(57)【要約】【課題】従来に比べて信頼性の向上を図ることのできる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサは、軸線方向に延びる円筒状のハウジングと、ハウジングの先端側に収納される圧力伝達部材と、ハウジングに収納され、圧力伝達部材によって押圧される圧力検出素子と、ハウジングに収納され圧力検出素子を保持する絶縁性材料からなる台座と、ハウジング内に軸線方向に沿って延在し先端が台座と所定間隔を設けて配置された基板と、軸線方向に沿って基板に形成され圧力検出素子と電気的に接続された複数の導体パターンと、基板をハウジングに対して変位可能に保持する弾性部材とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延びる円筒状のハウジングと、
該ハウジングの先端側に収納される圧力伝達部材と、
前記ハウジングに収納され、前記圧力伝達部材によって押圧される圧力検出素子と、
前記ハウジングに収納され前記圧力検出素子を保持する絶縁性材料からなる台座と、
前記ハウジング内に前記軸線方向に沿って延在し、先端が前記台座と所定間隔を設けて配置された基板と、
前記軸線方向に沿って前記基板に形成され前記圧力検出素子と電気的に接続された複数の導体パターンと、
前記基板を前記ハウジングに対して変位可能に保持する弾性部材と
を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記導体パターンが、前記台座に設けられた導体とボンディングワイヤを介して前記圧力検出素子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記所定間隔が、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記弾性部材は、前記導体パターンと電気的に接続され前記圧力検出素子を電気的に後端側に導出する金属端子であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記金属端子は、平板状の金属製部材を屈曲させることによって弾性を付与した構成とされていることを特徴とする請求項４記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記金属端子と、前記導体パターンとが２箇所以上で接触するよう構成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記金属端子と前記ハウジングとの間に、直接又は中継部材を介して前記台座に固定され、前記金属端子が弾性的に当接されるセラミックス製の端子ホルダが設けられていることを特徴とする請求項４乃至６いずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記導体パターンは、前記基板の対向する２つの面に夫々形成されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内燃焼圧力を測定するための圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧力センサを用いて自動車用エンジン等の内燃機関の気筒内燃焼圧力を測定し、燃焼状態を制御することが行われている。このような圧力センサでは、ハウジングの先端側に、台座に配置された圧力検出素子、及びこの圧力検出素子を押圧するための圧力伝達部材等を配置し、台座（ハーメチック台座）を貫通するようにして設けたピン端子によって圧力検出素子を電気的にハウジングの後端側に引き出した構成とすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１２６６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したハーメチック台座及びピン端子による配線構造を用いた圧力センサでは、ピン端子が比較的大きな質量を有することから、振動の影響を受け易く、また、ピン長さが長くなることから、ピン根元（台座接続部）の強度が不足し、振動によって破損の虞が生じるという課題がある。また、ピンの振動を防止するため、樹脂充填によるモールドを行うことも考えられるが、自動車用エンジンの気筒内燃焼圧力を測定する場合、圧力センサが３００℃を越えるような環境に晒されるため、樹脂モールドを行うことは困難である。さらに、ハーメチック台座を用いた場合、台座に圧力検出素子を配置するための領域の他、ピン端子、ガラスシール等を配置するための領域が必要となり、小面積化することが難しく、圧力センサ全体を小型化することが困難である。
