JP2012058063A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧を基準として圧力を測定する圧力センサーであって、圧力センサーを構成する感圧素子の結露を防止する圧力センサーを提供する。
【解決手段】ハウジング１２と、前記ハウジング１２の開口部２２を封止し、受圧面で力を受けて前記受圧面に対して垂直方向に撓み変位するダイアフラム４０と、前記ハウジング１２の内部において前記ハウジング１２側と前記ダイアフラム４０側の夫々に、両端が各々接続される感圧素子４２と、両端が開放され、前記ハウジング１２に形成された圧力導入口２８ｂに一端が接続されたチューブ３６と、前記チューブ３６に導入され、前記チューブ３６内の前記一端側と他端側とを空間的に分離することにより前記ハウジング１２を気密封止し、前記ハウジング１２内の気圧が前記ハウジング１２外の気圧と等しくなるように前記チューブ３６内を移動可能な液体３８と、を有し、前記ハウジング１２内には、乾燥ガスが充填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、特に大気圧を基準として圧力を測定する圧力センサーであって、圧力センサーを構成する感圧素子の結露を防止する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５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の一方の端部、及び第２ベローズ１０７の一方の端部が接続されている。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６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６において１２０はハウジング、１２１ａ、１２１ｂ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と固定部材１４０との間に感圧素子１３０が接着固定されている。図６に示す圧力センサー１５０の圧力導入口１２１ａによりベローズ１２２ａ、圧力導入口１２１ｂよりベローズ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内に設けた固定部材１４０とし、前記可撓部１２５ａと前記固定部材１４０との間に感圧素子１３０の両端を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５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に負荷されるため、前記熱歪みに起因したノイズ成分が双音叉型振動素子１０９の共振周波数に重畳してしまうので、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、図７に示すように、特許文献４に開示の圧力センサー２００は、内部を大気開放するための穴部２０４を有する筐体２０２と、前記筐体２０２の一部を構成し測定対象となる圧力を受ける受圧面を備え、前記受圧面２０８に圧力を受けて撓み変形する可撓性を有するダイアフラム２０６と、前記受圧面２０８に対して垂直方向を検出軸とするセンサー振動片（感圧素子としての双音叉振動子）２１０と、を有しており、前記受圧面２０８に対して前記検出軸を直交させて、前記センサー振動片２１０の一端を前記ダイアフラム２０６の中央部に接合した構成を有し、大気圧を基準とした液圧センサーとして用いられる。

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ダイアフラム２０６の変形に伴う力をセンサー振動片２１０に圧縮力または伸長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、オイル漏れやオイル中に混入する気泡の問題を回避して、測定対象を広げることができる。

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２００８−２３２８８６号公報

しかし、上記構成においては、筐体２０２内部が大気開放されているため、筐体２０２内部に配置されたセンサー振動片２１０が結露する虞がある。そして、センサー振動片２１０が結露すると共振周波数が変化し、圧力値を正確に測定できないといった問題がある。
そこで本発明は、上記問題点に着目し、結露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］ハウジングと、前記ハウジングの開口部を封止し、受圧面で力を受けて前記受圧面に対して垂直方向に撓み変位する受圧手段と、前記ハウジングの内部において前記ハウジング側と前記受圧手段側の夫々に、両端が各々接続される感圧素子と、両端が開放され、前記ハウジングに形成された圧力導入口に一端が接続されたチューブと、前記チューブに導入され、前記チューブ内の前記一端側と他端側とを空間的に分離することにより前記ハウジングを気密封止し、前記ハウジング内の気圧が前記ハウジング外の気圧と等しくなるように前記チューブ内を移動可能な液体と、を有し、前記ハウジング内には、乾燥ガスが充填されたことを特徴とする圧力センサー。

上記構成により、ハウジング内部の気圧が外部の大気圧より高ければ、液体は外部側に移動し、逆にハウジング内部の気圧が外部の大気圧より低ければ、液体はハウジング側に移動することにより、ハウジング内外の圧力差を抑制することができる。またハウジング内部は外部とは液体により空間的に分離されるとともに、ハウジング内部には乾燥ガスが充填されているため、感圧素子の結露を防止し安定的な圧力測定を行なうことができる。

