JP2880798B2 - 多係数圧力センサ - Google Patents

多係数圧力センサ

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JP2880798B2 JP2501583A JP50158390A JP2880798B2 JP 2880798 B2 JP2880798 B2 JP 2880798B2 JP 2501583 A JP2501583 A JP 2501583A JP 50158390 A JP50158390 A JP 50158390A JP 2880798 B2 JP2880798 B2 JP 2880798B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明は、静圧を受けたときにたわみを生じるように
選択された材料で形成されたストリップまたはブロック
を具備する圧力センサに関する。
2.従来技術の説明 ２つの圧力差に応答してたわみを生じるダイアフラム
を使用した圧力センサがよく知られている。ある種の方
法においては、例えば静電容量を検出してダイアフラム
のたわみを検出することにより、ダイアフラムをたわま
せている差圧の大きさを測定できる。ダイアフラム型の
差圧センサでは、ライン圧（圧力センサを取り囲む周囲
の圧力とダイアフラムに加えられる２つの圧力の平均値
との差）の上昇によってセンサハウジングにゆがみが生
じることが知られている。
金属製感知ダイアフラムを使用する場合、変形する外
部ハウジングの物理的、機械的構造を調整したり選定す
るほか、金属ダイアフラムの予圧レベルを変化させるこ
とによって前記ゆがみは補正されていた。
また、静水圧が物体のすべての面に作用するとき、物
体を形成する材料の弾性係数の関数として、物体が圧縮
され硬直化することも知られている。さらに、一つの材
料の弾性係数または圧縮率を、もう一つの材料と異なる
ように選択でき、その結果静水圧に対し、異なった応答
をさせ得ることも良く知られている。しかしながら、異
なる弾性係数を有する２つの異なる材料を一対として形
成したストリップつまり部材が圧力を受けている場合
の、前記ストリップのたわみは、このような圧力の大き
さの検出にはこれまで利用されていなかった。
発明の概要 本発明は、弾性係数の異なる２層または複数の固体材
料から作られた部材を使用した圧力センサに関し、前記
部材は、好ましくは熱膨張係数が類似し、共に接着され
るか、さもなくば実質的に一体的に形成される。前記材
料が同一の温度または熱（膨脹）係数を有していれば、
温度が変化した場合に、両材料の寸法は同じように変化
するため、部材が温度変化に反応してたわむことがな
い。
しかしながら、部材を包囲している静水圧が変化した
ときには、２つの材料の層の長さは変化し、相異なる新
たな寸法になる。材料の層は、接着されているかまたは
一体化されているため、差動が抑制され、発生した応力
は、曲げ、たわみ、ゆがみ、ねじれ、そりを部材に生じ
させる。一般的に、前記たわみは、接着されていない状
態での個々の材料に発生するたわみよりも非常に大き
い。言い換えれば、変位の増幅が行われ、これが発生し
たたわみの測定を容易にしているのである。
たわみは、容量型センサ電極、光学式センサ、ひずみ
ゲージまたは他の類似するセンサによって検出できる。
静電容量による検出方式は、発生する小さなたわみを測
定するのに十分な感度を有する。
前記圧力センサの部材に適した材料は、例えばシリコ
ンと、コーニング社7740パイレックス（硼珪酸ガラス）
またはコーニング社1729ガラス等のガラスである。シリ
コンおよびガラスは互いに陽極接合（anodic bonding）
によって接合でき、同様の熱膨脹係数を有する。コーニ
ング社の1729ガラスは、コーニング社の7740よりも熱膨
脹係数がシリコンに近い。２つの材料の弾性係数は約２
倍違っている。例えば、シリコンのヤング率は約17.4×
103kg/mm2（約24×106psi）であるのに対し、硼珪酸ガ
ラス（パイレックス）のヤング率は約7.2×103kg/mm
2（約10×106psi）である。
好ましくは双方の他の材料と異なるヤング率を有する
第３の材料による層を付加することができる。例えば、
約39.8×103kg/mm2（約55×106psi）のヤング率を有す
るサファイヤは第３の材料として適している。サファイ
ヤはまた異なる熱膨脹係数を有していて、陽極接合によ
っては接合できない。窒化アルミニウムもまた第３の材
料として使用できる。
接着されたガラスおよびシリコンの円板（ディスク）
でたわみ部材ができているならば、このたわみ部材を中
心部で支持でき、円板が支持されている個所の参照（基
準）面に対する周縁部のたわみを測定することができ
る。一般的に、たわみ部材の周りを取り囲む、実質的に
非圧縮性の流体を収容するために、ある型式のハウジン
