JP2015114278A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】接合部材にクラックが発生することを抑制できる圧力センサを提供する。【解決手段】被膜１５のうちダイヤフラム１３側と反対側の部分を平滑かつ連続な面とし、接合部材３０と被膜１５とを化学結合によって接合する。これによれば、被膜１５側に接合部材３０が入り込んだ状態となることがない。このため、接合部材３０の特定領域に応力が集中することを抑制でき、接合部材３０にクラックが発生することを抑制できる。【選択図】図３

Description

本発明は、ステムのダイヤフラム上にセンサチップが搭載された圧力センサに関するものである。

従来より、この種の圧力センサとして、例えば、特許文献１に次のようなものが提案されている。

すなわち、この圧力センサでは、中空部を有すると共に一端が開口部とされた有底筒状であり、他端（底部）が中空部に導入された圧力によって変形可能なダイヤフラムとされたステムを備えている。そして、ダイヤフラム上には、ガラス等の接合部材を介してダイヤフラムの変形（圧力）に応じたセンサ信号を出力するセンサチップが搭載されている。なお、ステムはＳＵＳ等のステンレス鋼（金属）で構成され、接合部材は鉛を含有するガラス等で構成されている。

特開２００７−２４８２３２号公報

しかしながら、このようなステムは、冷間鍛造等されて構成されるが、通常、壁面に数〜数十ｍｍ間隔で凹凸が形成されている。言い換えると、ステムは、壁面が平滑な面とされていない。また、ステムは、金属で構成されているため、外気に曝される部分に酸化膜等の被膜が形成される。具体的には、この被膜は、ステムの壁面に沿って形成されるため、表面に凹凸を有している。

したがって、図５に示されるように、接合部材Ｊ３０は、被膜Ｊ１５の凹部Ｊ１５ａに入り込んだ状態となる。このため、被膜Ｊ１５（ステムＪ１０）と接合部材Ｊ３０とは、接合部材Ｊ３０が凹部Ｊ１５ａに入り込むことによって発生するアンカー効果と、化学結合によって接合される。

この場合、被膜Ｊ１５と接合部材Ｊ３０との接合界面には線膨張係数の差に起因する応力が発生するが、接合部材Ｊ３０のうちの凹部Ｊ１５ａに入り込んだ部分（アンカー効果を発生する部分）では応力が集中し易い。このため、当該応力によって接合部材Ｊ３０にクラックが発生する可能性があるという問題がある。

なお、図５では、ステムＪ１０としてステンレス鋼を用いた例を示しており、ステンレス鋼では、壁面（表面）にクロム原子が均等に析出し、被膜Ｊ１５として酸化クロム膜が形成される。このため、被膜Ｊ１５と接合部材Ｊ３０との化学結合は、酸素を介した共有結合となる。

本発明は上記点に鑑みて、接合部材にクラックが発生することを抑制できる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、中空部（１１）を有すると共に一端が開口部（１２）とされた有底筒状であり、他端に中空部に導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム（１３）を有するステム（１０）と、ダイヤフラムのうちの中空部側と反対側の部分に搭載され、ダイヤフラムの変形に応じてセンサ信号を出力するセンサチップ（２０）と、ステムとセンサチップとの間に配置された接合部材（３０）とを備え、以下の点を特徴としている。

すなわち、ステムは、ダイヤフラムのうちの中空部側と反対側の部分に形成された被膜（１５）を有し、被膜は、ダイヤフラム側と反対側の部分が平滑かつ連続な面とされ、接合部材は、被膜と化学結合によって接合されていることを特徴としている。

これによれば、被膜は平滑かつ連続な面とされているため、被膜側に接合部材が入り込んだ状態となることがない。このため、接合部材の特定領域に応力が集中することを抑制でき、接合部材にクラックが発生することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲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ものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 図１に示すセンサチップ近傍の拡大図である。 図２中の領域Ａの模式図である。 本発明の他の実施形態におけるセンサチップ近傍の拡大図である。 従来の接合部材とステムとの接合状態を示す模式図である。

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、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、車両の燃料噴射系における燃料パイプ等に取り付けられ、燃料パイプ内における測定媒体の圧力の検出に用いられると好適である。

図１に示されるように、本実施形態の圧力センサは、ステム１０とコネクタケース５０とが一体化された構成とされている。

ステム１０は、中空部１１を有すると共に一端が開口部１２とされた有底円筒状であり、他端側の底部の略中央部にて薄肉のダイヤフラム１３が構成されている。そして、開口部１２から中空部１１に測定媒体が導入されると、測定媒体の圧力に応じてダイヤフラム１３が変形するようになっている。つまり、中空部１１は、言い換えると、圧力導入孔としての機能を果すものである。なお、このようなステム１０は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０のようなステンレス鋼等で構成されている。

