JP2009258085A - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に受圧媒体としてのオイルを使用しない構造の圧力センサを提供するとともに、圧力センサの測定精度を高めることを目的とする。
【解決手段】圧力センサ１は、内部を真空とするとともに対向して配置した第１の圧力入力口２と第２の圧力入力口３とを備え後述する各構成要素を収容するハウジング４と、第１の圧力入力口２の先端部に配置し測定対象の液体の圧力に応じて撓む第１のダイアフラム５と、第１のダイアフラム５に対して垂直方向に第１のダイアフラム５に一端を接続した第１のシャフト６と、第２の圧力入力口３に配置し大気側の圧力が加わるベローズ７と、第１のシャフト６の他端とベロー７の他端とを一端８ａに接続したカンチレバー８と、カンチレバー８の他端８ｂと固定部材９との間に配置された感圧素子１０と、により構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力センサおよびその製造方法に関し、圧力センサの受圧媒体としてのオイルを使用しないことにより圧力センサの用途の多様化を図るのに好適なものである。

従来から、水圧計、気圧計、差圧計などとして圧電振動素子を感圧素子として使用した圧力センサが知られている。前記圧電振動素子は、例えば、板状の圧電基板上に電極パターンが形成され、力の検出方向を検出軸と設定しており、当該検出軸の方向に圧力が作用すると、前記圧電振動子の共振周波数が変化し、当該共振周波数の変化から圧力を検出する。特許文献１〜３には、感圧素子として圧電振動素子を用いた圧力センサが開示されている。圧力導入口よりベローズに圧力が加わると当該ベローズの有効面積に応じた力がピボット（撓みヒンジ）を支点とした力伝達手段を介して圧電振動素子に圧縮力或いは引張り力として力Ｆが加わる。前記圧電振動素子には、当該力Ｆに応じた応力が生じることとなり、当該応力により共振周波数が変化する。当該圧力センサは圧電振動素子に生じる共振周波数の変化を検出することにより圧力を測定するものである。

以下に、従来の圧力センサを、特許文献１〜３に開示されている例を用いて説明する。図８は従来の圧力センサの構造を示した模式図である。
図８に示す従来の圧力センサ１０１は、対向して配置された第１及び第２の圧力入力口１０２、１０３を有する筐体１０４と、当該筐体１０４の内部に配置される力伝達部材１０５とを備え、力伝達部材１０５の一端を挟むように第１のベローズ１０６、および第２のベローズ１０７を接続している。そして、第１のベローズ１０６の他端を第１の圧力入力口１０２に接続し、第２のベローズ１０７の他端を第２の圧力入力口１０３に接続している。さらに、力伝達部材１０５の他端と基板１０８のピボット(支点)ではない方の端部との間に、音叉型振動子１０９を配置している。

このような圧力センサにおいて、高精度に圧力を検出する場合、ベローズの内部には、液体が充填されている。当該液体としては、ベローズの内部や内部の蛇腹部分に気泡が入り込んだり、溜まらないようするために、一般的に粘性の高いシリコンオイルなどのオイルが用いられている。

このように、被測定液体の圧力を受圧する第１のベローズ１０６の内部には、粘性のあるオイル１１０が充填されており、圧力測定の対象が液体の場合は、第１の圧力入力口に開けられた開口部１１１により液体とオイル１１０とが接触して相対する構造となっている。なお、開口部１１１はオイル１１０が外部に漏れないような開口径が設定されている。

このような構成の圧力センサ１０１においては、圧力測定の対象となる液体より圧力Ｆが第１のベローズ１０６の内部に充填されているオイル１１０に加わると、第１のベローズ１０６を経て圧力Ｆが、力伝達部材１０５（ピボット支持された揺動レバー）の一端に加わる。一方、第２のベローズ１０７には、大気圧が加わっており、大気圧に相当する力が力伝達部材１０５の一端に加わっている。

この結果、力伝達部材１０５の他端を介して、圧力測定の対象となる液体より加わった圧力Ｆと大気圧による圧力の差圧に相当する力が基板１０８のピボットを支点にして、双音叉型振動子１０９に圧縮力、あるいは引張り力として加わる。双音叉型振動子１０９に圧縮力、あるいは引張り力が加わった場合は、双音叉型振動子１０９は応力の大きさに応じて共振周波数が変化するので、その共振周波数を測定することにより、圧力Ｆの大きさを検出することができる。

一方、特許文献４には被測定圧力を受圧する手段としてダイアフラムを用いた圧力センサが提案されている。これは、図９に示しているように、ダイアフラム２０１を円盤状または皿状に形成し、その表面に酸化ケイ素薄膜層と酸化クロム薄膜層を形成した上で半導体（ピエゾ抵抗体）２０２を形成したもので、ダイアフラム２０１が圧力を受圧して撓むと、当該ダイアフラムの表面に形成された半導体（ピエゾ抵抗体）が歪むことにより抵抗値が変動し、その抵抗値の変動を電気信号として取り込み圧力の変動を検出する構成となっている。

