JP2008209411A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】
鉛を含まない材料の使用の下で高い圧力や圧力差でも、信頼性に関する要件を満たす圧力センサーを提供すること。
【解決手段】
ケーシング、ケーシングプラグとケーシング内に突き出して鉛を含まない材料製圧力支柱から成る圧力センサーとそれを製作する方法を提供する。圧力センサーには圧力吸収体が配置されていて、圧力支柱上に貼り付けられるので、圧力支柱に存在する通路が片側で閉じられている。圧力支柱がある領域では表面粗さを有し、この領域にて付着仲介層を備えていて、圧力吸収体がこの領域にて圧力支柱と接着剤により結合されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ケーシング内に突き出す圧力支柱を備えるケーシングを包含し且つケーシング内に配置されたミクロ機械的圧力吸収体を構成している圧力センサーに関する。この圧力センサーは圧力が直接に圧力吸収体に作用する圧力支柱の通路を閉鎖させるように圧力支柱と結合されている。さらに、この発明はそのような圧力センサーを製作する方法に関する。

この種の圧力センサーは非常に異なった圧力領域を備える多種多様の使用範囲において圧力或いは圧力変更を監視するために使用される。例えばピストンモータ用の制御装置において或いはピストン圧縮機では、圧力耐久性、温度範囲と寿命に関して非常に高い要件が存在する。特にそこで非常に高く且つ部分的に激しい圧力変更と生じる最高圧力の下でしばしば接着結合として形成される圧力付勢された結合の信頼性があらゆる作動条件の下で保証されなければならない。

圧力センサーの通常の構成は、例えばドイツ特許出願公開第１０２６０１０５号明細書（特許文献１）に記載されている。けれども、その表現が包囲するケーシングに関係している。圧力吸収体は、ガラスソケットの中間位置の下で、圧力支柱の通路を介して膜と組み立てられるので、圧力支柱の通路に作用して測定すべき圧力が膜に作用する。

しばしば、次に圧力吸収体の前面と呼ばれる膜の対向位置する側面には、測定抵抗が配置されていて、その抵抗変更によって作用する圧力或いは圧力変更を検出する。この抵抗変更は周知のように、作用する圧力と膜のその圧力と関連した引張り或いは圧力負荷の変更によりその静止位置から膜の偏向から生じる。圧力作用の際に圧力支柱上の圧力吸収体の結合が、場合によっては成分、圧力吸収体、ソケット、圧力支柱とケーシングの二つの他の成分間の結合が強力に引張りに付勢される。これは特に高い圧力や圧力センサーの長い使用の際に信頼性の問題を導く。比較可能な圧力センサーは米国特許第７０２４９３７号明細書（特許文献２）にも記載されている。

これらの問題は立法者により規定された義務の下で鉛を含まない材料を使用することを強化する、というのは、例えば欧州特許出願公開第１７８５７１０号明細書（特許文献３）に記載されているように、或いは他の化学的且つ機械的により高く付勢できる材料から成る圧力センサーの鉛を含まない成分の間の信頼性の接着結合を圧力と温度に関して全使用範囲にわたり製作することがかなり可能であるからである。
ドイツ特許出願公開第１０２６０１０５号明細書 米国特許第７０２４９３７号明細書 欧州特許出願公開第１７８５７１０号明細書

この発明の課題は、鉛を含まない材料の使用の下で高い圧力や圧力差でも、信頼性に関する要件を満たす圧力センサーを提供することである。

記載された圧力センサーによると、圧力付勢されている圧力支柱並びにケーシングの各部材のために、鉛を含まない、同時に高い機械的負荷や特に例えば汚染された空気、油或いは冷却剤のような作用する液状或いはガス状媒体によって生じ得る化学的負荷に抵抗するような材料が使用できる。この材料の使用の下で圧力センサーの個々の成分の圧力付勢された結合が、特に圧力吸収体と圧力支柱の間の結合が接着結合によって製造でき、この際には接着結合が４０バール作動圧の圧力付勢に耐えて、さらに永続的に抵抗される。さらに、記載された接着結合は改良された付着特性に基づいて高い温度範囲にわたり高い温度変化負荷でも安定である。−４０°Ｃから１３５°Ｃまでの範囲の作動温度と１５０°Ｃまでの軸受温度が接着結合部の損傷なしに可能である。

