CN102374919A - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种压力传感器，其减少了随温度变化和压敏元件的年月变化而产生的压力测定值的误差。压力传感器(10)的特征在于，具有：受压单元(隔板(24))，其具有受力而位移的可挠部(中央区域(24a))和与可挠部的外周连接的边缘部(24c)；第1压敏元件(40)及第2压敏元件(42)，其具有压敏部和连接于压敏部两端的一对基部，且具有与对基部间进行连接的线平行的检测轴，检测轴的方向与可挠部的位移方向平行地配置，第1压敏元件(40)的一个基部(第1基部(40a))被固定在可挠部上，且另一个基部(第2基部(40b))被固定在支承于边缘部(24c)上的第1支承部件(44)上，第2压敏元件(42)的一个基部(第1基部(42a))被固定在边缘部(24c)上，且另一个基部(第2基部(42b))被固定在支承于可挠部上的第2支承部件(46)上。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种采用两个压敏元件并且使这两个压敏元件差动工作，从而改善了检测灵敏度、温度特性等的压力传感器。
背景技术
目前，作为水压计、气压计、差压计等，已知一种将压电振动元件用作压敏元件的压力传感器。在采用了压电振动元件的压力传感器中，当向压电振动元件施加检测轴方向上的压力时，压电振动元件的共振频率将发生变化，并根据该共振频率的变化来检测被施加在压力传感器上的压力。
在专利文献1-3中，公开了将压电振动元件用于压敏元件中的压力传感器。当通过压力导入口向波纹管内施加压力时，与该波纹管的有效面积相对应的力将作为压缩力或拉力(伸长力)F，而通过以枢轴(挠性铰链)为支点的力传递单元施加于压电振动元件上。在压电振动元件上产生与该力F相对应的应力，通过该应力使得压电振动元件的共振频率发生变化。压力传感器能够通过检测压力振动元件的共振频率的变化从而求出所施加的压力。
图10为表示专利文献1中所公开的压力传感器的结构的剖视图，该传感器具有：筐体104，其具有对置配置的第1和第2压力输入口102、103；力传递部件105，其被配置在筐体104的内部，第1波纹管106和第2波纹管107以夹持力传递部件105的一端的方式而连接。而且，第1波纹管106的另一端开口与第1压力输入口102相连接，第2波纹管107的另一端开口与第2压力输入口103相连接。并且，在力传递部件105的另一端与基板108的非枢轴(支点)侧的端部之间，配置有作为压敏元件的双音叉型振动元件109。
在对压力进行高精度检测的情况下，向波纹管的内部填充液体。为了防止气泡进入、滞留在波纹管内部的褶皱部分，从而一般采用粘性较高的硅油等以作为该液体。如此便构成了下述结构，即，在第1波纹管106的内部填充有具有粘性的油110，从而当压力测定的对象为液体时，通过向第1压力输入口102敞开的开口部111而使液体与所述油接触并对置。另外，开口部111的开口直径被设定为，不会使油漏出至外部。
另外，专利文献3中公开了一种如图11中的剖视图所示的压力传感器150。在图11中，120为外壳，121为压力导入口，122a、122b为波纹管，该波纹管122a、122b与力传递部件125相连接，在该力传递部件125的可挠部125a和固定部125b之间粘结固定有压敏元件130。当通过图11所示的压力传感器150的压力导入口121向波纹管122a、122b施加压力时，与波纹管122a、122b的有效面积相对应的力将施加于力传递部件125的上下两侧，从而与差压相当的力将作为压缩力或拉力(伸长力)而以枢轴135为支点施加于压敏元件130上，压敏元件130的共振频率根据该力而发生变化，通过检测该变化从而对压力进行测定。
由于波纹管122a、122b、力传递部件125、压敏元件130和外壳120分别由不同的材料构成，因此由于使用环境的温度变化等会产生热变形，从而使压力测定精度恶化。因此，采用了如下结构，即，通过将压敏元件130的支承部跨接固定在，力传递部件125的可挠部125a与压敏元件130的固定部件140之间，从而避免随着周围温度的变化而产生的热变形对压敏元件130产生影响，其中，所述压敏元件130的固定部件140与该力传递部件125隔开设置，且被设置在外壳120内。
另外，分别对波纹管线、力传递部件、力传递部支柱和压敏元件固定部进行热变形的分析。例如，公开了如下内容，即，外壳采用不锈钢，波纹管采用镍，力传递部件采用磷青铜，压敏元件采用水晶，将各自的线膨胀系数应用于分析中，从而设定各个部件的尺寸，在设定了压敏元件130的固定部件的线膨胀系数的情况下，则能够求出其最佳的长度，从而构成不会受到热变形的影响的压力传感器。