次に、特許文献５、６には、エンジン内部の油圧を検出するためにエンジンブロックに固定して使用する圧力センサが開示されている。これを図１０、図１１に示す。この圧力センサ３０１は印加された圧力に応じた電気信号を出力するセンシング部３０２、圧力を受圧する受圧用ダイアフラム部、ダイアフラムからセンシング部へ圧力を伝達するための圧力伝達部材３０４とからなり、具体的には、中空金属ステム３０５の一方の端面に受圧用の第１ダイアフラム３０６を設け、他方の端面に検出用の第２ダイアフラム３０７を設け、ステム内にて前記第１、第２ダイアフラム間に力伝達部材３０４を介在させている。力伝達部材３０４は金属あるいはセラミックからなるシャフトであり、これを一対のダイアフラム３０６、３０７間にプレストレスを与えた状態で介在させるようにしている。そして、第２ダイアフラム３０７の外端面に圧力検出素子としての歪ゲージ機能をもつチップ（３０２）を貼り付け、第１ダイアフラム３０６で受けた圧力を力伝達部材３０４で第２ダイアフラム３０７に伝達し、第２ダイアフラムの変形を歪ゲージチップ（３０２）により電気信号に変換することでエンジン油圧を検出するようにしている。

特開昭５６−１１９５１９号公報 特開昭６４−９３３１号公報 特開平２−２２８５３４号公報 特開２００３−４２８９６号公報 特開２００６−１９４７３６号公報 特開２００７−１３２６９７号公報

しかしながら、特許文献１〜３の発明においては、図８に示す如き圧力センサのように、第１のベローズ１０６に充填されているオイル１１０は、圧力センサ１０１を構成する他の要素、例えば、力伝達部材１０５や双音叉型振動子１０９などに比べて熱膨張係数が大きいので、圧力センサを構成する各部材に温度変化による熱歪みが生じることとなる。このような熱歪みが不要な応力として双音叉型振動子１０９に作用するので、測定した圧力値に誤差が生じることとなり圧力センサの特性を悪化させるという問題があった。

また、第１のベローズ１０６に充填されているオイル１１０は、圧力測定の対象となる液体と接触して相対しているが、圧力センサの設置方法によりオイル１１０が圧力測定の対象となる液体側に流出したり、液体が第１のベローズ１０６側に流入することもあるので、第１のベローズ１０６に充填されているオイル１１０内に気泡が発生する場合がある。オイル１１０内に気泡が発生すると、圧力の伝達媒体として機能しているオイル１１０は、力が力伝達部材１０５を経由して双音叉型振動子に安定して伝達されないので、圧力測定に誤差を生ずる可能性がある。

さらに、上述したように、オイル１１０は、圧力測定の対象となる液体と接触して相対しているため、圧力センサの設置方法によりオイル１１０が圧力測定の対象となる液体側に流出する可能性があり、異物の混入を嫌う清浄な液体の圧力測定を行う場合の用途には、オイル１１０を使用した従来の如き圧力センサを使用することができないという問題があった。

特許文献４に記載の技術は、ダイアフラム表面に半導体を形成する構成であるため、ダイアフラムのコストが非常に高いものになり、受圧部とセンシング部にそれぞれダイアフラムを配置して差圧検出する場合には、ダイアフラムの性状が受圧側とセンシング部側で異なってしまい、ダイアフラム形状を同じくしても一方にチップが形成されるために機械的変化は同じくできず、計測精度を高くすることができない欠点があった。

特許文献５や６において、ダイアフラムとシャフトとは荷重を与えた状態で接触しているが、圧力センサが高温高圧化で使用されるので、リジッドに固定してしまうと各部材の熱膨張の違いにより、機構が破壊されてしまう恐れがあるため、当該熱膨張を考慮して、ダイアフラムとシャフトとは点で接触しているに過ぎず、接着剤等の接着手段を用いて接着はされていない。従って、圧力変動によりダイアフラムとシャフトが稼動する際、点接触部がずれてしまう可能性が非常に高く、接触点がずれる過程で、ダイアフラムとシャフトの双方に作用している力が漏洩してしまうため、精度の高い圧力検出を行うことができないという問題があった。また、そもそも特許文献５、６に記載の圧力センサはエンジン燃焼室内の圧力を検出するために高温高圧下で使用されるので、受圧部とセンシングとの間に距離をおいてセンシングのチップ等への熱的影響を回避するために、できるだけ力伝達部材が長いことが望ましいものとなっている。したがって、小型化を図る技術への適用には好ましくないものであった。加えて、特許文献５、６の場合には、一対のダイアフラム間にシャフトを介在させて力の伝達を行っているが、センシング部のダイアフラムにセンサチップを直接取り付けた構成であるため、ダイアフラムの性状が受圧側とセンシング部側で異なる。ダイアフラム形状を同じくしても一方にチップが搭載されるために機械的変化は同じくできないこととなり、計測精度を高くすることができないという大きな欠点があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］被圧力測定環境の圧力を受ける受圧用ダイアフラムと、前記受圧用ダイアフラムの主面に対しほぼ垂直に接続され圧力を伝達するシャフトと、前記シャフトに接合されると共にピボット部を支点として固定部材に保持される揺動アームと、一端が前記固定部材に接続されると共に、他端が前記揺動アームに接続され、変位方向が前記受圧用ダイアフラムの変位方向と同一方向となるように配置された感圧素子と、前記シャフトと前記揺動アームと前記感圧素子とを内部に収容すると共に前記固定部材を内面に接合し、前記受圧用ダイアフラムを外面に露出させて気密封止するハウジングと、を備えた圧力センサを特徴とする。

