JP2014081266A - 圧力センサ用部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部の圧力を正確に測定することができる圧力センサ用部品を提供する。
【解決手段】 本発明の圧力センサ用部品において、絶縁基体１は、基体部２と基体部２上に設けられた枠部３と、基体部２の上方であって枠部３の内側に設けられた可撓部４とを有している。絶縁基体１は、基体部２と枠部３と可撓部４とに囲まれた内部空間５を有している。内部空間５を挟むように複数の電極６が設けられている。枠部３は、可撓領域４よりも上方に位置する上端部31を有しており、平面視において上端部31が可撓部４の中央に向かって伸びている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力を検出するための静電容量型の圧力センサ用部品に関するものである。

従来、圧力を検出するための圧力センサとして静電容量型の圧力検出装置が用いられている。この静電容量型の圧力センサに用いられる圧力センサ用部品として、表面に静電容量形成用の第１の電極を有している絶縁基板と、絶縁基板との間に所定の空間を設けて絶縁基板の表面に可撓な状態で接合され、第１の電極に対向している静電容量形成用の第２の電極を有しているダイアフラムと、絶縁基体とダイアフラムとの間に設けられたスペーサとを有しているものが知られている。このような圧力センサ用部品は、絶縁基板とダイアフラムとスペーサとが一体的に形成されて、これらによって絶縁基体に密閉された内部空間が形成されたものとなっている。このような圧力センサは、外部の圧力変動に伴ってダイアフラムが撓むと、第１の電極と第２の電極との間隔が変化してその間の静電容量が変化するので、その静電容量の変化によって圧力変動を検知することができるというものである（例えば、特許文献１を参照。）。

特開2006−47327号公報

圧力センサの保護または固定等のために、圧力センサはゴム製または樹脂製の被覆部材で覆われることがある。しかしながら、このような圧力センサを覆っている被覆部材の一部が可撓部に接すると、可撓部が変形したり、圧力による撓み方が変化したりして、外部の圧力を正確に測定することができなくなるという問題点を有していた。

本発明の一つの態様による圧力センサ用部品は、内部空間を有する絶縁基体と、内部空間を挟むように絶縁基体に設けられている複数の電極とを有している。絶縁基体は、基体部と、基体部上に設けられた枠部と、基体部の上方であって枠部の内側に設けられた可撓部とを有している。内部空間は基体部、枠部および可撓部によって囲まれている。枠部は可撓部よりも上方に位置する上端部を有しており、平面視において上端部が可撓部の中央に向かって伸びている。

本発明の一つの態様による圧力センサ用部品は、枠部が可撓部よりも上方に位置する上端部を有しており、平面視において上端部が可撓部の中央に向かって伸びていることから、可撓部が上端部によって保護されており、上端部上に配置される例えばゴム製または樹脂製の被覆部材が可撓部に接する可能性を低減でき、外部の圧力を精度良く検出できる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態における圧力センサ用部品を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態における圧力センサ用部品を示す上面図である。 （ａ）は、図２に示された圧力センサ用部品のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部における拡大図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態における圧力センサ用部品を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部における拡大図である。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態における圧力センサ用部品を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

本発明のいくつかの例示的な実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
図１に示された例のように、本発明の第１の実施形態における圧力センサ用部品において、絶縁基体１は、基体部２と基体部２上に設けられた枠部３と、基体部２の上方であって枠部３の内側に設けられた可撓部４とを有している。絶縁基体１は、基体部２と枠部３と可撓部４とに囲まれた内部空間５を有している。内部空間５を挟むように複数の電極６が設けられている。枠部３は、可撓領域４よりも上方に位置する上端部31を有しており、上端部31が可撓部４の中央に向かって伸びる延出部31ａを有している。なお、本実施形態における圧力センサ用部品は、図１に示された例のように、上端部31および絶縁基体１の側面を被覆部材11によって覆われている。

絶縁基体１は、平面視で四角形状に、枠部３の内径および可撓部４、ならびに内部空間５は、平面視で円形状に形成されている。絶縁基体１の内部および表面には、電極６に電気的に接続された配線導体７が形成されている。

絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ガラスセラミックス等の電気絶縁性の焼結体から成り、例えば、図１に示された例のように、複数の絶縁層が積層することにより内部空間５が形成されている。

絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、次のようにして製作される。まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に、適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤を添加混合して泥漿状となすとともに、これをドクターブレード法によりシート状に成形して複数枚のセラミックグリーンシートを得る。これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工，切断加工を施すことにより、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートを得る。このとき、枠部３用のセラミックグリーンシートのいくつかには、金型やパンチングによる打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔加工方法により、内部空間５となる貫通孔を形成しておく。これらのセラミックグリーンシートを積層することにより、内部空間５を有する絶縁基体１用のセラミックグリーンシート積層体を形成する。そして、このセラミックグリーンシート積層体を約1600℃の温度で焼成することにより、基体部２と枠部３と可撓部４とに囲まれた内部空間５を有する絶縁基体１が製作される。

