JP2013002945A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力を高精度に検出可能にする。
【解決手段】第１のケース１の凹部２内に圧力検出用の検出素子４を配設し、圧力導入孔１４を有する第２のケース１１を凹部２を覆うように第１のケース１に組み付け、周辺部が第２のケース１１に固定されたメタルダイヤフラム１６と凹部２とで囲まれた圧力検出室１９を備え、圧力検出室１９内に圧力伝達媒体２０を充填した。メタルダイヤフラム１６の周辺部上に配設されメタルダイヤフラム１６を第２のケース１１に固定する押さえ部材１７を備え、第１のケース１の一面に凹部２を囲むように設けられた溝２１内に収容され押さえ部材１７により押圧支持されたシール部材２２を備えた。更に、シール部材２２は、溝２１内に収容されて押さえ部材１７により押圧された状態で、溝２１の内周面２１ａ及び外周面２１ｂに接触するように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力検出室内にオイルを充填したオイル封止型の圧力センサに関する。

特許文献１には、ケースに設けられた圧力検出室内にオイル（圧力伝達媒体）を充填し、充填したオイルをメタルダイヤフラムとＯリングによって封止するように構成された圧力センサが記載されている。この圧力センサにおいては、ケースにＯリング収容用の溝部を形成し、この溝部に収容したＯリングを押さえ部材で押圧し、押さえ部材とメタルダイヤフラムをケースに溶接している。上記構成の圧力センサでは、押さえ部材の内周端部の形状をテーパ形状にすることで、Ｏリングの支持機能を損なうことなく、メタルダイヤフラム固定部の耐性及び精度を向上させている。

特開２００２−９８６０８号公報

近年、燃費向上や排ガス規制に対応した新規エンジン開発や新規トランスミッション開発が進み、圧力センサの高精度化の要望がある。しかし、上記構成の圧力センサの場合、Ｏリングをケースの溝部に収容したときに、溝部の内周面とＯリングとの間に隙間がある。このため、測定媒体の圧力変動時にＯリングが上記溝部の内周面側に変形して、圧力検出室の容積変化が発生するおそれがあり、圧力の検出誤差が大きくなるという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、圧力を高精度に検出することができる圧力センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、一面に凹部が形成された第１のケースと、前記凹部内に配設された圧力検出用の検出素子と、圧力導入孔を有し前記凹部を覆うように前記第１のケースに組み付けられた第２のケースと、周辺部が前記第２のケースに固定された状態で前記凹部と前記圧力導入孔とを区画するメタルダイヤフラムと、前記凹部と前記メタルダイヤフラムとで囲まれ内部に圧力伝達媒体が充填された圧力検出室と、前記メタルダイヤフラムの周辺部上に配設され前記メタルダイヤフラムを前記第２のケースに固定する押さえ部材と、前記第１のケースの一面に前記凹部を囲むように設けられた溝と、前記溝内に収容され前記押さえ部材により押圧支持されたシール部材とを備え、前記圧力導入孔から導入された圧力により前記メタルダイヤフラムに発生する応力を、前記圧力伝達媒体を介して前記検出素子へ伝達するように構成された圧力センサにおいて、前記シール部材は、前記溝内に収容されて前記押さえ部材により押圧された状態で、前記溝の内周面及び外周面に接触するように構成されているので、測定媒体の圧力変動時にシール部材が溝部の内部で変形しなくなり、圧力検出室の容積変化が発生しなくなるから、圧力を高精度に検出することができる。

上記構成の場合、請求項２の発明のように、前記シール部材はＯリングであることが好ましい。
また、請求項３の発明のように、前記シール部材は、シール面から突出する凸状形状を有するシール部材であることが良い構成である。この構成の場合、請求項４の発明のように、前記シール部材は、粘性の高いシリコーン樹脂やフッ素樹脂の液状シール剤を硬化させることにより形成されることが好ましい。また、請求項５の発明のように、前記シール部材は、フッ素樹脂やフロロシリコーン系樹脂で形成されていることが良い。

請求項６の発明によれば、前記溝の内部における前記シール部材の外周側にバックアップリングを配設したので、作動圧力が高圧な環境で圧力センサを使用したときに、バックアップリングによりシール部材のむしれやねじれ損傷などの発生を防止することができる。

上記構成の場合、請求項７の発明のように、前記バックアップリングは、樹脂成型品であることが好ましい。また、請求項８の発明のように、前記バックアップリングは、硬化後の材料硬度が高い液状シール剤で形成されていることが好ましい。