接着材料により接着面の必要な付着力を形成するために、圧力付勢された接着結合を形成する圧力支柱の表面の少なくとも領域が特別な表面特性を有する。この領域はまず最初に、圧力支柱と圧力吸収体との間の接着結合に関し、この接着結合には作用する測定すべき圧力が直接に作用する。圧力吸収体が他の成分を介して圧力支柱と貼り付けられる限り、それは同様に圧力支柱とこれを補充する成分との間の接着結合に関する。この種の成分は圧力吸収体の裏面と結合されている例えばガラス或いはシリコンソケットであり得る。これら成分はとりわけ圧力吸収体の膜と支柱との間の離脱を行うために取り付けられる。ソケットの熱膨張係数がおよそ圧力吸収体の熱膨張係数に適用される限り、圧力支柱の熱膨張抑制の影響が圧力吸収体の熱膨張抑制と比較して減少される。

さらに、圧力支柱とケーシングとの間の結合が圧力作用によって引張力或いは剪断力に負荷されるので、圧力センサーの構成では、この結合が表面の特徴的特性を有し、この特性は圧力支柱の特性と比較できる。圧力支柱とケーシングとの間のそのような結合が熱的且つ化学的負荷に関して問題として示唆され得る例えばパッキングの特別密封要素の使用を回避する。

当該表面領域は、この発明によると定義された粗さを有し、付着仲介層によりカバーしていて、付着仲介層は付着仲介層が一致して、それで表面構造をほぼ変更されなく模写することにより特徴付けられる。

必要な粗さの形成は放射方法により種々の放射物の使用の下で且つ作用時間の調整の下で行われる。両パラメータにより拡散表面構造を製造すべきであり、この拡散表面構造がその構造に関して並びに粗さ特性値において相違している。拡散粗さが例えば切削方法により組織の鍛造或いは同様なことを確認すべきであるように、ここでは規則的に繰返す構造なしの表面形状が拡散粗さと呼ばれる。表面構造の特性は方法或いは方法パラメータによって異なった機械的且つ化学的荷重条件に適合できる。表面の粗さの外に、放射方法により方法自体やそのパラメータ並びに放射物に依存して、処理された材料の最上層の圧縮が達成される。この効果が接着結合の付着力への明確な影響を有し、前記変動可能性によって最適化によりそれぞれの要件に適合すべきである。

粗さと表面圧縮に対する表面特性値はとりわけ使用された接着剤並びにそれぞれの接着面の可能な寸法と構成に依存してそれぞれの使用の場合に最高状態にすべきである。放射方法自体は再び放射するべき圧力支柱の材料に依存する。例えば金属のような熱負荷可能な材料の場合に圧縮空気放射が、他の場合に液体に分散された放射媒体による放射が使用され得る。粗さ特性値のこの最適化に基づいて、一成分における複数の面の処理では、これら面が互いに相違する特性値を有し得る。

付着仲介層は付着仲介層を備える構成部材の材料に依存する適した方法により製造できる。接着すべき表面上に接着材を付着する影響はその構造の外に、接着材と表面との間の分子力並びにとりわけ表面の利用性で反射する結束関係とエネルギー関係を有する。特に表面のエネルギー評価がその付着性に関して非常にかなり可能であるので、付着仲介層の製造が大抵は最適化方法により行われる。

最適化方法には、とりわけ、接着すべき表面の材料、接着材並びに接着結合の熱的、化学的且つ機械的負荷が基礎となっている。材料に依存して、付着仲介層を製造する種々の方法が知られている。金属表面の場合には、不動態層が適していて、例えば不動態浴内の構成部材の滞在時間のような不動態方法の異なったパラメータによって一致した不動態層が製造できる。層の一致性の概念はここには水平、垂直、或いは角度整合に無関係に且つ積層された面部分の構成と無関係に均一な層厚を記載する。さらに、金属の場合や同様に合成樹脂の場合には、プラズマ処理が適していて、付着性が改良され得るように材料の表面層の結束特性を変更すべきである。付着仲介層は今日は単に付着すべき領域に必要であるが、しかし、同様に成分の全表面に製造され得る。

付着仲介層は一つの成分の異なった面部分において互いに相違する特性を有する。全圧力支柱上の統一的付着仲介層は選択的に可能であり、安価に製造すべきである。付着仲介層が実施態様に一致して不動態層によって形成される限り、圧力支柱の完全な不動態は例えば攻撃的周囲における使用の場合に行われるので、付着仲介層が接着材によりカバーされていない領域において特に作用する媒体に比べて腐食保護として用いられる。付着仲介層の部分的或いは部分的異なった製造が例えば適した覆い隠す方法によって可能である。

