CN113280970B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压力传感器，其具有高耐压性能，并且通过抑制相对于压力的滞后而使测定误差小，进而灵敏度高、生产率也优异。该压力传感器(1A)具备：隔膜部(10A)，其具有承受被测定流体的压力的第1主面(第3下表面(13b)以及位于该第1主面的相反侧的第2主面(第1上表面(11a)；壳体(20)；以及传感部(30)，其将所述隔膜的变形作为电信号输出，所述隔膜部的至少一部分由通过层叠多个薄板构件(11A、12A、13A)而形成的多层结构构成，这些多个薄板构件以如下方式构成：在所述被测定流体的压力被施加于所述第1主面的受压状态下，至少一部分相互压接且各自独立地变形。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及检测流体等的压力的压力传感器，特别涉及卫生用压力传感器。
背景技术
在检测流体压力的压力传感器中，对于在食品或医药品等领域的制造现场等使用的卫生用压力传感器，由于需要卫生方面的考虑，所以在耐腐蚀性、清洁性、可靠性及通用性等方面要求严格。这些要求在谋求有关卫生管理的法规的严格化的近年来变得更加严格。
在围绕这样的卫生用压力传感器的状况下，例如，从耐腐蚀性的要求出发，在压力的测定对象的流体(例如液体)接触的接液部分使用不锈钢(SUS)、陶瓷及钛等耐腐蚀性高的材料。另外，从清洁性的要求出发，采用容易清洗的闪光隔膜结构，并且，为了能够应对蒸汽清洗，成为耐热冲击性能高的设计。另外，从可靠性的要求出发，采用不使用封装剂(例如作为非压缩性流体的油)的结构(所谓的无油结构)和隔膜难以破裂的结构(屏障高刚性)。
这样，在卫生用压力传感器中，所使用的材料和结构与其他压力传感器相比受到限制。因此，不容易以高水平实现压力传感器所要求的所有性能。例如，为了具有高耐压强度且降低相对于压力的滞后而将测定误差抑制得较小，需要增大了膜厚(减小直径相对于厚度的纵横比)的高强度、高刚性的隔膜，另一方面，为了提高传感器灵敏度，需要相对于小的压力变动而大幅变形的低刚性的隔膜。这样，对隔膜的刚性的要求在各性能上不同，并且这些不同的要求相反(特别是在降低滞后而将测定误差抑制得较小和提高传感器灵敏度之间相反)。在对该隔膜的机械性质的相反要求和上述那样的设计上的限制所施加的条件下，例如在采用高强度、高刚性的隔膜的基础上，采取用于提高作为牺牲的传感器灵敏度的技术措施。
例如，在专利文献1中记载了一种压力传感器(100)，该压力传感器(100)将大致垂直地立起在隔膜(3)的支承面(3B)上的三个支承构件(2a、2b、2c)竖立设置在规定的位置上，在这些支承构件上载置有半导体芯片。在该压力传感器(100)中，隔膜(3)的微小挠曲通过3个支承构件(2a、2b、2c)，具体而言，通过配设于支承面(3B)的中心(30)的1个支承构件(2a)和配设于相对于中心(30)呈点对称的位置的2个支承构件(2b、2c)，有效地传递到传感部(半导体芯片1)(具体而言，与半导体芯片1直接设于支承面3构成的情况相比，以较大地变形的方式构成)，由此提高传感器灵敏度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-120214号公报
发明内容
发明要解决的问题
在现有技术中，如上所述，在允许与隔膜的刚性等机械性质相反的关系的基础上，通过采取上述技术措施(专利文献1中记载的技术措施等)来满足各性能。因此，在技术上要求进一步的改善，例如通过重新研究隔膜自身的结构来改善(如果可能则消除)上述相反关系，由此，与上述技术措施相结合来推进进一步的高性能化的技术。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种压力传感器，该压力传感器具有高耐压性能，并且通过抑制相对于压力的滞后而使测定误差小，通过重新研究隔膜自身的结构来改善相对于测定对象的流体(以下，称为“被测定流体”)的压力变动的灵敏度。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的压力传感器(1A、1B、1C、1D、1E)具有：隔膜部，其具有承受被测定流体的压力的第1主面和位于该第1主面的相反侧的第2主面；壳体，其支承所述隔膜部；传感部，其配设在所述隔膜部的所述第2主面上，将所述隔膜部的变形作为电信号输出；所述隔膜部的至少一部分由通过层叠多个薄板构件而形成的多层结构构成，这些多个薄板构件以如下方式构成：在所述被测定流体的压力被施加于所述第1主面的受压状态下，至少一部分相互压接并分别独立地变形。
在所述压力传感器中，也可以构成为所述多个薄板构件的各外周缘部由所述壳体或相邻的所述薄板构件支承，以使所述多个薄板构件在处于所述受压状态时通过各自的外周缘部承受由所述压力引起的力的反作用力。
另外，在所述压力传感器中，也可以构成为所述多个薄板构件的至少一部分彼此在外周缘部接合，该接合后的外周缘部(14)的至少一部分固定在所述壳体上。
进而，也可以相邻的两个所述薄板构件的相对的一对表面以相互接触的方式形成。
另外，在所述压力传感器中，也可以构成为在相邻的所述薄板构件的至少一部分之间形成间隙。
