JP2020008394A - 圧力センサ及び圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を増大させることなく、水等の液体が浸入することを抑制できる圧力センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】圧力センサは、雄コネクタ１９０と、雄コネクタ１９０に当接するベース１１０と、ベース１１０と接合されたリング部材１４０と、リング部材１４０と溶接により接合されるフランジ部１２３を備えた受け部材１２０と、ダイアフラム１３０と、雄コネクタ１９０とベース１１０とを連結するカシメ部材１８０と、ベース１１０とダイアフラム１３０との間に形成された受圧空間Ｓ１側において、ベース１１０に取り付けられた圧力検出装置１５０と、を有し、カシメ部材１８０は、受け部材１２０の軸方向から加熱媒体を付与されて受け部材１２０のフランジ部１２３に全周で溶接され、雄コネクタ１９０にカシメられて連結されている。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサ及び圧力センサの製造方法に関する。

ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧室内に半導体型圧力検出装置を収容した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、また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。

半導体型圧力検出装置は、上記受圧室内に配置され、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。

このような圧力センサは、設置される環境や装置の使用状況によっては、外部からセンサ内部に水等の液体が浸入してしまい、半導体型圧力検出装置に不具合を生じることがある。そこで、半導体型圧力検出装置が収容されているベースにカバーを取り付けて、当該カバー内部に接着剤を封入して水密性を高めた圧力センサが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１７−１４６１３６号公報

ところで、従来技術の圧力センサにおいては、カバー内部に接着剤を封入することで高い水密性を得ることができるが、それに伴い製造コストが増大する。一方、圧力センサの仕様によっては、高い水密性を必要としないこともある。

ここで、特許文献１においては、Ｏ−リングなどの封止部材をカシメ部材と内部部品との間に配置した構成も開示されており、かかる構成を流用して圧力センサの軽便な水密性を確保しようとすることもできる。しかしながら、Ｏ−リングなどの封止部材を設けると、圧力センサの部品点数の増大を招くという問題がある。

そこで、本発明の目的は、部品点数を増大させることなく、水等の液体が浸入することを抑制できる圧力センサ及び圧力センサの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による圧力センサは、
コネクタ部材と、
前記コネクタ部材に当接するベースと、
前記ベースと接合されたリング部材と、
前記リング部材と溶接により接合されたフランジ部を備えた受け部材と、
前記リング部材と前記受け部材のフランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
前記ベースを収容する円筒部および前記円筒部の一端側に設けられた環状連結部を有し、前記コネクタ部材と前記ベースとを連結するカシメ部材と、
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圧力検出装置と、を有し、
前記環状連結部と前記フランジ部の当接部分が溶接により接合され、
前記カシメ部材は、前記円筒部の他端側がカシメられて前記コネクタ部材に連結されている、ことを特徴とする。

さらに、本発明による圧力センサの製造方法は、
コネクタ部材と、
前記コネクタ部材に当接するベースと、
前記ベースと接合されたリング部材と、
前記リング部材と溶接により接合されるフランジ部を備えた受け部材と、
前記リング部材と前記受け部材のフランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
前記ベースを収容する筒状部および前記円筒部の一端側に設けられた環状連結部を有し、前記コネクタ部材と前記ベースとをカシメにより連結するカシメ部材と、
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圧力検出装置と、を有する圧力センサの製造方法であって、
前記カシメ部材の前記環状連結部は、前記受け部材の軸方向から加熱媒体を付与されて全周に沿って前記受け部材のフランジ部に溶接される、ことを特徴とする。

本発明によれば、部品点数を増大させることなく、水等の液体が浸入することを抑制できる圧力センサ及び圧力センサの製造方法を提供することができる。

図１は、第１の実施形態による圧力検出ユニットの上面図である。 図２は、図１の構成におけるＡ−Ａ線における断面を側面視した図である。 図３は、第１の実施形態による圧力検出ユニット１００を取り付けた圧力センサの縦断面図である。 図４は、本実施形態による圧力センサの組立工程を示す図である。 図５は、第２の実施形態による圧力検出ユニットを用いた圧力センサの断面図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる圧力検出ユニットの上面図を示し、図２は、図１の構成においてＡ−Ａ線における断面を側面視したものを示している。
図１、２に示すように、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と、リング部材１４０と、カシメ部材１８０とを含む。

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２で下面中央部が凹むような形状とされている。

ベース１１０を構成するセラミックス材料としては、例えば、アルミナやアルミナジルコニア等を用いることができる。

ベース１１０の内側部１１４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が充填される。また、突出部１１２の内側における本体１１１の受圧空間Ｓ１側の中央部には、後述する半導体型圧力検出装置１５０が取り付けられている。

