JP2018075805A - 樹脂金属接合体及び圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】金属表面と合成樹脂部材とを強固に接合しつつ、接合部における気密性又は液密性を向上すること。【解決手段】樹脂金属接合体(100)は、サブミクロンオーダー又はナノオーダーの開口幅Lを有するナノ凹部(104)が形成された金属表面(103)と、慣性半径Rgが2Rg/L≦1/2を満たす合成樹脂材料によって形成された合成樹脂部材(101)とを備える。合成樹脂部材は、金属表面に接合されている。【選択図】図2
Description
本発明は、樹脂金属接合体、及びこれを備えた圧力センサに関する。
特許文献1に開示された樹脂金属接合体において、金属表面は、ミクロンオーダーの凹凸面を有している。また、この凹凸面には、10〜500nm周期の微細凹凸面が形成されている。これにより、金属表面と合成樹脂との強固な接合が得られる。
特許文献1にも記載の通り、上記の微細凹凸面における凹部(以下「ナノ凹部」と称する)には、合成樹脂部材を構成する合成樹脂材料が侵入し難い。但し、多数のナノ凹部のうちの一部には、合成樹脂材料が、或る程度は侵入し得る。これにより、良好な接合強度が得られる。
しかしながら、特許文献1に開示された技術においては、金属表面と合成樹脂部材との接合部に、ボイドが発生する。このボイドは、ナノ凹部への合成樹脂材料の不侵入又は不完全侵入によって形成される。かかるボイドが多数形成されると、接合部における気密性又は液密性が低下する。更に、この種の樹脂金属接合体は、流体の圧力に対応した電気出力を発生する圧力センサにて、測定対象流体又は圧力伝達流体に面するように配置される場合があり得る。この場合、接合部における気密性又は液密性の低下により、接合部への流体の侵入、あるいはセンサ外部への流体の漏出、等の不具合が生じ得る。本発明は、上記に例示した課題に鑑みてなされたものである。
請求項1に記載の樹脂金属接合体(100)は、サブミクロンオーダー又はナノオーダーの開口幅Lを有するナノ凹部(104)が形成された金属表面(103)と、樹脂の慣性半径Rgが2Rg/L≦1/2を満たす合成樹脂材料によって形成された合成樹脂部材であって、前記金属表面に接合された合成樹脂部材(101)と、を備えている。
かかる構成によれば、前記樹脂金属接合体を形成する工程において、前記合成樹脂部材を構成する合成樹脂材料は、前記ナノ凹部の内部に良好に侵入する。したがって、かかる構成によれば、前記金属表面と前記合成樹脂部材とを強固に接合しつつ、前記金属表面と前記合成樹脂部材との接合部における気密性又は液密性を向上することが可能となる。
請求項4に記載の圧力センサ(1)は、流体の圧力に対応した電気出力を発生するように構成されている。この圧力センサは、前記流体に面するように配置されるように設けられた前記樹脂金属接合体を備えている。
上記構成を有する前記圧力センサにおいては、前記樹脂金属接合体における前記接合部にて、気密性又は液密性が良好となっている。故に、前記樹脂金属接合体が前記流体に面していても、前記接合部への前記流体の侵入、あるいは前記接合部を介しての前記流体の漏出が、良好に抑制され得る。
なお、上記及び特許請求の範囲欄における各手段に付された括弧付きの参照符号は、同手段と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、実施形態に対して適用可能な各種の変更については、変形例として、一連の実施形態の説明の後に、まとめて説明する。
(圧力センサの構成)
図1を参照すると、本実施形態に係る圧力センサ1は、車両に搭載される流体圧センサであって、車両内の流体圧力(例えば、燃料圧力、ブレーキ液圧、等。)に対応した電気信号(例えば電圧)を出力するように構成されている。具体的には、圧力センサ1は、ハウジング2と、コネクタケース3と、センシング部4とを備えている。
図1を参照すると、本実施形態に係る圧力センサ1は、車両に搭載される流体圧センサであって、車両内の流体圧力(例えば、燃料圧力、ブレーキ液圧、等。)に対応した電気信号(例えば電圧)を出力するように構成されている。具体的には、圧力センサ1は、ハウジング2と、コネクタケース3と、センシング部4とを備えている。
以下、図1における上方向を「導入方向」と称し、図1における下方向を「装着方向」と称する。導入方向は、圧力センサ1の内部に、圧力測定対象である流体(例えば、燃料、ブレーキ液、等。)が導入される方向である。圧力測定対象である流体を、以下「測定対象流体」と称することがある。装着方向は、圧力センサ1を、測定対象流体が存在する配管等に装着する方向である。また、図1に示された構成において、装着方向の視線で対象物を見ることを「平面視」と称し、導入方向の視線で対象物を見ることを「底面視」と称する。
