JP2005308397A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 耐圧性能に優れた液封型の半導体圧力センサを提供する。
【解決手段】 半導体センサチップが収納された圧力検出エレメントの内部空間と、ダイヤフラムとにより形成された液封室に液体を封入し、外部から加えられた圧力を前記液封室の液体を介して前記半導体センサチップに伝えることで、前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力センサであって、外部からの圧力を導入する圧力導入管４１と底部に形成された貫通穴３２で接続され、圧力検出エレメント２１と外周に沿った溶接部６３で接続される蓋部材３１の外周部３３から貫通穴３２に至る縦断面の少なくとも一部をＬ字状に形成した。これにより、蓋部材３１の内部空間に圧力導入管４１から流体が導入されて蓋部材３１の内面に流体圧が作用した際における、溶接部６３を支点とした回転方向への力が低減され、溶接部６３の破断が防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液封型の半導体圧力センサに関する。

圧力センサは、冷凍、冷蔵、空調機器用の冷媒圧力センサ、給水、産業用ポンプなどの水圧センサ、蒸気ボイラの蒸気圧センサ、空／油圧産業機器の空／油圧センサ、自動車などの圧力センサなど、各種の用途に使用されている。

このような流体圧検出用の圧力センサとして、ダイヤフラムにより被測定領域と区切られ、オイルなどの液体（非圧縮性流体）が封入されている液封室内に圧力検出素子を配置し、ダイヤフラムに作用する流体の流体圧を液封室内の液体を介して圧力検出素子に伝えるようにした液封型の圧力センサが知られている（特許文献１、２を参照）。近年では、半導体技術の進歩に伴い、圧力検出素子と信号処理回路を同一のシリコンチップ上に集積した半導体圧力センサが開発されている。

図６は、従来の液封型半導体圧力センサの一例を示した断面図である。この圧力センサ１０では、圧力を検知する半導体センサチップ２２が収納された圧力検出エレメント２１の内部空間と、ダイヤフラム２７とにより形成された液封室２９に液体が封入される。外部からの流体は、圧力導入管４１から蓋部材３１の内部空間に導入され、その上部に配置されたダイヤフラム２７を押圧する。このダイヤフラム２７に加えられた圧力は、液封室２９内の液体を介して半導体センサチップ２２に伝えられる。そして、圧力に応じた電気信号がリードピン２５、外部出力用基板２６を介して端子１２から出力される。

リードピン２５、外部出力用基板２６および端子１２などを収納する外部接続用のコネクタハウジング１１と、圧力検出エレメント２１と、蓋部材３１は、円筒状のかしめカバー５１により、その開口端部５２をかしめることによって一体に固定されている。また、圧力検出エレメント２１と蓋部材３１は、外周部に沿った溶接部６３で外側から溶接され、固定されている。
特開２００３−２８７４７２号公報 特開２００４−４５０７６号公報

このような従来の半導体圧力センサに使用されている蓋部材３１には、圧力検出エレメント２１と当接する鍔状の平坦部７１から、圧力導入管４１と嵌合する貫通穴３２が形成された底面部７３に至る内面に、蓋部材３１の内方に向かって傾斜する傾斜部７２が設けられている。すなわち、蓋部材上部側の開口径よりも、底面部７３の径が小さくなるように、蓋部材３１の内面はテーパ状に形成されている。

ところが、例えば高耐圧が要求されるような用途の圧力センサにこのような形状の蓋部材を用いた場合、圧力導入管４１から蓋部材３１の内部空間に導入された流体の加圧によって、蓋部材３１が変形して溶接部６３が破断してしまうという問題があった。

蓋部材の内部空間に流体が導入されると、蓋部材は内面で流体圧を受けて外方へ加圧されるが、従来用いられている蓋部材では、図４（ｂ）に示したように、傾斜部７２に流体圧８３が作用するため、圧力検出エレメント２１との溶接部６３を支点として蓋部材３１が外側へ開く方向に回転する力８４を受ける。言い換えれば、蓋部材３１は、その内部空
間の流体によって風船が膨らむような力を受けるため、高圧が付与されると、同図の破線で示した状態から実線で示した状態に、溶接部６３を支点として回転方向に変形する。この回転方向への変形が大きくなると、溶接部６３は破断してしまう。このように、従来の蓋部材３１では、傾斜部７２に対して作用する流体圧が、溶接部６３を支点とした回転力に大きく寄与し、この回転力についての慣性モーメントが大きい構造となっている。

