JP2017146137A - 圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサ、並びに圧力検出ユニットの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
半導体型圧力検出装置は、上記受圧室内に配置され、受圧空間内の圧力変化を電気信号に変換し、中継基板及びリード線を介して外部に出力する機能を有している。
そこで、半導体型圧力検出装置が収容されているベースにカバーを取り付けて、当該カバー内部に接着剤を封入して水密性を高めた圧力センサが知られている(特許文献1参照)。
このとき、これらの部材は、それぞれステンレス鋼等の金属材料で形成されているため、ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置は、上記周溶接を行う際の熱履歴でベースに膨張あるいは収縮による歪みを検出対象の圧力変動として検出してしまう。
そして、このようなトリミング作業は、圧力検出部あるいは圧力センサ全体の組立作業の後に所定の温度環境下で行う必要があり、当該温度環境を準備するための装置等が別途必要となる。
そして、圧力センサの上記流体導入管が接続される配管系等からは、圧力センサを設置した装置からの低周波の電気的ノイズ、いわゆる「コモンモードノイズ」が伝達されることがあり、端子ピンの本数が多いほど、このようなノイズが圧力検出部を介して半導体型圧力検出装置に伝達してしまい、検出精度の低下を招くおそれがある。
また、前記ベースと前記受け部材とを、外周側からカシメ一体化するカシメ部材をさらに備える。
このとき、前記ベースと前記リング部材との間に第2のロウ付け部が形成されており、さらに前記ベースと前記第2のロウ付け部との間にメタライズ層がさらに形成されてもよい。
前記ベースの中央部に半導体型圧力検出装置を取り付けるとともに、前記3本の端子ピンを前記半導体型圧力検出装置にそれぞれ電気的に接続する電気接続工程と、前記ベース及び皿状に形成された受け部材の間にダイアフラムを挟み込んだ状態で一体化する一体化工程と、を含む。
また、本発明による圧力検出ユニット及びこれを用いた圧力センサは、温度環境の変化によるベースの膨張あるいは収縮の影響が小さいため、温度環境の変化による検出精度の低下を抑制できる。
図1は、本発明の実施例1による圧力検出ユニットの概略を示しており、(a)は圧力検出ユニットの上面図を示し、(b)は(a)のA−A線における断面を側面視したものを示している。
図1に示すように、本発明の実施例1による圧力検出ユニット100は、セラミックスからなるベース110と、当該ベース110に対向する受け部材120と、ベース110及び受け部材120の間に挟まれたダイアフラム130及びリング部材140と、を含む。
ベース110を構成するセラミックス材料としては、例えば、アルミナやジルコニア等の酸化物、炭化ケイ素等の炭化物、窒化ケイ素等の窒化物をはじめとする一般的に周知なものを用いることができる。
また、ベース110の内側部114における受圧空間S1側の中央部には、後述する半導体型圧力検出装置150が取り付けられている。
そして、3本の端子ピン160、162、164は、上記複数の貫通穴116に挿通されることでベース110を貫通するとともに、その一端が上記半導体型圧力検出装置150と電気的に接続される。
筒部121の底面には、後述する流体流入管を取り付ける開口部123が形成されており、フランジ部122の上面には、ダイアフラム130が接合されている。
このような構造により、受け部材120とダイアフラム130との間には、検出対象である流体が流入する加圧空間S2が形成される。
そして、ダイアフラム130は、受け部材120とリング部材140との間に挟まれる態様で、例えばレーザー溶接等によって周溶接されている。これにより、受け部材120とダイアフラム130とリング部材140とが一体化されて受圧構造体を構成する。
圧力検出素子154は、その一例として、例えば8つのボンディングパッド(電極)を備え、そのうちの3つは出力信号用の電源入力パッド、アースパッド及び信号出力用パッドであり、残る5つは信号調整用パッドである。
アース用端子ピン160、電源入力用端子ピン162及び信号出力用端子ピン164は、上述した半導体型圧力検出装置150のアースパッド、電源入力パッド及び信号出力用パッドにそれぞれボンディングワイヤ166を介して電気的に接続される。
