JP2021043016A - 圧力センサ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化に適したセンサ素子を提供する。【解決手段】金属板と、前記金属板の一方の表面である第１表面に、前記第１表面が被覆される被覆領域と前記第１表面が露出する露出領域とを形成するように設けられる絶縁膜と、前記絶縁膜によって前記第１表面に対して絶縁されるように、前記絶縁膜に形成される圧力検出回路と、を有する圧力センサ素子。【選択図】図１
Description
本発明は、圧力検出回路を有する圧力センサ素子に関する。
圧力センサとして、ステムと呼ばれる有底筒状の金属部材の外底面に、絶縁膜を介して圧力検出回路を形成したものが知られている。このような圧力センサは、カシメ部材などを用いてステムを配管の端部に固定して使用され、高温高圧環境でも良好な耐久性を奏する（特許文献１等参照）。
しかしながら、有底筒状のステムを用いる従来の圧力センサは、ステムを高精度に形成できる寸法には限界があり、また、カシメ部材などを用いて固定する必要があるため、小型化の観点で課題を有している。
一方、ステムを用いない圧力センサ素子も提案されているが、このような圧力センサ素子も、外枠などの枠体を用いて金属基体を挟み込んで固定する必要があるため、固定部材を含めたセンサ全体のサイズについては、小型化の観点で課題を有している（特許文献２等参照）。
本発明は、このような実情に鑑みてなされ、小型化に適したセンサ素子を提供する。
上記目的を達成するために、本発明に係る圧力センサ素子は、
金属板と、
前記金属板の一方の表面である第１表面に、前記第１表面が被覆される被覆領域と前記第１表面が露出する露出領域とを形成するように設けられる絶縁膜と、
前記絶縁膜によって前記第１表面に対して絶縁されるように、前記絶縁膜に形成される圧力検出回路と、を有する。
金属板と、
前記金属板の一方の表面である第１表面に、前記第１表面が被覆される被覆領域と前記第１表面が露出する露出領域とを形成するように設けられる絶縁膜と、
前記絶縁膜によって前記第１表面に対して絶縁されるように、前記絶縁膜に形成される圧力検出回路と、を有する。
本発明に係る圧力センサ素子は、金属板に絶縁膜を形成し、その絶縁膜に圧力検出回路を形成するため、ステムを用いる場合に比べて、基材と検出回路とを含めた圧力センサ素子を小型化することができる。また、金属板の第１表面が露出する露出領域を設けることにより、このような圧力センサ素子では、金属板の第１表面から、金属板に対して、抵抗溶接などの通電加工を行うことが可能である。したがって、このような圧力センサ素子では、外枠などの枠体を用いなくても、溶接などにより容易にハウジングなどに固定することが可能であり、ユニット全体の形状を小型化することができる。
また、たとえば、前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面は、ハウジングに溶接される溶接部を有してもよい。
圧力センサは、溶接部によってハウジングに固定されるため、外枠などの部材により固定する従来の圧力センサ素子に比べて、小型化することができる。また、溶接による固定であるため、高温環境での耐久性も良好である。また、第２表面に溶接部があるため、金属板の外周に固定部材が配置されず、この点でも小型化に対して有利である。
また、たとえば、前記第１表面に直交する方向からみて、前記溶接部の少なくとも一部は、前記露出領域に重なることを特徴とする。
このような圧力センサ素子は、第２表面における溶接部の形成を、溶接部に近い第１表面に、通電加工のための電極を接触させて行うことができる。したがって、このような圧力センサ素子は、溶接部の形成精度が良好である。
また、たとえば、前記露出領域は、前記被覆領域において前記圧力検出回路が形成される部分を囲うように、周方向に連続していてもよい。
このような圧力センサ素子は、第２表面における溶接部の形成を、溶接部に近い第１表面に、通電加工のための電極を接触させて行うことができる。したがって、このような圧力センサ素子は、第２表面のうち、圧力検出回路が形成されている部分の第１表面の反対側に対応する受圧領域を囲うように、溶接部を精度よく形成することが可能である。
また、たとえば、前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、前記第１表面側へ凹むくぼみ部が形成されていてもよい。
このような圧力センサ素子は、センサの感度を高めることができる。
また、たとえば、前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、前記第１表面側とは反対側に突出する凸部が形成されていてもよく、
