JP2020008396A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造時のコストや工数を低減できる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサは、流体の圧力を受けるダイアフラム１３０と、前記ダイアフラム１３０との間に媒質が封入された受圧空間Ｓ１を形成するベース１１０と、前記受圧空間Ｓ１内において前記ベース１１０に配置され、前記媒質に伝達された圧力を検出して電気的圧力信号に変換する圧力検出装置１５０と、前記圧力検出装置１５０に接続された複数のリードピン１６０，１６２，１６４と、それぞれ係合孔２２ｃを形成した複数のターミナルピン２２を備えたコネクタ部材１９０と、を有し、前記リードピン１６０，１６２，１６４の端部が前記ターミナルピン２２の係合孔２２ｃに嵌合しており、前記端部と前記係合孔２２ｃとが導電的に連結されている。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサに関する。

ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧室内に半導体型圧力検出装置を収容した液封入式の圧力センサは、冷凍冷蔵装置や空調装置に装備されて冷媒圧力の検知に使用され、また自動車の燃料供給装置に装備されて燃料圧力の検知などに使用されている。

このような圧力センサとして、圧力検出素子を有する圧力検出部と、該圧力検出部に接続されて上記圧力検出部の外部に突出するリードピンと、上記リードピンが外部出力用リード線に電気的に接続可能に固定される配線基板と、を備えたものが公知である。

一方、圧力センサのコストや工数の低減を目的として、配線基板を省略したいという要請もある。これに対し、特許文献１には、リードピンと外部端子とを溶接により接合する技術が開示されている。

特開２０１４−１６３３２号公報

しかしながら、特許文献１のようにリードピンと外部端子とを溶接しようとすると、例えばレーザー溶接を行う場合など、狭小部にレーザー光を照射する必要があり、精密で高額な製造設備を準備しなくてはならず、コストや工数を低減することが困難である。

そこで、本発明の目的は、製造時のコストや工数を低減できる圧力センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による圧力センサは、
ベースと、
前記ベースとの間に媒質が封入された受圧空間を形成しているダイアフラムと、
前記受圧空間内で前記ベースに取り付けられた圧力検出装置と、
前記圧力検出装置に電気的に接続されたリードピンと、
一端側が露出し、他端側に前記リードピンが嵌合する嵌合部が設けられたターミナルピンを有するコネクタ部材と、
前記嵌合部の周囲に配置され、前記リードピンと前記ターミナルピンとを電気的に接続する導電部材と、を有している、ことを特徴とする。

本発明によれば、製造時のコストや工数を低減できる圧力センサを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合する直前の状態を示す上面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線で切断して矢印方向に見た図である。 図３は、第１の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合した直後の状態を示す上面図である。 図４は、図３のＢ−Ｂ線で切断して矢印方向に見た図である。 図５は、図３のＣ−Ｃ線で切断して矢印方向に見た図である。 図６は、第２の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合する直前の状態を示す上面図である。 図７は、図６のＤ−Ｄ線で切断して矢印方向に見た図である。 図８は、第２の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合した直後の状態を示す上面図である。 図９は、図８のＥ−Ｅ線で切断して矢印方向に見た図である。 図１０は、図８のＦ−Ｆ線で切断して矢印方向に見た図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合する直前の状態を示す上面図である。図２は、図１の構成をＡ−Ａ線で切断して矢印方向に見た図である。図３は、第１の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合した直後の状態を示す上面図である。図４は、図３の構成をＢ−Ｂ線で切断して矢印方向に見た図である。図５は、図３の構成をＣ−Ｃ線で切断して矢印方向に見た図である。

＜圧力検出ユニット＞
図１、２を参照して、圧力検出ユニット１００について説明する。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と、リング部材１４０とを含む。

ベース１１０は、円盤状の本体１１１と、本体１１１の外縁全周にて軸方向に環状に突出した突出部１１２とを備えている。すなわちベース１１０は、後述する受圧空間Ｓ１が形成されるように、図１で下面中央部が凹むような形状とされている。

