(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体導入孔を有するハウジングと、ピエゾ抵抗効果を有する半導体素子よりなる圧力検出素子を備えたセンサエレメントと、上記センサエレメントを気密に固着するとともに上記センサエレメントを挿置する中心孔を備えるホルダと、コネクタを有するコネクタケースとを有し、上記ハウジングと上記コネクタケースからなる容器内に、上記センサエレメントと上記ホルダとからなる圧力センサ本体が収納され、上記流体導入孔から所定の圧力の流体が上記圧力検出素子の第一面に導入され、上記圧力検出素子の第二面と上記ホルダの表面と上記コネクタケースの内面により形成される参照用圧力空間との圧力差により導入された流体の圧力を検出する圧力センサ装置であって、
上記ハウジングの底部に上記ホルダの中心孔の径とほぼ同等の径の開口を有するガイド部材を設け、上記ガイド部材の開口内にシール部材を配置し、上記シール部材及び上記ガイド部材の段部上にセンサエレメント開口を有する上記センサエレメントを配置し、
上記ハウジングの流体導入孔と上記ガイド部材の上記開口と上記シール部材の内径部と、上記センサエレメントの上記センサエレメント開口とを同心円状に配置し連通させて、上記ハウジングと上記コネクタケースを互いに固定することを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項２】
上記センサエレメントが、上記圧力検出素子を気密に溶着固定するシリコン製台座と上記シリコン製台座を気密に溶着固定するヘッダとを備えており、
上記ヘッダが、上記ハウジングの底部に設けられた上記シール部材及び上記ガイド部材の段部上に配置されて、上記ハウジングの流体導入孔と上記ガイド部材の上記開口と上記シール部材の内径部と上記シリコン製台座のセンサエレメント開口と上記ヘッダのセンサエレメント開口とが同心円状に配置され連通することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
【請求項３】
上記流体導入孔が、流体導入用パイプと上記ハウジングの中心部に形成された通路とによって形成され、
上記流体導入用パイプと上記通路と上記ガイド部材の上記開口と上記シール部材の内径部と、上記センサエレメントの上記センサエレメント開口とを同心円状に配置し連通させて、上記ハウジングと上記コネクタケースを互いに固定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサ装置に関し、特に圧力検出素子を収容したハウジングとコネクタケースとを具備した圧力センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３５１９９０号公報には、流体の圧力を検出する絶対圧力式圧力センサまたはシールドゲージ圧力式圧力センサとして、圧力検出空間に連通する内部空間と上端に肉薄の立上部を有する金属製のハウジングと、内部空間と内部空間を上下に分離する隔壁と上端に肉薄の立上部を有する円筒形の金属製の圧力ケースと、絶縁性材料からなるコネクタケースとからなり、ハウジングと圧力ケースとコネクタケースを積み重ね、それぞれの立上部をかしめて一体化して形成した内部空間に圧力検出用のセンサエレメントと電気回路とを収容し、圧力ケースに貫通コンデンサを設けた圧力センサが、開示されている。
【０００３】
さらに、本出願人は上述した圧力センサの出力電圧に対する電磁ノイズの影響をの変動を減少させることを目的として、圧力導入孔を有するハウジングと、ピエゾ抵抗効果を有する半導体素子よりなるセンサエレメントと、前記センサエレメントを固着するホルダと、圧力ケースとを有し、前記センサエレメントと前記ホルダと前記圧力ケースを気密に溶接して参照用圧力空間を形成して圧力センサ本体とし、圧力センサ本体を前記ハウジングに電気的に絶縁して保持した圧力センサに関する発明を、出願し、特開２００１−１３３３４５号公報として公開されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、受圧荷重を小さくできる圧力センサ装置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】
