(57)【要約】【課題】安定した伝送線路を確保するための金属皮膜を形成する。【解決手段】貫通穴を有する本体部と、前記貫通穴に挿通して設けられる外部電極と、前記外部電極の端面に形成される凹部と、前記凹部に形成される金属皮膜と、前記金属皮膜を介して、前記外部電極と電気的に接続されるセンサ部とを備えて成る。【選択図】図１
2020051962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通穴を有する本体部と、
前記貫通穴に挿通して設けられる外部電極と、
前記外部電極の端面に形成される凹部と、
前記凹部に形成される金属皮膜と、
前記金属皮膜を介して、前記外部電極と電気的に接続されるセンサ部と
を備えたことを特徴とするセンサユニット。
【請求項２】
前記凹部は、所望の膜厚から成る前記金属皮膜の形成に要するナノメタルインクを収容し得る深さを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項３】
前記金属皮膜は、複数回に分けて被膜形成された積層構造から成る
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサユニット。
【請求項４】
ハーメチック構造のセンサユニットを備えた伝送器であって、
前記センサユニットは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のものである
ことを特徴とする伝送器。
【請求項５】
貫通穴を有する本体部と、前記貫通穴に挿通して設けられる外部電極と、前記外部電極と電気的に接続されるセンサ部とを備えたセンサユニットの製造方法であって、
前記外部電極の端面に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部にナノメタルインクを塗布する塗布工程と、
前記凹部に塗布された前記ナノメタルインクを焼結する焼結工程と
を備えたことを特徴とするセンサユニットの製造方法。
【請求項６】
前記凹部形成工程において、前記凹部を、所望の膜厚から成る前記金属皮膜の形成に要するナノメタルインクを収容し得る深さで形成する
ことを特徴とする請求項５に記載のセンサユニット製造方法。
【請求項７】
前記塗布工程と前記焼結工程とを複数回繰り返し、所望の膜厚から成る金属皮膜を前記凹部に形成する
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のセンサユニットの製造方法。
【請求項８】
ハーメチック構造のセンサユニットを備えた伝送器の製造方法であって、
前記センサユニットを、請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の方法で製造する
ことを特徴とする伝送器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサユニット、センサユニットを備えた伝送器、センサユニットの製造方法、および、センサユニットを備えた伝送器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラントや工場等においては、各プロセスにおいて生成（または、使用）される気体や液体の状態量（例えば、差圧、圧力、温度、流量等）を制御するプロセス制御システムが構築されており、このようなプロセス制御システムでは、それらの状態量を測定するため、各種の伝送器（例えば、差圧伝送器、圧力伝送器、温度伝送器、流量伝送器等）が設けられている。
【０００３】
伝送器は、状態量を測定すると共に、その測定結果を外部（例えば、プロセス制御を行うコントローラ等）に伝送するものである。よって、伝送器には、状態量を測定するセンサ部と、このセンサ部と電気的に接続されて外部に測定結果を伝送するための外部電極とを有するセンサユニットが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−７６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したセンサユニットにおいては、安定した伝送線路を確保するために、外部電極に金属皮膜を形成し、この金属皮膜を介してセンサ部と外部電極とをワイヤボンディングによって電気的に接続することが求められている。
