JP2012093135A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】感圧素子の素子面に対し交差する方向から作用する振動・衝撃を抑制する圧力センサーを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の圧力センサー１０は、容器と、前記容器の開口部２２を封止し、受圧部の外側に周縁部を有すると共に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、前記周縁部２４ｃに一端３２ａを固定し、他端３２ｂを前記一端３２ａから前記受圧手段の変位方向と平行に延出した複数の支持手段３２と、前記受圧部に固定される第１の基部４０ａを有し、第２の基部４０ｂを前記第１の基部４０ａから前記受圧手段の変位方向と平行に配置した感圧素子４０と、前記感圧素子４０の前記第２の基部４０ｂを固定する第１の接続片３６と、前記第１の接続片３６の両端を前記第１の接続片３６のいずれか一方の主面側に延出させて前記支持手段３２の他端３２ｂと接続する第２の接続片３８を備えた固定板３４と、を備えたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は感圧素子、ダイアフラムを備え、ダイアフラムの変位に基づく感圧素子の周波数変化から圧力を検出する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。このような構成の圧力センサーでは、板状の水晶基板上に、振動を励起可能な電極パターンを形成した感圧素子を備える。そして、力の検出方向に感圧素子の検出軸を合わせるように構成する。このような構成とすることで、検出軸の配置方向に力（圧力）が加えられることで感圧素子の励起する振動の共振周波数が変化することとなる。このため、共振周波数の変化を力に変換することで、加えられた圧力の検出が可能となる。

このような構成を基本とする圧力センサーとしては従来、特許文献１や特許文献２に開示されているようなものが知られている。特許文献１に開示されている圧力センサー１００は図１３に示すように、気密ケース１０２と、第１、第２のベローズ１０４，１０６、圧電振動素子１０８、および発振回路１１０を基本として構成されている。気密ケース１０２は、円筒形の外殻を有すると共に、内部を真空または不活性な雰囲気とされている。第１、第２のベローズ１０４，１０６はそれぞれ、気密ケース１０２の外殻を構成する一対の端板に形成された貫通孔（圧力入力口１１２，１１４）を覆うように、気密ケース１０２内部に配置される。第１、第２のベローズ１０４，１０６間には、振動子接着台座１１６が設けられる。圧力入力口１１２，１１４から付与される圧力に応じて伸縮する第１、第２のベローズ１０４，１０６間に配置された振動子接着台座１１６は、第１、第２のベローズ１０４，１０６の伸縮に応じて端板間を移動することとなる。圧電振動素子１０８は、気密ケース１０２を構成するいずれか一方の端板と、振動子接着台座１１６との間に配置され、振動子接着台座１１６の移動に伴う応力により、共振周波数が変化する構成とされている。発振回路１１０は、圧電振動素子１０８を構成する励振電極と電気的に接続されており、圧電振動素子１０８を励振させると共に、励起される振動の検出を行う。そして、検出された振動の共振周波数の変化により、第１、第２のベローズ１０４，１０６間に付与された圧力の差圧の検出が可能となる。

また、特許文献２に開示されている圧力センサー２００は、図１４に示すように、基体２０２と、シリコン構造体２０４とを基本として構成されている。基体２０２は、主面上に、金属薄膜からなる電極２０６と、この電極２０６を覆うように形成された誘電体膜２０８とを有する。シリコン構造体２０４は、圧力に応じて変形可能な、導電性を有するダイアフラム２１０を有し、ダイアフラム２１０と電極２０６とを対向させた際、両者の間に隙間２１２が生ずるようにして、基体２０２の主面に接合されている。このような構成の圧力センサー２００では、ダイアフラム２１０が圧力を受けて変形した際、基体２０２の誘電体膜２０８と接触する接触面積の変化によって生ずる静電容量の変化を検出することにより、ダイアフラム２１０に付与された圧力を検出することが可能となる。

