JP2013242157A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定媒体の圧力を検出する圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor that detects the pressure of a measurement medium.
従来のこの種の圧力センサとして、オイルが封入される圧力検出室と測定媒体が流入する測定媒体室とを円板状のダイアフラムによって仕切り、センサ素子によりオイルの圧力に応じたセンサ信号を出力するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional pressure sensor of this type, a pressure detection chamber filled with oil and a measurement medium chamber into which a measurement medium flows are partitioned by a disk-shaped diaphragm, and a sensor signal corresponding to the oil pressure is output by the sensor element. The thing is proposed (for example, refer patent document 1).
また、そのダイアフラムには、測定媒体室に対向する部位に変形可能なコルゲートが形成されている。このコルゲートの変形量が小さい領域では、ダイアフラムのバネ定数が小さく、コルゲートの変形量が所定量以上になる領域では、コルゲートが次第に変形し難くなってダイアフラムのバネ定数が急激に大きくなる。 The diaphragm is formed with a corrugate that can be deformed at a portion facing the measurement medium chamber. In the region where the amount of deformation of the corrugation is small, the spring constant of the diaphragm is small, and in the region where the amount of deformation of the corrugate is greater than or equal to a predetermined amount, the corrugation gradually becomes difficult and the spring constant of the diaphragm increases rapidly.
ところで、圧力検出室に封入されたオイルはセンサ温度の上昇に伴って熱膨張し、その熱膨張に伴って圧力検出室の内圧が上昇する。より詳細には、図3に破線で示すように、センサ温度Tが低い領域では、コルゲートが容易に変形してセンサ温度Tと圧力検出室の内圧Pは直線的な関係となる。一方、センサ温度Tが高い領域では、コルゲートが変形し難くなってダイアフラムのバネ定数が急激に大きくなるため、センサ温度Tと内圧Pは非直線的な関係となる。 By the way, the oil sealed in the pressure detection chamber thermally expands as the sensor temperature increases, and the internal pressure of the pressure detection chamber increases as the thermal expansion occurs. More specifically, as indicated by a broken line in FIG. 3, in a region where the sensor temperature T is low, the corrugated easily deforms and the sensor temperature T and the internal pressure P of the pressure detection chamber have a linear relationship. On the other hand, in the region where the sensor temperature T is high, the corrugate is difficult to deform and the spring constant of the diaphragm suddenly increases, so the sensor temperature T and the internal pressure P have a non-linear relationship.
そして、圧力センサの出力は、センサ温度Tと内圧Pが直線的な関係であれば、回路によって容易に補正することができる。しかしながら、非直線的な関係の領域(すなわちセンサ温度Tが高い領域)ではそのような補正は難しくなってくるため、センサ精度が低下する。 The output of the pressure sensor can be easily corrected by a circuit if the sensor temperature T and the internal pressure P are linearly related. However, since such correction is difficult in a non-linear relationship region (that is, a region where the sensor temperature T is high), the sensor accuracy decreases.
また、ダイアフラムをケースに全周溶接する際、その溶接熱によりダイアフラムおよびケースはともに熱膨張するが、熱容量差によりダイアフラムの膨張量の方がケースの熱膨張量よりも著しく大きくなる。したがって、溶接後に常温まで温度が低下すると、ダイアフラムとケースの収縮量差によりダイヤフラムに対して引張り応力が発生し、コルゲートが容易に変形可能な領域が狭くなる。 Further, when the diaphragm is welded to the case all around, both the diaphragm and the case are thermally expanded by the welding heat. However, the expansion amount of the diaphragm is significantly larger than the thermal expansion amount of the case due to a difference in heat capacity. Therefore, when the temperature is lowered to normal temperature after welding, a tensile stress is generated on the diaphragm due to a difference in contraction amount between the diaphragm and the case, and a region where the corrugate can be easily deformed is narrowed.
このため、図3に実線で示すように、ダイアフラムをケースに全周溶接する形式の圧力センサでは、センサ温度Tと内圧Pが直線的な関係となる領域がさらに狭くなり、高温環境下でのセンサ精度がさらに低下してしまう。 For this reason, as shown by the solid line in FIG. 3, in the pressure sensor of the type in which the diaphragm is welded to the case all around, the region where the sensor temperature T and the internal pressure P are in a linear relationship is further narrowed, and in a high temperature environment Sensor accuracy is further reduced.
