(57)【要約】【課題】ダイヤフラムと支持部とが接合される形式のダイヤフラム式センサにおいて、ダイヤフラムの有効領域を安定して形成できる構造を提供する。【解決手段】封着材の溶融温度では形状の変化しない環状の支持部材１４がその端面においてダイヤフラム１２に密接して設けられ、固着層１６はその外周に沿って形成されることから、固着層１６を形成する際に封着材が熔融させられても、その支持部材１４より内周側に流れ込むことが抑制される。そのため、ダイヤフラム１２の有効領域がその支持部材１４の内周縁より内側に安定して形成される。【選択図】                    図１
2005227228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状のダイヤフラム部材と、そのダイヤフラム部材の一面の周縁部に固着されることによりそのダイヤフラム部材を固定部上で支持する支持部と、測定対象である力学量をそのダイヤフラム部材に伝達するための力学量伝達部とを備え、伝達された力学量に応じたそのダイヤフラム部の厚み方向における変位を検出してその力学量を測定する形式のダイヤフラム式センサであって、前記支持部は、
外周部に位置し且つ前記ダイヤフラム部材を前記固定部に固着するための固着材料から成る固着部と、
環状を成して前記固着部の内周側に位置し且つ一端面において前記ダイヤフラム部材に密接させられると共に外周面がその固着部に密接させられ且つ前記固着材料の溶融温度でその形状を維持する堰き止め部と
を、含むことを特徴とするダイヤフラム式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムの変形に基づいて力学量を検出するダイヤフラム式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤフラムの専ら厚み方向における変形(或いは変位)を検出し、これを電気信号に変換して出力する形式のダイヤフラム式センサが知られており、例えば、圧力や加速度等の力学量を検出するための圧力センサや加速度センサ等に利用されている。例えば、ダイヤフラムに抵抗体が密着形成され、抵抗体がダイヤフラムの変形に伴って変形させられることにより変化する歪抵抗を測定する形式の歪抵抗式センサや、ダイヤフラムの一面に可動側電極が設けられると共に、その可動側電極に対向して固定側電極が設けられ、その可動側電極がダイヤフラムの変形に伴って変形させられることにより変化する固定側電極との間の静電容量を測定する静電容量式センサが一例である。一般に、前者は圧力センサに利用され、後者は圧力センサおよび加速度センサに利用される。
【０００３】
上記のようなダイヤフラム式センサにおいて、ダイヤフラムと固定板上でこれを支持する支持部とを別々の部材に構成し、相互に接合したものが提案されている(例えば特許文献１乃至３等参照)。このような構成によれば、部品点数が増加すると共に部材相互の接合が必要になる点で不利ではあるが、支持体が一体形成されている場合のような肉厚の相違に起因する加工歪みが生じ延いては寸法・形状精度が低下する不都合が抑制されるので、厚み精度が良く検出精度の高いセンサが得られる利点がある。また、構成部材の個々の形状が単純化して製造が容易になるため、全体の製造コストは特に高くならず、却って、単純形状のものは大型化しても高精度で容易に加工し得るため、センサが大面積になるほど製造コストが低下する利点がある。しかも、単純な薄板形状のダイヤフラムはセラミックスのような脆性材料であっても例えば0.2(mm)以下程度まで薄肉化することも可能であるため、小型センサにも容易に対応できる利点がある。
【特許文献１】特開５−２３１９７４号公報
【特許文献２】特開６−６６６５９号公報
【特許文献３】特許第２５１３８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記のようにダイヤフラムと支持部とが別部材で構成される場合には、例えばろう付け或いはガラスや樹脂等の固着材料によってこれらを相互に接合する。前者は例えばリング状の支持部材をろう材でダイヤフラムおよび固定板に接合するものであるが、接合面が金属であることが必要となるので、ダイヤフラム或いは固定板がセラミックスで構成される場合には、その接合面にメタライズを施さなければならない。そのため、ダイヤフラムおよび固定板の構成材料はろう付けが直接可能な材料かメタライズが容易な材料に限定されると共に、金属の酸化を防止するために還元雰囲気下で加熱する必要があって工程が煩雑になる不都合がある。しかも、ダイヤフラムが金属で構成される場合には、ろう付けすると接合面近傍においてろう材が自由に広がるので、その接合内周縁位置によって決定されるダイヤフラムの有効領域(すなわちダイヤフラム寸法)が所期の寸法および形状で形成されない不都合がある。なお、メタライズが無用な活性金属法と称されるろう付け方法もあるが(例えば特許文献３等を参照)、この場合でも還元雰囲気下の加熱が必須であると共に、接合部の信頼性を通常のろう付け並みに確保することが困難な問題がある。
