JP5273076B2

JP5273076B2 - 温度センサ一体型半導体圧力センサ

Info

Publication number: JP5273076B2
Application number: JP2010067571A
Authority: JP
Inventors: 博文加藤; 仁泰芦野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011202960A

Description

本発明は温度センサ一体型半導体圧力センサの改良に関する。

従来、内燃機関の吸気管内の圧力と温度とを検出するための装置であって、１つの共通のケーシング内に温度センサと圧力センサとを備える形式のセンサがある。
温度センサ一体型半導体圧力センサとして、図２の断面図に示すような温度センサ一体型半導体圧力センサが公開されている（特許文献１）。図２では、温度センサ４０のリード線４１とサーミスタポート部４２の間に緩衝材４３を設けており、このことにより、内燃機関の振動に起因する温度センサ４０の振動を抑制し、耐久性を高めることが示されている。また、図３の断面図に示すような、温度センサのヘッド２５をリード線２６の反力により圧力導入口２７の内壁に押し付けて固定することにより、温度センサ２５の振動を抑制する温度センサ一体型半導体圧力センサが発表されている（特許文献２）。

さらに、図４の断面図に示す温度センサ一体型半導体圧力センサでは、ケーシング３０に固定される圧力導入のための接続管片部分３１と、機械的なひずみを遮断するためのシール接着部３３を介して支持体３４並びに接続管片部分３１に結合される中間部分３５と、を設ける構造にすることで、圧力測定精度を向上させている。また、この温度センサ一体型半導体圧力センサは、腐食や断線などから保護するために、温度センサ３６及びその接続導線３７に保護ラッカなどによってコーティングが施される構造を有し、接続管片部分３１に固定されている（特許文献３）。これらの構造を採用する温度センサ一体型半導体圧力センサは、サーミスタなどの温度センサが内燃機関に振動に起因して振動する現象を抑えて温度センサへのダメージや断線を抑止しつつ精度良く温度と圧力を測定することができる。

特開２００４−１９８３９４号公報特開２００４−２７９３７１号公報特表２０００−５１０９５６号公報

しかしながら、前述の温度センサ一体型半導体圧力センサには以下に示すような問題点が挙げられる。前記特許文献１では、図２に示すように、サーミスタ４０の振動を抑止するための緩衝材４３がサーミスタ４０が設置されるサーミスタポート部４２に設けられているため、部材コストと設置工数が必要となりコスト増になる。特許文献２では、図３に示すように、圧力導入口２７に吸い込まれたゴミが温度センサのヘッド２５に引っかかり目詰りする恐れがある。特許文献３では、図４に示すように、熱によるケーシング３０の歪みが圧力センサ３２に加わり圧力センサ３２の特性が損なわれるのを抑えるために、接着材料として耐薬品性かつゴム質な材料を選定する必要があるので、材料選択の幅が狭まるという課題がある。

本発明は、以上説明した問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、温度センサの振動を抑制して断線を防止し、樹脂パッケージの歪を抑えてセンサ特性の劣化を抑制することができる温度センサ一体型半導体圧力センサを提供することである。

