JP2016212015A - 圧力検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力センサを覆う封止材層が内燃機関の振動に共振しにくくなり、且つ低温環境下でも検出値の変動を抑制できる圧力検知装置を提供する。
【解決手段】 センサ収納凹部５ｂの底部に圧力センサ１０が固定されている。センサ収納凹部５ｂの内部には、圧力センサ１０の感知部１０ａに接触する第１の封止材１５と、第２の封止材１６を覆う第２の封止材１６が設けられている。第１の封止材１５は弾性率が低いゲル材であり、第２の封止材１６は弾性率の高いゴム材である。２つの封止材を組み合わせることで、封止材層１４全体の共振周波数を高くでき、内燃機関の振動に共振しにくくなる。また、低温で弾性率が変化しやすい第２の封止材１６が感知部１０ａに接触していないので、低温での検知出力の変動を抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸気圧や排気圧などを測定する圧力検知装置に関する。

特許文献１に圧力検知装置に関する発明が記載されている。
この圧力検知装置は、ケースの凹部の底部に半導体圧力センサチップおよび回路チップが収納されており、半導体圧力センサチップと回路チップとがボンディングワイヤで接続されている。

ケースの凹部内で半導体圧力センサチップが第１の封止材で固定されている。第１の封止材は、高弾性率を持つものでありフッ素系のゴム材料で形成されている。第１の封止材は半導体圧力センサチップの周囲に充填されている。

さらに、ケースの凹部内には、半導体圧力センサチップと回路チップを覆う第２の封止材が充填されている。第２の封止材は、半導体圧力センサチップと回路チップおよびボンディングワイヤへ応力を与えないように低弾性率を有するフッ素系のゲル材料やフロロシリコーンゲルで形成されている。

特開２００８−２７５３５７号公報

前記従来例では、半導体圧力センサチップを覆っている第２の封止材が低弾性率のゲル材料である。これは半導体圧力センサに対して、封止材が起因となる 応力を与えるのを抑制し、またボンディングワイヤに応力を与えるのを防止するためである。

しかし、ゲル材料は弾性係数が低いため固有値が低い欠点がある。ここでの固有値とは、凹部内に充填されているゲル材料が低次の各種モードで共振するときの固有振動数である。

圧力検知装置は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの吸気圧または排気を検出するために使用されるが、これらエンジンは比較的低い周波数の振動を発生し、その振動数は２０００Ｈｚ未満となるのが一般的である。凹部に充填されているゲル材料は固有値が低く共振周波数が１０００Ｈｚ前後であるため、ゲル材料がエンジンの振動に共振しやすい。ゲル材料の共振が発生すると、その力が半導体圧力センサチップに伝達され、半導体圧力センサチップの圧力検出値に誤差が生じることになる。また、凹部内でゲル材料が共振して大きく捩じれたりすることで、ゲル材料が凹部内から剥がれるなどの故障が生じることもある。

一方、半導体圧力センサチップを覆う封止材として弾性率が高いゴム材料を使用すると、凹部に充填されたゴム材料の前記固有値が高くなり、エンジンの振動に共振しにくくなる。しかし、ゴム材料は弾性率が温度により変動しやすく、低温になると弾性率が急に高くなる傾向がある。例えば、フッ素系ゴムはガラス転移点がほぼ−３０℃であり、温度が−２０℃ を下回ると弾性率が急に高くなる。そのため、フッ素系ゴムを封止材として使用した圧力検知装置を低温環境で使用すると、封止材から圧力センサチップに応力を与えることになり、圧力の検出値に変動が発生しやすくなる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、温度変化があっても検出値の変動が少なく、また封止材の固有値を低くでき、内燃機関などの振動に共振しにくい構造とした圧力検知装置を提供することを目的としている。

本発明は、ケースに形成された凹部に、圧力センサと、前記圧力センサを覆う封止材層とが収納されている圧力検知装置において、
前記封止材層は、その層の表面よりも前記圧力センサの感知部に接する部分の弾性率が低いことを特徴とするものである。

また本発明の圧力検知装置では、前記封止材層は、その層の表面の弾性率が、前記感知部に接する部分の弾性率の５０倍以上であることが好ましい。
また、前記封止材層の固有値が１０００Ｈｚ以上であることが好ましい。

本発明の圧力検知装置は、前記封止材層が、前記圧力センサの感知部に接する第１の封止材と、その上に重ねられた第２の封止材とから成り、前記第１の封止材よりも前記第２の封止材の弾性率が高いものとして構成できる。

