JP2020008468A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】組み付け時や使用時に部品に過度な応力が加わることを抑制できる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサは、雄コネクタ１９０と、セラミック製のベース１１０と、上部フランジ部１４２と、ベース１１０と接合された中空円筒部１４１とを備えた金属製のリング部材１４０と、リング部材の下部フランジ部１４３と溶接により接合されるフランジ部１２１を備えた金属製の受け部材１２０と、リング部材の下部フランジ部１４３と受け部材のフランジ部１２１との間に挟まれたダイアフラム１３０と、受け部材と雄コネクタ１９０とを連結する、カシメ部ＣＫを備えたカシメ部材１８０と、ベースとダイアフラムとの間に形成された受圧空間Ｓ１側において、ベースに取り付けられた圧力検出装置１５０と、を有し、接合された下部フランジ部１４３とフランジ部１２１とは、リング部材の軸線方向において、カシメ部材と雄コネクタ１９０との間に挟持される。【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。

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等を介して外部に出力する機能を有している。

このような圧力センサは、設置される環境や装置の使用状況によっては、外部からセンサ内部に水等の液体が浸入するおそれがある。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）。

この特許文献１に開示されている圧力センサにおいては、通常、ベースの内面側の中央部に半導体型圧力検出装置を取り付けた後に、当該ベース、ダイアフラム及び受け部材を重ね合わせて周溶接して一体化されている。そのため、上記周溶接を行う際の熱履歴によりベースに歪みが生じる懸念があった。

これに対し、特許文献２においては、ベースをセラミックス製として、ステンレス製の受け部材とをロウ付けすることで、ベースの歪みを解消する技術が開示されている。

特開２０１２−６８１０５号公報 特開２０１７−１４６１３７号公報

ここで、特許文献２に開示された技術によれば、セラミックス製のベースを用いることで、溶接に起因した歪みを解消することができる。しかしながら、一般的にセラミックスは脆性材料であるから、組み付け時や使用時に生じる機械的応力の影響を極力排除したいという要請がある。

そこで、本発明の目的は、組み付け時や使用時に部品に過度な応力が加わることを抑制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、
電気信号を外部に向けて出力するためのコネクタ部材と、
セラミック製のベースと、
前記ベースに接合された筒状部および、前記ベースの径方向外側に延在した第１フランジ部を備えたリング部材と、
前記第１フランジ部に溶接により接合された第２フランジ部を備えた受け部材と、
前記第１フランジ部と前記第２フランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
前記受け部材と前記コネクタ部材とを連結する、カシメ部を備えたカシメ部材と、
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圧力検出装置と、を有し、
接合された前記第１フランジ部および前記第２フランジ部は、前記カシメ部材と前記コネクタ部材との間に挟持されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、組み付け時や使用時に部品に過度な応力が加わることを抑制できる圧力センサを提供することができる。

本実施形態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。 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。 本実施形態による圧力センサの組立工程を示す図である。

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、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、カシメ部材１８０とを含む。

ベース１１０は、円盤状であって、例えば、アルミナやアルミナジルコニア等のセラミックス材料から形成されている。

ベース１１０の下面とダイアフラム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本の端子ピン１６０、１６２、１６４が挿入される３つの貫通穴１１６が形成されている。

３本の端子ピン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形成され、フランジ部（第２フランジ部）１２１と、フランジ部１２１の内縁から下方に延在するテーパー部１２２と、テーパー部１２２の下端から下方に延在する円管部１２３と、を有する。円管部１２３の外周には、雄ねじ部１２４が形成されている。

フランジ部１２１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。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。

また、リング部材１４０は、ステンレス鋼等の金属材料からなり、中空円筒部（筒部）１４１と、中空円筒部１４１の上端から径方向内側に延在する上部フランジ部１４２と、中空円筒部１４１の下端から径方向外側に延在する下部フランジ部（第１フランジ部）１４３と、を有する。

カシメ部材１８０は、アルミニウム等の金属材料からなる管状部材であり、中空の大円筒部１８１と、大円筒部１８１の下端に接合する中円筒部１８２と、中円筒部１８２の下端に接合する小円柱部１８３と、を有する。大円筒部１８１の上端は、薄肉部（カシメ部）１８４となっている。

大円筒部１８１と中円筒部１８２の接合部内側に、軸線Ｘに直交する面を持つ段部１８５が全周にわたって形成されている。また、中円筒部１８２の内周には、雌ねじ部１８６が形成されている。段部１８５と雌ねじ部１８６との間における、カシメ部材１８０の内周には、Ｏ−リングＯＲの受けとなる環状段部１８７が全周にわたって形成されている。さらに、小円柱部１８３の内部には、軸線に沿った貫通穴１８８が形成されている。

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＞
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、アース用の端子ピン１６０、電源入力用の端子ピン１６２及び信号出力用の端子ピン１６４をそれぞれ挿通し、３本の端子ピン１６０、１６２、１６４と、ベース１１０とをロウ付けすることにより接合固定する。

具体的には、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の金属との間にロウ付け部を形成する。

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、リング部材１４０の上部フランジ部１４２と中空円筒部１４１とを、ベース１１０の上面及び外周面に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。

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。

更に、受け部材１２０のフランジ部１２１とリング部材１４０の下部フランジ部１４３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との重ね合わせ部を、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、ベース１１０と受け部材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Ｓを構成する。

尚、周溶接の手法として、加熱媒体としての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、加熱媒体として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。

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の軸線に直交する方向に偏位しており、圧力検出ユニット１００の軸線方向から見て、ロウ付け部Ｂは溶接部Ｗと重ならない配置とされている。すなわち、溶接部Ｗをロウ付け部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に及ぶことを抑制できる。