【０００５】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものである。本発明は、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできる圧力センサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧力センサは、軸線方向に延びる円筒状のハウジングと、該ハウジングの先端側に収納される圧力伝達部材と、前記ハウジングに収納され、前記圧力伝達部材によって押圧される圧力検出素子と、前記ハウジングに収納され前記圧力検出素子を保持する絶縁性材料からなる台座と、前記ハウジング内に前記軸線方向に沿って延在し、先端が前記台座と所定間隔を設けて配置された基板と、前記軸線方向に沿って前記基板に形成され前記圧力検出素子と電気的に接続された複数の導体パターンと、前記基板を前記ハウジングに対して変位可能に保持する弾性部材とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の圧力センサでは、ハーメチック台座によるピン端子を用いることなく、ハウジング内に軸線方向に沿って延在し先端が台座と所定間隔を設けて配置された基板に形成された複数の導体パターンによって、圧力検出素子を電気的にハウジングの後端側に引き出すことができる。このため、振動の影響によりピン端子の台座接続部に破損が生じることがなく、信頼性の向上を図ることができる。さらに、基板の先端と台座との間に所定間隔を設け、かつ、基板をハウジングに対して変位可能に保持する弾性部材を設けることによって、基板とハウジング等との熱膨張差を吸収することが可能となる。さらにまた、基板の先端と台座との間に所定間隔が設けられているため、圧力検出素子が圧力を受けたときに、台座が基板を後方へ押圧することがない。
【０００８】
上記本発明の圧力センサでは、導体パターンが、台座に設けられた導体とボンディングワイヤを介して圧力検出素子と電気的に接続された構成とすることができる。これによって、ボンディングワイヤが変形することにより、電気的接続状態を維持したまま台座に対する基板の相対変位を可能とすることができる。
【０００９】
また、上記本発明の圧力センサでは、基板の先端と台座との間の所定間隔を、１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましい。この間隔が１ｍｍ未満の場合、熱膨張差や振動により基板と台座とが接触する虞がある。また、この間隔が２ｍｍを越えて長くなると、これらの間に配置される電気的接続のためのボンディングワイヤ等の長さが長くなり、振動による断線等の可能性が高くなる。
【００１０】
また、上記本発明の圧力センサでは、弾性部材は、導体パターンと電気的に接続され圧力検出素子を電気的に後端側に導出する金属端子とすることができる。これによって、金属端子と別途に弾性部材を設ける必要がなくなり、圧力センサの小型化、低コスト化を図ることができる。この場合、金属端子は、平板状の金属製部材を屈曲させることによって弾性を付与した構成とすることができる。このような構成とすれば、工程数の増加等を抑制して簡易に弾性部材としての金属端子を製造することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、金属端子と導体パターンとが２箇所以上で接触する構成とすれば、より良好な電気的接続状態を維持することが可能となり、より安定した出力を得ることができる。
【００１１】
また、上記本発明の圧力センサでは、金属端子とハウジングとの間に、直接又は中継部材を介して台座に固定され、金属端子が弾性的に当接されるセラミックス製の端子ホルダが設けられた構成とすることができる。これによって、簡易な構成で金属端子を台座（ハウジング）に対して係止することができ、かつ、金属端子とハウジングとの間の電気的絶縁も行うことができる。
【００１２】
また、上記本発明の圧力センサでは、導体パターンが、基板の対向する２つの面に夫々形成された構成とすることができる。これによって、基板の２つの面を有効に利用することができ、また、１つの導体パターンの面積を拡大することができるので、電気的な接続も低抵抗で良好に行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできる圧力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧力センサの断面概略構成を模式的に示す斜視図。
【図２】図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。
