(57)【要約】【課題】センサチップの傾きを低減することにより各圧力センサにおいてセンサ特性のばらつきを低減することができる構造を提供する。【解決手段】センサチップ２０の一面２１に垂直な面でセンサチップ２０及び接合ガラス３０の断面を取ったとき、接合ガラス３０の表面３２の曲線が示される。当該曲線のうち、凸部３１の一方の頂点３３と側面２３との間に位置する曲線の第１変曲点３４から、凸部３１の他方の頂点３５と側面２３との間に位置する曲線の第２変曲点３６まで、のセンサチップ２０の一面２１に平行な長さのうち最小の長さをＤ１と定義する。一方、センサチップ２０の一面２１の最大の長さをＤ２と定義する。そして、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たし、かつ、センサチップ２０は接合ガラス３０のうち長さＤ１の範囲内に位置するように接合ガラス３０に固定されている。【選択図】図３
2015224911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力が印加されることで歪むダイヤフラム（１３）を有する金属ステム（１０）と、
一面（２１）と、この一面（２１）とは反対側の他面（２２）と、前記一面（２１）及び前記他面（２２）に隣接する側面（２３）と、を有する板状のものであって、前記ダイヤフラム（１３）の歪みに応じたセンサ信号を出力するセンサチップ（２０）と、
加熱されて溶融させられたことにより前記センサチップ（２０）及び前記ダイヤフラム（１３）に接合すると共に、前記センサチップ（２０）の周囲に環状の凸部（３１）が形成された接合ガラス（３０）と、
を備え、
前記一面（２１）に垂直な面で前記センサチップ（２０）及び前記接合ガラス（３０）の断面を取ったときの当該接合ガラス（３０）の表面（３２）を示す曲線のうち、前記凸部（３１）の一方の頂点（３３）と前記側面（２３）との間に位置する前記曲線の第１変曲点（３４）から、前記凸部（３１）の他方の頂点（３５）と前記側面（２３）との間に位置する前記曲線の第２変曲点（３６）まで、の前記一面（２１）に平行な長さのうち最小の長さをＤ１と定義し、
前記一面（２１）の最大の長さをＤ２と定義すると、
Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たし、かつ、前記センサチップ（２０）は前記接合ガラス（３０）のうち前記長さＤ１の範囲内に位置するように前記接合ガラス（３０）に固定されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記金属ステム（１０）は、圧力媒体が導入される圧力導入孔（１１）が設けられた中空柱形状であって、前記圧力導入孔（１１）の一方を閉じるように前記ダイヤフラム（１３）が前記中空柱形状の一端部（１２）に設けられており、
前記一面（２１）の面方向における前記圧力導入孔（１１）の最大の長さをＤ３と定義すると、
Ｄ２＞Ｄ３の条件を満たし、かつ、前記圧力導入孔（１１）は前記センサチップ（２０）のうち前記長さＤ２の範囲内に位置するように前記金属ステム（１０）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記センサチップ（２０）は、圧力の印加に応じて抵抗値が変化する第１歪みゲージ（２４）、第２歪みゲージ（２５）、第３歪みゲージ（２６）、及び第４歪みゲージ（２７）によって構成されたブリッジ回路（２８）を有しており、
前記各歪みゲージ（２４〜２７）のうちの一方から他方までの前記一面（２１）に平行な長さにおいて、前記各歪みゲージ（２４〜２７）を含んだ最大の長さをＤ４と定義すると、
Ｄ３＞Ｄ４の条件を満たし、かつ、前記センサチップ（２０）は前記ブリッジ回路（２８）が前記長さＤ３の範囲内に位置するように前記接合ガラス（３０）に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記接合ガラス（３０）は、前記側面（２３）の一部を覆うように前記センサチップ（２０）に接合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記接合ガラス（３０）は、前記側面（２３）の全体を覆うように前記センサチップ（２０）に接合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムに接合ガラスを介してセンサチップが固定された構成の圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、受圧部を構成する金属製のステムに対してセンサチップがガラスで接合された構造を有する圧力センサが、例えば特許文献１で提案されている。ステムは、圧力媒体の圧力によって歪むダイヤフラムを有している。また、センサチップは、ダイヤフラムの歪みに応じて電気信号を発生させるセンシング部を有している。