そして、ベース110に取り付けられて3本の端子ピン160、162、164と電気的に接続された半導体型圧力検出装置150には、上述した8つのパッドにそれぞれ通電用のプローブを接触させて温度補正作業(トリミング作業)が行われる。
すなわち、ベース110に形成された貫通穴116と端子ピン160、162、164との間に、それぞれ銀ロウ等のロウ材を介在させた状態で所定の温度に加熱することにより、ベース110のセラミックスと端子ピン160、162、164の金属との間に第1のロウ付け部B1を形成する。
このとき、ロウ付け作業を行う前に、ベース110の上記ロウ材と接触する面に予めメタライズ層(例えばMo−Mn層等)を形成しておくことにより、セラミックス材料とロウ材との濡れ性を高めることができる。
リング部材接合工程においては、ベース110とリング部材140との間に、例えば銀ロウ等のロウ材を介在させた状態で所定の温度に加熱することにより、ベース110のセラミックス材料とリング部材140の金属材料との間に第2のロウ付け部B2を形成する。
このとき、ロウ付け作業を行う前に、ベース110のロウ材と接触する面に予めメタライズ層(例えばMo−Mn層等)を形成しておくことにより、セラミックス材料とロウ材との濡れ性を高めることができる。
その後、半導体型圧力検出装置150のアースパッド、電源入力パッド及び信号出力用パッドと上記した3本の端子ピン160、162、164の一端とを、それぞれボンディングワイヤ166を介して電気的に接続する(電気接続工程)。
すなわち、基準となる温度(例えば室温)下で圧力検出素子154に荷重を負荷した状態で、信号出力用パッドあるいは調整用パッドから出力される信号の強度を読み取り、所定の荷重毎の信号の強度値との相関を取得して補正係数を設定する。
このとき、周溶接の手法としては、レーザー溶接やアーク溶接等の溶融溶接、あるいはシーム溶接等の抵抗溶接を適用することが可能であるが、溶接によるひずみの低減等を考慮すれば、入熱の小さいレーザー溶接や電子ビーム溶接等を適用することが好ましい。
図2に示すように、圧力センサ1は、図1で例示した本発明の実施例1による圧力検出ユニット100と、当該圧力検出ユニット100に取り付けられる円筒形状のカバー10と、上記圧力検出ユニット100から突出する3本の端子ピン160、162、164の一端が取り付けられる中継基板20と、中継基板20に取り付けられるコネクタ22と、コネクタ22に接続されて外部の機器との間で電気信号等を送受するリード線24と、圧力検出ユニット100の受け部材120に取り付けられる流体流入管30と、を含む。
図2に示すように、カバー10の内側には、ベース110を底面とする内部空間S3が形成されており、当該内部空間S3には、後述する中継基板20とコネクタ22とが収容されている。
これらの樹脂R1及びR2は、カバー10の内部に水分等が入り込むのを防止し、中継基板20等の電気系を保護する。
コネクタ22は、一端が中継基板20に取り付けられるとともに、他端にはカバー10の外部に延びるリード線24が取り付けられる。
このとき、3本の端子ピン160、162、164は、ビア電極と例えばハンダ付け等で電気的に固着接続される。
取付部32は、図1に示した受け部材120の開口部123に、溶接、接着あるいは機械的締結等の任意の手法で取り付けられる。
一方、圧力検出ユニット100の受け部材120の開口部123に、流体流入管30の取付部32を取付固定する。
その後、カバー10の小径部14側の開口部から樹脂R1を充填、固化して内部空間S3を封止する。
同様に、大径部12側の開口端から樹脂R2を充填、固化して圧力検出ユニット100をカバー10内に固定する。
ダイアフラム130が変形すると、受圧空間S1内の液状媒質が加圧され、ダイアフラム130を変形させた圧力が半導体型圧力検出装置150の圧力検出素子154に伝達される。
そして、上記電気信号は中継基板20の配線層に伝達され、さらにコネクタ22及びリード線24を介して外部の機器に出力される。
したがって、半導体型圧力検出装置150をベース110に取り付けた段階でトリミング作業を行っても、その後の組立作業のロウ付け等の入熱でのベース110の膨張あるいは収縮を無視できるため、簡単な構造でかつベース接合工程前の組立作業中にトリミング作業を行うことができる。
