(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力導入路を有するケーシングと、前記ケーシングに前記圧力導入路の基端部に連通するように設けられた圧力センサチップとを備えてなる水圧検知用の圧力センサにおいて、
前記圧力導入路の基端側に、微小孔を介して先端側に連通する細長い直管状のオイル溜め部を設け、このオイル溜め部内に圧力センサチップ保護用のオイルを収容し、
前記圧力センサチップは、貫通孔を有する支持台座を介して前記ケーシングに接着されると共に、前記オイル溜め部の内径寸法は、前記貫通孔の内径寸法以上とされ、
前記オイル溜め部の内径寸法及び長さ寸法は、前記微小孔を下にして該オイル溜め部を上下方向に延びるように配置した際の、該オイル溜め部の内面と前記オイルとの間の摩擦力が、圧力検出対象の負圧による吸引力及びオイルの自重からなり該オイルに対し前記微小孔からの抜出し方向に作用する力の６倍以上となるように選定されることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記微小孔の径寸法は、約０．８ｍｍとされていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケーシングの圧力導入路中に、圧力センサチップ保護用のオイルを収容するようにした圧力センサに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば水圧等の検出に用いられる圧力センサにおいては、半導体圧力センサチップを保護するために、圧力導入路に保護用のオイル（シリコンオイルやフッ素オイル）を収容し、検出圧力をそのオイルを介して圧力センサチップのダイヤフラムに導くようにしたものがある。この場合、オイルが容易に抜けないような構造が必要となるが、従来では、図４〜図６に夫々示される構成のものが供されていた。
【０００３】
即ち、図４に示す第１の従来例の圧力センサ１は、Ｌ字形の圧力導入路２を有するプラスチックケース３に、圧力センサユニット４を取付けて構成される。前記圧力センサユニット４は、突出管部５ａを有する金属製のステム５に、半導体圧力センサチップ６をガラス製の台座７を介して接着し、さらに金属製のキャップ８で覆って構成される。この圧力センサユニット４は、ステム５とケース３との間にＯリング９を挟むようにして、前記突出管部５ａを前記圧力導入路２の基端部に差込んでねじ止めされる。そして、Ｌ字形の圧力導入路２の内部（及び突出管部５ａ内）に、オイル１０が充填されるようになっている。
【０００４】
図５に示す第２の従来例の圧力センサ１１は、やはりプラスチックケース１２に圧力センサユニット４を取付けて構成されているのであるが、このとき、プラスチックケース１２には、上方へ突出し検出圧力が導入される第１のポート１３と、前記圧力センサユニット４が接続される第２のポート１４とが、互い違い形状に設けられている。そして、第１のポート１３内、プラスチックケース１２内、第２のポート１４内に、オイル１０が充填されるようになっている。
【０００５】
図６に示す第３の従来例の圧力センサ１５は、圧力導入路１６を有するプラスチックケース１７の上面部に、金属押え板１８を介して圧力センサユニット４が取付けられ、このとき、詳しく図示はしないが、前記圧力導入路１６は、下面側の入口部から前記圧力センサユニット４の突出管部５ａまで、一部が渦巻状となった迷路状（蛇行状）に延びて形成されている。圧力導入路１６内には、やはりオイル１０が充填されるようになっている。
【０００６】
しかしながら、上記した従来の圧力センサ１，１１，１５では、プラスチックケース３，１２，１７等が大形化すると共に、その構造が複雑となり、部品点数も多くなってコスト高となっていた。しかも、高価なオイル１０を比較的多量に充填しなければならない構造なので、オイル１０に要するコストも非常に高いものとなっていた。ちなみに、第２の従来例の圧力センサ１１にあっては、使用するオイル１０の量が、２０〜３０ｃｃにもなっていた。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ケーシングの圧力導入路中に圧力センサチップ保護用のオイルを収容するようにしたものにあって、構成を簡単に済ませると共に、使用するオイルの量を低減することができ、ひいては大幅なコストダウンを図ることができる圧力センサを提供するにある。
