JP4407038B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力検出用の検出手段が形成されたダイヤフラムを有するステムを圧力導入可能なハウジングにネジ結合してなる圧力センサに関し、特に、２００ＭＰａ程度の高圧を検出するものに用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧力センサとして、本出願人は、先に特願平１１−８２１８０号に記載されているようなものを提案している。この先願に基づいて本発明者が試作した圧力センサの概略断面を図５に示す。このものは、例えば、自動車の燃料噴射系（例えばコモンレ−ル）における燃料パイプ内の高い圧力（燃料圧）を検出する高圧検出用のセンサに適用可能なものである。
【０００３】
図５において、Ｊ１は、軸一端側に閉塞部としての薄肉状のダイヤフラムＪ２を有し軸他端側に開口部Ｊ３を有する中空筒状の金属ステムである。このステムＪ１は、ダイヤフラムＪ２上にガラス接合された圧力検出用のセンサチップ（検出手段）Ｊ４を有し、開口部Ｊ３がハウジングＪ５の圧力導入孔（圧力導入通路）Ｊ６と連通するように、ネジ部材Ｊ７によってハウジングＪ５に固定されている。それにより、ステムＪ１の開口部Ｊ３端は圧力導入孔Ｊ６の開口縁部に押圧されてシールされ、高い圧力が導入されても気密が保たれるようになっている。
【０００４】
ここで、検出手段としてのセンサチップＪ４は、圧力導入孔Ｊ６から導入された圧力によるダイヤフラムＪ２の変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路（図示せず）を有するもので、ハウジングＪ５内におけるチップＪ４の周囲に配設された回路基板Ｊ８に対して、Ａｌ（アルミニウム）等のボンディングワイヤＪ９により結線され、電気的に接続されている。
【０００５】
このセンサにおいては、圧力導入孔Ｊ６から導入された圧力によってダイヤフラムＪ２が変形し、その歪みをチップＪ４にて電気信号に変換し、この信号をワイヤＪ９、回路基板Ｊ８、ピンＪ１０、さらにコネクタターミナルＪ１１を介して、外部回路（自動車のＥＣＵ等）へ出力され、圧力検出を行うようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記試作品のように、高圧に対する気密性を維持するためにステムＪ１と圧力導入孔Ｊ６とをシールする手段としてのネジ部材Ｊ７を用いて、ステムＪ１をハウジングＪ５にネジ結合する構造においては、以下のような問題が生じる。
【０００７】
この構造においては、ハウジングＪ５の外形に合わせてワイヤボンディングしたり、ハウジングＪ５に組み付けられたセンサチップＪ４の向きを基準にして、プローブによるチップ特性の検査や回路基板Ｊ８の組み付けを行ったり、それ以降も、回路基板Ｊ８を基準にターミナルＪ１１等の部品を組み付ける。
【０００８】
しかし、この構造においては、ステムＪ１におけるネジ結合の回転軸と直交する面であるダイヤフラムＪ２に、センサチップＪ４が設けられているため、ステムＪ１をハウジングＪ５にネジ締めする際に、センサチップＪ４がネジ結合の回転軸回りに回転して正規の位置からずれてしまう場合がある。その場合、それ以降のワイヤボンディングや回路基板Ｊ８の組付等を、位置ずれしたチップＪ４に合わせて修正して行わなければならないため、作業性が悪くなる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、圧力検出用の検出手段が設けられたダイヤフラムを有するステムを、圧力導入可能なハウジングにネジ結合してなる圧力センサにおいて、検出手段がネジ結合の回転軸回りに回転して位置ずれした場合でも、後の組付の作業性に影響を与えないようにすることを目的とする。
【００１０】
