JP4491906B2

JP4491906B2 - Pressure sensor

Info

Publication number: JP4491906B2
Application number: JP2000123893A
Authority: JP
Inventors: 厚志塚田; 健太朗水野; 裕野々村; 早苗徳光
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-04-25
Also published as: JP2001305001A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された圧力検知素子で外部圧力を検知する圧力センサに関する。特に、圧力をピストンで精度よく伝達させ、そのピストンを圧力検知素子に作用させて検出する高精度な圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、歪抵抗を用いた圧力センサがある。それは、ダイヤフラム上に歪抵抗であるピエゾ抵抗素子を形成し、圧力によるダイヤフラムの撓みをそのピエゾ抵抗素子で検出して圧力に変換するものである。
他に、例えば特開平６−９４５５６がある。図６にその構成断面図を示す。これは、主に頭頂部１２０を有するピストン１１４とそのピストン１１４を変位させるピストンガイド１１３とピストン１１４による押圧を検知するダイヤフラム１１２から構成されている。詳細には、スプリング１１８によってピストン１１４の頭頂部１２０を常時ダイヤフラム１１２に押圧させておき、圧力印加時のピストン１１４の変位即ち圧力変動をダイヤフラム１１２上に形成した歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄで検出するセンサである。
【０００３】
上記構成の特徴は、ピストン１１４の他端に頭頂部１２０を形成したことである。これは、ダイヤフラム１１２との接触点を常に同一点とし再現性よく圧力を検出する構成である。又、それによりセンサ間の検出値のバラツキを減少させる構成である。
又、この頭頂部１２０とダイヤフラム１１２の中央部が突出した中央剛体部１２２による受圧構造も特徴である。これにより、センサが耐高圧化される。通常、圧力センサを耐高圧化する場合は、センサの破壊防止のためダイヤフラムを厚くする必要がある。ダイヤフラムを厚くすると撓み量が減少し感受率が減少することになる。
しかしながら、上記受圧構造はダイヤフラム１１２裏面の歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄ近傍をより効率的に湾曲させ、歪感受率即ち圧力感受率を増大させている。即ち、ダイヤフラムを厚くしても高圧力を精度よく検出する構成である。
【０００４】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、従来のダイヤフラムのみを用いた圧力センサでは、高圧下ではそのダイヤフラム自身が破損する可能性があった。又、高圧を測定するためにはダイヤフラムを厚くすることが考えれが、上述のようにダイヤフラムを厚くするとダイヤフラム全体の歪量（感受率）が減少し、高圧を精度良く検出することはできなかった。
又、上記特開平６−９４５５６は、図６に示すようにＯリング１１６でピストン１１４を囲み、測定すべき外部とセンサである歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄがおかれている内部とを隔離している。しかしながら、この構成では圧力印加時にはピストン１１４とＯリング１１６間に摩擦力及び弾性剪断応力が生じ、正確に外部圧力を歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄに伝達することができなかった。即ち、正確には外部圧力を検出することができなかった。
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は圧力隔壁膜で完全に外圧部と内圧部を遮断して圧力漏れを防止するとともにそのピストンの受圧面積を一定とし、外部圧力を高精度に検出する高精度圧力センサを提供することである。
又、ピストン下部に鍔部を設け、負圧時にはその鍔部がピストンガイドに当接してセンサ自体が破壊されない安全な圧力センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために請求項１の圧力センサは、気体又は液体の圧力を検出する圧力センサであって、圧力を伝達するピストンと、そのピストンをピストン摺動部に沿って摺動させるピストンガイド手段と、ピストンガイド手段の上端部に、ピストンの上端部を覆うように設けられ、ピストンガイド手段の内部と測定すべき外部とを隔離する圧力隔壁膜と、ピストンの変位を電気信号に変換して検知する圧力検知素子とからなり、圧力隔壁膜は、その裏面周辺部に粘着剤が塗布されてピストンガイド手段の上端面に接着され、圧力隔壁膜の裏面中央部には、ピストンの断面よりも大きい面積を有し、粘着剤のピストン摺動部への混入を防止する粘着剤混入防止膜が形成されていることをことを特徴とする。