グが使用される。
そして、可撓性の隔離ダイアフラムまたは他の構成物
を介して前記流体の静水圧は変化させられ、測定される
流体の静水圧は、部材の各面に一様に作用してたわみを
生じさせる。前記センサにより、参照用真空チャンバを
要することなく、絶対圧が測定される。したがって、参
照チャンバのリーク（漏れ）から生じる問題が解消され
る。
本発明の他の実施例は、ダイアフラムと同様の円板状
部材を、その縁の部分でベースに対して支持させること
ができ、円板が適正に構成配置されて組立体の周囲に静
水圧が作用する場合は、これによって発生するたわみが
測定できる。たわみが抑制され内部歪みが生じるような
場合は、検出のために歪みゲージを使用することができ
る。
ブロックまたはベースの一端の面に沿って片持ち梁が
支持され、梁の自由端はベースの他方の部分から間隔を
おいて配置される。片持ち用がシリコンで作られ、ベー
スがパイレックスのようなガラスで作られていて、梁
が、梁の長手方向の一部分で接着されているとすれば、
組立体が圧力を受けたときに、梁の自由端はたわみを受
けるであろう。さらに、片持ち梁それ自体が、相異なる
２つの層で作られ、たわみ部材を形成することもでき
る。
組立体が、たわみを生じさせる静水圧を受けた場合、
互いに隣接して接着された２つの材料間での寸法差の変
化によって応力が誘起される。二つの材料は、相互のイ
ンターフェイス面（接合界面）ではほぼ同一長さに規制
されるので、圧力が加えられたときに、曲げまたはゆが
みが発生する。
本発明の特徴を使用した圧力センサは絶対圧検出装置
であり、また非常に簡易なものであって、ここに図示し
たように、前記二つの構成要素を二つの圧力源間の差圧
の指示が得られるように、ハウジング内に装着できる。
開示された圧力センサは通常、例えば7.2kg/mm2（10,
000psi）を超える範囲の高圧範囲用であるが、0.36kg/m
m2（500psi）〜72.5kg/mm2（100,000psi）の範囲でも作
動できる。このような高圧範囲において大きい応力を受
けない小型で簡素なセンサを、簡単に製作でき、したが
って容易にたわみを検出できる。
部材がシリコーンオイルに取り囲まれている絶対圧セ
ンサにおいて、２またはそれ以上の材料からなるたわみ
部材つまり湾曲部は、静電容量の検出に際し、間隔の変
化が容量の増減をもたらすように設計できる。センサ
は、普通の電子的変換、伝送機能を利用できるので、オ
イルの誘電率の温度係数を相殺し、かつ一般的な電子工
学を利用できるようにするため現存する検出回路の原理
を使用できる。
図面の簡単な説明 図１は本発明による典型的な圧力センサの側断面図で
あり、そこに装着されている本発明のたわみ部材を示す
図である。
図２は本発明の圧力センサに使用される片持ち梁型の
たわみ部材を示す側断面図である。
図３は本発明に係る片持ち梁型センサの変形例を示す
図である。
図４は非対称円板たわみ部材を使用したセンサの断面
図である。
図５は増大した流体ライン静圧によって変形した円板
の全体を示す図４の側断面図であり、流体静圧の変化を
検出するため二つのコンデンサを使用した例を示す図で
ある。
図６は複係数円板型たわみ部材を示す本発明の変形例
を示す図である。
図７はたわみを示す圧力を検出するために、三種の異
なった材料が使用され、かつ容量検出が使用された本発
明よって製作された多係数センサを示す図である。
図８は二つの静水圧間の圧力差の指示を検出するため
に、本発明のセンサ部材が使用された圧力センサの構造
を示す断面図である。
図９は本発明に係る、センサ構成要素のたわみを測定
するための光学的構成部分を有する圧力センサを示す図
である。
図10は圧力検出用の複係数構成要素の一つとして歪み
ゲージを使用した本発明の圧力センサを示す図である。
実施例の詳細な説明 図１において、符号10で全体を示す圧力検出用組立体
は、例えばシリコーンオイルのような、実質的に非圧縮
性の流体で充満された内部チャンバ12を有する外側閉塞
ハウジング11を包含する。チャンバ12は、その縁に沿っ
たシール部14でハウジングの他の部分と密封され、全体
を符号13で示した可撓性の隔離ダイアフラムで部分的に
囲まれている。全体を符号16で示した圧力センサ組立体
はチャンバ12の内側に装着され、チャンバ内で滑らない
ように支持される。
センサは可撓性つまり柔軟な台15によって予定位置に
保持される。適当な、ゴムを基体とした材料またはエラ
ストマー（弾性重合体）を適用できる。センサ組立体16
は、全体が符号17で示されたたわみ検出部材を含み、こ
のたわみ部材17は、これを囲む静水圧に対して歪む複係
数（bimodulus）たわみ円板からなる。ここで「複係
数」という用語は、異なる弾性係数を有し、互いに接着
または接合されている二つの異なった材料から形成され
た構造を示す。
図示のように、たわみ部材17は、第１の材料つまりこ
