JP2012058024A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】容器及びダイアフラムに起因する感圧素子に対する熱歪みを抑制する圧力センサーを提供する。
【解決手段】圧力センサー１０は、容器と、容器の一部を形成し、力を受けて容器の内側または外側に変位する受圧手段と、受圧手段の周縁部２４ｃから受圧手段の変位方向と並行に延出し、端部を前記受圧手段の中央部２４ａ側に屈曲した支持手段３４と、感圧部と前記感圧部の両端の各々に接続される第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂとを有し、第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂとの並ぶ方向が前記受圧手段の変位方向と並行であって、前記第１の基部４０ａを受圧手段の中央部２４ａに固定し、第２の基部４０ｂを支持手段３４に固定した感圧素子４０と、を備え、支持手段３４は、材質の異なる２以上の部材を変位方向に接続し、支持手段３４の熱膨張係数と感圧素子４０の熱膨張係数が同等となるように部材の長さの比率を調整した。
【選択図】図１

Description

本発明は感圧素子、ダイアフラムを備えた圧力センサーに関し、温度変化による測定誤差を減少させる圧力センサーに関する。

感圧素子に圧電振動子を用いた圧力センサーとして特許文献１，２の圧力センサーがある。
図７は特許文献１に開示された圧力センサーの模式図である。特許文献１の圧力センサー３４０は、フランジ端板３４４、ハーメ端子台３４６、円筒側壁３４８から構成された中空円筒体のハウジング３４２を有し、フランジ端板３４４とハーメ端子台３４６の開口には第１及び第２のダイアフラム３５０、３５２によって内外を遮蔽するように取り付けられている。ハウジング３４２の内部は第１及び第２のダイアフラム３５０、３５２の内面の中央領域を相互に接続するセンターシャフト３５４が配置されている。またセンターシャフト３５４と並行して、その周囲に複数の支持棒３６２ａ、３６２ｂが配置されている。センターシャフト３５４の途中には感圧素子受け代としての可動部３５６が一体的に設けられ、この可動部３５６に検出軸をダイアフラムの受圧面と垂直な軸と並行に設定した双音叉振動子からなる感圧素子３５８の一端部を取り付けている。また感圧素子３５８の他端部はハーメ端子台３４６のボス部３６０に接続させている。これにより受圧用の第１のダイアフラム３５０と大気圧用の第２のダイアフラム３５２の差圧によりセンターシャフト３５４が軸方向に移動すると、これに追随して可動部３５６が位置を変動し、この力が感圧素子３５８の検出軸方向への作用力を発生させるようにしている。

図８は特許文献２に開示された圧力センサーの模式図である。特許文献２の圧力センサー４１０は、ハウジング４１２と、前記ハウジング４１２の開口部４２２を封止し、可撓部と前記可撓部の外側の周縁領域４２４ｃを有すると共に、前記可撓部の一方の主面が受圧面であるダイアフラム４２４と、感圧部と前記感圧部の両端に各々に接続される第１の基部４４０ａと第２の基部４４０ｂとを有すると共に、前記第１の基部４４０ａと前記第２の基部４４０ｂとの並ぶ方向が前記ダイアフラム４２４の変位方向と平行である感圧素子４４０と、を有する圧力センサー４１０であって、前記第１の基部４４０ａを前記受圧面の裏側となる前記ダイアフラム４２４の中央部に接続し、前記第２の基部４４０ｂを接続部材４４２を介して前記裏側の前記周縁領域４２４ｃに、或いは前記第１の基部４４０ａに対向する前記ハウジング４１２の内壁に接続した圧力センサー４１０が開示されている。

上記構成により、感圧素子４４０の検出軸方向の一端にある第１の基部４４０ａは、外部からの圧力によって変位するダイアフラム４２４の中央部に接続され、前記一端の反対側の他端にある第２の基部４４０ｂは、接続部材４４２を介して、ハウジング４１２に固定され外部からの圧力によっても変位しないダイアフラム４２４の周縁領域４２４ｃ、或いは前記第１の基部４４０ａに対向する前記ハウジング４１２の内壁に接続される。よって、外部からの圧力により感圧素子４４０が圧縮応力を受ける絶対圧を測定する圧力センサー４１０となる。また感圧素子４４０の両端がダイアフラム４２４側に接続されるため、感圧素子４４０の材料と、ハウジング４１２の材料の違いによる線膨張係数の不一致に起因する温度変化に伴う圧力測定値の誤差を低減することができる。さらに感圧素子４４０と接続部材４４２とを圧電材料により一体に形成することにより、感圧素子４４０と接続部材４４２との間の熱歪みは解消されるので、圧力測定値の誤差を低減することができる。

