JP6314766B2 - 物理量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ部とターミナルとが金属製のロッドを介して電気的に接続された物理量センサおよびその製造方法に関するものである。

従来より、この種の物理量センサとして、圧力を測定する圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この圧力センサでは、センサ部と、ターミナルと接続された配線基板との間がリード線で接続されており、リード線は、ターミナルと配線基板との間に直線状に配置されている。つまり、リード線は、完全に伸びた状態で配置されている。なお、リード線と、センサ部および配線基板とは、はんだ等の接続部材を介して接合されている。

特開２００７−１３９４５３号公報

しかしながら、上記のような圧力センサでは、材料クリープ等により、リード線と、センサ部および配線基板との間の接続部材に応力が発生し、接続部材にクラック等が発生する可能性がある。そして、当該クラックが発生すると、リード線と、センサ部および配線基板との間で導通不良が発生する可能性がある。

なお、上記では圧力センサを例に挙げて説明したが、このような問題は加速度センサや角速度センサ等の物理量センサにおいても同様に発生する。

本発明は上記点に鑑みて、導通不良が発生することを抑制できる物理量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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部（５０）と、センサ部と電気的に接続されるターミナル（１１１）と、センサ部とターミナルとの間に配置され、センサ部とターミナルとを電気的に接続するロッド（８０）と、を備え、開口部（２０ａ）および中空部（２０ｂ）を有する有底円筒状とされ、底部がダイヤフラム部（２０ｃ）とされている第１メタルケース（２０）と、開口部（３０ａ）および中空部（３０ｂ）を有する有底筒状とされ、底部がダイヤフラム部（３０ｃ）とされていると共に中空部にセンサ部が配置されており、当該ダイヤフラム部に第１メタルケースに印加された荷重が伝達されるように第１メタルケースの中空部に配置されている第２メタルケース（３０）と、第２メタルケースのダイヤフラム部とセンサ部との間に配置され、当該ダイヤフラム部に印加された荷重をセンサ部に伝達する荷重伝達部材（４０）と、ターミナル（１１１）を有するコネクタ部材（１００）と、中空部（１０ｃ）を有する筒状とされ、一端部側が第１メタルケースと接合されると共に、他端部側がコネクタ部材に組み付けられるハウジング（１０）と、を有し、ロッドは、一端部および他端部を有する金属材料で構成され、センサ部とターミナルとを結ぶ仮想直線（Ｌ）に対して撓んだ撓み部（８１）を有し、ハウジングの中空部内に配置されており、当該中空部内において撓み部を有していることを特徴としている。

これによれば、ロッドと、センサ部およびターミナルとの接続部に応力が発生した際、撓み部が変位することによって当該応力を緩和できる。このため、各接続部に応力集中が発生することを抑制でき、ロッドとセンサ部およびターミナルとの間で導通不良が発生することを抑制できる。

また、請求項３に記載の発明は、ターミナルとロッドの他端部とを接続する第１接続工程と、センサ部とロッドの一端部とを接続する第２接続工程と、ロッドに撓み部を形成する工程と、ターミナルを有するコネクタ部材（１００）を用意する工程と、中空部（１０ｃ）を有する筒状のハウジング（１０）を用意する工程と、を行い第１接続工程を行った後、ロッドの一端部がハウジングの一端部側から突出するように、ハウジングの他端部にコネクタ部材を組み付ける工程を行い、第２接続工程は、ロッドの他端部をハウジングの一端部側から突出させたまま行い、さらに、開口部（２０ａ）および中空部（２０ｂ）を有する有底筒状とされ、底部がダイヤフラム部（２０ｃ）とされている第１メタルケース（２０）を用意する工程と、開口部（３０ａ）および中空部（３０ｂ）を有する有底筒状とされ、底部がダイヤフラム部（３０ｃ）とされている第２メタルケース（３０）を用意する工程と、を行い、第２接続工程を行った後、第２メタルケースの中空部内にセンサ部を収容すると共に、第１メタルケースの中空部内に第２メタルケースを収容する工程を行い、撓み部を形成する工程は、第１メタルケースの開口部をハウジングの一端部に近づけ、ロッドをハウジングの中空部内で撓ませることによって行い、第１メタルケースとハウジングの一端部とを接合する工程を行うことを特徴としている。