前記本発明の目的を達成するために、インサートモールドされた圧力センサ端子及び温度センサ端子を有する樹脂パッケージと、該樹脂パッケージの一部を構成し筒状内部空間を有する圧力導入管の一端に配置される圧力センサセルと、前記圧力導入管の他端にある圧力導入口と、前記圧力導入管内部には、前記温度センサ端子にリード線を介して取り付けられる温度センサのヘッドが配置される温度センサ一体型半導体圧力センサにおいて、前記圧力導入管が前記筒状内部空間を二分する隔壁を備え、該隔壁は、前記圧力導入管の壁面から前記筒状内部空間の中心線に向かって延びる形状と、該中心線の長さ方向の下端部が前記温度センサのヘッドの位置に達する形状と、前記中心線に沿うスリットにより分離される形状と、該分離される形状を部分的に連結する連結部とを備え、前記隔壁の下端部と前記温度センサのヘッドとが前記圧力導入管内部で接触する構成を有する温度センサ一体型半導体圧力センサとする。また、前記隔壁の下端部が前記圧力導入口方向へ延びる隔壁突起を有し、該隔壁突起と前記温度センサのヘッドとが前記圧力導入管内部で接触する構成を有していることが好ましい。前記連結部が前記隔壁の前記端部または中間部のいずれかに配置することができる。また、前記リード線を前記隔壁の下端部に接触させるための折り曲げ角度を９０度より大きくすることが望ましい。さらに、前記樹脂パッケージ材料を熱膨張時の縦横伸び比率の差が小さい熱可塑性樹脂とすることがより望ましい。該熱可塑性樹脂としてはポリブチレンテレフタレート樹脂が好ましい。またさらに、前記筒状内部空間を有する圧力導入管に対して気密に接着される圧力センサセルが、前記圧力センサセルを前記圧力導入管とは反対側で密封する樹脂キャップを備えるように構成することがより好ましい。

本発明によれば、温度センサの振動を抑制して断線を防止し、樹脂パッケージの歪を抑えてセンサ特性の劣化を抑制することができる温度センサ一体型半導体圧力センサを提供することができる。

本発明の温度センサ一体型半導体圧力センサの断面図である。従来の温度センサ一体型半導体圧力センサの断面図である。従来の温度センサ一体型半導体圧力センサの断面図である。従来の温度センサ一体型半導体圧力センサの断面図である。本発明にかかるサーミスタのフォーミング角度を説明するための圧力導入管の一部の拡大断面図である。本発明にかかる圧力導入管の拡大断面図である。隔壁のスリットと連結部の位置形状の変形例を示す圧力導入管の部分拡大断面模式図である。

以下、本発明の温度センサ一体型半導体圧力センサの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。

図１は本発明の実施例１にかかるゲージ圧力測定用の圧力センサと温度センサを一体化した温度センサ一体型半導体圧力センサの断面図を示す。図１（ａ）は前記温度センサ一体型半導体圧力センサ１００の内部構造を表す断面図、図１（ｂ）は前記図１（ａ）の圧力導入管４を紙面に平行な方向から見た断面図である。本発明の温度センサ一体型半導体圧力センサ１００（以降、一体型圧力センサと略記する）は、大別して「インサートモールドされた圧力センサ端子１４及びサーミスタ端子１５を有する樹脂パッケージ１８」と、「樹脂接着剤８で樹脂パッケージ１８に配置される圧力検知を目的とする半導体センサを内臓する圧力センサセル９」と、「サーミスタ端子１５にサーミスタヘッド１とリード線１７よりなるサーミスタ」という三部品の組立体で構成されている。ここで、樹脂パッケージ１８はＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート：Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ樹脂）で作られている。実施例１では「ｐｏｌｙｐｌａｓｔｉｃｓ社のジュラネックス７３０７ＥＦ２００１／ＥＤ３０２０」を使用している。

この樹脂の特性は熱膨張時の縦横伸び比率がほぼ同じで、かつ曲げ弾性率が６５００Ｍｐａと同社製品中でも曲げ弾性率が低いことを特徴としている。この樹脂特性により樹脂パッケージ１８の成型時に発生する応力歪みを小さく抑えて圧力センサセル９の出力への悪影響を防いでいる。また、圧力センサセル９が直下の圧力導入管４の一端側に樹脂接着剤８で接着され、この圧力導入管４の他端側には圧力導入口２が設けられている。圧力導入管４はこの圧力導入管４の壁面４ａから内側に中心線に向かって延びる隔壁７によって通気口５とサーミスタポート口１６に二分されている。このように圧力導入管４を二分することにより、サーミスタヘッド１が圧力導入管４内部に設置された場合に、ゴミなどによりサーミスタポート口１６で目詰まりが生じても残りの通気口５により圧力センサによる圧力測定に必要な通気を確保することができる。しかし、樹脂パッケージ１８の成型の際、通常は、成型時の後収縮の際に応力歪が入り易く、この応力歪による圧力センサへの悪影響が問題に成り易いが、前述のように、応力歪の少ない樹脂特性の樹脂を用いるので、応力歪を小さくできる。さらに、後収縮による形状の変形を抑制することができるので、特に寸法精度が要求される圧力導入管４や通電用コネクタ端子（図示せず）を精度よく整形することができる。本発明にかかる温度センサ一体型半導体圧力センサ１００では、圧力導入管４の筒状内部空間を隔壁７によって二分されるが、通常、このような隔壁７を設けると、樹脂の硬化時に樹脂内部に発生する応力により圧力導入管４の真円度が悪くなり易く、また、隔壁７に応力が集中して亀裂の入り易いことが分かった。そこで、本発明では、圧力導入管４の中心線に沿って設けられるスリット２０によって真円度を確保し、隔壁７に入る亀裂の発生を防止している。特に圧力導入管４の先端部では真円度を確保するために隔壁７を設けていない。一方で、スリット２０で分離されている隔壁７は前記圧力導入管４の一端から他端の間のいずれかの位置に連結部２１を備えることにより圧力導入管４の強度を高めている。

