(57)【要約】【課題】半導体素子の表面に亀裂が生じることを抑えることのできる筒内圧センサを提供する。【解決手段】筒内圧センサは、加えられた荷重に応じて抵抗値が変化する半導体素子１０と、半導体素子１０に接触しており内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を半導体素子１０に伝達する直方体形状の力伝達部材１０６とを備える。そして、半導体素子１０の表面には、半導体素子１０に接触する力伝達部材１０６の接触面側の４辺に対向する部位に凹部３０を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加えられた荷重に応じて抵抗値が変化する半導体素子と、前記半導体素子に接触しており内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を前記半導体素子に伝達する直方体形状の力伝達部材とを備える筒内圧センサであって、
前記力伝達部材が接触する前記半導体素子の表面と前記力伝達部材の角部との間には隙間が形成されている
ことを特徴とする筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサが知られている（例えば特許文献１参照）。
この特許文献１の筒内圧センサは、筒状のハウジングと、ハウジングに固定されて筒内圧を受けるダイヤフラムと、ダイヤフラムに接触する半球状の連結部材と、連結部材に作用した荷重が伝えられる直方体形状の力伝達部材と、作用する荷重に応じて抵抗値が変化する素子であって力伝達部材に接触している半導体素子とを有している。ダイヤフラムに筒内圧が作用すると、連結部材及び力伝達部材を介して半導体素子には荷重が作用し、半導体素子の抵抗値が変化する。この抵抗値変化によって筒内圧センサからは筒内圧に応じた信号が出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２７１３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した筒内圧センサでは、ダイヤフラム、連結部材、力伝達部材、及び半導体素子といった各部材を重ねて配設するようにしている。
ここで、各部材を重ねて組み付ける際には、公差等に起因して、各部材の重心が必ずしも組み付け方向において同一直線状に並んだ状態にはならないことがある。この状態では、ダイヤフラムからの荷重が力伝達部材に伝達されたときに、力伝達部材にモーメントが発生して力伝達部材が傾く可能性がある。
【０００５】
このように、半導体素子の表面に接触する直方体形状の力伝達部材が傾くことにより、力伝達部材の角部が半導体素子の表面に当接してしまうと、その当接部位には応力が集中するようになり、半導体素子の表面に亀裂が生じるおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子の表面に亀裂が生じることを抑えることのできる筒内圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための筒内圧センサは、加えられた荷重に応じて抵抗値が変化する半導体素子と、前記半導体素子に接触しており内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を前記半導体素子に伝達する直方体形状の力伝達部材とを備えている。そして、前記力伝達部材が接触する前記半導体素子の表面と前記力伝達部材の角部との間には隙間が形成されている。
【０００８】
同構成によれば、力伝達部材の角部と半導体素子の表面との間には隙間が形成されているため、力伝達部材が傾いても力伝達部材の角部が半導体素子の表面には当接しない。従って、力伝達部材の角部が半導体素子の表面に当接することによって半導体素子の表面に応力が集中することを抑えることができ、これにより半導体素子の表面に亀裂が生じることを抑えることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態としての筒内圧センサの構造を示す断面図。
【図２】筒内圧センサに設けられた半導体素子の構造を示す斜視図。
【図３】半導体素子の表面構造を模式的に示す平面図。
【図４】図３に示す４−４線に沿った半導体素子の断面図。
【図５】図３に示す５−５線に沿った半導体素子の断面図。
【図６】同実施形態の変形例における半導体素子の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサの一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、筒内圧センサ１００には、円筒形状のインナハウジング１０１とインナハウジング１０１が挿通されたアウタハウジング１０２とが設けられている。
【００１１】
各ハウジング１０１，１０２の先端には、例えば金属からなるダイヤフラム１０３が固定されている。これにより、各ハウジング１０１，１０２の先端が塞がれている。ダイヤフラム１０３は、中心部が湾曲している。
【００１２】
内燃機関の燃焼室に筒内圧センサ１００が設けられた状態では、燃焼室内の圧力である筒内圧がダイヤフラム１０３に作用する。これにより、ダイヤフラム１０３の中心部は、図１において右方向に撓む。
【００１３】
