KR101114673B1 - 압력 센서 - Google Patents

Abstract

내부에 수압(受壓) 매체로서의 오일을 사용하지 않고, 힘 전달 부재의 구조를 간소화함으로써 소형화하고, 압력 검출의 측정 정밀도를 높인 감도가 좋은 압력 센서를 제공하는 것으로서, 하우징(4)의 제1 압력 입력구(2)의 선단부에는 측정 대상의 액체의 압력에 따라 휘어지는 제1 다이어프램(5)이 부착되고, 제2 압력 입력구(3)의 선단부에는 대기압에 따라 휘어지는 제2 다이어프램(6)이 부착된다. 제1 다이어프램(5)과 제2 다이어프램의 사이에는 샤프트(7)가 부착된다. 샤프트(7)의 소정의 위치에는 가동 부재(9)가 부착되어 있다. 힘의 검출축 방향에 배치된 양 끝의 지지부를 각각 가동 부재(9)와 고정 부재(10)에 접속 지지함으로써 감압 소자(11)가 고정되어 있다. 감압 소자(11)는 그 변위 방향이 샤프트(7)의 변위 방향과 동일 방향이 되도록 배치되어 있다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 압력 센서의 수압 매체로서의 오일을 사용하지 않음으로써 압력 센서의 용도의 다양화를 도모하는데 매우 적합한 것이다.

종래부터, 수압계, 기압계, 차압계 등으로서 압전 진동 소자를 감압 소자로서 사용한 압력 센서가 알려져 있다. 상기 압전 진동 소자는, 예를 들면, 판형상의 압전 기판 상에 전극 패턴이 형성되고, 힘의 검출 방향을 검출축으로 설정하고 있고, 당해 검출축의 방향으로 압력이 작용하면, 상기 압전 진동자의 공진 주파수가 변화하고, 당해 공진 주파수의 변화로부터 압력을 검출한다. 특허 문헌 1～3에는, 감압 소자로서 압전 진동 소자를 이용한 압력 센서가 개시되어 있다. 압력 도입구에서 벨로스에 압력이 가해지면 당해 벨로스의 유효 면적에 따른 힘이 피벗(휨 힌지)을 지점으로 한 힘 전달 수단을 통해 압전 진동 소자에 압축력 혹은 인장력으로서 힘(F)이 가해진다. 상기 압전 진동자에는, 당해 힘(F)에 따른 응력이 발생하게 되고, 당해 응력에 의해 공진 주파수가 변화한다. 당해 압력 센서는 압전 진동자에 생기는 공진 주파수의 변화를 검출함으로써 압력을 측정하는 것이다.

종래의 압력 센서를, 특허 문헌 1 등에 개시되어 있는 예를 이용하여 설명한다. 도 11은 종래의 압력 센서의 구조를 나타낸 모식도이다.

도 11에 나타내는 종래의 압력 센서(101)는, 대향하여 배치된 제1 및 제2 압력 입력구(102, 103)를 가지는 하우징(104)과, 하우징(104)의 내부에 힘 전달 부재(105)를 구비하고, 힘 전달 부재(105)의 일단을 사이에 끼우도록 제1 벨로스(106) 및 제2 벨로스(107)를 접속하고 있다. 그리고, 제1 벨로스(106)의 타단을 제1 압력 입력구(102)에 접속하고, 제2 벨로스(107)의 타단을 제2 압력 입력구(103)에 접속하고 있다. 또한, 힘 전달 부재(105)의 타단과 기판(108)의 피벗(지점)이 아닌 쪽의 단부와의 사이에, 감압 소자로서 쌍음차형 진동자(109)를 배치하고 있다.

여기서, 압력 센서에 있어서, 고정밀도로 압력을 검출하는 경우, 벨로스의 내부에는, 액체가 충전되어 있다. 당해 액체로는, 벨로스의 내부나 내부의 주름 부분에 기포가 비집고 들어가거나, 모이지 않도록 하기 위해서, 일반적으로 점성이 높은 실리콘 오일 등의 오일이 이용되고 있다.

이와 같이, 제1 벨로스(106)의 내부에는, 점성이 있는 오일(110)이 충전되어 있고, 압력 측정의 대상이 액체인 경우는, 제1 압력 입력구에 열린 개구부(111)에 의해 액체와 오일(110)이 접촉하여 상대하는 구조로 되어 있다. 또한, 개구부(111)는 오일(110)이 외부로 새지 않도록 개구 직경이 설정되어 있다.

이러한 구성의 압력 센서(101)에 있어서는, 압력 측정의 대상이 되는 액체에서 압력(F)이 제1 벨로스(106)의 내부에 충전되어 있는 오일(110)에 가해지면, 제1 벨로스(106)를 거쳐 압력(F)이, 힘 전달 부재(105)(피벗 지지된 요동 레버)의 일단에 가해진다. 한편, 제2 벨로스(107)에는, 대기압이 가해지고, 대기압에 상당하는 힘이 힘 전달 부재(105)의 일단에 가해진다.

이 결과, 힘 전달 부재(105)의 타단을 통해, 압력 측정의 대상이 되는 액체에서 가해진 압력(F)과 대기압에 의한 압력의 차압에 상당하는 힘이 기판(108)의 피벗을 지점으로 하여, 쌍음차형 진동자(109)에 압축력, 혹은 인장력으로서 가해진다. 쌍음차형 진동자(109)에 압축력, 혹은 인장력이 가해지면, 쌍음차형 진동자(109)에는 응력이 생기고, 당해 응력의 크기에 따라 공진 주파수가 변화하므로, 그 공진 주파수를 측정함으로써, 압력(F)의 크기를 검출할 수 있다.

한편, 특허 문헌 4에는, 전술의 압력 센서로 이용하는 피벗(휨 힌지)을 지점으로 한 요동 레버를 이용한 고가의 힘 전달 수단(캔틸레버)을 이용하지 않는 구조인 것이 제시되어 있다. 이는, 센서 하우징 내에 일직선상에 2개의 벨로스를 배열하여 사이에 대좌를 끼워넣고, 각각의 벨로스에 도입되는 압력의 차에 기인하는 압력 변동을 대좌의 거동으로 검출하려는 것이다. 이를 위해, 제1 벨로스의 일단과 제2 벨로스의 일단의 사이에 진동자 접착용 대좌를 끼워넣고, 제2 벨로스의 외주측에서, 상기 대좌와 제2 벨로스의 타단측의 하우징 벽면에 감압 소자의 양 끝의 각각을 고정한다. 그리고, 제2 벨로스를 사이에 끼우는 선대칭 위치에 보강판을 배치하고, 당해 보강판의 양 끝의 각각을 상기 대좌와 상기 하우징 벽면에 고정하여 이루어지는 구조를 채용하고 있다.

또한, 특허 문헌 5에 있어서는, 특허 문헌 4에 개시된 상기 압력 센서에 관 한 것으로, 벨로스의 압력 검출축 방향과 직교하는 방향으로부터의 충격에 대한 강도가 약하다는 과제를 해결하기 위해서, 압력 검출축 방향과 직교하는 방향으로 상기 대좌와 하우징을 보강용 탄성 부재(이른바 용수철)를 이용해 연결하여 이루어지는 압력 센서가 제안되어 있다.

다음에, 특허 문헌 6, 7에는, 엔진 내부의 유압을 검출하기 위해서 엔진 블록에 고정하여 사용하는 압력 센서가 개시되어 있다. 이 압력 센서는 인가된 압력에 따른 전기 신호를 출력하는 센싱부, 압력을 수압하는 수압용 다이어프램부, 다이어프램으로부터 센싱부에 압력을 전달하기 위한 압력 전달 부재로 이루어지고, 구체적으로는, 중공 금속 스템(stem)의 한쪽의 단면에 수압용의 제1 다이어프램을 설치하고, 다른쪽의 단면에 검출용의 제2 다이어프램을 설치하고, 스템 내에서 상기 제1, 제2 다이어프램 사이에 힘 전달 부재를 개재시키고 있다. 힘 전달 부재는 금속 혹은 세라믹으로 이루어지는 샤프트이며, 이를 한쌍의 다이어프램 사이에 프리스트레스(prestress)를 부여한 상태로 개재시키도록 하고 있다. 그리고, 제2 다이어프램의 외단면에 압력 검출 소자로서의 변형 게이지 기능을 가지는 칩을 붙이고, 제1 다이어프램에서 받은 압력을 힘 전달 부재로 제2 다이어프램으로 전달하고, 제2 다이어프램의 변형을 변형 게이지 칩에 의해 전기 신호로 변환함으로써 엔진 유압을 검출하도록 하고 있다.

