JPS60186727A - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、被検出圧力を圧力に応じて変形可能な平板（
ダイアフラム）に加え、加えられた被検出圧力をダイア
フラムの表面に形成された歪ゲージで電気信号に変換す
る圧力センサーに関するものである。

この種の圧力センサは、一般産業用の油圧、空圧機器用
のセンサとして用いられるものである。

［従来技術］ この種の、圧力センサに使用される圧力−電気信号変換
手段（以下、単に歪ゲージと言う）として、主として、
ダイアフラムに取り付けた抵抗線の正寸法変化を電気的
信号に変換する抵抗歪ゲージ、ダイアフラムに取り付け
た半導体結晶のピエゾ抵抗効果を利用した半導体歪ゲー
ジ等が使用されている。

前記歪ゲージは、被検出圧力を歪ゲージに伝達する歪を
発生させる起歪体となるダイアフラムに取り付けて用い
られる。第１図及び第２図は歪ゲージをダイアフラムに
取り付けた圧力センサの従来例を示す断面図である。

第１図はハウジング１の圧力導入部６を有するボート２
と常圧室４との間を、ハウジング１の切削加工により肉
厚を薄くした箇所、即ち、ダイアノラム５を形成したも
のである。ダイアフラム５の常圧室４側には歪ゲージ３
が接着剤で貼付されている。

第２図は拡散型半導体圧力センサで、半導体プレーナ技
術を用いてシリコン単結晶基板に拡散歪ゲージを形成し
た断面略凹字状のダイアフラム１４として用いられる。

前記ダイアフラム１４は低融点ガラスを接着剤１７とし
て台座１３に封着し、更に、台座１３は低融点ガラス或
いは樹脂等の接着剤１８にＪ：ってステム１２にダイボ
ンドしたものである。そして、歪ゲージの電極１５とス
テム１２のボスト１６とを金線１１により溶着し、電気
的回路を構成する。また、ステム１２とその筒状部を圧
力導入口とづるキャン１０とを抵抗溶接等によって１１
＠シ、半導体チップ等を保護するように構成している。

なお、人気口１９は基準圧力を大気圧とするための大気
圧導入用である。

この種の、従来の圧力センサは、第１図の切削加工によ
ってダイアフラムを形成するものにあっては、ハウジン
グの構造が複雑であるにもかかわらず、高精度の加工精
度に仕上げる必要があり、特に、ダイアフラム表面の始
期等が非常に難作業どなり、生産性に欠け、延いては、
高価にならざるを得なかった。また、第２図の拡散型半
導体圧力センサは、ウェハを個々の歪ゲージ単位の半導
体チップにダイシングし、それを、低融点ガラスを用い
て台座１３に封止する点【こ、到着ガラスと半導体チッ
プの熱膨服係数の違いがあり、封肴部の環境温石変化に
伴ない熱応力が変化するという欠点があった。ダイボン
ドにおいても前者と同様の熱応力の問題があり、更に、
接着剤に樹脂を用いたものにあっては、電極１５どボス
ト１６とのワイヤボンドエ稈時の温度上昇によって、接
着剤が劣化する等の欠点があった。前記熱応力の問題は
結果的に残留歪、熱歪どなって現われることになる。ま
た、この種の半導体センリーは、受圧部の半導体が被測
定媒体と接触することから、渦電や汚染に弱い等の欠点
があった。

一般に、この種の圧力センサのダイアフラム周辺の固着
は、機械的、熱的歪の発生を極力少なくする必要がある
。即ち、受圧時にダイアフラム周辺の固着部がずれると
、圧力が解除されてもダイアフラムが朝明状態に復元で
きず、それが歪ゲージに影響しヒステリシスとなって現
われるから、圧力センサの性能の安定性から、ダイアフ
ラムの周辺は堅固に固定する必要があるとされていた。

