JP7374374B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents

Description

本開示は、測定媒体の圧力を検出する圧力検出素子を有する圧力センサ装置に関するものである。

特許文献１には、圧力センサ複合型の温度センサ装置が記載されている。この圧力センサ複合型の温度センサ装置は、ハウジングと、ハウジング内に備えられた圧力センサモジュール及び温度センサモジュールと、圧力導入路が形成されたケースと、を有している。圧力センサモジュールは、圧力導入路により導かれた吸入空気の圧力を検出する圧力検出素子と、ワイヤと、ワイヤを介して圧力検出素子に接続されるリードフレームと、を有している。ハウジング内において、圧力検出素子、ワイヤ及びリードフレームは、フッ素ゲル又はフロロシリコーンゲルからなる保護部材によって覆われている。

特許第６６５６３３６号公報

しかしながら、圧力センサの使用環境によっては、腐食性物質が上記保護部材に浸透してしまうため、圧力検出素子、ワイヤ及びリードフレームを十分に保護できない場合がある。腐食性物質が上記保護部材に浸透し、圧力検出素子とワイヤとの接合部、ワイヤとリードフレームとの接合部などに腐食が生じると、正確な圧力検出が困難になってしまう。したがって、従来の圧力センサには、使用環境によっては信頼性が低下してしまう場合があるという課題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、信頼性をより向上させることができる圧力センサ装置を提供することを目的とする。

本開示に係る圧力センサ装置は、圧力導入室が内部に形成されたケース体と、前記圧力導入室に導入された測定媒体の圧力を検出する圧力検出素子と、ワイヤと、前記ワイヤを介して前記圧力検出素子に電気的に接続されたリードフレームと、を備え、前記ケース体には、第１凹部及び第２凹部が形成されており、前記第１凹部は、前記圧力導入室に面しており、前記第２凹部は、前記第１凹部の底部の一部に形成されており、前記リードフレームの少なくとも一部、前記圧力検出素子、及び前記ワイヤは、前記第２凹部内に配置されており、前記第２凹部には、第１保護部材が充填されており、前記第１凹部には、膜状の樹脂部材が設けられており、前記樹脂部材は、前記第１保護部材の表面の全体を覆い、かつ前記第１保護部材と密着しており、前記第１凹部には、第２保護部材が充填されており、前記第２保護部材は、前記樹脂部材と密着している。

本開示によれば、圧力センサ装置の信頼性をより向上させることができる。

実施の形態１に係る圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る圧力センサ装置の圧力センサモジュールの構成を示す断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る圧力センサ装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る圧力センサ装置の構成を示す断面図である。本実施の形態では、圧力センサ装置として、自動車のインテークマニホールドに取り付けられ、ガソリン等の有機溶剤、又はエンジンオイル等のオイルに曝される環境下で使用される吸気圧センサが例示されている。

図１に示すように、圧力センサ装置は、ハウジング１１と、ケース２０と、ハウジング１１に格納された圧力センサモジュール３０と、を有している。ハウジング１１及びケース２０は、後述する樹脂パッケージ３５と共に、圧力センサ装置のケース体１０を構成する。ハウジング１１及びケース２０は、いずれも熱可塑性樹脂により形成されている。熱可塑性樹脂としては、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰｏｌｙＢｕｔｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ樹脂；ＰＢＴ樹脂）、ポリフェニレンスルファイド樹脂（ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ樹脂；ＰＰＳ樹脂）等を用いることができる。

ハウジング１１は、圧力センサモジュール３０を格納する格納部１２と、格納部１２の側方に設けられたコネクタ１３と、を有している。コネクタ１３の内部には、圧力センサモジュール３０と接続された外部接続用ターミナル１４が設けられている。外部接続用ターミナル１４は、車両コントロールユニットなどの外部信号処理回路に電気的に接続される。ハウジング１１は、インサートモールド成形により、外部接続用ターミナル１４、圧力センサモジュール３０等と一体化されている。

ケース２０は、圧力センサモジュール３０を挟んでハウジング１１と対向して配置されている。ケース体１０の内部においてケース２０と圧力センサモジュール３０との間には、圧力導入室３１が形成されている。

ケース２０は、インテークマニホールドに形成されている取付穴（図示せず）に挿入される円柱部２１を有している。円柱部２１の内部には、測定媒体となる吸入空気を圧力導入室３１に導く圧力導入路２２が形成されている。