进而，在所述压力传感器中，也可以构成为所述多个薄板构件的至少一部分具备在表里两个面中的至少一个表面上形成的凸状部(11c、12c)。
另外，在所述压力传感器中，也可以以所述多个薄板构件的中央部被接合的方式形成。
进而，在所述压力传感器中，也可以在相邻的两个所述薄板构件之间配设有润滑构件(40、50)。
另外，在所述压力传感器中，也可以构成为相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
另外，在上述说明中，作为一例，对与发明的构成要素对应的附图上的参照符号标注括号进行记载。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种压力传感器，该压力传感器具有高耐压性能，并且通过抑制相对于压力的滞后来抑制测定误差，进而对被测定流体的压力变动具有高灵敏度。
附图说明
图1是本发明的实施方式的压力传感器和与其连接的配管的剖视图。
图2是将本发明的第1实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的截面中的图1中的X部分放大后的图。
图3是表示本发明的第1实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的受压时的变形形态的剖视图。
图4是表示本发明的第1实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的受压时的变形形态的概念图。
图5是放大了图3中的Y部分的剖视图。
图6是将本发明的第2实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的截面中的图1中的X部分放大后的图。
图7是表示本发明的第2实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的受压时的变形形态的截面，是将相当于图6中的Y部分的部分放大后的图。
图8是本发明的第3实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的剖视图，是将图1中的X部分放大后的图。
图9是本发明的第4实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的剖视图，是将图1中的X部分放大后的图。
图10是本发明的第5实施方式的压力传感器所具备的隔膜部的剖视图，是将图1中的X部分放大后的图。
具体实施方式
以下，根据图1至图10说明作为本发明的优选实施方式的第1实施方式至第5实施方式。对于各实施方式中共同的构成要素，标注相同的符号，并且省略重复的说明。另外，说明中的左右方向、前后方向及上下方向分别定义为各图所示的压力传感器1A、1B、1C、1D、1E及/或隔膜部10A、10B、10C、10D、10E相对于纸面的进深方向、上下方向及左右方向。另外，各图是概念图，各自所示的内容未必与实际的压力传感器一致。
《第1实施方式》
首先，根据图1和图2说明具备本发明的第1实施方式的隔膜部10A的压力传感器1A。
[压力传感器的构成]
首先，根据图1和图2说明压力传感器1A的构成。如图1所示，该压力传感器1A主要由受到被测定流体F的压力P而变形(挠曲)的隔膜部10A、与该隔膜部10A的外周缘结合并支承该隔膜部10A的壳体20、以及将隔膜部10A的变形作为规定的电信号(例如电压信号)进行检测的传感部30构成。另外，在壳体20的下方，例如通过夹具C安装有被测定流体F流入流出的配管H。
<隔膜部10A>
隔膜部10A是由其变形量根据被测定流体F的压力P的大小而变化的薄膜构件构成的要素。如图2所示，隔膜部10A由3个薄板构件、即第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A构成，具有层叠了这些薄板构件的多层结构。
第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的例如各自的外周缘通过焊接等接合，由此，圆筒状的固定部14形成在隔膜部10A的外周缘部。该固定部14例如通过焊接与壳体20(更具体地说，后述的开口部21的内周侧壁面21a)接合，由此，隔膜部10A通过壳体20被支承、固定。另外，固定部14的内侧形成有变形区域(有时将配设有传感部30的变形区域特别称为“变形检测区域R”。)。
第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A例如由各自的厚度(第1薄板构件11A的板厚t11、第2薄板构件12A的板厚t12以及第3薄板构件13A的板厚t13)相等的俯视大致圆形的薄板构成。这些薄板构件均形成为平坦的面，具有上下(表里)两个表面。具体而言，第1薄板构件11A具有第1上表面11Aa及第1下表面11Ab，第2薄板构件12A具有第2上表面12Aa及第2下表面12Ab，第3薄板构件13A具有第3上表面13Aa及第3下表面13Ab。形成最上面的第1上表面11Aa是相当于“第2主面”的部位，作为载置传感部30并将其保持的支承面而发挥功能。另外，形成最下面的第3下表面13Ab是相当于“第1主面”的部位，作为与被测定流体F接触而承受压力P的受压面发挥功能。
