JP6389698B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出素子をケース内に収容した圧力センサに関し、特に、防水性能の向上を図るのに好適な圧力センサに関する。

従来、半導体圧力検出素子が収納された圧力検出室（受圧空間）をダイアフラムで覆い、この受圧空間内に液体（オイル）を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた圧力を、当該液体を介して半導体圧力検出素子に伝えることで、この圧力検出素子から圧力に応じた電圧信号を出力する圧力センサが種々提案されている。

例えば特許文献１に示す圧力センサは、半導体圧力検出素子が収納され且つオイルが封入された受圧空間と、受圧空間に隣接して流体圧力がかかる空間とが一体的に構成された構造体を、出力端子側のコネクタケースに対してカラーによって連結して構成されている。カラーは、例えば、アルミニウムを用いて略円筒形状に構成されており、下端側内側に折り曲げられて受部が形成されている。カラーは、上記構造体に対して当該構造体の外側を覆うように受部に突き当たるまで嵌合され、その嵌合状態で上端部をコネクタケースのかしめ受部に対してかしめられる。受部と当該上端部に形成されたかしめ部とを備えるカラーによって、上記構造体がコネクタケースに連結・固定される。

また、上記圧力センサにおいては、かしめ部分の気密性を高めるために、コネクタケースと構造体との間にＯリングを配設している。また、ターミナルを挿入するために、コネクタケースに孔を設けてターミナルを挿入する、或いはターミナル台座を設置することが行われている。

しかしながら、上記圧力センサは、設置された状態或いは適用された装置等の使用状況によっては、外部から長期的な水分との接触や大きな水圧に曝されたりして、センサ内部に水分が浸入する等の不具合が発生する懸念がある。

特許文献２に示す圧力センサは、上記の懸念を払拭するため、高い気密性を維持しつつ、構造の簡略化を図った圧力センサを提供することを目的として発明されたものである。即ち、合成樹脂製のカバー内が圧力検出部で区切られて形成されている第１空間の内部には半導体圧力検出素子のリードピン及びリード線が収容され、第１接着剤により封入されているので、第１空間内に外部の水分等の液体が侵入することを阻止することができる。また、圧力検出部の流管接続部材である受け部材側と合成樹脂製カバーとの間に形成される第２空間も第２接着剤により封入されている。合成樹脂製のカバーの圧力検出部側から第２空間を通じて水分等の液体が侵入しようとしても、第２空間内に封入されている第２接着剤によって阻止される。

特開２００３−２８７４７２号公報 特開２０１２−６８１０５号公報

しかしながら、特許文献２記載の圧力センサにおいては、高い気密性を維持しつつ、構造の簡略化を図ることはできたものの、流管接続部材である受け部材と合成樹脂製のカバー内との間を接着する第１及び／あるいは第２接着剤等の樹脂の経年劣化や当該圧力センサに加わる長期的な応力等による歪みによってカバーと前記樹脂や圧力検出部との間に間隙が生じ、そこから液体の浸入を許して絶縁不良の要因になるおそれがあるいう、解決すべき新たな課題が生じていた。
本発明の目的は、従来の圧力センサよりも長期間気密性を維持しつつ、同時に構造の簡略化を図ることができる圧力センサを提供することである。

本発明の金属製筐体圧力センサは、ダイアフラム３、当該ダイアフラム３を挟むように設けられたベース１及び流管接続部材２、前記ダイアフラムと対向するように前記ベース１に設けられた半導体圧力検出素子４１、前記ダイアフラム３と前記ベース１との間の受圧空間に注入されたオイル、並びに前記半導体圧力検出素子４１と接続され、前記ベースの背後より引き出されたリードピン４３を備えた圧力検出部１１０と、前記リードピン４３に接続されたリード線４７と、前記圧力検出部１１０を収容するカバー６０とを備えた圧力センサにおいて、前記カバー６０は、金属製であり、前記ベース１の外径は前記カバー６０の端部外径と同寸であり、前記圧力検出部１１０の前記ベース１と前記カバー６０の端部とは全周に亘って溶接固定され、前記カバー６０の内部空間には樹脂が充填されたことを特徴とする。

更に、本発明の金属製筐体圧力センサは、前記カバー６０は、小径部６１及び大径部６３を備え、前記大径部６３側の端部が、前記圧力検出部１１０の外周と溶接固定されたことを特徴とする。

更に、本発明の金属製筐体圧力センサは、前記ベース１及び前記カバー６０の少なくとも一方は、ステンレス製であることを特徴とする。

更に、本発明の金属製筐体圧力センサは、前記カバー６０の端部の内側には前記圧力検出部１１０の外径とほぼ同径の段状部６４がプレス加工により形成され、前記圧力検出部１１０はその外周端部において前記段状部６４に載置されていることを特徴とする。

