(57)【要約】【課題】部品点数，組立工数が少なく、構造が簡単で組立精度が高く、動作特性のバラツキが小さい小型の圧力センサおよびその製造方法を提供することにある。【解決手段】ベース部材１０と、このベース部材１０の上面に設けた凹所１１の底面から露出するように一体成形した固定電極１２と、前記固定電極１２の周辺に配置され、かつ、前記固定電極１２の上面よりも所定の電極間ギャップだけ高くなるように前記ベース部材１０の凹所１１の底面に一体成形した可動電極用受け部１３，１４と、前記可動電極用受け部１３，１４に外周縁部を載置して一体化し、前記固定電極１２の上面に対して所定の電極間ギャップで対向する可動電極２０と、前記ベース部材１０の凹所１１の開口縁部に固定され、下面中央部を前記可動電極２０の上面に接着一体化したダイヤフラム２５と、からなる。【選択図】図２
2004069555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、このベース部材の上面に設けた凹所底面から露出するように一体成形した固定電極と、前記固定電極の周辺に配置され、かつ、前記固定電極の上面よりも所定の電極間ギャップだけ高くなるように前記ベース部材の凹所底面に一体成形した可動電極用受け部と、前記可動電極用受け部に外周縁部を載置して一体化し、前記固定電極の上面に対して所定の電極間ギャップで対向する可動電極と、前記ベース部材の凹所の開口縁部に固定され、下面中央部を前記可動電極の上面に接着一体化したダイヤフラムと、からなることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
ベース部材に嵌合できる外周形状を有し、上面にダイヤフラムを目視できる貫通孔を有するとともに、外周面に形成した環状段部と前記ベース部材の上面縁部とでダイヤフラムの外周縁部を挟持，固定するシールドカバーを設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
ダイヤフラムの外周縁部を、シールドカバーの段部と、中心に貫通孔を有し、かつ、ベース部材の開口縁部に位置決めした板状導電材からなる円板の外周縁部と、で挟持，固定したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
シールドカバーをシールド部と嵌合部とに上下に分割し、前記シールド部の下方開口縁部と前記嵌合部の上方開口縁部とでダイヤフラムの外周縁部を挟持し、側方からレーザを照射して溶接一体化したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項５】
シールドカバーをシールド部と嵌合部とに上下に分割し、前記シールド部の下方開口縁部と、前記嵌合部の上方開口縁部に形成したリブとで、ダイヤフラムの外周縁部を曲げ起こして形成したリブを挟持するとともに、前記ダイヤフラムのリブにレーザを照射することにより、前記シールドカバーのシールド部の下方開口縁部、嵌合部のリブおよびダイヤフラムのリブを溶接一体化したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項６】
ベース部材に固定電極および可動電極用受け部を一体成形した圧力センサの製造方法において、
ベース部材の凹所底面に配置する固定電極の上面と可動電極用受け部の上面との間に所定の電極間ギャップを形成するように成形金型で位置決めした後、樹脂を注入，固化して一体成形することを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項７】
シールドカバーに組み付けたダイヤフラムの外周縁部を前記シールドカバーに溶接一体化する圧力センサの製造方法において、
前記シールドカバーに組み付けたダイヤフラムの外周縁部に、等ピッチに配置した複数のレーザ光を同時に照射して溶接一体化することを特徴とする圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力センサ、特に、産業用機器に組み込まれる静電容量式圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来、産業用機器に組み込まれる静電容量式圧力センサとしては、圧力流体のの圧力を感知する受圧部を有する受圧ユニットと、固定電極と受圧ユニットが感知した圧力に応じて移動し、かつ、固定電極間に絶縁保持された可動電極とからなるセンサー部を有するセンサーユニットと、リファレンス部を内有し、かつ、前記センサー部および前記リファレンス部の静電容量を処理し、所望の信号を出力する信号処理ユニットとを備えたことを特徴とする圧力センサがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２８６９２５号公報（第５頁〜第８頁、図１および図２）
