JP3695098B2 - 圧力検出装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出する圧力検出装置の製造方法に関し、この圧力検出装置としては、例えば車両における燃料噴射装置の燃料圧やブレーキ装置のブレーキオイル圧等の高圧を検出するのに用いて好適なるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の圧力検出装置としては、特開昭６２−７３１３１号公報に示されるものがある。
このものは、圧力導入孔の終端が薄肉部となっているセンシングボディをハウジング内に収納し、センシングボディの薄肉部に固定したセンサチップにより薄肉部の変位を検出するとともに、センサチップからの電気信号を回路基板により信号処理するようにしている。また、ハウジングを被検出体に取り付けるときに生じる応力がセンサチップに伝達するのを阻止するために、ハウジングとセンサチップの間に隙間が形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の構成においては、回路基板をセンシングボディ上に搭載しているが、この回路基板をハウジング側に固定することが考えられる。この場合、ハウジングとセンサチップの間に形成された隙間を跨いでセンサチップと回路基板とがワイヤにより電気接続されることになる。このワイヤ接続としては、通常、超音波ボンディングが用いられる。
【０００４】
そこで、本発明者等が、そのような構成において超音波ボンディングを実際に行ったところ、センサチップとワイヤが良好に溶接されないという不具合が発生した。この点について検討を進めたことろ、ハウジングとセンサチップの間に隙間が形成されているため、この隙間によりセンサチップに加える超音波によってセンシングボディ全体が共振を起こし、センサチップおよびワイヤに溶接に必要な超音波エネルギーが十分伝わらないためであることがわかった。
【０００５】
本発明は上記検討を基になされたもので、超音波ボンディングを用い、センサチップとワイヤを良好に溶接できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、センシングボディ部（２）とハウジング部（１）の間に応力伝達を阻止するための隙間（３）が形成され、センシングボディ部（２）の終端に形成された薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面に向けてワイヤ（８）を接続してなる圧力検出装置を製造する場合に、センシングボディ部（２）の内側からセンシングボディ部（２）を固定し、この固定した状態で薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面に向けてワイヤ（８）を超音波ボンディングするようにしたことを特徴としている。
【０００７】
このようにセンシングボディ部（２）を固定することによって、超音波ボンディング時のセンシングボディ部（２）の共振を抑制することができるため、薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面に向けてワイヤ（８）を良好に接続することができる。
また、請求項４に記載の発明においては、センシングボディ部（２）とハウジング部（１）の間に応力伝達を阻止するための隙間（３）が形成され、隙間（３）を跨いでセンサチップ（４）と回路基板（７）とをワイヤ（８）により電気接続してなる圧力検出装置を製造する場合に、センシングボディ部（２）の内側からセンシングボディ部（２）を固定し、この固定した状態でセンサチップ（４）と回路基板（７）とをワイヤ（８）により超音波ボンディングするようにしたことを特徴としている。
【０００８】
このようにセンシングボディ部（２）を固定することによって、超音波ボンディング時のセンシングボディ部（２）の共振を抑制することができるため、センサチップ（４）とワイヤ（８）を良好に溶接することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、ワイヤ（８）の超音波ボンディングはセンサチップ（４）に対して良好に行うことができ、また、請求項３に記載の発明によれば、ワイヤ（８）の超音波ボンディングは薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面に設けた導電体に対して良好に行うことができる。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明のように、センシングボディ部（２）の共振周波数を超音波ボンデングで用いる振動周波数よりも高くするようにセンシングボディ部（２）を固定するとよく、また、請求項６に記載の発明のように、センシングボディ部（２）の内側に、薄肉部（２ｂ）側で圧力導入孔（２ａ）の径を小さくする段差部（２ｃ）を形成しておき、固定部材（２１）を圧力導入孔（２ａ）に挿入し、その先端を段差部（２ｃ）に当接させてセンシングボディ部（２）を固定するとよく、また、請求項８に記載の発明のように、ハウジング部（１）を固定するとともに固定部材（２１）をその挿入方向に押圧してセンシングボディ（２）を固定するとよい。