インナハウジング１０１の内部にはシール部材１０４が固定されている。このため、筒内圧センサ１００の先端部には、ダイヤフラム１０３、インナハウジング１０１、及びシール部材１０４によって区画された空間１０５が形成されている。この空間１０５には、シール部材１０４に固定された半導体素子１０と、半導体素子１０の表面に固定された直方体形状の力伝達部材１０６と、力伝達部材１０６及びダイヤフラム１０３の中心部を連結する半球状の連結部材１０７とが設けられている。力伝達部材１０６は、例えば結晶化ガラスなどで構成されている。
【００１４】
筒内圧センサ１００には、筒内圧に応じた信号を検出する検出部１２０を備えている。半導体素子１０には一対の電極が設けられており、それら各電極はリード線１１０を介して検出部１２０に接続されている。
【００１５】
検出部１２０は一定の電流を供給する定電流回路１２１を備えており、この定電流回路１２１から半導体素子１０に一定の電流が供給されている。また、検出部１２０はオペアンプを有する出力回路１２２を備えている。そして、この出力回路１２２によって、半導体素子１０に設けられた上記一対の電極間に生じている電位差（以下、両端電圧という）が検出されるとともに両端電圧に応じた信号が出力される。
【００１６】
筒内圧センサ１００は、ダイヤフラム１０３が燃焼室内に露出した状態で内燃機関に配設される。このため、筒内圧センサ１００のダイヤフラム１０３には燃焼室内の圧力、すなわち筒内圧が作用する。そして、筒内圧の作用によってダイヤフラム１０３が撓むと、連結部材１０７及び力伝達部材１０６を介して半導体素子１０には荷重が作用し、半導体素子１０の抵抗値が変化する。半導体素子１０には定電流回路１２１から定電流が供給されているため、半導体素子１０に荷重が作用して抵抗値が変化すると、半導体素子１０の上記両端電圧が変化する。上記出力回路１２２は、半導体素子１０の両端電圧に対応した信号、すなわち半導体素子１０の抵抗値に対応した信号を筒内圧に対応した信号として出力する。
【００１７】
次に、図２〜図５を参照して、半導体素子１０の構造について説明する。
図２に示すように、半導体素子１０は、略直方体形状であってシリコン等で構成されている。半導体素子１０において力伝達部材１０６が接触する面には、メサ型の突出部であって筒内圧に応じた荷重の作用に対応して抵抗値が変化するメサ部１１を有した凸部１５が形成されている。この凸部１５の頂面に力伝達部材１０６の底面が接触する。
【００１８】
なお、以下では、半導体素子１０において凸部１５が形成される面を加工面１２といい、凸部１５の頂面に接触する力伝達部材１０６の底面を力伝達部材１０６の接触面という。また、メサ部１１の長手方向を長さ方向といい、この長さ方向における寸法を「長さ」という。また、加工面１２に対して垂直な方向を高さ方向といい、この高さ方向における寸法を「高さ」という。また、長さ方向及び高さ方向の双方と直交する方向を幅方向といい、この幅方向における寸法を「幅」という。
【００１９】
図２や図３に示すように、凸部１５は、加工面１２において、幅方向に並んだ２つの溝１９を形成するとともに力伝達部材１０６の接触面側の４辺に対向する部位に凹部３０を形成して、加工面１２を凹凸形状とすることにより形成されている。そして、２つの溝１９の間に上記メサ部１１が形成されている。
【００２０】
メサ部１１の長さ方向における両端側には１対の電極１３が設けられており、各電極１３には、先の図１に示したリード線１１０が接続されている。また、メサ部１１の両端側における凹部３０には、凹部３０の底から高さ方向に盛り上がったリード部３１がそれぞれ設けられている。
【００２１】
図４や図５に示すように、本実施形態では、加工面１２に対して不純物を添加するドーピング処理を施すことにより、加工面１２の表面に導通層を形成するようにしている。そして、このドーピング処理を行った後、加工面１２に対してエッチング処理を行うことにより、上記溝１９及び凹部３０を形成するようにしている。ちなみに、加工面１２に対してエッチング処理を行うことにより上記溝１９及び凹部３０を形成する。そして、このエッチング処理を行った後に、ドーピング処理の不要な箇所をマスキングした状態でドーピング処理を行うようにしてもよい。
【００２２】
図４に示すように、溝１９及び凹部３０の加工面１２からの深さＬ１は、ドーピング深さＬＤ（ドーピング処理による加工面１２からの不純物の拡散深さ）よりも長くされている。これにより溝１９及び凹部３０は非導通部となっている。
【００２３】
図５に示すように、加工面１２からリード部３１の頂面までの深さＬ２は、上記ドーピング深さＬＤよりも短くされている。
また、同図５に示すように、凹部３０の底からリード部３１の頂面までの高さＬ４は、加工面１２からの凹部３０の深さＬ１よりも短くされており、このリード部３１の頂面は加工面１２から凹んだ状態になっている。従って、このリード部３１も上記凹部３０の一部を構成している。
【００２４】
次に、上記筒内圧センサ１００の作用を説明する。
先の図２、図３、図４に示すように、加工面１２には、力伝達部材１０６の接触面側の４辺に対向する部位に凹部３０が形成されているため、力伝達部材１０６が接触する半導体素子１０の表面と力伝達部材１０６の角部Ｋとの間には隙間が生じている。従って、上述したようなモーメントの作用によって力伝達部材１０６が傾いても、角部Ｋは半導体素子１０の表面に点接触しない。そのため、力伝達部材１０６の角部Ｋが半導体素子１０の表面に当接することによって半導体素子１０の表面に応力が集中することは抑えられるようになり、その結果、半導体素子１０の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【００２５】
