JP2012037415A

JP2012037415A - 圧力センサー

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Publication number: JP2012037415A
Application number: JP2010178591A
Authority: JP
Inventors: Kenta Sato; 健太佐藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2012-02-23
Also published as: CN102374919A; US20120031189A1

Abstract

【課題】温度変化及び感圧素子の経年変化に伴う圧力測定値の誤差を減少させた圧力センサーを提供する。
【解決手段】力を受けて変位する可撓部（中央領域２４ａ）と前記可撓部の外周に接続された周縁部２４ｃとを有する受圧手段（ダイアフラム２４）と、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部を有するとともに前記基部同士を結ぶ線に平行な検出軸を有し、前記検出軸の方向が前記可撓部の変位方向と平行に配置された第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２と、を有する圧力センサー１０であって、前記第１感圧素子４０は、一方の基部（第１の基部４０ａ）が前記可撓部に固定されるとともに、他方の基部（第２の基部４０ｂ）が前記周縁部２４ｃに支持された第１支持部材４４に固定され、前記第２感圧素子４２は、一方の基部（第１の基部４２ａ）が前記周縁部２４ｃに固定されるとともに、他方の基部（第２の基部４２ｂ）が前記可撓部に支持された第２支持部材４６に固定されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサーに関し、特に２個の感圧素子を用い、且つこれらを差動的に動作させて、検出感度、温度特性等を改善した圧力センサーに関する。

従来から、水圧計、気圧計、差圧計などとして圧電振動素子を感圧素子として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方向の圧力が印加すると、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、或いは引張力（伸長力）Ｆとして加えられる。圧電振動素子には、この力Ｆに応じた応力が生じ、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１０は、特許文献１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を有する筐体１０４と、筐体１０４の内部に配置された力伝達部材１０５とを備え、力伝達部材１０５の一端を挟むように第１のベローズ１０６、及び第２のベローズ１０７が接続されている。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に接続している。さらに力伝達部材１０５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は、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に開口径が設定されている。

また、特許文献３には、図１１の断面図に示すような圧力センサー１５０が開示されている。図１１において１２０はハウジング、１２１は圧力導入口、１２２ａ、１２２ｂはベローズであって、該ベローズ１２２ａ、１２２ｂには力伝達部材１２５が連結され、該力伝達部材１２５の可撓部１２５ａと固定部１２５ｂとの間に感圧素子１３０が接着固定されている。図１１に示す圧力センサー１５０の圧力導入口１２１によりベローズ１２２ａ、１２２ｂに圧力が加わると、ベローズ１２２ａ、１２２ｂの有効面積に応じた力が、力伝達部材１２５の上下にかかり、差圧に相当する力がピボット１３５を支点にして、感圧素子１３０に圧縮力、或いは引張力（伸長力）として加わり、この力に応じて感圧素子１３０の共振周波数が変化し、これを検知することにより圧力を測定するものである。

ベローズ１２２ａ、１２２ｂ、力伝達部材１２５、感圧素子１３０及びハウジング１２０は、それぞれ異なった材料により構成されているので、使用環境の温度変化等により熱歪みが発生し、圧力測定精度を劣化させることになる。そこで、感圧素子１３０の支持部を力伝達部材１２５の可撓部１２５ａと、該力伝達部材１２５とを隔設し、且つハウジング１２０内に設けた感圧素子１３０の固定部材１４０との間に橋架固定することにより、周囲温度の変化に伴う熱歪みの影響を感圧素子１３０に加えることのないように構成する。

そしてベローズライン、力伝達部材、力伝達部支柱と感圧素子固定部に分けて熱歪みの解析を行った。例えばハウジングにステンレス、ベローズにニッケル、力伝達部材に燐青銅、感圧素子に水晶を用い、それぞれの線膨張係数を解析に適用し、各部材の寸法を設定し、感圧素子１３０の固定部材の線膨張係数を設定すれば、その最適な長さを求めることができ、熱歪みの影響を受けることのない圧力センサーを構成できると開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された圧力センサー１０１では、図１０に示す第１のベローズ１０６に充填されているオイル１１０が、他の構成要素、例えば力伝達部材１０５や双音叉型振動素子１０９などに比べて熱膨張係数が大きく、圧力センサー１０１を構成する各部材に温度変化による熱歪みを生じさせる。この熱歪みによる応力が双音叉型振動素子１０９の信号にノイズとして重畳し、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、液体の第１のベローズ１０６への流入もあり、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虞がある。オイル１１０に気泡が発生すると、気泡が圧力を吸収することにより圧力の伝達媒体としての機能が劣化し、圧力測定値に誤差が生ずる虞がある。

さらに、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、異物混入を忌避する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。

また、特許文献１、３に開示の圧力センサーは、力伝達部材１０５、１２５が複雑な構造をしており、圧力センサーを小型化する際に障害となっている。また、力伝達部材１０５、１２５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。