こではシリコンで作られた第１の円板20、および適当
な、硼珪酸ガラスのような第２の材料で作られ、第１の
円板とほぼ同一寸法およびほぼ同一厚さを有する第２の
円板21からなる。シリコンおよび硼珪酸ガラスを使用す
る場合、シリコンの厚さが、接合された層の全体厚さの
0.42に近いときに好ましい感度を得ることができる。好
ましい厚みは次の式で算出できる。
シリコン厚さ÷（シリコン厚さ＋パイレックス厚さ）＝
パイレックスのヤング率÷シリコンのヤング率＝｛7.2
×103kg/mm2（10×106psi）｝÷｛17.4×103kg/mm2（24
×106psi）｝＝0.42 第２の円板21は実質的に第１の円板とは異なる弾性係
数を有する材料で作られている。二つの円板20および21
は、ここでいう境界面であるインターフェイス面22に沿
って、例えば陽極接合で互いにしっかりと接着されてい
る。これらの円板は全体的に完全に接着されていて一体
化されている。通常の大気圧下においては前記接着され
た円板は、点線23で示すようにほぼ平らな形状を呈して
いる。たわみ部材17は適当な中央支持台24でベース部材
25に支持されている。センサ組立体16のベース部材25は
参照（基準）面26を有し、全体を通して均質な材料（例
えば硼珪酸ガラスのような）からなる。
シリコンとガラスの円板20および21との弾性係数は異
なっているので、それぞれの面が同じ静水圧を受けた場
合、異なる寸法の変化を生じる。寸法が同じ二つの円板
の、一方が他方の上に置かれ、かつ接合されていないで
高圧を受けたならば、高い弾性係数の円板は低い弾性係
数の円板ほどは直径が減少しないことを観察できる。す
なわち、互いに接合されていなかったならば、パイレッ
クスの円板はシリコンの円板よりも小さくなるであろ
う。
二つの円板が互いのインターフェイスで接合されてい
る場合は、インターフェイスの応力のため、発生した応
力によって各円板は半径方向の湾曲を生ずる。円板は、
温度測定に用いられるバイメタル円板と同じようにたわ
むか巻上がるかする。
図１に示すように、円板20および21が接着されて部材
17を形成し、例えば数百から数千psi（数百キロパスカ
ルから数千キロパスカル）の範囲の、ダイアフラム13に
作用する高い静水圧を受けたとき、部材17はたわみ、シ
リコン円板20の外周部とガラス支持ベース上の面26との
間の間隔が変化する。適当な金属の層でガラス支持ベー
スを金属化することにより、コンデンサの電極30が形成
される。
導電性シリコン層20および電極30間の静電容量は圧力
の関数で変化する。電極30は、外部ハウジングに設けら
れ、密封された開口を通して外に貫通している適当なリ
ード31に接続されている。適当なリード32が、シリコン
円板20に電気的に接続されている。リード31および32が
電子回路に接続されることにより、たわみ部材17にたわ
みが生じたときの容量の変化を測定できる。
たわみの全体量はたわみ部材に作用する圧力に比例
し、たわみ部材を形成する二つの材料の膨脹温度係数が
一致しているならば、センサの利用可能な動作範囲全体
にわたって絶対圧を測定するのに効果的である。
たわみ部材つまりセンサの変形例を図２に示す。たわ
み部材は片持ち梁および支持部材を形成する二つの固体
材料を具備する。前記梁は一つの材料で作られ、一方、
片持ち梁を支持するベースは、前記梁とは異なる弾性係
数を有する異なった材料から作られる。
本発明のこの例では、全体を符号35で示す圧力検出構
成要素つまりたわみ部材は硼珪酸ガラス（パイレックス
ガラス）のブロック36からなる。前記ガラスは、その上
に高くした棚部つまりボス37を有し、そこには、所望の
幅および長さの梁またはブレード38が装着されている。
シリコンの梁38は、前記ボス37の上部つまりインターフ
ェイス面に対し、インターフェイス40に沿って接着され
た第１の部分39を有している。梁38の第２の自由端部分
41が、ベース36の凹部つまり低い面42に覆いかぶさって
いる。
インターフェイス40のために、均一な静水圧が検出部
材35に加えられたとき、シリコンの弾性係数に対するガ
ラスの弾性係数の差異によってインターフェイスに沿っ
て生起されるべき応力が発生され、シリコン梁に矢印46
で示されるモーメントを生じさせ、自由端部分41を点線
で示すうようにたわませる。梁部分41の外縁付近の面42
上にはコンデンサの電極43が形成される。適当なリード
44が電気伝導性のあるシリコン梁に接続され、そしてリ
ード45が前記コンデンサ電極43に接続される。
シリコン梁38がベース36に対してたわんだ場合、梁38
と電極43との間に形成された可変コンデンと、梁38と電
極43Aとの間に形成される比較的固定されているコンデ
ンサとの容量の差が、適当な電気回路で測定できる。同
じ誘電体材料で構成された固定コンデンサおよび可変コ
ンデンサは、センサ内のオイルの誘電率の変化を補償す