前記溶接部は、前記凸部に形成されていてもよい。
前記溶接部は、前記凸部に形成されていてもよい。
また、たとえば、前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、中央側から外周側へ向かって前記第１表面側へ傾斜する傾斜面が形成されていてもよく、
前記溶接部は、前記傾斜面に形成されていてもよい。
前記溶接部は、前記傾斜面に形成されていてもよい。
また、たとえば、本発明に係る圧力センサ素子は、前記金属板は中央側に比べて厚みの薄い外周縁部を含んでいてもよく、
前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、中央側から前記外周縁部にかけて段差状になっている段差部が形成されていてもよく、
前記溶接部は、前記段差部に形成されていてもよい。
前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、中央側から前記外周縁部にかけて段差状になっている段差部が形成されていてもよく、
前記溶接部は、前記段差部に形成されていてもよい。
このような圧力センサ素子は、溶接部を精度よく形成することができる。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ素子１０を含む圧力センサユニット６０の概略断面図である。圧力センサユニット６０は、圧力センサ素子１０の他に、ハウジング５０、プリント基板５２、コネクタ５４、カバー部材５５などを有する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサ素子１０を含む圧力センサユニット６０の概略断面図である。圧力センサユニット６０は、圧力センサ素子１０の他に、ハウジング５０、プリント基板５２、コネクタ５４、カバー部材５５などを有する。
図１に示すように、圧力センサ素子１０は、ハウジング５０の端面に固定されている。ハウジング５０は筒状であり、ハウジング５０の内部には流路５０ａが形成されている。流路５０ａは、測定対象である流体で満たされる圧力室に対して、気密に連通する。
ハウジング５０の材料としては、たとえばステンレスなどの金属材料や、炭化ケイ素のようなセラミックス、シリコンなどの半導体材料などが挙げられるが、特に限定されない。
図１に示すように、圧力センサ素子１０の金属板２０は、ハウジング５０の流路５０ａの端部を封止している。これにより、金属板２０の下面である第２表面２４には、流体からの圧力を受ける受圧領域２４ａが形成される。
ハウジング５０の端面には、プリント基板５２が固定されている。プリント基板５２は、圧力センサ素子１０の外周側に配置されている。プリント基板５２は、圧力センサ素子１０の圧力検出回路４０に対して、配線部５１を介して電気的に接続される。配線部５１は、ワイヤボンディング等により形成される。
ハウジング５０の端面には、圧力センサ素子１０およびプリント基板５２を覆うカバー部材５５が設けられている。圧力センサ素子１０は、ハウジング５０とカバー部材５５の間に形成された空間に収納される。
カバー部材５５には、圧力センサユニット６０を外部の制御部や電源などに対して接続するコネクタ５４が設けられている。圧力センサユニット６０に含まれる圧力センサ素子１０およびプリント基板５２には、コネクタ５４を介して電力や制御信号などが送られる。また、圧力センサ素子１０で検出した検出信号や、検出信号を用いてプリント基板５２で演算された信号は、コネクタ５４を介して外部に送られる。
なお、圧力センサユニット６０に含まれるハウジング５０、カバー部材５５およびコネクタ５４の形状は、図１に示すものには限定されず、圧力センサ素子１０の測定対象に応じて、適宜変更することができる。たとえば、圧力センサユニット６０に含まれるハウジング５０は、配管の一部を兼ねていてもよい。また、圧力センサユニット６０のプリント基板５２に、外部に接続するコネクタ部が形成されていてもよく、カバー部材５５が省略されていてもよい。
図２は、図１に示す圧力センサユニット６０に含まれる圧力センサ素子１０を上方から見た上面図であり、図３は、圧力センサ素子１０の概略断面図である。図３に示すように、圧力センサ素子１０は、金属板２０と、金属板２０の一方の表面である第１表面２２に設けられる絶縁膜３０と、絶縁膜３０の上に形成される圧力検出回路４０とを有する。
なお、圧力センサ素子１０の説明では、金属板２０、絶縁膜３０、圧力検出回路の積層方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な方向であって、互いに垂直な方向をＸ軸方向およびＹ軸方向として説明を行う。金属板２０の第１表面２２は、金属板２０の上面（Ｚ軸正方向側の面）に相当する。
