JP2015064293A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサにおいてメタルダイヤフラムへの異物の付着を抑制する。【解決手段】この圧力センサは、センサチップと、センサチップが配置される第１ハウジングと、筒状を成して中空部を有するとともに、第１ハウジングと一体に組み付けられる第２ハウジングと、第２ハウジングの中空部を、第１ハウジングが収容される収容空間と、測定媒体が導入される導入空間とに区切るメタルダイヤフラムと、を有する。導入空間は、測定媒体をメタルダイヤフラムに向けて誘導する誘導路と、誘導路からメタルダイヤフラムにかけて路幅が拡がった拡幅路と、から成る。そして、拡幅路の側壁である拡幅壁に、測定媒体に混入した異物をトラップする粗面部を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、メタルダイヤフラムを有する圧力センサに関する。

従来、例えば、特許文献１において、ハウジングとセンサチップを搭載したケースプラグとをかしめ固定により一体に組み付けて構成される圧力センサが開示されている。この圧力センサのセンサチップにはダイヤフラムが構成されており、こ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設けられている。また、センサチップは直接測定媒体に曝されないように、メタルダイヤフラムで覆われた圧力検出室内に配置されている。そして、圧力検出室内はセンサチップを覆うようにオイルで充填されている。

このような圧力センサでは、メタルダイヤフラムに圧力が印加されると、圧力検出室内を充填するオイルを介してセンサチップに圧力が印加される。このとき、センサチップではピエゾ抵抗効果によりゲージ抵抗の抵抗値が変化する。これにより、ブリッジ回路の中間電位が変化し、この中間電位の変化に基づいて圧力に応じたセンサ出力信号が出力される。

また、このような圧力センサは、外部温度が高温の際に、オイルの体積が変化することにより圧力検出室内の体積が変化する。メタルダイヤフラムは、圧力検出室内の体積変化に伴って変位し、圧力検出室内の圧力上昇を緩和する効果を発揮する。

特開２００９−１０３５７４号公報

上記のような圧力センサでは、メタルダイヤフラムが、測定媒体の圧力をオイル、ひいてはセンサチップに伝達する役割を果たしている。さらには、メタルダイヤフラムは、圧力検出室内の圧力上昇を緩和する役割も果たしている。

しかしながら、測定媒体内に混入した異物がメタルダイヤフラムに付着すると、メタルダイヤフラムの変位が阻害される。これにより、圧力変化に対する感度が低下したり、外部温度の変化によるノイズの影響を受けやすくなるなど、圧力の検出精度が低下する虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、メタルダイヤフラムへの異物の付着を抑制することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として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って、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、測定媒体の圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサチップ（３０）と、一面に凹部（１３）を有し、凹部にセンサチップが配置される第１ハウジング（１０）と、筒状を成して中空部を有するとともに、中空部に第１ハウジングが挿入されることで第１ハウジングと一体に組み付けられる第２ハウジング（２０）と、測定媒体の圧力が印加され、中空部を、第１ハウジングにおける一面側の一端（１１ａ）が収容される収容空間と、測定媒体が導入される導入空間とに区切るメタルダイヤフラム（５０）と、収容空間における、メタルダイヤフラムと第１ハウジングの一面に囲まれて成る圧力検出室（１７）に充填され、メタルダイヤフラムに作用する測定媒体の圧力をセンサチップに伝達する圧力伝達媒体（１８）と、を備え、導入空間が、測定媒体をメタルダイヤフラムに向けて誘導する誘導路（２３ａ）と、該誘導路からメタルダイヤフラムにかけて路幅が拡がった拡幅路（２４ａ）と、から成る圧力センサであって、拡幅路の側壁である拡幅壁に、測定媒体に混入した異物をトラップする粗面部（７０）を有することを特徴としている。

これによれば、誘導路における測定媒体の流れを阻害することなく、測定媒体に混入し誘導路に沿って導入空間に進入しつつある異物を、粗面部によってトラップすることができる。このため、異物がメタルダイヤフラムに付着することを抑制できる。したがって、圧力の検出精度の低下を抑制することができる。

