JP2011141186A - 圧力感知ユニット、及び圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】力伝達部材の構造を簡素化することにより小型化し、高精度で温度衝撃に強く、
測定装置の設置角度が変化する場合でも、正確な測定値が得られる圧力センサーを得る。
【解決手段】圧力感知ユニット１は、ハウジング５と、ハウジング５内部に配置されてい
る圧力検出部とからなる。圧力検出部は、第１、第２ダイアフラム１０、１１を夫々の中
央領域で連結して一体化し力の伝達を可能としたセンターシャフト１３と、センターシャ
フト１３に固定された可動受け台１５と天板７の先端部に設けた固定受け台７ａとに両端
部が取り付けられ検出軸をセンターシャフトと平行に設定された力感応部１７と、を有し
ている。力感応部１７は、検出軸方向の圧力を検出する圧力感応素子３０と、圧力感応素
子３０の一端に一方の端部が連結され重力方向からの傾きを検出する重力感応素子３４と
、重力感応素子の両端部に連結された重み部３８と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力感知ユニット、及び圧力センサーに関し、特に重力方向（垂直方向）か
らの角度ずれを補正する機能を備えた圧力感知ユニット、及び圧力センサーに関する。

従来から、水圧計、気圧計、差圧計等の感圧素子として、圧電振動素子を使用した圧力
センサーが知られている。圧電振動素子を用いた圧力センサーは、圧電振動素子に検出軸
の方向に圧力が作用すると、圧電振動素子の共振周波数が変化し、当該共振周波数の変化
から圧力センサーに印加される圧力を検出する。
特許文献１〜３には、感圧素子に圧電振動素子を用いた圧力センサーが開示されている
。圧力導入口よりベローズ内に圧力が加わると、当該ベローズの有効面積に応じた力が、
ピボット（撓みヒンジ）を支点とした力伝達手段を介して、圧電振動素子に圧縮力或いは
引張り力Ｆとして加えられる。圧電振動素子には、力Ｆに応じた応力が生じ、当該応力に
より圧電振動素子の共振周波数が変化する。圧力センサーは、圧電振動素子の共振周波数
の変化を検出することにより、印加された圧力を求めることができる。

図９は、特許文献３に開示された圧力センサーの構成を示す断面図であり、対向して配
置された第１及び第２の圧力入力口１０２、１０３を有する中空の筐体１０４と、筐体１
０４の内部に配置された力伝達部材１０５と、力伝達部材１０５の一端を挟むように接続
された第１のベローズ１０６、及び第２のベローズ１０７と、を備えている。そして、第
１のベローズ１０６の他端開口を第１の圧力入力口１０２に連通接続し、第２のベローズ
１０７の他端開口を第２の圧力入力口１０３に連通接続している。更に、力伝達部材１０
５の他端と、基板１０８のピボット（支点）ではない方の端部との間に、感圧素子として
の双音叉型振動素子１０９が配置されている。
圧力を高精度に検出する場合、ベローズの内部には、液体が充填される。当該液体とし
ては、ベローズの内部の蛇腹部分への気泡の入り込みや、滞留を防止するために、一般的
に粘性の高いシリコンオイル等が用いられる。このように、第１のベローズ１０６の内部
には、粘性のあるオイル１１０が充填されており、圧力測定の対象が液体の場合は、第１
の圧力入力口１０２に開けられた開口部１１１により液体と前記オイルとが接触して相対
する構造となっている。なお、開口部１１１はオイルが外部に漏れないような開口径が設
定されている。

以上のような構成の圧力センサーでは、外部の液体からの圧力Ｆが、第１のベローズ１
０６内部に充填されているオイルに加わると、第１のベローズ１０６を経て圧力Ｆが、力
伝達部材１０５の一端に加わる。一方、第２のベローズ１０７には、大気圧に相当する力
が、力伝達部材１０５の一端に加わる。
この結果、力伝達部材１０５の他端を介して、圧力測定の対象となる液体より加わった
圧力Ｆと、大気圧による圧力との差圧に相当する力が、基板１０８のピボットを支点とし
て、双音叉型振動素子１０９に圧縮力、あるいは引張り力として加わる。双音叉型振動素
子１０９に圧縮力、あるいは引張り力が加わると、双音叉型振動素子１０９に応力が生じ
、当該応力の大きさに応じて共振周波数が変化するので、その共振周波数を測定すること
により、圧力Ｆの大きさを検出することができる。

特許文献４には、上述の圧力センサーに用いられるような高価なピボット（撓みヒンジ
）及び力伝達手段（カンチレバー）を使用せずに、第１のベローズの一端と、第２のベロ
ーズの一端との間に振動素子接着用台座を挟み、当該台座と第２のベローズの他端側のハ
ウジング壁面との間に、感圧素子の両端をそれぞれ固定すると共に、第２のベローズを間
に挟むように、当該感圧素子に対向する位置に、補強板を配置し、当該補強板の両端をそ
れぞれ前記台座と前記ハウジング壁面とに固定した圧力センサーが開示されている。
更に、特許文献５においては、特許文献４に開示された前記圧力センサーに関し、ベロ
ーズの圧力検出軸方向と直交する方向からの衝撃に対し、強度が弱いという課題を解決す
るために、圧力検出軸方向と直交する方向に前記台座と、ハウジングとを補強用弾性部材
を用いて連結した圧力センサーが開示されている。

