JP2008196932A - Absolute pressure sensor - Google Patents
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Description
本発明は、感圧素子として圧電振動子を用いた絶対圧センサに関する。 The present invention relates to an absolute pressure sensor using a piezoelectric vibrator as a pressure sensitive element.
従来、測定する圧力を力に変換するためのベローズと、該ベローズにより変換された力を感圧素子に伝達する揺動腕により構成され、感圧素子の抵抗域または共振周波数の変化から圧力を検出するタイプの圧力センサ(絶対圧センサ)が、例えば特許文献1に紹介されている。
Conventionally, it is composed of a bellows for converting the pressure to be measured into force and a swing arm that transmits the force converted by the bellows to the pressure sensitive element. A detection type pressure sensor (absolute pressure sensor) is introduced in, for example,
図5は、特許文献1に記載の絶対圧センサの概略構造を説明する模式断面図である。図5に示すように、絶対圧センサ70は、容器61の底部に固定されたベース62上に支柱63が立設され、該支柱63にはヒンジ66を介して支柱63と互いに直交する一体構造の揺動腕(揺動アーム)64が設けられている。また、揺動腕64とベース62との間には、支柱63を挟んだ一端側に感圧素子80が固定され、他端側にはベローズ65が固定されている。ベース62のベローズ65が固定された部分には、ベローズ65内部と容器61の外側とを連通し流体圧力を導入するための受圧部(バイブ)C3が貫設されている。容器61内において、ベローズ65は受圧部C3からベローズ65内部に導入される外気を遮断するシール材となっていて、容器61内は気密に封止されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the schematic structure of the absolute pressure sensor described in
上記の絶対圧センサ70において、受圧部C3から導入されベローズ65を介して揺動腕64に伝えられた圧力は、揺動腕64と支柱63との支点まわりのモーメントとして感圧素子80に伝達される。このとき、受けた応力に応じた感圧素子80の抵抗域または共振周波数の変化により、受圧部C3から導入された圧力が検出される。
In the
発明者は、上記のような構成の圧力センサにおいて、感圧素子として双音叉水晶振動子を用いて、感圧素子に作用する力の方向と共振周波数の関係を調査し、下記の知見を得た。図4は、感圧素子に力が作用していないとき(力=0)の共振周波数をf0とし、力が圧縮のときを負、引張りのときを正としたときの、感圧素子に作用する力と感圧素子の共振周波数との関係を示したグラフである。図4に示すように、感圧素子に加わる力が圧縮方向のとき共振周波数は減少し、力が引張りのとき共振周波数は増加する。さらに、力が引張りのときの力と周波数変化の関係は略直線的な比例関係を示しているのに対して、力が圧縮のとき、圧縮方向の力が大きくなるに従い共振周波数変化量が少しずつ大きくなる傾向を示し、グラフに非直線性が表れている。 The inventor investigated the relationship between the direction of the force acting on the pressure sensitive element and the resonance frequency using the double tuning fork crystal resonator as the pressure sensitive element, and obtained the following knowledge. It was. FIG. 4 shows the effect on the pressure-sensitive element when the resonance frequency when no force is applied to the pressure-sensitive element (force = 0) is f0, the negative is when the force is compressed, and the positive is when the force is tensile. It is the graph which showed the relationship between the force to perform and the resonant frequency of a pressure-sensitive element. As shown in FIG. 4, the resonance frequency decreases when the force applied to the pressure sensitive element is in the compression direction, and the resonance frequency increases when the force is tensile. Furthermore, while the relationship between force and frequency change when the force is tension shows a substantially linear proportional relationship, when the force is compression, the amount of change in the resonance frequency decreases slightly as the force in the compression direction increases. It shows a tendency to increase gradually, and the graph shows non-linearity.
図5に示すように、特許文献1の絶対圧センサ70は、受圧部C3から導入された圧力がベローズ65を介して揺動腕64に伝わり、さらに、支柱63のヒンジ66を支点とした揺動腕64により感圧素子80に、感圧素子80を圧縮する力として伝達される。上述したように、感圧素子に圧縮する力が作用したときの、力と共振周波数の変化との関係は非直線性をもっている。このため、絶対圧センサ70において、受圧部C3から導入される圧力を正確に測定するには、感圧素子80に作用する力の大きさに応じて、共振周波数の実測データを実際の圧力値に補正(リニアライズ)する必要がある。特に、精密な圧力測定を行なうためには、圧力に応じて変化する感圧素子の共振周波数を精緻に補正するための複雑な補正回路が必要になるという課題があった。
As shown in FIG. 5, in the
本発明は、上記課題を鑑みてなされるものであり、その目的は、測定する圧力により変化する感圧素子の共振周波数を、複雑な補正回路を用いて補正することなく、高精度な圧力測定が可能な絶対圧センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to perform high-precision pressure measurement without correcting the resonance frequency of the pressure-sensitive element that changes depending on the pressure to be measured, using a complicated correction circuit. It is an object to provide an absolute pressure sensor capable of performing the following.