第１実施形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。 図１に示す領域ＩＩの詳細構成（図３におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面）を示す拡大断面図である。 第２筒部の詳細を示す上面図である。 変形例１に係る圧力センサの、図１に示す領域ＩＩに相当する部分の詳細を示す拡大断面図である。 第２実施形態に係る圧力センサの、領域ＩＩに相当する部分の詳細を示す拡大断面図である。 変形例２に係る圧力センサの、領域ＩＩに相当する部分の詳細を示す拡大断面図である。 第３実施形態に係る圧力センサの、領域ＩＩに相当する部分の詳細構成（図８におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面）を示す拡大断面図である。 第２筒部の詳細を示す上面図である。 変形例３に係る圧力センサの、領域ＩＩに相当する部分の詳細を示す拡大断面図である。 変形例３に係る圧力センサの、領域ＩＩに相当する部分の詳細を示す拡大断面図である。 その他の実施形態に係る圧力センサの、拡幅路を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る圧力センサの概略構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る圧力センサ１００は、柱状の第１ハウジング１０と、筒状の第２ハウジング２０とが組み付けられて成る。第１ハウジング１０には、センサチップ３０とターミナル４０とが固定されている。また、第２ハウジング２０には、メタルダイヤフラム５０とリングウェルド５１とが固定されている。筒状の第２ハウジング２０における中空部は、メタルダイヤフラム５０によって、第１ハウジング１０を収容する収容空間と、被検出対象である測定媒体が導入される導入空間とに区切られている。第２ハウジング２０の一部は測定媒体が流れる図示しない流路に設置され、測定媒体が上記した導入空間に流入してメタルダイヤフラム５０に作用することによって圧力が測定できるようになっている。

第１ハウジング１０は、ＰＰＳやＰＢＴなどの樹脂材料によって形成され、第１柱部１１と第２柱部１２とが一体的に連結されている。図１において、第１ハウジング１０に示す破線ａは、第１柱部１１と第２柱部１２の境界を示している。第１柱部１１の径は、第２柱部１２の径よりも大きくなっており、第１柱部１１は、第２ハウジング２０の収容空間内に収容されている。第２柱部１２は第２ハウジング２０の外部に配置されている。

図１に示すように、第１柱部１１における、メタルダイヤフラム５０側端部の一面１１ａには、凹部１３が形成されている。凹部１３の底部には、センサチップ３０を収容するセンサ溝１４と、ターミナル４０の一部を一面１１ａ側に露出させるためのターミナル溝１５とが形成されている。また、一面１１ａには、凹部１３を取り囲むように、外縁溝１６が形成されている。センサ溝１４の底部にはセンサチップ３０が固定されている。ターミナル溝１５の底部にはターミナル４０の一部が露出するように固定されている。また、外縁溝１６にはＯリング６０が配置されている。

また、上記凹部１３とメタルダイヤフラム５０とによって囲まれた領域には、圧力検出室１７が形成されている。圧力検出室１７は圧力伝達媒体１８により満たされている。メタルダイヤフラム５０に作用した測定媒体の圧力は、圧力伝達媒体１８を介してセンサチップ３０に伝達される。なお、Ｏリング６０は、第１ハウジング１０と第２ハウジング２０とがかしめ固定される際に圧縮変形して、圧力検出室１７とその外部との間をシールするようになっており、圧力伝達媒体１８が外部に漏洩しないよう機能している。

第２ハウジング２０は、アルミニウムなどの金属材料を構成材料とし、第１筒部２１と第２筒部２２とが連結して形成されている。図１において、第２ハウジング２０に示す破線ｂは、第１筒部２１と第２筒部２２の境界を示している。第１筒部２１の内径は第２筒部２２の内径よりも大きくされている。第２ハウジング２０の中空部は、内径が変化する位置を境界として、収容空間と導入空間とに分けられている。換言すれば、第１筒部２１により形成される中空は第１ハウジング１０が収容される収容空間に相当する。また、第２筒部２２により形成される中空は測定媒体が導入される導入空間に相当する。

第１筒部２１は、第２筒部２２との連結端と反対側の端部がかしめ部２１ａとされている。第１ハウジング１０は、第１筒部２１の収容空間に収容後、かしめ部２１ａが内側に折り曲げられることによりかしめ固定されている。

第２筒部２２は、誘導部２３と拡幅部２４とを有している。図１において、第２筒部２２に示す破線ｃは、誘導部２３と拡幅部２４の境界を示している。誘導部２３は測定媒体をメタルダイヤフラム５０まで導く誘導路２３ａを有し、その誘導路２３ａの内径は軸方向に一定とされている。また、誘導部２３の外壁の一部には、測定媒体が流れる流路に固定するためのネジ切り部２５が形成されている。一方、拡幅部２４は誘導部２３と第１筒部２１とを繋いでいる。拡幅部２４は、誘導路２３ａからメタルダイヤフラム５０に向かって径が徐々に大きくなるように拡幅された拡幅路２４ａを有する。拡幅路２４ａは誘導路２３ａと連続的に繋がっている。なお、メタルダイヤフラム５０は、拡幅部２４おける第１筒部２１との連結端２４ｂに溶接固定されている。この連結端２４ｂは、第１ハウジング１０における第１柱部１１の一面１１ａと、メタルダイヤフラム５０およびリングウェルド５１を介して対向している。なお、拡幅路２４ａを構成する側壁（以下、拡幅壁２４ａとも示す）の壁面形状は、追って詳述する。