【０００７】
又、請求項２の圧力センサは、ピストンの上端部とピストンガイド手段の上端部とが略同一平面になるよう形成されることを特徴とする。
【０００８】
【０００９】
又、請求項３の圧力センサはピストン下部に鍔部を有し、負圧時にはその鍔部が上記ピストンガイド手段に当接してピストンの外部への突出が防止されることを特徴とする。
又、請求項４の圧力センサは、ピストン摺動部に固体潤滑剤が塗布されていることを特徴とする。
【００１０】
【作用及び効果】
請求項１の圧力センサによれば、ピストンガイド手段の内部にはピストンが内挿され、ピストンガイド手段内部の摺動部に沿って変位自在に構成されている。そして、ピストンガイド手段の上端部には外部と内部を隔離する圧力隔壁膜が設けられ、ピストンの下方にはピストンの変位を電気信号に変換する圧力検知素子が配置されている。
外部から圧力が印加されると、圧力隔壁膜を介してピストンが圧力を受けピストンガイド手段に沿って変位し、ピストン下方に設けられた圧力検知素子を押圧する。そして、圧力検知素子がその押圧による例えば歪量に比例した電気信号を出力する。
この時、押圧はピストンの変位によって生じる。よって、圧力検知素子はピストンの変位を物理量の変化で検出する全ての素子を含む。例えば、圧力検知素子は変位を検出する静電容量型検出素子、ホール素子、光学素子、歪抵抗素子等を含む。
【００１１】
この構成により、圧力隔壁膜は測定すべき外部と圧力検出素子が配置される内部を完全に隔離する。即ち、外部圧力を内部に漏溢させることはない。よって、圧力漏れによって誤差を生じさせない圧力センサとなる。
又、ピストンは従来のようにその側面をＯリングでシールされていない。よって、それによる摩擦力、弾性剪断応力がない。即ち、従来のように摩擦力、弾性剪断応力によって外部応力が緩和される事がない。従って、極めて精度良く外部圧力を検出する圧力センサとなる。
又、本発明の圧力センサによれば、圧力隔壁膜はその裏面周辺部には粘着剤が塗布されてピストンガイド手段上端部に接着されている。これにより、ピストンの外部と内部が完全にシールされて隔離される。よって、ピストンの外部圧力のピストン内部への漏溢、又は内部圧力の外部への漏溢が完全に防止される。よって、外部圧力は誤差なく検出される。又、ピストン下方に設置される圧力検知素子を外部媒体から完全に保護することができる。
更に、圧力隔壁膜の裏面中央部には粘着剤のピストン摺動部への混入を防止する粘着剤混入防止膜が形成されている。これにより、粘着剤の摺動部への混入はない。よって、ピストンは滑らかに変位することができる。即ち、粘着剤の影響を受けることなく、正確に外部圧力を検出する圧力センサとなる。
【００１２】
又、請求項２の圧力センサは、ピストンの上端部とピストンガイド手段の上端部とが略同一平面になるよう形成されている。例えば、図５に示すようにピストン１０がピストンガイド手段より突出すると、圧力隔壁膜１３が図５（ｃ）、（ｂ）、（ａ）のように変形し有効受圧面積が変化する。有効受圧面積をＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃で表せばＳ₁＞Ｓ₂＞Ｓ₃となり、突出量が大きければ大きいほど受圧する圧力が増大する。換言すれば、突出量に応じて圧力感受率が異なるセンサとなる。即ち、非線形な圧力センサとなる。
本発明の構成によれば、ピストンの上端部とピストンガイド手段の上端部とは略同一平面になるよう形成されている。即ち、圧力隔壁膜の変形の影響を受けない構成、即ち常に有効受圧面積が一定（＝Ｓ₃）になる構成である。よって、外部圧力がピストンによって線形に正確に伝達される。即ち、本発明の構成によれば正確に外部圧力を検出することができる。
【００１３】
【００１４】
又、請求項３の圧力センサによれば、ピストンは下部に鍔部を有している。この鍔部は、負圧時にはピストンガイド手段に当接してその動作が制止される。即ち、ピストンの外部への突出が防止される。よって、負圧時にも破壊されることのない安全な圧力センサとなる。
【００１５】
又、請求項４の圧力センサによれば、ピストン摺動部には固体潤滑剤が塗布されている。このピストン摺動部は、ピストンガイド手段内部とピストンの側面を意味する。そのピストン摺動部には、固体潤滑剤が塗布されているのでピストンは無給油で常に滑らかに摺動することができる。即ち、ピストンは摺動による摩擦力の影響を受けず、精度良く外部圧力を伝達することができる。即ち、本請求項の圧力センサは、より精度良く外部圧力を検出することができる。
尚、ここで固体潤滑剤は、例えば二硫化モリブデン等の微粒子であり、その塗布は例えば分散メッキで行われる。上記微粒子は、ピストンの摺動により露出され、ピストンはその微粒子の自己潤滑性によって滑らかに摺動するのである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
（第１実施例）
