JP3835317B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターミナルを有する樹脂ケースに圧力検出用のセンサ素子を搭載してなる圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の圧力センサの一般的な構成を図６に示す。図６では、従来品としての圧力センサの要部の断面構成を示している。樹脂ケース１０の一端側には凹部１１が形成されており、凹部１１の底面１１ａにはセンサ素子２０が接着等により搭載されている。
【０００３】
樹脂ケース１０には、一端側が凹部１１の底面１１ａから突出するように樹脂ケース１１を貫通するターミナル１２がインサート成形等により設けられている。なお、ターミナル１２の他端側は、図示しないが、樹脂ケース１０の他端側に突出しており、外部と電気的に接続されるようになっている。
【０００４】
この凹部１１内に突出するターミナル１２の一端とセンサ素子２０とは、例えばボンディングワイヤ１３により結線され電気的に接続されている。また、凹部１１内にはシリコーン樹脂等からなるシール剤１４が設けられており、このシール剤１４によって、凹部１１に突出するターミナル１２の根元部と樹脂ケース１０との隙間が封止されている。
【０００５】
このような圧力センサにおいては、図６中の白抜き矢印に示すように、凹部１１の開口部側からセンサ素子２０の表面２０ａに圧力が印加され、センサ素子２０からは受圧した圧力に基づく信号が発生し、この信号は、ボンディングワイヤ１３からターミナル１２を介して外部に出力されるようになっている。
【０００６】
そして、このような圧力センサにおいては、圧力検出範囲の異なるものを製造しようとする場合、同一構成である共通のセンサ素子に対してトリミング等を行って感度調整を行うことにより、圧力検出範囲の異なる複数個の圧力センサを提供してきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、圧力センサにおける圧力検出範囲の高圧化が要望されている。そのような場合、ターミナル１２の根元部と樹脂ケース１０との隙間の封止度合を向上させる必要があり、そのためには、シール剤１４と樹脂ケース１０（つまり凹部１１の内面）との接合面積を大きくする必要がある。
【０００８】
この接合面積を大きくするために、従来では、シール剤１４の注入量を増やし、シール剤１４の厚さを厚くするようにしている。しかし、シール剤１４を厚くした分、シール剤１４がセンサ素子２０の表面２０ａに付着しやすくなる。そして、センサ素子２０の表面２０ａにシール剤１４が付着すると、センサ素子２０の機能が阻害され不良品が発生するという問題がある。
【０００９】
また、この問題に対して、専用のセンサ素子２０、例えばシール剤１４が表面２０ａに付着しないように厚さを厚くする等の構成を採用したセンサ素子２０を用いることも考えられるが、この場合、専用であるが故に安価な構成とすることは困難である。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、センサ素子について専用の設計を行うことなく、シール剤の接合面積を大きくできる圧力センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一端側に凹部（１１）を有する樹脂ケース（１０）と、凹部の底面（１１ａ）に台座（２１）を介して搭載された圧力検出用のセンサ素子（２０）と、一端側が凹部の底面から突出するように樹脂ケースを貫通しセンサ素子と電気的に接続されたターミナル（１２）とを備え、凹部内に注入されたシール剤（１４）によって、凹部に突出するターミナルの根元部と樹脂ケースとの隙間が封止されるとともに、前記台座の側面が被覆されており、凹部の底面のうちターミナルの根元部の周囲が、センサ素子の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部（１１ｂ）となっていることを特徴とする。
【００１２】
それによれば、シール剤が配設される凹部の底面のうちターミナルの根元部の周囲が、センサ素子の搭載面よりも深く掘り下げられているため、この掘り下げ部内にもシール剤が充填される。そのため、センサ素子周囲のシール剤の厚さを厚くすることなく、ターミナルの根元部周囲におけるシール剤とケースとの接合面積を大きくすることができる。
【００１３】
よって、センサ素子自体の厚さを変更することが不要となるため、センサ素子について専用の設計を行うことなく、シール剤の接合面積を大きくできる圧力センサを提供することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明では、掘り下げ部（１１ｂ）の開口縁部における角部（１１ｃ）がＲ形状となっていることを特徴とする。
【００１５】
