JPS5811015B2

JPS5811015B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JPS5811015B2
Application number: JP53134034A
Authority: JP
Inventors: 古沢薫; 小池光麿; 武本達之助
Original assignee: Meisei Electric Co Ltd
Current assignee: Meisei Electric Co Ltd
Priority date: 1978-10-31
Filing date: 1978-10-31
Publication date: 1983-03-01
Also published as: JPS5560832A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野この発明は、圧電振動体、特に水晶振動子を用いて、力
、特に気体又は液体の圧力に感応してその圧力に比例し
た電気信号を生成する圧力センサに関する。

背景技術従来から知られている圧力センサとして圧電振動体、特
に水晶振電子、を使用したものに於いて、受感する力の
作用点が局限され又は点状であるようなものが多い反面
、気体又は液体、即ち流体が雰囲気である場合のその雰
囲気圧力を受ける場合のように、雰囲気圧力を測定する
場合のセンサとして良好な構造のものが必ずしも得られ
ていなかった。

一方、圧電振動体、特に水晶振動子、を使用して力を受
感すると発振回路を形成してその発振出力の周波数値を
利用して力を測定することができ、この場合、得られる
信号が周波数値と言うディジタル処理に好適なものであ
るので、圧電振動体を用いて力もしくは圧力を受感する
センサを構成することは極めて好ましいことである。

発明の目的この発明は、気体又は液体即ち流体の圧力を測定するに
適する圧電振動体を使用したセンサの新規な構造を得る
ことを目的とする。

発明の開示この発明のセンサは、板状の圧電振動体を用い、その中
央部分が振動することによって生じる電気信号（振動周
波数）を取り出す。

圧電振動体の中央の振動部を非接触に覆って受感用の曲
面体（特に球面体）を取り付け、曲面体の周縁は圧電振
動体の周縁に固着する。

曲面体が受感した力もしくは圧力は固着部を介して圧電
振動体に伝達され、圧電振動体を変形させることにより
その変形に応じて発振周波数（固有振動数）が変化する
ので、その振動数に基いて受感する力を知ることができ
る。

曲面体は力もしくは圧力を受感し且つ伝達する媒体であ
るとともに、圧電振動体、特にその振動部分とその振動
部分に取り付けられた電極を雰囲気流体から遮蔽するカ
バーとして機能するので、圧電振動体の電極が取付けら
れている板面の各々（板状の圧電振動体の振動部分の表
面及び裏面）を曲面体カバーによって覆うのが良い。

これはまた、圧電振動体に作用する力を均一にすること
にも役立つ。

発明の効果曲面体として球面を設定して実施する場合、測定しよう
とする雰囲気流体の力が均一に受感部（球面部）に作用
し、誤差なく流体圧測定をすることができる。

発振周波数（発振回路の出力信号）はディジタル値とし
て得られるものであるので、遠隔伝送をする場合、計算
機を用いて計測結果を処理する場合、その曲のデータ処
理をする場合に適する。

発明を実施するための最良の形態圧電振動体として板状の水晶片を使用し、これを円板状
としてその中心部の表裏両面に電極を取り付けて中心領
域の振動モードにより得られる振動周波数信号を取り出
す。

曲面体は球面曲率を有するように形成し、表面及び裏面
の夫々のカバーを兼ね、電極部分が雰囲気に露出しない
ようにする。

以下実施例を示す図面を引用して説明する。

円板状の水晶片（以下水晶振動子１と言う。

）の上面の周縁部は上方の曲面体４１の周縁部４１１の
下面と相互に固定し、又下面の周縁部は下方の曲面体４
２の周縁部４２１の上面と相互に固定する。

上方の曲面体４１は上方カバーを兼ね、又下方の曲面体
４２は下方カバーを兼ね、これらの水晶振動子１との固
定部は水晶振動子１の周縁部に於いて円環状になる。

これら上方カバー４１及び下方カバー４２のドーム部分
は、測定すべき雰囲気（外部）の力もしくは圧力を受感
する受感部として機能する。

上方カバー４１のドーム部分（縁４１１以外の部分）に
作用する力を均一にし、又上方カバー４２のドーム部分
に作用する力を均一にし、且つ上方カバー４１に作用す
る力と下方カバー４２に作用する力とを同じにするため
に、上方カバー４１の曲率中心と下方カバー４２の曲率
中心とを共通に通る軸線が水晶振動子１の円板の中心を
水晶振動子１の上面及び下面を垂直に貫くように配置し
、且つこの場合上方カバー４１、下方カバー４２の曲率
を同じに設定するとともに上方カバー４１、下方カバー
４２の構造の寸法（例えば厚さなど）、材質とその処理
を同じに設定し、更に水晶振動子１の上面及び下面を平
行にして全体を同じ厚さに設定する。

