JP2010197142A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小型化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることのできる圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力検出素子５を軸線Ｘ方向に対して直交する素子載置面６０に保持する台座５は、絶縁性材料からなる。台座６の圧力検出素子５が配置された素子載置面６０から軸線Ｘと平行な台座６の側面６１にかけて導電性材料からなる複数の電気配線層６２、６３，６４が形成されている。素子載置面６０に形成された電気配線層６２、６３，６４と圧力検出素子５とがワイヤーボンディング７２，７３，７４によって電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の気筒内燃焼圧力を測定するための圧力センサに関する。

従来から、圧力センサを用いて自動車用エンジン等の内燃機関の気筒内燃焼圧力を測定し、燃焼状態を制御することが行われている。このような圧力センサでは、内燃機関の気筒内側に向けて台座に配置された圧力検出素子を圧力伝達部材で押圧し、この圧力検出素子からの検出信号を測定することによって、内燃機関の気筒内圧力を検出するようになっている。このため、台座に設けられた圧力検出素子を電気的に台座の裏面側（後端側）に向けて引き出す必要がある。

台座に設けられた圧力検出素子を電気的に台座の裏面側に引き出す構造としては、例えば、台座（ハーメチック台座）を貫通するようにして設けたピン端子による配線構造によるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、素子表面に電極を設け、導電性接続部材を介してバンプ接合により導通を取るようにした圧力センサが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平５−１２６６６７号公報 特開２００４−２４５７８３号公報

しかしながら、ピン端子による配線構造を用いた圧力センサでは、ピン端子が比較的大きな質量を有することから、振動の影響を受け易く、また、ピン長さが長くなることから、ピン根元（台座接続部）の強度化が不足し、振動によって破損の恐れが生じるという課題がある。また、ハーメチック台座を用いた場合、台座に圧力検出素子を配置するための領域の他、ピン端子、ガラスシール等を配置するための領域が必要となり、小面積化することが難しく、圧力センサ全体を小型化することが困難であるという課題がある。

また、バンプ接合を用いた圧力センサでは、バンプ接合部分において、熱膨張差による破損の恐れがあるという課題がある。さらに、台座を貫通するスルーホールによって電極を台座の裏面側に引き出すため、台座の後端側に回路基板を配置した場合、軸線方向に対して垂直面に回路基板を配置した構造とせざるを得ず、センサが大径化してしまうという課題がある。さらにまた、バンプ接合に用いるはんだ、及び圧力検出素子と台座との間を埋めるアンダーフィル剤（樹脂）が、３００℃を超えるような高温環境には耐えられないという課題もある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものである。本発明は、従来に比べて小型化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることのできる圧力センサを提供しようとするものである。

本発明に係る圧力センサは、軸線方向に延びる円筒状のハウジングと、該ハウジングの先端側に収納される圧力伝達部材と、前記ハウジングに収納され、前記圧力伝達部材によって押圧される圧力検出素子と、前記ハウジングに収納され絶縁性材料からなる台座と、を備え、前記台座は、前記軸線と直交し、前記圧力検出素子を搭載する素子載置面と、前記軸線と平行な側面と、前記素子載置面に形成され、前記圧力検出素子とワイヤーボンディングによって接続されるボンディングパッドと、前記側面に形成され、他の回路と導通される接続パッドと、前記素子載置面と前記側面との間の稜線を越えて延在し、前記ボンディングパッドと前記接続パッドとを導通する二面接続配線部とからなる電気配線層と、を有することを特徴とする。

本発明の圧力センサでは、素子載置面に形成され圧力検出素子とワイヤーボンディングによって接続されるボンディングパッドと、側面に形成され、他の回路と導通される接続パッドが、素子載置面と側面との間の稜線を越えて延在する二面接続配線部によって電気的に接続されている。これによって、ハーメチック台座によるピン端子や、バンプ接合を用いることなく、圧力検出素子を電気的に台座裏面側（後端側）に引き出すことができる。このため、振動の影響によりピン端子の台座接続部に破損が生じることがなく、また、小型化を図ることができる。さらに、はんだやアンダーフィル剤（樹脂）も不要となるので、高温下における信頼性の向上を図ることができる。