このような問題を解決するため、特許文献４に開示の圧力センサー２１０は、図１２の断面図に示すように、ハウジング２１２と、前記ハウジング２１２の開口部２２２を封止し、可撓部（中央領域２２４ａ）と前記可撓部の外側の周縁領域２２４ｃを有すると共に、前記可撓部の一方の主面が受圧面である受圧手段（ダイアフラム２２４）と、感圧部と前記感圧部の両端に各々に接続される第１の基部２４０ａと第２の基部２４０ｂとを有すると共に、前記第１の基部２４０ａと前記第２の基部２４０ｂとの並ぶ方向が前記受圧手段の変位方向と平行である感圧素子２４０と、を有する圧力センサー２１０であって、前記第１の基部２４０ａを前記受圧面の裏側となる前記受圧手段の中央領域２２４ａに接続し、前記第２の基部２４０ｂを接続部材２４２を介して前記裏側の前記周縁領域２２４ｃに、或いは前記第１の基部２４０ａに対向する前記ハウジング２１２の内壁に接続した構成を有している。

このような構成とすることにより、上述の撓みヒンジを介することなく受圧手段の変位に伴う力を感圧素子２４０に圧縮力として直接的に印加することができるので、感度が向上するとともに、オイルを用いることがないので測定対象を広げることができる。さらに感圧素子２４０においては、第１の基部２４０ａを受圧手段に固定するのみならず第２の基部２４０ｂも接続部材２４２を介して受圧手段側に固定するので、熱歪みの問題を軽減することができる。また接続部材２４２と感圧素子２４０とを圧電材料を用いて一体に形成するので熱歪みをさらに軽減することができる。なお、上記構成は測定対象を液体とし、ハウジング２１２内を大気圧に晒すことにより、大気圧を基準とした液圧センサーとして用いることも可能であり、このとき感圧素子２４０には圧縮力のみならず引張力も印加され得る。

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２０１０−４８７９８号公報

しかし、上記構成においても感圧素子及び接続手段の温度変化による熱膨張及び熱収縮が存在するため、この熱膨張による感圧素子の共振周波数の変化を回避することはできないという問題がある。また感圧素子の共振周波数の経年変化等の問題がある。
そこで本発明は、上記問題点に着目し、温度変化や経年変化等の問題を回避して安定的に圧力を測定可能な圧力センサーを提供することを目的とする。

本発明は、上述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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］力を受けて変位する可撓部と前記可撓部の外周に接続された周縁部とを有する受圧手段と、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部を有するとともに前記基部同士を結ぶ線に平行な検出軸を有し、前記検出軸の方向が前記可撓部の変位方向と平行に配置された第１感圧素子及び第２感圧素子と、を有する圧力センサーであって、前記第１感圧素子は、一方の基部が前記可撓部に固定されるとともに、他方の基部が前記周縁部に支持された第１支持部材に固定され、前記第２感圧素子は、一方の基部が前記周縁部に固定されるとともに、他方の基部が前記可撓部に支持された第２支持部材に固定されたことを特徴とする圧力センサー。

上記構成により、可撓部がハウジングの外側に変位すると、第１感圧素子は、可撓部と、周縁部に支持された第１支持部材と、により引張応力を受け、第２感圧素子は可撓部に支持された第２支持部材を介して可撓部からの圧縮応力を受けることになる。逆に可撓部がハウジングの内側に変位すると、第１感圧素子は第１支持部材により圧縮応力を受け、第２感圧素子は第２支持部材を介して可撓部から引張応力を受けることになる。各感圧素子は、引張応力を受けると共振周波数が増加し、圧縮応力を受けると共振周波数が減少する。よって第１感圧素子と第２感圧素子の共振周波数の差分を求めることにより可撓部に印加される圧力を検知することができる。そして第１感圧素子、第２感圧素子が互いに同様の構成要素であれば、共振周波数について同様の温度特性及び経年変化特性等を有するため、上述の差分においてはこのような特性はキャンセルされることになる。したがって、温度特性及び経年変化特性等に係らず安定した圧力測定を行うことが可能な圧力センサーとなる。また２つの感圧素子の共振周波数の差分により圧力を測定することになるので、１つの感圧素子を用いた場合より大きな感度を得ることができる。さらに第１感圧素子、第２感圧素子は少なくとも一方の基部が受圧手段側に固定されることになるので、圧力センサー全体の小型化を図ることができる。

［適用例２］前記感圧部は、少なくとも一以上の柱状ビームから構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ー。
上記構成により、感圧部を例えば一本の柱状ビームで構成すると、ビームに掛かる応力が大きくなるので圧力センサーの感度を向上させることができる。

