JP2020008468A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】組み付け時や使用時に部品に過度な応力が加わることを抑制できる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサは、雄コネクタ190と、セラミック製のベース110と、上部フランジ部142と、ベース110と接合された中空円筒部141とを備えた金属製のリング部材140と、リング部材の下部フランジ部143と溶接により接合されるフランジ部121を備えた金属製の受け部材120と、リング部材の下部フランジ部143と受け部材のフランジ部121との間に挟まれたダイアフラム130と、受け部材と雄コネクタ190とを連結する、カシメ部CKを備えたカシメ部材180と、ベースとダイアフラムとの間に形成された受圧空間S1側において、ベースに取り付けられた圧力検出装置150と、を有し、接合された下部フランジ部143とフランジ部121とは、リング部材の軸線方向において、カシメ部材と雄コネクタ190との間に挟持される。【選択図】図3
Description
本発明は、圧力センサに関する。
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するおそれがある。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)。
この特許文献1に開示されている圧力センサにおいては、通常、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されている。そのため、上記周溶接を行う際の熱履歴によりベースに歪みが生じる懸念があった。
これに対し、特許文献2においては、ベースをセラミックス製として、ステンレス製の受け部材とをロウ付けすることで、ベースの歪みを解消する技術が開示されている。
ここで、特許文献2に開示された技術によれば、セラミックス製のベースを用いることで、溶接に起因した歪みを解消することができる。しかしながら、一般的にセラミックスは脆性材料であるから、組み付け時や使用時に生じる機械的応力の影響を極力排除したいという要請がある。
そこで、本発明の目的は、組み付け時や使用時に部品に過度な応力が加わることを抑制できる圧力センサ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、
電気信号を外部に向けて出力するためのコネクタ部材と、
セラミック製のベースと、
前記ベースに接合された筒状部および、前記ベースの径方向外側に延在した第1フランジ部を備えたリング部材と、
前記第1フランジ部に溶接により接合された第2フランジ部を備えた受け部材と、
前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
前記受け部材と前記コネクタ部材とを連結する、カシメ部を備えたカシメ部材と、
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、
接合された前記第1フランジ部および前記第2フランジ部は、前記カシメ部材と前記コネクタ部材との間に挟持されている、ことを特徴とする。
電気信号を外部に向けて出力するためのコネクタ部材と、
セラミック製のベースと、
前記ベースに接合された筒状部および、前記ベースの径方向外側に延在した第1フランジ部を備えたリング部材と、
前記第1フランジ部に溶接により接合された第2フランジ部を備えた受け部材と、
前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
前記受け部材と前記コネクタ部材とを連結する、カシメ部を備えたカシメ部材と、
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、
接合された前記第1フランジ部および前記第2フランジ部は、前記カシメ部材と前記コネクタ部材との間に挟持されている、ことを特徴とする。
本発明によれば、組み付け時や使用時に部品に過度な応力が加わることを抑制できる圧力センサを提供することができる。
図1は、本発明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、円盤状であって、例えば、アルミナやアルミナジルコニア等のセラミックス材料から形成されている。
ベース110の下面とダイアフラム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、ベース110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、フランジ部(第2フランジ部)121と、フランジ部121の内縁から下方に延在するテーパー部122と、テーパー部122の下端から下方に延在する円管部123と、を有する。円管部123の外周には、雄ねじ部124が形成されている。
フランジ部121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り、中空円筒部(筒部)141と、中空円筒部141の上端から径方向内側に延在する上部フランジ部142と、中空円筒部141の下端から径方向外側に延在する下部フランジ部(第1フランジ部)143と、を有する。
カシメ部材180は、アルミニウム等の金属材料からなる管状部材であり、中空の大円筒部181と、大円筒部181の下端に接合する中円筒部182と、中円筒部182の下端に接合する小円柱部183と、を有する。大円筒部181の上端は、薄肉部(カシメ部)184となっている。
大円筒部181と中円筒部182の接合部内側に、軸線Xに直交する面を持つ段部185が全周にわたって形成されている。また、中円筒部182の内周には、雌ねじ部186が形成されている。段部185と雌ねじ部186との間における、カシメ部材180の内周には、O−リングORの受けとなる環状段部187が全周にわたって形成されている。さらに、小円柱部183の内部には、軸線に沿った貫通穴188が形成されている。
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。
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濡れ性を高めることができる。
続いて、リング部材140の上部フランジ部142と中空円筒部141とを、ベース110の上面及び外周面に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濡れ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、所定の圧力と出力との相関を取得して補正係数(補正関数)を設定する。
更に、受け部材120のフランジ部121とリング部材140の下部フランジ部143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(溶接部Wを形成)して一体化する。これにより、ベース110と受け部材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S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。