上端部31が可撓部４よりも上方に位置することによって、焼成前の絶縁基体１用のセラミックグリーンシート積層体の可撓部４となる領域または焼成後の圧力センサ用部品の可撓部４に外部の物が当たることが低減され、比較的厚みの薄い可撓部４が損傷してしまう可能性を低減できる。上端部31は、延出部31ａの中央部に孔３ｂを有している。上端部31が孔３ｂを有していることによって、可撓部４に外部の圧力を加えることができる。

内部空間５を挟んで対向する可撓部４の下面および基体部２の上面に、互いに対向する電極６が形成されている。電極６は、静電容量形成用の電極である。互いに対向している電極６同士の間には、対向している電極６同士の対向面積および間隔に応じた静電容量が形成される。例えば、図１に示された例においては、絶縁基体１に外部から圧力が加えら
れると、その圧力に応じて可撓部４が内部空間５側に撓んで対向する電極６同士の間隔が、圧力が加えられる前に比べて小さくなって、電極６同士の間の静電容量が大きくなる。圧力センサは、このような静電容量の変化を検出することによって、外部の圧力の変化を静電容量の変化として検出できる。なお、圧力が大きく減少した場合は、その圧力に応じて可撓部４が内部空間５と反対側に撓んで対向する電極６の間隔が大きくなって、電極６同士の間の静電容量が小さくなることとなる。

平面視において、基体部２に設けられた電極６は、可撓部４に設けられた電極６よりも面積が小さく、可撓部４側の電極６からはみ出さないように配置されていることが好ましい。平面視において互いに対向する電極６の大きさがそれぞれ異なる場合は、小さい電極６の全体が大きい電極６の全体と重なるように配置することが好ましい。このような構成とすることによって、絶縁基体１を作製する際に互いに対向する電極６の対向する位置がずれても、電極６同士の対向する面積が少なくなることを低減できる。また、可撓部４の外部の圧力の変化による電極６同士の間の距離の変化率は、可撓部４の中央において大きく、可撓部４の外周において小さい。したがって、基体部２に設けられた電極６の面積が可撓部４に設けられた電極６の面積よりも小さいと、電極６同士の間の距離の変化率の大きい可撓部４の中央において電極６同士の対向している面積の割合を向上できるので、外部の圧力の変化による静電容量の変化率が大きくなり、圧力検出装置の感度を高めることができる。

配線導体７は、絶縁基体１の表面および内部に形成されており、互いに対向する電極６にそれぞれ電気的に接続されており、電極６間の静電容量の変化を電気的な信号として、外部回路基板へ伝えるための配線として機能するものである。このような静電容量の変化を配線導体７を介して電気的な信号として外部回路基板に伝達させて、外部回路基板に搭載された電子部品で演算処理することによって、外部の圧力の大きさおよび変化を検知できる。

電極６および配線導体７は、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属粉末を用いたメタライズ導体から成る。例えば、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストをスクリーン印刷法によって絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用のセラミックグリーンシート積層体とともに焼成することによって、絶縁基体１の内部および表面に所定のパターンに形成される。絶縁基体１内で上下方向に延びる配線導体７は、セラミックグリーンシートに貫通孔を形成しておき、この貫通孔にメタライズペーストを充填することによって形成される。

配線導体７の露出部の表面には、ニッケル、金等の耐蝕性に優れる金属めっき層が被着される。配線導体７が腐食することを低減できるとともに、外部回路基板と配線導体７とを強固に接合できる。例えば、露出部の表面には、厚さ１〜10μm程度のニッケルめっき
層と厚さ0.1〜３μm程度の金めっき層とが順次被着される。

枠部３は、互いに対向する電極６間に所定の間隔を設けるためのものである。内部空間５を囲んでいる貫通孔を有する枠形状を有している。枠部３の厚みが0.01ｍｍ未満であると、電極６間の間隔が比較的小さいことから、可撓部４の可撓範囲が小さいものとなるので、測定できる圧力の値の範囲が比較的小さくなる。また、枠部３の厚みが５ｍｍを超えると、電極６同士の間の間隔が比較的大きいことから、電極６同士の距離の変化率が小さくなり静電容量の変化率が小さくなって、圧力センサの感度が低くなる。従って、枠部３は、内部空間５を形成する部分の厚みが0.01ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。

