JP6843278B1 - 差圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの接合安定性を向上できる差圧センサを提供する。【解決手段】差圧センサは、大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出するセンサモジュールと、センサモジュールを収容するとともに、大気を内部に導入する大気導入孔が形成されたケース体と、ケース体の内側から大気導入孔を覆うように設けられたフィルタと、を備え、ケース体は、ケース体の内側に凸となる凸部を有しており、大気導入孔は、凸部に設けられており、フィルタは、凸部に接合されている。【選択図】図２

Description

本開示は、大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出する差圧センサに関するものである。

特許文献１には、半導体差圧センサが記載されている。半導体差圧センサは、大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出する圧力センサモジュールと、圧力センサモジュールを収納するハウジング及びケースと、を有している。ハウジング及びケースは、いずれも熱可塑性樹脂により形成されている。ケースには、ケース内部に大気圧を導入するための大気導入孔が形成されている。大気導入孔には、粉塵又は水がケース内部に浸入するのを防ぐフィルタが設けられている。

特許第６２５３８２５号公報

特許文献１に記載された半導体差圧センサのフィルタは、ケースの内壁面のうち大気導入孔の周囲に設けられた接合面に、例えば溶着によって接合されている。ケースの接合面は、当該接合面の周囲の内壁面と同一面上に形成されている。ケースには、周囲温度の変化によって熱膨張又は熱収縮が生じる。接合面とその周囲の内壁面とが同一面上に形成されている場合、接合面には、ケースの膨張又は収縮の影響による変形が生じやすい。このため、特許文献１に記載された半導体差圧センサには、接合面の変形によりフィルタの接合安定性が低下してしまうという課題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、フィルタの接合安定性を向上できる差圧センサを提供することを目的とする。

本開示に係る差圧センサは、大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出するセンサモジュールと、前記センサモジュールを収容するとともに、大気を内部に導入する大気導入孔が形成されたケース体と、前記ケース体の内側から前記大気導入孔を覆うように設けられたフィルタと、を備え、前記ケース体は、前記ケース体の内側に凸となる凸部を有しており、前記大気導入孔は、前記凸部に設けられており、前記フィルタは、前記凸部に接合されている。

本開示によれば、差圧センサにおけるフィルタの接合安定性を向上させることができる。

実施の形態１に係る半導体差圧センサの構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体差圧センサの大気導入孔及びフィルタの構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体差圧センサの凸部及びフィルタの構成を示す上面図である。 実施の形態１に係る半導体差圧センサにおいて、フィルタが取り付けられる前の大気導入孔の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体差圧センサにおいて、フィルタが取り付けられる前の大気導入孔の構成を示す上面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る差圧センサについて説明する。本実施の形態では、差圧センサとして半導体差圧センサを例示している。本実施の形態に係る半導体差圧センサは、例えば、自動車のガソリンタンクに取り付けられ、ガソリン蒸気の圧力変化を検出するために用いられる。

図１は、本実施の形態に係る半導体差圧センサの構成を示す断面図である。図１の上下方向は、例えば、鉛直方向を表している。図１に示すように、半導体差圧センサは、ガソリンタンク１００の上面部に形成された貫通孔１０１に取り付けられる。

半導体差圧センサは、大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出するセンサモジュール１０を有している。センサモジュール１０は、圧力検出素子１１と、圧力検出素子１１を保持する樹脂パッケージ１３と、を有している。圧力検出素子１１は、接着剤層１４により樹脂パッケージ１３に固定されている。接着剤層１４は、シリコーン樹脂等の低剛性の接着剤を用いて形成されている。また、樹脂パッケージ１３の上方には、大気が導入される圧力基準室１２が形成されている。圧力基準室１２は、圧力検出素子１１と隣接して設けられている。

圧力検出素子１１は、中央部に配置された薄膜状のダイヤフラム１１ａと、ダイヤフラム１１ａの歪みを検出する不図示の電気回路と、を有している。圧力検出素子１１は、単結晶シリコン基板を用いて形成されている。ダイヤフラム１１ａの上面には、圧力基準室１２内の圧力である大気圧が作用する。ダイヤフラム１１ａの下面には、測定媒体の圧力が作用する。電気回路には、ダイヤフラム１１ａの歪みを抵抗値の変化として検出するためのピエゾ抵抗が含まれている。

