【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、力検知装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】力検知装置として、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部を有する力検知ブロックを備えたものが知られている。この力検知ブロックは、基台に取付けられて用いられる場合が多い。この基台は、力検知ブロックに電気信号を入力するための端子、あるいは力検知ブロックから電気信号を取出すための端子を保持する役割を果たす。また、この基台は、例えば圧力センサのハウジング等の内部に嵌め込んだり、接着等することで、間接的に力検知ブロックをハウジングに対して固定する役割も果たす。端子の存在や、力検知ブロックのゲージ部で良好な検知特性を得るため等の理由で、力検知ブロック自身をハウジングに嵌め込んだり、接着等して直接に固定することは通常は困難だからである。
【０００３】
（第１従来技術） 力検知装置として、コバール合金と熱膨張率が近いコバール封着用ガラスによって形成された基台と、その基台に挿通されたコバール合金によって形成された端子と、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部を有するとともに基台に接着剤によって接着された力検知ブロックとを備えたものが知られている。
【０００４】
この力検知装置では、基台がコバール封着用ガラスによって形成されているため、コバール合金端子との間の封着性は良好である。しかし、基台と力検知ブロックが接着剤によって接着されているため、検知する圧力や力の一部が接着剤の箇所に吸収されてしまったり、ヒステリシスが生じたりして、検知精度が低下してしまうという問題があった。その他にも、接着剤による接着は、温度特性に影響を与えたり、高い信頼性を得るのが困難といった問題もある。
【０００５】
（第２従来技術） これに対し、本願発明者らによって、第１従来技術にいう基台の箇所を２つに分けて、上記問題を解決しようとした力検知装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−１４０７１号公報（第２−３頁、第３図）
【０００７】
具体的には、シリコンとの陽極接合が可能なホウケイ酸ガラス等によって支持基台を形成することで、支持基台とシリコンによって形成された力検知ブロックを陽極接合するとともに、その支持基台の外側に形成されたコバール封着用ガラスにコバール合金端子を挿通させることで、コバール合金端子との高い封着性を得る構造を有する力検知装置が提案されている。
【０００８】
この力検知装置では、支持基台と力検知ブロックとの間が接着剤で接着されずに陽極接合によって接合されているので、第１従来技術のように接着剤で接着することによる問題を低減ないしは解消することができる。また、支持基台の外側に形成されたコバール封着用ガラスにコバール合金端子を挿通させることで、コバール合金端子との封着性も良好である。即ち、第２従来技術は、第１従来技術にいう「基台」の部分を「ホウケイ酸ガラス等で形成された支持基台」と「コバール封着用ガラス」の２つの部材に分けた構造となっている。
【０００９】
しかしながら、第２従来技術のように「基台」の部分を「ホウケイ酸ガラス等で形成された支持基台」と「コバール封着用ガラス」の２つの部材に分けると、構造が複雑化する。また、製造工程の増加を招くことにもなる。構造の複雑化や製造工程の増加は、コストの増加を招く。
【００１０】
また、上記した第２従来技術では、コバール封着用ガラスの外側（側面側と底面側）に、陽極接合用の電極等の目的で肉厚の金属外環が形成されていた。しかしながら、このような肉厚の金属外環は、力検知装置の大型化を招いてしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、力検知ブロックと基台が陽極接合によって接合され、しかも、構造がシンプルな力検知装置を提供することを第１の目的とする。
本発明は、小型化された力検知装置を提供することを第２の目的とする。
本発明は上記した目的の少なくとも１つを達成しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用と効果】本発明を具現化した力検知装置は、可動イオンとなり得る成分を含むガラスによって形成された基台と、基台に挿通された端子と、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部を有するとともに基台に陽極接合された力検知ブロックとを備えている（請求項１）。ここで、力検知ブロックは、基台を構成するガラスの熱膨張率の±２０％以内の熱膨張率の材料によって形成されていることが好ましい。特に好ましくは、シリコンによって形成されていることがよい。
【００１３】
この力検知装置は、第２従来技術にいう「ホウケイ酸ガラス等で形成された支持基台」と「コバール封着用ガラス」を、可動イオンとなり得る成分を含むガラスによって形成された「基台」に置換えたことを大きな特徴とするものである。この力検知装置によると、基台は可動イオンとなり得る成分を含むガラスによって形成されているため、基台と力検知ブロックは陽極接合によって接合することができる。従って、接着剤で接着することによる問題を低減ないしは解消することができる。しかも、基台は、可動イオンとなり得る成分を含むガラスによって形成されているので、第２従来技術のように基台部分が「ホウケイ酸ガラス等で形成された支持基台」と「コバール封着用ガラス」からなる構造に比べて、基台の構造をシンプルにできる。このため、構造の複雑化や、製造工程の増加によるコストの増加を抑えることができる。
【００１４】
請求項１に記載の力検知装置においては、基台は、可動イオンとなり得る成分を含むとともに、端子の熱膨張率の±２０％以内の熱膨張率のガラスによって形成されていることが好ましい（請求項２）。
基台がこのようなガラスで形成されていると、端子と基台の間の高い封着性を実現できる。
【００１５】
請求項１に記載の力検知装置においては、基台は、可動イオンとなり得る成分を含むとともに、力検知ブロックの熱膨張率の±２０％以内の熱膨張率のガラスによって形成されていることが好ましい（請求項３）。
基台がこのようなガラスで形成されていると、基台と力検知ブロックの陽極接合を良好に行うことができる。
【００１６】
請求項１に記載の力検知装置においては、基台は、可動イオンとなり得る成分を含むホウケイ酸ガラスによって形成されていることが好ましい（請求項４）。基台がこのようなガラスで形成されていると、基台と力検知ブロック（特に力検知ブロックがシリコンによって形成されている場合）の陽極接合を良好に行うことができる。
【００１７】
なお、基台をこのような可動イオンとなり得るを含むホウケイ酸ガラスで形成した場合、端子が例えばコバール合金製の場合には、その端子との高い封着性を得るのが難しいこともある。しかし実際には、基台によって端子がある程度保持されていれば足り、高い封着性が要求されない用途も多い。従って、本発明の態様は、このように高い封着性が要求されない用途に用いるのに適している。
【００１８】
請求項４に記載の力検知装置において、高い封着性が要求される場合は、基台とその基台に挿通された端子の間に、融点が５００℃以下のガラスが充填されていることが好ましい（請求項５）。
この構成によると、充填するガラスの焼成時の温度をある程度低めに設定できるので、他の部材（例えば端子）に与える悪影響を抑制しながら、基台と端子の間の高い封着性を実現できる。
【００１９】
本発明を具現化した他の力検知装置は、可動イオンとなり得る成分を含むガラスを構成部位として含む基台と、基台に取付けられた陽極接合の電極用の金属膜と、基台に挿通された端子と、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部を有するとともに基台に載置された力検知ブロックとを備えている（請求項６）。
