知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024168617
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】圧力導通路構造および圧力センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 19/06 20060101AFI20241128BHJP
【ＦＩ】
G01L19/06 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023085452
(22)【出願日】2023-05-24
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】瀬戸 祐希
(72)【発明者】
【氏名】東條 博史
【テーマコード（参考）】
2F055
【Ｆターム（参考）】
2F055AA40
2F055BB05
2F055CC02
2F055DD05
2F055EE40
2F055FF21
2F055GG22
2F055GG25
2F055HH08
(57)【要約】
【課題】破壊強度が相対的に低い部材が破壊されることがない圧力導通路構造およびこの圧力導通路構造を有する圧力センサを提供する。
【解決手段】貫通穴１２～１４を有する部材からなる積層体１０と、貫通穴１２～１４からなる圧力導通路１５とを備える。積層体１０は、破壊強度が他の部材より低いガラス部材５（低強度の部材）と、ガラス部材５を挟む第１のシリコン部材４（第１の高強度の部材）および第２のシリコン部材６（第２の高強度の部材）とを含む。第１のシリコン部材４に圧力導入口が設けられ、第２のシリコン部材６に圧力導通路１５を塞ぐダイアフラムが設けられる。第１のシリコン部材４の貫通穴１２の穴径Ｄ２は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きい。第２のシリコン部材６の貫通穴１４の穴径Ｄ３は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さい。
【選択図】 図９
【解決手段】貫通穴１２～１４を有する部材からなる積層体１０と、貫通穴１２～１４からなる圧力導通路１５とを備える。積層体１０は、破壊強度が他の部材より低いガラス部材５（低強度の部材）と、ガラス部材５を挟む第１のシリコン部材４（第１の高強度の部材）および第２のシリコン部材６（第２の高強度の部材）とを含む。第１のシリコン部材４に圧力導入口が設けられ、第２のシリコン部材６に圧力導通路１５を塞ぐダイアフラムが設けられる。第１のシリコン部材４の貫通穴１２の穴径Ｄ２は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きい。第２のシリコン部材６の貫通穴１４の穴径Ｄ３は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さい。
【選択図】 図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
貫通穴を有する少なくとも３個の部材を前記貫通穴が互いに接続されるように積層してなる積層体と、
前記積層体の中に前記部材の貫通穴によって形成され、圧力伝達媒体で満たされる圧力導通路とを備え、
前記少なくとも３個の部材は、破壊強度が他の部材より低くなる低強度の部材と、前記低強度の部材より破壊強度が高くなる部材であって、前記低強度の部材を挟む第１の高強度の部材と第２の高強度の部材とを含み、
前記第１の高強度の部材に前記圧力導通路の圧力導入口を構成する部材が接続され、
前記第２の高強度の部材に前記圧力導通路を閉塞する部材が接続され、
前記第１の高強度の部材に形成されている貫通穴の穴径は、前記低強度の部材に形成されている貫通穴の穴径より大きく、
前記第２の高強度の部材に形成されている貫通穴の穴径は、前記低強度の部材に形成されている貫通穴の穴径より小さいことを特徴とする圧力導通路構造。
前記積層体の中に前記部材の貫通穴によって形成され、圧力伝達媒体で満たされる圧力導通路とを備え、
前記少なくとも３個の部材は、破壊強度が他の部材より低くなる低強度の部材と、前記低強度の部材より破壊強度が高くなる部材であって、前記低強度の部材を挟む第１の高強度の部材と第２の高強度の部材とを含み、
前記第１の高強度の部材に前記圧力導通路の圧力導入口を構成する部材が接続され、
