JP3835317B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターミナルを有する樹脂ケースに圧力検出用のセンサ素子を搭載してなる圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の圧力センサの一般的な構成を図6に示す。図6では、従来品としての圧力センサの要部の断面構成を示している。樹脂ケース10の一端側には凹部11が形成されており、凹部11の底面11aにはセンサ素子20が接着等により搭載されている。
【0003】
樹脂ケース10には、一端側が凹部11の底面11aから突出するように樹脂ケース11を貫通するターミナル12がインサート成形等により設けられている。なお、ターミナル12の他端側は、図示しないが、樹脂ケース10の他端側に突出しており、外部と電気的に接続されるようになっている。
【0004】
この凹部11内に突出するターミナル12の一端とセンサ素子20とは、例えばボンディングワイヤ13により結線され電気的に接続されている。また、凹部11内にはシリコーン樹脂等からなるシール剤14が設けられており、このシール剤14によって、凹部11に突出するターミナル12の根元部と樹脂ケース10との隙間が封止されている。
【0005】
このような圧力センサにおいては、図6中の白抜き矢印に示すように、凹部11の開口部側からセンサ素子20の表面20aに圧力が印加され、センサ素子20からは受圧した圧力に基づく信号が発生し、この信号は、ボンディングワイヤ13からターミナル12を介して外部に出力されるようになっている。
【0006】
そして、このような圧力センサにおいては、圧力検出範囲の異なるものを製造しようとする場合、同一構成である共通のセンサ素子に対してトリミング等を行って感度調整を行うことにより、圧力検出範囲の異なる複数個の圧力センサを提供してきた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、圧力センサにおける圧力検出範囲の高圧化が要望されている。そのような場合、ターミナル12の根元部と樹脂ケース10との隙間の封止度合を向上させる必要があり、そのためには、シール剤14と樹脂ケース10(つまり凹部11の内面)との接合面積を大きくする必要がある。
【0008】
この接合面積を大きくするために、従来では、シール剤14の注入量を増やし、シール剤14の厚さを厚くするようにしている。しかし、シール剤14を厚くした分、シール剤14がセンサ素子20の表面20aに付着しやすくなる。そして、センサ素子20の表面20aにシール剤14が付着すると、センサ素子20の機能が阻害され不良品が発生するという問題がある。
【0009】
また、この問題に対して、専用のセンサ素子20、例えばシール剤14が表面20aに付着しないように厚さを厚くする等の構成を採用したセンサ素子20を用いることも考えられるが、この場合、専用であるが故に安価な構成とすることは困難である。
【0010】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、センサ素子について専用の設計を行うことなく、シール剤の接合面積を大きくできる圧力センサを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、一端側に凹部(11)を有する樹脂ケース(10)と、凹部の底面(11a)に台座(21)を介して搭載された圧力検出用のセンサ素子(20)と、一端側が凹部の底面から突出するように樹脂ケースを貫通しセンサ素子と電気的に接続されたターミナル(12)とを備え、凹部内に注入されたシール剤(14)によって、凹部に突出するターミナルの根元部と樹脂ケースとの隙間が封止されるとともに、前記台座の側面が被覆されており、凹部の底面のうちターミナルの根元部の周囲が、センサ素子の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部(11b)となっていることを特徴とする。
【0012】
それによれば、シール剤が配設される凹部の底面のうちターミナルの根元部の周囲が、センサ素子の搭載面よりも深く掘り下げられているため、この掘り下げ部内にもシール剤が充填される。そのため、センサ素子周囲のシール剤の厚さを厚くすることなく、ターミナルの根元部周囲におけるシール剤とケースとの接合面積を大きくすることができる。
【0013】
よって、センサ素子自体の厚さを変更することが不要となるため、センサ素子について専用の設計を行うことなく、シール剤の接合面積を大きくできる圧力センサを提供することができる。
【0014】
また、請求項2に記載の発明では、掘り下げ部(11b)の開口縁部における角部(11c)がR形状となっていることを特徴とする。
【0015】
