JP2024035707A - 圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラムの長寿命化および低コストで組み立てが可能な圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体圧力センサチップ１１を有する収容部１と、被圧力測定気体または被圧力測定液体を導く導入孔２３を有する被測定媒体導入部２と、収容部１と被測定媒体導入部２との間に挟みこまれたカートリッジ化ダイアフラム１３ａと、を備える。カートリッジ化ダイアフラム１３ａは、収容部１側の環状の上部リング７０と、被測定媒体導入部２側の環状の下部リング７１とで、ダイアフラム１３を挟み込み、溶接で一体化したものである。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法に関する。

従来、自動車や産業機器には多数の物理量センサが用いられている。物理量センサには圧力センサや加速度センサなどがあり、高温多湿の厳しい環境で使用されることが多い。物理量センサ装置では、凹部にセンサエレメントが配置されるナット部（収納箱）およびネジ部と、センサエレメントの信号を外部に伝達するためのインタフェースとなるソケット部と、によってパッケージが構成される技術が提案されている。また、ソケット部が、インナーハウジング部とソケットハウジング部との２つに分離する構成が提案されている。例えば、特許文献１で提案されている技術では、インナーハウジング部の貫通孔に上方から所定の入射角でレーザー光を照射し、第１リードピンの上端部とコネクタピンの一方の端部とを溶接することで、簡易に組み立てることができる。また、特許文献２で提案されている技術では、リードピンを収容するインナーハウジング部の一部の穴の形状を、穴の対辺の長さが当該穴に収容されるリードピンの径よりも短くすることで、センサエレメントからのインナーハウジング部の浮き上がりによる隙間の発生を抑制することができる。

また、ベースを形成するセラミックスの線膨張係数をΔ１（１０^-6／Ｋ）とし、リング部材を形成する金属の線膨張係数をΔ２（１０^-6／Ｋ）としたときに、０．７×Δ２≦Δ１を満たすことで、ベースをセラミックス製とした場合でも、気密性が高く接合欠陥を抑制できる圧力センサが公知である（例えば、特許文献３参照）。

また、環状のリング部材と、リング部材に対向する受け部材と、リング部材及び受け部材の間に挟まれたダイアフラムと、からなる受圧構造体と、リング部材に接合されて、ダイアフラムとの間に受圧空間を形成するセラミックス製のベースと、ベースの受圧空間側に取り付けられた半導体型圧力検出装置を備え、突発的な高電圧の印加においても半導体型圧力検出装置の検出精度の低下を防止することができる圧力検出ユニットが公知である（例えば、特許文献４参照）。

特開２０１７－０３７０３９号公報 特開２０１８－１３６２７７号公報 特開２０２０－００８３０６号公報 特開２０１７－１４６１３６号公報

本発明は、ダイアフラムの長寿命化および低コストで組み立てが可能な圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するため、本発明にかかる圧力センサ装置は、半導体圧力センサチップを有する収容部と、被圧力測定気体または被圧力測定液体を導く導入孔を有する被測定媒体導入部と、前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に挟みこまれたカートリッジ化ダイアフラムと、を備える。前記カートリッジ化ダイアフラムは、前記収容部側の環状の上部リングと、前記被測定媒体導入部側の環状の下部リングとで、薄い金属板であるダイアフラムを挟み込み、溶接で一体化したものである。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記収容部と、前記被測定媒体導入部と、前記カートリッジ化ダイアフラムとは、溶接で一体化されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部リングと前記下部リングとは、同一材料、同一寸法で形成されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部リングは、前記上部リングの軸に垂直な方向に突出した上部突出部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部突出部に、前記収容部側に突出したチップ側突出部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部リングの軸方向において、前記上部突出部と前記半導体圧力センサチップが少なくとも一部で重なることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部突出部は、平板形状であり、少なくとも１つ上部圧力導入伝達穴が設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部圧力導入伝達穴は、前記軸の方向において前記半導体圧力センサチップと重ならない位置に設けることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記下部リングは、前記下部リングの軸に垂直な方向に突出した下部突出部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記下部突出部は、平板形状であり、少なくとも１つ下部圧力導入伝達穴が設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記下部圧力導入伝達穴は、前記軸の方向において前記半導体圧力センサチップと重ならない位置に設けることを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記下部リングは、前記下部リングの軸に垂直な方向に突出した下部突出部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置は、上述した発明において、前記上部リングと前記下部リングとは、同一材料、同一寸法で形成されていることを特徴とする。

本発明の目的を達成するため、本発明にかかる圧力センサ装置の製造方法は、まず、半導体圧力センサチップを有する収容部を形成する第１工程を行う。次に、被圧力測定気体または被圧力測定液体を導く導入孔を有する被測定媒体導入部を形成する第２工程を行う。次に、カートリッジ化ダイアフラムを形成する第３工程を行う。次に、前記収容部と前記カートリッジ化ダイアフラムとを接合する第４工程を行う。次に、前記被測定媒体導入部と前記カートリッジ化ダイアフラムとを接合する第５工程を行う。前記第３工程では、前記収容部側の環状の上部リングと、前記被測定媒体導入部側の環状の下部リングとで、ダイアフラムを挟み込み、溶接で一体化することで前記カートリッジ化ダイアフラムを形成する。

