JP2008008829A - 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ハウジングに信号取り出し用のコネクタケースを組み付けてなる圧力センサにおいて、バネ部材やフレキシブルプリント基板を用いることなく、コネクタケース側と検出部側とを接続する。
【解決手段】ハウジング１０に接合されて一体化されるコネクタケース３０において、ターミナルピン４０と導通し検出部としての半導体チップ２１の近傍まで延びる配線部４１を設けるとともに、コネクタケース３０のうち配線部４１および半導体チップ２１に臨む位置に開口部３１を設け、この開口部３１を介して配線部４１と検出部２１とをワイヤボンディングして電気的に接続した。
【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ハウジングに信号取り出し用のコネクタケースを組み付けてな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、特許文献１に記載の圧力センサが提案されている。この圧力センサは、測定対象となる圧力が導入される圧力導入孔を有するハウジングと、外部との信号のやりとりを行うためのターミナルピンを有するコネクタケースとが一体に接合されてなる。

ここで、ハウジングにおいては、圧力導入孔の先端位置においてダイアフラムが備えられ、このダイアフラムの外面には歪みゲージなどを備えた半導体チップなどよりなる検出部が固定されている。そして、この検出部は、圧力導入孔から導入される圧力によってダイアフラムの変形に応じた電気信号を出力するようになっている。

そして、このような圧力センサは、ハウジングに、検出部や場合に応じて信号処理などを行う回路基板を固定し、検出部と回路基板とをワイヤボンディングにて接続した後、コネクタケースをハウジングに接合することにより製造される。

ここで、従来では、一般に、コネクタケースのターミナルピンとハウジング側の検出部や回路基板との電気的な接続は、接続すべき両部材の間に導電性のバネ部材やフレキシブルプリント基板を介在させた状態で、コネクタケースとハウジングとを接合することにより行われる。
特開２０００−２９８０７１号公報

しかしながら、上記した従来の圧力センサにおいては、コネクタケース側のターミナルピンとハウジング側の各部との電気的な接続を、これら両部材の間に介在する導電性のバネ部材やフレキシブルプリント基板により行っている。

つまり、従来では、上記したバネ部材やフレキシブルプリント基板といった部品が、別途必要であり、それゆえ、コネクタケース側と検出部側との電気接続における部品構成を安価にすることが困難であるなどの問題が生じる。

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ハウジングに信号取り出し用のコネクタケースを組み付けてなる圧力センサにおいて、バネ部材やフレキシブルプリント基板を用いることなく、コネクタケース側と検出部側とを接続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、本発明は、ハウジング（１０）に接合されて一体化されるコネクタケース（３０）において、ターミナルピン（４０）と導通し検出部（２１）の近傍まで延びる配線部（４１）を設けるとともに、配線部（４１）および検出部（２１）に臨む位置に開口部（３１）を設け、この開口部（３１）を介して配線部（４１）と検出部（２１）とをワイヤボンディングして電気的に接続したことを特徴とする。

それによれば、コネクタケース（３０）とハウジング（１０）とを接合した後に、開口部（３１）を介して配線部（４１）と検出部（２１）とをワイヤボンディングできるから、バネ部材やフレキシブルプリント基板を用いることなく、コネクタケース（３０）側と検出部（２１）側とを接続することができる。

ここで、開口部（３１）に、カバー部材（７０）を設け、このカバー部材（７０）により当該開口部（３１）を遮蔽すれば、センサ内部の各部の保護が可能となる。さらに、カバー部材（７０）を透明材料よりなるものにすれば、カバー部材（７０）を通してセンサ内部を目視することができ、不具合の発見などに便利である。

また、ハウジング（１０）としては、圧力導入孔（１３）を中空部とし、一端部をダイアフラム（２０）により閉塞された閉塞部とした有底筒状をなすものを採用し、コネクタケース（３０）としては筒状をなし、その一端部がハウジング（１０）の一端部に接続されるとともに、その側面部に開口部（３１）が設けられているものにできる。

