JP2007085968A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定する気体中に含まれているゴミなどの異物が圧力検出部に付着することを低減し、精度の良い圧力を検出できる圧力センサを提供する。
【解決手段】 パッケージ５に圧力検出素子３０が収容され気体の圧力を検出する圧力センサ１において、パッケージ５の上下に配置されるベース板１０と蓋体１５およびパッケージ５内部に配置される内板１２とを備え、ベース板１０に気体導入穴２０が設けられ、このベース板１０と内板１２で囲まれた気体導入室２１が形成され、内板１２に気体導入室２１と通気される通気穴２２が設けられ、この内板１２と蓋体１５で囲まれた圧力検出室２３が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体の圧力を検出する圧力センサに関する。

従来から、圧力検出部にダイアフラム構造を備えた圧力検出素子が知られている。例えば、特許文献１に示すような、導電性を有するダイアフラムを形成した基板（可動基板）と、電極と誘電体膜を備える基板（固定基板）とを接合し、圧力を受けたときに、ダイアフラムが撓み、ダイアフラムと誘電体膜が接触する接触面積の変化を電極間静電容量の変化として検出することで圧力を検出する静電容量変化型の圧力検出素子がある。
このようなダイアフラム構造を備えた圧力検出素子はそのまま圧力測定雰囲気に配置されるか、または特許文献２に示すような圧力検出部に煙突状の接続部材を設けてパッケージされ、この接続部材から気体を圧力検出部に導いて圧力を測定する圧力センサとして構成されている。

特開２００２−２１４０５８号公報 米国特許第６２０１４６７号明細書

しかしながら、測定される気体はゴミなどの異物を含まない清浄な気体であるとは限らず、このような圧力検出素子の圧力検出部が気体の雰囲気中に露出しているため、異物が圧力検出部に付着してその圧力の検出精度を低下させる問題があった。この問題は、特に静電容量変化型の圧力センサでは、付着した異物が静電容量を付加するように働き、正確な圧力を検知できないという不具合を生じている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は測定する気体中に含まれているゴミなどの異物が圧力検出部に付着することを低減し、精度の良い圧力を検出できる圧力センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、パッケージに圧力検出素子が収容され気体の圧力を検出する圧力センサであって、前記パッケージ内に形成され気体が導入される気体導入室と、前記パッケージ内に形成され前記気体導入室に通気され前記圧力検出素子が配置された圧力検出室と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、圧力を測定する気体は、まずパッケージの気体導入室に導入されてから圧力検出素子が配置された圧力検出室に流入することから、パッケージ内で気体の流路を長く設定することができる。
このことから、気体中にゴミなどの異物が含まれているとき、異物がパッケージ内の気体流路の途中で落下して圧力検出部に到達することが少なくなり、従来の圧力検出部が露出して、直接測定する気体が圧力検出部に導入される場合に比べて、異物が圧力検出部に付着することを低減できる。
そして、異物が圧力検出部に付着した場合の圧力検出精度を低下させることが大幅に減り、良好な圧力検出精度を持った圧力センサを提供することができる。

また、本発明の圧力センサは、前記パッケージの一部であって前記パッケージ外側の上下に配置される２つの外板とパッケージ内部に配置される内板とを備え、一方の前記外板に気体導入穴が設けられ、この外板と前記内板で囲まれた前記気体導入室が形成され、前記内板に前記気体導入室と通気される通気穴が設けられ、この内板と他方の前記外板で囲まれた前記圧力検出室が形成され、気体の圧力は前記気体導入穴から前記気体導入室に導入され前記通気穴を介して前記圧力検出室に伝わることが望ましい。

この構成によれば、圧力を測定する気体はパッケージの外板に設けた気体導入穴から気体導入室に導入され、パッケージ内部の内板に設けた通気穴を介して圧力検出室に流入することから、パッケージ内で気体の流路を長く設定することができる。
このことから、気体中にゴミなどの異物が含まれているとき、異物がパッケージ内の気体流路の途中で落下して圧力検出部に到達することが少なくなり、従来の圧力検出部が露出して、直接測定する気体が圧力検出部に導入される場合に比べて、異物が圧力検出部に付着することを低減できる。
そして、異物が圧力検出部に付着した場合の圧力検出精度を低下させることが大幅に減り、良好な圧力検出精度を持った圧力センサを提供することができる。