センサチップ３０は、ダイヤフラム上にゲージ抵抗器を備え、ダイヤフラムの変位をピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化に基づいて検出する圧力検出素子である。センサチップ３０は、台座３１を介して第１柱部１１の一面１１ａに形成された凹部１３のうち、センサ溝１４の内部に配置されている。

ターミナル４０は、第１ハウジング１０にインサート成形されている。図１に示すように、ターミナル４０の一端側の一部が、凹部１３に設けられたターミナル溝１５から露出している。また、ターミナル４０の他端は、第２柱部１２の第１柱部１１との連結端とは反対の端部１２ａから露出している。ターミナル４０のうち、ターミナル溝１５から露出した部分は、ボンディングワイヤ４１を介してセンサチップ３０と電気的に接続されている。また、端部１２ａから露出した部分は、図示しない外部回路に接続される。すなわち、センサチップ３０は、ボンディングワイヤ４１およびターミナル４０を介して外部回路に接続されている。

また、凹部１３とメタルダイヤフラム５０で囲まれた圧力検出室１７は、圧力伝達媒体１８が満たされている。また、ターミナル溝１５にはシール材４２が導入され、このシール材４２によりターミナル４０の露出した部分が保護されている。センサチップ３０は、圧力伝達媒体１８に覆われているため、メタルダイヤフラム５０に作用した圧力は、圧力伝達媒体１８を介してセンサチップ３０に伝達される。

メタルダイヤフラム５０は円板状を成し、その平面が波打った形状（コルゲート形状）となっている。メタルダイヤフラム５０の周縁部は、第２筒部２２の連結端２４ｂに溶接固定されており、測定媒体が圧力検出室１７に浸入したり、圧力伝達媒体１８が拡幅路２４ａに漏洩したりしないようになっている。

リングウェルド５１は、第１柱部１１の一面１１ａと第２筒部２２の連結端２４ｂとに挟まれて配置されている。そして、第１柱部１１に形成された外縁溝１６に嵌め込まれたＯリング６０は、リングウェルド５１と一面１１ａとに挟持されて圧縮変形し、圧力検出室１７をシールしている。

次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係る圧力センサ１００の拡幅路２４ａについて説明する。

図２は図１における領域ＩＩの詳細断面図である。図２に示すように、本実施形態に係る圧力センサ１００における拡幅壁２４ａは粗面部７０を有している。この粗面部７０は鋸刃状を成し、拡幅壁２４ａのうち、誘導路２３ａ側に形成されている。粗面部７０は、第２ハウジング２０の軸に沿う断面において、拡幅壁２４ａに平行な底辺７１ａと、メタルダイヤフラム５０に近い側の上辺７１ｂと、誘導路２３ａに近い側の下辺７１ｃとからなる三角形を単位胞として、この単位胞が複数連続して形成されることによって鋸刃状となっている。なお、この三角形は上辺７１ｂと下辺７１ｃとが直交する直角三角形を成している。

また、図３は、第２ハウジング２０における第２筒部２２の上面図である。ここで指す上面図とは、拡幅部２４側から誘導部２３側を見た図である。図３に示すように、粗面部７０は、筒状を成す第２ハウジング２０の周方向に沿って、全周に亘って形成されている。上記の底辺７１ａ、上辺７１ｂおよび下辺７１ｃの三辺からなる連続した三角形が、第２ハウジング２０の周方向に掃引された形状となっている。換言すれば、粗面部７０は、拡幅壁２４ａに円形階段状になるように形成されている。なお、本実施形態の粗面部７０は、拡幅壁２４ａを周方向に沿って削りとり、図２に示すような円周状の穿孔部８０を複数形成することによって円形階段状にされている。すなわち、拡幅壁２４ａの延長面よりも下側に粗面部７０が形成されている。