それによれば、掘り下げ部の角部近傍において、シール剤の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となることから、好ましい。
【0016】
また、請求項3に記載の発明では、掘り下げ部(11b)の内面は、掘り下げ部の開口縁部側から底部側に向かって先すぼまりとなったテーパ形状となっていることを特徴とする。
【0017】
このような構成を採用することによっても、掘り下げ部の角部近傍において、シール剤の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となり、好ましい。
【0018】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は本実施形態に係る圧力センサS1の全体概略を示す断面図であり、図2は図1中の凹部11近傍の拡大図である。限定するものではないが、この圧力センサS1は例えば自動車に搭載され自動車の燃料噴射系の燃料圧を検出するものに適用することができる。
【0020】
樹脂ケース10は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やPBT(ポリブチレンテレフタレート)等の樹脂を型成形することにより作られ、本例では略円柱状をなしている。この樹脂ケース10の一端部(図1中、上方側の端部)には凹部11が形成されている。
【0021】
この凹部11の底面11aには、圧力検出用のセンサ素子20が配設されている。本例のセンサ素子20は、その表面20aに受圧面としてのダイヤフラム(図示せず)を有し、受けた圧力を電気信号に変換しこの電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイヤフラム式のものである。
【0022】
そして、センサ素子20は、ガラス等よりなる台座21に陽極接合等により一体化されており、この台座21を凹部11の底面11aに接着することで、センサ素子20は樹脂ケース10に搭載されている。
【0023】
また、樹脂ケース10には、センサ素子20と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル12が貫通している。本例では、ターミナル12は黄銅(真鍮)にメッキ処理(例えばNiメッキ)を施した材料よりなり、インサートモールドにより樹脂ケース10と一体に成形されることにより樹脂ケース10内にて保持されている。
【0024】
各ターミナル12の一端側(図1中、上方端側)の端部は、センサ素子20の搭載領域の周囲において凹部11の底面11aから突出して配置されている。一方、各ターミナル12の他端側(図1中、下方端側)の端部は、樹脂ケース10の他端側の開口部15内に露出している。
【0025】
この凹部11内に突出する各ターミナル12の一端部とセンサ素子20とは、金やアルミニウム等のボンディングワイヤ13により結線され電気的に接続されている。
【0026】
また、凹部11内にはシリコン系樹脂等からなるシール剤14が設けられており、このシール剤14によって、凹部11に突出するターミナル12の根元部と樹脂ケース10との隙間が封止されている。
【0027】
ここにおいて、本実施形態では、凹部11の底面11aのうちターミナル12の根元部の周囲を、当該底面11aにおけるセンサ素子20の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部11bとした独自の構成を採用している。この掘り下げ部11bは例えば丸穴形状とでき、その深さd(図2参照)は限定しないが例えば0.2mm〜1.2mm程度にすることができる。
【0028】
そして、シール剤14は、この掘り下げ部11b内にも充填されている。こうして、シール剤14は、凹部11に突出するターミナル12の根元部と樹脂ケース10との隙間を封止するとともに、センサ素子20の表面20aに付着しないように台座21の側面を被覆している。
【0029】
また、一方、図1において、樹脂ケース10の他端部(図1中、下方側の端部)側は開口部15となっており、この開口部15は、ターミナル12の他端側を例えばワイヤハーネス等の外部配線部材(図示せず)を介して上記外部回路(車両のECU等)に電気的に接続するためのコネクタ部となっている。
【0030】
つまり、開口部15内に露出する各ターミナル12の他端側は、このコネクタ部によって外部と電気的に接続可能となっている。こうして、センサ素子20と外部との間の信号の伝達は、ボンディングワイヤ13及びターミナル12を介して行われるようになっている。
【0031】
次に、図1に示すように、樹脂ケース10の一端部にはハウジング30が組み付けられている。このハウジング30は、例えばステンレス(SUS)等の金属材料よりなる本体部31を備える。この本体部31は、自動車の燃料配管等から燃料圧が導入される圧力導入孔32と、圧力センサS1を燃料配管等に固定するためのネジ部33とを有する。
