JPH1038725A

JPH1038725A - 感圧素子およびその製造方法ならびに圧力センサ

Info

Publication number: JPH1038725A
Application number: JP8196074A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Maehara; 謙作前原; Harumi Tanaka; 治美田中; Tomio Kato; 臣男加藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】感圧素子を挟持する２個のホルダの各々の挟
持面がずれたとしても、ノイズ成分による感圧素子の出
力のばらつきが抑えられる圧力センサを提供する。【解決手段】周縁部が平面形状で中心部が半球面形状
の圧電素子２、３を挟持面が平面形状のホルダ１２、１
３および１４、１５で挟持し、これらを該圧電素子の両
面が同一方向を向くように、かつ同一方向の面が同一の
分極極性になるようにして中ケース１７内に配置して圧
力検出部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小な圧力変動ま
で検出でき、振動等によるノイズに対する信号の比（以
下Ｓ／Ｎ比と称する。）が高い、圧電素子等の感圧素子
およびその製造方法ならびにこれを使用した圧力センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】フルイディック流量計やカルマン渦流量
計などにおいて、流量に比例した周波数で発振する流量
振動を検出する手段として圧力センサが用いられている
（例えば、特開昭６０−１８７８１４号公報、特開昭５
７−５４８０９号公報参照）。流量は、圧力センサでこ
の流体振動による圧力変化を検出し、それを処理してパ
ルスとし、その周波数から求めることができる。

【０００３】上記流量計の気体計測での圧力変化は１５
０ｌ／ｈｒの流量に対して、およそ４．８μｍＨ₂Ｏ
_0-P（４７ｍＰａ_0-P）と非常に小さく、一般の圧力セ
ンサでは測定は困難である。また、微小な圧力を測定で
きるセンサの素材として圧電素子が知られているが（特
開昭５７−５４８０９号公報参照）、この圧電素子を使
用した圧力センサでもこれまではノイズ成分の補正方法
が十分でないために、Ｓ／Ｎ比が低く、高精度な測定が
困難となっていた。

【０００４】このような問題点に対し、２個の圧電素子
を並置して、２個の入口孔から流体圧力導入経路を介し
て各圧電素子の各面にそれぞれ圧力を伝搬させ、該圧力
を各圧電素子で逆相にて同時に検出するようにし、さら
に圧電素子の周縁部を挟持するホルダの挟持面を傾斜面
に成形して、圧電素子を半球面形状に保持した圧力セン
サが提案されている（特開平５−１６４６３８号公
報）。この提案により、振動によるノイズは勿論のこ
と、温度変動や流体全体に伝搬される雑音などのノイズ
を２個の圧電素子により相殺でき、かつ微弱な圧力変化
まで検出できるＳ／Ｎ比の高い高感度な圧力センサ、お
よびその圧力センサを用いた高精度な気体流量計が得ら
れた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような挟
持面を傾斜面に成形した２個のホルダで圧電素子を挟持
する方法では、圧力センサを製作する際に一方のホルダ
の挟持面と他方のホルダの挟持面とをずれることなく正
確に合致させなくては、圧電素子をホルダで挟持するご
とに異なる変形が生じるため、ノイズ成分による圧電素
子の出力値にばらつきが生じて、結果的に２個の圧電素
子によるノイズの相殺が不十分になりやすかった。その
ためにこの圧電素子の出力のばらつきを抑えようとすれ
ば、２個のホルダの挟持面を正確に合致させるための工
程が必要となるので、圧力センサの製作コストが高くな
ってしまう。

【０００６】また一方のホルダの挟持面の傾斜面と他方
のホルダの挟持面の傾斜面との角度を正確に合致するよ
うに製作することも難しく、さらに一方のホルダと他方
のホルダとの形が違うために、２種類のホルダが必要と
なり、圧力センサの部品コストが高くなる欠点がある。
上記課題は、圧電素子に限らず面形状の感圧部位を有す
る感圧素子に共通の課題である。

【０００７】ここで本発明の目的は、感圧素子を挟持す
る２個のホルダの各々の挟持面がずれたとしても、ノイ
ズ成分による感圧素子の出力のばらつきが発生しにくい
感圧素子と、２個のホルダの挟持面を正確に合致させる
ための工程を必要とせず、またホルダの挟持面を傾斜面
に成形する必要もなく、さらに１種類のホルダしか必要
としないため部品コストも低減することができる圧力セ
ンサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、周縁部
が略平面で中心部が曲面である形状を有する感圧素子が
提供される。

【０００９】本発明の好ましい態様によれば、前記感圧
素子は、圧電膜の両面に電極が形成されてなるものであ
る感圧素子が提供される。

【００１０】本発明の別の態様によれば、感圧素子の周
縁部が２個のホルダに挟持されてなる圧力検出部と、前
記圧力検出部へ流体の圧力を導入する２個の入口孔が設
けられ、一方の入口孔が第１の流体圧力導入経路を介し
て前記圧力検出部の感圧素子の第１の面に連通され、他
方の入口孔が第２の流体圧力導入経路を介して前記圧力
検出部の感圧素子の第２の面に連通される圧力センサで
あって、前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心部が曲
面である形状を有するものであり、前記圧ホルダの挟持
面が略平面形状である圧力センサが提供される。