図１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、１６４が挿入される３つの貫通穴１１６が形成されている。

３本の端子ピン１６０、１６２、１６４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を貫通するとともに、その下端が上記半導体型圧力検出装置１５０と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、中央部が凹むように成形された円形底部１２１と、円形底部１２１の外縁から上方に延在する円錐部１２２と、円錐部１２２の外縁から水平に延在するフランジ部１２３と、円形底部１２１の下面中央に接続した円管部１２４とを有する。円管部１２４は外部と接続するためのものであり、円形底部１２１の中央には開口部１２５が形成され、円管部１２４の内部と連通している。

フランジ部１２３の上面には、後述するようにして、ダイアフラム１３０が接合されている。このような構造により、受け部材１２０とダイアフラム１３０との間には、検出対象である流体が流入する加圧空間Ｓ２が形成される。

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る。また、リング部材１４０は、ステンレス鋼等の金属材料からなる環状に形成された部材である。

カシメ部材１８０は、ステンレス鋼等の金属材料からなる管状部材であり、ベース１１０を収容する中空の円筒部１８１と、円筒部１８１の下端に連続して設けられた環状連結部１８２とを有する。円筒部１８１の上端は、薄肉部１８３となっている。

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。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とからなる。

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、以下に説明する。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。

具体的には、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の金属との間にロウ付け部を形成する。

このとき、ロウ付け作業を行う前に、ベース１１０の上記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整合性を高めることができる。

上記のロウ付けと同時に、リング部材１４０の上面１４１に、ベース１１０の突出部１１２をロウ付けによって接合する。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部Ｂを形成する。

このとき、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整合性を高めることができる。

続いて、ベース１１０の中央部に、半導体型圧力検出装置１５０をダイボンディングする。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。

更に、ベース１１０内に露出した半導体型圧力検出装置１５０の圧力検出素子１５４における上述した８つのパッドに、それぞれ通電用のプローブを接触させ、圧力検出素子１５４の温度補正作業（トリミング作業）を行う。

ここでは、基準となる温度（例えば室温）下で圧力検出素子１５４に荷重（圧力）を負荷した状態で、信号出力用パッドあるいは調整用パッドから出力される出力値を読み取り、所定の圧力と出力値との相関を取得して補正係数（又は補正関数）を設定する。

更に、受け部材１２０のフランジ部１２３とリング部材１４０との間にダイアフラム１３０を挟み込み、ベース１１０とダイアフラム１３０との間に形成される受圧空間Ｓ１に液状媒質を充填した状態で、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を照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接（第１の溶接部Ｗ１）して一体化する。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とが一体化されて受圧構造体を構成する。

尚、周溶接の手法として、加熱媒体としてのレーザー光や電子ビームを照射するレーザー溶接に限られず、加熱媒体としてアークを用いる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。

第１の溶接部Ｗ１は、リング部材１４０とベース１１０の突出部１１２とのロウ付け部Ｂに対して圧力検出ユニット１００の軸線Ｏに直交する方向に偏位しており、すなわちロウ付け部Ｂから遠ざけることで、溶接時の熱の影響がロウ付け部Ｂに及ぶことを極力抑制できる。

次いで、カシメ部材１８０を下方から相対的に接近させ、環状連結部１８２の上面を受け部材１２０のフランジ部１２３の下面に突き当てる。かかる状態を維持しつつ、受け部材１２０のフランジ部とカシメ部材１８０の環状連結部との径方向に当接した面（重ね合わせ部）を、軸方向に沿って（図２で上下方向に）レーザー光を照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接（第２の溶接部Ｗ２）して一体化する。ただし、円筒部１８１とベース１１０との間には、径方向に筒状の隙間が存在する。

同様に、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。

本実施の形態によれば、第２の溶接部Ｗ２により、環状連結部１８２の上面と受け部材１２０のフランジ部１２３の下面とが全周で接合されているので、Ｏ−リング等の封止部材を設けることなく、カシメ部材１８０の下端側から内部への水等の侵入を抑制できる。

また、本実施の形態によれば、第２の溶接部Ｗ２により、環状連結部１８２の上面と受け部材１２０のフランジ部１２３の下面と（すなわち互いの当接部分）が接合されており、すなわちリング部材１４０とベース１１０の突出部１１２とのロウ付け部Ｂに対して、少なくともリング部材１４０を隔てているので、ロウ付け部Ｂから遠ざかることとなり、溶接時の熱の影響がロウ付け部Ｂに及ぶことを極力抑制できる。また、第１の溶接部Ｗ１には径方向にレーザー光が照射され、第２の溶接部Ｗ２には軸方向にレーザー光が照射されるので、径方向の小型化を図りつつ、溶接同士の干渉を回避でき、より適切な溶接を行うことができる。

