JPH10170377A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気を利用した圧力検知装置において、温度
特性の安定した圧力検知装置を提供すること。 【解決手段】 磁気に応じた信号を出力する磁気感応体
と、この磁気感応体を載置するハウジングと、磁気感応
体を外界から遮蔽するようにハウジングに取り付けられ
たダイヤフラムと、このダイヤフラムの内側の前記磁気
感応体と対向する位置に設けられた永久磁石とを備え、
ダイヤフラムとハウジングを構成する材料に強磁性体が
含まれており、これにより磁気感応体と永久磁石とが強
磁性体でほぼ囲まれるように構成されている圧力検知装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力を検出して圧
力に応じた電気信号を出力する圧力検知装置に関するも
のであり、特に、ホール素子や磁気抵抗素子のような磁
気に応じた信号を出力する磁気感応体を利用した圧力検
知装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧力検知装置として、たとえば
特開昭６２−４６２２２号公報に開示された「感圧セン
サ」がある。この従来技術は、磁気センサのうえに弾性
エラストマを介して永久磁石を載せた構造を有するもの
で、永久磁石に外力が作用した場合に、弾性エラストマ
に外力に比例した弾性変形が生じ、永久磁石と磁気セン
サとの距離が変化して、永久磁石が磁気センサに及ぼす
磁界の強さの変化し、この変化を磁気センサが検知する
ことにより、予め求めた外力と磁界の強さの関係から外
力の大きさを求めるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の感
圧センサによれば、永久磁石に印加された外圧が弾性エ
ラストマを介して磁気センサに加わることになる。この
磁気センサに加わる応力は、磁気センサを直接破壊する
可能性があり、また、磁気センサの出力変動に大きな影
響を与える可能性がある。また、弾性エラストマ（樹
脂）は一般に熱膨張係数が大きいので、熱によって永久
磁石と磁気センサとの間隔が変化して出力が不安定とな
る。さらに、弾性エラストマは熱伝導度が大きいので押
圧部の熱が磁気センサに伝わりやすく、磁気センサの温
度特性によって出力が変化しやすい。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような問
題を解決するために為されたものであり、磁気に応じた
信号を出力する磁気感応体と、この磁気感応体を載置す
るハウジングと、磁気感応体を外界から遮蔽するように
ハウジングに取り付けられたダイヤフラムと、このダイ
ヤフラムの内側の前記磁気感応体と対向する位置に設け
られた永久磁石とを備え、ダイヤフラムとハウジングを
構成する材料に強磁性体が含まれており、これにより磁
気感応体と永久磁石とが強磁性体でほぼ囲まれるように
構成されていることを特徴とする。

【０００５】ダイヤフラムに外側から圧力が印加される
と、圧力に応じてダイヤフラムが変形して磁気感応体と
永久磁石との距離が変化し、永久磁石が磁気感応体に与
える磁界の強さが変化する。この場合、磁気感応体と磁
石との距離が近くなると永久磁石が磁気感応体に与える
磁界の強さが強まり、遠くなると弱まる。この磁界の強
さの変化を磁気感応体で検出し、予め測定あるいは計算
したダイヤフラムに印加される圧力と磁気感応体に与え
られる磁界の強さとの関係から、印加圧力を求めること
ができる。

【０００６】また、磁気感応体と永久磁石は、ダイヤフ
ラムおよびハウジングに含まれる強磁性体で囲まれた構
造となっているので、永久磁石からダイヤフラム側に出
た磁界はダイヤフラムの強磁性体に閉じ込められてハウ
ジングに至り、さらに、ハウジングの強磁性体を経て磁
気感応体搭載部から磁気感応体を通り抜けるようにして
永久磁石のハウジング側の面に至る。このように磁力線
が強磁性体による閉磁路を通ることにより磁力の分散が
少なくなるため、磁気感応体を高密度の磁力線が貫く。
したがって、永久磁石と磁気感応体との距離に対する磁
気感応体の感度のリニアリティが高い。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態であ
る圧力検知装置の構造を示す断面図である。ハウジング
１は、強磁性体の金属材料で構成されており、上面の中
央部に４つの磁気抵抗素子が組み込まれた基板６が搭載
されている。磁気抵抗素子は磁気感応体のひとつであ
り、受ける磁界の強さに応じて抵抗率が変化する２端子
素子である。この磁気抵抗素子の基板６上での配置や接
続関係は後述するが、この磁気抵抗素子を含む回路は、
複数本のリード線を介して外部と接続される。

【０００８】図１に示されているリード線３、４は本装
置のリード線のうちの２本であり、ハウジング１に設け
られた貫通孔を通って下側に突出している。リード線
３、４とハウジング１との間はガラス７および８が充填
されており、これにより貫通孔が封止されると共にハウ
ジング１とリード線３、４との間の絶縁が保たれてい
る。リード線３、４の上端はボンディングワイヤ９、１
０を介して基板６に設けられている端子に接続されてい
る。

