(57)【要約】【課題】重力による圧力誤差を軽減した高精度な圧力センサを提供する。【解決手段】筒型のハウジング１２の両端の開口部１２ａ、１２ｂを封止するダイアフラム（第１ダイアフラム１４、第２ダイアフラム１６）と、力の検出方向を検出軸とし、長手方向の両端を前記ダイアフラムに接続した感圧素子１８と、を有する圧力センサ１０であって、前記ダイアフラムに接続され、梃子の原理により前記ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記ダイアフラム掛ける反力生成部（第１反力生成部２０、第２反力生成部２２）を有してなる。【選択図】図１
2010025582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒型のハウジングの両端の開口部を封止するダイアフラムと、
力の検出方向を検出軸とし、長手方向の両端を前記ダイアフラムに接続した感圧素子と、を有する圧力センサであって、
前記ダイアフラムに接続され、梃子の原理により前記ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記ダイアフラムに掛ける反力生成部を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
筒型のハウジングと、
前記ハウジングの両端の開口部をそれぞれ封止する第１ダイアフラム、及び第２ダイアフラムと、
前記第１ダイアフラムに接続され、第１ウエイトを用いて梃子の原理により前記第１ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記第１ダイアフラムに掛ける第１反力生成部と、
前記第２ダイアフラムに接続され、第２ウエイトを用いて梃子の原理により前記第２ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記第２ダイアフラムに掛ける第２反力生成部と、
前記ハウジング内部に配置され、力の検出方向を検出軸とし、一端を前記第１ダイアフラムに接続し、他端を前記第２ウエイトに接続した感圧素子と、を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
前記第１反力生成部は、前記感圧素子を挟んで一対に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記第２反力生成部は、前記感圧素子を挟んで一対に形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記第１反力生成部、及び前記第２反力生成部は、前記ハウジングに固定された固定部を介してハウジングに固定されるとともに、前記固定部は前記ハウジングの側面中央部に固定されたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記第１ウエイト、及び前記第２ウエイトの少なくともいずれか一つの表面には金属膜が配設されたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記金属膜は、その一部または全部を剥ぎ取り可能であることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧素子、及びダイアフラムを用いた圧力センサに関し、特にダイアフラムの重力による撓みによって生じる圧力の測定誤差を減少させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水圧計、気圧計、差圧計などとして圧電振動素子を感圧素子として使用した圧力センサが知られている。前記圧電振動素子は、例えば、板状の圧電基板上に電極パターンが形成され、力の検出方向に検出軸を設定しており、前記検出軸の方向に圧力が加わると、前記圧電振動子の共振周波数が変化し、前記共振周波数の変化から圧力を検出する。特許文献１には、感圧素子として圧電振動素子を用いた圧力センサが開示されている。圧力導入口によりベローズに圧力が加わると前記ベローズの有効面積に応じた力がピボット（撓みヒンジ）を支点とした力伝達手段を介して圧電振動素子に圧縮或いは引張り力として力Ｆが加わる。前記圧電振動子には、前記力Ｆに応じた応力が生じることになり、前記応力により共振周波数が変化する。前記圧力センサは、圧電振動子に生じる共振周波数の変化を検出することにより圧力を測定するものである。
【０００３】
以下に、従来の圧力センサを、特許文献１に開示されている例を用いて説明する。図７は第１の従来技術の圧力センサの構造を示した模式図である。
図７に示す従来の圧力センサ１０１は、対向して配置された第１及び第２の圧力入力口１０２、１０３を有する筐体１０４と、筐体１０４の内部に力伝達部材１０５とを備え、力伝達部材１０５の一端を挟むように第１のベローズ１０６、および第２のベローズ１０７を接続している。そして、第１のベローズ１０６の他端を第１の圧力入力口１０２に接続し、第２のベローズ１０７の他端を第２の圧力入力口１０３に接続している。さらに、力伝達部材１０５の他端と基板１０８のピボット（支点）ではない方の端部との間に、感圧素子として双音叉型振動子１０９を配置している。
【０００４】
ここで、圧力センサにおいて、高精度に圧力を検出する場合、ベローズの内部には、液体が充填されている。前記液体としては、ベローズの内部や内部の蛇腹部分に気泡が入り込んだり溜まらないようにするため、一般的に粘性の高いシリコンオイルなどのオイルが用いられている。
【０００５】
