JP4756394B2 - 圧力センサー - Google Patents

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Description

本発明は、感圧素子、及びダイアフラムを用いた圧力センサーに関し、特に異種材料を組み合わせたことによる圧力センサーの圧力測定値の温度変化による誤差を減少させる技術に関する。
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。前記圧電振動素子は、例えば、板状の圧電基板上に電極パターンが形成され、力の検出方向に検出軸を設定しており、前記検出軸の方向に圧力が加わると、前記圧電振動子の共振周波数が変化し、前記共振周波数の変化から圧力を検出する。特許文献1において第1の従来技術に係る圧力センサーが開示されている。図18に従来技術に係る圧力センサーを示す。従来技術に係る圧力センサー201は、内部に真空、又は不活性な雰囲気を備えた気密ケース202と、気密ケース202の対向する第1及び第2の壁面203、204にそれぞれ貫通形成された第1の圧力入力口203aおよび第2の圧力入力口204aと、第1の壁面203に一端開口を固定されると共に第1の圧力入力口203aと連通する軸孔を備えた円筒型の第1のベローズ210と、第2の壁面204に一端開口を固定されると共に第2の圧力入力口204aと連通する軸孔を備え、且つ第1のベローズ210と直列状に配置された円筒型の第2のベローズ211と、第1及び第2のベローズ210、211の各他端210a、211a同士の間に固定配置される振動素子接着台座215と、振動素子接着台座215によって支持された薄板状の圧電振動素子220と、第2のベローズ211を間に挟んで圧電振動素子220と対向する位置に配置された圧電補強板221と、圧電振動素子上の電極パターンと導通した発振回路230と、を備えている。
圧電振動素子220は、第2の壁面204に一端を固定されると共に他端を振動素子接着台座215に固定されている。圧電補強板221は、第2の壁面204と振動素子接着台座215とによって両端部を固定されている。また振動素子接着台座215と気密ケース202の内壁は補強板用バネで固定されX軸方向の衝撃に対する耐久性を高めている。
圧電振動素子220は、例えば水晶基板に電極を形成した構成を備えている。振動素子接着台座215は、両ベローズ210、211の他端部210a、211aによって挟まれた状態で固定される基部215aと、基部215aの外周から第2の壁面へ向けて突出した支持片215bを備えており、圧電振動素子220と圧電補強板221の他端部はいずれも支持片215bに接続されている。
各圧力入力口203a、204aは各ベローズ210、211内部の軸孔と連通する一方で、各ベローズ内の軸孔同士は振動素子接着台座215の基部215aによって非連通状態に保持されている。従って、両圧力入力口203a、204aから入力される圧力P1、P2の圧力差によるベローズの伸縮によって振動素子接着台座215の位置はベローズの軸方向に進退する。振動素子接着台座215に一端を固定され他端を第2の壁面204に固定された圧電振動素子220は、振動素子接着台座215から伝達される圧力によって軸方向への機械的応力を受けて変形し、固有の共振周波数が変動する。即ち、気密ケース202の適所に気密状態で配置した発振回路230と圧電振動素子220を構成する圧電基板上の励振電極とを接続した状態で、励振電極に通電することによって圧電基板を励振させ、この時の出力周波数に基づいて圧力P1、或いはP2を算出する。
従来技術に係る圧力センサー201によれば、圧力P1が第1の圧力入力口203aに入力された際に、当該圧力に応じた力が圧電振動素子220と圧電補強板221に加わる。圧電補強板221の存在によって、圧電振動素子220には長辺方向(水晶振動素子の場合は図中のY軸方向)からの力だけが加わることになり、圧電振動素子本来の圧力―周波数特性が2次曲線を示すこととなる。従って、圧力P1に応じて圧電振動素子220の共振周波数は直線的に変化し、高精度な圧力センサー201を得ることができる。
特開2007−57395号公報
しかしながら、従来技術において、圧電振動素子220と気密ケース202は線膨張係数を一致させることが難しい。よって温度が変化すると圧電振動子に掛かる応力が変化することになり、この温度変化による応力変化は圧力測定値の誤差となる。もっとも特許文献1においては、圧力測定値の線膨張係数の影響を受けにくくするためにベローズを用いているが、ベローズでは線膨張係数の影響を完全に零にすることはできない。
そこで、本発明は上記問題点に着目し、異なった線膨張係数の材料を用いることにより生じる圧力測定値の誤差を低減した高精度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]両端に開口部を有するハウジングと、前記開口部をそれぞれ封止し、外部の圧力を前記ハウジング内部に伝達する一対の受圧手段と、前記一対の受圧手段を連結して一方の受圧手段が受けた力を他方の受圧手段に伝達する力伝達手段と、感圧部と前記感圧部の両端に接続される一対の基部とを有する感圧素子と、を有する圧力センサーであって、力の検出方向を検出軸とし、前記一対の基部を結ぶ直線と前記検出軸と前記力伝達手段の変位方向とが平行に配置され、前記一方の基部を第1の固定部とし、前記他方の基部から前記感圧部を挟むように延在される一対の接続手段を、前記第1の固定部に対して対称となる位置に配置された一対の第2の固定部に其々連結し、前記第1の固定部を前記力伝達手段に固定支持し、前記第1の固定部と前記一対の第2の固定部とを結ぶ直線と交差する前記ハウジングの部位に前記第2の固定部を支持固定したことを特徴とする圧力センサー。
上記構成により、感圧素子のシャフトとの接続領域とハウジングとの接続領域は、感圧素子の検出軸の方向に垂直な線上に並ぶことになる。そして接続部材は感圧素子と同一素材であり感圧素子の他端から延伸されたものであるから、感圧素子が温度変化により検出軸方向に伸縮したとしても上記の接続領域の検出軸方向の相対位置は不変であるため、感圧素子の線膨張に起因する応力を感圧素子が受けることを回避することができる。