特開２０１０−１９８２６号公報 特開２０１０−４８７９８号公報

しかしながら特許文献１の圧力センサーでは、温度変化があった場合、感圧素子とセンターシャフトとの間の熱膨張係数の違いにより感圧素子に熱歪みが掛かることになり、共振周波数が変化し正確な圧力測定を行うことができないという問題があった。

また特許文献２の圧力センサーでは、感圧素子４４０の検出軸方向の熱歪みは解消可能となるが、接続部材４４２とダイアフラム４２４は同一材料ではないので、ダイアフラム４２４と、接続部材４４２の感圧素子４４０の検出軸方向と垂直な方向の成分との間で熱歪みが発生する。そして、この熱歪みを接続部材４４２が受けるので、これにより結果的に感圧素子４４０が熱歪みを接続部材４４２から受けることになり、熱歪みによる影響を十分に排除できないといった問題があった。

そこで本発明は上記問題に着目し、容器及びダイアフラムに起因する感圧素子に対する熱歪みを抑制する圧力センサーを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］容器と、前記容器の一部を形成し、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、前記受圧手段の周縁部から前記受圧手段の変位方向と並行に延出し、端部を前記受圧手段の中央部側へ屈曲した支持手段と、感圧部と前記感圧部の両端の各々に接続される第１及び第２の基部とを有し、前記第１及び第２の基部との並ぶ方向が前記受圧手段の変位方向と並行であって、前記第１の基部を前記受圧手段の中央部に固定し、前記第２の基部を前記支持手段に固定した感圧素子と、を備え、前記支持手段は、材質の異なる部材を２以上の部材を前記変位方向に接続し、前記支持手段の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるように前記部材の長さの比率を調整したことを特徴としている。

上記構成により、感圧素子の両端の基部はいずれも受圧手段側に接続されることになるので、容器に起因する感圧素子に対する熱歪みを低減することができる。また、前記支持手段の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるようにしているので、温度変化により支持手段と感圧素子に熱膨張などの長さ変化が発生しても伸び率を略等しくすることができ、感圧素子に掛かる熱歪みを低減して、温度変化による圧力誤差を抑制した圧力センサーとなる。

［適用例２］前記２以上の部材は、一方を前記受圧手段と同質の材質とし、他方を前記受圧手段の材質の熱膨張係数が前記感圧素子の材質の熱膨張係数よりも大きい場合には、前記感圧素子よりも熱膨張係数が小さい材質を採用し、前記受圧手段の材質の熱膨張係数が前記感圧素子の材質の熱膨張係数よりも小さい場合には、前記感圧素子よりも熱膨張係数が大きい材質を採用することを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
前記受圧手段は、前記感圧素子の材料の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する材料により形成され、前記２以上の部材は、一方が前記受圧手段と同質の材料により形成され、他方が前記感圧素子の熱膨張係数より高い熱膨張係数を有する材料により形成されたことを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
前記受圧手段は、前記感圧素子の材料の熱膨張係数より高い熱膨張係数を有する材料により形成され、前記２以上の部材は、一方が前記受圧手段と同質の材料により形成され、他方が前記感圧素子の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する材料により形成されたことを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。

上記構成により感圧素子の材質の熱膨張係数に対して大きい又は小さい熱膨張係数となる２以上の部材を用いることにより、支持手段と感圧素子の熱膨張係数を同等にする部材の長さの比率調整が容易となる。

［適用例３］前記感圧素子は水晶により形成され、前記受圧手段はステンレスにより形成されたことを特徴とする適用例１乃至適用例３のいずれか１例に記載の圧力センサー。
受圧手段をステンレスで形成することにより、十分な強度を有しつつ圧力感度の高い受圧手段とすることができる。また感圧素子を水晶で形成することにより、製造コストを低減することができる。

［適用例４］容器と、前記容器の一部を形成し、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、前記受圧手段の周縁部から前記受圧手段の変位方向と並行に延出し、端部を前記受圧手段の中央部側に屈曲した支持手段と、感圧部と前記感圧部の両端の各々に接続される第１及び第２の基部とを有し、前記第１及び第２の基部との並ぶ方向が前記受圧手段の変位方向と並行であって、前記第１の基部を前記受圧手段の支持台に固定し、前記第２の基部を前記支持手段に固定した感圧素子と、を備え、前記支持手段及び前記支持台は、材質の異なる２以上の部材からなり、前記支持手段及び前記支持台の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるように前記部材の長さの比率を調整したことを特徴とする圧力センサー。

上記構成により、感圧素子の両端の基部は結果的に受圧手段側に接続されることになるので、容器に起因する感圧素子に対する熱歪みを低減することができる。また、前記支持手段及び支持台の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるようにしているので、温度変化により支持手段と支持台に熱膨張などの長さ変化が発生しても伸び率を略等しくすることができ、感圧素子に掛かる熱歪みを低減して、温度変化による圧力誤差を抑制した圧力センサーとなる。