【００１１】本発明の更に別の態様によれば、感圧素子
の周縁部が２個のホルダで挟持されてなる第１および第
２の圧力検出部を備え、該圧力検出部へ流体の圧力を導
入する２個の入口孔が設けられ、一方の入口孔が第１の
流体圧力導入経路を介して第１の圧力検出部の感圧素子
の第１の面に連通されるとともに、第２の流体圧力導入
経路を介して第２の圧力検出部の感圧素子の、第１の圧
力検出部の感圧素子の第１の面とは極性が異なる第２の
面に連通され、他方の入口孔が第３の流体圧力導入経路
を介して第２の圧力検出部の感圧素子の第１の面に連通
されるとともに、第４の流体圧力導入経路を介して第１
の圧力検出部の感圧素子の第２の面に連通される圧力セ
ンサであって、前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心
部が曲面である形状を有するものであり、前記圧ホルダ
の挟持面が略平面の形状を有するものである圧力センサ
が提供される。

【００１２】本発明の別の態様によれば、感圧素子の周
縁部が２個のホルダで挟持されてなる第１および第２の
圧力検出部を備え、該圧力検出部へ流体の圧力を導入す
る２個の入口孔が設けられ、一方の入口孔が第１の流体
圧力導入経路を介して第１の圧力検出部の感圧素子の第
１の面に連通され、他方の入口孔が第２および第３の流
体圧力導入経路を介して第２の圧力検出部の感圧素子の
第１の面に連通されるとともに、第４の流体圧力導入経
路を介して第１の圧力検出部の感圧素子の第２の面に連
通される圧力センサであって、前記感圧素子は、周縁部
が略平面で中心部が曲面である形状を有するものであ
り、前記圧ホルダの挟持面が略平面の形状を有するもの
である圧力センサが提供される。

【００１３】本発明の好ましい態様によれば、前記感圧
素子は、圧電膜の両面に電極が形成されてなるものであ
る圧力センサが提供される。

【００１４】本発明の更に好ましい態様によれば、圧電
膜がフッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの高分子共重
合体である感圧素子が提供される。

【００１５】本発明の好ましい態様によれば、圧電膜が
フッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの高分子共重合体
である圧力センサが提供される。

【００１６】本発明の好ましい態様によれば、前記感圧
素子は、周縁部が略平面で中心部が略半球面である形状
を有するものである感圧素子が提供される。

【００１７】本発明の好ましい態様によれば、前記感圧
素子は、周縁部が略平面で中心部が略半球面である形状
を有するものである圧力センサが提供される。

【００１８】本発明の好ましい態様によれば、前記感圧
素子は、周縁部が幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の略
平面で、中心部が曲率半径２０ｍｍから５０ｍｍの範囲
の略半球面である形状を有するものである感圧素子が提
供される。

【００１９】本発明の好ましい態様によれば、前記感圧
素子は、周縁部が幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の略
平面で、中心部が曲率半径２０ｍｍから５０ｍｍの範囲
の略半球面である形状を有するものである圧力センサが
提供される。

【００２０】また、本発明の別の態様によれば、感圧素
子の製造において、周縁部が略平面で中心部が曲面であ
る形状を有する第１の型と周縁部が略平面で中心部が前
記曲面に対応した曲面である形状を有する第２の型との
間に平板状の感圧素子材を挟み加圧成形する感圧素子の
製造方法が提供される。

【００２１】また、本発明の別の態様によれば、感圧素
子の製造において、周縁部が略平面で中心部が曲面であ
る形状を有する第１の型と周縁部が略平面で中心部が前
記曲面に対応した曲面である形状を有する第２の型との
間に平板状の感圧素子材と弾性体とを挟み加圧成形する
感圧素子の製造方法が提供される。

【００２２】さらに、加熱成形しても良い。

【００２３】本発明の好ましい態様によれば、弾性体が
シリコーンゴムである感圧素子の製造方法が提供され
る。

【００２４】本発明の好ましい態様によれば、感圧素子
は、圧電膜の両面に電極を形成したものである感圧素子
の製造方法が提供される。

【００２５】本発明による圧力センサによれば、製作時
に圧電素子を挟持する２個のホルダの各々の挟持面がず
れたとしても、圧電素子に変形が生じず、ノイズ成分に
よる圧電素子の出力のばらつきが抑えられるので、２個
のホルダの挟持面を正確に合致させるための工程を必要
としない。またホルダの挟持面を傾斜面に成形する必要
がなく、さらに１種類のホルダしか必要としないので部
品コストも低減することができる。

【００２６】本発明において、略平面とは、実用上平面
とみなせる範囲で平坦な形状を指す。たとえば、感圧素
子がホルダにより保持される場合には、その略平面に含
まれる方向の感圧素子の位置ずれによる変形が感圧素子
としての利用に際して無視できる程度である場合におけ
る感圧素子やホルダの挟持部位の形状などがこれに該当
する。