ハウジング2は、導入方向と平行な中心軸を有する金属製の筒状部材であって、素子収容部21と、フランジ部22と、圧着部23と、流体導入部24とを備えている。素子収容部21と、フランジ部22と、圧着部23と、流体導入部24とは、継ぎ目なく一体に形成されている。ハウジング2の中心軸は、圧力センサ1の中心軸とも把握され得る。よって、圧力センサ1及びハウジング2の中心軸を、以下「センサ中心軸」と称する。
素子収容部21は、筒状に形成されていて、装着方向側の端部がフランジ部22に接続されている。即ち、素子収容部21は、フランジ部22の外縁部から導入方向に向かって突設されている。フランジ部22は、センサ中心軸と直交するように配置された板状の部分であって、筒状の素子収容部21における装着方向側の端部を閉塞するように設けられている。
圧着部23は、薄肉状の部分であって、素子収容部21から更に導入方向に向かって突設されている。圧着部23は、センサ中心軸側に向かって屈曲されることで、素子収容部21の内側の空間に収容されたコネクタケース3の端部に圧着されるようになっている。
流体導入部24は、外周にネジ山が形成された円筒状の部分であって、フランジ部22の平面視における中央部から装着方向に向かって突設されている。流体導入部24には、センサ中心軸に沿って、貫通孔である導入孔25が形成されている。導入孔25における導入方向側の端部は、フランジ部22に設けられた導入凹部26にて開口している。導入凹部26は、導入方向に向かって開口するように形成されている。導入凹部26の内側の空間である測定空間27は、導入孔25に接続されている。即ち、測定空間27は、導入孔25を介して、測定対象流体を導入可能に設けられている。
フランジ部22における導入方向側の端面である支持面28は、素子収容部21の内側の空間に面するように設けられている。支持面28は、導入方向と直交する平滑な表面であって、平面視にて導入凹部26の外側に設けられている。
コネクタケース3は、ターミナル部材31とモールド樹脂部32とを有している。ターミナル部材31は、金属製の棒状部材であって、長手方向が導入方向と平行となるように配置されている。本実施形態においては、コネクタケース3には、複数のターミナル部材31が備えられている。
コネクタケース3は、インサート成形等によりターミナル部材31の周囲をモールド樹脂部32で覆うことによって形成されている。モールド樹脂部32における導入方向側の端部であるコネクタ装着部33は、導入方向に向かって開口する有底筒状に形成されている。即ち、コネクタ装着部33には、装着穴34が設けられている。装着穴34は、ターミナル部材31における導入方向側の端部をモールド樹脂部32の外部に露出するように形成されている。
コネクタケース3における装着方向側の端面であるシール面35は、装着方向と直交する平滑な表面であって、ハウジング2における支持面28と対向するように形成されている。シール面35には、底面視にてリング状のシール溝36が、センサ中心軸を囲むように設けられている。シール溝36は、Oリング等のシール部材37を装着可能に形成されている。
底面視における、シール溝36よりも内側(即ちセンサ中心軸側)には、収容凹部38が形成されている。収容凹部38は、装着方向に向かって開口する凹部であって、測定空間27と対向するように設けられている。収容凹部38は、ターミナル部材31における装着方向側の端部をモールド樹脂部32の外部に露出するように形成されている。即ち、ターミナル部材31における装着方向側の端部は、収容凹部38の内壁面であるターミナル露出面39から、装着方向に向かって突設されている。ターミナル露出面39は、収容凹部38における導入方向側の端部を規定する壁面であって、導入凹部26と対向するように設けられている。
センシング部4は、測定空間27内に導入された測定対象流体の圧力に対応した電気出力を発生する部分であって、収容凹部38内に収容されている。センシング部4は、リードフレーム41と、センサ素子42と、モールドケース43とを有している。
リードフレーム41は、銅等の良導体金属製の板状部材であって、導入方向と交差する方向に延設されている。リードフレーム41の平面視における略中央部には、センサ素子42が実装されている。センサ素子42は、図示しないダイアフラムと、このダイアフラム上に形成された図示しないゲージ抵抗とを有している。センサ素子42は、ワイヤボンディング等によって、リードフレーム41と電気的に接続されている。モールドケース43は、リードフレーム41の外縁部を外部に露出しつつ、センサ素子42を被覆するように設けられている。リードフレーム41の、モールドケース43から露出する上記の外縁部は、ターミナル部材31における装着方向側の端部と接合されることで、ターミナル部材31と電気的に接続されている。
