(57)【要約】【課題】氷の形成によって圧力センサに損傷が生じることが抑制された圧力センサ装置を提供する。【解決手段】圧力センサ（１０）と、圧力センサを収納するハウジング（３０）と、を有する圧力センサ装置であって、ハウジングには、圧力センサへと被検出流体を導く導入孔（３１）が形成されており、導入孔の中心を通る中心線（ＣＬ）に直交する横方向におけるハウジングの厚さは、圧力センサから離れるにしたがって厚くなり、ハウジングの比熱が圧力センサから離れるにしたがって大きくなっている。【選択図】図２
2015001443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力センサ（１０）と、
前記圧力センサを収納するハウジング（３０）と、を有する圧力センサ装置であって、
前記ハウジングには、前記圧力センサへと被検出流体を導く導入孔（３１）が形成されており、
前記導入孔の中心を通る中心線（ＣＬ）に直交する横方向における前記ハウジングの厚さは、前記圧力センサから離れるにしたがって厚くなり、前記ハウジングの比熱が前記圧力センサから離れるにしたがって大きくなっていることを特徴とする圧力センサ装置。
【請求項２】
前記圧力センサは、半導体基板（１１）と、前記半導体基板に形成されたセンサ素子（１２）と、を有し、
前記半導体基板のほうが前記ハウジングよりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
【請求項３】
前記圧力センサは、前記半導体基板と前記センサ素子の他に、前記半導体基板を支持する支持基板（１３）を有し、
前記支持基板のほうが前記ハウジングよりも熱伝導率が高く、前記半導体基板よりも熱伝導率が低いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ装置。
【請求項４】
前記半導体基板には局所的に厚さの薄くなった凹部（１４）が形成され、
前記凹部の表面は環状の壁面（１５）と底面（１６）から成り、
前記支持基板には前記凹部と前記導入孔とを連通する連通孔（１７）が形成されており、
前記凹部の環状の壁面の径は、前記支持基板の連通孔を構成する壁面の径よりも短いことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧力センサ装置。
【請求項５】
前記凹部の開口面よりも前記導入孔における前記圧力センサ側の開口面が広く、
前記凹部の開口面のすべてが前記導入孔における前記圧力センサ側の開口面と連通されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ装置。
【請求項６】
前記凹部の壁面と前記連通孔の壁面とが連続していることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の圧力センサ装置。
【請求項７】
前記凹部の底面の裏面に前記センサ素子が形成されていることを特徴とする請求項４〜６いずれか１項に記載の圧力センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサと、圧力センサを収納するハウジングと、を有する圧力センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、凹部が形成され、凹部の底をなすダイアフラムにゲージ抵抗が形成されたセンサチップと、センサチップを支持する支持部材と、ダイアフラムを保護するゲル部材と、を備える圧力センサが提案されている。支持部材には凹部に連通する圧力伝達路が形成され、凹部にゲル部材が充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１２２８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように特許文献１に示される圧力センサでは、圧力伝達路に連通する凹部にゲル部材が充填されている。圧力センサの用途や外部環境によっては、圧力伝達路と凹部それぞれに水が充填され、その水が凍りつく虞がある。水は氷になると体積膨張するので、その体積膨張に応じた応力が上記したゲル部材に印加される。この応力によってゲル部材は変形するが、周囲を凹部、圧力伝達路、そして氷によって囲まれているために変化するスペースがなく、周囲にある凹部、圧力伝達路、および、氷それぞれに応力が伝達される。この結果、凹部の底をなすダイアフラムが変形し、ダイアフラムに損傷が生じる虞がある。
