JPH04502508A - 多係数圧力センサ - 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】 発明の名称 多係数圧力センサ 発明の背景 １、発明の分野 本発明は、静圧を受けたときにたわみを生じるように選択された材料で形成され たストリップまたはブロックを具備する圧力センサに関する。

２、従来技術の説明 ２つの圧力差に応答してたわみを生じるダイアフラムを使用した圧力センサがよ く知られている。ある種の方法においては、例えば静電容量を検出してダイアフ ラムのたわみを検出することにより、ダイアフラムをたわませている差圧の大き さを測定できる。ダイアフラム型の差圧センサでは、ライン圧（圧力センサを取 り囲む周囲の圧力とダイアフラムに加えられる２つの圧力の平均値との差）の上 昇によってセンサハウジングにゆがみが生じることが知られている。

金属製感知ダイアフラムを使用する場合、変形する外部ハウジングの物理的、機 械的構造を調整したり選定するほか、金属ダイアフラムの予圧レベルを変化させ ることによって前記ゆがみは補正されていた。

また、静水圧が物体のすべての面に作用するとき、物体を形成する材料の弾性係 数の関数として、物体が圧縮され硬直化することも知られている。さらに、一つ の材料の弾性係数または圧縮率を、もう一つの材料と異なるように選択でき、そ の結果静水圧に対し、異なった応答をさせ得ることも良く知られている。しかし ながら、異なる弾性係数を有する２つの異なる材料を一対として形成したストリ ップつまり部材が圧力を受けている場合の、前記ストリップのたわみは、このよ うな圧力の大きさの検出にはこれまで利用されていなかった。

発明の概要 本発明は、弾性係数の異なる２層または複数の固体材料から作られた部材を使用 した圧力センサに関し、前記部材は、好ましくは熱膨張係数が類似し、共に接着 されるか、さもなくば実質的に一体的に形成される。前記材料が同一の温度また は熱（膨張）係数を有していれば、湿度が変化した場合に、両材料の寸法は同じ ように変化するため、部材が温度変化に反応してたわむことがない。

しかしながら、部材を包囲している静水圧が変化したときには、２つの材料の層 の長さは変化し、相異なる新たな寸法になる。材料の層は、接着されているかま たは一体化されているため、差動が抑制され、発生した応力は、曲げ、たわみ、 ゆがみ、ねじれ、そりを部材に生じさせる。一般的に、前記たわみは、接着され ていない状態での個々の材料に発生するたわみよりも非常に大きい。言い換えれ ば、変位の増幅が行われ、これが発生したたわみの測定を容易にしているのであ る。

たわみは、容量型センサ電極、光学式センサ、ひずみゲージまたは他の類似する センサによって検出できる。静電容量による検出方式は、発生する小さなたわみ を測定するのに十分な感度を有する。

前記圧力センサの部材に適した材料は、例えばシリコンと、コーニング社７７４ ０パイレツクス（硼珪酸ガラス）またはコーニング社１７２９ガラス等のガラス である。シリコンおよびガラスは互いに陽極接合（ａｎｏｄｉｅ　ｂｏｎｄｉｎ ｇ）によって接合でき、同様の熱膨張係数を存する。コーニング社の１７２９ガ ラスは、コーニング社の７７４０よりも熱膨張係数がシリコンに近い。２つの材 料の弾性係数は約２倍違っている。例えば、シリコンのヤング率は約１７．４Ｘ １０３ｋｇ／ｍｍ”　（約２４Ｘ１０６ｐｓｉ）であるのに対し、硼珪酸ガラス （パイレックス）のヤング率は約７．２Ｘ１０３ｋｇ／ｍｍ２　（約１０ＸＩ　 ０６ｐｓ　ｉ）　である。

好ましくは双方の他の材料と異なるヤング率を有する第３の材料による層を付加 することができる。例えば、約３９．８Ｘ１０　ｋｇ／ｍｍ２　（約５５Ｘ１０ ６ｐｓ　１）（Ｄヤング率を有するサファイヤは第３の材料として適している。

サフアイヤはまた異なる熱膨張係数を有していて、陽極接合によっては接合でき ない。窒化アルミニュームもまた第３の材料として使用できる。

接着されたガラスおよびシリコンの円板（ディスク）でたわみ部材ができている ならば、このたわみ部材を中心部で支持でき、円板が支持されている個所の参照 （基準）面に対する周縁部のたわみを測定することができる。一般的に、たわみ 部材の周りを取り囲む、実質的に非圧縮性の流体を収容するために、ある型式の ハウジングが使用される。

そして、可撓性の隔離ダイアフラムまたは他の構成物を介して前記流体の静水圧 は変化させられ、測定される流体の静水圧は、部材の各面に一様に作用してたわ みを生じさせる。