【０００６】
そこで、本発明は、安定した伝送線路を確保するための金属皮膜を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係るセンサユニットは、貫通穴を有する本体部と、前記貫通穴に挿通して設けられる外部電極と、前記外部電極の端面に形成される凹部と、前記凹部に形成される金属皮膜と、前記金属皮膜を介して、前記外部電極と電気的に接続されるセンサ部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るセンサユニットによれば、安定した伝送線路を確保するための金属皮膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係るセンサユニットの構造を示す図である。
【図２】本実施形態に係るセンサユニットにおける外部電極の端部を拡大した図（図１におけるII部分に相当）を示す図である。
【図３】本実施形態に係るセンサユニットの製造方法を示すフローチャートである。
【図４Ａ】本実施形態に係るセンサユニットの製造過程（塗布工程）を示す図である。
【図４Ｂ】本実施形態に係るセンサユニットの製造過程（脱媒焼結工程）を示す図である。
【図５Ａ】本実施形態に係るセンサユニットの製造過程（一回目の塗布工程）を示す図である。
【図５Ｂ】本実施形態に係るセンサユニットの製造過程（一回目の脱媒焼結工程）を示す図である。
【図５Ｃ】本実施形態に係るセンサユニットの製造過程（二回目の塗布工程）を示す図である。
【図５Ｄ】本実施形態に係るセンサユニットの製造過程（二回目の脱媒焼結工程）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態に係るセンサユニットは、ハーメチック構造から成るものであり、差圧伝送器に備えられる。もちろん、本発明に係るセンサユニットは、圧力伝送器に備えられるものに限定されず、例えば、各種の状態量（圧力、温度、流量等）を測定するための各種の伝送器（圧力伝送器、温度伝送器、流量伝送器等）に採用することができる。
【００１１】
まず、本実施形態に係るセンサユニットの構成について、図１および図２を参照して説明する。
【００１２】
図１に示すように、センサユニット１には、伝送器の筐体部材２（図１における二点鎖線参照）に対して気密（または液密）に装着されるユニット本体部１１が設けられている。
【００１３】
ユニット本体部１１の一方側（図１においては、上方側）には、センサ支持部材１２を介して、状態量を測定可能なセンサ部材（測定部）１３が設けられており、センサ支持部材１２とセンサ部材１３との間には、第一の空間１０１が画成されている。第一の空間１０１には、基準流体（例えば、オイル）が封入されており、この第一の空間１０１内の基準流体には、ユニット本体１１に形成された導圧路３１およびセンサ支持部材１２に形成された導圧路４１を介して、被測定流体の圧力（低圧側のプロセス圧）が伝達されるようになっている。
【００１４】
また、ユニット本体部１１には、その一方側（図１においては、上方側）の端面（上面）１１ａおよび他方側（図１においては、下方側）の端面（下面）に臨んで開口する貫通穴３２が形成されており、この貫通穴３２には、金属ピン（外部電極）１４が挿通して設けられ、ガラス筒（封着ガラス）１５によって封着されている。なお、ユニット本体１１および金属ピン１４は、ガラス筒１５（封着ガラス）の熱膨張係数と略同等の熱膨張係数を有する金属（例えば、コバール等）で構成されている。
【００１５】
金属ピン１４は、ユニット本体部１１を貫通して設けられており、金属ピン１４の一端部（図１においては、上方側端部）は、ユニット本体１１の上面１１ａから上方側へ突出し、金属ピン１４の他端部（図１においては、下方側端部）は、ユニット本体１１の下面１１ｂから下方側へ突出している。そして、金属ピン１４の一端部は、金属線（ボンディングワイヤ）１６を介して、センサ部材１３と電気的に接続されている。