【０００８】
【課題の解決するための手段】
本発明者は、ケーシングの圧力導入路中に水圧検知用の圧力センサチップ保護用のオイルを収容させるにあたり、そのオイルの有する粘性に着目し、圧力導入路中のオイル溜め部を細長くして接触面積を大きくし、且つ、そのオイル溜め部の出口部を絞ることにより、オイル溜め部が直管状であっても、オイル溜め部の内面とオイルとの間の摩擦力が大きくなって負圧にも十分に耐えることができ、オイルの抜出しを十分に防止できることを確認し、本発明を成し遂げたのである。
【０００９】
即ち、本発明の請求項１の圧力センサは、ケーシングに設けられた圧力導入路の基端側に、微小孔を介して先端側に連通する細長い直管状のオイル溜め部を設け、このオイル溜め部内に圧力センサチップ保護用のオイルを収容したところに特徴を有する。
【００１０】
これによれば、圧力導入路の基端側に細長い直管状のオイル溜め部を設けたので、オイル溜め部の内面とオイルとの間の摩擦力を大きいものとすることができ、しかも、オイル溜め部の出口部を、オイルが出にくく且つ気泡等が入りにくい微小孔としたので、オイル溜め部、微小孔、圧力導入路の先端側つまり圧力導入路全体を真っ直ぐに形成しても、オイルの抜出しを防止することができる。
【００１１】
従って、請求項１の発明によれば、圧力導入路を迷路状などの複雑な形状とすることなく済ませることができ、部品数の増大も招くことはないので、ケーシングの構成を簡単に済ませることができ、しかも、真っ直ぐに延びる圧力導入路の一部のオイル溜め部にオイルを収容するだけで済むので、使用するオイルの量も低減することができる。この結果、従来のものに比べて大幅なコストダウンを図ることができるという優れた効果を奏するものである。
【００１２】
この場合、前記圧力センサチップを、貫通孔を有する支持台座上に支持し、その支持台座を、前記貫通孔と圧力導入路の基端部とが連続するようにケーシングに接着することが行われるが、圧力導入路の基端部つまりオイル溜め部の内径をあまりに小さくすると、ケーシングに対する支持台座の位置合せが困難となると共に、接着剤のはみ出し等に起因してオイル溜め部あるいは貫通孔が塞がれてしまう虞がある。そこで、オイル溜め部の内径寸法を、前記貫通孔の内径寸法以上とすることにより、接着剤によりオイル溜め部あるいは貫通孔が塞がれてしまうといった不具合の発生を未然に防止することができる。
【００１３】
また、理論的には、オイル溜め部の内面とオイルとの間の摩擦力が、オイルに対し微小孔からの抜出し方向に作用する外力よりも大きくなるようにオイル溜め部の内径及び長さ寸法を選定すれば、オイルの抜出しが防止できると考えられる。ところが、実際には、摩擦力が外力よりも少し大きい程度では、オイルの抜出し防止の効果に十分ではない。本発明者の試験，研究によれば、摩擦力が外力の６倍以上となるように、オイル溜め部の内径及び長さ寸法を選定すれば、オイルの抜出しを確実に防止できることが判明したのである。
【００１４】
ところで、オイル溜め部にオイルを収容するには、一般に真空注入法が用いられ、オイル溜め部内の空気を微小孔を通して排出しながらオイルを注入することが行われる。このため、オイルが出にくく且つ気泡を入りにくくする観点からは、微小孔は小さいほど良いと考えられるが、微小孔をあまりに小さくすると、今度は、オイルの注入時にオイル溜め部内の空気が排出されずに残ってしまう不具合が生ずる。本発明者の試験，研究によれば、微小孔を極力小さくしながらも、オイルの注入時にオイル溜め部から空気を確実に排出するためには、微小孔の径寸法を、約０．８mmとすることが望ましいことが判明したのである（請求項２の発明）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を水圧検知用の圧力センサに適用した一実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る圧力センサ２１の構成を概略的に示しており、この圧力センサ２１は、例えばプラスチック製のケーシング２２と、このケーシング２２内に設けられる半導体圧力センサチップ２３と、前記ケーシング２２の上面開口部を塞ぐように設けられる蓋（図示せず）とを備えて構成される。