ダイヤフラム１１ａは、大気圧と測定媒体の圧力との差圧によって変形する。電気回路では、ダイヤフラム１１ａの変形量に応じてピエゾ抵抗の抵抗値が変化することを利用して、差圧が検出される。なお、本実施の形態の圧力検出素子１１は、ダイヤフラム１１ａの歪みが抵抗値の変化として検出されるように構成されているが、圧力検出素子１１は、ダイヤフラム１１ａの歪みが静電容量の変化として検出されるように構成されていてもよい。

また、センサモジュール１０は、増幅調整回路１５を有している。増幅調整回路１５は、接着剤層１４と同様の接着剤層１６により、樹脂パッケージ１３に固定されている。増幅調整回路１５は、増幅回路、調整回路、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を有している。増幅回路では、圧力検出素子１１によって検出された圧力が電気信号に変換され、その電気信号が増幅される。調整回路では、増幅された電気信号が調整され、所定の出力特性を有する電圧信号が生成される。ＲＯＭには、調整回路で用いられる調整データが格納されている。

圧力検出素子１１及び増幅調整回路１５は、金又はアルミニウムにより形成されたワイヤ１７を介して、リードフレーム１８に接続されている。リードフレーム１８は、溶接又ははんだ付けにより、外部接続用ターミナル１９に接続されている。増幅調整回路１５によって生成された電圧信号は、外部接続用ターミナル１９を介して外部に出力される。圧力検出素子１１、増幅調整回路１５及びワイヤ１７は、保護部材２０によって覆われている。保護部材２０は、フロロシリコーンゲル、フッ素ゲル等により形成されている。

樹脂パッケージ１３の上方には、圧力基準室１２の開口部を塞ぐカバー２１が取り付けられている。カバー２１は、樹脂パッケージ１３に対し、接着又は圧入によって取り付けられている。樹脂パッケージ１３は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂により形成されている。カバー２１は、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ樹脂；ＰＢＴ樹脂）、ポリフェニレンスルファイド樹脂（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ樹脂；ＰＰＳ樹脂）等の熱可塑性樹脂により形成されている。カバー２１には、圧力基準室１２に大気を導入するための１つ又は複数の大気導入孔２２が形成されている。

樹脂パッケージ１３は、円柱状に形成された円柱部２３を有している。円柱部２３は、圧力検出素子１１の下方に位置している。円柱部２３の下端には、円柱部２３と同軸でかつ円柱部２３よりも小径の円柱状に形成された突出部２４が設けられている。突出部２４の外周には、Ｏリング２５が装着されている。Ｏリング２５は、樹脂パッケージ１３と後述するケース５０との双方に密着している。突出部２４の先端部には、面取りが施されている。円柱部２３及び突出部２４の内部には、ガソリン蒸気を測定媒体として導入する測定媒体導入路２６が形成されている。測定媒体導入路２６は、円柱部２３及び突出部２４をそれぞれの中心軸に沿って貫通している。測定媒体導入路２６の上端は、ダイヤフラム１１ａの下面と対向するように上向きに開口している。測定媒体導入路２６の下端は、下向きに開口している。

センサモジュール１０は、ケース体３０の内部空間に収容されている。ケース体３０は、ハウジング４０、ケース５０及びカバー６０を有している。ハウジング４０、ケース５０及びカバー６０はいずれも、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂等の熱可塑性樹脂により形成されている。

ハウジング４０は、センサモジュール１０を格納する格納部４１を有している。格納部４１は、センサモジュール１０を外周側から支持している。格納部４１は、センサモジュール１０の上方に位置する上部空間４２と、センサモジュール１０の下方に位置する下部空間４３と、を形成している。上部空間４２は、大気導入孔２２を介して圧力基準室１２とつながっている。上部空間４２と下部空間４３との間は、格納部４１を貫通した大気導入路４４を介してつながっている。