図２および図３に示すように、金属板２０は、円板状の外形状を有しているが、金属板２０の形状はこれに限定されず、楕円板状、矩形板状その他の形状であってもよい。なお、金属板２０の形状の詳細については、後程述べる。
金属板２０の材質は、圧力に応じて適度な弾性変形を生じる材料であれば特に限定されないが、Ｆｅ、ニッケル、アルミニウムなどの単体金属や、これらを含むステンレス鋼、クロム鋼や炭素鋼などの鋼材、インバーやコバールなどのニッケル合金、などの合金が挙げられる。また、金属板２０は、好ましくは導電性材料で構成される。
図３に示すように、金属板２０の第１表面２２形成される絶縁膜３０は、第１表面２２の一部のみを覆っており、第１表面２２の全体を覆っていない。すなわち、金属板２０の第１表面２２には、絶縁膜３０によって被覆される被覆領域２２ａと、第１表面２２が露出する露出領域２２ｂとが形成されている。
図３に示すように、絶縁膜３０は、第１表面２２において中央２０ａに近い中央部分に設けられている。そのため、第１表面２２のうち中央部分が、絶縁膜３０の下にある被覆領域２２ａとなっている。
これに対して、図２および図３に示すように、絶縁膜３０から露出する露出領域２２ｂは、第１表面２２のうち、金属板２０の外周２０ｂに近い部分に形成されている。図２に示すように、圧力センサ素子１０の露出領域２２ｂは、被覆領域２２ａにおいて圧力検出回路４０が形成される部分を囲うように、周方向に連続している。
なお、露出領域２２ｂは、第１表面２２の外周２０ｂに沿って連続しており、被覆領域２２ａの全体を囲んでいてもよいが、これとは異なり、被覆領域２２ａの一部が、露出領域２２ｂの外に形成されていてもよい。また、露出領域２２ｂは、周方向に断続的に形成されていてもよい。
図３に示すように、圧力検出回路４０は、絶縁膜３０のＺ軸正方向側の面に形成される。したがって、圧力検出回路４０は、絶縁膜３０によって、第１表面２２に対して絶縁される。
図２に示すように、圧力検出回路４０は、金属板２０のひずみを検出するひずみゲージ４１や、図１に示すプリント基板５２への配線部５１が接続される電極部４２などを有する。圧力検出回路４０は、たとえば、金属板２０のひずみを抵抗変化などによって検出するホイートストンブリッジ回路などを有していてもよいが、圧力検出回路４０としては、これのみには限定されない。
絶縁膜３０の材質としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナなどがあげられるが、特に限定されない。絶縁膜３０は、たとえば、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法などにより、金属板２０の第１表面２２に形成される。また、絶縁膜３０を金属板２０の第１表面２２に形成する際に、露出領域２２ｂにマスクを施したり、あるいは、絶縁膜３０の形成後にその一部を除去したりすることにより、第１表面２２に被覆領域２２ａと露出領域２２ｂとを形成できる。
圧力検出回路４０は、たとえば、シリコンなどの半導体や、良導体の金属などによる機能膜に対して、レーザー加工や、スクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工を行うことにより形成される。検出回路を構成する機能膜は、第１表面２２に形成された絶縁膜３０の上に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法などにより形成される。機能膜から圧力検出回路４０を形成するパターニング法としては、半導体加工技術であるフォトパターニング法などを用いることができる。
図２および図３に示す圧力センサ素子１０は、図１に示すように、ハウジング５０の上端面５０ｂに固定される。図４は、圧力センサ素子１０をハウジング５０に固定する工程の一例を示したものである。図４に示すように、圧力センサ素子１０は、ハウジング５０に対して、抵抗溶接によって固定することができる。
図４に示すように、圧力センサ素子１０の第１表面２２には、金属板２０が露出する露出領域２２ｂが形成されている。また、金属板２０における第１表面２２とは反対側の表面である第２表面２４は、絶縁膜３０が形成されておらず、金属の表面が露出している。
圧力センサ素子１０をハウジング５０に固定する際、まず、圧力センサ素子１０の第２表面２４がハウジング５０の上端面５０ｂに接触するように、圧力センサ素子１０をハウジング５０に設置する。次に、圧力センサ素子１０における第１表面２２の露出領域２２ｂに抵抗溶接のための電極を接触させ、第２表面２４と上端面５０ｂとの間を通電させることにより、図４に示すように、第２表面２４と上端面５０ｂとが溶接により固定される。これにより、金属板２０の第２表面２４には、ハウジングに溶接される溶接部が形成される。
