本発明は、ダイアフラムにより流体の圧力を感知する圧力センサ装置に関し、特に、ダイアフラムとともに半導体圧力センサ素子を構成する台座を圧力センサ装置のハウジング又はケースに固定するための接着剤層が剥がれることのない圧力センサ装置に関する。
図5は、特許第4281178号公報(特許文献1)の図1に示された従来の半導体圧力センサ装置の分解斜視図である。また図6は、特許第4281178号公報(特許文献1)の図2に示された従来の半導体圧力センサ装置の断面図である。この従来の半導体圧力センサ装置は、半導体圧力センサ素子が配設され樹脂成形されたセンサケース20と、このセンサケース20から一部が露出するように該センサケース20にインサート成形されるとともにセンサ素子と電気的に接続されたリード30と、センサケース20に組み付けられてセンサ素子を覆う外側ケース40と、外側ケース40に形成されリード30の露出部を囲う囲い部42とを備えている。そして、リード30の露出部と囲い部42とにより、リード30の露出部を外部端子に接続可能なコネクタ部を構成している。センサケース20と外側ケース40は、スライド動作により嵌合されており、センサケース20と外側ケース40との間に設けた係合構造(25,47)により抜け止めが図られている。またセンサケース20には、被測定流体が流入する圧力導入ポート21が一体に設けられている。
図6に示すように、センサケース20は、その一側にセンサ素子10等が配設された開口部20aを有し、この開口部20aの底面より反対側に突出した圧力導入ポート21を有する。この圧力導入ポート21の先端部は、例えば給湯器の流路の適所にOリング等を介して取付け可能となっている。圧力導入ポート21の内部には、上記流路からの圧力を導入するための導入孔22が設けられている。
センサケース20における開口部20aの底面には、その平坦部から凹んだ凹部23が形成され、この凹部23内に、センサ素子10の台座11が固定されている。センサ素子10は、図示しないが、ピエゾ抵抗効果を有した半導体材料(例えば単結晶シリコン)よりなるダイアフラム上に複数個の拡散抵抗を形成して、これら拡散抵抗をブリッジ接続した構成となっており、このダイアフラムの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化をブリッジ回路から電気信号として取り出すようになっている。
センサ素子10のダイアフラムは台座11にガラス接合等にて接着されており、この台座11の内部には、導入孔22と連通する貫通孔が形成されている。流路からの圧力は導入孔22から台座11の貫通孔を経て、センサ素子10のダイアフラムに伝達される。台座11は、凹部23の底面に接着剤層を介して接合されている。また、凹部23内にはガラスよりなる台座11の貫通孔と導入孔22との気密性を高めるために、封止剤24が充填されている。
センサケース20の開口部20a内には、センサ素子10からの出力信号を増幅する増幅回路としてのバイポーラトランジスタ素子12、これらセンサ素子10からの出力信号やバイポーラトランジスタ素子12の信号等を調整する調整回路としてのMOSトランジスタ素子13が、接着剤により固定されている。
センサ素子10、バイポーラトランジスタ素子12、MOSトランジスタ素子13、及び、リード30は、ワイヤボンディングにより形成されたワイヤ14により、適宜互いに電気的に接続されている。センサ素子10からの電気信号(出力)は、これらワイヤ14を通して、各素子12、13及びリード30、リードの露出部から外部へ取り出される。
特許文献1の半導体圧力センサ装置では、台座11が凹部23の底面に接着剤層を介して接合されているが、台座の貫通孔に進入する流体の圧力で、接着剤の層が剥がれる可能性がある。
なおセンサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、該ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、流体導入路を通して台座の内部通路に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置において、台座として、半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状とし、台座の取付部をケースの被取付壁部に接着剤で接合すると、接着剤層が剥がれることを阻止することができる。しかしながら、このような構成を実現するためには、不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることを防止するために、各部品の加工精度を高める必要がある。