圧力センサ1は、測定対象流体が存在する配管等に対して装着可能に構成されている。即ち、圧力センサ1は、上記の配管等に装着された場合に、導入孔25を介して測定空間27内に測定対象流体を導入して、測定空間27内の測定対象流体の圧力に対応する電気信号を出力するように構成されている。
(樹脂金属接合体の構成)
図2を参照すると、樹脂金属接合体100は、合成樹脂部材101と金属部102との接合体として形成されている。即ち、合成樹脂部材101は、金属部102の一表面である金属表面103に接合されている。
図2を参照すると、樹脂金属接合体100は、合成樹脂部材101と金属部102との接合体として形成されている。即ち、合成樹脂部材101は、金属部102の一表面である金属表面103に接合されている。
金属部102は、例えば、図1における、ターミナル部材31又はリードフレーム41等の金属部材である。即ち、樹脂金属接合体100は、図1における、ターミナル部材31とモールド樹脂部32との接合体であるコネクタケース3に対応し得る。あるいは、樹脂金属接合体100は、図1における、リードフレーム41とモールドケース43との接合体であるセンシング部4に対応し得る。
以下、図2及び図3を参照しつつ、本実施形態に係る樹脂金属接合体100の構成の詳細について説明する。図2に示されているように、金属表面103には、サブミクロンオーダー又はナノオーダー(例えば2〜500nm程度)の開口幅及び深さを有するナノ凹部104が形成されている。ナノ凹部104の周囲には、平坦部105が形成されている。
本実施形態においては、ナノ凹部104は、金属表面103に形成された溝又は穴であって、開口幅Lと深さDとの関係がD/L≧1となるように形成されている。即ち、ナノ凹部104は、断面視にて略V字状又は略U字状の、比較的深い(即ちアスペクト比が比較的高い)凹部として形成されている。
樹脂金属接合体100は、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料の慣性半径をRgとした場合に、2Rg/L≦1/2を満たすように構成されている。図3に示されている合成樹脂分子Mは、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料の一分子に対応する。また、図3には、合成樹脂分子Mに対応する慣性半径Rgが概略的に示されている。
(定義)
ナノ凹部104の深さD及び開口幅Lは、以下のようにして定義することが可能である。ナノ凹部104が形成される前の仮想的な金属表面103の、断面視における外形線を、図3にて「仮想外形線V」として示す。図3における、仮想外形線Vと直交する上下方向は、上記の仮想的な金属表面103におけるナノ凹部104に隣接する部分の法線方向に相当する。この方向を以下「深さ方向」と称する。この場合、ナノ凹部104の深さDは、深さ方向における、仮想外形線Vとナノ凹部104の底部との距離となる。
ナノ凹部104の深さD及び開口幅Lは、以下のようにして定義することが可能である。ナノ凹部104が形成される前の仮想的な金属表面103の、断面視における外形線を、図3にて「仮想外形線V」として示す。図3における、仮想外形線Vと直交する上下方向は、上記の仮想的な金属表面103におけるナノ凹部104に隣接する部分の法線方向に相当する。この方向を以下「深さ方向」と称する。この場合、ナノ凹部104の深さDは、深さ方向における、仮想外形線Vとナノ凹部104の底部との距離となる。
上記の仮想的な金属表面103に沿った方向を、以下「面内方向」と称する。面内方向は、図2及び図3における左右方向に相当する。面内方向は深さ方向と直交する。ナノ凹部104の開口幅Lは、ナノ凹部104の面内方向における最小寸法となる。即ち、例えば、ナノ凹部104の平面形状(即ち深さ方向に見た場合の形状)が楕円形である場合、開口幅Lは短径(即ち最も短い直径)となる。また、ナノ凹部104の平面形状が多角形状である場合、開口幅Lは内接円直径となる。
ナノ凹部104の開口幅が深さ方向について一定ではない場合は、上記の関係式における開口幅Lは、ナノ凹部104の開口幅の、深さ方向についての分布における最小値となる。即ち、ナノ凹部104が、深さ方向に向かうにしたがって開口幅が狭くなる、断面視にて略V字状の場合、上記の関係式における開口幅Lは、ナノ凹部104の最深部の平面形状に基づいて決定される。
(製造方法)
合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料としては、金属表面103に形成されたナノ凹部104の開口幅をLとした場合に、慣性半径Rgが2Rg/L≦1/2を満たす材料が用いられる。かかる条件を満たす材料であれば、公知の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂のうちの任意の材料が利用可能である。
