(57)【要約】【課題】適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子を小型化することができる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサ１０は、ダイヤフラム部１４４上に設けられた矩形状の圧力検知素子１５０とを備える。圧力検知素子１５０は、矩形状のシリコン基板１５１と、第１歪みゲージ１５２と、第２歪みゲージ１５３と、第１電極パッド１５４と、第２電極パッド１５５と、第３電極パッド１５６とを有する。第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３が、シリコン基板１５１の中央部ＣＡにおいて隣接するように配置され、且つ、第１電極パッド１５４と第２電極パッド１５５と第３電極パッド１５６が、シリコン基板１５１の外周を構成する各辺１５１ｂ〜１５１ｅに接するように、シリコン基板１５１のうち中央部ＣＡの周囲に位置する周囲部ＲＡに配置されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象である圧力に応じて自身に歪みが生じるダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部上に設けられた矩形状の圧力検知素子と、を備え、
前記圧力検知素子は、
矩形状のシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された第１歪みゲージであって、前記シリコン基板の第１辺に沿う第１方向の歪みを検知する第１歪みゲージと、
前記シリコン基板上に形成された第２歪みゲージであって、前記第１方向に直交する第２方向の歪みを検知する第２歪みゲージと、
前記シリコン基板上に形成された第１電極パッドであって、前記第１歪みゲージの一端部が接続する第１電極パッドと、
前記シリコン基板上に形成された第２電極パッドであって、前記第２歪みゲージの一端部が接続する第２電極パッドと、
前記シリコン基板上に形成された第３電極パッドであって、前記第１歪みゲージの他端部及び前記第２歪みゲージの他端部が接続する第３電極パッドと、を有する
圧力センサであって、
前記第１歪みゲージと前記第２歪みゲージが、前記シリコン基板の中央部において隣接するように配置され、且つ、
前記第１電極パッドと前記第２電極パッドと前記第３電極パッドが、前記シリコン基板の外周を構成する各辺に接するように、前記シリコン基板のうち前記中央部の周囲に位置する周囲部に配置されている
圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサであって、
前記第１歪みゲージ及び前記第２歪みゲージは、前記シリコン基板の周縁部に配置されることなく、前記周縁部よりも前記シリコン基板の内側に位置する内側領域内に配置されている
圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧力センサであって、
前記第１歪みゲージは、
前記第１方向に線状に延びる形態をなし、前記第１方向の歪みを検知する複数の第１検知部であって、前記第２方向に隙間を空けて並ぶ複数の第１検知部と、
前記第２方向に隣り合う前記第１検知部同士を接続する複数の第１接続部と、を有し、
前記第２歪みゲージは、
前記第２方向に線状に延びる形態をなし、前記第２方向の歪みを検知する複数の第２検知部であって、前記第１方向に隙間を空けて並ぶ複数の第２検知部と、
前記第１方向に隣り合う前記第２検知部同士を接続する複数の第２接続部と、を有し、
前記第２検知部の本数が前記第１検知部の本数よりも少なく、
前記ダイヤフラム部は、外周円形状をなし、前記圧力に応じて当該ダイヤフラム部の径方向に歪みが生じる形態を有し、
前記圧力検知素子は、前記第１方向が前記ダイヤフラム部の前記径方向に沿うように、前記ダイヤフラム部上に設けられている
圧力センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の圧力センサであって、
前記ダイヤフラム部は、円環状をなし、
前記圧力検知素子は、前記ダイヤフラム部の中心に関して対称な位置に、２つ設けられている
圧力センサ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
前記ダイヤフラム部は、金属からなり、
前記圧力検知素子は、前記ダイヤフラム部上に、ガラスによって接合されている
圧力センサ。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の圧力センサであって、
前記第１方向及び前記第２方向に直交する軸線方向に延びる形態を有し、前記軸線方向の先端側から受けた圧力の変化に応じて前記軸線方向に変位する変位部材、を備え、
前記ダイヤフラム部は、前記軸線方向に貫通する貫通孔を有する円環状をなし、
前記変位部材は、前記ダイヤフラム部の前記貫通孔に挿通された態様で、前記ダイヤフラム部の内側に固定されており、
前記ダイヤフラム部は、前記圧力の変化に伴う前記変位部材の変位に応じて、当該ダイヤフラム部に歪みが生じるように構成されている
圧力センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の圧力センサであって、
前記変位部材は、前記軸線方向の先端側に、ヒータ部材を含む
圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、検出対象である圧力に応じて自身に歪みが生じるダイヤフラム部（メンブレン部分）と、前記ダイヤフラム部上に設けられた矩形状の圧力検知素子（感知電気素子）とを備える圧力センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０２２５２号公報