特許文献６、７には、エンジン内部の油圧を検出するために、エンジンブロックに固定
して使用する圧力センサーが開示されている。この圧力センサーは、第１のダイアフラム
（受圧用）と、第２のダイアフラムと、力伝達部材（シャフト）と、検出素子と、を備え
た圧力センサーである。
更に、特許文献８には、金属の熱膨張や熱収縮、プラント施設内の地盤沈下などにより
、長期的に測定装置が傾いてきた場合に、その傾きにより圧力センサーのゼロ点（基準点
）が変動して、測定値は徐々に変動する場合の解決手段として、加速度センサーを角度検
出用センサーとして圧力測定装置に搭載し、測定値を補正した圧力センサーが開示されて
いる。
図１０は、管路内流体の測定装置７０の構成を示すブロック図であり、シームダイアフ
ラム８２とプロテクションダイアフラムとの内側に封入液８５が充填され、この封入液８
５が圧力センサー９１に導かれるように構成された検出カプセル８０を有している。前記
シームダイアフラム８２の他面側に管路内流体９３ａ、９３ｂを導き、封入液８５の圧力
を検出することで、管路内流体９３ａ、９３ｂの圧力または管路内流体の二点間の差圧を
測定する測定装置である。検出カプセル８０の設置角度を検出する角度検出センサーとし
て加速度センサー９２を用い、加速度センサーの出力に応じて圧力センサー７０の出力を
補正する補正手段を備えた測定装置が開示されている。

特開昭５６−１１９５１９号公報 特開昭６４−９３３１号公報 特開平２−２２８５３４号公報 特開２００５−１２１６２８号公報 特開２００７−５７３９５号公報 特開２００６−１９４７３６号公報 特開２００７−１３２６９７号公報 特開２００９−０８５５９５号公報 特開平０１（特開昭６４）−０８６６０８号公報

しかしながら、特許文献１〜３の発明においては、図９に示す圧力センサーのように、
第１のベローズ１０６に充填されているオイル１１０は、圧力センサー１０１を構成する
他の要素、例えば、力伝達部材１０５や双音叉型振動子力センサー１０９などに比べて熱
膨張係数が大きく、圧力センサーを構成する各部材には温度変化による熱歪みが生じるこ
とになる。このような熱歪みによる応力がノイズとして双音叉型振動素子１０９に作用し
、測定値に誤差を生じさせ、圧力センサーの測定精度を劣化させるという問題があった。
また、第１のベローズ１０６に充填されているオイル１１０は、圧力測定の対象となる
液体と接触して相対しているが、圧力センサーの設置方法によりオイル１１０が圧力測定
の対象となる液体側への流出や、第１のベローズ１０６側への液体の流入もあり、第１の
ベローズ１０６に充填されたオイル１１０内に気泡が発生する場合がある。オイル１１０
内に気泡が発生すると、圧力の伝達媒体として機能が劣化し、圧力測定値に誤差を生ずる
虞がある。
さらに、上述したように、オイル１１０は、圧力測定対象の液体と接触しているため、
圧力センサーの設置方法によってはオイル１１０が圧力測定対象の液体側に流出する虞が
あり、異物混入を嫌う液体の圧力測定には、オイル１１０を使用した従来のような圧力セ
ンサーを使用することができないという問題があった。
さらに、従来のような圧力センサー１０１は、力伝達部材１０５が、複雑な構造をして
おり、圧力センサーを小型化する際の障害となっている。また、力伝達部材１０５は、く
びれ部の細い撓みヒンジが不可欠の部品であり、該部品のために圧力センサーの製造コス
トが上昇するという問題があった。

特許文献４や５が提案している圧力センサーは、姿勢が傾くと、ベローズに垂れが生じ
るので、感圧素子（双音叉振動素子）に加わる力が変化して、共振周波数も変動し、圧力
の測定値に誤差が生じるという問題があった。
更に、圧力センサーの圧力導入口に対し、内部にオイルが充填されたパイプを接続し、
当該パイプの他端を被測定液体に接触させて使用する。このため、特許文献１〜３のよう
に、ベローズやパイプに充填されたオイルが、圧力測定対象の液体と接触し、圧力センサ
ーの設置方法によっては、オイルの圧力測定対象の液体側への流出や、ベローズ側への流
入もあり、ベローズに充填されているオイル内に気泡が発生する虞がある。オイル内に気
泡が発生すると、圧力の伝達媒体として機能劣化し、圧力測定値に誤差が生ずるという問
題があった。
特許文献５の圧力センサーは、補強用弾性部材の硬さを硬くすると、ベローズの動きを
抑止することになり、圧力検出感度に劣化を来たすという問題があった。
更に、特許文献４や５では補強板が感圧素子に対向配置されているので、ベローズの動
きを抑止することになり、圧力検出感度を劣化させるという問題があった。