合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料としては、金属表面103に形成されたナノ凹部104の開口幅をLとした場合に、慣性半径Rgが2Rg/L≦1/2を満たす材料が用いられる。かかる条件を満たす材料であれば、公知の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂のうちの任意の材料が利用可能である。
具体的には、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料としては、例えば、ポリプロピレンサルファイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、等の熱可塑性樹脂を用いることが可能である。あるいは、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、等の熱硬化性樹脂を用いることが可能である。
合成樹脂材料の慣性半径は、公知の方法によって測定可能である。具体的には、例えば、市販のゲル浸透クロマトグラフと多角度光散乱検出器とを組み合わせて使用することにより、合成樹脂材料の慣性半径を測定することが可能である。なお、周知の通り、合成樹脂材料における慣性半径の測定結果においては、慣性半径の分布が生じる。故に、上記の関係式における慣性半径Rgとしては、典型的には、数平均値が用いられ得る。
金属部102における金属表面103を構成する金属材料としては、例えば、アルミ、ニッケル、銅、鉄、及びこれらの元素のうちの少なくとも1つを含有する合金を用いることが可能である。ナノ凹部104は、例えば、レーザー照射、化学エッチング、ブラスト加工、等の任意の加工法により形成可能である。合成樹脂部材101と、ナノ凹部104を形成した後の金属部102との接合体である、樹脂金属接合体100の形成方法は、例えば、インサート成形、熱圧着、等の任意の加工法を用いることが可能である。
(実施形態の効果)
樹脂金属接合体100を形成する工程、即ち合成樹脂部材101と金属部102との接合体を形成する工程における、合成樹脂材料のナノ凹部104への侵入状態について、以下考慮する。この工程において、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料は、軟化状態又は流動可能状態にて、金属表面103に押し付けられる。
樹脂金属接合体100を形成する工程、即ち合成樹脂部材101と金属部102との接合体を形成する工程における、合成樹脂材料のナノ凹部104への侵入状態について、以下考慮する。この工程において、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料は、軟化状態又は流動可能状態にて、金属表面103に押し付けられる。
このとき、本実施形態においては、樹脂金属接合体100は、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料の慣性半径をRgとし、金属表面103に形成されたナノ凹部104の開口幅をLとした場合に、2Rg/L≦1/2を満たすように構成されている。この場合、図3に示されているように、合成樹脂分子Mの占有体積に相当する、半径Rgの仮想球体は、ナノ凹部104の開口幅Lの半分よりも充分小さな直径を有する。故に、合成樹脂分子Mは、ナノ凹部104の内部に容易に侵入できる。
したがって、本実施形態においては、合成樹脂部材101を構成する合成樹脂材料は、平坦部105に密着しつつ、ナノ凹部104の内部に良好に充填される。即ち、ナノ凹部104の内部(特に底部)におけるボイドの発生が、良好に抑制され得る。このように、本実施形態によれば、金属表面103と合成樹脂部材101とを強固に接合しつつ、金属表面103と合成樹脂部材101との接合部における気密性又は液密性を向上することが可能となる。
特に、図1に示されている圧力センサ1において、測定空間27に比較的高圧の流体圧力が発生する場合がある。この場合、測定空間27に面する樹脂金属接合部における、気密性又は液密性の低下により、当該接合部への流体の侵入、あるいは圧力センサ1の外部への流体の漏出、等の不具合が生じ得る。かかる接合部は、例えば、ターミナル部材31とモールド樹脂部32との接合部、あるいは、リードフレーム41とモールドケース43との接合部である。
この点、本実施形態においては、上記の接合部にて、良好な気密性又は液密性を有している。故に、上記の接合部が流体に面していても、かかる接合部への流体の侵入、あるいは、かかる接合部を介しての流体の漏出が、良好に抑制され得る。したがって、本実施形態によれば、図1に示されている圧力センサ1が高圧流体の圧力(例えば、コモンレール圧、ブレーキ液圧)の測定に用いられる場合であっても、良好な信頼性が得られる。
(シミュレーション結果)
