JP2005172761A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力検出用のダイアフラムを有する中空筒状のステムと、このダイアフラムの変形を検出するセンサチップとを備える圧力センサにおいて、外部との電気接続を取るための部品点数を削減し、センサ体格の小型化を実現する。
【解決手段】 中空筒状をなし、外面の一部に圧力によって変形可能なダイアフラム１１を有するとともに中空部へ圧力を導入するための開口部１２を有するステム１０と、ダイアフラム１１上に設けられダイアフラム１１の変形に応じた電気信号を出力するセンサチップ２０とを備える圧力センサにおいて、ステム１０には、センサチップ２０からの電気信号を外部へ取り出すためのターミナル部材３０が、ステム１０に対して電気的な絶縁部材５０を介して接合されており、センサチップ２０とターミナル部材３０とはワイヤ４０を介して電気的に接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する中空筒状のステムと、このダイアフラムの変形を検出するセンシング部とを備える圧力センサに関する。

従来より、この種の圧力センサとしては、圧力に応じた電気信号を出力するセンシング部と、中空筒状をなす金属製のステムを有する圧力センサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この圧力センサは、ステムにおける外面の一部に圧力によって変形可能なダイアフラムを形成するとともに、当該ステムの開口部からステムの中空部へ圧力を導入し、この導入された圧力によってダイアフラムが変形するようになっている。

特に、上記特許文献１に記載されている圧力センサでは、ダイアフラムは、ステムの軸一端側の端面に設けられ、開口部は、ダイアフラムとは反対側のステムの軸他端側に設けられている。

そして、ダイアフラム上には、センサチップ等からなるセンシング部が設けられており、当該ダイアフラムの変形に応じた電気信号がセンシング部から出力されるようになっている。

また、センシング部の周囲には処理回路の実装された基板が設けられており、当該処理回路によって、センシング部の電気信号すなわちセンサ信号は、取り扱いやすい信号に増幅されたり、変換されるなどの処理に施され、外部に出力される。
特開２００１−２７２２９７号公報

しかしながら、上記特許文献１等にも記載されているように、従来の圧力センサにおいては、処理回路が実装された基板（処理回路基板）はセンシング部の周囲に２次元的に配置されたものとなっており、センサにおけるセンシング部の設置面と処理回路基板の基板平面とが平行な位置関係となっていた。

そのため、センサにおけるセンシング部の設置面と平行な方向のセンサ体格が、センシング部の面積だけでなく、処理回路基板の基板面積の分も加わった大きなものとなってしまう。

このことを、ステムの軸一端側にダイアフラム、軸他端側に開口部を有する上記特許文献１に記載されている圧力センサに照らして言うならば、従来では、ステムの外周において、処理回路基板は、その基板平面がステムの径方向と平行となるように配置された形となっていた。そのため、この圧力センサにおいては、ステムの径方向のセンサ体格が大きくなっていた。

このように、センシング部の設置面から当該設置面と平行な方向に処理回路基板の基板平面が広がっている配置関係を採用した場合、処理回路基板を支持する部分における構成部品も多く、また、その構造も複雑になってしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、圧力検出用のダイアフラムを有する中空筒状のステムと、このダイアフラムの変形を検出するセンシング部とを備える圧力センサにおいて、外部との電気接続を取るための部品点数を削減し、センサ体格の小型化を実現できるように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、中空筒状をなすものであって、外面の一部に圧力によって変形可能なダイアフラム（１１）を有するとともに中空部へ圧力を導入するための開口部（１２）を有するステム（１０）と、ダイアフラム（１１）上に設けられ、ダイアフラム（１１）の変形に応じた電気信号を出力するセンシング部（２０）とを備える圧力センサにおいて、ステム（１０）には、センシング部（２０）からの電気信号を外部へ取り出すためのターミナル部材（３０）が、ステム（１０）に対して電気的に絶縁された状態で接合されており、センシング部（２０）とターミナル部材（３０）とは、ワイヤ（４０）を介して電気的に接続されていることを特徴としている。