然而，在专利文献1所公开的压力传感器101中，图10所示的第1波纹管106中所填充的油110与其他结构要素、例如力传递部件105和双音叉型振动元件109等相比，其热膨胀系数较大，从而使得构成压力传感器101的各个部件上会产生由于温度变化而导致的热变形。由该热变形所产生的应力将作为噪音而与双音叉型振动元件109的信号重叠，从而存在使压力传感器的测定精度恶化的问题。
另外，虽然第1波纹管106中所填充的油110与作为压力测定对象的液体接触并对置，但根据压力传感器的设置方法的不同，存在油110向作为压力测定对象的液体侧流出的情况、或液体向第1波纹管106流入的情况，从而存在于第1波纹管106中所填充的油110内产生气泡的可能性。当在油110中产生气泡时，存在由于气泡吸收压力而导致油110作为压力的传递介质的功能恶化，进而导致压力测定值产生误差的可能性。
而且，由于油110与压力测定对象的液体接触，因此根据压力传感器的设置方法的不同，存在油110向压力测定对象的液体侧流出的可能性，从而在对需避免异物混入的液体进行压力测定时，存在无法使用现有这样的采用了油110的压力传感器的问题。
另外，专利文献1、3中公开的压力传感器的力传递部件105、125采用了复杂的结构，从而在使压力传感器小型化时会成为障碍。而且，在力传递部件105、125中，缩颈部的较细的挠性铰链为不可缺少的部件，从而由于该部件而存在压力传感器的制造成本上升的问题。
为了解决这样的问题，专利文献4中所公开的压力传感器210如图12中的剖视图所示，具有：外壳212；受压单元(隔板224)，其封闭外壳212的开口部222，并具有可挠部(中央区域224a)和所述可挠部外侧的边缘区域224c，并且所述可挠部的一侧主面为受压面；压敏元件240，其具有压敏部和与所述压敏部的两端分别连接的第1基部240a和第2基部240b，并且所述第1基部240a和所述第2基部240b的排列方向与所述受压单元的位移方向平行，压力传感器210采用如下结构，即，所述第1基部240a与成为所述受压面的背面侧的所述受压单元的中央区域224a相连接，所述第2基部240b通过连接部件242而连接于所述背面侧的所述边缘区域224c上、或连接于与所述第1基部240a对置的所述外壳212的内壁上。
由于通过采用此种结构，从而能够在无需通过上述挠性铰链的条件下，以随着受压单元的位移所产生的力作为压缩力而直接施加在压敏元件240上，因此，提高了灵敏度，且由于无需使用油从而能够扩大测定对象的范围。另外，在压敏元件240中，由于不仅将第1基部240a固定在受压单元上，而且第2基部240b也通过连接部件242而固定于受压单元侧，因此能够减轻热变形的问题。另外，由于利用压电材料而将连接部件242和压敏元件240一体形成，因此能够进一步减轻热变形。另外，上述结构还能够作为将测定对象设定为液体，并将外壳212内暴露于大气压中，从而以大气压为基准的液压传感器而使用，此时，不仅能够向压敏元件240施加压缩力，还能够施加拉力。
然而，在上述结构中也存在由于压敏元件和连接装置两者的温度变化而产生的热膨胀和热收缩，因此存在无法避免由于该热膨胀所导致的压敏元件的共振频率发生变化的问题。另外，还存在压敏元件的共振频率的随年月而变化等的问题。
在先专利文献
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2010-48798号公报
发明内容
因此，本发明着眼于上述问题点，其目的在于，提供一种能够避免温度变化和随年月而变化等的问题，从而能够稳定地测定压力的压力传感器。
本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，其可以作为下述应用例来实现。
应用例1
一种压力传感器，其特征在于，具有：受压单元，其具有受到力而发生位移的可挠部、和与所述可挠部的外周相连接的边缘部；第1压敏元件和第2压敏元件，其具有压敏部和被连接在所述压敏部的两端的一对基部，且具有与对所述基部之间进行连接的线平行的检测轴，所述检测轴的方向以与所述可挠部的位移方向平行的方式而配置，所述第1压敏元件的一个基部被固定在所述可挠部上，且另一个基部被固定在支承于所述边缘部上的第1支承部件上，所述第2压敏元件的一个基部被固定在所述边缘部上，且另一个基部被固定在支承于所述可挠部上的第2支承部件上。