円柱部２１には、外周側に突出したフランジ部２３が形成されている。フランジ部２３は、全周にわたってハウジング１１に溶着又は接着されている。フランジ部２３よりも内周側であって圧力導入路２２よりも外周側には、Ｏリング２４が設けられている。Ｏリング２４は、ケース２０と圧力センサモジュール３０との間における気密性が確保されるように、ケース２０と、後述する樹脂パッケージ３５と、の双方と密着している。これにより、圧力導入路２２によって圧力導入室３１に導かれた吸入空気は、ケース２０と圧力センサモジュール３０との間の継ぎ目から外部に漏れ出さないようになっている。

円柱部２１の外周面には、Ｏリング２５を装着するために周方向に延伸した溝部２６が形成されている。円柱部２１がインテークマニホールドの取付穴に挿入されたときには、Ｏリング２５によって、円柱部２１の外周面と取付穴の内周面との間の気密性が確保される。

図２は、本実施の形態に係る圧力センサ装置の圧力センサモジュールの構成を示す断面図である。図２の上下方向は、図１の上下方向と反転している。図２に示すように、圧力センサモジュール３０は、圧力検出素子３２と、複数のワイヤ３３と、リードフレーム３４と、圧力検出素子３２及びリードフレーム３４を保持する樹脂パッケージ３５と、を有している。

複数のワイヤ３３のそれぞれは、金製又はアルミニウム製の導線である。リードフレーム３４は、各ワイヤ３３を介して圧力検出素子３２に電気的に接続されている。リードフレーム３４は、樹脂パッケージ３５に埋め込まれている。図１に示すように、リードフレーム３４の端部３４ａは、樹脂パッケージ３５の外部に突出している。端部３４ａは、溶接又は半田付けにより外部接続用ターミナル１４に接続されている。これにより、リードフレーム３４は、外部接続用ターミナル１４に電気的に接続されている。

圧力検出素子３２としては、ピエゾ抵抗効果を利用したダイヤフラムと、真空室と、を有するシリコン半導体素子が用いられている。ダイヤフラムには、ゲージ抵抗を含む電気回路が形成されている。吸入空気の圧力によってダイヤフラムが変形すると、ダイヤフラムの変形量に応じてゲージ抵抗の抵抗値が変化する。これにより、吸入空気の圧力を抵抗値の変化として検出することができる。ゲージ抵抗の抵抗値の変化は、電気信号に変換されて増幅される。増幅された電気信号は、外部接続用ターミナル１４を介して、圧力センサ装置の外部に設けられている信号処理回路に出力される。

本実施の形態では、圧力検出素子３２として、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体素子が用いられているが、これに限定されるものではない。圧力検出素子３２は、静電容量等の変化を検出する方式の素子であってもよい。

樹脂パッケージ３５は、ハウジング１１及びケース２０と共に、圧力センサ装置のケース体１０を構成している。樹脂パッケージ３５は、エポキシ樹脂などの熱硬化製樹脂により形成されている。

樹脂パッケージ３５には、第１凹部４１及び第２凹部４２が形成されている。第１凹部４１は、圧力導入室３１に面している。第１凹部４１は、第１開口部４３と、第１底部４４と、を有している。第１凹部４１は、第１開口部４３を圧力導入室３１に向けて形成されている。第２凹部４２は、第１凹部４１の第１底部４４の一部に形成されている。第２凹部４２は、第２開口部４５と、第２底部４６と、を有している。第２凹部４２は、第２開口部４５を第１凹部４１内の空間に向けて形成されている。第２底部４６は、樹脂パッケージ３５に埋め込まれているリードフレーム３４の一部が露出するように形成されている。第２開口部４５は、第１開口部４３よりも小さく開口されている。すなわち、第２開口部４５の開口面積は、第１開口部４３の開口面積よりも小さくなっている。第１凹部４１の第１底部４４は、第２凹部４２の第２開口部４５の周囲を囲むように環状に形成されている。

リードフレーム３４の少なくとも一部、圧力検出素子３２、及びワイヤ３３は、第２凹部４２内に配置されている。これにより、圧力検出素子３２とワイヤ３３との接続部、及びワイヤ３３とリードフレーム３４との接続部は、第２凹部４２内に配置されている。

第２凹部４２には、第１保護部材４７が充填されている。第１保護部材４７は、第２凹部４２の全体を満たしている。すなわち、第１保護部材４７は、第２凹部４２の深さ方向において、第２底部４６から第２開口部４５まで充填されている。第１保護部材４７の表面４７ａは、圧力導入室３１側に凸となる曲面状、例えばドーム形状に形成されている。圧力導入室３１側から見たとき、表面４７ａの外縁の形状は、第２凹部４２の第２開口部４５の形状と一致している。第１保護部材４７は、第２凹部４２内の圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を覆っている。第１保護部材４７は、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４と密着している。これにより、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４は、第１保護部材４７によって保護される。また、第１保護部材４７は、圧力センサモジュール３０の樹脂パッケージ３５にも密着している。