【００１６】
図２に示すように、金属ピン１４の一端面（センサ側端面）１４ａには、凹部５１が形成されており、この凹部５１内には、金属皮膜１７が形成されている。そして、金属線１６は、凹部５１内の金属皮膜１７に接続されている。つまり、センサ部材１３（図１参照）は、金属ピン１４の一端部に形成された金属皮膜１７（図２参照）を介して、当該金属ピン１４と電気的に接続（ワイヤボンディング）されている。
【００１７】
一方、金属ピン１４の他端部は、回路基板３（図１における二点鎖線参照）と電気的に接続されている。つまり、伝送器において、センサ部材１３は、金属線１６と金属皮膜１７と金属ピン１４とを介して、回路基板３と電気的に接続されており、センサ部材１３で検出された検出結果は、金属線１６と金属皮膜１７と金属ピン１４とを介して、回路基板３に伝送されるようになっている。
【００１８】
もちろん、金属ピン１４の他端部においても、上述した金属ピン１４の一端部と同様に、凹部および金属皮膜を形成し、回路基板３（または、その他の電気部品（不図示））と電気的に接続するようにしても良い。
【００１９】
図１に示すように、ユニット本体部１１の一方側には、キャップ支持部材１８を介して、封液キャップ１９が設けられており、この封液キャップ１９内には、第二の空間１０２が画成されている。第二の空間１０２には、基準流体（例えば、オイル）が封入されており、この第二の空間１０２内の基準流体には、図示しない導圧路を介して、被測定流体の圧力（高圧側のプロセス圧）が伝達されるようになっている。
【００２０】
さらに、ユニット本体１１の一方側には、金属膜シールド部材２０が設けられており、この金属膜シールド部材２０により、金属膜シールド部材２０内の部材（例えば、センサ部材１３、金属線１６、金属ピン１４等）が保護されるようになっている。
【００２１】
上述した構成から成るセンサユニット１においては、基準流体の封入された第一の空間１０１と基準流体の封入された第二の空間１０２とがセンサ部材１３によって隔てられており、第一の空間１０１内の基準流体に図示しない導圧路を介して被測定流体の圧力（低圧側のプロセス圧）が伝達され、第二の空間１０２内の基準流体に図示しない導圧路を介して被測定流体の圧力（高圧側のプロセス圧）が伝達されることにより、これらの差圧がセンサ部材１３によって検出される。
【００２２】
そして、センサユニット１を備える伝送器（本実施形態においては、差圧伝送器）においては、センサ部材１３によって検出された検出結果（基準流体を介して測定された被測定流体の差圧）が、金属線１６と金属皮膜１７と金属ピン１４とを介して、回路基板３に伝送された後、当該回路基板３から外部（例えば、プロセス制御を行う図示しないコントローラ等）に伝送される。
【００２３】
次に、本実施形態に係るセンサユニットの製造方法について、図１から図５Ｄを参照して説明する。
【００２４】
まず、ガラス封着工程Ｓ１において、ユニット本体１１の貫通穴３２に、ガラス筒１５および金属ピン１４を挿入し、これらを加熱処理することにより、金属ピン１４を、ユニット本体１１に対して、ガラス筒１５（封着ガラス）で封着する（図１および図３参照）。
【００２５】
次に、酸化被膜除去工程Ｓ２において、前述したガラス封着工程においてユニット本体１１および金属ピン１４の表面に生成された酸化被膜を、化学反応を利用した還元処理（例えば、酸洗い等）により除去する。
【００２６】
次に、第一の部材組み付け工程Ｓ３において、センサ支持部材１２とセンサ部材１３とキャップ支持部材１８とをそれぞれ組み付ける。
【００２７】
次に、凹部形成工程Ｓ４において、金属ピン１４のセンサ側端面１４ａに、凹部５１を形成する（図２および図３参照）。凹部５１を形成する方法としては、種々の加工方法を採用することができ、例えば、レーザ加工、切削加工、エッチング等が挙げられる。
【００２８】