特許文献１、２に開示されている圧力センサーでは、それぞれ差圧や絶対圧を検出することが可能となる。しかし、各圧力センサーには次のような構成上の問題があった。すなわち、特許文献１に開示されている圧力センサーには、気密ケースと圧電振動素子との線膨張率の違いによって生ずる検出圧力の誤差が大きいという問題がある。また、特許文献２に開示されている圧力センサーには、ダイアフラムの自重による撓みによって生ずる検出圧力の誤差といった問題がある。

このような問題に対し本願出願人は、線膨張率の違いや自重の影響によって生ずる誤差を抑制し、高精度な圧力検出を可能とする圧力センサーとして、特許文献３に示す圧力センサー３００を提案している。特許文献３に開示した圧力センサー３００は、図１５に示すように、圧電振動素子３０２と、この圧電振動素子３０２を収容するハウジング３０４、およびハウジング３０４の一端に設けたダイアフラム３０６を基本として構成される。ハウジング３０４は、ダイアフラム３０６と対向する他端を封止され、内部を真空または不活性な雰囲気とされる。ダイアフラム３０６は、中央領域３０８と可撓領域３１０、および外周領域３１２を備え、可撓領域３１０の内周側に位置する中央領域３０８が感圧部として機能する構成とされる。圧電振動素子３０２は、振動部３１４と振動部３１４の両端に一対の基部を備えることを基本として構成されている。圧電振動素子３０２は、第１の基部３１６ａをダイアフラム３０６における中央領域３０８に接続すると共に、第２の基部３１６ｂから延設された接続部３１８が、ダイアフラム３０６における外周領域３１２に設けられたハーメ端子３２０に接続され、外部との電気的導通がとられる構成とされている。このような構成の圧力センサー３００によれば、圧電振動素子３０２の両端がダイアフラム３０６に接続されることとなるため、線膨張係数の違いにより生ずる検出圧力の誤差を抑制することができる。

特開２００７−５７３９５号公報 特開２００２−２１４０５８号公報 特開２０１０−４８７９８号公報

特許文献３に開示したような構成の圧力センサーであれば確かに、線膨張率の違いによる検出圧力の誤差や、自重によるダイアフラムの撓みによる検出圧力の誤差を抑制し、高精度な圧力検出を可能とすることができる。しかし、特許文献３に開示されている圧力センサーは、圧電振動素子と接続部を同一平面上に形成して、圧電振動素子をダイアフラムに対し、いわゆる片持ち状態で固定する構成を採っている。このため、圧電振動素子と接続部を含む同一の平面に対し垂直な方向の衝撃に対する耐性が低くなってしまう傾向にある。

そこで本発明では、高精度な圧力検出を可能としつつ、圧電振動素子の素子面（面方向）に対して垂直な方向の振動・衝撃に対する耐性が高い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、前記容器の開口部を封止し、受圧部の外側に周縁部を有すると共に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、前記周縁部に一端を固定し、他端を前記一端から前記受圧手段の変位方向と平行に延出した複数の支持手段と、前記受圧部に固定される第１の基部を有し、第２の基部を前記第１の基部から前記受圧手段の変位方向と平行に配置した感圧素子と、前記感圧素子の前記第２の基部を固定する第１の接続片と、前記第１の接続片の両端を前記第１の接続片のいずれか一方の主面側に延出させて前記支持手段の他端と接続する第２の接続片を備えた固定板と、を備えたことを特徴とする圧力センサー。

上記構成により、感圧素子の第２の基部の接着面と支持手段の他端の接着面が同一平面上にない構成となり、感圧素子の第２の基部をいずれか一方の主面側から固定板及び支持手段を介して支持することになる。このため、感圧素子の素子面に対して垂直方向の振動・衝撃などの外力に対して固定板及び支持手段をストッパーとして作用させることにより対抗することができる。従って感圧素子の素子面に対する外力の耐衝撃性を向上させることができる。