在本实施方式中，相邻的2个薄板构件，即第1薄板构件11A和第2薄板构件12A以及第2薄板构件12A和第3薄板构件13A以相互接触的方式构成。具体而言，即使在被测定流体F的压力P没有施加在隔膜部10A上的非受压状态时，相互相对的一对表面、即第1下表面11Ab与第2上表面12Aa以及第2下表面12Ab与第3上表面13Aa也以相接的方式构成。由此，能够防止不灵敏区的产生。
在此，也可以使用摩擦系数小且表面自由能小的材料、例如氟树脂等高分子材料来涂覆上述相对的一对表面。在实施了这样的涂覆的规格中，即使在被测定流体F的压力P例如处于作为等效均布载荷而被施加的状态时(以下有时称为“受压时”或“受压状态”。)，也能够物理化学地防止上述相对的一对表面压接。由此，第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A在受压时容易构成为相互压接并分别独立地变形(在受压时在相邻的2个薄板构件之间产生不同的应变的情况下，容易构成为相互滑动)。
在一例中，第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A由相同的材料、例如耐腐蚀性优异的不锈钢(SUS)或钛中的任一种构成。
在另一个例子中，第1薄板构件11A、第2薄板构件12A和第3薄板构件13A由不同的材料例如不锈钢(SUS)以及钛的某一种制成。在这种情况下，可以以相邻的两个薄板构件之间的材料不同的方式构成。例如，第1薄板构件11A和第3薄板构件13A由不锈钢(SUS)构成，第2薄板构件12A由钛构成。通过这样构成，即使在受压时第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A相互压接，也能够物理化学地抑制相对的一对表面由于表面自由能而压接。另外，为了使各薄板构件的变形形态大致相同，作为不同的材料也可以使用例如纵弹性系数或热膨胀率这样的物性值大致相同的材料。
另外，也可以以第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的板厚t11、t12以及t13不同的方式构成。例如，也可以使板厚不同，以使受压时各薄板构件的表面的应变(在该表面产生的应力)相等。
如上所述，固定部14是通过焊接等使第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的外周缘部相互结合而形成的圆筒状的部位。固定部14的外径D14划分出隔膜部10A的外周缘直径，其内径d14划分出隔膜部10A的变形区域的外周缘直径。在此，为了提高传感器灵敏度，可以将固定部14的内径d14设定得比变形检测区域R的外径D30大。由此，在变形检测区域R下，隔膜部10A通过由第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A形成的多层结构而构成。通过这样构成，隔膜部10A的变形检测区域R在受压时各薄板构件独立地变形。具体而言，第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A分别具有中立面S11A、S12A、S13A，以这些中立面S11A、S12A、S13A为界，图3及图5中的下侧(作为受压面起作用的第3下表面13Ab侧)伴随压缩应力而变形，其上侧(作为传感部30的支承面起作用的第1上表面11Aa侧)伴随拉伸应力而变形。
形成固定部14的外周缘的外周侧壁面14a在嵌入后述的壳体20的开口部21之后，例如通过焊接使至少其一部分(焊接部W)与开口部21的内周侧壁面21a结合。由此，隔膜部10A经由固定部14(更具体而言是焊接部W)被支承、固定于壳体20。在该固定方式中，当通过作为受压面起作用的第3下表面13Ab施加被测定流体F的压力P时，其反作用力经由固定部14(更具体地说是焊接部W)作用于壳体20。
另外，隔膜部10A的上述固定方式只不过是一例，只要是在受压时壳体20承受作用于隔膜部10A的力、且该力的反作用力通过隔膜部10A的固定部14而作用于各薄板构件的外周缘部的固定方式，就不限定于特定的方式。例如，也可以是如下方式：在壳体20的开口部21形成与固定部14的上端面抵接的座面，通过该座面和安装于固定部14的下端面的卡环夹持固定部14，将隔膜部10A固定于壳体20。
<壳体20>
壳体20是在内侧开口有开口部21的大致圆筒状的隔膜支承元件，由耐腐蚀性高的金属材料、例如不锈钢(SUS)形成。如图1所示，壳体20在其下部以朝向半径方向外侧突出的方式设有与配管H的套箍凸缘部Hf接合的套箍凸缘部20f。压力传感器1A和配管H通过重叠的套箍凸缘部20f和套箍凸缘部Hf被夹具C沿上下方向夹持而相互连结。开口部21的内周侧壁面21a在其下部与隔膜部10A的外周缘结合，与隔膜部10A、更具体而言与隔膜部10A的第1上表面11Aa一起，形成与被测定流体F流入流出的配管H的内部隔绝的圆柱状的空间V。该空间V例如与大气连通，在内侧配设有下面叙述的传感部30。
<传感部30>
