JP2001027571A - 薄膜型センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄膜型センサにおいて、実用的な耐ノイズ構
造を提供する。 【解決手段】 圧力に応じて撓む金属ダイヤフラム４
と、金属ダイヤフラム４の表面に絶縁層を介して配置し
た複数の歪ゲージと、歪ゲージを含むブリッジ回路で構
成される検出回路とを備える薄膜型圧力センサ１におい
て、金属ダイヤフラム４が取り付けられる金属製センサ
ハウジング１０と、センサハウジング１０と金属ダイヤ
フラム４の間に介装される絶縁体として絶縁ブッシュ２
０と絶縁プレート２１およびＯリング２４とを備える

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば流体圧力等
を測定する薄膜型センサの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、油圧機器に組み込まれる薄膜型の
圧力センサとして、例えば図６に示すものが、本出願人
により特願平８−２３３１５３号として提案されてい
る。

【０００３】これについて説明すると、圧力センサ１の
センサ部３は金属製センサハウジング１０の内部に配置
され、このセンサハウジング１０は流体管路などにネジ
部２を介して螺合され、センサ部３に直接的に流体圧力
が作用するように、ネジ部２の中心が空洞になってい
る。そしてセンサ部３はセンサハウジング１０に接合
し、溶接等で固着されている。

【０００４】図２に示すように、センサ部３は流体圧力
に応じて撓む金属ダイヤフラム４の表面に絶縁層５が形
成され、これら絶縁層５の表面には歪ゲージ６および図
示しない電極層等で構成される検出回路９が設けられ
る。検出回路９は複数の歪ゲージ６でブリッジ回路を構
成し、金属ダイヤフラム４の撓み変形に応じて歪ゲージ
６の抵抗が変化すると出力電圧が変化するようになって
おり、金属ダイヤフラム４にかかる流体の圧力が測定さ
れる。

【０００５】しかし、金属製のセンサハウジング１０と
金属ダイヤフラム４とが電気的に接続されている構造の
ため、ＰＷＭ回路やインバータからの高周波ノイズがセ
ンサハウジング１０を介して金属ダイヤフラム４に侵入
することになる。センサ部３は金属ダイヤフラム４と検
出回路９とが薄い膜状の絶縁層５を介して対峙し、金属
ダイヤフラム４と検出回路９間の静電容量が大きく、高
周波ノイズは大きな静電容量をもつ絶縁物を通過する性
質があるため、検出回路９にＰＷＭ回路やインバータか
らの高周波ノイズの影響を受けやすい。

【０００６】この対策として、図７に示すように、セン
サ部３は流体圧力に応じて撓む金属ダイヤフラム４の表
面に２層の絶縁層５Ａ，５Ｂが形成され、これら絶縁層
５Ａ，５Ｂの間には導電膜層７が挟み込まれる。導電膜
層７はブリッジ回路のグランド側端子１２に接続し、検
出回路９を金属ダイヤフラム４からの高周波ノイズに対
して静電シールしている。これにより、金属ダイヤフラ
ム４を経由して侵入してくる高周波ノイズが検出回路９
に侵入することが防止され、圧力センサ１の出力特性が
安定化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の薄膜型圧力センサにあっては、２層の絶縁層
５Ａ，５Ｂの間に導電膜層７が挟み込まれる多層薄膜構
造となっていたため、絶縁層５Ａ，５Ｂの欠陥および導
電膜層７のヒロック成長等により、面積の大きな金属ダ
イヤフラム４と導電膜層７間に絶縁不良が生じたり、導
電膜層７と検出回路９間に絶縁不良が生じる可能性があ
り、実用化が難しいという問題点があった。

【０００８】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、薄膜型センサにおいて、実用的な耐ノイズ構
造を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、圧力に応
じて撓む金属ダイヤフラムと、金属ダイヤフラムの表面
に絶縁層を介して配置する複数の歪ゲージと、歪ゲージ
を含むブリッジ回路で構成される検出回路とを備える薄
膜型センサに適用する。