【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及び請求項２記載の発明は、圧力導入可能なハウジング（３０）と、このハウジングに対してネジ結合されるとともに、該ネジ結合の回転軸と直交する面がダイヤフラム（１１）として構成されたステム（１０）と、このダイヤフラム上にて該ダイヤフラムの変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路（４１）を有する圧力検出用の検出手段（４０）と、該ハウジング内における該検出手段の周囲に配設された回路基板（６０）と、該検出手段に形成されたパッド（Ｐ１〜Ｐ４）と該回路基板とを結線するボンディングワイヤ（６４）と、を備え、ネジ部材（２０）を用いて該ステムを該ハウジングに固定するようにした圧力センサについてなされたものである。
【００１１】
そして、本発明では、検出手段（４０）に形成されたパッドを、ブリッジ回路（４１）の電源端子用パッド（Ｐ１、Ｐ３）及び出力端子用パッド（Ｐ２、Ｐ４）が、前記ネジ結合の回転軸回りに所定の順序にて繰り返し配置されたものとし、該検出手段が該ネジ結合の回転軸まわりに回転して位置ずれした場合に、該検出手段が正規の位置にあるときと同様の回路特性を維持するようにボンディングワイヤ（６４）を結線可能としたことを特徴としている。
【００１２】
つまり、本発明では、検出手段のブリッジ回路に対応した電源端子用パッド、接地端子用パッド及び出力端子用パッドを所定の順序に並べて１組とし、この１組を、検出手段においてネジ結合の回転軸回りに複数組連続して配置したものとすることができる。
【００１３】
例えば、本発明において、時計回りに電源端子用パッド、接地端子用パッド、出力端子用パッドの順に並べたものを１組として、検出手段が正規の位置に在るとき、ある１組（第１組）における各パッドがワイヤボンディングされている場合を考える。この場合、検出手段が例えば時計回りに回転して、第１組の出力端子用パッドがワイヤボンディング不可能な位置にずれても、第１組の次の第２組の出力端子用パッドがワイヤボンディング可能な位置に来る。
【００１４】
よって、本発明によれば、検出手段がネジ結合の回転軸回りに回転して位置ずれした場合でも、検出手段が正規の位置にあるときと同様の回路特性を維持するようにボンディングワイヤが結線可能となっており、回路基板の位置を変える必要が無いため、回路基板を基準とした組付の作業性に影響を与えない。
【００１５】
ここで、請求項２の発明のように、検出手段（４０）を一般的な矩形板状とした場合（例えば矩形板状のチップ等）、この検出手段の周辺部に、各辺につきそれぞれ、電源端子用パッド（Ｐ１、Ｐ３）及び出力端子用パッド（Ｐ２、Ｐ４）からなるパッドの組を１組ずつ配置し、パッドの各組におけるパッドの順序をネジ結合の回転軸回りに同一の順序とした構成とすることができる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施形態に係る圧力センサ１００の全体断面構成を示す。圧力センサ１００は、自動車の燃料噴射系（例えばコモンレ−ル）における燃料パイプ（図示せず）に取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての液体または気液混合気の圧力を検出するものである。また、図２は、図１中の丸で囲んだＡ部の概略（センサチップと金属ステムの断面）を拡大して示す斜視図である。
【００１８】
１０は中空円筒形状を成す金属ステムであり、ネジ部材２０により、ハウジング３０にネジ結合され固定されている。金属ステム１０は、一端側に閉塞部としての薄肉状のダイヤフラム１１を有し、他端側に開口部１２を有する。ここで、ダイヤフラム１１は、ステム１０における上記ネジ結合の回転軸と直交する面を構成している。また、金属ステム１０の他端側（開口部１２側）には、一端側（ダイヤフラム１１側）に比べて外周径が大きい段付部１３が形成されている。
【００１９】
金属ステム１０のダイヤフラム１１の外面には、図２に示す様に、単結晶Ｓｉ（シリコン）からなるセンサチップ４０（本発明でいう検出手段）が、低融点ガラス５０により接合固定されている。このセンサチップ４０は、開口部１２から金属ステム１０内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイヤフラム１１が変形したときに発生する歪みを検出する検出部（歪みゲージ）として機能し、ダイヤフラム１１の変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路（図３参照）を有するものである。なお、ブリッジ回路自体は公知のものを採用できる。そして、これらダイヤフラム１１及びセンサチップ４０が、センサの基本性能を左右する。