このように、第１のベローズ１０６の内部には、粘性のあるオイル１１０が充填されており、圧力測定の対象が液体の場合には、第１の圧力入力口１０２に開けられた開口部１１１により液体とオイル１１０とが接触して相対する構造となっている。なお、開口部１１１はオイル１１０が外部に漏れないような開口径が設定されている。
【０００６】
このような構成の圧力センサ１０１においては、圧力測定の対象となる液体より圧力Ｆが第１のベローズ１０６の内部に充填されているオイル１１０に加わると、第１のベローズ１０６を経て圧力Ｆが、力伝達部材１０５の一端に加わる。一方、第２のベローズ１０７には、大気圧が加わっており、大気圧に相当する力が力伝達部材１０５の一端に加わっている。
【０００７】
この結果、力伝達部材１０５の他端を介して、圧力測定の対象となる液体より加わった圧力Ｆと大気圧による圧力の差圧に相当する力が基板１０８のピボットを支点にして、双音叉型振動子１０９に圧縮力、或いは引張り力として加わる。双音叉型振動子１０９に圧縮力、或いは引張り力が加わると、双音叉型振動子１０９には応力が生じ、前記応力の大きさに応じて共振周波数が変化するので、その共振周波数を測定することにより、圧力Ｆの大きさを検出することができる。
【０００８】
ところで、上述の圧力センサを構成する機構部品である第１ベローズ１０６及び第２のベローズ１０７は、アルミブロックを削り出して型を作り、これにニッケルメッキを施した後、このアルミの型のみを溶かし除去し、ニッケル材のジャバラ構造体とするものである。従って、ベローズが製造に複雑な加工工程を必要とするため高価なものとなる。
【０００９】
また、力伝達部材１０５は、幅１ｍｍ以下のピボット（支点）を接点として筐体１０４に固定される部分と、力を伝達する部分を有するが、これらは一体の金属ブロックから削り出し加工により一体の形態を維持して製造するため、加工が難しく、これらの製造費用も高価なものとなる。
【００１０】
これらの理由から、上述のベローズや、力伝達部材を用いることなく、製造コストを低減した圧力センサが開発されている。このような圧力センサとして特許文献２において、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹部を有する２つの圧電ダイアフラムを前記凹部同士が向き合うように積層して形成される内部空間中に感圧素子として圧電振動子を配置した圧力センサにおいて、前記圧電振動子の両端を前記圧電ダイアフラムの一方の凹部内底面に固定するとともに、前記２つの圧電ダイアフラムの凹部内底面同士を力伝達用柱にて連結した構成が開示されている。
【００１１】
図８に第２の従来技術に係る圧力センサを示す。
図８（ａ）、（ｂ）（図８（ａ）のＡ−Ａ線断面図）に示す圧力センサ１２１は、双音叉振動子１２２を凹部１２４を有する水晶ダイアフラムの内部底面１２５に設けた載置部１２７ａ及び１２７ｂに固定し、凹部１２９を有する水晶ダイアフラム１２８と水晶ダイアフラム１２３とを互いに凹部開口面を向き合わせて結合して構成する。また水晶ダイアフラム１２８と水晶ダイアフラム１２３とを中央近傍にて結合する力伝達用柱部１２６ａ及び１２６ｂを備えている。
【００１２】
前記水晶ダイアフラム１２３、１２８は円形であり、それぞれが有する凹部１２４及び１２９も互いに合致する底面が円形の凹部である。水晶ダイアフラム１２３をベース側にし、水晶ダイアフラム１２８をリッド側とすれば、ベース側の水晶ダイアフラム１２３のほうに双音叉振動子１２２を固定するための載置部１２７ａ、１２７ｂと力伝達部材１２６ａ、１２６ｂを形成しておくようにする。この力伝達用柱部１２６ａ、１２６ｂにより、水晶ダイアフラム１２３の凹部１２４と水晶ダイアフラム１２８の凹部１２９のそれぞれの内部底面同士を連結して圧力センサ１２１が構成される。
【００１３】
上記構成において、図８（ｃ）に示すように、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２とが同じ場合であるときは、水晶ダイアフラムに変形は生じず、双音叉振動子１２２にストレスが加わっていないため、双音叉振動子１２２が有する基準の共振周波数ｆ０にて発振する。
【００１４】
圧力Ｐ１が圧力Ｐ２よりも高い（正圧）場合は、図８（ｄ）に示すように、水晶ダイアフラムの中央が圧力Ｐ２の加わる側に押し出され、これにより水晶ダイアフラム平面は湾曲する。この状態においては、双音叉振動子２に対し、同図中の矢印で示すような伸長ストレスが加わるため、双音叉振動子２の発振周波数は周波数ｆ０より上昇する方向に変化することになる。一方、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２より低い（負圧）場合は、図８（ｅ）に示すように、水晶ダイアフラムの中央が圧力Ｐ１の加わる側に押し出され、これにより水晶ダイアフラム平面は湾曲する、この状態においては、双音叉振動子２に対し同図中の矢印で示すような圧縮ストレスが加わるため、双音叉振動子２の発振周波数は、周波数ｆ０より下降する方向に変化することになる。
【００１５】
よって、特許文献２の発明によれば、正圧、負圧の極性を検知することができるので、特許文献１より構成物品を減らした上で、デバイス素子として必須の低背化が可能で、相対圧測定が可能な圧力センサを実現している。
【特許文献１】特開昭５６−１１９５１９号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献２の構成とすることで新たな問題が生じた。すなわち、特許文献１の圧力センサは、水平を保ったまま使用することを前提に構成されたものであり、力伝達手段はピボット（支点）で釣り合いが取れていれば何ら支障は生じない。
【００１７】
