JPH07167720A

JPH07167720A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPH07167720A
Application number: JP5313479A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Taura; 方三田浦; Haruhiko Handa; 晴彦半田; Masaki Ikeda; 正樹池田; Akihiko Yoshida; 昭彦吉田; Tsuyoshi Ogino; 強荻野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-14
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】複雑な温度補償回路を要さずに高精度で圧力
を検出できる圧力センサを提供する。【構成】金属基体とその表面に形成された結晶化ガラ
ス層からなる基板と、そのガラス層の表面に形成された
歪の変化により電気抵抗が変化する感歪抵抗体と、感歪
抵抗体と同材料からなる調整用抵抗体と、前記感歪抵抗
体および調整用抵抗体の導体部を有する圧力センサ素
子、および圧力センサ素子を固定したセンサケースを具
備し、前記感歪抵抗体を前記基板の受圧部となる歪部に
配置し、調整用抵抗体を非歪部に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歪の変化により電気抵
抗が変化する感歪抵抗体を用いた圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車のエンジン制御や冷凍シス
テム制御の最適化のため、各部の圧力を検出する手段と
して、圧力センサに対する需要が増加しており、広く用
いられるようになってきている。この圧力センサには、
その代表的なものとして、ポリエステル、エポキシ、ポ
リイミド等の樹脂からなるフィルム上に、Ｃｕ−Ｎｉ合
金、Ｎｉ−Ｃｒ合金等からなる薄膜状の感歪抵抗体を蒸
着またはスパッタリングにより形成した構成のものが知
られている。このような圧力センサの使用方法は、通
常、応力や荷重の大きさを測定しようとする部材の表面
に、圧力センサの樹脂製フィルムをシアノアクリレート
系の接着樹脂などで貼り付けて使用する。

【０００３】応力や荷重の大きさは、次のようにして測
定される。すなわち、外部からの力や荷重により発生し
た部材の歪が、樹脂製フィルムまたはガラスプレートを
介して感歪抵抗体に伝わる。この伝達された歪により、
感歪抵抗体の断面積がわずかに変化し、その感歪抵抗体
の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化量を電
気信号として検出し、回路的に抵抗値の補正や抵抗温度
係数の補正を行うことにより、歪の大きさを測定し、こ
の歪の大きさから部材に加わった応力や荷重力の大きさ
を測定することができる。ところで、圧力センサの市場
が大きい用途の１つとして、自動車等に使用される燃焼
圧センサがある。燃焼圧センサの場合は、例えば圧力セ
ンサを自動車エンジンの燃焼圧側に取り付け、燃焼圧の
圧力をダイレクトに検出する。この圧力センサを燃焼圧
センサのように、温度範囲が−５０℃から１５０℃、最
大圧力が６ｋｇ／ｃｍ²にも達するといった過酷な環境
条件下で長期間使用したとき、接着剤の接着強度が劣下
して歪ゲージが部材から剥離する問題があった。

【０００４】そこで、その解決方法として、金属基体
と、その表面に形成された結晶化ガラス材料からなるガ
ラス層と、さらにそのガラス層の表面に形成された、歪
が加わると電気抵抗が変化する感歪抵抗体とからなる圧
力センサが提案されている（特開平５−９３６５９号公
報）。この圧力センサは、金属基体と結晶化ガラス層、
結晶化ガラス層と抵抗体層間でそれぞれの成分元素が相
互拡散しているため密着性が非常に強く、過酷な環境条
件で使用するセンサとしては最適なものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のセンサは−５０〜１５０℃と広い温度範囲で使用し
た場合、温度の影響を受け易く、複雑な温度補償回路が
必要であった。従って、本発明は、簡単な回路構成で圧
力を高精度に検出できる圧力センサを提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の圧力センサは、
金属基体とその表面に形成された結晶化ガラス層からな
る基板と、そのガラス層の表面に形成された歪の変化に
より電気抵抗が変化する感歪抵抗体と、感歪抵抗体と同
材料からなる調整用抵抗体と、前記感歪抵抗体および調
整用抵抗体の導体部とを有する圧力センサ素子、および
圧力センサ素子を固定したセンサケースを具備し、前記
感歪抵抗体を前記基板の受圧部となる歪部に配置し、調
整用抵抗体を基板の非歪部に配置したことを特徴とす
る。