［適用例３］前記第１感圧素子、前記第２感圧素子、前記第１支持部材、前記第２支持部材は圧電材料により一体に形成されたことを特徴とする適用例１または２に記載の圧力センサー。
上記構成により、各感圧素子と各支持部材の熱膨張係数が一致するため、各感圧素子と各支持部材との間の熱歪みを解消して温度特性を向上させることができる。また各感圧素子と各支持部材とを一体で形成することにより、圧力センサーの部品点数を削減するとともに、圧力センサーの組み立ての歩留を高め、コストを抑制することができる。

［適用例４］前記第１感圧素子、前記第２感圧素子、前記第１支持部材、前記第２支持部材の前記受圧手段に接続する側の端部は、前記可撓部の変位方向に垂直な直線上に配置されるように形成されたことを特徴とする適用例３に記載の圧力センサー。
上記構成により、各感圧素子、各支持部材において、受圧手段からの熱歪みを受けることがないため、温度変化に対して高精度に安定した圧力センサーとなる。

第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面を切り口とした断面図）である。第１実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図２（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。ダイアフラムを金属で形成する場合の模式図である。ダイアフラムを水晶で形成する場合の模式図である。ダイアフラムを水晶で形成する場合の変形例である。図６に第１実施形態の圧力センサーの変形例を示し、図６（ａ）はＸＺ面を切り口とする断面図、図６（ｂ）はＹＺ面を切り口とする断面図である。第２実施形態に係る圧力センサーのＸＺ面を切り口とする斜視図である。第２実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図８（ａ）はＸＺ面を切り口とする断面図、図８（ｂ）はＹＺ面を切り口とする断面図である。第１感圧素子、第２感圧素子、第１支持部材、第２支持部材を一体に形成する一体部材を水晶で形成する場合の模式図を示す。特許文献１に開示された圧力センサーの構成を示す断面図である。特許文献３に開示された圧力センサーの断面図である。特許文献４に開示された圧力センサーの断面図である。

以下、本発明に係る圧力センサーを図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１に第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面を切り口とした断面図）を示す。図２に第１実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図２（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。なお、図１、２に示されるＸＹＺは直交座標系を形成しており、以後用いられる図についても同様に適応する。第１実施形態に係る圧力センサー１０は、ハウジング１２、受圧手段となるダイアフラム２４、第１感圧素子４０、第２感圧素子４２、第１支持部材４４、第２支持部材４６等を有している。そして圧力センサー１０は、ハウジング１２とダイアフラム２４とを容器として、そのダイアフラム２４を備えた容器の収容空間に第１感圧素子４０、第２感圧素子４２を収めた構造であり、例えばハウジング１２内部が大気開放され、大気圧を基準としてダイアフラム２４の外側から液圧を受ける液圧センサーとして利用できる。

ハウジング１２は、円形のフランジ部１４、円形のリング部１６、支持シャフト１８、円筒形の側面部（側壁部）２０を有する。
フランジ部１４は、円筒形の側面部（側壁部）２０の端部と接する外周部１４ａと、外周部１４ａ上に外周部１４ａと同心円状に形成され、リング部１６と同一の直径を有するリング状に突出した形の内周部１４ｂとを有する。リング部１６は、その内周縁によって形成される円形の開口部２２を有し、開口部２２には、開口部２２を封止するようにダイアフラム２４が接続されている。

フランジ部１４の内周部１４ｂ及びリング部１６の互いに対向する面の所定位置には支持シャフト１８を嵌め込む穴１４ｃ、１６ａが形成されている。また穴１４ｃ及び穴１６ａは互いに対向する位置に形成されている。よって穴１４ｃ、１６ａに支持シャフト１８を嵌め込むことによりフランジ部１４とリング部１６とは支持シャフト１８を介して接続される。支持シャフト１８は、一定の剛性を有し、±Ｚ方向に長手方向を有する棒状の部材であって、ハウジング１２とダイアフラム２４とから構成される容器の内部に配置され、支持シャフト１８の一端がフランジ部１４の穴１４ｃに、他端がリング部１６の穴１６ａにそれぞれ嵌め込まれることにより、フランジ部１４、支持シャフト１８、およびリング部１６との間で一定の剛性を獲得する。なお支持シャフト１８は複数本用いられるが、各穴の位置の設計に従って任意に配置される。

またフランジ部１４には、ハーメチック端子３６が取り付けられている。このハーメチック端子３６は、後述の第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２の電極部（不図示）と、第１感圧素子４０および第２感圧素子４２を発振させるとともに第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２の共振周波数の差分を演算するためのものであって、ハウジング１２の外部面に取り付けられた、またはハウジング１２の外であってハウジング１２から離間して配置されたＩＣ（集積回路、不図示）と、を電気的に接続することができる。

