JP5648586B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力に応じた電気信号を出力する圧力センサに関するものである。

従来の圧力センサは、圧力を受けるダイヤフラム部が変形して圧力に応じた電気信号を出力するセンサチップを備え、ダイヤフラム部の周辺部位にてセンサチップにボンディングワイヤが接合され、センサチップとボンディングワイヤとの接合部やダイヤフラム部がゲル状の封止部材にて封止されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ダイヤフラム部が所定量以上変形しようとするときにダイヤフラム部がストッパに当接してダイヤフラム部の過度の変形を防止するようにした圧力センサも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−８７６２号公報 特開平５−２６４３７９号公報

しかしながら、センサチップとボンディングワイヤとの接合部やダイヤフラム部がゲル状の封止部材にて封止されている圧力センサに、ダイヤフラム部の過度の変形を防止するストッパを設けた場合には、ダイヤフラム部が変形したときにダイヤフラム部とストッパとの間に挟まれた封止部材が流動し、この封止部材の流動によりボンディングワイヤに負荷がかかり、ボンディングワイヤが断線する虞があった。

本発明は上記点に鑑みて、封止部材の流動によるボンディングワイヤの断線を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力を受けるダイヤフラム部（２１）が変形して圧力に応じた電気信号を出力するセンサチップ（２）と、ダイヤフラム部（２１）が所定量以上変形しようとするときにダイヤフラム部（２１）が当接してダイヤフラム部（２１）の所定量以上の変形を防止するストッパ（１２１）と、ダイヤフラム部（２１）の周辺部位にてセンサチップ（２）に接合されたボンディングワイヤ（３５）と、センサチップ（２）とボンディングワイヤ（３５）との接合部を封止するゲル状の封止部材（３６）と、ダイヤフラム部（２１）と封止部材（３６）との間に配置されて、封止部材（３６）がダイヤフラム部（２１）側に移動するのを阻止する移動阻止部（２３、２４）とを備え、移動阻止部は、センサチップ（２）の表面に形成された溝（２４）であることを特徴とする。

これによると、接合部を封止する封止部材（３６）はダイヤフラム部（２１）側に移動しないため、ダイヤフラム部（２１）は封止部材（３６）がない状態が維持される。したがって、ダイヤフラム部（２１）がストッパ（１２１）に当接する状態になっても封止部材（３６）は流動せず、ボンディングワイヤ（３５）の断線が防止される。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の圧力センサにおいて、溝（２４）は複数個形成されていることを特徴とする。

これによると、一本の長い溝にした場合よりも、センサチップ（２）の耐圧強度を高くすることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、ストッパ（１２１）におけるダイヤフラム部（２１）と対向する面に、弾性材よりなる緩衝部材を設けたことを特徴とする。

これによると、ダイヤフラム部（２１）がストッパ（１２１）に当接した際のダイヤフラム部（２１）の破損をより確実に防止することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、センサチップ（２）の一端側に室（１１３）を形成する蓋部（１２）を備え、この蓋部（１２）にストッパ（１２１）が一体に形成されていることを特徴とする。

これによると、部品点数を少なくすることができる。

請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、ストッパ（１２１）におけるダイヤフラム部（２１）と対向する面は、半円球形状にすることができる。

請求項６に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、ストッパ（１２１）におけるダイヤフラム部（２１）と対向する面は、円錐台形状にすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。

本発明の一実施形態に係る圧力センサの正面断面図である。 図１のＡ部を拡大して示す正面断面図である。 図２のセンサチップ２の平面図である。 第１変形例を示すストッパ１２１近傍の正面図である。 第２変形例を示すストッパ１２１近傍の正面図である。 （ａ）は第３変形例を示すセンサチップ２の正面断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 （ａ）は第４変形例を示すセンサチップ２の正面断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。

本発明の一実施形態について説明する。図１は一実施形態に係る圧力センサの正面断面図、図２は図１のＡ部を拡大して示す正面断面図、図３は図２のセンサチップ２の平面図である。なお、図３はボンディングワイヤ３５が接合される前の状態を示している。

本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車のディーゼルエンジンの排気管に設けられたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の圧力損失を検出するために排気管に取り付けられ、ＤＰＦ前後の排気管の差圧、すなわち、ＤＰＦの上流側圧力とＤＰＦの下流側圧力との差圧を検出する差圧（相対圧）検出型の圧力センサとして用いられる。なお、ＤＰＦとは、排気管途中に煤煙をトラップするフィルタを設け、一定量溜まったら煤煙を燃やすことで、大気中に煤煙が放出されることを防ぐシステムである。