【０００３】
このような構造は、ステムの上に固形のガラスが配置されると共に、ガラスの上にセンサチップが配置された状態でガラスが加熱されることで形成される。すなわち、溶融したガラスがステム及びセンサチップに接合することによりセンサチップがガラスを介してステムに固定されている。
【０００４】
ここで、金属製のステムは半導体材料で形成されたセンサチップよりも熱膨張係数が大きいので、ステムで発生した熱応力がガラスを介してセンサチップに影響を及ぼす。そこで、ガラスの厚みを大きくすることで、ステムの熱応力をセンサチップに伝わりにくくする方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２４８２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術では、ガラスを厚くすると溶融時のガラスの表面張力によってガラスの表面が球状に変形するので、ガラスのうちセンサチップの周囲が凸形状になる。このため、溶融したガラスの凸形状の部分にセンサチップが接合されるとセンサチップが傾いてしまう可能性がある。
【０００７】
そして、圧力センサ毎にセンサチップの傾きが異なると、各圧力センサにおいてダイヤフラムからセンシング部への歪みの伝達に差が生じてしまう。したがって、各圧力センサのセンサ特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、センサチップの傾きを低減することにより各圧力センサにおいてセンサ特性のばらつきを低減することができる構造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】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力が印加されることで歪むダイヤフラム（１３）を有する金属ステム（１０）を備えている。
【００１０】
また、一面（２１）と、この一面（２１）とは反対側の他面（２２）と、一面（２１）及び他面（２２）に隣接する側面（２３）と、を有する板状のものであって、ダイヤフラム（１３）の歪みに応じたセンサ信号を出力するセンサチップ（２０）を備えている。
【００１１】
さらに、加熱されて溶融させられたことによりセンサチップ（２０）及びダイヤフラム（１３）に接合すると共に、センサチップ（２０）の周囲に環状の凸部（３１）が形成された接合ガラス（３０）を備えている。
【００１２】
一面（２１）に垂直な面でセンサチップ（２０）及び接合ガラス（３０）の断面を取ったときの当該接合ガラス（３０）の表面（３２）を示す曲線のうち、凸部（３１）の一方の頂点（３３）と側面（２３）との間に位置する曲線の第１変曲点（３４）から、凸部（３１）の他方の頂点（３５）と側面（２３）との間に位置する曲線の第２変曲点（３６）まで、の一面（２１）に平行な長さのうち最小の長さをＤ１と定義する。また、一面（２１）の最大の長さをＤ２と定義する。
【００１３】
そして、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たし、かつ、センサチップ（２０）は接合ガラス（３０）のうち長さＤ１の範囲内に位置するように接合ガラス（３０）に固定されていることを特徴とする。
【００１４】
これによると、センサチップ（２０）は、接合ガラス（３０）のうち凸部（３１）の影響を受けない中央部に配置されるので、センサチップ（２０）の傾きを抑制することができる。このため、各圧力センサにおいてセンサチップ（２０）の傾きの差が小さくなるので、各圧力センサにおいてセンサ特性のばらつきを低減することができる。
【００１５】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図２】ハウジング、接合ガラス、及びセンサチップの平面図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】図２のIV−IV断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るハウジング、接合ガラス、及びセンサチップの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１８】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサは、例えば自動車のコモンレ−ル等の燃料噴射系における燃料パイプに取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての気体または気液混合気の高圧力を検出するものである。例えば、圧力センサは、数〜数百ＭＰａの高圧を検出するように構成されている。