なお図１、２においてハーメチック端子３６は２つ描かれているが、後述の第１感圧素子４０、第２感圧素子４２の電極部の総数に応じてフランジ部１４に取り付けられるものとする。またフランジ部１４には、大気導入口１４ｅが形成され、ハウジング１２内部を大気開放させることができる。そしてハーメチック端子３６及び大気導入口１４ｅは互いにフランジ部の干渉しない位置に任意に配置される。

側面部２０の両端をそれぞれ、フランジ部１４の内周部１４ｂの外周１４ｄ、及び開口部２２をダイアフラム２４により塞がれたリング部１６の外周１６ｂに接続することによって、前記容器は封止される。フランジ部１４、リング部１６、側面部２０はステンレス等の金属で形成することが好ましく、支持シャフト１８は一定の剛性を有し熱膨張係数の小さいセラミック等を用いることが好ましい。

ダイアフラム２４はハウジング１２の外部に面した一方の主面が受圧面となっており、前記受圧面が被測定圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形する可撓部を有し、当該可撓部がハウジング１２内部側にまたは外部側（Ｚ軸方向）に変位するように撓み変形することにより第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２にＺ軸に沿った圧縮力或いは引張り力を伝達するものである。またダイアフラム２４は、外部からの圧力によって変位する中央領域２４ａと、前記中央領域２４ａの外周にあり、前記中央領域２４ａが変位できるように外部からの圧力により撓み変形する可撓領域２４ｂとから構成される前記可撓部と、前記可撓部の外側、即ち前記可撓領域２４ｂの外周にあり、リング部１６に形成された開口部２２の内壁に接合して固定される周縁部２４ｃを有している。なお周縁部２４ｃは理想的には圧力を受けても変位せず、中央領域２４ａは圧力を受けても変形しないものとする。

ダイアフラム２４の中央領域２４ａであって、受圧面の反対側の面には後述の第１感圧素子４０の長手方向（検出軸方向）の一端と接続される。さらに中央領域２４ａであって、受圧面の反対面には後述の第２支持部材４６が接着剤等で接着され、第２支持部材４６に後述の第１感圧素子４０の一端（第１の基部４０ａ）を接着剤等の固定材を介して固定する。さらに、ダイアフラム２４の周縁部２４ｃであって、受圧面の反対面には後述の第１支持部材４４と後述の固定部４８が接着剤等の固定材で接続されている。なお第１支持部材４４、第２支持部材４６、固定部４８はダイアフラム２４と同一材料であることが望ましい。

ダイアフラム２４の材質は、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよく、また、水晶のような単結晶体やその他の非結晶体でもよい。金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成してもよい。

ダイアフラム２４を金属で形成する場合は、ダイアフラム２４の可撓領域２４ｂに対応する波型の同心円形状に対応する凹部（不図示）を有する一対のプレス板（不図示）により金属母材（不図示）の両面からプレスすればよい。

図３（ａ）〜（ｅ）にダイアフラムを金属で形成する場合の模式図を示す。なお図３（ｄ）は図３（ｃ）の底面図である。第１感圧素子の振動によりダイアフラム２４が振動することを抑制するため、ダイアフラム２４の中央領域２４ａを他の領域に比べて厚く形成するとよい。この場合は、金属母材３０を用意し（図３（ａ））、中央領域２４ａを残してハーフエッチングを行い（図３（ｂ））、中央領域２４ａ、可撓領域２４ｂ、周縁部２４ｃの形状の対応した一対のプレス板（不図示）によりエッチングされた金属母材３０をプレスすることによりダイアフラム２４が形成される（図３（ｃ））。その後、第１支持部材、第２支持部材、固定部２８を、図１、図２に示すように、それぞれダイアフラム２４の所定位置に接着剤等の固定材により接続する。

図４にダイアフラムを水晶で形成する場合の模式図を示す。ダイアフラム２４を水晶で形成する場合は、同様にフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適である。この場合は、材料となる母基板３２を用意し、母基板３２の表面にポジ型のフォトレジスト３４を塗布する（図４（ａ））、中央領域２４ａ、可撓領域２４ｂ、周縁領域（不図示）の配置及び形状に対応したフォトマスク３５を用いて露光し、前記フォトレジスト３４を感光させる（図４（ｂ））、現像を行い感光したフォトレジスト３４ａを除去する（図４（ｃ））、母基板３２が露出した領域をハーフエッチングすることにより中央領域２４ａ、可撓領域２４ｂ、周縁領域（不図示）を一体で形成し（図４（ｄ））、フォトレジスト３４を剥離する（図４（ｅ））ことによりダイアフラム２４が形成される。

図５にダイアフラムを水晶で形成する場合の変形例を示す。ダイアフラム２４のフォトリソ・エッチング加工の変形例として図５（ａ）に示すように可撓領域２４ｂを片面のみのエッチング加工により行うことも好適であり、また図５（ｂ）に示すように可撓領域２４ｂの表裏で互いに対向する位置においてエッチング加工を行うことも好適である。