また、本発明にかかる圧力センサ装置の製造方法は、上述した発明において、前記第３工程の後、前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に前記カートリッジ化ダイアフラムを挟み込んだ後、前記第４工程および前記第５工程を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる圧力センサ装置の製造方法は、上述した発明において、前記第３工程の後、前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に前記カートリッジ化ダイアフラムを挟み込んだ後、前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に電流を流しプロジェクション溶接することにより、前記第４工程と前記第５工程とを同時に行うことを特徴とする。

本発明の圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法によれば、ダイアフラムの長寿命化および低コストで組み立てが可能になる。

実施の形態１にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置のリングの他の構造を示す断面図である。 図１Ａの圧力センサチップの構成を示す説明図である。 図１Ａの圧力センサチップの構成を示す説明図である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置のリングの溶接を示す説明図である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置の製造途中（組立途中）の状態を示す説明図（その１）である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置の製造途中（組立途中）の状態を示す説明図（その２）である。 実施の形態２にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置の高温時の状態を示す説明図である。 実施の形態１にかかる圧力センサ装置の温度とオイル圧との関係を示すグラフである。 実施の形態２にかかる圧力センサ装置の動作時の状態を示す説明図である。 実施の形態２にかかる圧力センサ装置の温度とオイル圧との関係を示すグラフである。 実施の形態２にかかる圧力センサ装置の温度とダイアフラム部応力との関係を示すグラフである。 実施の形態３にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。 実施の形態３にかかる圧力センサ装置の動作時の状態を示す説明図である。 実施の形態４にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。 実施の形態４にかかる圧力センサ装置の動作時の状態を示す説明図である。 従来の圧力センサ装置のネジ部とセンサエレメントの構成を示す断面図である。 収納箱と台座部との図１５の溶接部Ｓの正常時の拡大図である。 収納箱と台座部との図１５の溶接部Ｓの軸ずれ時の拡大図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態の説明において、他の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。また、以下に示す、実施の形態１～４は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。

（実施の形態１）
実施の形態１にかかる圧力センサ装置の構成について説明する。図１Ａは、実施の形態１にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図１Ａに示すように、圧力センサ装置１００は、センサエレメント（第１収容部、収容部）１、ネジ部（被測定媒体導入部）２、インナーハウジング部３およびソケットハウジング部（コネクタハウジング部）４を備える。本実施の形態１では、センサエレメント１の信号を外部に伝達するためのインタフェースとなるソケット部が、インナーハウジング部（第２収容部）３と、ソケットハウジング部４との２つに分離する構成とする。センサエレメント１は、収納箱１０、収納箱１０の凹部１０ａに収納された、圧力センサチップ（半導体チップ）１１、台座部材１２、ダイアフラム１３を備える。収納箱１０は、例えばステンレス鋼材（ＳＵＳ）などの金属でできている。

本発明は、ダイアフラム１３をカートリッジ式にした構造としている。本発明では、ダイアフラム１３を、センサエレメント１の収納箱１０とネジ部２の台座部２１とは異なる部材である、センサエレメント１側の環状の上部リング７０と、ネジ部２側の環状の下部リング７１とで挟み込み、この３部材をシーム溶接し一体化してカートリッジ化している。以下、上部リング７０と下部リング７１とでダイアフラム１３を挟んだ形状をカートリッジ化ダイアフラム１３ａと称する。さらに、カートリッジ化ダイアフラム１３ａを収納箱１０と台座部２１とで挟み込み、それぞれをシーム溶接する。シーム溶接した箇所が溶接部２２である。上部リング７０と下部リング７１の材質は溶接性を考慮して、被溶接物（収納箱１０と台座部２１）と同じ材料であることが好ましい。上部リング７０および下部リング７１は上から見た場合、環状の形状をしている。

上部リング７０と下部リング７１は、同一材料、同一寸法、同一工法によって製作されている。これにより、上部リング７０と下部リング７１での大きさのばらつきを低減することができる。また、ダイアフラム１３との組み合わせにおいても、治具を用いて、外形がほぼ一致した上部リング７０と下部リング７１を使用するため、同芯度が小さい組み立てが可能となり、上部リング７０および下部リング７１と、ダイアフラム１３との接触箇所の形状や位置などを安定させることができる。このため、ダイアフラム１３の変形時に発生する圧力のムラをなくし、圧力の均一化を図ることが可能になる。

さらに、上部リング７０と下部リング７１に対して、同一材料を使用することで、直接材のコストダウンが可能となる。さらに、同一材料を生産、使用することで、ダイアフラム１３の発生応力の均一化を図ることが可能になり、ダイアフラム１３の長寿命化、寿命の安定化が図れる。

ダイアフラム１３を、カートリッジ化することで、金属薄膜で構成されたダイアフラム１３を本組み立て工程で直接取り扱うことがなくなる。このため、後工程でのハンドリングによるダイアフラム１３の変形がなくなり、製造工程での良品率向上に寄与する。さらに、仕様要求が変化し、ダイアフラム１３の外形サイズの変更があっても、カートリッジ外形を変えないようにすればよく、組み立て工程を変更することなく、製作することが可能になる。

