JP7546531B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関する。

ピエゾ素子等を利用した圧力センサは、様々な分野に用いられている。

例えば、特許文献１には、自動車のガソリンタンクに取り付けられ、燃料タンクシステムにおけるガソリン蒸気の圧力変化を検出するために用いられる半導体差圧センサが開示されている。特許文献１には、半導体差圧センサの圧力検出素子は、開口部に第２凸部が嵌め込まれた状態で、主面が接着剤により第１凸部の頂部に固定されていること、これにより、圧力検出素子の強固な保持力と高い位置精度が実現すること、第１圧力導入路への接着剤の流入を防ぐことができ、第１圧力導入路の閉塞を防止することができること等が開示されている。

特許文献２には、平面視円形状の板状部材であるセンサチップであって、ダイアフラムと、ダイアフラムの表面に形成されたピエゾ拡散ゲージと、電気信号を取り出すための電極と、ピエゾ拡散ゲージと電極とを電気的に接続するリード拡散部と、ピエゾ拡散ゲージ及びリード拡散部を覆うように形成されたシリコン酸化膜（保護膜）と、シリコン酸化膜の表面の少なくとも一部を接合面としてセンサチップに接合されたカバー部材と、を有するものが開示されている。

特開２０１８－１４６３１８号公報 特開２０１４－０５５８６８号公報

ひずみセンサを用いた圧力センサの圧力検出感度を向上するためには、ひずみ検出部のダイアフラムを薄膜化し、圧力に対するひずみを増加させることが有効である。しかし、薄膜化の弊害として、ダイアフラムの強度が低下し、製造時のハンドリング性低下やチップ割れ等が懸念される。

この課題を解決するためには、特許文献２に記載されているようなカバー部材をダイアフラムに接合して保護することが有効である。しかし、カバー部材の接合によってダイアフラムの剛性も増加するため、圧力検出感度が低下してしまう点で改善の余地がある。

本発明の目的は、圧力センサにおいて、ダイアフラム部の破損等を防止するとともに、圧力検出感度を維持することにある。

本発明の圧力センサは、長手方向と短手方向とで寸法が異なる開口部を有するセンサ筐体と、開口部を塞ぐようにセンサ筐体に設置されダイアフラム部を形成するセンサチップと、センサチップに設けられた歪みゲージ部と、センサチップにキャップ接合剤で接合されたキャップ部材と、を有し、キャップ接合剤の接合面のうち、ダイアフラム部の長手方向両端部の接合面は、ダイアフラム部の短手方向両端部の接合面よりも接合面積が大きい。

本発明によれば、圧力センサにおいて、ダイアフラム部の破損等を防止するとともに、圧力検出感度を維持することができる。

圧力センサを含む分注装置を示す概略構成図である。 図１のアーム１６等を示す拡大図である。 実施例１に係る圧力センサを示す分解斜視図である。 図３Ａの圧力センサを示す縦断面図である。 図３Ｂの圧力センサのセンサチップ部分を示す分解斜視図である。 従来の圧力センサの使用時における変形状態（長手方向）を示す縦断面図である。 図５Ａの圧力センサを短手方向に沿って見た縦断面図である。 実施例１に係る圧力センサの使用時における変形状態（長手方向）を示す縦断面図である。 図６Ａの圧力センサを短手方向に沿って見た縦断面図である。 実施例２に係る圧力センサのセンサチップ部分を示す斜視図である。 実施例３に係る圧力センサのセンサチップ部分を示す斜視図である。 圧力センサのキャップ部材の変形例を示す上面図である。 圧力センサのキャップ部材の他の変形例を示す上面図である。

本開示は、圧力センサに関し、特に、分注装置等、流体の圧力を検出するために好適に用いられる圧力センサに関する。

本開示に係る圧力センサは、キャップ部材によるセンサチップの変形抑制作用が、ダイアフラム部の長手方向に沿って強く働き、短手方向に弱く働くように構成されている。言い換えると、本開示に係る圧力センサは、ダイアフラム部の長手方向に変形しにくく、かつ、短手方向に変形しやすい構成を有する。

以下、本開示に係る圧力センサを分注装置に適用した実施例について説明する。

図１は、圧力センサを含む分注装置を示す概略構成図である。

本図に示すように、分注装置１の流路系は、ノズル２と、シリンジポンプ４と、電磁弁５と、ギアポンプ６と、水タンク７と、から構成され、各部品は、配管８で接続されている。また、シリンジポンプ４は、容器９と、プランジャ１０と、ボールねじ１１と、駆動モータ１２と、で構成されている。分注装置１は、アーム１６（分注アーム）も備えている。駆動モータ１２は、サンプル分注機構１３などを駆動するモータと同様に、制御部１４により制御される。