なお、ダイアフラム２４は、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面を耐食性の膜にてコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラムであれば、ニッケルの化合物をコーティングしてもよいし、ダイアフラムが水晶のような圧電結晶体であれば珪素をコーティングすればよい。

図１、図２に示すように、第１支持部材４４は、後述の第１感圧素子４０の第２の基部４０ｂを固定するものである。第１支持部材４４はダイアフラム２４の周縁部２４ｃに固定される台座部４４ａと、台座部４４ａからダイアフラム２４の中央領域２４ａの変位する方向（Ｚ軸方向）に延びた支柱部４６ｂと、支柱部４６ｂの先端から中央領域２４ａの方向に延び第１感圧素子４０の第２の基部４０ｂと接続して支持するアーム部４４ｃと、を有する。

第２支持部材４６は、後述の第２感圧素子４２の第２の基部４２ｂと第１感圧素子の第１の基部４０ｂを固定するものである。第２支持部材４６はダイアフラム２４の中央領域２４ａに固定され第１感圧素子４０の第１の基部４０ａが固定される台座部４６ａと、台座部４６ａからダイアフラム２４の中央領域２４ａの変位する方向に延びた支柱部４６ｂと、支柱部４６ｂの先端から周縁部２４ｃの方向に延び第２感圧素子４２の第２の基部４２ｂと接続して支持するアーム部と、を有する。

固定部４８は、ダイアフラム２４の周縁部２４ｃであって、第２支持部材のアーム部の先端と対向する位置に固定され、第２感圧素子４２の第１の基部４２ａが固定される。なお、第１支持部材、第２支持部材、固定部は一定の剛性を有し、ダイアフラムの中央領域２４ａの変位方向以外の方向に変形しないものとする。

第１支持部材４４、第２支持部材４６の材質は、台座部４４ａ、支柱部４４ｂ、アーム部４４ｃとの間、そして台座部４６ａ、支柱部４６ｂ、アーム部４６ｃとの間で一定の剛性を獲得できるものであれば特に制限は無い。しかし、第１感圧素子４０や第２感圧素子４２に対する熱応力を緩和するため、これらと同一材料を用いることが望ましい。同様に固定部４８も、同様の理由で各感圧素子と同一材料を用いることが望ましい。
第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料により形成することができる。

図１、図２に示すように、第１感圧素子４０は、振動腕４０ｃとその両端に形成された第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂを有する。第２感圧素子４２も同様に振動腕４２ｃとその両端に形成された第１の基部４２ａと第２の基部４２ｂとを有する。そして各感圧素子の振動腕４０ｃ、４２ｃには励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）を有する。

第１感圧素子４０は、その長手方向、すなわち第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂとが並ぶ方向をダイアフラム２４の変位方向と同軸または平行になるように配置し、その変位方向を検出軸としている。第１感圧素子４０の第１の基部４０ａは第２支持部材４６の台座部４６ａに固定されるとともにダイアフラム２４の中央領域２４ａに当接する。そして振動腕４０ｃを挟んで第１の基部４０ａの反対側にある第２の基部４０ｂは第１支持部材４４のアーム部４４ｃの先端に接続されている。

第２感圧素子４２は、第１感圧素子４０と同様に、振動腕４２ｃとその両端に形成された第１の基部４２ａと第２の基部４２ｂを有し、第１感圧素子４０と同様に第１の基部４２ａと第２の基部４２ｂを結ぶ線に平行に検出軸を有している。また第２感圧素子４２は、第１感圧素子４０と同一の材料・寸法であり、かつ同様の温度特性、経年変化特性を有するものとする。そして、第２感圧素子４２は第１感圧素子４０と平行に配置され、第１の基部４２ａが周縁部２４ｃに固定された固定部４８に接続されるとともに周縁部２４ｃに当接する。また第２感圧素子４２の第２の基部４２ｂは第２支持部材４６のアーム部４６ｃの先端に接続される。

なお、第１感圧素子４０、第２感圧素子４２を、第１支持部材４４、第２支持部材４６、固定部４８に固定することにより、各感圧素子をダイアフラム２４側に容易に固定できるとともに、第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２が、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２が検出軸方向以外の方向に動くことが阻止して、第１感圧素子４０、第２感圧素子４２の検出軸方向の感度を向上させることができる。

第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２は、ワイヤー３８及び上述のハーメチック端子３６を介してＩＣ（不図示）と電気的に接続され、ＩＣ（不図示）から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。そして第１感圧素子４０、第２感圧素子４２は、その長手方向から伸長応力または圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。本実施形態においては感圧部となる振動腕４０ｃ、４２ｃとして双音叉型振動子を適用することができる。双音叉型振動子は、振動腕４０ｃ、４２ｃである前記２つの振動ビームに引張り応力（伸長応力）或いは圧縮応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。そして双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、伸長・圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサーにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振動腕の共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕の共振周波数は低くなる。