それによれば、センシング部（２０）からの電気信号は、ワイヤ（４０）を介してターミナル部材（３０）から外部へ取り出すことができる。

そして、本発明では、外部との電気接続を取るための部品であるターミナル部材（３０）を、ステム（１０）に対して接合しており、従来のような回路基板をステムの周囲に配置した構成ではないため、簡単な構成とすることができる。

よって、本発明によれば、圧力検出用のダイアフラム（１１）を有する中空筒状のステム（１０）と、このダイアフラム（１１）の変形を検出するセンシング部（２０）とを備える圧力センサにおいて、外部との電気接続を取るための部品点数を削減し、センサ体格の小型化を実現することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の圧力センサにおいて、ターミナル部材（３０）は、ステム（１０）との間に絶縁部材（５０）を介して接合されているものにできる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の圧力センサにおいて、ターミナル部材（３０）は、ステム（１０）におけるセンシング部（２０）の設置面と平行な面に対して接合されていることを特徴としている。

それによれば、センシング部（２０）におけるワイヤ（４０）の接続面とターミナル部材（３０）におけるワイヤ（４０）の接続面とを、略平行な状態にすることができるため、ワイヤボンディングなどによるワイヤ（４０）の接続が容易になる。

ここで、請求項４に記載の発明のように、請求項１〜請求項３に記載の圧力センサにおいて、ダイアフラム（１１）は、ステム（１０）の軸一端側の端面に設けられ、開口部（１２）は、前記ステム（１０）の軸他端側に設けられたものにできる。

また、請求項５に記載の発明のように、請求項１〜請求項４に記載の圧力センサにおいて、センシング部は、センサチップ（２０）であるものにできる。

なお、上記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一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

以下の各実施形態に係る圧力センサは、たとえば自動車のブレーキシステムにおけるブレーキオイルの圧力を検出する圧力センサや、自動車の燃料噴射系における燃料パイプ内の圧力を検出する圧力センサ等に適用することができる。

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、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサＳ１の全体構成を示す概略縦断面図である。

［圧力センサの構成］
図１に示されるように、ステム１０は、内部に中空部を有する有底筒状のもの、すなわち中空筒状をなすものである。このステム１０は、基本的には円筒体を加工することにより形成されている。

ステム１０は、その外面の一部に圧力によって変形可能なダイアフラム１１を有するとともに中空部へ圧力を導入するための開口部１２を有する。

本実施形態では、ダイアフラム１１は、ステム１０の軸一端側の端面に設けられ、開口部１２は、ステム１０の軸他端側に設けられている。ここで、ダイアフラム１１は、ステム１０の軸一端側の端面を薄肉部とすることにより形成されている。

ここで、ステム１０は、開口部１２側の部位にて図示しない被測定物にシールされた形で取り付けられるようになっている。

ここで、上記被測定物は、上述したように、たとえば自動車のブレーキシステムにおけるブレーキオイルの配管や、自動車の燃料噴射系における燃料パイプなどである。そして、ステム１０は、被測定物に対して、たとえばネジ結合や溶接やかしめなどにより固定される。

このようにして、ステム１０が被測定物に取り付けられた状態において、被測定物からの圧力すなわち被測定圧力は、ステム１０の開口部１２からステム１０の中空部に導入される。すると、導入された被測定圧力の大きさに応じて、ダイアフラム１１が歪むようになっている。

また、図１に示されるように、ステム１０のダイアフラム１１上には、センシング部としてのセンサチップ２０が設けられている。

このセンサチップ２０は、上記したダイアフラム１１の変形に応じた電気信号を出力するものである。たとえば、センサチップ２０は、単結晶Ｓｉ（シリコン）等の半導体チップからなる矩形板状をなすものであり、本例では、低融点ガラス２５によってステム１０のダイアフラム１１に接合され固定されている。

