JP3824964B2 - 絶対圧型圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに係り、さらに詳しくは絶対圧力を計測する絶対圧型圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１０−９００９６号公報、特開平１１−８３６５５号公報が開示する絶対圧型圧力センサは、拡散半導体型圧力センサチップをダイアフラムで液封した構成であり、封入液によってセンサチップへの流体の接触を防止している。
【０００３】
また、特開平１１−２９５１７４号公報が開示する絶対圧型圧力センサは、金属製蓋である圧力ケースによりセンサチップの抵抗ブリッジ側に参照圧力空間（真空室）を形成してなるもので、センサチップの抵抗ブリッジと反対側面に流体が接触するようになっている。
【０００４】
また、ＵＳＰ６，３５１，９９６が開示する絶対圧型圧力センサは、金属製蓋を用いることなく比較的簡単な構造で参照圧力空間を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−９００９６号公報、特開平１１−８３６５５号公報の絶対圧型圧力センサの場合は、圧力センサの製造工程の中で封入液に空気が混入しないよう、高真空に真空排気した後に液封する必要があり、製造工程が煩雑になるばかりでなく、シール用のダイアフラムが破れると封入液が配管全体を汚染してしまうという問題がある。
【０００６】
特開平１１−２９５１７４号公報の絶対圧型圧力センサの場合は、金属製蓋である圧力ケースにハーメチックシールまたは貫通コンデンサを装着することで、圧力ケースからリード線を引き出しており、電気信号は、センサチップからワイヤ、基板、リード線を経由してハーメチックシールまたは貫通コンデンサ内のリード線に至り、さらにターミナルに至る。このように電気的接続が多く複雑な構造の上に、溶接する圧力ケース内側にも電気的な接続部が配置されていることから、センサの組み立て作業が繁雑化し、接続部が多い分センサとしての信頼性が低くなるという問題がある。
【０００７】
ＵＳＰ６，３５１，９９６の絶対圧型圧力センサは、参照圧力空間をプリモールドパッケージの樹脂材料で形成し、リードフレームと樹脂材料の密着性で参照圧力空間を封止しているので封止の信頼性が低い。
【０００８】
一方、本願の発明者は上記各種圧力センサの有する欠点を解消するべく図９乃至図１１に示すような絶対圧型圧力センサを案出した。すなわち、ダイアフラム８の表面に歪ゲージ９を形成してなる圧力検出素子１の周囲に、ハーメチックシール端子２を配して溶接にて接合し、ワイヤ３にて電気的な接続を行った後、金属製蓋４をハーメチックシール端子２に真空中で溶接することにより圧力センサを構成した。ところが、この圧力センサによれば、信頼性の高い参照圧力空間５は形成することができるものの、流体導入孔６と入出力端子７が同方向に突出するので、圧力センサの実装が難しくなる。
【０００９】
本発明は、上記諸問題点を解決することができる絶対圧型圧力センサを提供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の発明は、流体の導入側と反対側に歪ゲージ（９）が形成された金属製ダイアフラム（１０）を有する圧力検出素子（１１）と、金属製ダイアフラム（１０）の歪ゲージ（９）側に参照圧力空間（１２）を形成する金属製蓋（１３）と、歪ゲージ（９）に結線された中継基板（１４）と、中継基板（１４）に結線された入出力端子（１５）とを具備した絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板（１４）が導通孔（１７）を中央に備える積層セラミック体で形成され、この中継基板（１４）の両面にそれぞれ金属製シールリング（１８，１９）が導通孔（１７）を囲むように接合され、一方の金属製シールリング（１８）に金属製ダイアフラム（１０）の外周部が接合され、他方の金属製シールリング（１９）に金属製蓋（１３）が参照圧力空間（１２）を形成するように接合され、中継基板（１４）の金属製シールリング（１８，１９）間から突出した箇所に入出力端子（１５）が接続された絶対圧型圧力センサを採用する。
【００１１】
この請求項１に係る発明によれば、圧力検出素子（１１）の金属製ダイアフラム（１０）には流体の導入側と反対側に歪ゲージ（９）が形成されたことから、封入液体を介することなく流体圧力を計測することができるのはもちろんのこと、積層セラミック体の中継基板（１４）の両面にそれぞれ金属製シールリング（１８，１９）が接合され、一方の金属製シールリング（１８）に金属製ダイアフラム（１０）の外周部が接合され、他方の金属製シールリング（１９）に金属製蓋（１３）が参照圧力空間（１２）を形成するように接合されたことから、参照圧力空間（１２）の気密性が高度に維持され絶対圧力の精度の良い測定が可能になる。また、中継基板（１４）が積層セラミック体で形成され、この積層セラミック体の金属製シールリング（１８，１９）間から突出した箇所に入出力端子（１５）が接続されたことから、絶対圧型圧力センサの配線が簡素化され、それだけ測定精度も向上する。
