JP2008203066A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても耐久性が高く、安定した精度を維持できるようにする。
【解決手段】本体１１に台座１４を介してセンサチップ１３が取り付けられている。本体１１の継手部１２には圧力導入路１８が形成されたアダプタ１５が圧入されており、前記センサチップ１３に連通する圧力伝達路１７、圧力伝達室１９及び圧力導入路１８には圧力伝達媒体２０が注入されている。圧力導入路１８は断面が横長形状とされており、圧力伝達路１７よりも高い位置に形成されている。圧力伝達媒体２０は水よりも比重が大きいオイルであり、圧力導入路１８に湯水が侵入しても、センサチップまで到達するのに時間がかかるため、耐久性を高めることができる。また、圧力導入路１８をアダプタ１５の外周に設けた溝と継手部１２の内壁で形成すれば、製造工程も簡略化できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、湯水の水位などを検出する半導体式圧力センサに関する。

浴槽などの容器内の水位を圧力変化に変換して検知することが行われている。
圧力センサとして、半導体型の圧力検出素子を使用しており、直接的に水圧を印加することができないため、圧力検出素子と水との間に、圧力検出素子に影響を与えない圧力伝達媒体（特殊オイル）を挿入することが行われているが、この圧力伝達媒体と水との間には遮蔽用の部材がなく、両者が直接接触する構成となっている。
このため、水温の上昇などが生じた場合等に、圧力伝達媒体が容器側に流出し、代わりに水が圧力伝達媒体側に侵入することがある。
この状況がセンサの長期間の使用において少量ずつ行なわれた場合、侵入した水が圧力検出素子に直接作用することが生じる。その結果、圧力検出素子は半導体式であるため、電気絶縁性に障害を生じ、使用不能となる。
そこで、このような問題に対処するために各種の提案がなされている（特許文献１〜４）。

図８は、従来提案されている水位検出用圧力センサの一例を示す図であり、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）はその右側面図である。
この図において、５１は樹脂製の本体ハウジング（以下、単に「本体」という。）、５２は該本体５１に形成された継手部、５３は半導体センサチップ（以下、単に「センサチップ」という。）、５４は前記センサチップ５３をマウントするガラス製の台座、５５は前記本体５１の継手部５２に形成された開口部に挿入されている樹脂製のアダプタである。前記継手部５２の開口部の内壁には、アダプタ５５の挿入時の位置決めと回転防止のために段部５６が形成されており、前記アダプタ５５の外周部には前記段部５６に対応するように平坦部が形成されている。
前記センサチップ５３は、シリコン基板の裏面中央部をエッチングしてダイヤフラム（シリコンダイヤフラム）を形成したものであり、シリコンダイヤフラムの上部（図中左側）にはブリッジ回路を形成する複数の圧力検出素子（ピエゾ抵抗素子）が形成されており、図示しない基板上に形成された電子回路部とワイヤボンディングにより接続されている。
図示するように、前記台座５４及び本体５１の内部には前記センサチップ５３のシリコンダイヤフラムのピエゾ抵抗素子が形成されている側と反対側に連通する貫通孔（圧力伝達路）５７が形成されており、前記アダプタ５５の内部には圧力導入路５８が形成されている。そして、前記本体５１の開口部の端部と前記アダプタ５５の端部とにより圧力伝達室５９が形成されており、前記圧力導入路５８と前記圧力伝達路５７は圧力伝達室５８を介して連通している。前記圧力伝達路５７、圧力伝達室５９及び圧力導入路５８内には、フッ素系又はシリコン系のオイルである圧力伝達媒体６０が注入されている。