図１Ｂは、実施の形態１にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。上部リング７０および下部リング７１は同じ厚さｔであり、厚さｔは、製造時のレーザー光照射径または溶融幅をΦＬ（図３Ａ参照）とすると、ΦＬの２倍以上であることが好ましい（ｔ≧ΦＬ／２）。ΦＬは、例えば、３μｍ～６μｍである。また、上述したように上部リング７０および下部リング７１は、同一寸法である。つまり、上部リング７０の外径ΦＤ１、下部リング７１の外径ΦＤ２は、ΦＤ１＝ΦＤ２であり、上部リング７０の内径Φｄ１、下部リング７１の内径Φｄ２は、Φｄ１＝Φｄ２である。上部リング７０および下部リング７１は、ダイアフラム１３側に、フィレット形状（Ｒ形状）が形成され、上部リング７０の曲率半径Ｒ１、下部リング７１の曲率半径Ｒ２は、Ｒ１＝Ｒ２である。さらに、上部リング７０の外径ΦＤ１、下部リング７１の外径ΦＤ２は、ダイアフラム１３の径ΦＦとほぼ同じであり、ΦＤ１＝ΦＤ２≒ΦＦであることが好ましい。

また、図１Ｃは、実施の形態１にかかる圧力センサ装置のリングの他の構造を示す断面図である。上部リング７０の上面および下部リング７１の上面に突起７２を備えている。カートリッジ化ダイアフラム１３ａの収納箱１０と台座部２１への取り付けは、上部リング７０の上面および下部リング７１の上面に形成された突起７２を収納箱１０および台座部２１と接触させた状態でプロジェクション溶接を行うことで接合できる。プロジェクション溶接は、収納箱１０と台座部２１との間に電流を流すことにより突起７２を溶融して接合する。

ここで、図２Ａおよび図２Ｂを用いて、圧力センサチップ１１について説明する。図２Ａに示す断面は、図２Ｂに示すＱ－Ｑ’の位置の断面である。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、圧力センサチップ１１は、例えば、ダイアフラム１１ａと、４つのゲージ抵抗６３と、パッド部６５と、を有する。ダイアフラム１１ａは、半導体シリコンの第１の面６１から凹加工して形成された受圧部である。第１の面６１は、図１Ａでは上面である。このダイアフラム１１ａで圧力を受ける。４つのゲージ抵抗６３は、半導体シリコンの第２の面６２の、ダイアフラム１１ａの裏側に相当する箇所に形成されている。第２の面６２は、図１Ａでは下面である。４つのゲージ抵抗６３は、拡散抵抗よりなる。これらのゲージ抵抗６３は、圧力センサチップ１１に圧力が印加された際に第２の面６２に発生する歪みの量に比例して抵抗値が変化する。圧力センサチップ１１は他の半導体材料でできていてもよい。

また、圧力センサチップ１１には、ゲージ抵抗６３によって構成されるホイートストーンブリッジ回路などの圧力センサ素子や、制御回路が形成されている。制御回路は、第２の面６２の制御回路領域６４に形成される。制御回路とは、圧力センサ素子の出力信号を増幅する回路、感度を補正する回路、オフセットを補正する回路、感度およびオフセットの温度特性を補正する回路などである。また、圧力センサチップ１１には、サージ保護素子やフィルタ（図示省略）なども形成されている。パッド部６５は、圧力センサチップ１１の第２の面６２上に形成されている。パッド部６５に設けられた各電極は、それぞれ、ボンディングワイヤ１４により後述する各リードピン（第１端子）１５に接続されている。パッド部６５に設けられた各電極は、金属などの配線（図示省略）によって制御回路領域６４に形成された各制御回路に接続されている。すなわち、各リードピン１５は、ボンディングワイヤ１４およびパッド部６５に設けられた各電極を介して、制御回路領域６４に形成された各制御回路に接続されている。また、パッド部６５と制御回路領域６４は、第２の面６２のうち、ダイアフラム１１ａが設けられた領域以外の部分に配置される。また、パッド部６５は、制御回路領域６４の部分に配置されてもよい。

圧力センサチップ１１の第１の面６１は、収納箱１０の凹部１０ａの底面に台座部材１２を介して固着されている。台座部材１２は、特に限定しないが、例えばガラス材料、すなわちパイレックス（登録商標）ガラスやテンパックスガラスなどでできている。台座部材１２と圧力センサチップ１１とは、静電接合によって接合されている。台座部材１２と収納箱１０とは、接着剤（不図示）によって接着されている。リードピン１５は、センサエレメント１の信号を取り出すための端子ピンであり、複数配置される。

各リードピン１５は、それぞれ、収納箱１０の異なる貫通孔１０ｂを通って収納箱１０を貫通し、当該貫通孔１０ｂを塞ぐ例えばガラスなどの絶縁性部材１６により収納箱１０に固定されている。リードピン１５の一方の端部（以下、下端部とする）は、収納箱１０の凹部１０ａから下方（ネジ部２側）に突出し、圧力センサチップ１１の第２の面６２上のパッド部６５に設けられた各電極にボンディングワイヤ１４により接続されている。リードピン１５の他方の端部（以下、上端部とする）は、収納箱１０の凹部１０ａ側に対して反対側から上方（ソケットハウジング部４側）に突出している。収納箱１０の凹部１０ａ側に対して反対側には、凹み部２７が設けられている。凹み部２７は、絶縁性部材１６に応力が集中するのを抑制するために設けられている。