このように構成されて処理された面により製造される接着結合は位置において結合すべき面の改良された付着力に基づいて異なった熱膨張抑制によって条件付き応力を受けるべきである。圧力支柱の表面構造と付着仲介層による接着結合が改良されるので、さらに、期待すべき熱的応力負荷に依存して、特にこの負荷に調整され且つ専ら結合すべき材料には調整されないような接着剤を使用することが可能である。というのは、互いに貼り付けるべき面の記載された表面特性が公知の接着材料の使用を可能とし、この接着材料は今まで鉛含有材料のためにも使用されて、その特性と使用が検査されている。

この発明による圧力センサーは次に若干の実施例に基づいて詳細に説明されるべきである。付属図が概略表示における圧力センサーによる縦断面を示す。

圧力センサーは、互いに密封して且つ開放自在に結合されているケーシング９とケーシングプラグ１とから成る。図示された実施例では、ケーシング９はケーシングプラグ１を部分的に力一体に包囲する。塵と湿度に対する結合の密封性はケーシングプラグ１を包囲してケーシング９に当接する密封リング１１によって形成されている。ケーシング９とケーシングプラグ１は圧力支柱１６が突き出す中空空間１７を包囲する。圧力支柱１６並びにケーシング９とケーシングプラグ１が鉛を含まない材料をから成る。圧力媒体を作用されないケーシングプラグ１は合成樹脂から成り、両第一構成部材が鉛を含まないアルミニュウム合金から成る。選択的にここでは、例えば真鍮、合成樹脂或いは貴金属のような他の材料が使用でき、それら材料は多くの使用の場合に機械的且つ化学的耐久性を有する。両構成部材は互いに相違する材料から成り得る。

圧力支柱１６は中空空間１７に連通して、その中空空間を圧力吸収体１３により閉鎖されている通路２を有する。圧力吸収体１３はミクロ機械的構成部材であって半導体で構成される。現実施例では、裏面にガラスソケットを有するピエゾ抵抗シリコン圧力吸収体１３が重要である。ガラスソケットも通路を有する。この通路は圧力吸収体１３の膜に連通する。圧力吸収体１３はガラスソケットを介して、ガラスソケットの通路が圧力支柱１６の通路２と一致するように、圧力支柱１６に組み立てられる。それにより圧力支柱１６に作用する媒体が圧力吸収体１３の裏面１９に作用する。選択的に圧力センサーが他の適した圧力吸収体１３により製造できるか、或いは圧力センサーがガラスソケットなしに直接に或いは他のソケットにより圧力支柱１６に組み立てられる。

圧力支柱１６への圧力吸収体１３の組み立ては接着結合により行われる。圧力吸収体１３に対する接着結合が製造されている圧力支柱１６の領域は次に第一領域５と名づけられる。圧力センサーの別の実施態様では、圧力支柱１６が第二領域７にて別の接着結合部を介してケーシング９と連結されている。選択的にこの結合部は、例えば適した保持要素によって他の手段と製造できる。

確実で保持可能な接着結合部を製造するために、圧力支柱１６の一方或いは両領域５、７が表面粗さを構成される。この表面粗さは圧力センサーの実施態様では圧力放射方法により製造されていて、球状放射物、例えばガラス、セラミック或いは同様なもの製の球が使用される。そのように加工された表面は、先端を包含しなく、むしろ単に丸くされた縁や峰を包含する当該領域において点状で拡散粗さを有する。定義された放射物の異なった球大きさが定義された粗さ特性値に調整できる。そのような構造はさらに次に記載された措置と関連して、負荷試験にて驚いたことに非常に良い成果を示す。

さらに、前記領域５、７は、同時に圧力支柱１６とケーシング９の腐食保護体として用いられる不動態層により被覆されている。この発明の構成では、不動態層は、不動態層を製作するクロム（ＶＩ）なし或いはクロム（ＩＩＩ）保有浴材料の使用に基づいてクロム（ＶＩ）保有構成部材を包含しない。それにより特に電子工業や自動車工業における要件に一致されていて、その後にクロム（ＶＩ）保有結合物を使用すべきである。

