JPWO2013186926A1 - 流量センサ及びその製造方法 - Google Patents

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聡 荒井
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重晴 角田
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恵二 半沢
忍 田代
忍 田代
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Abstract

流量センサの生産性向上、高品質化・高信頼化、低コスト化を実現するカバーとハウジングのレーザ溶着構造や方法を提供する。被計測流体を取り込む開口部を有する副通路と、前記副通路内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、回路室内に前記副通路と隔離され前記センサ素子を駆動・検出する電子部品とを収納するハウジングと、前記ハウジングに接合されて前記回路室を外気より密閉状態に封止する樹脂製カバーとを備えた流量センサにおいて、前記ハウジングと、前記カバーとの接合部が、前記回路室周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、前記ハウジングの接合面、および前記カバーの接合面上のそれぞれで個別に対向する位置に、かつ第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成され、前記ハウジングと、前記カバーとが位置決めされて、レーザ照射により前記第１の被溶着部同士、前記第２の被溶着部同士が溶着して構成されていることを特徴とする。

Description

本発明は、流量センサ及びその製造方法に関する。また、レーザ溶着を用いたプラスチックス同士の接合構造及びその方法に関するものである。
本技術分野の背景技術として、特開２００５−２４６６９２号公報（特許文献１）がある。この公報には、レーザ溶着する際に、接合部で溶着線上におけるレーザ光の走査を２回以上行うことが記載されている。また、その溶着線上は、異なる周上を走査しても良いことが示されている。
特開２００５−２４６９１３号公報（特許文献２）には、樹脂同士を所定の間隔にあけた２本の溶着線上を２つのレーザ光をそれぞれ走査することによって予備溶着を行い、次いでその中間を溶着することで本溶着することが記載されている。
特開２００６−７３２９６号公報（特許文献３）には、ハウジングとレンズとを、それぞれ全周にわたってレーザ溶着される第１の溶着部と、第１の溶着部の外周側に全周にわたってレーザ溶着される第２の溶着部を備えられている構造やレーザ溶着方法が記載されている。
特開２０１０−１６２５８７号公報（特許文献４）には、電子機器や流量計において、レーザを含む熱溶着法を用いて、他の部材を固定する際に、回路基板等への熱の影響を抑制するために、断熱部が、流路保持体に設けられていることが記載されている。
特開２０１０−２０１６９５号公報（特許文献５）には、樹脂同士を重ね合わせた状態で、溶着部を予備的に形成した後、その溶着部の近傍に再度レーザ光を照射して樹脂材同士を互いに密着させて本溶着するレーザ溶着方法が記載されている。
特開２００５−２４６６９２号公報 特開２００５−２４６９１３号公報 特開２００６−７３２９６号公報 特開２０１０−１６２５８７号公報 特開２０１０−２０１６９５号公報
現在、自動車などの内燃機関には、電子制御燃料噴射装置が設けられている。この電子制御燃料噴射装置は、内燃機関に流入する気体（空気）と燃料の量を適切に調整することにより、内燃機関を効率良く稼動させる役割を有している。このため、電子制御燃料噴射装置においては、内燃機関に流入する気体（空気）の流量を正確に把握する必要がある。このことから、電子制御燃料噴射装置には、気体（空気）の流量を測定する流量センサ（エアフローセンサ）が設けられている。このような流量センサは、流量検出部や温度検出部を備えており、それらはハウジング（筐体）上に配置されている。また、ハウジング内の回路室内には各種電子部品が実装されており、配線部などのショートや腐食などを防止するために、外気からの気密性が必要とされている。そのため、従来は、気密性確保を目的に、複数の接着剤を用いて、ハウジングとカバーとを封止及び固定する方法が使われている。接着剤としては、多くの硬化形態のものがあるが、自動車などに使用するという信頼性に鑑みると、熱硬化型接着剤が主に使われる。しかしながら、熱硬化型接着剤を使用する場合、加熱硬化するのに１０分以上の時間を要するため、生産性が悪いという大きな課題があった。また、封止に多量の接着剤を使用するため、コストが高くなるという問題もあった。さらに、接着剤のはみ出しの制御などにより不要な面積が必要になり、設計の自由度を拘束していた。その上、電子部品を封止するのに適正な接着剤の量を充填する制御が困難であることも課題となっていた。これらを解決する手段として、電子部品にダメージを与えずにカバーとハウジングを精密に直接接合できるレーザ溶着方法が挙げられる。
上記特許文献１に開示されている技術では、接合する部分にレーザ走査を２回以上行うため、生産性に大きな問題がある。また、２回照射するため、溶着幅が増大し、バリが発生しやすいことも新たに発覚した。特許文献２に開示されている技術では、２つのレーザ光をそれぞれ走査するため、特許文献１と同様に生産性に大きな課題がある。その上、２つのレーザ光を照射するユニット自体が高く、装置コストも非常に高くなる。特許文献３に開示されている技術についても、上記特許文献１と同様に生産性に課題が残る。特許文献４に開示されている技術では、断熱部が、流路保持体に設けられていることが記載されているが、レーザ溶着を使用する場合、熱溶融領域はレーザ照射範囲近傍のみであり、電子部品に影響することはなく、問題にならない。特許文献５に開示されている技術では、予備溶着を行った後にその近傍に本溶着を実施するが、加圧時に予備溶着部を形成する樹脂同士の隙間が小さい場合などは、予備溶着部を形成した方が品質や信頼性が低下するという問題がある。これは、特許文献１の別形態、特許文献２、特許文献３についても同様のことが言える。