また、凹部３０は、力伝達部材１０６の接触面側の４辺に対向する部位に形成されているため、力伝達部材１０６が接触する半導体素子１０の表面と力伝達部材１０６の接触面側の辺との間には隙間が生じている。従って、上述したようなモーメントの作用によって力伝達部材１０６が傾いても接触面側の辺は半導体素子１０の表面に点接触しない。そのため、力伝達部材１０６の接触面側の辺が半導体素子１０の表面に点接触することによって半導体素子１０の表面に応力が集中することも抑えられるようになり、これによっても半導体素子１０の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【００２６】
また、先の図５に示したように、リード部３１については、加工面１２からリード部３１の頂面までの深さＬ２が上記ドーピング深さＬＤよりも短くされているため、リード部３１には、ドーピング処理によって拡散された不純物の層が残されている。従って、リード部３１は上記凹部３０の一部を構成しつつ導通可能な部位となっている。そのため、上記凹部３０を形成しても、電極１３及びリード部３１及びメサ部１１の導通を確保することができる。
【００２７】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）加工面１２に凹部３０が形成されている。そのため、力伝達部材１０６の角部Ｋが半導体素子１０の表面に当接することによって半導体素子１０の表面に応力が集中することは抑えられるようになり、その結果、半導体素子１０の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【００２８】
（２）凹部３０は、加工面１２において力伝達部材１０６の接触面側の４辺に対向する部位に形成されている。従って、力伝達部材１０６の接触面側の辺が半導体素子１０の表面に線接触することにより、半導体素子１０の表面に亀裂が生じることを抑えることができる。
【００２９】
（３）加工面１２からリード部３１の頂面までの深さＬ２は、ドーピング深さＬＤよりも短くされている。そのため、加工面１２に上記凹部３０を形成しても、電極１３及びリード部３１及びメサ部１１の導通を確保することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・先の図４に示すように、幅方向におけるメサ部１１の断面において、電流が流れる部分の面積をメサ部電流通路断面積ＭＳと称した場合に、このメサ部電流通路断面積ＭＳは、「メサ部１１の幅ＬＭ×ドーピング深さＬＤ」になる。また、先の図５に示すように、幅方向におけるリード部３１の断面において、電流が流れる部分の面積をリード部電流通路断面積ＬＳと称した場合に、このリード部電流通路断面積ＬＳは、「リード部３１の幅ＬＬ×（ドーピング深さＬＤ−加工面１２からリード部３１の頂面までの深さＬ２）」になる。
【００３１】
ここで、リード部３１は、加工面１２に対して凹んでいる。そのため、リード部電流通路断面積ＬＳにおける高さ寸法は、メサ部電流通路断面積ＭＳにおける高さ寸法と比較して凹みの分だけ、つまり「加工面１２からリード部３１の頂面までの深さＬ２」の分だけ短くなる。従って、リード部３１の幅ＬＬをメサ部１１の幅ＬＭよりも長くしないと、リード部電流通路断面積ＬＳがメサ部電流通路断面積ＭＳよりも少なくなる。このようにリード部電流通路断面積ＬＳがメサ部電流通路断面積ＭＳよりも少なくなると、リード部３１における電気抵抗値が増大するため、荷重が作用していないときの両端電圧が高くなる。従って、荷重が作用していないときの両端電圧と、荷重が作用しているときの両端電圧との差が小さくなってしまい、筒内圧の検出精度が低下するおそれがある。
【００３２】
そこで、図６に示すように、リード部３１の幅ＬＬをメサ部１１の幅ＬＭよりも長くして、リード部電流通路断面積ＬＳがメサ部電流通路断面積ＭＳ以上となるようにリード部３１を形成するようにしてもよい。この場合には、上述したようなリード部３１における電気抵抗値の増大が抑えられるため、リード部３１を形成することによる筒内圧の検出精度の低下を抑えることができる。
【００３３】
・加工面１２において、力伝達部材１０６の接触面側の４辺に対向する部位に凹部３０を形成するようにした。この他、力伝達部材１０６が接触する半導体素子１０の表面と力伝達部材１０６の角部Ｋとの間にのみ凹部を設けて隙間を形成してもよい。この場合でも、少なくとも力伝達部材１０６が傾いた場合に角部Ｋが半導体素子１０の表面に点接触しなくなるため、上記（１）と同様な効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０…半導体素子、１１…メサ部、１２…加工面、１３…電極、１５…凸部、１９…溝、３０…凹部、３１…リード部、１００…筒内圧センサ、１０１…インナハウジング、１０２…アウタハウジング、１０３…ダイヤフラム、１０４…シール部材、１０５…空間、１０６…力伝達部材、１０７…連結部材、１１０…リード線、１２０…検出部、１２１…定電流回路、１２２…出力回路。
【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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