JPH098328A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】歪みゲージの位置ずれに対する出力の変動を抑
えることができる圧力センサを提供することを目的とす
る。 【構成】ボディ２に接着されたインシュレータ１１に
は、略Ｌ字状に屈曲形成された板バネ１２，１３が設け
られている。板バネ１２，１３の一端はそれぞれインシ
ュレータ１１に固着され、他端はそれぞれセンサチップ
９の両端上面に押圧されている。センサチップ９は、そ
の両端に加わる板バネ１２，１３の押圧力によってダイ
アフラム４に対して押圧保持される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力センサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図６（ａ）は従来の薄膜歪みゲージ式圧
力センサ（以下、単に圧力センサという）５０の正面
図、図６（ｂ）は圧力センサ５０の断面図である。図６
（ａ）に示すように、圧力センサ５０のボディ５１には
ダイアフラム５２が形成され、そのダイアフラム５２に
はセンサチップ５３が固着されている。センサチップ５
３は、接着剤による接着、又は陽極接合等の方法により
ダイアフラム５２に固着され、導入孔５４から導入され
た流体の圧力によってダイアフラム５２と共に撓むよう
になっている。

【０００３】図６（ｂ）に示すように、センサチップ５
３の上面には、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４が形成されて
いる。薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４は、センサチップ５３
の撓みによる応力によって圧縮又は伸長され、その圧縮
又は伸長に応じて抵抗値が変化する。従って、薄膜歪み
ゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値は、検出しようとする流体の
圧力に応じて変化するようになっている。

【０００４】図７に示すように、薄膜歪みゲージＲ１〜
Ｒ４は、薄膜歪みゲージＲ１，Ｒ３が直列に接続されて
分圧抵抗を構成し、薄膜歪みゲージＲ２，Ｒ４が直列に
接続されて分圧抵抗を構成している。そして、流体の圧
力に応じて変化した薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値
による分圧電圧が出力電圧として圧力センサ５０外部へ
出力するようになっている。

【０００５】ところで、ダイアフラム５２はボディ５１
と一体に形成されており、そのダイアフラム５２にセン
サチップ５３が固着されている。そのため、センサチッ
プ５３は、ダイアフラム５２に対して流体の圧力Ｐが加
わると、図８（ａ）に示すように、両端が固定された固
定梁と同様に、センサチップ５３の中央部が周辺部に対
して大きく撓む。すると、センサチップ５３には、図８
（ｂ）に示すように、その中央部上面には両端へ引っ張
る張力が発生し、周辺部上面には圧縮力が発生する。そ
して、薄膜歪みゲージＲ１，Ｒ２は張力が働く領域に形
成され、薄膜歪みゲージＲ３，Ｒ４は圧縮力が働く領域
に形成されている。従って、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４
は張力又は圧縮力によってそれらの抵抗値が変化し、圧
力センサ５０は、各薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値
の変化による分圧電圧を出力電圧として出力する。

【０００６】図９は、流体の圧力Ｐが加わった時のセン
サチップ５３の長手方向の位置における応力（張力又は
圧縮力）によるセンサチップ５３の歪み量を示す特性図
である。センサチップ５３の歪み量は、張力が加わる場
所で引っ張りの方向に最も大きく、圧縮力が加わる場所
で圧縮方向に最も大きくなる。そして、薄膜歪みゲージ
Ｒ１，Ｒ２は中央から距離ａの位置に形成され、薄膜歪
みゲージＲ３，Ｒ４は中央から距離ｂの位置に形成され
ている。センサチップ５３がその長手方向にずれると、
各薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の歪み量が大きく変化する
ので、各薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値の変化も大
きく変化する。そのため、センサチップ５３をダイアフ
ラム５２に固定する場合には、高い位置決め精度が要求
される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、センサ
チップ５３は、位置合わせされた後に接着剤等によって
ダイアフラム５２に固着されているため位置決めが難し
く、センサチップ５３の位置がずれる場合がある。する
と、各薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の歪み量は大きく変化
し、出力電圧が中央に固着した場合に比べて大きく変動
する。通常、各薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４は、出力電圧
の変動が小さくなるように補正するように配置されてい
る。しかし、歪み量の変化が大きいと、薄膜歪みゲージ
Ｒ１〜Ｒ４の配置では出力電圧の変動を補正しきれなく
なるという問題があった。

