JPH0690297B2 - 圧力センサー付電子時計の圧力検出部構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はダイバーなどが使用する深度計又は水圧計ある
いは気圧計などの圧力センサーを内蔵した電子時計に係
わるものであり、時計の外装ケースの内側と外側の圧力
差を検出する部分の構造に関するものである。

本発明の目的は、電子時計に圧力測定装置を内蔵し、ダ
イバーが水中で時刻と潜水の深度の両方を知ることがで
きるようにした深度計付ダイバーウォッチ等の圧力セン
サー付電子時計において、圧力測定装置の耐久性を向上
して高精度かつ高安定度の圧力測定を可能とすることで
ある。

以下に圧力センサー付電子時計として水深計付電子時計
を例にとって説明する。

近年、スキューバダイビング技術は長足の進歩を遂げ、
これに伴って潜水を職業としたり、レジャーとして潜水
を楽しむ人が急増している。これ等のダイバーは潜水中
にも安心して使用できる時計を求めていたが、近年、数
百気圧の水圧にも耐える外装構造を有するダイバーウォ
ッチが市販されるようになり、このようなダイバーウォ
ッチは時計の破損による潜水事故防止の上からダイバー
必携のものとなっている。

一方、潜水の安全確保の上で潜水時間と並んで大変重要
な要件として潜水深度があげられる。潜水中のダイバー
は常に潜水深度を確認し、それに関係する空気の消費量
の計算や、浮上速度の調節をしなければならない。勿
論、深く潜りすぎることはそれ自体危険なことであり避
けなければならない。

このように重要な意味をもつ潜水深度であるが、現在そ
の測定器としては、水中でのダイバーの行動の制約にな
るような大型のものや、精度的にも安定性においても問
題のあるもの、あるいは非常に高価なものが市販されて
いるにすぎない。このため、多くのダイバーは目測や経
験に頼っており大変危険な状態である。

潜水の深度を測定する測定器を深度計と定義するが、深
度を測定する方法としては深度計に加わる水圧を測定し
て水の密度で割り算し、水深を求める方法が最初に上げ
られる。この方法に淡水と海水の密度の違いなどから多
少の補正を必要とする場合もあるが、ダイバーに直線影
響を与える物理量を測定するので、ダイバー用深度計と
して最適である。

ダイバーに直接影響を与える物理量が圧力そのものであ
るところから、圧力をそのまま表示する水圧計の方が有
用であるとの意見もあるが、本発明では水圧計を一歩進
めたものが深度計であると考え、ここで云う深度計は水
圧計や気圧計をも含むものとする。

ダイバーウォッチの外装は非常に堅牢な密閉容器であ
り、水深百メートル程度では内容積の変化に殆んどな
く、したがって内部圧力は大気圧にほぼ等しく保たれて
いる。このような外装の一部に小孔を設け、該小孔をダ
イヤフラムによって密閉して水中に入れれば、該ダイヤ
フラムには水圧に比例した応力歪が生ずる。該応力歪を
ストレンゲージで電気信号に変換し、増巾して、指示計
器によって水深として表示することができるが、本発明
に使用される圧力測定装置も又この原理を応用して実現
される。

ところで、上記のようなダイヤフラム型の半導体圧力変
換装置については、特開昭56-154638号公報に開示され
ているところである。この特開昭56-154638号公報に
は、肉薄ダイヤフラム上に歪み抵抗層を拡散形成した半
導体単結晶から成る感圧ペレットをホルダに保持し、こ
の感圧ペレット上に電気絶縁性の油を侵浸し、この油を
ホルダ内に閉塞する蓋体を被せ、蓋体の小孔の表面張力
により油の漏洩を防ぐ構成が記載されている。

