JP2013015391A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの異なる大きさの圧力を正確に測定しその小型化を図り得る圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ２０は、ケース２１と、このケース２１に収容されるシリコン基板からなる第１センサチップ３０および第２センサチップ４０とを備えている。比較的小さな圧力（第１の圧力）を検出するための第１センサチップ３０と、比較的大きな圧力（第２の圧力）を検出するためにその圧力検出範囲が第１センサチップ３０よりも広い第２のセンサチップ４０と、は重ねて配置されている。そして、信号処理回路５０は、第１センサチップ３０に集積されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

近年の車両においては、車両の進行方向（前後方向）に対する衝突安全性だけでなく、車両の側方（左右方向）からの衝突（側面衝突）に対する安全性も求められている。このような側面衝突に対して乗員を保護するためのエアバック装置として、サイドエアバック装置がある。このサイドエアバック装置を作動させるためのセンサには、車両のドアの内圧変化を検出する圧力センサが広く用いられている。このようなサイドエアバック装置は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

また、上記圧力センサは、車両のドア内に配置されるため、衝突（外力）により生じる車両の振動の影響を受けてしまう。具体的には、衝突により発生する衝撃は車体を伝播して圧力センサに振動として伝達される。そして、圧力センサは伝達される振動が車両のドア内圧変化に加算された検出信号を出力することになり、この加算された振動成分が誤差の要因となっている。

上述のような誤差を解消するため、下記特許文献２に開示される衝突検出システムの内圧センサのように、ドア内の圧力を検出する圧力センサと、ドアへの衝撃に起因する振動を検出する振動センサとが採用されている。振動センサは、上記圧力センサに用いられたセンサと同様のダイアフラム型の圧力センサであって、上記内圧センサは、圧力センサを構成するセンサ素子（センサチップ）と振動センサを構成するセンサ素子（センサチップ）とが積層した状態で組み付けられている。

特開平０２−２４９７４０号公報 特開２００７−０７１５９６号公報

しかしながら、上記特許文献２に開示されるような２つの圧力を検出するためのセンサチップを有する圧力センサの構成では、積層された２つのセンサチップからの信号を処理してドア内の空間の圧力を算出するためのセンサチップが必要となる。このため、圧力検出用の２つのセンサチップに加えて信号処理用のセンサチップ等を用意する必要があるので、これら各センサチップを有する圧力センサの小型化が困難になるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、２つの異なる大きさの圧力を正確に測定しその小型化を図り得る圧力センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１の圧力センサでは、第１の圧力を検出するための第１のセンサチップ（３０）と、前記第１の圧力よりも大きな第２の圧力を検出するためにその圧力検出範囲が前記第１のセンサチップよりも広い第２のセンサチップ（４０）と、前記第１のセンサチップから出力される圧力信号と前記第２のセンサチップから出力される圧力信号とを処理する信号処理回路（５０）と、を備える圧力センサ（２０）であって、前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップは、重ねて配置され、前記信号処理回路は、前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップのいずれか一方に集積されることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップは、ダイアフラム（３２，４２）を有し当該ダイアフラムに作用する圧力に応じた変位を前記圧力信号に変換して出力するようにそれぞれ構成され、前記第２のセンサチップのダイアフラム（４２）の厚さは、前記第１のセンサチップのダイアフラム（３２）の厚さよりも厚く形成される。

請求項３の発明は、請求項２に記載の圧力センサにおいて、前記第１のセンサチップのダイアフラム側が前記第２のセンサチップにより覆われるように、前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップが重ねて配置され、前記第２のセンサチップのダイアフラム側は、当該ダイアフラム側を保護するゲル部材（５０）により覆われることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、前記第１の圧力は、車両のドア（１０）閉め時に作用する圧力であり、前記第２の圧力は、前記ドアに対する物体の衝突時に作用する圧力であって、前記信号処理回路は、前記第１のセンサチップからの圧力信号（Ｓ１）の波長と前記第２のセンサチップからの圧力信号（Ｓ２）の波長との少なくともいずれか一方に基づいて、検出される圧力が前記第１の圧力および前記第２の圧力のいずれか一方であることを検出することを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、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ものである。

請求項１の発明では、第１の圧力を検出するための第１のセンサチップと、第１の圧力よりも大きな第２の圧力を検出するためにその圧力検出範囲が第１のセンサチップよりも広い第２のセンサチップと、が重ねて配置されている。そして、信号処理回路は、第１のセンサチップおよび第２のセンサチップのいずれか一方に集積されている。

