JPS60111129A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、圧力変化を可動板の変位あるいはトルクとし
て検出する圧力センサに関するものである。更に詳しく
は、本発明は、例えば０．０１μｍ水柱といつた程度の
微小圧力測定を行なう場合に使用して特に有効な圧力セ
ンサに関するものである。

〔従来技術の説明〕

従来、微小圧力測定の可能な圧力センサとして、コンデ
ンサマイクロホンが知られている。これは、圧力を受け
る金属膜と、この金属膜に対向設置された固定電極とで
構成されており、圧力による金属膜の変位を金属膜と固
定電極の間の静電容量変化として検出するものである。

しかしながら、この装置においては、金属膜を全面に亘
って均一に張力がかかるように張らないと、検出感度に
ばらつきを生じ良好な特性が得られないという問題点が
ある。また、検出感度が高゛いが故に、振動雑音や姿勢
変化の影響を受けやすいという欠点がある。

〔本発明の目的〕

本発明は、従来技術におけるこれらの問題点や欠点に鑑
みてなされたもので、構成が簡単で振動雑音や姿勢変化
の影響を受けＫくい、高感度の圧力センザを実現しよう
とするものである。

〔本発明の概要〕

本発明に係る装置は、スリット孔を有した固定板と、こ
の固定板と対向配置され測定すべき圧力が与えられる可
動板と、この可動板が回転できるようにその重心を通る
直線上の２点で当該可動板を支持する支持部と、可動板
の変位又はトルクを検出する検出手段とで構成される。

〔実施例による説明〕

第１図は、本発明に係る圧力センサの一例を示す構成断
面図、第２図は一部を断面で示す要部斜視図、第３図は
要部の組立構成図である。ここでは圧力Ｐ１と圧力Ｐ２
の差圧を検出する場合を例示する。これらの図において
、１は容器、２４．２２はこの容器内を２部分に仕切る
隔壁である。隔壁２１゜２２で仕切られた各部屋１ａ、
Ｉｂ内には、圧力導入孔１１、１２から測定すべき圧力
Ｐ１．Ｐ２が導入されている。

３は本発明において特徴としている圧力検知部で、隔壁
２１，２２１Ｃ固定された固定板４と、スペーサ５を介
して固定板４と僅かな間隔ｄを隔てて対向配置された可
動部６とで構成されている。なお、スペーサ５は、固定
板４上に設けたメッキ層を利用し、僅かな間隔ｄを得る
ようにしてもよい。

固定板４には、部屋１ｂの圧力を導びく複数個ののスリ
ット（ここでは５個のスリット）が設けられている。ま
た可動部６は、フレーム６１、このフレーム６１に支持
部６３を介して支持されるとともに、固定板４に対して
対向するように設置された可動板６２とから成シ、可動
板６２には複数個のスリット（ここでは５個のスリット
）６４が固定板４の複数個のスリット４１とは対向しな
い位置に設けられている。ここで、可動板６２を支持す
る支持部６３は、ばねとしても機能するものであり、こ
の可動板が回転できるように、可動部６２０重心Ｐ（第
３図参照）を通る直線ｔ１上の２点でこの可動板６２を
支持している。

なお、この例では、可動板６２には、２つの支持部６３
を結ぶ直線ｔ１（回転軸に相−当）Ｋ対して、左片側に
のみスリット孔６４が設けである。

７１は固定板４に設けた電極板、７２は電極板７１１Ｃ
対向して、可動板６２に設けた電極板で、これらは可動
板６２の変位検出手段を構成している。

との様に構成した装置の動作を次に説明する。

圧力導入孔Ｈ，１２に圧力を導入しない状態（部屋１ａ
と１ｂ内の圧力が等しい状態）では、可動板６２は固定
板４との間でスペーサ５の厚さと等しい僅かな間隔ｄを
保って保持されている。

