CN101603870B - 压力传感器用膜片和压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供抑制了对熔接后的受压面造成的残留应力并改善了经年劣化的压力传感器用膜片和搭载了该膜片的压力传感器。压力传感器(10)用膜片(32)呈同心圆状一体地具有中央部(膜片主体)(40)和周缘部(凸缘)(44)，该中央部(40)的外表面受到外部压力而变形，内表面向外壳(12)内部的感压元件(38)传递力，该周缘部(44)在所述中央部(膜片主体)(40)的外侧，与形成在外壳(12)上的接头(22)的外周熔接，所述压力传感器(10)用膜片(32)封闭所述接头(22)，设置有在所述中央部(膜片主体)(40)和所述周缘部(凸缘)(44)之间形成阶梯的缓冲部(42)。

Description

压力传感器用膜片和压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器用膜片和搭载了该膜片的压力传感器，特别适合于改善膜片的经年劣化。
背景技术
以往，公知有水压计、气压计、压力差计等使用压电振动元件作为感压元件的压力传感器。所述压电振动元件例如在板状的压电基板上形成电极图案，将力的检测方向设定成检测轴，当在该检测轴的方向上作用有压力时，所述压电振子的谐振频率变化，根据该谐振频率的变化来检测压力。在专利文献1～3中，公开了使用压电振动元件作为感压元件的压力传感器。通过压力导入口对波纹管施加压力时，与该波纹管的有效面积对应的力经由以枢轴(挠曲铰链)为支点的力传递单元，以压缩力或拉伸力的形式将力F施加到压电振动元件上。在所述压电振子上产生与该力F对应的应力，通过该应力使谐振频率变化。该压力传感器通过检测在压电振子上产生的谐振频率的变化来测定压力。
使用专利文献1等中公开的例子说明现有的压力传感器。图10是示出现有的压力传感器的结构的示意图。
图10所示的现有的压力传感器501具有：具有对置配置的第1和第2压力输入口502、503的框体504；和框体504内部的力传递部件505，以夹持力传递部件505的一端的方式连接第1波纹管506和第2波纹管507。而且，第1波纹管506的另一端与第1压力输入口502连接，第2波纹管507的另一端与第2压力输入口503连接。进而，在力传递部件505的另一端和基板508的不是枢轴(支点)侧的端部之间配置有双音叉型振子509作为感压元件。
这里，在压力传感器中，在高精度地检测压力的情况下，在波纹管内部填充有液体。作为所述液体，一般使用粘性高的硅油等油，以防止气泡进入波纹管的内部或内部的波纹部分或者积存。
这样，在第1波纹管506内部填充具有粘性的油510，并构成为在压力测定的对象为液体的情况下，通过在第1压力输入口502上开设的开口部511使液体与油510接触并相对。另外，开口部511的开口直径被设定为不会使油510泄漏到外部。
在这种结构的压力传感器501中，在通过作为压力测定对象的液体对填充在第1波纹管506内部的油510施加压力F时，压力F经由第1波纹管506施加到力传递部件505(被枢轴支承的摆动杆)的一端。另一方面，在第2波纹管507上施加大气压，与大气压相当的力施加在力传递部件505的一端。
其结果，经由力传递部件505的另一端，与通过作为压力测定对象的液体施加的压力F和大气压之间的压力差相当的力以基板508的枢轴为支点，作为压缩力或者拉伸力施加到双音叉型振子509上。对双音叉型振子509施加压缩力或者拉伸力时，在双音叉型振子509上产生应力，谐振频率根据所述应力的大小而变化，所以，通过测定该谐振频率，能够检测压力F的大小。
另一方面，在专利文献4中提出了如下结构的压力传感器：采用在所述压力传感器中使用的以枢轴(挠曲铰链)为支点的摆动杆，而不采用高价的力传递单元(悬臂)。在传感器外壳内，在一条直线上排列2个波纹管，并在波纹管之间夹入支座，利用沿着波纹管的伸缩方向的支座的动作，来检测由于被导入到各个波纹管中的压力差所引起的压力变动。因此，在第1波纹管的一端和第2波纹管的一端之间夹入振子粘接用支座，利用第2波纹管的外周侧，将感压元件的两端分别固定于所述支座和第2波纹管的另一端侧的外壳壁面上。而且，采用如下结构：在之间夹持第2波纹管的线对称位置上配置加强板，将该加强板的两端分别固定于所述支座和所述外壳壁面上。
进而，在专利文献5中，关于专利文献4中公开的所述压力传感器，为了解决针对来自与波纹管的压力检测轴方向正交的方向的冲击的强度较弱的课题，提出了如下的压力传感器：在与压力检测轴方向正交的方向上，使用加强用弹性部件(所谓的弹簧)连接所述支座和外壳。