それによれば、掘り下げ部の角部近傍において、シール剤の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となることから、好ましい。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明では、掘り下げ部（１１ｂ）の内面は、掘り下げ部の開口縁部側から底部側に向かって先すぼまりとなったテーパ形状となっていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成を採用することによっても、掘り下げ部の角部近傍において、シール剤の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となり、好ましい。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る圧力センサＳ１の全体概略を示す断面図であり、図２は図１中の凹部１１近傍の拡大図である。限定するものではないが、この圧力センサＳ１は例えば自動車に搭載され自動車の燃料噴射系の燃料圧を検出するものに適用することができる。
【００２０】
樹脂ケース１０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂を型成形することにより作られ、本例では略円柱状をなしている。この樹脂ケース１０の一端部（図１中、上方側の端部）には凹部１１が形成されている。
【００２１】
この凹部１１の底面１１ａには、圧力検出用のセンサ素子２０が配設されている。本例のセンサ素子２０は、その表面２０ａに受圧面としてのダイヤフラム（図示せず）を有し、受けた圧力を電気信号に変換しこの電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイヤフラム式のものである。
【００２２】
そして、センサ素子２０は、ガラス等よりなる台座２１に陽極接合等により一体化されており、この台座２１を凹部１１の底面１１ａに接着することで、センサ素子２０は樹脂ケース１０に搭載されている。
【００２３】
また、樹脂ケース１０には、センサ素子２０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１２が貫通している。本例では、ターミナル１２は黄銅（真鍮）にメッキ処理（例えばＮｉメッキ）を施した材料よりなり、インサートモールドにより樹脂ケース１０と一体に成形されることにより樹脂ケース１０内にて保持されている。
【００２４】
各ターミナル１２の一端側（図１中、上方端側）の端部は、センサ素子２０の搭載領域の周囲において凹部１１の底面１１ａから突出して配置されている。一方、各ターミナル１２の他端側（図１中、下方端側）の端部は、樹脂ケース１０の他端側の開口部１５内に露出している。
【００２５】
この凹部１１内に突出する各ターミナル１２の一端部とセンサ素子２０とは、金やアルミニウム等のボンディングワイヤ１３により結線され電気的に接続されている。
【００２６】
また、凹部１１内にはシリコン系樹脂等からなるシール剤１４が設けられており、このシール剤１４によって、凹部１１に突出するターミナル１２の根元部と樹脂ケース１０との隙間が封止されている。
【００２７】
ここにおいて、本実施形態では、凹部１１の底面１１ａのうちターミナル１２の根元部の周囲を、当該底面１１ａにおけるセンサ素子２０の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部１１ｂとした独自の構成を採用している。この掘り下げ部１１ｂは例えば丸穴形状とでき、その深さｄ（図２参照）は限定しないが例えば０．２ｍｍ〜１．２ｍｍ程度にすることができる。
【００２８】
そして、シール剤１４は、この掘り下げ部１１ｂ内にも充填されている。こうして、シール剤１４は、凹部１１に突出するターミナル１２の根元部と樹脂ケース１０との隙間を封止するとともに、センサ素子２０の表面２０ａに付着しないように台座２１の側面を被覆している。
【００２９】
また、一方、図１において、樹脂ケース１０の他端部（図１中、下方側の端部）側は開口部１５となっており、この開口部１５は、ターミナル１２の他端側を例えばワイヤハーネス等の外部配線部材（図示せず）を介して上記外部回路（車両のＥＣＵ等）に電気的に接続するためのコネクタ部となっている。
【００３０】
つまり、開口部１５内に露出する各ターミナル１２の他端側は、このコネクタ部によって外部と電気的に接続可能となっている。こうして、センサ素子２０と外部との間の信号の伝達は、ボンディングワイヤ１３及びターミナル１２を介して行われるようになっている。
【００３１】
次に、図１に示すように、樹脂ケース１０の一端部にはハウジング３０が組み付けられている。このハウジング３０は、例えばステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料よりなる本体部３１を備える。この本体部３１は、自動車の燃料配管等から燃料圧が導入される圧力導入孔３２と、圧力センサＳ１を燃料配管等に固定するためのネジ部３３とを有する。