【００１９】
図１に示されるように、圧力センサ１は、ハウジング１０、センサチップ２０、接合ガラス３０、回路基板４０、及びコネクタケース５０を備えて構成されている。
【００２０】
ハウジング１０は、圧力媒体が導入される圧力導入孔１１が設けられた中空柱形状の部品である。ハウジング１０は、圧力導入孔１１の一方を閉じるように一端部１２に設けられたダイヤフラム１３を有している。ダイヤフラム１３は、圧力導入孔１１に導入された圧力媒体の圧力によって変形可能な薄肉状の受圧手段である。
【００２１】
また、ハウジング１０は、他端部１４の外周面に、被測定体にネジ結合可能な雄ネジ部１５を有している。これにより、ハウジング１０は被測定体にネジ止めされる。ハウジング１０は、ステンレス等の金属材料が切削等により加工されて形成されている。
【００２２】
センサチップ２０は、接合ガラス３０を介してダイヤフラム１３に接合され、ダイヤフラム１３の歪みに応じたセンサ信号を出力する圧力検出手段である。センサチップ２０は例えばシリコン基板等の半導体基板から形成された板状のものである。
【００２３】
センサチップ２０は、一面２１、この一面２１とは反対側の他面２２、一面２１及び他面２２に隣接する側面２３を有している。本実施形態では、センサチップ２０の一面２１及び他面２２は四角形状になっている。したがって、側面２３は４面設けられている。
【００２４】
また、図２に示されるように、センサチップ２０は、圧力の印加に応じて抵抗値が変化する第１歪みゲージ２４、第２歪みゲージ２５、第３歪みゲージ２６、及び第４歪みゲージ２７を有している。各歪みゲージ２４〜２７は、第１歪みゲージ２４及び第２歪みゲージ２５の直列接続部と第３歪みゲージ２６及び第４歪みゲージ２７の直列接続部とが並列に接続されることでブリッジ回路２８を構成している。各歪みゲージ２４〜２７は、例えば半導体基板に形成された拡散抵抗である。
【００２５】
そして、圧力がセンサチップ２０に印加されるとピエゾ抵抗効果により各歪みゲージ２４〜２７の抵抗値が変化する。したがって、ブリッジ回路２８は各歪みゲージ２４〜２７の抵抗値の変化に基づいて圧力に応じたセンサ信号を出力する。
【００２６】
接合ガラス３０は、センサチップ２０をハウジング１０に取り付けるための接合手段である。接合ガラス３０は、加熱されて溶融させられたことによりセンサチップ２０とダイヤフラム１３とを接合している。ハウジング１０とセンサチップ２０は熱膨張係数の差が大きいので、センサチップ２０及び接合ガラス３０にはハウジング１０の収縮に伴う熱応力が掛かる。したがって、接合ガラス３０は、ハウジング１０からセンサチップ２０に掛かる熱応力を低減する役割を果たす。
【００２７】
また、図３に示されるように接合ガラス３０は、センサチップ２０の周囲に形成された環状の凸部３１を有している。凸部３１は、センサチップ２０の両サイドに位置している。
【００２８】
凸部３１は、接合ガラス３０の焼成時に形成される部分である。具体的には、接合ガラス３０は、粒状ガラスが成形された固形状のガラス材料が元になっている。ガラス材料は、低融点ガラスがタブレット状に形成されたタブレットガラスである。そして、ハウジング１０の上にガラス材料が配置され、ガラス材料の上にセンサチップ２０が配置された状態で熱処理される。
【００２９】
これにより、ガラス材料が溶けると共にセンサチップ２０が溶けたガラス材料に沈んでいく。また、ガラス材料の一部がセンサチップ２０の周囲を全周囲むと共に当該全周に渡ってセンサチップ２０の側面２３に接合される。本実施形態では、図３に示されるように、接合ガラス３０は、側面２３の一部を覆うようにセンサチップ２０に接合されている。
【００３０】
図１に示された回路基板４０は、センサチップ２０からセンサ信号を入力し、このセンサ信号に応じた出力信号を生成するものである。このため、回路基板４０は、信号変換機能等を有するＩＣチップ４１や、センサ信号の処理を行うと共にそれに応じた出力信号を発生させる信号処理回路、配線パターン等を備えている。
【００３１】
センサチップ２０と回路基板４０とは、ボンディングワイヤ４２で結線されて電気的に接続されている。これにより、センサチップ２０のセンサ信号が、回路基板４０に設けられた回路及びＩＣチップ４１に入力されるようになっている。
【００３２】
また、回路基板４０は、出力信号を外部に出力するためのバネターミナル４３を有している。バネターミナル４３は、一枚の金属板の両側が折り曲げられることでバネ状とされている。バネターミナル４３は、導電接着剤等で回路基板４０に固定されている。
【００３３】