［適用例５］前記受圧手段、前記感圧素子、前記支持手段は、前記容器に対して、さらにもう一組配設されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサー。

上記構成により、一つの容器に複数の受圧手段を形成でき、各受圧手段に対して感圧素子、支持手段が設けられた圧力センサーとなる。２つの感圧素子は同一の容器内にあり、各受圧手段に異なる圧力が印加した場合に２つの圧力の差圧を正確に測定することができる圧力センサーが得られる。

第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面で切断した断面図）である。 第１実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図２（ｂ）はＹＺ面で切断した断面図である。 第１の部材の比率と温度特性の関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面で切断した断面図）である。 第３実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面で切断した断面図）である。 第４実施形態に係る圧力センサーの模式図である。 特許文献１に開示された圧力センサーの模式図である。 特許文献２に開示された圧力センサーの模式図である。

以下、本発明に係る圧力センサーの実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に第１実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面で切断した断面図）を示す。図２に第１実施形態に係る圧力センサーの断面図を示し、図２（ａ）はＸＺ面で切断した断面図、図２（ｂ）はＹＺ面で切断した断面図である。なお、図１、２に示されるＸＹＺは直交座標系を形成しており、以後用いられる図についても同様に適応する。第１実施形態に係る圧力センサー１０は、ハウジング１２とダイアフラム２４とを容器として、そのダイアフラム２４を備えた容器の収容空間に、支持手段３４、感圧素子４０等を有している。そして圧力センサー１０は、例えばハウジング１２内部を大気開放した場合には、大気圧を基準としてダイアフラム２４の外側から液圧を受ける液圧センサーとして利用できる。またハウジング１２内を真空封止した場合には、真空を基準とした絶対圧センサーとして利用できる。

ハウジング１２は、円形のフランジ部１４、円形のリング部１６、支持シャフト１８、円筒形の側面部（側壁部）２０を有する。フランジ部１４は、円筒形の側面部（側壁部）２０の端部と接する外周部１４ａと、外周部１４ａ上に外周部１４ａと同心円状に形成され、リング部１６と同一の直径を有するリング状に突出した形の内周部１４ｂとを有する。リング部１６は、その内周縁によって形成される円形の開口部２２を有し、開口部２２には、開口部２２を封止するようにダイアフラム２４が接続されており、ダイアフラム２４はハウジング１２の一部を形成することになる。フランジ部１４の内周部１４ｂ及びリング部１６の互いに対向する面の所定位置には支持シャフト１８を嵌め込む穴１４ｃ、１６ａが形成されている。また穴１４ｃ及び穴１６ａは互いに対向する位置に形成されている。よって穴１４ｃ、１６ａに支持シャフト１８を嵌め込むことによりフランジ部１４とリング部１６とは支持シャフト１８を介して接続される。支持シャフト１８は、一定の剛性を有し、±Ｚ方向に長手方向を有する棒状の部材であってハウジング１２とダイアフラム２４とから構成される容器の内部に配置され、支持シャフト１８の一端がフランジ部１４の穴１４ｃに、他端がリング部１６の穴１６ａにそれぞれ嵌め込まれることにより、フランジ部１４、支持シャフト１８、およびリング部１６との間で一定の剛性を獲得する。なお支持シャフト１８は複数本用いられるが、各穴の位置の設計に従って任意に配置される。

またフランジ部１４には、ハーメチック端子（不図示）が取り付けられている。このハーメチック端子は、後述の感圧素子４０の電極部（不図示）と、感圧素子４０を発振させるためのものであってハウジング１２の外部面に取り付けられた、またはハウジング１２の外であってハウジング１２から離間して配置されたＩＣ（集積回路、不図示）と、をワイヤー（不図示）を介して電気的に接続することができる。なお上述の液圧センサーとして用いる場合は、フランジ部１４には、大気導入口１４ｄが形成され、ハウジング１２内部を大気開放させることができる。側面部２０の両端を夫々、フランジ部１４の内周部１４ｂの外周、及び開口部２２をダイアフラム２４により塞がれたリング部１６の外周１６ｂに接続することによって、前記容器は封止される。フランジ部１４、リング部１６、側面部２０はステンレス等の金属で形成することが好ましく、支持シャフト１８は一定の剛性を有し熱膨張係数の小さいセラミック等を用いることが好ましい。

