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JP4839648B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents

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JP4839648B2
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Description

この発明は、半導体シリコンを用いて圧力を計測する圧力センサ装置に関し、特に１ＭＰａ以上の高い圧力を計測する圧力センサ装置に関する。
一般に、自動車のトランスミッションのオイル封入ブロックや油圧アクチュエータのブロックなどに取り付けて圧力を計測する圧力センサ装置では、センサ素子としてピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサチップが用いられる。この半導体圧力センサは、単結晶シリコン等のピエゾ抵抗効果を有する材料でできたダイアフラム上に複数個の半導体歪ゲージをブリッジ接続した構成となっている。圧力変化によりダイアフラムが変形すると、その変形量に応じて半導体歪ゲージのゲージ抵抗が変化し、その変化量が電圧信号としてブリッジ回路から取り出される。
従来より、圧力センサ装置として図２６〜図２９に示す構成のものが公知である。図２６に示す圧力センサ装置は、ねじ部を有する継ぎ手１と、継ぎ手１を被設置部にねじ込むためのフランジ部材３と、上述したように圧力の変化量に応じた電圧信号を出力する圧力センサ２と、圧力センサ２の出力信号を処理する回路チップを実装した回路基板４と、圧力センサ２と回路基板４とを接続するワイヤボンディング５と、回路基板４から外部へ信号を取り出すための端子６，７とを備えている。端子７を支持している端子台８と端子６は、接合部材１１によりフランジ部材３に固定されている。また、ガスケット９およびＯリング１０が接合部材１１により組み付けられている（例えば、特許文献１参照。）。
図２７に示す圧力センサ装置は、トランスデューサ１２と、六角ポート１３と、カバー１４と、環状シール用ガスケット１５と、淵部クリップ１６と、可撓性回路１７と、外部への信号を取り出すためのベース部材１８とによって構成されている。トランスデューサ１２は、圧力を受けると変形する第１の導電膜と、この導電膜にスペーサを介して対向する第２の導電膜と、第１の導電膜の変形により変化する静電容量を電圧信号に変換する回路とによって構成されている（例えば、特許文献２参照。）。
図２８に示す圧力センサ装置は、接続リード１９，２０，２１，２２をハーメチックガラス２３により絶縁して固定したセンサケース２４内において、圧力センサチップ２５を接続リード１９，２０，２１，２２に接続するとともに、金属ダイアフラム２６によってシリコンオイル内に圧力センサチップ２５を封入した構成となっている。そして、上部からは金属ハードカバー２７によって保護されている（例えば、特許文献３参照。）。
図２９に示す圧力センサ装置は、図２８に示す圧力センサ装置を金属ハウジング２８内にＯリング２９を用いて格納し、この金属ハウジング２８に対して、接続リード１９，２０，２１，２２に電気的に接続する端子板３０，３１，３２を有するコネクタハウジング３３を、Ｏリング３４およびスペーサーリング３５を組み込んでかしめた構成となっている。金属ハウジング２８は、受圧口体３６とねじ部３７と締め付け部３８と段部３９を有する（例えば、特許文献３参照。）。
また、半導体圧力センサとして、ピエゾ抵抗の形成されるダイアフラム部を有する半導体素体に演算増幅器および薄膜抵抗よりなる抵抗回路網が複合集積化されてピエゾ抵抗よりの出力信号の増幅回路部が構成されたものが公知である。この半導体圧力センサを用いたセンサ装置では、封止された容器内に半導体圧力センサが収納される。その容器内で半導体圧力センサの表面が臨む側の空間は一定の圧力に保たれる。そして、その容器内の圧力を基準として、容器の圧力導入口を介して半導体圧力センサの裏面に加わる圧力を計測する構成となっている（例えば、特許文献４参照。）。
特開２００２−１６８７１８号公報（図１） 特開２００２−２０２２１５号公報（図１） 特開２０００−５５７６２号公報（図８、図１０） 特開平１−１５０８３２号公報
しかしながら、図２６または図２７に示す圧力センサ装置では、部品点数が多いため、部材コストおよび組み立てコストが高くなるという問題点がある。また、信号の伝達経路が、図２６に示す装置では圧力センサ２、ワイヤボンディング５、回路基板４、回路チップ、端子６および端子７であり、一方、図２７に示す装置ではトランスデューサ１２、可撓性回路１７、回路チップおよびベース部材１８であるというように、いずれの装置でも多くの部品および部品同士の接続点から構成されているため、故障確率が高くなり、長期的な信頼性に欠けるという問題点がある。さらに、図１６に示す装置では継ぎ手１に圧力センサ２を直接、接合しているため、継ぎ手１をねじ込む際の応力が圧力センサ２に伝わり、測定信号の精度および信頼性が低下するという問題点がある。
また、図２８に示す圧力センサ装置では、端子と外部とに印加される外部ノイズなどの影響によりシリコンオイルが分極し、圧力センサチップ２５の表面に電荷が溜まることがある。そのため、圧力センサチップ２５の信号が変動してしまい、測定信号の信頼性が低下するという問題点がある。また、高温環境下でのシリコンオイルの膨張による内部圧力の増加や、高圧印加時のシリコンオイルの圧縮により、金属ダイアフラム２６に繰返し疲労が起こるため、長期信頼性に欠けるという問題点がある。
また、図２９に示す圧力センサ装置では、圧力を受ける部分の面積が広いため、印加される荷重が大きくなってしまう。この荷重を支えるためには、金属ハウジング２８の剛性を高くする必要がある。そのため、コストが高くなり、装置が大型化してしまうという問題点がある。
また、前記特許文献４に開示された圧力センサ装置では、外部に出力信号を取り出すための外部信号端子が容器底部にガラス封止されていることから、容器が金属でできていると推察されるが、金属製の容器は高価であるという欠点がある。また、圧力センサ装置をオイル封入ブロックやアクチュエータのブロックなどに取り付けて圧力を計測するような用途の場合、前記特許文献４に開示された圧力センサ装置のように圧力導入口と外部信号端子が同じ側に設けられていると、外部信号端子に邪魔されて圧力センサ装置をオイル封入ブロック等に取り付けることができない。従って、圧力導入口が設けられている側と反対側に外部信号端子を突出させる必要があるが、上述したように金属製の容器の場合には、外部信号端子を圧力導入口の反対側に設けるのは困難であるという問題点がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、低コストで、長期的な信頼性が高く、かつ測定信号の精度および信頼性の高い圧力センサ装置、さらには外部への信号端子が圧力導入口の反対側に配置される圧力センサ装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる圧力センサ装置は、 受圧部に圧力を受けることにより、受圧部の歪みを電気信号に変換する手段を有する圧力センサチップと、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する台座部材と、第１の面と第２の面を有し、該第２の面に突出部を有し、該突出部において第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する圧力導入手段と、前記圧力センサチップからの前記電気信号を取り出す信号端子を有し、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する樹脂ケースと、を具備し、前記受圧部が前記台座部材の貫通孔に臨む状態で、前記圧力センサ素子が前記台座部材の第２の面に接合され、前記圧力導入手段の貫通孔が前記台座部材の貫通孔につながる状態で、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接合部材により接合され、前記樹脂ケースの貫通孔に前記圧力導入手段の突出部を納められた状態で、前記樹脂ケースが前記圧力導入手段に接着され、前記圧力導入手段は、該圧力導入手段の前記第１の面と第２の面を、当該圧力導入手段と一体化される他の部材で当接した状態で挟み込むための前記樹脂ケースの端面よりも外側に突出した支持部を有し、前記圧力センサチップと前記信号端子とがワイヤボンディングにより電気的に接続されてなる圧力センサセルからなることを特徴とする。
請求項２の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１に記載の発明において、前記接合部材を被覆する保護部材を有することを特徴とする。
請求項３の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１に記載の発明において、すくなくとも前記圧力センサチップの前記受圧部から前記台座部材の貫通孔に渡って充填される充填部材を有することを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項４の発明にかかる圧力センサ装置は、 受圧部に圧力を受けることにより、受圧部の歪みを電気信号に変換する手段を有する圧力センサチップと、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する台座部材と、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する圧力導入手段と、前記圧力センサチップからの前記電気信号を取り出す信号端子を有する樹脂ケースと、を具備し、前記受圧部が前記台座部材の貫通孔に臨む状態で、前記圧力センサ素子が前記台座部材の第２の面に接合され、前記圧力導入手段の貫通孔が前記台座部材の貫通孔につながる状態で、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接合部材により接合され、前記接合部材を保護部材により被覆し、
前記樹脂ケースが前記圧力導入手段に接着され、前記圧力導入手段は、前記樹脂ケースの端面よりも外側に、当該圧力導入手段と一体化される他の部材が当接される支持部を有し、前記樹脂ケースの平面形状が矩形状であり、当該矩形状の対向する二辺において前記支持部を有し、前記信号端子は、前記支持部を有する前記矩形状の対向する二辺と隣接する辺において前記樹脂ケースの端面よりも外側に突出し、前記圧力センサチップと前記信号端子とがワイヤボンディングにより電気的に接続されてなる圧力センサセルからなることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項５の発明にかかる圧力センサ装置は、 受圧部に圧力を受けることにより、受圧部の歪みを電気信号に変換する手段を有する圧力センサチップと、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する台座部材と、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する圧力導入手段と、前記圧力センサチップからの前記電気信号を取り出す信号端子を有する樹脂ケースと、を具備し、前記受圧部が前記台座部材の貫通孔に臨む状態で、前記圧力センサ素子が前記台座部材の第２の面に接合され、前記圧力導入手段の貫通孔が前記台座部材の貫通孔につながる状態で、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接合部材により接合され、すくなくとも前記圧力センサチップの前記受圧部から前記台座部材の貫通孔に渡って充填される充填部材を有し、前記樹脂ケースが前記圧力導入手段に接着され、前記圧力導入手段は、前記樹脂ケースの端面よりも外側に、当該圧力導入手段と一体化される他の部材が当接される支持部を有し、前記樹脂ケースの平面形状が矩形状であり、当該矩形状の対向する二辺において前記支持部を有し、前記信号端子は、前記支持部を有する前記矩形状の対向する二辺と隣接する辺において前記樹脂ケースの端面よりも外側に突出し、前記圧力センサチップと前記信号端子とがワイヤボンディングにより電気的に接続されてなる圧力センサセルからなることを特徴とする。
