JP5712666B2 - 力検出器 - Google Patents

Description

本発明は、力検出器に関し、特にフランジを介した外部ケースとの固定に起因するダイアフラムの撓み感度の劣化を抑制可能な力検出器に関する。

従来から、水圧計、気圧計、差圧計などとして圧電振動子を力検出素子として使用した力検出器（圧力センサー）が知られている。圧電振動子を用いた圧力センサーは、圧電振動子に検出軸方向の圧力が印加すると、圧電振動子の共振周波数が変化し、当該共振周波数の変化から圧力センサーに印加される圧力を検出する。
特許文献１、２においては、被測定対象の圧力と基準となる圧力との差分を検出する圧力センサーについて開示している。

図１７に、特許文献１に記載の圧力センサーの模式図を示し、図１７（ａ）は分解斜視図、図１７（ｂ）は断面図である。図１７に示すように、圧力センサー２００は、円筒形のハウジング２０２の端面に、それぞれダイアフラム２０４Ａ、ダイアフラム２０４Ｂが形成されている。またハウジング２０２の側面の端面の一方側にはフランジ部４１０が形成されている。またダイアフラム２０４Ａ、ダイアフラム２０４Ｂがセンターシャフト２０６により連結されている。さらに感圧素子２０８（力検出素子）の長手方向の一端をハウジング２０２に取り付け、他端をセンターシャフト２０６に取り付けている。そしてダイアフラム２０４Ａ、ダイアフラム２０４Ｂの受ける圧力の合力の方向にセンターシャフト２０６を変位させる。
この変位により感圧素子２０８がその長手方向から圧縮応力または伸長応力を受けることにより、ダイアフラム２０４Ａが受ける圧力とダイアフラム２０４Ｂが受ける圧力の大小関係および大きさ（相対圧）を検出することができる。よって上記構成により、基準の圧力環境を基準として被測定対象の圧力を検知可能としている。同様の構成は特許文献２にも開示されている。このような相対圧を測定する圧力センサーにおいては、一方のダイアフラムの圧力環境と他方のダイアフラムの圧力環境を分離する構成が必要となる。

図１８に特許文献３の圧力センサーの模式図を示す。特許文献３においては、ダイアフラム３０２を有する素子３０４の外縁付近の両主面から円形リング３０６（Ｏリング）を挟み込み、それぞれ素子３０４を収容可能な外部ケース３０８、外部ケース３１０により素子３０４の法線方向から素子３０４を挟み込んでいる。そして外部ケース３０８、外部ケース３１０、素子３０４により円形リング３０６を締め付けてダイアフラム３０２を有する素子３０４を挟持している。これによりダイアフラム３０２の外部ケース側３０８の内部空間３０８ａと外部ケース側３１０の内部空間３１０ａとが互いに分離される。

そして外部ケース３０８には内部空間３０８ａに接続する圧力導入口３０８ｂが形成され、外部ケース３１０には内部空間３１０ａに接続する圧力導入口３１０ｂが形成されている。よって圧力導入口３０８ｂ、圧力導入口３１０ｂを互いに異なる圧力環境に接続することにより、互いに異なる圧力環境をダイアフラム３０２の表裏で形成し、互いに異なる圧力環境同士の差圧を検知可能な圧力センサー３００となっている。同様の技術は特許文献４、５においても開示されている。また特許文献６では、円形リング（Ｏリング）の代わりにガスケットを用いてフランジを挟み込み、素子の一方の面と他方の面との圧力環境を分離している。

図１９に、特許文献１に係る圧力センサーを外部ケースに収容した模式図を示し、図２０に外部ケースに収容した特許文献１の圧力センサーの使用形態を示した模式図を示す。特許文献１に開示された圧力センサーは、特許文献３乃至６と同様の方法で２つのダイアフラムの圧力環境を分離することができる。

すなわち、圧力センサー２００を収容する外部ケース４００は、圧力センサー２００のダイアフラム２０４Ａ側を収容する凹部４０４ａを有する第１外部ケース４０２と、圧力センサー２００のダイアフラム２０４Ｂ側を収容する凹部４０４ａを有する第２外部ケース４０４と、を有している。ここで第１外部ケース４０２の凹部４０２ａの底面には圧力導入口４０２ｂが形成されており、第２外部ケースの凹部４０４ａには開放孔４０４ｂが形成されている。

さらにハウジング２０２の直径以上でフランジ部４１０の直径以下の寸法の挿通孔４０６ａを有することによりハウジング２０２を挿通するとともにフランジ部４１０に当接可能な円筒形の形状のねじ込み金具４０６を有している。ねじ込み金具４０６は、第１外部ケース４０２及び第２外部ケース４０４に収容されるとともに各外部ケースの内壁に形成された雌ネジ４０２ｃ、４０４ｃに螺合する雄ネジ４０６ｂを側壁の外側に有する。また、フランジ部４１０のダイアフラム２０４Ａ側の面には円形リング４０８（Ｏリング）が配置され、フランジ部４１０のダイアフラム２０４Ｂ側の面には円形リング４０９（Ｏリング）が配置される。

そして、ねじ込み金具４０６を第１外部ケース４０２に螺合させることにより、円形リング４０８をフランジ部４１０と第１外部ケース４０２の凹部４０２ａの底面に圧接させ、円形リング４０９をフランジ部４１０とねじ込み金具４０６に圧接させることにより、円形リング４０８、円形リング４０９がフランジ部４１０を挟持するようする。そしてねじ込み金具４０６に第２外部ケースを螺合する。

このような構成により、第１外部ケース４０２側の内部空間４１２、第２外部ケース４０４側の内部空間４１４をそれぞれ、円形リング４０８、円形リング４０９により互いに分離した状態で、圧力センサー２００を外部ケース４００に収納する構造となっている。

例えば、特許文献１に記載された相対圧の圧力センサー２００は、図２０に示すように地下水の水圧を検出することにより、地下水の水量を検出する場合に用いることができる。この場合、外部ケース４００に収容された圧力センサー２００において、圧力導入口４０２ｂから地下水を導入することによりダイアフラム２０４Ａを地下水側に開放し、外部ケース４００の開放孔４０４ｂに取り付けられたチューブ４１６を介してダイアフラム２０４Ｂを大気圧側（中継ボックス４１８）に開放して、双方の圧力の差分により地下水側の水圧を検出している。

特開２０１０−０１９８２６号公報 特開２０１０−０１９８２７号公報 実公平０５−０１９７９７号公報 実開平０６−０４６３３９号公報 特開２００３−０８３８２９号公報 特許第３６９３８９０号公報

しかしながら、以下のような問題があった。すなわち、外部ケース４００の内側と圧力センサー２００のフランジ部４１０とを円形リング４０８、円形リング４０９を介して固定していることにより、フランジ部４１０の固定による歪み（内部応力）が発生する。そして、この歪みがダイアフラム２０４Ａ、２０４Ｂの受圧感度に悪影響を及ぼすこととなり、検出される被測定圧力に誤差が生じるという問題があった。また圧力センサー２００を外部ケース４００から取り外し、圧力センサー２００を再度外部ケースに収納すると圧力のゼロ点が移動するという問題も本願発明者は見出している。