アーム１６内には、圧力センサ１５が設置されている。アーム１６は、液体を吸引・吐出する位置に移動するため、回転動作及び上下動作が可能である。

図２は、図１のアーム１６等を示す拡大図である。

図２においては、配管８内にシリンジ圧力伝達用の水２１を吸引した直後の状態を示している。配管８内は、水２１で満たされている。ノズル２には、液体２２が入っている。水２１と液体２２との間には、分節空気２３が入っている。水２１は、圧力センサ１５の位置に達している。

シリンジポンプ４（図１）により水２１を加圧することにより、液体２２に圧力を伝達することができ、ノズル２から液体２２を吸引・吐出することができる。

ノズル２から液体２２を吸引するときは、電磁弁５（図１）を閉にした状態で、シリンジポンプ４内のプランジャ１０を引く。反対に、ノズル２から液体を吐出するときは、電磁弁５を閉にした状態で、シリンジポンプ４内のプランジャ１０を容器９に押し込む。

サンプルなどの液体２２を吸引する場合は、液体２２が配管８内の水２１と混ざらないように、ノズル２で分節するための分節空気２３を吸引した後、液体２２の吸引を行う。また、吐出後には、ノズル２の洗浄を行う。ノズル２の洗浄では、ノズル２の外壁に洗浄用の水を当てると同時に、流路内部の水２１を押し出す。洗浄時のノズル２内の水２１の押し出しには、電磁弁５を開にしてギアポンプ６の圧力を利用することで、シリンジポンプ４で押し出すときよりも高圧で水２１を送り出すことができる。

圧力センサ１５は、分注動作中に生じる可能性のあるノズル２の詰まりや空吸い等の異常を検知するため、配管８に設置されている。圧力センサ１５は、水２１の圧力をモニタリングし、異常な圧力変化を検出する。

圧力センサ１５は、ノズル２内の圧力変化を確実に検出するため、ノズル２に近い位置に設置することが望ましい。このため、本図においては、圧力センサ１５は、アーム１６内に設置している。ただし、圧力センサ１５の設置位置は、アーム１６内に限定されるものではなく、例えば、サンプル分注機構１３の側面部であってもよい。

つぎに、本開示に係る圧力センサの構造について更に詳細に説明する。

図３Ａは、図２の圧力センサの一例を示す分解斜視図である。

図３Ｂは、図３Ａの圧力センサを示す縦断面図である。

図３Ａに示すように、圧力センサ１５は、センサチップ３１と、キャップ部材３４（カバー部材）と、センサ筐体３２と、カバー４０と、を有する。センサ筐体３２の内部には、流路３３が形成されている。流路３３の両端部には、図示しないネジ部が設けられ、流路３３を分注装置１の配管８に継手を介して接続可能となっている。

また、センサ筐体３２には、開口部３５が設けられている。開口部３５は、流路３３に連通している。また、開口部３５は、センサ筐体３２の外面部に達している。言い換えると、開口部３５は、センサ筐体３２の外面部に向かって流路３３から分岐し、センサ筐体３２の外面部に至る構成である。

センサ筐体３２の外面部に位置する開口部３５の終端部には、開口部３５を塞ぐようにセンサチップ３１が配置されている。センサチップ３１は、センサチップ接合剤３６でセンサ筐体３２に接合されている。言い換えると、センサチップ３１とセンサ筐体３２との間には、センサチップ接合剤３６で構成されたセンサチップ接合部が設けられている。センサチップ３１の表面には、キャップ部材３４が接合されている。センサチップ３１からの出力を取り出すため、センサ筐体３２には、プリント基板４５が設置されている。プリント基板４５は、ボンディングワイヤ４６によりセンサチップ３１の電極部に電気的に接続されている。プリント基板４５は、ガラスエポキシ基板やフレキシブルプリント基板等である。

図３Ｂに示すように、センサチップ３１は、その変形部であるダイアフラム部３１ａを有する。センサチップ３１の表面には、ダイアフラム部３１ａを保護するキャップ部材３４（カバー部材）が接合されている。そして、センサ筐体３２の外面部には、センサチップ３１を覆うように、カバー４０が設置されている。カバー４０は、接着、ねじ止め、スナップフィット等により固定されている。

ダイアフラム部３１ａは、流路３３を流れる水２１の圧力変化でたわみ変形する。その際の歪みをセンサチップ３１で測定することによって、センサ筐体３２内を流れる水２１の圧力を測定する。歪みの測定は、センサチップ３１の中央部表面に実装された歪みゲージによって行われる。