ダイアフラム２４はハウジング１２の外部に面した一方の主面が受圧面となっており、前記受圧面が被測定圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形する可撓部を有し、当該可撓部がハウジング１２内部側または外部側（Ｚ軸方向）に変位するように撓み変形することにより感圧素子４０にＺ軸に沿った圧縮力或いは引張り力を伝達するものである。またダイアフラム２４は、外部からの圧力によって変位する中央部２４ａと、前記中央部２４ａの外周にあり、前記中央部２４ａが変位できるように外部からの圧力により撓み変形する可撓部２４ｂと、前記可撓部２４ｂの外側、即ち前記可撓部２４ｂの外周にあり、リング部１６に形成された開口部２２の内壁に接合して固定される周縁部２４ｃを有している。なお周縁部２４ｃは理想的には圧力を受けても変位せず、中央部２４ａは圧力を受けても変位しないものとする。ダイアフラム２４の中央部２４ａであって、受圧面の反対側の面には後述の感圧素子４０の長手方向（検出軸方向）の一端（第１の基部４０ａ）と接続される。ダイアフラム２４の材質は、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよい。例えば金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成すればよい。なお、ダイアフラム２４は、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面を耐食性の膜にてコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラムであれば、ニッケルの化合物をコーティングしてもよい。ダイアフラム２４の中央部２４ａには支持台３０、周縁部２４ｃには後述する支持手段３４が接続されている。中央部２４ａに接続された支持台３０には感圧素子４０の第１の基部４０ａが接続される。なお第１実施形態の支持台３０は受圧手段となるダイアフラム２４と同質の材料、すなわちステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたもので形成されている。

支持手段３４は、支柱３６と支持部３８により構成され、受圧手段となるダイアフラム２４と同質の材料を含む２種以上の部材により形成されている。支柱３６は長手方向がダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と平行となるようにダイアフラムの周縁部２４ｃに当接させている。支柱３６は、材質の異なる２以上の部材（第１の部材３６ａ、第２の部材３６ｂ）を変位方向に接続して形成している。第１及び第２の部材３６ａ，３６ｂのうち、第２の部材３６ｂはダイアフラム２４と同質の材料、すなわちステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものを用いている。Ｚ軸方向の支柱３６に２以上の部材を用いた支持手段３４は、支持手段３４の熱膨張係数と感圧素子４０の熱膨張係数が同等となるように第１及び第２の部材３６ａ，３６ｂの長さの比率を調整している。また２以上の部材は、第２の部材３６ｂをダイアフラム２４と同質の材質とし、第１の部材３６ａをダイアフラム２４の材質が感圧素子４０の材質の熱膨張係数よりも大きい場合には、感圧素子４０よりも熱膨張係数が小さい材質を採用し、ダイアフラム２４の材質が感圧素子４０の材質の熱膨張係数よりも小さい場合には、感圧素子４０よりも熱膨張係数が大きい材質を採用している。感圧素子の材質の熱膨張係数に対して大きい又は小さい熱膨張係数となる２以上の部材を用いることにより、支持手段と感圧素子の熱膨張係数を同等にする部材の長さの比率調整が容易となる。

ここで熱膨張係数の一例として、水晶の熱膨張係数は１３．５（ｐｐｍ／℃）、ＳＵＳ３１６Ｌの熱膨張係数は１６（ｐｐｍ／℃）、ＳＵＳ４１０の熱膨張係数は１１．０（ｐｐｍ／℃）である。従って感圧素子に水晶を用いた場合、感圧素子よりも熱膨張係数が小さいステンレスの一例としてはＳＵＳ４１０を用いることができる。また感圧素子よりも熱膨張係数が大きいステンレスの一例としてはＳＵＳ３１６Ｌを用いることができる。

支持部３８は、支柱３６の先端からダイアフラム２４の中央部２４ａ側にＬ字型に屈曲させて感圧素子４０の第２の基部４０ｂを接続させている。図１に示す支持部３８は第２の部材３６ｂの先端で屈曲させて一体的に形成しているが、第２の部材３６ｂと同質の別部材を先端で屈曲させて形成することもできる。また図１に示す支持手段３４は、支持部３８の側面において感圧素子４０の第２の基部４０ｂと接続させているが、この他にも支持手段３４をＺ軸方向の感圧素子４０に対してＺＹ平面に支柱３６を形成し、支持部３８の端面で第２の基部４０ｂと接続させるように構成してもよい。また支持手段３４を構成する支持部３８と支柱３６はステンレスなど剛性を備えた部材を接続して形成しているため、所定の強度を備えており、圧力が印加されたことによるダイアフラム２４の変形に伴って変形することがない。