【００２７】本発明において、略半球面とは、周辺部か
ら中心部にむかって単調に凹または凸の形状をさし、各
部の曲率半径が大略同一となる球面の一部や楕円面等の
一部などが含まれる。

【００２８】本発明において、曲面とは、略平面以外の
すべての面を指す。また、ある曲面に対応する曲面と
は、凸面に大略重ね合せられる凹面のようにある曲面に
対して相補的な面を指す。

【００２９】本発明において、感圧素子としては、圧力
に対応して表面に発生する電位が変化する圧電素子のほ
か、圧力に対応して表面の電気回路の容量が変化するコ
ンデンサマイクロフォン型素子など、圧力に対応する信
号が取り出しうる表面部位を有するあらゆる素子を用い
ることができる。この中で、最も感度が高く、表面形状
の加工が容易な圧電素子が好ましい。

【００３０】

【発明の実施形態】次に本発明の実施態様例を感圧素子
として圧電素子を用いた場合を例にとり、図面を参照し
ながら説明する。

【００３１】図１は本発明の圧力センサの一実施態様
を、図２はこの圧力センサの分解斜視図を示している。

【００３２】圧電素子２、３は２個一対のホルダ１２、
１３および１４、１５でそれらの周縁部が両面から挟持
されている。圧電素子２、３は図３に拡大して示すよう
に、圧電材料からなる膜状の圧電体の両面に金属の電極
層を形成して構成されている。

【００３３】圧電体の材料としては種々の圧電材料が使
用可能であるが、本実施態様では高分子圧電体のひとつ
であるフッ化ビニリデンと３フッ化エチレンの共重合体
を使用している。これ以外にもポリフッ化ビニリデン、
フッ化ビニリデンと４フッ化エチレンの共重合体、ポリ
尿素、奇数ナイロンなどの強誘電性高分子や高分子圧電
体とセラミック圧電体との複合圧電体も使用できる。圧
電体の厚さは薄いほど後述する流体圧力による変形が容
易となり出力が大きくなるが、あまり薄すぎると成形
性、形状維持性、取り扱い易さが悪くなるので、１３〜
２０μｍぐらいが好ましく本実施態様では１７μｍとし
た。

【００３４】電極層は、本実施態様では耐腐食性の良い
クロム／金を蒸着により形成している。これ以外にもア
ルミニウム、クロム、銅、金、ニッケルなどを蒸着、ス
パッタリング、メッキなどの手法により形成してもよ
い。

【００３５】また圧電素子２、３は周縁部が略平面で中
心部が略半球面である形状に成形されている。この圧電
素子の製造方法は図４、５に示すように、下から順に
周縁部が略平面で中心部が凹型の略半球面である形状の
型４９、圧電素子２（３）、弾性体５１、周縁部が略平
面で中心部が凸型の略半球面の形状である型５０を重
ね、その上に重り５２を乗せて荷重をかけるか、上下を
万力５３で挟むなどして、圧電素子に型に合った形をつ
けた状態で加熱成形することにより製造する。ただし圧
電素子２（３）は同じ分極極性の面が同じ形状がつくよ
うに挟むようにする。なお圧電素子２（３）と弾性体５
１の順番は入れ替わってもよい。また弾性体５１を挟ま
なくとも圧電素子の成形は可能であるが、その場合には
型４９と型５０とが精度よく加工されていなければ、型
４９と型５０とを合わせた状態で周縁部あるいは中心部
のどちらかに隙間ができてしまい圧電膜全体を均一な圧
力で挟めなくなる。したがって弾性体５１を挟んで成形
するほうが好ましい。本実施態様では直径１０．５ｍｍ
の円板状の圧電素子を、周縁の平面形状部が幅１ｍｍ
（外径１０．５ｍｍ、内径８．５ｍｍ）で中心の半球面
形状部が曲率半径約３０ｍｍの凹型と凸型の型、厚さ１
ｍｍのシリコーンゴムの弾性体で挟んで製造している。
なお型の周縁の平面形状部の幅は、後述するホルダの挟
持面の幅よりも広くするのが好ましい。

【００３６】ホルダ１２、１３および１４、１５は圧電
素子を挟持する挟持面が略平面に形成されている。本実
施態様ではホルダの挟持面の幅は０．７５ｍｍ（外径１
０．５ｍｍ、内径９ｍｍ）であり、材質は圧電素子とほ
ぼ同じ熱膨張率と導電率が好ましいので、エンジニアリ
ングプラスチックのフィラー入りのＰＢＴ（ポリブチレ
ンテレフタレート）で形成している。さらにホルダの表
面全体に耐腐食性の良いクロム／金を蒸着することによ
って導電性を持たせるように構成されている。もちろん
ホルダの材質、金属、形成方法はこれに限定されない。

【００３７】各ホルダに挟持された圧電素子２、３は、
中ケース１７内に両面が同一の方向を向くように並設さ
れ、かつ同一方向の面が同一の分極極性になるように配
置されて圧力検出部を形成している。圧電素子２、３の
下側のホルダ１２、１４は中底板１６に支持され、該支
持面に施されたニッケルメッキにより電気的に接続され
ている。