如上所述，传感部30是检测隔膜部10A的变形并输出与该变形量对应的电信号、例如电压信号的功能部。传感部30例如由竖立设置在隔膜部10A的第1上表面11Aa上的多个构造体31a、31b、31c和由这些构造体31a、31b、31c支承的半导体芯片32构成。该半导体芯片32例如由基板和应变仪构成，该基板由Si等半导体材料构成，该应变仪由形成在该基板上的惠斯通电桥电路构成。惠斯通电桥电路所具备的4个电阻元件(例如扩散电阻)被构成为，通过其长度根据隔膜部10A的变形而位移(伸缩)，从而电阻值增减。由此，隔膜部10A的变形作为惠斯通电桥电路的中间点的电压值的变化而被检测。
另外，在本实施方式中，通过与现有技术的相乘效果，为了以更高的维度实现低滞后和高灵敏度化，采用了上述构成的传感部30，但并不一定必须是该构成，例如也可以在第1薄板构件11A的第1上表面11Aa上直接贴设传感部30。
[压力传感器1A的动作原理]
结合隔膜部10A的变形方式并且基于图3及图4说明使用上述构成的压力传感器1A来测定被测定流体F的压力P的原理(动作原理)。
如图3及图4所示，在隔膜部10A处于受压状态时，在形成受压面的第3薄板构件13A的第3下表面13Ab上，向上施加由等效均布载荷P引起的规定的力F0(在图4中，为了方便，将力F0表示为集中载荷)。此时，第3薄板构件13A在经由固定部14支承、固定在壳体20上的外周缘上作用有向下的反作用力Fr13，并且伴随弯曲力矩而以中央部突出的方式变形。该变形通过与第3上表面13Aa相接的第2下表面12Ab向第2薄板构件12A传递，同时从第3薄板构件13A向第2薄板构件12A传递向上的力F1。此时，力F1的反作用力Fr1向下作用于第3薄板构件13A的第3上表面13Aa。由此，第3薄板构件13A在向上的力F0与向下的反作用力Fr1和反作用力Fr13平衡的状态下静止。另外，在图4中，为了方便，将力F1及其反作用力Fr1表示为集中载荷，但实际上通过面接触来传递这些力。
通过与第3薄板构件13A的第3上表面13Aa接触的第2下表面12Ab而被施加了向上的力F1的第2薄板构件12A，在经由固定部14固定在壳体20上的外周缘上作用有向下的反作用力Fr12，并且伴随弯曲力矩而以中央部突出的方式变形。该变形通过与第2上表面12Aa相接的第1下表面11Ab向第1薄板构件11A传递，同时从第2薄板构件12A向第1薄板构件11A传递向上的力F2。此时，力F2的反作用力Fr2向下作用在第2薄板构件12A的第2上表面12Aa上。由此，第2薄板构件12A在向上的力F1与向下的反作用力Fr2和反作用力Fr12平衡的状态下静止。另外，在图4中，为了方便，将力F2及其反作用力Fr2作为集中载荷来表示，但实际上通过面接触来传递这些力。
通过与第2薄板构件12A的第2上表面12Aa接触的第1下表面11Ab而被施加了向上的力F2的第1薄板构件11A，在经由固定部14固定在壳体20上的外周缘上作用有与该力F2平衡的向下的反作用力Fr11而静止，并且伴随弯曲力矩而以中央部突出的方式变形。
第1薄板构件11A的上述变形被传递到贴设于第1上表面11Aa的传感部30，使构成传感部30的半导体芯片32变形。由此，该半导体芯片32内的由惠斯通电桥电路构成的应变仪所具备的电阻元件位移(伸缩)，从传感部30输出与该变形(量)对应的电压值。
[效果]
与使用单层隔膜的以往的压力传感器相比较，并基于图3至图5说明上述构成的本实施方式的压力传感器1A的效果，具体而言是使用隔膜的压力传感器所要求的耐压性能、测定误差及压力灵敏度。
耐压性能通过作用于处于受压状态的隔膜的弯曲力矩所引起的应力σ(弯曲应力度σ)的最大值σmax来评价。在对外周缘通过焊接等固定在壳体上的圆板状的隔膜施加均布载荷的方式中，该最大应力值σmax在作为固定端的外周缘产生。最大应力值σmax可以根据关系式σmax＝3P·a2/4t2来计算，其中P是均布载荷，a是隔膜的半径，t是隔膜的板厚。为了得到所希望的耐压性能，要求最大应力值σmax为规定值以下，为此，增大外周缘部分的板厚t(或者减小相对于厚度的直径、即纵横比)是有用的。因此，为了提高具有规定大小(直径)的隔膜的耐压性能，要求增大隔膜的板厚t。
测定误差例如可以通过抑制相对于压力的滞后来减小。为了抑制相对于压力的滞后，在受压状态和非受压状态反复的隔膜中，减小配设有传感部的变形检测区域R中的应力σ(弯曲应力度σ)和应变ε的振幅、即减小最大应力值σmax和最大应变εmax是有效的。这样，最大应力值σmax和最大应变εmax成为表示测定误差(相对于压力的滞后)的程度的指标之一。为了减小最大应力值σmax和最大应变εmax，提高隔膜的变形区域的刚性、即增大隔膜的板厚t是有用的。因此，为了抑制测定误差(相对于压力的滞后)，要求增大隔膜的板厚t。
压力灵敏度依赖于配设有传感部的隔膜内的变形区域中的变形量，该变形量相对于被测定流体F的压力变化的比例越大，即隔膜的刚性越低而挠曲越大，压力灵敏度越高。为了降低隔膜的刚性，减小隔膜的板厚t是有用的。因此，为了提高压力灵敏度，要求减小隔膜的板厚t。
如上所述，对隔膜的板厚t的要求事项在耐压性能以及测定误差与压力灵敏度之间相反，另外，对隔膜的刚性的要求事项在测定误差与压力灵敏度之间相反。在以往的压力传感器中，从保证耐压性能的观点出发，将隔膜的厚度t设定为足够大的值。其结果，如背景技术中所述，通过提高隔膜的刚性，抑制相对于压力的滞后，测定误差也变小，另一方面，由于变形量变得微小，所以压力灵敏度降低。因此，在以往的压力传感器中，为了得到所希望的压力灵敏度，需要另外设置专利文献1中记载的支承构件等技术措施。