［適用例２］前記乾燥ガスは、ヘリウムであることを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
ヘリウムは熱伝導率が高い。よって外部で急激な温度変化があった場合においてもハウジング内外の温度差を抑制し、感圧素子の温度による誤差を抑制することができる。

［適用例３］前記感圧素子は、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部とを有するとともに前記基部同士を結ぶ方向と平行な方向を検出軸とし、前記検出軸が前記受圧手段の変位方向と平行となるように配置され、前記一対の基部の一方の基部が前記受圧手段側に接続し、他方の基部が前記ハウジング側に接続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、感圧素子は受圧手段の変位による力を圧縮力または引張力として直接受けることができ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４］前記感圧素子は、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部とを有するとともに前記基部同士を結ぶ方向と平行な方向を検出軸とし、前記検出軸が前記受圧手段の変位方向と平行となるように配置された第１感圧素子と第２感圧素子であって、前記第１感圧素子は、前記受圧手段側の基部が前記受圧手段側に接続され、その反対側の基部が前記ハウジング側に接続され、前記第２感圧素子は、前記受圧手段側の基部が前記ハウジング側に接続され、その反対側の基部が前記受圧手段に接続された力伝達部材を介して前記受圧手段側に接続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、受圧手段がハウジングの外側に変位した場合、第１感圧素子には引張力がかかり、第２感圧素子には圧縮力がかかる。逆に受圧手段がハウジングの内側に変位した場合、第１感圧素子には圧縮力がかかり、第２感圧素子には引張力がかかる。そして第１感圧素子、第２感圧素子が共振周波数について同様の温度特性、経年変化特性等を有する場合、第１感圧素子と第２感圧素子の共振周波数の差分をとると、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。

［適用例５］前記ハウジング内部に配置された温度センサーと、前記感圧素子と前記温度センサーに電気的に接続されたＩＣと、を有し、前記ＩＣは、前記温度センサーから得られる温度の情報に基づいて、前記感圧素子の共振周波数の補正を行うことを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成により、感圧素子の共振周波数の温度補償を行って圧力測定値の誤差を抑制することができる。

［適用例６］音叉型圧電振動子で形成され、前記音叉型圧電振動子の振動片が前記ハウジング内に露出して配置された圧電振動素子と、前記感圧素子と前記圧電振動素子に電気的に接続されたＩＣと、有し、前記ＩＣは、前記感圧素子の共振周波数と前記圧電振動素子の共振周波数との差分に基づいて圧力を算出することを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成により、ハウジング内部の粘性抵抗等を考慮した感圧素子の共振周波数の温度補償を行って圧力測定値の誤差を抑制することができる。

［適用例７］前記チューブは、曲線状、または螺旋状に曲げられていることを特徴とする適用例１乃至６のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成により、液体がハウジングの内部側および外部に漏洩することを防止することができる。

［適用例８］前記チューブの前記液体が移動する領域は水平に保たれていることを特徴とする適用例１乃至７のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成により、液体が重力によりチューブ内を移動することを抑制して、ハウジング内外の圧力差を抑制することができる。

第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図である。 第１実施形態に係る圧力センサーの模式図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は受圧手段側から見た模式図である。 第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図である。 第２実施形態に係る圧力センサーの模式図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は受圧手段側から見た模式図である。 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を示す。また図２は、第１実施形態の圧力センサーを示し、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は受圧手段側から見た模式図である。第１実施形態に係る圧力センサー１０は、容器としてハウジング１２と、圧力を受けて前記容器の内部側または外部側に受圧面に対して垂直方向に撓み変位する受圧手段（ダイアフラム４０）とを有する。そして前記容器の内部において前記ハウジング１２側と前記受圧手段側に接続され、前記受圧手段の変位による力を受けることにより圧力を検知する感圧素子４２を有する。さらに、両端が開放され、前記ハウジング１２に形成された圧力導入口２８ｂに一端が接続されたチューブ３６と、前記チューブ３６に導入され、前記チューブ３６内の前記一端側とその反対側とを空間的に分離することにより前記ハウジング１２を気密封止し、前記ハウジング１２内の気圧が前記ハウジング１２外の気圧と等しくなるように前記チューブ３６内を移動可能な液体３８と、を有し、前記ハウジング１２内には、乾燥ガスが充填されたものである。

