JP2012103152A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】支持手段による副共振が感圧素子の主共振へ影響することを抑制できる圧力センサーの構造を実現することを目的としている。
【解決手段】容器の開口部２２を封止し、可撓部２４ｂと当該可撓部２４ｂの外側の周縁部２４ｃとを有し、前記可撓部２４ｂが力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、前記周縁部２４ｃに一端を固定し、他端を前記一端から前記可撓部の変位方向と平行に延出した複数の支持手段３２と、第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂとを有し、前記第１の基部４０ａと前記第２の基部４０ｂとを結ぶ方向が前記可撓部２４ｂの変位方向と平行となるように前記第１の基部４０ａと前記第２の基部４０ｂが配置され、前記第１の基部４０ａが前記可撓部２４ｂの内側の中央部２４ａに固定された感圧素子４０と、前記第２の基部４０ｂと、前記支持手段３２の前記他端とを接続する固定部３４と、を備え、前記支持手段３２に前記感圧素子４０よりもＱ値が低い緩衝部５０を配置したことを特徴とする圧力センサー。
【選択図】図１

Description

本発明は感圧素子、ダイアフラムを備え、ダイアフラムの変位に基づく感圧素子の周波数変化から圧力を検出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。このような構成の圧力センサーでは、板状の水晶基板上に、振動を励起可能な電極パターンを形成した感圧素子を備える。そして、力の検出方向に感圧素子の検出軸を合わせるように構成する。このような構成とすることで、検出軸の配置方向に力（圧力）が加えられることで感圧素子の励起する振動の共振周波数が変化することとなる。このため、共振周波数の変化を力に変換することで、加えられた圧力の検出が可能となる。

このような構成を基本とする圧力センサーとしては従来、特許文献１や特許文献２に開示されているようなものが知られている。特許文献１に開示されている圧力センサー１００は図９に示すように、気密ケース１０２と、第１、第２のベローズ１０４，１０６、圧電振動素子１０８、および発振回路１１０を基本として構成されている。気密ケース１０２は、円筒形の外殻を有すると共に、内部を真空または不活性な雰囲気とされている。第１、第２のベローズ１０４，１０６はそれぞれ、気密ケース１０２の外殻を構成する一対の端板に形成された貫通孔（圧力入力口１１２，１１４）を覆うように、気密ケース１０２内部に配置される。第１、第２のベローズ１０４，１０６間には、振動子接着台座１１６が設けられる。圧力入力口１１２，１１４から付与される圧力に応じて伸縮する第１、第２のベローズ１０４，１０６間に配置された振動子接着台座１１６は、第１、第２のベローズ１０４，１０６の伸縮に応じて端板間を移動することとなる。圧電振動素子１０８は、気密ケース１０２を構成するいずれか一方の端板と、振動子接着台座１１６との間に配置され、振動子接着台座１１６の移動に伴う応力により、共振周波数が変化する構成とされている。発振回路１１０は、圧電振動素子１０８を構成する励振電極と電気的に接続されており、圧電振動素子１０８を励振させると共に、励起される振動の検出を行う。そして、検出された振動の共振周波数の変化により、第１、第２のベローズ１０４，１０６間に付与された圧力の差圧の検出が可能となる。

また、特許文献２に開示されている圧力センサー２００は、図１０に示すように、基体２０２と、シリコン構造体２０４とを基本として構成されている。基体２０２は、主面上に、金属薄膜からなる電極２０６と、この電極２０６を覆うように形成された誘電体膜２０８とを有する。シリコン構造体２０４は、圧力に応じて変形可能な、導電性を有するダイアフラム２１０を有し、ダイアフラム２１０と電極２０６とを対向させた際、両者の間に隙間２１２が生ずるようにして、基体２０２の主面に接合されている。このような構成の圧力センサー２００では、ダイアフラム２１０が圧力を受けて変形した際、基体２０２の誘電体膜２０８と接触する接触面積の変化によって生ずる静電容量の変化を検出することにより、ダイアフラム２１０に付与された圧力を検出することが可能となる。

