JP6725299B2

JP6725299B2 - 荷重センサ

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Publication number: JP6725299B2
Application number: JP2016075866A
Authority: JP
Inventors: 雅由松永; 和人大竹
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: JP2017187368A

Description

本発明の実施形態は、例えば二重ダイアフラム式拡散型半導体圧力センサ技術を応用した荷重センサに関する。

例えば、荷重センサとして、外部より与えられた荷重を機械的にセンサ部分まで伝達するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２０６９６１号公報

上記のような荷重センサの場合、荷重を機械的に伝達する構造であるため、荷重伝達部分の機械的な摩耗が生じ、長期的な信頼性に欠ける。そこで、例えば圧力媒体の圧力変化により荷重をセンサまで伝達させる構造等、機械的に荷重を伝達しない構造を備える荷重センサが考えられる。しかしながら、単純に当該構造を適用しようとすると、外部から荷重が加えられるダイアフラム部分等が局所的に変形する。

その結果、局所的に変形した当該部分から圧力媒体に伝わる圧力が局所的に増大するため、荷重に対するセンサの出力特性が悪化し、荷重を正確に検知できない。

本発明は、上記事情を鑑みてなされており、外部から加えられる荷重の局所的な集中を緩和し、荷重を正確に検知できる荷重センサを提供するものである。

実施形態に係る荷重センサは、センサが配置されるセンサ室を備えるハウジングと、荷重に応じて変形する周辺部としての第１領域と、中央部としての第２領域とを備え、前記第１領域が前記ハウジングに設けられて前記センサ室を閉塞する第１ダイアフラムと、前記センサ室に充填され、前記荷重に応じた圧力を前記センサに伝達する圧力媒体と、前記第２領域に設けられ、外部から加えられる前記荷重を受ける保護部材と、を具備し、前記保護部材は、前記第１ダイアフラム側の第１面と、前記第１面と平行する第２面と、前記第１面と前記第２面の周囲に位置する側面とを有し、前記第１面の面積は前記第２面の面積よりも大きく、前記側面と前記第１面との成す角は鋭角である。

実施形態に係る荷重センサは、センサが配置されるセンサ室を有するハウジングと、荷重に応じて変形する周辺部としての第１領域と、前記第１領域と一体的に設けられ前記荷重を受け前記第１領域よりも剛性が大きい第２領域とを備え、前記第１領域が前記ハウジングに設けられて前記センサ室を閉塞する第１ダイアフラムと、前記センサ室に充填され、前記荷重に応じた圧力を前記センサに伝達する圧力媒体と、を具備し、前記第１ダイアフラムは、前記第２領域と前記第１領域との境界に湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記第２領域と前記第１領域の境界において、鋭角である角部を有する。

第１実施形態に係る荷重センサ装置を模式的に示す図。第１実施形態に係る荷重センサを示す平面図。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。図３の破線で囲ったＡ部分の詳細を示す断面図。（ａ）第１実施形態に係るセンサの回路パターンを示す平面図、（ｂ）第１実施形態に係るセンサの等価回路図。第１実施形態に係る荷重センサの荷重検知動作を説明するための断面図。比較例に係る荷重検知動作を模式的に示す図。第１実施形態に係る荷重検知動作を模式的に示す図。第２実施形態に係る荷重センサを示す断面図。図９の破線で囲ったＢ部分の詳細を示す断面図。第２実施形態に係る荷重検知動作を模式的に示す図。第３実施形態に係る荷重センサを示す断面図。第３実施形態に係る荷重検知動作を模式的に示す図。

以下、図面を参照して、発明の実施形態について説明する。この説明においては、全図にわたり共通の部分には共通の参照符号を付す。また、図面は模式的なものであり、例えば厚みと平面寸法との間係や各層の厚みの比率等は、現実のものと異なることがある。また、図面相互間において互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれることもある。

以下の各実施形態では、二重ダイアフラム式拡散型半導体圧力センサ技術を応用した荷重センサを一例に挙げて説明するが、これに限定されない。

（第１実施形態）
図１乃至図８を用い、第１実施形態に係る荷重センサ１について説明する。なお、図中において、荷重センサ１の保護部材１１の膜面と平行な水平方向をＸ方向とし、Ｘ方向とほぼ直角に交差し荷重Ｆが加えられる方向をＹ方向としてとして示す。