さらに、感圧素子の一端がシャフトの中央部に接続され、他端がハウジング側面の中央部に接続される。このときハウジング及びシャフトの線膨張係数が互いに異なる場合であっても、ハウジングの中央部を基準としたハウジングの両端方向の線膨張の量は互いに同一であり、シャフトの中央部を基準としたシャフトの両端方向への線膨張の量は互いに同一であるため、ハウジングの中央部、及びシャフトの中央部の検出軸方向の相対位置は不変となる。よってハウジングの中央部及びシャフトの中央部の相対位置の変動に起因する応力を感圧素子が受けることを回避することができる。
[適用例2]前記一対の受圧手段のうち、少なくとも一方は前記ハウジング内部に向けて伸びるベローズであって、前記ベローズの受圧部と前記力伝達手段が接続されたことを特徴とする適用例1に記載の圧力センサー。
これにより、圧力センサーにはベローズによる開口部を有することになる。よってこの開口部にコネクター等を螺合させることが可能となるため、コネクター等との接続を容易に行うことができる。
[適用例3]前記一対の受圧手段は、前記ハウジング外部に向けて伸びる第2ベローズであって、前記第2ベローズの受圧部と前記力伝達手段が接続されたことを特徴とする適用例1に記載の圧力センサー。
これにより、ハウジング外部に第2ベローズは露出することになる。よって適用例2のような開口部を持たないので、開口部に空気等が混入して測定された圧力に誤差が生じることを抑制することができる。
[適用例4]端がハウジングに固定され前記一端の反対側の他端が前記力伝達手段に固定され、前記力伝達手段の変位方向に屈曲可能なカンチレバーによって、前記力伝達手段が保持されたことを特徴とする適用例1乃至3のいずれか1例に記載に圧力センサー。
これにより、力伝達手段が検出軸以外の方向に傾くことを抑制して圧力センサーの感度の低下を防止することができる。
[適用例5]前記感圧素子は、両端部に設けた基部を有し、前記両端部に設けた基部の間に振動部を有する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。
このように構成される感圧素子は、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を構築できる。
[適用例6]前記接続手段は、前記感圧素子を挟んで対称に一対に形成されていることを特徴とする適用例1乃至5のいずれか1例に記載の圧力センサー。
これにより、感圧素子が接続手段側に曲がることはないので、感圧素子が検出軸方向以外の方向に動くことが阻止でき、感圧素子の検出軸方向の感度を向上させることができ、高精度な圧力センサーとなる。
[適用例7]前記感圧素子の一端と前記接続手段とは補強部により連結された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。
これにより、感圧素子及び接続手段を一体で形成する場合、感圧素子が実装時等に折れることを回避できるので、歩留まりを向上させ、圧力センサーのコストダウン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斜視図である。 第1実施形態に係る圧力センサーの正面からみた模式図である。 第1実施形態に係るダイアフラムの模式図、及び製造工程図である。 第1実施形態に係るダイアフラムの製造工程図である。 第1実施形態に係るダイアフラムの模式図である。 第1実施形態に係る感圧素子の製造工程図である。 第2実施形態に係る圧力センサーの正面からみた模式図である。 第2実施形態に係る第1ベローズの模式図である。 第3実施形態に係る圧力センサーの正面からみた模式図である。 第3実施形態に係る圧力センサーの側面からみた模式図である。 第4実施形態に係る圧力センサーの正面からみた模式図である。 第4実施形態に係る圧力センサーの正面からみた模式図である。 第4実施形態に係る第2ベローズの模式図である。 本実施形態の圧力センサーを実装するケースの模式図である。 本実施形態の圧力センサーを実装するケースの模式図である。 感圧素子の第1の変形例を示す模式図である。 感圧素子の第2の変形例を示す模式図である。 従来技術に係る圧力センサーの模式図である。
以下、本発明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。
第1実施形態に係る圧力センサーを図1、図2に示す。図1は斜視図、図2は正面(XZ平面)から見た模式図である。なお図に示されるXYZは直交座標系を形成している。第1実施形態に係る圧力センサー10は、両端に開口部14a、18aを有するハウジング12と、前記開口部14a、18aをそれぞれ封止し、外部の圧力を前記ハウジング12内部に伝達する一対の受圧手段(第1ダイアフラム22、第2ダイアフラム24)と、前記一対の受圧手段を連結して一方の受圧手段が受けた力を他方の受圧手段に伝達する力伝達手段(シャフト28)と、感圧部(振動腕32c)と前記感圧部(振動腕32c)の両端に接続される一対の基部(第1基部32a、第2基部32b)とを有する感圧素子32と、を有する圧力センサー10であって、力の検出方向を検出軸とし、前記一対の基部(第1基部32a、第2基部32b)を結ぶ直線と前記検出軸と前記力伝達手段の変位方向とが平行に配置され、前記一方の基部(第1基部32a)を第1の固定部(第1基部32a)とし、前記他方の基部(第2基部32b)から前記感圧部(振動腕32c)を挟むように延在される一対の接続手段(接続部材34)を、前記第1の固定部(第1基部32a)に対して対称となる位置に配置された一対の第2の固定部(接続部材34の上端部34c)に其々連結し、前記第1の固定部(第1基部32a)を前記力伝達手段(シャフト28)に固定支持し、前記第1の固定部(第1基部32a)と前記一対の第2の固定部(接続部材34の上端部34c)とを結ぶ直線(中心線C)と前記ハウジング12と交差する部位(第1固定部26)に前記第2の固定部(接続部材34の上端部34c)を支持固定し、ハウジング12内部が真空封止され、相対圧を測定する圧力センサー10である。
