(57)【要約】  熱膨張率の大きい金属からなるダイアフラムにおいても歪検出素子を安定的に接合することができる圧力測定装置を提供する。  上記課題を解決するために、本発明の圧力測定装置は、圧力導入部と、該圧力導入部から導入された圧力により変形が発生するダイアフラムと、を有する金属筐体と、前記ダイアフラムに発生する歪を検出する歪検出素子と、を備える圧力検出装置において、前記金属筐体上に、第一の脆性材からなる基台を有し、前記歪検出素子は、前記基台よりも低融点である第二の脆性材を介して、前記基台と接合されることを特徴とする。
2015098324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力導入部と、該圧力導入部から導入された圧力により変形が発生するダイアフラムと、を有する金属筐体と、
前記ダイアフラムに発生する歪を検出する歪検出素子と、を備える圧力検出装置において、
前記金属筐体上に、第一の脆性材からなる基台を有し、
前記歪検出素子は、前記基台よりも低融点である第二の脆性材を介して、前記基台と接合されることを特徴とする圧力測定装置。
【請求項２】
前記第二の脆性材は、主成分がバナジウムを含んだガラスであることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
【請求項３】
前記第二の脆性材は、融点が４００℃以下であることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の圧力測定装置。
【請求項４】
前記第一の脆性材は、融点が８００℃以上であることを特徴とする請求項３に記載の圧力測定装置。
【請求項５】
前記歪検出素子は、ガラス基板と陽極接合されており、
前記ガラス基板は、前記第二の脆性材を介して前記基台と接合されることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
【請求項６】
前記基台は、前記第二の脆性材の融点と同等以上の融点を有する複数の脆性材を積層することで形成され、前記複数の脆性材の内少なくとも１つ以上は前記低融点脆性材の融点において固体形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
【請求項７】
前記基台、及び/又は、前記第二の脆性材は、円形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の圧力測定装置。
【請求項８】
前記基台、及び/又は、前記第二の脆性材は、n≧８のn角形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の圧力測定装置。
【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を検出する圧力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力測定装置は、例えば車両に搭載される高圧センサとして構成され、エンジンの燃料圧、ブレーキ油圧、各種ガス圧等の測定に用いられる。【０００３】
従来の圧力測定装置としては、例えば特許文献１、２に記載のものが提案されている。【０００４】
特許文献１には、「受圧用金属ダイアフラムのダイアフラム面に低融点ガラス層を介して板ガラスを接合し、該板ガラスに歪ゲージ半導体チップを載置して上記板ガラスと歪ゲージ半導体チップを陽極接合してなる圧力検出器。」が記載されている。【０００５】
また特許文献２には、「センサ素子に第１接合面にて接合され金属ステムに形成されるダイアフラムに第２接合面にて接合される接合部材により前記センサ素子が前記ダイアフラムに接合される圧力センサであって、前記接合部材は、前記第１接合面の熱膨張係数が前記金属ステムの熱膨張係数よりも前記センサ素子の熱膨張係数に近く、前記第２接合面の熱膨張係数が前記センサ素子の熱膨張係数よりも前記金属ステムの熱膨張係数に近く、前記第１接合面から前記第２接合面にかけて熱膨張係数が連続的に変化するように形成されることを特徴とする圧力センサ。」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−２９１５３３号公報
【特許文献２】特開２０１３−３６９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１を含む従来の圧力測定装置は、シリコンからなる歪検出素子は低融点ガラスを介してダイアフラムに接合されているが、接合の冷却工程で発生する応力により歪検出素子や接合層が破損するのを防ぐため、ダイアフラムの材質には、シリコンやガラスの熱膨張率に近い熱膨張率を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を使用していた。しかし、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、耐力が比較的低く高圧には不向きであることや、高温高環境下で腐食するという課題がある。【０００８】
