JP5997686B2 - 物理量測定センサ - Google Patents
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Description
この圧力センサではセンサモジュールがセラミック製とされたものがある。セラミック製のセンサモジュールとして、板状のダイアフラム本体に環状支持部を連結し、ダイアフラム本体の一方主面の中央部に凹部を設け、この凹部の内面と一方主面との間に段差部を形成し、ダイアフラム本体の一方主面及び環状支持部の内面の連結部と、段差部との断面が曲線状とされた従来例(特許文献1)がある。
センサモジュールが継手に接合できないと、これらの間から被測定流体が漏出するので、センサモジュールを継手へ取り付けるためにOリングが用いられる。
そこで、Oリングを用いてセンサモジュールを継手に取り付ける構造として、セラミック製の感圧素子の空洞部の内壁とハウジング部の筒状突出部との間にOリングを配置し、このOリングを筒状突出部の先端部にかしめ加工で固定されたワッシャによって抜け止めした従来例(特許文献2)がある。
特許文献2では、筒状突出部の基端部に形成されOリングを係合するための段部と筒状突出部の先端部でかしめ加工されたワッシャとでOリングを保持する溝が形成されることになる。
特許文献1で示される従来例において、Oリングを用いてセンサモジュールを継手に取り付けるには、継手に突出部を形成し、この突出部にOリングを介してセンサモジュールを装着する構成が考えられるが、この構成では、Oリングを保持するための断面コ字状の溝を突出部に別途加工しなければならず、圧力センサの製造コストが高いものとなる。
つまり、Oリングを保持する溝は、その深さや幅寸法がOリングの寸法に対応したものでなければならない。溝の幅がOリングより狭いと、溝にOリングが嵌合できない。逆に溝の幅を大きくすると、突出部の溝より先端側の部分の幅寸法が短くなり、突出部の先端が破損等することになる。突出部の先端の破損等を防止するには、溝の位置を突出部の先端から離すことになるが、それでは、突出部自体も長くなり、その結果、物理量測定センサ自体も長いものとなる。
特許文献2で示される従来例では、Oリングをハウジング部の筒状突出部に保持するために、筒状突出部の先端部にかしめ加工でワッシャを固定するという構造が採用される。この構造の特許文献2の従来例では、Oリングを保持するための断面コ字状の溝の構造が複雑となり、圧力センサの製造コストが高いものとなる。
従って、本発明では、Oリングを設けるための断面コ字状の溝を継手にのみに形成する作業が不要となり、Oリングを保持するための構造が簡易なものとなる。つまり、突出部の先端側には継手側平坦部を形成すればよいので、突出部にコ字状溝を形成する場合に比べて溝加工が容易である。そのため、物理量測定センサの製造コストを低いものにできる。突出部の継手側平坦部より先端側は、少なくともOリングの厚さ寸法(軸方向に沿った寸法)があればよいので、継手自体の長さを短いものにし、物理量測定センサ自体の小型化を図ることができる。
この構成では、傾斜面によってセンサモジュールと突出部とが干渉することがないので、センサモジュールの筒状部に継手の突出部を容易に装着することができる。さらに、傾斜面がOリングを突出部に装着するに際して、ガイドとして機能するので、Oリングの装着を容易に行える。
この構成では、センサモジュールを表面平坦面が突出部の軸方向に対して所定角度、例えば、直交するように位置決めすることで、モジュール側平坦部も同じ方向に位置決めされる。
そのため、センサモジュール側平坦部の位置決めをダイアフラム部の表面平坦面で行えるから、Oリングが突出部から抜けることを防止できる。
この構成では、セラミック製のセンサモジュールが継手と溶接できなくても、抜止部材によって突出部からセンサモジュールが抜けることがない。
そのため、搬送時や設置後に物理量測定センサが振動しても、センサモジュールが継手に対して動くことがないので、正確な測定を行うことができる。
図1には本実施形態にかかる物理量測定センサの全体構成が示されている。