これにより、第１の圧力が作用するために、第２のセンサチップから出力される圧力信号が分解能との関係から低精度になる程度に小さくなる場合でも、第１のセンサチップから出力される圧力信号に応じて当該第１の圧力を正確に測定できる。また、第１のセンサチップの圧力検出範囲を超えるほどの第２の圧力が作用するために、第１のセンサチップから出力される圧力信号が飽和しても、第２のセンサチップから出力される圧力信号に応じて当該第２の圧力を正確に測定できる。

特に、重ねて配置される第１のセンサチップおよび第２のセンサチップのいずれか一方には、信号処理回路が集積されるため、両センサチップが占める面積だけでなく信号処理回路が占める面積をも小さくでき、信号処理回路と両センサチップとを電気的に接続する配線が簡素化される。
したがって、２つの異なる大きさの圧力を正確に測定し、当該圧力センサの小型化を図ることができる。

請求項２の発明では、第１のセンサチップおよび第２のセンサチップは、ダイアフラムを有し当該ダイアフラムに作用する圧力に応じた変位を圧力信号に変換して出力するようにそれぞれ構成され、第２のセンサチップのダイアフラムの厚さは、第１のセンサチップのダイアフラムの厚さよりも厚く形成される。
このように、大きな圧力を検出するセンサチップの方のダイアフラムを厚くすることで、第１のセンサチップおよび第２のセンサチップの圧力検出範囲を容易に調整することができる。

請求項３の発明では、第１のセンサチップのダイアフラム側が第２のセンサチップにより覆われるように、第１のセンサチップおよび第２のセンサチップを重ねて配置されるため、第１のセンサチップのダイアフラム側を好適に保護することができる。そして、第２のセンサチップのダイアフラム側は、当該ダイアフラム側を保護するゲル部材により覆われるため、第２のセンサチップのダイアフラム側を好適に保護することができる。

特に、圧力検出時、この圧力がゲル部材にも作用して当該ゲル部材が振動するとき、この振動が保護対象のダイアフラムに伝達すると、当該ダイアフラムの変位を利用した圧力検出の検出精度が低下する場合がある。そこで、ゲル部材により厚さの厚い第２のセンサチップのダイアフラム側を覆うことで、ゲル部材により第１のセンサチップのダイアフラム側を覆う場合と比較して、ゲル部材の振動に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

請求項４の発明では、信号処理回路は、第１のセンサチップからの圧力信号の波長と第２のセンサチップからの圧力信号の波長との少なくともいずれか一方に基づいて、検出される圧力が車両のドア閉め時に作用する圧力（第１の圧力）およびドアに対する物体の衝突時に作用する圧力（第２の圧力）のいずれか一方であることを検出する。

ドア閉め時にセンサチップから出力される圧力信号の波長は、圧力が伝達する過程等の違いから、ドアに対する物体の衝突時（側突時）にセンサチップから出力される圧力信号の波長よりも短くなる。このため、第１のセンサチップおよび第２のセンサチップの少なくともいずれか一方から出力される圧力信号の波長のみに基づいて、検出対象の圧力がドア閉め時の圧力および側突時の圧力のいずれか一方であるかを検出することができる。さらに、両センサチップから出力される圧力信号の値とその波長との双方を検出することで、検出精度をより高めることができる。

本実施形態に係る圧力センサを取り付けた車両用ドアの内部を示す断面図である。 図１の圧力センサを示す概略構成図である。 図２の３−３線相当の切断面による概略断面図である。 両センサチップにおける検出圧力と圧力信号との関係を示す説明図である。 図５（Ａ）は、ドア閉め時に両センサチップから出力される圧力信号を示す波形図であり、図５（Ｂ）は、側突時に両センサチップから出力される圧力信号を示す波形図である。

以下、本発明に係る圧力センサを具現化した一実施形態について、図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る圧力センサ２０を取り付けた車両用ドア１０の内部を示す断面図である。

図１に示すように圧力センサ２０は、車両のドア１０の内部に設けられてドア１０の内部空間１４の圧力を検出するセンサである。この圧力センサ２０からの出力信号に基づいて他の車両等によるドア１０への衝突（以下、側突という）が検出されると、この衝突から乗員を保護するためのサイドエアバック装置（図略）が作動する。