また、ハウジング４０は、格納部４１の側方に配置されたコネクタ４５を有している。コネクタ４５は、凹部４５ａを有している。凹部４５ａの内側には、外部接続用ターミナル１９の端部が露出している。コネクタ４５は、車両コントロールユニットに接続された雌側コネクタ（図示せず）に装着される。

ハウジング４０は、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂等の熱可塑性樹脂を用いたインサート成形により、センサモジュール１０、カバー２１、リードフレーム１８、外部接続用ターミナル１９等と一体化されている。すなわち、センサモジュール１０は、接着剤を使用することなくハウジング４０と一体化されている。

ハウジング４０の格納部４１の上方には、カバー６０が取り付けられている。上部空間４２の上方の開口部は、カバー６０によって塞がれている。カバー６０は、溶着、接着等によりハウジング４０に接合されている。

ハウジング４０の下部に設けられた外周部４６は、溶着、接着等により、ケース５０と接合されている。下部空間４３の下方の開口部は、ケース５０及びＯリング２５によって塞がれている。

ケース５０は、ガソリンタンク１００の貫通孔１０１に挿入される円柱状の挿入部５１を有している。挿入部５１の外周面には、Ｏリング５２を装着するための溝部５３が形成されている。Ｏリング５２は、挿入部５１の外周面と貫通孔１０１の内周面との双方に密着している。これにより、ガソリンタンク１００内のガソリン蒸気が、貫通孔１０１と挿入部５１との間の隙間から外部に漏れないようになっている。

挿入部５１の内部には、ガソリン蒸気を測定媒体として導入する測定媒体導入路５４が形成されている。測定媒体導入路５４は、挿入部５１を当該挿入部５１の軸方向に沿って貫通している。測定媒体導入路５４の上端は、樹脂パッケージ１３に形成された測定媒体導入路２６の下端と対向するように上向きに開口している。測定媒体導入路５４の下端は、ガソリンタンク１００内の空間に面するように下向きに開口している。測定媒体導入路５４は、樹脂パッケージ１３の測定媒体導入路２６及びガソリンタンク１００内の空間の双方とつながっている。測定媒体導入路５４及び測定媒体導入路２６は、Ｏリング２５によって下部空間４３から分離されている。

ケース５０には、下部空間４３に大気を導入する大気導入孔５５が形成されている。大気導入孔５５は、ケース５０の下面に下向きに形成されている。下部空間４３は、大気導入孔５５を介して、ケース体３０の外部の空間とつながっている。本実施の形態では、１つの大気導入孔５５が設けられているが、大気導入孔５５は複数設けられていてもよい。

大気導入孔５５からケース５０の内部に粉塵又は水が浸入すると、圧力検出素子１１等の構成部品に機能不良が生じるおそれがある。このため、大気導入孔５５には、粉塵又は水がケース５０の内部に浸入するのを防ぐフィルタ７０が設けられている。フィルタ７０は、ケース５０の内側から大気導入孔５５を覆うように設けられている。フィルタ７０は、例えば、樹脂製のメッシュを用いて形成されている。フィルタ７０の外周形状は例えば円形である。

このように、ケース５０には、ガソリンタンク１００内のガソリン蒸気を内部に導入する測定媒体導入路５４と、ケース体３０の外部の大気を内部に導入する大気導入孔５５と、が形成されている。

ガソリンタンク１００内のガソリン蒸気は、測定媒体導入路５４及び測定媒体導入路２６を介してセンサモジュール１０に導入される。これにより、ダイヤフラム１１ａの下面には、ガソリン蒸気の圧力が作用する。

ケース体３０の外部の大気は、大気導入孔５５、フィルタ７０、下部空間４３、大気導入路４４、上部空間４２及び大気導入孔２２を介して、圧力基準室１２に導入される。これにより、ダイヤフラム１１ａの上面には、基準圧力となる大気圧が作用する。