このように、圧力センサ素子１０の第１表面２２には、絶縁膜３０から露出する露出領域２２ｂが形成されているため、第１表面２２から電極を金属板２０に接触させることにより、第２表面２４とハウジング５０の上端面５０ｂとを、容易に抵抗溶接により固定することができる。
また、図４に示すように、第１表面２２に直交する方向（Ｚ軸正方向側）から見て、溶接部２４ｂの少なくとも一部は、露出領域２２ｂに重なっている。これにより、溶接部２４ｂを形成する部分の直上の第１表面２２に、電極７０を接触させて通電加工を行うことが可能である。
また、図２に示すように、露出領域２２ｂが第１表面２２において周方向に連続していることにより、第２表面２４に形成される溶接部２４ｂについても、第２表面２４および上端面５０ｂにおいて周方向に連続する形状に、容易に形成できる。すなわち、圧力センサ素子１０では、図４に示すように、金属板２０の第２表面２４とハウジング５０の上端面５０ｂとの隙間は、精度よく形成された溶接部２４ｂによって確実に封止される。
図１および図４に示すように、第２表面２４において溶接部２４ｂに囲まれる部分には、流路５０ａに対向しており測定対象である流体の圧力を受ける受圧領域２４ａが形成される。
上述したように、圧力センサ素子１０は、たとえば図４に示すように、抵抗溶接により金属板２０の第２表面２４をハウジング５０の上端面５０ｂに固定できるため、溶接速度が速く、溶接工程の自動化が容易である。また、圧力センサ素子１０は、固定のための治具を必要とせず、しかも、金属板２０の形状が単純である。したがって、圧力センサ素子１０は、小型化に適しており、かつ、生産性が良好である。
また、圧力センサ素子１０では、抵抗溶接を用いて金属板２０を固定することにより、他の溶接によって金属板２０を固定する場合に比べて、固定時の熱影響により金属板２０などに生じるひずみを抑制できる。なお、金属板２０とハウジング５０の上端面５０ｂとを固定する溶接部２４ｂは、抵抗溶接によって形成されたものに限定されない。たとえば、金属板２０は、電子ビーム溶接、超音波溶接、シーム溶接、摩擦溶接、レーザー溶接などにより形成された溶接部により、ハウジング５０に固定されていてもよい。
なお、溶接によって金属板２０をハウジング５０に対して固定する圧力センサ素子１０は、溶接前において若干の隙間が第２表面２４と上端面５０ｂの間に形成されていたとしても、その隙間は溶接部２４ｂによって封止される。したがって、このような観点からも、溶接部２４ｂを有する圧力センサ素子１０は、生産性が良好である。
第２実施形態
図５は、第２実施形態に係る圧力センサ素子１１０を上方から見た平面図である。第２実施形態に係る圧力センサ素子１１０は、絶縁膜１３０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子１１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図５は、第２実施形態に係る圧力センサ素子１１０を上方から見た平面図である。第２実施形態に係る圧力センサ素子１１０は、絶縁膜１３０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子１１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図５に示すように、圧力センサ素子１１０の絶縁膜１３０は、十字形状を有している。このように、絶縁膜１３０は、圧力検出回路４０を金属板２０に対して絶縁できれば足り、絶縁膜１３０の形状は、図２に示す絶縁膜３０のような円形形状に限定されない。
絶縁膜１３０の形状に対応して、金属板２０の第１表面１２２に形成される被覆領域１２２ａおよび露出領域１２２ｂの形状も変化する。第２実施形態に係る圧力センサ素子１１０も、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０と同様の効果を奏する。
第３実施形態
図６は、第３実施形態に係る圧力センサ素子２１０の概略断面図である。第３実施形態に係る圧力センサ素子２１０は、金属板２２０における第２表面２２４の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子２１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図６は、第３実施形態に係る圧力センサ素子２１０の概略断面図である。第３実施形態に係る圧力センサ素子２１０は、金属板２２０における第２表面２２４の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子２１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図６に示すように、圧力センサ素子２１０の金属板２２０における第２表面２２４には、第１表面２２側へ凹むくぼみ部２２４ｃが形成されている。くぼみ部２２４ｃは、中央２０ａへ向かって金属板２２０の厚みが薄くなる曲面形状を有している。