本発明による圧力センサは、上記のように、圧力検出部を収容するカバーを金属製とし、かつ圧力検出部と前記カバーとを全周に亘って溶接し、かつ前記カバーの前記リードピンが配置された側の空間に樹脂を充填したので、圧力検出部の受け部材（流管接続部材）側（すなわちカバーの溶接側）からカバー内に侵入する水分等の侵入を完全に防止することができると共に、カバーの開放端側からの水分の侵入は、該開放端から圧力検出部のリードピン等に至るまでの、金属製カバーと該カバー内に充填された樹脂の境界面の距離が長いため、事実上水分侵入は問題にならない。
当該空間では半導体圧力検出素子から引き出されたリードピン及びリード線を接着剤によって封止できる。更に圧力検出部の流管接続部材側とカバーとの間を全周に及んで溶接することで、空間側への液体の侵入も防止され、簡単な構造でありながら、半導体圧力検出素子から引き出されたリードピン及びリード線のような信号伝達用のパーツへの水分浸透を阻止する気密性が維持することができる圧力センサが提供される。

本発明による圧力センサの第１参考例を示す（ａ）平面図、（ｂ）縦断面図である。 本発明による圧力センサの第２参考例を示す（ａ）平面図、（ｂ）縦断面図である。 本発明による圧力センサの第３参考例を示す（ａ）平面図、（ｂ）縦断面図である。 本発明による圧力センサの実施例を示す（ａ）平面図、（ｂ）縦断面図である。

以下、添付した図面に基づいて、本発明を説明する。まず、この発明による圧力センサの第１参考例を、図１に示す平面図及び縦断面図を参照して説明する。

図１に示す圧力センサ１００は、金属製のカバー６０内に圧力検出部１１０が収納されている。この圧力検出部１１０は、その内部に半導体圧力検出素子４１を備え、一方の側には流体流入管１１が接続され、他方の側には圧力検出素子４１に接続される基板４５を備えている。基板４５には、コネクタ４６を介してリード線４７が接続され、リード線４７とリードピン４３とは電気的に接続される。なお、流体流入管１１として流管接続用の継手を用いても良い。

圧力検出部１１０は、金属をプレス加工することにより構成されたベース１、金属をプレス加工することにより構成され、前記ベース１に対向して配置された受け部材２、及びベース１と受け部材２との間に挟み込まれたダイアフラム３を備えている。受け部材２は、中心部に流体流入管１１が接続される流管接続部材としての役割を担っている。ベース１とダイアフラム３との間には、オイルが封入される受圧空間３１が形成されている。半導体圧力検出素子４１は、受圧空間３１内に配置される状態でベース１に備えられている。受け部材２とダイアフラム３との間には圧力導入空間としての加圧空間１２が形成されており、加圧空間１２には流体流入管１１が連通しているので、加圧空間１２には当該流体流入管１１を通じて流体圧が導入される。ベース１、受け部材２及びダイアフラム３は、例えばステンレススチール製とすることができる。

ベース１は、周縁に環状延出部１ａを備え、全体形状が蓋状に形成されており、圧力検出素子４１は、ベース１の蓋状の天壁１ｂの内面に取り付けられている。これに対向した受け部材２は、周囲が立上り略平坦なフランジ部２ａとされた皿状に形成されている。受け部材２の中心部には開口２ｂが形成されており、開口２ｂに流体流入管１１がロウ付けされて固定されている。ベース１と受け部材２との間に挟み込まれるダイアフラム３は、その外周縁部３ａがベース１の環状延出部１ａと受け部材２のフランジ部２ａとの間に挟み込まれている。これら三つの部材（ベース１、受け部材２及びダイアフラム３）は、ダイアフラム３の外周縁部３ａが、ベース１と受け部材２の接合部から僅かに露出するように挟み込まれ、外周縁部分においてレーザー溶接４等によって三つの部材が同時に溶接されており、圧力検出部１１０として一体的に連結・固定されている。

オイル注入用にベース１の天壁１ｂを貫通して充填孔２０が形成され、該充填孔はオイル注入後にボール２１によって封じられている。また、半導体圧力検出素子４１は、ピエゾ素子とすることができる。ピエゾ素子は、強誘電体の一種であって圧電素子とも呼ばれ、振動や圧力などの力が加わると電圧が発生し、逆に電圧が加えられると伸縮する特性を有する素子である。半導体圧力検出素子４１は、ベース１に形成されている貫通孔４２を通して延びる複数のリードピン４３とボンディングワイヤ４８を介して接続され、さらにリードピン４３は基板４５に接続されている。ボンディングワイヤ４８はアルミ等の金属製の細線である。リードピン４３が挿入されたベース１の貫通孔４２は、ハーメチックシール４４によってオイル漏れがないように封じられている。基板４５はコネクタ４６に取り付けられており、半導体圧力検出素子４１で検出された圧力信号は、ボンディングワイヤ４８、リードピン４３、基板４５上に形成された図示されない配線パターン及びコネクタ４６を通じて、複数のリード線４７から外部へと取り出される。