【００１０】そして、金属ダイヤフラムが取り付けられ
る金属筐体と、金属筐体と金属ダイヤフラムの間に介装
される絶縁体とを備えるものとした。

【００１１】第２の発明は、第１の発明において、金属
ダイヤフラムを検出回路のグランドに接続する接地手段
を備えるものとした。

【００１２】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、金属ダイヤフラムと金属筐体の間に介装される筒
状の絶縁ブッシュと、金属筐体に対する金属ダイヤフラ
ムの抜け止めをする絶縁プレートと、金属ダイヤフラム
と金属筐体の間を密封する絶縁シール材を備えるものと
した。

【００１３】第４の発明は、第１または第２の発明にお
いて、金属ダイヤフラムと金属筐体の間に介装される膜
状の絶縁フィルムと、金属筐体に対する金属ダイヤフラ
ムの抜け止めをする絶縁プレートと、金属ダイヤフラム
と金属筐体の間を密封する絶縁シール材を備えるものと
した。

【００１４】

【発明の作用および効果】第１の発明において、金属ダ
イヤフラムが撓むのに応じて歪ゲージが変形し、歪ゲー
ジの抵抗が変化し、検出回路から取り出される出力電圧
が変化する。

【００１５】しかし、金属ダイヤフラムと検出回路とは
薄い膜状の絶縁層を介して対峙し、金属ダイヤフラムと
検出回路間の静電容量が大きいため、高周波ノイズが金
属ダイヤフラムに入力されるとこのノイズが絶縁層を通
過して検出回路に侵入しやすい。

【００１６】本発明はこの対策として、金属ダイヤフラ
ムと金属筐体の間に絶縁体が介装され、金属ダイヤフラ
ムが金属筐体に対して電気的に絶縁されかつ静電容量が
小さくなることにより、外部構造物から金属筐体を通じ
て金属ダイヤフラムに侵入しようとする高周波ノイズが
遮断される。これにより、金属ダイヤフラムを経由して
侵入してくる高周波ノイズが検出回路に侵入することが
防止され、センサの出力特性が安定化する。

【００１７】そして、センサ部は１層の絶縁層を備える
構造となっていたため、前記従来装置のような１層の導
電膜層を挟んで２層の絶縁層を備える多層薄膜構造に比
べて、絶縁層の欠陥等による絶縁不良を減らし、製品の
歩留まりを改善してコストダウンがはかれる。

【００１８】第２の発明において、金属ダイヤフラムを
検出回路のグランド側に接続することにより、検出回路
を金属筐体からの高周波ノイズに対して静電シールす
る。これにより、金属ダイヤフラムを経由して侵入して
くる高周波ノイズが検出回路に侵入することが防止さ
れ、センサの出力特性が安定化する。

【００１９】金属ダイヤフラムが金属筐体に対して電気
的に絶縁されることにより、金属ダイヤフラムを検出回
路のグランド側端子に接続することが可能となる。

【００２０】第３の発明において、金属ダイヤフラムと
金属筐体の間に絶縁ブッシュと絶縁プレートおよび絶縁
シール材が介装され、金属ダイヤフラムが金属製センサ
ハウジングに対して電気的に絶縁されることにより、外
部構造物から金属製センサハウジングを通じて金属ダイ
ヤフラムに侵入しようとする高周波ノイズが遮断され
る。

【００２１】また、金属ダイヤフラムは絶縁体を介して
金属筐体に対峙するが、絶縁層を構成する絶縁ブッシュ
を厚いブロック状に形成することにより、金属ダイヤフ
ラムと金属筐体間の静電容量が小さく、高周波ノイズが
金属筐体から絶縁ブッシュを介して金属ダイヤフラムに
侵入することが抑えられる。

【００２２】第４の発明において、金属ダイヤフラムと
金属筐体の間に絶縁フィルムと絶縁プレートおよび絶縁
シール材が介装され、金属ダイヤフラムが金属製センサ
ハウジングに対して電気的に絶縁されることにより、外
部構造物から金属製センサハウジングを通じて金属ダイ
ヤフラムに侵入しようとする高周波ノイズが遮断され
る。