このような構成の圧力センサにおいて、前記継手部５２及びアダプタ５５の先端部（図中右側の端部）が浴槽内又は浴槽に連通された管路内に位置するように設置されており、水圧が前記圧力導入路５８、圧力伝達室５９及び圧力伝達路５７内の圧力伝達媒体６０を介して前記センサチップ５３に作用し、水圧に応じた信号がセンサチップ５３により検出されて出力される。
ここで、図８に示した圧力センサにおいては、前記圧力導入路５８は前記圧力伝達路５７よりも高い位置（図中上方）に設けられているので、前記圧力導入路５８と前記圧力伝達路５７とを一直線状に配置した場合よりも、圧力伝達経路の長さ（すなわち、侵入した水分がセンサチップ５３に到達するまでの距離）を長くすることができるので、侵入した水分がセンサチップ５３に影響を及ぼすに到る時間が長くなるため、圧力センサの耐久性を向上することができる。
また、前記圧力伝達媒体６０として、水よりも比重が大きい材料を使用することにより、上方に位置する圧力導入路５８に水が侵入しても、圧力伝達路５７にまで水が侵入しにくくなるようにしている。
さらに、圧力伝達媒体６０の流れを妨げるように圧力導入路５８の一部を狭くすることも提案されている。
特許第２５６８６６６号公報 特開２０００−２０５９８６号公報 特開２０００−２１４０３１号公報 特開２０００−３４６７３６号公報

上述のように各種の提案がなされているが、圧力導入路の一部を狭くする場合には、加工が複雑となる。
また、装置をより小型化することが求められており、圧力センサを小型化しても、高い精度を維持することができる圧力センサが求められている。
例えば、前記図８に示した圧力センサにおいて、装置を小型化するために、前記圧力伝達路５７の直径を０．８mm、前記圧力導入路５８の直径を０．９mm、前記アダプタ５５の大きいほうの直径を４mmにしたとする。このとき、前記アダプタ５５内に前記圧力導入路５８を形成する場合、圧力導入路５８とアダプタ５５の外周部との間に所定の厚さを持たせる必要がある。すなわち、アダプタの樹脂成形に対応できること、またアダプタ５５を本体ハウジングの継手部５２に圧入することに対応できることを十分に検討し、少なくとも０．４mm以上の厚さが好ましい。このことより、アダプタ５５の中心位置と圧力導入路５８の中心位置のズレは１mm程度になる。このとき、前記圧力伝達路５７の上端と前記圧力導入路５８の下端との間（段差部）の長さは０．１５mmとなる。
この段差部の距離を長くすることは、圧力導入路５８から圧力伝達路５７を経由して侵入した水分がセンサチップ５３に接触し、作動特性に悪影響を及ぼす度合いをより少なくすることになる。
そこで、前述のアダプタ５５の寸法構成で考えた場合に、この段差部の距離を１mm程度にすることとした場合、アダプタ５５の直径が図８の（ｂ）に破線６１で示すように大きくなり、アダプタ５５を収納するハウジングの継手部５２も、アダプタ５５の圧入に対応できる厚みを確保する必要性から大きくなり、センサ全体として小型化という目的を果たせなくなってしまう。
装置を小型化したときでも、前記圧力導入路５８、圧力伝達室５９及び圧力伝達路５７を通る圧力伝達媒体６０の経路長を長くすることが望まれる。

そこで、本発明は、安定した精度を維持することができるように耐久性を向上するとともに、加工がしやすく、小型化にも対応することができる圧力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、圧力伝達路を備えた本体ハウジングと、前記本体ハウジングに接続された半導体センサチップと、前記本体ハウジングの継手部に形成された開口部に挿入されるアダプタと、前記本体ハウジングの継手部及び前記アダプタの端部と前記圧力伝達路間を連通する圧力導入路と、前記圧力伝達路及び前記圧力導入路に充填された圧力伝達媒体とを有する圧力センサであって、前記圧力導入路は、その断面が横長形状とされており、その位置が前記圧力伝達路よりも高い位置に形成されているものである。
また、前記圧力導入路は、前記アダプタの外周部に形成された溝と前記本体ハウジングの継手部の内壁とにより形成されているものである。
さらに、前記圧力導入路は、前記アダプタの外周部と前記本体ハウジングの継手部の内壁に形成された溝とにより形成されているものである。
さらに、前記圧力導入路は凹凸が形成された断面形状を有するものである。
さらにまた、前記圧力導入路の中間位置の上部に凸部が形成されているものである。
さらにまた、前記圧力伝達媒体は、水よりも比重が大きいフッ素系オイルとされているものである。

