(57)【要約】【課題】簡単な構成で高感度な圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサ２は、感圧方向から受ける圧力を検知する感圧体１２と、一対の絶縁部材１３ａ、１３ｂと、金属板４と、基部５を備えている。一対の絶縁部材１３ａ、１３ｂは、感圧体１２を感圧方向の両側から挟んでいる。金属板４は、一方の面が圧力計測対象の流体に晒され、流体から圧力を受けて変形する。金属板４の他方の面が、感圧体１２と絶縁部材１３ａ、１３ｂの積層体の感圧方向における一方の面に接触している。基部５は、積層体の金属板４から遠い側の絶縁部材１３ｂを支持している。この圧力センサ２では、流体の圧力による金属板の感圧方向の変形（金属板の面外方向の変形）によって感圧体が圧力を検知する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向から受ける圧力を検知する感圧体と、
前記所定方向で前記感圧体を挟んでいる一対の絶縁部材と、
一方の面が圧力計測対象の流体に晒されており、他方の面が前記感圧体と前記絶縁部材の積層体の前記所定方向における一方の面に接触しており、前記流体からの圧力を受けて変形する金属板と、
前記金属板から遠い側の前記絶縁部材を支持している基部と、
を備えている、圧力センサ。
【請求項２】
前記金属板の前記流体に接する面積が、前記感圧体の感圧面の面積よりも大きい、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記所定方向からみたときに、前記積層体が、前記金属板の前記流体に晒される面の中央に位置している、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記金属板から遠い側の前記絶縁部材の内部に較正用感圧体が配置されており、前記較正用感圧体の一方の感圧面側に空隙が設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記金属板から遠い側の絶縁部材において前記感圧体の横に較正用感圧体が取り付けられており、前記較正用感圧体と前記金属板の間に空隙が確保されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、感圧体を用いた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般によく知られている圧力センサは、圧力計測対象の流体に面するダイヤフラムに歪みゲージを貼着した構造を有している(例えば特許文献１）。ダイヤフラムは圧力を受けて変形し、ダイヤフラムの面内方向の変形量を歪みゲージで計測する。歪みゲージで計測した歪み量と、歪み／圧力の変換式を用いて圧力を得る。
【０００３】
一方、感圧体で直接に流体の圧力を計測する圧力センサが特許文献２に記載されている。特許文献２の圧力センサは、流体に面する基板に感圧体を接合した構造を有している。基板に接合された感圧体は流体中に暴露され、流体から受ける圧力によって感圧体の抵抗値が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０５８３４０号公報
【特許文献２】特開２００５−４９３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイヤフラムの面内変形量から圧力を得る圧力センサは、ダイヤフラムの歪みが一様とはならないことが多いので、精度が高くない。また、歪みゲージとダイヤフラムの接合層のせん断方向の変形も精度を低下させる要因となる。特許文献２の圧力センサでは、圧力を受ける面が感圧体の面積に限られるので、その精度は感圧体の流体に暴露している面の面積の制限を受ける。より精度の高い圧力センサが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する圧力センサは、所定方向から受ける圧力を検知する感圧体と、一対の絶縁部材と、金属板と、基部を備えている。説明の便宜上、感圧体が圧力を検知し得る所定方向を感圧方向と称する。一対の絶縁部材は、感圧体を感圧方向の両側から挟んでいる。金属板は、一方の面が圧力計測対象の流体に晒され、流体から圧力を受けて変形する。金属板の他方の面が、感圧体と絶縁部材の積層体の感圧方向における一方の面に接触している。基部は、積層体の金属板から遠い側の絶縁部材を支持している。本明細書が開示する圧力センサは、金属板の広い面積で圧力を受け、その圧力による金属板の感圧方向の変形（金属板の面外方向の変形）によって感圧体が圧力を検知する。金属板を広くすればするほど、高い精度で流体の圧力を計測することができる。また、金属板が積層体をその感圧方向に押圧するので、特許文献１のように接合層のせん断方向の変形が計測精度に影響を与えることもない。