【０００４】
圧力検知素子としては、矩形状のシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された第１歪みゲージであって、前記シリコン基板の第１辺に沿う第１方向の歪みを検知する第１歪みゲージと、前記シリコン基板上に形成された第２歪みゲージであって、前記第１方向に直交する第２方向の歪みを検知する第２歪みゲージと、前記シリコン基板上に形成された第１電極パッドであって、前記第１歪みゲージの一端部が接続する第１電極パッドと、前記シリコン基板上に形成された第２電極パッドであって、前記第２歪みゲージの一端部が接続する第２電極パッドと、前記シリコン基板上に形成された第３電極パッドであって、前記第１歪みゲージの他端部及び前記第２歪みゲージの他端部が接続する第３電極パッドとを有するものが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、上述の構成を有する圧力検知素子について、より一層小型化することが求められている。圧力検知素子を小型化するには、できる限り電極パッドを小さくすることが有効となる。
【０００６】
ところが、特許文献１に開示されている圧力検知素子では、シリコン基板の中央部に第２電極パッドを配置し、この第２電極パッドを、第１歪みゲージの第１部分と第２部分とで挟むようにしている。すなわち、第１歪みゲージの第１部分と第１歪みゲージの第２部分との間に、第２電極パッドを配置するようにしている。しかしながら、このような配置の場合、圧力検知素子を小型化するために第２電極パッドを小さくすると、これに応じて第１歪みゲージの長さも短くしなければならず、圧力検知の感度が低下する虞があった。このため、適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子を小型化することが難しかった。
【０００７】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子を小型化することができる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、検出対象である圧力に応じて自身に歪みが生じるダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部上に設けられた矩形状の圧力検知素子と、を備え、前記圧力検知素子は、矩形状のシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された第１歪みゲージであって、前記シリコン基板の第１辺に沿う第１方向の歪みを検知する第１歪みゲージと、前記シリコン基板上に形成された第２歪みゲージであって、前記第１方向に直交する第２方向の歪みを検知する第２歪みゲージと、前記シリコン基板上に形成された第１電極パッドであって、前記第１歪みゲージの一端部が接続する第１電極パッドと、前記シリコン基板上に形成された第２電極パッドであって、前記第２歪みゲージの一端部が接続する第２電極パッドと、前記シリコン基板上に形成された第３電極パッドであって、前記第１歪みゲージの他端部及び前記第２歪みゲージの他端部が接続する第３電極パッドと、を有する圧力センサであって、前記第１歪みゲージと前記第２歪みゲージが、前記シリコン基板の中央部において隣接するように配置され、且つ、前記第１電極パッドと前記第２電極パッドと前記第３電極パッドが、前記シリコン基板の外周を構成する各辺に接するように、前記シリコン基板のうち前記中央部の周囲に位置する周囲部に配置されている圧力センサである。
【０００９】
上述の圧力センサでは、第１歪みゲージと第２歪みゲージが、シリコン基板の中央部において隣接するように配置されている。さらに、上述の圧力センサでは、第１電極パッドと第２電極パッドと第３電極パッドが、シリコン基板の外周を構成する各辺に接するように、シリコン基板のうち中央部の周囲に位置する周囲部に配置されている。
【００１０】
このような配置とすることで、圧力検知素子を小型化するために第１〜第３電極パッドを小さくする場合でも、従来の圧力検知素子に比べて、第１及び第２歪みゲージのパターン設計の自由度が高くなり、センサ感度が低下しないように第１及び第２歪みゲージの長さを確保しつつも、第１及び第２歪みゲージをコンパクトに配置することが可能となる。これにより、適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子を小型化することが可能となる。
【００１１】
ところで、検出対象である圧力に応じてダイヤフラム部に歪みが生じる場合、ダイヤフラム部上において、第１方向及び第２方向にかかる歪みの大きさにバラツキが生じることがある。すなわち、ダイヤフラム部上において生じる第１方向及び第２方向にかかる歪みの大きさは、ダイヤフラム部上の全体にわたって均一とならず、ダイヤフラム部上の位置によって異なることがある。
これに対し、上述の圧力センサでは、第１歪みゲージと第２歪みゲージを、シリコン基板の中央部において隣接するように配置している。このように、第１歪みゲージと第２歪みゲージとを近づけて配置することで、ダイヤフラム部上の略同じ位置における歪みを、第１歪みゲージ及び第２歪みゲージで検知することができ、圧力検知の精度を良好にすることが可能となる。
【００１２】
さらに、前記の圧力センサであって、前記第１歪みゲージ及び前記第２歪みゲージは、前記シリコン基板の周縁部に配置されることなく、前記周縁部よりも前記シリコン基板の内側に位置する内側領域内に配置されている圧力センサとすると良い。
