JP2000346736A - 半導体式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体式圧力センサにおいては、圧力伝達用
の流動性充填材が被圧力検出流体の大きな圧力変化で流
出することがあり、流出防止手段を設けると部品点数が
増加し、充填材の量が増加し、また、流出防止効果が充
分でなく、かつ、被圧力検出流体を汚し、セット加重が
変化し、更に、取付姿勢が制約された。 【解決手段】 半導体式圧力センサ１は、内部に流動性
充填材１２を充填している圧力伝達路２を形成した圧力
伝達管３を備えるパッケージ本体４、内部に連通路７を
形成した台座８，その上に固定した圧力検出素子１０か
らなる。ここで、圧力伝達路２の直径ｄを下記の式を満
足する値に設定し、且つ、流動性充填材の熱膨張分の無
充填部１５を形成することにより、流動性充填材の流出
を防止する。 ｄ≦４σ／ρｇｈ 但し σ：オイ
ル表面張力、ρ：オイル密度、 ｇ：重力加速度、
ｈ：充填材高さ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば給湯器や、
設定水位まで自動的に給湯を行う全自動風呂システム等
に用い、各種液体や空気の圧力を検出し信号を出力する
ための半導体式圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、全自動風呂給湯器の浴槽の水位を
検出するため、あるいは全自動洗濯機内の水位を検出す
る等のために、水のヘッド圧を検出する圧力センサが使
用され、そのほか各種の分野で液体や空気の圧力を検出
する圧力センサが用いられている。そのような圧力セン
サとして、半導体を加工して製造した薄膜上に歪ゲージ
を形成し、薄膜に作用する流体の圧力をこの歪ゲージに
より計測して出力する半導体式圧力センサが広く用いら
れるようになっている。

【０００３】このような半導体式圧力センサとしては、
例えば図８に示すようなものがある。この半導体圧力セ
ンサ６０においては、樹脂等により形成される本体６１
の中心部下方に流体導入口６２を設け、上方にはセンサ
室６３を設けており、流体導入口６２に連通して図中上
方に延びる圧力伝達室６４を形成し、その先端を開口部
によりセンサ室６３に開口させている。センサ室６３に
は、上記開口に対向して中心部に流路６５を形成した台
座６６を設け、台座６６上にその流路６５を封鎖するよ
うに半導体圧力センサチップ６７を接着剤等により密封
状態で固定している。

【０００４】また、前記圧力伝達室６４，台座６６の流
路６５，半導体圧力センサチップ６７の受圧部内には極
軟質のシリコンゲル６８を真空封入法等により充填し収
容している。センサ室６３にはワイヤー基板７０を固定
し、このワイヤ基板７０と半導体圧力センサチップ６７
上に形成される歪ゲージセンサの出力端子とを信号取り
出し用ボンディングワイヤ７１で接続し、その周囲を軟
質絶縁材６９で被覆している。また、センサ室６３の開
口を覆うように回路基板７２を配置し、その上をカバー
７３で押さえることにより固定している。また、カバー
７３上にはコネクター７４を固定している。

【０００５】上記のような半導体式圧力センサの使用に
際しては、被圧力計測流体を流体導入口６２に導き、圧
力伝達媒体６８と接触させ、被圧力計測流体の圧力変化
を直接圧力伝達媒体６８に伝達させる。圧力伝達媒体６
８の圧力は歪ゲージセンサに伝達され、圧力に応じた信
号を制御装置等に出力している。

【０００６】このような半導体式圧力センサにおいて
は、圧力伝達媒体６８から半導体圧力センサチップ６７
の受圧面まで直線状に配置していたため、例えば図示の
ような姿勢で使用しているときには、被圧力計測流体に
大きな脈動を生じた時等、圧力変動の大きいときには、
圧力伝達室から流出して被圧力計測流体と置換してしま
うことがある。

【０００７】その対策として、例えば図９に示すような
半導体式圧力センサが提案されている。この半導体式圧
力センサ７５においては、圧力伝達路７６を形成した本
体７７の片方側に圧力導入部材８１を固定し、この圧力
導入部材８１には圧力伝達路７６の一方の開口に連通す
る圧力伝達室７８を備えると共に、圧力伝達路７６より
も図中Ｓだけ高い位置に設けた圧力導入路８０を備えて
いる。また、本体７の前記圧力導入部材８１と反対側に
は、前記従来例と同様の半導体圧力センサ８２を固定し
ている。また、前記圧力導入路８０と連通する圧力伝達
室７８，圧力伝達路７６，半導体圧力センサチップ７９
の受圧部内には、シリコンオイル等からなる圧力伝達媒
体８３を収容している。