上記課題を解決するために、本発明の絶対圧センサは、内部を気密に封止することが可能な容器と、該容器内のベース上に略垂直に設けられた支柱と、支柱に梁様に支持された揺動腕と、ベースと揺動腕との間に固定されたベローズおよび圧電振動片からなる感圧素子と、ベローズの内部と容器の外側とを連通させるように貫設された受圧部と、を有し、受圧部から導入されベローズを介して揺動腕に伝えられた圧力を、揺動腕と支柱との支点まわりのモーメントとして感圧素子に伝達し、感圧素子の抵抗域または共振周波数の変化により圧力を検出する絶対圧センサであって、ベローズが、揺動腕の設置方向に対して支柱と感圧素子との間に配設されていることを要旨とする。 In order to solve the above-mentioned problems, an absolute pressure sensor according to the present invention includes a container capable of hermetically sealing the inside, a column provided substantially vertically on a base in the container, and a beam-like shape on the column. A swing arm supported by the base, a pressure sensitive element composed of a bellows and a piezoelectric vibrating piece fixed between the base and the swing arm, and the inside of the bellows and the outside of the container are communicated with each other. A pressure receiving portion, and the pressure introduced from the pressure receiving portion and transmitted to the swinging arm via the bellows is transmitted to the pressure sensitive element as a moment around the fulcrum between the swinging arm and the support column. An absolute pressure sensor that detects a pressure by a change in a resistance region or a resonance frequency, and is characterized in that a bellows is disposed between a support column and a pressure-sensitive element with respect to the installation direction of the swing arm. .
この構成によれば、受圧部から導入された圧力はベローズを介して揺動腕を押し上げる方向に伝わり、この力は揺動腕と支柱との支点まわりのモーメントとして感圧素子を引張る力として伝達される。そして、この引張り方向の力が加わったことによって変化する感圧素子の抵抗域または共振周波数を検出することにより、受圧部から導入された圧力を検出する。感圧素子に加わった力に対する抵抗域または共振周波数の変化は、感圧素子に加わる力が圧縮方向のときよりも、引張り方向のときの方がより比例関係に近くなる。これにより、感圧素子に圧縮方向の力が加わる構造の場合のように、複雑な補正回路により検出圧力値を補正する必要がないので、補正回路を用いることなく、若しくは簡便な補正回路により、高精度にて圧力を測定することが可能な絶対圧センサを提供することができる。 According to this configuration, the pressure introduced from the pressure receiving portion is transmitted in the direction of pushing up the swinging arm via the bellows, and this force is transmitted as a force pulling the pressure sensitive element as a moment around the fulcrum between the swinging arm and the support column. Is done. Then, the pressure introduced from the pressure receiving unit is detected by detecting the resistance region or the resonance frequency of the pressure-sensitive element that changes when the force in the pulling direction is applied. The change in the resistance range or the resonance frequency with respect to the force applied to the pressure-sensitive element is closer to a proportional relationship in the tension direction than in the compression direction. As a result, there is no need to correct the detected pressure value with a complicated correction circuit as in the case of a structure in which a force in the compression direction is applied to the pressure-sensitive element.Therefore, without using a correction circuit or with a simple correction circuit, An absolute pressure sensor capable of measuring pressure with high accuracy can be provided.
本発明では、感圧素子が双音叉水晶振動子であることを特徴とする。 In the present invention, the pressure sensitive element is a double tuning fork crystal resonator.
