JP2003185516A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直接に圧力を受ける部分をダイアフラムで形
成せずに圧力を精度良く検知でき、かつ、静圧の検知が
可能な圧力センサを実現する。 【解決手段】 圧力センサ１００は、ハウジング１０８
と、受圧ピン１３２と、力検知素子１１６等を備えてい
る。ハウジング１０８は、その先端部に案内孔１２８ａ
が形成された案内部１２８を有する。受圧ピン１３２
は、圧力を受けると案内部１２８との間のシール状態を
保持しながら案内孔１２８ａ内を変位する。力検知素子
１１６は、ハウジング１０８の内部のうち受圧ピン１３
２よりも後端側に収容されている。また、力検知素子１
１６は、受圧ピン１３２と対向する位置に配置された力
伝達ブロックと、力伝達ブロックに接合されるとともに
ピエゾ抵抗部を持つ半導体ブロックとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、圧力センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】 図１０に従来の第１の圧力センサ１の
断面図を示す。この圧力センサ１は、アウターハウジン
グ２と、インナーハウジング４と、力伝達・断熱部８
と、力検知素子６を備えている。なお、図示右側が先端
側、図示左側が後端側である。アウターハウジング２に
は、インナーハウジング４が収容されている。インナー
ハウジング４の先端には、ダイアフラム１０が形成され
ている。ダイアフラム１０は金属で形成されている。力
伝達・断熱部８は、ダイアフラム１０に取付けられてい
る。力検知素子６は、力伝達・断熱部８と対向する位置
に配置された力伝達ブロック６ｂと、力伝達ブロック６
ｂに接合されるとともにピエゾ抵抗部（図示省略）を持
つ半導体ブロック６ａを有する。

【０００３】この圧力センサ１では、圧力がダイアフラ
ム１０に加えられると、ダイアフラム１０がたわむこと
で力伝達・断熱部８が後端側に変位する。力伝達・断熱
部８が後端側に変位すると、その変位による圧縮力が力
伝達・断熱部８と対向する位置にある力伝達ブロック６
ｂに加えられる。力伝達ブロック６ｂに加えられた圧縮
力は、力伝達ブロック６ｂと接合された半導体ブロック
６ａに伝達される。半導体ブロック６ａに所定の圧縮力
が伝達されると、ピエゾ抵抗部（図示省略）の電気抵抗
値が変化する。この変化量を検知することで、ダイアフ
ラム１０に加えられた圧力の大きさを検知できる。

【０００４】図１２に従来の第２の圧力センサ３０の断
面図を示す。この圧力センサ３０は、特開平３−１８５
３２６号公報に記載されている。この圧力センサ３０
は、アウターハウジング３４と、インナーハウジング３
２と、受圧ピン４２と、圧電素子３６とを備えている。
なお、図示右側が先端側、図示左側が後端側である。ア
ウターハウジング３４は、その先端部に案内孔４０ａが
形成された案内部４０を有する。インナーハウジング３
２は、その先端にダイアフラム３８が形成されている。
受圧ピン４２は、圧力を受けると案内孔４０ａ内を変位
する。なお、アウターハウジング３４とインナーハウジ
ング３２の間のシールは、シール部材３７によって行わ
れている。圧電素子３６は、アウターハウジング３４の
内部のうち受圧ピン４０よりも後端側に収容されてい
る。上記したダイアフラム３８は受圧ピン４２と圧電素
子３６の間に設けられ、受圧ピン４２と圧電素子３６の
各々に接している。

【０００５】この圧力センサでは、圧力が受圧ピン４２
の先端に加えられると、受圧ピン４２が後端側に変位す
る。受圧ピン４２が後端側に変位すると、その変位によ
る圧縮力が圧電素子３６に加えられる。圧電素子３６
は、圧縮力が加えられると、表面に電荷が発生し、発生
した電荷に対応する電圧が生じる。この電圧値を検知す
ることで、受圧ピン４２の先端に加えられた圧力の大き
さを検知できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 図１０に示す圧力セ
ンサ１は、直接に圧力を受ける部分が金属製のダイアフ
ラム１０で構成されている。しかし、金属製のダイアフ
ラム１０は、急激な熱ショックが生じる状況での圧力を
検知する場合（例えばエンジンのシリンダ内の圧力や、
爆発成形時又は花火打上げ時の圧力を検知する場合
等）、表側（熱を直接に受ける側）１０ａと裏側（熱を
間接に受ける側）１０ｂで熱膨張の程度に差が生じ、表
側１０ａの方が裏側１０ｂよりも大きく伸びる。この結
果、実際に印加されている圧力は変化していないのに、
負圧が印加されたのと同様の挙動をダイアフラム１０が
示すという事象が生じる。