そこで、本発明は上記問題点に着目し、フランジを介した外部ケースとの固定に起因するダイアフラムの撓み感度の劣化を抑制し、安定的な物理量が得られる力検出器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、以下の形態、または適用例として実現することが可能である。
第１の形態に係る力検出器は、容器と、前記容器の底面に配置され、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する第１ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムが受けた力を検出する力検出素子と、を備え、前記容器は、前記容器の側面を構成する筒状の側壁部と、前記側壁部の端部の開口に配置され、前記底面と前記側面の一部を構成する蓋部と、を有し、前記蓋部の主面には、前記第１ダイアフラムが配置され、前記側面には、前記底面から離間した位置にフランジ部が配置され、前記フランジ部は、前記蓋部の前記主面から離間した前記蓋部の側面に配置されていることを特徴とする。
第２の形態に係る力検出器は、第１の形態に係る力検出器において、前記力検出素子は、振動腕と前記振動腕の両端に接続された一対の基部とを有し、一方の前記基部は前記第１ダイアフラムの変位に伴って変位し、他方の前記基部は前記容器に固定され、前記振動腕の延びる方向を検出軸とし、前記検出軸の方向が前記第１ダイアフラムの変位方向に沿うように配置されていることを特徴とする。
第３の形態に係る力検出器は、第１の形態または第２の形態に係る力検出器において、前記フランジ部が配置された位置を境界として、前記第１ダイアフラム側の前記容器の外径と、その反対側の前記容器の外径とが互いに異なっていることを特徴とする。
第４の形態に係る力検出器は、第３の形態に係る力検出器において、前記フランジ部を挟み込み、且つ前記側面に当接する第１リングと、第２リングと、を備え、前記第１リング及び前記第２リングの断面は円形であり、前記第１リングの断面半径と前記第１リングが当接する部分の前記容器の断面半径との和と、前記第２リングの断面半径と前記第２リングが当接する部分の前記容器の断面半径との和と、が等しいことを特徴とする。
第５の形態に係る力検出器は、第１の形態乃至第４の形態のいずれか１の形態に係る力検出器において、前記容器の前記底面に平面視で重なる頂面には、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する第２ダイアフラムを含み、前記第１ダイアフラムと前記第２ダイアフラムとを連結し、前記第１ダイアフラムから受ける力と前記第２ダイアフラムから受ける力の合力の方向に変位する力伝達部材と、を備え、前記力検出素子は、前記力伝達部材に接続されていることを特徴とする。
第６の形態に係る力検出器は、第５の形態に係る力検出器において、前記フランジ部は、前記底面からの距離と前記頂面からの距離とが互いに等しくなるように配置されていることを特徴とする。
第７の形態に係る力検出器は、第１の形態乃至第６の形態のいずれか１の形態に係る力検出器において、前記容器を収容し、前記第１ダイアフラムと対向する位置に圧力導入口を有する外部ケースを備え、前記外部ケースの側面には、前記外部ケースと前記第１ダイアフラムとの間の内部空間から通じる排出口が設けられていることを特徴とする。

［適用例１］筒状の外形を有する容器と、前記容器の端面に配置され、力を受けて前記容器の内側または外側に変位するダイアフラムと、力検出部と前記力検出部の両端に接続された一対の基部とを有し、一方の基部が前記ダイアフラム側に接続され、他方の基部が前記容器側に接続され、前記基部同士を結ぶ線と平行な方向を検出軸とし、前記ダイアフラムの変位により生じた力を検出する力検出素子と、前記容器の側面から前記側面の外周側に突出し、前記側面の外周と同心となるフランジ部と、を備え、前記フランジ部は、前記ダイアフラムが配置された前記端面が前記フランジ部から前記フランジ部の厚み方向に突出するように配置されたことを特徴とする力検出器。
上記構成により、フランジ部とダイアフラムとの距離は、フランジ部がダイアフラムと同一平面を形成する場合より離れるので、フランジ部の挟持により発生する応力がダイアフラムに伝達するまでに緩和される。したがって、フランジ部を介した外部ケースとの固定に起因するダイアフラムの撓み感度の劣化を抑制し、安定的な物理量が得られる力検出器となる。

［適用例２］前記力検出素子は、前記検出軸の方向が前記ダイアフラムの変位方向と平行となるように配置されたことを特徴とする適用例１記載の力検出器。
上記構成により、力検出素子がダイアフラムの変位による力を直接受けることができるので力検出器の感度を高めることができる。

［適用例３］前記容器の前記ダイアフラムに対向する位置に配置された第２ダイアフラムと、前記ダイアフラムと前記第２ダイアフラムとを連結し、前記ダイアフラムから受ける力と前記第２ダイアフラムから受ける力の合力の方向に変位する力伝達部材と、を備え、前記力検出素子は、前記一方の基部が前記力伝達部材に接続されたことを特徴とする適用例１または２に記載の力検出器。
上記構成により、ダイアフラムと第２ダイアフラムとの間の相対的な物理量を測定可能な力検出器となる。

［適用例４］前記フランジ部は、前記側面の中央部に配置されたことを特徴とする適用例３に記載の力検出器。
上記構成により、容器のダイアフラムに対向する端面の位置にさらなるダイアフラムを配置した場合、２つのダイアフラムからフランジ部までの距離が一致する。よって一方のダイアフラム側に偏ってフランジの挟持による応力が伝達することはない。また容器の側面の中央部にフランジ部を配置したので、フランジ部の挟持による応力は各ダイアフラムに到達するまでに十分に緩和させることができる。よってフランジ部を介した外部ケースとの固定に起因するダイアフラムの撓み感度の劣化を高精度に抑制可能な力検出器となる。

［適用例５］前記容器は、前記側面を形成し両端に開口部を有する円筒形の側壁部と、前記端面を形成し前記開口部をそれぞれ封止する第１の蓋部と、第２の蓋部と、を有し、前記第１の蓋部には前記ダイアフラムが配置され、前記第２の蓋部には前記第２ダイアフラムが配置され、前記フランジ部は、前記第１の蓋部、前記第２の蓋部のいずれか一方の側面に配置されるとともに、前記ダイアフラムが配置された蓋部が形成する前記端面が、前記フランジ部から前記フランジ部の厚み方向に突出した位置に配置されたことを特徴とする適用例３に記載の力検出器。
上記構成により、力検出器全体の強度を維持するとともに、力検出器と外部ケースとの隙間の容積を減少させ、力検出器を液体中に導入する際の前記隙間に残存する空気を容易に外部に放出して、圧力の測定誤差を抑制することができる。

［適用例６］前記側面の外周の径は、前記フランジ部の一方の面側と、前記フランジ部の前記一方の面に対向する他方の面側と、で互いに異なることを特徴とする適用例１乃至５のいずれか１例に記載の力検出器。
物理量測定環境に晒されるダイアフラムは測定する物理量の大きさや環境に応じてその径の設計が変わるので、ダイアフラムが取り付けられる蓋部の径が変わることになる。しかし上記構成により、基準となる環境に晒されるダイアフラムは同じ規格のものを使うことができるので、測定環境に対応してダイアフラムの設計を変更した力検出器のコストを抑制することができる。

［適用例７］前記フランジ部の前記一方の面に当接する第１の円形リングと、前記フランジ部の前記他方の面に当接する第２の円形リングと、を備え、前記第１の円形リングの断面半径と前記フランジ部の一方の面側の前記容器の半径との和と、前記第２の円形リングの断面半径と前記フランジ部の他方の面側の前記容器の半径との和と、が互いに等しいことを特徴とする適用例６に記載の力検出器。
上記構成により、第１の円形リングの断面の中心と、第２の円形リングの断面の中心がフランジ部を挟んで互いに対向することになる。よって、フランジ部の挟持により蓋部全体及びダイアフラム全体を屈曲変形させる応力の発生を抑制することができる。

