(57)【要約】【課題】特定周波数帯の圧力を検出することが可能な圧力検知装置を提供する。【解決手段】圧力検知装置１は、流体の圧力に応じて変位するダイアフラム１１ａを有し、当該ダイアフラム１１ａの変位に基づいて信号を出力する圧力センサ１０と、圧力センサ１０の周囲を覆って空間部２５を形成するパッケージ２０と、を備え、パッケージ２０は、ダイアフラム１１ａの下部に流体を導入する導入孔２３ａと、導入孔２３ａよりも小径とされダイアフラム１１ａの上部に流体を導入する小孔２３ｂとが形成されている。【選択図】図１
2012173006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の圧力に応じて変位するダイアフラムを有し、当該ダイアフラムの変位に基づいて信号を出力する圧力センサと、
前記圧力センサの周囲を覆って空間部を形成するパッケージと、を備え、
前記パッケージは、前記ダイアフラムの下部に流体を導入する導入孔と、前記導入孔よりも小径とされ前記ダイアフラムの上部に流体を導入する小孔とが形成されている
ことを特徴とする圧力検知装置。
【請求項２】
前記パッケージには、前記圧力センサが載置された回路基板があり、
前記小孔は、前記回路基板に形成されたスルーホールである
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検知装置。
【請求項３】
前記小孔に前記回路基板のビアを利用する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力検知装置。
【請求項４】
前記小孔には多孔質材料が詰められている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧力検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンデンサの静電容量変化を利用して圧力を検出する圧力検知素子が知られている。この圧力検知素子は、圧力導入部より検知対象となる圧力を有した気体を導入し、導入した気体の圧力によりコンデンサ電極の一方を有した平板が撓むことで、他方のコンデンサ電極との距離が変化する。これにより、コンデンサの静電容量が変化し、この変化により圧力を検出することができる。
【０００３】
特許文献１に記載された圧力検知素子は、一対の対向した電極の距離が圧力変動により変化することで静電容量が変化し、圧力を検出できる。また、圧力の他に振動を検知するために一方の平板に振動検知体を有し、振動検知体により振動をとらえるようになっている。この圧力検知素子からの信号は判別回路に接続されており、判別回路による判断により圧力と振動とが区別して検出される。さらに、圧力導入部には、圧力導入孔側にオリフィス状の絞り部と、絞り部により形成された空間部分とが形成され、絞り部と空間部分との高周波減衰効果により、振動する圧力のうち高周波成分が取り除かれるようになっている。このため、平板には平均的な圧力が導入されることとなり、振動する圧力が入力されても、外部振動による振動と区別することができる。特に、この圧力検出素子では、絞り部と空間部分との大きさを調整することで取り除く高周波の周波数を調整することができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１７０３７５号公報（図１及び図７参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の圧力検知素子では、設計精度が高くなければ狙った周波数を検知することができなくなってしまう可能性がある。すなわち、特許文献１に記載の圧力検知素子において樹脂材料は切削や金型により加工されるため、加工限界が１００μｍ程度であり、精度良く絞り部等を形成できないことから、取り除く高周波の周波数を調整できず、狙った周波数を検知することができなくなってしまう可能性がある。
【０００６】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、特定周波数帯の圧力を検出することが可能な圧力検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧力検知装置は、流体の圧力に応じて変位するダイアフラムを有し、当該ダイアフラムの変位に基づいて信号を出力する圧力センサと、圧力センサの周囲を覆って空間部を形成するパッケージと、を備え、パッケージは、ダイアフラムの下部に流体を導入する導入孔と、導入孔よりも小径とされダイアフラムの上部に流体を導入する小孔とが形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この圧力検知装置によれば、圧力センサの周囲を覆って空間部を形成するパッケージを備え、パッケージは、ダイアフラムの下部に流体を導入する導入孔と、導入孔よりも小径とされダイアフラムの上部に流体を導入する小孔とが形成されている。このため、空間部の容積Ｃと小孔の大きさＲとによる擬似的なＲＣ回路となり、特定周波数帯の圧力を検出することができる。よって、特許文献１のようにパッケージの圧力導入部に加工する必要がなく、容易に特定周波数帯の圧力を検出できる。