［適用例２］前記固定板は、前記第１の接続片の一端を前記第１の接続片の前記一方の主面側に延出させて、前記第１の接続片の他端を他方の主面側に延出させて前記支持手段の他端と接続する前記第２の接続片を備えている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、感圧素子の第２の基部の接着面と支持手段の他端の接着面が同一平面上にない構成となり、感圧素子の第２の基部を一方及び他方の主面側から固定板及び支持手段を介して支持することになる。このため、感圧素子の素子面に対して垂直方向の振動・衝撃などの外力に対して固定板及び支持手段をストッパーとして作用させることにより対抗することができる。従って感圧素子の素子面に対する外力の耐衝撃性を向上させることができる。

［適用例３］前記固定板は、前記第１の接続片の両端のいずれも前記第１の接続片の両主面側のそれぞれに延出させて前記支持手段の他端と接続する前記第２の接続片を備えている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、感圧素子の第２の基部の接着面と支持手段の他端の接着面が同一平面上にない構成となり、感圧素子の第２の基部の両端のいずれも両主面側からそれぞれ固定板及び支持手段を介して支持することになる。このため、感圧素子の素子面に対して垂直方向の振動・衝撃などの外力に対して固定板及び支持手段をストッパーとして作用させることにより対抗することができる。従って感圧素子の素子面に対する外力の耐衝撃性を向上させることができる。

［適用例４］前記容器は、前記開口部に対向して形成された第２の開口部を備え、前記第２の開口部は第２の受圧手段で封止されると共に、前記受圧手段及び第２の受圧手段は、力伝達シャフトを介して接続され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。

上記構成により、受圧手段側の圧力が高い場合、感圧素子は圧縮応力を受け、第２の受圧手段側の圧力が高い場合、感圧素子は伸長応力を受けることになる。よって、相対圧を測定可能な圧力センサーが得られる。

［適用例５］前記感圧素子はＡＴカット水晶振動片である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。
上記構成により、音叉型圧電振動子と比べて高周波数とし、測定時間の短い圧力センサーを得ることができる。

第１実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 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面で切断した断面図、図２（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である。 第１実施形態に係る圧力センサーの変形例の説明図であり、図３（ａ）は変形例１をＸＹ面で切断した断面図、（ｂ）は変形例２をＸＹ面で切断した断面図である。 第２実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 第２実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図５（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図５（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である。 第２実施形態に係る圧力センサーの変形例３の説明図である。 第３実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 第３実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図８（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図８（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である。 第３実施形態に係る圧力センサーの変形例の説明図であり、図９（ａ）は変形例４をＸＹ面で切断した断面図、図９（ｂ）は変形例５をＸＹ面で切断した断面図である。 第４実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 第４実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図１１（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図１１（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である。 第５実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 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２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。

以下、本発明に係る圧力センサーの実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。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面で切断した断面図、図２（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である（ハウジングを除く）。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、感圧素子４０、支持手段３２、固定板３４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２４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（不図示）が取り付けられている。このハーメチック端子は、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（不図示）を介して電気的に接続することができる。なお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１４ｄ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。側面部２０の両端を夫々、フランジ部１４の内周部１４ｂの外周、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２４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位しないものとする。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２４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。ダイアフラム２４の中央部２４ａには第１の支持台３０、周縁部２４ｃには後述する支持手段３２が接続されている。中央部２４ａに接続された第１の支持台３０には感圧素子４０の第１の基部４０ａが接続される。なお第１実施形態の第１の支持台３０は受圧手段となるダイアフラム２４と同質の材料、すなわち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で形成されている。

感圧素子４０は、感圧部となる振動腕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を有し、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形成されている。第１の基部４０ａは第１の支持台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は後述する固定板３４の第１の接続片３６に接続させている。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は第１の支持台３０及び固定板３４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を阻止して、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（不図示）及びワイヤー（不図示）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を用いることができる。

