JP2014211342A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、取付け部材に圧力センサを取着する際の伝達歪みを低減し、圧力の検出精度を向上した圧力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本発明は、底面３１と高さ方向に延在した側面３２を有する筒状の容器３３と、底面３１または側面３２に設けられた歪検出素子３７を有し、容器３３は、底面３１の反対側に設けられた嵌合部３５と、嵌合部３５と歪検出素子３７との間に設けられたフランジ３８を有し、フランジ３８は側面３２と接する第１の部分３９と第１の部分３９より外側に位置する第２の部分４０を有し、底面３１から第１の部分３９までの第１の高さは底面３１から第２の部分４０までの第２の高さよりも高い構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種制御機器や自動車エンジン制御、サスペンション制御などに使用される圧力センサに関する。

従来のこの種の圧力センサは、図６〜図８に示すように構成されていた。

以下、従来の圧力センサについて、図面を参照しながら説明する。

図６は従来の圧力センサの斜視図、図７は従来の圧力センサの側断面図、図８は従来の圧力センサの上面図である。

図６〜図８に示すように、従来の圧力センサはＳＵＳ６３０からなる容器１を有している。この容器１は、中空孔２を内側に設けた筒部３と、この筒部３における中空孔２の上部を閉塞する平板部４とを設けている。また、容器１における筒部３には外方へ突出するようにフランジ５を設けており、さらにこのフランジ５の略中央には全周にわたって切欠６を設けている。容器１の上面に歪検出素子７が貼着され、平板部４の上方に位置して両持梁からなる第１の振動子８を設けている。そして、第１の振動子８の上面には、Ｐｔ、ＰＺＴ、Ａｕを積層して構成された第１の駆動部９及び第１の検出部１０を設けている。また、歪検出素子７には、筒部３の上方に位置して、両持梁からなる第２の振動子１１を設けている。そして、第２の振動子１１の上面には、Ｐｔ、ＰＺＴ、Ａｕを積層して構成された第２の駆動部１２及び第２の検出部１３を設けている。そしてまた、歪検出素子７には、Ａｕからなる配線パターン１４を設けており、この配線パターン１４は第１の振動子８における第１の駆動部９及び第１の検出部１０、さらには、第２の振動子１１における第２の駆動部１２及び第２の検出部１３に電気的に接続されている。また、歪検出素子７にはＩＣからなる処理回路１５を設けており、この処理回路１５は配線パターン１４を介して第１の振動子８における第１の駆動部９及び第２の振動子１１における第２の駆動部１２に駆動信号を入力して、第１の振動子８及び第２の振動子１１を振動駆動するとともに、第１の振動子８における第１の検出部１０及び第２の振動子１１における第２の検出部１３からの出力信号を処理することにより、第１の振動子８及び第２の振動子１１の固有振動数を検出している。

このような従来の圧力センサにおいて、取り付け部材に取着するときに生じる歪が歪検出素子に伝達することにより歪み検出精度が低下するという課題が有った。これに対し、従来の圧力センサ２０は図９に示すように、平板部２４に第１の振動子８と第２の振動子１１を備えた容器２１における筒部２３から外方へ向かって突出するようにフランジ２５を設けるとともに、このフランジ２５に全周にわたって溝２６を設けている。この構成によれば、筒部２３から外方へ向かって突出するようにフランジ２５を設けるとともに、このフランジ２５に溝２６を設けたため、圧力センサを相手側取付け部材２８に取着する際に生じる応力が第１の振動子８及び第２の振動子１１に伝達されることを防止できることとなり、これにより、中空孔２２に充填された被検出液体２９の圧力のみを第１の振動子８により検出する構成としている。そしてまた、フランジ２５に段差部２７を設けたため、段差部２７の端部１８と溝２６の頂点１９を中心に２段階にフランジが変形することとなり、その結果、圧力センサを相手側取付け部材２８に取着する際に生じる応力をさらに吸収するから、中空孔２２に充填された被検出液体２９の圧力のみを第１の振動子８により検出する構成としている（特許文献１）。

特開２０１２−１１８０５７号公報

しかしながら、特許文献１に示される上記従来の構成の圧力センサはフランジや段差部を設けることによって圧力センサを取付け部材に取着する際に生じる応力を吸収する構成としていたが、十分に応力を吸収することが出来ず、圧力センサを取付け部材に取着することにより応力が発生し、歪検出素子に歪みが伝達していた。