［適用例８］前記容器を収容するとともに、前記ダイアフラムと対向する位置に圧力導入口を有する外部ケースを備え、前記外部ケースは、前記外部ケースの側面から前記圧力導入口に合流する穴が形成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の力検出器。
上記構成により、力検出器を液体中に導入時に外部ケースと力検出器との間に残留する空気を効率的に排出することができる。

第１実施形態に係る力検出器の斜視図（ＹＺ面を切り口とした断面図）である。 第１実施形態に係る力検出器の断面図であり、図２（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図２（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 第１実施形態の力検出器と前記力検出器を収容する外部ケースの分解斜視図である。 第１実施形態の力検出器を外部ケースに収容した斜視図である。 第１実施形態の力検出器を外部ケースに収容した断面図である。 第２実施形態の力検出器の断面図であり、図６（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図６（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 第３実施形態に係る力検出器および外部ケースであって、第１外周部の直径が側壁部の直径より大きい場合の（ＸＺ面を切り口とした）断面図である。 第３実施形態に係る力検出器および外部ケースであって、第１外周部の直径が側壁部の直径より小さい場合の（ＸＺ面を切り口とした）断面図である。 第４実施形態の力検出器の断面図であり、図９（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図９（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 第４実施形態の力検出器の変形例の断面図である。 第５実施形態の力検出器の断面図であり、図１１（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図１１（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。 従来技術の力検出器の外部ケースからの着脱を行なった場合の、着脱前後の力検出器の圧力値の変化を所定の環境温度ごとに示す図である。図１２において縦軸は変化量（％）、横軸は印加圧力（ｋＰａ）である。また力検出器の環境温度は、−１０℃、＋１０℃、＋２５℃、＋５０℃とした。 従来技術の力検出器の外部ケースからの着脱を行なった場合の力検出器の共振周波数（圧力値変化）の経時変化をフランジ部の厚みごとに示す図である。図１３（ａ）はフランジ部の厚みが３ｍｍ、図１３（ｂ）は４ｍｍ、図１３（ｃ）は６．５ｍｍである。図１３において、縦軸は周波数（Ｈｚ）、横軸は時間（ａ．ｕ．）である。 本実施形態の力検出器と従来技術の力検出器において、外部ケースからの着脱を行なった場合の、着脱前後の各センサーの共振周波数（圧力値）の変化の比較を示す図である。図１４において、縦軸は周波数変化量（Ｈｚ）、横軸はフランジの厚み（ｍｍ）である。 本実施形態の力検出器の外部ケースからの着脱を繰り返した場合の、着脱前後における圧力値の変化を所定の温度ごとに示す図である。図１５（ａ）は上述の着脱の工程を１回行なった場合、図１５（ｂ）は２回行なった場合、図１５（ｃ）は３回行なった場合、図１５（ｄ）は４回行なった場合である。また図１５の各図において、縦軸は変化量（％）、横軸は印加圧力（１００Ｐａ）である。また図１５の各図において力検出器の環境温度は、−１０℃、＋１０℃、＋３０℃、＋５０℃とした。 本実施形態の力検出器の外部ケースからの着脱を３回繰り返した場合の力検出器のヒステリシス特性を示す図である。図１６（ａ）では力検出器の環境温度を−１０℃とし、図１６（ｂ）では＋１０℃、図１６（ｃ）では＋３０℃、図１６（ｄ）では＋５０℃とした。また図１６の各図において、縦軸は変化量（％）、横軸は印加圧力（Ｐａ）である。 特許文献１に記載の圧力センサーの模式図であり、図１７（ａ）は分解斜視図、図１７（ｂ）は断面図である。 特許文献３に記載の圧力センサーの模式図である。 特許文献１に係る圧力センサーを外部ケースに収容した模式図である。 外部ケースに収容した特許文献１の圧力センサーの使用形態を示した模式図である。

以下、本発明に係る力検出器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。なお、図に示されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は直交座標系を形成しているものとする。

図１に第１実施形態に係る力検出器の斜視図（ＹＺ面を切り口とした断面図）を示す。図２に第１実施形態に係る力検出器の断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図２（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。

第１実施形態に係る力検出器１０は、図１（ａ）に示すように線分Ｏを中心軸とした円筒形状を有している。力検出器１０は、ハウジング１２とダイアフラム４４Ａ、ダイアフラム４４Ｂとにより内部を気密封止する容器を形成している。そしてダイアフラム４４Ａ、ダイアフラム４４Ｂを備えた容器の収容空間に、力検出素子５８、支持シャフト３６、力伝達部材としてのセンターシャフト５２等を有している。そして力検出器１０は、後述のようにダイアフラム４４Ａが受ける圧力とダイアフラム４４Ｂ（第２ダイアフラム）が受ける物理量（圧力）との差分の力を力検出素子５８が検出する相対的な物理量を検出する力検出器となっている。なお容器内は真空封止されている。

力検出器１０の容器の一部となるハウジング１２は、円形の第１の蓋部１４（ダイアフラム４４Ａ）、円形の第２の蓋部２４（ダイアフラム４４Ｂ）、支持シャフト３６、円筒形の側壁部４２を有する。第１の蓋部１４は、円筒形の側壁部４２の内壁の−Ｚ軸側の壁面と接する側面を有する第１外周部１６と、側壁部４２の−Ｚ軸側の端部と当接する第２外周部１８と、第１外周部１６及び第２外周部１８を連通する開口部２０とが同心円状に形成されている。そして第２外周部１８の側壁部４２側にはフランジ部２２が接続されている。

フランジ部２２は、ハウジングの側面を形成する第２外周部１８から第２外周部１８の外周側に突出するとともに平面視で（Ｚ軸方向から見て）第２外周部１８の外周と同心となるように配置される。またフランジ部２２は、第１の蓋部１４の＋Ｚ軸側、すなわち第２外周部１８の側壁部４２側の面と同一平面を形成するように一体的に接続されている。これにより、図２に示すように、フランジ部２２は、ダイアフラム４４Ａが配置された第２外周部１８の−Ｚ軸側の端面が、フランジ部２２からフランジ部２２の厚み方向（Ｚ軸方向）に距離Ａだけ突出して配置されることになる。ここで第２外周部１８と側壁部４２の直径は同一となっている。よって第１外周部１６の直径は、第２外周部１８の直径より側壁部４２の厚みの分だけ小さくなっている。また第２外周部１８は、後述のように物理量測定対象（圧力測定対象）の環境下に晒される。

第２の蓋部２４は、その側面の外形が側壁部４２の内壁と接する直径を有しており側壁部４２の内壁の＋Ｚ軸側の壁面と接続する。また第２の蓋部２４は、＋Ｚ軸側の面に第２の蓋部２４と同心円状の凹部２６が形成されている。そして凹部２６の開口部はダイアフラム４４Ｂにより封止されている。この配置により、フランジ部２２は、ダイアフラム４４Ｂが配置された第２の蓋部２４の＋Ｚ軸側の端面が、フランジ部２２からフランジ部２２の厚み方向（Ｚ軸方向）に突出して配置されることになる。

また第２の蓋部２４の−Ｚ軸側の面には第２の蓋部２４と同心円状にボス部２８が形成され、さらにボス部２８及び凹部２６をＺ軸方向に連通し、後述のセンターシャフト５２を挿通する挿通孔３０が形成されている。ボス部２８は、力検出素子５８が接続される部分である。ボス部２８は、Ｚ軸方向から見て円形に形成されているが、力検出素子５８の第１の基部６２と接続する部分は平面に形成しておくことが望ましい。もちろんボス部２８は、Ｚ軸方向から見て矩形等の多角形となるように形成してもよい。