図１に本発明の圧力センサの第１実施例を示す。図は、構成断面図である。本実施例の圧力センサは、油圧等の圧力を伝達するピストン１０、ピストンガイド手段であるピストンガイド部１１を有するハウジング１８、ピストンガイド部１１の外部と内部を隔離する圧力隔壁膜１３、圧力隔壁膜１３をピストンガイド部１１の上端部に密着させるためのＯリング１５、液体等の圧力媒体を導入する圧力導入部１２を有しＯリング１５を介し圧力隔壁膜１３を固定する固定蓋１７、ピストン１０の変位を検出する圧縮剛性の高い圧力検知部２０、圧力検知部２０からの検出信号を取り出すためのリード線１６から構成される。
【００１７】
上記構成において、ピストン１０の上端部とピストンガイド部１１の上端部はほぼ同一平面になるように設置されている。即ち、圧力印加時においてもピストンの変位を数μｍに設計し、この数μｍの変位で高圧を検出する構成である。
又、上記圧力隔壁膜１３は裏面周辺部に粘着剤が塗布された例えばテフロンテープである。このテフロンテープは上記圧力導入部１２からの圧力に応じて変形自在とするとともに隙間（ピストン摺動部１４）からの圧力漏れを防止するものである。
【００１８】
図２に圧力検知部２０を示す。圧力検知部２０は、基板２５、基板２５上に形成された歪抵抗素子２３、電極２４、そして圧力を伝達する高剛性の半球状の圧力伝達体２１と方形状の圧力伝達体２２から構成される。ここで、基板２５は例えばシリコン基板であり、歪抵抗素子２３は例えばそのシリコン基板上に薄膜形成技術によって形成されたピエゾ抵抗素子である。
【００１９】
次に、その動作を説明する。ここでは、例えば油圧を検出する圧力センサとして説明する。油圧が上昇すると圧力導入部１２から圧力が導入され、圧力隔壁膜１３が押圧される。圧力隔壁膜１３は変形自在であるので、圧力は圧力隔壁膜１３に緩和されずにピストン１０にそのまま伝達される。そしてピストン1 ０は、その圧力を下部の圧力検知部２０に伝達する。尚、後述するが、この伝達は詳細には上記圧力隔壁膜１３とこのピストン１０の数ミクロンオーダーの変位である。
【００２０】
圧力検知部２０は、この圧力を上記半球状の圧力伝達体２１で受圧する。半球状であるのでピストン１０からの圧力を中心部のほぼ一点で受け、それを等方的に分散して伝達する。そして、等方的に分散された圧力は方形状の圧力伝達体２２によって上記歪抵抗素子２３を押圧しそれを変形させる。即ち、上記圧力が等方的に分散されて歪抵抗素子２３に伝達される。
歪抵抗素子２３は、歪（応力変形）に応じてその抵抗率が変化する素子である。そして、図示しない検出器によってこの抵抗率の変化が検知され、圧力導入部１２の圧力変動が検知される。歪抵抗素子２３の変形はミクロンオーダーの微小変形であるが、図示しない増幅器を用いれば大きな電気信号として検知される。
【００２１】
この時、ピストン１０とピストンガイド部１１の上端部は同一平面となっている。これにより、ピストン１０の有効受圧面積を印加圧力によらずほぼ一定となる。即ち、圧力は線形的に正確に検出される。
又、圧力隔壁膜１３は上述の様にピストン１０の上端部を覆うようにピストンガイド部１１の上端部に形成されている。即ち、測定すべき外部と圧力検出部２０が配置される内部が完全に隔離されている。よって、外部圧力がピストンガイド部１１の内部に漏溢することはない。即ち、確実に誤差なく圧力を検知する圧力センサとなる。又、この圧力隔壁膜１３によって圧力検知部２０は油等の油圧媒体から完全に保護される。
【００２２】
又、ピストン１０は従来のようにその側面でＯリングでシールされていない。よって、ピストン１０はピストン摺動部１４に沿って変位自在となっている。従って、従来のようにシール材による摩擦力、弾性剪断応力によって外部応力が緩和される事がない。即ち、極めて精度良く外部圧力を検出する圧力センサとなる。
尚、上記実施例では油を媒体とする圧力センサを説明したが、気体を媒体とする圧力センサにも適用できる。
【００２３】
（第2 実施例）
図３に本発明の圧力センサの第２実施例を示す。図は、構成断面図である。第１実施例の圧力センサと同じ部位には同じ記号が記してある。
この圧力センサの特徴は、粘着剤混入防止膜１３ａが圧力隔壁膜１３の裏面に形成されたことである。この粘着剤混入防止膜１３ａは、例えばテフロン膜、アルミ箔等である。
圧力センサを長期間使用する場合、圧力隔壁膜１３の裏面に塗布された粘着剤がピストン摺動部１４に混入することが考えられる。本実施例では、ピストン１０の断面より大きい粘着剤混入防止膜１３ａが圧力隔壁膜１３の裏面に形成されている。従って、粘着剤の脱落が防止される。即ち、ピストン摺動部１４への粘着剤の混入が防止される。これにより、圧力センサの性能が長期間に渡り保証される。
【００２４】
（第３実施例）
図４に本発明の圧力センサの第３実施例を示す。図は、構成断面図である。尚、第１実施例の圧力センサと同じ部位には同じ記号が記してある。この圧力センサの特徴は、ピストン１０の下部に鍔部３０を形成したことである。
第１実施例又は第２実施例の圧力センサに負圧が印加された場合、ピストン１０は図５（ａ）、（ｂ）の様にピストンガイド部の上端部から突出することになる。その負圧が大きい場合は、上記圧力隔壁膜１３を破壊することが想定される。
本実施例では、ピストン１０の下部に鍔部３０を形成し（図４）、負圧時にはその鍔部３０がピストンガイド部１１の下部端面に当接する。即ち、ピストン１０の外部への突出が防止される。よって、負圧時にも破壊されることのない安全な圧力センサとなる。
【００２５】