そこで、本発明は取付け部材に圧力センサを取着する際の伝達歪みをさらに低減し、圧力の検出精度を向上した圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、底面と高さ方向に延在した側面を有する筒状の容器と、前記底面または前記側面に設けられた歪検出素子を有し、前記容器は、前記底面の反対側に設けられた嵌合部と、前記嵌合部と前記歪検出素子との間に設けられたフランジを有し、前記フランジは前記側面と接する第１の部分と前記第１の部分より外側に位置する第２の部分を有し、前記底面から前記第１の部分までの第１の高さは前記底面から前記第２の部分までの第２の高さよりも高い構成とした。

上記構成により本発明は、容器の底面からフランジの第１の部分までの高さを容器の底面からフランジの第２の部分までの高さよりも高くしたことにより、圧力センサを取り付け部材に取着する際に歪検出素子に伝達する歪みを低減することが出来るため、圧力センサの検出精度を向上することが出来る。

本発明の一実施の形態の圧力センサの斜視図 同圧力センサの側断面図 同圧力センサの側面図 （ａ）同圧力センサの圧入時の側断面図、（ｂ）同圧力センサの圧入後の側断面図 同圧力センサの斜視図 従来の圧力センサの斜視図 従来の圧力センサの側断面図 従来の圧力センサの上面図 従来の圧力センサの側断面図

本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の一実施の形態において、同じ構成を示すものには同じ符号を付してある。

図１は、本発明の一実施の形態の圧力センサ３０の斜視図、図２は同圧力センサ３０の側断面図、図３は同圧力センサ３０の側面図である。

図１、図２、図３に示すように、本発明の一実施の形態の圧力センサ３０は金属やプラスチック等の材料からなり、底面３１と高さ方向（Ｙ軸方向）に延在した側面３２を有した容器３３が設けられている。容器３３は、側面３２にＹ軸方向と略直交した方向（Ｘ軸方向）の厚みが側面３２よりも厚い厚肉部３４が設けられ、厚肉部３４の一部にはＹ軸方向に延在した平坦部３６が設けられ、平坦部３６には容器３３に生じた歪みを検出する歪検出素子３７が設けられている。容器３３は、底面３１の反対側に嵌合部３５を有し、嵌合部３５と歪検出素子３７との間にフランジ３８が設けられており、フランジ３８は側面３２と接した第１の部分３９と、第１の部分３９よりもＸ軸方向に外側に位置する第２の部分４０と、第２の部分４０よりもＸ軸方向に外側に位置する第３の部分４１を有しており、底面から第１の部分３９までの第１の高さＬ１は底面３１から第２の部分４０までの第２の高さＬ２よりも高く、底面３１から第２の部分４０までの第２の高さＬ２は底面３１から第３の部分４１までの第３の高さＬ３よりも低くなっている。

歪検出素子３７は、Ｘ軸方向に延在した両持梁からなる第１の振動子４２が設けられている。この第１の振動子４２の上面には、Ｐｔ、ＰＺＴ、Ａｕを積層して構成された第１の駆動部４３及び第１の検出部４４が設けられている。また、歪検出素子３７には両持梁からなる第２の振動子４５がＹ軸方向に設けられており、第２の振動子４５の上面には、Ｐｔ、ＰＺＴ、Ａｕを積層して構成された第２の駆動部４６及び第２の検出部４７が設けられている。そして、歪検出素子３７には、Ａｕからなる配線パターン４８が設けられており、この配線パターン４８は第１の振動子４２における第１の駆動部４３及び第１の検出部４４、さらには、第２の振動子４５における第２の駆動部４６及び第２の検出部４７に電気的に接続されている。また、歪検出素子３７にはＩＣからなる処理回路４９を設けており、この処理回路４９は配線パターン４８を介して第１の振動子４２における第１の駆動部４３及び第２の振動子４５における第２の駆動部４６に駆動信号を入力して、第１の振動子４２及び第２の振動子４５を振動駆動するとともに、第１の振動子４２における第１の検出部４４及び第２の振動子４５における第２の検出部４７からの出力信号を処理することにより、第１の振動子４２及び第２の振動子４５の固有振動数を検出している。

以上のように構成された本発明の実施の形態１における圧力センサ３０について、次にその動作を説明する。

処理回路４９から第１の振動子４２における第１の駆動部４３に、第１の振動子４２の固有振動数ｆａと略同一の周波数の交流電圧を印加するとともに、第２の振動子４５における第２の駆動部４６に、第２の振動子４５の固有振動数ｆｂと略同一の周波数の交流電圧を印加する。そうすると、第１の振動子４２は固有振動数ｆａで弦振動し、第２の振動子４５は固有振動数ｆｂで弦振動する。この状態において、第１の振動子４２における第１の検出部４４からの出力信号を処理回路４９により処理すると振動数ｆａが検出され、同様に、第２の振動子４５における第２の検出部４７からは振動数ｆｂが検出される。