この力検知装置は、第２従来技術においてコバール封着用ガラスの外側に形成されていた肉厚の金属外環に代えて、金属膜としたことを大きな特徴とするものである。このように金属膜とすることで、第２従来技術のように肉厚の金属外環を形成する場合に比べて、力検知装置の小型化を実現できる。
【００２０】
本発明は、圧力センサにも具現化される。この圧力センサは、請求項１〜６のいずれかに記載の力検知装置がハウジング内に組込まれていることを特徴とするものである（請求項７）。
この構成によると、有用性の高い圧力センサを実現できる。
【００２１】
本発明はさらに、力検知装置の製造方法にも具現化される。この製造方法は、可動イオンとなり得る成分を含むガラスを構成部位として含む基台と、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部を有する力検知ブロックと、可動イオンとなり得る成分を含むガラスを構成部位として含む力伝達ブロックを備えた力検知装置の製造方法である。そして、力検知ブロックと基台、及び力検知ブロックと力伝達ブロックを一括して陽極接合する工程を含む（請求項８）。
この製造方法のように、力検知ブロックと基台、及び力検知ブロックと力伝達ブロックを一括して陽極接合することで、陽極接合に要する手間や時間を少なくすることができ、ひいては力検知装置の製造工程を簡単化できる。
【００２２】
本発明はさらに、力検知装置の他の製造方法にも具現化される。この製造方法は、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部を有する力検知ブロックと、可動イオンとなり得る成分を含むガラスを構成部位として含む力伝達ブロックを備えた力検知装置の製造方法である。そして、力伝達ブロックのうち他の部材との接触予定面以外の箇所に陰極として機能する治具を接触させて、力検知ブロックと力伝達ブロックを陽極接合する工程を含む（請求項９）。
【００２３】
陽極接合を行うと、力伝達ブロックのうち、陰極として機能する治具との接触面に可動イオンが析出する。可動イオンが析出した接触面では、その可動イオンの存在によって他の部材との接着や陽極接合等を良好に行うのが困難となる。
これに対し、この製造方法のように、力伝達ブロックのうち他の部材との接触予定面以外の箇所に陰極として機能する治具を接触させて陽極接合を行うと、可動イオンの析出が力伝達ブロックのうち他の部材との接触予定面以外の箇所で起こる。よって、他の部材との接触予定面への可動イオンの析出を回避できるので、その接触予定面において他の部材との接着や陽極接合等を良好に行うことができる。
【００２４】
請求項９に記載の製造方法においては、他の部材が力伝達ブロックと熱膨張率が±２０％以内の熱膨張率の材料によって形成されており、前記陽極接合する工程の後に、力伝達ブロックと他の部材を陽極接合する工程をさらに行うことが好ましい（請求項１０）。
上記のように、他の部材との接触予定面への可動イオンの析出を回避できるので、他の部材を上記材料によって形成し、他の部材と力伝達ブロックを陽極接合した場合、その陽極接合を良好に行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態） 本発明の第１実施形態として、力検知装置１１、及びこれが組込まれた燃焼圧センサ１０について図１と図２を参照しながら説明する。本実施形態の燃焼圧センサ１０は、例えば内燃機関の燃焼室内の圧力を検知する目的で用いられる。
図１に示す燃焼圧センサ１０は、インナーハウジング１４と、インナーハウジング１４に取付けられた力検知装置１２，２２と、インナーハウジング１４に取付けられたアウターハウジング１８と、アウターハウジング１８に取付けられたヒートインシュレータ（断熱部材）１６等を備えている。なお、本実施形態では、図１の上側を先端側といい、下側を後端側という。
【００２６】
力検知装置１１は、力検知素子１２と、ステム２２を備えている。
力検知素子１２は、力検知ブロック２９、第１力伝達ブロック３１、第２力伝達ブロック３２を備えている。力検知ブロック２９はシリコン単結晶基板からなり、基板部２９ａと、その基板部２９ａの表面から突出する突出部２９ｂを有する。突出部２９ｂの一部には、ピエゾ抵抗効果により、作用する応力に応じて電気抵抗値が変化するゲージ部が形成されている。このゲージ部に通電し、ゲージ部の電気抵抗値の変化を電気信号値（電圧値、電流値）の変化として検出することで、力検知素子１２に作用した力の大きさを検知する。
なお、力検知ブロック２９は、シリコンに代えて、後述するステム２２の基台２６を構成するガラスの熱膨張率の±２０％以内の熱膨張率を持つ他の半導体材料等によって形成してもよい。
【００２７】
第１力伝達ブロック３１は、可動イオン（例えばナトリウムイオンや、リチウムイオンや、カリウムイオン等）となり得る成分（例えば酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）や、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）等）を含むホウケイ酸ガラス（例えばパイレックス（登録商標）ガラス等）によって形成されている。ここで、可動イオンとなり得る成分（例えば酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）や、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）等）は、５重量％以上含まれていることが好ましく、より好ましくは、１０重量％以上含まれていることがよい。
第１力伝達ブロック３１を構成する上記ガラスの熱膨張率は、陽極接合の対象であるシリコン（力検知ブロック２９）の熱膨張率（約３．０×１０−６／℃）の±２０％以内の値であることが好ましく、より好ましくは±１０％以内の値であることがよい。例えば上記したパイレックス（登録商標）ガラスは、シリコンとほぼ等しい熱膨張率（約３．２×１０−６／℃）を持つので特に好適な材料といえる。
第１力伝達ブロック３１を平面視した形状は方形であり、その上部に切欠き状のテーパ部３１ａが形成されている。第２力伝達ブロック３２は、コストや作り易さを考慮して、鉄等の金属で形成されている。第２力伝達ブロック３２は半球状である。力検知ブロック２９と第１力伝達ブロック３１は、陽極接合によって強固に固定されている。陽極接合の方法については後に詳細に説明する。第１力伝達ブロック３１と第２力伝達ブロック３２は接着剤によって接着されている。
【００２８】
なお、半球状の第２力伝達ブロック３２は、第１力伝達ブロック３１の熱膨張率の±２０％以内の熱膨張率の材料（例えばシリコン等）によって形成してもよい。この場合、第１力伝達ブロック３１と第２力伝達ブロック３２は、陽極接合によって良好に接合し得る。
【００２９】
ステム２２は、図１と、そのＩＩ−ＩＩ線断面図である図２に示すように、端子２４、基台２６、金属膜２８を備えている。端子２４は、力検知ブロック２９を構成するシリコンとの熱膨張率の差がそれほど大きくない等の理由から、コバール合金によって形成している。コバール合金は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）を主成分とする合金である。
基台２６は円柱状に形成されている。基台２６は、いわゆるコバール封着用ガラスに、可動イオンとなり得る成分（例えば酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）や、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）等）を含ませたものによって形成されている。コバール封着用ガラスとは、コバール合金と熱膨張率が近く、そのガラスとコバール合金との封着を良好に行えるガラスをいう。このようなガラスによって基台２６を形成すると、コバール合金端子２４との間の高い封着性を実現できる。
