JPH10148591A - 圧力検出装置 - Google Patents

圧力検出装置

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JPH10148591A
JPH10148591A JP9098975A JP9897597A JPH10148591A JP H10148591 A JPH10148591 A JP H10148591A JP 9098975 A JP9098975 A JP 9098975A JP 9897597 A JP9897597 A JP 9897597A JP H10148591 A JPH10148591 A JP H10148591A
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JP
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diaphragm
strain gauge
substrate
pressure
detecting device
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JP9098975A
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Keiji Sasaki
慶治 佐々木
Koichi Otani
浩一 大谷
Yukio Koganei
幸雄 小金井
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Fujikoki Corp
Original Assignee
Fujikoki Corp
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤフラムに絶縁体の薄板を使用した歪ゲ
ージ式圧力検出装置において、ダイヤフラムの過大な変
形や破壊を阻止する。 【解決手段】 表面に歪ゲージ５を有する絶縁性ダイヤ
フラム２と、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対
向して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面か
ら所定の間隔を保持して底面３２が位置する基板３とか
らなる圧力検出装置１において、ダイヤフラム２にアル
ミナまたはジルコニア等のセラミックもしくはシリコン
または水晶を用いるとともに、基板３を、ダイヤフラム
２と同様の材質またはダイヤフラムと対向する面を絶縁
処理した金属で構成し、さらに、ダイヤフラムと基板を
低融点ガラス４を用いて固着した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】可撓性を有する基板上に設け
た歪ゲージからなる圧力検出装置に関し、ことに、可撓
性基板としてセラミックを用いた圧力検出装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の歪ゲージを用いた圧力センサは、
金属性のダイヤフラム上にポリイミド等の絶縁物を形成
し、その上に歪ゲージを蒸着して構成するか、または、
すでに構成されている歪ゲージを接着剤等を用いて金属
性のダイヤフラム上に貼り付けて構成した。
【０００３】このような歪ゲージを用いた圧力センサ
は、出力の直線性の良さや電子回路の構成が比較的簡単
である等の長所を持つ反面、金属製ダイヤフラムの持つ
特性である曲げ強度の大きさ、加圧力の変化による変形
のヒステリシス、熱膨張、応力がかけられた際の永久変
形等がセンサの精度や耐久性を劣化させていた。
【０００４】とくに、図１０に示すように、金属塊から
締め付け部１０１およびダイヤフラム部分１０２ならび
に配管取り付け用ネジ部１０４を内壁に形成した受圧空
間１０３を削り出して一体に形成し、ダイヤフラム１０
２上に歪ゲージ１０５を取り付けた構造の圧力センサで
は、締め付け部１０１とダイヤフラム１０２が一体に形
成されていることから、過大なトルクで締め付けるとダ
イヤフラム１０２に歪みが生じ出力に不要な変化が生ず
る恐れがある。
【０００５】また、正確な圧力を検出するために、金属
製のダイヤフラムと歪ゲージ間には非常に薄い絶縁体し
か存在しないことから、電気的な絶縁耐圧にかけてい
た。このような場合には、金属性のダイヤフラムと歪ゲ
ージとの間に絶縁体を介在させることが必要であるが、
この絶縁体は温度によってダイヤフラムとの密着性が変
化したり、ダイヤフラムの変位の繰返しによって変形し
て、出力特性が変動するドリフト現象を引き起こしてい
る。
【０００６】さらに、歪ゲージ式ではその構造上、過大
な応力がダイヤフラムにかかると、ダイヤフラムの永久
変形や破壊が発生することがあり、ダイヤフラムの破壊
の際は圧力媒体の放出という重大な状況を引き起こす恐
れがあった。
【０００７】一方、ダイヤフラムにセラミック等の絶縁
物を用いた圧力センサとしては、静電容量式圧力センサ
が知られており、使用される材質の性質上、非常に高い
耐久性や測定値の再現性が高い等の長所がある。しか
し、この圧力センサは、電極間距離の変化を静電容量に
よって検出する方式が潜在的に持つ出力の直線性に劣
る、電子回路が非常に複雑となる、浮遊容量による不安
定性がある、センシング部のセラミックエレメントの製
造に高精度を要する等の問題点を抱えている。
【０００８】さらに、セラミック薄板からなるダイヤフ
ラム上に厚膜抵抗体をブリッジ状にスクリーン印刷によ