前記第２の高強度の部材に前記圧力導通路を閉塞する部材が接続され、
前記第１の高強度の部材に形成されている貫通穴の穴径は、前記低強度の部材に形成されている貫通穴の穴径より大きく、
前記第２の高強度の部材に形成されている貫通穴の穴径は、前記低強度の部材に形成されている貫通穴の穴径より小さいことを特徴とする圧力導通路構造。
【請求項2】
請求項１に記載の圧力導通路構造を有する圧力センサであって、
前記第１の高強度の部材と第２の高強度の部材を形成する材料はシリコンであり、
前記低強度の部材を形成する材料はガラスであり、
前記第２の高強度の部材には、前記圧力導通路を閉塞する部材となる圧力計測用ダイアフラムが接合されていること特徴とする圧力センサ。
前記第１の高強度の部材と第２の高強度の部材を形成する材料はシリコンであり、
前記低強度の部材を形成する材料はガラスであり、
前記第２の高強度の部材には、前記圧力導通路を閉塞する部材となる圧力計測用ダイアフラムが接合されていること特徴とする圧力センサ。
【請求項3】
請求項２に記載の圧力センサにおいて、
前記第１の高強度の部材に形成されている前記貫通穴の穴径は、圧力伝達媒体の圧力が作用する圧力伝達状態において前記低強度の部材における前記第１の高強度の部材が接合される接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定され、
前記第２の高強度の部材に形成されている前記貫通穴の穴径は、圧力伝達媒体の圧力が作用する圧力伝達状態において前記低強度の部材における第２の高強度の部材が接合される接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定されていることを特徴とする圧力センサ。
前記第１の高強度の部材に形成されている前記貫通穴の穴径は、圧力伝達媒体の圧力が作用する圧力伝達状態において前記低強度の部材における前記第１の高強度の部材が接合される接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定され、
前記第２の高強度の部材に形成されている前記貫通穴の穴径は、圧力伝達媒体の圧力が作用する圧力伝達状態において前記低強度の部材における第２の高強度の部材が接合される接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項4】
請求項２に記載の圧力センサにおいて、
前記圧力導通路の圧力導入口を構成する部材は、前記第１の高強度の部材に固着されたパイプであることを特徴とする圧力センサ。
前記圧力導通路の圧力導入口を構成する部材は、前記第１の高強度の部材に固着されたパイプであることを特徴とする圧力センサ。
【請求項5】
請求項２～請求項４の何れか一つに記載の圧力センサにおいて、
さらに、前記圧力計測用ダイアフラムを前記第２の高強度の部材と協働して挟む積層部材を備え、
前記積層部材は、前記圧力計測用ダイアフラムが前記圧力伝達媒体の圧力で変形することにより接触する凹曲面からなる過大圧保護部を有していることを特徴とする圧力センサ。
さらに、前記圧力計測用ダイアフラムを前記第２の高強度の部材と協働して挟む積層部材を備え、
前記積層部材は、前記圧力計測用ダイアフラムが前記圧力伝達媒体の圧力で変形することにより接触する凹曲面からなる過大圧保護部を有していることを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の積層部材を貫通する圧力導通路を有する圧力導通路構造および圧力センサに関する。
【背景技術】
【0002】
電子デバイスの内部に圧力伝達媒体で満たされる圧力導通路を形成するにあたっては、例えば特許文献１に記載されているように、貫通穴を有する複数の部材を積層して行うことがある。特許文献１には、圧力センサのセンサ素子に形成された圧力導通路が開示されている。センサ素子は、貫通穴を有する複数の部材を貫通穴どうしが互いに接続されるように積層して形成されている。このように複数の部材が積層されることにより、各部材の貫通穴からなる圧力導通路が形成される。センサ素子の一端部には圧力導通路の圧力導入口が開口し、他端部には、圧力導通路を閉塞する部材が接続されている。圧力導通路には圧力伝達媒体が充填され、被測定流体の圧力が圧力伝達媒体を介して伝達される。センサ素子は、この圧力伝達媒体の圧力を計測する。
【0003】