請求項６の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項５に記載の発明において、前記圧力導入手段の第２の面に突出部を有し、該突出部において前記貫通孔を有することを特徴とする。
請求項７の発明にかかる圧力センサ装置は、上記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサセルと、前記圧力センサセルを配置する配置部を備え、一端が前記圧力センサセルの信号端子と電気的に接続され、他端が外部へ突出する信号端子が一体成形されたコネクタ部材と、貫通孔を有するねじ部と、前記コネクタ部材を固定する固定部を有し前記コネクタ部材に配置される圧力センサセルを格納する格納部と、前記格納部の底部に設けられ前記ねじ部の貫通孔を底部に有する凹部と、を備えた継ぎ手部材と、を具備し、前記圧力センサセルは前記圧力導入手段の第１の面の開口が開放されるように前記コネクタ部材に配置され、前記圧力センサセルの信号端子と前記コネクタ部材に一体成形された前記信号端子が電気的に接続され、前記凹部に前記圧力導入手段の第１の面側の端部が入り、前記ねじ部の貫通孔が前記圧力導入手段の貫通孔につながり、前記凹部に配置され、前記圧力導入手段の側面と前記継ぎ手部材との間を封止するＯリングを備えていることを特徴とする。
請求項８の発明にかかる圧力センサ装置は、上記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサセルと、貫通孔を有し、前記圧力センサセルを収容する筐体と、前記筐体を固定するねじ部材を有する固定治具と、を具備し、前記筐体の底部に設けられ前記筐体の貫通孔を底部に有する凹部を備え、前記圧力センサセルは前記圧力導入手段の第１の面の開口が開放されるように前記筐体に収容され、前記圧力センサセルの信号端子は、前記筐体から外部へ突出し、前記凹部に前記圧力導入手段の第１の面側の端部が入り、前記筐体の貫通孔が前記圧力導入手段の貫通孔につながり、前記凹部に配置され、前記圧力導入手段の側面と前記筐体との間を封止するＯリングを備えていることを特徴とする。
請求項９の発明にかかる圧力センサ装置は、上記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサセルと、貫通孔を有し、前記圧力センサセルを収容する筐体と、を具備し、前記筐体の底部に設けられ前記筐体の貫通孔を底部に有する凹部を備え、前記圧力センサセルは前記圧力導入手段の第１の面の開口が開放されるように前記筐体に収容され、前記圧力センサセルの信号端子は、前記筐体から外部へ突出し、前記筐体の貫通孔が前記圧力導入手段の貫通孔につながり、前記凹部に配置され、前記圧力導入手段の側面と前記筐体との間を封止するＯリングを備えていることを特徴とする。
請求項１０の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明において、前記台座部材の前記第１の面に金属薄膜を有し、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に金属材料によって接合されていることを特徴とする。
請求項１１の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１０に記載の発明において、 前記金属薄膜は、クロムと白金と金の３層またはチタンと白金と金の３層で構成されていることを特徴とする。
請求項１２の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明において、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に低融点ガラスによって接合されていることを特徴とする。
請求項１３の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明において、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接着剤によって接合されていることを特徴とする。
請求項１４の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発明において、前記圧力センサチップは前記台座部材に静電接合によって接合されていることを特徴とする。
請求項１５の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発明において、前記圧力センサ素子は前記台座部材に低融点ガラスによって接合されていることを特徴とする。
請求項１６の発明にかかる圧力センサ装置は、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の発明において、前記圧力導入手段は４２アロイでできており、その表面にニッケルメッキまたはニッケルメッキと金メッキが施されていることを特徴とする。
請求項１７の発明に係る圧力センサ装置は、前記台座部材と前記圧力導入手段とが一体に形成された絶縁材料からなることを特徴とする。
請求項１、４、５の発明によれば、圧力センサチップから直接外部へ出力するための信号が出力される。そして、圧力センサチップから出力された信号は、ワイヤボンディングを経由して信号端子へ到達するため、信号伝達経路上の接続箇所の数が最小になり、故障確率が低くなるので、圧力センサセルの長期的な信頼性が高くなる。従って、この圧力センサセルを用いた圧力センサ装置の長期的な信頼性が高くなる。また、圧力センサセルの部品点数が少ないので、低コストの圧力センサセルが得られる。従って、この圧力センサセルを用いることによって、圧力センサ装置の低コスト化を図ることができる。
また、請求項１、４、５の発明によれば、圧力導入手段を通って圧力媒体が圧力センサチップの受圧部へ導かれるので、圧力センサチップに大きな影響を及ぼすシリコンオイルを用いなくても受圧部で圧力を受けることができる。従って、シリコンオイルの影響による出力信号の変動を回避することができるので、測定信号の精度および信頼性を高くすることができる。また、圧力を受ける部位の面積がシリコンチップの受圧部の裏面に限定されるので、圧力センサ本体に印加される荷重が小さくなる。従って、圧力センサ装置を小型化し、また構造を簡素化することができる。
また、請求項２または５の発明によれば、台座部材と圧力導入手段とを接合する接合部材が保護膜で被覆されるため、圧力媒体がエンジンオイル、トランスミッションオイル、その他のオイル系の場合において耐オイル性を向上させることができる。特に、接着剤で接合する場合、接着剤へのオイル浸透による接着力低下を防ぐことができる。
請求項３または５の発明によれば、圧力センサチップの受圧部から台座部材に渡って充填部材を充填することにより、圧力媒体を台座部材の貫通孔に充填する必要がないため、充填時の気泡の発生を低減でき、また気泡が発生してもポンピングなどの気泡抜き作業によって気泡を除去することが可能となる。その結果、測定したい圧力媒体の圧力を正確に測定することができる。また、台座部材と圧力導入手段とを接合する接合部材をも被覆するように充填することにより、耐オイル性を向上させることができる。
請求項１，４または５の発明によれば、圧力導入手段の、樹脂ケースよりも外側に突出する端部を、この端部にコネクタ部材などの他の部材を当接させた状態で、圧力導入手段にその他の部材を固定するための支持部として利用することができるので、そのようにすることによって、高い圧力範囲まで圧力を測定可能な圧力センサセルまたは圧力センサ装置が得られる。
請求項１または６の発明によれば、圧力媒体の圧力によって、圧力導入手段の段差部が樹脂ケースの、圧力導入手段の開放端側の端部に押し付けられるので、圧力に対する構造的な信頼性を高く確保することができる。
請求項７〜９の発明によれば、部品点数の少ない簡素な構成で、圧力媒体による防爆のファイルセーフ構造を実現することができるので、高信頼性の圧力センサ装置を得ることができる。また、部材コストおよび組み立てコストを低く抑えることができる。さらに、圧力センサ装置をオイル封入ブロック等にねじ込んで取り付ける際のねじ部からの応力が、封止手段である例えばＯリングによって緩和されるので、測定信号の精度および信頼性を高くすることができる。また、外部への信号端子が、圧力導入手段の開放端の開口部、すなわち圧力導入口の反対側に配置された圧力センサ装置が得られる。

請求項１４の発明によれば、圧力センサチップと台座部材とを、それらの間を高い気密性を保った状態で接合することができるので、気密性の高い構造を実現することができる。
請求項１０の発明によれば、圧力導入手段と台座部材とを金／錫共晶半田や高温半田などの金属材料を介して接合した場合の接合強度が高くなるので、圧力導入手段と台座部材との接合の信頼性を高くすることができる。
請求項１１の発明によれば、圧力導入手段をガラス製の台座部材に接合する場合、クロムはガラスとの密着性に優れている。また、圧力導入手段と台座部材との接合に金／錫共晶半田や高温半田などを用いる場合、金属薄膜の半田側の表面が金であるとよいが、金とクロムを接触させるのは好ましくないので、金とクロムの接触を避けるために金とクロムの間に白金が設けられている。このような理由で３層構造の金属薄膜を設けることにより、圧力導入手段と台座部材との接合強度が高くなる。
請求項１３の発明によれば、台座部材と圧力導入手段とを接着剤で固定することによって、部材のコストを下げることができる。金属材料（半田）により接合する場合に比べ接合後の残留応力を低減できる。
本発明にかかる圧力センサ装置によれば、外部への信号伝達経路上の接続箇所の数が最小になり、故障確率が低くなるので、長期的な信頼性の高い圧力センサ装置が得られるという効果を奏する。また、部品点数の少ない低コストの圧力センサ装置が得られるという効果を奏する。また、シリコンオイルの影響による出力信号の変動を回避することができるので、測定信号の精度および信頼性が高くなるという効果を奏する。また、保護膜または充填部材を有することで耐オイル性を向上することができ信頼性高くなるという効果を奏する。また、充填部材を有することで気泡が発生し難いため、精度および信頼性が高くなるという効果を奏する。さらに、圧力センサ装置をねじ込んで取り付ける際のねじ部からの応力が緩和されるので、測定信号の精度および信頼性が高くなるという効果を奏する。また、外部への信号端子を圧力導入口の反対側に配置した圧力センサ装置が得られるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる圧力センサ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態の説明において、他の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。図１に示すように、圧力センサセル１００は、圧力センサチップ４１、台座部材４２、金属パイプ部材４３および樹脂ケース４４を備えている。
圧力センサチップ４１は、例えば半導体シリコンの第１の面（図１では下面）から凹加工して形成された受圧部であるダイアフラム４５を有する。このダイアフラム４５で圧力を受ける。半導体シリコンの第２の面（図１では上面）の、ダイアフラム４５の裏側に相当する箇所には、拡散抵抗よりなる少なくとも４つのゲージ（図示せず）が形成されている。これらのゲージは、ダイアフラム４５の凹面に圧力が印加された際に半導体シリコンの第２の面に発生する歪を抵抗値に変換する。なお、圧力センサチップ４１は他の半導体材料でできていてもよい。
また、図示省略するが、圧力センサチップ４１には、前記ゲージによって構成されるホイートストーンブリッジ回路、ホイートストーンブリッジ回路の出力信号を増幅する回路、感度を補正する回路、オフセットを補正する回路、感度およびオフセットの温度特性を補正する回路などが形成されている。また、圧力センサチップ４１には、サージ保護素子やフィルタ（図示省略）なども形成されている。これらの回路は、圧力センサチップ４１に形成されていなくてもよい。この場合、例えば、別の半導体チップとして形成し、樹脂ケース４４を多少大きくし、該チップの搭載部を確保して配置する。または、圧力センサ装置外にこれらの機能を持たせても良い。
台座部材４２は、特に限定しないが、例えばガラス材料、すなわちパイレックス（登録商標）（Ｒ）ガラスやテンパックスガラスなどでできている。台座部材４２の中心には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔４６が設けられている。台座部材４２と圧力センサチップ４１とは、４００℃／４００Ｖの接合条件を用いた静電接合によって接合されている。その際、ダイアフラム４５が貫通孔４６に臨むように位置合わせして接合される。このように静電接合することによって、圧力センサチップ４１と台座部材４２とを、それらの間を高い気密性を保った状態で接合することができる。従って、気密性の高い構造を実現することができる。静電接合の他に低融点ガラスを用いて接合してもよい。
