JP2014077793A - セラミックダイアフラム型圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックダイアフラム型圧力センサ、特にセラミックダイアフラムが破壊されるおそれがないから、圧力測定対象媒体が外部に漏れる危険性がなく、量産性に優れており、またセンサと信号処理チップとを接続するフレキシブルケーブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃａｂｌｅ）及びＰＣＢが簡素化されて、圧力センサの体積を減らすことができ、低コスト化をなすことができるセラミックダイアフラム型圧力センサを提供すること。
【解決手段】本発明のセラミックダイアフラム型圧力センサは、四角形の平板のセラミックダイアフラムとして、表面に電気導電性物質からなるパターンと歪みゲージが形成されたセラミックダイアフラムと、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラムの面と対向するベースプレートと、前記セラミックダイアフラム及び前記ベースプレートの接合と前記歪みゲージの空間をなすためのものとして、前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートの外周面に沿って形成された接着剤層とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のセラミックダイアフラム型圧力センサは、四角形の平板のセラミックダイアフラムとして、表面に電気導電性物質からなるパターンと歪みゲージが形成されたセラミックダイアフラムと、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラムの面と対向するベースプレートと、前記セラミックダイアフラム及び前記ベースプレートの接合と前記歪みゲージの空間をなすためのものとして、前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートの外周面に沿って形成された接着剤層とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、セラミックダイアフラム型圧力センサに関し、特にセラミックダイアフラムが破壊されるおそれがないから、圧力測定対象媒体が外部に漏れる危険性がなく、量産性に優れており、またセンサと信号処理チップとを接続するフレキシブルケーブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃａｂｌｅ）及びＰＣＢが簡素化されて、圧力センサの体積を減らすことができ、低コスト化をなすことができるセラミックダイアフラム型圧力センサに関する。
一般に、圧力センサは、自動車エンジンの圧力だけでなく一般産業用及び民生用圧力測定などの広い圧力範囲で高度な精密性が求められる分野において使用されるが、このような圧力センサには、歪みゲージ（変形ゲージ）が含まれている。
このような歪みゲージは、電気式で測定する電気式歪みゲージ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ ｇａｇｅ）と機械式で測定する機械式歪みゲージ（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ ｇａｇｅ）の２種類に区分できる。電気式歪みゲージは、構造体が変形を起こす際に付着された歪みゲージの電気的抵抗が変わってこれから変形率を測定するものであり、機械式歪みゲージは、二点間の微々たる距離変化を機械的に測定して、構造体の変形率を測定するものである。この歪みゲージの開発によって構造体の変形状態を精密に測定できるようになり、この変形率によって応力が分かる。
そして、圧力センサは、全世界的に先端核心技術の電子化、高機能及び多様化が進まれるにつれて多様な分野においてその必要性が急増している。これにより、多くの国では既に技術開発事業を重点先端技術事業に分類し研究開発に集中的に支援することによって、技術水準も一歩進んで大量生産体制が確立され、低コスト化、超小型化及びスマート化が実現されつつある。
従来では、このような圧力センサとしてステンレスダイアフラム型の圧力センサ（下記の特許文献１参照）が主に使用されてきた。しかしながら、ステンレスダイアフラムの加工が複雑であり、ゲージを手作業で付着しなければならないため、製造工程が複雑となり、製造単価が高価になるだけでなく、ゲージが大気や測定媒質（液体や気体）に露出すると、腐食しやすいから、長期安定性や信頼性の低下をもたらすという問題点があったし、また金属薄膜歪みゲージが故障すれば、圧力センサ全体を交替せねばならないという問題点があったし、さらにステンレスダイアフラムは腐食性ガスと液体の圧力測定には使用できないという問題点があった。