【０００８】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、センサチップの位置ず
れに対する出力電圧の変動を抑えることができる圧力セ
ンサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、ボディに形成され、流体
の圧力によってたわむダイアフラムと、その上面に圧電
変換素子が形成され、ダイアフラムのたわみによる応力
を検出した検出信号を出力するセンサチップと、前記セ
ンサチップ両端を前記ダイアフラムに対して押圧保持す
る押圧部材とを備えたことを要旨とする。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の圧力センサにおいて、前記ボディには、前記ダイアフ
ラムに対する前記センサチップの位置を決定するための
位置決め部が形成された位置決めリングを備えたことを
要旨とする。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の圧力センサにおいて、前記押圧部材は、前記ボ
ディに固着されたインシュレータと、前記インシュレー
タに取着され、前記センサチップを押圧保持する弾性体
とから構成される。

【００１２】

【作用】従って、請求項１に記載の発明によれば、上面
に圧電変換素子が形成されたセンサチップは、流体の圧
力によってダイアフラムのたわみによる応力を検出し検
出信号を出力する。そのセンサチップは、その両端が押
圧部材によってダイアフラムに対して押圧保持される。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、ボディに
は位置決めリングさ備えられ、センサその位置決めリン
グに形成された位置決め部によってダイアフラムに対す
るセンサチップの位置が決定される。

【００１４】請求項３に記載の発明によれば、押圧部材
は、ボディに固着されたインシュレータと、インシュレ
ータに取着され、センサチップを押圧保持する弾性体と
から構成される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図１〜
図５に従って説明する。図２は本実施例の圧力センサ１
の平面図であり、図１は圧力センサ１の断面図である。

【００１６】圧力センサ１のボディ２には断面円形の導
入孔３が形成され、その導入孔３の一端にはダイアフラ
ム４がボディ２と一体に形成されている。ダイアフラム
４は、導入孔３へ導入された流体の圧力によってたわむ
ようになっている。

【００１７】また、ボディ２には、凹部５がダイアフラ
ム４の周囲に形成されており、その凹部５内には位置決
めリング６が収容されている。位置決めリング６には、
その中心方向に向かって位置決め部７，８が突出形成さ
れており、その位置決め部７，８の先端はそれぞれダイ
アフラム４の周辺部上面に配置されている。

【００１８】また、圧力センサ１には、センサチップ９
が設けられている。センサチップ９は流体の圧力による
ダイアフラム４のたわみによる応力を検出し、その検出
結果を出力するようになっている。

【００１９】センサチップ９はシリコン基板よりなり、
長方形板状に形成されている。センサチップ９の長手方
向両端は位置決め部７，８の先端部分と重なるように配
置され、その位置決め部７，８によってセンサチップ９
の中心がダイアフラム４の中心と一致するように配置さ
れるようになっている。また、ダイアフラム４の上面
（図２において上面であって、図１において左側）に
は、凸部４ａが形成されている。ダイアフラム４がたわ
むと、そのたわみによる応力は凸部４ａによってセンサ
チップ９の中央部にのみ加わるようになっている。

【００２０】図２に示すように、センサチップ９上面に
は薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４が形成されている。薄膜歪
みゲージＲ１〜Ｒ４にはセンサチップ９のたわみによっ
て張力又は圧縮力が加わり、その張力又は圧縮力によっ
て抵抗値が変化するようになっている。そして、薄膜歪
みゲージＲ１，Ｒ２は主に張力によってそれらの抵抗値
が大きく変化するように形成され、薄膜歪みゲージＲ
３，Ｒ４は主に圧縮力によってそれらの抵抗値が大きく
変化するように形成されている。

【００２１】また、センサチップ９上面にはパッド１０
ａ〜１０ｆが形成されている。パッド１０ａ，１０ｃ間
には薄膜歪みゲージＲ１，Ｒ３がパッド１０ｂを介して
直列に接続され、パッド１０ｄ，１０ｆ間には薄膜歪み
ゲージＲ２，Ｒ４がパッド１０ｅを介して直列に接続さ
れている。

【００２２】また、圧力センサ１にはインシュレータ１
１が設けられている。インシュレータ１１は例えばＰＢ
Ｔ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂製であっ
て、略円筒状に形成されていて、ボディ２の凹部５に挿
入されている。そして、インシュレータ１１は、位置決
めリング６と共にボディ２に接着されている。