【００１３】
上述の圧力センサでは、第１歪みゲージ及び第２歪みゲージが、シリコン基板の周縁部（外周部）に配置されることなく、周縁部よりもシリコン基板の内側（中心側）に位置する内側領域内に配置されている。このような位置に第１歪みゲージ及び第２歪みゲージを配置することで、仮に、圧力検知素子を製造する過程において、圧力検知素子の側方から圧力検知素子の周縁部に他部材が接触した場合でも、第１歪みゲージ及び第２歪みゲージに他部材が接触することを防止することができ、第１歪みゲージ及び第２歪みゲージが損傷するのを防止することができる。従って、上述の圧力センサは、所望の特性が確保された圧力センサとなる。
【００１４】
さらに、前記いずれかの圧力センサであって、前記第１歪みゲージは、前記第１方向に線状に延びる形態をなし、前記第１方向の歪みを検知する複数の第１検知部であって、前記第２方向に隙間を空けて並ぶ複数の第１検知部と、前記第２方向に隣り合う前記第１検知部同士を接続する複数の第１接続部と、を有し、前記第２歪みゲージは、前記第２方向に線状に延びる形態をなし、前記第２方向の歪みを検知する複数の第２検知部であって、前記第１方向に隙間を空けて並ぶ複数の第２検知部と、前記第１方向に隣り合う前記第２検知部同士を接続する複数の第２接続部と、を有し、前記第２検知部の本数が前記第１検知部の本数よりも少なく、前記ダイヤフラム部は、外周円形状をなし、前記圧力に応じて当該ダイヤフラム部の径方向に歪みが生じる形態を有し、前記圧力検知素子は、前記第１方向が前記ダイヤフラム部の前記径方向に沿うように、前記ダイヤフラム部上に設けられている圧力センサとすると良い。
【００１５】
上述の圧力センサでは、ダイヤフラム部が、外周円形状をなし、測定対象である圧力に応じて当該ダイヤフラム部の径方向に歪みが生じる形態を有している。さらに、上述の圧力センサでは、圧力検知素子が、第１方向がダイヤフラム部の径方向に沿うように、ダイヤフラム部上に設けられている。すなわち、上述の圧力センサでは、第１歪みゲージによって、測定対象である圧力に応じてダイヤフラム部に生じる径方向の歪みを検知するようにしている。ここで、第１歪みゲージは、第２歪みゲージと比較して、検知部の本数が多いため、ダイヤフラムに生じる歪みを精度良く検知することができる。このため、上述の圧力センサでは、測定対象である圧力に応じてダイヤフラム部に生じる径方向の歪みを、精度良く検知することができる。
【００１６】
なお、外周円形状をなすダイヤフラム部としては、例えば、円形状のダイヤフラム部や円環形状のダイヤフラム部などを挙げることができる。
【００１７】
さらに、前記いずれかの圧力センサであって、前記ダイヤフラム部は、円環状をなし、前記圧力検知素子は、前記ダイヤフラム部の中心に関して対称な位置に、２つ設けられている圧力センサとすると良い。
【００１８】
上述の圧力センサでは、円環状のダイヤフラム部に対し、圧力検知素子を、ダイヤフラム部の中心に関して対称な位置に２つ設けている。従って、２つの圧力検知素子が、ダイヤフラム上において、ダイヤフラム部の径方向について対向して配置されている。このような位置に圧力検知素子を設けることで、測定対象である圧力に応じてダイヤフラム部の径方向に生じる歪みを、精度良く検知することができる。
【００１９】
なお、２つの圧力検知素子に含まれる２つの第１歪みゲージと２つの第２歪みゲージとは、ホイートストンブリッジ回路を構成するように接続すると良い。すなわち、一方の圧力検知素子において第３電極パッドを通じて第１歪みゲージと第２歪みゲージとが直列接続されている回路と、他方の圧力検知素子において第３電極パッドを通じて第１歪みゲージと第２歪みゲージとが直列接続されている回路とを、並列接続して、ホイートストンブリッジ回路を構成するようにすると良い。
【００２０】
また、「圧力検知素子が、ダイヤフラム部の中心に関して対称な位置に、２つ設けられている」とは、２つの圧力検知素子が、ダイヤフラム部の中心に関して完全に対象な位置関係にある場合に限らない。具体的には、ダイヤフラム部の中心軸を通ってダイヤフラム部の径方向に延びる直線（ダイヤフラム部の外周円の直径）上に位置する２つの点であって、ダイヤフラム部の中心軸から等距離であるダイヤフラム部上の２つの点のうち、一方の点に一方の圧力検知素子が重なるように位置し、他方の点に他方の圧力検知素子が重なるように位置していれば良い。すなわち、「圧力検知素子が、ダイヤフラム部の中心に関して対称な位置に、２つ設けられている」とは、ダイヤフラム部上に位置する２つの点であってダイヤフラム部の中心に関して対称な２つの点のうち、一方の点に一方の圧力検知素子が重なるように設けられ、他方の点に他方の圧力検知素子が重なるように設けられていることをいう。
【００２１】
さらに、前記いずれかの圧力センサであって、前記ダイヤフラム部は、金属からなり、前記圧力検知素子は、前記ダイヤフラム部上に、ガラスによって接合されている圧力センサとすると良い。
【００２２】
軟らかい材料からなる接合材によって、圧力検知素子を、金属製のダイヤフラム部上に接合した場合は、ダイヤフラム部の歪み（変形）が、軟らかい材料からなる接合材を介して圧力検知素子に伝わる構造となるので、圧力検知素子に歪みが生じ難くなり（軟らかい接合材によってダイヤフラム部の歪みの一部が吸収されることで、ダイヤフラム部の歪みに対する圧力検知素子における歪みの追従性が低下し）、圧力検知の精度が低下する虞がある。
【００２３】
