JP2007225360A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構成にて、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間の良好な接合状態を確保することができる圧力センサを提供すること。
【解決手段】圧力ハウジング3(金属ハウジング6)とジョイントハウジング4とは、絶縁部材5を介してろう付け接合される。そして、絶縁部材5の接合面5xには、メッキ処理により軟質金属又は熱膨張率の低い金属(低熱膨張率金属)からなる金属被膜層21が形成される。
【選択図】図1
【解決手段】圧力ハウジング3(金属ハウジング6)とジョイントハウジング4とは、絶縁部材5を介してろう付け接合される。そして、絶縁部材5の接合面5xには、メッキ処理により軟質金属又は熱膨張率の低い金属(低熱膨張率金属)からなる金属被膜層21が形成される。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧力センサに関するものである。
従来、内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子(センサチップ)が配設された圧力ハウジングと、圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備えた圧力センサがある。通常、このような圧力センサにおいて、感圧素子は、ダイヤフラムにより区画された圧力室内に配設されており、該圧力室内には圧力伝達媒体(シリコーンオイル等)が充満されている。そして、圧力ハウジング内に導入された流体がダイヤフラムを押圧する圧力、即ち同流体の圧力は、圧力室内に充満された圧力伝達媒体を介してセンサチップに伝達されるようになっている。
ところが、上記のような構成では、圧力ハウジングと感圧素子との間に電位差が生じた場合、圧力室内の圧力伝達媒体に誘電分極を引き起こし、その結果、計測精度が低下するおそれがある。そこで、従来、こうした課題を解決するものとして、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間に絶縁部材を介在させることにより、両者を電気的に絶縁したものがある(例えば、特許文献1参照)。そして、このような構成を採用することにより、圧力伝達媒体の誘電分極を防止して、高精度の圧力計測を行うことができる。
特開2004−37318号公報
ところで、一般に、圧力ハウジング及びジョイントハウジングは、ステンレスや黄銅等の金属にて形成されており、上記のような絶縁部材を介しての両者の接合には、通常、銀ろう等によるろう付け接合が用いられる。しかしながら、これら圧力ハウジング及びジョイントハウジング(金属)と絶縁部材(セラミックス)とでは熱膨張率が異なるため、ろう付け接合時の高温加熱及びその冷却過程において、その接合部に熱膨張率の差異に起因する応力が生じ、該応力及びその残留応力による絶縁部材の破壊、或いは接合強度の低下といった不具合が発生するおそれがある。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、簡素な構成にて、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間の良好な接合状態を確保することができる圧力センサを提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子が配設された圧力ハウジングと、前記圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備え、前記圧力ハウジングと前記ジョイントハウジングとは、絶縁部材を介してろう付け接合される圧力センサであって、前記圧力ハウジング、前記ジョイントハウジング、及び前記絶縁部材の各接合面の少なくとも一つに、前記ろう付け接合により前記絶縁部材に作用する応力を緩和可能な金属被膜層を形成したこと、を要旨とする。
上記構成によれば、ろう付け接合時、圧力ハウジング及びジョイントハウジングと絶縁部材との間の熱膨張率差に起因して同絶縁部材に作用する応力を、金属被膜層により緩和することが可能になる。その結果、その応力(及び残留応力)による絶縁部材の破壊、或いは接合強度の低下といった不具合の発生を防止して良好な接合状態を確保することができる。
請求項2に記載の発明は、前記金属被膜層は、メッキ処理により形成された軟質金属層又は低熱膨張率金属層であること、を要旨とする。
上記構成によれば、例えば、応力緩和部材を別体に形成し、絶縁部材と圧力ハウジング又はジョイントハウジングとの間に挟みこむ構造とした場合よりも、そのろう付け箇所が少なくなる。このため、製造容易であるとともに、その厚み(膜厚)を略均等なものとすることが可能であることから高い寸法精度(圧力ハウジング、絶縁部材、及びジョイントハウジング間の同軸度や平行度等)を確保することができる。