るために使用できる。検出部材にはまた、二つの材料が
使われている。これら二つの材料は異なる弾性係数を有
し、かつ二つの別々の材料がそれに沿って一体化される
インターフェイスを有している。二つの材料が高圧にさ
らされたとき、応力が発生し、次には、受けている静水
圧を判定するための測定可能なたわみを生じさせる。
片持ち梁型センサ49の変形例を図３に示す。この形状
のセンサ49には、その一端部にボス51を有するベース50
が設けられている。ベース50はガラスのような適当な材
料で作られている。全体を符号52で示す片持ちたわみ梁
は二つの異なる材料から形成されている。この例におい
て、前記梁52は、全体を符号53で示すシリコンの下層
と、符号54で示す硼珪酸ガラスの上層とからなる。層53
および54はインターフェイス55において接合され、単一
の固体ブロックを形成している。たわみ梁部材52の一方
の端部は、インターフェイス58においてボス51の上面に
接合されている。
センサ49が静水圧を受けたとき、たわみ梁部材52はイ
ンターフェイス55における応力レベルによってたわむ。
その上に容量変化測定のための適当なコンデンサ電極を
形成している面59に関係してたわみが発生する。たわみ
梁部材は使用されている層の特性に依存して上方または
下方にたわむ。
最初の二つの層の、好ましくない熱膨脹係数のわずか
な不一致を補正するため、前記の二つの層と実質的に異
なった膨脹係数を有する第３の層を付加することができ
る。例えば、第３の層は、パイレックスつまり硼珪酸ガ
ラスの上に付着された（deposited）アルミニューム被
膜でもよいし、または弾性係数はほぼ同じであるが、よ
り高い熱膨脹係数を有するガラス薄膜を、層が硼珪酸ガ
ラスの溶融温度以下でとける溶融ガラスフリット（fri
t）のような方法で硼珪酸ガラス層に適用することもで
きる。
また、容量検出に代わって、光学センサまたは他の適
当なセンサを使用できる。コンデンサ電極はまたどのよ
うな所望の形式にも構成できる。例えば、分割された
（split）コンデンサ電極をベースの上に形成すること
ができ、たわみ部材が動いたときに検出される直列静電
容量はたわみ部材上にリードを設ける必要を回避する。
図４および図５に示した装置は、容量検出用に特に良
好に適用され、特に、圧力変化に対して反対極性に等量
だけ間隙を変化させる二つの容量センサが使われること
によって、現存する容量差動圧力センサと共に使われる
変換、伝送機能が、較正の補助として使用できる。
本発明のこの形態において、図１に示したものと同様
の外部ハウジングの中に配置されたたわみ部材、つまり
全体を符号60で示す構成要素は、シリコンのような材料
で作られた円板63の上に交互にサンドイッチ状に配置さ
れた第１のガラス電極支持部61、および第２のガラス電
極支持部62を含む。ここで、シリコン円板は、中央部65
を有するように形成される。
この中央部は、この中央部65を限定する円周の回りの
一方の面から内側に向かって深溝64が形成され、２分割
平面に対して非対称に支持されている。前記溝は、円板
63の縁（リム部）に対して中央部65を支持する薄肉部
（ウェブ）を残している。各電極支持部61および62はそ
れぞれ圧力開口66を有しており、円板63の両側のチャン
バ67および68に、それぞれ静水圧が伝達されるようにし
ている。チャンバ67内の静水圧はチャンバ68内の静水圧
と同じである。中央部65全体にかかる差動静水圧はな
い。
前記電極支持部材61および62に対する円板63の弾性係
数の差によって、発生する応力の関数として、円板63は
たわむ。
円板63に面した支持部の表面には、コンデンサ電極、
つまり電極69,70が形成されている。電極は、温度変化
によるオイルの誘電率変化を相殺する面比率を持つよう
に選択できる。導電性のシリコンで作られている円板63
は、コンデンサの共通電極を形成している。湾曲部材60
が、図５に示すように増加する圧力を全面に受けたと
き、円板63が電極支持部とは異なる弾性係数を有してい
るので、たわみ部材は変形する。電極支持部61および62
は、その周縁部71,72においてそれぞれ円板63に接着さ
れている。
センサつまり湾曲部材60が静水圧力を受けたとき、応
力が発生し、円板の中央部65がたわむ。前記深溝64およ
びそれが形成する細くて非対称なウェブは、支持部62お
よびコンデンサ電極70の方に向かって中央部65をたわま
せる。コンデンサ電極69および円板63の間と、電極70お
よび円板63の間との容量が変化する。２組の電極間の容
量の変化は反対極性を示す。
図６は図４の装置の変形を示し、センサ75を有する。
センサ75は、シリコンで作られた円板つまり要素77から
なるたわみ部材76を含み、例えばインターフェイス81に
おいてガラスの円板80に対して一体的に接着された中央
たわみ円板部79を限定する円周溝78を有する。電極支持
