JP6461862B2 - 圧力センサ、および、圧力センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサ、および、圧力センサの製造方法に関する。

液封型の半導体圧力センサの一部を構成するセンサユニットは、例えば、特許文献１にも示されるように、カバー内のハウジングに連結される金属製の継手部の内側に形成される圧力検出室内に配されている。そのようなセンサユニットは、例えば、継手部内に支持され上述の圧力検出室と後述する液封室とを隔絶するダイヤフラムと、ダイヤフラムの上方に形成され圧力伝達媒体としてのシリコーンオイルを貯留する液封室と、液封室内に配されダイヤフラムを介しシリコーンオイルの圧力変動を検出するセンサチップと、センサチップを支持するチップマウント部材（ベース）と、センサチップからの出力信号の送出およびセンサチップへの電力供給を行う複数のリードピンとを主な要素として含んで構成されている。上述のリードピンは、チップマウント部材のハーメチックガラス内に固着されるとともに、外部リード線に電気的に接続されている。チップマウント部材を取り囲むカバーにおけるチップマウント部材の上方に形成される内側の空間には、接着剤が充填されている。これにより、充填された接着剤がカバーの内周面および外部リード線の外周部に接着されるので液体が外部からカバー内へ浸入することが回避される。

また、チップマウント部材を取り囲むカバーにおけるチップマウント部材の上方に形成される内側の空間に加熱硬化型の樹脂が接着剤として充填される場合、特許文献２に示されるように、充填された加熱硬化型の樹脂の上端部において、硬化後、樹脂の収縮により凹部が形成される場合がある。このような場合、圧力センサの取り付け姿勢によって雰囲気中の露が、上述の凹部に溜まることを回避するためにさらに加えて封止材として凸状の被覆層を凹部を埋めるように形成することが提案されている。

特開２０１２−６８１０５号公報 国際公開第２０１５／１９４１０５号公報

上述のように、さらに加えて、凹部を埋めるように封止材として凸状の被覆層を形成する作業は、量産時、煩雑であり生産効率を落とす結果となる。このような場合、予め、樹脂の硬化後における樹脂の収縮量を予測して加熱硬化型の樹脂を余分に多めに充填することも考えられるが樹脂の充填量が増大するので製造コストが嵩み得策ではない。

以上の問題点を考慮し、本発明は、圧力センサであって、封止材としての樹脂の充填量を増大させることなく、硬化後、樹脂の収縮による凹部が形成される事態を回避できる圧力センサ、および、圧力センサの製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、圧力を検出するセンサチップを含むセンサユニットと、センサユニットを収容するセンサユニット収容部を有するカバー部材と、カバー部材のセンサユニット収容部におけるセンサユニットの周囲に充填されるウレタン樹脂材料からなる封止材と、カバー部材のセンサユニット収容部に配置され、カバー部材の開口端から上方に向けて突出するエンドキャップと、を備え、カバー部材の開口から外部に対し露出する封止材の端面における頂部は、エンドキャップの上端面近傍に接着され、端面の裾部に対し硬化した封止材の収縮率に応じて上方に向けて凸状となる略円錐面状に形成されることを特徴とする。

また、センサチップに電気的に接続され、封止材の端面から突出するリード線は、センサチップに電気的に接続されている箇所が、封止材内に差し込まれるものであってもよい。封止材の端面における頂部は、端面の裾部に対し０．５ｍｍ以上の高低差をもって形成されてもよい。封止材の端面から突出するリード線が、４ｍｍ以上の長さをもって封止材内に差し込まれてもよい。

本発明に係る圧力センサの製造方法は、圧力を検出するセンサチップを含むセンサユニットおよびセンサユニットに連結されるエンドキャップをカバー部材のセンサユニット収容部に配置し、ウレタン樹脂材料からなる封止材をカバー部材のセンサユニット収容部におけるセンサユニットの周囲にディスペンサにより充填することを含み、ディスペンサの一端が、カバー部材のセンサユニット収容部におけるエンドキャップの外周縁近傍に配置され、カバー部材の開口から外部に対し露出する封止材の端面における頂部が、エンドキャップの上端面近傍に接着され、端面の裾部に対し硬化した封止材の収縮率に応じて上方に向けて凸状となる略円錐面状に形成されることを特徴とする。

本発明に係る圧力センサ、および、圧力センサの製造方法によれば、カバー部材の開口から外部に対し露出する封止材の端面における頂部は、エンドキャップの上端面近傍に接着され、端面の裾部に対し硬化した封止材の収縮率に応じて上方に向けて凸状となる略円錐面状に形成されるので封止材としての樹脂の充填量を増大させることなく、硬化後、樹脂の収縮による凹部が形成される事態を回避できる。