【０００９】ハウジング１には、ハウジング１の上部全
体を所定のクリアランス（空隙）をもって覆うダイヤフ
ラム（隔壁）２が取り付けられている。このダイヤフラ
ム２は、弾性を有する強磁性体金属からなり、その裾が
ハウジング１の側周面に溶接１１により隙間なく固着さ
れている。したがって、リード線がガラスによって封止
されたいわゆるハーメッチク端子となっていることと相
まって、基板６はハウジング１とダイヤフラム２で作ら
れる空間に密封されており、この空間は真空（減圧）ま
たは不活性ガス雰囲気となっている。このダイヤフラム
２は、矢印１２の方向の押圧力を受けると押圧力に応じ
て上面が下側に押し込まれるが、押圧力を開放すれば復
元力により元の形状に戻る。

【００１０】また、ダイヤフラム２の中央部裏面には、
上下互いに逆の磁極を着磁された円板状の永久磁石５が
自己の磁力により固着されている。これにより、永久磁
石５と基板６とは所定のクリアランスをもって互いに対
向している。

【００１１】図２は基板６上の４つの磁気抵抗素子２１
〜２４と、ダイヤフラム２の裏面に固着されている永久
磁石５との平面的な位置関係を示しており、図３は磁気
抵抗素子２１〜２４の接続関係を示す回路図である。

【００１２】図２において、各磁気抵抗素子２１〜２４
は、永久磁石５の内側においてその中心点Ｏから略等距
離の位置に配置されている。そして、互いにたすき掛け
の位置にある磁気抵抗素子２１と２４、磁気抵抗素子２
２と２４が、それぞれ図３に示すように直列に接続さ
れ、それぞれの直列回路がブリッジ回路の一辺を構成し
ている。ブリッジ回路の他の２辺は、基板６に搭載され
た通常の抵抗３１および３２で構成されている。

【００１３】磁気抵抗素子２１〜２４の抵抗値および磁
気抵抗特性は同一になるように調整されており、また、
抵抗３１および３２の抵抗値は互いに等しく、いずれも
磁気抵抗素子２１〜２４の抵抗値のおよそ２倍の値に設
定されている。したがって、図３に示すブリッジ回路の
上端の端子３５を正の電源に接続し下端の端子３６を負
の電源に接続したときの左右端子３３および３４の電位
は互いにほぼ等しくなる。

【００１４】このブリッジ回路において、各磁気抵抗素
子２１〜２４に与えられる磁力線の密度が増加すると、
磁気抵抗素子２１〜２４の抵抗値が増加するので、ブリ
ッジ回路の均衡が崩れて、端子３３の電位が端子３４の
電位に対して相対的に高くなる。逆に、各磁気抵抗素子
２１〜２４に与えられる磁力線の密度が減少すれば、端
子３３の電位が端子３４の電位に対して相対的に低くな
る。なお、ブリッジ回路の各端子３３〜３６は、リード
線３、４等を介してハウジング１の外に電気的に引き出
されている。

【００１５】つぎに、このように構成された本実施形態
の圧力検知装置の動作を説明する。ダイヤフラム２およ
びハウジング１は強磁性体で構成されているので、永久
磁石５からダイヤフラム２側に出た磁界は、破線Ａ、Ｂ
で示すように、ダイヤフラム２に閉じ込められてハウジ
ング１に至り、さらに、ハウジング１を経てその中央部
から基板６を通り抜けるようにして永久磁石５の下側の
面に至る。なお、この磁界は、永久磁石５の上面がＮ
極、下面がＳ極の場合であり、磁極が上下反対の場合に
は、同じ経路で向きが逆の磁界となる。このように永久
磁石５の磁力線が強磁性体による閉磁路を通ることによ
り磁力の分散が少なくなるため、基板６上の磁気抵抗素
子２１〜２４を高密度の磁力線が貫く。

【００１６】ダイヤフラム１に外圧がかかっていないと
きには、基板６と永久磁石５は互いに平行になっており
両者間の距離が所定の値になっており、永久磁石５が各
磁気抵抗素子２１〜２４に与える磁力も所定の値になっ
ている。一方、上述したように抵抗３１、３２の値は、
このときの磁気抵抗素子の抵抗値の２倍になるように調
整されており、したがって、このときの出力端子３３、
３４の電位が等しい。

【００１７】この状態から図１の矢印１２のような上方
からの圧力がダイヤフラム２に与えられると、ダイヤフ
ラム２が撓んで永久磁石５が基板６に近づく。永久磁石
５が基板６に近づくと、各磁気抵抗素子２１〜２４を貫
く磁力線の密度が高くなり、抵抗値が増加する。する
と、上述したように出力端子３３の電位が上がり、出力
端子３４の電位が下がることから、出力端子３３、３４
の間に電位差が生じる。この電位差から、予め実験的に
あるいは計算で求めた押圧力と電位差との関係に基づい
て押圧力を算出する。