これによれば、ロッドと、センサ部およびターミナルとの接続部に応力が発生した際に当該応力を緩和する撓み部を有する物理量センサを製造できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 図１に示す圧力センサの製造工程を示す断面図である。 図２に続く圧力センサの製造工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、本発明の物理量センサを圧力センサに適用した例について説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、被取付部材としての自動車のエンジンに取り付けられ、当該エンジンにおける燃焼室内の圧力を検出するのに利用されると好適である。

図１に示されるように、圧力センサは、両端が開口部１０ａ、１０ｂとされた中空部１０ｃを有する円筒状のハウジング１０を備えている。本実施形態のハウジング１０は、円筒状の本体部１１と、当該本体部１１よりも内径および外径が短くされ、外周壁面に被取付部材にネジ結合可能なネジ部１３が形成された細長円筒状のパイプ部１２とを有している。このようなハウジング１０は、例えば、ＳＵＳ６３０等の金属が切削や冷間鍛造等により一体成型されて構成される。

また、パイプ部１２の先端部（ハウジング１０の開口部１０ａ側）には、先端部に向かって径が小さくなるテーパ状とされ、ネジ部１３が被取付部材にネジ結合されたときに測定媒体をシールする圧力シール部１４が形成されている。そして、パイプ部１２のうちの圧力シール部１４よりも先端側の端部には、開口部２０ａおよび中空部２０ｂを有する有底筒状とされ、底部が薄肉のダイヤフラム部２０ｃとされた第１メタルケース２０が備えられている。この第１メタルケース２０は、底部の略中央部に開口部２０ａ側に突出する伝達部２０ｄを有しており、開口部２０ａとダイヤフラム部２０ｃの間の中間部分がパイプ部１２の先端部とレーザ溶接等されて接合されている。

そして、第１メタルケース２０には、開口部３０ａおよび中空部３０ｂを有する有底筒状とされ、底部が薄肉のダイヤフラム部３０ｃとされた第２メタルケース３０が備えられている。詳述すると、第２メタルケース３０は、当該第２メタルケース３０のダイヤフラム部３０ｃが第１メタルケース２０の伝達部２０ｄと当接するように、第１メタルケース２０内に収容されている。なお、第１、第２メタルケース２０、３０は、例えば、ＳＵＳ６３０等の金属が切削や冷間鍛造等により一体成型されて構成される。

そして、第２メタルケース３０の中空部３０ｂには、ダイヤフラム部３０ｃ側から順に、荷重伝達部材４０、センサ部５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０が配置されている。

荷重伝達部材４０は、先細り形状とされ、軸方向に沿った断面が略台形状となる円錐体とされている。そして、先端側の一面がダイヤフラム部３０ｃと当接するように配置されている。このような荷重伝達部材４０は、ＳＵＳ６３０等の金属が切削や冷間鍛造等されて構成される。

センサ部５０は、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンシング部５１と、当該センシング部５１と電気的に接続される電極５２を有しており、荷重伝達部材４０側にセンシング部５１が配置されている。本実施形態では、センシング部５１は、水晶等の圧電材料にて構成された円板状の圧電素子で構成され、圧力に応じたセンサ信号（電荷）を出力する。また、電極５２は、ＳＵＳ６３０等の金属にて構成された円板状とされている。

そして、センサ部５０（電極５２）は、銅等の金属で構成され、センサ部５０と後述する第１ターミナル１１１とを電気的に接続するためのロッド８０の一端部と電気的に接続されている。本実施形態では、ロッド８０は、一端部および他端部を有するＮｉ等の金属材料で構成されており、センサ部５０とロッド８０とは、抵抗溶接によって接合されている。

絶縁部材６０は、センサ部５０と予荷重印加部材７０とを絶縁するものでアルミナ等で構成されており、貫通孔６０ａが形成された円環状とされている。そして、貫通孔６０ａからロッド８０が引き出されるようになっている。