具体的には、複数のリードピン１５のうち、電源端子、グランド端子および出力端子である各リードピン（以下、第１リードピンとする）１５ａの下端部は、それぞれ、ボンディングワイヤ１４により圧力センサ素子の各電極に接続される。第１リードピン１５ａの上端部は、コネクタピン（第２端子）３１の貫通孔３ｂを貫通する。

一方、複数のリードピン１５のうち、特性調整・トリミングのための各リードピン（以下、第２リードピンとする）１５ｂの下端部は、それぞれボンディングワイヤ１４により所定の制御回路の各電極に接続される。第２リードピン１５ｂは、圧力センサ装置１００の組み立て途中に特性調整・トリミングを行うために用いられ、特性調整・トリミング後には用いられない。

ここで、縦方向とは、リードピン１５の軸方向である。横方向とは、リードピン１５の軸方向と直交する方向である。リードピン１５は、例えば４２アロイ（４２Ａｌｌｏｙ）や、ニッケル（Ｎｉ）を５０ｗｔ％程度含み、かつ残りの割合で鉄（Ｆｅ）を含む鉄ニッケル合金（５０Ｎｉ－Ｆｅ）などの金属でできている。

ネジ部２は、例えばＳＵＳなどの金属でできている。ネジ部２の中心には、縦方向に被圧力測定気体である空気や被圧力測定液体である油（オイル）等の被測定媒体が通る貫通孔（導入孔）２３が設けられている。ネジ部２の一方の開放端における貫通孔２３の開口部が圧力導入口２４である。ネジ部２の他方の開放端における貫通孔２３の開口部２５と収納箱１０の凹部１０ａとが対向するように、ネジ部２の他方の開放端に設けられた台座部２１上に、カートリッジ化ダイアフラム１３ａを挟んで収納箱１０が載置されている。ネジ部２の台座部２１、カートリッジ化ダイアフラム１３ａおよび収納箱１０の積層箇所の周囲は、レーザー溶接により接合されている。

ダイアフラム１３は、厚さ２５μｍ程度の波打った薄い金属板であり、例えばＳＵＳなどの金属でできている。ダイアフラム１３は、上部リング７０の開口部と下部リング７０の開口部を塞ぐように配置される。収納箱１０の凹部１０ａとダイアフラム１３とに囲まれた空間には、圧力センサチップ１１に圧力を伝達するシリコーンオイルなどの液体（圧力媒体）２０が充填されている。ネジ部２の台座部２１、ダイアフラム１３および収納箱１０の積層箇所（接合部）の周囲の符号２２は、ネジ部２の台座部２１と収納箱１０との溶接部である。符号２６は、オーリングである。

インナーハウジング部３は、コネクタピン３１と一体成形された樹脂部材であり、センサエレメント１の上方および周囲を囲む略凹部状をなす。具体的には、インナーハウジング部３は、収納箱１０の凹部１０ａ側に対して反対側の外周部に接着剤２８により接着されている。収納箱１０とインナーハウジング部３との接触面のほぼ全面に接着剤２８が介在する。インナーハウジング部３と収納箱１０との接着面の一方の面を凹凸が交互に繰り返し並んだ断面形状（例えばのこぎり刃のようなぎざぎざ）とし、当該接着面での接着剤の量を増やすことで、インナーハウジング部３と収納箱１０とを接着しやすくしてもよい。インナーハウジング部３の凹部３２は、第２リードピン１５ｂを収容可能な深さを有する。

インナーハウジング部３の、センサエレメント１の上方を覆う部分（以下、インナーハウジング部３の上部とする）３ａには、第１リードピン１５ａを貫通させるための貫通孔３ｂおよび、第２リードピン１５ｂが嵌め込まれる溝３ｆが設けられている。また、インナーハウジング部３の上部３ａには、コネクタピン３１が一体成形されている。コネクタピン３１は、圧力センサ装置１００と外部との信号のやり取りを行う信号端子である。コネクタピン３１の一方の端部は、インナーハウジング部３の貫通孔３ｂに接続する貫通孔を備える。コネクタピン３１の垂直部に設けられた凹部３１ａには、チップコンデンサ１８が接合部材１７によって取り付けられている。チップコンデンサ１８は、隣り合うコネクタピン３１間に取り付けられている。

第１リードピン１５ａの上端部とコネクタピン３１の一方の端部とは、組立て時に上方から所定の入射角（縦方向に対して３度程度傾いた角度）でレーザー光が照射される。このレーザー溶接により、第１リードピン１５ａの上端部は、コネクタピン３１の一方の端部に接合されている。コネクタピン３１は、例えば燐青銅（銅（Ｃｕ）に錫（Ｓｎ）を含む合金）、４２アロイや５０Ｎｉ－Ｆｅなどの金属でできており、レーザー光の照射によりコネクタピン３１とリードピン１５とが互いに溶け合うように接合される。