図4〜図6は、ナノ凹部104への合成樹脂材料Sの充填状態を、分子動力学シミュレーションソフトウエアによりシミュレーションした結果を示す。図4〜図6において、(i)は充填開始前、(ii)、(iii)は充填途中、(iv)は充填終了時の様子を示す。また、各図において、充填状態の様子を示す図の下に、合成樹脂材料Sにおける慣性半径Rgの分布グラフを示す。以下、図4〜図6のシミュレーション結果を取得した際の計算条件及び計算方法について説明する。
図4〜図6は、ナノ凹部104への合成樹脂材料Sの充填状態を、分子動力学シミュレーションソフトウエアによりシミュレーションした結果を示す。図4〜図6において、(i)は充填開始前、(ii)、(iii)は充填途中、(iv)は充填終了時の様子を示す。また、各図において、充填状態の様子を示す図の下に、合成樹脂材料Sにおける慣性半径Rgの分布グラフを示す。以下、図4〜図6のシミュレーション結果を取得した際の計算条件及び計算方法について説明する。
分子動力学シミュレーションソフトウエアとしては、例えば、GROMACS、LAMMPS、Materials Studio Forcite(Materials Studioは登録商標:以下同様)等を用いることができる。GROMACSは、Groningen Machine for Chemical Simulationsの略であり、フローニンゲン大学で開発されたソフトウェアパッケージである。LAMMPSは、Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulatorの略であり、米国サンディア国立研究所で開発されたソフトウエアである。Materials Studio Forciteは、アクセルリス社(現:ダッソー・システムズ社)製の分子設計システムMaterials Studioに含まれるソフトウエアモジュールである。
分子動力学シミュレーションにおける計算の流れは周知の通りであり、以下の手順を含む:(手順1)初期構造の作成及び力場の割付、(手順2)構造最適化、(手順3)平衡化、(手順4)データサンプリング。手順1では、合成樹脂のバルク密度が再現されるように、初期構造を構築する。また、力場は、Dreiding、GAFF(General AMBER Force Field)等を用いることができる。電荷パラメータは、RESP(Restrained ElectroStatic Potential)電荷、QEq電荷、AM1-BCC電荷、Gasteiger電荷、等を用いることができる。手順3及び4における平衡化温度には、成形温度を用いる。手順3及び手順4においては、粒子数N、体積V、温度Tを一定にして計算を行うNVTサンプリングを用いる。
合成樹脂材料Sの慣性半径Rgの計算においては、手順4にてサンプリングした、全トラジェクトリ及び全分子についての慣性半径の平均値を取得する。具体的には、下記の式(1)及び式(2)を用いて算出した<Rg>N,tを、合成樹脂材料Sの慣性半径Rgとする。下記の各式にて、Mjは分子jの質量、mi,jは分子jを構成する原子iの質量、riは原子iの座標、rcm,jは分子jの重心座標、tは時刻を表す。Nmは系内に含まれる分子の数、Ntは計算に使用した各時間におけるスナップショットの数を表す。
図4〜図6に示されている充填状態シミュレーションにおける、シミュレーションモデルは、幅10nm×奥行10nm×高さ30nmの直方体セルである。この直方体セルの最上部には真空層、最下部には金属部102が配置されており、その間に合成樹脂材料Sが配置されている。
合成樹脂材料Sは、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(EP)とポリフェノール樹脂(PH)との混合物又は化合物(OL)である。OLは、EPとPHとを交互に配列し、EPの端部のエポキシ基とPPHのヒドロキシル基とを結合させたものである。
金属部102はアルミニウムであり、金属表面103はAl(100)面である。ナノ凹部104は、半径5nm、深さ7nmの円柱状の穴である。
ところで、分子動力学における力場については、合成樹脂のような分子性物質と、金属のような結晶性物質とでは、適用すべきポテンシャル関数が大きく異なる。そこで、図4〜図6に示された構成に基づくシミュレーションにおいては、合成樹脂材料Sと金属部102とで、物質種類に応じた力場の使い分けが必要となる。例えば、金属部102に対しては、EAM(Embedded Atom Method)力場、MEAM(Modified EAM)力場、FS(Finnis Sinclair)ポテンシャル、等を適用することができる。
図4〜図6のシミュレーション結果に対応する、計算条件の一具体例を以下に示す。シミュレーションモデルの作成には、株式会社クロスアビリティ製の分子モデリングソフトウエアWinmostar(商品名)を用いた。分子動力学シミュレーションソフトウエアとして、LAMMPSを用いた。