【００１２】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板（１４）と歪ゲージ（９）とが上記導通孔（１７）を通して電気的に結線された絶対圧型圧力センサを採用する。
【００１３】
この請求項２に係る発明によれば、中継基板（１４）の導通孔（１７）を利用して中継基板（１４）と歪ゲージ（９）とを結線するので、それだけ絶対圧型圧力センサの構造が簡素化される。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項２に記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板（１４）の金属製蓋（１３）側にキャビティ（１６）が形成された絶対圧型圧力センサを採用する。
【００１５】
この請求項３に係る発明によれば、キャビティ（１６）の存在により中継基板（１４）の金属製蓋（１３）側の表面と歪ゲージ（９）との距離が短縮し、導通孔（１７）を通した電気的結線（２２）の長さが短縮する。従って、絶対圧型圧力センサの振動等に対する強度が向上する。
【００１６】
また、請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板（１４）の金属製蓋（１３）側の配線が金属製シールリング（１９）より内側に形成され、中継基板（１４）の金属製ダイアフラム（１０）側の配線に入出力端子（１５）が電気的に接続された絶対圧型圧力センサを採用する。
【００１７】
この請求項４に係る発明によれば、中継基板（１４）の金属製蓋（１３）側の配線が金属製シールリングと金属製蓋とで囲まれ、中継基板の金属製ダイアフラム（１０）側表面の配線上に入出力端子（１５）が接続されるので、真空内で金属製蓋（１３）を金属製シールリング（１９）に溶接する際に発生する金属蒸気が中継基板（１４）の配線上に付着するのを防止することができる。従って、中継基板（１４）の絶縁低下を防止し、ひいては絶対圧型圧力センサの精度低下を防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
＜実施の形態１＞
図１乃至図４に示すように、この絶対圧型圧力センサは、流体の導入側と反対側に歪ゲージ９（図１０参照）が形成された金属製ダイアフラム１０を有する圧力検出素子１１と、金属製ダイアフラム１０の歪ゲージ９側に参照圧力空間１２を形成する金属製蓋１３と、歪ゲージ９に結線された中継基板１４と、中継基板１４に結線された入出力端子１５とを具備する。
【００２０】
中継基板１４は板状の積層セラミック体で形成される。図３中二点鎖線は積層セラミック体の各層の境界を模式的に示す。図３及び図４に示すように、中継基板１４における片方の表面の中央部には凹部であるキャビティ１６が形成され、キャビティ１６内の中央には、図２乃至図４に示すように、複数個の導通孔１７が形成される。導通孔１７は中継基板１４を一方の表面から他方の表面へと貫通する。
【００２１】
また、この中継基板１４の両面には、図２乃至図４に示すように、それぞれ金属製シールリング１８，１９が接合される。一方の金属製シールリング１８は導通孔１７を囲むように接合され、他方の金属製シールリング１９はキャビティ１６を囲むように接合される。各シールリング１８，１９は中継基板１４の表面にロウ付けで溶接される。シールリング１８，１９は、中継基板１４を構成するセラミックと線膨張係数等の温度係数が近いニッケル合金（コバール）、４２アロイなどで構成するのが望ましい。
【００２２】
圧力検出素子１１は、図３及び図４に示すように、円筒部１１ａの一端をダイアフラム１０で閉じた構成の素子本体を有する。素子本体は金属材料を切削加工またはプレス等により一体成形することにより得られる。円筒部１１ａは流体の導入孔２０として流体をダイアフラム１０の片方の面へと導く。ダイアフラム１０の円筒部１１ａと反対側の面すなわち流体に接しない面には歪ゲージ９（図１０参照）が形成される。歪ゲージ９は図１０に示したごときパターンで形成されるが、非常に薄い層であるから図３及び図４では図示を省略する。
【００２３】
この圧力検出素子は、図３及び図４に示すように、その金属製ダイアフラム１０の外周部が一方の金属製シールリング１８に接合されることにより中継基板１４と一体化される。具体的には、ダイアフラム１０の外周部である円筒部１１ａの周りがシールリング１８に嵌め込まれ、その継ぎ目２１の全周が溶接される。この溶接は圧力検出素子１１に熱影響を与えにくい熱密度の高い溶接が望ましく、例えばレーザー溶接、アルゴンアーク溶接が使用される。
【００２４】
ダイアフラム１０上の歪ゲージ９は、中継基板１４の反ダイアフラム側の表面に形成された回路（図示せず）に電気的にパッド２４を介して結線され、そのためのボンドワイヤ２２が中継基板１４の導通孔１７に通される。このように、中継基板１４の導通孔１７を利用して中継基板１４と歪ゲージ９とが結線されるので、それだけ絶対圧型圧力センサの構造が簡素化される。
【００２５】
また、上述したように中継基板１４の反ダイアフラム側の表面にはキャビティ１６が形成されているので、キャビティ１６が設けられない場合に比し反ダイアフラム側の回路と歪ゲージ９との距離が短縮される。これにより、電気的結線である上記ボンドワイヤ２２の長さが短くなり、絶対圧型圧力センサの振動等に対する強度、信頼性が向上する。