本発明の目的は、各部品の加工精度を高めることなく、台座を固定するための接着剤の層が剥がれることを阻止することができ、且つ不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることのない圧力センサ装置を提供することにある。
本発明は、センサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、該ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、流体導入路を通して台座の内部通路に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置を改良の対象とする。
本発明においては、台座は半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状を有している。そして台座の取付部がケースの被取付壁部に、接着剤で接合されている。その上、ケースは、台座の内部通路の入口部を囲む環状の下面との間にO−リングを挟む第1の環状面と、第1の環状面よりも台座側に位置して台座の下面の外周部と対向する第2の環状面とを備えている。第1の環状面と第2の環状面との間には、O−リングが圧縮された状態で配置されている。そして圧縮されたO−リングの反発力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用するように、台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間が形成されている。
本発明の構造によれば、ダイアフラムに流体から加わる圧力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用する。その結果、本発明によれば、流体の圧力と無関係に、O−リングの反発力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に積極的に作用しているので、接着剤の層が剥がれることを防止できる。なお台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間を生じさせない構造を採用すると、各部品の加工精度が低い場合には、加工精度の誤差に、半導体圧力センサに不要な応力が加わって、検出精度が悪くなる問題が生じる。このような場合でも、本発明によれば、台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間が形成されているので、この隙間とO−リングの変形が加工精度による誤差を吸収し、不要な応力の発生を防止できる。
具体的な構造では、半導体基板の中央部に半導体圧力センサ素子が形成されてなる加工済み半導体基板が、台座の上面に接合されている。そして流体導入路を内部に有する第1のケース部と、半導体圧力センサ素子と回路基板を収納し且つ被取付壁部を備え、第1のケース部との間に半導体センサ素子を収納する収納空間を形成する第2のケース部と、第1のケース部の本体と第2のケース部を収納する第3のケース部からハウジングを構成してもよい。このハウジングを採用した場合、第1のケース部には、流体導入路と同心的に形成され、O−リングを収納し且つ底部に第1の環状面を備えた環状の凹部が形成され、環状の凹部の開口部の径方向外側に第2の環状面が形成されているのが好ましい。この構造によれば、O−リングの位置決めを簡単に実現できる。
(A)乃至(D)は、本発明の第1の実施の形態に係る圧力センサ装置を示す平面図、右側面図、底面図及び正面図である。
図1に示した圧力センサ装置の分解組立図である。
図1(C)のIII−III線断面図である。
図3の要部の拡大断面図である。
従来の圧力センサ装置の構成を示す分解斜視図である。
従来の圧力センサ装置の断面図である。
以下図面を参照して、本発明の圧力センサ装置の実施の形態について説明する。図1(A)乃至(D)は、本実施の形態の半導体圧力センサ装置の平面図、右側面図、底面図及び正面図であり、図2は図1の圧力センサ装置の分解組立図であり、図3は図1(C)のIII−III線断面図であり、図4は図3の要部の断面図である。