第１の蓋部１４の第１外周部１６の第２の蓋部２４に対向する面には支持シャフト３６を嵌め込む穴３２が形成され、第２の蓋部２４の第１の蓋部１４に対向する面にも支持シャフト３６を嵌め込む穴３４が形成されている。よって穴３２、穴３４は互いに対向する位置に形成されている。そして穴３２、穴３４に支持シャフト３６を嵌め込むことにより第１の蓋部１４と第２の蓋部２４とは支持シャフト３６を介して連結される。

支持シャフト３６は、一定の剛性を有し、±Ｚ軸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４４Ａ、ダイアフラム４４Ｂとから構成される容器の内部に配置され、支持シャフト３６の一端が第１の蓋部１４の穴３２に、他端が第２の蓋部２４の穴３４にそれぞれ嵌め込まれることにより、第１の蓋部１４、支持シャフト３６、および第２の蓋部２４との間で一定の剛性を獲得する。なお支持シャフト３６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。

また第２の蓋部２４には、ハーメチック端子３８が取り付けられている。このハーメチック端子３８は、力検出素子５８の電極部（不図示）に交流電圧を印加して力検出素子５８を発振させるためのものである。ハーメチック端子３８は、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、力検出素子５８とをワイヤー４０を介して電気的に接続することができる。なお図２においてハーメチック端子３８は１つ描かれているが、力検出素子５８の電極部（不図示）の総数に応じて第２の蓋部２４に取り付けられるものとする。

円筒形の側壁部４２は、その内径が第１の蓋部１４の第１外周部１６の直径および第２の蓋部２４の直径と等しくなるように形成されている。よって、側壁部４２の−Ｚ軸側の端部をフランジ部２２（第２外周部１８）に接続するとともに、側壁部４２の内壁の−Ｚ軸側の壁面を第１外周部１６の側面に接続し、側壁部の内壁の＋Ｚ軸側の壁面を第２の蓋部２４の側面に接続することによりハウジング１２は封止される。第１の蓋部１４、第２の蓋部２４、側壁部４２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３６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４４Ａ、４４Ｂ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）の力（圧力）を受けて撓み変形する可撓部４８を有している。そして可撓部４８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、力検出素子５８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。よって、ダイアフラム４４Ａ、４４Ｂは、外部からの力（圧力）によって変位する中央部４６と、前記中央部４６の外周にあり、前記中央部４６が変位できるように外部からの力により撓み変形する可撓部４８を有する。また前記可撓部４８の外周にあり、ダイアフラム４４Ａにおいては第１の蓋部１４の開口部２０の−Ｚ軸側の端部に接続する周縁部５０を有している。またダイアフラム４４Ｂにおいては第２の蓋部２４の凹部２６の開口部に接合して固定される周縁部５０を有している。なお周縁部５０は、理想的には圧力を受けても変位せず、中央部４６は圧力を受けても変形しないものとする。

ダイアフラム４４Ａ、４４Ｂ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。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く、水晶で形成する場合は可撓部が他の部分より薄くなるようにフォトリソ・エッチング加工を行なえばよい。

なお、ダイアフラム４４Ａ、４４Ｂ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。

力伝達部材であるセンターシャフト５２は、ダイアフラム４４Ａとダイアフラム４４Ｂとを連結している。センターシャフト５２は、ハウジング１２内に配置されるとともに、Ｚ軸方向に長手方向を有している。そして長手方向の一端がダイアフラム４４Ａの中央部４６に接続され、他端がダイアフラム４４Ｂの中央部４６に接続している。センターシャフト５２の材料は、支持シャフト３６と同様に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。

さらにセンターシャフト５２の中央部には固定部５４が取り付けられている。固定部５６は、Ｚ軸方向にセンターシャフト５２を挿通してセンターシャフト５２と接続する貫通孔５６が形成されている。よって固定部５４はＺ軸方向のセンターシャフト５２の変位に伴ってＺ軸方向に変位する。また固定部５４の側面には後述の力検出素子５８の第２の基部６４が接続される。このとき、ボス部２８の力検出素子５８が取り付けられる部分と、固定部５４の力検出素子５８が取り付けられる部分は、同一平面を形成するように配置することが望ましい。これにより力検出素子５８をボス部２８及び固定部５４に取り付ける際に力検出素子５８を変形させることはなく、これによる変形による圧力値の測定誤差を抑制することができる。

力検出素子５８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により形成され、力検出部となる振動腕６０とその両端に形成された第１の基部６２と第２の基部６４を有する。第１の基部６２はボス部２８の側面に接続され、第２の基部６４は固定部５４の側面に接続される。よって力検出素子５８はボス部２８を介してハウジング１２（容器）に接続され、固定部５４を介して力伝達部材であるセンターシャフト５２に接続される。また、力検出素子５８は、その長手方向（Ｚ軸方向）、すなわち第１の基部６２と第２の基部６４とが並ぶ方向を、センターシャフト５２、ダイアフラム４４Ａ、ダイアフラム４４Ｂ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。

さらに力検出素子５８の振動腕６０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。力検出素子５８の電極部（不図示）は、ハーメチック端子３８及びワイヤー４０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。そして力検出素子５８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力検出部となる振動腕６０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６０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、わずかな物理量の差（圧力差）を検出するような分解能力に優れる力検出器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６０の共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕６０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力検出部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる力検出部を適用することができる。力検出部（振動腕）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物理量を高感度に検出可能な力検出器とすることができる。

本実施形態においては、ダイアフラム４４Ａに印加される力（圧力）がダイアフラム４４Ｂに印加される力（圧力）より大きくなる場合、センターシャフト５２は、＋Ｚ軸方向に変位し、これにより力検出素子５８はＺ軸方向に圧縮応力を受けるため共振周波数が低くなる。逆にダイアフラム４４Ａに印加される力（圧力）がダイアフラム４４Ｂに印加される力（圧力）より小さくなる場合、センターシャフト５２は、−Ｚ軸方向に変位し、これにより力検出素子５８はＺ軸方向に引張り応力を受けるため共振周波数が高くなる。

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が望ましい。また力検出素子を水晶で形成する場合は、上述のようにフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適である。

第１実施形態の力検出器１０の組み立ては、まず第１の蓋部１４にダイアフラム４４Ａを接続し、第２の蓋部２４（ハーメチック端子３８付）にダイアフラム４４Ｂを接続する。そして第１の蓋部１４の穴３２に支持シャフト３６を嵌め込んで接続するとともに、ダイアフラム４４Ａの中央部４６にセンターシャフト５２（固定部５４付）の一端を接続する。そしてセンターシャフト５２を第２の蓋部２４の挿通孔３０に通してセンターシャフト５２の他端をダイアフラム４４Ｂの中央部４６に接続する。このとき第２の蓋部２４の穴３４にも支持シャフト３６を嵌め込んで接続する。

次に、力検出素子５８の第１の基部６２を第２の蓋部２４のボス部２８の側面に接続し、第２の基部６４を固定部５４の側面に接続する。そして力検出素子５８の電極部（不図示）とハーメチック端子３８とをワイヤー４０により接続する。

最後に、第１の蓋部１４、第２蓋部２４、支持シャフト３６等により外形が形成された構造体を円筒形の側壁部４２に挿通して側壁部４２を第１の蓋部１４（フランジ部２２）、第２の蓋部２４に接続することにより力検出器１０が構築される。なお力検出器１０のハウジング１２内を真空にするためには、上述の構造体と側壁部４２の取り付けを真空チャンバー内で行なえばよい。また側壁部４２に封止孔（不図示）を形成し、側壁部４２を接続したあとに封止孔（不図示）から容器内部を真空吸引し、封止孔（不図示）を封止部材（不図示）により封止してもよい。