【００１０】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態を示す圧力検出装置の断面構造を示す。この圧力検出装置は、車両における燃料噴射装置の燃料圧やブレーキ装置のブレーキオイル圧等の高圧（例えば２０ＭＰａ）の流体の圧力を測定するものである。
【００１２】
図において、ハウジング１は、耐食性が良好で溶接可能な金属（例えばＳＵＳ４３０）で構成されており、ねじ山１ａを有し、図示しない被検出体（例えば、燃料配管）にねじ締めで固定されるようになっている。
センシングボディ２は、熱膨張率が小さい低熱膨張率金属（例えばコバール等の線熱膨張係数がシリコンに近い材質のもの）で構成され、内側に圧力導入孔２ａを有し、その終端に受圧用ダイヤフラムをなす肉薄部２ｂが形成されている。また、センシングボディ２の内側には、段差部２ｃが形成されており、この段差部２ｃによって圧力導入孔２ａの径が薄肉部２ｂ側で小さくなっている。なお、この段差部２ｃは、薄肉部２ｂを切削により加工するときの基準面を作成するために形成される。
【００１３】
図２に、センシングボディ２の外観形状を示す。センシングボディ２は、円筒形状をしており、その端部すなわち下端開口周縁部には段差部２ｄが形成されている。
このセンシングボディ２は、ハウジング１の内側空洞部に圧入され、その段差部２ｄとハウジング１の開口縁（端部）１ｂとが突き合わされ、その部分が電気溶接等によって密着固定される。このようにして、センシングボディ２がハウジング１内に組付け固定され、ボディ部が構成される。
【００１４】
また、ハウジング１には、ねじ山１ａの内側空洞部に段差部１ｂが形成されてているため、センシングボディ２がハウジング１内に組付け固定されたとき、ハウジング１とセンシングボディ２の間に、環状の隙間３が形成される。この隙間３により、ハウジング１を被検出体に固定したときに生じる応力がセンサチップ４に伝達するのを阻止することができる。
【００１５】
センシングボディ２における薄肉部２ｂの上面、すなわち圧力導入側と反対側の面には、センサチップ４が、絶縁体である低融点ガラス５により接合されている。図３に、センシングボディ２の先端部分の断面斜視図を示す。図に示すように、Ｎ型単結晶のシリコン基板４１に４つのＰ型の拡散ゲージ（歪ゲージ）４２ａ〜４２ｄが形成されてセンサチップ４が構成されており、薄肉部２ｂの変位に応じた電気信号を出力する。
【００１６】
センシングボディ２の先端部の周囲には、図１に示すように、回路基板７が配置されている。この回路基板７は、センサチップ４からの電気信号を増幅して出力する増幅回路（センサの感度調整を行う調整回路を含む）などの回路部を有しており、積層セラミック基板７ａ、回路チップ７ｂ、およびポスト７ｃから構成されている。
【００１７】
積層セラミック基板７ａは、表面及び内層に導電性のペーストを印刷し焼成して形成されたもので、接着剤によりハウジング１に固定されている。回路チップ７ｂは、積層セラミック基板７ａ上に実装され、ワイヤにより積層セラミック基板７ａの導電性ペーストを焼成してなる導電体（配線の一部領域）と電気的に接続されている。ポスト７ｃは、外部との電気接続を行うための取り出し電極となるもので、例えば４２アロイにて構成されており、ろう付け等によりセラミック積層基板７ａ上に接合されている。
【００１８】
セラミック基板７ａの表面の導電体とセンサチップ４とは、隙間３を跨いでワイヤ８（例えばφ３０〜５０μｍのＡｌ線）により電気的に接続されている。
また、センシングボディ２および積層セラミック基板７の上面（センサチップ４およびワイヤ８の上を含む）には、腐食防止のためにコーティング材（例えばシリコーンゲル）９によりコーティングが施されている。
【００１９】
セラミック積層基板７ａに接合されたポスト７ｃは、ターミナルアッセンブリ１０のコネクタターミナル１０ａと電気溶接等で接続されている。このターミナルアッセンブリ１０は、コネクタターミナル１０ａをＰＰＳ等の樹脂でインサート成形したものである。そして、ターミナルアッセンブリ１０と、ＰＰＳ等の樹脂で成形されたコネクタケース１１は、Ｏリング１２を介しハウジング１のかしめ部１ｄでハウジング１にかしめ固定されている。
【００２０】
上記したセンサチップ４および回路基板７における回路部の電気結線図を図４に示す。歪ゲージ４２ａ〜４２ｄは、図に示すようにブリッジ回路を構成している。回路基板７における回路部は、ブリッジ回路からの電気信号を増幅する増幅回路７１の他、ブリッジ回路に電源供給を行う電源回路７２を有している。そして、歪ゲージ４２ａ〜４２ｄにより構成されるブリッジ回路は、薄肉部２ｂに加わる圧力に応じた電気信号を増幅回路７１に出力し、増幅回路７１は、その信号を増幅して、圧力に応じた電気信号を外部に出力する。