特許文献１、２に開示されている圧力センサーでは、それぞれ差圧や絶対圧を検出することが可能となる。しかし、各圧力センサーには次のような構成上の問題があった。すなわち、特許文献１に開示されている圧力センサーには、気密ケースと圧電振動素子との線膨張率の違いによって生ずる検出圧力の誤差が大きいという問題がある。また、特許文献２に開示されている圧力センサーには、ダイアフラムの自重による撓みによって生ずる検出圧力の誤差といった問題がある。

このような問題に対し本願出願人は、線膨張率の違いや自重の影響によって生ずる誤差を抑制し、高精度な圧力検出を可能とする圧力センサーとして、特許文献３に示す圧力センサー３００を提案している。特許文献３に開示した圧力センサー３００は、図１１に示すように、圧電振動素子３０２と、この圧電振動素子３０２を収容するハウジング３０４、およびハウジング３０４の一端に設けたダイアフラム３０６を基本として構成される。ハウジング３０４は、ダイアフラム３０６と対向する他端を封止され、内部を真空または不活性な雰囲気とされる。ダイアフラム３０６は、中央領域３０８と可撓領域３１０、および外周領域３１２を備え、可撓領域３１０の内周側に位置する中央領域３０８が感圧部として機能する構成とされる。圧電振動素子３０２は、振動部３１４と振動部３１４の両端に一対の基部を備えることを基本として構成されている。圧電振動素子３０２は、第１の基部３１６ａをダイアフラム３０６における中央領域３０８に接続すると共に、第２の基部３１６ｂから延設された接続部３１８が、ダイアフラム３０６における外周領域３１２に設けられたハーメ端子３２０に接続され、外部との電気的導通がとられる構成とされている。このような構成の圧力センサー３００によれば、圧電振動素子３０２の両端がダイアフラム３０６に接続されることとなるため、線膨張係数の違いにより生ずる検出圧力の誤差を抑制することができる。

特開２００７−５７３９５号公報 特開２００２−２１４０５８号公報 特開２０１０−４８７９８号公報

特許文献３に開示したような構成の圧力センサーであれば確かに、線膨張係数の違いに起因した検出圧力の誤差や、自重によるダイアフラムの撓みに起因した検出圧力の誤差を抑制し、高精度な圧力検出を可能とすることができる。

しかしながら、このような支持手段と感圧素子は材質が同じであることと、かつ長手方向の寸法が同じ条件となるために、前記感圧素子の共振周波数と前記支持手段の固有振動の周波数が近似的に一致することに起因してカップリングを起こし共振特性が変化してしまうという問題があった。このためお互いの共振周波数が近接しないように設計することが必要となり、それに伴って高精度な組立てが必要とされることになり、製造工程上厳格な管理が必須となってしまうという問題があった。

そこで本発明は上記従来技術の問題点を解決するため、支持手段による副共振が感圧素子の主共振へ影響することを抑制できる圧力センサーの構造を実現することを目的としている。

［適用例１］容器の開口部を封止し、可撓部と当該可撓部の外側の周縁部とを有し、前記可撓部が力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、前記周縁部に一端を固定し、他端を前記一端から前記可撓部の変位方向と平行に延出した複数の支持手段と、第１の基部と第２の基部とを有し、前記第１の基部と前記第２の基部とを結ぶ方向が前記可撓部の変位方向と平行となるように前記第１の基部と前記第２の基部が配置され、前記第１の基部が前記可撓部の内側の中央部に固定された感圧素子と、前記第２の基部と、前記支持手段の前記他端とを接続する固定部と、を備え、前記支持手段に前記感圧素子よりもＱ値が低い緩衝部を配置したことを特徴とする圧力センサー。
上記構成による支持手段に緩衝部を配置することにより、感圧素子の振動とともに発生する支持手段の振動を吸収するバッファーとしての役割を果たし、感圧素子の振動に影響を与えず、振動漏れを抑制することができる。

［適用例２］前記緩衝部の粘性係数は、１．８×１０^−４Ｐａ・ｓよりも大きいことを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
上記構成により振動漏れを逓減させることができる。

