JP2009236666A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張によって生じた熱応力の影響を軽減して圧力測定が可能な、壊れにくい構造の圧力センサを提供する。
【解決手段】一面の周縁部に周縁突出部００１ｂが形成され、略中央部に圧力伝達突出部００１ｄが形成され、外圧に応答して変位する感圧ダイアフラム００１ａを備える感圧部材００１と、受圧突出部００２ｂが形成された受圧ダイアフラム００２ａを備え、受圧ダイアフラム００２ａの変位により圧力を検出するセンサチップ００２と、一面の周縁部に支持突出部００３ａが形成され、かつ略中央にセンサチップ００２を搭載するベース部材００３と、からなり、ベース部材００３を感圧ダイアフラム００１ａ側へと押圧する押圧機構と、を設け、該押圧機構で押圧されたときに、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂのそれぞれの先端が当接し、かつ周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａのそれぞれの先端が当接する構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に気体、液体等の流体内の圧力を測定するための、耐腐食性の高い圧力センサに関する。特に、高温環境で使用される圧力センサに関する。

従来から、流体等の圧力を測定するために、圧力センサとして半導体センサチップ（例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照。）が用いられてきた。そして、流体等の圧力を測定する場合、特にその性質や温度環境により圧力センサが腐食する可能性がある。その腐食を防止するために様々な工夫がなされてきた。

図７は、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３を基に、模式的に従来の圧力センサの断面構造を表したものである。図７では、感圧ダイアフラム１０１は、受圧ダイアフラム１０４ａを有するセンサチップ１０４を内部に収容するケース部材１０２の一部を成している。感圧ダイアフラム１０１は、流体からの圧力に直接応答してセンシングする。そして、感圧ダイアフラム１０１がセンシングした圧力は、突部１０１ａを介して、中央が接着剤１０３により接着されている受圧ダイアフラム１０４ａへと伝達される。そして、センシングされた圧力は、受圧ダイアフラム１０４ａ上に設けられた感圧素子（図示せず）により電気信号に変換される。そして、該電気信号は導電端子１０６により外部へ出力される。

ベース部材１０７は、台座１０５を介してセンサチップ１０４を保持するとともに、感圧ダイアフラム１０１の設けられたケース部材１０２を接着剤１０８を介して保持し、感圧ダイアフラム１０１、ケース部材１０２、及び接着剤１０８を含めて構成されるハウジングのベースとなっている。感圧ダイアフラム１０１は、ステンレス等の腐食に強い金属で構成され、ハウジングは流体からセンサチップ１０４を保護して、腐食するのを防止している。

上記例では、感圧ダイアフラム１０１とセンサチップ１０４との間の圧力の伝達は、それぞれが中央で接着剤１０３により固着されている突部１０１ａを媒体として行われているが、この突部１０１ａを媒体とする方法以外に、感圧ダイアフラム１０１とセンサチップ１０４との間の空間に、シリコンオイルを充填して、その充填したシリコンオイルを媒体として圧力を伝達する方法もある。

Ｕ．Ｓ． Ｐ６，６１２，１７８ Ｂ１ 公報 特開２００１−５９７９２号公報 特開平１０−１２２９９０号公報

上記のように、感圧ダイアフラム１０１とセンサチップ１０４との連接では、センサチップ１０４は台座１０５に搭載され、感圧ダイアフラム１０１とセンサチップ１０４との距離は固定されていた。しかし、このような構造では、高温環境下において、感圧ダイアフラム１０１、特に突部１０１ａがセンサチップ１０４の受圧ダイアフラム１０４ａを押圧する方向に膨張し、正確な圧力を測定することができなくなるとともに、センサチップ１０４を破壊するという問題があった。