かかる目的を達成するために、本発明の圧力センサ装置は、流体導入孔を有するハウジングと、ピエゾ抵抗効果を有する半導体素子よりなる圧力検出素子を備えたセンサエレメントと、上記センサエレメントを気密に固着するとともに上記センサエレメントを挿置する中心孔を備えるホルダと、コネクタを有するコネクタケースとを有し、上記ハウジングと上記コネクタケースからなる容器内に、上記センサエレメントと上記ホルダとからなる圧力センサ本体が収納され、上記流体導入孔から所定の圧力の流体が上記圧力検出素子の第一面に導入され、上記圧力検出素子の第二面と上記ホルダの表面と上記コネクタケースの内面により形成される参照用圧力空間との圧力差により導入された流体の圧力を検出する圧力センサ装置であって、上記ハウジングの底部に上記ホルダの中心孔の径とほぼ同等の径の開口を有するガイド部材を設け、上記ガイド部材の開口内にシール部材を配置し、上記シール部材及び上記ガイド部材の段部上にセンサエレメント開口を有する上記センサエレメントを配置し、上記ハウジングの流体導入孔と上記ガイド部材の上記開口と上記シール部材の内径部と、上記センサエレメントの上記センサエレメント開口とを同心円状に配置し連通させて、上記ハウジングと上記コネクタケースを互いに固定することを特徴とする。
【００１２】
かくの如く構成された本発明の圧力センサ装置によれば、ガイド部材の開口内にシール部材を配置するようにしたので、上記シール部材の大きさを小さくすることができ、検出流体圧によって圧力センサ装置が受ける受圧荷重の増加を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる圧力センサ装置の第１の実施の形態について、図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態にかかる圧力センサ装置の構造を示す縦断面図、図２は本発明の第２の実施の形態にかかる圧力センサ装置の構造を示す縦断面図である。
【００１４】
本発明の第１の実施の形態にかかる圧力センサ装置１は、ハウジング１０と、センサエレメント２０と、ホルダ３０と、回路基板４０と、ばね状体５０と、コネクタケース７０と、コネクタ８０とから構成されている。
【００１５】
この圧力センサ装置１は、ハウジング１０と、コネクタケース７０からなる容器内に、センサエレメント２０、ホルダ３０からなる圧力センサ本体が収納されている。
【００１６】
ハウジング１０は、例えば、アルミニウムを用いて略円筒形状に構成されている。該ハウジング１０は、下部に流体を導入する流体導入孔１２を有しており、該流体導入孔の上部に円形のハウジング底部１３が形成され、周壁１６と、周壁の上端部に肉薄に設けたかしめ部１７と、本体の内側に底部と周壁とによって形成されたハウジング内部空間１８とを有して構成される。
【００１７】
ハウジング１０の流体導入孔口１２とハウジング内部空間１８とは、連通している。
【００１８】
測定圧力側の配管にハウジング１０の流体導入孔１２の外周に設けたネジ部１９を捩じ込んで、ハウジング１０を気密に配管に固定する。
【００１９】
センサエレメント２０は、圧力を検出する機能を有しており、金属製のヘッダ２１と、半導体基板の上面に複数のピエゾ抵抗効果を有する抵抗をブリッジを形成するように設けた半導体素子からなる圧力検出素子２２と、ヘッダ２１の上面に気密に固定されたシリコン製台座２３とから構成され、ヘッダ２１と台座２３の中央部には、圧力検出素子２２の底部に達するセンサエレメント開口２４が設けられている。
【００２０】
ヘッダ２１の上面２１３に、前記台座２３が気密に載置固定され、抵抗が配置された面が上面となるように圧力検出素子２２が台座２３の上面に載置固定されている。
【００２１】
ヘッダ２１の下部周囲には上面に閉じた形状に形成されたホルダ受け用堤２１２を有するつば部２１１が設けられている。
【００２２】
圧力検出素子２２は、半導体基板の平面形状が矩形に形成されるとともに、中央部が肉薄状に構成され、圧力によって変形するダイヤフラム部が形成されており、上記ダイヤフラム部の上面には、複数のピエゾ抵抗素子をブリッジ状に形成することによって歪ゲージである圧力検知部が形成されるとともに、周辺部の肉厚部上に集積回路製造技術を用いて製造した増幅回路や演算処理回路などの電気回路を設けている。
【００２３】