音叉型の振動子を二つ結合した構造を有する双音叉水晶振動子は、Q(共振尖鋭度)が高く、速い反応性や共振時における高い拡大度を有している。このような双音叉水晶振動子を感圧素子として用いることにより、反応性が速く、高精度な圧力検出が可能な絶対圧センサを提供することができる。 A double tuning fork crystal resonator having a structure in which two tuning fork type resonators are coupled has a high Q (resonance sharpness), a fast reactivity, and a high magnification at the time of resonance. By using such a double tuning fork crystal resonator as a pressure-sensitive element, it is possible to provide an absolute pressure sensor that is fast in reactivity and capable of highly accurate pressure detection.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
図1は、本発明にかかる絶対圧センサ10の概略構造を説明する模式断面図である。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic structure of an
図1に示す絶対圧センサ10は、容器1と、該容器1内の底部に設けられたベース2上に略垂直に設けられた支柱3と、支柱3に梁様に支持された揺動腕4を有している。ベース2と揺動腕4との間には、支柱3に隣接する位置に固定されたベローズ5と、さらにベローズ5に隣接する位置の揺動腕4の端部に固定された感圧素子としての双音叉水晶振動子20とを有している。ベース2のベローズ5が固定された部分には、ベローズ5の内部と容器1の外側とを連通させるように貫設された受圧部C1が設けられている。
An
容器1は、本実施形態では、金属または複数の金属に炭素などの元素が添加された合金鋼などからなる板金材を加工することにより、内部を気密に封止可能な略立方体形状を有して形成されている。容器1の底部には、受圧部C1を形成するための貫通孔と、後述する真空引きパイプ15を植設するための貫通孔がそれぞれ設けられている。
In this embodiment, the
容器1内の底部に設けられたベース2は、本実施形態では、真鍮などの板材からなり、容器1上にろう付けなどの方法により接着固定されている。ベース2は、容器1が変形したときの応力が支柱3、揺動腕4、ベローズ5、双音叉水晶振動子20を変形させるなどの影響を及ぼさないように、所定の厚みとそれによる機械的な強度を有している。また、ベース2の平面視で容器1の受圧部C1と重なる位置には、ベローズ5を固定して受圧部C1へ連通させるための貫通孔が設けられている。
In this embodiment, the
ベース2の一端の側面には金属などからなる支柱3が、本実施形態ではネジ12によりベース2の主面と略垂直に固定されている。また、支柱3の上端部分には揺動腕4が、本実施形態ではネジ14により、ベース2の主面と略平行に突設されるように固定されている。
A
支柱3から突設された揺動腕4の先端側とベース2との間には、双音叉水晶振動子20が前記支柱3と略平行となるように固定されている。また、揺動腕4とベース2との間には、支柱3と双音叉水晶振動子20とに挟まれた位置にベローズ5が固定されている。ベローズ5のベース2に固定されている部分は、上記したベース2の貫通孔および容器1の貫通穴に挿入されて容器1の外側に露出され、ベローズ5の内部と容器1の外側との連通路となる受圧部C1が形成されている。ベローズ5の容器1から突出された部分と容器1とはろう材98により封止されるように接合されていて、容器1内において、受圧部C1からベローズ5内部に導入される外気は遮断され容器1内は気密に封止されている。
A double tuning
上記したように、容器1の底部に形成された一つの貫通孔には、銅などの比較的柔らかい金属からなる真空引きパイプ15が、両端部分を容器の内側と容器の外側とにそれぞれ突出させるように植設されている。真空引きパイプ15は、図示しないろう材などの接合材により、容器内部が密閉されるように接合されている。
As described above, the
また、双音叉水晶振動子20の後述する電極端子にはリード線29a,29bが接続されて引き出され、このリード線29a,29bの絶縁材料により被覆された部分が、金属などの比較的固い材質の材料からなる皮脂管16にまとめて挿入されている。さらに、皮脂管16は真空引きパイプ15に挿入され、リード線29a,29bが容器1の外部に向けて引き出されている。このとき、リード線29a,29bが挿入された皮脂管16は、管内の少なくとも一部に樹脂などを充填することにより封鎖される。
Further,
そして、皮脂管16が挿入された状態の真空引きパイプ15を介して容器1内部を減圧し、真空状態になったところで真空引きパイプ15の容器1の外側部分をつぶして完全に封鎖することにより、容器1内部が真空に封止されている。
Then, the inside of the
容器1外部に引き出されたリード線29a,29bは、双音叉水晶振動子20を励振するための発振回路(図示せず)に接続されている。
The
(双音叉水晶振動子)
次に、本実施形態の絶対圧センサ10において、感圧素子として使用する双音叉水晶振動子の構造について図面に沿って説明する。図2は、双音叉水晶振動子の概略構造を説明する模式斜視図である。
(Twin tuning fork crystal resonator)