このような本発明によれば、被圧力測定環境の圧力を受ける受圧媒体をダイアフラムとしており、圧力センサには受圧媒体としてのオイルを不要としたので、被圧力測定環境側にオイルが流出することはなく、例えば被圧力測定環境として異物の混入を嫌う清浄な液体の圧力測定を行うなどの用途に使用可能となる。

また、本発明の圧力センサは、熱膨張係数が大きい受圧媒体であるオイルの使用を止めたので、圧力センサの温度特性を大きく向上させる。また、圧力センサは、ハウジング内部が真空室となっており、感圧素子のＱ値を高め安定した共振周波数を確保することができるとともに、酸素や接着剤から発生する揮発ガスを除去することができるので、圧力センサの長期安定性を確保することができる。

［適用例２］前記受圧用ダイアフラムと対向する側のハウジングの外面に大気圧を受ける大気圧用ダイアフラムを備え、前記大気圧用ダイアフラムはシャフトを介して前記揺動アームに接合され、大気圧と被圧力測定環境の圧力との差圧をセンシングする適用例１に記載の圧力センサを特徴とする。

このような本発明によれば、大気の圧力を零基準として表したゲージ圧を測定することが可能となる。また、測定対象に対する受圧媒体と、大気圧に対する受圧媒体とを、ともに同一なダイアフラム方式とすることにより、変化の無い定圧力である静圧特性を改善することができる。また大気圧用ダイアフラムをシャフトを介して揺動アームに接合することで、測定対象側と大気圧側とを同一素材としたことで、周囲温度変化に依存する線膨張変化を打ち消す効果があり、圧力センサの温度特性を向上させることができる。

［適用例３］前記受圧用ダイアフラムと対向する側のハウジングの外面に大気圧を受ける大気圧用ダイアフラムを備え、前記大気圧用ダイアフラムは可撓性を有するベローズを介して前記揺動アームに接合され、大気圧と被圧力測定環境の圧力との差圧をセンシングする適用例１に記載の圧力センサを特徴とする。

このような本発明によれば、大気の圧力を零基準として表したゲージ圧を測定することが可能となる。また、測定対象に対する受圧媒体と、大気圧に対する受圧媒体とを、ともに同一なダイアフラム方式とすることにより、変化の無い定圧力である静圧特性を改善することができる。また大気圧用ダイアフラムを可撓性を有するベローズを介して揺動アームに接合することで、組み立てが容易となり、製造工程が簡易化を図ることができる。

［適用例４］前記感圧素子は双音叉振動子、厚みすべり振動子、または弾性表面波デバイスである適用例１乃至３の何れか１例に記載の圧力センサを特徴とする。
このような本発明によれば、感圧素子として伸張・圧縮応力によって共振周波数が変化する双音叉振動子、厚みすべり振動子、または弾性表面波デバイスを用いることにより、容易に圧力センサを実現することができる。特に、双音叉型振動子は、伸張・圧縮応力に対する感度が良好であり、分解能力が優れるために、双音叉振動子を用いると、僅かな圧力差を検出する圧力センサを実現することが可能となる。

［適用例５］前記ダイアフラムの材質は、金属、セラミックまたは圧電結晶体である適用例１乃至４の何れか１例に記載の圧力センサを特徴とする。
このような本発明によれば、ダイアフラムの材質として、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものや、水晶のような単結晶体などを、測定対象の材質に合わせて選択して使用することにより、測定精度の高い安定した圧力センサを構成することができる。

［適用例６］前記シャフトの材質は、ステンレス、アルミニウムまたはセラミックである適用例５に記載の圧力センサを特徴とする。
このような本発明によれば、シャフトの材質として、強度が高く安定した材質であるステンレス、或いはアルミニウム、または、加工のし易いセラミックなどを、圧力センサの用途に応じて選択して使用することにより、精度の高い安定した圧力センサを構成することができる。