（第４実施例）
この圧力センサの特徴は、ピストン１０の側面とピストンピンガイド部１１の内面、即ちピストン摺動部１４に固体潤滑剤を塗布したことである。
固体潤滑剤は、自己潤滑作用を有する二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化黒鉛、フッ素樹脂等であり、それらの自己潤滑剤が例えばＮｉ分散メッキによって塗布されている。
ピストン１０がピストンガイド部１１内で摺動すると、Ｎｉメッキ中に分散された固体潤滑剤がピストン摺動部１４に露出され、ピストン１０の摺動を潤滑にする。即ち、ピストン１０は長期間、無給油で滑らかに摺動することができる。これにより、ピストン１０の摺動時の摩擦力が常に低減される。即ち、ピストンは摺動による摩擦力の影響を受けず、常に精度良く外部圧力を伝達することができる。即ち、本請求項の圧力センサによれば、長期間に渡り精度良く外部圧力を検出することができる。
【００２６】
（変形例）
上記実施例は本発明の１実施例であり、他に様々な変形が可能である。例えば、第１実施例乃至第３実施例では圧力検知を歪抵抗素子２３で行った。これは、ピストン１０の変位による歪量を歪抵抗素子２３により電気信号に変換した例である。このピストン１０の変位は、他の形式の高剛性なセンサで検知することもできる。
例えば、ピストン１０の下面と基板２５間に高剛性なバネを設け、その対向する面に電極を形成する。そして、その静電容量の変化でピストン１０の変位、即ち外部圧力を検知してもよい。又、同様に高剛性のバネを設けピストン１０の変位を光学式センサ、磁気センサで検知してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る圧力センサの構成断面図。
【図２】本発明の第１実施例に係る圧力検知部の構成俯瞰図。
【図３】本発明の第２実施例に係る圧力センサの構成断面図。
【図４】本発明の第３実施例に係る圧力センサの構成断面図。
【図５】ピストンの突出量と受圧面積の関係を示す説明図。
【図６】従来の圧力センサを説明する構成断面図。
【符号の説明】
１０ピストン
１１ピストンガイド部
１２圧力導入部
１３圧力隔壁膜
１３ａ粘着剤混入防止膜
１４ピストン摺動部
１５Ｏリング
１６リード線
２０圧力検知部
２１圧力伝達体
２２圧力伝達体
２３歪抵抗素子
２４電極
２５基板
３０鍔部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure sensor that detects an external pressure with a pressure detection element formed on a substrate. In particular, the present invention relates to a high-accuracy pressure sensor that transmits pressure accurately with a piston and detects the piston by acting on a pressure detection element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a pressure sensor using strain resistance. That is, a piezoresistive element, which is a strain resistance, is formed on a diaphragm, and the deflection of the diaphragm due to pressure is detected by the piezoresistive element and converted into pressure.
Another example is JP-A-6-94556. FIG. 6 shows a sectional view of the structure. This is mainly composed of a piston 114 having a top 120, a piston guide 113 for displacing the piston 114, and a diaphragm 112 for detecting pressure by the piston 114. More specifically, a sensor for detecting the displacement of the piston 114 at the time of applying pressure, that is, the pressure fluctuation, by the strain resistances 118 a to 118 d formed on the diaphragm 112 while the top portion 120 of the piston 114 is constantly pressed against the diaphragm 112 by the spring 118. It is.