図1において、物理量測定センサは、継手1と、継手1に設けられるセンサモジュール2と、センサモジュール2を覆うコネクタ3と、コネクタ3に設けられたターミナル端子4と、ターミナル端子4とセンサモジュール2とを電気的に接続するフレキシブル回路基板5と、センサモジュール2に設けられた電子部品6とを備えた圧力センサである。
軸部11の一端部は、図示しない被取付部に螺合されるねじ部14である。軸部11の他端部はセンサモジュール2が設けられる突出部15である。
突出部15の中間部分には基端部より先端部の径が小さな段差が形成されている。この段差の平面は、突出部15の軸方向と直交平面であって径方向に延びた継手側平坦部15Aとされている。
突出部15の先端部には、先端に向かうに従って径が小さくなる傾斜面15Bが形成されている(図2及び図3参照)。
フランジ部12、突出部15及びスリーブ部13で仕切られる空間Sは、センサモジュール2を収納するための空間である。空間Sはフランジ部12の外周平面部に所定幅の平面リング状に形成された凹部S1と連通されている。凹部S1は、センサモジュール2の角部が収まるようにするために形成されたものである。凹部S1の平面はセンサモジュール2の底面から離れている。
センサモジュール2を収納するための空間Sの平面形状は円形であり、センサモジュール2の平面形状は略円形であって、これらの直径はほぼ等しい。
スリーブ部13の開口端は、コネクタ3を係止する係止部13Aとされている。
基部3Aは、蓋体30で閉塞されている。
蓋体30は、中心部に開口30Aが形成された金属製の蓋本体31と、蓋本体31の開口30Aに設けられた絶縁性の保持板32とを有する。
蓋本体31は、皿状部31Aと、皿状部31Aの外周縁に設けられた周縁部31Bとを有する。周縁部31Bは、スリーブ部13とコネクタ3の基部3Aとの間に挟持されている。
保持板32は、合成樹脂製の板部材であって、フレキシブル回路基板5を保持する保持孔が設けられている。
コネクタ3の基部3Aと蓋体30とで仕切られる空間には、ターミナル端子4とフレキシブル回路基板5との接続部分がずれないようにするため、また、防水性を確保するために、樹脂モールド(図示せず)が設けられている。
取付部材40は、ターミナル端子4を保持する本体部40Aと、本体部40Aに一体形成された脚部40Bとを有する。本体部40Aは基部3Aに取り付けられている。
ターミナル端子4の端部は、取付部材40の本体部40Aから露出しており、この露出した部分にフレキシブル回路基板5の一端部が接続されている。なお、フレキシブル回路基板5の一端部は、その先端が揺れてもターミナル端子4との接続部分に力が加わりにくくするために、ターミナル端子4に折り返した状態で接続されている。
図2及び図3は、それぞれ物理量測定センサの要部の断面を示し、図4は、センサモジュール2を示す。
図2から図4において、センサモジュール2は、継手1の突出部15の被測定流体の流れ方向の下流側に配置されている。
センサモジュール2は、セラミック製であって、継手1の突出部15の被測定流体の流れ方向の下流側端部に設けられるダイアフラム部21と、ダイアフラム部21に一体形成され突出部15に設けられる筒状部22とを有する。
抜止部材23は、スリーブ部13の内周面に周方向に沿って形成された嵌合凹部13Bに嵌合された断面矩形状のスプリングリングである。このスプリングリングは、平面がC型のばね部材であり、外周部が嵌合凹部13Bに嵌合され、内周部の一部がダイアフラム部21の外周縁部を押さえている。
ダイアフラム部21の中央部は、被測定流体の圧力により変位する変位部210とされる。変位部210の底面と筒状部22の内周面とからなる空間には、継手1の導入孔1Aから被測定流体が導入される。本実施形態で測定される被測定流体には、水等の液体や空気等の気体が含まれる。
変位部210の被測定流体と接触する面(底面)は、突出部15の頂部形状に合わせて形成されるものであり、例えば、平坦に形成されてもよく、中央に向かうに従って変位部210が薄くなるように湾曲して形成されるものでもよい。
表面平坦面20Aのうち変位部210に対応する平面中央部21Aには、歪みゲージ等からなる検知部(図示せず)が設けられている。