本実施の形態の圧力センサ装置は、第1のケース1と、リード端子3と、第2のケース5(図2、図3)と、第3のケース7とを備えている。なお従来の構造と同様の部分には、図5及び図6に付した符号と同じ符号を付してある。第1のケース1は、図2に示すように外形が平板な直方体状本体1Aの上面中央に環状凹部9が設けられ、下面からは下方に向けて圧力導入ポート21が突出している。圧力導入ポート21内部の導入孔22は環状凹部9の底部中央に貫通している。
第2のケース5は直方体状の外形を有し、リード端子3が埋め込まれて前面から露出している。第2のケース5の上下の面にはそれぞれ上面凹陥部15と下面凹陥部16が設けられている。下面凹陥部16の中には半導体圧力センサ素子17が収納され、上面凹陥部15の中には半導体圧力センサ素子17の出力信号を処理する集積回路2と、電源回路及び調製回路を含み、リード端子3を通じて外部に圧力値に応じた電気信号を出力する回路基板18が収納される。上面凹陥部15と下面凹陥部16との間は一部が貫通しており、下面凹陥部16の上面の一部が被取付壁部19を構成する。
第1のケース1、第2のケース5、第3のケース7及びコネクタカバー4はいずれも電気絶縁性及び可撓性を有する合成樹脂製であり、相互に係合して固定される係合構造が相応する位置に形成されている。第3のケース7は前面が開放した直方体形状であり、その中に相互に係合された第1のケース1の本体と第2のケース5を収納することができる。リード端子3にはコネクタカバー4が被せられてコネクタを形成する。
図3に示すように、本実施の形態における半導体圧力センサ素子17は、センサ回路が形成されるダイアフラム26を備えている。半導体圧力センサ素子17は、ダイアフラム26の外周部を支持する筒状の台座28に固定されている。第2のケース5は、第1のケース1の内部の流体導入路である導入孔22及び環状の凹部9を通して台座28の内部通路32に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子17が取り付けられる被取付壁部19を有する。台座28は半導体圧力センサ素子17の周囲に取付部29を備えた形状を有している。後述するように、本実施の形態の取付部29は、半導体圧力センサ素子17を形成するために用いられた加工済み半導体基板SSの一部によって構成されている。
台座28の取付部29が第2のケース5の被取付壁部19に、接着剤で接合されている。被取付壁部19と取付部29との間の接着剤層(厚みが薄いため図示していない)は、ダイアフラム26が受ける圧力の方向に対しほぼ直角に延びている。すなわち、ダイアフラム26と接着剤層とは、ほぼ面一又は平行な位置と姿勢の関係にある。また台座28は十分な剛性と流体に対する耐腐食性等を有する材料、例えばガラス製である。
さらに具体的な構造では、半導体基板の中央部に半導体圧力センサ素子17が形成されてなる加工済み半導体基板SSが、台座28の上面に接合されている。そして台座28に接合された状態の加工済み半導体基板SSには、半導体圧力センサ素子17とその周囲部分とを分離する溝部33が形成されている。すなわち溝部33は、中央のダイアフラム26を周囲部分と分離する。さらにこの周囲部分が台座28の取付部29を構成している。なお溝部33は台座28の内部まで入り込んでいる。このようにするとより台座側28からダイアフラム26への応力の伝達を阻止することができる。
図4に示すように、第1のケース1は、台座28の内部通路32の入口部を囲む環状の下面28Aとの間にO−リングを挟む第1の環状面S1と、第1の環状面S1よりも台座28側に位置して台座28の下面28Aの外周部と対向する第2の環状面S2とを備えている。第1の環状面S1と第2の環状面S2との間に、O−リング27が圧縮された状態で配置されている。そして圧縮されたO−リング27の反発力が、台座28の取付部29を第2のケース5の被取付壁部19に押し付ける方向に作用するように、台座28の下面28Aの外周部28Aaと第2の環状面S2との間に隙間gが形成されている。
O−リング27の存在によって、流体が台座28の表面側に侵入することを阻止することができる。O−リング27の材料も取り扱う流体に対する耐性を有するものが選ばれ、汎用性のある材料としては例えばシリコーンゴムが挙げられる。