さらに、隔壁７の下端部３ａ（圧力導入口２側）でサーミスタの振動抑制を目的としてサーミスタヘッド１を接触させる。サーミスタヘッド１は前記隔壁７の下端部３ａに接触させるために、サーミスタ端子１５から延び、サーミスタヘッド１に接続されるリード線１７を圧力導入管４に差し込む際に、折り曲げ角度を直角ではなく、１００度程度の角度にすることが好ましい。さらにまた、サーミスタの振動を抑えるために、前述のように、前記隔壁７の下端部３ａに直接接触させるのではなく、前記隔壁の下端部３ａから、さらに前記圧力導入口方向に延びる隔壁突起３を設け、この隔壁突起３にサーミスタヘッド１を接触させる構成とすることも好ましい。

この隔壁突起３について、さらに説明する。図６に示すように、隔壁７は圧力導入口２から圧力導入管４の内部に入ったところの壁面と接触するに留めることにより、先端部の真円度を高めている。隔壁７の下端部３ａから圧力導入口２方向に延びる隔壁突起３は、圧力導入管４の先端部では壁面に接触しないように、隔壁７の中央部のみから延長された形状で設置されている。この隔壁突起３が圧力導入管４の先端部の壁面に接触させないように肉抜きされている形状は、圧力導入管４の先端部分、特に隔壁突起３が設置されている部分で、空気の流れを良くするように作用させるためである。さらに、隔壁７の形状を圧力導入管４の先端まで壁面に接触した状態を延長すると、応力により圧力導入管４の先端部の真円度が損なわれる惧れがあるので、これを防ぐことがもう一つの目的である。

次に、図７を参照して、隔壁７の変形例について説明する。図７（ａ）はスリット２０で分離された隔壁７の連結部２１を隔壁７の下端部３ａに設けた構造であり、連結部２１とサーミスタヘッド１との接触部とが一体化されている構造である。（ｂ）は連結部２１を隔壁７の上端に設けた構造であり、この場合のサーミスタヘッド１との接触部はスリット２０で分離された隔壁７の下端部３ａである。（ｃ）は連結部２１を隔壁７の中間に設けた構造である。いずれの構造でも、サーミスタヘッド１との接触は隔壁７の下端部３ａで行われ、圧力導入管４の先端部には、真円度を保ち、通気口の空気の流れをよくするために隔壁７が設けられていない。

サーミスタヘッド１と隔壁７の下端部３ａまたは隔壁突起３とが接触することによってサーミスタへの熱伝導性を高め精度良く温度を検出することができる。サーミスタヘッド１を隔壁７の下端部３ａまたは隔壁突起３に上手に接触させる構造および方法について説明する。図５に示すような方法でサーミスタのリード線１７をフォーミングすることでサーミスタヘッド１と隔壁７の下端部３ａまたは隔壁突起３の接触を実現させている。図５（ａ）では、先端にサーミスタヘッド１が取り付けられたサーミスタに対し、リード線１７を直角に折り曲げて圧力導入管４のサーミスタポート口１６に差し込んだ時の断面図を示す。（ｂ）はサーミスタのリード線１７の折り曲げ角度を直角（９０度）より大きくして隔壁７に接触させるようにした構造と方法を示す。またこのときのサーミスタのリード線１７の折り曲げ角度は、前述したように１００度としている。