【００２６】
金属製蓋１３は、図１乃至図４に示すように、円筒部１３ａの一端を端板１３ｂで閉じたキャップ体であり、プレス等により一体成形される。この金属製蓋１３の円筒部１３ａの開口縁が他方の金属製シールリング１９に嵌め込まれ、その継ぎ目２３の全周が溶接される。この溶接により、ダイアフラム１０の歪ゲージ９側の表面と金属製蓋１３の内面との間に気密室が形成される。
【００２７】
この気密室は参照圧力空間１２として真空にする必要があるため、この溶接は真空内において行われる。すなわち、上記ボンドワイヤ２２の結線後に金属製蓋１３を金属製シールリング１９に被せて真空中に置き、継ぎ目２３の全周を電子ビーム溶接にて封止する。電子ビーム溶接は真空中（５×１０^-2Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下）で電子束を被溶接物に向かって放出することにより被溶接物を接合するもので、同溶接により金属製蓋１３と中継基板１４と金属製ダイアフラム１０とで囲まれた参照圧力空間１２が真空空間として形成される。
【００２８】
なお、参照圧力空間１２は長期にわたり同じ圧力を維持しなければ絶対圧型圧力センサとしての出力が変化してしまうので、この参照圧力空間１２からは樹脂等の有機物、水分等のガス化する成分を極力排除する必要がある。そこで、真空封止前に高温真空の中でベーキングを行い、水分の除去をしたうえで組み立てることが望ましい。
【００２９】
入出力端子１５は、上記中継基板１４の金属製シールリング１８，１９間から突出した箇所に接続される。入出力端子１５は、望ましくは中継基板１４を構成するセラミックと線膨張係数等の温度係数が近いニッケル合金（コバール）、４２アロイ等で形成され、中継基板１４にロウ付け等で溶接される。上記中継基板１４上の配線は図２に示すヴィアホール２５を経由し中継基板１４の内装面を通り、この入出力端子１５に接続される。図３から明らかなように、入出力端子１５と圧力検出素子１１の円筒部１１ａは異方向に突出することから、円筒部１１ａを所望の測定箇所に取り付ける場合に入出力端子１５が邪魔にならず、従って絶対圧型圧力センサの実装作業が簡易化される。
【００３０】
上記電子ビーム溶接を真空中で行う場合、上記継ぎ目２３の付近には金属の蒸気が充満するが、この金属蒸気が中継基板１４の配線に付着すると絶縁低下を起こすおそれがある。そこで、入出力端子１５を含む全ての配線に金属蒸気が直接触れることがないような手段を講ずる必要があるが、この実施の形態では、中継基板１４の金属製蓋１３側の配線が金属製シールリング１９より内側すなわち参照圧力空間１２内に入るように形成され、また入出力端子１５は中継基板１４の金属製ダイアフラム１０側の配線に電気的に接続される。これにより、中継基板１４の配線や入出力端子１５の接続部への金属蒸気の付着が防止され、中継基板１４の絶縁性が保持される。
【００３１】
次に、上記構成の絶対圧型圧力センサの作用について説明する。
【００３２】
絶対圧型圧力センサはその圧力検出素子１１の円筒部１１ａが配管等に固定されることにより所望の圧力検出箇所に設置される。
【００３３】
ガス、液体等の流体は円筒部１１ａの導入孔２０から圧力検出素子１１内に導入され、ダイアフラム１０に至る。ダイアフラム１０が流体の圧力により弾性変形すると、ダイアフラム１０の裏側の歪ゲージ９がこの変形量を電気的信号として出力する。
【００３４】
歪ゲージ９の出力はボンドワイヤ２２、中継基板１４、入出力端子１５を経て絶対圧型圧力センサ外に取り出され、流体の絶対圧力情報として所定の制御装置へと送られる。
【００３５】
この絶対圧型圧力センサにおいては、積層セラミック体である中継基板１４の両面にそれぞれ金属製シールリング１８，１９が接合され、一方の金属製シールリング１８に金属製ダイアフラム１０の外周部が接合され、他方の金属製シールリング１９に金属製蓋１３が参照圧力空間１２を形成するように接合されたことから、参照圧力空間１２の気密性が長期にわたり高度に維持され、従って絶対圧力の精度の良い測定が可能になる。
【００３６】
＜実施の形態２＞
図５乃至図８に示すように、この実施の形態２の絶対圧型圧力センサは実施の形態１の場合と異なる中継基板２６を有する。すなわち、中継基板２６は上記キャビティ１６が省略され、金属製蓋１３側の表面が裏面と同様に平坦に形成される。従って、この中継基板２６は実施の形態１の場合よりも製造工程が簡易化される。
【００３７】
その他、実施の形態１と同じ構成部分は同じ符号を付して示すこととし、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、流体の導入側と反対側に歪ゲージが形成された金属製ダイアフラムを有する圧力検出素子と、金属製ダイアフラムの歪ゲージ側に参照圧力空間を形成する金属製蓋と、歪ゲージに結線された中継基板と、中継基板に結線された入出力端子とを具備した絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板が導通孔を中央に備える積層セラミック体で形成され、この中継基板の両面にそれぞれ金属製シールリングが導通孔を囲むように接合され、一方の金属製シールリングに金属製ダイアフラムの外周部が接合され、他方の金属製シールリングに金属製蓋が参照圧力空間を形成するように接合され、中継基板の金属製シールリング間から突出した箇所に入出力端子が接続された絶対圧型圧力センサであるから、封入液体を介することなく流体圧力を計測することができるのはもちろんのこと、参照圧力空間の気密性が長期にわたって安定的に維持され絶対圧力の精度の良い測定が可能になる。また、中継基板が積層セラミック体で形成され、この積層セラミック体の金属製シールリング間から突出した箇所に入出力端子が接続されたことから、絶対圧型圧力センサの配線が簡素化され、それだけ測定精度も向上する。