そして、ベース110を熱膨張係数の小さいセラミックス材料で形成して端子ピン160、162、164の本数を3本としたことにより、配管等から伝達するコモンモードノイズの伝達経路を極小化できるため、半導体型圧力検出装置150がノイズを検出することによる検出精度の低下を軽減できる。
そして、ベース110をセラミックス材料で形成したことにより、従来型の圧力検出ユニットでベースに端子ピンを埋め込む際に用いられたガラス製のハーメチックシールをロウ付け部で代替できるため、脆弱なハーメチックシール部が破損して受圧空間に封入した液状媒質がリークすることを防止できる。
また、ベース110を受圧構造体と接合する際に、ベース110とリング部材140とを位置決めするのみで良いため、接合作業が簡略化されるとともに、圧力検出ユニット100の形状精度を向上させることもできる。
図3は、本発明の実施例2による圧力検出ユニットの概略を示しており、(a)は圧力検出ユニットの上面図を示し、(b)は(a)のA−A線における断面を側面視したものを示している。
図3に示すように、本発明の実施例2による圧力検出ユニット200は、セラミックスからなるベース210と、当該ベース210に対向する受け部材220と、ベース210及び受け部材220の間に挟まれたダイアフラム230及びリング部材240と、ベース210及び受け部材220を外周側から一体固定するカシメ部材280と、を含む。
また、外周部212の下端には、外周方向に向けて開放する環状の切欠部212aが形成されており、当該切欠部212aには、後述するOリング等の封止部材282が取り付けられる。
また、ベース210の内側部214における受圧空間S1側の中央部には、後述する半導体型圧力検出装置250が取り付けられている。
そして、3本の端子ピン260、262、264は、上記複数の貫通穴216に挿通されることでベース210を貫通するとともに、その一端が上記半導体型圧力検出装置250と電気的に接続される。
筒部221の底面には、流体流入管を取り付ける開口部223が形成されており、フランジ部222の上面には、ダイアフラム230が接合されている。
このような構造により、受け部材220とダイアフラム230との間には、検出対象である流体が流入する加圧空間S2が形成される。
そして、ダイアフラム230は、受け部材220とリング部材240との間に挟まれる態様で周溶接されることにより、受け部材220とダイアフラム230とリング部材240とが一体化されて受圧構造体を構成する。
圧力検出素子154は、実施例1と同様の出力信号用の電源入力パッド、アースパッド、信号出力用パッド、及び信号調整用パッドを備えている。
アース用端子ピン260、電源入力用端子ピン262及び信号出力用端子ピン264は、上述した半導体型圧力検出装置250のアースパッド、電源入力パッド及び信号出力用パッドにそれぞれボンディングワイヤ266を介して電気的に接続される。
そして、ベース210に取り付けられて3本の端子ピン260、262、264と電気的に接続された半導体型圧力検出装置250には、上述した圧力検出素子154のパッドにそれぞれ通電用のプローブを接触させて温度補正作業(トリミング作業)が行われる。
このような構成を採用することにより、ベース210と受け部材220(あるいはリング部材240)との密着度が向上するとともに、これらの重ね合わせ部の外周側を取り囲む構造であるため、より高い気密あるいは水密性を確保できる。
すなわち、実施例1と同様に、ベース210に形成された貫通穴216と端子ピン260、262、264との間に、それぞれ銀ロウ等のロウ材を介在させた状態で所定の温度に加熱することにより、ベース210のセラミックスと端子ピン260、262、264の金属との間にロウ付け部B3を形成する。
このとき、ロウ付け作業を行う前に、ベース210の上記ロウ材と接触する面に予めメタライズ層(例えばMo−Mn層等)を形成しておいてもよい。
その後、半導体型圧力検出装置250のアースパッド、電源入力パッド及び信号出力用パッドと上記した3本の端子ピン260、262、264の一端とを、それぞれボンディングワイヤ266を介して電気的に接続する(電気接続工程)。
