JP6464012B2

JP6464012B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP6464012B2
Application number: JP2015072424A
Authority: JP
Inventors: 倫久青山; 元桐向井
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016191656A

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、半導体型圧力検出装置を収容した液封入式の圧力センサに関する。

従来、ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧空間内に圧電素子等の圧力検出素子を収容した液封入式の圧力センサは、冷凍冷蔵装置や空調装置に装備されて冷媒圧力を検知したり、産業用機器に装備されて各種の流体圧力の検知に使用されている。
このような圧力センサとして、圧力検出素子を有する圧力検出部と、該圧力検出部に接続されて上記圧力検出部の外部に突出するリードピンと、上記リードピンが外部出力用リード線に電気的に接続可能に固定される配線基板と、を備えたものが公知である（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された圧力センサにおいて、圧力検出素子は、上記受圧空間内に配置され、受圧空間内の圧力変化を電気信号に変換して外部に出力する機能を有している。
上記圧力検出素子からの出力信号は、上記受圧空間のベースを貫通する複数のリードピンを介してカバー内部の空間に配置された配線基板と接続されており、当該配線基板の表面に形成された配線パターンを介して外部出力用リード線に接続されている。

特開２０１２−２３７６１２号公報

特許文献１に開示された液封入式の圧力センサは、カバー内部に配置される圧力検出部を水や湿気から隔離することを意図して、カバー内部の空間にウレタン樹脂等の樹脂材が充填、硬化されている。そして、圧力センサのカバー内部に封入された樹脂と配線基板とは、それぞれ材質が異なることから互いの熱膨張係数も異なることとなる。
このような液封入式の圧力センサは、使用される環境によっては、高温の状態から零下等の低温の状態までの温度範囲で繰り返しの温度変化を受ける場合がある。
この場合、配線基板とこれに接触する樹脂の膨張・収縮の度合いが異なるため、金属配線パターンの下面側（配線基板側）と上面側（樹脂との接触側）とで異なる応力が加わることとなり、その結果として、金属配線パターンが配線基板の表面から剥離（リフトオフ）して破損してしまう懸念がある。

そこで、本発明の目的は、寒暖差の大きい繰り返しの温度履歴が負荷されたとしても、配線基板に形成された金属配線パターンの剥離を防ぐことができる圧力センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、を具備し、前記内部空間に樹脂が充填されており、前記中継基板の表面に形成された前記配線層が、前記樹脂と接触しないように、前記内部空間に前記樹脂を受ける受け部材を配置し、前記受け部材は、前記樹脂を注入する前記カバーの開口部側に湾曲する湾曲部を備えており、前記中継基板に一端を連結されるコネクタの他端に取り付けられていることを特徴とする。

本発明の圧力センサによれば、中継基板の表面に形成された配線層とカバーの内部空間に充填される樹脂とが接触しないので、寒暖差の大きい繰り返しの温度履歴が負荷されたとしても、配線基板に形成された金属配線パターンの剥離を防ぐことができる。

本発明の実施例１による圧力センサの縦断面図である。本発明の実施例２による圧力センサの縦断面図である。各実施例による圧力センサの横断面図であって、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ断面を上面視したものであり、図３（ｂ）は図１のＸ−Ｘ断面及び図２のＢ−Ｂ断面を上面視したものである。本発明の実施例３による圧力センサの縦断面図である。

＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１による圧力センサの縦断面図である。
図１に示すように、圧力センサ１は、段付の円筒形状のカバー１０を有し、半導体型圧力検出装置６０が搭載されたベース４０、図示されない流体流入管が接続される接続ナット２０を支持する取付部材３０、ベース４０及び取付部材３０によりその外周部が挟持されたダイアフラム５０等より成る圧力検出ユニット２が、カバー１０の大径の開口部１０ｂ側に挿入されて取り付けられる。
皿状のベース４０とダイアフラム５０で区画される受圧空間５２にはオイル等の絶縁性の液状媒質が充填される。ボール９９は、ベース４０に形成された孔（図示せず）を介して受圧空間５２内に液状媒質を充填した後に該孔を封止する為のものであり、ベース４０に溶接等の手段で固着される。