これに対し、上述の圧力センサでは、硬い材料であるガラスによって、圧力検知素子を、金属製のダイヤフラム部上に接合している。このようにすることで、ダイヤフラム部の歪み（変形）に追従するように、適切に圧力検知素子に歪み（変形）を生じさせることができる。これにより、上述の圧力センサでは、精度良く圧力検知をすることができる。
【００２４】
さらに、前記いずれかの圧力センサであって、前記第１方向及び前記第２方向に直交する軸線方向に延びる形態を有し、前記軸線方向の先端側から受けた圧力の変化に応じて前記軸線方向に変位する変位部材、を備え、前記ダイヤフラム部は、前記軸線方向に貫通する貫通孔を有する円環状をなし、前記変位部材は、前記ダイヤフラム部の前記貫通孔に挿通された態様で、前記ダイヤフラム部の内側に固定されており、前記ダイヤフラム部は、前記圧力の変化に伴う前記変位部材の変位に応じて、当該ダイヤフラム部に歪みが生じるように構成されている圧力センサとすると良い。
【００２５】
上述の圧力センサは、軸線方向の先端側から受けた圧力の変化に応じて軸線方向に変位する変位部材を備えている。そして、ダイヤフラム部が、圧力の変化に伴う変位部材の変位に応じて、当該ダイヤフラム部に歪みが生じるように構成されている。このような構成の圧力センサにおいても、前述したように、適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子を小型化することが可能となる。
【００２６】
なお、変位部材としては、例えば、軸線方向に延びる棒状の部材が挙げられる。また、この棒状の部材としては、例えば、軸線方向の先端側にヒータ部材を含むものや、ヒータ部材を有しない単なる棒状の部材などが挙げられる。
【００２７】
さらに、前記の圧力センサであって、前記変位部材は、前記軸線方向の先端側に、ヒータ部材を含む圧力センサとすると良い。
【００２８】
上述の圧力センサとしては、例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関本体に取り付けられ、燃焼室内の圧力（燃焼圧）を検知し、さらには、燃焼室内を加熱（予熱）するものが挙げられる。このような構成の圧力センサにおいても、前述したように、適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態にかかる圧力センサの外観図である。
【図２】同圧力センサの縦断面図である。
【図３】図２のＡ部拡大図である。
【図４】ダイヤフラム体の斜視断面図である。
【図５】ダイヤフラム部上に設けられた圧力検知素子を示す平面図である。
【図６】図５のＢ部拡大図である。
【図７】図５のＣ部拡大図である。
【図８】実施形態にかかる圧力センサのホイートストンブリッジ回路図である。
【図９】圧力検知素子の製造方法を説明する図である。
【図１０】圧力検知素子の製造方法を説明する他の図である。
【図１１】圧力検知素子の製造方法を説明する他の図である。
【図１２】圧力検知素子の製造方法を説明する他の図である。
【図１３】圧力検知素子の製造方法を説明する他の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（実施形態）
次に、実施形態にかかる圧力センサ１０について、図面を参照して説明する。図１は、実施形態にかかる圧力センサ１０の外観図（側面図）である。図２は、圧力センサ１０の縦断面図であり、軸線ＡＸを含む位置で圧力センサ１０を軸線方向ＤＸ（軸線ＡＸに沿う方向）に切断した断面図である。また、図３は、図２のＡ部拡大図である。なお、図１〜図３では、圧力センサ１０の軸線ＡＸに沿う軸線方向ＤＸのうち、ヒータ部材１３１が配置された側（図中下側）を先端側ＸＳ、これと反対側（図中上側）を後端側ＸＫとする。
【００３１】
本実施形態の圧力センサ１０は、後述するように、ヒータ部材１３１を含む変位部材１３０を備える圧力センサである。この圧力センサ１０は、ディーゼルエンジンの内燃機関本体（図示なし）に取り付けられ、燃焼室内の圧力（燃焼圧）を検知し、さらには、燃焼室内を加熱（予熱）する。
【００３２】
具体的には、圧力センサ１０は、軸線方向ＤＸに延びる筒状のハウジング１００と、軸線方向ＤＸに延びる棒状の変位部材１３０と、変位部材１３０に接続されたダイヤフラム体１４０と、圧力検知素子１５０と、コネクタ部材２００と、保護筒２１０とを備えている（図１〜図３参照）。
【００３３】
このうち、ハウジング１００は、軸線方向ＤＸの先端側ＸＳに位置する筒状の第１ハウジング部１１０と、この第１ハウジング部１１０よりも後端側ＸＫに位置する筒状の第２ハウジング部１２０とを有する。なお、第１ハウジング部１１０及び第２ハウジング部１２０は、炭素鋼やステンレス鋼などの金属によって形成されている。
【００３４】
第１ハウジング部１１０は、円筒部１１１と、円筒部１１１から先端側ＸＳに向かって縮径するテーパー状（傾斜面状）のシール部１１２とを有している。シール部１１２の先端側ＸＳに位置する開口１１２ｂからは、後述する変位部材１３０のヒータ部材１３１が露出（突出）している。なお、開口１１２ｂの内径は、変位部材１３０の外径よりも大きくされている。
【００３５】
本実施形態の圧力センサ１０は、第１ハウジング部１１０のシール部１１２の少なくとも一部が、取付対象体としての内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に接触する態様で、変位部材１３０に含まれるヒータ部材１３１の先端側ＸＳが燃焼室内に配置されるようにして、シリンダヘッドに取り付けられる。このようにして、圧力センサ１０がシリンダヘッドに装着される際、シール部１１２の少なくとも一部が、シリンダヘッドのプラグ開口部（図示しない）に押圧接触されることで、内燃機関の燃焼室の気密が実現される。
【００３６】