圧力導通路内の圧力伝達媒体によって被測定流体の圧力が伝達される圧力センサにおいては、高圧レンジの計測や、計測レンジの圧力が小さくても極めて大きな静圧が印加される状態で計測を可能とするために、耐圧性能を高くすることが要請されている。センサ素子に過大圧保護機構を有する場合は、差圧の計測レンジは小さくても、静圧として計測レンジの数百倍の圧力が印加される場合がある。例えば、４２ＭＰａの圧力印加で計測レンジが０．１ＭＰａとなる場合がある。
耐圧性能を高くするためには、素子内部の圧力伝達経路においてもできる限り発生応力を低減することが必要である。これを実現するためには、センサ素子を形成する全ての部材において、貫通穴の穴径を一致させ、全ての貫通穴を段差なく接続することが望ましい。この構成を採ることにより、圧力導通路に応力集中点が作られることがなくなり、耐圧性の向上を図ることができる。
耐圧性能を高くするためには、素子内部の圧力伝達経路においてもできる限り発生応力を低減することが必要である。これを実現するためには、センサ素子を形成する全ての部材において、貫通穴の穴径を一致させ、全ての貫通穴を段差なく接続することが望ましい。この構成を採ることにより、圧力導通路に応力集中点が作られることがなくなり、耐圧性の向上を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２２－３４１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、貫通穴を有する複数の部材を積層して圧力導通路を形成するにあたっては、各部材の貫通穴の穴径の公差や、各部材を積層する際の接合精度などに起因して、互いに隣り合う貫通穴の一方が他方に対して僅かにずれることがある。このような場合は、圧力導通路の通路壁面に段差が生じることなる。この段差の高さが大きくなると、圧力導通路内に突き出す段差の先端部等に意図しない応力集中点が形成され、耐圧性が低下してしまう。センサ素子は、破壊強度が相対的に低い材料によって形成された絶縁用の部材も積層されており、この部材に応力集中点が形成されると、この部材が破壊されるおそれがある。
【0006】
本発明の目的は、破壊強度が相対的に低い部材が破壊されることがない圧力導通路構造およびこの圧力導通路構造を有する圧力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この目的を達成するために本発明に係る圧力導通路構造は、貫通穴を有する少なくとも３個の部材を前記貫通穴が互いに接続されるように積層してなる積層体と、前記積層体の中に前記部材の貫通穴によって形成され、圧力伝達媒体で満たされる圧力導通路とを備え、前記少なくとも３個の部材は、破壊強度が他の部材より低くなる低強度の部材と、前記低強度の部材より破壊強度が高くなる部材であって、前記低強度の部材を挟む第１の高強度の部材と第２の高強度の部材とを含み、前記第１の高強度の部材に前記圧力導通路の圧力導入口を構成する部材が接続され、前記第２の高強度の部材に前記圧力導通路を閉塞する部材が接続され、前記第１の高強度の部材に形成されている貫通穴の穴径は、前記低強度の部材に形成されている貫通穴の穴径より大きく、前記第２の高強度の部材に形成されている貫通穴の穴径は、前記低強度の部材に形成されている貫通穴の穴径より小さいものである。
【0008】
本発明に係る圧力センサは、前記圧力導通路構造を有する圧力センサであって、前記第１の高強度の部材と第２の高強度の部材を形成する材料はシリコンであり、前記低強度の部材を形成する材料はガラスであり、前記第２の高強度の部材には、前記閉塞部を構成する圧力計測用ダイアフラムが接合されているものである。
【0009】
本発明は、前記圧力センサにおいて、前記第１の高強度の部材に形成されている前記貫通穴の穴径は、圧力伝達媒体の圧力が作用する圧力伝達状態において前記低強度の部材における前記第１の高強度の部材が接合される接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定され、前記第２の高強度の部材に形成されている前記貫通穴の穴径は、圧力伝達媒体の圧力が作用する圧力伝達状態において前記低強度の部材における第２の高強度の部材が接合される接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定されていてもよい。
【0010】
本発明は、前記圧力センサにおいて、前記圧力導通路の圧力導入口を構成する部材は、前記第１の高強度の部材に固着されたパイプであってもよい。
【0011】
