JP2014055826A

JP2014055826A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2014055826A
Application number: JP2012200269A
Authority: JP
Inventors: Takuro Ishikawa; 琢郎石川
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-27
Also published as: KR20140034692A; CN103674392A

Abstract

【課題】圧力センサにおいて、キャップ部材２と圧力検出エレメント３のハウジング３１とを溶接により固着するとともに、溶接部分の耐久性を高める。
【解決手段】キャップ部材２のフランジ部２１を圧力検出エレメント３のハウジング３１に当接させ、フランジ部２１とハウジング３１の外側の全周をレーザーー溶接する。レーザーーは、フランジ部２１のハウジング３１に対する当接面２１ａよりも椀状部２２側にずらして照射する。これにより、取捨溶接による溶融固化層１０は、最深部の頂部１０ａが、フランジ部２１のハウジング３１に対する当接面２１ａよりも、フランジ部２１の中心側の離れた位置となるように形成する。すなわち、溶融固化層１０とフランジ部２１の当接面２１ａとの間に、フランジ部２１の母材自体を残すようにすることで、フランジ部２１がハウジング３１から離れようとする力を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルにおける冷媒等の流体の圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサに関する。

従来、この種の圧力センサとして例えば特開２００５−３０８３９７号公報の図６（特許文献１）に開示されたものがある。この従来の圧力センサは、外部からの流体を圧力導入管から蓋部材（キャップ部材）の内部空間（圧力室）に導入し、その上部に配置されたダイヤフラムと圧力検出エレメントの液封室の液体を介して半導体センサチップで圧力を検出するものである。また、圧力検出エレメントと蓋部材は、圧力検出エレメントのハウジングと蓋部材との外周部を溶接することで互いに固着され、さらに、圧力検出エレメントと蓋部材を円筒状のかしめカバーにより一体に固定されている。

特開２００５−３０８３９７号公報（図６）

特許文献１の圧力センサにおいては、圧力検出エレメントのハウジングと蓋部材（キャップ部材）とは溶接により固着されている。この従来の圧力センサと同様にハウジングとキャップ部材とを溶接するために、従来は例えば図６(A) のようにしている。この従来の構造では、キャップ部材ａとハウジングｂとの互いの当接面を中心にして溶接による溶融固化層２０が形成されている。

このため、圧力センサの繰り返しの圧力耐久によって、溶融固化層２０とキャップ部材ａとの界面にクラックが入るという問題がある。溶接の技術において、溶融固化層と母材との界面が強度的に最も弱いことが知られている。また、図６(B) のように、キャップ部材ａとハウジングｂとでは、強度が弱いキャップ部材ａのほうが加圧により大きく変形する。すなわち、図６(B) に白矢印で示すようにキャップ部材ａをハウジングｂから離す方向に力が加わる。この力の一部は、溶融固化層２０とキャップ部材ａとの界面に対して黒矢印で示すように引き剥がす方向の力となって働く。このため、従来の圧力センサではこの溶接部分の耐久性の点で改良の余地を残している。

本発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたものであり、圧力検出エレメントのハウジングとキャップ部材との溶接部分の強度を高め、耐久性の高い圧力センサを提供することを課題とする。

請求項１の圧力センサは、圧力検知対象の流体が導入される圧力室を構成する金属製のキャップ部材と、該キャップ部材に当接される金属製のハウジングと、該ハウジングに内包され前記圧力室を介して加えられる圧力を検知する圧力検知センサとを備え、前記キャップ部材と前記ハウジングとの外周を溶接により接合するようにした圧力センサであって、前記キャップ部材と前記ハウジングの当接部の全周にて、該キャップ部材と該ハウジングとの溶接による溶融固化層を、該キャップ部材側にずらして形成するようにしたことを特徴とする。

請求項２の圧力センサは、請求項１に記載の圧力センサであって、前記キャップ部材と前記ハウジングとがステンレス製であることを特徴とする。

請求項３の圧力センサは、請求項１または２に記載の圧力センサであって、前記溶融固化層をレーザー溶接により形成したことを特徴とする。

請求項１の圧力センサによれば、キャップ部材の圧力室内に流体による高圧が発生し、キャップ部材を圧力検出エレメントのハウジングから離そうとする力がキャップ部材に働くが、キャップ部材とハウジングとの溶接による溶融固化層がキャップ部材側にずらして形成されているので、溶融固化層とハウジングとの間にキャップ部材（母材）の一部が存在することになり、この部分において、前記キャップ部材に働く力の一部は溶融固化層を押圧する方向に作用する。したがって、溶融固化層とキャップ部材との界面で引き剥がそうとする力が低減され、溶接部分の耐久性が高くなる。