＜圧力センサ＞
図３は、第１の実施形態による圧力検出ユニット１００を取り付けた圧力センサの縦断面図である。

図３に示すように、圧力センサ１は、図１、２で例示した本実施形態による圧力検出ユニット１００と、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のみ図示）の一端が取り付けられるフレキシブルプリント基板２０と、フレキシブルプリント基板２０に取り付けられるコネクタピン２２と、コネクタピン２２をインサート成形してなる樹脂製の雄コネクタ（コネクタ部材）１９０と、を含む。不図示の雌コネクタを雄コネクタ１９０に嵌合させることで、圧力検出ユニット１００で検出した信号を、コネクタピン２２を介して外部に出力できるようになっている。

雄コネクタ１９０は、下部中空筒部１９１と、上部中空筒部１９２とを有し、下部中空筒部１９１の下面にフレキシブルプリント基板２０の一端が取り付けられている。フレキシブルプリント基板２０の他端は、圧力検出ユニット１００の３本の端子ピン（１６０，１６２のみ図示）と電気的に接続されている。

受け部材１２０の円管部１２４は、圧力検出対象の流体が流れる配管（不図示）に接続される。

＜圧力センサの組立工程＞
図４を参照して、圧力センサ１の組み立て工程を説明する。圧力センサ１を組み立てる際には、まず圧力検出ユニット１００のベース１１０から突出する３本の端子ピンの一端に、雄コネクタ１９０に取り付けられたフレキシブルプリント基板２０の各配線に、はんだ付け等で電気的に接続する。

続いて、雄コネクタ１９０を圧力検出ユニット１００に接近させ、下部中空筒部１９１の下面をベース１１０の上面に突き当てる。その後、カシメ部材１８０の円筒部上端側に設けられている薄肉部１８３を内方に全周（または等間隔に６か所）にわたってカシメる（塑性変形させる）ことで、カシメ部ＣＫ（図３）を形成する。カシメ部ＣＫが雄コネクタ１９０の下部中空筒部１９１の上端外周に当接することで、圧力検出ユニット１００から雄コネクタ１９０が分離することが防止される。

このように、圧力検出ユニット１００のカシメ部材１８０の上端（円筒部１８１の上端）をカシメるのみで、雄コネクタ１９０と結合できるため、製造設備が簡素化され、また工数低減を図れる。

図３に示す圧力センサ１において、受け部材１２０の円管部１２４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、信号出力用の端子ピン１６４を介して電気信号をフレキシブルプリント基板２０に出力する。

そして、上記電気信号はコネクタピン２２及び不図示の雌コネクタを介して、外部の機器に出力される。

これらの構成を備えることにより、本発明の一実施例による圧力検出ユニット１００及びこれを適用した圧力センサ１は、半導体型圧力検出装置１５０を取り付けるベース１１０を熱膨張係数の小さいセラミックス材料で形成したため、圧力検出ユニット１００の組立製造時や圧力センサ１の使用温度環境の変化等によりベース１１０が膨張あるいは収縮することを抑制できる。

また、ベース１１０を熱膨張係数の小さいセラミックス材料で形成したことにより、従来の金属材料でベースを形成したものに比べて、高温あるいは低温の厳しい使用環境に晒された場合であってもベース１１０の形状や寸法の変動が小さくなるため、半導体型圧力検出装置１５０の温度環境による検出精度の低下を抑制することができる。

そして、ベース１１０をセラミックス材料で形成したことにより、従来型の圧力検出ユニットでベースに端子ピンを埋め込む際に用いられたガラス製のハーメチックシールをロウ付け部で代替できるため、脆弱なハーメチックシール部が破損して受圧空間に封入した液状媒質がリークすることを防止できる。

さらに、本発明の一実施例による圧力検出ユニット１００及びこれを適用した圧力センサ１は、予め受け部材１２０とリング部材１４０との間にダイアフラム１３０を挟んで一体化した受圧構造体を形成し、当該受圧構造体のリング部材１４０にベース１１０を接合する構造としたため、薄板で比較的弱いダイアフラム１３０を受け部材１２０及びリング部材１４０で補強することができる。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態による圧力検出ユニットを用いた圧力センサ１の断面図である。第１の実施の形態に対して、異なる部分について説明する。