通过上述结构，当可挠部向外壳的外侧位移时，第1压敏元件将通过可挠部和被支承在边缘部上的第1支承部件而受到牵拉应力，而第2压敏元件将通过被支承在可挠部上的第2支承部件而受到来自可挠部的压缩应力。反之，当可挠部向外壳的内侧位移时，第1压敏元件将通过第1支承部件而受到压缩应力，而第2压敏元件将通过第2支承部件而受到来自可挠部的牵拉应力。各个压敏元件在受到牵拉应力时共振频率将增加，而在受到压缩应力时共振频率将减小。由此，通过求出第1压敏元件和第2压敏元件之间的共振频率的差分，从而能够检测出被施加在可挠部上的压力。而且，当第1压敏元件与第2压敏元件互为相同的结构要素时，关于共振频率而言由于具有相同的温度特性和随年月的变化特性，因此在上述差分中这种特性将被抵消。因此，成为与温度特性和随年月的变特性等无关而能够进行稳定的压力测定的压力传感器。另外，由于通过两个压敏元件的共振频率的差分来测定压力，因此与采用一个压敏元件的情况相比，能够获得更高的灵敏度。而且，由于第1压敏元件和第2压敏元件中的至少一方的基部被固定于受压单元侧，因此能够实现传感器整体的小型化。
应用例2
如应用例1所述的压力传感器，其特征在于，所述压敏部由至少一个以上的柱状梁构成。
通过上述结构，当由例如一根柱状梁构成压敏部时，由于作用于梁上的应力将增大，因此能够提高压力传感器的灵敏度。
应用例3
如应用例1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述第1压敏元件、所述第2压敏元件、所述第1支承部件、所述第2支承部件通过压电材料而一体地形成。
通过上述结构，由于各个压敏元件和各个支承部件的热膨胀系数相一致，因此能够消除各个压敏元件和各个支承部件之间的热变形从而提高温度特性。另外，通过一体地形成各个压敏元件和各个支承部件，从而能够减少压力传感器的部件数量，且提高压力传感器的组装的成品率，进而抑制成本。
应用例4
如应用例3所述的压力传感器，其特征在于，所述第1压敏元件、所述第2压敏元件、所述第1支承部件、所述第2支承部件各自与所述受压单元相连接的一侧的端部被形成为，配置在与所述可挠部的位移方向垂直的直线上。
通过上述结构，由于在各个压敏元件和各个支承部件中不会受到来自受压单元的热变形，因此成为了相对于温度变化精度较高且较稳定的压力传感器。
附图说明
图1为第1实施方式所涉及的压力传感器的立体图(以XZ面为切断面的剖视图)。
图2图示了第1实施方式所涉及的压力传感器的剖视图，其中，图2(a)为以XZ面为切断面的剖视图，图2(b)为以YZ面为切断面的剖视图。
图3为由金属来形成隔板时的模式图。
图4为由水晶来形成隔板时的模式图。
图5为由水晶来形成隔板时的改变例。
图6图示了第1实施方式中的压力传感器的改变例，其中，图6(a)为以XZ面为切断面的剖视图，图6(b)为以YZ面为切断面的剖视图。
图7为第2实施方式所涉及的压力传感器以XZ面为切断面的立体图。
图8图示了第2实施方式所涉及的压力传感器的剖视图，其中，图8(a)为以XZ面为切断面的剖视图，图8(b)为以YZ面为切断面的剖视图。
图9图示了由水晶形成一体部件时的模式图，所述一体部件为，将第1压敏元件、第2压敏元件、第1支承部件、第2支承部件一体地形成而获得的部件。
图10为表示专利文献1中所公开的压力传感器的结构的剖视图。
图11为专利文献3中所公开的压力传感器的剖视图。
图12为专利文献4中所公开的压力传感器的剖视图。
符号说明
10…压力传感器；12…外壳；14…凸缘部；14a…外周部；14b…内周部；14c…孔；14d…外周；14e…大气导入口；16…环部；16a…孔；16b…外周；18…支承轴；20…侧面部；22…开口部；24…隔板；24a…中央区域；24b…可挠区域；24c…边缘部；30…金属母材；32…母基板；34…光刻胶；34a…光刻胶；35…光掩膜；36…密封端子；38…导线；40…第1压敏元件；40a…第1基部；40b…第2基部；40c…振动臂；42…第2压敏元件；42a…第1基部；42b…第2基部；42c…振动臂；44…第1支承部件；44a…支座部；44b…支柱部；44c…臂部；45…第1支承部件；45c…臂部；46…第2支承部件；46a…支座部；46b…支柱部；46c…臂部；47…第2支承部件；47a…支座部；47c…臂部；48…固定部；49…固定部；50…压力传感器；52…第1压敏元件；52a…第1基部；52b…第2基部；54…第2压敏元件；54a…第1基部；54b…第2基部；56…第1支承部件；56a…支座部；56c…臂部；58…第2支承部件；58a…支座部；58c…臂部；60…固定部；62…固定部；64…固定部；66…母基板；68…光刻胶；68a…光刻胶；102…第1压力输入口；103…第2压力输入口；104…筐体；105…力传递部件；106…第1波纹管；107…第2波纹管；108…基板；109…双音叉型振动元件；110…油；111…开口部；120…外壳；121…压力输入口；122a…波纹管；122b…波纹管；125…力传递部件；125a…可挠部；125b…固定部；130…压敏元件；140…固定部件；150…压力传感器；210…压力传感器；212…外壳；222…开口部；224…隔板；224a…中央区域；224c…边缘区域；240…压敏元件；240a…第1基部；240b…第2基部；242…连接部件。