さらに、圧力検出素子２２の上面に設けたランド部と回路基板４０の上面に設けたランド部４３とがボンディングワイヤ２５によって接続されている。
【００２４】
例えば、シリコン製台座２３は、その平面形状が矩形であり、中心にセンサエレメント開口２４を設けた形状に形成される。
【００２５】
シリコン製台座２３のヘッダ２１との接合面には金スパッタリング等によって金メッキ層が設けられている。
【００２６】
ヘッダ２１は、例えば４２アロイ等の鉄−ニッケル系合金を用いて構成され、その平面形状が円形であり、中心にセンサエレメント開口２４を設けた形状に形成される。ヘッダ２１の台座２３との接合面には金メッキ層が設けられている。
【００２７】
台座２３およびヘッダ２１のセンサエレメント開口２４は、それぞれ同軸上に配置され、ハウジング１０の流体導入孔１２に連通し、圧力検出素子２２の裏面に設けた空間に圧力流体を導くように構成されている。
【００２８】
圧力検出素子２２の下面は、台座２３の上面に気密に溶着固定され、台座２３の下面とヘッダ２１の上面２１３は金−シリコンのロー材を介在させて加熱圧着（スクラブ）することによって、金−シリコン合金が形成されて気密に溶着固定される。
【００２９】
ホルダ３０は、コネクタケース７０とともに参照圧力用空間を形成する。
【００３０】
ホルダ３０は、例えばステンレススチールを用いて形成され、中心部にホルダ開口３２が設けられ、周辺の一部にコネクタケースの位置を決める位置決め用切欠き部３３が設けられている。
【００３１】
ホルダ３０の下面３１は、センサエレメント２０のヘッダ２１のつば部２１１に設けたホルダ受け用堤２１２の上面が当接され、例えば、プロジェクション溶接によって気密に固着される。
【００３２】
ホルダ３０の上面３４には、回路基板４０が接着剤などを用いて固定される。
【００３３】
回路基板４０は、たとえばアルミナ基板から構成される絶縁性のプリント配線基板からなり、略々円盤形状に構成され中央にセンサエレメント２０の圧力検出素子２２が位置する回路基板開口４１が設けられるとともに、その表面には、信号を外部に取り出す金パッドからなる電極パッド４２、圧力検出素子２２からのボンディングワイヤ２５が接続される金パッドからなるランド部４３、圧力検出素子２２からの電気信号を増幅・演算処理して出力する回路を構成するプリント配線４４および回路素子４５が設けられている。回路基板４０の回路部は、前記電極パッド４２およびランド部４３ならびに検査用端子部を除きの破線で示されるように保護皮膜４６で覆われている。
【００３４】
回路基板４０に設けられた入出力端子として働く電極パッド４２は、ばね状体５０が接してとコネクタ８０と接続され、信号線や電源供給線や接地線に対応して設けられる。
【００３５】
ばね状体５０は、例えばリン青銅などの電気伝導性弾性体から構成され、一端５１がコネクタ８０の下端８１にスポット溶接などによって固定され、他端側が下方に折り曲げられ垂下部５２を形成するとともにその先端部には湾曲部５３が形成されている。湾曲部５３の電極パッド４２と接する面には部分的に金メッキ５４が施されている。
【００３６】
ばね状体５０は、端部５１から折り曲げ部５２までがコネクタケース７０の底面７４に支持されており、コネクタケース７０をハウジング１０にかしめ付けたときに湾曲部５３を電極パッド４２上に押し付けるように働く。
【００３７】
コネクタケース７０は、コネクタ８０を差し込み固定する樹脂製ケースであり、上部に設けたソケット部７１と、ソケット部７１の下方に設けた参照用空間として働くコネクタケース内部空間７２と、下方に垂れ下がった上部周壁７３と、上部周壁７３の下面７４と、上部周壁７３の下方に垂れ下がった下部周壁７５と、下部周壁７５の外側上方に設けたかしめ受け部７６と、下部周壁７５の内面に設けた位置決め部７７と、下部周壁７６の下端の平坦面７８と、コネクタ８０を挿通保持するためのコネクタ挿入孔７９を有し、コネクタ挿入孔７９には、コネクタ８０が下方から挿入されて固定されいる。
【００３８】
なお、図示しないが、コネクタ８０とコネクタ挿入孔７９の隙間(均圧路)を通して参照用空間の圧力は外部(大気圧)と連通しており、ゲージ圧力式圧力センサを達成している。また、均圧路は、圧力が伝わる必要最小限の大きさでよいのは勿論である。
【００３９】
このコネクタケース７０は、その形状を変更することによって、種々の異なる形状のコネクタに対応することができる。