台座部材４２の、圧力導入手段である金属パイプ部材４３と接合される側の面には、台座部材４２側から順にクロム、白金および金の３層よりなる金属薄膜４７が積層されている。クロムはガラス材料との密着性に優れているので、金属薄膜４７が剥離することはない。また、白金により、クロムと金とが接触するのを防いでいる。また、金は、金／錫共晶半田や高温半田などを介して台座部材４２と金属パイプ部材４３とを接合するのに適している。
金属パイプ部材４３は、特に限定しないが、例えば４２アロイでできており、その表面にニッケルメッキが施されている。あるいは、ニッケルメッキと金メッキの組み合わせでもよい。金属パイプ部材４３の中心には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔４８が設けられている。金属パイプ部材４３と台座部材４２とは、それらの貫通孔４６，４８が一続きとなるように位置合わせされて、金／錫共晶半田や高温半田などの金属材料４９からなる接合部材によって接合されている。金属パイプ部材４３にメッキを施す理由は、台座部材４２との接合強度が高くなるからである。
金属材料４９として金／錫共晶半田や高温半田などを用いる理由は、高温下での使用に耐え得るようにするためである。また、これらの半田のヤング率は低いので、台座部材４２と金属パイプ部材４３との間の応力を緩和することができるからである。ここで、クロム、白金および金の熱膨張係数はそれぞれ４．５×１０-6／℃、９×１０-6／℃および１４．３×１０-6／℃である。また、台座部材４２のガラス材料の熱膨張係数は３．２×１０-6／℃である。金属パイプ部材４３の４２アロイ材料の熱膨張係数は４．３×１０-6／℃である。
台座部材４２の裏面に金属薄膜４７を設けずに、金属パイプ部材４３と台座部材４２とを、金属材料４９の代わりにエポキシなどの接着剤を接合部材として用いてもよい。このようにすれば、部材コストを下げることができ、また接合後の残留応力を低減できる。なお、金属パイプ部材４３と台座部材４２とを半田付けにより固定するか、または接着剤により固定するかは、測定対象となる圧力媒体によって適宜選択される。
また、金属薄膜４７は、上記の他に台座部材４２側から順にチタン、白金および金の３層より形成してもよい。
また、金属パイプ部材４３は、台座部材４２に接合された側の端部からもう一方の端部、すなわち金属パイプ部材４３の貫通孔４８が開口する開放端側の端部へ向かう途中に外向きに突出する段差部５０を有している。なお、以下の説明では、金属パイプ部材４３の開放端５１における貫通孔４８の開口部を圧力導入口５２とする。
樹脂ケース４４は、その一方の端部側に凹部５３を有する。この凹部５３には、圧力センサチップ４１および台座部材４２が収容されている。また、凹部５３の底から反対側の端部へ貫通する孔部５４が設けられている。この孔部５４には、金属パイプ部材４３が納められている。樹脂ケース４４の、凹部５３と反対側の端部には、金属パイプ部材４３の段差部５０が入る凹部５５が形成されている。この凹部５５に段差部５０が入った状態で、段差部５０の、圧力導入口５２と反対側の面５６と、この面５６が当接する凹部５５の面５７とが接着されている。
これらの面５６，５７が接着されていることによって、圧力導入口５２から導入された圧力媒体により圧力が印加された場合に、その圧力が金属パイプ部材４３の段差部５０を樹脂ケース４４に押し付けるように作用するので、圧力に対する構造的な信頼性が高い。また、樹脂ケース４４は外部への信号端子５８を有しており、その信号端子５８の基端は前記凹部５３の側方に露出している。その信号端子５８の露出箇所と圧力センサチップ４１とは、ワイヤボンディング５９により電気的に接続されている。
圧力媒体がエンジンオイル、トランスミッションオイル、その他のオイル系の場合、台座部材４２と金属パイプ部材４３とをエポキシなどの接着剤により接合する場合に、オイルのエポキシ接着剤への浸透による接着力低下が想定される。このため、台座部材４２と金属パイプ部材４３との間の接着剤の表面を、フッ素系の保護膜６０によってコーティングする。これにより、耐オイル性を向上させることが可能となる。
上述した構成の圧力センサセル１００では、圧力導入口５２から圧力媒体が導入され、圧力センサチップ４１のダイアフラム４５で圧力を受けると、ダイアフラム４５が変形する。そして、ダイアフラム４５上のゲージ抵抗値が変化し、それに応じた電圧信号が発生する。その電圧信号は、感度補正回路やオフセット補正回路や温度特性補正回路などの調整回路によって調整された増幅回路により増幅され、圧力センサチップ４１から出力される。そして、その出力信号は、ワイヤボンディング５９を介して信号端子５８に出力される。
その際、圧力媒体が接するのは、金属パイプ部材４３だけである。従って、圧力媒体がＲ１３４ａガスやＣＯ2ガスなどのエアコン媒体であっても、オイルや潤滑油等であっても、圧力センサセル１００が劣化することはなく、長期にわたって高い信頼性を得ることができる。また、高圧を計測する場合でも、圧力を受ける面積（受圧面積）がダイアフラム４５だけであるため、圧力センサセルに一体化された安価な樹脂ケースに信号端子５８を配置することができ、圧力センサセル１００を用いた圧力センサ装置の構造および材料を極力小型化し、軽量化することができる。従って、低コストの圧力センサ装置を実現することができる。
具体的には、例えば測定圧力が２０ＭＰａであり、ダイアフラム４５の径がφ１ｍｍであるとする。この場合、受圧面積は０．７８ｍｍ2であり、圧力センサセル１００が受ける荷重は、２０ＭＰａ×０．７８ｍｍ2で計算される。樹脂ケース４４の凹部５５の面５７、すなわち圧力により金属パイプ部材４３の段差部５０が押し付けられる面５７（以下、裏面支持部とする）の面積を１４．９ｍｍ2とすると、樹脂ケース４４の裏面支持部に発生する圧縮応力は、２０ＭＰａ×０．７８ｍｍ2／１４．９ｍｍ2で計算され、１．０５ＭＰａとなる。
一般的にこのような用途、すなわち樹脂ケース４４などに用いられる樹脂材料としては、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチエンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂またはナイロン樹脂などがある。これらの樹脂の破壊応力は９８〜１９６Ｐａレベルである。従って、樹脂ケース４４の裏面支持部に１．０５ＭＰａ程度の圧縮応力が発生しても、安全が十分確保されるので、長期にわたって極めて高い信頼性が得られる。
また、外部に出力するまでの信号伝達経路の接続箇所を最小限に抑えることができるので、故障確率が各段に低くなる。なお、台座部材４２の材料としてシリコンを用いることもできる。その場合には、圧力センサチップ４１と台座部材４２とを低融点ガラスを用いて接合すればよい。このようにすれば、圧力センサチップ４１が金属パイプ部材４３から受ける熱応力が台座部材４２で吸収されるので、金属パイプ部材４３からの熱応力を低減することができる。
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図２に示すように、実施の形態２の圧力センサ装置２００は、実施の形態１の圧力センサセル１００をコネクタ部材６１と継ぎ手部材６２とで挟み込み、継ぎ手部材６２をかしめることにより、圧力センサセル１００とコネクタ部材６１と継ぎ手部材６２とを一体化したものである。なお、保護膜６０は図示を省略した。
コネクタ部材６１は、圧力センサセル１００を収容するハウジング部６３と、圧力センサ装置２００の出力を外部へ取り出すためのソケット部６４とが一体成形された構成となっている。ソケット部６４はハウジング部６３よりも細くなっており、ハウジング部６３とソケット部６４との間に段差部６５が形成されている。ハウジング部６３とソケット部６４との間の仕切り部分には、外部への信号端子６６が埋め込まれている。信号端子６６の一端はハウジング部６３内に露出し、他端はソケット部６４内に露出している。
コネクタ部材６１と圧力センサセル１００とは、ハウジング部６３とソケット部６４との間の仕切り部分のハウジング部６３内に露出する端面（配置部）に、圧力センサセル１００の圧力導入口５２が開口する開放端５１と反対側の端面をシリコン接着剤やエポキシ接着剤などで接着することにより一体化されている。このようにコネクタ部材６１に圧力センサセル１００が接着されていることにより、振動や衝撃などのメカニカルな衝撃に対する信頼性がより一層向上する。また、ハウジング部６３内に露出する信号端子６６の基端部分は、圧力センサセル１００の信号端子５８にレーザー溶接により電気的に接続されている。
ハウジング部６３とソケット部６４との間の仕切り部分には、貫通孔６７が設けられている。この貫通孔６７は、圧力センサセル１００の樹脂ケース４４の、圧力センサチップ４１を納めた凹部５３の空間が密閉状態とならないようにするために設けられている。この貫通孔６７を設けない場合には、圧力センサセル１００にコネクタ部材６１を取り付ける際にこの凹部５３に閉じ込められた気体が温度変化によって収縮し、圧力センサの特性が変動してしまう。
本実施の形態では、貫通孔６７があることによって、温度変化により凹部５３内の気体が収縮しても、貫通孔６７を介して気体の出入りが行われるので、圧力センサの特性変動が起こらない。また、図２に示す例では、圧力センサチップ４１を納めた凹部５３はゲル６８で満たされている。ゲル６８については、なくてもよいが、圧力センサチップ４１を保護するのに有効であるので、好ましくは凹部５３内にゲル６８が充填されているとよい。
継ぎ手部材６２は、コネクタ部材６１のハウジング部６３を固定する固定部を有し、圧力センサセル１００を格納する格納部６９と、格納部６９の底部から格納部６９の外へ突出するねじ部７０とが一体成形された構成となっている。ねじ部７０の中心には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔７１が設けられている。継ぎ手部材６２およびコネクタ部材６１は、圧力センサセル１００を接着したコネクタ部材６１のハウジング部６３に継ぎ手部材６２の格納部６９を被せ、格納部６９の先端縁を機械等によりコネクタ部材６１の段差部６５に沿うようにかしめることで固定できる。固定はかしめ以外の方法、例えば接着などで行うようにしてもよい。固定されることによって、圧力センサセル１００の圧力導入口５２がねじ部７０の貫通孔７１につながるように構成されている。
そして、図２に示すように、圧力センサ装置２００は、圧力媒体を封入した筐体３００を貫通するねじ孔３０１にねじ部７０をねじ込むことによって、筐体３００に取り付けられる。取り付けられた状態では、ねじ部７０の貫通孔７１は、筐体３００内の圧力媒体が封入された空間につながる。従って、圧力媒体は、ねじ部７０の貫通孔７１、圧力センサセル１００の金属パイプ部材４３および台座部材４２の貫通孔４８，４６を通って圧力センサチップ４１のダイアフラム４５に導かれる。なお、筐体３００は、例えばトランスミッションのオイル封入ブロックや油圧アクチュエータのブロックなどである。
また、格納部６９の底部には、凹部７２が形成されている。この凹部７２には、金属パイプ部材４３の圧力導入口５２側の端部が入る。また、凹部７２内には、金属パイプ部材４３と継ぎ手部材６２との間を封止する封止手段であるＯリング７３が納められている。Ｏリング７３は、格納部６９の凹部７２内において、この凹部７２の少なくとも側面と、金属パイプ部材４３の側面との間を封止している。このＯリング７３により、ねじ部７０の貫通孔７１を通って金属パイプ部材４３へ導かれた圧力媒体が、金属パイプ部材４３の貫通孔４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。また、封止する手段としては、金属パイプ部材４３と継ぎ手部材６２との間をプロジェクション溶接やレーザ溶接などで封止することも可能である。
また、コネクタ部材６１のハウジング部６３と継ぎ手部材６２の格納部６９との間にも、その間を封止するＯリング７４が設けられている。このＯリング７４により、圧力媒体が金属パイプ部材４３から漏れた場合や、圧力センサチップ４１が破損した場合や、圧力センサチップ４１と台座部材４２との接合界面が剥離した場合などに圧力媒体が外部に漏れ出すのを防いでいる。
