(57)【要約】【課題】入力荷重が偏心しても、感度低下及び応力集中を防止することが可能な構造のＳｉ素子を備えた筒内圧センサを提供する。【解決手段】Ｓｉ素子１０の歪みゲージ１２を、Ｓｉ基板１１の＜１１０＞方向（圧縮荷重に対して感度の高い方向）に沿って延び、かつ、＜１１０＞方向と交差する方向に並ぶ複数の直状部１２ａと、複数の直状部１２ａを連結する折返し部１２ｂとを有する蛇行形状に形成している。このように、Ｓｉ素子１０の歪みゲージ１２の形状を蛇行形状とすることにより、入力荷重が＜１１０＞方向と直交する方向に偏心しても感度低下を防止することができるとともに、歪みゲージ１２に過度な応力集中が発生することを防止することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサであって、
単結晶ＳｉからなるＳｉ基板にメサ型の歪みゲージが形成されたＳｉ素子を備え、前記Ｓｉ素子の歪みゲージは、前記Ｓｉ基板の＜１１０＞方向に沿って延び、かつ、前記＜１１０＞方向と交差する方向に並ぶ複数の直状部と、前記複数の直状部を連結する折返し部とを有する蛇行形状に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、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関にあっては、筒内圧センサを用いて燃焼室内の圧力（燃焼圧）を検出し、その検出結果から燃焼状態を評価している。
【０００３】
筒内圧センサは、歪みゲージが形成された検出素子、その検出素子の歪みゲージに荷重を伝達する荷重伝達部材、及び、ダイアフラムなどを備えている。このような筒内圧センサに用いる検出素子としては、例えば、Ｓｉ単結晶からなるＳｉ基板の表面に、メサ型の歪みゲージを、Ｓｉ単結晶の圧縮荷重に対して感度の高い（抵抗が変化をしやすい）、（１１０）面の＜１１０＞方向に沿って直線状に形成したＳｉ素子が知られている（例えば、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２００６−０５８２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載のＳｉ素子では、歪みゲージが直線状のメサ構造となっているため、その直線状の歪みゲージと直交する方向において入力荷重が偏心すると、歪みゲージが全長にわたって均一に変形することができない。このため、感度（単位荷重あたりの抵抗変化量）が低下する。また、入力荷重が偏心すると、歪みゲージに過度な応力集中が発生する場合がある。
【０００６】
本発明はそのような実情を考慮してなされたものであり、入力荷重が偏心しても、感度低下及び応力集中を防止することが可能な構造のＳｉ素子を備えた筒内圧センサ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】
【０００７】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサであって、単結晶ＳｉからなるＳｉ基板にメサ型の歪みゲージが形成されたＳｉ素子を備え、前記Ｓｉ素子の歪みゲージは、前記Ｓｉ基板の＜１１０＞方向に沿って延び、かつ、前記＜１１０＞方向と交差（直交）する方向に並ぶ複数の直状部と、前記複数の直状部を連結する折返し部とを有する蛇行形状に形成されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、Ｓｉ素子の歪みゲージの形状を蛇行形状としているので、歪みゲージへの入力荷重が偏心しても、歪みゲージに過度な応力集中が発生することを防止することができる。しかも、歪みゲージには、Ｓｉ基板の＜１１０＞方向（圧縮荷重に対して感度の高い方向）に沿って延びる直状部が、＜１１０＞方向と直交する方向に複数形成されているので、入力荷重が＜１１０＞方向と直交する方向に偏心しても感度を確保することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入力荷重が偏心しても、感度低下及び応力集中を防止することが可能な構造のＳｉ素子を備えた筒内圧センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の筒内圧センサの一例を示す概略構成図である。
【図２】図１の筒内圧センサに用いるＳｉ素子の平面図である。
【図３】図１の筒内圧センサに用いるＳｉ素子の斜視図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】Ｓｉ素子の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
