JP7436235B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、流体等の圧力を検出する圧力センサ、特にサニタリー用圧力センサに関するものである。

流体の圧力を検出する圧力センサのうち、食品や医薬品等の分野の製造現場等で用いられるサニタリー用圧力センサに対しては、衛生的な配慮が必要とされることから、耐食性、清浄性、信頼性および汎用性等に関して厳しい要件が課せられている。このような要件は、衛生管理に関する法規制の厳格化が図られている近年において、さらに厳しいものとなっている。

このような状況にあるサニタリー用圧力センサにおいては、例えば耐食性の要件から、圧力の測定対象の流体（例えば液体）が接触する接液部分にステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックスおよびチタン等の耐食性の高い材料が用いられている。また、清浄性の要件から、洗浄しやすいフラッシュダイアフラム構造が採用され、且つ蒸気洗浄に対する高い耐熱衝撃性をもつように設計されている。さらに、信頼性の要件から、封入剤を使用しない構造（オイルフリー構造）およびダイアフラムが破れ難い構造（バリア高剛性）が採用されている。

このように、サニタリー用圧力センサにおいては、使用する材料や構造が他の圧力センサに比べて制限されている。このため、高い耐圧性能を有しかつ測定誤差が抑制されたなかで、さらに高感度化を図ることは容易ではない。例えば、高い耐圧強度を有しかつ圧力に対するヒステリシスを低減して測定誤差を抑制するためには、膜厚を大きくした（厚みに対する径のアスペクト比を小さくした）高剛性のダイアフラムとすることが有用であるが、このような高剛性のダイアフラムにおいては、圧力変化に対する変形量が微小となり、これを直接センシングするだけでは十分なセンサ感度を得ることができない。このため、ダイアフラムの微小な変形量を効率的にセンシング部へ伝達してセンサ感度を高める技術が幾つか提案されている。

例えば、特許文献１には、ダイアフラム（３）の支持面（３Ｂ）に３つの支持部材（２ａ、２ｂ，２ｃ）を所定の位置に立設し、これら支持部材の上に半導体チップを載置した圧力センサ（１００）が記載されている。この圧力センサ（１００）においては、ダイアフラム（３）の微小なたわみが、３つの支持部材（２ａ、２ｂ，２ｃ）を通じセンシング部である半導体チップ（１）へ効率的に伝えられる（具体的には、半導体チップ１が、支持面３Ｂに直接設けられている場合に比べて大きく歪むように構成されている）ことで、センサ感度が高められている。この圧力センサ（１００）が備える上記３つの支持部材（２ａ、２ｂ，２ｃ）は、いずれも支持面（３Ｂ）に対し略垂直に起立しており、このうちの１つ（支持部材（２ａ））が支持面（３Ｂ）の中心（３０）に配設され、残りの２つ（支持部材（２ｂ，２ｃ））が中心（３０）に対して点対称となる位置に配設していることを特徴とする。

また、特許文献２には、ダイアフラム（３）の支持面（３Ｂ）に台座（５ｂ）を設け、この台座の上に少なくとも１つの支持部材（２ｂ）を起立させ、さらにこの台座上に起立する支持部材と他の支持部材との上に半導体チップ（１）を載置した圧力センサ（１００）が記載されている。この圧力センサ（１００）においては、ダイアフラム（３）の微小なたわみが、台座および支持部材を通じて、センシング部である半導体チップ（１）へ効率的に伝えられることで、センサ感度が高められている。

特開２０１７－１２０２１４号公報 特開２０１７－１２０２１２号公報

上記引用文献１に記載の圧力センサにおいては、例えば、ダイアフラムが線膨張率の大きなステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４の線膨張率は約１７．３×１０^－6）からなり、支持部材は、絶縁性を有する線膨張率の小さなガラス（例えばホウケイ酸ガラスの線膨張率は約３．０×１０^－6）からなる。このような線膨張率に大きな差がある２つの部材が接合する部分には接合残留応力（引張り残留応力）が発生する。この接合残留応力は、接合する２つの材料の線膨張率が大きいほど顕著に現れ、ダイアフラムおよび支持部材の強度を低下させてダイアフラムの耐圧性能を悪化させるといった事態をもたらす。当該事態は、衛生管理に関する法規制の厳格化が図られている現状に鑑みれば、早急に解消しなければならない技術課題の１つである。

本発明は、上記課題を解決すべく創作されたものであって、その目的は、支持部材を通じてダイアフラム３の微小なたわみを効率的にセンシング部に伝達しつつ、接合残留応力による耐圧性能の低下が抑制された圧力センサを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る圧力センサ（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）は、測定対象の流体の圧力を受ける第１主面（１１）とこの第１主面の反対側に位置する第２主面（１２）とを有するダイアフラム（１０）と、ひずみゲージを構成する複数の抵抗が設けられたセンサチップ（２０Ａ、２０Ｂ）と、前記第２主面の法線に沿って延設されかつ一端が前記センサチップに接合する電気的絶縁性の複数の支持部材（４１、４２）と、を備え、前記複数の支持部材は、前記ダイアフラムよりも線膨張率が小さい中間材（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）と接合しこの中間材を介して前記第２主面に固定されていることを特徴とする。

前記圧力センサにおいて、前記中間材が、前記支持部材より線膨張率が大きい材料から成るように構成してもよい。

また、前記圧力センサにおいて、前記中間材が、前記複数の支持部材に接合する複数の接合部（５１、５２、５３、５６、５７、５８）とこれら複数の接合部の少なくとも２つをつなぐ連結部（５４、５５、５９）とから構成され、前記連結部の前記法線に沿った厚みが、前記複数の接合部の前記厚みよりも小さくなるように形成してもよい。

