JP4768281B2 - 圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサ及びその製造方法に関するものである。

従来、内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子（センサチップ）が配設された圧力ハウジングと、圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備えた圧力センサがある。通常、このような圧力センサにおいて、感圧素子は、ダイヤフラムにより区画された圧力室内に配設されており、該圧力室内には圧力伝達媒体（シリコーンオイル等）が充満されている。そして、圧力ハウジング内に導入された流体がダイヤフラムを押圧する圧力、即ち同流体の圧力は、圧力室内に充満された圧力伝達媒体を介してセンサチップに伝達されるようになっている。

ところが、上記のような構成では、圧力ハウジングと感圧素子との間に電位差が生じた場合、圧力室内の圧力伝達媒体に誘電分極を引き起こし、その結果、計測精度が低下するおそれがある。そこで、従来、こうした課題を解決するものとして、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間に絶縁部材を介在させることにより、両者を電気的に絶縁したものがある（例えば、特許文献１参照）。そして、このような構成を採用することにより、圧力伝達媒体の誘電分極を防止して、高精度の圧力計測を行うことができる。
特開２００４−３７３１８号公報

ところで、一般に、圧力ハウジング及びジョイントハウジングは、ステンレスや黄銅等の金属にて形成されており、上記のような絶縁部材を介しての両者の接合には、通常、銀ろう等によるろう付け接合が用いられる。しかしながら、これら圧力ハウジング及びジョイントハウジング（金属）と絶縁部材（セラミックス）とでは熱膨張率が異なるため、ろう付け接合時の高温加熱及びその冷却過程において、その接合部に熱膨張率の差異に起因する応力が生じ、該応力及びその残留応力による絶縁部材の破壊、或いは接合強度の低下といった不具合が発生するおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、簡素な構成にて、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間の良好な接合状態を確保することができる圧力センサ及びその製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子が配設された圧力ハウジングと、前記圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備え、前記圧力ハウジングと前記ジョイントハウジングとは、絶縁部材を介してろう付け接合される圧力センサであって、前記圧力ハウジング又は前記ジョイントハウジングと前記絶縁部材との間の少なくとも一方には、前記ろう付け接合により前記絶縁部材に作用する応力を緩和するための応力緩和部材が介在されるとともに、前記応力緩和部材は、前記圧力ハウジングの内部と前記流路とを連通するための連通孔を有し、該連通孔は、前記ろう付け接合の後に形成されること、を要旨とする。

上記構成によれば、ろう付け接合時の高温加熱処理（約８００℃程度）の際にジョイントハウジングの金属成分が揮発し絶縁部材に付着することを防止することができ、その結果、こうした金属成分の付着による絶縁性毀損の可能性を排除することができる。特に、黄銅に含まれる亜鉛（Ｚｎ）の融点は、ろう材として用いられる銀ろうの融点よりも低いため、ジョイントハウジングを黄銅にて形成する場合には、このような製造方法を用いるとよい。

請求項２に記載の発明は、前記応力緩和部材は、軟質金属又は低熱膨張率合金により形成されてなること、を要旨とする。

請求項３に記載の発明は、前記応力緩和部材は、前記連通孔を形成する部分が薄肉に形成されてなること、を要旨とする。
上記構成によれば、ろう付け接合後の連通孔の形成を容易なものとすることができる。

請求項４に記載の発明は、内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子が配設された圧力ハウジングと、前記圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備え、前記圧力ハウジングと前記ジョイントハウジングとは、絶縁部材を介してろう付け接合される圧力センサの製造方法であって、前記圧力ハウジング又は前記ジョイントハウジングと前記絶縁部材との間の少なくとも一方に、前記ろう付け接合により前記絶縁部材に作用する応力を緩和するための応力緩和部材を介在させて前記ろう付け接合を行う工程と、前記ろう付け接合を行う工程の後に、前記応力緩和部材に前記圧力ハウジングの内部と前記流路とを連通するための連通孔を形成する工程と、を備えること、を要旨とする。