【００２１】
図５に、図１に示す主要部品の分解断面図を示し、図６乃至図９にそれらを組付けて圧力検出装置を製造する工程を示す。なお、図６乃至図９に示す各工程図において、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図を示す。
〔図６の工程〕
まず、センシングボディ２にペースト状のガラス５を印刷しセンサチップ４を焼成により接合する。次に、ハウジング１をセンシングボディ２にかぶせ、センシングボディ２をハウジング１内に圧入し、ハウジング１の端部１ｂとセンシングボディ２の段差部２ｄとを突き合わせ、その突き合わせ部を電気溶接等で密着固定する。
〔図７の工程〕
次に、センシングボディ２の回りのハウジング１の上面に接着剤をスタンプ等により薄く均一に塗布し、その上に、回路チップ７ｂが実装された積層セラミック基板７ａをセットして接着を行う。そして、積層セラミック基板７ａの導電体とセンサチップ４をワイヤ８により超音波ボンディングして電気接続する。この後、コーティング材９によりコーティングを施す。なお、ポスト７ｃは、図７に示すように、電源線用、出力信号線用、接地線用の３本で構成されている。
〔図８の工程〕
次に、ターミナルアッセンブリ１０のコネクタターミナル１０ａと積層セラミック基板７のポスト７ａを合わせ、電気溶接等で接合する。
〔図９の工程〕
この後、コネクタケース１１とＯリング１２をハウジング１にセットし、ハウジング１のかしめ部１ｄをかしめることにより、コネクタケース１１とハウジング１の内部をシールし固定する。このようにして図１に示す圧力検出装置が構成される。
【００２２】
次に、上記したセンサチップ４と積層セラミック基板７ａをワイヤ８により超音波ボンディングする工程について説明する。この超音波ボンディングを行うにあたって、図１０に示すようなボンディング用の治具２０を用意する。この治具２０は、ハウジング１を収納する形状になっており、またセンシングボディ２を固定するためのピン２１およびバネ手段（以下、バネという）２２を収納するための穴２０ａを有している。
【００２３】
そして、ピン２１がセンシングボディ２の圧力導入孔２ａに挿入され、バネ２２およびピン２１が穴２０ａに位置するように、バネ２２、ピン２１およびハウジング１を治具２０にセットする。この後、クランプ（押さえ部材）２３によってハウジング１を治具２０に固定する。このとき、ピン２１の先端は円錐形状になっているため、その斜面部分とセンシングボディ２の段差部２ｃが当接し、センシングボディ２を上方向に押圧する。その結果、センシングボディ２を強固に固定し、センシングボディ２の全体の剛性を高くすることができる。
【００２４】
そして、図１１に示すボンディングツール２４を用いて、センサチップ４と積層セラミック基板７ａをワイヤ８により超音波ボンディングする。この超音波ボンディングにおいては、図１１に示す矢印方向に振動が発生する。この場合、その振動方向とセンシングボディ２が変位する方向とが同じであるため、上記したようにセンシングボディ２を固定しない場合には、ハウジング１とセンシングボディ２の間の隙間３によって、センシングボディ２全体が共振するという問題が発生するが、センシングボディ２を固定しその剛性を高めた場合には、それによってセンシングボディ２の共振周波数を超音波ボンディングで用いる駆動周波数よりも十分高くすることができるため、超音波ボンディング時のセンシングボディ２の共振を抑制することができる。従って、超音波エネルギーをセンサチップ４およびワイヤ８に損失なく伝え、超音波ボンディングを良好に行うことができる。
【００２５】
なお、ピン２１は、その先端を平らにして段差部２ｃに当接させることもできるが、その場合には、ピン２１の先端が段差部２ｃの片側でのみ当接するような場合が生じ押圧力に偏りが生じるため、ピン２１の先端を上記実施形態のような円錐形状、あるいは球面形状といった突出形状にするのが好ましい。
また、上記実施形態では、ピン２１により段差部２ｃを上方向に押圧するものを示したが、要はセンシングボディ２を内側より機械的に固定し補強できればよいので、例えば、図１２に示すように、センシングボディ２の圧力導入孔２ａに挿入した後、少なくとも２方向に開いてセンシングボディ２の内壁を押圧する治具２５を用いるようにしてもよい。この場合、その治具２５は、例えばエアシリンダ２６を用いて、開閉駆動される。なお、図１２（ａ）は、治具２５が閉じた状態を示し、図１２（ｂ）は、治具２５が開いた状態を示している。従って、図１２（ｂ）に示すように、治具２５を開いてセンシングボディ２の内壁を押圧することによって、センシングボディ２を固定することができる。