そして、前記感圧素子４２は、感圧部（柱状の振動ビームである振動腕）４２ｃと前記感圧部４２ｃの両端に接続された一対の基部（第１の基部４２ａ、第２の基部４２ｂ）とを有するとともに前記基部同士を結ぶ方向と平行な方向を検出軸とし、前記検出軸が前記受圧手段の変位方向と平行となるように配置され、一方の基部（第２の基部４２ｂ）が前記受圧手段側に接続し、他方の基部（第１の基部４２ａ）が前記ハウジング１２側に接続されている。

本実施形態の圧力センサー１０は、後述のようにハウジング１２内部が大気圧となるように調整され、大気圧を基準としてダイアフラム４０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、支持シャフト２６、円形の天板部２８、円筒形の側面部（側壁部）３０を有する。フランジ部１４は、側面部（側壁部）３０の端部と接続する外周部１６と、外周部１６上に外周部１６と同心円状に形成され、天板部２８と同一の直径を有するとともに側面部（側壁部）３０の内側側面と接続する内周部１８と、内周部１８の中央領域に形成され感圧素子４２の前記他方の基部（第１の基部４２ａ）を固定するボス部２０と、を有する。図１（ｂ）においてボス部２０は円形に描かれているが、感圧素子４２の前記他方の基部（第１の基部４２ａ）が接続されるため、外周部１６や内周部１８とは異なり矩形に形成することが好ましい。さらにフランジ部１４はフランジ部１４の外形と同心円状に開口部２２を有し、さらに開口部２２の中心には開口部２２とボス部２０を連通し、後述のセンターシャフト４４を貫通させる貫通孔２４を有する。そして、開口部２２には、開口部２２を封止するようにダイアフラム４０が接続されている。ダイアフラム４０を開口部２２に取り付けることにより、ダイアフラム４０はハウジング１２の外壁の一部を形成することになる。

フランジ部１４の内周部１８及び天板部２８の互いに対向する面の所定位置には支持シャフト２６を嵌め込む取り付け穴１８ａ、２８ａが形成されている。また取り付け穴１８ａ及び取り付け穴２８ａは互いに対向する位置に形成されている。よって取り付け穴１８ａ、２８ａに支持シャフト２６を嵌め込むことによりフランジ部１４と天板部２８とは支持シャフト２６を介して接続される。支持シャフト２６は、一定の剛性を有する棒状の部材であって、ハウジング１２の内部に配置され、支持シャフト２６の一端が内周部１８の取り付け穴１８ａに、他端が天板部２８の取り付け穴２８ａにそれぞれ嵌め込まれる。これにより、フランジ部１４、支持シャフト２６、および天板部２８との間で一定の剛性を獲得する。なお支持シャフト２６は複数本用いられるが、各取り付け穴の位置の設計に従って任意に配置される。

また天板部２８には、ハーメチック端子３２が取り付けられている。このハーメチック端子３２は、感圧素子４２の電極部（不図示）と、ハウジング１２外部に取り付けられ感圧素子４２を発振させる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においてハーメチック端子３２は１つ描かれているが、感圧素子４２の電極部（不図示）の総数に応じて天板部２８に取り付けられるものとする。また天板部２８のハーメチック端子３２と干渉しない任意の位置には圧力導入口２８ｂが形成され、圧力導入口２８ｂには両端が開放されたチューブ３６の一端が接続されている。