接着，在专利文献6、7中，公开了为了检测发动机内部的油压而固定在发动机机体上使用的压力传感器。该压力传感器由输出与所施加的压力对应的电信号的传感部、承受压力的受压用膜片部、以及用于从膜片向传感部传递压力的压力传递部件构成，具体而言，在中空金属管的一个端面设置受压用的第1膜片，在另一端面设置检测用的第2膜片，在管内，在所述第1、第2膜片之间夹设力传递部件。力传递部件是由金属或陶瓷构成的中心轴，将其以施加有预应力的状态夹设于一对膜片之间。而且，在第2膜片的外端面上贴附有作为压力检测元件的具有应变仪功能的芯片，通过力传递部件将由第1膜片承受的压力传递到第2膜片，并通过应变仪芯片将第2膜片的变形转换成电信号，从而检测发动机油压。
进而，在专利文献8、9中，示出具有如下结构的压力传感器：通过膜片对内置了感压元件的外壳的压力输入口进行密封，其中公开了通过激光熔接或电子束熔接等对膜片进行焊接的结构。此时，在膜片和外壳的熔接部位呈环状地形成板条(熔接凝固部)。
【专利文献1】日本特开昭56-119519号公报
【专利文献2】日本特开昭64-9331号公报
【专利文献3】日本特开平2-228534号公报
【专利文献4】日本特开2005-121628号公报
【专利文献5】日本特开2007-57395号公报
【专利文献6】日本特开2006-194736号公报
【专利文献7】日本特开2007-132697号公报
【专利文献8】日本特开2005-106527号公报
【专利文献9】日本特开2005-106528号公报
但是，在专利文献1～3的发明中，如图10所示的压力传感器那样，填充于第1波纹管506中的油510与构成压力传感器501的要素、例如力传递部件505、双音叉型振子509等相比，热膨胀系数较大，所以，构成压力传感器501的各部件因温度变化而产生热应变。这样的热应变作为不必要的应力而作用在双音叉型振子509上，因此，存在所测定的压力值产生误差从而使压力传感器的特性恶化的问题。
并且，填充于第1波纹管506中的油610与作为压力测定对象的液体接触并相对，但是，根据压力传感器的设置方法不同，有时油510会流出到作为压力测定对象的液体侧，或者液体流入到第1波纹管506侧，所以，有时会在填充于第1波纹管506中的油510内产生气泡。当在油510内产生气泡时，作为压力的传递介质发挥功能的油510无法经由力传递部件505将力稳定地传递到双音叉型振子，因此，压力测定有可能产生误差。
进而，如上所述，由于油510与作为压力测定对象的液体接触并相对，因此根据压力传感器的设置方法不同，油510可能会流出到作为压力测定对象的液体侧，在用于对忌讳有异物混入的洁净液体进行压力测定时，存在无法使用采用了油510的现有压力传感器的问题。
进而，现有的压力传感器501的力传递部件505具有复杂结构，在使压力传感器小型化时成为障碍。并且，由于力传递部件505构成为需要有径部较细的挠曲铰链，因此成为高成本的部件，存在使压力传感器的制造成本升高的问题。
专利文献4和5中提出的压力传感器在姿势倾斜时，波纹管会发生下垂，所以，对感压元件(双音叉振子)施加的力产生变化，由此，存在谐振频率也发生变动的问题。
进而，由于构成为将内部填充有油的管与压力传感器的压力导入口连接，并使该管的另一端与被测定液体接触，因此如专利文献1～3中所揭示的那样，填充于波纹管或管中的油与作为压力测定对象的液体接触并相对，因而根据压力传感器的设置方法不同，有时油会流出到作为压力测定对象的液体侧，或者液体流入到波纹管侧，所以，有时在填充于波纹管中的油内产生气泡，当在油内产生气泡时，作为压力的传递介质发挥功能的油无法经由支座将力稳定地传递到双音叉型振子，所以，存在压力测定产生误差的问题。
在专利文献5中，构成为利用由板簧构成的加强用弹性部件将夹在波纹管之间的支座支承在外壳侧面，因此不可否认的是会作用有抑制支座伴随波纹管的轴向移动而动作的力。因此，有可能导致压力检测灵敏度劣化。并且，当为了使支承变得坚固而增大加强用弹性部件的硬度时，存在抑制波纹管的运动从而使压力检测灵敏度劣化的问题。
进而，在专利文献4、5中，由于加强板与感压元件隔着波纹管对置配置于线对称位置上，因此存在抑制波纹管的运动从而使压力检测灵敏度劣化的问题。
在专利文献6、7中，虽然膜片和轴以施加有预应力的状态接触，但是，由于压力传感器在高温高压下使用，因此进行刚性固定时，有可能因各部件的热膨胀的不同而使机构被破坏，所以，考虑到该热膨胀，只不过将膜片和轴点接触，并未使用粘接剂等粘接单元进行粘接。因此，由于压力变动而使膜片和轴工作时，点接触部偏离的可能性非常高，在接触点偏离的过程中，作用于膜片和轴两者上的力会泄漏，因而存在无法进行高精度的压力检测的问题。并且，由于专利文献6、7中记载的压力传感器原本就是在高温高压下使用的压力传感器，因此为了在受压部和传感部之间留出距离以避免对传感部的芯片等产生热影响，优选力传递部件尽量长，因此，并不优选应用于实现小型化的技术。此外，在专利文献6、7的情况下，在一对膜片之间夹设有轴来进行力的传递，但是，由于构成为在传感部的膜片上安装传感器芯片，因此膜片的性状在受压侧和传感部侧是不同的，因而存在无法提高计测精度的较大缺点。