【００３０】
コバール封着用ガラスの具体的な組成としては、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏを含むものが挙げられる。このようなコバール封着用ガラスに、可動イオンとなり得る成分（例えば酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）や、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）等）をガラス全体の重量に対して５重量％以上含ませることが好ましく、より好ましくは、１０重量％以上含ませることがよい。
具体的には、可動イオンとなり得る成分を含ませたコバール封着用ガラスの熱膨張率としては、力検知ブロック２９を構成するシリコンの熱膨張率（約３．０×１０−６／℃）に近く、好ましくはその±２０％以内の値であることがよい。
【００３１】
基台２６は、力検知素子１２を構成する力検知ブロック２９と陽極接合によって強固に固定されている。基台２６には、図２に示すように、貫通穴２３が４つ形成されている。この貫通穴２３のそれぞれにコバール合金端子２４が封着された状態で挿通されている。このような封着状態は、基台２６の貫通穴２３に端子２４を挿通した後、コバール合金端子２４が溶融しない程度の温度で熱処理を行い、基台２６を構成するコバール封着用ガラスを溶融させ、端子２４と基台２６を密着状態にすることで実現される。
端子２４の上端と力検知ブロック２９に設けられた電極（図示省略）の間は、リード線３４によって接続されている。端子２４の下端には、リード線３６の一端が接続され、その他端は出力回路（図示省略）に接続されている。
基台２６の側周面と、底面の外縁には、金属膜２８が形成されている。金属膜２８は、例えばアルミニウム、銅等によって形成すればよい。この金属膜２８は、陽極接合の際に陰極として用いられるものである。金属膜２８によって負の電界が均一化され、陽極接合時の可動イオンの析出による粗面化を抑制できる。
【００３２】
インナーハウジング１４の外周には、アウターハウジング１８が溶接されて固定されている。アウターハウジング１８は、円筒状の本体部１８ｂと、先端部に形成されたダイアフラム部１８ａによって形成されている。ダイアフラム部１８ａのうち先端側の面は、受圧面１９を構成している。
ダイアフラム部１８ａのうち後端側の面には、円柱状のヒートインシュレータ１６の先端面が取付けられている。ヒートインシュレータ１６は、熱絶縁性の大きい材料によって形成されている。ヒートインシュレータ１６の後端面は、半球状の第２力伝達ブロック３２の頂面と接触している。
【００３３】
ダイアフラム部１８ａの受圧面１９は、燃焼室内の高温環境に曝される。しかし、受圧面１９が高温環境に曝されても、熱絶縁性の大きいヒートインシュレータ１６が設けられているので、受圧面１９からヒートインシュレータ１６を介して力検知素子１２に伝達される熱量は少なく、力検知素子１２の高温化が抑制されている。
燃焼室内の圧力は、ダイアフラム部１８ａの受圧面１９に作用する。受圧面１９に圧力が作用すると、ダイアフラム部１８ａの中央部は後端側に変位する。ダイアフラム部１８ａの中央部が後端側に変位すると、ヒートインシュレータ１６、第２力伝達ブロック３２、第１力伝達ブロック３１を介して、力検知ブロック２９の突出部２９ｂが押圧される。突出部２９ｂが押圧されると、突出部２９ｂに形成されたゲージ部の電気抵抗値が変化し、その変化量は電気信号としてリード線３４、端子２４、リード線３６を介して出力回路に入力される。出力回路に入力された電気信号データは、出力回路で増幅等の処理を施されてから燃焼圧センサ１０の外部に出力され、内燃機関の空燃比の制御等に用いられる。
【００３４】
（１）第１実施形態の力検知装置１１では、力検知ブロック２９と第１力伝達ブロック３１、力検知ブロック２９と基台２６がそれぞれ陽極接合によって強固に固定されている。陽極接合によると、接着剤で接着することによる問題を低減ないしは解消することができる。従って、信頼性の非常に高い力検知装置１１が実現されている。
【００３５】
（２）第１実施形態の力検知装置１１では、ステム２２を構成する基台２６が、可動イオンとなり得る成分を含むコバール封着用ガラスによって形成されている。よって、第２従来技術のように、基台部分が「ホウケイ酸ガラス等からなる支持基台」と「コバール封着用ガラス」からなる構造に比べて、基台２６の構造をシンプルにできる。このため、構造の複雑化や、製造工程の増加により生じる力検知装置１１の製造に要するコストの増加を抑えることができる。
また、第２従来技術においては、「ホウケイ酸ガラス等からなる支持基台」と「コバール封着用ガラス」の接触部の経年劣化の問題が起こり得ると想定されるが、第１実施形態のように、基台２６を一体的な上記ガラスで形成すれば、このような問題が起こり得る心配もない。
【００３６】
（３）第１実施形態の力検知装置１１では、陽極接合用の電極として、第２従来技術においてコバール封着用ガラスの外側に形成されていた肉厚の金属外環に代えて、基台２６に薄い金属膜２８を取付けている。このような金属は陽極接合の際に用いられるものであり、陽極接合後は不要なものであるので除去することも可能であるが、除去に手間がかかる場合や除去が困難な場合も多く、陽極接合後も取付けたままにしておくのが現実的には望ましい。本実施形態では、陽極接合の電極を薄い金属膜２８としているので、陽極接合後もその金属膜２８を基台２６の外周に取付けたままであっても、ステム２２を大型化させない。従って、ステム２２ひいては力検知装置１２，２２の小型化を実現できる。
【００３７】
次に、第１実施形態の力検知装置１１の製造方法のうち、陽極接合工程について図３を参照しながら詳細に説明する。図３は、陽極接合装置４０に力検知装置２２，１２を構成するステム２２，力検知素子１２の一部（力検知ブロック２９，第１力伝達ブロック３１）がセットされた状態を示す。
図３に示すように、陽極接合装置４０は、ステム側治具４１、吸引用治具４２、直流電源４４、吸引器、電気ヒータを備えている（吸引器、電気ヒータの図示は省略している）。ステム側治具４１は、燃焼圧センサ１０のインナーハウジング１４（図１参照）の形状を模擬している。吸引用治具４２には、軸方向に貫通する吸引穴４２ａが形成されているとともに、下端に吸引穴４２ａに連なるテーパ部４２ｂが形成されている。
【００３８】
陽極接合を行う前に、ステム側治具４１にステム２２をセットする（嵌め込む）。次いで、ステム２２の基台２６上に力検知ブロック２９をセットする。次いで、ステム２２の端子２４と力検知ブロック２９をリード線３４によって接続する。次いで、力検知ブロック２９上に第１力伝達ブロック３１をセットする。次いで、吸引用治具４２を、そのテーパ部４２ｂが第１力伝達ブロック３１のテーパ部３１ａ上に載置されるようにセットする。両テーパ部４２ｂ，３１ａは、テーパ角が等しい。このため、両テーパ部４２ｂ，３１ａは、互いにぴったりとフィットしている。
さらに、吸引用冶具４２の吸引穴４２ａの上端に吸引器を接続する。吸引用治具４２の外周に電気ヒータを巻き付ける。直流電源４４の陽極（プラス）側は端子２４に接続し、陰極（マイナス）側は吸引用治具４２とステム側治具４１に接続する。
【００３９】
陽極接合を行う際には、吸引器を作動させるとともに電気ヒータに通電する。吸引器が作動すると、吸引穴４２ａ内が負圧になる。吸引穴４２ａ内が負圧になると、吸引用治具４２のテーパ部４２ｂと第１力伝達ブロック３１のテーパ部３１ａが強く密着する。このような吸引用治具４２を用いると、吸引器をオン・オフするだけで第１力伝達ブロック３１に対して吸引用治具４２の着脱を自在に行える。このため、陽極接合に要する作業を簡単化できる。