【０００７】この事象は、図１１に示すように、圧力セ
ンサの出力が、実際に印加されている圧力に対応する出
力値よりも小さな出力値を出力するという問題を引き起
こす。図１１は、ダイアフラム１０が火炎にさらされて
いる状態であって、かつ、印加されている圧力がほとん
ど変化しない状態での圧力センサの出力である。従っ
て、このようなダイアフラム１０を備えた圧力センサ１
では、最初から出力値が下がることを見込んで、低下が
予想される出力値の分を補正するような調整を予め行っ
ていた。しかしながら、このような調整は面倒で、手間
のかかる作業であった。また、直接に圧力を受ける部分
をダイアフラムで形成すると、圧力センサの製造コスト
が上がってしまうという問題もあった。

【０００８】また、図１２に示す圧電素子３６は、圧縮
力が加えられたその時点では表面に電荷が発生するが、
その加えられた圧縮力に変化がないと、発生した電荷は
圧電素子３６の周囲の高インピーダンス部分（例えばハ
ウジング３４、３６）へ逃げていってしまう。この結
果、発生した電荷に対応する電圧値も減少する。このよ
うに、圧電素子３６を感圧部とする圧力センサ３０は、
圧電素子３６に加えられた圧縮力にあまり変化がない状
態、即ち、受圧ピン４２に加えられた圧力に変化があま
りない状態の圧力（静圧）を検知することは困難であ
る。

【０００９】本発明は、直接に圧力を受ける部分をダイ
アフラムで形成せずに圧力を精度良く検知でき、かつ、
静圧の検知が可能な圧力センサを実現することを目的と
する

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用と効果】 本発
明の一つの態様を表す圧力センサは、ハウジングと、受
圧ピンと、力検知素子を備えている。ハウジングは、そ
の先端部に案内孔が形成された案内部を有する。受圧ピ
ンは、圧力を受けると案内部との間のシール状態を保持
しながら案内孔内を変位する。力検知素子は、ハウジン
グ内部のうち受圧ピンよりもハウジング後端側に収容さ
れている。また、力検知素子は、受圧ピンと対向する位
置に配置された力伝達ブロックと、力伝達ブロックに接
合されるとともにピエゾ抵抗部を持つ半導体ブロックと
を有する（請求項１）。

【００１１】この圧力センサでは、圧力が受圧ピンの先
端に加えられると、受圧ピンが後端側に変位する。受圧
ピンが後端側に変位すると、その変位による圧縮力が受
圧ピンと対向する位置にある力伝達ブロックに加えられ
る。力伝達ブロックに加えられた圧縮力は、力伝達ブロ
ックと接合された半導体ブロックに伝達される。半導体
ブロックに所定の圧縮力が伝達されると、ピエゾ抵抗効
果によってピエゾ抵抗部の電気抵抗値が変化する。受圧
ピンの先端に加えられた圧力の大きさが所定の範囲内の
場合、その圧力の大きさとピエゾ抵抗部の電気抵抗値の
変化量はほぼ比例する。このため、ピエゾ抵抗部の電気
抵抗値の変化量を検知することで、半導体ブロック（ピ
エゾ抵抗部）に加えられた圧縮力の大きさを精度良く検
知できる。このため、受圧ピンの先端に加えられた圧力
の大きさを精度良く検知できる。

【００１２】この圧力センサは直接に圧力を受ける部分
として、従来のダイアフラム構造に代えて、受圧ピン構
造を採用することができたので、急激な熱ショックが生
じる状況での圧力を検知する場合（例えばエンジンのシ
リンダ内の圧力や、爆発成形時や花火打上げ時の圧力を
検知する場合）でも、実際に印加された圧力に対応する
出力値より小さな出力値が出力されないようにすること
ができる。従って、この圧力センサによれば、低下が予
想される出力値の分を補正するような面倒で手間のかか
る調整が不要となる。また、直接に圧力を受ける部分を
ダイアフラムで形成していないので、圧力センサの製造
コストを下げることができる。

【００１３】また、この圧力センサは感圧部として、従
来の圧電素子に代えて、力検知素子を採用している。力
検知素子は上記したように、所定の圧縮力が伝達される
と、ピエゾ抵抗部の電気抵抗値が変化する。この電気抵
抗値は、圧電素子で発生する電荷と異なり、加えられた
圧縮力に変化がないからといって減少しない。従って、
力検知素子に加えられた圧縮力にあまり変化がない状
態、即ち、受圧ピンに加えられた圧力にあまり変化がな
い状態の圧力（静圧）を検知することが可能である。

【００１４】この圧力センサでは、力検知素子のピエゾ
抵抗部が、半導体ブロックの（１１０）面、（１００）
面又はこれらと等価な面に形成されていることが好まし
い（請求項２）。また、力検知素子のピエゾ抵抗部の電
気抵抗値が、ピエゾ抵抗係数π_１３、π_６３、π_１２、
π_１１のいずれかに従って変化することが好ましい（請
求項３）。さらに、力検知素子のピエゾ抵抗部が、メサ
段差状に形成されていることが好ましい（請求項４）。