このように、簡素な構成であるので、部材コストおよび組み立てコストを低く抑えることができる。また、圧力センサ装置２００を筐体３００にねじ込んで取り付ける際のねじ部７０からの応力がＯリング７３を介して圧力センサチップ４１に伝わるので、その応力がＯリング７３により緩和される。従って、測定信号の精度および信頼性が高くなる。また、外部への信号端子６６が、圧力媒体を導入するための開口に対して反対側に配置される。
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図３に示すように、実施の形態３の圧力センサ装置は、実施の形態１の圧力センサセル１００を、圧力媒体を封入した筐体３００に固定治具３１０を用いて固定したものである。すなわち、筐体３００には凹部３０２が設けられており、この凹部３０２内に圧力センサセル１００が納められている。そして、固定治具３１０が筐体３００および圧力センサセル１００の上から被せられ、ねじ部材３１１によって筐体３００に止めつけられている。圧力センサセル１００は、圧力導入口５２から印加される圧力と、それに対する固定治具３１０からの反力によって固定されている。なお、保護膜６０は図示を省略した。
凹部３０２の底部には、２段目の凹部３０３が形成されている。この凹部３０３には、圧力センサセル１００の金属パイプ部材４３の圧力導入口５２側の端部が入る。そして、２段目の凹部３０３の底部には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔３０４が設けられている。この貫通孔３０４は、金属パイプ部材４３の貫通孔４８につながっている。従って、圧力媒体は、筐体３００の貫通孔３０４、圧力センサセル１００の金属パイプ部材４３および台座部材４２の貫通孔４８，４６を通って圧力センサチップ４１のダイアフラム４５に導かれる。
また、２段目の凹部３０３内には、金属パイプ部材４３と筐体３００との間を封止するＯリング７５が納められている。Ｏリング７５は、２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも側面と、金属パイプ部材４３の側面との間を封止している。このＯリング７５により、筐体３００の貫通孔３０４を通って金属パイプ部材４３へ導かれた圧力媒体が、金属パイプ部材４３の貫通孔４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。また、１段目の凹部３０２内には、圧力センサセル１００の樹脂ケース４４と筐体３００との間を封止するＯリング７６が納められている。このＯリング７６により、圧力媒体が金属パイプ部材４３から漏れた場合や、圧力センサチップ４１が破損した場合や、圧力センサチップ４１と台座部材４２との接合界面が剥離した場合などに圧力媒体が外部に漏れ出すのを防いでいる。
図３に示すように、実施の形態３では、圧力センサセル１００の信号端子５８は折り曲げられて、筐体３００の近くに設置されたプリント基板４００に直接半田付けなどによって接続される。ここで、固定治具３１０が筐体３００の凹部３０２を完全に塞ぐ構成の場合には、図には現れていないが、固定治具３１０に貫通孔が設けられており、圧力センサセル１００の樹脂ケース４４の、圧力センサチップ４１を納めた凹部５３の空間を密閉状態としないようになっている。あるいは、固定治具３１０は樹脂ケース４４の凹部５３を完全には塞がずに、凹部５３の一部を開放する構成となっている。なお、凹部５３がゲルで満たされていてもよい。
実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図４に示すように、実施の形態４の圧力センサ装置は、実施の形態３において固定治具３１０およびねじ部材３１１を用いて圧力センサセル１００を固定する代わりに、筐体３００の凹部３０２，３０３内に入れた圧力センサセル１００を、筐体３００から起立するかしめ部３２１を機械等を用いてかしめることにより固定したものである。従って、実施の形態４では、固定治具３１０およびねじ部材３１１は不要であり、部品点数を減らすことができる。実施の形態４においても、Ｏリング７５は、筐体３００の２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも側面と、金属パイプ部材４３の側面との間を封止している。その他の構成は実施の形態３と同じである。なお、保護膜６０は図示を省略した。
実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。図５に示すように、圧力センサセル１０１は、圧力センサチップ４１、台座部材４２、金属板部材１４３および樹脂ケース１４４を備えている。圧力センサチップ４１と台座部材４２の構成および保護膜６０は、実施の形態１と同じである。
金属板部材１４３は、特に限定しないが、例えば４２アロイでできており、その表面にニッケルメッキが施されている。あるいは、ニッケルメッキと金メッキの組み合わせでもよい。金属板部材１４３の中心には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔１４８が設けられている。金属板部材１４３と台座部材４２は、台座部材４２の貫通孔４６と金属板部材１４３の貫通孔１４８とが一続きとなるように位置合わせされて、金／錫共晶半田や高温半田などの金属材料４９からなる接合部材によって接合されている。接合部材としては金属材料４９の他接着剤により接合してもよい。金属板部材１４３にメッキを施す理由は、台座部材４２との接合強度が高くなるからである。
樹脂ケース１４４は、その一方の端部側に第１の凹部１５３を有する。この第１の凹部１５３には、圧力センサチップ４１および台座部材４２が収容されている。また、樹脂ケース１４４の、第１の凹部１５３と反対側の端部には、第１の凹部１５３よりも開口面積が大きく、かつ第１の凹部１５３につながる第２の凹部１５５が形成されている。つまり、第１の凹部１５３と第２の凹部１５５により、樹脂ケース１４４を貫通する孔部が形成されている。第２の凹部１５５には、金属板部材１４３が納められている。金属板部材１４３の開放端１５１における貫通孔１４８の開口部を圧力導入口１５２とすると、この圧力導入口１５２と反対側の面１５６と、この面１５６が当接する第２の凹部１５５の底面１５７とが接着されている。
これらの面１５６，１５７が接着されていることによって、圧力導入口１５２から導入された圧力媒体により圧力が印加された場合に、その圧力が金属板部材１４３を樹脂ケース１４４に押し付けるように作用するので、圧力に対する構造的な信頼性が高い。また、樹脂ケース１４４は外部への信号端子１５８を有しており、その信号端子１５８の基端は前記第１の凹部１５３の側方に露出している。その信号端子１５８の露出箇所と圧力センサチップ４１とは、ワイヤボンディング５９により電気的に接続されている。
上述した構成の圧力センサセル１０１では、圧力導入口１５２から圧力媒体が導入され、圧力センサチップ４１のダイアフラム４５で圧力を受けると、ダイアフラム４５が変形する。そして、ダイアフラム４５上のゲージ抵抗値が変化し、それに応じた電圧信号が発生する。その電圧信号は、感度補正回路やオフセット補正回路や温度特性補正回路などの調整回路によって調整された増幅回路により増幅され、圧力センサチップ４１から出力される。そして、その出力信号は、ワイヤボンディング５９を介して信号端子１５８に出力される。
その際、圧力媒体が接するのは、金属板部材１４３だけである。従って、圧力媒体がエアコン媒体やオイルや潤滑油等であっても、圧力センサセル１０１が劣化することはなく、長期にわたって高い信頼性を得ることができる。また、高圧を計測する場合でも、圧力を受ける面積（受圧面積）がダイアフラム４５だけであるため、圧力センサセルに一体化された安価な樹脂ケースに信号端子５８を配置することができ、圧力センサセル１０１を用いた圧力センサ装置の構造および材料を極力小型化し、軽量化することができる。従って、低コストの圧力センサ装置を実現することができる。
具体的には、例えば測定圧力が２０ＭＰａであり、ダイアフラム４５の径がφ１ｍｍである場合、受圧面積が０．７８ｍｍ2であるから、圧力センサセル１０１が受ける荷重は、２０ＭＰａ×０．７８ｍｍ2で計算される。樹脂ケース１４４の第２の凹部１５５の底面１５７、すなわち圧力により金属板部材１４３が押し付けられる裏面支持部の面積を１４．９ｍｍ2とすると、樹脂ケース１４４の裏面支持部に発生する圧縮応力は、２０ＭＰａ×０．７８ｍｍ2／１４．９ｍｍ2で計算され、１．０５ＭＰａとなる。
実施の形態１と同様に、樹脂ケース１４４に用いられる樹脂材料は、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチエンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂またはナイロン樹脂などである。これらの樹脂の破壊応力は９８〜１９６Ｐａレベルであるので、樹脂ケース１４４の裏面支持部に１．０５ＭＰａ程度の圧縮応力が発生しても、安全が十分確保される。従って、長期にわたって極めて高い信頼性が得られる。
また、実施の形態１と同様に、外部に出力するまでの信号伝達経路の接続箇所を最小限に抑えることができるので、故障確率が各段に低くなる。また、台座部材４２の材料としてシリコンを用い、圧力センサチップ４１と台座部材４２とを低融点ガラスを用いて接合する場合には、圧力センサチップ４１が金属板部材１４３から受ける熱応力が台座部材４２で吸収されるので、金属板部材１４３からの熱応力を低減することができる。また、金属パイプ部材４３に代えて金属板部材１４３を用いたことにより、実施の形態１よりも部材コストを下げることができる。
実施の形態６．
図６は、本発明の実施の形態６にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図６に示すように、実施の形態６の圧力センサ装置２０１は、実施の形態５の圧力センサセル１０１を、実施の形態２と同様に、コネクタ部材６１と継ぎ手部材６２とで挟み込み、継ぎ手部材６２をかしめることにより、圧力センサセル１０１とコネクタ部材６１と継ぎ手部材６２とを一体化したものである。コネクタ部材６１と継ぎ手部材６２の構成は、実施の形態２と同じである。なお、保護膜６０は図示を省略した。
コネクタ部材６１と圧力センサセル１０１とは、コネクタ部材６１のハウジング部６３とソケット部６４との間の仕切り部分のハウジング部６３内に露出する端面（配置部）に、圧力センサセル１０１の圧力導入口１５２が開口する開放端１５１と反対側の端面をシリコン接着剤やエポキシ接着剤などで接着することにより一体化されている。このようにコネクタ部材６１に圧力センサセル１０１が接着されていることにより、振動や衝撃などのメカニカルな衝撃に対する信頼性がより一層向上する。また、ハウジング部６３内に露出する信号端子６６の基端部分は、圧力センサセル１０１の信号端子１５８にレーザー溶接により電気的に接続されている。
また、図６に示す例では、圧力センサチップ４１を納めた第１の凹部１５３はゲル６８で満たされている。ゲル６８については、なくてもよいが、圧力センサチップ４１を保護するのに有効であるので、好ましくは第１の凹部１５３内にゲル６８が充填されているとよい。圧力センサ装置２０１では、筐体３００内の空間に封入された圧力媒体は、継ぎ手部材６２のねじ部７０の貫通孔７１、圧力センサセル１０１の金属板部材１４３および台座部材４２の貫通孔１４８，４６を通って圧力センサチップ４１のダイアフラム４５に導かれる。
継ぎ手部材６２の格納部６９の底部に形成された凹部７２内には、金属板部材１４３と継ぎ手部材６２との間を封止する封止手段であるＯリング１７３が納められている。Ｏリング１７３は、格納部６９の凹部７２内において、この凹部７２の少なくとも底面と、金属板部材１４３の開放端１５１との間を封止している。このＯリング１７３により、ねじ部７０の貫通孔７１を通って金属板部材１４３へ導かれた圧力媒体が、金属板部材１４３の貫通孔１４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。
このように、実施の形態６によれば、簡素な構成であるので、部材コストおよび組み立てコストを低く抑えることができる。また、圧力センサ装置２０１を筐体３００にねじ込んで取り付ける際のねじ部７０からの応力がＯリング１７３を介して圧力センサチップ４１に伝わるので、その応力がＯリング１７３により緩和される。従って、測定信号の精度および信頼性が高くなる。また、外部への信号端子６６が、圧力媒体を導入するための開口に対して反対側に配置される。