樹脂パッケージ１８にインサートモールドされた圧力センサ端子１４及びサーミスタ端子１５にはそれぞれ圧力センサセル９の出力端子及びサーミスタ端子１５が溶接されており、その上から樹脂接着剤にてモールドされている。これは溶接部をモールドすることで腐食性物質から溶接部を保護するためと、モールドすることで接合部自体の強度を高めることを目的としている。圧力センサセル９自体は樹脂パッケージ１８に対して樹脂接着剤８を用いて接着されている。このような構造にすることにより圧力導入口２より印加された圧力が樹脂パッケージ１８内部に拡散することなく圧力センサセル９へ圧力を印加することができる。また、図１に示すように、圧力導入管４の一端側（上端側）に樹脂接着剤８で接着により配置されている圧力センサセル９の上側には、樹脂キャップ１０が樹脂パッケージ１８の凹部に蓋をするように気密に覆っている。これは仮に圧力センサセル９と樹脂パッケージ１８間の樹脂接着剤８に異常が発生し気密を保てなくなってしまっても、樹脂キャップ１０が代わりに気密を保つことで樹脂パッケージ１８外部に圧力が漏れてしまうのを防ぐことができるためである。これによって圧力漏れといった圧力センサにとって最悪の故障発生確率を下げることができる。

また、内燃機関の振動に起因するサーミスタの振動に対しては、圧力導入口２内に隔壁７及び振動抑止のための隔壁突起３を設けてリード線１７を接触させる。サーミスタフォーミング時に図５に示すようにわずかに角度をつけて曲げ角度を９０度以上にフォーミングすることでリード線１７と隔壁７の下端部３ａまたは隔壁突起３を接触させることが好ましい。ここではサーミスタ挿入の容易さと隔壁突起３への接触の兼ね合いよりサーミスタフォーミング角度を１００度としている。この角度に折り曲げることによりサーミスタが振動しても隔壁の下端部３ａまたは隔壁突起３に接触することで振幅を低減させることができ、リード線１７にダメージが入り断線することを防いでいる。サーミスタヘッド１を前述のようにして樹脂パッケージ１８の一部に接触させることにより、サーミスタヘッド１に樹脂パッケージ１８の熱が伝わりやすくなる。従ってこの構造により樹脂パッケージ１８及び内包される圧力センサセル９の温度を精度良く温度を測定することができる。

圧力導入口２の目詰まりについては、図２に示す従来の一体型センサで示されるような通気口１８ａとサーミスタポート口１８ｂを分ける構造と同様の構造とすることによってサーミスタポート口１８ｂで目詰りが発生しても残りの通気口１８ａで通気を確保することができる。

