JP4049109B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングの凹部内に圧力受圧用の受圧部を設置してなり、凹部の開口部から圧力媒体を導入し、この圧力媒体による圧力を受圧部に受圧させるようになっている圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、たとえば、受圧部としてのダイアフラムにより閉鎖された圧力検出室内にオイルなどの液体を封入し、圧力検出室内にセンシング部としての半導体圧力検出素子を配設してなる液封式の半導体圧力センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このものは、ハウジングに凹部を設けてこの凹部を圧力検出室として構成するとともに、ハウジングにダイアフラムを溶接などにより固定することで、圧力検出室をダイアフラムにより閉鎖している。ここで、ダイアフラムは、ステンレス製のリングウェルドなどを用いてハウジングに溶接などにより固定されている。

そして、ダイアフラムは、圧力検出室内に封入された液体と接するように設けられ、圧力検出素子は、圧力検出室内の液体の圧力を受ける位置に配設されている。それにより、被測定環境における圧力がダイアフラムに受圧され、液体を介して圧力検出素子に伝達されるようになっている。
特許第２６７１６０４号公報

しかしながら、上記したようなハウジングの凹部内に圧力検出用のセンシング部を設置した構成の圧力センサにおいては、当該凹部の開口部から圧力媒体が導入されるが、圧力媒体中に含まれる水分が受圧部に溜まりやすい。

そして、受圧部に溜まった水分が、低温になると氷結し、受圧部の機能に異常を引き起こす。たとえば、上記特許文献１に記載の圧力センサにおいては、受圧部としてのダイアフラム表面に氷結が発生すると、ダイアフラムの歪み特性に異常が生じるなどの機能異常を引き起こすことになる。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、ハウジングの凹部内に圧力受圧用の受圧部を設置し、凹部の開口部から圧力媒体を導入し、この圧力媒体による圧力を受圧部に受圧させるようにした圧力センサにおいて、凹部内の受圧部に水が溜まるのを極力防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、下部に凹部（１３、１５）を有するハウジング（１０）と、凹部（１３、１５）内に設置され圧力を受圧する受圧部（１４）とを備え、凹部（１３、１５）の開口部（１５）から圧力媒体が導入され、この圧力媒体による圧力を受圧部（１４）が受圧するようになっており、凹部（１３、１５）を有するハウジング（１０）の下部側を地方向に向け、ハウジング（１０）の上部側を天方向に向けて配置された状態で使用される圧力センサにおいて、凹部（１３、１５）の壁面のうち受圧部（１４）よりも凹部（１３、１５）の開口部（１５）側の部位には、凹部（１３、１５）内に溜まる水を凹部（１３、１５）から排出するための排水穴（１４ａ）が前記使用状態における天地方向に対して斜めに設けられていることを特徴としている。

それによれば、凹部（１３、１５）の壁面のうち受圧部（１４）よりも凹部（１３、１５）の開口部（１５）側の部位に、排水穴（１４ａ）を設け、凹部（１３、１５）内に溜まる水を排水穴（１４ａ）を介して凹部（１３、１５）から排出するようにしているため、ハウジング（１０）の凹部（１３、１５）内において受圧部（１４）に水が溜まるのを極力防止することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の圧力センサにおいては、凹部（１３、１５）の開口部は、ハウジング（１０）に取り付けられた環状部材（１５）により構成されており、環状部材（１５）とハウジング（１０）との間に受圧部としてのダイアフラム（１４）が挟持されており、排水穴（１４ａ）は、環状部材（１５）の内周面から外周面へと環状部材（１５）を貫通する穴であるものにできる。

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。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ１００の概略断面構成を示す図であり、図２は、図１中の丸で囲んだＡ部の拡大断面図である。

この圧力センサ１００は、たとえば自動車のエンジンのサージタンクや燃料電池システムにおけるセル部などの被測定体２００に取り付けられ、これら被測定体２００の圧力Ｐを検出するものである。

図１において、ハウジング１０は、圧力センサ１００の本体を構成するものである。このハウジング１０の外周部においては、被測定体２００への取り付けを行うための取付ネジ部１１が形成されており、この取付ネジ部１１の上部には、ハウジング１０のネジ締めを行うためのナット部１１ａが形成されている。