このような本発明の圧力センサによれば、圧力センサを小型化したときに、侵入した水が圧力検出素子に影響を及ぼす可能性を低減することができ、センサとしての精度を高く維持することができる。
すなわち、圧力導入路の断面形状を横長とすることにより、断面形状が円形である場合と比較して、圧力伝達路の上端と圧力導入路の下端との間（段差部）が長くなるので、圧力伝達媒体が湯水に接する場所からセンサチップまでの距離を長くすることができるため、湯水が侵入したとしても、センサチップに到達するまでの時間を長くすることができ、圧力センサの耐久性を高くすることができる。
また、圧力導入路の断面形状を横長又は内周長が長くなる形状とされた本発明によれば、断面形状が円形の場合よりも内周長が長くなるため、圧力伝達媒体の流体抵抗が大きくなって、圧力伝達媒体が圧力導入路から流出する量が少なくなり、湯水の侵入量を少なくすることができる。
さらに、圧力導入路をアダプタの外周部に形成した溝と継手部の内壁とで形成した本発明によれば、製造工程を簡略化することができる。
さらにまた、圧力導入路の上部に凸部を形成した本発明によれば、水よりも比重の大きい圧力伝達媒体を使用したときに、侵入した湯水が前記凸部に集められるため、侵入した湯水がセンサチップに到達までの時間を長くすることができ、耐久性を高めることができる。

図１は、本発明の圧力センサの一実施の形態の構成を示す断面図である。
この図において、１１は樹脂製（例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂製）の本体ハウジング（「本体」）、１２は該本体１１に形成された継手部、１３は半導体センサチップ（「センサチップ」）、１４は該センサチップ１３をマウントするガラス製の台座、１５は前記本体１１の継手部１２に形成された開口部に挿入されている樹脂製（例えば、ＰＰＳ製）のアダプタ、１６は前記アダプタ１５の位置決めと回転防止のために前記継手部１２の開口部内壁に形成された段部であり、それぞれ、前記図８における本体５１、継手部５２、センサチップ５３、台座５４、アダプタ５５及び段部５６と同一のものである。
また、１７は前記台座１４と本体１１の内部に形成された圧力伝達路、１９は前記本体１１の開口部と前記アダプタ１５の先端部とにより形成される圧力伝達室であり、それぞれ、前記図８における圧力伝達路５７及び圧力伝達室５９と同一のものである。
そして、１８は、前記継手部１２の先端部及び前記アダプタ１５の前記圧力伝達室１９側とは反対側の端部と前記圧力伝達室１９の間を貫通している圧力導入路であり、前記圧力伝達路１７、圧力導入路１８及び圧力伝達室１９には、前記圧力伝達媒体６０と同様の圧力伝達媒体２０が充填されている。詳細については後述するが、この実施の形態では、前記圧力導入路１８は、前記アダプタ１５の外周部に形成された溝と前記継手部１２の開口部の内壁により形成されている。

２１は前記センサチップ１３からの出力信号を処理するための電子回路（図示せず）などが搭載された回路基板、２２は外部機器に接続するためのコネクタである。図示するように、前記センサチップ１３上の圧力検出素子と前記回路基板２１上の電子回路はワイヤーボンディングにより接続されている。また、前記コネクタ２２は前記回路基板２１に搭載され、該コネクタ２２のピン２３が回路基板２１上の電子回路と半田固定されている。
そして、前記回路基板２１は前記本体ハウジング１１にエポキシボンドなどの接着剤２４により固定され、該回路基板２１の周囲はシリコン系ゲルなどのコーティング材２５により充填されている。これにより、湿度から回路基板２１を保護することができる。
また、２６は前記本体１１と係合爪部などを用いて係合する樹脂製（例えば、ＡＢＳ、ＰＰＳ製など）カバーであり、このカバー２６には、前記コネクタ２２のための孔が形成されている。そして、前記カバー２６と前記本体１１を係合することにより前記回路基板２１、センサチップ１３及びコーティング材２５の部分を覆って保護するようになされている。