ここで、凹部５１の形状は、加工の容易性および用途（後の製造工程で凹部５１内に形成される金属皮膜１７に対してワイヤボンディングが可能であれば良いこと）から、円形状の窪みとする。もちろん、本発明はこれに限定されず、凹部５１を種々の形状（例えば、多角形状の窪み）としても良い。
【００２９】
また、凹部５１の形成範囲は、金属ピン１４のセンサ側端面１４ａよりも小さく、かつ、金属線１６の電気的な接続（ワイヤボンディング）が可能な範囲以上とする。例えば、金属ピン１４のセンサ側端面１４ａが直径（ピン直径）φ14の円形状であり、ワイヤボンディング可能な範囲が金属線１６のワイヤ直径φ16以上の範囲である場合には、凹部５１の形成範囲を、ピン直径φ14よりも小さく、かつ、ボンディング直径φ16以上である直径φ51の円形状とする（φ16≦φ51＜φ14）。
【００３０】
このように凹部５１をセンサ側端面１４ａよりも小さい範囲に形成することにより、凹部５１の内壁面５１ａを確実に形成することができる。内壁面５１ａは、後の製造工程（塗布工程）においてナノメタルインク１７ａを塗布した際にナノメタルインク１７ａの流出を防止する堰として機能する（ナノメタルインク１７ａの塗布領域を決定する）ものであり、ナノメタルインク１７ａの塗布を容易にすることができる。よって、金属皮膜１７の形成範囲を容易に決定することができる。
【００３１】
また、凹部５１の形成深さＤ51は、所望の金属皮膜１７の膜厚Ｔ17よりも深くし（Ｄ51＞Ｔ17）、後の製造工程（塗布工程）においてナノメタルインク１７ａを塗布した際に当該ナノメタルインク１７ａが流出しない（所望の膜厚Ｔ17から成る金属皮膜１７の形成に要するナノメタルインク１７ａを収容し得る）程度に深くする。詳細については、後の工程（塗布工程Ｓ５）において述べる。
【００３２】
なお、凹部形成工程Ｓ４におけるレーザ加工等によって凹部５１に酸化被膜が生成される場合には、この凹部形成工程の後にも前述した酸化被膜除去工程Ｓ２と同様の工程（第二の酸化被膜除去工程）を組み込むこととする。また、前述した酸化被膜除去工程Ｓ２を省略し、当該酸化被膜除去工程Ｓ２を凹部形成工程Ｓ４の後に組み込む（移行する）ようにしても良い。
【００３３】
次に、塗布工程Ｓ５において、凹部５１に、ナノメタルインク１７ａを塗布する（図３および図４Ａ参照）。ナノメタルインク１７ａを塗布する方法としては、種々の塗布法または印刷法を採用することができ、例えば、インクジェット方式、転写基板を用いて転写する方式等が挙げられる。
【００３４】
ここで、センサユニット１の製造に使用するナノメタルインク１７ａは、導電性を有する金属の微粒子（ナノ粒子）を溶媒に分散させたものである。例えば、金属の微粒子としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の微粒子が挙げられ、溶媒としては、低極性のトルエン（Ｃ7Ｈ8）、テトラデカン（Ｃ14Ｈ30）等の有機溶媒が挙げられる。
【００３５】
なお、凹部形成工程Ｓ４において凹部５１をナノメタルインク１７ａが流出しない程度の深さＤ51で形成しているので、ナノメタルインク１７ａを塗布する際に当該ナノメタルインク１７ａが流出することはなく、凹部５１（内壁面５１ａ）が堰として機能すると共に、ナノメタルインク１７ａが所望の塗布領域に塗布される。
【００３６】
次に、脱媒焼結工程Ｓ６において、ナノメタルインク１７ａ中の溶媒を乾燥除去すると共に、金属の微粒子を焼結（焼成）する（図３および図４Ｂ参照）。溶媒を乾燥除去すると共に金属の微粒子を焼結する方法としては、例えば、レーザ等によって昇温および焼結する方法が挙げられる。
【００３７】
なお、上述した脱媒焼結工程Ｓ６を、ナノメタルインク１７ａ中の溶媒を乾燥除去する脱媒工程と、金属の微粒子を焼結（焼成）する焼結工程とに分けて行うようにしても良い。このように脱媒工程と焼結工程とを分けて行う場合には、例えば、脱媒工程において図示しないヒータで昇温して溶媒を乾燥した後、焼結工程においてレーザによる焼結を行うなど、異なる装置を採用することができる。
【００３８】