ハウジング12は、内部を真空に封止して後述の各構成要素を収容するものである。これにより圧力センサー10は、感圧素子32のQ値を高め、安定した共振周波数を確保することができるので、圧力センサー10の長期安定性を確保することができる。
ハウジング12は、±Z方向に中心軸Oを共有する部材を配置した円筒型の筐体であり、フランジ部14、円筒形の側面部16(図2参照、図1においては記載を省略)、ハーメ端子部18を有する。
フランジ部14及びハーメ端子部18には中心軸Oを中心とした開口部14a、18aを有し、開口部14aを封止する態様で開口部14aに円形の第1ダイアフラム22が接続され、開口部18aを封止する態様で開口部18aに第1ダイアフラム22と同型の第2ダイアフラム24が接続される。
フランジ部14及びハーメ端子部18の互いに対向する面側にはダボ孔14d、18d(図2参照)が形成され、ダボ孔14d、18dに支持シャフト20をはめ込むことによりフランジ部14とハーメ端子部18とは支持シャフト20を介して接続される。支持シャフト20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の内部に配置され、一端20aがフランジ部14のダボ穴14dにはめ込まれ、他端20bがハーメ端子部18のダボ穴18dにはめ込まれることにより、フランジ部14、支持シャフト20、ハーメ端子部18との間で一定の剛性を獲得する。支持シャフト20は中心線Cが長手方向の二等分線になっており、中心線Cから+Z方向及び−Z方向の線膨張の量は常に一致し、温度変化により二等分線の位置が中心線Cから±Z方向にずれることはない。なお図2においては支持シャフト20が2本記載されているが、後述の第1固定部26及びカンチレバー94(図10参照)と干渉しない限り3本以上設けてもよい。
側面部16はハウジング12の側面を封止するとともに、後述の第1固定部26を固定する部材であるが、中心線Cが側面部16の±Z方向の二等分線となっているため、中心線Cから+Z方向及び−Z方向の線膨張の量は常に一致し、温度変化により二等分線の位置が中心線Cから±Z方向にずれることはない。側面部16の内周16aは、ハーメ端子部18の外周18b、及びフランジ部14の厚肉領域の外周14bと同じ寸法を有しており、内周16aは外周14b、外周18bと接続される。
また図2に示すように、ハウジング12の側面の中央部、すなわち側面部16の内側の中央部であって、ハウジング12の±Z方向の長さを二等分する中心線C(XY平面に平行な面)上の位置に第1固定部26が感圧素子32を挟む態様で一対設けられ、第1固定部26には後述の接続部材34が接続される。なお第1固定部26はハウジング12との間で一定の剛性を獲得しているものとする。
シャフト28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内部に配置され、長手方向(±Z方向)の一端28aが第1ダイアフラム22に接続され、一端28aの反対側の他端28bが第2ダイアフラム24に接続されている。またシャフト28は中心線Cに対して線対称な配置となっており、中心線Cがシャフト28の二等分線となっている。よってシャフト28の中心線Cから+Z方向及び−Z方向の線膨張の量は常に一致し、シャフト28の二等分線が温度変化により中心線Cから±Z方向にずれることはない。
またシャフト28の長手方向の中心(中心線C上)となる位置に第2固定部30が固定されている。第2固定部30は±Z方向に貫通する貫通孔(不図示)を有し、この貫通孔(不図示)にシャフト28が挿通され、第2固定部30はシャフト28に固定される。この第2固定部30には感圧素子32の検出軸方向(±Z方向)の一端にある第1基部32aが固定される。この第2固定部30も中心線Cが2等分線になっているため、中心線Cから+Z方向及び−Z方向の線膨張の量は常に一致し、シャフト28の二等分線が温度変化により中心線Cから±Z方向にずれることはない。
図2に示すように、ハウジング12全体の中心線Cから+Z方向の長さ及び−Z方向の長さはともにA1で同一であり、シャフト28の中心線Cから+Z方向及び−Z方向の長さはともにB1で同一であり、支持シャフト20の中心線Cから+Z方向及び−Z方向の長さはともにD1で同一であり、第1固定部26は中心線Cに対して線対称な位置に固定され+Z方向、及び−Z方向の長さはともにE1で同一である。また第1ダイアフラム22及び第2ダイアフラム24に掛かる圧力が等しい場合において、第2固定部30は中心線Cに対して線対称な位置に固定され+Z方向、及び−Z方向の長さはともにF1で同一であり、後述の感圧素子32の第1基部32aも中心線Cに対して線対称な位置に固定され+Z方向、及び−Z方向の長さはともにG1で同一である。
これにより側面部16、支持シャフト20、第1固定部26、シャフト28、第2固定部30、後述の第1基部32aの中心線Cから+Z方向及び−Z方向への線膨張の量は常に一致し、各部材の±Z方向の二等分線が温度変化によりずれることはない。
ハウジング12(フランジ部14、側面部16、ハーメ端子部18)、支持シャフト20、第1固定部26、シャフト28、第2固定部30の材料は、一定の剛性を有するものであればどのような材料でもよいが、線膨張係数の小さいセラミック等が望ましい。そして中心線Cにおける圧力センサー10の対称性により、ハウジング12、支持シャフト20、第1固定部26、シャフト28、第2固定部30がそれぞれ線膨張係数のことなる材料であっても、いずれの材料であっても中心線C上においては、温度変化により±Z方向に変位することはない。