ソケットハウジング部４は、コネクタピン３１の垂直部を収容した、外部配線との接続部である。ソケットハウジング部４は、コネクタピン３１の垂直部の周囲を囲む例えば略筒状をなす。例えば、コネクタピン３１は、ソケットハウジング部４の底部４ｂの貫通孔４ｃを貫通して、ソケットハウジング部４に囲まれた空間４１に突出している。ソケットハウジング部４は、インナーハウジング部３の上部３ａの上面の外周部に接着剤（不図示）により接着されている。インナーハウジング部３とソケットハウジング部４との接触面のほぼ全面に接着剤が介在する。ソケットハウジング部４とインナーハウジング部３との接合面に、互いに嵌合する凹凸４ａ、３ｄが設けられていてもよい。

上述した構成の圧力センサ装置１００では、圧力導入口２４から圧力媒体が導入され、圧力センサチップ１１のダイアフラム１１ａで圧力を受けると、ダイアフラム１１ａが変形する。そして、ダイアフラム１１ａ上のゲージ抵抗値が変化し、それに応じた電圧信号が発生する。その電圧信号は、感度補正回路やオフセット補正回路や温度特性補正回路などの調整回路によって調整された信号が増幅回路により増幅され、圧力センサチップ１１から出力される。そして、その出力信号は、ボンディングワイヤ１４を介して第１リードピン１５ａに出力される。

次に、図３Ａは、カートリッジ化ダイアフラム１３ａの製造方法を示す。ダイアフラム１３を両面から環状の金属でできた上部リング７０と下部リング７１とで挟み込み、その合わせめとなる部分をレーザー光５３等のエネルギーにて全周を溶接する。これにより、カートリッジ化ダイアフラム１３ａが完成する。図３Ａにおいて、溶融箇所を符号７３で示し、ΦＬは、製造時のレーザー光照射径または溶融幅である。

次に、図３Ｂに示すように、ネジ部２の台座部２１上に、カートリッジ化ダイアフラム１３ａを挟んで、凹部１０ａ側が下（ネジ部２側）になるように圧力センサチップ１１を収納した収納箱１０を載置し、これらの部材の積層部分を例えばレーザーシーム溶接やプロジェクション溶接により接合する。この構造とすることにより、カートリッジ化ダイアフラム１３ａの組み立て工程と、その後のカートリッジ化ダイアフラム１３ａの本体への取り付け工程に分けられることにより、組み立て精度の向上が図られ、さらに、専業化することでコストダウンすることが可能になる。

次に、図４に示すように、インナーハウジング部３およびソケットハウジング部４を接合して、圧力センサ装置１００を完成する。

（比較例）
図１５は、比較例の圧力センサ装置のネジ部とセンサエレメントの構成を示す断面図である。圧力センサ装置２００は、圧力を導入する部品であるネジ部１０２と圧力センサチップ１１１を格納したステム（センサエレメント１０１）の間に挟みこまれたダイアフラム１１３からなる構成を有する。圧力センサ装置２００は、それぞれの部材をシーム溶接にて一体化させ、センサエレメント１０１とダイアフラム１１３にて形成される空間にシリコーンオイル等の液体１２０を密閉封止した構造である。この構成では、ネジ部１０２の圧力導入穴１２４から侵入した圧力媒体がダイアフラム１１３を押し、ダイアフラム１１３の弾性変形により密封された液体１２０へ圧力を伝達する。液体１２０は収納箱１１０の空間に配置された圧力センサチップ１１１へ圧力を伝達し、電気信号へ変換することで圧力を検出する。

電気信号は、圧力センサチップ１１１に接続されたボンディングワイヤ１１４を経由して、リードピン１１５で外部に取り出される。センサエレメント１０１とネジ部１０２は、センサエレメント１０１の収納箱１１０とネジ部１０２の台座部１２１を溶接部１２２でシーム溶接されている。

ダイアフラム１１３は、先に述べた機能の他、外部からの熱によって膨張収縮をする液体１２０の体積変化を吸収する役割を持つ。しかし、ダイアフラム１１３は弾性体であることから一定のばね定数を保有する。このため、液体１２０の膨張収縮の変化と同時に液体１２０の圧力変化を伴うこととなる。

これらの圧力変化によるダイアフラム１１３へのストレスや、液体１２０の熱膨張収縮による体積変化は、ダイアフラム１１３に形成された波型によってダイアフラム１１３が変形することによって吸収している。また、内部の液体１２０の熱膨張収縮による体積変化は、液体１２０の体積、すなわち内部容積に依存している。

このダイアフラム１１３の弾性変形は、センサエレメント１０１の最小接触部位（収納箱１１０）とネジ部１０２の最小接触部位（台座部１２１）によって支えられている。この接触部分には最も大きな応力が働くため、ダイアフラム１１３が最も破壊しやすい最弱部位となる。このため、この部位にはフィレット形状（Ｒ形状）を形成し、応力の発生を低減している。

しかし、センサエレメント１０１とネジ部１０２とでは、その工法が全く違うため、この接触部位のＲ形状や寸法を全く同じにすることができない。さらに、それぞれの軸を合わせて３部材をシーム溶接するが、その際の各部材の外形バラツキや、組み合わせの軸ズレによってダイアフラム１１３がずれて溶接されやすい。図１６は、収納箱と台座部との図１５の溶接部Ｓの正常時の拡大図である。図１７は、収納箱と台座部との図１５の溶接部Ｓの軸ずれ時の拡大図である。