【0032】
更に、ハウジング30は、薄い金属(例えばSUS等)製のメタルダイヤフラム34と金属(例えばSUS等)製の押さえ部材(リングウェルド)35とが本体部31に全周溶接され、圧力導入孔32の一端に気密接合されたものとなっている。
【0033】
このハウジング30は、図1に示す様に、本体部31の端部36を樹脂ケース10の一端部にかしめることにより樹脂ケース10と固定され一体化されている。こうして組み合わせられた樹脂ケース10とハウジング30において、樹脂ケース10の凹部11とハウジング30のメタルダイヤフラム34との間で、圧力検出室40が構成されている。
【0034】
この圧力検出室40には圧力伝達媒体であり封入液であるオイル(フッ素オイル等)41が充填され封入されている。このオイル41の封入により、凹部11にはセンサ素子20及びワイヤ13等の電気接続部分を覆うようにオイル41が充填され、更に、オイル41はメタルダイヤフラム34により覆われて封止された形となる。
【0035】
このような圧力検出室40を構成することにより、圧力導入孔32から導入された圧力は、メタルダイヤフラム34、オイル41を介して、圧力検出室40内のセンサ素子20、ボンディングワイヤ13、ターミナル12に印加されることになる。
【0036】
また、圧力検出室40の外周囲には、環状の溝(Oリング溝)42が形成され、この溝42内には、圧力検出室40を気密封止するためのOリング43が配設されている。このOリング43は例えばシリコンゴム等の弾性材料よりなり、樹脂ケース10とハウジング30の押さえ部材35とにより挟まれて押圧されている。こうして、メタルダイヤフラム34とOリング43とにより圧力検出室40が封止され閉塞されている。
【0037】
なお、本例では、上記溝42内には、Oリング43の外周にバックアップリング44が設けられている。このバックアップリング44は、例えば4フッ化エチレン樹脂等の樹脂材料よりなり、Oリング43が広がったときにOリング43がケース10と押さえ部材35との隙間に入り込んで損傷するのを防止する等の役割を担うものである。
【0038】
次に、上記圧力センサS1の製造方法について述べる。ターミナル12がインサート成形された樹脂ケース10を用意する。シリコン系樹脂等よりなる接着剤を用いて、樹脂ケース10の凹部11内へセンサ素子20を台座21を介し接着固定する。
【0039】
そして、凹部11内へシール剤14を注入し、シール剤14を、凹部11の底面11aおよび掘り下げ部11b内へ行き渡らせる。ここで、シール剤14がセンサ素子20の表面20aに付着しないようにする。例えば、シール剤14を注入した時点で、図2に示すようなシール剤14の上面からセンサ素子20の表面20aまでの高さhが1mm程度となるようにする。
【0040】
続いて、注入したシール剤14を硬化させる。そして、ワイヤボンディングを行って、各ターミナル12の一端部とセンサ素子20とをボンディングワイヤ13で結線する。
【0041】
そして、センサ素子20側を上にして樹脂ケース10を配置し、樹脂ケース10の上方から、ディスペンサ等によりフッ素オイル等よりなるオイル41を、凹部11へ一定量注入する。
【0042】
続いて、メタルダイヤフラム34及び押さえ部材35が全周溶接され、圧力導入孔32の一端に気密接合されたハウジング30を用意し、このハウジング30を上から水平を保ったまま、樹脂ケース10に嵌合するように降ろす。この状態のものを真空室に入れて真空引きを行い圧力検出室40内の余分な空気を除去する。
【0043】
その後、樹脂ケース10とハウジング30の押さえ部材35とが十分接するまで押さえ、メタルダイヤフラム34とOリング43によりシールされた圧力検出室40を形成する。次に、ハウジング30における本体部31の端部36を樹脂ケース10の一端側にかしめることにより、ハウジング30と樹脂ケース10とを一体化する。こうして、樹脂ケース10とハウジング30との組合せ固定がなされ、上記図1に示す圧力センサS1が完成する。
【0044】
かかる圧力センサS1の基本的な圧力検出動作について述べる。圧力センサS1は、例えば、ハウジング30のネジ部33を介して、車両における燃料配管系の適所に取り付けられる。そして、該燃料配管内の燃料圧がハウジング30の圧力導入孔32より圧力センサS1内に導入される。
【0045】
すると、導入された燃料圧がメタルダイヤフラム34から圧力検出室40内のオイル41を介して、センサ素子20の表面すなわち受圧面に印加される。そして、印加された圧力に応じた電気信号がセンサ信号として、センサ素子20から出力される。このセンサ信号は、センサ素子20からワイヤ13、ターミナル12を介して、上記外部回路へ伝達され、燃料配管の燃料圧が検出される。
【0046】