本発明の目的は、熱膨張によって生じた熱応力の影響を軽減して正確な圧力測定が可能な、壊れにくい構造の圧力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の圧力センサは、一面の周縁部に該一面と直交する方向に突出した周縁突出部が形成され、前記一面の略中央部に該方向に向けて突出する圧力伝達突出部が形成され、外圧に応答して変位する感圧ダイアフラムを備える感圧部材と、該感圧部材の圧力伝達突出部と当接するための受圧突出部が形成された受圧ダイアフラムを備え、該受圧ダイアフラムの変位により圧力を検出するセンサチップと、一面の周縁部に該一面と直交する方向に向けて突出する支持突出部が形成され、かつ該一面の略中央に前記センサチップをその受圧突出部を該方向へ向けた状態で搭載するベース部材と、からなり、前記感圧部材の圧力伝達突出部と前記センサチップの受圧突出部とを対向させた状態で、前記ベース部材を前記感圧ダイアフラム側へと押圧する押圧機構と、を設け、該押圧機構で押圧されたときに、前記圧力伝達突出部と前記受圧突出部のそれぞれの先端が当接し、かつ前記周縁突出部と前記支持突出部のそれぞれの先端が当接する構成とされていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の圧力センサは、外圧に応答して変位する平板状の感圧ダイアフラムと、その周縁部に形成され該外圧を受ける方向と反対方向に向けて突出した周縁突出部と、前記感圧ダイアフラムの略中央部に形成され該反対方向に向けて突出する圧力伝達突出部と、前記周縁突出部の外周部から該反対方向に向けて延出するケース部材と、からなる感圧部材と、前記ケース部材の内部に収容される平板状の受圧ダイアフラムと、該受圧ダイアフラムの略中央部に前記圧力伝達突出部と当接可能に前記外圧を受ける方向に向けて突出する受圧突出部と、前記圧力伝達突出部から前記受圧突出部を介して伝達される外圧を検出する検出素子とからなるセンサチップと、略中央部に前記センサチップを前記受圧ダイアフラムが変位可能な状態で、前記感圧部材と相対するように搭載可能な搭載部と、周縁部に前記周縁突出部と当接可能に前記外圧を受ける方向に向けて突出する支持突出部と、からなり、前記感圧ダイアフラムと略平行に配置されるベース部材と、前記搭載部の裏面を押圧する弾性部材と、前記ケース部材内に設けられ、前記弾性部材を支持する支持部と、からなる押圧機構と、を備え、前記ベース部材に前記センサチップが搭載された状態で、前記感圧部材と前記センサチップとを互いに平行に対向させた場合に、前記圧力伝達突出部と前記受圧突出部の対向距離が、前記周縁突出部と前記支持突出部の対向距離と等しくなるように形成されており、前記支持突出部と前記周縁突出部が当接し、かつ前記圧力伝達突出部と前記受圧突出部が当接するように、前記ベース部材を前記押圧機構により押圧したことを特徴とするものである。

請求項３に記載の圧力センサは、請求項２に記載の圧力センサにおいて、前記ケース部材の開口端を、前記センサチップの電気信号を外部へと引き出す導電端子を備えるハウジングにより閉栓し、ケース内部を真空状態にするとともに、ケース内部の真空状態を維持する真空ゲッタを該ケース内部に配置したことを特徴とするものである。

請求項４に記載の圧力センサは、請求項２又は請求項３に記載の圧力センサにおいて、前記支持突出部と前記周縁突出部の当接面、及び前記受圧突出部と前記圧力伝達突出部の当接面に潤滑部材を配設し、該潤滑部材を介して当接させたことを特徴とするものである。

請求項５に記載の圧力センサは、請求項２又は請求項３に記載の圧力センサにおいて、前記受圧突出部と前記圧力伝達突出部の当接部分を固着したことを特徴とするものである。

請求項６に記載の圧力センサは、請求項２乃至請求項５のいずれか一つに記載の圧力センサにおいて、前記ケース部材の内側に、前記支持部の固定位置を調整する位置調整機構を設けたことを特徴とするものである。

請求項１及び請求項３に記載の圧力センサは、感圧ダイアフラムが熱によって膨張した時に、周縁突出部からの押圧力をベース部材を介して弾性部材が吸収することで、感圧ダイアフラムからの熱膨張によって受圧ダイアフラムが受ける圧力を軽減する構成となっている。これにより、高温環境下における感圧ダイアフラムの熱膨張の影響を回避でき、正確な圧力測定を可能にするとともに、受圧ダイアフラムの破損防止が可能となる。

請求項４に記載の圧力センサは、感圧ダイアフラムの圧力伝達突出部と受圧ダイアフラムの受圧突出部との当接面に潤滑部材を配設したため、横方向の摺動摩擦を低減することができる構成になっている。これにより、感圧ダイアフラムと受圧ダイアフラムとの熱膨張係数の相違によって、高圧環境下で圧力伝達突出部と受圧突出部とが横方向に摺動したとしても、正確な圧力測定が可能となるとともに、受圧ダイアフラムの破損防止が可能となる。

請求項６に記載の圧力センサは、支持部の固定位置を調整することができる。これにより、弾性部材によるベース部材への押圧力を調整することが可能となる。

〔第１の実施形態〕
以下、この発明の第１の実施形態に係る圧力センサについて説明する。図１は本実施形態に係る圧力センサの断面構造図である。以下では、説明の都合上図１における上下方向の位置を高さといい、上下方向の位置（高さ）が同じ状態を水平という。

本発明圧力センサは、略逆Ｕ字状の断面を有する感圧部材００１と、この感圧部材００１の内部に収容されたセンサチップ００２と、このセンサチップ００２を搭載支持するベース部材００３と、前記感圧部材００１の下方に連結された散熱管０１０を備えるハウジング０１２とを主として構成されている。