本発明は、上記した従来技術における問題点を解決するために為されたものであり、耐圧性能に優れた液封型の半導体圧力センサを提供することを目的としている。

本発明の圧力センサは、半導体センサチップが収納された圧力検出エレメントの内部空間と、ダイヤフラムとにより形成された液封室に液体を封入し、外部から加えられた圧力を前記液封室の液体を介して前記半導体センサチップに伝えることで、前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力センサであって、
外部からの圧力を導入する圧力導入管と底部に形成された貫通穴で接続され、前記圧力検出エレメントと外周部で接続される蓋部材を備え、該蓋部材は、その外周部から貫通穴に至る縦断面の少なくとも一部がＬ字状に形成されていることを特徴としている。

このように構成された本発明では、蓋部材の縦断面がＬ字状であるため、蓋部材に流体圧が作用した際に、その内面が受ける力が垂直方向と水平方向に分散され、圧力検出エレメントと蓋部材との溶接部を支点とした回転方向（蓋部材が膨らんで外側へ開く方向）に作用する力が小さくなる。断面がＬ字状である本発明の構造では、この回転力についての慣性モーメントが非常に小さい。

さらに、蓋部材に流体圧が作用した際に回転方向へ受ける力は、溶接部を支点とした回転方向への力と、Ｌ字断面における屈曲部がこの回転方向へ柔軟に変形する力とに分散されるため、溶接部を支点とした回転方向への力が低減される。

このように、本発明では流体圧が作用した状態においても、溶接部の破断を引き起こす要因となる、溶接部を支点とした回転方向への力をほとんど受けることがないため、高圧下における溶接部の破断が防止される。したがって、本発明の圧力センサは高い耐圧性能を有している。

本発明の圧力センサは、前記蓋部材の、Ｌ字状の縦断面における屈曲部の内面側が、Ｒ状に形成されていることを特徴としている。
このように構成された本発明では、屈曲部が曲面であるため、蓋部材に流体圧が作用して屈曲部が回転方向への力を受けた際にも、曲面が柔軟に変形することによって、屈曲部が永久変形もしくは破壊することを有効に防止することができる。

本発明によれば、耐圧性能が高い液封型の半導体圧力センサが提供される。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態における圧力センサの断面図である。なお、前述した従来技術と対応する部材には同一の符号を付している。この圧力センサ１は、外部接続用のコネクタハウジング１１と、圧力を検知する半導体センサチップ２２が収納された圧力検出エレメント２１と、蓋部材３１とが、銅などの金属で形成された円筒状のかしめカバー５１により、その開口端部５２をかしめることによって一体に固定された構造となっている。

圧力検出エレメント２１は、金属製のハウジング２３内に収納された半導体センサチップ２２が検知した圧力に応じた電気信号をリードピン２５から出力する。ハウジング２３の中央開口部には、ハーメチックガラス２４が固着され、リードピン２５および、液封室２９にオイルを充填するためのオイル充填用パイプ６５がハーメチックガラス２４を貫通するように気密に装着されている。半導体センサチップ２２は、ハーメチックガラス２４によって固定された金属製の台座を介して、液封室２９内に露出するように装着されている。

半導体センサチップ２２には、シリコン基板の裏面側をエッチングして形成したシリコンダイヤフラムが設けられ、その表面側にはピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路、このブリッジ回路からの出力を処理する増幅回路、演算処理回路などからなる集積回路が形成されている。半導体センサチップ２２とリードピン２５は、ボンディングワイヤで電気的に接続されている。

圧力検出エレメント２１の内部空間と、ステンレススチール薄板などからなる金属製のダイヤフラム２７とにより形成された液封室２９には、オイル充填用パイプ６５からシリコーンオイルなどのオイルが充填され、オイル充填用パイプ６５の上部側先端部を潰して溶接することにより封止される。