【０００７】ここで、前記基板の固定部から歪部の中心
までの距離をＲ、歪部の中心から感歪抵抗体までの距離
をＡとすると、ＲとＡとは式Ａ／Ｒ≦０．５を満足する
関係にあることが好ましい。また、前記感歪抵抗体およ
び調整用抵抗体は、酸化ルテニウムおよびガラスフリッ
トを主成分とするペーストによって形成することが好ま
しい。

【０００８】

【作用】上記の構成によって、抵抗値のばらつき、抵抗
温度係数のばらつきが少なく、複雑な補償回路を要さ
ず、高精度に圧力を検出することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の好ましい圧力センサについて
さらに詳しく説明する。（１）金属基体金属基体は、ホーロ用鋼、ステンレス鋼、珪素鋼、ニッ
ケル−クロム−鉄、ニッケル−鉄、コバール、インバー
などの各種合金材やそれらのクラッド材などが選択され
る。特に、ガラス層との膨張率を整合させる必要がある
ことから、膨張率（１００〜１４０）×１０^-7／℃のス
テンレス鋼が好ましい。金属基体の材質が決定されれ
ば、通常の機械加工、エッチング加工、レーザ加工等で
所望の形状に加工される。その形状は、負荷荷重の大き
さや用途により、円筒形や板状等が選択される。これら
金属基体は、ガラス層の密着性を向上させる目的で、表
面脱脂の後、ニッケル、コバルトなどの各種メッキを施
したり、熱酸化処理によって酸化被覆層を形成したりす
る。

【００１０】（２）ガラス層ガラス層には、電気絶縁性、耐熱性の観点から、焼成に
よって、たとえば、ＭｇＯ系の結晶相を析出する無アル
カリ結晶化ガラスで構成されるのが好ましい。そのガラ
ス組成は、特に、ＭｇＯが１６−５０重量％、Ｓｉ０₂
が７−３０重量％、Ｂ₂Ｏ₃が５−３４重量％、ＢａＯが
０−５０重量％、Ｌａ₂Ｏ₃が０−４０重量％、ＣａＯが
０−２０重量％、Ｐ₂Ｏ₅が０−５重量％、ＭＯ₂が０−
５重量％（ただし、ＭはＺｒ、Ｔｉ、Ｓｎのうち少なく
とも１種の元素）からなるとき、より好ましい。このよ
うに、結晶化ガラス材料が選択される理由の１つは、金
属基体とガラス層との密着性を強固にするためである。
特に、上記の組成のものは、密着性が非常に強固であ
る。上記結晶化ガラス層を金属基体上に被覆する方法と
して、通常のスプレー法、粉末静電塗装法、電気泳動電
着法等がある。被膜の緻密性、電気絶縁性等の観点か
ら、電気泳動電着法が最も好ましい。

【００１１】この方法は、ガラスとアルコールおよび少
量の水を入れてボールミル中で約２０時間粉砕、混合
し、ガラスの平均粒径を１〜５μｍ程度にする。得られ
たスラリーを電解槽に入れて、液を循環する。そして、
金属基体を、このスラリー中に浸漬し、１００〜４００
Ｖで陰分極させることにより、金属基体表面にガラス粒
子を析出させる。これを乾燥後、８５０〜９００℃で１
０分〜１時間焼成する。これによって、ガラスの微粒子
が溶融するとともに、ガラスの成分と金属材料の成分が
十分に相互拡散するため、ガラス層と金属基体との強固
な密着が得られる。なお、焼成は常温から徐々に昇温し
て上記温度に到達させる方法をとると、微細針状結晶が
無数に析出するため後述のアンカー効果がより向上し、
感歪抵抗体との密着性が向上する。

【００１２】結晶化ガラス材料が選択されるもう１つの
理由は、ガラス層の耐熱温度を高くするためである。す
なわち、ガラス層に感歪抵抗体を焼成法で形成すると
き、高温で焼成するので、ガラス層の耐熱温度は少なく
とも９００℃以上必要である。非晶質のガラスは、耐熱
温度が６５０℃程度であるが、結晶化させることによっ
て耐熱温度が９００℃以上になる。従って、９００℃で
もガラスが流動しないので、８５０℃で感歪抵抗体を焼
成しても問題ない。これに対して一般の非晶質ガラス
は、再加熱しても結晶化しないので、耐熱性は向上しな
い。従って、約６００℃以上でガラスが流動するので、
感歪抵抗体を６００℃以上で焼成すると、ガラスと反応
することになる。