【図３】図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。
【図４】図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。
【図５】図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す斜視図。
【図６】図１の圧力センサの要部概略構成を模式的に示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態の圧力センサの概略断面構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、圧力センサ１００は、軸線Ｘ方向に延び、金属等から略円筒状に形成されたセンサボディ１を具備している。このセンサボディ１の外側面には図示しないネジが形成されており、センサボディ１を回転させることによって、エンジンヘッド等に設けられた取り付け孔に、圧力センサ１００を取り付けることができるようになっている。このセンサボディ１は、その内径が例えば４ｍｍ程度となるように細径化されている。
【００１７】
センサボディ１の軸線Ｘ（センサボディ１の中心軸）方向先端部には、ダイヤフラム２が設けられている。このダイヤフラム２は、有底円筒状に形成されており、このダイヤフラム２の底板の部分が、エンジンの燃焼室内に向けて配置される受圧部となっている。そして、この受圧部が燃焼室内の燃焼圧に応じて撓むことによって、後述する圧力検出素子５に燃焼室内の燃焼圧が伝達されるようになっている。また、ダイヤフラム２の筒状部の後端側は、センサボディ１の内側に挿入され、溶接等でセンサボディ１と固定されている。上記のセンサボディ１とダイヤフラム２によってハウジング２０が構成されている。
【００１８】
上記したダイヤフラム２の受圧部と接してその後端側には、棒状に構成され圧力を伝達するための圧力伝達部材３、及び圧力伝達部材の一部を構成する半球部材４が設けられている。そして、半球部材４の後端側に、圧力検出素子５が設けられている。半球部材４は、圧力検出素子５に対する偏荷重防止のために設けられている。
【００１９】
圧力検出素子５のさらに後端側には、絶縁性材料からなる台座６が設けられている。この台座６の軸線Ｘと直交する先端側の面である素子載置面６０に圧力検出素子５が固定され保持されている。台座６の周囲には、環状に形成された台座押さえ７が設けられており、この台座押さえ７をダイヤフラム２の筒状部の後端側に溶接等によって固定することにより、台座６がダイヤフラム２に対して固定されている。
【００２０】
圧力検出素子５は、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子等のピエゾ抵抗素子から構成され、圧力が加わった際の歪みに応じた電気信号を出力するように構成されたものを使用することができる。このような圧力検出素子５を構成する場合、ガラス、金属等からなる基板に、Ｓｉ素子、ＳＯＩ素子等の素子を接合した構造とすることができる。圧力検出素子５の表面にはピエゾ抵抗体が形成され、圧力検出素子５が歪み変形された際の抵抗値の変化から圧力を検出する。なお、圧力検出素子５は、シリコンウエハからダイシングによって切り出される関係から矩形状に形成されている。圧力検出素子５としては、この他に、ＰＺＴ、水晶等の圧電素子を使用することもできる。
【００２１】
一方、台座６は、絶縁性材料、本実施形態では、絶縁性セラミックであるアルミナから構成されている。そして、台座６の前述した素子載置面６０、及びこの素子載置面６０と直交する台座６の側面６１には、導電性材料からなる複数、例えば３つの電気配線層（図示せず。）が形成されている。
【００２２】
上記電気配線層は、ワイヤーボンディング可能に構成されており、導電性金属、例えば、Ａｕ又はＡｌ等から構成されている。この電気配線層は、下地も合わせて膜厚が数ミクロン以上となるように構成されている。このような膜厚の電気配線層は、例えば、印刷、メッキ、蒸着、スパッタ等の方法によって形成することができる。
【００２３】
台座６の後端側には、台座６の後端と所定の間隔Ｄ（例えば１〜２ｍｍ程度の間隔）を空けて、軸線Ｘ方向に沿って延在するセラミック基板９が設けられている。図２、図４に示すように、このセラミック基板９には、圧力検出素子５の検出信号を後端側に引き出すための導体パターン９１，９２，９３が設けられている。導体パターン９１は、セラミック基板９の一方の面の略中央部に軸線Ｘ方向に延在するよう形成されている。また、導体パターン９２，９３は、セラミック基板９の他方の面に間隔を設けて平行に、軸線Ｘ方向に延在するよう形成されている。
