JPH05296865A - 圧力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電容量式の圧力検出器の異種基板間の接合
を低融点ガラス材に代えて低融点のろう材金属により構
成し、流体圧力の変動によって容易に破損しい信頼性の
ある圧力検出器を得る。 【構成】 圧力検出器はアルミナ製の基板１と受圧ダイ
ヤフラム６として流体圧力を受ける基板を所定の間隔に
保持し、それぞれの基板上の薄膜電極８、９間の静電容
量の変化によって圧力を検出する。受圧ダイヤフラムは
延性材料として低熱膨脹合金インバーが用いられ、他方
の基板はほぼ同じ熱膨脹係数のアルミナ基板としてい
る。そして両基板を、４００℃以下の低融点のろう材で
ある、例えばＡｕ７１Ｓｎ２９の共晶合金で接合してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車分野などで近
年需要の急成長している圧力検出器の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧力を静電容量の変化として検知
する静電容量式圧力検出器として、コンデンサを形成す
る一対の薄膜電極を絶縁体であるガラスまたはセラミッ
クス製の２枚の基板の内側表面に形成したものが特公昭
６３−４８０１３号公報により公知である。前記基板表
面に形成された電極の間隔が、一方、または両方の基板
に加わる圧力により変化し、静電容量が変わることを利
用して圧力を検知している。

【０００３】このような原理に基づいて圧力を検出する
場合、圧力を受けない場合の基板間距離を高精度かつ温
度変化、経時変化の少ない方法で接合することが重要で
ある。上記従来例の場合、基板間距離を規定するため
に、基板と熱膨脹係数の近い低融点のガラスなどを用い
て基板同士を接合し、固定していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、静電容量式
圧力検出器を自動車のブレーキ油圧、サスペンション油
圧など、部材に高い信頼性が要求される用途に用いる場
合、少なくとも圧力を受ける側の基板には脆性材料であ
るガラス・セラミックスでなく延性材料である金属を用
いることが必要である。つまり一例として図６に示すよ
うな圧力を受ける基板に表面を絶縁した金属、もう一方
の基板にアルミナなどのセラミックスを用いた圧力検出
器が考えられる。

【０００５】しかしながら、この様な異種材料を接合す
る場合、従来の低融点ガラスでは接合温度が４００℃以
上と高いため、一方の基板を形成する金属、他方の基板
を形成するセラミックス、接合材料である低融点ガラ
ス、の３種類の材料の熱膨脹係数のわずかな差によって
以下のような不具合が生じる。 １．大きな熱応力が生じ、接合が困難である。 ２．接合した場合も残留応力により接合部の破壊が生じ
易く、信頼性に乏しい。 ３．基板の反りが生じ基板間隔の制御は困難。

【０００６】そして材料の熱膨脹係数は材質、温度に依
存して変わるため、接合温度から常温までの３種類の材
料の熱膨脹係数をロット間のバラツキ等も含めて一致さ
せることはほぼ不可能である。また、低融点ガラスは熱
膨脹係数を制御するためにフィラーと呼ばれる直径が数
十〜百μｍのセラミックス粉末を混入するため、ギャッ
プ５０μｍ以下の電極間容量を検出するセンサへの応用
は困難である。

【０００７】さらに、金属の基板を接合する場合、加熱
時の雰囲気は不活性もしくは還元雰囲気が望ましいが、
一般に酸化鉛などの酸化物を含む低融点ガラスは酸化雰
囲気中での加熱が必要である。このため、上記に示した
ような理由によって、図６に示すような構造の圧力検出
器は従来作製できなかった。

【０００８】この発明は、上述した従来の圧力検出器の
構造上の問題点に留意して、異種材料の基板を融点の低
いろう材を用いて接合し熱膨脹や熱応力が小さく大きな
圧力でも破損し難い信頼性のある圧力検出器を提供する
ことを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
としてこの発明は、任意の間隔に保持された２枚の基板
の内側表面に電極を形成し、流体の圧力を基板間距離の
変化による電極間の静電容量の変化によって検出する圧
力検出器において、互いに近い低熱膨脹係数を有し少な
くとも圧力を受ける側を延性材料の金属とした異種基板
を融点が４００度以下の金属又は共晶合金のろう材で接
合した圧力検出器の構成としたのである。

