取り囲む溶接電極との間に導入されると有利である。
【００１８】
管片に対する変形体の、溶接のために必要となる圧力を加えるためには、溶接電極の、非導電性の挿入体が設けられていると有利である。変形体の、敏感な薄膜システムを保護するためには、挿入体が、前記力を変形体の半径方向外側の領域、有利には変形体のつばに加えている。
【００１９】
挿入体がばね負荷されていると有利である。
【００２０】
本発明の別の特徴および利点は、添付の図面につき説明する以下の実施例の説明から得られる。
【００２１】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２２】
図１に例示した高圧センサは圧力管片２を有している。この圧力管片２は図示の端部に、全周にわたって延びる複数のリブ３を支持している。これらのリブ３によって圧力管片２は、射出成形により一体に成形されたハウジング４内にアンカ固定されている。
【００２３】
このハウジング４は、図面では上側に位置する、圧力管片２とは反対の側の裏面に凹設部５を有している。この凹設部５の底部には、硬質ゴムから成るばねリング６が配置されている。このばねリング６には、良導電性の軟質の金属から成るコンタクトリング７が位置している。このコンタクトリング７は、たとえば銅、有利には軟化焼なましされた銅、アルミニウム、スズ、鉛またはこれに類するものから成っていてよく、場合によっては、コンタクトを改善する電気的な貴金属コーティングを伴っている。コンタクトリング７は円錐台形の内側の周面を有している。この周面は、変形体１の、相補的に成形された円錐台形の周面区分８に接触している。
【００２４】
変形体１は、完成した高圧センサにおいて圧力管片２を介して供給することができる圧力の作用下で変形可能である肉薄の底部９と、全周にわたって延びる壁１０とを備えた反転されたカップまたは坩堝の形を有している。壁１０の厚さは底部９の厚さに比べて大きく寸法設定されている。なぜならば、壁１０には溝（図示せず）が設けられているからである。この溝は変形体１の回動防止手段として働くようになっている。
【００２５】
円錐台形の周面区分８は、変形体１の、全周にわたって延びるつば１１と、圧力管片２に突き合わされた下側の縁部１２との間の側壁１０に配置されている。半径方向でのつば１１の幅は約０．５ｍｍに寸法設定されている。円錐の開き角αは約１０゜に設定されている。
【００２６】
変形体１の底部９は層システム（図示せず）を支持している。この層システムは薄膜技術で形成されていて、絶縁層と、底部９の変形によって可変となる電気的な特性を備えた構造化された機能層と、不動態化層と、コンタクト形成域とを有している。
【００２７】
ハウジング４は、一体に成形された差込みコネクタ１３を有している。この差込みコネクタ１３はコンタクトピン１４を備えている。このコンタクトピン１４はその長さの一部でハウジング４のプラスチック材料の射出成形によって、このプラスチック材料により取り囲まれていて、一方の端部１５で凹設部５内に開口している。これによって、そこでは、端部１５が製作の後続のステップで機能層のコンタクト形成域に接続されるようになっている。
【００２８】
凹設部５の上方には電極１６が図示してある。この電極１６によって溶接シームを変形体１と圧力管片２との間に縁部１２の領域で形成することができる。電極１６は主としてカップ２０の形を有している。このカップ２０は、（ここでは円錐形に先細りになる）底部に続く、良導電性の金属から成る軸部と、カップ２０の内側に配置された電気的に絶縁性の挿入体１７とを備えている。ねじ１８は挿入体１７の孔を通って延びていて、電極１６のカップ２０の底部領域に設けられたねじ山付き孔１９に係合している。ねじ１８を取り囲むように配置された強力なコイルばね２４は挿入体１７に下向きの力を加えていて、したがって、挿入体１７をコイルばね２４自身とねじ１８の頭部との間に緊締した状態で保持している。
【００２９】
挿入体１７は、主として、強力なベースプレート２１と、このベースプレート２１の外側の周面に配置された環状の区分２２と、この環状の区分２２を下方に延長する肉薄のエプロン２３とを有している。
【００３０】