<선행 기술 문헌>

<특허문헌>

<특허 문헌 1> 일본국 특허공개 소 56－119519호 공보

<특허 문헌 2> 일본국 특허공개 소 64－9331호 공보

<특허 문헌 3> 일본국 특허공개 평 2－228534호 공보

<특허 문헌 4> 일본국 특허공개 2005－121628호 공보

<특허 문헌 5> 일본국 특허공개 2007－57395호 공보

<특허 문헌 6> 일본국 특허공개 2006－194736호 공보

<특허 문헌 7> 일본국 특허공개 2007－132697호 공보

그러나, 특허 문헌 1～3의 발명에 있어서는, 도 11에 나타내는 압력 센서와 같이, 제1 벨로스(106)에 충전되어 있는 오일(110)은, 압력 센서(101)를 구성하는 다른 요소, 예를 들면, 힘 전달 부재(105)나 쌍음차형 진동자 힘 센서(109) 등에 비해 열 팽창 계수가 크기 때문에, 압력 센서를 구성하는 각 부재에 온도 변화에 의한 열 변형이 생기게 된다. 이러한 열 변형이 불필요한 응력으로서 쌍음차형 진동자(109)에 작용하므로, 측정한 압력치에 오차가 생기게 되어 압력 센서의 특성을 악화시킨다는 문제가 있었다.

또한, 제1 벨로스(106)에 충전되어 있는 오일(110)은, 압력 측정의 대상이 되는 액체와 접촉하여 상대하고 있는데, 압력 센서의 설치 방법에 따라 오일(110)이 압력 측정의 대상이 되는 액체측으로 유출되거나, 액체가 제1 벨로스(106)측에 유입하는 경우도 있으므로, 제1 벨로스(106)에 충전되어 있는 오일(110) 내에 기포가 발생하는 경우가 있다. 오일(110) 내에 기포가 발생하면, 압력의 전달 매체로서 기능하는 오일(110)은, 힘을 힘 전달 부재(105)를 경유하여 쌍음차형 진동자에 안정되게 전달할 수 없으므로, 압력 측정에 오차가 생길 가능성이 있다.

또한, 상술한 것처럼, 오일(110)은, 압력 측정의 대상이 되는 액체와 접촉하여 상대하고 있으므로, 압력 센서의 설치 방법에 따라 오일(110)이 압력 측정의 대상이 되는 액체측으로 유출할 가능성이 있고, 이물의 혼입을 꺼리는 청정한 액체의 압력 측정을 행하는 경우의 용도에는, 오일(110)을 사용한 종래와 같은 압력 센서 를 사용 할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 종래와 같은 압력 센서(101)는, 힘 전달 부재(105)가, 복잡한 구조를 하고 있어, 압력 센서를 소형화할 때에, 장해가 된다. 또한, 힘 전달 부재(105)는 압축부의 가는 휨 힌지를 필요로 하는 구조를 하고 있으므로 고 비용 부품이 되어 압력 센서의 제조 비용을 상승시킨다는 문제가 있었다.

특허 문헌 4나 5가 제안하고 있는 압력 센서는, 자세가 기울면, 벨로스가 늘어져 버리므로, 감압 소자(쌍음차 진동자)에 가해지는 힘에 변화가 생겨 버리고, 그에 따라 공진 주파수도 변동해 버린다는 문제가 있었다.

또한, 압력 센서의 압력 도입구의 내부에 오일이 충전된 파이프를 접속하고, 당해 파이프의 타단을 피측정 액체에 접촉시키는 구조이므로, 특허 문헌 1～3에서 게재한 바와 같이 벨로스나 파이프에 충전되어 있는 오일이, 압력 측정의 대상이 되는 액체와 접촉하여 상대하고 있으므로, 압력 센서의 설치 방법에 따라 오일이 압력 측정의 대상이 되는 액체측으로 유출되거나, 액체가 벨로스측에 유입하는 경우도 있으므로, 벨로스에 충전되어 있는 오일 내에 기포가 발생하는 경우가 있고, 오일내에 기포가 발생하면, 압력의 전달 매체로서 기능하는 오일이, 대좌를 경유하여 쌍음차형 진동자에 안정되게 전달될 수 없으므로, 압력 측정에 오차가 생기는 문제가 있었다.

특허 문헌 5에 대해서는, 벨로스에 끼워진 대좌를 하우징 측면에 판 용수철로 이루어지는 보강용 탄성 부재로 지지하는 구성이므로, 벨로스의 축 방향 이동에 따른 대좌의 거동을 억제하는 힘이 작용하는 것은 부정할 수 없다. 이 때문에, 압 력 검출 감도는 열화해 버릴 가능성이 있다. 또한, 지지를 견고하게 하기 위해서 보강용 탄성 부재의 경도(硬度)를 단단하게 하면, 벨로스의 움직임을 억제시키게 되어, 압력 검출 감도를 열화시켜 버린다는 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 4나 5에서는 보강판이 벨로스를 사이에 끼고 선대칭 위치에 감압 소자와 대향 배치되어 있으므로, 벨로스의 움직임을 억제하게 되어, 압력 검출 감도를 열화시켜 버린다는 문제가 있었다.

특허 문헌 6이나 7에 있어서, 다이어프램과 샤프트는 프리스트레스를 부여한 상태로 접촉하고 있는데, 압력 센서가 고온 고압화로 사용되므로, 단단하게 고정해 버리면 각 부재의 열 팽창의 차이에 의해, 기구가 파괴되어 버릴 우려가 있으므로, 당해 열 팽창을 고려하여, 다이어프램과 샤프트는 점으로 접촉되는데 불과하고, 접착제 등의 접착 수단을 이용하여 접착은 되지 않는다. 따라서, 압력 변동에 의해 다이어프램과 샤프트가 가동할 때, 점 접촉부가 어긋나 버릴 가능성이 매우 높고, 접촉점이 어긋나는 과정에서, 다이어프램과 샤프트의 양쪽에 작용하는 힘이 누설되어 버리므로, 정밀도 높은 압력 검출을 행할 수 없다는 문제가 있었다. 또한, 원래 특허 문헌 6, 7에 기재된 압력 센서는 압력 센서가 고온 고압화로 사용되므로, 수압부와 센싱의 사이에 거리를 두고 센싱의 칩 등으로의 열적 영향을 회피하기 위해서, 가능한한 힘 전달 부재가 긴 것이 바람직하여, 소형화를 도모하는 기술에의 적용에는 바람직하지 않은 것이었다. 추가하여, 특허 문헌 6, 7의 경우에는, 한쌍의 다이어프램 사이에 샤프트를 개재시켜 힘의 전달을 행하고 있는데, 센싱부의 다이어프램에 센서 칩을 부착한 구성이므로, 다이어프램의 성상이 수압측과 센싱부측 에서 다르기 때문에, 계측 정밀도를 높게 할 수 없다는 큰 결점이 있었다.

여기서, 본 발명은 전술과 같은 다양한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 즉, 내부에 수압 매체로서의 오일을 사용하지 않고, 힘 전달 부재의 구조를 간소화함으로써 소형화하고, 압력 검출의 측정 정밀도를 높인 감도가 좋은 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상술의 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.

［적용예 1] 하우징과, 당해 하우징의 압력 입력구를 실링하고, 1면이 수압면인 다이어프램과, 힘의 검출 방향을 검출축으로 하는 감압부를 가지고, 당해 감압부의 일단이 상기 다이어프램의 타면의 중앙 영역에 접속되고, 상기 감압부의 타단이 상기 하우징에 접속되고, 상기 검출축은 상기 수압면에 대해서 거의 수직인 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 2］상기 감압부는, 상기 다이어프램의 타면의 중앙 영역에 일단이 접촉된 힘 전달 수단과, 당해 힘 전달 수단에 고정된 가동 수단과, 당해 가동 수단에 한쪽의 단부가 접속되고, 다른쪽의 단부가 하우징에 접속된 감압 소자로 구성되어 있는 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 3] 상기 힘 전달 수단이 샤프트인 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 4］상기 감압 소자는, 양 단부에 설치한 기부를 가지고, 당해 양 단부에 설치한 기부의 사이에 진동부를 가지는 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 5］다이어프램의 재질은, 금속, 세라믹, 또는 압전 결정체인 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 6］상기 샤프트의 재질은, 스테인리스, 알루미늄, 또는 세라믹인 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 7］상기 하우징의 재질은, 스테인리스, 알루미늄, 또는 세라믹인 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 8］압력 입력구를 가지는 하우징과, 당해 하우징의 상기 압력 입력구를 실링하고 외면이 수압면인 다이어프램과, 상기 하우징 내부에서 이 다이어프램의 내면의 중앙 영역에 일단이 접속되고 타단을 상기 하우징에 접속함과 더불어, 검출축을 상기 다이어프램의 수압면과 수직인 축을 따라 설정한 감압부를 가지고 이루어지는 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 9］상기 적용예 1에 있어서, 상기 감압부는 다이어프램에 수직으로 연결된 힘 전달 수단과, 당해 힘 전달 수단에 일단이 연결되고 타단이 상기 하우징 벽면에 연결된 감압 소자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

［적용예 10］하우징과, 당해 하우징의 대향하는 벽면에 동축 상에 설치된 압력 입력구와, 상기 압력 입력구를 실링하고 외면이 수압면인 다이어프램과, 상기 하우징 내부에서 상기 다이어프램의 내면의 중앙 영역에 접속된 힘 전달 수단과, 이 힘 전달 수단에 일단이 접속되고 타단을 상기 하우징에 접속함과 더불어, 검출축을 상기 다이어프램의 수압면과 수직인 축을 따라 설정한 감압 소자를 가지고 이루어지는 압력 센서를 특징으로 한다.