本発明の第１実施形態を示す圧力センサの全体概略断面図 図１中の２点鎖線で示す部分の拡大図 Ｏリングの外径寸法と溝の深さ寸法と関係を示す図 Ｏリングの圧縮率と永久圧縮歪との関係を示す特性図 本発明の第２実施形態を示す図２相当図 本発明の第３実施形態を示す図３相当図

以下、複数の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付している。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態のオイル封止型の圧力センサの全体構成を概略的に示す断面図であり、図２は、図１中の２点鎖線で示す部分の拡大図である。これら図１及び図２に基づいて本実施形態の圧力センサの構成について説明する。

図１に示すように、圧力センサはケースプラグ１（第１のケース）を備えており、このケースプラグ１は、例えば、断熱樹脂材料であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂を型成形することにより作られており、本実施形態ではほぼ円柱状をなしている。このケースプラグ１のうち一端部（図１中の下端部）の端面（一面）には凹部２が形成されており、他端部には開口部３が形成されている。

図２にも示すように、凹部２には、センサ部４（圧力検出用の検出素子）が配設されている。このセンサ部４は、センサチップ５と台座６とを有して構成されており、センサチップ５と台座６とは陽極接合又は共有接合されている。センサ部４の台座６は、シリコーン系樹脂などによる接着材を介して凹部２の底面に接着されている。

センサチップ５には、ダイヤフラム７が形成されており、このダイヤフラム７には、図示しないブリッジ回路を構成するように形成されたゲージ抵抗が設けられている。そして、このセンサチップ５は、ダイヤフラム７に圧力が印加されると、ゲージ抵抗の抵抗値が変化してブリッジ回路の電圧が変化し、この電圧の変化に応じてセンサ出力信号を出力する半導体ダイヤフラム式の圧力センサチップである。

また、図１に示すように、ケースプラグ１には、センサチップ５と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル８が配設されている。各ターミナル８は、インサートモールド（インサート成形）によりケースプラグ１と一体に成形されることにより、ケースプラグ１内に保持されている。

具体的には、各ターミナル８はケースプラグ１を貫通しており、各ターミナル１のうち一端部はケースプラグ１から凹部２内に突出しており、他端部はケースプラグ１から開口部３内に突出している。凹部２内に突出している各ターミナル８の端部は、ボンディングワイヤ９を介してセンサチップ５と電気的に接続されている。開口部３内に突出している各ターミナル８の端部は、図示しないワイヤハーネス等の外部配線部材を介して外部回路と電気的に接続されている。

そして、凹部２のうちターミナル８が突出している部分には、例えば、シリコーン系樹脂から成るシール材１０が配設されている。このシール材１０は、凹部２とターミナル８との隙間を封止するためのものである。

また、ケースプラグ１の図１中の下端部には、ハウジング１１（第２のケース）が組み付けられている。本実施形態では、これらケースプラグ１およびハウジング１１により、センサ部４を備える圧力センサのケースが構成されている。具体的には、ハウジング１１には収容凹部１２が設けられており、この収容凹部１２内にケースプラグ１のうちの凹部２が設けられた一端部が挿入され、ハウジング１１の端部１３がケースプラグ１にかしめられることでケースプラグ１とハウジング１１とが組み付けられている。

上記ハウジング１１は、例えば、ＳＵＳ等の金属材料よりなるものであり、測定媒体を導入するための圧力導入孔１４が形成されている。この圧力導入孔１４の外周壁面には、圧力センサを外部機器（図示しない）に固定するためのねじ部１５が形成されている。

また、ハウジング１１のうちの上記凹部２が形成されているケースプラグ１の一端部の端面と対抗している部分には、例えば、ＳＵＳ等からなる円形のメタルダイヤフラム１６と、このメタルダイヤフラム１６の外縁部分１６ａ上に載置された環状のリングウェルド（押さえ部材）１７とが配設されている。

上記構成の場合、レーザ溶接等によりメタルダイヤフラム１６の外縁部分１６ａおよびリングウェルド１７をハウジング１１に対して溶接することで、ハウジング１１、メタルダイヤフラム１６およびリングウェルド１７が溶け合った溶接部１８が形成されている。なお、メタルダイヤフラム１６のうち外縁部分１６ａは、リングウェルド１７と共にハウジング１１に対して固定される部分である。メタルダイヤフラム１６のうち凹部２を閉塞する部分１６ｂは、圧力伝達媒体２０の体積変化を吸収し、測定媒体の圧力と圧力検出室１９内の圧力の均衡を保つダイヤフラム部として機能する部分である。