図２には、電極１６がハウジング４の凹設部５内に係合した状態で示してある。電極１６のカップ２０の外径は、僅かな遊びを備えて凹設部５の内径に相当しており、これによって、電極１６が凹設部５内に導入可能となる。図１に示した位置からの電極１６の降下時には、まず環状の区分２２の下側の縁部がつば１１に位置するようになる。この場合、エプロン２３がつば１１を環状に取り囲んでいる。したがって、電極１６と変形体１との間の導電的なコンタクトがエプロン２３によって阻止される。
【００３１】
図２に示した位置に電極１６がさらに降下するにつれて、コイルばね２４が圧縮され、このコイルばね２４の力が挿入体１７を介してつば１１に伝達され、そこから、コンタクトリング７に接触している円錐台形の周面区分８に伝達される。さらに、電極１６のカップ２０の下側の縁部がコンタクトリング７に接触している場合には、溶接電流が電極１６からコンタクトリング７と変形体１の側壁１０とを通って圧力管片２に通電することができる。
【００３２】
コンタクトリング７の直径もしくは電極１６に対するコンタクトリング７のコンタクト横断面は大まかに寸法設定されてよい。コンタクトリング７に対する電極１６の溶着または電極１６の消耗は確実に回避することができる。これによって、本発明による高圧センサの製作時には、さほど多大な費用がかからないようになっている。その代わりに、溶接電流が直接電極１６から変形体１に供給されなければならないような場合には、これによって、コンタクトリング７の横断面の増加が必要となる。この増加は、ただ１つの基板から製造することができるかもしくはただ１回の薄膜プロセスでセンサ層システムを備えることができる変形体１の個数を減少させる恐れがある。このことは、個々の変形体１の製作を相応に高価にする恐れがある。
【００３３】
電極１６とコンタクトリング７との間の接触面と同じく、本発明による高圧センサでは、円錐台形の周面区分８の領域におけるコンタクトリング７と変形体１との間の接触面も、両部材の間の溶着を確実に阻止するために難なく十分に大きく寸法設定することができる。したがって、溶接電流の出力が主として変形体１と圧力管片２との間の移行部で減少することが保証されている。この移行部の横断面は電極１６とコンタクトリング７との間の接触面もしくはコンタクトリング７と変形体１との間の接触面よりも小さく寸法設定されている。
【００３４】
電極１６を押し付ける力は、圧縮されたばね２４の力によって変形体１が確実にコンタクトリング７に向かって押圧され、場合によっては、ばねリング６の僅かな変形下で変形体１の下側の縁部１２が圧力管片２に向かって押圧されるように規定されている。これに対して、電極１６のカップ２０の縁部から直接コンタクトリング７に伝達される力は小さく設定されているので、この力は、コンタクトリング７の円錐台形の面と変形体１との間のコンタクトに損傷を与える恐れがある、ばねリング６のさらなる圧縮を生ぜしめない。次いで、溶接電流が変形体１を通って通電されて、この変形体１を下側の縁部１２の領域で溶融させると、このことは、生ぜしめられた溶接シームの領域で変形体１を僅かに据え込み、これによって、弛緩されることをばね２４に可能にしている。これによって生ぜしめられた、ばねリング６の同時のさらなる圧縮下での変形体１の歪み運動が、電極１６のカップ２０とコンタクトリング７との間の導電的なコンタクトを終了させるので、溶接電流は、溶融が行われた後、自動的に遮断される。
【００３５】
択一的な構成では、剛性的に結合された非導電性の挿入体１７を備えた電極１６が使用されてもよい。しかし、この事例では、挿入体１７が過度に早く変形体１に衝突せず、したがって、電極１６のカップ２０とコンタクトリング７との間の電気的なコンタクトを阻止するかもしくは電極１６のカップ２０とコンタクトリング７との間の早すぎるコンタクトが、ばねリング６の圧縮歪みひいては場合によってはコンタクトリング７と円錐台形の周面区分８との間のコンタクトの損傷を生ぜしめないことを保証するために、挿入体１７と変形体１との寸法安定性に過酷な要求が課せられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】変形体と圧力管片との溶接前の圧力センサの断面図である。
【図２】図１に示した高圧センサの溶接時の状態を示す図である。