上記本発明の圧力センサでは、台座の外周面は、円周面を有する円周部と、前記側面とを有し、側面とハウジング内壁との間に空隙が形成された構成とすることができ、この場合、台座の側面に形成された電気配線層が、空隙部分に位置する構成とすることができる。これによって、電気配線層とハウジングとの電気的絶縁を確保することができるとともに、圧力センサの細径化を図ることができる。

また、上記本発明の圧力センサでは、ボンディングパッドは、素子載置面のうち、円周部と圧力検出素子との間に形成された構成とすることができる。これによって、素子載置面のうち、スペースにゆとりのある部位にボンディングパッドを設けることができ、圧力センサの細径化を図ることができる。

また、上記本発明の圧力センサでは、前記電気回路が形成された基板が、前記ハウジング内に、前記軸線と平行になるよう配置されている構成とすることができる。このように、圧力検出素子からの信号を処理する電気回路をハウジング内に収容することによって、圧力検出素子の近傍でノイズ等が加わる前に信号を処理することができ、正確な圧力検出を行うことが可能となる。また、電気回路が形成された基板を軸線と平行になるよう配置すれば、電気回路が形成された基板が大型化した場合においても、圧力センサの細径化を図ることができる。

また、上記本発明の圧力センサでは、気接続配線層が印刷によって形成され、かつ、台座の側面側に電気配線層を形成する際の印刷ダレが形成されている構成とすることができる。このように、印刷ダレを設けることによって、素子載置面と側面との境界における９０°折れ曲がった部分における電気的接続を確保することができるとともに、素子載置面側に印刷ダレが形成されてワイヤーボンディングを行うことが困難になることも回避することができる。

本発明によれば、従来に比べて小型化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることのできる圧力センサを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る圧力センサの概略構成を模式的に示す一部切り欠き斜視図。 図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。 図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。 図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。 図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す平面図。 図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態の圧力センサの概略構成を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。図１に示すように、圧力センサ１００は、軸線Ｘ方向に延び、金属等から略円筒状に形成されたセンサボディ１を具備している。このセンサボディ１の外側面には図示しないネジが形成されており、センサボディ１を回転させることによって、エンジンヘッド等に設けられた取り付け孔に、圧力センサ１００を取り付けることができるようになっている。

センサボディ１の軸線Ｘ（センサボディ１の中心軸）方向先端部には、ダイヤフラム２が設けられている。このダイヤフラム２は、有底円筒状に形成されており、このダイヤフラム２の底板の部分が、エンジンの燃焼室内に向けて配置される受圧部となっている。そして、この受圧部が燃焼室内の燃焼圧に応じて撓むことによって、後述する圧力検出素子５に燃焼室内の燃焼圧が伝達されるようになっている。また、ダイヤフラム２の筒状部の後端側は、センサボディ１の内側に挿入され、溶接等でセンサボディ１と固定されている。センサボディ１とダイヤフラム２によってハウジング２０が構成されている。

上記したダイヤフラム２の受圧部と接してその後端側には、棒状に構成され圧力を伝達するための圧力伝達部材３、及び圧力伝達部材の一部を構成する半球部材４が設けられている。そして、半球部材４の後端側に、圧力検出素子５が設けられている。半球部材４は、圧力検出素子５に対する偏荷重防止のために設けられている。

圧力検出素子５のさらに後端側には、台座６が設けられている。この台座６の軸線Ｘと直交する先端側の面である素子載置面６０に、圧力検出素子５が固定され保持されている。台座６のさらに後端側には、環状に形成された台座押さえ７が設けられており、この台座押さえ７をダイヤフラム２の筒状部の後端側に溶接等によって固定することにより、台座６がダイヤフラム２に対して固定されている。