圧力センサ３０はその内部に被検出液体を充填し、被検出液体の圧力が上昇すると外側に向かって容器３３が歪む。このとき、歪検出素子３７が設けられた平坦面３６が外方へ膨らみ、歪検出素子３７に引張荷重が作用する。これにより、歪検出素子３７における第１の振動子４２の振動数ｆａは増加するため、第１の振動子４２の第１の検出部４４からの出力信号を処理回路４９により処理することで、周波数の変化量として、容器３３に充填された被検出液体の圧力を検出することができる。

また、第２の振動子４５の振動数ｆｂについても第１の振動子４２と同様に、容器３３の内部に充填された被検出液体の圧力が上昇したときに歪検出素子３７に作用する引張荷重に従い、第２の振動子４５の振動数ｆｂが増加する。したがって、第２の振動子４５の第２の検出部４７からの出力信号を処理回路４９により処理することにより、周波数の変化量として、容器３３に充填された被検出液体の圧力を検出することができる。

ここで、圧力センサ３０の周囲の温度が変化して第１の振動子４２の固有振動数が変化する場合を考えると、本発明の一実施の形態における圧力センサ３０においては、第２の振動子４５の固有振動数の変化を検出することにより、圧力センサ３０の周囲の温度変化を検出することができる。このため、第１の振動子４２から検出した圧力に応じた出力信号値から、温度変化により発生する出力信号の変動量を補正することができるという作用効果を有する。

次に、本発明の一実施の形態の圧力センサ３０の組立方法とその効果を図面を用いて説明する。

まず、容器３３は、棒材（図示せず）を準備し、この棒材（図示せず）を切削することにより、容器３３に中空孔及び平坦部３６を形成する。

次に、歪検出素子３７は、半導体基板（図示せず）の上面に、Ａｕからなる配線パターン４８を蒸着した後、第１の振動子４２の第１の駆動部４３、第１の検出部４４及び第２の振動子４５の第２の駆動部４６、第２の検出部４７を設ける箇所にＰｔを蒸着する。

次に、Ｐｔの上面にＰＺＴを蒸着した後にＡｕを蒸着し、第１の振動子４２の上面に第１の駆動部４３及び第１の検出部４４を形成すると同時に、第２の振動子４５の上面に第２の駆動部４６及び第２の検出部４７を形成する。

次に、半導体基板（図示せず）の上面にＩＣからなる処理回路４９を載置して、処理回路４９を第１の振動子４２における第１の駆動部４３、第１の検出部４４及び第２の振動子４５における第２の駆動部４６及び第２の検出部４７と配線パターン４８により電気的に接続し、歪検出素子３７を形成する。

最後に、歪検出素子３７を容器３３における平坦部３６に貼着することにより、圧力センサ３０を形成する。

図４（ａ）、（ｂ）は圧入のときに圧力センサ３０にかかる応力を示している。図４（ａ）は圧入時の圧力センサ３０の側断面図、図４（ｂ）は圧入後の圧力センサの側断面図である。上記のようにして組み立てられた圧力センサ３０は孔５０が設けられた取付け部材５１に圧入される。

圧力センサ３０は圧入時と圧入後で夫々、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すような応力Ｆが容器３３にかかる。嵌合部３５を孔５０に圧入する圧力センサ３０の圧入時には図４（ａ）で示すように、応力Ｆにより嵌合部３５に対してＹ軸方向に応力ｆ１がかかり、この応力ｆ１がフランジ３８を伝達し、側面３２に対し外側に向かって応力ｆ２が発生する。また、圧力センサ３０を取付け部材５１に圧入した後では、図４（ｂ）に示すように、嵌合部３５に対し取付け部材５１から嵌合部３５の内側に向かって応力ｆ３がかかる。この応力ｆ３がフランジ３８を伝達し、側面３２に対し外側に向かってかかる応力ｆ４が発生する。

このように、側面３２に応力ｆ２、ｆ４がかかることにより、この応力ｆ２、ｆ４が基点５２から側面３２を伝達し、歪検出素子３７が設けられた平坦部３６を変形させると、歪検出素子３７に常に歪みがかかっている状態になるため、圧力センサ３０の圧力の検出精度が低下する。

