WO2020017268A1 - 圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

セラミックス製のベースを用いながらも、より簡便に受圧空間内の液体への気泡の混入を防げる圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法を提供する。凹部１１３を備えたセラミックス製のベース１１０と、各々軸方向に向いた取付面１４２と接合面１４１とを備えた金属製のリング部材１４０と、受け部材１２０と、ダイアフラム１３０と、半導体型圧力検出装置１５０と、を有する圧力検出ユニット１００において、前記ダイアフラム１３０は、前記取付面１４２に対し前記凹部１１３側に突出した隆起構造のみを有し、前記ベース１１０及び前記リング部材１４０は、前記液体の注入口を有していない。

Description

圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法

　本発明は、圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法に関する。

　ダイアフラムによって区画されオイルが封入された受圧室内に半導体型圧力検出装置が収容された、いわゆる液封入式の圧力センサが知られている。このような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の検知に使用されたり、自動車の燃料供給装置に装備されて燃料圧力の検知などに使用されている。

　圧力センサに用いる半導体型圧力検出装置は、受圧空間内の圧力変化を電気信号に変換し、中継基板及びリード線等を介して外部に出力する機能を有している。

　例えば、特許文献１は、ベースの内面側の中央部に半導体型圧力検出装置を取り付けた後に、当該ベース、ダイアフラム及び受け部材を重ね合わせて周溶接して一体化した圧力検出部を有する圧力センサを開示している。

　また、特許文献２は、セラミックス製のベースを、ステンレス製の受け部材とロウ付けすることにより、ベースの歪みを解消する圧力センサを開示している。

特開２０１２－６８１０５号公報 特開２０１７－１４６１３７号公報

　従来の金属製のベースにおいては、予めオイルの注入口をベースに設けておき、該注入口からダイアフラムで密封した受圧空間内にオイルを注ぎ込み、その後に該注入口を封止することが可能であった。

　これに対し、特許文献２に示すようにベースをセラミックス製とすると、オイルを注入するために比較的大きい注入口を設けたり、その注入口を封止したりすることが困難となる。そこで、ベースの凹部にオイルを注いだ後に、上からダイアフラムで封止することが行われている。しかしながら、このような工程を経ると、受圧空間内のオイルへの気泡の混入を防ぐために、製造工程や検査工程が複雑になり、コストの低減が課題となっていた。

　そこで、本発明の目的は、セラミックス製のベースを用いながらも、より簡便に受圧空間内の液体への気泡の混入を防げる圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法を提供することである。

　上記目的を達成するために、本発明による圧力検出ユニットは、
　セラミックス製のベースと、
　各々軸方向に向いた取付面と接合面とを備え、前記接合面がロウ付けにより前記ベースに接合された金属製のリング部材と、
　前記リング部材に対して溶接により接合された受け部材と、
　前記リング部材の取付面と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
　前記ベースと前記ダイアフラムとの間に形成された受圧空間内において、前記ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置と、
　前記受圧空間に封入された液体と、を有し、
　前記ダイアフラムは、前記取付面に対し前記ベース側にのみ突出した隆起構造を有している。

　さらに、本発明による圧力検出ユニットの製造方法は、
　セラミックス製のベースと、各々軸方向に向いた取付面と接合面とを備えた金属製のリング部材と、受け部材と、隆起構造を備えたダイアフラムと、半導体型圧力検出装置と、を有する圧力検出ユニットの製造方法において、
　前記ベースに対して前記リング部材の接合面をロウ付けにより接合する工程と、
　前記リング部材の内側において、前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を設置する工程と、
　前記リング部材が前記ベースより上方に位置する状態で、前記取付面まで前記リング部材内に液体を注入する工程と、
　前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面上に載置しつつ、前記隆起構造により前記液体中の気泡を排除する工程と、
　前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面と前記受け部材とで挟み込んだ状態で、前記リング部材と前記受け部材とを溶接する工程と、を有する。