次に、カシメ部材１８０の環状段部１８７に、Ｏ−リングＯＲを配置して、受圧構造体Ｓの受け部材１２０の雄ねじ部１２４を、雌ねじ部１８６に螺合させる。カシメ部材１８０に対して受圧構造体Ｓを相対回転させながら、雄ねじ部１２４を雌ねじ部１８６にねじ込んでゆくと、受け部材１２０がカシメ部材１８０に接近し、これによりＯ−リングＯＲが環状段部１８７とテーパー部１２２との間で、受け部材１２０の軸線方向に圧縮され、受け部材１２０とカシメ部材１８０との間をシールする。なお、フランジ部１２１が段部１８５に当接密着した時点で、雄ねじ部１２４のねじ込みを停止するとＯ−リングＯＲのつぶし代が適正になるように、各部材の寸法を設定してもよい。

＜圧力センサ＞
図３は、圧力センサ１の縦断面図である。図４は、本実施形態による圧力検出ユニット１００と、雄コネクタ１９０とを分離した状態で示す断面図である。

図３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、上記圧力検出ユニット１００から突出する３本の端子ピン（１６２，１６４のみ図示）の一端が取り付けられるフレキシブルプリント基板２０と、フレキシブルプリント基板２０に取り付けられるターミナルピン２２と、ターミナルピン２２をインサート成形してなる樹脂製の雄コネクタ（コネクタ部材）１９０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。

雄コネクタ１９０は、下部中空筒部１９１と、上部中空筒部１９２とを有し、下部中空筒部１９１の下面にフレキシブルプリント基板２０の一端が取り付けられている。フレキシブルプリント基板２０の他端は、圧力検出ユニット１００の３本の端子ピン（１６２，１６４のみ図示）と電気的に接続されている。

カシメ部材１８０の小円柱部１８３は、圧力検出対象の流体が流れる配管（不図示）に接続される。

＜圧力センサの組立工程＞
図４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、まず圧力検出ユニット１００のベース１１０から突出する３本の端子ピンの一端に、雄コネクタ１９０に取り付けられたフレキシブルプリント基板２０の各配線を、はんだ付け等で電気的に接続する。

続いて、カシメ部材１８０を不図示の治具にセットして、雄コネクタ１９０を圧力検出ユニット１００に接近させ、下部中空筒部１９１の下端１９３を、リング部材１４０の下部フランジ部１４３の上面に突き当てる。その後、薄肉部１８４を内方に全周（または等間隔に６か所）にわたってカシメる（塑性変形させる）ことで、カシメ部ＣＫ（図３）を形成する。カシメ部ＣＫが雄コネクタ１９０の下部中空筒部１９１の上端外周に当接することで、圧力検出ユニット１００から雄コネクタ１９０が分離することが防止される。カシメによって、コネクタ部材１９０がカシメ部材１８０に固定されるとともに、コネクタ部材１９０の下端部とカシメ部材１８０の段部１８５との間に、第１，第２フランジ部が挟持される。

このように、圧力検出ユニット１００のカシメ部材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。

また、カシメ部材１８０の上端をカシメる際に、雄コネクタ１９０から圧力検出ユニット１００に軸線方向の押圧力が付与される。本実施形態によれば、かかる付勢力は雄コネクタ１９０の下部中空筒部１９１、リング部材１４０の下部フランジ部１４３、受け部材１２０のフランジ部１２１を介して、カシメ部材１８０の段部１８５へと伝達される。一方、ベース１１０は、リング部材１４０の上部フランジ部１４２と中空円筒部１４１とにロウ付けされているので、カシメ時に生じた力は、ベース１１０に殆ど伝達されることがない。これにより、組立て時にベース１１０に過大な応力が付与されることが抑制され、不測の部品損傷などを回避できる。また、フランジ部１２１が段部１８５に当接密着しているので、カシメ時の荷重による受け部材１２０の変形を防ぐことができ、また、Ｏ−リングＯＲの過度な変形を回避できる。

図３に示す圧力センサ１において、カシメ部材１８０の小円柱部１８３内の貫通穴１８８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。この時、カシメ部材１８０と受け部材１２０との間に、Ｏ−リングＯＲが配置されているので、カシメ部材１８０と受け部材１２０との間で流体漏れが生ずることを回避できる。

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、信号出力用の端子ピン１６４を介して電気信号をフレキシブルプリント基板２０に出力する。

そして、上記電気信号はターミナルピン２２及び不図示の雌コネクタを介して、外部の機器に出力される。

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
２０ フレキシブルプリント基板
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 アース用の端子ピン
１６２ 電源入力用の端子ピン
１６４ 信号出力用の端子ピン
１６６ ボンディングワイヤ
１８０ カシメ部材
１９０ 雄コネクタ

Claims (4)

1. 電気信号を外部に向けて出力するためのコネクタ部材と、
   セラミック製のベースと、
   前記ベースに接合された筒状部および、前記ベースの径方向外側に延在した第１フランジ部を備えたリング部材と、
   前記第１フランジ部に溶接により接合された第２フランジ部を備えた受け部材と、
   前記第１フランジ部と前記第２フランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
   前記受け部材と前記コネクタ部材とを連結する、カシメ部を備えたカシメ部材と、
   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圧力検出装置と、を有し、
   接合された前記第１フランジ部および前記第２フランジ部は、前記カシメ部材と前記コネクタ部材との間に挟持されている、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記カシメ部材は、前記挟持される方向に直交し、前記第２フランジ部と当接する段部を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記受け部材が前記カシメ部材に螺合されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記ベースと前記リング部材の筒状部とは、ロウ付けにより接合されている、
   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。

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