【０００７】
なお、従来のダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムの面内方向の歪みから圧力を計測するが、本明細書が開示する圧力センサは、金属板の面外方向の変形によって感圧体が受ける圧力を検知する点で相違する。
【０００８】
先に述べたように、金属板の面積が広いほど高い精度が得られる。本明細書が開示する圧力センサでは、金属板の流体に接する面積が、少なくとも、感圧体の感圧面の面積よりも大きいとよい。なお、感圧面とは、感圧方向を法線とする感圧体の面を意味する。
【０００９】
また、感圧方向からみたときに、積層体が、金属板の流体に晒される面の中央に位置しているとよい。金属板の面外方向の変形は、金属板の流体に接する面の中央が最も大きいからである。
【００１０】
感圧体の圧力−抵抗値の関係には温度依存性がある。本明細書が開示する圧力センサでは、金属板から遠い側の絶縁部材の内部に較正用感圧体が配置されているとよい。その較正用感圧体の感圧方向の一方の面側の全体に空隙が設けられている。較正用感圧体を、圧力を受けないように一方の感圧面の全体が空隙に面するように絶縁部材内に配置するとよい。較正用感圧体を含めてセンサを小型化することができる。較正用感圧体を金属板に近い側の絶縁部材に入れると、上記した空隙で金属板の変形が感圧体に伝わり難くなってしまう。それゆえ、較正用感圧体は金属板から遠い側の絶縁部材内に配置するとよい。また、較正用感圧体を、計測用の感圧体の横に設置し、較正用感圧体に圧力が伝わらないように、金属板側の絶縁板の高さを低く（厚みを薄く）するとよい。較正用感圧体と金属板の間に空隙が確保され、較正用感圧体には圧力が加わらない。
【００１１】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施例の圧力センサの断面図である。
【図２】図１のＺ軸方向からみた圧力センサの平面図である。
【図３】感圧体を含むセンサ素子の斜視図である。
【図４】実施例の圧力センサの静水圧下での抵抗変化率のグラフである。
【図５】実施例の圧力センサの抵抗変化率の温度依存性を示すグラフである。
【図６】第２実施例の圧力センサの断面図である。
【図７】第３実施例の圧力センサの斜視図である。
【図８】第４実施例の圧力センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の圧力センサを説明する。図１に、圧力センサ２の断面図を示す。図２に図１の座標系の−Ｚ方向から見た圧力センサ２の平面図を示す。圧力センサ２の主部品は、センサ素子１０である。図３に、センサ素子１０の斜視図を示す。
【００１４】
まず、センサ素子１０から説明する。センサ素子１０は、薄層状の感圧体１２をその両側から絶縁部材１３ａ、１３ｂで挟んだ積層体である。感圧体１２は、図中のＺ方向から受ける圧力を検知する。即ちＺ方向が感圧体１２の感圧方向に相当する。感圧体１２は、図中のＸＹ平面に平行な方向から受ける圧力は感知せず、Ｚ方向の１軸方向のみ、圧力を感知する。一対の絶縁部材１３ａ、１３ｂは、感圧体１２を、感圧方向の両側から挟んでいる。
【００１５】
積層方向と交差する方向で感圧体１２の両側には電極８が設けられている。なお、図３では見えないが、センサ素子１０（積層体）の電極８とは反対側の面にも同様に電極が備えられている。夫々の電極８にリード線７が取り付けられている。センサ素子１０の大きさは、概ね、縦横高さが夫々４ｍｍの立方体に近い四角柱である。
【００１６】