【００１５】これらの態様によると、高感度な力検知素
子を実現できる。よって、受圧ピンが微小にしか変位し
なくても、その変位による圧縮力を高感度で検知でき
る。このように、受圧ピンの変位量を微小に抑えること
ができると、受圧ピンと案内部の間のシール状態を長期
に亘って良好に保持することができる。また、加圧時
（受圧ピンが後端側に変位した時）と減圧時（受圧ピン
が先端側に戻った時）で、加えられている圧力値が同じ
であっても出力値に差が出てしまう現象（ヒステリシ
ス）を抑制できる。

【００１６】この圧力センサでは、力検知素子の力伝達
ブロックは、受圧ピンと対向する位置に配置されるとと
もにハウジングの先端側よりも後端側の断面積が広いブ
ロックを含むことが好ましい（請求項５）。

【００１７】この態様によると、受圧ピンからの圧縮力
は上記ブロックの先端側の頂部からその周囲に分散し、
その分散された圧縮力が半導体ブロックに伝達される。
このため、半導体ブロックの一部に圧縮力が集中して加
わって、半導体ブロックが破損されてしまうこと等を防
止できる。この構成は、ピエゾ抵抗部がメサ段差状に形
成されている場合に特に有用である。

【００１８】この圧力センサでは、案内部と受圧ピンの
間にシール部材が介装されていることが好ましい（請求
項６）。

【００１９】この態様によると、案内部と受圧ピンの間
のシール性を高めることができる。このため、案内部と
受圧ピンの間を通ってハウジングの内部へ圧力媒体（気
体、液体等）が漏れてしまうことをさらに抑制できる。

【００２０】この圧力センサでは、受圧ピンが案内部の
先端面よりもハウジング後端側に入り込んでおり、シー
ル部材と受圧ピンの間のシール面先端が、案内孔の伸び
る方向に対し内側に傾斜していることが好ましい（請求
項７）。

【００２１】この態様によると、受圧ピンの先端付近の
シール性をより高めることができる。

【００２２】この圧力センサでは、受圧ピンが、断熱性
材料で形成されていることが好ましい（請求項８）。

【００２３】この態様によると、急激な熱ショックが生
じる状況での圧力を検知する場合でも、受圧ピンを経由
して力検知素子に熱が伝達されることを抑制できる。

【００２４】この圧力センサでは、受圧ピンは、その先
端側が金属で形成され、その後端側が断熱性材料で形成
されていることが好ましい（請求項９）。

【００２５】この態様によると、後端側が断熱性材料で
形成されているため、受圧ピンを経由して力検知素子に
熱が伝達されることを抑制できる。また、先端側が金属
で形成されているため、受圧ピンの欠け、割れを抑制で
きるので、受圧ピンの寿命を延ばすことができる。

【００２６】この圧力センサでは、案内部と受圧ピンの
間に、受圧ピンのハウジング先端側への最大変位位置を
規制する手段が設けられていることが好ましい（請求項
１０）。

【００２７】この態様によると、圧力センサに衝撃や負
圧が加わった場合等でも、受圧ピンがハウジングの先端
側へ抜け落ちてしまうことを防止できる。

【００２８】この圧力センサでは、ハウジング内部であ
って、その先端面よりも後端側に形成されたダイアフラ
ムをさらに備え、ダイアフラムは、受圧ピンが変位する
とたわみ、かつ、少なくとも受圧ピンが後端側に変位し
たときにダイアフラムよりも先端側と後端側の空間を遮
断するように構成されていることが好ましい（請求項１
１）。

【００２９】この態様によると、案内部と受圧ピンの先
端側でシール性が若干破れた場合であっても、少なくと
も受圧ピンが後端側に変位したときに、ダイアフラムよ
りも先端側と後端側の空間を遮断するように構成されて
いるから、圧力媒体がハウジング内部まで漏れてしまう
ことを防止できる。また、ダイアフラムはハウジング内
部であって、その先端面よりも後端側に形成されている
から、急激な熱ショックが生じる状況での圧力を検知す
る場合でも、ダイアフラムに直接に急激な熱ショックが
加えられない。このため、圧力変動がない状態にもかか
わらずダイアフラムに負圧が印加されたのと同様な状態
となることを回避できる。なお、圧力が加えられて受圧
ピンが後端側に変位しようとする場合は、ダイアフラム
も後端側にたわむので、受圧ピンの後端側への変位は妨
げられない。

【００３０】この圧力センサでは、ダイアフラムは、開
口が形成されており、受圧ピンは、ダイアフラムの開口
を貫通し、ダイアフラムよりもハウジング先端側に位置
する部位の径がダイアフラムの開口よりも大きく、ダイ
ヤフラムと受圧ピンの間は、受圧ピンがハウジング後端
側に変位するとシールされるように構成されていること
が好ましい（請求項１２）。