Next, the structure of a double tuning fork crystal resonator used as a pressure sensitive element in the
図2に示すように、双音叉水晶振動子20は、板状の水晶基板21をフォトリソグラフィ技術を用いてエッチング加工することにより、中央部に位置する振動ビーム部22と、この振動ビーム部22を挟んで両端側に形成される支持部23,24とが形成されている。また、振動ビーム部22の略中央には、平面略矩形状の貫通孔29が形成されている。
As shown in FIG. 2, the double tuning
振動ビーム部22の両主面には対向電極である励振電極25が形成されている。また、励振電極25からは引き回し配線が引き出され、支持部23上に形成された電極端子26,27に接続されている。励振電極25、電極端子26,27、および引き出し配線は、一般に電極材料のスパッタリングまたは蒸着によって形成される電極膜である。以上説明したように、双音叉水晶振動子20は、二つの音叉型振動子の振動ビーム部を向かい合わせに結合した構造となっている。
次に、上記した構造の絶対圧センサ10の動作について説明する。
図1に示す絶対圧センサ10において、容器1の外側に備わる発振回路(図示せず)から双音叉水晶振動子20に駆動電圧を印加して励振させると、双音叉水晶振動子20は真空状態における共振周波数(図4における共振周波数f0)にて屈曲振動を繰り返す。このときの屈曲運動は、図1における双音叉水晶振動子20の紙面奥側と手前側の方向に繰り返される。
Next, the operation of the
In the
受圧部C1から導入された測定対象である圧力は、ベローズ5の有効面積に応じた力に変換される。この力は、揺動腕4によって、揺動腕4と支柱3との支点まわりのモーメントとして双音叉水晶振動子20に引張り方向の力として伝達される。引張り方向の力が加わった双音叉水晶振動子20の共振周波数f0は、図4に示すように共振周波数が増加する方向に変化する。このときの共振周波数の変化量を、発振回路に備わるマイコンにより圧力換算することにより、受圧部C1に印加されている圧力(絶対圧)値を出力する。
The pressure that is the measurement target introduced from the pressure receiving part C <b> 1 is converted into a force corresponding to the effective area of the
以下、上記実施形態の効果を記載する。 The effects of the above embodiment will be described below.
(1)上記実施形態の絶対圧センサ10は、真空状態に密閉された容器1内の底部にベース2を固定し、このベース2の一端の側面に、ベース2の主面と略垂直となるように支柱3を固定した。支柱3の上端部分には、ベース2の主面と略平行に突設されるように揺動腕4を固定した。また、支柱3から突設された揺動腕4の先端側とベース2との間には、双音叉水晶振動子20を前記支柱3と略平行となるように固定した。そして、揺動腕4とベース2との間の、支柱3と双音叉水晶振動子20とに挟まれた位置にベローズ5を固定し、ベローズ5の内部と容器1の外側とを連通する受圧部C1を貫設した。
(1) In the
この構成によれば、受圧部C1から導入された測定対象である圧力は、ベローズ5により揺動腕4を押し上げる力として伝わり、この力は揺動腕4と支柱3との支点まわりのモーメントとして双音叉水晶振動子20を引張る力として伝達される。上記したように、双音叉水晶振動子20に加わる力に対する共振周波数の変化は、双音叉水晶振動子20に加わる力の方向が圧縮方向のときよりも、引張り方向のときの方がより直線性を有した比例関係を示す。これにより、双音叉水晶振動子20に圧縮方向の力が加わる構造の場合のように、複雑な補正回路により検出圧力値を補正する必要がないので、補正回路を用いることなく、若しくは簡便な補正回路により、高精度にて圧力を測定することが可能となる。
According to this configuration, the pressure to be measured introduced from the pressure receiving part C <b> 1 is transmitted as a force for pushing up the
(2)上記実施形態では、感圧素子として双音叉水晶振動子20を用いた。
(2) In the above embodiment, the double tuning
この構成によれば、双音叉水晶振動子20はQ(共振尖鋭度)が高く、速い反応性や共振時における高い拡大度を有しているので、反応性が速く、高精度な圧力検出が可能な絶対圧センサ10を提供することができる。
According to this configuration, the double tuning
(3)上記実施形態では、支柱3をベース2にネジ12により固定し、また、揺動腕4を支柱3にネジ14により固定する構成とした。
(3) In the above embodiment, the
この構成によれば、ネジ留めによる簡便な方法にて支柱3および揺動腕4を確実に固定することができるので、低コストにて絶対圧センサ10を製造するのに供する。
According to this structure, since the support |
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、以下の変形例を実施することもできる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modified examples can also be implemented.