そのため耐力と耐食性で優位なステンレスで、ダイアフラムを形成することが考えられる。しかしステンレスと歪検出素子とは、熱膨張率が大きく異なるため、接合の冷却工程で接合層に大きな応力が発生し、それによって歪検出素子や接合層が破壊する可能性がある。【０００９】
特許文献２に、複数の接合材料を混合し、熱膨張率が連続的に変化するように形成された接合部材についての記載があるが、一般的に接合部材は、融点付近で急激に熱膨張率が変化するため、熱膨張率を制御するのは難しい。また混合の制御が不十分な場合においても、混合が不均一になれば熱膨張率も不均一になり接合状態がばらつく可能性があり、接合の安定性に課題がある。【００１０】
特許文献１および２に記載の発明は、熱膨張率の大きいダイアフラム上に歪検出素子を接続する場合の接続信頼性について改良の余地が残されている。【００１１】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、シリコンやガラスの熱膨張率と比べて熱膨張率が大きい金属材料からなるダイアフラムと歪検出素子との接合信頼性の高い圧力測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の圧力測定装置は、圧力導入部と、該圧力導入部から導入された圧力により変形が発生するダイアフラムと、を有する金属筐体と、前記ダイアフラムに発生する歪を検出する歪検出素子と、を備える圧力検出装置において、前記金属筐体上に、第一の脆性材からなる基台を有し、前記歪検出素子は、前記基台よりも低融点である第二の脆性材を介して、前記基台と接合されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シリコンやガラスの熱膨張率と比べて熱膨張率が大きい金属材料からなるダイアフラムと歪検出素子との接合信頼性の高い圧力検出素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第一実施例における圧力測定装置全体の断面概略図。
【図２】本発明の第一実施例における圧力測定装置の回路図。
【図３】本発明の第一実施例における接合部の断面拡大図。
【図４】本発明の第二実施例における接合部の断面拡大図。
【図５】本発明の第三実施例における接合部の断面拡大図。
【図６】本発明の第四実施例における接合部の上面概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第一実施例を図１から図３を用いて説明する。
【００１６】
まず、本発明の第一実施例における圧力測定装置１００について図１を用いて説明する。
圧力測定装置１００は、圧力ポート１２とダイアフラム１４とフランジ１３とが形成される金属筐体１０と、圧力ポート１１に導入された圧力を測定する歪検出素子１５と、歪検出素子１５と電気的に接続される基板１６と、カバー１８と、外部と電気的に接続するためのコネクタ１９とを備える。
【００１７】
圧力ポート１１は、軸方向の一端側（下側）に圧力導入口１２ａが形成された中空筒状の圧力導入部１２ｈａと、圧力導入部１２ｈａの軸方向の他端側（上側）に形成された円筒状のフランジ１３とを備えている。フランジ１３の中央部位には、圧力によって変形し歪を生じるダイアフラム１４が立設されている。
【００１８】
ダイアフラム１４は、圧力導入口１２ａから導入された圧力を受ける受圧面と、受圧面とは反対の面のセンサ搭載面とを有する。
【００１９】
圧力ポート１１の圧力導入部１２ｈａの、ダイアフラム１４側の歪検出素子１５に対向する先端部１２ｈａｔは矩形形状になっており、フランジ１３の中央部とダイアフラム１４の上部表面より若干低い高さの部位まで連続して穿設されている。この先端部１２ｈａｔの矩形形状によって、ダイアフラム１４にはｘ方向−ｙ方向の歪差が生じる。
【００２０】
歪検出素子１５は、ダイアフラム１４のセンサ搭載面のほぼ中央部に接合されている。歪検出素子１５は、シリコンチップ上にダイアフラム１４の変形（歪）に応じた電気信号を出力する１つ以上の歪抵抗ブリッジ３０ａ〜ｃを備える半導体チップとして構成される。
【００２１】
基板１６は、歪検出素子１５から出力された各検出信号を増幅するアンプ、そのアンプのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、そのデジタル信号に基づいて後述する補正演算を行うデジタル信号演算処理回路、各種データが格納されたメモリおよびコンデンサ１７等が搭載されている。
【００２２】
カバー１８の軸方向他端を閉塞する閉塞板１８ａの、中央よりの所定径範囲は切り欠かれており、その切欠部には例えば樹脂等により形成され、圧力測定装置１００で検出された検出圧力値を外部に出力するためのコネクタ１９が挿入されている。
