JPH05203525A

JPH05203525A - 圧電型圧力センサ

Info

Publication number: JPH05203525A
Application number: JP1135092A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kunimura; 智國村; Shiro Nakayama; 四郎中山; Katsuhiko Takahashi; 克彦高橋; Takayuki Imai; 隆之今井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1992-01-24
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】出力の温度によるドリフトが小さくなるよう
すること。【構成】圧力注入口２８が形成された圧力容器内１６
に、感圧素子としての圧電体１８が、バッファー層３
６，３７を介して支持板３８，４０に固着された圧電型
圧力センサ１０。圧電体１８をなす材料の線膨張率と圧
電体１８が固着される支持板３８，４０をなす材料の線
膨張率との差の絶対値を、バッファー層３６，３７の厚
さで除して得られる値が１×１０^-4℃・ｍｍ^-1以下であ
る上記圧電型圧力センサ１０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電型圧力センサに
関し、特に、出力の温度によるドリフトが小さくなるよ
うにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧力センサには、ブルドン管を用
いたブルドン管式や、ダイヤフラムに歪ゲージを接着し
たもの、Ｓｉウェハをエッチングしてダイヤフラム部を
形成し、適当な位置に拡散抵抗を設けた半導体型圧力セ
ンサなどがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の圧力センサには、それらの検知部にそれぞれ加えられ
る圧力に限度がある。この加圧限界を越えると、当然の
ことながら検知部が破壊され、圧力を除した後も、計測
不能となってしまう。また、前述した加圧限界で得られ
る出力と、無加圧状態での出力の差が分解能を左右し、
高圧力用のセンサでは微圧の測定が不能であり、逆に微
圧用センサでは高圧力の測定が不能という欠点を有して
いる。

【０００４】そこで、本発明者等は圧電体を利用するこ
とで、簡易な構成で、広範囲レベルの圧力を感度よく測
定できる上に、耐衝撃性に優れた圧電型圧力センサを先
に特許出願した。図３は、その圧電型圧力センサの例を
示すものである。この圧電型圧力センサは、中空部３０
を形成する圧力容器１６と、この圧力容器１６内に格納
される圧電体１８から概略構成される。圧力容器１６
は、剛体である金属製の台座１２と覆壁１４からなる。
さらに、覆壁１４には、外部から圧力が入力される圧力
注入口２８が形成されている。また、圧電体１８には電
極２０，２２が貼着され、電極２０は導電性接着剤によ
って、台座１２に固定されている。また、電極２２は必
要に応じてプリアンプ（図示略）及び増幅アンプと接続
され、これらアンプ類も台座１２上に固着されている。
圧電体１８に生じる電気信号は、電極２０，２２から、
これら電極２０、２２と接続し、台座１２を貫通してい
る端子２４及び、端子２６によって圧力容器１６の外部
に取り出される。尚、端子２４，２６の台座１２の貫通
部分には絶縁材３２が嵌挿されており、台座１２と端子
２４，２６は電気的に絶縁されているとともに、圧力容
器１６内の中空部３０の気密性を保っている。圧電体１
８は、板状であって、プラスチック圧電体などからなる
ものである。また、圧電体１８の少なくとも一面に熱伝
導率の低い支持板（図示略）が固着された圧電型圧力セ
ンサも提案されている。

【０００５】しかしながら、このような従来の圧電型圧
力センサは、圧電体１８と、この圧電体１８が直接固着
される台座１２あるいは支持板との熱膨張係数が異なる
ため、圧電体１８の周囲の雰囲気温度が変化したりする
と、圧電体１８に応力が加わり、表面に電荷が発生し、
この電荷も電気的出力として検出されてしまう。従っ
て、圧電体１８に同じ圧力が加わった場合でも、雰囲気
温度によって出力のドリフトが大きかった。

【０００６】

【発明が解決するための課題】よって、本発明における
課題は、出力の温度によるドリフトが小さくなるように
した圧電型圧力センサを得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる課題は、圧電体と
この圧電体が直接固着される部材との間にバッファー材
を設けることで解決される。