[0003]
The feature of the above configuration is that the top portion 120 is formed at the other end of the piston 114. This is a configuration in which the contact point with the diaphragm 112 is always the same point and the pressure is detected with good reproducibility. Moreover, it is the structure which reduces the dispersion | variation in the detected value between sensors by it.
Further, the pressure receiving structure is also characterized by the central rigid body portion 122 projecting from the top portion 120 and the central portion of the diaphragm 112. Thereby, the pressure resistance of the sensor is increased. Usually, when making a pressure sensor resistant to high pressure, it is necessary to thicken the diaphragm in order to prevent destruction of the sensor. When the diaphragm is thickened, the amount of deflection is reduced and the susceptibility is reduced.
However, the pressure receiving structure curves the vicinity of the strain resistances 118a to 118d on the back surface of the diaphragm 112 more efficiently, thereby increasing the strain sensitivity, that is, the pressure sensitivity. In other words, the high pressure is accurately detected even when the diaphragm is thickened.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a conventional pressure sensor using only a diaphragm, the diaphragm itself may be damaged under high pressure. In order to measure high pressure, it is conceivable to make the diaphragm thicker. However, if the diaphragm is made thicker as described above, the amount of strain (susceptibility) of the entire diaphragm decreases, and high pressure could not be detected accurately. .
In the above Japanese Patent Laid-Open No. 6-94556, the piston 114 is surrounded by an O-ring 116 as shown in FIG. 6, and the outside to be measured is separated from the inside where the strain resistances 118a to 118d as sensors are placed. . However, in this configuration, friction force and elastic shear stress are generated between the piston 114 and the O-ring 116 when pressure is applied, and the external pressure cannot be accurately transmitted to the strain resistances 118a to 118d. That is, the external pressure could not be detected accurately.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to completely block the external pressure portion and the internal pressure portion with a pressure partition film to prevent pressure leakage and to keep the pressure receiving area of the piston constant. And providing a high-accuracy pressure sensor that detects external pressure with high accuracy.
It is another object of the present invention to provide a safe pressure sensor in which a flange is provided at the lower part of the piston and the flange is brought into contact with the piston guide when the negative pressure is applied and the sensor itself is not destroyed.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the pressure sensor according to claim 1 is a pressure sensor for detecting a pressure of gas or liquid, and a piston for transmitting pressure and sliding the piston along the piston sliding portion. The piston guide means, the pressure guide membrane provided at the upper end of the piston guide means so as to cover the upper end of the piston, separating the inside of the piston guide means from the outside to be measured, and the displacement of the piston as an electrical signal It consists of a pressure sensing element that converts and detects , and the pressure partition film is coated with an adhesive on the periphery of the back surface and adhered to the upper end surface of the piston guide means. It has a larger area than the cross section, and is characterized in that a pressure-sensitive adhesive mixture preventing film that prevents the pressure-sensitive adhesive from mixing into the piston sliding portion is formed.
[0007]
The pressure sensor according to claim 2 is characterized in that the upper end portion of the piston and the upper end portion of the piston guide means are formed substantially in the same plane.
[0008]
[0009]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a pressure sensor having a flange at the lower portion of the piston, and when the negative pressure is applied, the flange contacts the piston guide means to prevent the piston from protruding to the outside.
The pressure sensor of claim 4 is characterized in that a solid lubricant is applied to the piston sliding portion.
[0010]
[Action and effect]
According to the pressure sensor of the first aspect, the piston is inserted into the piston guide means, and is configured to be displaceable along the sliding portion inside the piston guide means. A pressure partition film that separates the outside from the inside is provided at the upper end of the piston guide means, and a pressure detection element that converts the displacement of the piston into an electrical signal is disposed below the piston.
When pressure is applied from the outside, the piston receives pressure through the pressure partition film and is displaced along the piston guide means, and presses the pressure detection element provided below the piston. The pressure detection element outputs an electrical signal proportional to, for example, the amount of strain caused by the pressing.
At this time, the pressing is caused by the displacement of the piston. Therefore, the pressure detection element includes all elements that detect the displacement of the piston by a change in physical quantity. For example, the pressure detection element includes a capacitance type detection element that detects displacement, a Hall element, an optical element, a strain resistance element, and the like.
[0011]
With this configuration, the pressure partition film completely separates the outside to be measured from the inside where the pressure detecting element is disposed. That is, the external pressure does not overflow inside. Therefore, the pressure sensor does not cause an error due to pressure leakage.
