JPH0646339U - Piezoelectric pressure sensor - Google Patents
Piezoelectric pressure sensorInfo
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- JPH0646339U JPH0646339U JP8586492U JP8586492U JPH0646339U JP H0646339 U JPH0646339 U JP H0646339U JP 8586492 U JP8586492 U JP 8586492U JP 8586492 U JP8586492 U JP 8586492U JP H0646339 U JPH0646339 U JP H0646339U
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Abstract
(57)【要約】
【目的】耐薬品性、耐熱性のよい圧電型圧力センサを得
ようとする。
【構成】電子部品を取付けた基板1、振動板2を外方フ
レーム11、内方フレーム12を介してケース8内に取
付ける。振動板2は、セラミック圧電素子単体のものと
する。外方フレーム11の下部は、断面L形に横辺を内
方に曲げ出し、この横辺の上部に尖鋭端11aを形成す
る。内方フレーム12の下部に上記の尖鋭端11aに対
向する尖鋭端12aを形成し、両尖鋭端11a、12a
の間で振動板2を挟持する。内方フレーム12の上部と
基板1との間に、内方フレーム12の尖鋭端12aを振
動板2に弾力的に押付けるOリング6のような緩衝材を
挿入する。振動板2の両面に貼着した電極と基板1とを
導通させる。
(57) [Abstract] [Purpose] To obtain a piezoelectric pressure sensor with excellent chemical resistance and heat resistance. [Structure] A substrate 1 and a diaphragm 2 to which electronic parts are attached are attached in a case 8 via an outer frame 11 and an inner frame 12. The diaphragm 2 is a single ceramic piezoelectric element. The lower portion of the outer frame 11 has a lateral side bent inward in an L-shaped cross section, and a sharp end 11a is formed at the upper portion of the lateral side. A sharp end 12a is formed in the lower portion of the inner frame 12 so as to face the sharp end 11a, and both sharp ends 11a and 12a are formed.
The diaphragm 2 is sandwiched between them. Between the upper portion of the inner frame 12 and the substrate 1, a cushioning material such as an O-ring 6 that elastically presses the sharp end 12a of the inner frame 12 against the diaphragm 2 is inserted. The electrodes attached to both sides of the diaphragm 2 are electrically connected to the substrate 1.
Description
【0001】[0001]
この考案は、例えば、液体、気体を貯蔵するタンク内の圧力変化の検出、炉中 の音響検出等を行なうのに利用する圧電型圧力センサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric pressure sensor used for detecting a pressure change in a tank that stores a liquid or a gas, detecting a sound in a furnace, and the like.
【0002】[0002]
重油や化学薬品等を貯蔵するタンク内の圧力変化、燃焼炉中やタービンダクト 内で発生する音響等を検出するには、従来、薬品や熱に耐える性能の大きなセラ ミック圧電素子が使われた来た。 In order to detect pressure changes in tanks that store heavy oil and chemicals, as well as acoustics generated in combustion furnaces and turbine ducts, ceramic piezoelectric elements, which have high resistance to chemicals and heat, have been used in the past. I came.