［適用例３］前記緩衝部のヤング率Ｅ１は、圧電振動子のヤング率をＥ２としたときＥ１＜１０^−３Ｅ２の関係を満たすことを特徴とする適用例１又は適用例２に記載の圧力センサー。
上記構成により温度特性の劣化を防止することができる。

［適用例４］前記支持手段は、前記緩衝部を充填する凹部を有することを特徴とする適用例ないし適用例３のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成によれば、支持手段と緩衝部の接触面積が増えて支持手段に形成する緩衝部の量を増加させることができる。

［適用例５］前記支持手段は、緩衝部を充填する貫通孔を有することを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成によれば、支持手段に形成する緩衝部の量を増加させることができる。また支持手段に外力が作用しても緩衝部が剥れるおそれがない。

［適用例６］前記感圧素子と、前記支持手段と、前記固定部は一体であり、前記第１の基部と、前記周縁部に接続される前記支持手段の端部とが、前記可撓部の変位方向と直交する方向に同一線上に並ぶように配置されたことを特徴とする適用例１ないし適用例５のいずれか１例に記載の圧力センサー。
上記構成によれば、部品点数及び製造工程を削減し、コストの低減化を図ることができる。

第１実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 （ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図２（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である（ハウジングを除く）。 空気中におけるＤＩＰの説明図である。 変形例１の支持手段の説明図であり、（１）は側面図を示し、（２）Ａ−Ａ断面を示している。 変形例２の支持手段の説明図であり、（１）は側面図を示し、（２）Ｂ−Ｂ断面を示している。 第２実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 （ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図２（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である（ハウジングを除く）。 第３実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。 特許文献１に開示された圧力センサーの模式図である。 特許文献２に開示された圧力センサーの模式図である。 特許文献３に開示された圧力センサーの模式図である。

以下、本発明に係る圧力センサーの実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。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面で切断した断面図、図２（ｂ）はＸＹ面で切断した断面図である（ハウジングを除く）。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、感圧素子４０、支持手段３２、固定部３４、緩衝部５０を有している。そして圧力センサー１０は、例えばハウジング１２内部を大気開放した場合には、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。またハウジング１２内を真空封止した場合には、真空を基準とした絶対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が接続されており、ダイアフラム２４はハウジング１２の一部を形成することになる。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（不図示）が取り付けられている。このハーメチック端子は、後述の感圧素子４０の電極部（不図示）と、感圧素子４０を発振させ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）とをワイヤー（不図示）を介して電気的に接続することができる。なお上述の液圧センサーとして用いる場合は、フランジ部１４には、大気導入口１４ｄ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。側面部２０の両端を夫々、フランジ部１４の内周部１４ｂの外周、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感圧素子４０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部２４ａと、前記中央部２４ａの外周にあり、前記中央部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部２４ｂと、前記可撓部２４ｂの外側、即ち前記可撓部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、中央部２４ａは圧力を受けても変位しないものとする。ダイアフラム２４の中央部２４ａであって、受圧面の反対側の面には後述の感圧素子４０の長手方向（検出軸方向）の一端（第１の基部４０ａ）と接続される。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い。例えば金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成すればよい。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。ダイアフラム２４の中央部２４ａには第１の支持台３０、周縁部２４ｃには後述する支持手段３２が接続されている。中央部２４ａに接続された第１の支持台３０には感圧素子４０の第１の基部４０ａが接続される。なお第１実施形態の第１の支持台３０は受圧手段となるダイアフラム２４と同質の材料、すなわち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で形成されている。

感圧素子４０は、感圧部となる振動腕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を有し、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されている。第１の基部４０ａは第１の支持台３０の側面に接続されるとともに、中央部２４ａに当接させている。また、第２の基部４０ｂは後述する固定部３４に接続させている。そして感圧素子４０の振動腕４０ｃ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。よって、感圧素子４０は、その長手方向（Ｚ軸方向）、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（Ｚ軸方向）と同軸または平行になるように配置され、その変位方向が検出軸となっている。そして感圧素子４０は第１の支持台３０及び固定部３４により固定されているため、感圧素子４０はダイアフラム２４の変位による力を受けても、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、感圧素子４０が検出軸方向以外の方向に動くことを阻止して、感圧素子４０の検出軸方向の感度の低下を抑制することができる。