【０００８】上記半導体式圧力センサ７５の使用に際し
ては、被圧力計測流体の圧力を圧力伝達媒体８３に対し
て、圧力導入路８０部分に作用させ、この圧力伝達媒体
８３を介して半導体圧力センサチップ７９に伝達し、被
圧力計測流体の圧力を検出して出力している。

【０００９】このような半導体式圧力センサにおいて
は、圧力伝達路７６よりもＳだけ高い位置に圧力導入路
８０を設けているので、被圧力計測流体が大きく脈動
し、大きな圧力変動を生じた時でも、圧力伝達室７８に
はヘッド差Ｓが存在するので、圧力伝達室７８内の圧力
伝達媒体８３が外に流出することが防止される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
９に示す従来の半導体式圧力センサにおいては、上記ヘ
ッド差Ｓにより圧力伝達媒体が抜けにくい構造とするこ
とができるものの、圧力伝達媒体を収容する部分が大き
くなり、高価なフッ素オイル等の圧力伝達媒体の量を多
く必要とし、更に、構造が複雑となって部品点数が増加
し、大型化する等によりコストが上昇する欠点がある。

【００１１】また、このような構造にしても、例えば圧
力伝達導入路部分には上記ヘッド差Ｓが作用しないの
で、この部分の圧力伝達媒体は被圧力計側媒体が流出し
やすく、流出した際には、例えばこの半導体圧力センサ
を全自動風呂給湯器等に用いる時には、浴槽内にこのフ
ッ素オイル等の圧力伝達媒体が入り込み、浴槽を汚すこ
とも考えられる。

【００１２】更に、圧力伝達媒体が抜け出ることにより
半導体圧力センサチップにかかる圧力が変化し、この圧
力に基づいた設定しているオフセット電圧がシフトする
ため、正確な値が検出できなくなるという問題点もあ
る。

【００１３】また、上記ヘッド差Ｓを維持するために
は、この半導体式圧力センサの種々の機器の配管へ取付
るに際して、図示の姿勢を維持しなければならず、取付
時に新たな規制事項が生じてしまう問題点もある。

【００１４】したがって、本発明は、圧力伝達媒体の使
用量を減少し、部品点数を減少しすることによりコスト
ダウンを計ると共にセンサを小型化し、更にオイル等の
圧力伝達媒体の流出を確実に防止して圧力伝達媒体によ
る被圧力検出流体の汚れを防止し、また、長期間オフセ
ット電圧が変化することがなく、更には機器への取付の
自由度の大きな半導体式圧力センサを提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、パッケージ本体に半導体式圧力検出素子を
固定し、パッケージ本体に形成した圧力伝達路の一端部
を前記半導体式圧力検出素子の受圧面に対向させると共
に圧力伝達路に流動性充填材を収容し、圧力伝達路の他
端部側で被圧力検出流体と直接接触させる半導体式圧力
センサにおいて、圧力伝達路の内径ｄは下記の式を満た
し、かつ流動性充填材の先端と圧力伝達路の前記他端部
間に使用中の温度差に基づく体積膨張分より大きな空隙
部を備えたことを特徴とする半導体式圧力センサ ｄ≦４σ／ρｇｈ 但し σ：オイル表面張力 ρ：オイル密度 ｇ：重力加速度 ｈ：充填材高さ としたものである。

【００１６】また、前記圧力伝達路の内径ｄは前記式を
満たし、０．８ｍｍ以下であり、体積膨張分は前記条件
を満たし、圧力伝達路の全長の９．１％以上としたもの
であり、また、前記半導体式圧力センサの圧力伝達管
を、有底筒状のセンサ収納部内に先端及び周囲に間隙を
設けて収納し、センサ収納部の筒状壁の中間部に圧力導
入口を設けたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に沿っ
て説明する。図１は本発明の半導体式圧力センサ１を示
し、内部に圧力伝達路２を形成した圧力伝達管３を備え
る樹脂製のパッケージ本体４は、前記圧力伝達管３と反
対側に圧力センサ室５を備え、この圧力センサ室５の底
部には、圧力伝達路２が開口する部分に台座載置部６を
形成している。この台座載置部６には前記従来例と同様
に、内部に連通路７を形成した台座８を固定しており、
台座８上には半導体を薄膜状に形成し、その上に歪ゲー
ジを設けた圧力検出素子１０を接着剤等により密封状態
で固定している。圧力検出素子１０には受圧部１１を備
え、圧力伝達管３内の圧力伝達路２，台座８内の連通路
７，及び前記受圧部１１にはフッ素オイル等の流動性充
填材１２が充填されている。圧力検出素子１０の出力端
子は、図示されない導電線によりリード線１３と接続さ
れ、圧力検出素子１０の信号を外部の制御装置等に出力
している。