電気ヒータに通電されると、吸引用治具４２が熱せられ、その熱は第１力伝達ブロック３１、力検知ブロック２９、基台２６に伝わり、これらが加熱される。なお、ステム２２とステム側治具４１は、熱源（図示省略）によって別途所定の接合温度に加熱されている。第１力伝達ブロック３１、力検知ブロック２９、基台２６を加熱するのは、陽極接合を促進させるためである。加熱温度は３５０℃〜４００℃程度であることが好ましい。直流電源４４によって印加する電圧は、１ｋＶ程度であることが好ましい。
【００４０】
このように、４００℃程度に加熱した状態で直流電源４４によって電圧を印加すると、基台２６を構成するガラス中のＮａ＋イオンが、基台２６に取付けられた陰極として機能する金属膜２８近傍に移動する。これにより生じた電界によって、基台２６中のＯ−イオンが陽極（力検知ブロック２９と基台２６の境界面）に移動する。このＯ−イオンが、力検知ブロック２９のＳｉと共有結合することによって、力検知ブロック２９と基台２６が陽極接合される。
【００４１】
また、電気ヒータで加熱した状態で直流電源４４によって電圧を印加すると、第１力伝達ブロック３１を構成するガラス中のＮａ＋イオンが、第１力伝達ブロック３１のテーパ部３１ａに密着している陰極として機能する吸着用冶具４２のテーパ部４２ｂ近傍に移動する。これにより生じた電界によって、第１力伝達ブロック３１中のＯ−イオンが陽極（力検知ブロック２９と第１力伝達ブロック３１の境界面）に移動する。このＯ−イオンが、力検知ブロック２９のＳｉと共有結合することによって、力検知ブロック２９と第１力伝達ブロック３１が陽極接合される。
このように、力検知ブロック２９の両面に、基台２６と第１力伝達ブロック３１を同時に陽極接合できる。よって、陽極接合に要する時間を短くできる。
【００４２】
なお、半球状の第２力伝達ブロック３２（図１参照）をシリコン等で形成した場合は、次のようにして、第１力伝達ブロック３１と第２力伝達ブロック３２も陽極接合してもよい。具体的には、まず、第１力伝達ブロック３１上に第２力伝達ブロック３２（図１参照）をセットする。そして、直流電源の陽極を電極兼用治具を介して第２力伝達ブロック３２に接続するとともに、直流電源の陰極を電極兼用治具を介して第１力伝達ブロック３１に接続することで、さらに第１力伝達ブロック３１と第２力伝達ブロック３２の陽極接合を行えばよい（直流電源、電極兼用治具の図示は省略している）。勿論、第１力伝達ブロック３１と第２力伝達ブロック３２は、接着剤によって接着してもよい。
【００４３】
（１）上記したように、本実施形態においては、力検知ブロック２９と基台２６、及び力検知ブロック２９と第１力伝達ブロック３１を一括して陽極接合している。このため、陽極接合に要する手間や時間を少なくすることができ、ひいては力検知装置１２，２２の製造工程を簡単化できる。
【００４４】
（２）本実施形態においては、基台２６に金属膜２８が取付けられている。このような金属膜２８を取付けておかないと、ステム側冶具１４と基台２６が直接に接することになる。この場合、陽極接合を行うと、その接触部（基台２６の側面と底面の一部）においてＮａ＋イオンが不均一に析出する。この結果、基台２６の側面と底面の一部はでこぼこの状態となり、陽極接合後に圧力センサのインナーハウジング１４（図１参照）に取付ける際に、そのインナーハウジング１４の内側面と、基台２６の側面及び底面の一部との密着性が悪くなってしまう。この結果、力検知素子１２の検知特性に悪影響を与える等の問題が生じる。
【００４５】
これに対し、本実施形態においては、基台２６の側面と底面の一部に取付けた金属膜２８の存在によって、基台２６中のＮａ＋イオンを、金属膜２８が取付けられた基台２６の側面と底面の一部にほぼ均一に析出させることができる。よって、陽極接合後に圧力センサのインナーハウジング１４（図１参照）に取付ける際に、そのインナーハウジング１４の内側面と、基台２６の側面と底面の一部をしっかりと密着させることができる。力検知素子１２による良好な検知特性を実現し得る。
【００４６】
（３）本実施形態においては、第１力伝達ブロック３１のうち、第２力伝達ブロック３２との接触面とは異なるテーパ部３１ａに吸着用冶具４２のテーパ部４２ｂを密着させ、この密着部分に第１力伝達ブロック３１中のＮａ＋イオンを析出させている。従って、第１力伝達ブロック３１のうち第２力伝達ブロック３２との接触面を、Ｎａ＋イオンが析出されていないきれいな状態とすることができる。このため、第１力伝達ブロック３１と第２力伝達ブロック３２の陽極接合を良好に行うことができる。
【００４７】
（第２実施形態） 本発明の第２実施形態である力検知装置１２，２２について図４を参照しながら説明する。以下では、第２実施形態としての特徴的な部分のみを説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。図４には、図１で示したアウターハウジング、ヒートインシュレータ、第２力伝達ブロックの図示が省略されている。
第２実施形態は、力検知装置のステム２２を構成する基台５２が、第１実施形態で説明した第１力伝達ブロック３１と同様に、可動イオンを含むホウケイ酸ガラスによって形成されている。このガラスについての好ましい態様は、第１実施形態で説明した第１力伝達ブロック３１の場合と同様である（段落番号〔００２７〕参照）。よって、説明を省略する。
この基台５２は、力検知ブロック２９に陽極接合によって強固に固定されている。基台５２には、端子２４よりも径が若干大きい貫通穴５２ａが形成されている。貫通穴５２ａの内面と端子２４の間には、融点が５００℃以下の低融点ガラスが充填された部位５４が設けられており、この充填部位５４によって端子２４との間の高い封着性が実現されている。この充填部位５４は、粒状の低融点ガラスを焼成させることで形成されている。
【００４８】
基台５２を上記のようなガラスで形成すると、基台５２と力検知ブロック２９の陽極接合を良好に行うことができる。端子２４と基台５２の間の高い封着性が要求されない場合は、上記のような低融点ガラスを充填するのに代えて、高温用接着剤を用いてもよい。
但し、端子２４と基台５２の間の高い封着性が要求される場合は、上記のような低融点ガラスを充填することで、高い封着性を実現できる。しかも、低融点ガラスとすることによって低い温度で焼成できるので、他の部材（例えば端子２４）に与える悪影響を抑制することができる。
【００４９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の力検知装置とこれが組込まれた燃焼圧センサの断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】陽極接合装置に基台、力検知ブロック、第１力伝達ブロックがセットされた状態の断面図。
【図４】本発明の第２実施形態の力検知装置の断面図。
【符号の説明】
１０：燃焼圧センサ
１１：力検知装置
１２：力検知素子
１４：ハウジング
１６：ヒートインシュレータ
１８：アウターハウジング、１８ａ：ダイアフラム、１８ｂ：本体
１９：受圧面
２２：ステム
２３：貫通穴
２４：端子
２６：基台
２８：金属膜
２９：力検知ブロック、２９ａ：基板部、２９ｂ：突出部
３１：第１力伝達ブロック、３１ａ：テーパ部
３２：第２力伝達ブロック
３４、３６：リード線
４０：陽極接合装置
４１：ステム側治具
４２：吸引用治具、４２ａ：吸引穴、４２ｂ：テーパ部
４４：直流電源
５２：基台、５２ａ：貫通穴
５４：充填部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force detecting device and a method for manufacturing the same.