【０００９】
また、本発明の圧力検知装置のパッケージには、圧力センサが載置された回路基板があり、小孔は、回路基板に形成されたスルーホールであることが好ましい。
【００１０】
この圧力検知装置によれば、パッケージには、圧力センサが載置された回路基板があり、小孔は、回路基板に形成されたスルーホールである。このため、新たに小孔を形成するためにレーザ等により孔を形成する必要がなく、回路基板形成時に作成するスルーホールを利用することができる。
【００１１】
また、本発明の圧力検知装置は、小孔に前記回路基板のビアを利用してもよい。
【００１２】
この圧力検知装置によれば、小孔に回路基板のビアを利用するため、回路基板の実装に利用されない孔を利用することができる。
【００１３】
また、本発明の圧力検知装置は、小孔には多孔質材料が詰められていてもよい。
【００１４】
この圧力検知装置によれば、小孔には多孔質材料が詰められている。このため、パッケージに形成された小孔により充分な抵抗を生み出せない場合には、アルミナやゼオライトなどの多孔質材料を埋め込むことで、充分な抵抗を生み出すことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、特定周波数帯の圧力を検出することが可能な圧力検知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力検知装置を示す構成図である。
【図２】図１に示した圧力センサを示す概略構成図であって、（ａ）は側面図を示し、（ｂ）は上面図を示している。
【図３】図１に示した小孔の変形例を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧力検知装置を示す構成図であって、断面図を示している。
【００１８】
図１に示すように、圧力検知装置１は、気体や液体などの流体の圧力を検出するものであって、例えばガスメータ内の気体など流体の圧力が変動する部位に設けられる。このような圧力検知装置１は、圧力センサ１０と、パッケージ２０とから構成されている。
【００１９】
圧力センサ１０は、流体の圧力に応じた圧力信号を端子３０を通じて出力するものである。端子３０を通じて出力された圧力信号は、ＣＰＵ等の圧力算出部（図示せず）に送信され、圧力算出部にて演算により圧力が求められることとなる。
【００２０】
パッケージ２０は、上側部材２１と、下側部材２２と、回路基板２３と、Ｏリング２４とから構成され、上側部材２１と回路基板２３とによって圧力センサ１０の周囲を覆って空間部２５を形成している。
【００２１】
詳細に上側部材２１は、断面コの字形状の部材である。一方、下側部材２２は、略漏斗形状の部材であって、漏斗の大径開放部２２ａ側が上側部材２１の開放側と合致するようにされている。すなわち、上側部材２１は、コの字の先端側２１ａにて下側部材２２の大径開放部２２ａ側を受容するように構成されている。また、下側部材２２の小径開放部２２ｂ側は検知対象となる流体を受け入れる流体の導入部として機能することとなる。
【００２２】
回路基板２３は、上側部材２１と下側部材２２とによって形成される空間内に設けられるものであり、圧力センサ１０を載置するものである。圧力センサ１０への電力供給等は、回路基板２３上に形成された回路を通じて行われる。このような回路基板２３は下側部材２２の段差部２２ｃとＯリング２４とによって固定され、上側部材２１と下側部材２２との空間を隔てる役割を果たしている。
【００２３】
また、回路基板２３には、導入孔２３ａと小孔２３ｂとが形成されている。ガス導入孔２３ａ及び小孔２３ｂは、下側部材２２の空間における流体を導入する孔である。また、小孔２３ｂは導入孔２３ａよりも小径とされている。
【００２４】
図２は、図１に示した圧力センサ１０を示す概略構成図であって、（ａ）は側面図を示し、（ｂ）は上面図を示している。図２に示すように、圧力センサ１０は、基板１１と、ガラス部材１２と、上部電極１３と、下部電極１４と、ボンディングパッド１５とを有している。