また、本実施形態では、ハウジング１０の外周部において取付ネジ部１１とナット部１１ａとの間の部位には、Ｏリング１２が設けられている。そして、圧力センサ１００は、被測定体２００に設けられたネジ穴に挿入され、取付ネジ部１１を介して被測定体２００にネジ結合される。また、Ｏリング１２によって被測定体２００との間がシールされている。

また、図１に示されるように、ハウジング１０の下部には、凹形状をなす圧力検出室１３が形成され、その圧力検出室１３は、受圧部としてのダイアフラム１４によって密閉されている。

このダイアフラム１４は、ステンレス製の薄い金属板から形成され、ダイアフラム１４の周縁部は、環状部材としてのリングウェルド１５とハウジング１０の下端との間に挟まれ、外周を溶接して固定されている。ここで、リングウェルド１５は、たとえばＳＵＳ３１６などのステンレス製の部材である。

このように、本実施形態では、ハウジング１０における圧力検出室１３とリングウェルド１５とにより、ハウジング１０における凹部１３、１５が構成されている。つまり、ハウジング１０における凹部１３、１５の深さは、圧力検出室１３の深さとリングウェルド１５の厚さとを足し合わせた深さである。

このような構成において、受圧部としてのダイアフラム１４は、このハウジング１０における凹部１３、１５内に設置された形となっている。

そして、本実施形態では、ハウジング１０の凹部１３、１５の開口部は、ハウジング１０に取り付けられた環状部材としてのリングウェルド１５により構成されており、リングウェルド１５とハウジング１０との間に受圧部としてのダイアフラム１４が挟持された形となっている。

ここで、図１および図２に示されるように、リングウェルド１５の内周面が、凹部１３、１５内から外方へ向かって広がったテーパ面となっている。

つまり、凹部１３、１５の開口部１５が凹部１３、１５内から外方へ向かって広がった形状となっている。リングウェルド１５におけるこのような内周面形状は、型加工やプレス加工、切削加工などにより容易に形成することが可能である。

さらに、圧力検出室１３内の中央に設けられた凹部に、圧力検出素子１６がガラス製の台座１７を介して固定されている。この圧力検出素子１６は、たとえば半導体からなるもので、ピエゾ抵抗素子をブリッジ接続して構成され、素子の圧力検出面に印加される圧力に応じた電気信号を出力するものである。

また、このダイアフラム１４により密閉された圧力検出室１３の内部には、シリコンオイルやフッ素系オイルなどからなる圧力伝達媒体としての液体１８が封入されている。そして、この液体１８とダイアフラム１４とは接している。また、圧力検出素子１４は、圧力検出室１３内の液体１８の圧力を受ける位置に配設されている。

また、図１に示されるように、ハウジング１０の上部には凹部２０が形成されており、その凹部２０と圧力検出室１３とは複数の縦孔で連通されており、この縦孔には、たとえば５２アロイなどからなる配線部材としての導電ピン２１が挿通されている。

そして、その導電ピン２１の周囲はガラスにより封止されており、導電ピン２１とハウジング１０との間は、ガラス封止部２２として構成されている。このようにハウジング１０の内部に設けられたガラス封止部２２によって、導電ピン２１とハウジング１０との電気絶縁性を確保するようにしている。

また、ハウジング１０において、凹部２０と圧力検出室１３とをつなぐように、液体充填用の縦孔２３が形成されている。この縦孔２３を通して圧力検出室１３内にシリコンオイル等の液体１８が充填されるようになっており、この縦孔２３は鋼球２４とねじ部材２５により封止されている。

また、各導電ピン２１の下端は、圧力検出室１３内に露出しており、圧力検出素子１６の各端子は、ワイヤ２６を介して各導電ピン２１の下端にワイヤボンディングなどによって結線され電気的に接続されている。

また、ハウジング１０の上部の凹部２０内には増幅回路等を有する回路基板２７が配設され、導電ピン２１の上端が回路基板２７の所定孔に嵌入し半田付けされている。また、回路基板２７には上方にのびるリード線部材２８が接続されており、回路基板２７自体は、凹部２０内に充填・硬化されたシリコーンゲル２９により保護されている。

また、ハウジング１０上部の凹部１３の上側開口部は金属製のカバー３０により閉鎖されており、リード線部材２８の下端は、カバー３０に取付けられた貫通コンデンサ３１を貫通するとともに、この貫通コンデンサ３１にはんだ付けされた状態で下方に突出している。