また、コネクタケース（３０）において、回路基板（８０）を配線部（４１）に電気的に接続した状態で固定した場合、当該回路基板（８０）の板面がダイアフラム（２０）の面に対して立てられた状態とすれば、回路基板（８０）の配置スペースを小さくすることができる。

また、配線部（４１）におけるワイヤボンディングされる部位と検出部（２１）におけるワイヤボンディングされる部位とを、同一平面上に位置させれば、配線部（４１）と検出部（２１）とのワイヤボンディングを行いやすい。

また、配線部（４１）におけるワイヤボンディングされる部位を、検出部（２１）と開口部（３１）との間に位置させれば、配線部（４１）におけるワイヤボンディングされる部位が開口部（３１）側に寄った位置となるため、ワイヤボンディングしやすいものとなる。

また、ボンディングワイヤ（６０）が複数本のものよりなる場合に、これらすべてを、開口部（３１）からコネクタケース（３０）の内部に向かって延びるものにすれば、すべてのワイヤ（６０）において当該ワイヤの延びる方向が、開口部（３１）からコネクタケース（３０）の内部に向かうように、実質的に揃った状態となるため、ワイヤボンディングを行いやすい構成となる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。なお、以下の各図相互において、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。

図１は、本発明の実施形態に係る圧力センサ１００の全体概略断面構成を示す図であり、図２は、この圧力センサ１００における図１中のＡ−Ａ一点鎖線に沿った部分の概略断面図である。

ハウジング１０は、中空状の段付き円柱部材であり、ステンレスや炭素鋼、アルミニウムなどの金属を、切削加工やプレス加工などにて成形することにより作られるものである。このハウジング１０の一端側の外周面には、被測定体にネジ結合可能なネジ部１１が形成されている。

図１に示されるように、このハウジング１０の一端側からハウジング１０の中心軸１０ａに沿って延設されるように、圧力導入孔１３が形成されている。この圧力導入孔１３は、被測定体から測定対象となる圧力を、開口部１２を介してハウジング１０内すなわち圧力センサ１００内へ導入するための通路である。

また、ハウジング１０の圧力導入孔１３の先端位置において、ハウジング１０が薄肉化されており、この薄肉化された部分によって圧力により変形可能なダイアフラム２０が構成されている。そして、被測定体の圧力が開口部１２から圧力導入孔１３を通じてダイアフラム２０に伝えられるようになっている。

このように、本実施形態では、ハウジング１０は、圧力導入孔１３を中空部とし、一端側に開口部１２を有し、開口部１２とは反対側の他端部がダイアフラム２０により閉塞された閉塞部となっている有底筒状をなすものである。

また、ハウジング１０における表面のうちダイアフラム２０の位置においては、ダイアフラム２０の変形に応じた電気信号を出力する検出部としての半導体チップ２１が備えられている。この半導体チップ２１は、図示しないが、低融点ガラスを介したガラス接合などにより、ダイアフラム２０の表面に接合されている。

半導体チップ２１は、例えばシリコン基板を用いて形成されており、このシリコン基板の表面に図示しない歪みゲージが備えられたものである。この歪みゲージは、たとえばＰ型不純物をドーピングして形成したホイートストンブリッジ状をなす。そして、圧力導入孔１３から導入された圧力によってダイアフラム２０が変形したときに、この変形に応じた当該歪みゲージ抵抗値の変化を電気信号に変換して出力するため、半導体チップ２１は、検出部として機能する。

ここで、図１に示されるように、ハウジング１０におけるダイアフラム２０側の端部には、コネクタケース３０が接合され、コネクタケース３０とハウジング１０とは一体化している。このコネクタケース３０は、外部との信号のやりとりを行うための金属などよりなる導電性のターミナルピン４０を有する。

