JP6970569B2 - 圧力検知装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサを有するセンサユニットが筐体に組み付けられた圧力検知装置およびその組立方法に関する。

特許文献１に、温度センサ一体型圧力センサ装置に関する発明が記載されている。
この温度センサ一体型圧力センサ装置は、樹脂ヘッドと樹脂パイプを有している。樹脂ヘッドに圧力検知素子が固定され、圧力検知素子がフッ素ゴムの保護部材で覆われている。樹脂ヘッドには、複数のターミナルが埋設されており、圧力検知素子といずれかのターミナルとがボンディングワイヤで接続されて導通されている。

樹脂パイプは内部に連通管が形成されており、連通管によって、圧力検知素子の受圧面に圧力が伝達される。樹脂パイプの連通管に通じる開口には、温度検出素子が設けられており、温度検出素子に導通するリード線が樹脂パイプの内部に設けられている。樹脂ヘッドと樹脂パイプは接着剤を介して固定され、前記リード線は、樹脂ヘッドに埋設された前記ターミナルのいずれかと接続されている。

この温度センサ一体型圧力センサ装置は、樹脂パイプの開口から連通管に圧力媒体が導かれ、温度検出素子で圧力媒体の温度が検出され、圧力センサで圧力が検知される。

特開２００８−２６１７９６号公報

特許文献１に記載された温度センサ一体型圧力センサ装置では、樹脂ヘッドが、インテークマニホールドなどに固定されるため、この固定力により、樹脂ヘッドに歪みが作用しやすい。また、樹脂ヘッドに、内部のターミナルが露出する開口部が形成されており、この開口部が外部機器に嵌合されて連結されるが、この外部機器との連結によっても、樹脂ヘッドに歪みが発生しやすい。

しかし、圧力検出素子は、接着剤を介して、樹脂ヘッドに直接に固定された構造であるため、樹脂ヘッドに作用する前記のそれぞれの歪みが圧力検出素子に伝達しやすくなっており、圧力検出素子にノイズとなる検知出力が発生しやすく、正確な圧力検出ができなくなる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、圧力センサに筐体の歪みが伝達されにくい構造として、圧力センサの検知出力の精度を高めることができる圧力検知装置を提供することを目的としている。

また本発明は、簡単な工程で、センサユニットを筐体に熱応力で保持できるようにした圧力検知装置の組立て方法を提供することを目的としている。

本発明は、ハウジング内に圧力センサが設けられたセンサユニットが、筐体に組み付けられている圧力検知装置において、
前記ハウジングに、被保持筒部と、前記被保持筒部に囲まれて前記筐体に向けて開口する検知凹部とが形成されて、前記検知凹部の内部に前記圧力センサが設けられ、
前記筐体には、保持側筒部と、前記保持側筒部の内部空間に連通する連通孔とが形成されており、
前記保持側筒部が、前記被保持筒部の外面または内面に嵌合されて、前記ハウジングが前記筐体に保持され、圧力変化が前記通気孔を介して前記圧力センサに伝達可能とされていることを特徴とするものである。

本発明の圧力検知装置は、前記保持側筒部が、前記被保持筒部の外面または内面に、熱応力により密着させられているものである。

本発明の圧力検知装置では、前記保持側筒部における前記被保持筒部に嵌合される部分が、全周にわたって厚さ寸法が均一であることが好ましい。

さらに、本発明は、ハウジング内に圧力センサが設けられたセンサユニットを、筐体に組み付ける圧力検知装置の組立方法において、
（ａ）被保持筒部と、前記被保持筒部に囲まれて前記筐体に向けて開口する検知凹部とを有する前記ハウジングの、前記検知凹部の内部に前記圧力センサを設置し、
（ｂ）前記筐体に、保持側筒部と、前記保持側筒部の内部空間に連通する通気孔とを形成し、
（ｃ）前記保持側筒部を加熱して、前記保持側筒部を前記被保持筒部の外面または内面に嵌合させ、冷却後の熱応力で、前記保持側筒部を前記被保持筒部の外面または内面に密着させて、前記ハウジングを前記筐体に保持させ、
（ｄ）圧力変化が前記通気孔を介して前記圧力センサに伝達可能とすることを特徴とするものである。

本発明の圧力検知装置の組立方法は、前記（ｃ）では、前記保持側筒部をガラス転移点以上の温度に加熱する。

本発明の圧力検知装置の組立方法は、前記（ｃ）では、加熱されて軟化した保持側筒部を変形させ、冷却時に前記変形が復元するときの熱応力で、前記保持側筒部を前記被保持筒部の外面または内面に密着させるものである。

