JP5403200B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに係り、特に圧力検出素子として圧電素子を採用する圧力センサに関する。

圧電素子とダイヤフラムを用いた圧力センサとしては、特許文献１に開示されているようなものを挙げることができる。特許文献１に開示されている圧力センサとは、図７に示すような形態のものである。なお、図７において図７（Ａ）は、同図（Ｂ）におけるＡ−Ａ断面を示す図であり、図７（Ｂ）は、圧力センサの断面図である。その具体的構成は、対向して配置される一対のダイヤフラム２，３を基本とする。そして前記対を成すダイヤフラム２，３のうちの一方のダイヤフラム３には、その薄肉部３ａに、感圧素子としての圧電振動片４を配置、固定するための対を成す支持部３ｂが形成されている。そして、圧力センサ１は、前記支持部３ｂ間に配置される圧電振動片４と、一対のダイヤフラム２，３の薄肉部２ａ，３ａ間に配置され、一対のダイヤフラム２，３の薄肉部２ａ，３ａの変形を互いに伝達することを可能とする支柱５を有する。

このような構成の圧力センサ１によれば、ダイヤフラム３における薄肉部３ａの変位に伴い、感圧素子としての圧電振動片４に引張、あるいは圧縮方向の力が負荷される。圧電振動片４は、上述のようにして引張あるいは圧縮方向の力（応力）が加えられると、発振周波数（共振周波数）に変化が生じる。圧電振動片４が、図７に示すような双音叉型振動片である場合には、弦楽器の弦のような作用効果を有する。そして、ダイヤフラム３に負荷された圧力の検出は、圧力の負荷によって変化した周波数を読み取り、その変化の割合に応じてルックアップテーブル等によって定められた圧力が導き出される。
特開２００４−１３２９１３号公報

上記のような構成の圧力センサ１において、圧電振動片４が備えられたダイヤフラム３を変形させると、図８に示すような状態となることがある。すなわち、ダイヤフラム３の薄肉部３ａは、外部からの圧力を全面に受けて変形されるため、その中心の変位が最も大きく、全体としては円弧状に変形するのである。一方、圧電振動片４は、薄肉部３ａに形成された支持部３ｂが薄肉部３ａの変形に伴って傾くことで引張の力を受ける構成とされているため、支持部３ｂ間に位置する圧電振動片４の振動部４ａは、ダイヤフラム３の薄肉部３ａに倣った円弧状に変形することは無く、直線に近い変形状態となる。

このように、ダイヤフラム３の薄肉部３ａと圧電振動片４の振動部４ａとで異なった変形形態が採られる上記圧力センサ１では、高い圧力を受けた際、図８に示すように、ダイヤフラム３の薄肉部３ａと圧電振動片４の振動部４ａとが接触してしまう可能性がある。このような接触が生ずると、薄肉部３ａが圧電振動片４の振動部４ａを直接押圧することとなるため、振動部４ａには、引張方向の応力に加え、薄肉部３ａによるせん断方向の応力も加えられることとなる。このため、圧電振動片４の発振状態は通常の加圧状態と異なったものとなり、圧力センサ１としての精度が劣化する。また、ダイヤフラム３の薄肉部３ａと圧電振動片４の振動部４ａとが接触した場合、双方共に損傷（破壊）する可能性がある。

そこで、本発明では、上記のようにダイヤフラムと、このダイヤフラムに形成された支持部に備えられる感圧素子とを有する圧力センサにおいて、ダイヤフラムに変形が生じた場合であっても、その薄肉部と感圧素子の感圧部とが接触することの無い圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための最も単純な技術としては、薄肉部と感圧素子との間隔を広くとる事、すなわち支持部の高さを高くするという事を挙げることができる。しかし、この場合は圧力センサを小型化するという市場の傾向に反することとなると共に、ダイヤフラムの薄肉部に極度の変形が生じた場合には接触する可能性が生じてしまう。