【０００４】
しかしながら、従来例にかかる圧力センサは部品点数が多く、複雑な構造を有するので、組立工数が多く、小型化が困難であった。さらに、集積誤差が大きく、高い組立精度を確保することが困難であったため、動作特性のバラツキが大きいという問題点があった。
【０００５】
本願発明は、前記問題点に鑑み、部品点数，組立工数が少なく、構造が簡単で組立精度が高く、動作特性のバラツキが小さい小型の圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる圧力センサは、前記目的を達成するため、ベース部材と、このベース部材の上面に設けた凹所底面から露出するように一体成形した固定電極と、前記固定電極の周辺に配置され、かつ、前記固定電極の上面よりも所定の電極間ギャップだけ高くなるように前記ベース部材の凹所底面に一体成形した可動電極用受け部と、前記可動電極用受け部に外周縁部を載置して一体化し、前記固定電極の上面に対して所定の電極間ギャップで対向する可動電極と、前記ベース部材の凹所の開口縁部に固定され、下面中央部を前記可動電極の上面に接着一体化したダイヤフラムと、からなる構成としてある。
【０００７】
したがって、本発明によれば、ベース部材に一体成形された固定電極の上面と可動電極用受け部の上面とが所定の電極間ギャップを有するように配置されている。このため、可動電極用受け部に可動電極の外周縁部を載置して一体化して組立られる。このため、部品点数，組立工数が少なく、構造が簡単であるだけでなく、可動電極をベース部材に高い組立精度で組み付けることができ、動作特性のバラツキが小さい小型の圧力センサが得られる。
【０００８】
また、本発明の実施形態としては、ベース部材に嵌合できる外周形状を有し、上面にダイヤフラムを目視できる貫通孔を有するとともに、外周面に形成した環状段部と前記ベース部材の上面縁部とでダイヤフラムの外周縁部を挟持，固定するシールドカバーを設けておいてもよい。
したがって、本実施形態によれば、シールドカバーが静電気等の外乱を除去するので、信頼性の高い圧力センサが得られる。また、飛散物がダイヤフラムに衝突するおそれが少なくなるので、ダイヤフラムがシールドカバーで保護される。さらに、シールドカバーを手で持つことにより、薄く脆弱なダイヤフラムに触れる必要がなくなり、作業性が高い。
【０００９】
さらに、他の実施形態としては、シールドカバーをシールド部と嵌合部とに上下に分割し、前記シールド部の下方開口縁部と前記嵌合部の上方開口縁部とでダイヤフラムの外周縁部を挟持し、側方からレーザを照射して溶接一体化してもよい。
本実施形態によれば、ダイヤフラムの外周縁部が円板の外周縁部とシールドカバーの段部とで挟持された状態で溶接一体化される。このため、溶接後の熱収縮が抑制され、ダイヤフラムに与える熱ストレスが小さくなり、動作特性のバラツキが小さくなる。
【００１０】
そして、別の実施形態としては、シールドカバーをシールド部と嵌合部とに上下に分割し、前記シールド部の下方開口縁部と、前記嵌合部の上方開口縁部に形成したリブとで、ダイヤフラムの外周縁部を曲げ起こして形成したリブを挟持するとともに、前記ダイヤフラムのリブにレーザを照射することにより、前記シールドカバーのシールド部の下方開口縁部、嵌合部のリブおよびダイヤフラムのリブを溶接一体化してもよい。
本実施形態によれば、曲げ起こして形成したダイヤフラムのリブをシールドカバーのシールド部と嵌合部のリブとで挟持し、溶接一体化する。このため、溶接によって熱ストレスが生じても、ダイヤフラム本体に直接、悪影響が及ぶことが少なく、動作特性のバラツキがより一層小さい圧力センサが得られる。
【００１１】
本発明にかかる圧力センサの製造方法は、シールドカバーをシールド部と嵌合部とに上下に分割し、前記シールド部の下方開口縁部と、前記嵌合部の上方開口縁部に形成したリブとで、ダイヤフラムの外周縁部を曲げ起こして形成したリブを挟持するとともに、前記ダイヤフラムのリブにレーザを照射することにより、前記シールドカバーのシールド部の下方開口縁部、嵌合部のリブおよびダイヤフラムのリブを溶接一体化する工程からなるものである。
【００１２】