［１．構造］
１−１．全体構造
図１を用い、第１実施形態に係る荷重センサ１を備える荷重センサ装置の全体構造を説明する。図示するように、第１実施形態に係る荷重センサ装置は、外部から加えられる荷重Ｆを検知するための荷重センサ１と、荷重センサ１から検知された検知信号から圧力信号へ変換する等の所定の制御を行うための基板２と、荷重センサ１と基板２とを電気的に接続するための接続手段３とを備える。

荷重センサ１は、具体的には、外部から加えられる荷重Ｆを受ける保護部材１１を備える。保護部材１１により、荷重Ｆの局所的な集中を抑制し、荷重Ｆを分散化する。そのため、第１実施形態に係る荷重センサ１は、荷重Ｆに対する出力特性を向上でき、荷重Ｆを正確に検知することができる。荷重センサ１の詳細については、後述する。

基板２は、例えば、荷重センサ１から電圧として検知された検知信号を増幅する増幅回路、増幅された検知信号を所定の信号へ変換する変換回路、変換された信号の温度補償を行う温度補償回路、および結果を表示する表示回路等を備える制御装置２１を搭載する。なお、温度補償回路は、荷重センサ１の温度特性から算出された温度補償を行うための所定の抵抗値を有する補償抵抗を備える。補償抵抗は、荷重センサ１のセンサを構成するホイーストンブリッジ回路の所定箇所に必要に応じて電気的に接続される。

接続手段３は、例えばケーブル３１等により荷重センサ１と基板２とを電気的に接続する。

１−２．荷重センサ
図２乃至図５を用い、第１実施形態に係る荷重センサ１の構造について詳細に説明する。

（平面構造および断面構造）
図２は、第１実施形態に係る荷重センサ１を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、図３の破線で囲って示すＡ部分の詳細を示す断面図である。

図２、図３に示すように、荷重センサ１は、保護部材１１、第１，第２ダイアフラム１２１，１２２、ハウジング１３、接着剤１４、圧力媒体１５、センサ１６、ボンディングワイヤ１７、ガラス基板１８、ガラスハーメチック１９を備える。

ハウジング１３は、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）等の金属により形成され、収容部としてのセンサ室１３１を有している。センサ室１３１の底部中央部には、大気開放用口１３２が設けられ、大気開放用口１３２の近傍に複数の挿通口１３３が設けられている。各挿通口１３３内には、金属端子３２がそれぞれ挿入されている。さらに、挿通口１３３内には、例えばガラスなどのシール材１９が充填され、シール材１９により、挿通口１３３が、所謂ハーメチックシール技術により封止されるとともに、ハウジング１３と金属端子３２とが電気的に絶縁される。

センサ室１３１の底部中央部には、大気開放用口１３２が同様に形成されたガラス基板１８が設けられている。ガラス基板１８の底面とセンサ室１３１の底部中央部とは所定の接着剤等で接着されている。ガラス基板１８上には、例えば陽極接合により接合された第２ダイアフラム１２２が設けられ、第２ダイアフラム１２２上にセンサ１６が設けられている。第２ダイアフラム１２２上に設けられたセンサ１６は、図３中の上側から圧力媒体１５からの圧力を受け、下側から大気開放用口１３２からの大気圧を受けることで、その差圧を測定し、ゲージ圧を出力するように構成される。より具体的には、センサ１６は、後述するホイーストンブリッジ回路を構成する複数の抵抗素子を含んでいる。これら抵抗素子は、ボンディングワイヤ１７により、金属端子３２に電気的に接続される。金属端子３２は、図１に示すケーブル３１に電気的に接続される。

センサ室１３１の内部には、圧力媒体１５が充填されている。圧力媒体１５は、例えばシリコンオイル等である。

ハウジング１３のセンサ室１３１の周囲には、第１ダイアフラム１２１が取着される。第１ダイアフラム１２１は、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）等の金属により形成され、例えば溶接などの方法によりハウジング１３に取着される。

第１ダイアフラム１２１は、周辺部としての第１領域１２１−１と、中央部としての第２領域１２１−２とを備える。第１領域１２１−１には、１つ以上のコルゲーション１２１ａが設けられ、荷重Ｆに応じて変形可能とされている。第２領域１２１−２には、保護部材１１が設けられる。