本実施の形態によれば、流体の圧力と無関係に、O−リング27の反発力が、台座28の取付部29を第2のケースの被取付壁部19に押し付ける方向に積極的に作用しているので、接着剤の層が剥がれることを防止できる。なお台座28の下面28Aの外周部28Aaと第2の環状面S2との間に隙間gを生じさせない構造を採用すると、各部品の加工精度が低い場合には、加工精度の誤差により、半導体圧力センサ17に不要な応力が加わって、検出精度が悪くなる問題が生じる。このような場合でも、本実施の形態によれば、O−リング27の変形が加工精度による誤差を吸収するため、液漏れや不要な応力の発生を防止できる。
なお本実施の形態は、導入孔22と環状凹部9とから構成される流体導入路を内部に有する第1のケース1と、半導体圧力センサ素子17と回路基板18を収納し且つ被取付壁部19を備え、第1のケース1との間に半導体圧力センサ素子17を収納する収納空間を形成する第2のケース5と、第1のケース1の本体と第2のケース5を収納する第3のケース7からハウジングが構成されている。このようなハウジングを採用したので、第1のケース1には、流体導入路22と同心的に形成され、O−リング27を収納し且つ底部に環状面34を備えた環状の凹部9が形成されており、O−リング27の位置決めを簡単に実現できる。
次に本実施の形態の製造方法及び作用について説明する。図2に示すように、第1の実施の形態に係る圧力センサ装置は、第1のケース1の環状の凹部9内の第1の環状面S1上にO−リング27を載置し、さらにその上に半導体圧力センサ素子17を載置する。次に半導体圧力センサ素子17の台座28の取付部29に接着剤を塗布し、続いて第2のケース5の被取付壁部19がその上に載るように、第2のケース2の下面凹陥部16内に半導体圧力センサ素子17を収納するために、第1のケース1と第2のケース5とを相互に近づけていき、嵌合構造により嵌合する。なお事前に、台座28の取付部29に接着剤を塗布し、その接着剤で第2のケース5の被取付壁部19に台座28の取付部29を接着しておいてもよい。弾性を有するO−リング27は、第1の環状面S1と台座28の下面28Aとの間で圧縮されて変形し、第1の環状面34と台座28の底面28Aに密着して流体が漏れないように密封するとともに、台座28を上方に付勢して台座28の取付部29を第2のケース5の被取付壁部19に向かう方向に押し付けて、接着剤による接着を確実なものにする。また本実施の形態では、台座28の下面28Aの外周部28Aaと第2の環状面S2との間に積極的に隙間gを形成するように、第1のケース1,台座28及び第2のケース5の形状寸法を定めているので、O−リング27の変形が加工精度による誤差を吸収し、液漏れや不要な応力の発生を防止する。
次に第2のケース5の上面凹陥部15内に配置した集積回路2と回路基板18、及び半導体圧力センサ素子17とリード端子3それぞれの間で必要な配線が行われたら、第1のケース1の本体と第2のケース5を第3のケース7内に収納し、リード端子3を覆うようにコネクタカバー4が嵌合されて、圧力センサ装置が組み立てられる。
以上のような圧力センサ装置において、半導体圧力センサ素子17は、ダイアフラム26に導入孔22、環状の凹部9及び内部通路32を通じて外部の圧力が作用すると、ダイアフラム26が変形して抵抗素子の抵抗値が変化し、抵抗値の変化を抵抗ブリッジ回路(図示していない)により検知して、圧力に比例した信号を出力する。信号は集積回路2により処理され、回路基板18を経てリード端子3から外部に出力される。
計測される流体の圧力は、ダイアフラム26に作用するが、ダイアフラム26に流体を介して加わる圧力が、台座28の取付部29を第2のケース5の被取付壁部19に押し付ける方向に作用する。その結果、流体の圧力で接着剤の層が剥がれることを阻止することができる。
本発明によれば、ダイアフラムに流体から加わる圧力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用するので、流体の圧力で接着剤の層が剥がれることを阻止できる。特に、本発明によれば、台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間が形成されているので、各部品の加工精度を高めることなく、この隙間とO−リングの変形が加工精度による誤差を吸収し、不要な応力が半導体圧力センサ素子17に加わるのを防止できる。
1 第1のケース
2 集積回路
3 リード端子
4 コネクタカバー
5 第2のケース
7 第3のケース
9 環状の凹部
15 上面凹陥部
16 下面凹陥部
17 半導体圧力センサ素子
18 回路基板
19 被取付壁部
21 圧力導入ポート