さらに、実施の形態６では、圧力媒体により圧力センサセル１０１に作用する荷重は、金属板部材１４３の開放端１５１とＯリング１７３との接線でできる形状の面積Ｓ１で決まる。それに対して、実施の形態２では、圧力媒体により圧力センサセル１００に作用する荷重が、継ぎ手部材６２の凹部７２の側面とＯリング７３との接線でできる形状の面積Ｓ２で決まる。Ｓ１はＳ２よりも小さいので、実施の形態６では、圧力センサセル１０２に作用する荷重が実施の形態２よりも小さくなる。従って、実施の形態６は、実施の形態２よりも高い圧力を計測するのに適している。
実施の形態７．
図７は、本発明の実施の形態７にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図７に示すように、実施の形態７の圧力センサ装置は、実施の形態５の圧力センサセル１０１を、実施の形態３と同様に、筐体３００に形成された凹部３０２内に圧力センサセル１０１を入れ、その上から固定治具３１０をねじ部材３１１により筐体３００にねじ止めしたものである。圧力センサセル１０１は、圧力導入口１５２から印加される圧力と、それに対する固定治具３１０からの反力によって固定されている。なお、保護膜６０は図示を省略した。
凹部３０２の底部に形成された２段目の凹部３０３内には、金属板部材１４３と筐体３００との間を封止するＯリング１７５が納められている。Ｏリング１７５は、２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも底面と、金属板部材１４３の開放端１５１との間を封止している。このＯリング１７５により、筐体３００の貫通孔３０４を通って金属板部材１４３へ導かれた圧力媒体が、金属板部材１４３の貫通孔１４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。また、圧力センサセル１０１の信号端子１５８は折り曲げられており、筐体３００の近くに設置されたプリント基板４００に直接半田付けなどによって接続される。
実施の形態８．
図８は、本発明の実施の形態８にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図８に示すように、実施の形態８の圧力センサ装置は、実施の形態７において固定治具３１０およびねじ部材３１１を用いて圧力センサセル１０１を固定する代わりに、実施の形態４と同様に、筐体３００の凹部３０２，３０３内に入れた圧力センサセル１０１を、筐体３００から起立するかしめ部３２１を機械等を用いてかしめることにより固定したものである。従って、実施の形態８では、固定治具３１０およびねじ部材３１１は不要であり、実施の形態７よりも部品点数を減らすことができる。実施の形態８においても、Ｏリング１７５は、筐体３００の２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも底面と、金属板部材１４３の開放端１５１との間を封止している。その他の構成は実施の形態７と同じである。なお、保護膜６０は図示を省略した。
実施の形態９．
図９は、本発明の実施の形態９にかかる圧力センサセルの構成を示す平面図であり、図１０および図１１は、それぞれ図９の切断線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂにおける構成を示す断面図である。これらの図に示すように、圧力センサセル１０２は、圧力センサチップ４１、台座部材４２、金属板部材２４３および樹脂ケース２４４を備えている。圧力センサチップ４１と台座部材４２の構成および保護膜６０は、実施の形態１と同じである。
樹脂ケース２４４は、特に限定しないが、例えば平面形状が矩形状をしており、相対する一対の辺から例えば４本ずつの信号端子２５８が突出している。樹脂ケース２４４の一方の辺に並ぶ信号端子２５８は、圧力センサセル１０２の出力を外部へ取り出すための外部接続用端子である。樹脂ケース２４４のもう一方の辺に並ぶ信号端子２５８は、圧力センサセル１０２の特性を調整する際に使用される内部調整用端子であり、例えば外部接続用端子よりも短くてもよい。
また、樹脂ケース２４４は、凹部２５３を有する。この凹部２５３には、圧力センサチップ４１および台座部材４２が収容されており、信号端子２５８の基端が露出している。信号端子２５８の露出箇所と圧力センサチップ４１とは、ワイヤボンディング５９により電気的に接続されている。樹脂ケース２４４の裏面は、金属板部材２４３の一方の面に接着されている。
金属板部材２４３は、樹脂ケース２４４の、信号端子２５８が突出していない両端面よりも外側に突出している。この金属板部材２４３の、樹脂ケース２４４の両端面よりも外側に突出している部分は、金属板部材２４３と一体化される他の部材（例えば、後述する実施の形態１０のコネクタ部材１６１など）が当接される支持部２４５となる。信号端子２５８は、金属板部材２４３の、樹脂ケース２４４から信号端子２５８が突出している両端面よりも外側に突出している。
また、金属板部材２４３は、特に限定しないが、例えば４２アロイでできており、その表面に、台座部材４２との接合強度を高めるためのニッケルメッキが施されている。あるいは、ニッケルメッキと金メッキの組み合わせでもよい。金属板部材２４３の中心には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔２４８が設けられている。台座部材４２は、金属板部材２４３の一方の面に、台座部材４２の貫通孔４６と金属板部材２４３の貫通孔２４８とが一続きとなるように位置合わせされて、金／錫共晶半田や高温半田などの金属材料４９からなる接合部材によって接合されている。接合部材としては金属材料４９の他接着剤により接合してもよい。
上述した構成の圧力センサセル１０２では、金属板部材２４３の貫通孔２４８を介して圧力媒体が導入され、圧力センサチップ４１のダイアフラム４５で圧力を受けると、ダイアフラム４５が変形する。そして、ダイアフラム４５上のゲージ抵抗値が変化し、それに応じた電圧信号が発生する。その電圧信号は、感度補正回路やオフセット補正回路や温度特性補正回路などの調整回路によって調整された増幅回路により増幅され、圧力センサチップ４１から出力される。そして、その出力信号は、ワイヤボンディング５９を介して信号端子２５８に出力される。
その際、圧力媒体が接するのは、金属板部材２４３だけである。従って、圧力媒体がエアコン媒体やオイルや潤滑油等であっても、圧力センサセル１０２が劣化することはなく、長期にわたって高い信頼性を得ることができる。また、高圧を計測する場合でも、圧力を受ける面積（受圧面積）がダイアフラム４５だけであるため、圧力センサセルに一体化された安価な樹脂ケースに信号端子５８を配置することができ、圧力センサセル１０２を用いた圧力センサ装置の構造および材料を極力小型化し、軽量化することができる。従って、低コストの圧力センサ装置を実現することができる。
具体的には、樹脂ケース２４４が、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチエンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂またはナイロン樹脂などでできている場合、実施の形態５と同様に、樹脂ケース２４４に１．０５ＭＰａ程度の圧縮応力が発生しても、安全が十分確保される。従って、長期にわたって極めて高い信頼性が得られる。
また、実施の形態１と同様に、外部に出力するまでの信号伝達経路の接続箇所を最小限に抑えることができるので、故障確率が各段に低くなる。また、台座部材４２の材料としてシリコンを用い、圧力センサチップ４１と台座部材４２とを低融点ガラスを用いて接合する場合には、圧力センサチップ４１が金属板部材２４３から受ける熱応力が台座部材４２で吸収されるので、金属板部材２４３からの熱応力を低減することができる。また、金属パイプ部材４３に代えて金属板部材２４３を用いたことにより、実施の形態１よりも部材コストを下げることができる。
実施の形態１０．
図１２および図１３は、本発明の実施の形態１０にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図であり、それぞれ図９の切断線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂに相当する切断面における構成を示す断面図である。これらの図に示すように、実施の形態１０の圧力センサ装置２０２は、実施の形態９の圧力センサセル１０２を、実施の形態２と同様に、コネクタ部材１６１と継ぎ手部材６２とで挟み込み、継ぎ手部材６２をかしめることにより、圧力センサセル１０２とコネクタ部材１６１と継ぎ手部材６２とを一体化したものである。継ぎ手部材６２の構成は、実施の形態２と同じである。なお、保護膜６０は図示を省略した。
コネクタ部材１６１は、圧力センサセル１０２を収容するハウジング部１６３と、圧力センサ装置２０２の出力を外部へ取り出すためのソケット部１６４とが一体成形された構成となっている。ソケット部１６４はハウジング部１６３よりも細くなっており、ハウジング部１６３とソケット部１６４との間に段差部１６５が形成されている。ハウジング部１６３とソケット部１６４との間の仕切り部分には、外部への信号端子１６６が埋め込まれている。信号端子１６６の一端はハウジング部１６３内に露出し、他端はソケット部１６４内に露出している。
ハウジング部１６３の高さは、金属板部材２４３の、信号端子２５８のある側とない側とで異なっている。図１２に示すように、金属板部材２４３の、信号端子２５８がある側、すなわち金属板部材２４３の長辺に沿う側では、ハウジング部１６３の下端は、金属板部材２４３の外側で、継ぎ手部材６２の底面に当接している。一方、図１３に示すように、金属板部材２４３の、信号端子２５８がない側、すなわち金属板部材２４３の短辺に沿う側では、ハウジング部１６３の下端は、金属板部材２４３の支持部２４５に当接している。このように、コネクタ部材１６１が、継ぎ手部材６２および金属板部材２４３により支持されていることにより、高い圧力を計測する場合に、樹脂ケース２４４に過大な荷重がかかるのを防いでいる。
コネクタ部材１６１と圧力センサセル１０２とは、コネクタ部材１６１のハウジング部１６３とソケット部１６４との間の仕切り部分のハウジング部１６３内に露出する端面（配置部）に、圧力センサセル１０２の圧力導入口２５２が開口する開放端２５１と反対側の端面をシリコン接着剤やエポキシ接着剤などで接着することにより一体化されている。このようにコネクタ部材１６１に圧力センサセル１０２が接着されていることにより、振動や衝撃などのメカニカルな衝撃に対する信頼性がより一層向上する。また、ハウジング部１６３内に露出する信号端子１６６の基端部分は、圧力センサセル１０２の信号端子２５８にレーザー溶接により電気的に接続されている。
ハウジング部１６３とソケット部１６４との間の仕切り部分には、貫通孔１６７が設けられている。この貫通孔１６７は、圧力センサセル１０２の樹脂ケース２４４の、圧力センサチップ４１を納めた凹部２５３の空間が密閉状態とならないようにするために設けられている。また、この凹部２５３は、例えば圧力センサチップ４１を保護するためのゲル６８で満たされている。
継ぎ手部材６２は、コネクタ部材１６１のハウジング部１６３を固定する固定部を有している。継ぎ手部材６２およびコネクタ部材１６１は、圧力センサセル１０２を接着したコネクタ部材１６１のハウジング部１６３に継ぎ手部材６２の格納部６９を被せ、格納部６９の先端縁を機械等によりコネクタ部材１６１の段差部１６５に沿うようにかしめることで固定できる。固定はかしめ以外の方法、例えば接着などで行うようにしてもよい。
圧力センサ装置２０２では、筐体３００内の空間に封入された圧力媒体は、継ぎ手部材６２のねじ部７０の貫通孔７１、圧力センサセル１０２の金属板部材２４３および台座部材４２の貫通孔２４８，４６を通って圧力センサチップ４１のダイアフラム４５に導かれる。また、継ぎ手部材６２の格納部６９の底部に形成された凹部７２内には、封止手段であるＯリング１７３が納められている。Ｏリング１７３は、格納部６９の凹部７２内において、この凹部７２の少なくとも底面と、金属板部材２４３の開放端２５１との間を封止している。このＯリング１７３により、ねじ部７０の貫通孔７１を通って金属板部材２４３へ導かれた圧力媒体が、金属板部材２４３の貫通孔２４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。
