JP2012093196A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な圧力検出を可能としつつ、圧電振動素子の面方向に対して手垂直な方向の衝撃に対する耐性が高い圧力センサーを提供する。
【解決手段】受圧方向へ変位する中央部３０と、中央部３０の外周に位置して変位することを抑えられた周縁部３４とを有するダイアフラム２８と、前記中央部の変位方向に沿って検出軸を定めた感圧部としての振動腕４０と振動腕４０を挟持する一対の基部（第１の基部４２と第２の基部４４）とを有し、第１の基部４２を中央部３０における一方の面に固定される感圧素子３８と、ダイアフラム２８の外周側に配置され、感圧素子３８配置側に位置する主面に段差部２７を備えるリング部２２と、感圧素子３８における第２の基部４４をダイアフラム２８における周縁部３４、または段差部２７に接続する支持板本体５０と、支持板本体５０と平行に配置され、感圧素子３８の傾倒を防止するストッパー６０，６４とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、感圧素子、及びダイアフラムを用いた圧力センサーに係り、特に、感圧素子配置面に対して垂直な方向からの衝撃に対する耐性を向上させることのでき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は知られている。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は図１３に示すように、気密ケース２と、第１、第２のベローズ３ａ，３ｂ、圧電振動素子４、および発振回路５を基本として構成されている。気密ケース２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３ａ，３ｂはそれぞれ、気密ケース２の外殻を構成する一対の端板６ａ，６ｂに形成された貫通孔（圧力入力口）８を覆うように、気密ケース２内部に配置される。第１、第２のベローズ３ａ，３ｂ間には、振動子接着台座７が設けられる。圧力入力口８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３ａ，３ｂ間に配置された振動子接着台座７は、第１、第２のベローズ３ａ，３ｂ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４は、気密ケース２を構成するいずれか一方の端板６ａ（６ｂ）と、振動子接着台座７との間に配置され、振動子接着台座７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５は、圧電振動素子４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４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３ａ，３ｂ間に付与された圧力の差圧の検出が可能となる。

しかし、特許文献１に開示されている圧力センサー１では構成上、気密ケース２と圧電振動素子４との熱膨張係数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。

このような問題に対し本願発明者達は、熱膨張係数の違い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２に示す圧力センサーを提案している。特許文献２に開示した圧力センサーは、図１４に示すように、圧電振動素子４ａと、この圧電振動素子４ａを収容するハウジング２ａ、およびハウジング２ａの一端に設けたダイアフラム３ｃを基本として構成される。ハウジング２ａは、ダイアフラム３ｃ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３ｃは、中央部と可撓部、および周縁部を備え、可撓部の内周側に位置する中央部が受圧部として機能する構成とされる。圧電振動素子４ａは、振動部４ａ１と振動部４ａ１の両端に一対の基部４ａ２，４ａ３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４ａは、いずれか一方の基部４ａ２をダイアフラム３ｃにおける中央部に接続すると共に、他方の基部４ａ３から延設された支持板７ａが、ダイアフラム３ｃにおける周縁部に設けられたハーメチック端子９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１ａによれば、圧電振動素子４ａの両端がダイアフラム３ｃに接続されることとなるため、熱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２０１０−４８７９８号公報

特許文献２に開示したような構成の圧力センサーであれば確かに、熱膨張係数の違い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２に開示されている圧力センサーは、圧電振動素子をダイアフラムに対して、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、圧電振動素子の面方向、すなわち振動部４ａ１と基部４ａ２，４ａ３とを含む同一平面に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、圧電振動素子の面方向に対して垂直な方向の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］受圧方向へ変位する中央部と、前記中央部の外周に位置して変位することを抑えられた周縁部とを有するダイアフラムと、前記中央部の変位方向に沿って検出軸を定めた感圧部と前記感圧部を挟持する一対の基部とを有し、いずれか一方の基部を前記ダイアフラムにおける前記中央部における一方の面に固定される感圧素子と、前記ダイアフラムの外周側に配置され、前記感圧素子配置側に位置する主面に段差部を備えるリング部と、前記感圧素子におけるいずれか他方の基部を前記ダイアフラムにおける前記周縁部、または前記段差部に接続する支持板本体と、前記支持板本体と平行に配置され、前記感圧素子の傾倒を防止するストッパーとを備えたことを特徴とする圧力センサー。