また、ステム１０は、開口部１２側の外周壁面に燃料パイプ等の被取付部材にネジ結合可能なネジ部１４が形成されている。

そして、ステム１０には、図１および図２に示されるように、ダイヤフラム１３のうちの中空部１１側と反対側の部分に、ダイヤフラム１３の変形（圧力）に応じたセンサ信号を出力するセンサチップ２０が接合部材３０を介して配置されている。

センサチップ２０は、矩形板状のシリコン基板を用いて構成され、シリコン基板の表面にブリッジ回路を構成するようにゲージ抵抗２１（図２中では２つ図示）が形成されたものである。すなわち、本実施形態のセンサチップ２０は、ステム１０の中空部１１に導入された測定媒体の圧力によってダイヤフラム１３が変形すると、ゲージ抵抗２１の抵抗値が変化してブリッジ回路の電圧が変化し、この電圧の変化に応じたセンサ信号を出力するものである。

接合部材３０は、鉛を含有するガラスが用いられている。そして、接合部材３０は、タブレット状態でステム１０とセンサチップ２０との間に配置された後、焼成等されることによってステム１０とセンサチップ２０とを接合する。

また、図１に示されるように、ステム１０の他端（底部）側には、センサチップ２０の他に、ＩＣチップ４１を搭載すると共に各種の回路素子が形成された回路基板４０も配置されている。この回路基板４０は、センサチップ２０とボンディングワイヤ４２を介して接続されており、センサチップ２０から出力されたセンサ信号が入力されると当該センサ信号に対して所定の処理を行うものである。

コネクタケース５０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂を型成形することにより作られ、本実施形態では円柱状とされている。具体的には、このコネクタケース５０は、一端側（図１中の紙面下側の端部）にフランジ部５１が形成されていると共にステム１０に組み付けられた際に当該ステム１０との間に空間を構成する凹部５２が形成され、他端側（図１中の紙面上側の端部）に開口部５３が形成されている。

そして、コネクタケース５０は、ステム１０における他端側の外縁部がフランジ部５１にＯリング６０を介してかしめ固定されることにより、ステム１０と一体化されている。これにより、センサチップ２０や回路基板４０等が外部雰囲気から保護されるようになっている。

また、コネクタケース５０には、センサチップ２０と外部回路とを電気的に接続するための複数のターミナルピン７０（図１では１本のみ図示）が備えられている。各ターミナルピン７０は、インサートモールド等によってコネクタケース５０と一体に成形されることによってコネクタケース５０内に保持されている。

具体的には、ターミナルピン７０は、Ｌ字状の棒状部材とされており、一端側が凹部５２内にて露出すると共に、他端側が開口部５３から突出するようにコネクタケース５０内に保持されている。

また、回路基板４０とターミナルピン７０との間には、これら回路基板４０およびターミナルピン７０と電気的に接続されるバネターミナル８０が配置されている。このバネターミナル８０は、矩形板状の金属板の長手方向に位置する両端部が折り曲げられることによってバネ状とされたものである。そして、金属板の中間部が図示しない導電性接着剤を介して回路基板４０に接続されることにより、当該回路基板４０と電気的に接続されている。また、金属板の両端部（バネ部）がターミナルピン７０と当接することにより、ターミナルピン７０と電気的に接続されている。これにより、センサチップ２０が回路基板４０およびバネターミナル８０を介してターミナルピン７０と電気的に接続される。

以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。次に、本実施形態の特徴点について説明する。

上記のようにステム１０は、本実施形態では、ステンレス鋼を用いて構成されており、図２に示されるように、壁面に被膜（不動態被膜）１５を有している。なお、被膜１５は、ステンレス鋼に含まれるクロムが空気中の酸素と結合して形成された酸化クロム膜である。また、この被膜１５は、ステンレス鋼のうちの外部雰囲気に曝される壁面の全面に形成されている。

そして、本実施形態では、図２および図３に示されるように、ステム１０におけるダイヤフラム１３のうちの中空部１１側と反対側の面は、切削や研磨等によって平坦な面とされている。また、ステンレス鋼では、壁面（表面）にクロム原子が均等に析出する。このため、被膜１５は、ダイヤフラム１３側と反対側の部分がダイヤフラム１３のうちの中空部１１側と反対側の面と平行な平坦な面となる。