また、第２ハウジング部１２０は、円筒状をなしている。第２ハウジング部１２０の後端部には、工具係合部１２２が形成されている。この工具係合部１２２には、取付対象体としての内燃機関に対する圧力センサ１０の装着および取り外しに用いられる工具（図示せず）が係合する。さらに、第２ハウジング部１２０のうち工具係合部１２２よりも先端側ＸＳの部位には、圧力センサ１０を内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのネジ部１２１（雄ネジ）が形成されている。従って、圧力センサ１０は、ネジ部１２１が、シリンダヘッドのプラグ取り付け穴に形成されている雌ネジ（図示せず）と螺合することによって、内燃機関に固定される。
【００３７】
さらに、第２ハウジング部１２０の後端側ＸＫにはコネクタ部材２００が配置されている（図２参照）。このコネクタ部材２００は、円筒形状をなし、電気絶縁性を有する部材、例えば、絶縁樹脂によって形成されている。さらに、コネクタ部材２００の内側には、端子部材２２０が保持されている。
第２ハウジング部１２０とコネクタ部材２００とは、保護筒２１０によって機械的に接続されている。この保護筒２１０は、円筒形状をなし、導電性を有する部材、例えば、ステンレス鋼によって形成されている。
【００３８】
また、変位部材１３０は、軸線方向ＤＸに延びる形態を有し、後述するように、軸線方向ＤＸの先端側ＸＳ（燃焼室側）から受けた圧力（燃焼圧）の変化に応じて軸線方向ＤＸに変位する。この変位部材１３０は、ヒータ部材１３１と、ヒータ部材１３１の周囲を覆う外筒１３２と、ヒータ部材１３１よりも後端側ＸＫに配置されている中軸１３３と、ヒータ部材１３１と中軸１３３とを接続するリング１３４とを備えている。
【００３９】
このうち、ヒータ部材１３１は、セラミック組成物からなる棒状の発熱素子である。このヒータ部材１３１は、軸線方向ＤＸに延びる棒状の基体１３１ａと、この基体１３１ａに内包されている所定のパターンを有する抵抗発熱体（図示しない）とを備える。基体１３１ａは、電気絶縁性を有する絶縁性セラミック材料によって形成されており、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を主成分とする絶縁性セラミック材料が用いられる。
【００４０】
また、発熱抵抗体は、導電性を有する導電性セラミック材料によって形成されており、 導電性セラミック材料としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ） と窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）の混合物を主成分とする導電性セラミック材料が用いられる。この発熱抵抗体には、正電極と負電極（図示しない）とが接続されており、正電極は、後述するリング１３４と電気的に接続されており、負電極は、外筒１３２に対して電気的に接続されている。
【００４１】
外筒１３２は、円筒状の金属製部材であり、例えば、 ステンレス鋼によって形成される。外筒１３２には、ヒータ部材１３１が圧入によって嵌め込まれており、その先端と後端からはヒータ部材１３１が露出している。ヒータ部材１３１が金属製の外筒１３２の内側に嵌め込まれて固定されていることで、ヒータ部材１３１を含む変位部材１３０が、外筒１３２を通じて、金属製のダイヤフラム体１４０と溶接によって接合可能とされている。
【００４２】
中軸１３３は、円柱状の金属製部材であり、例えば、ステンレス鋼によって形成される。また、リング１３４は、円筒状の金属製部材であり、例えば、ステンレス鋼によって形成される（図２参照）。
リング１３４の先端側ＸＳには、ヒータ部材１３１の後端部が圧入によって嵌め込まれている。また、リング１３４の後端側ＸＫには、中軸１３３の先端部が圧入によって嵌め込まれている。これにより、ヒータ部材１３１と中軸１３３とは、リング１３４によって、機械的に接続されると共に電気的に接続される（図２参照）。
【００４３】
また、中軸１３３の後端部は、端子バネ２４０を介して、端子部材２２０と機械的に且つ電気的に接続されている（図２参照）。端子バネ２４０は、導電性および弾性を有する部材、例えば、ステンレス鋼によって形成されており、湾曲部を有する板バネ形状をなしている。この端子バネ２４０は、燃焼室内の圧力変動によって変位部材１３０が軸線方向ＤＸに変位するのに伴って、軸線方向ＤＸに弾性的に伸縮することで、変位部材１３０の変位を吸収する。
【００４４】
本実施形態の圧力センサ１０では、電力供給配線（図示しない） を通じて外部電源からコネクタ部材２００に対して電力が入力され、入力された電力が、端子バネ２４０、中軸１３３、リング１３４を通じて、ヒータ部材１３１の正電極に供給されるように構成されている。
【００４５】
ダイヤフラム体１４０は、平面視において円環状の金属製部材であり、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ等を含有するニッケル合金によって形成される。このダイヤフラム体１４０は、外周円形状のダイヤフラム部１４４を有する。ダイヤフラム部１４４は、軸線方向ＤＸに貫通する貫通孔１４４ｂを有する円環状をなしている。ダイヤフラム体１４０は、ハウジング１００内において、変位部材１３０を軸線方向ＤＸに変位可能に保持している。より具体的には、変位部材１３０が、ダイヤフラム部１４４の貫通孔１４４ｂに挿通された態様で、ダイヤフラム部１４４の内側に固定されている。ダイヤフラム部１４４は、燃焼室内の圧力の変化に伴う変位部材１３０の変位に応じて、主に当該ダイヤフラム部１４４の径方向に歪みが生じるように構成されている。
【００４６】