さらに、前記圧力センサにおいて、前記連結部が、前記ダイアフラムの板厚よりも薄い薄膜として形成されてもよい。

また、前記圧力センサにおいて、前記複数の支持部材が、互いに離間する少なくとも２つの前記中間材を介して前記第２主面に固定されてもよい。

さらに、前記圧力センサにおいて、前記中間材が、前記支持部材と対をなすように設けられてもよい。

また、前記圧力センサにおいて、前記中間材と前記第２主面との接合面積が、前記中間材と前記支持部材との接合面積よりも小さくなるように形成してもよい。

さらに、前記圧力センサにおいて、前記中間材が、異なる線膨張率をもつ複数の材料から成り、前記材料は、前記第２主面と接合する側から前記センサチップと接合する側に向かうにつれて線膨張率が小さなくなるよう前記法線に沿って積層されてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧付きで記載している。

本発明によれば、支持部材を通じてダイアフラム３の微小なたわみを効率的にセンシング部に伝達しつつ、接合残留応力による耐圧性能の低下が抑制された圧力センサを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ及びこれと接合した配管の断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る圧力センサが備えるダイアフラム近傍を拡大した平面図である。 図４は、図３におけるＱ－Ｑ線の断面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る圧力センサが備えるダイアフラムの変形態様を表した概念図である。 図６は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサの断面図である。 図７は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサが備えるダイアフラム近傍を拡大した平面図である。 図８は、図７におけるＱ－Ｑ線の断面図である。 図９は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサが備えるダイアフラムの変形態様を表した概念図である。 図１０は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサの断面図である。 図１１は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサが備えるダイアフラム近傍を拡大した平面図である。 図１２は、図１１におけるＱ－Ｑ線の断面図である。 図１３は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサが備えるダイアフラムの変形態様を表した概念図である。 図１４は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサが備える中間材および支持部材を表した概念図である。 図１５は、本発明の他の実施の形態に係る圧力センサが備える中間材および支持部材を表した概念図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態である第１の実施の形態ないし第３の実施の形態を、図１ないし図１５に基づいて説明する。各実施の形態において共通する構成要素については、同一の参照符号を付するとともに繰り返しの説明を割愛する。なお、説明文中の左右方向、前後方向および上下方向は、各図に示されたＸ、ＹおよびＺ軸に沿った方向、または各図に示された圧力センサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃまたはダイアフラム１０の紙面に対する奥行き方向、上下方向および左右方向としてそれぞれ定義する。ここで、＋Ｚ方向は被測定流体Ｆの圧力Ｐが印加される方向と一致するように定義される。また、各図は概念図であって、それぞれに示された内容は、実際の圧力センサと必ずしも同一ではない。

≪第１の実施の形態≫
はじめに、本発明の第１の実施の形態である圧力センサ１Ａを、図１ないし図５に基づいて説明する。

〔圧力センサの構成〕
まず、圧力センサ１Ａの構成を、図１ないし図４に基づいて説明する。この圧力センサ１Ａは、図１に示すように、ダイアフラム１０とセンサチップ２０Ａとを少なくとも備え、さらに、ダイアフラム１０の外周部と接合してこれを支持するハウジング３０を含む。当該構成の圧力センサ１Ａにおいては、被測定流体Ｆの圧力Ｐを受圧してたわむダイアフラム１０の変位がセンサチップ２０Ａを通じて電気信号（例えば、電圧信号）として検出される。このセンサチップ２０Ａは、支持部材４０Ａおよび中間材５０Ａを介してダイアフラム１０の表面（後述するセンサ保持面１２）に配設されている。

[ダイアフラム１０]
ダイアフラム１０は、図１に示すように、円板状の薄板部材であって、上述したように、その外周縁１０ａが、ハウジング３０、より具体的には、後述するハウジング３０の開口部３１を画成する内周側壁面３１ａと、例えば溶接によって接合されている。これにより、ダイアフラム１０は、図２に示すように、ハウジング３０の内側に形成された空間（後述する空間３０Ｖ）と、被測定流体Ｆが流出入する空間Ｖとを隔絶する薄膜の隔壁を形成している。

ダイアフラム１０の下面は、被測定流体Ｆに接触してその圧力Ｐを受ける受圧面１１を形成している。この受圧面１１は、特許請求の範囲に記載の第１主面に相当する部位である。また、その上面、すなわち、受圧面１１と反対側に位置する面は、図１ないし図４に示すように、支持部材４０および中間材５０を介してセンサチップ２０Ａが配設されこれを保持するセンサ保持面１２を形成している。このセンサ保持面１２は、特許請求の範囲に記載の第２主面に相当する部位である。

ダイアフラム１０は、耐食性が高い材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）またはチタンからなる。これら材料は、線膨張率が比較的大きく、例えば、ＳＵＳ３０４の線膨張率は約１７．３／Ｋ×１０^－6であり、チタンの線膨張率は約１１．３／Ｋ×１０^－6である。

[センサチップ２０Ａ]
センサチップ２０Ａは、ダイアフラム１０の機械的な変位を電気信号として検出する回路を備えた要素であって、上述したように、ダイアフラム１０に形成されたセンサ保持面１２の略中央に配設されている。センサチップ２０Ａは、例えば、Ｓｉ等の半導体材料から成る基板とこの基板の上面２０Ａａに形成されたホイートストンブリッジ回路からなるひずみゲージとから構成されている。ホイートストンブリッジ回路が備える４つの抵抗素子（例えば拡散抵抗）は、ダイアフラム１０の変形（より具体的には、載置されているダイアフラム１０のセンサ保持面１２の変形）に応じてその長さが変位（伸縮）することで抵抗値が増減するように構成されている。これにより、ダイアフラム１０の変形がホイートストンブリッジ回路の中間点の電圧値の変化として検出される。