[0002]
2. Description of the Related Art As a force detecting device, there is known a force detecting device provided with a force detecting block having a gauge portion whose electric resistance value changes according to an applied stress. This force detection block is often used by being attached to a base. The base serves to hold a terminal for inputting an electric signal to the force detection block or a terminal for extracting an electric signal from the force detection block. The base also serves to indirectly fix the force detection block to the housing, for example, by being fitted into or adhered to the inside of the housing or the like of the pressure sensor. It is usually difficult to fit the force detection block itself into the housing or to fix it directly by bonding, etc., due to the presence of terminals or to obtain good detection characteristics with the gauge part of the force detection block. is there.
[0003]
(1st Prior Art) As a force detecting device, a base formed of Kovar sealing glass having a thermal expansion coefficient close to that of Kovar alloy, a terminal formed of Kovar alloy inserted through the base, and a stress acting on the base. And a force detection block that is bonded to a base with an adhesive, and that has a gauge portion whose electric resistance value changes in accordance with the pressure.
[0004]
In this force detecting device, since the base is formed of Kovar sealing glass, the sealing property between the base and the Kovar alloy terminal is good. However, since the base and the force detection block are bonded with adhesive, some of the pressure and force to be detected are absorbed by the adhesive, and hysteresis occurs, which lowers the detection accuracy. There was a problem that would. In addition, there are problems that the adhesion by the adhesive affects the temperature characteristics and that it is difficult to obtain high reliability.
[0005]
(Second Prior Art) On the other hand, the inventors of the present application have proposed a force detecting device which solves the above problem by dividing the base of the first prior art into two parts (Patent) Reference 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-14071 (page 2-3, FIG. 3)
[0007]
Specifically, by forming the support base with borosilicate glass or the like that can be anodically bonded to silicon, the support base and the force detection block formed of silicon are anodically bonded, and the support base is formed. There has been proposed a force detection device having a structure in which a Kovar alloy terminal is inserted into glass for Kovar sealing formed on the outside to obtain a high sealing property with the Kovar alloy terminal.
[0008]
In this force detection device, since the support base and the force detection block are bonded by anodic bonding without being bonded by an adhesive, a problem caused by bonding with an adhesive as in the first related art is reduced. Or can be eliminated. Further, by inserting the Kovar alloy terminal into the Kovar sealing glass formed outside the support base, the sealing property with the Kovar alloy terminal is also good. That is, the second prior art has a structure in which the “base” portion referred to in the first prior art is divided into two members, a “support base formed of borosilicate glass or the like” and a “glass for sealing Kovar”. Has become.
[0009]
However, if the portion of the "base" is divided into two members of a "support base formed of borosilicate glass or the like" and the "glass for sealing Kovar" as in the second prior art, the structure becomes complicated. In addition, the number of manufacturing steps is increased. The complexity of the structure and the increase in the number of manufacturing steps cause an increase in cost.
[0010]
In the second prior art described above, a thick metal outer ring is formed on the outside (side surface and bottom surface) of the Kovar sealing glass for the purpose of an electrode for anodic bonding and the like. However, there is a problem that such a thick metal outer ring causes an increase in the size of the force detection device.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide a force detection device in which a force detection block and a base are joined by anodic bonding, and which has a simple structure.
A second object of the present invention is to provide a miniaturized force detecting device.
The present invention seeks to achieve at least one of the above objects.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION A force detecting device embodying the present invention includes a base formed of glass containing a component that can be movable ions, a terminal inserted through the base, and a function. And a force detection block which has a gauge portion whose electric resistance value changes according to the applied stress and is anodically bonded to the base. Here, the force detection block is preferably formed of a material having a coefficient of thermal expansion within ± 20% of the coefficient of thermal expansion of the glass constituting the base. Especially preferably, it is good to be formed with silicon.
[0013]
This force detecting device is based on a "base" formed of a glass containing a component that can be a mobile ion by using a "support base formed of borosilicate glass or the like" and a "glass of Kovar sealing" referred to in the second prior art. The major feature is that it has been replaced. According to this force detection device, since the base is formed of glass containing a component that can be a movable ion, the base and the force detection block can be joined by anodic bonding. Therefore, problems caused by bonding with an adhesive can be reduced or eliminated. In addition, since the base is made of glass containing a component that can be a mobile ion, the base part is made up of "a support base made of borosilicate glass or the like" and "Kovar sealing" as in the second prior art. The structure of the base can be made simpler than the structure made of glass. For this reason, it is possible to suppress an increase in cost due to a complicated structure and an increase in the number of manufacturing steps.
[0014]
In the force detection device according to the first aspect, it is preferable that the base includes a component that can be movable ions and is formed of glass having a coefficient of thermal expansion within ± 20% of the coefficient of thermal expansion of the terminal ( Claim 2).
When the base is formed of such glass, high sealing between the terminal and the base can be realized.
[0015]
In the force detection device according to the first aspect, the base includes a component that can be movable ions and is formed of glass having a coefficient of thermal expansion within ± 20% of the coefficient of thermal expansion of the force detection block. Preferred (claim 3).
When the base is made of such glass, anodic bonding between the base and the force detection block can be performed well.
[0016]
In the force detecting device according to the first aspect, it is preferable that the base is formed of borosilicate glass containing a component that can be a mobile ion (claim 4). When the base is formed of such glass, anodic bonding between the base and the force detection block (particularly, when the force detection block is formed of silicon) can be performed well.
[0017]
When the base is made of borosilicate glass containing such movable ions, if the terminal is made of, for example, a Kovar alloy, it may be difficult to obtain high sealing performance with the terminal. However, in practice, it is sufficient that the terminal is held to some extent by the base, and there are many applications in which high sealing performance is not required. Therefore, the embodiment of the present invention is suitable for use in applications where such high sealing properties are not required.
[0018]
In the force detecting device according to claim 4, when a high sealing property is required, glass having a melting point of 500 ° C or less is filled between the base and the terminal inserted into the base. Is preferable (claim 5).
According to this configuration, the firing temperature of the glass to be filled can be set somewhat lower, so that a high sealing property between the base and the terminal can be realized while suppressing adverse effects on other members (for example, the terminal). .