ところで、本実施形態によれば、シール剤14が配設される凹部11の底面11aのうちターミナル12の根元部の周囲が、センサ素子20の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部11bとなっているため、この掘り下げ部11b内にもシール剤14が充填されている。
【0047】
そのため、このような掘り下げ部を持たない従来のものに比べて、センサ素子20周囲のシール剤14の厚さを厚くすることをしなくても、シール剤14が掘り下げ部11bの内面と接合する分だけ、ターミナル12の根元部周囲におけるシール剤14と樹脂ケース10との接合面積を大きくすることができる。
【0048】
よって、センサ素子20自体の厚さを変更することが不要となるため、センサ素子20について専用の設計を行うことなく、シール剤14の接合面積を大きくできる圧力センサS1を提供することができる。
【0049】
ここで、図3は、掘り下げ部11bの深さdすなわち掘り下げ深さd(図2参照)と耐圧との関係を解析した結果を示す図である。耐圧については、ハウジング30の圧力導入孔32から導入される圧力を増加していったときに、当該圧力が、凹部11内に位置するターミナル12の一端側と樹脂ケース10との隙間から、ターミナル12と樹脂ケース10との隙間を通ってターミナル12の他端側に漏れるときの圧力、すなわちシール漏れ発生圧力(単位:MPa)を指標とした。
【0050】
また、図3では、凹部11の底面11aからセンサ素子20の表面20aまでの高さが2mmであり、上記高さh(図2参照)が1μmとなるように、シール剤14の凹部11の底面11aからの高さは1mmとした。この図3からわかるように、掘り下げ深さdを大きくして行くに連れ、つまり、シール剤14の接合面積を大きくしていくに連れ、耐圧が向上していくことがわかる。
【0051】
また、上記図2に示すように、凹部11の底面11aに掘り下げ部11bを形成した場合、掘り下げ部11bの開口縁部における角部11c近傍において、シール剤14に応力が集中しやすくなる。そのため、高耐圧化の障害となる可能性がある。
【0052】
そこで、本実施形態の変形例として図4に示すように、掘り下げ部11bの開口縁部における角部11cをR形状とすることが好ましい。それによれば、掘り下げ部11bの角部11c近傍において、シール剤14の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となる。
【0053】
また、もうひとつの変形例として図5に示すように、掘り下げ部11bの内面を、掘り下げ部11bの開口縁部側から底部側に向かって先すぼまりとなったテーパ形状としても良い。このような構成を採用することによっても、掘り下げ部11bの角部11c近傍において、シール剤14の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る圧力センサの全体概略断面図である。
【図2】図1中の凹部11近傍の拡大図である。
【図3】掘り下げ部の深さと耐圧との関係を示す図である。
【図4】上記実施形態の変形例を示す図である。
【図5】上記実施形態のもうひとつの変形例を示す図である。
【図6】従来の圧力センサの一般的な断面構成を示す図である。
【符号の説明】
10…樹脂ケース、11…凹部、11a…凹部の底面、
11b…掘り下げ部、11c…掘り下げ部の開口縁部における角部、
12…ターミナル、14…シール剤、20…センサ素子。
Claims (3)
- 一端側に凹部(11)を有する樹脂ケース(10)と、
前記凹部の底面(11a)に台座(21)を介して搭載された圧力検出用のセンサ素子(20)と、
一端側が前記凹部の底面から突出するように前記樹脂ケースを貫通し、前記センサ素子と電気的に接続されたターミナル(12)とを備え、
前記凹部内に注入されたシール剤(14)によって、前記凹部に突出する前記ターミナルの根元部と前記樹脂ケースとの隙間が封止されるとともに、前記台座の側面が被覆されており、
前記凹部の底面のうち前記ターミナルの根元部の周囲が、前記センサ素子の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部(11b)となっていることを特徴とする圧力センサ。 - 前記掘り下げ部(11b)の開口縁部における角部(11c)がR形状となっていることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記掘り下げ部(11b)の内面は、前記掘り下げ部の開口縁部側から底部側に向かって先すぼまりとなったテーパ形状となっていることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
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