JP6628261B1 - 圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックス製のベースを用いながらも、より簡便に受圧空間内の液体への気泡の混入を防げる圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法を提供する。【解決手段】凹部113を備えたセラミックス製のベース110と、軸方向に向いた取付面142と接合面141とを備えた金属製のリング部材140と、受け部材120と、ダイアフラム130と、半導体型圧力検出装置150と、を有する圧力検出ユニット100において、前記ダイアフラム130は、前記取付面142に対し前記凹部113側に突出した***構造のみを有し、前記ベース110及び前記リング部材140は、前記液体の注入口を有していない。【選択図】図3
Description
本発明は、圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニット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。
例えば、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することにより、圧力検出部が構成されている。
また、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、従来の金属製のベースにおいては、予め注入口をベースに設けておくことで、かかる注入口からダイアフラムで密封した受圧空間内にオイルを注ぎ込んで、その注入口を封止していた。
ベースをセラミックス製とすると、オイルを注入するために比較的大きい注入口を設けたり、かかる注入口を封止したりすることが困難となる。そこで、ベースの凹部にオイルを注いだ後に、上からダイアフラムで封止することが行われている。しかしながら、受圧空間内のオイルへの気泡の混入を防ぐために、製造工程や検査工程が複雑になり、コストの低減が課題となっていた。
そこで、本発明の目的は、セラミックス製のベースを用いながらも、より簡便に受圧空間内の液体への気泡の混入を防げる圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明による圧力検出ユニットは、
セラミックス製のベースと、
軸方向に向いた取付面と接合面とを備え、前記接合面をロウ付けにより前記ベースに接合した金属製のリング部材と、
前記リング部材に対して溶接により接合された受け部材と、
前記リング部材の取付面と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
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半導体型圧力検出装置と、
前記受圧空間に封入された液体と、を有し、
前記ダイアフラムは、前記取付面に対し前記ベース側にのみ突出した***構造を有している、ことを特徴とする。
セラミックス製のベースと、
軸方向に向いた取付面と接合面とを備え、前記接合面をロウ付けにより前記ベースに接合した金属製のリング部材と、
前記リング部材に対して溶接により接合された受け部材と、
前記リング部材の取付面と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
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半導体型圧力検出装置と、
前記受圧空間に封入された液体と、を有し、
前記ダイアフラムは、前記取付面に対し前記ベース側にのみ突出した***構造を有している、ことを特徴とする。
さらに、本発明による圧力検出ユニットの製造方法は、
セラミックス製のベースと、軸方向に向いた取付面と接合面とを備えた金属製のリング部材と、受け部材と、***構造を備えたダイアフラムと、半導体型圧力検出装置と、を有する圧力検出ユニットの製造方法において、
前記ベースに対して前記リング部材の接合面をロウ付けにより接合する工程と、
前記リング部材の内側において、前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を設置する工程と、
前記リング部材が前記ベースより上方に位置する状態で、前記取付面まで前記リング部材内に液体を注入する工程と、
前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面上に載置しつつ、前記***構造により前記液体中の気泡を排除する工程と、
前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面と前記受け部材とで挟み込んだ状態で、前記リング部材と前記受け部材とを溶接する工程と、を有する、ことを特徴とする。
セラミックス製のベースと、軸方向に向いた取付面と接合面とを備えた金属製のリング部材と、受け部材と、***構造を備えたダイアフラムと、半導体型圧力検出装置と、を有する圧力検出ユニットの製造方法において、
前記ベースに対して前記リング部材の接合面をロウ付けにより接合する工程と、
前記リング部材の内側において、前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を設置する工程と、
前記リング部材が前記ベースより上方に位置する状態で、前記取付面まで前記リング部材内に液体を注入する工程と、
前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面上に載置しつつ、前記***構造により前記液体中の気泡を排除する工程と、
前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面と前記受け部材とで挟み込んだ状態で、前記リング部材と前記受け部材とを溶接する工程と、を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、セラミックス製のベースを用いながらも、より簡便に受圧空間内の液体への気泡の混入を防げる圧力検出ユニット、これを用いた圧力センサ及び圧力検出ユニットの製造方法を提供することができる。