具体实施方式
下面利用附图所示的实施方式对本发明所涉及的压力传感器进行详细说明。但是，只要该实施方式中所记载的结构要素、种类、组合、形状、其相对配置等没有特定的记载，则其只不过是单纯的说明示例，而并不表示将本发明的范围限定于此。
图1图示了第1实施方式所涉及的压力传感器的立体图(以XZ面为切断面)。图2图示了第1实施方式所涉及的压力传感器的剖视图，其中，图2(a)为以XZ面为切断面的剖视图，图2(b)为以YZ面为切断面的剖视图。另外，图1、2所示的XYZ形成直角坐标系，并且对于以后所使用的附图也同样适用。第1实施方式所涉及的压力传感器10具有：外壳12、作为受压单元的隔板部24、第1压敏元件40、第2压敏元件42、第1支承部件44、第2支承部件46等。并且，压力传感器10为如下结构，即，将外壳12和隔板24作为容器，并在具有该隔板24的容器的收容空间中收纳第1压敏元件40和第2压敏元件42，该压力传感器10可以用作例如液压传感器，在该液压传感器中外壳12内部向大气开放，从而以大气压为基准并自隔板24的外侧受到液压。
外壳12具有：圆形的凸缘部14、圆形的环部16、支承轴18和圆筒形的侧面部(侧壁部)20。
凸缘部14具有：外周部14a，其与圆筒形的侧面部(侧壁部)20的端部相接；内周部14b，其以同心圆状而形成在外周部14a上，并突出为与环部16具有相同直径的环状。环部16具有由其内边缘所形成的圆形的开口部22，在开口部22上以封闭开口部22的方式而连接有隔板24。
在凸缘部14的内周部14b与环部16之间的相互对置的面的预定位置上，形成有用于嵌入支承轴18的孔14c、16a。另外，孔14c和16a被形成在相互对置的位置上。由此，通过将支承轴18嵌入到孔14c和16a中，从而使凸缘部14和环部16通过支承轴18而被连接在一起。支承轴18为具有一定刚性并以±Z方向为长度方向的棒状部件，并且被配置在由外壳12和隔板24所构成的容器的内部，通过使支承轴18的一端嵌入到凸缘部14的孔14c中，且使另一端嵌入到环部16的孔16a中，从而在凸缘部14、支承轴18和环部16之间获得了一定的刚性。并且，虽然采用了多个支承轴18，但是可根据各个孔的位置的设计而任意地进行配置。
另外，在凸缘部14上安装有密封端子36。该密封端子36能够将后文叙述的第1压敏元件40和第2压敏元件42两者的电极部(未图示)、与IC(集成电路，未图示)电连接，所述IC为，用于使第1压敏元件40、以及第2压敏元件42发生震荡并对第1压敏元件40和第2压敏元件42之间的共振频率的差分进行计算的构件，其被安装于外壳12的外部面上、或者在外壳12的外部与外壳12分离配置。
另外，虽然在图1、2中绘有两个密封端子36，但密封端子36是根据下述的第1压敏元件40和第2压敏元件42两者的电极部的总数而被安装在凸缘部14上的。另外，在凸缘部14上形成有大气导入口14e，从而能够使外壳12内部向大气开放。而且，密封端子36和大气导入口14e被任意配置在凸缘部中的互不干涉的位置上。
通过使侧面部20的两端分别与凸缘部14的内周部14b的外周14d、以及被隔板24堵住了开口部22的环部16的外周16b相连接，从而使所述容器被密封。凸缘部14、环部16、侧面部20优选由不锈钢等的金属形成，支承轴18优选使用具有一定的刚性且热膨胀系数较小的陶瓷等。
隔板24以面向外壳12的外部的一侧主面为受压面，并具有通过所述受压面受到被测定压力环境(例如液体)的压力而发生挠曲变形的可挠部，通过该可挠部以向外壳12的内部侧或外部侧(Z轴方向)发生位移的方式而进行挠曲变形，从而向第1压敏元件40和第2压敏元件42传递沿着Z轴的压缩力或拉力。另外，隔板24具有：所述可挠部，其由根据来自外部的压力而发生位移的中央区域24a、和位于所述中央区域24a的外周且以使所述中央区域24a能够发生位移的方式通过来自外部的压力而进行挠曲变形的可挠区域24b所构成；边缘部24c，其位于所述可挠部的外侧、即所述可挠区域24b的外周，并被接合固定在形成于环部16上的开口部22的内壁上。另外，在理想的情况下，边缘部24c即使受到压力也不发生位移，而中央区域24a即使受到压力也不发生变形。
