JP4155204B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、第１のケースと第２のケースとをかしめ固定によって一体に組み付け、その内部に圧力検出用のセンシング部を設けてなる圧力センサに関する。

従来より、第１のケースと第２のケースとをかしめ固定によって一体に組み付け、その内部に圧力検出用のセンシング部を設けてなる圧力センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この圧力センサの断面図を図２に示す。図２に示される圧力センサは、第１のケースとしてのコネクタケースＪ１と測定媒体を導入するための第２のケースとしてのハウジングＪ２とを備えて構成されるダイアフラムシールタイプの圧力センサである。すなわち、両ケースＪ１、Ｊ２の間にメタルダイアフラムＪ３を介在させた状態でハウジングＪ２の収容凹部Ｊ４内にコネクタケースＪ１が挿入されたのち、ハウジングＪ２の収容凹部Ｊ４の入り口側をかしめて圧力センサの組み付けが成されることで、内部に圧力検出室Ｊ５が区画形成され、この圧力検出室Ｊ５内にセンシング部としてのセンサ素子Ｊ６などが設けられた構造となっている。

そして、圧力検出室Ｊ５は、コネクタケースＪ１とハウジングＪ２との間に介在するＯリングＪ７によってシールされており、圧力検出室Ｊ５の内部には、たとえばオイルなどの圧力伝達部材Ｊ８が封入されている。また、メタルダイアフラムＪ３における圧力検出室Ｊ５とは反対側の面に、ハウジングＪ２に導入された測定媒体による圧力が印加され、この測定圧力がメタルダイアフラムＪ３から圧力伝達部材Ｊ８を介してセンサ素子Ｊ６へ印加されることで、圧力検出が行われるようになっている。

ここで、このような構造の圧力センサでは、測定媒体がハウジングＪ２とメタルダイアフラムＪ３との間から漏れ出すことを防止するために、これらの間のシールを確保しなければならない。このため、上記特許文献１に示される圧力センサでは、メタルダイアフラムＪ３の外周部分にハウジングＪ２と同種の金属で構成されたリングウェルドＪ９を接続し、このリングウェルドＪ９とハウジングＪ２との接触部分Ｊ１０の一部を溶接した構造としている。
特開平７−２４３９２６号公報

上述したハウジングＪ２は、例えばステンレス（ＳＵＳ）によって構成されるが、これらの材質によると、組付け相手側との材質の違いによって、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの場合、異種金属接触による電位差が約０．５Ｖと大きいために、電池腐食が生じることが懸念される。

この場合、ハウジングＪ２の材質を例えば相手側と同質のアルミニウム（Ａｌ）とすることで、上記腐食を防止することが考えられる。このようにすれば、ハウジングＪ２の軽量化も図れ、センサ重量の低減にも繋がると言える。

しかしながら、上記ようにリングウェルドＪ９とハウジングＪ２との溶接によってハウジングＪ２とメタルダイアフラムＪ３との間のシール構造を実現する場合、ハウジングＪ２の材質を変更すると、リングウェルドＪ９と異種金属となり、異種金属間の溶接が不可能であることからシール構造を実現できなくなるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、ハウジングをアルミニウムを主成分とした材料で構成されていても、ハウジングとメタルダイアフラムとの間のシール構造を実現できる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１のケース（１０）とアルミニウムを主成分として構成された第２のケース（３０）とを一体に組み付けてなるケーシング（１００）を備え、ケーシング（１００）内に圧力検出用のセンシング部（２０）を設けてなる圧力センサにおいて、第１のケース（１０）の先端面（１０ａ）と第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）との間には、メタルダイアフラム（３４）が配置されると共に、該メタルダイアフラム（３４）の外周においてリングウェルド（３５）が配置され、これらメタルダイアフラム（３４）とリングウェルド（３５）および第１ケース（１０）によって囲まれる部分を圧力検出室（４０）として、該圧力検出室（４０）内にセンシング部（２０）が配置された構成とされており、リングウェルド（３５）が第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）に溶接されていると共に、リングウェルド（３５）における第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）側の面にアルミニウムを主成分とした金属が蒸着されていることを特徴としている。