本発明にかかる製造方法によれば、成形金型で固定電極の上面と可動電極用受け部の上面とを位置決めしてベース部材に一体成形してある。このため、固定電極と可動電極用受け部とを極めて高い位置決め精度で位置決めできる。この結果、前記可動電極用受け部に可動電極を組み付けても、固定電極と可動電極との電極間ギャップは高い寸法精度となり、動作特性が均一になる。
【００１３】
本発明にかかる他の製造方法は、シールドカバーに組み付けたダイヤフラムの外周縁部を前記シールドカバーに溶接一体化する圧力センサの製造方法において、前記シールドカバーに組み付けたダイヤフラムの外周縁部に、等ピッチに配置した複数のレーザ光を同時に照射して溶接一体化した工程であってもよい。
【００１４】
本発明にかかる他の製造方法によれば、レーザ光による溶接の際に生じた熱ストレスが均等に分散し、一部に偏ることがないので、動作特性のバラツキが小さい圧力センサの製造方法が得られるという効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる圧力センサの実施形態を図１ないし図１２の添付図面に従って説明する。
第１実施形態は、図１ないし図９に示すように、ベース部材１０に可動電極２０、円板２４およびダイヤフラム２５を組み付けるとともに、シールドカバー２７を嵌合一体化したものである。
【００１６】
前記ベース部材１０は、その凹所１１の底面中央に円板状の固定電極１２をインサート成形するとともに、前記固定電極１２を中心にして対向する位置に後述する可動電極用受け部１３，１４をインサート成形してある。前記固定電極１２の上面と前記受け部１３，１４の上面との間には、図４Ｂ，４Ｃから明かなように、電極間ギャップとなる段差が設けられている。さらに、前記固定電極１２は、その中心に空気孔を有するとともに、端子１２ａを延在してある。一方、前記可動電極用受け部１４も端子１４ａを延在している。
なお、前記可動電極用受け部１３，１４は一体化することにより、Ｃ字形状であってもよく、円環状であってもよい。
【００１７】
可動電極２０は、図３に示すように、その外周縁部から均等に延在した平面略Ｃ字形状の３本の弾性アーム部２１を介して環状の支持フレーム２２に連結したものである。前記支持フレーム２２の外周縁部の対向する位置に一対の位置決め用舌片２３が延在している。
【００１８】
円板２４はＳＵＳ等の板状導電材からなり、図３に示すように、その中心に貫通孔２４ａを有している。前記円板２４は溶接ミスによるダイヤフラム２５からの漏れを防止し、気密性を確保するとともに、前記ダイヤフラム２５の過剰な変位による破損を防止する機能を有している。しかし、円板２４は必須の部品でなく、必要に応じて設ければよい。
【００１９】
ダイヤフラム２５は、図３に示すように、平面円形であり、外周縁部２５ａおよび中心部２５ｂが平坦であるとともに、前記外周縁部２５ａと前記中心部２５ｂとの間に同心円状の凹凸面が形成されている。なお、前記外周縁部２５ａおよび中心部２５ｂの大きさは必要に応じて変更できる。
【００２０】
シールドカバー２７は、図３に示すように、前述のベース部材１０に嵌合可能な外周形状を有し、その天井面中央部に貫通孔２７ａを形成してあるとともに、その外周部に環状段部２７ｂを形成してある。
【００２１】
前記シールドカバー２７は、前記ベース部材１０に組み付けることにより、前記ベース部材１０の開口縁部とで前記円板２４の外周縁部および前記ダイヤフラム２５の外周縁部２５ａを挟持する。なお、端子２８を除いた前記シールドカバー２７は、最大直径７ｍｍ、高さ４．８ｍｍの外形寸法を有している。
【００２２】
次に、本実施形態にかかる圧力センサーの組立方法について説明する。
まず、図４に示すように、リードフレーム３０にプレス加工を施して固定電極１２および受け部１３，１４を打ち抜いた後、さらに、プレス加工を加えて固定電極１２および受け部１３，１４を突き出す。このとき、前記固定電極１２の上面と前記受け部１３，１４の上面との間に、電極間ギャップとなる段差が形成される。
【００２３】
ついで、前記固定電極１２の上面と前記受け部１３，１４の上面とを図示しない金型で位置決めした後、インサート成形する（図５参照）。そして、前記可動電極２０を前記ベース部材１０の凹所１１に嵌合し、その位置決め用舌片２３を可動電極用受け部１３，１４に位置決めし、前記位置決め用舌片２３，２３にレーザを照射して受け部１３，１４と溶接一体化する。そして、ベース部材１０をリードフレーム３０から切り出した後、端子１２ａ，１４ａを曲げ下ろすことにより、可動電極２０を一体化したベース部材１０が得られる（図６）。