また本実施形態においては２つの柱状の振動ビームを有する感圧部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を適用することができる。感圧部（振動腕４０ｃ、４２ｃ）をシングルビーム型の振動子として構成すると、長手方向（検出軸方向）から同一の応力を受けた場合、その変位が２倍になるため、双音叉の場合よりさらに高感度な圧力センサーとすることができる。なお、双音叉型またはシングルビーム型の圧電振動子の圧電基板としては温度特性に優れた水晶が望ましい。

第１実施形態の圧力センサー１０の組み立ては、まずリング部１６にダイアフラム２４を接続するとともに、ダイアフラム２４の所定位置に第１支持部材４４、第２支持部材４６、固定部４８を接続する。そして、第１感圧素子４０の第１の基部４０ａを第２支持部材４６の台座部４６ａに接続し、第２の基部４０ｂを第１支持部材４４のアーム部４６ｃに接続する。さらに第２感圧素子４２の第１の基部４２ａを固定部４８に接続し、第２の基部４２ｂを第２支持部材４６のアーム部４６ｃに接続する。

次にリング部１６の穴１６ａに支持シャフト１８を差込んで固定し、フランジ部１４の穴１４ｃに、既にリング部１６に一端が差し込まれた支持シャフト１８の他端を差し込んで固定するとともに、ハーメチック端子３６のハウジング内部側と第１感圧素子４０、第２感圧素子４２の電極部（不図示）とをワイヤー３８により電気的に接続する。このときハーメチック端子３６のハウジング１２外部側はＩＣ（不図示）に接続する。最後に側面部２０をリング部１６側から差し込んでリング部１６の内周と外周１４ｄ及び外周１６ｂとを接合することによりハウジング１２が形成され、圧力センサー１０が組み立てられる。

第１実施形態の圧力センサー１０の動作について説明する。第１実施形態において、大気圧を基準として液圧を測定する場合、液圧が大気圧より低いとダイアフラム２４の中央領域２４ａがハウジング１２の内側に変位し、逆に液圧が大気圧より高いと中央領域２４ａがハウジング１２の外側に変位する。

そして、ダイアフラム２４の中央領域２４ａがハウジング１２の外側に変位すると、第１感圧素子４０は、中央領域２４ａと、周縁部２４ｃ（固定部４８）に支持された第１支持部材４４と、により引張応力を受け、第２感圧素子４２はダイアフラム２４の中央領域２４ａに支持された第２支持部材４６を介して中央領域２４ａからの圧縮応力を受けることになる。逆に中央領域２４ａがハウジング１２の内側に変位すると、第１感圧素子４０は第１支持部材４４により圧縮応力を受け、第２感圧素子４２は第２支持部材４６を介して中央領域２４ａから引張応力を受けることになる。

各感圧素子は、引張応力を受けると共振周波数が増加し、圧縮応力を受けると共振周波数が減少する。よって第１感圧素子４０と第２感圧素子４２の共振周波数の差分を求めることにより中央領域２４ａに印加される圧力を検知することができる。そして第１感圧素子４０、第２感圧素子４２が互いに同様の構成要素であれば、共振周波数について同様の温度特性及び経年変化特性等を有するため、上述の差分においてはこのような特性はキャンセルされることになる。

したがって、温度特性及び経年変化特性等に係らず安定した圧力測定を行うことが可能な圧力センサー１０となる。また２つの感圧素子の共振周波数の差分により圧力を測定することになるので、１つの感圧素子を用いた場合より大きな感度を得ることができる。さらに第１感圧素子４０、第２感圧素子４２は少なくとも一方の基部がダイアフラム２４側に固定されることになるので、圧力センサー１０全体の小型化を図ることができる。

ここで、第１感圧素子４０の第２感圧素子４２に対する共振周波数の変化について考える。各感圧素子の共振周波数の変化ΔＦは、ダイアフラムからの圧力Ｐによる周波数変化ΔＦ（Ｐ）、温度Ｔによる周波数変化ΔＦ（Ｔ）、経年変化（τ）による周波数変化ΔＦ（τ）、空気の粘性（μ）による周波数変化ΔＦ（μ）の総和として表現することができる。すなわち第１感圧素子４０の共振周波数ΔＦ_１、第２感圧素子４２の共振周波数の変化ΔＦ_２は、

となる。ここで第１感圧素子４０および第２感圧素子４２は同一の特性を有する素子を用いることになるのでΔＦ（Ｔ）、ΔＦ（τ）、ΔＦ（μ）は等しくなるが、本実施形態の構造上、圧力Ｐによる周波数変化ΔＦ（Ｐ）は正負が逆となる。すなわち、