[ハウジング３０]
ハウジング３０は、図１に示すように、内側に開口部３１が開口する略円筒状のケーシング要素であって、耐食性の高い金属材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）から形成されている。ハウジング３０は、その下部に、配管Ｈのフェルールフランジ部Ｈｆと接合するフェルールフランジ部３０ｆが、半径方向外側に向かって突出するように設けられている。圧力センサ１Ａと配管Ｈとは、上下に重なり合うフェルールフランジ部３０ｆとフェルールフランジ部ＨｆとがクランプＣによって上下方向に挟持されることで互いが連結している。開口部３１の内周側壁面３１ａは、上述したように、その下部でダイアフラム１０の外周縁１０ａと接合し、ダイアフラム１０、より具体的には、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２と共に、被測定流体Ｆが流出入する配管Ｈの内部と隔絶された円柱状の空間３０Ｖを形成している。この空間３０Ｖは、例えば大気と連通し、内側に上述したセンサチップ２０Ａが配置される。

[支持部材４０Ａ]
支持部材４０Ａは、センサチップ２０Ａを支持する柱として機能する部材であって、図１ないし図４に示すように、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２に対して垂直に起立するように配設（センサ保持面１２の法線方向（Ｚ軸方向）に沿って延設）された２つの柱状部材、具体的には、四角柱状に形成された同一形状の第１支持部材４１および第２支持部材４２から構成されている。第１支持部材４１および第２支持部材４２は、電気的に絶縁性を有する材料、好ましくは、熱伝導率の小さい材料からなり、例えば、ガラス、具体的にはホウケイ酸ガラス（パイレックス、登録商標））から形成されている。第１支持部材４１および第２支持部材４２は、その一端（頂部）がセンサチップ２０Ａの下面２０Ａｂ、より具体的には、下面２０Ａｂの左右両端部近傍に接合し、他端が中間材５０Ａの上面５０Ａａに接合している。

上記中間材５０Ａは、後述するように、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２に接合しており、第１支持部材４１および第２支持部材４２が、中間材５０Ａを介してダイアフラム１０のセンサ保持面１２に上記態様（垂直に起立した態様）で固定されている。第１支持部材４１および第２支持部材４２は、例えば平面視において、ダイアフラム１０の中心点Ｐ０に対して点対称となる２つの第１の支持点Ｐ４１Ａおよび第２の支持点Ｐ４２Ａに固定されている。ここで、ダイアフラム１０の中心点Ｐ１０とは、センサ保持面１２に加わる圧力（例えば大気圧）よりも大きな圧力が受圧面１１に加わった状態において、ダイアフラム１０が上下方向（Ｚ軸方向）に最も大きく変位する点として定義される。当該中心点Ｐ１０は、円板状のダイアフラム１０の厚みが均一であって剛性に偏りがない場合、図３に示すように、幾何学的な中心点と一致する。

[中間材５０Ａ]
中間材５０Ａは、ダイアフラム１０と支持部材４０Ａとの間に介在する部材であって、例えば図３に示すように、平面視略長方形の薄板部材から形成されている。中間材５０Ａは、その線膨張率がダイアフラム１０を形成する材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の線膨張率（ＳＵＳ３０４の線膨張率は約１７．３／Ｋ×１０^－6）よりも小さい材料から形成されており、好ましくは、支持部材４０Ａ（支持部材４１、４２）を形成する材料、例えばガラスの線膨張率（ホウケイ酸ガラスの線膨張率は約３．０×１０^－6）よりも大きな材料から形成されている。この好ましい形態の中間材５０Ａとして、例えばコバール（コバールの線膨張率は約５．２／Ｋ×１０^－6）挙げられる。

中間材５０Ａは、図３および図４に示すように、ダイアフラム１０が被測定流体Ｆの圧力Ｐを受圧して変形する（たわむ）領域にあってその中心点がダイアフラム１０の中心点Ｐ０と一致する位置に、下面５０Ａｂを通じてスポット溶接等によってセンサ保持面１２に接合されている。また、中間材５０Ａは、例えばその上面５０Ａａの両端部近傍に、スポット溶接等によって第１支持部材４１および第２支持部材４２の下端部が接合されている。これにより、第１支持部材４１および第２支持部材４２は、ダイアフラム１０の中心点Ｐ０に対して点対称の位置にある第１支持点Ｐ４１Ａおよび第２支持点Ｐ４２Ａに固定されることとなる。

〔圧力センサ１Ａの動作態様〕
つづいて、圧力センサ１Ａの動作態様を、図５に基づいて説明する。この図５は、ダイアフラム１０が変形したときの第１支持部材４１、第２支持部材４２および中間材５０Ａ、ならびにセンサチップ２０ＡのＸＺ断面における変位を模式的に示した図である。

センサ保持面１２に加わる圧力（例えば大気圧）よりも大きな圧力Ｐを有する被測定流体Ｆが受圧面１１に接すると、薄板部材からなるダイアフラム１０は、中心点Ｐ１０が上方（＋Ｚ方向）に突出した略円錐状に変形する（たわむ）。このとき、薄膜状の中間材５０Ａもまた、ダイアフラム１０の変形に倣って変形（たわむ）。

中間材５０Ａを介してセンサ保持面１２に略垂直に起立し、かつ点対称の位置にあって中心点Ｐ１０から離れた第１支持点Ｐ４１Ａおよび第２支持点Ｐ４２Ａに固定されている第１支持部材４１および第２支持部材４２は、Ｚ軸に対して略線対称となるようにそれぞれが傾く。この結果、センサチップ２０Ａの下面２０ｂと接合する第１支持部材４１および第２支持部材４２の頂部は、いずれも＋Ｚ方向に略同じ量だけ変位するとともに、一方（第１支持部材４１）は－Ｘ方向に変位し、他方（第２支持部材４２）は＋Ｘ方向に変位する（図５中の矢印を参照）。当該第１支持部材４１および第２支持部材４２の頂部における±Ｘ方向の変位量は、各支持部材の高さ（詳細には、センサ保持面１２から各支持部材の頂部までの高さ）に比例して大きくなる。すなわち、ダイアフラム１０の変位量は、第１支持部材４１および第２支持部材４２によって増幅される形でセンサチップ２０Ａに伝達される。センサチップ２０Ａは、当該増幅されたダイアフラム１０の変位量に応じた電気信号（例えば電圧信号）を出力する。