与此相对，根据本实施方式的具备隔膜部10A的压力传感器1A，通过重新研究隔膜的刚性等机械性质，与上述专利文献1所记载的发明所具备的技术措施相结合，能够更高层次地改善(消除)上述相反关系。即，如上所述，压力传感器1A所具备的隔膜部10A的变形区域(变形检测区域R)由第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A所形成的多层结构构成，这些第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A以在上述受压状态下分别独立地变形的方式构成。具体而言，第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A具有分别具有不同的曲率半径(曲率半径ρ11A、ρ12A以及ρ13A)的中立面S11A、S12A、S13A，构成为分别以该中立面S11A、S12A、S13A为界，图3以及图5中的下侧(作为受压面发挥功能的第3下表面13Ab侧)伴随压缩应力而变形，其上侧(作为传感部30的支承面发挥功能的第1上表面11Aa侧)伴随拉伸应力而变形(参照图3以及图5)。
在此，例如，在各薄板构件由同一材料形成的情况下，如果将其纵弹性系数设为E，将各中立面的曲率半径设为ρ11A、ρ12A及ρ13A，并将距各中立面的距离设为z11A、z12A及z13A，则作用于处于上述受压状态时的第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的弯曲力矩所引起的应力σ11A、σ12A、σ13A(弯曲应力度σ11A、σ12A、σ13A)可以通过关系式σk＝E×zk/ρk(k＝11A、12A、13A)近似地算出。距中立面的距离zk由各板厚tk划定其范围，在纵截面形状上下对称且由单一材料构成的圆板状的第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A中，距离zk的最大值为板厚tk的1/2。即，应力σk在第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的表面成为最大，其值(近似值)为σkmax＝E×tk/(2×ρk)(以下称为“关系式α”。)
如上所述，上述关系式α中的σkmax是表示测定误差(相对于压力的滞后)的程度的指标，其值越小越好。另外，上述关系式α中的曲率半径ρk是表示变形程度的指标，即成为压力灵敏度的指标，其值越小变形程度越大，适合于提高压力灵敏度。
在此，在第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A各自的板厚t11、t12以及t13为单层的隔膜的板厚t的1/3的情况下，如下所述，具备隔膜部10A的压力传感器1A的测定误差(相对于压力的滞后)以及压力灵敏度比使用单层的隔膜的以往的压力传感器的测定误差以及压力灵敏度优越。
即，如果作为测定误差(相对于压力的滞后)的指标的最大应力值σmax在2个隔膜中相同，则作为压力灵敏度的指标的隔膜部10A的曲率半径(更具体而言，配设有传感部30的第1薄板构件11A的曲率半径ρ11A)根据关系式α为单层的隔膜的大致1/3倍。因此，如果假定压力灵敏度与曲率半径成反比例，则具备隔膜部10A的压力传感器1A与使用单层隔膜的以往的压力传感器相比，测定误差(相对于压力的滞后)相等，并且压力灵敏度大致为3倍。
另外，在隔膜部10A的最大应力值σmax为单层隔膜的应力值的1/2的情况下，隔膜部10A的曲率半径(更具体而言，配设有传感部30的第1薄板构件11A的曲率半径ρ11A)根据关系式α为单层隔膜的曲率半径的大致2/3倍。因此，如果假定测定误差(相对于压力的滞后)与应力σ(弯曲应力度σ)的最大值成比例，且压力灵敏度与曲率半径成反比，则具备隔膜部10A的压力传感器1A与使用单层隔膜的以往的压力传感器相比，测定误差为1/2且压力灵敏度大致为1.5倍。
这样，在具备由多个薄板构件构成的多层结构的隔膜部10A的压力传感器1A中，能够以高水平兼顾到目前为止被认为相反的测定误差和压力灵敏度(即，能够改善相对于隔膜的刚性的上述相反关系)。通过增加构成隔膜部10A的薄板构件的片数而使其板厚变薄，该效果更显著。
另外，在具备多层结构的隔膜部10A的压力传感器1A中，在耐压强度方面也起到优异的效果。即，在由第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A构成的多层结构的隔膜部10A中，作用有图4所示的力。在此，力F1与其反作用力Fr1相等，力F2与其反作用力Fr2相等。根据这些力的平衡式，由被测定流体F的压力P引起的力F0与作用于第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的外周缘的反作用力Fr11、Fr12以及Fr13的合计值相等。即，通过使隔膜为多层结构，由被测定流体F的压力P引起的力F0被分散到各层。由此，使各薄板构件挠曲的力比使单层的隔膜挠曲的力小。例如，在第1薄板构件11A中，该力减小反作用力Fr1所作用的量。因此，在由被测定流体F的压力P引起的力F0为相同值的情况下，在隔膜部10A的外周缘产生的应力σ(弯曲应力度σ)的最大值σmax，更具体而言，在第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的各自的外周缘产生的应力σi(弯曲应力度σi)(i＝11A、12A、13A)的最大值σimax比单层的隔膜的最大值小，耐压性能提高。该效果通过增加构成隔膜部10A的薄板构件的片数而更加显著。
