JPH04350529A - 圧力センサ用ダイアフラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧力センサ用ダイアフ
ラムに関し、特に、製作が容易な圧力センサ用ダイアフ
ラムに関するものである。

【０００２】

【従来技術およびその問題点】一般に、印加される圧力
によってダイアフラムを変位させるとともに、ダイアフ
ラムの変位量を歪みゲージの抵抗値の変化量に変換し、
さらに歪みゲージの抵抗値の変化量を電子回路で増幅し
て外部に伝送することによって、圧力を検出するように
なっている圧力センサに用いられているダイアフラムに
あっては、図９に示すように構成されている。

【０００３】すなわち、このダイアフラム７１は、金属
製の円柱状の基部材の中心部に切削加工等により所定の
深さで孔７４を穿設して、薄肉平板状の起歪部７３とこ
の起歪部７３を支持する筒状の固定部７２とを形成した
ものであって、薄肉平板状の起歪部７３の表面には適宜
の成膜法（真空蒸着、スパッタリング、プラズマＣＶＤ
等、以下成膜法という）により絶縁膜７５が形成されて
いるとともに、この絶縁膜７５上には、歪みゲージ７６
およびそのブリッジ回路を構成する金配線７７が印刷配
線等により所定のパターンで形成されている。

【０００４】このようなダイアフラム７１にあっては、
起歪部７３の加工精度を高くして、仕上げ精度を高くし
、かつ、表面の仕上げ粗さを高くするほど圧力センサに
用いた場合の圧力センサの測定精度を高めることができ
るものであるが、上記のような切削加工でダイアフラム
７１を製作した場合には、厚さに対する仕上げ精度を±
１０μ程度に抑えるのが精一杯であり、それ以上の仕上
げ精度を望もうとするならば、ミクロ的な加工技術を必
要とするため、加工コストが大幅に高くなってしまうと
いう問題点があった。

【０００５】一方、上記のような問題点を解決するため
に、図１０に示すように、ダイアフラム８１の起歪部８
３と固定部８２とを別体として、起歪部８３を圧延鋼板
を用いて製作し、固定部８２を他の金属材で形成した上
で両者を一体に接合したものもあるが、このようなもの
にあっては、起歪部８３を圧延鋼板で製作したことによ
り、何ら手を加えなくても圧延鋼板の高い仕上げ精度を
そのまま維持することができるので、起歪部８３として
の仕上げ精度も高まり、また、起歪部８３と固定部８２
とを別体で製作した上で両者を一体に接合するようにし
たため、製作を容易にすることもできるものであるが、
起歪部８３と固定部８２との間を接合する有効な接合方
法が確立されていないために、両者間の接合力が弱く、
起歪部８３に圧力が作用して、その圧力による応力が起
歪部８３と固定部８２との間の接合部に集中した場合に
、その応力が両者間の接合力に勝ってしまって起歪部８
３が固定部８２から剥がれてしまう恐れがあるという問
題点があった。

【０００６】この発明は、上記のような従来のもののも
つ問題点を解決したものであって、製作が容易であると
ともに、仕上がり精度を著しく高めることができて、圧
力センサに用いた場合の測定精度を著しく高めることの
できる圧力センサ用ダイアフラムを提供することを目的
とするものである。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】上記の問題点を解決す
るためにこの発明は、受圧面と反対側の面に所定のパタ
ーンで歪みゲージおよび金配線が形成されているととも
に、圧力の作用によって変位可能な薄肉平板状の起歪部
と、この起歪部を支持する固定部とを具え、前記起歪部
の受圧面と反対側の面に前記固定部を一体に固着したと
いう手段を採用し、前記固定部の前記起歪部との固着面
には突部が形成されていて、この突部により前記起歪部
との間に所定の間隙が形成され、これにより、前記起歪
部の変位を制限するストッパー機構が形成されるという
手段を採用した。また、圧力の作用によって変位可能な
薄肉平板状の起歪部と、この起歪部を支持する固定部と
を具え、前記起歪部の受圧面と反対側の面に前記固定部
を一体に固着した上、前記起歪部の受圧面に所定のパタ
ーンで歪みゲージおよび金配線を形成したという手段を
採用し、前記起歪部と固定部との間にはスペーサが設け
られていて、このスペーサにより起歪部と固定部との間
に所定の間隙が形成され、これにより、前記起歪部の変
位を制限するストッパー機構が形成されるようになって
いるという手段を採用した。また、圧力の作用によって
変位可能な薄肉平板状の起歪部と、この起歪部を支持す
る固定部とを具え、前記起歪部と固定部との間にスペー
サを介在させた状態で、起歪部とスペーサとの間および
固定部とスペーサとの間をそれぞれ一体に固着した上、
起歪部の受圧面または受圧面と反対側の面に歪みゲージ
および金配線を形成し、その後、所定のサイズにカット
して構成したという手段を採用し、前記起歪部と固定部
とは、ろう付けにより一体に固着されているという手段
を採用したものである。