22 導入孔
26 ダイアフラム部
27 O−リング
28 台座
29 取付部
32 内部通路
33 溝部
S1 第1の環状面
S2 第2の環状面
g 隙間
本発明は、ダイアフラムにより流体の圧力を感知する圧力センサ装置に関し、特に、ダイアフラムとともに半導体圧力センサ素子を構成する台座を圧力センサ装置のハウジング又はケースに固定するための接着剤層が剥がれることのない圧力センサ装置に関する。
図5は、特許第4281178号公報(特許文献1)の図1に示された従来の半導体圧力センサ装置の分解斜視図である。また図6は、特許第4281178号公報(特許文献1)の図2に示された従来の半導体圧力センサ装置の断面図である。この従来の半導体圧力センサ装置は、半導体圧力センサ素子が配設され樹脂成形されたセンサケース20と、このセンサケース20から一部が露出するように該センサケース20にインサート成形されるとともにセンサ素子と電気的に接続されたリード30と、センサケース20に組み付けられてセンサ素子を覆う外側ケース40と、外側ケース40に形成されリード30の露出部を囲う囲い部42とを備えている。そして、リード30の露出部と囲い部42とにより、リード30の露出部を外部端子に接続可能なコネクタ部を構成している。センサケース20と外側ケース40は、スライド動作により嵌合されており、センサケース20と外側ケース40との間に設けた係合構造(25,47)により抜け止めが図られている。またセンサケース20には、被測定流体が流入する圧力導入ポート21が一体に設けられている。
図6に示すように、センサケース20は、その一側にセンサ素子10等が配設された開口部20aを有し、この開口部20aの底面より反対側に突出した圧力導入ポート21を有する。この圧力導入ポート21の先端部は、例えば給湯器の流路の適所にOリング等を介して取付け可能となっている。圧力導入ポート21の内部には、上記流路からの圧力を導入するための導入孔22が設けられている。
センサケース20における開口部20aの底面には、その平坦部から凹んだ凹部23が形成され、この凹部23内に、センサ素子10の台座11が固定されている。センサ素子10は、図示しないが、ピエゾ抵抗効果を有した半導体材料(例えば単結晶シリコン)よりなるダイアフラム上に複数個の拡散抵抗を形成して、これら拡散抵抗をブリッジ接続した構成となっており、このダイアフラムの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化をブリッジ回路から電気信号として取り出すようになっている。
センサ素子10のダイアフラムは台座11にガラス接合等にて接着されており、この台座11の内部には、導入孔22と連通する貫通孔が形成されている。流路からの圧力は導入孔22から台座11の貫通孔を経て、センサ素子10のダイアフラムに伝達される。台座11は、凹部23の底面に接着剤層を介して接合されている。また、凹部23内にはガラスよりなる台座11の貫通孔と導入孔22との気密性を高めるために、封止剤24が充填されている。
センサケース20の開口部20a内には、センサ素子10からの出力信号を増幅する増幅回路としてのバイポーラトランジスタ素子12、これらセンサ素子10からの出力信号やバイポーラトランジスタ素子12の信号等を調整する調整回路としてのMOSトランジスタ素子13が、接着剤により固定されている。
センサ素子10、バイポーラトランジスタ素子12、MOSトランジスタ素子13、及び、リード30は、ワイヤボンディングにより形成されたワイヤ14により、適宜互いに電気的に接続されている。センサ素子10からの電気信号(出力)は、これらワイヤ14を通して、各素子12、13及びリード30、リードの露出部から外部へ取り出される。
特許文献1の半導体圧力センサ装置では、台座11が凹部23の底面に接着剤層を介して接合されているが、台座の貫通孔に進入する流体の圧力で、接着剤の層が剥がれる可能性がある。
なおセンサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、該ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、流体導入路を通して台座の内部通路に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置において、台座として、半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状とし、台座の取付部をケースの被取付壁部に接着剤で接合すると、接着剤層が剥がれることを阻止することができる。しかしながら、このような構成を実現するためには、不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることを防止するために、各部品の加工精度を高める必要がある。