次に、本実施形態に係る圧力センサ１００の作用効果について説明する。

この圧力センサ１００は、誘導路２３ａの側壁に連続する拡幅壁２４ａに粗面部７０を有しているため、粗面部７０を有さない構成に較べて、誘導路２３ａの側壁に沿って導入空間内に浸入してくる異物に対して沿面距離を長くすることができる。このため、異物を粗面部７０によってトラップしやすくすることができる。これにより、異物がメタルダイヤフラム５０近傍に堆積することを抑制でき、異物がメタルダイヤフラム５０の変位を阻害することを抑制することができる。したがって、異物に起因する圧力検出の感度低下や、検出精度の低下を抑制することができる。なお、異物とは、例えば、車両燃料中の水や煤などを指す。また、粗面部７０が誘導路２３ａに形成されていても、異物をトラップする効果を奏することができるが、粗面部７０が拡幅壁２４ａに形成されていることにより、誘導路２３ａによって測定媒体が乱流となることを抑制することができる。したがって、測定媒体のメタルダイヤフラム５０への作用を安定させることができ、圧力の検出精度の低下を抑制することができる。

また、本実施形態における粗面部７０は、筒状とされた第２ハウジング２０の周方向に沿って全周に亘って形成されている。このため、誘導路２３ａに沿って進入してくる異物に対して、トラップする効果を全周に亘って機能させることができる。

また、本実施形態における粗面部７０は鋸刃状に形成されている。この構成は、拡幅壁２４ａを周方向に切削するだけで形成することができるため、特別な加工を必要としない。すなわち、一般的な金属加工の方法を用いて簡便に形成することができる。なお、粗面部７０は、切削による形成に限定されることなく、ダイカストや鍛造によって形成することもできる。

（変形例１）
なお、上記した第１実施形態では、粗面部７０が、円周状の穿孔部８０を設けることによって形成されているが、図４に示すように、拡幅壁２４ａに三角形の突起部８１を設けることによって形成されてもよい。

（第２実施形態）
第１実施形態における粗面部７０は、第２ハウジング２０の軸に沿う断面において、複数の三角形が拡幅壁２４ａに沿う方向に連続して並んで形成されている。とくに、図２および図４に示すように、この三角形は上辺７１ｂと下辺７１ｃとが直交する直角三角形を成している。

これに対して、本実施形態では、図５に示すように、底辺７１ａと下辺７１ｃの成す角αが、底辺７１ａと上辺７１ｂの成す角βよりも大きくなっている。また、本実施形態では、角αおよび角βともに鋭角であり、上辺７１ｂと下辺７１ｃの成す角γも鋭角となっている。なお、図５は粗面部７０の拡大断面図である。

角αおよび角βは三角形の内角であり、かつ、α＞βであるから、底辺７１ａと上辺７１ｂの成す角βの外角は必ず鈍角となる。このため、万一粗面部７０でトラップできずに進入した異物が存在していたとしても、角βの外角が鋭角の場合に較べて、図５の一点鎖線に示すように、メタルダイヤフラム５０側から誘導路２３ａ側に排出しやすくすることができる。

また、本実施形態では、上辺７１ｂと下辺７１ｃの成す角γが鋭角である。角αおよび角βの補角である角δは、角γに対して錯角であるから、角δも鋭角となる。このため、図５の二点鎖線に示すように、異物を誘導路２３ａ側からメタルダイヤフラム５０側に進入しにくくすることができる。

（変形例２）
なお、上記した第２実施形態では、角αが鋭角となる形態について説明したが、図６に示すように、角αが鈍角であってもよい。この場合、角δは必ず鋭角になるため、異物を誘導路２３ａ側からメタルダイヤフラム５０側に進入しにくくすることができる。

（第３実施形態）
第１実施形態および第２実施形態では、粗面部７０の第２ハウジング２０の軸方向に沿う断面形状が鋸刃状である例について示した。これに対して、本実施形態では、拡幅壁２４ａに複数の突起部９０が設けられることにより粗面部７０が形成される例を示す。

図７に示すように、本実施形態における粗面部７０は、拡幅壁２４ａに形成された複数の突起部９０により成る。この突起部９０は、拡幅壁２４ａのうち、誘導路２３ａ側に設けられている。そして、この突起部９０は、図８に示すように、第２ハウジング２０の軸を中心として、周方向に全周に亘って形成されている。これによれば、第１実施形態と同様に、誘導路２３ａに沿って進入してくる異物を、突起部９０によりトラップすることができる。よって、異物がメタルダイヤフラム５０近傍に堆積することを抑制でき、異物がメタルダイヤフラム５０の変位を阻害することを抑制することができる。したがって、異物に起因する圧力検出の感度低下や、検出精度の低下を抑制することができる。