本発明に係る圧力センサの第1実施例における全体の構成を示す断面図である。 本発明に係る圧力センサの第２実施例における全体の構成を示す断面図である。

図１は、本発明に係る圧力センサの第1実施例を概略的に示す。

図１において、圧力センサは、圧力が検出されるべき流体が導かれる配管に接続される継手部材３０と、継手部材３０のベースプレート２８に連結され後述するセンサユニットを収容しセンサチップからの検出出力信号を所定の圧力測定装置に供給するセンサユニット収容部と、を含んで構成されている。

金属製の継手部材３０は、上述の配管の接続部の雄ねじ部にねじ込まれる雌ねじ部３０ｆｓを内側に有している。雌ねじ部３０ｆｓは、矢印Ｐの示す方向から供給される流体を後述する圧力室２８Ａに導く継手部材３０のポート３０ａに連通している。ポート３０ａの一方の開口端は、継手部材３０のベースプレート２８とセンサユニットのダイヤフラム３２との間に形成される圧力室２８Ａに向けて開口している。

センサユニット収容部の外郭部は、カバー部材としての円筒状の防水ケース２０により形成されている。樹脂製の防水ケース２０の下端部には、開口部２０ｂが形成されている。内側となる開口部２０ｂの周縁の段差部には、継手部材３０のベースプレート２８の周縁が係合されている。

圧力室２８Ａ内には、継手部材３０のポート３０ａを通じて流体としての空気または液体が供給される。センサユニットのハウジング１２の下端面は、ベースプレート２８に載置されている。

圧力室２８Ａ内の圧力を検出し検出出力信号を送出するセンサユニットは、円筒状のハウジング１２と、圧力室２８Ａとハウジング１２の内周部とを隔絶する金属製のダイヤフラム３２と、複数の圧力検出素子を有するセンサチップ１６と、ガラス層を介してセンサチップ１６を一端部で支持する金属製のチップマウント部材１８と、センサチップ１６に電気的に接続される入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）と、入出力端子群４０ａｉおよびオイル充填用パイプ４４をチップマウント部材１８の外周面とハウジング１２の内周面との間に固定するハーメチックガラス１４と、を主な要素として含んで構成されている。

ダイヤフラム３２は、上述の圧力室２８Ａに向き合うハウジング１２の一方の下端面に支持されている。圧力室２８Ａに配されるダイヤフラム３２を保護するダイヤフラム保護カバー３４は、複数の連通孔３４ａを有している。ダイヤフラム保護カバー３４の周縁は、ダイヤフラム３２の周縁とともに溶接によりステンレス鋼製のハウジング１２の下端面に接合されている。

金属製のダイヤフラム３２と向かい合うセンサチップ１６およびハーメチックガラス１４の端面との間に形成される液封室には、例えば、圧力伝達媒体として所定量のシリコーンオイルＰＭ、または、フッ素系不活性液体がオイル充填用パイプ４４を介して充填されている。なお、オイル充填用パイプ４４の一方の端部は、オイル充填後、二点鎖線で示されるように、押し潰され閉塞される。

シリコーンオイルは、例えば、シロキサン結合と有機質のメチル基とからなるジメチルポリシロキサン構造を持つシリコーンオイルとされる。フッ素系不活性液体は、例えば、パーフルオロカーボン構造をもつ液体、および、ハイドロフルオロエーテル構造をもつ液体、または、三フッ化塩化エチレンの低重合物であって、主鎖にフッ素および塩素が結合し、両端がフッ素、塩素の構造を有するものでもよい。

ハーメチックガラス１４の端部に形成される凹部に配されるセンサチップ１６とダイヤフラム３２との間には、さらに、金属製の電位調整部材１７がハーメチックガラス１４の下端面に支持されている。電位調整部材１７は、例えば、特許第３９８７３８６号公報にも示されるような、連通孔を有しセンサチップ１６の回路のゼロ電位に接続される端子に接続されている。

入出力端子群４０ａｉ（ｉ＝１〜８）は、２本の電源用端子と、１本の出力用端子と、５本の調整用端子とから構成されている。各端子の両端部は、それぞれ、上述のハーメチックガラス１４の端部に形成される凹部と後述する端子台２４の孔とに向けて突出している。２本の電源用端子と、１本の出力用端子とは、接続端子３６を介して各リード線３８の芯線３８ａに接続されている。各リード線３８は、所定の圧力測定装置に接続される。なお、図１においては、８本の端子うちの４本の端子だけが示されている。

センサチップ１６は、複数の圧力検出素子を有し、例えば、シリコンで略矩形状に形成されている本体部と、本体部の上端面に形成され処理回路を形成する回路層と、第１の層としての回路層の上面に積層される第２の層としての絶縁膜層と、その絶縁膜層に形成されるアルミニウム製のシールド層と、シールド層の上層部を保護する保護層とを含んで構成されている。