コネクタケース５０は、出力信号を外部に出力するためのコネクタである。コネクタケース５０は、例えば樹脂材料で形成されており、ピン状のターミナル５１がインサート成形等により一体成形されている。ターミナル５１の両端部はコネクタケース５０から露出するように樹脂にインサート成形されている。
【００３４】
また、コネクタケース５０は、一端部５２がＯリング５３を介してハウジング１０の一端部１２に嵌め込まれた状態で、当該一端部１２の端部がコネクタケース５０を押さえるようかしめ固定されている。これにより、バネターミナル４３のバネとされる部分がターミナル５１の一端側に当接されており、回路基板４０とターミナル５１と電気的な接続が図られている。
【００３５】
また、コネクタケース５０はハウジング１０と一体化してパッケージを構成し、当該パッケージ内部のセンサチップ２０、回路基板４０、電気的接続部等を湿気・機械的外力より保護するようになっている。一方、ターミナル５１の他端側は、コネクタケース５０の他端側に設けられた開口部５４内に露出している。以上が、本実施形態に係る圧力センサ１の全体構成である。
【００３６】
次に、センサチップ２０、接合ガラス３０、及び圧力導入孔１１の各サイズの大小関係について説明する。まず、図３に示されるように、センサチップ２０の一面２１に垂直な面でセンサチップ２０及び接合ガラス３０の断面を取る。このとき、当該接合ガラス３０の表面３２の曲線が示される。
【００３７】
接合ガラス３０の表面３２の曲線は、センサチップ２０の側面２３からハウジング１０側に凹んだ円弧を描き、変曲点を介して凸部３１を描いている。これは、上述のように、接合ガラス３０の焼成中にセンサチップ２０が接合ガラス３０に沈むので、接合ガラス３０の表面張力によって接合ガラス３０の外縁部分が盛り上がったからである。
【００３８】
上記の曲線のうち、凸部３１の一方の頂点３３と側面２３との間に位置する曲線の第１変曲点３４から、凸部３１の他方の頂点３５と側面２３との間に位置する曲線の第２変曲点３６まで、のセンサチップ２０の一面２１に平行な長さのうち最小の長さをＤ１と定義する。なお、本実施形態では、接合ガラス３０の長さＤ１は、どの断面においても同じ長さである。
【００３９】
一方、センサチップ２０の一面２１の最大の長さをＤ２と定義する。本実施形態では、センサチップ２０の一面２１は四角形状であるので、四角形状の対角線の長さがＤ２に該当する。
【００４０】
上記のように接合ガラス３０及びセンサチップ２０の長さを定義すると、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たし、かつ、センサチップ２０は接合ガラス３０のうち長さＤ１の範囲内に位置するように接合ガラス３０に固定されている。
【００４１】
接合ガラス３０の長さＤ１は、センサチップ２０が接合ガラス３０のうちの凸部３１の影響を受けない領域の最小長さに該当する。すなわち、接合ガラス３０のうち最小長さＤ１の領域は、接合ガラス３０の平坦性を確保できる平坦部であると言える。したがって、接合ガラス３０のうち最小長さＤ１の領域内にセンサチップ２０が配置されていれば、凸部３１の形状に起因したセンサチップ２０の傾きは抑制される。
【００４２】
また、センサチップ２０の一面２１の面方向における圧力導入孔１１の最大の長さをＤ３と定義する。言い換えると、長さＤ３は、センサチップ２０の一面２１の面方向におけるダイヤフラム１３の最大の長さである。本実施形態では、圧力導入孔１１の平面形状は円形であるので、圧力導入孔１１の径が長さＤ３に該当する。
【００４３】
このような長さＤ３を定義すると、Ｄ２＞Ｄ３の条件を満たし、かつ、圧力導入孔１１はセンサチップ２０のうち長さＤ２の範囲内に位置するようにハウジング１０に形成されている。
【００４４】
これによると、センサチップ２０のサイズがダイヤフラム１３のサイズよりも大きいので、接合ガラス３０の焼成後にダイヤフラム１３に発生する残留応力による当該ダイヤフラム１３のたわみの影響がセンサチップ２０に伝わりにくくなる。したがって、圧力導入孔１１の径に起因したセンサチップ２０の傾きが抑制される。
【００４５】
さらに、図４に示されるように、各歪みゲージ２４〜２７のうちの一方から他方までの一面２１に平行な長さにおいて、各歪みゲージ２４〜２７を含んだ最大の長さをＤ４と定義する。このように定義すると、Ｄ３＞Ｄ４の条件を満たし、かつ、センサチップ２０はブリッジ回路２８が長さＤ３の範囲内に位置するように接合ガラス３０に固定されている。
【００４６】
本実施形態では、対角関係にある第２歪みゲージ２５と第４歪みゲージ２７との最大長さと、対角関係にある第１歪みゲージ２４と第３歪みゲージ２６との最大長さと、がＤ４に該当する。
【００４７】