そこで、本発明の目的は、流量センサの生産性向上、高品質化・高信頼化、低コスト化を実現するカバーとハウジングのレーザ溶着構造や方法を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明では、被計測流体を取り込む開口部を有する副通路と、前記副通路内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、回路室内に前記副通路と隔離され前記センサ素子を駆動・検出する電子部品とを収納するハウジングと、前記ハウジングに接合されて前記回路室を外気より密閉状態に封止する樹脂製カバーとを備えた流量センサにおいて、前記ハウジングと、前記カバーとの接合部が、前記回路室周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、前記ハウジングの接合面、および前記カバーの接合面上のそれぞれで個別に対向する位置に、かつ第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成され、前記ハウジングと、前記カバーとが位置決めされて、レーザ照射により前記第１の被溶着部同士、前記第２の被溶着部同士が溶着して構成されていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために本発明では、前記流量センサにおいて、前記第１の被溶着部同士が溶着されて形成された第１の溶着部は、前記回路室を一周囲うように形成され、前記第２の被溶着部同士が溶着されて形成された第２の溶着部は、前記回路室を挟むように少なくとも２箇所以上形成されていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために本発明では、前記カバーもしくは前記ハウジングには、前記第１もしくは前記第２の被溶着部、または、前記第１及び前記第２の被溶着部を形成するための突起が設けられていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために本発明では、前記カバーもしくは前記ハウジングの被溶着部には凹部が形成されており、前記カバーと前記ハウジングとは、少なくとも一部の被溶着部同士が嵌合された状態でレーザが照射されて、接合部が形成されていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために本発明では、流量センサの製造方法において、被計測流体を取り込む開口部を有する副通路と、前記副通路内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、回路室内に前記副通路と隔離され前記センサ素子を駆動・検出する電子部品とが収納されるハウジング、および樹脂製カバーの両接合面上に、前記回路室周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、それぞれ個別に対向する位置に、かつ位置合わせ時に第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成し、各部品を収納した前記ハウジングと前記カバーとを位置合わせして、加圧し、前記カバー上よりレーザ照射して、前記第２の被溶着部間を溶着した後、前記第１の被溶着部間を溶着して前記カバーを接合することを特徴とする。
本発明の採用により、回路室周りの封止を必要とする溶着部の剥離によるリーク発生を抑制でき、品質及び信頼性に優れた流量センサを提供できる。また、メンテナンスや交換の必要な透明な加圧材を不必要とすることも可能となり、低コスト化にも大きく寄与する。
本実施例の流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状及び製造プロセスを示した例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着に加え、接着を併用した時の形状を示す別の実施例である。 図３に示す流量センサの他の実施例である。 本実施例の流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状及び製造プロセスを示した他の実施例である。 本実施例の流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状及び製造プロセスを示した他の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサの回路室周りのハウジングとカバーの溶着形状を示す別の実施例である。 流量センサを、自動車などの内燃機関の吸気管に実装した例を示す図である。 レーザ溶着を適用した時の流量センサの回路室周りの構造を示す実施例である。 レーザ溶着を適用した時の流量センサの回路室周りの構造を示す別の実施例である。 レーザ溶着を適用した時の流量センサ全体の正面図である。 レーザ溶着を適用した時の流量センサ全体の背面図である。
本発明の実施の形態について以下に説明する。
図１７，１８に本発明の一実施形態における流量センサのカバー(外形を破線で示す。)を外した内部の正面図、背面図を示す。
本実施例の流量センサ５０を、自動車などの内燃機関の吸気管に実装した例を図１４に示す。図１４において、吸気管路１０の壁面から突出するように、ハウジング２００を設ける。ハウジング２００には、吸気管路１０を流れる吸気２０の一部を取り込む副通路２５０が形成されている。副通路２５０は、吸気２０を導入あるいは排出する開口部を有しており、副通路２５０の開口部付近は通路面積が徐々に小さくなる絞りが設けられている。また、副通路２５０は通路経路に湾曲部を有しており、この湾曲部によって副通路２５０に導入された吸気２０が折り返され、吸気２０の流れ方向と逆方向に空気流が流れるような部位を有する流路構造となっている。この部位に流量センサ素子６９を設置する。