しかしながら、ダイヤフラム型の半導体圧力変換装置の
場合、特開昭56-154638号公報に開示されたような肉薄
ダイヤフラム上に歪み抵抗層を拡散形成した半導体単結
晶から成る感圧ペレットを使用すれば、小型化が可能で
電子時計などへの採用は可能となる。しかし、感圧ペレ
ットの保護のために充填する保護部材は油であり、周知
のように流動性の大きな物質である。このため、油の漏
洩を防止するための処理が必要となり、構造的に複雑と
なる。この防止構造の１つとして、特開昭56-154638号
公報に記載のように、蓋体に小孔を明けて表面張力を利
用し漏洩の防止を計ることも考えられたが、表面張力に
依存した場合は、表面張力による圧力がセンサーの受圧
面にかかったり、油の蒸発によって経時的な変化を生ず
ることによって、測定誤差の大きな圧力変換装置しが得
ることができない。従って、特開昭56-154638号公報に
記載のような圧力変換装置では実用に供しないものであ
った。

本発明は、上記のような欠点を改良しようとするもの
で、小型機器にも採用できる実用化の高い圧力センサー
を提供することを目的とする。

以下に図面に従って本発明における圧力検出部の構造に
ついて説明する。

第１図は本発明に使用される水圧検出用のシリコンダイ
ヤフラム型圧力センサーの断面図であり、第２図はその
平面図である。

シリコンダイヤフラム型圧力センサーは、一辺が数ミリ
角で厚みが数百ミクロンの半導体物質であるシリコン単
結晶板１からなり、その片面を円形に彫り込んで形成さ
れたダイヤフラム２の表面に半導体抵抗３を拡散形成し
たものである。

第１図においてダイヤフラム２の左右の面に、圧力差が
生じると、ダイヤフラム２に歪が生じ、その結果半導体
抵抗３の抵抗値が変化する。

第２図に示す通り半導体抵抗３はダイヤフラム２の周辺
部の４ケ所に方向をそろえて形成されており、それ等の
抵抗値は概略等しくなっている。該４ケ所の半導体抵抗
３は第３図に示される回路図のようにブリッジ接続され
ており、ダイヤフラム２の上下面の圧力差ΔＰによって
次式で与えられる出力電圧Voutが得られる。

ここでＲは圧力差ΔＰがない時の各半導体抵抗３の抵抗
値であり、ΔＲは圧力差ΔＰに対応して各半導体抵抗３
に生じる抵抗値の変化分であり、Ｅはブリッジに印加す
る電源の電圧である。

半導体抵抗３は歪に対し、ピエゾ抵抗効果を示すため、
圧力差ΔＰに対応して生ずる抵抗値の変化ΔＲは極めて
大きく、通常の金属箔ストレンゲージの数百倍の感度を
有する。又、シリコン薄板のダイヤフラムは弾性限界が
大きく、残留歪が小さい上、材料疲労が生じにくく、経
時変化が小さい等、数々の非常に優れた特徴を有してい
るため、シリコンダイヤフラム型圧力センサーは現在最
も有用な圧力センサーとして各種の圧力測定に実用化さ
れている。

このように優れた特徴を有するシリコンダイヤフラム型
圧力センサーによって、ダイバーウォッチの外装の一部
に設けた小孔を密閉し、その両面の圧力差を検出するの
であるが、この場合ダイヤフラムの片側の一面は直接外
界に接することになる。

ダイバーウォッチはその性格上当然のことながら液中に
浸されたり、汗の分解によって生じた腐蝕性の物質に接
したり、オゾンリッチの空気に曝されたりするから、こ
れ等の物質の化学的な影響がシリコンダイヤフラム型圧
力センサーに加わらないように考慮されなければならな
い。

また外装に設けた小孔に入り込んだ海水や汗が蒸発して
食塩の結晶が小孔内に析出したり、汚れが沈着すること
によって小孔自体が閉塞してしまうことのないようにし
なくてはならない。

本発明ではこのような化学的及び物理的影響からセンサ
ーのダイヤフラムを保護し常に安定して精度の良い圧力
測定ができるような圧力検出部の構造を提案するもので
ある。

第４図は以上に説明したシリコンダイヤフラム圧力セン
サーを使用して深度計機能を保有せしめた電子時計の一
実施例を示す外観平面図である。

本実施例は電気光学的表示素子を用いたデジタル表示式
腕時計であり、表示面４に午前10時９分35秒を指す時刻
と、潜水開始からの経過時間０時間45分と、水深24.6m
とが表示されている。時計の表示面を覆っている風防ガ
ラス５の一部に圧力検出部が設けられており、該圧力検
出部を機械的に保護するカバー板６が風防ガラス５の表
面に固定されている。