これによると、ダイヤフラム１３上でセンサチップ２０に位置ずれが生じたとしても、各歪みゲージ２４〜２７をダイヤフラム１３上に位置させた状態を維持することができる。したがって、ダイヤフラム１３に対するセンサチップ２０の位置ずれのロバスト性が向上する。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態では、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４となるように、センサチップ２０、接合ガラス３０、圧力導入孔１１、及び各歪みゲージ２４〜２７が配置されている。特に、接合ガラス３０の長さＤ１とセンサチップ２０の長さＤ２とがＤ１＞Ｄ２を満たすように、センサチップ２０が接合ガラス３０を介してダイヤフラム１３に固定されている。
【００４９】
この条件を満たすことにより、センサチップ２０は接合ガラス３０のうち凸部３１の影響を受けないので、センサチップ２０の傾きを抑制することができる。すなわち、ハウジング１０の熱応力を考慮して接合ガラス３０を厚く形成したとしても、センサチップ２０の傾きを抑制することができる。
【００５０】
また、他の圧力センサ１においても、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たすことによりセンサチップ２０の傾きが抑制される。このため、各圧力センサ１においてセンサチップ２０の傾きの差を小さくすることができる。したがって、各圧力センサ１においてセンサ特性のばらつきを低減することができる。
【００５１】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ハウジング１０が特許請求の範囲の「金属ステム」に対応する。
【００５２】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、接合ガラス３０がセンサチップ２０の側面２３の全体に濡れ広がっている。したがって、図５に示されるように、接合ガラス３０は、センサチップ２０の側面２３の全体を覆うようにセンサチップ２０に接合されている。これにより、センサチップ２０の姿勢が安定するので、センサチップ２０の傾きを低減することができる。
【００５３】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサ１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、図１に示された圧力センサ１の全体構成は一例である。したがって、圧力センサ１は本発明を実現できる他の構成になっていても良い。
【００５４】
具体的には、ハウジング１０にダイヤフラム１３が形成された構成が示されているが、これは構成の一例である。したがって、ハウジング１０とは別の部品である金属ステムにダイヤフラム１３が設けられていても良い。金属ステムはハウジング１０にネジ止め等によって固定されることとなる。
【００５５】
また、センサチップ２０の一面２１は四角形に限られず、多角形でも良い。一面２１が多角形の場合は当該一面２１の最大長さがＤ２となる。同様に、センサチップ２０の一面２１は円形や楕円形でも良い。センサチップ２０の一面２１が円形の場合は円の直径がＤ２に相当し、センサチップ２０の一面２１が楕円の場合は長軸がＤ２に相当する。
【００５６】
さらに、圧力導入孔１１の平面形状すなわちダイヤフラム１３の平面形状についても円形に限られず、多角形でも良い。この場合、圧力導入孔１１の平面形状の最大の長さがＤ３となる。
【００５７】
上記各実施形態では、接合ガラス３０の長さＤ１は、どの断面においても同じ長さであったが、実際は接合ガラス３０に対するセンサチップ２０の沈み具合等によって異なる場合もある。この場合には、各変曲点３４、３６間の長さのうち最小の長さＤ１が採用される。
【００５８】
上記各実施形態では、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４を満たす構成となっていたが、少なくともＤ１＞Ｄ２を満たす構成になっていれば良い。また、少なくともＤ１＞Ｄ２＞Ｄ３を満たす構成でも良い。
【符号の説明】
【００５９】
１０        ハウジング（金属ステム）
１３        ダイヤフラム
２０        センサチップ
２１        一面
２３        側面
３０        接合ガラス
３１        凸部
３２        表面
３３、３５  頂点
３４、３６  変曲点
【図１】
2015224911.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015224911.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015224911.tif 000007