感圧素子４０は、ハーメチック端子（不図示）及びワイヤー（不図示）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４０は、その長手方向（Ｚ軸方向）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）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、上述の圧電材料のうち、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用としては温度特性に優れた水晶を用いることができる。

支持手段３２は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂを支持するため、感圧素子４０と同じ長さに設定された支持棒である。支持手段３２は、感圧素子４０と同質の材料、即ち水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料であって、同寸法で形成されている。支持手段３２は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂを中心として対称（ＹＺ面を中心として線対称）に両端から支持するため、複数本（本実施形態では２本）用いている。支持手段３２は一端３２ａをダイアフラム２４の周縁部２４ｃに対して交差するように固定し、他端３２ｂを一端３２ａから感圧素子４０の変位方向（Ｚ軸方向）と平行に延出して、他端３２ｂを後述する固定部３４に固定している。支持手段３２の一端３２ａはダイアフラム２４の周縁部２４ｃから立設させた第２の支持台３３に接着させて固定している。第２の支持台３３は第１の支持台３０と同様に、受圧手段となるダイアフラム２４と同質の材料、すなわち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で形成されている。なお支持手段３２は断面矩形とし、第２の支持台３３及び後述する固定部３４と接着する際の接着面積を広く取れるように構成している。

固定部３４は、感圧素子４０の第２の基部４０ｂと、支持手段３２の他端３２ｂと接着して、感圧素子４０及び支持手段３２の長手方向がダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と平行になるように固定する部材である。固定部３４は、ダイアフラム２４と同質の材料、すなわち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を用いている。固定部３４はステンレスなど剛性を備えた部材を接続して形成しているため、所定の強度を備えており、圧力が印加されたことによるダイアフラム２４の変形に伴って変形することがない。

本実施形態においては、感圧素子４０は、その長手方向の両端（第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂ）が結果的に固定部３４及び支持手段３２を介してダイアフラム２４側に接続されている。これにより、ハウジング１２から感圧素子４０への熱歪みを低減することができる。具体的には感圧素子４０と支持手段３２は同質材料で形成されているので、温度変化に伴う検出軸方向の膨張・収縮の割合が同一となる。よって温度変化による検出軸方向の膨張・収縮において、感圧素子は支持手段３２からの熱歪みが低減される。また固定部３４は受圧手段と同じ材質を用いているため、受圧手段と、感圧素子４０の検出軸方向と垂直な方向の成分との間で熱歪みが発生することがなく、この熱歪みを感圧素子が受けることがない。

緩衝部５０は、感圧素子４０よりもＱ値が小さい材質を備え、支持手段３２の表面に配置している。前述のように支持手段３２は、感圧素子４０となる双音叉型振動子と同質の材料となる水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用い、長手方向の長さが同じになるように設定している。しかし感圧素子が振動すると、同じ材質及び長さの支持手段３２も振動して、感圧素子４０の第２の基部４０ｂから固定部３４へと伝わって振動漏れがさらに強く生じてしまうことになる。

そこで支持手段３２に感圧素子４０よりもＱ値の低い材質からなる緩衝部５０を形成することにより、振動漏れの振動を減少させるダンピング効果によって支持手段３２の振動と感圧素子４０の振動が共振することを抑制している。

具体的に本実施形態に適用可能な緩衝部５０は、その材質を次のように設定している。まず一般に温度２０℃で１気圧の空気の粘性係数は、１．８×１０^−５Ｐａ・ｓである。真空中と温度２０℃で１気圧の空気とでは、温度２０℃で１気圧の空気のほうがＱ値が１／１０となる。