【０００５】
これに対して、後者の固着材料による接合方法では、接合面の制約が少なく且つ酸化雰囲気中で加熱できる利点がある。この接合方法では、例えば球状その他の形状のスペーサやそれよりも小さいフィラーを添加した固着材料を固定板上に塗布し、ダイヤフラムを載せて加圧しつつ加熱してその固着材料を軟化(或いは熔融)させることで相互に接合する。支持部の高さ寸法は、スペーサが含まれる場合にはその大きさで決定され、フィラーが含まれる場合にはこれによって制御される固着材料の流動性延いては変形量で決定される。そのため、加圧による横方向の変形や材料の流動等に起因して支持部内周縁を一定の曲線上に安定して位置させることが一層困難であるので、ダイヤフラムの有効領域が所期の寸法および形状で形成されない不都合があった。
【０００６】
なお、前記の特許文献１に記載された技術では、上記不都合の対策として固定板の上面に支持部の内周縁に沿って(すなわち電極周縁に沿って)凹溝を形成し、それよりも内周に固着材料が広がることを抑制している。しかしながら、凹溝が存在しないダイヤフラム上においては、固着材料の内周縁位置がダイヤフラムとの濡れ易さや塗布量の分布等に起因してばらつくことになるので、この構造でも安定したダイヤフラム寸法を得ることは困難である。
【０００７】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、ダイヤフラムと支持部とが接合される形式のダイヤフラム式センサにおいて、ダイヤフラムの有効領域を安定して形成できる構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、薄板状のダイヤフラム部材と、そのダイヤフラム部材の一面の周縁部に固着されることによりそのダイヤフラム部材を固定部上で支持する支持部と、測定対象である力学量をそのダイヤフラム部材に伝達するための力学量伝達部とを備え、伝達された力学量に応じたそのダイヤフラム部の厚み方向における変位を検出してその力学量を測定する形式のダイヤフラム式センサであって、前記支持部は、(ａ)外周部に位置し且つ前記ダイヤフラム部材を前記固定部に固着するための固着材料から成る固着部と、(ｂ)環状を成して前記固着部の内周側に位置し且つ一端面において前記ダイヤフラム部材に密接させられると共に外周面がその固着部に密接させられ且つ前記固着材料の溶融温度でその形状を維持する堰き止め部とを、含むことにある。
【発明の効果】
【０００９】
このようにすれば、固着材料の溶融温度では形状の変化しない環状の堰き止め部がその端面においてダイヤフラム部材に密接して設けられ、固着部はその外周に沿って形成されることから、固着部を形成する際に固着材料が熔融させられても、その堰き止め部より内周側に流れ込むことが抑制される。そのため、ダイヤフラム部材の有効領域がその堰き止め部の内周縁より内側に安定して形成されるので、その堰き止め部の寸法および形状精度に応じた高精度の有効領域が得られる。また、この結果、堰き止め部は、ダイヤフラムと固定部との相互間隔を決定するスペーサを兼ねることになる。
【００１０】
前記堰き止め部の構成材料は、固着温度において熔融しないものであれば適宜のものを用い得るが、例えば、軟化点が高いガラス材料にセラミック粉体を分散させたものや、高融点金属等が好適に用いられる。
【００１１】
ここで、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、作動流体が蓄えられる圧力室と、その作動流体が出入りする流体出入口とを備え、その圧力室内の流体圧とダイヤフラム部材のその圧力室とは反対側の一面との圧力差に応じてそのダイヤフラム部材が変形させられる圧力センサである。この態様では、上記圧力室および流体出入口が力学量伝達部に相当し、伝達される力学量は流体出入口から圧力室内に導かれる流体圧である。なお、作動流体は測定対象に応じて適宜の液体および気体を用い得る。例えば、測定対象がそれら液体および気体の圧力である場合には、それらが圧力室内を出入りするように構成すればよい。
【００１２】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、前記ダイヤフラム部材の一面に重錘体を備え、その重錘体に作用する加速度に応じてそのダイヤフラム部材が変形させられる加速度センサである。この態様では、上記重錘体が力学量伝達部に相当し、伝達される力学量は重錘体に作用する加速度である。本発明は、このような圧力センサや加速度センサに好適に適用される。上記変形は、主として厚み方向に生じる。