このような構成とすることにより、支持板本体と平行に配置されたストッパーが、感圧素子の傾倒を防止することとなる。これにより、検出軸と直交する方向、すなわち感圧素子の主面方向に対する衝撃への耐性を高めることが可能となる。

［適用例２］適用例１に記載の圧力センサーであって、前記支持板本体および前記ストッパーは、前記感圧素子を基点として、前記感圧素子の主面と同一平面上に、線対称に設けられることを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることにより、主面方向に対する衝撃を受けた際、感圧素子に捻れが生ずることを防止することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の圧力センサーであって、前記他方の基部と前記支持板本体とを連結する梁部を備え、前記ストッパーは、前記梁部に基点を有する第１ストッパーと前記段差部に基点を有する第２ストッパーとから成り、前記第１ストッパーの自由端は前記段差部に対向すると共に前記段差部との間に間隙を有し、前記第２ストッパーの自由端は前記梁部に対向すると共に前記梁部との間に間隙を有し、前記間隙は互いに前記第１ストッパーおよび前記第２ストッパーにおいて前記梁部を有する主面と反対側の主面に設けられることを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることにより、第１ストッパーと第２ストッパーとで、それぞれ異なる方向への傾倒を防止することが可能となる。

［適用例４］適用例３に記載の圧力センサーであって、前記支持板本体と前記第１ストッパー、および前記第２ストッパーのうちの少なくとも一方とを一体形成したことを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることで、圧力センサーを構成する部品の部品点数を減らすことができ、製造コストの低減と生産性の向上を図ることができる。

［適用例５］適用例１または適用例２に記載の圧力センサーであって、前記感圧素子と前記支持板本体、および前記ストッパーとを一体形成し、前記ストッパーの先端部と前記段差部との間に間隙を設けたことを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることによっても、圧力センサーを構成する部品の部品点数を減らすことができ、製造コストの低減と生産性の向上を図ることができる。

［適用例６］適用例５に記載の圧力センサーであって、前記ストッパーは、前記支持板本体から分岐されていることを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることによれば、ストッパーが機能するための衝撃の強さを調整することが可能となる。

第１の実施形態に係る圧力センサーの部分断面透過斜視図である。 第１の実施形態に係る圧力センサーにおける段差部と支持板本体、および梁部の接続状態を示す拡大側面図である。 感圧素子が傾倒した際のストッパーの働きを説明するための部分透過斜視図であり、（Ａ）は静止状態、（Ｂ）は＋Ｙ軸方向へ傾倒した状態、（Ｃ）は−Ｙ軸方向へ傾倒した状態を示す。 第１の実施形態に係る圧力センサーにおける感圧素子と支持板ユニットの製造工程を説明するための模式図である。 第１の実施形態に係る圧力センサーの変形形態を示す図である。 第１の実施形態に係る圧力センサーに採用する支持板ユニットの変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る圧力センサーの部分断面透過斜視図である。 第２の実施形態に係る圧力センサーに採用する支持板ユニットの変形例を示す図である。 第３の実施形態に係る圧力センサーの部分断面透過斜視図である。 第３の実施形態に係る圧力センサーに採用する支持板ユニットの変形例を示す図である。 第３の実施形態に係る圧力センサーに採用するリング部の変形例を示す斜視図である。 感圧素子にＡＴカット水晶振動片を採用した圧力センサーの例を示す部分断面透過斜視図である。 ベローズを用いた従来型の圧力センサーの構成を示す図である。 感圧素子に対する熱歪みの影響を抑制した従来型の圧力センサーの構成を示す図である。

以下、本発明の圧力センサーに係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１に第１実施形態に係る圧力センサーの部分断面透過斜視図を示す。なお、図１において、Ｘ軸は図中右側（−Ｘ）と左側（＋Ｘ）に延びる軸を示し、Ｙ軸は、図中手前側（＋Ｙ）と奥側（−Ｙ）に延びる軸を示し、Ｚ軸は図中上側（−Ｚ）と下側（＋Ｚ）に延びる軸を示す。なお、図１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２８、および感圧素子３８を基本として構成される。このような基本構成を有する圧力センサー１０では、例えばハウジングの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、円形の封止板１４、円形のリング部２２、円筒形の側壁部２０、および図示しない支持シャフトを有する。封止板１４は、フランジ部１６とボス部１８とを有する。フランジ部１６は、円筒形の側壁部２０の端部と接する構成とされるため、側壁部２０の内径よりも大きな外形を有する。一方ボス部１８は、円筒形の側壁部２０に嵌め込まれる構成とされるため、側壁部２０の内径に対し、マイナスの公差をもった外形を有する。