流量センサ５０のハウジング２００には、流量センサ素子６９の駆動・検出回路を搭載した回路パッケージ６０が設けられ、金線ボンディングワイヤー６８により流量センサ素子６５と回路パッケージ６０を電気的に接続している。同様に、外部端子７０と回路パッケージ６０とをワイヤー６１により接続している。
前記した回路パッケージ６０は、図１７，１８に示す通り、流量センサ５０のハウジング２００内に設けられた回路室４０に設置されており、図示されていないカバー(外形を破線で示す。)をハウジング２００にレーザ溶着することによって、回路室の外気からの気密性が保たれる。本発明の主な特徴は、このレーザ溶着方法に係わる。
本実施例で用いる流量センサのハウジングやカバーには、耐熱性が高い結晶性樹脂であるポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ナイロン６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）が使われることが多い。ただし、本発明は、流量センサ以外の用途にも使用でき、熱可塑性樹脂全般のレーザ溶着に採用できる。熱可塑性樹脂の非結晶性樹脂としては、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレン（ＡＳ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリメチルメタアクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニルデン（ＰＶＤＣ）が挙げられる。結晶性樹脂としては、上記に示した以外に、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロプレン（ＰＰ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。それらのアロイ材、ガラスファイバーなどの無機物、特殊な添加剤を含んだ熱可塑性樹脂も対象となる。一般的には、成形性や透明性は非結晶性樹脂が優れているのに対し、結晶性樹脂は耐熱性や耐薬品性に優れている。また、熱可塑性樹脂のみならず、エポキシ系などの熱硬化樹脂に適用しても構わない。
レーザ溶着は、光透過樹脂と光吸収樹脂を重ね合わせた状態で、光透過樹脂を介してレーザ照射し、もう一方の光吸収樹脂を溶融させた後に、光透過樹脂まで溶融させ、接合する方法である。そのため、光透過樹脂として使用するカバー材には、レーザ光を２０％以上透過する材質及び厚みのナチュラル材を用いた方が良い。一方、光吸収樹脂として使用するハウジング材には、カーボンブラックを含有することにより黒色化しておくことが望ましい。また、本発明の流量センサでは、ハウジング側には特に高い寸法精度や寸法安定性が要求される。そのため、２０−４０％程度のガラス材が添加されることが多い。しかしながら、ガラス材の添加により、レーザ透過性は悪化する傾向になる。それらのことから、ハウジング材の熱可塑性樹脂のガラスファイバーの添加割合≧カバー材ファイバーの熱可塑性樹脂のガラスの添加割合とすることが望ましい。また、結晶性の熱可塑性樹脂は、成形時の金型温度が低いほど、結晶化度が低く、透過率が高いことがわかっている。そのため、ハウジング材の熱可塑性樹脂の結晶化度≧カバー材の熱可塑性樹脂の結晶化度としておくことが望ましい。
レーザ溶着に用いる光源は、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザを含めた赤外領域の波長を有するレーザがコスト面では有効であるが、樹脂の吸収に応じて、その他の波長を有するレーザを用いても良い。また、レーザ光源の強度分布は、ガウシアン、トップハット、リング型など付属するレンズによって様々な強度分布にすることが可能であるが、トップハット、リング型を用いた方が均一に溶着できる。
また、レーザ照射する際には、レーザ光源もしくはステージを移動させて、溶着させても良いし、ガルバノミラーを用いて高速にレーザ照射しても良い。
図１は、本実施例の流量センサ及びその製造方法を示す例であり、流量センサ５０の回路室４０の周りのハウジング２００とカバー１００の接合部の断面形状を示している。本実施例では、回路室４０を封止するのに使われるハウジング２００の凸部２０１とカバー１００の第１の溶着部３０１を形成する際の隙間Ｈ１に比べ、その外側に配置した第２の溶着部３０２を形成する際の隙間Ｈ２を大きくした状態でレーザ溶着することを特徴としている。その具体的な接合方法を以下に説明する。
初めに、カバー１００とハウジング２００をガラスやアクリル樹脂などの透明な加圧材２で加圧する。なお、その時の加圧力は０．１ＭＰa以上としておくことが望ましい。次に、回路室４０側のカバー１００とハウジング２００の凸部２０１の隙間Ｈ１に比べ、その外側に配置したカバー１００とハウジング２００の隙間Ｈ２を大きくした条件（位置合わせ時に、両者の隙間に所定の差違が生ずるように、設計、製造を施す）で、Ｈ２に相当する部分をレーザ照射して溶着する。その後、隙間Ｈ１に相当する部分を同様に加圧材２で加圧した状態でレーザ照射し、レーザ溶着する。
ここで、本構造や方法を見出した理由について以下に説明する。通常、ＰＢＴ樹脂などからなるハウジング２００は、射出成形によって作られるが、成形時の収縮に応じて、ハウジング２００にはヒケや反りが発生する。特に、本実施例の流量センサ５０では、ハウジング２００は、特に複雑な構造となっているため、ハウジング２００の封止部分と外側に配置した溶着する部分の高さを同じに設定した金型を用いて作製すると、回路室４０側の凸部２０１の方が外側の被溶着段差部２０２よりもヒケが多くなってしまい、成形後は、外側に配置した被溶着段差部２０２の方が回路室４０側の凸部２０１よりも高さが高くなってしまうことがあった。その結果、位置合わせ、加圧時に外側の被溶着段差部で干渉が発生し、ハウジング２００に形成された回路室４０側の凸部２０１とカバー１００には大きな隙間が発生してしまい、レーザ溶着後の密封状態が非常に悪い状態となってしまうことがあった。