チューブ３６は曲線形状または螺旋形状で、その一端が圧力導入口２８ｂに接続されるととともに、その内部に不揮発性の液体３８、例えばシリコンオイルが導入される。なお、チューブ３６は、導入される液体３８の占めるチューブ３６中の長さより十分長くなるように設計し、液体３８はチューブ３６内の経路のほぼ中央位置に配置することが望ましい。これにより液体３８がハウジング１２側及び大気圧導入側に漏れることを防止することができる。またチューブの液体３８が移動する領域は水平に保つことが好適である。例えば、水平を保たれた水平面上に、チューブが重ならないように渦巻き状やジグザク状に配置して、その水平面上に配置されたチューブ内に液体３８が配置されればよい。これにより液体が重力によりチューブ内を移動することを抑制して、ハウジング内外の圧力差を抑制することができる。

さらに天板部２８には、封止孔２８ｄが形成され、封止孔２８ｄには例えば銅で形成された圧着封止管４８が取り付けられている。圧着封止管４８は前記容器を気密封止する前は先端が開放されているが、後述の組み立て工程において先端をつぶして圧着させることによりハウジング１２内を気密封止することができる。

側面部（側壁部）３０は、容器の側面を構成するものであり、内周部１８の外周１８ｂ、及び天板部２８の外周２８ｃに接続するとともに、その端部が外周部１６の表面に接続する。フランジ部１４、天板部２８、側面部（側壁部）３０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２６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４０は開口部２２を封止するように開口部２２に取り付けられている。ダイアフラム４０は容器の外部側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ことにより感圧素子４２に圧縮力或いは引張り力を伝達するものである。また容器の内部側において、ダイアフラム４０の中心には力伝達部材としてのセンターシャフト４４の一端が取り付けられ、センターシャフト４４の長手方向とダイアフラム４０の変位方向とが同軸となるように取り付けられる。これによりセンターシャフト４４は、ダイアフラム４０が圧力を受けると、その長手方向に変位することになる。

またセンターシャフト４４の他端側には感圧素子の一方の基部（第２の基部４２ｂ）を固定する例えば矩形の平面で構成された６面体の固定部４６が取り付けられる。ここで、固定部４６とボス部２０は、固定部４６の側面４６ａとボス部２０の側面２０ａとが同一平面に位置するように設計されている。これにより感圧素子４２を容易に取り付けることができる。

ダイアフラム４０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。また、センターシャフト４４、固定部４６は熱膨張係数の小さいセラミック等を用いることが望ましい。

なお、ダイアフラム４０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４０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４０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。

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、に示すように、感圧素子４２は、感圧部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を有する。そして感圧素子４２の感圧部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。

感圧素子４２は、その長手方向、すなわち第１の基部４２ａと第２の基部４２ｂとが並ぶ方向をダイアフラム４０の変位方向と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。感圧素子４２の第１の基部４２ａはボス部２０の側面２０ａに固定され、第２の基部４２ｂは固定部４６の側面４６ａに固定される。これにより、ダイアフラム４０が容器の外側に変位すると感圧素子４２は圧縮応力を受け、逆にダイアフラム４０がハウジング１２の内側に変位すると感圧素子４２は引張応力（伸長応力）を受けることになる。

感圧素子４２は、ワイヤー３４及び上述のハーメチック端子３２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。そして感圧素子４２は、上述のように前記検出軸に平行な方向から感圧部４２ｃ（柱状の振動ビームである振動腕）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４２ｃを構成する振動腕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、感圧部４２ｃである２つの柱状の振動ビームに引張応力（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感圧部４２ｃを構成する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つの振動ビームを有する感圧部４２ｃのみならず、一本の柱状の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部４２ｃを適用することができる。感圧部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。

上記構成において、容器はハウジング１２、側面部（側壁部）３０、ダイアフラム４０、液体３８、圧着封止管４８により気密封止されるとともに、容器内部は乾燥ガスが充填されている。これにより感圧素子４２の結露を防止することができる。また乾燥ガスとしてはヘリウムが好適である。ヘリウムの熱伝導率は０．１５２Ｗ／ｍＫであり、酸素（０．０２６７４Ｗ／ｍＫ）や窒素（０．０２５９８Ｗ／ｍＫ）に比べて十分大きな値を有している。これにより容器の外部側において急激な温度変化があった場合でも、容器内外の時間的な温度差を抑制して圧力センサー１０の温度による誤差を抑制することができる。