进而，在专利文献8、9所记载的压力传感器的结构中，当停止熔接用的激光或电子束的照射时，在板条上产生急冷导致的热应变，特别容易产生裂缝等，所以，在使用搭载了这种膜片的压力传感器的情况下，承受来自外部的压力的膜片反复变形，在板条上反复产生应变，所以，裂缝成长，产生膜片的经年劣化和破损的问题。
进而，由于激光照射时的热而膨胀的膜片在激光照射停止后随着冷却而收缩，所以，此时产生的残留应力集中于膜片的受压部中央区域，因此，所述中央区域不均匀地产生应变，存在压力传感器的灵敏度劣化的问题。
进而，熔接部位由于激光照射的熔接温度高而进一步成为高热，因此，存在容易引起脆性破坏的问题。
发明内容
因此，本发明用于解决上述问题点，其目的在于提供如下的压力传感器用的膜片：该膜片承受压力而挠曲变形，特别地，该膜片成为在膜片和安装有膜片的外壳的接合部难以受到应力的形状，改善经年劣化，抑制不均匀的压缩应力的产生，难以引起脆性破坏。并且，其目的在于提供如下的压力传感器：该压力传感器搭载有上述膜片，不使用作为受压介质的油，能够以很少的工序进行制造，成品率良好且能够实现小型化，难以引起经年劣化，灵敏度良好。
本发明正是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为下面的应用例来实现。
【应用例1】一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有：膜片，其受到外部压力而变形；外壳，其具备接头，该接头具有由所述膜片密封的压力输入口；以及感压元件，其收纳在所述外壳内，所述膜片具有圆形的中央部、所述中央部的外侧即与所述中央部呈同心圆状的周缘部、以及一体地连接所述中央部和所述周缘部之间的阶梯壁，所述中央部在所述外壳的被密封的一侧具有用于向所述感压元件传递力的内表面，所述压力输入口的外周处于由所述膜片覆盖的状态，将所述压力输入口的所述外周和所述周缘部熔接，从而密封所述压力输入口，在所述接头上，在所述周缘部的外周形成有隔热槽。
根据上述结构，由于膜片变形导致的应力集中于中央部和阶梯壁的边界，能够使熔接部分和应力集中部分在位置上相分离，所以，能够抑制所述应力传递到外壳的熔接对象的周缘部。因此，即使在熔接时在板条上产生裂缝，也能够抑制由于所述应力导致的裂缝的成长，能够改善膜片的经年劣化即能够延长寿命。并且，根据上述结构，在阶梯区域中缓和周缘部中由于熔接后的冷却而产生的残留应力，所以，能够抑制中央部不均匀地产生应变，能够抑制膜片的灵敏度的劣化。
根据上述结构，在阶梯区域中缓和周缘部中由于熔接后的冷却而产生的残留应力，能够抑制中央部的膜片主体不均匀地产生应变。由此，与中央部连接的力传递单元的位移方向不会产生偏离，防止了从膜片到感压元件的力传递的损失，成为不会对灵敏度特性造成不良影响的压力传感器。
通过隔热槽来减小压力输入口的熔接部位的体积而降低热容量，所以，能够降低熔接时的热量，由此，能够将熔接温度抑制得较低，所以，能够抑制由于熔接部位的热应变而导致的脆性破坏。而且，还能够减小熔接结束后的冷却过程中的膜片的收缩率，所以，成为降低残留应力的压力传感器。
【应用例2】根据应用例1所述的压力传感器，其特征在于，在所述阶梯壁的内周面嵌入具有模仿所述阶梯壁的内周的形状的外形的环，能够约束所述阶梯壁的变形。
由此，环可抑制阶梯壁向中央部侧位移，所以，与应用例1的情况相比，能够有效地使基于膜片变形的应力集中于膜片主体即中央部和阶梯壁之间，能够抑制应力传递到与外壳熔接的周缘部。
【应用例3】根据应用例1所述的压力传感器，其特征在于，所述膜片由与所述外壳相同的材料形成。
通过使膜片的材料与外壳的材料相同，能够抑制由于从外壳到膜片的温度变化而产生的应力，能够抑制膜片的经年劣化。
【应用例4】根据应用例1所述的压力传感器，其特征在于，在所述压力输入口的内壁上形成有锪孔，所述中央部和所述阶梯壁与所述锪孔相接。
由此，当膜片向外侧变形时，应力集中于中央部和阶梯区域的边界，当膜片向内侧变形时，应力集中于中央部和锪孔的角的抵接部分。由此，减少了对中央部和阶梯区域的边界施加的应力的频度，成为抑制了经年劣化的压力传感器。
附图说明
图1是示出第1实施方式的压力传感器和该压力传感器所使用的膜片的示意剖面图和主要部分放大剖面图。
图2是第1实施方式的压力传感器用膜片的平面图和剖面图。