本発明の圧力検知装置の組立方法は、例えば、前記（ｃ）では、前記保持側筒部を加熱してその外径を縮める方向に変形させ、前記被保持筒部を前記保持側筒部の内面に嵌合させて冷却する。

あるいは、本発明の圧力検知装置の組立方法は、前記（ｃ）では、前記保持側筒部を加熱してその内径を広げる方向に変形させ、前記被保持筒部を前記保持側筒部の内面に嵌合させて冷却する。

本発明の圧力検知装置の組立方法は、前記（ｃ）の冷却は自然冷却であることが好ましい。

本発明の圧力検知装置は、筐体とは別に設けられたハウジングの内部に圧力センサが設けられ、ハウジングの先部に設けられた被保持筒部が、筐体の保持側筒部に嵌合している。好ましくは、保持側筒部が加熱されて変形させられた後に冷却されて復元するときの熱応力で、被保持筒部が保持されている。被保持筒部と保持側筒部との嵌合で、筐体とハウジングとが連結されているため、内燃機関などに固定するときに筐体に作用する歪みや、外部機器とコネクタ接続する際に筐体に作用する歪みが、ハウジングに直接に作用しにくい構造となっている。その結果、圧力センサの検知出力に、筐体の歪みに起因したノイズが重畳されにくくなる。

また本発明の圧力検知装置の組立方法のように、筐体に設けられた保持側筒部を熱変形させ、冷却時の形状の復元力による熱応力によって、保持側筒部で被保持筒部を保持できるようにすると、簡単な工程で、接着剤を塗布する必要がなく、あるいは接着剤を使用したとしても多くの接着剤を使用することなく、センサユニットのハウジングを筐体に強固に固定できるようになる。

本発明の実施の形態の圧力検知装置の断面図、 図１に示す圧力検知装置に使用されているセンサユニットを筐体側（受圧側）から見た正面図（図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図）、 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、本発明の圧力検知装置の組立方法の第１の実施の形態を示す工程図、 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、本発明の圧力検知装置の組立方法の第２の実施の形態を示す工程図、 本発明の第２の実施の形態の圧力検知装置を示す部分断面図、

図１に示す圧力検知装置１は、筐体１０と、筐体１０に取付けられたセンサユニット２０を有している。
圧力検知装置１は、吸気圧測定装置として使用されるものであり、例えば、２輪車に装備されている内燃機関に付属する。筐体１０はＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などの合成樹脂材料で形成されている。筐体１０には、圧力を検知するためのセンサユニット２０が取り付けられている。さらに筐体１０には、図示していないがスロットルポジションセンサおよび温度センサが一緒に搭載されている。

筐体１０の受圧側端部１１の内部には、筐体１０の一部（感圧空間１３）とセンサユニット２０の一部（検知凹部２４）とからなる空間が形成され、この空間の受圧側端部１１側の壁部に、外部に連通する通気孔１２が形成されている。圧力検知装置１は２輪車の吸気管に取り付けられ、受圧側端部１１は図示しない吸気管の内部に露出し、筐体１０の一部（感圧空間１３）とセンサユニット２０の一部（検知凹部２４）とからなる空間が、通気孔１２により吸気管の内部に連結される。これにより、前記空間内の気圧と吸気管内の気圧が同じになる。

筐体１０には、Ｘ２側に開口する収納空間１５が形成されている。受圧側端部１１の収納空間１５に向く内面に、前記通気孔１２に通じる凹状の前記感圧空間１３が設けられている。また、受圧側端部１１の内面１１ａには、感圧空間１３を囲むように保持側筒部１４が、受圧側端部１１の内面１１ａからＸ２方向へ突出して一体に形成されている。保持側筒部１４は内壁面１４ａと外壁面１４ｂを有している。図２は図１をＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図に相当しているが、図２に示すように、保持側筒部１４の断面形状（内壁面１４ａと外壁面１４ｂの形状）は真円形状の円筒体である。また保持側筒部１４のうちの、少なくともセンサユニット２０を保持している部分の厚さ寸法Ｔは、保持側筒部１４の全周において均一である。

なお、後述のように、保持側筒部１４にはセンサユニット２０が取り付けられるが、保持側筒部１４の断面形状（内壁面１４ａと外壁面１４ｂの形状）は、センサユニット２０の形状に合わせて楕円形や長円形であってもよい。