なお、上述の例において、センサユニットにおけるセンサチップ１６は、ハーメチックガラス１４内に保持されるチップマウント部材１８の一端部で支持されているが、斯かる例に限られることなく、例えば、センサチップ１６が、チップマウント部材１８を用いることなく、上述のハーメチックガラス１４の凹部を形成する平坦面に直接的に固定されるように構成されてもよい。

入出力端子群４０ａｉを整列させる端子台２４は、樹脂材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）で成形されている。端子台２４は、入出力端子群４０ａｉが挿入される複数個の孔とともに、内側に所定の容積の空洞部を有している。端子台２４の下端面は、ハーメチックガラス１４の上端面を覆うようにハウジング１２の上端面に、シリコーン系接着剤により接着されている。これにより、所定の厚さを有する環状の接着層がハウジング１２の上端面に形成されることとなる。また、入出力端子群４０ａｉが突出するハーメチックガラス１４の上端面全体には、シリコーン系接着剤からなる被覆層が所定の厚さで形成されている。これにより、ハウジング１２の上端面およびハーメチックガラス１４の上端面全体には、シリコーン系接着層１０が形成されることとなる。

従って、シリコーン系接着層１０が、静電気保護層として形成される。このようにシリコーン系接着剤により静電気保護層１０が形成されることにより、ＥＳＤ保護回路の有無に影響されることなく、センサユニットの静電気耐力が、向上することとなる。

上述のシリコーン系接着剤は、例えば、柔軟性のある付加型の一成分系であるものが好ましい。シリコーン系接着剤は、例えば、低分子シロキサン結合を有する接着剤とされる。また、シリコーン系接着剤とシリコーンオイルとが相性がよいのでシリコーン系接着剤にシリコーンオイル等が万一混じりあった場合であっても、シリコーン系接着剤の接着性が悪化する虞がない。

端子台２４の外周面、および、端子台２４に連結され上述の孔を覆うエンドキャップ２２の外周面と防水ケース２０の内周面との間、また、防水ケース２０の内周面とハウジング１２の外周面との間には、封止材２６が、所定量、充填されている。端子台２４およびエンドキャップ２２は、上述のセンサユニットを挟んで継手部材３０のベースプレート２８と向き合って防水ケース２０内に配置されている。

エンドキャップ２２の上端面は、防水ケース２０の開口端から上方に向けて突出している。即ち、エンドキャップ２２の上端面の位置は、防水ケース２０の開口端面の位置よりも高い位置となる。

封止材２６は、加熱硬化型樹脂材料、例えば、ウレタン系樹脂、もしくは、エポキシ系樹脂とされる。封止材２６におけるエンドキャップ２２の中心軸線（即ち、防水ケース２０の中心軸線）に最も近くエンドキャップ２２の上端面近傍に接着される頂部２６Ｉの位置は、エンドキャップ２２の中心軸線に対し最も離隔した防水ケース２０の内周面２０ａに対し略垂直に形成される開口端面近傍に接着される裾部２６Ｅの位置に対し所定の高低差ΔＨＡをもって設定されている。高低差ΔＨＡは、硬化した封止材２６の収縮率に応じて例えば、少なくとも０．５ｍｍ以上に設定されている。これにより、防水ケース２０内に充填される封止材２６の充填量を増大させることなく、露等の水滴が溜まるような凹部が、封止材２６における外部に露出する上面に形成されない。その際、リード線３８の芯線３８ａおよび被覆が、封止材２６内に例えば、４ｍｍ以上差し込まれる。なお、封止材２６における外部に露出する上面が、上方に向けて突出する凸面、あるいは、例えば、略円錐面で形成されてもよい。

本発明に係る圧力センサの製造方法一例においては、上述のように、センサユニット、エンドキャップ２２、および、端子台２４等が、防水ケース２０内に配置された後、高低差ΔＨＡが形成されるように封止材２６が、予め設定された所定量だけ、充填される場合、封止材２６を防水ケース２０内に供給するディスペンサ４２の先端の位置は、例えば、図１に二点鎖線で示されるように、エンドキャップ２２の上端面近傍に位置決めされる。これにより、封止材２６が、充填中、防水ケース２０から溢れる事態が回避される。

なお、封止材２６がウレタン系樹脂である場合、ハウジング１２の外周面とウレタン系樹脂との接着性を向上させるように、ハウジング１２の外周面における領域に対し粗面化処理が施されても良い。そのような粗面化処理は、例えば、本出願人による国際出願（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０８３３５１）に開示されている粗面化処理方法が用いられても良い。なお、封止材２６が、加熱硬化型樹脂に代えて、常温硬化型樹脂であってもよい。