《第2实施方式》
接着，对本发明的第2实施方式的压力传感器1B进行说明。该压力传感器1B将上述第1实施方式的压力传感器1A所具备的隔膜部10A置换为图6所示的隔膜部10B，其他的构成与压力传感器1A相同。以下，对隔膜部10B的构成进行说明。
<隔膜部10B>
如图6所示，隔膜部10B由在中央部形成的刚性高的非变形部15和以包围该非变形部15的周缘的方式形成的刚性低的第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B构成。第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B形成为圆筒状的薄板，其内周缘与非变形部15的外周缘连接，并且其外周缘与壳体20(更具体地说，开口部21的内周侧壁面21a)连接。
非变形部15形成为直径D15及高度H15的圆柱区域。非变形部15例如通过在规定的范围内接合(例如通过焊接接合)构成隔膜部10A的第1薄板构件11A、第2薄板构件12A以及第3薄板构件13A的中央部而形成。在该规格中，高度H15为第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B的板厚的合计值(即，H15＝t11+t12+t13)。另外，直径D15被设定为比变形检测区域R的外径D30小的值，以使构成传感部30的应变仪能够变形。
在上述方式的隔膜部10B中，刚性高的非变形部15经由刚性低的第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B被支承、固定于壳体20(更具体而言，开口部21的内周侧壁面21a)。因此，在上述方式的隔膜部10B处于受压状态时，刚性低的第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B变形。具体而言，隔膜部10B以包含非变形部15的中央部突出的方式使第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B变形。
在上述变形方式中，由于非变形部15大致不变形，因此几乎不产生由弯曲力矩引起的应力。另一方面，如图7所示，第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B以具有不同的曲率半径(曲率半径ρ11B、ρ12B以及ρ13B)的3个中立面S11B、S12B以及S13B为界，伴随压缩应力或拉伸应力而变形。由此，在第1薄板构件11B、第2薄板构件12B以及第3薄板构件13B的内部产生由弯曲力矩引起的应力σ11B、σ12B、σ13B(弯曲应力度σ11B、σ12B、σ13B)。其结果，在具备隔膜部10B的压力传感器1B中，也能够带来与具备隔膜部10A的压力传感器1A同样的效果。
通过形成非变形部15，提高隔膜部10B的一体性。即，通过非变形部15形成作用点的一部分，被测定流体F的压力P向各薄板构件传递。由此，能够保证压力传感器1B的稳定的动作。只要不妨碍各薄板构件独立地变形(挠曲)，另外，只要传感部30能够检测隔膜部10B的变形，则配设有非变形部15的位置和形状不限定于特定的位置和形状。例如，也可以在变形检测区域R的外侧配设非变形部15。此时的非变形部15的形状可以形成为圆环状的部位，也可以形成为散布在同心圆上的多个圆柱状部位。
《第3实施方式》
接着，对本发明的第3实施方式的压力传感器1C进行说明。该压力传感器1C是将上述第1实施方式的压力传感器1A所具备的隔膜部10A置换为图8所示的隔膜部10C的传感器，其他的构成与压力传感器1A相同。以下，对隔膜部10C的构成进行说明。
<隔膜部10C>
隔膜部10C的基本形态与隔膜部10A相同，但是，如图8所示，在构成隔膜部10C的第1薄板构件11C和第2薄板构件12C的下表面、即第1下表面11Cb和第2下表面12Cb上形成有凹部，这一点与隔膜部10A不同。通过形成该凹部，在相邻的2个薄板构件之间，即，在第1薄板构件11C和第2薄板构件12C之间以及第2薄板构件12C和第3薄板构件13C之间形成间隙C1、C2。
通过形成间隙C1、C2，在物理上防止第1薄板构件11C、第2薄板构件12C以及第3薄板构件13C相互压接。具体而言，在受压时，相互压接的区域被抑制为必要最小限度的区域(例如，配设有传感部30的变形检测区域R)，由此防止多个构件一体地变形(由此，各薄板构件能够独立地变形(挠曲))。另外，通过该间隙C1、C2吸收因第1薄板构件11C、第2薄板构件12C以及第3薄板构件13C的材料不同而产生的各薄板构件的变形形态的不同(例如，因纵向弹性系数不同而产生的变形形态的不同、以及因热膨胀不同而产生的各薄板构件的变形形态的不同)，能够抑制各薄板构件之间的变形的干涉等。