第1ダイアフラム22及び第2ダイアフラム24(第1ダイアフラム22と同一の特性)は、外部に面した一面が受圧面となっており、前記受圧面が被測定圧力環境の圧力を受けて±Z方向に撓み変形し、ハウジング12内側に撓み変形に係る力を伝達するものである。また第1ダイアフラム22、第2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22a、24aと、前記中央領域22a、24aの外周にあり、外部からの圧力により撓み変形する可撓領域22b,24bと、前記可撓領域22b,24bの外周にあり、開口部14a、18aにそれぞれ接合して固定される周縁領域22c、24cを有している。第1ダイアフラム22の内側の中央領域22aはシャフト28の長手方向(+Z方向)の一端28aと接続され、第2ダイアフラム24の内側の中央領域24aはシャフト28の一端28aの長手方向(−Z方向)の反対側の他端28bと接続される。
第1ダイアフラム22及び第2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。
図3(a)に示すように、第1ダイアフラム22及び第2ダイアフラム24を金属で形成する場合は、金属母材23に波型の同心円形状を有する一対のプレス板(不図示)により金属母材23の両面からプレスすればよい。このとき一対のプレス板(不図示)の一方の中心に凸部(不図示)を形成し、プレス板(不図示)の他方の中心に凹部(不図示)を形成しておくことにより、各ダイアフラムの中心には凸部22d、24dが形成される。この凸部22d、24dはシャフト28の両端に形成された凹部28cにはめ込まれる。この場合、凸部22d、24dは凹部28cに低融点ガラスや無機系接着剤等の接着手段を用いて接着固定すれば、第1ダイアフラム22及び第2ダイアフラム24とシャフト28とが連動して稼動する際に、凸部22d、24dと凹部28cとの接続部がズレることによって、伝達されるべき力が漏洩し圧力検出精度が劣化するといった問題を防止することができる。
また感圧素子32の振動により各ダイアフラムが振動することを抑制するため各ダイアフラムの中央領域22a、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23を用意し(図3(b))、中央領域22a、24aを残してハーフエッチングを行い(図3(c))、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23をプレスすることにより各ダイアフラムが形成される。
図4に示すように、第1ダイアフラム22及び第2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38を用意し、母基板38の表面にポジ型のフォトレジスト40を塗布する(図4(a))、中央領域42、可撓領域44、周縁領域(不図示)、シャフト28をはめ込む凹部46の配置及び形状に対応したフォトマスク48を用いて露光し、前記フォトレジスト40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40aを除去する(図4(c))、母基板38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42、可撓領域44、周縁領域(不図示)、凹部46を一体で形成し(図4(d))、フォトレジスト40を剥離する(図4(e))ことにより各ダイアフラムが形成される。そして凹部46にはシャフト28の一端28aおよび他端28bが嵌め込まれる(図4(e))。この場合はシャフト28に凹部28cを形成する必要は無い。さらに各ダイアフラムのフォトリソ・エッチング加工の変形例として図5(a)に示すように中央領域49の凹部51及び可撓領域50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50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、第1ダイアフラム22及び第2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。
上述のようにシャフト28は、第1ダイアフラム22と第2ダイアフラム24とを連結することになるため、第1ダイアフラム22及び第2ダイアフラム24が同一の圧力を受けている場合はシャフト28が±Z方向に変位することはなく、第1ダイアフラム22の受ける圧力が第2ダイアフラム24の受ける圧力より大きい場合にシャフト28は+Z方向に変位し、逆に第2ダイアフラム24の受ける圧力が第1ダイアフラム22の受ける圧力より大きい場合にシャフト28は−Z方向に変位する。
感圧素子32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を用い、双音叉型圧電振動子、シングルビーム型圧電振動子、SAW共振子、厚みすべり振動子等として形成されたものである。感圧素子32は、その長手方向を第1ダイアフラム22、第2ダイアフラム24、シャフト28の変位方向(±Z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。そして感圧素子32は、長手方向(±Z方向)の一端にある第1基部32aが第2固定部30を介してシャフト28に固定され、第1基部32aの振動腕32cを挟んだ反対側にある第2基部32bが接続部材34を介して第1固定部26に固定されているため、シャフト28が+Z方向に変位する場合は伸長応力を受け、シャフト28が−Z方向に変位する場合には圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。
感圧素子32は発振回路(不図示)と電気的に接続され、発振回路(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ものである。特に本実施形態で用いられている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32c(振動部)の振幅幅が小さくなるので共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕32c(振動部)の振幅幅が大きくなるので共振周波数は低くなる。なお、双音叉型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。
