JP4281178B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１のケースと第２のケースとを組み付けてこれら両ケース内に半導体よりなるセンサ素子を収納するようにした半導体圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、この種の半導体センサとしては、特開平８−５４３０５号公報や特開平９−１７８５９１号公報に記載の圧力センサが提案されている。これらのものは、半導体よりなるセンサ素子及び回路基板が取り付けられた素子側ケースに対して、信号取出し用のリードがインサート成形されたコネクタケースを組み付けて、これら両ケース内にセンサ素子や回路基板を収納するようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の半導体センサにおいては、コネクタケース側のリードをセンサ素子及び回路基板と電気的に接続するにあたって、リードを、素子側ケースに別途設けられたコネクタ部材に溶接、はんだ付けする等の必要が生じる。そのため、コネクタ部を構成する部品の点数が多くなり、構成が複雑化する。また、両ケースの組付は接着剤を用いたり、かしめることにより行われているため、加工工数や設備投資が大きく、コスト増大につながっている。
【０００４】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、第１のケースと第２のケースとを組み付けて、これら両ケース内に半導体よりなるセンサ素子を収納するようにしたものにおいて、低コストで構成が簡素化された半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【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記載の発明では、半導体よりなるセンサ素子（１０）が配設され樹脂成形された第１のケース（２０）と、この第１のケースから一部が露出するように該第１のケースにインサート成形されるとともに該センサ素子と電気的に接続されたリード（３０）と、該第１のケースに組み付けられて該センサ素子を覆う第２のケース（４０）と、該第２のケースに形成され該リードの露出部（３１）を囲う囲い部（４２）とを備え、該リードの露出部と該囲い部とにより、該露出部を外部端子に接続可能なコネクタ部（５０）を構成しており、第１のケースと第２のケースとは、これら両ケースのどちらか一方に設けられた突起部（２５）を、他方に設けられた穴部（４７）にはめ込んで係止させることにより、結合されており、突起部（２５）は、穴部（４７）へはめ込まれる方向から徐々に突出度合が大きくなるように、テーパ状に突出しており、リード（３０）は、その全体がセンサ素子（１０）と電気的に接続される面内に位置する平板形状となっており、第1のケース（２０）には、センサ素子（１０）へ圧力を導入する圧力導入ポート（２１）が設けられており、圧力導入ポート（２１）は第１及び第２のケース（２０、４０）のはめ込まれる方向とは直交する方向へ突出しており、リード（３０）は、前記はめ込まれる方向に沿って配置されていることを特徴としている。
【０００６】
それによって、リードは、囲い部とともにコネクタ部を構成して外部端子に接続可能となるため、簡単な構成にて、センサにおけるコネクタ機能を実現でき、別途コネクタ部材は不要となる。また、リードは、予め第１のケースにインサート成形されているため、コネクタ部としてのリードを別途、溶接やはんだ付けする等の手間が無くなる。よって、本発明によれば、低コストで構成が簡素化された半導体センサを提供をすることができる。
【０００８】
さらに、本発明によれば、一側ケースに設けられた突起部を他側ケースに設けられた穴部にはめ込んで係止させること、いわゆるスナップフィットによる結合により、両ケースの組付固定を行うことができる。そのため、上記した効果に加えて、従来の接着やかしめのように、加工工数や設備投資が大きい組付方法を採用したものに比べて、より低コスト化が図れる。
【０００９】
また、従来の半導体センサにおいては、コネクタケースにインサート成形されたリードは、ケース内部で複雑に折れ曲がった形状となっているため、例えば、コネクタケースを成形する際、複数本のリードを成形型内の所定位置に１本ずつ配置しなければならない等、製造上、手間がかかるという問題がある。
【００１０】
その点、本発明によれば、リード（３０）の全体を、センサ素子（１０）と電気的に接続される面内に位置する平板形状としたことを特徴としており、それにより、従来のような複雑な曲げ形状のリードと比べて、一般に知られている量産化に適したフープ成形に適したリード形状を提供でき、リードのインサート成形を低コスト化できる。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、本発明を半導体圧力センサに具体化したものとして説明する。本実施形態の半導体圧力センサは例えば、浴槽の給湯器における湯（または水）の流路に取り付けられ、当該流路内の圧力によって浴槽の水位を検出する水位センサ等に適用可能である。