［적용예 11 ］하우징과, 당해 하우징의 대향하는 벽면에 동축 상에 설치된 한쌍의 압력 입력구와, 상기 압력 입력구를 실링하고 외면이 수압면인 제1, 제2 다이어프램과, 상기 하우징 내부에서 상기 제1, 제2 다이어프램의 내면의 중앙 영역을 접속하는 힘 전달 수단과, 이 힘 전달 수단의 도중에 일단이 접속되고 타단을 상기 하우징에 접속함과 더불어, 검출축을 상기 다이어프램의 수압면과 수직인 축과 평행하게 설정한 감압 소자를 가지고 이루어지는 압력 센서를 특징으로 한다.

[적용예 12］적용예 8～11중 어느 하나의 압력 센서에 있어서, 하우징의 내부에는 상기 검출축과 평행하게 가이드 샤프트를 설치한 것을 특징으로 한다.

［적용예 13］적용예 10～11중 어느 하나의 압력 센서에 있어서, 상기 힘 전달 수단을 샤프트에 의해 형성하고, 감압 소자를 상기 샤프트와 평행하게 배치한 것을 특징으로 한다.

［적용예 14] 적용예 10～11중 어느 하나의 압력 센서에 있어서, 상기 힘 전달 수단을 샤프트에 의해 형성하고, 감압 소자를 상기 샤프트와 동축에 배치한 것을 특징으로 한다.

［적용예 15］ 서로 대향하는 단판 형상의 제1, 제2 케이스와 이들 주위를 둘러싸고 측면 부재를 형성하는 제3 케이스에 의해 형성된 하우징과, 상기 케이스의 1개에 설치된 플랜지와, 상기 제1, 제2 케이스에 개구된 압력 입력구를 실링하는 제1, 제2 다이어프램과, 상기 하우징 내에서 상기 제1, 제2 다이어프램끼리를 그 중앙 영역에서 연결하여 일체화되어 힘의 전달을 가능하게 한 센터 샤프트와, 이 센터 샤프트에 고정된 가동 받침대와 상기 하우징 내면부에 설치한 고정 받침대 에 양 단부가 부착되고 검출축이 상기 센터 샤프트와 평행하게 설정된 감압 소자와, 상기 센터 샤프트의 주위에 배치되어 제1, 제2 케이스끼리를 연결하는 복수의 지지봉을 가지고 이루어지는 것을 특징으로 한다.

［적용예 16］서로 대향하는 단판 형상의 제1, 제2 케이스와 이들 주위를 둘러싸고 측면 부재를 형성하는 제3 케이스에 의해 형성된 하우징과, 상기 제1 케이스에 개구된 압력 입력구를 실링하는 제1 다이어프램과, 상기 하우징 내에서 상기 제1 다이어프램의 중앙 영역에서 연결해 일체화되어 힘의 전달을 가능하게 한 센터 샤프트와, 이 센터 샤프트의 단부에 고정된 가동 받침대와 상기 제2 케이스 내면부에 설치한 고정 받침대에 양단부가 부착되고 검출축이 상기 센터 샤프트와 동축에 설정된 감압 소자와, 상기 센터 샤프트의 주위에 배치되어 제1, 제2 케이스끼리를 연결하는 복수의 지지봉을 가지고 이루어지는 것을 특징으로 한다.

［적용예 17］ 상기 센터 샤프트와 가동 받침대는 하나의 부재로부터 절삭 가공된 일체의 것임을 특징으로 하는 적용예 16 또는 17에 기재된 압력 센서이다.

［적용예 18］ 상기 센터 샤프트와 다이어프램의 연결부는 접착제에 의해 접합 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 적용예 16 또는 17에 기재된 압력 센서이다.

적용예 1에 의하면, 피압력 측정 환경의 압력을 받는 수압 매체를 다이어프램으로 하여, 압력 센서에는 수압 매체로서의 오일을 불필요로 하므로, 피압력 측정 환경측에 오일이 유출하지 않고, 예를 들면 피압력 측정 환경으로서 이물의 혼 입을 꺼리는 청정한 액체의 압력 측정을 행하는 등의 용도에 사용 가능해진다.

또한, 열 팽창 계수가 큰 수압 매체인 오일의 사용을 중지하였으므로, 압력 센서의 온도 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

적용예 2에 의하면, 고가이고 복잡한 구조의 힘 전달 부재를 불필요로 하여 간소화했으므로, 압력 센서의 소형화와 저 비용을 도모하는 것이 가능해진다.

적용예 3에 의하면, 감압 소자에 불필요한 변형이 생기지 않도록 할 수 있다.

적용예 4에 의하면, 감압 소자에 생기는 신장?압축 응력에 의해 공진주파수가 변화하는 쌍음차 진동자, 두께 슬라이드 진동자, 또는 탄성 표면파 디바이스를 이용함으로써, 용이하게 압력 센서를 실현할 수 있다. 특히, 쌍음차형 진동자는, 신장?압축 응력에 대한 감도가 양호하고, 분해 능력이 뛰어나므로, 쌍음차 진동자를 이용하면, 미소한 압력차를 검출하는 압력 센서를 실현하는 것이 가능해진다.

적용예 5에 의하면, 다이어프램의 재질로서, 스테인리스와 같은 금속이나 세라믹 등의 내 부식성이 뛰어난 것이나, 수정과 같은 단결정체 등을, 측정 대상의 재질에 맞추어 선택해 사용함으로써, 측정 정밀도가 높은 안정된 압력 센서를 구성할 수 있다.

적용예 6에 의하면, 샤프트의 재질로서, 강도가 높고 안정된 재질인 스테인리스, 혹은 알루미늄, 또는, 가공하기 쉬운 세라믹 등을, 압력 센서의 용도에 따라 선택하여 사용함으로써, 정밀도가 높은 안정된 압력 센서를 구성할 수 있다.

적용예 7에 의하면, 열에 의한 감압 소자에의 변형의 영향을 완화할 수 있 다.

적용예 8에 의하면, 피압력 측정 환경의 압력을 받는 수압 매체를 다이어프램으로 하고, 압력 센서에는 수압 매체로서의 오일을 불필요로 할 수 있어, 이물질의 혼입을 꺼리는 청정한 액체의 압력 측정을 행하는 등의 용도에 사용 가능해짐과 더불어, 열 팽창 계수가 큰 수압 매체인 오일의 사용을 중지하였으므로, 압력 센서의 온도 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 추가하여, 하우징에 감압부를 내장하기 위한 소형화를 실현할 수 있다.

적용예 9에 의하면, 피벗 구조의 힘 전달 부재를 불필요로 하여, 간소화되므로, 압력 센서의 소형화와 저비용을 도모하는 것이 가능해진다.

적용예 10에 절대압 센서로서 보다 적은 오일의 소형의 압력 센서로 할 수가 있다.

적용예 11에 의하면, 상대압 센서로서 보다 적은 오일의 소형의 압력 센서로 할 수 있다.

적용예 12에 의하면, 감압 소자에는 검출축 방향의 힘만을 작용시킬 수 있으므로, 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

적용예 13에 의하면, 하우징 높이를 작게 할 수 있어 소형화를 촉진시킬 수 있다.

적용예 14에 의하면, 절대압 측정용의 압력 센서로 한 간단하고 용이한 구조로 할 수 있어 비용을 저감시킬 수 있다.

적용예 15에 의하면, 오일을 사용하지 않고 압력의 전달을 할 수 있는 외, 특히, 복수의 지지봉에 의해 하우징의 부착 자세의 여하에 관계없이 정밀도 높은 압력 측정이 가능해지고, 하우징을 구성하는 플랜지 부착 케이스를 측정 대상액체 용기에의 부착자리로 함으로써, 부착에 있어 센터 샤프트 등의 감압부에의 불필요한 스트레스를 발생시키지 않는다.

적용예 16에 의하면, 오일을 사용하지 않는 압력 센서로 할 수 있고, 절대압 측정용의 압력 센서로 한 간단하고 용이한 구조로 할 수 있어 비용을 저감시킬 수 있다.

적용예 17에 의하면, 센터 샤프트의 고정부에서 받침대가 벗어나거나 어긋나는 것이 방지된다.

적용예 18에 의하면, 다이어프램과 센터 샤프트의 위치 어긋남이 방지되어, 측정 정밀도를 악화시키는 것이 방지된다.

이하, 도시한 실시 형태에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 또한, 각 실시 형태는, 측정 대상물이 액체인 경우를 예로 들어 설명한다.

도 1은, 본 발명에 관한 압력 센서의 제1 실시 형태의 구성을 나타낸 모식도이다.