図３は空気中におけるＤＩＰの説明図である。同図横軸は圧力（ｋＰａＧ）、縦軸は誤差（水位１０ｍに対する％）を示している。図示のように圧力８０ｋＰａＧから１００ｋＰａＧの間で±３％の幅が生じており、このときの空気中のＤＩＰの半値幅は約１０ｋＰａである。この半値幅を測定範囲１００ｋＰａよりも広くとる場合には、減衰を温度２０℃で１気圧における空気の粘性係数の１０倍にする必要がある。そうすると緩衝部５０の粘性係数は、１．８×１０^−４Ｐａ・ｓよりも大きい粘性係数となる材質を適用すればよい。粘性係数が高いと摩擦抵抗が増加して、Ｑ値が低くなる。このような１．８×１０^−４Ｐａ・ｓよりも大きい粘性係数の緩衝部５０は感圧素子４０よりもＱ値が小さくなる。ここで１．８×１０^−４Ｐａ・ｓよりも大きい粘性係数として水：８．９×１０^−４Ｐａ・ｓ、グリセリン：１４．９×１０^−４Ｐａ・ｓ、ポッティングゲル：３×１０^３×１０^−４Ｐａ・ｓがあげられる。

また適用可能な緩衝部５０の熱膨張の影響が感圧素子の温度特性に作用すると精度が劣化してしまうという問題がある。そこでヤング率に一定の制限が必要となる。
緩衝部５０の伸びは、仮にポッティングゲルを適用した場合の熱膨張係数を１０^−４〜１０^−３ｐｐｍ／℃とし、使用温度範囲を−２０℃〜８０℃の１００℃とすると、熱膨張係数と温度幅の積で表すことができる。そうすると１０^−２〜１０^−１ｐｐｍとなる。

ここで圧力センサーの測定における許容誤差としては、圧電振動子の伸びの場合、約１０^−４ｐｐｍであることが実測値として認識されている。よって緩衝部の伸びの影響は１０^−４ｐｐｍ／１０^−１ｐｐｍ＝１０^−３まで減少させる必要があることになる。そこで緩衝部５０の伸びの影響を１０^−３以下にするためには、緩衝部５０のヤング率を圧電振動子の１０^−３以下にする必要がある。従って緩衝部５０のヤング率Ｅ１は圧電振動子のヤング率をＥ２とした場合、

の関係を満たせばよい。上記関係の緩衝部５０のヤング率Ｅ１は、圧力センサーの温度特性を劣化させることがない。
本実施形態ではポッティングゲルの一例としてシリコン樹脂を用いて以下説明する。上記構成による緩衝部５０は次にように形成している。支持手段３２の端部（３２ａ、３２ｂ）の接着箇所以外に緩衝部５０となるシリコン樹脂を全面に塗布する。そしてシリコン樹脂が硬化する所定の温度で加熱して緩衝部５０を形成する。

なお緩衝部５０を形成する箇所は、ダイアフラム２４からの変位が最初に伝わる箇所となる支持手段３２とダイアフラム２４が接続する他端３２ａ側や、支持手段３２が振動する際に最も応力が作用する支持手段３２の中央部に少なくとも形成することが望ましい。

第１実施形態の圧力センサー１０の製造は次のように行う。まず予め支持手段３２の表面に緩衝部５０を形成する。緩衝部５０の形成は、支持手段３２の端部（３２ａ、３２ｂ）の接着箇所以外に緩衝部５０となるシリコン樹脂を全面にスプレー又は印刷などで塗布する。そしてシリコン樹脂が硬化する所定の温度で加熱して緩衝部５０を形成する。

次にリング部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の中央部２４ａに第１の支持台３０を、周縁部２４ｃに第２の支持台３３をそれぞれ接続する。接続方法は、接着剤等の固定剤又はレーザー溶接、アーク溶接、ろう付けなどにより接続することができる。

そして、感圧素子４０の第１の基部４０ａを第１の支持台３０の側面に接続し、第２の基部４０ｂを固定部３４に接続する。接続方法は接着材等により接続することができる。

また支持手段３２の一端３２ａを第２の支持台の側面に接続し、他端３２ｂを固定部３４に接続する。接続方法は、接着剤等の固定剤又はレーザー溶接、アーク溶接、ろう付けなどにより接続することができる。

そしてリング部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（不図示）のハウジング１２内部側と感圧素子４０の電極部（不図示）とをワイヤー（不図示）により電気的に接続する。このときハーメチック端子（不図示）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側から差し込んでフランジ部１４の外周及びリング部１６の外周１６ｂにそれぞれ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が製造される。なお圧力センサー１０を、真空を基準とした絶対圧を測定する圧力センサーとする場合は、大気導入口１４ｄを形成せず、真空中で圧力センサー１０を組み立てればよい。