リング部２２は、側壁部２０における封止板１４配置端と反対側の端部に設けられるリング状部材である。側壁部２０の内周側に配置されるため、その外径は側壁部２０の内周に対してマイナスの公差を有し、内側に設けられた開口部２３には、詳細を後述するダイアフラム２８が設けられる。本実施形態におけるリング部２２は、半円毎に、その厚みを異ならせた肉厚部２４と肉薄部２６とを有する構成としている。このため、中心を基点として１８０°の相対位置に、対を成す段差部２７を有することとなる。

封止板１４のボス部１８とリング部２２の対向面には、対向位置に、図示しない支持シャフトを嵌め込む穴（不図示）が形成されている。よって当該穴に支持シャフトを嵌め込むことにより、封止板１４とリング部２２とは支持シャフトを介して接続されると共に、位置決めされる。支持シャフトは、一定の剛性を有し、±Ｚ方向に長手方向を合わせて配置される棒状部材である。なお支持シャフトの本数や配置は、各圧力センサーの仕様等に応じて任意に定められる。

また封止板１４には、ハーメチック端子７０が取り付けられている。このハーメチック端子７０は、後述の感圧素子３８の電極部（不図示）とワイヤー７２を介して電気的に接続される。このような構成とすることで、ハウジング１２内に封止された感圧素子３８であっても、ハーメチック端子７０を介して電極部に電圧を印加することが可能となる。よって、ハウジング１２の外部面、またはハウジング１２の外部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））と感圧素子３８の電極部とを電気的に接続することも可能となる。

なお図１においてハーメチック端子７０は２つ描かれているが、感圧素子３８の電極部（不図示）の総数に応じてその増減を図ることができる。また上述の液圧センサーとして用いる場合は、封止板１４には、大気導入口（不図示）を設けるようにし、ハウジング内部を大気開放させることができる。

このように配置構成される封止板１４、リング部２２、および側壁部２０は、ステンレス等の金属で形成することが好ましく、図示しない支持シャフト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２８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３２を有する。可撓部３２がハウジング１２の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３８にＺ軸に沿った圧縮応力或いは引張応力を伝達することとなる。またダイアフラム２８は少なくとも、中央部３０と、可撓部３２、および周縁部３４とを有する。中央部３０は、外部からの圧力によって変位することとなる受圧部であり、可撓部３２は、中央部の外周にあり、ダイアフラム２８が外部からの圧力を受けた際、撓み変形することで中央部３０が変位できるようした部位である。また、周縁部３４は、可撓部３２の外側、即ち可撓部３２の外周に設けられ、リング部２２に形成された開口部２３の内壁に接合して固定される部位である。なお理想的には、周縁部３４は圧力を受けても変位せず、中央部３０は圧力を受けても変形しないものであると良い。

ダイアフラム２８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２８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、ダイアフラム２８を金属により構成する場合であれば、ニッケルの化合物等をコーティングすると良い。また、ダイアフラム２８の構成部材を水晶のような圧電結晶体とする場合には、珪素等をコーティングすればよい。

ダイアフラム２８の中央部３０には支持部３６が設けられている。支持部３６には、感圧素子３８の第１の基部４２が接続されている。感圧素子３８の第２の基部４４には梁部４６が接続され、梁部４６は、一対の支持板ユニット４８により支持される構成が採られている。梁部４６は、中央部３０の変位方向と直交する方向（±Ｘ軸方向）に長手方向を有する板部材であり、長手方向の中心に感圧素子３８における第２の基部４４を接続する構成とされている。

梁部４６は、受圧手段であるダイアフラム２８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２８と同一材料（ステンレス）により形成することが望ましい。このような構成とすることにより、感圧素子３８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２８と梁部４６との膨張・収縮の割合が一致することとなる。このため、梁部４６とダイアフラム２８との熱膨張係数の違いによって、支持板ユニット４８がＸ軸方向の熱歪みを受けることを低減されることとなり、結果的に、感圧素子３８に付与される熱歪みも低減することができる。