図１６の正常時には、ダイアフラム１１３に対する影響は少ないが、図１７のように、軸がずれたダイアフラム１１３が形成された場合、図１７の矢印で示すように圧力や体積変化によるダイアフラム１１３への応力の発生が不均一となり、ダイアフラム１１３の寿命を著しく低下させてしまう。

これに対し、本実施の形態１によれば、ダイアフラムは、センサエレメント側の環状の上部リングとネジ部側の環状の下部リングとで挟み込まれている。上部リングと下部リングは、同一材料、同一寸法、同一工法によって製作されている。これにより、上部リングおよび下部リングと、ダイアフラムとの接触箇所の形状や位置などを安定させることができる。このため、ダイアフラムの変形時に発生する圧力のムラをなくし、圧力の均一化を図ることが可能になり、ダイアフラムの長寿命化、寿命の安定化が図れる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる圧力センサ装置の構成について説明する。図５は、実施の形態２にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。実施の形態２でもダイアフラム１３は、上部リング７０と下部リング７１とに挟み込まれカートリッジ化されている。実施の形態２では、上部リング７０および下部リング７１に、上部リング７０および下部リング７１の軸に垂直な方向に突出した突出部７６が設けられている。突出部７６は、平板形状であり、中心に圧力導入、伝達穴７９が設けられており、上から見た場合、環状の形状である。

図６は、実施の形態１にかかる圧力センサ装置の高温時の状態を示す説明図である。圧力センサ装置１００は、封じ込めた液体２０の熱膨張収縮をダイアフラム１３のばね特性によって吸収しているが、熱膨張収縮で歪みが発生し、その歪みがダイアフラム１３の疲労寿命を左右してしまう。この歪みは、図６の点線の丸で囲まれた領域Ｓで最も大きくなる。さらに、体積変化を吸収するダイアフラム１３自体が非線形な弾性変形を生じることで、内圧変化も温度に比例しない非線形な状態をもたらすこととなり、センサ出力の温度に対する非直線性が悪化してしまう。

図７は、実施の形態１にかかる圧力センサ装置の温度とオイル圧との関係を示すグラフである。図７において、横軸は温度を示し、縦軸はオイル圧（内圧７５）を示す。内圧７５とは、液体２０の熱膨張によりダイアフラム１３にかかる圧力のことである。図７で、実線は、実施の形態１にかかる圧力センサ装置１００の内圧７５を示し、点線は、従来の圧力センサ装置２００の内圧を示す。実施の形態１では、上部リング７０を設けているため、収納箱１０の体積が増えている。このため、液体２０が多くなり、図７に示すように、実施の形態１では、温度が高くなると内圧７５の強さが従来より強くなり、その結果、ダイアフラム１３の歪みも大きくなる。

図８は、実施の形態２にかかる圧力センサ装置の動作時の状態を示す説明図である。実施の形態２では、上部リング７０および下部リング７１に、ダイアフラム１３と接触しない突出部７６を設けることで、設置した突出部７６の体積が本来液体２０が入るべき空間に存在するようになり、注入される液体２０の量を突出部７６の体積分低減することが可能となる。下部リング７１の突出部７６は、液体２０の量を低減する効果がないため、設けなくてもよいが、以下で説明する障壁の効果を有するため、設けることが好ましい。

図９は、実施の形態２にかかる圧力センサ装置の温度とオイル圧との関係を示すグラフである。図９において、横軸は温度を示し、縦軸はオイル圧（内圧７５）を示す。図９で、実線は、実施の形態１にかかる圧力センサ装置１００の内圧７５を示し、点線は、実施の形態２にかかる圧力センサ装置１００の内圧７５を示す。また、図１０は、実施の形態２にかかる圧力センサ装置の温度とダイアフラム部応力との関係を示すグラフである。図１０において、横軸は温度を示し、縦軸はダイアフラム１３にかかる応力を示す。図１０で、実線は、実施の形態１にかかる圧力センサ装置１００の応力を示し、点線は、実施の形態２にかかる圧力センサ装置１００の応力を示す。

図９および図１０に示すように、実施の形態２では、液体２０の量を少なくすることで、液体２０の熱膨張収縮量も低減され、ダイアフラム１３が吸収すべき体積増加も少なくて済む。この結果、液体２０による内圧７５が弱くなり、ダイアフラム１３の歪みも少なくなりダイアフラム１３に発生する応力も少なくなる。これらの効果として、ダイアフラム１３の寿命を向上させるとともに、センサ出力の温度に対する非直線性の影響も緩和できる。

さらに、実施の形態２では、下部リング７１に突出部７６を設けることで、測定媒体に混入した異物７７等が圧力７４の脈動によって侵入した場合でも、突出部７６が障壁となり、ダイアフラム１３に衝突することを減少させ、ダイアフラム１３の保護としても有効な効果をもたらす。

また、実施の形態２にかかる圧力センサ装置１００は、突出部７６が設けられた上部リング７０および突出部７６が設けられた下部リング７１を用いることで、実施の形態１にかかる圧力センサ装置１００と同様に製造することができる。