Further, the side surface of the piston is not sealed with an O-ring as in the prior art. Therefore, there is no frictional force and elastic shear stress. That is, the external stress is not relaxed by the frictional force and the elastic shear stress as in the conventional case. Therefore, the pressure sensor detects the external pressure with extremely high accuracy.
Further, according to the pressure sensor of the present invention, the pressure partition film is adhered to the upper end portion of the piston guide means by applying an adhesive to the periphery of the back surface thereof. Thereby, the exterior and interior of the piston are completely sealed and isolated. Therefore, the leakage of the external pressure of the piston into the piston or the leakage of the internal pressure to the outside is completely prevented. Therefore, the external pressure is detected without error. Further, the pressure detecting element installed below the piston can be completely protected from the external medium.
Furthermore, a pressure-sensitive adhesive mixture preventing film for preventing the pressure-sensitive adhesive from mixing into the piston sliding portion is formed at the center of the back surface of the pressure partition film. Thereby, there is no mixing in the sliding part of an adhesive. Therefore, the piston can be displaced smoothly. That is, the pressure sensor accurately detects the external pressure without being affected by the adhesive.
[0012]
The pressure sensor according to claim 2 is formed so that the upper end of the piston and the upper end of the piston guide means are substantially flush with each other. For example, when the piston 10 protrudes from the piston guide means as shown in FIG. 5, the pressure partition film 13 is deformed as shown in FIGS. 5C, 5B, and 5A, and the effective pressure receiving area changes. If the effective pressure receiving area is represented by S ₁ , S ₂ , S ₃ , S ₁ > S ₂ > S ₃ , and the larger the protruding amount, the higher the pressure received. In other words, the sensors have different pressure sensitivities depending on the protrusion amount. That is, it becomes a non-linear pressure sensor.
According to the structure of this invention, the upper end part of a piston and the upper end part of a piston guide means are formed so that it may become substantially the same plane. In other words, the structure is not affected by the deformation of the pressure partition film, that is, the effective pressure receiving area is always constant (= S ₃ ). Thus, the external pressure is accurately and linearly transmitted by the piston. That is, according to the configuration of the present invention, the external pressure can be accurately detected.
[0013]
[0014]
According to the pressure sensor of the third aspect , the piston has a flange portion at the bottom. When the negative pressure is applied, the collar portion comes into contact with the piston guide means and its operation is stopped. That is, the protrusion of the piston to the outside is prevented. Therefore, it becomes a safe pressure sensor that is not destroyed even under negative pressure.
[0015]
According to the pressure sensor of the fourth aspect, the solid lubricant is applied to the piston sliding portion. This piston sliding part means the inside of the piston guide means and the side surface of the piston. Since the solid lubricant is applied to the piston sliding portion, the piston can always slide smoothly without lubrication. That is, the piston is not affected by the frictional force caused by sliding, and can accurately transmit the external pressure. That is, the pressure sensor according to the present invention can detect the external pressure with higher accuracy.
Here, the solid lubricant is, for example, fine particles such as molybdenum disulfide, and the coating is performed by, for example, dispersion plating. The fine particles are exposed by sliding of the piston, and the piston slides smoothly due to the self-lubricating property of the fine particles.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following Example.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of the pressure sensor of the present invention. The figure is a structural sectional view. The pressure sensor of the present embodiment includes a piston 10 for transmitting pressure such as hydraulic pressure, a housing 18 having a piston guide portion 11 serving as piston guide means, a pressure partition film 13 for isolating the outside and the inside of the piston guide portion 11, and a pressure partition wall. An O-ring 15 for bringing the membrane 13 into close contact with the upper end of the piston guide portion 11; a fixing lid 17 for fixing the pressure partition membrane 13 via the O-ring 15 having a pressure introduction portion 12 for introducing a pressure medium such as liquid; The pressure detection unit 20 has a high compression rigidity for detecting the displacement of the piston 10 and a lead wire 16 for taking out a detection signal from the pressure detection unit 20.
[0017]
In the above configuration, the upper end portion of the piston 10 and the upper end portion of the piston guide portion 11 are installed so as to be substantially in the same plane. That is, the piston is designed to have a displacement of several μm even when pressure is applied, and the high pressure is detected by the displacement of several μm.
The pressure partition film 13 is, for example, a Teflon tape in which a pressure-sensitive adhesive is applied to the periphery of the back surface. This Teflon tape can be deformed according to the pressure from the pressure introducing portion 12 and prevents pressure leakage from the gap (piston sliding portion 14).
