JP2012073163A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に伴う測定値の誤差を減少させる。
【解決手段】容器と、容器の一部を構成し、力を受けて容器の内側または外側に変位する受圧手段と、感圧部と感圧部の両端に接続された一対の基部と、基部同士を結ぶ線と平行な検出軸と、受圧手段の変位方向と検出軸が平行となるように配置され、受圧手段の変位により圧力を検出する感圧素子とを有する圧力センサーであって、感圧素子を間に挟み受圧手段の周縁部または容器の受圧手段側に接続された一対の緩衝部と、緩衝部の先端同士を連結する梁部からなる門型のフレームを有し、感圧素子は、基部の一方が受圧手段に、基部の一方の反対側の他方が梁部の長手方向の中央部に接続され、感圧素子の長さＬ_Ａ、感圧素子のヤング率Ｅ_Ａ、感圧素子の断面積Ｓ_Ａ、緩衝部の長さＬ_Ｂ、緩衝部のヤング率Ｅ_Ｂ、緩衝部の断面積Ｓ_Ｂとし

の関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサーに関し、特に温度変化による測定誤差を抑制した圧力センサーに関する。

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ーが知られている。圧電振動素子を用いた圧力センサーは、圧電振動素子に検出軸方向の圧力が印加すると、圧電振動素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センサーに印加される圧力を検出する。

特許文献１〜３には、感圧素子に圧電振動子を用いた圧力センサーが開示されている。
図１３に特許文献１に開示された圧力センサーを示す。特許文献１においては、対向する第１の壁面２０３及び第２の壁面２０４にそれぞれ第１の圧力入力口２０３ａと第２の圧力入力口２０４ａとを備えた気密ケース２０２と、前記第１の壁面２０３に一端を固定されるとともに第１の圧力入力口２０３ａと連通する軸穴を備えた円筒型の第１のベローズ２１０と、前記第２の壁面２０４に一端を固定されるとともに第２の圧力入力口２０４ａと連通する軸穴を備え且つ前記第１のベローズ２１０と直列状に配置された円筒型の第２のベローズ２１１と、前記第１のベローズ２１０及び前記第２のベローズ２１１の各他端同士の間に固定配置される振動素子接着台座２１５と、前記振動素子接着台座２１５によって支持された薄板状の圧電振動素子２２０と、前記圧電振動素子２２０上の電極パターンと導通した発振回路２３０と、を備えた圧力センサー２０１において、前記圧電振動素子２２０は、前記第２の壁面２０４に一端を固定されるとともに他端を前記振動素子接着台座２１５に固定され、前記第２のベローズ２１１を間に挟んで前記圧電振動素子２２０と対向する位置において、前記第２の壁面２０４と前記振動素子接着台座２１５との間に圧電補強板２２１を固定し、前記気密ケース２０２内壁と前記振動素子接着台座２１５との間を補強用弾性部材２５０により連結したことを特徴とする圧力センサー２０１が開示されており、同様の技術が特許文献２にも開示されている。

特許文献１に開示された圧力センサー２０１は、真空、或いは不活性雰囲気に保持されたケース内に第１のベローズ２１０及び第２のベローズ２１１を直列、或いは同軸状に配置し、各ベローズの軸穴内に加わる圧力によって発生する各ベローズの軸方向変位力を気密ケース２０２内に配置した圧電振動素子２２０に伝達することによって圧電振動素子２２０の共振周波数を変化させる原理を利用したものである。そして、上記構成とすることにより、高価な電着ベローズや、複雑な支持構造を用いることなく、低価格にて高精度な圧力センサーを実現することができ、さらに、振動素子接着台座２１５と気密ケース２０２の内壁との間に補強用弾性部材２５０を配置することにより、軸方向と垂直な方向からの衝撃に対する強度を高めることができるとされる。

図１４に特許文献３に係る圧力センサーを示す。特許文献３においては、筒型のハウジング３１２と、前記ハウジング３１２の両端の開口部をそれぞれ封止する第１ダイアフラム３１４、及び第２ダイアフラム３１６と、前記第１ダイアフラム３１４に接続され、第１ウエイト３２８を用いて梃子の原理により前記第１ダイアフラム３１４が受ける重力と反対方向の力を前記第１ダイアフラム３１４に掛ける第１反力生成部３２０と、前記第２ダイアフラム３１６に接続され、第２ウエイト３３０を用いて梃子の原理により前記第２ダイアフラム３１６が受ける重力と反対方向の力を前記第２ダイアフラム３１６に掛ける第２反力生成部３２２と、前記ハウジング３１２内部に配置され、力の検出方向を検出軸とし、一端を前記第１ダイアフラム３１４に接続し、他端を前記第２ウエイト３３０に接続した感圧素子３１８と、を有する圧力センサー３１０が開示されている。

上記構成において、第１ダイアフラム３１４が受けた圧力により感圧素子３１８は第１ダイアフラム３１４から押し出される方向に応力が掛かり、第２ダイアフラム３１６が受けた圧力により感圧素子３１８は第２ダイアフラム３１６に引き寄せられる方向に応力が掛かる。しかし、第１ダイアフラム３１４及び第２ダイアフラム３１６が受ける圧力が同じ場合には、感圧素子３１８は、その位置が移動するものの何ら負荷が掛かることは無い。よって第１ダイアフラム３１４及び第２ダイアフラム３１６の圧力差を検知する相対圧を測定することができる。また感圧素子３１８の検出軸と第１ダイアフラム３１４及び第２ダイアフラム３１６の変位方向が同軸上に並ぶため第１ダイアフラム３１４及び第２ダイアフラム３１６の圧力差を正確に測定することができる。

さらに、上記構成により、第１反力生成部３２０は第１ダイアフラム３１４が受ける重力による撓み変形の応力及び感圧素子３１８が受ける重力を足し合わせた合力と常に逆方向の力を与え、第２反力生成部３２２は第２ダイアフラム３１６が受ける重力による撓み変形の応力から感圧素子３１８が受ける重力を差し引いた合力と常に逆方向の力を与えるため、第１ダイアフラム３１４及び、第２ダイアフラム３１６が受ける重力による変位が相殺されるとともに、感圧素子３１８に第１ダイアフラム３１４及び第２ダイアフラム３１６が受ける重力に起因する応力が相殺される。よって感圧素子３１８は第１ダイアフラム３１４と第２ダイアフラム３１６との圧力差のみを検出し、重力加速度の掛かりかたの変化、及びこれによって発生する振動の影響を低減した圧力センサー３１０となる。

しかし、温度変化があった場合、特許文献１においては、圧電振動素子２２０と気密ケース２０２との間、特許文献３においては感圧素子３１８とハウジング３１２との間の熱膨張係数の違いにより圧電振動素子２２０、感圧素子３１８に熱歪みが掛かることになり、これに起因して共振周波数が変化し、正確な圧力測定を行なうことができないという問題があった。