上記構成によれば、例えば、応力緩和部材を別体に形成し、絶縁部材と圧力ハウジング又はジョイントハウジングとの間に挟みこむ構造とした場合よりも、そのろう付け箇所が少なくなる。このため、製造容易であるとともに、その厚み(膜厚)を略均等なものとすることが可能であることから高い寸法精度(圧力ハウジング、絶縁部材、及びジョイントハウジング間の同軸度や平行度等)を確保することができる。
請求項3に記載の発明は、前記接合面には、前記メッキ処理のための下地層が形成されること、を要旨とする。
請求項4に記載の発明は、前記下地層は、基材との密着性が高い第1層と、前記金属被膜層との密着性が高い第2層とからなること、を要旨とする。
請求項4に記載の発明は、前記下地層は、基材との密着性が高い第1層と、前記金属被膜層との密着性が高い第2層とからなること、を要旨とする。
上記各構成によれば、その接合強度の向上を図ることができる。特に、メッキ浴との親和性の低いセラミックス等により形成された絶縁部材側の接合面に金属被膜層を形成する構成において顕著な効果を得ることができるとともに、必要な部位のみに選択的に金属被膜層を形成することが可能となることから、その製造工程の簡略化(マスキング処理の廃止等)を図ることも可能になる。そして、請求項4の構成を適用することで、より一層の高い接合強度を得ることができる。
請求項5に記載の発明は、前記金属被膜層の表面に酸化防止被膜層を形成したこと、を要旨とする。
上記構成によれば、ろう付け接合前に金属被膜層が酸化し「ろう材」との密着性が低下することを防止して、これに伴う接合強度の低下を防止することができる。
上記構成によれば、ろう付け接合前に金属被膜層が酸化し「ろう材」との密着性が低下することを防止して、これに伴う接合強度の低下を防止することができる。
本発明によれば、簡素な構成にて、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間の良好な接合状態を確保することが可能な圧力センサを提供することができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態の圧力センサ1は、内部に感圧素子としてのセンサチップ2が配設された圧力ハウジング3と、該圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジング4と、圧力ハウジング3とジョイントハウジング4との接合部に介在される絶縁部材5とを備えている。
図1に示すように、本実施形態の圧力センサ1は、内部に感圧素子としてのセンサチップ2が配設された圧力ハウジング3と、該圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジング4と、圧力ハウジング3とジョイントハウジング4との接合部に介在される絶縁部材5とを備えている。
本実施形態では、圧力ハウジング3は、皿状に形成された金属ハウジング6及びカプセル7の各開口端6a,7aが相互に接合されてなり、その内部は、金属ハウジング6とカプセル7との間に挟持された金属ダイヤフラム8により区画されている。そして、この金属ダイヤフラム8に区画されたカプセル7側の空間により圧力室9が構成されている。尚、本実施形態では、金属ダイヤフラム8は、その周縁が、レーザー溶接により金属ハウジング6の開口端6a及びカプセル7の開口端7aに接合されている。そして、これらカプセル7、金属ハウジング6及び金属ダイヤフラム8の接合は、後述する金属ハウジング6及びジョイントハウジング4(並びに絶縁部材5)の接合後に行われる。
本実施形態では、金属ハウジング6の底部6bには、圧力ハウジング3内に流体を導入するための貫通孔10が形成されており、センサチップ2は、圧力室9の上壁を構成するカプセル7の底部7bに配設されている。そして、同圧力室9には、圧力伝達媒体としてシリコーンオイル11が充満されている。即ち、本実施形態では、圧力ハウジング3内に導入された流体の圧力は、金属ダイヤフラム8及びシリコーンオイル11を介してセンサチップ2に伝達される。
また、カプセル7の底部7bにはターミナルピン12が貫設されており、同ターミナルピン12の一端は、ボンディングワイヤ13を介してセンサチップ2に接続されている。そして、ターミナルピン12の他端は、ハーネス14に接続されている。尚、本実施形態ではカプセル7とターミナルピン12との間は、ガラス系のシール材にてシールされている。そして、ターミナルピン12のカプセル7外部に突出した部分及び該ターミナルピン12とハーネス14との接続部は、モールド樹脂により被覆されている。
一方、ジョイントハウジング4は、金属材料(黄銅又はステンレス)により有底筒状に形成されており、その開口部4a近傍の内周面には同ジョイントハウジング4を圧力計測対象装置に取着するための螺子部15が螺設されている。また、ジョイントハウジング4の底部4bには、該底部4bを軸方向(図中上下方向)に貫通する貫通孔16が形成されている。そして、本実施形態ではこの貫通孔16及びジョイントハウジング4の内部空間により、計測対象となる流体を圧力ハウジング3内に導入するための流路が構成されている。