図２は、本発明に係る圧力センサの第２実施例を概略的に示す。

なお、図２において、図１に示される例における構成要素と同一の構成要素について同一の符合を付して示しその重複説明を省略する。

圧力センサは、圧力が検出されるべき流体が導かれる配管に接続される継手部材３０と、継手部材３０のベースプレート２８に連結されセンサユニットを収容しセンサチップからの検出出力信号を所定の圧力測定装置に供給するセンサユニット収容部と、を含んで構成されている。センサユニット収容部の外郭部は、カバー部材としての円筒状の防水ケース２１により形成されている。樹脂製の防水ケース２１の下端部には、開口部２１ｂが形成されている。内側となる開口部２１ｂの周縁の段差部には、継手部材３０のベースプレート２８の周縁が係合されている。防水ケース２１における中心軸線に沿った長さＨ２は、上述の防水ケース２０における対応する長さＨ１に比して若干大に設定されている。

端子台２４の外周面、および、端子台２４に連結され上述の孔を覆うエンドキャップ２２´の外周面と防水ケース２１の内周面との間、また、防水ケース２１の内周面とハウジング１２の外周面との間には、封止材２６が、所定量、充填されている。端子台２４およびエンドキャップ２２´は、上述のセンサユニットを挟んで継手部材３０のベースプレート２８と向き合って防水ケース２１内に配置されている。

エンドキャップ２２´の上端面は、防水ケース２１の開口端から上方に向けて突出している。即ち、エンドキャップ２２´の上端面の位置は、防水ケース２１の開口端面の位置よりも高い位置となる。エンドキャップ２２´内の空洞の深さ２２´ＣＨは、上述のエンドキャップ２２（図１参照）内の空洞の深さに比して大に設定されている。即ち、エンドキャップ２２´の上端面における端子台２４の連結部からの高さは、エンドキャップ２２における対応する高さに比して大に設定されている。

封止材２６におけるエンドキャップ２２´の中心軸線（即ち、防水ケース２１の中心軸線）に最も近くエンドキャップ２２´の上端面近傍に接着される頂部２６Ｉの位置は、エンドキャップ２２´の中心軸線に対し最も離隔した防水ケース２１の内周面２１ａに対し略垂直に形成される開口端面近傍に接着される裾部２６Ｅの位置に対し所定の高低差ΔＨＢをもって設定されている。高低差ΔＨＢは、硬化した封止材２６の収縮率に応じて例えば、少なくとも０．５ｍｍ以上に設定されている。これにより、露等の水滴が溜まるような凹部が、封止材２６における外部に露出する上面に形成されない。なお、封止材２６における外部に露出する上面が、上方に向けて突出する凸面、あるいは、略円錐面で形成されてもよい。その際、リード線３８の芯線３８ａおよび被覆が、封止材２６内に例えば、４ｍｍ以上差し込まれる。

１２ ハウジング
１４ ハーメチックガラス
１６ センサチップ
１８ チップマウント部材
２０、２１ 防水ケース
２２、２２´ エンドキャップ
２４ 端子台
２６ 封止材
３８ リード線
４２ ディスペンサ

Claims (5)

1. 圧力を検出するセンサチップを含むセンサユニットと、
   前記センサユニットを収容するセンサユニット収容部を有するカバー部材と、
   前記カバー部材のセンサユニット収容部における前記センサユニットの周囲に充填されるウレタン樹脂材料からなる封止材と、
   前記カバー部材の前記センサユニット収容部に配置され、前記カバー部材の開口端から上方に向けて突出するエンドキャップと、を備え、
   前記カバー部材の開口から外部に対し露出する前記封止材の端面における頂部は、前記エンドキャップの上端面近傍に接着され、該端面の裾部に対し硬化した前記封止材の収縮率に応じて上方に向けて凸状となる略円錐面状に形成されることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサチップに電気的に接続され、前記封止材の端面から突出するリード線は、前記センサチップに電気的に接続されている箇所が、前記封止材内に差し込まれることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記封止材の端面における頂部は、該端面の裾部に対し０．５ｍｍ以上の高低差をもって形成されることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. 前記封止材の端面から突出するリード線が、４ｍｍ以上の長さをもって前記封止材内に差し込まれることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
5. 圧力を検出するセンサチップを含むセンサユニットおよび該センサユニットに連結されるエンドキャップをカバー部材のセンサユニット収容部に配置し、
   ウレタン樹脂材料からなる封止材を前記カバー部材のセンサユニット収容部における前記センサユニットの周囲にディスペンサにより充填することを含み、
   前記ディスペンサの一端が、前記カバー部材のセンサユニット収容部におけるエンドキャップの外周縁近傍に配置され、前記カバー部材の開口から外部に対し露出する封止材の端面における頂部が、前記エンドキャップの上端面近傍に接着され、該端面の裾部に対し硬化した前記封止材の収縮率に応じて上方に向けて凸状となる略円錐面状に形成されることを特徴とする圧力センサの製造方法。

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