以上、説明したように、本実施の形態２によれば、上部リングおよび下部リングに、軸に垂直な方向に突出した突出部が設けられている。突出部により、液体量の低減が可能となり、ダイアフラムにかかる応力を低減し、ダイアフラムの長寿命化、非直線性を改善することができる。さらに、突出部は、ダイアフラムの保護としても有効な効果をもたらす。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる圧力センサ装置の構成について説明する。図１１は、実施の形態３にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。実施の形態３でも実施の形態２と同様に、上部リング７０および下部リング７１に、軸に垂直な方向に突出した突出部７６が設けられている。実施の形態３では、上部リング７０の突出部７６に圧力センサチップ１１側に突出したチップ側突出部７８が設けられている。チップ側突出部７８は、ダイアフラム１３と接触しないように、上部リング７０の突出部７６の圧力センサチップ１１側に設けられている。

図１２は、実施の形態３にかかる圧力センサ装置の動作時の状態を示す説明図である。実施の形態３では、上部リング７０の突出部７６にチップ側突出部７８を設けることで、設置したチップ側突出部７８の体積が本来液体２０が入るべき空間に存在するようになり、注入される液体２０の量をチップ側突出部７８の体積分低減することが可能となる。このため、実施の形態３では、実施の形態２よりも液体２０の量を低減することが可能になり、実施の形態２よりも、液体２０による内圧７５が弱くなり、ダイアフラム１３に発生する応力がより少なくなる。このため、ダイアフラム１３の寿命をさらに向上させるとともに、センサ出力の温度に対する非直線性の影響もさらに緩和することができる。

さらに、実施の形態３でも、実施の形態２と同様に、下部リング７１に突出部７６を設けることで、測定媒体に混入した異物７７等が圧力７４の脈動によって侵入した場合でも、突出部７６が障壁となる。これにより、ダイアフラム１３に衝突することを減少させ、ダイアフラム１３の保護としても有効な効果をもたらす。

また、実施の形態３にかかる圧力センサ装置１００は、突出部７６が設けられ、突出部７６にチップ側突出部７８が設けられた上部リング７０および突出部７６が設けられた下部リング７１を用いることで、実施の形態１にかかる圧力センサ装置１００と同様に製造することができる。

以上、説明したように、本実施の形態３によれば、上部リングの突出部にチップ側突出部が設けられている。チップ側突出部により、液体の量がさらに低減可能となり、ダイアフラムにかかる応力を実施の形態２よりも低減し、ダイアフラムの寿命をさらに向上させるとともに、センサ出力の温度に対する非直線性の影響もさらに緩和することができる。

なお、上部リング７０と下部リング７１とを同一材料、同一寸法で形成してもよい。この場合、下部リング７１にチップ側突出部７８が設けられる。下部リング７１に設けられるチップ側突出部７８は、圧力センサチップ１１側に突出する形状ではなく、導入孔２３側に突出する構成となる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる圧力センサ装置の構成について説明する。図１３は、実施の形態４にかかる圧力センサ装置のリング、ダイアフラムの詳細構造を示す断面図である。実施の形態４でも、実施の形態２と同様に、上部リング７０および下部リング７１に、軸に垂直な方向に突出した突出部７６が設けられている。実施の形態４では、圧力導入、伝達穴７９が１か所ではなく複数個所に設けられている。圧力導入、伝達穴７９は、軸の中心に設けられず、圧力導入、伝達穴７９の配置を変えることで外部からの異物衝突を効果的に保護することが可能となる。

図１４は、実施の形態４にかかる圧力センサ装置の動作時の状態を示す説明図である。実施の形態４でも、実施の形態２、３と同様に、上部リング７０の突出部７６および下部リング７１の突出部７６を設けることで、設置した突出部７６の体積が本来液体２０が入るべき空間に存在するようになり、注入される液体２０の量を突出部７６の体積分低減することが可能となる。このため、実施の形態４でも、実施の形態２と同様に液体２０の量を低減することが可能になり、液体２０による内圧７５が弱くなり、ダイアフラム１３に発生する応力が少なくなる。このため、ダイアフラム１３の寿命を向上させるとともに、センサ出力の温度に対する非直線性の影響もさらに緩和することができる。

さらに、実施の形態４では、圧力導入、伝達穴７９を複数個所に設け、軸の中心に設けられていない。これにより、測定媒体に混入した異物７７等が圧力７４の脈動によって垂直に侵入した場合でも、突出部７６が障壁となり、ダイアフラム１３に衝突することを減少させ、ダイアフラム１３の保護としても有効な効果をもたらす。

また、実施の形態４にかかる圧力センサ装置１００は、突出部７６が設けられ、突出部７６に複数の圧力導入、伝達穴７９を設けた上部リング７０および下部リング７１を用いることで、実施の形態１にかかる圧力センサ装置１００と同様に製造することができる。

以上、説明したように、本実施の形態４によれば、上部リングおよび下部リングに突出部が設けられている。突出部により、液体の量が低減可能となり、ダイアフラムにかかる応力を低減し、ダイアフラムの寿命を向上させるとともに、センサ出力の温度に対する非直線性の影響もさらに緩和することができる。また、圧力導入、伝達穴を複数個所に設け、軸の中心に設けられていない。これにより、測定媒体に混入した異物等が圧力の脈動によって垂直に侵入した場合でも、突出部が障壁となり、ダイアフラムに衝突することを減少させ、ダイアフラムの保護としても有効な効果をもたらす。また、実施の形態１～４がそれぞれ開示する構成を、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることができる。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。