ベース１１０を構成するセラミックス材料としては、例えば、アルミナやアルミナジルコニア等を用いることができる。

ベース１１０の内側部１１４とダイアフラム１３０との間には、密閉された受圧空間Ｓ１が形成され、ここにオイル等の絶縁性の液状媒質が充填される。また、突出部１１２の内側における本体１１１の受圧空間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。

ベース１１０における上記半導体型圧力検出装置１５０の周囲位置には、３本のリードピン１６０、１６２、１６４(図１参照)が挿入される３つの貫通穴１１６が形成されている。

３本のリードピン１６０、１６２、１６４は、それぞれベース１１０に設けた貫通穴１１６に挿通されることでベース１１０を貫通するとともに、その下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。

受け部材１２０は、例えばステンレス鋼板等の金属材料から環状に形成されている。受け部材１２０の上面には、後述するようにして、ダイアフラム１３０が接合されている。

ダイアフラム１３０は、例えばステンレス鋼等の金属材料からなる円板状の薄板部材である。また、リング部材１４０は、ステンレス鋼等の金属材料からなる環状に形成された部材である。

アルミニウム製の保持部材１８０は、中空の大円筒部１８１と、段付きフランジ部１８２と、小円柱部１８３とを直列に連結した構成を有する。大円筒部１８１の上端には、薄肉部１８７（図２で一点鎖線）が形成されている。保持部材１８０は、圧力検出ユニット１００とは別部品とするが、圧力検出ユニット１００の一部としてもよい。

大円筒部１８１内において、段付きフランジ部１８２の上面中央に凹部１８４が形成され、その中央には連通孔１８５が形成されている。連通孔１８５は小円柱部１８３内を通過して、その下端で開口している。凹部１８４の周囲には、周溝１８６が形成され、その内部にＯ−リングＯＲ１が配置されている。このような構造により、保持部材１８０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。

半導体型圧力検出装置１５０は、ベース１１０の中央部に接着等によりダイボンディングされる。半導体型圧力検出装置１５０は、ガラス製の支持基板１５２とそれに接合された圧力検出素子（半導体チップ）１５４とからなる。

圧力検出素子１５４は、図示を省略するが、表面に例えば８つのボンディングパッド（電極）を備えている。そのうち３つのボンディングパッドは、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。

＜圧力検出ユニット１００の組立工程＞
圧力検出ユニット１００を組み立てる工程を、以下に説明する。まずベース１１０に形成された貫通穴１１６に、アース用のリードピン１６０、電源入力用のリードピン１６２及び信号出力用のリードピン１６４をそれぞれ挿通し、３本のリードピン１６０、１６２、１６４と、ベース１１０とをセラミックス接着材を用いて接合する。

リードピン１６０，１６２，１６４は、ＦｅＮｉ合金、又はＦｅＮｉＣｏ合金から形成されているので、セラミックス接着材と、リードピン１６０，１６２，１６４と、ベース１１０の線膨張係数を近づけることができ、熱歪の影響を抑制することができる。ただし、ベース１１０とリードピン１６０、１６２、１６４とをロウ付けにより接合してもよい。

続いて、リング部材１４０の上面１４８に、ベース１１０の突出部１１２をロウ付けによって接合する。具体的には、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全周でロウ付け部Ｂ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層等又はタングステン層を主成分とする）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。

続いて、ベース１１０の中央部に、半導体型圧力検出装置１５０をダイボンディングする。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、３本のリードピン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。

更に、ベース１１０内に露出した半導体型圧力検出装置１５０の圧力検出素子１５４における上述した８つのパッドに、それぞれ通電用のプローブを接触させ、圧力検出素子１５４の温度補正作業（トリミング作業）を行う。

ここでは、基準となる温度（例えば室温）下で圧力検出素子１５４に荷重（圧力）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出力値を読み取り、所定の圧力と出力との相関を取得して補正係数（補正関数）を設定する。