って形成し、焼成して得た圧力センサが、特公昭６２−
１２４５８号公報に示されるように、既に知られてい
る。この圧力センサは、容量の影響を受けないが、印加
圧力が所定の値を超えるとダイヤフラムに永久変形を生
じたり、ダイヤフラムの破壊を招く恐れがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑み、ダイヤフラムにアルミナ、ジルコニア等のセラ
ミック、または、シリコン、もしくは、水晶等の絶縁体
の薄板を使用した歪ゲージ式圧力検出装置において、ダ
イヤフラムの過大な変形や破壊を阻止した圧力検出装置
を提供することを目的とする。さらに、本発明は、高精
度で再現性の高い圧力検出装置を提供することを目的と
する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤフ
ラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向し
て配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から所
定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧力
検出装置において、ダイヤフラムにアルミナまたはジル
コニア等のセラミックもしくはシリコンまたは水晶等の
絶縁体を使用するとともに、基板にダイヤフラムと同様
の材質またはダイヤフラムと対向する面を絶縁処理した
金属を用いた。
【００１１】また、ダイヤフラムと基板を低融点ガラス
または熱硬化性樹脂からなる接着剤にを用いて固着し
た。
【００１２】さらに、接着剤に所定の径の間隙形成部材
を混入するか、基板の底面に窪みを設けて所定の間隙を
形成した。
【００１３】本発明は、表面に歪ゲージを有する絶縁性
ダイヤフラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面
に対向して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表
面から所定の間隔を保持して底面が位置する基板とから
なる圧力検出装置の前記基板の表面に電子回路配線パタ
ーンを形成するか、電子回路配線パターンを形成した回
路基板を貼り付けて圧力検出装置を構成した。
【００１４】本発明は、表面に歪ゲージを有する絶縁性
ダイヤフラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面
に対向して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表
面から所定の間隔を保持して底面が位置する基板とから
なる圧力検出装置の前記基板の表面に電子回路を載置し
た圧力センサを、弾性部材を介して容器の中に固定して
圧力検出装置を構成した。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる歪ゲージ式
圧力検出装置の構成を図１および図２を用いて説明す
る。図１は、圧力検出装置の構造を説明する縦断面図で
あり、図２のＢ−Ｂ線における縦断面を示しており、図
２は、図１のＡ−Ａ線における横断面図である。本発明
にかかる歪ゲージ式圧力検出装置１は、表面に抵抗体５
からなる歪ゲージを形成した絶縁性のダイヤフラム２と
絶縁性の基板３を所定の厚みの接着剤４層を介して積層
することによって構成される。
【００１６】ダイヤフラム２には、表面に電極パッド５
１と抵抗体５２−１〜５２−４と、抵抗体と電極パッド
を接続する引出線５３が、例えばスクリーン印刷によっ
て形成されている。
【００１７】抵抗体５２−１〜５２−４は、ブリッジ状
に接続されて歪ゲージを構成し、各抵抗体５２を接続す
る各接続点が引出線５３を介して外部に電気出力を取り
出すための電極パッド５１に接続されている。
【００１８】絶縁性ダイヤフラム２は、直径２１ｍｍ、
厚さ０．２〜２．０ｍｍ程度の円形に形成された、例え
ば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）製セラミック薄板から構成さ
れ、その表面に、常用された手法、例えばスクリーン印
刷によって抵抗体５がブリッジ状に配置されて歪ゲージ
が形成されている。
【００１９】圧力の様な応力が印加されたことによって
生じるダイヤフラム２の機械的な変形は、歪ゲージを構
成する抵抗体５２の抵抗値を変化させブリッジの電気的
出力の変化に変換される。この印刷パターンは、数μｍ
単位の膜厚管理によりブリッジ抵抗体４個を均一に印刷
できるので、レーザトリミング等の調整を施すことな
く、ブリッジ回路を形成でき、ダイヤフラムに加わる圧
力に比例した出力電圧が得られる。また、膜厚印刷によ
らない場合は、レーザトリミングによりブリッジ抵抗を
調整する。
【００２０】ダイヤフラム２は、アルミナまたはジルコ
ニアのセラミック（焼結体）、シリコン（Ｓi）、水晶
等の絶縁体を用いることができる。上記の材料の内、ア
ルミナのセラミックは、弾性体としての機械特性が非常
に良いこと、入手性、コスト、性能面から有望であり、
ジルコニアのセラミックは、曲げ強度および耐圧性なら
びに圧力印加時の最大応力の特性からダイヤフラムの許
容応力を高く設定できるので高圧の仕様での利用に適し
ている。
【００２１】基板３は、ダイヤフラムと同形状のアルミ
ナ等の厚さ４ｍｍのセラミックから形成され、基板３の
前記電極パッド５１に対向する位置には、上下に貫通す