【００２３】また、絶縁体を構成する絶縁フィルムを膜
状に形成することにより、構造の簡素化がはかれ、セン
サのコンパクト化がはかれる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００２５】図１に示すように、薄膜型の圧力センサ１
のセンサ部３は金属筐体としてセンサハウジング１０の
内部に配置され、このセンサハウジング１０は流体管路
などにネジ部２を介して螺合され、センサ部３に直接的
に流体圧力が作用するように、ネジ部２の中心が空洞に
なっている。

【００２６】図２に示すように、センサ部３は流体圧力
に応じて撓む金属ダイヤフラム４の表面に絶縁層５を介
して歪ゲージ６および図示しない電極層等で構成される
検出回路９が設けられる。金属ダイヤフラム４はステン
レス材を用い、研磨仕上げされた表面に絶縁層５を構成
する二酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜を形成し、その上に歪ゲ
ージ６を構成する珪素（Ｓｉ）膜、電極層を構成するア
ルミニウム膜等を順次形成、微細加工を繰り返して膜を
積み上げた構造となっている。これらの膜は、接着剤等
を用いず原子間の化学結合を利用しているため、耐熱性
や繰り返しの負荷、温度サイクル等に対する点でも高い
信頼性が得られる。

【００２７】図３に示すように、検出回路９は４つの端
子１１〜１４が４つの抵抗１５〜１８によって結ばれる
ホイートストーンブリッジで構成され、端子１１に所定
の電圧Ｖｃｃ印加され、端子１２がグランドに接続され
るとともに、各端子１３，１４間に生じる電圧が検出信
号として取り出されるようになっている。例えば各抵抗
１５，１６として各歪ゲージ６を検出回路９に介装する
ことにより、各端子１３，１４間の出力電圧は、温度変
化の影響を受けることなく、歪ゲージ６に生じる歪に応
じて変化する。

【００２８】本発明の絶縁体として、金属ダイヤフラム
４と金属製センサハウジング１０の間に絶縁ブッシュ２
０および絶縁プレート２１が介装される。絶縁ブッシュ
２０および絶縁プレート２１はセラミックス、強化プラ
スチック等の絶縁材で形成され、金属ダイヤフラム４と
金属製センサハウジング１０の間を電気的に絶縁する。

【００２９】絶縁ブッシュ２０は円筒状に形成され、セ
ンサハウジング１０に形成された凹部２２に収装され
る。絶縁ブッシュ２０の外周には環状溝２３が形成さ
れ、この環状溝２３に絶縁シール材としてＯリング２４
が介装されることにより、絶縁ブッシュ２０とセンサハ
ウジング１０の間が密封される。

【００３０】絶縁ブッシュ２０の内周には環状段部２５
が形成される一方、金属ダイヤフラム４の外周には環状
凸部２６が形成される。環状段部２５と環状凸部２６が
互いに当接することにより金属ダイヤフラム４の位置決
めが行われる。

【００３１】円盤状の絶縁プレート２１は、絶縁ブッシ
ュ２０および金属ダイヤフラム４の端面に当接した状態
でセンサハウジング１０のカシメ部２７を折り曲げるこ
とによってカシメ固定される。金属ダイヤフラム４の環
状凸部２６と絶縁ブッシュ２０および絶縁プレート２１
の間には絶縁シール材としてＯリング２８が介装され、
金属ダイヤフラム４と絶縁ブッシュ２０の間が密封され
る。

【００３２】本発明の接地手段として、図３に示すよう
に、金属ダイヤフラム４を検出回路９のグランド側端子
１２に接続する配線３０が設けられる。

【００３３】以上のように構成されて、次に作用につい
て説明する。

【００３４】流体圧力の変化に応じて金属ダイヤフラム
４が撓み、これに応じて歪ゲージ６が変形し、その抵抗
が変化する。このため、検出回路９の端子１３，１４間
から取り出される出力電圧が変化し、温度変化の影響を
受けることなく流体圧力が検出される。

【００３５】しかし、金属ダイヤフラム４と検出回路９
とは薄い膜状の絶縁層５を介して対峙し、金属ダイヤフ
ラム４と検出回路９間の静電容量が大きいため、高周波
ノイズが金属ダイヤフラム４に入力されるとこのノイズ
が絶縁層５を通過して検出回路９に侵入しやすい。