［適用例７］前記ハウジングの材質は、前記感圧素子を収容する部分の周囲がセラミックである適用例１乃至６の何れか１例に記載の圧力センサを特徴とする。
このような本発明によれば、熱による感圧素子への歪みの影響を緩和することができる。

［適用例８］前記圧力入力口はハウジングから突出する口金部分に開口させ、口金には雄ネジ部を設けて捩じ込みによる取り付けを可能としてなることを特徴とする適用例１に記載の圧力センサ。
このように構成することにより、圧力センサを他の機器に固定的に取り付けることができる。

［適用例９］前記圧力入力口はハウジング壁面に直接開口させ、ダイアフラムをハウジング壁面と同一面に沿って形成するようにしてなることを特徴とする適用例１に記載の圧力センサ。
このような構成では、圧力センサの外観面に突出部が無くなり、他の機器に取り付ける際の自由度が増すことになる。

［適用例１０］本発明に係る圧力センサの製造方法は、気密封止可能なハウジングに開口された圧力入力口にダイアフラムを溶着して封止し、このダイアフラムの中央部に当該ダイアフラムの可動方向を軸方向とする圧力伝達シャフトを接続し、この圧力伝達シャフトの接続と同時に一端が当該シャフトに接続された揺動レバーおよびこの揺動レバーをピボット支持する固定部を前記ハウジング内に収容して前記固定部をハウジングに接着し、前記揺動レバーの他端とハウジング固定部との間に検出軸を前記圧力伝達シャフトと平行にして感圧素子を接着し、前記ハウジングに蓋を取り付けて内部を気密封止して製造することを特徴とする。
上記製造方法では、オイルの充填作業などが不要となり、圧力センサを効率よく製造することができる。

［適用例１１］更に、また、本発明に係る圧力センサの製造方法では、気密封止可能なハウジングに開口された同軸芯上の一対の圧力入力口の一方に第１のダイアフラムを溶着して封止し、この第１ダイアフラムの中央部に当該ダイアフラムの可動方向を軸方向とする圧力伝達シャフトを接続し、この圧力伝達シャフトの接続と同時に一端が当該シャフトに接続された揺動レバーおよびこの揺動レバーをピボット支持する固定部を前記ハウジング内に収容し、前記他方の圧力入力口を第２のダイアフラムを溶着して封止するとともに前記圧力伝達シャフトの他端をダイアフラム中央部に接続し、その後、前記固定部をハウジングに接着し、前記揺動レバーの他端とハウジング固定部との間に検出軸を前記圧力伝達シャフトと平行にして感圧素子を接着し、前記ハウジングに蓋を取り付けて内部を気密封止して製造することを特徴とする。
上記製造方法では、オイルの充填作業などが不要となり、差圧を検出する圧力センサを効率よく製造することができる。

本発明に係る圧力センサの第１の実施形態の構成を示した模式図である。 位置決め治具を用いた組み立て方法を示す図である。 本発明に係る圧力センサの第２の実施形態の構成を示した模式図である。 本発明に係る圧力センサの第３の実施形態の構成を示した模式図である。 本発明に係る圧力センサの製造方法の工程図である。 圧力センサの外観斜視図と、この圧力センサの取付形態を示す断面図である。 他の圧力センサの外観斜視図と、この圧力センサの取付形態を示す断面図である。 従来の圧力センサの構造例を示す断面図である。 従来のダイアフラムを用いた圧力センサの構造例の断面図である。 従来の金属シャフトを用いて２つのダイアフラム間に圧力を伝達する圧力センサの全体断面図である。 図１０の圧力検出部の断面図である。

以下、図示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、各実施形態は、測定対象物が液体の場合を例に挙げて説明する。
図１は、本発明に係る圧力センサの第１の実施形態の構成を示した模式断面図である。

この図１に示す圧力センサ１は、内部を真空とする矩形容器状のハウジング４を備え、このハウジング４の対向する端面板には同芯上に対向して配置した第１、第２の取り付け部としての口金が突出して設けられ、各々の当該口金にはハウジング４の内部空間と連通する第１の圧力入力口２と第２の圧力入力口３とをそれぞれ有している。ハウジング４の内部には、後述する各構成要素を収容する。第１の圧力入力口２の先端部には、測定対象の液体の圧力に応じて撓む第１のダイアフラム（受圧用ダイアフラム）５が取り付けられ、ハウジング４の外面に露出している。第１のダイアフラム５において、ハウジング４の室内側における第１のダイアフラム５の主面中央部に垂直に一端を接続した第１のシャフト（第１の力伝達部材）６が取り付けられている。一方、第２の圧力入力口３には大気側の圧力が加わるベローズ７が取り付けられ、第２の圧力入力口３は開放している。これによりベローズ７が真空遮断壁として作用し、真空のハウジング４の内外を仕切りつつ、後述する揺動アームの端部に大気圧を作用させるようにしている。