【0003】 図5は、従来のセラミック圧電素子を使用した圧力センサを例示する縦断面図 で、理解し易くするため、厚さを誇張して示している。図5において、1は電子 部品を取付けた円形のプラスチック製基板、2は振動板である。振動板2は、円 形の金属薄板3に、接着剤4により、セラミック圧電素子5を貼着したもので、 金属薄板3の周縁部を2個のOリング6で挟み、基板1との間に第一フレーム7 を、又、円筒形のケース8の下端との間に円筒形の第二フレーム9を介在させ、 ケース8の両端8a、8bをかしめ曲げて各部を結合して圧電型圧力センサを構 成している。10、10は圧電素子5の両面に添着される電極と基板1の電子部 品とを接続する導線である。振動板の支持構造としては、金属薄板3の周縁部 を固定する構造(図6)、金属薄板3の周縁部を支持する構造(図7)、金 属薄板3の振動の節となる部分を支持する構造(図8)がある。図5の支持構造 は、上記のに近いものである。FIG. 5 is a vertical cross-sectional view illustrating a pressure sensor using a conventional ceramic piezoelectric element, and the thickness is exaggerated for easy understanding. In FIG. 5, reference numeral 1 is a circular plastic substrate to which electronic parts are attached, and 2 is a diaphragm. The vibrating plate 2 is formed by attaching a ceramic piezoelectric element 5 to a circular metal thin plate 3 with an adhesive agent 4. The vibrating plate 2 sandwiches the peripheral edge of the metal thin plate 3 with two O-rings 6. The first frame 7 and the cylindrical second frame 9 between the lower end of the cylindrical case 8 and both ends 8a and 8b of the case 8 by caulking and bending them to connect the respective parts to each other and to press the piezoelectric type pressure. It constitutes a sensor. Reference numerals 10 and 10 are conducting wires for connecting the electrodes attached to both surfaces of the piezoelectric element 5 and the electronic components of the substrate 1. The vibrating plate support structure includes a structure for fixing the peripheral edge of the metal thin plate 3 (FIG. 6), a structure for supporting the peripheral edge of the metal thin plate 3 (FIG. 7), and a portion serving as a vibration node of the metal thin plate 3. There is a supporting structure (Fig. 8). The support structure of FIG. 5 is similar to that described above.
【0004】 例えば、燃料タンクにおいて、密閉したタンク内の空気圧に基いてタンク内の 気体の体積を測定し、燃料の残量を知る方法があるが、このようなタンク内に上 記のセンサを取付けておくことにより、タンク内空気の体積変化を圧電素子を経 て電気信号として取出すことができる。圧力はケース8の開いた図5の下部にA 方向から入って振動板2に加わり、振動板の背圧は、基板1に設けた孔又は第一 フレーム7、ケース8に設けられる孔からB方向に排出される。For example, in a fuel tank, there is a method of measuring the volume of gas in the tank based on the air pressure in the closed tank to know the remaining amount of fuel. By attaching it, the volume change of the air in the tank can be taken out as an electric signal via the piezoelectric element. The pressure enters the lower part of FIG. 5 with the case 8 open from the direction A and is applied to the diaphragm 2. The back pressure of the diaphragm is supplied from the hole provided in the substrate 1 or the hole provided in the first frame 7 and the case B Is discharged in the direction.
【0005】[0005]
振動板2は、セラミック圧電素子5を金属薄板3に貼着したものであるため、 センサを囲む液やガスの性質によっては接着剤が侵されてセンサの性能が低下す る。例えば、接着剤としては、エポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹脂系接着 剤、アクリル樹脂を主成分とする紫外線硬化嫌気性接着剤が多く使用されている が、これらはガソリンとアルコールとを混合したガソホールと呼ばれる液中に浸 漬すると、膨潤して軟化し、接着強度の低下、接合面の剥離を発生する。又、接 着剤の耐熱範囲を超えた条件では使用できず、更に、金属薄板3、接着剤4、圧 電素子5の熱膨張係数の相違により振動板2の温度特性が悪影響を受ける。即ち 、一般の金属は、圧電セラミックよりも熱膨張係数が10倍程度大きいため、金 属板に圧電セラミックを常温で貼着した振動板は、温度変化により反りを生じ( 加熱硬化して貼り合せた場合は、常温になると反りを生じる)、そのため振動特 性や感度に変化を生じる。接着剤も高温になると軟化、収縮等によって振動板の 性能を低下させる。 Since the vibrating plate 2 is formed by adhering the ceramic piezoelectric element 5 to the thin metal plate 3, the adhesive may be corroded depending on the properties of the liquid or gas surrounding the sensor and the performance of the sensor may deteriorate. For example, epoxy resin-based adhesives containing epoxy resin as the main component and UV-curing anaerobic adhesives containing acrylic resin as the main component are often used as adhesives, but these are mixed with gasoline and alcohol. When it is immersed in a liquid called gasohol, it swells and softens, causing a decrease in adhesive strength and peeling of the joint surface. Further, it cannot be used under the condition that exceeds the heat resistance range of the adhesive, and further, the temperature characteristics of the diaphragm 2 are adversely affected by the difference in the thermal expansion coefficients of the thin metal plate 3, the adhesive 4, and the piezoelectric element 5. That is, since a general metal has a thermal expansion coefficient about 10 times larger than that of a piezoelectric ceramic, a diaphragm in which the piezoelectric ceramic is adhered to a metal plate at room temperature causes a warp due to a temperature change (heat hardening and bonding). When the temperature rises, it will warp at room temperature), which causes changes in vibration characteristics and sensitivity. The adhesive also softens and shrinks when the temperature rises, which reduces the performance of the diaphragm.