センサ素子１０は、例えば、次の方法で製造される。まず、２５ｍｍ角で厚みが１．５ｍｍのジルコニア板（ＺｒＯ２）に、感圧体となるＲｕＯ２（酸化ルテニウム）とガラスのコンポジット材をスクリーン印刷する。コンポジット材を印刷したジルコニア板を、８５０℃で１０分間保持し、焼結する。そのような焼結板を２枚用意し、コンポジット材が印刷してある面同士を合わせて８５０℃で３０分間保持し、２枚の板を融着させる。コンポジット材を印刷した２枚のジルコニア板を張り合わせるので、厚みは３ｍｍを超える。２枚のジルコニア板を張り合わせた材料から４ｍｍ角の素子を切り出すと、１辺が概ね４ｍｍの立方体に近い四角柱の積層体が得られる。次に、感圧体が露出している一対の平行な二面に電極用の銀ペーストを塗布し、８５０℃で１０分間保持して熱処理する。最後に、銀ペーストにリード線７を取り付けてセンサ素子１０が完成する。２枚のジルコニア板が絶縁部材１３ａ、１３ｂに相当し、２枚のジルコニア板の間のコンポジット材の層が感圧体１２に相当する。感圧体１２の厚みは、概ね２０μｍである。
【００１７】
感圧材料は図中のＺ方向から圧力を受けて歪むと抵抗値が変化する材料である。一対のリード線７で感圧体１２の抵抗値を計測し、抵抗値から圧力を得ることができる。
【００１８】
図１に戻って圧力センサ２を説明する。圧力センサ２は、流体（液体または気体）の圧力を計測するセンサである。圧力センサ２は、例えば、ディーゼルエンジンの燃料圧を計測するセンサである。圧力センサ２は、外側にネジ山が設けられた筒部３を備えており、この筒部３を燃料配管に設けられた孔にねじ込み、圧力センサ２が燃料配管に固定される。筒部３の内側は計測対象の流体に晒される。
【００１９】
筒部３の上端に金属板４が配置されている。圧力センサ２の本体６が、金属板４の周囲を支持している。金属板４の一方面が圧力計測対象の流体に晒される。金属板４の表面のうち、圧力計測対象の流体に晒される部分を暴露面４ａと称する。金属板４は、暴露面４ａが流体から圧力を受けると面外方向（図中のＺ方向）に変形する。金属板４は、例えばアルミニウムやステンレスや鉄の薄板で作られている。
【００２０】
センサ素子１０の感圧方向の一方の面が、金属板４の裏面（暴露面４ａとは反対側の面）に接している。一対の絶縁部材１３ａ、１３ｂのうち、金属板４から遠い側の絶縁部材１３ｂが、別の金属板に支持されている。別の金属板を、以下では基部５と称する。基部５は、本体６に支持されている。別言すれば、センサ素子１０の感圧方向の一方の面（絶縁部材１３ａの面）が、金属板４の流体に晒されない側の面に接しており、感圧方向の他方の面（絶縁部材１３ｂの面）が基部５に支持されている。基部５の厚みは金属板４の厚みよりも厚くしてある。
【００２１】
基部５には、リード線７を通す貫通孔が設けられており、その貫通孔を通じてリード線７が圧力センサ２の本体６から外部へ延びている。リード線７の先には、感圧体１２の抵抗値を圧力に変換する計測回路（不図示）が接続されている。
【００２２】
金属板４の暴露面４ａが計測対象の流体から圧力を受けると金属板４が面外変形する。センサ素子１０は、金属板４と基部５に挟まれており、金属板４の面外変形により、感圧方向に圧力を受ける。基部５は本体６に支持されている。基部５は剛性が高く、金属板４の面外変形がセンサ素子１０を押圧しても、基部５はほとんど変形しない。センサ素子１０は、金属板４が流体の圧力で面外変形すると、感圧方向に歪む。感圧体１２は、感圧方向の歪みに応じて抵抗値が変化する。不図示の計測回路が、感圧体１２の抵抗値の変化から計測対象の流体の圧力を特定する。圧力センサ２は、流体に晒される金属板４の面外変形で感圧体１２に生じる抵抗変化に基づいて流体の圧力を計測する。
【００２３】
ダイヤフラムの面内変形を歪みゲージで検知する従来の圧力センサと異なり、実施例の圧力センサ２のセンサ素子１０は、金属板４の面外変形を受けて歪み、その歪みに応じた抵抗値の変化から圧力の大きさを特定する。ダイヤフラムの面内変形は一様でなく、また、ダイヤフラムと歪みゲージを接着している接着層のせん断方向の変形も圧力計測精度に影響を与える。実施例の圧力センサ２は、金属板４の面外変形を受けて歪むので、従来のダイヤフラム型の圧力センサよりも高い精度が得られる。
【００２４】