さらに、成形後には凸部２０１と被溶着段差部２０２の高さ自体は同程度だったとしても、反りも同時に発生しているため、加圧時に、外側の方が、隙間が小さくなってしまうことも多々あった。また、特に、カバー１００やハウジング２００の材料として、例えば、ＰＢＴ樹脂を使用する場合、ハウジング２００の残留応力の開放を目的に、アニールを施す場合もあるが、アニール後に反りが発生するため、上記と同様に加圧時に、外側の方が、隙間が小さくなってしまうことも多々あった。
そのような背景の中、本発明者らは、隙間が発生した場合の溶着状態と強度についての影響を詳細に検証した。例えば、ＰＢＴ樹脂の隙間量を０とした時に、最適な溶着強度と出来るレーザパワーをＡとする。次に、隙間を増加させ、そのレーザパワーＡでレーザ溶着すると、ある隙間量までは、レーザ溶着強度は低下せず、樹脂中の熱分解に応じた気泡(空孔)は発生しないことがわかった。また、隙間量が大きくなると、溶着強度は徐々に低下し、気泡(空孔)の残存割合が多くなることが判明した。これに対して、レーザパワーをＡに比べ、増加すると、隙間量の増加に対して、溶着強度の低下の割合を小さくできることを新たに発見した。ただし、気泡(空孔)の残存割合はレーザパワーを増加させた方が増加する傾向にあった。これは、レーザパワーが高いほど、吸収樹脂の温度が高くなり、熱膨張や熱分解により樹脂の密着が良くなったことが原因であることを新たに見出した。この場合、簡単なモデルとして、レーザパワーのみで説明したが、走査する速度を遅くするつまり必要な入熱量を増大させても同様の効果となる。
気泡(空孔)が残存すると、長期的な使用時に局所的に微小な剥離が起き、その微小な剥離の連結により、リークの発生原因となることは判っている。これに対して、多少の気泡が発生しても、強度自体の大幅な低下は起こさない特徴を持っていることが判った。
流量センサ５０では、ハウジング２００の回路室４０の内部には各種電子部品が実装されており、配線部などのショートや腐食などを防止するために、気密性が必要とされている。ただし、気密と言ってもガソリンなどに含まれて腐食性ガスなどに対して、封止することを目的としているため、コネクタ接続部のハウジング２００には、換気用の孔が設けられている場合もあり、その部分だけは完全な気密とはなっていなくても良い。その場合は、外気のみ混入することになるが、腐食などの影響がないためである。
これらのことから、回路室４０側のカバー１００とハウジング２００の凸部２０１の隙間Ｈ１に比べ、その外側に配置したカバー１００とハウジング２００の被溶着段差部２０２との隙間Ｈ２が大きくなるように、設計、製造した状態で、隙間Ｈ２に相当する部分をレーザ照射して溶着することを見出した。その場合、第１の溶着部３０１は、第２の溶着部３０２よりも気泡(空孔)の残存割合は小さくなる。なお、このとき、金型上では、Ｈ１は０μｍ、Ｈ２は５０μｍとなるようにハウジング２００とカバー１００を設計しておくことが望ましいが、この数値のみならず、成形したハウジング２００の収縮量に応じて設定すれば良い。実際のハウジング２００では、上記検証の過程で、Ｈ１は７５μｍ、Ｈ２は１５０μｍまで許容範囲であることが判っている。
このようにすることで、第１の溶着部３０１は気泡(空孔)が残存せず、気密性確保が可能となる。また、第１の溶着部３０１のみの場合、長期的なハウジング２００の反りや線膨張係数差に対応する応力集中がその部分のみに加わるが、強度を確保できる第２の溶着部３０２を形成することにより、第１の溶着部３０１の応力集中を回避することが可能となる。なお、本実施例の構造の場合、第１の溶着部３０１への応力集中を抑制するという意味で、第１の溶着部３０１の出来る限り外側に第２の溶着部３０２を設けた方が良い。第２の溶着部３０２の形成により、全体の溶着強度向上にも寄与するため、衝撃耐性にも優れる。
従って、本実施例の構造を採用することで、第１の溶着部３０１により気密性の確保を、第２の溶着部３０２により、強度向上及び信頼性向上を実現可能となる。なお、レーザ溶着では、接合している溶着部の極近傍領域は熱溶融している。そのため、第１の溶着部３０１と第２の溶着部３０２の距離Ｄ１は５００μｍ以上としておくことが望ましい。また、図１には、回路室４０を封止する隙間Ｈ１に対して、外側の隙間部分Ｈ２からレーザ溶着を行うことについて説明したが、回路室４０を封止する隙間Ｈ１部からレーザ照射を行い、その後、外側の隙間部分Ｈ２をレーザ照射する構成でも良い。
今回、回路室４０を封止する第１の溶着部３０１に対して、外側に気密性を必要としない第２の溶着部３０２を設ける構造を示したが、設計上の観点などから制約がある場合は、図２のように、隙間の大きいつまり気泡(空孔)割合が多くなり、気密を必要としない第２の溶着部３０２を回路室４０の内部に設けても良い。また、生産性や設計に対して許容されれば、回路室４０を封止する第１の溶着部３０１に対して、外側もしくは内側どちらかだけでなく、両方設けても良い。その場合の方が信頼性は向上すると言える。
また、気密性を必要とする部分は第１の溶着部３０１とし、図１や図２で示した隙間の大きいつまり気泡(空孔)割合が多くなり、気密を必要としない第２の溶着部３０２を図３で示したように、接着剤３で置き換えることも可能である。使用する接着剤３には、熱で硬化するエポキシ系接着剤や湿気で硬化するシリコーン型の接着剤が有効である。また、図４のように、フィレットを形成し、紫外線で硬化する接着剤を用いれば、生産性は向上する。その場合においても、熱硬化や湿気硬化を併用するタイプを用いることが有効である。