本実施形態では、絶縁部材5はアルミナ系のセラミックスにより形成されており、圧力ハウジング3とジョイントハウジング4とは、この絶縁部材5を介して(挟んで)ろう付け接合されている。具体的には、圧力ハウジング3及びジョイントハウジング4は、それぞれ、その金属ハウジング6の底部6b、及びその上記流路を構成する貫通孔16が形成された底部4bが、絶縁部材5とろう付け接合されている。そして、絶縁部材5には、金属ハウジング6の貫通孔10とジョイントハウジング4の貫通孔16、即ち圧力ハウジング3の内部とジョイントハウジング4に形成された流路とを連通するための貫通孔17が形成されている。尚、本実施形態の圧力センサ1では、圧力ハウジング3全体、及び同圧力ハウジング3との接合部を含むジョイントハウジング4の一部は、絶縁性の樹脂モールド18により被覆されている。
(応力緩和構造)
次に、本実施形態の圧力センサにおける応力緩和構造について説明する。
本実施形態では、絶縁部材5の接合面5xには、軟質金属又は熱膨張率の低い金属(低熱膨張率金属)からなる金属被膜層21が形成されている。そして、この金属被膜層21により、ろう付け接合時、絶縁部材5と金属ハウジング6(ジョイントハウジング4)との間の熱膨張率の差異に起因して絶縁部材5に作用する応力を緩和する構造となっている。
次に、本実施形態の圧力センサにおける応力緩和構造について説明する。
本実施形態では、絶縁部材5の接合面5xには、軟質金属又は熱膨張率の低い金属(低熱膨張率金属)からなる金属被膜層21が形成されている。そして、この金属被膜層21により、ろう付け接合時、絶縁部材5と金属ハウジング6(ジョイントハウジング4)との間の熱膨張率の差異に起因して絶縁部材5に作用する応力を緩和する構造となっている。
詳述すると、本実施形態では、金属被膜層21は、絶縁部材5の接合面5xに、Cuメッキを施すことにより形成される。尚、この金属被膜層21の膜厚は、0.05mm以上に設定されている。ここで、本実施形態では、メッキ処理にて金属被膜層21を形成するにあたり、絶縁部材5の接合面5xには、その密着性を高めるための下地層22が形成される。具体的には、本実施形態では、下地層22は、基材である絶縁部材5(アルミナ系のセラミックス)との密着性が高い第1層22aと、金属被膜層21との密着性の高い第2層22bとからなり、第1層22aは、Mo−Mnメタライズにより、第2層22bは、Niメッキにより形成される。そして、この下地層22上に形成された金属被膜層21の表面には、更に、Auメッキにより、同金属被膜層21の酸化を防止するための酸化防止被膜層23が形成されている。この酸化防止被膜層23と金属ハウジング6の底部6bとの間にろう接合層24を設けることにより、絶縁部材5と圧力ハウジング3とがろう付け接合されることとなる。
また、前記下地層22(22a,22b)、金属被膜層21及び酸化防止被膜層23は、絶縁部材5の、図1に「5x」として示す接合面とは反対側の接合面(ジョイントハウジング4と対向する接合面)にも同様に設けられ、ろう接合層によって絶縁部材5とジョイントハウジング4とがろう付け接合されるようになっている。
以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
(1)絶縁部材5の接合面5xに軟質金属又は低熱膨張率金属からなる金属被膜層21を形成することで、ろう付け接合時、金属ハウジング6(ジョイントハウジング4)との間の熱膨張率差に起因して絶縁部材5に作用する応力を、この金属被膜層21により緩和することが可能になる。その結果、その応力(及び残留応力)による絶縁部材5の破壊、或いは接合強度の低下といった不具合の発生を防止することができる。
(1)絶縁部材5の接合面5xに軟質金属又は低熱膨張率金属からなる金属被膜層21を形成することで、ろう付け接合時、金属ハウジング6(ジョイントハウジング4)との間の熱膨張率差に起因して絶縁部材5に作用する応力を、この金属被膜層21により緩和することが可能になる。その結果、その応力(及び残留応力)による絶縁部材5の破壊、或いは接合強度の低下といった不具合の発生を防止することができる。
(2)メッキ処理により金属被膜層21を形成する構成であるため、例えば、応力緩和部材を別体に形成し、絶縁部材5と金属ハウジング6(ジョイントハウジング4)との間に挟みこむ構造とした場合よりも、そのろう付け箇所が少なくなる。このため、製造容易であるとともに、その厚み(膜厚)を略均等なものとすることが可能であることから高い寸法精度(金属ハウジング6、絶縁部材5、及びジョイントハウジング4間の同軸度や閉高度等)を確保することができる。尚、この高い寸法精度は、上記のように、レーザー溶接により金属ダイヤフラム8、金属ハウジング6、及びカプセル7を接合する際に重要な要素である。
(3)金属被膜層21を形成すべくメッキ処理を施すにあたり、絶縁部材5の接合面5xに、その密着性を高めるための下地層22を形成した。これにより、その接合強度の向上を図ることができるとともに、必要な部位のみに選択的に金属被膜層21を形成することが可能となることから、その製造工程の簡略化(マスキング処理の廃止等)を図ることも可能になる。
