JP2020008467A - 圧力検出ユニット、その製造方法、および圧力検出ユニットを用いた圧力センサ並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工数の増大を抑えつつも、圧力検出精度を高めることができる圧力検出ユニット、圧力センサを提供する。【解決手段】圧力検出ユニット１００は、リードピン１６０等を挿入する貫通穴１１６のみを形成した円盤状のベース１１０と、前記ベース１１０の外周面と嵌合する円筒状内周面を備えたリング部材１４０と、前記リング部材１４０と溶接により接合される受け部材１２０と、前記リング部材１４０と前記受け部材１２０との間に挟まれたダイアフラム１３０と、前記ベース１１０と前記ダイアフラム１３０との間に形成された受圧空間Ｓ１側において、前記ベース１１０に取り付けられた半導体型圧力検出装置１５０と、前記受圧空間Ｓ１内に封入された液状媒質と、を備え、前記ベース１１０と前記リング部材１４０の嵌合部において、前記ベース１１０の端面と前記リング部材１４０の端面とが軸方向に一致しており、また前記嵌合部が全周で溶接されている。【選択図】図２

Description

本発明は、圧力検出ユニット、その製造方法、および圧力検出ユニットを用いた圧力センサ並びにその製造方法に関する。

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は、例えば圧力検出装置が収容された受圧空間内にオイルを封入し、外部から圧力検出室に加えられた圧力を、オイルを介して圧力検出装置に伝えることで、圧力検出装置から外部圧力に応じた電気信号を出力する。

このような圧力センサを製造する場合には、ベースに封入孔と複数の貫通穴とを形成し、各貫通穴にはリードピンとその間隙を埋めるハーメチックシール用の円筒状ガラスとを装着し、加熱等により各々固着して各孔を密閉する。そして、封入孔からオイルを内部に注入した後、封入孔を封入球で蓋をして溶接等によりこれを封止、固着することが行われる(特許文献１参照)。

特開２０１３−１４８３５０号公報

ここで、特許文献１に開示された技術によれば、オイル封入を確実に行うことができるが、受圧空間内への気泡の混入を防ぐための管理にコストが生じることがあった。

そこで、本発明の目的は、製造工数の増大を抑えつつも、圧力検出精度を高めることができる圧力検出ユニット、その製造方法、および圧力検出ユニットを用いた圧力センサ並びにその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による圧力検出ユニットは、
リードピンが挿入される貫通穴が形成されたベースと、
前記ベースの外周面と嵌合する円筒状内周面を備えたリング部材と、
前記リング部材と溶接により接合される受け部材と、
前記リング部材と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
前記ベースと前記ダイアフラムとの間に形成された受圧空間内において、前記ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置と、
前記受圧空間内に封入された液状媒質と、を備え、
前記ベースと前記リング部材の嵌合部において、前記ベースの端面と前記リング部材の端面とが軸方向に一致しており、また前記嵌合部が全周で溶接されている、ことを特徴とする。

さらに、本発明による圧力検出ユニットの製造方法は、
リードピンが挿入される貫通穴が形成されたベースと、前記ベースの外周面と嵌合する円筒状内周面を備えたリング部材と、前記リング部材と溶接により接合される受け部材と、前記リング部材と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、前記ベースと前記ダイアフラムとの間に形成された受圧空間内において前記ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置と、前記受圧空間内に封入された液状媒質と、を備えた圧力検出ユニットの製造方法であって、
前記ベースの貫通穴にリードピンを挿入して、封止する工程と、
前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を取り付けて、第１中間生成体を形成する工程と、
前記リング部材と前記受け部材とで前記ダイアフラムを挟持する工程と、
前記ダイアフラムを挟持した状態で、前記リング部材と前記受け部材の外周を溶接して第２中間生成体を形成する工程と、
前記リング部材側から前記第２中間生成体内に前記液状媒質を注入する工程と、
前記第２中間生成体の前記リング部材の前記円筒状内周面の内周に、前記第１中間生成体の前記ベースの外周を嵌合させつつ、前記ベースにより前記第２中間生成体内の前記液状媒質の液面を押圧する工程と、
前記リング部材と前記ベースの嵌合部を全周でレーザー溶接する工程と、を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、製造工数の増大を抑えつつも、圧力検出精度を高めることができる圧力検出ユニット、その製造方法、および圧力検出ユニットを用いた圧力センサ並びにその製造方法を提供することができる。

本実施形態１による圧力検出ユニットの上面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面を側面視した図である。 圧力検出ユニットを組み立てる工程を示す図である。 圧力検出ユニットを組み立てる工程を示す図である。 本実施形態による圧力検出ユニットを取り付けた圧力センサの縦断面図である。