また、カバーやハウジングには、熱可塑性樹脂を使用する場合が多いが、成形時の残留応力を開放し、寸法安定性向上を目的に、ガラス転移温度以上の温度で熱処理（アニール）することが多い。本実施例の流量センサの場合、カバーは薄く、剛性が低いため、溶着した状態では、寸法変化の影響は小さいが、ハウジングは、厚みが厚く剛性が高いため、流量センサに与える寸法変化の影響は大きい。そのため、ハウジングには、溶着前にアニールをすることが望ましい。ただし、ハウジングに、例えば、ＰＢＴ樹脂を使用し、１４０℃数時間のアニールをすると、ＰＢＴ樹脂に含まれる添加剤の析出やＰＢＴ表面に露出していたＣ＝Ｏ基が分子内に潜り込み、弱い接合層（ＷＢＬ：Ｗｅａｋ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｌａｙｅｒ）を形成する。そのような場合、レーザ溶着や接着性が悪化することが問題となる。そこで、本発明者らは、カバーとハウジングの隙間と溶着強度の関係を検証した結果、カバーとハウジングの隙間が大きくなるに連れて、溶着強度の低下の割合が大きいことを発見した。そのため、少なくともアニール処理したハウジングには、プラズマ処理、コロナ処理、ＵＶオゾン処理、レーザ処理、薬液処理などの表面処理を行い、弱い接合層を除去しておくことが望ましい。これら表面処理は、Ｃ＝Ｏ基などの官能基を増加・生成させるため、表面エネルギーの増大に伴い、溶着強度も向上するので、非常に有効な手段であり、アニールを実施しない場合でも、コスト的な制約がなければ、実施しておくことが望ましい。また、レーザ溶着の場合、ハウジングの樹脂が溶融して、濡れた上で、カバー樹脂を溶融し、溶着する。そのため、ハウジングの表面エネルギーが大きすぎる場合、カバーに濡れにくくなってしまうという課題がある。そこで、表面処理をした場合は、融点に達した時のカバーの表面エネルギー＞ハウジングの表面エネルギーと事前にしておくことが望ましい。
図５は、本発明の流量センサの製造方法の別の実施例を示す断面図である。通常、レーザ溶着の場合、カバー１００とハウジング２００をガラスやアクリル樹脂などの透明な材質の加圧材で加圧して隙間を出来るだけ小さくした上で、加圧材２を透過させて、レーザ照射する。しかしながら、例えば、ＰＢＴ樹脂は透過率が低いため、比較的レーザパワーを大きくする必要がある。また、カバー１００の厚みは、０．５ｍｍ-１．５ｍｍとすることが多いため、その場合、溶着部だけでなく、カバー１００の加圧材２の表面にも、高いパワー密度のレーザ光が照射される。そのため、カバー１００に接合しないレーザ照射面に付着物があった場合、カバー１００へのレーザ照射時に付着物の炭化が起き、加圧材２まで劣化してしまうことが多々あった。その場合、加圧材２の交換やクリーニングなど手間が発生していた。
そこで、図５に示したように、加圧材２でカバー１００とハウジング２００の凸部２０１の隙間Ｈ１の部分を加圧した状態で、Ｈ１よりも隙間が大きい被溶着段差部２０２(隙間Ｈ２)の部分をレーザ溶着し、その後、加圧材２を除去した後に、隙間Ｈ１の部分をレーザ溶着することが有効となる。このようにすることで、第２の溶着部３０２が加圧材２と同様の効果を発現すると言える。
これまで示したように、第１の溶着部３０１の封止部分については、気密性を必要とするため、極力隙間を小さくすることが必須であるが、多少隙間があった場合でも、強度自体の低下は起こらない。従って、加圧材２にはレーザ光を照射されないため、透明である必要もなく、加圧材２の劣化や損傷も起こらなくすることができる。以上により、低コスト化や生産性に非常に有効な構成である。
図６には、本発明の流量センサ及びその製造方法の別の実施例を示す断面図を示す。ハウジング２００には、封止機能を持つ第１の溶着部３０１を形成する凸部２０１の高さよりも低い高さの別の凸部２０３を設け、その部分を含め加圧することを特徴としている。このようにすることにより、第２の溶着部３０２を形成する部分の加圧を均一に出来る。その際、金型上では、例えばＨ１は０μｍ、Ｈ２は５０μｍ、Ｈ３は２５μｍと設計しておくことが望ましいが、実際のハウジング２００の形状に応じて、隙間Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ１となるようにすれば良い。
その際、金型上では、例えばＨ１とＨ３は０μｍ、Ｈ２は５０μｍと設計しておくことが望ましいが、実際のハウジング２００では、ひけや反りを鑑みた形状に応じて、隙間Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ１となるようにすれば良い。ただし、その場合のＨ３及びＨ１は、最も隙間が大きい部分での値である。
図７は、本発明の流量センサ及びその製造方法の別の実施例を示す断面図である。本実施例の構造の場合、外側の第２の溶着部３０２には、接合強度に対して、隙間の影響が少ないロバストな構成とすることが必須である。カバー１００が厚くなると散乱や吸収の影響が大きくなるため、透過率は低下する。一方で、吸収や散乱に応じて、カバー１００の樹脂には、熱膨張が生じ、カバー１００の厚みが厚いほど、接合強度に対する隙間の影響を小さくできることを見出した。そのため、カバー１００の外側１０２のみ厚くすれば、カバー１００の隙間量に対してよりロバストにすることが可能である。また、透過率の観点から、外側に形成したカバー１００の厚い凸部１０２の結晶化度を高くしておけば、より隙間に対してロバストにできる。その上、カバー１００の厚みが厚い場合、カバー１００の剛性自体も向上するため、長期的なハウジング２００の変形を抑制するのにも有効であり、信頼性に優れた構成となる。また、図８に示すように、カバー１００にも凸部１０１を設けておけば、より幅方向の精度が優れた第１の溶着部３０１を形成できる。
これに対して、封止部を有する第１の溶着部３０１を形成する際に、図９に示すように、カバー１００のレーザ溶着面と反対側に凹部を設け、カバー１００の厚みを薄くしておくことが有効となる。本構造の場合、第１の溶着部３０１を形成する場合に、レーザ光が透過する部分を透明な加圧材２で加圧でき、加圧材２の劣化がない方法とすることが可能となる。その上、生産性向上の点でも有効な手段である。なお、第２の溶着部３０２に相当する部分にも、カバー１００のレーザ溶着面と反対側に凹部を設けておいても良い。