圧力検出素子５は、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子等のピエゾ抵抗素子から構成され、圧力が加わった際の歪みに応じた電気信号を出力するように構成されたものを使用することができる。このような圧力検出素子５を構成する場合、ガラス、金属等からなる基板に、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子等の素子を接合した構造とすることができる。素子の表面にはピエゾ抵抗体が形成され、素子が歪み変形された際の抵抗値の変化から圧力を検出する。なお、圧力検出素子５は、シリコンウエハからダイシングによって切り出される関係から矩形状に形成されている。圧力検出素子５としては、この他に、ＰＺＴ、水晶等の圧電素子を使用することもできる。

一方、台座６は、絶縁性部材、本実施形態では、絶縁性セラミックであるアルミナから構成されている。そして、図２、図３に示すように、台座６の前述した素子載置面６０、及びこの素子載置面６０と直交する台座６の側面６１には、導電性材料からなる複数（本実施形態では３つ）の電気配線層６２、６３、６４が形成されている。すなわち、これらの電気配線層６２、６３，６４は、夫々が素子載置面６０に形成され、Ａｕ等からなるボディングワイヤ７２、７３、７４を介して圧力検出素子５と電気的に接続されるボンディングパッド６２ａ、６３ａ、６４ａと、側面６１に設けられ、他の電気配線層８２、８３、８４と接続される接続パッド６２ｂ、６３ｂ、６４ｂと、素子搭載面６０と側面６１とに跨って形成され、ボンディングパッド６２ａ、６３ａ、６４ａと接続パッド６２ｂ、６３ｂ、６４ｂとを接続する二面接続配線部６２ｃ、６３ｃ、６４ｃとを具備している（図４〜図６参照）。

上記電気配線層６２、６３、６４（ボンディングパッド６２ａ、６３ａ、６４ａ）は、ワイヤーボンディング可能に構成されており、導電性金属、例えば、Ａｕ又はＡｌ等（本実施形態ではＡｕ）から構成されている。この電気配線層６２、６３、６４は、下地も合わせて膜厚が数ミクロン以上となるように構成されている。このような膜厚の電気配線層６２、６３、６４は、例えば、印刷、メッキ、蒸着、スパッタ等の方法によって形成することができる（本実施形態では、印刷によって形成されている。）。

このように電気配線層６２、６３、６４を印刷によって形成する場合、印刷工程は、台座６の素子載置面６０に対する印刷工程と、素子載置面６０と直交する台座６の側面６１に対する印刷工程の２回の工程に分けて行い、かつ、側面６１に対する印刷工程を先に行い、素子載置面６０に対する印刷工程を後に行うことが好ましい。これは、素子載置面６０に対する印刷工程を先に行い、側面６１に対する印刷工程を後に行うと、素子載置面６０側に側面６１に対する印刷工程を行った際の印刷ダレが発生し、ワイヤーボンディングを行うことが可能な領域が減少、若しくは消滅してしまう可能性があるからである。

台座６の側面６１に対する印刷工程を先に行い、素子載置面６０に対する印刷工程を後に行うと、側面６１側に印刷ダレが発生するが、このように印刷ダレが形成されると、直交する素子載置面６０と側面６１との角部（９０°折れ曲がった部分）において、電気配線層６２、６３、６４が電気的に切断された状態となってしまうことを防止することができ、電気的な接続状態を確保することができる。すなわち、素子載置面６０と側面６１との角部においては、膜厚が薄くなり、電気配線層６２、６３、６４が電気的に切断された状態となり易い。このため、電気配線層６２、６３、６４は、側面６１側に印刷ダレが形成された状態とし、電気的な接続を確保することが好ましい。