前記センサにより、参照用真空チャンバを要することなく、絶対圧が測定される 。したがって、参照チャンバのリーク（漏れ）から生じる問題が解消される。

本発明の他の実施態様では、ダイアフラムと同様の円板状部材を、その縁の部分 でベースに対して支持させることができ、円板が適正に構成配置されて組立体の 周囲に静水圧が作用する場合は、これによって発生するたわみが測定できる。

たわみか抑制され内部歪みが生じるような場合は、検出のために歪みゲージを使 用することができる。

ブロックまたはベースの一端の面に沿って片持ち梁が支持され、梁の自由端はベ ースの他方の部分から間隔をおいて配置される。片持ち梁がシリコンで作られ、 ベースがパイレックスのようなガラスで作られていて、梁が、梁の長手方向の一 部分で接着されているとすれば、組立体が圧力を受けたときに、梁の自由端はた わみを受けるであろう。さらに、片持ち梁それ自体が、相異なる２つの層で作ら れ、たわみ部材を形成することもできる。

組立体が、たわみを生じさせる静水圧を受けた場合、互いに隣接して接着された ２つの材料間での寸法差の変化によつて応力が誘起される。二つの材料は、相互 のインターフェイス面（接合界面）ではほぼ同一長さに規制されるので、圧力が 加えられたときに、曲げまたはゆがみが発生する。

本発明の特徴を使用した圧力センサは絶対圧検出装置であり、また非常に簡易な ものであって、ここに図示したように、前記二つの構成要素を二つの圧力源間の 差圧の指示が得られるように、ハウジング内に装着できる。

開示された圧力センサは通常、例えば７．２ｋｇ／ｍｍ”（１０，０００ｐｓｉ ）を超える範囲の高圧範囲用であるが、０．３６ｋｇ／ｍｍ２（５００ｐｓ　ｉ ）　〜７２．５ｋｇ／ｍｍ２（１００，０００ｐ　ｓ　ｉ）　ノ範囲テモ作動テ キル。このような高圧範囲において大きい応力を受けない小型で簡素なセンサを 、簡単に製作でき、したがって容易にたわみを検出できる。

部材がシリコーンオイルに取り囲まれている絶対圧センサにおいて、２またはそ れ以上の材料からなるたわみ部材つまり湾曲部は、静電容量の検出に際し、間隔 の変化か容量の増減をもたらすように設計できる。センサは、普通の電子的変換 、伝送機能を利用できるので、オイルの誘電率の温度係数を相殺し、かつ一般的 な電子工学を利用できるようにするため現存する検出回路の原理を使用できる。

図面の簡単な説明 図１は本発明による典型的な圧力センサの側断面図であり、そこに装着されてい る本発明のたわみ部材を示す図である。

図２は本発明の圧力センサに使用される片持ち梁型のたわみ部材を示す側断面図 である。

図３は本発明に係る片持ち梁型センサの変形例を示す図である。

図４は非対称円板たわみ部材を使用したセンサの断面図である。

図５は増大した流体ライン静圧によって変形した円板の全体を示す図４の側断面 図であり、流体静圧の変化を検出するため二つのコンデンサを使用した例を示す 図である。

図６は複係数円板型たわみ部材を示す本発明の変形例を示す図である。

図７はたわみを示す圧力を検出するために、三種の異なった材料が使用され、か つ容量検出が使用された本発明よって製作された多係数センサを示す図である。

図８は二つの静水圧間の圧力差の指示を検出するために、本発明のセンサ部材が 使用された圧力センサの構造を示す断面図である。

図９は本発明に係る、センサ構成要素のたわみを測定するための光学的構成部分 を有する圧力センサを示す図である。

図１０は圧力検出用の複係数構成要素の一つとして歪みゲージを使用した本発明 の圧力センサを示す図である。

実施例の詳細な説明 図１において、符号１０で全体を示す圧力検出用組立体は、例えばシリコーンオ イルのような、実質的に非圧縮性の流体で充満された内部チャンバ１２を有する 外側閉塞ハウジング１１を包含する。チャンバ１２は、その縁に沿ったシール部 １４でハウジングの他の部分と密封され、全体を符号１３で示した可撓性の隔離 ダイアフラムで部分的に囲まれている。

全体を符号１６で示した圧力センサ組立体はチャンバ１２の内側に装着され、チ ャンバ内で滑らないように支持される。

センサは可撓性つまり柔軟な台１５によって予定位置に保持される。適当な、ゴ ムを基体とした材料またはエラストマー（弾性重合体）を適用できる。センサ組 立体１６は、全体が符号１７で示されたたわみ検出部材を含み、このたわみ部材 １７は、これを囲む静水圧に対して歪む複係数（ｂｌｍｏｄｕｌｕｓ　）たわみ 円板からなる。ここで「複係数」という用語は、異なる弾性係数を有し、互いに 接着または結合されている二つの異なった材料から形成された構造を示す。