【００３１】ハウジング内部であって、その先端面より
も後端側にダイアフラムが形成されている場合に、受圧
ピンに圧力が加えられて受圧ピンがハウジング後端側に
変位する動作が何度も繰返されると、ダイアフラムに塑
性変形が生じてしまう。この塑性変形は、センサ出力の
精度低下を招く。この塑性変形は、開口が形成されてい
ない平板状のダイアフラムを、受圧ピンの後端面で押圧
する構成であると生じやすい。また、ダイアフラムが薄
くなる程生じやすい。この態様によると、上記したよう
にダイアフラムに開口が形成されており、また、ダイア
フラムを受圧ピンの後端面で押圧する構成となっていな
いので、ダイアフラムの塑性変形を抑制しながら、圧力
媒体がハウジング内部まで漏れてしまうことを防止でき
る。また、ダイアフラムに直接に熱が加えられない。さ
らに、受圧ピンの後端側への変位も妨げられない。

【００３２】上記した請求項１から１２のいずれかに記
載の圧力センサは、エンジンのシリンダ内部に設け、そ
の内部の圧力を検知する筒内圧センサ（請求項１３）と
して実施することで、その作用効果をより有意義に発揮
できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】（第１実施例） 図１に第１実施
例の圧力センサ１００を示す。この圧力センサ１００
は、先端側及び後端側アウターハウジング１０８、１０
２と、先端側及び後端側インナーハウジング１０６、１
０４と、密封端子１１０と、力検知素子１１６と、リー
ドピン１１２と、ボンディングワイヤ１１４と、受圧ピ
ン１３２等を備えている。なお、図示右側が先端側、図
示左側が後端側である。以下の第１〜第４実施例の圧力
センサは、エンジンのシリンダ内部に設けられ、その内
部の圧力を検知する筒内圧センサ等に有意義に用いるこ
とができる。

【００３４】先端側及び後端側アウターハウジング１０
８、１０２は略筒状に形成されている。先端側アウター
ハウジング１０８は、その先端部に、案内孔１２８ａが
形成された案内部１２８を有する。即ち、案内部１２８
は先端側アウターハウジング１０８に一体的に形成され
ている。案内部１２８には、周囲をフッ素ゴム１３０で
覆った状態の円柱状の受圧ピン１３２が圧入されてい
る。この態様によると、案内部１２８と受圧ピン１３２
の間のシール性を簡単かつ効果的に高めることができ
る。受圧ピン１３２はジルコニアで形成されている。ジ
ルコニアで形成すると、高い断熱性を実現できる。受圧
ピン１３２は、先端面（受圧面）１３２ｃに所定の圧力
が加えられると、案内孔１２８ａ内を後端側へ向けて数
μｍ程度変位するようになっている。

【００３５】なお、図２に示すように、受圧ピン１３２
が案内部１２８の先端面Ａより後端側に入り込んでお
り、フッ素ゴム１３０が符号１３０ａに示すように、受
圧ピン１３２の先端面１３２ｃに接する位置から案内部
１２８の先端側案内面１２８ｂに接する位置まで伸びて
いてもよい。この態様によると、フッ素ゴム１３０と受
圧ピン１３２の間のシール面先端Ｆ１が、案内孔１２８
ａの伸びる方向に対し内側に垂直に傾斜した構造とな
る。この構造によると、受圧ピン１３２とフッ素ゴム１
３０の間に圧力媒体をより入り込みにくくすることがで
きる。また、この構造によると、受圧ピン１３２の先端
側に圧力が作用したときには、上記したシール面先端Ｆ
１がより強固にシールされるという効果も得られる。

【００３６】また、図３に示すように、受圧ピン１３２
が案内部１２８の先端面Ａより後端側に入り込んでお
り、受圧ピン１３２の先端部１３２ｄを先細りのテーパ
状とし、そのテーパ面（シール面先端）Ｆ２と案内孔１
２８ａの間をシールするようにくさび状のフッ素ゴム１
３０ｂを設けてもよい。この態様によっても、フッ素ゴ
ム１３０と受圧ピン１３２の間のシール面先端Ｆ２が、
案内孔１２８ａの伸びる方向に対し内側に傾斜した構造
となる。この構造によると、受圧ピン１３２の先端側に
圧力が作用したときには、テーパ状の先端部１３２ｄと
くさび状のフッ素ゴム先端１３０ｂ間の自己整合作用に
よって、上記したシール面先端Ｆ２が強固にシールされ
るという効果が得られる。

【００３７】また、受圧ピン１３２は、上記したジルコ
ニアの他、窒化珪素等の断熱性の高い材料で形成するこ
とが好ましい。また、案内部１２８と受圧ピン１３２の
間に介装するシール部材は、フッ素ゴム１３０に限られ
ず、他の弾性体等であってもよい。その中でも特に、耐
熱性を有する弾性体（例えばシリコンゴム等）であるこ
とが好ましい。また、シール部材としては、Ｏリング等
を用いてもよい。