図１５に特許文献４に係る圧力センサーを示す。上記問題を解決するため、特許文献４においては、ハウジング４１２と、前記ハウジング４１２の開口部４２２を封止し、可撓部と前記可撓部の外側の周縁領域４２４ｃを有すると共に、前記可撓部の一方の主面が受圧面であるダイアフラム４２４と、感圧部と前記感圧部の両端に各々に接続される第１の基部４４０ａと第２の基部４４０ｂとを有すると共に、前記第１の基部４４０ａと前記第２の基部４４０ｂとの並ぶ方向が前記ダイアフラム４２４の変位方向と平行である感圧素子４４０と、を有する圧力センサー４１０であって、前記第１の基部４４０ａを前記受圧面の裏側となる前記ダイアフラム４２４の中央部に接続し、前記第２の基部４４０ｂを接続部材４４２を介して前記裏側の前記周縁領域４２４ｃに、或いは前記第１の基部４４０ａに対向する前記ハウジング４１２の内壁に接続した圧力センサー４１０が開示されている。

上記構成により、感圧素子４４０の検出軸方向の一端にある第１の基部４４０ａは、外部からの圧力によって変位するダイアフラム４２４の中央部に接続され、前記一端の反対側の他端にある第２の基部４４０ｂは、接続部材４４２を介して、ハウジング４１２に固定され外部からの圧力によっても変位しないダイアフラム４２４の周縁領域４２４ｃ、或いは前記第１の基部４４０ａに対向する前記ハウジング４１２の内壁に接続される。よって、外部からの圧力により感圧素子４４０が圧縮応力を受ける絶対圧を測定する圧力センサー４１０となる。また感圧素子４４０の両端がダイアフラム４２４側に接続されるため、感圧素子４４０の材料と、ハウジング４１２の材料の違いによる線膨張係数の不一致に起因する温度変化に伴う圧力測定値の誤差を低減することができる。さらに感圧素子４４０と接続部材４４２とを圧電材料により一体に形成することにより、感圧素子４４０と接続部材４４２との間の熱歪みは解消されるので、圧力測定値の誤差を低減することができる。

特開２００７−５７３９５号公報 特開２００５−１２１６２８号公報 特開２０１０−２５５８２号公報 特開２０１０−４８７９８号公報

しかし、特許文献４の圧力センサー４１０においては、感圧素子４４０の検出軸方向の熱歪みは解消可能となるが、接続部材４４２とダイアフラム４２４は同一材料ではないので、ダイアフラム４２４と、接続部材４４２の感圧素子４４０の検出軸方向と垂直な方向の成分との間で熱歪みが発生する。そして、この熱歪みを接続部材４４２が受けるので、これにより結果的に感圧素子４４０が熱歪みを接続部材４４２から受けることになり、熱歪みによる影響を十分に排除できないといった問題があった。

そこで本発明は上記問題に着目し、ハウジングに起因する感圧素子に対する熱歪みのみならず、ダイアフラムに起因する感圧素子に対する熱歪みを抑制する圧力センサーを提供することを目的とする。

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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］容器と、前記容器の一部を構成し、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部とを有し、前記基部同士を結ぶ線と平行な検出軸を有し、前記受圧手段の変位方向と前記検出軸が平行となるように配置され、前記受圧手段の変位により圧力を検出する感圧素子と、を有する圧力センサーであって、前記感圧素子を間に挟んで配置され前記受圧手段の周縁部または前記容器の前記受圧手段側に接続された一対の緩衝部と、前記緩衝部の先端同士を連結する梁部からなる門型のフレームを有し、前記感圧素子は、前記基部の一方が前記受圧手段に接続され、前記基部の一方の反対側の他方が前記梁部の長手方向の中央部に接続され、前記感圧素子の長さをＬ_Ａ、前記感圧素子のヤング率をＥ_Ａ、前記感圧素子の断面積をＳ_Ａとし、前記緩衝部の長さをＬ_Ｂ、前記緩衝部のヤング率をＥ_Ｂ、前記緩衝部の断面積をＳ_Ｂとすると、

の関係を満たすことを特徴とする圧力センサー。

上記構成により、感圧素子の両端の基部は結果的に受圧手段側に接続されることになるので、容器全体の温度変化による膨張・収縮に起因する感圧素子に対する熱歪みを低減することができる。一方、フレームと受圧手段との間では熱歪みが発生する。しかし、この熱応力に対して、感圧素子が伸縮する量よりフレームを構成する緩衝部が伸縮する量が大きくなるので、緩衝部がフレームに掛かる熱歪みを多く受けることになり、感圧素子に掛かる熱歪みを低減して、温度変化による圧力誤差を抑制した圧力センサーとなる。またフレームは容器の受圧手段側に接続することができる。これにより、剛性の高い容器に接続することになるので、感圧素子の圧力感度を高めることができる。

［適用例２］前記梁部の長手方向の長さをＬ_Ｃ、前記梁部のヤング率をＥ_Ｃ、前記梁部の高さをＨ_Ｃ、前記梁部の幅をＷ_Ｃとすると、

の関係を満たすことを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
上記構成により、感圧素子の感度を低下させることなく、感圧素子に対する熱歪みを低減することができる。

［適用例３］前記感圧素子及び前記フレームは一体で形成されるとともに、前記受圧手段に接続される前記感圧素子の前記基部の端部と、前記周縁部または前記開口部に接続される前記緩衝部の端部と、が一直線上に並ぶように形成されたことを特徴とする適用例１または２に記載の圧力センサー。
上記構成により、フレームと感圧素子との間の熱歪みを低減することができる。またフレームと感圧素子が一体で形成されるので、部品点数を減らし、コストを抑制できる。

［適用例４］前記感圧部は、少なくとも一以上の柱状ビームであることを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧力センサー。
例えば、柱状ビームを一本とすることにより感圧素子の圧力感度を向上させることができる。

［適用例５］前記感圧素子及び前記緩衝部は、同一の材料により形成され、それぞれの長手方向が同一の長さに形成されたことを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧力センサー。
これにより、感圧素子と緩衝部との間の熱歪みを低減することができる。

［適用例６］前記感圧素子及び前記緩衝部は、同一の圧電材料により形成され、それぞれの長手方向が同一の結晶方位となるように形成されたことを特徴とする適用例５に記載の圧力センサー。
これにより、感圧素子が圧電材料であっても、緩衝部も同一の圧電材料で同一の結晶方位とすることで、感圧素子と緩衝部との間の熱歪みを低減することができる。

［適用例７］前記梁部の長手方向の両端及び中央部は、前記緩衝部の前記先端及び前記感圧素子の前記基部の形状に倣って形成された凹部、またはスリットを有し、前記緩衝部及び前記感圧素子は、前記凹部、または前記スリットに嵌め込まれることを特徴とする適用例５または６に記載の圧力センサー。
これにより、緩衝部及び感圧素子の梁部に対する位置決めが容易になるとともに、凹部の場合は接触面積を増加させることにより接合強度を向上させることができる。

［適用例８］前記梁部は、前記受圧手段と同一の熱膨張係数を有する材料により形成されたことを特徴とする適用例５乃至７のいずれか１例に記載の圧力センサー。
これにより、受圧手段に起因する梁部の長手方向に掛かる熱歪みを低減して、結果的に感圧素子に対する熱歪みを低減することができる。