【００１８】前記流動性充填材１２は、フッ素オイルを
前記従来例と同様に真空充填法等により充填しており、
図１に示す実施例においては圧力検出素子の受圧面から
高さｈの位置まで流動性充填材が充填されている。その
結果、圧力伝達管３において、その先端１４からＸの高
さ部分は、流動性充填材が充填されていない無充填部１
５となっている。また、上記圧力伝達路２の直径はφｄ
としている。

【００１９】このような構造の半導体式圧力センサ１の
使用に際して、種々の使用形態が考えられるが、例えば
図２に示すような使用形態において、流動性充填材が外
部に流出しない条件を検討する。この図２に示す使用形
態においては、内部に流体が流通する管路本体２４の上
部に、シールリング１６を介して圧力伝達管３が鉛直に
下方を向くように半導体式圧力センサ１が固定され、管
路本体２４内の流体が圧力伝達管３内の流動性充填材１
２に圧力を伝達するように構成したものにおいて、管路
本体２４内を流通する流体が空気の場合の例である。

【００２０】この例においては、半導体式圧力センサ１
は、図１に示す姿勢で設置されているので、図１に示す
状態での流動性充填材の力のバランスを検討すると、図
１において、大気圧の大きさに無関係で位置Ａと位置Ｂ
の差圧は高さｈの充填材ヘッド圧分である。この充填材
ヘッド圧が大気圧よりも大きくならなければ、充填材は
移動することができないはずである。しかし、実際は表
面のバランスが崩れると空気が内部に入ってきて、充填
材が外部へ出ることがある。このバランスを維持できる
かできないかは充填材総重量と表面張力との釣り合いに
他ならない。

【００２１】以下に充填材が外部に出ないための条件式
を示す。 ρｇｈ・πｄ^２／４≦σπｄ ・・・・・・（１） ρ：充填材密度 ｇ：重力加速度 ｈ：充填材高さ σ：充填材表面張力

【００２２】上記（１）式を整理すると、 ｄ≦４σ／ρｇｈ ・・・・・・・・・・・・・（２） となり、この式に基づいて、ｈ、ｄの値を設計すれば充
填材が外部に出ないことになる。

【００２３】通常用いられる流動性充填材としてのフッ
素オイルを使用した場合は、 ρ：１８４０（ｋｇ／ｍ^３） σ：０．０１８（Ｎ／ｍ） であり、通常のフッ素オイル使用量においてｈは０．０
０５（ｍ）であり、また、ｇ＝９．８０６６５（ｍ／ｓ
^２）であるから、上記（２）の式より、 ｄ≦０．８（ｍｍ） となる。したがって、通常の使用状態において、最も流
動性充填材の流失しやすい条件でも、圧力伝達路の直径
が０．８ｍｍ以下であるならば、流動性充填材の表面張
力等の作用により外部に流失しないことがわかる。

【００２４】上記半導体式圧力センサ１を図３に示すよ
うに、その圧力伝達管３が水平方向を向けて設置した場
合について、充填材が外部に流出しない条件は、前記の
ように半導体式圧力センサを鉛直に設置した場合と同様
に考えることができる。ただし、表面張力に対する力と
しての位置Ａと位置Ｂの差圧による力が一様でないた
め、流体力学的な考え方である平均圧力という概念を用
いると、下記の条件式を満たせばよいこととなる。 １／２・ρｇｄ・πｄ^２／４≦σπｄ ・・・・・（３） ρ：充填材密度 ｇ：重力加速度 σ：充填材表面張力 上記（３）の式を整理すると、 ｄ^２≦８σ／ρｇ ｄ≦（８σ／ρｇ）^１／２ ・・・・・・・・・・（４）

【００２５】この式に基づいて前記と同様に流動性充填
材としてのフッ素オイルを使用した場合における圧力伝
達路の直径ｄを求めると、 ρ：１８４０（ｋｇ／ｍ^３） σ：０．０１８（Ｎ／ｍ） ｇ：９．８０６６５（ｍ／ｓ^２） であるから、上記式（４）より、 ｄ≦３（ｍｍ） となる。

【００２６】したがって、通常の使用状態においては、
圧力伝達路の直径は３ｍｍ以下であればよいことがわか
る。この値は前記のように半導体式圧力センサを鉛直に
設置した条件で求めた値の０．８ｍｍよりは遥かに大き
な値であり、このことから、少なくとも前記図２に示す
ように、鉛直に設置した条件で求めた圧力伝達路の直径
の条件式（２）を満たし、それにより通常の使用状態で
の圧力伝達路の直径が０．８ｍｍ以下という条件を満足
すれば充分であることがわかる。