特許文献６、７の圧力センサーでは、圧力センサーが高温高圧下で使用されるため、強
固に固定すると各部材の熱膨張の違いにより、構造が破棄される虞があるので、ダイアフ
ラムの圧力をシャフトに伝える状態で接触させている。つまり、熱膨張を考慮して、ダイ
アフラムとシャフトとは点で接触しているに過ぎず、接着剤等の接着手段を用いて接着さ
れていない。従って、圧力変動によりダイアフラムとシャフトが動作する際に、点接触部
がずれて、ダイアフラムからの力が正常に伝達されずに、圧力測定値に誤差が生じるとい
う問題があった。
特許文献８の圧力センサーは、センサー素子を複数用いるため部品点数が多くなり、製
造コストが高くなると共に小型化には不向きであるという問題があった。
これに対して特許文献９には、双音叉振動素子の振動ビームの両側に補強用振動子を同
一の圧電基板を用いて一体的に形成するという技術が開示されている。
しかしながら、前記補強用振動子を加速度センサー素子として用いる場合、両端の支持
部に受圧した圧力に応じた負荷が掛かるため、検出する加速度に誤差が重畳されるという
問題があった。

本発明は前述のような様々な問題点を解決するために、内部に受圧媒体としてのオイル
を使用せず、力伝達部材の構造を簡素化することにより小型化し、高精度で温度衝撃に強
い圧力センサーを提供すると共に、測定装置の設置角度が変化する場合でも、正確な測定
値が得られる圧力センサーを提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本発明に係る圧力感知ユニットは、第１の圧力入力口を有する底板と、前
記第１の圧力入力口と対向する第２の圧力入力口を有する天板と、前記底板と前記天板と
を連接する外周側壁と、を有するハウジングと、前記第１の圧力入力口を閉止するととも
に外面を受圧面とする第１のダイアフラムと、前記第２の圧力入力口を閉止するとともに
外面を受圧面とする第２のダイアフラムと、前記ハウジング内部に配置されて力の検出方
向を検出軸とする圧力検出部と、を有する圧力感知ユニットであって、前記圧力検出部は
、前記第１、第２ダイアフラムを夫々の中央領域で連結して一体化し力の伝達を可能とし
たセンターシャフトと、前記センターシャフトに固定された可動受け台と前記天板の先端
部に設けたボス部とに両端部が支持され、前記検出軸を前記センターシャフトと平行に設
定された力感応部と、を有し、前記力感応部は、前記検出軸方向の圧力を検出する圧力感
応素子と、前記圧力感応素子の一端に一方の端部が連結され重力方向からの傾きを検出す
る重力感応素子と、を有することを特徴とする圧力感知ユニットである。

以上のように、前記センターシャフトに固定された可動受け台と、前記天板のボス部と
に端部を固定された前記力感応部は、前記検出軸方向の圧力を検出する圧力感応素子と、
重力方向からの傾きを検出する重力感応素子と、を有しているので、本圧力感知ユニット
が組み込まれた装置の軸芯方向が重力方向から傾斜すると、この傾斜角を前記重力感応素
子が感知して前記傾斜角を算出し、前記圧力感応素子の圧力測定値を補正することができ
るという効果がある。
その上、本圧力感知ユニットは、受圧媒体としてのオイルは必要ではなく、力伝達部材
の構造も簡素化されているため小型化に適し、温度変化（熱衝撃）に強い高精度の圧力セ
ンサーの製造が可能となる。

［適用例２］また、圧力感知ユニットは、前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子が
、両端部に基部を有し、前記基部間を連接する振動腕を有する圧電振動素子であることを
特徴とする適用例１に記載の圧力感知ユニットである。

以上のように、前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子を圧電振動素子で形成すると
、圧力の検出感度が高く、また前記重力感応素子の重力方向からの傾斜角を検出する傾斜
感度も高く、且つ再現性に優れ、温度特性も良好であるという効果がある。

［適用例３］また、圧力感知ユニットは、前記圧力感応素子、及び重力感応素子が、両
端部に基部を有し、前記基部間を連接する２つの振動腕を有する双音叉型振動素子である
ことを特徴とする適用例１又は２に記載の圧力感知ユニットである。

以上のように、前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子を双音叉型振動素子で形成す
ると、圧力の検出感度が高く、また前記重力感応素子の重力方向からの傾斜角を検出する
傾斜感度も高く、且つ再現性に優れ、温度特性も優れているという効果がある。

［適用例４］また、圧力感知ユニットは、前記圧力感応素子、及び重力感応素子が、圧
電性材料から形成されていることを特徴とする適用例１乃至３の何れかに記載の圧力感知
ユニットである。

以上のように、前記圧力感応素子、及び重力感応素子が、圧電材料で形成されているの
で、これらの駆動は励振電極を形成するだけでよく、小型化、低コスト化に効果がある。

［適用例５］また、圧力感知ユニットは、前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子は
、水晶材料から形成されていることを特徴とする適用例１乃至４の何れかに記載の圧力感
知ユニットである。