図１０は、本発明の流量センサ及びその製造方法の別の実施例を示す断面図である。図７の構造の厚くしたカバー１００の凸部１０２に対して、ハウジング２００にも凹部を設けて、挟んだ状態としたことを特徴とする。通常、隙間が大きい状態で、レーザ溶着すると、レーザ吸収側であるハウジング２００が過剰に発熱・熱分解し、吸収側の樹脂のバリが発生しやすいという課題がある。そのため、このような構造とすることで、バリの発生をハウジング２００の凹部２０６に留めることが可能となる。また、ハウジング２００に対するカバー１００の位置決めにも使用できる。その上、バリによってフィレットを形成でき、応力緩和や強度向上にも有効となる構造である。
図１１は、図１０の変形例であり、ハウジング２００の凹部２０６に傾斜を設けている。カバー１００に形成した凸部１０２よりも幅の大きいサイズのレーザ光を用いることで、レーザの強度分布を変化させることができ、バリからなるフィレットの量を大きくすることが可能となる。
図１２には、気密封止部を形成する第１の溶着部３０１のカバー１００側にも凸部１０１を設け、ハウジング２００にも凹部２０５を形成した別の実施例を示す。このようにすることにより、例えば、気密封止部である第１の溶着部３０１を形成する際の隙間が比較的大きい状態になってしまっても、回路室４０の内部へのバリの回りこみが抑制できる。また、図１０及び図１１と同様に、フィレットによる強度向上も実現できる。
図１３は、本発明の流量センサ及びその製造方法の別の実施例を示す断面図である。これまで、ハウジング２００側に凹部２０５、２０６を設けた構造を示してきたが、成形性の観点から、ハウジング２００の形状によっては、ハウジング２００の溶着部は凸形状や平坦とした方が寸法精度に優れる場合が多い。そのような場合、カバー１００側にバリを防止する凹形状１０４を設けておけば良い。
図１５は、本発明の流量センサ及びその製造方法の別の実施例を示す回路室４０部分の上面図である。回路室４０の内部には、主通路を流れる被計測気体の流量を計測するための流量検出部や主通路を流れる被計測気体の温度を計測するための温度検出部６４の検出回路を備える回路パッケージ６０が配置されている。回路パッケージ６０は、エポキシ樹脂などによってモールドされており、接続端子６１と端子６２とが設けられている。接続端子６１は、外部接続端子７０と溶接により、接合されている。図１５は、回路室４０を封止する第１の溶着部３０１に対して、外側に気密性の必要としない第２の溶着部３０２を少なくとも２箇所以上ライン上に形成した例である。第１の溶着部３０１は封止するのに回路室４０の周り全体を溶着するため、生産性の観点で、可能な限り高速で溶着する必要がある。そのため、熱の拡散を防止するために、第１の溶着部３０１の幅Ｗ１をレーザ照射幅と同等程度に設定すると良い。一方で、第２の溶着部３０２には封止機能は有しないため、溶着部は一部のみでも良い。外側の第２の溶着部３０２は、応力集中が大きく、気泡(空孔)の残存が大きくなっているため、できる限りレーザパワーを大きくして溶着幅を大きくして、溶着強度を高い状態としておくことが望ましい。そのため、第２の溶着部３０２の幅Ｗ２＞第１の溶着部３０１の幅Ｗ１としておくと良い。
また、第２の溶着部３０２に関しては、図１６で示したように、スポットで溶着しても良い。特に、スポットで溶着する場合は、ｍｓオーダのレーザ照射で溶着できるため、非常に高速で、第２の溶着部３０２を形成できる。従って、本構造は、生産性に非常に優れたレーザ溶着構造である。また、スポットで溶着するため、ラインで照射する場合に比べ、低いレーザパワーで大きい溶着部を形成できるというメリットもある。その場合においても、第２の溶着部３０２のスポット幅を第１の溶着部３０１の幅よりも大きくしておくことが望ましい。前記図１６では、スポット形状の第２の溶着部３０２は回路室４０の内部の外側に４箇所形成しているが、回路室４０の内部を挟んで、外側に少なくとも２箇所以上形成しておくことが必須である。また、回路室４０の外側のみならず、内側のみもしくは内側と外側両方に形成しても良い。
図１７は、本発明のレーザ溶着を適用した時の流量センサのカバー(外形を破線で示す。)を外した全体の正面図である。また、図１８は、本発明のレーザ溶着を適用した時の流量センサのカバー(外形を破線で示す。)を外した全体の背面図である。図１７、図１８では、カバー１００を透過した状態で第１の溶着部３０１及び第２の溶着部３０２を示している。ハウジング２００はフランジ２６０から計測部が主通路の中心方向に延びる構造を成しており、その先端側に副通路を成形するための副通路溝２５１、２５３が設けられている。この実施例ではハウジング２００の表裏両面に副通路溝２５１、２５３が設けられており、図１７に表側副通路溝２５３を示し、図１８に裏側副通路溝２５１を示す。副通路の入口２５０を成形するための入口溝２５０と出口を成形するための出口溝２５２が、ハウジング２００の先端部に設けられているので、主通路の内壁面から離れた部分の気体を、言い換えると主通路の中央部分に近い部分を流れている気体を被計測気体として入口から取り込むことができる。主通路の内壁面近傍を流れる気体は、主通路の壁面温度の影響を受け、吸入空気などの主通路を流れる気体の平均温度と異なる温度を有することが多い。また主通路の内壁面近傍を流れる気体は、主通路を流れる気体の平均流速より遅い流速を示すことが多い。本実施例の流量センサ５０ではこのような影響を受け難いので、計測精度の低下を抑制できる構成となっている。図１７及び図１８では、第１の溶着部３０１及び第２の溶着部３０２のみならず、通路部に対して第３の溶着部３０３を設けている。第３の溶着部３０３は、気密性は要求されないことが多く、第１の溶着部３０１よりも気泡(空孔)は若干残存していても良い。溶着する際のカバー１００とハウジング２００の隙間量Ｈ４は、Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ４≧Ｈ１としておくことが望ましい。なお、本構造で、回路室４０と通路部は完全に分かれているが、一部分重なっても良い。その場合、その部分は第１の溶着部３０１となる。また、本構造の場合、形状が非対称になっているため、反りなど変形が起こっていることも多い。そのため、第２の溶着部３０２は、通路側にも設けておくことが望ましい。その上、本構造は、フランジ２６０があるため、フランジ２６０近傍のハウジング２００とカバー１００の加圧部は、均一に加圧されないことがある。そのため、第２の溶着部３０２は、可能な限りフランジ２６０側に設けておくことが望ましい。