本発明の目的は、各部品の加工精度を高めることなく、台座を固定するための接着剤の層が剥がれることを阻止することができ、且つ不要な応力が半導体圧力センサ素子に加わることのない圧力センサ装置を提供することにある。
本発明は、センサ回路が形成されるダイアフラム部を備えた半導体圧力センサ素子と、該ダイアフラム部の外周部を支持する筒状の台座と、流体導入路を通して台座の内部通路に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子が取り付けられる被取付壁部を有する電気絶縁性を有するケースを備えた圧力センサ装置を改良の対象とする。
本発明においては、台座は半導体圧力センサ素子の周囲に取付部を備えた形状を有している。そして台座の取付部がケースの被取付壁部に、接着剤で接合されている。その上、ケースは、台座の内部通路の入口部を囲む環状の下面との間にO−リングを挟む第1の環状面と、第1の環状面よりも台座側に位置して台座の下面の外周部と対向する第2の環状面とを備えている。第1の環状面と第2の環状面との間には、O−リングが圧縮された状態で配置されている。そして圧縮されたO−リングの反発力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用するように、台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間が形成されている。
本発明の構造によれば、ダイアフラムに流体から加わる圧力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用する。その結果、本発明によれば、流体の圧力と無関係に、O−リングの反発力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に積極的に作用しているので、接着剤の層が剥がれることを防止できる。なお台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間を生じさせない構造を採用すると、各部品の加工精度が低い場合には、加工精度の誤差に、半導体圧力センサに不要な応力が加わって、検出精度が悪くなる問題が生じる。このような場合でも、本発明によれば、台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間が形成されているので、この隙間とO−リングの変形が加工精度による誤差を吸収し、不要な応力の発生を防止できる。
具体的な構造では、半導体基板の中央部に半導体圧力センサ素子が形成されてなる加工済み半導体基板が、台座の上面に接合されている。そして流体導入路を内部に有する第1のケース部と、半導体圧力センサ素子と回路基板を収納し且つ被取付壁部を備え、第1のケース部との間に半導体圧力センサ素子を収納する収納空間を形成する第2のケース部と、第1のケース部の本体と第2のケース部を収納する第3のケース部からハウジングを構成してもよい。このハウジングを採用した場合、第1のケース部には、流体導入路と同心的に形成され、O−リングを収納し且つ底部に第1の環状面を備えた環状の凹部が形成され、環状の凹部の開口部の径方向外側に第2の環状面が形成されているのが好ましい。この構造によれば、O−リングの位置決めを簡単に実現できる。
(A)乃至(D)は、本発明の第1の実施の形態に係る圧力センサ装置を示す平面図、右側面図、底面図及び正面図である。
図1に示した圧力センサ装置の分解組立図である。
図1(C)のIII−III線断面図である。
図3の要部の拡大断面図である。
従来の圧力センサ装置の構成を示す分解斜視図である。
従来の圧力センサ装置の断面図である。
以下図面を参照して、本発明の圧力センサ装置の実施の形態について説明する。図1(A)乃至(D)は、本実施の形態の半導体圧力センサ装置の平面図、右側面図、底面図及び正面図であり、図2は図1の圧力センサ装置の分解組立図であり、図3は図1(C)のIII−III線断面図であり、図4は図3の要部の断面図である。