在隔板24的中央区域24a处，且在受压面的相反一侧的面上，连接有下述的第1压敏元件40的长度方向(检测轴方向)上的一端，而且，在中央区域24a处，且在与受压面相反的面上，通过粘合剂等粘合有下述的第2支承部件46，并通过粘合剂等固定材料将下述的第1压敏元件40的一端(第1基部40a)固定在第2支承部件46上。另外，在隔板24的边缘部24c处，且在与受压面相反的面上通过粘合剂等固定材料连接有后文叙述的第一支承部件44和后文叙述的固定部48。另外，优选为，第1支承部件44、第2支承部件46、固定部48采用与隔板24相同的材料。
隔板24的材质可以采用如不锈钢这样的金属或陶瓷等耐腐蚀性较好的材料，另外，也可以采用如水晶这样的单结晶体或其他非结晶体。在由金属形成隔板24的情况下，可以通过冲压加工而形成金属母材。
在由金属来形成隔板24的情况下，只需通过具有凹部(未图示)的一对压板(未图示)从金属母材(未图示)的两面进行冲压即可，其中，所述凹部与对应于隔板24的可挠区域24b的波浪型的同心圆形状相对应。
图3(a)-(e)图示了由金属来形成隔板时的模式图。另外，图3(d)为图3(c)的仰视图。为了抑制由于第1压敏元件的振动而导致隔板24发生振动的情况，只需将隔板24的中央区域24a形成为厚于其他区域即可。在这种情况下，准备金属母材30(图3(a))，以保留中央区域24a的方式而进行半蚀刻(图3(b))，并通过由与中央区域24a、可挠区域24b、边缘部24c的形状相对应的一对压板(未图示)对蚀刻后的金属母材30进行冲压，从而形成隔板24(图3(c))。之后，如图1、图2所示，通过粘合剂等固定材料，将第1支承部件、第2支承部件、固定部48分别连接于隔板24的预定位置上。
图4图示了由水晶来形成隔板时的模式图。在由水晶形成隔板24的情况下，优选为，以同样方式通过光刻加工来形成隔板24。在这种情况下，通过如下步骤来形成隔板24，即，准备作为素材的母基板32，在母基板32的表面上涂布正型的光刻胶34(图4(a))，并利用与中央区域24a、可挠区域24b、边缘区域(未图示)的配置以及形状相对应的光掩膜35而进行曝光，从而使所述光刻胶34感光(图4(b))，再进行显影并去除感光后的光刻胶34a(图4(c))，通过对母基板32所暴露出的区域进行半蚀刻，从而以一体的方式形成中央区域24a、可挠区域24b、边缘区域(未图示)(图4(d))，再通过将光刻胶34剥离(图4(e))，从而形成了隔板24。
图5图示了由水晶来形成隔板时的改变例。作为对隔板24进行光刻加工的改变例，如图5(a)所示，既优选为，仅对可挠区域24b的一面进行蚀刻加工，另外，如图5(b)所示，也优选为，在可挠区域24b的表面和背面于相互对置的位置上进行蚀刻加工。
另外，为使隔板24不会被液体或气体等腐蚀，可以通过耐腐蚀膜来涂敷隔板24的暴露于外部的表面。例如，当为金属制的隔板时，则可以涂敷镍的化合物，而当隔板为如水晶这样的压电结晶体时，则涂敷硅即可。
如图1、图2所示，第1支承部件44为，用于固定下述的第1压敏元件40的第2基部40b的构件。第1支承部件44具有：支座部44a，其被固定在隔板24的边缘部24c上；支柱部44b，其从支座部44a起向隔板24的中央区域24a进行位移的方向(Z轴方向)延伸；臂部44c，其从支柱部44b的顶端起向中央区域24a的方向延伸并与第1压敏元件40的第2基部40b相连接而支承第2基部40b。
第2支承部件46为，用于固定下述的第2压敏元件42的第2基部42b和第1压敏元件的第1基部40a的构件。第2支承部件46具有：支座部46a，其被固定在隔板24的中央区域24a上且被固定在第1压敏元件40的第1基部40a上；支柱部46b，其从支座部46a起向隔板24的中央区域24a进行位移的方向延伸；臂部46c，其从支柱部46b的顶端起向边缘部24c的方向延伸并与第2压敏元件42的第2基部42b相连接而支承第2基部42b。
固定部48被固定在隔板24的边缘部24c上，且被固定在与第2支承部件的臂部的顶端对置的位置上，从而使第2压敏元件42的第1基部42a被固定。另外，第1支承部件、第2支承部件、固定部具有一定的刚性，从而不会向隔板的中央区域24a的位移方向以外的方向变形。
关于第1支承部件44、第2支承部件46的材质，只要是能够在支座部44a、支柱部44b、臂部44c之间，并且在支座部46a、支柱部46b、臂部46c之间获得一定的刚性的材质，则没有特别的限制。但是，为了缓和相对于第1压敏元件40和第2压敏元件42的热应力，第1支承部件44、第2支承部件46优选采用与上述压敏元件相同的材料。同样地，固定部48基于相同理由也优选采用与各个压敏元件相同的材料。