ベース４０の受圧空間５２側の中央部には半導体型圧力検出装置６０が接着等の適宜の手法により固着される。半導体型圧力検出装置６０は、ガラス製の台座６２とそれに貼付された圧力検出素子（半導体チップ）６４とからなる。圧力検出素子６４は、この例においては８つのボンディングパッド（電極）を備え、そのうちの３つは出力信号用の電源入力パッド、アースパッド及び信号出力パッドであり、残る５つは信号調整用パッドである。
これらの５つの信号調整用パッドは、上記圧力センサ１の製造時に、当該圧力センサ１の特性に応じた出力信号の調整をした後、その調整データを圧力センサ１内に設けられたＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリ内に書き込むためのものである。

半導体型圧力検出装置６０の周囲には、ベース４０を貫通する３本の出力用端子ピン７０及び５本の調整用端子ピン７１が、ハーメチックシール７４により絶縁封止されて円形の配置で設けられる（図３（ｂ）参照）。
また、半導体型圧力検出装置６０（圧力検出素子６４）に形成されている３つの出力信号用パッド（電源入力パッド、信号出力パッド、及びアースパッド）は、上記３本の出力用端子ピン７０（すなわち電源入力パッド、信号出力パッド、及びアースパッド）とそれぞれ接続され、５つの信号調整用パッドは、５本の調整用端子ピン７１とそれぞれ接続される。

各ボンディングパッド（出力信号用パッド及び信号調整用パッド）と、ベース４０よりダイアフラム５０側に突出した出力用端子ピン７０及び調整用端子ピン７１の先端とは、ボンディングワイヤ８０により接続（結線）される。
また、出力信号用パッドのうち、アースパッドだけは後述する除電板１００とのみボンディングワイヤで接続される。そして、除電板１００はアース端子ピンと接続されているので、結果として、アースパッドはアース端子ピンと電気的に接続されることとなる。

３本の出力用端子ピン７０と５本の調整用端子ピン７１のうちの２本とは、ベース４０からダイアフラム５０とは反対側の面に突出した端部において、中継基板９０に接続される。ここで、中継基板９０は、複数の出力用端子ピン７０と外部出力用のリード線９４とを電気的に接続（中継）する配線層（金属配線パターン）９０ａ（図３（ｂ）参照）を備えている。
そして、中継基板９０に接続された３本の出力用端子ピン７０は、中継基板９０の表面に設けられた配線層９０ａ及びコネクタ９２を介して、３本のリード線９４の一端にそれぞれ連結される。一方、各リード線９４の他端は、当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた図示されない電気回路に接続される。

図３（ｂ）に示すように、リード線９４は圧力センサ１のカバー１０の中心軸近傍に配置されるが、３本の出力用端子ピン７０は、圧力検出素子６４の出力信号用パッドが当該圧力検出素子６４の側面近傍に配置されるため、カバー１０の中心軸から偏心した位置に配置される。
その結果として、引っ張られる等の外力がリード線９４に加えられると、当該リード線９４が固着された中継基板９０を介して出力用端子ピン７０に横方向に折り曲げようとする方向の応力が発生するため、出力用端子ピン７０をベース４０に封止しているハーメチックシール７４が破損するおそれがある。

これに対して、本発明の実施例１による圧力センサ１においては、中継基板９０にコネクタ９２を挟んで上記出力用端子ピン７０と反対側に位置する調整用端子ピン７１のうちの２本が接続される構造となっている。
このため、リード線９４に引っ張り力等が加えられた場合であっても、出力用端子ピン７０に横方向の応力が加わることがなく、結果として出力用端子ピン７０とベース４０とを封止固定するハーメチックシール７４が破損するのを防止できる。このとき、調整用端子ピン７１は、中継基板９０には固着されるがリード線９４には接続されない。