이 도 1에 도시하는 압력 센서(1)는, 내부를 진공으로 함과 더불어 대향하여 배치된 제1 압력 입력구(2)와 제2 압력 입력구(3)를 가지고, 후술하는 각 구성 요소를 수용하는 하우징(4)을 구비한다. 제1 압력 입력구(2)의 선단부에는, 측정 대상의 액체의 압력에 따라 휘어지는 제1 다이어프램(수압용 다이어프램)(5)이 부착 되고, 외부로 노출되어 있다. 제2 압력 입력구(3)의 선단부에는, 대기압에 따라 휘어지는 제2 다이어프램(대기압용 다이어프램)(6)이 부착된다. 제1 다이어프램(5)과 제2 다이어프램(6)의 사이에는, 힘 전달 수단으로서 샤프트(7)가 부착되어, 외부로 노출되어 있다. 샤프트(7)의 소정의 위치에는 가동 부재(9)가 부착되어 있다. 힘의 검출축 방향으로 배치된 양 끝의 지지부를 각각 가동 부재(9)와 제2 케이스(21)의 고정부(10)에 접속 지지함으로써 감압 소자(11)가 고정되어 있다. 감압 소자(11)는 그 변위 방향이, 제1 다이어프램(5)과 제2 다이어프램(6)의 수압부를 연결하는 샤프트(7)의 변위 방향과 동일 방향이 되도록, 즉 힘의 검출축 방향으로 평행하게 되도록 배치되어 있다. 제1 케이스(20)와 제2 케이스(21)의 사이에는 지지봉(12a, 12b)이 설치되어 있고, 지지봉(12a, 12b)의 단면의 외형을 모방한 형상의 다보 구멍(도시하지 않음)이 제1 케이스(20)와 제2 케이스(21)의 내부 표면에 형성되고, 당해 다보 구멍에 가이드 샤프트로서의 지지봉(12a, 12b)을 꽂아넣어 접합하고, 조립 시, 및 제품 사용 시에 감압 소자에 불필요한 변형이 생기지않도록 기능한다. 또한, 도시에서는 2개의 지지봉이 형성되어 있는데, 1개 또는 3개 이상 형성해도 된다.

보다 구체적으로 제1 실시 형태를, 도 1, 도 2를 참조하여, 상세하게 설명한다. 이 압력 센서(1)는, 중공 원통체로 이루어지는 하우징(4)을 가지고 있다. 이 하우징(4)은 단판으로서의 제1 케이스(하단판)(20), 제2 케이스(상단판)(21)가 원통 측벽인 제3 케이스(22)의 3개의 블록에 의해 구성되고, 내부를 중공으로 하고 있다. 제1, 제2 케이스(20, 21)의 외단면에는 하우징(4)의 축심을 따라 각각 제1, 제2 부착부로서의 꼭지쇠가 돌출하여 설치되고, 이 꼭지쇠에는 외측 나사가 잘려 있고, 측정 대상 액체나 대기 도입을 위한 접속부가 되는 부착 지그(jig)(13)를 형성하고 있다. 상기 꼭지쇠 부분을 포함하여, 제1, 제2 케이스(20, 21)에는 내부 공간과 연통하는 제1 압력 입력구(2), 제2 압력 입력구(3)가 하우징 축심과 동심(同芯)으로 관통되고, 꼭지쇠 부분의 선단면에 개구되어 있다. 그리고, 각 꼭지쇠의 외단면에는, 이들 압력 입력구(2, 3)의 각각을 실링하여 내외를 차폐하는 다이어프램이 부착되어 있다. 이 실시 형태에서는, 제1 케이스(20)측에 수압용의 제1 다이어프램(5)을 부착하고, 제2 케이스(21)측에 대기압 설정용의 제2 다이어프램(6)이 부착되어 있다. 이들 다이어프램(5, 6)은 동일한 것을 이용하고 있고, 양자가 동일한 압력을 받았을 때의 휨량이 같아지도록 설정하고 있다. 물론, 이에 따라, 하우징(4)은 내외가 차단된 상태로 되어 있음과 더불어, 도시하지 않은 공기 배출 수단에 의해 내부를 진공 상태로 유지할 수 있도록 하고 있다.

이러한 하우징 구조에 있어서, 상기 하우징(1)의 내부에는, 힘의 검출 방향을 검출축으로 하는 감압부를 가지고, 당해 감압부의 일단이 상기 다이어프램의 타면의 중앙 영역에 접속되고, 상기 감압부의 타단이 상기 하우징에 접속되고, 상기 검출축은 상기 수압면에 대해서 거의 수직이 되도록 부착되어 있다. 즉, 하우징(1)의 축심을 따라 감압부의 일부를 구성하는 센터 샤프트(7)가 배치되고, 상기 제1, 제2 압력 입력구(2, 3)를 관통하고, 그 선단부를 상술한 다이어프램(5, 6)의 중앙 영역에 접착제에 의해 고정적으로 접속하고 있다. 이에 따라, 다이어프램(5, 6)의 한쪽의 휨 변형을 다른쪽에 전달할 수 있도록 하고 있다. 즉, 센터 샤프 트(7)는 힘 전달 부재로서 구성되어 있다. 센터 샤프트(7)는, 스테인리스, 알루미늄 등의 금속, 또는 세라믹으로 구성되고, 좌굴(buckling) 등의 변형을 발생시키지 않는 강성 재료에 의해 형성되어 있다. 이 센터 샤프트(7)의 경량화를 도모하는 경우에는 파이프에 의해 형성할 수 있다. 센터 샤프트(7)의 도중에는 후술하는 감압 소자의 부착 대좌가 되는 소(小) 블록이 일체 성형 혹은 후부 부착에 의해 설치되어 있고, 이는 센터 샤프트(7)의 축방향 이동에 추종하는 가동부(9)로 되어 있다. 센터 샤프트(7)와 가동부(9)는 하나의 부재로부터 절삭 가공된 일체의 것이어도 된다. 그렇게 함으로써 가동부(9)가 센터 샤프트(7)의 고정부에서 벗어나거나 어긋나지 않으므로 검출 정밀도가 향상된다.

또한, 상기 센터 샤프트(7)에는 감압부의 주체를 구성하는 감압 소자(11)가 연계되어 있다. 감압 소자(11)는 실시 형태의 경우, 쌍음차 진동자가 이용되고, 그 일단측의 부착 지지부를 상기 가동부(9)에 고정하고, 타단측의 부착 지지부를 상술한 제2 케이스(21)의 고정부(10)에 고정하도록 하고 있다. 이 때, 당해 감압 소자(11)는, 검출축이 상기 센터 샤프트(7)와 평행하게 되도록 설정되고, 수압용 제1 다이어프램(5)의 수압면에 수직인 센터 샤프트에 의한 축 방향 변화를, 상기 가동부(9)를 통해, 감압 소자(11)에 대해서 그 검출축을 따른 변화로서 힘을 전달하도록 배치 구성되어 있다. 또한, 제2 케이스(21)에는 상기 가동부(9)의 측면과 동 열의 측면을 형성하도록 오목 함몰부를 형성하고, 감압 소자(11)가 센터 샤프트(7)와 평행하게 부착되도록 하면서, 하우징 높이의 저배화(低背化)를 도모하도록 하고 있다.

상기 하우징(4)의 내부에는, 상기 센터 샤프트(7) 주위에 복수의 가이드 샤프트인 지지봉(12a, 12b)이 그것과 평행하게 배치되어 있다. 이들은 제1 케이스(20)와 제2 케이스(21)의 간격을 일정하게 유지하고, 외력에 의한 하우징(4)의 변형이나 임의의 자세에 의해 검출 정밀도가 저하하지 않도록 하고 있다. 이를 위해, 지지봉(12)의 단부는 제1, 제2 케이스(20, 21)에 다보 구멍을 형성하고, 여기에 압입하여 견고하게 고정하도록 하고 있다.

이와 같이 구성한 압력 센서(1)는, 도 1에 도시한 것처럼, 예를 들면, 주위에 나선상의 홈이 잘려 나사로서 기능하는 부착 걸쇠(13, 13) 등을 이용하여 측정 대상이 되는 액체의 수용 용기에 부착하고, 제1 다이어프램(5)을 직접, 측정 대상이 되는 액체에 접촉시킨다. 부착 걸쇠(13, 13)는, 측정 대상이 되는 액체의 압력의 세기나, 액체의 수용 용기의 구조에 따라, 소정의 형상이나 두께인 것이 필요하다.

제1 다이어프램(5)은, 탄성이 있는 수압 소자이며, 접촉하고 있는 액체측에서 압력이 가해지면 센터 샤프트(7)측으로 휘어지고, 센터 샤프트(7)를 통하여 가동 부재(9)에 도 1에 있어서의 지면의 상하 방향으로 힘(F1)이 가해진다. 한편, 제2 다이어프램(6)은, 대기압이 가해져 있고, 대기압을 수압한 제2 다이어프램(6)으로부터 센터 샤프트(7)를 통해 가동 부재(9)에 힘(F2)이 가해진다.