支持板ユニット４８は、梁部４６の両端の対称位置に設けられ、梁部４６のＺ軸方向高さを保持するための板部材である。支持板ユニット４８を設けることにより、ダイアフラム２８における中央部３０が変位した際、感圧素子３８は梁部４６を基点として伸張応力、あるいは圧縮応力を受けることとなり、共振周波数が変化することとなる。本実施形態に係る支持板ユニット４８は、支持板本体５０と一対のストッパー６０，６４を有し、支持板本体５０における一方の端部５２をリング部２２における段差部２７に、他方の端部５４を梁部４６の端部に、それぞれ接続している。ストッパー６０，６４は、支持板本体５０における一方の端部５２（または一方の端部５２の近傍）と他方の端部５４（または他方の端部５４の近傍）から、支持板本体５０の中心を基点として点対称となるように延設された接続部５６，５８を基点として、支持板本体５０に沿って延設された切片である。すなわち、一方の端部５２側に設けられた接続部５６を基点として延設されたストッパー６０は、他方の端部５４側へ向けて延設される。一方、他方の端部５４側に設けられた接続部５８を基点として延設されたストッパー６４は、一方の端部５２側へ向けて延設される。よって、支持板ユニット４８は、全体構成として、ほぼＳ字状の形態を成すこととなる。このような構成の支持板ユニット４８におけるストッパー６０，６４のうち、一方の端部５２側に基点を持つストッパー６０は、自由端６２を梁部４６に重複させる程度の長さを有する。また、他方の端部５４側に基点を持つストッパー６４は、自由端６６を段差部２７に重複させる程度の長さを有する。支持板ユニット４８は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等、感圧素子３８と同一材料、あるいは熱膨張係数が等しい材料により構成することが望ましい。このような構成とすることにより、支持板ユニット４８から感圧素子３８に負荷される熱歪みを抑制することができるからである。

支持部３６と支持板ユニット４８、梁部４６と支持板ユニット４８との接続はそれぞれ、接着剤６８により成されている。接着剤６８については特に限定するものでは無く、例えばエポキシ系の接着剤を挙げることができる。また、支持部３６、支持板ユニット４８、梁部４６はそれぞれ、図２に示すように、側面視した構造が積層構造となるように接続される。接続に用いられる接着剤６８は厚みを有するため、梁部４６とストッパー６０の自由端６２との間、および段差部２７とストッパー６４の自由端６６との間には、それぞれ間隙が設けられる。

このような構成とすることで、感圧素子３８が傾倒した場合には、図３に示すように、ストッパー６０，６４が機能することとなる。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、感圧素子３８が＋Ｙ軸方向へ傾倒した場合には、ストッパー６４の自由端６６が段差部２７に接触し、それ以上の傾倒を抑制することとなる。一方、図３（Ｃ）に示すように、感圧素子３８が−Ｙ軸方向へ傾倒した場合には、ストッパー６０の自由端６２が梁部４６に接触し、それ以上の傾倒を抑制することとなる。このため、検出軸（Ｚ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）の衝撃に対する耐性を向上させることができる。なお、図３において、図３（Ａ）は、感圧素子３８が傾倒していない状態を示す斜視図である。

本実施形態で用いた感圧素子３８は、感圧部である振動腕４０と、この振動腕４０を挟持するように配置された第１の基部４２と第２の基部４４を有する。第１の基部４２は上述したように、ダイアフラム２８の中央部３０に設けられた支持部３６に対し、接着剤６８を介して接続されている。一方、第２の基部４４は、上述した梁部４６の長手方向中央部に、接着剤６８を介して接続されている。そして感圧素子３８の振動腕４０には励振電極（不図示）が形成され、第２の基部４４には、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）が設けられる。

このような構成とされる感圧素子３８は、その長手方向（Ｚ軸方向）、すなわち第１の基部４２と第２の基部４４とが並ぶ方向をダイアフラム２８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。

感圧素子３８は、ハーメチック端子７０及びワイヤー７２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３８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４０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４０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。なお、双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振動腕４０の共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕４０の共振周波数は低くなるといった性質を有する。