图3是第2实施方式的压力传感器用膜片的剖面图和压力传感器安装部的放大剖面示意图。
图4是第3实施方式的膜片的平面图和外壳装配部的主要部分放大剖面图。
图5是第4实施方式的膜片的平面图和剖面图。
图6是第5实施方式的压力传感器的主要部分详细剖面图。
图7是第6实施方式的压力传感器的主要部分详细剖面图。
图8是第7实施方式的压力传感器的概略剖面图。
图9是第8实施方式的压力传感器的概略剖面图。
图10是示出现有例的压力传感器的结构例的剖面图。
标号说明
10：压力传感器；12：外壳；14：第1部件；16：第2部件；18：支承杆；20：第3部件；22：接头；24：第1压力输入口；25：周缘锪孔；26：第2压力输入口；27：隔热槽；28：贯通孔；30：固定部件；32：膜片；34：力传递单元；36：轴；38：感压元件；40：中央部；41：边界；42：缓冲部；44：周缘部；46：板条；50：压力传感器；52：外壳；54：第1压力输入口；56：第2压力输入口；58：锪孔；60：贯通孔；70：膜片；72：中央部；73：边界；74：缓冲部；76：周缘部；78：环；79：板条；80：膜片；82：中央部；84：缓冲部；86：周缘部；88：壁；90：压力传感器；92：膜片；94：外壳；96：膜片主体(中央部)；98：压力输入口；100：圆筒部(缓冲部)；102：熔接部(板条)；104：膜片主体外周缘部；106：隔热槽；110：压力传感器；112：膜片；114：膜片主体；116：中心区域；118：环状槽；120：压力传感器(第7)；122：外壳；124：密封端子板；126：凸缘端面板；128：圆筒侧壁；130：第1压力输入口；132：第2压力输入口；134：贯通孔；112A：第1膜片；112B：第2膜片；136：轴(力传递单元)；138：可动部；140：感压元件；142：凸台部；144：支承杆；150：压力传感器(第7)；152：外壳；154：密封端子板；156：凸缘端面板；158：圆筒侧壁；160：压力输入口；164：贯通孔；112：膜片；166：轴(力传递单元)；168：可动部；170：感压元件；172：支座。
具体实施方式
下面，使用图示的实施方式详细说明本发明的压力传感器用膜片和搭载了该膜片的压力传感器。但是，该实施方式所记载的结构要素、种类、组合、形状及其相对配置等只要没有特定记载，则不是将本发明的范围仅限定于其中的主旨，只不过是简单的说明例。
图1示出本发明的压力传感器的第1实施方式。图1(a)是示出压力传感器的概要的示意剖面图，图1(b)是示出图1(a)的膜片的熔接部位的局部详细图。第1实施方式的压力传感器10具有圆筒形的外形，由外壳12、膜片32、力传递单元34即轴36、以及感压元件38等构成。
外壳12将内部真空密封并收纳后述的各结构要素。由此，压力传感器10能够提高感压元件38的Q值，确保稳定的谐振频率，因此能够确保压力传感器10的长期稳定性。
并且，外壳12整体的外形由以下部分构成：构成上端面板的圆盘状的第1部件14、构成下端面板的圆盘上的第2部件16、接合第1部件14和第2部件16的支承杆18、以及形成覆盖第1部件14和第2部件16的侧面的圆筒侧壁的第3部件20。第1部件14和第2部件16是具有同一直径的部件。第1部件14和第2部件16使分别向外部突出的接头22在构成同心圆的位置突出，使第1压力输入口24、第2压力输入口26在该接头22上开口。而且，连通第1部件14和第1压力输入口24(第2部件16和第2压力输入口26)的贯通孔28形成在所述同心圆的中心位置。
支承杆18具有一定的刚性，形成在第1部件14和第2部件16相互对置的位置，通过插入到模仿支承杆18的截面外形的形状的细长孔(未图示)中来进行接合，由此，在第1部件14、第2部件16和支承杆18之间获得刚性，能够在压力传感器10的组装时和使用时，抑制相对于后述感压元件38的不必要的应变。另外，在图示中记载了2根支承杆18，但是，也可以使用1根或3根以上。
关于外壳12的材质，为了缓和由于热膨胀而引起的压力传感器10的误差，优选收纳支承杆18和感压元件38的部分的周围为热膨胀系数小的金属或陶瓷。
而且，在第1压力输入口24和第2压力输入口26上安装有根据测定对象的液体或气体的压力而挠曲的膜片32(第1膜片32a、第2膜片32b)，将贯通孔28密封并露出于外部。