ここでは、コネクタケース３０は、ＰＰＳ（ポリプロピレンサルファイド）などの樹脂を成形してなるものであり、ターミナルピン４０とコネクタケース３０とは、インサート成形などにより一体に固定されている。

そして、ターミナルピン４０の上端部が、図示しない外部コネクタなどに接続されることにより、圧力センサ１００の外部にある相手側回路等へ配線部材を介して電気的に接続されるようになっている。

このように、コネクタケース３０は、圧力センサ１００で検出された圧力値の信号を外部に出力するためのコネクタ、いわゆるケースプラグをなすものである。ここでは、コネクタケース３０は筒状をなすものとなっており、その一端部が筒状のハウジング１０のダイアフラム２０側の端部に接続されている。

具体的には、コネクタケース３０の一端部は、ダイアフラム２０を取り囲むようにハウジング１０に取り付けられ、コネクタケース３０の一端部に対してハウジング１０の端部をかしめることにより、コネクタケース３０とハウジング１０とが固定されている。なお、コネクタケース３０の外周部とハウジング１０の内周部との間には、Ｏリング５０が配置され、これらの間のシールが確保されている。

さらに、本実施形態では、図１に示されるように、筒状をなすハウジング１０の軸１０ａと、筒状をなすコネクタケース３０の軸３０ａとがずれており、互いに偏芯した位置関係となっている。また、これら軸１０ａ、３０ａに沿った方向におけるコネクタケース３０の外形寸法、すなわちコネクタケース３０の径方向寸法は、ハウジング１０の径方向寸法の範囲内に収まっている。

また、図１、図２に示されるように、コネクタケース３０においては、ターミナルピン４０と導通する配線部４１が設けられている。この配線部４１は、コネクタケース３０にインサート成形された金属配線よりなる。このような金属配線としての配線部４１は、ターミナルピン４０と溶接、はんだ、ロウ付けなどにより接続されたものでもよいし、ターミナルピン４０と一体のものであってもよい。

配線部４１は、ターミナルピン４０からコネクタケース３０の一端部まで延び、検出部としての半導体チップ２１の近傍まで延びている。そして、半導体チップ２１の近傍において、半導体チップ２１と配線部４１とは、金やアルミなどのボンディングワイヤ６０により結線され、電気的に接続されている。

本実施形態では、図１に示されるように、配線部４１におけるワイヤボンディングされる部位と半導体チップ２１におけるワイヤボンディングされる部位とが、互いに同一の平面上に位置している。

ここで、コネクタケース３０のうち配線部４１および半導体チップ２１に臨む位置には、開口部３１が設けられている。ここでは、筒状のコネクタケース３０における側面部に開口部３１が設けられている。図１、図２に示される例では、開口部３１はコネクタケース３０の側面の一部を切り取った形となっている。そして、ボンディングワイヤ６０は、この開口部３１を通して行われている。

また、コネクタケース３０には、この開口部３１を被覆するように、カバー部材７０が取り付けられている。このようなカバー部材７０は、樹脂、セラミック、金属などよりなる例えば板状のものであり、接着や圧入、嵌合などの手法により、コネクタケース３０に固定されている。

ここでは、カバー部材７０としては、透明な樹脂や透明なセラミックよりなるものが望ましく、カバー部材７０を通して外部からセンサ内部が目視できるものがよい。そして、このカバー部材７０により、開口部３１が閉塞され、センサ内部の半導体チップ２１や電気的接続部等が湿気・機械的外力より保護されるようになっている。

また、本実施形態では、コネクタケース３０の内部には回路基板８０が設けられている。この回路基板８０は、半導体チップ２１から出力された電気信号を受け取り、この電気信号に応じた出力信号を作成するものである。

具体的には、回路基板８０は、信号変換機能などを有する図示しないＩＣチップや、半導体チップ２１の出力する電気信号の処理を行うとともにそれに応じた出力信号を発生させる信号処理回路、配線パターンなどを備えたものであり、例えばシリコン半導体チップなどよりなる。