【００１３】（３）導電体部の回路パターン回路パターンを形成する材料は、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａ
ｕなどの導電材料をガラスフリットとバインダー材料と
で３本ローラーで混練した導電性ペースト、あるいはＡ
ｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄなどを導体成分の主成分とする有
機金属化合物に添加剤としてＳｉ、Ｂｉ、Ｒｈ、Ｖ、Ｓ
ｂから選ばれる元素の熱分解性有機化合物を添加したペ
ーストが好ましい。所望の回路パターンの形成法として
は、以下に述べるスクリーン印刷の他、ディスペンサ、
メタルマスク法、ドクターブレード法、オフセット印刷
法などが用いられる。この構成のものは、従来の厚膜技
術で薄膜並の膜厚を得ることができる。

【００１４】（４）抵抗体抵抗体用の材料としては、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ
合金、酸化ルテニウム等の種々の歪変化によって電気抵
抗が変化する性質を有する抵抗材料が使用される。抵抗
体の形成法としては、以下に述べるスクリーン印刷の
他、ディスペンサ、メタルマスク法、ドクターブレード
法、オフセット印刷法が用いられる。上記印刷法で抵抗
体を形成するには、有機金属化合物を出発原料とし、そ
れを主成分とするペーストを作成してガラス層の表面に
印刷し、さらに、その熱分解により抵抗体成分元素の金
属または合金膜を形成する。ペーストの主成分は、ニッ
ケル、クロム、銅、鉄、ルテニウムからなる群から選択
される抵抗体成分元素の有機金属化合物で、その他添加
剤としてＢｉ、Ｒｈ、Ｖ、Ｓｂから選ばれる元素の熱分
解性有機化合物が用いられる。この構成のものは、従来
の厚膜技術によって薄膜並の膜厚を得ることができる。

【００１５】もう１つの印刷法で抵抗体を形成する方法
は、酸化ルテニウムおよびガラスフリットを主成分とす
るペーストをガラス層上に印刷し、その後焼成する方法
である。このペーストの成分には、主成分の酸化ルテニ
ウムおよびホウケイ酸系ガラス等のガラスフリットの
他、ＺｒＯ₂等のフィラー、酸化ビスマス、エチルセル
ロース、ブチルカルビトールアセテートあるいはテルピ
ネオール等が含まれる。上述の印刷法等による抵抗体形
成法は、ガラス層表面に容易に適用することができ、安
価でかつ量産性に富む方法である。抵抗体上には、必要
に応じてガラスまたは樹脂等による保護層を施す。

【００１６】次に、具体的な構造について説明する。図
１は圧力センサ素子の平面図、図２はその要部の断面
図、図３は圧力センサの分解斜視図である。これらの図
において、１は金属基体２と結晶化ガラス層３からなる
基板であり、円形の部分１ａとその周縁の一部に連続す
る略長方形の部分１ｂとを有する。４ａ、４ｂは感歪抵
抗体、５ａ、５ｂは調整用抵抗体である。６ａ、６ｂ、
６ｃは、前記抵抗体の電極部およびリード部を構成する
導体部であり、抵抗体形成前にガラス層３の表面に回路
パターンとして設けてある。

【００１７】以上のような構成の圧力センサ素子７は、
以下に述べるように、樹脂製の上ケース８および上ケー
ス９に組み込まれて圧力センサ１０が構成される。圧力
センサ素子７は、その基板の円形の部分１ａの周縁部を
固定部分７ｃとし、この固定部分７ｃ内側の円形の部分
７ａを受圧部とする。１１、１２は素子７の固定用およ
びシール用のＯリングである。下ケース９は、素子７の
部分７ａに対応して円形の凹部９ａを設けるとともにそ
の周縁部にＯリング１２を固定する溝を有する段部９ｃ
を設け、さらに素子７の部分１ｂに対応して凹部９ｂ、
段部９ｄを設けている。上ケース８も下ケース９と同様
に、凹部９ａに対応する凹部、段部９ｃに対応してＯリ
ング１１を固定する溝を有する段部、凹部９ｂと段部９
ｄに対応する凹部と段部をそれぞれ設けている。