水晶振動子１は雰囲気温度の変化によっては振動周波数
が四人的に影響されないことが望ましい。

このためには、ＡＴカット又はいくらか劣るがＢＴカッ
トのものなどを使用する（但し、このようなカット以外
の截出角のものが使用できないことを意味するものでは
ない）。

一般には、センサの使用目的、測定すべき圧力の大きさ
、変化範囲、使用環境（測定すべき流体を含む。

）の温度雰囲気の状況（温度値、その変化状況）などを
勘案して適宜な截出角のものを選択する。

上方カバー４１、下方カバー４２の材質は適度の可撓性
（弾性）及び剛性を有し、且つ可及的に水晶振動子１の
温度特性（発振周波数偏移温度特性の影響を考慮する場
合はその水晶振動子１の温度特性と同じ温度特性）を有
する材質のものを選定する。

このような要請に適する材質ものは、例えばニッケルク
ローム鋼、パーマロイ、ステンレス鋼などの中に見出す
ことができる。

又可撓性と剛性との兼ね合いについては上方カバー４１
、下方カバー４２の厚さの点からの考慮も行う。

上面の電極２１は電気信号取出しリード（以下リードと
言う。

）３１に接続し、又下面の電極２２はリード３２に接続
する。

水晶振動子１の上面と上方カバー４１との間には内部の
上方空間５１が形成され、水晶振動子１の下面と下方カ
バー４２との間には内部の下方空間５２が形成される。

これらの上方空間５１及び下方空間５２は既知の基準圧
力を保つように適宜の流体を封入する（例えば水晶振動
子１の材質、電極２１，２２の材質及び上方カバー４１
、下方カバー４２の材質に化学的影響を与えることのな
いガス等を封入：このためには、ガス等の種類、性質を
選定する他にこのガス等に接する箇所を力学的もしくは
電気的に影響のないような態様でガス等に侵されない種
類の物質によって皮膜コートを施すのでもよい。

）か又は真空であるようにし且つ上方空間５１及び下方
空間５２ともに同じ既知圧力（基準もしくは標準となる
圧力、又は同じ真空度）であるように設定する。

液体又は気体の圧力を測定する場合、適宜の支持構体に
取付けて測定すべき液体、気体の雰囲気中に置く。

第４図に示した場合は、必要に応じて箱（又は室）６の
中にセンサを置き、流通ロア１７２の一方から流体を導
入して他方から導入するとか又は流通ロア１の開閉弁８
１，７２の開閉弁８２の一方を閉じて他方から導入する
とかして測定する。

箱６の内部に導入する圧力Ｐは上方カバー４１及び下方
カバー４２に対して押圧力Ｐ１又は引き出し力Ｐ２のい
ずれかとして作用し、この力Ｐ１又はＰ２は縁４１１，
４２１を介して内部の水晶振動子１に対し外向きの伸張
力Ｆ１（圧力が上方カバー４１、下方カバー４２に対し
て押圧力Ｐ１として作用する場合）又は内向きの圧縮力
Ｆ２（圧力が上方カバー４１、下方カバー４２に対して
引き出し力Ｐ２として作用する場合）として作用し、水
晶振動子１の発振周波数がそれに対応した値に移行する
。

この場合導入流体の圧力Ｐが、センサの内部の上方空間
５１、下方空間５２の圧力より大きければ押圧力Ｐ１と
して作用し、上方空間５１、下方空間５２の圧力より小
さければ引き出し力Ｐ２として作用する。

なお、上方空間５１、下方空間５２が真空ならば押圧力
Ｐ１が作用する。

上方カバー４１、下方カバー４２のドーム部分の曲率が
大きいと感度が良く曲率が小さい程感度が低くなるが、
使用目的等に対応して適宜の値に設定する。

箱６がなくて解放雰囲気であっても測定の作動は同様で
ある。

なお、第４図にはセンサを支持する構造物を示してない
が、これは振動に関係ない部分（例えば縁４１１，４２
１ないしはその間の水晶振動子１の側端部）を利用して
適宜の態様で取り付けることにより、センサを箱６のい
ずれかの箇所又は曲の装置の適宜の箇所に取付けること
ができる。

又、リード３１，３２も取付構体を支持基体として利用
する等適宜の手段によって導出する。

水晶振動子１が雰囲気流体によって化学的影響を受ける
ことを防止する必要がある場合は、側端部（縁４１１と
４２１との間）の箇所を雰囲気からの化学作用を受けな
い物質のものによって適宜覆う。

