(57)【要約】【課題】圧力センサ本体の構造を単純化し、部品点数と、製造工数を削減した、圧力センサを提供する【解決手段】半導体圧力センサ素子４１が収納された圧力検出室２１内に液体を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた圧力を前記液体を介して前記半導体圧力センサ素子に伝えることで、この圧力センサ素子から前記圧力に応じた電圧信号を出力する半導体圧力センサにおいて、圧力導入管１９を備えた蓋部材１と、圧力を受けるダイヤフラム３と、半導体圧力センサを内部空間２１に固定したホルダー２を、溶接により一体化して圧力センサ本体部とするとともに、ダイヤフラム３の接合面の背面に補強板３２をあてがい、ダイヤフラム３と蓋部材１またはホルダー２と補強板３２を一体に溶接した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体圧力センサ素子が収納された圧力検出室内に液体を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた圧力を前記液体を介して前記半導体圧力センサ素子に伝えることで、この圧力センサ素子から前記圧力に応じた電圧信号を出力する半導体圧力センサにおいて、
圧力導入部を備えた蓋部材と、圧力を受けるダイヤフラムと、半導体圧力センサを内部空間に固定したホルダーを、溶接により一体化して圧力センサ本体部とするとともに、ダイヤフラムを蓋部材またはホルダーに溶接するに立って補強部材を一体に溶接することを特徴とする半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに関し、特に圧力検出素子を収容した間接受圧室に液体を封入するとともに、ハウジングとコネクタケースとを具備した圧力センサの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体圧力センサ素子が収納された圧力検出室内に液体を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた圧力を半導体圧力センサ素子に液体を介して伝えることで、この圧力センサ素子から圧力に応じた電圧信号を出力する半導体圧力検出器が種々提案されている。
【０００３】
例えば、「半導体圧力センサの用途・製品動向」（センサ技術１２月号、第１１巻第１２号（第７２〜７６頁）、１９９１年１１月１１日、株式会社情報調査会、発行）には、「圧力伝達媒体（封入液）を気密封止する圧力検出室を有するハウジングと、圧力に応じた信号を出力する感圧素子（チップ）と、前記感圧素子と外部との間で信号の授受を行う信号伝達手段（端子）とを備え、前記感圧素子を前記圧力室内に設け、該感圧素子に電気的接続する前記信号伝達手段をステム内で保持して前記感圧素子と前記外部との間で信号の授受を行う半導体圧力検出器」、「拡散型歪みゲージを搭載したシリコンダイヤフラムの周辺に、増幅・調整および温度特性の補償を行なう信号処理回路を作ること、すなわち、感圧素子に電気的に接続し共動する処理回路を設けること」が示されている。
【０００４】
さらに、特開平５‐１４９８１４号公報には、歪ゲージと信号処理回路の回路素子を集積化したセンサを用い、このセンサをシールダイヤフラムと容器で囲まれ、シリコーン油などの絶縁油で満たされた空間に配置された半導体圧力センサが開示されている。
【０００５】
かかる従来の感圧素子および信号処理回路を封入液中に設ける半導体圧力検出器においては、気密性の向上と組立工数の低減について配慮がなされていなかった。
【０００６】
そこで、本出願人は、受圧空間と加圧空間を簡単な構成により実現し、しかも漏れのない圧力センサを、特願２００２−０９２２５０号として出願している。すなわち、この出願にかかる圧力センサは、半導体圧力センサ素子が収納された圧力検出室内に液体を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた圧力を前記液体を介して前記半導体圧力センサ素子に伝えることで、この圧力センサ素子から前記圧力に応じた電圧信号を出力する半導体圧力センサにおいて、圧力導入部を備えた蓋部材と、圧力を受けるダイヤフラムと、半導体圧力センサを内部空間に固定したホルダーを、溶接により一体化して圧力センサ本体部としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、受圧空間と加圧空間を簡単な構成により実現し、しかも気密性の優れた圧力センサを提供することを目的とする。さらに、本発明は、上記圧力センサにおいて、受圧空間を形成するダイヤフラムと蓋部材もしくはホルダーとの接合を強固にすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の圧力センサは、半導体圧力センサ素子が収納された圧力検出室内に液体を封入し、この圧力検出室に外部から加えられた圧力を前記液体を介して前記半導体圧力センサ素子に伝えることで、この圧力センサ素子から前記圧力に応じた電圧信号を出力する半導体圧力センサにおいて、圧力導入部を備えた蓋部材と、圧力を受けるダイヤフラムと、半導体圧力センサを内部空間に固定したホルダーを、溶接により一体化して圧力センサ本体部とするとともに、ダイヤフラムを蓋部材またはホルダーに気密に接合するに当たって、ダイヤフラムの接合面の背面に補強板をあてがってこれらを一体に溶接するようにした。