接続部材34は、感圧素子32の第2基部32bと、側面部16に固定された第1固定部26とを接続する部材である。接続部材34は感圧素子32を挟んで対称に一対に形成されている。すなわち接続部材34は全体としてU字型に形成され、U字の鞍34aの部分に感圧素子32の第2基部32bが接続され、U字の2つの支持棒34bの上端部34cを第1固定部26に接続した形となる。よって感圧素子32は、接続部材34、及び第1固定部26を介してハウジング12の内側の側面の中央部に接続されることになる。
また接続部材34には感圧素子32の励振電極(不図示)から延びた引き出し電極(不図示)が設けられている。そして引き出し電極(不図示)は、Au線等のワイヤーボンディングにより開口部18aの外周に設けられハウジング12内部と電気的に接続可能なハーメチック端子(不図示)に電気的に接続される。これにより、ハウジング12外部にある感圧素子32の発振回路(不図示)は、ハーメチック端子(不図示)、ワイヤーボンディング、引き出し電極(不図示)を介して感圧素子32と電気的に接続される。
補強部36は感圧素子32の第1基部32aと接続部材34の上端部34cとに接続されている。これにより感圧素子32が実装時に折り取られることを防止することができる。また補強部36は感圧素子32及び接続部材34より充分細く形成され、さらにカギ状に形成してバネ性を持たせているので感圧素子32の検出軸方向の動きを妨げることを防止している。
感圧素子32、接続部材34、補強部36がそれぞれ水晶で形成されている場合、これらをフォトリソ・エッチング加工により一体として製造することが好適である。
図6に感圧素子及び接続部材のフォトリソ・エッチング加工の工程図を示す。
感圧素子32、接続部材34、補強部36をフォトリソ・エッチング加工により一体で形成する場合、まず図6に示すように、材料となる母基板52を用意し、母基板52の表面にポジ型のフォトレジスト54を塗布する(図6(a))、感圧素子32、接続部材34、補強部36の配置及び形状に対応したフォトマスク56を用いて露光し(図6(b))、フォトレジスト54を感光させる(図6(c))、現像を行い感光したフォトレジスト54aを除去する(図6(d))、母基板52が露出した領域を母基板52が貫通するまでエッチングすることにより感圧素子32、接続部材34、補強部36を一体で形成する(図6(e))、フォトレジスト54を剥離する(図6(f))、というようなプロセスを経ることになる。
圧力センサー10の組み立ては、まず、フランジ部14の開口部14aを封止する態様で、第1ダイアフラム22が金属の場合は溶接もしくは無機系接着剤等により、第1ダイアフラム22を開口部に接続し、水晶で形成されている場合は無機系接着剤等により接着する。同様にハーメ端子部18の開口部18aを封止する態様で第2ダイアフラム24を開口部18aに接続する。また側面部16の内側の中央部において互いに対向するように一対の第1固定部26を無機系接着剤等により接着し、接続部材34の上端部34cと第1固定部26とを無機系接着剤等により接着する。そしてシャフト28を第2固定部30の貫通孔(不図示)に挿通し、第2固定部30をシャフト28の中央部(中心線Cに対して±Z方向に対称となる位置)にきた状態でシャフト28に無機系接着剤等により接着する。
次に、フランジ部14のダボ穴14dに支持シャフト20の一端20aをはめ込むとともに無機系接着剤等により接着し、側面部16の内周16aと外周14bとをフランジ部14の厚肉領域に溶接または無機系接着剤により接続する。
そして、シャフト28の一端28aをフランジ部14側に向けた状態でシャフト28の一端28aと第1ダイアフラム22の中央領域22aとを無機系接着剤等により接着し、第2固定部30の一面30aと感圧素子32の第1基部32aとを無機系接着剤等により接続する。なお、接続部材34が第1固定部26に固定され、第1基部32aが第2固定部30に固定されたのちは図1に示すように補強部36を折り取って削除してもよい。
次に、ハーメ端子部18のダボ穴18dと支持シャフト20の他端20bとをはめ込んで無機系接着剤等により接着し、シャフト28の他端28bと第2ダイアフラム24を無機系接着剤で接着し、ハーメ端子部18の外周18bと側面部16の内周16aを溶接または無機系接着剤等により接着する。最後に側面部16に形成した真空封止穴(不図示)から空気を吸引して封止することにより第1実施形態に係る圧力センサー10が構築される。
上記構成に係る圧力センサー10において、感圧素子32のシャフト28との接続領域とハウジング12との接続領域は感圧素子32の検出軸の方向に垂直な線上(中心線C上)に並ぶことになる。そして接続部材34は感圧素子32と同一素材であり感圧素子32の第2基部32bから延伸されたものであるから、感圧素子32が温度変化により検出軸方向に伸縮したとしても上記の接続領域の検出軸方向の相対位置は不変であるため、感圧素子32の線膨張に起因する応力を感圧素子32が受けることを回避することができる。
さらに、感圧素子32の第1基部32aがシャフト28の中央部(第2固定部30)に接続され、第2基部32bが接続部材34、第1固定部26を介してハウジング12側面の中央部に接続される。このときハウジング12及びシャフト28の線膨張係数が互いに異なる場合であっても、ハウジング12の中央部(中心線C)を基準としたハウジング12の両端方向(±Z方向)の線膨張の量は互いに同一であり、シャフト28の中央部を基準としたシャフト28の両端方向(±Z方向)への線膨張の量は互いに同一であるため、ハウジング12の中央部、及びシャフト28の中央部の検出軸方向の相対位置は不変となる。よってハウジング12の中央部及びシャフト28の中央部の相対位置の変動に起因する応力を感圧素子32が受けることを回避することができる。
また接続部材34は、感圧素子32を挟んで一対に形成されている。これにより、感圧素子32が接続部材34側に曲がることはないので、感圧素子32が検出軸方向以外の方向に動くことが阻止でき、感圧素子32の検出軸方向の感度を向上させることができ、高精度な圧力センサー10となる。