圧力導入孔１１から圧力Ｐ１が、圧力導入孔１２がら圧
力Ｐ２が導入された場合（Ｐｌ〈Ｐ２の場合とする）、
部屋１ｂの圧力Ｐ２は固定板４に設けた複数個のスリッ
ト孔４１を矢印に示すように通少、可動板６２のスリッ
ト孔のない片側裏面に加わる。また、部屋１＆の圧力Ｐ
、は、可動板６２０表面全体に亘って加わるとともに、
可動板６２のスリ、ト孔６４を通って可動板６２のスリ
ット孔６４が設けられている片側裏面にも加わる。第４
図は、この状態における可動板６２に加わる圧力の状態
を示している。

このため、可動板６２において、スリット孔６４が設け
られている片側はスリット孔６４を介して表側と、裏側
との圧力はＰｌとなりトルクは生じない。

これに対して、スリット孔６４が設けられていない他方
の片側は、表側と裏側とでは圧力Ｐ１とＰ２がそれぞれ
与えられるため、Ｐ、とＰ２の差に比例したトルクが生
じ、これが支持部６３に加わる。支持部６３は、ばねと
しても機能しておシ、このトルクによって矢印ωに示す
ように捩れ、可動板６２がＰｌとＰ２の差に対応した角
度だけ傾斜する。

なお、ここで、固定板４と可動板６２にはスリット孔４
ｊ、６４が設けられておシ、マた可動板６２とフｔ／−
ムロ１との間は分離されているので、部屋１＆と１ｂ内
の流体（気体又は液体）がこれらを通して漏れるが、ス
リット孔４１やスリット孔６４の大きさ、可動板６２と
フレーム６１との間の空隙幅ｄ４、固定板４と可動板６
との間隔ｄを小さくすることによυ、各部分での流体抵
抗が大きくなり、可動板６２を圧力差に対応した角度で
傾斜させることができる。

可動板６２の変位（傾斜角変化）は、電極板７１と７２
間の静電容量の変化となるもので、この静電容量変化を
測定することにより、Ｐ、とＰ２の圧力差を知ることが
できる。

この様に構成された装置は、可動板６２がその重心を通
る直線上の２点で支持され、圧力に基づく可動板のトル
ク（あるいは可動板の傾斜）を検出することから、重力
および外部振動による加速度（並進運動成分）は、可動
板６２を回転させる力（トルク）とならず、圧力を振動
雑音や姿勢変化（重力）の影響を受けず測定することが
できる。

なお、上記の実施例において、測定すべき圧力が所定の
周波数で脈動する場合、可動板６２の慣性モーメン）Ｉ
と支持部６３のばね定数Ｋにより定まる可動部の共振周
波数ｆ。を、測定すべき圧力の脈動周波数と一致させる
と、ｓ／Ｎ比が良好になるとともに、検出感度を高くす
ることができる。

すなわち、可動板６２１Ｃ脈動圧力が与えられる場合、
この可動板はこの脈動圧力に応じである振幅で振動（回
動変位）するが、可動部の共振周波数ｆＱ　ヲ脈動圧力
の周波数と一致させておくと、共振現象によって可動部
の振動振幅が９倍されるからである。ここて、Ｑは（１
）式て表わすことができる。

Ｒは制動抵抗 ただし　ω。は共振時の角周波数で、ωｏ＝　Ｔて表わ
される。

可動部の共振周波数ｆ。は、可動板６２のスリット６４
の数や形状あるいは材料を、また支持部６５のばね定数
Ｋを選定することＫより調整できる。また、可動部の共
振に対する制動抵抗Ｒは、可動板６２及び固定板４に設
けるスリットの数や大きさを変更したり、可動部６と固
定板４との間隔ｄを変更することにより調整できる。

上記の実施例では、可動板６２の１ルク（回転変位）を
検出するのに、可動板６１の回転軸に対して片側に設け
た電極板７１　、７２の静電容量変化を検出するように
したが、可動板６１０回転軸に対して両側にそれぞれ電
極板を設けるとともに、これらの電孤板に対向して固定
板４側にもそれぞれ電極板を設け、各対向電極板間の静
電容量Ｃ，，Ｃ２の差を検出するようにしてもよい。こ
の場合、上記の実施例に比べて検出感度が２倍向上する
ととも属、重力や振動の影響を効果的にキャンセルでき
る。