【符号の説明】
１　変形体、　２　圧力管片、　３　リブ、　４　ハウジング、　５　凹設部、　６　ばねリング、　７　コンタクトリング、　８　周面区分、　９　底部、　１０　壁、　１１　つば、　１２　縁部、　１３　差込みコネクタ、　１４　コンタクトピン、　１５　端部、　１６　電極、　１７　挿入体、　１８　ねじ、　１９　ねじ山付き孔、　２０　カップ、　２１　ベースプレート、　２２　区分、　２３　エプロン、　２４　コイルばね、　α　開き角

Claims (18)

1. 高圧センサであって、変形体（１）と、該変形体（１）に溶接シームによって結合された管片（２）とが設けられている形式のものにおいて、変形体（１）が、円錐台形の周面区分（８）を有していることを特徴とする、高圧センサ。
2. 円錐台形の周面区分（８）が、圧力管片（２）に向かって先細りになっている、請求項１記載の高圧センサ。
3. 円錐台形の周面区分（８）が、５〜２０゜の開き角（α）、有利には約１０゜の開き角（α）を有している、請求項１または２記載の高圧センサ。
4. 変形体（１）が、全周にわたって延びるつば（１１）を有しており、円錐台形の周面区分（８）が、つば（１１）と溶接シームとの間に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の高圧センサ。
5. つば（１１）が、０．２５〜０．７５ｍｍの幅、有利には０．４〜０．６ｍｍの幅を有している、請求項４記載の高圧センサ。
6. 円錐台形の周面区分（８）の表面が、溶接シームの横断面よりも大きく設定されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の高圧センサ。
7. 導電性のコンタクトリング（７）が、圧力管片（２）に対して導電的に直接接続されることなしに円錐台形の周面区分（８）に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の高圧センサ。
8. ばねリング（６）が、コンタクトリング（７）の、溶接シームに面した側に配置されている、請求項７記載の高圧センサ。
9. ばねリング（６）が、弾性的な非導電性の材料から形成されている、請求項８記載の高圧センサ。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の高圧センサを製作するための方法において、変形体（１）と管片（２）とを互いに近づく方向に押圧し、溶接電流をコンタクトリング（７）から変形体（１）を通して管片（２）に通電し、これによって、溶接シームを形成することを特徴とする、高圧センサを製作するための方法。
11. 溶接電流をコンタクトリング（７）に供給するために、溶接電極（１６）を変形体（１）に対する導電的なコンタクトなしにコンタクトリング（７）に載置する、請求項１０記載の方法。
12. 溶接電流の供給前に絶縁性のエプロン（２３）を変形体（１）の外側の周面と溶接電極（１６）との間に導入する、請求項１１記載の方法。
13. 溶接電極（１６）の、ばね負荷された非導電性の挿入体（１７）が、変形体（１）と管片（２）とを互いに近づく方向に押圧するための力を加えている、請求項１１または１２記載の方法。
14. 挿入体（１７）が、前記力を変形体（１）の半径方向外側の領域、有利にはつば（１１）に加えている、請求項１３記載の方法。
15. 請求項１から９までのいずれか１項記載の高圧センサを製作するための溶接電極において、当該溶接電極が、カップ（２０）の形で形成されており、該カップ（２０）の内側で非導電性の挿入体（１７）が軸方向に変位可能であることを特徴とする、高圧センサを製作するための溶接電極。
16. 溶接電極において、挿入体（１７）がばね負荷されていることを特徴とする、溶接電極。
17. 非導電性の挿入体（１７）が、環状の区分（２２）を有しており、該区分（２２）が、その縁部領域でのみ変形体（１）に接触するようになっている、請求項１５または１６記載の溶接電極。
18. 環状の区分（２２）が、エプロン（２３）によって延長されており、該エプロン（２３）の自由な内径が、環状の区分（２２）の内径よりも大きく寸法設定されている、請求項１７記載の溶接電極。