次に、熱による樹脂パッケージ１８の成型時の応力歪みが圧力センサセル９に伝わりセンサ特性が損なわれる問題に対して、本発明では熱膨張時の縦横伸び比率がほぼ同じである前記熱可塑性のＰＢＴ樹脂を用いて樹脂パッケージ１８を成型することで対策している。この樹脂パッケージ１８を用いることにより後収縮による歪み（変形）が抑制できる。すなわち、樹脂パッケージ１８に熱膨張時の縦横伸び比率がほぼ同じである熱可塑性のＰＢＴ樹脂を用いるので、成型直後から樹脂パッケージの歪みが少なく、周囲温度が変化しても樹脂パッケージ１８の形状が極端に変形し過大応力が発生するといったことが無い。従って、どの温度帯でも樹脂パッケージ１８が変形することなく、高い精度で圧力を測定することができる。また後収縮による歪み（変形）が抑制できることにより成型後の形状精度が要求される圧力導入管４や通電用のコネクタ端子を精度よく成型することができる。ただしこの熱可塑性樹脂特有の問題もある。すなわち、圧力導入管４内部には隔壁７が圧力導入口２の目詰まり防止機能の他にサーミスタの安定挿入や圧力導入管４のパイプ強度を高めるといった目的のために設置されている。しかしながら、本発明にかかる樹脂パッケージ１８に使用している前述の熱可塑性樹脂のＰＢＴ樹脂の低反りグレード品は従来の標準的な熱可塑性樹脂よりも引っ張り強さが低い特性も有する。その結果、樹脂パッケージ１８に熱履歴を繰り返し加えられると、隔壁７に縦方向の亀裂が入り易い。その理由は歪みが少ない樹脂を使用しても樹脂パッケージ１８の成型時の収縮により隔壁７中に外側へ引っ張る向きの応力が存在し、繰り返し熱を加え伸縮させることにより引っ張り強さが限界を超え亀裂が入るのだと推測される。そこで隔壁７に亀裂発生方向と同じ向きにスリット２０を入れることで成型時の収縮応力を小さくし、隔壁７の下端部及びその先に延長される隔壁突起３に亀裂が入るのを抑止している。しかし、このスリット２０を設けることにより隔壁７には過度な応力がかからないので、亀裂発生は抑制されるが、強度が低下する。そこで、スリット２０には連結部２１を設けることにより、サーミスタ安定挿入の機能維持や隔壁が無い場合よりは強度を高めることができる。

１サーミスタヘッド
２圧力導入口
３隔壁突起
３ａ下端部
４圧力導入管
４ａ壁面
５通気口
７隔壁
８樹脂接着剤
９圧力センサセル
１０樹脂キャップ
１４圧力センサ端子
１５サーミスタ端子
１６サーミスタポート口
１７リード線
１８樹脂パッケージ
２０スリット
２１連結部
１００温度センサ一体型半導体圧力センサ

Claims

インサートモールドされた圧力センサ端子及び温度センサ端子を有する樹脂パッケージと、該樹脂パッケージの一部を構成し筒状内部空間を有する圧力導入管の一端に配置される圧力センサセルと、前記圧力導入管の他端にある圧力導入口と、前記圧力導入管内部には、前記温度センサ端子にリード線を介して取り付けられる温度センサのヘッドが配置される温度センサ一体型半導体圧力センサにおいて、前記圧力導入管が前記筒状内部空間を二分する隔壁を備え、該隔壁が、前記圧力導入管の壁面から前記筒状内部空間の中心線に向かって延びる形状と、該中心線の長さ方向の下端部が前記温度センサのヘッドの位置に達する形状と、前記中心線に沿うスリットにより分離される形状と、該分離される形状を部分的に連結する連結部とを備え、前記隔壁の下端部と前記温度センサのヘッドとが前記圧力導入管内部で接触する構成を有することを特徴とする温度センサ一体型半導体圧力センサ。
前記隔壁の下端部が前記圧力導入口方向へ延びる隔壁突起を有し、該隔壁突起と前記温度センサのヘッドとが前記圧力導入管内部で接触する構成を有していることを特徴とする請求項１記載の温度センサ一体型半導体圧力センサ。
前記連結部が前記隔壁の端部または中間部のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１記載の温度センサ一体型半導体圧力センサ。
前記リード線を前記隔壁の下端部に接触させるための折り曲げ角度を９０度より大きくすることを特徴とする請求項１または２記載の温度センサ一体型半導体圧力センサ。
前記樹脂パッケージ材料が熱膨張時の縦横伸び比率の差が小さい熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の温度センサ一体型半導体圧力センサ。
前記熱可塑性樹脂がポリブチレンテレフタレート樹脂であることを特徴とする請求項５記載の温度センサ一体型半導体圧力センサ。
前記筒状内部空間を有する圧力導入管に対して気密に接着される圧力センサセルが、前記圧力センサセルを前記圧力導入管とは反対側で密封する樹脂キャップを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度センサ一体型半導体圧力センサ。