〔圧力センサ１Ａの効果〕
上記構成の圧力センサ１Ａによれば、上述したように、支持部材４０Ａを通じてダイアフラム１０の変形量が±Ｘ方向に増幅される形でセンサチップ２０Ａに伝達される。このため、ダイアフラム１０を僅かに変位させる程度の小さな圧力変動に対しても、センサチップ２０Ａは左右方向（＋Ｘ方向および－Ｘ方向）に大きく引っ張られる。この結果、センサチップ２０Ａに設けられたひずみゲージ（ホイートストンブリッジ回路）を構成する抵抗素子は、出力変動を伴う程度に十分に変位（伸縮）することとなり、被測定流体の圧力を高精度に検知することが可能になる。

また、ダイアフラム１０と支持部材４０Ａとの間に、線膨張率の値がダイアフラム１０のそれよりも小さく支持部材４０Ａのそれよりも大きな中間材５０Ａが介在することで、両部材間の接合残留応力を低減させることができる。これにより、ダイアフラム１０の耐圧性能の低下を抑えることができる。

≪第２の実施の形態≫
つぎに、本発明の第２の実施の形態である圧力センサ１Ｂを、図６ないし図９に基づいて説明する。

圧力センサ１Ｂは、圧力センサ１Ａと比較して、支持部材４０Ｂを構成する柱状部材の数とこれらが設けられる位置、および支持部材４０Ｂによって支持されるセンサチップ２０Ｂの形態（支持部材４０Ｂとの接合部分の形態）、ならびに支持部材４０Ｂをダイアフラム１０のセンサ保持面１２に固定する中間材５０Ｂの形態が相違し、これら以外の構成は同一である。

[支持部材４０Ｂ]
支持部材４０Ｂは、図６および図８に示すように、３つの柱状部材、具体的には、支持部材４０Ａを構成する第１支持部材４１および第２支持部材４２と同一の部材と、これら部材と同一形状かつ同一材料からなる第３支持部材４３とから構成されている。支持部材４０Ｂを構成する第１支持部材４１および第２支持部材４２は、支持部材４０Ａと同様に、その一端（頂部）が後述するセンサチップ２０Ｂの下面２０Ｂｂ、より具体的には、下面２０Ｂｂの左右両端部近傍（後述する第１接合部５１の上面５１ａおよび第２接合部５２の上面５２ａ）に接合している。また、第１支持部材４１および第２支持部材４２の他端は、中間材５０Ｂの上面の左右両端部近傍に接合している。さらに、追加された第３支持部材４３の一端（頂部）および他端が、センサチップ２０Ｂの下面２０Ｂｂの略中央および中間材５０Ｂの上面の略中央（後述する第３接合部５３の上面５３ａ）にそれぞれ接合している。

[中間材５０Ｂ]
中間材５０Ｂは、ダイアフラム１０と支持部材４０Ｂとの間に介在する部材であって、中間材５０Ａと同一の材料、すなわち、その線膨張率がダイアフラム１０を形成する材料よりも小さい材料から形成され、好ましくは、支持部材４０Ｂを形成する材料よりも大きな材料から形成されている。中間材５０Ｂは、例えば図６および図８に示すように、第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３、ならびに第１連結部５４および第２連結部５５から構成されている。

第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３は、いずれも同一形状を呈しており、例えば、略直方体を呈した部位として形成されている。なお、第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３の形状を異なるものとしてもよい。

第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３は、その高さ（厚み）が、例えば、ダイアフラム１０の厚みよりも大きく設定されており、センサ保持面１２に対して略垂直に起立した状態で当該保持面に接合されている。

第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３は、それぞれ第１支持部材４１、第２支持部材４２および第３支持部材４３と、上面５１ａ、５２ａ、５３ａを通じて、例えばスポット溶接によって接合している。また、第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３は、それぞれ下面５１ｂ、５２ｂ、５３ｂを通じて、例えばスポット溶接によってセンサ保持面１２に接合している。ここで、上面５１ａ、５２ａ、５３ａの表面積Ｓｕは、接合される支持部材４１、４２、４３の下端面の表面積と同等か僅かに大きく設定されている。また、本実施の形態では、下面５１ｂ、５２ｂ、５３ｂの表面積Ｓｄは、上面５１ａ、５２ａ、５３ａの表面積Ｓｕと等しいが、これを表面積Ｓｕよりも小さくなるように、第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３の形状を変更してもよい。これにより、下面５１ｂ、５２ｂ、５３ｂとセンサ保持面１２との接合面積が小さくなり、ダイアフラム１０の変形への影響を抑えることができる。

図７に示すように、上記３つの接合部のうちの第１接合部５１および第２接合部５２は、ダイアフラム１０の中心点Ｐ１０に対して点対称の位置にある第１支持点Ｐ４１Ｂおよび第２支持点Ｐ４２Ｂに配設されており、第３接合部５３は、中心点Ｐ１０と一致する第３支持点Ｐ４３Ｂに配設されている。これにより、第３支持部材４３は、中心点Ｐ１０（第３支持点Ｐ４３Ｂ）に固定され、第１支持部材４１および第２支持部材４２は、ダイアフラム１０の中心点Ｐ０（第３支持点Ｐ４３Ｂ）に対して点対称の位置にある第１支持点Ｐ４１Ｂおよび第２支持点Ｐ４２Ｂに固定されることとなる。