【０００５】
そこで、上記した圧力センサからゲル部材を取り除いた構成を考えることもできる。しかしながら、この場合においてもダイアフラムに損傷が生じる虞がある。
【０００６】
圧力伝達路に充填された水が凍りつくすべての過程において、氷の体積膨張による応力が凹部や圧力伝達路を構成する壁面に印加されるわけではない。水が凍り始めると、水と氷とが混ざった状態になる。この状態において氷の形成が進行したとしても、周囲にあるのは液体の水なので、水は流動し、凹部や圧力伝達路を構成する壁面に氷の体積膨張による応力が印加されることはない。しかしながら氷の形成が進行すると、最後に凍りつく水は周囲を固体の氷で囲まれることとなる。したがって最後の水は、周囲にある氷を押しやって凍りつくこととなり、この周囲にある氷を押しやる際の応力が、氷を介して凹部や圧力伝達路を構成する壁面に印加される。このように、最後の水が凍りつくときに応力が生じる。
【０００７】
上記したように、特許文献１に示される圧力センサからゲル部材を取り除いた場合、センサチップと圧力伝達路それぞれの外面は外部環境に晒されているので、凹部と圧力伝達路それぞれの内面に接触している水、および、外部環境に晒されている水面それぞれから氷の形成が進行する。したがって氷の形成は、水を囲む氷の檻が形成された後、その檻を形作る氷の厚みが徐々に増し、檻に囲まれた水の量が徐々に減るように進行する。圧力センサに特殊な形状や材料構成に工夫がなされていない場合、最後に凍りつく水の位置は、凹部の深さを無視すると圧力導入路の中心となる。この場合、圧力導入路の中心と凹部との間に、この両者の距離に応じた厚みの氷が形成される。この氷は凹部、および、圧力導入路を構成する壁面それぞれに密着している。そのため、上記した圧力導入路の中心に取り残された最後の水が凍りつく際、その膨張に応じた応力が圧力導入路の中心と凹部との間に形成された氷に印加されたとしても、この応力が凹部や圧力導入路を構成する壁面には印加されがたく、たとえば水面を構成していた氷に亀裂が生じることで、応力が開放される。しかしながら、この氷の厚さが十分でない場合、応力の印加によってこの氷に亀裂が生じる虞がある。上記したように氷と凹部とは密着しているので、氷の亀裂によってダイアフラムに損傷が生じる虞がある。
【０００８】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、氷の形成によって圧力センサに損傷が生じることが抑制された圧力センサ装置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】
【０００９】
上記した目的を達成するために、本発明は、圧力センサ（１０）と、圧力センサを収納するハウジング（３０）と、を有する圧力センサ装置であって、ハウジングには、圧力センサへと被検出流体を導く導入孔（３１）が形成されており、導入孔の中心を通る中心線（ＣＬ）に直交する横方向におけるハウジングの厚さは、圧力センサから離れるにしたがって厚くなり、ハウジングの比熱が圧力センサから離れるにしたがって大きくなっていることを特徴とする。
【００１０】
このように本発明では、ハウジング（３０）の比熱が圧力センサ（１０）から離れるにしたがって大きくなっている。したがって導入孔（３１）に水が充填され、その水が凍りつく場合、ハウジング（３０）における圧力センサ（１０）側の部位と接触している水のほうが、圧力センサ（１０）から離れた部位と接触している水よりも凍りやすい。したがって最後に凍りつく水の位置は、導入孔（３１）の中心よりも、圧力センサ（１０）から離れた側となる。以上により、最後に凍りつく水の位置が導入孔（３１）の中心となる構成と比べて、最後に凍りつく水と圧力センサ（１０）との間に形成される氷（以下、単に氷と示す）における中心線（ＣＬ）に沿う方向の長さ（厚さ）が長くなる。そのため、導入孔（３１）に取り残された最後の水が凍りつく際、その膨張に応じた応力が氷に印加されたとしても、この応力の印加によって氷に亀裂が生じることが抑制される。この結果、氷の亀裂によって圧力センサ（１０）に損傷が生じることが抑制される。
【００１１】
圧力センサは、半導体基板（１１）と、半導体基板に形成されたセンサ素子（１２）と、を有し、半導体基板のほうがハウジングよりも熱伝導率が高い構成が好ましい。これによれば、半導体基板（１１）のほうがハウジング（３０）よりも熱伝導率が低い構成と比べて、ハウジング（３０）における圧力センサ（１０）側の部位と接触している水を、圧力センサ（１０）から離れた部位と接触している水よりもはやく氷結させることができる。したがって氷の厚みが増し、導入孔（３１）に取り残された最後の水が凍りつくことで生じる応力の印加によって氷に亀裂が生じることが抑制される。この結果、圧力センサ（１０）に損傷が生じることが抑制される。