[0019]
Another force detection device that embodies the present invention includes a base including glass as a constituent part including a component that can be a mobile ion, a metal film for an anodic bonding electrode attached to the base, and a base that is inserted through the base. And a force detection block having a gauge portion whose electric resistance value changes according to the applied stress and mounted on a base.
This force detecting device is characterized in that a metal film is used instead of the thick metal outer ring formed outside the Kovar sealing glass in the second conventional technique. By using a metal film in this way, the size of the force detection device can be reduced as compared with the case where a thick metal outer ring is formed as in the second related art.
[0020]
The present invention is also embodied in a pressure sensor. This pressure sensor is characterized in that the force detecting device according to any one of claims 1 to 6 is incorporated in a housing (claim 7).
According to this configuration, a highly useful pressure sensor can be realized.
[0021]
The present invention is further embodied in a method for manufacturing a force sensing device. This manufacturing method includes a base including, as a constituent part, a glass containing a component that can be a mobile ion, a force detection block having a gauge portion whose electric resistance value changes according to an applied stress, and a component that can be a mobile ion. This is a method for manufacturing a force detection device including a force transmission block including glass as a constituent part. Then, a step of collectively anodically bonding the force detection block and the base and the force detection block and the force transmission block is included (claim 8).
As in this manufacturing method, the force detection block and the base, and the force detection block and the force transmission block are collectively and anodic-bonded, so that the labor and time required for anodic bonding can be reduced, and thus the force detection device Manufacturing process can be simplified.
[0022]
The invention is further embodied in another method of manufacturing a force sensing device. This manufacturing method manufactures a force detecting device including a force detecting block having a gauge portion whose electric resistance value changes in accordance with an applied stress, and a force transmitting block including, as a constituent part, glass containing a component that can be a movable ion. Is the way. Then, the method includes a step of bringing a jig functioning as a cathode into contact with a portion of the force transmission block other than a surface to be contacted with another member, and anodically bonding the force detection block and the force transmission block (claim 9).
[0023]
When anodic bonding is performed, movable ions are deposited on the contact surface of the force transmission block with the jig functioning as a cathode. On the contact surface where the mobile ions are deposited, it is difficult to perform good adhesion and anodic bonding with other members due to the presence of the mobile ions.
On the other hand, when anodic bonding is performed by bringing a jig functioning as a cathode into contact with a portion of the force transmission block other than the surface to be contacted with other members as in this manufacturing method, the deposition of mobile ions is reduced. Occurs in a portion of the transmission block other than the surface that is expected to contact another member. Therefore, it is possible to avoid the deposition of mobile ions on the surface to be contacted with another member, and it is possible to satisfactorily perform adhesion, anodic bonding, and the like to the other member on the surface to be contacted.
[0024]
In the manufacturing method according to the ninth aspect, the other member is formed of a material having a coefficient of thermal expansion within ± 20% with the force transmitting block, and after the anodic bonding step, the force transmitting block is formed. It is preferable to further perform a step of anodically bonding the other member to the second member.
As described above, precipitation of mobile ions on the surface to be brought into contact with another member can be avoided. Therefore, when another member is formed of the above-mentioned material and another member and the force transmission block are anodically bonded, the anodic bonding is performed. Can be performed favorably.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment) As a first embodiment of the present invention, a force detection device 11 and a combustion pressure sensor 10 incorporating the same will be described with reference to FIGS. The combustion pressure sensor 10 of the present embodiment is used, for example, for detecting a pressure in a combustion chamber of an internal combustion engine.
The combustion pressure sensor 10 shown in FIG. 1 includes an inner housing 14, force detection devices 12 and 22 mounted on the inner housing 14, an outer housing 18 mounted on the inner housing 14, and a heat mounted on the outer housing 18. An insulator (heat insulating member) 16 and the like are provided. In the present embodiment, the upper side in FIG. 1 is referred to as a front end side, and the lower side is referred to as a rear end side.
[0026]
The force detecting device 11 includes a force detecting element 12 and a stem 22.
The force detecting element 12 includes a force detecting block 29, a first force transmitting block 31, and a second force transmitting block 32. The force detection block 29 is made of a silicon single crystal substrate, and has a substrate portion 29a and a protruding portion 29b protruding from the surface of the substrate portion 29a. A gage part whose electric resistance value changes according to the applied stress is formed at a part of the protruding part 29b by a piezoresistance effect. The magnitude of the force acting on the force detecting element 12 is detected by applying a current to the gauge section and detecting a change in the electric resistance value of the gauge section as a change in an electric signal value (voltage value, current value).
The force detection block 29 may be formed of another semiconductor material having a coefficient of thermal expansion within ± 20% of the coefficient of thermal expansion of glass constituting the base 26 of the stem 22 described later, instead of silicon. Good.
[0027]
The first force transmission block 31 is a component (for example, sodium oxide (Na), which can be a mobile ion (for example, sodium ion, lithium ion, potassium ion, or the like). 2 O) and lithium oxide (Li 2 O) and the like (for example, Pyrex (registered trademark) glass). Here, components that can be mobile ions (for example, sodium oxide (Na 2 O) and lithium oxide (Li 2 O) and the like are preferably contained in an amount of 5% by weight or more, more preferably 10% by weight or more.
The coefficient of thermal expansion of the glass constituting the first force transmission block 31 is the coefficient of thermal expansion of silicon (the force detection block 29) to be subjected to anodic bonding (about 3.0 × 10 3). -6 / ° C), preferably ± 20%, more preferably ± 10%. For example, the Pyrex (registered trademark) glass described above has a thermal expansion coefficient (about 3.2 × 10 -6 / ° C).
The shape of the first force transmission block 31 in a plan view is a square, and a notched tapered portion 31a is formed on an upper portion thereof. The second force transmission block 32 is formed of a metal such as iron in consideration of cost and ease of manufacturing. The second force transmission block 32 is hemispherical. The force detection block 29 and the first force transmission block 31 are firmly fixed by anodic bonding. The anodic bonding method will be described later in detail. The first force transmission block 31 and the second force transmission block 32 are bonded by an adhesive.
[0028]
The hemispherical second force transmission block 32 may be formed of a material (for example, silicon) having a coefficient of thermal expansion within ± 20% of the coefficient of thermal expansion of the first force transmission block 31. In this case, the first force transmission block 31 and the second force transmission block 32 can be satisfactorily joined by anodic joining.
[0029]
The stem 22 includes a terminal 24, a base 26, and a metal film 28, as shown in FIG. 1 and FIG. The terminal 24 is made of Kovar alloy because the difference in the coefficient of thermal expansion from the silicon constituting the force detection block 29 is not so large. The Kovar alloy is an alloy mainly containing nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe).
The base 26 is formed in a columnar shape. The base 26 is provided with a component (eg, sodium oxide (Na 2 O) and lithium oxide (Li 2 O) etc.). The Kovar sealing glass is a glass having a thermal expansion coefficient close to that of a Kovar alloy and capable of satisfactorily sealing the glass with the Kovar alloy. When the base 26 is formed of such glass, high sealing performance with the Kovar alloy terminal 24 can be realized.