保護部材１１は、例えば第１ダイアフラム１２１と同一の材料により構成され、第２領域１２１−２の剛性より、大きな剛性を有している。保護部材１１は、例えば接着材１４により第２領域１２１−２に取着される。第２領域１２１−２は、保護部材１１によって保護され、後述するように、荷重Ｆが加えられた場合でも、実質的な変形は発生しない。

尚、接着剤１４は、センサ１６による出力の直線性が悪化することを防止する観点から、例えば硬化後において硬度が高いものが望ましい。

このように、センサ室１３１は、第１ダイアフラム１２１により閉塞され、センサ室１３１の内部は、圧力媒体１５により充填されている。このため、第１ダイアフラム１２１に印加された圧力は、圧力媒体１５を介して第２ダイアフラム１２２上のセンサ１６に伝達される。

センサ１６は、圧力媒体１５により伝達された内圧の変化に伴う第２ダイアフラム１２２の変形に基づいて、荷重Ｆを検出する。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、センサ１６は、第２ダイアフラムである半導体基板１２２に形成された４つの拡散抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、複数のボンディングパッド１６２と、４つの拡散抵抗Ｒ１〜Ｒ４の一端および他端を複数のパッド１６２に電気的に接続するための配線１６１とを備える。

拡散抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、ｎ型単結晶シリコンから形成される半導体基板１２２に、例えばイオン注入法を用いてボロン（Ｂ）等のｐ型の不純物を注入し拡散させることにより形成する。拡散抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、圧力媒体１５により伝達される荷重Ｆによりダイアフラムである半導体基板１２２に歪が発生すると、発生した歪に伴って導電率（抵抗値）が変化するピエゾ抵抗効果を生じる。

第２ダイアフラム１２２は、例えば中央部分の膜厚が周辺部分の膜厚と比較して薄い台座形状のｎ型単結晶シリコン基板等である。当該台座形状は、例えば所定のエッチング処理を行い、ｎ型単結晶シリコン基板の中央部分の膜厚を周辺部分の膜厚よりも薄くすることで形成する。なお、第２ダイアフラム１２２は、上記ｎ型単結晶シリコン等に限定されず、例えば所定の金属台座等でもよい。

ここで、第１ダイアフラム１２１及び保護部材１１についてさらに説明する。

（保護部材１１と第１ダイアフラム１２１と接着剤１４との厚みについて）
図４に示すように、第１ダイアフラム１２１の厚さＴ１２１は、例えば接着剤１４の膜厚Ｔ１４よりも小さく、接着剤１４の膜厚Ｔ１４は保護部材１１の膜厚Ｔ１１よりも小さい関係（膜厚：Ｔ１２１＜Ｔ１４＜Ｔ１１）とされている。

第１ダイアフラム１２１の膜厚Ｔ１２１は、第１領域１２１−１および第２領域１２１−２で実質的に均一であり、例えば２０μｍから５０μｍ程度である。接着剤１４の膜厚Ｔ１４は、例えば数十μｍから数百μｍ程度である。保護部材１１の膜厚Ｔ１１は、例えば５００μｍ等の数百μｍから数ｍｍ程度である。

（保護部材１１と第１ダイアフラム１２１との面積比について）
次に、保護部材１１と第１ダイアフラム１２１との面積比について考察する。第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２に占める保護部材１１の面積比が小さくなるほど、第２領域１２１−２に加わる荷重が集中する。そのため、同様の荷重を印加する際、第２領域１２１−２に占める保護部材１１の面積比が大きい場合と小さい場合とで、第１ダイアフラム１２１の強度を同様に保つためには、面積比が小さい場合には、面積比が大きい場合に比較して第１ダイアフラム１２１の膜厚Ｔ１２１を厚くすることが望ましい。しかし、面積比が小さい場合に、第１ダイアフラム１２１の膜厚Ｔ１２１を厚くしすぎると、センサ１６の温度特性が悪化するおそれがある。また、この場合には、荷重を印加する時に、第１ダイアフラム１２１の第１領域１２１−１に変形が偏り過ぎ、センサ１６の出力の直線性が悪化する可能性がある。

また、第１ダイアフラム１２１の第１領域１２１−１はコルゲーション１２１ａを有しているため、保護部材１１は、コルゲーション１２１ａの内側に配置される。そのため、保護部材１１の面積比を大きくする場合、図２に示すように、保護部材１１の直径Ｒ１１を、コルゲーション１２１ａが設けられていない第２領域１２１−２の直径Ｒ１２１とできるだけ等しくすることが理想的である。