次に第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の中央部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部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の中央部２４ａがハウジング１２の外側に変位すると、感圧素子４０は、中央部２４ａと、支持手段３２により引張応力を受ける。逆に中央部２４ａがハウジング１２の内側に変位すると、感圧素子４０は、中央部２４ａと支持手段３２により圧縮応力を受けることになる。

さらに、圧力センサー１０において、温度変化があった場合、圧力センサー１０を構成するハウジング１２、ダイアフラム２４、支持手段３２、固定部３４、感圧素子４０等はそれぞれの熱膨張係数に従って膨張・収縮することになる。しかし、上述のように感圧素子４０は検出軸方向の両端が全てダイアフラム２４側に接続されているので、ハウジング１２のＺ軸方向の膨張・収縮に起因する熱歪みは低減される。

また感圧素子４０とダイアフラム２４との熱膨張係数の違いにより、温度変化による検出軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の膨張・収縮により、感圧素子４０は支持手段３２を介してダイアフラム２４から熱歪みを受けることになる。しかしＸ軸方向に配置している固定部３４はダイアフラム２４と同一材料を用いている。このため感圧素子４０に掛かる熱歪みの量を低減して、温度変化に伴う圧力値の誤差を低減した圧力センサー１０となる。

また支持手段３２に感圧素子４０よりもＱ値が低い緩衝部５０を形成したことにより、感圧素子の振動とともに発生する支持手段の振動を吸収するバッファーとしての役割を果たし、感圧素子の振動に影響を与えず、振動漏れを抑制することができる。

図４は変形例１の支持手段の説明図であり、（１）は側面図を示し、（２）Ａ−Ａ断面を示している。変形例１の支持手段６０は、緩衝部５０を形成する箇所に凹部６２を形成している。図３に示す支持手段６０は、図示のように、支持手段６０の側面に２つの凹部６２を形成している。このような構成の支持手段６０によれば、緩衝部５０を形成する際に凹部６２の中にも緩衝部５０が形成されるため、緩衝部５０との接触面積が増え、形成量を増加させることができる。

図５は変形例２の支持手段の説明図であり、（１）は側面図を示し、（２）Ｂ−Ｂ断面を示している。変形例２の支持手段７０は、緩衝部５０を形成する箇所に貫通孔７２を形成している。このような構成の支持手段７０によれば、緩衝部５０を形成する際に貫通孔７２の中にも緩衝部５０が形成されるため、緩衝部５０の形成量を変形例１の支持手段６０よりも増加させることができる。また支持手段に外力が作用しても緩衝部が剥れるおそれがない。

図６は第２実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。図示のように第２実施形態に係る圧力センサー８０は、基本構成は第１実施形態の圧力センサー１０と同じでるが、図示のように感圧素子４０と固定部３４と支持手段３２を一体的に形成しているフレーム部８２を備えている点で相違する。その他の構成は第１実施形態の圧力センサー１０と同一の構成及び同一の効果であり、その詳細な説明を省略する。

フレーム部８２は、第１実施形態の支持手段３２と固定部３４に相当する一対の支持手段３２と、固定部３４と、を感圧素子４０と同一の水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用いて、感圧素子４０と共に一体で門型に形成されている。このとき一対の支持手段３２及び感圧素子４０は、長手方向がダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と平行となるように固定部３４に接続されている。また一対の支持手段３２の端部３２ａと、感圧素子４０の第１の基部４０ａは同一直線上に並ぶように配置され、結果的に支持手段３２と、固定部３４と、感圧素子４０が同一平面上に形成されている。そしてフレーム部８２の支持手段３２の表面には第１実施形態と同様に緩衝部５０を形成している。なおフレーム部８２の製造は、水晶などの母基材に対してフォトリソ・エッチング加工により一体形成することができる。なお、図４、５に示すような支持手段６０、７０の側面に凹部６２又は貫通孔７２をフレーム部８２に適用する構成としてもよい。

