(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、流体に面する基板４と、感圧体１２を備えている。感圧体１２は、基板４から離間しつつ可撓性のリード線７で基板４につながれている。感圧体１２を含むセンサ素子１０は、基板４から離間して流体中に置かれるため、その全面で流体の圧力を受ける。そのような構造により、センサ素子１０の各面が受ける圧力が感圧体１２の歪みを生じさせ、抵抗が変化する。即ち、センサ素子１０の夫々の面が受ける圧力が抵抗値の変化に寄与する。従って、従来の圧力センサに比べて圧力の検出感度を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体に面する基部と、
前記基部から離間しつつ可撓性部材で前記基部につながれている感圧体と、
を備える圧力センサ。
【請求項２】
前記可撓性部材は前記感圧体に接続されているリード線である、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記感圧体の両面に絶縁層が接合している請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記感圧体と前記絶縁層の積層体が四角柱をなしている、請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記感圧体の前記流体に面している部分が絶縁材で被覆されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
流体に面する基部と、
両面に絶縁層が接合している感圧体と、
を備えており、
前記絶縁層が前記基部に接しており、
前記感圧体と前記絶縁層との積層方向における前記絶縁層の厚みが前記積層方向における前記感圧体の厚みよりも大きい、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】
感圧体を用いた従来の圧力センサは、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（例えば特許文献１）。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抵抗値が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
特許文献１に例示されている従来の圧力センサは、感圧体の一面（法線が基板の法線と一致する面）が受ける圧力で感圧体が歪み、抵抗が変化する。感圧体はその側面（法線が基板の法線と直交する面）も圧力を受けるが、側面の一辺が基板に拘束されているため、側面が受ける圧力の抵抗の変化に対する寄与は小さい。感圧体の側面が受ける圧力も抵抗変化に寄与するようにすれば、圧力センサの感度が向上する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する圧力センサは、流体に面する基部と、感圧体を備えている。感圧体は、基部から離間しつつ可撓性部材で基部につながれている。従って、感圧体はその全面で流体の圧力を受ける。そのような構造により、感圧体の夫々の面が受ける圧力が感圧体の歪み、即ち、抵抗の変化に寄与する。従って、従来の圧力センサに比べて圧力の検出感度を高めることができる。
【０００６】
本明細書が開示する圧力センサの他の態様では、可撓性部材は感圧体に接続されているリード線であるとよい。感圧体を支持する部材を、感圧体の抵抗値を測るリード線が兼ねることで構造が簡単になる。
【０００７】
本明細書が開示する圧力センサのさらに別の態様では、感圧体の両面に絶縁層が接合されているとよい。感圧体の塊を用いても良いが、感圧体の体積が大きいとコストが嵩む。感圧体の両面に絶縁層を接合することで、絶縁層の側面が受ける圧力による変形で感圧体も変形する。ここで、「側面」とは、絶縁層と感圧体の積層方向に対して直交する方向に法線を有する面を意味する。即ち、感圧体の側面と絶縁層の側面で受けた圧力で感圧体を変形させ、抵抗を変化させる。絶縁層を接合することで、感圧体の体積を抑制しつつ、側面から受ける圧力も抵抗値変化に寄与するようにできる。なお、感圧体と絶縁層の積層体は、四角柱をなしていると良く、その四角柱は、立方体に近いほど好ましい。立方体に近いと六面がほぼ均等に荷重（圧力×面積）を受けるので、圧力の計測感度が最も良くなる。
【０００８】
本明細書が開示する圧力センサは、感圧体の流体に面している部分が絶縁材で被覆されているとよい。感圧体を絶縁材で被覆することで、導電性の液体の圧力も計測することができる。
【０００９】
感圧体が基部から離間し、感圧体と基部との間に計測対象の流体が存在する態様が好ましいが、感圧体が絶縁層に挟まれており、その絶縁層が基部に接している構造でも、圧力を正確に計測することができる。この場合、感圧体と絶縁層の積層方向における絶縁層の厚みを、積層方向における感圧体の厚みよりも大きくする。一方の絶縁層の一面は基部に拘束されていても、感圧体よりも厚みの大きい絶縁層は、その側面が流体から圧力を受けて変形する。また、基部に拘束されていない絶縁層と感圧体も側面が圧力を受けて変形する。一方の絶縁層が基部に接していても、絶縁層と感圧体の積層体の側面（法線が基板の法線と直交する面）が受ける圧力も感圧体の変形に寄与する。従って、感圧体が基部に直接に接合されている従来の圧力センサよりも精度が高まる。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】第１実施例の圧力センサの断面図である。