　本発明によれば、セラミックス製のベースを用いながらも、より簡便に受圧空間内の液体への気泡の混入を防げる圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法を提供することができる。

図１Ａは、本発明の実施形態にかかる圧力検出ユニットを用いた圧力センサの縦断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施形態にかかる圧力検出ユニットの縦断面図である。 図２は、本実施形態にかかる圧力検出ユニットの製造工程を示す図である。 図３は、本実施形態にかかる圧力検出ユニットの製造工程を示す図である。 図４は、比較例にかかる圧力検出ユニットの製造工程の一部を示す図である。

　図１Ａは、本発明の実施形態にかかる圧力検出ユニットを用いた圧力センサの縦断面図である。圧力検出ユニット１００は、セラミックスからなるベース１１０と、当該ベース１１０に対向する受け部材１２０と、ベース１１０及び受け部材１２０の間に挟まれたダイアフラム１３０及びリング部材１４０と、を含む。圧力検出ユニット１００の詳細については後述し、まず圧力センサについて説明する。

＜圧力センサ＞
　図１Ａに示すように、圧力センサ１は、圧力検出ユニット１００と、当該圧力検出ユニット１００に取り付けられる樹脂製のコネクタ４０と、前記コネクタ４０に取り付けられて、上記圧力検出ユニット１００から突出する３本の端子ピン（１６０，１６２のみ図示）の一端に接続される中継基板２０と、コネクタ４０を貫通して中継基板２０と外部の機器との間で電気信号等を送受するコネクタピン４４と、コネクタ４０に対してカシメられることで圧力検出ユニット１００を保持するカシメ保持部材５０と、を含む。

　カシメ保持部材５０は、中空の大円筒部５１と、段付きフランジ部５２と、小円柱部５３とが直列に連設された構成を有する。

　大円筒部５１内において、段付きフランジ部５２の上面中央に凹部５４が形成され、その中央には連通孔５５が形成されている。連通孔５５は小円柱部５３内を通過して、その下端で開口している。凹部５４の周囲には、周溝５６が形成され、その内部にＯ－リングＯＲ１が配置されている。

　樹脂製のコネクタ４０は、下部中空筒部４１と、上部中空筒部４２と、下部中空筒部４１と上部中空筒部４２との間の隔壁４５とを有し、隔壁４５の下面中央に中継基板２０が取り付けられている。圧力検出ユニット１００の３本の端子ピン（１６０，１６２のみ図示）と、中継基板２０とはフレキシブルプリント基板４３により電気的に接続されている。

　中継基板２０は、ベーク基板やガラスエポキシ基板、セラミックス基板あるいはフレキシブル基板として形成されている。

　中継基板２０は、下部中空筒部４１側から上部中空筒部４２の内部へと隔壁４５を貫いて延在するコネクタピン４４に電気的に接続されている。不図示のコネクタをコネクタ４０に嵌合させることで、圧力検出ユニット１００で検出された信号を、コネクタピン４４を介して外部に出力できるように構成されている。

＜圧力センサの組立工程＞
　図１Ａに示す圧力センサ１を組み立ては、以下の工程で行われる。まず、コネクタ４０に中継基板２０およびフレキシブルプリント基板４３を取り付けておき、更に予め形成しておいた圧力検出ユニット１００のベース１１０から突出する３本の端子ピンに、フレキシブルプリント基板４３をはんだ等を用いて接続する工程が行われる。

　その後、カシメ保持部材５０の大円筒部５１内に、圧力検出ユニット１００を収容しつつ、コネクタ４０とカシメ保持部材５０とを相対的に接近させ、大円筒部５１の端部内側に下部中空筒部４１を嵌合させ、下部中空筒部４１の下端をベース１１０の上面に当接させる工程が行われる。