[0030]
As a specific composition of Kovar sealing glass, for example, SiO2 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , Na 2 O-containing ones. Such a Kovar sealing glass is provided with a component (eg, sodium oxide (Na 2 O) and lithium oxide (Li 2 O) and the like are preferably contained in an amount of at least 5% by weight, more preferably at least 10% by weight, based on the total weight of the glass.
Specifically, the thermal expansion coefficient of Kovar sealing glass containing a component that can become a mobile ion is the thermal expansion coefficient (about 3.0 × 10 3) of the silicon constituting the force detection block 29. -6 / ° C), and preferably within ± 20% thereof.
[0031]
The base 26 is firmly fixed to a force detection block 29 constituting the force detection element 12 by anodic bonding. The base 26 has four through holes 23 as shown in FIG. A Kovar alloy terminal 24 is inserted into each of the through holes 23 in a sealed state. In such a sealed state, after the terminal 24 is inserted into the through hole 23 of the base 26, a heat treatment is performed at a temperature at which the Kovar alloy terminal 24 does not melt to melt the Kovar sealing glass constituting the base 26. This is realized by bringing the terminal 24 and the base 26 into close contact with each other.
A lead wire 34 connects between the upper end of the terminal 24 and an electrode (not shown) provided on the force detection block 29. One end of a lead wire 36 is connected to the lower end of the terminal 24, and the other end is connected to an output circuit (not shown).
A metal film 28 is formed on the side peripheral surface of the base 26 and the outer edge of the bottom surface. The metal film 28 may be formed of, for example, aluminum, copper, or the like. This metal film 28 is used as a cathode during anodic bonding. The negative electric field is made uniform by the metal film 28, and the roughening due to the deposition of mobile ions during anodic bonding can be suppressed.
[0032]
An outer housing 18 is fixed to the outer periphery of the inner housing 14 by welding. The outer housing 18 is formed by a cylindrical main body 18b and a diaphragm 18a formed at the tip. The surface on the distal end side of the diaphragm portion 18a forms a pressure receiving surface 19.
The front end surface of the cylindrical heat insulator 16 is attached to the rear end surface of the diaphragm portion 18a. The heat insulator 16 is formed of a material having high thermal insulation. The rear end surface of the heat insulator 16 is in contact with the top surface of the hemispherical second force transmission block 32.
[0033]
The pressure receiving surface 19 of the diaphragm 18a is exposed to a high temperature environment in the combustion chamber. However, even if the pressure receiving surface 19 is exposed to a high temperature environment, the heat insulator 16 having high thermal insulation is provided, so that the amount of heat transmitted from the pressure receiving surface 19 to the force detecting element 12 via the heat insulator 16 is small. The temperature of the force sensing element 12 is suppressed from increasing.
The pressure in the combustion chamber acts on the pressure receiving surface 19 of the diaphragm 18a. When pressure acts on the pressure receiving surface 19, the center of the diaphragm 18a is displaced toward the rear end. When the central portion of the diaphragm 18a is displaced toward the rear end, the protrusion 29b of the force detection block 29 is pressed via the heat insulator 16, the second force transmission block 32, and the first force transmission block 31. When the protruding portion 29b is pressed, the electric resistance of the gauge portion formed on the protruding portion 29b changes, and the amount of the change is input as an electric signal to the output circuit via the lead wire 34, the terminal 24, and the lead wire 36. Is done. The electric signal data input to the output circuit is subjected to a process such as amplification in the output circuit and then output to the outside of the combustion pressure sensor 10 to be used for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine.
[0034]
(1) In the force detection device 11 of the first embodiment, the force detection block 29 and the first force transmission block 31, and the force detection block 29 and the base 26 are firmly fixed by anodic bonding, respectively. According to the anodic bonding, problems caused by bonding with an adhesive can be reduced or eliminated. Therefore, a very reliable force detection device 11 is realized.
[0035]
(2) In the force detection device 11 of the first embodiment, the base 26 constituting the stem 22 is formed of Kovar sealing glass containing a component that can be a movable ion. Therefore, the structure of the base 26 can be simplified as compared with the structure in which the base portion is formed of the “support base made of borosilicate glass or the like” and the “glass of Kovar sealing” as in the second related art. For this reason, it is possible to suppress an increase in cost required for manufacturing the force detecting device 11 caused by a complicated structure and an increase in the number of manufacturing steps.
Further, in the second prior art, it is assumed that a problem of aged deterioration of a contact portion between the “support base made of borosilicate glass or the like” and the “glass for sealing Kovar” may occur, but as in the first embodiment. In addition, if the base 26 is formed of the above-described glass, there is no fear that such a problem may occur.
[0036]
(3) In the force detection device 11 of the first embodiment, the base 26 is used as an electrode for anodic bonding instead of the thick metal outer ring formed on the outside of the Kovar sealing glass in the second related art. Is mounted with a thin metal film 28. Such a metal is used at the time of anodic bonding, and can be removed after anodic bonding, because it is unnecessary, but it is often troublesome or difficult to remove, It is practically desirable to keep it attached after anodic bonding. In the present embodiment, since the anodic bonding electrode is formed of the thin metal film 28, the size of the stem 22 is not increased even if the metal film 28 is attached to the outer periphery of the base 26 after the anodic bonding. Therefore, the size of the stem 22 and thus the size of the force detection devices 12 and 22 can be reduced.
[0037]
Next, in the method of manufacturing the force detection device 11 of the first embodiment, the anodic bonding step will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 shows a state in which the stems 22 constituting the force detection devices 22 and 12 and a part of the force detection element 12 (the force detection block 29 and the first force transmission block 31) are set in the anodic bonding device 40.
As shown in FIG. 3, the anodic bonding apparatus 40 includes a stem-side jig 41, a suction jig 42, a DC power supply 44, a suction device, and an electric heater (illustration of the suction device and the electric heater is omitted. There). The stem-side jig 41 simulates the shape of the inner housing 14 (see FIG. 1) of the combustion pressure sensor 10. The suction jig 42 has a suction hole 42a penetrating in the axial direction and a tapered portion 42b connected to the suction hole 42a at the lower end.
[0038]
Before performing anodic bonding, the stem 22 is set (fitted) into the stem-side jig 41. Next, the force detection block 29 is set on the base 26 of the stem 22. Next, the terminal 24 of the stem 22 and the force detection block 29 are connected by the lead wire 34. Next, the first force transmission block 31 is set on the force detection block 29. Next, the suction jig 42 is set such that the tapered portion 42b is placed on the tapered portion 31a of the first force transmission block 31. The taper portions 42b and 31a have the same taper angle. For this reason, the tapered portions 42b and 31a fit each other exactly.
Further, a suction device is connected to the upper end of the suction hole 42a of the suction jig 42. An electric heater is wound around the outer periphery of the suction jig 42. The anode (plus) side of the DC power supply 44 is connected to the terminal 24, and the cathode (minus) side is connected to the suction jig 42 and the stem-side jig 41.