そこで、本発明に関連する圧力センサ用ダイヤフラムは、平面視方向から見て、枠部、前記枠部の内側に厚肉部、前記厚肉部と前記枠部との間に前記厚肉部よりも肉薄の可撓部、とを備え、前記可撓部の一方の面に、感圧素子を固定するための対を成す支持部を、前記厚肉部と挟むように配置していることを特徴とする。このような構成とすることにより、支持部間に形成した厚肉部はその変形が抑制され、当該箇所が円弧状に変形するということを避けることができる。このため、圧力負荷による可撓部の変形により、支持部間に位置する可撓部が圧電振動片の振動部に接触するということが無くなる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る圧力センサは、振動部と前記振動部の両端に設けられた一対の基部を備える感圧素子とダイヤフラムとを有し、前記ダイヤフラムは、平面視方向から見て、枠部、前記枠部に囲まれている厚肉部、前記厚肉部と前記枠部との間に前記厚肉部よりも肉薄の可撓部、とを備え、前記可撓部の一方の面に、前記感圧素子を構成する一対の基部をそれぞれ固定している対を成す支持部を、前記厚肉部を挟み、かつ平面視において前記厚肉部と離間して配置し、前記厚肉部は、平面視において前記一方の面側で前記振動部と重なる部分を備えると共に、積層方向において、前記振動部と非接触であり、さらに前記一方の面の裏面側に突出した形状であることを特徴とする。このような構成とすることにより、支持部間に形成した厚肉部はその変形が抑制され、当該箇所が円弧状に変形するということを避けることができる。このため、圧力負荷による可撓部の変形により、支持部間に位置する可撓部が圧電振動片の振動部に接触するということが無くなる。よって当該接触に伴う周波数変化量の検出精度、すなわち圧力検出の精度の劣化を抑制することができる。

また、上記のような特徴を有する圧力センサでは、前記厚肉部は、前記一方の面の裏面側において突出した形状とすることにより、可撓部と圧電振動片の振動部との間隔を狭めることが無い。よって、可撓部の変形が大きなものとなった場合であっても、可撓部が圧電振動片の振動部に接触することを避けることができる。

また、上記のような特徴を有する圧力センサでは、前記一方の面の裏面側における前記支持部に対応する位置に、平面視方向から見て前記可撓部に挟まれている突起部を有していると良い。このような構成とすることにより、可撓部の変形に伴う支持部の変形を避けることができる。このため、圧力（周波数変化量）の検出精度の劣化を避けることができる。

また、上記のような特徴を有する圧力センサでは、前記ダイヤフラムと、他の可撓部を備えた他のダイヤフラムとを重ねて配置し、二つの前記可撓部の間に、一方の前記可撓部に生じた撓みを他方の前記可撓部に伝達するための伝達手段を備えていると良い。このような構成とすることにより、圧力センサを相対圧計とすることができる。
また、上記のような特徴を有する圧力センサでは、前記感圧素子は、振動部と、前記振動部の両端部に設けた基部とを有し、前記支持部に前記基部を固定していることが望ましい。このような構成の感圧素子は、振動部に与える張力を変化させることで、その振動状態、すなわち共振周波数を変化させることができる。

以下、本発明の圧力センサに係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であり本発明の技術的範囲は、以下の実施形態に拘束されるものでは無い。

まず、図１を参照して本発明の圧力センサに係る第１の実施形態について説明する。なお、図１において、図１（Ａ）は圧力センサの側断面図、図１（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。

本実施形態の圧力センサ１０は、ダイヤフラム２０と、このダイヤフラム２０と対向して設けられる容器４０、及び感圧素子としての圧電振動片３０とを基本構成とする絶対圧計である。

上記のような基本構成を有する圧力センサ１０のうち、前記ダイヤフラム２０は、外部（図１では上方）からの圧力を受け、この圧力によって変形する（撓みを生じさせる）薄肉部２２と、この薄肉部２２の周囲に形成される枠部２８とを基本構成とする。そして本実施形態のダイヤフラム２０は薄肉部２２の一方の面に、前記圧電振動片３０を載置、固定するための支持部２４を有する。前記支持部２４は詳細を後述する圧電振動片３０を２点で支持するために設けられるものであり、圧電振動片３０の両端部を固定するために、対を成すように形成されている。また、薄肉部２２の他方の面には、前記圧電振動片３０を前記支持部２４に載置した際に、前記圧電振動片３０の振動部３４が位置することとなる部位に対応させて、厚肉化するための突出部２６が設けられている。突出部２６を形成し、薄肉部２２の一部を厚肉化することにより、当該部分の変形を防ぐことができ、加負荷時において薄肉部２２の中心が円弧状に変形して圧電振動片３０に接触するという事態を防ぐことができるのである。