金属板４の面積が広いほど、金属板４の面外変形が大きくなるので圧力センサ２の精度が向上する。図２に示されているように、金属板４の流体に晒される面（暴露面４ａ）の面積は、センサ素子１０（感圧体１２）の感圧面（感圧方向を法線とする感圧体１２の面）の面積よりも広い。従って、圧力センサ２は、センサ素子１０が直接に計測対象の流体に晒される場合と比較して計測精度が高い。
【００２５】
また、図２に示されているように、センサ素子１０は、感圧方向から見て、金属板４の流体に晒される面（暴露面４ａ）の中央に配置されている。金属板４は周囲が本体６に支持されており、流体に晒される面（暴露面４ａ）の中央で面外変形が最も大きくなる。感圧方向からみて暴露面４ａの中央にセンサ素子１０を配置することで、より高い計測精度が得られる。ここで、センサ素子１０を、金属板４の中央に設置するため、基部５に溝を設けて埋め込んでもよい。
【００２６】
圧力センサ２の計測感度を確認した試験の結果を図４に示す。図４のグラフは、横軸が圧力センサ２に加える圧力を表しており、縦軸がセンサ素子１０の抵抗変化率を表している。荷重は、センサ素子１０（感圧体１２）の感圧方向（図中のＺ方向）に加えた。このときの圧力は、加えた荷重を、センサ素子１０の荷重を受けた面積で除した値である。一方向荷重のときの抵抗変化率は、圧力の増加とともに直線的に減少し、圧力が６０［ＭＰａ］のときに−１．６［％］であった。
【００２７】
図５に、圧力センサ２（センサ素子１０）の温度依存性を示す。−４０℃から１５０℃までの間、センサ素子１０の抵抗変化率は、温度の上昇に伴って直線的に大きくなる。即ち、抵抗変化率は、温度に対して正の相関を有する。抵抗温度係数は、１００ｐｐｍ／℃であった。
【００２８】
圧力センサ２は、簡単な構成で高い計測精度を得られる。構成が簡単なので、圧力センサ２は低コストで実現することができる。なお、センサ素子１０に若干の与圧を加えておくことによって、計測精度をさらに高くすることができる。
【００２９】
（第２実施例）図６に第２実施例の圧力センサ２ａの断面図を示す。なお、図６では、センサ素子１０と金属板４と基部１０５のほかの部品は図示を省略した。センサ素子１０と金属板４は、第１実施例のセンサ素子と金属板と同じである。第２実施例の圧力センサ２ａでは、基部１０５に溝１０５ａが設けられており、センサ素子１０の一部（基部１０５の側の絶縁部材１３ｂの一部）が溝１０５ａに嵌合している。溝１０５ａは、センサ素子１０の位置決めのために設けられている。センサ素子１０を基部１０５の溝１０５ａに嵌合することで、センサ素子１０の基部１０５に対する位置が正確に定まる。
【００３０】
（第３実施例）図７に、第３変形例の圧力センサ２ｂの断面図を示す。図７でも、センサ素子２１０と金属板４と基部２０５のほかの部品は図示を省略した。第３実施例の圧力センサ２ｂのセンサ素子２１０は、感圧体２１２の横に較正用感圧体２１４が備えられている。較正用感圧体２１４は、基部２０５に近い側の絶縁部材２１３ｂに取り付けられている。感圧体２１２は、絶縁部材２１３ａ、２１３ｂに挟まれており、絶縁部材２１３ａは金属板４に接合されており、絶縁部材２１３ｂは基部２０５に接合されている。なお、絶縁部材２１３ｂの一部は基部２０５に設けられた溝２０５ａに嵌合されており、基部２０５に対する位置が正確に定められている。較正用感圧体２１４の感圧方向は、感圧体２１２の感圧方向と揃えてあり、図中の座標系のＺ方向である。較正用感圧体２１４の絶縁部材２１３ｂとは反対側には絶縁部材２１３ｃが設けられている。ただし、較正用感圧体２１４と金属板４との間には、隙間Ｓｐが確保されており、較正用感圧体２１４には圧力が加わらないようになっている。
【００３１】
図示は省略しているが、感圧体２１２と較正用感圧体２１４は電気的に直列に接続されており、直列接続の一端が電源に接続され、他端がグランドに接続されている。感圧体２１２と較正用感圧体２１４の直列接続の中点がセンサ出力端となる。感圧体２１２が圧力を受けていないとき、感圧体２１２と較正用感圧体２１４は、共に温度に依存して抵抗値が変化する。直列に接続された感圧体２１２と較正用感圧体２１４の両方が温度に依存して抵抗値が変化するので、直列接続の中点の電圧は変化しない。即ち、感圧体２１２と較正用感圧体２１４を直接に接続し、それらの中点を出力端とすることで、圧力センサ２ｂの温度依存性を低減することができる。即ち、較正用感圧体２１４を備えることで、圧力センサ２ｂの温度依存性が低減される。
