JP2017036927A - 圧力センサ及び同圧力センサの組み付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステムに対する基板の位置ずれを抑えることのできる圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ１は、第１の貫通孔１０Ｄを有するステム１０と、第１の貫通孔１０Ｄに連通する第２の貫通孔２１Ａを有しており一端がステム１０に接合される台座２１と、台座２１の他端に設けられて第２の貫通孔２１Ａの一方の開口部を塞ぐとともに表面に電極を有する感圧素子２２と、ステム１０における台座２１の接合面から離間した位置に配設されて電極を有する基板３０と、を備えている。そして、この圧力センサ１は、感圧素子２２を保護するカバー部４１と基板３０をステム１０に固定する固定部として機能する脚４２とを有する素子カバー４０を備えており、台座２１の他端に設けられた感圧素子２２の電極と基板３０に設けられた電極とが導線５０で接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力センサ及び同圧力センサの組み付け方法に関する。

従来、特許文献１等に記載の圧力センサが知られている。この圧力センサは、貫通孔が形成されたステムと、ステムの貫通孔に連通する孔が形成されておりステムに接合された台座と、台座の上面に接合された感圧素子と、基板と、ステム及び基板の間に配設される中間体とを有している。感圧素子には、その感圧素子の変形度合いに応じて出力電圧が変化するブリッジ回路が設けられている。基板は中間体で保持されることによってステムから離間した位置に配設されており、これにより感圧素子と基板との高さが合致するようになっている。そして、ワイヤボンディングを行うことにより、基板に設けられた電極と感圧素子に設けられた電極とが導線によって電気的に接続されている。

こうした圧力センサでは、貫通孔を介して感圧素子に圧力が加わると、感圧素子が変形するため、感圧素子に加わった圧力の大きさに応じた電圧がブリッジ回路から出力される。

特開昭５９−１７４７２８号公報（第２図）

上記圧力センサを製造する際には、まず、感圧素子を備えた台座がステムに接合される。次に、ステムに中間体が載置されて、その中間体の上面に基板が載置される。次に、感圧素子と基板とを導線で繋ぐワイヤボンディングが行われる。また、ワイヤボンディングが完了すると、感圧素子や導線を保護するためのカバーが取り付けられる。

ここで、ステムに対して中間体や基板を順次組み付けていく過程では、ステムに対する中間体の位置ずれと、中間体に対する基板の位置ずれとが加わることにより、ステムに対する基板の位置ずれは大きくなりやすい。

なお、台座が接合されたステムに対して基板の位置ずれが大きくなると、例えば以下のような不都合が起きやすくなる。すなわち、ワイヤボンディングを行う際には、基板の電極を画像認識などで検出することが多いのであるが、ステムに対する基板の位置ずれが大きくなると、そうした電極の検出が困難になるおそれがある。また、ステムに対する基板の位置ずれが大きくなることにより、基板に設けられた電極と台座上の感圧素子に設けられた電極との間の距離が設計値よりも短くなると、それら電極を繋ぐワイヤの湾曲部における曲率半径が小さくなって曲げ応力が増大することにより、ワイヤに過度な負荷がかかるおそれもある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ステムに対する基板の位置ずれを抑えることのできる圧力センサ及び同圧力センサの組み付け方法を提供することにある。

上記課題を解決する圧力センサは、第１の貫通孔を有するステムと、前記第１の貫通孔に連通する第２の貫通孔を有しており一端が前記ステムに接合された台座と、前記台座の他端に設けられて前記第２の貫通孔の一方の開口部を塞ぐとともに表面に電極を有する感圧素子と、前記ステムにおける前記台座の接合面から離間した位置に配設されて電極を有する基板とを備えている。そして、この圧力センサは、前記感圧素子を保護するカバー部と前記基板を前記ステムに固定する固定部とを有する素子カバーを備えており、前記台座の他端に設けられた前記感圧素子の前記電極と前記基板に設けられた前記電極とが導線で接続されている。

同構成によれば、素子カバーに設けられた固定部によって基板がステムに固定される。従って、基板を保持するための上記中間体が不要になる。そのため、上述したようなステムに対する中間体の位置ずれが発生しなくなり、ステムに対して基板の位置がずれてしまう原因の１つが無くなることになる。従って、同構成の圧力センサでは、従来のセンサと比べて、ステムに対する基板の位置ずれを抑えることができる。なお、上記中間体が不要になるため、圧力センサを構成する部品点数を減らすことも可能になる。

また、上記圧力センサにおいて、前記固定部は、前記基板と前記ステムとを互いに離間させている、という構成を採用することができる。
また、上記圧力センサにおいて、前記固定部は前記カバー部から延伸する脚で構成されており、前記基板には前記脚が貫通する貫通孔が設けられており、前記ステムには前記脚の先端が挿入される挿入穴が設けられていることが好ましい。