本発明の圧力センサは、前記内板に設けられた前記通気穴が複数設けられていることが望ましい。

この構成によれば、通気穴を複数設けることにより、気体導入室から圧力検出室への気体の流入する経路が分散され流路が長くなることに加え、急激な圧力の変化に対しても追従性に優れる。

本発明の圧力センサは、前記内板に前記圧力検出素子が配置されたことが望ましい。

この構成によれば、パッケージ内の内板に圧力検出素子を配置することで、圧力検出素子とパッケージに設けた接続電極に金属ワイヤなどで電気的接続が容易にでき、圧力センサの組み立てを容易にすることができる。

本発明の圧力センサは、前記圧力検出素子が前記内板に接着剤にて接着固定され、前記圧力検出素子が配置される側の前記内板における前記通気穴の外周部に金属層が形成されていることが望ましい。

圧力検出素子を内板に接着剤で接着固定する際に、接着剤が流れ出して通気穴をふさぐおそれがあるが、この構成によれば、通気穴の外周部に形成した金属層の厚みで接着剤の流れを止めて、接着剤が通気穴をふさぐことを防止できる。

本発明の圧力センサは、前記圧力検出素子が静電容量変化型圧力検出素子であることが望ましい。

静電容量変化型圧力検出素子は電極間の静電容量を検出して圧力を検知する素子であるため、圧力検出部にゴミなどの異物が付着することにより静電容量が変化する。このため、本発明の圧力検出素子として静電容量変化型圧力検出素子を用いた場合には、圧力検出部への異物付着を低減できることから、圧力検出精度を低下させることなく良好な圧力検出精度を持った圧力センサを得ることができ、その効果は大きい。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。本実施形態では、圧力センサとして、静電容量変化型の圧力センサを例にとり説明する。
（実施形態）

本実施形態の説明に先立ち、圧力センサに用いる静電容量変化型の圧力検出素子の動作原理について説明する。
図３（ａ）〜（ｄ）は静電容量変化型の圧力検出素子の動作を説明する模式図である。
圧力検出素子は、圧力検出部としてのダイアフラム部５２を備える可動基板５０と、凹部５４に固定電極５５と誘電体膜５６を備える固定基板５１を有している。また、可動基板５０のダイアフラム部５２には、可動電極５３が形成されている。なお、可動基板５０を導電性材料で形成した場合には、この可動電極５３を形成しなくても良い。
そして、可動基板５０と固定基板５１とが接合されて、ダイアフラム部５２の可動電極５３と固定基板５１の固定電極５５が空間を保って対向するように構成されている。
さらに、図示しないが、可動電極５３および固定電極５５からそれぞれ引出し電極により圧力検出素子の表面に引き出され、電極間の静電容量が測定できるように構成されている。

測定する気体が大気圧の状態では、図３（ａ）に示すようにダイアフラム部５２の変形はない。
図３（ｂ）に示すように、気体の圧力が増加し、圧力Ｐ１がかかるとダイアフラム部５２が変形し、可動電極５３が固定電極５５に近づく。
そして気体の圧力が増加して、圧力Ｐ２がかかると図３（ｃ）に示すように、ダイアフラム部５２が変形し可動電極５３が誘電体膜５６に接触する。
可動電極５３が誘電体膜５６に接触するまでの気体の圧力は低圧領域であり、電極間の静電容量はほとんどゼロである。

さらに、気体の圧力が増加し、圧力Ｐ３がかかると図３（ｄ）に示すように、ダイアフラム部５２がさらに変形して、可動電極５３と誘電体膜５６との接触面積を増加させる。
ダイアフラム部５２の可動電極５３が誘電体膜５６に接触してから、気体の圧力が増加していくのに従い、可動電極５３の誘電体膜５６に接触する面積が増加するため、電極間の静電容量は一定の範囲の圧力に対してほぼ直線的に増加する。
このようにして、圧力検出素子は静電容量を検出することで静電容量に対応した気体の圧力を検知することが可能となる。