一方、特許文献２の圧力センサ１２１において、上下の水晶ダイアフラムは地球の重力により、下方向に力を受ける。また圧力センサ１２１の上下をひっくり返して設置すれば上下の水晶ダイアフラムは地球の重力により先ほどの反対方向に力が働く。このように、本来は気体・液体の圧力だけを測定することを目的とする圧力センサであるが、設置姿勢により圧力測定値に誤差が生じてしまう。感圧素子である双音叉振動子の保持を直接に受けているのは、下側の水晶ダイアフラム１２３に形成された載置部１２７ａ、１２７ｂであり、前記載置部とはまったく異なった場所から上の水晶ダイアフラム１２８へ力伝達用柱部１２６による連結を行っているため正確な差圧の測定を行うことはできない。
【００１８】
そこで、本発明は上記問題点に着目し、重力加速度の掛かりかたの変化、及びこれによって発生する振動の影響を低減した高精度な圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］筒型のハウジングの両端の開口部を封止するダイアフラムと、
力の検出方向を検出軸とし、長手方向の両端を前記ダイアフラムに接続した感圧素子と、を有する圧力センサであって、前記ダイアフラムに接続され、梃子の原理により前記ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記ダイアフラムに掛ける反力生成部を有することを特徴とする圧力センサ。
【００２０】
上記構成によりダイアフラムは、ダイアフラムが受ける重力と反対方向からの力を反力生成部から受けるため、重力によるダイアフラムの変位は相殺され、これに伴い、前記変位に起因する感圧素子への応力も相殺される。よって重力に起因する圧力誤差を低減した圧力センサとなる。
【００２１】
［適用例２］筒型のハウジングと、前記ハウジングの両端の開口部をそれぞれ封止する第１ダイアフラム、及び第２ダイアフラムと、前記第１ダイアフラムに接続され、第１ウエイトを用いて梃子の原理により前記第１ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記第１ダイアフラムに掛ける第１反力生成部と、前記第２ダイアフラムに接続され、第２ウエイトを用いて梃子の原理により前記第２ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記第２ダイアフラムに掛ける第２反力生成部と、前記ハウジング内部に配置され、力の検出方向を検出軸とし、一端を前記第１ダイアフラムに接続し、他端を前記第２ウエイトに接続した感圧素子と、を有することを特徴とする圧力センサ。
【００２２】
上記構成において、第１ダイアフラムが受けた圧力により感圧素子は第１ダイアフラムから押し出される方向に応力が掛かり、第２ダイアフラムを受けた圧力により感圧素子は第２ダイアフラムに引き寄せられる方向に応力が掛かる。しかし、第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムが受ける圧力が同じ場合には、感圧素子は、その位置が移動するものの何ら負荷が掛かることは無い。よって第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムの圧力差を検知する相対圧を測定することができる圧力センサとなる。また感圧素子の検出軸と第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムの変位方向が同軸上に並ぶため第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムの圧力差を正確に測定することができる。
【００２３】
さらに、上記構成により、第１反力生成部は第１ダイアフラムが受ける重力による撓み変形の応力及び感圧素子が受ける重力を足し合わせた合力と常に逆方向の力を与え、第２反力生成部は第２ダイアフラムが受ける重力による撓み変形の応力から感圧素子が受ける重力を差し引いた合力と常に逆方向の力を与えるため、第１ダイアフラム及び、第２ダイアフラムが受ける重力による変位が相殺されるとともに、感圧素子に第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムが受ける重力に起因する応力が相殺される。よって感圧素子は第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとの圧力差のみを検出し、重力加速度の掛かりかたの変化、及びこれによって発生する振動の影響を低減した圧力センサとなる。
【００２４】
［適用例３］前記第１反力生成部は、前記感圧素子を挟んで一対に形成されたことを特徴とする適用例２に記載の圧力センサ。
これにより、感圧素子の検出軸上に無い第１反力生成部に対して、感圧素子を挟んで対称な位置にもうひとつの第１反力生成部が配置されるため、第１ダイアフラム側の重力バランスが保たれ、圧力センサの測定誤差の傾斜角依存性が改善される。さらに一対の第１反力生成部が感圧素子に掛ける検出軸方向以外の応力が相殺されるため、より高精度な圧力センサとなる。
【００２５】
［適用例４］前記第２反力生成部は、前記感圧素子を挟んで一対に形成されたことを特徴とする適用例２または３に記載の圧力センサ。
これにより、一対の第２反力生成部が感圧素子に掛ける検出軸方向以外の方向の力が相殺されるため、より高精度な圧力センサとなる。特に本適用例と適用例２とを合わせた場合、感圧素子は検出軸方向以外の方向の力をほとんど受けなくなるので極めて高精度な圧力センサを構築できる。
【００２６】
［適用例５］ 前記第１反力生成部、及び前記第２反力生成部は、前記ハウジングに固定された固定部を介して支持されるとともに、前記固定部は前記ハウジングの側面中央部に固定されたことを特徴とする適用例２乃至４のいずれか１例に記載の圧力センサ。
