JPH02236194A - 圧力センサー付電子時計の圧力検出部構造 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はダイバーなどが使用する深度計又は水圧針ある
いは気圧計などに使用される圧カセンサ一を内蔵した電
子時計に係わるものであり、時計の外装ケースの内側と
外側の圧力差を検出する部分の構造に関するものである
。

〔従来の技術〕

最近、圧力センサーを内蔵して気圧や水深を測定できる
時計を作ろうとする動きがある。

以下、圧力の中でも特に圧力変動の大きい水深計付電子
時計を例にとって説明する。

近年、スキューバダイビング技術は長足の進歩を遂げ、
これに伴って潜水を職業としたり、レジャーとして潜水
を楽しむ人が急増している。これ等のダイバーは潜水中
にも安心して使用できる時計を求めていたが、近年、数
百気圧の水圧にも耐える外装構造を有するダイバーウォ
ッチが市販されるようになり、このようなダイバーウォ
ッチは時計の破損による潜水事故防止の上からダイバー
必携のものとなっている。

一方、潜水の安全確保の上で潜水時間と並んで大変重要
な用件として潜水深度があげられる。潜水中のダイバー
は常に潜水深度を確認し、それに関係する空気の消費量
の計算や、浮上速度の調節をしなければならない。勿論
、深く潜りすぎることはそれ自体危険なことであり避け
なければならない。

このように重要な意味をもつ潜水深度であるが、現在そ
の測定器としては、水中でのダイバーの行動の制約にな
るような大型のものや、精度的にも安定性においても問
題のあるもの、あるいは非常に高価なものが市販されて
いるにすぎない．このため、多くのダイバーは目測や経
験に親っており大変危険な状態である． 潜水の深度を測定する測定器を深度計と定義するが、深
度を測定する方法としては深度計に加わる水圧を測定し
て水の密度で割り算し、水深を求める方法が最初に上げ
られる。この方法は淡水と海水の密度の違いなどから多
少の補正を必要とする場合もあるが、ダイバーに直接影
響を与える物理量を測定するので、ダイバー用深度計と
して最適である。

ダイバーに直接影響を与える物理量が圧力そのものであ
るところから、圧力をそのまま表示する水圧針の方が有
用であるとの意見もあるが、本発明では水圧計を一歩進
めたものが深度計であると考え、ここで云う深度針は水
圧計や気圧計をも含むものとする。

ダイバーウォッチの外装！よ非常に堅牢な密閉容器であ
り、水深百メートル程度では内容積の変化は殆んどなく
、したがって内部圧力は大気圧にほぼ等しく保たれてい
る。このような外装の一部に小孔を設け、該小孔をダイ
ヤフラムによって密閉して水中に入れれば、該ダイヤフ
ラムには水圧に比例した応力歪が生ずる。該応力歪をス
トレンゲージで電気信号に変換し、増巾して、指示計器
によって水深として表示することができるが、本発明に
使用される圧力測定装置も又この原理を応用して実現さ
れる。

ところでダイヤフラム型圧力センサーは非常に小型で、
一般に一辺が数ミリ角で厚さが数百ミクロンのシリコン
単結晶からできている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の如く、圧力センサーは非常に薄い部分を有してい
るので、直接又は間接に外部より力が加わると簡単に破
損してしまう．しかし、ダイヤフラム型圧力センサーを
時計に組み込んだ実例を見ないので圧力センサーの保護
構造についての従来例について知らない． 本発明の目的は、電子時計に圧力測定装置を内蔵し、ダ
イバーが水中で時刻と潜水の深度の両方を知ることがで
きるようにした深度計付ダイバーウォッチ等の圧力セン
サー付電子時計において、圧力測定装置の耐久性を向上
して高精度の圧力測定を可能とするとともに、圧力セン
サーを保護する構造を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の要旨は、気圧や水圧
などを計測するための圧力センサーを電子時計の外装ケ
ースに収納した電子時計において、半導体により形成さ
れた前記圧力センサーを取付台に固定し、また前記圧力
センサーは導線によって信号処理回路と電気的に結合さ
れるとともに、前記取付台はパッキンにより防水構造を
とりつつ前記外装ケースに収納され、且つ前記取付台の
外側上方には圧力導入穴を穿った保護カバーを配置する
構遣を有していて、該圧力導入穴は前記圧力センサー本
体と重合しない位置に穿設されていることを特徴として
いる。