【０００９】
このような構造とすることによって、ダイヤフラム３の溶接部は補強板３２によって補強され、受圧空間を形成するダイヤフラムと蓋部材もしくはホルダーとを強固に接合することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる圧力センサの第１の実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は第１の実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す縦断面図である。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態にかかる圧力センサは、蓋部材１と、ホルダー２と、ダイヤフラム３と、ホルダー２の内部に形成された受圧空間（圧力検出室）２１に配置された圧力検出手段４と、コネクタケース６とから構成される。
【００１２】
蓋部材１は、例えば、ステンレススチールで構成され、周囲が立上り平坦な鍔部とされた円盤状に形成されている。蓋部材１の中心部には開口が設けられ、加圧空間１１に連通する圧力導入管１９がロー付けされており、１９１はその溶接部を示す。
【００１３】
ホルダー２は、例えばステンレススチールからなり、鍋形に構成され、内部に形成された空間が、液体を充填された受圧空間２１として働く。ホルダー２の底部には、複数の引出部材貫通孔２３と、液体注入孔２４が形成される。液体注入孔２４は中間に弁受け部２６が形成され、さらに上部にピン固定部２５が設けられている。この実施の形態では、ピン固定部２５には雌ネジが切られている。弁受け部２６よりも上方に、側部開口２７が形成されており、受圧空間封止時に液体抜きおよび空気抜き手段として働く。
【００１４】
ホルダー２の受圧空間２１の底部には、プリント配線基板４３の表面にガラス製の台座４２を固定しこの上に半導体圧力センサ素子４１を固着した圧力検出手段４が、プリント配線基板４３の底面を接着して固定される。
【００１５】
ホルダー２の引出部材貫通孔２３に引出部材５が挿入され、ハーメチックシール５３によって気密に固定される。
【００１６】
圧力センサ素子４１は、半導体基板の平面形状が矩形に形成されるとともに、中央部が肉薄状に構成され、圧力によって変形するダイヤフラム部が形成されており、上記ダイヤフラム部の上面には、複数のピエゾ抵抗素子をブリッジ状に形成することによって歪ゲージである圧力検知部が形成されるとともに、周辺部の肉厚部上に集積回路製造技術を用いて製造した増幅回路や演算処理回路などの電気回路を設けている。
【００１７】
さらに、圧力センサ素子４１の上面に設けた図示を省略したランド部とプリント配線基板４３の上面に設けた図示を省略したランド部とがボンディングワイヤ５１によって接続されている。さらに、プリント配線基板４３の表面に設けた図示を省略したランド部と引出部材５はボンディングワイヤ５２によって接続される。
【００１８】
ダイヤフラム３は、圧力が加えられると変形する例えばステンレススチールの薄板からなり、円盤状に構成される。ダイヤフラム３の周辺部３１の接合面の背面には、補強板３２があてがわれ、補強板３２とともに蓋部材１の底面１２上に、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザー溶接などによって溶接部３３にて溶接されて、気密にかつ強固に接合される。
【００１９】
ダイヤフラム３が溶接により固着された蓋部材１の底面１２に、ホルダー２が配置され、ホルダー２の下部に形成された環状堤部２２がプロジェクション溶接によって接合固着される。
【００２０】
接合されたホルダー２とダイヤフラム３によって形成される受圧空間２１内に、液体注入孔２４を経由して圧力伝達媒体としての液体、例えばシリコーン油などの絶縁油を満たし、さらに液体注入孔２４に封止ボール８を投入した後封止ネジ８０をピン固定部２５に固定して封止ボール８を弁受け部２６に固定して密封される。
【００２１】
蓋部材１のかしめ部１７をホルダー２のかしめ受け部２８にかしめつけて、蓋部材１とホルダー２を溶接とともに固定する。
【００２２】
半導体圧力センサ素子４１は、半導体基板の表面にブリッジを構成するようにピエゾ抵抗が形成されており、半導体基板の裏面には圧力検出用の密閉された空間が形成されている。
【００２３】
コネクタケース６は、コネクタ７を固定する樹脂製ケースであり、コネクタ７を固定したターミナル支持台７９が配置されている。
【００２４】
コネクタ７の他端部に設けた通電接続部７１には、引出部材５がカシメまたはスポット溶接などによって接続されている。
【００２５】
コネクタケース６は、例えば、ナイロン樹脂を用いて略円筒形状に構成されている。
【００２６】
以下、この圧力センサの組立工程を説明する。先ず、圧力導入管１９を開口にロー付けした蓋部材１の底面１２上にダイヤフラム３を位置させる。さらにその上に、補強部材３２を配置して、補強部材３２とともにダイヤフラム３を蓋部材１に溶接部３３にて溶接する。