【００２７】
これにより、ハウジング内部の構成要素とハウジングの材料が異なる場合でも、線膨張係数の違いによって生じる温度変化に伴う圧力の測定誤差を軽減することができる。
【００２８】
［適用例６］前記第１ウエイト、及び前記第２ウエイトの少なくともいずれか一つの表面には金属膜が配設されたことを特徴とする適用例２乃至５のいずれか１例に記載の圧力センサ。
【００２９】
第１ウエイト、及び第２ウエイトの構築後、金属膜を配設することになるので、ウエイト側の重量を調節する機会が増えるとともに、適切な量の金属膜を配設することによりウエイト側の重量の微調整を行い、各ウエイトと各ダイアフラムとのバランス調整を容易に行うことができる。
【００３０】
［適用例７］前記金属膜は、その一部または全部を剥ぎ取り可能であることを特徴とする適用例６に記載の圧力センサ。
金属膜の配設後、金属膜を剥ぎ取るので、ウエイト側の重量の調整する機会がさらに増えると共に、金属膜はレーザ等で剥ぎ取ることが可能なので、ハウジングがレーザを透過する材料であれば、圧力センサの構築後においてもウエイト側の重量の調整が可能となるため、圧力センサ歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る圧力センサを図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３２】
第１実施形態に係る、圧力センサ１０を図１に示す。第１実施形態に係る圧力センサ１０は、相対圧を測定するものであり、ハウジング１２、第１ダイアフラム１４、第２ダイアフラム１６、感圧素子１８、第１反力生成部２０、第２反力生成部２２、固定部２４を有する。
【００３３】
ハウジング１２は、内部を真空に封止して後述の各構成要素を収容するものである。これにより圧力センサ１０は、感圧素子１８のＱ値を高め、安定した共振周波数を確保することができるので、圧力センサ１０の長期安定性を確保することができる。
【００３４】
ハウジング１２は、両端部が開口した筒型の形状を有しており、それぞれの開口部１２ａ、１２ｂに後述の第１ダイアフラム１４、第２ダイアフラム１６が接続される。またハウジング１２の側面中央部にはハーメチック端子２６が配設され、ハウジング１２内部にある後述の感圧素子１８からの配線（配線１８ｃ、配線２０ｄ、配線２４ｃ）と、ハウジング１２外部にある感圧素子１８の発振回路（不図示）からの配線（不図示）を接続することができる。ハウジング１２の材料は、一定の剛性を有するものであればどのような材料でもよいが、線膨張係数の小さい金属もしくはセラミックとすることが望ましい。
【００３５】
第１ダイアフラム１４、及び第２ダイアフラム１６は、それぞれ外部に面した一面が受圧面となっており、前記受圧面が被測定圧力環境の圧力を受けて撓み変形し、ハウジング１２内部側に撓み変形に係る応力を伝達するものである。また第１ダイアフラム１４、及び第２ダイアフラム１６は、外部からの圧力によって変位する中央領域１４ａ、１６ａと、前記中央領域１４ａ，１６ａの外周にあり、外部からの圧力により撓み変形する可撓部１４ｂ、１６ｂと、前記可撓部１４ｂ、１６ｂの外周にあり、ハウジング１２と接合する外周部１４ｃ、１６ｃと、を有している。第１ダイアフラム１４の内側の中央領域１４ａは後述の感圧素子１８の長手方向の一端１８ａと接続され、第２ダイアフラム１６の中央領域１６ａは後述の第２反力生成部２２の接続部材２２ｄと接続される。第１ダイアフラム１４及び第２ダイアフラム１６の材質は、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよく、また、水晶のような単結晶体やその他の非結晶体でもよい。金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成してもよい。またフォトリソグラフィー技法とエッチング技法（以下、両者を併せてフォトリソ・エッチング加工と称す）とを用いて形成すればプレス加工における残留応力の発生が抑制され、感度のよいダイアフラムが形成される。水晶で形成する場合も同様にフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適である。なお、ダイアフラムは、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面をコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラムであれば、ニッケルの化合物をコーティングしてもよいし、ダイアフラムが水晶のような圧電結晶体であれば珪素をコーティングすればよい。
【００３６】
感圧素子１８は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用い、双音叉型圧電振動子、ＳＡＷ共振子、厚みすべり振動子等として形成されたものである。感圧素子１８は、その長手方向を第１ダイアフラム１４及び第２ダイアフラム１６の変位方向と同軸になるように配置し、その変位方向を検出軸としている。
【００３７】
感圧素子１８は上述の発振回路（不図示）と電気的に接続され、発振回路（不図示）から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動するものである。そして感圧素子１８は、その長手方向から伸長応力または圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。特に双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、伸長・圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振動腕（振動部）の振幅幅が小さくなるので共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕（振動部）の振幅幅が大きくなるので共振周波数は低くなる。なお、双音叉型圧電振動子の圧電基板としては温度特性に優れた水晶が望ましい。