なお、可動板６２のトルク又は回動変位の検出手段とし
ては、静電容量を利用するもの以外、公知の各技術手段
を利用することができる。

第５図、第６図、第８図及び第９図は可動板６２の回動
変位又はトルクの検出手段の例を示す構成説明図である
。

第５図の実施例においては、容器１に光透過用の窓１３
を設け、ラング８１からの光をレン７：：８２、窓１５
を介して可動板６２の表面に照射させ、可動板６２０回
動変位に基つく反射光の変位を受光器８５で検出するよ
うにしたものである。なお、可動板６２の表面は光を反
射するように構成、され〜また）レンズ８２は受光器８
３上に焦点を結ぶように設置されている。

この例によれば、容器１の内部にリード線等を介して電
気信号を導び〈必要がないので、構成が簡単で、また本
質安全防爆上有利であるという利点がある。

第６図に示す実施例においては、可動板６２の支持部６
５にストレンゲ−シフ５を取付け、可動ｊ７！１６２の
回動変位によって生ずる支持部６３の歪変化を、ストレ
ンゲ−シフ５の抵抗変化として検出するようにしたもの
である。ここで、ストレンゲ−シフ５は、支持−５６３
の回転軸ｔ１に対して４５°傾けて取付けである。

支持部６３に捩れが生じてない状態（可動板６２にトル
クが生じてない状態）では、ストレンゲーク７５には、
第７図（、）に示すように歪が与えられず、抵抗値変化
は生じない。支持部６５に第７図（ｂ）　Ｋ示すように
可動板６２０回動に基ついて捩れωが生じなる。

第８図に示す実施例においては、支持部６３に回転軸ｔ
、といずれも４５°の角度をなすように４個のストレン
ゲ−シフ５を取付けるとともに、これらをブリッジ接続
させ、このブリッジの電源端に直流電源Ｅを接続し、検
電端からの電圧信号ｅを出力信号として得る本のである
。

第２図に示す実施例においては、支持部６５を例えば圧
電効果を持った水晶で構成し、これに電極７６、７７を
図示するように対向設置し、支持部６３に生ずる応力変
化を、電極７６．７７間の電荷の変化として検出するも
のである〇 すなわち、支持部６３を矢印Ｘ、Ｙ、Ｚに示す方向に結
晶軸を有する水晶で構成した場合、第１０図に示すよう
に支持部６５が捩れると、Ｘ軸方向に電荷が生じ、しか
もこの電荷の極性は、捩れの中心から＋Ｘ方向と−Ｘ方
向とではせん断歪の向きが逆となるために図示するよう
に逆極性となる。よって、電極７６、７７から支持部６
５に捩れに基ついて発生する電荷を検出することができ
る。

なお、第９図、第１０図では支持部６５を圧電材料で構
成したものであるが、これを圧電材料以外の材料で構成
し、ここにＰＺＴのような圧電素子を設置し、支持部６
５ｔ／Ｃ生ずる応力又は歪を検出してもよい。

第１１図及び第１２図は本発明に係る装置において、可
動板６２の他の形状例を示す要部の平面図及び断面図で
ある。

第１１図の例では、可動板６２に、回転軸１１に対して
左側片面６２ａのほぼ全面に亘るようにピッチＰ１で並
ぶ複数個（ここでは９個）のスリット孔６４ｍを形成す
るとともに１右側片面６２ｂの上下周縁部分に分けて、
合計してスリット孔６４ａと同じ数で、同じ形状のスリ
ット孔６４ｂを形成したものである。

可動板６２をこの様な構成とすると、可動板６２の回転
軸ｔ、を可動板６２の左右対称位置にもってくることが
できる。また、スリット孔６４ａの形状が多少変化して
も、スリット孔６４ｂ側でこれを補償するので、左右の
パ２ンスを容易にとることができる。