【００２７】上記の各使用条件は、被圧力検出流体が空
気の場合について検討したが、この半導体式圧力センサ
を全自動風呂給湯器等、被圧力検出流体が水であり、例
えば図４に示すように、浴槽に連通する管路３０に対し
て圧力伝達管路を鉛直に設置した条件で、流動性充填材
が流出しない条件を検討する。

【００２８】最初、半導体式圧力センサを鉛直に設置し
た場合についてみると、その条件式は前記式（２）と同
一の関係式が成立する。なぜならば、大気圧が無関係で
あり、位置Ｂの圧力は関係ない。また、浮力については
オイルが表面張力とのバランスを崩し、水に進入した瞬
間から初めて発生するので、通常の使用状態では無関係
となる。したがってこの条件における関係式は前記のよ
うに、 ｄ≦４σ／ρｇｈ ・・・・・・・・・・・・・（２） の式が成立する。この関係式において右辺の値は前記の
値と全く同一であり、したがって圧力伝達路の直径ｄ
は、前記被圧力検出流体が空気である場合と同じく、
０．８ｍｍ以下であればよいことがわかる。

【００２９】なお、充填材の比重量が被圧力検出流体の
液体よりも比重量が小さい場合には、上記式（２）を満
たしていなくても、被圧力検出流体に充填材が浮くた
め、位置Ｂにおいてバランスを崩して一部の流動性充填
材が流出しようとしても、少なくとも浮力により釣り合
うか、浮いて元に戻ることとなる。したがって、流動性
充填材が被圧力検出流体よりも比重量が小さい場合に
は、前記関係式を満たす必要はない。

【００３０】次に、前記半導体式圧力センサの圧力伝達
管を、図５に示すように浴槽と連通する管路３１に対し
て水平に設置した場合について検討すると、水側の圧力
に無関係に、位置Ａと位置Ｂの差圧による力と表面張力
との釣り合いになるため、流動性充填材が流出しない条
件は前記図３に示す状態と全く同様であり、 ｄ≦（８σ／ρｇ）^１／２ ・・・・・・・・・・（４） の式が成立する。この関係式においても右辺の値は前記
の値と全く同一であり、したがって圧力伝達路の直径ｄ
は、通常の使用状態においては３ｍｍ以下であればよい
ことがわかる。

【００３１】一方、上記半導体式圧力センサを実際に使
用した際には、周囲の温度変化の影響を受け、流動性充
填材の体積変化を生じ、例えば流動性充填材が圧力伝達
管の先端まで全て充填されていたならば、温度上昇によ
る体積膨張によって圧力伝達管から必ず流出することと
なる。したがってこのような温度変化に対応できるよう
に、予め圧力伝達管の先端部に流動性充填材が充填され
ていない長さを確保しておく必要がある。

【００３２】上記のように、圧力伝達管の先端部に流動
性充填材が充填されていない長さを、通常使用される流
動性充填材であるフッ素オイルを例にして体積変化を調
べと、 比重の変化については、 ０℃＝１．９２ ８０℃＝１．７６ である。

【００３３】また、温度変化による体積変化は密度変化
とは異なるので、まず単位質量あたりの体積を求める必
要があり、０℃の密度 ρ_０＝１．９２×１０００＝１９２０（ｋｇ／ｍ^３） ８０℃の密度 ρ_８０＝１．７６×１０００＝１７６０（ｋｇ／ｍ^３） ０℃の比体積 ｖ_０＝１／ρ_０＝１／１９２０（ｍ^３／ｋｇ） ８０℃の比体積 ｖ_８０＝１／ρ_８０＝１／１７６０（ｍ^３／ｋｇ）

【００３４】ここで質量を一定と考えると、上記のよう
な体積変化が生じるということになる。よって０℃の体
積を基準とした場合、体積増加率は （１／ｖ_８０−１／ｖ_０）／（１／ｖ_８０）×１００＝
（１／１７６０−１／１９２０）／（１／１９２０）×
１００＝９．１(％)

【００３５】よって、断面積が一定であれば、通常の使
用状態である０℃〜８０℃の温度変化において軸方向に
距離が９．１％増加するということがわかる。

【００３６】以上により、図６に示すように、半導体式
圧力センサ１の圧力伝達管３内の圧力伝達路２におい
て、流動性充填材１２の先端から軸方向に９．１（％）
の部分Ｘを圧力伝達路２の先端部に確保しておけば、流
動性充填材は外部に流出しないこととなる。なお、この
際、上記計算結果により、圧力伝達管路２の直径は０．
８ｍｍ以下である必要がある。