本発明によれば、簡素な構成にて、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間の良好な接合状態を確保することが可能な圧力センサ及びその製造方法を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の圧力センサ１は、内部に感圧素子としてのセンサチップ２が配設された圧力ハウジング３と、該圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジング４と、圧力ハウジング３とジョイントハウジング４との接合部に介在される絶縁部材５とを備えている。

本実施形態では、圧力ハウジング３は、皿状に形成された金属ハウジング６及びカプセル７の各開口端６ａ，７ａが相互に接合されてなり、その内部は、金属ハウジング６とカプセル７と間に挟持された金属ダイヤフラム８により区画されている。そして、この金属ダイヤフラム８に区画されたカプセル７側の空間により圧力室９が構成されている。尚、本実施形態では、金属ダイヤフラム８は、その周縁が、レーザー溶接により金属ハウジング６の開口端６ａ及びカプセル７の開口端７ａに接合されている。そして、これらカプセル７、金属ハウジング６及び金属ダイヤフラム８の接合は、後述する金属ハウジング６及びジョイントハウジング４（並びに絶縁部材５）の接合後に行われる。

本実施形態では、金属ハウジング６の底部６ｂには、圧力ハウジング３内に流体を導入するための貫通孔１０が形成されており、センサチップ２は、圧力室９の上壁を構成するカプセル７の底部７ｂに配設されている。そして、同圧力室９には、圧力伝達媒体としてシリコーンオイル１１が充満されている。即ち、本実施形態では、圧力ハウジング３内に導入された流体の圧力は、金属ダイヤフラム８及びシリコーンオイル１１を介してセンサチップ２に伝達される。

また、カプセル７の底部７ｂにはターミナルピン１２が貫設されており、同ターミナルピン１２の一端は、ボンディングワイヤ１３を介してセンサチップ２に接続されている。そして、ターミナルピン１２の他端は、ハーネス１４に接続されている。尚、本実施形態ではカプセル７とターミナルピン１２との間は、ガラス系のシール材にてシールされている。そして、ターミナルピン１２のカプセル７外部に突出した部分及び該ターミナルピン１２とハーネス１４との接続部は、モールド樹脂により被覆されている。

一方、ジョイントハウジング４は、金属材料（黄銅又はステンレス）により有底筒状に形成されており、その開口部４ａ近傍の内周面には同ジョイントハウジング４を圧力計測対象装置に取着するための螺子部１５が螺設されている。また、ジョイントハウジング４の底部４ｂには、該底部４ｂを軸方向（図中上下方向）に貫通する貫通孔１６が形成されている。そして、本実施形態ではこの貫通孔１６及びジョイントハウジング４の内部空間により、計測対象となる流体を圧力ハウジング３内に導入するための流路が構成されている。

本実施形態では、絶縁部材５はアルミナ系のセラミックスにより形成されており、圧力ハウジング３とジョイントハウジング４とは、この絶縁部材５を介して（挟んで）ろう付け接合されている。具体的には、圧力ハウジング３及びジョイントハウジング４は、それぞれ、その金属ハウジング６の底部６ｂ、及びその上記流路を構成する貫通孔１６が形成された底部４ｂが、絶縁部材５とろう付け接合されている。そして、絶縁部材５には、金属ハウジング６の貫通孔１０とジョイントハウジング４の貫通孔１６、即ち圧力ハウジング３の内部とジョイントハウジング４に形成された流路とを連通するための貫通孔１７が形成されている。尚、本実施形態の圧力センサ１では、圧力ハウジング３全体、及び同圧力ハウジング３との接合部を含むジョイントハウジング４の一部は、絶縁性の樹脂モールド１８により被覆されている。

また、本実施形態では、圧力ハウジング３（金属ハウジング６）と絶縁部材５との間、及びジョイントハウジング４と絶縁部材５との間には、それぞれ、上記ろう付け接合により絶縁部材５に生ずる応力を緩和するための応力緩和部材２０（２０ａ，２０ｂ）が介在されている。そして、金属ハウジング６と絶縁部材５、及びジョイントハウジング４と絶縁部材５とは、それぞれ、各応力緩和部材２０ａ，２０ｂを介してろう付け接合されている。