【０００８】

【作用】この発明は上記の手段を採用したことにより、
薄肉平板状の起歪部とこの起歪部を支持する固定部とを
それぞれ別体で形成した後に、起歪部の受圧面と反対側
の面に固定部がろう付けにより一体に固着されることに
なり、したがって、個々の部材の加工精度を一段と高め
ることができるとともに、製作も容易にできることとな
る。

【０００９】

【実施例】以下、図面に示すこの考案の実施例について
説明する。図１にはこの発明による圧力センサ用ダイア
フラムの第１の実施例が示されていて、この圧力センサ
用のダイアフラム１は、薄肉平板状の起歪部２と筒状の
固定部３とをそれぞれ別体で形成した上で、両者をろう
付けにより一体に接合して構成したものである。

【００１０】前記起歪部２は圧延鋼板を素材として円板
状に形成したものであって、この場合の圧延鋼板として
は、例えば厚さが１００μで仕上げ精度が±２μのもの
や、歪みゲージや金配線等を印刷配線等により形成する
ために必要とされている表面粗さＲａ　＝０．０２μｍ
程度のものが比較的容易に入手できるので、起歪部２の
素材としては特に有効であり、したがって、このような
特性を有する圧延鋼板で製作した起歪部２は、その仕上
げ精度が一段と高まることになる。また、上記のような
圧延鋼板にあっては、疲労限度が非常に高いものであり
、例えば、図２に示すような応力特性を有する所謂ＳＵ
Ｓ板（ＳＵＳ３０１、板厚３８μｍ）を用いて前記起歪
部２を製作した場合には、高応力下においても使用が可
能となる。

【００１１】そして、上記のように圧延鋼板から製作し
た円板状の起歪部２の上面に、適宜の成膜法（真空蒸着
、スパッタリング、プラズマＣＶＤ等、以下成膜法とい
う）により所定の厚みの絶縁膜４を形成するとともに、
この絶縁膜４上に、印刷配線等により所定のパターンで
歪みゲージ５およびそのブリッジ回路を構成する金配線
６をそれぞれ形成し、さらに、これらの上に前記金配線
６の表面のみを残して絶縁膜７、所謂パシベーション膜
７を適宜の成膜法により形成する。そして、この後、前
記絶縁膜７上にＡｕ合金等からなるろう付け材１２を用
いて前記固定部３をろう付けして一体に固着する。

【００１２】この場合、固定部３のろう付け面と反対側
の面に、予め、前記起歪部２と同様の方法で絶縁膜８、
およびその上に所定のパターンで金配線９をそれぞれ形
成しておき、固定部３を起歪部２に固着した後に、固定
部３側の金配線６と起歪部２側の金配線９との間を、Ａ
ｕやＮｉ等からなるワイヤ１０を用いてワイヤホンディ
ング法等により接合し、さらに、固定部３側の金配線９
と図示しない電子回路との間をターミナル１１で接合す
る。なお、前記起歪部２をＳＵＳ板で形成した場合には
、起歪部２と固定部３との間のろう付けは４００°Ｃ以
下の温度で行われ、前記起歪部２を例えばチタン合金で
形成した場合には、４００°Ｃを超える温度で行われる
ものであり、素材に応じて所定のろう付け温度に設定す
ればよいものである。

