(57)【要約】【課題】  本センサは測定対象の媒体が高圧の液体であるため、測定対象機器の金属配管にネジ締めにより取り付けられる。センサは高圧に耐えるため、圧力検出部は金属で形成される必要がある。また、腐食性の媒体であることや高温になることも考えられるため、ひずみ素子や温度検出素子などを計測媒体に直接浸漬させることは望ましくない。そのため、金属筐体を介してひずみ検出素子及び温度検出素子を配置し、ひずみ及び温度計測を実施することになる。特に温度計測について、温度計測対象と温度計測素子の間に金属筐体が存在すると、温度応答性が悪化する事がある。また、計測媒体に浸漬していない箇所の温度影響を受けることで、センサ素子が計測媒体温度を正しく計測出来ないことも考えられる。【解決手段】  上記課題を解決するために、センサ素子２に内蔵の温度センサを利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力により変形する起歪体と、
前記起歪体を保持するホルダーと、
前記起歪体に搭載され、ひずみ検出部と温度検出部を備える半導体センサ素子と、を備える圧力検出装置。
【請求項２】
前記起歪体は、前記半導体センサ素子が接合される箇所の裏面側に形成されるダイアフラムを備える請求項１に記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記起歪体に搭載され、前記半導体センサ素子の信号が入力される回路基板を備え、
前記回路基板に対して先端側に前記半導体センサ素子は搭載されており、
前記起歪体は、回路基板が搭載される領域よりも前記半導体センサ素子が搭載される領域の方が厚さが薄い形状を備える請求項１または２に記載の圧力測定装置。
【請求項４】
前記起歪体は、前記半導体センサ素子が接合される領域の肉厚が根本側の肉厚よりも薄く形成されている請求項１または２に記載の圧力検出装置。
【請求項５】
前記ホルダーは、薄肉化した形状である請求項４に記載の圧力検出装置。
【請求項６】
前記起歪体のうち、前記半導体センサ素子が搭載されている薄い箇所は計測媒体に浸漬される請求項５に記載の圧力検出装置。
【請求項７】
計測対象の流れを阻害しないように、前記ホルダーが細く形成されており、
前記半導体センサ素子が計測対象の流れに対して平行に配置されている請求項６に記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の各種機器に装着されて圧力と温度を同時に検出し、同時に出力可能な圧力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の環境対応、燃費向上の為に、電動モータによって油圧を発生させるシステムや燃料噴射システムに中高圧センサが搭載されている。
【０００３】
センサ構造として、油圧を受けるポート、ダイアフラムを介し受圧面と反対側に位置するひずみ検出素子（以下、センサ素子）があり、その検出素子で発生する電気信号を処理する回路基板があり、回路基板より半田付け等によりリード線やタンシを介し、ＥＣＵに信号を出力するコネクタターミナルに接続される構造が容易に考えられる。一方、センサは測定対象の圧力媒体が高圧の液体となるため、測定対象機器の金属配管にネジ締めにより取り付けられ、強度的な信頼性も確保されなければならないため、センサ筐体も金属となる。
【０００４】
また、油圧と共に温度も同時に計測する事が必要な場合もある。例えば空調設備の冷媒温度制御、エンジンオイルの過昇温監視、ブレーキ系統におけるブレーキフルードの温度監視などが考えられる。上記の場合、センサは高圧に耐え、その計測媒体の圧力と温度を同時に出力する事が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許５２２２２９５号