図1Aは、本発明の実施形態にかかる圧力検出ユニットを用いた圧力センサの縦断面図である。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及びリング部材140と、を含む。圧力検出ユニット100の詳細については後述し、まず圧力センサについて説明する。
<圧力センサ>
図1Aに示すように、圧力センサ1は、圧力検出ユニット100と、当該圧力検出ユニット100に取り付けられる樹脂製のコネクタ40と、前記コネクタ40に取り付けられて、上記圧力検出ユニット100から突出する3本の端子ピン(160,162のみ図示)の一端に接続される中継基板20と、コネクタ40を貫通して中継基板20と外部の機器との間で電気信号等を送受するコネクタピン44と、コネクタ40に対してカシメられることで圧力検出ユニット100を保持するカシメ保持部材50と、を含む。
図1Aに示すように、圧力センサ1は、圧力検出ユニット100と、当該圧力検出ユニット100に取り付けられる樹脂製のコネクタ40と、前記コネクタ40に取り付けられて、上記圧力検出ユニット100から突出する3本の端子ピン(160,162のみ図示)の一端に接続される中継基板20と、コネクタ40を貫通して中継基板20と外部の機器との間で電気信号等を送受するコネクタピン44と、コネクタ40に対してカシメられることで圧力検出ユニット100を保持するカシメ保持部材50と、を含む。
カシメ保持部材50は、中空の大円筒部51と、段付きフランジ部52と、小円柱部53とを直列に連結した構成を有する。
大円筒部51内において、段付きフランジ部52の上面中央に凹部54が形成され、その中央には連通孔55が形成されている。連通孔55は小円柱部53内を通過して、その下端で開口している。凹部54の周囲には、周溝56が形成され、その内部にO−リングOR1が配置されている。
樹脂製のコネクタ40は、下部中空筒部41と、上部中空筒部42と、下部中空筒部41と上部中空筒部42との間の隔壁45とを有し、隔壁45の下面中央に中継基板20が取り付けられている。圧力検出ユニット100の3本の端子ピン(160,162のみ図示)と、中継基板20とはフレキシブルプリント基板43により電気的に接続されている。
中継基板20は、ベーク基板やガラスエポキシ基板、セラミックス基板あるいはフレキシブル基板として形成されている。
中継基板20は、下部中空筒部41側から上部中空筒部42の内部へと隔壁45を貫いて延在するコネクタピン44に電気的に接続されている。不図示のコネクタをコネクタ40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44を介して外部に出力できるようになっている。
<圧力センサの組立工程>
図1Aに示す圧力センサ1を組み立てる際には、コネクタ40に中継基板20およびフレキシブルプリント基板43を取り付けておき、更に予め形成しておいた圧力検出ユニット100のベース110から突出する3本の端子ピンに、フレキシブルプリント基板43をはんだ等を用いて接続する。
図1Aに示す圧力センサ1を組み立てる際には、コネクタ40に中継基板20およびフレキシブルプリント基板43を取り付けておき、更に予め形成しておいた圧力検出ユニット100のベース110から突出する3本の端子ピンに、フレキシブルプリント基板43をはんだ等を用いて接続する。
その後、カシメ保持部材50の大円筒部51内に、圧力検出ユニット100を収容しつつ、コネクタ40とカシメ保持部材50とを相対的に接近させ、大円筒部51の端部内側に下部中空筒部41を嵌合させ、下部中空筒部41の下端をベース110の上面に当接させる。
その後、大円筒部51の上端を内側にカシメて塑性変形させ、それによりカシメ部57を形成してコネクタ40の下部中空筒部41の上端近傍に固定する。これにより、圧力検出ユニット100が、カシメ保持部材50とコネクタ40とにより挟持されて保持される。ただし、大円筒部51とベース110との間には、径方向の隙間が存在する。
このとき、O−リングOR1を介してカシメ保持部材50と受け部材120とが全周で当接し、圧力検出対象の流体の漏れを防止するようになっている。以上で、圧力センサ1の組立が終了する。
一点鎖線で示す流体流入管30は、例えば銅合金やアルミ合金等の金属材料からなる管状部材であって、カシメ保持部材50の小円柱部53の外周に螺合して接合され、更にO−リングOR2によりその上端とカシメ保持部材50とが気密的に連結される。
図1Aに示す圧力センサ1において、流体流入管30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、かかる電気信号は、信号出力用の端子ピン164(図3参照)とフレキシブルプリント基板43を介して中継基板20に出力される。その電気信号は、さらにコネクタピン44を介して外部の機器に出力される。
<圧力検出ユニット>
次に圧力検出ユニット100について、図1Bを参照して説明する。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1Bで下面中央部が凹むような形状とされ、すなわち凹部113が形成されている。
次に圧力検出ユニット100について、図1Bを参照して説明する。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1Bで下面中央部が凹むような形状とされ、すなわち凹部113が形成されている。
ベース110の凹部113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(液体)LQが充填される。また、本体111における凹部113の中央には、半導体型圧力検出装置150が取り付けられている。
図1B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のみ図示)が挿入される3つの貫通穴116が形成されている。なお、ベース110は貫通穴116を有しているが、液状媒質を注入するための注入口は有していない。