이 경우, 가동 부재(9)의 한쪽의 면(다이어프램의 수압면에 평행한 면)에는, 제1 다이어프램(5)에 가해진 액체에 의한 힘(F1)과 제2 다이어프램(6)에 가해진 대기압에 의한 힘(F2)의 차압에 상당하는 힘(F1－F2)이 가해지므로, 가동 부재(9)의 다른쪽의 면(다이어프램의 수압면에 수직인(교차하는) 면)과 제2 케이스(21)의 고정부(10)의 사이에 배치된 감압 소자(11)에는, 압축력, 혹은 인장력이 가해지게 된다. 감압 소자(11)에 압축력, 혹은 인장력이 가해진 경우, 감압 소자(11)에는 신장(인장) 응력 또는 압축 응력이 생기므로 당해 응력의 크기에 따라 공진 주파수가 변화하게 되고, 그 공진 주파수를 측정함으로써, 대기의 압력을 제로 기준으로 한 상대 압력치를, 마이크로 컴퓨터 등을 이용하여, 구할 수 있다.

그런데, 압력 센서(1)를 조립할 때에는, 감압 소자(11)에 불필요한 응력에 의한 변형이 가해지지 않도록 하는 것이 필요해진다. 여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 2개의 지지봉(12a, 12b)을 이용하여 정밀도 좋게 다이어프램, 샤프트, 혹은 가동 부재 등을 조립할 수 있도록 했다.

다음에 압력 센서(1)의 조립 방법에 대해서 설명한다.

도 2는, 압력 센서(1)의 하우징(4)의 구성을 나타낸 모식도이다.

하우징(4)은, 3개의 블록에 의해 구성되어 있고, 측정 대상의 액체에 대한 수압 매체가 되는 제1 다이어프램(5)을 구비한 제1 케이스(20)와, 대기압에 대한 수압 매체가 되는 제2 다이어프램(6)을 구비한 제2 케이스(21)와, 압력 센서(1)를 기밀하게 실링하기 위한 제3 케이스(22)로 이루어진다. 그리고, 제1 케이스(20)와 제2 케이스(21)와 지지봉(12a, 12b)을 조합하여 조립함으로써 조립 정밀도를 높였다.

다음에 압력 센서(1)의 조립 순서에 대해서 설명한다.

도 3은, 본 발명에 관한 압력 센서의 조립 순서를 나타내는 공정도이다.

이 경우, 먼저, 제1 다이어프램(5)을 제1 케이스(20)에 설치한 제1 압력 입력구(2)의 선단부에 접속한다(ST1). 다음에, 제2 다이어프램(6)을 제2 케이스(21)에 설치한 제2 압력 입력구(3)의 선단부에 접속한다(ST2). 그리고, 제1 다이어프램(5)에 수직 방향으로 샤프트(7)의 일단을, 후술하는 조립 지그를 이용하여 정밀도 좋게 접속한다(ST3). 또한, 제2 다이어프램(6)에 수직 방향으로 샤프트(7)의 타단을, 후술하는 조립 지그를 이용하여 정밀도 좋게 접속한다(ST4). 다음에, 제1 다이어프램(5)과 샤프트(7)의 일단이 접속되어 있는 제1 케이스(20)의 다보 구멍에 지지봉(12a, 12b)의 일단을 꽂아넣음으로써 접속하고(ST5), 또한, 제2 다이어프램(6)과 샤프트(7)의 타단이 접속되어 있는 제2 케이스(21)의 다보 구멍에, 지지봉(12a, 12b)의 타단을 꽂아넣음으로써 접속한다(ST6). 그리고, 샤프트(7)의 소정의 위치에 가동 부재(9)를 접속하고(ST7), 가동 부재(9)와 고정 부재(10)의 사이에 변위 방향이 제1 다이어프램(5)과 제2 다이어프램(6)의 변위 방향과 동일 방향이 되도록 응력 감응 소자(11)를 접속한다(ST8). 마지막으로, 각 구성 요소가 부착된 제1 케이스(20)와 제2 케이스(21)에 케이스 내를 밀봉하기 위한 제3 케이스(22)를 접합하고(ST9), 케이스 내를 진공 실링하면 압력 센서(1)는 완성된다(ST10).

그런데, 제1 다이어프램(5)과 제2 다이어프램(6)의 각각에 수직 방향으로 접속하는 샤프트(7)는, 압력 센서의 측정 정밀도를 높이기 위해서, 접속할 때에 고정밀도로 수직도를 유지하는 것이 요구된다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 도 4에 도시한 위치 결정 조립 방법에 의해 샤프트를 조립하도록 했다.

도 4는, 위치 결정 지그를 이용한 조립 방법을 나타내는 도면이다.

위치 결정 지그(25)는, 원통상의 홈이 있는 형상을 이루고 있고, 반원형의 2개의 블록으로 분리할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 위치 결정 지그(25)는, 하우징(4)에 설치된 제1 압력 입력구(2)에 연통한 구멍 입구(26)에 밀착하여 삽입 가능하게 되어 있고, 위치 결정 지그(25)를 구멍 입구(26)에 배치한 후, 위치 결정 지그(25)의 중심부에 샤프트(7)를 삽입한다. 다음에, 삽입한 샤프트(7)와 제1 다이어프램(5)(도시하지 않음)을 접속한 후, 위치 결정 지그(25)의 제1 블록(27)과 제2 블록(28)을 분리하여 떼어내면, 샤프트(7)는, 제1 다이어프램(5)에 수직 방향으로 정밀도 좋게 접속되므로, 압력 센서의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 다이어프램(6)과 샤프트(7)의 접속도 마찬가지로 위치 결정 지그(25)를 이용하여 행하는 것이 필요하다.

본 실시 형태의 압력 센서에 있어서 사용하는 감압 소자(11)는, 수정, 니오브산리튬, 탄탈산리튬 등의 압전 재료를 이용하여, 쌍음차형 압전 진동자, SAW 공진자, 두께 슬라이드 진동자 등으로서 형성된 것이다. 감압 소자(11)는, 가동 부재(9)와, 고정 부재(10)의 고정부의 각각에 감압 소자(11)의 양 단부를 접속하여 지지되어 있다. 이 때, 감압 소자(11)는 힘의 검출 방향을 검출축으로 하여 설정되어 있고, 감압 소자(11)의 상기 양 단부를 연결하는 방향은 상기 검출축과 평행 관계에 있다. 또한 감압 소자(11)는 하우징(4)에 부착된 발진 회로(도시하지 않음)와 전기적으로 접속되고, 발진 회로(도시하지 않음)로부터의 교류 전압에 의해 고유의 공진 주파수에 의해 진동한다. 그리고, 감압 소자(11)는 가동 부재(9)로부터의 신장(인장)력 또는 압축력을 받으면, 내부에 신장(인장) 응력 또는 압축 응력 이 발생하므로 공진 주파수가 변동한다. 특히 쌍음차형 압전 진동편은, 두께 슬라이드 진동자 등에 비해, 신장?압축 응력에 대한 공진 주파수의 변화가 매우 크고 공진 주파수의 가변폭이 크기 때문에, 미소한 압력차를 검출하는 분해 능력이 뛰어난 고정밀의 압력 센서에 있어서는 적합하다. 쌍음차형 압전 진동자는, 신장 응력을 받으면 진폭 아암(진동부)의 진폭폭이 작아지므로 공진 주파수는 높아지고, 압축 응력을 받으면 진폭 아암(진동부)의 진폭폭이 커지므로 공진 주파수는 낮아진다. 또한, 쌍음차형 압전 진동자의 압전 기판으로는 온도 특성이 뛰어난 수정이 바람직하다.

또한, 제1 다이어프램(5)과 제2 다이어프램(6)의 재질은, 예를 들면, 스테인리스와 같은 금속이나 세라믹 등의 내 부식성이 뛰어난 것이 좋고, 또한, 수정과 같은 단결정체나, 그 외의 비결정체여도 된다. 그리고, 측정 대상이 되는 액체에 접촉하는 제1 다이어프램(5)은, 액체와 접촉했을 때에 부식이나 열화 등의 영향을 받지 않는 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 샤프트(7)와, 제1 다이어프램(5), 및 제2 다이어프램(6), 하우징(4)의 재질은, 스테인리스, 알루미늄이나 세라믹 등에 의해 동일한 재질을 사용하는 것이 바람직한데, 이종 재료여도 된다.

또한, 압력 센서는, 하우징 내부가 진공실로 되어 있고, 감압 소자의 Q치를 높여 안정된 공진 주파수를 확보할 수 있으므로, 압력 센서의 장기 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 측정 대상이 되는 액체에 대한 수압 매체와, 대기압에 대한 수압 매체를 모두 동일한 다이어프램 방식으로 함으로써, 변화가 없는 정해진 압력인 정압 (靜壓) 특성을 개선할 수 있다.

또한, 하우징(4)이나 샤프트(7)의 재질을, 온도 팽창 계수가 작은 것을 선정하여 사용함으로써, 압력 센서의 온도 특성을 개선할 수 있다. 특히, 샤프트(7)를 세라믹으로 하면, 온도 열팽창 계수가 작기 때문에, 압력 센서의 온도 특성은 거의 감압 소자의 온도 특성에 의존하게 된다.