合成樹脂材料SにDreiding力場を適用し、金属部102にEAM力場を適用し、Jacobsenのポテンシャルを使用した。また、合成樹脂と金属との間の相互作用に対しては、Dreidingと同様の12−6型のLenard-Jonesポテンシャルを適用し、Dreidingのパラメータをそのまま用いた。
合成樹脂材料Sにおける部分電荷に対しては、RESP電荷を適用し、Gaussian09及びAmbertoolsを用いてB3LYP/6-31+G(d,p)レベルの計算を行った。Ambertoolsは、カリフォルニア大サンフランシスコ校で開発された分子動力学ソフトウェアパッケージAMBER(Assisted Model Building with Energy Refinement)に対応して開発された解析ツールである。Gaussian09は、Gaussian社が販売する量子化学計算ソフトウエアである。EP及びPHについては、全原子で計算した結果を用いた。一方、OLについては、連結部の電荷を計算した後、EP、PH、連結部に対して電荷をそれぞれ割り付けた。
計算の時間刻みは0.5fsとし、熱浴及び圧浴には能勢=フーバー(Nose-Hoover)法を適用した。クーロン相互作用は、PPPM(Particle-Particle Particle-Mesh)法を用い、相対平均誤差10-4の精度で計算した。シミュレーションモデルは、金属セルと樹脂セルとを別々に作成した後、両者を接合することで作成した。
金属セルは、ニッケル単結晶を(100)面で切り出し、これを拡張することで、約10nm3のスラブモデルを作成した。真空層の厚みは2nmとした。スラブモデルの表面に対し、XY方向の中心座標から半径5nm、表面からの深さ7nmに該当する原子を除去した後、450K、1atmで1ns平衡化を行った。
樹脂セルは、金属セルの作成後に作成した。具体的には、XY方向のセルサイズを金属セルと同一とし、450Kでの密度が再現されるように分子数及びZ軸方向(即ち図中上下方向)のセルサイズを調整することで、初期構造を作成した。この初期構造に対して、構造最適化を行った後、1000Kで50ps、450Kで500psアニールを行ったものを、樹脂セルとした。その後、樹脂セルと金属セルをZ軸に沿って連結し、樹脂セルよりも上側(即ちZ軸正方向側)に2nmの真空層を設けることで、界面モデルを作成した。
充填シミュレーションは、金属セルにおける上側の2nmに該当する原子、及び樹脂セルにおける下側の2nmに該当する分子に、座標の変化に対して二次関数的にエネルギーが増加する関数を追加することで、座標を拘束した。これらをpolymer wall、metal wallとする。次に、polymer wallを強制的にmetal wall側に0.1nm移動させて構造最適化及び450Kで10ps平衡化を行うという操作を、100回繰り返した。
図4は、合成樹脂材料の慣性半径Rgの数平均値が0.5nmの場合を示す。この場合、2Rg/L=0.2<1/2である。この場合、合成樹脂材料は、ナノ凹部104内に、隙間なく良好に充填されている。即ち、ナノ凹部104内の合成樹脂材料の充填密度は、バルク密度と同等程度にまで達している。
図4の場合よりも、合成樹脂材料の慣性半径Rgの数平均値が大きくなった場合の影響について以下に説明する。図5は合成樹脂材料の慣性半径Rgの数平均値が1.5nmの場合を示す。この場合、2Rg/L=0.6>1/2である。この場合、ナノ凹部104内の合成樹脂材料の充填密度がバルク密度と同等程度に達する前に、金属表面側に変形が生じ、これにより顕著な充填不良が発生した。
図6、合成樹脂材料の慣性半径Rgの数平均値が2.5nmの場合を示す。この場合、2Rg/L=1.0>1/2である。この場合、ナノ凹部104内の合成樹脂材料の充填密度がバルク密度と同等程度に達する前に、金属表面側に変形が生じ、これにより顕著な充填不良が発生した。
以上のシミュレーション結果から明らかなように、2Rg/L≦1/2の関係を満たす場合に、合成樹脂材料のナノ凹部104の内部への良好な充填が達成される。これにより、ナノ凹部104の内部(特に底部)におけるボイドの発生が、良好に抑制され得る。
(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対しては適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一又は均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾又は特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対しては適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一又は均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾又は特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