【００２０】
金属ステム１０の材料には、超高圧を受けることから高強度であること、及び、Ｓｉからなるセンサチップ４０をガラス５０により接合するため低熱膨張係数であること、が求められ、具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅ、Ｎｉを主体とし、析出強化材料としてＴｉ、Ｎｂ、Ａｌまたは、Ｔｉ、Ｎｂが加えられた材料を選定し、プレス、切削や冷間鍛造等により形成できる。
【００２１】
ハウジング３０は、被取付体としての上記燃料パイプに直接取り付けられるもので、外周面に該取付用のネジ３１が形成されている。また、ハウジング３０の内部には、金属ステム１０の開口部１２と連通する圧力導入通路３２が形成されている。この圧力導入通路３２は、ハウジング３０が上記燃料パイプに取り付けられた状態で上記燃料パイプ内と連通し、金属ステム１０内へ圧力媒体を導入するようになっている。
【００２２】
ネジ部材（スクリュウ）２０は、金属ステム１０の外周を覆う円筒形状を有し、その外周面に雄ネジ部２１が形成され、一方、ハウジング３０における雄ネジ部２１と対応する部位には、雄ネジ部２１に対応した形状の雌ネジ部３３が形成されている。
【００２３】
そして、これら両ネジ部２１、３３のネジ結合により、金属ステム１０において、ネジ部材２０からの押圧力が段付部１３に印加されるため、金属ステム１０はハウジング３０に押圧固定され、さらに、この押圧力によって、開口部１２と圧力導入通路３２との連通部、即ち、金属ステム１０の開口部１２側とハウジング３０の圧力導入通路３２側との境界部Ｋがシールされている。
【００２４】
このように、ハウジング３０は、上記燃料パイプ（燃料配管）への固定（超高圧シール及び機械的保持）、及び、金属ステム１０のネジ部材２０を利用しての固定（超高圧シール及び機械的保持）、という機能、更には、後述のコネクタケース８０の固定（シール及び機械的保持）という機能を有する。そのため、ハウジング３０の要求品質としては、圧力媒体及び実車環境からの耐食性、また上記境界部Ｋにて高いシール面圧を発生させる軸力を維持するためのネジ強度、が挙げられる。
【００２５】
そして、これらの要求品質から、ハウジング３０の材質としては、耐食性と高強度を合わせもつ炭素鋼（例えばＳ１５Ｃ等）に耐食性を上げるＺｎめっきを施したものや、耐食性を有するＸＭ７、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３０等を採用することができる。
【００２６】
また、ネジ部材２０は、金属ステム１０をハウジング３０に固定し、高いシール面圧を発生させる軸力を維持するために高強度が求められるが、ハウジング３０とコネクタケース８０により構成されるパッケージの内部に収納されることから、ハウジング３０と違い耐食性は必要なく、炭素鋼等を採用できる。
【００２７】
６０は回路基板としてのセラミック基板であり、ネジ部材２０に接着され固定されることにより、ハウジング３０内におけるセンサチップ４０の周囲に配設されている。該基板６０には、センサチップ４０の出力を増幅するアンプ（Ａｍｐ）ＩＣチップ６２及び特性調整ＩＣチップ６２が接着剤にて固定されている。
【００２８】
ここで、セラミック基板６０とセンサチップ４０とは、超音波ワイヤボンディングにより形成されたアルミニウム（Ａｌ）等の細線であるボンディングワイヤ６４によって結線され、電気的に接続されている。この基板６０とチップ４０とのワイヤ６４による接続の詳細については、後述する。また、コネクタターミナル７０へ電気的接続するためのピン６６が、銀ろうにてセラミック基板６０に接合されている。
【００２９】