3本の端子ピン(160、162のみ図示)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とボンディングワイヤ166等を介して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た環状の部材であり、ダイアフラム130側の合わせ面122と、合わせ面122の内周に形成された面取り部121とを有する。受け部材120も、液状媒質を注入するための注入口は有していない。
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り、その形状は後述する。また、リング部材140は、マルテンサイト系ステンレス鋼またはフェライト系ステンレス鋼によりリング状に形成された部材であり、軸線Oの方向を向いた取付面142及び接合面141と、取付面142の内周に形成された面取り部143とを有する。
リング部材140には、アルミニウムを含まないステンレス鋼が用いられているので、ロウ付けによって、ベース110とロウ付けされた際に、そのロウ付け面にアルミ酸化物が析出して接合強度が低下することがない。
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。本実施形態におけ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とを有してなる。
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、図2,3を参照して以下に説明する。圧力検出ユニット100の組み立て工程では、図1Bに示す状態に対し各部品を天地逆に(すなわち、重力方向に配置したベース110の上に各部品を順番にセット)して組み立てを行う。
圧力検出ユニット100を組み立てる工程を、図2,3を参照して以下に説明する。圧力検出ユニット100の組み立て工程では、図1Bに示す状態に対し各部品を天地逆に(すなわち、重力方向に配置したベース110の上に各部品を順番にセット)して組み立てを行う。
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(図2,3で不図示)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、図2(a)において、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の金属とをロウ付けする。
ベース110とリング部材140との接合は、リング部材140の接合面(下面)141に、ベース110の突出部112をロウ付けすることで行う。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を行う。
ベース110とリング部材140とのロウ付けの加熱は、端子ピン160、162、164のロウ付けと同じ工程で行われる。ただし、ベース110とリング部材140との接合はロウ付けで行わず、パッキンやO−リングなどの密封手段を間に介在させつつ両者を連結保持してもよい。
なお、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接合性を高めることができる。
続いて、ベース110の凹部113の中央に、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。
次に、図2(b)に示すように、ディスペンサDSから、リング部材140の内側であってベース110の凹部113内に、液状媒質LQを所定量注入する。これにより、リング部材140の取付面(上面)142のレベルまで液状媒質LQが貯留される。なお、液状媒質LQの供給方法については、上記のようにディスペンサDSを使う方法に限定されない。
かかる状態で、図3(a)に示すように、リング部材140の取付面142上にダイアフラム130を載置する。ここで、図3(a)の矢印で示す部位Aを拡大して示す図3(b)に示すように、ダイアフラム130は、中央で円盤状に盛り上がった平坦部131と,ダイアフラム130の軸線Oを中心として、同心円状に等間隔で形成された輪帯132,133,134を有している。
輪帯132,133,134はサインカーブ状の断面形状を有し、各輪帯において中央が一番盛り上がっている。平坦部131と、輪帯132,133,134とで***構造を構成する。
図3(b)において、リング部材140の取付面142を通る仮想面VPを一点鎖線で表したとき、平坦部131と、輪帯132,133,134とは、いずれも仮想面VPよりも下方(凹部113側)に位置するようになっている。また、ダイアフラム130は、仮想面VPよりも上方に位置する部位を有しない。すなわち、ダイアフラム130は、取付面142に対しベース110側にのみ突出した***構造を有している。なお、輪帯132,133,134の頂点間距離を1ピッチとしたときに、平坦部131の外周からリング部材140の内周までは、3.5ピッチ分の距離がある。輪帯は2つでもよいが、4つ以上設けると好ましい。
このため、リング部材140の取付面142上にダイアフラム130を載置すると、平坦部131と、輪帯132,133,134とは全て液状媒質LQ内に沈む込むことになり(図3(b)参照)、気泡が液状媒質LQ内に含まれることを抑制できる。なお、かかる状態で、平坦部131は半導体型圧力検出装置150に対向しており、軸線Oに沿ってみたときに、半導体型圧力検出装置150の全体を覆っていると好ましい。
その後、図3(c)に示すように、上方より受け部材120をリング部材140に相対的に接近させ、合わせ面122をダイアフラム130に当てて、リング部材140の取付面142との間でダイアフラム130の外縁近傍を挟み込む。このとき、面取り部121の傾斜した形状により、ダイアフラム130は面取り部121には当接せず、受け部材120はダイアフラム130の上面外周近傍とのみ当接する。また、面取り部143の傾斜した形状により、ダイアフラム130は面取り部143には当接せず、リング部材140はダイアフラム130の下面外周近傍とのみ当接する。