このように、リングウェルド（３５）における第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）側の面にアルミニウムを主成分とした金属を蒸着することにより、第２のケース（３０）の一面側にリングウェルド（３５）を容易に溶接することが可能となる。したがって、第２のケース（３０）をアルミニウムを主成分とした材料で構成されていても、第２のケース（３０）とメタルダイアフラム（３４）との間のシール構造を実現できる圧力センサとすることが可能となる。

なお、請求項３に示すように、メタルダイアフラム（３４）とリングウェルド（３５）とを一体で構成することが可能である。また、請求項４に示すように、リングウェルド（３５）を構成する金属の主成分とメタルダイアフラム（３４）を構成する金属の主成分とを同じにしておき、リングウェルド（３５）のうちメタルダイアフラム（３４）側の面にアルミニウムを主成分とした金属を蒸着せず、その面においてリングウェルド（３５）がダイアフラム（３４）に溶接されるような構成としても良い。

請求項２に記載の発明では、第２のケース（３０）における一面（３０ｂ）には、リングウェルド（３５）と対応する位置において環状の突起部（３０ｃ）が備えられ、リングウェルド（３５）が突起部（３０ｃ）の箇所で抵抗接合されることで第２ケース（３０）に接合されていることを特徴としている。このように、第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）に突起部（３０ｃ）を形成し、リングウェルド（３５）が第２のケース（３０）に抵抗溶接されるようにすれば、この箇所で確実にシール性を確保することが可能となる。

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ものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された圧力センサについて説明する。図１に、本実施形態における圧力センサＳ１の断面図を示し、この図に基づいて説明する。なお、この圧力センサＳ１は、例えば、自動車に搭載され自動車のエアコンの冷媒配管内の冷媒圧力を検出するものに適用される。

図１に示されるように、第１のケースとしてのコネクタケース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、本実施形態では略円柱状をなしている。この樹脂ケースとしてのコネクタケース１０の一端部（図１中、下方側の端部）には、凹部１１が形成されている。

この凹部１１の底面には、圧力検出用のセンシング部としてのセンサ素子２０が配設されている。

センサ素子２０は、その表面に受圧面としてのダイアフラムを有し、このダイアフラムの表面に形成されたゲージ抵抗により、ダイアフラムが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アフラム式のものである。

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の底面に接着することで、センサ素子２０はコネクタケース１０に搭載されている。

また、コネクタケース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。

本実施形態では、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コネクタケース１０と一体に成形されることによってコネクタケース１０内にて保持されている。

各ターミナル１２の一端側（図１中、下方端側）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、上方端側）の端部は、コネクタケース１０の他端側の開口部１５内に露出している。

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。

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の根元部とコネクタケース１０との隙間が封止されている。

一方、図１において、コネクタケース１０の他端部（図１中、上方側の端部）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。

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が可能となっている。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およびターミナル１２を介して行われるようになっている。

また、図１に示されるように、コネクタケース１０の一端部には、第２のケースとしてのハウジング３０が組み付けられている。具体的には、ハウジング３０には収容凹部３０ａが形成されており、この収容凹部３０ａ内にコネクタケース１０の一端側が挿入されることで、コネクタケース１０にハウジング３０が組みつけられた構成となっている。

これにより、第１のケースとしてのコネクタケース１０と第２のケースとしてのハウジング３０とが一体に組み付けられてなるケーシング１００が構成されており、このケーシング１００内にセンサ素子２０が設けられた形となっている。

このハウジング３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主成分とした金属材料よりなるものであり、測定対象物からの測定圧力が導入される圧力導入孔３１と、圧力センサＳ１を測定対象物に固定するためのネジ部３２とを有する。上述したように、測定対象物としては、たとえば自動車エアコンの冷媒配管などであり、測定圧力は、その冷媒配管内の冷媒圧力などである。

さらに、コネクタケース１０の先端面１０ａとハウジング３０における収容凹部３０ａのうちコネクタケース１０の先端面１０ａと対向する一面３０ｂとの間に、薄い金属製のメタルダイアフラム３４とリングウェルド（押さえ部材）３５とが配置されている。これらメタルダイアフラム３４とリングウェルド３５は、共に同じ金属を主成分とする金属材料（例えばＳＵＳ等）、すなわちハウジング３０とは異なる金属材料によって構成され、溶接により一体もしくは元々一体成型された構成となっている。ただし、リングウェルド３５のうちハウジング３０の一面３０ｂ側の面は、ハウジング３０と同様の金属材料となるアルミニウムが蒸着された構成となっている。