図示のように、たわみ部材１７は、第１の材料つまりユニではシリコンで作られ た第１の円板２０、および適当な、硼珪酸ガラスのような第２の材料で作られ、 第１の円板とほぼ同一寸法およびほぼ同一厚さを有する第２の円板２１からなる 。シリコンおよび硼珪酸ガラスを使用する場合、シリコンの厚さが、接合された 層の全体厚さの０．４２に近いときに好ましい感度を得ることができる。好まし い厚みは次の式で算出できる。

シリコン厚さ÷（シリコン厚さ＋パイレックス厚さ）−バイレックスのヤング率 ÷シリコンのヤング率＝　（７，２ｘ　１０３ｋｇ／ｍｍ２（ＩＯＸＩＯ６ｐｓ ｉ））÷（１７，４Ｘ１０　ｋｇ／ｍｍ”　（２４第２の円板２１は実質的に第 １の円板とは異なる弾性係数を有する材料で作られている。二つの円板２０およ び２１は、ここでいう境界面であるインターフェイス面２２に沿って、例えば陽 極接合で互いにしっかりと接着されている。これらの円板は全体的に完全に接着 されていて一体化されている。

通常の大気圧下においては前記接着された円板は、点線２３で示すようにほぼ平 らな形状を呈している。たわみ部材１７は適当な中央支持台２４でベース部材２ ５に支持されている。

センサ組立体１６のベース部材２５は参照（基準）面２６を有し、全体を通して 均質な材料（例えば硼珪酸ガラスのような）からなる。

シリコンとガラスの円板２ｏおよび２１との弾性係数は異なっているので、それ ぞれの面が同じ静水圧を受けた場合、異なる寸法の変化を生じる。寸法が同じ二 つの円板の、一方が他方の上に置かれ、かつ接合されていないで高圧を受けたな らば、高い弾性係数の円板は低い弾性係数の円板はどは直径が減少しないことを 観察できる。すなわち、互いに接合されていなかったならば、パイレックスの円 板はシリコンの円板よりも小さくなるであろう。

二つの円板が互いのインターフェイスで接合されている場合は、インターフェイ スの応力のため、発生した応力によって各円板は半径方向の湾曲を生ずる。円板 は、温度測定に用いられるバイメタル円板と同じようにたわむか巻上がるかする 。

図１に示すように、円板２ｏおよび２１が接着されて部材１７を形成し、例えば 数百から数千ｐｓｉ（数百キロパスカルから数千キロパスカル）の範囲の、ダイ アフラム１３に作用する高い静水圧を受けたとき、部材１７はたわみ、シリコン 円板２０の外周部とガラス支持ベース上の面２６との間の間隔が変化する。適当 な金属の層でガラス支持ベースを金属化することにより、コンデンサの電極３ｏ が形成される。

導電性シリコン層２０および電極３０間の静電容量は圧力の関数で変化する。電 極３０は、外部ハウジングに設けられ、密封された開口を通して外に貫通してい る適当なリード３１に接続されている。適当なり−ド３２が、シリコン円板２゜ に電気的に接続されている。リード３１および３２が電子回路に接続されること により、たわみ部材１７にたわみが生じたときの容量の変化を測定できる。

たわみの全体量はたわみ部材に作用する圧力に比例し、たわみ部材を形成する二 つの材料の膨張温度係数が一致しているならば、センサの利用可能な動作範囲全 体にわたって絶対圧を測定するのに効果的である。

たわみ部材つまりセンサの変形例を図２に示す。たわみ部材は片持ち梁および支 持部材を形成する二つの固体材料を具備する。前記梁は一つの材料で作られ、一 方、片持ち梁を支持するベースは、前記梁とは異なる弾性係数を有する異なった 材料から作られる。

本発明のこの例では、全体を符号３５で示す圧力検出構成要素つまりたわみ部材 は硼珪酸ガラス（パイレックスガラス）のブロック３６からなる。前記ガラスは 、その上に高くした棚部つまりボス３７を有し、そこには、所望の幅および長さ の梁またはブレード３８か装着されている。シリコンの梁３８は、前記ボス３７ の上部つまりインターフェイス面に対し、インターフェイス４０に沿って接着さ れた第１の部分３９を有している。梁３８の第２の自由端部分４１が、ベース３ ６の凹部つまり低い面４２に覆いかぶさっている。