図２は、図１に示した本発明の圧力センサにおける圧力導入路１８について説明するための図であり、（ａ）は該圧力センサの要部の断面図、（ｂ）はその右側面図である。
図２に示すように、この実施の形態においては、圧力導入路１８が、前記アダプタ１５の外周部に形成された溝と該アダプタ１５が挿入される継手部１２の開口部内壁とにより形成されており、その断面が図２の（ｂ）に示すように、横方向の長さ（幅）が縦方向の長さ（高さ）より大きい扁平な形状とされている。また、圧力導入路１８は、図８の場合と同様に、圧力伝達路１７よりも上方（重力の方向を下方とする。）に形成されている。

圧力導入路１８の断面形状をこのように横長の形状とすることにより、前記図８における断面円形の圧力導入路５８と同じ断面積とした場合、図示するように、前記圧力伝達路１７の上端と圧力導入路１８の下端との間（段差部）の長さを大きくすることができる。前記図８の場合には、段差部の長さが０．１５mmであったのに対し、本発明のこの実施の形態では、段差部の長さを１mmとすることができる。
したがって、前記圧力導入路１８の湯水に接する端部から前記センサチップ１３までの距離が長くなり、例え前記圧力伝達媒体２０中に湯水が侵入したとしても、センサチップ１３に到達するまでの時間が長くなるため、圧力センサの精度が長期間維持され、耐久性を向上させることができる。

また、本発明のこの実施の形態では、圧力導入路１８をアダプタ１５の外周部に形成した溝と継手部１２の開口部内壁により形成するようにしているため、アダプタ１５の外周部に扁平な断面を有する溝を形成するのみでよい。これにより、アダプタ１５に断面円形の孔を形成することにより圧力導入路としていた従来の圧力センサよりも、アダプタ１５の製造工程を簡略なものとすることができる。
さらに、このように圧力導入路１８の断面形状を横長の形状としたため、同じ断面積を有する円形の場合と比較して、圧力導入路１８の内周長が長くなる。例えば、内径が０．９mmの円の円周は２．８mmであり、これと同一面積の長方形（横１．６mm、縦０．４mm）の外周は４mmとなる。
これにより、断面が円形の場合よりも、圧力伝達媒体２０の流体抵抗が大きくなり、温度変化や圧力の変化に応じて圧力伝達媒体２０が圧力導入路１８から流出する量が少なくなる。したがって、湯水の侵入量が少なくなる。
なお、前記圧力伝達媒体２０として、比重が湯水よりも大きなフッ素系のオイルを使用することが望ましい。これにより、侵入した湯水は、前記圧力導入路１８の上方に位置するように、圧力検出素子との接触をしにくくなり、測定精度が低下する可能性が低くなる。

図１及び図２に示した圧力センサの製造工程は次の通りである。
（１）前記センサチップ１３を前記台座１４に陽極接合により接合する。
（２）前記本体１１に前記アダプタ１５を接着剤を介して圧入する。
（３）前記センサチップ１３が接合された台座１４を前記本体１１に接着剤によりダイボンディングして接着する。
（４）回路基板２１を本体１１に接着剤（エポキシボンド）２４により固定し、前記センサチップ１３とワイヤーボンディングにより接続する。なお、回路基板２１にはコネクタ２２が既に取り付けられている。
（５）前記圧力伝達媒体２０を前記圧力伝達路１７、圧力伝達室１９及び圧力導入路１８に真空置換法などにより注入する。
（６）作動調整を行い、その結果に応じて回路定数をレーザートリミングする。
（７）コーティング材２５を充填する。
（８）本体１１にカバー２６を取り付ける。