【００３８】中底板１６、中ケース１７および中蓋３３
はエンジニアリングプラスチックのＰＢＴで形成され、
３本の長ねじ２７、２８、２９でアルミニウム製の外ケ
ース３４に固定されている。

【００３９】回路基板３５は中底板１６、中ケース１７
および中蓋３３と共に、１本の長ねじ３０で外ケース４
１に固定されている。

【００４０】回路基板３５には、信号処理回路３６及び
該信号処理回路の電源入力端子と出力端子用のコネクタ
３７が組み込まれている。

【００４１】圧電素子２、３の上側のホルダ１３、１５
は電極板２３、２４を介してばね２１、２２によって押
さえられている。すなわち、ばね２１、２２によって圧
電素子２、３がホルダ１２、１３および１４、１５の間
にそれぞれ圧接挟持されている。

【００４２】外ケースには２個の入口孔３９、４０から
中底板１６への２本のそれぞれの流体圧力導入経路と、
流体圧力導入経路を分離し機密を保つための変形Ｏリン
グ用溝とが形成され、Ｏリング１８を中底板１６との間
に挟持する。

【００４３】中底板１６には第１の流体圧力導入経路４
２と第２の流体圧力導入経路４５および第３の流体圧力
導入経路４４と第４の流体圧力導入経路４３とこれらの
流体圧力導入経路を分離し、機密を保つための変形Ｏリ
ング用溝とが形成され、Ｏリング１９を中ケース１７と
の間に挟持する。

【００４４】中ケース１７には圧電素子２、３とこれを
挟時するホルダ１２、１３および１４、１５を収納する
２個の孔と第２の流体圧力導入経路４５と第４の流体圧
力導入経路４３、角ナット２５、２６と電極板２３、２
４を収納する２個の溝およびこれらの流体圧力導入経路
を分離し、機密を保つための変形Ｏリング用溝が形成さ
れ、Ｏリング２０を中蓋３３との間に挟持する。

【００４５】中蓋３３には、回路基板３５との間にＯリ
ング４８、４９を挟持するためのＯリング用溝が形成さ
れており、中蓋３３と回路基板３５は、Ｏリング４８、
４９、電極板２３、２４を介して、リードねじ２３、２
４で角ナット２５，２６を締めることにより連結され、
Ｏリング４８，４９を挟持する。

【００４６】外蓋３８には入出力ピン３９、４０、４１
が取り付けられており、外蓋３８を外ケース３４へかぶ
せることにより、コネクタ３７と接続される。また外蓋
３８と外ケース３４は電気的良導体である金属でできて
おり、圧電素子２、３、信号処理回路３６が商用電源な
どの電磁誘導ノイズを受けないようにするためのシール
ドを兼ねている。信号処理回路３６の電源のマイナス電
極（０Ｖ）と外ケース３４とは１個の長ねじ３０を介し
て電気的に接続されている。

【００４７】入口孔４３は、外ケース３４の流体圧力導
入経路が中底板１６で分岐されたのち、第１の流体圧力
導入経路４５を介して圧電素子２の第１の面に連通する
とともに、中ケース１７、中蓋３３の第２の流体圧力導
入経路４８を介して圧電素子３の、前記第１の面と分極
極性の異なる第２の面に連通している。

【００４８】入口孔４４は、外ケース３４の流体圧力導
入経路が中底板１６で分岐されたのち、第３の流体圧力
導入経路４６を介して圧電素子３の第１の面に連通する
とともに、中ケース１７、中蓋３３の第４の流体圧力導
入経路４７を介して圧電素子２の、前記第１の面と分極
極性の異なる第２の面に連通している。

【００４９】圧電素子２、３からの出力は、電極板２
３、２４、リードねじ３１、３２を介して電気的信号処
理回路５へ入力され、増幅回路、比較回路を経て、最終
的にパルス波のセンサ出力として取り出される。

【００５０】次に回路基板３５上に組み込まれる電気的
信号処理回路３６を図６および図７を参照して説明す
る。

【００５１】圧電素子２、３の接続方法は直列と並列と
がありそれぞれ図６、図７のようになる。この回路構成
についての違いは圧電素子２、３の接続方法の違いのみ
であるので説明は図６のみで行う。

【００５２】電池電源６９は３Ｖリチウム電池で、ＶDD
端子３９にはその＋極側を、ＶSS端子４０にはその−極
側を接続する。電池電源６９の＋極側はＶDD端子３９か
ら電源保護回路７１を経て定電圧回路６８に接続され
る。そして増幅回路部７０、電圧比較器７２、中点電源
I ７３、中点電源II７４の＋電源として定電圧回路６８
の出力を供給している。一方レベル変換器７５の＋電源
へは電源保護回路７１の出力を供給し、外部からの供給
電圧とほぼ同じ電圧である。中点電源I ７３の出力は増
幅回路部７０の中間電位の極として、また中点電源II７
４の出力は電圧比較器７２の中間電位の極として使用さ
れる。

