JP2718565B2 - 圧力検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミック製圧力検出器に関するものであ
る。

［従来の技術］ この種の圧力検出器としては静電容量型のものや抵抗
変化型のものが知られており、前者は、ダイヤフラム及
び基板上にそれぞれ電極を形成し、圧力によりダイヤフ
ラムを形成させることによって電極間に生じた静電容量
に変化を生じさせ、圧力と静電容量とか相関することを
利用して圧力を検出するようにされている。

その具体例としては例えば特開昭59-214727号公報ま
たは特開昭59-148843号公報に記載のものを挙げること
ができ、それにおいては添付図面の第12図に示すように
セラミック製ダイヤフラムＡとセラミック製基板Ｂとの
対向する面上にそれぞれ薄膜電極Ｃ、Ｄが形成され、セ
ラミック製ダイヤフラムＡの周縁部をセラミックス製基
板ＢにガラスＥにより所定の間隔を隔てて接着してい
る。

このような構造の圧力検出器の動作においては、セラ
ミック製ダイヤフラムＡの外表面側に被測定圧力が作用
するように設定され、被測定圧力の作用でセラミック製
ダイヤフラムＡは変形し、それによりダイヤフラムＡの
内側表面に形成された電極Ｃがセラミック製基板Ｂに形
成された電極Ｄに対して変位することによってこれら電
極間の容量が変化し、この容量の変化から圧力を検出し
ている。

同様な構造の静電容量型圧力検出器の従来例としては
他に実開昭58-80540号公報、実開昭59-42938号公報及び
実開昭60-51444号公報等に記載のものを挙げることがで
きる。

一方、抵抗変化型圧力検出器は、ダイヤフラム上に抵
抗体を形成し、圧力によるダイヤフラムの変形に応じて
変化する抵抗体の抵抗値に基いて圧力を検出するように
されている。

ところで、このような従来のセラミック製圧力検出器
においては、個別に成形、焼成したダイヤフラムを基板
にガラス等で接合する構造であるため、ガラス等の接合
材とダイヤフラムまたは基板との間の熱膨脹係数の違い
により、圧力測定を繰返していくうちにガラス等の接合
材の強度が低下して圧力検出器の耐圧性が低下するとい
う欠点があった。

また圧力検出器が比較的高温雰囲気で使用される場合
には、ガラス等の接合材とダイヤフラムまたは基板との
間の熱膨脹係数が違うことにより、実際には圧力が作用
していなくてもダイヤフラムが変形する恐れがあり、そ
のため誤検出や検出誤差が生じるという欠点があった。

このような欠点を解消するため、特開昭63-292032号
公報や特公昭63-9174号公報に開示されているようにダ
イヤフラムと基板との間に所定の空間を形成するため焼
成の加熱により昇華する物質から成る介装体を挟み込ん
で一体焼成することが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、このような一体焼成体から成る圧力検出器
では、その製造時にダイヤフラムと基板との間に所定の
空間を形成するために挿入される介装体として用いられ
る材料は比較的高価であり、しかも形成すべき空間の寸
法に合わせて予め所定の形状に成形しておく必要があ
り、またダイヤフラムと基板との一体焼成時にこのよう
な介装体を完全に昇華、消失させるために比較的長い加
熱時間が必要であり、そのため製造工程が繁雑化し、コ
ストが高くつく等の問題がある。

このような従来技術のもつ問題点を解決するため、本
発明者は、先に出願した特願平2-221370号に開示したよ
うに、ダイヤフラムに焼成収縮率の小さいセラミック材
料を使用し、基板にはダイヤフラムのセラミック材料よ
りも大きな焼成収縮率をもつセラミック材料を使用し、
焼成時にこれら焼成収縮率の差によりダイヤフラムと基
板との間に空洞部を生じるようにした圧力検出器を提案
した。しかし、この先に提案した圧力検出器では、形成
すべき空洞部の寸法等に応じてダイヤフラム及び（また
は）基板に要求される焼成収縮率を得るためには、それ
に適した成分及び組成比をもつ特別な材料を開発する必
要があるという新たな問題が生じてきた。