以上のように、前記圧力感応素子、及び重力感応素子が、水晶材料で形成されているの
で、長年の加工技術、例えばフォトリソグラフィ技法、エッチング手法等が活用でき、形
状寸法の精度のよい圧力感応素子、及び重力感応素子が形成できるので、圧力感度、精度
の優れた圧力感応素子と、傾斜角感度、精度の優れた重力感応素子が形成できるという効
果がある。その上、前記圧力感応素子、及び重力感応素子は、再現性に優れ、温度特性が
零温度係数を有する二次特性となるという効果がある。
更に前記圧力感応素子、及び重力感応素子の駆動は励振電極を形成するだけでよく、小
型化、低コスト化に効果がある。

［適用例６］また、圧力感知ユニットは、前記重力感応素子の両端部に連結された重み
部を有することを特徴とする適用例１乃至５の何れかに記載の圧力感知ユニットである。

以上のように、前記重力感応素子の両端部に連結された重み部を有しているので、圧力
感知ユニットの軸芯が垂直方向から傾斜した場合に、重力感応素子にかかる重量負荷を大
きくすることができ、前記重力感応素子の感度を高めるという効果がある。

［適用例７］また、圧力感知ユニットは、前記重み部には、長手方向の端部寄りに少な
くとも一個の括れ部が形成されていることを特徴とする適用例６に記載の圧力感知ユニッ
トである。

以上のように、前記重み部は長手方向の端部寄りに少なくとも一個の括れ部が形成され
ているので、圧力感知ユニットの軸芯が垂直方向から傾斜した場合に、重み部は括れ部よ
り撓み易くなり、前記重力感応素子の感度を高めるという効果がある。

［適用例８］本発明の圧力センサーは、適用例１乃至７の何れかに記載の圧力感知ユニ
ットと、前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子を励振する発振回路と、前記発振回路
の出力周波数をカウントするカウンターと、前記カウンターのデータを処理する演算回路
と、を有するＩＣと、を備えたことを特徴とする圧力センサーである。

本発明の圧力センサーは、適用例１乃至７の何れかに記載の圧力感知ユニットと、ＩＣ
とで構成されるので、圧力センサーが河川等の水中や、地中に埋設されて用いられる場合
、あるいは油圧重機などの可動する箇所に設置される場合に、圧力センサーが初期設定の
座標軸からずれて傾いても、重力感応素子が重力方向からの傾斜角を感知し、傾斜角を算
出し、圧力感応素子を補正して、正確な圧力を出力することができるという効果がある。
その上、圧力感応素子、及び重力感応素子が圧電材料を用いて形成されると、温度特性、
感度、再現性が優れ、傾斜角を補正した圧力が求められるという効果がある。

本発明に係る圧力感知ユニットの構造を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図。 圧力感知ユニットの断面斜視図。 ハウジングの円筒ケースを除去した内部の要部斜視図。 （ａ）は力感応部の平面図、（ｂ）はその断面図。 （ａ）は重力感応素子の中心軸Ｃ２と重力方向とが平行な場合の平面図、（ｂ）は中心軸Ｃ２がθ傾いたときの平面図。 双音叉型圧電振動素子を説明する図で、（ａ）は振動モードの平面図、（ｂ）は振動腕に形成した励振電極と、ある瞬間に発生する電荷の符号を示す図、（ｃ）は励振電極の結線図。 他の実施例の力感応部の、（ａ）は平面図、（ｂ）はその断面図。 本発明の圧力センサーの構成を示すブロック図。 従来の圧力センサーの構成を示す断面図。 角度検出センサーを付加した従来の圧力センサーのブロック図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の第一の
実施形態に係る圧力感知ユニットの構成を示す概略図であり、同図（ａ）は断面図、同図
（ｂ）は底面図である。また、図２は、図１に示す圧力感知ユニットの垂直方向の断面斜
視図であり、図３はハウジングの円筒ケースを除去した内部の要部斜視図である。
圧力感知ユニット１のハウジング５は、第１の圧力入力口１８を有した底板（第１フラ
ンジ）６と、第１の圧力入力口１８と対向する第２の圧力入力口１９を有した天板（第２
フランジ）７と、底板（第１フランジ）６と天板（第２フランジ）７とを連接してハウジ
ングを構築する中空円筒状の外周側壁８と、を備えている。
圧力感知ユニット１は、ハウジング５の第１の圧力入力口１８を閉止すると共に外面を
受圧面とし、外部と圧力入力口１８内部との圧力差により撓む第１ダイアフラム１０と、
第２圧力入力口１９を閉止すると共に外面を受圧面とし、圧力入力口１９の圧力により撓
む第２ダイアフラム１１と、を備えている。ハウジング５の第１及び第２の圧力入力口１
８、１９は、それぞれ同一圧力が加えられると同一の量だけ変形する第１及び第２ダイア
フラム１０、１１により封止されて、中空密閉容器が構成され、内外を遮断すると共に内
部を真空状態として用いられる。