このように、保護部材１１の直径Ｒ１１が描く円の面積を、第２領域１２１−２の直径Ｒ１２１が描く円の面積にできるだけ近づけることで、第２領域１２１−２に加わる荷重の集中を抑制し、センサ１６の出力特性を向上できる。従って、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２に占める保護部材１１の面積の割合の上限値は、１００％未満である。

一方、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２に占める保護部材１１の面積の割合の下限値は、印加する荷重や第１ダイアフラム１２１の膜厚Ｔ１２１等から判断すると、７０％以上であることが望ましい。例えば、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２に占める保護部材１１の面積の割合が、少なくとも７２％程度の場合、センサ１６の出力特性は、所定の仕様特性を満足することが確認されている。

［２．荷重検知動作］
次に、図６を用いて第１実施形態に係る荷重センサ１の荷重検知動作について詳細に説明する。図６（ａ）は荷重印加前の荷重センサ１を示す断面図、図６（ｂ）は荷重印加時の荷重センサ１を示す断面図である。

図６（ａ）に示すように、荷重印加前において、第１ダイアフラム１２１の第１領域１２１−１および第２領域１２１−２のＹ方向における位置は、初期位置Ｓ０で一致している。

図６（ｂ）に示すように、荷重印加時において、保護部材１１に、Ｙ方向に沿って下向きの荷重Ｆが加えられると、加えられた荷重Ｆは第１ダイアフラム１２１に伝達される。第１ダイアフラム１２１の第１領域１２１−１は、伝達された荷重Ｆに応じ、コルゲーション１２１ａがＹ方向に沿って下向きに変形する。

一方、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２は、保護部材１１によって荷重Ｆによる変形から保護されており、第１領域１２１−１のコルゲーション１２１ａが変形することで荷重Ｆを吸収するため、実質的に変形を生じない。第２領域１２１−２は、第１領域１２１−１のコルゲーション１２１ａが伸びることに伴い、Ｙ方向における位置が初期位置Ｓ０から荷重位置ＳＦへ移動する。このように、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２は、実質的に変形しないため、保護部材１１に印加された荷重Ｆを圧力媒体１５に正確に伝達することができる。このため、センサ室１３１の内圧が変化し、当該内圧の変化が第２ダイアフラム１２２に伝達され、第２ダイアフラム１２２が変形を生じる。この第２ダイアフラム１２２の変形に基づいて、センサ１６が荷重Ｆを検知する。

保護部材１１への荷重Ｆの印加が解除されると、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２は、コルゲーション１２１ａの弾性力により、図６（ａ）に示す位置に復帰する。

［３．作用効果］
以上説明したように、第１実施形態に係る荷重センサ１の構造および動作によれば、少なくとも下記（１）乃至（２）の効果が得られる。

（１）保護部材１１は、第１ダイアフラム１２１の中央部の第２領域１２１−２に設けられ、外部から加えられる荷重Ｆを受けることで、荷重Ｆによる変形から第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２を保護する。このため、第２領域１２１−２に対する荷重Ｆの局所的な集中を抑制することができる。この結果、センサ１６による荷重Ｆの検出精度を向上でき、荷重Ｆをより正確に検知することができる。

以下に、比較例と第１実施形態とを対比して具体的に説明する。また、接着剤１４等の詳細な図示を省略する。
（比較例の場合）
図７は、比較例に係る荷重センサの荷重検知動作を模式的に示したものである。この比較例は、第１ダイアフラム１２１上に第１実施形態に係る保護部材１１が設けられていない例を示している。

この場合、第１ダイアフラム１２１上に保護部材１１が設けられていないため、例えば金属部材などの荷重伝達部材４０により、直接第１ダイアフラム１２１に荷重Ｆを印加した場合、コルゲーション１２１ａが殆んど変形せず、荷重Ｆが印加された第１ダイアフラム１２１の例えば中央の部分が初期位置Ｓ０からＹ方向に沿って変形する。このため、第１ダイアフラム１２１は、全体的に断面が弓なり状に変形する。このように、比較例では、荷重Ｆが与えられる第１ダイアフラム１２１の中央の部分の変形が、周辺部分に比べて非常に大きくなる。