【００３８】
感圧素子１８の長手方向の一端１８ａは第１ダイアフラム１４の中央領域１４ａに接続され、前記一端１８ａの反対側の他端１８ｂは後述の第２反力生成部２２に接続される。なお、図１で他端１８ｂと第２ウエイト３０は一体化している。また感圧素子１８の一端１８ａ側の配線１８ｃは第１反力生成部２０の作用点２０ｃ側にまで伸びている。よって感圧素子１８はその長手方向を検出軸とし、力の検出方向と第１ダイアフラム１４（第２ダイアフラム１６）の変位方向とが同軸の関係となる。
【００３９】
固定部２４は、ハウジング１２の側面中央の内側（内壁）に固定された部材であって、固定部２４には後述の第１反力生成部２０の第１支点２０ａとなる第１突起部２４ａ、及び第２反力生成部２２の第２支点２２ａとなる第２突起部２４ｂを有する。固定部２４をハウジング１２の側面中央の内壁に固定することにより、固定部２４を含むハウジング１２内部の構成要素とハウジング１２の材料が異なる場合でも、線膨張係数の違いによって生じる温度変化に伴う圧力の測定誤差を軽減することができる。もちろんハウジング１２と、ハウジング１２内部の構成要素とが同じ材料であれば、固定部２４はハウジング１２の側面中央に固定する必要はない。なお、固定部２４には配線２４ｃが配設され、前記配線２４ｃは第１突起部２４ａから固定部２４のハウジング１２との接続位置の外側にあるハーメチック端子２６にまで延びている。
【００４０】
第１反力生成部２０は、第１ウエイト２８を用いて、梃子の原理により第１ダイアフラム１４の自重による力の方向と反対方向の力を第１ダイアフラム１４に掛けるものである。第１反力生成部２０は、第１突起部２４ａとの接続部分を第１支点２０ａとして第１突起部２４ａに保持されている。第１反力生成部２０の第１力点２０ｂには第１ウエイト２８が配置される。なお図１において第１力点２０ｂと第１ウエイト２８は一体化している。そして第１反力生成部２０の第１作用点２０ｃは第１ダイアフラム１４の内側の中央領域１４ａ、または前記感圧素子１８の前記一端１８ａに接続される。なお、第１支点２０ａと第１突起部２４ａとの接続位置、及び第１力点２０ｂと第１ダイアフラム１４との接続位置はそれぞれ細めに設計され、ある程度可動できるようになっている。これにより第１反力生成部２０は第１支点２０ａを挟んで、梃子の原理により第１力点２０ｂからの力の方向を反転させ第１作用点２０ｃに伝達することができるとともに、感圧素子１８（第１ダイアフラム１４）が検出軸方向以外の方向の力を第１反力生成部２０から受けることを抑制することができる。第１反力生成部２０の第１力点２０ｂ側の長さ及び第１ウエイト２８の重量は、第１力点２０ｂ側が有する第１支点２０ａに対する慣性モーメントと、第１作用点２０ｃ側の第１支点２０ａに対する慣性モーメントとが釣り合うように調整される。なお、第１反力生成部２０において第１作用点２０ｃから第１支点２０ａに掛けて配線２０ｄが配設される。よって感圧素子は導通する配線１８ｃ、２０ｄ、２４ｃを通じて外部にある発振回路（不図示）と電気的に接続される。なお、配線１８ｃ、２０ｄ、２４ｃは、一端１８ａ、第１反力生成部２０、固定部２４のそれぞれ裏面（不図示）にも配設されている。
【００４１】
第２反力生成部２２は、第２ウエイト３０を用いて、梃子の原理により第２ダイアフラム１６の自重による力の方向と反対方向の力を第２ダイアフラム１６に掛けるものである。第２反力生成部２２は、第２ウエイト３０、梃子部２２ｅ接続部材２２ｄとから構成されている。梃子部２２ｅは、第２突起部２４ｂとの接続部分を第２支点２２ａとして第２突起部２４ｂに保持されている。梃子部２２ｅの第２力点２２ｂには第２ウエイト３０が接続され、梃子部２２ｅの作用点２２ｃにはカギ型に屈曲した接続部材２２ｄが接続される。また接続部材２２ｄは第２ダイアフラム１６の中央領域１６ａに接続される。よって梃子部２２ｅの作用点２２ｃと、第２ダイアフラム１６は、接続部材２２ｄを介して接続されることになる。第２反力生成部２２において、梃子部２２ｅの第２支点２２ａと第２突起部２４ｂとの接続位置、第２作用点２２ｃと接続部材２２ｄとの接続位置、第２力点２２ｂと第２ウエイト３０との接続位置はそれぞれ細めに設計され、ある程度可動できるようになっている。これにより第２反力生成部２２（梃子部２２ｅ）は第２支点２２ａを挟んで、梃子の原理により第２力点２２ｂからの力の方向を反転させ第２作用点２２ｃに伝達することができるととともに、第２ウエイト３０、すなわち、これと一体化した感圧素子１８が検出軸方向以外の方向の力を第２反力生成部２２から受けることを抑制することができる。第２反力生成部２２の第２力点２２ｂ側の長さ、第２ウエイト３０の重量、及び第２作用点２２ｃ側の第２支点２２ａからの長さは、第１力点２０ｂ側が有する第１支点２２ａに対する慣性モーメントと、第１作用点２２ｃ側の第１支点２０ａに対する慣性モーメントとが釣り合うように調整される。
【００４２】
感圧素子１８（第２ウエイト３０）、第１反力生成部２０（第１ウエイト２８）、第２反力生成部２２、固定部２４がそれぞれ水晶で形成されている場合、これらをフォトリソ・エッチング加工により一体として製造することが好適である。
【００４３】
図２に第１実施形態におけるフォトリソ・エッチング加工の工程図を示す。