第1压敏元件40和第2压敏元件42可以由水晶、铌酸锂、钽酸锂等压电材料形成。
如图1、图2所示，第1压敏元件40具有振动臂40c和形成于振动臂40c两端的第1基部40a和第2基部40b。第2压敏元件42也同样具有振动臂42c和形成于振动臂42c两端的第1基部42a和第2基部42b。而且，在各个压敏元件的振动臂40c、42c上形成有激励电极(未图示)，并具有与激励电极(未图示)电连接的电极部(未图示)。
第1压敏元件40将其长度方向、即第1基部42a与第2基部40b的排列方向配置成，与隔板24的位移方向同轴或平行，并将该位移方向作为检测轴方向。第1压敏元件40的第1基部40a被固定在第2支承部件46的支座部46a上，并抵接于隔板24的中央区域24a。并且，隔着振动臂40c而位于第1基部40a的相反侧的第2基部40b，与第1支承部件44的臂部44c的顶端相连接。
第2压敏元件42与第1压敏元件40相同地，具有振动臂42c和形成于振动臂42c两端的第1基部42a和第2基部42b，且与第1压敏元件40相同地，具有与连接第1基部42a和第2基部42b的线平行的检测轴。另外，第2压敏元件42为，与第1压敏元件40的材料和尺寸相同，从而具有相同的温度特性和随年月的变化特性。另外，第2压敏元件42以与第1压敏元件40平行的方式而配置，其第1基部42a与被固定在边缘部24c上的固定部48相连接且抵接于边缘部24c。另外，第2压敏元件42的第2基部42b与第2支承部件46的臂部46c的顶端相连接。
另外，通过将第1压敏元件40、第2压敏元件42固定在第1支承部件44、第2支承部件46和固定部48上，从而能够容易地将各个压敏元件固定在隔板24侧，且由于第1压敏元件40和第2压敏元件42不会向检测轴方向以外的方向弯曲，因此能够阻止第1压敏元件40和第2压敏元件42向检测轴方向以外的方向运动，从而提高第1压敏元件40和第2压敏元件42在检测轴方向上的灵敏度。
第1压敏元件40和第2压敏元件42通过导线38和上述的密封端子36而与IC(未图示)电连接，并通过由IC(未图示)所供给的交流电压而以固有的共振频率进行振动。并且，第1压敏元件40和第2压敏元件42的共振频率由于从长度方向上受到伸长应力或压缩应力而发生变化。在本实施方式中，可以应用双音叉型振子以作为成为压敏部的振动臂40c、42c。双音叉型振子具有下述特性，即，当在作为振动臂40c和42c的所述两个振动梁上施加牵拉应力(伸长应力)或压缩应力时，双音叉型振子的共振频率将与所施加的应力大致成比例地变化。并且，由于与厚度剪切振子相比，双音叉型压电振动片的共振频率相对于伸长和压缩应力的变化极大，从而共振频率的可变幅度较大，因此在对细微的压力差进行检测这种的、具有优良的分解能力的压力传感器中为优选。双音叉型振子在受到伸长应力时振动臂的共振频率将升高，而在受到压缩应力时振动臂的共振频率将降低。
另外，在本实施方式中，不仅可以采用具有两根柱状的振动梁的压敏部，还可以采用由一根振动梁(单梁)构成的压敏部。当将压敏部(振动臂40c、42c)构成为单梁型的振子时，在从长度方向上受到相同的应力的情况下，由于其位移将达到原来的2倍，因此与双音叉的情况相比，能够获得灵敏度更高的压力传感器。另外，作为双音叉型或单梁型的压电振子的压电基板，优选采用温度特性优良的水晶。
关于第1实施方式中的压力传感器10的组装，首先，将环部16与隔板24相连接，并将第1支承部件44、第2支承部件46和固定部48连接在隔板24的预定位置上。并且，将第1压敏元件40的第1基部40a与第2支承部件46的支座部46a相连接，并将第2基部40b与第1支承部件44的臂部46c相连接。再将第2压敏元件42的第1基部42a与固定部48相连接，并将第2基部42b与第2支承部件46的臂部46c相连接。
接下来，将支承轴18插入到环部16的孔16a中并固定，且将一端已插入到环部16中的支承轴18的另一端插入到凸缘部14的孔14c中并固定，且通过导线38将密封端子36的外壳内部侧、第1压敏元件40和第2压敏元件42两者的电极部(未图示)电连接。此时，密封端子36的外壳12外部侧与IC(未图示)相连接。最后，通过从环部16侧插入侧面部20，并将环部16的内周与凸缘部14的外周14d、以及环部16的外周16b相接合，从而形成外壳12，由此组装成压力传感器10。
