JP2671604B2 - 半導体式圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ダイヤフラムにより閉鎖された圧力検出室
内に液体を封入し、圧力検出室内に半導体圧力検出素子
を配設してなる液封式の半導体圧力センサに関する。

背景技術 従来、比較的高温或は高圧の被検出体の圧力を検出す
る圧力センサとして、金属ダイヤフラムで封止したシリ
コーンオイル等の液体中に、ピエゾ抵抗素子等の半導体
圧力検出素子を封入した液封式の圧力センサが、内燃機
関等で使用されている。

この種の液封式圧力センサでは、周囲温度の変化に伴
ない、封入された内部の液体の体積が変化し、液体の圧
力が温度に伴なって変化する。圧力センサの出力信号
は、高温時には圧力がない場合にも、内圧のみによって
熱出力（熱による出力値）が発生し、温度による誤差が
低温時には負に、高温時には正になるように生じる。ま
た、この誤差は、温度変化に対しリニアに変化せず、非
直線性を有し、通常の温度補償回路では補正することが
難しい。このため、温度特性の非直線性をできるだけ小
さく低減する必要性がある。

例えば、特開平４−204130号公報では、ダイヤフラム
の固定端寄りに、連続的に繋がる凸状と凹状からなるコ
ルゲートが一対設けられており、この一対のコルゲート
にて内圧の変化を吸収するようにしている。

しかしながら、上記従来の装置では、コルゲートの凸
状と凹状とが連続的に繋がっているので、以下に述べる
問題が発生する。

図10に示すように、シリコーンオイルが温度上昇に伴
って膨張すると、内圧の変化が生じてダイヤフラム100
が変形する。このとき、凸状101全体は曲率が大きくな
るため、凹状102の凸状101側半分（図では左半分）は曲
率が小さくなる。すなわち、凸状101の曲率が大きくな
る影響を凹状102の左半分が直接受ける為、凹状102の左
半分が押されて曲率が小さくなるのである。従って、上
記従来の装置では、凹状102の左半分の曲率が小さくな
り、ダイヤフラムの変位量を充分得ることができない。
すなわち、温度変化に応じた内圧の変化を吸収できず、
温度特性の直線性を満足に得ることができないという問
題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、熱によ
る出力値の発生を防止し、温度変化に対する出力の非直
線性を改善することができる半導体式圧力センサを提供
することを目的とする。

発明の開示 上記目的を達成するために、本発明の半導体式圧力セ
ンサは、圧力検出室を設けたハウジングと、前記圧力検
出室内に封入された液体と接して配設された受圧用ダイ
ヤフラムと、前記圧力検出室内の液体の圧力を受ける位
置に配設された圧力検出素子とを備え、前記ダイヤフラ
ムは、その固定端寄りに凸状と凹状からなるコルゲート
が一対のみ設けられ、他の部分は平坦形状となってお
り、かつ前記凸状と前記凹状との間は、所定距離の平坦
部が設けられていることを特徴とする。

このように構成される半導体圧力センサでは、ダイヤ
フラムに被検出流体の圧力が印加されると、ダイヤフラ
ムが変形し、圧力検出室内の液体を介して圧力検出素子
がその圧力を受け、その圧力に応じた電圧信号が圧力検
出値として外部へ出力される。

被検出流体や圧力センサ周囲の温度が大きく変化する
場合、圧力検出室内の液体が膨張或は収縮するが、ダイ
ヤフラムには一対の凸状と凹状からなるコルゲートが設
けられているため、室内の圧力が正圧又は負圧に変化し
た場合、ダイヤフラムが内外両側に同様にたわみ、ダイ
ヤフラムはバランスのとれた変形を行う。

また、圧力検出室内の液体が膨張或は収縮する際に
は、内圧変化による応力が固定端に集中するが、本発明
では、凸状と凹状からなるコルゲートがダイヤフラムの
固定端寄りに１対のみ存在するため、例えば、温度上昇
に伴ない、圧力検出室内の液体が膨張したとき、ダイヤ
フラムにおける多くの面積が外側へ膨出変形し、圧力検
出室内の容積が充分に増加する。このため、温度変化に
よる内圧変化を最小にして、熱出力（熱による出力値）
の発生を最小に抑えることができる。