前記ベース部材００３は、感圧部材００１の内側面に突出形成された円環状の支持部００５の上に円環状の弾性部材００４を介して支持されている。感圧部材００１とハウジング０１２との連結によって画成された空間部には、真空ゲッタ００７が配置されている。散熱管０１０内には、一対の導電ピン００６ｃを貫通させた絶縁体００９ａが収納されている。

ハウジング０１２及び散熱管０１０は、感圧部材００１と同じ熱膨張係数を有する材料で形成されている。そして、ハウジング０１２は溶接により感圧部材００１のケース部材００１ｃに接合されている。ハウジング０１２の感圧部材００１と接合する端部は高温になるが、反対側の端部、すなわち散熱管０１０の下端部は環境空気の対流冷却効果により１５０度以下の低温になる。ハウジング０１２の低温側の温度は、周囲の環境温度や空気の対流効率、散熱管０１０の長さなどによって決められる。散熱管０１０は５〜１０ｃｍの長さが好ましい。また、散熱管０１０の外側に冷却水パイプを設ければ、散熱管０１０をより短くすることが可能である。散熱管０１０の低温端部には貫通電極付絶縁体００９ｂ及び低膨張金属部材０１１を設けることで気密構造となっている。低膨張金属部材０１１は貫通電極付絶縁体００９ｂ及び散熱管０１０の低温端部と溶接やろう付けなどの方法で接合される。

真空ゲッタ００７は、水分や金属から排出されるガスを吸収する吸着剤で形成されている。真空ゲッタ００７は、感圧部材００１及びハウジング０１２とで構成された空間を圧力計測基準真空室の状態に保つ。

絶縁体００９ａ及び貫通電極付絶縁体００９ｂは、高熱環境下にさらされている感圧部材００１の内部空間の温度が外部の機器に伝わらないように温度を下げる働きをする。絶縁体００９ａは、ハウジングキャップ００８で固定され散熱管０１０内に収められる。

図１において、感圧部材００１は、感圧ダイアフラム００１ａ、周縁突出部００１ｂ、及びケース部材００１ｃ、及び圧力伝達突出部００１ｄで構成されている。感圧部材００１は、耐腐食性の金属、例えば、ステンレスの薄い板で構成されている。

感圧ダイアフラム００１ａは、圧力のセンシングの対象である流動体に直接触れてその圧力に応答して形状を変化させる、或いは形状を歪ませるダイアフラムである。板の面形状は円形又は四角形でもよいが、ここでは円形として説明する。

感圧ダイアフラム００１ａの内底部の略中央部にはベース部材００３方向（図１の下方向）へ延出する圧力伝達突出部００１ｄが形成されている。また、感圧ダイアフラム００１ａの周縁部にはケース部材００１ｃに沿ってベース部材００３方向へ延出する周縁突出部００１ｂが形成されている。そして、感圧ダイアフラム００１ａの表面から圧力伝達突出部００１ｄの底部までの距離Ｌ１と感圧ダイアフラム００１ａの表面から周縁突出部００１ｂの底部までの距離Ｌ２とは同じ長さである。したがって、圧力伝達突出部００１ｄの底面と周縁突出部００１ｂの底面とは略水平な位置にある。そして、圧力伝達突出部００１ｄは、センサチップ００２の受圧突出部００２ｂに接しており、さらに固着されている。

感圧ダイアフラム００１ａは、上方から圧力（本発明における「外圧」）を受けることで感圧ダイアフラム００１ａの中央を囲む平面部分がたわむ。これにより、感圧ダイアフラム００１ａは、上方からの圧力をセンシングすることができるダイアフラムとしての機能を有する。そして、外圧を受けてたわむのは感圧ダイアフラム００１ａの圧力伝達突出部００１ｄ付近のみであり、後述するベース部材００３の上下動には影響しない。これは、圧力伝達突出部００１ｄが設けられている部分は薄くなっておりたわみやすくなっているが、その周囲は厚く外圧に影響されないからである。

センサチップ００２は、断面略山形状を成しており、中央突出部（受圧突出部００２ｂ）とその周囲を取り囲む円環状または四角形状の凹部（受圧ダイアフラム００２ａ）を有している。そして、受圧突出部００２ｂは圧力伝達突出部００１ｄに固着されている。さらに、センサチップ００２はその周縁部がベース部材００３の上側凹部に載置固定されている。センサチップ００２の底面側でベース部材００３との間には空間が設けられている。この空間があることにより、受圧ダイアフラム００２ａは下方向にたわむことが可能となる。受圧ダイアフラム００２ａは、感圧ダイアフラム００１ａから圧力伝達突出部００１ｄ及び受圧突出部００２ｂを介して伝達された圧力を受けて感圧ダイアフラム００１ａと反対側の方向（下の方向）にたわむ。これにより、受圧ダイアフラム００２ａは感圧部材００１からの圧力をセンシングすることができるダイアフラムとしての機能を有する。