【００２３】
コネクタ１９の一端はカバー１８内においてカバー１８に固定され、コネクタ１９の他端はカバー１８から外部へ露出している。
【００２４】
このコネクタ１９の内部には、例えばインサート成型により挿入された棒状のターミナル２０を有している。このターミナル２０は、例えば電源用、接地用、信号出力用の３本で構成され、各ターミナル２０の一端は前記基板１６に接続されており、他端が図示省略の外部コネクタに接続されることによって、自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続される。
【００２５】
次に、前記歪検出素子１５の複数の歪抵抗ブリッジと基板１６に搭載された各回路部品の回路構成について図２を用いて説明する。歪抵抗ブリッジ３０ａ〜ｃは、それぞれダイアフラム１４の変形に応じて歪むことで抵抗値が変化する抵抗ゲージをブリッジ接続して構成されている。
【００２６】
歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃの出力信号（圧力に相当するブリッジ信号）は、アンプ３１ａ〜３１ｃによって増幅され、その増幅出力信号はＡ−Ｄ（アナログ−デジタル）変換器３２ａ〜３２ｃによってデジタル信号に変換される。
【００２７】
デジタル信号演算処理回路３３は、Ａ−Ｄ変換器３２ａ〜３２ｃの出力信号に基づいて、例えば１つの歪抵抗ブリッジ３０ａで検出された圧力値をその他の歪抵抗ブリッジ３０ｂ，３０ｃの検出圧力値によって補正する演算処理を行って、その補正した圧力値を圧力測定装置の検出値として出力する。
【００２８】
このデジタル信号演算処理回路３３は、補正演算処理に限らず、複数の歪抵抗ブリッジの検出圧力値同士の比較や、歪抵抗ブリッジの検出圧力値と予め不揮発メモリ３４に記憶しておいた規定圧力値との比較を行って、測定対象機器の劣化や歪検出素子１６の劣化を判定し、その判定時に故障信号を出力する等の処理も行う。
【００２９】
尚、電圧源３５から歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃへの電力の供給およびデジタル信号演算処理回路３３からの各信号の出力は、図１、図２のターミナル２１を介して行われる。
【００３０】
不揮発性メモリ３４は、その他の回路部品とは異なる回路チップに搭載されていてもよい。また、デジタル信号演算処理回路３３の代わりに前記補正演算をアナログ回路で行うように構成してもよい。
【００３１】
第一実施例における歪検出素子１５とダイアフラム１４の接合部について図３を用いて説明する。
【００３２】
ダイアフラム１４の材質には、耐食性を有することと、高圧にも対応できるように高耐力であることが求められる。そのため、クロムを含有した耐食性を有する材質に、析出硬化を行なうことで高耐力とした材質が用いられる。具体的にはＳＵＳ６３０が採用される。
【００３３】
脆性材基台２１は、ガラス、セラミック、コンクリートなどの弾性領域内で破壊が起こる脆性材をダイアフラム１４のセンサ搭載面に搭載することで形成される。脆性材基台２１は、８００℃以上の融点を有するガラスペーストをダイアフラム１４に塗布した後、ガラスペーストの融点以上の温度で焼成することで、ダイアフラム１４上に形成される。ガラスペーストは、結晶化ガラスであり、１１ｐｐｍよりも小さい熱膨張率を有する。
【００３４】
歪検出素子１５は、脆性材基台２１を構成する脆性材よりも低い融点を有する低融点脆性材２２を介して、脆性材基台２１に接合される。低融点脆性材２２として、融点が４００℃以下のバナジウムを含んだガラスを主成分とするガラスペーストが採用される。低融点脆性材２２の融点は脆性材基台２１の融点より低いため、接合前後で脆性材基台２１の物性は変化することはない。また接合温度が４００℃以下であれば、接合時における歪検出素子１５の劣化を抑制することができる。
【００３５】
本発明の第一実施例は、歪検出素子１５の被接合物を、ダイアフラム１４ではなく、ダイアフラム１４よりも歪検出素子１５との熱膨張率の差が小さい脆性材基台２１としている。そのため、歪検出素子１５と被接合物の熱膨張率の差を小さくできるため、接合の冷却工程で発生する応力を低減することができる。また、脆性材基台２１と歪検出素子１５とを低融点脆性材２２で接合することで、歪検出素子１５を接合する際の加熱温度を低減することができ、歪検出素子１５に発生する内部応力を低減することができる。特に、低融点脆性材２２の融点を４００℃以下の材料とし、歪検出素子１５の接合温度を４００℃以下とすることで、歪検出素子１５の端子や配線の劣化を抑制することが可能となるため特に効果的である。そして、低融点脆性材２２は、圧力測定装置１００が搭載される高温環境下においても弾性領域で変形するため、延性材のように高温環境下で塑性変形することはない。そのため、接合部の塑性変形による検出精度の悪化を抑制することが可能である。以上より、本発明の第一実施例によれば、精度のよい圧力検出装置を提供することができる。
