JP7440281B2

JP7440281B2 - ダイヤフラムおよび圧力センサ

Info

Publication number: JP7440281B2
Application number: JP2020014876A
Authority: JP
Inventors: 学市倉; 聡一郎大嶌
Original assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JP2021121784A

Description

本発明は、ダイヤフラムおよび圧力センサに関する。

例えば、特許文献１には、フレーム部と、可動部と、フレーム部と可動部とに架け渡されるカーボンナノチューブ素子とを備え圧力センサが開示されている。圧力センサは、フレーム部と可動部とを連結すると共に、伸縮可能な波形（蛇腹状）に形成されたコルゲート部を備えている。

可動部およびコルゲート部は、薄膜形成されている。可動部は、フレーム部の内側で全周にわたりコルゲート部によって支持されている。可動部およびコルゲート部は、ダイヤフラムを構成している。可動部は、ダイヤフラムの表裏の圧力差に応じて、ダイヤフラムの表裏方向に変位する構成となっている。ダイヤフラムの裏側から表側よりも高い圧力が加わった場合、ダイヤフラムが薄膜形成されているため、可動部は表側へ変位する。これにより、カーボンナノチューブ素子も変形することになり、カーボンナノチューブ素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラムの表裏の圧力差が検出される。

波形の伸縮によりフレーム部に対する可動部の変化量を大きくすることができると共に、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量についても大きくすることができる。つまり、コルゲート部の伸縮量に応じて、圧力センサを高感度化することが可能となる。

特開２００９－１９８３３７号公報

ところで、特許文献１に記載の圧力センサを高感度化するため、単に、コルゲート部の波形の数を増やすことや、波形を大きくすることにより、コルゲート部の伸縮量を大きくする場合、ダイヤフラムの厚さが増し、その結果、例えば、圧力センサが大型化になることや、圧力センサのレイアウトの自由度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、薄型にすることが可能なダイヤフラムおよび圧力センサを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明におけるダイヤフラムは、
フレーム部に開設された開口を覆うように配置され、開口縁部に固定される周縁部を有し、両面にかかる圧力間の差により変位する圧力センサ用のダイヤフラムであって、
前記ダイヤフラムの前記周縁部と中央部との間の中間部に配置され、伸縮可能な波形に形成されたコルゲート部を備え、
前記開口の中央部を通る中心線の一側に位置する第１開口縁部に対応して配置される第１コルゲート部と、前記中心線の他側に位置する第２開口縁部に対応して配置される第２コルゲート部とは、前記開口の中央部を通り、前記中心線と直交する線に対して非対称に構成される。

また、本発明における圧力センサは、
上記ダイヤフラムの中央部における上記第１コルゲート部側に配置される被検出部と、
平板状の上記フレーム部と、
を備える。

本発明によれば、ダイヤフラムを薄型にすることができる。

図１は、本発明の一実施の形態における圧力センサを概略的に示す平面図である。図２は、本発明の一実施の形態における圧力センサを概略的に示す斜視図である。図３は、圧力センサの分解斜視図である。図４は、図１のＡ－Ａ線断面図である。図５は、図１のＢ－Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における圧力センサ１を概略的に示す平面図である。図２は、圧力センサ１の斜視図である。図３は、圧力センサ１の分解斜視図である。図１にはＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が描かれている。図１において左右方向をＸ方向又は横方向といい、右向を「＋Ｘ方向」又は横方向一側、左方向を「－Ｘ方向」又は横方向他側という。また、図１において上下方向をＹ方向又は縦方向といい、上方向を「＋Ｙ方向」又は縦方向一側、下方向を「－Ｙ方向」又は縦方向他側という。また、図１の紙面の奥行き方向をＺ方向、表裏方向又は厚さ方向といい、手前側を「＋Ｚ方向」、表側又は表方向、奥側を「－Ｚ方向」、裏側又は裏方向という。

図１から図３に示すように、圧力センサ１は、フレーム部１０と、ダイヤフラム２０と、片持ち梁部３０と、を有している。

フレーム部１０は、矩形状の外形形状を有する平板であって、開口１２を有している。図１に、開口１２の中央部を通り、Ｙ方向に沿って延在する中心線Ｌ１（第１対称軸ともいう）、および、開口１２の中央部を通り、Ｘ方向に沿って延在する直交線Ｌ２（第２対称軸ともいう）を示す。