（実施例） 以下に図面に従って本発明における圧力検出部の構造に
ついて説明する。

第３図は本発明に使用される水圧検出用のシリコンダイ
ヤフラム型圧力センサーの断面図であり、第４図はその
平面図である。

シリコンダイヤフラム型圧力センサーは、一辺が数ミリ
角で厚みが数百ミクロンの半導体物質であるシリコン単
結晶板１からなり、その片面を円形に彫り込んで形成さ
れたダイヤフラム２の表面に半導体抵抗３を拡散形成し
たものである。

第３図においてダイヤフラム２の左右の面に、圧力差が
生じると、ダイヤフラム２に歪が生じ、その結果半導体
抵抗３の抵抗値が変化する。

第４図に示す通り半導体抵抗３はダイヤフラム２の周辺
部の４ケ所に方向をそろえて形成されており、それ等の
抵抗値は概略等しくなっている。

該４ケ所の半導体抵抗３は第５図に示される回路図のよ
うにブリッジ接続されており、ダイヤフラム２の上下面
の圧力差ΔＰによって次式で与えられる出力電圧Ｖｏｕ
ｔが得られる。

Ｒ ここでＲは圧力差ΔＰがない時の各半導体抵抗３の抵抗
値であり、ΔＲは圧力差ΔＰに対応して各半導体抵抗３
に生じる抵抗値の変化分であり、Ｅはブリッジに印加す
る電源の電圧である。

半導体抵抗３は歪に対し、ピエゾ抵抗効果を示すため、
圧力差ΔＰに対応して生ずる抵抗値の変化ΔＲは極めて
大きく、通常の金属箔ストレンゲージの数百倍の惑度を
有する。又、シリコン薄板のダイヤフラムは弾性限界が
大きく、残留歪が小さい上材料疲労が生じにくく、径時
変化が小さい等、数々の非常に優れた特徴を有している
ため、シリコンダイヤフラム型圧力センサーは現在最も
有用な圧力センサーとして各種の圧力測定に実用化され
ている。

このように優れた特徴を有するシリコンダイヤフラム型
圧力センサーによって、ダイバーウオッチの外装の一部
に設けた小孔を密閉し、その両面の圧力差を検出するの
であるが、この場合ダイヤフラムの片側の一面は直接外
界に接することになる。

ダイバーウォッチはその性格上当然のことながら液中に
浸されたり、汗の分解によって生じた腐蝕性の物質に接
したり、オゾンリッチの空気に曝されたりするから、こ
れ等の物質の化学的な影響がシリコンダイヤフラム型圧
力センサーに加わらないように考慮されなければならな
い。

また外装に設けた小孔に入り込んだ海水や汗が蒸発して
食塩の結晶が小孔内に析出したり、汚れが沈着すること
によって小孔自体が閉塞してしまうことのないようにし
なくてはならない。更に、圧力センサーを外界から細い
棒でつついたりした時にも圧力センサーが破損しないよ
うに保護しなくてはならない． 本発明ではこのような化学的及び物理的影響からセンサ
ーのダイヤフラムを保護し常に安定して精度の良い圧力
測定ができるような圧力検出部の構造を提案するもので
ある。

第６図は以上に説明したシリコンダイヤフラム圧カセン
サーを使用して深度計機能を保有せしめた電子時計の一
実施例を示す外観平面図である。

本実施例は電気光学的表示素子を用いたデジタル表示式
腕時計であり、表示面４に午前１０時９分３５秒を示す
時刻と、潜水開始からの経過時間０時間４５分と、水深
２　４．　６　ｍとが表示されている。時計の表示面を
覆っている風防ガラス５の一部に圧力検出部が設けられ
ており、該圧力検出部を機械的に保護するカバー板６が
風防ガラス５の表面に固定されている。

第７図は第６図に示す電子時計に用いられている圧力検
出部の断面図である。第７図の上側は時計外装の外側面
を表わし下側は時計外装の内側面を表わすものとする．
第７図により圧力センサーの原理について説明する。風
防ガラス５の外側面には網目状の小孔を有するカバー板
６が固着されている。