第１実施形態の圧力センサー１０の組み立ては、ダイアフラム４０にセンターシャフト４４を取り付け、センターシャフト４４を貫通孔２４に挿通させた状態でダイアフラム４０を開口部２２に接続する。そしてセンターシャフト４４の先端に固定部４６を取り付け、ボス部２０の側面２０ａに第１の基部４２ａを接続し、固定部４６の側面４６ａに第２の基部４２ｂを接続することで感圧素子４２を固定する。

次に内周部１８の取り付け穴１８ａに支持シャフト２６を差込んで固定し、天板部２８の取り付け穴２８ａに、既に内周部１８に一端が差し込まれた支持シャフト２６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３２のハウジング１２内部側と感圧素子４２の電極部（不図示）とをワイヤー３４により電気的に接続する。このとき容器の外部側のハーメチック端子３２はＩＣ（不図示）に接続する。

そして、組み立て途中の圧力センサー１０を乾燥ガス（ヘリウム）が充填されたチャンバー（不図示）に運び入れ、天板部２８に形成された圧力導入口２８ｂにチューブ３６を接続し、側面部（側壁部）３０を天板部２８側から差し込んで天板部２８の外周２８ｃ、内周部１８の外周１８ｂ、外周部１６に接合してハウジング１２を形成することにより圧力センサー１０の外形が組み立てられる。このときハウジング１２内部は乾燥ガス（ヘリウム）で充填されることになる。

最後に、チューブ３６に不揮発性の液体を導入するとともに、天板部２８に取り付けられた圧着封止管４８を圧着して封止孔２８ｄを封止することにより圧力センサー１０の組み立て工程は終了する。

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、液体３８はチューブ３６の全経路の一部の領域においてチューブ３６を封止し、チューブ３６のハウジング１２側と大気圧導入側とを空間的に分離している。そして液体３８がハウジング１２側に移動するとハウジング１２内部の気圧は上昇し、逆に大気圧導入側に移動するとハウジング１２内部の気圧は低下する。これにより液体３８はチューブ３６内においてハウジング１２内部の圧力が大気圧との圧力差が無くなる方向に移動することができる。よって、ハウジング１２内部は外部と空間的に分離しているにもかかわらず、ハウジング１２内部は常時大気圧を維持することになる。

したがって、ダイアフラム４０にかかるハウジング１２外部からの圧力が大気圧より低いとダイアフラム４０がハウジング１２の外側に変位し、逆にダイアフラム４０にかかるハウジング１２外部からの圧力が大気圧より高いとダイアフラム４０はハウジング１２の内側に変位する。

なお、大気圧や外部の温度は時間とともに変動するためハウジング１２内部の気圧や温度も変動することになるが、ハウジング１２内部は乾燥ガス（ヘリウム）が充填されているため、感圧素子４２が結露することはなく、また乾燥ガスとして熱伝導率の高いヘリウムを用いているので、ハウジング１２外部で急激な温度変化があってもハウジング１２内外での温度差を抑制して圧力誤差を抑制することができる。

第１実施形態においては温度センサーを用いることにより圧力測定値の誤差を低減することができる。図１に示すように、ハウジング内に取り付けられた温度センサー５８は、音叉型圧電振動子５８ａと、音叉型圧電振動子５８ａを真空封止する金属容器５８ｂにより形成され、設置環境の温度変化により共振周波数が変化するものである。そして温度センサー５８は、ワイヤー（不図示）によりハーメチック端子（不図示）と接続され、ハーメチック端子（不図示）は温度センサー５８を駆動するとともに入力された共振周波数から温度を算出するＩＣ（不図示）に接続される。

温度センサー５８が取り付けられた圧力センサー１０における温度補償について説明する。なお、温度センサー５８を構成する音叉型圧電振動子５８ａと、圧力センサー１０を構成する感圧素子４２（双音叉型圧電振動子）の無負荷時の共振周波数は、基準温度（２５℃）において一致するものとする。まず、温度センサーの共振周波数Ｆｔと温度Ｔとの関係は、