［適用例９］前記受圧手段及び前記梁部は、それぞれステンレスにより形成されたことを特徴とする適用例５乃至８のいずれか１例に記載の圧力センサー。
受圧手段をステンレスで形成することにより、十分な強度を有しつつ圧力感度の高い受圧手段となるとともに、梁部を受圧手段と同様にステンレスで形成することにより、受圧手段に起因する梁部の長手方向に掛かる熱歪みを低減して、結果的に感圧素子に対する熱歪みを低減することができる。

［適用例１０］前記受圧手段、前記感圧素子、前記フレームは、前記ハウジングに対して、さらにもう一組配設されたことを特徴とする適用例１乃至９のいずれか１例に記載の圧力センサー。
これにより、一つのハウジングに２つの受圧手段が設けられ、各受圧手段に対応して感圧素子、フレームが設けられた圧力センサーとなる。このとき、２つの感圧素子は同じハウジング内にあるので、各受圧手段に異なる圧力が印加された場合、２つの圧力の差圧を正確に測定することが可能な圧力センサーとなる。

第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面を切り口とした断面図）である。 第１実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図２（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 梁部の断面寸法を変化させた場合の感圧素子の圧力感度と比率γ_Ｃとの関係のグラフである。 緩衝部の断面寸法を変化させた場合の撓み比率γ_Ｂと熱歪みによる周波数変化との関係のグラフを示す。 フレーム（緩衝部、梁部）、感圧素子を水晶で一体に形成する場合の模式図を示す。 第２実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面を切り口とした断面図）である。 第２実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図７（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図７（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 第２実施形態の緩衝部と感圧素子の形成パターンを示す模式図である。 第２実施形態の梁部の変形例を示す模式図である。 第３実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図１０（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図１０（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 第４実施形態に係る圧力センサーの模式図である。 第４実施形態に係る圧力センサーの模式図である。 特許文献１に開示された圧力センサーの模式図である。 特許文献３に開示された圧力センサーの模式図である。 特許文献４に開示された圧力センサーの模式図である。

以下、本発明に係る圧力センサーを図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１に第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面を切り口とした断面図）を示す。図２に第１実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図２（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。なお、図１、２に示されるＸＹＺは直交座標系を形成しており、以後用いられる図についても同様に適応する。第１実施形態に係る圧力センサー１０は、ハウジング１２とダイアフラム２４とを容器として、そのダイアフラム２４を備えた容器の収容空間に、フレーム３４を構成する緩衝部３６、梁部３８、感圧素子４０等を有している。そして圧力センサー１０は、例えばハウジング１２内部を大気開放した場合には、大気圧を基準としてダイアフラムの外側から液圧を受ける液圧センサーとして利用できる。またハウジング１２内を真空封止した場合には、真空を基準とした絶対圧センサーとして利用できる。

ハウジング１２は、円形のフランジ部１４、円形のリング部１６、支持シャフト１８、円筒形の側面部（側壁部）２０を有する。
フランジ部１４は、円筒形の側面部（側壁部）２０の端部と接する外周部１４ａと、外周部１４ａ上に外周部１４ａと同心円状に形成され、リング部１６と同一の直径を有するリング状に突出した形の内周部１４ｂとを有する。リング部１６は、その内周縁によって形成される円形の開口部２２を有し、開口部２２には、開口部２２を封止するようにダイアフラム２４が接続されており、ダイアフラム２４はハウジング１２の一部を形成することになる。

フランジ部１４の内周部１４ｂ及びリング部１６の互いに対向する面の所定位置には支持シャフト１８を嵌め込む穴１４ｃ、１６ａが形成されている。また穴１４ｃ及び穴１６ａは互いに対向する位置に形成されている。よって穴１４ｃ、１６ａに支持シャフト１８を嵌め込むことによりフランジ部１４とリング部１６とは支持シャフト１８を介して接続される。支持シャフト１８は、一定の剛性を有し、±Ｚ方向に長手方向を有する棒状の部材であって、ハウジング１２とダイアフラム２４とから構成される容器の内部に配置され、支持シャフト１８の一端がフランジ部１４の穴１４ｃに、他端がリング部１６の穴１６ａにそれぞれ嵌め込まれることにより、フランジ部１４、支持シャフト１８、およびリング部１６との間で一定の剛性を獲得する。なお支持シャフト１８は複数本用いられるが、各穴の位置の設計に従って任意に配置される。

またフランジ部１４には、ハーメチック端子２６が取り付けられている。このハーメチック端子２６は、後述の感圧素子４０の電極部（不図示）と、感圧素子４０を発振させるためのものであって、ハウジング１２の外部面に取り付けられた、またはハウジング１２の外であってハウジング１２から離間して配置されたＩＣ（集積回路、不図示）と、をワイヤー２８を介して電気的に接続することができる。

なお図１、２においてハーメチック端子２６は１つ描かれているが、感圧素子４０の電極部（不図示）の総数に応じてフランジ部１４に取り付けられるものとする。また上述の液圧センサーとして用いる場合は、フランジ部１４には、大気導入口１４ｅが形成され、ハウジング１２内部を大気開放させることができる。そしてハーメチック端子２６及び大気導入口１４ｅは互いにフランジ部１４の干渉しない位置に任意に配置される。

側面部（側壁部）２０の両端をそれぞれフランジ部１４の内周部１４ｂの外周１４ｄ、及び開口部２２をダイアフラム２４により塞がれたリング部１６の外周１６ｂに接続することによって、前記容器は封止される。フランジ部１４、リング部１６、側面部（側壁部）２０はステンレス等の金属で形成することが好ましく、支持シャフト１８は一定の剛性を有し熱膨張係数の小さいセラミック等を用いることが好ましい。

ダイアフラム２４はハウジング１２の外部に面した一方の主面が受圧面となっており、前記受圧面が被測定圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形する可撓部を有し、当該可撓部がハウジング１２内部側または外部側（Ｚ軸方向）に変位するように撓み変形することにより感圧素子４０にＺ軸に沿った圧縮力或いは引張り力を伝達するものである。またダイアフラムは、外部からの圧力によって変位する中央部２４ａと、前記中央部２４ａの外周にあり、前記中央部２４ａが変位できるように外部からの圧力により撓み変形する可撓部２４ｂと、前記可撓部２４ｂの外側、即ち前記可撓部２４ｂの外周にあり、リング部１６に形成された開口部２２の内壁に接合して固定される周縁部２４ｃを有している。なお周縁部２４ｃは、理想的には圧力を受けても変位せず、中央部２４ａは圧力を受けても変形しないものとする。
ダイアフラム２４の中央部２４ａであって、受圧面の反対側の面には後述の感圧素子４０の長手方向（検出軸方向）の一端（第１の基部４０ａ）と接続される。

ダイアフラムの材質は、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よい。例えば金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成すればよく、水晶で形成する場合は可撓部２４ｂが他の部分より薄くなるようにフォトリソ・エッチング加工を行なえばよい。