揺動アーム（第２の力伝達部材）８は、圧力伝達部材として機能し、測定対象の液体の圧力と大気圧との差圧を感圧素子１０に加えるものであり、固定部材９に備えたピボット１１を支点として保持されている。

揺動アーム８の一端８ａは、第１のシャフト６の他端とベローズ７の他端とによりそれぞれ挟むように接続されている。一方、揺動アーム８の他端８ｂは、感圧素子１０の一端に接続されている。感圧素子１０は、揺動アーム８の他端８ｂと固定部材９との間に変位方向が第１のダイアフラム５の変位方向と同一方向となるような向きで固定されている。
つまり、力の検出軸方向に配置された両端の支持部をそれぞれ揺動アーム８の他端８ｂと固定部材９に接続支持することにより感圧素子１０が固定されている。

このように構成した圧力センサ１は、図１に示したように、例えば、周囲に螺旋状の溝が切られネジとして機能する取付部材１２などを用いて測定対象となる液体の収容容器に取り付けて、第１のダイアフラム５を直接、被圧力測定環境の圧力、例えば、被測定用の液体に接触させて液圧を受けるようにする。取付部材１２は、測定対象となる液体の圧力の強さや、液体の収容容器の構造により、所定の形状や肉厚のものが必要である。

第１のダイアフラム５は弾性のある受圧素子であり、一面が外部に面した受圧面となっており、当該受圧面が被測定圧力としての外部からの圧力を受けて撓み変形し、第１のダイアフラム５の他面の中央領域４０に接触している第１のシャフト６の端面に軸方向力を印加するものである。

従って、第１のダイアフラム５は、接触している液体側より被測定圧力Ｆが加えられると第１のシャフト６側に撓み、第１のシャフト６を介して揺動アーム８の一端８ａに圧力Ｆが伝達される。一方、ベローズ７は大気圧を受圧しており、大気圧に相当する圧力が揺動アーム８の一端８ａに伝達されている。

従って、揺動アーム８の他端８ｂは、測定対象となる液体の圧力Ｆと大気圧による圧力の差圧に相当する力が、ピボット１１を支点にして感圧素子１０に圧縮力、あるいは引張り力として加わることになる。感圧素子１０に圧縮力、あるいは引張り力が加わると、感圧素子１０には応力が生じることになり当該応力の大きさに応じて共振周波数が変化するので、その共振周波数を測定することにより、大気の圧力を零基準とした圧力値をマイクロコンピューターなどを用いて求めることができる。

感圧素子１０は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用い、双音叉型圧電振動子、ＳＡＷ共振子、厚みすべり振動子等として形成されたものである。
前述のように、力の検出軸方向に配置された両端の支持部をそれぞれ揺動アーム８の他端８ｂと固定部材９に接続支持することにより感圧素子１０が固定されている。

このとき、感圧素子１０は、力の検出方向を検出軸として設定しており、感圧素子１０の前記両端部を結ぶ方向は前記検出軸と平行関係にある。また感圧素子１０はハウジング１２に取り付けられた発振回路（不図示）と電気的に接続され、発振回路（不図示）からの交流電圧により固有の共振周波数により振動する。そして、感圧素子１０は揺動アーム８の他端８ｂからの伸長（引張り）力または圧縮力を受けることにより、感圧素子１０の内部に引張或いは圧縮応力が生じるので共振周波数が変動することとなる。

特に、双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、伸長・圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる高精度な圧力センサにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振幅腕（振動部）の振幅幅が小さくなるので共振周波数は高くなり、圧縮応力を受けると振幅腕（振動部）の振幅幅が大きくなるので共振周波数は低くなる。なお、双音叉型圧電振動子の圧電基板としては温度特性に優れた水晶が望ましい。

ところで、第１のダイアフラム５に垂直方向に接続する第１のシャフト６は、圧力センサの測定精度を高めるために、接続する際に高精度で垂直度を保つことが要求される。
そこで、本実施形態では、図２に示した位置決め治具を用いた組み立て方法により第１のシャフト６を組み立てるようにしている。

図２は、位置決め治具を用いた組み立て方法を示す図である。
位置決め治具１５は、円筒状のスリ割型の形状をなしており、半円形の２つのブロックに分離できるようになっている。そして、位置決め治具１５は、ハウジング４に設けられた第１の圧力入力口２に連通した穴口１６に密着して挿入可能となっており、位置決め治具１５を穴口１６に配置した後、位置決め治具１５の中心部に第１のシャフト６を挿入する。次に、挿入した第１のシャフト６の一端部と第１のダイアフラム５（図示せず）の受圧面中央部とを接着等により接合した後、位置決め治具１５の第１のブロック１７と第２のブロック１８を分離して取り外すと、第１のシャフト６は、第１のダイアフラム５に垂直方向に精度よく接続されるので、圧力センサの測定精度を向上させることができる。