이상 설명한 것처럼, 제1 실시 형태에 관한 압력 센서는, 측정 대상의 액체에 접촉하는 매체를 다이어프램으로 함으로써 오일을 불필요로 하였으므로, 액체측에 오일이 유출하지 않고, 이물의 혼입을 꺼리는 청정한 액체의 압력 측정을 행하는 등의 용도에 사용 가능해진다. 또한, 제1 실시 형태에 관한 압력 센서는, 수압하는 압력을 다이어프램에 의해 힘으로 변환하여 샤프트를 통해 감압 소자에 전달하고 있으므로, 캔틸레버와 같은 고가이고 복잡한 구조를 가지는 힘 전달 수단을 이용하지 않아, 압력 센서를 소형화하는 것이 가능해짐과 더불어, 저비용화도 실현할 수 있다.

다음에, 본 발명에 관한 압력 센서의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 5는, 본 발명에 관한 압력 센서의 제2 실시 형태의 구성을 나타낸 모식도이다. 또한, 도 1과 동일한 부위에는 동일한 부호를 붙여 설명은 생략한다.

제1 실시 형태의 압력 센서는, 대기의 압력을 제로 기준으로 하여 나타낸 상대압을 측정하도록 기능하므로, 가동 부재(9)에 대기압에 대한 수압 매체를 접속했는데, 제2 실시 형태의 압력 센서는, 진공 상태를 제로 기준으로 한 절대 압력을 측정하도록 기능시키므로, 대기압에 대한 수압 매체를 삭제하고, 가동 부재(9)에 는, 측정 대상의 액체에 대한 수압 매체만을 접속하도록 한 것이 특징이다.

도 5에 도시한 압력 센서(30)에서는, 가동 부재(9)에 측정 대상이 되는 액체에 대한 수압 매체만이 접속되므로, 액체의 압력(F)에 관한 힘이 가동 부재(9)에 가해진다. 따라서, 가동 부재(9)는, 제1 다이어프램(5)에 가해진 압력에 상당하는 힘이, 감압 소자(11)에 압축력, 혹은 인장력으로서 가해지게 된다. 감압 소자(11)는, 가해지는 압축력, 혹은 인장력에 따라 내부에 신장(인장) 응력 또는 압축 응력이 생김으로써 공진 주파수가 변화하므로, 이 공진 주파수를 측정함으로써, 진공 상태를 제로 기준으로 한 절대 압력치를 마이크로 컴퓨터 등의 계산 기기를 이용하여 구할 수 있다. 따라서, 제2 실시 형태에 있어서는, 압력 센서는, 절대 압력 센서로서 기능한다.

또한, 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태에 있어서 설명한 조립 순서에 준해 조립을 행한다. 구체적으로는, 제1 다이어프램(5)과 제1 케이스(31)를 접속하는 공정과, 제1 다이어프램(5)과 샤프트(32)를 접속하는 공정과, 제1 케이스(31)와 지지봉(12a, 12b)을 접속하는 공정과, 샤프트(32)와 가동 부재(9)를 접속하는 공정과, 힘의 검출축 방향으로 배치된 양 끝의 지지부를 각각 가동 부재(9)와 제2 케이스(33)의 고정부(35)에 접속 지지함으로써 감압 소자(11)를 접속 지지하는 공정과, 제1 케이스(31)와 제2 케이스(33)에 제3 케이스(34)를 접합하는 공정과, 케이스 내를 진공 실링하는 공정을 거쳐 제품이 완성된다. 이상, 압력 센서의 실시 형태에 대해서 설명했는데, 감압 소자로는, 쌍음차형 진동자에 한정되지 않고, 신장?압축 응력에 의해 공진 주파수가 변화하는 압전 진동자이면 어떠한 것을 이 용해도 되고, 예를 들면, SAW 공진자, 두께 슬라이드 진동자 등이 사용 가능하다.

또한, 측정 대상의 액체의 압력을 검출하는 다이어프램은, 액체 등에 의해 다이어프램이 부식하지 않도록, 표면 상을 코팅해도 된다. 예를 들면, 금속제의 다이어프램이면 니켈의 화합물을 코팅해도 되고, 다이어프램이 수정과 같은 압전 결정체이면 규소를 코팅하면 좋다.

또한, 상기 제1, 제2 케이스는 스테인리스, 알루미늄 등의 금속으로 형성하면 가공하기 쉬워서 좋다. 또한, 상기 제3 케이스를 세라믹으로 하면, 열에 의한 감압 소자에의 변형의 영향을 완화할 수 있다.

이와 같이 본원 발명에 관한 압력 센서는, 구성 요소로서 다이어프램과 감압부와 하우징으로 이루어지는 구조를 기본 구성으로 하고, 도 1이나 도 5에 도시하는 바와 같이 감압부가 힘 전달 수단과 가동 수단과 감압 소자로 구성된다.

또한, 본 발명에 관한 압력 센서의 실시 형태는, 압력의 측정 대상으로서 액체인 경우에 대해서 설명했는데, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 기체 등의 압력을 측정하는 경우에도 적응 가능하다.

도 6에 제3 실시 형태에 관한 압력 센서(40)를 나타내고, 도 7, 도 8에 동 압력 센서의 주요 부품 사시도, 부분 파단 사시도를 나타내고 있다. 도시의 예는, 제1 실시 형태에 나타낸 상대압 검출을 위한 압력 센서의 변형예이다.

이 압력 센서(40)는, 중공 원통체로 이루어지는 하우징(42)을 가지고 있다. 이 하우징(42)은 제1 케이스(하단판)를 구성하는 단판을 플랜지 단판(44)으로 함과 더불어, 제2 케이스(상단판)를 밀봉 단자대(46)로 하고, 제3 케이스인 원통측 벽(48)에 의해 격리 배치한 단판의 주위를 둘러싸고 중공 밀폐 용기로서 구성한 것이다. 플랜지 단판(44)과 밀봉 단자대(46)에는, 내부 공간과 연통하는 제1 압력 입력구(47), 제2 압력 입력구(49)가 하우징(42)의 축심과 동심에 관통되어, 외부로 개구되어 있다. 이 개구부는 각각 제1 다이어프램(50), 제2 다이어프램(52)에 의해 내외를 차폐하도록 되고, 또한 이들을 플랜지 단판(44)과 밀봉 단자대(46)에 일체적으로 결합하고 있다. 플랜지 단판(44)측의 제1 다이어프램(50)은 수압용이며, 밀봉 단자대(46)측의 제2 다이어프램(52)은 대기압 설정용으로 하고 있다. 이러한 하우징(42)도, 내외가 차단된 상태로 되어 있음과 더불어, 도시하지 않은 공기 배출 수단에 의해 내부를 진공 상태로 유지할 수 있도록 하는 것은 제1 실시 형태와 동일하다.

상기 하우징(42)의 내부에는, 상기 제1, 제2 다이어프램(50, 52)의 내면의 중앙 영역을 상호 접속하는 센터 샤프트(힘 전달 수단)(54)가 하우징(42)의 축심을 따라 배치되어, 양자를 접착 연결하고 있다. 그리고, 이 센터 샤프트(54)의 도중에는 감압 소자 받침대로서의 가동부(56)가 일체적으로 설치되어 있고, 이 가동부(56)에 검출축을 상기 다이어프램(50, 52)의 수압면과 수직인 축과 평행하게 설정한 쌍음차 진동자로 이루어지는 감압 소자(58)의 일단부를 부착하도록 하고 있다. 감압 소자(58)의 타단부는 상기 하우징(42)의 밀봉 단자대(46)에 설치되어 있는 안쪽으로 돌출된 감압 소자 받침대로서의 보스부(60)에 접속하도록 되어 있다. 이에 따라, 수압용 제1 다이어프램(50)과 대기압용 제2 다이어프램(52)의 차압에 의해 센터 샤프트(54)가 축방향 이동하면, 이에 추종하여 가동부(56)가 위치를 변 동하고, 이 힘이 감압 소자(58)의 검출축 방향으로의 작용력을 발생시키도록 하고 있다.

상기 하우징(42)의 내부에는, 상기 센터 샤프트(54) 주위에 복수의 가이드 샤프트인 지지봉(62a, 62b)이 그것과 평행하게 배치되어 있다. 이들은 제1 케이스인 플랜지 단판(44)과 제2 케이스인 밀봉 단자대(46)의 간격을 일정하게 유지하고, 외력에 의한 하우징(42)의 변형이나 임의의 자세에 따라서 검출 정밀도가 저하하지 않도록 하는 것은 제1 실시 형태와 같다.

이 제3 실시 형태에서는, 특히, 상부 단판을 밀봉 단자대(46)로 하고, 여기에 밀봉 단자(64)를 단자대(46)에 관통시켜, 감압 소자(58)의 신호를 외부로 꺼내도록 하고 있다.