【００２５】
基板１１は、例えばシリコンにより構成され、回路基板２３上に載置されている。この基板１１は、流体の圧力に応じて変位するダイアフラム１１ａを有している。ダイアフラム１１ａは、基板１１の裏面から異方性エッチングやＲＩＥ（Reactive ion・etching）により形成され、ダイアフラム１１ａの表裏の圧力差に応じて上下方向に変位する薄膜である。また、回路基板２３の導入孔２３ａはダイアフラム１１ａの裏面側に通じており（図１参照）、ダイアフラム１１ａの裏面側は下側部材２２と回路基板２３とによって形成される空間の圧力を受けることとなる。
【００２６】
ガラス部材１２は、基板１１上に載置されるものである。このガラス部材１２にはダイアフラム１１ａの表面まで通じる貫通孔１２ａが形成されている。また、回路基板２３の小孔２３ｂはガラス部材１２側に通じており（図１参照）、ガラス部材１２側の圧力は貫通孔１２ａを通ってダイアフラム１１ａの表面側に至ることとなる。
【００２７】
上部電極１３は、ダイアフラム１１ａの上部においてアルミニウムなどの金属膜がガラス部材１２に蒸着されて形成されている。下部電極１４は、上部電極１３と対向配置されており、シリコン上（ダイアフラム１１ａ上）にＢ（ボロン）やＰ（リン）を拡散させて形成されている。ボンディングパッド１５は、回路基板２３と圧力センサ１０との電気的に接続するボンディングワイヤを接続するためパット部位である。なお、シリコン上にガラス板２０と同様に金属膜を形成して下部電極３１ｂとしてもよい。
【００２８】
次に、本実施形態に係る圧力検知装置１の基本動作を説明する。なお、以下では、本実施形態に係る圧力検知装置１をガス流路等に配置した場合を例に説明する。
【００２９】
まず、下側部材２２の小径開放部２２ｂを通じてパッケージ２０内にガスが導入される。また、パッケージ２０内に導入されたガスは、導入孔２３ａを通じてダイアフラム１１ａの下部に導入される一方、小孔２３ｂを通じてダイアフラム１１ａの上部に導入される。
【００３０】
ここで、小径開放部２２ｂを通じてパッケージ２０内に導入されたガスに圧力変化が無い場合、ダイアフラム１１ａの上部と下部との圧力は等しくなる。これにより、ダイアフラム１１ａは撓むことなく、上部電極１２と下部電極１３との距離は一定に保たれる。このため、上部電極１２と下部電極１３とにより構成されるコンデンサからの出力（すなわち静電容量）は特定の値で安定する。より具値的に静電容量は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄにより表され、ε、Ｓ及びｄについてはいずれも変化がないことから、コンデンサからの出力は特定の値で安定する。なお、εは誘電率であり、Ｓは電極面積であり、ｄは電極間の距離である。
【００３１】
一方、小径開放部２２ｂを通じてパッケージ２０内に導入されたガスの圧力が高くなった場合、ガスはダイアフラム１１ａの上部に伝わるまで小孔２３ｂを経ることから、ダイアフラム１１ａの上部の圧力は即座に高くならない。これ対して、ダイアフラム１１ａの下部へ至るガスは導入孔２３ａを通じて至ることから、ダイアフラム１１ａの下部の圧力は比較的早期に高くなる。よって、ダイアフラム１１ａは上方へ変位することとなり、コンデンサからの出力（すなわち静電容量）は変化する。すなわち、ｄが小さくなることから静電容量は大きくなる。ＣＰＵ等の圧力算出部（図示せず）は、この変化量をとらえることで圧力を検出することとなる。なお、パッケージ２０内に導入されたガスの圧力が低くなった場合はダイアフラム１１ａが下方に撓むこととなり、同様に圧力が検出される。
【００３２】
さらに、本実施形態において圧力検知装置１は、空間部２５の容積と小孔２３ｂの大きさとにより、検出対象となる周波数域が設定されている。すなわち、本実施形態において圧力検知装置１は、空間部２５の容積をＣとし、小孔２３ｂの大きさをＲとした擬似的なＲＣ回路となり、特定の周波数成分のみを検出することができる。しかも、小孔２３ｂはドリルやレーザにより形成することができ、ドリルでは１００μｍ程度、レーザでは数十μｍの孔を形成することができる。このため、特許文献１に記載の圧力検知素子の加工限界を超えることができると共に、パッケージ２０の空間部２５の容積Ｃについてはパッケージ２０の大きさを変化させるだけで調整できることから、特許文献１に記載の技術と比較して特定周波数帯の圧力を検出し易い。
【００３３】
なお、本実施形態に係る圧力検知装置１では、特定周波数帯の圧力を検出できる一方、外部から振動や温度変化に伴う圧力変化などを検知しないことはいうまでもない。
【００３４】