支持手段３２は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂを支持するため、感圧素子４０と同じ長さに設定された支持棒である。支持手段３２は、感圧素子４０と同質の材料、即ち水晶、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形成されている。支持手段３２は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂを中心として対称（ＹＺ面を中心として線対称）に両端から支持するため、複数本（本実施形態では２本）用いている。支持手段３２は一端３２ａをダイアフラム２４の周縁部２４ｃに対して交差するように固定し、他端３２ｂを一端３２ａから感圧素子４０の変位方向（Ｚ軸方向）と平行に延出して、他端３２ｂを後述する固定板３４の第２の接続片３８に固定している。支持手段３２の一端３２ａはダイアフラム２４の周縁部２４ｃから立設させた第２の支持台３３に接着させて固定している。第２の支持台３３は第１の支持台３０と同様に、受圧手段となるダイアフラム２４と同質の材料、すなわち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で形成されている。なお支持手段３２は断面矩形とし、第２の支持台３３及び後述する固定板３４と接着する際の接着面積を広く取れるように構成している。

固定板３４は第１の接続片３６と第２の接続片３８から構成されている。固定板３４は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂと、支持手段３２の他端３２ｂと接着して、感圧素子４０及び支持手段３２の長手方向がダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と平行になるように固定する部材である。固定板３４は、ダイアフラム２４と同質の材料、すなわち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を用いている。そして、固定板３４は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂが接着する第１の接続片３６の両端を、何れか一方の主面側に折り曲げて第１の接続片３６から延出させている。本実施形態の固定板３４は第１の接続片３６から両端をそれぞれ直角に折り曲げて第２の接続片３８とし、平面視して全体形状をコ字型に形成している。なお第２の接続片３８は、第１の接続片３６に感圧素子４０の第２の基部４０ｂを接続した際に、平面視してダイアフラム２４の周縁部２４ｃと重なる領域となる位置に形成している。また固定板３４は、平板をコ字型に折り曲げ第１及び第２の接続片３６，３８を形成するほか、第１の接続片３６を備えた接続片の両端に第２の接続片３８を備えた一対の接続片を溶接等により接着させて形成することができる。また固定板３４はステンレスなど剛性を備えた部材を接続して形成しているため、所定の強度を備えており、圧力が印加されたことによるダイアフラム２４の変形に伴って変形することがない。

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（第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂ）が結果的に固定板３４及び支持手段３２を介してダイアフラム２４側に接続されている。これにより、ハウジング１２から感圧素子４０への熱歪みを低減することができる。具体的には感圧素子４０と支持手段３２は同質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、感圧素子は支持手段３２からの熱歪みが低減される。また固定板３４は受圧手段と同じ材質を用いているため、受圧手段と、感圧素子４０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ことがなく、この熱歪みを感圧素子が受けることがない。

次に第１実施形態の圧力センサー１０の製造は、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の中央部２４ａに第１の支持台３０を、周縁部２４ｃに第２の支持台３３をそれぞれ接続する。接続方法は、接着剤等の固定剤又はレーザー溶接、アーク溶接、ろう付けなどにより接続することができる。

そして、感圧素子４０の第１の基部４０ａを第１の支持台３０の側面に接続し、第２の基部４０ｂを固定板３４の第１の接続片３６に接続する。接続方法は接着材等により接続することができる。

また支持手段３２の一端３２ａを第２の支持台３３の側面に接続し、他端３２ｂを固定板３４の第２の接続片３８に接続する。接続方法は、接着剤等の固定剤又はレーザー溶接、アーク溶接、ろう付けなどにより接続することができる。

そしてリング部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（不図示）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（不図示）により電気的に接続する。このときハーメチック端子（不図示）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２０をリング部１６側から差し込んでフランジ部１４の外周及びリング部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が製造される。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１４ｄ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。

このような圧力センサー１０は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂの接着面と、一対の支持手段３２の他端の接着面とが同一平面上になく、第２の基部４０ｂの接着面を中心として対称となる位置に配置された支持手段３２の他端の接着面が第２の基部４０ｂの接着面の両側が固定板を介して支持される構成となる。