詳述すると、本実施形態では、応力緩和部材２０は、軟質金属又は熱膨張率の低い金属（低熱膨張率金属）により形成されている。尚、軟質金属としては、銅やアルミニウム合金等、低熱膨張率金属としては、鉄−ニッケル系の４２合金（Fe-42%Ni）や鉄−ニッケル−コバルト系のコバール等を用いることができる。また、図２（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態では、応力緩和部材２０には、絶縁部材５に形成された貫通孔１７と、金属ハウジング６の貫通孔１０又はジョイントハウジング４の貫通孔１６とを連通するための連通孔２１に加え、該応力緩和部材２０の両接合面２２（２２ａ，２２ｂ）に開口する複数の貫通孔２３が形成されている。尚、本実施形態では、各貫通孔２３は、応力緩和部材２０の径方向に沿って延びる長孔状に形成されるとともに、その周方向に沿って略９０°間隔に４箇所設けられている。

図３に示すように、本実施形態の圧力センサ１では、圧力ハウジング３（金属ハウジング６）及びジョイントハウジング４（並びに絶縁部材５）のろう付け接合は、金属ハウジング６と絶縁部材５との間、及びジョイントハウジング４と絶縁部材５との間に、それぞれ各応力緩和部材２０ａ，２０ｂを配置した状態で行われる。そして、このろう付け接合に用いられるろう材（銀ろう）２５は、各応力緩和部材２０ａ，２０ｂの各接合面２２のうち上側に位置する方の接合面２２Ｕ側にのみ配置される。

即ち、本実施形態の応力緩和部材２０には、貫通孔２３が形成されているため、加熱処理により溶融したろう材２５は、これら各貫通孔２３を介して上側の接合面２２Ｕ側から下側の接合面２２Ｌ側へと流出する。従って、下側の接合面２２Ｌ側にろう材２５を配置することなく、応力緩和部材２０ａと金属ハウジング６及び絶縁部材５との間、並びに応力緩和部材２０ｂとジョイントハウジング４及び絶縁部材５との間を確実にろう付け接合することが可能となっている。尚、図３中、各部材間の隙間は、説明の便宜上、あえて誇張して記載したものであり、実際には、各部材間の隙間は、極めて微小であることはいうまでもない。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）圧力ハウジング３（金属ハウジング６）とジョイントハウジング４とは、絶縁部材５を介してろう付け接合される。そして、金属ハウジング６と絶縁部材５との間、及びジョイントハウジング４と絶縁部材５との間には、それぞれ、上記ろう付け接合により絶縁部材５に生ずる応力を緩和するための応力緩和部材２０（２０ａ，２０ｂ）が介在される。このような構成とすれば、ろう付け接合時の高温加熱及びその冷却過程において、圧力ハウジング３及びジョイントハウジング４と絶縁部材５との間の熱膨張率の差異に起因して絶縁部材５に作用する応力を緩和することができる。その結果、該応力及びその残留応力による絶縁部材５の破壊、或いは接合強度の低下といった不具合の発生を防止して、圧力ハウジングとジョイントハウジングとの間の良好な接合状態を確保することができる。

（２）応力緩和部材２０には、該応力緩和部材２０の両接合面２２（２２ａ，２２ｂ）に開口する複数の貫通孔２３が形成される。このような構成とすれば、金属ハウジング６及びジョイントハウジング４（並びに絶縁部材５）のろう付け接合時に、各応力緩和部材２０ａ，２０ｂの各接合面２２のうち上側に位置する方の接合面２２Ｕに配置したろう材２５が、加熱処理により溶融し、下側の接合面２２Ｌ側へと流出する。従って、下側の接合面２２Ｌ側にろう材２５を配置することなく、応力緩和部材２０ａと金属ハウジング６及び絶縁部材５との間、並びに応力緩和部材２０ｂとジョイントハウジング４及び絶縁部材５との間を確実にろう付け接合することができる。その結果、このろう付け接合工程を容易なものとすることができるとともに、ろう材の使用量を抑えて製造コストの低減を図ることができる。更に、こうした貫通孔２３を設けることで、応力緩和部材２０がその径方向に変形しやすくなる。その結果、より効果的に絶縁部材５に作用する応力を緩和することができる。また、その応力緩和機能を損なうことなく安価な素材にて応力緩和部材２０を形成することもできる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図面に従って説明する。尚、説明の便宜上、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の圧力センサ３１では、ジョイントハウジング３２の外周面３２ａには、貫通孔１６が開口する接合部３３の近傍において、その全周に亘って肉盗み部３４が凹設されている。そして、絶縁部材５は、応力緩和部材２０を介することなく、この接合部３３に接合されている。

