JP2007225360A - 圧力センサ - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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、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。

（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。

圧力センサの概略構成を示す断面図。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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