枠部３は、上端部31に中央部に孔３ｂを有する延出部31ａを有している。延出部31ａは、例えば、平面視で絶縁基体１が7.0ｍｍＳＱの矩形状であり、延出部31ａが直径4.5ｍｍの円形である場合、孔３ｂは、平面視で直径2.0ｍｍ〜直径4.0ｍｍ程度に設けられている。孔３ｂは円形、多角形状等を取ることができ、外部の圧力が可撓部４に良好に伝わる大きさと形状に形成されている。

可撓部４は、外部の圧力に応じて内部空間５側または、内部空間５の反対側に撓んで、圧力検出用のダイアフラムとして機能する。図１に示された例では、可撓部４は内部空間５の上部において枠部３の貫通孔と重なっている。可撓部４の厚みが0.01ｍｍ未満であると、機械的強度が小さく、セラミックグリーンシートを用いて作製すると破損する可能性が高い。また、可撓部４の厚みが１ｍｍを超えると、撓みにくくなるので、圧力検出装置用のダイアフラムとして機能しにくくなる。したがって、可撓部４の厚みは0.01〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。このような厚みの可撓部４を有する圧力検出装置用基体を用いた圧力検出装置は、例えば80ｋＰａ（低圧用圧力検出装置）〜2000ｋＰａ（高圧用圧力検出装置）の圧力の下で感度良く機能する。

内部空間５は、平面視において円形状を有する円柱形状であることが好ましい。内部空間５が平面視において円形状である場合、すなわち枠部３の貫通孔およびの可撓部４が円形状であることによって、外部の圧力が加わった際に、可撓部４を均等に撓ませやすい。したがって、厚みの比較的薄い可撓部４の一部が大きく変形することを低減でき、外部の圧力を感度良く検出できる。また、このような場合には、電極６は、平面視において内部空間５の形状と同様に、円形状であることが好ましい。このような電極形状とすることで、可撓部４を均等に撓ませることができる。

本実施形態の圧力センサ用部品は、基体部２と、基体部２上に設けられた枠部３と、基体部２の上方であって枠部３の内側に設けられた可撓部４と、基体部２、枠部３、可撓部４に囲まれた内部空間５とを有する絶縁基体１と、内部空間５を挟むように、絶縁基体１に設けられている複数の電極６と、枠部３が可撓部４よりも上方に位置する上端部31を有しており、平面視において上端部31が可撓部４の中央に向かって伸びていることから、可撓部４の中央に向かって伸びている上端部31によってゴム製または樹脂製の被覆部材11が可撓部４に接する可能性を低減することができ、外部の圧力を精度良く検出することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による圧力センサ用部品について、図２および図３を参照しつつ説明する。

本実施形態における圧力センサ用部品において、上述の実施形態の圧力センサ用部品と異なる点は、断面視において、延出部31ａが、可撓部４の中央部に向かって可撓部４に近づくように傾斜している点である。

また、基体部２の下面に、凹部８が形成されている点、絶縁基体１の上面に内部空間５とつながる通路９を有している点および、電極６の一方が基体部２の内部に設けられている点である。

本実施形態の圧力センサ用部品は、延出部31ａが可撓部４に向かって傾斜していることによって、例えば圧力センサ部品を上方からゴム製または樹脂製の被覆部材11で覆った際に、厚みの大きい上端部31の外周側にゴム製または樹脂製の被覆部材11から加わる応力の多くを加えることができる。したがって、ゴム製または樹脂製の被覆部材11から延出部31ａに加わる応力が小さいので、延出部31ａにクラック等が生じることを低減できる。

このような延出部31ａは、複数の絶縁基体１用のセラミックグリーンシートを積層する際またはセラミックグリーンシート積層体を焼成する際に、可撓部４側に傾斜するようにして形成される。

凹部８は、例えば、電子部品を収納するために用いられており、このような場合には、絶縁基体１は電子部品を保護するための容器としても機能する。このとき、配線導体７は電子部品にも接続されて、静電容量の変化を電子部品へ伝えるため、または電子部品にて演算処理した電気信号を外部回路基板へ伝えるための配線としても機能する。演算処理装置等の電子部品が圧力センサ用部品に搭載されている場合には、電子部品が外部回路基板に搭載された場合と比べて、電極６と電子部品との間の配線長を短くできるので、電気信号の減衰が小さいので、外部の圧力を精度良く検出できる。また、電子部品が内蔵された圧力検出装置とすることで、このような圧力検出装置および外部回路基板等を含めた圧力センサモジュールを小型化できる。

電子部品は、上述した演算処理を行うための演算処理装置としての半導体素子、チップコンデンサまたはチップ抵抗等の受動素子あるいは加速度センサ等である。電子部品は、例えばエポキシ樹脂等の封止樹脂により凹部８を覆ったり、凹部８を塞ぐように金属やセラミックスからなる蓋体を絶縁基体１に接合することにより封止される。