第１連結部５４および第２連結部５５は、いずれもセンサ保持面１２に沿って（平行に）延在する薄膜状の部材として形成されている。第１連結部５４は、第１接合部５１の下端部（センサ保持面１２に近接した端部）と第２接合部５２の下端部とに接続してこれら２つの部位を接続している。また、第２連結部５５は、第２接合部５２の下端部と第３接合部５３の下端部とに接続してこれら２つの部位を接続している。このように、第１連結部５４および第２連結部５５が薄膜状の部材として形成され、かつ各接合部の下端部を接続する形態とすることで、各接合部の相対移動（相対変位）を可能にしている。すなわち、各接合部は、互いに干渉することなく当該変形に倣って（固定されているセンサ保持面１２に対して垂直な姿勢を保持したまま）個別に変位（移動）することができる（図９参照）。また、第１連結部５４および第２連結部５５を上記形態とすることで、中間材５０Ｂの各接合部が厚みのある部位として形成された場合であっても、これによるダイアフラム１０の変形への影響（変形の妨げ）を最小限に留めることが可能になる。

なお、接合部と連結部とが接続する位置によっては、接合部の相対移動（相対変位）が一部規制されることとなる。すなわち、当該接続位置によって、接合部の相対移動（相対変位）を制御することができる、このため、当該接続位置は、センサチップ２０Ｂが配設される位置に応じて適宜変更することが望ましい。上記規制機能をもつ接続態様の一つとして、後述する第３の実施の形態（中間材５０Ｃにおける第１接合部５６と第３接合部５８とを接続する連結部５９の接続形態）がある。

〔圧力センサ１Ｂの動作態様〕
つづいて、圧力センサ１Ｂの動作態様を、図９に基づいて説明する。この図９は、図５と同様に、ダイアフラム１０が変形したときの第１支持部材４１、第２支持部材４２、第３支持部材４３および中間材５０Ｂ（第１接合部５１、第２接合部５２、第３接合部５３、第１連結部５４、第２連結部５５）、ならびにセンサチップ２０ＢのＸＺ断面における変位を模式的に示した図である。

センサ保持面１２に加わる圧力（例えば大気圧）よりも大きな圧力Ｐを有する被測定流体Ｆが受圧面１１に接すると、薄板部材からなるダイアフラム１０は、中心点Ｐ１０が上方（＋Ｚ方向）に突出した略円錐状に変形する（たわむ）。このとき、上記形態の薄膜状の第１連結部５４および第２連結部５５を備える中間材５０Ｂは、例え厚みの大きな第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３を有してしても、これら接合部によってダイアフラム１０の変形を妨げることなく、また、各接合部が互いに干渉することなく当該変形に倣って（各接合部が固定されているセンサ保持面１２に対して垂直な姿勢を保持したまま）変形（移動）する。

中間材５０Ｂの上記変形（移動）により、中間材５０Ｂの第３接合部５３を介して中心点Ｐ１０（第３支持点Ｐ４３Ｂ）に立設された第３支持部材４３は、Ｚ軸に沿って変位する（具体的には、＋Ｚ方向に変位する）。この結果、センサチップ２０Ｂの下面２０ｂと接合する第３支持部材４３の頂部は、ダイアフラム１０の変位量と略同じ量だけ＋Ｚ方向に変位する。また、中間材５０Ｂの第１接合部５１および第２接合部５２を介してセンサ保持面１２に略垂直に起立し、かつ点対称の位置にあって中心点Ｐ１０から離れた第１支持点Ｐ４１Ｂおよび第２支持点Ｐ４２Ｂに固定されている第１支持部材４１および第２支持部材４２は、Ｚ軸に対して略線対称となるようにそれぞれが傾く。この結果、センサチップ２０Ｂの下面２０ｂと接合する第１支持部材４１および第２支持部材４２の頂部は、いずれも＋Ｚ方向に略同じ量だけ変位するとともに、一方（第１支持部材４１）は－Ｘ方向に変位し、他方（第２支持部材４２）は＋Ｘ方向に変位する。当該第１支持部材４１および第２支持部材４２の頂部の±Ｘ方向の変位量は、上述したように、各支持部材の高さ（詳細には、センサ保持面１２から各支持部材の頂部までの高さ）に比例して大きくなる。すなわち、ダイアフラム１０の変位量は、第１支持部材４１および第２支持部材４２によって増幅される形でセンサチップ２０Ｂに伝達される。

〔圧力センサ１Ｂの効果〕
上記構成の圧力センサ１Ｂによれば、上述したように、ダイアフラム１０の変形量が支持部材４０Ｂの第１支持部材４１および第２支持部材４２を通じて±Ｘ方向に増幅され、かつ第３支持部材４３を通じて＋Ｚ方向の変位がセンサチップ２０Ｂに伝達される。このセンサチップ２０Ｂに伝達される変形量は、＋Ｚ方向の変位分だけセンサチップ２０Ａのそれよりも大きい。このため、ダイアフラム１０を僅かに変位させる程度の小さな圧力変動に対しても、センサチップ２０Ｂは左右方向（＋Ｘ方向および－Ｘ方向）およびに＋Ｚ方向に大きく引っ張られる。この結果、センサチップ２０Ｂに設けられたひずみゲージ（ホイートストンブリッジ回路）を構成する抵抗素子は、出力変動を伴う程度に十分に変位（伸縮）することとなり、被測定流体の圧力を高精度に検知することが可能になる。

また、ダイアフラム１０と支持部材４０Ｂとの間に、線膨張率の値がダイアフラム１０のそれよりも小さく支持部材４０Ｂのそれよりも大きな中間材５０Ｂを介在させたことで、両部材間の接合残留応力を低減させることができる。これにより、ダイアフラム１０の耐圧性能の低下を抑えることができる。この効果は、ダイアフラム１０よりも厚く形成された熱容量の大きい接合部、すなわち、ダイアフラム１０と支持部材４０Ｂとを熱的に隔絶する作用の大きい第１接合部５１、第２接合部５２および第３接合部５３を設けたことでより顕著なものとなる。

また、中間材５０Ｂに連結部（第１連結部５４および第２連結部５５）が設けられていることで、上記高さ（厚み）の大きな接合部を有していてもこれによってダイアフラム１０の変形が妨げられることを可及的に抑制することができる。これにより、上記接合残留応力を低減させる効果と測定精度（感度）とを高い次元で両立させることができる。