そこで、本発明は、このような材料についての問題を
解決して、既存のセラミック材料を利用して所要の寸法
の空洞部を容易に形成できる圧力検出器を提供すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の圧力検出器
は、未焼成セラミック材料から成る基板の表面に、焼成
収縮率が上記基板の材料より小さい未焼成セラミック材
料から成るダイヤフラムを積層し、基板の周辺部分に上
記ダイヤフラムを接着して、これらを同時焼成すること
により上記接着部を一体化し、焼成時の焼成収縮率の差
によって上記ダイヤフラムと基板との間に空洞を形成
し、さらに上記ダイヤフラムと基板のいずれか一方また
は両方に焼成収縮率を調整し得る補正用セラミック厚膜
層を積層して成ることを特徴としている。

圧力検出素子は少なくともダイヤフラムに設けること
により圧力測定をすることができる。また静電容量型の
圧力検出器として実施する場合には、ダイヤフラムと基
板との間の空洞を挟んでダイヤフラム及び基板に設けら
れた一対の電極から成ることができ、さらにまた抵抗変
化型圧力検出器として実施する場合にはダイヤフラムの
外面に形成した抵抗体から成ることができる。いずれの
場合も未焼成セラミック材料に圧力検出素子を設け、一
体焼成により形成することにより、セラミックと圧力検
出素子との密着を強固にすることができる。ただし、圧
力検出素子が抵抗体である場合には、抵抗体の焼成時に
おける酸化等の問題を避けるために一体焼成後に抵抗体
のみを設けるのが好ましい。

［作用］ このように構成した本発明の圧力検出器においては、
ダイヤフラム及び（または）基板に、これらとは焼成収
縮率の相異なるセラミック厚膜層を一層以上積層するこ
とによって、ダイヤフラム及び（または）基板に、それ
らのほぼ中間値の焼成収縮率をもつものが得られる。従
って、要求される焼成収縮率に応じて個々のセラミック
材料を開発する必要がなく、既知の焼成収縮率をもつセ
ラミック層を積層してその中間の焼成収縮率を得ること
ができるので、ダイヤフラム及び基板の焼成収縮率をき
め細かく調整することができ、所要の大きさの空洞を容
易に形成することができる。

さらに、セラミック厚膜層を設けることにより、所望
の収縮率を有していない未焼成セラミックのダイヤフラ
ム及び基板の収縮率を微調整することができる。

［実施例］ 以下、添付図面の第１図〜第11図を参照して本発明の
実施例について説明する。

第１図及び第２図には本発明の一実施例が示され、１
は焼成収縮率16.7％の組成をもつ純度92％のAl₂O₃材料
から成る厚さ0.80mmのグリーンシートの基板、２は基板
１と同じセラミック材料であるが焼成収縮率が基板より
小さい15.3％の組成をもつ厚さ0.10mmのグリーンシート
から成るダイヤフラムである。ダイヤフラム２の下面に
は、未焼成セラミックと有機バインダーとから成るセラ
ミック含有ペースト（焼成収縮16％）をスクリーン印刷
法により30μｍの厚さに印刷して厚膜層３が形成されて
いる。基板１の上面及びそのダイヤフラム２の下面に形
成された厚膜層３上にはそれぞれ圧力検出素子を成すPt
製の円形状の電極４、５がそれぞれスクリーン印刷法に
より厚さ15μｍに形成されている。これらの円形状の電
極４、５から図示されたように一辺部に向かって端子4
a、5aがのびており、また基板１上には、基板１上にダ
イヤフラム２を積層した際にダイヤフラム２の電極５の
端子5aに結合される端子4bが形成されている。

その後、それの円形状の電極部分５を除いた面部分、
好ましくは電極の周りの周辺部分に相当する基板１上に
基板１と同質の材料から成り有機系バインダを添加した
未焼成セラミックペーストがスクリーン印刷法により厚
さ30μｍに印刷される。

そして、印刷されたセラミックペーストが乾かないう
ちに基板１上に電極４、５とを対向させてダイヤフラム
２を積層し、こうして得られた積層体は250℃で樹脂抜
きした後1550℃の温度で大気圧雰囲気中で焼成される。
その結果第２図に断面図で示されるように電極４、５間
に基板１とダイヤフラム２の収縮率の差により空間６が
形成され、そして基板１とダイヤフラム２はそれらの周
辺部において堅固に接合される。この場合、厚膜層３は
ダイヤフラム２の焼成収縮を調整して基板１とダイヤフ
ラム２との間に形成される空洞６を所望の寸法にするよ
うに作用する。

第３図及び第４図は本発明の別の実施例を示し、第１
図及び第２図と対応した部分は同じ符号で示す。この実
施例では、電極５はダイヤフラム２の下面に形成され、
その上からセラミック厚膜層３が形成されている。その
他の構成及び製造工程は第１図及び第２図の実施例と実
質的に同じである。