이러한 제3 실시 형태에 의하면, 한쌍의 다이어프램(50, 52)끼리는 센터 샤프트(54)에 연결되고, 센터 샤프트(54)의 도중에 설치한 가동부(56)가 다이어프램(50, 52)의 거동에 따라 일체적으로 샤프트 축방향으로 이동하고(이것이 한쌍의 다이어프램(50, 52)이 받는 압력차에 기인하는 움직임이 된다), 쌍음차 진동자인 감압 소자(58)의 검출축 방향으로 작용하는 힘에 따른 움직임이 된다. 따라서, 오일을 이용하지 않고, 검출 정밀도가 높은 압력 센서를 구성할 수 있고, 또한 소형이고 조립이 용이한 구조로 된다. 또한, 플랜지 단판(44), 밀봉 단자대(46) 및 원통 측벽(48)이 진공 용기로서의 하우징(42)을 형성하고, 플랜지 단판(44)과 제1 다이어프램(50)이 일체로 되고, 또한 밀봉 단자대(46)와 제2 다이어프램(52)이 일체로 되어, 조립을 간편하게 행할 수 있도록 하고 있다. 이 압력 센서(40)를 측정 대상 액체가 가라앉은(담긴) 용기에 부착하기 위해서는, 플랜지 단판(44)을 측정 대상 액체 용기에 제1 다이어프램(50)의 주위를 둘러싸도록 배치된 O링을 통해 접합하여 볼트 조임에 의해 부착한다. 이 부착 작업에 있어, 제1 실시 형태와 같이 센터 샤프트를 연결한 다이어프램을 구비한 꼭지쇠 부분에서 비틀리는 구성이 되지 않으므로, 센터 샤프트의 신장에 기인하여 감압 소자에 인장력을 주는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 이 제3 실시 형태에서도, 센터 샤프트(54)와 감압 소자 고정용 받침대로서의 가동부(56)는, 하나의 부재로부터 절삭 가공된 일체의 것이어도 된다. 그렇게 함으로써 가동부(56)가 샤프트의 고정부에서 벗어나거나, 어긋나지 않게 된다.

다음에, 도 9에 상술한 제3 실시 형태에 관한 제조의 프로세스를 나타낸다. 도시와 같이, 우선, 지그(A)를 이용하여 밀봉 단자대(46)를 유지하고, 그 압력 입력구(49)에 제2 다이어프램(52)을 용접에 의해 접합한다(도 9(1)). 한편, 플랜지 단자판(74)도 지그(B)를 이용하여 유지하고, 그 압력 입력구(47)에 제1 다이어프램(50)을 용접한다(도 9(2)). 이어서, 밀봉 단자대(46)측에 부착한 제2 다이어프램(52)의 안쪽 중앙부에 센터 샤프트(54)를 수직으로 접합하는데, 이는 도 4에 도시한 위치 결정 지그(25)를 이용하도록 하면 좋다. 밀봉 단자대(46)의 보스부(60)에 위치 결정 지그(25)를 장착하고, 선단에 접착제를 붙인 센터 샤프트(54)를 꽂아넣어 위치 결정하고, 다이어프램(52)의 중앙부에 수직으로 세워 붙인다(도 9(3)). 또한, 플랜지 단자판(44)에 대해서는, 당해 플랜지 단자판(44)을 지그(B)와 함께 가이드 샤프트인 지지봉(62)(62a, 62b)의 삽입 관통공을 가지는 지그(C)에 의해 끼워 유지한다. 이 상태에서, 지지봉(62)을 꽂아넣고, 플랜지 단자판(44)에 선단을 매설한 상태로 부착한다(도 9(4)).

다음에, 플랜지 단자판(44)과 밀봉 단자대(46)를 마주보게 하고, 가이드 샤프트(지지봉)(62)의 선단을 밀봉 단자대(46)에 메워 접착함과 더불어, 센터 샤프트(54)의 타단부를 플랜지 단자판(44)의 제1 다이어프램(50)의 중앙부에 접착한다. 이 때, 지그(A, B, C)를 이용하여 양자의 위치 결정을 도모하면서 부착하고, 그 후는 지그를 분할하여 떼어내면 된다. 일체화한 플랜지 단자대(44)와 밀봉 단자대(46)에 대해서, 센터 샤프트(54) 부분에 가동부(56)를 부착한다. 이는 플랜지 단자판(44)으로부터의 높이를 소정의 높이로 유지할 필요가 있으므로, 높이 조정 지그(D)를 이용한다. 이 지그(D)는 전체가 L자 형태로 되고, 플랜지 단자판(44)의 상단면과 가동부(56)의 하면의 사이의 간극에 들어가는 높이 조정 대좌 부분과, 이 대좌 부분을 밀봉 단자대(46)에 위치 결정 유지하는 위치 유지 배면판 부분으로 이루어져 있다. 대좌의 두께로 높이를 조정하고, 배면판에 의해 플랜지 단자판(44)과 밀봉 단자대(46)의 간격을 일정하게 유지할 수 있다(도 9(5)).

그 후, 감압 소자(58)를 밀봉 단자대(46)의 보스부(60)와, 센터 샤프트(54)의 가동부(56)의 사이에, 검출축이 센터 샤프트(54)의 축심과 평행하게 되도록 부착하고, 배선 처리를 행한 후, 원통 측벽(48)을 부착하여 내부를 밀폐하고, 진공 상태로 하여 차단한다(도 9(6)). 마지막에, 밀봉 단자대(46)의 외측 단면 부분에 IC를 실장하고, 뚜껑을 부착하여 완성한다(도 9(7)).

이와 같이 하여 오일을 이용하지 않고, 검출 정밀도가 높은 간이 구조의 압력 센서를 제조할 수 있다.

다음에, 도 10에는, 제4 실시 형태에 관한 압력 센서(70)의 단면도를 도시하고 있다. 도시의 예는, 제2 실시 형태에 나타낸 절대압 검출을 위한 압력 센서의 변형예이며, 특히 센터 샤프트와 감압 소자를 동심에 배치하고, 이들을 수압용 다이어프램의 중앙 영역을 지나는 축선 상에 배치한 점이 앞의 실시 형태와 다르다.

이 압력 센서(70)는, 중공 원통체로 이루어지는 하우징(72)을 가지고 있다. 이 하우징(72)은 제1 케이스(하단판)를 구성하는 단판을 플랜지 단판(74)으로 함과 더불어, 제2 케이스(상단판)를 밀봉 단자대(76)로 하고, 제3 케이스인 원통 측벽(78)에 의해 격리 배치한 단판의 주위를 둘러싸고 중공 밀폐 용기로서 구성한 것이다. 플랜지 단판(74)에는, 내부 공간과 연통하는 압력 입력구(77)가 하우징(72)의 축심과 동심에 관통되어, 외부에 개구되어 있다. 이 개구부는 제1 다이어프램(80)에 의해 내외를 차폐하게 되고, 플랜지 단판(74)과 일체적으로 결합하고 있다. 다이어프램(80)은 측정 대상 액체의 수압용이다. 밀봉 단자대(76)에는 압력 유입구도 다이어프램도 생략된 단판으로서 구성되어 있다. 이러한 하우징(72)도, 내외가 차단된 상태로 되어 있음과 더불어, 도시하지 않은 공기 진공 수단에 의해 내부를 진공 상태로 유지할 수 있도록 하는 것은 다른 실시 형태와 동일하다.

상기 하우징(72)의 내부에는, 상기 다이어프램(80)의 내면의 중앙 영역에 센터 샤프트(힘 전달 수단)(84)가 수직으로 세워 설치되어 있고, 이는 하우징(42)의 축심을 따라 배치되어 있다. 그리고, 이 센터 샤프트(84)의 선단부에는 감압 소자 받침대로서의 가동부(86)가 일체적으로 설치되어 있고, 이 가동부(86)에 검출축을 센터 샤프트(84)와 동축이 되도록 설정한 쌍음차 진동자로 이루어지는 감압 소자(88)의 일단부를 부착하도록 하고 있다. 감압 소자(88)의 타단부는 상기 하우징(72)의 밀봉 단자대(76)의 중앙 영역에 설치되어 있는 내측으로 돌출된 대좌(90)에 접속하도록 하고 있다. 이에 따라, 수압용 다이어프램(80)이 측정 대상 액체의 압력을 받음으로써 휘어지면, 센터 샤프트(84)가 축방향으로 이동하고, 이에 추종하여 가동부(56)에 연결된 감압 소자(58)의 검출축 방향으로의 작용력을 발생시키도록 하고 있다.

또한, 상기 하우징(72)의 내부에는, 상기 센터 샤프트(84) 주위에 복수의 가이드 샤프트인 지지봉(92a, 92b)이 그것과 평행하게 배치되어 있다. 이들은 제1 케이스인 플랜지 단판(74)과 제2 케이스인 밀봉 단자대(76)의 간격을 일정하게 유지하고, 외력에 의한 하우징(42)의 변형이나 임의 자세에 의해 검출 정밀도가 저하하지 않도록 하는 것은 다른 실시 형태와 동일하다.

이 제4 실시 형태도 제3 실시 형태와 마찬가지로, 상부 단판을 밀봉 단자대(76)로 하고, 이에 도시하지 않은 밀봉 단자를 단자대(76)에 관통시키고, 감압 소자(88)의 신호를 외부로 꺼내도록 하고 있다.