【００１３】そして、上記のように構成した圧力センサ
用ダイアフラム１にあっては、既述のように、起歪部２
を圧延鋼板で形成してあるので、圧延鋼板の表面を未加
工のままの状態で使用したとしても、起歪部２の仕上げ
精度を±２μに抑えることができることになり、したが
って、従来の切削加工により起歪部を形成したものに比
較して仕上げ精度を一段と高めることができることにな
る。したがって、例えば１０Ｋｇｆ／ｍｍ２　用の圧力
センサのダイアフラムとして用いる場合には、従来の切
削加工によるものでは仕上げ精度が±１０μであったた
め、起歪部を支持する固定部の穴径を６．０ｍｍとしな
ければならなかったものを、この実施例によるものにあ
っては、起歪部２の仕上げ精度を±２μとすることがで
きるので、固定部３の穴径を２．０ｍｍまで落とすこと
ができることになり、これによって、シリコン半導体式
の圧力センサと同一レベルのサイズとすることができる
ことになるので、全体を著しく小型化することができる
とともに、圧力センサに用いた場合の圧力センサとして
の測定精度も一段と高めることができることになる。

【００１４】また、起歪部２の受圧面と反対側の面に起
歪部２を支持するための固定部３が固着されているので
、起歪部２の受圧面に圧力が作用して、その圧力による
応力が起歪部２と固定部３との間の接合部に集中したと
しても、その応力は起歪部２を固定部３の方向に押し付
ける方向に作用することになり、したがって、起歪部２
と固定部３との間の接合力が多少弱い状態にあったとし
ても、前記従来のように、両者間が剥がれてしまう恐れ
は全くなくなるものである。なお、前記の説明において
は、起歪部２と固定部３とをろう付けにより一体に固着
したが、他の方法で固着するようにしてもよいものであ
る。

【００１５】図３および図４には、この発明による圧力
センサ用ダイアフラムの第２の実施例が示されていて、
図３は全体を示す縦断面図、図４は図３に示すものをＩ
−Ｉ線に沿って見た図であり、この実施例に示すものも
前記第１の実施例に示すものと同様に、薄肉平板状の起
歪部２２と固定部２３とをそれぞれ別体で形成した上で
、両者をろう付けにより一体に接合して構成したもので
ある。

【００１６】そして、この実施例に示すものにあっても
、前記第１の実施例と同様に、前記起歪部２２は圧延鋼
板から製作されているので、圧力センサ用としての仕上
げ精度、表面粗さ等の諸条件を十分に満足させることが
できるものであり、また、高応力下においての使用にも
十分に耐えられるものである。

【００１７】そして、上記のように構成した起歪部２２
の上面に、前記第１の実施例に示すものと同様の方法で
、絶縁膜２４、およびその上に歪みゲージ２５およびそ
のブリッジ回路を構成する金配線２６を所定のパターン
で形成し、さらに、これらの上に前記金配線２６の表面
のみを残して絶縁膜２７、所謂パシベーション膜２７を
形成する。この後、前記絶縁膜２７上にＡｕ合金等から
なるろう付け材２９を用いて前記固定部２３をろう付け
により一体に固着することになるが、この場合の固定部
２３は前記第１の実施例に示すものと違って、図５（ａ
）〜（ｄ）に示すような方法によって製作したものであ
る。