本実施形態で採用する圧電振動片３０は、いわゆる双音叉型の振動片である。双音叉型の振動片は、両端部に基部３２を有し、この２つの基部３２の間に双音叉形状を成す振動部３４を有する。このような構成の双音叉型の振動片では、双音叉形状を成す振動部３４に与える張力を変化させることで、その振動状態、すなわち共振周波数を変化させるという特性を持つ。具体的には、振動部に引張の力が加えられた場合には周波数が高くなり、圧縮の力が加えられた場合には周波数が低くなるのである。

本実施形態の圧力センサ１０では、上記のような圧電振動片３０の特性を利用して圧力の検出を行うことを可能としたものである。具体的には、上記のような特性を有する圧電振動片３０の２つの基部３２を、上記構成のダイヤフラム２０の薄肉部２２に形成した２つの支持部２４の載置面２５に固定する。このようにして圧電振動片３０をダイヤフラム２０に搭載し、前記ダイヤフラム２０の薄肉部２２に撓みを生じさせた場合、薄肉部２２は図２に示すような状態となる。薄肉部２２にこのような変形が生ずると、前記支持部２４の載置面２５は薄肉部２２の一方の面の変形状態に伴って傾くこととなる。図２のように、図中上側から下側へ向けて負荷をかけられた場合には、前記支持部２４の載置面２５は薄肉部２２の外側へ向けて傾くこととなる。このため、前記載置面２５間の距離は実質的に増加することとなり、前記載置面２５に固定された圧電振動片３０の振動部３４には引張の力（張力）が負荷されることとなる。

振動部３４に張力が負荷されると圧電振動片３０は上述したように、出力される発振信号、すなわち周波数が増大する。そして図示しない検出部ではこの周波数の変化を検出し、周波数の変化に基づく圧力の変化を導き出すことで、ダイヤフラム２０に負荷された圧力を検出することが可能となるのである。

上述したように、本実施形態の圧力センサ１０は絶対圧計である。したがって、圧力センサ１０を構成するためには、圧力の基準となる真空封止部を構成する必要がある。前記容器４０は、前記真空封止部を構成するための凹部４２を備えたものである。そして、上述したダイヤフラム２０を前記容器４０の蓋体（リッド）とするならば、前記容器４０はいわゆるベースとすることができる。前記容器４０の構成材料は、ガラスや水晶等であれば良く、前記ダイヤフラム２０との接合は、封止部の気密性を保つために、直接接合や、陽極接合とすると良い。なお、ダイヤフラム２０と容器４０との接合によって構成されるキャビティ１２を真空とする観点から、両者（ダイヤフラム２０と容器４０）の接合は、真空中で行うようにする。

上記のような構成の圧力センサ１０では、図２に示すようにダイヤフラム２０の薄肉部２２が変形した場合であっても、突出部２６を形成して厚肉化した部位には変形が生じ無い。このため、支持部２４の高さが低い場合であっても、薄肉部２２の変形に伴ってダイヤフラム２０の一部が圧電振動片３０の振動部３４に接触するという事態を避けることが可能となる。そして、負荷圧力が高くなった場合であってもダイヤフラム２０の一部が圧電振動片３０の振動部３４に接触することが無くなることにより、圧力センサ１０としての精度を向上させることが可能となる。