ハウジング３０の一面３０ｂのうち、リングウェルド３５が配置される部位には、リング状の突起部３０ｃが形成されており、リングウェルド３５は、この突起部３０ｃにてハウジング３０に全周抵抗溶接されることで、圧力導入孔３１の一端に気密接合されたものとなっている。

そして、図１に示されるように、ハウジング３０のうち収容凹部３０ａ側の端部がコネクタケース１０の一端部にかしめられることで、かしめ部３６が形成され、それによって、ハウジング３０とコネクタケース１０とが固定され一体化されている。

こうして組み合わせられたコネクタケース１０とハウジング３０とにおいて、コネクタケース１０の凹部１１とハウジング３０のダイアフラム３４との間で、圧力検出室４０が構成されている。

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。すなわち、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、ダイアフラム３４により覆われて封止された形となる。

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３１から導入された圧力は、メタルダイアフラム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。

また、本実施形態の圧力センサにおいては、コネクタケース１０の先端面１０ａには、圧力検出室４０の外周を囲むように、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、コネクタケース１０とリングウェルド３５とにより挟まれて押圧されている。こうして、メタルダイアフラム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ると共に、メタルダイアフラム３４とＯリング４５により圧力導入孔３１を通じて測定対象となる流体が導入される背室が閉塞される。

次に、上記圧力センサＳ１の製造方法について図１を参照して説明する。

まず、ターミナル１２がインサート成形されたコネクタケース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、コネクタケース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。

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の底面まで行き渡らせる。ここで、シール剤１４がセンサ素子２０の表面に付着しないように、注入量を調整する。

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で結線し、電気的に接続する。

そして、センサ素子２０側を上にしてコネクタケース１０を配置し、コネクタケース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。

続いて、リングウェルド３５をハウジング３０における突起部３０ｃに載せた後、リングウェルド３５とハウジング３０との間に所定の電圧を印加する。このとき、リングウェルド３５のうち突起部３０ｃと接する部分にアルミニウムが蒸着されていることから、突起部３０ｃの先端部においてリングウェルド３５が容易に抵抗溶接され、リングウェルド３５が全周溶接されたハウジング３０が形成される。そして、リングウェルド３５の上にメタルダイアフラム３４を配置したのち、メタルダイアフラム３４の上からレーザ溶接などを行うことで、メタルダイアフラム３４とリングウェルド３５とを溶接する。このとき、メタルダイアフラム３４とリングウェルド３５とは異種材料ではないため、容易に接合される。

この後、このリングウェルド３５およびメタルダイアフラム３４と共にハウジング３０を上から水平を保ったまま、コネクタケース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。

そして、コネクタケース１０とハウジング３０側の押さえ部材３５とが十分接するまで押さえることによって、ダイアフラム３４とＯリング４３によって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の端部をコネクタケース１０の一端側にかしめることにより、かしめ部３６を形成する。こうして、ハウジング３０とコネクタケース１０とを一体化することにより、かしめ部３６によるコネクタケース１０とハウジング３０との組み付け固定がなされる。また、かしめ部３６により、コネクタケース１０をハウジング３０の収容凹部３０ａ内に挿入する方向への押圧力が加えられ、上記圧力検出室４０の閉塞とメタルダイアフラム３４およびハウジング３０との間のシール構造が維持される。このようにして、図１に示される圧力センサＳ１が完成する。

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、たとえば、ハウジング３０のネジ部３２を介して、車両におけるエアコンの冷媒配管系の適所に取り付けられる。そして、該配管内の圧力がハウジング３０の圧力導入孔３１より圧力センサＳ１内に導入される。

すると、導入された圧力がメタルダイアフラム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、冷媒配管の冷媒圧力が検出される。このようにして、圧力センサＳ１における圧力検出が行われる。

以上説明したように、本実施形態の圧力センサでは、リングウェルド３５のうちハウジング３０の一面３０ｂ側の面にアルミニウムを蒸着した構成としていることから、リングウェルド３５をハウジング３０に接合する際にも、これらの接触部が同じ材質ものとなっていることから、接合を行うことが可能となる。