なお、ダイアフラム２４は、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面を耐食性の膜にて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珪素をコーティングすればよい。

ダイアフラム２４の中央部２４ａには支持部３０、周縁部２４ｃには一対の支持部３２が接続されている。中央部２４ａに接続された支持部３０には感圧素子４０の第１の基部４０ａが接続され、周縁部２４ｃに接続された支持部３２には後述のフレーム３４を構成する緩衝部３６の第１の固定部３６ａが接続される。なお、支持部３０、支持部３２は、ダイアフラム２４と同じ材料を用いて形成することが望ましい。

門型構造のフレーム３４は、一対の緩衝部３６、緩衝部３６の第２の固定部３６ｂ同士を連結する梁部３８により構成され、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により、感圧素子４０とともに一体に形成されている。そして一対の緩衝部３６、及び感圧素子４０はその長手方向が互いに平行（Ｚ軸方向）となるように梁部３８に接続している。

緩衝部３６は、その第１の固定部３６ａが支持部３２の側面に接続されるとともに、感圧素子４０をＸ軸方向から挟み込む態様で周縁部２４ｃに当接する。ここで緩衝部３６及び感圧素子４０はその長手方向がダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と平行となるように接続される。また緩衝部３６は、その第２の固定部３６ｂが梁部３８に接続され、本実施形態においては、梁部３８の長手方向の両端において、緩衝部３６の第２の固定部３６ｂは梁部３８と一体となっている。

感圧素子４０は、振動腕４０ｃとその両端に形成された第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂを有する。第１の基部４０ａは支持部３０の側面に接続されるとともに、中央部２４ａに当接させている。また、第２の基部４０ｂは梁部３８の長手方向（Ｘ軸方向）の中央部に接続されるとともに、本実施形態においては、第２の基部４０ｂは梁部３８と一体となっている。そして感圧素子４０の振動腕４０ｃには励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）を有する。

よって、感圧素子４０は、その長手方向（Ｚ軸方向）、すなわち第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂとが並ぶ方向をダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と同軸または平行になるように配置され、その変位方向が検出軸となっている。そして感圧素子４０が接続されたフレーム３４が、支持部３２により固定されているため、感圧素子４０はダイアフラム２４の変位による力を受けても、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、感圧素子４０が検出軸方向以外の方向に動くことが阻止して、感圧素子４０の検出軸方向の感度の低下を抑制することができる。

感圧素子４０は、ハーメチック端子２６及びワイヤー２８を介してＩＣ（不図示）と電気的に接続され、ＩＣ（不図示）から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。そして感圧素子４０は、その長手方向（Ｚ軸方向）から伸長応力または圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。本実施形態においては感圧部となる振動腕４０ｃとして双音叉型振動子を適用することができる。双音叉型振動子は、振動腕４０ｃである前記２つの振動ビームに引張り応力（伸長応力）或いは圧縮応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。そして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圧力センサー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動腕の共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕の共振周波数は低くなる。

また本実施形態においては２つの柱状の振動ビームを有する感圧部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を適用することができる。感圧部（振動腕４０ｃ）をシングルビーム型の振動子として構成すると、長手方向（検出軸方向）から同一の応力を受けた場合、その変位が２倍になるため、双音叉の場合よりさらに高感度な圧力センサーとすることができる。なお、上述の圧電材料のうち、双音叉型またはシングルビーム型の圧電振動子の圧電基板用としては温度特性に優れた水晶が望ましい。

本実施形態においては、感圧素子４０は、その長手方向の両端が結果的にダイアフラム２４側に接続されている。これにより、ハウジング１２（容器）全体の温度変化による膨張・収縮による感圧素子４０への熱歪みを低減することができる。さらに感圧素子４０とフレーム３４は同一材料で形成されているので、温度変化に伴う検出軸方向の膨張・収縮の割合が同一となる。よって温度変化による検出軸方向の膨張・収縮において、感圧素子はフレームからの熱歪みが低減される。

さらに、本実施形態においては、感圧素子４０及びフレーム３４は一体で形成されているが、ダイアフラム２４の中央部２４ａに接続される感圧素子４０の第１の基部４０ａの端部４０ｄと、周縁部２４ｃに接続される緩衝部３６の第１の固定部３６ａの端部３６ｃと、が一直線上に並ぶように形成することが好適である。

本実施形態において、これらが一直線上に並ばない場合は、緩衝部３６と感圧素子４０の長手方向の長さが異なることになる。そして感圧素子４０の検出軸がＺ軸を向いた状態で、感圧素子４０及び緩衝部３６をダイアフラム２４に当接させようとすると、一番長いものが当接し、それ以外のものはダイアフラム２４から浮いた部分が発生する。一方、感圧素子４０、フレーム３４は温度変化により膨張・収縮するが、この変化量は材料寸法に係らず温度変化に対して一定の割合で変化することになり、感圧素子４０、フレーム３４を支持部３０、支持部３２に固定しない場合は、上述の浮いた部分の寸法も変化することになる。ここで簡単のため、支持部３０、支持部３２が温度変化により膨張収縮しないものと考えると、感圧素子４０、フレーム３４は、それぞれ支持部３０、支持部３２に接続されているため、感圧素子４０、フレーム３４は、温度変化した場合に、上述の浮いた部分の寸法を維持しようするための熱歪みを受け、結果的に感圧素子４０はフレーム３４から熱歪みを受けることになる。したがって、上述の端部４０ｄと端部３６ｃとを一直線上に形成することにより、フレーム３４と感圧素子４０との間の熱歪みを低減することができる。またフレーム３４と感圧素子４０が一体で形成されるので、部品点数を減らし、コストを抑制できる。

一方、本実施形態においては、ダイアフラム２４（ステンレス）とフレーム３４（水晶）の熱膨張係数が異なるため、感圧素子４０の検出軸、すなわち、ダイアフラム２４の変位方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｘ方向）から係る熱歪みについて、フレーム３４はダイアフラム２４から受けることになる。よって、結果的に感圧素子４０はフレーム３４から熱歪みを受け、これが圧力測定値の誤差を発生させる要因となる。

そこで、本願発明者は、感圧素子４０に対する熱歪みが小さくなる条件について検討した。本願発明者は、このような熱歪みに対しては、緩衝部３６をより多く撓ませる（熱歪みを吸収させる）ことにより、感圧素子４０に掛かる熱歪みを低減することができるとの知見を得た。そこで、上述の感圧素子４０と一体となったフレーム３４において、緩衝部３６、梁部３８、感圧素子４０が伸縮する量を考える。ここで、梁部３８の撓みが大きいと感圧素子４０に力が伝達しないので、感圧素子４０に対する熱歪みの影響を検討する前に、感圧素子４０に対して力を伝達させるための梁部３８の条件について検討する。そしてこの条件は、感圧素子４０に対して一定の圧力感度を与える条件と同義である。まず梁部３８が長手方向（Ｘ軸方向）の両端が固定され、長手方向の中央に＋Ｚ方向（図１、図２参照）から力Ｆを受けた場合の梁部３８の撓みを考える。このとき梁部３８の長手方向の長さをＬ_Ｃ、梁部３８のヤング率をＥ_Ｃ、梁部３８の高さ（Ｚ方向）をＨ_Ｃ、梁部３８の幅（厚み、Ｙ軸方向）をＷ_Ｃとすると、梁部３８の伸縮する量δＣは、弾性体力学の公式から、