【００２６】
また、上記実施形態では、半導体基板４１に歪ゲージ４２ａ〜４２ｄを形成してセンサチップ４を構成するものを示したが、絶縁膜上に金属の歪ゲージを蒸着等で形成してセンサチップを構成するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、ハウジング１とセンシングボディ２を別体にて構成するものを示したが、図１３に示すように、ハウジング１とセンシングボディ２を一体にて構成してもよい。この場合、ハウジング部１とセンシングボディ部２の間に環状溝の隙間３が形成される。
【００２７】
なお、上記実施形態では、セラミック基板７ａとセンサチップ４との間をワイヤ８により接続した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形可能である。
例えば、回路基板７における種々の回路部をセンサチップ４に集積化して、積層セラミック基板７ａを廃止した構成の圧力検出装置に適用できる。この場合は、電気接続のために用いられるワイヤはセンサチップ４とコネクタターミナル１０ａ若しくはコネクタピン（コネクタケース１１に一体的にモールド成形され外部に突き出たピン、図１では３本）との間に接続される。ここで、ワイヤをセンサチップ４に接続する際には、図１０や図１２と同様なボンディング用の治具２０に対してセンシングボディ２が固定された状態となっている。それによってセンシングボディ２の共振周波数を超音波ボンディングで用いる駆動周波数よりも高くすることができるため、超音波ボンディング時のセンシングボディ２の共振を抑制することができる。従って、超音波エネルギーをセンサチップ４およびワイヤに損失なく伝え、超音波ボンディングを良好に行うことができる。
【００２８】
また、例えば、センシングボディ２における薄肉部２ｂに上面、すなわち圧力導入側と反対側の面におけるセンサチップ４の搭載領域以外の領域に絶縁性ペーストを印刷、乾燥した上に導電性ペーストを印刷、乾燥した後に一括焼成し、しかる後、センサチップ４を配置してなる構成を有する圧力検出装置に対しても適用できる。なお、この場合の絶縁性ペーストの印刷、乾燥及び導電性ペーストの印刷、乾燥を繰り返し、形成した上下間の導電性ペーストを絶縁性ペーストに設けたビアホール内充填導体で電気接続するといった厚膜多層構造としてもよい。また、必要に応じてそこに所望の回路部を作り込んでもよい。また、必要に応じてセンシングボディ２の上面に半導体層を形成し、不純物導入などして回路部を形成してもよい。
【００２９】
この場合のワイヤ接続は、センサチップ４とセンシングボディ２上の導電体との間、センサチップ４とセンシングボディ２上の回路部との間、センシングボディ２上の導電体間同士、若しくはセンシングボディ２上の回路部と導電体との間に接続される。
なお、この実施形態でいう導電体とは導電性ペーストを焼成してなるもので、配線の一部領域を示す。
【００３０】
ここで、ワイヤのセンサチップ４やセンシングボディ２上の導電体や回路部に接続する際には、図１０や図１２と同様なボンディング用の治具２０に対してセンシングボディ２が固定された状態となっている。それによってセンシングボディ２の共振周波数を超音波ボンディングで用いる駆動周波数よりも高くすることができるため、超音波ボンディング時のセンシングボディ２の共振を抑制することができる。従って、超音波エネルギーをセンサチップ４およびワイヤに損失なく伝え、超音波ボンディングを良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧力検出装置の断面図である。
【図２】センシングボディ２の外観形状を示す図である。
【図３】センシングボディ２とセンサチップ４の構成を示す部分断面斜視図である。
【図４】センサチップ４および回路基板７における増幅回路の電気結線図である。
【図５】図１に示す主要部品の分解断面図である。
【図６】図１に示す圧力検出装置を製造する工程を示す図である。
【図７】図６に続く工程を示す図である。
【図８】図７に続く工程を示す図である。
【図９】図８に続く工程を示す図である。
【図１０】ハウンジング１をボンディング用の治具２０にセットし、センシングボディ２をピン２０およびバね２２により固定した状態を示す図である。
【図１１】ボンディングツール２４を用いて超音波ボンディングする状態を示す図である。
【図１２】ハウンジング１をボンディング用の治具２０にセットし、センシングボディ２の内壁を押圧する治具２５を用いて固定した状態を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態にかかる圧力検出装置の断面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、２…センシングボディ、２ａ…圧力導入孔、２ｂ…肉薄部、