【００２４】
本実施形態では、固定電極１２の上面と受け部１３，１４の上面との段差が電極ギャップとなっている。そして、前記固定電極１２の上面と前記受け部１３，１４の上面とを図示しない金型で位置決めした後、インサート成形する。このため、可動電極２０の位置決め用舌片２３，２３を前記受け部１３，１４に載置して溶接一体化するだけで、簡単、かつ、高い組立精度で組み立てられるという利点がある。
【００２５】
一方、シールドカバー２７の内側にダイヤフラム２５および円板２４を嵌合して位置決めした後、図８Ａに示すように、シールドカバー２７の環嬢段部２７ｂから前記円板２４の外周縁部にレーザを照射し、シールドカバー２７にダイヤフラム２５および円板２４を予め溶接一体化する。
【００２６】
なお、説明の便宜上、シールドカバー２７にベース部材１０を組み付けた状態の断面図を示してあるが、シールドカバー２７、ダイヤフラム２７および円板２４を予め溶接一体化した後、これらをベース部材１０に組み付けることは必要に応じて任意に選択できる。後述する他の溶接方法も同様である（図８Ａ、図９Ａ、図９Ｂ）。
【００２７】
ついで、前記シールドカバー２７を転倒させて位置決めした後、前記ダイヤフラム２５の中心部２５ｂに接着剤２６を滴下する。そして、前記シールドカバー２７内に前記ベース１０を圧入して仮止めする。さらに、前記シールドカバー２７と前記ベース部材１０との隙間にシール材（図示せず）を注入する。そして、所定の温度で加熱して前記接着剤２６および前記シール材を硬化させ、ダイヤフラム２５と可動電極２０とを接着一体化するとともに、シールドカバー２７とベース部材１０とを接着一体化してシールすることにより、組立作業が完了する。
【００２８】
なお、シールドカバー２７にダイヤフラム２５および円板２４を溶接一体化する方法としては、例えば、図８Ｂに示すように、ダイヤフラム２５の外周縁部を曲げ下ろして形成したリブ２５ｃを、円板２４の側端面とシールドカバー２７の側壁とで挟持する。そして、レーザを側方からシールドカバー２７の外側面に側方から照射して溶接することにより、シールドカバー２７、ダイヤフラム２５および円板２４を溶接一体化してもよい。
【００２９】
さらに、シールドカバー２７は常に一体化されたものである必要はなく、例えば、図９Ａに示すように、嵌合部２７ｃとシールド部２７ｄとに上下に分割したものであってもよい。そして、前記嵌合部２７ｃの上方開口縁部とシールド部２７ｄの下方開口縁部とでダイヤフラム２５の外周縁部２５ａおよび円板２４の外周縁部を挟持し、側方からレーザを照射して溶接一体化してもよい。
【００３０】
また、図９Ｂに示すように、前記シールドカバー２７の嵌合部２７ｃの開口縁部にプレス加工を施してリブ２７ｅを形成する。一方、前記ダイヤフラム２５の周辺縁部を曲げ起こしてリブ２５ｃを形成する。そして、前記嵌合部２７ｃのリブ２７ｅにダイヤフラム２５のリブ２５ｃを位置決めするとともに、シールド部２７ｄの開口縁部を積み重ねる。ついで、レーザを嵌合部２７ｃのリブ２７ｅの上方から照射することにより、シールドカバー２７およびダイヤフラム２５を溶接一体化する。この溶接方法であれば、レーザ溶接した後の熱収縮がダイヤフラム２５のリブ２５ｃに作用し、ダイヤフラム２５の動作特性に悪影響を与えないという利点がある。
【００３１】
次に、前述の構成からなる圧力センサの動作について説明する。
まず、図７に示すように、取付基板３３の装着してハンダ付けした前記圧力センサを、測定台３１の段部３１ａにシールリング３２を介して嵌合する。そして、前記取付基板３３を前記測定台３３にネジ３４で固定し、前記シールリング３２を弾性変形させることにより、取付作業が完了する。
【００３２】
そして、ダイヤフラム２５の表裏面の圧力が釣り合っている場合には、可動電極２０が固定１２電極に所定の間隔で対向している。そして、前記シールドカバー２７の外部圧力が低下すると、前記ダイヤフラム２５は膨張し、可動電極２０が固定電極１２から離れて静電容量が減少し、外部圧力の低下を検出できる。一方、外部圧力が増大すると、前記ダイヤフラム２５が押し込まれ、可動電極２０が固定電極１２に接近して静電容量が増大し、外部圧力の増大を検出できる。
【００３３】
第２実施形態は、図１０および図１１に示すように、前述の第１実施形態とほぼ同様であり、異なる点はシールドカバー２７にシールド部２７ｄを設けない点である。同一部分には同一番号を附して説明を省略する。