【００２４】
このように、セラミック基板９の対向する２つの面に夫々導体パターン９１と、導体パターン９２，９３とを設けることによって、セラミック基板９の２つの面を有効に利用することができ、また、１つ１つの導体パターンの幅（面積）を拡大することができるので、電気的な接続も低抵抗で良好に行うことができる。
【００２５】
上記導体パターン９１，９２，９３は、ワイヤーボンディング可能に構成されており、導電性金属、例えば、Ａｕ又はＡｌ等から構成されている。これらの導体パターン９１，９２，９３は、下地も合わせて膜厚が数ミクロン以上となるように構成されている。このような膜厚の導体パターン９１，９２，９３は、例えば、印刷、メッキ、蒸着、スパッタ等の方法によって形成することができる。
【００２６】
上記のセラミック基板９に設けられた導体パターン９１，９２，９３は、図１に示すように夫々ボンディングワイヤ１０１，１０２，１０３で台座６に形成された上述した電気配線層（図示せず。）と電気的に接続されている。また、これらの導体パターン９１，９２，９３には、夫々金属端子１１１，１１２，１１３が押圧された状態で保持されており、これらの導体パターン９１，９２，９３と金属端子１１１，１１２，１１３とが、電気的に接続された状態に維持されている。
【００２７】
すなわち、金属端子１１１，１１２，１１３は、導電性の金属から平板状に形成されており、その平面方向に波状に屈曲されることにより、平面方向に対して弾性を有する構造とされている。そして、図６に示すように、長手方向に離間した２箇所（図６に示すＰ１，Ｐ２）で導体パターン９１，９２，９３と接触するように構成されている。
【００２８】
このように、金属端子１１１，１１２，１１３を弾性部材として使用することによって、金属端子１１１，１１２，１１３と別途に弾性部材を設ける必要がなくなり、圧力センサの小型化、低コスト化を図ることができる。また、平板状の金属製部材を屈曲させることによって弾性を付与した金属端子１１１，１１２，１１３を用いることによって、工程数の増加等を抑制して簡易に弾性部材としての金属端子１１１，１１２，１１３を製造することができ、低コスト化を図ることができる。さらに、金属端子１１１，１１２，１１３と導体パターン９１，９２，９３とが２箇所で接触する構成とすることにより、より良好な電気的接続状態を維持することが可能となり、より安定した出力を得ることができる。
【００２９】
図３，５に示すように、セラミック基板９の周囲には、セラミックス等から円柱状に形成された端子ホルダ１０が設けられている。この端子ホルダ１０には、その軸方向に沿って、セラミック基板９が挿入される矩形状の基板挿入孔１２０が設けられている。また、この基板挿入孔１２０内には、セラミック基板９との対向面が凹陥されるように、金属端子１１１，１１２，１１３を挿入するための金属端子挿入溝１２１，１２２，１２３が設けられている。
【００３０】
上記端子ホルダ１０の先端側には、外径を端子ホルダ１０の他の部位に比べて小径とした小径部１３０が設けられており、この小径部１３０の後端には段差部１３１が形成されている。そして、図１に示すように、この小径部１３０に円筒状に形成された保持部材８の後端側が挿入されて固定され、この保持部材８の先端側が台座押さえ７の後段側に挿入されて固定されることによって、端子ホルダ１０が台座６（ハウジング２０）に対して固定されている。なお、端子ホルダ１０の外周面とセンサボディ１の内周面との間には、例えば、０．１ｍｍ程度の僅かな間隙が形成されている。
【００３１】
上記端子ホルダ１０内の基板挿入孔１２０内にセラミック基板９が挿入されるとともに、金属端子挿入溝１２１，１２２，１２３に夫々金属端子１１１，１１２，１１３が挿入されている。すなわち、セラミック基板９と端子ホルダ１０との間に弾性を有する金属端子１１１，１１２，１１３が介在し、金属端子１１１，１１２，１１３がセラミック基板９及び端子ホルダ１０を押圧した状態となっている。これによって、セラミック基板９及び金属端子１１１，１１２，１１３が、変位可能な状態で端子ホルダ１０及びハウジング２０に対して保持されている。また、金属端子１１１，１１２，１１３と、セラミック基板９の導体パターン９１，９２，９３とが、弾性的に押圧された状態で接触することにより、これらの間の電気的な接続が行われている。
【００３２】