【００３８】図１に示す密封端子１１０は、その先端面
１１０ｄに力検知素子１１６が取付けられた状態で、先
端側アウターハウジング１０８内にその後端側から挿入
され、その内周面に圧入・溶接等されて固定されてい
る。密封端子１１０と先端側アウターハウジング１０８
にはそれぞれ段差部１１０ｃ、１０８ｂが形成されてお
り、両段差部１１０ｃ、１０８ｂが係合することで、密
封端子１１０の先端側への移動が規制されている。

【００３９】力検知素子１１６は、アウターハウジング
１０８の内部のうち、受圧ピン１３２よりも後端側に収
容されている。力検知素子１１６は、図４の斜視図に良
く示されるように、半球状力伝達ブロック１２６と、直
方体状力伝達ブロック１２４と、シリコン単結晶ブロッ
ク１１８を備えている。図４に示すシリコン単結晶ブロ
ック１１８の下面は、密封端子１１０の先端面１１０ｄ
（図１参照）に取付けられ、固定されている。シリコン
単結晶ブロック１１８の表層部には、メサ段差状のピエ
ゾ抵抗部１２２と、電極１２０が形成されている。ピエ
ゾ抵抗部１２２をメサ段差状に形成することで、力伝達
ブロック１２４から加わる応力がメサ段差に集中してか
かるので、高感度化を実現できる。直方体状力伝達ブロ
ック１２４は、その下面がピエゾ抵抗部１２２に陽極接
合されている。半球状力伝達ブロック１２６の下面は、
直方体状力伝達ブロック１２４の上面に取付けられてい
る。半球状力伝達ブロック１２６の頂面は、受圧ピン１
３２の後端面１３２ａ（図１参照）に接触している。

【００４０】力検知素子１１６としては、本願発明者ら
によって創作された特開平８−２７１３６３号公報に記
載の力検知素子、特開２００１−３０４９９７号に記載
の半導体圧力センサ、特願２００１−０５６３５０号に
記載の力検知センサ（但し未公開）等が好適である。こ
こで、ピエゾ抵抗部１２２は、シリコン単結晶ブロック
１１８の（１１０）面、（１００）面又はこれらと等価
な面に形成されていることが好ましい。また、ピエゾ抵
抗部１２２の電気抵抗値は、ピエゾ抵抗係数π_１３、π
_６３、π_１２、π_１１のいずれかに従って変化すること
が好ましい。これらの態様によると、受圧ピン１３２の
変位が数μｍであっても、増幅器等をさらに用いること
で充分なセンサ出力を得ることができる。

【００４１】図１に示すように、密封端子１１０には貫
通孔１１０ｂが形成されている。この貫通孔１１０ｂ内
にはリードピン１１２が伸びている。リードピン１１２
は力検知素子１１６の電極１２０（図４参照）にボンデ
ィングワイヤ１１４によって電気的に接続されている。

【００４２】先端側インナーハウジング１０６の外周面
にはねじ切り加工がなされており、先端側アウターハウ
ジング１０８の内周にねじ込まれることで固定されてい
る。先端側インナーハウジング１０６は、その先端面１
０６ｂが密封端子１１０の後端面１１０ａに達するまで
ねじ込まれている。これにより、密封端子１１０は後端
側への変位も規制されている。

【００４３】後端側インナーハウジング１０４の外周面
にもねじ切り加工がなされている。後端側インナーハウ
ジング１０４を取付ける場合はまず、その後端部１０４
ａを後端側アウターハウジング１０２内のテーパ部１０
２ａに達するまでねじ込む。その後、後端側インナーハ
ウジング１０４の先端部１０４ｃを先端側アウターハウ
ジング１０８内にねじ込む。このねじ込みは、後端側ア
ウターハウジング１０２の先端面１０２ｂと、先端側ア
ウターハウジング１０８の後端面１０８ａが接触するま
で行う。先端側及び後端側インナーハウジング１０６、
１０４にはそれぞれ、空洞１０６ａ、１０４ｂが形成さ
れており、これらの空洞１０６ａ、１０４ｂにリードピ
ン１１２から伸びる接続線（図示省略）が通されてい
る。

【００４４】第１実施例の圧力センサ１００の動作を説
明する。図１に示す受圧ピン１３２の先端面（受圧面）
１３２ｃに、急激な熱ショックが生じる状況（例えばエ
ンジンのシリンダ内や、爆発成形時や花火打上げ時）で
の圧力が加えられると、受圧ピン１３２が案内孔１２８
ａ内を後端側に数μｍ程度変位する。受圧ピン１３２が
後端側に変位すると、その変位による圧縮力は、まず、
図３によく示される半球状力伝達ブロック１２６に伝達
される。この力伝達部１２６は半球状であるため、受圧
ピン１３２からの圧縮力を半球の頂部のほぼ一点で受
け、この圧縮力を周囲にほぼ等方的に分散して伝達す
る。そのほぼ等方的に分散された圧縮力は、直方体状力
伝達ブロック１２４を経由して、シリコン単結晶ブロッ
ク１１８の主表面から突出するピエゾ抵抗部１２２に伝
達される。この態様によると、ピエゾ抵抗部１２２の一
部のみに圧縮力が集中せず、全体に分散するので、ピエ
ゾ抵抗部１２２の破損を防止でき、ひいては圧力センサ
１００の寿命を延ばすことができる。