すなわち、基準となる温度(例えば室温)下で圧力検出素子254に荷重を負荷した状態で、信号出力用パッドあるいは調整用パッドから出力される信号の強度を読み取り、所定の荷重毎の信号の強度値との相関を取得して補正係数を設定する。
このとき、周溶接の手法としては、レーザー溶接やアーク溶接等の溶融溶接、あるいはシーム溶接等の抵抗溶接を適用することが可能であるが、溶接によるひずみの低減等を考慮すれば、入熱の小さいレーザー溶接や電子ビーム溶接等を適用することが好ましい。
このとき、封止部材282の高さ及び幅は、ベース210に形成された切欠部212aの高さ及び幅よりやや大きい寸法となるように選択される。これにより、カシメ固定時に切欠部212aの内部で上下方向及び左右方向から圧縮されるため、確実な気密性及び水密性を確保できる。
図4に示すように、圧力センサ1は、図3で例示した本発明の実施例2による圧力検出ユニット200と、当該圧力検出ユニット200に取り付けられる円筒形状のカバー10と、上記圧力検出ユニット200から突出する3本の端子ピン260、262、264の一端が取り付けられる中継基板20と、中継基板20に取り付けられるコネクタ22と、コネクタ22に接続されて外部の機器との間で電気信号等を送受するリード線24と、圧力検出ユニット200の受け部材220に取り付けられる流体流入管30と、を含む。
図4に示すように、カバー10の内側には、ベース210を底面とする内部空間S3が形成されており、当該内部空間S3には、後述する中継基板20とコネクタ22とが収容されている。
これらの樹脂R1及びR2は、カバー10の内部に水分等が入り込むのを防止し、中継基板20等の電気系を保護する。
また、中継基板20のビア電極には、圧力検出ユニット200のベース210から突出する3本の端子ピン260、262、264の一端がそれぞれ貫通して固着されている。
取付部32は、図3に示した受け部材220の開口部223に、溶接、接着あるいは機械的締結等の任意の手法で取り付けられる。
一方、圧力検出ユニット200の受け部材220の開口部223に、流体流入管30の取付部32を取付固定する。
同様に、大径部12側の開口端から樹脂R2を充填、固化して圧力検出ユニット200をカバー10内に固定する。
また、ベース210とリング部材240とをロウ付けする必要がない、すなわちベース210とは別に、受け部材220とリング部材240との間にダイアフラム230を挟み込んで周溶接することができるため、当該周溶接のための設備を小型化できるとともに寸法精度を向上させることができる。
きる。
例えば、実施例1において、第1のロウ付け部B1を形成した後に第2のロウ付け部B2を形成する場合を例示したが、これらのロウ付け部を形成するためのロウ材が同一あるいはほぼ同一の溶融温度を有するものであれば、第1のロウ付け部B1と第2のロウ付け部B2とを同一の工程で形成してもよい。
これにより、圧力センサの製造に要する時間を大幅に短縮することができる。
これにより、リング部材140(240)の製造コスト及び材料を削減できるとともに、圧力検出ユニット100(200)全体の軽量化を図ることもできる。
このとき、例えばベース110(200)の外面の上記流入孔の近傍にメタライズ層を形成しておき、当該メタライズ層とボールとを抵抗溶接することにより、取り付けることができる。
このような構成を採用することにより、樹脂R2を充填、固化する工程を削減できるとともに、圧力検出ユニット200をカバー10及び流体流入管30の内部に完全に収容できるため、水密性をさらに向上させることができる。
10 カバー
20 中継基板
22 コネクタ
24 リード線
30 流体流入管
100、200 圧力検出ユニット
110、210 ベース
112、212 外周部
114、214 内側部
120、220 受け部材
121、221 筒部
122、222 フランジ部
123、223 開口部
130、230 ダイアフラム
140、240 リング部材
150、250 半導体型圧力検出装置
152、252 支持基板
154、254 圧力検出素子
160、260 アース用端子ピン
162、262 電源入力用端子ピン
164、264 信号出力用端子ピン
166、266 ボンディングワイヤ
280 カシメ部材
282 封止部材
Claims (17)
- 蓋状に形成されたセラミックス製のベースと、
皿状に形成された受け部材と、
前記ベース及び前記受け部材の間に挟まれたダイアフラムと、