これを解決するために、下記の特許文献２には「セラミックダイアフラムに高抵抗の厚膜または薄膜ゲージを形成すると共に、これをセラミックキャップ（ｃａｐ）で再び完全に密封したり、特殊絶縁塗料の保護膜をコーティングすることによって、気体、液体の両方に使用可能であり、耐腐食性に優れたセラミックダイアフラム型圧力センサ」が開示されている。
しかしながら、従来の技術に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの一つの例である図５の構造を有する圧力センサの場合、セラミックダイアフラム１の材質がセラミックからなっているから、セラミックダイアフラムに過度な圧力が加えられると、セラミックダイアフラムが破壊され、これによって圧力測定の対象である媒体が外部に漏れるという問題点がたびたび発生した。特に、圧力測定対象媒体が毒性のある気体の場合に、外部に漏れると深刻な危険をもたらすというおそれがあった。
また、従来の技術に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの他の例である図６の構造を有する圧力センサの場合、ベースプレート３を機械的に加工する際、歪みゲージ２の空間確保のためのギャップＧの間隔を減らすのに限界があった。このようなギャップＧの間隔を１０μｍ以下に製造することはほぼ不可能に近かった。これによってセラミックダイアフラム１に過度な圧力が加えられてセラミックダイアフラムが大きく曲がるとき、ギャップの間隔が大きいためにセラミックダイアフラム１がベースプレート３に着かなくてセラミックダイアフラム１が破壊されるおそれがあり、破壊される場合、通気孔（ｖｅｎｔｉｎｇ ｈｏｌｅ）を介して圧力測定の対象である媒体が外部に漏れるという問題点があった。
また、図５及び図６のセラミックダイアフラム型圧力センサは、図７に示すように、ダイアフラム１の形状が円状であるから量産性が良くなく、これによって圧力センサの価格が高まるという問題点と、またセンサと信号処理チップとを接続するフレキシブルケーブル及びＰＣＢ構造がセラミックセンサの円状サイズに合せなければならない構造であるから、体積が大きくなり、価格が高まるという問題点とがあった。
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたものであって、その目的は、破壊されるおそれのないセラミックダイアフラムを提供し、量産性に優れており圧力センサの体積を減らすことができ、低コスト化をなすことができるセラミックダイアフラム型圧力センサを提供することにある。
本発明の上記及び他の目的と長所は、好ましい実施の形態を説明した下記の説明からより明確になるはずである。
上記の目的を達成すべく、本発明の一様相によるセラミックダイアフラム型圧力センサは、四角形の平板のセラミックダイアフラムとして、表面に電気導電性物質からなるパターンと歪みゲージが形成されたセラミックダイアフラムと、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラムの面と対向するベースプレートと、前記セラミックダイアフラム及び前記ベースプレートの接合と前記歪みゲージの空間をなすためのものとして、前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートの外周面に沿って形成された接着剤層とを備えることを特徴とする、セラミックダイアフラム型圧力センサである。
ここで、前記ベースプレートは、前記セラミックダイアフラムの厚さより厚く、前記セラミックダイアフラムの長さより短いことを特徴とする。
好ましくは、前記接着剤層の厚さは、１０μｍ未満であることを特徴とする。
好ましくは、前記接着剤層は、低融点のガラスから形成されたことを特徴とする。
本発明によれば、セラミックダイアフラムが破壊されるおそれがないから、圧力測定対象媒体が外部に漏れる危険性がなく、量産性に優れており、センサと信号処理チップとを接続するフレキシブルケーブル及びＰＣＢが簡素化されて圧力センサの体積を減らすことができ、低コスト化をなすことができるなどの効果がある。
また、本発明によれば、セラミックダイアフラムだけに電気導電性物質からなるパターンを付着できるので、導電性エポキシ樹脂とベースプレートに形成されたパターン無しでセラミックダイアフラム型圧力センサを製造できるので、工程が簡単でかつ製造費用も顕著に減る等の効果がある。
以下、添付された図面を参照して述べられる好ましい実施の形態を通じて、本発明を本発明における通常の知識を有した者が容易に理解し再現できるように詳細に述べる。そして、本発明を説明するに当たって、関連した公知の機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
そして、後述する用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であり、これは、ユーザ、操作者の意図又は慣例などによって変わりうる。したがって、その定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて行わなければならない。