また、ハウジング３０の一面３０ｂに突起部３０ｃを形成し、リングウェルド３５とハウジング３０との接合を抵抗溶接によって行うようにしている。このため、突起部３０ｃを形成していない場合と比べ、より確実にリングウェルド３５とハウジング３０との接合を行うことが可能となる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、メタルダイアフラム３４とリングウェルド３５とが別々に形成されたものを一体に溶接したものとして説明したが、リングウェルド３５を元々メタルダイアフラム３４と一体成型して形成することもできる。すなわち、この場合、メタルダイアフラム３４の一部として形成されたリングウェルド３５のうち、ハウジング３０に溶接される箇所において、アルミニウムが蒸着された構成とすれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第１実施形態では、リングウェルド３５がハウジング３０に溶接できるように、リングウェルド３５のうちハウジング３０の一面３０ｂ側の面にアルミニウムを蒸着した構成としている。しかしながら、これは単なる例示であり、その他の面にもＡｌが蒸着された構成としても良い。ただし、リングウェルド３５のうちメタルダイアフラム３４との溶接が行われる箇所は、アルミニウムを蒸着しない構成にすることになる。なお、リングウェルド３５を主に構成する金属とアルミニウムとの境界部において、上述した腐食が生じる可能性があるが、少なくともリングウェルド３５のうちハウジング３０と接合されている部位は、その境界部の端から離れた場所にあるため、腐食によってリングウェルド３５とハウジング３０との接合が剥がれる可能性は少ない。

また、上記実施形態では、ハウジング３０がアルミニウムで構成される例を示したが、純粋なアルミニウムである必要はなく、アルミニウムを主成分とした金属材料に関しても本発明を適用することが可能である。

また、上記各実施形態において、圧力検出室４０には、オイル４１が封入されていなくてもよい。つまり、メタルダイアフラム３４を介して圧力検出室４０内のセンサ素子２０に測定圧力が印加されればよく、圧力検出室４０内の圧力伝達媒体としては気体等であっても構わない。

また、センサ素子２０は、上記したダイアフラムが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に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの全体概略を示す断面図である。 従来の圧力センサの断面図である。

符号の説明

１０…第１のケースとしてのコネクタケース、
２０…センシング部としてのセンサ素子、３０…第２のケースとしてのハウジング、
３４…メタルダイアフラム、３５…リングウェルド、３６…かしめ部、
１００…ケーシング。

Claims (4)

1. 第１のケース（１０）とアルミニウムを主成分として構成された第２のケース（３０）とを一体に組み付けてなるケーシング（１００）を備え、
   前記ケーシング（１００）内に圧力検出用のセンシング部（２０）を設けてなる圧力センサにおいて、
   前記第１のケース（１０）の先端面（１０ａ）と前記第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）との間には、メタルダイアフラム（３４）が配置されると共に、該メタルダイアフラム（３４）の外周においてリングウェルド（３５）が配置され、これらメタルダイアフラム（３４）とリングウェルド（３５）および第１ケース（１０）によって囲まれる部分を圧力検出室（４０）として、該圧力検出室（４０）内に前記センシング部（２０）が配置された構成とされており、
   前記リングウェルド（３５）が前記第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）に溶接されていると共に、前記リングウェルド（３５）における前記第２のケース（３０）の一面（３０ｂ）側の面にアルミニウムを主成分とした金属が蒸着されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第２のケース（３０）における前記一面（３０ｂ）には、前記リングウェルド（３５）と対応する位置において前記環状の突起部（３０ｃ）が備えられ、前記リングウェルド（３５）が前記突起部（３０ｃ）の箇所で抵抗接合されることで前記第２ケース（３０）に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記メタルダイアフラム（３４）と前記リングウェルド（３５）とは一体で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記リングウェルド（３５）を構成する金属の主成分は、前記メタルダイアフラム（３４）を構成する金属の主成分と同じであり、前記リングウェルド（３５）のうち前記メタルダイアフラム（３４）側の面には前記アルミニウムを主成分とした金属が蒸着されておらず、その面において前記ダイアフラム（３４）と溶接されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
   

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