ここで、圧力媒体は液体なので、圧力媒体中の圧力Ｐはほぼ同じ値となる。しかし、中央部の局所的な第１ダイアフラム１２１の変形に伴い、第１ダイアフラム１２１が圧縮する圧力媒体の体積は小さくなる。その結果、体積が小さくなる分だけ圧力Ｐが大きく検知され、外部から同じ荷重Ｆを与えた場合でも検知される値が異なり、正確な値が測定できなくなる。

（第１実施形態の場合）
図８は、第１実施形態に係る荷重センサ１の荷重検知動作を同様に模式的に示したものである。図８に示すように、第１実施形態に係る荷重センサ１は、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２に保護部材１１を備えている。このため、荷重伝達部材４０により保護部材１１に荷重Ｆを印加した場合、荷重Ｆは、保護部材１１により第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２にほぼ均等に印加される。従って、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２の変形が抑制され、コルゲーション１２１ａが変形することにより、第２領域１２１−２の全体がＹ方向に沿って移動する。

このように、第１実施形態によれば、荷重Ｆに基づく第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２の局所的な変形を緩和でき、その結果、第１実施形態に係る荷重センサ１は、比較例と比較して、荷重Ｆを正確に検知することができる。

（２）機械的な摩耗がなく、長期的な信頼性を向上できる。

第１実施形態に係る荷重センサ１は、外部から加えられた荷重Ｆを第１ダイアフラム１２１の第１領域１２１−１が変形することで圧力媒体１５に伝達し、伝達された荷重Ｆを圧力媒体が内圧の変化として第２ダイアフラム１２２に伝達し、第２ダイアフラム１２２の変形に基づきセンサ１６が荷重Ｆを検知する（図６等）。

このように、第１実施形態に係る荷重センサ１は、外部より与えられた荷重Ｆを第１ダイアフラム１２１と圧力媒体１５によりセンサ１６に伝達させ、従来のように、荷重をセンサに直接伝達する機械的な部品を持たない。そのため、機械的な部品に摩耗が生じることがなく、長期的な信頼性を向上できる。

尚、第１実施形態に係る荷重センサ１は、二重ダイアフラム式拡散型半導体圧力センサ技術を応用することができる。そのため、新たな製造設備等を必要としない。また、基板２に搭載された、荷重センサ１から電圧として検知された検知信号を増幅する増幅回路、増幅された検知信号を所定の信号へ変換する変換回路、変換された信号の温度補償を行う温度補償回路、および結果を表示する表示回路等についても同様である。そのため、荷重センサ１、および荷重センサ１を備える荷重センサ装置の製造コストの低減に有利である。

（第２実施形態（テーパ構造を有する一例））
次に、図９乃至図１１を用い、第２実施形態に係る荷重センサ１Ｂについて説明する。第２実施形態は、保護部材１１の変形例に関する。

［構造］
図９は、第２実施形態に係る荷重センサ１Ｂを示す断面図である。図１０は、図９の破線で囲って示すＢ部分の詳細を示す断面図である。

図９に示すように、第２実施形態に係る保護部材１１は、Ｘ方向の断面において、周辺部の側面にテーパ構造１１Ｔを更に備える点で、上記第１実施形態と相違する。

図１０に示すように、より詳細には、保護部材１１は、第１ダイアフラム１２１側の下面（第１面）１１１と、下面と平行する上面（第２面）１１２と、下面と上面の周囲に位置する側面とを有し、下面１１１の面積は上面１１２の面積より大きく、側面と下面１１１との成す角θＴは、例えば鋭角とされている。

その他の構造は、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、荷重検知動作に関しても、上記第１実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
第２実施形態に係る荷重センサ１Ｂの構造および動作によれば、少なくとも上記（１）乃至（２）と同様の効果が得られる。

さらに、第２実施形態に係る荷重センサ１Ｂの保護部材１１の側面は、テーパ構造１１Ｔを備え、保護部材１１の下面１１１の面積は、上面１１２の面積より大きくなるように構成される。