本実施の形態においては、受け部材とカシメ部材とが一体となっている。より具体的には、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に対向する受けカシメ部材２２０と、ベース１１０及び受けカシメ部材２２０の間に挟まれたダイアフラム１３０と、リング部材１４０とを含む。

受けカシメ部材２２０は、例えばステンレス鋼板等の金属材料から形成され、中央部が凹むように成形された円形底部２２１と、円形底部２２１の外縁から上方に延在する円錐部２２２と、円錐部２２２の外縁から水平に延在するフランジ部２２３と、円形底部２２１の下面中央に接続した円管部２２４と、フランジ部２２３の外周から円管部２２４とは逆側に軸方向に沿って延在する円筒部２２６とを有する。円筒部２２６の上端は薄肉部となっている。円形底部２２１の中央には開口部２２５が形成され、外部と接続するための円管部２２４の内部と連通している。その他の構成は、上述した実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

本実施の形態にかかる圧力検出ユニットの組立工程について、上述した実施の形態とは異なる工程のみ説明する。

上述した実施の形態と同様の工程を経た後、受けカシメ部材２２０のフランジ部２２３とリング部材１４０との間にダイアフラム１３０を挟み込み、ベース１１０とダイアフラム１３０との間に形成される受圧空間Ｓ１に液状媒質を充填した状態で、受けカシメ部材２２０のフランジ部２２３とリング部材１４０との重ね合わせ部を、軸方向下方又は斜め下方からレーザー光を照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接（Ｗ３）して一体化する。これにより、受けカシメ部材２２０とダイアフラム１３０とリング部材１４０とが一体化されて受圧構造体を構成する。

本実施の形態においても、リング部材１４０と受けカシメ部材２２０のフランジ部２２３とを接合する第３の溶接部Ｗ３が、リング部材１４０とベース１１０の突出部１１２とのロウ付け部Ｂに対して、径方向に偏位しているので、ロウ付け部Ｂから遠ざかることとなり、溶接時の熱の影響がロウ付け部Ｂに及ぶことを極力抑制できる。また、受け部材とカシメ部材とを一体化したので、圧力検出ユニット１００の部品点数が削減される。

本実施形態の圧力検出ユニット１００も、上述した実施の形態と同様の形状を有する雄コネクタ１９０に組み付けることができる。圧力センサ１の組立工程においては、上述した実施の形態と同様に、雄コネクタ１９０を圧力検出ユニット１００に接近させ、下部中空筒部１９１の下面をベース１１０の上面に突き当てる。その後、受けカシメ部材２２０の円筒部２２６の上端を内方に全周にわたってカシメる（塑性変形させる）ことで、カシメ部ＣＫを形成する。

なお、本発明は上記の各実施例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
２０ フレキシブルプリント基板
２２ コネクタピン
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
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
１８０ カシメ部材
１９０ 雄コネクタ
２２０ 受けカシメ部材

Claims (5)

1. コネクタ部材と、
   前記コネクタ部材に当接するベースと、
   前記ベースと接合されたリング部材と、
   前記リング部材と溶接により接合されたフランジ部を備えた受け部材と、
   前記リング部材と前記受け部材のフランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
   前記ベースを収容する円筒部および前記円筒部の一端側に設けられた環状連結部を有し、前記コネクタ部材と前記ベースとを連結するカシメ部材と、
   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圧力検出装置と、を有し、
   前記環状連結部と前記フランジ部の当接部分が溶接により接合され、
   前記カシメ部材は、前記円筒部の他端側がカシメられて前記コネクタ部材に連結されている、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ベースはセラミックス製であり、前記ベースと前記リング部材とは、ロウ付けにより接合されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記受け部材と前記カシメ部材は一体である、
   ことを特徴とする請求項1又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記フランジ部と前記リング部材とを接合した溶接部と、前記環状連結部と前記フランジ部とを接合した溶接部とは、連続している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. コネクタ部材と、
   前記コネクタ部材に当接するベースと、
   前記ベースと接合されたリング部材と、
   前記リング部材と溶接により接合されるフランジ部を備えた受け部材と、
   前記リング部材と前記受け部材のフランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
   前記ベースを収容する筒状部および前記円筒部の一端側に設けられた環状連結部を有し、前記コネクタ部材と前記ベースとをカシメにより連結するカシメ部材と、
   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圧力検出装置と、を有する圧力センサの製造方法であって、
   前記カシメ部材の前記環状連結部は、前記受け部材の軸方向から加熱媒体を付与されて全周に沿って前記受け部材のフランジ部に溶接される、
   ことを特徴とする圧力センサの製造方法。
   
   
   

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