図３に第１実施形態の力検出器と前記力検出器を収容する外部ケースの分解斜視図を示す。図４に第１実施形態の力検出器を外部ケースに収容した斜視図を示す。図５に第１実施形態の力検出器を外部ケースに収容した断面図を示す。

力検出器１０を収容する外部ケース６６は、第１外部ケース６８、第２外部ケース８４（図３、図４では不図示、図５参照）、ねじ込み金具８０により構成され、力検出器１０と同様に線分Ｏを中心とした円筒形状を有している。また力検出器１０のフランジ部には円形リング９６（Ｏリング）、円形リング９８（Ｏリング）が配設される（図１参照）。

第１外部ケース６８は、力検出器１０のダイアフラム４４Ａ側を収容する凹部７０を有するとともに、凹部７０の開口部にねじ込み金具８０と螺合する雌ネジ７２が形成されている。また第１外部ケース６８の凹部７０の底部の中央にＺ軸方向に長手方向を有する圧力導入口７４が形成されている。さらに第１外部ケース６８の凹部７０の底部の側面から圧力導入口７４に通じる排出口７６が形成されている。この排出口７６はＺ軸方向からみて圧力導入口７４を中心として十字を形成するように配置される。この圧力導入口７４、排出口７６はドリル掘削により形成することができる。

図５に示すように、第２外部ケース８４は、力検出器１０のダイアフラム４４Ｂ側を収容する凹部８６を有している。また凹部８６の開口部にはねじ込み金具８０と螺合する雌ネジ９０が形成されている。さらに第２外部ケース８４の凹部８６の中央には開放孔８８が形成されている。また、この開放孔８８は中空のチューブ９２に接続されている。

ねじ込み金具８０は、側壁部４２の直径以上でフランジ部２２の直径以下の寸法の挿通孔８１（図３参照）を有することにより側壁部４２を挿通するとともにフランジ部２２に当接可能な円筒形の形状を有している。そしてねじ込み金具８０は、第１外部ケース６８及び第２外部ケース８４に収容されるとともに各外部ケースの内壁に形成された雌ネジ７２、９０に螺合する雄ネジ８２を側壁の外側に有している。ここで、雄ネジ８２を雌ネジ７２、９０に螺合させたさせた場合、雄ネジ８２と雌ネジ７２、雌ネジ９０（図５参照）との間における液体や気体の漏洩はないものとする。

図１、図５に示すように、円形リング９６（Ｏリング）は、第２外周部１８の外周に倣った寸法を有するリング状の弾性体であり、円形リング９８（Ｏリング）は側壁部４２の外周に倣った寸法を有するリング状の弾性体である。ここで円形リング９６と円形リング９８の断面の直径は互いに一致する。また本実施形態においては、側壁部４２の外周と第２外周部１８は同一の直径を有するため、円形リング９６と円形リング９８の内周の直径は互いに一致する。

そして、ねじ込み金具８０を第１外部ケース６８に螺合させることにより、円形リング９６はフランジ部２２及び凹部７０の底面に圧接され、円形リング９８はフランジ部２２及びねじ込み金具８０のフランジ部２２に対向する面に圧接され、それぞれ圧縮変形する。そして円形リング９６のフランジ部２２及び凹部７０への圧接により、図５に示すように、第１外部ケース６８、力検出器１０（ダイアフラム４４Ａ）、円形リング９６による内部空間７８が形成される。また円形リング９８のフランジ部２２及びねじ込み金具８０への圧接により、第２外部ケース８４、力検出器１０（ダイアフラム４４Ｂ）、円形リング９８による内部空間９４が形成される。したがって、この円形リング９６、円形リング９８により、ダイアフラム４４Ａ、ダイアフラム４４Ｂの圧力環境を分離することができる。

よって例えば、基準となる物理量測定環境下（例えば大気圧のような圧力環境下）にチューブ９２の一端を開放することにより、第２外部ケース８４、力検出器１０、円形リング９８により形成される内部空間９４、及びダイアフラム４４Ｂを、基準となる圧力環境下（大気圧）に晒すことができる。この場合、ハーメチック端子３８に接続したワイヤー４０を開放孔８８、チューブ９２に挿通してＩＣ（不図示）に接続すればよい。一方、圧力導入口７４、排出口７６を測定対象となる被物理量測定環境下（被測定圧力環境下）に晒すことにより、第１外部ケース６８、力検出器１０、円形リング９６により形成される内部空間７８、及びダイアフラム４４Ａを被測定圧力環境下（例えば水圧）に晒すことができる。

このように、外部ケース６６に収容された力検出器１０においては、フランジ部２２が、円形リング９６、円形リング９８により挟持された形となるが、この挟持する力によりフランジ部２２にはＺ軸方向からの圧縮に起因する歪みが発生しており、この歪みによる応力がダイアフラム４４Ａに到達し得る。しかし、上述のようにフランジ部２２は、ダイアフラム４４Ａが配置された第２外周部１８の−Ｚ軸方向の端面、及びダイアフラム４４Ｂが配置された第２の蓋部２４の＋Ｚ軸側の端面が、それぞれフランジ部２２からフランジ部２２の厚み方向（Ｚ軸方向）に突出した位置に配置されている。よってフランジ部２２とダイアフラム４４Ａとの距離は、フランジ部２２がダイアフラム４４Ａと同一平面を形成する場合より離れることになる。これにより、円形リング９６、円形リング９８のフランジ部２２の挟持により発生する応力がダイアフラム４４Ａに伝達するまでに緩和される。したがって、フランジ部２２を介した外部ケース６６との固定に起因するダイアフラム４４Ａの感度（受圧感度）の劣化を抑制可能な力検出器１０となる。

またこのように外部ケース６６に収容した力検出器１０を、水圧測定のために水中に導入する場合、第１外部ケース６８、力検出器１０、円形リング９６により形成される内部空間７８に残存する空気を外部に放出する必要がある。一方、水中の石等の衝突によるダイアフラム４４Ａの機械的な損傷を避けるため、圧力導入口７４は小さく設計されている。したがって、外部ケース６６に収容した状態で力検出器１０を水中に導入した場合、圧力導入口７４が小さく設計されているため、上述の内部空間７８の空気の排出が困難となっている。そこで本実施形態のように圧力導入口７４に通じる排出口７６を形成することで、力検出器１０の液体（水）中への導入時に外部ケース６６と力検出器１０との間となる上述の内部空間７８に残留する空気を効率的に排出することができる。

また上記構成においては、第１の蓋部１４とフランジ部２２とを一体的に形成することができる。よって力検出器１０全体の強度を維持することができる。またこのように第１の蓋部１４とフランジ部２２とを一体的に形成することにより、その力検出器１０と外部ケース６６との隙間の容積、すなわち上述の内部空間７８（図５参照）の容積を減少させ、力検出器１０を液体中に導入する際の内部空間に残存する空気を容易に外部に放出して、圧力の測定誤差を抑制することができる。

なお、力検出器１０のフランジ部２２は、上述のように、円形リング９６、円形リング９８により挟持された形となるが、第１外部ケース６８、第２外部ケース８４、ねじ込み金具８０は、力検出器１０に直接触れないように設計することが好ましい。

図６に第２実施形態の力検出器の断面図を示し、図６（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図６（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図である。
第２実施形態に係る力検出器１００は、基本的には第１実施形態と類似するが、フランジ部１０２が容器の側面の中央部、すなわち、側壁部１０４の中央部に配置されている点で相違する。