另外，形成上述凹部的部分或形成方式可以适当变更。例如，上述凹部也可以不形成在第1薄板构件11C的第1下表面11Cb和第2薄板构件12C的第2下表面12Cb上，而形成在第2薄板构件12C的第2上表面12Ca和第3薄板构件13C的第3上表面13Ca上。另外，也可以在由没有形成凹部的薄板状的平板构成的第1薄板构件11C、第2薄板构件12C及第3薄板构件13C之间，夹设环状的衬垫而形成上述凹部(间隙C1、C2)。
《第4实施方式》
接着，对本发明的第4实施方式的压力传感器1D进行说明。该压力传感器1D将上述第1实施方式的压力传感器1A所具备的隔膜部10A置换为图9所示的隔膜部10D，其他构成与压力传感器1A相同。以下，对隔膜部10D的构成进行说明。
<隔膜部10D>
隔膜部10D与隔膜部10A的不同点在于，在第1薄板构件11D的第1下表面11Db上设有凸状部11c，在第2薄板构件12D的第2下表面12Db上设有凸状部12c，其他的构成与隔膜部10A相同。
凸状部11c和凸状部12c例如由与第1薄板构件11D和第2薄板构件12D相同的材料构成，通过光刻等微细加工或蒸镀等成膜加工形成在各薄板构件的表面上。但是，形成凸状部11c和凸状部12c的材料不限于上述材料。例如，凸状部11c和12c也可以由具有润滑性的高分子材料形成。
凸状部11c和凸状部12c例如呈凸顶状，配设在第1下表面11Db和第2下表面12Db的中央部和在同心圆上隔开大致90°间隔的4个位置上。另外，凸状部11c和凸状部12c配设成相互成为上下一列。另外，凸状部11c和凸状部12c的形状并不限定于特定的形状。例如，凸状部11c和12c也可以是柱状(圆柱状、棱柱状)或锥台状(圆锥台状、棱锥台状)。另外，配设凸状部11c和凸状部12c的数量和位置也不限定于特定的数量和位置。例如，可以只在中心部设置一个凸状部11c和12c，也可以在中心部和外周缘之间设置多个。在配设多个凸状部11c和12c的情况下，可以将它们有规则地配置，也可以随机地配置。
另外，凸状部11c和12c也可以突出设置在构成隔膜部10D的第2薄板构件12D和第3薄板构件13D的上表面。进而，也可以使突出设置于第1薄板构件11D以及第2薄板构件12D的下表面的凸状部11c以及12c和突出设置于第2薄板构件12D以及第3薄板构件13D的上表面的凸状部11c以及12c混合存在地构成。
在设有凸状部11c及凸状部12c的隔膜部10D中，相邻的薄板构件(第1薄板构件11D与第2薄板构件12D及第2薄板构件12D与第3薄板构件13D)的接触面积变小。由此，能够适当地防止受压时相邻的薄板构件、具体而言第1薄板构件11D与第2薄板构件12D以及第2薄板构件12D与第3薄板构件13D压接而一体地变形。即，第1薄板构件11D、第2薄板构件12D以及第3薄板构件13D容易以分别独立地变形的方式构成。
《第5实施方式》
接着，对本发明的第5实施方式的压力传感器1E进行说明。该压力传感器1E将上述第1实施方式的压力传感器1A所具备的隔膜部10A置换为图10所示的隔膜部10E，其他的构成与压力传感器1A相同。以下，对隔膜部10E的构成进行说明。
<隔膜部10E>
隔膜部10E在第1薄板构件11C与第2薄板构件12C之间、以及第2薄板构件12C与第3薄板构件13C之间配设有润滑构件40、50这一点上与隔膜部10C不同，其他的构成与隔膜部10C相同。
润滑构件40、50优选由表面自由能小的高分子材料、例如氟树脂构成。另外，为了尽可能地抑制通过配设润滑构件40、50而提高隔膜部10C的刚性，润滑构件40、50优选为具备挠性的材料。
润滑部构件40、50配设在配设有传感部30的区域的下方且受压时相邻的薄板构件压接的部分(图10的中央部)即可。换言之，不需要以覆盖相邻的薄板构件的相对的一对表面的全部的方式配设。
根据上述构成的隔膜部10E，与受压状态或非受压状态无关，能够适当地抑制相邻的薄板构件(第1薄板构件11C和第2薄板构件12C以及第2薄板构件12C和第3薄板构件13C)的附着或压接。由此，能够适当地抑制处于受压状态的第1薄板构件11C、第2薄板构件12C以及第3薄板构件13C一体地变形(挠曲)。即，处于受压状态的第1薄板构件11C、第2薄板构件12C和第3薄板构件13C容易以分别独立地变形的方式构成。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限于该实施方式，在不脱离其主旨的范围内可以进行各种变更。另外，即使是在说明书和附图中没有直接记载的构成，只要起到本发明的作用、效果，也在本发明的技术思想的范围内。进而，上述记载以及各图所示的实施方式，只要其目的以及构成等不矛盾，也可以将相互的记载内容组合。
例如，在上述实施方式中，作为基于隔膜的变形的压力检测方法(传感原理)，使用了包含应变仪的半导体芯片32，但不限于此，例如也可以是使用通过溅射等使静电电容式传感器、金属应变仪、电阻仪成膜而成的膜的压力检测方法(传感原理)。
符号说明
1A、1B、1C、1D、1E…压力传感器，10A、10B、10C、10D、10E…隔膜部，11A、11B、11C、11D…第1薄板构件，11Aa、11Ba、11Ca、11Da…第1上表面，11Ab、11Bb、11Cb、11Db…第1下表面，11c…凸状部，12A、12B、12C、12D…第2薄板构件，12Aa、12Ba、12Ca、12Da…第2上表面，12Ab、12Bb、12Cb、12Db…第2下表面，12c…凸状部，13A、13B、13C、13D…第3薄板构件，13Aa、13Ba、13Ca、13Da…第3上表面，13Ab、13Bb、13Cb、13Db…第3下表面，14…固定部，20…壳体，21…开口部，30…传感部，40、50…润滑构件。