また、ダイアフラム周辺の固着に低融点ガラス等を使用
−づると、ダイアフラムと熱膨慝係数が大きく異なるた
め、その厚みを薄くする必要があった。

延いては、それがこの種の圧力センサの生産性を抑制す
る要因となっていた。

（発明の目的」 本発明は、上記欠点を除去し、ダイアフラムの形状を加
工容易な平板状とし、かつ、その周辺部の取り付けを簡
単化して圧力センサの生産性を向上させることを目的と
する。

［発明の構成１ 本発明は、ハウジング内に配設された平板状ダイアフラ
ムと、前記平板状ダイアフラムに圧力を導入１−るポー
トと、前記平板状ダイアフラムの歪を電気量に変換する
歪ゲージから構成される圧力センサにおいて、流体圧力
によって弾性限界内で変位する平板状ダイアフラムの周
辺部が、平板状ダイアフラムに加わる流体圧力によって
前記ポートと共に平板状ダイアフラムを挟持づ−るハウ
ジングの内周縁を支点とし可動自在とすると其に、ＩＹ
ｆ記平板状ダイアフラムの周辺部と圧力を導入するボー
１〜との間に圧力を封止するシール部材を介在させるこ
とにＪ：って、ダイアフラムの形状を加二［容易な形状
どし、かつ、イの周辺部の取り付し）を簡単化して圧力
センリの生産性を向−トさせるべく構成したことを特徴
と覆るものである。

［発明の実施例］ 第３図は、本発明の一実施例の断面図である。

図中、２１はハウジング、２２は被検知圧力を導く圧力
導入部２６を有づるポー１へである。平板状ダイアフラ
ム２５はポート２２とハウジング２１との間に介在して
おり、平板状ダイアフラム２５の一面及びハウジング２
１の内壁で常圧室２４を形成している。平板状ダイアフ
ラム２５の常圧室２４側には歪ゲージ２３が形成されて
おり、歪ゲージ２３の電極２９とハウジング２１内に配
設された回路基板２８との間はリード線３０によって接
続されている。更に、回路基板２８からリード線３４に
よって圧力センサの検出出力を得ている。

ハウジング２１とリード線３４との間はゴムキャップ３
５により封止している。

更に、第３図の本発明の実施例の要部について詳述づ−
る。

ダイアフラム２５は化学強化ガラス或いは部分安定化強
化ゼラミックス等の電気的絶縁体で平板状に形成したも
のである。前記化学強化ガラスとは、弾性及び耐圧に富
み、電気的にも良好な絶縁物である属性を有するガラス
で、例えば、縦弾性係数７．２Ｘ　１０３Ｋｇ／　ｔｔ
ｖＡ、曲げ強度５０Ｋｇ／ｍｔＡと大きく、かつ、その
ポアソン比が０．２２で、電気的にも良好な絶縁物であ
る属性を有するガラスとして、コーニング社（米国）か
ら市販されているもの等を挙げることができる。また、
前記部分安定化強化セラミックスとして、部分安定化ジ
ルコニアセラミックスを挙げることができる。

前記平板状に形成したダイアフラムを基板としてそこに
アモルファス合金等でｉＭＩ］Ｍ抵抗体を形成し、フォ
トエツチング技術により、Ｍ！１０抵抗体を歪ゲージパ
ターン（第４図の歪ゲージパターンの一例参照）に加工
する。例えば、平板状ダイアフラム２５を形成する上記
化学強化ガラスにアモルファス合金薄膜（本実施例にお
いて用いたアモルファス合金は、Ｎ１ｘＳｉ、Ｂ２の組
成より成るものである。）をスパッタリングで形成し、
その上にフォトレジストを塗布し、歪ゲージパターンに
合わせて形成したマスクによりフォトレジストを露光、
現像し、ベーキング、エツチング、フォトレジストの除
去、表面の清浄化等を経て歪ゲージを形成する。

なお、本発明の実施例の如く、歪ゲージにアモルファス
合金を用いると、抵抗ｍｌ計数を無視できる値にでき、
温度ドリフトが極めて小さくすることかできる。また、
引張り強度が大きくでき、歪ゲージに大きな応力を加え
ることがでる。結果として感度を上げることができる。