そのため、図１１に示すように、例えば金属などの荷重伝達部材４０により荷重Ｆが保護部材１１の面積が下面１１１より小さな上面１１２に印加された際、ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２へ印加される荷重Ｆを、下面１１１により分散することができる。このため、保護部材１１の中央部の応力集中を緩和でき、荷重Ｆに基づく第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２が与える圧力Ｐの局所的な集中を更に緩和できる。その結果、第２実施形態は、第１実施形態に比較して、センサ１６によって荷重Ｆをより正確に検知することができる点で有利である。

しかも、保護部材１１にテーパ構造１１Ｔを設けることにより、保護部材１１を軽量化できる。このため、荷重に対して第１ダイアフラム１２１の移動を高速化でき、センサ１６の感度を向上させることが可能である。

（第３実施形態（ダイアフラムと一体構造である保護部を備える一例））
次に、図１２および図１３を用いて第３実施形態に係る荷重センサ１Ｃについて説明する。第１、第２の実施形態は、第１ダイアフラム１２１に保護部材１１を設けた。これに対して、第３実施形態は、保護部材を第１ダイアフラムと一体構造とした例を示している。この説明において、上記第１，第２実施形態と実質的に重複する部分の詳細な説明を省略する。

［構造］
図１２は、第３実施形態に係る荷重センサ１Ｃを示す断面図である。図１３は、図１２の破線で囲って示すＣ部分の詳細を示す断面図である。

図１２に示すように、第３実施形態において、第１ダイアフラム１２１の構成は、以下の点で、第１、第２実施形態と異なっている。すなわち、第１、第２実施形態において、第１ダイアフラム１２１の中央としての第２領域１２１−２は、下に凸の断面形状とされていた。これに対して、第３実施形態において、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２は、上に凸の断面形状とされている。具体的には、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２は、初期位置Ｆ０よりも上方に位置される。さらに、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２の初期位置Ｆ０から上に凸とされた上面までの間は、第１領域１２１−１と同じ材料であるステンレススチール（ＳＵＳ）により形成されている。第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２は、上記構造により、荷重Ｆに対する保護部として働く。このように、第３実施形態では、保護部材１１および接着剤１４を備えない構造となる。

図１３に示すように、より詳細には、第３実施形態に係る第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２と第１領域１２１−１（コルゲーション１２１ａ）との境界は、荷重緩和構造としての湾曲部１２１Ｒを有している。湾曲部１２１Ｒは、第２領域１２１−２と第１領域１２１−１（コルゲーション１２１ａ）との境界において、Ｆ０で示す線に対して鋭角θＲである角部を有している。

このように、第３実施形態において、第１ダイアフラム１２１の第２領域１２１−２と第１領域１２１−１との境界に湾曲部１２１Ｒを有するため、第２領域１２１−２に印加された荷重が湾曲部１２１Ｒにより吸収され、さらに、コルゲーション１２１ａが変形されるため、第２領域１２１−２の変形を防止することができる。換言すれば、第２領域１２１−２は、荷重Ｆに対して第１領域１２１−１よりも剛性が大きいと言える。

また、図１３に破線で示すように、第２領域１２１−２の厚さＴ１２１−２は、第１領域１２１−２の厚さＴ１２１−１よりも大きくなるように構成（膜厚：Ｔ１２１−２＞Ｔ１２１−１）される。上記のように、第２領域１２１−２の厚さを厚くすることで、荷重Ｆに対して第１領域１２１−１よりも第２領域１２１−２の剛性をより大きくすることができ、第２領域１２１−２の変形を防止できる。

その他の構造は、上記実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、荷重検知動作に関しても、上記実施形態と実質的に同様であるため、その詳細な説明を省略する。

［作用効果］
以上説明したように、第３実施形態に係る荷重センサ１Ｃによれば、第１ダイアフラム１２１の中央部の第２領域１２１−２を周辺部の第１領域１２１−１より上方に設け、第２領域１２１−２と第１領域１２１−１との境界に湾曲部１２１Ｒを設けている。このため、第２領域１２１−２に印加された荷重が湾曲部１２１Ｒにより吸収され、さらに、コルゲーション１２１ａが変形されるため、実質的に第２領域１２１−２の剛性を高めることができ、第２領域１２１−２の変形を防止することができる。したがって、保護部材を別途設けることなく、センサ１６による荷重Ｆの検出精度を向上することができる。