請求項２の圧力センサによれば、請求項１の効果に加えて、キャップ部材とハウジングとがステンレス製であるので、強固に溶接することができる。

請求項３の圧力センサによれば、請求項１または２の効果に加えて、溶融固化層をレーザー溶接により形成したので、位置精度を精度高く溶接することができる。

本発明の第１実施形態の圧力センサの縦断面図である。同実施形態の圧力センサの要部拡大断面図である。同実施形態の圧力センサにおける溶融固化層の作用を説明する図である。従来の溶接構造と実施形態の溶接構造とを比較して耐久試験を実施したときの試験条件を示す概略図及び試験結果を示す図である。本発明の第２実施形態の圧力センサの縦断面図である。従来の圧力センサにおける溶接部の構造とその問題点を説明する図である。

次に、本発明の圧力センサの実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の圧力センサの縦断面図、図２は実施形態の圧力センサの要部拡大断面図である。

この圧力センサは、検出対象の流体が流れる配管に接続される黄銅製のフレア継手１と、ステンレス製のキャップ部材２と、圧力検出エレメント３と、ステンレス薄板からなるダイヤフラム４と、樹脂で形成された防水カバー５とを有している。

キャップ部材２は、その外周の円環状のフランジ部２１と、お椀状の椀状部２２とで構成されており、フレア継手１は、キャップ部材２の椀状部２２の中央に形成された貫通孔２２ａにおいてロウ付けなどにより嵌合固定されている。これにより、フレア継手１は椀状部２２の内側の圧力室２Ａに導通している。

キャップ部材２と圧力検出エレメント３とは後述のように溶接により固着されており、このキャップ部材２と圧力検出エレメント３とのアセンブリが、円筒状の防水カバー５に覆われた状態で、接着剤６５を充填することにより一体に固定された構造となっている。

圧力検出エレメント３は、ステンレス製で円環状のハウジング３１を基部としており、このハウジング３１内に圧力を検知する「圧力検知センサ」としての半導体センサチップ３２が内包されている。圧力検出エレメント３の内部空間と、ダイヤフラム４とにより形成された液封室３Ａには、図示しないパイプからシリコーンオイルなどのオイルが充填され、パイプを潰して溶接することにより、この液封室３Ａは封止されている。また、ハウジング３１の中央開口部には、ハーメチックガラス３３が固着され、リードピン６１および金属製の台座３４がハーメチックガラス３３によって固定されている。そして、半導体センサチップ３２は、台座３４を介して液封室３Ａ内に露出するように装着されている。

半導体センサチップ３２とリードピン６１は、ボンディングワイヤで電気的に接続されている。圧力検出エレメント３に端子台６２がセットされ、端子６２ａとリードピン６１が溶接され、端子６２ａと電線６３とがはんだ付けされている。そして、端子台６２に蓋材６４が被せられ、防水カバー５内に接着剤６５が充填されている。なお、キャップ部材２とダイヤフラム４との間には、流体が通過する孔が形成されたダイヤフラム保護用の保護カバー４ａが設けられている。また、ダイヤフラム４と保護カバー４ａは、圧力検出エレメント３のハウジング３１の内周側の下端面に溶接により固着されている。

以上の構成により、フレア継手１からの流体は、キャップ部材２の圧力室２Ａに導入され、その上部に配置されたダイヤフラム４を押圧する。このダイヤフラム４に加えられた圧力は、液封室３Ａ内のオイルを介して半導体センサチップ３２に伝達される。この圧力により半導体センサチップ３２は検出圧力を電気信号に変換して、リードピン６１、端子６２ａ及び電線６３から外部に出力される。

キャップ部材２と圧力検出エレメント３のハウジング３１とは、キャップ部材２のフランジ部２１とハウジング３１の下端面とが当接した状態で、レーザー溶接によって外側から溶接されている。すなわち、フランジ部２１とハウジング３１の外側全周に溶接がなされ、このフランジ部２１とハウジング３１とは溶接によって形成された溶融固化層１０により接合されている。

このレーザー溶接時には、レーザー光は、フランジ部２１のハウジング３１との当接面２１ａよりもフランジ部２１の中心側にずらした位置に照射し、溶融固化層１０をフランジ部２１側（キャップ部材２側）にずらして形成する。これにより、図３に示すように、溶融固化層１０の最深部の頂部１０ａが上記当接面２１ａから距離Ｄだけ離間した位置となるように溶接されている。なお、この実施形態では、フランジ部２１の厚みは１．５mmで、距離Ｄは０．１mm〜０．２mm程度である。

これにより、図３に示すように、キャップ部材２の椀状部２２が構成する圧力室２Ａ内には、流体による高圧が発生する。この高圧により、白矢印で示すように、椀状部２２をハウジング３１から離そうとする力がキャップ部材２に働くが、溶融固化層１０の頂部１０ａと当接面２１ａとの間にフランジ部２１の一部が存在する。したがって、この部分において、キャップ部材２に働く力の一部は、黒矢印で示すように、フランジ部２１を溶融固化層１０に押圧する方向に作用する。したがって、溶融固化層１０とキャップ部材２との界面で引き剥がそうとする力が低減され、溶接部分の耐久性が高くなる。