本実施形態の筒内圧センサＳは、図１に示すように、Ｓｉ素子１０、ガラスブロック２０、荷重伝達部材（半球）３０、及び、内燃機関の筒内圧を受けるダイアフラム（図示せず）などによって構成されている。
【００１３】
次に、Ｓｉ素子１０について図２〜図４を参照して説明する。
【００１４】
Ｓｉ素子１０は、ｎ型のＳｉ単結晶からなるＳｉ基板１１を備えている。Ｓｉ基板１１の表面は（１１０）面である。Ｓｉ基板１１の表面（一面）には、細い線状のメサ型歪みゲージ１２（以下、単に「歪みゲージ１２」ともいう）が形成されている。Ｓｉ基板１１の表面は、絶縁性を確保するために絶縁層１５によって被覆されている。また、Ｓｉ基板１１の表面（絶縁層１５上）には、歪みゲージ１２を挟んだ両側にそれぞれ電極１３及び電極１４が形成されている。
【００１５】
歪みゲージ１２は、Ｓｉ基板１１の（１１０）面の＜１１０＞方向（圧縮荷重に対して感度の高い方向）に沿って延び、かつ、＜１１０＞方向と直交（交差）する方向に並ぶ複数の直状部（直線部）１２ａ・・１２ａと、その複数の直状部１２ａ・・１２ａを連結する折返し部１２ｂ・・１２ｂとを有する蛇行形状に形成されている。また、歪みゲージ１２の蛇行部分は、平面形状が全体として円形になるように形成されている（図２参照）。
【００１６】
歪みゲージ１２は、後述する蛇行状のメサ段差１２ｄ（図４参照）の頂面部に、Ｓｉ基板１１とは反対の導電型のｐ型不純物（ドーパント）を注入することによって形成されており、そのドーパントの注入部分（図２及び図４においてドットを付した部分）にゲージ抵抗領域１２ｃが形成されている。ゲージ抵抗領域１２ｃの両端部は、それぞれ、絶縁層１５に形成されたコンタクトホール（図示せず）を通じて電極１３，１４に電気的に接続されている。
【００１７】
次に、Ｓｉ素子１０の製造方法について図２〜図４を参照して説明する。
【００１８】
［１］まず、（１１０）面のｎ型のＳｉ単結晶からなるＳｉ基板１１（Ｓｉウエハ）を用い、そのＳｉ基板１１の表面にメサエッチングを施して、蛇行状に延びる線状のメサ段差１２ｄ（図４参照）を形成する。このメサ段差１２ｄの頂面部にｐ型不純物（ドーパント）を注入してゲージ抵抗領域１２ｃを形成する。
【００１９】
［２］Ｓｉ基板１１の表面（メサ段差１２ｄを形成した側の面）を酸化して、Ｓｉ基板１１の表面上に絶縁層１５を形成する。
【００２０】
［３］Ｓｉ基板１１の表面上の絶縁層１５（ゲージ抵抗領域１２ｃの両端部と電極１３，１４とを接続する部分）にコンタクトホール（図示せず）を形成した後、Ｓｉ基板１１の表面（絶縁層１５の表面）であってコンタクトホールを形成した部分に電極１３，１４をスパッタリングや蒸着法等によって形成することにより、図２及び図３に示す構造のＳｉ素子１０を得る。
【００２１】
以上の構造のＳｉ素子１０上には、図１に示すようにガラスブロック２０が接合により固定されている。ガラスブロック２０の長さは、一対の電極１３，１４間の距離よりも所定量だけ小さい。また、ガラスブロック２０の幅はＳｉ素子１０の幅と略等しい。そして、ガラスブロック２０は、Ｓｉ素子１０への固定状態で、蛇行形状の歪みゲージ１２の表面、及び、その歪みゲージ１２を囲繞するＳｉ基板１１の表面（一対の電極１３，１４間のＳｉ基板１１の表面）に接している。
【００２２】
ガラスブロック２０の上面（Ｓｉ基板１１とは反対側の面）２０ａには荷重伝達部材（半球）３０が固定されている。荷重伝達部材３０は、入力荷重（ダイアフラムからの荷重）をガラスブロック２０の上面２０ａに均等に伝達する。このガラスブロック２０に伝達される荷重（歪みゲージ１２に対して直交する方向の荷重（応力））によって歪みゲージ１２が変形し、その変形に応じて当該歪みゲージ１２の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量は、歪みゲージ１２に電流を流すことにより、一対の電極１３，１４間の電圧（端子間電圧）として検出することができる。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、Ｓｉ素子１０の歪みゲージ１２の形状を、蛇行形状とし、その蛇行部分の平面形状を円形としているので、各部品の寸法公差や組付時の位置精度等に起因する不具合（例えば、荷重伝達部材（半球）３０がガラスブロック２０に対して偏心して組み付けられた場合等）により、歪みゲージ１２への入力荷重がＳｉ基板１１の＜１１０＞方向と直交する方向に偏心しても、歪みゲージ１２に過度な応力集中が発生することを防止することができる。しかも、歪みゲージ１２には、Ｓｉ基板１１の＜１１０＞方向（圧縮荷重に対して感度の高い方向）に沿って延びる直状部１２ａ・・１２ａが、＜１１０＞方向と直交する方向に複数形成されているので、入力荷重が＜１１０＞方向と直交する方向に偏心しても感度を確保することができる。