第５図及び第６図には本発明の更に別の実施例が示さ
れ、第３図及び第４図の実施例の場合と同様に前記各実
施例の装置と対応した部分は同じ符号で示す。

この実施例においては、基板１の表面には厚膜層３′
が厚さ50μｍの焼成収縮16％を有するグリーンシートと
して形成されている。そして電極４は、基板１上に形成
された厚膜層３′と基板１との中間層の所にてダイヤフ
ラム２における電極５に対応して位置するように形成さ
れている。厚膜層３′は基板１の焼成収縮を調整して基
板１とダイヤフラム２との間に形成される空洞６を所望
の寸法にするように作用する。

第７図及び第８図は、電極５をダイヤフラム２の外面
上に設け、その上にダイヤフラム２と同じ材質の保護層
７を設けた構成の実施例を示している。この実施例で
は、ダイヤフラム２は厚さ50μｍに形成され、そしてそ
の下面には第１図及び第２図の実施例の場合と同様にし
てセラミック厚膜層３が形成されている。さらに本実施
例では基板１の裏面にセラミック厚膜層８が形成され、
このセラミック厚膜層８は焼成後に生じる反りを防止す
るためのものであり、先の第１図〜第６図に示す実施例
にも適用できる。上記保護層７は、ダイヤフラム２の上
にダイヤフラム２上の電極５の汚染物質による汚染や電
極の劣化を防ぐため厚さ50μｍに形成されている。

上記の各実施例において焼成により内部に形成される
空洞の大きさは、上述のように基板１及びダイヤフラム
２に使用する未焼成セラミック材料の組成すなわち含有
量や粒度を適当に選択し、さらに二者間の焼成収縮率を
もつセラミック厚膜を設けることにより所望のように設
定することができる。

このように構成した圧力検出器を第12図に示すような
従来構造のものと構造上の強度を比較するため、電気炉
で600℃に10分、室温で10分の冷熱サイクルテストを100
0回繰返し行った結果、第12図に示す構造のものは200サ
イクルで接合部のガラスＥに亀裂が生じたが、本発明に
よるものでは何の変化も認められなかった。

ところで、図示実施例では、圧力検出素子として基板
及びダイヤフラムにそれぞれ電極を設け、これらの電極
間の容量の変化として圧力を検出する容量変化型圧力検
出器について説明してきたが、各実施例において基板及
びダイヤフラムに電極を設ける代わりに、ダイヤフラム
上に圧力検出素子として抵抗体を形成し、その抵抗の変
化として圧力を検出するように構成することもできる。
その一例を第９図〜第11図に示す。これらの図面におい
て第５図及び第８図の実施例と同様に前記各実施例の装
置と対応した部分は同じ符号で示す。

ダイヤフラム２上には第９図に示すように基板１と同
じセラミック材料を10重量％含んだ貴金属（Pt）粉末に
有機系バインダを添加して得たペーストをスクリーン印
刷し、導体端子層９が形成される。またダイヤフラム２
の下面には、未焼成セラミックと有機バインダーとから
成るセラミック含有ペースト（焼成収縮16％）をスクリ
ーン印刷法により30μｍの厚さに印刷して焼成収縮調整
用のセラミック厚膜層３が形成されている。さらに基板
１の裏面には第７図及び第８図に示す実施例の場合と同
様にして反り防止用のセラミック厚膜層８が形成され
る。その後、導体端子層９と厚膜層３の形成されたダイ
ヤフラム２は、周辺部を有機バインダを添加した未焼成
セラミックペースト付けし乾かないうちに基板１に積層
し、樹脂抜き後焼成が行なわれる。こうして得られた焼
成体すなわち導体端子層９の所望の位置に第11図に示す
ように主に酸化ルテニウムから成る抵抗体10が転写によ
り５μ〜10μの厚さに形成され、そして850℃にて焼付
けられる。

また基板及びダイヤフラムの構成材料として図示実施
例ではAl₂O₃を用いているが、当然他の適当な未焼成セ
ラミック材料例えばジルコニアやシリマナイトを用いる
こともできる。