ダイヤフラム体１４０は、略環状の本体部１４１と、本体部１４１の外周面の全周にわたって突出するフランジ部１４５とを備えている（図３及び図４参照）。本体部１４１は、変位部材１３０（外筒１３２）の外周面に接する第１環状壁１４２と、第２ハウジング部１２０の内周面に対向する第２環状壁１４３と、第１環状壁１４２と第２環状壁１４３とを接続する円環状のダイヤフラム部１４４とを備えている。
【００４７】
第１環状壁１４２の内周面の先端側ＸＳには、リング状の突状部１４２ａが形成されている。第１環状壁１４２は、突状部１４２ａを介して、変位部材１３０の外筒１３２と溶接によって接合されている。また、フランジ部１４５は、第１ハウジング部１１０の後端面と第２ハウジング部１２０の先端面との間に挟まれており、フランジ部１４５の先端面及び後端面１４５ａは、第１ハウジング部１１０の後端面及び第２ハウジング部１２０の先端面とそれぞれ溶接によって接合されている。これにより、ハウジング１００と変位部材１３０とが、ダイヤフラム体１４０を通じて接続され、第２ハウジング部１２０の内周面と変位部材１３０の外周面との間の空間が封止される。
【００４８】
なお、本実施形態においては、第１ハウジング部１１０がシリンダヘッド（図示なし）と接触し、ダイヤフラム体１４０はシリンダヘッドとは接触しない。さらに、本実施形態においては、第２環状壁１４３は、フランジ部１４５よりも先端側ＸＳに延びる延長部１４３ａを有している。なお、延長部１４３ａの外径は、フランジ部１４５よりも後端側ＸＫにおける第２環状壁１４３の外径よりも大きい。すなわち、延長部１４３ａにおける第２環状壁１４３の壁の厚さは、延長部１４３ａを有しない部分における第２環状壁１４３の壁の厚さよりも厚い。
【００４９】
ダイヤフラム体１４０のダイヤフラム部１４４の表面１４４ａには、圧力検知素子１５０が搭載されている（図３参照）。詳細には、図５に示すように、圧力検知素子１５０は、ダイヤフラム部１４４の中心Ｏ（軸線ＡＸ）に関して対称な位置に、２つ設けられている。２つの圧力検知素子１５０は、耐熱性を有するガラスによって、ダイヤフラム部１４４の表面１４４ａに接合されている。この圧力検知素子１５０には、ハウジング１００内の所定の位置に配置されている集積回路（図示しない）が、図示しないワイヤを通じて電気的に接続されている。
【００５０】
本実施形態の圧力センサ１０では、燃焼室内の圧力（燃焼圧）の変動に伴って変位部材１３０が軸線方向ＤＸに変位すると、変位部材１３０（外筒１３２）に接続されているダイヤフラム部１４４が変形する（ダイヤフラム部１４４に歪みが生じる）と共に、ダイヤフラム部１４４の表面１４４ａ上に設けられている圧力検知素子１５０にも歪みが生じる。集積回路（図示なし）は、ダイヤフラム部１４４の変形（歪み）を、これと共に変形する（歪む）圧力検知素子１５０の抵抗値の変化に基づいて検知（測定）することで、内燃機関の燃焼圧を検知する。集積回路は、検知された燃焼圧を示す電気信号を、コネクタ部材２００に挿入されている配線（図示なし）を通じて、外部のコントローラ（例えば、エンジンコントローラ等）に出力する。
【００５１】
ここで、本実施形態の圧力検知素子１５０について、詳細に説明する。図６は、図５のＢ部拡大図であり、図７は、図５のＣ部拡大図である。なお、図６に示す圧力検知素子１５０と図７に示す圧力検知素子１５０とは、同等品であり、平面方向についての向きを異ならせて、ダイヤフラム部１４４の表面１４４ａ上に設けられている。
【００５２】
圧力検知素子１５０は、図６及び図７に示すように、矩形状のシリコン基板１５１と、シリコン基板１５１上に形成された第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３と、シリコン基板１５１上に形成された第１電極パッド１５４、第２電極パッド１５５、及び第３電極パッド１５６とを有する。第１歪みゲージ１５２は、ピエゾ抵抗体からなり、シリコン基板１５１の第１辺１５１ｂに沿う第１方向Ｄ１の歪みを検知する。第２歪みゲージ１５３は、ピエゾ抵抗体からなり、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２の歪みを検知する。なお、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２は、軸線方向ＤＸに直交する方向である。
【００５３】
第１電極パッド１５４には、蛇腹状のパターンを有する第１歪みゲージ１５２の一端部が接続する。第２電極パッド１５５には、蛇腹状のパターンを有する第２歪みゲージ１５３の一端部が接続する。第３電極パッド１５６には、第１歪みゲージ１５２の他端部及び第２歪みゲージ１５３の他端部が接続する。すなわち、第３電極パッド１５６は、第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３に共通の電極パッドである。
【００５４】
第１歪みゲージ１５２は、複数の第１検知部１５２ｂと、複数の第１接続部１５２ｃとを有する。第１検知部１５２ｂは、第１方向Ｄ１に線状に延びる形態をなし、第１方向Ｄ１の歪みを検知する。複数の第１検知部１５２ｂは、第２方向Ｄ２に隙間を空けて平行に配置されている。第１接続部１５２ｃは、第２方向Ｄ２に隣り合う第１検知部１５２ｂ同士を接続する。
【００５５】
第２歪みゲージ１５３は、複数の第２検知部１５３ｂと、複数の第２接続部１５３ｃとを有する。第２検知部１５３ｂは、第２方向Ｄ２に線状に延びる形態をなし、第２方向Ｄ２の歪みを検知する。複数の第２検知部１５３ｂは、第１方向Ｄ１に隙間を空けて平行に配置されている。第２接続部１５３ｃは、第１方向Ｄ１に隣り合う第２検知部１５３ｂ同士を接続する。