本実施形態のように、容器のダイアフラム４４Ａに対向する端面となる第２の蓋部２４に第２ダイアフラムとなるダイアフラム４４Ｂを配置した場合、２つのダイアフラムのそれぞれからフランジ部１０２までの距離が一致する。よって、上述の円形リング９６、９８を用いたフランジ部１０２の挟持において、一方のダイアフラム側に偏ってフランジ部１０２の挟持による応力が伝達することはない。また容器の側面の中央部、すなわち側壁部１０４の中央部にフランジ部１０２を配置したので、フランジ部１０２の挟持による応力は各ダイアフラムに到達するまでに十分に緩和させることができる。よってフランジ部を介した外部ケース（不図示）との固定に起因するダイアフラムの撓み感度（受圧感度）の劣化を高精度に抑制可能な力検出器１００となる。

図７に、第３実施形態に係る力検出器の断面図を示し、図７（ａ）は第１外周部の直径が側壁部の直径より大きい場合の（ＸＺ面を切り口とした）断面図、図７（ｂ）は第１外周部の直径が側壁部の直径より小さい場合の（ＸＺ面を切り口とした）断面図である。

第３実施形態の力検出器１１０は、基本的には第１実施形態等類似するが、前記ハウジング１２の側面の径は、フランジ部１１２の一方の面側（側壁部４２側）と、前記フランジ部の前記一方の面に対向する他方の面側（第２外周部１１６側）と、で互いに異なる点で相違する。すなわち、フランジ部１１２の−Ｚ軸側に配置される第２外周部１１６の外周の直径が、フランジ部１１２の＋Ｚ軸側に配置される側壁部４２の外周の直径と異なったものとなっている。

ダイアフラムは測定する圧力や環境に応じてその径の設計が変わるので、ダイアフラムが取り付けられる蓋部の径、すなわち第２外周部１１６の内径（開口部１１６ａの直径Ｄ）が変わることになる。例えば、低い圧力を測定する場合は、図７に示すように、ダイアフラム１１８の直径が大きく設計され、逆に高い圧力を測定する場合は、図８に示すように、ダイアフラム１２０の直径が小さく設計される。よって、開口部１１６ａの設計に応じて、第２外周部１１６の外形の直径も変化することになる。

しかし本実施形態では、第２の蓋部２４、ダイアフラム４４Ｂ、側壁部４２は同じ規格のものを使うことができるので、測定環境に対応してダイアフラムの設計を変更した力検出器１１０のコストを抑制することができる。

また本実施形態においては、側壁部４２側の面には第１の円形リング１２２が配置され、フランジ部１１２の前記第１の円形リング１２２が当接する面の反対面、すなわち第２外周部１１６側の面には第２の円形リング１２４が配置される。

このとき、第１の円形リング１２２の断面半径Ｒ２と、側壁部４２の半径Ｒ１との和が、第２の円形リング１２４の断面半径Ｒ４と、前記蓋部の半径すなわち第２外周部１１６の外周の半径Ｒ３との和に等しくなるように、第１の円形リング１２２の直径Ｒ２、第２の円形リング１２４の直径Ｒ４が設計される。

上記構成により、第１の円形リング１２２の断面の中心Ｏ１と、第２の円形リング１２４の断面の中心２がフランジ部１１２を挟んで互いに対向する。さらにＯ１とＯ２とを結ぶ線がＺ軸に平行となり、フランジ部１１２の両面の法線の方向と一致する。よって、第１の円形リング１２２、第２の円形リング１２４によるフランジ部１１２の挟持により蓋部となる第１の蓋部１２６全体及びダイアフラム１１８、１２０全体を屈曲変形させる応力の発生を抑制することができる。なお、第３実施形態の力検出器１１０も、第１外部ケース１２８、第２外部ケース１３０、ねじ込み金具１３２の寸法等を適宜変更することにより外部ケースに収納することができる。

図９に第４実施形態の力検出器の断面図を示し、図９（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図９（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図を示す。第４実施形態の力検出器１４０において、第１の蓋部１４にはダイアフラム４４Ａが配置されるが、第２の蓋部２４にはダイアフラム４４Ｂは配置されない。また力伝達手段となるセンターシャフト５２は用いず、力検出素子５８をダイアフラム４４Ａに直接接続する構成を有している。よって、本実施形態はハウジング１２内部の気圧（例えば真空）を基準とする絶対圧を測定する力検出器１４０となっている。

力検出素子５８の第１の基部６２は、固定部１４２を介して第２の蓋部２４に接続している。また力検出素子５８の第２の基部６４は、ダイアフラム４４Ａの中央部に固定されるとともに、中央部４６に固定された固定部１４４によりダイアフラム４４Ａとの接続の強度が補強されている。上記構成により、力検出素子５８はセンターシャフト５２を介さずにダイアフラム４４Ａからの力を受けるので、ダイアフラム間の圧力差に対する力検出素子５８の感度を高めることができる。

本実施形態の力検出器１４０の組み立ては、第１の蓋部１４にダイアフラム４４Ａ、固定部１４４を接続し、第２の蓋部２４に固定部１４２を接続し、第１の蓋部１４、支持シャフト３６、第２の蓋部２４を組み合わせ、力検出素子５８を固定部１４２及び固定部１４４に接続するとともにワイヤー４０を介してハーメチック端子３８と電気的に接続する。そして、例えば真空環境下で側壁部４２を第１の蓋部１４、第２の蓋部２４に接続することによりケーシング１２内が真空封止された形で力検出器１４０が形成される。なお、本実施形態並びに以後の実施形態において、フランジ部２２の構成及びダイアフラム４４Ａに対する作用効果は、第１実施形態と同様なので説明を省略する。

図１０に、第４実施形態の力検出器の変形例の断面図を示す。図１０に示すように、本変形例の力検出器１５０は、第４実施形態の力検出器１４０の第２の蓋部２４において、第２の蓋部２４の厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通する圧力導入口１５２を形成したものである。この力検出器１５０を、第１外部ケース６８、第２外部ケース８４等を用いて収容すると、圧力導入口１５２によりケーシング１２の内部は第２外部ケース８４が形成する内部空間９４に対して開放される。よって、ダイアフラム４４Ａの受圧面（−Ｚ軸側の面）の反対面（＋Ｚ軸側の面）は、チューブ９２の接続先となる基準圧力環境（例えば大気圧環境）から圧力が印加される。よって、本変形例によれば、ダイアフラム４４Ａの受圧面に印加される被測定圧力環境の圧力（内部空間７８の圧力）を基準圧力環境の圧力を基準として測定することができる。

図１１に、第５実施形態の力検出器の断面図を示し、図１１（ａ）はＸＺ面を切り口とした断面図、図１１（ｂ）はＹＺ面を切り口とした断面図を示す。図１１に示すように、本実施形態の力検出器１６０は、全体形状は第１実施形態と同様であるが、力検出素子１６２としてＡＴカットの水晶基板を用いた厚みすべり振動子を用いている。力検出素子１６２は全体として矩形の形状を有し、一方の主面（＋Ｙ軸側の面）の中央部には励振電極１６４Ａが配置され、他方の主面（−Ｙ軸側の面）の励振電極１６４Ａに対向する位置には励振電極１６４Ｂが配置されている。