[0018]
FIG. 2 shows the pressure detector 20. The pressure detection unit 20 includes a substrate 25, a strain resistance element 23 formed on the substrate 25, an electrode 24, a highly rigid hemispherical pressure transmission body 21 that transmits pressure, and a rectangular pressure transmission body 22. The Here, the substrate 25 is, for example, a silicon substrate, and the strain resistance element 23 is, for example, a piezoresistive element formed on the silicon substrate by a thin film forming technique.
[0019]
Next, the operation will be described. Here, it demonstrates as a pressure sensor which detects a hydraulic pressure, for example. When the hydraulic pressure rises, pressure is introduced from the pressure introducing portion 12 and the pressure partition film 13 is pressed. Since the pressure partition film 13 is deformable, the pressure is not relaxed by the pressure partition film 13 but is transmitted to the piston 10 as it is. The piston 10 transmits the pressure to the lower pressure detector 20. As will be described later, this transmission is a displacement of the order of several microns between the pressure partition film 13 and the piston 10 in detail.
[0020]
The pressure detector 20 receives this pressure with the hemispherical pressure transmitter 21. Since it is hemispherical, it receives pressure from the piston 10 at almost one point in the central portion, and isotropically disperses and transmits it. The isotropically distributed pressure presses the strain resistance element 23 by the square pressure transmission body 22 and deforms it. That is, the pressure is isotropically dispersed and transmitted to the strain resistance element 23.
The strain resistance element 23 is an element whose resistivity changes according to strain (stress deformation). Then, the change in resistivity is detected by a detector (not shown), and the pressure fluctuation of the pressure introducing unit 12 is detected. Although the deformation of the strain resistance element 23 is a micro deformation on the order of microns, it is detected as a large electric signal by using an amplifier (not shown).
[0021]
At this time, the upper end portions of the piston 10 and the piston guide portion 11 are in the same plane. As a result, the effective pressure receiving area of the piston 10 becomes substantially constant regardless of the applied pressure. That is, the pressure is accurately detected linearly.
Further, the pressure partition film 13 is formed on the upper end portion of the piston guide portion 11 so as to cover the upper end portion of the piston 10 as described above. That is, the outside to be measured is completely separated from the inside where the pressure detection unit 20 is disposed. Therefore, the external pressure does not leak into the piston guide portion 11. That is, the pressure sensor reliably detects the pressure without error. Further, the pressure detector 20 is completely protected from the hydraulic medium such as oil by the pressure partition film 13.
[0022]
Further, the piston 10 is not sealed with an O-ring on its side as in the prior art. Therefore, the piston 10 can be displaced along the piston sliding portion 14. Therefore, the external stress is not relaxed by the frictional force and elastic shear stress caused by the sealing material as in the prior art. That is, the pressure sensor detects the external pressure with extremely high accuracy.
In the above embodiment, the pressure sensor using oil as a medium has been described, but the present invention can also be applied to a pressure sensor using gas as a medium.
[0023]
(Second Example)
FIG. 3 shows a second embodiment of the pressure sensor of the present invention. The figure is a structural sectional view. The same parts as those in the first embodiment are marked with the same symbols.
The feature of this pressure sensor is that an adhesive mixture preventing film 13 a is formed on the back surface of the pressure partition film 13. The adhesive mixture prevention film 13a is, for example, a Teflon film or an aluminum foil.
When the pressure sensor is used for a long period of time, it is considered that the adhesive applied to the back surface of the pressure partition film 13 is mixed into the piston sliding portion 14. In this embodiment, an adhesive mixture preventing film 13 a larger than the cross section of the piston 10 is formed on the back surface of the pressure partition film 13. Therefore, the adhesive is prevented from falling off. That is, mixing of the adhesive into the piston sliding portion 14 is prevented. Thereby, the performance of the pressure sensor is guaranteed for a long period of time.
[0024]
(Third embodiment)
FIG. 4 shows a third embodiment of the pressure sensor of the present invention. The figure is a structural sectional view. In addition, the same symbol is described in the same part as the pressure sensor of the first embodiment. The feature of this pressure sensor is that a flange 30 is formed in the lower part of the piston 10.
When a negative pressure is applied to the pressure sensor of the first embodiment or the second embodiment, the piston 10 protrudes from the upper end portion of the piston guide portion as shown in FIGS. When the negative pressure is large, it is assumed that the pressure partition film 13 is destroyed.
In this embodiment, the flange portion 30 is formed at the lower portion of the piston 10 (FIG. 4), and the flange portion 30 abuts against the lower end surface of the piston guide portion 11 at the time of negative pressure. That is, the protrusion of the piston 10 to the outside is prevented. Therefore, it becomes a safe pressure sensor that is not destroyed even under negative pressure.