また、第１のダイアフラム５の材質は、例えば、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよく、また、水晶のような単結晶体や、その他の非結晶体でも良い。特に、測定対象となる液体に接触する第１のダイアフラム５は、液体と接触した際に腐食や劣化などの影響を受けない材質を選択することが望ましい。また、第１のシャフト６と第１のダイアフラム５の材質は、熱膨張係数を同等にするためにステンレスやセラミックなどにより同一の材質を使用することが望ましいが異種材料でも良い。

また、本実施形態の圧力センサ１は、ハウジング内部を真空雰囲気にしているので、感圧素子１０のＱ値を高めることができ、安定した共振周波数を確保することができる。
また、本実施形態の圧力センサ１は、揺動アーム方式を採用することにより、外部振動が加わっても安定した周波数出力信号が得られ、オイルなどの圧力伝達媒体を使わないダイアフラム構造と共用することにより、測定対象の液体の圧力を高精度に測定できる。

また、圧力センサ１は、大気圧側の受圧媒体としてオイルを使用しないベローズ７を使用しているので組み立てが容易となり、圧力センサの製造工程が簡素化される。

以上説明したように、第１の実施形態に係る圧力センサ１は、測定対象である液体に接触する受圧手段をダイアフラムとし、力伝達媒体としてのオイルを不要としたので、液体側にオイルが流出することはなく、異物の混入を嫌う清浄な液体の圧力測定を行うなどの用途に使用可能となる。

次に、本発明に係る圧力センサの第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明に係る圧力センサの第２の実施形態の構成を示した模式図である。なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。

第１の実施形態においては、大気圧に対応する受圧手段としてベローズ７を使用していたが、第２の実施形態は、大気圧に対応する受圧手段として、測定対象の液体の受圧手段として使用していたような第２のダイアフラム２２と第２のシャフト２３を用いたことが特徴である。図３に示すように、第２のダイアフラム２２は、第１のダイアフラム５と対向する側のハウジングの外面に露出するように形成され、第２のシャフト２３は、その一端が第２のダイアフラム２２の受圧面の裏面中央部と接合され、他端が揺動アーム８に接合されている。

図３に示した圧力センサ２０では、第１のダイアフラム５に接触している液体側より圧力Ｆが加えられると第１のシャフト６側に撓み、第１のシャフト６を介して揺動アーム８の一端８ａに圧力Ｆが加わる。一方、第２のダイアフラム２２は、大気圧が加わっており、大気圧に相当する力が第２のダイアフラム２２と第２のシャフト２３を介して揺動アーム８の一端８ａに加わる。従って、揺動アーム８の他端８ｂには、第１のダイアフラム５に加わった液体の圧力Ｆと第２のダイアフラム２２に加わった大気圧による圧力の差圧に相当する力が、ピボット１１を支点にして感圧素子１０に圧縮力、あるいは引張り力として加わることになる。感圧素子１０は、加えられる圧縮力、あるいは引張り力に応じて内部に圧縮或いは引張応力が生じるため共振周波数が変化するので、この共振周波数を測定することにより、大気の圧力を零基準とした圧力値をマイクロコンピューターなどを用いて求めることができる。

なお、第２の実施形態においても、第１のダイアフラム５の受圧面の裏面中央部に垂直方向に一端部を接続した第１のシャフト６と、第２のダイアフラム２２の受圧面の裏面中央部に垂直方向に一端部を接続した第２のシャフト２３は、圧力センサの測定精度を高めるために、接続する際に高精度で垂直度を保つことが要求される。そこで、圧力センサ２０を組み立てる際には、第１の実施形態において説明したスリ割型の位置決め治具を用いて組み立てることにより、ダイアフラムとシャフトの垂直度の精度を高めることが必要である。

なお、図３では第１のシャフト６と第２のシャフト２３の２本を用いたが、１本のシャフトの一端部に第１のダイアフラムの受圧面の裏面中央部を、他端部に第２のダイアフラムの受圧面の裏面中央部を接着などにより接合しても良い。その場合は、揺動アーム８の一端８ａ側に穴を開けておき、シャフトを貫通させ嵌合させる方法や、揺動アームの端面とシャフトとを接合する方法が望ましい。

このように構成した第２の実施形態の圧力センサ２０は、測定対象となる液体に対する受圧媒体と、大気圧に対する受圧媒体とを、ともに同じ素材の同一条件のダイアフラム方式とすることにより、大気圧変動の影響を低減するとともに、変化の無い定圧力である静圧特性を改善することができる。また、圧力センサ２０は、２つのダイアフラムを同じ素材を用いて同一条件とするとともに、２つのダイアフラムに接続するそれぞれのシャフトを、同じ素材を用いて同一条件とすることにより、熱膨張によるそれぞれの部品の体積変化を打ち消すように機能させることができるので、温度変化の影響を受けない検出精度の高い圧力センサを実現することができる。また、第１の実施例と比較してベローズよりシャフトの方が安価なので低コストで製造可能であるメリットがある。