さらに、センサチップ００２は、下側の面に歪ゲージ００２ｃを有する。歪ゲージ００２ｃは、受圧ダイアフラム００２ａがたわむことによる圧力変化を電気の変化に変換して導電端子００６ａへ出力する。歪ゲージ００２ｃの取り付け態様は、図１に限らず、その全体として設計上、感度の良い位置に配置されることが肝要である。この歪ゲージ００２ｃが本発明における「検出素子」である。この検出素子は「感圧素子」とも呼ばれる。

ベース部材００３は、支持突出部００３ａ及び搭載部００３ｂからなる。さらに、ベース部材００３はガラスで構成されている。そして、ベース部材００３の搭載部を下側に窪ますことによってセンサチップ００２がたわむための空間（変位空間）が形成されている。この窪みはセンサチップ００２と同程度の大きさに形成されており、センサチップ００２の周縁部は搭載部００３ｂの窪みの外縁部に固定されている。これにより、センサチップ００２は、ベース部材００３に対して水平方向にずれないよう構成されることになる。また、ベース部材００３の材料であるガラスはセンサチップ００２の材料であるシリコンと同程度の熱膨張係数を有する。そのため、高温環境下でセンサチップ００２及びベース部材００３が膨張しても熱膨張の差はわずかしか発生しない。そこで、前述のようにセンサチップ００２がベース部材００３に固定されていても破損する危険は少ない。また、ベース部材００３の外縁はケース部材００１ｃに接しており、感圧ダイアフラム００１ａに対して水平方向に固定されている。したがって、ベース部材００３に固定されたセンサチップ００２も、感圧ダイアフラム００１ａに対して水平方向に移動しないよう構成されていることになり、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂは相対する位置にほぼ固定されることになる。ここで、本実施形態では図１に示すようにケース部材００１ｃに内側に向けて突部を設け、該突部とベース部材００３の外縁とを接触させているが、これは該突部を設けずに直接ケース部材００１ｃの内側面とベース部材００３とを接触させる構成でもよい。

また、ベース部材００３の周縁部は感圧ダイアフラム００１ａの方向（図１の上の方向）に延出して支持突出部００３ａを形成している。この支持突出部００３ａは感圧部材００１の周縁突出部００１ｂの内底面に接する位置に設けられている。そして、該支持突出部００３ａの底面から先端までの距離Ｌ３と、該支持突出部００３ａの中央部底面から前記受圧突出部００２ｂの先端までの距離Ｌ４は等しい長さを有する。

上述のように、距離Ｌ１と距離Ｌ２が等しく、距離Ｌ３と距離Ｌ４が等しいため、支持突出部００３ａと周縁突出部００１ｂが接した時に、受圧突出部００２ｂと圧力伝達突出部００１ｄとも接し、それぞれの接触点が水平に位置することになる。また、距離Ｌ１及び距離Ｌ２の部分はいずれも感圧ダイアフラム００１ａの一部であるため同じ材質で構成されており膨張率は同じである。そのため、熱膨張により感圧部材００１が膨張し、距離Ｌ１及び距離Ｌ２が伸長した場合、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は同じ長さになる。したがって、熱膨張でＬ１及びＬ２が伸長した場合でも、支持突出部００３ａと周縁突出部００１ｂが接する位置と、受圧突出部００２ｂと圧力伝達突出部００１ｄが接する位置は水平の位置を保つことになる。

前記ベース部材００３の底面とケース部材００１ｃの内側面に設けられた支持部００５との間には、弾性部材００４が配置されている。弾性部材００４は、図２に示すようなコイルを環状にした形状の部材である。図２は弾性部材００４の平面図である。弾性部材００４は、ニッケル基かコバルト基の耐熱合金材料で形成されることが好ましい。特にＮｉ基超耐熱合金であることが好ましい。また、弾性部材００４の断面は、中空開口部を有する「Ｃ」字状のものか、または中空螺旋線のようなものが望ましい。さらに、弾性部材００４は、支持部００５とベース部材００３とに挟まれベース部材００３を感圧ダイアフラム００１ａ方向に押圧する。ここで、本実施形態ではケース部材００１ｃが内面も円形状の筒型であり、かつベース部材００３の底面もケース部材００１ｃの内面に合わせて円形状であるため、弾性部材００４をケース部材００１ｃの内面の形状に合わせ円形の環状にしている。ただし、弾性部材００４は、ベース部材００３の底面を感圧ダイアフラム００１ａ方向に均等に押圧できればよく、均等に押圧できる条件であればどのような形状でもよい。例えば、ケース部材００１ｃの内面及びベース部材００３の底面の形状が四角形であれば、弾性部材００４を四角形の環状にすることが好ましい。また、ベース部材００３の底面を均等に押圧できるのであればコイルを縦方向にいくつか配置した構成でもよい。