車両のドア１０は、車両の外周面の一部を形成するアウターパネル１１と、車両のドア１０の車室内側の表面を形成するインナーパネル１２と、ウィンドガラス１３とを備えている。そして、アウターパネル１１とインナーパネル１２との間には、略密閉された空間（以下、内部空間１４ともいう）が形成されている。この内部空間１４は、ドア１０の内部と外部とがわずかに連通して形成され、ドア１０の外部の圧力が変化したときにはドア１０の内部空間１４の圧力も変化するとともに、この内部空間１４の内容積が急激に変化したときにはその内圧が上昇するように形成されている。

次に、本発明に係る圧力センサ２０の構成について、図２および図３を用いて説明する。図２は、図１の圧力センサ２０を示す概略構成図である。図３は、図２の３−３線相当の切断面による概略断面図である。なお、図２では、便宜上、ケース２１の一部およびゲル部材６０の図示を省略している。
図２および図３に示すように、圧力センサ２０は、ケース２１と、このケース２１に収容されるシリコン基板からなる第１センサチップ３０および第２センサチップ４０とを備えている。

第１センサチップ３０は、ドア閉め時に作用する圧力のように、第２センサチップ４０に対して比較的小さな圧力を検出するためのセンサチップである。この第１センサチップ３０は、その中央部に凹部３１が設けられることで、検出圧力に応じ変位する薄肉部としてダイアフラム３２が形成され、このダイアフラム３２の変位を圧力信号に変換して出力するように構成されている。第１センサチップ３０がケース２１の底部に設置されるとき、この底部に形成される貫通穴２１ａが凹部３１内に連通するため、ダイアフラム３２の底部側には、内部空間１４の圧力が作用する。なお、第１センサチップ３０は、特許請求の範囲に記載の「第１のセンサチップ」の一例に相当し、上記比較的小さな圧力は、特許請求の範囲に記載の「第１の圧力」の一例に相当し得る。

また、第１センサチップ３０には、上述のように出力される圧力信号や第２センサチップ４０から出力される圧力信号に対して増幅・補正等の処理を施して出力するための信号処理回路５０が集積（実装）されている。この信号処理回路５０は、その入出力端子が、ケース２１内に一部が露出するターミナル２２にボンディングワイヤ２３を介して電気的にそれぞれ接続されている。

第２センサチップ４０は、ドア１０に対する他の車両等の物体の衝突（側突）時に作用する圧力のように、第１センサチップ３０が検出対象とする圧力に対して比較的大きな圧力を検出するためのセンサチップである。この第２センサチップ４０は、その中央部に凹部４１が設けられることで、検出圧力に応じ変位する薄肉部としてダイアフラム４２が形成され、このダイアフラム４２の変位を圧力信号に変換して出力するように構成されている。

特に、図３に示すように、ダイアフラム４２は、第１センサチップ３０よりも圧力検出範囲を広くするため、その厚さがダイアフラム３２の厚さよりも厚くなるように形成されている。上述のように出力される圧力信号は、貫通電極４３とこの貫通電極４３に電気的に接続される入出力端子とを介して信号処理回路５０に入力される。なお、第２センサチップ４０は、特許請求の範囲に記載の「第２のセンサチップ」の一例に相当し、上記比較的大きな圧力は、特許請求の範囲に記載の「第２の圧力」の一例に相当し得る。

このように構成される第２センサチップ４０は、その貫通電極４３が信号処理回路５０の対応する入出力端子に電気的に接続され、その凹部４１により第１センサチップ３０のダイアフラム３２を含めた表面（ダイアフラム３２側の面）の一部を密閉して密閉空間４４を構成するように、第１センサチップ３０に重ねて配置（積層）されている。これにより、ダイアフラム３２およびダイアフラム４２は、密閉空間４４の圧力を基準に、内部空間１４の圧力との圧力差に応じて変位することとなる。

このように積層される第２センサチップ４０の表面（ダイアフラム４２側の面）と、第２センサチップ４０により保護される面を除く第１センサチップ３０の表面とは、ゲル部材６０により覆われることで保護されている。本実施形態では、ゲル部材６０として、例えば、シリコンゲルやフッ素ゲルが採用されている。