図４は、図３Ｂの圧力センサのセンサチップ部分を示す分解斜視図である。

本図においては、センサチップ３１は、開口部３５の終端部にセンサチップ接合剤３６により接合されている。センサチップ３１のうち開口部３５に対向する部分が圧力センサ１５のダイアフラム部３１ａである。開口部３５及びダイアフラム部３１ａは、長円形であり、長手方向及び短手方向に寸法が異なるものである。なお、開口部３５及びダイアフラム部３１ａの形状は、長円形に限定されるものではなく、楕円形や、角部に曲率を有する長方形等であってもよい。

センサチップ３１の表面には、キャップ部材３４が長手方向両端近傍接合剤３７ａ及び短手方向両端近傍接合剤３７ｂで接合されている。言い換えると、センサチップ３１とキャップ部材３４との間には、長手方向両端近傍接合剤３７ａ及び短手方向両端近傍接合剤３７ｂで構成された接合部（キャップ接合部）が設けられている。ここで、両端近傍は、「両端部」と言い換えることができる。ゆえに、長手方向両端近傍接合剤３７ａは、長手方向両端部に設けられた接合剤であり、短手方向両端近傍接合剤３７ｂは、短手方向両端部に設けられた接合剤である。

長手方向両端近傍接合剤３７ａの接合面は長手方向両端近傍接合面３８ａ、短手方向両端近傍接合剤３７ｂの接合面は短手方向両端近傍接合面３８ｂである。長手方向両端近傍接合剤３７ａ及び短手方向両端近傍接合剤３７ｂは、熱硬化型接着剤、ＵＶ付加型接着剤、低融点ガラス、銀ペースト等がある。センサチップ３１の表面中央部には、歪みを検出する歪みゲージ部３１ｂが設けられている。

なお、本実施例においては、長手方向両端近傍接合剤３７ａ及び短手方向両端近傍接合剤３７ｂは、貯蔵弾性率が等しいものを用いている。

ダイアフラム部３１ａが水２１からの圧力を受けて変形する時、ダイアフラム部３１ａにおいては、歪みゲージ部３１ｂの長手方向と短手方向とで歪みの大きさに差が生じる。歪みゲージ部３１ｂは、長手方向及び短手方向のそれぞれの歪みを検出し、その差を出力する。これは、歪みゲージ部３１ｂの温度特性を相殺するためである。

このような方式の圧力センサ１５においてセンサ感度が高くなる条件としては、歪みゲージ部３１ｂにおける歪みの絶対値が大きいことに加え、長手方向と短手方向との歪みの差が大きいことが重要である。歪みの絶対値を大きくする手段としては、センサチップ３１を薄膜化して変形しやすくすることが有効である。しかし、薄膜化の弊害として、センサチップ３１の強度が低下し、製造時のハンドリング性低下やチップ割れ等が懸念される。本実施例においては、この課題を解決するため、キャップ部材３４をセンサチップ３１に接合して強度を確保している。

しかし、後述のように、キャップ部材３４を接合するとダイアフラム部３１ａの剛性も増加し、歪みゲージ部３１ｂにおける歪みの絶対値が低下することによってセンサ感度が低下してしまう。

この課題を解決するため、キャップ部材３４の接合面のうち、長手方向両端近傍接合面３８ａの方が短手方向両端近傍接合面３８ｂよりも大きな接合面積となる構成としている。

つぎに、図４の構成による効果について、図５Ａ～図６Ｂを用いて説明する。なお、これらの図は、歪みゲージ部３１ｂを通る縦断面である。

図５Ａは、従来の圧力センサの使用時における変形状態（長手方向）を示す縦断面図である。

図５Ｂは、図５Ａの圧力センサを短手方向に沿って見た縦断面図である。

これらの図に示す圧力センサは、キャップ部材を取り付けていないため、センサチップ３１が水２１（図３Ｂ）からの圧力ｐを受けると、大きく変形する。

圧力ｐを受けてセンサチップ３１が変形すると、歪みゲージ部３１ｂには引張歪みが生じる。引張歪みのうち、長手方向成分をεｘ１、短手方向成分をεｙ１として、それぞれの図中に表記している。

開口部３５の長手方向と短手方向との寸法差により、歪みゲージ部３１ｂの曲率に差が生じる。具体的には、曲率は、短手方向の方が長手方向よりも大きくなり、引張歪みの大小関係で表すと、εｘ１＜εｙ１となる。センサ出力としては、これらの差分であるεｙ１－εｘ１が出力される。