つまり、本実施形態では、ジョイントハウジング３２の絶縁部材５との接合部分、即ち絶縁部材５がろう付け接合される接合部３３は、上記肉盗み部３４の凹設により、フランジ状に形成されている。具体的には、同接合部３３は、そのフランジ部３３ａの厚みＤが、容易に熱変形可能な厚みに設定されている。そして、ろう付け接合時には、このフランジ部３３ａが熱変形することにより、絶縁部材５に作用する応力を緩和することが可能となっている。従って、このような構成とすれば、ジョイントハウジング３２と絶縁部材５との間については、応力緩和部材２０を介在させることなく良好な接合状態を確保することができ、その結果、ろう付け接合工程の容易化を図ることができるとともに、その製造コストを抑えることができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記第１の実施形態では、圧力ハウジング３（金属ハウジング６）と絶縁部材５との間、及びジョイントハウジング４と絶縁部材５との間のそれぞれに、応力緩和部材２０（２０ａ，２０ｂ）を介在させることとした。しかし、これに限らず、応力緩和部材２０は、金属ハウジング６と絶縁部材５との間、又はジョイントハウジング４と絶縁部材５との間の何れか一方に設けるととしてもよい。即ち、応力緩和部材２０は、これらの少なくとも何れか一方に設ける構成とすればよい。

・また、上記第２の実施形態では、絶縁部材５は、応力緩和部材２０を介することなく、ジョイントハウジング３２の接合部３３に接合されることとしたが、応力緩和部材２０を介在させてもよい。

・上記各実施形態では特に言及しなかったが、絶縁部材５の貫通孔１７と金属ハウジング６の貫通孔１０又はジョイントハウジング４（３２）の貫通孔１６とを連通する応力緩和部材２０の連通孔２１は、各部材のろう付け接合後に形成することとしてもよい。即ち、図５（ａ）に示すように、先ず連通孔２１が形成されていない応力緩和部材３５を用いて各部材のろう付け接合を行う。そして、図５（ｂ）に示すように、そのろう付け接合後に連通孔２１を形成することとしてもよい。

このような構成とすれば、ろう付け接合時の高温加熱処理（約８００℃程度）により、ジョイントハウジング４の金属成分が揮発し絶縁部材５の貫通孔１７内に付着してその絶縁性を損なう可能性を排除することができる。特に、黄銅に含まれる亜鉛（Ｚｎ）の融点は、銀ろうの融点よりも低いため、ジョイントハウジング４を黄銅により形成する場合には、このような製造方法を用いるとよい。

・更に、上記のように、連通孔２１をろう付け接合後に形成する方法を採用する場合にあっては、図６に示すように、上記連通孔２１を形成する部分、即ち連通孔形成部３７を予め薄肉に形成した応力緩和部材３６を用いてもよく、このような構成とすることで、その形成を容易なものとすることができる。

・上記各実施形態では、応力緩和部材２０には、該応力緩和部材２０の両接合面２２（２２ａ，２２ｂ）に開口する複数の貫通孔２３が形成されることとしたが、貫通孔は一つでもよい。またこのような貫通孔を設けない構成としてもよい。

・また、上記各実施形態では、各貫通孔２３は、応力緩和部材２０の径方向に沿って延びる長孔状に形成されるとともに、その周方向に沿って略９０°間隔に４箇所設けられることとしたが、応力緩和部材２０に形成する貫通孔の形状、数、及びその配置は、これに限るものではない。