る端子孔３１が設けられており、ターミナル６が挿入さ
れるとともに端子孔３１とターミナル６との間には導電
性ペースト７が充填されている。端子孔３１の上部は皿
繰りされてターミナル６および導電ペースト７を挿入し
易くされている。ターミナル６の下端部は、接着剤４層
を貫通して電極パッド５１に接しており、導電性ペース
ト７によって低い抵抗値で接着されている。
【００２２】基板３に穿たれた端子孔３１の下端が直角
であるときには、この孔を介して供給される導電性ペー
スト７が、接着剤層４に形成された空間に充分に充填さ
れない怖れがある。このことはターミナル６の抵抗値を
低めることにつながる怖れがある。これに対処するため
に、基板３に穿った端子孔３１の下端を例えば皿繰りす
るなどによってテーパを設けて、導電性接着剤の流入を
たやすくすることによって接着剤層４に設けられた空間
に充分流入させることができ、ターミナル６と電極パッ
ド５１の接続の信頼性を向上させることができる。
【００２３】さらに、電極パッド５１および引出線５３
を、ダイヤフラム２が変形しない接着剤４層で覆われる
位置に配置することによって、ターミナル６にダイヤフ
ラム２の変形が伝達されることを防ぐことができる。
【００２４】基板３の底面３２は、ダイヤフラム２の変
形が間隙８の高さ以上に変形することを阻止する制限部
材（メカニカルストップ）として働き、ダイヤフラム２
の下面から加わる圧力が所定の値以上となったときに
も、ダイヤフラム２の過大な変形を阻止し、その破壊を
防いでいる。
【００２５】基板３の材料として、ダイヤフラムの構成
材料と同じ材料、すなわちアルミナまたはジルコニアの
セラミック（焼結体）、シリコン（Ｓi）、水晶等の絶
縁体を用いることが熱膨張係数の関係から望ましい。さ
らに、ダイヤフラムと対向する面を絶縁処理することに
よって、ダイヤフラムが接触してもブリッジ回路を短絡
することがなく、金属を基板として用いることができ
る。
【００２６】接着剤４は、材料として例えば低融点ガラ
スを用いて５０μｍ程度の間隙を形成するように基板３
とダイヤフラム２とを接着している。このように、ダイ
アフラム２と基板３と接着剤４で歪ゲージを密封するこ
とによって、湿度や雰囲気ガスに弱い歪みゲージを保護
することができる。
【００２７】低融点ガラスは、良好な弾性体であり、し
かも熱膨張率もセラミックと略同じであること（線膨張
係数：アルミナ＝７．１×１／１０6、低融点ガラス＝
５〜７×１／１０6）から、接着個所への応力の集中を
生じさせることがなくなり、良好な結果が期待できる。
接着剤としては、低融点ガラスの他、低融点ガラスの融
点温度が歪みゲージに悪影響を与える場合には熱硬化性
接着剤（最低硬化温度９０℃）を用いることもできる。
【００２８】ターミナル６から歪ゲージの出力信号が取
り出され、図示されない電子回路によって必要な電気出
力を得る。
【００２９】（実施例１）図３に、ダイヤフラム上の歪
ゲージパターンの他の例を示す。この例は、電極パッド
５１を集中させた点に特徴を有している。すなわち、電
極パッド５１はダイヤフラム２の一部分に集められ、ダ
イヤフラムの他の端に位置する抵抗体５２の接続点が引
出線５３を介して引き回され、外部に電気出力を取りだ
すための電極パッド５１に接続されている。
【００３０】（実施例２）図４を用いて、本発明にかか
る歪ゲージ式圧力検出装置１の他の実施例を説明する。
本実施例にかかる歪ゲージ式圧力検出装置１は、表面に
抵抗体５からなる歪ゲージを形成した絶縁性のダイヤフ
ラム２と絶縁性の基板３を直接接合して積層することに
よって構成される。
【００３１】ダイヤフラム２と基板３との接合は、例え
ば、低融点ガラスペーストを塗布し、焼成する方法によ
ってなされる。この実施例のダイヤフラム２は、図３に
示したダイヤフラムが用いられている。ダイヤフラム２
の表面には、電極パッド５１と抵抗体５２と、抵抗体と
電極パッドを接続する引出線５３が、例えばスパッタリ
ングによって形成されている。基板３は、ダイヤフラム
と同形状のアルミナ等のセラミックから形成され、基板
３の下面３２には所定の深さの窪み３３が形成されてい
る。この実施例によれば、窪み３３の深さがダイヤフラ
ムの変形の大きさを決定することになり、メカニカルス
トップの働きを精度高く設定することができる。
【００３２】（実施例３）図５および図６を用いて、上
記歪ゲージ式圧力検出装置を用いた歪ゲージ式圧力検出
装置の１実施例の構造を説明する。図５は歪ゲージ式圧
力検出装置の上面図であり、図６は同じく一部破断側面
図である。この圧力検出装置１０は、圧力検出装置１の
絶縁性の基板４のダイヤフラム２と対向する底面３２と
反対側の表面３４上に電子回路用配線パターンを直接設
け、各種回路素子を配置固定したことを特徴とする。
【００３３】基板４上に形成された配線パターン９は、
所定の形状に配置された配線９１と、基板３の端子孔３
１の上部に設けた皿繰り部に設けた複数の端子パッド９
２と、電源および信号取出用の複数の電極パッド９３
と、配線９１上にハンダ付けされたコンデンサおよび抵
抗ならびにＩＣ等の複数の回路素子９４とから構成され
ており、端子パッド９２とターミナル６は、例えば導電
性ペースト７によって電気的に接続されている。
【００３４】電子回路を実装する基板は温度や湿度で歪
み出力電圧を狂わせる原因になっていることから、セラ
ミック基板を使用するのが良いと考えられる。しかしな
がら、セラミック基板はガラスエポキシ樹脂基板に比較
して高価であるが、本実施例では、基板３をセラミック
で構成しているので、基板３自体を電子回路用の基板と