感圧素子１８、第１反力生成部２０、第２反力生成部２２、固定部２４をフォトリソ・エッチング加工により一体で形成する場合、まず図２に示すように、［１］材料となる母基板３２を用意する、［２］母基板３２の表面にポジ型のフォトレジスト３４を塗布する、［３］感圧素子１８、第１反力生成部２０、第２反力生成部２２、固定部２４の形状に対応したフォトマスク３６を用いて露光し、［４］前記フォトレジスト３４を感光させる、［５］現像を行い感光したフォトレジスト３４ａを除去する、［６］母基板３２が露出した領域を母基板３２を貫通させるまでエッチングすることにより感圧素子１８、第１反力生成部２０、第２反力生成部２２、固定部２４を形成する、［７］フォトレジスト３４を剥離する、というように工程［１］〜［７］なるプロセスを経ることになる。
【００４４】
そして感圧素子１８、第１反力生成部２０、第２反力生成部２２、固定部２４が一体となった状態で固定部をハウジング１２の内壁に固定し、ハウジング１２の開口部１２ａを第１ダイアフラム１４の周縁部１４ｃと接続し、中央領域１４ａと感圧素子１８の一端１８ａと接合し、開口部１２ｂを第２ダイアフラム１６の周縁部１６ｃと接続し、中央領域１６ａを第２反力生成部２２の接続部材２２ｄと接続する。最後にハウジング１２に形成した真空封止穴１２ｃから空気を吸引して封止することにより第１実施形態に係る圧力センサ１０が構築される。
【００４５】
このように構築された圧力センサ１０を端的に見ると、筒型のハウジング１２の両端の開口部（開口部１２ａ、開口部１２ｂ）を封止するダイアフラム（第１ダイアフラム１４、第２ダイアフラム１６）と、力の検出方向を検出軸とし、長手方向の両端を前記ダイアフラムに接続した（一端は第２反力生成部２２を介して接続した）感圧素子１８と、を有する圧力センサ１０であって、前記ダイアフラムに接続され、梃子の原理により前記ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記ダイアフラムに掛ける反力生成部（第１反力生成部２０、第２反力生成部２２）を有する圧力センサ１０、と見ることができる。これによりダイアフラムは、ダイアフラムが受ける重力と反対方向からの力を反力生成部から受けるため、重力によるダイアフラムの変位は低減され、これに伴い、前記変位に起因する感圧素子への応力も低減される。よって重力に起因する圧力誤差を低減した圧力センサ１０となることが理解できる。
【００４６】
第１実施形態に係る圧力センサ１０において、第１ダイアフラム１４が受けた圧力により感圧素子１８は第１ダイアフラム１４から押し出される方向に力が掛かり、第２ダイアフラム１６が受けた圧力により感圧素子１８は第２ダイアフラム１６に引き寄せられる方向に力が掛かる。よって、第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムが感圧素子１８に与える力が同じ場合には、感圧素子１８は、その位置は移動するものの何ら応力が掛かることは無い。そして第１ダイアフラム１４側の圧力が高い場合は、感圧素子１８には圧縮応力が掛かり、第２ダイアフラム１６側の圧力が高い場合は、感圧素子１８には伸長応力が掛かることになる。よって、第１実施形態に係る圧力センサ１０は第１ダイアフラム１４及び第２ダイアフラム１６の圧力差を検知する相対圧を測定することができる。また感圧素子１８の検出軸と第１ダイアフラム１４及び第２ダイアフラム１６の変位方向が同軸上に並ぶため第１ダイアフラム１４及び第２ダイアフラム１６の圧力差を正確に測定することができる。
【００４７】
ところで、第１ダイアフラム１４側を上にし、第２ダイアフラム１６側を下にした場合には、第１ダイアフラム１４は自重によりハウジング１２内部側に変位し、第２ダイアフラム１６は自重によりダイアフラム１２外部側に変位し、また第１ダイアフラム１４側を下にし、第２ダイアフラム１６側を上にした場合には、第１ダイアフラム１４は自重によりハウジング１２外部側に変位し、第２ダイアフラム１６は自重によりハウジング１２内部側に変位するとも思われる。
【００４８】
しかし、第１ウエイト２８は第１ダイアフラム１４が受ける重力による撓み変形の応力及び感圧素子１８が受ける重力を足し合わせた合力と常に逆方向の力を与えて釣り合いをとり、第２ウエイト３０は第２ダイアフラム１６が受ける重力による撓み変形の応力から感圧素子１８が受ける重力を差し引いて得られる合力と常に逆方向の力を与えて釣り合いをとるため、第１ダイアフラム１４及び、第２ダイアフラム１６が受ける重力による変位が相殺されるとともに、感圧素子１８に第１ダイアフラム１４及び第２ダイアフラム１６が受ける重力に係る応力が相殺される。よって感圧素子１８は第１ダイアフラム１４と第２ダイアフラム１６との圧力差のみを検出し、重力加速度の掛かりかたの変化、及びこれによって発生する振動の影響を低減した圧力センサ１０となる。
【００４９】
第２実施形態に係る圧力センサ４０を図３に示す。第２実施形態に係る圧力センサ４０は、第１実施形態における第１反力生成部２０（第１ウエイト２８）、及び第２反力生成部２２がそれぞれ一対形成された構成を有する。これに伴い固定部２４も一対形成された構成を有する。第１反力生成部２０、４２、第２反力生成部２２、４４及び固定部２４、４６はそれぞれ感圧素子１８を挟み、左右対称に形成されている。
【００５０】
固定部４６は感圧素子１８の長手方向を中心線として固定部２４と対称に配置されてハウジング１２の側面中央部の内壁に接続され、第１突起４６ａ及び第２突起４６ｂが形成されている。第１突起４６ａは第１反力生成部４２の第１支点４２ａに接続され、第２突起４６ｂは第２反力生成部４４の梃子部４４ｆの第２支点４４ａに接続される。
【００５１】