【0006】 従って接着剤を侵す薬品、ガス等の特殊環境や使用温度範囲が広くなると、安 定した性能を維持することができなかった。Therefore, stable performance cannot be maintained if the special environment such as chemicals or gas attacking the adhesive or the operating temperature range is widened.
【0007】[0007]
この考案は、セラミック圧電素子を単体で振動板とし、これの周縁部を2個の フレームの尖鋭端で挟持して、接着剤を使用しないで圧電型圧力センサを構成し たものであって、接着剤によるとラブルを絶無にしてセンサの耐熱性、耐薬品性 を良好にしたものである。屈曲に対して比較的抵抗の大きいセラミック圧電素子 も、上記のように尖鋭端で挟持するから、屈曲変形に対する抵抗が減少し、感度 を上げるのに有効である。 In this invention, a ceramic piezoelectric element is used alone as a vibrating plate, and the peripheral portion of the vibrating plate is sandwiched by the sharp edges of two frames to form a piezoelectric pressure sensor without using an adhesive. The use of an adhesive makes the sensor insensitive to rubbing and improves the heat resistance and chemical resistance of the sensor. Since the ceramic piezoelectric element, which has a relatively large resistance to bending, is sandwiched by the sharp ends as described above, the resistance to bending deformation is reduced, which is effective in increasing the sensitivity.
【0008】[0008]
【作用】 セラミック圧電素子を単体で振動板とし、接着剤を使用しないから、接着剤が 劣化したり、溶けたりすることがなく、接着剤を侵すため従来のセンサは使用で きなかった液、ガス内でも利用することができる。又、使用温度範囲も広くなり 、従来のように、セラミック圧電素子、接着剤、金属板の間の温度係数の差によ り温度特性が悪くなることもない。[Function] Since the ceramic piezoelectric element is used as the vibration plate alone and no adhesive is used, the adhesive does not deteriorate or melt, and it attacks the adhesive, so that the conventional sensor cannot be used. It can also be used in gas. Further, the operating temperature range is widened, and the temperature characteristic does not deteriorate due to the difference in temperature coefficient among the ceramic piezoelectric element, the adhesive, and the metal plate as in the conventional case.
【0009】 又、振動板の周縁部を、尖鋭端を有するフレームで挟持するから、振動板の変 形を容易にして感度がよくなる。Further, since the peripheral portion of the diaphragm is sandwiched by the frame having the sharp end, the diaphragm can be easily deformed and the sensitivity is improved.