第５図、第６図、第７図、及び第８図はそれぞれ第４図
の電子時計に用いることのできる圧力検出部の各断面図
であり、それぞれ本発明の具体的な実施例である。該４
実施例において図面の上側は時計外装の外側面を表わし
下側は時計外装の内側面を表わすものとする。

第５図により圧力センサーの原理について説明すると、
風防ガラス５の外側面には網目状の小孔を有するカバー
板６が固着されている。

又風防ガラス５の内側の面には部分的に不透明な塗料７
が塗布されており、デジタル表示の表示見切りをしてい
る。カバー板６の下の下部の風防ガラス５には貫通小孔
が設けられ、風防ガラス５の内側の開口部に上記のシリ
コンダイヤフラム型圧力センサー８（以下センサーと記
す）が密閉固着されている。

センサー８の抵抗ブリッジの４個の端子は極細導線９に
よって端子基盤10の４個のパターン配線10aに接続さ
れ、更に４個の圧接バネ11を介して信号処理回路（図示
されていない）に電気的に接続されている。

端子基板10のパターン配線面上にはセンサー８と極細導
線９の配線を保護するためのダイヤフラム保護カバー12
が固定されており、時計の製造工程や修理の際に圧力検
出機能を損傷しないように保護している。ダイヤフラム
保護カバー12には小孔があって、センサー８の背圧室の
大きさを限定しないようにしてある。

風防ガラス５に設けられた小孔は、時計の外部の圧力を
センサー８のダイヤフラムへ導入するための圧力導入孔
であるが、該圧力導入孔とセンサー８の外界との直接の
接触面である裏面の彫り込み部にはヤング率が非常に小
さい固形物質、すなわちゴム状弾性物質13が風防ガラス
５の外側開口部まで充填されている。

ゴム状弾性物質13はヤング率が非常に小さい上にポアッ
ソン比が大きく、しかも変形の小さい領域に閉じ込めら
れているため、圧力導入孔の小さな開口部に印加された
圧力は圧力導入孔の最深部にあるセンサー８のダイヤフ
ラムまで殆んど減衰することなく伝達される。

このような構造の水圧検出部を備えたダイバーウォッチ
を水中に入れると、時計外装の内外の圧力差はカバー板
６の網目状小孔を通じて圧力導入孔のゴム状弾性物質13
に印加され、更にセンサー８のダイヤフラムに伝達され
る。

この結果センサー８のダイヤフラムは時計の内側に変形
し、その歪がブリッジ抵抗の不平衡を生じせしめて水深
に応じた電気信号を発生するのである。

このように圧力導入孔をゴム状弾性物質13で充填すれ
ば、海水や汗や空気が圧力導入孔に入り込まないため、
センサー８が直線これらの物質に触れることはなくな
り、且つ圧力の伝達は正しく行われるので、極めて耐候
性の良い優れた圧力検出機構が実現されるのである。

第６図に示した実施例では、センサー８は風防ガラス5a
に直接固着されているのではなく、センサー取付台14に
固着されており、センサー取付台14を風防ガラス5aに固
定する構造になっている。

センサー取付台14の中心部には貫通した小孔があって、
センサー取付台14の内側の開口部にセンサー８が密閉固
着されている。センサー取付台14の外側の外周部にはネ
ジが設けられ、内ネジを有するカバー板6aと係合し、セ
ンサー取付台14を風防ガラス5aに固定している。この固
定においてセンサー取付台14と、風防ガラス５の下面の
見切り塗料７との間には防水パッキン15が圧縮固定され
ており、防水機能をはたしている。

センサー８の端子配線及び保護構造は第５図の実施例と
同じであるので説明を省略する。センサー取付台14の小
孔は圧力導入孔であり、第５図の実施例における風防ガ
ラス５がセンサー取付台14となった以外は第５図の実施
例と同様にセンサー８の外界との接触の接触面側にゴム
状弾性物質13が充填されている。

第７図はセンサー取付台14aを風防ガラス5bの外側の面
から挿入した実施例である。センサー取付台14aは防水
パッキン15aを介して風防ガラス5bに圧入固定されてい
る。