本発明の圧力検知装置は、前記第２の封止材は、前記第１の封止材の表面を完全に覆って、前記第１の封止材の表面から前記凹部の内周にかけて充填されていることが好ましい。

また、前記第１の封止材と前記第２の封止材は同じ種類の樹脂材料で形成されていることが好ましい。

例えば、前記第１の封止材がゲル材であり、前記第２の封止材はゴム材である。
本発明の圧力検知装置は、内燃機関の吸気圧または排気圧を測定する箇所に設置されるのに適している。

本発明の圧力検知装置は、圧力センサを覆う封止材層における層の表面の弾性率を高くしておくことで、封止材層全体の弾性率を高くでき、各振動モードの固有振動数である固有値を高い領域に設定できる。そのため、内燃機関の振動に共振しにくくなり、封止材層の共振による検出値の誤差の発生や、共振による捩じれなどによる封止材層の剥がれなども防止できるようになる。

一方で、封止材層は圧力センサの感知部に接する部分の弾性率を低くしているため、低温環境下で封止材層から圧力センサの感知部に大きな圧力が作用することがなく、低温での検知出力の変動を抑制できるようになる。

本発明の実施の形態の圧力検知装置を示す外観斜視図、 図１の圧力検知装置をＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図、 比較例を示す図２と同じ断面図、 本発明の実施例と比較例での封止材の固有値を比較する線図、 本発明の実施例の圧力検知装置の検知出力の温度特性を示す線図、 比較例の圧力検知装置の検知出力の温度特性を示す線図、 第２の封止材の弾性率の温度特性を示す線図、

図１に本発明の実施の形態の圧力検知装置１が示されている。
この圧力検知装置１は、自動車や自動二輪車などに搭載されたガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関において、吸気圧の圧力を検知するために使用される。あるいは排気圧の圧力を検知するために使用される。

圧力検知装置１はケース２を有している。ケース２は、ＰＰＳ（ポリヘニレンスルフィド）などの熱可塑性樹脂を材料として射出成型にて全体が一体に形成されている。ケース２には、一部が端子部となる金属製のリードフレームが埋設されている。ケース２は、リードフレームが埋設されている部分を境として下側をケース下部３とし、上側をケース上部４として区分して説明する。

ケース上部４には、周壁４ａで囲まれた開口部４ｂが形成されており、この開口部４ｂが内燃機関の吸気管の内部空間に連通しており、または排気管の内部空間に連通している。

前記開口部４ｂの内部には、中間段差部４ｃと、この中間段差部４ｃからさらに窪むセンサ収納部５が形成されている。図２に示すように、センサ収納部５では、前記中間段差部４ｃよりも奥側に収納段差部５ａが形成され、この収納段差部５ａから下側へ向けてセンサ収納凹部５ｂが形成されている。センサ収納凹部５ｂの底部では、ケース下部３の上面に、実装底面５ｃと、実装底面５ｃを囲むように突出した突条部である堤部５ｄが一体に形成されている。

センサ収納凹部５ｂの底部には、堤部５ｄの外周面からセンサ収納凹部５ｂの内面 にかけて被覆層 ６が設けられている。被覆層６はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂材料が硬化した層である。被覆層６の内面６ａと、被覆層６が設けられていない上方に露出しているセンサ収納凹部５ｂの内面の双方によって、センサ収納凹部５ｂの内壁面が形成されている。

前記被覆層６は、合成樹脂製のケース２と、これに埋設されている金属製のリードフレームとの熱膨張係数差に伴う亀裂などを塞いで、センサ収納凹部５ｂに収納される第１の封止材１５となるゲル材に気泡が入り込まないようにするために形成されている。

前記実装底面５ｃに圧力センサ１０が実装されている。圧力センサ１０は圧力センサチップであり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造である。圧力センサ１０は、シリコン（Ｓｉ）基板が積層されたものであり、圧力で変形する撓み部と、撓み部の撓み量を検知するピエゾ 素子部などを有している。圧力センサ１０は、ダイボンディング樹脂１１によって前記実装底部５ｃに接着固定されている。圧力センサ１０は上面が圧力を検知する感知部１０ａであり、この感知部１０ａがセンサ収納凹部５ｂの内部空間に向けられている。

ケース２に埋設された前記リードフレームの一部が、ケース下部３とケース上部４との境界部に現れ、その一部でランド部が形成されている。圧力センサ１０の電極端子部と前記ランド部は、ボンディングワイヤ１２によって接続されている。

図１に示すように、ケース２には回路実装凹部４ｄが形成され、その内部に回路部として半導体素子 ７が収納されている。前記リードフレームの一部がケース２には外方へ突出する端子部８となっており、圧力センサ１０と半導体素子７は端子部８に導通している。