ここで、本発明の一実施の形態における圧力センサ３０は、底面３１から第１の部分３９までの第１の高さＬ１を底面から第２の部分４０までの第２の高さＬ２よりも距離Ｌ高い構成としていることにより、図９に示すような第１の高さと第２の高さが等しい従来の圧力センサに比べ、距離Ｌだけ歪検出素子３７から基点５２までの距離が長くなる。これにより、本発明の一実施の形態の圧力センサ３０は距離Ｌだけ従来の圧力センサに比べて歪検出素子３７への歪みの伝達を抑制することができる。

また、本発明の一実施の形態の圧力センサ３０は、底面３１から第２の部分４０までの第２の高さＬ２は底面３１から第３の部分４１までの第３の高さＬ３よりも低くなっていることにより、フランジ３８の第２の部分４０の剛性がフランジ３８の第３の部分４１の剛性よりも高くなっており、応力ｆ１、ｆ３がフランジ３８を伝達するときに、第２の部分４０と第３の部分４１の剛性が異なることにより、第２の部分４０に外側に向かって応力がかかる。これにより、第２の部分４０で基点５２への伝達応力が吸収されるため、基点５２にかかる応力ｆ２、ｆ４が低減される。このため、圧力センサ３０を取付け部材５１に圧入するときの歪検出素子３７への伝達歪みを低減することができる。

また、本発明の一実施の形態における歪検出素子３７にかかる応力を測定したところ、従来の構造における歪検出素子にかかる応力に対して９５．５％低減できており、本発明の一実施の形態により歪検出素子３７への伝達歪を低減することができたことが確認された。

また、本発明の一実施の形態において、圧力センサ３０は厚肉部３４を備え、この厚肉部に平坦部３６を形成して素子を実装していることにより、圧力センサ３０を取付けやすくなり、さらに、切削量が低減できるため、より安価に圧力センサ３０を組み立てることができる。

また、図５に示すように厚肉部３４を歪検出素子３７とフランジ３８の間に設けてもよい。このような構成とすることにより、伝達歪は容器３３の表面を伝達するため、基点から歪検出素子３７までの距離を長くすることができるため、さらに伝達歪を低減することができる。

なお、本発明の一実施の形態において、歪検出素子３７は平坦部３６に設けられているが、底面３１に設けられてもよい。

本発明の圧力センサは、感度が高く特性の向上した圧力センサの加工精度を向上させることができるという効果を有するため、特に、各種制御機器や自動車エンジン制御、サスペンション制御などに使用される圧力センサにおいて有用である。

３０ 圧力センサ
３１ 底面
３２ 側面
３３ 容器
３４ 厚肉部
３５ 嵌合部
３６ 平坦部
３７ 歪検出素子
３８ フランジ
３９ 第１の部分
４０ 第２の部分
４１ 第３の部分
４２ 第１の振動子
４３ 第１の駆動部
４４ 第１の検出部
４５ 第２の振動子
４６ 第２の駆動部
４７ 第２の検出部
４８ 配線パターン
４９ 処理回路
５０ 孔
５１ 取付け部材
５２ 基点

Claims (7)

1. 底面と高さ方向に延在した側面を有する筒状の容器と、
   前記底面または前記側面に設けられた前記容器にかかる圧力を検出する歪検出素子を有し、
   前記容器は、前記底面の反対側に設けられた嵌合部と、前記嵌合部と前記歪検出素子との間に設けられたフランジを有し、
   前記フランジは前記側面と接する第１の部分と前記第１の部分より外側に位置する第２の部分を有し、
   前記底面から前記第１の部分までの第１の高さは前記底面から前記第２の部分までの第２の高さよりも高いことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記フランジは前記第２の部分よりも外側に位置する第３の部分を有し、
   前記底面から前記第３の部分までの第３の高さは前記第２の高さよりも高いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記側面は厚肉部と薄肉部を有し、
   前記薄肉部の前記高さ方向と直交する方向の厚みは、前記厚肉部の厚みより薄いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記厚肉部が前記歪検出素子と前記フランジの間に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記歪検出素子は、
   第１の振動子と、
   前記第１の振動子を駆動する第１の駆動部と、
   前記第１の振動子の固有振動数の変化に応じた信号を出力する第１の検出部を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
6. 前記歪検出素子は、
   第２の振動子と、
   前記第２の振動子を駆動する第２の駆動部と、
   前記第２の振動子の固有振動数の変化に応じた信号を出力する第２の検出部を有し、
   前記第２の振動子は前記第１の振動子と略直交する方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
7. 前記歪検出素子は、
   前記第１の検出部と前記第２の検出部から出力された信号に基づいて前記振動子の振動数の変化を検出する処理回路を有し、
   前記処理回路の検出結果に基づいて歪を検出することを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。

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