なお、図３（ｂ）においては、５本の調整用端子ピン７１のうちの２本が中継基板９０に接続されているが、１本あるいは３本以上の調整用端子ピンが中継基板９０と接続されてもよい。
また、リード線９４がカバー１０の内部空間において適宜の手段により固定されて、当該リード線９４に引っ張り力等の外力が加わっても中継基板９０に応力が影響しないような構造とされている場合は、調整用端子ピン７１を中継基板９０に接続する必要はない。

接続ナット２０に導入される流体は流体導入室３２内に入り、その圧力をダイアフラム５０にて受圧し、受圧空間５２内の媒質を加圧する。
圧力検出素子６４はこの圧力変動を検知して電気信号に変換し、出力用端子ピン７０及びリード線９４を介して電気信号を外部に出力する。

また、半導体型圧力検出装置６０を囲むように（半導体型圧力検出装置６０の周囲に）、除電板１００がベース４０上に接着剤等により貼り付けてある。
除電板１００は、外部形状が多角形状の平面形状を有し、内側に半導体型圧力検出装置６０の外周を囲むための窓孔１００ａと、アース端子ピンを挿通する為の孔部（図示せず）を設けてある。
除電板１００がベース４０上に貼り付けられた状態で、当該除電板１００に設けられた孔部に挿通されたアース端子ピンの先端部は、除電板１００の上面からやや突出しており、除電板１００とアース端子ピンとの間はハンダ付け等の手段により電気的に接続される。

アース端子ピンは、リード線９４を介して当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた電気回路のゼロ電位に接続されるものであり、半導体型圧力検出装置６０の周囲に帯電する電荷、あるいは受圧空間５２内に充填された液状媒質に帯電する電荷は除電板１００を介して除電され、これにより半導体型圧力検出装置６０の帯電に起因する作動不良が防止される。

本発明の実施例１による圧力センサ１において、上述の圧力検出ユニット２がカバー１０内に配置された後、まずカバー１０の小径の開口部１０ａ側（リード線９４が導出される側）から第１の樹脂Ｐ１が、またカバー１０の大径の開口部１０ｂ側から第２の樹脂Ｐ２が、それぞれ充填され、固化される。これにより、圧力検出ユニット２がカバー１０に取り付け固定される。
このとき、樹脂Ｐ１の高さは、ベース４０のハーメチックシール７４が絶縁されるのに十分な樹脂層の厚さとして、ベース４０から中継基板９０までの間となるように設定される。

続いて、カバー１０内に配置されたコネクタ９２の上端部に受け部材９６を取り付ける。受け部材９６は、例えば図１に示すように、カバー１０の小径の開口部１０ａの全体を封止できる程度の大きさであって中央部にリード線９４を挿通できる貫通穴９６ｂを備えた樹脂や金属等の板状の部材で形成されている。
また、受け部材９６の外周部には、後述のように、カバー１０の小径の開口部１０ａから第３の樹脂Ｐ３を充填する際に、充填した第３の樹脂Ｐ３が中継基板９０側に流れないか、あるいは流出しにくくするために、小径の開口部１０ａの出口側に湾曲する湾曲部９６ａを備えている。

そして、カバー１０の小径の開口部１０ａにおける上記受け部材９６の上側の領域に、中継基板９０を防水するために機能する第３の樹脂Ｐ３が充填され、固化される。
このとき、湾曲部９６ａは、その外側がカバー１０の開口部１０ａに向かって湾曲しているので、第３の樹脂Ｐ３が充填される際にカバー１０の内壁に密着することとなり、第３の樹脂Ｐ３の中継基板９０側への流出を効果的に防止することができる。

本発明の実施例１による圧力センサ１において、カバー１０の小径の開口部１０ａ側からこのような２段階の樹脂の充填を行うことにより、カバー１０の内部の中継基板９０が配置される領域（少なくとも中継基板９０の表面に形成された配線層（金属配線パターン）９０ａが形成された側の領域）には、樹脂Ｐ１及びＰ３が存在しない空間Ｓが形成される。
したがって、本発明の実施例１による圧力センサ１によれば、中継基板９０の表面に形成された配線層がカバー１０の内部に充填される樹脂と接触しないため、周囲の急激な温度変化に伴う樹脂の膨張によって応力を受けることがなく、結果として中継基板９０から配線層が剥離（リフトオフ）することを防止できる。