図１は、本発明の一実施の形態に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの斜視図で、図２は、図１に示すＡ−Ａ’に沿う断面図である。図１と図２に示すように、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、四角形の平板のセラミックダイアフラムとして表面に電気導電性物質からなるパターン５０と歪みゲージ３０が形成されたセラミックダイアフラム１０と、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラムの面と対向するベースプレート２０と、前記セラミックダイアフラム１０及び前記ベースプレート２０の接合と前記歪みゲージの空間をなすためのものとして前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートの外周面に沿って形成された接着剤層４０とを備えることを特徴とする。
本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの最も大きな特徴は、前記セラミックダイアフラム１０と前記ベースプレート２０とがその外周面に沿って形成された接着剤層４０により接着されるということである。前記接着剤層４０は、前記セラミックダイアフラム１０の外周面にまず形成するか、または前記ベースプレート２０の外周面に沿ってまず形成してから他の構成要素を付着しても良く、また、前記セラミックダイアフラム１０と前記ベースプレート２０とが対向するようにした状態でその外周面に沿って接着剤層４０を使用して接合してもよい。
このような構成を有した本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、過度な圧力が加えられてもセラミックダイアフラム１０が破壊されるおそれがなく、またこれによって圧力測定対象である媒体が外部に漏れるおそれがないから、安定性を確保できるようになる。
このような構成を有した本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、過度な圧力が加えられてもセラミックダイアフラム１０が破壊されるおそれがなく、またこれによって圧力測定対象である媒体が外部に漏れるおそれがないから、安定性を確保できるようになる。
さらに具体的に、図６に示す従来の技術に係るセラミックダイアフラム型圧力センサでは、ベースプレート３を機械的に加工する際、歪みゲージ２の空間確保のためのギャップＧの間隔を減らすのに限界があるから、セラミックダイアフラム１に過度な圧力が加えられて、セラミックダイアフラムが大きく曲がると、ギャップＧの間隔が大きいためにセラミックダイアフラム１がベースプレート３に着かなくてセラミックダイアフラムが破壊される恐れがあったし、ダイアフラムが破壊される場合、通気孔４を介して圧力測定の対象である媒体が外部に漏れることができた。しかしながら、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、厚さの制御が容易な接着剤を使用することによって、前記ギャップＧの間隔を１０μｍ以下に製造することが可能になって、過度な圧力が加えられてもセラミックダイアフラム１０が前記ベースプレート２０に着くようになって破壊されるおそれがなく、またこれによって圧力測定対象である媒体が外部に漏れるおそれがないから、安全性を確保できるようになる。
前記接着剤層４０の厚さは、１０μｍ未満にすることが最も好ましい。また、前記接着剤は、本発明の効果を阻害しない範囲内で可能な接着剤層をなすための接着剤はすべて使用されることができ、好ましくは、低融点ガラス、ガラスフリット（ｇｌａｓｓ ｆｒｉｔ）を使用する。
また、本発明に係るセラミックダイアフラム１０とベースプレート２０とは接着剤４０層により接合されるので、従来の歪みゲージ２のギャップＧを形成するためのベースプレート（図６）または従来の圧力導入部のためのセラミックダイアフラム（図５）を機械的に加工しなければならない工程と時間より、工程と製造時間面においてはるかに節約できるようになる。
したがって、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、従来の圧力センサに比べて製造コストを多く低減できるから、低コスト化に有利な効果もある。
一方、図１に示す図面符号５１は、端子はんだパッド（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｌｄｅｒ ｐａｄｓ）であって、前記端子はんだパッドは、セラミックダイアフラム１０に形成されたパターン５０と電気的に接続されている。
また、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの他の最も大きな特徴は、前記四角形の平板のセラミックダイアフラム１０の表面だけに電気導電性物質からなるパターン５０と歪みゲージ３０とが形成されたセラミックダイアフラム１０を構成したことにある。