溶接部W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の軸線に直交する方向に偏位しており、圧力検出ユニット100の軸線方向から見て、ロウ付け部Bは溶接部Wと重ならない配置とされている。すなわち、溶接部Wをロウ付け部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に及ぶことを抑制できる。
次に、カシメ部材180の環状段部187に、O−リングORを配置して、受圧構造体Sの受け部材120の雄ねじ部124を、雌ねじ部186に螺合させる。カシメ部材180に対して受圧構造体Sを相対回転させながら、雄ねじ部124を雌ねじ部186にねじ込んでゆくと、受け部材120がカシメ部材180に接近し、これによりO−リングORが環状段部187とテーパー部122との間で、受け部材120の軸線方向に圧縮され、受け部材120とカシメ部材180との間をシールする。なお、フランジ部121が段部185に当接密着した時点で、雄ねじ部124のねじ込みを停止するとO−リングORのつぶし代が適正になるように、各部材の寸法を設定してもよい。
<圧力センサ>
図3は、圧力センサ1の縦断面図である。図4は、本実施形態による圧力検出ユニット100と、雄コネクタ190とを分離した状態で示す断面図である。
図3は、圧力センサ1の縦断面図である。図4は、本実施形態による圧力検出ユニット100と、雄コネクタ190とを分離した状態で示す断面図である。
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(162,164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に取り付けられるターミナルピン22と、ターミナルピン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、ターミナルピン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(162,164のみ図示)と電気的に接続されている。
カシメ部材180の小円柱部183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の各配線を、はんだ付け等で電気的に接続する。
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の各配線を、はんだ付け等で電気的に接続する。
続いて、カシメ部材180を不図示の治具にセットして、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の下端193を、リング部材140の下部フランジ部143の上面に突き当てる。その後、薄肉部184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。カシメによって、コネクタ部材190がカシメ部材180に固定されるとともに、コネクタ部材190の下端部とカシメ部材180の段部185との間に、第1,第2フランジ部が挟持される。
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。
また、カシメ部材180の上端をカシメる際に、雄コネクタ190から圧力検出ユニット100に軸線方向の押圧力が付与される。本実施形態によれば、かかる付勢力は雄コネクタ190の下部中空筒部191、リング部材140の下部フランジ部143、受け部材120のフランジ部121を介して、カシメ部材180の段部185へと伝達される。一方、ベース110は、リング部材140の上部フランジ部142と中空円筒部141とにロウ付けされているので、カシメ時に生じた力は、ベース110に殆ど伝達されることがない。これにより、組立て時にベース110に過大な応力が付与されることが抑制され、不測の部品損傷などを回避できる。また、フランジ部121が段部185に当接密着しているので、カシメ時の荷重による受け部材120の変形を防ぐことができ、また、O−リングORの過度な変形を回避できる。
図3に示す圧力センサ1において、カシメ部材180の小円柱部183内の貫通穴188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。この時、カシメ部材180と受け部材120との間に、O−リングORが配置されているので、カシメ部材180と受け部材120との間で流体漏れが生ずることを回避できる。
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、上記電気信号はターミナルピン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。
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 ターミナルピン
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
20 フレキシブルプリント基板
22 ターミナルピン
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
Claims (4)
- 電気信号を外部に向けて出力するためのコネクタ部材と、
セラミック製のベースと、
前記ベースに接合された筒状部および、前記ベースの径方向外側に延在した第1フランジ部を備えたリング部材と、
前記第1フランジ部に溶接により接合された第2フランジ部を備えた受け部材と、
前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との間に挟まれたダイアフラムと、
前記受け部材と前記コネクタ部材とを連結する、カシメ部を備えたカシメ部材と、
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、
接合された前記第1フランジ部および前記第2フランジ部は、前記カシメ部材と前記コネクタ部材との間に挟持されている、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 前記カシメ部材は、前記挟持される方向に直交し、前記第2フランジ部と当接する段部を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記受け部材が前記カシメ部材に螺合されている、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧力センサ。 - 前記ベースと前記リング部材の筒状部とは、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1〜3のいずれか1項に記載の圧力センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018131030A JP2020008468A (ja) | 2018-07-10 | 2018-07-10 | 圧力センサ |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2018131030A Pending JP2020008468A (ja) | 2018-07-10 | 2018-07-10 | 圧力センサ |
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2018
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