【００１２】
圧力センサ（１０）は、半導体基板とセンサ素子の他に、半導体基板を支持する支持基板（１３）を有し、支持基板のほうがハウジングよりも熱伝導率が高く、半導体基板よりも熱伝導率が低い構成が好ましい。これによれば、熱伝導率がハウジング（３０）、支持基板（１３）、半導体基板（１１）の順に高くなる。そのため熱伝導率が反対の関係となっている構成と比べて、ハウジング（３０）における圧力センサ（１０）側の部位と接触している水を、圧力センサ（１０）から離れた部位と接触している水よりもはやく氷結させることができる。これにより、最後まで凍りつく水の位置が圧力センサ（１０）からより遠くに位置することとなり、氷の厚さが増す。この結果、導入孔（３１）に取り残された最後の水が凍りつくことで生じる応力の印加によって氷に亀裂が生じることが抑制され、圧力センサ（１０）に損傷が生じることが抑制される。
【００１３】
半導体基板には局所的に厚さの薄くなった凹部（１４）が形成され、凹部の表面は環状の壁面（１５）と底面（１６）から成り、支持基板には凹部と導入孔とを連通する連通孔（１７）が形成されており、凹部の環状の壁面の径は、支持基板の連通孔を構成する壁面の径よりも短い構成が良い。これによれば、凹部（１４）の環状の壁面（１５）の径が、支持基板（１３）の連通孔（１７）を構成する壁面の径よりも長い構成とは異なり、凹部（１４）の一部が支持基板（１３）と対向せず、両者の間に水などが滞留する滞留領域が形成されることが抑制される。そのため、滞留領域に設けられた水が凍ることで、この氷と凹部（１４）の底面（１６）とが接触することが抑制される。この結果、滞留領域に形成された氷によって圧力センサ（１０）（凹部（１４））に損傷が生じることが抑制される。
【００１４】
凹部の開口面よりも導入孔における圧力センサ側の開口面が広く、凹部の開口面のすべてが導入孔における圧力センサ側の開口面と連通されている構成が良い。これによれば、凹部（１４）の開口面よりも導入孔（３１）における圧力センサ（１０）側の開口面が狭く、凹部（１４）の開口面の一部が導入孔（３１）における圧力センサ（１０）側の開口面と連通されている構成とは異なり、凹部（１４）の一部がハウジング（３０）の一面と対向せず、両者の間に水などが滞留する滞留領域が形成されることが抑制される。そのため、滞留領域に設けられた水が凍ることで、この氷と凹部（１４）の底面（１６）との接触が抑制される。この結果、滞留領域に形成された氷によって圧力センサ（１０）（凹部（１４））に損傷が生じることが抑制される。
【００１５】
なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけているが、この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサ装置の概略構成を示す上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】圧力センサ装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１および図２に基づいて、本実施形態に係る圧力センサ装置を説明する。図１では後述する底面１６を破線で示している。以下においては互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。またｘ方向とｙ方向とによって規定される平面を規定平面と示す。
【００１８】
図１および図２に示すように、圧力センサ装置１００は、被検出流体の圧力を検出する圧力センサ１０と、圧力センサ１０を収納するハウジング３０と、を有する。ハウジング３０には、圧力センサ１０へと被検出流体を導く導入孔３１が形成されており、この導入孔３１によって導かれた被検出流体の圧力が圧力センサ１０に印加される。
【００１９】