なお、本実施形態では、第２検知部１５３ｂの本数を第１検知部１５２ｂの本数よりも少なくし、第２検知部１５３ｂの長さを第１検知部１５２ｂの長さよりも長くしている。
【００５６】
本実施形態の圧力検知素子１５０では、図６及び図７に示すように、第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３が、シリコン基板１５１の中央部ＣＡ（図６及び図７において二点鎖線で示す円ＫＣの内側の領域）において隣接するように配置されている。すなわち、シリコン基板１５１の中央部ＣＡ内に、第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３との隣接位置が含まれるようにしている。さらに、第１電極パッド１５４と第２電極パッド１５５と第３電極パッド１５６が、シリコン基板１５１の外周を構成する各辺１５１ｂ〜１５１ｅに接するように、シリコン基板１５１のうち中央部ＣＡの周囲に位置する周囲部ＲＡ（図６及び図７において二点鎖線で示す円ＫＣの外側の領域）に配置されている。
【００５７】
このような配置とすることで、圧力検知素子１５０を小型化するために第１〜第３電極パッド１５４〜１５６を小さくする場合でも、従来の圧力検知素子に比べて、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３のパターン設計の自由度が高くなり、センサ感度が低下しないように第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３の長さを確保しつつも、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３をコンパクトに配置することが可能となる。これにより、適切に（圧力検知の感度の低下を抑制しつつ）、圧力検知素子１５０を小型化することが可能となる。
【００５８】
その上、第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３を、シリコン基板１５１の中央部ＣＡにおいて隣接するように配置することで（すなわち、第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３とを近接して配置することで）、ダイヤフラム部１４４の表面１４４ａ上の略同じ位置における歪みを、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３で検知することができ、圧力検知の精度を良好にすることが可能となる。
【００５９】
また、本実施形態の圧力検知素子１５０では、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３が、シリコン基板１５１の周縁部ＯＡ（図６及び図７において二点鎖線で示す四角形ＫＳの外側の領域）に配置されることなく、周縁部ＯＡよりもシリコン基板１５１の内側（中心側）に位置する内側領域ＩＡ（図６及び図７において二点鎖線で示す四角形ＫＳの内側の領域）内に配置されている。このような位置に第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３を配置することで、仮に、圧力検知素子１５０を製造する過程において、圧力検知素子１５０の周縁（外周）に他部材が接触した場合でも、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３に他部材が接触することを防止することができ、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３が損傷するのを防止することができる。
【００６０】
さらに、本実施形態の圧力センサ１０では、ダイヤフラム部１４４が、外周円形状をなし、測定対象である圧力（燃焼室内の圧力）に応じて、当該ダイヤフラム部１４４の径方向に歪みが生じる形態（具体的には円環板形状）を有している。このダイヤフラム部１４４は、測定対象である圧力の変化に伴う変位部材１３０の軸線方向ＤＸへの変位に応じて、当該ダイヤフラム部１４４の径方向に歪みが生じる。
【００６１】
さらに、本実施形態の圧力センサ１０では、圧力検知素子１５０の第１方向Ｄ１がダイヤフラム部１４４の径方向に沿うように、圧力検知素子１５０がダイヤフラム部１４４の表面１４４ａ上に設けられている（図５〜図７参照）。
【００６２】
すなわち、本実施形態の圧力センサ１０では、第１歪みゲージ１５２によって、測定対象である圧力（燃焼室内の圧力）に応じてダイヤフラム部１４４に生じる径方向の歪みを検知するようにしている。ここで、第１歪みゲージ１５２は、第２歪みゲージ１５３と比較して、検知部の本数が多いため、ダイヤフラム部１４４に生じる歪みを精度良く検知することができる。このため、本実施形態の圧力センサ１０では、測定対象である圧力に応じてダイヤフラム部１４４に生じる径方向の歪みを、精度良く検知することができる。
【００６３】
なお、圧力検知素子１５０の第２方向Ｄ２は、ダイヤフラム部１４４の周方向（接線方向）に一致している。従って、本実施形態の圧力センサ１０では、第２歪みゲージ１５３によって、ダイヤフラム部１４４に生じる周方向の歪みを検知するようにしている。
【００６４】
さらに、本実施形態の圧力センサ１０では、円環状のダイヤフラム部１４４に対し、圧力検知素子１５０を、ダイヤフラム部１４４の中心Ｏ（軸線ＡＸ）に関して対称な位置に２つ設けている（図５参照）。従って、２つの圧力検知素子１５０が、ダイヤフラム部１４４上において、ダイヤフラム部１４４の径方向について対向して配置されている。このような位置に圧力検知素子１５０を設けることで、測定対象である圧力に応じてダイヤフラム部１４４の径方向に生じる歪みを、精度良く検知することができる。