本発明は、前記圧力センサにおいて、さらに、前記圧力計測用ダイアフラムを前記第２の高強度の部材と協働して挟む積層部材を備え、前記積層部材は、前記圧力計測用ダイアフラムが前記圧力伝達媒体の圧力で変形することにより接触する凹曲面からなる過大圧保護部を有していてもよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、破壊強度が相対的に低い部材が破壊されることがない圧力導通路構造およびこの圧力導通路構造を有する圧力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明に係る圧力導通路構造および圧力センサの一実施の形態を図１～図９を参照して詳細に説明する。
この実施の形態においては、本発明に係る圧力導通路構造を圧力センサのセンサ素子に適用する場合の一例について説明する。
この実施の形態においては、本発明に係る圧力導通路構造を圧力センサのセンサ素子に適用する場合の一例について説明する。
【0015】
図１に示すセンサ素子１は、パッケージ２の中に収容された圧力センサ３を構成するものである。センサ素子１は、複数の部材を積層して形成されている。
センサ素子１を構成する複数の部材とは、図１において最も下に描かれている第１のシリコン部材４と、この第１のシリコン部材４に重ねられたガラス部材５と、このガラス部材５に重ねられた第２のシリコン部材６と、第２のシリコン部材６にダイアフラム層７を介して重ねられた第３のシリコン部材８と、第３のシリコン部材８に重ねられた第４のシリコン部材９などを有している。第１のシリコン部材４と、第２のシリコン部材６と、ダイアフラム層７と、第３のシリコン部材８と、第４のシリコン部材９は、シリコンによって形成されている。ガラス部材５はガラスによって形成されている。
第１のシリコン部材４と、ガラス部材５と、第２のシリコン部材６は、本発明でいう積層体１０を構成するものである。
センサ素子１を構成する複数の部材とは、図１において最も下に描かれている第１のシリコン部材４と、この第１のシリコン部材４に重ねられたガラス部材５と、このガラス部材５に重ねられた第２のシリコン部材６と、第２のシリコン部材６にダイアフラム層７を介して重ねられた第３のシリコン部材８と、第３のシリコン部材８に重ねられた第４のシリコン部材９などを有している。第１のシリコン部材４と、第２のシリコン部材６と、ダイアフラム層７と、第３のシリコン部材８と、第４のシリコン部材９は、シリコンによって形成されている。ガラス部材５はガラスによって形成されている。
第１のシリコン部材４と、ガラス部材５と、第２のシリコン部材６は、本発明でいう積層体１０を構成するものである。
【0016】
センサ素子１を形成する複数の部材のうち、第１のシリコン部材４と、ガラス部材５と、第２のシリコン部材６とには、本発明に係る圧力導通路構造１１を構成する貫通穴１２～１４がそれぞれ形成されている。この実施の形態によるセンサ素子１には、圧力導通路構造１１が２箇所に設けられている。
第１のシリコン部材４の貫通穴１２と、ガラス部材５の貫通穴１３と、第２のシリコン部材６の貫通穴１４とが互いに接続されることにより、一つの圧力導通路１５が形成される。この実施の形態においては、第１のシリコン部材４と、ガラス部材５と、第２のシリコン部材６とに二つの圧力導通路１５が形成されている。この実施の形態においては、ガラス部材５が本発明でいう「低強度の部材」に相当し、第１のシリコン部材４が本発明でいう「第１の高強度の部材」に相当する。また、第２のシリコン部材６が本発明でいう「第２の高強度の部材」に相当する。
第１のシリコン部材４の貫通穴１２と、ガラス部材５の貫通穴１３と、第２のシリコン部材６の貫通穴１４とが互いに接続されることにより、一つの圧力導通路１５が形成される。この実施の形態においては、第１のシリコン部材４と、ガラス部材５と、第２のシリコン部材６とに二つの圧力導通路１５が形成されている。この実施の形態においては、ガラス部材５が本発明でいう「低強度の部材」に相当し、第１のシリコン部材４が本発明でいう「第１の高強度の部材」に相当する。また、第２のシリコン部材６が本発明でいう「第２の高強度の部材」に相当する。
【0017】