【００１８】圧力センサ素子７をそれぞれＯリング１
１、１２を固定した上ケース８と下ケース９で挟みつ
け、ねじ１３により両ケースを結合することによって圧
力センサ１０が組み立てられる。１４は、下ケース９の
凹部と連通させて取り付けたパイプであり、１５は同様
に素子７の部分７ａと対応させて上ケース８に設けた凹
部と連通させて取り付けたパイプである。これらのパイ
プの一方を通じて測定しようとする圧力が素子７の円形
の部分７ａに印加される。

【００１９】本発明の圧力センサにおいては、感歪抵抗
体４ａ、４ｂを受圧部となる歪部である円形の部分７ａ
に配置し、調整用抵抗体５ａ、５ｂをそれ以外の非歪部
に配置する。図４は、圧力センサを用いた圧力測定回路
のブロック図を示している。１６は電源である。感歪抵
抗体４ａ、４ｂと調整用抵抗体５ａ、５ｂでブリッジ回
路を構成し、その出力側に増幅部１６と出力部１７を連
結している。

【００２０】［実施例１］円形の部分１ａの直径が４０
ｍｍ、厚さ１００μｍのステンレス鋼ＳＵＳ４３０から
なる板状金属基体２を脱脂・水洗・酸洗・水洗・ニッケ
ルメッキ・水洗して前処理を行った後、ＭｇＯ３９％、
ＢａＯ１２％、ＣａＯ３％、Ｌａ₂Ｏ₃５％、Ｂ₂Ｏ₃３１
％、ＳｉＯ₂７％、ＺｒＯ₂２％、Ｐ₂Ｏ₅１％の組成のガ
ラス粒子からなるスラリー中に浸漬し、対極と板状金属
基体間に直流電圧を印加して、板状金属基体の側面上に
ガラス粒子を被覆し、常温から８８０℃まで４時間かけ
て昇温し、さらにこの温度で１０分間保持する焼成を行
い結晶化ガラス層３を形成した。次に、結晶化ガラス層
３の表面にＡｇ−Ｐｄペーストをスクリーン印刷法で印
刷し、８５０℃で焼成して回路パターンとして導体部６
ａ、６ｂ、６ｃを形成した。この電極間に酸化ルテニウ
ムとガラスフリットを主成分とするペーストを所定のパ
ターンに印刷し、８３０℃で焼成して、感歪抵抗体４
ａ、４ｂおよび調整用抵抗体５ａ、５ｂを形成して圧力
センサ素子７を作製し、前記のように上、下ケース８、
９に組み合わせて圧力センサとした。

【００２１】その圧力センサ素子の感歪抵抗体４ａ、４
ｂを歪部となる円形の部分７ａの中心から固定部７ｃま
での距離Ｒ＝１５ｍｍに対して、歪部の中心から各抵抗
体までの距離ＡがＡ／Ｒ＝０．３の位置に対称に配置
し、調整用抵抗体５ａ、５ｂをＡ／Ｒ＝１．５の位置の
非歪部に配置し、図４の測定回路によって各種温度にお
ける圧力−出力電圧の関係を測定した。その測定結果を
表１に示す。また、圧力センサ素子７の感歪抵抗体４
ａ、４ｂと調整用抵抗体５ａ、５ｂの抵抗値、抵抗温度
係数（以下ＴＣＲで表す）を表２に示す。

【００２２】なお、ＴＣＲは次式で求めたもので、表２
には−３０℃〜２５℃間の値を示す。ＴＣＲ＝１０⁶（Ｒ_t−Ｒ₂₅）／｛Ｒ₂₅（ｔ−２５）｝（Ｒ_t、Ｒ₂₅はそれぞれ温度ｔ℃、２５℃の抵抗値を表
す。）また、圧力の印加は、素子の感歪抵抗体および調
整用抵抗体が形成されていない方から行った。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】［比較例１］調整用抵抗体５ａ、５ｂの代
わりに、市販の金属皮膜抵抗器５ｃ、５ｄを用いた他は
実施例１と同様の構成とする。各種温度における圧力−
出力電圧の関係を表３に、また金属皮膜抵抗器５ｃ、５
ｄの抵抗値およびＴＣＲを表４にそれぞれ示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】次に、実施例１および比較例１の圧力セン
サについて、抵抗値のばらつき、ＴＣＲのばらつき、お
よびセンサ精度の比較を表５に示す。なお、センサ精度
は、２５℃を基準にして−３０℃〜１００℃における出
力電圧の変化量で表した。