次に、図３を参照して本発明の圧力センサ用ダイヤフラムに係る第２の実施形態について説明する。本実施形態のダイヤフラム１２０の基本的構成は、上述した第１の実施形態に係るダイヤフラム２０と同じである。したがって、その機能を同様とする箇所には図面に１００を足した符号を付してその詳細な説明を省略することとする。第１の実施形態に係るダイヤフラム２０と本実施形態のダイヤフラム１２０との相違点は、支持部１２４の形態にある。具体的には、本実施形態のダイヤフラム１２０は、薄肉部１２２の他方の面であって前記支持部１２４の形成位置に対応する位置に、突起部１２４ａを形成し、実質的に支持部１２４の厚みが厚くなるような構成としたのである。このような構成とすることにより支持部１２４の強度が増し、薄肉部１２２の変形に伴う支持部１２４の変形を抑制することが可能となる。これにより、圧電振動片３０の周波数の変化量の劣化、すなわち受圧感度の劣化を抑制することができる。なお、その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る圧力センサ１０におけるダイヤフラム２０と同様である。

次に、図４を参照して本発明の圧力センサ用ダイヤフラムに係る第３の実施形態について説明する。本実施形態のダイヤフラム２２０の基本的構成も、上述した第１の実施形態に係るダイヤフラム２０と同じである。したがって、その機能を同様とする箇所には図面に２００を足した符号を付してその詳細な説明を省略することとする。第１の実施形態に係るダイヤフラム２０と本実施形態のダイヤフラム２２０との相違点は、ダイヤフラム２２０の枠部２２８から支持部２２４までの間の可撓部２２２ａ（図１における薄肉部２２）の厚みを支持部２２４の厚みと同等とした点にある。このような構成とすることにより、支持部２２４を単体で形成するということが不要となる。なお、その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る圧力センサ１０におけるダイヤフラム２０と同様である。

なお、上記実施形態ではすべて、薄肉部２２（１２２，２２２）の一部を厚肉化するために形成した突出部２６（１２６，２２６）は、支持部２４（１２４，２２４）を形成した面の反対側の面にのみ形成するように、図面において示している。しかしながら、突出部２６の形成に関しては、図５に示すような形態としても良い。すなわち、薄肉部３２２における支持部３２４の形成面側（一方の面）であって前記対を成す支持部３２４間に、前記支持部３２４の高さ（厚み）よりも低い（薄い）突出部３２６ａを形成するのである。そして、前記突出部３２６ａの形成と共に、薄肉部３２２における前記突出部３２６ａの形成面と反対側の面（他方の面）に、突出部３２６を形成するのである。このような構成とすることにより、突出部３２６ａから突出部３２６にかけての肉厚としては上述した第１の実施形態におけるダイヤフラムの突出部と同等の肉厚を確保しつつ、ダイヤフラム３２０全体としての厚みは、低背化を図ることが可能となるのである。

このような構成のダイヤフラム３２０であっても、本発明の圧力センサ用ダイヤフラムであるということができる。なお、図５に示すダイヤフラムの基本的な構成は、上述した第１の実施形態に係るダイヤフラムの構成と同様なため、その機能を同様とする箇所に関しては、図面に３００を足した符号を付してその詳細な説明は省略することとする。

次に、図６を参照して、本発明の圧力センサに係る第２の実施形態について説明する。本実施形態の圧力センサ４１０におけるダイヤフラムの構成は、上述した第１の実施形態に係る圧力センサと同様である。したがって、ダイヤフラムの構成に関しては、図面に第１の実施形態に係るダイヤフラム２０と同様の符号を付してその詳細な説明は省略することとする。本実施形態の圧力センサ４１０と、第１の実施形態に係る圧力センサ１０との相違点は、圧力の計測形態にある。すなわち、第１の実施形態に係る圧力センサ１０は、絶対圧計であるのに対し、本実施形態に係る圧力センサ４１０は、相対圧計なのである。

したがって本実施形態の圧力センサ４１０では、第１の実施形態に係る圧力センサにおいて容器４０としていた部分を、ダイヤフラム４０ａとした。そして、ダイヤフラム２０の薄肉部２２の中心部近傍（厚肉化した部分）とダイヤフラム４０ａの薄肉部４４ａの中心部近傍との間には、一方の薄肉部２２（４４ａ）の変形を他方の薄肉部４４ａ（２２）へ伝達するための支柱５０を設けるようにした。なお、支柱５０の配置は、従来技術の項で説明した圧力センサと同様に、圧電振動片３０の両脇に配置するようにすれば良い。