以上のように、本発明にかかる圧力センサ装置および圧力センサ装置の製造方法は、収納箱の凹部側（ダイアフラム側）から圧力を印加するセンサチップを備えた圧力センサ装置に有用であり、特に圧力センサ装置に適している。

１ センサエレメント
２ ネジ部
３ インナーハウジング部
３ａ インナーハウジング部の上部
３ｂ インナーハウジング部の貫通孔
３ｄ インナーハウジング部の上部の外周部の凹凸
３ｆ インナーハウジング部の溝
４ ソケットハウジング部
４ａ ソケットハウジング部の下端部の凹凸
４ｂ ソケットハウジング部の底部
４ｃ ソケットハウジング部の底部の貫通孔
１０ 収納箱
１０ａ 収納箱の凹部
１０ｂ 収納箱の貫通孔
１１ 圧力センサチップ
１１ａ、１３ ダイアフラム
１２ 台座部材
１３ａ カートリッジ化ダイアフラム
１４ ボンディングワイヤ
１５、１５ａ、１５ｂ リードピン
１６ 絶縁性部材
１７ 接合部材
１８ チップコンデンサ
２０ 液体
２１ 台座部
２２ 溶接部
２３ ネジ部の貫通孔（導入孔）
２４ ネジ部の一方の開放端の圧力導入口
２５ ネジ部の他方の開放端の開口部
２６ オーリング
２７ 凹み部
２８ 接着剤
３１ コネクタピン
３１ａ コネクタピンの凹部
３２ インナーハウジング部の凹部
４１ ソケットハウジング部に囲まれた空間
５３ レーザー光
６１ 第１の面
６２ 第２の面
６３ ゲージ抵抗
６４ 制御回路領域
６５ パッド部
７０ 上部リング
７１ 下部リング
７２ 突起
７３ 溶融箇所
７４ 圧力
７５ 内圧
７６ 突出部
７７ 異物
７８ チップ側突出部
７９ 圧力伝達穴
１００ 圧力センサ装置

Claims (16)

1. 半導体圧力センサチップを有する収容部と、
   被圧力測定気体または被圧力測定液体を導く導入孔を有する被測定媒体導入部と、
   前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に挟みこまれたカートリッジ化ダイアフラムと、
   を備え、
   前記カートリッジ化ダイアフラムは、前記収容部側の環状の上部リングと、前記被測定媒体導入部側の環状の下部リングとで、ダイアフラムを挟み込み、溶接で一体化したものであることを特徴とする圧力センサ装置。
2. 前記収容部と、前記被測定媒体導入部と、前記カートリッジ化ダイアフラムとは、溶接で一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
3. 前記上部リングと前記下部リングとは、同一材料、同一寸法で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
4. 前記上部リングは、前記上部リングの軸に垂直な方向に突出した上部突出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装置。
5. 前記上部突出部に、前記収容部側に突出したチップ側突出部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ装置。
6. 前記上部リングの軸方向において、前記上部突出部と前記半導体圧力センサチップが少なくとも一部で重なることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ装置。
7. 前記上部突出部は、平板形状であり、少なくとも１つ上部圧力導入伝達穴が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ装置。
8. 前記上部圧力導入伝達穴は、前記軸の方向において前記半導体圧力センサチップと重ならない位置に設けることを特徴とする請求項７に記載の圧力センサ装置。
9. 前記下部リングは、前記下部リングの軸に垂直な方向に突出した下部突出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装置。
10. 前記下部突出部は、平板形状であり、少なくとも１つ下部圧力導入伝達穴が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の圧力センサ装置。
11. 前記下部圧力導入伝達穴は、前記軸の方向において前記半導体圧力センサチップと重ならない位置に設けることを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ装置。
12. 前記下部リングは、前記下部リングの軸に垂直な方向に突出した下部突出部を有することを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ装置。
13. 前記上部リングと前記下部リングとは、同一材料、同一寸法で形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の圧力センサ装置。
14. 半導体圧力センサチップを有する収容部を形成する第１工程と、
    被圧力測定気体または被圧力測定液体を導く導入孔を有する被測定媒体導入部を形成する第２工程と、
    カートリッジ化ダイアフラムを形成する第３工程と、
    前記収容部と前記カートリッジ化ダイアフラムとを接合する第４工程と、
    前記被測定媒体導入部と前記カートリッジ化ダイアフラムとを接合する第５工程と、
    を含み、
    前記第３工程では、前記収容部側の環状の上部リングと、前記被測定媒体導入部側の環状の下部リングとで、ダイアフラムを挟み込み、溶接で一体化することで前記カートリッジ化ダイアフラムを形成することを特徴とする圧力センサ装置の製造方法。
15. 前記第３工程の後、前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に前記カートリッジ化ダイアフラムを挟み込んだ後、
    前記第４工程および前記第５工程を行うことを特徴とする請求項１４に記載の圧力センサ装置の製造方法。
16. 前記第３工程の後、前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に前記カートリッジ化ダイアフラムを挟み込んだ後、
    前記収容部と前記被測定媒体導入部との間に電流を流しプロジェクション溶接することにより、前記第４工程と前記第５工程とを同時に行うことを特徴とする請求項１４に記載の圧力センサ装置の製造方法。

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