感圧素子４０は、感圧部となる振動腕４０ｃとその両端に形成された第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂを有し、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料により形成されている。第１の基部４０ａは支持台３０の側面に接続されるとともに、中央部２４ａに当接させている。また、第２の基部４０ｂは支持手段３４の支持部３８の先端（端部）に接続させている。そして感圧素子４０の振動腕４０ｃには励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）を有する。よって、感圧素子４０は、その長手方向（Ｚ軸方向）、すなわち第１の基部４０ａと第２の基部４０ｂとが並ぶ方向をダイアフラム２４の変位方向（Ｚ軸方向）と同軸または平行になるように配置され、その変位方向が検出軸となっている。そして感圧素子４０は支持台及び支持手段により固定されているため、感圧素子４０はダイアフラム２４の変位による力を受けても、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、感圧素子４０が検出軸方向以外の方向に動くことを阻止して、感圧素子４０の検出軸方向の感度の低下を抑制することができる。

感圧素子４０は、ハーメチック端子（不図示）及びワイヤー（不図示）を介してＩＣ（不図示）と電気的に接続され、ＩＣ（不図示）から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。そして感圧素子４０は、その長手方向（Ｚ軸方向）から伸長応力または圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。本実施形態においては感圧部となる振動腕４０ｃとして双音叉型振動子を適用することができる。双音叉型振動子は、振動腕４０ｃである前記２つの振動ビームに引張り応力（伸長応力）或いは圧縮応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。そして双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、伸長・圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサーにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振動腕の共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕の共振周波数は低くなる。また本実施形態においては２つの柱状の振動ビームを有する感圧部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を適用することができる。感圧部（振動腕４０ｃ）をシングルビーム型の振動子として構成すると、長手方向（検出軸方向）から同一の応力を受けた場合、その変位が２倍になるため、双音叉の場合よりさらに高感度な圧力センサーとすることができる。なお、上述の圧電材料のうち、双音叉型またはシングルビーム型の圧電振動子の圧電基板用としては温度特性に優れた水晶が望ましい。

本実施形態においては、感圧素子４０は、その長手方向の両端（第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂ）が結果的にダイアフラム２４側に接続されている。これにより、ハウジング１２から感圧素子４０への熱歪みを低減することができる。さらに感圧素子４０と支持手段３４は熱膨張係数が同等となるように第１及び第２の部材の長さの比率を調整して形成されているので、温度変化に伴う検出軸方向の膨張・収縮の割合が同一となる。よって温度変化による検出軸方向の膨張・収縮において、感圧素子は支持手段３４からの熱歪みが低減される。また支持手段３４を構成する一部の部材は受圧手段と同じ材質を用いているため、受圧手段と、感圧素子の検出軸方向と垂直な方向の成分との間で熱歪みが発生することがなく、この熱歪みを感圧素子が受けることがない。

図３は第１の部材の比率と温度特性の関係を示すグラフである。同グラフの横軸は支柱を構成する第１及び第２の部材のうち第１の部材の長さ比率を示し、縦軸は温度特性（ｐｐｍ／５０℃）を示している。なお同グラフは第１の部材の熱膨張係数が水晶の熱膨張係数よりも小さい場合である。図示のように第１の部材が０のとき温度特性は２０００（ｐｐｍ／５０℃）であり、第１の部材の比率を増加していくと、温度特性は低下する傾向にある。そして最適な温度特性範囲となる±５００（ｐｐｍ／５０℃）の第１の部材の長さの比率は約０．４〜０．６となる。

このような温度特性と部材の比率の関係に基づいて、本実施形態の感圧素子４０と支持手段３４は熱膨張係数が同等となるように第１及び第２の部材の長さの比率を調整して形成し、温度変化に伴う検出軸方向の膨張・収縮の割合が同一となるように設定している。よって温度変化による検出軸方向の膨張・収縮において、感圧素子は支持手段３４からの熱歪みが低減される。

しかしながら製造上の誤差などにより支持手段の熱膨張が感圧素子の熱膨張と一致するように第１及び第２の部材を設定長さの比率に形成できない場合がある。
そこで支持手段３４の支柱３６を構成する第１及び第２の部材の許容誤差について以下検討する。

圧力センサーは測定可能な使用圧力範囲が定められている。そこで圧力センサーの感圧素子４０が水晶振動子の場合、圧力センサーに負荷される最大圧力値（以下、Ｐｍａｘという）時の水晶振動子の縮み率をγとし、水晶振動子の長さをＬとしたとき水晶振動子はγＬだけ縮むように仮定して設計されている。

一般の水圧センサーは温度特性が温度補正後において、０．０５％Ｐｍａｘ程度である。本実施形態の圧力センサーでは一般の水圧センサーよりも精度面で優位性を見出すために目標値として０．０２５％Ｐｍａｘ以下となるように設定した場合について説明する。

周波数変化型の圧力センサーは、基本的に温度センサーを付帯させて温度補正を行っている。この温度補正により１／１００程度に温度特性を小さくすることができる。このため補正後の０．０２５％Ｐｍａｘを実現するためには温度補正前に２．５％Ｐｍａｘ以下にする必要がある。