【００５３】圧電素子２、３と信号処理回路の増幅回路
部とを平衡型増幅回路に構成した回路を図８中（ａ）、
（ｂ）に示す。

【００５４】増幅回路部７０の増幅器そのものは対電源
電圧特性が低くその小さい変動で誤動作するのが、この
信号処理方法の採用と電源電圧変動の変動分をカット
（吸収）する定電圧回路６８を備える回路とを併用する
構成にして、電源電圧の小さい変動によっては誤動作し
ないようにした。

【００５５】本実施態様の圧力センサ１においては、増
幅回路部７０からの出力は、ヒステリシスをもつ電圧比
較器７２に送られ、パルス信号に処理され、それがレベ
ル変換器７５を通して出力端子４１から出力される。

【００５６】この電圧比較器７２では図９に示すような
入出力波形となり、図１０に示すようなヒステリシス特
性を有するが、この幅が圧力センサの感度である。

【００５７】スレッシュホルドレベルＳＨ１、ＳＨ２が
あるので、該レベル以下のノイズ成分は完全に除去でき
る。また入力が一方のスレッシユホルドレベルＳＨ１に
到達するとスレッシュホルドレベルが他方のレベルＳＨ
２に変化するため、オーバドライブ量が瞬間的に増え
る。これによって出力の立ち上がりが速くなる。したが
って多少のノイズが重畳していても正確に安定したパル
スが得られる。

【００５８】なお、このレベル変換器７５が高速で駆動
するために生じる電源の変動は定電圧回路６８と図８の
平衡型増幅回路で除去さる。

【００５９】またこのヒステリシス幅（スレッシュホル
ドレベル）は電圧比較器７２に使われる素子（抵抗値）
と出力振幅とによって定まり、それはまたその電源電圧
に対応するものである。したがって本実施態様のように
定電圧回路６８を使用することにより供給される電源電
圧が一定に保たれると、このヒステリシス幅も一定とな
り、電気的信号処理回路３６全体の感度が一定となり安
定し、信頼性がさらに向上する。

【００６０】本実施態様では、１個の電池電源６９の電
位が分割され、その中間電位が圧電素子からの信号処理
に供される。この中間電位をつくる中点電源を、増幅回
路部７０と電圧比較器７２との間のアイソレーションを
高めるため２回路設けている。中点電源Ｉ７３は増幅回
路部７０用に、中点電源II７４は電圧比較器７２用に使
われている。このようにすることにより１個の電池で済
み、電源を収容するスペースが小さくてよいので、結
局、圧力センサを取り付けた流量計全体の小型化をはか
ることができる。

【００６１】なお、上記態様では、上述のとおり、入口
孔４３は、外ケース３４の流体圧力導入経路が中底板１
６で分岐されたのち、第１の流体圧力導入経路４５を介
して圧電素子２の第１の面に連通するとともに、中ケー
ス１７、中蓋３３の第２の流体圧力導入経路４８を介し
て圧電素子３の、前記第１の面と分極極性の異なる第２
の面に連通しており、一方、入口孔４４は、外ケース３
４の流体圧力導入経路が中底板１６で分岐されたのち、
第３の流体圧力導入経路４６を介して圧電素子３の第１
の面に連通するとともに、中ケース１７、中蓋３３の第
４の流体圧力導入経路４７を介して圧電素子２の、前記
第１の面と分極極性の異なる第２の面に連通している。
これとほぼ等価な効果を奏する別の態様として、次のよ
うな連通関係を有するものも同様に使用できる。すなわ
ち、一方の入口孔が第１の流体圧力導入経路を介して一
方の圧力検出部の圧電素子の第１の面に連通し、一方、
他方の入口孔が、外ケースの流体圧力導入経路が中底板
等で分岐されたのち、第２および第３の流体圧力導入経
路を介して他方の圧力検出部の圧力素子の第１および第
２の面に連通し、中ケース、中蓋等の第４の流体圧力導
入経路を介して前記一方の圧電素子の、第２の面に連通
している態様である。この場合、必ずしも第２および第
３の流体圧力導入経路が明確に２個の経路として独立し
ていることは必ずしも必要ではないが、センサとしての
同相除去性能を高めるためにはこれらが独立の経路を形
成し、上記２組の圧力検出部の間の特性が対称となるよ
うにするのが好ましい。また、上記第１の実施態様のよ
うに、両圧力検出部の感圧素子の極性（第１の面と第２
の面とに印加されている圧力が同一の場合に対する、第
１の面の圧力が第２の面の圧力よりも高いときに発生す
る電位差、電流、容量等の特性の変化の方向）の同じ面
を実質的に同じ向きに向くように構成しておくと、震動
等に起因する雑音の発生が両検出部で同一になりやす
く、したがって、同相除去性能を高めることができるた
め、好ましい。

【００６２】なお、上記第１の実施態様および第２の実
施態様にあっても、同一の入口孔を感圧素子の各面に連
通させる流体圧力導入経路は必ずしも互いに独立してい
る必要はない。上記のような震動の問題を重視しない場
合には、両圧力検出部の感圧センサの極性を反対にすれ
ば、第１および第２の圧力導入経路を一体化し、第３お
よび第４の圧力導入経路を一体化することも可能であ
る。