【００３２】
更に、ハウジング３０は、薄い金属（例えばＳＵＳ等）製のメタルダイヤフラム３４と金属（例えばＳＵＳ等）製の押さえ部材（リングウェルド）３５とが本体部３１に全周溶接され、圧力導入孔３２の一端に気密接合されたものとなっている。
【００３３】
このハウジング３０は、図１に示す様に、本体部３１の端部３６を樹脂ケース１０の一端部にかしめることにより樹脂ケース１０と固定され一体化されている。こうして組み合わせられた樹脂ケース１０とハウジング３０において、樹脂ケース１０の凹部１１とハウジング３０のメタルダイヤフラム３４との間で、圧力検出室４０が構成されている。
【００３４】
この圧力検出室４０には圧力伝達媒体であり封入液であるオイル（フッ素オイル等）４１が充填され封入されている。このオイル４１の封入により、凹部１１にはセンサ素子２０及びワイヤ１３等の電気接続部分を覆うようにオイル４１が充填され、更に、オイル４１はメタルダイヤフラム３４により覆われて封止された形となる。
【００３５】
このような圧力検出室４０を構成することにより、圧力導入孔３２から導入された圧力は、メタルダイヤフラム３４、オイル４１を介して、圧力検出室４０内のセンサ素子２０、ボンディングワイヤ１３、ターミナル１２に印加されることになる。
【００３６】
また、圧力検出室４０の外周囲には、環状の溝（Ｏリング溝）４２が形成され、この溝４２内には、圧力検出室４０を気密封止するためのＯリング４３が配設されている。このＯリング４３は例えばシリコンゴム等の弾性材料よりなり、樹脂ケース１０とハウジング３０の押さえ部材３５とにより挟まれて押圧されている。こうして、メタルダイヤフラム３４とＯリング４３とにより圧力検出室４０が封止され閉塞されている。
【００３７】
なお、本例では、上記溝４２内には、Ｏリング４３の外周にバックアップリング４４が設けられている。このバックアップリング４４は、例えば４フッ化エチレン樹脂等の樹脂材料よりなり、Ｏリング４３が広がったときにＯリング４３がケース１０と押さえ部材３５との隙間に入り込んで損傷するのを防止する等の役割を担うものである。
【００３８】
次に、上記圧力センサＳ１の製造方法について述べる。ターミナル１２がインサート成形された樹脂ケース１０を用意する。シリコン系樹脂等よりなる接着剤を用いて、樹脂ケース１０の凹部１１内へセンサ素子２０を台座２１を介し接着固定する。
【００３９】
そして、凹部１１内へシール剤１４を注入し、シール剤１４を、凹部１１の底面１１ａおよび掘り下げ部１１ｂ内へ行き渡らせる。ここで、シール剤１４がセンサ素子２０の表面２０ａに付着しないようにする。例えば、シール剤１４を注入した時点で、図２に示すようなシール剤１４の上面からセンサ素子２０の表面２０ａまでの高さｈが１ｍｍ程度となるようにする。
【００４０】
続いて、注入したシール剤１４を硬化させる。そして、ワイヤボンディングを行って、各ターミナル１２の一端部とセンサ素子２０とをボンディングワイヤ１３で結線する。
【００４１】
そして、センサ素子２０側を上にして樹脂ケース１０を配置し、樹脂ケース１０の上方から、ディスペンサ等によりフッ素オイル等よりなるオイル４１を、凹部１１へ一定量注入する。
【００４２】
続いて、メタルダイヤフラム３４及び押さえ部材３５が全周溶接され、圧力導入孔３２の一端に気密接合されたハウジング３０を用意し、このハウジング３０を上から水平を保ったまま、樹脂ケース１０に嵌合するように降ろす。この状態のものを真空室に入れて真空引きを行い圧力検出室４０内の余分な空気を除去する。
【００４３】
その後、樹脂ケース１０とハウジング３０の押さえ部材３５とが十分接するまで押さえ、メタルダイヤフラム３４とＯリング４３によりシールされた圧力検出室４０を形成する。次に、ハウジング３０における本体部３１の端部３６を樹脂ケース１０の一端側にかしめることにより、ハウジング３０と樹脂ケース１０とを一体化する。こうして、樹脂ケース１０とハウジング３０との組合せ固定がなされ、上記図１に示す圧力センサＳ１が完成する。
【００４４】
かかる圧力センサＳ１の基本的な圧力検出動作について述べる。圧力センサＳ１は、例えば、ハウジング３０のネジ部３３を介して、車両における燃料配管系の適所に取り付けられる。そして、該燃料配管内の燃料圧がハウジング３０の圧力導入孔３２より圧力センサＳ１内に導入される。
【００４５】
すると、導入された燃料圧がメタルダイヤフラム３４から圧力検出室４０内のオイル４１を介して、センサ素子２０の表面すなわち受圧面に印加される。そして、印加された圧力に応じた電気信号がセンサ信号として、センサ素子２０から出力される。このセンサ信号は、センサ素子２０からワイヤ１３、ターミナル１２を介して、上記外部回路へ伝達され、燃料配管の燃料圧が検出される。
【００４６】