第１のシリコン部材４の二つの貫通穴１２は、それぞれガラス部材５とは反対側に位置する小径部１２ａと、ガラス部材５の貫通穴１３に接続する大径部１２ｂとによって構成されている。小径部１２ａには、図２および図３に示すように、導圧用パイプ１６の一端部が挿入され、接着剤１７によって固着されている。この導圧用パイプ１６の他端部は、図示していない受圧室に接続されている。受圧室は、被測定流体の圧力で変位する接液ダイアフラムを壁の一部として形成されている。２本の導圧用パイプ１６のうちの一方の導圧用パイプ１６には、相対的に圧力が低い被測定流体の圧力が伝達される。他方の導圧用パイプ１６には、相対的に圧力が高い被測定流体の圧力が伝達される。
導圧用パイプ１６は、圧力導通路１５の圧力導入口１５ａを構成している。
導圧用パイプ１６は、圧力導通路１５の圧力導入口１５ａを構成している。
【0018】
ガラス部材５に形成されている貫通穴１３の穴径Ｄ１は、第１のシリコン部材４に形成されている貫通穴１２の大径部１２ｂの穴径Ｄ２より小さい。このように穴径Ｄ１，Ｄ２を設定した理由は後述する。
第２のシリコン部材６の貫通穴１４は、ガラス部材５に形成されている貫通穴１３に接続される第１の穴１４ａと、第２のシリコン部材６におけるガラス部材５とは反対側の端面に開口する第２の穴１４ｂとによって構成されている。第１の穴１４ａの穴径Ｄ３は、ガラス部材５に形成されている貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さい。このように穴径Ｄ３，Ｄ１を設定した理由は後述する。
第２のシリコン部材６の貫通穴１４は、ガラス部材５に形成されている貫通穴１３に接続される第１の穴１４ａと、第２のシリコン部材６におけるガラス部材５とは反対側の端面に開口する第２の穴１４ｂとによって構成されている。第１の穴１４ａの穴径Ｄ３は、ガラス部材５に形成されている貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さい。このように穴径Ｄ３，Ｄ１を設定した理由は後述する。
【0019】
第２の穴１４ｂは、第１の穴１４ａより穴径が大きくなるように形成され、第２のシリコン部材６の端面に設けられたダイアフラム層７によって閉塞されている。ダイアフラム層７における第２の穴１４ｂを塞ぐ部分は、圧力計測用ダイアフラム１８（以下、単にダイアフラム１８という）となる。この実施の形態においては、このダイアフラム１８が本発明でいう「圧力導通路を閉塞する部材」に相当する。
【0020】
第３のシリコン部材８は、ダイアフラム１８を第２のシリコン部材６と協働して挟んでいる。この実施の形態においては、第３のシリコン部材８が本発明でいう「積層部材」に相当する。
第３のシリコン部材８における、第２のシリコン部材６の第２の穴１４ｂにダイアフラム１８を介して対向する２箇所には、図４に示すように、それぞれダイアフラム１８が壁の一部となる圧力室１９が形成されている。二つの圧力室１９は、第３のシリコン部材８に形成された貫通穴２０と、第３のシリコン部材８と第４のシリコン部材９との間に形成された連通路２１とによって互いに連通されている。
第３のシリコン部材８における、第２のシリコン部材６の第２の穴１４ｂにダイアフラム１８を介して対向する２箇所には、図４に示すように、それぞれダイアフラム１８が壁の一部となる圧力室１９が形成されている。二つの圧力室１９は、第３のシリコン部材８に形成された貫通穴２０と、第３のシリコン部材８と第４のシリコン部材９との間に形成された連通路２１とによって互いに連通されている。
【0021】
第３のシリコン部材８と第４のシリコン部材９の内部の空間（二つの圧力室１９、貫通穴２０、連通路２１）と、上述した第１のシリコン部材４、ガラス部材５および第２のシリコン部材６の内部の空間（貫通穴１２～１４）は、圧力伝達媒体２２で満たされている。第４のシリコン部材９には、圧力伝達媒体２２を連通路２１に注入するための通路穴２３が形成されている。通路穴２３の開口端は、図示していない栓部材によって閉塞されている。
【0022】
ダイアフラム１８には、図示してはいないが、ダイアフラム１８の変形を電気信号に変換する回路が設けられている。この回路は、パッケージ２の図示していない配線部に電気的に接続されている。
図４に示すように、圧力室１９のダイアフラム１８と対向する壁、すなわち第３のシリコン部材８におけるダイアフラム１８と対向する部分には、ダイアフラム１８が第２の穴１４ｂ内の圧力伝達媒体２２の圧力で変形することにより接触する凹曲面２４が形成されている。ダイアフラム１８が凹曲面２４に接触した状態においては、圧力導通路１５の圧力が過度に増大したとしてもダイアフラム１８がそれ以上変形することはない。すなわち、この凹曲面２４は、過大圧からダイアフラム１８を保護する過大圧保護部２５となる。