【００３４】
そして、図１１Ｂに示すように、取付基板に装着してハンダ付けした前記圧力センサを、測定台３１の段部３１ａにシールリング３２を介して嵌合する。そして、前記取付基板３３を前記測定台３１にネジ３４で固定し、前記シールリング３２を弾性変形させることにより、取付作業が完了する。他は前述の第１実施形態とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
なお、前記ダイヤフラム２０は前述の形状に限らず、中心部２５ｂの周囲に同心円状の凹凸面を設けないものであってもよい。
【００３６】
また、前述の実施形態では、ベース部材１０および固定電極１２に外部環境に連通する通気孔１５および空気孔１２ｂを設ける場合について説明したが、ベース部材１０とダイヤフラム２５との間に形成される内部空間を密閉して基準圧力室を形成し、気体あるいは液体の絶対圧力を測定するようにしてもよい。そのとき、前記ベース部材１０とダイヤフラム２５との間の内部空間には気体あるいは液体を充填，密閉しておいてもよい。例えば、密閉した前記内部空間にシリコンオイル等の液体を充填しておくと、前記液体は温度の影響を気体よりも受けにくく、温度変化による外乱を受けにくいので、測定精度が高くなるという利点がある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の圧力センサによれば、ベース部材に一体成形された固定電極の上面と可動電極用受け部の上面とが所定の電極間ギャップを有するように配置されている。このため、可動電極用受け部に可動電極の外周縁部を載置して一体化して組立られる。このため、部品点数，組立工数が少なく、構造が簡単であるだけでなく、可動電極をベース部材に高い組立精度で組み付けることができ、動作特性のバラツキが小さい小型の圧力センサが得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図Ａおよび図Ｂは本願発明にかかる圧力センサの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図Ａおよび図Ｂは図１で示した圧力センサの異なる切断位置から見た縦断面図である。
【図３】図１で示した圧力センサの分解斜視図である。
【図４】図Ａは図３で示したベースの固定電極および可動電極用受け部を形成するリードフレームの斜視図であり、図Ｂおよび図Ｃは異なる位置から見た図Ａの断面図である。
【図５】図Ａは図４Ａのリードフレームをインサート成形した場合を示す斜視図であり、図Ｂは図Ａの平面図である。
【図６】ベース部材に可動電極を組み込んだ状態を示す斜視図である。
【図７】図１で示した圧力センサの使用状態を示す断面図である。
【図８】図Ａおよび図Ｂは第１実施形態にかかる圧力センサのシールドカバーに対する溶接方法を示す断面図である。
【図９】図Ａおよび図Ｂは第１実施形態にかかる圧力センサのシールドカバーに対する別の溶接方法を示す断面図である。
【図１０】本願発明にかかる圧力センサの第２実施形態を示す分解斜視図である。
【図１１】図Ａは図１０で示した圧力センサの縦断面図であり、図Ｂは使用状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…ベース部材、１１…凹所、１２…固定電極、１２ａ…端子、１２ｂ…空気孔、１３，１４…可動電極用受け部、１４ａ…端子、１５…通気孔、２０…可動電極、２１…弾性アーム部、２２…支持フレーム、２３…位置決め用舌片、２４…円板、２４ａ…貫通孔、２５…ダイヤフラム、２５ａ…外周縁部、２５ｂ…中心部、２６…プランジャ、２７…シールドカバー、２７ａ…貫通孔、２７ｂ…環状段部、２７ｃ…嵌合部、２７ｄ…シールド部、２７ｅ…リブ、２８…端子、３０…リードフレーム。
【図１】
2004069555.tif 000003
【図２】
2004069555.tif 000004
【図３】
2004069555.tif 000005
【図４】
2004069555.tif 000006
【図５】
2004069555.tif 000007
【図６】
2004069555.tif 000008
【図７】
2004069555.tif 000009
【図８】
2004069555.tif 000010
【図９】
2004069555.tif 000011
【図１０】
2004069555.tif 000012
【図１１】
2004069555.tif 000013