【００１３】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、前記ダイヤフラム部材の一面に設けられた可動側電極と、その可動側電極に対向して所定の固定部材上に設けられた固定側電極とを備え、ダイヤフラム部材の変形に伴ってその可動側電極が変位させられることにより生ずるそれら可動側電極と固定側電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度または圧力を測定する静電容量型センサである。前記の堰き止め部はダイヤフラム部材の固着高さを決定するスペーサとしても機能することから、所期の固着高さが確実に得られるため、静電容量型センサにおいて所期の特性を得ることが一層容易になる。
【００１４】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、前記ダイヤフラム部材の一面に密着形成された抵抗体を備え、ダイヤフラム部材の変形に伴って変形させられるその抵抗体の歪抵抗に基づいて圧力を測定する歪抵抗型センサである。本発明は、このような形式のセンサに好適に適用される。
【００１５】
また、好適には、前記堰き止め部は、前記固定部とは別体に構成され、その堰き止め部の形状が維持される温度で熔融させられる固着材でその固定部に固着されるものである。すなわち、堰き止め部と固定部とは一体形成されても別体形成されてもよいが、その接合はダイヤフラム部材の接合と同時に行うことも容易であるため、別体に形成する方が製造工程が簡単になり、ダイヤフラム部材の有効領域を決定する堰き止め部を高精度で形成し得る。
【００１６】
また、好適には、前記ダイヤフラム部材は、前記固定部に固着する際に高温になる場合には、その固定部の構成材料に近似した熱膨張係数を有する材料で構成することが好ましい。例えば、固定部が一般にその構成材料として賞用されているアルミナから成る場合には、アルミナの熱膨張係数に近似したものを選択する。例えば、固定部と同材質或いは同程度の熱膨張係数を有するセラミックスや、コバール或いは４２合金(すなわちFe-42％Ni合金)等の金属が好適である。一方、ダイヤフラム部材と固定部との固着が例えば200(℃)以下の低温で行われる場合には、熱膨張係数を考慮する必要は無いので、ダイヤフラム部材に任意の材料を用い得る。なお、ダイヤフラム部材をセラミックスで構成することの利点は、高い絶縁性を有することから例えば歪み抵抗回路の形成が容易なことである。また、金属で構成することの利点は、ダイヤフラム部材の形成が容易なことや静電容量型センサの可動電極を兼用できることである。
【００１７】
また、ダイヤフラム部材は、金属、セラミックス、半導体等で構成することができる。金属で構成する場合には、加工性がよく且つ耐衝撃性に優れたダイヤフラムが得られる。また、セラミックスで構成する場合には、電気回路形成が容易であると共に高温、磨耗、流体との反応等の耐環境性に優れたダイヤフラムが得られる。また、半導体で構成する場合には、ダイヤフラム、容器、各種回路形成において確立された半導体技術を採用できるので、微細パターン形成や多数同時処理が可能であり、小型センサを容易に製造できる利点がある。なお、ダイヤフラム部材が金属で構成され、且つ前記固着材料がろう材である場合には、前記堰き止め部は、そのろう材に濡れない(すなわち接触角が小さい)材料で構成されることが望ましい。例えば、セラミックスやガラス材料等が好適である。
【００１８】
また、好適には、前記ダイヤフラム部材が金属で構成される場合には、その金属材料は、前記支持部よりも熱膨張係数が大きいものである。このようにすれば、加熱を伴う接合後の冷却過程でダイヤフラム部材に張力が作用することとなるので、圧力や加速度等が作用した場合の変形が一層一様になる利点がある。上記熱膨張係数の相違は、例えば、5×10-7〜30×10-7(/℃)程度が好ましい。これよりも差が小さいと十分な大きさの張力を与えることができず、大きいと変形や破損の原因になる。
【００１９】
また、好適には、前記堰き止め部は、前記ダイヤフラム部材を前記固定部に固着する際の温度で軟化しないガラス或いはガラスとセラミック粉体との混合物から成るものである。このような堰き止め部は、ガラス粉体或いはガラスとセラミックスとの混合粉体を、樹脂が溶剤に溶解させられたビヒクルと混練してインクを調製すれば、簡便なスクリーン印刷で形成できる。そのため、精度の高い堰き止め部を容易に形成できる利点がある。特に、ガラスとセラミックスの混合粉体は、熱膨張の調整が容易であると共にガラスの強度アップが可能なことから好ましい。印刷後焼成してガラスを溶融すれば、固定部或いはダイヤフラム部材に堰き止め部が気密に固着形成される。このように印刷等により堰き止め部が形成される場合には、前述したようにダイヤフラム部材および固定部とは別部品に構成する他、それら固定部上或いはダイヤフラム部材上に固着形成することも可能である。このようにすれば、堰き止め部の形成が容易になる。ダイヤフラム部材上に形成する場合には、ダイヤフラムと固定部との接合時における固着材料の流動は固定部上のみで生じ得るため、特に好ましい。