ブロック82は、符号83で全体を示すラインにおいてシリ
コン円板77の外周縁77Aに接着された縁（リム）84を有
する。
本発明のこの形態では、縁77Aはその全面にわたって
は支持されておらず、縁84によってブロック82内に形成
されている凹部の内側のベース表面85の一部分上に、縁
の内側非支持部77Bが張出している。シリコン円板77
の、外周縁77Aの非支持部77Bは、溝78が隔離体として作
用するため、電極支持部内に形成されている凹部のベー
スの面85に対してほとんどたわまないであろう。円板77
の縁77Aの外周部が接着されているインターフェイス83
は、円周インターフェイスである。
支持ブロック82は、円板77を支持している面85および
縁84で限定されるチャンバへ連通される通路86を有して
いる。したがって、図１に示したようにセンサがハウジ
ングの中に位置されていて、全センサ75が加圧された流
体によって囲まれているとき、シリコン円板の中央部79
は、シリコンと中央部79に接着されているガラス層つま
り円板80との弾性係数の差によってたわむ傾向にある。
その結果、面85および円板の中央部79の間隙が減少させ
られる。
コンデンサ電極87は面85のほぼ中央に装着されてい
て、円板77およびコンデンサ電極87が適当な回路に接続
された場合、静電容量に基づく中央部たわみの検出が可
能になる。
符号90で全体が示されている参照電極つまりコンデン
サ電極が、縁84近くの面85の円周部に近接して設けられ
ており、このコンデンサ電極90と円板77の外周縁77Aの
張出部77Bとの組合わせにより、検出回路で使用される
参照電極およびそれによる参照（基準）静電容量を提供
する。中央部79およびガラス円板80からなるたわみ部材
76は、中央部79およびこれに一体的に接着されたガラス
円板80の両方の面における静水圧が増大したときに、溝
78も下方に残されているウェブにおいてたわむように構
成される。参照電極は、温度変化によるオイルの誘電率
変化の影響が打ち消されるように、適当な寸法でよく、
またたわみ部材76と同じ非圧縮性流体（オイル）にさら
されるような場所に設定できる。
本発明のさらに変形した形態を図７に示す。図７にお
いては、三つの異なる材料が接着されてたわみ部材を形
成している。最初つくられるときには、三つの材料の層
の外周寸法はほぼ同一である。そして図７は、センサつ
まりたわみ部材95が、高い静水圧を受けているときの図
である。本発明のこの形態では、第１のガラスベースつ
まりブロック96（平面図では、同様に円または矩形とな
る）は、その外周近くにインターフェイス97を有し、そ
の部分において、シリコンでつくられた円板98の縁99と
接着されている。円板98は中央たわみ部100を有してお
り、そこは厚さが薄くなっており、周縁部において縁99
で支持されている。
全体が符号102で示される第３のブロックつまり第３
の材料部分（volume）は、ブロック96と同様の第２のベ
ースつまりブロックを有するが、これはガラスまたはシ
リコンと比べて異なり、好ましくはこれよりも高い弾性
係数を有する材料でつくられ、そして例えばヤング率が
39.8×103kg/mm2（55×106psi）のサファイアで作るこ
とができる。このブロック102は、インターフェイス面1
03を有し、その面で、縁99に対し、ブロック96とは反対
側の縁99の面で接着されている。ブロック96は、図示の
ように硼珪酸ガラスでつくられている。
ブロック96は、圧力を加えられた流体がそこをとお
り、ブロック96の面105と円板98の中央部100との間に形
成されるチャンバ104に進入することを許容する通路96A
を有する。ブロック102は、シリコン円板98の中央部100
とブロック102の面108との間に限定されるチャンバ107
に圧力を加えられた流体が進入するための通路102Aを有
する。
同一の圧力Ｐが両方のチャンバ104および107に与えら
れると、中央部100に対する差動静水圧は存在しない。
適当なコンデンサ電極が面105および108に装着される。
これらの面の間隔は、たわみ部材95に加わる静水圧が変
わることによってそれぞそれの間隔が変化し、中央部10
0に関して測定される容量は、たわみ部材95が、図７に
矢印“P"で示される一様な外部および内部の静水圧を受
けたときに変化する。
低いかまたはゼロの圧力においては、ブロックまたは
層102および96、ならびに円板98はほぼ同一の幅寸法で
あり、円板98は実質上平らで、面105および108の中間に
位置することが分かるであろう。
本発明のこの形態では、異なった弾性係数を有するブ
ロックの間に円板が一体的に接着されていることによっ
て、円板98の周縁に近接してモーメントが発生し、中央
部10をたわませる。
図１〜図７の各形態において、たわみ部材に面するハ
ウジング部分、またはたわみ部材自体に小さい段差つま
り凹部を形成でき、その凹部は、過圧状態の間、湾曲部