また、特に、スパッタリング法によりアモルファス合金
薄膜を形成したものは、ロール急冷法に比較し厚みを薄
くできるため、電気抵抗が高く、同一の抵抗値とするに
はパターンを太くできるため、歩走り良く製造でき生産
性を向上させることができる。

上記歪ゲージ２３をその一面に形成した化学強化ガラス
からなる平板状ダイアフラム２５は、ハウジング２１の
端部に潤滑材を塗布して接触させ、その周辺をＯリング
３１で押圧した状態でボート２２とハウジング２１とを
カシメ３３で固着する。

このとぎ、ボー１−２２とハウジング２１との間にＯリ
ング３２を介在させ、平板状ダイアフラム２５側と大気
圧とを遮断すべく封止する。平板状ダイアフラム２５の
平面とボート２２との間は、Ｏリング３１の溝部を除き
、０．０１〜０．５＃程度の間隙とする。前記間隙は加
工精度から決せられるものであって、平板状ダイアフラ
ム２５にボートどハウジング２１との挟持力が直接伝わ
らず、しかも、平板状ダイアフラム２５が彎曲した場合
にその周辺部がボー１−２２に接触しない程度の間隙で
あればよい。このように構成づることにＪ：す、平板状
ダイアフラム２５が彎曲した場合には、ぞの平面方向の
移動が可能となり、垂直方向の移動はＯリング３１或い
はボート２２によって阻止される。

したがって、ボート２２の圧力導入部２６に加えられた
圧力は、平板状ダイアフラム２５の中心に平板状ダイア
フラムに対して、垂直方向の最大たわみが生ずる。これ
は、平板状ダイアフラム周辺が自由端であるから、平板
状ダイアツクｌ＼の応力と共に、平板状ダイアフラム周
辺の移動となって現われる。また、周辺部はハウジング
２１の内周縁が支点となり、Ｏリング３１を押圧する方
向の力となる。Ｏリング３１は平板状ダイアフラム２５
とボー１−２２とに接し、ボート２２の圧力導入部２６
から導かれた圧力を封止する程度の弾性力を有している
ものであり、平板状ダイアフラム２５の中心部とハウジ
ング２１の内周縁までの距離に対して、前記内周縁とＯ
リング３１までの距離が、小さく設定されており、その
比が数倍以上であるから、平板状ダイアフラムに加えら
れた応力は、数倍以上になってＯリングに加えられるこ
とになる。かつ、その変位はその逆数となるから、平板
状ダイアフラムに加えられた歪量に与える影響力は小さ
くなる。

第５図は平板状ダイアフラム２５に第４図に示す歪ゲー
ジパターンを形成し、圧力導入部２６に圧力Ｐを加えた
場合の実験値で、圧力Ｐと抵抗変化率ΔＲ／Ｒどの関係
を示す特性図である。なお、図中、Ｒは歪ゲージの抵抗
値、ΔＲは圧力による抵抗値変化である。

前記特性図において、平板状ダイアフラム２５の周辺を
、摺動自在に取り付けた本考案の実施例を特性へに、周
辺を固定した場合の特性を特性Ｂに示す。前記特性図か
ら分るように、平板状ダイアフラム２５の周辺を固定し
た場合には、平板状ダイアフラム２５に加えられた分布
荷重を受けて、平板状ダイアフラム２５の半径方向の歪
と接線方向の歪が生じる。第４図に示す歪ゲージパター
ンのＧ２．Ｇ３は平板状ダイアフラム２５の中心部の接
線方向の平均歪を検出？ｌることになる。こσ）出力は
特性Ｂの如くなる。同時に、平板状ダイアツクｌ＼２５
の半径方向の歪が生じ、第４図に示す歪ゲージパターン
のＧ１．Ｇ／ｌは特性Ｃの如く周辺部の半径方向の平均
歪を検出することになる、。