となる。次に感圧素子４０の伸縮を考える。第１の基部４０ａが支持部３０に固定された感圧素子４０において、上述のように両端固定の梁部３８から力Ｆを受けて伸縮する量δＡは、感圧素子４０の長さをＬ_Ａ、感圧素子４０のヤング率をＥ_Ａ、感圧素子４０の断面積（平均値）をＳ_Ａとすると、弾性体力学の公式から、

となる。ここで感圧素子４０の圧力感度に対して支配的なパラメータは、梁部３８の伸縮する量δ_Ｃと感圧素子４０が伸縮する量δ_Ａの比率γであって、

となる。
図３に梁部の断面寸法を変化させた場合の感圧素子の圧力感度と比率γ_Ｃとの関係のグラフを示す。本願発明者は図３に示すように、梁部３８の高さＨ_Ｃと幅Ｗ_Ｃを変化させた場合の比率γ_Ｃの変化を調査した。なお圧力感度の変化は、ダイアフラム２４に一定の圧力を加えた場合における感圧素子４０の共振周波数の変化量に基づいてもとめることができる。

図３において、梁部３８の幅Ｗ_Ｃを増加させると梁部３８の剛性が強くなるので比率γ_Ｃは減少するとともに圧力感度が上昇し、逆に幅Ｗ_Ｃを減少させると剛性が弱くなるので比率γ_Ｃは増加するとともに圧力感度が減少している。また梁部３８の高さＨ_Ｃを増加させると梁部３８の剛性が強くなるので比率γ_Ｃは減少するとともに圧力感度は上昇し、逆に高さＨ_Ｃを減少させると梁部３８の剛性が弱くなるので圧力感度は減少する。そして幅Ｈ_Ｃを変化させた場合と高さＨ_Ｃを変化させた場合では同様の曲線を描くことがわかる。さらに、比率γ_Ｃが３以下となったところで感度が急激に上昇することがわかる。したがって、

となるように、梁部３８及び感圧素子４０の寸法を設計する必要がある。

次に、緩衝部３６の伸縮について考える。第１の固定部３６ａが支持部３２に固定された緩衝部３６において、梁部３８の長手方向（Ｘ軸方向）の両端の固定を解除して長手方向の両端に＋Ｚ方向から力を与えた場合に、梁部３８の長手方向の両端に固定された緩衝部３６の伸縮する量δ_Ｂは、緩衝部３６の長手方向の長さをＬ_Ｂ、緩衝部３６のヤング率をＥ_Ｂ、緩衝部３６の断面積をＳ_Ｂとすると、弾性体力学の公式から、

となる。そして、熱歪みに対して支配的なパラメータは、緩衝部３６が伸縮する量δ_Ｂと感圧素子４０が伸縮する量δ_Ａの比率γ_Ｂであり、

となる。
図４に緩衝部の断面寸法を変化させた場合の比率γ_Ｂと熱歪みによる周波数変化との関係のグラフを示す。本願発明者は図４に示すように、緩衝部３６の幅と厚みを変化させた場合の比率γ_Ｂの変化を調査した。なお、本調査においては感圧素子４０には圧縮応力が掛かることになるので共振周波数は減少する方向に作用する。

図４において、緩衝部３６の幅または厚みを増加させると緩衝部３６の剛性が強くなるので比率γ_Ｂは減少するとともに周波数は減少し（周波数変化が大きくなり）、逆に幅または厚みを減少させると剛性が弱くなるので比率γ_Ｂは増加するとともに周波数は増加する（周波数変化が減少する）。そして幅を変化させた場合と厚みを変化させた場合では同様の曲線を描くことがわかる。さらに、比率γ_Ｂが１以下となったところで周波数変化が急激に増加することがわかる。ここで、周波数変化が大きいということは、熱歪みを大きく受けることを意味する。したがって、伸縮する比率γ_Ｂが、

となるように、緩衝部３６の断面寸法（幅、厚みの寸法）を設計する必要がある。
さらに、本実施形態においては、フレーム３４と感圧素子４０が一体に形成され、緩衝部３６と感圧素子４０の長手方向の長さも一致するよう設計されている。これにより数式４は、

となり、数式７は、

となる。したがって、数式９により、本実施形態においては、緩衝部３６の断面積Ｓ_Ｂは、感圧素子４０の断面積Ｓ_Ａより小さくなるように設計する必要がある。さらに両者の厚み（Ｙ軸方向）は一致するので、結果的に緩衝部３６の幅（Ｘ軸方向）は、感圧素子４０の幅（Ｘ軸方向）より小さく設計すればよいことになる。

図５に、フレーム（緩衝部、梁部）、感圧素子を水晶で一体に形成する場合の模式図を示す。水晶で一体形成する場合は、上述のようにフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適である。まず、材料となる母基板４２を用意し、母基板４２の表面にポジ型のフォトレジスト４４を塗布する（図５（ａ））、緩衝部３６、梁部３８、感圧素子４０を一体とする形状に対応したフォトマスク（不図示）を用いて露光し、前記フォトレジスト４４を感光させる（図５（ｂ））、現像を行い感光したフォトレジスト４４ａを除去する（図５（ｃ））、母基板４２が露出した領域をエッチングすることにより緩衝部３６、梁部３８、感圧素子４０を一体で形成し（図５（ｄ））、フォトレジスト４４を剥離する（図５（ｅ））ことにより一体形成の部材（フレーム、感圧素子）が形成される。

第１実施形態の圧力センサー１０の組み立ては、まずリング部１６にダイアフラム２４を接続するとともに、ダイアフラム２４の所定位置に支持部３０、支持部３２を接続する。そして、感圧素子４０の第１の基部４０ａを支持部３０の側面に接続し、緩衝部３６の第１の固定部３６ａを支持部３２に接続する。

次にリング部１６の穴１６ａに支持シャフト１８を差込んで固定し、フランジ部１４の穴１４ｃに、既にリング部１６に一端が差し込まれた支持シャフト１８の他端を差し込んで固定するとともに、ハーメチック端子２６のハウジング１２内部側と感圧素子４０の電極部（不図示）とをワイヤー２８により電気的に接続する。このときハーメチック端子２６のハウジング１２外部側はＩＣ（不図示）に接続する。最後に側面部（側壁部）２０をリング部１６側から差し込んでフランジ部１４の外周１４ｄ及びリング部１６の外周１６ｂにそれぞれ接合することによりハウジング１２が形成され、圧力センサー１０が組み立てられる。なお圧力センサー１０を、真空を基準とした絶対圧を測定する圧力センサーとする場合は、大気導入口１４ｅを形成せず、真空中で圧力センサー１０を組み立てればよい。