圧力感知ユニット１は、ハウジング５内部に配置されて力の検出方向を検出軸とする力
感応部１７と、第１、第２ダイアフラム１０、１１を夫々の中央領域で連結して一体化し
、ダイアフラム間への力の伝達を可能としたセンターシャフト１３と、を有している。セ
ンターシャフト１３は、ハウジング５の軸芯に沿って第１、第２ダイアフラム１０、１１
と直交するように配置されている。つまり、第１、第２ダイアフラム１０、１１の一方の
撓み量が、力伝達部材のセンターシャフト１３を介して、他方のダイアフラムに伝達され
るように構成されている。センターシャフト１３は、ステンレス等の金属、またはセラミ
ック等の変形を生じない剛性材料で形成されている。
更に、圧力感知ユニット１は、センターシャフト１３の途中に固定された可動受け台１
５と、天板７（第２フランジ）に設けられ内部に突き出た力感応部１７の受け台としての
ボス部７ａと、を有し、力感応部１７の両端部は、可動受け台１５とボス部７ａとに取り
付けられ、検出軸をセンターシャフト１３と平行に設定されている。第１、第２ダイアフ
ラム１０、１１のそれぞれの撓み量の差によるセンターシャフト１３の軸方向の変化を、
可動受け台１５を介して力感応部１７に対し、検出軸方向に沿った変化として力を伝達す
るように配置構成されている。

力感応部１７は、図３、図４に示すように、検出軸方向の圧力を検出する圧力感応素子
３０と、圧力感応素子３０の一端に一方の端部が連結され、素子の長手方向と重力方向と
の傾きを検出する重力感応素子３４と、重力感応素子３４の基部３６ｂと連結子３７で連
結し、重力感応素子３４の基部３６ａと基体４０で連結され、重力感応素子３４に重みを
負荷する重み部３８と、を有している。重み部３８の端部寄りには少なくとも１個の括れ
部３９が形成され、重み部３８が変形し易いように形成されている。
本願出願人は、特願２００９−００６８８４にてハウジング５の構造がほぼ同様な「圧
力センサー」を出願しているが、力感応部１７の構造が異なり、機能、用途も異なる。

図４（ａ）は、力感応部１７の一例の平面図であり、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面
図である。圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４が共に双音叉型圧電素子で構成され
た例である。圧力感応素子３０は、互いに平行に延在する一対の振動腕３１ａ、３１ｂ、
及び一対の振動腕３１ａ、３１ｂの両端部に夫々連結され一体化された一対の基部３２ａ
、３２ｂを有する双音叉型圧電振動素子である。重力感応素子３４も圧力感応素子３０と
同様な構成の双音叉型圧電振動素子である。
圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４は、それらの形状が長手方向の中心軸Ｃ１、
Ｃ２に対し対称に形成され、中心軸Ｃ１、Ｃ２は同一方向である。
圧力感応素子３０と重力感応素子３４は、それぞれの一方の基部３２ａ、３６ａが基体
部４０と一体的に連結している。

力感応部１７は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等の圧
電材料の平板から形成されることが望ましい。更に、力感応部１７の形成は、平板状の圧
電基板、例えば水晶ウエハーにフォトリソグラフィ技法とエッチング手法、真空蒸着法を
用いて、複数の力感応部１７を形成することにより、量産化が容易である。
重み部３８は、例えば矩形状であり、中心軸Ｃ３に対し対称に形成され、長手方向の中
心軸Ｃ３は圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４の中心軸Ｃ１、Ｃ２方向と同一方向
である。重み部３８の一方の端部は連結子３７により重力感応素子３４の一方の基部３６
ｂと連結し、他方の端部は基体部４０と連結し、一体化された構成となっている。重み部
３８の一方の端部寄りに少なくとも１個（図４の例では２個）の括れ部３９が形成されて
いる。

図５（ａ）は重力感応素子３４、及び重み部３８のそれぞれの中心軸Ｃ２、Ｃ３の方向
が重力方向Ｃｇと同一の場合の平面図であり、同図（ｂ）は重力感応素子３４の中心軸Ｃ
２が重力方向Ｃｇから傾いている場合の平面図である。
重み部３８の中心軸Ｃ３が重力方向Ｃｇであるの場合の重力感応素子３４の共振周波数
をｆｇ０とする。重み部３８の中心軸Ｃ３が重力方向Ｃｇからθ傾くと、括れ部３９から
撓み、連結子３７を介して重み部３８の重力感応素子３４にかかる重量負荷が変化し、重
力感応素子３４の共振周波数がｆｇθに変化する。この周波数の変化から重力感応素子３
４の中心軸Ｃ２の重力方向Ｃｇからの傾きを検出することが可能となる。
ハウジング５の内部には底板（第１フランジ）６と天板（第２フランジ）７との間に、
センターシャフト１３と平行に複数のガイドシャフトである支持棒２２ａ、２２ｂが設け
られている。支持棒２２ａ、２２ｂの端部は、底板（第１フランジ）６、及び天板（第２
フランジ）７にダボ穴を形成し、これに圧入して固定する。これらにより底板（第１フラ
ンジ）６と、天板（第２フランジ）７との間隔を一定に保ち、外力によるハウジング５の
変形を防ぎ、圧力検出精度を劣化させないようにしている。