つまり、ステム１０におけるダイアフラム１１の表面をセンシング部２０の設置面として、この設置面にセンサチップ２０が搭載されている。

限定するものではないが、具体的に、センサチップ２０としては、ブリッジ回路を有し、ステム１０の開口部１２から導入された圧力によってダイアフラム１１が変形したとき、この変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換して出力する歪みゲージとして機能するものにできる。そして、これらダイアフラム１１およびセンサチップ２０が、圧力センサＳ１の基本性能を左右する。

ここで、ステム１０を構成する金属材料には、超高圧を受けることから高強度であること、および、Ｓｉからなるセンサチップ２０をガラス２５により接合するため低熱膨張係数であることなどが求められる。

具体的には、ステム１０は、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた材料を選定し、プレス、切削や冷間鍛造等により形成することができる。

ここにおいて、本実施形態では、ステム１０には、センサチップ（センシング部）２０からの電気信号を外部へ取り出すためのターミナル部材３０が、ステム１０に対して電気的に絶縁された状態で接合されており、センサチップ２０とターミナル部材３０とは、ワイヤ４０を介して電気的に接続されている。

ここで、ターミナル部材３０は、本実施形態では、導電性金属等からなるピン形状のものであり、ステム１０との接合部からステム１０の径方向（図１中の左右方向）に延びるように配置されている。

また、ワイヤ４０は、たとえば金やアルミニウムなどのボンディングワイヤである。そして、このターミナル部材３０は、ステム１０との間に電気絶縁性を有する絶縁部材５０を介して、ステム１０に接合されている。

この絶縁部材５０は、電気的な絶縁性を有するものであれば何でもよく、たとえば、樹脂接着剤等の有機系接着剤や無機系接着剤そのものとして構成されたり、あるいは、樹脂やセラミック、金属酸化物、ガラスなどからなるブロック状の絶縁物を接着剤などにより、ステム１０およびターミナル部材３０に接着した構成とすることができる。

また、ターミナル部材３０は、センサチップ２０に対するセンサ出力用端子、接地用端子および電源用端子などとして構成されており、それぞれの役割に対応して複数本設けられている。そして、これらターミナル部材３０は、たとえば自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続可能となっている。

このようにして、本圧力センサＳ１においては、センシング部であるセンサチップ２０からの電気信号は、ワイヤ４０を介してターミナル部材３０から外部へ取り出すことができるようになっている。

また、本実施形態では、ターミナル部材３０は、ステム１０におけるセンサチップ２０の設置面と平行な面、すなわち、ダイアフラム１１と平行なステム１０の軸一端側の端面に対して接合されている。

なお、本実施形態では、図示しないが、センサチップ２０の電気信号を処理する処理回路は、センサチップ２０と一体に集積化された回路として設けられたり、または、外部回路としてターミナル部材３０と接続されたものにすることができる。この処理回路は、たとえば、センサチップ２０からの電気信号（センサ信号）を、取り扱いやすい信号に増幅したり変換したりするなどの処理を行うものである。

［製造方法］
かかる構成を有する圧力センサＳ１の製造方法について説明する。

まず、上記ステム１０を用意し、このステム１０におけるダイアフラム１１の形成面に低融点ガラス２５を印刷し（ステムへのガラス印刷工程）、その上にセンサチップ２０を搭載する（センサチップ組付工程）。そして、低融点ガラス２５を溶融・固化させることにより、センサチップ２０をステム１０に固定する。

一方、ターミナル部材３０を用意し、絶縁部材５０を介してターミナル部材３０とステム１０とを接合する（ターミナル部材接合工程）。

続いて、センサチップ２０とターミナル部材３０とを、金やＡｌなどを用いたワイヤボンディングを行うことにより、結線する（ワイヤボンディング工程）。それにより、センサチップ２０とターミナル部材３０との間がワイヤ４０により電気的に接続される。こうして、本実施形態の圧力センサＳ１が完成する。