同構成によれば、カバー部から延伸する上記脚を基板の貫通孔に固定するとともに、上記脚の先端をステムの挿入穴に固定することにより、基板をステムに固定することができるようになる。なお、基板の貫通孔と脚とを固定する方法や、ステムの挿入穴と脚とを固定する方法は、例えば圧入や接着などが挙げられる。

また、上記圧力センサの組み付け方法は、前記感圧素子が接合された前記台座の一端に前記ステムを接合する工程と、前記基板を載せる台として機能する治具を前記台座の接合された前記ステムの面にセットする工程と、前記治具に前記基板３０を載せる工程と、前記治具に載せられた前記基板の前記電極と前記感圧素子の前記電極とを前記導線で接続する工程と、前記基板に前記素子カバーを組み付けて前記固定部に前記基板を固定するとともに前記固定部を前記ステムに固定する工程と、前記治具を前記ステムから取り外す工程と、を含む。

同方法によれば、上記治具を用いることにより、ステムから離間した位置に配設された基板を有する上記圧力センサを好適に組み付けることができる。

本発明の圧力センサでは、ステムに対する基板の位置ずれを抑えることができる。

一実施形態における圧力センサの分解斜視図。 圧力センサの断面図。 組み付け工程における圧力センサの断面図。 組み付け工程における圧力センサの断面図。 圧力センサの組み付け時に使用する治具の斜視図。 組み付け工程における圧力センサの断面図。 組み付け工程における圧力センサの断面図。 組み付け工程における圧力センサの断面図。 組み付け工程における圧力センサの断面図。

以下、圧力センサの一実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、圧力センサ１は、コバール製のステム１０、ガラス製の台座２１、半導体で構成される感圧素子２２、表面に銅箔がプリントされた基板３０、及び樹脂製の素子カバー４０にて構成されている。

ステム１０は、上下方向に延びる円筒軸１０Ｂと円筒軸１０Ｂの上部に設けられたフランジ１０Ａとを有している。また、ステム１０には、円筒軸１０Ｂの下底面とフランジ１０Ａの上面との間を貫通する円筒状の第１の貫通孔１０Ｄが形成されている（図２参照）。そして、フランジ１０Ａの上面にあってその外周近傍には、４つの挿入穴１０Ｃが形成されている。

台座２１は直方体であって、その上下両面間を貫通する円筒状の第２の貫通孔２１Ａが形成されている（図２参照）。第２の貫通孔２１Ａの内径は、第１の貫通孔１０Ｄの内径よりもやや小さくされている。なお、第２の貫通孔２１Ａの内径と第１の貫通孔１０Ｄの内径とを等しくしたり、第２の貫通孔２１Ａの内径を第１の貫通孔１０Ｄの内径よりも大きくしてもよい。そして、台座２１は、第２の貫通孔２１Ａの中心軸と第１の貫通孔１０Ｄの中心軸とが一致するようにしてフランジ１０Ａの上面に接合されている。

図１に示すように、感圧素子２２は、台座２１の上面と等しい大きさの正方形とされている。感圧素子２２は、その各辺が台座２１の上面の各辺と一致するように、台座２１の上面に接合されており、第２の貫通孔２１Ａにおける一方の開口部を塞いでいる（図２参照）。感圧素子２２の上面には、図示しない４つの半導体ひずみゲージや電極などが設けられている。４つの半導体ひずみゲージは、ホイートストーンブリッジ（以下、ブリッジ回路という）を形成するように結線されている。従って、感圧素子２２の変形に伴って４つの半導体ひずみゲージが変形すると、各半導体ひずみゲージの抵抗が変化し、ブリッジ回路から出力される電圧が変化する。

基板３０は略円盤状であって、その中心部には正方形の角孔３０Ａが形成されている。角孔３０Ａの１辺の長さは、感圧素子２２の１辺の長さよりもやや長くされている。また、基板３０において角孔３０Ａの外側には、４つの貫通孔３０Ｂが設けられている。そして、基板３０の上面には、電極や配線等が銅箔によって形成されている。そして、ワイヤボンディングを行うことにより、基板３０に形成された電極と感圧素子２２に設けられた電極とは導線５０によって電気的に接続されている（図２参照）。

素子カバー４０は、感圧素子２２や導線５０の上方を覆うことによりそれら感圧素子２２や導線５０を保護するカバー部４１と、基板３０をステム１０に固定する固定部として機能する４つの脚４２を有している。カバー部４１は、断面が略門型形状をなしている（図２参照）。なお、カバー部４１で少なくとも感圧素子２２を保護するようにしてもよい。