図３は、本発明の圧力センサの他の実施の形態の構成を示す図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はその右側面図である。なお、この図及び以下の図において、前記図２と同一の構成要素には同一の番号を付し、説明を省略する。
図３に示すように、この実施の形態においては、圧力導入路３１の断面が横方向が長い長方形とされている。この例では、前記図８及び図２の場合と同一の断面積となるように、縦０．４mm、横１．６mmの断面を有する長方形とされている。この場合、圧力導入路３１の外周部とアダプタ１５の外周部との間に０．４５mmの肉厚を持たせるようにしたとしても、前記圧力伝達路１７の上端と圧力導入路３１の下端との間（段差部）の距離は、０．４１mmとなり、前記図８の場合（０．１５mm）よりも大きくすることができる。
これにより、湯水が侵入したとしても、該侵入した湯水がセンサチップ１３に到達するまでの時間を長くすることができるとともに、圧力伝達媒体２０の流体抵抗を大きくすることができ、従来の圧力センサに比べて高信頼度で耐久性のある圧力センサとなる。

図４は、本発明の圧力センサのさらに他の実施の形態について説明するための図である。この実施の形態では、圧力導入路３２の断面が図４に示すように、圧力導入路３２の内周長がより長くなるように、圧力導入路３２の内壁に突起が形成された形状とされている。
これにより、圧力伝達媒体２０の流体抵抗が大きくなるため、圧力伝達媒体２０が圧力導入路３２から流出する量が少なくなり、湯水の侵入量が少なくなる。

図５は、本発明の圧力センサのさらに他の実施の形態について説明するための図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はその右側面図である。
この実施の形態においては、前記圧力導入路１８の上方に凸部４１が設けられている。これにより、湯水よりも比重の大きい圧力伝達媒体２０を使用したときに、侵入した湯水が前記凸部４１に集められるため、前記センサチップ１３まで到達する時間をより長くすることができる。
なお、図示した例では、前記図２に示した実施の形態と同様に、前記アダプタ１５の外周部に形成した溝と前記継手部１２の開口部内壁により圧力導入路１８が形成されているため、前記凸部４１は、前記継手部１２の開口部内壁に凹部を設けることにより形成されている。
なお、これに限られることはなく、前記図３に示した実施の形態などにおいても、圧力導入路１８の上部に凸部を形成することにより、圧力センサの耐久性を高めることができる。

図６は、本発明の圧力センサのさらに他の実施の形態について説明するための図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はその右側面図である。
上述した実施の形態においては、図１、図２、図３及び図５のいずれの場合においても、前記センサチップ１３、台座１４及び前記圧力伝達路１７は前記継手部１２の中心位置と一列になるように配置されていた。この実施の形態は、前記センサチップ１３、台座１４及び前記圧力伝達路１７を前記継手部１２の下方に配置させることにより、前記段差部の長さをより長くしようするものである。
すなわち、図６に示すように、この実施の形態においては、前記センサチップ１３、台座１４及び圧力伝達路１７を継手部１２の開口部の中心位置よりも下方に配置している。これにより、前記図１及び図２の場合と同一寸法としたときに、前記圧力伝達路１７の上端と圧力導入路１８の下端との間（段差部）の距離を２．１mmとすることができる。これにより、耐久性をより向上させることができる。
なお、このように圧力伝達路１７を下方に配置したときに、前記アダプタ１５の位置決めと回転防止のために前記継手部１２の開口部の内壁に形成する段部を、前述した実施の形態における段部１６と同様に、開口部の下部に形成すると、本体が大型化することとなる。そこで、この実施の形態においては、前記継手部１２の開口部の側部の内壁に段部４２（図６（ｂ））を形成している。また、図示していないが、前記アダプタ１５の外周部の側面には、該段部４２に対応する平面部が形成されている。なお、ここでは、図中左側の側部に段部４２を形成したが、右側の側部に形成しても良い。