センサモジュール側平坦部22Aは、筒状部22の軸方向と直交する平面であって径方向に延びて形成されており、その径が変位部210より大きく、かつ、センサモジュール2の表面平坦面20Aと平行に形成されている。
筒状部22の開口端内周部は所定長さに渡って突出部15の外周部と嵌合されており、この嵌合部分の端縁から開口端に渡って傾斜部22Bが形成されている。
傾斜部22Bは、平面状に形成されていてもよく、湾曲して形成されているものでもよい。
Oリング7は、センサモジュール側平坦部22Aと継手側平坦部15Aとの間の空間に配置されている。センサモジュール側平坦部22Aと継手側平坦部15Aとは、Oリング7の突出部15の軸方向の移動を規制するものであり、センサモジュール2が突出部15に装着された状態では、互いに平行とされている。
センサモジュール側平坦部22Aと継手側平坦部15Aとは、Oリング7が筒状部22と突出部15とで挟持されるように、それぞれ筒状部22の径方向の幅寸法がOリング7の厚み寸法と同じか、やや小さくされている。
センサモジュール側平坦部22Aの内周側端縁は、傾斜面15Bによって突出部15との干渉が阻止される。
筒状部22のセンサモジュール側平坦部22Aから傾斜部22Bまでの軸方向寸法は、少なくとも、Oリング7の厚み寸法あればよい。
センサモジュール2の外周部には筒状部22の軸方向と平行に外周溝2Aが3箇所形成されている。
これらの外周溝2Aは、センサモジュール2の表面平坦面20Aに検知部等をパターン印刷する際に、センサモジュール2を図示しない位置決め装置で位置決めするために用いられる。
センサモジュール2の位置決めを正確に行うために、3箇所の外周溝2Aの配置は非等間隔である。つまり、これらの外周溝2Aのうち2箇所の外周溝2Aは、センサモジュール2の軸芯を挟んで互いに反対側の位置にあり、これらの2箇所の外周溝2Aのうちいずれか一方に近接した位置に残り1箇所の外周溝2Aが配置されている。なお、本実施形態では、外周溝2Aに代えて、センサモジュール2を位置決めするために、センサモジュール2の軸芯を挟んで互いに反対側の位置に凹部2Bを形成するものであってもよい。
図5において、本実施形態の電子部品6は、測定値の補正等のために用いられるASIC(Application Specific Integrated Circuit)である。
電子部品6は、ダイアフラム部21の被測定流体が接触する面とは反対側の面(平面)に配置されている。
電子部品6は、板状の部品本体61と、部品本体61に基端部がそれぞれ接続された複数本のリードフレーム62とを有する。
リードフレーム62の先端部は、ダイアフラム部21の表面平坦面20Aのうち平面中央部21Aの外周に位置する平面外周部21Bに接合される。リードフレーム62の先端部と平面外周部21Bとの接合は導電性接着剤等が用いられる。
平面外周部21Bには複数個の回路素子63が接合されている。これらの回路素子63とリードフレーム62とは平面外周部21Bに形成された平面回路部(図示せず)に接続されている。平面回路部は、変位部210に設けられた検知部(図示せず)と、3つのパッド21Dとに接続されている。
図1及び図6において、フレキシブル回路基板5は、ターミナル端子4に接続される第一端部51と、ダイアフラム部21と接続される第二端部52と、この第二端部52と第一端部51との間に設けられるとともに保持板32で保持される中間面部53とを有する。
第一端部51は、ターミナル端子4と係合する係合孔51Aが形成されている。本実施形態では、係合孔51Aとターミナル端子4とは半田付けで互いに接続されている。
第二端部52は、ダイアフラム部21に熱圧着で固定される。第二端部52には、平面回路部のパッド21D(図5参照)と半田付けされる3つの端子部52Aが形成されている。
これらの端子部52Aと係合孔51Aとは回路パターン(図示せず)とで電気的に接続されている。
センサモジュール2を製作するには種々の方法を採用することができる。例えば、図示しない金型にセラミック粉末を充填して成形体を形成し、この成形体を焼結する。この際、金型には、センサモジュール側平坦等を形成するための段部を予め金型内に設けておく。これにより、センサモジュール側平坦部22Aが成形体の一部として形成されることになる。