脚４２は、カバー部４１からステム１０側に向かって延伸する棒状の脚部４２Ａと、脚部４２Ａの先端に形成されており直径が脚部４２Ａよりもやや短い縮径部４２Ｂとで構成されている。脚部４２Ａは、基板３０の貫通孔３０Ｂを貫通した状態で同貫通孔３０Ｂに固定されている。

図２に示すように、脚部４２Ａに対する基板３０の固定位置は、基板３０がフランジ１０Ａの上面から離間した位置となるように設定されている。より詳細には、基板３０の上面の高さが感圧素子２２の上面の高さと合致する位置に設定されており、台座２１の上面に設けられた感圧素子２２の電極と基板３０の電極とを導線５０で繋ぐワイヤボンディングを適切に行うことが可能となっている。

縮径部４２Ｂは、ステム１０のフランジ１０Ａに設けられた上記挿入穴１０Ｃに挿入された状態で同挿入穴１０Ｃに固定されている。なお、本実施形態では、脚部４２Ａ及び貫通孔３０Ｂの固定や、縮径部４２Ｂ及び挿入穴１０Ｃの固定を圧入にて行うようにしているが、他の方法（例えば接着など）で行ってもよい。

上記態様にて構成される圧力センサ１では、第１の貫通孔１０Ｄ及び第２の貫通孔２１Ａを介して流体（液体や気体）の圧力が感圧素子２２に加わると、感圧素子２２が変形するため、感圧素子２２に加わった圧力の大きさに応じた電圧がブリッジ回路から出力される。そして、感圧素子２２に設けられたブリッジ回路の出力電圧は、導線５０及び基板３０等を介して圧力センサ１の外部に出力される。

次に、図３〜図９を参照して、上記圧力センサ１を組み付ける工程を順に説明する。
＜ステムと台座との接合工程＞
図３に示すように、感圧素子２２が接合された台座２１を用意する。そして、ステム１０に形成された第１の貫通孔１０Ｄの中心軸と台座２１に形成された第２の貫通孔２１Ａの中心軸とが一致するようにしてフランジ１０Ａの上面に台座２１を接合する。

＜治具のセット工程＞
図４に示すように、台座２１が接合されたフランジ１０Ａの上面に治具８０をセットする。この治具８０は、後述の「基板のセット工程」において、基板３０を載せる台として機能するものであり、この治具８０の厚さＨによって脚部４２Ａにおける基板３０の固定位置が決まる。

図５に示すように、治具８０は直方体であって、その中心部分には、四角形状の第１切り欠き部８０Ａが形成されており、治具のセット工程では、この第１切り欠き部８０Ａに台座２１が挿入される。また、第１切り欠き部８０Ａの両側には、長穴形状の第２切り欠き部８０Ｂが形成されており、後述の「素子カバーのセット工程」では、第２切り欠き部８０Ｂに脚４２が挿入される。なお、基板３０を載せる台として機能するものであれば、治具８０の形状は適宜変更することができる。

＜基板のセット工程＞
図６に示すように、基板３０の角孔３０Ａに感圧素子２２が入るように基板３０とステム１０との位置合わせを行ったうえで、治具８０の上面に基板３０を載せる。

＜ワイヤボンディング工程＞
図７に示すように、治具８０の上面に載せられた基板３０と感圧素子２２とを導線５０で電気的に接続するためのワイヤボンディングを行う。

＜素子カバーのセット工程＞
図８に示すように、基板３０の上面側から素子カバー４０を組み付ける。より具体的には、素子カバー４０に設けられた脚４２のそれぞれを、基板３０の貫通孔３０Ｂ及び治具８０の第２切り欠き部８０Ｂに挿入し、脚４２の縮径部４２Ｂをフランジ１０Ａの挿入穴１０Ｃに挿入する。これにより、脚４２の脚部４２Ａは基板３０の貫通孔３０Ｂに圧入固定されるとともに、脚４２の縮径部４２Ｂはフランジ１０Ａの挿入穴１０Ｃに圧入固定される。従って、素子カバー４０の各脚４２により、基板３０は、ステム１０における台座２１の接合面から離間した位置に配設された状態でステム１０に固定される。

＜治具の取り外し工程＞
図９に示すように、フランジ１０Ａの上面と平行な方向に治具８０を引き抜くことにより、治具８０を圧力センサ１から取り外す。これにより図１や図２に示した圧力センサ１の組み付けが完了する。

上記組み付け方法によれば、上記治具８０を用いることにより、ステム１０から離間した位置に配設された基板３０を備える上記圧力センサ１を好適に組み付けることができる。

以上説明した、本実施形態によれば、以下の作用効果が得られるようになる。
（１）感圧素子２２を保護するカバー部４１を有する素子カバー４０は、固定部として機能する脚４２を備えており、この脚４２によって基板３０がステム１０に固定される。従って、基板３０を保持するために従来のような中間体は不要になる。そのため、上述したようなステムに対する中間体の位置ずれは発生しなくなり、ステムに対して基板の位置がずれてしまう原因の１つが無くなることになる。従って、上記圧力センサ１では、従来のセンサと比べてステム１０に対する基板３０の位置ずれが抑えられるようになる。