さらに、感圧素子32の第1基部32aは補強部36を介して接続部材34と接続される。これにより、感圧素子32及び接続部材34を一体で形成する場合、感圧素子32が実装時等に折れることを回避できるので、歩留まりを向上させ、圧力センサー10のコストダウンを図ることができる。
第2実施形態に係る圧力センサー60を図7に示す。第2実施形態に係る圧力センサー60は少なくとも受圧手段の一方がハウジング62の内部に向けて伸長可能な第1ベローズ72となっており、本実施形態においてはハーメ端子部68の開口部68aを封止するように接続され、第1ベローズ72と第1ダイアフラム22がシャフト74によって固定された構成である。さらにハウジング62、支持シャフト70、シャフト74が同一素材で形成されている。なお以下において、第1実施形態と共通する構成については同一番号を用いることとし、特に説明の必要が無い限り説明を省略する。
第1ベローズ72は、力を受けて±Z方向に変位する円形の受圧部72aと、ハーメ端子部68の開口部68aの内周に接続されるリング型の外周部72bと、外周部72bの内周を封止しつつ受圧部72aの外周と接続され、受圧部72aの変位に伴い±Z方向に伸縮する伸縮部72c、とを有している。
シャフト74は±Z方向に長手方向を有する一定の剛性をもった部材であり一端74aが第1ダイアフラム22に接続され、他端74bが受圧部72aに接続される。シャフト74は、第1ダイアフラム22と第1ベローズ72とを連結することになるため、第1ベローズ72及び第1ダイアフラム22が同一の圧力を受けている場合はシャフト74が±Z方向に変位することはなく、第1ベローズが受ける圧力が第1ダイアフラム22が受ける圧力より大きい場合は、シャフト74が第1ダイアフラム22側(−Z方向)に変位し、第1ベローズ72が受ける圧力が第1ダイアフラム22が受ける圧力より小さい場合は、シャフト74が第1ベローズ側72(+Z方向)に変位する。
第1ベローズ72は第1ダイアフラム22と同一の特性を有するものが用いられる。すなわち、第1ベローズの受圧面積(受圧部72aの面積)と第1ダイアフラム22の受圧面積(中央領域22a及び可撓領域22b面積)が等しくし、第1ベローズ72の受圧感度と第1ダイアフラム22の受圧感度とが同一となるように伸縮部72cの強度等を調整することにより同一圧力に対して変位量が同じになる、すなわちシャフト74に与える応力が等しくなる。これにより一方に第1ダイアフラム22を用い、他方に第1ベローズ72を用いた場合でも相対圧を測定することが可能となる。なお第1ベローズ72を開口部68aに接続することにより、側面を伸縮部72c、底面を受圧部72aとする凹部72eが形成される。
第1ベローズ72は金属等で形成されるが、受圧部72a、外周部72b、伸縮部72cをプレス加工によりそれぞれ形成し、溶接等により接続することができる。その際、図8に示すように、第1実施形態と同様に受圧部72aの伸縮部72cに囲まれる面の反対側の面に凸部72dを設け、シャフト74の他端74bに形成した凹部74cにはめ込むことができる。なお伸縮部72cは伸縮部72cの雄型(不図示)の表面に金属メッキを施し、雄型(不図示)の外形に倣った形状の凹部を有する雌型(不図示)で金属メッキを挟み込む態様でプレスすることにより形成される。
またシャフト74の中央線Cの位置に第2固定部30が固定されている。接続部材34と接続する第1固定部26は側面部66の中央線C上に一対固定される。本実施形態においては、第1固定部26及び第2固定部30、及び感圧素子32の第1基部32aの固定位置は±Z方向で同一の位置にある必要があるが、ハウジング62とシャフト74は同一材料を用いているため中央線C上にある必要はなく、さらにシャフト74も中心線Cを±Z方向の二等分線とする必要は無い。さらにハウジング62とシャフト74とが同一材料により形成されているため、温度変化により第2固定位置と第1固定位置との±Z方向の変位差が発生することはないので、感圧素子32が温度変化により第1固定部26と第2固定部30との相対位置の変化に伴う応力を受けることはない。
また図7に示すようにハーメ端子部68の開口部68aには内ネジ部68bが形成され、前記内ネジ部68bに、前記内ネジ部68bの同径の外ネジ部(不図示)を有し被圧力測定環境と接続された配管(不図示)と接続されたコネクター(不図示)を螺合させることによりハウジング62とコネクター(不図示)とを接続させることができる。なお第2実施形態においては第2ダイアフラム24が第1ベローズ72に置き換わったもののその組み立て手順は第1実施形態と同様なので説明を省略する。
第3実施形態に係る圧力センサー80を図9、図10に示す。図9は正面(XZ面)から見た模式図、図10は側面(YZ面)から見た模式図である。第3実施形態に係る圧力センサー80は受圧手段が双方ともハウジング82内部に伸長可能な第1ベローズ72により構成され、第1ベローズ72同士をシャフト92により連結し、シャフト92の中央部が側面部86の中央部に固定されたカンチレバー94により保持された構造である。
第2実施形態同様に、フランジ部84の開口部84a、及びハーメ端子部88の開口部84a、88aには雌ネジ部84b、88bが形成され、雌ネジ部を有するコネクターとの接続が容易な構成となっている。
中心線Cを基準として、ハウジング82の±Z方向の長さ、すなわち上端及び下端までの長さはともにA2で同一であり、同様に支持シャフト90の上端及び下端までの長さはともにD2で同一であり、シャフト92の上端及び下端までの長さはともにB2で同一である。また、第1固定部26は側面部86の内側の中心線C上に固定され、±Z方向の長さはともにE1で同一であり、カンチレバー94は側面部86の内側の中心線C上に固定され、±Z方向の長さはともにH1で同一である。なおカンチレバーの一端94aに感圧素子32の第1基部32aが第1実施形態と同様の配置で接続され、感圧素子32の第1基部32aはカンチレバー94の一面94eを介してシャフト92に固定される。