図１〜図３に示すように、本実施形態の圧力センサは、樹脂製のケース１を備え、ケース１は、ケース本体部１１と第１、第２蓋部１２、１３とを備えている。

ケース本体部１１には、内部空間を３つに分割する第１隔壁部１１１および第２隔壁部１１２が形成されている。より詳細には、第１蓋部１２と第１隔壁部１１１との間に、大気に開放された大気圧室１１３が形成されている。また、第２蓋部１３と第１隔壁部１１１と第２隔壁部１１２とによって、ＤＰＦの上流側の圧力が導入される第１正圧室１１４と、ＤＰＦの下流側の圧力が導入される第２正圧室１１５が形成されている。

また、第１隔壁部１１１には、大気圧室１１３と第１正圧室１１４とを連通させる第１連通孔１１６と、大気圧室１１３と第２正圧室１１５とを連通させる第２連通孔１１７が形成されている。さらに、ケース本体部１１には、図示しない相手コネクタと結合されるコネクタハウジング部１１８が一体に形成されている。

ケース１内には、第１連通孔１１６の部位、および第２連通孔１１７の部位に、それぞれセンサチップ２が配置されている。このセンサチップ２は、圧力を検出する検出部を構成するものであり、印加された圧力値に応じたレベルの電気信号を出力するものである。具体的には、センサチップ２は、シリコン等で構成された半導体基板に、歪みゲージとして機能するダイヤフラム部２１が形成された半導体ダイヤフラム式の半導体センサチップである。

このようなセンサチップ２は、表裏両面で圧力を受け、両圧力の差圧によってダイヤフラム部２１が歪み、ダイヤフラム部２１に形成された図示しないピエゾ抵抗により構成されたブリッジ回路（歪みゲージ）によって、このダイヤフラム部２１の歪みに基づく信号を出力するようになっている。

なお、一方のセンサチップ２は、大気圧室１１３の圧力（すなわち大気圧）と第１正圧室１１４の圧力（すなわちＤＰＦの上流側の圧力）との圧力差に応じた信号を出力し、他方のセンサチップ２は、大気圧室１１３の圧力と第２正圧室１１５の圧力（すなわちＤＰＦの下流側の圧力）との圧力差に応じた信号を出力する。

センサチップ２は、セラミックよりなる筒状のステム３１と接着剤３２により接着されている。さらに、センサチップ２とステム３１により各連通孔１１６、１１７を覆うようにして、ステム３１が接着剤３３により第１隔壁部１１１に接着されている。このようにして、センサチップ２は、ケース１に固定されている。

また、ステム３１内および各連通孔１１６、１１７には、耐酸性のゲル状の材料からなる第１封止部材３４が充填されている。この第１封止部材３４は、第１正圧室１１４または第２正圧室１１５の圧力をセンサチップ２に媒介すると共に、腐食ガスや湿度からセンサチップ２を保護するものである。

センサチップ２は、大気圧室１１３側の面のうちダイヤフラム部２１の周辺部位に、ダイヤフラム部２１と電気的に接続された複数（本例では４個）のボンディングパッド２２を備えている。そして、このボンディングパッド２２にボンディングワイヤ３５が接合され、ボンディングパッド２２とボンディングワイヤ３５との接合部は、ゲル状の材料からなる第２封止部材３６にて封止され、保護されている。

センサチップ２には、大気圧室１１３側の面に、移動阻止部としての壁２３が一体に形成されている。この壁２３は、センサチップ２の表面から突出し、ダイヤフラム部２１を囲む円筒状になっている。また、この壁２３は、ダイヤフラム部２１と第２封止部材３６の間に配置されて、ダイヤフラム部２１と第２封止部材３６を分離し、これにより、第２封止部材３６がダイヤフラム部２１側に移動するのを阻止するようになっている。

第１蓋部１２には、大気圧室１１３側の面に、円柱状のストッパ１２１が一体に形成されている。このストッパ１２１は、先端部が壁２３内に挿入され、先端面がダイヤフラム部２１と対向している。また、ストッパ１２１の先端面は、ダイヤフラム部２１と平行な平面になっている。