該センサー取付台14aの中心軸には内側から外側にいく
につれて径の大きくなる貫通した小孔があり、センサー
取付台14aの内側の開口部にセンサー８が密閉固着され
ており、ゴム状弾性物質13がセンサー８の外界との直接
の接触面である彫り込み部と小孔の一部に充填されてい
る。

センサー取付台14aの外側には、センサー取付台14aの小
孔と通り違いになった小孔を有するカバー板6bが固着さ
れている。センサー８の端子配線及び保護構造は、第５
図及び第６図の実施例と同じであるので説明を省略す
る。

なお本実施例においては、ゴム状弾性物質13を小孔の一
部にのみ充填しているが、これは小孔の形状が第５図、
第６図の実施例と異なるため、食塩の結晶や汚れにより
小孔自体が閉塞する等の障害が生じないからである。

以上に述べた第５図、第６図、及び第７図の実施例にお
いてはセンサーが圧力導入孔による内側の開口部に配置
されているが、第８図の実施例はセンサーが圧力導入孔
による外側の開口部に配置された場合を示すものであ
る。

第８図に本発明の一実施例の圧力センサー取付構造を示
す。

本実施例においてセンサー８はセンサー取付台14bの凹
部に収納されていて、また中心部に設けられた小孔を外
側面から密閉するように固着され、センサー取付台14b
を貫通しハーメチック固定された４個の導電ピン16と極
細導線９によって電気的に結合されている。

センサー８及び極細導線９の配線部の周囲はゴム状の弾
性物質13で充填され、物理的・化学的に保護されてお
り、更にセンサー取付台14bに固着されたカバー板6cに
よって機械的に保護されている。

又ゴム状弾性物質13には遮光性の額料を含ませてあり、
光学的にも保護されている。センサー取付台14bは外装
の外側から挿入され、防水パッキン15bを介して風防ガ
ラス5cに圧入工程されており、導電ピン16とその一端に
圧接されたバネ11を介してセンサー８を図示されていな
い信号処理回路と電気的に結合している。

以上に水圧検出部を時計の風防ガラス面上に設けた場合
について、４種類の実施例をあげて説明したが、水圧検
出部を図面上に示した風防ガラス５乃至5c及び塗料７の
部分でなく時計外装の裏ブタ又は外装本体（ケース胴）
に置換しても良い。

この場合取付部分にスペース上の制約が生じやすいが、
一方で時計の表示面が拡大できる利点があるため、指針
表示によるアナログ表示式腕時計に応用することができ
る。

第９図は深度計付アナログ表示式腕時計の一実施例を示
す外観平面図であり、指針式時刻表示面17の一部にやは
り指針式の深度表示部18が設けられている。

本実施例においては水圧検出部は図面上、カバー板６の
とる位置から理解されるようにケース本体（ケース胴）
19の側面に設けられており、圧力導入孔は時計の10時の
位置から紙面と平行に時計の中心方向へ向っている。こ
の場合のセンサー取付台13bは風防ガラス5cではなくケ
ース胴19であることはもちろんである。

次に上記のゴム状弾性物質について説明する。

本発明においてシリコンダイヤフラム型圧力センサーの
ダイヤフラム、該センサーとセンサーの基台部との固着
部分、圧力導入孔、又はセンサーから引き出される配線
等を物理的にも化学的にも保護し、さらに水圧検出部の
検出能力を損なわないようにする目的で使用されるゴム
状弾性物質に必要な特性として、次の３項目が特に重要
である。

第１には極力柔軟であってダイヤフラムに伝える圧力を
減衰しないような物質でなくてはならない。そのために
はヤング率が極力小さく、ポアッソン比が極力大きな物
質で、しかもその性質が温度や圧力で影響されない物質
である必要がある。

ただしシリコンダイヤフラム型圧力センサーのダイヤフ
ラムの面積は数平方ミリと小さく、その機械的変位も小
さいのでゴム状弾性物質とは云いながらもその弾性限界
の範囲は必ずしも大きい必要はなく、例えば寒天のよう
な性質でも良い。

第２には海水や汗やオゾン等に常時曝されても変質が生
じないような物質である必要がある。この特性は単に強
度の問題だけでなく、深度計の感度を長い期間安定に保
つ上からも是非必要となるのである。