上記のように、本実施形態では、金属端子１１１，１１２，１１３とハウジング２０との間に、保持部材８を介して台座６（ハウジング２０）に固定され、金属端子１１１，１１２，１１３が弾性的に当接されるセラミックス製の端子ホルダ１０が設けられた構成となっている。これによって、簡易な構成で金属端子１１１，１１２，１１３を台座６（ハウジング２０）に対して係止することができ、かつ、金属端子１１１，１１２，１１３とハウジング２０との間の電気的絶縁も行うことができる。なお、保持部材８を省略して直接端子ホルダ１０を台座６に固定するようにしてもよい。
【００３３】
上記のように、セラミック基板９及び金属端子１１１，１１２，１１３が、変位可能な状態で端子ホルダ１０及びハウジング２０に対して保持されており、かつ、セラミック基板９と台座６との間に所定の間隔Ｄが設けられていることにより、金属製のハウジング２０とセラミック基板９等との熱膨張差を吸収できる構造となっている。なお、この場合、台座６とセラミック基板９の導体パターン９１，９２，９３との間の電気的接続も、ボンディングワイヤ１０１，１０２，１０３等のある程度変形可能なもので接続することが好ましい。
【００３４】
前述したとおり、エンジンの燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ１００では、燃焼室内の熱の影響からその温度が３００℃程度まで上昇する。このため、熱膨張率の異なる部材（例えば、金属製の部材とセラミックス製の部材等）の熱膨張差は、かなり大きくなる。本実施形態では、上記した構成を採用することによって、このような熱膨張差を吸収できるようになっている。ここで、セラミック基板９の先端と台座６との間の所定間隔Ｄは、１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましい。この間隔が１ｍｍ未満の場合、熱膨張差や振動によりセラミック基板９と台座６とが接触する虞がある。また、この間隔が２ｍｍを越えて長くなると、これらの間に配置される電気的接続のためのボンディングワイヤ１０１，１０２，１０３の長さが長くなり、振動による断線等の可能性が高くなる。
【００３５】
上記金属端子１１１，１１２，１１３の後端側は、圧力検出素子５の検出信号を処理するための電気回路に電気的に接続される。このような電気回路は、圧力センサ１００のハウジング２０内に内蔵される場合と、ハウジング２０の外に設けられる場合がある。ハウジング２０の外に上記電気回路が設けられた場合、金属端子１１１，１１２，１１３の後端側には、外部接続のための電極端子及びこの電極端子と金属端子１１１，１１２，１１３とを電気的に接続するためのリード線等が設けられる。
【００３６】
上記構成の本実施形態の圧力センサ１００では、圧力検出素子５は、セラミック基板９に形成された導体パターン９１，９２，９３によって電気的に後端側に引き出されている。なお、圧力検出素子５と導体パターン９１，９２，９３とは、圧力検出素子５を保持するための台座６に形成された電気配線層（図示せず。）及びポンディングワイヤ１０１，１０２，１０３によって電気的に接続されている。したがって、ハーメチック台座を用いたピン端子のように長さが長く、質量もある部材を使用しないので、振動の影響によって破損を起こす可能性を低減することができる。また、ハーメチック台座を用いたピン端子を使用した場合に比べて、ピン端子、ガラスシール等を配置するための面積を削減することができ、センサの小径化を図ることができる。
【００３７】
上記構成の圧力センサ１００では、ダイヤフラム２の受圧面が燃焼室内の燃焼圧を受けて撓むと、この圧力が圧力伝達部材３及び半球部材４を介して圧力検出素子５に伝達される。そして、圧力検出素子５は圧力に応じた電気信号を発生し、この電気信号が、ボンディングワイヤ１０１，１０２，１０３、導体パターン９１，９２、９３等を介して後端側に引き出され、信号を処理する電気回路に伝えられ、この電気回路で処理されて出力される。この圧力検出信号は、ＥＣＵなどの制御機器に入力され、エンジン内における燃焼圧の変化が検知される。
【００３８】
以上、本発明の詳細を実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００３９】
１……センサボディ、２……ダイヤフラム、２０……ハウジング、３……圧力伝達部材、４……半球部材、５……圧力検出素子、６……台座、６０……素子載置面、６１……側面、７……台座押さえ、８……保持部材、９……セラミック基板、１０……端子ホルダ、９１，９２，９３……導電パターン、１０１，１０２，１０３……ボンディングワイヤ、１１１，１１２，１１３……金属端子、１００……圧力センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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