以下、本発明に係る圧力センサの実施形態について説明する。
図１は圧力センサの構成を示し、図１（ａ）は概略平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図である。なお、図１（ａ）はパッケージの構成要素である蓋体を省略して図示している。

圧力センサ１は、圧力検出素子３０とこの圧力検出素子３０が収納されるパッケージ５を備えている。
パッケージ５は、セラミックで形成されたベース板１０、スペーサ１１、内板１２、スペーサ１３が積層され、その上にコバールで形成されたシームリング１４、蓋体１５が固着されている。
ベース板１０のほぼ中央部には気体導入穴２０が設けられ、内板１２には複数の通気穴２２が形成されている。また、ベース板１０と内板１２の間に位置するスペーサ１１には気体導入穴２０からそれぞれの通気穴２２に向かって伸びる形状にスペーサ１１が型抜きされ、ベース板１０、スペーサ１１、内板１２が積層された状態で、ベース板１０と内板１２に囲まれた気体導入室２１が形成されている。この気体導入室２１は気体導入穴２０から導入される気体の流路としての役目も兼ねている。

内板１２には、圧力検出素子３０が接着剤にて接着固定されている。圧力検出素子３０は前述した静電容量変化型の圧力検出素子３０であり、圧力検出部としてのダイアフラム部３５および可動電極（図示せず）を備えた可動基板３１と、固定電極（図示せず）を備えた固定基板３２から構成されている。なお、これらの可動基板３１と固定基板３２は水晶板からなり、エッチングして外形加工が行われ、水晶面と水晶面を直接接合して一体化するかまたはＡｕ／Ｓｎ合金を間に挟んで接合して一体化されている。
また、可動基板３１には貫通穴３３が設けられ、可動電極と固定電極とをそれぞれ接続する引出し電極３４により可動基板３１表面に引き出されている。引出し電極３４はパッケージ５の内板１２に設けられた接続電極２５にＡｕワイヤなどの金属ワイヤ２６を介して電気的に接続されている。接続電極２５は、図示はしないがベース板１０の底面に形成された実装電極に接続されている。

そして、内板１２の上にスペーサ１３が積層され、その上にシームリング１４および蓋体１５を固着することで、内板１２と蓋体１５で囲まれた圧力検出室２３が形成されている。この圧力検出室２３は、通気穴２２により気体導入室２１と通気される構造となっている。なお、測定する気体の圧力と気体導入室２１および圧力検出室２３の圧力が同一になるように、気体導入穴２０および通気穴２２は十分な面積で開口されている。
また、内板１２の圧力検出素子３０が接着固定された側の通気穴２２の外周部には金属層２４が設けられている。例えば、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断線に沿う概略部分断面図を図２に示す。内板１２の通気穴２２を取り囲むように金属層２４が設けられ、この金属層２４の厚みはおよそ３０〜４０μｍに形成されている。この金属層２４はタングステン、モリブデン、マンガンなどの高融点金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合した金属ペーストを内板１２にスクリーン印刷した後、焼成することにより得られる。

上記実施形態の圧力センサ１は、ベース板１０の底面に形成された実装電極と基板のランドパターンとを接続することで基板に実装することができる。このとき、圧力センサ１の気体導入穴２０は基板に対向するため気体の流入を妨げるおそれがあるが、気体導入穴２０に対応する位置の基板に穴を開けておくことで、気体の流入が妨げられるのを防止することができる。

以上のような構成の圧力センサ１において、圧力を測定する気体はパッケージ５のベース板１０に設けた気体導入穴２０から気体導入室２１に導入され、パッケージ５内部の内板１２に設けた通気穴２２を介して圧力検出室２３に流入することから、パッケージ５内で気体の流路を長く設定することができる。
このことから、気体中にゴミなどの異物が含まれているとき、異物がパッケージ５内の気体流路の途中で落下して圧力検出部としてのダイアフラム部３５に到達することが少なくなり、従来の圧力検出部が露出して、直接測定する気体が圧力検出部に導入される場合に比べて、異物がダイアフラム部３５に付着することを低減できる。
そして、異物がダイアフラム部３５に付着した場合の圧力検出精度を低下させることが大幅に減り、良好な圧力検出精度を持った圧力センサ１を得ることができる。