また圧力センサーの熱膨張の影響が０℃〜５０℃の範囲で、かつ前述の２．５％Ｐｍａｘ以下になるようにする場合、２．５％Ｐｍａｘとなる長さ変化をＸとすると次式のような比で表すことができる。

数式１の関係からＸ＝０．０２５×γ×Ｌとなる。
従って０℃〜５０℃の範囲で０．０２５γＬだけの変化以下にする必要がある。
本実施形態において支持手段に用いるステンレスは支持手段の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるように前記部材の長さの比率を厳密に調整することにより、熱膨張を感圧素子に合わせることができる。

しかし支持手段を構成する第１及び第２の部材の長さの比率にΔの誤差が生じると、熱膨張が発生することになる。
このときの熱膨張差をＹとすると、０℃〜５０℃の範囲ではＹ＝５０×Δ×（α１−α２）と表すことができる。
ここでα１とα２は材質の異なる２つのステンレス（第１及び第２の部材）の熱膨張係数をそれぞれ示している。

そして２．５％Ｐｍａｘとなる長さ変化Ｘよりも、０℃〜５０℃における熱膨張差Ｙが小さくなれば、すなわちＹ＜Ｘの関係を満たせば、温度特性精度に優位性を見出すことができる。
このときＹ＜Ｘは次式で表すことができる。

これにより第１及び第２の部材の誤差Δは次式で表すことができる。

一例としてγ＝０．００１、α１＝１６×１０^−６（ｐｐｍ／℃）、α２＝１１×１０^−６（ｐｐｍ／℃）の場合、第１及び第２の部材の誤差Δは０．１Ｌとなり水晶振動子の全長Ｌに対して１割の構造誤差が許容されることになる。

次に第１実施形態の圧力センサー１０の製造は、まずリング部１６にダイアフラム２４を接続するとともに、ダイアフラム２４の所定位置に支持台３０、支持手段３４を接続する。接続方法は、接着剤等の固定剤又はレーザー溶接、アーク溶接、ろう付けなどにより接続することができる。そして、感圧素子４０の第１の基部４０ａを支持台３０の側面に接続し、第２の基部４０ｂを支持手段３４に接続する。そしてリング部１６の穴１６ａに支持シャフト１８を差込んで固定し、フランジ部１４の穴１４ｃに、既にリング部１６に一端が差し込まれた支持シャフト１８の他端を差し込んで固定するとともに、ハーメチック端子（不図示）のハウジング１２内部側と感圧素子４０の電極部（不図示）とをワイヤー（不図示）により電気的に接続する。このときハーメチック端子（不図示）のハウジング１２外部側はＩＣ（不図示）に接続する。最後に側面部２０をリング部１６側から差し込んでフランジ部１４の外周及びリング部１６の外周１６ｂにそれぞれ接合することによりハウジング１２が形成され、圧力センサー１０が製造される。なお圧力センサー１０を、真空を基準とした絶対圧を測定する圧力センサーとする場合は、大気導入口１４ｄを形成せず、真空中で圧力センサー１０を組み立てればよい。

大気圧を基準として液圧を測定する場合、液圧が大気圧より低いとダイアフラム２４の中央部２４ａがハウジング１２の内側に変位し、逆に液圧が大気圧より高いと中央部２４ａがハウジング１２の外側に変位する。そして、ダイアフラム２４の中央部２４ａがハウジング１２の外側に変位すると、感圧素子４０は、中央部２４ａと、支持手段３４により引張応力を受ける。逆に中央部２４ａがハウジング１２の内側に変位すると、感圧素子４０は、中央部２４ａと支持手段３４により圧縮応力を受けることになる。さらに、圧力センサー１０において、温度変化があった場合、圧力センサー１０を構成するハウジング１２、ダイアフラム２４、支持手段３４、感圧素子４０等はそれぞれの熱膨張係数に従って膨張・収縮することになる。しかし、上述のように感圧素子４０は検出軸方向の両端が全てダイアフラム２４側に接続されているので、ハウジング１２のＺ軸方向の膨張・収縮に起因する熱歪みは低減される。

また感圧素子４０とダイアフラム２４との熱膨張係数の違いにより、温度変化による検出軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の膨張・収縮により、感圧素子４０は支持手段３４を介してダイアフラム２４から熱歪みを受けることになる。しかし支持手段３４を構成する第２の部材３６ｂはダイアフラム２４と同一材料を用いているため、感圧素子４０に掛かる熱歪みの量を低減して、温度変化に伴う圧力値の誤差を低減した圧力センサー１０となる。