下面对第1实施方式中的压力传感器10的动作进行说明。在第1实施方式中，在以大气压为基准而对液压进行测定的情况下，当液压低于大气压时，隔板24的中央区域24a将向外壳12的外侧进行位移，反之，当液压高于大气压时，中央区域24a将向外壳12的内侧进行位移。
而且，当隔板24的中央区域24a向外壳12的外侧进行位移时，第1压敏元件40将通过中央区域24a和被支承在边缘部24c(固定部48)上的第1支承部件44而受到牵拉应力，第2压敏元件42将通过被支承在隔板24的中央区域24a上的第2支承部件46而受到来自中央区域24a的压缩应力。反之，当中央区域24a向外壳12的内侧进行位移时，第1压敏元件40将通过第1支承部件44而受到压缩应力，第2压敏元件42将通过第2支承部件46而受到来自中央区域24a的牵拉应力。
各个压敏元件在受到牵拉应力时共振频率将增加，而在受到压缩应力时共振频率将减少。由此，通过求出第1压敏元件40和第2压敏元件42之间的共振频率的差分，从而能够检测出被施加在中央区域24a上的压力。并且，由于当第1压敏元件40和第2压敏元件42互为相同的结构要素时，关于共振频率会具有相同的温度特性和随年月的变化特性，因此在上述差分中这种特性将被抵消。
因此，构成与温度特性和随年月的变化特性等无关的、能够进行稳定的压力测定的压力传感器10。另外，由于通过两个压敏元件的共振频率的差分来测定压力，因此与采用一个压敏元件的情况相比，能够获得更高的灵敏度。另外，由于第1压敏元件40和第2压敏元件42中的至少一方的基部被固定于隔板24侧，因此能够实现传感器10整体的小型化。
在此，对第1压敏元件40相对于第2压敏元件42的共振频率的变化进行探讨。各个压敏元件的共振频率的变化ΔF可以表示为，由来自隔板的压力P所引起的频率变化ΔF(P)、由温度T所引起的频率变化ΔF(T)、由随年月的变化(τ)所引起的频率变化ΔF(τ)和由空气粘性(μ)所引起的频率变化ΔF(μ)的总和。即，第1压敏元件40的共振频率的变化ΔF1、第2压敏元件42的共振频率的变化ΔF2如下式所示，
公式1
ΔF 1 = ΔF 1 ( P ) + ΔF 1 ( T ) + ΔF 1 ( τ ) + ΔF 1 ( μ ) ΔF 2 = ΔF 2 ( P ) + ΔF 2 ( T ) + ΔF 2 ( τ ) + ΔF 2 ( μ )
在此，虽然由于第1压敏元件40和第2压敏元件42采用具有相同特性的元件，因此ΔF(T)、ΔF(τ)和ΔF(μ)分别相等，但是在本实施方式的结构上，由压力P所引起的频率变化ΔF(P)的正负相反。即，
公式2
ΔF 1 ( P ) = - ΔF 2 ( P ) ΔF 1 ( T ) = ΔF 2 ( T ) ΔF 1 ( τ ) = ΔF 2 ( τ ) ΔF 1 ( μ ) = ΔF 2 ( μ )
由此，将公式1带入公式2，从而计算第1压敏元件40的共振频率的变化ΔF1与第2压敏元件42的共振频率的变化ΔF2之间的差分，即，
公式3
ΔF1-ΔF2＝2ΔF1(P)
因此，当计算第1压敏元件40和第2压敏元件42之间的共振频率的差分时，仅剩下由压力P所引起的频率变化的成分ΔF(P)，其他成分则被相互抵消。由此可知，能够消除由于各个压敏元件的温度变化、随年月的变化和空气粘性的影响而导致的压力值的误差。而且还可以看出，由于ΔF(P)的成分成为2倍，因此压力测定的灵敏度也提高到2倍。
图6图示了第1实施方式中的压力传感器的改变例。其中，图6(a)为以XZ面为切断面的剖视图，图6(b)为以YZ面为切断面的剖视图。虽然在图1、图2中，第1压敏元件40和第2压敏元件42是与臂部的侧面相连接的，但是如图6所示，也可以将第1压敏元件40的第1基部40a与第2支承部件47的支座部47a的端部相连接，并将第2基部40b与第1支承部件45的臂部45c的端部侧相连接。同样地，也可以将第2压敏元件42的第1基部42a与固定部49的端部相连接，并将第2基部42b与第2支承部件47的臂部47c的端部相连接。当然，也可以仅将第1压敏元件40与第2压敏元件42中的某一个以图6所示的配置而进行连接。
图7图示了第2实施方式所涉及的压力传感器以XZ面为切断面的立体图。另外，图8图示了第2实施方式所涉及的压力传感器的剖视图，其中，图8(a)为以XZ面为切断面的剖视图，图8(b)为以YZ面为切断面的剖视图。第2实施方式所涉及的压力传感器50中，虽然外壳12和隔板24与第1实施方式共通，但是在第1压敏元件52、第2压敏元件54、第1支承部件56和第2支承部件58由压电材料形成为一体部件这一点上有所不同。