【００１８】ところで、上方からダイヤフラム１に与え
られる押圧力に傾きがあったり、押圧部が中心から偏位
していたりすると、永久磁石５と基板６との平行度が維
持されず、各磁気抵抗素子２１〜２４における磁力の増
加にばらつきが出る。たとえば、図２において、押圧力
の作用点が矢印５１で示すように永久磁石５の中心点Ｏ
から図面左上の方に偏位していたとすると、磁気抵抗素
子２１と永久磁石５との距離は磁気抵抗素子２４と永久
磁石５との距離に比べて小さくなり、磁気抵抗素子２
２、２３と永久磁石５との距離はその中間の値となる。
これにより、磁気抵抗素子２１の抵抗値は比較的大き
く、磁気抵抗素子２４の抵抗値は比較的小さく、磁気抵
抗素子２２、２３の抵抗値は４つの素子の平均的な値と
なる。

【００１９】一方、４つの磁気抵抗素子は図３に示すよ
うに結線されているので、平均的な抵抗値の磁気抵抗素
子２２、２３からなる直列回路の抵抗値と、比較的高い
抵抗値の磁気抵抗素子２１および比較的低い抵抗値の磁
気抵抗素子２４からなる直列回路の抵抗値とがほぼ等し
い値となる。その結果、出力端子３３および３４の間の
電位差は、永久磁石５が基板６に対して平行な状態を維
持したまま近づいて各磁気抵抗素子２１〜２４の抵抗値
が互いに等しく増加した場合の電位差と同等の値とな
る。

【００２０】この永久磁石５の傾きに対する出力電位差
の自己補正作用は、対角線上にある磁気抵抗素子同士を
直列接続することにより達成されるものである。また、
上述した例のように磁気抵抗素子２１側に深く押し込ま
れた場合だけでなく、その他の方向に深く押し込まれた
場合も同様にこの自己補正作用が働く。

【００２１】このように、この本実施形態の圧力検知装
置によれば、ダイヤフラム２に外側から圧力１２が印加
されると、圧力の大きさに応じてダイヤフラム２が撓ん
で磁気抵抗素子と永久磁石との距離が変化し、さらにそ
の変化に応じて磁気抵抗素子の抵抗値が変化して、出力
端子３３、３４の間の電位差が変化する。この電位差は
リード線３および４を介して外部に取り出され、予め測
定あるいは計算したダイヤフラム２に印加される圧力１
２と出力電位差との関係から、印加圧力を求めることが
できる。

【００２２】また、本実施形態の圧力検知装置によれ
ば、ハウジング１とダイヤフラム２が強磁性体で構成さ
れているので、永久磁石５の磁力の分散が少なくなっ
て、磁気抵抗素子を貫く磁力線の密度が高くなり、磁気
抵抗素子の感度のリニアリティが高くなる。

【００２３】また、ハウジング１とダイヤフラム２が強
磁性体で構成されているために、磁気シールドを行うこ
とができる。これによって、磁気抵抗素子が外部磁場の
影響を受けずに永久磁石の磁界を感知でき、また、外部
から強磁場がかかることによる永久磁石の消磁の可能性
が少なくなる。さらに、ハウジング１とダイヤフラム２
が強磁性体金属であるため導電性があり、このために電
磁ノイズの侵入を防ぎ、磁気抵抗素子のＳ／Ｎを向上さ
せることができる。

【００２４】また、一般に永久磁石は脆いものであり、
割れを防ぐために永久磁石に応力が伝達しない構造にす
る必要がある。本実施形態の圧力検知装置によれば、永
久磁石５が自己の磁力によってダイヤフラム２に固着さ
れているので、検出すべき外圧を受けてダイヤフラム２
が変形したときにも永久磁石５が割れるような応力がか
からない。また、ダイヤフラム２が強磁性体でない場合
に永久磁石５を接着剤などで取り付けると、その接着部
に繰り返し応力がかかり永久磁石５が脱落する可能性が
あるが、本実施形態の圧力検知装置ではそのような問題
はない。

【００２５】さらに、ハウジング１とダイヤフラム２を
シーム溶接して内部を密封しているので、真空（減圧）
または窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気にすること
により、磁気抵抗素子が組み込まれた基板６の水や酸素
によるダメージを完全に防ぐことができる。また、磁気
抵抗素子とダイヤフラム２との間が真空または不活性ガ
スのような気体であるため、ダイヤフラム２にかかる応
力や熱が磁気抵抗素子に伝わりにくい。そのため、磁気
抵抗素子の特性が安定しており、長期にわたり劣化しな
い。