最後に、受け部材１２０とリング部材１４０との間にダイアフラム１３０を挟み込み、ベース１１０とダイアフラム１３０との間に形成される受圧空間Ｓ１に液状媒質を充填した状態で、受け部材１２０とリング部材１４０との重ね合わせ部の外縁に、外周方向からレーザー光を照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接（溶接部Ｗを形成）して一体化する。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。

尚、周溶接の手法として、レーザー光や電子ビームを照射するレーザー溶接に限られず、アークを用いる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から明らかなように、溶接部Ｗは、リング部材１４０とベース１１０の突出部１１２とのロウ付け部Ｂに対して圧力検出ユニット１００（すなわちリング部材１４０）の軸線Ｘに直交する方向に偏位しており、すなわちロウ付け部Ｂから遠ざけることで、溶接時の熱の影響がロウ付け部Ｂに及ぶことを極力抑制できる。これにより、ロウ付け部Ｂにおける熱衝撃に起因した割れ等を抑制できる。

不図示の流体流入管が、保持部材１８０の小円柱部１８３の外周に螺合して接合可能となっている。これにより、連通孔１８５を介して、圧力測定を行いたい流体が加圧空間Ｓ２内に進入することができる。

＜圧力センサ＞
次に、圧力検出ユニット１００を取り付けた圧力センサ１の組み立て工程を説明する。

圧力センサ１は、圧力検出ユニット１００と、３本のターミナルピン２２を備えた雄コネクタ（コネクタ部材）１９０と、保持部材１８０とを含む。不図示の雌コネクタを雄コネクタ１９０に嵌合させることで、圧力検出ユニット１００で検出した信号を、ターミナルピン２２を介して外部に出力できるようになっている。

樹脂製の雄コネクタ１９０は、下部中空筒部１９１と上部中空筒部１９２とを、中間壁１９６を挟んで接合した形状を有する。中間壁１９６の中央上面に長方形台部１９３を形成している。上部中空筒部１９２は、図１に示すように長円形状の断面を有しており、また長方形台部１９３に隣接して、３つの矩形開口１９４が、中間壁１９６を貫通して下部中空筒部１９１の内部と上部中空筒部１９２の内部とを連通するように形成されている。つまり、雄コネクタ１９０は、一端側が露出し、他端側にリードピンが嵌合する係合孔２２ｃが設けられたターミナルピン２２を有する。

図２に示すように、細長い金属板材をＬ字状に曲げて形成されたターミナルピン２２は、垂直部２２ａと、水平部２２ｂとを有し、水平部２２ｂの中央に円形の係合孔（嵌合部）２２ｃを形成している。ターミナルピン２２は、雄コネクタ１９０にインサート成形により一体で組み込まれ、垂直部２２ａの先端が長方形台部１９３の上面から突き出すように露出しており、不図示の雌コネクタの端子に係合可能となっている。

図２，５に示すように、水平部２２ｂの長さと幅は、矩形開口１９４のサイズより大きくなっており、これにより水平部２２ｂの両端が矩形開口１９４の対向壁に埋設支持されるとともに、水平部２２ｂの両側部も矩形開口１９４の対向壁に埋設支持されている。ただし、係合孔２２ｃは、矩形開口１９４の内部に露出した状態で保持される。

また水平部２２ｂは、矩形開口１９４の下端より上方側に配置されており、すなわち水平部２２ｂの下方においてリードピンの周囲に隙間が形成されており、これにより雄コネクタ１９０の成形時における金型との干渉などを回避できる。

＜圧力センサの組立工程＞
図を参照して、圧力センサ１の組み立て工程を説明する。圧力センサ１を組み立てる際には、まず雄コネクタ１９０を上方から圧力検出ユニット１００に接近させ、圧力検出ユニット１００のベース１１０から突出する３本のリードピン１６０，１６２，１６４の上端を、雄コネクタ１９０の矩形開口１９４にそれぞれ挿入し、ターミナルピン２２の係合孔２２ｃに挿通する。