コネクタターミナル７０は、ターミナル７２が樹脂７４にインサート成形により構成されたアッシー（ＡＳＳＹ）である。ターミナル７２とセラミック基板６０とはピン６６にレーザ溶接により接合されている。これによって、センサチップ４０からの出力は、ボンディングワイヤ６４からピン６６を介してターミナル７２へ伝達可能となっている。また、コネクタターミナル７０は、接着剤７６により、コネクタケース８０に固定保持され、ターミナル７２は自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続可能となっている。
【００３０】
コネクタケース８０は、コネクタターミナル７０の外形を成すもので、Ｏリング９０を介して組付けられたハウジング３０と一体化してパッケージを構成し、該パッケージ内部のセンサチップ４０、各種ＩＣ、電気的接続部を湿気・機械的外力より保護するものである。コネクタケース８０の材質は、加水分解性の高いＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等を採用できる。
【００３１】
かかる構成を有する圧力センサ１００の組付方法について、述べる。まず、センサチップ４０がガラス５０で接合されたステム１０を、ネジ部材２０を介してハウジング３０にネジ結合し、ステム１０をハウジング３０に固定する。次に、ネジ部材２０にセラミック基板６０を接着し、セラミック基板６０とセンサチップ４０とをワイヤボンディングにより結線、電気的に接続する。
【００３２】
次に、コネクタターミナル７０とピン６６とをレーザ溶接（ＹＡＧレーザ溶接等）にて接合する。次に、Ｏリング９０を介して、コネクタケース８０をハウジング３０の溝部に組み付け、該溝部をかしめることにより、コネクタケース８０とハウジング３０とを固定する。こうして、図１に示す圧力センサ１００が完成する。
【００３３】
かかる圧力センサ１００は、ハウジング３０のネジ３１を上記図示しない燃料パイプに形成されたネジ部に直接結合し取り付けることによって、該燃料パイプに接続固定される。
【００３４】
そして、燃料パイプ内の燃料圧（圧力媒体）が、圧力導入通路３２を通じて、金属ステム１０の開口部１２から金属ステム１０の内部（中空部）へ導入されたときに、その圧力によってダイヤフラム１１が変形し、この変形をセンサチップ４０により電気信号に変換し、この信号をセンサの処理回路部を構成するセラミック基板６０等にて処理し、圧力検出を行う。そして、検出された圧力（燃料圧）に基づいて、上記ＥＣＵ等により燃料噴射制御がなされるのである。
【００３５】
ところで、本実施形態では、高圧に対する気密性を維持するためにネジ部材２０を用いてステム１０をハウジング３０にネジ結合する構造であるため、上述したように、ステム１０をハウジング３０にネジ締めする際に、センサチップ４０が、ステム１０のネジ締めにおける回転軸（以下、ネジ回転軸という）回りに回転して正規の位置からずれてしまう場合がある。本実施形態では、このチップの位置ずれによる組付作業性の悪化を防止すべく、基板６０とチップ４０との接続構成において、次のような独自の構成を採用している。
【００３６】
図３は、本実施形態におけるセラミック基板６０とセンサチップ４０とのワイヤ６４による接続構成の一例を示す模式図（ネジ回転軸方向から見た図）である。図３において、（ａ）はチップ４０が正規の位置にある場合、（ｂ）チップ４０が正規の位置から反時計回りに２２．５°回転した場合、（ｃ）はチップ４０が正規の位置から反時計回りに４５°回転した場合である。
【００３７】
図３に示す様に、センサチップ４０には、ワイヤボンディング用のパッドＰ１〜Ｐ４がＡｌ（アルミ）等の蒸着等により形成されている。なお、図３では、各パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を各々、▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼で示してある。そして、本例では、４個のパッドＰ１〜Ｐ４をパッドの１組として、矩形板状であるチップ４０の周辺部に、各組におけるパッドの順序がネジ回転軸に対して反時計回りにＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の順となるように、上記パッドの組が１組ずつ配置されている。