【００２４】
さらに、歪みゲージ１２がガラスブロック２０に接触する面積が従来構造（特許文献１に記載の構造）よりも大きくなるので、歪みゲージ１２に加わる荷重を相対的に大きくすることができる。
【００２５】
ここで、本実施形態のＳｉ素子１０のように、素子（歪みゲージ）に対して垂直方向から応力（荷重）が作用し、その応力の向きと電流の向きとが直交する素子の場合、ピエゾ抵抗係数（π44）が最大となるのは、Ｓｉ単結晶のうち、（１１０）面の＜１１０＞方向であるため、その＜１１０＞方向に直線状の歪みゲージが多いほど感度（抵抗変化率）が高くなる。
【００２６】
すなわち、ピエゾ抵抗係数（π44）と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係は、
ΔＲ／Ｒ≒（１／２）π44σr    σr：応力
と表すことができ、＜１１０＞方向に沿う直線状の歪みゲージが多くてピエゾ抵抗係数（π44）が大きいほど、感度（抵抗変化率）が高くなる。本実施形態のＳｉ素子１０にあっては、上記したように、歪みゲージ１２を蛇行形状に形成して、＜１１０＞方向に沿う直線部分（直状部１２ａ）を多くしているので、高感度化を実現できるという効果も達成することができる。
【００２７】
［変形例］
次に、筒内圧センサに用いるＳｉ素子の変形例について図５を参照して説明する。
【００２８】
この例のＳｉ素子１１０においても、上記した実施形態と同様に、Ｓｉ基板（ｎ型のＳｉ単結晶）１１１の表面（一面）に、細い線状のメサ型歪みゲージ１１２（以下、単に「歪みゲージ１１２」ともいう）と、一対の電極１１３，１１４とが形成されている。
【００２９】
歪みゲージ１１２は、Ｓｉ基板１１１の（１１０）面の＜１１０＞方向（圧縮荷重に対して感度の高い方向）に沿って延び、かつ、＜１１０＞方向と直交（交差）する方向に並ぶ複数の直状部（直線部）１１２ａ・・１１２ａと、その複数の直状部１１２ａ・・１１２ａを連結する折返し部１１２ｂ・・１１２ｂとを有する蛇行形状に形成されている。また、歪みゲージ１１２の蛇行部分は、平面形状が全体として円形になるように形成されている。なお、この例のＳｉ素子１１０においても、歪みゲージ１１２のゲージ抵抗領域（図示せず）は、上記した実施形態と同様に、蛇行形状のメサ段差（図示せず）の頂面部にｐ型不純物を注入することによって形成されている。
【００３０】
そして、この例のＳｉ素子１１０にあっては、蛇行形状の歪みゲージ１１２の一端部と他端部とが、全体形状が円形の蛇行部分の中心（円Ｃの中心）に対して点対称に配置されている点に特徴がある。
【００３１】
この例のＳｉ素子１１０においても、Ｓｉ素子１１０の歪みゲージ１１２の形状を、蛇行形状とし、その蛇行部分の平面形状を円形としているので、歪みゲージ１１２への入力荷重がＳｉ基板１１１の＜１１０＞方向と直交する方向に偏心しても、歪みゲージ１１２に過度な応力集中が発生することを防止することができる。しかも、歪みゲージ１１２は、Ｓｉ基板１１１の＜１１０＞方向（ピエゾ抵抗効果が大きく現れる方向）に沿って延びる直状部１１２ａ・・１１２ａが、＜１１０＞方向と直交する方向に複数形成されているので、入力荷重が＜１１０＞方向と直交する方向に偏心しても感度を確保することができる。
【００３２】
また、歪みゲージ１１２がガラスブロック（図示せず）に接触する面積が従来構造（特許文献１に記載の構造）よりも大きくなるので、歪みゲージ１１２に加わる荷重を相対的に大きくすることができる。
【００３３】
さらに、この変形例のＳｉ素子１１０にあっては、歪みゲージ１１２の＜１１０＞方向に沿う直線部分（直状部１１２ａ）が、上記した実施形態のＳｉ素子１１０の歪みゲージ１２の＜１１０＞方向に沿う直線部分（直状部１２ａ）よりも多いので、より高い高感度化を達成できる。
【００３４】
−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧センサに利用可能であり、さらに詳しくは、Ｓｉ基板にメサ型の歪みゲージが形成されたＳｉ素子を備えた筒内圧センサに有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
Ｓ  筒内圧センサ
１０，１１０  Ｓｉ素子
１１，１１１  Ｓｉ基板
１２，１１２  歪みゲージ
１２ａ，１１２ａ  直状部
１２ｂ，１１２ｂ  折返し部
１２ｃ  ゲージ抵抗領域
１２ｄ  メサ段差
１３，１４，１１３，１１４  電極
１５  絶縁層
２０  ガラスブロック
２０ａ  上面
３０  荷重伝達部材（半球）
【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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