【００４５】ピエゾ抵抗部１２２に所定の圧縮力が伝達
されると、ピエゾ抵抗効果によって、圧縮力による歪み
量に応じてピエゾ抵抗部１２２の電気抵抗値が変化す
る。受圧ピン１３２の先端に加えられた圧力の大きさが
所定の範囲内の場合、その圧力の大きさとピエゾ抵抗部
１２２の電気抵抗値の変化量はほぼ比例する。このた
め、ピエゾ抵抗部１２２の電気抵抗値の変化量を検知す
ることで、ピエゾ抵抗部１２２に加えられた圧縮力の大
きさを精度良く検知できる。このため、受圧ピン１３２
の先端に加えられた圧力の大きさを精度良く検知でき
る。

【００４６】図５に、第１実施例の圧力センサ１００の
受圧ピン１３２の先端面（受圧面）１３２ｃが火炎にさ
らされている状態であって、かつ、印加されている圧力
がほとんど変化しない状態でのセンサ出力を示す。図５
によると、受圧ピン１３２の受圧面１３２ｃが火炎にさ
らされている状態であっても、センサ出力が低下してい
ないことがわかる。このため、急激な熱ショックが生じ
る状況での圧力を検知する場合（例えばエンジンのシリ
ンダ内の圧力や、爆発成形時や花火打上げ時の圧力を検
知する場合）でも、出力値の補正等の面倒で手間のかか
る調整が不要となる。また、圧力センサ１００では、直
接に圧力を受ける部分を製造コストの高いダイアフラム
で形成せず、製造コストの安い受圧ピン１３２で形成し
ている。従って、第１実施例の圧力センサ１００による
と、このように、手間のかかる調整が不要となり、製造
コストの安い受圧ピンで１３２を用いることができたの
で、従来よりも安価な圧力センサを提供することができ
る。

【００４７】また、この圧力センサ１００は感圧部とし
て、従来の圧電素子に代えて、力検知素子１１６を用い
ているので静圧の検知が可能である。このため、例え
ば、動圧と静圧を交互に検知しなければならない場合で
も、その動圧と静圧を１つの圧力センサ１００で感度良
く検知することができる。

【００４８】（第２実施例） 図６に第２実施例の圧力
センサ２００を示す。この圧力センサ２００は、先端側
アウターハウジング２０６の先端部に形成された案内部
２２０と、案内部２２０に収容された受圧ピン２１６に
それぞれ、段差部２２０ａ、２１６ａが形成されてい
る。段差部２２０ａは、先端側アウターハウジング２０
６を削出し加工することで形成されている。これらの段
差部２２０ａ、２１６ａが係合しているので、受圧ピン
２１６の先端側への最大変位位置が規制されている。さ
らに、案内部２２０の外周側には、銅ワッシャー２１８
が設けられている。これらの点が第１実施例の圧力セン
サ１００と比較して、第２実施例の圧力センサ２００に
固有の主な特徴である。

【００４９】第２実施例の圧力センサ２００によると、
案内部２２０と受圧ピン２１６の段差部２２０ａ、２１
６ａが係合する構造となっているので、受圧ピン２１６
が案内部２２０から先端側へ抜落ちることを防止でき
る。

【００５０】（第３実施例） 図７に第３実施例の圧力
センサ３００を示す。この圧力センサ３００は、先端側
ハウジング３０６の先端部に形成された案内部３２２
に、先端側受圧ピン３２０が圧入されている。先端側受
圧ピン３２０は金属で形成されている。案内部３２２と
先端側受圧ピン３２０にはそれぞれ、段差部３２２ａ、
３２０ａが形成されている。これらの段差部３２２ａ、
３２０ａが係合しているので、先端側受圧ピン３２０の
先端側への最大変位位置が規制されている。また、案内
部３２２には、先端側受圧ピン３２０の後端面に接触し
た後端側受圧ピン３１８も収容されている。後端側受圧
ピン３１８はジルコニアで形成されている。これらの点
が第１及び第２実施例の圧力センサ１００、２００と比
較して、第３実施例の圧力センサ３００に固有の主な特
徴である。