【００２９】

【表５】

【００３０】表５から明らかなように、感歪抵抗体およ
び調整用抵抗体を同じ材料で精成することにより、特性
の優れた圧力センサが得られる。

【００３１】［実施例２］１個の感歪抵抗体とその導体
部を感歪抵抗体の位置を変えて形成したいくつかの試料
について、そのゲージファクター（ＧＦ）を測定した。
また、調整用抵抗体についても同様にその位置を変えた
ものを作製し、そのＧＦを測定した。これらの結果を表
６および表７に示す。なお、これら抵抗体の位置は、抵
抗体の両電極間の中央の位置を基準とした。また、ＧＦ
は次式によって求めた。ＧＦ＝１００（Ｒ₆−Ｒ₀）／Ｒ₀ （Ｒ₀は圧力を印加しないときの抵抗値、Ｒ₆は６ｋｇｆ
／ｃｍ²の圧力印加時の抵抗値を表す。）

【００３２】

【表６】

【００３３】

【表７】

【００３４】これらの表から明らかなように、感歪抵抗
体は、歪部の中心からの距離ＡがＡ／Ｒ≦０．５であれ
ば、圧力に対して抵抗値が増加するので好ましい。ま
た、調整用抵抗体は当然ながら圧力に対して歪を受けな
いＡ／Ｒ＞１．０であることが好ましい。

【００３５】［実施例３］感歪抵抗体４ａ、４ｂをＡ／
Ｒ＝０．５の位置に歪部の中心を軸にして対称に配置
し、調整用抵抗体５ａ、５ｂはＡ／Ｒ＝１．５の位置に
配置した。さらに、感歪抵抗体４ａと調整用抵抗体５ａ
を、また感歪抵抗体４ｂと調整用抵抗体５ｂをそれぞれ
レーザトリミングにより抵抗値を合わせた。この他は実
施例１と同様にして圧力センサを作製した。この圧力セ
ンサは、抵抗値のばらつきが±０．５％以内、ＴＣＲの
ばらつきが±０．５ｐｐｍ／℃であり、センサ精度は±
０．５％以内と実施例１のものよりさらに優れたもので
あった。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、抵抗値お
よび抵抗温度係数のばらつきを小さくし、簡単な回路構
成で高精度に圧力を検出できるセンサを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における圧力センサ素子の平
面図である。

【図２】同圧力センサ素子の要部断面図である。

【図３】本発明の一実施例における圧力センサの分解斜
視図である。

【図４】本発明の実施例における圧力測定回路を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１基板２金属基体３結晶化ガラス層４ａ、４ｂ感歪抵抗体５ａ、５ｂ調整用抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ導体部７圧力センサ素子７ａ受圧部（歪部）７ｃ固定部分８上ケース９下ケース１０圧力センサ１１、１２Ｏリング１３ねじ１４、１５パイプ１６電源１７増幅部１８出力部

フロントページの続き (72)発明者吉田昭彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者荻野強大阪府東大阪市高井田本通３丁目22番地松下冷機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基体とその表面に形成された結晶化
ガラス層からなる基板と、そのガラス層の表面に形成さ
れた歪の変化により電気抵抗が変化する感歪抵抗体と、
感歪抵抗体と同材料からなる調整用抵抗体と、前記感歪
抵抗体および調整用抵抗体の導体部とを有する圧力セン
サ素子、および圧力センサ素子を固定したセンサケース
を具備し、前記感歪抵抗体を前記基板の受圧部となる歪
部に配置し、調整用抵抗体を基板の非歪部に配置したこ
とを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】前記基板の固定部から歪部の中心までの
距離をＲ、歪部の中心から感歪抵抗体までの距離をＡと
したときＡ／Ｒ≦０．５を満足する関係にある請求項１
記載の圧力センサ。
【請求項３】前記感歪抵抗体および調整用抵抗体が、
酸化ルテニウムおよびガラスからなる請求項１記載の圧
力センサ。