以上、実施例の形態においては、分割して説明したが、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例の関係にある。
１ レーザ光
２ 加圧材
３ 接着剤
１０ 吸気管路
２０ 吸気
４０ 回路室
５０ 流量センサ
６０ 回路パッケージ
６１ 接続端子
６２ 端子
６３ 抑え跡
６４ 温度検出部
６５ 熱伝達面露出部
６６ 抑え跡
６７ 計測用流路面
６８ ボンディングワイヤー
６９ 流量センサ素子
７０ 外部端子内端
１００ カバー
１０１ カバー凸部
１０２ カバー凸部
１０３ カバー凹部
１０４ カバー凹部
１０５ カバー凹部
２００ ハウジング
２０１−２０３ ハウジング凸部
２０５−２０６ ハウジング凹部
２５０ 入口溝
２５１ 裏側副通路溝
２５２ 出口溝
２５３ 表側副通路溝
２６０ フランジ
２６１ 当接部
２６２ 外部接続部
３０１ 第１の溶着部
３０２ 第２の溶着部
３０３ 第３の溶着部

Claims (27)

  1. 被計測流体を取り込む開口部を有する副通路と、前記副通路内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、回路室内に前記副通路と隔離され前記センサ素子を駆動・検出する電子部品とを収納するハウジングと、前記ハウジングに接合されて前記回路室を外気より密閉状態に封止する樹脂製カバーとを備えた流量センサにおいて、
    前記ハウジングと、前記カバーとの接合部が、
    前記回路室周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、前記ハウジングの接合面、および前記カバーの接合面上のそれぞれで個別に対向する位置に、かつ第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成され、前記ハウジングと、前記カバーとが位置決めされて、レーザ照射により前記第１の被溶着部同士、前記第２の被溶着部同士が溶着して構成されていることを特徴とする流量センサ。
  2. 請求項１に記載の流量センサにおいて、前記第１の被溶着部同士が溶着されて形成された第１の溶着部は、前記回路室を一周囲うように形成され、前記第２の被溶着部同士が溶着されて形成された第２の溶着部は、前記回路室を挟むように少なくとも２箇所以上形成されていることを特徴とする流量センサ。
  3. 請求項１、または請求項２に記載の流量センサにおいて、前記第２の被溶着部が接合されて形成された第２の溶着部は、フランジ側に形成されていることを特徴とする流量センサ。
  4. 請求項１及至請求項３のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、
    前記カバーもしくは前記ハウジングには、前記第１もしくは前記第２の被溶着部、または、前記第１及び前記第２の被溶着部を形成するための突起が設けられていることを特徴とする流量センサ。
  5. 請求項４に記載の流量センサにおいて、前記カバーもしくは前記ハウジングの被溶着部には凹部が形成されており、前記カバーと前記ハウジングとは、少なくとも一部の被溶着部同士が嵌合された状態でレーザが照射されて、接合部が形成されていることを特徴とする流量センサ。
  6. 請求項１及至請求項５のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、
    前記カバーに前記第１もしくは前記第２の被溶着部を形成する箇所に、レーザ光が透過する部分の厚さを薄くする凹部が形成されていることを特徴とする流量センサ。
  7. 請求項４及至請求項６のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、
    前記第１もしくは前記第２の被溶着部を形成するための突起の近辺に、前記カバーと前記ハウジングが接触していない突起が設けられていることを特徴とする流量センサ。
  8. 請求項１及至請求項７のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、前記第２の被溶着部を形成した領域の前記カバーの厚さは、前記第１の被溶着部を形成した領域の前記カバーの厚さよりも厚くしたことを特徴とする流量センサ。
  9. 請求項１及至請求項８のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、前記第２の被溶着部を形成した領域の前記カバーの透過率を、前記第１の被溶着部を形成した領域の前記カバーの透過率よりも小さくしたことを特徴とする流量センサ。
  10. 請求項２に記載の流量センサにおいて、前記第２の溶着部は、線状に形成されていることを特徴とする流量センサ。
  11. 請求項２に記載の流量センサにおいて、前記第２の溶着部は、スポット状に形成されていることを特徴とする流量センサ。
  12. 請求項２に記載の流量センサにおいて、前記第２の溶着部の幅は、前記第１の溶着部の幅よりも大きくしたことを特徴とする流量センサ。
  13. 請求項１及至請求項１２のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、前記副通路の周りに第３の溶着部を形成したことを特徴とする流量センサ。
  14. 請求項１及至請求項１３のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、前記カバーの熱可塑性樹脂に含有するガラスファイバーの量に比べ、前記ハウジングの熱可塑性樹脂に含有するガラスファイバーの量を多くしたことを特徴とする流量センサ。
  15. 請求項１及至請求項１４のいずれかの請求項に記載の流量センサにおいて、前記カバーの熱可塑性樹脂の結晶化度に比べ、前記ハウジングの熱可塑性樹脂の結晶化度を大きくしたことを特徴とする流量センサ。