第１反力生成部４２は感圧素子１８の長手方向を中心線として第１反力生成部２０と対称に配置されている。第１反力生成部４２の第１力点４２ｂには第１ウエイト５４が配置され、第１力点４２ｂ及び第１ウエイト５４は一体化している。第１反力生成部４２の作用点４２ｃは感圧素子１８の一端１８ａと接続される。
【００５２】
第２反力生成部４４は、感圧素子１８の長手方向を中心線として第２反力生成部２２と対称に配置される。第２反力生成部４４は、第２反力生成部２２と同様に、第２ウエイト４４ｅ、梃子部４４ｆ、接続部材４４ｄから構成され、第２反力生成部２２と同様に固定部４６に接続される。
【００５３】
第２反力生成部４４の梃子部４４ｆの第２力点４４ｂには第２ウエイト４４ｅが配置され、第２力点４４ｂ及び第２ウエイト４４ｅは一体化している。さらに第２ウエイト４４ｅは第２ウエイト３０と一体化している。また梃子部４４ｆの作用点４４ｃにはカギ型の形状を有する接続部材４４ｄが接続され、接続部材４４ｄは第２ダイアフラム１６の中央領域１６ａと接続されるとともに、接続部材２２ｄと一体化している。
【００５４】
第１反力生成部４２(第１ウエイト５４)、第２反力生成部４４、及び固定部４６は、感圧素子１８（第２ウエイト３０、４４ｅ）、第１反力生成部２０（第１ウエイト２８）、第２反力生成部２２、及び固定部２４と同一平面上に形成されるので、これらを一体でフォトリソ・エッチング加工により形成することが好適である。
【００５５】
図４、図５に第２実施形態におけるフォトリソ・エッチング加工の工程図を示す。
感圧素子１８、第１反力生成部２０、４２、第２反力生成部２２、４４、固定部２４、４６をフォトリソ・エッチング加工により一体で形成する場合、図４に示すように、［１］材料となる母基板４８を用意する、［２］母基板４８の表面にポジ型のフォトレジスト５０を塗布する、［３］感圧素子１８、第１反力生成部２０、４２、第２反力生成部２２、４４、固定部２４、４６の形状に対応したフォトマスク５２を用いて露光し、［４］前記フォトレジスト４８を感光させる、［５］現像を行い感光したフォトレジスト５０ａを除去する、［６］母基板４８が露出した領域を母基板４８を貫通させるまでエッチングすることにより感圧素子１８、第１反力生成部２０、４２、第２反力生成部２２、４４、固定部２４、４６を形成する、［７］フォトレジスト５０を剥離する、というように工程［１］〜［７］なるプロセスを経ることになる。以下、第１実施形態と同様のプロセスを経ることによって第２実施形態に係る圧力センサ４０が構築される。なお、第１実施形態において配線１８ｃ、２０ｄ、２４ｃは感圧素子１８、第１反力生成部２０、固定部２４において表面と裏面に形成し、２つの配線を感圧素子１８から外部に接続していたが、第２実施形態においては、図２の破線で示すように同じ面上に２つの配線を形成し、一方を感圧素子から第１反力生成部４２、固定部４６を通じて配線し、固定部４６とハウジング１２との接続箇所の反対側にハーメチック端子２６を取り付けて外部と電気的に接続してもよい。
【００５６】
第２実施形態に係る圧力センサ４０において、感圧素子１８の検出軸上に無い第１ウエイト２８に対して、感圧素子１８を挟んで対称な位置にもうひとつの第１ウエイト５２が配置されるため、第１ダイアフラム１４側の重力バランスが保たれ、圧力センサ４０の測定誤差の傾斜角依存性が改善される。さらに一対の第１反力生成部２０、４２が感圧素子１８に掛ける検出軸方向以外の応力が相殺されるため、より高精度な圧力センサ４０となる。さらに、一対の第２反力生成部２２、４４が感圧素子１８に掛ける検出軸方向以外の方向の力も相殺されるため、より高精度な圧力センサ４０となる。このように第１反力生成部２０、４２及び第２反力生成部２２、４４をそれぞれ一対設けることにより、感圧素子１８は検出軸方向以外の方向の力をほとんど受けなくなるので極めて高精度な圧力センサ４０を構築できる。
【００５７】
図６に第１実施形態及び第２実施形態の変形例を示す。図６（ａ）は第１実施形態の変形例、図６（ｂ）は第２実施形態の変形例である。第１実施形態及び第２実施形態に係る圧力センサ１０、４０において、第２ウエイト３０、４４ｅは感圧素子１８と一体化した構成であったが、第１ウエイト２８、５４と同様に、感圧素子１８から分離した構成とすることができる。
【００５８】
図６（ａ）において固定部６０はハウジング１２の側面の中央部の内壁に固定され、第１反力生成部２０と第２反力生成部５８との間で対称な形に形成され、第１突起６０ａ及び第２突起６０ｂが形成されている。第１突起６０ａは第１反力生成部２０の第１支点２０ａと接続され、第２突起６０ｂは第２反力生成部５８の第２支点５８ａと接続される。
【００５９】
第１反力生成部２０の第１力点２０ｂには第１ウエイト２８が配置され、第１力点２０ｂ及び第１ウエイト２８は一体化している。第１反力生成部２０の作用点２０ｃは感圧素子１８の一端１８ａと接続される。
第２反力生成部５８の第２力点５８ｂには第２ウエイト６２が配置され、第２力点５８ｂ及び第２ウエイト６２は一体化している。第２反力生成部５８の作用点５８ｃは感圧素子１８の他端１８ｂと接続される。
【００６０】
図６（ｂ）おいて、固定部６６は感圧素子１８を中心線として固定部６０と対称な配置でハウジング１２の側面中央部の内壁に接続されている。固定部６６には第１突起６６ａ及び第２突起６６ｂが形成されている。第１突起６６ａは第１反力生成部４２の第１支点４２ａに接続され、第２突起６６ｂは第２反力生成部６４の第２支点６４ａに接続される。
【００６１】
第１反力生成部４２は、感圧素子１８の長手方向を中心線として第１反力生成部２０と対称に配置されている。第１反力生成部４２の第１力点４２ｂには第１ウエイト５４が配置され、第１力点４２ｂ及び第１ウエイト５４は一体化している。第１反力生成部４２の作用点４２ｃは感圧素子１８の一端１８ａと接続される。