本実施の形態の圧力センサ装置は、第1のケース1と、リード端子3と、第2のケース5(図2、図3)と、第3のケース7とを備えている。なお従来の構造と同様の部分には、図5及び図6に付した符号と同じ符号を付してある。第1のケース1は、図2に示すように外形が平板な直方体状本体1Aの上面中央に環状凹部9が設けられ、下面からは下方に向けて圧力導入ポート21が突出している。圧力導入ポート21内部の導入孔22は環状凹部9の底部中央に貫通している。
第2のケース5は直方体状の外形を有し、リード端子3が埋め込まれて前面から露出している。第2のケース5の上下の面にはそれぞれ上面凹陥部15と下面凹陥部16が設けられている。下面凹陥部16の中には半導体圧力センサ素子17が収納され、上面凹陥部15の中には半導体圧力センサ素子17の出力信号を処理する集積回路2と、電源回路及び調製回路を含み、リード端子3を通じて外部に圧力値に応じた電気信号を出力する回路基板18が収納される。上面凹陥部15と下面凹陥部16との間は一部が貫通しており、下面凹陥部16の上面の一部が被取付壁部19を構成する。
第1のケース1、第2のケース5、第3のケース7及びコネクタカバー4はいずれも電気絶縁性及び可撓性を有する合成樹脂製であり、相互に係合して固定される係合構造が相応する位置に形成されている。第3のケース7は前面が開放した直方体形状であり、その中に相互に係合された第1のケース1の本体と第2のケース5を収納することができる。リード端子3にはコネクタカバー4が被せられてコネクタを形成する。
図3に示すように、本実施の形態における半導体圧力センサ素子17は、センサ回路が形成されるダイアフラム26を備えている。半導体圧力センサ素子17は、ダイアフラム26の外周部を支持する筒状の台座28に固定されている。第2のケース5は、第1のケース1の内部の流体導入路である導入孔22及び環状の凹部9を通して台座28の内部通路32に導入された流体の圧力が作用するように半導体圧力センサ素子17が取り付けられる被取付壁部19を有する。台座28は半導体圧力センサ素子17の周囲に取付部29を備えた形状を有している。後述するように、本実施の形態の取付部29は、半導体圧力センサ素子17を形成するために用いられた加工済み半導体基板SSの一部によって構成されている。
台座28の取付部29が第2のケース5の被取付壁部19に、接着剤で接合されている。被取付壁部19と取付部29との間の接着剤層(厚みが薄いため図示していない)は、ダイアフラム26が受ける圧力の方向に対しほぼ直角に延びている。すなわち、ダイアフラム26と接着剤層とは、ほぼ面一又は平行な位置と姿勢の関係にある。また台座28は十分な剛性と流体に対する耐腐食性等を有する材料、例えばガラス製である。
さらに具体的な構造では、半導体基板の中央部に半導体圧力センサ素子17が形成されてなる加工済み半導体基板SSが、台座28の上面に接合されている。そして台座28に接合された状態の加工済み半導体基板SSには、半導体圧力センサ素子17とその周囲部分とを分離する溝部33が形成されている。すなわち溝部33は、中央のダイアフラム26を周囲部分と分離する。さらにこの周囲部分が台座28の取付部29を構成している。なお溝部33は台座28の内部まで入り込んでいる。このようにするとより台座側28からダイアフラム26への応力の伝達を阻止することができる。
図4に示すように、第1のケース1は、台座28の内部通路32の入口部を囲む環状の下面28Aとの間にO−リングを挟む第1の環状面S1と、第1の環状面S1よりも台座28側に位置して台座28の下面28Aの外周部と対向する第2の環状面S2とを備えている。第1の環状面S1と第2の環状面S2との間に、O−リング27が圧縮された状態で配置されている。そして圧縮されたO−リング27の反発力が、台座28の取付部29を第2のケース5の被取付壁部19に押し付ける方向に作用するように、台座28の下面28Aの外周部28Aaと第2の環状面S2との間に隙間gが形成されている。
O−リング27の存在によって、流体が台座28の表面側に侵入することを阻止することができる。O−リング27の材料も取り扱う流体に対する耐性を有するものが選ばれ、汎用性のある材料としては例えばシリコーンゴムが挙げられる。