ここで、図１に示す例では２つの柱状の振動ビームを有する、いわゆる双音叉型の圧電振動片を感圧素子３８として採用する例を示した。しかしながら、本実施形態に採用することのできる感圧素子は、これに限定されるものでは無い。たとえば、感圧素子として、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を有する素子を適用することもできる。感圧部（振動腕）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。また当然に、屈曲振動型の感圧素子のみならず、厚み滑り型の振動を励起する振動子や、弾性表面波を励起する振動子を感圧素子として採用することもできる。

図４に、感圧素子３８と支持板ユニット４８を水晶により構成する際の製造工程の模式図を示す。水晶で形成する場合、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１００を用意し、母基板１００の表面にポジ型のフォトレジスト１０２を塗布する（図４（Ａ））。次に、感圧素子３８と、支持板ユニット４８の形状に対応したフォトマスク（不図示）を用いて露光し、フォトレジスト１０２を感光させ、感光部１０４を形成する（図４（Ｂ））。その後、現像を行い感光部１０４に該当するフォトレジストを除去する（図４（Ｃ））。次に、母基板１００が露出した領域をエッチングすることにより感圧素子３８と支持板ユニット４８の形状形成を行い（図４（Ｄ））、フォトレジスト１０２を剥離する（図４（Ｅ））。

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２２にダイアフラム２８を接続するとともに、ダイアフラム２８の中央部３０に支持部３６を配置する。その後、冶具（不図示）を用いてダイアフラム２８およびリング部２２を保持し、支持部３６に感圧素子３８における第１の基部４２を接続し、段差部２７に支持板本体５０における一方の端部５２を接続する。その後、感圧素子３８の第２の基部４４、および支持板本体５０における他方の端部５４に、梁部４６を掛け渡すようにして接続する。
このような構成の圧力センサー１０によれば、上述したように、検出軸（Ｚ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に対する衝撃への耐性を向上させることができる。

次に封止板１４に、リング部２２の位置決めを成す図示しない支持シャフトを配置すると共に、ハーメチック端子７０のハウジング内部側と感圧素子３８の電極部（不図示）とをワイヤー７２により電気的に接続する。このときハーメチック端子７０のハウジング外部側はＩＣ（不図示）に接続する。最後に側壁部２０をリング部２２側から差し込んで、側壁部２０の端部を封止板１４のフランジ部１６と、リング部２２の外周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、大気導入口を形成せず、真空中で圧力センサー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２８の中央部３０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３０がハウジング１２の外側に変位する。

そして、ダイアフラム２８の中央部３０がハウジング１２の外側に変位すると、感圧素子３８は、中央部３０と、リング部２２に接続された支持板本体５０により支持された梁部４６との間で引張応力を受ける。逆に中央部３０がハウジング１２の内側に変位すると、感圧素子３８は、中央部３０と梁部４６との間で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２８、支持板ユニット４８、梁部４６、および感圧素子３８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１０は、第１の基部４２がダイアフラム２８の中央部３０に固定され、第２の基部４４は、梁部４６、および支持板ユニット４８を介してリング部２２に固定されている。そして、リング部２２、ならびに梁部４６は、ダイアフラム２８を構成する部材と同じ部材、あるいは熱膨張係数が近似している部材により構成されており、支持板ユニット４８は感圧素子３８と同じ部材により構成されている。このため、温度変化により感圧素子３８に負荷される熱歪みは、検出軸（Ｚ軸方向）と垂直な方向（Ｘ軸、Ｙ軸方向）、検出軸と平行な方向（Ｚ軸方向）共に、低減されることとなる。

上記実施形態に係る圧力センサー１０は、梁部４６の両端に、線対称な関係となるように支持板ユニット４８を配置する旨例示した。しかしながら、本実施形態に係る圧力センサー１０は、図５に示すような形態としても良い。すなわち、梁部４６におけるいずれか一方の端部に支持板ユニット４８を配置し、他方の端部には支持板本体５０のみを配置するといった形態である。
このような構成とした場合であっても、支持板ユニット４８が、感圧素子３８のＹ軸方向への傾倒を防止することができる。よって、上記実施形態と同様に、Ｙ軸方向からの衝撃への耐性を向上させることができる。

図６に、本実施形態に係る圧力センサー１０における支持板ユニットの変形形態を示す。上記実施形態における支持板ユニット４８における支持板本体５０は、一方の端部５２側、あるいは他方の端部５４側に、点対称となるように接続部５６，５８を設け、この接続部５６，５８を基点としてストッパー６０，６４を延設する構成としていた。これに対し図６に示す形態では、支持板本体５０の中央寄りに、接続部５６，５８を設け、それぞれ接続部５６，５８を基点として一方の端部５２側、または他方の端部５４側へ自由端６２，６６を配置するようにストッパー６０，６４を延設している。