図２に示すように、センサ収納凹部５ｂの内部に、圧力センサ１０を覆う封止材層１４が設けられている。封止材層１４は、第１の封止材１５と第２の封止材１６とが重ねられて構成されている。センサ収納凹部５ｂの内部において、第１の封止材１５は、圧力センサ１０の感知部１０ａに接触するように充填されている。第２の封止材１６は感知部１０ａには接触せずに第１の封止材１５を覆っており、その表面はケース２の開口部４ｂ内に露出している。図２に示すように、第２の封止材１６は、第１の封止材１５の表面を完全に覆うことができるように 、第１の封止材１５の表面からセンサ収納凹部５ｂの内面の全周囲に接するように充填されている。

第１の封止材１５と第２の封止材１６は、耐熱性で耐薬品性の樹脂材料で形成されており、好ましくはフッ素系の 樹脂材料で形成されている。第１の封止材１５は弾性率が低く、第２の封止材１６は第１の封止材１５よりも弾性率が高い。第１の封止材１５がゲル材であり、弾性率は０．０２０ＭＰａ以下であり、好ましくは０．０１０ＭＰａ以下である。第２の封止材１６はゴム材であり、弾性率は１ＭＰａ以上である。第２の封止材１６の弾性率は、第１の封止材１５の弾性率の５０倍以上であることが好ましい。

この圧力検知装置１の封止材層１４は、弾性率の低い第１の封止材１５が弾性率の高い第２の封止材１６で覆われて構成されている。両封止材１５，１６は同じ種類のフッ素系樹脂材料で形成されているため、互いに親和性に優れており、両封止材１５，１６から成る封止材層１４は一体となって挙動しやすい。このときの封止材層１４の全体の弾性率は、第１の封止材１５の単体での弾性率よりも高くなる。よって封止材層１４の固有値の共振周波数を、通常は２０００Ｈｚ未満である内燃機関の周波数よりも高い領域に設定でき、内燃機関が振動しても封止材層１４が共振しにくくなる。 封止材層１４の共振を防止できるため検知すべき圧力が変動するのを防止でき、誤差の少ない圧力検知を実現できる。また封止材層１４が共振してセンサ収納凹部５ｂから剥がれるなどの現象が生じにくくなる。

この圧力検知装置１において、第１の封止材１５と第２の封止材１６との複合材である封止材層１４の弾性率を高めるためには、第２の封止材１６の体積が第１の封止材１５の体積よりも大きいことが好ましく、第２の封止材１６の体積は第１の封止材１５の体積の１．５倍以上であることが好ましい。

また、圧力センサ１０の感知部１０ａに接している第１の封止材１５はゲル材で弾性率が低いため、封止材層１４が変形しても感知部１０ａに応力が伝達されにくい。さらに、第２の封止材１６が感知部１０ａに直接に接触していないため、 低温において第２の封止材１６の弾性率が高くなっても、第２の封止材１６から感知部１０ａに応力が作用しにくくなり、圧力センサ１０の出力値に変動が生じにくい。

なお、センサ収納凹部５ｂの内部に封止材が３層またはそれ以上の層で充填されており、圧力センサ１０の感知部１０ａに接する層から、表面の層にかけて弾性率が段階的に高くなるように構成されていてもよい。

実施例の圧力検知装置１では、センサ収納凹部５ｂの縦方向（Ｙ方向）の開口幅寸法Ｌｙを５．２ｍｍ、横方向の開口幅寸法Ｌｘを２．３ｍｍ、収納段差部５ａから圧力センサ１０の感知部１０ａまでの深さ寸法Ｄを０．９５ｍｍとした。

感知部１０ａに接する第１の封止材１５は、フッ素系樹脂のゲル材であり、弾性率が０．００９ＭＰａ、密度が１７７０ｋｇ／ｍ^３であった。第２の封止材１６は、フッ素系樹脂のゴム材であり、弾性率が１．１００ＭＰａ、密度が１７７０ｋｇ／ｍ^３であった。

実施例では、センサ収納凹部５ｂに第１の封止材１５を０．４ｃｃ、第２の封止材１６を０．００４ｃｃ注入してそれぞれを架橋させた。

図３は比較例１の圧力検知装置１０１Ａと比較例２の圧力検知装置１０１Ｂの構造を示している。

センサ収納凹部５ｂの形状と寸法は実施例と同じである。比較例１は、センサ収納凹部５ｂに第１の封止材１５のみを０．４ｃｃ注入して架橋させたものである。比較例２は、センサ収納凹部５ｂに第２の封止材１６のみを０．４ｃｃ注入して架橋させたものである。