リードピン４３とリード線４７とは、それらの引き出し方向に対して交差する方向にオフセットしている。そこで、リードピン４３とリード線４７の接続は、基板４５を介して行われている。こうした基板４５による接続をすることで、リード線４７を当該圧力センサ１００の中心軸近傍においてに引き出すことができる。即ち、圧力センサ１００の設置角度を問わず、圧力センサ１００の取扱いを容易にすることができる。
なお、基板４５を用いずに、リードピン４３とリード線４７とを直接接続するようにしても良い。

圧力センサ１００は、圧力検出部１１０を収容する筐体としてのカバー６０を備えている。カバー６０は、基板４５及びコネクタ４６を覆うコネクタケースとしての役割をも有する。カバー６０は、ベース１と同様に金属製であり、例えばステンレススチール製である。また、金属製カバー６０のコネクタ４６を覆う側の端部（上端部）は、リード線４７を取り囲むように縮径されて小径部６１に形成されており、圧力検出部１１０を収容する端部側は、内径を大きくして且つ筒状スカート状に延びる大径部６３に成形されている。小径部６１と大径部６３とは、肩部６２によって連続的に径が変化している。

筐体としてのカバー６０の小径部６１、大径部６３及び肩部６２は深絞り加工により形成することが可能であるので、極めて安価に加工することが可能である。また、大径部６３の内径は圧力検出部１１０の外径（ベース１や受け部材２の外径）が丁度収まる寸法に形成され、大径部６３の端部内周に受け部材２を挿入し、この状態でカバー６０の端部と圧力検出部１１０の外周部（受け部材２の外周部）との接触部全周に、当該圧力センサの下方から圧力検出部１１０の中心軸と平行な方向にレーザー光を照射し、レーザー溶接により接合される。これにより、カバー６０と圧力検出部１１０とは完全に封止される。

カバー６０の内部には、ベース１の天壁１ｂからカバー６０の小径部６１側に広がる空間５１が形成されている。複数のリードピン４３、基板４５、コネクタ４６及びリード線４７（小径部６１内に位置する部分）は、当該空間５１内に収容されている。空間５１には、カバー６０やリード線４７等との接着性が高く、且つ弾性が高い、例えばエポキシ系やウレタン系の樹脂（接着剤）７１が充填され、その後、硬化される。接着剤７１は、リードピン４３、基板４５、コネクタ４６及びリード線４７が埋設状態になるように空間５１に充填されるので、基板４５やコネクタ４６等のパーツに対して封止機能を奏する。その結果、接着剤７１は、カバー６０の内面やリード線４７に対して高い接着性を以て接着するものである。

本発明の図１に示した参考例において、小径部６１は、リード線４７が引き出される方向に向かって肩部６２を形成することにより順に縮径しているので、小径部６１は充填物である接着剤７１に対して小径部６１側からの抜け止め作用を発揮する。このように、接着剤７１が空間５１から剥がれてカバー６０の外部に抜け出ることが阻止され、カバー６０に対するリード線４７の確実な固定及び更なる気密性の確保を図ることができる。

圧力検出部１１０の外部への露出面を構成する受け部材２とカバー６０の大径部６３端面との間は、全周に及んでレーザー溶接がなされることにより、受け部材２とカバー６０との間には隙間が生じること無く溶接部７０が形成されており、筐体としてのカバー６０と一体的に接合された圧力検出部１１０とを強固に固定している。また、受け部材２の開口部２ｂと流体流入管１１とは全周に亘ってロウ付けされているため、圧力検出部１１０の内部への液体等の浸入を防止する。

図２は本発明の第２参考例を示す縦断面図であり、前述の第１参考例と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この参考例では、カバー６０の大径部６３の端部内周側にベース１及び受け部材２の外径とほぼ同じかあるいは若干大径の筒状内周面６３ａが形成されると共に、その奥側にカバー６０の内周側に突出する環状段部６４が設けられている。すなわち、環状段部６４の内側の径は、圧力検出部１１０の外径（ベース１の外径）よりも小さくなっている。
この筒状内周面６３ａに圧力検出部１１０の外周部（ベース１の外周面１ｄや受け部材２の周縁のフランジ部２ａ）を挿入し、ベース１の環状角部１ｃが環状段部６４に載置されることで、圧力検出部１１０がカバー６０内でガタつくことが無く正確に位置決めされる。
そして、この状態において、圧力検出部６０の外周（受け部材２の外周）とカバー６０の端部が第１参考例と同様、全周に亘って溶接される。その後、カバー６０の内部空間５１にエポキシ系やウレタン系の樹脂等の接着剤７１が充填される。