圧力センサ１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１に形成されたセンサ素子１２と、半導体基板１１を支持する支持基板１３と、を有する。半導体基板１１はシリコン基板であり、局所的に厚さの薄くなった凹部１４が形成されている。凹部１４の表面は、環状の壁面１５と、壁面１５によって構成される２つの開口部の内の一方を閉塞する底面１６と、から成り、その底面１６の裏面に上記したセンサ素子１２（ゲージ抵抗）が形成されている。これら凹部１４の表面１５，１６それぞれが被検出流体に晒されており、底面１６を有する底部が被検出流体の圧力に応じて撓むことで、その撓みに応じた電気信号がセンサ素子１２から出力される。このセンサ素子１２から出力された電気信号は、図１に示すコネクタ１０ａを介して外部に出力される。
【００２０】
支持基板１３はセラミック基板であり、凹部１４と導入孔３１とを連通する連通孔１７が形成されている。そして連通孔１７を構成する壁面の径は、環状の壁面１５の径よりも長くなっている。支持基板１３は複数の基板が積層されてなり、それぞれの基板に形成された連通孔１７の径は、圧力センサ１０から離れるにしたがって広がっている。なお本実施形態では、ハウジング３０、支持基板１３、半導体基板１１の順に熱伝導率が高くなっている。
【００２１】
ハウジング３０はＰＢＴまたはＰＰＳから成り、導入孔３１が形成された筒部３２と、圧力センサ１０を支持する環状の支持部３３と、を有する。導入孔３１は筒部３２の中心を通っており、導入孔３１の中心を通る中心線ＣＬに直交する横方向（規定平面に沿う方向）における筒部３２の厚さは、圧力センサ１０から離れるにしたがって厚くなっている。これにより筒部３２の比熱が圧力センサ１０から離れるにしたがって大きくなっている。本実施形態では筒部３２の厚さが３段階に厚くなっており、筒部３２における厚さの異なる部位の比熱が異なっている。
【００２２】
支持部３３は、筒部３２に自身の内環面が連結された環状のフランジ部３３ａと、フランジ部３３ａの外環面に連結された、圧力センサ１０を囲む環状の囲み部３３ｂと、を有する。フランジ部３３ａと囲み部３３ｂそれぞれに接着剤３４を介して圧力センサ１０が機械的に接続され、支持部３３と圧力センサ１０とによって構成されたくぼみに充填された保護部材３５によって圧力センサ１０が被覆保護されている。図２に示すように、圧力センサ１０の凹部１４の開口面よりも導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面の方が広く、凹部１４の開口面のすべてが導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面と連通されている。
【００２３】
次に、本実施形態に係る圧力センサ装置１００の作用効果を説明する。上記したように、ハウジング３０の比熱が圧力センサ１０から離れるにしたがって大きくなっている。したがって導入孔３１に水が充填され、その水が凍りつく場合、ハウジング３０における圧力センサ１０側の部位と接触している水のほうが、圧力センサ１０から離れた部位と接触している水よりも凍りやすい。したがって最後に凍りつく水の位置は、導入孔３１の中心よりも、圧力センサ１０から離れた側となる。以上により、最後に凍りつく水の位置が導入孔の中心となる構成と比べて、最後に凍りつく水と圧力センサ１０との間に形成される氷（以下、単に氷と示す）における中心線ＣＬに沿う方向（ｚ方向）の長さ（厚さ）が長くなる。そのため、導入孔３１に取り残された最後の水が凍りつく際、その膨張に応じた応力が氷に印加されたとしても、この応力の印加によって氷に亀裂が生じることが抑制される。この結果、氷の亀裂によって圧力センサ１０に損傷が生じることが抑制される。
【００２４】
半導体基板１１のほうがハウジング３０よりも熱伝導率が高い。これによれば、半導体基板のほうがハウジングよりも熱伝導率が低い構成と比べて、ハウジング３０における圧力センサ１０側の部位と接触している水を、圧力センサ１０から離れた部位と接触している水よりもはやく氷結させることができる。したがって氷の厚みが増し、導入孔３１に取り残された最後の水が凍りつくことで生じる応力の印加によって氷に亀裂が生じることが抑制される。この結果、圧力センサ１０に損傷が生じることが抑制される。
【００２５】
熱伝導率がハウジング３０、支持基板１３、半導体基板１１の順に高くなっている。そのため熱伝導率が反対の関係となっている構成と比べて、ハウジング３０における圧力センサ１０側の部位と接触している水を、圧力センサ１０から離れた部位と接触している水よりもはやく氷結させることができる。これにより、最後まで凍りつく水の位置が圧力センサ１０からより遠くに位置することとなり、氷の厚さが増す。この結果、導入孔３１に取り残された最後の水が凍りつくことで生じる応力の印加によって氷に亀裂が生じることが抑制され、圧力センサ１０に損傷が生じることが抑制される。