第１実施例の圧力感知ユニット１は、天板（第２フランジ）７に複数の小孔を開け、こ
れらにハーメ端子２５を貫通させて圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４からの信号
を外部に取り出すように構成されている。
圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４が、双音叉型圧電振動素子で構成される場合
について、図６を用いて簡単に説明する。
双音叉型圧電振動素子３０は、図６（ａ）に示すような一対の基部３２ａ、３２ｂ及び
基部３２ａ、３２ｂ間を連設する一対の振動腕３１ａ、３１ｂを備えた圧電基板からなる
応力感応部と、圧電基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えている。図６（ａ）
の破線は双音叉型圧電振動素子３０の振動姿態を示す平面図である。双音叉型圧電振動素
子３０の振動モードが、一対の振動腕３１ａ、３１ｂの長手方向の中心軸に対して、互い
に対称な振動モードで振動するように励振電極を配置する。図６（ｂ）は振動腕３１ａ、
３１ｂに形成した励振電極と、ある瞬間に励起される励振電極上の電荷の符号を示した平
面図である。また、図６（ｃ）は励振電極の結線を示す模式断面図である。

双音叉型圧電振動素子３０、例えば双音叉型水晶振動素子は伸張・圧縮応力に対する感
度が良好であり、高度計用、或いは深度計用の応力感応素子として使用した場合には、分
解能力が優れているために僅かな気圧差から高度差、深度差を知ることができる。
双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性は、上に凸の二次曲線であり、その頂点温度は
水晶結晶のＸ軸（電気軸）の回りの回転角度に依存する。一般的には頂点温度が常温（２
５℃）になるように各パラメータを設定する。
双音叉型水晶振動素子の一対の振動腕に外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆ_Fは式（１
）のように表わされる。
ｆ_F＝ｆ₀（１−（ＫＬ²Ｆ）／（２ＥＩ））^1/2 （１）
ここで、ｆ₀は外力がないときの双音叉型水晶振動素子の共振周波数、Ｋは基本波モー
ドによる定数（＝０．０４５８）、Ｌは振動ビームの長さ、Ｅは縦弾性定数、Ｉは断面２
次モーメントである。断面２次モーメントＩはＩ＝ｄｗ³／１２より、式（１）は式（２
）のように変形することができる。ここで、ｄは振動ビームの厚さ、ｗは幅である。
ｆ_F＝ｆ₀（１−Ｓ_Fσ）^1/2 （２）
但し、応力感度Ｓ_Fと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
Ｓ_F＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）² （３）
σ＝Ｆ／（２Ａ） （４）
ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。
以上の式から双音叉型水晶振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張
り方向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆ_Fの関係は、力Ｆが圧縮力で共振周波数ｆ_F
が減少し、伸張（引張り）力では増加する。また応力感度Ｓ_Fは振動ビームのＬ／ｗの２
乗に比例する。
図４に示した応力感応素子３０は、双音叉型水晶振動子に限らず、伸張・圧縮応力によ
って周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなものも用いることが可能である。

双音叉型圧電振動素子は、図５（ａ）に示すようにその中心軸Ｃ２が、重力方向Ｃｇと
平行な場合と、同図（ｂ）に示すように重力方向Ｃｇに対しθ傾いた場合で、その共振周
波数が変化することが知られている。
１つの圧電振動素子を圧力感応素子として用いた圧力センサーの場合、圧力センサーが
重力方向から傾いた場合に、外圧の変化により圧力感応素子の周波数が変化しているのか
、圧力感応素子３０の傾斜により周波数が変化しているのか判別できない。そこで２つの
圧電振動素子を用い、一方の圧電振動素子を重力方向からの傾き角検出に用い、これによ
り他方の圧電振動素子の傾きによる周波数変化を補償することを想致した。
本発明では図４に示すように、圧力感応素子３０、重力感応素子３４、及び重み部３８
を一体的に形成し、且つ圧力感応素子３０、重力感応素子３４、及び重み部３８が同一平
面上に並ぶように構成している。傾いた場合に重力の影響を大きくすべく、重力感応素子
３４に重み部３８を付加している。重み部３８の端部寄りに括れ部３９を形成することに
より、重み部３８が傾いて括れ部３９が撓み、重力感応素子３４にかかる負荷が変動する
ように構成されている。

図１に示す圧力感知ユニット１の動作について説明する。圧力感知ユニット１の第１及
び第２のダイアフラム１０、１１には、それぞれ外圧Ｐ１、Ｐ２の圧力が加わっているも
のとする。
まず、ハウジング５の軸芯方向が重力方向Ｃｇと同一方向の場合について説明する。弾
性のある第１のダイアフラム１０に圧力Ｐ１が加えられると、圧力感知ユニット１の内部
は真空Ｐ０であるので、圧力Ｐ１によりダイアフラム１０は内側に撓み、この撓み力がセ
ンターシャフト１３を介して可動受け台１５に、図１（ａ）の紙面の上向に力Ｆ１が加わ
る。一方、第２のダイアフラム１１には外圧Ｐ２が加わり、圧力Ｐ２により第２のダイア
フラム１１が紙面の下向きに撓み、この撓み力がセンターシャフト１３を介して可動受け
台１５に力Ｆ２が加わる。
可動受け台１５には、第１のダイアフラム１０にかかる圧力Ｐ１による力Ｆ１と、第２
のダイアフラム１１にかかる圧力Ｐ２による力Ｆ２と、の差圧（Ｐ１−Ｐ２）に相当する
力（Ｆ１−Ｆ２）が加わり、可動受け台１５と、天板（第２フランジ）のボス部７ａとの
間に配置された力感応部１７の圧力感応素子３０には、圧縮力、又は引張力が加わる。圧
力感応素子３０に圧縮力、又は引張力が作用すると圧力感応素子３０の内部には圧縮応力
、又は引張応力が生じて、当応力に応じて圧力感応素子３０の共振周波数が増加、又は減
少する。この周波数の変化から差圧（Ｐ１−Ｐ２）を検出することができる。