在以一体的方式形成第1压敏元件52、第2压敏元件54、第1支承部件56和第2支承部件58的情况下，第1压敏元件52的第1基部52a和第2支承部件58的支座部58a成为一体，且第1压敏元件52的第2基部52b和第1支承部件56的臂部56c的顶端成为一体。另外，第2压敏元件54的第2基部54b与第2支承部件58的臂部58c的顶端成为一体。
由此，由于各个压敏元件与各个支承部件的热膨胀系数相一致，因此能够消除各个压敏元件与各个支承部件之间的热变形，从而提高温度特性。另外，通过以一体的方式形成各个压敏元件与各个支承部件，从而能够减少压力传感器50的部件数量，并提高压力传感器50的组装的成品率，进而抑制成本。
另外，第1压敏元件52的第1基部52a(第2支承部件58的支座部58a)、第2压敏元件54的第1基部54a、第1支承部件56的支座部56a三者与隔板24相连接的一侧的端部被形成为，排列于同一条直线上。另外，在由上述构件所形成的一体部件中，上述构件以所述直线与隔板24的位移方向垂直的方式而与隔板24(下述的固定部60、62、64)相连接。
根据上述结构，由于在各个压敏元件、各个支承部件中，不会受到来自隔板24的热变形的影响，因此成为相对于温度变化精度较高且稳定的压力传感器50。
并且，用于固定上述一体部件的固定部60通过粘合剂等而被固定在中央区域24a上，而固定部62、64通过粘合剂等而被固定在边缘部24c上。固定部60与第2支承部件58的支座部58a(第1压敏元件52的第1基部52a)相连接。固定部62与第1支承部件56的支座部56a相连接，固定部64与第2压敏元件54的第1基部54a相连接。与第1实施方式相同地，这些固定部60、62和64优选由与隔板24相同的材料形成。
图9图示了由水晶形成一体部件时的模式图，所述一体部件为，将第1压敏元件52、第2压敏元件54、第1支承部件56、第2支承部件58形成为一体的部件。在由水晶来形成一体部件的情况下，与第1实施方式的隔板24相同地，可以通过光刻加工来形成。在这种情况下，也可以通过如下步骤来形成一体部件，即，准备作为素材的母基板66，在母基板66表面上涂布正型的光刻胶68(图9(a))，并利用与将第1压敏元件52、第2压敏元件54、第1支承部件56和第2支承部件58作为一体的形状相对应的光掩膜(未图示)而进行曝光，从而使所述光刻胶68感光(图9(b))，再进行显影并将感光后的光刻胶68a去除(图9(c))，通过对母基板66所暴露出的区域进行蚀刻，从而以一体的方式形成第1压敏元件52、第2压敏元件54、第1支承部件56和第2支承部件58(图9(d))，再通过将光刻胶68剥离(图9(e))，从而形成了一体部件。
第2实施方式所涉及的压力传感器50的组装与第1实施方式基本相同。即，将隔板24与环部16相连接后，将固定部60与中央区域24a相连接，并将固定部62、固定部64连接在边缘部24c的预定位置上。并且，将固定部60的侧面与第2支承部件58的支座部58a(第1压敏元件52的第1基部52a)相连接，并将固定部62的侧面与第2压敏元件54的第1基部54a相连接，再将固定部64的侧面与第1支承部件56的支座部56a相连接即可。此时，也可以使支座部56a、第1基部54a、支座部58a三者的隔板24侧的端部抵接于隔板24。

Claims (4)

1.一种压力传感器，其特征在于，具有：
受压单元，其具有受到力而发生位移的可挠部、和与所述可挠部的外周相连接的边缘部；
第1压敏元件以及第2压敏元件，其具有压敏部和被连接在所述压敏部的两端的一对基部，且具有与对所述基部之间进行连接的线平行的检测轴，所述检测轴的方向以与所述可挠部的位移方向平行的方式而配置，
所述第1压敏元件的一个基部被固定在所述可挠部上，且另一个基部被固定在支承于所述边缘部上的第1支承部件上，
所述第2压敏元件的一个基部被固定在所述边缘部上，且另一个基部被固定在支承于所述可挠部上的第2支承部件上。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述压敏部由至少一个以上的柱状梁构成。
3.如权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1压敏元件、所述第2压敏元件、所述第1支承部件、所述第2支承部件通过压电材料而一体地形成。
4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1压敏元件、所述第2压敏元件、所述第1支承部件、所述第2支承部件各自与所述受压单元相连接的一侧的端部被形成为，配置在与所述可挠部的位移方向垂直的直线上。
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