この回路基板８０は、コネクタケース３０内において、配線部４１に電気的に接続された状態でコネクタケース３０に固定されている。本実施形態では、回路基板８０の板面が、検出部としての半導体チップ２１の板面と略直角の状態、すなわち、ダイアフラム２０の面に対して立てられた状態となっている。

さらに言うならば、図１に示される例では、回路基板８０は、筒状のコネクタケース３０の軸３０ａに沿って立てられた状態となっている。つまり、回路基板８０の基板面がコネクタケース３０の軸３０ａと平行に位置した状態となっている。

この回路基板８０は、コネクタケース３０内において配線部４１の途中部に介在した状態となっており、コネクタケース３０の内面に対して接着やインサート成形などにより固定されている。そして、回路基板８０と配線部４１とは、図示しないが、バンプを介した圧着などにより電気的に接続されている。

こうして、配線部４１を介してターミナルピン４０と回路基板８０とが電気的に接続されている。それにより、半導体チップ２１からの信号は、ボンディングワイヤ６０および配線部４１を介して、回路基板８０で処理され、ターミナルピン４０から外部へ出力されるようになっている。

また、図１、図２に示されるように、本実施形態の圧力センサ１００においては、配線部４１におけるワイヤボンディングされる部位は、すなわち配線部４１におけるワイヤ６０との接続部は、半導体チップ２１と開口部３１との間に位置している。

また、この種の圧力センサと同様に、検出部としての半導体チップ２１に接続するボンディングワイヤ６０は複数本のものよりなるが、これら複数本のボンディングワイヤ６０は、いずれも、開口部３１からコネクタケース３０の内部に向かって延びるものとなっている。

このような本実施形態の圧力センサ１００の製造方法について、図３、図４も参照して述べる。図３は、本製造方法におけるワイヤボンディング方法を上記図１に対応した断面にて示す工程図であり、図４は、同ワイヤボンディング方法を上記図２に対応した断面にて示す工程図である。

まず、上記半導体チップ２１が取り付けられたハウジング１０を用意するとともに、上記ターミナルピン４０、配線部４１および回路基板８０が取り付けられたコネクタケース３０を用意する。そして、これらハウジング１０とコネクタケース３０とを、上記Ｏリング５０を介して組み付け、かしめ固定する。

この状態では、図３、図４に示されるように、コネクタケース３０の開口部３１を介して、半導体チップ２１および配線部４１におけるワイヤボンディングされる部位が外部に臨んでいる。

そこで、次に、この開口部３１を通して、図３、図４に示されるように、ワイヤボンディング装置２００を、コネクタケース３０内に挿入し、ワイヤボンディングを行う。ここで、このワイヤボンディング装置２００は、超音波ボンディングなど通常の手法によるワイヤボンディングを行うものである。それにより、ボンディングワイヤ６０が形成され、半導体チップ２１と配線部４１とが電気的に接続される。

ここで、本実施形態においては、半導体チップ２１および配線部４１は、開口部３１を介してワイヤボンディングされる位置にあればよい。特に、上述したように、配線部４１におけるワイヤボンディングされる部位と半導体チップ２１におけるワイヤボンディングされる部位とを、同一平面上に位置させることによって、ワイヤボンディングを容易としている。

さらに、上述したように、配線部４１におけるワイヤボンディングされる部位を、半導体チップ２１と開口部３１との間に位置させることにより、ワイヤボンディングを容易としている。これは、当該ボンディングされる部位を開口部３１側に寄った位置とすることになるためである。

この場合、たとえば、上記図２および図４において、当該ボンディングされる部位が、半導体チップ２１と回路基板８０との間に位置している場合よりも、開口部３１に近くなるため、ワイヤボンディング装置２００による開口部３１を介したワイヤボンディングが容易となる。