図２は、本実施の形態に係る半導体差圧センサの大気導入孔５５及びフィルタ７０の構成を示す断面図である。図３は、本実施の形態に係る半導体差圧センサの凸部８０及びフィルタ７０の構成を示す上面図である。図４は、本実施の形態に係る半導体差圧センサにおいて、フィルタ７０が取り付けられる前の大気導入孔５５の構成を示す断面図である。図５は、本実施の形態に係る半導体差圧センサにおいて、フィルタ７０が取り付けられる前の大気導入孔５５の構成を示す上面図である。図５では、後に取り付けられるフィルタ７０の輪郭を破線で示している。図２及び図４のそれぞれの上下方向は、例えば、鉛直方向を表している。

図２〜図５に示すように、ケース５０は、下部空間４３側すなわちケース５０の内側に凸となる凸部８０を有している。凸部８０は、ケース５０の内壁面が凸となり、ケース５０の外壁面が凹となるように形成されている。凸部８０は、平面状の上面部８１と、上面部８１の周囲に形成された側面部８２と、上面部８１上に形成された環状突起８４と、を有している。本実施の形態では、凸部８０は、円筒状の形状を有している。凸部８０の中心軸８０ａは、例えば、鉛直方向と平行になっている。また、凸部８０の中心軸８０ａは、例えば、貫通孔１０１に対する半導体差圧センサの挿入方向と平行になっている。

上面部８１は、円板状に形成されている。側面部８２は、円筒面状に形成されている。中心軸８０ａに沿って見たとき、上面部８１の面積は、フィルタ７０の面積よりも大きくなっている。すなわち、中心軸８０ａに沿って見たとき、上面部８１の直径Ｄ１は、フィルタ７０の直径Ｄ２よりも大きくなっている（Ｄ１＞Ｄ２）。

ケース５０の外側には、円柱形状すなわち断面円形状の中空部８３が形成されている。中空部８３の中心軸は、凸部８０の中心軸８０ａと一致している。中空部８３の上端には、上面部８１が設けられている。中空部８３の下端は開口している。

大気導入孔５５は、上面部８１の中心部に設けられている。大気導入孔５５は、円形の断面形状を有しており、中空部８３と同軸に形成されている。大気導入孔５５の中心軸は、凸部８０の中心軸８０ａと一致している。

中空部８３の断面積は、大気導入孔５５の断面積よりも大きくなっている。すなわち、中心軸８０ａに沿って見たとき、中空部８３の直径Ｄ３は、大気導入孔５５の直径Ｄ４よりも大きくなっている（Ｄ３＞Ｄ４）。ケース体３０の外部の空気は、中空部８３を通って大気導入孔５５に流入する。

環状突起８４は、上面部８１からケース５０の内側に突出している。環状突起８４の突出方向は、凸部８０の突出方向と同方向である。環状突起８４は、中心軸８０ａに沿って見たとき、大気導入孔５５の周囲を囲むように設けられている。環状突起８４は、大気導入孔５５と同軸の円環状に形成されている。環状突起８４の中心軸は、凸部８０の中心軸８０ａと一致している。中心軸８０ａに沿って見たとき、環状突起８４により囲まれる部分の面積は、フィルタ７０の面積よりも小さくなっている。すなわち、中心軸８０ａに沿って見たとき、環状突起８４の内径Ｄ６は、フィルタ７０の直径Ｄ２よりも小さくなっている（Ｄ６＜Ｄ２）。また、中心軸８０ａに沿って見たとき、環状突起８４の内径Ｄ６は、大気導入孔５５の直径Ｄ４よりも大きくなっている（Ｄ６＞Ｄ４）。環状突起８４の外径Ｄ５は、図２ではフィルタ７０の直径Ｄ２よりも小さくなっているが、直径Ｄ２以上であってもよい。

フィルタ７０は、環状突起８４に対し、溶着等により接合されている。フィルタ７０は、環状突起８４に全周にわたって接合されている。例えば、フィルタ７０は、環状突起８４以外の部分には接合されていない。