図１と図２に示すように、センサユニット２０には、ハウジング２１が設けられている。ハウジング２１はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの合成樹脂材料で形成されている。ハウジング２１はＸ２側が本体部２２である。図２に示すように本体部２２は正面から見た形状が矩形状である。ハウジング２１には、本体部２２から受圧側であるＸ１方向に突出する被保持筒部２３ が一体に形成されている。被保持筒部２３は内面２３ａと外面２３ｂを有している。図２の正面図で見たときの被保持筒部２３の形状は、保持側筒部１４の断面形状と相似であり、内面２３ａと外面２３ｂは真円形状の円筒体である。

なお、被保持筒部２３の形状は、楕円形状や長円形状であってもよい。この場合には、筐体１０の保持側筒部１４の断面形状が、被保持筒部２３の形状に合わせられる。

図１と図２に示すように、前記検知凹部２４は、ハウジング２１において、被保持筒部２３に囲まれた受圧側端部でＸ１方向に開口するように形成されている。図２に示すように、検知凹部２４の開口形状は円形であり、被保持筒部２３の厚さ寸法は全周方向で均一となっている。ただし、検知凹部２４の開口中心が、被保持筒部２３の開口中心に対して片寄った位置であり、被保持筒部２３の板厚寸法が場所により相違する形状であってもよい。

筐体１０の検知凹部２４の底部には、 Ｚ１側にセンサ収納凹部２５が形成され、Ｚ２側に回路収納凹部２６が形成されている。センサ収納凹部２５は検知凹部２４と連続しており、センサ収納凹部２５は検知凹部２４の一部である。

センサ収納凹部２５の底部に、圧力センサ３１が固定されている。圧力センサ３１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造であり、圧力を受けるダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の変形を検知するピエゾ抵抗素子や圧電素子などの歪検知素子とを有している。圧力センサ３１は、弾性体２７で覆われている。弾性体２７はゲル状の粘弾性体であり、例えばゲル状のシリコーン樹脂やフッ素樹脂である。

弾性体２７は液体状の樹脂材料がセンサ収納凹部２５に供給されてから硬化されるが、液体状の樹脂材料が供給され硬化される過程で、樹脂材料の受圧側に向く表面２７ａが表面張力によって凹湾曲面となる。

回路収納凹部２６の底部に、ＩＣパッケージ３２が固定されている。ＩＣパッケージ３２内の集積回路には、圧力センサ３１からの検知出力を増幅するアンプや前記温度センサならびに前記温度センサで測定された温度に基づく温度補償回路などが内蔵されている。回路収納凹部２６には、ＩＣパッケージ３２を覆う弾性材２８が充填されている。弾性材２８は、液状の合成ゴムなどを硬化させたものである。

センサユニット２０では、ハウジング２１に、導電性金属で形成された複数の配線板３３が埋設されている。前記圧力センサ３１およびＩＣパッケージ３２のそれぞれの電極部と、配線板３３とが、ワイヤボンディングで接続されている。

図１に示すように、センサユニット２０に設けられたハウジング２１の被保持筒部２３が、筐体１０の保持側筒部１４の内部に挿入され嵌合されて固定されている。筐体１０の保持側筒部１４をガラス転移点以上の温度に加熱し軟化させた状態で、被保持筒部２３を保持側筒部１４の内部に挿入する。このとき、例えば、被保持筒部２３の外面２３ｂの直径（外径）を、保持側筒部１４の内壁面１４ａの直径（内径）よりもやや大きくして おくと、被保持筒部２３を保持側筒部１４に強制的に挿入したときに、軟化している保持筒部１４が拡張するように変形させられる。その後に自然冷却させると、保持側筒部１４が元の形状に復元しようとし、そのときの熱応力によって、被保持筒部２３が保持側筒部１４で強固に保持される。これにより、感圧空間１３と検知凹部２４とで構成された内部空間が、通気孔１２のみを通じて外部に連通される。

したがって、被保持筒部２３と保持側筒部１４との嵌合部に接着剤を塗布する必要がなく、仮に塗布したとしても接着剤はわずかでよい。また、保持側筒部１４が軟化しているときに、筐体１０とセンサユニット２０との相対位置を微調整できるため、一般的な強嵌合や圧入を行った場合に比べて、調整が容易である。

センサユニット２０のハウジング２１が、筐体１０の収納空間１５の内部で保持側筒部１４で保持された後に、収納空間１５の内部に回路基板３４が設置される。ハウジング２１に埋設された配線板３３の一部はハウジング２１から突出して端子部３３ａとなっている。回路基板３４が設置される際に、端子部３３ａがスルーホール３４ａに挿入され、回路基板３４の表面の導体パターンと端子部３３ａとが半田付けされて導通される。