【００１０】この圧力検出器において、前記ろう材がＰ
ｂ、Ｓｎ、Ａｕの少なくとも一種類の元素を含む金属又
は共晶合金であるのが好ましい。

【００１１】

【作用】この発明の圧力検出器は、上記のような特徴あ
る構成を採用したから、大きな圧力が作用しても容易に
破損することはない。ろう材を融点の低い４００℃以下
の金属又は共晶合金としているから、接合の際に従来よ
り低い温度で加熱接合でき、熱応力などが生じることも
ない。従って、極めて信頼性が高くなる。検出器として
の作用は、従来以上に高精度であり、導入される流体圧
力によって延性材料金属側が撓み、この撓みによる基板
間距離の変化によって基板に設けた電極の静電容量が変
化し、これによって流体の圧力を検出する。

【００１２】この場合、受圧側基板は一般に受圧ダイヤ
フラムとして形成され、この受圧ダイヤフラム上の薄膜
電極と反対側基板表面の薄膜電極の間の静電容量Ｃは、
電極間距離ｄ、電極面積ｓ、封入する気体や液体の誘電
率εによって次のように表わされる。 Ｃ＝ε×ｓ／ｄ 静電容量の変化は圧力検出器に設けられる電子回路から
電圧信号として外部へ取り出される。

【００１３】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は実施例の圧力検出器の主要断面構造
である。図示の圧力検出器は、液圧又は気圧を検出する
ための静電容量式のものであり、アルミナ製の基板１上
に電子回路２を設け、これを樹脂モールド３でモールド
し、その外側をキャップ４で保護するようにしている。
基板１の下には接合部５を介して受圧ダイヤフラム６が
所定のギャップを保って固定されている。ギャップ量は
接合の際に厚さ３０μｍ程度の金属などの薄板をスペー
サとして規定する。受圧ダイヤフラム６のアルミナ基板
側表面にはダイヤフラム自身と絶縁膜７によって絶縁さ
れた薄膜電極８を有し、相対するアルミナ基板表面にも
薄膜電極９を有する。

【００１４】受圧ダイヤフラム６は、配管コネクタ１０
により配管に接続され、導入される流体の圧力によって
撓む。受圧ダイヤフラムが撓むと基板間距離が変化し、
静電容量が変化する。薄膜電極９はアルミナ基板１に形
成されたスルーホール、薄膜電極８はリード線によって
それぞれ電子回路２に接続されている。静電容量の変化
は電子回路２上の電気回路によって電圧信号に変換され
る。

【００１５】上記実施例の受圧ダイヤフラム６はＦｅＮ
ｉ系の低膨脹合金インバー（熱膨脹係数＝約７．０×１
０^-6）であり、アルミナ基板１（熱膨脹係数＝約７．３
×１０^-6）と熱膨脹係数のなるべく近いものを用いた。
そして受圧ダイヤフラム６とアルミナ基板１の接合部５
の材料として低融点のろう材であるＡｕ７１Ｓｎ２９
（ａｔ％）共晶合金（ＭＰ＝２８０℃）を薄板の形状で
用い、Ｎ₂ 不活性雰囲気中で、３５０℃＊１０分の熱処
理を行なって接合をした。

【００１６】以上のような実施例の容量式圧力検出器の
検出部は、高精度かつ経時変化が少なく、ガラスを用い
る接合方法に比べて以下のような利点を有する。Ａｕ７
１Ｓｎ２９（ａｔ％）共晶合金、低融点の接合用ガラス
の材料特性を表１に示す。ガラスの接合温度が４００℃
以上と高温なのに対して、表１に示すＡｕＳｎの点が低
いほど小さくなり、またガラスに比べＡｕＳｎは常温で
の引っ張り強度が非常に高い。そのため、ＡｕＳｎを接
合材に用いると基板のたわみや接合部の破壊が生じにく
くなり、ガラスでは困難であった接合が容易に行えるよ
うになる。