開口１２は、台形形状を有している。開口１２の開口縁部１４は、互いに平行な２つの辺である長辺部１４ａおよび短辺部１４ｂと、斜辺部１４ｃと、斜辺部１４ｄとを有する。ここで、長辺部１４ａは、開口１２の中央部に対し縦方向一側（＋Ｙ方向）に配置される。長辺部１４ａは中心線Ｌ１の一側である第１開口縁部に相当する。また、短辺部１４ｂは、開口１２の中央部に対し縦方向他側（－Ｙ方向）に配置される。短辺部１４ｂは中心線Ｌ１の他側である第２開口縁部に相当する。斜辺部１４ｃは、開口１２の中央部に対し横方向一側（＋Ｘ方向）に配置される。斜辺部１４ｄは、開口１２の中央部に対し横方向他側（－Ｘ方向）に配置される。

ダイヤフラム２０は、開口１２を裏方向（－Ｚ方向）から覆うように配置される。ダイヤフラム２０は、薄膜形成を有している。ダイヤフラム２０には、例えば、薄い銅板が用いられる。ダイヤフラム２０は、開口１２の形状に対応するように台形形状を有している。ダイヤフラム２０の周縁部２２は、気密を保つように開口縁部１４に固定されている。

図４は図１のＡ－Ａ線断面図である。図５は図１のＢ－Ｂ線断面図である。図４および図５に、フレーム部１０、ダイヤフラム２０および片持ち梁部３０のそれぞれの板厚を強調して示す。図１から図５に示すように、ダイヤフラム２０の周縁部２２と中央部２４との間の中間部２６には、伸縮可能な波形（蛇腹状）に形成されたコルゲート部２８が配置されている。ダイヤフラム２０の表裏の圧力差に応じて、コルゲート部２８が伸縮することでダイヤフラム２０が変位する。コルゲート部２８は、第１コルゲート部２８ａ、第２コルゲート部２８ｂ、第３コルゲート部２８ｃ、および、第４コルゲート部２８ｄを有している。

第１コルゲート部２８ａは、長辺部１４ａ（第１開口縁部）に沿うように配置される。第１コルゲート部２８ａは、直交線Ｌ２に対して第２コルゲート部２８ｂと非対称に構成される。ここで、「非対称」とは、二つのコルゲート部の位置が互いに異なる位置における非対称、二つのコルゲート部の大きさが互いに異なる大きさにおける非対称、及び二つのコルゲート部の形状が互いに異なる形状における非対称のうちの一つ以上の非対称をいう。

具体的には、第１コルゲート部２８ａは、その伸縮量が第２コルゲート部２８ｂの伸縮量より大きくなるように構成される。ここで、伸縮量とは、コルゲート部２８が最も縮んだ最大短縮位置と最も伸びた最大伸長位置との間の距離をいう。

図１から図３に示すように、第２コルゲート部２８ｂは、短辺部１４ｂ（第２開口縁部）に対応して配置される。本実施の形態では、第２コルゲート部２８ｂは、第３コルゲート部２８ｃの縦方向他側（－Ｙ方向）端部と、第４コルゲート部２８ｄの縦方向他側（－Ｙ方向）端部とにより構成される。

第３コルゲート部２８ｃは、斜辺部１４ｃに沿うように配置される。第３コルゲート部２８ｃの縦方向一側端部は、第１コルゲート部２８ａの横方向一側端部に接続されている。また、前述したように、第３コルゲート部２８ｃの縦方向他側端部は、第２コルゲート部２８ｂを構成している。第１コルゲート部２８ａの伸縮量が第２コルゲート部２８ｂの伸縮量よりも大きくため、第３コルゲート部２８ｃは、縦方向一側端部の伸縮量が縦方向他側端部の伸縮量よりも大きくなるように形成される。

第４コルゲート部２８ｄは、中心線Ｌ１に対して第３コルゲート部２８ｃと対称的に構成される。第４コルゲート部２８ｄは、斜辺部１４ｄに沿うように配置される。第４コルゲート部２８ｄの縦方向一側端部は、第１コルゲート部２８ａの横方向他側端部に接続されている。また、前述したように、第４コルゲート部２８ｄの縦方向他側端部は、第２コルゲート部２８ｂを構成している。第１コルゲート部２８ａの伸縮量が第２コルゲート部２８ｂの伸縮量よりも大きいため、第４コルゲート部２８ｄは、縦方向一側端部の伸縮量が縦方向他側端部の伸縮量よりも大きくなるように形成される。

片持ち梁部３０は、フレーム部１０と一体に形成される。片持ち梁部３０は、弾性を有する片持ちバネである。片持ち梁部３０には、弾性を持たせるため例えば、熱処理したリン青銅やステンレスが用いられる。