更に、図示実例において、各部の寸法、形状は実際の
適用に合わせて任意に設定することができる。

更にまた、本発明の圧力検出器は外圧力を受けてダイ
ヤフラムが変形し、その変形に応じて圧力を検出するも
のについて対象として例示してきたが、振動や加速度の
応力によりダイヤフラムを変形してこれらの振動や加速
度の大きさを検出するものとしても利用され得る。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明の圧力検出器におい
ては、未焼成セラミック材料から成るダイヤフラムと、
このダイヤフラムに比べて焼成収縮率の大きい未焼成セ
ラミック材料から成る基板とをそれらの周辺部分におい
て接着し、一体焼成しているので、従来のようにダイヤ
フラムと基板との間に所定の空間を形成するための高価
な介装体を使用することなく所望の空洞を形成すること
ができ、しかもダイヤフラムと基板のいずれか一方また
は両方に焼成収縮率を調整し得る補正用セラミックス厚
膜層を積層しているので、ダイヤフラム及び基板に既知
の焼成収縮率を有するセラミック材料を使用しても補正
用の厚膜層の厚みを適宜変更させることにより、かなり
広範囲にダイヤフラム及び基板の焼成収縮率を微調整す
ることができ、その結果、所要寸法の空洞を容易に形成
することができ、製造工程を大幅に簡単化できるだけで
なく製造コストも大幅に低減することができる。

またダイヤフラムと基板と間の積層された部分は同化
して強固となり、熱膨張による接合強度の低下は防止で
き、例えば自動車のエンジン周辺等のような過酷な条件
下で使用される場合でも高温下において接合部分の熱膨
張が除去されるため無圧力状態で変形が生じることはな
く誤差なく安定して圧力検出を行うことができる。

更に、ダイヤフラム上に保護層を設けた場合には、汚
染物質による圧力検出素子の汚染や劣化を防ぐことがで
き、長期間安定して使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す分解斜視図、第２図は
第１図の装置を組立てた状態で示す第１図のＩ−Ｉ線に
沿った拡大線断面図、第３図は本発明の別の実施例を示
す分解斜視図、第４図は第３図の装置を組立てた状態で
示す第３図のII-II線に沿った拡大線断面図、第５図は
本発明のさらに別の実施例を示す分解斜視図、第６図は
第５図の装置を組立てた状態で示す第５図のIII-III線
に沿った拡大線断面図、第７図は保護層を設けた実施例
を示す分解斜視図、第８図は第７図の装置を組立てた状
態で示す第７図のIV-IV線に沿った拡大線断面図、第９
図は検出素子として抵抗体を利用した本発明の実施例を
示す分解斜視図、第10図は第９図の装置を組立てた状態
で示す第９図のＶ−Ｖ線に沿った拡大線断面図、第11図
は抵抗体を形成して完成させた装置の概略斜視図、第12
図は従来の静電容量変化型圧力検出器の一例を示す概略
断面図である。 図中 1:基板 2:ダイヤフラム ３、３′：補正用セラミック厚膜層 4:電極 5:電極 6:空洞 7:保護層 8:反り防止用セラミック厚膜層 9:導体端子層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水元 克芳 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−4531（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力により変形し得るセラミック製ダイヤ
   フラムと、該ダイヤフラムの周縁部を固定するセラミッ
   ク製基板と、上記ダイヤフラムの変形に応動する圧力検
   出素子とを有する圧力検出器において、未焼成セラミッ
   ク材料から成る基板の表面に、焼成収縮率が上記基板の
   材料より小さい未焼成セラミック材料から成るダイヤフ
   ラムを積層し、基板の周辺部分に上記ダイヤフラムを接
   着して、これらを同時焼成することにより上記接着部を
   一体化し、焼成時の焼成収縮率の差によって上記ダイヤ
   フラムと基板との間に空洞を形成し、さらに上記ダイヤ
   フラムと基板のいずれか一方または両方に焼成収縮率を
   調整し得る補正用セラミック厚膜層を積層して成ること
   を特徴とする圧力検出器。
2. 【請求項２】補正用セラミック厚膜層が、未焼成セラミ
   ックペーストで印刷形成されている請求項１に記載の圧
   力検出器。
3. 【請求項３】補正用セラミック厚膜層が、未焼成セラミ
   ックシートで形成されている請求項１に記載の圧力検出
   器。
4. 【請求項４】圧力検出素子がダイヤフラムと基板との間
   の空洞を挟んでダイヤフラム及び基板に設けられた一対
   の電極から成る請求項１〜３のいずれかに記載の圧力検
   出器。
5. 【請求項５】圧力検出素子が、ダイヤフラムの外面に形
   成され、歪みにより抵抗値の変化する抵抗体である請求
   項１〜３のいずれかに記載の圧力検出器。