（変形例）
上記第１乃至第３実施形態では、二重ダイアフラム構造の拡散型半導体センサ１６を応用した荷重センサ１，１Ｂ，１Ｃを一例に挙げて説明したが、この構造に限定されないことは勿論である。例えば、二重ダイアフラム構造のバルク型半導体センサや、同構造の蒸着（薄膜）型半導体センサ等であっても同様に適用可能である。

さらに、センサ室１３１およびセンサ１６は、第１ダイアフラム１２１の中央部である第２領域１２１−２の下方の位置に配置される構造を一例として示したが、この構造に限定されない。例えば、センサ室１３１およびセンサ１６は、第１ダイアフラム１２１の周辺部である第１領域１２１−１の下方の位置に配置されていてもよい。上記第１乃至第３実施形態によれば、荷重Ｆによる第１ダイアフラム１２１の圧力Ｐの局所的な集中を緩和できる。そのため、センサ室１３１およびセンサ１６が配置される位置にかかわらず、荷重Ｆを正確に検知することができるからである。

以上、実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１，１Ｂ，１Ｃ…荷重センサ、２…基板、３…接続手段、１１…保護部材、１１Ｔ…テーパ構造、１３…ハウジング、１４…接着剤、１５…圧力媒体、１６…センサ、１７…ボンディングワイヤ、１８…ガラス基板、１９…ガラスハーメチック、３１…ケーブル、３２…金属端子、４０…荷重伝達部材、１２１…第１ダイアフラム、１２１−１…第１領域、１２１−２…第２領域、１２１ａ…コルゲーション、１２２…第２ダイアフラム、１３１…センサ室、１３２…大気開放用口、１３３…穴部。

Claims

センサが配置されるセンサ室を備えるハウジングと、
荷重に応じて変形する周辺部としての第１領域と、中央部としての第２領域とを備え、前記第１領域が前記ハウジングに設けられて前記センサ室を閉塞する第１ダイアフラムと、
前記センサ室に充填され、前記荷重に応じた圧力を前記センサに伝達する圧力媒体と、
前記第２領域に設けられ、外部から加えられる前記荷重を受ける保護部材と、
を具備し、
前記保護部材は、前記第１ダイアフラム側の第１面と、前記第１面と平行する第２面と、前記第１面と前記第２面の周囲に位置する側面とを有し、前記第１面の面積は前記第２面の面積よりも大きく、前記側面と前記第１面との成す角は鋭角である荷重センサ。
前記保護部材の剛性は、前記第１ダイアフラムの第２領域の剛性よりも大きい
請求項１に記載の荷重センサ。
前記保護部材の前記第１ダイアフラムの第２領域に占める面積の割合は、７０％以上１００％未満である
請求項１または２に記載の荷重センサ。
前記第１領域は、コルゲーションを有し、
前記第２領域は、前記荷重により変形しない
請求項１乃至３のいずれかに記載の荷重センサ。
前記第１ダイアフラム及び前記保護部材は、円形である
請求項３記載の荷重センサ。
前記センサ室に設けられ、前記荷重により生じる前記圧力媒体の内圧に応じて変形する第２ダイアフラムを更に具備し、
前記センサは、前記第２ダイアフラムに設けられ、前記第２ダイアフラムの変形に基づき前記荷重を検出する
請求項１乃至５のいずれかに記載の荷重センサ。
センサが配置されるセンサ室を有するハウジングと、
荷重に応じて変形する周辺部としての第１領域と、前記第１領域と一体的に設けられ前記荷重を受け前記第１領域よりも剛性が大きい第２領域とを備え、前記第１領域が前記ハウジングに設けられて前記センサ室を閉塞する第１ダイアフラムと、
前記センサ室に充填され、前記荷重に応じた圧力を前記センサに伝達する圧力媒体と、
を具備し、
前記第１ダイアフラムは、前記第２領域と前記第１領域との境界に湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記第２領域と前記第１領域の境界において、鋭角である角部を有する荷重センサ。
前記第２領域の厚さは、前記第１領域の厚さよりも厚い
請求項７に記載の荷重センサ。
前記第１領域は、コルゲーションを有する
請求項７または８に記載の荷重センサ。
前記センサ室に設けられ、前記荷重により生じる前記圧力媒体の内圧に応じて変形する第２ダイアフラムを更に具備し、
前記センサは、前記第２ダイアフラムに設けられ、前記第２ダイアフラムの変形に基づき前記荷重を検出する
請求項７乃至９のいずれかに記載の荷重センサ。