　その後、大円筒部５１の上端を内側にカシメて塑性変形させ、それによりカシメ部５７を形成してコネクタ４０の下部中空筒部４１の上端近傍に固定する工程が行われる。以上の工程により、圧力検出ユニット１００が、カシメ保持部材５０とコネクタ４０とにより挟持されて保持される。ただし、大円筒部５１とベース１１０との間には、径方向の隙間が存在する。

　このとき、Ｏ－リングＯＲ１を介してカシメ保持部材５０と受け部材１２０とが全周で当接し、圧力検出対象の流体の漏れが防止される。以上で、圧力センサ１の組立が終了する。

　一点鎖線で示す流体流入管３０は、例えば銅合金やアルミ合金等の金属材料からなる管状部材であって、カシメ保持部材５０の小円柱部５３の外周に螺合して接合され、更にＯ－リングＯＲ２によりその上端とカシメ保持部材５０とが気密的に連結される。

　図１Ａに示す圧力センサ１において、流体流入管３０に導入される圧力検出対象の流体は、圧力検出ユニット１００の加圧空間Ｓ２に入り、その圧力でダイアフラム１３０を変形させる。

　ダイアフラム１３０が変形すると、受圧空間Ｓ１内の液状媒質が加圧され、ダイアフラム１３０を変形させた圧力が半導体型圧力検出装置１５０の圧力検出素子１５４に伝達される。

　圧力検出素子１５４は、上記伝達された圧力の変動を検知して電気信号に変換し、かかる電気信号は、信号出力用の端子ピン１６４（図３参照）とフレキシブルプリント基板４３を介して中継基板２０に出力される。その電気信号は、さらにコネクタピン４４を介して外部の機器に出力される。

＜圧力検出ユニット＞
　次に圧力検出ユニット１００について、図１Ｂを参照して説明する。ベース１１０は、円盤状の本体１１１と、本体１１１の外縁全周にて軸方向に環状に突出した突出部１１２とを備えている。すなわちベース１１０は、後述する受圧空間Ｓ１が形成されるように、図１Ｂで下面中央部が凹むような形状とされ、ここに凹部１１３が形成されている。

　ベース１１０の凹部１１３とダイアフラム１３０との間には、密閉された受圧空間Ｓ１が形成され、ここにオイル等の絶縁性の液状媒質（液体）ＬＱが充填される。また、本体１１１における凹部１１３の中央には、半導体型圧力検出装置１５０が取り付けられている。

　図１Ｂに示すように、ベース１１０における上記半導体型圧力検出装置１５０の周囲位置には、３本の端子ピン（１６０、１６２のみ図示）が挿入される３つの貫通穴１１６が形成されている。なお、ベース１１０は貫通穴１１６を有しているが、液状媒質を注入するための注入口は有していない。

　３本の端子ピン（１６０、１６２のみ図示）は、それぞれベース１１０に設けた貫通穴１１６に挿通されることでベース１１０を貫通する。また、端子ピンの各下端が上記半導体型圧力検出装置１５０と、ボンディングワイヤ１６６等を介して電気的に接続される。

　受け部材１２０は、例えばステンレス鋼板等の金属材料から形成された環状の部材であり、ダイアフラム１３０側の合わせ面１２２と、合わせ面１２２の内周に形成された面取り部１２１とを有する。受け部材１２０も、液状媒質を注入するための注入口は有していない。

　ダイアフラム１３０は、例えばステンレス鋼等の金属材料からなる円板状の薄板部材であり、その形状は後述する。また、リング部材１４０は、マルテンサイト系ステンレス鋼またはフェライト系ステンレス鋼によりリング状に形成された部材であり、各々軸線Ｏの方向を向いた取付面１４２及び接合面１４１と、取付面１４２の内周に形成された面取り部１４３とを有する。

　リング部材１４０には、アルミニウムを含まないステンレス鋼が用いられているので、ロウ付けによって、ベース１１０とロウ付けされた際に、そのロウ付け面にアルミ酸化物が析出して接合強度が低下することがない。