また、コネクタ部材１６１のハウジング部１６３の外側側面と継ぎ手部材６２の格納部６９の内側側面との間にも、その間を封止するＯリング１７４が設けられている。このＯリング１７４により、圧力媒体が金属板部材１４３から漏れた場合や、圧力センサチップ４１が破損した場合や、圧力センサチップ４１と台座部材４２との接合界面が剥離した場合などに圧力媒体が外部に漏れ出すのを防いでいる。
このように、実施の形態１０によれば、簡素な構成であるので、部材コストおよび組み立てコストを低く抑えることができる。また、圧力センサ装置２０２を筐体３００にねじ込んで取り付ける際のねじ部７０からの応力がＯリング１７３を介して圧力センサチップ４１に伝わるので、その応力がＯリング１７３により緩和される。従って、測定信号の精度および信頼性が高くなる。また、外部への信号端子１６６が、圧力媒体を導入するための開口に対して反対側に配置される。
さらに、実施の形態１０では、圧力媒体により圧力センサセル１０２に作用する荷重は、金属板部材２４３の開放端２５１とＯリング１７３との接線でできる形状の面積Ｓ３で決まる。それに対して、実施の形態２では、上述したＳ２で決まる。Ｓ３はＳ２よりも小さいので、実施の形態１０では、圧力センサセル１０２に作用する荷重が実施の形態２よりも小さくなる。従って、実施の形態１０は、実施の形態２よりも高い圧力を計測するのに適している。さらに、実施の形態１０は、上述したように、樹脂ケース２４４に過大な荷重がかからない構成となっているので、実施の形態６よりも高い圧力を計測するのに適している。
実施の形態１１．
図１４は、本発明の実施の形態１１にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図１４に示すように、実施の形態１１の圧力センサ装置は、実施の形態９の圧力センサセル１０２を、実施の形態３と同様に、筐体３００に形成された凹部３０２内に圧力センサセル１０２を入れ、その上から固定治具３１２をねじ部材３１１により筐体３００にねじ止めしたものである。固定治具３１２の下面には、垂下片３１３が突出して設けられている。この垂下片３１３は、金属板部材２４３の支持部２４５に当接する。圧力センサセル１０２は、圧力導入口２５２から印加される圧力と、それに対する固定治具３１２からの反力によって固定されている。なお、保護膜６０は図示を省略した。
凹部３０２の底部に形成された２段目の凹部３０３内には、金属板部材２４３と筐体３００との間を封止するＯリング１７５が納められている。Ｏリング１７５は、２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも底面と、金属板部材２４３の開放端２５１との間を封止している。このＯリング１７５により、筐体３００の貫通孔３０４を通って金属板部材２４３へ導かれた圧力媒体が、金属板部材２４３の貫通孔２４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。
また、圧力センサセル１０２の信号端子２５８は折り曲げられており、筐体３００の近くに設置されたプリント基板４００に直接半田付けなどによって接続される。実施の形態１１では、金属板部材２４３は円盤状でもよいし、また、その外周の全体にわたって支持部２４５が設けられていてもよい。
実施の形態１２．
図１５は、本発明の実施の形態１２にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図１５に示すように、実施の形態１２の圧力センサ装置は、実施の形態１１において固定治具３１２およびねじ部材３１１を用いて圧力センサセル１０２を固定する代わりに、筐体３００の凹部３０２内に入れた金属板部材２４３の支持部２４５を、筐体３００から起立するかしめ部３２２を機械等を用いてかしめることにより固定したものである。従って、実施の形態１２では、固定治具３１２およびねじ部材３１１は不要であり、実施の形態１１よりも部品点数を減らすことができる。実施の形態１２においても、Ｏリング１７５は、筐体３００の２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも底面と、金属板部材２４３の開放端２５１との間を封止している。その他の構成は実施の形態１１と同じである。なお、保護膜６０は図示を省略した。
実施の形態１３．
図１６および図１７は、本発明の実施の形態１３にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図であり、図１６および図１７は、それぞれ図９の切断線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂにおける構成を示す断面図である。これらの図に示すように、圧力センサセル１０３は、圧力センサチップ４１、台座部材４２、金属板部材３４３および樹脂ケース３４４を備えている。圧力センサチップ４１と台座部材４２の構成は、実施の形態９と同じである。
樹脂ケース３４４は、特に限定しないが、例えば平面形状が矩形状をしており、相対する一対の辺から例えば４本ずつの信号端子３５８が突出している。樹脂ケース３４４の一方の辺に並ぶ信号端子３５８は、圧力センサセル１０３の出力を外部へ取り出すための外部接続用端子である。樹脂ケース３４４のもう一方の辺に並ぶ信号端子３５８は、圧力センサセル１０３の特性を調整する際に使用される内部調整用端子であり、例えば外部接続用端子よりも短くてもよい。
また、樹脂ケース３４４は、凹部３５３を有する。この凹部３５３には、圧力センサチップ４１および台座部材４２が収容されており、信号端子３５８の基端が露出している。信号端子３５８の露出箇所と圧力センサチップ４１とは、ワイヤボンディング５９により電気的に接続されている。また、樹脂ケース３４４の、第１の凹部３５３と反対側の端部には、第１の凹部３５３よりも開口面積が大きく、かつ第１の凹部３５３につながる第２の凹部３５５が形成されている。つまり、第１の凹部３５３と第２の凹部３５５により、樹脂ケース３４４を貫通する孔部が形成されている。第２の凹部３５５には、金属板部材３４３の凸部８１が納められている。金属板部材３４３の開放端３５１における貫通孔３４８の開口部を圧力導入口３５２とすると、この圧力導入口３５２と反対側の面３５６と、この面３５６が当接する第２の凹部３５５の底面３５７とが接着されている。
金属板部材３４３は、樹脂ケース３４４の、信号端子３５８が突出していない両端面よりも外側に突出している。この金属板部材３４３の、樹脂ケース３４４の両端面よりも外側に突出している部分は、金属板部材３４３と一体化される他の部材（例えば、後述する実施の形態１７のコネクタ部材１６１など）が当接される支持部３４５となる。信号端子３５８は、金属板部材３４３の、樹脂ケース３４４から信号端子３５８が突出している両端面よりも外側に突出している。
また、金属板部材３４３は、特に限定しないが、例えば４２アロイでできており、その表面に、台座部材４２との接合強度を高めるためのニッケルメッキが施されている。あるいは、ニッケルメッキと金メッキの組み合わせでもよい。金属板部材３４３の中心には、空気や油等の圧力媒体が通る貫通孔３４８が設けられている。台座部材４２は、金属板部材３４３の一方の面に、台座部材４２の貫通孔４６と金属板部材３４３の貫通孔３４８とが一続きとなるように位置合わせされて、エポキシなどの接着剤８２からなる接合部材によって接合されている。接合部材としては実施の形態１のような金属材料４９によって接合してもよい。
また、金属板部材３４３は、円筒状の凸部８１を有している。圧力センサセル１０３は支持部３４５において固定されるため、圧力媒体からの圧力を受けると金属板部材３４３がたわむことにより応力が発生する。この応力により圧力センサチップ４１の出力変動が発生する。金属板部材３４３のように凸部８１を形成すると実施の形態９のような金属板部材が平坦な場合に比べ応力を緩和することができる。また、実施の形態９の場合は、計測する圧力が大きくなるに従い金属板部材２４３の全体の厚さを厚くして計測する圧力による応力などの影響を低減する必要がある。しかしながら、本実施の形態では、金属板部材３４３の全体を厚くする必要がなく、金属板部材のコストを削減できる。
また、実施の形態１の保護膜６０を接着剤８２の保護のために形成してもよい。
上述した構成の圧力センサセル１０３では、金属板部材３４３の貫通孔３４８を介して圧力媒体が導入され、圧力センサチップ４１のダイアフラム４５で圧力を受けると、ダイアフラム４５が変形する。そして、ダイアフラム４５上のゲージ抵抗値が変化し、それに応じた電圧信号が発生する。その電圧信号は、感度補正回路やオフセット補正回路や温度特性補正回路などの調整回路によって調整された増幅回路により増幅され、圧力センサチップ４１から出力される。そして、その出力信号は、ワイヤボンディング５９を介して信号端子３５８に出力される。
その際、圧力媒体が接するのは、金属板部材３４３の内壁と台座部材４２の内壁と圧力センサチップ４１のダイアフラム４５だけである。従って、圧力媒体がエアコン媒体やオイルや潤滑油等であっても、圧力センサセル１０３が劣化することはなく、長期にわたって高い信頼性を得ることができる。また、高圧を計測する場合でも、圧力を受ける面積（受圧面積）がダイアフラム４５だけであるため、圧力センサセルに一体化された安価な樹脂ケースに信号端子５８を配置することができ、圧力センサセル１０３を用いた圧力センサ装置の構造および材料を極力小型化し、軽量化することができる。従って、低コストの圧力センサ装置を実現することができる。
具体的には、樹脂ケース３４４が、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチエンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂またはナイロン樹脂などでできている場合、実施の形態９と同様に、樹脂ケース３４４に１．０５ＭＰａ程度の圧縮応力が発生しても、安全が十分確保される。従って、長期にわたって極めて高い信頼性が得られる。
また、実施の形態１と同様に、外部に出力するまでの信号伝達経路の接続箇所を最小限に抑えることができるので、故障確率が各段に低くなる。また、台座部材４２の材料としてシリコンを用い、圧力センサチップ４１と台座部材４２とを低融点ガラスを用いて接合する場合には、圧力センサチップ４１が金属板部材３４３から受ける熱応力が台座部材４２で吸収されるので、金属板部材３４３からの熱応力を低減することができる。また、金属パイプ部材４３に代えて金属板部材３４３を用いたことにより、実施の形態１よりも部材コストを下げることができる。
実施の形態１４．
図１８および図１９は、本発明の実施の形態１４にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図であり、それぞれ図９の切断線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂに相当する切断面における構成を示す断面図である。これらの図に示すように、実施の形態１４の圧力センサ装置２０３は、実施の形態１３の圧力センサセル１０３を、実施の形態１０と同様に、コネクタ部材１６１と継ぎ手部材６２とで挟み込み、継ぎ手部材６２をかしめることにより、圧力センサセル１０３とコネクタ部材１６１と継ぎ手部材６２とを一体化したものである。継ぎ手部材６２の構成は、実施の形態２と同じである。
コネクタ部材１６１は、圧力センサセル１０３を収容するハウジング部１６３と、圧力センサ装置２０３の出力を外部へ取り出すためのソケット部１６４とが一体成形された構成となっている。ソケット部１６４はハウジング部１６３よりも細くなっており、ハウジング部１６３とソケット部１６４との間に段差部１６５が形成されている。ハウジング部１６３とソケット１６４との間の仕切り部分には、外部への信号端子１６６が埋め込まれている。信号端子１６６の一端はハウジング部１６３内に露出し、他端はソケット部１６４内に露出している。
ハウジング部１６３の高さは、金属板部材３４３の、信号端子３５８のある側とない側とで異なっている。図１８に示すように、金属板部材３４３の、信号端子３５８がある側、すなわち金属板部材３４３の長辺に沿う側では、ハウジング部１６３の下端は、金属板部材３４３の外側で、継ぎ手部材６２の底面に当接している。一方、図１９に示すように、金属板部材３４３の、信号端子３５８がない側、すなわち金属板部材３４３の短辺に沿う側では、ハウジング部１６３の下端は、金属板部材３４３の支持部３４５に当接している。このように、コネクタ部材１６１が、継ぎ手部材６２および金属板部材３４３により支持されていることにより、高い圧力を計測する場合に、樹脂ケース３４４に過大な荷重がかかるのを防いでいる。