このような構成の圧力センサ４１０において、ダイヤフラム２０側に圧力が負荷された場合には、薄肉部２２が図中下側へ変形することとなる。このため、支持部２４に固定された圧電振動片３０は引張の力を受けることとなり、その周波数は増加する。一方、ダイヤフラム４０ａ側に圧力が負荷された場合には、薄肉部４４ａが図中上側へ変形することとなる。この際、薄肉部４４ａと薄肉部２２との間には支柱５０が配置されているため、薄肉部４４ａの変形に倣って薄肉部２２も図中上側へ変形することとなる。こうした場合、支持部２４における載置面は薄肉部２２の中心方向へ向かって傾くため、支持部２４に固定された圧電振動片３０は圧縮の力を受けることとなり、その周波数は低下する。

このように、本実施形態に係る圧力センサ４１０によれば、ダイヤフラム２０、ダイヤフラム４０ａのいずれのダイヤフラムに圧力が負荷された場合であってもその検出をすることができる。なお、図示はしないが、本実施形態に係る圧力センサ４１０におけるダイヤフラム４０ａの薄肉部４４ａに対し、その一部を厚肉化するための突出部を設けるようにしても良い。

また、上記実施形態においてはいずれも、感圧素子として圧電振動片３０、特に双音叉型の圧電振動片を例に挙げて説明したが、感圧素子としては、他の圧電素子を採用しても良い。例えばＡＴカット圧電振動片や、ＳＡＷ素子片等である。なお、感圧素子としてＡＴカット圧電振動片やＳＡＷ素子片を採用する場合、圧縮、あるいは引張に対する周波数の変化が、上記実施形態とは異なることとなるため、周波数の変化と負荷圧力との関係については、感圧素子の特性に合わせて設定、検出可能な構成とする必要がある。

第１の実施形態に係る圧力センサ及びダイヤフラムの構成を示す図である。 第１の実施形態に係るダイヤフラムを変形させた際の、圧電振動片との関係を示す図である。 第２の実施形態に係るダイヤフラムの構成を示す図である。 第３の実施形態に係るダイヤフラムの構成を示す図である。 本発明のダイヤフラムに係る実施形態の変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。 従来の圧力センサ及びダイヤフラムの構成を示す図である。 従来の圧力センサ用ダイヤフラムを変形させた際の圧電振動片との関係を示す図である。

符号の説明

１０………圧力センサ、１２………キャビティ、２０………ダイヤフラム、２２………薄肉部、２４………支持部、２５………載置面、２６………突出部、２８………枠部、３０………圧電振動片、３２………基部、３４………振動部、４０………容器、４２………凹部。

Claims (4)

1. 振動部と前記振動部の両端に設けられた一対の基部を備える感圧素子とダイヤフラムとを有し、
   前記ダイヤフラムは、平面視方向から見て、枠部、前記枠部に囲まれている厚肉部、前記厚肉部と前記枠部との間に前記厚肉部よりも肉薄の可撓部、とを備え、
   前記可撓部の一方の面に、前記感圧素子を構成する一対の基部をそれぞれ固定している対を成す支持部を、前記厚肉部を挟み、かつ平面視において前記厚肉部と離間して配置し、
   前記厚肉部は、平面視において前記一方の面側で前記振動部と重なる部分を備えると共に、積層方向において、前記振動部と非接触であり、さらに前記一方の面の裏面側に突出した形状であることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記一方の面の裏面側における前記支持部に対応する位置に、平面視方向から見て前記可撓部に挟まれている突起部を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ダイヤフラムと、
   他の可撓部を備えた他のダイヤフラムとを重ねて配置し、
   二つの前記可撓部の間に、一方の前記可撓部に生じた撓みを他方の前記可撓部に伝達するための伝達手段を備えている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。
4. 前記感圧素子は、
   振動部と、前記振動部の両端部に設けた基部とを有し、
   前記支持部に前記基部を固定していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサ。

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