Claims (27)

1.一种压力传感器，其特征在于，具有：
隔膜部，其具有承受被测定流体的压力的第1主面和位于该第1主面的相反侧的第2主面；
壳体，其支承所述隔膜部；以及
传感部，其配设在所述隔膜部的所述第2主面上，将所述隔膜部的变形作为电信号输出，
所述隔膜部的至少一部分由通过层叠多个薄板构件而形成的多层结构构成，这些多个薄板构件以如下方式构成：在所述被测定流体的压力被施加于所述第1主面的受压状态下，至少一部分相互压接并分别独立地变形。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的各外周缘部被所述壳体或相邻的所述薄板构件支承，以使所述多个薄板构件在处于所述受压状态时通过各自的外周缘部承受由所述压力引起的力的反作用力。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的至少一部分彼此在外周缘部接合，该接合后的外周缘部的至少一部分固定在所述壳体上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的两个所述薄板构件的相对的一对表面以相互接触的方式形成。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
在相邻的所述薄板构件的至少一部分之间形成有间隙。
6.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
在相邻的所述薄板构件的至少一部分之间形成有间隙。
7.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的至少一部分具备在表里两个面中的至少一个表面上形成的凸状部。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的中央部被接合。
9.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的中央部被接合。
10.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的中央部被接合。
11.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的中央部被接合。
12.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个薄板构件的中央部被接合。
13.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
在相邻的两个所述薄板构件之间配设有润滑构件。
14.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，
在相邻的两个所述薄板构件之间配设有润滑构件。
15.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，
在相邻的两个所述薄板构件之间配设有润滑构件。
16.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，
在相邻的两个所述薄板构件之间配设有润滑构件。
17.根据权利要求1～3中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
18.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
19.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
20.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
21.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
22.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
23.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
24.根据权利要求10所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
25.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
26.根据权利要求12所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
27.根据权利要求13所述的压力传感器，其特征在于，
相邻的所述薄板构件由不同的材料构成。
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