JPH055664A - セラミツク圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 台座部と圧力応動部との間の接着による接合
部分をなくして機械的強度の向上及びシーリングの飛躍
的な改善を図ると共に、圧力応動部の極薄化による感度
向上及び小形化を図る。 【構成】 セラミックダイアフラム本体１は、厚肉な台
座部２の内側に薄肉な圧力応動部３を一体に備え、セラ
ミック材料の加圧，焼成により最終形状よりも厚み寸法
を増大させた状態で一体成形した後研削して形成されて
いる。このセラミックダイアフラム本体１の上面に、応
力検知センサ４〜７を付設し、この応力検知センサ４〜
７に直結して出力信号を取り出すための厚膜回路又は薄
膜回路からなる電気回路を設ける。圧力応動部３の半径
ａ及び厚さｔ、台座部２の外周半径ｂ及び厚さｃ、台座
部２と圧力応動部３との境界部分の曲率半径Ｒは、 【数１】 の通りの寸法関係とされている。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、薄肉なセラミックから
なる圧力応動部に応力検知センサを付設して該圧力応動
部に作用する圧力を電気信号に変換するセラミック圧力
センサに関する。 【０００２】 【従来の技術】近時、自動車のエンジン等においては、
マイクロコンピュータを用いて運転制御を行うようにし
たものがあり、そこで、例えばエンジンの吸入空気圧等
の圧力変化の検出を、単一の設定圧で作用する圧力スイ
ッチで行ったのでは、充分な運転制御ができないので、
圧力変化を連続的な電気信号として出力することのでき
る圧力センサが要望されている。 【０００３】この要望に対処するため、化学的に安定で
且つ耐熱性が良好なセラミック製のダイアフラムを用い
た圧力センサが試作研究されている。このものは、厚肉
な環状のセラミックからなる台座部の一面に、薄肉なセ
ラミックからなる圧力応動部をガラス等で接着し、前記
圧力応動部に応力検出センサを付設して構成されてい
る。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のものでは、台座部と圧力応動部とが別体であるた
め、それらの接着部分の機械的強度が母材に比べて低
く、シーリング（気密保持）が悪く、且つ、圧力応動部
を十分に薄く（例えば０．２mm以下）することは極めて
困難で、そのため感度を高めるためには面積を大きくす
る必要があるので小形化ができないという欠点がある。 【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、台座部と圧力応動部との間の接着によ
る接合部分をなくして機械的強度の向上及びシーリング
の飛躍的な改善を図ると共に、圧力応動部の極薄化によ
る感度向上及び小形化を図ることができるセラミック圧
力センサを提供するにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明のセラミック圧力
センサは、セラミック材料の加圧，焼成により最終形状
よりも厚み寸法を増大させた状態で一体成形した後研削
して形成され厚肉な台座部の内側に薄肉な圧力応動部を
一体に備えるセラミックダイアフラム本体と、このセラ
ミックダイアフラム本体の前記圧力応動部に付設された
応力検知センサと、前記セラミックダイアフラム本体に
設けられ前記応力検知センサに直結されてその出力信号
を取り出すための厚膜回路又は薄膜回路からなる電気回
路とを具備し、前記圧力応動部の半径ａ、圧力応動部の
厚さｔ、前記台座部の外周半径ｂ、台座部の厚さｃ、台
座部の内径部と圧力応動部との境界部分の曲率半径Ｒ
が、次のような寸法関係とされているところに特徴を有
する。 【０００７】 【数２】 【０００８】 【作用】上記手段によれば、セラミックダイアフラム本
体は、台座部及び圧力応動部をセラミック材料の加圧，
焼成により一体成形して構成されているので、台座部と
圧力応動部との間に接着による接合部分がなくなる。こ
れにより、機械的強度及びシーリング性を向上させるこ
とができる。 【０００９】そして、セラミックダイアフラム本体は、
セラミック材料の加圧，焼成後に切削して構成されるの