【００４０】
コネクタ８０は、電源線と接地線が電気回路への電力供給に使用され、接地線と信号線は、センサエレメント２０の出力信号を外部へ取り出すために使用されている。
【００４１】
Ｏリング９６は、ハウジングのねじ部１９の上部にはめられ、配管との間の気密を保持する。
【００４２】
これらの構成部品を用いて圧力センサ装置１を組み立てる手順を説明する。
【００４３】
圧力検出素子２２と台座２３の積層体をヘッダ２１上に固着して組み立てたセンサエレメント２０を、ホルダ３０のホルダ開口３２に挿入して、ヘッダ２１のつば部２１１に設けたホルダ受け用堤２１２の上面をホルダ下面３１に当てた後、環状のプロジェクション電極を押し当て、ホルダ下面３１にヘッダ２１を気密に溶接し固着する。
【００４４】
次いで、ホルダ３０の上面３４に回路基板４０を接着剤を用いて固定した後、圧力検出素子２２のランド部と回路基板４０のランド部４３とを金線からなるボンディングワイヤ２５を用いて接続する。
【００４５】
センサエレメント２０とホルダ３０と回路基板４０からなる圧力センサ組立体を、ハウジング１０のハウジング内部空間１８に載置する。コネクタケース７０のコネクタ挿入孔７９に下端部８１にばね状体５０を固定したコネクタ８０を挿入して接続手段を設けたコネクタケース７０を組立てる。
【００４６】
次いで、コネクタケース７０に固定されたターミナルに８０に固定されたばね状体５０の湾曲部５３が回路基板４０の電極パッド４２の上に位置するように位置決めした後、このコネクタケース７０をハウジング１０の内部空間１８に挿入し、コネクタケース７０のかしめ受け部７６上へハウジング１０の立上部（周壁部）１６の上端のかしめ部１７をかしめてハウジング１０とコネクタケース７０を固定する。
【００４７】
以上の工程によって、コネクタ８０と電極パッド４２が電気的に接続された圧力センサ装置１が組み立てられる。
【００４８】
この発明によれば、圧力センサ組立体をハウジング１０内に位置させた後、コネクタケース７０を上部からかぶせて、ハウジングのかしめ部１７をかしめることによって、流体導入空間が気密に構成されたゲージ圧の圧力センサを、リード線の半田付けなどの工程を経ずに容易に製造することができる。
【００５８】
以上のように、上述の実施の形態にかかる圧力センサ装置は、検出すべき流体の圧力が高圧である場合、例えば炭酸ガスなどの自然冷媒系の冷媒圧力を検出する場合においても、適用することができる。
【００５９】
そのような場合に適用できる本発明の第1の実施の形態にかかる圧力センサ装置１の構造を、更に説明する。第１の実施の形態にかかる圧力センサ装置１は、上記高圧の冷媒を検出素子に導入し、圧力を検出する構成を示している。図１に示す第１の実施の形態は、中心部に開口を有するガイド部材９８およびその開口内に配置されるシール部材９９を設けた構成である。
【００６０】
図１において、ハウジング１０は、円形のハウジング底部１３に形成された凹所１３１を有し、凹所１３１内にはガイド部材９８が載置される。ガイド部材９８は、例えば樹脂を用いて円盤状に形成され、その中心部に開口１００を有する。ガイド部材９８の開口１００内には、シール部材として例えばＯリング９９が挿入されている。シール部材は、気密確保とヘッダ２１とハウジング１０の間の絶縁材として作用する。Ｏリング９９、開口１００、導入孔１２およびセンサエレメント開口２４は同心状に配置され連通している。ガイド部材９８の上面９８１にはホルダ３０が載置され、ホルダ３０とヘッダ２１とは、ホルダ受け用堤２１２の上面とホルダ３０の下面３１とが、例えばプロジェクション溶接される。
【００６１】
したがって、ヘッダ２１は、Ｏリング９９とガイド部材９８の段部９８２上に配置されることになる。
【００６２】
而して、コネクタケース７０とハウジング１０とは、下部周壁７５の位置決め部７７にてホルダ３０と位置決めされて下部周壁７５の平坦面７８がハウジング１０の凹所１３１の周囲に設けた段部１３２と当接するとともに、下部周壁７５の内面７８１がガイド部材９８の外周９８３に当接し、周壁１６の上端かしめ部１７をかしめて互いに固定される。
【００６３】