又風防ガラス５の内側の面には部分的に不透明な塗料７
が塗布されており、デジタル表示の表示見切りをしてい
る。カバー板６の下の部分の風防ガラス５には貫通小孔
が設けられ、風防ガラス５の内側の開口部に上記のシリ
コンダイヤフラム型圧力センサー８（以下センサーと記
す）が密閉固着されている。

センサー８の抵抗ブリッジの４個の・端子は極細導線９
によって端子基板１０の４個のパターン配線１０ａに接
続され、更に４個の圧接バネ１１を介して信号処理回路
（図示されていない）に電気的に接続されている。

端子基板１０のパターン配線面上にはセンサー８と極細
導線９の配線を保護するためのダイヤフラム保護カバー
１２が固定されており、時計の製造工程や修理の際に圧
力検出機能を損傷しないように保護している。ダイヤフ
ラム保護カバー１２には小孔があって、センサー８の背
圧室の大きさを限定しないようにしてある。

風防ガラス５に設けられた小孔は、時計の外部の圧力を
センサー８のダイヤフラムヘ導入するための圧力導入孔
であるが、該圧力導入孔とセンサー８の外界との直接の
接触面である裏面の彫り込み部にはヤング率が非常に小
さい固形物質、すなわちゴム状弾性物質１３が風防ガラ
ス５の外側開口部まで充填されている。

ゴム状弾性物質１３はヤング率が非常に小さい上にポア
ッソン比が大きく、しかも変形の小さい領域に閉じ込め
られているため、圧力導入孔の小さな開口部に印加され
た圧力は圧力導入孔の最深部にあるセンサー８のダイヤ
フラムまで殆んど減衰することなく伝達される。

このような構造の水圧検出部を備えたダイバーウォッチ
を水中に入れると、時計外装の内外の圧力差はカバー板
６の網目状小孔を通じて圧力導入孔のゴム状弾性物質１
３に印加され、更にセンサ−８のダイヤフラムに伝達さ
れる。

この結果センサー８のダイヤフラムは時計の内側に変形
し、その歪がブリッジ抵抗の不平衡を生じせしめて水深
に応じた電気信号を発生するのである。

このように圧力導入孔をゴム状弾性物質１３で充填すれ
ば、海水や汗や空気が圧力導入孔に入り込まないため、
センサー８が直接これらの物質に触れることはなくなり
、且つ圧力の伝達は正しく行われるので、極めて耐候性
の良い優れた圧力検出機構が実現されるのである。

第１図は本発明の一実施例による圧力検出部の断面図で
、第６図に示す電子時計の風防ガラス５に取り付けて使
用される例を示す。

第１図に示した実施例では、センサー８は風防ガラス５
ａに直接固着されているのではなく、センサー取付台１
４に固着されており、センサー取付台１４を風防ガラス
５ａに固定する構造になっている。

センサー取付台１４の中心部には貫通した小孔があって
、センサー取付台１４の内側の開口部にセンサー８が密
閉固着されている。センサー取付台１４の外側の外周部
にはネジが設けられ、内ネジを有する保護カバーとして
のカバー板２６と係合し、センサー取付台１４を風防ガ
ラス５ａに固定している。この固定においてセンサー取
付台１４と、風防ガラス５ａの下面の見切り塗料７との
間には防水パッキン１５が圧縮固定されており、防水機
能をはたしている。

センサー８の端子配線及び保護構造は第７図の原理例と
同じであるので説明を省略する。センサー取付台１４の
小孔は圧力導入孔であり、第７図の原理例における風防
ガラス５がセンサー取付台１４となった以外は第７図の
原理例と同様にセンサー８の外界との直接の接触面側に
ゴム状弾性物質１３が充填されている． 上記カバー板２６には外部の圧力を導入する小孔２６ａ
が穿設されているが、この小孔２６ａはカバー板の中央
位置を外しセンサー取付台１４の圧力導入用の小孔の上
部を外し且つセンサー８の彫り込み部８ａの上面から外
れた位置に偏心させて設けられている。これはカバー板
２６の圧力導入用の小孔２６ａを何か細いものでつつい
たりした時に、その力が圧力センサー８の特に彫り込み
部８ａに加わってセンサー８を破損しないようにセンサ
ー８を保護するために工夫されたものである。