次に第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、支持手段３２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と支持手段３２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、支持手段３２、固定板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。

また感圧素子４０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、感圧素子４０は支持手段３２を介してダイアフラム２４から熱歪みを受けることになる。しかしＸ軸方向に配置している固定板３４はダイアフラム２４と同一材料を用いている。このため感圧素子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。

また固定板の第１の接着面の両端を第１の接着面に対していずれか一方の主面側に延出させて第２の接着面を形成し、固定板の第１及び第２の接着面は同一平面上にない構成、即ち感圧素子４０の第２の基部の接着面と支持手段の他端の接着面が同一平面上にない構成となる。この構成は、感圧素子の第２の基部をいずれか一方の主面側から固定板及び支持手段を介して支持することになる。このため、感圧素子４０の素子面に対して垂直方向の振動・衝撃などの外力に対して固定板及び支持手段をストッパーとして作用させることにより対抗することができる。従って感圧素子の素子面に対する外力の耐衝撃性を向上させることができる。

また固定板を折り曲げ形状としない固定板および感圧素子が同一平面上に形成されている平面構造の圧力センサーと、第１実施形態の圧力センサーに対する感圧素子面と垂直方向の加速度応力を比較すると、平面構造の圧力センサーは２１０ＭＰａ／１０００ｇであり、第１実施形態の圧力センサーは８０ＭＰａ／１０００ｇとなり、本発明の折り曲げ構造の圧力センサーは平面構造に比べ半分以下の応力であり垂直方向の加速度応力に対して強い耐衝撃力を備えた構造であることがわかる。また最小共振周波数についても平面構造の圧力センサーが８００Ｈｚであり、第１実施形態の圧力センサーは１８５０Ｈｚとなり本発明の折り曲げ構造の圧力センサーは、低周波振動に強い構造であることがわかる。一方、感圧素子の感度については、平面構造の圧力センサーは２Ｈｚ／ａｔｍであり、第１実施形態の圧力センサーは１．４Ｈｚ／ａｔｍと若干感度が低下する傾向にある。

図３は第１実施形態に係る圧力センサーの変形例の説明図であり、図３（ａ）は変形例１をＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）、（ｂ）は変形例２をＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）である。図３（ａ）に示す変形例１の圧力センサー５２は、固定板５３の第１の接続片の両端をいずれか一方の主面側に延出させる際に、平面視して鈍角となるように折り曲げている。また図３（ｂ）に示す変形例２の圧力センサー５４は、固定板５５の第１の接続片の両端をいずれか一方の主面側に延出させる際に、平面視して鈍角となるように折り曲げた後、さらに第１の接続片と平行となるように折り曲げている。なお変形例１及び２の固定板５３，５５は、溶接等により形成することもできる。このような変形例１及び２の圧力センサー５２，５４であっても、第１実施形態の圧力センサー１０と同様の効果を奏することができる。

図４は第２実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。図５は第２実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図５（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図５（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）である。

第２実施形態に係る圧力センサー６０は、第１実施形態の圧力センサー１０と基本構成は同一であるが、固定板６２の構成及び支持手段３２の接続箇所が異なる。その他の構成要素は第１実施形態の構成要素と同一であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第２実施形態の圧力センサー６０の固定板６２は、基本構成は第１実施形態の固定板３４と同一である。そして第２実施形態の固定板６２は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂが接着する第１の接続片３６の両端を第１の接着面に対して一方の主面及び他方の主面側に直角に折り曲げて（延出させて）第２の接着面とし、平面視して全体形状をクランク状、略Ｓ字状に形成している。なお第２の接続片３８は、第１の接続片３６に感圧素子４０の第２の基部４０ｂを接続した際に、平面視してダイアフラム２４の周縁部２４ｃと重なる領域となる位置に形成している。また固定板６２は、平板をクランク状、略Ｓ字型に折り曲げ第１及び第２の接続片３６，３８を形成するほか、第１の接続片３６を備えた接続片の両端に第２の接続片３８を備えた一対の接続片を溶接等により接着させて形成することができる。