予荷重印加部材７０は、中空部７０ａを有する両端が開口部とされた円筒状とされており、ＳＵＳ６３０等の金属にて構成されている。そして、予荷重印加部材７０は、絶縁部材６０側と反対側の端部が第２メタルケース３０から突出しており、荷重伝達部材４０、センサ部５０、絶縁部材６０に所定の予荷重が印加されるように、当該絶縁部材６０側と反対側の端部が第１メタルケース２０とレーザ溶接等されて接合されている。また、ロッド８０は、予荷重印加部材７０の中空部７０ａを介してハウジング１０の中空部１０ｃ内に引き出されている。

なお、第２メタルケース３０内には、内壁の側面に沿ってポリイミド等で構成された円筒状の絶縁チューブが配置されており、第２メタルケース３０と荷重伝達部材４０、センサ部５０との絶縁が図れるようになっている。同様に、予荷重印加部材７０には、内壁の側面に沿ってポリイミド等で構成された円筒状の絶縁チューブが配置されており、予荷重印加部材７０とロッド８０との絶縁が図れるようになっている。

また、ハウジング１０における開口部１０ｂには、Ｏリング９０を介して、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂にて構成された略円柱部材のコネクタ部材１００が備えられている。

このコネクタ部材１００は、一端部（図１中紙面下側の端部）に凹部１０１が形成されていると共に他端部（図１中紙面上側の端部）に凹部１０２が形成され、略中央部に窪み部１０３が形成されている。そして、コネクタ部材１００は、一端部側がハウジング１０の開口部１０ｂから中空部１０ｃ内に挿入され、ハウジング１０における開口部１０ｂ側の開口端部１５がかしめられることにより、ハウジング１０と一体化されている。

また、コネクタ部材１００には、第１、第２ターミナル１１１、１１２がインサートモールドによりコネクタ部材１００と一体に成形されることによって備えられている。具体的には、第１ターミナル１１１は、一端部が凹部１０１内に突出すると共に他端部が窪み部１０３内に突出するようにコネクタ部材１００に備えられている。また、第２ターミナル１１２は、一端部が凹部１０２内に突出すると共に他端部が窪み部１０３内に突出するように備えられている。

さらに、コネクタ部材１００には、窪み部１０３に図示しない接着剤を介して配線基板１２０が搭載されている。配線基板１２０は、表裏面に配線パターン（図示せず）が形成され、表裏面に形成された配線パターンがスルーホールに埋め込まれた電極を介して適宜接続されたものである。そして、この配線基板１２０の表裏面には、センサ信号を増幅したりする電子部品１２１が複数搭載されている。なお、本実施形態では、窪み部１０３の底面には収容凹部１０３ａが形成されており、配線基板１２０のうちの窪み部１０３の底面と対向する裏面に搭載された電子部品１２１は、収容凹部１０３ａに収容されるようになっている。

そして、配線基板１２０は、窪み部１０３に露出する第１、第２ターミナル１１１、１１２の他端部とボンディングワイヤ１３１、１３２を介して電気的に接続されている。

また、第１ターミナル１１１は、一端部に当該一端部と他端部とを結ぶ直線に対する法線方向に広げられた接合部１１１ａを有する断面Ｔ字状とされている。そして、第１ターミナル１１１は、一端部がロッド８０の他端部と電気的に接続されている。本実施形態では、ロッド８０と第１ターミナル１１１とは、抵抗溶接によって接合されている。なお、第２ターミナル１１２の一端部は、図示しない外部回路とワイヤハーネス等を介して電気的に接続される。

そして、ロッド８０は、ハウジング１０の中空部１０ｃ内において、センサ部５０と第１ターミナル１１１とを結ぶ仮想直線Ｌに対して撓んだ撓み部８１を有している。言い換えると、ロッド８０は、仮想直線Ｌに対して曲がった部分を有しており、直線状には配置されていない。