【００３７】なお、上記構造の半導体式圧力センサを図
２に示すような、管路本体に対して垂直に取り付けると
きには、例えば図７に示すように本体４に有底筒状のセ
ンサ収納部４０を流路に突出して設け、その内部空間４
１に半導体式圧力センサ１の圧力伝達管３を、先端及び
周囲に間隙を有するように嵌入する。また、センサ収納
部４０の筒壁４２には、底面から離れた上方の位置に圧
力導入孔４３を形成する。したがって、この例において
は、圧力導入口４３が半導体式圧力センサの圧力伝達路
の開放端部となる。内部に充填する流動性充填材１２は
圧力伝達管内を全て満たすと共に、圧力伝達管３の周囲
とセンサ収納部４０の内壁面との間隙部分にも一部充填
される。この時、上記間隙部分に充填される流動性充填
材１２は、流動性充填材の温度変化に基づく上記流出防
止条件を満たす分だけ圧力導入口４２よりも下方である
必要がある。

【００３８】このように構成することにより、充填する
流動性充填材の量は若干増加するものの、被圧力検出流
体の流れの影響を減少させることができ、流動性充填材
の流出を更に防止することができる。

【００３９】

【発明の効果】本願の請求項１に係る発明は、圧力伝達
路を必要最小限の長さに設定することができ、それによ
り圧力伝達媒体の使用量を減少することができる。ま
た、特別の部品を用いることがないので部品点数を減少
し、コストダウンを計ると共にセンサを小型化すること
ができる。更にオイル等の圧力伝達媒体の流出を確実に
防止して長期間安定した特性を備えた半導体式圧力セン
サとすると共に、圧力伝達媒体の流出による被圧力計測
が遺体の汚れを防止し、且つ、長期間オフセット電圧を
安定化することができる半導体式圧力センサ

【００４０】また、請求項２に係る発明は、半導体式圧
力センサの通常の使用状態において、前記効果を奏する
ことができ、更に、請求項３に係る発明は、上記効果に
加えて、被圧力検出流体の流れの影響を減少させること
ができ、流動性充填材の流出をより防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】同実施例による半導体式圧力センサを鉛直方向
に空気管路に設置した例を示す断面図である。

【図３】同実施例を水平方向に設置した例を示す断面図
である。

【図４】同実施例を鉛直方向に浴槽に連通する管路に設
置した例を示す断面図である。

【図５】同実施例を水平方向に浴槽に連通する管路に設
置した例を示す断面図である。

【図６】同実施例において流動性充填材が温度差により
膨張する状態を示す断面図である。

【図７】同実施例を鉛直方向に空気管路に設置した他の
例を示す断面図である。

【図８】従来の半導体式圧力センサの断面図である。

【図９】従来の他の半導体式圧力センサの断面図であ
る。

【符号の説明】 １ 半導体式圧力センサ ２ 圧力伝達路 ３ 圧力伝達管 ４ パッケージ本体 ５ 圧力センサ室 ８ 台座 １０ 圧力検出素子 １２ 流動性充填材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パッケージ本体に半導体式圧力検出素子
   を固定し、パッケージ本体に形成した圧力伝達路の一端
   部を前記半導体式圧力検出素子の受圧面に対向させると
   共に圧力伝達路に流動性充填材を収容し、圧力伝達路の
   他端部側で被圧力検出流体と直接接触させる半導体式圧
   力センサにおいて、圧力伝達路の内径ｄは下記の式を満
   たし、かつ流動性充填材の先端と圧力伝達路の前記他端
   部間に使用中の温度差に基づく体積膨張分より大きな空
   隙部を備えたことを特徴とする半導体式圧力センサ。 ｄ≦４σ／ρｇｈ 但し σ：オイル表面張力 ρ：オイル密度 ｇ：重力加速度 ｈ：充填材高さ
2. 【請求項２】前記圧力伝達路の内径ｄは前記式を満た
   し、０．８ｍｍ以下であり、体積膨張分は前記条件を満
   たし、圧力伝達路の全長の９．１％以上である請求項１
   記載の半導体式圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記半導体式圧力センサの圧力伝達管
   を、有底筒状のセンサ収納部内に先端及び周囲に間隙を
   設けて収納し、センサ収納部の筒状壁の中間部に圧力導
   入口を設けてなる請求項１記載の半導体式圧力センサ。