となる。ここでａ、ｂ、ｃは温度センサーの検査工程で算出される定数である。
一方、感圧素子の共振周波数の変化ΔＦ_１は、圧力Ｐによる変化と温度Ｔによる変化を含むので、

となる。ここでＡ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ｄ_１は圧力センサーの検査工程で補正定数として算出される。よって、

となる。数式３において、ΔＦ_１、Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ｄ_１は既知であり、Ｔも数式１により既知となる。これにより、圧力センサーを構成するＩＣ（不図示）は、補正後の共振周波数を圧力Ｐに換算して圧力値を算出することができる。

また第１実施形態の圧力センサーには圧電振動素子（不図示）を適用することができる。圧電振動素子（不図示）は、温度センサー５８と同様に音叉型圧電振動子（不図示）により形成されているが、金属容器は用いず、圧電振動片（素子）がハウジング１２の内部空間に露出した状態で配置されている。これにより圧電振動素子（不図示）はハウジング１２内のガスの粘性抵抗を受けることになるためその共振周波数が変化するが、感圧素子４２も同様に粘性抵抗を受けており、これにより共振周波数が変化する。また感圧素子４２及び圧電振動素子（不図示）はガスに晒されているので、同様な時間単位で変化するエージング特性を有することになる。

よってこれらを考慮すると、圧電振動素子（不図示）の周波数変化ΔＦ_０は、エージング特性による周波数変化量をΔＦ（τ）、粘性抵抗による周波数変化量をΔＦ（μ）とすると、

となり、圧力センサー１０の周波数変化ΔＦ_１は同様に、

となる。そしてΔＦ_１とΔＦ_０との差分をとると、

となる。ここで（Ａ_１−Ａ_０）、（Ｂ_１−Ｂ_０）、（Ｃ_１−Ｃ_０）、（Ｄ_１−Ｄ_０）は圧力センサーの検査工程で補正定数として算出される。また感圧素子４２及び圧電振動素子（不図示）のエージング特性および粘性抵抗が同様のものであれば、（ΔＦ_１（τ）−ΔＦ_０（τ））、（ΔＦ_１（μ）−ΔＦ_０（μ））はそれぞれ小さな値となる。よって、補正後の共振周波数は圧力センサー１０を構成するＩＣ（不図示）により算出されるが、感圧素子４２のエージング特性や粘性抵抗の影響が低減されたものとなり、圧力測定値の誤差を低減することができる。

第１実施形態においては、金属容器５８ｂに音叉型圧電振動子５８ａが封入された温度センサー５８と、音叉型圧電振動子（不図示）が露出した圧電振動素子（不図示）を適用した。温度センサー５８は、粘性抵抗が極めて小さいので温度変化に対する感度（周波数感度）が高く、微小な温度変化に対して追随して周波数も変化するので、結果的に圧力センサー１０の圧力感度を高めることができる。そして圧電振動素子（不図示）は、圧力を検出する感圧素子４２の環境（温度、粘性抵抗）と近い状態になり、精度の高い補正を行うことができる。

図３に第２実施形態に係る圧力センサーの斜視図を示す。また図４に第２実施形態の圧力センサーを示し、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は受圧手段側から見た模式図である。第２実施形態に係る圧力センサー５０は、基本的構成は第１実施形態と共通するが、前記感圧素子は、感圧部（振動腕５２ｃ、５４ｃ）と前記感圧部の両端に接続された一対の基部（第１の基部５２ａ、５４ａ、第２の基部５２ｂ、５４ｂ）とを有するとともに前記基部同士を結ぶ線と平行な検出軸を有し、前記検出軸が前記受圧手段（ダイアフラム４０）の変位方向と平行となるように配置された第１感圧素子５２と第２感圧素子５４であって、前記第１感圧素子５２は、前記受圧手段側の基部（第１の基部５２ａ）が前記受圧手段側に接続され、その反対側の基部（第２の基部５２ｂ）が前記ハウジング側に接続され、前記第２感圧素子５４は、前記受圧手段側の基部（第１の基部５４ａ）が前記ハウジング側に接続され、その反対側の基部（第２の基部５４ｂ）が前記受圧手段に接続された力伝達部材（センターシャフト４４）を介して前記受圧手段側に接続されている点で相違する。なお、第１実施形態と共通する構成要素には同一番号を付すとともに、必要がある場合を除いてその説明を省略する。