片持ち梁部３０は、短辺部１４ｂの横方向中央部から長辺部１４ａに向かって＋Ｙ方向に延在する。片持ち梁部３０の基端部３２は短辺部１４ｂの横方向中央部に固定された固定端である。片持ち梁部３０の延出部３４（中央部）は、中心線Ｌ１に沿って縦方向（Ｙ方向）に延在する。図４に示すように、片持ち梁部３０の自由端である先端部３６は、ダイヤフラム２０の中央部２４における第１コルゲート部２８ａ側に固定される。

片持ち梁部３０は、ダイヤフラム２０の両面の圧力差に応じて変位する。本実施の形態では、片持ち梁部３０の先端部３６を被検出部３０Ａとする。

片持ち梁部３０の先端部３６（被検出部３０Ａ）の変位量を検出する方法として、公知の手段が用いられる。例えば、先端部３６の変位量を、直線可動ポテンショメータや、レバーを用いて回転変位に変換して回転可動ポテンショメータで検出する方法がある。また、例えば、先端部３６に設けられた磁石と先端部３６に対向配置される部位に設けられた磁気官能素子とを用いた磁気方式により検出する方法がある。また、例えば、対向電極を先端部３６と先端部３６に対向配置された部位とに設けて、対向電極間の静電容量の変化により電気的信号に変換する方法がある。

次に、圧力センサ１の動作について、図１から図５を参照して簡単に説明する。図４に、変位した状態のダイヤフラム２０および片持ち梁部３０を示す。

例えば、ダイヤフラム２０の裏側（－Ｚ方向）の圧力が表側（＋Ｚ方向）の圧力より高い場合、第１から第４のコルゲート部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄのそれぞれは、受ける圧力に応じて伸縮する。これにより、ダイヤフラム２０は表側に変位し、片持ち梁部３０も表側に変位する。片持ち梁部３０の変位量（ダイヤフラム２０の変位量）は、片持ち梁部３０の各部（基端部３２から先端部３６）が受けるダイヤフラム２０からの力と、片持ち梁部３０の復元力とがつり合うときの変位量である。

片持ち梁部３０の変位量は、先端ほど大きく変位する。また、第２コルゲート部２８ｂの伸縮量が比較的に大きいため、片持ち梁部３０の先端部３６の変位量も大きくなる。前述する公知の手段は、先端部３６の変位量に基づいて、ダイヤフラム２０の両面の圧力差を検出する。

上記実施の形態におけるダイヤフラム２０は、フレーム部１０に開設された開口１２を覆うように配置され、開口縁部１４に固定される周縁部２２を有し、両面にかかる圧力間の差により変位する圧力センサ用のダイヤフラム２０であって、ダイヤフラム２０の周縁部２２と中央部２４との間の中間部２６に配置され、伸縮可能な波形に形成されたコルゲート部２８を備え、開口１２の中央部を通る中心線Ｌ１の一側に位置する長辺部１４ａに対応して配置される第１コルゲート部２８ａと、中心線Ｌ１の他側に位置する短辺部１４ｂに対応して配置される第２コルゲート部２８ｂとは、開口１２の中央部を通り、中心線Ｌ１と直交する直交線Ｌ２に対して非対称に構成される。

第１コルゲート部２８ａと第２コルゲート部２８ｂとを非対称に構成することで、例えば、第１コルゲート部２８ａと第２コルゲート部２８ｂとの間で伸縮量に差をつけることが可能となる。コルゲート部２８の一部であるコルゲート部２８ａの伸縮量を大きくしたため、単に、コルゲート部２８の全体の伸縮量を大きくする場合に比較して、ダイヤフラム２０の全体がコルゲート部２８によって厚さ方向（Ｚ方向）に嵩張ることがないため、ダイヤフラム２０を薄型にすることが可能となる。

また、上記実施の形態におけるダイヤフラム２０は、第１コルゲート部２８ａの伸縮量は、第２コルゲート部２８ｂの伸縮量よりも大きい。これにより、コルゲート部２８の一部である第１コルゲート部２８ａ及びその近傍の例えば波形の数を増やすことや、波形を大きくすることで、第１コルゲート部２８ａおよびその近傍の伸縮量を大きくしため、単に、コルゲート部２８の全体の波形の数を増やすことや、波形を大きくする場合に比較して、ダイヤフラム２０を薄型にすることが可能となる。