【００３９】
請求項２に係る発明によれば、請求項１に記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板と歪ゲージとが上記導通孔を通して電気的に結線された絶対圧型圧力センサであるから、中継基板の導通孔を利用して結線することができ、それだけ絶対圧型圧力センサの構造が簡素化される。
【００４０】
請求項３に係る発明によれば、請求項２に記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板の金属製蓋側にキャビティが形成された絶対圧型圧力センサであるから、キャビティの存在により中継基板の金属製蓋側の表面と歪ゲージとの距離が短縮され、導通孔を通した電気的結線の長さが短縮される。従って、絶対圧型圧力センサの振動等に対する強度が向上する。
【００４１】
請求項４に係る発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板の金属製蓋側の配線が金属製シールリングより内側に形成され、中継基板の金属製ダイアフラム側の配線に入出力端子が電気的に接続された絶対圧型圧力センサであるから、真空室内で金属製蓋を金属製シールリングに溶接する際に発生する金属蒸気が中継基板の配線上に付着するのを防止することができる。従って、中継基板の絶縁低下を防止し、ひいては絶対圧型圧力センサの精度低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る絶対圧型圧力センサの平面図である。
【図２】図１に示した絶対圧型圧力センサの蓋を切り欠いて示す平面図である。
【図３】図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】図１中、ＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る絶対圧型圧力センサの平面図である。
【図６】図５に示した絶対圧型圧力センサの蓋を切り欠いて示す平面図である。
【図７】図５中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。
【図８】図５中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視断面図である。
【図９】本発明者が試作した絶対圧型圧力センサの平面図である。
【図１０】図９に示した絶対圧型圧力センサの蓋を除去して示す平面図である。
【図１１】図９中、ＸＩ−ＸＩ線矢視断面図である。
【符号の説明】
９…歪ゲージ
１０…金属製ダイアフラム
１１…圧力検出素子
１２…参照圧力空間
１３…金属製蓋
１４…中継基板
１５…入出力端子
１６…キャビティ
１７…導通孔
１８，１９…金属製シールリング

Claims (4)

1. 流体の導入側と反対側に歪ゲージが形成された金属製ダイアフラムを有する圧力検出素子と、金属製ダイアフラムの歪ゲージ側に参照圧力空間を形成する金属製蓋と、歪ゲージに結線された中継基板と、中継基板に結線された入出力端子とを具備した絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板が導通孔を中央に備える積層セラミック体で形成され、この中継基板の両面にそれぞれ金属製シールリングが導通孔を囲むように接合され、一方の金属製シールリングに金属製ダイアフラムの外周部が接合され、他方の金属製シールリングに金属製蓋が参照圧力空間を形成するように接合され、中継基板の金属製シールリング間から突出した箇所に入出力端子が接続されたことを特徴とする絶対圧型圧力センサ。
2. 請求項１に記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板と歪ゲージとが上記導通孔を通して電気的に結線されたことを特徴とする絶対圧型圧力センサ。
3. 請求項２に記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板の金属製蓋側にキャビティが形成されたことを特徴とする絶対圧型圧力センサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の絶対圧型圧力センサにおいて、中継基板の金属製蓋側の配線が金属製シールリングより内側に形成され、中継基板の金属製ダイアフラム側の配線に入出力端子が電気的に接続されたことを特徴とする絶対圧型圧力センサ。

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