このように構成されたケースプラグ１とハウジング１１において、凹部２、メタルダイヤフラム１６、およびリングウェルド１７で圧力検出室１９が構成されている。この圧力検出室１９内には、メタルダイヤフラム１６に印加された圧力をセンサチップ５に伝達する圧力伝達媒体２０が充填されている。この圧力伝達媒体２０は、例えば、フッ素オイルやシリコーンオイルなどのオイルで構成されている。

また、ケースプラグ１のうちの凹部２が設けられた一端部の端面には、凹部２を囲むように環状の溝２１が形成されている。この環状の溝２１の内部には、封止部材として例えばシリコーンゴム等からなるＯリング２２が収容されている。このＯリング２２は、ケースプラグ１とハウジング１１とのかしめによるかしめ圧でリングウェルド１７（メタルダイヤフラム１６）によって押圧されることで圧力検出室１９から圧力伝達媒体２０が漏れることを防止（封止）するものである。この構成の場合、図２に示すように、Ｏリング２２は、リングウェルド１７によって押圧された状態において、ケースプラグ１の凹部２の溝２１の内周面２１ａ及び外周面２１ｂに接触（密接）すると共に、溝２１の内底面２１ｃ及びリングウェルド１７に接触（密接）するように構成されている。

ここで、Ｏリング２２が押圧変形される前の状態の形状を、図３に示す。この図３に示すように、押圧変形される前のＯリング２２は、ケースプラグ１の溝２１内に収容された状態では、溝２１の開口縁部２１ａの表面から上方に突出している。即ち、Ｏリング２２の外径寸法（最大寸法）をＡとし、溝２１の深さ寸法をＢとすると、Ａ＞Ｂが成立するように構成されている。そして、Ｏリング２２の圧縮率を次の式の通り定義する。

圧縮率（％）＝（１−（Ｂ／Ａ））＊１００
本実施形態におけるＯリング２２の上記圧縮率と永久圧縮歪との関係を、図４に示す。この図４に示すように、圧縮率が８％以下の場合、シール不良が発生し、圧力伝達媒体２０が漏れる可能性がある。反対に、圧縮率が４０％以上の場合、Ｏリング２２の圧縮割れが発生する可能性がある。このため、ケースプラグ１とハウジング１１とのかしめによるかしめ圧で押圧したときのＯリング２２の圧縮率を、８〜４０％の範囲に設定することが好ましい。

上記構成の圧力センサの圧力検出動作について簡単に説明する。測定媒体が圧力導入孔１４を通じてメタルダイヤフラム１６に印加されると、圧力検出室１９内に充填されている圧力伝達媒体２０を介してセンサチップ５に形成されているダイヤフラム７に圧力が印加される。ダイヤフラム７に圧力が印加されると、ダイヤフラム７のブリッジ回路のゲージ抵抗の抵抗値が変化する。このため、センサチップ５では、ブリッジ回路の出力電圧が変化し、印加された圧力に応じたセンサ信号が出力される。このセンサ信号は、センサチップ５からボンディングワイヤ９およびターミナル１１を介して外部に出力される。

以上説明した構成の圧力センサによれば、Ｏリング２２（シール部材）は、溝２１内に収容されてリングウェルド１７（押さえ部材）により押圧された状態で、前記溝２１の内周面２１ａ及び外周面２１ｂに接触するように構成されているので、従来構成とは異なり、測定媒体の圧力変動時にＯリング２２が溝部２１の内部で変形しなくなり、圧力検出室１９の容積変化が発生しなくなるから、圧力を高精度に検出することができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第２実施形態では、Ｏリング２２の代わりに、シール面から突出する凸状形状を有するシール部材２３を用いた。このシール部材２３は、ケースプラグ１の溝２１内に例えば粘性の高いシリコーン樹脂やフッ素樹脂等の液状シール剤を塗布し、シール面から突出する凸状形状が形成されるように硬化させて形成している。そして、シール部材２３は、リングウェルド１７によって押圧された状態において、ケースプラグ１の凹部２の溝２１の内周面２１ａ及び外周面２１ｂに接触（密接）すると共に、溝２１の内底面２１ｃ及びリングウェルド１７に接触（密接）する構成となっている。