次に、本発明に係る圧力センサの第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明に係る圧力センサの第３の実施形態の構成を示した模式図である。なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。第１の実施形態、および、第２の実施形態の圧力センサは、大気の圧力を零基準として表した圧力であるゲージ圧（相対圧）を測定するよう機能するため、揺動アーム８の一端８ａに大気圧に対する受圧手段を接続していたが、第３の実施形態の圧力センサは、真空状態を零基準とした絶対圧力を測定するよう機能させるため、大気圧に対する受圧手段を削除し、揺動アーム８の一端８ａには、測定対象の液体に対する受圧手段のみを接続するようにしたことが特徴である。

このように構成した圧力センサ３０では、揺動アーム８の一端８ａに測定対象となる液体に対する受圧手段のみが接続されるため、液体の圧力Ｆに係る力が揺動アーム８の一端８ａに加わっている。このため、揺動アーム８の他端８ｂは、第１のダイアフラム５に加わった圧力Ｆに相当する力のみが、ピボット１１を支点にして感圧素子１０に圧縮力、あるいは引張り力として加わることになる。従って、第３の実施形態においては、圧力センサは絶対圧力センサとして機能させることができる。

図５に圧力センサの製造方法の工程図を示す。これは第２実施形態に係る圧力センサ２０を製造するための工程図である。圧力センサ２０の気密封止可能なハウジング２１を準備する（図５（１））。ハウジング２１に開口された同軸芯上の一対の圧力入力口２、３の一方に第１のダイアフラム５を溶着して封止する（図５（２））。次いで、この第１ダイアフラム５の中央部に当該ダイアフラムの可動方向を軸方向とする圧力伝達シャフト６および第２の圧力伝達シャフト２３を接続する（図５（３））。圧力伝達シャフト６（２３）を第１ダイアフラム５に接続するとき、図２に示した位置決め治具１５を用いる。両シャフト６，２３は一体シャフト構造でよい。そして、このシャフト６（２３）には、当該シャフト６（２３）に一端が貫通された揺動レバー８およびこの揺動レバー８をピボット支持する固定部材９を予め取り付けておく。したがって、シャフト６（２３）をハウジング２１に配置することで、これらも同時に前記ハウジング２１内に収容される。

ついで、前記他方の第２圧力入力口３に第２のダイアフラム２２を溶着して封止するとともに前記圧力伝達シャフト２３（６）の端部をダイアフラム２２中央部に接着剤により接続する（図５（４））。次いで、揺動レバー８と圧力伝達シャフト６（２３）との接着を行い、前記固定部材９をハウジング２１に接着し、前記揺動レバー８の他端とハウジング固定部材９との間に検出軸を前記圧力伝達シャフトと平行にして感圧素子１０を接着する（図５（５））。そして、最終的に、前記ハウジング２１に蓋を取り付けて内部を気密封止して製造を完了する（図５（６））。

以上、本発明に係る圧力センサの実施形態について説明したが、感圧素子としては、双音叉型振動子に限らず、伸張・圧縮応力によって共振周波数が変化する圧電振動子であればどのようなものを用いても良く、例えば、音叉振動子、弾性表面波デバイス、厚みすべり振動子などが使用可能である。

また、測定対象の液体の圧力を検出するダイアフラムは、液体などによりダイアフラムが腐食しないように、表面上をコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラムであればニッケルの化合物をコーティングしてもよいし、ダイアフラムが水晶のような圧電結晶体であればケイ素をコーティングすればよい。

また、前記ハウジングは、ステンレス等の金属が選択されるが、前記感圧素子の周囲の部分をセラミックとすれば、熱による感圧素子への歪みの影響を緩和することができる。
また、本発明に係る圧力センサの実施形態は、圧力の測定対象として液体の場合について説明したが、本発明はこれに限られたものではなく、気体などの圧力を測定する場合にも適応可能である。

また、前記圧力入力口２，３は、第１〜３実施形態に示すように（図１、図３、図４）、ハウジングから外部に口金を突出し、その先端に開口させるようにしているが、これは口金を突出させず、ハウジングの端板に直接開口させるようにしてもよい。図６に示しているように、圧力入力口２，３をハウジングから突出する口金２４、２５部分に開口させ、口金２４、２５には雄ネジ部を設けた構成として、圧力センサ２０を捩じ込みにより他の機器ケース２６に取り付けることでしっかりと固定することができる。しかし、取り付けの自由度を考えると、図７に示しているように、ハウジング２１の端板に圧力入力口を直接開口させてダイアフラム５，２２をハウジング壁面と同一面となる圧力センサ２０’構造とすることで、圧力センサ２０’の外観面に突出部が無くなり、他の機器ケース２７に取り付ける際の自由度が増すことになる。