インターフェイス４０のために、均一な静水圧か検出部材３５に加えられたとき 、シリコンの弾性係数に対するガラスの弾性係数の差異によってインターフェイ スに沿って生起されるべき応力が発生され、シリコン梁に矢印４６で示されるモ ーメントを生じさせ、自由端部分４１を点線で示すようにたわませる。梁部分４ １の外縁付近の面４２上にはコンデンサの電極４３が形成される。適当なリード ４４が電気伝導性のあるシリコン梁に接続され、そしてリード４５が前記コンデ ンサ電極４３に接続される。

シリコン梁３８がベース３６に対してたわんだ場合、梁３８と電極４３との間に 形成された可変コンデンサと、梁３８と電極４３Ａとの間に形成される比較的固 定されているコンデンサとの容量の差が、適当な電気回路で測定できる。

同じ誘電体材料で構成された固定コンデンサおよび可変コンデンサは、センサ内 のオイルの誘電率の変化を補償するために使用できる。検出部材にはまた、二つ の材料が使われている。これら二つの材料は異なる弾性係数を有し、かつ二つの 別々の材料かそれに沿って一体化されるインターフェイスを有している。二つの 材料が高圧にさらされたとき、応力が発生し、次には、受けている静水圧を判定 するための測定可能なたわみを生じさせる。

片持ち梁型センサ４９の変形例を図３に示す。この形状のセンサ４９には、その 一端部にボス５１を有するベース５０が設けられている。ベース５０はガラスの ような適当な材料で作られている。全体を符号５２で示す片持ちたわみ梁は二つ の異なる材料から形成されている。この例において、前記梁５２は、全体を符号 ５３で示すシリコンの下層と、符号５４で示す硼珪酸ガラスの上層とからなる。

層５３および５４はインターフェイス５５において接合され、単一の固体ブロッ クを形成している。たわみ梁部材５２の一方の端部は、インターフェイス５８に おいてボス５１の上面に接合されている。

センサ４９が静水圧を受けたとき、たわみ梁部材５２はインターフェイス５５に おける応力レベルによってたわむ。その上に容量変化測定のための適当なコンデ ンサ電極を形成している面５９に関係してたわみが発生する。たわみ梁部材は使 用されている層の特性に依存して上方または下方にたわむ。

最初の二つの層の、好ましくない熱膨張係数のわずかな不一致を補正するため、 前記の二つの層と実質的に異なった膨張係数を有する第３の層を付加することが できる。例えば、第３の層は、パイレックスつまり硼珪酸ガラスの上に付着され た（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　）アルミニューム被膜でもよいし、または弾性係数は ほぼ同じであるが、より高い熱膨張係数を有するガラス薄膜を、層が硼珪酸ガラ スの溶融温度以下でとける溶融ガラスフリット（ｒｒｉｔ）のような方法で硼珪 酸ガラス層に適用することもできる。

また、容量検出に代わって、光学センサまたは他の適当なセンサを使用できる。

コンデンサ電極はまたどのような所望の形式にも構成できる。例えば、分割され た（ｓｐｌｉｔ　）コンデンサ電極をベースの上に形成することができ、たわみ 部材が動いたときに検出される直列静電容量はたわみ部材上にリードを設ける必 要を回避する。

図４および５に示した装置は、容量検出用に特に良好に適用され、特に、圧力変 化に対して反対極性に等量だけ間隙を変化させる二つの容量センサが使われるこ とによって、現存する容量差動圧力センサと共に使われる変換、伝送機能が、較 正の補助として使用できる。

本発明のこの形態において、図１に示したものと同様の外部ハウジングの中に配 置されたたわみ部材、つまり全体を符号６０で示す構成要素は、シリコンのよう な材料で作られた円板６３の上に交互にサンドイッチ状に配置された第１のガラ ス電極支持部６１、および第２のガラス電極支持部６２を含む。ここで、シリコ ン円板は、中央部６５を有するように形成される。

この中央部は、この中央部６５を限定する円周の回りの一方の面から内側に向か って深溝６４が形成され、２分割平面に対して非対称に支持されている。前記溝 は、円板６３の縁（リム部）に対して中央部６５を支持する薄肉部（ウェブ）を 残している。各電極支持部６１および６２はそれぞれ圧力開口６６を有しており 、円板６３の両側のチャンバ６７および６８に、それぞれ静水圧が伝達されるよ うにしている。チャンバ６７内の静水圧はチャンバ６８内の静水圧と同じである 。中央部６５全体にかかる差動静水圧はない。