【００１３】
図１〜図６に、本実施形態に係る半導体圧力センサ１００（以下、単にセンサ１００という）の具体的構成を示す。センサ１００は、大きくは、半導体よりなるセンサ素子１０が配設され、樹脂成形されたセンサケース（本発明でいう第１のケース）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１０と電気的に接続された複数個のリード３０と、センサケース２０に組み付けられてセンサ素子１０を覆うコネクタケース（本発明でいう第２のケース）４０と、を備えた構成を有する。
【００１４】
ここで、図１はセンサ１００を両ケース２０、４０が分離された状態（ケース組付前の状態）で示す概略斜視図、図２はセンサケース２０の概略断面図、図３は図２中のＡ矢視図、図４はコネクタケース４０の概略断面図、図５は図４中のＢ−Ｂ断面図、図６は両ケース２０、４０の組付け状態を示す図である。
【００１５】
センサケース２０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等のプラスチック材料よりなる。図２に示す様に、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、上記給湯器における流路の適所にＯリング等を介して取付け可能となっている。また、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。
【００１６】
また、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がガラス等よりなる台座１１を介して固定されている。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）よりなるダイヤ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、このダイヤフラムの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化を上記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。
【００１７】
センサ素子１０と台座１１とは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。そして、上記流路からの圧力は、上記導入孔２２から台座１１の貫通孔を経て、センサ素子１０のダイヤフラムに伝達されるようになっている。また、凹部２３内にはガラス台座１１の貫通孔と導入孔２２との気密性を高めるために、シリコンゲルや樹脂接着剤等の封止剤２４が充填されている。
【００１８】
また、複数本のリード３０は平板帯形状をなし、センサケース２０にインサート成形され、センサケース２０と一体化されている。これらリード３０は、一般的なリードフレームの材料（例えばリン青銅に電解ニッケルめっきしたもの等）を採用することができる。ここで、これらリード３０のうちセンサケース２０の外壁から大きく露出した３本の露出部３１（図３参照）は、センサ素子１０の電気信号（出力）を外部へ取り出すための取り出し部を構成している。
【００１９】
また、図１〜図３に示す様に、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、接着剤等により固定されている。
【００２０】
そして、これらセンサ素子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、図２及び図３に示す様に、ワイヤボンディングにより形成された金やアルミニウム等よりなる複数本のワイヤ（図中、太線にて図示）１４により、適宜互いに電気的に接続されている。そして、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３１から外部へ取り出されるようになっている。
【００２１】
ここで、図２に示す様に、これらリード３０は、開口部２０ａの底面の平坦部に沿って配置されており、その全体が、ワイヤ１４と接続される面内（即ちセンサ素子１０と電気的に接続される面内）に位置する平板形状となっている。これは、後述するように、一般に知られているフープ成形に適したリード形状を提供するためである。なお、図１においては、センサケース２０における開口部２０ａ内において、該開口部２０ａ内の側面段差部やリード３０、ワイヤ１４は省略してある。
【００２２】
次に、センサケース２０に組み付けられてセンサ素子１０を覆うコネクタケース４０は、センサケース２０と同じくＰＰＳやＰＢＴ等の樹脂にて射出成形されたものであり、その内形がセンサケース２０の外形に対応している。そして、コネクタケース４０は、センサケース２０の開口部２０ａを覆う被覆部４１と、この被覆部４１から突出して形成されリード３０の露出部３１を囲う囲い部４２と、センサ１００を上記給湯器における流路の適所に固定するための取付穴４３を有するフランジ部４４と備えている。