材を十分に支持する過圧停止面を提供する。
図８は、圧力P1およびP2の差圧測定に適用される典型
的な圧力センサの図であり、本発明の原理が適用されて
いる。本発明のこの形態では、差圧センサ115は、環状
外部壁を有するハウジング116を含み、ハウジングは分
割壁117によって第１のチャンバ118および第２のチャン
バ119からなる二つのチャンバに分割されている。これ
らのチャンバは追従性のある隔離ダイアフラム120およ
び121でそれぞれ囲繞されている。
中央壁117は、全体が符号122で示され、第１のシリコ
ン材料の層123、および硼珪酸ガラス124のような、異な
った材料の第２の層を含む第１の複係数圧力変換器を支
持するために使用されている。シリコン層123が壁117の
面125に近く配置されている場合、絶縁された材料の層
の上から壁に付着された適当な金属のリング状の電極12
6が、シリコン電極つまり部材123および電極126間の容
量検出のために設けられる。
複係数センサは、適当な絶縁された支持台130の上に
支持され、接着されたシリコンおよびガラスの層123,12
4からなる。
センサ組立体132はセンサ122と全く同様に組立てら
れ、チャンバ119内に配置されているセンサ132の接着さ
れている二つの層を示すため同一符号が使用されてい
る。チャンバ118および119は適当な非圧縮流体で満たさ
れており、静水圧P1およびP2が加えられたとき、前に説
明したように弾性係数の差によって各層はたわみ、各セ
ンサの円板または電極123の面、および絶縁された層の
上に付着された金属の静電容量電極126からなる容量検
出電極によってたわみの総量が測定できる。
異なった静水圧のもとにおける二つのセンサ122およ
び132のたわみの差によって差圧も得られる。
図９には、本発明のさらなる変形を示し、本発明のこ
の形態では、ファブリ・ペロット型のようなたわみ型セ
ンサを示す圧力センサ140からなる。本発明のこの形態
では、ハウジング141は二つの部分142,143に分かれてい
る。ハウジングは適当な材料でつくられ、各ハウジング
部分は全体を符号142Aおよび143Aで示す部分的な間隙を
接合線144に沿って有し、全体を符号145で示す複係数構
成要素つまり部材を受け入れる。
複係数構成要素145は、適当な第１の材料、例えばシ
リコンで作られた第１の板体（plate）つまり部分146、
および第１の材料とは異なった弾性係数を有する第２の
板体つまり部分147を含む。例えば第２の板体147はシリ
コン層に関連し使用されている硼珪酸ガラスでよい。こ
れら二つの層は、これまでに説明したように接合されて
いる。各ハウジング部分はまた、少なくとも板体の中央
部に重なっている、より深い凹部142Bおよび143Bをそれ
ぞれ有し、複係数構成要素145の端部は凹部142Aおよび1
43A内に保持されている。凹部142Aおよび143Aは、セン
サのハウジング部142および143が複係数構成要素145を
確実に保持するように配置されたとき、締め付けの働き
をする。
凹部142Bによって形成されたチャンバは適当な非圧縮
流体で満たされ、通路148によってハウジング部142の外
面上の隔離チャンバ150に連通されている。隔離チャン
バは、非圧縮性の流体を囲む適当な可撓性の隔離ダイア
フラム151によって閉鎖され、チャンバ142B、通路148お
よびチャンバ15は非圧縮性の流体で満たされる。さら
に、点線で示される１つまたはそれ以上の適当は通路15
2が、ハウジング141の対をなす部分142,143の間に形成
され、チャンバ142Bおよび143Bの間で流体を連絡させ
る。チャンバ143Bもまた非圧縮性の流体で満たされる。
本発明のこの形態では、隔離ダイアフラム151の外部
面に対して与えられる、矢印155で示された静水圧を受
けたときの複係数構成要素145のたわみを測定するため
に、ファブリ・ペロット・センサとして知られる光学的
たわみセンサ154が使用されている。センサ154は、複係
数構成要素の板体つまり層147の上に装着された光反射
要素156を含む。ハウジング部143は部分反射性と部分透
過性を備えたプレート158を構成要素156に対向させてそ
の外部に有し、かつ適当なガラス材料が充填されたチャ
ンバ157を有する。
光学ファイバ160がハウジング143に設けられ、構成要
素156の位置によって変化する光の透過は、複係数構成
要素145のたわみの測定信号として使用される。ファブ
リ・ペロット型センサは干渉計型センサであり、本発明
に利用される代表的な光学技術であり、イギリス特許第
2,086,572A号明細書（この中に参照されている米国特許
第4,428,239号）に示されている。たわみ複係数構成要
素の片面のたわみは、説明したように本発明によって検
出される。
こうして、他の形式の光学的たわみセンサを含む他の
形式のたわみセンサが所望のように使用できる。