この場合、上方カバー４１、下方カバー４２も雰囲気か
らの化学作用を受けない材質のもの（外表面の皮膜コー
ティングでもよい）を使用する。

なお、以上の説明に於ける、上方、下方、上面、下面な
どの空間方向的相称は説明の便宜上の措辞であって同等
本質的なものではなく、実施例の図面について見た処に
準拠して相称して使用しているに過ぎない。

発展的実施例第５図はセンサ全体を支持する構造物とリードを支持す
る構造物を一体的に兼ねる構造物の実施例を示したもの
で、４１，４２は夫々すでに説明した上方カバー、下方
カバー（上方、下方の措辞は便宜上のもので、上、下の
ような方向性の相称を限定的に解する必要はない）と同
様の意味のものである。

この例の場合、４１１，４１２の記号で示した縁の部分
は上方カバー４１、下方カバー４２夫々の周縁部である
とともに水晶振動子１と上方カバー４１、下方カバー４
２との固定接続部として機能する他に、縁４１１と一体
的に造られてこれから延長された脚４１２、縁４２１と
一体的に造られてこれから延長された脚４２２を夫々備
えていて、これら脚４１２，４２２がセンサ全体を支持
する構造物として機能している。

実際的には、縁４２１に対応する環状体の部分と脚４２
２の部分を一体的に造ったものの環状体の部分を下方カ
バー４２の縁４２１の箇所に当接してその当接箇所を固
定的に接合もしくは接着する。

上方カバー４１についての脚４１２に関しても同様であ
る。

脚４１２の先端４１３、脚４２２の先端４２３は夫々プ
ラグ端子（第５図には雄端子のように示しであるが、雌
端子でも差し支えない。

）として機能するように作られている。

リード３１は脚の１つの面上に例えばプリント印刷によ
って設けられて先端であるプラグ端子４１３の箇所に導
かれる。

これについて、脚４１２の箇所（必要あれば周環状の縁
４１１の箇所を含めて）を電気絶縁物で作るか、又は少
くともプリント印刷のリード３１を担持する箇所は絶縁
物であるような適宜の処理を施したものとする。

脚４２２には他のリード３２（第５図には見えない。

）を同様にして設げる。

プラグ端子４１３，４２３をコネクタのジャック端子等
適宜の接続箇所に挿嵌することにより、水晶振動子１の
発振周波数信号をセンサの外部に取り出すことができ、
且つセンサ自体を空間配置的に支持することができる。

この場合、先端４１３．４２３はコネクタに嵌挿するこ
とに替えて基板上のプリント導入箇所の孔に先端４１３
゜４２３を挿入して、プリントしたリード３１゜３２と
基板上のプリント導体との電気接続を行うなどしてもよ
い。

第６図は、センサを支える脚自体を水晶振動子１の発振
信号を導出するリードに兼用している場合の実施例であ
る。

この場合、縁４１２，４２２及び脚４１２，４２２は導
電性のある金属で形成し、且つ上方カバー４１のドーム
部及びその縁４１１と一体に脚４１２を形成しく別体の
脚４１２を接合して一体的にするのでなく、当初からド
ーム部４１、縁４１１、脚４１２を同一材からの打抜成
形等により一体に造る）、同様に下方カバー４２のドー
ム部及びその縁４２１と一体に脚４２２を形成する。

この場合、脚４１２゜４２２は、夫々第１図、第２図及
び第３図のリード３１，３２をそれ自体で兼ねている。

上方カバー４１、下方カバー４２の材料としてさきに挙
げたものはこの場合の発振信号を導出するリード材料と
して使用できる。

水晶振動子１の振動信号を取り出す円心部の電極２２を
その周縁の導体２２１に導き、この周廻した導体２２１
の上に下方カバー４２の環状の縁４２１を重ねて接合（
構造的接合及び電気的接続）して水晶振動子１の発振信
号を脚４２２に導出する。

脚４２１に導出することも同様である。

先端４１３，４２３は第５図の場合と同様に例えば基板
上のプリント導体の箇所などに挿入してセンサ自体を支
持するとともに電気接続するなどの処理をする。

なお、第６図で脚４１１，４２１が屈曲して示しである
のは構造的な緩衝性を備えるための便宜による。

産業上の利用可能性この発明にかゝるセンサは、圧電振動体が発振周波数を
決定する主要な要素となるような形態で発振回路を構成
する一要素として使用される。

圧電振動体が受感した力は、発振回路の出力信号の周波
数値として把握され、受感した力の変化は周波数値の変
化として観測される。

周知のように、圧電振動体（水晶振動子）の発振周波数
即ち発振回路の出力と圧電振動体（水晶振動子）の受感
力とを比例関係によって得ることができるので、発振回
路の出力信号の周波数値に基いて受感力を知ることがで
きる。