前記電極支持部６１および６２に対する円板６３の弾性係数の差によって、発生 する応力の関数として、円板６３はたわむ。

円板６３に面した支持部の表面には、コンデンサ電極、つまり電極６９．７０が 形成されている。電極は、温度変化によるオイルの誘電率変化を相殺する面比率 を持つように選択できる。導電性のシリコンで作られている円板６３は、コンデ ンサの共通電極を形成している。湾曲部材６０が、図５に示すように増加する圧 力を全面に受けたとき、円板６３が電極支持部とは異なる弾性係数を有している ので、たわみ部材は変形する。電極支持部６１および６２は、その周縁部７１゜ ７２においてそれぞれ円板６３に接着されている。

センサつまり湾曲部材６０が静水圧力を受けたとき、応力が発生し、円板の中央 部６５がたわむ。前記深溝６４およびそれが形成する細（て非対称なウェブは、 支持部６２およびコンデンサ電極７０の方に向かって中央部６５をたわませる。

コンデンサ電極６９および円板６３の間と、電極７０および円板６３の間との容 量が変化する。２組の電極間の容量の変化は反対極性を示す。

図６は図４の装置の変形を示し、センサ７５を有する。センサ７５は、シリコン で作られた円板つまり要素７７からなるたわみ部材７６を含み、例えばインター フェイス８１においてガラスの円板８０に対して一体的に接着された中央たわみ 円板部７９を限定する円周溝７８を有する。電極支持ブロック８２は、符号８３ で全体を示すラインにおいてシリコン円板７７の外周縁？？Ａに接着された縁（ リム）８４を有する。

本発明のこの形態では、縁？？Ａはその全面にわたっては支持されておらず、縁 ８４によってブロック８２内に形成されている凹部の内側のベース表面８５の一 部分上に、縁の内側非支持部７７Ｂが張出している。シリコン円板７７の、外周 縁７７Ａの非支持部７７Ｂは、溝７８が隔離体として作用するため、電極支持部 内に形成されている凹部のベースの面８５に対してほとんどたわまないであろう 。円板７７の縁７７Ａの外周部が接着されているインターフェイス８３は、円周 インターフェイスである。

支持ブロック８２は、円板７７を支持している面８５および縁８４で限定される チャンバへ連通される通路８６を有している。したがって、図１に示したように センサがハウジングの中に位置されていて、全センサ７５が加圧された流体によ って囲まれているとき、シリコン円板の中央部７９は、シリコンと中央部７９に 接着されているガラス層つまり円板８０との弾性係数の差によってたわむ傾向に ある。その結果、面８５および円板の中央部７９の間隙が減少させられる。

コンデンサ電極８７は面８５のほぼ中央に装着されていて、円板７７およびコン デンサ電極８７が適当な回路に接続された場合、静電容量に基づく中央部たわみ の検出が可能になる。

符号９０で全体が示されている参照電極つまりコンデンサ電極が、縁８４近くの 面８５の円周部に近接して設けられており、このコンデンサ電極９０と円板７７ の外周縁？７Ａの張出部７７Ｂとの組合わせにより、検出回路で使用される参照 電極およびそれによる参照（基準）静電容量を提供する。

中央部７９およびガラス円板８０からなるたわみ部材７６は、中央部７９および これに一体的に接着されたガラス円板８０の両方の面における静水圧が増大した ときに、溝７８の下方に残されているウェブにおいてたわむように構成される。

参照電極は、温度変化によるオイルの誘電率変化の影響が打ち消されるように、 適当な寸法でよく、またたわみ部材７６と同じ非圧縮性流体（オイル）にさらさ れるような場所に設定本発明のさらに変形した形態を図７に示す。図７において は、三つの異なる材料が接着されてたわみ部材を形成している。最初つくられる ときには、三つの材料の層の外周寸法はほぼ同一である。そして図７は、センサ つまりたわみ部材９５が、高い静水圧を受けているときの図である。本発明のこ の形態では、第１のガラスペースつまりブロック９６（平面図では、同様に円ま たは矩形となる）は、その外周近くにインターフェイス９７を有し、その部分に おいて、シリコンでつくられた円板９８の縁９９と接着されている。円板９８は 中央たわみ部１００を有しており、そこは厚さが薄くなっており、周縁部におい て縁９９で支持されている。

全体が符号１０２で示される第３のブロックつまり第３の材料部材（ｖｏｌｕｍ ｅ）は、ブロック９６と同様の第２のベースつまりブロックを有するが、これは ガラスまたはシリコンと比べて異なり、好ましくはこれよりも高い弾性係数を有 する材料でつくられ、そして例えばヤング率が３９．８Ｘ１０３ｋｇ／ｍｍ”　 （５５Ｘ１０６ｐｓ　ｉ）　のサファイアテ作ルコとができる。このブロック１ ０２は、インターフェイス面１０３を有し、その面で、縁９９に対し、ブロック ９６とは反対側の縁９９の面で接着されている。ブロック９６は、図示のように 硼珪酸ガラスでつくられている。