【００６２】
第２反力生成部６６は、感圧素子１８の長手方向を中心線として第２反力生成部５８と対称に配置されている。第２反力生成部６６の第２力点６６ｂには第２ウエイト６８が配置され、第２力点６６ｂ及び第２ウエイト６８は一体化している。第２反力生成部６６の作用点６６ｃは感圧素子１８の他端１８ｂと接続される。
【００６３】
そして感圧素子１８の他端１８ｂは第２ダイアフラム１６の中央領域１６ａに接続される。なお、第１作用点２０ｃ及び第１作用点４２ｃは、第１ダイアフラム１４の中央領域１４ａに接続し、第２作用点５８ｃ及び第２作用点６６ｃは、第２ダイアフラム１６の中央領域１６ａに接続するように構成してもよい。
【００６４】
このように構成することにより、第１実施形態及び第２実施形態の変形例に係る圧力センサ１０、４０は、筒型のハウジング１２の両端の開口部（開口部１２ａ、開口部１２ｂ）を封止するダイアフラム（第１ダイアフラム１４、第２ダイアフラム１６）と、力の検出方向を検出軸とし、長手方向の両端を前記ダイアフラムに接続した感圧素子１８と、を有する圧力センサ１０、４０であって、前記ダイアフラムに接続され、梃子の原理により前記ダイアフラムが受ける重力と反対方向の力を前記ダイアフラムに掛ける反力生成部（第１反力生成部２０、４２、第２反力生成部５８、６６）を有するものとなる。なお、上記変形例の製造方法はそれぞれ第１実施形態、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
図６（ａ）の変形例に係る効果は、基本的に第１実施形態と同様であり、図６（ｂ）の変形例に係る効果は、基本的に第２実施形態と同様である。
【００６５】
第１実施形態及び第２実施形態おいて、図１、図３、図６に示すように、第１ウエイト２８、５４、第２ウエイト３０、４４ｅ、６２、６８の表面にはＡｕ等の金属膜５６を配設することができる。Ａｕ等の金属膜５６は第１ウエイト２８、５２、第２ウエイト３０、４４ｅの表面の形状に対応したマスク（不図示）を各ウエイト上に載せ、スパッタ等により形成することができる。このとき金属膜５６は第１ウエイト２８、５４、第２ウエイト３０、４４ｅの片面若しくは両面いずれに配設してもよい。
【００６６】
これにより、第１ウエイト２８、５４、第２ウエイト３０、４４ｅ、６２、６８の構築後、金属膜５６を配設することになるので、第１ウエイト側、第２ウエイト側の重量を調節する機会が増えるとともに、適切な量の金属膜５６を配設することにより第１ウエイト側、第２ウエイト側の重量の微調整を行い、第１ダイアフラム１４、及び第２ダイアフラム１６の重力による撓み変形に起因する感圧素子に掛かる応力の低減を図ることができる。
【００６７】
また、金属膜５６はレーザ等を照射することにより、剥ぎ取ることが可能である。よって圧力センサ１０、４０全体が水晶のようにレーザ光を透過する材料で形成されている場合は、圧力センサ１０、４０の構築後においても第１ウエイト２８、５４、及び第２ウエイト３０、４４ｅ、６２、６８の微調整が可能となり、圧力センサ１０、４０の歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第1実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図２】第１実施形態におけるフォトリソ・エッチング加工の工程図である。
【図３】第２実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図４】第２実施形態におけるフォトリソ・エッチング加工の工程図である。
【図５】第２実施形態におけるフォトリソ・エッチング加工の工程図である。
【図６】第１実施形態及び第２実施形態の変形例を示す模式図である。
【図７】第１の従来技術に係る圧力センサの模式図である。
【図８】第２の従来技術に係る圧力センサの模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０………圧力センサ、１２………ハウジング、１４………第１ダイアフラム、１６………第２ダイアフラム、１８………感圧素子、２０………第１反力生成部、２２………第２反力生成部、２４………固定部、２６………ハーメチック端子、２８………第１ウエイト、３０………第２ウエイト、３２………母基板、３４………フォトレジスト、３６………フォトマスク、４０………圧力センサ、４２………第１反力生成部、４４………第２反力生成部、４６………固定部、４８………母基板、５０………フォトレジスト、５２………フォトマスク、５４………第１ウエイト、５６………金属膜、５８………第２反力生成部、６０………固定部、６２………第２ウエイト、６４………第２反力生成部、６６………固定部、６８………第２ウエイト、１０１………圧力センサ、１０２………圧力入力口、１０３………圧力入力口、１０４………筐体、１０５………力伝達手段、１０６………第１のベローズ、１０７………第２のベローズ、１０８………基板、１０９………双音叉型振動子、１１０………オイル、１１１………開口部、１２１………圧力センサ、１２２………双音叉振動子、１２３………水晶ダイアフラム、１２４………凹部、１２５………内部底面、１２６………力伝達用柱部、１２８………水晶ダイアフラム、１２９………凹部。
【図１】
2010025582.tif 000003
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図４】
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