【００１８】すなわち、まず、図５（ａ）に示すように
、円板状に形成した固定部２３のろう付けされる側の面
に、適宜の成膜法により絶縁膜３１を形成するとともに
、この絶縁膜３１上に適宜の成膜法により金属膜３２を
形成する。この場合の金属膜３２としては特に材質が限
定されるものではないが、エッチングされ易い材質のも
のを使用することが必要である。次に、図５（ｂ）に示
すように、前記金属膜３２の所定の位置にレジスト３３
によりマスキングを施し、この後、図５（ｃ）に示すよ
うに、エッチングにより前記マスキングを施した箇所以
外の箇所を腐食させて除去し、所定の形状の突部３０を
形成する。次に、図５（ｄ）に示すように、適宜の成膜
法により前記突部３０の表面にＡｕ合金等からなるバイ
ンダ材３６を形成し、このようにして形成した固定部２
３の突部３０側を、Ａｕ合金等かなるろう付け材２９を
上面に形成した前記起歪部２２に密着させてろう付けし
て一体に固着することによって、固定部２３と起歪部２
２との間には所定の間隙３７が形成され、これによって
、起歪部２２のストッパー機構３８が形成されることに
なる。

【００１９】一方、前記固定部２３の前記起歪部２２の
金配線２６の位置に対応する箇所には、筒状の絶縁部材
２８が嵌着されており、この絶縁部材２８内には一端が
前記起歪部２２の金配線２６にワイヤボンディング等に
より接合され、他端が図示しない電子回路に接合されて
いるターミナル３５が挿通している。

【００２０】そして、上記のように構成したこの実施例
による圧力センサ用ダイアフラム２１にあっても、前記
第１の実施例に示すものと同様に、起歪部２２を圧延鋼
板で形成してあるので、表面に何ら手を加えることなく
そのままの状態で使用したとしても、従来の切削加工で
形成したものに比較して、仕上げ精度を一段と高めるこ
とができることになる。また、起歪部２２の受圧面と反
対側の面には起歪部２２を支持するための固定部２３が
固着されているので、起歪部２２の受圧面に圧力が作用
して、その圧力による応力が起歪部２２と固定部２３と
の間の接合部に集中したとしても、その応力は起歪部２
２を固定部２３の方向に押し付ける方向に作用すること
になり、したがって、起歪部２２と固定部２３との間の
接合力が多少弱い状態にあったとしても、従来のように
両者間が剥がれてしまう恐れは全くない。さらに、固定
部２３の起歪部２２側の面に設けた突部３０により、固
定部２３と起歪部２２との間に間隙３７を形成して、こ
れらによりストッパー機構３８を形成したことにより、
起歪部２２にその許容限度を超える応力が作用したとし
ても、前記ストッパー機構３８で起歪部２２の変位を制
限することができることになり、したがって、耐久性を
著しく高めることができることになる。なお、この実施
例においても固定部２３と起歪部２２とをろう付けによ
り一体に固着したが、その他の方法により固着するよう
にしてもよいものである。

【００２１】図６には、この発明による圧力センサ用ダ
イアフラムの第３の実施例が示されていて、この実施例
に示す圧力センサ用ダイアフラム４１は、薄肉平板状の
起歪部４２と固定部４３とをそれぞれ別体で形成した上
で、両者間に環状のスペーサ４７を介在させて、起歪部
４２とスペーサ４７との間および固定部４３とスペーサ
４７との間をそれぞれろう付けにより一体に固着した上
で、起歪部４２の表面に適宜の成膜法により絶縁膜４４
を、印刷配線等により歪みゲージ４５およびそのブリッ
ジ回路を構成する金配線４６をそれぞれ形成したもので
あって、固定部４３と起歪部４２との間に介在させたス
ペーサ４７により、両者の間に所定の間隙４９が形成さ
れて、これらにより、起歪部４２の変位を制限するスト
ッパー機構４８が形成されるようになっている。

【００２２】そして、この実施例に示すものにあっても
起歪部４２は前記各実施例に示すものと同様に、圧延鋼
板から形成されているので、圧延鋼板の表面を未加工の
ままの状態で使用したとしても、従来の切削加工により
起歪部を形成したものに比較して、仕上げ精度を一段と
高めることができることになる。また、起歪部４２の受
圧面と反対側の面には起歪部４２を支持するための固定
部４３が固着されているので、起歪部４２の受圧面に圧
力が作用して、その圧力による応力が起歪部４２と固定
部４３との間の接合部に集中したとしても、その応力は
起歪部４２を固定部４３の方向に押し付ける方向に作用
することになり、したがって、起歪部４２と固定部４３
との間の接合力が多少弱い状態にあったとしても、従来
のもののように、両者間が剥がれてまう恐れは全くなく
なるものである。