外部からの流体は、圧力導入管４１から蓋部材３１の内部空間に導入され、その上部に配置されたダイヤフラム２７を押圧する。このダイヤフラム２７に加えられた圧力は、液封室２９内のオイルを介して半導体センサチップ２２に伝達される。この圧力により半導体センサチップ２２のシリコンダイヤフラムが変形し、ピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路で圧力を電気信号に変換して、チップの集積回路からリードピン２５に出力される。なお、２８はダイヤフラム保護用の保護カバーであり、薄板状の金属に流体が通過する孔が形成されている。保護カバー２８とダイヤフラム２７は、圧力検出エレメント２１の下端面に溶接部６２で縦方向（リフト方向）から一体に溶接されている。

リードピン２５からの電気信号は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などの外部出力用基板２６を介して端子１２から外部へ出力される。これらのリードピン２５、外部出力用基板２６および端子１２は、絶縁性の樹脂などからなるコネクタハウジング１１に収納され、このコネクタハウジング１１により外部と接続される。コネクタハウジング１１の下端部にはＯリング６４が装着され、かしめカバー５１をかしめることによってＯリング６４を介して圧力検出エレメント２１の上端面に圧接している。

蓋部材３１は、例えばステンレススチールなどの金属で形成され、その外周部の上端面３５と、圧力検出エレメント２１の外周部の下端面とが当接した状態で、溶接部６３で、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接などによって外側から溶接されている。また、底部３８に形成された貫通穴３２で、圧力導入管４１とロウ付けなどにより嵌合固定されている。これによって、蓋部材３１の内側凹部で構成された内部空間は、圧力導入管４１の開口部のみ外部に開放され、それ以外は外部から密閉された状態になっている。

本実施形態では、蓋部材３１の外周部３３から貫通穴３２に至る縦断面が、Ｌ字状に形成されている。すなわち、蓋部材３１の内面は、外周部３３の開口側端部から深さ方向に向かう垂直面３７と、屈曲部３４から貫通穴３２に向かう水平底面３６とから構成されている。

蓋部材３１の内部空間に流体が導入されると、蓋部材３１は内面で流体圧を受けて外方へ加圧される。この際に蓋部材３１が受ける力は、図４（ａ）に示したように（同図において蓋部材以外の詳細は省略する）、水平底面３６に対する垂直方向への流体圧８１と、
垂直面３７に対する水平方向への流体圧８２に分散される。このため、流体の加圧による、圧力検出エレメント２１との溶接部６３を支点とした回転方向（蓋部材が膨らんで外側へ開く方向）に作用する力８４を受けにくい。

すなわち、図６に示した従来の蓋部材の構造と比べて、この回転力についての慣性モーメントが小さく、同じ流体圧が作用した場合に溶接部６３を支点として回転方向へ掛かる力は、本実施形態におけるＬ字構造では非常に小さくなる。

さらに、蓋部材３１に流体圧が作用した際に回転方向へ受ける力は、図４（ａ）に示したように、溶接部６３を支点とした回転方向への力と、屈曲部３４がこの回転方向へ柔軟に変形する力とに分散されるため、溶接部６３を支点とした回転方向への力が低減される。

このように、蓋部材３１は溶接部６３を支点とした回転方向への力をほとんど受けず、高圧下における溶接部６３の破断が防止される。したがって、本実施形態の圧力センサは高い耐圧性能を有している。

さらに、図１および図４（ａ）に示したように、本実施形態の圧力センサは、蓋部材３１の屈曲部３４の内面が、Ｒ状に形成されている。このように、屈曲部３４が曲面であるため、蓋部材３１に流体圧が作用して、屈曲部３４が図４（ａ）の破線で示した状態から実線で示した状態に回転方向へ変形した際にも、曲面が柔軟に変形することによって、屈曲部が永久変形もしくは破壊することを防止することができる。例えば、屈曲部３４の内面が、図５の破線で示したように直角形状の角部８５を有する構造である場合、高圧により回転方向への変形が大きくなると、実線で示したＲ状の構造の場合に比べて屈曲部３４が永久変形もしくは破壊し易くなる。Ｒ状の屈曲部内面における曲率半径は、屈曲部３４が永久変形もしくは破壊することを有効に防止し得る程度に、蓋部材３１の形成材料、かしめカバー５１による固定力などに応じて適宜設定することができる。