上述した塗布工程Ｓ５と脱媒焼結工程Ｓ６とが、金属皮膜１７を形成する金属皮膜形成工程Ｓ５−６であり、この金属皮膜形成工程Ｓ５−６により、凹部５１内に所望の膜厚Ｔ17から成る金属皮膜１７が形成される。
【００３９】
なお、金属皮膜形成工程Ｓ５−６を一回行う（塗布工程Ｓ５と脱媒焼結工程Ｓ６とを一巡する）ことによって形成可能な金属皮膜１７の膜厚が制限される（所望の膜厚Ｔ17に達しない）場合には、金属皮膜形成工程Ｓ５−６を複数回行う（塗布工程Ｓ５と脱媒焼結工程Ｓ６とを順に繰り返す）ことにより、所望の膜厚Ｔ17から成る金属皮膜１７を形成することができる。
【００４０】
具体的には、まず、塗布工程Ｓ５において一度に脱媒および焼結可能な量のナノメタルインク１７ａを凹部５１に塗布し（図５Ａ参照）、脱媒焼結工程Ｓ６において脱媒および焼結し（図５Ｂ参照）、一層目（薄い膜厚Ｔ17-1）の金属皮膜１７−１を形成する。続いて、二回目の塗布工程Ｓ５においてナノメタルインク１７ａを凹部５１内の金属皮膜１７−１上に塗布し（図５Ｃ参照）、二回目の脱媒焼結工程Ｓ６において脱媒および焼結し（図５Ｄ参照）、二層目（薄い膜厚Ｔ17-2）の金属皮膜１７−２を形成する。
【００４１】
このように塗布工程Ｓ５と脱媒焼結工程Ｓ６とを繰り返すことにより、所望の膜厚Ｔ17（＝Ｔ17-1＋Ｔ17-2）から成る金属皮膜１７を形成することができる。このとき、金属皮膜１７は、複数層（図５Ｄにおいては、二層）の金属皮膜１７−１，１７−２から成る積層構造である。
【００４２】
次に、ワイヤボンディング工程Ｓ８において、センサ部材１３と金属ピン１４（金属皮膜１７）とを、金属線１６を用いて電気的に接続する。
【００４３】
このとき、凹部５１および金属皮膜１７は、ワイヤボンディング可能な範囲以上の範囲で形成されているので、センサ部材１３と金属ピン１４（金属皮膜１７）とを、金属線１６を用いて容易にワイヤボンディングすることができる。
【００４４】
次に、第二の部材組み付け工程Ｓ９において、封液キャップ１９と金属膜シールド部材２０とを組み付ける。
【００４５】
以上により、センサユニット１の製造が完了する。
【００４６】
そして、このセンサユニット１を、伝送器の筐体部材２に気密（または、液密）に装着すると共に、金属ピン１４の他端部を回路基板３と電気的に接続することにより、伝送器を製造することができる。
【００４７】
なお、上述したセンサユニット１の製造方法における各工程の順序は、適宜に、入れ替え、または、省略することができる。例えば、金属ピン１４の製造工程（不図示）において予め凹部５１を形成し、この凹部５１が形成された金属ピン１４をガラス封着工程Ｓ１で使用することにより、上述した凹部形成工程を省略することができる。
【００４８】
本発明に係るセンサユニットは、貫通穴を有する本体部と、前記貫通穴に挿通して設けられる外部電極と、前記外部電極の端面に形成される凹部と、前記凹部に形成される金属皮膜と、前記金属皮膜を介して、前記外部電極と電気的に接続されるセンサ部とを備えたことを特徴とする。
【００４９】
この構成によれば、金属皮膜を形成する際に、凹部の内壁面を堰として利用して、ナノメタルインクの流出を防止することにより、所望の膜厚から成る金属皮膜を形成することができる。このように金属皮膜を所望の膜厚で形成することにより、凹部の表面粗さが大きい場合であっても、凹部の素地（上述した実施形態においては、コバール）が露出することなく、金属皮膜を確実に形成することができる。よって、ボンディングワイヤを確実に金属皮膜に接続し、センサユニットにおける安定した伝送線路を確保することができる。また、ナノメタルインクの塗布を容易にすることができる。
【００５０】
また、前記凹部は、所望の膜厚から成る前記金属皮膜の形成に要するナノメタルインクを収容し得る深さを有することを特徴とする。
【００５１】
この構成によれば、ナノメタルインクの流出を確実に防止することができる。また、一度に多くのナノメタルインクを塗布し、一度の焼結で所望の膜厚から成る金属皮膜を形成することもできる。
【００５２】
また、前記金属皮膜は、複数回に分けて被膜形成された積層構造から成ることを特徴とする。