ブロック９６は、圧力を加えられた流体がそこをとおり、ブロック９６の面１０ ５と円板９８の中央部１００との間に形成されるチャンバ１０４に進入すること を許容する通路９６Ａを有する。ブロック１０２は、シリコン円板９８の中央部 １００とブロック１０２の面１０８との間に限定されるチャンバ１０７に圧力を 加えられた流体が進入するための通路１０２Ａを有する。

同一の圧力Ｐが両方のチャンバ１０４および１０７に与えられると、中央部１０ ０に対する差動静水圧は存在しない。

適当なコンデンサ電極が面１０５および１０ｇに装着される。

これらの面の間隔は、たわみ部材９５に加わる静水圧が変わることによってそれ ぞそれの間隔が変化し、中央部１００に関して測定される容量は、たわみ部材９ ５が、図７に矢印“Ｐ”で示される一様な外部および内部の静水圧を受けたとき に変化する。

低いかまたはゼロの圧力においては、ブロックまたは層１０２および９６、なら びに円板９８はほぼ同一の幅寸法であり、円板９８は実質上平らで、面１０５お よび１０８の中間に位置することが分かるであろう。

本発明のこの形態では、異なった弾性係数を有するブロックの間に円板が一体的 に接着されていることによって、円板９８の周縁に近接してモーメントが発生し 、中央部１０をたわませる。

図１〜図７の各形態において、たわみ部材に面するハウジング部分、またはたわ み部材自体に小さい段差つまり凹部を形成でき、その凹部は、過圧状態の間、湾 曲部材を十分に支持する過圧停止面を提供する。

図８は、圧力Ｐ１およびＰ２の差圧測定に適用される典型的な圧力センサの図で あり、本発明の原理が適用されている。

本発明のこの形態では、差圧センサ１１５は、環状外部壁を有するハウジング１ １６を含み、ハウジングは分割壁１１７によって第１のチャンバ１１８および第 ２のチャンバ１１９からなる二つのチャンバに分割されている。これらのチャン バは追従性のある隔離ダイアフラム１２０および１２１でそれぞれ囲繞されてい る。

中央壁１１７は、全体が符号１２２で示され、第１のシリコン材料の層１２３、 および硼珪酸ガラス１２４のような、異なった材料の第２の層を含む第１の複体 数圧力変換器を支持するために使用されている。シリコン層１２３か壁１１７の 面１２５に近く配置されている場合、絶縁された材料の層の上から壁に付着され た適当な金属のリング状の電極１２６が、シリコン電極つまり部材１２３および 電極１２６間の容量検出のために設けられる。

複体数センサは、適当な絶縁された支持台１３０の上に支持され、接着されたシ リコンおよびガラスの層１２３゜１２４からなる。

センサ組立体１３２はセンサ１２２と全く同様に組立てられ、チャンバ１１９内 に配置されているセンサ１３２の接着されている二つの層を示すため同一符号が 使用されている。

チャンバ１１８および１１９は適当な非圧縮流体で満たされており、静水圧Ｐ１ およびＰ２が加えられたとき、前に説明したように弾性係数の差によって各層は たわみ、各センサの円板または電極１２３の面、および絶縁された層の上に付着 された金属の静電容量電極１２６からなる容量検出電極によってたわみの総量が 測定できる。

異なった静水圧のもとにおける二つのセンサ１２２および１３２のたわみの差に よって差圧も得られる。

図９には、本発明のさらなる変形を示し、本発明のこの形態では、ファブリ・ペ ロット型のようなたわみ型センサを示す圧力センサ１４０からなる。本発明のこ の形態では、ハウジング１４１は二つの部分１４２，１４３に分かれている。

ハウジングは適当な材料でつくられ、各ハウジング部分は全体を符号１４２Ａお よび１４３Ａで示す部分的な間隙を接合線１４４に沿って有し、全体を符号１４ ５で示す複体数構成要素つまり部材を受け入れる。

複体数構成要素１４５は、適当な第１の材料、例えばシリコンで作られた第１の 板体（ｐｌａｔｅ　）つまり部分１４６、および第１の材料とは異なった弾性係 数を有する第２の板体つまり部分１４７を含む。例えば第２の板体１４７はシリ コン層に関連して使用されている硼珪酸ガラスでよい。これら二つの層は、これ までに説明したように接合されている。各ノ＼ンジング部分はまた、少なくとも 板体の中央部に重なっても）る、より深い凹部１４２Ｂおよび１４３Ｂをそれぞ れ有し、複体数構成要素１４５の端部は凹部１４２Ａおよび１４３Ａ内に保持さ れている。凹部１４２Ａおよび１４３Ａは、センサのハウジング部１４２および １４３が複体数構成要素１４５を確実に保持するように配置されたとき、締め付 けの働きをする。