【０００８】以下、本発明の圧電型圧力センサについて
詳しく説明する。圧電体が直接固着される部材として
は、支持板、圧力容器などがある。本発明に用いられる
バッファー材は、圧電体とこの圧電体が直接固着される
部材との熱膨張係数の違いによって発生する応力を吸
収、緩和するためのものである。その材質としては、圧
電体が直接固着される部材よりも柔かい材質であればと
くに限定されないが、例えばエポキシ系樹脂接着剤、ユ
リア樹脂接着剤、メラミン樹脂接着剤、フェノール樹脂
接着剤、ウレタン樹脂接着剤、ビニル系接着剤、合成ゴ
ム系接着剤などが用いられる。

【０００９】本発明の圧電型圧力センサは、圧電体をな
す材料の線膨張率と圧電体が直接固着される部材をなす
材料の線膨張率との差の絶対値を、バッファー材の厚さ
で除して得られる値が、１×１０^-4℃・ｍｍ^-1以下であ
ることが好ましい。１×１０^-4℃・ｍｍ^-1よりより大き
いと、圧電体とこの圧電体が直接固着される部材との熱
膨張係数の違いによって発生する応力を吸収、緩和する
ことができず、圧電体が温度変化に対して感知してしま
うという不都合が生じる。

【００１０】本発明の圧電型圧力センサは、圧電体とこ
の圧電体が直接固着される部材との間にバッファー材を
設けたものであるので、圧電体の周囲の雰囲気温度が変
化しても、圧電体とこの圧電体が固着される部材との熱
膨張係数の違いによって発生する応力が、バッファー材
に吸収、緩和されて圧電体に歪みが生じにくくなり、出
力の温度によるドリフトを小さくすることができる。ま
た、バッファー材の厚さは、薄くてもよいので、これを
設けても圧電型圧力センサ全体が大型となることがな
い。

【００１１】

【実施例】本発明の圧電型圧力センサの第一の例を図１
を参照して説明するが、本願発明はこれに限定されるも
のではない。第一の例の圧電型圧力センサ１０は、中空
部３０を形成する圧力容器１６と、圧力容器１６内に格
納される圧電体１８から概略構成される。圧力容器１６
は、剛体である金属製の台座１２と覆壁１４からなる。
さらに、覆壁１４には、外部から圧力が入力される圧力
注入口２８が形成されている。また、圧電体１８には電
極２０，２２が貼着され、この両面にバッファー材３
６，３７を介して支持板３８，４０が固着されている。
また、電極２２は必要に応じてプリアンプ（図示略）
及び増幅アンプと接続され、これらアンプ類も台座１２
上に固着されている。圧電体１８に生じる電気信号は、
電極２０，２２から、これら電極２０，２２と接続し、
台座１２を貫通している端子２４及び、端子２６によっ
て圧力容器１６の外部に取り出される。尚、端子２４，
２６の台座１２の貫通部分には絶縁材３２が嵌挿されて
おり、台座１２と端子２４，２６は電気的に絶縁されて
いるとともに、圧力容器１６内の中空部３０の気密性を
保っている。即ち、圧力注入口２８だけが圧力容器１６
の外部との開口部となる。

【００１２】圧電体１８の材質は、プラスチック圧電
体、無機セラミック圧電体、プラクチック−セラミック
混合体などの内どれでも良く、その形状は、分極方向と
電荷を有効に取出せる面との兼ね合いで適宜決められる
が、衝撃を受けたとき台座１２からのハク離性などを考
えると、板状であることが好ましい。支持板３８，４０
は熱伝導率が小さい剛板、例えば、ガラスエポキシ板等
が適用できる。バッファー材３６，３７は、上記支持板
３８，４０より柔らかい材質、例えば、エポキシ系樹脂
接着剤等が適用できる。電極２０，２２の材質や形成方
法は特に規定されない。例えば、蒸着法が適用できる。
第一の例の圧電型圧力センサ１０は、圧電体１８をなす
材料の線膨張率と圧電体１８が直接固着される支持板３
８，４０をなす材料の線膨張率との差の絶対値を、バッ
ファー材の厚さで除して得られる値が１×１０^-4℃・ｍ
ｍ^-1以下になっている。