第２図は本発明の他の実施例を示したもので、圧力検出
部の断面図を示す。

第２図はセンサー取付台２４を風防ガラス５ｂの外側の
面から挿入した実施例である．センサー取付台２４は防
水パッキン１５ａを介して風防ガラス５ｂに圧入固定さ
れている． 該センサー取付台２４の中心部には内側から外側にいく
につれて径の大きくなる貫通した小孔２４ａがあり、セ
ンサー取付台２４の内側の開口部にセンサー８が密閉固
着されており、ゴム状弾性物質１３がセンサー８の外界
との接触面である彫り込み部８ａと小孔２４ａの一部に
充填されている。

センサー取付台２４の外側には、センサー取付台２４の
小孔２４ａと通り違いになった小孔３６ａを有するカバ
ー板３６が固着されている．小孔３６ａはセンサー取付
台２４の小孔２４ａともセンサー８の彫り込み部８ａは
もちろんセンサー８本体とも重合しない位置に形成され
ていて、センサー８を細い棒などでつついた時に生じる
破損防止等の保護の役割をしている。センサー８の端子
配線及び保護構造は、第７図及び第１図の実施例と同じ
であるので説明を省略する。

なお本実施例においては、ゴム状弾性物質１３を小孔２
４ａの一部にのみ充填しているが、これは小孔２４ａの
形状が第７図、第１図の実施例と異なるため、食塩の結
晶や汚れにより小孔自体が閉塞する等の障害が生じない
からである。

以上に述べた第７図、第１図、及び第２図の実施例にお
いてはセンサーが圧力導入孔による内側の開口部に配置
されているが、第８図の実施例はセンサーが圧力導入孔
による外側の開口部に配置された場合を示すものである
。

本実施例においてセンサー８はセンサー取付台３４の凹
部３４ａに収納されていて、また中心部に設けられた小
孔３４ｂを外側面から密閉するように固着され、センサ
ー取付台３４を貫通しハーメチック固定された４個の導
電ピン１６と極細導線９によって電気的に結合されてい
る。

センサー８及び極細導線９の配線部の周囲はゴム状の弾
性物質１３で充填され、物理的・化学的に保護されてお
り、更にセンサー取付台３４に固着されたカバー板４６
によって機械的に保護されている． カバー板４６に穿けられた圧力導入用の小孔４６ａはセ
ンサー８の中央部を外した位置に形成されていて、セン
サー８の最も弱い部分に外部の力が加わらないように配
慮されている． 又ゴム状弾性物質１３には遮光性の額料を含ませてあり
、光学的にも保護されている。センサー取付台３４は外
装の外側から挿入され、防水パッキン１５ｂを介して風
防ガラス５Ｃに圧入固定されており、導電ビン１６とそ
の一端に圧接されたバネ１１を介してセンサー８を図示
されていない信号処理゜回路と電気的に結合している．
以上に水圧検出部を時計の風防ガラス面上に設けた場合
について、３種類の実施例をあげて説明したが、水圧検
出部を図面上に示した風防ガラス５乃至５Ｃ及び塗料７
の部分でなく時計外装の裏ブタ又は外装本体（ケース胴
）に置換しても良い。

この場合取付部分にスペース上の制約が生じやすいが、
一方で時計の表示面が拡大できる利点があるため、指針
表示によるアナログ表示式腕時計に応用することができ
る。

第９図は深度計付アナログ表示式腕時計の一実施例を示
す外観平面図であり、指針式時刻表示面１７の一部にや
はり指針式の深度表示部１８が設けられている。

本実施例においては水圧検出部は図面上、カバー板６の
とる位置から理解されるようにケース本体（ケース胴）
１９の側面に設けられており、圧力導入孔は時計の１０
時の位置から紙面と平行に時計の中心方向に向っている
。この場合のセンサ一取付台は風防ガラスではな《ケー
ス胴ｌ９であることはもちろんである． 次に上記のゴム状弾性物質について説明する．本発明に
おいてシリコンダイヤフラム型圧力センサーのダイヤフ
ラム、＝亥センサーとセンサーの基台部との固着部分、
圧力導入孔、又はセンサーから引き出される配線等を物
理的にも化学的にも保護し、さらに水圧検出部の検出能
力を損わないようにする目的で使用されるゴム状弾性物
質に必・要な特性として、次の・３項目が特に重要であ
る。