図１は、本発明の実施形態にかかる圧力検出ユニットの上面図を示し、図２は、図１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、２に示すように、圧力検出ユニット１００は、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、ベース１１０と受け部材１２０とを連結するリング部材１４０と、を含む。

ベース１１０は、ステンレス鋼製であって、円板状を有している。ベース１１０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、ベース１１０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。

図１、２に示すように、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が挿入される３つの貫通穴１１６のみが形成されている。すなわち、ベース１１０は液状媒質注入用の封入孔が形成されていない。

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。リードピン１６０、１６２、１６４と、貫通穴１１６との間は、ハーメチックシール１１７により封止され、受圧空間Ｓ１内の液状媒質が漏れないようにしている。

受け部材１２０は、例えばステンレス鋼板等の金属材料から形成され、中央部が凹むようにプレス成形された皿状の部材であり、円形底部１２１と、円形底部１２１の外縁から上方に延在する円錐部１２２と、円錐部１２２の外縁から水平に延在するフランジ部（第２円形フランジ部）１２３とを有する。

円形底部１２１の中央には、後述する流体流入管を取り付ける開口部１２４が形成されており、フランジ部１２３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。

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。

リング部材１４０は、例えばステンレス鋼等の金属材料からなり、中空円筒状の筒状部１４１と、筒状部１４１の下端から径方向外方に延在するフランジ部（第１円形フランジ部)１４２とを有する。筒状部１４１の内周面には、全周にわたって段部１４３が形成されている。筒状部１４１の内径は、ベース１１０の外径にほぼ等しくなっている。

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＞
図３，４は、圧力検出ユニット１００を組み立てる工程を示す図である。図３，４を参照して、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、３本のリードピン１６０（１６２、１６４は図示を省略）をそれぞれ挿通し、３本のリードピン１６０、１６２、１６４と、貫通穴１１６とをハーメチックシール１１７を用いて接合固定する。

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。これにより第１中間生成体Ｍ１を形成する。

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。

次いで、受け部材１２０のフランジ部１２３と、リング部材１４０のフランジ部１４２との間にダイアフラム１３０を挟み込み、その重ね合わせ部に対して、外周方向からレーザー光を照射して相対的に回転させ、ダイアフラム１３０を含めて連続的に周溶接（溶接部Ｗ１）して一体化する。これにより第２中間生成体Ｍ２を形成する。

さらに、第２中間生成体Ｍ２を不図示の治具により保持しつつ、リング部材１４０の筒状部１４１と、ダイアフラム１３０とで囲われる容器状の空間内に、段部１４３より液面が高くなるまで、液状媒質（不図示）を注入する。

その後、図４に示すように、リング部材１４０の筒状部１４１の内周に、半導体型圧力検出装置１５０を下方に向けた状態で、第１中間生成体Ｍ１のベース１１０の外周を嵌合させる。これにより、ベース１１０の下面が内部の液状媒質の液面を押圧するので、押された液状媒質はベース１１０と筒状部１４１の隙間を通過し、筒状部１４１の上端１４４を超えて周囲にあふれ出る。これにより、ベース１１０の下面の全面が液状媒質の液面に密着することとなり、液状媒質中に気泡が生じない。

また、ベース１１０の下端外周が段部１４３に当接することで、ベース１１０とリング部材１４０との位置決めがなされる。かかる状態で、ベース１１０の端面（上面）１１１と、リング部材１４０の端面（上端）１４４とが面一、すなわち軸方向に一致するようになる。

かかる状態を維持しつつ、軸線Ｘ回りに治具を回転させることで、第１中間生成体Ｍ１と第２中間生成体Ｍ２とが回転するので、軸線Ｘ方向に沿って、レーザー光束ＬＢをベース１１０と筒状部１４１との嵌合部（境界）に照射し、周溶接（溶接部Ｗ２）する。治具側を固定し、レーザー光束ＬＢを照射する光源側を相対回転させてもよい。以上で、圧力検出ユニット１００が完成する。

尚、周溶接の手法として、レーザー溶接に限られず、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。

本実施の形態によれば、ベース１１０の下面が受圧空間Ｓ１内の液状媒質の液面に密着するので、液状媒質中に気泡が生じないため、半導体型圧力検出装置１５０の検出精度を高めることができる。

＜圧力センサ＞
図５は、本実施形態による圧力検出ユニット１００を取り付けた圧力センサの縦断面図である。

図５に示すように、圧力センサ１は、図１、２で例示した本実施形態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本のリードピン（１６０のみ図示）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。

カバー１０は、大径部１２と小径部１４とを含む段付きの円筒形状を有する部材であって、大径部１２が上記圧力検出ユニット１００の外周部を囲繞する態様で、圧力検出ユニット１００にベース１１０側から取り付けられる。