２ｃ…段差部、３…隙間、４…センサチップ、４２ａ〜４２ｄ…歪ゲージ、
５…低融点ガラス、７…回路基板、８…ワイヤ、９…コーティング材、
１０…ターミナルアッセンブリ、１０ａ…コネクタターミナル、
１１…コネクタケース、１２…Ｏリング、２０…ボンディング用の治具、
２１…ピン、２２…バネ、２３…クランプ、２４…ボンディングツール。

Claims (8)

1. 内側に圧力導入孔（２ａ）を有しその終端が薄肉部（２ｂ）となっているセンシングボディ部（２）と、このセンシングボディ部（２）の外側にあって被検出体に取り付けられるハウジング部（１）とを有するボディ部材（１、２）と、
   前記薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側に固定され前記薄肉部（２ｂ）の変位に応じた電気信号を出力するセンサチップ（４）とを備え、
   前記センシングボディ部（２）と前記ハウジング部（１）の間に、前記センサチップ（４）への検出圧力による圧力と異なる応力伝達を阻止するための隙間（３）が形成されており、
   前記薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面に向けてワイヤ（８）を接続してなる圧力検出装置の製造方法において、
   前記センシングボディ部（２）の内側から前記センシングボディ部（２）を固定し、
   この固定した状態で前記薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面に向けてワイヤ（８）を超音波ボンディングすることを特徴とする圧力検出装置の製造方法。
2. 前記ワイヤ（８）の超音波ボンディングは前記センサチップ（４）に対して行われることを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置の製造方法。
3. 前記薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側の面には導電体が設けられており、前記ワイヤ（８）の超音波ボンディングは前記導電体に対して行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力検出装置の製造方法。
4. 内側に圧力導入孔（２ａ）を有しその終端が薄肉部（２ｂ）となっているセンシングボディ部（２）と、このセンシングボディ部（２）の外側にあって被検出体に取り付けられるハウジング部（１）とを有するボディ部材（１、２）と、
   前記薄肉部（２ｂ）の圧力導入側と反対側に固定され前記薄肉部（２ｂ）の変位に応じた電気信号を出力するセンサチップ（４）と、
   前記ハウジング部（１）に固定され前記センサチップ（４）と電気接続されて前記センサチップ（４）からの電気信号を信号処理する回路基板（７）とを備え、
   前記センシングボディ部（２）と前記ハウジング部（１）の間に、前記センサチップ（４）への応力伝達を阻止するための隙間（３）が形成されており、
   前記隙間（３）を跨いで前記センサチップ（４）と前記回路基板（７）とをワイヤ（８）により電気接続してなる圧力検出装置の製造方法において、
   前記センシングボディ部（２）の内側から前記センシングボディ部（２）を固定し、
   この固定した状態で前記センサチップ（４）と前記回路基板（７）とをワイヤ（８）により超音波ボンディングすることを特徴とする圧力検出装置の製造方法。
5. 前記センシングボディ部（２）の共振周波数を前記超音波ボンデングで用いる振動周波数よりも高くするように前記センシングボディ部（２）を固定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の圧力検出装置の製造方法。
6. 前記センシングボディ部（２）の内側に、前記薄肉部（２ｂ）側で前記圧力導入孔（２ａ）の径を小さくする段差部（２ｃ）が形成されており、固定部材（２１）を前記圧力導入孔（２ａ）に挿入し、その先端を前記段差部（２ｃ）に当接させて前記センシングボディ部（２）を固定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の圧力検出装置の製造方法。
7. 前記固定部材（２１）として、前記先端が突出形状となるものを用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の圧力検出装置の製造方法。
8. 前記ハウジング部（１）を固定するとともに前記固定部材（２１）をその挿入方向に押圧して前記センシングボディ部（２）を固定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の圧力検出装置の製造方法。

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