また、上述したが、本実施形態では、複数本のボンディングワイヤ６０をすべて、開口部３１からコネクタケース３０の内部に向かって延びるものしており、複数本のワイヤ６０の延びる方向が、実質的にほぼ同じ方向となっている。そのため、ワイヤ６０の延びる方向がワイヤ６０同士で大幅に異なる場合に比べて、ワイヤボンディングを容易することが可能である。

このように、半導体チップ２１と配線部４１とをワイヤボンディングにて接合した後、上記のカバー部材７０の取り付けを行い、カバー部材７０により開口部３１を閉塞する。こうして、本実施形態の圧力センサ１００ができあがる。

ところで、本実施形態では、ハウジング１０に接合されて一体化されているコネクタケース３０において、ターミナルピン４０と導通し半導体チップ２１の近傍まで延びる配線部４１を設けるとともに、配線部４１および半導体チップ２１に臨む位置に開口部３１を設け、開口部３１を介して配線部４１と半導体チップ２１とをワイヤボンディングして電気的に接続している。

それにより、上記図３および図４に示したように、コネクタケース３０とハウジング１０とを接合した後に、開口部３１を介して配線部４１と半導体チップ２１とをワイヤボンディング接続できる。

よって、本実施形態によれば、従来のように、バネ部材やフレキシブルプリント基板を用いることなく、コネクタケース３０側と半導体チップ２１側とを電気的に接続することができる。

また、本実施形態では、開口部３１を、カバー部材７０によって遮蔽し、センサ内部の半導体チップ、回路基板８０、配線部４１、ボンディングワイヤ６０などを保護している。ここにおいて、このカバー部材７０を透明材料よりなるものにすることにより、カバー部材７０を通してセンサ内部を目視することができ、断線などの不具合の発見等を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、ハウジング１０およびコネクタケース３０をともに筒状のものとし、両者１０、３０の軸１０ａ、３０ａをずらして偏芯させている。これにより、ワイヤボンディングされる部位と開口部３１とをより近づけて、ワイヤボンディングを容易にすることが可能となる。

また、本実施形態では、筒状のコネクタケース３０の内部において、回路基板８０の板面をダイアフラム２０の面に対して立てた状態としているため、回路基板８０の配置スペースを小さくできる。このことは、例えばコネクタケース３０を細いものにする場合などに有効である。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ハウジング１０は１つの部品であったが、複数個の部品を接合して一体化させてなるものであってもよい。たとえば、ダイアフラム２０を有する部分とネジ部１１を有する部分とを分けて２つの部品とし、これら２つの部品をネジ結合や溶接、接着などにより一体化させたものを、ハウジング１０としてもよい。

また、上記実施形態では、ハウジング１０は上記したような有底筒状のものであったが、上記圧力導入孔１３を有し、該圧力導入孔１３の先端位置においてダイアフラム２０が備えられたものであれば、それ以外のものであってもよい。

また、検出部２１としては、ハウジング１０のうちダイアフラム２０の位置に固定可能であって、圧力導入孔１３から導入される圧力によってダイアフラム２０の変形に応じた電気信号を出力するものであれば、上記半導体チップ２１に限定されない。

また、上記実施形態では、コネクタケース３０は上記したような筒状をなすものであったが、上記ターミナルピン４０および上記開口部３１を有しハウジング１０と接合されて一体化可能なものであれば、それ以外のものであってもよい。また、開口部３１は、上記ワイヤボンディングができるものであればよく、その大きさ、形状は適宜変更が可能である。

また、配線部４１は、ターミナルピン４０と導通し検出部２１の近傍まで延びた状態でコネクタケース３０に設けられるとともに、検出部２１とワイヤボンディングされるものであればよく、上記したようなコネクタケース３０にインサート成形された金属配線に限定されるものではない。

また、カバー部材７０を設けることでセンサ内部の各部の保護が可能であるが、場合によっては、カバー部材７０を省略して、コネクタケース３０の開口部３１を解放した構成であってもよい。