第１実施形態の圧力センサー１０の動作について説明する。第１実施形態において、大気圧を基準として液圧を測定する場合、液圧が大気圧より低いとダイアフラム２４の中央部２４ａがハウジング１２の内側に変位し、逆に液圧が大気圧より高いと中央部２４ａがハウジング１２の外側に変位する。

そして、ダイアフラム２４の中央部２４ａがハウジング１２の外側に変位すると、感圧素子４０は、中央部２４ａと、周縁部２４ｃ（固定部）に支持された緩衝部３６により引張応力を受ける。逆に中央部２４ａがハウジング１２の内側に変位すると、感圧素子４０は、中央部２４ａと緩衝部３６により圧縮応力を受けることになる。

さらに、圧力センサー１０において、温度変化があった場合、圧力センサー１０を構成するハウジング１２、ダイアフラム２４、フレーム３４、感圧素子４０等はそれぞれの熱膨張係数に従って膨張・収縮することになる。しかし、上述のように感圧素子４０は検出軸方向の両端が全てダイアフラム２４側に接続されているので、ハウジング１２のＺ軸方向の膨張・収縮に起因する熱歪みは低減される。一方、フレーム３４とダイアフラム２４との熱膨張係数の違いにより、温度変化による検出軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の膨張・収縮により、フレーム３４はダイアフラム２４から熱歪みを受け、これにより感圧素子４０がフレーム３４から熱歪みを受けることになる。しかしフレーム３４を構成する緩衝部３６を数式７、数式９のように設計することにより、緩衝部３６がダイアフラム２４から受ける熱歪みの大部分を吸収することになるので、感圧素子４０に掛かる熱歪みの量を低減して、温度変化に伴う圧力値の誤差を低減した圧力センサー１０となる。

第２実施形態に係る圧力センサーを図６、図７に示す。図６は第２実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面を切り口とした断面図）である。また図７は、第２実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図７（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図７（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。

第２実施形態に係る圧力センサー５０は、基本的に第１実施形態と類似するが、フレーム（緩衝部５２、梁部５４）、感圧素子５６が別体に形成され、互いに接着剤等で接続した構成を有する点で相違する。なお、以下の説明において第１実施形態と共通する構成要素には同一番号を付するとともに、必要な場合を除いてその説明を省略する。

第２実施形態において、梁部５４は受圧手段であるダイアフラム２４と同一の熱膨張係数を有する材料、もしくはダイアフラム２４と同一材料（ステンレス）により形成されている。これにより、感圧素子５６の検出軸（Ｚ軸方向）と垂直な方向（Ｘ軸方向）においてダイアフラム２４と梁部との膨張・収縮の割合は一致するので、フレームがダイアフラム２４から熱歪みを受けることを低減して、結果的にフレームから感圧素子５６に掛かる熱歪みを低減することができる。

また本実施形態において、緩衝部５２、感圧素子５６は、それぞれ、同一の材料で形成されるとともに、その長手方向（Ｚ軸方向）が同一の長さになるように設計されている。本実施形態において感圧素子５６として双音叉型圧電振動子を用いる場合は、Ｚカットの水晶基板が原料となるが、水晶は異方性を有し結晶方位により熱膨張係数やヤング率が異なる。よって、緩衝部５２の長手方向（Ｚ軸方向）は、感圧素子５６の長手方向（Ｚ軸方向）の面方位と平行な面方位となるように形成する。または長手方向の結晶方位の角度が３度以内に収まるように形成する必要がある。そして緩衝部５２の第１の固定部５２ａは支持部３２に接続され、第２の固定部５２ｂは梁部に接続される。一方、感圧素子５６の第１の基部５６ａは支持部３０に固定され、第２の基部５６ｂは梁部５４の長手方向の中央部に接続される。

図８に第２実施形態の緩衝部と感圧素子の形成パターンを示す。図８に示すように、第２実施形態の緩衝部５２と感圧素子５６は、第１実施形態と同様にフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適であるが、第１実施形態とは異なり、フレームを初めから形成する必要はない。よって、図８に示すように水晶基板におけるエッチングにより溶解させる領域の大きさや、一の圧力センサー５０で用いられる緩衝部５２（一対）及び感圧素子５６による占有面積を小さくすることができるのでコストを抑制することができる。

図９に第２実施形態の梁部の変形例を示す。図９（ａ）はスリットを形成する場合の詳細図、図９（ｂ）は凹部を形成する場合の詳細図である。図６、図７においては、梁部５４に接着剤等で緩衝部５２及び感圧素子５６を接合しているが、図９に示すように、梁部５４の幅（厚み）が緩衝部５２や感圧素子５６の厚みより厚い場合は、緩衝部５２の第２の固定部５２ｂや感圧素子５６の第２の基部５６ｂの形状に倣ったスリット、または凹部を形成することが好ましい。例えば梁部５４と緩衝部５２、感圧素子５６の厚みが同程度であれば、図９（ａ）のようにスリット５８、６０を形成し、スリット５８に緩衝部５２の第２の固定部５２ｂ、スリット６０に感圧素子５６の第２の基部５６ｂを嵌め込んで接着固定することが好適である。また梁部５４の厚みが緩衝部５２、感圧素子５６の厚みより厚い場合は、図９（ｂ）に示すように、梁部５４に緩衝部５２及び感圧素子の厚みと同じ深さの凹部６２、６４を形成し、凹部６２に緩衝部５２の第２の固定部５２ｂ、凹部６４に感圧素子５６の第２の基部５６ｂをそれぞれ嵌め込んで接着固定することが好適である。図９のいずれの場合であっても、梁部５４に対する緩衝部５２及び感圧素子５６の取り付け位置が固定されるので取り付け作業における位置決めが容易となるとともに、凹部の場合は接触面積を増加させることができるので接合強度を増大させることができる。なお、上述のスリット５８、６０、凹部６２、６４はそれぞれエッチングにより形成することができる。

図１０に、第３実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図１０（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図１０（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。第３実施形態に係る圧力センサー７０は、基本的に第１実施形態、第２実施形態と類似するが、緩衝部３６がハウジング７２のダイアフラム８６側に接続されている点で相違する。本実施形態においては、第１実施形態で用いられたフレーム３４と感圧素子４０を用いて説明するが、第２実施形態の緩衝部５２、梁部５４、感圧素子５６も本実施形態に適用できる。また本実施形態は、第１実施形態のダイアフラム２４の周縁部の剛性が外部からの圧力に対して十分でない場合に用いられる。すなわち本実施形態においては、後述のように緩衝部３６（５２）が剛性の高いハウジングに接続することになるので、感圧素子４０（５６）の圧力感度を高めることができる。

ハウジング７２は、円形のフランジ部７４、支持シャフト７６、円形の天板部７８、円筒形の側面部８０を有する。フランジ部７４は、側面部８０の端部と接続する外周部７４ａと、外周部７４ａ上に外周部７４ａと同心円状に形成され、天板部７８と同一の直径を有するとともに側面部８０の内側側面と接続する内周部７４ｂと、を有する。さらにフランジ部７４はフランジ部７４の外形と同心円状の開口部８２を有し、さらに開口部８２の中心には開口部８２を貫通し、センターシャフト９０を貫通させる貫通孔８４を有する。そして、開口部８２には、開口部８２を封止するようにダイアフラム８６が接続されている。ダイアフラム８６を開口部８２に取り付けることにより、ダイアフラム８６はハウジング７２の外壁の一部を形成することになる。