して使用した。このような構成とすることによって、電
子回路を絶縁性の基板３上に直接配置することができ、
圧力センサを構成する部品点数を減少させることができ
る。
【００３５】（実施例４）図７および図８を用いて、上
記歪ゲージ式圧力検出装置を用いた歪ゲージ式圧力検出
装置の他の実施例の構造を説明する。図７は歪ゲージ式
圧力検出装置の上面図であり、図８は同じく一部破断側
面図である。この圧力検出装置１０は、圧力検出装置１
の絶縁性の基板４のダイヤフラム２と対向する底面３２
と反対側の表面３４上に電子回路用配線パターンを設け
た回路基板９０を接着等によって固着し、各種回路素子
を配置固定したことを特徴とする。配線パターン９は、
セラミック等からなる回路基板９０上に設けられ、所定
の形状に配置された配線９１と、基板３の端子孔３１の
上部に設けた皿繰り部に設けた複数の端子パッド９２
と、電源および信号取出用の複数の電極パッド９３と、
配線９１上にハンダ付けされたコンデンサおよび抵抗な
らびにＩＣ等の複数の回路素子９４とから構成されてお
り、基板４３を貫通したターミナル６は、折り曲げられ
て端子パッド９２にハンダ付けされて、電気的に接続さ
れている。このように、電子回路を絶縁性の回路基板９
０の上に配置し、絶縁性の基板３上に接着する構成とす
ることによって、回路の変更が容易となり、仕様の変更
に迅速に対応することができる。
【００３６】（実施例５）図９を用いて、本発明にかか
る圧力検出装置を用いた圧力検出装置組立体の構成を説
明する。この組立体は、上面に回路基板９０が接着され
て構成された圧力検出装置１０を金属容器２００および
樹脂製容器３００内に収納して構成される。
【００３７】圧力検出装置１０は、図７，８に示した圧
力検出装置と略同様な構造を有しており、貫通孔を有す
る下部金属容器２００の内部に設けた肩部に弾性部材の
パッキング２５０を介して載置されるとともに、ターミ
ナル３０１を有する上部樹脂製容器３００とで構成され
る空間内に収容固定される。下部金属容器２００の上端
部開口付近は肉薄に形成され、この肉薄部をかしめて前
記開口内に挿入された上部樹脂性容器３００の肩部を固
定している。電子回路基板９０上に設けた電極パッドと
上部金属容器に設けたターミナル３０１との間をフレキ
シブル基板９９で接続し、電気信号を外部に取り出して
いる。
【００３８】以上のように、この実施例によれば、ダイ
ヤフラム２の受圧面周辺にゴム製のシール材（パッキン
グ）２５０を用いて支持したので、圧力による変形をタ
ーミナル６に伝達することなく、応力を正確に伝達、測
定することができる。
【００３９】圧力媒体のシールはゴム材（パッキング）
等により行われるが、その媒体に合わせて材質は適宜替
えることができる。
【００４０】本発明にかかる圧力検出装置は、ダイヤフ
ラムの厚さを０．２〜２．０ｍｍ程度に形成すること
で、３０〜数百kgｆ／cm2の圧力を測定できる。実際
に、板厚０．７ｍｍ程度のダイヤフラムに生ずるたわみ
量は中心部で８μｍ程度得られるので、ここから電気的
出力として８ｍＶ程度を取り出すことができる。さら
に、本発明にかかる圧力検出装置の圧力対応範囲は、ダ
イアフラム２の厚さを変えることによって、加圧時の最
大変位を５．３μｍとすると、対応圧力範囲は、ダイア
フラム２の板厚が０．２ｍｍのとき０．５kgf／cm2の微
圧から、ダイアフラム２の板厚が１．５ｍｍのとき２０
０kgf／cm2の高圧まで対応することができる。
【００４１】（実施例６）上述の実施例では、ダイヤフ
ラム２の表面に形成する抵抗体５２−１〜５２−４は、
図１１に示すようにいずれも折返部が直角に形成されて
いることから、レーザトリミングによって抵抗値を調整
する時に折返し部の内角からマイクロクラックが発生す
るというメカニズムと類似した現象として、圧力が繰返
し加えられる環境で長時間使用すると、ダイヤフラム２
からの歪みが抵抗体に伝えられた際に、折返し部の角部
に応力が集中して内側の角から抵抗体５２にマイクロク
ラックが生じ、抵抗ゲージの検出値に変動に伴う誤差を
生じる怖れがある。
【００４２】また、抵抗ゲージ５２−２，５２−３のよ
うに弧状に配列された抵抗体５２の内側円弧を形成する
部分は、隣接する抵抗体が互いに接近することとなっ
て、隣接する抵抗体間の絶縁耐力が小さくなるととも
に、製造時や使用時に抵抗体間の短絡を生じる怖れが有
り、抵抗体５２のパターンを微細なものとするには限界
を生じている。
【００４３】本実施例は、このような問題を解決するも
のであって、図１２に示すようにダイヤフラム２の表面
に形成する抵抗体５２−１〜５２−４の折返し部分や折
り曲げ部分の角を無くして円形に形成することによっ
て、折返し部の内側の角から抵抗体５２へ向けてマイク
ロクラックが生じることを阻止するとともに、隣接する
抵抗体間の距離を広くして抵抗体間の絶縁耐力を向上さ
せ、さらに、抵抗体５２のパターンをより微細とするこ
とを可能とした。
【００４４】（実施例７）本実施例は、別の構成によっ
て上記問題を解決するものである。すなわちこの実施例
では、図１３に示すようにダイヤフラム２の表面に形成
する抵抗体５２−１〜５２−４の折返し部５２Ｂの幅ｔ
ｂを抵抗体部（ゲージ部）５２Ａの幅ｔａより大きくす
ることによって、折返し部５２Ｂの抵抗値を小さくしゲ
ージ部としての働きを減少させた。このことによって、
折返し部の内側の角から抵抗体５２へ向けてマイクロク
ラックが生じても、この折返し部５２Ｂの抵抗値の変化
は測定値に影響をおよぼすことが少なくなり、マイクロ