くぼみ部２２４ｃは、第２表面２２４のうちハウジング５０の流路５０ａに対向する受圧部（図１参照）に形成される。第２表面２２４におけるくぼみ部２２４ｃの外周には、ハウジング５０に溶接される溶接部を形成する平坦部分が形成されている。
図６に示す圧力センサ素子２１０の第２表面２２４にはくぼみ部２２４ｃが形成されており、受圧部における金属板２２０の厚みが薄い。したがって、圧力センサ素子２１０は、単位圧力変化に伴う金属板２２０のひずみを大きくし、センサの感度を高めることができる。
くぼみ部２２４ｃは、図６に示すような曲面で構成されていてもよいが、平坦な底面と、底面に対して傾斜する斜面もしくは底面に垂直な壁面とによって構成されていてもよい。そのほか、第３実施形態に係る圧力センサ素子２１０は、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０と同様の効果を奏する。
第４実施形態
図７は、第４実施形態に係る圧力センサ素子３１０の概略断面図である。第４実施形態に係る圧力センサ素子３１０は、金属板３２０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子３１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図７は、第４実施形態に係る圧力センサ素子３１０の概略断面図である。第４実施形態に係る圧力センサ素子３１０は、金属板３２０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子３１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図７に示すように、圧力センサ素子３１０の金属板３２０は、中央２０ａ側に比べて厚みの薄い外周縁部３２８を含む。金属板３２０の第２表面３２４には、中央２０ａ側の受圧領域２４ａから外周縁部３２８にかけて段差状になっている段差部３２４ｆが形成されている。圧力センサ素子３１０において、金属板３２０をハウジング５０に溶接する溶接部（図１参照）は、段差部３２４ｆに形成される。
このような圧力センサ素子３１０は、段差部３２４ｆが係合する段差部（不図示）が上端面５０ｂを有するハウジング５０（図１参照）に溶接することにより、精度よく確実に溶接部を形成することができる。そのほか、第４実施形態に係る圧力センサ素子３１０は、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０と同様の効果を奏する。
第５実施形態
図８は、第５実施形態に係る圧力センサ素子４１０の概略断面図である。第５実施形態に係る圧力センサ素子４１０は、金属板４２０における第２表面４２４の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子４１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図８は、第５実施形態に係る圧力センサ素子４１０の概略断面図である。第５実施形態に係る圧力センサ素子４１０は、金属板４２０における第２表面４２４の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子４１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図８に示すように、圧力センサ素子４１０の金属板４２０における第２表面４２４には、中央２０ａ側から外周２０ｂへ向かって、第１表面２２側（Ｚ軸正方向側）へ傾斜する傾斜面４２４ｅが形成されている。傾斜面４２４ｅは、第２表面４２４における中央２０ａ部分に配置される平坦な受圧領域２４ａを囲むように形成されている。また、傾斜面４２４ｅは、第２表面４２４の外周に沿ってリング状に連続している。圧力センサ素子４１０において、金属板４２０をハウジング５０に溶接する溶接部（図１参照）は、傾斜面４２４ｅに形成される。
このような圧力センサ素子４１０は、傾斜面４２４ｅがハウジング５０の上端面５０ａと流路５０ａとのコーナー（図１参照）に接触して溶接されることにより、精度よく確実に溶接部が形成される。そのほか、第５実施形態に係る圧力センサ素子４１０は、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０と同様の効果を奏する。