本発明は上記点に鑑みて、ダイアフラムをケースに全周溶接する形式の圧力センサにおいて、高温環境下でのセンサ精度を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the accuracy of a sensor in a high temperature environment in a pressure sensor of a type in which a diaphragm is welded to the case all around the above point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、オイル(19)が充填される圧力検出室(2)を形成する第1ケース(1)と、測定媒体が流入する測定媒体室(14)を形成する第2ケース(11)と、外縁部が第2ケースに全周溶接されるとともに第1ケースと第2ケースとによって挟持されて、圧力検出室と測定媒体室とを仕切る円板状のダイアフラム(16)と、オイルの圧力を受けてその圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ素子(4)とを備え、ダイアフラムは、測定媒体室に対向する部位に形成された断面が湾曲形状の第1コルゲート(23)を備える圧力センサにおいて、ダイアフラムは、第2ケースとの溶接部(18)よりも内周側で且つ測定媒体室に対向する部位よりも外周側の位置に形成された断面が湾曲形状の第2コルゲート(24)を備え、第2ケースは、第2コルゲートが収容されるコルゲート収容溝(25)を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a first case (1) forming a pressure detection chamber (2) filled with oil (19) and a measurement medium chamber (in which a measurement medium flows) 14) and a second case (11) forming the outer periphery of the second case (11) and a circle that is sandwiched between the first case and the second case, and that separates the pressure detection chamber from the measurement medium chamber. A plate-shaped diaphragm (16) and a sensor element (4) that receives a pressure of oil and outputs a sensor signal corresponding to the pressure, and the diaphragm has a cross section formed at a portion facing the measurement medium chamber. In the pressure sensor including the curved first corrugate (23), the diaphragm is formed at a position on the inner peripheral side with respect to the welded portion (18) with the second case and on the outer peripheral side with respect to the portion facing the measurement medium chamber. Curved cross section Comprising a Jo second corrugated (24), the second case is characterized in that it comprises a corrugated receiving groove (25) of the second corrugated is housed.
これによると、ダイアフラムを第2ケースに溶接後にそれらの温度が低下する際には、ダイアフラムと第2ケースの収縮量差が主に第2コルゲートの変形により吸収されるため、ダイアフラムにおける測定媒体室に対向する部位の引張り応力が小さくなり、コルゲートが容易に変形可能な領域が広くなる。したがって、センサ温度と内圧が直線的な関係となる領域が広くなり、高温環境下でのセンサ精度が向上する。 According to this, when the temperature of the diaphragm drops after the diaphragm is welded to the second case, the difference in shrinkage between the diaphragm and the second case is mainly absorbed by the deformation of the second corrugate. The tensile stress at the part facing the surface becomes smaller, and the region where the corrugate can be easily deformed becomes wider. Therefore, a region where the sensor temperature and the internal pressure have a linear relationship is widened, and the accuracy of the sensor in a high temperature environment is improved.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
本発明の一実施形態に係る圧力センサについて説明する。なお、この圧力センサは、例えば自動車に搭載され、エアコンの冷媒圧、トランスミッションのフルード圧、エンジンオイル圧等を検出する圧力センサとして用いることができる。 A pressure sensor according to an embodiment of the present invention will be described. The pressure sensor is mounted on, for example, an automobile and can be used as a pressure sensor that detects refrigerant pressure of an air conditioner, fluid pressure of transmission, engine oil pressure, and the like.
図1に示されるように、圧力センサには第1ケースとしてのケースプラグ1が備えられており、このケースプラグ1は、例えば、断熱樹脂材料であるPPS(ポリフェニレンサルファイド)やPBT(ポリブチレンテレフタレート)等の樹脂を型成形することにより作られ、本実施形態では円柱状をなしている。このケースプラグ1のうち一端部の一面には圧力検出室2が形成されており、他端部にはコネクタケース部3が形成されている。
As shown in FIG. 1, the pressure sensor is provided with a
圧力検出室2にはセンサ素子4が備えられており、このセンサ素子4は、受圧面としてのダイアフラム(図示せず)を有し、受けた圧力を電気信号に変換しこの電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイアフラム式のものである。そして、センサ素子4は、ガラス等よりなる台座5に陽極接合等により一体化されて、ケースプラグ1における圧力検出室2を形成する壁面に台座5を接着することによりケースプラグ1に固定されている。