【００３６】
本発明の第二実施例について図４を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。
【００３７】
第二実施例における圧力測定装置１００は、歪検出素子１５とガラス板２３とを陽極接合し、ガラス板２３と脆性材基台２１とを低融点脆性材２２を介して接合することを特徴とする。ガラス板２３は低融点脆性材２２の融点においても固体形状を保つ材料を用いることで、ペースト状の材料に比べて厚さの管理が容易になる。そのため、本発明の第二実施例によれば、歪検出素子１５の感度と逆相関の関係にあるガラス板２３の厚さを設計することにより歪検出素子１５の感度を所望の値に容易に制御することが可能となる。
【００３８】
本発明の第三実施例について図５を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。
【００３９】
第三実施例における圧力測定装置１００は、低融点脆性材２２の融点と同等以上の融点を有する複数の脆性材を積層してベース基台２４、及び、トップ基台２５を形成し、積層された脆性材のうちの少なくとも１つ以上の脆性材を、低融点脆性材２２の融点においても固体形状である脆性材を用いることを特徴とする。積層された脆性材はいずれも、１１ｐｐｍより小さい熱膨張率を有する。図５に示すように、ベース基台２４として低融点脆性材２２と同等、もしくはそれ以上の融点を有するガラスペーストをダイアフラム１４に塗布し、ベース基台２４の上にトップ基台２５としてガラス板を搭載し焼成することで、２層の脆性材からなる基台を形成できる。本発明の第三実施例によれば、固形形状の脆性材を用いることで、接合層の厚さの管理が容易になり、歪検出素子１５の感度を所望の値にすることが可能となる。
【００４０】
本発明の第四実施例について図５を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。
【００４１】
第四実施例では、図６に示すように、脆性材基台２１と低融点脆性材２２を円形状に形成している。脆性材基台２１を円形状にすることで、歪検出素子１５の角部にかかる集中応力を低減できる。同様に、低融点脆性材２２を円形状にすることで、歪検出素子１５の角部にかかる集中応力を低減できる。そのため、本発明の第四実施例によれば接合の冷却工程で発生する応力による部材割れ、すなわち歪検出素子１５と脆性材基台２１と低融点脆性材２２が割れることを抑制することが可能となる。
【００４２】
なお、脆性材基台２１を八角形以上の多角形とすることでも、円形形状と同様に接合の冷却工程で発生する歪検出素子１５の角部にかかる集中応力を低減することができる。そのため、冷却工程での部材の割れを抑制することが可能である。同様に低融点脆性材２２を八角形以上の多角形としても、円形形状としたときと同様の効果を得ることが可能である。
【００４３】
第四実施例は、第二実施例或いは第三実施例と組み合わせることでも同様の効果を達成することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…金属筐体
１１…圧力ポート
１２…圧力導入部
１２ａ…圧力導入口
１２ｈａ…圧力導入孔
１２ｈaｔ…先端部
１３…フランジ
１４…ダイアフラム
１５…歪検出素子
１６…基板
１７…コンデンサ
１８…カバー
１８ａ…閉塞板
１９…コネクタ
２０…ターミナル
２１…脆性材基台
２２…低融点脆性材
２３…ガラス板
２４…ベース基台
２５…トップ基台
３０ａ〜３０ｃ…歪抵抗ブリッジ
３１ａ〜３１ｃ…アンプ
３２ａ〜３２ｃ…Ａ−Ｄ変換器
３３…デジタル信号演算処理回路
３４…不揮発メモリ
３５…電圧源
１００…圧力測定装置
【図１】
2015098324.tif 000003
【図２】
2015098324.tif 000004
【図３】
2015098324.tif 000005
【図４】
2015098324.tif 000006
【図５】
2015098324.tif 000007
【図６】
2015098324.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月25日(2016.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