そして、力検出素子１６２の一方の主面の＋Ｚ軸側には引出電極１６６Ａ、引出電極１６６Ｂが配置されている。引出電極１６６Ａは、励振電極１６４Ａから引き出される形で配置され、励振電極１６４Ａと電気的に接続されている。引出電極１６６Ｂは、励振電極１６４Ｂから水晶基板の端面（＋Ｘ軸側の面）を経由して引き出される形で配置され、励振電極１６４Ｂと電気的に接続されている。

そして、引出電極１６６Ａは、ワイヤー１６８Ａを介してハーメチック端子１７０Ａと電気的に接続され、引出電極１６６Ｂは、ワイヤー１６８Ｂを介してハーメチック端子１７０Ｂに電気的に接続される。これにより励振電極１６４Ａは、引出電極１６６Ａ、ワイヤー１６８Ａ、ハーメチック端子１７０Ａを介して力検出器１６０の外部にあるＩＣ（集積回路、不図示）と電気的に接続され、励振電極１６４Ｂは、引出電極１６６Ｂ、ワイヤー１６８Ｂ、ハーメチック端子１７０Ｂを介してＩＣ（不図示）と電気的に接続される。よってＩＣ（不図示）から交流電圧が印加されることにより、励振電極１６４Ａ、励振電極１６４Ｂにおいて交流電圧が印加され、力検出素子１６０は、励振電極１６４Ａ、励振電極１６４Ｂに挟まれた領域を中心として所定の共振周波数で厚みすべり振動を発振する。

さらに、力検出素子１６０は、力検出素子１６０の他方の主面（−Ｙ軸側の面）の＋Ｚ軸側がボス部２８に支持され、−Ｚ軸側がセンターシャフト５２に固定された固定部５４に支持される。センターシャフト５２は、ダイアフラム４４Ａ、ダイアフラム４４Ｂから受ける力の合力の方向（Ｚ軸方向）に変位する。よって力検出素子１６０は、センターシャフト５２の変位により応力が印加され共振周波数が変化する。したがって、力検出器１６０は、この共振周波数の変化を測定することにより圧力（相対圧）を測定することができる。

図１２に、従来技術の力検出器の外部ケースからの着脱を行なった場合の、着脱前後の力検出器の圧力値の変化を所定の環境温度ごとに示す。図１２において縦軸は変化量（％）、横軸は印加圧力（ｋＰａ）である。また力検出器の環境温度は、−１０℃、＋１０℃、＋２５℃、＋５０℃とした。

本願発明者は、特許文献１等に記載された従来技術に係る圧力センサーを、外部ケースに収納し、外部ケースから取り出し、再び外部ケースに収納した場合において、初期収納時の圧力値と再収納時の圧力値との差分について調査した。すると図１２に示すように、印加する圧力に係らず、圧力値が大きく変化しており、印加する圧力を下げていくほど、圧力値の誤差が増加していることが分かった。また温度を変えても同様の傾向を有することがわかった。このことから、印加される圧力に係らず再収納時にダイアフラムに一定量の応力が及んでいるものと考えられる。よって、従来技術の圧力センサー（力検出器）は、外部ケースに収納するたびに圧力センサーの圧力値のゼロ点調整を行う必要がある。

図１３に、従来技術の力検出器の外部ケースからの着脱を行なった場合の力検出器の共振周波数（圧力値変化）の経時変化をフランジ部の厚みごとに示す。図１３（ａ）はフランジ部の厚みが３ｍｍ、図１３（ｂ）は４ｍｍ、図１３（ｃ）は６．５ｍｍである。図１３において、縦軸は周波数（Ｈｚ）、横軸は時間（ａ．ｕ．）である。

本願発明者は、力検出器に取り付けたフランジ部の厚みを３ｍｍ、４ｍｍ、６．５ｍｍとした場合において、力検出器の外部ケースからの脱着を繰り返した場合の共振周波数の経時変化を調査した。ここで、着脱とは、外部ケースに収納され圧力値のゼロ点が調整された力検出器を外部ケースから外し、その力検出器を再び外部ケースに収納することをいう。また、いずれの場合でも、力検出器を構成するダイアフラムが形成する面と同一平面を形成する位置にフランジ部が取り付けられている。そして、２つの円形リングを用いたフランジ部の挟持は、図１６等に示すように、第１外部ケース、第２外部ケース、ねじ込み金具を用いて行なっている。

図１３に示すように、いずれの場合であっても、フランジの両面を挟持した瞬間は力検出器の共振周波数が急激に立ち上がっている。フランジ部の厚みが３ｍｍのものは最大で１Ｈｚ程度上昇し、４ｍｍのものは最大で１．７Ｈｚ程度上昇し、６．５ｍｍのものは最大で２．７Ｈｚ程度上昇している。

このことから、フランジ部の円形リング（Ｏリング）の挟持により、フランジ部の厚み方向に圧縮する応力が印加され、その応力がダイアフラムに伝達されたといえる。そして、フランジの厚みを大きくするほど、立ち上がり時の変化量が大きいことがわかる。このことから、フランジの厚みを大きくするほど、円形リングの挟持によるフランジの厚みの変化量が大きくなり、その分発生する応力も大きくなったといえる。いずれの場合も、その後は時間経過とともに力検出器の共振周波数が単調に減少しているのは、ねじ込み金具により締め付けられた円形リングが時間をかけて安定な形に変形したり、安定な位置に移動したりするからである。

このように、従来技術の力検出器（圧力センサー）においても、フランジ部の厚みを小さくすることにより、ダイアフラムに伝達する応力を軽減させることができるが、ダイアフラムとフランジ部との距離が近いため、ダイアフラムに到達する応力の緩和は未だ不十分であるといえる。

図１４に、本実施形態の力検出器と従来技術の力検出器において、外部ケースからの着脱を行なった場合の、着脱前後の各センサーの共振周波数（圧力値）の変化の比較を示す。図１４において、縦軸は周波数変化量（Ｈｚ）、横軸はフランジの厚み（ｍｍ）である。

本願発明者は、特許文献１等の従来技術と同型の力検出器（タイプ１）、本発明の第２実施形態と同型の力検出器（タイプ２）の外部ケースへの脱着を繰り返した場合の共振周波数の変化を調査した。タイプ１、タイプ２ともに直径２２ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒形の外形を有している。またダイアフラムは円筒形の外形の下端に配置され、その直径を１３．５ｍｍとした。そして、タイプ１においては、フランジ部を前述の外形の側面の下端に配置した。一方、タイプ２においては、フランジ部を前述の外形の側面であって、フランジ部の厚み方向の中心が前述の下端から２０ｍｍの位置（側面の中央部）となるように配置した。そしてタイプ１、タイプ２ともにフランジの厚みを４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍとした場合について、各センサーの共振周波数の変化について調査した。

図１４に示すように、タイプ２の共振周波数の変化は、どの厚みでもタイプ１に比べて小さいことがわかる。例えばフランジ部の厚みが３ｍｍの場合、タイプ１では、０．６Ｈｚの変化である。そしてフランジ部の厚みを小さくするとその差が大きくなる傾向にある。

よって、タイプ２のようにダイアフラムとフランジ部との距離が大きくなると、従来技術のものよりダイアフラムに到達する応力の緩和が進むことがわかる。特にタイプ２のように力検出器の側面の中央部にフランジ部を配置した場合は、より大きな効果が得られることがわかる。また第１実施形態の力検出器でもダイアフラムとフランジ部との距離は従来技術の力検出器より大きいので、上述のように、力検出器の着脱による共振周波数の変化は小さくなるものと考えられる。