コネクタ部材１６１と圧力センサセル１０３とは、コネクタ部材１６１のハウジング部１６３とソケット部１６４との間の仕切り部分のハウジング部１６３内に露出する端面（配置部）に、圧力センサセル１０３の圧力導入口３５２が開口する開放端３５１と反対側の端面をシリコン接着剤やエポキシ接着剤などで接着することにより一体化されている。このようにコネクタ部材１６１に圧力センサセル１０３が接着されていることにより、振動や衝撃などのメカニカルな衝撃に対する信頼性がより一層向上する。また、ハウジング部１６３内に露出する信号端子１６６の基端部分は、圧力センサセル１０３の信号端子３５８にレーザー溶接により電気的に接続されている。
ハウジング部１６３とソケット部１６４との間の仕切り部分には、貫通孔１６７が設けられている。この貫通孔１６７は、圧力センサセル１０３の樹脂ケース３４４の、圧力センサチップ４１を納めた凹部３５３の空間が密閉状態とならないようにするために設けられている。また、この凹部３５３は、例えば圧力センサチップ４１を保護するためのゲル６８で満たされている。
継ぎ手部材６２は、コネクタ部材１６１のハウジング部１６３を固定する固定部を有している。継ぎ手部材６２およびコネクタ部材１６１は、圧力センサセル１０３を接着したコネクタ部材１６１のハウジング部１６３に継ぎ手部材６２の格納部６９を被せ、格納部６９の先端縁を機械等によりコネクタ部材１６１の段差部１６５に沿うようにかしめることで固定できる。固定はかしめ以外の方法、例えば接着などで行うようにしてもよい。
圧力センサ装置２０３では、筐体３００内の空間に封入された圧力媒体は、継ぎ手部材６２のねじ部７０の貫通孔７１、圧力センサセル１０３の金属板部材３４３および台座部材４２の貫通孔３４８，４６を通って圧力センサチップ４１のダイアフラム４５に導かれる。また、継ぎ手部材６２の格納部６９の底部に形成された凹部７２内には、封止手段であるＯリング１７３が納められている。Ｏリング１７３は、格納部６９の凹部７２内において、この凹部７２の少なくとも底面と、金属板部材３４３の開放端３５１との間を封止している。このＯリング１７３により、ねじ部７０の貫通孔７１を通って金属板部材３４３へ導かれた圧力媒体が、金属板部材３４３の貫通孔３４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。
また、コネクタ部材１６１のハウジング部２６３の外側側面と継ぎ手部材６２の格納部６９の内側側面との間にも、その間を封止するＯリング１７４が設けられている。このＯリング１７４により、圧力媒体が金属板部材３４３から漏れた場合や、圧力センサチップ４１が破損した場合や、圧力センサチップ４１と台座部材４２との接合界面が剥離した場合などに圧力媒体が外部に漏れ出すのを防いでいる。
このように、実施の形態１４によれば、簡素な構成であるので、部材コストおよび組み立てコストを低く抑えることができる。また、圧力センサ装置２０３を筐体３００にねじ込んで取り付ける際のねじ部７０からの応力がＯリング１７３を介して圧力センサチップ４１に伝わるので、その応力がＯリング１７３により緩和される。従って、測定信号の精度および信頼性が高くなる。また、外部への信号端子１６６が、圧力媒体を導入するための開口に対して反対側に配置される。
さらに、実施の形態１４では、圧力媒体により圧力センサセル１０３に作用する荷重は、金属板部材３４３の開放端３５１とＯリング１７３との接線でできる形状の面積Ｓ４で決まる。それに対して、実施の形態２では、上述したＳ２で決まる。Ｓ４はＳ２よりも小さいので、実施の形態１４では、圧力センサセル１０３に作用する荷重が実施の形態２よりも小さくなる。従って、実施の形態１４は、実施の形態２よりも高い圧力を計測するのに適している。さらに、実施の形態１４は、上述したように、樹脂ケース３４４に過大な荷重がかからない構成となっているので、実施の形態６よりも高い圧力を計測するのに適している。
実施の形態１５．
図２０は、本発明の実施の形態１５にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図２０に示すように、実施の形態１５の圧力センサ装置は、実施の形態１３の圧力センサセル１０３を、実施の形態１１と同様に、筐体３００に形成された凹部３０２内に圧力センサセル１０３を入れ、その上から固定治具３１２をねじ部材３１１により筐体３００にねじ止めしたものである。固定治具３１２の下面には、垂下片３１３が突出して設けられている。この垂下片３１３は、金属板部材２４３の支持部２４５に当接する。圧力センサセル１０２は、圧力導入口３５２から印加される圧力と、それに対する固定治具３１２からの反力によって固定されている。
凹部３０２の底部に形成された２段目の凹部３０３内には、金属板部材２４３と筐体３００との間を封止するＯリング１７５が納められている。Ｏリング１７５は、２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも底面と、金属板部材３４３の開放端３５１との間を封止している。このＯリング１７５により、筐体３００の貫通孔３０４を通って金属板部材３４３へ導かれた圧力媒体が、金属板部材３４３の貫通孔３４８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。
また、圧力センサセル１０３の信号端子３５８は折り曲げられており、筐体３００の近くに設置されたプリント基板４００に直接半田付けなどによって接続される。実施の形態１５では、金属板部材３４３は円盤状でもよいし、また、その外周の全体にわたって支持部３４５が設けられていてもよい。
実施の形態１６．
図２１は、本発明の実施の形態１６にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。図２１に示すように、実施の形態１６の圧力センサ装置は、実施の形態１５において固定治具３１２およびねじ部材３１１を用いて圧力センサセル１０３を固定する代わりに、筐体３００の凹部３０２内に入れた金属板部材３４３の支持部３４５を、筐体３００から起立するかしめ部３２２を機械等を用いてかしめることにより固定したものである。従って、実施の形態１６では、固定治具３１２およびねじ部材３１１は不要であり、実施の形態１５よりも部品点数を減らすことができる。実施の形態１６においても、Ｏリング１７５は、筐体３００の２段目の凹部３０３内において、この凹部３０３の少なくとも底面と、金属板部材３４３の開放端２５１との間を封止している。その他の構成は実施の形態１５と同じである。
実施の形態１７．
図２２および図２３は、本発明の実施の形態１７にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図であり、それぞれ図９の切断面Ａ−ＡおよびＢ−Ｂにおける構成を示す断面図である。これらの図に示すように、実施の形態１７の圧力センサセル１０３は、実施の形態１３の圧力センサセル１０３にさらに充填部材８３を充填したものである。
圧力媒体がエンジンオイル、トランスミッションオイルでは、圧力媒体の分子量が大きいため、台座部材４２の貫通孔４６の径を最低限のφ０．５ｍｍ〜φ１．０ｍｍに形成した場合、非常に狭い隙間のため圧力媒体を充填する際に気泡が発生し、また、この気泡を除去することが難しくなる。特に、圧力媒体の分子量が２００以上となると顕著となる。そのため、圧力センサチップ４１の受圧部４５から台座部材４２の貫通孔４６および台座部材４２と金属板部材３４３の接合部の接着剤８２を全て覆うようにシリコーン系またはフッ素系のゲルなどによって充填する。これらのゲルは充填後に圧力センサセル１０３を脱泡槽（図示せず）に移した上で槽内を真空引きして充填部材８３に混入している気泡を十分に脱気した後、圧力センサセル１０３を恒温槽（図示せず）で硬化させる。
また、台座部材４２と金属板部材３４３との接合部材である接着剤８２も被覆するように充填することにより、実施の形態１と同様に、耐オイル性が向上する。
図２２および図２３では、充填部材８３は金属板部材３４３の貫通孔３４８の一部には充填されていないが、貫通孔３４８全てに充填しても構わない。どの程度充填するかは測定対象となる圧力媒体によって適宜選択される。
実施の形態１８．
図２４および図２５は、本発明の実施の形態１８にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図であり、それぞれ図９の切断面Ａ−ＡおよびＢ−Ｂにおける構成を示す断面図である。これらの図に示すように、実施の形態１８の圧力センサセル１０３は、実施の形態１７の圧力センサセル１０３において金属板部材３４３に貫通孔３４８の径より大きい径の凹部８４を形成したものである。
凹部８４を形成することにより、凹部８４には確実に圧力媒体が充填されるため充填部材８４の量を減少させることができる。凹部８４は、図２４および図２５のように圧力導入口３５２へ向かって広がるテーパ状に形成するのが好ましい。また、単に貫通孔３４８が圧力導入口３５２に向かって広がるテーパ形状となっていてもよい。
実施例１として、実施の形態の１３圧力センサセル１０３に測定圧力が２０ＭＰａの場合の台座部材４２と金属板部材３４３との接合部である接着剤８２の応力を測定した。台座部材４２はパイレックス（登録商標）（Ｒ）ガラスからなり、高さ１．３ｍｍ、サイズ４ｍｍ□、貫通孔４６の直径がφ０．５ｍｍのものを用いた。金属板部材３４３は、ヘッダー加工により形成し、寸法は次のとおりである。ａ＝３ｍｍ，ｂ＝０．７５ｍｍ、ｃ＝５ｍｍ、ｄ＝１２ｍｍ、ｅ＝８ｍｍ、貫通孔３４８の直径がφ１．２ｍｍ。接着剤８２としては、エポキシ接着剤を用いて台座部材４２と金属板部材３４３を接着した。圧力センサチップ４１と台座部材４２は静電接合により接合した。実施例２として金属板部材の形状を実施の形態９の圧力センサセル１０２で示した金属板部材２４３（厚さ３ｍｍ）に変更したものについても測定した。また、実施例１および実施例２について金属板部材の厚さが均一で０．７５ｍｍの場合と比べた金属材容積をコスト比（×倍）で示した。
Figure 0004839648
 以上のように実施例１においては、実施例２に比べ金属板部材コストを２倍近く削減でき、さらに応力を低減することができることがわかる。
以上において、本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、全ての実施の形態において、圧力導入手段は金属以外のセラミック、ガラスおよび樹脂により構成してもよい。どの材料を選択するかは、測定対象となる圧力媒体によって適宜選択される。圧力導入手段を絶縁材料で形成する場合は、台座部材と一体に形成することができる。また、実施の形態２または実施の形態６において、コネクタ部材６１のハウジング部６３の下端と継ぎ手部材６２の格納部６９の内側底面との間を封止するＯリング７４の代わりとして、あるいはこのＯリング７４とともに、実施の形態１０のように、コネクタ部材６１のハウジング部６３の外側側面と継ぎ手部材６２の格納部６９の内側側面との間を封止するＯリングを設けてもよい。また、実施の形態１７の充填部材８３または実施の形態１８の凹部８４を実施の形態１〜１６に適用してもよい。
以上のように、本発明にかかる圧力センサ装置は、１ＭＰａ以上の高い圧力を計測する圧力センサ装置に有用であり、特に自動車用、医療用、産業用または民生用などの各種装置等に用いられる圧力センサ装置に適している。