かかる圧力センサＳ１は、上述したように、上記被測定物に対して、たとえばネジ結合や溶接やかしめなどにより固定され取り付けられる。

そして、被測定物からの圧力が、ステム１０の開口部１２からステム２０の中空部へ導入されたときに、その圧力によってダイアフラム１１が変形する。この変形をセンサチップ２０により電気信号に変換し、この電気信号はワイヤ４０を介してターミナル部材３０から外部へ出力される。こうして圧力検出が行われるようになっている。

そして、たとえば、この検出された圧力に基づいて、ブレーキシステムの制御や燃料噴射制御がなされるのである。

［効果点等］
ところで、本実施形態では、中空筒状をなすものであって、外面の一部に圧力によって変形可能なダイアフラム１１を有するとともに中空部へ圧力を導入するための開口部１２を有するステム１０と、ダイアフラム１１上に設けられダイアフラム１１の変形に応じた電気信号を出力するセンシング部としてのセンサチップ２０とを備える圧力センサＳ１において、ステム１０には、センサチップ２０からの電気信号を外部へ取り出すためのターミナル部材３０が、ステム１０に対して電気的に絶縁された状態で接合されており、センサチップ２０とターミナル部材３０とは、ワイヤ４０を介して電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサＳ１が提供される。

それによれば、センサチップ２０からの電気信号は、ワイヤ４０を介してターミナル部材３０から外部へ取り出すことができる。

そして、本実施形態では、外部との電気接続を取るための部品であるターミナル部材３０を、ステム１０に対して接合しており、従来のような回路基板をステムの周囲に配置した構成ではないため、簡単な構成とすることができる。

よって、本実施形態によれば、圧力検出用のダイアフラム１１を有する中空筒状のステム１０と、このダイアフラム１１の変形を検出するセンシング部２０とを備える圧力センサＳ１において、外部との電気接続を取るための部品点数を削減し、センサ体格の小型化を実現することができる。

また、本実施形態では、図１に示されるように、ターミナル部材３０は、ステム１０におけるダイアフラム１１の表面すなわちセンサチップ２０の設置面と平行な面に対して接合されている。

それによれば、センサチップ２０におけるワイヤ４０の接続面とターミナル部材３０におけるワイヤ４０の接続面とを、略平行な状態にすることができるため、ワイヤボンディングなどによるワイヤ４０の接続が容易になる。

（第２実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサＳ２の全体構成を示す概略縦断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中の圧力センサＳ２におけるターミナル部材３０の単体構成を示す斜視図である。ここでは、上記第１実施形態と相違する点を中心に述べる。

上記第１実施形態では、ターミナル部材３０は、ピン形状のものでステム１０との接合部からステム１０の径方向（図１中の左右方向）に延びるように配置されていた。

それに対して、本実施形態の圧力センサＳ２では、図２に示されるように、ターミナル部材３０は、ステム１０との接合部からステム１０の軸方向（図２中の上下方向）に延びるように配置されている。

具体的には、図２（ｂ）に示されるように、ピン形状をなすターミナル部材３０におけるステム１０との接合部側の部位において、ターミナル部材３０の長手方向とは直交する方向に突出する折り曲げ部３１を設ける。

そして、ターミナル部材３０の折り曲げ部３１が、ステム１０におけるセンサチップ２０の設置面と平行な面、すなわち、ダイアフラム１１と平行なステム１０の軸一端側の端面に対して、絶縁部材４０を介して接合されている。

このとき、図２（ａ）に示されるように、ターミナル部材３０の折り曲げ部３１の近傍部において、ステム１０の側面にも絶縁部材４０を設けることにより、ターミナル部材３０とステム１０との電気絶縁性を確保している。このようにすることにより、本実施形態のターミナル部材３０は、ステム１０の軸方向に延びるように配置されている。

そして、このような本実施形態の圧力センサＳ２においても、上記第１実施形態の圧力センサと同様の作用効果を奏するものであり、外部との電気接続を取るための部品点数を削減し、センサ体格の小型化を実現することができる。