【００２３】さらに、固定部４３と起歪部４２との間に
スペーサ４７を介在させてストッパー機構４８を形成し
たことにより、起歪部４２にその許容限度を超える応力
が作用したとしても、起歪部４２の変位を制限すること
ができることになり、したがって、耐久性を著しく向上
させることができるものである。なお、１０μを超える
厚みの場合にはスペーサ４７を用いた方が有効であるが
、厚みが１０μ以下の場合には前記第２の実施例に示す
ものと同様に、スペーサ４７を別体で製作せずに、固定
部４３の起歪部４２側の面にエッチングにより突部を形
成して、この突部をスペーサ４７とした方がより有効で
ある。また、この実施例においても、固定部４３と起歪
部４２との間をろう付けによらずに他の方法により固着
するようにしてもよいものである。

【００２４】そして、上記のように構成したこの実施例
による圧力センサ用ダイアフラム４１を圧力センサに取
り付けた状態が図７（ａ）および（ｂ）に示してあり、
ここで、５０は歪みゲージ４５からの電気信号を伝送信
号に変換させる電子回路である。

【００２５】図８（ａ）および（ｂ）には、前記各実施
例に示した圧力センサ用ダイアフラムの多数個取りの製
造方法が示されていて、この製造方法は、多数個取りが
可能な大きさに固定部５７、スペーサ５６および起歪部
５５をそれぞれ別体で形成して、固定部５７のろう付け
される側の面に適宜の成膜法によりＡｕ−Ｃｒ、Ａｕ−
Ｗ等のＡｕ合金からなるろう付け材６０を付着させると
ともに、スペーサ５６の両面に前記固定部５７と同一の
Ａｕ合金等のろう付け材５９、５９を付着させて、起歪
部５５と固定部５７との間でスペーサ５６を挟持し、こ
の状態で、図８（ｂ）のように、真空状態で前記起歪部
５５と固定部５７との間をスペーサ５６を挟持する方向
に押圧し、この後、ろう付け材５９、６０のろう付け温
度まで温度を上昇させてろう付けを行うことで、スペー
サ５６の両面に固定部５７および起歪部５５を一体に固
着する。そして、この後、前記各実施例に示すものと同
様に、適宜の成膜法により起歪部５５の上面に絶縁膜、
その上に印刷配線等により歪みゲージおよびそのブリッ
ジ回路を構成する金配線を所定のパターンで形成する。 そして、この後、ワイヤカットやダイジング等により所
望のサイズにカットすることによって、前記各実施例に
示したものと同一の効果を有するダイアフラムが得られ
ることになる。

【００２６】したがって、このようにして多数個取りで
製作することによって、生産効率を大幅に高めることが
できることになり、これによって、生産コストを大幅に
低減させることもできることになる。

【００２７】

【発明の効果】この発明は前記のように構成して、圧力
を受ける薄肉平板状の起歪部とこの起歪部を支持する固
定部とを別体で形成したことにより、個々の部材の仕上
げ精度を著しく高めることができることになり、したが
って、歪みゲージおよび金配線が形成される起歪部の仕
上げ精度を著しく高めることができることになり、これ
によって、圧力センサに用いた場合の圧力センサとして
の測定精度を一段と高めることができることになる。ま
た、起歪部と固定部とを別体で製作した後に、両者をろ
う付けにより一体に固着するようにしたことにより、切
削加工等により起歪部と固定部とを形成したものに比べ
て、製作性を著しく向上させることができることになり
、したがって、製作コストを著しく低減させることがで
きることになり、安価なものを提供することができるこ
とになる等の優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による圧力センサ用ダイアフラムの第
１の実施例を示した断面図である。