なお、この実施例ではスリット孔６４ｍ、６４ｂを、い
ずれも回転軸ｔ１に対して直角方向に延びる形状とした
ものであるが、回転軸ｔ、に対して平行又は他の角度で
延びる様ような形状としてもよい。

第１２図の例では、可動板６２にスリット孔を形成させ
ない構成とし、これに代えて、固定板４において、回転
軸に対して片方の側に凹部４２を設け、この部分の固定
板４と可動板６２との間隔をｄ２（ｄ〈ｄ２）としたも
のである。この様な構成圧すると、凹部４２内の圧力は
Ｐｌ又はこれに近い圧力となって、可動板６２ＫＰ、と
Ｐ２の圧力差に対応したトルクが作用する。

第１３図は本発明に係る装置において、可動部６を、異
方性エツチングのできるＳｌ基板、ガラスあるいは５１
０２の単結晶であるα水晶板で構成した場合の一例を示
す平面図である。この実施例では支持部６３を結ぶ回転
軸ｔ１に対して左側片面６２ａと右側片面６２ｂの形状
をいずれも六角形状とするとともに、一方の片面６２ａ
側全面に複数個のスリット孔６４ａを、他方の片面６２
ｂ側の上下の周縁部分に、スリット孔６４＆と同じ数で
同じ形状のスリット孔６４ｂを形成させたものである。

また可動板６２ａ。

６２ｂの各先端部（回転軸ｔ１がら最も遠い部分）には
、オーバレンジストンパーとしての役目をする突起部６
５を形成しである。

第１４図は第１３図に示す可動部を製作する製造方法の
一例を示す簡略工程図である。この例では基板材料とし
て、α水晶の２板を使用する場合であって、＠）は、こ
の水晶基板６０の光学軸２１機械軸Ｙ、電気軸Ｘの方向
をそれぞれ示している。

先ずはじめに、（ロ）に示すように水晶の２基板の両面
に例えばＣｒあるいはＮ１等のマスク物質層６７をスパ
ッタあるいは蒸着等によシ被着し、その上にレジスト層
６８を例えば塗布して、被着する。

次に（ハ）に示すように、水晶基板６０に構成すべきフ
レーム６１．可動板６２．スリット孔６４２図示されて
いないが支持部等の所定形状をホトリソグラフィー（写
真食刻）の技術によυ作成する。ここで、フレーム６１
と可動板６４の間隔Ｌ１．スリット６４の幅Ｉ、ｌｄ、
いずれも所定間隔取去に選定しておくものとする。

続いて、水晶基板６０を水晶加工剤、例えばフッ化水素
酸水溶液に入れ、エツチングすると、に）に示すように
基板６０が選択的に除去され、所唸の形状をもりた可動
部６を完成することができる・ここで、に）に示すよう
に、エツチングされる理由は次の通りである。すなわち
、水晶基板６０において、その２軸方向からのエツチン
グ速度が、に）に示す結晶面Ａ及びＢのエツチング速度
よυ数十倍以上速いためで、この場合図示する角度θＡ
が３０°、θＢが８０°となって横方向のエツチングが
それ以上進まなくなるからである。このことから、水請
基板６０を切シ離す場合（除去する場合）、パターンと
パターンとの間隔Ｌ１．　Ｌ２は、 ＬＯ＝　：　・ｊａｎ　（９０４Ａ）　＋　ｔａｎ　（
９０−θＢ）ただし、ｔ：水晶基板１０の厚さ 以上の長さり。に選定しておけばよい。

なお、ここでは両方の面からエツチングする場合を示し
ているが、片方の面からエツチングすることもでき、こ
σ場合、Ｌｌ、　Ｌ、は前記した長さり。

の２倍以上に選定される。

このような製造工程によるものは、フレームや可動板及
びスリット孔の形状の形成を少ない工程でしかも多数同
時に実現することができる利点がある。また、基板６０
上に電極板を形成させる場合も、この工程の中で作るこ
とができる。