センサの内部の上方空間及び下方空間に既知圧力の流体
を封入した場合は、その内部圧力と平衡した外圧（測定
すべき外圧）のときに基準の発振周波数を得るように設
定しておいてこれを基準状態とし、外圧がこれより増・
減したときにこれに対応して発振周波数が増・滅するよ
うに截出角度その曲の要因を設定する（水晶振動子が例
えばＡＴカットのときは外圧が増のときに発振周波数が
増又は減のいずれともなるように設定でき、又外圧が減
のときに発振周波数が減又は増のいずれともなるように
設定できるが、外圧が増のときに発振周波数が増ならば
外圧が減のときに発振周波数が減であるように、又外圧
が増のときに発振周波数が減ならば外圧が減のときに発
振周波数が増であるように組合せて設定する。

内部の上方空間及び下方空間が真空の場合は外部の絶対
圧力を測定することとなり、この場合外圧の単調変化に
対応する発振周波数の変化は単調である。

この発明のセンサは力の受感部（上方カバー、下方カバ
ー）の受感面積より広い範囲に於いて均一な発現分布を
するような場の力、特に気体又は液体の圧力、を測定す
る場合のセンサとして適する。

しかし、このような場合だけの用途に限定されるもので
なく、受感部に感じられた力が受感部の変形を通じて縁
の部分を介して圧電振動体の変形として伝達される限り
、受感部の中の部分的箇所だけで受感した力を測定する
場合のセンサとしても使用できる。

この発明のセンサは一般に小型、軽量のものとして得る
ことができ、又圧電振動体として水晶振動子を使用する
場合は外部の圧力の変化に対する発振周波数の変化は鋭
敏（感度か高い）であるので、この場合、内部空間を真
空に設定したものは、気象観測に於いてラジオゾンデに
吊下して放湯し上空の気圧を測定するときの気圧センサ
として使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までの各図はいずれもこの発明を説明
するためのもので、第１図は正面図、第２図は平面図（
上面図）、第３図は第２図に於いてＡ−Ａ矢視の側断面
図、第４図は圧力を測定する場合の一例を示す概念図、
第５図及び第６図は第１図に示すものの発展的実施例を
示す斜視図である。主な記号の意味は次の通りである。１・・・水晶振動子（圧電振動体）、２１，２２・・・
電極、２２１・・・導体、３１，３２・・・リード（電
気信号取出リード）４１・・・上方カバー（上方の曲面
体）、４２・・・下方カバー（下方の曲面体）、４１１
・・・上方カバーの縁、４２１・・・下方カバーの縁、
４１２゜４２２・・・脚、４１３，４２３・・・プラグ
、５１・・・内部の上方空間、５２・・・内部の下方空
間、６・・・箱又は室、７１，７２・・・流通口、８１
，８２・・・開閉弁、Ｐｌ、Ｆ２・・・上方カバー、下
方カバーに作用する力、Ｆｌ、Ｆ２・・・水晶振動子に
作用する力。

Claims

【特許請求の範囲】１板状の圧電振動体と、前記圧電振動体の振動部から
離隔して前記圧電振動体を覆うとともに周縁を前記圧電
振動体の周縁に固定し、かつ可撓弾性を備えだ曲面体を
有することを特徴とする圧力センサ。２、特許請求の範囲１に記載の圧力センサに於いて、圧
電振動体が水晶振動子であることを特徴とする圧力セン
サ。３特許請求の範囲１に記載の圧力センサに於いて、圧
電振動体の両面を曲面体で覆っである圧力センサ。４特許請求の範囲１又は３に記載の圧力センサに於い
て、曲面体が球曲率を有する面である圧力センサ。５板状の圧電振動体と、前記圧電振動体の振動部から
離隔して前記圧電振動体を覆うとともに周縁を前記圧電
振動体の周縁に固定し、かつ可撓弾性を備えた曲面体と
、前記曲面体の周縁と一体に形成されるとともに延長突
出した脚を有することを特徴とする圧力センサ。６特許請求の範囲５に記載の圧力センサに於いて、脚
を圧電振動体の発振信号を導出するリードの担持基体と
して利用しである圧力センサ。７特許請求の範囲５に記載の圧力センサに於いて、圧
電振動体の縁の個所に導体環を設けて前記圧電振動体の
振動信号を取り出す電極に接続し、前記導体環に導体か
らなる脚を接合した圧力センサ。