また、上記実施形態では、圧力センサに回路基板８０を備えたものとしたが、回路基板を持たない構成であってもよい。たとえば、検出部２１からの信号は、ターミナルピン４０を介してセンサの外部に出力し、外部回路にて処理するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る圧力センサの全体概略断面図である。 図１中のＡ−Ａ概略断面図である。 上記実施形態の製造方法におけるワイヤボンディング方法を上記図１に対応した断面にて示す工程図である。 上記実施形態の製造方法におけるワイヤボンディング方法を上記図２に対応した断面にて示す工程図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１０ａ…ハウジングの軸、１３…圧力導入孔、
２０…ダイアフラム、２１…検出部としての半導体チップ、
３０…コネクタケース、３０ａ…コネクタケースの軸、３１…開口部、
４０…ターミナルピン、４１…配線部、６０…ボンディングワイヤ、
７０…カバー部材、８０…回路基板。

Claims (10)

1. 測定対象となる圧力が導入される圧力導入孔（１３）を有し、該圧力導入孔（１３）の先端位置においてダイアフラム（２０）が備えられたハウジング（１０）と、
   前記ハウジング（１０）のうち前記ダイアフラム（２０）の位置に固定され、前記圧力導入孔（１３）から導入される圧力によって前記ダイアフラム（２０）の変形に応じた電気信号を出力する検出部（２１）と、
   外部との信号のやりとりを行うためのターミナルピン（４０）を有するコネクタケース（３０）と、を備え、
   前記コネクタケース（３０）は、前記ハウジング（１０）に接合されて前記ハウジング（１０）と一体化されている圧力センサにおいて、
   前記コネクタケース（３０）には、前記ターミナルピン（４０）と導通し、前記検出部（２１）の近傍まで延びる配線部（４１）が設けられるとともに、前記コネクタケース（３０）のうち前記配線部（４１）および前記検出部（２１）に臨む位置に開口部（３１）が設けられ、
   この開口部（３１）を介して前記配線部（４１）と前記検出部（２１）とがワイヤボンディングされ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. 前記開口部（３１）には、カバー部材（７０）が設けられ、このカバー部材（７０）により当該開口部（３１）は遮蔽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. 前記カバー部材（７０）は透明材料よりなることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記ハウジング（１０）は、前記圧力導入孔（１３）を中空部とし、一端部が前記ダイアフラム（２０）により閉塞された閉塞部となっている有底筒状をなすものであり、
   前記コネクタケース（３０）は、その側面部に前記開口部（３１）が設けられている筒状をなすものであり、
   前記コネクタケース（３０）の一端部が前記ハウジング（１０）の一端部に接続さ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. 前記コネクタケース（３０）には、回路基板（８０）が前記配線部（４１）に電気的に接続された状態で固定されており、
   前記配線部（４１）を介して前記ターミナルピン（４０）と前記回路基板（８０）とが電気的に接続されており、
   この回路基板（８０）の板面が、前記ダイアフラム（２０）の面に対して立てられた状態となってい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。
6. 前記ハウジング（１０）の軸（１０ａ）と前記コネクタケース（３０）の軸（３０ａ）とが偏芯した位置にあることを特徴とする請求項４または５に記載の圧力センサ。
7. 前記配線部（４１）における前記ワイヤボンディングされる部位と前記検出部（２１）における前記ワイヤボンディングされる部位とが、互いに同一の平面上に位置したものとなっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ。
8. 前記コネクタケース（３０）は樹脂よりなり、前記配線部（４１）は前記コネクタケース（３０）にインサート成形された金属配線よりなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の圧力センサ。
9. 前記配線部（４１）における前記ワイヤボンディングされる部位は、前記検出部（２１）と前記開口部（３１）との間に位置していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の圧力センサ。
10. 前記ワイヤボンディングにより形成されたボンディングワイヤ（６０）は複数本のものよりなり、
    これら複数本のボンディングワイヤ（６０）は、いずれも前記開口部（３１）から前記コネクタケース（３０）の内部に向かって延びるものであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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