そして、接合部材３０は、被膜１５が平坦な面であるため、被膜１５側に入り込んだ状態とならない。つまり、被膜１５と接合部材３０とは、化学結合のみによって接合されている。本実施形態では、被膜１５（クロム）と接合部材３０（鉛）とは、酸素を介した共有結合によって接合されている。

なお、本実施形態では、回路基板４０も接合部材３０を介してステム１０に接合されている。

以上説明したように、本実施形態の被膜１５は、ダイヤフラム１３側と反対側の部分が平坦な面とされている。このため、被膜１５側に接合部材３０が入り込んだ状態となることがない。したがって、接合部材３０の特定領域に応力が集中することを抑制でき、接合部材３０にクラックが発生することを抑制できる。

また、接合部材３０として鉛を含有するガラスを用いているため、接合部材３０の融点を下げることができ、製造工程の簡略化を図ることもできる。

さらに、本実施形態では、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０のようなステンレス鋼を用いてステム１０を構成している。このため、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３０を用いてステム１０を構成した場合には、ＳＵＳ６３０を用いてステム１０を構成した場合と比較して、加工性を向上できる。これに対し、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０を用いてステム１０を構成した場合には、ＳＵＳ３０４を用いてステム１０を構成した場合と比較して、センサチップ２０（シリコン）の線膨張係数に近くなるため、ステム１０とセンサチップ２０との線膨張係数の差に起因して発生する応力を小さくできる。このため、接合部材３０の膜厚を薄くでき、感度を確保することができる。また、ＳＵＳ６３０を用いてステム１０を構成した場合には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０を用いてステム１０を構成した場合と比較して、耐腐食性を向上できると共に、高圧にも対応できる圧力センサとすることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、接合部材３０として鉛を含有するガラスを例に挙げたが、接合部材３０として鉛を含有しないガラスを用いてもよいし、接着剤等を用いてもよい。また、ステム１０としてステンレス鋼ではない金属材料を用いてもよい。

また、上記第１実施形態において、接合部材３０と被膜１５（ステム１０）とがほぼ化学結合によって接合されるのであれば、被膜１５はダイヤフラム１３側と反対側の部分が平坦な面とされていなくてもよい。つまり、被膜１５は、ダイヤフラム１３側と反対側の部分が平滑かつ連続な面とされていればよく、ダイヤフラム１３側と反対側の部分に僅かな凹凸が形成されていてもよい。

さらに、上記第１実施形態において、被膜１５のうちのダイヤフラム１３側と反対側の部分が平滑かつ連続な面とされていれば、ステム１０におけるダイヤフラム１３のうちの中空部１１側と反対側の面が平坦な面とされていなくてもよい。なお、ステム１０をこのような構成とする場合には、被膜１５が形成された後に当該被膜１５が平滑かつ連続な面となるように被膜１５に対して切削や研磨等を行えばよい。

そして、上記第１実施形態において、図４に示されるように、被膜１５のうちのダイヤフラム１３と反対側の部分は、平坦な面とされていればダイヤフラム１３と平行な面とされていなくてもよい。なお、図４では、被膜１５の膜厚が紙面左側から右側に向かうにつれて厚くなっている。

１０ ステム
１１ 中空部
１２ 開口部
１３ ダイヤフラム
２０ センサチップ
３０ 接合部材

Claims (7)

1. 中空部（１１）を有すると共に一端が開口部（１２）とされた有底筒状であり、他端に前記中空部に導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム（１３）を有するステム（１０）と、
   前記ダイヤフラムのうちの前記中空部側と反対側の部分に搭載され、前記ダイヤフラムの変形に応じてセンサ信号を出力するセンサチップ（２０）と、
   前記ステムと前記センサチップとの間に配置された接合部材（３０）と、を備え、
   前記ステムは、前記ダイヤフラムのうちの前記中空部側と反対側の部分に形成された被膜（１５）を有し、
   前記被膜は、前記ダイヤフラム側と反対側の部分が平滑かつ連続な面とされ、
   前記接合部材は、前記被膜と化学結合によって接合されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ステムは、ステンレス鋼で構成され、
   前記被膜は、酸化クロム膜であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ステムは、ＳＵＳ４３０であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記ステムは、ＳＵＳ６３０であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記ステムは、ＳＵＳ３０４であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
6. 前記ダイヤフラムは、前記中空部側と反対側の部分が平坦な面とされ、
   前記被膜は、前記ダイヤフラム側と反対側の部分が当該ダイヤフラムのうちの前記中空部側と反対側の面と平行な面とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記接合部材は、鉛を含有するガラスであ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。
   
   

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