これにより第1実施形態で述べたように、ハウジング82(フランジ部84、側面部86、ハーメ端子部88)と、支持シャフト90、シャフト92、カンチレバー94は互いに異種材料であっても中心線Cと重なった各部材の二等分線が温度変化によりずれることはなく、温度変化による第1固定部26と一面94eの変位差に起因する応力を感圧素子32が受けることは無い。
ところで、第1ベローズ72はハウジング82を傾ける等により±Z軸方向以外の方向に撓むことになるため、これに両端が接続されるシャフト92も±Z軸方向に動くことになる。これを防ぐためカンチレバー94によりシャフト92を保持する。
カンチレバー94は、±Z方向に貫通した貫通孔(不図示)を有しシャフト92を貫通孔(不図示)に貫通させる態様でシャフト92を保持する保持部94a、側面部86の内側の中心線C上に固定される第3固定部94b、保持部94a及び第3固定部94bの間に設けられ±Z方向に屈曲可能な屈曲部94cを有し、これらが一体となったものである。この保持部94aの一面94eに感圧素子32の第1基部32aが接続される。
カンチレバー94は、第1固定部26との干渉を回避するため、側面部86の中央線C上であって、第1固定部26に対して中心軸Oを中心として90度回転させた位置に接続される。
カンチレバー94において保持部94aは側面部86との間で剛性を有し、第3固定部94bはシャフト92との間で剛性を有する。一方屈曲部94cはV字の頂点の稜線が±Y方向(XZ平面の法線)に延びた状態で切り込んで肉薄の屈曲点94dを形成している。これにより±Z方向には屈曲するがそれ以外の方向には屈曲しない。したがってシャフト92が±Z方向以外の方向に動くことを制限することができる。
第3実施形態に係る圧力センサー80の組み立ては、基本的には第1実施形態及び第2実施形態と同様であるが、カンチレバー94の保持部94aの貫通孔(不図示)にシャフト92を貫通させ保持部94aが組み立て後に中心線C上にくるように配置して無機系接着剤等により接着し、そしてシャフト92の一端92aをフランジ部84に接続した第1ベローズ72と無機系接着剤等により接着するとともに、側面部86の中央線C上であって、第1固定部26の固定箇所より中心軸Oを中心として90度回転させた位置にカンチレバー94の第3固定部94bを無機系接着剤等により接着し、その後感圧素子32の第1基部32aと保持部94aの一面94eとを無機系接着剤等により接着すればよい。
第4実施形態に係る圧力センサー100を図11、図12に示す。図11は正面(XZ面)からの模式図であり、図12は側面(YZ面)からの模式図である。第実施形態に係る圧力センサー100は一対の受圧手段が双方ともハウジング102の外部に向けて伸長可能な第2ベローズ114であって、それぞれ開口部104a、108aを封止するように接続された構成である。
第4実施形態においても、中心線Cを基準として、ハウジング102の±Z方向の長さ、すなわち上端及び下端までの長さはともにA3で同一であり、同様に支持シャフト110の上端及び下端までの長さはともにD3で同一であり、シャフト112の上端及び下端までの長さはともにB3で同一である。また、第1固定部26は側面部106の内側の中心線C上に固定され、±Z方向の長さはともにE1で同一であり、カンチレバー94は側面部106の内側の中心線C上に固定され、±Z方向の長さはともにH1で同一である。なおカンチレバーの一端94aに感圧素子32の第1基部32aが第3実施形態と同様の配置で接続され、感圧素子32の第1基部32aはカンチレバー94の一面94eを介してシャフト112に固定される。
これにより第3実施形態でも述べたように、ハウジング102(フランジ部104、側面部106、ハーメ端子部108)と、支持シャフト110、シャフト112、カンチレバー94は互いに異種材料であっても中心線Cと重なった各部材の二等分線が温度変化によりずれることはなく、温度変化による第1固定部26と一面94eの変位差に起因する応力を感圧素子32が受けることは無い。
第2ベローズ114は、第1ベローズ72と同様に金属等で形成され、受圧部114a、外周部114b、伸縮部114cを有し、第1ベローズ72と同一の方法で形成することが可能であるが、図12に示すように、第2実施形態と同様に受圧部114aの伸縮部114cに囲まれる面に凸部114dを設け、シャフト112に形成した凹部112cにはめ込むことができる。また第3実施形態と同様の配置でシャフト112はカンチレバー94の保持部94aに挿通されて固定され、カンチレバーは第3実施形態と同様に側面部106に固定される。
第4実施形態においては第2ベローズ114の伸縮部114cが外部に露出した形態を有する。よって例えば、樋門施設等で液体等の相対圧力を第2ベローズ114で直接計測する場合、第3実施形態の場合と異なり第1ベローズ72により形成された凹部72eを有さず、伸縮部114cに液体が入ることがなく、さらに液体に含まれる空気等が入りこむことがないため、圧力を正確に測定することができる。
いずれの実施形態においても図14に示すような圧力センサー用のケース116に実装することができる。図14においては第1実施形態を用いて説明する。ケース116は、一端がフランジ部14の薄肉領域の外周14cと同程度の寸法を有しハウジング12のフランジ部14側から導入する開口部118aを有し、他端がフランジ部14を止めるリング状のストッパー118bが設けられた第1部材118と、ストッパー上でストッパー118bと同心円状に配置されストッパー118bとフランジ部14との間に挟みこまれるOリング120と、第1部材118の開口部118aに形成された雌ネジ部118cと螺合する雄ネジ部122aを有し、雄ネジ部122aを雌ネジ部118cに螺合させつつフランジ部14をOリング120に押し付け、ケース116内において開口部118aをストッバー118b側に対して封止する第2部材122と、を有する。これにより第2部材を第1部材にねじ込むだけで圧力センサー10の取り付けを行うことができ、フランジ部14側の被測定環境側とハーメ端子部18側の測定環境側との空間的遮断を容易にかつ確実に行うことができる。