【００３６】この対策として、金属ダイヤフラム４と金
属製センサハウジング１０の間に絶縁材からなる絶縁ブ
ッシュ２０および絶縁プレート２１が介装され、金属ダ
イヤフラム４が金属製センサハウジング１０に対して電
気的に絶縁されかつ静電容量が小さくなることにより、
流体管路等の外部構造物から金属製センサハウジング１
０を通じて金属ダイヤフラム４に侵入しようとする高周
波ノイズが遮断される。

【００３７】また、金属ダイヤフラム４は絶縁層を介し
て金属製センサハウジング１０に対峙するが、絶縁層を
構成する絶縁ブッシュ２０が厚いブロック状をしている
ため、金属ダイヤフラム４と金属製センサハウジング１
０間の静電容量が小さく、高周波ノイズが金属製センサ
ハウジング１０から絶縁ブッシュ２０を介して金属ダイ
ヤフラム４に侵入することが抑えられる。

【００３８】さらに、金属ダイヤフラム４を配線３０を
介して検出回路９のグランド側端子１２に接続すること
により、検出回路９をセンサハウジングからの高周波ノ
イズに対して静電シールされる。これにより、金属ダイ
ヤフラム４を経由して侵入してくる高周波ノイズが検出
回路９に侵入することが防止され、圧力センサ１の出力
特性が安定化する。金属ダイヤフラム４が金属製センサ
ハウジング１０に対して電気的に絶縁されることによ
り、金属ダイヤフラム４を検出回路９のグランド側端子
１２に接続することが可能となる。

【００３９】そして、センサ部３は１層の絶縁層５を備
える構造となっていたため、前記従来装置のような１層
の導電膜層を挟んで２層の絶縁層を備える多層薄膜構造
に比べて、絶縁層５の欠陥等による絶縁不良を減らし、
製品の歩留まりを改善してコストダウンがはかれる。

【００４０】次に図４に示す他の実施の形態は、本発明
の絶縁体として、金属ダイヤフラム４と金属製センサハ
ウジング１０の間に絶縁ブッシュ３０と絶縁プレート３
１およびバックアップリング（絶縁シール材）３２が介
装される。絶縁ブッシュ３０と絶縁プレート３１はセラ
ミックス、強化プラスチック等の絶縁材で形成され、金
属ダイヤフラム４と金属製センサハウジング１０の間を
電気的に絶縁する。

【００４１】絶縁ブッシュ３０は円筒状に形成され、セ
ンサハウジング１０に形成された凹部２２に収装され
る。絶縁ブッシュ３０の内周には環状段部３５が形成さ
れる一方、金属ダイヤフラム４の外周には環状凸部２６
が形成される。環状段部３５と環状凸部２６が互いに当
接することにより金属ダイヤフラム４の位置決めが行わ
れる。

【００４２】円筒状のバックアップリング３２は金属ダ
イヤフラム４の環状凸部２６と絶縁ブッシュ３０の下端
面に当接する。

【００４３】円盤状の絶縁プレート３１は、凹部２２に
介装された状態でセンサハウジング１０のカシメ部２７
を折り曲げることによって抜け止めがはかられる。

【００４４】絶縁プレート３１とバックアップリング３
２の間にはＯリング３４が介装され、Ｏリング３４の付
勢力によりバックアップリング３２を介して金属ダイヤ
フラム４を絶縁ブッシュ３０に押し付ける。Ｏリング３
４は凹部２２の内周面と金属ダイヤフラム４の外周面に
当接し、センサハウジング１０と金属ダイヤフラム４の
間を密封する。

【００４５】次に図５に示す他の実施の形態は、金属ダ
イヤフラム４と金属製センサハウジング１０の間に絶縁
フィルム４０と絶縁プレート４１およびバックアップリ
ング（絶縁シール材）４４が介装される。絶縁フィルム
４０および絶縁プレート４１はセラミックス、強化プラ
スチック等の絶縁材で形成され、金属ダイヤフラム４と
金属製センサハウジング１０の間を電気的に絶縁する。