本発明の構成は、上記実施形態に限定されない。例えば、圧力センサ1の構成は、上記実施形態にて示された具体例に限定されない。
即ち、例えば、収容凹部38には、センシング部4を覆うように、保護用ゲルが充填され得る。この場合、測定対象流体の圧力は、圧力伝達流体である保護用ゲルを介して、センサ素子42に伝達される。上記の保護用ゲルも「流体」の一種である。故に、この場合も、ターミナル部材31とモールド樹脂部32との接合部、及びリードフレーム41とモールドケース43との接合部は、「流体に面するように配置されるように設けられた」と称され得る。かかる構成においても、保護用ゲルがターミナル部材31とモールド樹脂部32との接合部、又はリードフレーム41とモールドケース43との接合部に侵入することが、可及的に抑制される。
樹脂金属接合体100の構成も、上記実施形態にて示された具体例に限定されない。例えば、金属部102は、金属部材であってもよいし、金属部材と他部材との複合体であってもよい。即ち、例えば、金属部102は、いわゆるSOI基板における表面金属層であってもよい。SOIはSilicon on Insulatorの略である。
金属表面103の構造も、上記実施形態にて示された具体例に限定されない。即ち、例えば、図7及び図8に示されているように、金属表面103の平坦部105から深さ方向に沿って突出するように、ナノ凸部106が形成されていてもよい。この場合、ナノ凹部104は、複数のナノ凸部106の間の空間として形成されている。また、ナノ凹部104の深さは、平坦部105からのナノ凸部106の突出量(即ちナノ凸部106の頂部の平坦部105からの高さ)となる。
ナノ凸部106は、例えば、図7に示されているように、円柱又は角柱状であってもよい。この場合の、ナノ凹部104の開口幅は、最近接する2つのナノ凸部106同士の間隔(即ち最近接する2つのナノ凸部106における対向する内壁面同士の最短距離)となる。
ナノ凸部106は、例えば、図8に示されているように、円錐又は角錐状であってもよい。この場合の、ナノ凹部104の開口幅(図8における「L」参照)は、最近接する2つのナノ凸部106の底部における平面形状同士の最短距離となる。
上記の説明において、互いに継目無く一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継目無く一体に形成されてもよい。
上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。
変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、上記実施形態の全部又は一部と、変形例の全部又は一部とが、互いに組み合わされ得る。
1 圧力センサ
100 樹脂金属接合体
101 合成樹脂部材
102 金属部
103 金属表面
104 ナノ凹部
105 平坦部
106 ナノ凸部
M 合成樹脂分子
100 樹脂金属接合体
101 合成樹脂部材
102 金属部
103 金属表面
104 ナノ凹部
105 平坦部
106 ナノ凸部
M 合成樹脂分子
Claims (6)
- 樹脂金属接合体(100)であって、
サブミクロンオーダー又はナノオーダーの開口幅Lを有するナノ凹部(104)が形成された金属表面(103)と、
慣性半径Rgが2Rg/L≦1/2を満たす合成樹脂材料によって形成された合成樹脂部材であって、前記金属表面に接合された合成樹脂部材(101)と、
を備えた樹脂金属接合体。 - 前記ナノ凹部は、断面視にて略V字状又は略U字状に形成された、
請求項1に記載の樹脂金属接合体。 - 前記ナノ凹部は、深さをDとした場合に、D/L≧1となるように形成された、
請求項1又は2に記載の樹脂金属接合体。 - 流体の圧力に対応した電気出力を発生する圧力センサ(1)において、
前記流体に面するように配置されるように設けられた樹脂金属接合体(100)を備え、
前記樹脂金属接合体は、
サブミクロンオーダー又はナノオーダーの開口幅Lを有するナノ凹部(104)が形成された金属表面(103)と、
慣性半径Rgが2Rg/L≦1/2を満たす合成樹脂材料によって形成された合成樹脂部材であって、前記金属表面に接合された合成樹脂部材(101)と、
を備えた、圧力センサ。 - 前記ナノ凹部は、断面視にて略V字状又は略U字状に形成された、
請求項4に記載の圧力センサ。 - 前記ナノ凹部は、深さをDとした場合に、D/L≧1となるように形成された、
請求項4又は5に記載の圧力センサ。
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