【００２３】
囲い部４２は略四角形筒状体をなし、該筒体の内部にてリード３０の露出部３１を該露出部３１と空間を隔てて囲っている。囲い部４２と被覆部４１との間に位置する壁部４５には、リード３０の露出部３１が挿入されて支持される穴部４６が形成されている。そして、囲い部４２とリード３０の露出部３１とにより、外部端子に接続可能なコネクタ部５０が構成されており（図６参照）、このコネクタ部５０は、一般のコネクタ部材の外部端子に対し嵌合等により接続可能となっている。
【００２４】
また、コネクタケース４０とセンサケース２０とは、両ケース２０、４０のどちらか一方に設けられた突起部を他方に設けられた穴部にはめ込んで係止させることにより結合する、いわゆるスナップフィットにより結合されている。本例では、センサケース２０の両側の外壁面に１個ずつ、突起部としての爪部２５が形成され、コネクタケース４０の両側の外壁面に１個ずつ、爪部２５に対応して穴部としての係止穴４７が形成されている。
【００２５】
爪部２５は、図１中の矢印Ｘ方向にて示すセンサケース２０がはめ込まれる方向（以下、結合方向という）から徐々に突出度合が大きくなるように、テーパ状に突出している。また、コネクタケース４０の外壁面には、上記結合方向から切りかかれたスリットが形成され、それによって、該外壁面と交差する方向へ弾性変形可能な板状の変形部４８が形成されており、上記係止穴４７は、この変形部４８の厚み方向を貫通する貫通穴として形成されている。
【００２６】
ここで、これら爪部２５、係止穴４７及び変形部４８による結合作用を図７に示しながら、両ケース２０、４０の組付方法を説明する。なお、図７中のハッチングは便宜上付したものである。まず、各素子の配設及びワイヤボンディングがなされたセンサケース２０を、リード３０の露出部３１がコネクタケース４０の穴部４６に挿入されるように、上記結合方向に沿ってコネクタケース４０へ挿入していく（図１及び図７（ａ）参照）。
【００２７】
すると、爪部２５が変形部４８の先端に接触し、爪部２５のテーパ部によって、変形部４８が外方に押し広げられるように弾性的に変形する（図７（ｂ））。さらに、センサケース２０を挿入していくと、爪部２５が係止穴４７にはまり込み、変形部４８は弾性力によって元の位置に戻る（図７（ｃ））。こうして、爪部２５が係止穴４７に係止されることにより、図６に示す様に、両ケース２０、４０が結合される。
【００２８】
次に、センサケース２０の製造方法について述べる。上述のように、リード３０は、一般に知られているフープ成形に適した平面的なリード形状となっており、センサケース２０はフープ成形により作られる。図８に、センサケース２０の製造方法を模式的に示す。まず、１個のセンサ１００に用いられる複数本のリード３０を１単位として、この１単位が直線状に複数個形成された帯状のリードフレームＫ１を用意する（図８（ａ））。
【００２９】
このリードフレームＫ１を巻き取り、コイル状態にしておく（図８（ｂ））。ここで、リード３０は上記の平面的な形状であるが故に、リードフレームＫ１自体も、平面帯形状とでき、コイル状態に巻き取ることが容易となる。そして、このコイル状態のリードフレームＫ１を回転可能なシャフト（図示せず）に装着する。なお、リードフレームＫ１には、次工程における１単位ずつの送り出しに対応して、リード３０の１単位間隔で送り出し用の位置決め印が設けられていても良い。
【００３０】
次に、図８（ｃ）に示す様に、センサケース２０を射出成形するための射出成形機に設けられた成形型Ｋ２内に、上記シャフトを回転させてリードフレームＫ１をリード３０の１単位ずつ送り出し、成形型Ｋ２内に位置決めする。次に、成形型Ｋ２内に樹脂を射出し、リード３０と樹脂が一体化したセンサケース２０を成形する。そして、１個のセンサケース２０が成形されると、リードフレームＫ１のうち樹脂からはみ出した余分な部分は、分断型Ｋ３によって切断除去される。センサケース２０が出来上がる。これを、リード３０の１単位毎に繰り返すことで、容易にセンサケース２０を量産化できる。
【００３１】
出来上がったセンサケース２０に対しては、上述のように、台座１１に接着されたセンサ素子１０、両トランジスタ素子１２及び１３を接着し、ワイヤボンディングを行うことにより、図２及び図３に示す状態となる。そして、この状態のセンサケース２０を、上述のように、コネクタケース４０に結合することで、センサ１００が出来上がる。
【００３２】
かかるセンサ１００は、次のように相対圧センサとして作動する。給湯器における湯（または水）の流路内の圧力は、導入孔２２から台座１１の貫通孔を経て、センサ素子１０のダイヤフラムの裏面側に導入される。一方、例えばコネクタケース４０の適所に大気と連通する穴（図示せず）を設けたり、両ケース２０、４０の隙間を利用する等により、センサ素子１０のダイヤフラムの表面は大気と連通して大気圧（基準圧）となっている。
【００３３】