이러한 제4 실시 형태에 의하면, 플랜지 단판(74), 밀봉 단자대(76), 및 원통 측벽(78)이 진공 용기로서의 하우징(72)을 형성하고, 플랜지 단판(74)과 다이어프램(80)이 일체로 되어, 조립을 간편하게 행할 수 있도록 하고 있다. 수압용의 다이어프램(80)과 센터 샤프트(84)는 동심적으로 일직선 상에 연결되고, 센터 샤프 트(84)의 선단에 설치한 가동부(86)가 다이어프램(80)의 거동에 따라 샤프트 축방향으로 이동하고, 쌍음차 진동자인 감압 소자(88)의 검출축 방향으로 작용하는 힘을 발생시킨다. 따라서, 오일을 이용하지 않고, 검출 정밀도가 높은 압력 센서를 구성할 수 있고, 또한 소형이고 조립이 용이한 구조로 된다.

또한, 이 제4 실시 형태에서도, 센터 샤프트(84)와 감압 소자 고정용 받침대로서의 가동부(86)는, 하나의 부재로부터 절삭 가공된 일체의 것이어도 된다. 그렇게 함으로써 가동부(86)가 샤프트의 고정부에서 벗어나거나 어긋나지 않게 된다.

도 1은 본 발명에 관한 압력 센서의 제1 실시 형태의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 2는 압력 센서(1)의 하우징(4)의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 3은 본 발명에 관한 압력 센서의 조립 순서를 나타내는 플로우차트이다.

도 4는 위치 결정 지그를 이용한 조립 방법을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명에 관한 압력 센서의 제2 실시 형태의 구성을 나타낸 모식도이다.

도 6은 제3 실시 형태에 관한 압력 센서의 모식 단면도이다.

도 7은 동 압력 센서의 주요 부품의 사시도이다.

도 8은 동 압력 센서의 부분 파단 사시도이다.

도 9는 동 압력 센서의 조립 공정도이다.

도 10은 제4 실시 형태에 관한 압력 센서의 모식 단면도이다.

도 11은 종래의 압력 센서의 구조예를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 30 : 압력 센서 2 : 제1 압력 입력구

3 : 제2 압력 입력구 4, 36 : 하우징

5 : 제1 다이어프램 6 : 제2 다이어프램

7, 32 : 샤프트 9 : 가동 부재

10, 35 : 고정부 11 : 감압 소자

12a, 12b : 지지봉 20, 31 : 제1 케이스

21, 33 : 제2 케이스 22 : 제3 케이스

25 : 위치 결정 지그 26 : 구멍 입구

27 : 제1 블록 28 : 제2 블록

40 : 압력 센서 42 : 하우징

44 : 플랜지 단판(제1 케이스)

46 : 밀봉 단자대 47 : 제1 압력 입력구

48 : 원통 측벽 49 : 제2 압력 입력구

49, 50 : 제1 다이어프램 52 : 제2 다이어프램

54 : 센터 샤프트 56 : 가동부

58 : 감압 소자 60 : 보스부

62a, 62b : 지지봉(가이드 샤프트)

64 : 밀봉 단자 70 : 압력 센서

72 : 하우징 74 : 플랜지 단판(제1 케이스)

76 : 밀봉 단자대 77 : 압력 입력구

78 : 원통 측벽 80 : 수압용 다이어프램

84 : 센터 샤프트 86 : 가동부

88 : 감압 소자 90 : 대좌

92a, 92b : 지지봉(가이드 샤프트)

Claims (18)

1. 하우징과,

   당해 하우징에 연결되어 압력 입력구를 가지는 부착부와,

   당해 부착부의 압력 입력구를 실링하고, 1면이 수압면(受壓面)인 다이어프램과,

   힘의 검출 방향을 검출축으로 하는 감압부(感壓部)를 가지고,

   당해 감압부의 일단이 상기 다이어프램의 타면의 중앙 영역에 접속되고,

   상기 감압부의 타단이 상기 하우징에 접속되고,

   상기 검출축은 상기 수압면에 대해서 수직인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 감압부는,

   상기 다이어프램의 타면의 중앙 영역에 일단이 접촉한 힘 전달 수단과,

   당해 힘 전달 수단에 고정된 가동 수단과,

   당해 가동 수단에 한쪽의 단부가 접속되고, 다른쪽의 단부가 하우징에 접속된 감압 소자로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 힘 전달 수단이 샤프트인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 감압 소자는,

   양 단부에 설치한 기부(基部)를 가지고,

   당해 양 단부에 설치한 기부의 사이에 진동부를 가지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
5. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 다이어프램의 재질은, 금속, 세라믹, 또는 압전 결정체인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
6. 청구항 3에 있어서,

   상기 샤프트의 재질은, 스테인리스, 알루미늄, 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
7. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 하우징의 재질은, 스테인리스, 알루미늄, 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
8. 압력 입력구를 가지는 하우징과, 당해 하우징의 상기 압력 입력구를 실링하고 외면이 수압면인 다이어프램과, 상기 하우징 내부에서 이 다이어프램의 내면의 중앙 영역에 일단이 접속되고 타단을 상기 하우징에 접속함과 더불어, 검출축을 상기 다이어프램의 수압면과 수직인 축을 따라 설정한 감압부를 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 감압부는 다이어프램에 수직으로 연결된 힘 전달 수단과, 당해 힘 전달 수단에 일단이 연결되고 타단이 상기 하우징 벽면에 연결된 감압 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
10. 하우징과, 당해 하우징의 대향하는 벽면에 동축 상에 설치된 압력 입력구와, 상기 압력 입력구를 실링하고 외면이 수압면인 다이어프램과, 상기 하우징 내부에서 상기 다이어프램의 내면의 중앙 영역에 접속된 힘 전달 수단과, 이 힘 전달 수단에 일단이 접속되고 타단을 상기 하우징에 접속함과 더불어, 검출축을 상기 다이어프램의 수압면과 수직인 축을 따라 설정한 감압 소자를 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
11. 하우징과, 당해 하우징의 대향하는 벽면에 동축 상에 설치된 한쌍의 압력 입력구와, 상기 압력 입력구를 실링하고 외면이 수압면인 제1, 제2 다이어프램과, 상 기 하우징 내부에서 상기 제1, 제2 다이어프램의 내면의 중앙 영역을 접속하는 힘 전달 수단과, 이 힘 전달 수단의 도중에 일단이 접속되고 타단을 상기 하우징에 접속함과 더불어, 검출축을 상기 다이어프램의 수압면과 수직인 축과 평행하게 설정한 감압 소자를 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
12. 청구항 8 내지 11중 어느 한 항에 있어서, 하우징의 내부에는 상기 검출축과 평행하게 가이드 샤프트를 설치한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
13. 청구항 10 또는 11에 있어서, 상기 힘 전달 수단을 샤프트에 의해 형성하고, 감압 소자를 상기 샤프트와 평행하게 배치한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
14. 청구항 10에 있어서, 상기 힘 전달 수단을 샤프트에 의해 형성하고, 감압 소자를 상기 샤프트와 동축에 배치한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
15. 서로 대향하는 단판(端板) 형상의 제1, 제2 케이스와 이들 주위를 둘러싸고 측면 부재를 형성하는 제3 케이스에 의해 형성된 하우징과, 상기 제1, 제2 케이스에 개구된 압력 입력구를 실링하는 제1, 제2 다이어프램과, 상기 하우징 내에서 상기 제1, 제2 다이어프램끼리를 그 중앙 영역에서 연결하여 일체화되어 힘의 전달을 가능하게 한 센터 샤프트와, 이 센터 샤프트에 고정된 가동 받침대와 상기 하우징 내면부에 설치한 고정 받침대에 양 단부가 부착되어 검출축이 상기 센터 샤프트와 평행하게 설정된 감압 소자와, 상기 센터 샤프트의 주위에 배치되어 제1, 제2 케이스끼리를 연결하는 복수의 지지봉을 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
16. 서로 대향하는 단판 형상의 제1, 제2 케이스와 이들 주위를 둘러싸고 측면 부재를 형성하는 제3 케이스에 의해 형성된 하우징과, 상기 제1 케이스에 개구된 압력 입력구를 실링하는 제1 다이어프램과, 상기 하우징 내에서 상기 제1 다이어프램의 중앙 영역에서 연결하여 일체화되어 힘의 전달을 가능하게 한 센터 샤프트와, 이 센터 샤프트의 단부에 고정된 가동 받침대와 상기 제2 케이스 내면부에 설치한 고정 받침대에 양 단부가 부착되고 검출축이 상기 센터 샤프트와 동축에 설정된 감압 소자와, 상기 센터 샤프트의 주위에 배치되어 제1, 제2 케이스끼리를 연결하는 복수의 지지봉을 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
17. 청구항 15 또는 16에 있어서,

    상기 센터 샤프트와 가동 받침대는 하나의 부재로부터 절삭 가공된 일체의 것임을 특징으로 하는 압력 센서.
18. 청구항 15 또는 16에 있어서,

    상기 센터 샤프트와 다이어프램의 연결부는 접착제에 의해 접합 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.

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