【００５１】第３実施例の圧力センサ３００によると、
後端側受圧ピン３１８がジルコニアで形成されているた
め、その後端側受圧ピン３１８を経由して力検知素子に
熱が伝達されることを抑制できる。また、先端側受圧ピ
ン３２０が金属で形成されているため、先端側受圧ピン
３２０によって後端側受圧ピン３１８がガードされるの
で、後端側受圧ピン３１８の欠け、割れを抑制できる。
この結果、圧力センサ３００の寿命を延ばすことができ
る。

【００５２】（第４実施例） 図８に第４実施例の圧力
センサ４００を示す。この圧力センサ４００は、アウタ
ーハウジング４０４の先端部に位置する案内部４１４
が、アウターハウジング４０４とは別体で設けられてい
る。但し、案内部４１４はハウジングの一部を構成して
いる。案内部４１４は、図９の分解斜視図に良く示され
るように、大径円筒部４２２と、ダイアフラム４１８
と、小径円筒部４１６によって構成されている。大径円
筒部４２２は、後端側円筒４２２ａと、先端側円筒４２
２ｄが結合して構成され、その内部には、後端側空洞４
２２ｂと先端側空洞４２２ｃが形成されている。ダイア
フラム４１８には、開口４１８ａが形成されている。受
圧ピン４２０には、軸方向と直交する方向に張出した鍔
部４２０ｂが形成されており、この鍔部４２０ｂによっ
て後端側ピン４２０ａと先端側ピン４２０ｃが区画され
ている。

【００５３】図８と図９に示す後端側ピン４２０ａと、
先端側ピン４２０ｃはそれぞれ、小径円筒部４１６の空
洞４１６ａと、大径円筒部４２２の先端側空洞４２２ｃ
内に圧入されている。各ピン４２０ａ、４２０ｃは、所
定の圧力を受けると、各円筒部４１６、４２２とのシー
ル状態を保持しながら数μｍ変位するように圧入されて
いる。また、受圧ピン４２０に所定の圧力が印加される
と、その鍔部４２０ｂとダイアフラム４１８の間はシー
ルされるように構成されている。この態様のように、開
口４１８ａが形成されたダイアフラム４１８を受圧ピン
４２０の鍔部４２０ｂで押圧する構成となっていると、
ダイアフラム４１８の塑性変形を抑制できる。

【００５４】図８に示す組立後の案内部４１４（ここで
は、案内部４１４に組込まれている受圧ピン４２０も含
む）は、アウターハウジング４０４の先端部に圧入され
ている。さらに、アウターハウジング４０４の段差部４
０４ａ、４０４ｂはそれぞれ、ダイアフラム４１８、円
筒４２２ｄと、溶接、接着剤等によって接着され固定さ
れている。このため、案内部４１４はアウターハウジン
グ４０４に対し強固に固定されている。これらの点が第
１〜第３実施例の圧力センサ１００〜３００と比較し
て、第４実施例の圧力センサ４００に固有の主な特徴で
ある。

【００５５】なお、ダイアフラムの位置は、例えば、点
線で示される符号４１９のような案内部４１４の後端に
設けてもよい。また、ダイアフラムは、図１２の示す従
来の圧力センサ３０のダイアフラム３８のように開口が
形成されておらず、ダイアフラムが力検知素子４１０に
接するように構成してもよい。

【００５６】第４実施例の圧力センサ４００では、受圧
ピン４２０の先端面（受圧面）４２０ｄに例えば急激な
熱ショックによる圧力が印加されると、受圧ピン４２０
が後端側に変位しようとする。このとき、受圧ピン４２
０の鍔部４２０ｂの押圧力によりダイアフラム４１８は
後端側にたわむ。このため、受圧ピン４２０は後端側に
変位することができる。この結果、この変位に伴う圧縮
力が、第１実施例の圧力センサ１００と同様に力検知素
子４１０に伝達される。

【００５７】先端側ピン４２０ｃと先端側空洞４２２ｃ
の間のシール性が若干破れた場合であっても、ダイアフ
ラム４１８と鍔部４２０ｂは受圧ピン４２０に所定の圧
力が印加されるとシールされる構造となっているから、
圧力媒体（液体、気体）がアウターハウジング４０４内
まで漏れてしまうことを防止できる。

【００５８】また、第４実施例では、ダイアフラム４１
８は案内部４１４の先端面から中間部に形成されている
ことから、急激な熱ショックが生じる状況での圧力を検
知する場合でも、ダイアフラム４１８に直接に熱が加わ
らない。このため、圧力変動がない状態にもかかわらず
ダイアフラム４１８に負圧が印加されたのと同様な状態
となることを回避できる。

【００５９】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発
揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定さ
れるものではない。また、本明細書または図面に例示し
た技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、その
うちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を
持つものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施例の圧力センサの断面図を示す。