なお、中継基板９０の表面に形成された配線層９０ａに樹脂が触れないようにするためには、中継基板９０の配線層９０ａが形成された面（例えば図１の中継基板９０におけるコネクタ９２は配置される側の面）にのみ樹脂が存在しない空間Ｓを設ければよいが、図１に示すように、配線層９０ａが形成されていない側の面も含め、中継基板９０の全体が樹脂に触れないような構造とすれば、中継基板９０の全体的な伸縮も抑制できるため、結果として配線層９０ａの中継基板９０からの剥離を効果的に防止することができる。
また、第１の樹脂Ｐ１〜第３の樹脂Ｐ３は、ウレタン系、シリコン系、エポキシ系等の樹脂材料とすることができる。そして、第１の樹脂Ｐ１〜第３の樹脂Ｐ３はすべて同一の材質で形成されてもよいが、充填する部位に応じて異なる材質のものを適用してもよい。

＜実施例２＞
図２は、本発明の実施例２による圧力センサの縦断面図である。また、図３は、図２に示す圧力センサの横断面図であって、図３（ａ）はＡ−Ａ断面を上面視したものであり、図３（ｂ）はＢ−Ｂ断面を上面視したものである。なお、図１のＸ−Ｘ断面も図３（ｂ）と同様の配置となる。
また、本発明の実施例２による圧力センサは、その主要な構成部分が図１に示した実施例１による圧力センサと共通するため、図２及び図３においては、実施例１の場合と異なる部分を含む要部にのみ符号を付して説明する。

図２に示す実施例２による圧力センサにおいて、中継基板９０のコネクタ９２が取り付けられる側の面には、配線層（後述の図３（ｂ）における９０ａ）が形成されている。
そして、中継基板９０の上記配線層が形成された側には、当該配線層を覆うマスク部材９７が取り付けられている。

図３（ａ）に示すように、マスク部材９７は、その外周内壁面（第１の屈曲部９７ａの内壁面）が中継基板９０の外形とほぼ同一な形状を有する樹脂又は金属等の板状の部材で構成されており、中継基板９０に取り付けられているコネクタ９２が配置される部分に貫通孔９７ｃが形成されている。
また、図２に示すように、マスク部材９７には、上記コネクタ９２が挿通される貫通孔９７ｃにも当該コネクタ９２の外形に沿って上記第１の屈曲部９７ａの屈曲方向とは逆方向に第２の屈曲部９７ｂが形成されている。

第１の屈曲部９７ａと第２の屈曲部９７ｂとは、中継基板９０の外周部分及びコネクタ９２と嵌合し、必要に応じてそれぞれ接着又は溶接等の方法で接合されている。
このようにして、図３（ｂ）に示すように、中継基板９０の上面に形成された配線層９０ａは、マスク部材９７によって覆われることによって封止され、その後圧力センサ１のカバー１０の内部に樹脂Ｐが充填、固化されて、カバー１０内に圧力検出ユニットが固定される。
上記のような構成により、本発明の実施例２による圧力センサによれば、中継基板９０の表面に形成された配線層９０ａがマスク部材９７によって覆われることにより、カバー１０の内部に充填される樹脂Ｐと接触しないため、周囲の急激な温度変化に伴う樹脂の膨張によって応力を受けることがなく、結果として中継基板９０から配線層９０ａが剥離（リフトオフ）することを防止できる。

＜実施例３＞
図４は、本発明の実施例３による圧力センサの縦断面図である。
なお、本発明の実施例３による圧力センサは、その主要な構成部分が図１に示した実施例１による圧力センサと共通するため、図４においては、実施例１の場合と異なる部分を含む要部にのみ符号を付して説明する。