さらに、リード線部材２８の先端には黄銅などからなる端子ピン３２がはんだ付けされており、フッ素ゴムなどからなるピン保持部材３３が、端子ピン３２を保持するようにその一部にインサート成形され、ピン保持部材３３の先端部がカバー３０の略中央に設けられた孔に嵌入・固定されている。

また、ハウジング１０の上部には、カバー３０と端子ピン３２とを包囲するように、コネクタ部３４が、ハウジング１０の上端をかしめて固定されている。このコネクタ部３４は、たとえば、ポリブチレンテレフタレート樹脂などにより所定のコネクタ形状に成形されるとともに、プラグの差し込み部に端子ピン３２の先端が露出するように形成されている。

このように構成された圧力センサ１００は、検出面となるダイアフラム１４が被測定環境にさらされるように、ハウジング１０周囲の取付ネジ部１１を利用して被測定体２００のネジ穴にネジ結合され、被測定環境における圧力Ｐを検出するために使用される。

ダイアフラム１４に被測定流体の圧力Ｐが印加されると、ダイアフラム１４がたわみ、圧力検出室１３内の液体１８を介して圧力検出素子１６がその圧力を受ける。このとき、圧力検出素子１６のブリッジ回路に印加されている出力電圧が、その圧力に応じて変化し、その電圧の変化値が電気信号として出力され、回路基板２７上の増幅回路を通して圧力値を示す信号が外部へ出力される。

この圧力センサ１００の組み付け方法の一例を、次に示す。まず、ハウジング１０に導電ピン２１を挿入するとともに、上記ガラスによる封止を行い、ガラス封止部２２を形成する。

続いて、圧力検出室１３内に、圧力検出素子１６を台座１７を介して固定し、圧力検出素子１６と導電ピン２１との間でワイヤボンディングを行い、当該間をワイヤ２６により結線する。

次に、リングウェルド１５を用いてダイアフラム１４をハウジング１０に溶接することにより、圧力検出室１３をダイアフラム１４により閉塞する。次に、凹部２０側から液体充填用の縦孔２３を介して圧力検出室１３内へ液体１８を充填し、縦孔２３を鋼球２４とねじ部材２５により封止する。

その後、ハウジング１０上部の凹部２０側において、回路基板２７の配設、導電ピン２１と回路基板２７とのはんだ付け、リード線部材２８と回路基板２７とのはんだ付け、シリコーンゲル２９の配設、カバー３０の配設、貫通コンデンサ３１とリード線部材２８とのはんだ付け、端子ピン３２とリード線部材３２とのはんだ付け、さらには、コネクタ部３４のかしめ固定などを行うことにより、上記圧力センサ１００ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、凹部１３、１５を有するハウジング１０と、凹部１３、１５内に設置され圧力を受圧する受圧部としてのダイアフラム１４とを備え、凹部１３、１５の開口部１５から圧力媒体が導入され、この圧力媒体による圧力をダイアフラム１４が受圧するようになっている圧力センサにおいて、凹部１３、１５の開口部１５は、凹部１３、１５内から外方へ向かって広がった形状となっていることを特徴とする圧力センサ１００が提供される。

それによれば、凹部１３、１５の開口部１５を、凹部１３、１５内から外方へ向かって広がった形状としているため、ハウジング１０の凹部１３、１５内において受圧部としてのダイアフラム１４に水が溜まるのを極力防止することができる。

ここで、本実施形態では、凹部１３、１５の開口部は、ハウジング１０に取り付けられた環状部材としてのリングウェルド１５により構成している。そして、リングウェルド１５とハウジング１０との間に受圧部としてのダイアフラム１４を挟持しており、リングウェルド１５の内周面を、凹部１３、１５内から外方へ向かって広がったテーパ面とすることにより、上記した本実施形態の効果を適切に実現している。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１１０の概略断面構成を示す図であり、図４は、図３中の丸で囲んだＢ部の拡大断面図である。上記実施形態との相違点を中心に述べることにする。

本実施形態においても、図３に示されるように、ハウジング１０における凹部１３、１５は、圧力検出室１３およびリングウェルド１５により構成されており、当該凹部１３、１５の開口部は、ハウジング１０に取り付けられた環状部材としてのリングウェルド１５により構成されている。

また、リングウェルド１５とハウジング１０との間に受圧部としてのダイアフラム１４が挟持されていることも、上記実施形態と同様である。

そして、本実施形態では、図４に示されるように、リングウェルド１５において、その内周面から外周面へとリングウェルド１５を貫通する貫通穴１４ａが形成されている。なお、このような貫通穴１４ａは、穴開け加工などによって容易に形成することが可能である。