さらに、中間材５０Ｂが１つの部品として形成されることで、部品点数が削減され、組付け性が向上する。例えば、３つの支持点（第１支持点Ｐ４１Ｂ、第２支持点Ｐ４２Ｂ、第３支持点Ｐ４３Ｂ、）に、各接合部が個別部品として構成された中間材を配置する場合、各支持点（３つの支持点）ごとに位置決めすることが必要となるが、中間材が１つの部品から形成されている場合、２つの支持点において位置決めすれば足りる。これにより、組付け精度の悪化（バラツキ）を抑制することができる。

≪第３の実施の形態≫
つぎに、本発明の第３の実施の形態である圧力センサ１Ｃを、図１０ないし図１３に基づいて説明する。

圧力センサ１Ｃは、圧力センサ１Ｂと比較して、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２と支持部材４０Ｂとの間に介在する中間材５０Ｃの形態および固定位置が相違し（この関係で支持部材４０Ｂおよびセンサチップ２０Ｂが配置される位置も相違し）、これら以外の構成は同一である。

[中間材５０Ｃ]
中間材５０Ｃは、上記実施の形態における中間材５０Ａ、５０Ｂと同様に、その線膨張率がダイアフラム１０を形成する材料よりも小さい材料から形成され、好ましくは、支持部材４０Ｂを形成する材料よりも大きな材料から形成されている。中間材５０Ｃは、例えば図１０および図１２に示すように、第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８、ならびに連結部５９から構成されている。

第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８は、いずれも同一形状を呈し、例えば、センサ保持面１２との接合面が支持部材４０Ｂとの接合面よりも小さくなるよう縦断面形状（ＸＺ平面の断面形状）が逆台形の６面体として形成されている。ただし、当該形状に限定されるわけではなく、また、第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８が異なる形状を呈していてもよい。

第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８は、その高さ（厚み）が、例えばダイアフラム１０の厚みよりも大きく設定されており、センサ保持面１２に対して略垂直に起立した状態で当該保持面に接合されている。なお、第１接合部５６と第３接合部５８とは、連結部５９を通じて一体的に接続しているが、第１接合部５６および第３接合部５８と第２接合部５７とは別体として形成されている。

第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８は、支持部材４０Ｂを構成する第１支持部材４１、第２支持部材４２および第３支持部材４３と、上面５６ａ、５７ａ、５８ａを通じて、例えばスポット溶接によって接合している。また、第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８は、それぞれ下面５６ｂ、５７ｂ、５８ｂを通じて、例えばスポット溶接によってセンサ保持面１２に接合している。ここで、上面５６ａ、５７ａ、５８ａの表面積Ｓｕは、接合される支持部材４１、４２、４３の下端面の表面積と同等か僅かに大きく設定されている。また、下面５６ｂ、５７ｂ、５８ｂの表面積Ｓｄは、上述したように、上面５１ａ、５２ａ、５３ａの表面積Ｓｕよりも小さくなるように形成されている。当該形態とすることで、支持部材４１、４２、４３と安定した状態で接合し、かつセンサ保持面１２との接合面積が小さくなることでダイアフラム１０の変形への影響（変形の妨げとなること）を抑えることができる。

図１１に示すように、第１接合部５６は、ダイアフラム１０の中心点Ｐ１０と一致する第１支持点Ｐ４１Ｃに配設され、第２接合部５７は、Ｘ軸上にあって中心点Ｐ１０よりも＋Ｘ寄りの第２支持点Ｐ４２Ｃに配設され、第３接合部５８は、Ｘ軸上にあって第１支持点Ｐ４１Ｃと第２支持点Ｐ４２Ｃとの間に位置する第３支持点Ｐ４３Ｃに配設されている。これにより、第１支持部材４１は、中心点Ｐ１０（第１支持点Ｐ４１Ｃ）に固定され、第２支持部材４２および第３支持部材４３は、いずれもＸ軸上にあってダイアフラム１０の中心点Ｐ０に対して同じ側（＋Ｘ側）に位置する第２支持点Ｐ４２Ｃおよび第３支持点Ｐ４３Ｃに固定されることとなる。

連結部５９は、図１２に示すように、センサ保持面１２に沿って（平行に）延在する薄膜状の部位として形成され、第１接合部５６の上端部と第３接合部５８の上端部とを一体的に接続している。当該形態の連結部５９は、接続する第１接合部５６と第３接合部５８との相対移動（相対変位）に関し、被測定流体Ｆの圧力Ｐが印加される方向（Ｚ軸に沿った方向）は規制せず、当該方向と垂直な面内（ＸＹ平面内）を規制するように制御する。これにより、第３接合部５８は、第１接合部５６に追従するようにしてＸＹ平面内を移動（変位）することとなる。

なお、本実施の形態においては、接合部の形状を、上述したようなセンサ保持面１２との接合面積が小さくなる形状とし、また、第１接合部５６および第３接合部５８と第２接合部５７とを別体として形成することで、ダイアフラム１０の変形への影響（変形の妨げとなること）を小さく抑えている。

〔圧力センサ１Ｃの動作態様〕
つづいて、圧力センサ１Ｃの動作態様を、図１３に基づいて説明する。この図１３は、ダイアフラム１０が変形したときの第１支持部材４１、第２支持部材４２、第３支持部材４３および中間材５０Ｃ（第１接合部５６、第２接合部５７、第３接合部５８、連結部５９）、ならびにセンサチップ２０ＢのＸＺ断面における変位を模式的に示した図である。

センサ保持面１２に加わる圧力（例えば大気圧）よりも大きな圧力Ｐを有する被測定流体Ｆが受圧面１１に接すると、薄板部材からなるダイアフラム１０は、中心点Ｐ１０が上方（＋Ｚ方向）に突出した略円錐状に変形する。このとき、中心点Ｐ１０の近傍部は曲率の大きな半球状の曲面として形成され、それよりも外側は円錐台面に近い曲面となる。このため、中心点Ｐ１０の近傍部より外側の部分は、ＸＺ断面において傾きが略等しい斜面として形成されることとなる。