図４は、実施例および比較例１と比較例２の固有値を比較した線図である。固有値は、センサ収納凹部５ｂの内部の封止材の低次の共振モードをモード１からモード５まで想定し、その共振周波数をシミュレーションで求めたものである。

モード１は、センサ収納凹部５ｂ内に位置する封止材のＹ方向の両端部が、Ｙ方向に延びる中心軸回りに互いに逆向きに捩じられる振動モードである。モード２は、封止材をＹに二分する中心部がＺ方向へ往復移動する振動モードである。モード３は、センサ収納凹部５ｂのＹ方向に離れた２か所にＺ方向に延びる中心軸を設定したときに、封止材のＹ方向の両端部がそれぞれの中心軸を中心としてＸ−Ｙ平面内で互いに逆向きに往復回転する振動モードである。モード４は、封止材のＹ方向の両端部がＺ方向の同じ方向へ往復運動する振動モードである。モード５は、封止材のＹ方向の両端部がＺ方向の互いに逆方向へ往復運動する振動モードである。

図４の線図は、横軸にモード１ないしモード５の各モードが示され、縦軸に実施例および比較例１，２の固有値が示されている。弾性率の低いゲル材である第１の封止材１５のみを使用した比較例１は、各モードの共振周波数が１０００Ｈｚ未満の低い値になり、封止材が内燃機関の振動に共振しやすい。
比較例２は、各モードの共振周波数がきわめて高くなっている。

本発明の実施例は、封止材層１４が第１の封止材１５と第２の封止材１６の組み合わせで構成されているため、各モードの共振周波数を２０００Ｈｚ以上の高い領域に設定できる。その結果、封止材層１４が内燃機関の振動に共振しにくくなる。

図５と図６は、前記実施例と比較例２における検知出力の温度特性を比較している。
図５は、実施例の圧力検知装置１を１２０℃、２５℃、−３０℃の環境下で動作させた結果を示しており、横軸が圧力検知装置１に与えられた圧力であり、縦軸が出力電圧である。図６は、第２の封止材１６のみを使用した比較例２の圧力検知装置１０１Ｂを１２０℃、２５℃、−３０℃の環境下で動作させた結果を示しており、横軸が圧力検知装置１０１Ｂに与えられた圧力であり、縦軸が出力電圧である。

図５に示す実施例では、大きな温度変化があっても出力電圧に目立つような変動が生じていないが、図６に示す比較例２では、特に−３０℃において出力電圧が大きく変動している。図７は、横軸に温度を、縦軸に第２の封止材１６の弾性率の変化を示している。この線図から解るように、ゴム材である第２の封止材１６は、ガラス転移点が−３０℃付近になり、温度がマイナスになると弾性率が急激に上昇する。その結果、図６に示すように、低温環境下において圧力センサ１０の感知部１０ａに応力が作用するようになり、圧力の検出値が変動する。

１ 圧力検知装置
２ ケース
３ ケース下部
４ ケース上部
５ｂ センサ収納凹部
１０ 圧力センサ
１０ａ 感知部
１４ 封止材層
１５ 第１の封止材
１６ 第２の封止材
１０１Ａ 比較例１の圧力検知装置
１０１Ｂ 比較例２の圧力検知装置

Claims (8)

1. ケースに形成された凹部に、圧力センサと、前記圧力センサを覆う封止材層とが収納されている圧力検知装置において、
   前記封止材層は、その層の表面よりも前記圧力センサの感知部に接する部分の弾性率が低いことを特徴とする圧力検知装置。
2. 前記封止材層は、その層の表面の弾性率が、前記感知部に接する部分の弾性率の５０倍以上である請求項１記載の圧力検知装置。
3. 前記封止材層の固有値が１０００Ｈｚ以上である請求項１または２記載の圧力検知装置。
4. 前記封止材層は、前記圧力センサの感知部に接する第１の封止材と、その上に重ねられた第２の封止材とから成り、前記第１の封止材よりも前記第２の封止材の弾性率が高い請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力検知装置。
5. 前記第２の封止材は、前記第１の封止材の表面を完全に覆って、前記第１の封止材の表面から前記凹部の内周にかけて充填されている請求項４記載の圧力検知装置。
6. 前記第１の封止材と前記第２の封止材は同じ種類の樹脂材料で形成されている請求項４または５記載の圧力検知装置。
7. 前記第１の封止材がゲル材であり、前記第２の封止材はゴム材である請求項４ないし６のいずれかに記載の圧力検知装置。
8. 内燃機関の吸気圧または排気圧を測定する箇所に設置される請求項１ないし７のいずれかに記載の圧力検知装置。