となる。よって数式１に数式２を代入し、第１感圧素子４０の共振周波数の変化ΔＦ_１と第２感圧素子４２の共振周波数の変化ΔＦ_２との差分をとると、

となる。したがって、第１感圧素子４０と第２感圧素子４２の共振周波数の差分をとると、圧力Ｐによる周波数変化の成分ΔＦ（Ｐ）だけが残り、他の成分は相殺される。したがって、各感圧素子の温度変化、経年変化、空気の粘性の影響による圧力値の誤差が解消できることがわかる。さらにΔＦ（Ｐ）の成分は２倍になるので圧力測定の感度が２倍に向上することもわかる。

図６に第１実施形態の圧力センサーの変形例を示す。図６（ａ）はＸＺ面を切り口とする断面図、図６（ｂ）はＹＺ面を切り口とする断面図である。図１、図２において、第１感圧素子４０及び第２感圧素子４２は、アーム部の側面に接続しているが、図６に示すように、第１感圧素子４０の第１の基部４０ａを第２支持部材４７の台座部４７ａの端部に接続し、第２の基部４０ｂを第１支持部材４５のアーム部４５ｃの端部側に接続してもよい。同様に第２感圧素子４２の第１の基部４２ａを固定部４９の端部に接続し、第２の基部４２ｂを第２支持部材４７のアーム部４７ｃの端部に接続してもよい。もちろん第１感圧素子４０、第２感圧素子４２のいずれか一方のみを図６に示すような配置で接続してもよい。

図７に第２実施形態に係る圧力センサーのＸＺ面を切り口とする斜視図を示す。また図８に第２実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図８（ａ）はＸＺ面を切り口とする断面図、図８（ｂ）はＹＺ面を切り口とする断面図である。第２実施形態に係る圧力センサー５０においては、ハウジング１２やダイアフラム２４は第１実施形態と共通するが、第１感圧素子５２、第２感圧素子５４、第１支持部材５６、第２支持部材５８が圧電材料により一体部材として形成されている点で相違する。

第１感圧素子５２、第２感圧素子５４、第１支持部材５６、第２支持部材５８を一体で形成する場合、第１感圧素子５２の第１の基部５２ａと第２支持部材５８の台座部５８ａとが一体となり、第１感圧素子５２の第２の基部５２ｂと第１支持部材５６のアーム部５６ｃの先端とが一体となる。また第２感圧素子５４の第２の基部５４ｂが第２支持部材５８のアーム部５８ｃの先端と一体となる。

これにより、各感圧素子と各支持部材の熱膨張係数が一致するため、各感圧素子と各支持部材との間の熱歪みを解消して温度特性を向上させることができる。また各感圧素子と各支持部材とを一体で形成することにより、圧力センサー５０の部品点数を削減するとともに、圧力センサー５０の組み立ての歩留を高め、コストを抑制することができる。

さらに、第１感圧素子５２の第１の基部５２ａ（第２支持部材５８の台座部５８ａ）、第２感圧素子５４の第１の基部５４ａ、第１支持部材５６の台座部５６ａのダイアフラム２４に接続される側の端部は同一の直線上に並ぶように形成される。さらに、これらにより形成される一体部材において、前記直線がダイアフラム２４の変位方向と垂直になるようにダイアフラム２４（後述の固定部６０、６２、６４）に接続する。

上記構成により、各感圧素子、各支持部材において、ダイアフラム２４からの熱歪みを受けることがないため、温度変化に対して高精度に安定した圧力センサー５０となる。
そして、上述の一体部材を固定するための固定部６０が中央領域２４ａに接着剤等により固定され、固定部６２、６４が周縁部２４ｃに接着剤等により固定される。固定部６０は第２支持部材５８の台座部５８ａ（第１感圧素子５２の第１の基部５２ａ）と接続する。固定部６２は第１支持部材５６の台座部５６ａと接続する。固定部６２は第２感圧素子５４の第１の基部５４ａと接続する。これら固定部６０、６２、６４は第１実施形態と同様にダイアフラム２４と同一材料で形成することが望ましい。

図９に、第１感圧素子５２、第２感圧素子５４、第１支持部材５６、第２支持部材５８を一体に形成する一体部材を水晶で形成する場合の模式図を示す。一体部材を水晶で形成する場合は、第１実施形態のダイアフラム２４と同様にフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適である。この場合も、材料となる母基板６６を用意し、母基板６６の表面にポジ型のフォトレジスト６８を塗布する（図９（ａ））、第１感圧素子５２、第２感圧素子５４、第１支持部材５６、第２支持部材５８を一体とする形状に対応したフォトマスク（不図示）を用いて露光し、前記フォトレジスト６８を感光させる（図９（ｂ））、現像を行い感光したフォトレジスト６８ａを除去する（図９（ｃ））、母基板６６が露出した領域をエッチングすることにより第１感圧素子５２、第２感圧素子５４、第１支持部材５６、第２支持部材５８を一体で形成し（図９（ｄ））、フォトレジスト６８を剥離する（図９（ｅ））ことにより一体部材が形成される。