図３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。

カバー１０の内側に形成された内部空間Ｓ３には樹脂Ｒ１が充填され、固化されており、大径部１２の開口端側にも圧力検出ユニット１００を覆う態様で樹脂Ｒ２が充填され、固化されている。

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。

中継基板２０は、ベーク基板やガラスエポキシ基板、セラミックス基板あるいはフレキシブル基板として形成され、その中央部にコネクタ２２の一端が取り付けられており、当該コネクタ２２の取付位置の周囲にビア電極及び金属配線層（図示せず）を有する。

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。

また、中継基板２０のビア電極には、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のみ図示）の一端がそれぞれ貫通して固着されている。このとき、３本のリードピンは、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。

流体流入管３０は、例えば銅合金やアルミ合金等の金属材料からなる管状部材であって、上記圧力検出ユニット１００の受け部材１２０に取り付けられる取付部３２と、圧力検出対象の流体が流れる配管に接続される接続部３４と、を有する。

取付部３２は、図２に示した受け部材１２０の開口部１２４に、ロウ付け、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。

＜圧力センサの組立工程＞
図３に示す圧力センサ１を組み立てる際には、まず圧力検出ユニット１００のベース１１０から突出する３本のリードピンの一端に、コネクタ２２を取り付けた中継基板２０を固着する。

一方、圧力検出ユニット１００の受け部材１２０の開口部１２４に、流体流入管３０の取付部３２を取付固定する。

続いて、リード線２４を大径部１２から挿入して小径部１４を通して外部に露出するように、圧力検出ユニット１００をカバー１０の大径部１２に挿入する。

その後、カバー１０の小径部１４側の開口部から樹脂Ｒ１を充填し、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を充填し、固化して圧力検出ユニット１００をカバー１０内に固定する。

図３に示す圧力センサ１において、流体流入管３０に導入される圧力検出対象の流体は、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中継基板２０に出力する。

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。

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。

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
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 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 アース用のリードピン
１６２ 電源入力用のリードピン
１６４ 信号出力用のリードピン
１６６ ボンディングワイヤ

Claims (7)

1. リードピンが挿入される貫通穴が形成されたベースと、
   前記ベースの外周面と嵌合する円筒状内周面を備えたリング部材と、
   前記リング部材と溶接により接合される受け部材と、
   前記リング部材と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
   前記ベースと前記ダイアフラムとの間に形成された受圧空間内において、前記ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置と、
   前記受圧空間内に封入された液状媒質と、を備え、
   前記ベースと前記リング部材の嵌合部において、前記ベースの端面と前記リング部材の端面とが軸方向に一致しており、また前記嵌合部が全周で溶接されている、
   ことを特徴とする圧力検出ユニット。
2. 前記リング部材の内側に段部が形成されており、前記ベースが前記段部に当接することにより前記リング部材に対して軸方向に位置決めされる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出ユニット。
3. 前記嵌合部の溶接はレーザー溶接である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力検出ユニット。
4. 前記リング部材は第１円形フランジ部を有し、前記受け部材は第２円形フランジ部を有し、
   前記ダイアフラムは、前記第１円形フランジ部および前記第２円形フランジ部とともに、その外周が溶接されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力検出ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力検出ユニットを用いてなる、
   ことを特徴する圧力センサ。
6. リードピンが挿入される貫通穴が形成されたベースと、前記ベースの外周面と嵌合する円筒状内周面を備えたリング部材と、前記リング部材と溶接により接合される受け部材と、前記リング部材と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、前記ベースと前記ダイアフラムとの間に形成された受圧空間内において前記ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置と、前記受圧空間内に封入された液状媒質と、を備えた圧力検出ユニットの製造方法であって、
   前記ベースの貫通穴にリードピンを挿入して、封止する工程と、
   前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を取り付けて、第１中間生成体を形成する工程と、
   前記リング部材と前記受け部材とで前記ダイアフラムを挟持する工程と、
   前記ダイアフラムを挟持した状態で、前記リング部材と前記受け部材の外周を溶接して第２中間生成体を形成する工程と、
   前記リング部材側から前記第２中間生成体内に前記液状媒質を注入する工程と、
   前記第２中間生成体の前記リング部材の前記円筒状内周面の内周に、前記第１中間生成体の前記ベースの外周を嵌合させつつ、前記ベースにより前記第２中間生成体内の前記液状媒質の液面を押圧する工程と、
   前記リング部材と前記ベースの嵌合部を全周でレーザー溶接する工程と、を有する、
   ことを特徴とする圧力検出ユニットの製造方法。
7. 請求項６に記載の圧力検出ユニットの製造方法により製造された圧力検出ユニットを用いて圧力センサを製造することを特徴とする圧力センサの製造方法。

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