【００６３】上記のように構成された圧力センサ１の作
用を、この圧力センサ１をフルイディック流量計に用い
た場合の構成および作用とともに以下に説明する。

【００６４】図１１は圧力センサ１をフルイディック流
量計に適用した場合の構成を示している。

【００６５】流量計素子部５４を矢印の方向に測定対象
気体が流通される。流路縮小部５５の先端の噴出ノズル
５６から流速の増大された噴流が噴出される。

【００６６】噴流の主流はコアンダ効果により、流路拡
大部５７を構成する一対の隔壁５８、５９のいずれか一
方の壁面に沿って流れるが、該壁面流は反射翼６３に沿
って方向転換されて制御ノズル６０（又は６１）から上
記噴出ノズル５６からの噴流に直交するように指向さ
れ、噴出ノズル５６からの噴流がもう一方の隔壁に沿っ
て流れるように力が作用する。これが繰り返されるため
気体は隔壁５８、５９に対し交互に沿うように流れ、こ
の流動変化に対応して流量計素子部５４内に圧力変化が
生じる。

【００６７】上記流動変化の周波数は気体流量に比例し
ているので、圧力変化の周波数を検出することにより流
量を測定できる。なお、図１１における６２は、噴流を
いずれか一方の隔壁に効率よく振り分けるためのターゲ
ット、６４は流れを誘導するための誘導板である。

【００６８】上記のような流量計素子部５４内に、内圧
取出口６５、６６が設けられ、内圧取出口６５、６６が
ガスケット６７（耐薬品性のあるゴムが好ましい）を介
して圧力センサ１の入口孔４３、４４にそれぞれ接続さ
れる。

【００６９】流量計素子部５４の内部で流れが内圧取出
口６５側に切り替わったとき、内圧取出口６５近傍の流
体圧力は内圧取出口６６近傍よりも低くなり、逆に流れ
が内圧取出口６６側に切り替わると、内圧取出口６６近
傍の流体圧力の方が低くなる。この内圧取出口６５にお
ける圧力（Ｐ１）が、ガスケット６７、入口孔４３、第
１の流体圧力導入経路４５および第２の流体圧力導入経
路４８を介して、圧電素子２の第１の面と圧電素子３の
第２の面に導入され、内圧取出口６６における圧力（Ｐ
２）が、ガスケット６７、入口孔４４、第３の流体圧力
導入経路４６および第４の流体圧力導入経路４７を介し
て、圧電素子２の第２の面と圧電素子３の第１の面に導
入される。両圧電素子２、３にはＰ１とＰ２の圧力が加
わり、その圧力差による圧電素子の変形によって分極量
が変化し、それによって圧電体自身の両面に電位差が生
じる。両圧電素子２、３の出力の和が電気回路に送ら
れ、処理されて圧力検出信号として取り出される。

【００７０】上記検出においては、圧電素子２、３の両
面に流体圧力が導入され、その差圧が各圧電素子２、３
で検出される方式であるので、流体全体に生じた圧力変
動および温度変動による同相ノイズ成分は、それらが圧
電素子２、３の両面に同時に加わることからこれらのノ
イズ成分によって圧電素子２、３は同一の変形をして、
これらのノイズ成分は２個の圧電素子２、３内部で自動
的に消去されることになる。そして、上記ノイズの消去
された測定対象圧力の検出出力は、両圧電素子２、３か
らの出力の和として取り出されるので高感度で取り出さ
れ、極めて高精度な検出が可能となる。

【００７１】ところで、従来は図１２で示すように挟持
面を傾斜面に成形した２個のホルダで圧電素子を挟持し
ていたため、圧力センサを製作する際に一方のホルダの
挟持面と他方のホルダの挟持面とがずれることなく正確
に合致させなくては、圧電素子をホルダで挟持するごと
に異なる変形が生じるため、ノイズ成分による圧電素子
の出力値にばらつきが生じ、結果的に２個の圧電素子に
よるノイズの相殺が不十分になっている。

【００７２】しかし、本実施態様では圧電素子２、３の
周縁部が平面形状で中心部が半球面形状であり、該圧電
素子２、３をそれぞれ挟持するホルダ１２、１３および
１４、１５の挟持面が平面形状であることから、図１３
で示すように圧電素子を挟持する２個のホルダの各々の
挟持面がずれたとしても、圧電素子に変形が生じないた
めにノイズ成分による圧電素子２、３の出力のばらつき
が抑えられ、従来の方法と比較してよりノイズ成分の相
殺ができるようになる。

【００７３】

【実施例】上記内容を実際に検証するために、従来の圧
電素子の挟持方法と、本実施態様の圧電素子の挟持方法
とで圧電素子からの出力を比較した実験を実施した。

【００７４】従来の方法での圧力センサを８個（サンプ
ルＮｏ．１〜８）、本実施態様での圧力センサを８個
（サンプルＮｏ．９〜１６）製作する。そして入口孔４
３、４４へ変動圧力Ｐ１、Ｐ２を信号成分あるいはノイ
ズ成分として与える。信号成分として与える場合にはＰ
１、Ｐ２を２μｍＨ₂Ｏ_0-Pの逆位相の圧力とし、ノイ
ズ成分として与える場合にはＰ１、Ｐ２を５ｍｍＨ₂Ｏ
_0-Pの同位相の圧力とする。そしてそれぞれ圧力センサ
の圧電素子２（又は３）からの出力を比較した。これは
圧電素子の挟持方法の違いによる圧電素子の出力特性の
違いを見るには、圧力センサの最終的な出力であるパル
ス波よりも、個々の圧電素子の出力を比較する方が望ま
しいからである。