【００２７】
一方、引出部材貫通孔２３に引出部材５をハーメチックシールによって固定したホルダー２の受圧空間２１内に、半導体圧力センサ素子４１と台座４２とプリント配線基板４３とからなる圧力検出部４を接着により固着し、プリント配線基板４３の表面に設けたランド部と引出部材５をボンディングワイヤ５２によって接続する。
【００２８】
このホルダー２の環状堤部２２を蓋部材１の底面１２に配置した後、プロジェクション溶接によって気密に接合して一体化して圧力センサ本体部を形成する。
【００２９】
その後、液体注入孔２４からフッ素オイルまたはシリコーンオイルなどの液体を、受圧室を構成するダイヤフラム３とホルダー２によって形成される受圧空間２１内に充填した後、封止ボール８を弁受け部２６上に投入し、封止ネジ８０をピン固定部２５にねじ込んで固定して液体注入孔２４を封止する。ネジ８０をねじ込むときに余分な液体および空気は、側部開口２７から排出される。
【００３０】
その後、蓋部材１のかしめ部１７をホルダー２のかしめ受け部２８上にかしめて蓋部材１とホルダー２を一体化する。
【００３１】
この圧力センサ本体部のホルダー２の上にターミナル支持台７９を載置し、引出部材５とコネクタ７の通電接続部７１をかしめもしくはスポット溶接などにより接続する。その後、この上からコネクタケース６を載置して圧力センサを構成する。
【００３２】
この発明によれば、圧力センサを、少ない部品点数と、少ない製造工程によって、気密性良く製造することができる。
【００３３】
本発明の第２の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図２を用いて説明する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態における圧力センサにおいて、引出部材５とコネクタ７との接続を、燐青銅などのバネ部材７２によって圧接して行なう形態であり、その余の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。バネ部材７２の引出部材５と接する部分には、金メッキなどを施して導電性を向上させた良導電部７３が形成されている。
【００３４】
本発明の第３の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図３を用いて説明する。第３の実施の形態は、第１の実施の形態における圧力センサにおいて、液体注入機構の形状を変更した形態である。すなわち、この実施の形態では、封止ピン８１をピン固定部２５に圧入して固定する形態であり、封止ボール８は封止ピン８１によって、弁受け部２６に圧接して固定される。封止ピン８１には空気抜き溝８２が形成されている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００３５】
本発明の第４の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図４を用いて説明する。第４の実施の形態は、第１の実施の形態における圧力センサにおいて、液体注入機構を省略した形態である。その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００３６】
この実施の形態では、液体注入機構を省略したことによって、製造工程に工夫を凝らしている。すなわち、ダイヤフラム３を溶接した蓋部材１と、圧力検出手段４を固定したホルダー２を溶接固着するに当たって、ホルダー２内に固着した圧力検出手段４の出力調整を行う。ついで、ホルダー２を図示と天地を逆さに配置して、受圧空間２１に圧力伝達媒体（液体）を満たし、この上から蓋部材１を被せて蓋部材１の底面１２にホルダー２の環状堤部２２を接触させながらプロジェクション溶接によって、両者を溶接固定する。その後かしめ部１７をかしめ受け部２８へかしめつけて蓋部材１とホルダー２とを一体化固定する。
【００３７】
本発明の第５の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図５を用いて説明する。第５の実施の形態は、第３の実施の形態における圧力センサにおいて、液体注入機構の封止ピン８１の固着をより確実にしたもので、ピン固定部２５の開口周辺にかしめ部２９を形成しており、圧力媒体注入後封止ピン８１の上端をかしめ部２９によってかしめ固定している。その他の構成は第３の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００３８】
本発明の第６の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図６を用いて説明する。第６の実施の形態は、第２の実施の形態における圧力センサにおいて蓋部材１と圧力導入管を一体化して構成しており、圧力導入部の下端には、図示を省略した配管にネジ等によって固定されるネジ止め部１８を設けている。また、このネジ止め部１８によって直接蓋部材１を固定してもよい。その他の構成は第２の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００３９】