【0010】[0010]
図1は本考案の第1実施例を示す縦断面図である。図5の従来例と同等部分は 同符号で示すと共に説明を省略して、次にこれを説明する。 FIG. 1 is a vertical sectional view showing a first embodiment of the present invention. The same parts as those of the conventional example shown in FIG. 5 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0011】 電子部品を取付けた基板1は、円筒形の外方フレーム11を介してケース8の 内方へ折曲げた端部8a、8bにより保持されている。フレーム11の下端部は 、断面L形の輪形に形成し、内方に突出させた横辺の上向きの尖鋭端11aを形 成する。両面に薄膜状の電極を貼着したセラミック圧電素子単体で形成された円 形の振動板2は、尖鋭端11aの上に載せられている。外方フレーム11の内面 には、内方フレーム12が嵌合しており、これの下端は、外方フレーム11の尖 鋭端11aに対向する尖鋭端12aとされていて、両尖鋭端11a、12aで振 動板2の周縁部を挟んでいる。内方フレーム12と基板1との間には緩衝材とし てOリング6(他の形態の緩衝材、例えば金属ばねでもよい)を介在させて内方 フレーム12を圧下し、両尖鋭端11a、12aの間で振動板2を弾力的に挟持 している。振動板を挟持する位置は、圧電セラミックの空気とのマッチング及び 機械的強度を考慮して決める必要があるが、この実施例では圧電素子の厚さを0 .2mm程度として、できるだけ最外縁部を尖鋭端11a、12aで挟持した。こ れは前述の周縁部支持に近い構造である。尖鋭端11a、12aで挟持する部 位は節線位置である必要はない。The substrate 1 to which the electronic components are attached is held by the end portions 8a and 8b bent inward of the case 8 via a cylindrical outer frame 11. The lower end portion of the frame 11 is formed in a ring shape having an L-shaped cross section, and forms an upward pointed sharp end 11a of a lateral side that protrudes inward. A circular diaphragm 2 formed of a single ceramic piezoelectric element having thin-film electrodes adhered on both sides is placed on the sharp end 11a. The inner frame 12 is fitted to the inner surface of the outer frame 11, and the lower end of the inner frame 12 is a sharp end 12a facing the sharp end 11a of the outer frame 11. The peripheral portion of the vibration plate 2 is sandwiched by 12a. An O-ring 6 (a cushioning material of another form, for example, a metal spring may be used) as a cushioning material is interposed between the inner frame 12 and the substrate 1 to press down the inner frame 12 to form the sharp edges 11a, The diaphragm 2 is elastically sandwiched between 12a. The position where the diaphragm is sandwiched must be determined in consideration of the matching of the piezoelectric ceramic with air and the mechanical strength. In this embodiment, the thickness of the piezoelectric element is 0. The outermost edge portion was sandwiched between the sharp edges 11a and 12a as much as possible, with a thickness of about 2 mm. This is a structure similar to the above-mentioned peripheral edge support. The position sandwiched by the sharp ends 11a and 12a does not have to be the nodal position.
【0012】 図5の従来構造のように、振動板の周縁部を2個のOリングで比較的幅広く挟 持すると、セラミック圧電素子単体で構成された本案の振動板では、屈曲変形に 対する抵抗が大きくなるが、第1実施例では尖鋭端で挟持するから、振動時の屈 曲変形は比較的自由である。As in the conventional structure shown in FIG. 5, when the peripheral portion of the diaphragm is relatively widely sandwiched by two O-rings, the diaphragm of the present invention composed of the ceramic piezoelectric element alone has a resistance against bending deformation. However, since it is sandwiched by the sharp ends in the first embodiment, the bending deformation during vibration is relatively free.
【0013】 このように構成するから、液圧又はガス圧が加わると振動板2が変形し、基板 1を介して液圧等に対応した大きさの電気信号を取出すことができる。圧電素子 の振動板2の電極と基板1の電子部品とを接続するには、導線10による外に、 外方フレーム11、ケース8が導電材である場合は、外側(図1の下側)の電極 を尖鋭端11aから外方フレーム、ケースを経て基板に導通させ、内側(図1、 2の上側)の電極の場合は、内方フレーム12、Oリング6を導電材にすること により基板に導通させることができる。但しこのときは内方フレーム12を外方 フレーム11と絶縁しておく必要がある。With this configuration, when the liquid pressure or the gas pressure is applied, the vibration plate 2 is deformed, and an electric signal having a magnitude corresponding to the liquid pressure or the like can be taken out through the substrate 1. In order to connect the electrodes of the vibration plate 2 of the piezoelectric element and the electronic components of the substrate 1, in addition to the conductor 10, the outer frame 11 and the case 8 are made of a conductive material, the outside (the lower side of FIG. 1). The electrode of (1) is conducted from the sharp end 11a to the substrate through the outer frame and the case, and in the case of the inner electrode (upper side of FIGS. 1 and 2), the inner frame 12 and the O-ring 6 are made of a conductive material. Can be conducted to. However, at this time, it is necessary to insulate the inner frame 12 from the outer frame 11.