前記ベースにおける前記ダイアフラムの間に形成された受圧空間側に取り付けられた半導体型圧力検出装置と、
前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続されるとともに前記ベースを貫通する3本の端子ピンと、を備え、
前記3本の端子ピンは、アース用端子ピンと電源入力用端子ピンと信号出力用端子ピンと、で構成された圧力検出ユニット。 - 前記ベースと前記3本の端子ピンとの間に第1のロウ付け部が形成されている、
請求項1に記載の圧力検出ユニット。 - 前記ベースと前記第1のロウ付け部との間にメタライズ層がさらに形成されている、
請求項2に記載の圧力検出ユニット。 - 前記ベースと前記ダイアフラムとの間に、リング部材がさらに挟み込まれている、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧力検出ユニット。 - 前記ベースと前記受け部材とを、外周側からカシメ一体化するカシメ部材をさらに備える、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧力検出ユニット。 - 前記ベースと前記リング部材との間に第2のロウ付け部が形成されている、
請求項4に記載の圧力検出ユニット。 - 前記ベースと前記第2のロウ付け部との間にメタライズ層がさらに形成されている、
請求項6に記載の圧力検出ユニット。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧力検出ユニットと、前記圧力検出ユニットを外周側から包むように取り付けられるカバーと、一端が前記圧力検出ユニットの端子ピンに電気的に接続されるとともに他端が前記カバーの外部に突出するリード線と、前記圧力検出ユニットの受け部材に取り付けられる流体流入管と、
を備えた圧力センサ。 - 蓋状に形成されたセラミックス製のベースに、前記ベースを貫通する3本の端子ピンを取り付ける端子ピン取付工程と、
前記ベースの中央部に半導体型圧力検出装置を取り付けるとともに、前記3本の端子ピンを前記半導体型圧力検出装置にそれぞれ電気的に接続する電気接続工程と、
前記ベース及び皿状に形成された受け部材の間にダイアフラムを挟み込んだ状態で一体化する一体化工程と、
を含む圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記端子ピン取付工程において、前記ベースと前記3本の端子ピンとの間をロウ付け処理で接合する、
請求項9に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記端子ピン取付工程において、前記ベースに対してリング部材を前記ロウ付け処理により同時に取り付ける、
請求項10に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記端子ピン取付工程において、前記ロウ付け処理の前にメタライズ処理を行う、
請求項10又は11に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記一体化工程において、前記リング部材と前記ダイアフラムと前記受け部材とを溶接により一体化する、
請求項11に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記溶接は、レーザー溶接又は電子ビーム溶接である、
請求項13に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記一体化工程において、前記ベースと前記受け部材とを、外周側からカシメ部材によりカシメ加工して一体化する、
請求項9又は10に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記カシメ加工の前に、前記ベースと前記ダイアフラムとの間にリング部材をさらに挟み込む、
請求項15に記載の圧力検出ユニットの製造方法。 - 前記電気接続工程と前記一体化工程との間に、前記半導体型圧力検出装置の温度補正処理を行う温度補正工程をさらに含む、
請求項9〜16のいずれか1項に記載の圧力検出ユニットの製造方法。
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