さらに、本発明では、凸状と凹状との間が所定距離だ
け平坦部を介して離れているので、平坦部がコルゲート
間の緩衝材の働きをする。詳述すれば、図９に示すよう
に、ダイヤフラムが変形すると、凸状110と平坦部111と
がなす角度αと、凹状112と平坦部111とがなす角度β
は、それぞれ角度α′、角度β′のように共に大きくな
る。このことは、内圧の変化に伴ってダイヤフラムの変
形しても、凸状110の曲率と凹状112の曲率を共に大きく
できることを意味している。つまり、ダイヤフラムの変
位量を充分得て、温度変化に応じた内圧の変化を吸収す
ることができる。

従って、本願発明では、熱による出力値の発生を防止
し、温度変化に対する出力の非直線性を改善することが
できるという優れた効果を得ることができる。

図面の簡単な説明 図１は本発明の一実施例を示す半導体圧力センサの断
面図である。図２はダイヤフラムの拡大平面図である。
図３は図２のIII−III断面図である。図４は波形部2cの
拡大断面図である。図５はダイヤフラムの凸状と凹状間
の距離1Lと半径Ｒとの比（1L/R）に対する温度特性の非
直線性の関係を示すグラフである。図６は半径Ｒに対す
る温度特性の非直線性の関係を示すグラフである。図７
は平坦部3Lと半径Ｒとの比（3L/R）に対する温度特性の
非直線性の関係を示すグラフである。図８は固定端から
ダイヤフラムの凸状までの距離2Lと半径Ｒとの比（2L/
R）に対する温度特性の非直線性の関係を示すグラフで
ある。図９は本発明の作用を説明するための説明図であ
る。図10は従来技術の作用を説明するための説明図であ
る。

発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は半導体式圧力センサ断面図を示し、このセンサ
の本体は、S15C等からなるハウジング８により構成され
る。ハウジング８の外周部には取付け用のねじ部が形成
され、ハウジング８の上部に凹状の圧力検出室３が形成
され、その圧力検出室３の上開口部はダイヤフラム２に
より密閉される。

ダイヤフラム２は、例えばSUS316Lステンレス等の薄
い金属板から形成され、ダイヤフラム２の周縁部は環状
部材10とハウジング８の上端との間に挟まれ、外周を溶
接して固定される。また、ダイヤフラム２にはその周縁
部の固定端寄りに、図２に示す如く、一対の凸状（外側
に凸部を内側に凹部を持つ凸状）2aと凹状（外側に凹部
を内側に凸部を持つ凹状）2bからなるコルゲート2cが円
形状に設けられ、凸状2aと凹状2bとの間には、平坦部2d
が設けられる。このコルゲート2cの凸状2aと凹状2b、お
よび平坦部2dの詳細については後述する。

さらに、圧力検出室３内の中央に設けられた凹部に、
圧力検出素子４がガラス製の台座14を介して固定され
る。圧力検出素子４はピエゾ抵抗素子をブリッジ接続し
て構成され、素子の圧力検出面に印加される圧力に応じ
た電気信号を出力する。

ハウジング８の下部には凹部13が形成され、その凹部
13と圧力検出室３は複数の縦孔で連通され、縦孔には52
アロイ等の導電ピン９が挿通され、その導電ピン９の周
囲はガラスにより封止される。５は液体充填用の縦孔で
あり、この縦孔５を通して圧力検出室３内にシリコーン
オイル等の液体が充填され、縦孔５は鋼球６とねじ部材
７により封止される。なお、圧力検出室３内に、セラミ
ックやりん青銅製等のプレートを挿入して、液体の充填
量を少なくすることもできる。圧力検出素子４の各端子
はワイヤ15を介して各導電ピン９の先端にワイヤボンデ
ィングされる。ハウジング８の下部の凹部内には増幅回
路等を有する回路基板11が配設され、導電ピン９の下端
が回路基板11の所定孔に嵌入し半田付けされる。また、
回路基板11には下方にのびるリード線部材12が接続さ
れ、回路基板11自体は、凹部13内に充填・硬化されたシ
リコーンゲル17により保護される。

凹部13の下側開口部は金属製のカバー18により閉鎖さ
れ、リード線部材12の下端は、カバー18に取付けられた
貫通コンデンサ19を貫通及び半田付けされ下方に突出す
る。

リード線部材12の先端には黄銅製等の端子ピン16が半
田付けされ、フッ素ゴム製等のピン保持部材21が、端子
ピン16を保持するようにその一部にインサート成形さ
れ、ピン保持部材21の先端部がカバー18の略中央に設け
られた孔に嵌入・固定される。