【００３８】
ここで、各組における各パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、それぞれ、チップ４０のブリッジ回路４１の電源端子用パッド、出力（−）端子用パッド、電源端子用パッド、出力（＋）端子用パッドに相当する。そして、これら電源端子用パッドＰ１、出力（−）端子用パッドＰ２、電源端子用パッドＰ３、出力（＋）端子用パッドＰ４は、図３（ａ）に示す正規の位置にてそれぞれ、基板６０の電源端子Ｔ１、出力（−）端子Ｔ２、電源端子Ｔ３、及び出力（＋）端子Ｔ４に対し、ワイヤ６４で結線され、チップ４０のブリッジ回路４１は図示のような結線状態となっている。
【００３９】
図３（ｂ）に示す程度の位置ずれ状態では、上記正規の位置にて結線されたパッドＰ１〜Ｐ４の組（第１組）を用いて、正規の位置における結線状態を維持可能にワイヤボンディングできる。ところが、図３（ｃ）に示す状態では、位置ずれが大きいため、もし、上記第１組のみで結線しようとすると、第１組のパッドＰ１及びＰ２においてはワイヤが長すぎてしまう。そのため、ワイヤボンディング時の共振によるワイヤの断線や接合性の悪化といった問題が生じ、実質的に結線不可能である。
【００４０】
しかし、本実施形態によれば、図３（ｃ）に示す位置ずれの大きい状態であっても、センサチップ４０において、上記第１組と隣接するパッドＰ１〜Ｐ４の組（第２組）におけるパッドＰ１とＰ２が、セラミック基板６０の各端子Ｔ１、Ｔ２とワイヤボンディング可能な位置にある。
【００４１】
そして、図３（ｃ）に示す様に、セラミック基板６０の各端子Ｔ１〜Ｔ４とセンサチップ４０の各パッドＰ１〜Ｐ４とをワイヤボンディングすれば、ブリッジ回路４１の対称性を利用して、正規の位置でワイヤボンディングしたときの回路特性を維持することができる。つまり、図３（ａ）〜（ｃ）の全てのブリッジ回路４１において、Ｔ１とＴ４間の抵抗変化方向及びＴ２とＴ３間の抵抗変化方向が共に増加方向となり、同等の回路特性が維持されている。
【００４２】
また、図３には示さないが、センサチップ４０が正規の位置から反時計回りに９０°回転した場合には、第２組のパッドＰ１〜Ｐ４が、第１組のものに置き換わることで、正規の位置における回路特性を維持するように、セラミック基板６０の各端子Ｔ１〜Ｔ４とのワイヤボンディングが可能である。また、センサチップ４０がネジ回転軸に対し時計回りに位置ずれした場合も、反時計回りの場合と同様に効果があることは勿論である。
【００４３】
ちなみに、図４は、比較例として、従来の一般的なセンサチップＪ４におけるボンディングワイヤＪ９の接続構成を模式的に示す図である。従来では、矩形のセンサチップＪ４における四隅に１個ずつ、チップＪ４のブリッジ回路の各端子用パッドＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が形成され、図示のようにワイヤＪ９にて結線されている。
【００４４】
このようなパッド配置では、チップＪ４が、図４に示す正規の位置からステムＪ１の回転軸（ネジ回転軸）回りに回転して位置ずれした場合、チップＪ４の向きにより、或るパッドがセラミック基板側のボンディング位置から遠くなりすぎて、ワイヤＪ９が互いに交差したり、長すぎてしまう。そのため、短絡の発生や、ワイヤボンディング時の共振によるワイヤの断線や接合性の悪化といった問題が生じるため、ボンディングが不可能になったり、正規の位置におけるブリッジ回路の回路特性を維持するようにボンディングできなくなったりする。
【００４５】
なお、図３に示す例では、矩形板状のチップ４０の各辺における周辺部に、１辺につき１組の電源端子用パッドＰ１及びＰ３、及び出力端子用パッドＰ２及びＰ４を配置し、各組におけるパッドＰ１〜Ｐ４の順序を、ネジ回転軸回りに同一の順序とした構成であるが、チップ４０の各辺に１組ずつ配置した構成でなくても良い。
【００４６】