なお、本実施形態では図１の屈曲部３４から貫通穴３２に至る底面全体を水平面としたが、図１の破線で示したように、外周部３３から貫通穴３２に至る縦断面の少なくとも一部をＬ字状に形成し、貫通穴３２の周囲のみ傾斜面を形成してもよい。例えば、溶接部６３の耐破断性を高めるために充分な底部３８の厚みを得る必要がある場合などに、圧力導入管４１と蓋部材３１とのロウ付けを考慮してこのような構成とすることができ、本実施形態と同様に溶接部６３に掛かる回転力が小さくなり、高い耐圧性能が得られる。

以上のように、本実施形態の圧力センサは耐圧性能に優れており、高耐圧が要求される用途に好適に使用される。図２および図３は、本実施形態と同様の蓋部材を用いた圧力センサの変形例を示した断面図である。

図２に示した圧力センサでは、かしめカバー５１に固定力が大きい肉厚のカバーを使用している。このように、コネクタハウジング１１、圧力検出エレメント２１および蓋部材３１をかしめ固定する力が大きいカバーを使用することにより、蓋部材３１内に導入された流体の圧力に抗してこれらの部材を押さえ込んで保持し、溶接部６３の破断をさらに防止することができ、耐圧性能が向上する。

図３に示した圧力センサでは、ダイヤフラム２７を、圧力検出エレメント２１と蓋部材３１との間に挟んで、溶接部６３で一体に溶接固定している。このような構造とすることにより、図１のようにダイヤフラム２７を別途に圧力検出エレメント２１と溶接部６２で溶接する場合と比べて、ダイヤフラム２７の圧力を受ける有効面積を減少することなく圧力センサの横方向のサイズをコンパクトにすることができる。

また、ダイヤフラム２７を溶接部６３で外側（横方向）から溶接しているため、図１のように保護カバー２８とともに縦方向から溶接する場合と比べて、センサ特性に対する溶接条件の影響が小さく、溶接条件の設定範囲が広がり、条件管理も容易になる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更および修正が可能である。

図１は、本発明の一実施形態における圧力センサの断面図である。 図２は、図１に示した実施形態の圧力センサの変形例を示した断面図である。 図３は、図１に示した実施形態の圧力センサの変形例を示した断面図である。 図４は、流体圧が作用した際における蓋部材の変形状態を説明する図であり、図４（ａ）は本発明の一実施形態における圧力センサの場合を示し、図４（ｂ）は従来の圧力センサの場合を示す。 図５は、蓋部材の屈曲部内面をＲ状に形成した例と、直角状に形成した例を示した図である。 図６は、従来の液封型半導体圧力センサの一例を示した断面図である。

符号の説明

１ 圧力センサ
１１ コネクタハウジング
１２ 端子
２１ 圧力検出エレメント
２２ 半導体センサチップ
２３ ハウジング
２４ ハーメチックガラス
２５ リードピン
２６ 外部出力用基板
２７ ダイヤフラム
２８ 保護カバー
２９ 液封室
３１ 蓋部材
３２ 貫通穴
３３ 外周部
３４ 屈曲部
３５ 上端面
３６ 水平底面
３７ 垂直面
３８ 底部
４１ 圧力導入管
５１ かしめカバー
５２ 開口端部
６２ 溶接部
６３ 溶接部
６４ Ｏリング
６５ オイル充填用パイプ
７１ 平坦部
７２ 傾斜部
７３ 底面部
８１ 流体圧
８２ 流体圧
８３ 流体圧
８４ 回転方向への力
８５ 角部

Claims (3)

1. 半導体センサチップが収納された圧力検出エレメントの内部空間と、ダイヤフラムとにより形成された液封室に液体を封入し、外部から加えられた圧力を前記液封室の液体を介して前記半導体センサチップに伝えることで、前記圧力に応じた電気信号を出力する圧力センサであって、
   外部からの圧力を導入する圧力導入管と底部に形成された貫通穴で接続され、前記圧力検出エレメントと外周部で接続される蓋部材を備え、該蓋部材は、その外周部から貫通穴に至る縦断面の少なくとも一部がＬ字状に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記蓋部材は、Ｌ字状の縦断面における屈曲部の内面側がＲ状に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. 前記圧力検出エレメントと前記蓋部材とが、これらの外周に沿った溶接により互いに固定されている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。