第１には極力柔軟であってダイヤフラムに伝える圧力を
減衰しないような物質でなくてはならない。そのために
はヤング率が極力小きく、ボアッソン比が極力大きな物
質で、しかもその性質が温度や圧力で影響されない物質
である必要がある．ただしシリコンダイヤフラム型圧力
センサーのダイヤフラムの面積は数平方ミリと小さく、
その機械的変位も小さいのでゴム状弾性物質とは云いな
がらもその弾性限界の範囲は必ずしも大きい必要！綽＜
、例えば寒天のような性質でも良い。

第２には海水や汗やオゾン等に常時曝されても変質が生
じないような物質である必要がある。この特性は単に強
度の問題だけでなく、深度計の感度を長い期間安定に保
つ上からも是非必要となるのである。

第３に充填性が良い必要がある。ダイバーウォッチの外
装に設けられる圧力導入孔は穴径が小さくその割に深い
のであるが、その隅々まで隙間なく充填されなければな
らなかったり、極めて脆弱な極細導線の配線を包み込む
必要性がある。

そのため、充填時は流動性の高い液状であって充填完了
の後に流動性を失うような物質であることが望ましい。

以上の重要な特性を兼備した物質としてシリコンゴムが
あり、本発明のゴム状弾性物質として最適である。シリ
コンゴムには色々な応用分野に合せて様々な特徴を持っ
たものが製造されているが、２液形でＲＴＶタイプの常
温硬化性のものが本発明の応用には適当である．このよ
うなシリコンゴムでは硬化後の硬さが大変軟らかく、し
かも耐熱性、耐寒性、耐候性等が優れたシリコンゴムの
本来の特質を併せ持ったものが得られている。

以上にシリコンダイヤフラム型圧力センサーを用いた深
度計付電子時計について、特にその水圧検出部の構造を
中心として詳細な説明をした。

尚、本願に言う圧力導入用の小孔は比較的大きなものを
いうもので、例えばカバー板の中央に針の先端も貫通し
ない程度の孔が明いていても本願には含まれるものであ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極めて厳しい環境条件下で使用される
ダイバーウォッチに、シリコンダイヤフラム型圧力セン
サーを組み込んで水圧の検出をすることが可能になった
ばかりでな《、長期間にわたって正確に動作させること
ができるようになった。また、水圧検出部が小型化され
、構造の自由度も大きいことから時計のデザインを損う
ことなく深度計を内蔵させることができるようになった
。

更に、外部より細い棒でつついたような異常な力に対し
てもセンサーを保護することができ、信頬性の高いセン
サー付腕時計を提供するのに大きな効果を上げることが
できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の圧力検出部の断面図、第２
図は本発明の他の実施例の圧力検出部の断面図、第３図
は本発明の圧力計付電子時計に使用されるシリコンダイ
ヤフラム型圧力センサーの構造を示す断面図、第４図は
第３図の平面図、第５図はシリコンダイヤフラム型圧力
センサーの抵抗ブリッジの結線を説明する原理的な回路
図であり、第６図は圧力計付電子時計の外観平面図、第
７図はシリコンダイヤフラム型圧力センサーの構造を説
明する原理図、第８図は圧力検出部の構造を示す断面図
、第９図は圧力針付電子時計の外観平面図である。 ２・・・ダイヤフラム、３・・・半導体抵抗、５．５ａ
，５ｂ，５ｃ・・・風防ガラス、６，２６．３６．４６
防水パッキン、ｌ６・・・導電ピン、２　６　ａ，　　
３　６　ａ，４６ａ・・・小孔。 ３　４　・・・センサー取付台、１５．１５ａ．１５ｂ
−第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気圧や水圧などを計測するための圧力センサーを電子時
   計の外装ケースに収納した電子時計において、半導体に
   より形成された前記圧力センサーを取付台に固定し、ま
   た前記圧力センサーは導線によって信号処理回路と電気
   的に結合されるとともに、前記取付台はパッキンにより
   防水構造をとりつつ前記外装ケースに収納され、且つ前
   記取付台の外側上方には圧力導入穴を穿った保護カバー
   を配置する構造を有していて、該圧力導入穴は前記圧力
   センサー本体と重合しない位置に穿設されていることを
   特徴とする圧力センサー付電子時計の圧力検出部構造。