(変形例)上記実施形態では、別々の部品である支柱3と揺動腕4とを、ネジ14により固定する構成としたが、これに限らない。支柱と揺動腕とを一体加工により形成する構成としても構わない。図3は、支柱と揺動腕とを一体加工により形成した絶対圧センサ40を説明する模式断面図である。なお、本変形例において、上記実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
(Modification) In the above-described embodiment, the
図3に示す絶対圧センサ40は、容器1と、該容器1内の底部に設けられたベース2上に略垂直に設けられた支柱33と、支柱33から略直角に屈曲されベース32に対して平行に延出された揺動腕34とが一体に形成されて設けられている。本実施形態では、支柱33と揺動腕34との境界となる屈曲部分にハーフエッチング部39が形成されている。ベース2と揺動腕34との間には、支柱33に隣接する位置に固定されたベローズ5と、さらにベローズ5に隣接する位置の揺動腕34の端部に固定された双音叉水晶振動子20とを有している。ベース2のベローズ5が固定された部分には、ベローズ5の内部と容器1の外側とを連通させるように貫設された受圧部C1が設けられている。
An
この構成によれば、支柱33と揺動腕34は同一材料を折り曲げ加工することにより一体に形成されるので、支柱と揺動腕とを接合する必要がなく、製造工程の簡略化が可能となる。また、支柱33と揺動腕34の折り曲げ部分にはハーフエッチング部39が形成されているので、支柱33および揺動腕34それぞれの部位の機械的強度を確保しながら、折り曲げ加工を容易にすることができる。さらに、バッチ処理によるハーフエッチング部39の形成と折り曲げ加工のみによって、支柱33と揺動腕34の支持構造を形成することができる。これにより、上記した特許文献1に記載の絶対圧センサ70の支柱63および揺動腕64のように高精度な切削加工を必要とせず、比較的簡便な工程により低コスト製造が可能となる。
According to this configuration, since the support 33 and the
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。 The embodiment of the present invention made by the inventor has been specifically described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are made without departing from the scope of the present invention. Is possible.
例えば、上記実施形態では、容器1内の底部にベース2を設置したが、容器の底板部分が必要な機械的強度を有しているのであれば、容器の底板部分そのものをべースとして用いた構成とすることが可能である。
For example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、筒状外縁が蛇腹形状を有するベローズ5を用いたが、これに限らない。ベローズ5は、受圧部C1から取り込んだ圧力に応じて変位することにより該圧力を力として揺動腕4(34)に伝え、且つ、圧力の減衰に伴って形状の復元性を有する筒状容器であればよく、例えば断面楕円形状のベローズを用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the cylindrical outer edge used the
また、上記実施形態では、ベース2と支柱3(33)との接合、および支柱3と揺動腕4との接合を、ネジ12,14によってネジ留めする方法により行なったが、これに限らない。ろう付けや溶接あるいは接着剤を用いて接着する方法などの他の接合方法を用いてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、ベローズ5と容器1の外部とを連通し測定する圧力の導入部分となる受圧部C1を、ベローズ5の圧力導入部分の直下となる容器1の底板部分に設けたが、これに限らず、受圧部を容器の側面に設ける構成とすることも可能である。同様に、真空引きパイプ15を、容器1の側面あるいは上面に設ける構成としてもよく、また、真空引きパイプ15を用いる方法に限らず、ろう材や封止用樹脂などにより容器1を封止する構成としてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the pressure receiving part C1 used as the introduction part of the pressure which communicates and measures the
1,61…容器、2,62…ベース、3,33,63…支柱、4,34,64…揺動腕、5,65…ベローズ、10,40,70…絶対圧センサ、20…感圧素子としての双音叉水晶振動子、80…感圧素子、C1,C3…受圧部。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ベローズが、前記揺動腕の設置方向に対して前記支柱と前記感圧素子との間に配設されていることを特徴とする絶対圧センサ。 A container capable of hermetically sealing the inside, a support provided substantially vertically on the base in the container, a swing arm supported in a beam-like manner on the support, the base and the swing A pressure sensing element comprising a bellows and a piezoelectric vibrating piece fixed between the arm and a pressure receiving portion penetrating so as to communicate the inside of the bellows and the outside of the container; The pressure introduced to the swing arm via the bellows is transmitted to the pressure sensitive element as a moment around the fulcrum of the swing arm and the column, and the resistance region or resonance of the pressure sensitive element is transmitted. An absolute pressure sensor that detects the pressure by a change in frequency,
The absolute pressure sensor, wherein the bellows is disposed between the support column and the pressure sensitive element with respect to the installation direction of the swing arm.
前記感圧素子が双音叉水晶振動子であることを特徴とする絶対圧センサ。 The absolute pressure sensor according to claim 1,
An absolute pressure sensor, wherein the pressure sensitive element is a double tuning fork crystal resonator.
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JP2012220331A (en) * | 2011-04-08 | 2012-11-12 | Espec Corp | Inner pressure fluctuation absorption apparatus and environmental testing device |
CN108267247A (en) * | 2018-04-24 | 2018-07-10 | 成都奥森泰科技有限公司 | A kind of cylindrical structure integral type resonance pressure sensor |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100511 |