その後、リードピン１６０，１６２，１６４の上端からリング状のはんだＳ（導電性部材）を挿通し、上方からレーザー光を照射するなどの加熱によりはんだＳを溶融させ、固化させることでリードピン１６０，１６２，１６４とターミナルピン２２との間の電気的導通を確保する。この状態が、図１、２に示す状態である。これにより、コストを増大させることなく、リードピンとターミナルピンの接続を確実に行える。

さらに、雄コネクタ１９０の上方から、図４に示すように矩形開口１９４に絶縁性樹脂ＲＳを充填した後、硬化させてリードピン１６０，１６２，１６４とターミナルピン２２の接合部の保護を図る。この状態が、図３〜５に示す状態である。このとき、絶縁性樹脂ＲＳは、矩形開口１９４の上端と面一になるまで充填することが望ましい。

次いで、周溝１８６にＯ−リングＯＲ１を配置した保持部材１８０を下方から相対的に接近させ、Ｏ−リングＯＲ１を受け部材１２０の下面に突き当てる。かかる状態を維持しつつ、大円筒部１８１の上端の薄肉部１８７を全周で（又は６か所等間隔に）内側にカシメて塑性変形させ、それによりカシメ部ＣＫを形成して雄コネクタ１９０の下部中空筒部１９１の上端近傍に固定する。これにより、圧力検出ユニット１００が、保持部材１８０と雄コネクタ１９０とにより挟持されて保持される。

このように、保持部材１８０の上端をカシメるのみで、雄コネクタ１９０と結合できるため、製造設備が簡素化され、また工数低減を図れる。

このとき、Ｏ−リングＯＲ１を介して保持部材１８０と受け部材１２０とが全周で当接し、加圧空間Ｓ２からの液漏れを防止するようになっている。

圧力センサ１において、保持部材１８０の小円柱部１８３に流体流入管（不図示）を接続することによって、圧力検出対象の流体が連通孔１８５を介して圧力検出ユニット１００の加圧空間Ｓ２に入り、その圧力でダイアフラム１３０を変形させる。

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。

圧力検出素子１５４は、上記伝達された圧力の変動を検知して電気信号に変換し、信号出力用のリードピン１６４を介して電気信号をターミナルピン２２に伝達し、更に不図示の雌コネクタを介して外部の機器に出力する。

これらの構成を備えることにより、本発明の一実施例による圧力検出ユニット１００及びこれを適用した圧力センサ１は、半導体型圧力検出装置１５０を取り付けるベース１１０を熱膨張係数の小さいセラミックス材料で形成したため、圧力検出ユニット１００の組立製造時や圧力センサ１の使用温度環境の変化等によりベース１１０が膨張あるいは収縮することを抑制できる。

また、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たことにより、従来の金属材料でベースを形成したものに比べて、高温あるいは低温の厳しい使用環境に晒された場合であってもベース１１０の形状や寸法の変動が小さくなるため、半導体型圧力検出装置１５０の温度環境による検出精度の低下を抑制することができる。

そして、ベース１１０をセラミックス材料で形成し、従来型の圧力検出ユニットでベースにリード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セラミックス接着材で代替したことにより、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。

さらに、本発明の一実施例による圧力検出ユニット１００及びこれを適用した圧力センサ１は、予め受け部材１２０とリング部材１４０との間にダイアフラム１３０を挟んで一体化した受圧構造体を形成し、当該受圧構造体のリング部材１４０にベース１１０を接合する構造としたため、薄板で比較的弱いダイアフラム１３０を受け部材１２０及びリング部材１４０で補強することができる。

＜第２の実施形態＞
図６は、第２の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合する直前の状態を示す上面図である。図７は、図６の構成をＤ−Ｄ線で切断して矢印方向に見た図である。図８は、第２の実施形態にかかる圧力検出ユニットと雄コネクタとを接合した直後の状態を示す上面図である。図９は、図８の構成をＥ−Ｅ線で切断して矢印方向に見た図である。図１０は、図８の構成をＦ−Ｆ線で切断して矢印方向に見た図である。