１、２０、３０…圧力センサ、２…第１の圧力入力口、３…第２の圧力入力口、４、２１、３１…ハウジング、５…第１のダイアフラム、６…第１のシャフト、７…ベローズ、８…揺動アーム、９…固定部材、１０…感圧素子、１１…ピボット、１２…取付部材、１５…位置決め治具、１６…穴口、１７…第１のブロック、１８…第２のブロック、２２…第２のダイアフラム、２３…第２のシャフト。

Claims (10)

1. ハウジングと、
   当該ハウジング内部と連通する圧力入力口を有する取り付け部と、
   当該取り付け部の圧力入力口の開口部を封止し、外面が受圧面であるダイアフラムと、
   前記受圧用ダイアフラムの受圧面と反対側の主面に対しほぼ垂直に端部が接続された力伝達部材と、
   前記力伝達部材に接合されると共にピボット部を支点として固定部材に保持される揺動アームと、
   一端が前記固定部材に接続されると共に、他端が前記揺動アームに接続され、前記一端と前記他端とを結ぶ方向が前記力伝達部材の変位方向と同一方向となるように配置された 感圧素子と、
   を有し、
   前記ハウジングは前記力伝達部材と前記揺動アームと前記感圧素子と前記固定部材とを内部に収容し、
   前記固定部材は前記ハウジングの内壁に固定されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記受圧用ダイアフラムと対向する側のハウジングの外面に大気圧を受ける大気圧用ダイアフラムを備え、前記大気圧用ダイアフラムはシャフトを介して前記揺動アームに接合され、大気圧と被圧力測定環境の圧力との差圧をセンシングすることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記受圧用ダイアフラムと対向する側のハウジングの外面に大気圧を受ける大気圧用ダイアフラムを備え、前記大気圧用ダイアフラムは可撓性を有するベローズを介して前記揺動アームに接合され、大気圧と被圧力測定環境の圧力との差圧をセンシングすることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記感圧素子は双音叉振動子、厚みすべり振動子、または弾性表面波デバイスであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記ダイアフラムの材質は、金属、セラミック、または圧電結晶体であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記シャフトの材質は、ステンレス、アルミニウム、またはセラミックであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の圧力センサ。
7. 前記ハウジングの材質は、前記感圧素子を収容する部分の周囲がセラミックであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の圧力センサ。
8. ハウジングと、
   圧力入力口と、
   当該圧力入力口の開口部を封止し、外面が受圧面であるダイアフラムと、
   前記受圧用ダイアフラムの受圧面と反対側の主面に対しほぼ垂直に端部が接続された力伝達部材と、
   前記力伝達部材に接合されると共にピボット部を支点として固定部材に保持される揺動アームと、
   一端が前記固定部材に接続されると共に、他端が前記揺動アームに接続され、前記一端と前記他端とを結ぶ方向が前記力伝達部材の変位方向と同一方向となるように配置された感圧素子と、
   を有し、
   前記ハウジングは前記力伝達部材と前記揺動アームと前記感圧素子と前記固定部材とを内部に収容し、
   前記固定部材は前記ハウジングの内壁に固定され、
   前記圧力入力口はハウジング壁面に直接開口させダイアフラムをハウジング壁面と同一面に沿って形成するようにしてなることを特徴とする圧力センサ。
   
9. 気密封止可能なハウジングに開口された圧力入力口にダイアフラムを溶着して封止し、このダイアフラムの中央部に当該ダイアフラムの可動方向を軸方向とする圧力伝達シャフトを接続し、この圧力伝達シャフトの接続と同時に一端が当該シャフトに接続された揺動レバーおよびこの揺動レバーをピボット支持する固定部を前記ハウジング内に収容して前記固定部をハウジングに接着し、前記揺動レバーの他端とハウジング固定部との間に検出軸を前記圧力伝達シャフトと平行にして感圧素子を接着し、前記ハウジングに蓋を取り付けて内部を気密封止して製造することを特徴とする圧力センサの製造方法。
10. 気密封止可能なハウジングに開口された同軸芯上の一対の圧力入力口の一方に第１のダイアフラムを溶着して封止し、この第１ダイアフラムの中央部に当該ダイアフラムの可動方向を軸方向とする圧力伝達シャフトを接続し、この圧力伝達シャフトの接続と同時に一端が当該シャフトに接続された揺動レバーおよびこの揺動レバーをピボット支持する固定部を前記ハウジング内に収容し、前記他方の圧力入力口を第２のダイアフラムを溶着して封止するとともに前記圧力伝達シャフトの他端をダイアフラム中央部に接続し、その後、前記固定部をハウジングに接着し、前記揺動レバーの他端とハウジング固定部との間に検出軸を前記圧力伝達シャフトと平行にして感圧素子を接着し、前記ハウジングに蓋を取り付けて内部を気密封止して製造することを特徴とする圧力センサの製造方法。
    

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