（２）また、上記中間体が不要になるため、圧力センサ１を構成する部品点数を減らすことも可能になる。
（３）また、ステム１０に対する基板３０の位置ずれが抑えられるようになるため、圧力センサ１の組み付け時における不良率が低下する。そのため、圧力センサ１を構成する各部材（例えばステム１０など）の歩留まりが向上するようになる。

（４）基板３０をステム１０に固定する固定部として、カバー部４１から延伸する棒状の脚４２を形成するようにしている。また、基板３０には、脚４２が貫通する貫通孔３０Ｂを設けている。そして、ステム１０のフランジ１０Ａには、脚４２の先端部である縮径部４２Ｂが挿入される挿入穴１０Ｃを設けている。従って、カバー部４１から延伸する脚４２を基板３０の貫通孔３０Ｂに固定するとともに、脚４２の縮径部４２Ｂをステム１０に設けられた挿入穴１０Ｃに固定することにより、基板３０をステム１０に固定することが可能になる。

（５）基板３０とステム１０との互いの位置ずれ、及び基板３０と感圧素子２２との互いの位置ずれを抑制することができるため、それらの位置ずれに起因する導線５０の断線も抑制することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。
・脚４２を４本設けるようにしたが、脚４２の数は適宜変更することができる。
・脚４２は棒状に限定されない。例えば板状や壁状などでもよい。要は、基板３０とステム１０の二者を互いに離間させた状態で固定できる形状であればよい。

・脚４２に縮径部４２Ｂを設けるようにしたが、そうした縮径部４２Ｂを省略して脚部４２Ａを先端まで同一の直径にて形成するようにしてもよい。
・圧力センサ１を構成する各部材の材質は適宜変更することができる。

・ステム１０に基板３０を固定するために、素子カバー４０に上記脚４２を設け、基板３０に上記貫通孔３０Ｂを設け、ステム１０に上記挿入穴１０Ｃを設けるようにしたが、その他の構造で基板３０をステム１０に固定するようにしてもよい。少なくとも、ステム１０における台座２１の接合面から離間した位置に基板３０が配設される圧力センサにおいて、基板３０をステム１０に固定するための固定部を素子カバー４０に設けるようにすれば、上記（１）〜（３）に記載の作用効果を得ることができる。

１…圧力センサ、１０…ステム、１０Ａ…フランジ、１０Ｂ…円筒軸、１０Ｃ…挿入穴、１０Ｄ…第１の貫通孔、２１…台座、２１Ａ…第２の貫通孔、２２…感圧素子、３０…基板、３０Ａ…角孔、３０Ｂ…貫通孔、４０…素子カバー、４１…カバー部、４２…脚、４２Ａ…脚部、４２Ｂ…縮径部、５０…導線、８０…治具、８０Ａ…第１切り欠き部、８０Ｂ…第２切り欠き部。

Claims (4)

1. 第１の貫通孔を有するステムと、前記第１の貫通孔に連通する第２の貫通孔を有しており一端が前記ステムに接合された台座と、前記台座の他端に設けられて前記第２の貫通孔の一方の開口部を塞ぐとともに表面に電極を有する感圧素子と、前記ステムにおける前記台座の接合面から離間した位置に配設されて電極を有する基板と、を備える圧力センサであって、
   前記感圧素子を保護するカバー部と前記基板を前記ステムに固定する固定部とを有する素子カバーを備えており、前記台座の他端に設けられた前記感圧素子の前記電極と前記基板に設けられた前記電極とが導線で接続されている圧力センサ。
2. 前記固定部は、前記基板と前記ステムとを互いに離間させている
   請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記固定部は前記カバー部から延伸する脚で構成されており、
   前記基板には前記脚が貫通する貫通孔が設けられており、
   前記ステムには前記脚の先端が挿入される挿入穴が設けられている
   請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサの組み付け方法であって、
   前記感圧素子が接合された前記台座の一端に前記ステムを接合する工程と、
   前記基板を載せる台として機能する治具を前記台座の接合された前記ステムの面にセットする工程と、
   前記治具に前記基板３０を載せる工程と、
   前記治具に載せられた前記基板の前記電極と前記感圧素子の前記電極とを前記導線で接続する工程と、
   前記基板に前記素子カバーを組み付けて前記固定部に前記基板を固定するとともに前記固定部を前記ステムに固定する工程と、
   前記治具を前記ステムから取り外す工程と、を含む圧力センサの組み付け方法。