クラックの発生による測定値への影響を減少させること
ができる。
【００４５】この実施例の構成は、図１３（Ａ）に示す
ように、図１１や図１２に示した外側ゲージ部５２−
２，５２−３のみならず、図１３（Ｂ）に示すように、
内側ゲージ部５２−１，５２−４にも適用することがで
きる。さらにこの実施例は、実施例５に示された抵抗体
５２−１〜５２−４の折返し部分を円形に形成する手法
を併用することによって、実施例５の働きをも併せて持
つことができる。
【００４６】（実施例８）図１４を用いて他の実施例を
説明する。本実施例は、さらに他の方法で上記問題を解
決するものである。実施例７では、折返し部分５２の幅
を広くしてこの部分の抵抗値を小さくしたが、本実施例
は折返し部５２Ｂを固有抵抗値の小さい材料、例えば銀
−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金を用いてスクリーン印
刷により形成し、その後ゲージ抵抗用の材料例えば、酸
化ルテニウム（ＲｕＯ2）を用いてゲージ抵抗部５２Ａ
をスクリーン印刷により形成する。このように、折返し
部５２Ｂの抵抗値を小さくすることによって、折返し部
の内側の角から抵抗体５２へ向けてマイクロクラックが
生じても、この折返し部５２Ｂの抵抗値の変化は測定値
に影響をおよぼすことが少なくなり、マイクロクラック
の発生による測定値への影響を減少させることができ
る。この方法は、異なる抵抗値の材料を用いてそれぞれ
別に印刷するものであり、印刷の順序は、抵抗値が変化
するので、折返し部Ｂ印刷後、ゲージ抵抗部５２Ａを印
刷するのが望ましい。
【００４７】この実施例の変形として、折返し部５２Ｂ
の印刷をゲージ抵抗部５２Ａの印刷よりも多い回数印刷
することによって、折返し部５２Ｂの厚みを厚くし低抵
抗とすることでも同様の効果を得ることができる。
【００４８】（実施例９）また、金属ダイヤフラム上に
絶縁物を形成しその上に歪ゲージを形成するような方法
の場合、金属と絶縁物と歪ゲージを構成する抵抗体の熱
膨張係数が異なることから圧力検出装置の温度特性に影
響を与える。また、高温域での使用は、歪ゲージの材質
や絶縁物の物性によって左右され易い。
【００４９】本実施例は、このような問題を解決するも
ので、ダイヤフラム２上に設ける歪ゲージを、酸化ルテ
ニウム（ＲｕＯ2）ペーストまたは銀−パラジウム（Ａ
ｇ−Ｐｄ）合金ペーストを用いて歪ゲージのパターンを
印刷した後、焼成して構成した。例えば、アルミナから
なるセラミックダイヤフラム上に酸化ルテニウム（Ｒｕ
Ｏ2）ペーストを用いてスクリーン印刷により線幅０．
２ｍｍ厚み１０μｍの歪ゲージパターンを印刷し、その
後大気雰囲気中で８５０℃で１０分間焼成して歪ゲージ
パターンを得た。
【００５０】この方法によれば、歪ゲージの印刷および
焼成を連続した工程で行うことができるので、量産性が
高く、また抵抗体を構成するペーストは一般的な材料で
あるので、製造コストの低い圧力検出装置を得ることが
できる。また、絶縁体であるセラミック上に歪ゲージを
印刷焼成するので、耐電圧特性を高くすることができ、
さらに、ゲージがセラミックと非常に堅く結合するの
で、圧力検出の際の応力が確実に歪ゲージに伝わり高い
制度で圧力を測定することができるとともに、ダイヤフ
ラムに応力を生じさせた状態で１３５℃雰囲気に２００
０時間以上放置した後も安定した特性を得ることができ
る。また、セラミックが弾性体様の働きを発現するの
で、経時変化の少ない圧力検出装置を得ることができ
る。さらに、抵抗ペーストの組成を調整することによっ
て広範囲の特性のシート抵抗を得ることができ、様々な
仕様に対応することができる。
【００５１】（実施例１０）上記実施例に示された圧力
検出装置の歪ゲージを酸化や湿度などの外部環境による
マイグレーションやから保護することを目的として、エ
ポキシ系樹脂などを用いたコーティングがなされてい
る。しかしながら、エポキシ系樹脂などは、一般的に耐
温度特性があまり高くないことから、本発明のように５
００℃以上の温度でガラスを封止したり、高温度で使用
する場合には、コーティングの劣化が生じる怖れがあ
る。
【００５２】本実施例は、このような問題を解決するも
ので、上記圧力検出装置において、歪ゲージ５の上面を
ガラスまたは高温セラミック接着剤、高温無機質バイン
ダーなどの保護材料で覆った後焼成してオーバーコート
５５を設けた。また、本実施例は、上記保護材料を封着
ガラスよりも融点の高いガラスを用い、さらに、上記保
護材料を焼成するときにそのガラスの推奨する焼成条件
とは異なる条件で焼成し、オーバーコートガラスの強度
を低くした。
【００５３】本実施例の構成を図１５に示す。本実施例
にかかる歪ゲージ式圧力検出装置１は、表面に抵抗体５
からなる歪ゲージを形成した絶縁性のダイヤフラム２と
絶縁性の基板３を所定の厚みの接着剤４層を介して積層
することによって構成される。
【００５４】ダイヤフラム２には、表面に電極パッド５
１と抵抗体５２−１〜５２−４と、抵抗体と電極パッド
を接続する引出線５３が、例えばスクリーン印刷によっ
て形成されている。抵抗体５２−１〜５２−４は、ブリ
ッジ状に接続されて歪ゲージを構成し、各抵抗体５２を
接続する各接続点が引出線５３を介して外部に電気出力
を取り出すための電極パッド５１に接続されている。
【００５５】絶縁性ダイヤフラム２は、直径２１ｍｍ、
厚さ０．２〜２．０ｍｍ程度の円形に形成された、例え
ば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）製セラミック薄板から構成さ