上記変形を伴うダイアフラム１０の表面（センサ保持面１２）に配置された中間材５０Ｃのうち、第１接合部５６は、中心点Ｐ１０（第１支持点Ｐ４１Ｃ）に配置されているためＺ軸に沿った方向（＋Ｚ方向）に移動（変位）する。
また、第２接合部５７は、Ｘ軸上にあってダイアフラム１０の中心点Ｐ０に対して＋Ｘ側に位置する第２支持点Ｐ４２Ｃ、すなわち、上記斜面上に位置する第２支持点Ｐ４２Ｃに単独で配置されているため、上記斜面に対して垂直な方向、例えば、Ｚ軸に対して角度αだけ傾いた軸Ｚ´に沿った方向へ移動（変位）する。
これに対し、第３接合部５８は、第２支持点Ｐ４２Ｃと同じく上記斜面上に位置する第３支持点Ｐ４３Ｃに配置されているものの、上記制御機能をもつ連結部５９を介して＋Ｚ方向に変位する第１接合部５６と接続しているため、ＸＹ平面内の移動（変位）が規制されることとなる。このため、第３接合部５８は、上記斜面に対して垂直な方向（軸Ｚ´）よりも第１接合部５６側へ寄った方向、すなわち、Ｚ軸に対して角度β（β＜α）だけ傾いた軸Ｚ´´に沿った方向へ移動（変位）することとなる。

このように、第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８は、それぞれ異なる方向（軸Ｚ、軸Ｚ´、軸Ｚ´´に沿った方向）へ移動（変位）することとなり、それぞれの接合部の上面と接合する第１支持部材４１、第２支持部材４２および第３支持部材４３もそれぞれ異なる方向（軸Ｚ、軸Ｚ´、軸Ｚ´´に沿った方向）へ移動（変位）することとなる。換言すれば、これら３つの支持部材の頂部間で、ダイアフラム１０の変形の前後においてＸ方向とＺ方向とで相対変位が生じる。当該２つの方向の相対変位は、センサチップ２０に伝達される。ここで、Ｘ方向の相対変位は、上述したように、各支持部材の高さ（詳細には、センサ保持面１２から各支持部材の頂部までの高さ）に比例して大きくなる。すなわち、ダイアフラム１０の変位量は、第１支持部材４１、第２支持部材４２および第３支持部材４３によって増幅される形でセンサチップ２０に伝達される。

〔圧力センサ１Ｃの効果〕
中間材５０Ｃが配設されていない場合、すなわち、支持部材４０Ｂが、ダイアフラム１０のセンサ保持面１２に直接立設されている場合、支持部材４０Ｂを構成する第１支持部材４１、第２支持部材４２および第３支持部材４３は、センサ保持面１２と垂直な方向へ変位することとなる。当該場合にあって中心点Ｐ１０の近傍部より外側に位置する上記斜面に第２支持部材４２および第３支持部材４３が立設された形態においては、これら２つの支持部材は、ともに同一方向（Ｚ´軸に沿った方向）へ変位することとなる。当該変位態様においては、第２支持部材４２の頂部と第３支持部材４３の頂部との間には、ダイアフラム１０の変形前後で相対変位しないことになる。すなわち、上記形態においては、センサチップ２０Ｂのうちのこれら２つの支持部材によって支持された領域が、ダイアフラム１０の変形前後で変位（伸縮）しないこととなる。したがって、上記形態では、被測定流体の圧力を高精度に検知することができない。

これに対し、上記構成の圧力センサ１Ｃによれば、上述したように、中心点Ｐ１０の近傍部より外側に位置する上記斜面に第２支持部材４２および第３支持部材４３が立設されていても、これら２つの支持部材の頂部の間で、Ｚ方向の相対変位と各支持部材の高さ（詳細には、センサ保持面１２から各支持部材の頂部までの高さ）に応じて増幅されたＸ方向の相対変位が生じ、これがセンサチップ２０に伝達される。このため、上記構成の圧力センサ１Ｃによれば、ダイアフラム１０を僅かに変位させる程度の小さな圧力変動に対しても、センサチップ２０の全領域においてＸ方向およびＺ方向に大きく引っ張られる。この結果、センサチップ２０に設けられたひずみゲージ（ホイートストンブリッジ回路）を構成する抵抗素子は、出力変動を伴う程度に変位（伸縮）することとなり、被測定流体の圧力を高精度に検知することが可能になる。

また、ダイアフラム１０と支持部材４０Ｂとの間に、線膨張率の値がダイアフラム１０のそれよりも小さく支持部材４０Ｂのそれよりも大きな中間材５０Ｃを介在させたことで、両部材間の接合残留応力を低減させることができる。これにより、ダイアフラム１０の耐圧性能の低下を抑えることができる。この効果は、ダイアフラム１０よりも厚く形成された熱容量の大きい接合部、すなわち、ダイアフラム１０と支持部材４０Ｂとを熱的に隔絶する作用の大きい第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８を設けたことでより顕著なものとなる。

また、各接合部の形状を、上述したように、センサ保持面１２との接合面積が小さくなる形状とし、また、第１接合部５６および第３接合部５８と第２接合部５７とを別体として形成したことで、中間材５０Ｃを配設したことによるダイアフラム１０の変形への影響（変形の妨げとなること）を可及的に抑制することができる。これにより、上記接合残留応力を低減させる効果と測定精度（感度）とを高い次元で両立させることができる。

≪変形例≫
上記実施の形態の一部を変形した事例として、例えば、図１４で示される中間材５０Ｂ´がある。この中間材５０Ｂ´は、上記第２の実施の形態における中間材５０Ｂから第１連結部５４および第２連結部５５を取り除いたものに相当し、第１接合部５１´、第２接合部５２´および第３接合部５３´から構成されている。なお、その他の構成は、中間材５０Ｂと同一である。