本発明の実施の形態１にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態７にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９にかかる圧力センサセルの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態９にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１１にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１２にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１３にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１３にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１４にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１４にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１５にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１６にかかる圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１７にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１７にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１８にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１８にかかる圧力センサセルの構成を示す断面図である。 従来の圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 従来の圧力センサ装置の構成を説明するための分解斜視図である。 従来の圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 従来の圧力センサ装置の構成を示す断面図である。
符号の説明
４１ 圧力センサチップ
４２ 台座部材
４３ 圧力導入手段（金属パイプ部材）
４４，１４４，２４４ 樹脂ケース
４５ 受圧部（ダイアフラム）
４６，４８，７１ 貫通孔
４７ 金属薄膜
４９ 金属材料
５０，６５，１６５ 段差部
５１，１５１，２５１ 開放端
５８，６６，１５８，１６６，２５８ 信号端子
５９ ワイヤボンディング
６１，１６１ コネクタ部材
６２ 継ぎ手部材
６３，１６３ ハウジング部
６４，１６４ ソケット部
６９ 格納部
７０ ねじ部
７３，１７３ 封止手段（Ｏリング）
８１ 凸部
８２ 接着剤
８３ 充填部材
８４ 凹部
１００，１０１，１０２，１０３ 圧力センサセル
１４３，２４３，３４３ 圧力導入手段（金属板部材）
２００，２０１，２０２ 圧力センサ装置
２４５ 支持部図面

Claims (17)

  1. 受圧部に圧力を受けることにより、受圧部の歪みを電気信号に変換する手段を有する圧力センサチップと、
    第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する台座部材と、
    第１の面と第２の面を有し、該第２の面に突出部を有し、該突出部において第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する圧力導入手段と、
    前記圧力センサチップからの前記電気信号を取り出す信号端子を有し、第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する樹脂ケースと、を具備し、
    前記受圧部が前記台座部材の貫通孔に臨む状態で、前記圧力センサ素子が前記台座部材の第２の面に接合され、
    前記圧力導入手段の貫通孔が前記台座部材の貫通孔につながる状態で、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接合部材により接合され、
    前記樹脂ケースの貫通孔に前記圧力導入手段の突出部を納められた状態で、前記樹脂ケースが前記圧力導入手段に接着され、
    前記圧力導入手段は、該圧力導入手段の前記第１の面と第２の面を、当該圧力導入手段と一体化される他の部材で当接した状態で挟み込むための前記樹脂ケースの端面よりも外側に突出した支持部を有し、
    前記圧力センサチップと前記信号端子とがワイヤボンディングにより電気的に接続されてなる圧力センサセルからなることを特徴とする圧力センサ装置。
  2. 前記接合部材を被覆する保護部材を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
  3. すくなくとも前記圧力センサチップの前記受圧部から前記台座部材の貫通孔に渡って充填される充填部材を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
  4. 受圧部に圧力を受けることにより、受圧部の歪みを電気信号に変換する手段を有する圧力センサチップと、
    第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する台座部材と、
    第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する圧力導入手段と、
    前記圧力センサチップからの前記電気信号を取り出す信号端子を有する樹脂ケースと、を具備し、
    前記受圧部が前記台座部材の貫通孔に臨む状態で、前記圧力センサ素子が前記台座部材の第２の面に接合され、
    前記圧力導入手段の貫通孔が前記台座部材の貫通孔につながる状態で、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接合部材により接合され、
    前記接合部材を保護部材により被覆し、
    前記樹脂ケースが前記圧力導入手段に接着され、
    前記圧力導入手段は、前記樹脂ケースの端面よりも外側に、当該圧力導入手段と一体化される他の部材が当接される支持部を有し、
    前記樹脂ケースの平面形状が矩形状であり、当該矩形状の対向する二辺において前記支持部を有し、
    前記信号端子は、前記支持部を有する前記矩形状の対向する二辺と隣接する辺において前記樹脂ケースの端面よりも外側に突出し、
    前記圧力センサチップと前記信号端子とがワイヤボンディングにより電気的に接続されてなる圧力センサセルからなることを特徴とする圧力センサ装置。
  5. 受圧部に圧力を受けることにより、受圧部の歪みを電気信号に変換する手段を有する圧力センサチップと、
    第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する台座部材と、
    第１の面と第２の面を貫通する貫通孔を有する圧力導入手段と、
    前記圧力センサチップからの前記電気信号を取り出す信号端子を有する樹脂ケースと、を具備し、
    前記受圧部が前記台座部材の貫通孔に臨む状態で、前記圧力センサ素子が前記台座部材の第２の面に接合され、
    前記圧力導入手段の貫通孔が前記台座部材の貫通孔につながる状態で、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接合部材により接合され、
    すくなくとも前記圧力センサチップの前記受圧部から前記台座部材の貫通孔に渡って充填される充填部材を有し、
    前記樹脂ケースが前記圧力導入手段に接着され、
    前記圧力導入手段は、前記樹脂ケースの端面よりも外側に、当該圧力導入手段と一体化される他の部材が当接される支持部を有し、
    前記樹脂ケースの平面形状が矩形状であり、当該矩形状の対向する二辺において前記支持部を有し、
    前記信号端子は、前記支持部を有する前記矩形状の対向する二辺と隣接する辺において前記樹脂ケースの端面よりも外側に突出し、
    前記圧力センサチップと前記信号端子とがワイヤボンディングにより電気的に接続されてなる圧力センサセルからなることを特徴とする圧力センサ装置。
  6. 前記圧力導入手段の第２の面に突出部を有し、該突出部において前記貫通孔を有することを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ装置。
  7. 上記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサセルと、
    前記圧力センサセルを配置する配置部を備え、一端が前記圧力センサセルの信号端子と電気的に接続され、他端が外部へ突出する信号端子が一体成形されたコネクタ部材と、
    貫通孔を有するねじ部と、前記コネクタ部材を固定する固定部を有し前記コネクタ部材に配置される圧力センサセルを格納する格納部と、前記格納部の底部に設けられ前記ねじ部の貫通孔を底部に有する凹部と、を備えた継ぎ手部材と、を具備し、
    前記圧力センサセルは前記圧力導入手段の第１の面の開口が開放されるように前記コネクタ部材に配置され、
    前記圧力センサセルの信号端子と前記コネクタ部材に一体成形された前記信号端子が電気的に接続され、
    前記凹部に前記圧力導入手段の第１の面側の端部が入り、前記ねじ部の貫通孔が前記圧力導入手段の貫通孔につながり、
    前記凹部に配置され、前記圧力導入手段の側面と前記継ぎ手部材との間を封止するＯリングを備えていることを特徴とする圧力センサ装置。
  8. 上記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサセルと、
    貫通孔を有し、前記圧力センサセルを収容する筐体と、
    前記筐体を固定するねじ部材を有する固定治具と、を具備し、
    前記筐体の底部に設けられ前記筐体の貫通孔を底部に有する凹部を備え、
    前記圧力センサセルは前記圧力導入手段の第１の面の開口が開放されるように前記筐体に収容され、
    前記圧力センサセルの信号端子は、前記筐体から外部へ突出し、
    前記凹部に前記圧力導入手段の第１の面側の端部が入り、前記筐体の貫通孔が前記圧力導入手段の貫通孔につながり、
    前記凹部に配置され、前記圧力導入手段の側面と前記筐体との間を封止するＯリングを備えていることを特徴とする圧力センサ装置。
  9. 上記請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧力センサセルと、
    貫通孔を有し、前記圧力センサセルを収容する筐体と、を具備し、
    前記筐体の底部に設けられ前記筐体の貫通孔を底部に有する凹部を備え、
    前記圧力センサセルは前記圧力導入手段の第１の面の開口が開放されるように前記筐体に収容され、
    前記圧力センサセルの信号端子は、前記筐体から外部へ突出し、
    前記筐体の貫通孔が前記圧力導入手段の貫通孔につながり、
    前記凹部に配置され、前記圧力導入手段の側面と前記筐体との間を封止するＯリングを備えていることを特徴とする圧力センサ装置。
  10. 前記台座部材の前記第１の面に金属薄膜を有し、前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に金属材料によって接合されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
  11. 前記金属薄膜は、クロムと白金と金の３層またはチタンと白金と金の３層で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ装置。
  12. 前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に低融点ガラスによって接合されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
  13. 前記圧力導入手段の第２の面が前記台座部材の前記第１の面に接着剤によって接合されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
  14. 前記圧力センサチップは前記台座部材に静電接合によって接合されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
  15. 前記圧力センサ素子は前記台座部材に低融点ガラスによって接合されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
  16. 前記圧力導入手段は４２アロイでできており、その表面にニッケルメッキまたはニッケルメッキと金メッキが施されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
  17. 前記台座部材と前記圧力導入手段とが一体に形成された絶縁材料からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧力センサ装置。
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