第１感圧素子５２及び第２感圧素子５４は第１実施形態の感圧素子と同一のものであり、それぞれ検出軸をダイアフラムの変位方向と平行となるように配置されている。第２感圧素子５４においては、第１の基部５４ａがボス部２０の側面２０ａに接続され、第２の基部５４ｂが固定部４６の側面４６ａに取り付けられる。

ハウジング１２内部において支持部材５６が内周部１８に接続され、または内周部１８（フランジ部１４）と一体に形成されている。支持部材５６は、その先端５６ａが第１感圧素子５２の第２の基部５２ｂと接続する位置にまで延びて形成される。そして支持部材５６の先端５６ａの側面５６ｂと固定部４６の側面４６ｂとが同一平面を形成するように設計されている。そして第１感圧素子５２においては、第１の基部５２ａが固定部４６の側面４６ｂに接続され、第２の基部５２ｂが支持部材５６の先端５６ａの側面５６ｂに接続される。

そして、第１感圧素子５２、第２感圧素子５４は、ワイヤー３４を介してハーメチック端子３２と電気的に接続され、ハーメチック端子３２は第１感圧素子５２、第２感圧素子５４を駆動させるとともに、第１感圧素子５２と第２感圧素子５４の共振周波数の差分を算出するＩＣ（不図示）に電気的に接続される。

第２実施形態の圧力センサー５０の組み立ては、基本的に第１実施形態と同様であるが、固定部４６をセンターシャフト４４に接続したのち、第２感圧素子５４を固定部４６の側面４６ａとボス部２０の側面２０ａに跨って接続し、第１感圧素子５２を固定部４６の側面４６ｂと支持部材５６の先端５６ａの側面５６ｂに跨って接続すればよい。

第２実施形態に係る圧力センサー５０の動作について説明する。なお第１実施形態と共通する作用効果等の説明は省略する。第１実施形態と同様に、ダイアフラム４０にかかるハウジング１２外部からの圧力が大気圧より高い場合は、ダイアフラム４０はハウジング１２の内側に変位し、逆に大気圧より低い場合は、ダイアフラム４０はハウジング１２の外側に変位する。

そして、ダイアフラム４０がハウジング１２の外側に変位すると、第１感圧素子５２は、センターシャフト４４を介してダイアフラム４０から引張応力を受け、第２感圧素子５４はセンターシャフト４４を介して圧縮応力を受けることになる。逆にダイアフラム４０がハウジング１２の内側に変位すると、第１感圧素子５２は圧縮応力を受け、第２感圧素子５４は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５２と第２感圧素子５４の共振周波数の差分を求めることによりダイアフラムの外部から印加される圧力を検出することができる。そして第１感圧素子５２、第２感圧素子５４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。

ここで、第１感圧素子５２の第２感圧素子５４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５２の共振周波数ΔＦ_１、第２感圧素子５４の共振周波数の変化ΔＦ_２は、

となる。ここで第１感圧素子５２および第２感圧素子５４は同等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７に数式８を代入し、第１感圧素子５２の共振周波数の変化ΔＦ_１と第２感圧素子５４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５２と第２感圧素子５４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。

ところで、上述のΔＦ_１（Ｔ）とΔＦ_２（Ｔ）は、感圧素子の実装状態等により厳密には一致しないため、これに起因して圧力測定値の誤差が発生する。すなわち、

である。数式１０を数式７に代入してΔＦ_１−ΔＦ_２の差分をとって変形すると、

となり、温度に依存した項が残存する。しかし、（Ａ_１−Ａ_２）、（Ｂ_１−Ｂ_２）、（Ｃ_１−Ｃ_２）、（Ｄ_１−Ｄ_２）は、第１実施形態と同様に検査工程において補正定数として算出することができる。そこで第１実施形態と同様に第２実施形態においても温度センサーを用いて、この圧力測定値の誤差を低減することができる。第２実施形態においては上述の温度センサー５８（図１参照）を用いることができる。すなわち、温度センサー５８の共振周波数Ｆｔから温度Ｔは上述の数式１のように定まるため、数式１で求められた温度Ｔを数式１１に代入してＦ_１（Ｐ）を求めることができる。