第１保護部材４７は、電気的な絶縁性を有するゲルにより形成されている。ゲルは、固体と液体との中間的な性質を有している。このため、第１保護部材４７は、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を保護することができるとともに、圧力導入室３１における測定媒体の圧力を圧力検出素子３２に伝達することができる。

本実施の形態の第１保護部材４７は、フッ素系ゲルにより形成されている。フッ素系ゲルは、ガソリン等の有機溶剤と、エンジンオイル等のオイルと、硝酸イオン等の腐食性物質を含む凝縮水と、のいずれにも侵され難い性質を有している。以下の説明では、有機溶剤、オイル、及び、腐食性物質を含む凝縮水を総称して、「腐食性物質を含む液体」という場合がある。第１保護部材４７がフッ素系ゲルにより形成されていることによって、腐食性物質を含む液体に対する第１保護部材４７の耐性を高めることができる。

第１凹部４１には、膜状の樹脂部材４８が設けられている。樹脂部材４８は、第２凹部４２の第２開口部４５よりも大きい外形を有している。樹脂部材４８は、第１保護部材４７の表面４７ａの全体を覆い、かつ第１保護部材４７と密着している。圧力導入室３１側から見たとき、樹脂部材４８は、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を覆っている。樹脂部材４８は、第１保護部材４７を挟んで圧力検出素子３２と対向している。また、圧力導入室３１側から見たとき、樹脂部材４８は、環状に形成された第１底部４４と全周にわたって重なっている。

樹脂部材４８は、多孔質材により形成されている。樹脂部材４８は、０．３～０．４ｍｍ程度の厚さを有している。樹脂部材４８は、柔軟性を有するとともに必要な機械的強度も有している。樹脂部材４８の柔軟性は、温度に依存することなく維持される。

ここで、樹脂部材４８と第１保護部材４７との間に気泡などの空気層が形成されている場合、温度変化によって空気層の体積膨張又は体積収縮が生じ、空気層の体積膨張又は体積収縮が第１保護部材４７を介して圧力検出素子３２に伝達されてしまう。このように、空気層の体積膨張又は体積収縮は、圧力検出において意図しないエラー成分となる。このため、正確な圧力を検出するためには、樹脂部材４８と第１保護部材４７との間に空気層が形成されないようにするのが望ましい。

仮に、第１保護部材４７の表面４７ａが凹曲面状に形成されている場合、樹脂部材４８と第１保護部材４７とを空気層を挟まずに密着させることが困難である。これに対し、本実施の形態では、第１保護部材４７の表面４７ａが圧力導入室３１側に凸となる曲面状に形成されているため、樹脂部材４８と第１保護部材４７とを空気層を挟まずに容易に密着させることができる。

樹脂部材４８は、多孔質材、例えば、連続した気孔構造を有する連続多孔質材によって形成されている。このため、樹脂部材４８は通気性を有している。すなわち、樹脂部材４８は、空気、水蒸気などの気体を透過させることができる。これにより、圧力センサ装置の製造工程において第１保護部材４７をゲル状に硬化させる際に、温度上昇に伴って第１保護部材４７の内圧が上昇してしまうのを緩和できる。また、第１保護部材４７の形状を崩すことなく、第１保護部材４７を硬化させることができる。

また、第１保護部材４７を硬化させる際の温度上昇時には、第１保護部材４７から水蒸気が発生する場合がある。樹脂部材４８は、発生した水蒸気を透過させることができるため、樹脂部材４８と第１保護部材４７との間に空気層が形成されるのを抑えることができる。

樹脂部材４８は、撥水性及び撥油性を有している。このため、樹脂部材４８は、腐食性物質を含む液体を弾くことができる。これにより、腐食性物質を含む液体に樹脂部材４８が侵されるのをより確実に防ぐことができる。

本実施の形態の樹脂部材４８は、フッ素系樹脂の一種であり化学的に不活性なポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によって形成されている。ただし、樹脂部材４８は、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等の他のフッ素系樹脂により形成されていてもよい。

第１凹部４１には、第２保護部材４９が充填されている。第２保護部材４９は、樹脂部材４８の全体を覆い、かつ樹脂部材４８と密着している。第２保護部材４９は、圧力導入室３１に面している。