[0025]
(Fourth embodiment)
The feature of this pressure sensor is that a solid lubricant is applied to the side surface of the piston 10 and the inner surface of the piston pin guide portion 11, that is, the piston sliding portion 14.
The solid lubricant is molybdenum disulfide, graphite, fluorinated graphite, fluororesin or the like having a self-lubricating action, and these self-lubricants are applied by, for example, Ni dispersion plating.
When the piston 10 slides in the piston guide portion 11, the solid lubricant dispersed in the Ni plating is exposed to the piston sliding portion 14, and the sliding of the piston 10 is lubricated. That is, the piston 10 can slide smoothly without lubrication for a long time. Thereby, the frictional force when the piston 10 slides is always reduced. That is, the piston is not affected by the frictional force caused by sliding and can always transmit the external pressure with high accuracy. That is, according to the pressure sensor of this claim, the external pressure can be detected with high accuracy over a long period of time.
[0026]
(Modification)
The above embodiment is an embodiment of the present invention, and various other modifications are possible. For example, in the first to third embodiments, pressure detection is performed by the strain resistance element 23. This is an example in which the strain amount due to the displacement of the piston 10 is converted into an electric signal by the strain resistance element 23. The displacement of the piston 10 can be detected by another type of highly rigid sensor.
For example, a highly rigid spring is provided between the lower surface of the piston 10 and the substrate 25, and electrodes are formed on the opposing surfaces. Then, the displacement of the piston 10, that is, the external pressure may be detected by the change in the electrostatic capacity. Similarly, a highly rigid spring may be provided to detect the displacement of the piston 10 with an optical sensor or a magnetic sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a configuration of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an overhead view of a configuration of a pressure detection unit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a structural sectional view of a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a structural cross-sectional view of a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a protruding amount of a piston and a pressure receiving area.
FIG. 6 is a structural cross-sectional view illustrating a conventional pressure sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piston 11 Piston guide part 12 Pressure introduction part 13 Pressure partition film 13a Adhesive mixture prevention film 14 Piston sliding part 15 O-ring 16 Lead wire 20 Pressure detection part 21 Pressure transmission body 22 Pressure transmission body 23 Strain resistance element 24 Electrode 25 Substrate 30 buttock

Claims

気体又は液体の圧力を検出する圧力センサであって、
前記圧力を伝達するピストンと、
該ピストンをピストン摺動部に沿って摺動させるピストンガイド手段と、
該ピストンガイド手段の上端部に、前記ピストンの上端部を覆うように設けられ、該ピストンガイド手段の内部と測定すべき外部とを隔離する圧力隔壁膜と、
前記ピストンの変位を電気信号に変換して検知する圧力検知素子と
からなり、
前記圧力隔壁膜は、その裏面周辺部に粘着剤が塗布されて前記ピストンガイド手段の上端面に接着され、前記圧力隔壁膜の裏面中央部には、前記ピストンの断面よりも大きい面積を有し、前記粘着剤の前記ピストン摺動部への混入を防止する粘着剤混入防止膜が形成されていることをことを特徴とする圧力センサ。A pressure sensor for detecting the pressure of a gas or liquid,
A piston for transmitting the pressure;
Piston guide means for sliding the piston along the piston sliding portion;
A pressure partition membrane provided at an upper end portion of the piston guide means so as to cover an upper end portion of the piston , and separating the inside of the piston guide means from the outside to be measured;
It consists of a pressure detection element that detects the displacement of the piston by converting it into an electrical signal ,
The pressure partition membrane is coated with an adhesive on the periphery of the back surface thereof and adhered to the upper end surface of the piston guide means, and the central portion of the back surface of the pressure partition membrane has a larger area than the cross section of the piston. A pressure sensor , wherein an adhesive prevention film for preventing the adhesive from mixing into the piston sliding portion is formed .

前記ピストンの上端部と前記ピストンガイド手段の上端部は、略同一平面になるよう形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。The pressure sensor according to claim 1, wherein an upper end portion of the piston and an upper end portion of the piston guide means are formed to be substantially in the same plane.

前記ピストンは下部に鍔部を有し、負圧時には該鍔部が上記ピストンガイド手段に当接して前記ピストンの外部への突出が防止される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。3. The piston according to claim 1 or 2, wherein the piston has a flange at the lower portion, and the flange is in contact with the piston guide means when negative pressure is applied to prevent the piston from protruding to the outside. The described pressure sensor.

前記ピストン摺動部には、固体潤滑剤が塗布されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧力センサ。The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein a solid lubricant is applied to the piston sliding portion.