一方、板状平板状ダイアツクｌ＼２５の周囲を本考案の
実施例の如く支持すると、平板状ダイアフラム２５の圧
縮歪が少なくなり、その公平板状ダイアフラム２５の引
張り歪が大きくなり、特性への如くなる。特性図から明
らか４１ように、その抵抗変化率ΔＲ／Ｒが人となり、
はとんどヒスプリシスも無視できる程度である。

この様に本発明の実施例によれば、ダイアフラムを平板
状とすることにより、高精度加工が容易となり量産性に
適した構造となる。また、材質が電気的に絶縁体である
から、直接そこにスパッタリング法により薄膜抵抗を形
成することができ、同時に大量の歪ゲージを製造するこ
とができる。

そして、平板状ダイアフラムどして化学強化ガラスを用
いると共に、歪ゲージとしてアモルファス合金薄膜を用
いており、両者は線膨張変化を同一にしており、両者間
には温度変化に伴う歪が生じない。また、アモルファス
合金薄膜を用いているから温度変化に伴う抵抗値変化が
少なく、かつ、弾性力及び剪断応力に富んでいるから、
苛酷な温度条件下の高圧用の圧力センサとすることがで
きる。

１発明の効果］ 以上のように、ダイアフラムを平板状とすることにより
、高精度加工が容易となり量産性に適し／；１ｍ　構造
とすることができる。そして、その材質が電気的に絶縁
体であるから平板状ダイアフラムの面に歪ゲージを形成
する場合、金属性の平板状ダイアフラムのようにその表
面に絶縁処理を行なう必要性がないから、後の製造工程
を簡単にすることができる。また、平板状ダイアフラム
をその基板として、スパッタリング法により薄膜を形成
できるから、同時に大量の歪ゲージを製造することがで
き、かつ、小止り良く製造でき生産性を向上させること
ができる。

更に、平板状ダイアフラムの周辺部が、平板状ダイアフ
ラムに加わる流体圧力によって前記ボートと共に平板状
ダイアフラムを挟持するハウジングの内周縁を支点と【
ノ可動自在とすると共に、前記平板状ダイアフラムの周
辺部と圧力を導入するボートとの間に圧力を封止するシ
ール部材を介在させる構成によって、平板状ダイアフラ
ムの取り付【ブを簡単化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は切削加工によってダイアフラムを形成した従来
の圧力センサの断面図、第２図は半導体でダイアフラム
を形成した従来の圧力センサの断面図、第３図は本発明
の圧力センサの断面図、第４図は本発明の圧力センサに
用いた歪ゲージパターンの平面図、第５図は第４図の歪
ゲージパターンを本発明の圧力センサに用いた場合の特
性図である。 図中、２１・・・ハウジング、２２・・・ボート、２３
・・・歪ゲージ、２４・・・常圧室、２５・・・平板状
ダイアフラム、２６・・・圧力導入部、２９・・・電極
、２８・・・回路基板、３０及び３４・・・リード線、
３１及び３２・・・０リング、３５・・・ゴムキャップ
である。 なｄ５、図中、同−符号及び同一記号は、同一・または
相当部分を示す。 特許出願人　アイシン精機株式会社 代理人　弁理士　樋口　武尚 菊１図 ６ ノ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ハウジング内に配設された平板状ダイアフラムと、前記
   平板状ダイアフラムに圧力を導入するボー１〜と、前記
   平板状ダイアフラムの歪を電気損に変換する歪ゲージか
   ら構成される圧力センサにおいて、前記平板状ダイアフ
   ラムの周辺部が平板状ダイアフラムに加わる流体圧力に
   よって、前記ボー１〜と共に平板状ダイアフラムを挟持
   するハウジングの内周縁を支点として可動自在とすると
   共に、前記平板状ダイアフラムの周辺部と圧力を導入す
   るボー１−との間に圧力を封止するシール部材を介在さ
   せたことを特徴とする圧力センサ。