次に、本発明の特徴であるハウジング５の軸芯方向が重力方向Ｃｇから傾いた場合につ
いて説明する。圧力感応素子３０にかかる圧力Ｐ１、Ｐ２に変化がない場合でも、圧力感
応素子３０の中心軸Ｃ１が重力方向Ｃｇから傾くと、圧力感応素子３０の共振周波数が、
ハウジング５の軸芯方向を重力方向に設置した場合に比べ、わずかに変化する。この周波
数変化が圧力感知ユニット１の検出誤差になる。
そこで、重力感応素子３４の中心軸Ｃ２の方向を、圧力感応素子３０の中心軸Ｃ１の方
向と同一方向とし、中心軸Ｃ２が重力方向Ｃｇから傾いた場合に傾斜角θに応じて重力感
応素子３４の周波数が変化するのを利用する。傾斜角θと周波数変化量Δｆとの関係は、
有限要素法を用いて計算してもよいし、実験的に求めてもよい。傾斜角θと周波数変化量
Δｆとの対応表をメモリーに格納しておき、測定の際に用いるようにする。重力感応素子
３４の周波数変化量から、重力感応素子３４と重力方向Ｃｇとの傾斜角θを求め、メモリ
ーに格納したθ−Δｆの対応表から、圧力感応素子３０の周波数に傾斜角θによる変化分
の補正を行い、正しい圧力を求める。

本発明の圧力感知ユニット１は、センターシャフト１３に固定された可動受け台１５と
、天板７のボス部７ａとに端部を固定された力感応部１７を有している。力感応部１７は
、検出軸方向αの圧力を検出する圧力感応素子３０と、重力方向からの傾きを検出する重
力感応素子３４と、を有しているので、本圧力感知ユニット１が組み込まれた装置の軸芯
方向が、重力方向から傾斜すると、この傾斜角を重力感応素子３４が感知して、傾斜角を
算出し、圧力感応素子３０の圧力測定値を補正することができるという効果がある。
その上、本圧力感知ユニット１は、受圧媒体としてのオイルは必要ではなく、力伝達部
材の構造も簡素化されているため小型化に適し、温度変化（熱衝撃）に強い高精度の力感
知ユニットの製造が可能となる。
また、圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４を双音叉型振動素子で形成すると、圧
力の検出感度が高く、また重力感応素子３４の重力方向からの傾斜角を検出する傾斜感度
も高く、且つ再現性に優れ、温度特性が優れているという効果がある。

また、圧力感圧素子３０、及び重力感応素子３４が、圧電材料で形成されているので、
これらの駆動は励振電極を形成するだけでよく、小型化、低コスト化に効果がある。
また、圧力感圧素子３０、及び重力感応素子３４が、水晶材料で形成されているので、
長年の加工技術、例えばフォトリソグラフィ技法、エッチング手法等が活用でき、形状寸
法の精度のよい圧力感圧素子３０、及び重力感応素子３４が形成できるので、圧力感度、
精度の優れた圧力感圧素子３０と、傾斜角感度、精度の優れた重力感応素子３４が形成で
きるという効果がある。その上、圧力感圧素子３０、及び重力感応素子３４は、再現性に
優れ、温度特性が零温度係数を有する二次特性となるという効果がある。
更に、力感圧素子、及び重力感応素子の駆動は励振電極を形成するだけでよく、小型化
、低コスト化に効果がある。
また、重み部３８は長手方向の端部寄りに少なくとも一個の括れ部３９が形成されてい
るので、圧力検知ユニット１の軸芯が垂直方向から傾斜した場合に、重み部３８は括れ部
３９より撓み易くなり、重力感応素子３４の感度を高めるという効果がある。

図７（ａ）は力感応部４０の第２の実施例の構成を示す平面図であり、同図（ｂ）はＱ
−Ｑにおける断面図である。圧力感応素子（双音叉型圧電振動素子）４１と、圧力感応素
子４１の一方の基部４３ａの両側に圧力感応素子（双音叉型圧電振動素子）４１の中心軸
４１ｃと直交するように連結子４５ａ、４５ｂが連接され、これらに中心軸４１ｃと平行
で且つ対称に重力感応素子（シングル振動ビーム）４７ａ、４７ｂが連結され、これらの
端部に重り部４８ａ、４９ｂが連結されている。シングル振動ビーム４７ａ、４７ｂの場
合もその中心軸が重力方向に対して傾くと周波数が変化するので重力感応素子として機能
する。重り部４８ａ、４９ｂはシングル振動ビーム４７ａ、４７ｂの負荷である。
圧力感応素子４１を双音叉型圧電振動素子、重力感応素子４７ａ、４７ｂをシングルビ
ームの圧電振動素子で形成すると、圧力の検出感度が高く、また重力感応素子の重力方向
からの傾斜角を検出する傾斜感度も高く、且つ再現性に優れ、温度特性も良好であるとい
う効果がある。