【００１６】
前記圧力センサチップ２３は、図２に示すように、例えば２．５mm角程度の大きさの単結晶シリコン基板の中央部に、エッチングにより例えば厚み３０μｍ程度の薄肉なダイヤフラム２４を形成し、その上面部に、例えば４個の拡散ピエゾ抵抗体２５（２個のみ図示）をブリッジ接続してなる検知回路を一体に設けて構成されている。これにて、ダイヤフラム２４に作用する圧力を電気信号に変換して取出せるようになっている。
【００１７】
また、この圧力センサチップ２３は、特性安定化のため、例えばガラス製の支持台座２６に支持された状態で設けられるようになっている。この支持台座２６は、前記圧力センサチップ２３と同等の大きさの矩形ブロック状をなすと共に、その中央部に上下に貫通する貫通孔２６ａを有している。本実施例では、この貫通孔２６ａの直径寸法ａは例えば０．８５mmとされている。圧力センサチップ２３は、この支持台座２６の上面に例えば接着剤により気密に接合されている。
【００１８】
そして、前記ケーシング２２は、図１に示すように、上面が開放した容器状をなす主部２２ａと、その主部２２ａの下面部から下方に突出する突出部（圧力導入ポート）２２ｂとを一体に有して構成されている。このとき、詳しくは後述するように、このケーシング２２には、前記突出部２２ｂの中心部を上下方向に貫通するように圧力導入路２７が形成されており、この圧力導入路２７の基端部（上端部）は、前記主部２２ａの内底面にて開口している。
【００１９】
前記圧力センサチップ２３は、支持台座２６に支持された状態で、前記ケーシング２２の主部２２ａの内底面に接着されるようになっている。このとき、支持台座２６の貫通孔２６ａが、圧力導入路２７の上端部に連通し、もって、圧力導入路２７の先端（下端）開口部から導入された検出圧力が、圧力センサチップ２３のダイヤフラム２４の下面側に導かれるようになっている。尚、図示はしないが、前記ケーシング２２（主部２２ａ）には、前記圧力センサチップ２３の検知回路にボンディングワイヤにより接続される電極や、外部との電気的接続用のターミナル等が設けられている。
【００２０】
さて、前記圧力導入路２７は、全体として、ケーシング２２の中心部を上下方向に真っ直ぐに延びて形成されているのであるが、その圧力導入路２７のうちの基端側部分が、細長い直管状（この場合円管状）のオイル溜め部２８とされている。また、そのオイル溜め部２８と、圧力導入路２７の先端側部分とは、微小孔２９を介して連通するようになっている。
【００２１】
本実施例では、前記オイル溜め部２８の内径寸法ｄは１．２mm、オイル溜め部２８の長さ寸法Ｌは７mmとされている。この場合、前記内径寸法ｄは、前記支持台座２６の貫通孔２６ａの径寸法ａよりも大きく設定されると共に、後述するように、内径寸法ｄと長さ寸法Ｌとは、オイル溜め部２８の内面とオイル３０との間の摩擦力が、該オイル３０に対し前記微小孔２９からの抜出し方向に作用する力の６倍以上となるように選定される。さらに、本実施例では、前記微小孔２９の径寸法Ｄは、０．８mm±０．１mmに設定されている。
【００２２】
そして、前記オイル溜め部２８内、支持台座２６の貫通孔２６ａ内、圧力センサチップ２３のダイヤフラム２４の下面側の空間部内には、該圧力センサチップ２３を保護するためのオイル３０が収容されている。ここでは、このオイル３０として、耐薬品性等に優れると共に、粘性係数が比較的大きく且つ温度による粘性の変化の少ないオイル例えばシリコンオイルが採用されている。後述するように、このオイル３０は、真空注入法により注入されるようになっている。
【００２３】