通路９は、絶縁基体１の焼成時に発生するガスを内部空間５から外部に排出するための通路として用いられる。圧力センサ用部品は、通路９を有することによって、可撓部４の変形を低減できる。通路９は、図２および図３に示された例のように、絶縁基体１の焼成後に封止材10によって封止される。封止材10としてAgろう材を用いる場合には、通路９の開口部に接合用の金属層を設けておき、Agろう材を金属層に接合することによって封止される。

電極６が基体部２の内部に埋設されている場合には、外部から大きな圧力が印加された際に、可撓部４が大きく撓んで電極６同士が短絡してしまうことを低減できる。また、基体部２に設けられた電極６が可撓部４に設けられた電極６に比べて小さい場合に、圧力センサ用部品をめっき液に浸漬した際に、通路９から内部空間５にめっき液が入り込んで、電極６の表面にめっきが被着されて、電極６の面積が大きくなってしまうことを低減できる。

基体部２の内部に埋設されている電極６は、電極６用のメタライズペーストが印刷されたセラミックグリーンシート上に他のセラミックグリーンシートを積層することによって作製できる。または、電極６用のメタライズペーストが印刷されたセラミックグリーンシート上に、セラミックグリーンシートと実質的に同質のセラミックペーストを、電極６用のメタライズペーストを印刷塗布しておくことにより製作される。セラミックペーストは、主成分のセラミック粉末に有機バインダおよび有機溶剤を、また必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル，三本ロールミルまたはプラネタリーミキサー等の混練手段によって混合および混練して製作される。また、絶縁層をセラミックグリーンシートにより形成する場合は、セラミックペーストを印刷して形成する場合と比較して、電極６上の絶縁層の厚みばらつきを低減できるので、電極６間の比誘電率のばらつきの小さい圧力センサ用部品を得ることができる。なお、電極６から内部空間５に接する基体部２の上面までの距離は15μｍ以上としておくことが好ましい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態による圧力センサ用部品について、図４を参照しつつ説明する。

本実施形態における圧力センサ用部品において、上述の実施形態の圧力センサ用部品と異なる点は、断面視において、上端部31の内側面が曲面状に曲がっている曲面部を有している点である。すなわち、本実施形態の圧力センサ用部品は、上端部31の内側面のうち、可撓部４の上方に伸びている部分と可撓部４と対向している部分との間において、曲面状の形状を有している。

本実施形態の圧力センサ用部品は、断面視において上端部31の内側面が曲面状に曲がっている曲面部を有していることによって、圧力センサ部品に上方からゴム製または樹脂製の被覆部材を圧接させた際に、枠部３の内側面と延出部31ａとの間に角部が無いので、応力の集中を低減して、枠部３にクラック等が生じることを低減できる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態による圧力センサ用部品について、図５を参照しつつ説明する。

本実施形態における圧力センサ用部品において、上述の実施形態の圧力センサ用部品と異なる点は、枠部３の可撓部４の直上に伸びている延出部31ａに複数の孔３ｂが設けられている点である。また、複数の孔３ｂは格子状に配置されていたり、千鳥状に配置されていても構わない。

本実施形態の圧力センサ用部品は、延出部31ａに複数の孔３ｂが設けられていることにより、急激な圧力変動が起こったとしても、複数の孔３ｂによって、外気を延出部31ａと可撓部４との間を通過させることができるので、外部の圧力変動を精度良く検出することができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、種々の変更は可能である。例えば、配線導体７を、絶縁基体１の側面または下面に設けても良い。図３に示された例では、配線導体７を、凹部８の側壁部の外側面から側壁部の下面にかけて複数設けている。すなわち、絶縁基体１の側面に切り欠き部を形成し、この切り欠き部の内面に端子電極として機能する配線導体７を、いわゆるキャスタレーション導体として設けている。

１・・・・絶縁基体
２・・・・基体部
３・・・・枠部
31・・・・上端部
31ａ・・・延出部
４・・・・可撓部
５・・・・内部空間
６・・・・電極
７・・・・配線導体
８・・・・凹部
９・・・・通路
10・・・・封止材
11・・・・被覆部材

Claims (3)

1. 基体部と、該基体部上に設けられた枠部と、前記基体部の上方であって枠部の内側に設けられた可撓部と、前記基体部、枠部、可撓部に囲まれた内部空間とを有する絶縁基体と、
   前記内部空間を挟むように、前記絶縁基体に設けられている複数の電極とを備えており、前記枠部が前記可撓部よりも上方に位置する上端部を有しており、
   平面視において、前記上端部が前記可撓部の中央に向かって伸びていることを特徴とする圧力センサ用部品。
2. 断面視において、前記上端部が、前記可撓部の中央部に向かって前記可撓部に近づくように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ用部品。
3. 断面視において、前記上端部の内側面が、曲面状に曲がっている曲面部を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ用部品。

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