図８は、圧力センサー３の構成を示すブロック図である。圧力センサー３の圧力感知ユ
ニットと、圧力感応素子３０、及び重力感応素子３４を励振する発振回路５１、５２、発
振回路５１、５２の出力周波数をカウントするカウンター５３、５４、及びカウンター５
３、５４の信号を処理する演算回路５５を有するＩＣ５０と、表示部５６と、を備えてい
る。
本発明の圧力センサー３は、上記の圧力感知ユニット１と、ＩＣ５０とで構成されるの
で、圧力センサーが河川や、地中に埋設して用いられる場合、あるいは油圧重機などの稼
動する箇所に設置される場合に、圧力センサー３が初期設定の座標軸からずれて傾いても
、重力感応素子３４が重力方向からの傾斜角を感知し、傾斜角を算出し、３０圧力感応素
子を補正して、正確な圧力を出力することができるという効果がある。その上、圧力感応
素子３０、及び重力感応素子３４を圧電材料を用いて形成すると、温度特性、感度、再現
性が優れ、傾斜角を補正した圧力が求められるという効果がある。

１…圧力感知ユニット、５…ハウジング、６…底板（第１フランジ）、７…天板（第２フ
ランジ）、７ａ…固定受け台（ボス部）、８…外周側壁、１０…第１ダイアフラム、１１
…第２ダイアフラム、１３…センターシャフト、１５…可動受け台、１７、１７ｂ…力感
応部、１８…第１の圧力入力口、１９…第２の圧力入力口、２０…圧力検出部、２２ａ、
２２ｂ…支持棒、３０、４１…圧力感応素子、３１ａ、３１ｂ、３５ａ、３５ｂ…振動腕
、３２ａ、３２ｂ、２３６ａ、３６ｂ…基部、３４、４７ａ、４７ｂ…重力感応素子、３
７…連結子、３８、４８ａ、４８ｂ…重み部、３９…括れ部、４０…基体部、４１Ｃｇ…
重力方向、Ｃ１…圧力感応素子の中心軸方向、Ｃ２…重力感応素子の中心軸方向、Ｃ３…
重み部の中心軸、４１ｃ…双音叉型圧電振動素子の中心軸方向

Claims (8)

1. 第１の圧力入力口を有する底板と、前記第１の圧力入力口と対向する第２の圧力入力口
   を有する天板と、前記底板と前記天板とを連接する外周側壁と、を有するハウジングと、
   前記第１の圧力入力口を閉止するとともに外面を受圧面とする第１のダイアフラムと、
   前記第２の圧力入力口を閉止するとともに外面を受圧面とする第２のダイアフラムと、
   前記ハウジング内部に配置されて力の検出方向を検出軸とする圧力検出部と、を有する
   圧力感知ユニットであって、
   前記圧力検出部は、前記第１及び第２のダイアフラムを夫々の中央領域で連結して一体
   化し力の伝達を可能としたセンターシャフトと、
   前記センターシャフトに固定された可動受け台と前記天板の先端部に設けたボス部とに
   両端部が支持され、前記検出軸を前記センターシャフトと平行に設定された力感応部と、
   を有し、
   前記力感応部は、前記検出軸方向の圧力を検出する圧力感応素子と、前記圧力感応素子
   の一端に一方の端部が連結され重力方向からの傾きを検出する重力感応素子と、を有する
   ことを特徴とする圧力感知ユニット。
2. 前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子は、両端部に基部を有し、前記基部間を連接
   する振動腕を有する圧電振動素子であることを特徴とする請求項１に記載の圧力感知ユニ
   ット。
3. 前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子は、両端部に基部を有し、前記両基部間を連
   接する２つの振動腕を有する双音叉型振動素子であることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の圧力感知ユニット。
4. 前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子は、圧電性材料から形成されていることを特
   徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧力感知ユニット。
5. 前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子は、水晶材料から形成されていることを特徴
   とする請求項１乃至４の何れかに記載の圧力感知ユニット。
6. 前記重力感応素子の両端部に連結された重み部を有することを特徴とする請求項１乃至
   ５の何れかに記載の圧力感知ユニット。
7. 前記重み部には、長手方向の端部寄りに少なくとも一個の括れ部が形成されていること
   を特徴とする請求項６に記載の圧力感知ユニット。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の圧力感知ユニットと、
   前記圧力感応素子、及び前記重力感応素子を励振する発振回路と、前記発振回路の出力
   周波数をカウントするカウンターと、前記カウンターのデータを処理する演算回路と、を
   有するＩＣと、
   を備えたことを特徴とする圧力センサー。

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