支持手段３２は一端３２ａをダイアフラム２４の周縁部２４ｃに対して交差するように固定し、他端３２ｂを一端３２ａから感圧素子４０の変位方向（Ｚ軸方向）と平行に延出して、他端３２ｂを固定板６２の第２の接続片３８に固定している。支持手段３２の一端３２ａはダイアフラム２４の周縁部２４ｃから立設させた第２の支持台３３に接着させて固定している。

このような第２実施形態に係る圧力センサー６０であっても、固定板６２の第１の接着面の両端を第１の接着面に対して一方及び他方の主面側に延出させて第２の接着面を形成し、固定板６２の第１及び第２の接着面は同一平面上にない構成、即ち感圧素子４０の第２の基部の接着面と支持手段の他端の接着面が同一平面上にない構成となる。この構成は、感圧素子の第２の基部を一方及び他方の主面側から固定板６２及び支持手段を介して支持することになる。このため、感圧素子４０の素子面に対して垂直方向の振動・衝撃などの外力に対して固定板６２及び支持手段をストッパーとして作用させることにより対抗することができる。従って感圧素子の素子面に対する外力の耐衝撃性を向上させることができる。

図６は第２実施形態の圧力センサーの変形例３のＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）である。図６に示す変形例３の圧力センサー６４は、固定板６５の第１の接続片の両端を一方及び他方の主面側に延出させる際に、平面視して鈍角となるように折り曲げている。なお変形例３の固定板６５は、溶接等により形成することもできる。このような変形例３の圧力センサー６４であっても、第２実施形態の圧力センサー６０と同様の効果を奏することができる。

図７は第３実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。図８は第３実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図８（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図８（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）である。

第３実施形態に係る圧力センサー７０は、第１実施形態の圧力センサー１０と基本構成は同一であるが、固定板７２の構成及び支持手段３２の接続箇所が異なる。その他の構成要素は第１実施形態の構成要素と同一であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第３実施形態の圧力センサー７０の固定板７２は、基本構成は第１実施形態の固定板３４と同一である。そして第３実施形態の固定板７２は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂが接着する第１の接続片３６の両端をそれぞれ第１の接着面に対して両主面（一方の主面及び他方の主面）側に直角に折り曲げて（延出させて）第２の接着面とし、平面視して全体形状を略Ｈ型に形成している。なお第２の接続片３８は、第１の接続片３６に感圧素子４０の第２の基部４０ｂを接続した際に、平面視してダイアフラム２４の周縁部２４ｃと重なる領域となる位置に形成している。また固定板７２は、第１の接続片３６を備えた接続片の両端に第２の接続片３８を備えた一対の接続片を溶接等により接着させて形成することができる。

支持手段３２は一端３２ａをダイアフラム２４の周縁部２４ｃに対して交差するように固定し、他端３２ｂを一端３２ａから感圧素子４０の変位方向（Ｚ軸方向）と平行に４本延出して、他端３２ｂを固定板７２の第２の接続片３８の両端に固定している。支持手段３２の一端３２ａはダイアフラム２４の周縁部２４ｃから立設させた第２の支持台３３に接着させて固定している。

このような第３実施形態に係る圧力センサー７０であっても、固定板７２の第１の接着面の両端をそれぞれ第１の接着面に対して一方及び他方の主面側に延出させて第２の接着面を形成し、固定板７２の第１及び第２の接着面は同一平面上にない構成、即ち感圧素子４０の第２の基部の接着面と支持手段の他端の接着面が同一平面上にない構成となる。この構成は、感圧素子の第２の基部を一方及び他方の主面側から固定板７２及び支持手段を介して支持することになる。このため、感圧素子４０の素子面に対して垂直方向の振動・衝撃などの外力に対して固定板及び支持手段をストッパーとして作用させることにより対抗することができる。従って感圧素子の素子面に対する外力の耐衝撃性を向上させることができる。