【図２】感圧体を含むセンサ素子の斜視図である。
【図３】実施例の圧力センサを流体中に浸漬した場合と一軸荷重した場合の抵抗変化率のグラフである。
【図４】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５】第１変形例のセンサ素子の斜視図である。
【図６】第２変形例のセンサ素子の斜視図である。
【図７】図７（Ａ）は、第２実施例の圧力センサの断面図である。図７（Ｂ）は、センサ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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。圧力センサ２の主部品は、センサ素子１０である。図２に、センサ素子１０の斜視図を示す。
【００１３】
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の両面に絶縁層１３が貼着された積層体である。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２では見えないが、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。積層体の大きさは、概ね、縦横高さが夫々４ｍｍの立方体に近い四角柱である。
【００１４】
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層１３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。
【００１５】
感圧材料は歪むと抵抗値が変化する材料である。感圧材料に圧力が加わると歪むので抵抗値が変化する。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。
【００１６】
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。
【００１７】
筒部３の上端にセラミックス製または樹脂製の基板４が配置されている。基板４によって、筒部３の上端が封止されており、流体は筒部３から外部へは漏れないようになっている。基板４の裏側（大気圧側）に、補強用の金属板５が張られている。基板４と金属板５は、樹脂製または金属製の本体６に収められている。
【００１８】
センサ素子１０は、セラミックス製または樹脂製の基板４に、リード線７でつながれている。センサ素子１０は、基板４の流体に面する側につながれている。センサ素子１０は、基板４から離間しつつ、リード線７でつながれており、その全面が計測対象の流体に接する。リード線７は可撓性を有しており、センサ素子１０は計測対象の流体の中で、数ｍｍの範囲で自由に動くことができる。センサ素子１０は周囲の流体から圧力を受けて歪むが、可撓性を有するリード線７はセンサ素子１０の歪みに影響を与えない。即ち、センサ素子１０の全周囲から加わる全ての圧力がセンサ素子１０の歪みに寄与する。
【００１９】
先に述べたように、一対のリード線７は、センサ素子１０の感圧体１２の両端に接続されており、リード線７は、不図示の計測回路に接続されている。不図示の計測回路は、リード線７を介して感圧体１２の抵抗値を計測し、計測した抵抗値から流体の圧力を求める。
【００２０】
圧力センサ２は、感圧体１２を含む立方体に近い四角柱のセンサ素子１０の全面が計測対象の流体に晒される。センサ素子１０は全面が圧力を受けて歪む。絶縁層１３が露出している部分は、絶縁層１３が圧力を受けて歪むことで、絶縁層１３に貼着されている感圧体１２が歪む。先に述べたように、リード線７は可撓性を有しており、センサ素子１０の歪みに影響を与えない。センサ素子１０は、その全面が受ける圧力の全てが歪みに寄与するので、一面だけで圧力を受ける圧力センサと比較して計測感度が高い。特に、センサ素子１０は立方体に近い四角柱であり、六面にほぼ均等に荷重（圧力×面積）が加わるので、計測感度が良い。
【００２１】
圧力センサ２の計測感度を確認した試験の結果を図３に示す。図３のグラフは、横軸が圧力を表しており、縦軸がセンサ素子１０の抵抗変化率を表している。グラフＧ１は、センサ素子１０に一方向の荷重を加えたときの抵抗変化率を示している。荷重は、感圧体１２と絶縁層１３の積層方向に加えた。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。グラフＧ２は、センサ素子１０を油に浸し、静水圧を変化させたときのグラフである。センサ素子１０を油に浸しているので、静水圧はセンサ素子１０の全面に加わる。静水圧を加えたときの抵抗変化率は、静水圧の増加とともに直線的に減少し、圧力が６０［ＭＰａ］のときに−２．０［％］であった。静水圧を加えたときの抵抗変化率は、一方向荷重を加えたときと比較して、約３０％感度が向上した。センサ素子１０を油に浸した場合、静水圧がセンサ素子１０の全面に加わるため、一方向荷重の場合と比較してセンサ素子１０の歪みが大きくなることが、感度が向上した要因である。
【００２２】
圧力センサ２は、簡単な構成で高い感度を得られる。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。
【００２３】