第６実施形態
図９は、第６実施形態に係る圧力センサ素子５１０の概略断面図である。第６実施形態に係る圧力センサ素子５１０は、金属板５２０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子５１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図９は、第６実施形態に係る圧力センサ素子５１０の概略断面図である。第６実施形態に係る圧力センサ素子５１０は、金属板５２０の形状が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ素子１０（図２参照）と同様である。圧力センサ素子５１０の説明では、圧力センサ素子１０との相違点のみ説明し、圧力センサ素子１０との共通点については、説明を省略する。
図９に示すように、圧力センサ素子５１０の金属板５２０における第２表面５２４には、第１表面５２２側とは反対側であるＺ軸負方向側に突出する凸部５２４ｄが形成されている。凸部５２４ｄは、第２表面５２４における中央２０ａ周辺に配置される平坦な受圧領域２４ａを囲むように形成されている。また、凸部５２４ｄは、第２表面５２４の外周２０ｂに沿ってリング状に連続している。圧力センサ素子５１０において、金属板５２０をハウジング５０に溶接する溶接部（図１参照）は、凸部５２４ｄに形成される。
このような圧力センサ素子５１０は、凸部５２４ｄがハウジング５０の上端面５０ｂ（図１参照）に接触して溶接されることにより、精度よく確実に溶接部が形成される。凸部５２４ｄは、たとえば、図３に示すような平板状の金属板２０をプレス加工して形成することができ、その場合、第１表面５２２には、第２表面５２４の凸部５２４ｄに対応する凹部５２２ｄが形成される。このような凹部５２２ｄは図４に示すような溶接用の電極７０を接触させるマーク又はガイドとして機能する。そのほか、第６実施形態に係る圧力センサ素子５１０は、第１実施形態に係る圧センサ素子１０と同様の効果を奏する。
実施例
以下、実施例を示して、本発明に係る圧力センサ素子についてさらに詳細に説明を行う。ただし、本発明はこれらの実施例のみには限定されない。
以下、実施例を示して、本発明に係る圧力センサ素子についてさらに詳細に説明を行う。ただし、本発明はこれらの実施例のみには限定されない。
図１０は、図３に示すような圧力センサ素子１０の金属板２０における第２表面２４対して、所定の圧力（３０ＭＰａ）を作用させた場合において、金属板２０に生じる最大応力の板厚Ｔ１依存性を計算したものである。
実施例では、金属板２０の直径Ｄ１（図３参照）は６ｍｍとし、力学モデルとしては両端固定モデルを使用した。また、板厚Ｔ１（図３参照）は、３．６〜１０ｍｍの間で変化させた。金属板２０の材質としてはＳＵＳ３１６Ｌを想定している。
計算結果である図１０からは、金属板２０の板厚を薄くするほど、金属板２０に生じる最大応力が大きくなることが理解できる。また、図１０からは、金属板２０の板厚Ｔ１を１ｍｍ以上とすることにより、金属板２０に生じる最大応力が、ＳＵＳ３１６Ｌの耐力である１７５ＭＰａ以下となることが理解できる。
図１１は、図３に示すような圧力センサ素子１０に対して所定の圧力を作用させた場合において、図２に示すひずみゲージ４１に生じる抵抗変化量の板厚Ｔ１依存性を計算したものである。
実施例に用いるひずみゲージ４１による圧力検出回路４０としては、初期抵抗１ＫΩのひずみゲージ４１に、４Ω以上の抵抗変化が発生した場合に、その抵抗変化を適切な精度で検出できる回路を想定した。また、板厚Ｔ１（図３参照）は、３．６〜１０ｍｍの間で変化させた。
計算結果である図１１からは、金属板２０の板厚Ｔ１を厚くするほど、抵抗変化量が小さくなることが理解できる。また、図１１からは、金属板２０の板厚Ｔ１を２ｍｍ以下とすることにより、金属板２０に生じた抵抗変化量が、想定した回路で適切に検出できる抵抗変化量である４Ω以上となることが理解できる。
図１０および図１１からは、図１に示す金属板２０の板厚Ｔ１を、１ｍｍ〜２ｍｍとすることにより、好適な耐久力および分解能を有する小型の圧力センサ素子１０を実現できることを理解できる。また、金属板２０をこのような厚みとすることにより、圧力センサ素子１０全体の厚みを、たとえば６ｍｍより薄くすることが可能である。このような圧力センサ素子１０は、標準的な規格の半導体工場のプロセスで製造可能であるため、生産性が良好である。