図９は第３実施形態に係る圧力センサーの変形例の説明図であり、図９（ａ）は変形例４をＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）、図９（ｂ）は変形例５をＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）である。

図９（ａ）に示す変形例４の圧力センサー７４は、第３実施形態の固定板７２を用い、支持手段７５を第２の接続片にそれぞれ１本ずつ接着させている。このとき支持手段７５は第１〜３実施形態の支持手段３２よりも幅を長く設定し、第１の接着面と第２の接着面が交差する箇所に接着させている。また図９（ｂ）に示す変形例５の圧力センサー７６は、固定板７７の第１の接続片の両端のそれぞれを一方及び他方の主面側にそれぞれ延出させる際に、平面視して鈍角となるように延出させて略Ｙ字型の形状としている。
このような変形例４及び５の圧力センサー７４，７６であっても、第３実施形態の圧力センサー７０と同様の効果を奏することができる。

図１０は第４実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。図１１は第４実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図１１（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図１１（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図（ハウジングを除く）である。

第４実施形態に係る圧力センサー８０は、ハウジングを構成するリング部１６の開口には受圧手段となる第１ダイアフラム２４が取り付けられている。そしてフランジ部８２は、リング部１６の開口部２２に対向して形成された第２の開口部８４を有し、第２の開口部８４は第２の受圧手段となる第２ダイアフラム８６で封止されている。第１ダイアフラム２４及び第２ダイアフラム８６は、力伝達シャフト８７を介して接続されている。第１及び第２のダイアフラム２４，８６はいずれも外部からの圧力によって変位する中央部２４ａ，８８と、中央部の外周にあり、外部からの圧力によって撓み変形する可撓部２４ｂ，８９と、可撓部２４ｂ，８９の外周にありリング部１６及びフランジ部８２の第２の開口部８４と接合する周縁部２４ｃ，９０を有している。

力伝達シャフト８７は、ハウジング１２の内部に配置され、長手方向の一端８７ａが第１ダイアフラム２４の中央部２４ａに接続され、一端８７ａの反対側の他端８７ｂが第２ダイアフラム８６の中央部８８に接続される。力伝達シャフト８７は円柱状に形成されており、感圧素子４０及び固定板３４と干渉しないようにザグリ８７ｃを形成している。これにより力伝達シャフトは第１ダイアフラム２４側では断面が半円形であり、第２ダイアフラム８６側では円形が円形となる。感圧素子４０の第１の基部４０ａを第１ダイアフラム２４に固定する場合には、スペーサ９１を介して第１の基部４０ａの接続片をザグリ８７ｃに接続すると共に、第１の基部４０ａの先端を中央部２４ａに当接させる。力伝達シャフト８７は支持シャフト１８と同じ材料であることが望ましい。これにより力伝達シャフト８７と支持シャフト１８の熱膨張係数の違いに起因した温度変化に伴う感圧素子４０の検出軸方向の膨張・収縮量に差が生じなくなり、第１及び第２ダイアフラム２４，８６に係る力伝達シャフト８７からの力が温度変化に関らず一定に保たれるため、圧力センサーの感度が温度によって変動することを防止できる。

上記構成により、第１ダイアフラム２４側の圧力が高い場合、力伝達シャフト８７が第２ダイアフラム８６の中央部８８をハウジング１２の外側に押し出す動きをすると共に、感圧素子４０の圧縮応力を受ける。一方、第２ダイアフラム８６側の圧力が高い場合、力伝達シャフト８７が第１ダイアフラム２４の中央部２４ａをハウジング１２の外側に押し出す動きをすると共に、感圧素子４０は伸長応力を受けることになる。従って第１〜第３実施形態に係る圧力センサー１０，６０，７０に適用することにより相対圧を測定可能な圧力センサーとすることができる。