【００１３】以上説明した第一の例の圧電型圧力センサ
１０は、圧電体１８とこれが直接固着される支持板３
８、４０との間にバッファー材３６、３７を設けたもの
であるので、圧電体１８の周囲の雰囲気温度が変化して
も、圧電体１８とこれが直接固着される支持板３８，４
０との熱膨張係数の違いによって発生する応力が、バッ
ファー材３６，３７に吸収、緩和されて圧電体１８に歪
みが生じにくくなり、出力の温度によるドリフトを小さ
くすることができる。従って、圧力の検出を正確にする
ことができる。また、バッファー材３６，３７の厚さは
薄くてもよいので、これを設けても圧電型圧力センサ１
０全体が大型となることがない。

【００１４】つぎに、本発明の圧電型圧力センサの第二
の例を図２に示す。この第二の例の圧電型圧力センサ１
１が第一の例の圧電型圧力センサ１０と異なる点は、圧
電体１８の両面に支持板３８，４０が固着されておら
ず、圧電体１８とこれが直接固着される台座１２との間
にバッファー材３７’が設けられ、圧電体１８をなす材
料の線膨張率と圧電体１８が直接固着される台座１２を
なす材料の線膨張率との差の絶対値を、バッファー材。
３７’の厚さで除して得られる値が１×１０^-4℃・ｍｍ
^-1以下になっている点である。バッファー材３７’は、
上記台座よりも柔らかい材質、例えば、エポキシ系樹脂
接着剤等が適用できる。このような第二の例の圧電型圧
力センサ１１は、第一の例の圧電型圧力センサ１０と同
様の効果がある。

【００１５】つぎに、本実施例の圧電型圧力センサと、
比較例の圧電型圧力センサを製造した。そして、これら
圧電型圧力センサに最大圧１ｋｇ／ｃｍ²のサイン波状
圧力変動（周波数１０Ｈｚ）を加えながら、温度−２０
℃から８０℃に変化させた際の出力を測定した。

【００１６】（実施例１）第一の例の圧電型圧力センサ
１０と同様の構成であって、厚さが１００μmのＰＶＤ
Ｆ圧電体の両面にアルミニウムを蒸着してこれを電極と
し、さらにその両面に厚さが１．５ｍｍの支持板（ガラ
スエポキシ板）を、エポキシ接着剤を用いて貼り付け
た。このエポキシ接着剤をバッファー材とした。さら
に、これをダイシンングソーで５ｍｍ角に裁断しセンサ
チップとし、これを増幅回路が搭載された台座（アルミ
ナ基板）に固着し、アルミニウム製の覆壁を取り付けて
圧電型圧力センサを得た。

【００１７】（実施例２）実施例１において、ＰＶＤＦ
圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体が直接固着されるガ
ラスエポキシ板をなす材料の線膨張率との差の絶対値
を、バッファー材の厚さで除して得られる値と、バッフ
ァー材の弾性率が異なる以外は同様にして圧電型圧力セ
ンサを得た。

【００１８】（実施例３）第二の例の圧電型圧力センサ
１１と同様の構成であって、厚さが１００μmのＰＶＤ
Ｆ圧電体の両面にアルミニウムを蒸着してこれを電極と
し、これをダイシンングソーで５ｍｍ角に裁断しセンサ
チップとした。このセンサチップを増幅回路が搭載され
た台座（アルミナ基板）にエポキシ接着剤で貼り付け
た。このエポキシ接着剤をバッファー材とした。さら
に、アルミニウム製の覆壁を取り付けて圧電型圧力セン
サを得た。

【００１９】（実施例４）実施例３において、ＰＶＤＦ
圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体が直接固着されるア
ルミナ基板をなす材料の線膨張率との差の絶対値を、バ
ッファー材の厚さで除して得られる値と、バッファー材
の弾性率が異なる以外は同様にして圧電型圧力センサを
得た。