膜片32(第1膜片32a、第2膜片32b)从内侧起由中央部(膜片主体)40、形成于该中央部(膜片主体)40的外缘的圆筒状的缓冲部(圆筒部)42、以及形成于该缓冲部(圆筒部)42的前端外缘的由凸缘构成的周缘部(凸缘)44呈同心圆状地构成，整体形成为帽形的烟灰缸那样的形状。圆盘状的中央部(膜片主体)40的一面为面向外部的受压面，所述受压面承受作为被测定压力的外部压力而挠曲变形，对与膜片32的另一面的中央部(膜片主体)40接触(连接)的后述的力传递单元34即轴36的端面施加力。环形状的周缘部(凸缘)44是通过激光熔接等与外壳12的接头22的外周熔接的部分。圆筒形状的缓冲部(圆筒部)42分别与中央部(膜片主体)40的外周和周缘部(凸缘)44的内周垂直连接，在中央部(膜片主体)40的外周和周缘部(凸缘)44之间形成阶梯而分离。由此，在中央部(膜片主体)40和周缘部(凸缘)44之间形成阶梯壁(缓冲部42)。另一方面，在外壳12的接头22上形成有模仿周缘部(凸缘)44的外形的形状的周缘锪孔25，能够在周缘锪孔25中嵌入周缘部(凸缘)44。而且，嵌入到周缘锪孔25中的周缘部(凸缘)44通过熔接与周缘锪孔25连接，此时，形成环状的板条46。进而，在周缘锪孔25的附近(外周)进行雕刻以使隔热槽27形成同心圆。
外壳12和膜片32的材料可以是不锈钢这种金属、或陶瓷等耐腐蚀性优良的材料，也可以是石英这种单结晶体或其他非结晶体，但是，优选以相同材料形成。通过使膜片的材料与外壳的材料相同，能够抑制由于从外壳到膜片的温度变化而产生的应力，能够抑制膜片的经年劣化。
膜片32可以利用冲压加工来形成，也可以通过不会产生残留应力且有利于小型化的影印石版技法和蚀刻技法(以下兼用两者并将其称为影印石版蚀刻加工)来形成。特别地，在中央部(膜片主体)和周缘部(凸缘)的厚度相同的情况下，能够利用一次蚀刻工序来形成膜片。并且，可以对膜片32的露出于外部的表面实施涂敷，以使膜片不会被液体或气体等腐蚀。例如，如果是金属制的膜片，则可以涂敷镍的化合物。
在第1膜片32a和第2膜片32b之间，以插通于贯通孔28中的方式安装有力传递单元34即轴36，轴36的两端部分别与第1膜片32a和第2膜片32b的中央部(膜片主体)40的中央区域的面垂直接触(连接)。由此，即使对膜片32施加压力，轴36与第1膜片32a和第2膜片32b的位移方向也相同。此时，压力高的一侧的膜片32向外壳12的内侧位移，压力低的一侧的膜片32向外壳12的外侧位移，但是，由于轴36的长度没有变化，因此位移的绝对值在两侧是一致的。并且，在轴36的规定位置固定有可动部件36a，该可动部件36a也具有与轴36相同的位移方向。
轴36根据压力传感器的用途，选择使用强度稳定的材质即不锈钢或铝、或者容易加工的陶瓷等，从而能够构成精度高且稳定的压力传感器。特别地，当使轴36的材料为陶瓷时，由于热膨胀系数小，因此压力传感器的温度特性几乎依赖于感压元件38的温度特性。进而，轴36的两端部优选为圆形，且连接成与膜片32的中央部(膜片主体)40形成同心圆。
感压元件38使用石英、铌酸锂、钽酸锂等压电材料，形成为双音叉型压电振子、SAW谐振振子、厚度剪切振子等。将感压元件38的两端部分别与可动部件36a和第1部件14的固定部件30连接来支承感压元件38。此时，感压元件38将力的检测方向设定为检测轴，连接感压元件38的所述两端部的方向与所述检测轴为平行关系。并且，感压元件38与安装在外壳12上的振荡电路(未图示)电连接，通过来自振荡电路(未图示)的交流电压而以固有的谐振频率进行振动。并且，感压元件38承受来自可动部件38a的伸长(拉伸)应力或者压缩应力，从而使谐振频率变化。特别地，与厚度剪切振子等相比，双音叉型压电振动片的谐振频率相对于伸长/压缩应力的变化极大、且谐振频率的可变幅度大，所以，适用于检测微小的压力差这样的分解能力优良的压力传感器。双音叉型压电振子承受伸长应力时，振幅臂(振动部)的振幅幅度减小，因而谐振频率变高，承受压缩应力时，振幅臂(振动部)的振幅幅度增大，因而谐振频率降低。另外，优选采用温度特性优良的石英作为双音叉型压电振子的压电基板。
由于上述结构的膜片32(图1(b)斜线部分)压入到接头22中，因此，中央部(膜片主体)40和缓冲部(圆筒部)42通过接头22的内壁而产生压缩应力。所述压缩应力在膜片32的受压部即中央部(膜片主体)40中以同心圆状均匀地分布，所以，不会对膜片所具有的挠曲灵敏度造成不良影响。因此，由于膜片的变形使应力集中于中央部(膜片主体)40和缓冲部(圆筒部)42的边界41，但是，熔接部分(周缘部(凸缘)44)和上述应力集中部分在位置上相分离，所以，能够抑制所述应力传递到周缘部(凸缘)44。因此，即使在熔接时在板条46上产生裂缝，也能够抑制由所述应力导致的裂缝的成长，能够改善膜片32的经年劣化即能够延长寿命。并且，周缘部(凸缘)44的在基于激光照射进行熔接时产生的残留应力在阶梯区域即缓冲部(圆筒部)42被缓和，不会集中于膜片的受压部即中央部(膜片主体)40，所以，能够防止中央部(膜片主体)40不均匀地产生应变。