【特許文献２】特許５９３３９３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本センサは測定対象の媒体が高圧の液体であるため、測定対象機器の金属配管にネジ締めにより取り付けられる。センサは高圧に耐えるため、圧力検出部は金属で形成される必要がある。また、腐食性の媒体であることや高温になることも考えられるため、ひずみ素子や温度検出素子などを計測媒体に直接浸漬させることは望ましくない。そのため、金属筐体を介してひずみ検出素子及び温度検出素子を配置し、ひずみ及び温度計測を実施することになる。特に温度計測について、温度計測対象と温度計測素子の間に金属筐体が存在すると、温度応答性が悪化する事がある。また、計測媒体に浸漬していない箇所の温度影響を受けることで、センサ素子が計測媒体温度を正しく計測出来ないことも考えられる。
【０００７】
圧力と共に温度計測する例として、特許５２２２２９５号がある。圧力検出素子とは別に温度検出素子としてリード付きのサーミスタを用いている例である。温度計測素子を別部品として追加することは理に適っている。しかし、サーミスタ素子は素子表面がガラスでコーティングされており、さらにその素子の先端と金属筐体を伝熱性接着材で接着させ、温度への応答性を高めると同時に振動に対する耐性を高めている。この方法の場合、部品点数を増加させる必要があり、温度計測素子を設置する場所の確保や構造の作りこみなどにより、構造の複雑化が避けられない。また、電気的及び機械的接続点の増加により、信頼性の低下が懸念される。さらに、引用文献１の構造を分析すると、計測媒体→金属筐体→伝熱性接着剤→ガラス→サーミスタ素子の順に伝熱することになるため、直列要素が多く熱抵抗の増加が見込まれ、温度に対する応答性が低下する恐れがある。また、サーミスタの特徴として、広い温度範囲に渡り特性の直線性を保つことが難しい。そのため、計測温度範囲を狭める必要がある。
【０００８】
また、特許５９３３９３６号では、圧力及び温度検出素子が直接計測媒体中に設置される方式のセンサである。これは先に述べたように、計測媒体が腐食性であった場合、センサの信頼性を保てない事が考えられる。また、本特許は主に気圧を計測対象としているが、高圧の液体であった場合、センサ素子と外部をつなぐ電気的な経路のシールは高圧に耐える接着剤などである必要がある。媒体が常温に近ければ接着剤の選定に困難は伴わないが、高温になるとその選定は難しくなると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の圧力検出装置は、圧力センサ素子に内蔵の温度センサを利用する構造としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、部品点数を増加させること無く圧力と温度の両方を同時に計測し、温度に対する応答性が速く、外気温による影響が小さい状況下で圧力と温度の同時出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の全体図
【図２】本発明の放熱経路の概要図
【図３】本発明とサーミスタ素子を用いた構造の測温試験結果
【図４】本発明の小径配管への対策の一例
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための実施形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１から図３を用いて、本発明の実施例１における圧力センサ装置について説明する。
本実施例の圧力センサ装置１は、計測媒体を受ける金属製の起歪体６と、起歪体６に接合部材３を介して搭載されるセンサ素子２と、起歪体６に搭載される回路基板４と、回路基板４の電気信号をコネクタターミナル１３へ伝送するための配線８を内包するポート９と、カバー１４と、ベース１１と、コネクタアセンブリ１２を備える。
【００１４】
起歪体６は、根本側（回路基板４が搭載される領域）の厚みに対して、先端側（センサ素子２が搭載される領域）の厚みが薄い形状を備えている。また、圧力及び温度に対する感度向上のために、起歪体６の先端側の一部に、短形状のダイアフラム６ａを形成している。
【００１５】