【0014】 図2は、フレーム11を上部11b、下部11cに2分割した第二実施例を示 す。このようにして下部11cの高さを低くすれば、尖鋭端11aを形成するた めの加工を容易にすることができる。その他の構造、作用、効果等は第1実施例 と同様である。FIG. 2 shows a second embodiment in which the frame 11 is divided into an upper portion 11b and a lower portion 11c. By lowering the height of the lower portion 11c in this way, it is possible to facilitate the processing for forming the sharp end 11a. Other structures, actions, effects, etc. are similar to those of the first embodiment.
【0015】 図3は本考案による圧力センサの周波数特性を例示する。この圧力センサは、 直径16mm、厚さ0.2mmのセラミック圧電素子を使用したもので、出力感度− 70dBv /1pa(0dBv =1v )、周波数帯域2Hz〜1kHz である。FIG. 3 illustrates frequency characteristics of the pressure sensor according to the present invention. This pressure sensor uses a ceramic piezoelectric element having a diameter of 16 mm and a thickness of 0.2 mm, and has an output sensitivity of −70 dBv / 1 pa (0 dBv = 1 v) and a frequency band of 2 Hz to 1 kHz.
【0016】 図4は出力感度の温度特性を図5の従来構造のものと比較して示すもので、2 0℃のときの感度を0dBとしたときの相対感度を示している。FIG. 4 shows the temperature characteristic of the output sensitivity in comparison with that of the conventional structure of FIG. 5, and shows the relative sensitivity when the sensitivity at 20 ° C. is 0 dB.
【0017】[0017]
(1) 振動板をセラミック圧電素子単体のものとして接着剤を使用しないから、ガ ソリン、アルコールのように接着剤を侵す液又はガス中で使用しても、振動板が 劣化したり、使用不能になることがない。Oリング6等の緩衝材を使用するが、 その材質を選択することにより耐薬品性、耐熱性を維持することができる。 (1) Since the diaphragm is not used as a single ceramic piezoelectric element and no adhesive is used, the diaphragm will deteriorate or become unusable even if it is used in a liquid or gas that attacks the adhesive such as gasoline and alcohol. Never be. Although a cushioning material such as the O-ring 6 is used, chemical resistance and heat resistance can be maintained by selecting the material.
【0018】 (2) 振動板に接着剤を使用しないから、従来構造のように、金属薄板、セラミッ ク圧電素子、接着剤等の温度係数の差によりセンサの温度特性が悪影響を受ける ことがない。(2) Since no adhesive is used for the vibration plate, unlike the conventional structure, the temperature characteristics of the sensor are not adversely affected by the difference in the temperature coefficient of the metal thin plate, the ceramic piezoelectric element, the adhesive, etc. .
【0019】 (3) セラミック圧電素子は音響インピーダンスが高く、空気との整合性が悪いが 、セラミック圧電素子の周縁部を尖鋭端で挟持するから振動時の機械的抵抗が小 さくなり屈曲変形が自由になって感度レベルが高くなる。(3) The ceramic piezoelectric element has a high acoustic impedance and poor compatibility with air, but since the peripheral edge of the ceramic piezoelectric element is sandwiched by the sharp ends, the mechanical resistance at the time of vibration is small and bending deformation is not caused. Freedom and higher sensitivity levels.
【0020】 (4) セラミック圧電素子の支持応力の変動をOリング等の緩衝材で吸収するから 、温度変化による感度変化を減少させることができる。(4) Since the fluctuation of the supporting stress of the ceramic piezoelectric element is absorbed by the buffer material such as the O-ring, the sensitivity change due to the temperature change can be reduced.
【図1】本考案の圧電型圧力センサの第1実施例を示す
縦断面図。FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a piezoelectric pressure sensor of the present invention.