特許文献１を含む従来の圧力測定装置は、シリコンからなる歪検出素子は低融点ガラスを介してダイアフラムに接合されているが、接合の冷却工程で発生する応力により歪検出素子や接合層が破損するのを防ぐため、ダイアフラムの材質には、シリコンやガラスの熱膨張率に近い熱膨張率を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を使用していた。しかし、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、耐力が比較的低く高圧には不向きであることや、高温環境下で腐食するという課題がある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
まず、本発明の第一実施例における圧力測定装置１００について図１を用いて説明する。
圧力測定装置１００は、圧力ポート１１とダイアフラム１４とフランジ１３とが形成される金属筐体１０と、圧力ポート１１に導入された圧力を測定する歪検出素子１５と、歪検出素子１５と電気的に接続される基板１６と、カバー１８と、外部と電気的に接続するためのコネクタ１９とを備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
このデジタル信号演算処理回路３３は、補正演算処理に限らず、複数の歪抵抗ブリッジの検出圧力値同士の比較や、歪抵抗ブリッジの検出圧力値と予め不揮発メモリ３４に記憶しておいた規定圧力値との比較を行って、測定対象機器の劣化や歪検出素子１５の劣化を判定し、その判定時に故障信号を出力する等の処理も行う。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
尚、電圧源３５から歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃへの電力の供給およびデジタル信号演算処理回路３３からの各信号の出力は、図１、図２のターミナル２０を介して行われる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
本発明の第四実施例について図６を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
１０…金属筐体
１１…圧力ポート
１２…圧力導入部
１２ａ…圧力導入口
１２ｈａ…圧力導入部
１２ｈaｔ…先端部
１３…フランジ
１４…ダイアフラム
１５…歪検出素子
１６…基板
１７…コンデンサ  １８…カバー  １８ａ…閉塞板  １９…コネクタ  ２０…ターミナル  ２１…脆性材基台  ２２…低融点脆性材  ２３…ガラス板  ２４…ベース基台  ２５…トップ基台  ３０ａ〜３０ｃ…歪抵抗ブリッジ  ３１ａ〜３１ｃ…アンプ  ３２ａ〜３２ｃ…Ａ−Ｄ変換器  ３３…デジタル信号演算処理回路  ３４…不揮発メモリ  ３５…電圧源  １００…圧力測定装置
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力導入部と、該圧力導入部から導入された圧力により変形が発生するダイアフラムと、を有する金属筐体と、
前記ダイアフラムに発生する歪を検出する歪検出素子と、を備える圧力測定装置において、
前記金属筐体上に、第一の脆性材からなる基台を有し、
前記歪検出素子は、前記基台よりも低融点である第二の脆性材を介して、前記基台と接合されることを特徴とする圧力測定装置。
【請求項２】
前記第二の脆性材は、主成分がバナジウムを含んだガラスであることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
【請求項３】
前記第二の脆性材は、融点が４００℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力測定装置。
【請求項４】
前記第一の脆性材は、融点が８００℃以上であることを特徴とする請求項３に記載の圧力測定装置。
【請求項５】
前記歪検出素子は、ガラス基板と陽極接合されており、
前記ガラス基板は、前記第二の脆性材を介して前記基台と接合されることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
【請求項６】
前記基台は、前記第二の脆性材の融点と同等以上の融点を有する複数の脆性材を積層することで形成され、前記複数の脆性材の内少なくとも１つ以上は前記第二の脆性材の融点において固体形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
【請求項７】
前記基台、及び/又は、前記第二の脆性材は、円形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力測定装置。
【請求項８】
前記基台、及び/又は、前記第二の脆性材は、n≧８のn角形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力測定装置。
【国際調査報告】
2015098324.tif 000009
2015098324.tif 000010
2015098324.tif 000011
2015098324.tif 000012