ハウジング８の下部には、カバー18と端子ピン16を包
囲するように、コネクタ部20が、ハウジング８の下端を
かしめて固定される。コネクタ部20は、例えばポリブチ
レンテレフタレート樹脂により所定のコネクタ形状に成
形され、プラグの差し込み部に端子ピン16の先端が露出
するように形成される。

ところで、ダイヤフラム２に設けられる円形状のコル
ゲート2cは、図２〜図４に示すように、温度が大きく変
化した際に圧力検出室３内の液体に生じる正圧と負圧の
バランスをとるために、一対の凸状2aと凹状2b、および
平坦部2dから構成される。

本実施例では、圧力センサの温度特性の非直線性を低
減させるように、凸状2aと凹状2b間の距離1Lと半径Ｒ
（固定部を除く有効半径）との比（1L/R）を、有限要素
法によりシュミレーション解析を行った。図５は、その
解析結果を示すもので、比（1L/R）に対する圧力センサ
の出力信号値の温度特性の非直線性（％）を示すグラフ
である。ここで、温度特性の非直線性とは、温度を変化
させた場合の圧力検出素子４の出力値の変化を示すグラ
フにおいて、グラフの曲折部分における出力値の幅の最
大出力値に対する比（％）を示すもである。

この温度特性の非直線性で約0.1％〜−0.1％の範囲を
得るためには、図５のグラフから、（1L/R）の値は略0.
16〜0.24の範囲に設定される。比（1L/R）を上記の範囲
に設定することにより、出力値の温度特性の非直線性を
有効に低減することができる。

また本実施例では、昇温時における液体の膨張圧力の
みによって生じる圧力検出素子４の熱出力（熱による出
力値）を低減させるように、凸状2aからダイヤフラム２
の固定端までの距離2Lとダイヤフラム２の半径Ｒとの比
を有限要素法によりシュミレーション解析を行って図８
に示すように特定の範囲に設定した。

すなわち、内圧の変化に伴うダイヤフラム２の応力
は、ダイヤフラム２の固定端付近に集中するので、凸状
2aからダイヤフラム２の固定端までの距離2Lとダイヤフ
ラム２の半径Ｒとの比（2L/R）は、周囲温度の上昇に伴
ない、圧力検出室３内の液体が膨張したとき、その液体
の膨張をダイヤフラム２の外側への膨出変形により吸収
させて、内圧をできるだけ低く抑えることが良い。した
がって、ダイヤフラム２の膨出時の圧力検出室３の容積
を充分増大させるためには、図８に示すように、（2L/
R）の値は略0.16以下になるように設定すれば良い。こ
れにより、ダイヤフラム２のコルゲートの位置はその固
定端寄りに設けられる結果となり、周囲温度上昇に伴な
う内圧上昇による圧力検出素子４の出力値の上昇は低減
される。

図６は、ダイヤフラム２の半径Ｒを変えた場合の、半
径Ｒに対するセンサの出力値の温度特性の非直線性
（％）を示すグラフである。この場合、ダイヤフラム２
の厚さＴは0.0038×Ｒ、凸状2a,凹状2bの高さは0.01×
Ｒ、凸状2aと凹状2b間の距離1Lは0.19×Ｒ、凸状2aから
ダイヤフラム２の固定端までの距離2Lは0.13×Ｒ、凸状
2a及び凹状2bの内側の円弧部の半径は0.13×Ｒ、凸状2a
及び凹状2bの角部の円弧部の半径は0.06×Ｒとした。

この図６のグラフに示されるように、変化させた全て
のダイヤフラム２の半径Ｒについて、温度特性の非直線
性は約0.1％〜−0.2％の良好な範囲内に入ることから、
このような寸法状件下において、半径Ｒを小さくした場
合にも温度特性の非直線性を良好な最低値の範囲とする
ことができ、圧力センサの小形化が可能となる。

さらに、凸状2aと凹状2b間には、平坦部2dを設けるこ
とによって、ダイヤフラム２が変形するときに、凸状2a
と凹状2bの曲率を共に大きくすることにより、ダイヤフ
ラム２の変位量を充分得て、温度変化に応じた内圧の変
化を吸収することができる。

図７は、凸状2aからダイヤフラム２の固定端までの距
離を0.13Rに設定し、平坦部2dの距離3Lとダイヤフラム
２の半径Ｒとの比（3L/R）を変えた場合の、センサの出
力知の温度特性の非直線性（％）を示すグラフである。
このグラフから判るように、非直線性をほぼ０％とする
には、比（3L/R）を0.05〜0.13の範囲に設定すれば良
い。この理由は、比（3L/R）が小さすぎると、ダイヤフ
ラム２の変形時に凸状2aの曲率大となる変化が凹状2bを
曲率大とする変化を妨げてしまうため、ダイヤフラム２
の変形量が小さくなり、また、比（3L/R）が大きすぎる
と、凹状2bがダイヤフラム２の中心方向に配置すること
になるので、凹状2bに作用する応力が小さくなり、内圧
の変化を充分吸収できなくなるからである。