かかる状態を維持しつつ、図3(d)に示すように、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LBを照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接し溶接部Wを形成して一体化する。
かかる状態を維持しつつ、図3(d)に示すように、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LBを照射して相対的に回転させ、連続的に周溶接し溶接部Wを形成して一体化する。
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とが一体化されて圧力検出ユニット100を構成する。その後、図1Bに示すように圧力検出ユニット100の天地を逆にして(受け部材120が重力方向に配置される向きに圧力検出ユニット100を配置して)、コネクタ40やカシメ保持部材50と組み付けることにより、圧力センサ1を得ることができる。
なお、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。
次に、比較例を参照して、本実施形態の効果を説明する。図4(a)は、比較例にかかる図3(a)に対応する断面図であり、図4(b)は、図4(a)の矢印で示す部位Bを拡大して示す図である。
比較例では、ダイアフラム130Aの形状のみが異なっており、それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。また、比較例のダイアフラム130Aは、ここでは上記ダイアフラム130に対して天地を逆にした形状を有するため、ダイアフラム130Aの平坦部、輪帯も同じ符号を用いる。
図4(b)において、リング部材140の取付面142を通る仮想面VPを一点鎖線で表したとき、平坦部131と、輪帯132,133,134とは、いずれも仮想面VPよりも上方(凹部113と反対側)に位置するようになっている。
このため、リング部材140の取付面(上面)142のレベルまで液状媒質LQが貯留されていたとしても、リング部材140の取付面142上にダイアフラム130Aを載置しただけでは、上向きの平坦部131と、輪帯132,133,134の内部(概ね仮想面VPより上方)にそれぞれ気泡BLが残留しやすい。
このように液状媒質LQ内に気泡が残留すると、圧力検出ユニット100の加圧空間S2が加圧され、それによりダイアフラム130Aが変形したときに、液状媒質LQ中の気泡が圧縮されるため、検出精度が低下する。このような液状媒質LQ中に気泡を含む圧力検出ユニットは、後工程における検査工程で不合格品として排除されることになるが、不合格品が多いと製品の歩留まりが悪化する。
これに対し、図3に示す本実施形態によれば、液状媒質LQ内に気泡が混入することが抑制されるので、半導体型圧力検出装置150に流体圧が正確に伝達され、精度良い検出を行える。
なお、本発明は上記の各実施形態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
10 カバー
20 中継基板
30 流体流入管
40 コネクタ
50 カシメ保持部材
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
131 平坦部
132,133,134 輪帯
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
10 カバー
20 中継基板
30 流体流入管
40 コネクタ
50 カシメ保持部材
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
131 平坦部
132,133,134 輪帯
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
Claims (6)
- セラミックス製のベースと、
軸方向に向いた取付面と接合面とを備え、前記接合面をロウ付けにより前記ベースに接合した金属製のリング部材と、
前記リング部材に対して溶接により接合された受け部材と、
前記リング部材の取付面と前記受け部材との間に挟まれたダイアフラムと、
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半導体型圧力検出装置と、
前記受圧空間に封入された液体と、を有し、
前記ダイアフラムは、前記取付面に対し前記ベース側にのみ突出した***構造を有している、
ことを特徴とする圧力検出ユニット。 - 前記***構造は、前記ダイアフラムの中心回りに同心円状に形成された複数の輪帯を有し、前記輪帯は3つ以上である、
ことを特徴とする請求項1に記載の圧力検出ユニット。 - 前記***構造は、前記半導体型圧力検出装置に対向する平坦部を更に有する、
ことを特徴とする請求項2に記載の圧力検出ユニット。 - 前記ダイアフラムの軸方向に見たときに、前記平坦部は前記半導体型圧力検出装置を覆っている、
ことを特徴とする請求項3に記載の圧力検出ユニット。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧力検出ユニットを用いてなる、
ことを特徴とする圧力センサ。 - セラミックス製のベースと、軸方向に向いた取付面と接合面とを備えた金属製のリング部材と、受け部材と、***構造を備えたダイアフラムと、半導体型圧力検出装置と、を有する圧力検出ユニットの製造方法において、
前記ベースに対して前記リング部材の接合面をロウ付けにより接合する工程と、
前記リング部材の内側において、前記ベースに前記半導体型圧力検出装置を設置する工程と、
前記リング部材が前記ベースより上方に位置する状態で、前記取付面まで前記リング部材内に液体を注入する工程と、
前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面上に載置しつつ、前記***構造により前記液体中の気泡を排除する工程と、
前記ダイアフラムを前記リング部材の取付面と前記受け部材とで挟み込んだ状態で、前記リング部材と前記受け部材とを溶接する工程と、を有する、
ことを特徴とする圧力検出ユニットの製造方法。
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