図４に示すように、圧力室１９のダイアフラム１８と対向する壁、すなわち第３のシリコン部材８におけるダイアフラム１８と対向する部分には、ダイアフラム１８が第２の穴１４ｂ内の圧力伝達媒体２２の圧力で変形することにより接触する凹曲面２４が形成されている。ダイアフラム１８が凹曲面２４に接触した状態においては、圧力導通路１５の圧力が過度に増大したとしてもダイアフラム１８がそれ以上変形することはない。すなわち、この凹曲面２４は、過大圧からダイアフラム１８を保護する過大圧保護部２５となる。
【0023】
第１のシリコン部材４の貫通穴１２（大径部１２ｂ）の穴径Ｄ２と、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１と、第２のシリコン部材６の第１の穴１４ａの穴径Ｄ３は、圧力伝達媒体２２圧力が作用する圧力伝達状態において、ガラス部材５の両側の２箇所の接合面に生じる応力の大きさが予め定めた最小値となるように設定されている。２箇所の接合面とは、図２に示すように、ガラス部材５に第１のシリコン部材４が接合される第１の接合面２６と、ガラス部材５に第２のシリコン部材６が接合される第２の接合面２７である。
【0024】
第１および第２の接合面２６，２７に開口する貫通穴（大径部１２ｂ、貫通穴１３、第１の穴１４ａ）穴径を決めるにあたっては、第１および第２の接合面２６，２７において各部材に発生する応力をシミュレーション解析によって試算し、この応力が小さくなるように行った。このシミュレーション解析は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１を一定とし、この穴径Ｄ１に対して第１のシリコン部材４の貫通穴（大径部１２ｂ）の穴径Ｄ２と、第２のシリコン部材６の貫通穴（第１の穴１４ａ）の穴径Ｄ３とを増減させ、第１、第２の接合面２６，２７で各部材に発生する応力の推移が明確になるように実施した。
【0025】
シミュレーション解析の結果は、図５と図６とに示すグラフのようになった。図５、図６において、縦軸は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１と、第１のシリコン部材４および第２のシリコン部材６の貫通穴の穴径Ｄ２，Ｄ３を揃えたときに生じる応力を１とした応力比を示す。横軸は、ガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１に対する第１のシリコン部材４および第２のシリコン部材６の貫通穴の穴径Ｄ２，Ｄ３の比である穴径比を示す。また、図５、図６において、実線はガラス部材５の接合面に生じる応力を示し、破線は第２のシリコン部材６の接合面に生じる応力を示し、一点鎖線は第１のシリコン部材４の接合面に生じる応力を示す。
【0026】
図５は、第１のシリコン部材４の貫通穴１２の大径部１２ｂの穴径Ｄ２を変更したときの応力推移を示すグラフである。図５によれば、大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくする（穴径比を小さくする）ほど、実線で示すように、ガラス部材５の接合面（第１のシリコン部材４が接合された接合面）に生じる応力が大きくなることが分かる。ガラス部材５の接合面に生じる応力は、大径部１２ｂの穴径Ｄ２を穴径比で１．１倍程度に大きくすることによって最も小さくなり、それ以上大きくすると増大する傾向であることが分かる。一方、第１のシリコン部材４の接合面（ガラス部材５が接合される接合面）に生じる応力は、一点鎖線で示すように、大径部１２ｂの穴径を変えてもガラス部材５に生じる応力ほど大きく変化することはなく、大径部１２ｂの穴径Ｄ２を大きくすることにより単調に増加する傾向であることが分かる。
【0027】
大径部１２ｂの穴径Ｄ２を設定するためには、ガラス部材５に生じる応力が予め定めた最小値となるだけではなく、次の条件を満たす必要がある。この条件とは、大径部１２ｂを形成する際の公差や、第１のシリコン部材４にガラス部材５を接合する際の接合精度の影響で大径部１２ｂがガラス部材５の貫通穴１３に対してずれたとしても、圧力導通路１５の長手方向から見てガラス部材５の貫通穴１３が大径部１２ｂの中に位置することである。
ガラス部材５に生じる応力は、図５から明らかなように、穴径比が１．１程度であるときに最小になる。このため、大径部１２ｂの穴径Ｄ２を穴径比で１．１程度となるような値とすることにより、ガラス部材５に生じる応力が最小になる。穴径比が約１．１であれば、上述した条件を満たすことができる。