本実施の形態においては、上述した実施の形態に対し、リードピン１６０，１６２，１６４の上端と、ターミナルピン２２との接合の形態が異なる。それ以外の構成は共通するので、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のターミナルピン２２は、雄コネクタ１９０にインサート成形する前に、水平部２２ｂをプレス成形することで、その上面に突出する円筒部２２ｄを形成し、その中央に係合孔２２ｃを形成している。円筒部２２ｄの上端側内径は、リードピン１６０，１６２，１６４の外径と同じであり、これにより係合孔２２ｃとリードピン１６０，１６２，１６４との接合度が高まる。一方、円筒部２２ｄの下端側内径は、リードピン１６０，１６２，１６４の外径より大きくなっている。

本実施形態の圧力センサ１を組み立てる際には、図７に示すように、雄コネクタ１９０を上方から圧力検出ユニット１００に接近させ、圧力検出ユニット１００のベース１１０から突出する３本のリードピン１６０，１６２，１６４の上端を、雄コネクタ１９０の矩形開口１９４にそれぞれ挿入し、ターミナルピン２２の係合孔２２ｃに挿通する。このとき、円筒部２２ｄの下端が大径となっているので、リードピン１６０，１６２，１６４をスムーズに係合孔２２ｃに案内することができる。

その後、雄コネクタ１９０の上方から、図９に示すように、係合孔２２ｃの周囲であって、矩形開口１９４に導電性接着剤（導電部材）ＣＡを充填し、固化させて、リードピン１６０，１６２，１６４とターミナルピン２２との間で電気的導通を確保する。さらに、矩形開口１９４において導電性接着剤ＣＡの上方に絶縁性樹脂ＲＳを充填する。この状態が、図８〜１０に示す状態である。このとき、絶縁性樹脂ＲＳは、矩形開口１９４の上端と面一になるまで充填することが望ましい。

なお、本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、種々の改変を施すことができる。

１ 圧力センサ
２２ ターミナルピン
１００ 圧力検出ユニット
１１０ ベース
１２０ 受け部材
１３０ ダイアフラム
１４０ リング部材
１５０ 半導体型圧力検出装置
１５２ 支持基板
１５４ 圧力検出素子
１６０〜１６４ リードピン
１６６ ボンディングワイヤ
１８０ 保持部材
１９０ 雄コネクタ

Claims (8)

1. ベースと、
   前記ベースとの間に媒質が封入された受圧空間を形成しているダイアフラムと、
   前記受圧空間内で前記ベースに取り付けられた圧力検出装置と、
   前記圧力検出装置に電気的に接続されたリードピンと、
   一端側が露出し、他端側に前記リードピンが嵌合する嵌合部が設けられたターミナルピンを有するコネクタ部材と、
   前記嵌合部の周囲に配置され、前記リードピンと前記ターミナルピンとを電気的に接続する導電部材と、を有している、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記導電部材は、はんだである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記導電部材は、導電性接着剤である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記端部と前記嵌合部とを連結した前記導電部材の少なくとも一部は、絶縁性樹脂で被覆されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記コネクタ部材は樹脂製であって、前記ターミナルピンをインサート成形により一体化しており、
   前記ターミナルピンの前記嵌合部は、前記コネクタ部材の開口に配置されており、前記開口内に挿入された前記リードピンの端部と嵌合する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記開口内に配置された前記ターミナルピンを挟んで、前記ベースとは反対側における前記開口内に絶縁性樹脂が充填され、前記ベース側の前記開口内において、前記リードピンの周囲に隙間が形成されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記コネクタ部材において、前記開口の端部と、前記開口内に充填された前記絶縁性樹脂とは、略面一となる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
8. 前記ベースはセラミックス製であり、前記ベースに形成された貫通孔に前記リードピンが挿通されており、前記貫通孔と前記リードピンとはセラミックス接着材により接合されている、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
   
   

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