フランジ部７４の内周部７４ｂ及び天板部７８の互いに対向する面の所定位置には支持シャフト７６を嵌め込む穴７４ｃ、７８ａが形成されている。また穴７４ｃ及び穴７８ａは互いに対向する位置に形成されている。よって穴７４ｃ、７８ａに支持シャフト７６を嵌め込むことによりフランジ部７４と天板部７８とは支持シャフト７６を介して接続される。支持シャフト７６は、一定の剛性を有する棒状の部材であって、ハウジング７４の内部に配置され、支持シャフト７６の一端が内周部７４ｂの穴７４ｃに、他端が天板部７８の穴７８ａにそれぞれ嵌め込まれる。これにより、フランジ部７４、支持シャフト７６、および天板部７８との間で一定の剛性を獲得する。なお支持シャフト７６は複数本用いられるが、各穴の位置の設計に従って任意に配置される。そして内周部７４ｂには緩衝部３６を取り付けるための支持部８８が取り付けられ、支持部８８の側面に緩衝部３６の第１の固定部３６ａが接着・固定される。

また天板部７８には、ハーメチック端子２６が取り付けられ、ハーメチック端子２６と感圧素子４０の電極部（不図示）とワイヤー２８を介して電気的に接続される。なお圧力センサー７０を上述の液圧センサーとして用いる場合、天板部７８のハーメチック端子２６と干渉しない任意の位置には大気導入口７８ｂが形成される。

側面部８０は、ハウジング７２の側面を封止するものであり、内周部７４ｂの外周７４ｄ、及び天板部７８の外周７８ｃに接続するとともに、その端部が外周部７４ａに接続する。フランジ部７４、天板部７８、側面部８０はステンレス等の金属で形成することが好ましく、支持シャフト７６およびセンターシャフト９０は一定の剛性を有し熱膨張係数の小さいセラミック等を用いることが好ましい。

開口部８２に取り付けられたダイアフラム８６は、ハウジング７２の外部に面した一方の主面が受圧面となっており、前記受圧面が被測定圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形することにより感圧素子４０に圧縮力或いは引張り力を伝達するものである。またハウジング７２の内側において、ダイアフラム８６の中心にはセンターシャフト９０が取り付けられ、センターシャフト９０の長手方向とダイアフラム８６の変位方向（Ｚ軸方向）とが同軸となるように取り付けられる。これによりセンターシャフト９０は、ダイアフラム８６が圧力を受けると、その長手方向に平行移動することになる。

またセンターシャフト９０の先端には感圧素子４０の一端（第１の基部４０ａ）を支持する矩形の支持部９２が取り付けられ、支持部９２の側面に第１の基部４０ａが接着・固定される。この支持部９２の側面と、内周部７４ｂに設けられた支持部８８の側面は、同一平面を形成するように配置する。これにより感圧素子４０と一体となったフレーム３４には実装による歪みが低減するので、感圧素子４０に印加される実装に起因した歪みを低減して圧力値の誤差を抑制することができる。なお、支持部８８、支持部９２はフランジ部７４と同一材料を用いることが好適である。

第３実施形態に係る圧力センサーの組み立ては、ダイアフラム８６にセンターシャフト９０を取り付け、センターシャフト９０を貫通孔８４に挿通させた状態でダイアフラム８６を開口部８２に接続する。そしてセンターシャフト９０の先端に支持部９２を取り付け、内周部７４ｂの所定位置に支持部８８を接続する。

次に内周部７４ｂの穴７４ｃに支持シャフト７６を差込んで固定し、天板部７８の穴７８ａに、既に内周部７４ｂに一端が差し込まれた支持シャフト７６の他端を差し込んで固定するとともに、ハーメチック端子２６のハウジング７２内部側と感圧素子４０の電極部（不図示）とをワイヤー２８により電気的に接続する。このときハーメチック端子２６のハウジング１２外部側はＩＣ（不図示）に接続する。

そして側面部８０を天板部７８側から差し込んで天板部７８の外周７８ｃ、内周部７４ｂの外周７４ｄ、外周部７４ａに接合してハウジング７２を形成することにより圧力センサー７０が組み立てられる。

第３実施形態において、フレーム３４を構成する緩衝部３６は支持部８８の側面に固定され、感圧素子４０の第１の基部４０ａは支持部９２の側面に固定される。これにより、ダイアフラム８６の受圧面に係る圧力がハウジング７２内部の圧力よりも高い場合は、ダイアフラム８６はハウジング７２の内側（＋Ｚ軸側）に変位し、感圧素子４０には圧縮応力が掛かる。逆にダイアフラム８６の受圧面に掛かる圧力がハウジング７２内部の圧力よりも低い場合は、ダイアフラム８６はハウジング７２の外側（−Ｚ軸側）に変位し、感圧素子４０には伸長応力が掛かる。なお、感圧素子４０に掛かる熱歪みに関しては第１実施形態と同様なので説明を省略する。

第４実施形態に係る圧力センサーを図１１、図１２に示す。図１１は第１実施形態をもとにした第４実施形態の模式図、図１２は第３実施形態をもとにした第４実施形態の模式図である。第４実施形態に係る圧力センサーは、ダイアフラム、感圧素子、フレームが、ハウジングに対して、さらにもう一組配設された形態を有している。図１１の圧力センサー１００は、第１実施形態の圧力センサー１０を２つ用いている。すなわち、２つの圧力センサー１０を構成する支持シャフト１８に両面で接続可能なフランジ部１０４を用い、フランジ部１４を取り払った２つの圧力センサー１０を互いに接合させて一つのハウジング１０２を形成した形態を有している。フランジ部１０４は、側面部（側壁部）２０の端部と接続する外周部１０４ａと、外周部１０４ａの内側に同心円状に形成され、リング部１６と同一の直径を有するとともに側面部（側壁部）２０の内側側面と接続する内周部１０４ｂと、を有する。また内周部１０４ｂのＺ軸方向の端部には、支持シャフト１８が差し込まれる穴１０４ｃを有する。

図１１における圧力センサー１００においては、圧力センサー１００のフランジ部１０４を挟んだ上半分と下半分とを独立に組み立てることが可能である。なお上半分及び下半分の組み立ては、第１実施形態と同様であるが、ハーメチック端子（不図示）はダイアフラム２４の周縁部２４ｃであって支持部３２と干渉しない位置に取り付ければよく、ハウジング１０２内部を大気解放する場合は側面部（側壁部）２０に大気導入口（不図示）を形成すればよい。また第２実施形態の圧力センサー５０を適用した場合でも同様の方法で形成することができる。