次に、上記構成の作用について述べる。まず、上記した圧力センサ２１の組立て手順について述べる。前記ケーシング２２は、例えばプラスチックの射出成形により成形されるのであるが、このとき、図１の上下方向に型抜きを行うことにより、ケーシング２２全体を容易に一体成形することができる。
【００２４】
次いで、このケーシング２２に対し、圧力センサチップ２３を支持した支持台座２６を接着することが行われる。このとき、圧力導入路２７（オイル溜め部２８）の上端開口部の内径寸法ｄは、支持台座２６の貫通孔２６ａの内径ａより十分大きくされているので、接着剤のはみ出しにより、オイル溜め部２８あるいは貫通孔２６ａが塞がれてしまうといった不具合の発生を未然に防止することができる。この後、圧力センサチップ２３とケーシング２２の電極とのワイヤボンディング等が行われる。
【００２５】
そして、圧力センサチップ２３（支持台座２６）の接着後に、真空注入法により、前記オイル溜め部２８等にオイル３０を注入することが行われる。この真空注入法によるオイル３０の注入は、前記ケーシング２２を図１とは上下反転した状態で真空容器内に収容し、内部を減圧してオイル溜め部２８等の空気を微小孔２９を通して排出しながら、オイル３０を注入することにより行われる。
【００２６】
このとき、本発明者の試験，研究によれば、微小孔２９の径寸法Ｄを約０．８mmとしたことにより、微小孔２９を極力小さくしながらも、オイル溜め部２８から空気を確実に排出することができるのである。これにて、オイル溜め部２８内、支持台座２６の貫通孔２６ａ内、圧力センサチップ２３のダイヤフラム２４の下面側の空間部内には、オイル３０が隙間なく充填されるのである。また、オイル３０の注入量は、１〜２ｃｃ程度の極く少量で済む。
【００２７】
次に、上記のように構成された圧力センサ２１は、例えば配管内を流れる水の圧力検知に使用される。この場合、図３にも示すように、圧力センサ２１の圧力導入路２７の先端側部分（微小孔２９の手前）まで水Ｗが侵入するが、オイル３０の存在により、その水Ｗが圧力センサチップ２３の下面側にまで至ることはなく、圧力センサチップ２３の保護を図ることができる。また、水圧の変動は、オイル３０を介して圧力センサチップ２３のダイヤフラム２４に伝達され、配管内の水圧が検出されるようになる。
【００２８】
しかして、使用時にあって、オイル溜め部２８からオイル３０が抜出すことを防止する必要があるが、本実施例では、オイル溜め部２８を細長くしてオイル３０との接触面積を大きくし、且つ、微小孔２９によりそのオイル溜め部２８の出口部を絞る構成としたことにより、オイル３０の抜出しを確実に防止することができたのである。
【００２９】
即ち、オイル３０の抜出しの主な原因としては、（１）圧力検知対象の負圧による吸引力、（２）オイル３０の自重、（３）オイル溜め部２８への気泡の侵入によるキャビテーション、の３つが上げられる。このうち、（１）の負圧力と、（２）のオイル３０の自重との和が、オイル３０に微小孔２９から抜出す方向に作用する力（外力）となる。この外力は、概略次式で表すことができる。
外力＝（負圧力）＋（オイル自重）
＝Ｐ・πＤ２／４  ＋γ・πｄ２Ｌ／４
但し、Ｐは外部圧力（負圧）の大きさ（本実施例ではＰ＝０．７ｋｇｆ／cm２）、γはオイルの比重（本実施例ではγ＝１．２３）である。
【００３０】
これに対し、オイル溜め部２８の内面とオイル３０との間の摩擦力は、概略次式で表すことができる。
摩擦力＝πｄＬ・τ
ここで、τは剪断力であり、ニュートンの粘性の法則により、
τ＝μ・δｖ／δｙ（但し、μは粘性係数、ｖは流速、ｙはオイル溜め部２８の壁からの横方向距離）
となる関係が知られている。
従って、
摩擦力＝２πＬ・μ・Ｕmax
但し、Ｕmax は流体の流速の最大値（本実施例ではＵmax ＝３ｍ／ｓ）であり、また、本実施例では、オイル３０の粘性係数はμ＝３００ｃｓｔ（センチストークス）である。
【００３１】
上記したオイル溜め部２８の内面とオイル３０との間の摩擦力が、外力よりも大きければ、単純にオイル３０の抜出しが防止できると考えられる。ところが、実際には、摩擦力が外力よりも少し大きい程度では、オイル３０の抜出し防止の効果に十分ではなく、本発明者の試験，研究によれば、摩擦力が外力の６倍以上となるようにオイル溜め部２８の内径寸法ｄ及び長さ寸法Ｌ、並びに微小孔２９の径寸法Ｄを選定すれば、オイル３０の抜出しを確実に防止できることが判明したのである。