なお、第１４図で示す製作方法は、固定板４を作る場合
にも基板材料を異方性エツチング可能な材料とすること
によシ同様に適用することができる。

〔本発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば構成が簡単で、振
動雑音や姿勢変化の影響を＃１とんど受けない高感度の
圧力センサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧力センナの一例を示す構成断面
図、第２図は一部を断面で示す要部斜視図、第３図は要
部の組立構成図、第４図は可動板に加わる圧力の状態を
示す説明図、第５図、第６図、第８図及び第９図は可動
板の回動変位又はトルクの検出手段の一例を示す構成説
明図、第７図け第６図の動作説明図、第１０図は第９図
の動作説明図、第１１図及び第１２図は可動板の他の形
状例を示す要部の平面図及び断面図、第１３図は可動部
を異方性エツチングできる材料で構成した場合の一例を
示す平面図、第１４図は第１３図に示す可動部を製作す
る方法の・−例を示す簡略工程図である。 １・・・容器、３・・・圧力検知部、４・・・固定板、
４１・・・スリット孔、５・・・スペーサ、６・・・可
動部、６１・・・フレーム、６２・・・可動板、６３・
・・支持部、６４・・・スリット、７１．７２・・・電
極板。 Ｍ２Ｏ図 ハ　ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　圧力が導入されるスリット孔を有した固定板、
   この固定板と対向配置され一方の面に第１の圧力を受け
   るとともに他方の面に前記固定板のスリット孔を介して
   導入された第２の圧力を受ける可動板、この可動板の重
   心を通る直線上の２点で当該可動板を回動可能に支持す
   る支持部、前記可動板の変位又はトルクを検出し前記第
   １の圧力と第２の圧力の差圧に対応した信号を出力する
   検出手段を具備した圧力センサ。 （２）　第１の圧力と第２の圧力は所定周期で脈動する
   ものであって、可動板の慣性モーメントと支持部のばね
   定数とにより定まる可動部分の共振周波数を、前記第１
   ．第２の圧力の脈動周波数と一致させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧力センザ。 （６）　可動板は、支持部を結ぶ回転軸に対して一方の
   片方側に複数個のスリット孔を有し、他方の片方側に第
   ２の圧力が与えられることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の圧力センサ。 （４）　可動板は、支持部を結ぶ回転軸に対して一方の
   片方側はぼ全面に配列する複数個のスリット孔を有する
   とともに、他方の片方側周縁部付近に一方の側と同じ数
   で同じ形状のスリット孔を有することを特徴とする特許
   請求の範囲８１項記載の圧力センサ。 （５）　可動板は、支持部を結ぶ回転軸から最も離れた
   部分にオーバレンジストッパとしての役目をする突起部
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   圧力センサ・（６）　固定板は、可動板の支持部を結ぶ
   回転軸に対して一方の側に対向する部分に複数個のスリ
   ット孔を有するとともに、他方の側に対向する部分に凹
   部を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の圧力センサ。 （７）検出手段は、固定板と可動板にそれぞれ対向する
   ように設けられた電極板であって＼この電極板間の静電
   容量の変化、又は差動的に変化する静電容量の変化を検
   出して差圧に対応した信号を得るようＫした特許請求の
   範囲第１項記載の圧力センナ。 （８）検出手段は、可動板に光を照射する光学手段と可
   動板からの反射光を受光する受光素子とで構成されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の圧力センサ。 （９）検出手段は、支持部に取付けられ当該支持部に生
   ずる歪又は応力全検出するストレーンゲージ又は圧電素
   子である特許請求の範囲第１項記載の圧力センサ。 Ｃ１ｌ　支持部を圧電材料で構成し、検出手段は前記支
   持部に設けた一対の電極である特許請求の範囲第１項記
   載の圧力センサ。 （１１１少なくとも可動板及び支持部を異方性エツチン
   グのできる材料基板で構成し、前記可動部と支持部の形
   成をホトリソグラフィとエツチングの技術を利用して行
   なうようにした特許請求の範囲第１項記載の圧力センサ
   。