前記支持部００５は、ケース部材００１ｃの内側面に上下方向に移動可能（調整可能）に設けられている。これは、例えば支持部００５とケース部材００１ｃとの接する面にねじ構造を設けることにより実現することができる。これにより、支持部００５を回転させることで、ねじの溝にそって上下に移動することが可能となる。そして、支持部００５を回し支持部００５が感圧ダイアフラム００１ａ方向へ移動することにより、弾性部材００４のベース部材００３を押す押圧力は強くなる。逆に、支持部００５を回し支持部００５が感圧ダイアフラム００１ａと反対の方向へ移動することにより、弾性部材００４のベース部材００３を押す押圧力は弱くなる。したがって、支持部００５の上下方向の位置を調整することで適切な押圧力をベース部材００３に与えることができる。この適切な押圧力とは、後述するように熱膨張により周縁突出部００１ｂがベース部材００３の方向への伸長による力によりベース部材００３を介して弾性部材００４を押圧したときに、弾性部材００４が収縮することによりベース部材００３にかかる余分な圧力を吸収して軽減できる程度であることが望ましい。さらに、適切な押圧力は、熱膨張した周縁突出部００１ｂが冷却され収縮した時に、弾性部材００４が伸長しベース部材００３を持ち上げ周縁突出部００１ｂに接することができる程度であることが望ましい。さらに、適切な押圧力は、弾性部材００４の弾性力によって感圧ダイアフラム００１ａがたわまない程度であることが望ましい。

ここで、支持部００５と弾性部材００４で構成される機構が本発明における「押圧機構」にあたる。

以上で説明した構成により、高温環境下での感圧部材００１の上下方向の熱膨張によるセンサチップ００２の破損を防止することが可能となる。そこで、次に感圧部材００１が膨張した時の動きを具体的に説明する。

感圧部材００１が上下方向に膨張した時、周縁突出部００１ｂ及び支持突出部００３ａが膨張することによりそれぞれが感圧ダイアフラム００１ａから離れる方向（下の方向）に押される。このとき、弾性部材００４は、ベース部材００３からの押圧を受けて収縮する。そのため、ベース部材００３は、周縁突出部００１ｂが膨張した分だけ下に移動する。このとき、圧力伝達突出部００１ｄも熱膨張により、前期同様に下方に移動する。これにより、ベース部材００３が感圧ダイアフラム００１ａに対して上下方向に固定されている場合と異なり、受圧突出部００２ｂは、圧力伝達突出部００１ｄの熱膨張による押圧力の受圧を回避することができ、センサチップ００２の破損を防止することができる。さらに、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は感圧ダイアフラム００１ａの一部であるため同じ材質で構成されており膨張率は同じである。熱膨張により感圧部材００１が上下方向に膨張し、距離Ｌ１及び距離Ｌ２が伸びた場合でも、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は同じ長さになる。したがって、熱膨張で距離Ｌ１及び距離Ｌ２が伸びた場合でも、支持突出部００３ａと周縁突出部００１ｂが接する位置と、受圧突出部００２ｂと圧力伝達突出部００１ｄが接する位置は水平の位置となる。そのため、感圧部材００１が上下方向に膨張した場合でも、受圧突出部００２ｂと圧力伝達突出部００１ｄは互いに無理な力がかからない高さに位置しており、感圧ダイアフラム００１ａが外圧を受けた場合、その圧力が圧力伝達突出部００１ｄ及び受圧突出部００２ｂを介して受圧ダイアフラム００２ａに伝達され、センサチップ００２がたわむことで、歪ゲージ００２ｃによるセンシングが行われる。また、外圧を受けてたわむのは、感圧ダイアフラム００１ａのみであり、ベース部材００３の上下動には影響しないようになっているので、精度よくセンシングができる。

さらに、熱膨張がおさまることで感圧部材００１が収縮した場合、周縁突出部００１ｂと圧力伝達突出部００１ｄの長さが元の長さに戻る。この場合、弾性部材００４がベース部材００３を感圧部材００１の方向へ押圧することで、ベース部材００３は元の位置（熱膨張が発生する前の位置）に戻る。この場合も、距離Ｌ１及び距離Ｌ２は同じ長さになるため、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとは互いに力をかけない地点に位置することになる。したがって、感圧部材００１が冷却され熱膨張がおさまった後にも、歪ゲージ００２ｃによるセンシングは元通り行うことが可能である。