（変形例３）
また、粗面部７０は、図９に示すように、拡幅壁２４ａに形成された複数の穿孔部９１により形成されてもよいし、図１０に示すように、突起部９０と穿孔部９１が混在して形成されていてもよい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、粗面部７０が、第２ハウジング２０の軸を中心とした周方向に対して全周に亘って形成された例について示した。しかしながら、この例に限定されない。粗面部７０は、拡幅壁２４ａの一部に形成されていれば、異物をトラップする効果を奏することができる。ただし、上記した例のように、粗面部７０が第２ハウジング２０の軸を中心とした周方向に対して全周に亘って形成されていることによって、誘導路２３ａから進入してくる異物を全周に亘ってくまなくトラップすることができる。

また、上記した各実施形態では、粗面部７０について、拡幅壁２４ａを掘削等により加工する例を示した。換言すれば、粗面部７０が拡幅部２４と同一の材料により構成され、拡幅部２４と一体的に形成される例を示した。しかしながら、粗面部７０は、拡幅部２４と別体の部材を拡幅壁２４ａに固定することによって形成されてもよい。例えば、異物をトラップする異物吸着ブラシ等を拡幅壁２４ａに設置してもよい。

また、上記した各実施形態では、拡幅部２４が、誘導路２３ａからメタルダイヤフラム５０に向かって径が徐々に大きくなるように拡幅された拡幅路２４ａを有する例について示した。しかしながら、拡幅路２４ａの形状は上記例に限定されない。例えば、図１１に示すように、拡幅路２４ａが誘導路２３ａからメタルダイヤフラム５０に向かって一定の径を有し、その径が誘導路２３ａの径よりも大きくされた構成であってもよい。この構成でも、誘導路２３ａに沿ってメタルダイヤフラム５０側に進入してくる異物を、粗面部７０によりトラップすることができる。

１００・・・圧力センサ
１０・・・第１ハウジング
２０・・・第２ハウジング
２１・・・第１筒部，２２・・・第２筒部，２３・・・誘導部，２４・・・拡幅部
２３ａ・・・誘導路，２４ａ・・・拡幅路
３０・・・センサチップ
４０・・・ターミナル
５０・・・メタルダイヤフラム
７０・・・粗面部

Claims (6)

1. 測定媒体の圧力に応じたセンサ信号を出力するセンサチップ（３０）と、
   一面（１１ａ）に凹部（１３）を有し、前記凹部に前記センサチップが配置される第１ハウジング（１０）と、
   筒状を成して中空部を有するとともに、前記中空部に前記第１ハウジングが挿入されることで前記第１ハウジングと一体に組み付けられる第２ハウジング（２０）と、
   前記測定媒体の圧力が印加され、前記中空部を、前記第１ハウジングにおける前記一面側の一端が収容される収容空間と、前記測定媒体が導入される導入空間とに区切るメタルダイヤフラム（５０）と、
   前記収容空間における、前記メタルダイヤフラムと前記第１ハウジングの前記一面に囲まれて成る圧力検出室（１７）に充填され、前記メタルダイヤフラムに作用する前記測定媒体の圧力を前記センサチップに伝達する圧力伝達媒体（１８）と、を備え、
   前記導入空間が、
   前記測定媒体を前記メタルダイヤフラムに向けて誘導する誘導路（２３ａ）と、
   該誘導路から前記メタルダイヤフラムにかけて路幅が拡がった拡幅路（２４ａ）と、から成る圧力センサであって、
   前記拡幅路の側壁である拡幅壁に、前記測定媒体に混入した異物をトラップする粗面部（７０）を有することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記粗面部は、筒状とされた前記第２ハウジングの周方向に沿って全周に亘って形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記粗面部は、前記第２ハウジングの軸方向に沿う断面形状が鋸刃状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記粗面部は、鋸刃状の断面が、筒状とされた前記第２ハウジングの周方向に沿って全周に亘って掃引された形状を成すことを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記第２ハウジングの軸方向に沿う断面において、前記粗面部は、鋸刃状を成す単位胞として三角形を成し、
   該三角形は、前記拡幅壁に平行な底辺（７１ａ）と、前記メタルダイヤフラムに近い側の上辺（７１ｂ）と、前記誘導路に近い側の下辺（７１ｃ）と、から成り、
   前記底辺と前記下辺の成す角（α）が、前記底辺と前記上辺の成す角（β）よりも大きいことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記粗面部は、前記拡幅壁に対して、複数の突起部（８１，９０）、および、複数の穿孔部（８０，９１）、の少なくとも一方により形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。

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