また、上記実施の形態におけるダイヤフラム２０は、開口１２は台形形状を有し、第１コルゲート部２８ａは、開口縁部１４の長辺部１４ａに沿うように配置される。これにより、第１コルゲート部２８ａ及びその近傍の波形の数を増やすことや、波形を大きくする場合、第１コルゲート部２８ａが長い分だけ、多数の波形や大きな波形を折りたたみ展開し易くなる。結果的に、第１コルゲート部２８ａが伸縮し易くなる。

また、上記実施の形態における圧力センサ１においては、平板状のフレーム部１０と、ダイヤフラム２０の中央部２４における第１コルゲート部２８ａ側に配置される被検出部３０Ａと、を備える。上記の構成によれば、平板状のフレーム部１０を備えることにより、圧力センサを薄型にすることが可能となる。また、ダイヤフラム２０の両面の圧力差に応じてダイヤフラム２０が変位する場合、ダイヤフラム２０の中央部２４における第１コルゲート部２８ａ側の変位量が他の場所に比べて大きくなる。変位量が大きな場所に被検出部３０Ａが配置されるため、圧力センサ１を高感度化することが可能となる。

また、上記実施の形態における圧力センサ１においては、短辺部１４ｂの方から長辺部１４ａの方へ延在し、延在する自由端としての先端部３６に被検出部３０Ａが配置される、弾性を有する片持ち梁部３０を備える。片持ち梁部３０の先端部３６が長辺部１４ａ側に位置し、長辺部１４ａに沿って配置される第１コルゲート部２８ａの伸縮量が比較的に大きいため、先端部３６は、他の部位（基端部３２や延出部３４）と比較して大きな荷重を受ける。これにより、先端部３６は大きく撓む。大きく撓む先端部３６に被検出部３０Ａが配置されるため、圧力センサ１を高感度化することができる。

また、上記実施の形態における圧力センサ１においては、片持ち梁部３０は、フレーム部１０と一体に形成される。これにより、片持ち梁部３０をフレーム部１０に厚さ方向（Ｚ方向）から取り付ける必要がないため、圧力センサ１をさらに薄型にすることが可能となり、また、部品点数を削減することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本発明の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態では、開口１２は台形形状を有するが、本発明はこれに限らない、開口１２は、矩形形状、多角形状、円形形状又は楕円形状であってもよい。この場合でも、開口１２の開口縁部において開口１２の中心部を間にして対向する辺部の一方から他方の辺部に向かって片持ち梁部を延在すればよく、また、他方の辺部に沿って伸縮量が比較的大きなコルゲート部を配置すればよい。

本発明は、薄型にすることが要求されるダイヤフラムを備えた圧力センサに好適に利用される。

１圧力センサ
１０フレーム部
１２開口
１４開口縁部
１４ａ長辺部
１４ｂ短辺部
２０ダイヤフラム
２２周縁部
２４中央部
２６中間部
２８コルゲート部
２８ａ第１コルゲート部
２８ｂ第２コルゲート部
２８ｃ第３コルゲート部
２８ｄ第４コルゲート部
３０片持ち梁部
３０Ａ被検出部
３２基端部
３４延出部
３６先端部

Claims

フレーム部に開設された開口を覆うように配置され、開口縁部に固定される周縁部を有し、両面にかかる圧力間の差により変位する圧力センサ用のダイヤフラムであって、
前記ダイヤフラムの前記周縁部と中央部との間の中間部に配置され、伸縮可能な波形に形成されたコルゲート部を備え、
前記開口の中央部を通る中心線の一側に位置する第１開口縁部に対応して配置される第１コルゲート部の伸縮量は、前記中心線の他側に位置する第２開口縁部に対応して配置される第２コルゲート部の伸縮量よりも大きい、
ダイヤフラム。
前記第１コルゲート部の波形の数は、前記第２コルゲート部の波形の数よりも多い、
請求項１に記載のダイヤフラム。
前記第１コルゲート部の波形の大きさは、前記第２コルゲート部の波形の大きさよりも大きい、
請求項１に記載のダイヤフラム。
請求項１から３のいずれか一項に記載のダイヤフラムの中央部における前記第１コルゲート部側に配置される被検出部と、
平板状の前記フレーム部と、
を備える、圧力センサ。
前記第２開口縁部の方から前記第１開口縁部の方へ延在し、延在する自由端としての先端部に前記被検出部が配置される、弾性を有する片持ち梁部をさらに備える、
請求項４に記載の圧力センサ。
前記片持ち梁部は、前記フレーム部と一体に形成される、
請求項５に記載の圧力センサ。