本発明の第７の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図７を用いて説明する。第７の実施の形態は、第３の実施の形態における圧力センサにおいて、受圧空間２１を、ホルダー２に設けた溶接面２１１に、ダイヤフラム３を溶接固定することによって形成した点に特徴を有している。すなわち、この実施の形態では、ダイヤフラム３を、蓋部材１に溶接するのではなくホルダー２に溶接している。この場合も、ダイヤフラム３の接合面の背面に補強板３２をあてがいこれらを一体に溶接している。溶接方法は、これまでに実施の形態と同じくレーザービーム溶接や電子ビーム溶接などの手法によって行われる。その他の構成は第３の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００４０】
本発明の第８の実施の形態にかかる圧力センサの構成を図８を用いて説明する。第８の実施の形態は、第２の実施の形態における圧力センサにおいて、第７の実施の形態と同じ構造によって、受圧空間２１を構成した例である。その他の構成は第７の実施の形態と同様であり、同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００４１】
このように、本発明は、下記アからオの各種態様をそれぞれ選択して組み合わせることができる。
【００４２】
ア．受圧空間を、第１の実施の形態に示すように、蓋部材１にダイヤフラム３を溶接して蓋部材１とホルダー２を環状堤部２２によって溶接して構成する態様、第７の実施の形態に示すように、ホルダー２にダイヤフラム３を溶接して構成する態様のいずれかを採用することができる。
【００４３】
イ．引出部材５とコネクタ７との接続は、第１の実施の形態に示すコネクタ７の他端部に設けた通電接続部７１を引出部材５にカシメまたはスポット溶接などによって接続する態様、第２の実施の形態に示すように、引出部材５とコネクタ７との接続をバネ部材７２によって圧接して行なう態様のいずれかを採用することができる。
【００４４】
ウ．液体注入機構を、第１の実施の形態に示す封止ネジ８０を用いる態様、第３の実施の態様に示す封止ピンを用いる態様、第５の実施の態様に示す封止ピン８１をかしめ付ける態様、第４の実施の態様に示す液体注入機構を省略した態様のいずれかを採用することができる。
【００４５】
エ．蓋部材１の構成を、第１の実施例に示す圧力導入管１９をロー付けにより設ける態様、第６の実施の態様に示す圧力導入管を一体に設けネジを構成する態様のいずれかを採用することができる。
【００４６】
オ．第１〜第８の実施の形態においては、圧力検出手段４の処理回路を、半導体圧力センサ素子とプリント配線基板４３に分散して設けたが、プリント配線基板４３を省略して処理回路を半導体圧力センサ素子４１に全て搭載態様とすることもできる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、蓋部材とダイヤフラムとホルダーを溶接して一体化して圧力センサ本体を構成することによって、部品点数を削減するとともに、組立工数を削減した気密性に優れた圧力センサを提供できる。
【００４８】
さらに、本発明によれば、ダイヤフラムの背面に補強部材が配置され一体に溶接されるので、ダイヤフラムと蓋部材またはダイヤフラムとホルダーとを強固に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図２】本発明の第２実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図５】本発明の第５の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図６】本発明の第６の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図７】本発明の第７の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【図８】本発明の第８の実施の形態にかかる圧力センサの構造を示す縦断面図。
【符号の説明】
１　蓋部材
１１　加圧空間
１２　底面
１７　かしめ部
１８　ネジ止め部
１９　圧力導入管
１９１　溶接部（ロー付け部）
２　ホルダー
２１　受圧空間
２２　環状堤部
２３　引出部材貫通孔
２４　液体注入孔
２５　ピン固定部
２６　弁受け部
２７　側部開口
２８　かしめ受け部
２９　かしめ部
３　ダイヤフラム
３１　ダイヤフラム周辺部
３２　補強板
３３　溶接部
４　圧力検出手段
４１　半導体圧力センサ素子
４２　台座
４３　プリント配線基板
５　引出部材
５１、５２　ボンディングワイヤ
５３　ハーメチックシール
６　コネクタケース
７　コネクタ
７１　導電接続部
７２　バネ部材
７３　良導電部
７９　支持台
８　封止ボール
８０　封止ネジ
８１　封止ピン
８２　空気抜き溝
【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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