【００２３】インシュレータ１１には、板バネ１２，１
３が設けられている。板バネ１２，１３は、例えばステ
ンレス製であって略Ｌ字状に屈曲形成されている。板バ
ネ１２，１３の一端はそれぞれインシュレータ１１に固
着され、他端はそれぞれセンサチップ９の両端上面に押
圧されている。センサチップ９は、その両端に加わる板
バネ１２，１３の押圧力によってダイアフラム４に対し
て押圧保持されている。

【００２４】そして、流体の圧力Ｐによってダイアフラ
ム４がたわむと、そのたわみによる応力は凸部４ａによ
ってセンサチップ９の中央部に伝達される。このとき、
センサチップ９の両端には、板バネ１２，１３が押圧さ
れている。従って、センサチップ９は、図４（ａ）に示
すように、板バネ１２，１３が押圧された両端を支点と
する梁と同様にたわむ。すると、センサチップ９には、
図４（ｂ）に示すように、上面全体に両端へ引っ張る張
力が発生する。そして、センサチップ９上面に形成され
た薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４は、発生する張力によって
それらの抵抗値が変化する。ところで、薄膜歪みゲージ
Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は主に張力によって変化するように
形成され、薄膜歪みゲージＲ３，Ｒ４の抵抗値は主に圧
縮力によって変化するように形成されている。従って、
薄膜歪みゲージＲ１，Ｒ２の抵抗値は張力、即ち、流体
の圧力に応じて変化し、薄膜歪みゲージＲ３，Ｒ４の抵
抗値はほとんど変化しないようになっている。

【００２５】図５は、流体の圧力Ｐが加わった時のセン
サチップ９の長手方向における応力によるセンサチップ
９の歪み量を示す特性図である。流体の圧力Ｐが加わっ
た時、センサチップ９の歪み量は、中央部で最も大き
く、両端に行く従って緩やかに減少する。従って、セン
サチップ９の位置がずれたとしても、センサチップ９の
歪み量はあまり変化しない。

【００２６】例えば、センサチップ９の位置がずれる
と、センサチップ９の中心から距離ａ離れた位置に形成
された歪みゲージＲ１は距離Δａだけ位置がずれる。こ
のとき、歪みゲージＲ１の抵抗値の変化は、距離Δａに
対応してΔＲだけ位置ずれによって変化する。この変化
量ΔＲは、図９に示す従来の圧力センサ５０の変化量Δ
Ｒに比べて少なくなる。そのため、薄膜歪みゲージＲ
１，Ｒ２の抵抗値は、センサチップ９の位置ずれによる
変化量が従来に比べて少なくなるので、センサチップ９
からの出力電圧の変化は少なくなる。

【００２７】また、インシュレータ１１には、端子１４
ａ〜１４ｆが設けられている。各端子１４ａ〜１４ｆ
は、センサチップ９上面に形成されたパッド１０ａ〜１
０ｆと、それぞれワイヤ１５ａ〜１５ｆを介して電気的
に接続されている。

【００２８】図３に示すように、端子１４ａ〜１４ｆに
は基板１６が接続されている。基板１６には種々の電子
部品が搭載されて増幅回路部１７が構成されている。増
幅回路部１７は、増幅回路部１７はコネクタ部１８に設
けられた外部端子１９から供給される駆動電源に基づい
て動作し、センサチップ９から出力される出力電圧を増
幅し、外部端子１９を介して外部へ出力するようになっ
ている。

【００２９】次に、上記のように構成された圧力センサ
１の作用を説明する。圧力センサ１のダイアフラム４
は、導入孔３から導入された流体の圧力Ｐに応じてたわ
む。センサチップ９の中央部にはダイアフラム４のたわ
みによる応力が凸部４ａを介して伝達される。そして、
センサチップ９は、板バネ１２，１３が押圧された両端
を支点としてたわむ。すると、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ
４にはたわみによる張力が加えられ、その張力に応じて
それらの抵抗値が変化する。抵抗値が変化した薄膜歪み
ゲージＲ１〜Ｒ４は、増幅回路部から供給される駆動電
源をそれら薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値による分
圧抵抗による分圧電圧を生成し、その分圧電圧をワイヤ
１５ｂ，１５ｅ及び端子１４ｂ，１４ｅを介して出力電
圧として増幅回路部１７へ出力する。増幅回路部１７
は、入力した出力電圧を増幅し、外部端子１９を介して
外部へ出力する。