この変形により、センサチップ３１のうちセンサチップ接合剤３６により接合されている部分は、長手方向及び短手方向のいずれも内側（図中、左右から中央へ向かう方向）に変位する。この変位に伴い、センサチップ接合剤３６は、センサチップ３１からせん断力を受けてせん断変形した状態となる。

図６Ａは、実施例の圧力センサの使用時における変形状態（長手方向）を示す縦断面図である。

図６Ｂは、図６Ａの圧力センサを短手方向に沿って見た縦断面図である。

これらの図に示す圧力センサは、キャップ部材３４を取り付けているため、センサチップ３１が水２１（図３Ｂ）からの圧力ｐを受けても、図５Ａ及び図５Ｂに示す従来例よりも変形量が小さくなる。

図６Ａ及び図６Ｂのそれぞれの図中に示すように、引張歪みのうち、長手方向成分をεｘ２、短手方向成分をεｙ２としている。この場合、センサ出力は、εｙ２－εｘ２となる。

本実施例においては、キャップ部材３４の剛性により引張歪みが抑制される。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、センサチップ接合剤３６、長手方向両端近傍接合剤３７ａ及び短手方向両端近傍接合剤３７ｂは、センサチップ３１からせん断力を受けてせん断変形した状態となる。キャップ部材３４による変形抑制作用によって、εｘ２及びεｙ２はいずれも、キャップ部材３４を取り付けない場合と比べて小さくなってしまう。これがキャップ部材３４の取り付けによる感度低下の原因となる。

この感度低下を防止するため、本実施例においては、図４に示すように、長手方向両端近傍接合面３８ａが短手方向両端近傍接合面３８ｂよりも大きな接合面積になるように構成している。これにより、長手方向両端近傍接合剤３７ａと短手方向両端近傍接合剤３７ｂとのせん断の変形しやすさに差が生じ、短手方向両端近傍接合剤３７ｂの方がせん断変形しやすくなる。すなわち、キャップ部材３４によるセンサチップ３１の変形抑制作用が長手方向に沿って比較的強く、短手方向に沿って比較的弱く働く。その結果、長手方向成分の引張歪みεｘ２は比較的大きく減少する一方で、短手方向成分の引張歪みεｙ２は減少量が比較的小さいため、その差分であるセンサ出力εｙ２－εｘ２を大きくすることができる。

このように、本実施例の構成によれば、キャップ部材３４によってセンサチップ３１の強度を確保するとともに、圧力センサの感度を維持することができる。

なお、各接合剤は、長手方向及び短手方向に対して線対称な位置に配置されているが、線対称でなくともよく、接合面積の大小関係が成り立つ範囲で接合面を変えても同様の効果が達成される。また、キャップ部材３４の形状も、図示した形状に限定されるものではない。

また、上記の例においては、接合面積の大小に基いて説明しているが、同様の効果を得る構成としては、長手方向両端近傍接合面３８ａの長軸すなわち開口部３５に近接する長手方向両端近傍接合面３８ａの長さが、短手方向両端近傍接合面３８ｂの長軸すなわち開口部３５に近接する短手方向両端近傍接合面３８ｂの長さよりも長い構成がある。この構成も、図４の構成に合致する。この場合、図４に示すように、長手方向両端近傍接合面３８ａ及び短手方向両端近傍接合面３８ｂの短軸は、ほぼ同じであることを想定している。ただし、それぞれの短軸が異なっていてもよい。キャップ部材３４による変形抑制作用は、長手方向両端近傍接合面３８ａ及び短手方向両端近傍接合面３８ｂの寸法のうち、短軸より長軸の寸法に影響されるからである。

図７は、本実施例の圧力センサのセンサチップ部分を示す斜視図である。

本図に示す圧力センサ７５においては、実施例１と同様の形状を有する長手方向両端近傍接合剤３７ａ及び短手方向両端近傍接合剤７７ｂにより、キャップ部材３４とセンサチップ３１とが接合されている。

本実施例の特徴は、短手方向両端近傍接合剤７７ｂとして長手方向両端近傍接合剤３７ａよりも貯蔵弾性率が小さいものを選定したことである。これによって、実施例１のように同じ貯蔵弾性率の接合剤を使用した場合と比較して、キャップ部材３４によるセンサチップ３１の短手方向の変形抑制作用を更に小さくすることができる。したがって、短手方向成分の引張歪みεｙ２の減少量も更に小さくなり、センサ出力εｙ２－εｘ２を大きくすることができる。

本実施例の構成は、例えば、キャップ部材３４の接合面積をなるべく大きくするとともに、センサ感度を高くしたい場合に有効である。キャップ部材３４の接合面積を大きくとる目的は、接合強度の確保や外部振動による共振の防止等である。