で、台座部と圧力応動部との厚みの差が大きいものであ
っても容易に一体成形でき、しかも圧力応動部の極薄化
を図ることができる。 【００１０】さらに、セラミックダイアフラム本体の各
部の寸法関係を、上述のように形成することにより、圧
力が作用したときの圧力応動部の歪みに比べて、その周
囲の台座部の歪みを無視し得る程度に小さくでき、ま
た、厚みが急激に変化する台座部と圧力応動部との境界
部分に応力の過大な集中が生ずることを防止することが
できる。 【００１１】 【実施例】以下、本発明の第１の実施例について、図１
乃至図７を参照しながら説明する。１はセラミックダイ
アフラム本体であり、これは、セラミック材料として例
えば９６％〜９９％のアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）を用い、
これを加圧成形及び焼成することによって形成されてい
る。このセラミックダイアフラム本体１は、厚肉でこの
場合円環状をなす台座部２の内側に、薄肉で円形をなす
圧力応動部３を一体に備えて構成され、前記台座部２の
上面２ａが圧力応動部３の上面３ａに同一平面で連続し
た形状を呈している。 【００１２】そして、このセラミックダイアフラム本体
１は、図１に示すように、圧力応動部３の半径をａ、厚
さをｔ、前記台座部２の外周半径をｂ、厚さをｃとし、
台座部２の内径部と圧力応動部３との境界部分の曲率半
径をＲとしたときに、 【００１３】 【数３】 の条件を満たすように形成されている。 【００１４】これらの条件は、セラミックダイアフラム
１の圧力応動部３に圧力が印加された時に、圧力応動部
３の歪みに比べて、その周囲の台座部２の歪みが無視し
得る程度に小さく、また、厚さが急激に変化する台座部
２と圧力応動部３との境界部分に、応力の過大な集中が
生じないように夫々設定されている。また、圧力応動部
３の半径ａ及び厚さｔは、該圧力応動部３に印加される
最大定格圧力と、該圧力応動部３の材質とにより決定さ
れる。 【００１５】即ち、圧力Ｐが圧力応動部３に印加された
時に生ずる最大応力δmax は、 【００１６】 【数４】 で求められる。この最大応力δmax が圧力応動部３の材
料の強度δBを越えないように厚さｔ及び半径ａを決定
するのであるが、セラミック製品は機械的強度のばらつ
きが比較的大きいから、δmax がδB の１／４〜１／１
０とするのが望ましく、これらは製造技術，求められる
製品の寸法及び圧力応動部３に付設される後述する応力
検知センサのゲージファクタの大きさ等も考慮して定め
られるものである。 【００１７】而して、セラミックダイアフラム本体１を
製作する場合に、セラミック材料を加圧成形し焼成する
ことにより、図１に示す最終形状を直ちに得ることが最
も加工工程を単純化し得るのであるが、この形状を直ち
に得ようとすると、台座部２と圧力応動部３との間の厚
さの差が大きいため、加圧成形時に全体を一定の加圧力
で成形することが困難で、均一で緻密な製品が得られな
い事情がある。 【００１８】そこで、本実施例では、図３に示すよう
に、台座部２及び圧力応動部３の厚さ寸法を上面２ａ及
び３ａ側に増加させた状態にて加圧成形及び焼成を行
い、焼成後に、同図に破線で示すように切削或いは研磨
加工して最終形状寸法を得ることにより、全体が緻密で
均一なセラミックダイアフラム本体１を得るようにして
いるのである。 【００１９】さて、４乃至７は応力検知センサであり、
これは、圧力応動部３の上面３ａの中心部及び外周部に
酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）系の抵抗材を印刷及び焼成
することにより形成されたピエゾレジスティブな厚膜抵
抗からなる。これら応力検知センサ４〜７は印刷導体に
より図２及び図４に示すようにブリッジ接続され、これ
にて、応力検知センサ４〜７の出力信号を取り出すため
の電気回路８が形成されており、前記印刷導体の所要部
所には、面積を拡大した電源端子部８ａ，８ｂ及び出力
端子部８ｃ，８ｄが夫々形成されている。尚、セラミッ
クダイアフラム本体１は、耐熱性に優れたセラミック製
であるので、膜回路形成時の高温にも十分に耐え得る。 【００２０】次に、上記構成の作用について説明する。