１０………圧力センサー、１２………ハウジング、１４………フランジ部、１６………外周部、１８………内周部、１８ａ………取り付け穴、１８ｂ………外周、２０………ボス部、２０ａ………側面、２２………開口部、２４………貫通孔、２６………支持シャフト、２８………天板部、２８ａ………取り付け穴、２８ｂ………圧力導入口、２８ｃ………外周、２８ｄ………封止孔、３０………側面部、３２………ハーメチック端子、３４………ワイヤー、３６………チューブ、３８………液体、４０………ダイアフラム、４２………感圧素子、４２ａ………第１の基部、４２ｂ………第２の基部、４２ｃ………感圧部、４４………センターシャフト、４６………固定部、４６ａ………側面、４６ｂ………側面、４８………圧着封止管、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、５２ｃ………振動腕、５４………第２感圧素子、５４ａ………第１の基部、５４ｂ………第２の基部、５４ｃ………振動腕、５６………支持部材、５６ａ………先端、５６ｂ………側面、５８………温度センサー、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、１３０………感圧素子、１４０………固定部材、１５０………圧力センサー、２００………圧力センサー、２０２………筐体、２０４………穴部、２０６………ダイアフラム、２０８………受圧面、２１０………センサー振動片。

Claims (8)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの開口部を封止し、受圧面で力を受けて前記受圧面に対して垂直方向に撓み変位する受圧手段と、
   前記ハウジングの内部において前記ハウジング側と前記受圧手段側の夫々に、両端が各々接続される感圧素子と、
   両端が開放され、前記ハウジングに形成された圧力導入口に一端が接続されたチューブと、
   前記チューブに導入され、前記チューブ内の前記一端側と他端側とを空間的に分離することにより前記ハウジングを気密封止し、前記ハウジング内の気圧が前記ハウジング外の気圧と等しくなるように前記チューブ内を移動可能な液体と、を有し、
   前記ハウジング内には、乾燥ガスが充填されたことを特徴とする圧力センサー。
2. 前記乾燥ガスは、ヘリウムであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記感圧素子は、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部とを有するとともに前記基部同士を結ぶ方向と平行な方向を検出軸とし、前記検出軸が前記受圧手段の変位方向と平行となるように配置され、
   前記一対の基部の一方の基部が前記受圧手段側に接続し、他方の基部が前記ハウジング側に接続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。
4. 前記感圧素子は、感圧部と前記感圧部の両端に接続された一対の基部とを有するとともに前記基部同士を結ぶ方向と平行な方向を検出軸とし、前記検出軸が前記受圧手段の変位方向と平行となるように配置された第１感圧素子と第２感圧素子であって、
   前記第１感圧素子は、前記受圧手段側の基部が前記受圧手段側に接続され、その反対側の基部が前記ハウジング側に接続され、
   前記第２感圧素子は、前記受圧手段側の基部が前記ハウジング側に接続され、その反対側の基部が前記受圧手段に接続された力伝達部材を介して前記受圧手段側に接続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。
5. 前記ハウジング内部に配置された温度センサーと、前記感圧素子と前記温度センサーに電気的に接続されたＩＣと、有し、
   前記ＩＣは、前記温度センサーから得られる温度の情報に基づいて、前記感圧素子の共振周波数の補正を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサー。
6. 音叉型圧電振動子で形成され、前記音叉型圧電振動子の振動片が前記ハウジング内に露出して配置された圧電振動素子と、前記感圧素子と前記圧電振動素子に電気的に接続されたＩＣと、有し、
   前記ＩＣは、前記感圧素子の共振周波数と前記圧電振動素子の共振周波数との差分に基づいて圧力を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
7. 前記チューブは、曲線状、または螺旋状に曲げられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力センサー。
8. 前記チューブの前記液体が移動する領域は水平に保たれていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力センサー。

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