図10は、本発明の一実施態様を示し、静水圧を受けて
いる複係数部材上に歪ゲージを装着した図である。パイ
レックスからなる単一のブロック部材170が台171上に装
着され、内部チャンバ174を有するハウジング173の壁に
取付けられている。チャンバ174内の静水圧はたわみブ
ロック170の全面に作用する。薄膜歪ゲージ180,181およ
び182が、ブロック170の上面に接着されている。これら
の歪ゲージはシリコンからなる。ブロック170および歪
ゲージ180〜182は異なった弾性係数有する２つの異なっ
た材料からなり、接合面つまりインターフェイス面177
に沿って付着、沈積（deposition）により一体的に結合
されている。
たわみブロック170を静水圧下におくことにより、前
記ブロックは前述のように圧縮される。そして、シリコ
ン歪ゲージは同一の度合で圧縮されないために応力が発
生し、これらの応力は歪ゲージ180,181および182で測定
できる。歪ゲージは周知の方法でドープ処理されたシリ
コンで形成できる。歪ゲージは単に説明のために概略を
図示したもののほか、所望の形態に適合でき、チャンバ
174内の静水圧を表す圧力を取出せる歪ゲージ検出手段
によって、単一のブロック部材170上に発生した応力を
検出できる。
歪ゲージは本発明の他の実施態様にも適用できる。単
一のたわみブロック170は圧力で包囲され、台171で支持
されているところ以外は、チャンバ74のすべての壁面か
ら間隔を有して位置されていることに注意しなければな
らない。
こうして、単一ブロックのたわみ部材つまり構成要素
は、少なくとも二つの、互いに異なる固体材料でつくら
れている。そしてその各々は固有の体積を有し、他の材
料とインターフェイスで一体化され、各材料は実質的に
異なった弾性係数を有し、単一ブロック部材の外面に静
水圧を受けることができる。圧力の変化は前記二つのブ
ロック部材（volume）のインターフェイスにおいて内部
応力を誘起し、単一のブロックたわみ部材にたわみを発
生させる。たわみまたはゆがみは、静電容量検出および
光学的検出またはその他、前記たわみを表す適当な手段
で測定できる。
単一ブロック部材は、必要に応じ、例えばシリコンブ
ロックの一部分を酸化することによって一体化できる。
検出手段のための接続部を通じての電気の供給は、検出
ダイアフラム型圧力センサで知られている方法で実施す
ることができる。
本発明を好ましい実施例によって説明したが、この技
術に熟練した技術者は、本発明の範囲および考えから外
れることなく形式および詳細にわたり変更が可能である
ことを理解されるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−287437（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−105839（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01L 9/04 101 G01L 9/12

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】インターフェイス手段を有する第１の固体
    部材と、 前記第１の固定部材とは異なる弾性係数を有すると共
    に、インターフェイス手段を有し、前記第１の固体部材
    のインターフェイス手段と係合して板状の単一固体本体
    を形成する第２の固体部材と、 印加された圧力の関数として単一固体本体の各部分が応
    力を受けるように、前記単一固体本体の露出部分上に実
    質的に一様な静水圧を付与する手段と、 前記付与された静水圧を示す信号を出力するように、前
    記単一固体本体の少なくとも一部分に関連付けられた手
    段とを具備したことを特徴とする圧力センサ。
  2. 【請求項２】前記第１および第２の固体部材が、ほぼ同
    一の熱膨脹係数を有するように選択されていることを特
    徴とする請求項１記載の圧力センサ。
  3. 【請求項３】前記第１および第２の固体部材のインター
    フェイス手段がインターフェイス面を含み、前記インタ
    ーフェイス面は、第１および第２の部材で構成された前
    記単一固体本体が外部静水圧を受けたとき、その部分に
    応力が発生されるように、互いに接合されていることを
    特徴とする請求項１または２記載の圧力センサ。
  4. 【請求項４】前記二つの部材は互いに接合された状態で
    一様厚さの層を形成すると共に、前記圧力センサはさら
    に、参照面に対して前記層を装着するための第１の手段
    と、前記参照面に対する前記層のたわみを検出する第２
    の手段からなる圧力指示手段とを具備したことを特徴と
    する請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサ。