次に、圧力センサ２０によるドア１０の内部空間１４の圧力検出について図４を用いて説明する。図４は、両センサチップ３０，４０における検出圧力Ｐと圧力信号Ｓ１，Ｓ２との関係を示す説明図である。
上述のように、第２センサチップ４０は、その圧力検出範囲が第１センサチップ３０よりも広くなるように構成されているため、図４に示すように、同じ検出圧力でも、第２センサチップ４０から出力される圧力信号Ｓ２が第１センサチップ３０から出力される圧力信号Ｓ１よりも小さくなる。

このため、検出圧力Ｐとしてドア閉め時のように比較的小さな圧力（図４にて符号Ｐ１にて示す）が作用する場合では、第２センサチップ４０から出力される圧力信号Ｓ２が、分解能との関係から低精度になる程度に小さくなってしまう（図４の楕円α内参照）。この場合でも、第１センサチップ３０から出力される圧力信号Ｓ１に応じて、当該検出圧力Ｐ１を正確に測定できる。

一方、検出圧力Ｐとして側突時のように比較的大きな圧力（図４にて符号Ｐ２にて示す）が作用する場合では、第１センサチップ３０の圧力検出範囲を超えるほどの検出圧力Ｐ２が作用するために、第１センサチップ３０から出力される圧力信号Ｓ２が飽和（クランプ）してしまう（図４の楕円β内参照）。この場合でも、第２センサチップ４０から出力される圧力信号Ｓ２に応じて、当該検出圧力Ｐ２を正確に測定できる。
このようにドア閉め時の圧力か側突時の圧力かを正確に検出できるため、ドア閉め時を側突時と誤検出してサイドエアバック等が誤作動することを確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る圧力センサ２０では、比較的小さな圧力（第１の圧力）を検出するための第１センサチップ３０と、比較的大きな圧力（第２の圧力）を検出するためにその圧力検出範囲が第１センサチップ３０よりも広い第２のセンサチップ４０と、が重ねて配置されている。そして、信号処理回路５０は、第１センサチップ３０に集積されている。

これにより、ドア閉め時のように比較的小さな圧力が作用するために、第２センサチップ４０から出力される圧力信号Ｓ２が分解能との関係から低精度になる程度に小さくなる場合でも、第１センサチップ３０から出力される圧力信号Ｓ１に応じて当該比較的小さな圧力を正確に測定できる。また、側突時のように第１センサチップ３０の圧力検出範囲を超えるほどの比較的大きな圧力が作用するために、第１センサチップ３０から出力される圧力信号Ｓ１が飽和しても、第２センサチップ４０から出力される圧力信号Ｓ２に応じて当該比較的大きな圧力を正確に測定できる。

特に、重ねて配置される第１センサチップ３０および第２センサチップ４０のうちの第１センサチップ３０には、信号処理回路５０が集積されるため、両センサチップ３０，４０が占める面積だけでなく信号処理回路５０が占める面積をも小さくでき、信号処理回路５０と両センサチップ３０，４０とを電気的に接続する配線が簡素化される。
したがって、２つの異なる大きさの圧力を正確に測定し、当該圧力センサ２０の小型化を図ることができる。

また、第１センサチップ３０および第２センサチップ４０は、ダイアフラム３２，４２を有し当該ダイアフラム３２，４２に作用する圧力に応じた変位を圧力信号Ｓ１，Ｓ２に変換して出力するようにそれぞれ構成され、第２センサチップ４０のダイアフラム４２の厚さは、第１センサチップ３０のダイアフラム３２の厚さよりも厚く形成される。
このように、大きな圧力を検出するセンサチップの方のダイアフラムを厚くすることで、第１センサチップ３０および第２センサチップ４０の圧力検出範囲を容易に調整することができる。

さらに、第１センサチップ３０のダイアフラム３２側が第２センサチップ４０により覆われるように、第１センサチップ３０および第２センサチップ４０を重ねて配置されるため、第１センサチップ３０のダイアフラム３２側を好適に保護することができる。そして、第２センサチップ４０のダイアフラム４２側は、当該ダイアフラム４２側を保護するゲル部材６０により覆われるため、第２センサチップ４０のダイアフラム４２側を好適に保護することができる。

特に、圧力検出時、この圧力がゲル部材６０にも作用して当該ゲル部材６０が振動するとき、この振動が保護対象のダイアフラムに伝達すると、当該ダイアフラムの変位を利用した圧力検出の検出精度が低下する場合がある。
本実施形態では、ゲル部材６０により厚さの厚い第２センサチップ４０のダイアフラム４２側が覆われているので、ゲル部材６０により第１センサチップ３０のダイアフラム３２側が覆われる場合と比較して、ゲル部材６０の振動に起因する検出精度の低下を抑制することができる。