図４は第２実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面で切断した断面図）である。
第２実施形態に係る圧力センサー５０は、第１実施形態の圧力センサー１０と基本構成は同一であるが、支持手段及び支持台の構成が異なる。その他の構成要素は第１実施形態の構成要素と同一であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。第２実施形態の圧力センサー５０は支持手段５２と支持台５４の材質が異なるように構成されている。具体的に支持手段５２は、第１実施形態の支持手段３４と同一形状、同一配置であるが、単一の部材から構成されている。また支持台５４は感圧素子４０の第１の基部４０ａとダイアフラム２４の中央部２４ａの間に略Ｌ字型に形成されている。支持手段５２と支持台５４のうち支持手段５２はダイアフラム２４と同質の材料、すなわちステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものを用いている。そして支持台５４は、ダイアフラム２４の材質が感圧素子４０の材質の熱膨張係数よりも大きい場合には、感圧素子４０よりも熱膨張係数が小さい材質を採用し、ダイアフラム２４の材質が感圧素子４０の材質の熱膨張係数よりも小さい場合には、感圧素子４０よりも熱膨張係数が大きい材質を採用している。

このような第２実施形態に係る圧力センサー５０であっても、感圧素子４０は、その長手方向の両端（第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂ）が結果的にダイアフラム２４側に接続されているため、ハウジング１２から感圧素子４０への熱歪みを低減することができる。さらに感圧素子４０と支持手段５２及び支持台５４は熱膨張係数が同等となるように支持台５４の長さの比率を調整して形成されているので、温度変化に伴う検出軸方向の膨張・収縮の割合が同一となる。よって温度変化による検出軸方向の膨張・収縮において、感圧素子は支持手段５２からの熱歪みが低減される。また支持手段５２は受圧手段と同じ材質を用いているため、受圧手段と、感圧素子の検出軸方向と垂直な方向の成分との間で熱歪みが発生することがなく、この熱歪みを感圧素子が受けることがない。

図５は第３実施形態に係る圧力センサーの斜視図（ＸＺ面で切断した断面図）である。
第３実施形態に係る圧力センサー７０は、第１実施形態の圧力センサー１０と基本構成は同一であるが、支持手段及び支持台の構成が異なる。その他の構成要素は第１実施形態の構成要素と同一であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。第３実施形態の圧力センサー７０は支持手段７２と第１及び第２の支持台７４、７６の材質が異なるように構成されている。具体的に支持手段７２は、第１実施形態の支持手段３４と同一形状であるが、単一の部材から構成されている。また第１の支持台と第２の支持台は支持手段７２とは異なる同質の材料から構成されている。第１の支持台７４は感圧素子４０の第１の基部４０ａとダイアフラム２４の中央部２４ａの間に略Ｌ字型に形成されている。第２の支持台７６は感圧素子４０の第２の基部４０ｂと支持手段７２の支持部７２ａの間に形成されている。支持手段７２と第１及び第２の支持台７４，７６のうち支持手段７２はダイアフラム２４と同質の材料、すなわちステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものを用いている。そして第１及び第２の支持台７４，７６は、ダイアフラム２４の材質が感圧素子４０の材質の熱膨張係数よりも大きい場合には、感圧素子４０よりも熱膨張係数が小さい材質を採用し、ダイアフラム２４の材質が感圧素子４０の材質の熱膨張係数よりも小さい場合には、感圧素子４０よりも熱膨張係数が大きい材質を採用している。

このような第３実施形態に係る圧力センサー７０であっても、感圧素子４０は、その長手方向の両端（第１及び第２の基部４０ａ，４０ｂ）が結果的にダイアフラム２４側に接続されているため、ハウジング１２から感圧素子４０への熱歪みを低減することができる。さらに感圧素子４０と支持手段７２及び第１及び第２の支持台７４、７６は熱膨張係数が同等となるように第１及び第２の支持台７４，７６の長さの比率を調整して形成されているので、温度変化に伴う検出軸方向の膨張・収縮の割合が同一となる。よって温度変化による検出軸方向の膨張・収縮において、感圧素子４０は支持手段７２からの熱歪みが低減される。また支持手段７２は受圧手段と同じ材質を用いているため、受圧手段と、感圧素子の検出軸方向と垂直な方向の成分との間で熱歪みが発生することがなく、この熱歪みを感圧素子が受けることがない。