セラミックダイアフラム本体１の圧力応動部３の下面側
に、図１にＰで示す圧力が上向きに作用すると、圧力Ｐ
に比例して圧力応動部３の中心部分には引張応力が作用
し、且つ外周部分には圧縮応力が作用する。 【００２１】即ち、圧力応動部３の中心から外周に向う
半径方向の応力分布は、図５に示すようになり、中心部
（ｒ＝０）で引張応力が最大となり、外周部（ｒ＝ａ）
で圧縮応力が最大となる。そして、これらの応力δν
は、 【００２２】 【数５】 で示される。 【００２３】一方、圧力応動部３の中心部分及び外周部
分に形成された応力検知センサ４〜７には、該圧力応動
部３に作用する応力に応じて図６に示すような抵抗値の
変化が生じ、応力検知センサ４〜７がブリッジ接続され
ていることにより、電源端子部８ａ，８ｂに電圧値一定
の電源電圧Ｖinを印加すると、出力端子部８ｃ，８ｄに
図７に示すような圧力Ｐに比例した出力電圧Ｖout が得
られる。 【００２４】ちなみに、出願人は、セラミック材料とし
て９６％アルミナを用い、厚さｔ＝０．２mm，半径ａ＝
６．５mmに定め、その他の寸法ｂ，ｃ及びＲは上記した
条件を満足するように定めてセラミックダイアフラム本
体１を形成し、ゲージファクタが１８の酸化ルテニウム
系の厚膜抵抗体により応力検知センサ４〜７を製作し、
電源電圧Ｖinに５Ｖ，印加圧力Ｐ＝５Ｋｇ／cm2 の時
に、出力電圧Ｖout ＝４５ｍＶ（出力感度９ｍＶ）の圧
力センサを得ることができた。 【００２５】上記構成では、厚肉な台座部２５及び薄肉
な圧力応動部３をセラミック材料による一体成形により
セラミックダイアフラム本体１を形成したから、従来の
ガラスにより接着していたものと異なり、台座部２と圧
力応動部３との間に接着による接合部分がなくなる。こ
れにより、機械的強度及びシーリング性を飛躍的に向上
させることができる。 【００２６】そして、これと共に、セラミックダイアフ
ラム本体１は、厚み寸法を増大させた状態で加圧成形及
び焼成を行った後に研削して構成されるので、台座部２
と圧力応動部３との厚みの差が大きいものであっても容
易に一体成形でき、しかも圧力応動部３の極薄化ひいて
は全体の小形化を図ることができるものである。ちなみ
に、圧力応動部３の厚さを例えば０．２mmから０．１mm
と半分にすれば、前述した数式から理解されるように、
同一圧力で発生する応力を減少させることなく圧力応動
部３の径寸法を１／４にすることができる。 【００２７】さらに、セラミックダイアフラム本体１の
各部の寸法関係を、特許請求の範囲に記載された通りに
形成したことにより、圧力が作用したときの圧力応動部
３の歪みに比べて、その周囲の台座部２の歪みを無視し
得る程度に小さくでき、また、厚みが急激に変化する台
座部２と圧力応動部３との境界部分に応力の過大な集中
が生ずることを防止することができるのである。 【００２８】尚、応力検知センサ４〜７は、印刷及び焼
成により形成される厚膜回路の他に、蒸着或いはスパッ
タリングにより形成される薄膜回路によって構成しても
よく、同様に印刷導体の代りに薄膜回路により応力検知
センサ４〜７からの出力信号を取り出すための電気回路
８を構成してもよい。 【００２９】図８及び図９は本発明の第２の実施例を示
すものであり、上記第１の実施例と異なるところは、圧
力応動部３の代りに円環状の圧力応動部９と該圧力応動
部９の中心部に位置された厚肉な円形の台座部１０とを
台座部２に一体にセラミック材料により形成することに
よって、セラミックダイアフラム本体１１を製作するよ
うにしたものである。 【００３０】そして、応力検知センサ４〜７を前記圧力
応動部９の内周部と外周部とに夫々付設するとともに、
図示はしないが台座部１０の上面側に、応力検知センサ
４〜７に直結させてその出力信号処理を行う例えば厚膜
ハイブリッドＩＣ回路からなる電気回路としての信号処
理回路が構築されている。 【００３１】このような構成でも上記第１の実施例と同
様の作用効果が得られ、応力検知センサ４〜７を厚膜回
路によって形成する場合には、これらを厚膜ハイブリッ
ドＩＣ回路を構築する焼成の過程を共通にして製作する
ことができ、製造工程が簡便になる。また、このように
応力検知センサ４〜７の出力信号処理を行う信号処理回