本実施形態では、検出対象の圧力がドア閉め時の圧力および側突時の圧力のいずれか一方であるかを以下のように検出してもよい。この検出方法について、図５（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。図５（Ａ）は、ドア閉め時に両センサチップ３０，４０から出力される圧力信号Ｓ１，Ｓ２を示す波形図であり、図５（Ｂ）は、側突時に両センサチップ３０，４０から出力される圧力信号Ｓ１，Ｓ２を示す波形図である。

図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ドア閉め時に両センサチップ３０，４０から出力される圧力信号Ｓ１，Ｓ２の波長は、圧力が伝達する過程等の違いから、側突時に両センサチップ３０，４０から出力される圧力信号Ｓ１，Ｓ２の波長よりも短くなる。

このため、第１センサチップ３０および第２センサチップ４０の少なくともいずれか一方から出力される圧力信号（Ｓ１，Ｓ２）の波長のみに基づいて、信号処理回路５０により、検出対象の圧力がドア閉め時の圧力および側突時の圧力のいずれか一方であるかを検出することができる。そして、さらに、両センサチップ３０，４０から出力される圧力信号Ｓ１，Ｓ２の値とその波長との双方を検出することで、検出精度をより高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
（１）本発明に係る圧力センサ２０は、ドア１０の内部空間１４の圧力を検出するセンサとして採用されることに限らず、２つの異なる圧力が作用する場所に設置される圧力センサに採用することができる。

（２）センサチップを保護する保護部材としてゲル部材６０と異なり振動に強い保護部材等を採用する場合には、第１センサチップ３０が、その凹部３１により第２センサチップ４０のダイアフラム４２を含めた表面の一部を密閉して密閉空間４４を構成するように、第２センサチップ４０に重ねて配置（積層）されてもよい。
このように積層される場合、信号処理回路５０は、ケース２１の底部に設置される第２センサチップ４０に集積されてもよい。

（３）信号処理回路５０は、第１センサチップ３０に集積（実装）されることに限らず、第２センサチップ４０に集積（実装）されてもよい。

（４）両センサチップ３０，４０は、ダイアフラムの変位に応じて圧力を検出するように構成されることに限らず、例えば、静電容量型加速度センサのように可動電極および固定電極間の静電容量の変化に応じて圧力を検出するように構成されてもよい。

１０…ドア
２０…圧力センサ
２１…ケース
３０…第１センサチップ（第１のセンサチップ）
３２…ダイアフラム
４０…第２センサチップ（第２のセンサチップ）
４２…ダイアフラム
５０…信号処理回路
６０…ゲル部材

Claims (4)

1. 第１の圧力を検出するための第１のセンサチップと、
   前記第１の圧力よりも大きな第２の圧力を検出するためにその圧力検出範囲が前記第１のセンサチップよりも広い第２のセンサチップと、
   前記第１のセンサチップから出力される圧力信号と前記第２のセンサチップから出力される圧力信号とを処理する信号処理回路と、
   を備える圧力センサであって、
   前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップは、重ねて配置され、
   前記信号処理回路は、前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップのいずれか一方に集積されることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップは、ダイアフラムを有し当該ダイアフラムに作用する圧力に応じた変位を前記圧力信号に変換して出力するようにそれぞれ構成され、
   前記第２のセンサチップのダイアフラムの厚さは、前記第１のセンサチップのダイアフラムの厚さよりも厚く形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第１のセンサチップのダイアフラム側が前記第２のセンサチップにより覆われるように、前記第１のセンサチップおよび前記第２のセンサチップが重ねて配置され、
   前記第２のセンサチップのダイアフラム側は、当該ダイアフラム側を保護するゲル部材により覆われることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記第１の圧力は、車両のドア閉め時に作用する圧力であり、前記第２の圧力は、前記ドアに対する物体の衝突時に作用する圧力であって、
   前記信号処理回路は、前記第１のセンサチップからの圧力信号の波長と前記第２のセンサチップからの圧力信号の波長との少なくともいずれか一方に基づいて、検出される圧力が前記第１の圧力および前記第２の圧力のいずれか一方であることを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ。

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