【００７５】信号成分を与えた場合のそれぞれの圧電素
子からの出力を表１と図１４に示す。本実施態様の挟持
方法での圧電素子からの出力は、従来の挟持方法での圧
電素子からの出力と比較して約１．２倍の大きさがあ
り、より高感度になっていることが分かる。このよう
に、感圧素子の表面形状を本発明の形状とすることによ
り、感度自体を向上させることができる場合がある。し
たがって、感度向上を重要視とするときには、中央部を
周辺から中心にむかって凹凸を繰り返す形状としてもよ
い。

【００７６】

【表１】次にノイズ成分を与えた場合のそれぞれの圧電素子から
の出力を表２と図１５に示す。本実施態様の挟持方法で
の圧電素子からの出力のばらつきは、従来の挟持方法で
の圧電素子からの出力のばらつきと比較して約１／２で
あり、よりノイズの相殺ができるようになることが分か
る。

【００７７】

【表２】つまり本実施態様の感圧素子の挟持方法によれば、従来
の感圧素子の挟持方法のように感圧素子を組み込む際に
ホルダの挟持面を正確に合致させる手間をかけなくて
も、感圧素子の挟持方法で製作した圧力センサよりもS/
N 比の高い圧力センサを得ることができる。なお、感圧
素子を部分的に非感圧状態にできる場合には、周縁部
（または挟持部位）を非感圧状態とすれば、なお良い。

【００７８】

【発明の効果】本発明は、周縁部を略平面で中心部を略
半球面である形状とした感圧素子と、その感圧素子の周
縁部を挟持面が略平面の形状を有するの２個のホルダで
両面から挟持する構造の圧力センサを提供する。この圧
力センサでは製作時に感圧素子を挟持する２個のホルダ
の各々の挟持面がずれたとしても、感圧素子に変形が生
じず、ノイズ成分による感圧素子の出力のばらつきが抑
えられる。したがって従来は感圧素子の出力のバラツキ
を抑えようとすれば、感圧素子を挟持する２個のホルダ
を正確に合致させる工程が必要とされたが、本発明の圧
力センサではこの工程が必要でなくなり、センサ製造工
程の簡略化とセンサ製造費の削減ができる。またホルダ
の挟持面を傾斜面に成形する必要がなく、さらに１種類
のホルダしか必要としないので部品コストも低減するこ
とができる。また、感度を高めることも

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様における圧力センサの断面
図である。

【図２】図１の圧力センサにおける分解斜視図である。

【図３】図１の圧力センサにおける圧電素子の拡大部分
断面図である。

【図４】本発明の一実施態様における圧電素子の製造方
法を示す図である。

【図５】本発明の他の実施態様における圧電素子の製造
方法を示す図である。

【図６】本発明の一実施態様における圧力センサの電気
的処理回路である。

【図７】本発明の他の実施態様における圧力センサの電
気的処理回路である。

【図８】平行型増幅回路の構成図である。

【図９】パルスを出力する電圧比較器の入出力特性図で
ある。

【図１０】上記電圧比較器におけるヒステリシスを示す
特性図である。

【図１１】図１の圧力センサをフルイディック流量計に
使用する場合の概略構成図である。

【図１２】従来の圧電素子の挟持方法においてホルダの
挟持面がずれた場合の断面図である。

【図１３】本発明の圧電素子の挟持方法においてホルダ
の挟持面がずれた場合の断面図である。

【図１４】信号成分を与えた場合の圧電素子の出力特性
図である。

【図１５】ノイズ成分を与えた場合の圧電素子の出力特
性図である。

【符号の説明】

１圧力センサ２、３圧電（感圧）素子４第１の圧力検出部５第２の圧力検出部６、７圧電体８、９、１０、１１電極層１２、１３、１４、１５ホルダ１６中底１８、１９、２０変形Ｏリング２１、２２ばね２３、２４電極板２
５、２６ナット２７、２８、２９ねじ３０長ねじ３１、３２リードねじ３３中蓋３４
外ケース３５回路基板３６信号処理回路３７
コネクタ３８外蓋３９、４０、４１入出力端子
４２ねじ４３、４４入力孔４５第１の流体圧力導入経路４６第３の流体
圧力導入経路４７第４も流体圧力導入経路４８第２の流体
圧力導入経路４９周縁部が平面形状で中心部が凹型の半球面形状の
型５０周縁部が平面形状で中心部が凸型の半球面形状の
型５１弾性体５２おもり５５万力５４フルイディック流量計素子部５５流路縮
小部５６噴出ノズル５７流路拡大部５８、５９隔壁６０、６１制御ノズル６２ターゲット６３反射翼６４誘導
板６５、６６内圧取出口６７ガスケット６８定電圧回路６９電池電源７０増
幅回路部７１電源保護回路７２電圧比較器７３
中点電源I ７４中点電源II ７５レベル比較器７６オペアンプ７７抵抗器７８イン
ピーダンス変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 41/193 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０２