上記構成の中間材５０Ｂ´を備える圧力センサによれば、中間材５０Ｂを備えた圧力センサ１Ｂと比較して、中間材を配設したことによるダイアフラム１０の変形への影響（変形の妨げとなること）をより小さくすることができる。

また、上記実施の形態の一部を変形した事例として、例えば、図１５で示される中間材５０Ｃ´がある。この中間材５０Ｃ´は、上記第３の実施の形態における中間材５０Ｃを２層構造にしたものである。具体的には、中間材５０Ｃを構成する第１接合部５６、第２接合部５７および第３接合部５８の全高を低くした第１接合部５６´、第２接合部５７´および第３接合部５８´の上面（支持部材４０Ｂと接合する面）に、当該上面と相補的な形状の下面をもつ略直方体の第４接合部５６´´、第５接合部５７´´および第６接合部５８´´を載置し、さらに第４接合部５６´´と第６接合部５８´´の上端部を一体的に接続する第２連結部５９´´を設けたものである。

第４接合部５６´´、第５接合部５７´´および第６接合部５８´´ならびに第２連結部５９´´を形成する材料の線膨張率は、第１接合部５６´、第２接合部５７´および第３接合部５８´ならびに第１連結部５９´を形成する材料のそれよりも小さく、支持部材４０Ｂを形成する材料のそれよりも大きい。これにより、ダイアフラム１０の表面（センサ保持面１２）に支持部材４０Ｂを固定する際に生じる接合残留応力をより低減させることができる。

また、第１連結部５９´および第２連結部５９´´からなる多重化された連結部を備えることで結合強度と結合剛性が増大することとなる。この結果、接続された２つの接合部の間の相対移動（相対変位）、例えば、被測定流体Ｆの圧力Ｐが印加される方向（Ｚ軸に沿った方向）と垂直な面内（ＸＹ平面内）の相対移動（相対変位）をより確実に規制することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、明細書および図面に直接記載のない構成であっても、本発明の作用・効果を奏する以上、本発明の技術的思想の範囲内である。さらに、上記記載および各図で示した実施の形態は、その目的および構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることも可能である。

例えば、上記実施の形態においては、ダイアフラム変形による圧力検出手法（センシング原理）として、ひずみゲージを含む半導体チップを用いているが、これに限定されるわけではなく、例えば、静電容量式センサ、金属歪みゲージ、抵抗ゲージをスパッタ等により成膜したものを用いた圧力検出手法（センシング原理）であってもよい。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…圧力センサ、１０…ダイアフラム、１１…受圧面、１２…センサ保持面、２０Ａ、２０Ｂ…センサチップ、３０…ハウジング、４０Ａ、４０Ｂ…支持部材、４１…第１支持部材、４２…第２支持部材、４３…第３支持部材、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ…中間材、５１、５６…第１接合部、５２、５７…第２接合部、５３、５８…第３接合部、５４…第１連結部、５５…第２連結部、５９…連結部。

Claims (9)

1. 測定対象の流体の圧力を受ける第１主面とこの第１主面の反対側に位置する第２主面とを有するダイアフラムと、
   ひずみゲージを構成する複数の抵抗が設けられたセンサチップと、
   前記第２主面の法線に沿って延設されかつ一端が前記センサチップに接合する電気的絶縁性の複数の支持部材と、
   を備え、
   前記複数の支持部材は、前記ダイアフラムよりも線膨張率が小さい中間材と接合しこの中間材を介して前記第２主面に固定され、
   前記中間材は、前記複数の支持部材に接合する複数の接合部とこれら複数の接合部の少なくとも２つをつなぐ連結部とから構成され、前記連結部の前記法線に沿った厚みは、前記複数の接合部の前記厚みよりも小さくなるように形成されている圧力センサ。
2. 測定対象の流体の圧力を受ける第１主面とこの第１主面の反対側に位置する第２主面とを有するダイアフラムと、
   ひずみゲージを構成する複数の抵抗が設けられたセンサチップと、
   前記第２主面の法線に沿って延設されかつ一端が前記センサチップに接合する電気的絶縁性の複数の支持部材と、
   を備え、
   前記複数の支持部材は、前記ダイアフラムよりも線膨張率が小さい中間材と接合しこの中間材を介して前記第２主面に固定され、
   前記中間材と前記第２主面との接合面積は、前記中間材と前記支持部材との接合面積よりも小さい圧力センサ。
3. 請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、
   前記中間材は、前記支持部材より線膨張率が大きい材料から成る圧力センサ。
4. 請求項２または請求項２を引用する請求項３に記載の圧力センサにおいて、
   前記中間材は、前記複数の支持部材に接合する複数の接合部とこれら複数の接合部の少なくとも２つをつなぐ連結部とから構成され、前記連結部の前記法線に沿った厚みは、前記複数の接合部の前記厚みよりも小さくなるように形成されている圧力センサ。
5. 請求項１および請求項１を引用する請求項３、ならびに請求項４のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、
   前記連結部は、前記ダイアフラムの板厚よりも薄い薄膜として形成されている圧力センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、
   前記複数の支持部材は、互いに離間する少なくとも２つの前記中間材を介して前記第２主面に固定されている圧力センサ。
7. 請求項６に記載の圧力センサにおいて、
   前記中間材は、前記支持部材と対をなすように設けられている圧力センサ。
8. 請求項１および請求項１を引用する請求項３ないし７のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、
   前記中間材と前記第２主面との接合面積は、前記中間材と前記支持部材との接合面積よりも小さい圧力センサ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の圧力センサにおいて、
   前記中間材は、異なる線膨張率をもつ複数の材料から成り、前記材料は、前記第２主面と接合する側から前記センサチップと接合する側に向かうにつれて線膨張率が小さなくなるよう前記法線に沿って積層されている圧力センサ。

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