図４〜６に示すように、台座６は、軸線方向に延びる円柱の外周面のうち２箇所（図４〜６では上側端部と下側端部）を切削して平坦な側面６１，６１を形成した形状とされている。また、側面６１、６１以外の部分は円柱の外周面が残存して、ダイヤフラム２の筒状部の内壁に沿った円周部６５、６５を構成している。なお、図４は、台座６に圧力検出素子５を搭載した状態を示す斜視図である。また、図５は、図４の台座６及び圧力検出素子５を示す平面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は側面図である。また、図６は、圧力検出素子５を搭載していない台座６の状態を示す斜視図である。

そして、図１に示すように、台座６をハウジング２０（ダイヤフラム２）内に組み込んだ際に、台座６の両側側面６１，６１と、ダイヤフラム２の円筒部の内壁との間に空隙が形成されるよう構成されている。電気配線層６２、６３、６４は、台座６の側面６１上に形成されており、これによって、ダイヤフラム２内に組み込まれた際に、電気配線層６２、６３、６４がダイヤフラム２の円筒部の内壁と接触することがなく、ハウジング２０との電気的な絶縁状態を維持できるようになっている。

図１〜３に示すように、台座６の後端側には、中継基板８が設けられ、この中継基板８の後端側にセラミック基板９が設けられている。このセラミック基板９には、圧力検出素子５の検出信号を処理するための電気回路１０が設けられている。中継基板８は、台座６とセラミック基板９とを中継するために設けられており、この中継基板８には、前述した電気配線層６２、６３、６４に対応して、電気配線層８２、８３、８４が設けられている。そして、電気配線層６２、６３、６４（接続パッド６２ｂ、６３ｂ、６４ｂ）と、電気配線層８２、８３、８４は、夫々ボンディングワイヤ１０２，１０３，１０４で電気的に接続されている。これらの中継基板８に設けられた電気配線層８２、８３、８４は、前述した電気配線層６２、６３、６４の場合と同様な材料、方法で形成することができる。

セラミック基板９には、電気配線層８２、８３、８４に対応して、電気配線層９２、９３、９４が設けられている。そして、電気配線層８２、８３、８４と、電気配線層９２、９３、９４は、夫々ボンディングワイヤ１１２，１１３，１１４で電気的に接続されている。また、セラミック基板９の電気回路１０搭載面とは反対側の面に形成された電気配線層９４は、スルーホール９５によって、セラミック基板９の電気回路１０搭載面側に電気的に引き出されている。なお、これらの電気配線層９２、９３、９４は、前述した電気配線層６２、６３、６４の場合と同様な材料、方法で形成することができる。

上記の圧力検出素子５の検出信号を処理するための電気回路１０が搭載されたセラミック基板９は、軸線Ｘ（センサボディ１の中心軸）方向に平行に設けられている。このため、センサ径の大径化を招くことなく、電気回路を搭載するための十分な面積を確保することができる。なお、セラミック基板９を、軸線Ｘ方向に対して平行ではなく、直交する方向に設けると、セラミック基板９の面積を増大させるためには、センサ径を大径化する必要が生じる。

上記構成の本実施形態の圧力センサ１００では、圧力検出素子５を保持するための台座６に、電気配線層６２、６３、６４が形成されており、圧力検出素子５と電気配線層６２、６３、６４とは軽量なボンディングワイヤ７２，７３，７４によって電気的に接続されている。したがって、例えば、ハーメチック台座を用いたピン端子を使用した場合に比べて、ピン端子、ガラスシール等を配置するための面積を削減することができ、センサの小径化を図ることができる。また、ピン端子のように長さが長く、質量もある部材を使用しない（軽量なボンディングワイヤを使用している）ので、振動の影響によって破損を起こす可能性も低減することができる。