凹部１４２Ｂによって形成されたチャンバは適当な非圧縮流体で満たされ、通路 １４８によってハウジング部１４２の外面上の隔離チャンバ１５０に連通されて いる。隔離チャンバは、非圧縮性の流体を囲む適当な可撓性の隔離ダイアフラム １５１によって閉鎖され、チャンバ１４２Ｂ、通路１４８およびチャンバ１５は 非圧縮性の流体で満たされる。さらに、点線で示される１つまたはそれ以上の適 当な通路１５２が、ハウジング１４１の対をなす部分１４２，１４３の間に形成 され、チャンバ１４２Ｂおよび１４３Ｂの間で流体を連絡させる。チャンバ１４ ３Ｂもまた非圧縮性の流体で満たされる。

本発明のこの形態では、隔離ダイアフラム１５１の外部面に対して与えられる、 矢印１５５で示された静水圧を受けたときの複体数構成要素１４５のたわみを測 定するために、ファブリ・ペロット・センサとして知られる光学的たわみセンサ １５４が使用されている。センサ１５４は、複係数構成要素ノ板体ツまり層１４ ７の上に装着された光反射要素１５６を含む。ハウジング部１４３は部分反射性 と部分透過性を備えたプレート１５８を構成要素１５６に対向させてその外部に 有し、かつ適当なガラス材料が充填されたチャンバ１５７を有する。

要素１５６の位置によって変化する光の透過は、複体数構成要素１４５のたわみ の測定信号として使用される。ファブリ・ペロット型センサは干渉計型センサで あり、本発明に利用される代表的な光学技術であり、イギリス特許第２．０８６ ，５７２Ａ号明細書（この中に参照されている米国特許第４，４２８，２３９号 ）に示されている。たわみ複体数構成要素の片面のたわみは、説明したように本 発明によって検出される。

こうして、他の形式の光学的たわみセンサを含む他の形式のたわみセンサが所望 のように使用できる。

図１０は、本発明の一実施態様を示し、静水圧を受けている複体数部材上に歪ゲ ージを装着した図である。）＜イレ・ノクスからなる単一のブロック部材１７０ が台１７１上に装着され、内部チャンバ１７４を有するハウジング１７３の壁に 取付けられている。チャンバ１７４内の静水圧はたわみブロック１７０の全面に 作用する。薄膜歪ゲージ１８０．１８１および１８２が、ブロック１７０の上面 に接着されている。これらの歪ゲージはシリコンからなる。ブロック１７０およ び歪ゲージ１８０〜１８２は異なった弾性係数有する２つの異な−った材料から なり、接合面つまりインターフェイス面１７７に沿って付着、沈積（ｄｅｐｏｓ ｉｔｉｏｎ）により一体的に結合されている。

たわみブロック１７０を静水圧下におくことにより、前記ブロックは前述のよう に圧縮される。そして、シリコン歪ゲージは同一の度合で圧縮されないために応 力が発生し、これらの応力は歪ゲージ１８０，１８１および１８２で測定できる 。歪ゲージは周知の方法でドープ処理されたシリコンで形成できる。歪ゲージは 単に説明のために概略を図示したもののほか、所望の形態に適合でき、チャンバ １７４内の静水圧を表す出力を取出せる歪ゲージ検出手段によって、単一のブロ ック部材１７０上に発生した応力を検出できる。

歪ゲージは本発明の他の実施態様にも適用できる。単一のたわみブロック１７０ は圧力で包囲され、台１７１で支持されているところ以外では、チャンバ７４の すべての壁面から間隔を有して位置されていることに注意しなければならない。

こうして、単一ブロックのたわみ部材つまり構成要素は、少なくとも二つの、互 いに異なる固体材料でつくられている。

そしてその各々は別々の体積を存し、他の材料とインターフェイスを有して一体 化され、各材料は実質的に異なった弾性係数を有し、単一ブロック部材の外面に 静水圧を受けることができる。圧力の変化は前記二つのブロック部材（ｖｏｌｕ ｍｅ）のインターフェイスにおいて内部応力を誘起し、単一のブロックたわみ部 材にたわみを発生させる。たわみまたはゆがみは、静電容量検出および光学的検 出またはその他、前記たわみを表す適当な手段で測定される。

単一ブロック部材は、必要に応じ、例えばシリコンブロックの一部分を酸化する ことによって一体化できる。検出手段のための接続部を通じての電気の供給は、 検出ダイアフラム型圧力センサで知られている方法で実施することができる。