そして、センサチップ２が受ける差圧が通常の範囲内のときには、ダイヤフラム部２１はストッパ１２１に当接せず、一方、センサチップ２が受ける差圧がダイヤフラム部２１の許容圧力に近い値になって、ダイヤフラム部２１が所定量以上変形しようとするときには、ダイヤフラム部２１がストッパ１２１に当接するようになっている。

上記構成になる本実施形態の圧力センサによると、第２封止部材３６が硬化するまでの間、壁２３によりダイヤフラム部２１側への第２封止部材３６の移動が阻止されるため、ダイヤフラム部２１は封止部材がない状態が維持される。したがって、センサチップ２が受ける差圧が大きくなってダイヤフラム部２１がストッパ１２１に当接する状態になっても、第２封止部材３６は流動しない。これにより、ボンディングワイヤ３５に負荷がかかることが防止され、ひいてはボンディングワイヤ３５の断線が防止される。

なお、上記実施形態においては、ストッパ１２１の先端面を平面にしたが、図４に示す第１変形例のように、ストッパ１２１の先端面を半円球形状にしてもよいし、あるいは、図５に示す第２変形例のように、ストッパ１２１の先端面を円錐台形状にしてもよい。

また、図６に示す第３変形例のように、センサチップ２の壁２３は、断面形状が台形の円筒形状にしてもよい。これによると、抜き勾配が付くため、成形型によって製造する場合に製造しやすい。

さらに、図７に示す第４変形例のように、センサチップ２の壁２３の代わりに、移動阻止部としての溝２４を形成してもよい。より詳細には、この溝２４は、センサチップ２における大気圧室１１３側の面に形成され、ダイヤフラム部２１と第２封止部材３６との間に複数個（本例では４個）配置されている。そして、ダイヤフラム部２１側へ向かって広がろうとする硬化前の第２封止部材３６は、溝２４に流入してダイヤフラム部２１側への移動が阻止されるため、ダイヤフラム部２１は封止部材がない状態が維持される。また、このように溝２４を複数個に分割して形成することにより、一本の長い溝にした場合よりも、センサチップ２の耐圧強度を高くすることができる。

なお、ストッパ１２１はダイヤフラム部２１に当たることを考慮して、ストッパ１２１の先端面にゴム等の弾性材よりなる緩衝部材を配置するのが望ましい。これによると、ダイヤフラム部２１がストッパ１２１に当接した際のダイヤフラム部２１の破損をより確実に防止することができる。

また、上記実施形態では、ＤＰＦに用いられる圧力センサを例として説明したが、本発明は他の用途の圧力センサにも適用することができる。

２ センサチップ
２１ ダイヤフラム部
２３ 壁（移動阻止部）
２４ 溝（移動阻止部）
３５ ボンディングワイヤ
３６ 封止部材
１２１ ストッパ

Claims (6)

1. 圧力を受けるダイヤフラム部（２１）が変形して圧力に応じた電気信号を出力するセンサチップ（２）と、
   前記ダイヤフラム部（２１）が所定量以上変形しようとするときに前記ダイヤフラム部（２１）が当接して前記ダイヤフラム部（２１）の所定量以上の変形を防止するストッパ（１２１）と、
   前記ダイヤフラム部（２１）の周辺部位にて前記センサチップ（２）に接合されたボンディングワイヤ（３５）と、
   前記センサチップ（２）と前記ボンディングワイヤ（３５）との接合部を封止するゲル状の封止部材（３６）と、
   前記ダイヤフラム部（２１）と前記封止部材（３６）との間に配置されて、前記封止部材（３６）が前記ダイヤフラム部（２１）側に移動するのを阻止する移動阻止部（２３、２４）とを備え、
   前記移動阻止部は、前記センサチップ（２）の表面に形成された溝（２４）であることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記溝（２４）は、複数個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。
3. 前記ストッパ（１２１）における前記ダイヤフラム部（２１）と対向する面に、弾性材よりなる緩衝部材を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記センサチップ（２）の一端側に室（１１３）を形成する蓋部（１２）を備え、この蓋部（１２）に前記ストッパ（１２１）が一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 前記ストッパ（１２１）における前記ダイヤフラム部（２１）と対向する面は、半円球形状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記ストッパ（１２１）における前記ダイヤフラム部（２１）と対向する面は、円錐台形状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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