このように構成された半導体式圧力センサは、例えば
内燃機関におけるサージタンクに、ハウジング８周囲の
ねじ部を利用して、検出面となるダイヤフラム２をタン
ク内に挿入するように固定され、タンク内の圧力を検出
するために使用される。

ダイヤフラム２に被検出流体の圧力が印加されると、
ダイヤフラム２がたわみ、圧力検出室３内の液体を介し
て圧力検出素子４がその圧力を受ける。このとき、圧力
検出素子４のブリッジ回路に印加されている出力電圧
が、その圧力に応じて変化し、その電圧の変化値が電気
信号として出力され、回路基板11上の増幅回路を通して
圧力値を示す信号が外部へ出力される。

内燃機関における例えばサージタンク内の温度は、機
関の運転状態により大きく変化するが、上述のように、
ダイヤフラム２には一対の凸状2aと凹状2bからなるコル
ゲートが設けられているため、圧力検出室３内の圧力が
正圧又は負圧に変化した場合、ダイヤフラム２が内外両
側に同様にたわみ、ダイヤフラム２はバランスのとれた
変形を行う。

また、上記のように（2L/R）の値が略0.16以下に設定
され、かつ（3L/R）の値が0.05〜0.13の範囲に設定され
ているため、温度上昇に伴ない、圧力検出室３内の液体
が膨張した際、ダイヤフラム２の多くの面積部分が外側
へ膨出変形し、圧力検出室３内の容積が充分に増加す
る。このため、温度変化による内圧変化を最小にして、
圧力センサの熱出力（熱による出力値）の発生を最小に
抑えることができる。

さらに、上記のように、比（1L/R）を、所定の範囲
（略0.16〜0.24）に設定すれば、検出された出力値の温
度特性の非直線性は、約0.1％〜約−0.1％の良好な範囲
内となり、検出データの温度特性は略直線状となって、
その検出データを温度補償回路等により温度に応じて容
易に補正することができる。

なお、本発明は、上記実施例の他、圧力検出素子の裏
面に大気に連通した圧力基準室を有する相対圧力検出型
の圧力センサに適用することもでき、また、圧力検出室
の両側にダイヤフラムが配設された差圧検出型の圧力セ
ンサにも適用することができる。

産業上の利用可能性 本発明は、金属ダイヤフラムで封止したシリコーンオ
イル等の液体中に、ピエゾ抵抗素子等の半導体圧力検出
素子を封入した液封式の半導体式の圧力センサとして有
効であり、特に、被検出媒体が比較的高温にさらされる
内燃機関、特にターボ圧を検出するセンサに適用すると
極めて有効である。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力検出室を設けたハウジングと、 前記圧力検出室内に封入された液体と接して配設された
   受圧用ダイヤフラムと、 前記圧力検出室内の液体の圧力を受ける位置に配設され
   た圧力検出素子とを備え、 前記ダイヤフラムは、その固定端寄りに凸状と凹状から
   なるコルゲートが一対のみ設けられ、他の部分は平坦形
   状となっており、かつ前記凸状と前記凹状との間は、所
   定距離の平坦部が設けられていることを特徴とする半導
   体式圧力センサ。
2. 【請求項２】前記平坦部（3L）と、前記ダイヤフラムの
   半径（Ｒ）との比（3L/R）は、0.05〜0.13の範囲に設定
   されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半
   導体式圧力センサ。
3. 【請求項３】前記固定端から前記固定端に近いコルゲー
   トまで間の距離（2L）と、前記タイヤフラムの半径
   （Ｒ）との比（2L/R）は、0.16以下の範囲に設定されて
   いることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体式
   圧力センサ。
4. 【請求項４】前記ダイヤフラムは金属板にて形成されて
   いることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体式
   圧力センサ。
5. 【請求項５】前記圧力検出室内に封入された液体はシリ
   コーンオイルであることを特徴とする請求の範囲第１項
   記載の半導体式圧力センサ。
6. 【請求項６】前記コルゲートの凸状および凹状は、共に
   波形状となっていることを特徴とする請求の範囲第１項
   記載の半導体式圧力センサ。