図４(A) 及び(B) は、図６(A) に示す従来の溶接構造と実施形態の溶接構造とを比較して圧力−変位の関係を調査したときの試験条件を示す概略図であり、図４(A) は従来例に対応する溶融固化層２０を形成した構造、図４(B) は実施形態に対応する溶融固化層１０を形成した構造を示している。これらの試験では、圧力検出エレメント（ハウジング）の変わりステンレス（ＳＵＳ）板を使用し、フレア継手から圧力を印加してステンレス板の変位を変位計で測定している。また、キャップ部材の厚みは１．５mm、ステンレス板の厚みは６．７mm、溶接幅は０．８mm、溶接深さは０．６mm、図４(B) の場合の距離Ｄは０．２mmである。

図４(C) に示すように５ＭＰａの圧力印加時に、実施形態の構造の試験品も従来構造の試験品も、圧力印加による変位の挙動は同じとなるが、従来構造では塑性変形するか、実施形態の構造では塑性変形しない点が異なっている。すなわち、従来構造で塑性変形しているということは、溶接部分で浮きが生じている可能性があるが、実施形態の構造では塑性変形していないので、溶接部分で浮きが生じていない。

図５は第２実施形態の圧力センサの縦断面図である。図５において図１と同様な部材には同符号を付記して詳細な説明は省略する。この圧力センサは、キャップ部材２の貫通穴２２ａに流入管７１が接続され、この流入管７１からの流体はキャップ部材２の圧力室２Ａに導入される。また、キャップ部材２と圧力検出エレメント３は溶接により固着され、防水カバー７２に覆われた状態で接着剤７３を充填することにより一体に固定された構造となっている。

第１実施形態と同様に、キャップ部材２はステンレス製でフランジ部２１と椀状部２２とで構成されている。また、圧力検出エレメント３は、ステンレス製のハウジング３１と、ハウジング３１に内包された半導体センサチップ３２を有している。ハウジング３１とステンレス薄板からなるダイヤフラム４とにより形成された液封室３Ａにはシリコーンオイルなどのオイルが充填されており、半導体センサチップ３２は液封室３Ａ内に露出するように装着されている。そして、半導体センサチップ３２は検出圧力を電気信号に変換し、その電気信号は、リードピン７３、基板７４及び電線７５を介して外部に出力される。

この第２実施形態では、キャップ部材２のフランジ部２１とハウジング３１とでダイヤフラム４を挟み付けた状態で、レーザー溶接によって外側から溶接されている。すなわち、フランジ部２１、ダイヤフラム４及びハウジング３１の外側全周に溶接がなされ、このフランジ部２１、ダイヤフラム４及びハウジング３１は溶接によって形成された溶融固化層１０により接合されている。

このレーザー溶接時には、レーザー光は、フランジ部２１のハウジング３１側の当接面２１ａよりもフランジ部２１の中心側にずらした位置に照射し、溶融固化層１０をフランジ部２１側（キャップ部材２側）にずらして形成する。これにより、これにより、溶融固化層１０の最深部の頂部１０ａが当接面２１ａからランジ部２１側（キャップ部材２側）に離間した位置となるように形成されている。したがって、第１実施形態と同様に、溶融固化層１０とキャップ部材２との界面で引き剥がそうとする力が低減され、溶接部分の耐久性が高くなる。

実施形態では、キャップ部材とハウジングとがステンレス製であるので確実な溶接が可能であるが、このキャップ部材とハウジングは互いに溶接可能な金属であればよい。

また、実施形態では、レーザー溶接により溶接するようにしているが、プラズマ溶接等により溶接するようにしてもよい。

１フレア継手
２キャップ部材
２Ａ圧力室
２１フランジ部
２１ａフランジ部の当接面
２２椀状部
３圧力検出エレメント
３Ａ液封室
３１ハウジング
３２半導体センサチップ（圧力検知センサ）
４ダイヤフラム
５防水カバー
１０溶融固化層

Claims

圧力検知対象の流体が導入される圧力室を構成する金属製のキャップ部材と、該キャップ部材に当接される金属製のハウジングと、該ハウジングに内包され前記圧力室を介して加えられる圧力を検知する圧力検知センサとを備え、前記キャップ部材と前記ハウジングとの外周を溶接により接合するようにした圧力センサであって、
前記キャップ部材と前記ハウジングの当接部の全周にて、該キャップ部材と該ハウジングとの溶接による溶融固化層を、該キャップ部材側にずらして形成するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
前記キャップ部材と前記ハウジングとがステンレス製であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記溶融固化層をレーザー溶接により形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。