このような構成とした場合、接続部５６，５８の位置を調整することで、ストッパー６０，６４を効かすための衝撃強度を調整することができる。すなわち、接続部５６，５８が、自由端６２，６６の位置する端部側（一方の端部５２または他方の端部５４）に近接するほど、強い衝撃時にストッパーが機能する構成となる。

上記実施形態に係る圧力センサー１０では、生産性を向上させるため、ストッパー６０，６４を支持板本体５０と一体形成し、支持板ユニットを構成していた。しかしながら当然に、本実施形態に係る圧力センサー１０では、ストッパー６０，６４と、支持板本体５０とを個別部材としても良い。ただし、このような構成とした場合には、ストッパー６０，６４や支持板本体５０を、段差部２７や梁部４６に固定する際には、個別に接着剤６８を塗布する必要がある。

次に、図７を参照して、本発明の圧力センサーに係る第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る圧力センサーも、そのほとんどの構成は、第１の実施形態に係る圧力センサー１０と同様である。よって、その構成を同一とする箇所には、図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。

本実施形態に係る圧力センサーと、第１の実施形態に係る圧力センサー１０との相違点は、支持板ユニットの構成にある。具体的には、第１の実施形態に係る圧力センサー１０における支持板ユニット４８は、平面形態をＳ字状としていたのに対し、本実施形態に係る圧力センサーの支持板ユニット４８ｂは、平面形態をＵ字状としている。

第１の実施形態に係る圧力センサー１０の支持板ユニット４８は、支持板本体５０における一方の端部５２と他方の端部５４のそれぞれに、点対称な配置形態となるように接続部５６，５８を配置し、双方からストッパー６０，６４を延設する構成としていたため、その平面形態がＳ字状を成すこととなっていた。これに対し本実施形態に係る支持板ユニット４８ｂは、支持板本体５０における一方の端部５２、または他方の端部５４のいずれか一方（図７に示す例では他方の端部５４）に接続部５６ａを設け、いずれか他方（図７に示す例では一方の端部５２）へ、ストッパー６０を延設する構成としているため、その平面形状がＵ字状を成すこととなる。

このような平面形状を有する支持板ユニット４８ｂは、感圧素子３８を基点として、点対称な配置形態が採られることとなる。すなわち、一方の支持板ユニット４８ｂが、一方の端部を段差部２７に接続する場合、他方の支持板ユニット４８ｂは、他方の端部５４を段差部２７に接続する配置形態を採る。このような配置形態を採ることで、感圧素子３８が図中手前側（＋Ｙ軸側）へ傾倒した場合には、一方の端部５２を段差部２７に接続した支持板ユニット４８ｂにおけるストッパー６０の自由端６２が段差部２７に接触して傾倒を抑制することとなる。一方、感圧素子３８が図中奥側（−Ｙ軸側）へ傾倒した場合には、他方の端部５４を段差部２７に接続した支持板ユニット４８ｂにおけるストッパー６０の自由端６２が梁部４６に接触して傾倒を抑制することとなる。よって、このような構成の支持板ユニット４８ｂでは、２個一対で、検出軸に直交する方向の衝撃に対する耐性を高めることとなる。
なお、その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る圧力センサー１０と同様である。

図８に、本実施形態に係る支持板ユニットの変形形態を示す。上記実施形態における支持板ユニット４８ｂは、支持板本体５０における一方の端部５２側、あるいは他方の端部５４側のいずれか一方に接続部５６ａを設け、この接続部５６ａを基点としてストッパー６０を延設する構成としていた。これに対し図８に示す形態では、支持板ユニット４８ｃにおける支持板本体５０の中央寄りに、接続部５６ａを設け、この接続部５６ａを基点として一方の端部５２側と他方の端部５４側の双方に自由端６２を配置するようにストッパー６０を延設する構成としている。このような構成とした場合、接続部５６ａの位置を調整することで、ストッパー６０を効かすための衝撃強度を調整することができる。

次に、図９を参照して、本発明の圧力センサーに係る第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る圧力センサーも、そのほとんどの構成は、第１の実施形態に係る圧力センサー１０と同様である。よって、その構成を同一とする箇所には、図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。