路を台座部１０の上面側に直結して付設することによ
り、接続等の信頼性が向上し、小形化，高密度化を図る
ことができ、更にセンサ部分の零点及び出力感度の調整
も合せて行うことができ、従来のものより全体の回路の
信頼性向上及び製作調整の容易化が可能となる。 【００３２】図１０及び図１１は本発明の第３の実施例
を、図１２及び図１３は本発明の第４の実施例を夫々示
すものであり、上記第１の実施例とは次の点で異なる。 【００３３】即ち、円環状の台座部２の代りに、該台座
部２よりも面積が大きな台座部１２及び１３を圧力応動
部３と一体にセラミック材料で形成することによってセ
ラミックダイアフラム本体１４及び１５を夫々製作し、
台座部１２及び１３の上面側に、上記第２の実施例と同
様に応力検知センサ４〜７に直結させてその出力信号処
理を行う例えば厚膜回路からなる信号処理回路を付設し
た構成である。この信号処理回路を、第２の実施例と同
様に例えばハイブリッドＩＣ回路により製作することに
より、第１の実施例の効果に合せて、第２の実施例と同
様の効果を奏するものである。 【００３４】尚、上記各実施例において、セラミックダ
イアフラム本体１，１１，１４及び１５は、アルミナに
限られず、一体成形が可能で緻密であり且つ機械的な強
度が満足されるもので、応力検知センサの特性に整合し
得るものであれば、他の材質でもよく、また、上記した
実施例の厚膜回路又は薄膜回路からなる応力検出センサ
の代りに別途に製作されたストレンゲージのように歪み
を電気信号に変換する既製のセンサを接着等によって圧
力応動部３の所定位置に貼着するようにしてもよい。 【００３５】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のセラミック圧力センサによれば、セラミックダイアフ
ラム本体を台座部及び圧力応動部をセラミック材料の加
圧，焼成により一体成形して構成したので、台座部と圧
力応動部との間に接着による接合部分がなくなり、機械
的強度の向上及びシーリングの飛躍的な改善を図ること
ができ、さらに、セラミックダイアフラム本体をセラミ
ック材料の加圧，焼成後に切削して構成するようにした
ので、台座部と圧力応動部との厚みの差が大きいもので
あっても容易に一体成形でき、しかも圧力応動部の極薄
化を図ることができ、ひいては感度向上及び小形化を図
ることができるという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の第１の実施例を示す全体の縦断面図 【図２】全体の上面図 【図３】セラミックダイアフラム本体の製作過程を説明
するための縦断面図 【図４】応力検知センサの電気的接続図 【図５】圧力応動部の応力特性図 【図６】応力検知センサの応力及び電気抵抗特性を示す
図 【図７】応力検知センサの出力信号特性図 【図８】本発明の第２の実施例を示す全体の上面図 【図９】全体の縦断面図 【図１０】本発明の第３の実施例を示す全体の上面図 【図１１】全体の縦断面図 【図１２】本発明の第４の実施例を示す全体の上面図 【図１３】全体の縦断面図 【符号の説明】 図面中、１，１１，１４及び１５はセラミックダイアフ
ラム本体、２，１０，１２及び１３は台座部、３及び９
は圧力応動部、４乃至７は応力検知センサ、８は電気回
路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．セラミック材料の加圧，焼成により最終形状よりも
   厚み寸法を増大させた状態で一体成形した後研削して形
   成され厚肉な台座部の内側に薄肉な圧力応動部を一体に
   備えるセラミックダイアフラム本体と、このセラミック
   ダイアフラム本体の前記圧力応動部に付設された応力検
   知センサと、前記セラミックダイアフラム本体に設けら
   れ前記応力検知センサに直結されてその出力信号を取り
   出すための厚膜回路又は薄膜回路からなる電気回路とを
   具備し、前記圧力応動部の半径ａ、圧力応動部の厚さ
   ｔ、前記台座部の外周半径ｂ、台座部の厚さｃ、台座部
   の内径部と圧力応動部との境界部分の曲率半径Ｒが、次
   のような寸法関係とされていることを特徴とするセラミ
   ック圧力センサ。 【数１】