上面部８１には、ケース５０の内側に突出した外壁部８５が形成されている。外壁部８５の突出方向は、凸部８０の突出方向と同方向である。外壁部８５の突出高さＨ１は、フィルタ７０接合後の環状突起８４の突出高さＨ２よりも高くなっている。外壁部８５は、フィルタ７０の外周を囲むように設けられている。外壁部８５は、大気導入孔５５と同軸の円環状に形成されている。外壁部８５の中心軸は、凸部８０の中心軸８０ａと一致している。中心軸８０ａに沿って見たとき、外壁部８５によって囲まれる部分の面積は、フィルタ７０の面積よりも大きくなっている。すなわち、中心軸８０ａに沿って見たとき、外壁部８５の内径Ｄ７は、フィルタ７０の直径Ｄ２よりも大きくなっている（Ｄ７＞Ｄ２）。外壁部８５は、例えば、フィルタ７０の取付け位置を規制するために設けられている。

フィルタ７０を環状突起８４に溶着する際には、熱ゴテ等を用いて環状突起８４の全周の上面を加熱して溶融させ、溶融した樹脂をフィルタ７０の網目に入り込ませる。その後、溶融した樹脂を冷却して固化させる。これにより、フィルタ７０が環状突起８４に接合される。フィルタ７０は、環状突起８４に接合される際、図２に示したように径方向断面において撓みが生じるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、中心軸８０ａに沿って見たとき、凸部８０、中空部８３、環状突起８４、外壁部８５及びフィルタ７０がいずれも円形状となっているが、これには限られない。凸部８０、上面部８１、中空部８３、環状突起８４、外壁部８５及びフィルタ７０の一部又は全ては、中心軸８０ａに沿って見たとき、四角形状などの多角形状であってもよい。例えば、凸部８０は、中心軸８０ａに沿って見たときに四角形状であってもよい。この場合、中心軸８０ａに沿って見たとき、環状突起８４及び外壁部８５のそれぞれが四角形状であってもよいし、大気導入孔５５及び中空部８３のそれぞれが四角形状であってもよい。

また、本実施の形態の凸部８０は環状突起８４を有しているが、これには限られない。凸部８０は、環状突起８４を有していなくてもよい。この場合、フィルタ７０は、ケース体３０の内側から大気導入孔５５を覆うように、凸部８０に接合される。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体差圧センサは、センサモジュール１０と、ケース体３０と、フィルタ７０と、を備える。センサモジュール１０は、大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出するように構成されている。ケース体３０は、センサモジュール１０を収容するとともに、大気を内部に導入する大気導入孔５５が形成されたものである。フィルタ７０は、ケース体３０の内側から大気導入孔５５を覆うように設けられている。ケース体３０は、ケース体３０の内側に凸となる凸部８０を有している。大気導入孔５５は、凸部８０に設けられている。フィルタ７０は、凸部８０に接合されている。ここで、半導体差圧センサは、差圧センサの一例である。

この構成によれば、フィルタ７０が接合される凸部８０の表面は、凸部８０の周囲に位置するケース体３０の内壁面とは同一面ではなく、当該内壁面から独立して設けられる。このため、ケース体３０に熱膨張又は熱収縮が生じたとしても、凸部８０には、ケース体３０の膨張又は収縮の影響による変形は生じにくい。また、ケース体３０の成形時にケース体３０の内壁面にヒケが生じたとしても、凸部８０には変形又は歪みは生じにくい。これにより、フィルタ７０を凸部８０に強固にかつ安定して接合することができる。したがって、上記構成によれば、フィルタ７０の接合安定性を向上させることができる。よって、フィルタ７０が剥離してしまうのを防ぐことができる。

本実施の形態に係る半導体差圧センサにおいて、凸部８０は、上面部８１を有している。大気導入孔５５は、上面部８１に設けられている。凸部８０は、上面部８１からケース体３０の内側に突出して大気導入孔５５の周囲を囲む環状突起８４をさらに有している。フィルタ７０は、環状突起８４に接合されている。

ケース体３０とフィルタ７０との接合が面同士の接合となる場合、ケース体３０の接合面には、高い平面度が確保される必要がある。これに対し、上記構成では、ケース体３０の接合部分が環状突起８４上に限られる。このため、フィルタ７０と接合される環状突起８４には、面同士の接合となる場合ほどの高い平面度が必要とされない。したがって、上記構成によれば、半導体差圧センサの製造歩留まりを向上させることができる。