センサ素子２は、圧力が加わった際にダイアフラム６ａが変形し発生する歪を検出するための圧力検出部と、温度を検出する温度検出部を備えている半導体素子である。センサ素子として用いるセンサ素子内臓の温度センサは半導体を用いているため温度範囲が広い。また、一度演算回路に入力されるため、補正などにより広い温度範囲に亘り良好な直線性及び精度を得ることが容易である。この特徴を十分に生かすことで、部品を追加することなく、センサ構造の工夫により応答性や精度の良い温度センサを提供する事が可能となる。
【００１６】
センサ素子２は、接合部材３により、起歪体６の受圧面であるダイアフラム６ａの反対側に位置する台座面上に接合される。起歪体６は、伝熱性が良いＳＵＳなどの金属で構成されており、強度やセンサ素子２の筐体への接合性を考慮してＳＵＳ６３０やＳＵＳ４２０Ｊ２であることが望ましい。その起歪体６に極めて薄い接合部材３（百数十μｍ程度）を介してセンサ素子２が接合されている。接合部材３にはセンサ素子２へのノイズ混入を防ぐため絶縁性が備わっている必要があり、主にガラスが主成分の無機接着剤が望ましい。ガラス材は熱抵抗が比較的高いが、極めて薄い形状（百数十μｍ程度）とすることで温度応答性にほとんど影響しない事が実験の結果分かっている。
【００１７】
起歪体６は金属製のホルダー５に溶接により取り付けられる。その後、ホルダー５をポート９に圧入した後に溶接することで、センサ素子２が存在する内部の空間の気密性を保つ。ホルダー５はなるべく薄肉化した形状となっている。ホルダー５が薄肉化されている理由は、ポート８やその上部の筐体との熱のやり取りをしにくくするため、熱抵抗を大きく、かつ、熱容量を小さくするためである。センサ素子２が接合された起歪体６全体が計測媒体に浸漬されるようにすることが必要である。これは、温度が確実にセンサ素子２に伝達し、起歪体６が一様に媒体の温度になるためである。また、計測媒体からセンサ素子２への距離は非常に短いため、熱抵抗は小さくなり温度応答性を高くすることが可能となる。また、センサ素子２を計測媒体に触れさせないように密閉構造とすることで、センサ素子２やボンディングワイヤ７などの電気的接続点の信頼性信頼性を保つことが出来、シールなどの問題も発生しない。
【００１８】
図２を用いて、温度を検出するセンサ素子２近傍の熱の経路を説明する。図２はセンサ素子搭載部を横から見た断面図である。Ｏリング１０より下部は計測媒体に浸漬される箇所である。ポート９までの伝熱経路は経路(1)と経路(2)が考えられる。経路(1)はホルダー５の薄肉部をメインに通る経路であり、ホルダー５の熱抵抗が大きく熱容量が小さいため、計測媒体に浸漬されていない部分の影響は受けにくい。一方、経路(2)は起歪体６の熱抵抗が経路(1)よりも小さいので、ポート９からの伝熱の影響を受けやすいと考えられる。しかし、センサ素子２が接合される部分の起歪体６肉厚を薄くし熱容量を小さくしており、外部よりも計測媒体温度の影響を受けやすくしている。また、Ｏリング１０より下は基本的に計測媒体に浸漬されており、ほぼ油温と共に起歪体温度が推移する事が出来るため、外部影響をほとんど受けない構造となっている。これによりダイアフラム６ａ近傍と計測媒体に触れていない箇所との温度差が大きい場合であっても、不要な伝熱が抑えられ誤差無く温度を計測する事が出来る。
【００１９】
さらに従来の中高圧センサと違いダイアフラム６ａが計測媒体の流れる通路に露出している構造のメリットとして、ダイアフラム６ａ部のエアー抜きが容易になることが挙げられる。例えば細長い管を介しセンサ素子に油圧を導入する場合、エアー抜きを考慮した取り付け角度とする必要があり、センサ取り付け角度に制限を付けることがある。万が一エアーがダイアフラム付近に滞留した場合、圧力計測誤差につながり得るため、エアー抜きを考慮しないセンサ形状は取り付け上大きなメリットである。
【００２０】
ベース１１とポート９は溶接等により接合される。なお、ポート９とベース１１が一体形成されているものであっても問題ない。ベース１１はその上に重ねられるコネクタサブアセンブリー１２の六角形のカバー１４と溶接により接続される。コネクタターミナル１３からは配線８がセンサ素子に向けて伸びており、センサ素子２近くの回路基板４に接続される。なお、コネクタターミナル１３から回路基板４まではこの構造に限ってはおらず、フレキシブル基板やインサートモールドなどを用いた接続部材を用いることも可能である。