れ、その表面に、常用された手法、例えばスクリーン印
刷によって抵抗体５がブリッジ状に配置されて歪ゲージ
が形成されている。抵抗体５２−１〜５２−４の表面に
は、接着剤層４よりも融点の高いガラスを用いて被覆層
５５が形成されている。
【００５６】圧力の様な応力が印加されたことによって
生じるダイヤフラム２の機械的な変形は、歪ゲージを構
成する抵抗体５２の抵抗値を変化させブリッジの電気的
出力の変化に変換される。この印刷パターンによって構
成される抵抗体の抵抗値は、レーザによるトリミングな
どによって調整され、ダイヤフラムに加わる圧力に比例
した出力電圧を得ることができる。
【００５７】ダイヤフラム２および基板３は、アルミナ
またはジルコニアのセラミック、シリコン（Ｓi）の結
晶体もしくは非結晶体、水晶等の絶縁体を用いて構成さ
れる。接着剤４は、材料として例えば低融点ガラスを用
いて５０μｍ程度の間隙を形成するように基板３とダイ
ヤフラム２とを接着している。このように、歪ゲージ５
をガラスで被覆することによって、湿度や雰囲気ガスに
弱い歪みゲージを保護することができる。
【００５８】本実施例によれば、歪ゲージの表面を高融
点のガラスや高温セラミックを用いて覆うので、組立時
の封着材を焼成するときにも保護材が溶融せず被覆の劣
化を防ぐことができる。また、被覆材は高い絶縁性およ
び機械的強度を有するので、信頼性の高い圧力検出装置
を得ることができる。さらに、歪ゲージの表面を保護材
で覆うので、万が一周囲の封着ガラスに欠陥が生じた場
合でも、歪ゲージの劣化を防ぐことができる。
【００５９】
【発明の効果】以上のように、本発明に用いるアルミナ
またはジルコニア等のセラミックやシリコン等は、応力
に対してほぼ完全弾性体として働き、高い曲げ強度、高
耐食性、微少な機械的ヒステリシスといった特徴を持つ
ので、歪ゲージ式圧力検出装置のダイヤフラムとして用
いることによって、高精度で再現性の高い圧力検出装置
を構成することができる。
【００６０】ダイヤフラム２と基板３の底面３２との間
隔を最適な大きさに設計することで、ダイヤフラム２に
過大な圧力がかかった際にメカニカルストップを施して
許容応力を維持することができるので、定格の圧力測定
範囲において大きな変化を得ることができ、また、ダイ
ヤフラムの厚みを変えることによって圧力検出装置の測
定レンジを極微圧から高圧までカバーすることができ
る。
【００６１】圧力検出装置の締め付け部と歪ゲージが構
成されているダイヤフラムは分離されているので、過大
なトルクによって締め付けたり、落下等の衝撃の影響に
よって圧力検出装置の出力が変動しにくい。
【００６２】静電容量式圧力センサにおいては、ダイヤ
フラムと基板に形成された電極間のギャップの数ミクロ
ンばらつきが圧力検出装置としての性能を大きく左右す
るが、本発明になる歪ゲージ式圧力検出装置は、ダイヤ
フラム２と基板３の底面３２との間の間隙のばらつき自
体が出力特性に影響を及ぼさないので、ダイヤフラム２
と基板３を低融点ガラスや接着剤等によって接着するこ
とができ、製造時のコストを大幅に軽減することができ
る。
【００６３】ダイヤフラム２と基板３の間の空間８を低
融点ガラス等を用いて密封することによって、冷凍サイ
クル等の密閉サイクル中の使用において、圧力検出装置
が位置する高度にともなう気圧の変化による出力エラー
を防止できるとともに、この空間内に低湿度で不活性の
雰囲気を作ることができるので、歪ゲージの防湿処理お
よび周辺部からの汚染によるマイグレーション等の腐食
から歪ゲージを守ることができる。さらに、このよう
に、密封構造とすることによって、万が一ダイヤフラム
２が破壊した場合でも基板３によって圧力媒体の急激な
放出を防止することができる。
【００６４】圧力の変化を電気出力に変換する電子回路
の構成が、静電容量式に比べて簡単であり、かつ、電気
的特性として優れたものが得られる。
【００６５】本発明の実施例６によれば、抵抗体の折返
し部の角の角度を無くして円形とすることによって、マ
イクロクラックなどの発生を阻止し、高い信頼性を得る
ことができる。また、局所的な抵抗体パターンの間隔の
減少を無くすことができ、製造時の歩留まりの向上を図
ることができるとともに、使用時の高い信頼性を得るこ
とができる。
【００６６】本発明の実施例７によれば、抵抗体の折返
し部の抵抗値を小さなものとすることによって、この部
分にマイクロクラックが万が一発生してもその影響を極
めて小さくすることができる。
【００６７】本発明の実施例８によれば、折返し部５２
Ｂの抵抗値を小さくすることによって、折返し部の内側
の角から抵抗体５２へ向けてマイクロクラックが生じて
も、この折返し部５２Ｂの抵抗値の変化は測定値に影響
をおよぼすことが少なくなり、マイクロクラックの発生
による測定値への影響を減少させることができる。
【００６８】本発明の実施例９によれば、歪ゲージの印
刷および焼成を連続した工程で行うことができるので、
量産性が高く、また抵抗体を構成するペーストは一般的
な材料であるので、製造コストの低い圧力検出装置を得
ることができる。さらに、絶縁体であるセラミック上に
歪ゲージを印刷焼成するので、耐電圧特性を高くするこ
とができ、さらに、ゲージがセラミックと非常に堅く結
合するので、圧力検出の際の応力が確実に歪ゲージに伝
わり高い制度で圧力を測定することができるとともに、
ヒートサイクルを繰り返してもドリフトの少ない安定し
た特性を得ることができる。また、セラミックが弾性体
様の働きを発現するので、経時変化の少ない圧力検出装