【００３２】
一方、図３に示すように、微小孔２９の径を小さくすることにより、上記（３）のオイル溜め部２８への気泡Ｂの侵入を防止することができる。つまり、オイル３０が出にくく且つ気泡Ｂを入りにくくする観点からは、微小孔２９は小さいほど良いと考えられる。ところが、微小孔２９をあまりに小さくすると、今度は、オイル３０の注入時にオイル溜め部２８内の空気が排出されずに残ってしまう不具合が生ずる。本発明者の試験，研究によれば、微小孔２９を極力小さくしながらも、オイル３０の注入時にオイル溜め部２８から空気を確実に排出するためには、微小孔２９の径寸法Ｄを、約０．８mmとすることが望ましいと判明したのである。
【００３３】
本実施例では、まず、微小孔２９の径寸法Ｄを０．８mmに設定した。そして、上記したように摩擦力が外力の６倍以上となるように、オイル溜め部２８の適切な内径寸法ｄ及び長さ寸法Ｌを選定すれば良いのであるが、本実施例では、上述のように、内径寸法ｄを支持台座２６の貫通孔２６ａの内径ａより大きくする観点から、１．２mmに仮設定したところ、適切な長さ寸法Ｌが約７mm以上であることが求められ、これらの数値を採用したのである。ちなみに、本発明者の試験によれば、本実施例のオイル溜め部２８及び微小孔２９においては、負圧−０．８ｋｇｆ／cm２，０ｋｇｆ／cm２のサイクルを、各２秒、１０万回繰返しても、オイル３０の漏れの発生がないことが確認されている。
【００３４】
このように本実施例によれば、圧力導入路２７の基端側に細長い直管状のオイル溜め部２８を微小孔２９を介して設けると共に、最適な寸法設定を行うようにしたので、圧力導入路２７全体を真っ直ぐに形成しても、保護用のオイル３０の抜出しを確実に防止することができるようになった。
【００３５】
従って、圧力導入路２７を、従来のような迷路状等の複雑な形状とすることなく済ませることができ、ケーシング２２を一部品で構成することができるので、ケーシング２２の構成を簡単に済ませることができると共に、全体の小形化を図ることができる。しかも、真っ直ぐに延びる圧力導入路２７の一部のオイル溜め部２８にオイルを収容するだけで済むので、使用するオイル３０の量も従来のものに比べて大幅に低減することができる。この結果、従来のものに比べて大幅なコストダウンを図ることができるという優れた実用的効果を得ることができるものである。
【００３６】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、ケーシングは金属製であってもよく、また、オイル溜め部や微小孔は、断面円形に限らず、断面四角形や楕円形等であっても良い。そして、保護用のオイルの種類としてはフッ素オイル等であっても良く、検出対象は水圧に限らず気体の圧力や油圧等であっても良い。さらには、上記実施例における各部の寸法は具体例に過ぎず、オイル溜め部の内径及び長さ寸法、微小孔の径寸法等は実際の使用条件に応じて適宜選定すれば良いなど、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、圧力センサの概略的な縦断正面図
【図２】圧力センサチップ及び支持台座の拡大縦断面図
【図３】オイル溜め部内への気泡の侵入の様子を示す図
【図４】第１の従来例を示す図１相当図
【図５】第２の従来例を示す図１相当図
【図６】第３の従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
図面中、２１は圧力センサ、２２はケーシング、２３は圧力センサチップ、２４はダイヤフラム、２６は支持台座、２６ａは貫通孔、２７は圧力導入路、２８はオイル溜め部、２９は微小孔、３０はオイルを示す。
【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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