収納空間１５の内部に、センサユニット２０と回路基板３４とが設置された後に、収納空間１５の内部にウレタン材などの封止材３５が注入されて、センサユニット２０と回路基板３４が封止材３５の内部に埋設されて保護される。これにより、仮に、被保持筒部２３と保持側筒部１４との間に隙間が形成されることがあったとしても、封止材３５によって隙間が封止されるので、感圧空間１３と検知凹部２４とで構成された内部空間の気圧を、通気孔１２を通じて外部の気圧と同じに設定できるようになる。

この圧力検知装置１は、圧力センサ３１がセンサユニット２０のハウジング２１に固定されており、筐体１０とセンサユニット２０は、被保持筒部２３と保持側筒部１４との部分的な嵌合で互いに連結されている。しかも、保持側筒部１４は全周にわたって同じ厚さ寸法Ｔで形成されているため、保持側筒部１４によって、被保持筒部２３が全周にわたって均一な熱応力で保持されている。

したがって、筐体１０を内燃機関内でねじ止めして固定するときの力や、筐体１０を他の外部機器とコネクタ接続するときの力、さらには、筐体１０に装備されているスロットルポジションセンサが回転させられるときの力で、筐体１０に歪みが発生しても、この歪みの全てがハウジング２１に伝達されるのを防止できる。また、ハウジング２１と回路基板３４の間も弾性変形可能な端子部３３ａで連結されているため、回路基板３４からハウジング２１へ歪みが伝達されにくい。したがって、センサユニット２０のハウジング２１の歪みを低減でき、圧力センサ３１の検知出力に歪によるノイズが重畳するのを防止しやすくなっている。

次に、圧力検知装置１の組立方法の工程の一部である。筐体１０とセンサユニット２０との連結方法の２つの例を説明する。
図３に、第１の実施の形態の組立方法が示されている。
図３（Ａ）に示すように、第１の実施の形態の組立方法では、加圧治具４１が使用される。加圧治具４１にはＸ１方向に開口する加圧凹部４２が形成されている。加圧凹部４２の内周面が加圧面４２ａとなっている。加圧面４２ａはＸ１方向に向けて内径が徐々に大きくなるテーパ面である。加圧凹部４２のＸ２側の底部における加圧面４２ａの内径寸法Ｄ１は、筐体１０に形成された保持側筒部１４のほぼ円筒面である外壁面１４ｂの外形寸法Ｄ２よりも小さく設定されている。

加圧治具４１は金属製であり２００〜２５０℃程度に加熱して使用する。この場合に、前記加圧面４２ａは、筐体１０を形成しているＰＢＴ樹脂のガラス転移点以上の温度（例えば１６０〜１８０℃程度）であることが好ましい。

図３（Ｂ）に示すように、熱せられた加圧治具４１の加圧凹部４２を、筐体１０の保持側筒部１４の外壁面１４ｂに押し付けると、加圧治具４１の熱によって保持側筒部１４が加熱されるとともに、加圧治具４１で加圧された保持側筒部１４が、加圧凹部４２のテーパ状の内周面である加圧面４２ａによって、中心に寄る方向であるＦ１方向に加圧される。このとき、保持側筒部１４はガラス転移点以上の温度に加熱されて軟化させられ、中心に寄る方向へ変形させられる。

図３（Ｃ）に示すように、保持側筒部１４が軟化している状態で、センサユニット２０のハウジング２１の被保持筒部２３を保持側筒部１４の内部に強制的に挿入すると、被保持筒部２３の外面２３ｂで保持側筒部１４の内壁面１４ａが外周方向へ押され、保持側筒部１４は、内径が広げられる方向へ変形させられる。

その後、保持側筒部１４を自然冷却すると、保持側筒部１４が収縮し、元の形状に復元しようとする。このときの熱応力で、保持側筒部１４の内壁面１４ａが、被保持筒部２３の外面２３ｂを、中心に向けてＦ２方向に加圧する力 が発生し、これが保持側筒部１４で被保持筒部２３を保持する保持力となる。