そして、両面の圧力差によって当該ダイヤフラムが歪んだとき、この歪みに基づく電気信号が発生する。この信号は、ワイヤ１４、各トランジスタ素子１２、１３及びリード３０、リード３０の露出部３１を経て、コネクタ部５０に接続された外部端子へ取り出される。そして、外部回路にて信号処理を行うことにより、流路内の圧力が相対圧として検出され、この圧力に応じて水位等を求めることが可能となっている。
【００３４】
以上、本実施形態によれば、リード３０は、囲い部４２とともにコネクタ部５０を構成して外部端子に接続可能となるため、簡単な構成にて、センサ１００におけるコネクタ機能を実現でき、別途、コネクタ部材は不要となる。また、リード３０は、予め、センサケース２０にインサート成形されているため、コネクタとしてのリード３０を別途、溶接やはんだ付けする等の手間が無くなる。よって、本実施形態によれば、低コストで構成が簡素化された半導体センサを提供をすることができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、スナップフィットによる結合により、両ケース２０、４０の組付固定を行うことができるため、従来の接着やかしめのように、加工工数や設備投資が大きいケースの組付方法を採用したものに比べて、より低コスト化が図れる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、リード３０を、センサ素子１０と電気的に接続される面内において平面的な形状としているため、従来のような複雑な曲げ形状のリードと比べて、一般に知られている量産化に適したフープ成形に適したリード形状を提供でき、リードのインサート成形を低コスト化できる。
【００３７】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、リード３０を、フープ成形に適した平面的なリード形状としているが、リードはセンサ素子と電気的に接続される面内において完全に平面的な形状でなくとも良く、リードフレームとしてコイル状態に巻き取り可能であるならば、多少平面から外れて曲がった形状であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサをケース組付前の状態で示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す半導体圧力センサのセンサケースの概略断面図である。
【図３】図２中のＡ矢視図である。
【図４】図１に示す半導体圧力センサのコネクタケースの概略断面図である。
【図５】図４中のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図１に示す半導体圧力センサのケース組付け状態を示す図である。
【図７】図１に示す半導体圧力センサのケースの結合作用を示す説明図である。
【図８】上記実施形態に係るセンサケースの製造方法を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０…センサ素子、２０…センサケース、３０…リード、
３１…リードの露出部、４０…コネクタケース、４２…囲い部、
５０…コネクタ部。

Claims (2)

1. 半導体よりなるセンサ素子（１０）が配設され、樹脂成形された第１のケース（２０）と、
   この第１のケースから一部が露出するように前記第１のケースにインサート成形されるとともに前記センサ素子と電気的に接続されたリード（３０）と、
   前記第１のケースに組み付けられて前記センサ素子を覆う第２のケース（４０）と、
   前記第２のケースに形成され、前記リードの露出部（３１）を囲う囲い部（４２）とを備え、
   前記リードの露出部と前記囲い部とにより、該露出部を外部端子に接続可能なコネクタ部（５０）が構成されており、
   前記第１のケースと前記第２のケースとは、これら両ケースのどちらか一方に設けられた突起部（２５）を、他方に設けられた穴部（４７）にはめ込んで係止させることにより、結合されており、
   前記突起部（２５）は、前記穴部（４７）へはめ込まれる方向から徐々に突出度合が大きくなるように、テーパ状に突出しており、
   前記リード（３０）は、その全体が前記センサ素子（１０）と電気的に接続される面内に位置する平板形状となっており、
   前記第1のケース（２０）には、前記センサ素子（１０）へ圧力を導入する圧力導入ポート（２１）が設けられており、
   前記圧力導入ポート（２１）は前記第１及び第２のケース（２０、４０）のはめ込まれる方向とは直交する方向へ突出しており、前記リード（３０）は、前記はめ込まれる方向に沿って配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記囲い部（４２）は、前記リード（３０）の露出部（３１）を該露出部と空間を隔てて囲っていることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。

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