【００２１】
配線８を用いる場合は、一般的な耐熱配線であれば問題無い。フレキシブル基板や接続部材を用いた場合は、コネクタターミナル１３とセンサ素子２間にＥＭＣ耐性向上用の保護素子（チップ部品）を搭載する回路部を設ける事が望ましい。回路基板４からセンサ素子２へはワイヤボンディング７にて接続される。ボンディングワイヤ７はＡｌもしくはＡｕを選択する事が出来る。ボンディングワイヤ７で接続した後、異物等からセンサ素子２を保護するため、シリコーンゲルをセンサ素子２上にポッティングするとさらに信頼性が向上する。
【００２２】
エンジンコントロールユニットなど外部機器への信号伝達手段は、ＳＥＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｄｇｅ  Ｎｉｂｂｌｅ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）などのデジタル出力を用いることが考えられる。これにより出力配線が一本であっても圧力信号と温度信号を同時に出力する事が可能になる。また配線数の削減にもつながり、車両の重量増加やコストアップを抑制出来る。
【００２３】
ここで本発明の構成例とサーミスタ素子を用いた構造の一例を再現した場合の比較試験結果を図３に示す。本試験は、２５℃雰囲気中において約２０℃の水と約９０℃の水を準備し、２０℃の水から９０℃の水にセンサ部を浸漬させた場合の応答性を確認したものである。サーミスタ素子を用いた場合、応答が緩慢であることが分かるが、本発明の構成では波形の立ち上がり部の応答が急峻で１τ応答が速いことが分かる。また温度整定も早いことが分かった。
【００２４】
本実施例は、起歪体６にダイアフラム６ａを形成することで、サーミスタ素子を用いる場合よりも計測媒体から温度検出素子に至る経路の熱抵抗が小さくできるため、応答が非常に速くすることが可能となり、また、起歪体６の肉厚を薄くしている箇所にセンサ素子２を搭載するようにしているので、外気温の影響を受けにくくしている。そのため、本実施例によれば、素早く計測媒体温度に整定されることが可能となり、簡易な構造で応答性の高い温度検出を実現した圧力検出装置を提供することが可能となる。
【００２５】
より好ましくは、センサ素子２の温度検出部が構成される領域がダイアフラム６ａと重なる位置となるように、センサ素子２が起歪体６に搭載されている。そうすることで、センサ素子２に構成されている温度検出部が計測媒体の温度により追従しやすくなる。
【実施例２】
【００２６】
本発明の実施例２における圧力検出装置について、図４を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
【００２７】
本実施例は、実施例１に対して、ホルダー５の形状が異なる。ホルダー５は、ポート９との溶接部に対して起歪体側にクランクした形状を備えている。これにより、圧力検出装置の計測媒体に浸漬する部分のうち管路の断面積に占める割合を減少することが可能となり、油圧管路を流れる計測媒体の圧損を低減することが可能となり、ひいてはエンジンの燃費悪化を防止できる。特に、本実施例は、油圧管路の配管径が小さい場合に効果が大きい。起歪体６とポート９間をつなぐホルダー５ａには必ず薄肉部を設け、熱抵抗を高く、かつ、熱容量を小さく保つ必要がある。本実施例によれば、配管の断面積を塞ぐことなく、起歪体６を計測媒体中に浸漬させることが出来る。
【符号の説明】
【００２８】
１．圧力検出装置
２．センサ素子（ＩＣ）
３．接合部材
４．回路基板
５．ホルダー 
５ａ.小径配管用ホルダー
６．起歪体
６ａ.ダイアフラム
７．ボンディングワイヤ 
８．配線
９．ポート
１０．Ｏリング
１１．ベース
１２．コネクタサブアセンブリー
１３．コネクタターミナル
１４．カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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