ガラス部材５に生じる応力は、図５から明らかなように、穴径比が１．１程度であるときに最小になる。このため、大径部１２ｂの穴径Ｄ２を穴径比で１．１程度となるような値とすることにより、ガラス部材５に生じる応力が最小になる。穴径比が約１．１であれば、上述した条件を満たすことができる。
【0028】
大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくした場合のシミュレーション解析の結果を示す応力コンター図は図７（Ａ）に示すようになり、大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくした場合（最適化した場合）のシミュレーション解析の結果を示す応力コンター図は図７（Ｂ）に示すようになる。図７（Ａ），（Ｂ）は、第１の接合面２６を第１のシリコン部材４側から斜めに見たような図で、応力が大きいほど濃く見えるように描いてある。
大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくした場合は、図７（Ａ）に示すように、貫通穴１３の開口縁１３ａに応力が集中することが分かる。また、大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくした場合は、図７（Ｂ）に示すように、応力が貫通穴１３の開口縁１３ａから緩やかに分散されることが分かる。
大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくした場合は、図７（Ａ）に示すように、貫通穴１３の開口縁１３ａに応力が集中することが分かる。また、大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくした場合は、図７（Ｂ）に示すように、応力が貫通穴１３の開口縁１３ａから緩やかに分散されることが分かる。
【0029】
図６は、第２のシリコン部材６の第１の穴１４ａの穴径Ｄ３を変更したときの応力推移を示すグラフである。図６によれば、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３を小さく（穴径比を小さくする）するほど、実線で示すように、ガラス部材５の接合面（第２のシリコン部材６が接合された接合面）に生じる応力が小さくなることが分かる。一方、第２のシリコン部材６の接合面（ガラス部材５が接合された接合面）に発生する応力は、破線で示すように、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３を小さくするほど大きくなることが分かる。このため、ガラス部材５に生じる応力の大きさと、第２のシリコン部材６に生じる応力の大きさとは、トレードオフの関係になる。シリコンの破壊強度は、ガラスの破壊強度より５倍以上に大きいことが知られている。このため、ガラス部材５に生じる応力が十分に小さくなるように第１の穴１４ａの穴径Ｄ３を小さく設定したとしても、第２のシリコン部材６が破壊されることはない。
【0030】
第１の穴１４ａの穴径Ｄ３を設定するためには、ガラス部材５に生じる応力が予め定めた最小値となるだけではなく、以下の条件を満たす必要がある。この条件とは、第１の穴１４ａを形成する際の公差や、第２のシリコン部材６をガラス部材５に接合する際の接合精度の影響で第１の穴１４ａがガラス部材５の貫通穴１３に対してずれたとしても、圧力導通路１５の長手方向から見て第１の穴１４ａがガラス部材５の貫通穴１３の中に位置することである。
【0031】
ガラス部材５に生じる応力が予め定めた最小値となるような第１の穴１４ａの穴径Ｄ３は、シミュレーション結果に基づいて設定することができる。穴径Ｄ３は、例えば図６に示されている応力比の値を用いて設定することができる。図６に示す応力比の最小値は、０．９から０．９５の間である。このときの穴径比は０．７である。穴径比が０．７であれば上述した条件は満たされる。
穴径Ｄ３を設定するにあたっては、図６に図示されている応力比を下回るような応力比に基づいて行うことができるし、値が０．９と１との間となるような応力比に基づいて行うことができる。
穴径Ｄ３を設定するにあたっては、図６に図示されている応力比を下回るような応力比に基づいて行うことができるし、値が０．９と１との間となるような応力比に基づいて行うことができる。
【0032】