図８は、本実施例の圧力センサのセンサチップ部分を示す斜視図である。

本図に示す圧力センサ８５においては、実施例１と異なり、長手方向両端近傍接合剤３７ａによりキャップ部材３４とセンサチップ３１とが接合されている。短手方向両端近傍には、接合剤が設けられていない。これは、実施例１において短手方向両端近傍接合面３８ｂの面積（接合面積）が０の場合に相当する。

これにより、キャップ部材３４によるセンサチップ３１の短手方向の変形抑制作用は最も小さくなる。したがって、短手方向成分の引張歪みεｙ２の減少量も最も小さくなり、センサ出力εｙ２－εｘ２を大きくすることができる。また、接合箇所が少なくて済むため、製造工程においてディスペンサで接着剤を塗布する工程を短くすることができる。

（変形例）
図９は、キャップ部材の変形例を示す上面図である。

本図においては、キャップ部材３４の長手方向に１本のリブ９４を設けている。言い換えると、キャップ部材３４は、開口部３５の長手方向に沿って設けられた１本のリブ９４を有する。

このような構成により、キャップ部材３４の長手方向の剛性を高めることができ、キャップ部材３４の長手方向の変形を抑制することができる。これにより、長手方向の引張歪みεｘ２の減少を抑制することができる。

図１０は、キャップ部材の他の変形例を示す上面図である。

本図においては、キャップ部材３４の長手方向に３本のリブ９４を設けている。

このような構成により、キャップ部材３４の長手方向の剛性を更に高めることができ、キャップ部材３４の長手方向の変形を更に抑制することができる。これにより、長手方向の引張歪みεｘ２の減少を更に抑制することができる。

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：分注装置、２：ノズル、４：シリンジポンプ、５：電磁弁、６：ギアポンプ、７：水タンク、８：配管、９：容器、１０：プランジャ、１１：ボールねじ、１２：駆動モータ、１３：サンプル分注機構、１４：制御部、１５：圧力センサ、１６：アーム、２１：水、２２：液体、２３：分節空気、３１：センサチップ、３１ａ：ダイアフラム部、３１ｂ：歪みゲージ部、３２：センサ筐体、３３：流路、３４：キャップ部材、３５：開口部、３６：センサチップ接合剤、３７ａ：長手方向両端近傍接合剤、３７ｂ：短手方向両端近傍接合剤、３８ａ：長手方向両端近傍接合面、３８ｂ：短手方向両端近傍接合面、４０：カバー、４５：プリント基板、４６：ボンディングワイヤ。

Claims (5)

1. 長手方向と短手方向とで寸法が異なる開口部を有するセンサ筐体と、
   前記開口部を塞ぐように前記センサ筐体に設置されダイアフラム部を形成するセンサチップと、
   前記センサチップに設けられた歪みゲージ部と、
   前記センサチップにキャップ接合剤で接合されたキャップ部材と、を有し、
   前記キャップ接合剤の接合面のうち、前記ダイアフラム部の長手方向両端部の接合面は、前記ダイアフラム部の短手方向両端部の接合面よりも接合面積が大きい、圧力センサ。
2. 長手方向と短手方向とで寸法が異なる開口部を有するセンサ筐体と、
   前記開口部を塞ぐように前記センサ筐体に設置されダイアフラム部を形成するセンサチップと、
   前記センサチップに設けられた歪みゲージ部と、
   前記センサチップにキャップ接合剤で接合されたキャップ部材と、を有し、
   前記キャップ接合剤の接合面のうち、前記ダイアフラム部の長手方向両端部の接合面の長軸は、前記ダイアフラム部の短手方向両端部の接合面の長軸よりも長い、圧力センサ。
3. 長手方向と短手方向とで寸法が異なる開口部を有するセンサ筐体と、
   前記開口部を塞ぐように前記センサ筐体に設置されダイアフラム部を形成するセンサチップと、
   前記センサチップに設けられた歪みゲージ部と、
   前記センサチップにキャップ接合剤で接合されたキャップ部材と、を有し、
   前記キャップ部材は、前記開口部の前記長手方向に沿って設けられたリブを有する、圧力センサ。
4. 前記キャップ接合剤のうち、前記ダイアフラム部の前記短手方向両端部のキャップ接合剤は、前記ダイアフラム部の前記長手方向両端部のキャップ接合剤よりも貯蔵弾性率が小さい、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
5. 前記ダイアフラム部の前記短手方向両端部の前記接合面は、前記接合面積が０である、請求項１記載の圧力センサ。

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