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周縁部が略平面で中心部が曲面である形状
を有する感圧素子。
【請求項２】前記感圧素子は、圧電膜の両面に電極が形
成されてなるものである請求項１の感圧素子。
【請求項３】感圧素子の周縁部が２個のホルダに挟持さ
れてなる圧力検出部と、前記圧力検出部へ流体の圧力を
導入する２個の入口孔が設けられ、一方の入口孔が第１
の流体圧力導入経路を介して前記圧力検出部の感圧素子
の第１の面に連通され、他方の入口孔が第２の流体圧力
導入経路を介して前記圧力検出部の感圧素子の第２の面
に連通される圧力センサであって、前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心部が曲面である
形状を有するものであり、前記圧ホルダの挟持面が略平
面の形状を有するものである圧力センサ。
【請求項４】感圧素子の周縁部が２個のホルダで挟持さ
れてなる第１および第２の圧力検出部を備え、該圧力検
出部へ流体の圧力を導入する２個の入口孔が設けられ、
一方の入口孔が第１の流体圧力導入経路を介して第１の
圧力検出部の感圧素子の第１の面に連通されるととも
に、第２の流体圧力導入経路を介して第２の圧力検出部
の感圧素子の、第１の圧力検出部の感圧素子の第１の面
とは極性が異なる第２の面に連通され、他方の入口孔が
第３の流体圧力導入経路を介して第２の圧力検出部の感
圧素子の第１の面に連通されるとともに、第４の流体圧
力導入経路を介して第１の圧力検出部の感圧素子の第２
の面に連通される圧力センサであって、前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心部が曲面である
形状を有するものであり、前記圧ホルダの挟持面が略平
面の形状を有するものである圧力センサ。
【請求項５】感圧素子の周縁部が２個のホルダで挟持さ
れてなる第１および第２の圧力検出部を備え、該圧力検
出部へ流体の圧力を導入する２個の入口孔が設けられ、
一方の入口孔が第１の流体圧力導入経路を介して第１の
圧力検出部の感圧素子の第１の面に連通され、他方の入
口孔が第２および第３の流体圧力導入経路を介して第２
の圧力検出部の感圧素子の第１および第２の面に連通さ
れるとともに、第４の流体圧力導入経路を介して第１の
圧力検出部の感圧素子の第２の面に連通される圧力セン
サであって、前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心部が曲面である
形状を有するものであり、前記圧ホルダの挟持面が略平
面の形状を有するものである圧力センサ。
【請求項６】前記感圧素子は、圧電膜の両面に電極が形
成されてなるものである請求項３、４または５に記載の
圧力センサ。
【請求項７】圧電膜がフッ化ビニリデンと３フッ化エチ
レンの高分子共重合体である請求項２に記載の感圧素
子。
【請求項８】圧電膜がフッ化ビニリデンと３フッ化エチ
レンの高分子共重合体である請求項６に記載の圧力セン
サ。
【請求項９】前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心部
が略半球面である形状を有するものである請求項１に記
載の感圧素子。
【請求項１０】前記感圧素子は、周縁部が略平面で中心
部が略半球面である形状を有するものである請求項３、
４または５に記載の圧力センサ。
【請求項１１】前記感圧素子は、周縁部が幅０．５ｍｍ
〜１．５ｍｍの範囲の略平面で、中心部が曲率半径２０
ｍｍから５０ｍｍの範囲の略半球面である形状を有する
ものである請求項１記載の感圧素子。
【請求項１２】前記感圧素子は、周縁部が幅０．５ｍｍ
〜１．５ｍｍの範囲の略平面で、中心部が曲率半径２０
ｍｍから５０ｍｍの範囲の略半球面である形状を有する
ものである請求項３、４または５に記載の圧力センサ。
【請求項１３】請求項１、２、７、９、１１または１２
に記載の感圧素子の製造において、周縁部が略平面で中
心部が曲面である形状を有する第１の型と周縁部が略平
面で中心部が前記曲面に対応した曲面である形状を有す
る第２の型との間に平板状の感圧素子材を挟み加圧成形
する感圧素子の製造方法。
【請求項１４】請求項１、２、７、９、１１または１２
に記載の感圧素子の製造において、周縁部が略平面で中
心部が曲面である形状を有する第１の型と周縁部が略平
面で中心部が前記曲面に対応した曲面である形状を有す
る第２の型との間に平板状の感圧素子材と弾性体とを挟
み加圧成形する感圧素子の製造方法。
【請求項１５】弾性体がシリコーンゴムである請求項１
４に記載の感圧素子の製造方法。
【請求項１６】前記感圧素子は、圧電膜の両面に電極を
形成したものである請求項１４または１５の感圧素子の
製造方法。