(4)下地層22は、基材である絶縁部材5との密着性が高い第1層22aと、金属被膜層21との密着性の高い第2層22bとにより形成される。これにより、より高い接合強度を得ることができる。
(5)金属被膜層21の表面には酸化防止被膜層23が形成される。これにより、ろう付け接合前に同金属被膜層21が酸化し「ろう材(ろう接合層24)」との密着性が低下することを防止して、これに伴う接合強度の低下を防止することができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、絶縁部材5側の接合面5xに金属被膜層21を形成することとしたが、金属ハウジング6又はジョイントハウジング4側の接合面に形成してもよい。また、金属被膜層21を形成するのは、圧力ハウジング3と絶縁部材5との間、絶縁部材5とジョイントハウジング4との間の両方でも、何れか一方でもよい。即ち、金属被膜層21は、絶縁部材5は、金属ハウジング6、及びジョイントハウジング4の各接合面のうちの少なくとも一つに形成されればよい。
・本実施形態では、絶縁部材5側の接合面5xに金属被膜層21を形成することとしたが、金属ハウジング6又はジョイントハウジング4側の接合面に形成してもよい。また、金属被膜層21を形成するのは、圧力ハウジング3と絶縁部材5との間、絶縁部材5とジョイントハウジング4との間の両方でも、何れか一方でもよい。即ち、金属被膜層21は、絶縁部材5は、金属ハウジング6、及びジョイントハウジング4の各接合面のうちの少なくとも一つに形成されればよい。
・本実施形態では、金属被膜層21は、Cuメッキにより形成されることとしたが、その他、軟質金属層としてAlやNb等、或いは低熱膨張率金属層として鉄−ニッケル合金等をメッキ処理する構成としてもよい。
・本実施形態では、下地層22は、基材である絶縁部材5との密着性が高い第1層22aと、金属被膜層21との密着性の高い第2層22bとにより形成されることとした。しかし、これに限らず、下地層22は、必ずしもこのような二層構造を有する必要はなく、さらに、金属被膜層21と基材との間の密着性に特に問題がない場合には、下地層22は設けなくともよい。
・本実施形態では、酸化防止被膜層23は、Auメッキにより形成されることとしたが、NiやCrメッキ等により形成する構成としてもよい。
次に、本実施形態から把握することのできる請求項以外の技術的思想を記載する。
次に、本実施形態から把握することのできる請求項以外の技術的思想を記載する。
(付記1)請求項4に記載の圧力センサにおいて、前記基材は、アルミナ系セラミクスであり、前記第1層は、Mo−Mnメタライズにより、前記第2層は、Niメッキにより形成されてなること、を特徴とする圧力センサ。
(付記2)金属被膜層21は、0.05mm以上の膜厚を有すること、を特徴とする圧力センサ。
1…圧力センサ、2…センサチップ、3…圧力ハウジング、4…ジョイントハウジング、5…絶縁部材、5x…接合面、6…金属ハウジング、7…カプセル、9…圧力室、21…金属被膜層、22…下地層、22a…第1層、22b…第2層、23…酸化防止被膜層、24…ろう接合層。
Claims (5)
- 内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子が配設された圧力ハウジングと、前記圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備え、前記圧力ハウジングと前記ジョイントハウジングとは、絶縁部材を介してろう付け接合される圧力センサであって、
前記圧力ハウジング、前記ジョイントハウジング、及び前記絶縁部材の各接合面の少なくとも一つに、前記ろう付け接合により前記絶縁部材に作用する応力を緩和可能な金属被膜層を形成したこと、を特徴とする圧力センサ。 - 請求項1に記載の圧力センサにおいて、
前記金属被膜層は、メッキ処理により形成された軟質金属層又は低熱膨張率金属層であること、を特徴とする圧力センサ。 - 請求項2に記載の圧力センサにおいて、
前記接合面には、前記メッキ処理のための下地層が形成されること、
を特徴とする圧力センサ。 - 請求項3に記載の圧力センサにおいて、
前記下地層は、基材との密着性が高い第1層と、前記金属被膜層との密着性が高い第2層とからなること、を特徴とする圧力センサ。 - 請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の圧力センサにおいて、
前記金属被膜層の表面に酸化防止被膜層を形成したこと、
を特徴とする圧力センサ。
Priority Applications (1)
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2006
- 2006-02-22 JP JP2006044833A patent/JP2007225360A/ja active Pending
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