【００６５】
なお、２つの圧力検知素子１５０に含まれる２つの第１歪みゲージ１５２と２つの第２歪みゲージ１５３とは、図８に示すように、ホイートストンブリッジ回路を構成するように接続されている。すなわち、一方の圧力検知素子１５０において第３電極パッド１５６を通じて第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３とが直列接続されている回路と、他方の圧力検知素子１５０において第３電極パッド１５６を通じて第１歪みゲージ１５２と第２歪みゲージ１５３とが直列接続されている回路とを、並列接続して、ホイートストンブリッジ回路を構成している。なお、図８には、定電圧源を用いたホイートストンブリッジ回路を構成した例を示しているが、定電流源を用いたホイートストンブリッジ回路を構成するようにしても良い。
【００６６】
ところで、軟らかい材料からなる接合材によって、圧力検知素子１５０を、金属製のダイヤフラム部１４４に接合した場合は、ダイヤフラム部１４４の歪み（変形）が、軟らかい材料からなる接合材を介して圧力検知素子１５０に伝わる構造となるので、圧力検知素子１５０に歪みが生じ難くなり（軟らかい接合材によってダイヤフラム部１４４の歪みの一部が吸収されることで、ダイヤフラム部１４４の歪みに対する圧力検知素子１５０における歪みの追従性が低下し）、圧力検知の精度が低下する虞がある。
【００６７】
これに対し、本実施形態の圧力センサ１０では、硬い材料であるガラスによって、圧力検知素子１５０を、金属製のダイヤフラム部１４４の表面１４４ａ上に接合している。このようにすることで、ダイヤフラム部１４４の歪み（変形）に追従するように、適切に圧力検知素子１５０に歪み（変形）を生じさせることができる。これにより、本実施形態の圧力センサ１０では、精度良く圧力検知をすることができる。
【００６８】
次に、圧力検知素子１５０の製造方法について、図９〜図１３を参照して簡単に説明する。なお、図９〜図１３は、各層を模式的に示した図であり、各層の正確な断面図ではない。
【００６９】
まず、図９に示すように、シリコンウエハ１６１（シリコン基板１５１をなすウエハ）を用意する。次いで、図１０に示すように、シリコンウエハ１６１の表面に、シリコンエピタキシャル層１６２（Ｓｉエピ層ともいう、第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３をなす層）を形成する。次に、図１１に示すように、シリコンエピタキシャル層１６２の表面上の所定位置に、スパッタリングによって金属を堆積させる。これにより、シリコンエピタキシャル層１６２の表面上の所定位置に、電極パッド層１６４（第１電極パッド１５４、第２電極パッド１５５、及び第３電極パッド１５６をなす層）が形成される。
【００７０】
次いで、図１２に示すように、シリコンエピタキシャル層１６２側（図１２において上方）から、イオンエッチング処理を行い、所定パターンの第１歪みゲージ１５２及び第２歪みゲージ１５３を形成する。その後、図１３に示すように、シリコンウエハ１６１の裏面（図１３において下面）を研磨加工（ラッピング加工）して、シリコンウエハ１６１を所定の厚みに調整することで、圧力検知素子１５０が完成する。
【００７１】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００７２】
例えば、実施形態では、変位部材として、軸線方向ＤＸに延びる棒状のヒータ部材１３１を有する変位部材１３０を示した。しかしながら、本発明は、変位部材として、ヒータ部材に代えて、軸線方向ＤＸに延びる単なる棒状の部材（例えば、先端側ＸＳが閉じた筒状の金属部材）を有する変位部材を用いるようにしても良い。
【００７３】
また、実施形態では、圧力センサとして、変位部材１３０を備える圧力センサ１０を示した。しかしながら、本発明は、例えば、特許文献１の図１に示されている圧力センサと同様の構成を有するような圧力センサにも適用される。すなわち、本発明は、変位部材を備えることなく、検出対象である圧力に応じて自身に歪みが生じるダイヤフラム部と、ダイヤフラム部上に設けられた矩形状の圧力検知素子とを備える圧力センサにも適用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１０  圧力センサ
１００  ハウジング
１３０  変位部材
１３１  ヒータ部材
１４０  ダイヤフラム体
１４４  ダイヤフラム部
１４４ｂ  貫通孔
１５０  圧力検知素子
１５１  シリコン基板
１５１ｂ  シリコン基板の外周を構成する各辺（第１辺）
１５１ｃ  シリコン基板の外周を構成する各辺（第２辺）
１５１ｄ  シリコン基板の外周を構成する各辺（第３辺）
１５１ｅ  シリコン基板の外周を構成する各辺（第４辺）
１５２  第１歪みゲージ
１５２ｂ  第１検知部
１５２ｃ  第１接続部
１５３  第２歪みゲージ
１５３ｂ  第２検知部
１５３ｃ  第２接続部
１５４  第１電極パッド
１５５  第２電極パッド
１５６  第３電極パッド
２００  コネクタ部材
ＣＡ  シリコン基板の中央部
ＲＡ  シリコン基板の周囲部
ＯＡ  シリコン基板の周縁部
ＩＡ  シリコン基板の内側領域
Ｄ１  第１方向
Ｄ２  第２方向
ＤＸ  軸線方向
ＸＳ  軸線方向先端側
ＸＫ  軸線方向後端側
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2019219280.tif 000014
【図１３】
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