かかる構成によれば、流体導入孔１２から導入された高圧の冷媒は、Ｏリング９９、センサエレメント開口２４を通って圧力検出素子２２の裏面に設けた空間に導入され、圧力が検出・測定される。この際、シール部材であるＯリング９９をガイド部材９８の開口１００内に配置したので、Ｏリング９９を小さくすることが可能となり、Ｏリング９９によって形成される流体の通過面積を小さくすることができる。この結果、測定圧力が大きくなることに基づく装置が受ける受圧荷重の増大を抑制することができる。
【００６４】
なお、図１の実施の形態に示す圧力センサ装置１’は、高圧の冷媒を対象とする圧力の検出・測定のみならず、例えば油圧装置における油圧などの高圧流体の圧力の検出・測定に適用できるのは勿論である。
【００６６】
図２の圧力センサ装置の構造を示す縦断面図を用いて、本発明の第２の実施の形態にかかる圧力センサ装置の構造を説明する。図２に示す圧力センサ装置１’は、図１に示す第１の実施の形態にかかる圧力センサ装置のハウジング１０’に形成される流体導入孔１２に代えて流体導入用パイプを用いた構成とした点に特徴を有している。
【００６７】
図２において、１０１は流体導入用パイプ、１０２は通路であり、図１とはこれらのパイプおよび通路が異なるのみであり、他の構成は、図１の圧力センサ装置と同一であるので、図１と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図において、流体導入用パイプ１０１は、例えば銅製でありハウジング１０’との間で溶接例えばロー付けされ、ロー付けにより溶接個所Ｗにてハウジング１０’に固定されている。通路１０２は、ハウジング１０’の中心部に形成された通路であり、ガイド部材９８の開口１００、センサエレメント開口２４およびパイプ１０１と同心円状に配置されており、パイプ１０１、通路１０２、開口１００およびセンサエレメント開口２４は、互いに連通している。
【００６８】
かかる構成において、流体導入用パイプ１０１から導入された高圧の冷媒は、通路１０２、Ｏリング９９、センサエレメント開口２４を通って圧力検出素子２２の裏面に設けた空間に導入され、圧力が検出・測定される。したがって、図２の実施の形態においても、図１の実施の形態と同様にＯリング９９を小さくでき、測定圧力が大きくなることに基づく装置が受ける受圧荷重の増大を抑制できる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、ガイド部材の開口内にシール部材を配置するようにしたことにより、シール部材の径を小さくでき、その結果、高い圧力を検出・測定する場合でも、受圧荷重の増大を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる圧力センサ装置の構造を示す縦断面図。
【図２】  本発明の第２の実施の形態にかかる圧力センサ装置の構造を示す縦断面図。
【符号の説明】
１，１’  圧力センサ装置
１０，１０’  ハウジング
１２  流体導入孔
１３  ハウジング底部
１３１  凹所
１３２  段部
１４  環状溝
１６  周壁
１７  かしめ部
１８  ハウジング内部空間
１９  ねじ部
２０  センサエレメント
２１  ヘッダ
２１１  つば部
２１２  ホルダ受け用堤
２１３  ホルダ上面
２２  圧力検出素子
２３  台座
２４  センサエレメント開口
２５  ボンディングワイヤ
３０  ホルダ
３１  ホルダ下面
３２  ホルダ開口
３３  位置決め用切欠き部
３４  ホルダ上面
４０  回路基板
４１  回路基板開口
４２  電極パッド
４３  ランド部
４４  プリント配線
４５  回路素子
５０  ばね状体
５１  端部
５２  折り曲げ部
５３  湾曲部
５４  金メッキ部
６０  圧力ケース
６１  内部空間
６２  周辺部
６３  シリコン接着剤
７０  コネクタケース
７１  ソケット部
７２  内部空間
７３  上部周壁
７４  上部周壁下面
７５  下部周壁
７６  かしめ受け部
７７  位置決め部
７８  平坦面
７８１  下部周壁内面
７９  コネクタ挿入孔
８０  コネクタ
８１  コネクタ下部
９５  Ｏリング
９６  Ｏリング
９８  ガイド部材
９９  Ｏリング
９８１  ガイド部材上面
９８２  ガイド部材段部
９８３  ガイド部材外周
１００  ガイド部材開口
【図１】
0004027655.tif 000002
【図２】
0004027655.tif 000003