第２実施形態に係る圧力センサー１０の組み立ては、基本的に第１実施形態と同様である。すなわち、ダイアフラム２４をリング部１６に接続したのち、固定部６０を中央領域２４ａに接続し、固定部６２、固定部６４を周縁部２４ｃの所定の位置に接続する。そして固定部６０の側面に第２支持部材５８の台座部５８ａ（第１感圧素子５２の第１の基部５２ａ）を接続し、固定部６２の側面に第２感圧素子５４の第１の基部５４ａを接続し、固定部６４の側面に第１支持部材５６の台座部５６ａを接続すればよい。このとき台座部５６ａ、第１の基部５４ａ、台座部５８ａのダイアフラム２４側の端部をダイアフラム２４に当接させてもよい。

１０………圧力センサー、１２………ハウジング、１４………フランジ部、１４ａ………外周部、１４ｂ………内周部、１４ｃ………穴、１４ｄ………外周、１４ｅ………大気導入口、１６………リング部、１６ａ………穴、１６ｂ………外周、１８………支持シャフト、２０………側面部、２２………開口部、２４………ダイアフラム、２４ａ………中央領域、２４ｂ………可撓領域、２４ｃ………周縁部、３０………金属母材、３２………母基板、３４………フォトレジスト、３４ａ………フォトレジスト、３５………フォトマスク、３６………ハーメチック端子、３８………ワイヤー、４０………第１感圧素子、４０ａ………第１の基部、４０ｂ………第２の基部、４０ｃ………振動腕、４２………第２感圧素子、４２ａ………第１の基部、４２ｂ………第２の基部、４２ｃ………振動腕、４４………第１支持部材、４４ａ………台座部、４４ｂ………支柱部、４４ｃ………アーム部、４５………第１支持部材、４５ｃ………アーム部、４６………第２支持部材、４６ａ………台座部、４６ｂ………支柱部、４６ｃ………アーム部、４７………第２支持部材、４７ａ………台座部、４７ｃ………アーム部、４８………固定部、４９………固定部、５０………圧力センサー、５２………第１感圧素子、５２ａ………第１の基部、５２ｂ………第２の基部、５４………第２感圧素子、５４ａ………第１の基部、５４ｂ………第２の基部、５６………第１支持部材、５６ａ………台座部、５６ｃ………アーム部、５８………第２支持部材、５８ａ………台座部、５８ｃ………アーム部、６０………固定部、６２………固定部、６４………固定部、６６………母基板、６８………フォトレジスト、６８ａ………フォトレジスト、１０２………第１の圧力入力口、１０３………第２の圧力入力口、１０４………筐体、１０５………力伝達部材、１０６………第１のベローズ、１０７………第２のベローズ、１０８………基板、１０９………双音叉型振動素子、１１０………オイル、１１１………開口部、１２０………ハウジング、１２１………圧力導入口、１２２ａ………ベローズ、１２２ｂ………ベローズ、１２５………力伝達部材、１２５ａ………可撓部、１２５ｂ………固定部、１３０………感圧素子、１４０………固定部材、１５０………圧力センサー、２１０………圧力センサー、２１２………ハウジング、２２２………開口部、２２４………ダイアフラム、２２４ａ………中央領域、２２４ｃ………周縁領域、２４０………感圧素子、２４０ａ………第１の基部、２４０ｂ………第２の基部、２４２………接続部材。

Claims

力を受けて変位する可撓部と前記可撓部の外周に接続された周縁部とを有する受圧手段と、
感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部を有するとともに前記基部同士を結ぶ線に平行な検出軸を有し、前記検出軸の方向が前記可撓部の変位方向と平行に配置された第１感圧素子及び第２感圧素子と、を有する圧力センサーであって、
前記第１感圧素子は、一方の基部が前記可撓部に固定されるとともに、他方の基部が前記周縁部に支持された第１支持部材に固定され、
前記第２感圧素子は、一方の基部が前記周縁部に固定されるとともに、他方の基部が前記可撓部に支持された第２支持部材に固定されたことを特徴とする圧力センサー。
前記感圧部は、少なくとも一以上の柱状ビームから構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ー。
前記第１感圧素子、前記第２感圧素子、前記第１支持部材、前記第２支持部材は圧電材料により一体に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサー。
前記第１感圧素子、前記第２感圧素子、前記第１支持部材、前記第２支持部材の前記受圧手段に接続する側の端部は、前記可撓部の変位方向に垂直な直線上に配置されるように形成されたことを特徴とする請求項３に記載の圧力センサー。