このような構成のために、前記ベースプレート２０の長さｌ２０は、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラム１０の長さｌ１０より短く構成する。すなわち、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラム１０の長さｌ１０を前記ベースプレート２０の長さｌ２０より長く形成することによって、前記セラミックダイアフラム１０だけにその表面に電気導電性物質からなるパターン５０と歪みゲージ３０とを形成し電気的に接続するための前記端子はんだパッド５１を共に構成できるようになる。
従来では、前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートとの両方に電気導電性物質からなるパターンを具備して導電性エポキシ樹脂で互いに接続したものがあったが、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサによれば、前記セラミックダイアフラムだけに電気導電性物質からなるパターンを付着できるため、導電性エポキシ樹脂とベースプレートに形成されたパターン無しでセラミックダイアフラム型圧力センサを製造できるので、工程が簡単でかつ製造費用も顕著に減る効果がある。
また、前記ベースプレート２０の形状も、前記四角形平板のセラミックダイアフラム１０と対応する形状である角形平板であることが好ましく、前記ベースプレート２０の厚さｄ２０は、前記パターンの形成されたセラミックダイアフラム１０の厚さｄ１０より厚いことが好ましい。したがって、前記四角形の平板のセラミックダイアフラム１０の長さは、前記ベースプレート２０の長さより長いが、その長さの差はできるだけ短く構成することが良い。すなわち、前記両方の長さの差は、前記セラミックダイアフラム１０に形成される前記端子はんだパッド５１が突出してその機能を行うことができる範囲内の短い長さにすることが最も好ましい。
また、本発明に係る前記歪みゲージ３０は、前記セラミックダイアフラム１０上にスクリーン印刷工程を利用して導電性物質であるＡｕまたはＡｇと歪みゲージを形成する電気抵抗性物質のペースト（ｐａｓｔｅ）膜をプリントした後、乾燥及び焼結炉工程でパターニングして形成できる。前記パターニング方法の他に、公知のパターニング方法でパターニングできることはもちろんである。
本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、圧力を歪みゲージ３０の抵抗変化で変換するが、圧力を効率的な歪みゲージの変形で変換することが重要である。外周面が固定されたダイアフラム１０に均一な圧力が加えられると、その表面に曲げ変形が発生し、印加圧力によりダイアフラムの後面に発生する微小変形は４個の歪みゲージ３０からなるホイートストンブリッジによって微小抵抗変化を起こし、これを電気信号に変換する。圧力により周辺が固定されたダイアフラム１０に発生する曲げ変形を効果的に検出する歪みゲージのパターンには様々な種類があるが、本発明では、厚膜抵抗をプリントしてゲージを形成したことを例に挙げて説明する。
図４は、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサに適用された一つの例として示されたダイアフラムの平面図であって、これに形成されたパターン５０と４個の歪みゲージ３０が形成されているのを確認することができる。すなわち、二つの歪みゲージは、ダイアフラム円３０−１の中心方向に変形が最も大きな中央付近に位置し、他の二つは、ダイアフラム円３０−１の円周方向に変形が最も大きなエッジにわたるように位置して配置することが好ましい。
また、前記歪みゲージ３０を前記ダイアフラム１０と電気的に絶縁させなければならないために、セラミックからなるダイアフラムを使用する。また、前記歪みゲージ３０の抵抗値は、薄膜の厚さとゲージの長さを変化させて、１００Ω〜２０ｋΩの範囲内で調整することができる。
一方、図２は、図１のＡ−Ａ’に沿う断面図であって、本発明の一実施の形態に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの断面図で、図３は、本発明の他の実施の形態に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの断面図である。ここで、「Ｐ，Ｐ」は、「圧力導入部」を示す。
前記図２と図３とは、圧力センサの必須構成要素だけを示す図であって、 図示していないが前記ベースプレート２０の上部には、体積が小さくて簡素化されたフレキシブルケーブルが形成されており、フレキシブルケーブルの上部に信号処理ＩＣチップを載置する。
前記信号処理ＩＣチップは、本発明の目的に符合する回路などを備えた注文型半導体（ＡＳＩＣ）になることができる。したがって、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、体積が小さな超小型構造のフレキシブルケーブル構造を具現することができ、フレキシブルケーブルが簡素化されて低コスト化にも大きく寄与できるようになる。