以上が本実施形態における圧力センサの構成である。このような圧力センサは、被取付部材としての自動車のエンジンにネジ部１３がネジ結合されて取り付けられ、当該エンジンにおける燃焼室内の圧力を検出するのに用いられる。そして、ダイヤフラム部２０ｃ（第１メタルケース２０）に圧力が印加されると、伝達部２０ｄ、ダイヤフラム部３０ｃ（第２メタルケース３０）、荷重伝達部材４０を介してセンサ部５０にダイヤフラム部２０ｃに発生した荷重が伝達される。このため、圧電材料で構成されたセンシング部５１にて分極が発生し、圧力に応じたセンサ信号（電荷）が電極５２およびロッド８０を介して配線基板１２０に伝達されて圧力の検出が行われる。

続いて、上記圧力センサの製造方法について図２を参照しつつ説明する。

まず、図２（ａ）に示されるように、第１、第２ターミナル１１１、１１２がインサート成形された上記コネクタ部材１００を用意し、コネクタ部材１００の窪み部１０３に電子部品１２１を搭載した配線基板１２０を配置する。そして、配線基板１２０と第１、第２ターミナル１１１、１１２の他端部とをボンディングワイヤ１３１、１３２を介して電気的に接続する。

次に、図２（ｂ）に示されるように、第１ターミナル１１１の一端部にロッド８０の他端部を溶接接合によって接合する。

続いて、図２（ｃ）に示されるように、ハウジング１０の中空部１０ｃにコネクタ部材１００の一端部を挿入し、ハウジング１０の開口端部１５をかしめることにより、ハウジング１０にコネクタ部材１００を組み付ける。このとき、ロッド８０は、一端部がハウジング１０の開口部１０ａから突出しており、直線状になっている。

次に、図３（ａ）に示されるように、センサ部５０（電極５２）とロッド８０の一端部とを電気的に接続する。そして、第２メタルケース３０内に、荷重伝達部材４０、センサ部５０、絶縁部材６０、予荷重印加部材７０を配置した後、このものを第１メタルケース２０内に配置する。

続いて、図３（ｂ）に示されるように、ハウジング１０の中空部１０ｃ内において、ロッド８０に撓み部８１が構成されるように第１メタルケース２０をハウジング１０に近づけ、第１メタルケース２０とハウジング１０とを溶接接合によって接合する。以上の工程を行うことにより、上記圧力センサが製造される。

なお、図２（ｂ）の工程を行う際には、図３（ｂ）に工程において撓み部８１が形成され易いように、予め仮曲げ部等を形成しておくようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態では、ロッド８０に撓み部８１が形成されている。このため、材料クリープ等により、ロッド８０と、センサ部５０および第１ターミナル１１１との接続部に応力が発生した際、撓み部８１が変位することによって当該応力を緩和できる。このため、接続部に応力集中が発生することを抑制でき、ロッド８０とセンサ部５０および第１ターミナル１１１との間で導通不良が発生することを抑制できる。

また、圧力センサが振動環境下で使用されることによってロッド８０とセンサ部５０および第１ターミナル１１１との接続部に応力が発生する場合においても、撓み部８１が変位することによって当該応力を緩和でき、導通不良が発生することを抑制できる。

さらに、ロッド８０は、センサ部５０および第１ターミナル１１１と抵抗溶接によって接合され、センサ部５０および第１ターミナル１１１と一体化されている。このため、仮に接続部が破壊される場合には母材破壊となるため、ロッド８０を構成する材料や撓み部８１の形状によって破壊寿命を高精度に導出することができる。

なお、センサ部５０とロッド８０との間に導電性を有するバネ部材を配置し、当該バネ部材により、センサ部５０とロッド８０とを電気的に接続すると共にセンサ部５０とロッド８０との間に発生する応力を緩和することも考えられる。しかしながら、このような構造では、バネ接点による荷重管理等の製造工程が必要となると共に構造が複雑になる。これに対し、本実施形態の圧力センサでは、ロッド８０に撓み部８１を形成するのみでよいため、製造工程を複雑にすることなく、ロッド８０とセンサ部５０および第１ターミナル１１１との間で導通不良が発生することを抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、ロッド８０と、センサ部５０および第１ターミナル１１１とが抵抗溶接されている例について説明したが、ロッド８０とセンサ部５０および第１ターミナル１１１とは、レーザ溶接等で接合されていてもよい。また、ロッド８０と、センサ部５０および第１ターミナル１１１とは、はんだを介して電気的に接続されていてもよい。