【図2】フレーム11を2分した第2実施例を示す縦断
面図。FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment in which a frame 11 is divided into two parts.
【図3】実施例の周波数特性を示す線図。FIG. 3 is a diagram showing frequency characteristics of the example.
【図4】実施例の出力感度の温度特性を従来のものと比
較して示す線図。FIG. 4 is a diagram showing a temperature characteristic of output sensitivity of an example in comparison with a conventional one.
【図5】圧電型圧力センサの従来例を示す縦断面図。FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing a conventional example of a piezoelectric pressure sensor.
【図6】振動板の周縁部固定支持構造を示す略図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a peripheral edge fixed support structure of the diaphragm.
【図7】振動板の周縁部支持構造を示す略図。FIG. 7 is a schematic view showing a peripheral edge support structure of a diaphragm.
【図8】振動板の節線位置支持構造を示す略図。FIG. 8 is a schematic diagram showing a nodal line position support structure of a diaphragm.
1 基板 2 振動板 3 金属薄板 4 接着剤 5 圧電素子 6 Oリング 7 第一フレーム 8 ケース 8a、8b 両端 9 第二フレーム 10 導線 11 外方フレーム 11a 尖鋭端 11b 上部 11c 下部 12 内方フレーム 12a 尖鋭端 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Vibration plate 3 Metal thin plate 4 Adhesive 5 Piezoelectric element 6 O-ring 7 First frame 8 Cases 8a, 8b Both ends 9 Second frame 10 Conductive wire 11 Outer frame 11a Sharp edge 11b Upper part 11c Lower part 12 Inner frame 12a Sharp end
Claims (1)
端部(8a)(8b)の間に、外方フレーム(11)
(11b)(11c)、内方フレーム(12)及び緩衝
材を介して、電子部品を取付けた基板(1)、振動板
(2)を支持した圧電型圧力センサであって、振動板
(2)は両面に電極を取付けたセラミック圧電素子単体
のものとし、外方フレームの下部には、断面L形で内方
に突出させた横辺に上向きの尖鋭端(11a)を形成
し、内方フレーム(12)の下端には、外方フレーム
(11)の尖鋭端(11a)に対向する尖鋭端(12
a)を形成し、両尖鋭端(11a)(12a)の間に振
動板(2)を挟み、内方フレーム(12)と基板(1)
との間に、内方フレーム(12)を振動板(2)に弾接
させる緩衝材を挿入し、振動板(2)の電極を基板
(1)の電子部品に導通させて成る圧電型圧力センサ。1. An outer frame (11) is provided between both ends (8a) (8b) of a cylindrical case (8) bent inward.
(11b) (11c), a piezoelectric pressure sensor supporting a substrate (1) to which an electronic component is attached and a diaphragm (2) via an inner frame (12) and a cushioning material. ) Is a single ceramic piezoelectric element with electrodes attached on both sides, and an upward sharp edge (11a) is formed on the lower side of the outer frame on the side protruding inward with an L-shaped cross section. At the lower end of the frame (12) is a sharp end (12) facing the sharp end (11a) of the outer frame (11).
a), the diaphragm (2) is sandwiched between the sharp ends (11a) (12a), and the inner frame (12) and the substrate (1) are formed.
Between the inner frame (12) and the vibrating plate (2) is inserted between them and the electrodes of the vibrating plate (2) are electrically connected to the electronic components of the substrate (1). Sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8586492U JPH0646339U (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Piezoelectric pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8586492U JPH0646339U (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Piezoelectric pressure sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0646339U true JPH0646339U (en) | 1994-06-24 |
Family
ID=13870762
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8586492U Pending JPH0646339U (en) | 1992-11-20 | 1992-11-20 | Piezoelectric pressure sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0646339U (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012173069A (en) * | 2011-02-18 | 2012-09-10 | Seiko Epson Corp | Force detector |
-
1992
- 1992-11-20 JP JP8586492U patent/JPH0646339U/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012173069A (en) * | 2011-02-18 | 2012-09-10 | Seiko Epson Corp | Force detector |
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