歪ゲージ００２ｃで出力された電気の変化は、導電端子００６ａ、耐熱導線００６ｂ、及び、導電ピン００６ｃを介して外部へ出力される。

以上で説明したように、本実施形態に係る圧力センサにおいては、熱膨張による感圧部材００１の上下方向の伸長が生じた場合に、周縁突出部００１ｂからの押圧を支持突出部００３ａを介して弾性部材００４が受け、この弾性部材００４が収縮することで熱膨張による上下方向の伸長を吸収することができる構成である。これにより、熱膨張により上下方向に熱応力が生じた場合にも、受圧突出部００２ｂは圧力伝達突出部００１ｄからの押圧を受けることを回避でき、センサチップ００２の破損を防止することが可能となる。

また、本実施形態ではより確実に熱膨張率の影響を軽減するためＬ１＝Ｌ２及びＬ３＝Ｌ４としている。しかし、Ｌ１及びＬ２の熱膨張による寸法変化は許容できる範囲内に抑えることが可能であり、実際には周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの対向距離、及び圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの対向距離が等しければ、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとが当接するとともに、周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとが当接する。これにより、センサチップ００２の破損を防止することができる。したがって、本発明は周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの対向距離、及び圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの対向距離が等しく形成されていれば動作可能である。

〔第２の実施形態〕
以下、この発明の第２の実施形態に係る圧力センサについて説明する。第２の実施形態に係る圧力センサの断面構造図も図１で示されるものである。以下では、説明の都合上図１における上下方向の位置を高さといい、上下方向の位置（高さ）が同じ状態を水平という。本実施形態に係る圧力センサは、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの接触部分が固着されておらず、水平方向に互いにズレることができる構成であるところが第１の実施形態と異なる。そこで、以下では、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂの構成について主に説明する。

本実施形態に係る圧力センサでは、センサチップ００２、感圧部材００１の形状及び配置は第１の実施形態と同様である。そして、本実施形態に係る圧力センサでは、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの接点は固定されていない。したがって、熱を受けた時に圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとは水平方向に自由に膨張する、すなわち互いにズレることが可能である。また、周縁突出部００１ｂは、ベース部材００３の支持突出部００３ａと接している。周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの接点も固定されていない。したがって、熱を受けた時に周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとも水平方向に自由に膨張する、すなわち互いにズレることが可能である。

以上の構成により、高温環境下での感圧部材００１の水平方向の熱膨張によるセンサチップ００２の破損を防止することが可能となる。そこで、次に感圧部材００１が膨張した時の動きを具体的に説明する。

感圧部材００１及びセンサチップ００２ともに熱により水平方向の膨張が発生する。ここで、感圧部材００１は耐食性の金属で構成されており、センサチップ００２はシリコンで構成されている。そのため、感圧部材００１とセンサチップ００２との熱膨張率が異なる。そこで、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂが接している部分では膨張率の相違によるズレが生じる。このとき、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂが固着されている場合と異なり、本実施形態における圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂは互いに水平方向に自由に膨張できるため、水平方向における熱膨張率のズレによるセンサチップ００２の破損を防止することができる。これは、感圧部材００１が冷却され熱膨張がおさまる時も同様であり、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂは自由に縮小することができ、センサチップ００２の破損も防止することができる。

以上で説明したように、本実施形態に係る圧力センサにおいては、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間を固着せずに、互いに水平方向にズレることができる構成である。これにより、熱膨張により水平方向に熱応力が生じた場合にも圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂ、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとがずれることができ、センサチップ００２の破損を防止することが可能となる。

本実施形態においても、周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの対向距離、及び圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの対向距離が等しく形成されていれば圧力センサは動作可能である。

〔第３の実施形態〕
以下、この発明の第３の実施形態に係る圧力センサについて説明する。図３は第３の実施形態に係る圧力センサの断面構造図である。以下では、説明の都合上図３における上下方向の位置を高さといい、上下方向の位置（高さ）が同じ状態を水平という。本実施形態に係る圧力センサは、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間に耐熱の潤滑剤を配置した部分が第２の実施形態と異なる（図１参照）。そこで、以下では、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂの構成、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａの構成について主に説明する。また、以下では図１と同様の符合を有する部材は同様の機能を有するものとする。