圧力センサ装置の製造工程、及び自動車に装着された後の圧力センサ装置の使用環境において、膜状の樹脂部材４８には、破れ又は損傷が生じる可能性がある。第２保護部材４９の役割の１つは、樹脂部材４８に破れ又は損傷が生じないように樹脂部材４８を保護し、樹脂部材４８の機能を維持させることにある。

第２保護部材４９は、樹脂部材４８だけでなく、第１保護部材４７及び樹脂パッケージ３５にも密着している。樹脂部材４８は、第１保護部材４７及び第２保護部材４９によって、全周囲にわたって覆われている。

第２保護部材４９は、ゲルにより形成されている。このため、第２保護部材４９は、樹脂部材４８を保護することができるとともに、圧力導入室３１における測定媒体の圧力を樹脂部材４８に伝達することができる。

本実施の形態の第２保護部材４９は、第１保護部材４７と同様に、フッ素系ゲルにより形成されている。これにより、腐食性物質を含む液体に対する第２保護部材４９の耐性を高めることができる。

このように、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を保護する保護部材は、第１保護部材４７、樹脂部材４８及び第２保護部材４９が、圧力検出素子３２側からこの順に積層された積層構造を有している。樹脂部材４８は、第１保護部材４７と第２保護部材４９との間の中間層に位置している。

第１保護部材４７及び第２保護部材４９は、いずれもゲルにより形成されている。樹脂部材４８は、膜状に形成されている。このため、圧力導入室３１における測定媒体の圧力は、第２保護部材４９、樹脂部材４８及び第１保護部材４７を介して、圧力検出素子３２に伝達される。すなわち、本実施の形態では、圧力センサ装置の検出精度を犠牲にすることなく、第１保護部材４７、樹脂部材４８及び第２保護部材４９の積層構造によって圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を保護することができる。

以上のような構成を有する圧力センサ装置において、腐食性物質を含む液体が、圧力導入路２２を介して圧力導入室３１に浸入したとする。この液体は、第２保護部材４９の表面から第２保護部材４９の内部に浸透する可能性がある。しかしながら、第２保護部材４９と第１保護部材４７との間に設けられている樹脂部材４８は、液体の浸入を防ぐストッパーとして機能する。このため、腐食性物質を含む液体が第１保護部材４７に浸透するのを抑えることができる。したがって、本実施の形態によれば、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を腐食性物質から保護することができる。

第１保護部材４７への液体の浸入は、樹脂部材４８によって防止される。これにより、第２保護部材４９の内部に浸透した液体は、第２保護部材４９に吸収される。液体を吸収した第２保護部材４９には、膨潤などの変質が生じ、それにより応力が生じる可能性がある。しかしながら、第２保護部材４９と第１保護部材４７との間に設けられている樹脂部材４８は、第２保護部材４９に生じた応力が第１保護部材４７に伝達されるのを抑制するクッション材として機能する。このため、第２保護部材４９の変質により生じた応力が圧力検出素子３２に伝達されるのを抑えることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る圧力センサ装置は、圧力導入室３１が内部に形成されたケース体１０であるハウジング１１、ケース２０及び樹脂パッケージ３５と、圧力検出素子３２と、ワイヤ３３と、リードフレーム３４と、を備えている。圧力検出素子３２は、圧力導入室３１に導入された測定媒体の圧力を検出するように構成されている。リードフレーム３４は、ワイヤ３３を介して圧力検出素子３２に電気的に接続されている。樹脂パッケージ３５には、第１凹部４１及び第２凹部４２が形成されている。第１凹部４１は、圧力導入室３１に面している。第２凹部４２は、第１凹部４１の第１底部４４の一部に形成されている。リードフレーム３４の少なくとも一部、圧力検出素子３２、及びワイヤ３３は、第２凹部４２内に配置されている。第２凹部４２には、第１保護部材４７が充填されている。第１凹部４１には、膜状の樹脂部材４８が設けられている。樹脂部材４８は、第１保護部材４７の表面４７ａの全体を覆い、かつ第１保護部材４７と密着している。第１凹部４１には、第２保護部材４９が充填されている。第２保護部材４９は、樹脂部材４８と密着している。

この構成によれば、腐食性物質を含む液体が第２保護部材４９に浸透したとしても、樹脂部材４８により、その液体が第１保護部材４７に浸入するのを抑えることができる。したがって、圧力検出素子３２、ワイヤ３３及びリードフレーム３４を腐食性物質から保護することができる。これにより、圧力検出素子３２とワイヤ３３との接合部、ワイヤ３３とリードフレーム３４との接合部などに腐食が生じるのを抑えることができるため、長期にわたって正確な圧力検出を行うことができる。したがって、上記構成によれば、圧力センサ装置の信頼性をより向上させることができる。