第３に充填性が良い必要がある。ダイバーウォッチの外
装に設けられる圧力導入孔は穴径が小さくその割に深い
のであるが、その隅々まで隙間なく充填されなければな
らなかったり、極めて脆弱な極細導線の配線を包み込む
必要性がある。

そのため、充填時は流動性の高い液状であって充填完了
の後に流動性を失って固形状となるような物質であるこ
とが望ましい。

このような特性を有する物質として、前述のようなゴム
状弾性物質や寒天状の物質があり、これらを総称すると
ゲル状物質であれば良いことになる。

この物質を使用した効果としては、当然ながら流動性の
漏洩防止の対策を取る必要もないし、流動性がないので
あるから表面張力のような不必要な圧力がかかることも
なく、補正が可能な一定の圧力の得られる圧力センサー
を得ることができる。

以上の重要な特性を兼備した物質としてシリコンゴムが
あり、本発明のゴム状弾性物質として最適である。シリ
コンゴムには色々な応用分野に合せて様々な特徴を持っ
たものが製造されているが、２液形でRTVタイプの常温
硬化性のものが本発明の応用には適当である。このよう
なシリコンゴムでは硬化後の硬さが大変軟らかく、しか
も耐熱性、耐寒性、耐候性等が優れたシリコンゴムの本
来の特質を併せ持ったものが得られている。

以上にシリコンダイヤフラム型圧力センサーを用いた深
度計付電子時計について、特にその水圧検出部の構造を
中心として詳細な説明をした。

本発明によれば、圧力センサーを保護するのに、充填後
は流動性を失いヤング率の小さくポアッソン比の大きい
固形状の物質、例えばゴム状または寒天状の弾性物質、
を充填するようにしたので、流動性に対する対策の必要
性もなければ、熱膨張に対する測定精度への影響や表面
張力のような不必要な圧力による誤差を無くすことがで
き、海水やゴミのような外部環境からの侵入にも充分の
効果をあげることができるとともに、例えば上記の固形
状弾性物質は海水に直接触れることも可能であるので、
余分な金属ダイヤフラムの介在や表面張力を利用するよ
うな面倒な穴の設定条件を決める必要も無くなり、これ
によって電子時計のような小型機器への採用が可能とな
り、実用化へ大きな前進を見ることができた。また、極
めて厳しい環境条件下で使用されるダイバーウォッチ
に、シリコンダイヤフラム型圧力センサーを組み込んで
水圧の検出をすることが可能になったばかりでなく、長
期間にわたって正確に動作させることができるようにな
った。また、水圧検出部が小型化され、構造の自由度も
大きいことから時計のデザインを損うことなく深度計を
内蔵させることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の深度計付電子時計に使用さ
れるシリコンダイヤフラム型圧力センサーの構造を示す
断面図及び平面図であり、第３図は第１図及び第２図の
シリコンダイヤフラム型圧力センサーの抵抗ブリッジの
結線を説明する原理的な回路図であり、第４図及び第９
図はそれぞれ本発明によりなる各実施例を示す深度計付
電子時付電子時計の各外観平面図であり、第５図、第６
図、第７図及び第８図はそれぞれ本発明の各実施例であ
る圧力検出部の構造を示す各断面図である。 ５、5a、5b、5c……風防ガラス、 ６、6a、6b、6c……カバー板、 ７……塗料、 ８……シリコンダイヤフラム型圧力センサー、 ９……極細導線、 10……端子基板、 11……圧接バネ、 12……ダイヤフラム保護カバー、 14、14a、14b……センサー取付台、 15、15a、15b……防水パッキン、 16……導電ピン、 13……ゴム状の弾性物質。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気圧や水圧などの圧力を計測するために、
   半導体材料をダイヤフラム型に形成し、取付台に固定し
   た圧力センサーを、電子時計の外装ケースに収納した圧
   力センサー付電子時計において、前記圧力センサーの外
   部と接触する側の前記取付台に、ゴム状または寒天状の
   ようなヤング率が小さくポアッソン比の大きい固形状の
   弾性物質を充填することによって、前記圧力センサーを
   保護したことを特徴とする圧力センサー付電子時計の圧
   力検出部構造。