本実施形態に係る圧力センサーと、第１の実施形態に係る圧力センサー１０との相違点は、感圧素子３８と梁部４６、支持板本体５０ａ、およびストッパー６０ａの関係にある。具体的には、第１の実施形態に係る圧力センサー１０では、感圧素子３８と梁部４６、および支持板本体５０（支持板ユニット４８）をそれぞれ別部材により構成し、これらを接着剤６８を介して接続する構成としていた。これに対し、本実施形態に係る圧力センサーでは、感圧素子３８と梁部４６、支持板本体５０ａ、およびストッパー６０ａを同一部材により一体形成したことを特徴としている。

また、本実施形態に係る圧力センサーでは、支持板本体５０ａの一方の端部５２をダイアフラム２８の周縁部３４に設けた支持板支持部８０に、接着剤６８を介して接続する構成としている。ダイアフラム２８の周縁部３４は撓みが抑制されており、支持板本体５０ａを安定して固定することが可能だからである。また、このような構成とする場合には、ダイアフラム２８の周縁部３４にハーメチック端子（不図示）を配置し、支持板本体５０ａの一方の端部５２をハーメチック端子に接続して固定するようにしても良い。支持板本体５０ａに電極を形成しておけば、ハーメチック端子と、感圧素子３８における電極部との電気的接続にワイヤーを使用する必要性が無くなり、接続性が向上するからである。なお、図９においては、支持板本体５０ａの平面形状をクランク状にしているが、支持板本体５０ａは、梁部４６から周縁部３４へ垂直に降ろす形態としても良い。

本実施形態では、感圧素子３８と梁部４６、支持板本体５０ａ、およびストッパー６０ａを一体形成する構成を採っているため、ストッパー６０ａの自由端の当接面は、リング部２２ａにおける段差部２７のみとなる。このため、梁部４６は、支持板本体５０ａの他方の端部５４（基点）からさらに側壁部（不図示）側のリング部２２ａ直上位置にまで延設されている。そしてストッパー６０ａは、梁部４６の両端部からリング部２２ａへ向けて延設され、自由端６２が段差部２７と当接可能な位置に配されることとなる。

第１の実施形態に係る圧力センサー１０では、リング部２２に半円状に肉厚部２４を形成し、感圧素子３８を基点として線対称に段差部２７を設ける構成としていた。これに対し本実施形態に係る圧力センサーでは、感圧素子３８を基点として点対称な位置に肉厚部２４を形成し、一方の段差部２７が一方のストッパー６０ａの一方の主面側に配置された場合、他方の段差部２７は他方のストッパー６０ａにおける他方の主面側に配置される構成とした。このような構成とする事により、感圧素子が＋Ｙ軸側に傾倒した場合であっても、−Ｙ軸側に傾倒した場合であっても、いずれかのストッパー６０ａの自由端６２が段差部２７に接触し、傾倒を抑制することが可能となる。

また、図９に示す実施形態では、支持板本体５０ａは、梁部４６を基点として延設される旨記載した。しかしながら支持板本体は、図１０に示すように、ストッパー６０ｂを基点として延設される構成としても良い。このような構成とする場合、ストッパー６０ｂは、リング部２２ａ上に位置することとなるため、支持板本体５０ｂは、ストッパー６０ｂの中間部から感圧素子３８側へ延設された後、第１の基部４２側へ向けて延設される。このような構成とすることで、支持板本体５０ｂの一方の端部５２が、ダイアフラム２８（図９参照）の周縁部３４（図９参照）上に位置することとなる。

このように、支持板本体５０ｂをストッパー６０ｂを基点として延設することによれば、支持板本体５０ｂの基点の位置によって、ストッパー６０ｂが機能する衝撃強度を調整することが可能となる。

なお、上記実施形態では、段差部２７は対を成すストッパー６０ａ（６０ｂ）の一方の主面側または他方の主面側のいずれか一方のみに配置される旨示した。しかしながら、リング部の構成を図１１に示すようなものとすることで、段差部２７は、各ストッパー６０ａ（６０ｂ）の一方の主面側と他方の主面側の双方にそれぞれ配置されることとなる。すなわち、リング部２２ｂの全周を肉厚部２４とした上で、リング部２２ｂの中心を基点として線対称位置に溝状の肉薄部２６を形成するのである。このような構成とすることで、段差部２７は、いわゆる溝の側壁を成すように設けられることとなる。そして、ストッパー６０ａ（６０ｂ）の自由端６２は、この溝に挿入する形態を採れば良い。