因此，在本申请发明人提出的图1(a)的压力传感器10中，不会由于膜片32的不均匀的应变而使轴36倾斜从而使位移方向偏离，轴36在力的检测轴方向上可靠地位移，所以，防止了由于位移方向的偏离而导致的从膜片32到感压元件38的力传递的损失，不会对压力传感器10的灵敏度特性造成不良影响。
进而，通过隔热槽27来减小接头22的熔接部位的体积而降低热容量，所以，能够降低熔接时的热量，由此，能够将熔接温度抑制得较低，所以，能够抑制由于熔接部位的热应变而导致的脆性破坏。而且，还能够减小熔接停止后的冷却过程中的膜片的收缩率，所以，能够降低残留应力。
图3示出第2实施方式的压力传感器用膜片和搭载了该膜片的压力传感器。图3(a)是压力传感器的概要图，图3(b)是示出图3(a)的膜片的熔接部位的局部详细图。第2实施方式的膜片32与第1实施方式相同。另一方面，第2实施方式的压力传感器50基本上与第1实施方式的压力传感器10类似，但是，压力传感器50在第1压力输入口54和第2压力输入口56的内壁的开口端形成有锪孔58。即，贯通孔60具有其内径在所述开口端附近变大的结构。在该锪孔58上连接有膜片32。这里，中央部(膜片主体)40的外周部分与锪孔58的环状的端面58b相接，缓冲部42的外周与锪孔58的侧面58c相接。
由此，当膜片32向外壳52的外侧变形时，应力集中于中央部(膜片主体)40和缓冲部42的边界41，当膜片32向外壳52的内侧变形时，应力集中于中央部(膜片主体)40和锪孔58的角58a的抵接部分。由此，减少了对中央部(膜片主体)40和缓冲部42的边界41施加的应力的频度，能够抑制经年劣化。
图4示出第3实施方式的膜片。图4(a)是熔接时的膜片的平面图，图4(b)是熔接时的详细图。第3实施方式的膜片70与第1实施方式的膜片32的形态相同，但是，嵌入具有模仿作为阶梯壁的缓冲部(圆筒部)74的内周的形状外形的环78(图4的斜线部分)，能够约束所述缓冲部(圆筒部)74的变形。一边在接头22上形成板条79一边熔接膜片32，然后嵌入环78。由此，环78抑制缓冲部(圆筒部)74向中央部72侧位移，所以，与第1实施方式和第2实施方式的情况相比，能够有效地使基于伴随膜片72的受压而产生的变形的应力集中于中央部72和缓冲部74的边界73，能够抑制应力传递到周缘部76。另外，由于上述同样的理由，该环78也可以使用与膜片72和外壳相同的材料。
图5示出第4实施方式的膜片80。图5(a)是平面图，图5(b)是图5(a)的A-A线剖面图。第4实施方式的膜片80与第1实施方式的膜片类似，但是，在膜片80的中央部(膜片主体)82上以同心圆状形成有壁88(图5(a)的斜线部分)。在壁88的外周和缓冲部(圆筒部)84之间形成有间隙。在壁88的敞开端88a和周缘部(凸缘)86形成同一平面的情况下，膜片80能够在影印石版蚀刻加工中利用一次蚀刻工序形成。
在针对膜片的压力急剧变化的情况下，膜片振动。但是，通过设置壁88，壁88向内侧反射所述振动，将所述振动封闭在中央部(膜片主体)82的壁88的内侧的区域中，因此，能够抑制所述振动传递到板条而使板条中的裂缝成长。
第3实施方式和第4实施方式的膜片与第1实施方式和第2实施方式的压力传感器没有任何抵触，所以，能够将它们应用于第1实施方式和第2实施方式。另外，在将第3实施方式应用于第2实施方式的情况下，需要在环78和中央部72之间形成间隙来嵌入环78，以使环78不与中央部72抵接。并且，在将第3实施方式应用于第4实施方式的情况下，只要设计成环78的厚度小于等于壁88的外周和缓冲部84的内周之间的间隙的宽度即可。
图6示出第5实施方式。该图示出第5实施方式的压力传感器90将膜片92安装在压力传感器的外壳94上的状态的剖面图。该膜片92由圆盘状的膜片主体(中央部)96和圆筒部(缓冲部)100构成，该膜片主体96承受外部压力而挠曲变形，该圆筒部100一体地设置在该膜片主体(中央部)96的周缘，能够嵌入到传感器外壳94的压力输入口98的内壁面中。而且，在设于该圆筒部(缓冲部)100端缘的与所述传感器外壳94熔接的熔接部(板条)102和作为所述膜片主体96的挠曲基点的外周缘部104之间形成阶梯壁。特别地，在该实施方式中，将熔接部(板条)102作为与传感器外壳94的压力输入口98的开口缘部相接的所述圆筒部端缘，熔接在所述传感器外壳94的开口缘上。即，该实施方式的膜片92成为省略了上述第1～第4实施方式中作为膜片的周缘部进行说明的凸缘的圆筒容器形膜片，在压力输入口98的内壁面中嵌入圆筒部(缓冲部)100，并在压力输入口98的开口端进行熔接。这样，与使用带凸缘的膜片的情况相比，能够减小为了避免熔接时的热的影响而形成为包围熔接部(板条)102的外周的隔热槽160的半径，进而能够减小压力传感器的尺寸。