また、通気穴２２を複数設けることにより、気体導入室２１から圧力検出室２３への気体の流入する経路が分散され流路が長くなることに加え、急激な圧力の変化に対しても追従性に優れる。
そして、パッケージ５内の内板１２に圧力検出素子３０を配置することで、圧力検出素子３０とパッケージ５に設けた接続電極２５に金属ワイヤ２６などで電気的接続が容易にでき、圧力センサ１の組み立てを容易にすることができる。

さらに、圧力検出素子３０を内板１２に接着剤で接着固定する際に、接着剤が流れ出して通気穴２２をふさぐおそれがあるが、通気穴２２の外周部に形成した金属層２４の厚みで接着剤の流れを止めて、接着剤が通気穴２２をふさぐことを防止できる。
また、静電容量変化型の圧力検出素子３０は電極間の静電容量を検出して圧力を検知する素子であるため、ダイアフラム部３５にゴミなどの異物が付着することにより静電容量が変化する。このため、本発明の圧力検出素子３０として静電容量変化型の圧力検出素子を用いた場合には、ダイアフラム部３５への異物付着を低減できることから、圧力検出精度を低下させることなく良好な圧力検出精度を持った圧力センサ１を得ることができ、その効果は大きい。

なお、本実施形態では圧力センサを気体導入室と圧力検出室を上下に配置して構成したが、気体導入室と圧力検出室を並列に配置して実施することも可能である。
また、本発明の圧力センサは、測定する気体の清浄度にあまり影響を受けないことから、ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System）などへの利用が期待できる。

本実施形態の圧力センサの構成を示し（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図。 通気穴付近を示す概略部分断面図。 （ａ）〜（ｄ）は静電容量変化型の圧力検出素子の動作原理を示す模式図。

符号の説明

１…圧力センサ、５…パッケージ、１０…外板としてのベース板、１１…スペーサ、１２…内板、１３…スペーサ、１４…シームリング、１５…外板としての蓋体、２０…気体導入穴、２１…気体導入室、２２…通気穴、２３…圧力検出室、２４…金属層、２５…接続電極、２６…金属ワイヤ、３０…圧力検出素子、３１…可動基板、３２…固定基板、３３…開口部、３４…引出し電極、３５…ダイアフラム部、５０…可動基板、５１…固定基板、５２…ダイアフラム部、５３…可動電極、５４…凹部、５５…固定電極、５６…誘電体膜。

Claims (6)

1. パッケージに圧力検出素子が収容され気体の圧力を検出する圧力センサであって、
   前記パッケージ内に形成され気体が導入される気体導入室と、
   前記パッケージ内に形成され前記気体導入室に通気され前記圧力検出素子が配置された圧力検出室と、
   を備えたことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記パッケージの一部であって前記パッケージ外側の上下に配置される２つの外板とパッケージ内部に配置される内板とを備え、
   一方の前記外板に気体導入穴が設けられ、この外板と前記内板で囲まれた前記気体導入室が形成され、
   前記内板に前記気体導入室と通気される通気穴が設けられ、この内板と他方の前記外板で囲まれた前記圧力検出室が形成され、
   気体の圧力は前記気体導入穴から前記気体導入室に導入され前記通気穴を介して前記圧力検出室に伝わることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   前記内板に設けられた前記通気穴が複数設けられていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   前記内板に前記圧力検出素子が配置されたことを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項４に記載の圧力センサにおいて、
   前記圧力検出素子が前記内板に接着剤にて接着固定され、
   前記圧力検出素子が配置される側の前記内板における前記通気穴の外周部に金属層が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、
   前記圧力検出素子が静電容量変化型圧力検出素子であることを特徴とする圧力センサ。
   

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