図１２は第５実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。第５実施形態に係る圧力センサー９４は、感圧素子９６にＡＴカット水晶振動片を用いている。ここでは第１実施形態に本実施形態を適用した構成で説明するが、第２〜第４実施形態の対しても適用することができる。ＡＴカット水晶振動片は、水晶基板をＸ軸に平行でＺ軸から３５度１５分付近の角度に切り出した所謂ＡＴカット水晶チップからなる。このＡＴカット水晶片の両主面には一対の励振電極９７が設けられている。ＡＴカット水晶振動片は、一般に音叉型水晶振動片と比べて高周波数であるため、測定速度が速く高速測定が可能となる。従って速やかな圧力測定が求められるタイヤ圧用の圧力センサーに適用することができる。

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………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………第１ダイアフラム、２４ａ………中央部、２４ｂ………可撓部、２４ｃ………周縁部、３０………第１の支持台、３２………支持手段、３３………第２の支持台、３４………固定板、３６………第１の接続片、３８………第２の接続片、４０………感圧素子、４０ａ………第１の基部、４０ｂ………第２の基部、４０ｃ………振動腕、５２………圧力センサー、５３………固定板、５４………圧力センサー、５５………固定板、６０………圧力センサー、６２………固定板、６４………圧力センサー、６５………固定板、７０………圧力センサー、７２………固定板、７４………圧力センサー、７５………支持手段、７６………圧力センサー、７７………固定板、８０………圧力センサー、８２………フランジ部、８４………第２の開口部、８６………第２ダイアフラム、８７………力伝達シャフト、８８………中央部、８９………可撓部、９０………周縁部、９１………スペーサ、９４………圧力センサー、９６………感圧素子、９７………励振電極、１００………圧力センサー、１０２………気密ケース、１０４………第１のベローズ、１０６………第２のベローズ、１０８………圧電振動素子、１１０………発振回路、１１２，１１４………圧力入力口、１１６………振動子接着台座、２００………圧力センサー、２０２………基体、２０４………シリコン構造体、２０６………電極、２０８………誘電体膜、２１０………ダイアフラム、２１２………隙間、３００………圧力センサー、３０２………圧電振動素子、３０４………ハウジング、３０６………ダイアフラム、３０８………中央領域、３１０………可撓領域、３１２………外周領域、３１４………振動部、３１６ａ………第１の基部、３１６ｂ………第２の基部、３１８………接続部、３２０………ハーメ端子。

Claims (5)

1. 容器と、
   前記容器の開口部を封止し、受圧部の外側に周縁部を有すると共に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、
   前記周縁部に一端を固定し、他端を前記一端から前記受圧手段の変位方向と平行に延出した複数の支持手段と、
   前記受圧部に固定される第１の基部を有し、第２の基部を前記第１の基部から前記受圧手段の変位方向と平行に配置した感圧素子と、
   前記感圧素子の前記第２の基部を固定する第１の接続片と、前記第１の接続片の両端を前記第１の接続片のいずれか一方の主面側に延出させて前記支持手段の他端と接続する第２の接続片を有した固定板と、
   を備えたことを特徴とする圧力センサー。
2. 前記固定板は、前記第１の接続片の一端を前記第１の接続片の前記一方の主面側に延出させて、前記第１の接続片の他端を他方の主面側に延出させて前記支持手段の他端と接続する前記第２の接続片を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記固定板は、前記第１の接続片の両端のいずれも前記第１の接続片の両主面側のそれぞれに延出させて前記支持手段の他端と接続する前記第２の接続片を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
4. 前記容器は、前記開口部に対向して形成された第２の開口部を備え、前記第２の開口部は第２の受圧手段で封止されると共に、前記受圧手段及び第２の受圧手段は、力伝達シャフトを介して接続され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. 前記感圧素子はＡＴカット水晶振動片である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。

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