上述した以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第２実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２実施形態によれば、Ｏリング等の成形品を組み付ける必要がないため、Ｏリングに付着する異物混入を防止でき、圧力検出室１９の気密性をより一層向上させることができる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態を示すものである。尚、第２実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第３実施形態では、ケースプラグ１の溝２１の内部に、第２実施形態のシール部材２３よりもやや小さい形状のシール部材２３と、例えば樹脂成形品からなるバックアップリング２４を収容した。この場合、シール部材２３が内周側となり、バックアップリング２４が外周側となるように収容した。そして、シール部材２３は、リングウェルド１７によって押圧された状態において、ケースプラグ１の凹部２の溝２１の内周面２１ａ及びバックアップリング２４に接触（密接）すると共に、溝２１の内底面２１ｃ及びリングウェルド１７に接触（密接）する構成となっている。また、バックアップリング２４は、シール部材２３及び溝２１の外周面２１ｂに接触（密接）する構成となっている。

上述した以外の第３実施形態の構成は、第２実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第３実施形態においても、第２実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第３実施形態によれば、圧力センサを作動圧力が６．９ＭＰａを超えるような環境で使用しても、バックアップリング２４によりシール部材２３のむしれやねじれ損傷などを防止することができ、シール部材２３の寿命を長くすることが可能となる。

尚、上記第３実施形態では、バックアップリング２４を樹脂成形品で形成したが、これに限られるものではなく、硬化後の材料硬度が高い液状シール剤（例えばエポキシ樹脂）でバックアップリングを形成しても良い。また、圧力センサを、例えば、エンジンオイルやトランスミッションオイルに浸漬する形態で使用する場合には、フッ素樹脂やフロロシリコーン系樹脂等で形成したシール部材を使用することにより、圧力検出室１９内の気密性を一層向上させることができる。更に、上記第３実施形態では、シール部材２３を用いたが、これに代えて、Ｏリングを用いても良い。

図面中、１はケースプラグ（第１のケース）、２は凹部、４はセンサ部、５はセンサチップ、１１はハウジング（第２のケース）、１４は圧力導入孔、１６はメタルダイヤフラム、１７はリングウェルド（押さえ部材）、１８は溶接部、１９は圧力検出室、２０は圧力伝達媒体、２１は溝、２１ａは内周面、２１ｂは外周面、２２はＯリング（シール部材）、２３はシール部材、２４はバックアップリングを示す。

Claims (8)

1. 一面に凹部が形成された第１のケースと、前記凹部内に配設された圧力検出用の検出素子と、圧力導入孔を有し前記凹部を覆うように前記第１のケースに組み付けられた第２のケースと、周辺部が前記第２のケースに固定された状態で前記凹部と前記圧力導入孔とを区画するメタルダイヤフラムと、前記凹部と前記メタルダイヤフラムとで囲まれ内部に圧力伝達媒体が充填された圧力検出室と、前記メタルダイヤフラムの周辺部上に配設され前記メタルダイヤフラムを前記第２のケースに固定する押さえ部材と、前記第１のケースの一面に前記凹部を囲むように設けられた溝と、前記溝内に収容され前記押さえ部材により押圧支持されたシール部材とを備え、前記圧力導入孔から導入された圧力により前記メタルダイヤフラムに発生する応力を、前記圧力伝達媒体を介して前記検出素子へ伝達するように構成された圧力センサにおいて、
   前記シール部材は、前記溝内に収容されて前記押さえ部材により押圧された状態で、前記溝の内周面及び外周面に接触するように構成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記シール部材は、Ｏリングであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記シール部材は、シール面から突出する凸状形状を有するシール部材であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. 前記シール部材は、粘性の高いシリコーン樹脂やフッ素樹脂の液状シール剤を硬化させることにより形成されることを特徴とする請求項３記載の圧力センサ。
5. 前記シール部材は、フッ素樹脂やフロロシリコーン系樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１または３記載の圧力センサ。
6. 前記溝の内部における前記シール部材の外周側にバックアップリングを配設したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の圧力センサ。
7. 前記バックアップリングは、樹脂成型品であることを特徴とする請求項６記載の圧力センサ。
8. 前記バックアップリングは、硬化後の材料硬度が高い液状シール剤で形成されていることを特徴とする請求項６記載の圧力センサ。
   

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