【００５３】
この構成によれば、一回の金属皮膜形成工程で形成可能な金属皮膜の膜厚が制限される（所望の膜厚に達しない）場合であっても、所望の膜厚から成る金属皮膜を形成することができる。
【００５４】
本発明に係る伝送器は、ハーメチック構造のセンサユニットを備えた伝送器であって、前記センサユニットは、上述したいずれか一つのセンサユニットであることを特徴とする。
【００５５】
この構成によれば、伝送器における安定した伝送線路を確保することができる。
【００５６】
本発明に係るセンサユニットの製造方法は、貫通穴を有する本体部と、前記貫通穴に挿通して設けられる外部電極と、前記外部電極と電気的に接続されるセンサ部とを備えたセンサユニットの製造方法であって、前記外部電極の端面に凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にナノメタルインクを塗布する塗布工程と、前記凹部に塗布された前記ナノメタルインクを焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とする。
【００５７】
この構成によれば、金属皮膜を形成する際に、凹部の内壁面を堰として利用して、ナノメタルインクの流出を防止することにより、所望の膜厚から成る金属皮膜を形成することができる。このように金属皮膜を所望の膜厚で形成することにより、凹部の表面粗さが大きい場合であっても、凹部の素地（上述した実施形態においては、コバール）が露出することなく、金属皮膜を確実に形成することができる。よって、ボンディングワイヤを確実に金属皮膜に接続し、センサユニットにおける安定した伝送線路を確保することができる。また、ナノメタルインクの塗布を容易にすることができる。
【００５８】
また、前記凹部形成工程において、前記凹部を、所望の膜厚から成る前記金属皮膜の形成に要するナノメタルインクを収容し得る深さで形成することを特徴とする。
【００５９】
この構成によれば、ナノメタルインクの流出を確実に防止することができる。また、一度に多くのナノメタルインクを塗布し、一度の焼結で所望の膜厚から成る金属皮膜を形成することもできる。
【００６０】
また、前記塗布工程と前記焼結工程とを複数回繰り返し、所望の膜厚から成る金属皮膜を前記凹部に形成することを特徴とする。
【００６１】
この構成によれば、一回の金属皮膜形成工程で形成可能な金属皮膜の膜厚が制限される（所望の膜厚に達しない）場合であっても、所望の膜厚から成る金属皮膜を形成することができる。
【００６２】
本発明に係る伝送器の製造方法は、ハーメチック構造のセンサユニットを備えた伝送器の製造方法であって、前記センサユニットを、上述したいずれか一つのセンサユニットの製造方法で製造することを特徴とする。
【００６３】
この構成によれば、伝送器における安定した伝送線路を確保することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１…センサユニット、２…伝送器の筐体部、３…回路基板、１１…ユニット本体部、１１ａ…ユニット本体部の上面、１１ｂ…ユニット本体部の下面、１２…センサ支持部材、１３…センサ部材、１４…金属ピン、１５…ガラス筒、１６…金属線、１４ａ…センサ側端面、１７…金属皮膜、１７ａ…ナノメタルインク、１８…キャップ支持部材、１９…封液キャップ、２０…金属膜シールド部材、３１…導圧路、３２…貫通穴、４１…導圧路、５１…凹部、５１ａ…内壁面、１０１…第一の空間、１０２…第二の空間
【図１】
2020051962.tif 000003
【図２】
2020051962.tif 000004
【図３】
2020051962.tif 000005
【図４Ａ】
2020051962.tif 000006
【図４Ｂ】
2020051962.tif 000007
【図５Ａ】
2020051962.tif 000008
【図５Ｂ】
2020051962.tif 000009
【図５Ｃ】
2020051962.tif 000010
【図５Ｄ】
2020051962.tif 000011