  16. 前記ハウジングの接合面、および前記カバーの接合面上のそれぞれで個別に対向する位置に形成された第１の被溶着部、および第２の被溶着部は、
    前記ハウジングと前記カバーとの位置合わせ、加圧時に、前記第１の被溶着部間の隙間は７５μｍ以内、および前記第２の被溶着部間の隙間は１５０μｍ以内となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
  17. 被計測流体を取り込む開口部を有する副通路と、前記副通路内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、回路室内に前記副通路と隔離され前記センサ素子を駆動・検出する電子部品とが収納されるハウジング、および樹脂製カバーの両接合面上に、前記回路室周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、それぞれ個別に対向する位置に、かつ位置合わせ時に第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成し、
    各部品を収納した前記ハウジングと前記カバーとを位置合わせして、加圧し、前記カバー上よりレーザ照射して、前記第２の被溶着部間を溶着した後、前記第１の被溶着部間を溶着して前記カバーを接合することを特徴とする流量センサの製造方法。
  18. 請求項１７に記載の流量センサの製造方法において、前記回路室周りを囲うように形成された前記第１の被溶着部へのレーザ照射は、レーザ照射幅を溶着幅と同程度として一周走査することを特徴とする流量センサの製造方法。
  19. 請求項１７または請求項１８に記載の流量センサの製造方法において、前記第２の被溶着部間のレーザ溶着工程では、前記第２の被溶着部間を溶着する以外の領域を加圧した状態でレーザ溶着し、前記第１の被溶着部間を溶着する加圧材を除去した後に、前記第１の被溶着部間のレーザ溶着工程を実施することを特徴とする流量センサの製造方法。
  20. 前記ハウジングと前記カバーとを位置合わせして、加圧し、前記カバー上よりレーザ照射して、前記第１の被溶着部間を溶着した後、前記第２の被溶着部間を溶着して前記カバーを接合することを特徴とする請求項１７に記載の流量センサの製造方法。
  21. 請求項１７及至請求項２０のいずれかの請求項に記載の流量センサの製造方法において、溶着されないハウジングの突起部と前記カバーとの隙間Ｈ３を、前記第１の被溶着部間の隙間Ｈ１と同一もしくは大きくし、前記第２の被溶着部間の隙間Ｈ２よりも小さく形成して、前記第１の被溶着部間及び第２の被溶着部間のレーザ溶着をすることを特徴とする流量センサの製造方法。
  22. ハウジングと、カバーと、電子部品を内蔵する電子回路室を備えた流量センサにおいて、前記カバーにレーザを透過させて、前記カバーと前記ハウジングとを溶着させるレーザ溶着工程と前記カバーとハウジングとを接着する工程を含んだことを特徴とする流量センサの製造方法。
  23. 請求項１７に記載の流量センサの製造方法において、前記第２の被溶着部間のレーザ溶着工程の後に、前記第１の被溶着部間のレーザ溶着工程の前後に、前記副通路周りをレーザ溶着する第３の工程を有したことを特徴とする流量センサの製造方法。
  24. 請求項１７及至請求項２３のいずれかの請求項に記載の流量センサの製造方法において、前記第１の被溶着部間もしくは前記第２の被溶着部間のレーザ溶着工程の前に、少なくとも前記ハウジングには、プラズマ処理、ＵＶオゾン処理、レーザ処理、薬液処理を行うことを特徴とする流量センサの製造方法。
  25. 請求項１７及至請求項２４のいずれかの請求項に記載の流量センサの製造方法において、融点における前記カバーの表面エネルギーを前記ハウジングの表面エネルギー以上とした状態で、前記第１の被溶着部間および前記第２の被溶着部間のレーザ溶着を行なうことを特徴とする流量センサの製造方法。
  26. 室内に電子部品を収納するハウジングと、前記ハウジングに接合されて前記室内を外気より密閉状態に封止する樹脂製カバーとを備えた気密性を要する筐体において、
    前記ハウジングは、レーザ光に対して吸収性のある樹脂材にて形成され、
    前記カバーは、レーザ光に対して透過性のある樹脂材にて形成され、
    前記ハウジングと、前記カバーとの接合部が、
    前記ハウジング開口部周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、前記ハウジングの接合面、および前記カバーの接合面上のそれぞれで個別に対向する位置に、かつ第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成され、前記ハウジングと、前記カバーとが位置決めされて、レーザ照射により前記第１の被溶着部同士、前記第２の被溶着部同士が溶着して構成されていることを特徴とする気密性を要する筐体。
  27. 電子部品が収納されるハウジングを、レーザ光に対して吸収性のある樹脂材にて形成し、
    前記ハウジングに接合されて前記ハウジング内部を外気より密閉状態に封止するカバーを、レーザ光に対して透過性のある樹脂材にて形成し、
    前記ハウジング、および前記カバーの両接合面上に、前記ハウジングの開口部周りを囲うように形成された第１の被溶着部、およびその他に接合の補強用に配置された第２の被溶着部の両被溶着部が、それぞれ個別に対向する位置に、かつ位置合わせ時に第１の被溶着部間の隙間より第２の被溶着部間の隙間が大きくなる段差を設けて形成し、
    電子部品を収納した前記ハウジングと前記カバーとを位置合わせして、加圧し、前記カバー上よりレーザ照射して、前記第２の被溶着部間を溶着した後、前記第１の被溶着部間を溶着して前記カバーを接合することを特徴とする気密性を要する筐体の製造方法。
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