本実施形態に係る圧力センサでは、センサチップ００２、感圧部材００１の形状及び配置は第２の実施形態と同様である。そして、センサチップ００２及びベース部材００３と感圧部材００１とは、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂ、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとで接している。この接している部分は熱膨張の差により高温環境下での熱膨張時に熱応力による水平方向のズレが生じることになる。そのため、この互いに接している部分の摩擦力が大きいと、センサチップ００２の破損の原因になってしまう。そこで、本実施形態では、図３に示すように、圧力伝達突出部００１ｄの受圧突出部００２ｂと接する面に耐熱潤滑剤３００をコーティングしている。また、周縁突出部００１ｂの支持突出部００３ａと接する面に耐熱潤滑剤３００をコーティングしている。耐熱潤滑剤３００としては、窒化ホウ素（六方）、グラファイト、窒化ホウ素とアルミナとの混合物などの摩擦係数が低い材料が好ましい。ここで、本実施形態ではコーティングのし易さから金属である感圧部材００１側に耐熱潤滑剤３００のコーティングを施しているが、これは、センサチップ００２側に耐熱潤滑剤３００のコーティングを施す構成でもよい。また、潤滑剤として、パウダー状の材料を配置する構成でもよい。

以上で説明したように、本実施形態に係る圧力センサにおいては、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間に耐熱潤滑剤を配置することで、その間の摩擦力を軽減することができる。これにより、熱膨張により水平方向に熱応力が生じた場合にも第２の実施形態に比べてスムースに圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂ、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとがずれることができ、センサチップ００２の破損を防止することが可能となる。

また、本実施形態の変形例として、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間に、図４に示すようにスペーサ４００を設けた構成がある。図４は第３の実施形態の変形例の断面構成図である。このスペーサ４００は感圧部材００１を構成する耐食金属又はベース部材００３を構成するガラスと同じ熱膨張係数を持つ材料であることが好ましい。そして、このスペーサの形状としては、例えば、図５（Ａ）に示すように、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間にボール５０１を配置し、周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間に環状のリング５０２を配置する構成が考えられる。また、図５（Ｂ）に示すように、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間にボール５０３を配置する構成でもよい。図５（Ｂ）では平面を支えるため、周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間の３点にボールを配置しているが、よりしっかりと平面を支えるように３点より多い点にボールを配置してもよい。さらに、図５（Ｃ）に示すように、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間にボール５０４を配置し、周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間に、中心から放射上に延びる線に沿って棒状の部材５０５を配置する構成でもよい。ここで、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はスペーサの一例の図である。

この変形例のように、リング状、ボール状、または棒状のスペーサは、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂとの間、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａとの間にスペーサを配し、スペーサを介してそれぞれを点接触させた場合、圧力伝達突出部００１ｄと受圧突出部００２ｂ、及び周縁突出部００１ｂと支持突出部００３ａの接触面積を減らすことが可能となる。そして、接触面積が小さくなるため接触部分の摩擦力がスペーサを配置しない場合に比べ低下する。これにより、このような構成でも、水平方向の熱応力による各部材間のズレをスムースにすることができ、センサチップ００２の破損を防止することが可能となる。

〔第４の実施形態〕
以下、この発明の第４の実施形態に係る圧力センサについて説明する。図６は第４の実施形態に係る圧力センサの断面構造図である。以下では、説明の都合上図６における上下方向の位置を高さといい、上下方向の位置（高さ）が同じ状態を水平という。本実施形態に係る圧力センサは、ベース部材００３に直接センサチップ００２を搭載せずに、間に支持板６００を配置した構成であるところが第１の実施形態と異なる。そこで、以下では、ベース部材００３及び支持板６００の構成について主に説明する。また、以下では図１と同様の符合を有する部材は同様の機能を有するものとする。

ベース部材００３は、周縁部に支持突出部００３ａを有し、中心部は平らな面となってお盆のような形状を有している。

支持板６００は、センサチップ００２と同じもしくは近い熱膨張係数を有する材料で形成されている。支持板６００は、センサチップ００２よりも小さい。そして、支持板６００のセンサチップ００２と反対側の面はベース部材００３に密着し固定されている。さらに、支持板６００のセンサチップ００２側の面は周縁部が突出したお盆のような形状になっている。支持板６００の周縁部の先端はセンサチップ００２の底面の周縁部に固着されている。この支持板６００がセンサチップ００２に固着された後に、ベース部材００３の上に搭載される順序で製造される。支持板６００の窪みを利用することで、センサチップ００２はたわむことができる。

以上で説明したように、本実施形態に係る圧力センサでは、製造工程において、支持板６００をセンサチップ００２に固着させた後に、センサチップ００２のベース部材００３への取り付けやケース部材００１ｃ中への配置がおこなわれる。これにより、センサチップ００２と支持板６００の間を密閉した状態で圧力センサを製造することができ、外部からのごみや水分がセンサチップ００２と支持板６００の間に入り込みにくくなる。また、支持板６００を付けることで、その後の製造工程において、センサチップ００２が取り扱い易くなる。

なお、前記本発明の各実施形態では、感圧部材の開口端を、散熱管を備えるハウジングにより閉栓し、その内部を真空化した絶対圧用の圧力センサについて説明したが、本発明はこれに限らず、感圧部材の開口端を閉栓しないゲージ圧用の圧力センサにも適用することができる。