図７は、本発明の圧力センサのさらに他の実施の形態の構成について説明するための図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はその右側面図である。
前記図１及び図２に示した実施の形態においては、前記圧力導入路１８をアダプタ１５の外周部に形成した溝と前記継手部１２に形成された開口部の内壁とにより形成するようにしていた。この実施の形態は、図７に示すように、圧力導入路４３を前記継手部１２の開口部の内壁に形成された溝と前記アダプタ１５の外周部とにより形成するようにしたものである。なお、ここでは、前記図６に示した実施の形態に適用した場合を示しているが、前記センサチップ１３、台座１４及び圧力伝達路１７が継手部１２の中心位置と一列になるように配置されている場合に、この実施の形態を適用するようにしてもよい。
このように圧力導入路４３を継手部１２の開口部内壁に形成された溝により形成することにより、前記段差部の距離をより大きくすることができ、前記図１及び２と同一寸法とした場合には、図示するように段差部の距離を２．５mmとすることができる。これにより、耐久性をより高めることができる。
なお、この実施の形態の場合には、アダプタ１５は単なる円筒形でよく、位置決めや回転防止のための段部を設ける必要がない。ただし、前記継手部１２側に溝加工を施すため、同一寸法とした場合に、強度的に不利となる。

なお、上述した各実施の形態を組み合わせるようにしてもよい。例えば、前記図４に示した実施の形態を、前記図６あるいは図７に示した実施の形態の場合に適用してもよいし、前記図５に示した実施の形態を、前記図６あるいは図７に示した実施の形態の場合に適用してもよい。

本発明の圧力センサの第１の実施の形態の構成を示す断面図である。 本発明の圧力センサの第１の実施の形態の要部の断面図と右側面図である。 本発明の圧力センサの第２の実施の形態の構成を示す要部の断面図と右側面図である。 本発明の圧力センサの第３の実施の形態における圧力導入路の断面を示す図である。 本発明の圧力センサの第４の実施の形態の構成を示す要部の断面図と右側面図である。 本発明の圧力センサの第５の実施の形態の構成を示す要部の断面図と右側面図である。 本発明の圧力センサの第６の実施の形態の構成を示す要部の断面図と右側面図である。 従来の圧力センサの構成を示す要部の断面図と右側面図である。

符号の説明

１１：本体ハウジング、１２：継手部、１３：半導体センサチップ、１４：台座、１５：アダプタ、１６：段部、１７：圧力伝達路、１８：圧力導入路、１９：圧力伝達室、２０：圧力伝達媒体、２１：回路基板、２２：コネクタ、２３：ピン、２４：接着剤、２５：コーティング材、２６：カバー、３１、３２：圧力導入路、４１：圧力導入路に形成された凸部、４２：段部、４３：圧力導入路

Claims (6)

1. 圧力伝達路を備えた本体ハウジングと、
   前記本体ハウジングに接続された半導体センサチップと、
   前記本体ハウジングの継手部に形成された開口部に挿入されるアダプタと、
   前記本体ハウジングの継手部及び前記アダプタの端部と前記圧力伝達路間を連通する圧力導入路と、
   前記圧力伝達路及び前記圧力導入路に充填された圧力伝達媒体とを有する圧力センサであって、
   前記圧力導入路は、その断面が横長形状とされており、その位置が前記圧力伝達路よりも高い位置に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力導入路は、前記アダプタの外周部に形成された溝と前記本体ハウジングの継手部の内壁とにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記圧力導入路は、前記アダプタの外周部と前記本体ハウジングの継手部の内壁に形成された溝とにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. 前記圧力導入路は凹凸が形成された断面形状を有することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
5. 前記圧力導入路の中間位置の上部に凸部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
6. 前記圧力伝達媒体は、水よりも比重が大きいフッ素系オイルであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。

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