本発明を好ましい実施例によって説明したが、この技術に熟練した技術者は、本 発明の範囲および考えから外れることなく形式および詳細にわたり変更が可能で あることを理解されるであろう。

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Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．インターフェイス手段をその上に有するブロック部材（ｖｏｌｕｍｅ）を規 定するための第１分量（ｑｕａｎｔｉｔｙ）の固体材料と、 前記第１分量の材料とは異なる弾性係数を有すると共に、その上にインターフェ イス手段を有し、前記第１分量の材料のインターフェイス手段と係合して単一の 固体本体を形成する第２分量の固体材料と、 付与された圧力の関数として単一本体の各部分が応力を受けるように、前記単一 本体の露出部分上に実質的に一様な静水圧を付与する手段と、 前記単一本体の少なくとも一部分に関連して、前記付与された静水圧を示す信号 を出力する手段とを具備したことを特徴とする圧力センサ。
2. ２．前記第１および第２分量の材料が、ほぼ同一の熱膨張係数を有するように選 択されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. ３．前記第１および第２の材料のインターフェイス手段がインターフェイス面を 含み、前記インターフェイス面は、第１および第２の材料で構成された前記単一 本体が外部静水圧を受けたとき、その部分に応力が発生されるように、互いに接 着されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. ４．前記二つの分量の材料は互いに接合された状態で一様厚さの層を形成し、前 記圧力センサはさらに参照面に対して前記層を装着するための第１の手段と、前 記参照面に対する前記層のたわみを検出する第２の手段からなる圧力指示手段と を具備したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. ５．前記第１分量の材料は梁からなり、前記第２分量の材料は支持部材からなり 、これら梁および支持部材は、それぞれのインターフェイスにおいて互いに接着 され、前記梁および支持部材の他部分は互いに間隔をおかれており、これにより 前記梁および支持部材のインターフェイス部に、前記二つの他部分の間のたわみ が静水圧の関数として発生することを特徴とする請求項１または２記載の圧力セ ンサ。
6. ６．ハウジングと組合わされた圧力センサであって、前記ハウジングを第１およ び第２のチャンバに分離する分割壁と、 前記第１のチャンバに設けられた第１の単一本体、および前記第２のチャンバに 設けられた第２の単一本体と、ハウジングに対する第１および第２本体それぞれ のたわみを別個に指示する手段を含み、付与圧力を指示するように関連付けられ た手段とを具備し、 前記第１および第２チャンバが異なった静水圧を受けたとき、前記たわみを別個 に指示する手段が、第１および第２チャンバの静水圧の差の表示を与えるように 構成されたことを特徴とする請求項１，２または３記載の圧力センサ。
7. ７．前記付与された静水圧を指示するように関連付けられた手段が、参照位置に 対する単一本体のたわみを検出する光学的検出手段からなることを特徴とする請 求項１〜６のいずれかに記載の圧力センサ。
8. ８．前記圧力を指示するように関連付けられた手段が、前記単一本体の歪を検出 する歪ゲージからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧力セ ンサ。
9. ９．前記圧力を指示するように関連付けられた手段が、たわみを検出するコンデ ンサからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧力センサ。
10. １０．二つの固体材料からなる単一本体のたわみ部材であって、前記単一本体が 、第１の固体ブロック部材を規定する第１分量の材料と、第２のブロック部材を 規定し、前記第１分量の材料とは異なる弾性係数を有する第２分量の材料とで構 成され、第１および第２のブロック部材がインターフェイス部で一体的に形成さ れている単一本体のたわみ部材と、単一本体のたわみ部材の露出部分上に実質的 に一様な静水圧を付与し、付与された圧力の関数として参照位置に対する少なく とも単一本体のたわみ部材各部に実質的に測定可能なたわみを生じさせる手段と を具備したことを特徴とする圧力センサ。
11. １１．前記第１の層に接着された第３の材料の層を具備し、前記第３の材料が、 温度変化によって生じる圧力センサのたわみ誤差を低減させるように、選定され た他の材料と異なる熱膨張係数を有していることを特徴とする請求項１０記載の 圧力センサ。
12. １２．圧力によって第１の割合で圧縮される第１の領域、およびこれと一体とな っていて、圧力によって、第１の割合と異なる第２の割合で圧縮される第２の領 域からなり、流体中に配置された本体であって、前記圧縮割合の差に起因して、 前記圧力でゆがめられるように構成された本体と、本体のゆがみを検出し、圧力 を示す出力信号を得るため、前記本体に装着された手段を具備したことを特徴と する流体圧検出のための圧力センサ。
13. １３．圧力によって前記本体が湾曲され、検出手段によって前記本体の湾曲が検 出されることを特徴とする請求項１２記載の圧力センサ。