図１２は、図３に示すような圧力センサ素子１０に形成される絶縁膜３０の電気抵抗の膜厚依存性を計算したものである。絶縁膜３０の材質はＳｉＯ２、成膜方法としては気相法を想定した。図１２からは、絶縁膜３０の膜厚を４０００ｎｍとすることにより、絶縁膜３０の抵抗を、圧力検出回路４０を金属板２０に対して適切に絶縁することができる１ＧΩとすることができ、好ましい。なお、機能膜から形成される圧力検出回路４０の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．０５〜１μｍ程度である。
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０…圧力センサ素子
２０、２２０、４２０、５２０…金属板
２０ａ…中央
２０ｂ…外周
２２、１２２、５２２…第１表面
２２ａ、１２２ａ…被覆領域
２２ｂ、１２２ｂ…露出領域
２４、２２４、４２４、５２４…第２表面
２４ａ…受圧領域
２４ｂ…溶接部
３０、１３０…絶縁膜
４０…圧力検出回路
４１…ひずみゲージ
４２…電極部
５０…ハウジング
５０ａ…流路
５０ｂ…上端面
５１…配線部
５２…プリント基板
５４…コネクタ
５５…カバー部材
６０…圧力センサユニット
７０…溶接用電極
２２４ｃ…くぼみ部
３２４ｆ…段差部
３２８…外周縁部
４２４ｅ…傾斜面
５２２ｄ…凹部
５２４ｄ…凸部
２０、２２０、４２０、５２０…金属板
２０ａ…中央
２０ｂ…外周
２２、１２２、５２２…第１表面
２２ａ、１２２ａ…被覆領域
２２ｂ、１２２ｂ…露出領域
２４、２２４、４２４、５２４…第２表面
２４ａ…受圧領域
２４ｂ…溶接部
３０、１３０…絶縁膜
４０…圧力検出回路
４１…ひずみゲージ
４２…電極部
５０…ハウジング
５０ａ…流路
５０ｂ…上端面
５１…配線部
５２…プリント基板
５４…コネクタ
５５…カバー部材
６０…圧力センサユニット
７０…溶接用電極
２２４ｃ…くぼみ部
３２４ｆ…段差部
３２８…外周縁部
４２４ｅ…傾斜面
５２２ｄ…凹部
５２４ｄ…凸部
Claims (9)
- 金属板と、
前記金属板の一方の表面である第１表面に、前記第１表面が被覆される被覆領域と前記第１表面が露出する露出領域とを形成するように設けられる絶縁膜と、
前記絶縁膜によって前記第１表面に対して絶縁されるように、前記絶縁膜に形成される圧力検出回路と、を有する圧力センサ素子。 - 前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面は、ハウジングに溶接される溶接部を有する請求項１に記載の圧力センサ素子。
- 前記第１表面に直交する方向からみて、前記溶接部の少なくとも一部は、前記露出領域に重なることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ素子。
- 前記露出領域は、前記被覆領域において前記圧力検出回路が形成される部分を囲うように、周方向に連続していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の圧力センサ素子。
- 前記露出領域は、前記第１表面の外周に沿って連続していることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ素子。
- 前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、前記第１表面側へ凹むくぼみ部が形成されている請求項１から請求項５までのいずれかに記載の圧力センサ素子。
- 前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、前記第１表面側とは反対側に突出する凸部が形成されており、
前記溶接部は、前記凸部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ素子。 - 前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、中央側から外周側へ向かって前記第１表面側へ傾斜する傾斜面が形成されており、
前記溶接部は、前記傾斜面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ素子。 - 前記金属板は中央側に比べて厚みの薄い外周縁部を含み、
前記金属板における前記第１表面とは反対側の表面である第２表面には、中央側から前記外周縁部にかけて段差状になっている段差部が形成されており、
前記溶接部は、前記段差部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ素子。
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