【００２６】
凹部１４の環状の壁面の径は、支持基板１３の連通孔１７を構成する壁面の径よりも短い。これによれば、凹部の環状の壁面の径が、支持基板の連通孔を構成する壁面の径よりも長い構成とは異なり、凹部１４の一部が支持基板１３と対向せず、両者の間に水などが滞留する滞留領域が形成されることが抑制される。そのため、滞留領域に設けられた水が凍ることで、この氷と凹部１４の底面とが接触することが抑制される。この結果、滞留領域に形成された氷によって圧力センサ１０（凹部１４）に損傷が生じることが抑制される。
【００２７】
凹部１４の開口面よりも導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面が広く、凹部１４の開口面のすべてが導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面と連通されている。これによれば、凹部の開口面よりも導入孔における圧力センサ側の開口面が狭く、凹部の開口面の一部が導入孔における圧力センサ側の開口面と連通されている構成とは異なり、凹部１４の一部がフランジ部３３ａにおける圧力センサ１０の搭載面と対向せず、両者の間に水などが滞留する滞留領域が形成されることが抑制される。そのため、滞留領域に設けられた水が凍ることで、この氷と凹部１４の底面との接触が抑制される。この結果、滞留領域に形成された氷によって圧力センサ１０（凹部１４）に損傷が生じることが抑制される。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００２９】
本実施形態では、図２に示すように連通孔１７を構成する壁面が、段差状である例を示した。しかしながら、図３に示すように凹部１４の壁面と連通孔１７の壁面とが連続している構成を採用することもできる。これによれば、導入孔３１から凹部１４への被検出流体の流動、および、凹部１４から導入孔３１への被検出流体の流動が連通孔１７の壁面によって妨げることが抑制される。
【００３０】
本実施形態では、圧力センサ１０、半導体基板１１とセンサ素子１２の他に支持基板１３を有する例を示した。しかしながら圧力センサ１０は支持基板１３を有さなくとも良い。
【００３１】
本実施形態では凹部１４の環状の壁面１５の径は、支持基板１３の連通孔１７を構成する壁面の径よりも短くなっている例を示した。しかしながら、径の長短の関係としては逆の関係を採用することもできる。
【００３２】
本実施形態では支持基板１３が複数の基板が積層されて成る例を示した。しかしながら支持基板１３が１つの基板から成る構成を採用することもできる。
【００３３】
本実施形態では支持基板１３を構成する複数の基板それぞれに形成された連通孔１７の径が、圧力センサ１０から離れるにしたがって広がっている例を示した。しかしながら、複数の連通孔１７の広がりとしては逆の構成を採用することもできるし、複数の連通孔１７の径それぞれが一定の構成を採用することもできる。
【００３４】
本実施形態では、ハウジング３０、支持基板１３、半導体基板１１の順に熱伝導率が高くなっている例を示した。しかしながら熱伝導率の関係としては上記例に限定されない。
【００３５】
本実施形態では筒部３２の厚さが３段階に厚くなっている例を示した。しかしながら筒部３２の厚さの変化としては上記例に限定されず、段々と変化するのではなく、連続して変化する構成を採用することもできる。
【００３６】
本実施形態では圧力センサ１０の凹部１４の開口面よりも導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面の方が広く、凹部１４の開口面のすべてが導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面と連通されている例を示した。しかしながら凹部１４の開口面よりも導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面の方が狭く、凹部１４の開口面の一部が導入孔３１における圧力センサ１０側の開口面と連通された構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・圧力センサ
３０・・・ハウジング
３１・・・導入孔
１００・・・圧力センサ装置
【図１】
2015001443.tif 000003
【図２】
2015001443.tif 000004
【図３】
2015001443.tif 000005