  5. 【請求項５】前記第１の固体部材は梁からなり、前記第
    ２の固体部材は支持部材からなり、これら梁および支持
    部材は、それぞれのインターフェイスにおいて互いに接
    合され、前記梁および支持部材の他部分は互いに隔離さ
    れており、これにより前記梁および支持部材のインター
    フェイス部に、前記二つの他部分の間のたわみが静水圧
    の関数として発生することを特徴とする請求項１または
    ２記載の圧力センサ。
  6. 【請求項６】第１および第２のチャンバに分離する分離
    壁を有するハウジングと、 前記第１のチャンバに設けられた第１の単一固体本体、
    および前記第２のチャンバに設けられた第２の単一固体
    本体と、 ハウジングに対する第１および第２の単一固体本体それ
    ぞれのたわみを別個に指示する手段を含み、印加圧力を
    指示するように関連付けられた手段とをさらに具備し、 前記第１および第２チャンバが異なった静水圧を受けた
    とき、前記たわみを別個に指示する手段が、第１および
    第２チャンバの静水圧の差の表示を与えるように構成さ
    れたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
    圧力センサ。
  7. 【請求項７】前記印加された静水圧を指示するように関
    連付けられた手段が、参照位置に対する単一固体本体の
    たわみを検出する光学的検出手段からなることを特徴と
    する請求項１〜６のいずれかに記載の圧力センサ。
  8. 【請求項８】前記印加圧力を指示するように関連付けら
    れた手段が、前記単一固体本体の歪を検出する歪ゲージ
    からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記
    載の圧力センサ。
  9. 【請求項９】前記圧力を指示するように関連付けられた
    手段が、たわみを検出するコンデンサからなることを特
    徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧力センサ。
  10. 【請求項１０】二つの固体部材からなる板状の単一固体
    本体のたわみ部材であって、 前記単一固体本体が、第１の固体部材を規定する第１分
    量の材料と、第２の固体部材を規定し、前記第１の固体
    部材とは異なる弾性係数を有する第２分量の材料とで構
    成され、第１および第２の固体部材がインターフェイス
    部で一体的に形成されている単一固体本体のたわみ部材
    と、 単一固体本体のたわみ部材の露出部分上に実質的に一様
    な静水圧を印加し、印加された圧力の関数として、単一
    固体本体のたわみ部材の少なくとも一部に測定可能な、
    参照位置に対する偏向を生じさせる手段とを具備したこ
    とを特徴とする圧力センサ。
  11. 【請求項１１】前記第１の層に接着された第３の材料の
    層を具備し、前記第３の材料が、温度変化によって生じ
    る圧力センサの偏向誤差を低減させるように、選定され
    た他の材料と異なる熱膨脹係数を有していることを特徴
    とする請求項10記載の圧力センサ。
  12. 【請求項１２】圧力によって第１の割合で圧縮される傾
    向にある第１の領域、およびこれと一体となっていて、
    前記圧力によって、第１の割合と異なる第２の割合で圧
    縮される傾向にある第２の領域からなり、流体中に配置
    された本体であって、前記圧縮割合の差に起因して、前
    記圧力でゆがめられるように構成された板状の本体と、 本体のゆがみを感知し、圧力を示す出力信号を発生する
    ように、前記本体に取付けられた手段を具備したことを
    特徴とする流体圧検出のための圧力センサ。
  13. 【請求項１３】圧力によって前記本体が湾曲され、検出
    手段によって前記本体の湾曲が検出されることを特徴と
    する請求項12記載の圧力センサ。
  14. 【請求項１４】流体圧によって第１の割合で圧縮される
    傾向にある第１の領域、およびこれと一体化されてい
    て、前記流体圧によって、第１の割合とは異なる第２の
    割合で圧縮される傾向にある第２の領域からなり、流体
    中に配置された可撓性の本体であって、同じ圧力を受け
    た時の前記圧縮割合の差に起因して、前記流体圧でゆが
    められるように構成された板状の本体と、 圧力を受けている本体のゆがみを感知し、流体圧を示す
    出力信号を発生するように、前記本体に関連付けられた
    手段とを具備したことを特徴とする圧力センサ。
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