図２は、絶対圧力を測定するセラミックダイアフラム型圧力センサであって絶対真空に対する圧力を測定するセンサである。圧力を受ける要素であるダイアフラムの片方を真空で塞いで基準真空室にし、他の片方に測定圧力を導入する方法が一般的である。基準真空失意真空度は、センサの絶対基準であって、センサ製作後の調整が不可能なために、漏れなどによる真空度の劣化がセンサの特性低下で現れる。
したがって、製作時の漏れ検査や真空で封じるのには細心な注意が必要である。このために、多数のリード線（図示せず）が付着されたベースプレート２０と歪みゲージ３０の形成されたセラミックダイアフラム１０を接着剤層４０として接着して、歪みゲージ３０を完全に密封する。
また、図３は、ゲージ圧または差圧を測定するセラミックダイアフラム型圧力センサであって、ゲージ圧センサは、大気圧を基準として測定する圧力センサで、差圧センサは、両圧力の差を測定する圧力センサである。このために、ベースプレート２０には通気孔２１が形成されている。
また、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサの構成のうち、前記セラミックダイアフラム１０と前記ベースプレート２０とは四角形の平板であることあ好ましいが、これは圧力センサの量産性を高め、これによって圧力センサの価格を低くするためである。
さらに具体的に、図７Ａ及び図７Ｂに示す従来の圧力センサに構成されたセラミックダイアフラムとベースプレートの形状は円状であるから量産性が非常に悪く、これによって圧力センサの価格が高まるという問題点があったが、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、図１に示すように、前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートとが四角形の平板からなっているから、製造工程が容易になって量産性に優れており、これによって圧力センサの価格を低くすることができる効果がある。
以上、本発明は、添付された図面により参照される好ましい実施の形態を中心に説明されたが、本発明の範囲から逸脱しない限り、多様な変形が可能であるということは言うまでもない。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態に限って定められるものではなく、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定められねばならない。
上述したように、本発明に係るセラミックダイアフラム型圧力センサは、自動車エンジンの圧力だけでなく、一般産業用及び民生用圧力測定など広い圧力範囲で高度な精密性が求められる技術分野及びその応用技術分野において産業上利用することができる。
１ セラミックダイアフラム
２ 歪みゲージ
３ ベースプレート
４ 通気孔
１０ セラミックダイアフラム
２０ ベースプレート
２１ 通気孔
３０ 歪みゲージ
４０ 接着剤層
５０ パターン
５１ 端子はんだパッド（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｌｄｅｒ ｐａｄｓ）
２ 歪みゲージ
３ ベースプレート
４ 通気孔
１０ セラミックダイアフラム
２０ ベースプレート
２１ 通気孔
３０ 歪みゲージ
４０ 接着剤層
５０ パターン
５１ 端子はんだパッド（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｌｄｅｒ ｐａｄｓ）
Claims (4)
- セラミックダイアフラム型圧力センサであって、
四角形の平板のセラミックダイアフラムとして、表面に電気導電性物質からなるパターンと歪みゲージが形成されたセラミックダイアフラムと、
前記パターンの形成されたセラミックダイアフラムの面と対向するベースプレートと、
前記セラミックダイアフラム及び前記ベースプレートの接合と前記歪みゲージの空間をなすためのものとして、前記セラミックダイアフラムと前記ベースプレートの外周面に沿って形成された接着剤層と
を備えることを特徴とする、セラミックダイアフラム型圧力センサ。 - 前記ベースプレートは、前記セラミックダイアフラムの厚さより厚く、前記セラミックダイアフラムの長さより短いことを特徴とする、請求項１に記載のセラミックダイアフラム型圧力センサ。
- 前記接着剤層の厚さは、１０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックダイアフラム型圧力センサ。
- 前記接着剤層は、低融点のガラスから形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のセラミックダイアフラム型圧力センサ。
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