　半導体型圧力検出装置１５０は、ベース１１０の中央部に接着等によりダイボンディングされる。本実施形態における半導体型圧力検出装置１５０は、ガラス製の支持基板１５２とそれに接合された圧力検出素子（半導体チップ）１５４とを有してなる。

　圧力検出素子１５４は、図示を省略するが、表面に例えば８つのボンディングパッド（電極）を備えている。そのうち３つのボンディングパッドは、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用パッドであり、残る５つは信号調整用パッドである。

＜圧力検出ユニット１００の組立工程＞
　圧力検出ユニット１００を組み立てる工程を、図２，３を参照して以下に説明する。圧力検出ユニット１００の組み立て工程では、図１Ｂに示す状態に対し各部品を天地逆に（すなわち、重力方向に配置されたベース１１０の上に各部品を順番にセット）して組み立てを行う。

　まずベース１１０に形成された貫通穴１１６に、アース用の端子ピン１６０、電源入力用の端子ピン１６２（図２，３で不図示）及び信号出力用の端子ピン１６４をそれぞれ挿通し、３本の端子ピン１６０、１６２、１６４と、ベース１１０とをロウ付けすることにより接合固定する工程が行われる。

　具体的には、図２（ａ）において、ベース１１０に形成された貫通穴１１６と端子ピン１６０、１６２、１６４との間に、それぞれ銀ロウ等のロウ材を介在させた状態で所定の温度に加熱することにより、ベース１１０のセラミックスと端子ピン１６０、１６２、１６４の金属とをロウ付けする工程が行われる。

　ベース１１０とリング部材１４０との接合は、リング部材１４０の接合面（下面）１４１に、ベース１１０の突出部１１２をロウ付けすることで行われる。具体的には、ベース１１０とリング部材１４０との間に、例えば銀ロウ等のロウ材を介在させた状態で所定の温度に加熱することにより、ベース１１０のセラミックス材料とリング部材１４０の金属材料との間に全周でロウ付けを行う工程が行われる。

　ベース１１０とリング部材１４０とのロウ付けの加熱は、端子ピン１６０、１６２、１６４のロウ付けと同じ工程で行われる。ただし、ベース１１０とリング部材１４０との接合はロウ付けで行わず、パッキンやＯ－リングなどの密封手段を間に介在させつつ両者を連結保持してもよい。

　なお、ロウ付け作業を行う前に、ベース１１０のロウ材と接触する面に予めメタライズ層（例えばＭｏ－Ｍｎ層等又はタングステン層を主成分とする）を形成しておくことにより、セラミックス材料とロウ材との接合性を高めることができる。

　続いて、ベース１１０の凹部１１３の中央に、半導体型圧力検出装置１５０をダイボンディングする工程が行われる。その後、半導体型圧力検出装置１５０のアースパッド、電源入力パッド及び信号出力用パッドと、３本の端子ピン１６０、１６２、１６４の一端とを、それぞれボンディングワイヤ１６６を介して電気的に接続する工程が行われる。

　次に、図２（ｂ）に示すように、ディスペンサＤＳから、リング部材１４０の内側であってベース１１０の凹部１１３内に、液状媒質ＬＱを所定量注入する工程が行われる。これにより、リング部材１４０の取付面（上面）１４２のレベルまで液状媒質ＬＱが貯留される。なお、液状媒質ＬＱの供給方法については、上記のようにディスペンサＤＳを使う方法に限定されない。

　かかる状態で、図３（ａ）に示すように、リング部材１４０の取付面１４２上にダイアフラム１３０を載置する工程が行われる。ここで、図３（ａ）の矢印で示す部位Ａを拡大して示す図３（ｂ）に示すように、ダイアフラム１３０は、中央で円盤状に盛り上がった平坦部１３１と，ダイアフラム１３０の軸線Ｏを中心として、同心円状に等間隔で形成された輪帯１３２，１３３，１３４を有している。