このような第２実施形態の圧力センサーによれば、支持手段３２に感圧素子４０よりもＱ値が低い緩衝部５０を形成したことにより、感圧素子の振動とともに発生する支持手段の振動を吸収するバッファーとしての役割を果たし、感圧素子の振動に影響を与えず、振動漏れを抑制することができる。また部品点数及び製造工程を削減し、コストの低減化を図ることができる。

図８は第３実施形態に係る圧力センサーの一部を露出させた斜視図である。第３実施形態に係る圧力センサー９０は、感圧素子９２にＡＴカット水晶振動片を用いている。その他の構成は第１実施形態の圧力センサー１０と同一の構成及び同一の効果であり、その詳細な説明を省略する。ここでは第１実施形態に本実施形態を適用した構成で説明するが、第２実施形態に対しても適用することができる。ＡＴカット水晶振動片は、水晶基板をＸ軸に平行でＺ軸から３５度１５分付近の角度に切り出した所謂ＡＴカット水晶チップからなる。このＡＴカット水晶片の両主面には一対の励振電極９４が設けられている。ＡＴカット水晶振動片は、一般に音叉型水晶振動片と比べて共振周波数が高いので、測定速度が速く高速測定が可能となる。従って速やかな圧力測定が求められるタイヤ圧用の圧力センサーに適用することができる。

１０………圧力センサー、１２………ハウジング、１４………フランジ部、１４ａ………外周部、１４ｂ………内周部、１４ｃ………穴、１４ｄ………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………中央部、２４ｂ………可撓部、２４ｃ………周縁部、３０………第１の支持台、３２………支持手段、３３………第２の支持台、３４………固定部、４０………感圧素子、４０ａ………第１の基部、４０ｂ………第２の基部、４０ｃ………振動腕、５０………緩衝部、６０………支持手段、６２………凹部、７０………支持手段、７２………貫通孔、８０………圧力センサー、８２………フレーム部、９０………圧力センサー、９２………感圧素子、９４………励振電極、１００………圧力センサー、１０２………気密ケース、１０４………第１のベローズ、１０６………第２のベローズ、１０８………圧電振動素子、１１０………発振回路、１１２，１１４………圧力入力口、１１６………振動子接着台座、２００………圧力センサー、２０２………基体、２０４………シリコン構造体、２０６………電極、２０８………誘電体膜、２１０………ダイアフラム、２１２………隙間、３００………圧力センサー、３０２………圧電振動素子、３０４………ハウジング、３０６………ダイアフラム、３０８………中央領域、３１０………可撓領域、３１２………外周領域、３１４………振動部、３１６ａ………第１の基部、３１６ｂ………第２の基部、３１８………接続部、３２０………ハーメ端子。

Claims (6)

1. 容器の開口部を封止し、可撓部と当該可撓部の外側の周縁部とを有し、前記可撓部が力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、
   前記周縁部に一端を固定し、他端を前記一端から前記可撓部の変位方向と平行に延出した複数の支持手段と、
   第１の基部と第２の基部とを有し、前記第１の基部と前記第２の基部とを結ぶ方向が前記可撓部の変位方向と平行となるように前記第１の基部と前記第２の基部が配置され、前記第１の基部が前記可撓部の内側の中央部に固定された感圧素子と、
   前記第２の基部と、前記支持手段の前記他端とを接続する固定部と、
   を備え、
   前記支持手段に前記感圧素子よりもＱ値が低い緩衝部を配置したことを特徴とする圧力センサー。
2. 前記緩衝部の粘性係数は、１．８×１０^−４Ｐａ・ｓよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記緩衝部のヤング率Ｅ１は、圧電振動子のヤング率をＥ２としたとき
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力センサー。
4. 前記支持手段は、前記緩衝部を充填する凹部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
5. 前記支持手段は、緩衝部を充填する貫通孔を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
6. 前記感圧素子と、前記支持手段と、前記固定部は一体であり、前記第１の基部と、前記周縁部に接続される前記支持手段の端部とが、前記可撓部の変位方向と直交する方向に同一線上に並ぶように配置されたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の圧力センサー。

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