図４に、第２の実施の形態の組立方法が示されている。
図４（Ａ）に示すように、この組立方法では金属製の加圧治具４５が使用される。加圧治具４５の外周面は円筒状の加圧面４６となっている。加圧面４６の外径寸法Ｄ３は、保持側筒部１４の円筒状の内壁面１４ａの内径寸法Ｄ４よりも大きく設定されている。また、保持側筒部１４の内壁面１４ａの内径寸法Ｄ４は、センサユニット２０のハウジング２１の被保持筒部２３の外形寸法よりも小さく成形されている。

図４（Ｂ）に示すように、加圧治具４５を加熱して、加圧治具４５を筐体１０の保持側筒部１４の内部に挿入すると、保持側筒部１４がガラス転移点以上の温度に加熱されて軟化させられる。加圧治具４５の加圧面４６によって、保持側筒部１４が中心から離れる方向であるＦ３方向へ加圧される。これにより、軟化している保持側筒部１４は、内径寸法が広がるように変形させられる。

図４（Ｃ）に示すように、保持側筒部１４が軟化している状態で、センサユニット２０のハウジング２１の被保持筒部２３を保持側筒部１４の内部に挿入し、保持側筒部１４を自然冷却する。このとき、保持側筒部１４が元の形状に復元しようとし、このときの熱応力により、保持側筒部１４の内壁面１４ａが被保持筒部２３の外面２３ｂに加圧され、保持側筒部１４に対し中心に向けて加圧するＦ４方向の力が発生する。これが保持側筒部１４で被保持筒部２３を保持する保持力 となる。

図５に、本発明の第３の実施の形態の圧力検知装置１０１の一部が断面図で示されている。
この圧力検知装置１０１は、筐体１０に形成された保持側筒部１４が、センサユニット２０に設けられたハウジング２１の被保持筒部２３の内部の検知凹部２４内に挿入されている。例えば、保持側筒部１４の外形寸法を、被保持筒部２３の内径寸法よりもやや大きめに成形しておき、保持側筒部１４を加熱して軟化させるとともに、保持側筒部１４を被保持筒部２３の内部に強制的に圧入する。その後の自然冷却で、保持側筒部１４が、被保持筒部２３の内面２３ａに加圧され、保持側筒部１４で被保持筒部２３が保持される。

１ 圧力検知装置
１０ 筐体
１１ 受圧側端部
１３ 通気孔
１４ 保持側筒部
１４ａ 内壁面
１４ｂ 外壁面
１５ 収納空間
２０ センサユニット
２１ ハウジング
２３ 被保持筒部
２３ａ 内面
２３ｂ 外面
２４ 検知凹部
２５ センサ収納凹部
２６ 回路収納凹部
２７ 弾性体
３１ 圧力センサ
３２ ＩＣパッケージ
４１，４５ 加圧治具
１０１ 圧力検知装置

Claims (6)

1. ハウジング内に圧力センサが設けられたセンサユニットを、筐体の内部に組み付ける圧力検知装置の製造方法において、
   （ａ）被保持筒部と、前記被保持筒部に囲まれて前記筐体に向けて開口する検知凹部とを有する前記ハウジングの、前記検知凹部の内部に前記圧力センサを設置し、
   （ｂ）前記筐体に、保持側筒部と、前記保持側筒部の内部空間に連通する通気孔とを形成し、
   （ｃ）前記保持側筒部を加熱して、前記保持側筒部を前記被保持筒部の外面または内面に嵌合させ、冷却後の熱応力で、前記保持側筒部を前記被保持筒部の外面または内面に密着させて、前記ハウジングを前記筐体に保持させ、
   （ｄ）圧力変化が前記通気孔を介して前記圧力センサに伝達可能とすることを特徴とする圧力検知装置の製造方法。
2. 前記（ｃ）では、前記保持側筒部をガラス転移点以上の温度に加熱する請求項１に記載の圧力検知装置の製造方法。
3. 前記（ｃ）では、加熱されて軟化した保持側筒部を変形させ、冷却時に前記変形が復元するときの熱応力で、前記保持側筒部を前記被保持筒部の外面または内面に密着させる請求項１または請求項２に記載の圧力検知装置の製造方法。
4. 前記（ｃ）では、前記保持側筒部を加熱してその外径を縮める方向に変形させ、前記被保持筒部を前記保持側筒部の内面に嵌合させて冷却する請求項３に記載の圧力検知装置の製造方法。
5. 前記（ｃ）では、前記保持側筒部を加熱してその内径を広げる方向に変形させ、前記被保持筒部を前記保持側筒部の内面に嵌合させて冷却する請求項３に記載の圧力検知装置の製造方法。
6. 前記（ｃ）の冷却は自然冷却である請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧力検知装置の製造方法。

Images