図１５に、本実施形態の力検出器の外部ケースからの着脱を繰り返した場合の、着脱前後における圧力値の変化を所定の温度ごとに示す。図１５（ａ）は上述の着脱の工程を１回行なった場合、図１５（ｂ）は２回行なった場合、図１５（ｃ）は３回行なった場合、図１５（ｄ）は４回行なった場合である。また図１５の各図において、縦軸は変化量（％）、横軸は印加圧力（１００Ｐａ）である。また図１５の各図において力検出器の環境温度は、−１０℃、＋１０℃、＋３０℃、＋５０℃とした。

本願発明者は、本実施形態の力検出器の外部ケースからの着脱を繰り返した場合の、着脱の前後における圧力値の変化について調査した。図１５に示すように着脱の工程を繰り返しても、着脱前のゼロ点調整された力検出器の圧力値の変動が極めて小さいことがわかる。よって本実施形態の構成により、着脱を繰り返しても安定した圧力値を得ることができる。

図１６に、本実施形態の力検出器の外部ケースからの着脱を３回繰り返した場合の力検出器のヒステリシス特性を示す。図１６（ａ）では力検出器の環境温度を−１０℃とし、図１６（ｂ）では＋１０℃、図１６（ｃ）では＋３０℃、図１６（ｄ）では＋５０℃とした。また図１６の各図において、縦軸は変化量（％）、横軸は印加圧力（Ｐａ）である。

本願発明者は、着脱を繰り返した力検出器の圧力を印加前の圧力値と圧力を印加して印加した圧力を解除した後の圧力値の変化（ヒステリシス）を評価した。すると図１６に示すように、環境温度、印加する圧力の大きさを変化させても良好なヒステリシス特性を有することが実証された。よって本実施形態の力検出器によれば、着脱を繰り返すことによる圧力値のバラつきを抑制した安定的な圧力値が得られるとともに、ヒステリシス特性の劣化も抑制することができる。

いずれの実施形態においても、２つのダイアフラムを用いた相対的な物理量（相対圧）を測定する力検出器について適用して説明してきたが、いずれか一方のダイアフラムだけを用い、例えば容器内を真空封止して、真空を基準とした絶対圧を測定する力検出器にも適用することができる。また第１実施形態等において、第１の蓋部１４を第１外周部１６と第２外周部１８、開口部２０、フランジ部２２を有する構成とし、第２の蓋部２４を凹部２６、ボス部２８、挿通孔３０を有する構成としたが、これを互いに逆となる構成としてもよい。

１０………力検出器、１２………ハウジング、１４………第１の蓋部、１６………第１外周部、１８………第２外周部、２０………開口部、２２………フランジ部、２４………第２の蓋部、２６………凹部、２８………ボス部、３０………挿通孔、３２………穴、３４………穴、３６………支持シャフト、３８………ハーメチック端子、４０………ワイヤー、４２………側壁部、４４Ａ、４４Ｂ………ダイアフラム、４６………中央部、４８………可撓部、５０………周縁部、５２………センターシャフト、５４………固定部、５６………貫通孔、５８………力検出素子、６０………振動腕、６２………第１の基部、６４………第２の基部、６６………外部ケース、６８………第１外部ケース、７０………凹部、７２………雌ネジ、７４………圧力導入口、７６………排出口、７８………内部空間、８０………ねじ込み金具、８１………挿通孔、８２………雄ネジ、８４………第２外部ケース、８６………凹部、８８………開放孔、９０………雌ネジ、９２………チューブ、９４………内部空間、９６………円形リング、９８………円形リング、１００………力検出器、１０２………フランジ部、１０４………側壁部、１１０………力検出器、１１２………フランジ部、１１６………第２外周部、１１６ａ………開口部、１１８………ダイアフラム、１２０………ダイアフラム、１２２………第１の円形リング、１２４………第２の円形リング、１２６………第１の蓋部、１２８………第１外部ケース、１３０………第２外部ケース、１３２………ねじ込み金具、１４０………力検出器、１４２………固定部、１４４………固定部、１５０………力検出器、１５２………圧力導入口、１６０………力検出器、１６２………力検出素子、１６４Ａ………励振電極、１６４Ｂ………励振電極、１６６Ａ………引出電極、１６６Ｂ………引出電極、１６８Ａ………ワイヤー、１６８Ｂ………ワイヤー、１７０Ａ………ハーメチック端子、１７０Ｂ………ハーメチック端子、２００………圧力センサー、２０２………ハウジング、２０４Ａ、２０４Ｂ………ダイアフラム、２０６………センターシャフト、２０８………感圧素子、３００………圧力センサー、３０２………ダイアフラム、３０４………素子、３０６………円形リング、３０８………外部ケース、３０８ａ………内部空間、３０８ｂ………圧力導入口、３１０………外部ケース、３１０ａ………内部空間、３１０ｂ………圧力導入口、４００………外部ケース、４０２………第１外部ケース、４０２ａ………凹部、４０２ｂ………圧力導入口、４０２ｃ………雌ネジ、４０４………第２外部ケース、４０４ａ………凹部、４０４ｂ………開放孔、４０４ｃ………雌ネジ、４０６………ねじ込み金具、４０６ａ………挿通孔、４０６ｂ………雄ネジ、４０８………円形リング、４１０………フランジ部、４１２………内部空間、４１４………内部空間、４１６………チューブ、４１８………中継ボックス。

Claims (7)

1. 容器と、
   前記容器の底面に配置され、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する第１ダイアフラムと、
   前記第１ダイアフラムが受けた力を検出する力検出素子と、を備え、
   前記容器は、
   前記容器の側面を構成する筒状の側壁部と、前記側壁部の端部の開口に配置され、前記底面と前記側面の一部を構成する蓋部と、を有し、
   前記蓋部の主面には、前記第１ダイアフラムが配置され、
   前記側面には、前記底面から離間した位置にフランジ部が配置され、
   前記フランジ部は、前記蓋部の前記主面から離間した前記蓋部の側面に配置されていることを特徴とする力検出器。
2. 前記力検出素子は、
   振動腕と前記振動腕の両端に接続された一対の基部とを有し、
   一方の前記基部は前記第１ダイアフラムの変位に伴って変位し、他方の前記基部は前記容器に固定され、
   前記振動腕の延びる方向を検出軸とし、前記検出軸の方向が前記第１ダイアフラムの変位方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の力検出器。
3. 前記フランジ部が配置された位置を境界として、前記第１ダイアフラム側の前記容器の外径と、その反対側の前記容器の外径とが互いに異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の力検出器。
4. 前記フランジ部を挟み込み、且つ前記側面に当接する第１リングと、第２リングと、を備え、
   前記第１リング及び前記第２リングの断面は円形であり、
   前記第１リングの断面半径と前記第１リングが当接する部分の前記容器の断面半径との和と、前記第２リングの断面半径と前記第２リングが当接する部分の前記容器の断面半径との和と、が等しいことを特徴とする請求項３に記載の力検出器。
5. 前記容器の前記底面に平面視で重なる頂面には、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する第２ダイアフラムを含み、
   前記第１ダイアフラムと前記第２ダイアフラムとを連結し、前記第１ダイアフラムから受ける力と前記第２ダイアフラムから受ける力の合力の方向に変位する力伝達部材と、を備え、
   前記力検出素子は、
   前記力伝達部材に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の力検出器。
6. 前記フランジ部は、前記底面からの距離と前記頂面からの距離とが互いに等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の力検出器。
7. 前記容器を収容し、前記第１ダイアフラムと対向する位置に圧力導入口を有する外部ケースを備え、
   前記外部ケースの側面には、
   前記外部ケースと前記第１ダイアフラムとの間の内部空間から通じる排出口が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の力検出器。