图7示出第6实施方式。其与图6的第5实施方式的压力传感器110的不同点仅在于，在膜片112中形成受压面的膜片主体114的结构不同。即，通过平板面来形成膜片主体114，该膜片主体114连接有用于将压力传感器110承受压力而挠曲的变形传递到感压部件的力传递部件即轴36。而且，在连接有轴36的膜片主体114的中心区域116的周围形成环状槽118，使中心区域116相对地成为厚壁。其他结构与第5实施方式相同，所以，对同一部件标注同一编号并省略说明。
根据该实施方式，除了上述第5实施方式的压力传感器的效果以外，还得到以下的效果。即，承受压力而使应力集中于薄壁部和厚壁部的阶梯部分，虽然厚壁的中心区域116承受压力而上下位移，但是，中心区域116的弯曲变形小，所以，避免了中心轴36和膜片112的接合部分的应力集中。由此，不对中心轴36作用与轴方向力不同方向的不必要的力，能够提高压力检测精度。
图8示出使用了图7所示的膜片112的第7实施方式的相对压检测用的压力传感器120。
该压力传感器120具有由中空圆筒体构成的外壳122。该外壳122将第1部件(上端面板)作为密封端子板124，并且将第2部件(下端面板)作为凸缘端面板126，通过第3部件即圆筒侧壁128将隔开配置的端面板周围包围起来，从而构成中空密闭容器。在密封端子板124和凸缘端面板126的各外表面部，形成有与外壳内部空间连通的第1压力输入口130、第2压力输入口132作为凹陷部，在其底板部分穿设有与外壳122的轴芯同芯的贯通孔134(134A、134B)，将内外连通。在该压力输入口130、132的凹陷部分别嵌入第1膜片112A、第2膜片112B，其周围与密封端子板124和凸缘端面板126一体地熔接结合，由此，遮蔽内外。密封端子板124侧的第1膜片112A为大气压设定用，凸缘端面板126的第2膜片112B为受压用。这种外壳122也形成为遮断内外的状态，并且，能够通过未图示的空气抽取单元将内部保持为真空状态，这一点与其他实施方式相同。
各膜片112(112A、112B)为图7所示的结构，其由圆盘状的膜片主体(中央部)114和圆筒部(缓冲部)100构成，该膜片主体114承受外部压力而挠曲变形，该圆筒部100一体地设置在该膜片主体(中央部)114的周缘，能够嵌入到传感器外壳122的压力输入口130、132的内壁面中。而且，通过熔接了该圆筒部(缓冲部)100的端缘和压力输入口130、132的开口缘的熔接部102(熔接板条)而结合。以包围熔接部102的周围的方式形成隔热槽106。由此，在与所述传感器外壳122熔接的熔接部(熔接板条)102和作为所述膜片主体114的挠曲基点的外周缘部104之间形成阶梯壁。特别地，在该实施方式中，虽然连接了作为与膜片主体114的中心区域连接的力传递单元的轴136，但是，在其周围形成圆周槽118以使该中心区域116为厚壁。
在所述外壳122的内部，沿外壳122的轴芯配置有轴(力传递单元)136，该轴136将所述第1、第2膜片112A、112B的内表面的中央区域相互连接起来，贯通所述贯通孔134，将两者粘接连接起来。而且，在该轴136的中途一体地设有作为感压元件支承台的可动部138，在该可动部138上安装有由双音叉型振子构成的感压元件140的一端部，所述感压元件140将检测轴设定为平行于与所述第1、第2膜片112(112A、112B)的受压面垂直的轴。感压元件140的另一端部与作为感压元件支承台的凸台部142连接，所述凸台部142设于所述外壳122的密封端子板124上并向内侧突出。由此，当通过受压用第2膜片112B和大气压用第1膜片112A的差压使轴136沿轴向移动时，可动部138的位置随之变动，该力对感压元件140产生检测轴方向的作用力。
在上述外壳122的内部，与所述轴136平行地在其周围配置有多个支承杆144。这些支承杆144将第2部件即凸缘端面板126和第1部件即密封端子板124之间的间隔保持为恒定，检测精度不会由于外力造成的外壳122的变形或任意姿势而降低。
根据这种第7实施方式，通过中心轴136连接一对膜片112彼此，设于中心轴136中途的可动部138根据膜片112的动作而一体地沿轴方向移动(这是由一对膜片112A、112B受到的压力差引起的运动)，成为与对双音叉型振子即感压元件140的检测轴方向作用的力对应的运动。因而，能够不使用油而构成检测精度高的压力传感器，并且，成为小型且容易组装的结构。并且，凸缘端面板126、密封端子板124以及圆筒侧壁128形成作为真空容器的外壳122，密封端子板124与第1膜片112A成为一体，凸缘端面板126与第2膜片112B成为一体，能够简便地进行组装。为了将该压力传感器120安装到下沉(浸入)于测定对象液体中的容器上，将凸缘端面板126经由O型密封圈面接合并通过螺栓紧固而安装到测定对象液体容器上，所述O型密封圈配置成包围第2膜片112B的周围。O型密封圈可以利用所述隔热槽106来装配。