例えば、図７（ａ）に示す応力緩和部材３８ａのように、周方向に沿って延びる円弧状の貫通孔４０ａを周方向に沿って複数設けるとともに径方向に沿って多段形成する構成、或いは図７（ｂ）に示す応力緩和部材３８ｂのように、貫通孔４０ｂを格子状に配置する構成としてもよい。尚、図７（ａ）に示す応力緩和部材３８ａにおいては、各段間の各貫通孔４０ａ配置は、その相対角度をオフセットするとよい。また、図７（ｃ）に示す応力緩和部材３８ｃのように、径方向外側に向かって拡開する扇状の貫通孔４０ｃを周方向に沿って略等間隔に配置する構成としてもよい。このように構成することで、図７（ａ）に示す応力緩和部材３８ａでは、径方向に作用する応力を好適に緩和することができ、図７（ｂ）に示す応力緩和部材３８ｂでは、接合部に作用する応力を均等に緩和することができる。そして、図７（ｃ）に示す応力緩和部材３８ｃでは、周方向に作用する応力を好適に緩和することができる。

・また、形成する貫通孔を増加させることで、図７（ｄ）に示す応力緩和部材３８ｄのようにメッシュ状としてもよい。即ち、上側の接合面２２Ｕ側から下側の接合面２２Ｌ側へと溶融したろう材を透過可能な貫通孔（孔）を有するものであれば、その他、ランダムに形成したものや、更には、応力緩和部材自体をポーラス状に形成したものであってもよい。

第１の実施形態の圧力センサの断面図。 （ａ）応力緩和部材の上面図、（ｂ）応力緩和部材のＡ−Ａ断面図。 応力緩和部材に形成された貫通孔の作用説明図。 第２の実施形態の圧力センサの断面図。 （ａ）（ｂ）別例の圧力センサの製造方法を示す説明図。 別例の応力緩和部材の断面を示す模式図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）別例の応力緩和部材の上面図。

符号の説明

１，３１…圧力センサ、２…センサチップ、３…圧力ハウジング、４，３２…ジョイントハウジング、５…絶縁部材、６…金属ハウジング、７…カプセル、９…圧力室、２０（２０ａ，２０ｂ），３５，３６，３８ａ〜３８ｄ…応力緩和部材、２１…連通孔、２２（２２Ｕ，２２Ｌ）…接合面、２３，４０ａ〜４０ｃ…貫通孔、２５…ろう材、３３…接合部、３３ａ…フランジ部。

Claims (4)

1. 内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子が配設された圧力ハウジングと、前記圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備え、前記圧力ハウジングと前記ジョイントハウジングとは、絶縁部材を介してろう付け接合される圧力センサであって、
   前記圧力ハウジング又は前記ジョイントハウジングと前記絶縁部材との間の少なくとも一方には、前記ろう付け接合により前記絶縁部材に作用する応力を緩和するための応力緩和部材が介在されるとともに、前記応力緩和部材は、前記圧力ハウジングの内部と前記流路とを連通するための連通孔を有し、該連通孔は、前記ろう付け接合の後に形成されること、を特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記応力緩和部材は、軟質金属又は低熱膨張率合金により形成されてなること、
   を特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記応力緩和部材は、前記連通孔を形成する部分が薄肉に形成されてなること、
   を特徴とする圧力センサ。
4. 内部に圧力室が形成されるとともに該圧力室には感圧素子が配設された圧力ハウジングと、前記圧力ハウジングの内部に計測対象となる流体を導入するための流路が形成されたジョイントハウジングとを備え、前記圧力ハウジングと前記ジョイントハウジングとは、絶縁部材を介してろう付け接合される圧力センサの製造方法であって、
   前記圧力ハウジング又は前記ジョイントハウジングと前記絶縁部材との間の少なくとも一方に、前記ろう付け接合により前記絶縁部材に作用する応力を緩和するための応力緩和部材を介在させて前記ろう付け接合を行う工程と、
   前記ろう付け接合を行う工程の後に、前記応力緩和部材に前記圧力ハウジングの内部と前記流路とを連通するための連通孔を形成する工程と、を備えること、
   を特徴とする圧力センサの製造方法。

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