図４に示す実施例３による圧力センサにおいて、中継基板９０のコネクタ９２が取り付けられる側の面には、配線層（図示せず）が形成されている。
そして、中継基板９０の外表面には、クッション部材９８が被覆形成されている。このクッション部材９８は、樹脂Ｐが中継基板９０の表面に接触しないように当該中継基板９０の全体を被覆するものであり、この被覆を容易にするために、ゴムやスポンジ等の可撓性を有する材料で形成されている。
また、図４において、クッション部材９８は、中継基板９０から突出する端子ピン７０やコネクタ９２の位置には設けられていないが、当該端子ピン７０やコネクタ９２を囲繞するようにクッション部材９８を設けてもよい。

実施例３による圧力センサにおいて、中継基板９０は、その外表面がクッション部材９８によって覆われていることにより、カバー１０の内部に充填された樹脂Ｐと直接接触しないように構成されている。
そして、樹脂Ｐが膨張したときに生じる中継基板９０への全方向からの加圧力（応力）を、中継基板９０の外表面に設けられたクッション部材９８がすべて吸収するため、中継基板９０自体あるいは中継基板９０の表面に形成された配線層には応力が伝達しない。

上記のような構成により、本発明の実施例３による圧力センサによれば、中継基板９０の表面に形成された配線層がクッション部材９８によって覆われることにより、カバー１０の内部に充填される樹脂と接触せず、また仮にクッション部材９８に加圧力が負荷されたとしてもクッション部材９８が当該加圧力を吸収して中継基板９０に伝達させない。
したがって、周囲の急激な温度変化に伴う樹脂の膨張によって中継基板９０及びその表面に形成された配線層が応力を受けることがなく、結果として中継基板９０から配線層が剥離（リフトオフ）することを防止できる。

なお、本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、種々の改変を施すことができる。
例えば、上記実施例１において、コネクタ９２の上端部に受け部材９６を取り付ける場合を例示したが、受け部材９６をコネクタ９２の中間部に配置することにより、コネクタ９２の上側の一部ごと第３の樹脂Ｐ３で封止するように構成してもよい。
このような構成にすることにより、カバー１０の内部でコネクタ９２の位置が固化した樹脂によって安定するため、圧力センサに振動が加わった場合に中継基板９０の破損することを防止できる。

また、上記実施例２において、マスク部材９７が中継基板９０の外形とほぼ相似な形状を有する板状の部材で構成される場合を例示したが、マスク部材９７を中継基板９０上の配線層のパターンが形成されている領域のみを覆うように部分的に配置してもよい。
このような構成にすることにより、マスク部材９７の大きさを極小化できるため、圧力センサ全体の重量増を抑制することができる。

さらに、上記実施例３において、クッション部材９８を均一な厚みの１層構造で形成する場合を例示したが、クッション部材９８は、部分的に厚みを変化させたり、あるいは多層構造となるように形成してもよい。
このような構成とすることにより、必要な部分に集中的にクッション効果を得られるようは配置を実現できるとともに、重量増とのバランスをとることができる。
また、多層構造とすれば、クッション部材９８の内部に不連続部分が形成できるため、外力（応力）の緩和効果を高めることができる。

１圧力センサ１０カバー
２０接続ナット３０取付部材
３２流体導入室４０ベース
５０ダイアフラム５２受圧空間
６０半導体型圧力検出装置６２台座
６４圧力検出素子７０出力用端子ピン
７１調整用端子ピン７４ハーメチックシール
８０ボンディングワイヤ９０中継基板
９０ａ配線層（金属配線パターン）９２コネクタ
９４リード線９６受け部材
９７マスク部材９８クッション部材
１００除電板

Claims

半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、
前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、
前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、
を具備し、前記内部空間に樹脂が充填された圧力センサであって、
前記中継基板の表面に形成された前記配線層が、前記樹脂と接触しないように、前記内部空間に前記樹脂を受ける受け部材を配置し、
前記受け部材は、前記樹脂を注入する前記カバーの開口部側に湾曲する湾曲部を備えており、前記中継基板に一端部を連結されるコネクタの他端部に取り付けられている、ことを特徴とする圧力センサ。