【図２】 第１実施例の圧力センサの先端部の他の変形
例を示す（１）。

【図３】 第１実施例の圧力センサの先端部の他の変形
例を示す（２）。

【図４】 第１実施例の圧力センサの力検知素子の斜視
図を示す。

【図５】 第１実施例の圧力センサのセンサ出力を示
す。

【図６】 第２実施例の圧力センサの断面図を示す。

【図７】 第３実施例の圧力センサの断面図を示す。

【図８】 第４実施例の圧力センサの断面図を示す。

【図９】 第４実施例の圧力センサの先端構造部の分解
斜視図を示す。

【図１０】 従来の第１の圧力センサの断面図を示す。

【図１１】 従来の第１の圧力センサのセンサ出力を示
す。

【図１２】 従来の第２の圧力センサの断面図を示す。

【符号の説明】

１００：圧力センサ １０２：後端側ハウジング １０４：後端側インナーハウジング １０６：先端側インナーハウジング １０８：先端側ハウジング １１０：密封端子 １１２：リードピン １１４：ボンディングワイヤ １１６：力検知素子 １１８：シリコン単結晶ブロック １２０：電極 １２２：ピエゾ抵抗部 １２４：直方体状力伝達ブロック １２６：半球状力伝達ブロック １２８：案内部 １３０：シール部材 １３２：受圧ピン

フロントページの続き (72)発明者 大村 義輝 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 坂田 二郎 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 増岡 優美 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2F055 AA23 BB12 BB19 CC06 DD05 EE13 FF01 FF14 FF49 GG11 4M112 AA01 BA01 CA01 CA09 CA16 DA18 EA03 EA07 EA20 FA01 FA07 FA20 GA01

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、受圧ピンと、力検知素子
   を備え、 ハウジングは、その先端部に案内孔が形成された案内部
   を有し、 受圧ピンは、圧力を受けると案内部との間のシール状態
   を保持しながら案内孔内を変位し、 力検知素子は、ハウジング内部のうち受圧ピンよりもハ
   ウジング後端側に収容されており、受圧ピンと対向する
   位置に配置された力伝達ブロックと、力伝達ブロックに
   接合されるとともにピエゾ抵抗部を持つ半導体ブロック
   とを有する圧力センサ。
2. 【請求項２】 力検知素子のピエゾ抵抗部が、半導体ブ
   ロックの（１１０）面、（１００）面又はこれらと等価
   な面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載
   の圧力センサ。
3. 【請求項３】 力検知素子のピエゾ抵抗部の電気抵抗値
   が、ピエゾ抵抗係数π_{１ ３}、π_６３、π_１２、π_１１の
   いずれかに従って変化することを特徴とする請求項１又
   は２に記載の圧力センサ
4. 【請求項４】 力検知素子のピエゾ抵抗部が、メサ段差
   状に形成されていることを特徴とする請求項１から３の
   いずれかに記載の圧力センサ
5. 【請求項５】 力検知素子の力伝達ブロックは、受圧ピ
   ンと対向する位置に配置されるとともにハウジングの先
   端側よりも後端側の断面積が広いブロックを含むことを
   特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧力セン
   サ。
6. 【請求項６】 案内部と受圧ピンの間にシール部材が介
   装されていることを特徴とする請求項１から５のいずれ
   かに記載の圧力センサ。
7. 【請求項７】 受圧ピンが、案内部の先端面よりもハウ
   ジング後端側に入り込んでおり、 シール部材と受圧ピンの間のシール面先端が、案内孔の
   伸びる方向に対し内側に傾斜していることを特徴とする
   請求項６に記載の圧力センサ。
8. 【請求項８】 受圧ピンが、断熱性材料で形成されてい
   ることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の
   圧力センサ。
9. 【請求項９】 受圧ピンは、その先端側が金属で形成さ
   れ、その後端側が断熱性材料で形成されていることを特
   徴とする請求項１から７のいずれかに記載の圧力セン
   サ。
10. 【請求項１０】 案内部と受圧ピンの間に、受圧ピンの
    ハウジング先端側への最大変位位置を規制する手段が設
    けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれ
    かに記載の圧力センサ。
11. 【請求項１１】 ハウジング内部であって、その先端面
    よりも後端側に形成されたダイアフラムをさらに備え、 ダイアフラムは、受圧ピンが変位するとたわみ、かつ、
    少なくとも受圧ピンが後端側に変位したときにダイアフ
    ラムよりも先端側と後端側の空間を遮断するように構成
    されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれ
    かに記載の圧力センサ。
12. 【請求項１２】 ダイアフラムは、開口が形成されてお
    り、 受圧ピンは、ダイアフラムの開口を貫通し、ダイアフラ
    ムよりもハウジング先端側に位置する部位の径がダイア
    フラムの開口よりも大きく、 ダイヤフラムと受圧ピンの間は、受圧ピンがハウジング
    後端側に変位するとシールされるように構成されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の圧力センサ。
13. 【請求項１３】 請求項１から１２のいずれかに記載の
    圧力センサをエンジンのシリンダ内部に設け、その内部
    の圧力を検知することを特徴とする筒内圧センサ。