　輪帯１３２，１３３，１３４はサインカーブ状の断面形状を有し、各輪帯において中央が一番盛り上がっている。平坦部１３１と、輪帯１３２，１３３，１３４とで隆起構造を構成する。

　図３（ｂ）において、リング部材１４０の取付面１４２を通る仮想面ＶＰを一点鎖線で表したとき、平坦部１３１と、輪帯１３２，１３３，１３４とは、いずれも仮想面ＶＰよりも下方（凹部１１３側）に位置するように構成されている。また、ダイアフラム１３０は、仮想面ＶＰよりも上方に位置する部位を有しない。すなわち、ダイアフラム１３０は、取付面１４２に対しベース１１０側にのみ突出した隆起構造を有している。なお、輪帯１３２，１３３，１３４の頂点間距離を１ピッチとしたときに、平坦部１３１の外周からリング部材１４０の内周までは、３．５ピッチ分の距離がある。輪帯は２つでもよいが、４つ以上設けると好ましい。

　このため、リング部材１４０の取付面１４２上にダイアフラム１３０を載置すると、平坦部１３１と、輪帯１３２，１３３，１３４とは全て液状媒質ＬＱ内に沈み込むことになり（図３（ｂ）参照）、気泡が液状媒質ＬＱ内に含まれることを抑制できる。なお、かかる状態で、平坦部１３１は半導体型圧力検出装置１５０に対向しており、軸線Ｏに沿ってみたときに、半導体型圧力検出装置１５０の全体を覆っていると好ましい。

　その後、図３（ｃ）に示すように、上方より受け部材１２０をリング部材１４０に相対的に接近させ、合わせ面１２２をダイアフラム１３０に当てて、リング部材１４０の取付面１４２との間でダイアフラム１３０の外縁近傍を挟み込む工程が行われる。このとき、面取り部１２１の傾斜した形状により、ダイアフラム１３０は面取り部１２１には当接せず、受け部材１２０はダイアフラム１３０の上面外周近傍とのみ当接する。また、面取り部１４３の傾斜した形状により、ダイアフラム１３０は面取り部１４３には当接せず、リング部材１４０はダイアフラム１３０の下面外周近傍とのみ当接する。
　かかる状態を維持しつつ、図３（ｄ）に示すように、受け部材１２０とリング部材１４０との重ね合わせ部を、外周方向からレーザー光ＬＢを照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接し溶接部Ｗを形成して一体化する工程が行われる。

　これにより、受け部材１２０とダイアフラム１３０とリング部材１４０とが一体化されて圧力検出ユニット１００を構成する。その後、図１Ｂに示すように圧力検出ユニット１００の天地を逆にして（すなわち受け部材１２０が重力方向最下方に配置される向きに圧力検出ユニット１００を配置して）、コネクタ４０やカシメ保持部材５０と組み付けることにより、圧力センサ１を得ることができる。

　なお、周溶接の手法として、レーザー溶接に限られず、アーク溶接等の溶融溶接、あるいはシーム溶接等の抵抗溶接を適用することが可能であるが、溶接によるひずみの低減等を考慮すれば、入熱の小さいレーザー溶接や電子ビーム溶接等を適用することが好ましい。

　次に、比較例を参照して、本実施形態の効果を説明する。図４（ａ）は、比較例にかかる図３（ａ）に対応する断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印で示す部位Ｂを拡大して示す図である。

　比較例では、ダイアフラム１３０Ａの形状のみが異なっており、それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。また、比較例のダイアフラム１３０Ａは、ここでは上記ダイアフラム１３０に対して天地を逆にした形状を有するため、ダイアフラム１３０Ａの平坦部、輪帯も同じ符号を用いる。

　図４（ｂ）において、リング部材１４０の取付面１４２を通る仮想面ＶＰを一点鎖線で表したとき、平坦部１３１と、輪帯１３２，１３３，１３４とは、いずれも仮想面ＶＰよりも上方（凹部１１３と反対側）に位置するように構成されている。