成形体を図示しない焼成炉に投入し、所定温度で焼成した後、焼成炉から取り出す。
さらに、金属のブロック体を研削加工等して、継手1を形成する。この際、継手1を加工すると同時に突出部15に継手側平坦部15Aを形成する。物理量測定センサを構成する他の部品も製造しておく。
さらに、抜止部材23を継手1に装着してセンサモジュール2の外れ止めをする。
そして、フレキシブル回路基板5の中間面部53を蓋体30の中心部分に位置する保持板32で保持し、フレキシブル回路基板5の第一端部51に、予め、取付部材40にインサート成形されたターミナル端子4を接合する。
さらに、ターミナル端子4をコネクタ3に取り付けるとともに、コネクタ3を継手1のスリーブ部13に係止する。
(1)突出部15を有する継手1と、ダイアフラム部21及びダイアフラム部21に一体に形成され突出部15に設けられる筒状部22を有するセラミック製のセンサモジュール2と、筒状部22の軸方向と直交する方向に延びて形成されたセンサモジュール側平坦部22Aと、突出部15の軸方向と直交する方向に延びて形成された継手側平坦部15Aとの間に設けられたOリング7と、を備えて物理量測定センサを構成した。Oリング7を設けるための断面コ字状の溝を継手1にのみに形成する作業が不要となり、Oリング7を保持するための構造が簡易なものとなる。突出部15の継手側平坦部15Aから先端側に向かった長さやセンサモジュール2のセンサモジュール側平坦部22Aから開口端に向かった長さを短く設定することができるので、突出部15及びセンサモジュール2の軸方向に沿った長さを短くすることで、物理量測定センサの小型化を図ることができる。
例えば、前記実施形態では、ダイアフラム部21の平面に電子部品6を直接配置したが、本発明では、ダイアフラム部21の平面から離れて基板を配置し、この基板に電子部品6を取り付ける構成としてもよい。また、ダイアフラム部21に直接設置する電子部品6をASICとしたが、本発明では、リードフレームがあるものであれば、コンデンサ、増幅回路、他の素子を電子部品としてもよい。
さらに、セラミック製のセンサモジュール2や継手1の加工方法は、前記実施形態に限定されるものではない。例えば、センサモジュール2のベースとなる成形体を金型等で成形し、この成形体を切削や研削加工をしてセンサモジュール側平坦部22Aを含むセンサモジュール2を加工するものでもよい。
さらに、前記実施形態では、物理量測定センサとして圧力センサを例示して説明したが、本発明では、これに限定されることはなく、例えば、差圧センサや温度センサにも適用可能である。
また、前記実施形態では継手1を金属製部材から形成したが、本発明では、合成樹脂部材から継手を形成するものであってもよい。
Claims (4)
- 被測定流体を導入する導入孔が形成された筒状の突出部を有する継手と、前記突出部の被測定流体の流れ方向の下流側に配置されるとともに導入された被測定流体の圧力により変位するダイアフラム部及びこのダイアフラム部に一体に形成され前記突出部の外周部に内周部が嵌合する筒状部を有するセラミック製のセンサモジュールと、前記筒状部と前記突出部との間に設けられたOリングと、を備え、
前記Oリングは、前記筒状部の軸方向と交差する方向に延びて形成されたセンサモジュール側平坦部と、前記突出部の軸方向と交差する方向に延びて形成された継手側平坦部との間に配置されていることを特徴とする物理量測定センサ。 - 請求項1に記載の物理量測定センサおいて、
前記突出部の端部には前記センサモジュール側平坦部の内周側端縁との干渉を阻止するための傾斜面が形成されていることを特徴とする物理量測定センサ。 - 請求項1又は請求項2に記載の物理量測定センサにおいて、
前記センサモジュール側平坦部は前記ダイアフラム部の表面平坦面と平行に形成されていることを特徴とする物理量測定センサ。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の物理量測定センサにおいて、
前記継手には前記センサモジュールの前記突出部からの抜け止めをする抜止部材が設けられることを特徴とする物理量測定センサ。
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