図６は第４実施形態に係る圧力センサーの模式図である。第４実施形態に係る圧力センサー１００は、ダイアフラム２４、感圧素子４０、支持手段３４が、ハウジング１０２に対して、さらにもう一組配設された形態を有している。図６の圧力センサー１００は、第１実施形態の圧力センサー１０を２つ用いている。すなわち、２つの圧力センサー１０を構成する支持シャフト１８に両面で接続可能なフランジ部１０４を用い、第１実施形態のフランジ部を取り払った２つの圧力センサー１０を互いに接合させて一つのハウジング１０２を形成した形態を有している。フランジ部１０４は、側面部２０の端部と接続する外周部１０４ａと、外周部１０４ａの内側に同心円状に形成され、リング部１６と同一の直径を有するとともに側面部２０の内側側面と接続する内周部１０４ｂと、を有する。また内周部１０４ｂのＺ軸方向の端部には、支持シャフト１８が差し込まれる穴１０４ｃを有する。図６における圧力センサー１００においては、圧力センサー１００のフランジ部１０４を挟んだ上半分と下半分とを独立に組み立てることが可能である。

第４実施形態の圧力センサー１００は、２つのダイアフラムに係る圧力を独立に測定することになるが、ハウジング１０２内部の環境が共通になるので、温度差等の影響による圧力誤差を低減した差圧センサーとして利用することができる。この場合ハウジング１０２内部は真空封止であっても大気開放でもよい。

１０………圧力センサー、１２………ハウジング、１４………フランジ部、１４ａ………外周部、１４ｂ………内周部、１４ｃ………穴、１４ｄ………大気導入口、１６………リング部、１６ａ………穴、１６ｂ………外周、１８………支持シャフト、２０………側面部、２２………開口部、２４………ダイアフラム、２４ａ………中央部、２４ｂ………可撓部、２４ｃ………周縁部、３０………支持台、３４………支持手段、３６………支柱、３６ａ………第１の部材、３６ｂ………第２の部材、３８………支持部、４０………感圧素子、４０ａ………第１の基部、４０ｂ………第２の基部、４０ｃ………振動腕、５０………圧力センサー、５２………支持手段、５４………支持台、７０………圧力センサー、７２………支持手段、７４………第１の支持台、７６………第２の支持台、１００………圧力センサー、１０２………ハウジング、１０４………フランジ部、１０４ａ………外周部、１０４ｂ………内周部、１０４ｃ………穴、３４０………圧力センサー、３４２………ハウジング、３４４………フランジ端板、３４６………ハーメ端子台、３４８………円筒側壁、３５０………第１のダイアフラム、３５２………第２のダイアフラム、３５４………センターシャフト、３５６………可動部、３５８………感圧素子、３６０………ボス部、４１０………圧力センサー、４１２………ハウジング、４２２………開口部、４２４………ダイアフラム、４２４ｃ………周縁領域、４４０………感圧素子、４４０ａ………第１の基部、４４０ｂ………第２の基部、４４２………接続部材。

Claims (5)

1. 容器と、
   前記容器の一部を形成し、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、
   前記受圧手段の周縁部から前記受圧手段の変位方向と平行に延出し、端部を前記受圧手段の中央部側に屈曲した支持手段と、
   感圧部と前記感圧部の両端の各々に接続される第１及び第２の基部とを有し、前記第１及び第２の基部との並ぶ方向が前記受圧手段の変位方向と平行であって、前記第１の基部を前記受圧手段の中央部に固定し、前記第２の基部を前記支持手段に固定した感圧素子と、
   を備え、
   前記支持手段は、材質の異なる２以上の部材を前記変位方向に接続し、前記支持手段の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるように前記部材の長さの比率を調整したことを特徴とする圧力センサー。
2. 前記２以上の部材は、
   一方を前記受圧手段と同質の材質とし、
   他方を前記受圧手段の材質の熱膨張係数が前記感圧素子の材質の熱膨張係数よりも大きい場合には、前記感圧素子よりも熱膨張係数が小さい材質を採用し、前記受圧手段の材質の熱膨張係数が前記感圧素子の材質の熱膨張係数よりも小さい場合には、前記感圧素子よりも熱膨張係数が大きい材質を採用することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記感圧素子は水晶により形成され、前記受圧手段はステンレスにより形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力センサー。
4. 容器と、
   前記容器の一部を形成し、力を受けて前記容器の内側または外側に変位する受圧手段と、
   前記受圧手段の周縁部から前記受圧手段の変位方向と平行に延出し、端部を前記受圧手段の中央部側に屈曲した支持手段と、
   感圧部と前記感圧部の両端の各々に接続される第１及び第２の基部とを有し、前記第１及び第２の基部との並ぶ方向が前記受圧手段の変位方向と平行であって、前記第１の基部を前記受圧手段の支持台に固定し、前記第２の基部を前記支持手段に固定した感圧素子と、
   を備え、
   前記支持手段及び前記支持台は、材質の異なる２以上の部材からなり、前記支持手段及び前記支持台の熱膨張係数と前記感圧素子の熱膨張係数が同等となるように前記部材の長さの比率を調整したことを特徴とする圧力センサー。
5. 前記受圧手段、前記感圧素子、前記支持手段は、前記容器に対して、さらにもう一組配設されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサー。

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