図４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。
【００２４】
図５に第１変形例のセンサ素子１０ａの斜視図を示す。センサ素子１０ａは、感圧体１２とその両側の絶縁層１３で構成される積層体と、感圧体１２の両側に設けられた電極８と、絶縁材１９を備えている。電極８を含む積層体の全体が絶縁材１９で被覆されている。絶縁材１９は、例えば樹脂膜やシリコンゴムである。センサ素子１０ａの全体を絶縁材で被覆することで、導電性の流体内でも使える圧力センサが得られる。なお、リード線７は、電極８と接続される部分を除いて絶縁材で被覆されている。
【００２５】
図６に、第２変形例のセンサ素子１０ｂの斜視図を示す。センサ素子１０ｂは、感圧体１２の流体に面する部分と電極８が絶縁材２９で被覆されている。絶縁材２９は、例えば樹脂膜やシリコンゴムである。絶縁層１３の一部は絶縁材２９で覆われているが、残部は露出している。導電性の感圧体１２と電極８だけを絶縁材で覆っても、第１変形例のセンサ素子１０ａと同様の効果を得ることができる。
【００２６】
（第２実施例）図７に、第２実施例の圧力センサ２ａを示す。図７（Ａ）は、第２実施例の圧力センサ２ａの断面図である。図７（Ｂ）は、センサ素子１０の断面図である。第２実施例の圧力センサ２ａは、センサ素子１０の一方の絶縁層１３ａが基部４に接合している点が第１実施例の圧力センサ２と相違する。その他の構造は第１実施例の圧力センサ２の構造と同じである。各部品に付した符号も、第１実施例で用いた符号と同じ符号を用いる。ただし、感圧体２１を挟む一対の絶縁層については、両者を区別するため、基板４に接合している絶縁層を符号１３ａで表し、他方の絶縁層を符号１３ｂで表す。
【００２７】
先に述べたように、第２実施例の圧力センサ２ａは、一方の絶縁層１３ａが基板４に接合している。別言すれば、圧力センサ２ａは、感圧体１２が両側から絶縁層１３ａ、１３ｂで挟まれたセンサ素子１０を有しており、感圧体１２と絶縁層１３ａ、１３ｂの積層方向の一端で絶縁層１３ａが基板４に接合されている。図７（Ｂ）に示すように、感圧体１２と絶縁層１３ａ、１３ｂの積層方向における絶縁層１３ａ、１３ｂの厚みｔａは、積層方向における感圧体１２の厚みｔｂよりも大きい。
【００２８】
圧力センサ２ａでは、絶縁層１３ａの一面が基板４に拘束されている。しかし、感圧体１２の厚みよりも大きい厚みを有する絶縁層１３ａは、計測対象の流体に接している側面１３ａ１が流体から圧力を受けて変形する。その変形の影響を受けて感圧体１２に歪みが生じる。また、感圧体１２自身も流体に接している側面１２１が圧力を受け、他方の絶縁層１３ｂも側面１３ｂ１が流体から圧力を受ける。センサ素子１０は、一面が基部４に拘束されているが、側面の面積（絶縁層の側面１３ａ１、１３ｂ１と感圧体１２の側面１２１の総面積）が大きいので、その側面の全体が計測対象の流体から圧力を受けて変形する。センサ素子１０は、側面と正面（基部４の法線と同じ向きの法線を有する面１３ｂ２）が計測対象の流体から圧力を受けて変形するので圧力の計測感度が高い。
【００２９】
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のセンサ素子１０（１０ａ、１０ｂ）は、感圧体１２の両側に絶縁層１３が接合されている。センサ素子は、絶縁層を備えず、感圧体と電極のみで構成されていてもよい。ただし、厚みの大きい感圧体１２は高価である。それゆえ、感圧体の厚みは薄くして、感圧体の両側に絶縁層を備えることでセンサ素子の厚みを大きくする方が、高感度の圧力センサを低コストで実現できる。
【００３０】
実施例の圧力センサ２、２ａのセンサ素子１０（１０ａ、１０ｂ）は、全体が立方体に近い四角柱をなしている。立方体に近い四角柱であると、センサ素子を流体に浸したときに六面に加わる荷重（圧力×面積）がほぼ等しくなる。全面から等しい荷重を受けるセンサ素子は均等に歪む。歪みが均等である方が圧力の計測感度が高まる。ただし、本明細書が開示する圧力センサは、センサ素子が立方体に近いことがより望ましい。
【００３１】
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。
【００３２】
実施例の圧力センサ２は、リード線７のみでセンサ素子１０（感圧体１２）が基板４につながれている。センサ素子１０（感圧体１２）は、リード線７以外の可撓性部材で基板４に接続されていてもよい。
【００３３】
圧力センサ２，２ａのセラミックス製の基板４が「基部」の一例に相当する。基板はセラミックスに限らず、樹脂製であってもよい。絶縁層１３は、ジルコニアに限らず、アルミナ等の他の絶縁材で作られていてもよい。感圧体は、酸化ルテニウムとガラスのコンポジット材であることが好ましいが、シリコン等の圧力に応じて抵抗が変化する材料であれば、他の材料であってもよい。
【００３４】
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】
【００３５】
２、２ａ：圧力センサ
３：筒部
４：基板
５：金属板
６：本体
７：リード線
８：電極
１０、１０ａ、１０ｂ：センサ素子
１２：感圧体
１３、１３ａ、１３ｂ：絶縁層
１９、２９：絶縁材
【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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