　このため、リング部材１４０の取付面（上面）１４２のレベルまで液状媒質ＬＱが貯留されていたとしても、リング部材１４０の取付面１４２上にダイアフラム１３０Ａを載置しただけでは、上向きの平坦部１３１と、輪帯１３２，１３３，１３４の内部（概ね仮想面ＶＰより上方）にそれぞれ気泡ＢＬが残留しやすい。

　このように液状媒質ＬＱ内に気泡が残留すると、圧力検出ユニット１００の加圧空間Ｓ２が加圧され、それによりダイアフラム１３０Ａが変形したときに、液状媒質ＬＱ中の気泡が圧縮されるため、検出精度が低下する。このような液状媒質ＬＱ中に気泡を含む圧力検出ユニットは、後工程における検査工程で不合格品として排除されることになるが、不合格品が多いと製品の歩留まりが悪化する。

　これに対し、図３に示す本実施形態によれば、液状媒質ＬＱ内に気泡が混入することが抑制されるので、半導体型圧力検出装置１５０に流体圧が正確に伝達され、精度良い検出を行える。

　なお、本発明は上記の各実施形態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。

１　圧力センサ、１０　カバー、２０　中継基板、３０　流体流入管、４０　コネクタ、５０　カシメ保持部材、１００　圧力検出ユニット、１１０　ベース、１２０　受け部材、１３０　ダイアフラム、１３１　平坦部、１３２，１３３，１３４　輪帯、１４０　リング部材、１５０　半導体型圧力検出装置、１５２　支持基板、１５４　圧力検出素子、１６０　アース用の端子ピン、１６２　電源入力用の端子ピン、１６４　信号出力用の端子ピン、１６６　ボンディングワイヤ

 

Claims (6)

1. 　セラミックス製のベースと、
   　各々軸方向に向いた取付面と接合面とを備え、前記接合面がロウ付けにより前記ベースに接合された金属製のリング部材と、
   　前記リング部材に対して溶接により接合された受け部材と、
   　前記リング部材の取付面と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
   　前記ベースと前記ダイアフラムとの間に形成された受圧空間内において、前記ベースに取り付けられた半導体型圧力検出装置と、
   　前記受圧空間に封入された液体と、を有し、
   　前記ダイアフラムは、前記取付面に対し前記ベース側にのみ突出した隆起構造を有している、
   ことを特徴とする圧力検出ユニット。
2. 　前記隆起構造は、前記ダイアフラムの中心回りに同心円状に形成された複数の輪帯を有し、前記輪帯は３つ以上である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出ユニット。
3. 　前記隆起構造は、前記半導体型圧力検出装置に対向する平坦部を更に有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧力検出ユニット。
4. 　前記ダイアフラムの軸方向に見たときに、前記平坦部は前記半導体型圧力検出装置を覆っている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧力検出ユニット。
5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の圧力検出ユニットを用いてなる、
   ことを特徴とする圧力センサ。
6. 　セラミックス製のベースと、各々軸方向に向いた取付面と接合面とを備えた金属製のリング部材と、受け部材と、隆起構造を備えたダイアフラムと、半導体型圧力検出装置と、を有する圧力検出ユニットの製造方法において、
   　前記ベースに対して前記リング部材の接合面をロウ付けにより接合する工程と、
   　前記リング部材の内側において、前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を設置する工程と、
   　前記リング部材が前記ベースより上方に位置する状態で、前記取付面まで前記リング部材内に液体を注入する工程と、
   　前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面上に載置しつつ、前記隆起構造により前記液体中の気泡を排除する工程と、
   　前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面と前記受け部材とで挟み込んだ状態で、前記リング部材と前記受け部材とを溶接する工程と、を有する、
   ことを特徴とする圧力検出ユニットの製造方法。
   
    

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