第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくした場合のシミュレーション解析の結果を示す応力コンター図は図８（Ａ）に示すようになり、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくした場合のシミュレーション解析の結果を示す応力コンター図は、図８（Ｂ）に示すようになる。図８（Ａ），（Ｂ）は、第２の接合面２７を第２のシリコン部材６側から見たような図で、応力が大きいほど濃く見えるように描いてある。
図８（Ａ）から分かるように、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくした場合、ガラス部材５の接合面に生じる応力は、貫通穴１３を中心して略一定の幅で緩やかに分散されていることが分かる。
一方、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくした場合には、図８（Ｂ）に示すように、貫通穴１３の開口縁１３ｂに応力が集中していることが分かる。
図８（Ａ）から分かるように、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくした場合、ガラス部材５の接合面に生じる応力は、貫通穴１３を中心して略一定の幅で緩やかに分散されていることが分かる。
一方、第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくした場合には、図８（Ｂ）に示すように、貫通穴１３の開口縁１３ｂに応力が集中していることが分かる。
【0033】
このシミュレーション解析の結果、図９に示すように、第２のシリコン部材６の第１の穴１４ａの穴径Ｄ３をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より小さくし、第１のシリコン部材４の貫通穴１２の大径部１２ｂの穴径Ｄ２をガラス部材５の貫通穴１３の穴径Ｄ１より大きくする圧力導通路構造１１を採ることによって、ガラス部材５に生じる応力を小さくできることが分かった。図９は、穴径の違いが分かるように穴の形状を簡略化して描いてある。
【0034】
したがって、図９に示す圧力導通路構造１１を採ることにより、センサ素子１を構成する部材のうち、破壊強度が相対的に低い部材（ガラス部材５）が破壊されることがない圧力センサを提供することができる。
【0035】
この実施の形態による圧力導通路１５の圧力導入口１５ａを構成する部材は、第１のシリコン部材４（第１の高強度の部材）に固着された導圧用パイプ１６である。このため、第１のシリコン部材４の圧力伝達媒体２２から圧力を受ける部分のうち、第１のシリコン部材４がガラス部材５から離れる方向に圧力が作用する部分の受圧面積を小さくすることができる。したがって、この実施の形態を採ることにより、より一層耐圧強度が高いセンサ素子が実現される。
【0036】
この実施の形態による第３のシリコン部材８は、過大圧保護部２５となる凹曲面２４を有している。このため、この点からもセンサ素子の耐圧強度を高くすることができる。
【0037】
上述した実施の形態においては、第１のシリコン部材４と、ガラス部材５と、第２のシリコン部材６とからなる３個の部材で積層体１０を構成する例を示した。しかし、本発明に係る「積層体」は、３個に限定されることはなく、低強度の部材が２つの高強度の部材で挟まれる基本構造を有していれば、３個以上の部材によって形成することができる。
【0038】
上述した実施の形態においては、本発明を圧力センサのセンサ素子に適用する例を示した。しかし、本発明は、圧力導通路が少なくとも３個の部材を積層して形成されるデバイスであれば、どのようなものにも適用することができる。
【符号の説明】
【0039】
１…センサ素子、２…パッケージ、３…圧力センサ、４…第１のシリコン部材（第１の高強度の部材）、５…ガラス部材（低強度の部材）、６…第２のシリコン部材（第２の高強度の部材）、７…ダイアフラム層、８…第３のシリコン部材（積層部材）、９…第４のシリコン部材、１０…積層体、１１…圧力導通路構造、１２～１４…貫通穴、１５…圧力導通路、１６…導圧用パイプ（圧力導入口）、１７…接着剤、１８…圧力計測用ダイアフラム（圧力導通路を閉塞する部材）、１９…圧力室、２０…貫通穴、２１…連通路、２２…圧力伝達媒体、２３…通路穴、２４…凹曲面、２５…過大圧保護部、２６…第１の接合面、２７…第２の接合面。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】