そして、この貫通穴１４ａは、凹部１３、１５内に溜まる水を凹部１３、１５から排出するための排水穴１４ａとして構成されている。この排水穴１４ａは、凹部１３、１５内に溜まる水を凹部１３、１５から排出可能ならば、丸穴でも角穴でもよく、穴形状や穴の大きさ、穴の数は特に限定されるものではない。

つまり、本実施形態によれば、凹部１３、１５を有するハウジング１０と、凹部１３、１５内に設置され圧力を受圧する受圧部としてのダイアフラム１４とを備え、凹部１３、１５の開口部１５から圧力媒体が導入され、この圧力媒体による圧力をダイアフラム１４が受圧するようになっている圧力センサにおいて、凹部１３、１５の壁面のうち受圧部としてのダイアフラム１４よりも凹部１３、１５の開口部１５側の部位に、凹部１３、１５内に溜まる水を凹部１３、１５から排出するための排水穴としての貫通穴１４ａを設けたことを特徴とする圧力センサ１１０が提供される。

それによれば、凹部１３、１５の壁面のうち受圧部であるダイアフラム１４よりも凹部１３、１５の開口部１５側の部位すなわちリングウェルド１５に、排水穴１４ａを設け、凹部１３、１５内に溜まる水を排水穴１４ａを介して凹部１３、１５から排出するようにしているため、ハウジング１０の凹部１３、１５内において受圧部１４に水が溜まるのを極力防止することができる。

具体的には、本実施形態の圧力センサ１１０は、図３に示されるように、ダイアフラム１４側を地方向に向け、コネクタ部３４側を天方向に向けて配置された状態で使用されることから、上記排水穴（貫通穴）１４ａを介して、凹部１３、１５から水を適切に排出させることができる。

（他の実施形態）
なお、受圧部としては、上記したダイアフラムに限定されるものではなく、凹部の開口部から導入される圧力媒体の圧力を受圧可能であるものならばよい。

たとえば、上記図１に示される圧力センサにおいて、ダイアフラム１４を省略し、圧力を直接圧力検出素子１６に受圧させてもよい。この場合、圧力検出素子１６が受圧部として構成される。

また、本発明は、上記実施形態のほか、圧力検出素子の裏面に大気に連通した圧力基準室を有する相対圧力検出型の圧力センサにも適用することもできる。

要するに、本発明は、凹部を有するハウジングと、凹部内に設置され圧力を受圧する受圧部とを備え、凹部の開口部から圧力媒体が導入され、この圧力媒体による圧力を受圧部が受圧するようになっている圧力センサにおいて、上述したように凹部内に水が溜まりにくくした構成としたことを要部とするものであり、その他の部分については適宜設計変更することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの概略断面構成を示す図である。 図１中のＡ部拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの概略断面構成を示す図である。 図３中のＢ部拡大断面図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１３…凹部としての圧力検出室、
１４…受圧部としてのダイアフラム、１４ａ…排水穴としての貫通穴、
１５…凹部の開口部としてのリングウェルド（環状部材）。

Claims (2)

1. 下部に凹部（１３、１５）を有するハウジング（１０）と、
   前記凹部（１３、１５）内に設置され圧力を受圧する受圧部（１４）とを備え、
   前記凹部（１３、１５）の開口部（１５）から圧力媒体が導入され、この圧力媒体による圧力を前記受圧部（１４）が受圧するようになっており、前記凹部（１３、１５）を有する前記ハウジング（１０）の下部側を地方向に向け、前記ハウジング（１０）の上部側を天方向に向けて配置された状態で使用される圧力センサにおいて、
   前記凹部（１３、１５）の壁面のうち前記受圧部（１４）よりも前記凹部（１３、１５）の開口部（１５）側の部位には、前記凹部（１３、１５）内に溜まる水を前記凹部（１３、１５）から排出するための排水穴（１４ａ）が前記使用状態における前記天地方向に対して斜めに設けられていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記凹部（１３、１５）の開口部は、前記ハウジング（１０）に取り付けられた環状部材（１５）により構成されており、
   前記環状部材（１５）と前記ハウジング（１０）との間に前記受圧部としてのダイアフラム（１４）が挟持されており、
   前記排水穴（１４ａ）は、前記環状部材（１５）の内周面から外周面へと前記環状部材（１５）を貫通する穴であ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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