図１２の圧力センサー１１０においては、第３実施形態の圧力センサー７０を２つ用いている。すなわち、２つの圧力センサー７０を構成する支持シャフト７６に両面で接続可能なフランジ部１１４を用い、天板部７８を取り払った２つの圧力センサー７０を互いに接合させて一つのハウジング１１２を形成した形態を有している。フランジ部１１４は、側面部８０の端部と接続する外周部１１４ａと、外周部１１４ａの内側に同心円状に形成され、内周部７４ｂ（天板部７８）と同一の直径を有するとともに側面部８０の内側側面と接続する内周部１１４ｂと、を有する。また内周部１１４ｂのＺ軸方向の端部には、支持シャフト７６が差し込まれる穴１１４ｃを有する。

図１２における圧力センサー１１０においては、圧力センサー１１０のフランジ部１１４を挟んだ上半分と下半分とを独立に組み立てることが可能である。なお、上半分と下半分の組み立ては第３実施形態と同様であるが、フランジ部７４に支持シャフト７６に接続してから側面部８０をフランジ部７４に接続し、フランジ部１１４に支持シャフト７６、側面部８０を接続すればよい。またハーメチック端子（不図示）は側面部８０に取り付ければよく、ハウジング１１２内部を大気解放する場合は側面部８０に大気導入口（不図示）を形成すればよい。

第４実施形態の圧力センサーは、２つのダイアフラムに係る圧力を独立に測定することになるが、ハウジング１０２、１１２内部の環境が共通になるので、温度差等の影響による圧力誤差を低減した差圧センサーとして利用することができる。この場合ハウジング１０２、１１２内部は真空封止であっても大気開放でもよい。

１０………圧力センサー、１２………ハウジング、１４………フランジ部、１４ａ………外周部、１４ｂ………内周部、１４ｃ………穴、１４ｄ………外周、１４ｅ………大気導入口、１６………リング部、１６ａ………穴、１６ｂ………外周、１８………支持シャフト、２０………側面部、２２………開口部、２４………ダイアフラム、２４ａ………中央部、２４ｂ………可撓部、２４ｃ………周縁部、２６………ハーメチック端子、２８………ワイヤー、３０………支持部、３２………支持部、３４………フレーム、３６………緩衝部、３６ａ………第１の固定部、３６ｂ………第２の固定部、３６ｃ………端部、３８………梁部、４０………感圧素子、４０ａ………第１の基部、４０ｂ………第２の基部、４０ｃ………振動腕、４０ｄ………端部、４２………母基板、４４………フォトレジスト、４４ａ………フォトレジスト、５０………圧力センサー、５２………緩衝部、５２ａ………第１の固定部、５２ｂ………第２の固定部、５４………梁部、５６………感圧素子、５６ａ………第１の基部、５６ｂ………第２の基部、５８………スリット、６０………スリット、６２………凹部、６４………凹部、７０………圧力センサー、７２………ハウジング、７４………フランジ部、７４ａ………外周部、７４ｂ………内周部、７４ｃ………穴、７４ｄ………外周、７６………支持シャフト、７８………天板部、７８ａ………穴、７８ｂ………大気導入口、７８ｃ………外周、８０………側面部、８２………開口部、８４………貫通孔、８６………ダイアフラム、８８………支持部、９０………センターシャフト、９２………支持部、１００………圧力センサー、１０２………ハウジング、１０４………フランジ部、１０４ａ………外周部、１０４ｂ………内周部、１０４ｃ………穴、１１０………圧力センサー、１１２………ハウジング、１１４………フランジ部、１１４ａ………外周部、１１４ｂ………内周部、１１４ｃ………穴、２０１………圧力センサー、２０２………気密ケース、２０３………第１の壁面、２０３ａ………第１の圧力入力口、２０４………第２の壁面、２０４ａ………第２の圧力入力口、２１０………第１のベローズ、２１１………第２のベローズ、２１５………振動素子接着台座、２２０………圧電振動素子、２２１………圧電補強板、２３０………発振回路、２５０………補強用弾性部材、３１０………圧力センサー、３１２………ハウジング、３１４………第１ダイアフラム、３１６………第２ダイアフラム、３１８………感圧素子、３２０………第１反力生成部、３２２………第２反力生成部、３２８………第１ウエイト、３３０………第２ウエイト、４１０………圧力センサー、４１２………ハウジング、４２２………開口部、４２４………ダイアフラム、４２４ｃ………周縁領域、４４０………感圧素子、４４０ａ………第１の基部、４４０ｂ………第２の基部、４４２………接続部材。

Claims (10)

1. 容器と、
   前記容器の一部を構成し、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、
   感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部とを有し、前記基部同士を結ぶ線と平行な検出軸を有し、前記受圧手段の変位方向と前記検出軸が平行となるように配置され、前記受圧手段の変位により圧力を検出する感圧素子と、を有する圧力センサーであって、
   前記感圧素子を間に挟んで配置され前記受圧手段の周縁部または前記容器の前記受圧手段側に接続された一対の緩衝部と、前記緩衝部の先端同士を連結する梁部からなる門型のフレームを有し、
   前記感圧素子は、
   前記基部の一方が前記受圧手段に接続され、前記基部の一方の反対側の他方が前記梁部の長手方向の中央部に接続され、
   前記感圧素子の長さをＬ_Ａ、前記感圧素子のヤング率をＥ_Ａ、前記感圧素子の断面積をＳ_Ａとし、前記緩衝部の長さをＬ_Ｂ、前記緩衝部のヤング率をＥ_Ｂ、前記緩衝部の断面積をＳ_Ｂとすると、
   

   

   
   の関係を満たすことを特徴とする圧力センサー。
2. 前記梁部の長手方向の長さをＬ_Ｃ、前記梁部のヤング率をＥ_Ｃ、前記梁部の高さをＨ_Ｃ、前記梁部の幅をＷ_Ｃとすると、
   

   

   
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記感圧素子及び前記フレームは一体で形成されるとともに、前記受圧手段に接続される前記感圧素子の前記基部の端部と、前記周縁部または前記開口部に接続される前記緩衝部の端部と、が一直線上に並ぶように形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサー。
4. 前記感圧部は、少なくとも一以上の柱状ビームであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
5. 前記感圧素子及び前記緩衝部は、同一の材料により形成され、それぞれの長手方向が同一の長さに形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサー。
6. 前記感圧素子及び前記緩衝部は、同一の圧電材料により形成され、それぞれの長手方向が同一の結晶方位となるように形成されたことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサー。
7. 前記梁部の長手方向の両端及び中央部は、前記緩衝部の前記先端及び前記感圧素子の前記基部の形状に倣って形成された凹部、またはスリットを有し、
   前記緩衝部及び前記感圧素子は、前記凹部、または前記スリットに嵌め込まれることを特徴とする請求項５または６に記載の圧力センサー。
8. 前記梁部は、前記受圧手段と同一の熱膨張係数を有する材料により形成されたことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の圧力センサー。
9. 前記受圧手段及び前記梁部は、それぞれステンレスにより形成されたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の圧力センサー。
10. 前記受圧手段、前記感圧素子、前記フレームは、前記ハウジングに対して、さらにもう一組配設されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧力センサー。

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