また図15に示すようにフランジ部14に雄ネジ部14dを設け、第1部材118に雌ネジ部118cを設け、雄ネジ部14dと雌ネジ部118cとを螺合させることにより、フランジ部14側の被測定環境側とハーメ端子部18側の測定環境側との空間的遮断を行う構成としてもよい。なお螺合時において、雄ネジ部14dにはシールテープを巻き、雄ネジ部14dと雌ネジ部118cとの間の空気や液体等のリークを防ぐと良い。同様にハーメ端子部18にも雌ネジ部18cを設け、雌ネジ部18cに螺合する雄ネジを有するコネクター(不図示)を接続する構成としてもよい。
なお第1実施形態及び第2実施形態においてもカンチレバー94を設けてもよく、この場合はシャフト28、74の第2固定部30の取り付け位置にカンチレバー94の保持部94aが来るようにして、保持部94aをシャフト28、74に固定し、保持部94aの一面94eに感圧素子32の第1基部32aを固定すればよい。
図16に感圧素子の第1の変形例の模式図を示す。特許第2639527号に開示されているように、感圧素子32の振動部32cと第1基部32aとの間、及び振動部32cと第2基部32bとの間にくびれ部32dを設けることにより振動エネルギーの漏洩を防止しQ値を高めることのより共振周波数を安定させることが好適である。
図17に感圧素子の第2の変形例の模式図を示す。特開昭56−119519号に開示されているように、感圧素子32の振動部32eを1本の柱状ビームで構成することにより、感圧素子32の内部に生じる引張り応力を1本の柱状ビームに集中させることによって、2本の柱状ビームの場合に比べて2倍の感度を得ることができるようにすることも好適である。
10………圧力センサー、12………ハウジング、14………フランジ部、16………側面部、18………ハーメ端子部、20………支持シャフト、22………第1ダイアフラム、23………金属母材、24………第2ダイアフラム、26………第1固定部、28………シャフト、30………第2固定部、32………感圧素子、34………接続部材、36………補強部、38………母基板、40………フォトレジスト、42………中央領域、44………可撓領域、46………凹部、48………フォトマスク、49………中央領域、50………可撓領域、51………凹部、52………母基板、54………フォトレジスト、56………フォトマスク、60………圧力センサー、62………ハウジング、64………フランジ部、66………側面部、68………ハーメ端子部、70………支持シャフト、72………第1ベローズ、74………シャフト、80………圧力センサー、82………ハウジング、84………フランジ部、86………側面部、88………ハーメ端子部、90………支持シャフト、92………シャフト、94………カンチレバー、100………圧力センサー、102………ハウジング、104………フランジ部、106………側面部、108………ハーメ端子部、110………支持シャフト、112………シャフト、114………第2ベローズ、116………ケース、118………第1部材、120………Oリング、122………第2部材、201………圧力センサー、202………気密ケース、203………壁面、204………壁面、210………第1のベローズ、211………第2のベローズ、215………振動素子接着台座、220………圧電振動素子、221………圧電補強板、230………発振回路。

Claims (7)

  1. 両端に開口部を有するハウジングと、
    前記開口部をそれぞれ封止し、外部の圧力を前記ハウジング内部に伝達する一対の受圧手段と、
    前記一対の受圧手段を連結して一方の受圧手段が受けた力を他方の受圧手段に伝達する力伝達手段と、
    感圧部と前記感圧部の両端に接続される一対の基部とを有する感圧素子と、を有する圧力センサーであって、
    力の検出方向を検出軸とし、前記一対の基部を結ぶ直線と前記検出軸と前記力伝達手段の変位方向とが平行に配置され、
    前記一方の基部を第1の固定部とし、
    前記他方の基部から前記感圧部を挟むように延在される一対の接続手段を、前記第1の固定部に対して対称となる位置に配置された一対の第2の固定部に其々連結し、前記第1の固定部を前記力伝達手段に固定支持し、
    前記第1の固定部と前記一対の第2の固定部とを結ぶ直線と交差する前記ハウジングの部位に前記第2の固定部を支持固定したことを特徴とする圧力センサー。
  2. 前記一対の受圧手段のうち、少なくとも一方は前記ハウジング内部に向けて伸びるベローズであって、前記ベローズの受圧部と前記力伝達手段が接続されたことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサー。
  3. 前記一対の受圧手段は、前記ハウジング外部に向けて伸びる第2ベローズであって、前記第2ベローズの受圧部と前記力伝達手段が接続されたことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサー。
  4. 端がハウジングに固定され前記一端の反対側の他端が前記力伝達手段に固定され、前記力伝達手段の変位方向に屈曲可能なカンチレバーによって、前記力伝達手段が保持されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載に圧力センサー。
  5. 前記感圧素子は、両端部に設けた基部を有し、前記両端部に設けた基部の間に振動部を有する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. 前記接続手段は、前記感圧素子を挟んで対称に一対に形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧力センサー。
  7. 前記感圧素子の一端と前記接続手段とは補強部により連結された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。
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