[0039]
When performing anodic bonding, the suction device is operated and the electric heater is energized. When the suction device is operated, the pressure inside the suction hole 42a becomes negative. When the inside of the suction hole 42a becomes negative pressure, the tapered portion 42b of the suction jig 42 and the tapered portion 31a of the first force transmission block 31 are strongly adhered. When such a suction jig 42 is used, the suction jig 42 can be freely attached to and detached from the first force transmission block 31 simply by turning on and off the suction device. For this reason, the work required for anodic bonding can be simplified.
When the electric heater is energized, the suction jig 42 is heated, and the heat is transmitted to the first force transmission block 31, the force detection block 29, and the base 26, which are heated. The stem 22 and the stem-side jig 41 are separately heated to a predetermined joining temperature by a heat source (not shown). The reason why the first force transmission block 31, the force detection block 29, and the base 26 are heated is to promote anodic bonding. The heating temperature is preferably about 350 ° C to 400 ° C. The voltage applied by the DC power supply 44 is preferably about 1 kV.
[0040]
As described above, when a voltage is applied by the DC power supply 44 while being heated to about 400 ° C., Na in the glass constituting the base 26 is + The ions move to the vicinity of the metal film 28 functioning as a cathode attached to the base 26. The electric field generated by this causes the O − The ions move to the anode (the boundary surface between the force detection block 29 and the base 26). This O − The ions are covalently bonded to Si of the force detection block 29, so that the force detection block 29 and the base 26 are anodically bonded.
[0041]
Further, when a voltage is applied by the DC power supply 44 in a state of being heated by the electric heater, the Na in the glass constituting the first force transmission block 31 is changed. + The ions move to the vicinity of the tapered portion 42b of the suction jig 42 functioning as a cathode that is in close contact with the tapered portion 31a of the first force transmission block 31. Due to the electric field generated by this, O in the first force transmission block 31 − The ions move to the anode (the boundary surface between the force detection block 29 and the first force transmission block 31). This O − The ions are covalently bonded to Si of the force detection block 29, whereby the force detection block 29 and the first force transmission block 31 are anodically bonded.
In this manner, the base 26 and the first force transmission block 31 can be simultaneously anodically bonded to both surfaces of the force detection block 29. Therefore, the time required for anodic bonding can be shortened.
[0042]
When the hemispherical second force transmission block 32 (see FIG. 1) is formed of silicon or the like, the first force transmission block 31 and the second force transmission block 32 may be anodically bonded as follows. Good. Specifically, first, the second force transmission block 32 (see FIG. 1) is set on the first force transmission block 31. Then, the anode of the DC power supply is connected to the second force transmission block 32 via the electrode / jig, and the cathode of the DC power supply is connected to the first force transmission block 31 via the electrode / jig. The anodic bonding of the first force transmission block 31 and the second force transmission block 32 may be performed (the DC power supply and the electrode / jig are not shown). Of course, the first force transmission block 31 and the second force transmission block 32 may be bonded with an adhesive.
[0043]
(1) As described above, in the present embodiment, the force detection block 29 and the base 26 and the force detection block 29 and the first force transmission block 31 are collectively anodically bonded. For this reason, the labor and time required for anodic bonding can be reduced, and the manufacturing process of the force detection devices 12 and 22 can be simplified.
[0044]
(2) In the present embodiment, the metal film 28 is attached to the base 26. Unless such a metal film 28 is attached, the stem-side jig 14 and the base 26 come into direct contact. In this case, when anodic bonding is performed, the contact portion (a part of the side surface and the bottom surface of the base 26) + Ions precipitate unevenly. As a result, the side surface and a part of the bottom surface of the base 26 are uneven, and when the pressure sensor is attached to the inner housing 14 (see FIG. 1) of the pressure sensor after the anodic bonding, the inner surface of the inner housing 14 and the base 26 Adhesion with a part of the side surface and the bottom surface is deteriorated. As a result, problems such as adversely affecting the detection characteristics of the force detection element 12 occur.
[0045]
On the other hand, in the present embodiment, the presence of the metal film 28 attached to a part of the side surface and the bottom surface of the + Ions can be deposited almost uniformly on a part of the side and bottom surfaces of the base 26 on which the metal film 28 is attached. Therefore, when the pressure sensor is attached to the inner housing 14 (see FIG. 1) of the pressure sensor after the anodic bonding, the inner side surface of the inner housing 14 and a part of the side surface and the bottom surface of the base 26 can be firmly adhered. Good detection characteristics by the force detection element 12 can be realized.
[0046]
(3) In the present embodiment, the taper portion 42b of the suction jig 42 is brought into close contact with the taper portion 31a of the first force transmission block 31 that is different from the contact surface with the second force transmission block 32, and the contact portion The Na in the first force transmission block 31 + Ions are precipitated. Therefore, the contact surface of the first force transmission block 31 with the second force transmission block 32 is Na + A clean state in which ions are not deposited can be obtained. Therefore, the anodic bonding of the first force transmission block 31 and the second force transmission block 32 can be favorably performed.
[0047]
(Second Embodiment) Force detection devices 12, 22 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following, only the characteristic portions of the second embodiment will be described, and description overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 4 does not show the outer housing, the heat insulator, and the second force transmission block shown in FIG.
In the second embodiment, the base 52 constituting the stem 22 of the force detection device is formed of borosilicate glass containing movable ions, similarly to the first force transmission block 31 described in the first embodiment. A preferable aspect of the glass is the same as that of the first force transmission block 31 described in the first embodiment (see paragraph [0027]). Therefore, description is omitted.
The base 52 is firmly fixed to the force detection block 29 by anodic bonding. The base 52 has a through hole 52 a having a diameter slightly larger than that of the terminal 24. Between the inner surface of the through hole 52a and the terminal 24, a portion 54 filled with low melting point glass having a melting point of 500 ° C. or less is provided. Has been realized. The filling portion 54 is formed by firing granular low-melting glass.
[0048]
When the base 52 is formed of the above-described glass, the anodic bonding between the base 52 and the force detection block 29 can be favorably performed. When a high sealing property between the terminal 24 and the base 52 is not required, a high-temperature adhesive may be used instead of filling the low melting point glass as described above.
However, when high sealing property between the terminal 24 and the base 52 is required, high sealing property can be realized by filling the above-mentioned low melting point glass. In addition, since low-melting glass can be fired at a low temperature, adverse effects on other members (eg, terminals 24) can be suppressed.
[0049]
As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above.
Further, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a force detection device according to a first embodiment of the present invention and a combustion pressure sensor into which the force detection device is incorporated.
FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where a base, a force detection block, and a first force transmission block are set in the anodic bonding apparatus.
FIG. 4 is a sectional view of a force detection device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10: Combustion pressure sensor
11: Force detection device
12: Force detection element
14: Housing
16: Heat insulator
18: outer housing, 18a: diaphragm, 18b: body
19: Pressure receiving surface
22: Stem
23: Through hole
24: terminal
26: Base
28: Metal film
29: force detection block, 29a: substrate, 29b: protrusion
31: first force transmission block, 31a: tapered portion
32: Second force transmission block
34, 36: Lead wire
40: Anode bonding equipment
41: Jig on the stem side
42: suction jig, 42a: suction hole, 42b: tapered portion
44: DC power supply
52: base, 52a: through hole
54: Filling section