【００１７】

【表１】

【００１８】Ａｕ−Ｓｎ系の状態図を図２に示す。Ａｕ
７１Ｓｎ２９組成は共晶組成であり（図はａｔ％）、こ
の組成から大きくずれた場合の初晶析出物によるギャッ
プ精度の低下や、接合時の流動性低下がない。Ａｕ７１
Ｓｎ２９（ａｔ％）共晶合金の接合時の雰囲気は不活性
もしくは還元雰囲気が望ましく、部材の金属部分を酸化
しない。

【００１９】他の実施例として、上記接合部５の材質で
あるＡｕ７１Ｓｎ２９共晶合金に代えて、接合材料とし
てＡｕ８１Ｓｉ１９（ａｔ％）共晶合金（ＭＰ＝３６３
℃）、Ａｕ７３Ｇｅ２７（ａｔ％）共晶合金（ＭＰ＝３
５６℃）、Ｐｂ６２Ｓｎ３８（ｗｔ％）共晶合金（ＭＰ
＝１８３℃）などの低融点合金を用いても信頼性の高い
接合を容易に行なうことができた。また、以上の議論よ
り明らかなように、このような合金系において、共晶組
成近傍の組成においてもギャップを液相温度以上かつ、
接合する母材に劣化や変形が生じる温度より低温にて制
御しつつ接合することにより、精密なギャップ量を有
し、信頼性の高い接合構造を容易に得ることができる。
図３〜５に接合材料として上記各種共晶合金を用いた圧
力センサの圧力に対する容量変化の様子を示す。

【００２０】

【効果】以上詳細に説明したように本発明の圧力検出器
では、アルミナ、インバーなどの異種基板を融点が４０
０℃以下の金属又は共晶合金のろう材で接合した金属製
受圧ダイヤフラムを有する容量式圧力センサとしたの
で、１００kgｆ／cm² 以上の高圧を発生するブレーキ、
サスペンションなどの油圧を測定できる。このような構
造の圧力センサは、空気または他の気体や液体を誘電体
とした容量が圧力に応じて変化する可変コンデンサであ
る。誘電体として空気や窒素、アルゴンなどの気体を用
いると、温度変化に対する誘電率の変化が小さく、出力
が温度に影響されにくい安定したセンサが作製可能であ
る。そのため、本発明により、基板間距離を高精度かつ
温度変化、経時変化の少ない材料で接合し、使用温度環
境の厳しい自動車用などに適する圧力センサを提供する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の静電容量式圧力検出器の断面図

【図２】Ａｕ−Ｓｎ系共晶合金の状態図

【図３】接合材料にＡｕＳｉ共晶合金を用いた圧力検出
器の圧力に対する容量出力

【図４】接合材料にＡｕＧｅ共晶合金を用いた圧力検出
器の圧力に対する容量出力

【図５】接合材料にＰｂＳｎ共晶合金を用いた圧力検出
器の圧力に対する容量出力

【図６】静電容量式圧力検出器の検出部

【符号の説明】 １ 基板 ２ 電子回路 ３ 樹脂モールド ４ キャップ ５ 接合部 ６ 受圧ダイヤフラム ７ 絶縁膜 ８、９ 薄膜電極 １０ 配管コネクタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意の間隔に保持された２枚の基板の内
   側表面に電極を形成し、流体の圧力を基板間距離の変化
   による電極間の静電容量の変化によって検出する圧力検
   出器において、互いに近い低熱膨脹係数を有し少なくと
   も圧力を受ける側を延性材料の金属とした異種基板を融
   点が４００度以下の金属又は共晶合金のろう材で接合し
   たことを特徴とする圧力検出器。
2. 【請求項２】 前記ろう材がＰｂ、Ｓｎ、Ａｕの少なく
   とも一種類の元素を含む金属又は共晶合金であることを
   特徴とする請求項１に記載の圧力検出器。