The
また、ケースプラグ1には、センサ素子4と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル8が備えられている。なお、ターミナル8は1個だけ図示している。ターミナル8は黄銅にNiメッキ等のメッキ処理を施した材料よりなり、インサートモールドによりケースプラグ1と一体に成形されることによりケースプラグ1内に保持されている。
In addition, the
具体的には、各ターミナル8はケースプラグ1を貫通しており、各ターミナル1のうち一端部はケースプラグ1から圧力検出室2内に突出しており、他端部はケースプラグ1からコネクタケース部3内に突出している。圧力検出室2内に突出している各ターミナル8の端部は、ボンディングワイヤ9を介してセンサ素子4と電気的に接続されており、コネクタケース部3内に突出している各ターミナル8の端部は、図示しないワイヤハーネス等の外部配線部材を介して外部回路と電気的に接続されている。
Specifically, each
そして、圧力検出室2のうちターミナル8が突出している部分には、例えば、シリコーン系樹脂から成るシール材10が配置されている。このシール材10はケースプラグ1における圧力検出室2を形成する壁面とターミナル8との隙間を封止するためのものである。
And the
また、ケースプラグ1には第2ケースとしてのハウジング11が組みつけられている。本実施形態では、これらケースプラグ1およびハウジング11によりセンサ素子4を備えるケースが構成されている。具体的には、ハウジング11には収容凹部12が備えられており、この収容凹部12内にケースプラグ1のうち圧力検出室2が備えられる一面が挿入され、ハウジング11の端部13がケースプラグ1にかしめられることでケースプラグ1とハウジング11とが一体化されている。
The
このハウジング11は、例えば、SUSやアルミニウム等の金属材料よりなるものであり、測定媒体が流入する測定媒体室14が内部に形成され、圧力センサを固定するためのねじ部15が外周壁面に形成されている。
The
また、ハウジング11のうち圧力検出室2が形成されているケースプラグ1の一面と対抗している一面には、例えばSUS等からなる円板状のメタルダイヤフラム16と、メタルダイヤフラム16の外縁部に配置されている例えばSUS等からなる環状のリングウェルド17とが備えられている。
Further, on one surface of the
メタルダイヤフラム16の外縁部およびリングウェルド17をハウジング11に対してレーザ溶接等により全周溶接することで、ハウジング11、メタルダイヤフラム16およびリングウェルド17が溶け合った溶接部18が形成されている。
By welding the outer periphery of the
そして、メタルダイヤフラム16の外縁部およびリングウェルド17はケースプラグ1とハウジング11に挟持されており、メタルダイヤフラム16の内周部によって圧力検出室2と測定媒体室14とが仕切られている。換言すると、メタルダイヤフラム16のうち外縁部は、リングウェルド17と共にケースプラグ1およびハウジング11に対して固定される部分であり、メタルダイヤフラム16のうち測定媒体室14に対向する部位は測定媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム部として機能する部分である。
The outer edge of the
圧力検出室2には、圧力伝達媒体としてフッ素オイル等のオイル19が充填されている。そして、測定媒体室14の測定媒体の圧力は、メタルダイヤフラム16および圧力検出室2内のオイル19を介してセンサ素子4のダイヤフラムに伝達されるようになっている。
The
ケースプラグ1のうち圧力検出室2が備えられる一面には、圧力検出室2を囲むように環状の溝21が形成されており、この環状の溝21には、例えば、シリコーンゴム等の弾性材料から成るOリング22が備えられている。このOリング22は、ケースプラグ1とハウジング11とのかしめによるかしめ圧で押しつぶされることで圧力検出室19を封止するものである。
An
図2に示すように、メタルダイヤフラム16のうち測定媒体室14に対向する部位には、メタルダイヤフラム16の軸線に沿う断面の形状が湾曲形状になった第1コルゲート23が設けられている。より詳細には、第1コルゲート23は、環状に連続しており、メタルダイヤフラム16の軸線を中心にして同心状に複数個設けられている。
As shown in FIG. 2, a first corrugate 23 having a curved cross-sectional shape along the axis of the
また、メタルダイヤフラム16のうち、溶接部18よりも内周側で且つ測定媒体室14に対向する部位よりも外周側の位置には、メタルダイヤフラム16の軸線に沿う断面の形状が湾曲形状になった第2コルゲート24が1個設けられている。より詳細には、第2コルゲート24は、後述するコルゲート収容溝に向かって凸で且つ環状に連続している。また、第2コルゲート24は第1コルゲート23と同心状に設けられている。
Further, in the
ハウジング11のうち圧力検出室2が形成されているケースプラグ1の一面と対抗している一面には、第2コルゲート24が収容される環状のコルゲート収容溝25が形成されている。
An annular
次に上記圧力センサの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the pressure sensor will be described.
まず、ターミナル8がインサート成形されたケースプラグ1を用意する。そして、台座5と陽極接合したセンサ素子4を用意し、台座5側をシリコーン系樹脂などによる接着材を介してケースプラグ1における圧力検出室2を形成する壁面に接着する。
First, the
次に、ケースプラグ1のうち圧力検出室2が形成された一面を上に向けた状態で圧力検出室2内へシール材10を注入した後、シール材10を硬化させる。このとき、シール材10がセンサ素子4の表面に付着しないように、注入量を調整することが好ましい。
Next, after injecting the sealing
その後、例えば、ワイヤボンディングを行い、センサ素子4と各ターミナル8の端部とをボンディングワイヤ9を介して電気的に接続する。
Thereafter, for example, wire bonding is performed, and the
次に、オイル19をディスペンサ等により圧力検出室2内へ所定量注入する。そして、この状態のものを真空室にいれて、圧力検出室2内の余分な空気を除去する。その後、一面にメタルダイヤフラム16およびリングウェルド17が溶接されているハウジング11を用意し、真空室内でハウジング11を上から水平に保ったままハウジング11の収容凹部12にケースプラグ1が嵌合するように降ろす。
Next, a predetermined amount of
続いて、ケースプラグ1とリングウェルド17とが十分接するまで押さえる。これにより、圧力検出室2、メタルダイヤフラム16およびリングウェルド17にて圧力検出室2が構成される。そして、ハウジング11の端部13をケースプラグ1にかしめることにより、ハウジング11とケースプラグ1とを一体化する。このような製造方法により本実施形態の圧力センサを構成することができる。
Subsequently, the
次にこのように構成された本実施形態の圧力センサの基本的な圧力検出動作について説明する。 Next, the basic pressure detection operation of the pressure sensor of the present embodiment configured as described above will be described.