【００３２】
（第４実施例）図８に、第２実施例の圧力センサ２ｃの断面図を示す。図８では、センサ素子３１０と較正用感圧体３１４に接続されるべきリード線は図示を省略してある。また、金属板４の図における下側の面が、流体に晒される暴露面４ａである。
【００３３】
センサ素子３１０は、感圧体３１２、較正用感圧体３１４、一対の絶縁部材３１３ａ、３１３ｂを備えている。感圧体３１２の感圧方向は、図中の座標系のＺ方向である。感圧体３１２は、図中のＸＹ平面と平行な方向から受ける圧力は感知せず、Ｚ方向の１軸方向のみ、圧力を感知する。較正用感圧体３１４も同様に、図中のＸＹ平面と平行な方向から受ける圧力は感知せず、Ｚ方向の１軸方向のみ、圧力を感知する。
【００３４】
感圧体３１２は、その感圧方向で一対の絶縁部材３１３ａ、３１３ｂに挟まれている。絶縁部材３１３ｂは、絶縁部材３１３ｃと３１３ｄの２層構造である。絶縁部材３１３ｃは、内部に溝３１３ｃ１が設けられており、その溝３１３ｃ１に、較正用感圧体３１４が配置されている。溝３１３ｃ１は、絶縁部材３１３ｄで塞がれる。こうして、絶縁部材３１３ｂの内部に較正用感圧体３１４が配置される。較正用感圧体３１４は、その感圧方向が感圧体３１２の感圧方向と一致するように配置されている。較正用感圧体３１４が圧力を受けないように、較正用感圧体３１４の感圧方向の一方の面の側には、隙間Ｓｐが確保されている。
【００３５】
金属板４は、一方の面（暴露面４ａ）が圧力計測対象の流体に晒される。金属板４の暴露面４ａとは反対側に、センサ素子３１０の感圧方向を向く一方の面（絶縁部材３１３ａの面）が接している。金属板４は、その周囲が圧力センサ２ａの本体６に支持されている。
【００３６】
センサ素子３１０の金属板４とは反対側の面が基部５に支持されている。基部５は本体６に支持されている。金属板４は、暴露面４ａが圧力を受けると面外方向に変形するが、基部５は剛性が高く、金属板４が面外変形しても基部５はほとんど変形しない。圧力センサ２ｃは、金属板４が流体の圧力で面外変形する。金属板４の面外変形によってセンサ素子３１０が感圧方向に押圧され、感圧体３１２の抵抗値が変化する。抵抗値の変化から、流体の圧力が求まる。
【００３７】
較正用感圧体３１４による温度依存性低減は、先の第３実施例のセンサ素子２１０の場合と同じである。圧力センサ２ｃでは、金属板４から遠い側の絶縁部材３１３ｂの内部に較正用感圧体３１４が埋め込まれている。絶縁部材３１３ｂの中に較正用感圧体３１４を埋め込むことで、較正用感圧体３１４を含めた圧力センサを小型化することができる。較正用感圧体３１４を金属板４に近い側の絶縁部材３１３ａに入れると、上記した隙間Ｓｐにより金属板４の変形が感圧体３１２に伝わり難くなってしまう。第４実施例の圧力センサ２ｃでは、較正用感圧体３１４が金属板４から遠い側の絶縁部材３１３ｂに配置されているので、隙間Ｓｐを設けても圧力の計測精度が低下しない。
【００３８】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の圧力センサ２、２ａ、２ｃのセンサ素子１０、３１０は、全体が立方体に近い四角柱をなしている。センサ素子は、立方体に近い四角柱であることが好ましいが、本明細書が開示する技術は四角柱に限られない。本明細書が開示する技術は、底面が多角形の角柱や、底面が円や楕円の円柱であってもよい。
【００３９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４０】
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：圧力センサ
３：筒部
４：金属板
４ａ：暴露面
５、１０５、２０５：基部
６：本体
７：リード線
１０、２１０、３１０：センサ素子
１２、２１２、３１２：感圧体
１３ａ、１３ｂ：絶縁部材
１０５ａ、２０５ａ：溝
２１３ａ−２１３ｃ、３１３ａ−３１３ｄ：絶縁部材
２１４、３１４：較正用感圧体
３０１３ｃ１：溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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