【図２】図１に示すものの起歪部に用いる圧延鋼板の応
力特性を示した図である。

【図３】この発明による圧力センサ用ダイアフラムの第
２の実施例を示した断面図である。

【図４】図３に示すもののをＩ−Ｉ線に沿って見た図で
ある。

【図５】図３に示すもののストッパー部の製造方法を示
した図である。

【図６】この発明による圧力センサ用ダイアフラムの第
３の実施例を示した断面図である。

【図７】図６に示すもののを圧力センサに取り付けた状
態を示した図である。

【図８】この発明による圧力センサ用ダイアフラムの多
数個取りの製造方法を示した図である。

【図９】従来の圧力センサ用ダイアフラムの一例を示し
た断面図である。

【図１０】従来の圧力センサ用ダイアフラムの他の例を
示した断面図である。

【符号の説明】

１、２１、４１、７１、８１……ダイアフラム２、２２
、４２、５５、７３、８３……起歪部３、２３、４３、
５７、７２、８２……固定部４、７、８、２４、２７、
３１、４４、７５……絶縁膜５、２５、４５、７６、８
６……歪みゲージ６、９、２６、４６、７７、８３、８
７……金配線１０……ワイヤ １１、３５……ターミナル １２、２９、５９、６０……ろう付け材２８……絶縁部
材 ３０……突部 ３２……金属膜 ３３……レジスト ３６……バインダ材 ３７、４９……間隙 ３８、４８……ストッパー機構 ４７、５６……スペーサ ５０……電子回路 ５８、７４、８４……孔

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　受圧面と反対側の面に所定のパターン
   で歪みゲージ（５）（２５）および金配線（６）（２６
   ）が形成されているとともに、圧力の作用によって変位
   可能な薄肉平板状の起歪部（２）（２２）と、この起歪
   部（２）（２２）を支持する固定部（３）（２３）とを
   具え、前記起歪部（２）（２２）の受圧面と反対側の面
   に前記固定部（３）（２３）を一体に固着したことを特
   徴とする圧力センサ用ダイアフラム。
2. 【請求項２】　　前記固定部（２３）の前記起歪部（２
   ２）との固着面には突部（３０）が形成されていて、こ
   の突部（３０）により前記起歪部（２２）との間に所定
   の間隙（３７）が形成され、これにより、前記起歪部（
   ２２）の変位を制限するストッパー機構（３８）が形成
   されるようになっている請求項１記載の圧力センサ用ダ
   イアフラム。
3. 【請求項３】　　圧力の作用によって変位可能な薄肉平
   板状の起歪部（４２）と、この起歪部（４２）を支持す
   る固定部（４３）とを具え、前記起歪部（４２）の受圧
   面と反対側の面に前記固定部（４３）を一体に固着した
   上、前記起歪部（４２）の受圧面に所定のパターンで歪
   みゲージ（４５）および金配線（４６）を形成したこと
   を特徴とする圧力センサ用ダイアフラム。
4. 【請求項４】　　前記起歪部（４２）と固定部（４３）
   との間にはスペーサ（４７）が設けられていて、このス
   ペーサ（４７）により起歪部（４２）と固定部（４３）
   との間に所定の間隙（４９）が形成され、これにより、
   前記起歪部（４２）の変位を制限するストッパー機構（
   ４８）が形成されるようになっている請求項３記載の圧
   力センサ用ダイアフラム。
5. 【請求項５】　　圧力の作用によって変位可能な薄肉平
   板状の起歪部（５５）と、この起歪部（５５）を支持す
   る固定部（５７）とを具え、前記起歪部（５５）と固定
   部（５７）との間にスペーサ（５６）を介在させた状態
   で、起歪部（５５）とスペーサ（５６）との間および固
   定部（５７）とスペーサ（５６）との間をそれぞれ一体
   に固着した上、起歪部（５５）の受圧面または受圧面と
   反対側の面に歪みゲージおよび金配線を形成し、その後
   、所定のサイズにカットして構成したことを特徴とする
   圧力センサ用ダイアフラム。
6. 【請求項６】　　前記起歪部（２）（２２）（４２）と
   固定部（３）（２３）（４３）とはろう付けにより一体
   に固着されている請求項１、３および５記載の圧力セン
   サ用ダイアフラム。