また、上記第１実施形態では、本発明の物理量センサとして圧力センサを説明したが、本発明の物理量センサを加速度センサや角速度センサ等の他のセンサに適用することも可能である。

１０ ハウジング
５０ センサ部
８０ ロッド
８１ 撓み部
１００ コネクタ部材
１１１ ターミナル

Claims (3)

1. 物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部（５０）と、
   前記センサ部と電気的に接続されるターミナル（１１１）と、
   前記センサ部と前記ターミナルとの間に配置され、前記センサ部と前記ターミナルとを電気的に接続するロッド（８０）と、を備え、
   開口部（２０ａ）および中空部（２０ｂ）を有する有底円筒状とされ、底部がダイヤフラム部（２０ｃ）とされている第１メタルケース（２０）と、
   開口部（３０ａ）および中空部（３０ｂ）を有する有底筒状とされ、底部がダイヤフラム部（３０ｃ）とされていると共に前記中空部に前記センサ部が配置されており、当該ダイヤフラム部に前記第１メタルケースに印加された荷重が伝達されるように前記第１メタルケースの中空部に配置されている第２メタルケース（３０）と、
   前記第２メタルケースのダイヤフラム部と前記センサ部との間に配置され、当該ダイヤフラム部に印加された荷重を前記センサ部に伝達する荷重伝達部材（４０）と、
   前記ターミナル（１１１）を有するコネクタ部材（１００）と、
   中空部（１０ｃ）を有する筒状とされ、一端部側が前記第１メタルケースと接合されると共に、他端部側が前記コネクタ部材に組み付けられるハウジング（１０）と、を有し、
   前記ロッドは、一端部および他端部を有する金属材料で構成され、前記センサ部と前記ターミナルとを結ぶ仮想直線（Ｌ）に対して撓んだ撓み部（８１）を有し、前記ハウジングの中空部内に配置されており、当該中空部内において前記撓み部を有していることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記ロッドは、一端部が前記センサ部と溶接接合されていると共に、他端部が前記ターミナルと溶接接合されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部（５０）と、
   前記センサ部と電気的に接続されるターミナル（１１１）と、
   前記センサ部と前記ターミナルとの間に配置され、前記センサ部と前記ターミナルとを電気的に接続するロッド（８０）と、を備え、
   前記ロッドは、一端部および他端部を有する金属材料で構成され、前記センサ部と前記ターミナルとを結ぶ仮想直線（Ｌ）に対して撓んだ撓み部（８１）を有する物理量センサの製造方法において、
   前記ターミナルと前記ロッドの他端部とを接続する第１接続工程と、
   前記センサ部と前記ロッドの一端部とを接続する第２接続工程と、
   前記ロッドに前記撓み部を形成する工程と、
   前記ターミナルを有するコネクタ部材（１００）を用意する工程と、
   中空部（１０ｃ）を有する筒状のハウジング（１０）を用意する工程と、を行い
   前記第１接続工程を行った後、前記ロッドの一端部が前記ハウジングの一端部側から突出するように、前記ハウジングの他端部に前記コネクタ部材を組み付ける工程を行い、
   前記第２接続工程は、前記ロッドの他端部を前記ハウジングの一端部側から突出させたまま行い、
   さらに、開口部（２０ａ）および中空部（２０ｂ）を有する有底筒状とされ、底部がダイヤフラム部（２０ｃ）とされている第１メタルケース（２０）を用意する工程と、
   開口部（３０ａ）および中空部（３０ｂ）を有する有底筒状とされ、底部がダイヤフラム部（３０ｃ）とされている第２メタルケース（３０）を用意する工程と、を行い、
   前記第２接続工程を行った後、前記第２メタルケースの中空部内に前記センサ部を収容すると共に、前記第１メタルケースの中空部内に前記第２メタルケースを収容する工程を行い、
   前記撓み部を形成する工程は、前記第１メタルケースの開口部を前記ハウジングの一端部に近づけ、前記ロッドを前記ハウジングの中空部内で撓ませることによって行い、
   前記第１メタルケースと前記ハウジングの一端部とを接合する工程を行うことを特徴とする物理量センサの製造方法。

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