ところで、本実施形態によれば、シール剤１４が配設される凹部１１の底面１１ａのうちターミナル１２の根元部の周囲が、センサ素子２０の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部１１ｂとなっているため、この掘り下げ部１１ｂ内にもシール剤１４が充填されている。
【００４７】
そのため、このような掘り下げ部を持たない従来のものに比べて、センサ素子２０周囲のシール剤１４の厚さを厚くすることをしなくても、シール剤１４が掘り下げ部１１ｂの内面と接合する分だけ、ターミナル１２の根元部周囲におけるシール剤１４と樹脂ケース１０との接合面積を大きくすることができる。
【００４８】
よって、センサ素子２０自体の厚さを変更することが不要となるため、センサ素子２０について専用の設計を行うことなく、シール剤１４の接合面積を大きくできる圧力センサＳ１を提供することができる。
【００４９】
ここで、図３は、掘り下げ部１１ｂの深さｄすなわち掘り下げ深さｄ（図２参照）と耐圧との関係を解析した結果を示す図である。耐圧については、ハウジング３０の圧力導入孔３２から導入される圧力を増加していったときに、当該圧力が、凹部１１内に位置するターミナル１２の一端側と樹脂ケース１０との隙間から、ターミナル１２と樹脂ケース１０との隙間を通ってターミナル１２の他端側に漏れるときの圧力、すなわちシール漏れ発生圧力（単位：ＭＰａ）を指標とした。
【００５０】
また、図３では、凹部１１の底面１１ａからセンサ素子２０の表面２０ａまでの高さが２ｍｍであり、上記高さｈ（図２参照）が１μｍとなるように、シール剤１４の凹部１１の底面１１ａからの高さは１ｍｍとした。この図３からわかるように、掘り下げ深さｄを大きくして行くに連れ、つまり、シール剤１４の接合面積を大きくしていくに連れ、耐圧が向上していくことがわかる。
【００５１】
また、上記図２に示すように、凹部１１の底面１１ａに掘り下げ部１１ｂを形成した場合、掘り下げ部１１ｂの開口縁部における角部１１ｃ近傍において、シール剤１４に応力が集中しやすくなる。そのため、高耐圧化の障害となる可能性がある。
【００５２】
そこで、本実施形態の変形例として図４に示すように、掘り下げ部１１ｂの開口縁部における角部１１ｃをＲ形状とすることが好ましい。それによれば、掘り下げ部１１ｂの角部１１ｃ近傍において、シール剤１４の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となる。
【００５３】
また、もうひとつの変形例として図５に示すように、掘り下げ部１１ｂの内面を、掘り下げ部１１ｂの開口縁部側から底部側に向かって先すぼまりとなったテーパ形状としても良い。このような構成を採用することによっても、掘り下げ部１１ｂの角部１１ｃ近傍において、シール剤１４の応力集中を緩和することができるため、さらなる高耐圧化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサの全体概略断面図である。
【図２】図１中の凹部１１近傍の拡大図である。
【図３】掘り下げ部の深さと耐圧との関係を示す図である。
【図４】上記実施形態の変形例を示す図である。
【図５】上記実施形態のもうひとつの変形例を示す図である。
【図６】従来の圧力センサの一般的な断面構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…樹脂ケース、１１…凹部、１１ａ…凹部の底面、
１１ｂ…掘り下げ部、１１ｃ…掘り下げ部の開口縁部における角部、
１２…ターミナル、１４…シール剤、２０…センサ素子。

Claims (3)

1. 一端側に凹部（１１）を有する樹脂ケース（１０）と、
   前記凹部の底面（１１ａ）に台座（２１）を介して搭載された圧力検出用のセンサ素子（２０）と、
   一端側が前記凹部の底面から突出するように前記樹脂ケースを貫通し、前記センサ素子と電気的に接続されたターミナル（１２）とを備え、
   前記凹部内に注入されたシール剤（１４）によって、前記凹部に突出する前記ターミナルの根元部と前記樹脂ケースとの隙間が封止されるとともに、前記台座の側面が被覆されており、
   前記凹部の底面のうち前記ターミナルの根元部の周囲が、前記センサ素子の搭載面よりも深く掘り下げられた掘り下げ部（１１ｂ）となっていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記掘り下げ部（１１ｂ）の開口縁部における角部（１１ｃ）がＲ形状となっ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. 前記掘り下げ部（１１ｂ）の内面は、前記掘り下げ部の開口縁部側から底部側に向かって先すぼまりとなったテーパ形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。

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