また、本発明に係る圧力センサーは、ハウジングにおける封止板取り付け位置にもダイアフラム（例えば第２のダイアフラム（不図示））を設け、差圧型の圧力センサーとしても良い。このような構成とする場合、例えば図１に示す支持部３６を延長し、対向位置に設けられた第２のダイアフラムにおける中央部に接続すると良い。これにより、支持部３６が、第１のダイアフラム（ダイアフラム２８）と第２のダイアフラムとの間で、双方のダイアフラムに負荷された圧力を伝達する力伝達シャフトとして機能することとなる。

図１２は、上述したように、厚み滑り型の振動を励起する感圧素子３８ａを採用した圧力センサーの例を示す部分断面斜視図である。ＡＴカット水晶振動片（感圧素子３８ａ）は、水晶基板をＸ軸に平行で、Ｚ軸から３５度１５分付近の角度で切り出した水晶チップにより構成される。ＡＴカット水晶振動片の両主面には、一対の励振電極３９が設けられている。なお、その他の構成は、上述した実施形態に係る圧力センサーと同様である。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共振周波数が高い。よって、測定速度が高速化されることとなる。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など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………封止板、１６………フランジ部、１８………ボス部、２０………側壁部、２２………リング部、２３………開口部、２４………肉厚部、２６………肉薄部、２７………段差部、２８………ダイアフラム、３０………中央部、３２………可撓部、３４………周縁部、３６………支持部、３８………感圧素子、４０………振動腕、４２………第１の基部、４４………第２の基部、４６………梁部、４８………支持板ユニット、５０………支持板本体、５２………一方の端部、５４………他方の端部、５６………接続部、５８………接続部、６０………ストッパー、６２………自由端、６４………ストッパー、６６………自由端、６８………接着剤、７０………ハーメチック端子、７２………ワイヤー。

Claims (6)

1. 受圧方向へ変位する中央部と、前記中央部の外周に位置して変位することを抑えられた周縁部とを有するダイアフラムと、
   前記中央部の変位方向に沿って検出軸を定めた感圧部と前記感圧部を挟持する一対の基部とを有し、いずれか一方の基部を前記ダイアフラムにおける前記中央部における一方の面に固定される感圧素子と、
   前記ダイアフラムの外周側に配置され、前記感圧素子配置側に位置する主面に段差部を備えるリング部と、
   前記感圧素子におけるいずれか他方の基部を前記ダイアフラムにおける前記周縁部、または前記段差部に接続する支持板本体と、
   前記支持板本体と平行に配置され、前記感圧素子の傾倒を防止するストッパーとを備えたことを特徴とする圧力センサー。
2. 請求項１に記載の圧力センサーであって、
   前記支持板本体および前記ストッパーは、前記感圧素子を基点として、前記感圧素子の主面と同一平面上に、線対称に設けられることを特徴とする圧力センサー。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧力センサーであって、
   前記他方の基部と前記支持板本体とを連結する梁部を備え、
   前記ストッパーは、前記梁部に基点を有する第１ストッパーと前記段差部に基点を有する第２ストッパーとから成り、前記第１ストッパーの自由端は前記段差部に対向すると共に前記段差部との間に間隙を有し、前記第２ストッパーの自由端は前記梁部に対向すると共に前記梁部との間に間隙を有し、前記間隙は互いに前記第１ストッパーおよび前記第２ストッパーにおいて前記梁部を有する主面と反対側の主面に設けられることを特徴とする圧力センサー。
4. 請求項３に記載の圧力センサーであって、
   前記支持板本体と前記第１ストッパー、および前記第２ストッパーのうちの少なくとも一方とを一体形成したことを特徴とする圧力センサー。
5. 請求項１または請求項２に記載の圧力センサーであって、
   前記感圧素子と前記支持板本体、および前記ストッパーとを一体形成し、前記ストッパーの先端部と前記段差部との間に間隙を設けたことを特徴とする圧力センサー。
6. 請求項５に記載の圧力センサーであって、
   前記ストッパーは、前記支持板本体から分岐されていることを特徴とする圧力センサー。
   
   
   

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