上記特性を備える不動態層は、例えば浴滞在時間、浴濃度、浴温度或いはｐＨ値のような最適化された処理パラメータによって達成される。最適化は連結すべき材料と期待すべき荷重条件と交換荷重に関して行われる。表面粗さに関連して、不動態層が圧力支柱１６と圧力吸収体１３の間並びに圧力支柱１６とケーシング９の間の確実な接着結合を保証し、その接着結合自体は前記高い圧力と温度では、例えば自動車分野に行われるように、持続荷重に適している。

実施が表面構造と付着仲介層に関して接着結合部に取り入れられる領域に適用されたときも、無論、製作処理を有効にするように全構成要素を加工することが可能である、というのは、表面構造も、付着仲介層も圧力センサーの機能への影響を有しないからである。表面粗さが影響を有し得るパッキングを製造すべきである限り、これは例えば圧力支柱１６とケーシング９の間に接着結合自体によって実現されるか、或いは適した密封材料或いは必要な密封性を備える表面の部分的滑らかさによって、或いは両方の組合せによって達成するべきである。

圧力支柱１６の粗面化されて付着仲介層を備える領域５、７の付着特性の達成された改良に基づいて、圧力センサーの別の実施態様では、適したケーシング材料では、接着結合に用いられる上記のようなケーシング９の各部分が表面修正され得る。それにより接着剤によって互いに結合すべき両面が結合を改良するのに貢献する。ケーシング表面の特性や修正の製作のために、上に示された条件が適用されるので、その他の実施例に参照される。ケーシング９の材料が圧力支柱１６の材料と相違する限り、当該表面領域の特性とそのために必要な方法とが互いに相違し得る。

さらに、図に示された圧力センサーは、同様に圧力支柱１６に貼り付けられる配線支持体１４を有する。圧力支柱１６上の配線支持体１４の配列は、確実な電気結合が圧力吸収体１３の測定抵抗（図示されていない）と配線支持体１４の配線要素の間の接続体３にとって製作できるように行われる。測定抵抗により計測された信号を評価するために、圧力センサーの実施態様では、配線支持体１４が圧力吸収体１３に向いた側面に適切に集積化された制御回路（ＩＣ’ｓ）４を有する。圧力支柱１６への配線支持体１４の組立てはこの配線支持体を圧力吸収体１３に対して定義された位置に配置されていて、それにより両者間の柔軟な電気的接続が軽減すべきである。選択的構成では、配線支持体１４と圧力吸収体１３の間の熱的或いは圧力条件付き相対運動が電気的接続によって補償される限り、配線支持体１４がケーシング９或いはケーシングプラグ１に組み立てられ得る。

圧力吸収体１３に反対を向いた面には、配線支持体１４は圧力センサーの別の機能を実現するＳＭＤー構成要素を有し得る。例えばこれは温度効果を測定電子部で見積もって補償できるために、圧力センサーの中空空間１７内で温度測定するのに用いられ得る。

別の実施態様では、圧力吸収体１３とＩＣ’ｓ４が組み立てられる配線支持体１４の少なくとも一部とは両者間の柔軟な電気的接続体３を含めてキャップ１２によってカバーされている。このキャップ１２は密封して配線支持体１４に、或いは選択的に圧力支柱１６に組み立てられるので、キャップには圧力吸収体１３を包囲する定義された基準圧力が形成される。しかし、このキャップは単に圧力吸収体１３の機械的保護と場合によってはＩＣ’ｓ４とに用いられ得るので、この場合には、成分に対してキャップ１２は簡単な固定で十分である。選択的にキャップ１２は圧力密封的に組み立てられ得て圧力補償開口を有するので、キャップ１２には選択的に基準圧力或いは周囲圧力が形成できる。そのような修正或いは比較できる修正により圧力センサーは差圧センサーとして、相対圧センサーとして並びに絶対圧力センサーとして使用できる。ケーシングプラグ１の開口８とキャップ１２の圧力補償開口（図示されていない）とを介して、圧力吸収体１３の前面１８に周囲圧力が作用するので、圧力支柱１６に作用する圧力と周囲圧力の間の相対圧力が測定できる。同様に、ケーシングプラグ１とキャップ内の開口が定義された圧力を作用するので、差圧が測定され得る。これに対して、圧力センサーの内部の圧力密封キャップ１２によって基準圧力或いは真空が調整されるならば、絶対圧力が測定できる。

周囲条件を保護するために、圧力吸収体１３が単体で或いはＩＣ４と関連して保護層によってカバーされ得る。この措置は補充的に或いは選択的にキャップ１２の配列に対して可能である。