特别地，在该第7实施方式中，一对膜片112的连接有轴136的中心区域116(参照图7)与其周边部相比为厚壁，所以，承受压力而使应力集中于薄壁部和厚壁部的阶梯部分，虽然厚壁的中心区域116承受压力而上下位移，但是中心区域116的弯曲变形小，所以，避免了轴136和膜片112的接合部分的应力集中。由此，不会对中心轴136作用与轴方向力不同方向的不必要的力，能够提高压力检测精度。
并且，在第7实施方式中，将膜片112嵌入安装于在密封端子板124和凸缘端面板126的外表面上作为凹陷部形成的压力输入口130、132中，所以，在外壳122上没有向外部突出的部分，能够缩短高度尺寸，能够促进小型化。
除此之外，在该实施方式中，将膜片112安装到外壳122上时，在压力输入口130、132的开口缘熔接圆筒部100的前端缘，所以，能够使隔热槽106的形成位置接近外壳中心侧，由此，与其他实施方式相比，能够相应地减小膜片凸缘尺寸，更加有助于小型化。
接着，图9示出第8实施方式的压力传感器150的剖面图。图示的例子是使用了图7所示的膜片112的用作绝对压检测用的压力传感器的例子。
该压力传感器150具有由中空圆筒体构成的外壳152。该外壳152将第1部件(上端面板)作为密封端子板154，并且将构成第2部件(下端面板)的端面板作为与第7实施方式相同的凸缘端面板156，通过第3壳体即圆筒侧壁158将隔开配置的端面板周围包围起来，从而构成中空密闭容器。在凸缘端面板156上，与外壳152的轴芯同芯地贯通有与内部空间连通的压力输入口160，形成凹陷部并在其中央部形成贯通孔164，在凹陷部中嵌入膜片112对外壳152的内外进行遮蔽。膜片112与第7实施方式同样，与压力输入口160的凹陷部内壁熔接结合而一体地结合。该膜片112是测定对象液体的受压用膜片。在密封端子板154上，构成为省略了压力流入口和膜片的端面板。这种外壳152也形成为遮断内外的状态，并且，能够通过未图示的空气抽取单元将内部保持为真空状态，这一点与其他实施方式相同。
在所述外壳152的内部，在所述膜片112的内表面的中心区域116(参照图9)上垂直立设有轴(力传递单元)166，该轴166沿着外壳152的轴芯配置。而且，在该轴166的前端部一体地设有作为感压元件支承台的可动部168，在该可动部168上安装有由双音叉型振子构成的感压元件170的一端部，所述感压元件170将检测轴设定为与轴166同轴。感压元件170的另一端部与支座172连接，所述支座172设于所述外壳152的密封端子板154的中心区域并向内侧突出。由此，当受压用膜片112承受测定对象液体的压力而挠曲时，轴336沿轴向移动，追随于此，与可动部168连接的感压元件170产生检测轴方向的作用力。
其他与第7实施方式所示的压力传感器相同，所以，对同一部件标注同一编号并省略说明。
根据这种第8实施方式，作为绝对压检测用的压力传感器，其小型且检测精度高。
另外，上述任意实施方式的膜片的结构要素能够自由组合。即，也能够在图6、图7所示的膜片中设置图4、图5所示的环78或壁88。

Claims (4)

1.一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有：
膜片，其受到外部压力而变形；
外壳，其具备接头，该接头具有由所述膜片密封的压力输入口；以及
感压元件，其收纳在所述外壳内，
所述膜片具有圆形的中央部、所述中央部的外侧即与所述中央部呈同心圆状的周缘部、以及一体地连接所述中央部和所述周缘部之间的阶梯壁，所述中央部在所述外壳的被密封的一侧具有用于向所述感压元件传递力的内表面，
所述压力输入口的外周处于由所述膜片覆盖的状态，将所述压力输入口的所述外周和所述周缘部熔接，从而密封所述压力输入口，
在所述接头上，在所述周缘部的外周形成有隔热槽。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
在所述阶梯壁的内周面嵌入具有模仿所述阶梯壁的内周的形状的外形的环，能够约束所述阶梯壁的变形。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述膜片由与所述外壳相同的材料形成。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
在所述压力输入口的内壁上形成有锪孔，所述中央部和所述阶梯壁与所述锪孔相接。
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