例えば、該各辺に２組以上、あるいは、１組と半分（例えば、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ１、Ｐ２といった６個のパッド）といった形で配置しても良い。また、パッドの組内の順序は、図示例に限定されるものではなく、また、チップ４０は矩形板状でなくても良い。
【００４７】
要するに、本実施形態では、チップ４０が正規の位置にある場合のチップ４０におけるブリッジ回路４１の電源端子用パッドＰ１及びＰ３、及び出力端子用パッドＰ２及びＰ４を、ステムにおけるネジ結合の回転軸（ネジ回転軸）回りに所定の順序にて繰り返し配置されたものとすれば、チップ４０が正規の位置にあるときと同様の回路特性を維持するようにボンディングワイヤ６４を結線することができる。
【００４８】
よって、本実施形態によれば、チップ４０のネジ回転軸回りの位置ずれが起こっても、ワイヤボンディングを容易に実行でき、セラミック基板６０の位置を補正することがない。そのため、センサの組付の際、セラミック基板６０を基準に組み付ける工程において、チップ４０の位置ずれが、これらの組付工程の作業性に影響を与えるのを防止できる。
【００４９】
なお、ダイヤフラム上に設けられ、該ダイヤフラムの変形に応じた電気信号を出力する検出手段としては、上記センサチップに限定されるものではなく、歪みゲージをダイヤフラムに直接蒸着し、この歪みゲージを検出手段として用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサの全体構成を示す概略断面図である。
【図２】図１中の丸で囲んだＡ部を拡大して示す説明図である。
【図３】セラミック基板とセンサチップとの接続の詳細を説明する模式図である。
【図４】従来の一般的なセンサチップにおけるボンディングワイヤの接続構成の模式図である。
【図５】本発明者の試作品としての圧力センサを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…ステム、１１…ダイヤフラム、３０…ハウジング、
４０…センサチップ、４１…ブリッジ回路、６０…セラミック基板、
６４…ボンディングワイヤ、Ｐ１〜Ｐ４…センサチップのパッド。

Claims (2)

1. 圧力導入可能なハウジング（３０）と、
   このハウジングに対してネジ結合されるとともに、前記ネジ結合の回転軸と直交する面が、前記ハウジングに導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム（１１）として構成されたステム（１０）と、
   このステムの前記ダイヤフラム上にて、前記ダイヤフラムの変形に応じた抵抗値変化を電気信号に変換するためのブリッジ回路（４１）を有する圧力検出用の検出手段（４０）と、
   前記ハウジング内における前記検出手段の周囲に配設された回路基板（６０）と、
   前記検出手段に形成されたパッド（Ｐ１〜Ｐ４）と前記回路基板とを結線するボンディングワイヤ（６４）と、を備え、
   ネジ部材（２０）を用いて前記ステムを前記ハウジングに固定するようにした圧力センサであって、
   前記パッドは、前記ブリッジ回路の電源端子用パッド（Ｐ１、Ｐ３）及び出力端子用パッド（Ｐ２、Ｐ４）が、前記ネジ結合の回転軸回りに所定の順序にて繰り返し配置されたものとなっており、
   前記検出手段が前記ネジ結合の回転軸まわりに回転して位置ずれした場合に、前記検出手段が正規の位置にあるときと同様の回路特性を維持するように前記ボンディングワイヤが結線可能となっていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記検出手段（４０）は矩形板状であり、
   この検出手段の周辺部には、各辺につきそれぞれ、前記電源端子用パッド（Ｐ１、Ｐ３）及び前記出力端子用パッド（Ｐ２、Ｐ４）からなるパッドの組が１組ずつ配置されており、
   これらパッドの各組におけるパッドの順序が前記ネジ結合の回転軸回りに同一の順序となっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。

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