測定媒体室14に流入した測定媒体の圧力がメタルダイヤフラム16に印加されると、圧力検出室2内に充填されているオイル19を介してセンサ素子4のダイヤフラムに圧力が印加される。センサ素子4のダイヤフラムにはブリッジ回路を構成するように形成されたゲージ抵抗が備えられており、センサ素子4のダイヤフラムに圧力が印加されるとピエゾ抵抗効果によりゲージ抵抗の抵抗値が変化する。このため、センサ素子4ではブリッジ回路の出力電圧が変化し、印加された圧力に応じたセンサ信号が出力される。このセンサ信号は、センサ素子4からボンディングワイヤ9およびターミナル8を介して外部に伝達され、これに基づいて測定媒体の圧力が検出される。
When the pressure of the measurement medium flowing into the
ここで、圧力センサの製造工程において、メタルダイヤフラム16およびリングウェルド17をハウジング11に溶接する際、その溶接熱によりメタルダイヤフラム16やハウジング11はともに熱膨張する。そして、メタルダイヤフラム16の膨張量の方がハウジング11の熱膨張量よりも著しく大きいため、溶接後の温度低下に伴ってメタルダイヤフラム16に対して引張り応力が発生する。
Here, in the manufacturing process of the pressure sensor, when the
このとき、溶接後の温度低下時におけるメタルダイヤフラム16とハウジング11の収縮量差は、第1コルゲート23および第2コルゲート24のうち主に第2コルゲート24の変形により吸収されるため、溶接後の温度が低下した状態では、メタルダイヤフラム16における測定媒体室14に対向する部位の引張り応力が小さくなり、第1コルゲート23は容易に変形可能な領域が広くなる。したがって、センサ温度と内圧が直線的な関係となる領域が広くなり、高温環境下でのセンサ精度が向上する。
At this time, the difference in shrinkage between the
1 ケースプラグ(第1ケース)
2 圧力検出室
4 センサ素子
11 ハウジング(第2ケース)
14 測定媒体室
16 ダイアフラム
19 オイル
23 第1コルゲート
24 第2コルゲート
25 コルゲート収容溝
1 Case plug (first case)
2
14
Claims (2)
測定媒体が流入する測定媒体室(14)を形成する第2ケース(11)と、
外縁部が前記第2ケースに全周溶接されるとともに前記第1ケースと前記第2ケースとによって挟持されて、前記圧力検出室と前記測定媒体室とを仕切る円板状のダイアフラム(16)と、
前記オイルの圧力を受けてその圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサ素子(4)とを備え、
前記ダイアフラムは、前記測定媒体室に対向する部位に形成された断面が湾曲形状の第1コルゲート(23)を備える圧力センサにおいて、
前記ダイアフラムは、前記第2ケースとの溶接部(18)よりも内周側で且つ前記測定媒体室に対向する部位よりも外周側の位置に形成された断面が湾曲形状の第2コルゲート(24)を備え、
前記第2ケースは、前記第2コルゲートが収容されるコルゲート収容溝(25)を備えることを特徴とする圧力センサ。 A first case (1) forming a pressure detection chamber (2) filled with oil (19);
A second case (11) forming a measurement medium chamber (14) into which the measurement medium flows;
A disk-shaped diaphragm (16) whose outer edge is welded all around the second case and is sandwiched between the first case and the second case, and partitions the pressure detection chamber and the measurement medium chamber; ,
A sensor element (4) that receives the pressure of the oil and outputs a sensor signal corresponding to the pressure;
In the pressure sensor, the diaphragm includes a first corrugate (23) having a curved cross section formed at a portion facing the measurement medium chamber.
The diaphragm is a second corrugate (24) having a curved cross section formed at a position on the inner peripheral side with respect to the welded portion (18) with the second case and on the outer peripheral side with respect to the portion facing the measurement medium chamber. )
The pressure sensor according to claim 2, wherein the second case includes a corrugated groove (25) in which the second corrugated is accommodated.
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