本実施の形態によれば、流体の圧力と無関係に、O−リング27の反発力が、台座28の取付部29を第2のケースの被取付壁部19に押し付ける方向に積極的に作用しているので、接着剤の層が剥がれることを防止できる。なお台座28の下面28Aの外周部28Aaと第2の環状面S2との間に隙間gを生じさせない構造を採用すると、各部品の加工精度が低い場合には、加工精度の誤差により、半導体圧力センサ17に不要な応力が加わって、検出精度が悪くなる問題が生じる。このような場合でも、本実施の形態によれば、O−リング27の変形が加工精度による誤差を吸収するため、液漏れや不要な応力の発生を防止できる。
なお本実施の形態は、導入孔22と環状凹部9とから構成される流体導入路を内部に有する第1のケース1と、半導体圧力センサ素子17と回路基板18を収納し且つ被取付壁部19を備え、第1のケース1との間に半導体圧力センサ素子17を収納する収納空間を形成する第2のケース5と、第1のケース1の本体と第2のケース5を収納する第3のケース7からハウジングが構成されている。このようなハウジングを採用したので、第1のケース1には、流体導入路22と同心的に形成され、O−リング27を収納し且つ底部に環状面34を備えた環状の凹部9が形成されており、O−リング27の位置決めを簡単に実現できる。
次に本実施の形態の製造方法及び作用について説明する。図2に示すように、第1の実施の形態に係る圧力センサ装置は、第1のケース1の環状の凹部9内の第1の環状面S1上にO−リング27を載置し、さらにその上に半導体圧力センサ素子17を載置する。次に半導体圧力センサ素子17の台座28の取付部29に接着剤を塗布し、続いて第2のケース5の被取付壁部19がその上に載るように、第2のケース2の下面凹陥部16内に半導体圧力センサ素子17を収納するために、第1のケース1と第2のケース5とを相互に近づけていき、嵌合構造により嵌合する。なお事前に、台座28の取付部29に接着剤を塗布し、その接着剤で第2のケース5の被取付壁部19に台座28の取付部29を接着しておいてもよい。弾性を有するO−リング27は、第1の環状面S1と台座28の下面28Aとの間で圧縮されて変形し、第1の環状面34と台座28の底面28Aに密着して流体が漏れないように密封するとともに、台座28を上方に付勢して台座28の取付部29を第2のケース5の被取付壁部19に向かう方向に押し付けて、接着剤による接着を確実なものにする。また本実施の形態では、台座28の下面28Aの外周部28Aaと第2の環状面S2との間に積極的に隙間gを形成するように、第1のケース1,台座28及び第2のケース5の形状寸法を定めているので、O−リング27の変形が加工精度による誤差を吸収し、液漏れや不要な応力の発生を防止する。
次に第2のケース5の上面凹陥部15内に配置した集積回路2と回路基板18、及び半導体圧力センサ素子17とリード端子3それぞれの間で必要な配線が行われたら、第1のケース1の本体と第2のケース5を第3のケース7内に収納し、リード端子3を覆うようにコネクタカバー4が嵌合されて、圧力センサ装置が組み立てられる。
以上のような圧力センサ装置において、半導体圧力センサ素子17は、ダイアフラム26に導入孔22、環状の凹部9及び内部通路32を通じて外部の圧力が作用すると、ダイアフラム26が変形して抵抗素子の抵抗値が変化し、抵抗値の変化を抵抗ブリッジ回路(図示していない)により検知して、圧力に比例した信号を出力する。信号は集積回路2により処理され、回路基板18を経てリード端子3から外部に出力される。
計測される流体の圧力は、ダイアフラム26に作用するが、ダイアフラム26に流体を介して加わる圧力が、台座28の取付部29を第2のケース5の被取付壁部19に押し付ける方向に作用する。その結果、流体の圧力で接着剤の層が剥がれることを阻止することができる。
本発明によれば、ダイアフラムに流体から加わる圧力が、台座の取付部をケースの被取付壁部に押し付ける方向に作用するので、流体の圧力で接着剤の層が剥がれることを阻止できる。特に、本発明によれば、台座の下面の外周部と第2の環状面との間に隙間が形成されているので、各部品の加工精度を高めることなく、この隙間とO−リングの変形が加工精度による誤差を吸収し、不要な応力が半導体圧力センサ素子17に加わるのを防止できる。
1 第1のケース
2 集積回路
3 リード端子
4 コネクタカバー
5 第2のケース
7 第3のケース
9 環状の凹部
15 上面凹陥部
16 下面凹陥部
17 半導体圧力センサ素子
18 回路基板
19 被取付壁部
21 圧力導入ポート
22 導入孔
26 ダイアフラム部
27 O−リング
28 台座
29 取付部
32 内部通路
33 溝部
S1 第1の環状面
S2 第2の環状面
g 隙間