第１及び第２の実施形態に係る圧力センサの構造断面図 弾性部材の平面図 第３の実施形態に係る圧力センサの構造断面図 第３の実施形態に係る圧力センサの変形例の構造断面図 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）スペーサの一例を示した図 第４の実施形態に係る圧力センサの構造断面図 模式的に従来の圧力センサの断面構造を表した図

符号の説明

００１ 感圧部材
００１ａ 感圧ダイアフラム
００１ｂ 周縁突出部
００１ｃ ケース部材
００１ｄ 圧力伝達突出部
００２ センサチップ
００２ａ 受圧ダイアフラム
００２ｂ 受圧突出部
００２ｃ 歪ゲージ
００３ ベース部材
００３ａ 支持突出部
００３ｂ 搭載部
００４ 弾性部材
００５ 支持部
００６ａ 導電端子
００６ｂ 耐熱導線
００６ｃ 導電ピン
００７ 真空ゲッタ
００８ ハウジングキャップ
００９ａ 絶縁体
００９ｂ 貫通電極付絶縁体
０１０ 散熱管
０１１ 低膨張金属部材
０１２ ハウジング

Claims (6)

1. 一面の周縁部に該一面と直交する方向に突出した周縁突出部が形成され、前記一面の略中央部に該方向に向けて突出する圧力伝達突出部が形成され、外圧に応答して変位する感圧ダイアフラムを備える感圧部材と、
   該感圧部材の圧力伝達突出部と当接するための受圧突出部が形成された受圧ダイアフラムを備え、該受圧ダイアフラムの変位により圧力を検出するセンサチップと、
   一面の周縁部に該一面と直交する方向に向けて突出する支持突出部が形成され、かつ該一面の略中央に前記センサチップをその受圧突出部を該方向へ向けた状態で搭載するベース部材と、からなり、
   前記感圧部材の圧力伝達突出部と前記センサチップの受圧突出部とを対向させた状態で、前記ベース部材を前記感圧ダイアフラム側へと押圧する押圧機構と、を設け、
   該押圧機構で押圧されたときに、前記圧力伝達突出部と前記受圧突出部のそれぞれの先端が当接し、かつ前記周縁突出部と前記支持突出部のそれぞれの先端が当接する構成とされていることを特徴とする圧力センサ。
2. 外圧に応答して変位する平板状の感圧ダイアフラムと、その周縁部に形成され該外圧を受ける方向と反対方向に向けて突出した周縁突出部と、前記感圧ダイアフラムの略中央部に形成され該反対方向に向けて突出する圧力伝達突出部と、前記周縁突出部の外周部から該反対方向に向けて延出するケース部材と、からなる感圧部材と、
   前記ケース部材の内部に収容される平板状の受圧ダイアフラムと、該受圧ダイアフラムの略中央部に前記圧力伝達突出部と当接可能に前記外圧を受ける方向に向けて突出する受圧突出部と、前記圧力伝達突出部から前記受圧突出部を介して伝達される外圧を検出する検出素子とからなるセンサチップと、
   略中央部に前記センサチップを前記受圧ダイアフラムが変位可能な状態で、前記感圧部材と相対するように搭載可能な搭載部と、周縁部に前記周縁突出部と当接可能に前記外圧を受ける方向に向けて突出する支持突出部と、からなり、前記感圧ダイアフラムと略平行に配置されるベース部材と、
   前記搭載部の裏面を押圧する弾性部材と、前記ケース部材内に設けられ、前記弾性部材を支持する支持部と、からなる押圧機構と、を備え、
   前記ベース部材に前記センサチップが搭載された状態で、前記感圧部材と前記センサチップとを互いに平行に対向させた場合に、前記圧力伝達突出部と前記受圧突出部の対向距離が、前記周縁突出部と前記支持突出部の対向距離と等しくなるように形成されており、前記支持突出部と前記周縁突出部が当接し、かつ前記圧力伝達突出部と前記受圧突出部が当接するように、前記ベース部材を前記押圧機構により押圧したことを特徴とする圧力センサ。
3. 前記ケース部材の開口端を、前記センサチップの電気信号を外部へと引き出す導電端子を備えるハウジングにより閉栓し、ケース内部を真空状態にするとともに、ケース内部の真空状態を維持する真空ゲッタを該ケース内部に配置したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記支持突出部と前記周縁突出部の当接面、及び前記受圧突出部と前記圧力伝達突出部の当接面に潤滑部材を配設し、該潤滑部材を介して当接させたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記受圧突出部と前記圧力伝達突出部の当接部分を固着したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧力センサ。
6. 前記ケース部材の内側に、前記支持部の固定位置を調整する位置調整機構を設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一つに記載の圧力センサ。

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