（第３実施形態）
図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサＳ３の全体構成を示す概略縦断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中の圧力センサＳ３の上視平面図図である。ここでは、上記第１実施形態と相違する点を中心に述べる。

上記第１実施形態では、ターミナル部材３０は、ピン形状のものでステム１０との接合部からステム１０の径方向（図１中の左右方向）に延びるように配置されていた。

それに対して、本実施形態の圧力センサＳ３では、図３に示されるように、ターミナル部材３０は、幅の広い矩形板状のものとしている。それによれば、このターミナル部材３０の上に何らかの構成部品を搭載することも可能となる。

そして、このような本実施形態の圧力センサＳ３においても、上記第１実施形態の圧力センサと同様の作用効果を奏するものであり、外部との電気接続を取るための部品点数を削減し、センサ体格の小型化を実現することができる。

これら第２および第３実施形態に示されるように、ターミナル部材３０の形状は、用途に応じて適宜変更することが可能である。そして、ターミナル部材３０の形状やサイズは、上記第２および第３実施形態に限定されるものではない。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、上記図１などに示されるように、ダイアフラム１１は、ステム１０の軸一端側の端面に形成されていたが、開口部１２から中空部へ導入された圧力によってダイアフラム１１が変形可能になるならば、ステム１０におけるダイアフラム１１の形成位置はこれに限定されるものではない。

たとえば、一変形例として、図１に示されるステム１０の側面にダイアフラムを形成してもよい。この場合、ステム１０の側面の一部を薄肉部とし、その部分をダイアフラムとして構成すればよい。そして、センサチップ２０は、このダイアフラム１１の形成面であるステム１０の側面に設置されることになる。

また、上記各実施形態では、センシング部はセンサチップ２０であった。ここで、上記圧力センサにおいて、ダイアフラム上に設けられ該ダイアフラムの変形に応じた電気信号を出力するセンシング部としては、上記センサチップ２０に限定されるものではない。たとえば、歪みゲージをダイアフラムに直接蒸着し、この歪みゲージをセンシング部として用いても良い。

また、上記実施形態では、ターミナル部材３０は、ステム１０との間に絶縁部材５０を介して接合されていた。しかしながら、これ以外にも、ターミナル部材３０がステム１０に対して電気的に絶縁された状態で接合されるならば、両者の接合において他の接合形態を採用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの全体構成を示す概略縦断面図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサの全体構成を示す概略縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の圧力センサにおけるターミナル部材の単体構成を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサの全体構成を示す概略縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の圧力センサの上視平面図図である。

符号の説明

１０…ステム、１１…ダイアフラム、１２…ステムの開口部、
２０…センシング部としてのセンサチップ、３０…ターミナル部材、４０…ワイヤ、
５０…絶縁部材。

Claims (5)

1. 中空筒状をなすものであって、外面の一部に圧力によって変形可能なダイアフラム（１１）を有するとともに中空部へ圧力を導入するための開口部（１２）を有するステム（１０）と、
   前記ダイアフラム（１１）上に設けられ、前記ダイアフラム（１１）の変形に応じた電気信号を出力するセンシング部（２０）とを備える圧力センサにおいて、
   前記ステム（１０）には、前記センシング部（２０）からの電気信号を外部へ取り出すためのターミナル部材（３０）が、前記ステム（１０）に対して電気的に絶縁された状態で接合されており、
   前記センシング部（２０）と前記ターミナル部材（３０）とは、ワイヤ（４０）を介して電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ターミナル部材（３０）は、前記ステム（１０）との間に絶縁部材（５０）を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ターミナル部材（３０）は、前記ステム（１０）における前記センシング部（２０）の設置面と平行な面に対して接合されている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。
4. 前記ダイアフラム（１１）は、前記ステム（１０）の軸一端側の端面に設けられ、前記開口部（１２）は、前記ステム（１０）の軸他端側に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記センシング部は、センサチップ（２０）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
   

Images