【００３０】ところで、センサチップ９の位置がずれて
いると、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４には、センサチップ
９のずれ（歪み量）に応じた張力が加えられ、それらの
抵抗値はその張力に応じた値となる。そして、センサチ
ップ９の歪み量は、ダイアフラム４の中心からなだらか
に変化し、その変化量は従来に比べて少なくなってい
る。従って、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値の変化
も従来に比べて少なくなり、その抵抗値の変化による分
圧電圧の変化は、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の配置によ
って補正できる範囲となる。

【００３１】上記したように、本実施例の圧力センサ１
によれば、センサチップ９をインシュレータ１１に取着
した板バネ１２，１３の弾性力によってダイアフラム４
に対して押圧保持するようにした。その結果、位置ずれ
に対するセンサチップ９の歪み量の変化を少なくするこ
とができ、薄膜歪みゲージＲ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を
従来に比べて少なくすることができるので、出力電圧の
変動を押さえることができる。

【００３２】尚、本発明は以下のように変更してもよ
く、その場合にも同様の作用及び効果が得られる。 １）上記実施例では、弾性体として板バネ１２，１３を
用いて実施したが、コイルスプリング等のバネを用いて
実施してもよい。また、バネ以外に、エアークッショ
ン、ゴム等を用いて実施してもよい。

【００３３】２）上記実施例では、ステンレス製の板バ
ネ１２，１３を用いたが、ベリリウム銅等の他の材質を
用いて実施してもよい。 ３）上記実施例では、センサチップ９の上面に薄膜歪み
ゲージＲ１〜Ｒ４を形成したが、拡散歪みゲージを形成
して実施してもよい。

【００３４】以上、この発明の各実施例について説明し
たが、各実施例から把握できる請求項以外の技術思想に
ついて、以下にそれらの効果とともに記載する。 イ）請求項３に記載の圧力センサにおいて、前記弾性体
は板バネ１２，１３である。この構成によると、センサ
チップ９を容易に押圧保持することが可能となる。

【００３５】ロ）請求項１〜３、上記イ）に記載の圧力
センサにおいて、センサチップ９からの検出信号を増幅
する増幅回路部１７が備えられている。この構成による
と、センサチップ９からの検出信号を容易に増幅し出力
することが可能となる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、歪
みゲージの位置ずれに対する出力の変動を抑えることが
可能な圧力センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施例の圧力センサの断面図。

【図２】 一実施例の圧力センサの平面図。

【図３】 一実施例の圧力センサ全体を示す断面図。

【図４】 (a) は圧力を受けたときのセンサチップの概
略図、(b) は(a) のセンサチップに加わる応力を示す説
明図。

【図５】 一実施例の圧力センサの特性図。

【図６】 (a) は従来の圧力センサの平面図、(b) は
(a) の断面図。

【図７】 センサチップの回路図。

【図８】 (a) は圧力を受けたときの従来のセンサチッ
プの概略図、(b) は(a) のセンサチップに加わる応力を
示す説明図。

【図９】 従来の圧力センサの特性図。

【符号の説明】

２…ボディ、４…ダイアフラム、６…位置決めリング、
７，８…位置決め部、９…センサチップ、１１…押圧部
材としてのインシュレータ、１２，１３…押圧部材，弾
性体としての板バネ、１７…増幅回路部、Ｒ１〜Ｒ４…
圧電変換素子としての薄膜歪みゲージ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボディ（２）に形成され、流体の圧力に
   よってたわむダイアフラム（４）と、 その上面に圧電変換素子（Ｒ１〜Ｒ４）が形成され、ダ
   イアフラム（４）のたわみによる応力を検出した検出信
   号を出力するセンサチップ（９）と、 前記センサチップ（９）両端を前記ダイアフラムに対し
   て押圧保持する押圧部材（１１〜１３）とを備えた圧力
   センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧力センサにおいて、 前記ボディ（２）には、前記ダイアフラム（３）に対す
   る前記センサチップ（９）の位置を決定するための位置
   決め部（７，８）が形成された位置決めリング（６）を
   備えた圧力センサ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の圧力センサにお
   いて、 前記押圧部材は、 前記ボディ（２）に固着されたインシュレータ（１１）
   と、 前記インシュレータ（１１）に取着され、前記センサチ
   ップ（９）を押圧保持する弾性体（１２，１３）とから
   構成された圧力センサ。