さらに、フィルタ７０を環状突起８４に溶着する工程では、熱ゴテ等を用いて、接合部分となる環状突起８４のみを局所的に加熱して溶融させればよい。このため、環状突起８４を溶融させるときの熱効率を向上させることができ、接合部分の溶融時間を短縮することができる。したがって、上記構成によれば、半導体差圧センサの製造時間を短縮することができる。

本実施の形態に係る半導体差圧センサにおいて、凸部８０は、ケース体３０の外側に中空部８３が形成される筒状の形状を有している。この構成によれば、中空部８３によって凸部８０の放熱効率を向上させることができる。このため、フィルタ７０を環状突起８４に溶着する工程において、接合部分を溶融させた後の冷却時間を短縮することができる。したがって、上記構成によれば、半導体差圧センサの製造時間を短縮することができる。

本実施の形態に係る半導体差圧センサにおいて、大気導入孔５５は、中空部８３と同軸に形成されている。中空部８３は、大気導入孔５５の断面積よりも大きい断面積を有している。この構成によれば、凸部８０の放熱効率をより向上させることができるため、接合部分を溶融させた後の冷却時間を短縮することができる。したがって、上記構成によれば、半導体差圧センサの製造時間を短縮することができる。

本実施の形態に係る半導体差圧センサにおいて、上面部８１には、ケース体３０の内側に突出してフィルタ７０の外周を囲む外壁部８５が形成されている。この構成によれば、外壁部８５によってフィルタ７０の取付け位置が規制されるため、フィルタ７０の位置ずれを防ぐことができる。

１０ センサモジュール、１１ 圧力検出素子、１１ａ ダイヤフラム、１２ 圧力基準室、１３ 樹脂パッケージ、１４ 接着剤層、１５ 増幅調整回路、１６ 接着剤層、１７ ワイヤ、１８ リードフレーム、１９ 外部接続用ターミナル、２０ 保護部材、２１ カバー、２２ 大気導入孔、２３ 円柱部、２４ 突出部、２５ Ｏリング、２６ 測定媒体導入路、３０ ケース体、４０ ハウジング、４１ 格納部、４２ 上部空間、４３ 下部空間、４４ 大気導入路、４５ コネクタ、４５ａ 凹部、４６ 外周部、５０ ケース、５１ 挿入部、５２ Ｏリング、５３ 溝部、５４ 測定媒体導入路、５５ 大気導入孔、６０ カバー、７０ フィルタ、８０ 凸部、８０ａ 中心軸、８１ 上面部、８２ 側面部、８３ 中空部、８４ 環状突起、８５ 外壁部、１００ ガソリンタンク、１０１ 貫通孔。

Claims (4)

1. 大気圧と測定媒体の圧力との差圧を検出するセンサモジュールと、
   前記センサモジュールを収容するとともに、大気を内部に導入する大気導入孔が形成されたケース体と、
   前記ケース体の内側から前記大気導入孔を覆うように設けられたフィルタと、
   を備え、
   前記ケース体は、前記ケース体の内側に凸となる凸部を有しており、
   前記凸部は、上面部を有しており、
   前記大気導入孔は、前記凸部の前記上面部に設けられており、
   前記凸部は、前記上面部から前記ケース体の内側に突出して前記大気導入孔の周囲を囲む環状突起をさらに有しており、
   前記フィルタは、前記凸部の前記環状突起に接合されている差圧センサ。
2. 前記凸部は、前記ケース体の外側に中空部が形成される筒状の形状を有している請求項１に記載の差圧センサ。
3. 前記大気導入孔は、前記中空部と同軸に形成されており、
   前記中空部は、前記大気導入孔の断面積よりも大きい断面積を有している請求項２に記載の差圧センサ。
4. 前記上面部には、前記ケース体の内側に突出して前記フィルタの外周を囲む外壁部が形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の差圧センサ。

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