また、上記構成では、樹脂部材４８が第１保護部材４７の表面４７ａの全体を覆っているため、第２保護部材４９に浸透した液体が樹脂部材４８を通らずに第１保護部材４７に浸入するのを防ぐことができる。また、上記構成では、樹脂部材４８が第１保護部材４７と密着しており、かつ第２保護部材４９が樹脂部材４８と密着しているため、より正確な圧力検出を行うことができるとともに、樹脂部材４８に破れ又は損傷が生じるのを防ぐことができる。

本実施の形態に係る圧力センサ装置において、第１保護部材４７の表面４７ａは、圧力導入室３１側に凸となる曲面状に形成されている。この構成によれば、圧力センサ装置の製造工程において、第１保護部材４７と樹脂部材４８との間に空気層が形成されてしまうのを抑制することができる。したがって、上記構成によれば、より正確な圧力検出を行うことができる。

本実施の形態に係る圧力センサ装置において、樹脂部材４８は、撥水性及び撥油性を有している。この構成によれば、腐食性物質を含む液体を樹脂部材４８によって弾くことができるため、その液体が第１保護部材４７に浸入するのをより確実に抑えることができる。

本実施の形態に係る圧力センサ装置において、樹脂部材４８は、多孔質材により形成されている。この構成によれば、第１保護部材４７において発生した水蒸気が樹脂部材４８を透過することができる。したがって、第１保護部材４７の内圧が上昇したり、第１保護部材４７と樹脂部材４８との間に空気層が形成されたりするのを防ぐことができる。

本実施の形態に係る圧力センサ装置において、樹脂部材４８は、フッ素系樹脂により形成されている。この構成によれば、腐食性物質を含む液体に対する樹脂部材４８の耐性を高めることができる。

本実施の形態に係る圧力センサ装置において、第１保護部材４７及び第２保護部材４９は、いずれもフッ素系ゲルにより形成されている。この構成によれば、腐食性物質を含む液体に対する第１保護部材４７及び第２保護部材４９のそれぞれの耐性を高めることができる。

なお、上記実施の形態では、圧力センサ装置として、内燃機関のインテークマニホールドに取り付けられる吸気圧センサを例に挙げたが、これに限られない。圧力センサ装置は、ＥＧＲシステムにおける内燃機関の排気の圧力を検出する用途にも適用できる。

１０ ケース体、１１ ハウジング、１２ 格納部、１３ コネクタ、１４ 外部接続用ターミナル、２０ ケース、２１ 円柱部、２２ 圧力導入路、２３ フランジ部、２４、２５ Ｏリング、２６ 溝部、３０ 圧力センサモジュール、３１ 圧力導入室、３２ 圧力検出素子、３３ ワイヤ、３４ リードフレーム、３４ａ 端部、３５ 樹脂パッケージ、４１ 第１凹部、４２ 第２凹部、４３ 第１開口部、４４ 第１底部（底部）、４５ 第２開口部、４６ 第２底部、４７ 第１保護部材、４７ａ 表面、４８ 樹脂部材、４９ 第２保護部材。

Claims (6)

1. 圧力導入室が内部に形成されたケース体と、
   前記圧力導入室に導入された測定媒体の圧力を検出する圧力検出素子と、
   ワイヤと、
   前記ワイヤを介して前記圧力検出素子に電気的に接続されたリードフレームと、
   を備え、
   前記ケース体には、第１凹部及び第２凹部が形成されており、
   前記第１凹部は、前記圧力導入室に面しており、
   前記第２凹部は、前記第１凹部の底部の一部に形成されており、
   前記リードフレームの少なくとも一部、前記圧力検出素子、及び前記ワイヤは、前記第２凹部内に配置されており、
   前記第２凹部には、第１保護部材が充填されており、
   前記第１凹部には、膜状の樹脂部材が設けられており、
   前記樹脂部材は、前記第１保護部材の表面の全体を覆い、かつ前記第１保護部材と密着しており、
   前記第１凹部には、第２保護部材が充填されており、
   前記第２保護部材は、前記樹脂部材と密着している圧力センサ装置。
2. 前記第１保護部材の前記表面は、前記圧力導入室側に凸となる曲面状に形成されている請求項１に記載の圧力センサ装置。
3. 前記樹脂部材は、撥水性及び撥油性を有している請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ装置。
4. 前記樹脂部材は、多孔質材により形成されている請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
5. 前記樹脂部材は、フッ素系樹脂により形成されている請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
6. 前記第１保護部材及び前記第２保護部材は、いずれもフッ素系ゲルにより形成されている請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。

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