置を得ることができる。さらに、抵抗ペーストの組成を
調整することによって広範囲の特性のシート抵抗を得る
ことができ、様々な使用に対応することができる。
【００６９】本発明の実施例１０によれば、歪ゲージの
表面を高融点のガラスや高温セラミックを用いて覆うの
で、組立時の封着材を焼成するときにも保護材が溶融せ
ず被覆の劣化を防ぐことができる。また、被覆材は高い
絶縁性および機械的強度を有するので、信頼性の高い圧
力検出装置を得ることができる。さらに、歪ゲージの表
面を保護材で覆うので、万が一周囲の封着ガラスに欠陥
が生じた場合でも、歪ゲージの劣化を防ぐことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる圧力検出装置の構造を説明する
縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線における横断面図。
【図３】電極パッドの他の配置を示す横断面図。
【図４】ターミナルの他の配置を示す縦断面図。
【図５】本発明にかかる圧力検出装置の構造の概念を説
明する平面図。
【図６】図５に示す圧力検出装置の縦断面。
【図７】本発明にかかる圧力検出装置の他の構造の概念
を説明する平面図。
【図８】図７に示す圧力検出装置の縦断面。
【図９】本発明にかかる圧力検出装置の構造を示す組立
断面図。
【図１０】従来の圧力検出装置の構造を示す断面図。
【図１１】図７に示す圧力検出装置の抵抗体の形状を説
明する平面図。
【図１２】本発明にかかる圧力検出装置の実施例６の構
造を示す平面図。
【図１３】本発明にかかる圧力検出装置の実施例７の構
造を示す平面図。
【図１４】本発明にかかる圧力検出装置の実施例８の構
造を示す平面図。
【図１５】本発明にかかる圧力検出装置の実施例１０の
構造を示す平面図。
【符号の説明】
１ 圧力検出装置 ２ ダイヤフラム ３ 基板 ３１ 端子孔 ３２ 底面 ３３ 窪み ３４ 上面 ４ 接着剤層 ５ 抵抗体 ５１ 電極パッド ５２抵抗 ５３ 引出線 ５５ 被覆材 ６ ターミナル ７ 導電性ペースト ８ 間隙 ９ 回路パターン ９０ 回路基板 ９１ 配線 ９２ 端子パッド ９３ 電極パッド ９４ 回路素子 ９９ フレキシブル基板 ２００ 容器 ２５０ 弾性部材 ３００ 容器

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤフ
    ラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向し
    て配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から所
    定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧力
    検出装置において、 ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラミッ
    クもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用した圧
    力検出装置。
  2. 【請求項２】 基板が、ダイヤフラムと同様の材質また
    はダイヤフラムと対向する面を絶縁処理した金属で構成
    される請求項１記載の圧力検出装置。
  3. 【請求項３】 ダイヤフラムと基板を固着手段を用いて
    固着した請求項１または請求項２記載の圧力検出装置。
  4. 【請求項４】 固着手段が低融点ガラスまたは熱硬化性
    樹脂からなる接着剤である請求項３記載の圧力検出装
    置。
  5. 【請求項５】 接着剤に所定の径の間隙形成部材を混入
    した請求項４記載の圧力検出装置。
  6. 【請求項６】 基板の底面に窪みを設け、間隙を形成し
    た請求項１ないし請求項４のいずれか記載の圧力検出装
    置。
  7. 【請求項７】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤフ
    ラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向し
    て配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から所
    定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧力
    検出装置の前記基板の表面に電子回路配線パターンを形
    成したことを特徴とする圧力検出装置。
  8. 【請求項８】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤフ
    ラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向し
    て配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から所
    定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧力
    検出装置の前記基板の表面に電子回路配線パターンを形
    成した回路基板を貼付たことを特徴とする圧力検出装
    置。
  9. 【請求項９】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤフ
    ラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向し
    て配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から所
    定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧力
    検出装置の前記基板の表面に電子回路を載置し、弾性部
    材を介して容器の中に固定したことを特徴とする圧力検
    出装置。
  10. 【請求項１０】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤ
    フラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向
    して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から
    所定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧
    力検出装置において、 ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラミッ
    クもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用し、 基板に設けた歪ゲージ用抵抗体の折返し部の角部の角を
    無くして円形とした圧力検出装置。
  11. 【請求項１１】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤ
    フラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向
    して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から
    所定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧
    力検出装置において、 ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラミッ
    クもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用し、 基板に設けた歪ゲージ用の抵抗体の折返し部の抵抗値を
    小さなものとした圧力検出装置。
  12. 【請求項１２】 基板に設けた抵抗ゲージ用の抵抗体の
    折返し部分を低抵抗材料で形成して抵抗値を小さくした
    請求項１１記載の圧力検出装置。
  13. 【請求項１３】 基板に設けた抵抗ゲージ用の抵抗体の
    折返し部分の幅を広くして抵抗値を小さくした請求項１
    １記載の圧力検出装置。
  14. 【請求項１４】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤ
    フラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向
    して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から
    所定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧
    力検出装置において、 ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラミッ
    クもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用し、 基板に設けた歪ゲージ用の抵抗体を印刷によって設けた
    圧力検出装置。
  15. 【請求項１５】 抵抗体の材料として銀−パラジウム合
    金ペーストもしくは酸化ルテニウムペーストを用いて、
    印刷・焼成により抵抗体を構成した請求項１４記載の圧
    力検出装置。
  16. 【請求項１６】 表面に歪ゲージを有する絶縁性ダイヤ
    フラムと、ダイヤフラムの歪ゲージを設けた表面に対向
    して配置されるとともに歪ゲージを設けた前記表面から
    所定の間隔を保持して底面が位置する基板とからなる圧
    力検出装置において、 ダイヤフラムにアルミナまたはジルコニア等のセラミッ
    クもしくはシリコンまたは水晶等の絶縁体を使用し、 基板に設けた歪ゲージ用の抵抗体の表面を保護材料で覆
    った圧力検出装置。
  17. 【請求項１７】 保護材料として、封止部材の焼成温度
    より高い融点を有するガラスを用いた請求項１６記載の
    圧力検出装置。
JP9098975A 1996-09-19 1997-04-16 圧力検出装置 Pending JPH10148591A (ja)

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ES97116173T ES2163696T3 (es) 1996-09-19 1997-09-17 Sensor de presion.

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JP24771196 1996-09-19
JP8-247711 1996-09-19
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