また、本実施形態に係る圧力検知装置１において、小孔２３ｂは、回路基板２３に形成されたスルーホールであってもよい。これにより、新たに小孔２３ｂを形成するためにレーザ等により孔を形成する必要がなく、回路基板形成時に作成するスルーホールを利用することができる。特に、スルーホールがビアである場合には実装に利用されない孔を利用することができる。
【００３５】
また、小孔２３ｂには多孔質材料が詰められていてもよい。図３は、図１に示した小孔２３ｂの変形例を示す拡大図である。図３に示すように、小孔２３ｂにはアルミナやゼオライトなどの多孔質材料２３ｃが詰められていてもよい。上記したように、小孔２３ｂは擬似的なＲＣ回路において抵抗を表わす。このため、多孔質材料２３ｃを詰めることにより抵抗Ｒを高めることができ、検出対象とする周波数帯の調整が可能となる。なお、上記実施形態において小孔２３ｂは導入孔２３ａよりも径が小さいが、多孔質材料２３ｃを用いることにより小孔２３ｂが導入孔２３ａより径が同じ又は大きくても特定周波数の圧力を検出することが可能となる。
【００３６】
このようにして、本実施形態に係る圧力検知装置１によれば、圧力センサ１０の周囲を覆って空間部２５を形成するパッケージ２０を備え、パッケージ２０は、ダイアフラム１１ａの下部に流体を導入する導入孔２３ａと、導入孔２３ａよりも小径とされダイアフラム１１ａの上部に流体を導入する小孔２３ｂとが形成されている。このため、空間部２５の容積Ｃと小孔２３ｂの大きさＲとによる擬似的なＲＣ回路となり、特定周波数帯の圧力を検出することができる。
【００３７】
特にパッケージ２０に形成される小孔２３ｂはドリルやレーザにより形成することができ、ドリルでは１００μｍ程度、レーザでは数十μｍの孔を形成することができる。このため、特許文献１に記載の圧力検知素子の加工限界を超えることができると共に、パッケージ２０の空間部の容積Ｃについてはパッケージ２０の大きさを変化させるだけで調整できることから、特許文献１に記載の技術と比較して特定周波数帯の圧力を検出し易い。
【００３８】
また、パッケージ２０には、圧力センサ１０が載置された回路基板２３があり、小孔２３ｂは、回路基板２３に形成されたスルーホールである。このため、新たに小孔２３ｂを形成するためにレーザ等により孔を形成する必要がなく、回路基板形成時に作成するスルーホールを利用することができる。
【００３９】
また、小孔２３ｂに回路基板２３のビアを利用するため、回路基板２３の実装に利用されない孔を利用することができる。
【００４０】
また、小孔２３ｂには多孔質材料２３ｃが詰められている。このため、パッケージ２０に形成された小孔２３ｂにより充分な抵抗を生み出せない場合には、アルミナやゼオライトなどの多孔質材料２３ｃを埋め込むことで、充分な抵抗を生み出すことができる。
【００４１】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態に係る圧力検知装置１は気体の圧力を検出する例を説明したが、特にこれに限らず、液体の圧力検出に用いられてもよい。
【００４２】
また、本実施形態に係る圧力検知装置１は、上部電極１３と下部電極１４とからなるコンデンサを例に説明しているが、これに限らず、例えば上部電極と下部電極とに形成された接点のオン及びオフを検出するセンサを用いてもよいし、ダイアフラム１１ａにピエゾ抵抗を形成してダイアフラム１１ａの変動を抵抗値変化として検出するセンサであってもよい。さらに、応力が加わると電荷を発生する圧電膜をダイアフラム１１ａに用いて圧力変動を検出するセンサであってもよいし、ダイアフラム１１ａの変動をレーザ光により測定するセンサであってもよい。
【００４３】
また、本実施形態に係る圧力検知装置１は、回路基板２３に導入孔２３ａ及び小孔２３ｂが形成されているが、回路基板２３でなく、下側部材２２など他の部材に導入孔２３ａ及び小孔２３ｂが形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…圧力検知装置
１０…圧力センサ
１１…基板
１１ａ…ダイアフラム
１２…ガラス部材
１２ａ…貫通孔
１３…上部電極
１４…下部電極
１５…ボンディングパッド
２０…パッケージ
２１…上側部材
２１ａ…先端側
２２…下側部材
２２ａ…大径開放部
２２ｂ…小径開放部（導入孔）
２２ｃ…段差部
２３…回路基板
２３ａ…導入孔
２３ｂ…小孔
２３ｃ…多孔質材料
２４…Ｏリング
２５…空間部
３０…端子
【図１】
2012173006.tif 000003
【図２】
2012173006.tif 000004
【図３】
2012173006.tif 000005