なお、図５（ｂ）に示すように、本実施形態では、圧力検出素子５の幅Ｄ１が約１．８ｍｍであり、台座６の長辺方向の幅ｄ１が約３．５ｍｍ、台座６の短辺方向の幅ｄ２が約２．０ｍｍである。ボンディングパッド６２ａ、６３ａ、６４ａは、素子搭載面６０のうち、円弧状の外周を有する部分と圧力検出素子５との間（すなわち、長辺方向）に設けられている。そして、二面接続配線６２ｃ、６３ｃ、６４ｃを介して、側面６１側（すなわち短辺方向）へ導かれ、素子搭載面６０と側面６１の間の稜線を越えて、接続パッド６２ｂ、６３ｂ、６４ｂと接続される。このような大きさの圧力検出素子５を用いた場合、ハーメチック台座を用いたピン端子を使用すると、ハーメチック台座の径を４．５ｍｍ程度とする必要があり、本実施形態では、ハーメチック台座を用いたピン端子を使用した場合に比べて１ｍｍ程度の小径化を図ることができる。

さらに、バンプ接合を用いた場合のように、バンプ接合部分における熱膨張差による破損の恐れもなく、接合に用いるはんだ、及び圧力検出素子と台座との間を埋めるアンダーフィル剤（樹脂）等も使用しないので、高温環境下における信頼性の向上を図ることができる。

上記構成の圧力センサ１００では、ダイヤフラム２の受圧面が燃焼室内の燃焼圧を受けて撓むと、この圧力が圧力伝達部材３及び半球部材４を介して圧力検出素子５に伝達される。そして、圧力検出素子５は圧力に応じた電気信号を発生し、この電気信号が、ボンディングワイヤ７２，７３，７４、電気配線層６２、６３、６４等を介して電気回路１０に伝えられ、この電気回路１０で処理されて外部に出力される。この圧力検出信号は、ＥＣＵなどの制御機器に入力され、エンジン内における燃焼圧の変化が検知される。

以上、本発明の詳細を実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、上記実施形態では、台座６とセラミック基板９との間に中継基板８を配置した構成としたが、この中継基板８は必ずしも必要ではなく、省略することもできる。また、上記実施形態では、ハウジング２０（センサボディ１）内に、圧力検出素子５の信号を処理する電気回路１０を設けた場合について説明したが、このような電気回路１０は、ハウジング２０の外に設けることもできる。

１……センサボディ、２……ダイヤフラム、２０……ハウジング、３……圧力伝達部材、４……半球部材、５……圧力検出素子、６……台座、６０……素子載置面、６１……側面、６２、６３、６４、８２、８３、８４、９２，９３，９４……電気配線層、６５……円周部、７２、７３、７４、１０２，１０３，１０４，１１２，１１３，１１４……ボンディングワイヤ、７……台座押さえ、８……中継基板、９……セラミック基板、９５……スルーホール、１０……電気回路、１００……圧力センサ。

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる円筒状のハウジングと、
   該ハウジングの先端側に収納される圧力伝達部材と、
   前記ハウジングに収納され、前記圧力伝達部材によって押圧される圧力検出素子と、
   前記ハウジングに収納され絶縁性材料からなる台座と、を備え、
   前記台座は、
   前記軸線と直交し、前記圧力検出素子を搭載する素子載置面と、
   前記軸線と平行な側面と、
   前記素子載置面に形成され、前記圧力検出素子とワイヤーボンディングによって接続されるボンディングパッドと、前記側面に形成され、他の回路と導通される接続パッドと、前記素子載置面と前記側面との間の稜線を越えて延在し、前記ボンディングパッドと前記接続パッドとを導通する二面接続配線部とからなる電気配線層と、
   を有することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記台座の外周面は、円周面を有する円周部と、前記側面とを有し、
   前記側面と前記ハウジング内壁との間には、空隙が形成されるよう構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. 前記ボンディングパッドは、前記素子載置面のうち、前記円周部と前記圧力検出素子との間に形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記接続パッドは、前記ハウジング内に設けられ前記圧力検出素子からの信号を処理する電気回路に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の圧力センサ。
5. 前記電気回路が形成された基板が、前記ハウジング内に、前記軸線と平行になるよう配置されていることを特徴とする請求項４記載の圧力センサ。
6. 前記電気配線層が印刷によって形成され、かつ、前記台座の側面側に前記電気配線層を形成する際の印刷ダレが形成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の圧力センサ。

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