圧力吸収体１３と配線支持体並びに場合によってはキャップ１２をカバーするケーシングプラグ１は、圧力センサーの実施態様では合成樹脂から成り、圧力センサーの内部の電子構成要素と電気的接続するように外側に位置する射出成形接点１０を備えている。

圧力センサーによる縦断面を示す。

符号の説明

１．．．．．ケーシングプラグ
２．．．．．通路
３．．．．．柔軟な接続体
４．．．．．集積制御回路（ＩＣ）
５．．．．．第一領域
６．．．．．ＳＭＤ構成要素
７．．．．．別の、即ち第二領域
８．．．．．開口
９．．．．．ケーシング
１０．．．．電気接点
１１．．．．密封リング
１２．．．．キャップ
１３．．．．シリコン圧力吸収体
１４．．．．配線支持体
１５．．．．半田接続部
１６．．．．圧力支柱
１７．．．．中空空間
１８．．．．前面
１９．．．．裏面

Claims (17)

1. ケーシング（９）、ケーシングプラグ（１）とケーシング（９）内に突き出して鉛を含まない材料製の圧力支柱（１６）から成り、圧力センサーには圧力支柱（１６）上に貼り付けられている圧力吸収体（１３）が配置されていて、圧力支柱（１６）内に存在する通路（２）が片側で閉じられている圧力センサーにおいて、圧力支柱（１６）が領域（５）では表面粗さを有して付着仲介層を備えていて、圧力吸収体（１３）がこの領域（５）において圧力支柱（１６）と接着剤により結合されていることを特徴とする圧力センサー。
2. 圧力支柱（１６）の領域（５）は表面形状が丸くされた縁や峰を有するようにざらざらにされることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 圧力吸収体（１３）は圧力支柱（１６）と接着剤により結合されているガラス或いはシリコン裏面を備えていることを特徴とする請求項１或いは２に記載の圧力センサー。
4. 圧力支柱（１６）は別の領域（７）では接着剤によりケーシング（９）と結合されていて、別の次に第二と名づけた領域（７）が表面粗さと付着仲介層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサー。
5. ケーシング（９）は鉛を含まないアルミニュウム合金、真鍮、合成樹脂或いは貴金属から成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力センサー。
6. ケーシング（９）は圧力支柱（１６）と接着結合する領域では表面粗さと付着仲介層を有することを特徴とする請求項５に記載の圧力センサー。
7. 付着仲介層は不動態層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧力センサー。
8. ケーシング（９）は不動態層により被覆されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧力センサー。
9. 不動態層はクロム保有構成部材を有しない材料から成ることを特徴とする請求項７或いは８に記載の圧力センサー。
10. ケーシング（９）、ケーシング（９）と結合されたケーシングプラグ（１）、ケーシング（９）内に突き出す圧力支柱（１６）、圧力支柱（１６）と結合された圧力吸収体（１３）から成り、圧力吸収体が圧力支柱（１６）内に存在する通路（２）を片側に閉鎖させる圧力センサーを製造する方法において、
    ・鉛を含まない材料製の圧力支柱（１６）を準備し、
    ・後から圧力吸収体（１３）が組み立てられる通路（２）を包囲する第一領域（５）において放射方法によって圧力支柱（１６）の表面粗さを製作し、
    ・少なくとも第一放射された領域（５）をカバーする一致付着仲介層を圧力支柱（１６）の表面上に製作し、
    ・圧力吸収体（１３）を圧力支柱（１６）の第一領域（５）に貼り付ける工程から成ることを特徴とする方法。
11. 別の領域（７）における圧力支柱（１６）には、そのような表面粗さが放射方法とこの別の領域（７）をカバーする付着仲介層によって発生されていて、圧力支柱（１６）がこの別の次に第二として名づけられた領域（７）においてケーシング（９）と接着剤により結合されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 放射方法のために、球状放射物が使用されることを特徴とする請求項１０或いは１１に記載の方法。
13. 圧力吸収体（１３）がガラス或いはシリコン裏面を備えていて、ガラス或いはシリコン裏面と圧力支柱（１６）との間の結合が接着剤によって行われることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. ケーシング（９）が鉛を含まないアルミニュウム合金、真鍮、合成樹脂或いは貴金属から作用されることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 付着仲介層が表面の不動態層によって製作されることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
16. ケーシング（９）の表面には不動態層が製造されることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 不動態層がクロムのない材料から製造されることを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか一項に記載の方法。

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