【００４６】絶縁フィルム４０は膜状に形成され、セン
サハウジング１０に凹部２２が形成される一方、金属ダ
イヤフラム４の外周に凹部２２に絶縁層５を介して当接
する環状凸部２６が形成される。

【００４７】円盤状の絶縁プレート４１は、金属ダイヤ
フラム４の端面に当接した状態でセンサハウジング１０
のカシメ部２７を折り曲げることによってカシメ固定さ
れる。

【００４８】絶縁プレート４１と金属ダイヤフラム４の
環状凸部２６の間にはＯリング４４が介装され、Ｏリン
グ４４の付勢力により金属ダイヤフラム４を絶縁フィル
ム４０を介してセンサハウジング１０に押し付ける。Ｏ
リング４４は凹部２２の内周面と金属ダイヤフラム４の
外周面に当接し、センサハウジング１０と金属ダイヤフ
ラム４の間を密封する。

【００４９】また、絶縁体を構成する絶縁フィルム４０
を膜状に形成することにより、構造の簡素化がはかれ、
圧力センサ１のコンパクト化がはかれる。

【００５０】次に図６に示す他の実施の形態は、金属ダ
イヤフラム４と金属製センサハウジング１０の間に膜状
の絶縁フィルム５０が介装され、絶縁フィルム５０の上
下に断面矩形をした絶縁リング５１，５２が配置され
る。絶縁リング５１はセンサハウジング１０と金属ダイ
ヤフラム４の環状凸部２６との間に介装される。絶縁リ
ング５２は金属ダイヤフラム４の環状凸部２６とＯリン
グ５４の間に介装される。Ｏリング５４の付勢力により
絶縁リング５１，５２の間に金属ダイヤフラム４が挟持
される。

【００５１】この場合、金属ダイヤフラム４と金属製セ
ンサハウジング１０の間は絶縁フィルム５０の上下に絶
縁リング５１，５２を介して電気的に絶縁される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す圧力センサの断面
図。

【図２】同じくセンサ部の断面図。

【図３】同じく検出回路等を含む構成図。

【図４】他の実施の形態を示す圧力センサの断面図。

【図５】さらに他の実施の形態を示す圧力センサの断面
図。

【図６】さらに他の実施の形態を示す圧力センサの断面
図。

【図７】従来例を示す圧力センサの断面図。

【図８】同じくセンサ部の断面図。

【符号の説明】

１ 圧力センサ ４ 金属ダイヤフラム ５ 絶縁層 ６ 歪ゲージ ９ 検出回路 １０ センサハウジング（金属筐体） ２０ 絶縁ブッシュ ２１ 絶縁プレート ２４ Ｏリング（絶縁シール材） ２８ Ｏリング（絶縁シール材）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力に応じて撓む金属ダイヤフラムと、 前記金属ダイヤフラムの表面に絶縁層を介して配置する
   複数の歪ゲージと、 前記歪ゲージを含むブリッジ回路で構成される検出回路
   と、 を備える薄膜型センサにおいて、 前記金属ダイヤフラムが取り付けられる金属筐体と、 前記金属筐体と前記金属ダイヤフラムの間に介装される
   絶縁体と、 を備えたことを特徴とする薄膜型センサ。
2. 【請求項２】前記金属ダイヤフラムを前記検出回路のグ
   ランドに接続する接地手段を備えたことを特徴とする請
   求項１に記載の薄膜型センサ。
3. 【請求項３】前記金属ダイヤフラムと前記金属筐体の間
   に介装される筒状の絶縁ブッシュと、 前記金属筐体に対する前記金属ダイヤフラムの抜け止め
   をする絶縁プレートと、 前記金属ダイヤフラムと前記金属筐体の間を密封する絶
   縁シール材を備えたことを特徴とする請求項１または２
   に記載の薄膜型センサ。
4. 【請求項４】前記金属ダイヤフラムと前記金属筐体の間
   に介装される膜状の絶縁フィルムと、 前記金属筐体に対する前記金属ダイヤフラムの抜け止め
   をする絶縁プレートと、 前記金属ダイヤフラムと前記金属筐体の間を密封する絶
   縁シール材を備えたことを特徴とする請求項１または２
   に記載の薄膜型センサ。