【００２０】（比較例１）実施例１において、ＰＶＤＦ
圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体が直接固着されるガ
ラスエポキシ板をなす材料の線膨張率との差の絶対値
を、バッファー材の厚さで除して得られる値が１×１０
^-4℃・ｍｍ^-1より大きい以外は同様にして圧電型圧力セ
ンサを得た。

【００２１】（比較例２）実施例２において、ＰＶＤＦ
圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体が直接固着されるガ
ラスエポキシ板をなす材料の線膨張率との差の絶対値
を、バッファー材の厚さで除して得られる値が１×１０
^-4℃・ｍｍ^-1より大きい以外は同様にして圧電型圧力セ
ンサを得た。

【００２２】（比較例３）実施例３において、ＰＶＤＦ
圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体が直接固着されるア
ルミナ基板をなす材料の線膨張率との差の絶対値を、バ
ッファー材の厚さで除して得られる値が１×１０^-4℃・
ｍｍ^-1より大きい以外は同様にして圧電型圧力センサを
得た。

【００２３】（比較例４）実施例４において、ＰＶＤＦ
圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体が直接固着されるア
ルミナ基板をなす材料の線膨張率との差の絶対値を、バ
ッファー材の厚さで除して得られる値が１×１０^-4℃・
ｍｍ^-1より大きい以外は同様にして圧電型圧力センサを
得た。

【００２４】（比較例５）実施例１において、バッファ
ー材を設けずにＰＶＤＦ圧電体をガラスエポキシ板に直
接超音波接合した以外は同様にして圧電型圧力センサを
得た。

【００２５】試験の結果を下記表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】上記表１中、部材は、ＰＶＤＦ圧電体をバ
ッファー材を介して固着させるものを表わす。弾性率
は、バッファー材の弾性率（Ｐａ）を表わす。｜α−β
｜／ｔは、ＰＶＤＦ圧電体の線膨張率とＰＶＤＦ圧電体
が固着される部材をなす材料の線膨張率との差の絶対値
を、バッファー材の厚さで除して得られる値を表わす。
出力変動は、実施例１の出力変動幅を１．００として、
比で表わした値である。

【００２８】表１の試験結果から、｜α−β｜／ｔが１
×１０^-4℃・ｍｍ^-1以下である実施例１ないし４に比べ
て、比較例１ないし４は出力変動が１．８倍から２．５
倍も起きている。また、バッファー材が設けられていな
い比較例５は、実施例１に比べて出力変動が３．３倍も
起きている。従って、本発明の実施例の圧電型圧力セン
サは、出力の温度によるドリフトが小さいことが確認で
きる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電型圧
力センサは、圧電体とこの圧電体が直接固着される部材
との間にバッファー材を設けたものであるので、出力の
温度によるドリフトを小さくすることができるという利
点がある。また、バッファー材の厚さは、薄くてもよい
のでこれを設けても圧電型圧力センサ全体が大型となる
ことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の例の圧電型圧力センサの側断面図であ
る。

【図２】第二の例の圧電型圧力センサの側断面図であ
る。

【図３】従来例の圧電型圧力センサの側断面図であ
る。

【符号の説明】

１０・・・圧電型圧力センサ、１１・・・圧電型圧力センサ、
１２・・・台座、１６・・・圧力容器、１８・・・圧電体、２０・
・・電極、２２・・・電極、２８・・・圧力注入口、３０・・・中
空部、３６・・・バッファー材、３７・・・バッファー材、３
７’・・・バッファー材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今井隆之東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力注入口が形成された圧力容器内に、
感圧素子としての圧電体が設けられてなる圧電型圧力セ
ンサにおいて、圧電体とこの圧電体が直接固着される部
材との間にバッファー材を設けたことを特徴とする圧電
型圧力センサ。
【請求項２】圧電体をなす材料の線膨張率と圧電体が
直接固着される部材をなす材料の線膨張率との差の絶対
値を、バッファー材の厚さで除して得られる値が１×１
０^-4℃・ｍｍ^-1以下であることを特徴とする請求項１記
載の圧電型圧力センサ。