図３は本発明の第３参考例を示す縦断面図であり、前述の第１参考例及び第２参考例と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この第３参考例は、第２参考例における金属製のカバー６０と圧力検出部１１０の外周（受け部材２の外周部）との溶接位置が異なっている。すなわち、この第３参考例では、筒状内周面６３ａに圧力検出部１１０の外周部（ベース１の外周面１ｄや受け部材２の周縁のフランジ部２ａ）を挿入し、ベース１の環状角部１ｃが環状段部６４に載置された状態において、カバー６０の先端部の外側から内側に向かうようにレーザー光を照射し、これにより圧力検出部１１０の外周（受け部材２の外周）とカバー６０の端部がレーザー溶接される。その後、カバー６０の内部空間５１にエポキシ系やウレタン系の樹脂等の接着剤７１が充填される。

上述した本参考例のように溶接を行うことによっても、カバー６０と圧力検出部１１０との良好な接合・密封が実現できる。

図４は本発明の実施例を示す縦断面図であり、前述の第１乃至第３参考例と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この実施例は、第１乃至第３参考例とは異なり、カバー６０の大径部６３の端部の外径と、圧力検出部１１０を構成するベース１の鍔部１ａの外径をほぼ同寸とし、カバー６０大径部６３の端部とベース１の鍔部１ａの天壁１ｂ側表面とを当接させ、この当接箇所に対して外側から内側に向かうようレーザー光を照射して、カバー６０とベース１とを溶接する。これによってカバー６０とベース１（即ち圧力検出部１１０）とを接合・密封することができる。このように構成することで、カバー６０を第１乃至第３参考例のカバーと比較して小さく形成するため、カバー６０の形成に必要な材料の低減を図ることができ、製造コストの抑制をすることができる。

本発明の圧力センサ１００は、以上説明したような構造を備えているが、それらの構造のみに限定されるのではなく、本発明の特許請求の範囲に記載された発明思想を備える限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、金属製のカバー６０は、肩部６２により段差のある多段形状に形成されているが、大径部６３とテーパ上部のみとして小径部６１を省略したり、あるいは全体をテーパ状に傾斜させることも可能であり、さらにまた全体が同一外径の筒状であっても良い。また、ベース１や受け部材２の具体的な形状についても、圧力検出部１１０としての機能を損なわず、また金属製のカバー６０との固定強度を損なわない限り、形状等について種々の変形が可能であることは自明である。

１ ベース
１ａ 鍔部
１ｂ 天壁
１ｃ 環状角部
１ｄ 外周面
２ 受け部材（流管接続部材）
２ａ 鍔部
２ｂ 開口
２ｃ 環状下面
２ｄ 外側テーパ周面
３ ダイアフラム
３ａ 外周縁部
４ レーザー溶接
１１ 流体流入管
１２ 加圧空間（圧力導入空間）
２０ 充填孔
２１ ボール
３１ 受圧空間
４１ 半導体圧力検出素子
４２ 貫通孔
４３ リードピン
４４ ハーメチックシール
４５ 基板
４６ コネクタ
４７ リード線
５１ 空間
６０ カバー
６１ 小径部
６３ 大径部
６３ａ 筒状内周面
６３ｂ 傾斜端面
６４ 環状段部
７０ 溶接部
７１ 接着剤
１００ 圧力センサ
１１０ 圧力検出部
１２０ コネクタ接続部

Claims (3)

1. ダイアフラム、当該ダイアフラムを挟むように設けられたベース及び流管接続部材、前記ダイアフラムと対向するように前記ベースに設けられた半導体圧力検出素子、前記ダイアフラムと前記ベースとの間の受圧空間に注入されたオイル、並びに前記半導体圧力検出素子と接続され、前記ベースの背後より引き出されたリードピンを備えた圧力検出部と、
   前記リードピンに接続されたリード線と、
   前記圧力検出部を収容する、カバーとを備えた圧力センサにおいて、
   前記カバーは、金属製であり、前記ベースの外径は前記カバーの端部外径と同寸であり、
   前記圧力検出部の前記ベースと前記カバーの端部とは全周に亘って溶接固定され、
   前記カバーの内部空間には樹脂が充填されたことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記カバーは、小径部及び大径部を備え、
   前記大径部側の端部が、前記圧力検出部の外周と溶接固定されたこと、
   を特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１又は２記載の圧力センサにおいて、
   前記ベース及び前記カバーの少なくとも一方は、ステンレス製であること、
   を特徴とする圧力センサ。

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