【００２６】図４は上述した磁気抵抗素子２１〜２４に
代えて磁気感応体としてホール素子を用いた場合の例を
示す平面配置図である。ホール素子４１〜４４はそれぞ
れ図２に示す磁気抵抗素子２１〜２４の位置に配置され
る。

【００２７】ホール素子は４端子素子で、第１の方向に
電流を流した状態でこれと直交する方向に磁界が印加さ
れると、両方向に直交する方向に磁界に応じた電圧が生
じるというホール効果を利用して、磁力の強さを検出す
る素子である。

【００２８】図４において、各ホール素子４１〜４４の
端子のうち、端子４１１、４２１、４３１、４４１は駆
動電流用の上位電源端子であり、端子４１２、４２２、
４３２、４４２は駆動電流用の下位電源端子である。ま
た、端子４１３、４２３、４３３、４４３は第１出力端
子であり、端子４１４、４２４、４３４、４４４は第２
出力端子である。各ホール素子は第１出力端子と第２出
力端子との間の電位差が印加磁界に応じて変化する。

【００２９】各ホール素子４１〜４４のそれぞれの第１
および第２出力端子は、図示のようにたすき掛けにして
直列に接続され、各素子での電位差が加算されてホール
素子４１の第１出力端子４１３およびホール素子４２の
第２出力端子４２４の間の電位差として出力される。

【００３０】この電位差は、図５に示すようなオペアン
プ６０を用いた一般的な差動増幅器を用いて増幅され
る。この差動増幅器はオペアンプ６０と抵抗６４〜６７
とで構成されており、入力端子６１および６２に入力さ
れる電圧の電位差を増幅して出力端子６３から出力す
る。図４の第１出力端子４１３と第２出力端子４２４
が、それぞれこの差動増幅器の入力端子６１および６２
に接続されることにより、ホール素子４１〜４４に与え
られる磁場の強さに応じた電圧が出力端子６３から得ら
れる。しかも、磁気抵抗素子２１〜２４を用いたときと
同様に、４つの素子を用いることにより、永久磁石５が
傾いた状態で押圧されても傾きの影響が平均化されて出
力のばらつきが無くなる。

【００３１】なお、上述した実施形態では、磁気感応体
として磁気抵抗素子を用いた場合およびホール素子を用
いた場合のいずれにおいても、４つの素子を用いて永久
磁石が傾いた場合の出力のばらつきを低減させる構造を
とっているが、高い検出精度が要求されない場合には、
単一の磁気感応体を用いてもよい。もちろん、逆に４個
より多くの素子を配置しても構わない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧力検知
装置によれば、ダイヤフラムに印加される圧力に応じ
て、永久磁石と磁気感応体との距離が変化し、磁気感応
体の出力から印加圧力を求めることができる。しかも、
永久磁石と磁気感応体との間に個体の介在物が存在しな
いので、外からの応力や熱が磁気感応体に伝わりにく
く、感度特性が長期にわたり安定している。また、ダイ
ヤフラムおよびハウジングが強磁性体で構成されている
ので、永久磁石の磁束の漏れが少なく、磁気感応体を貫
く磁束が高密度になって、感度のリニアリティが高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である圧力検知装置の構造
を示す断面図。

【図２】図１に示す実施形態に用いられる磁気感応体で
ある磁気抵抗素子の配置を示す平面図。

【図３】図２示す磁気抵抗素子の接続状態を示す回路
図。

【図４】磁気感応体としてホール素子を用いた本発明の
他の実施形態をしめすもので、ホール素子の配置を示す
図。

【図５】図４に示すホール素子による検出回路の出力電
位差を増幅するための差動増幅回路を示す回路図。

【符号の説明】

１…ハウジング、２…ダイヤフラム、３、４…リード端
子、５…永久磁石、６…磁気抵抗素子搭載基板、７、８
…ガラス、１１…溶接部、２１〜２４…磁気抵抗素子、
４１〜４４…ホール素子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気に応じた信号を出力する磁気感応体
   と、この磁気感応体を載置するハウジングと、前記磁気
   感応体を外界から遮蔽するように前記ハウジングに取り
   付けられたダイヤフラムと、このダイヤフラムの内側の
   前記磁気感応体と対向する位置に設けられた永久磁石と
   を備え、 前記ダイヤフラムと前記ハウジングを構成する材料に強
   磁性体が含まれており、これにより前記磁気感応体と前
   記永久磁石とが強磁性体でほぼ囲まれるように構成され
   ていることを特徴とする圧力検出装置。
2. 【請求項２】 前記永久磁石は前記ダイヤフラムに自己
   の磁力によって固定されていることを特徴とする請求項
   １に記載の圧力検出装置。
3. 【請求項３】 前記磁気感応体が複数であることを特徴
   とする請求項１に記載の圧力検出装置。