【００２０】
また、前記堰き止め部は、上記のように固定部上或いはダイヤフラム上にパターン形成する他、例えば、固定部やダイヤフラムの一面に機械加工や化学的方法を施すことによって堰き止め部以外の部分を適当な厚さ寸法で除去する加工方法で形成することもできる。
【００２１】
また、好適には、前記固着部は、ガラス或いはセラミック粉体が分散されたガラス等から成るものである。このようにすれば、ガラスは気密性に優れ、且つ金属やセラミックスに高い接合力を以て接合させられるので、ダイヤフラム部材が確実に接合されると共に、圧力センサの圧力室をその内側に形成する場合にもその気密性の確保が容易である。
【００２２】
また、好適には、前記堰き止め部は、円環状、一層好適には真円環状を成すものである。このようにすれば、ダイヤフラム部材の有効領域が円形を成すので一様に変形させられるため、一層特性の安定したダイヤフラム式センサが得られる。すなわち、堰き止め部は所望とするダイヤフラム部材の有効領域形状に応じて適宜の形状のものを用い得るものであって、例えば角筒状等の適当な閉曲線輪郭形状で構成することもできるが、円環状、特に真円環状が好ましいのである。
【００２３】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、圧力センサであり、前記固着部は、前記堰き止め部の外周側において前記ダイヤフラム部材と前記固定部との間を密閉するものである。このようにすれば、圧力センサの圧力室が固着部の内周側に好適に形成される。
【００２４】
また、好適には、前記固定部と前記ダイヤフラム部材との相互間隔は、前記堰き止め部の外周側においてその内周側よりも大きくされる。このようにすれば、ダイヤフラムの有効領域内において固定部とダイヤフラム部材との相互間隔が小さく設定される場合にも、堰き止め部の外周側における固着部の高さ寸法(固定部からダイヤフラム部材に向かう方向における寸法)を、十分な固着強度や液密性或いは気密性を確保できる大きさにすることができる。例えば、静電容量型センサにおいて固定部およびダイヤフラム部材の対向面にそれぞれ電極が形成される態様では、それらの相互間隔が例えば50(μm)以下と比較的小さくされる場合もあるので、固定部を平坦にしてその相互間隔を全面で一様にすると固着部の高さ寸法の確保が困難になる。上記のようにすれば、このような場合にも適切な高さ寸法を確保することが可能である。上記外周部における相互間隔は、例えば、固定部およびダイヤフラム部材の少なくとも一方(好適には固定部)の対向面を堰き止め部よりも外周においてその内周よりも低くなるように形成することで確保できる。
【００２５】
また、前記固着部は、前記堰き止め部に密着して形成されることが好ましい。このようにすれば、ダイヤフラム部材の有効領域は、固定部から離隔する変形方向においてはその固着部の内周縁よりも内側になるので、離隔して形成される場合に比較して有効領域の寸法および形状精度が高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００２７】
図１は、本発明の一実施例の静電容量型圧力センサ１０の構造を模式的に示す断面図であり、図２は、そのII−II視断面図である。これら図１、図２において、ダイヤフラム１２は、円環状の支持部材１４で支持され、その外周側に形成された固着層１６によって円板状の固定板１８上に固着されている。また、固定板１８およびダイヤフラム１２の相対する内面２０，２２には、例えば円形の固定側電極２４および可動側電極２６がそれぞれ対向して固着形成されている。
【００２８】
また、ダイヤフラム１２は、例えばアルミナ等のセラミックスで構成されたものであって、例えば、直径が16(mm)程度、厚さ寸法が0.3(mm)程度の平坦且つ一様な厚みの薄板円板である。このダイヤフラム１２は、例えば、粉末プレス成形等の適宜の成形方法で作成した板を緻密に焼結させ、両面を平坦且つ平滑に研削加工すること等によって製造される。前記の可動側電極２６は、例えばAu等から成るものであって、8(mm)程度の直径と、1(μm)程度の厚さ寸法とを有し、ダイヤフラム内面２２上にそれよりも小さい直径でその内周側に厚膜或いは薄膜技術等によって形成されている。
【００２９】
また、上記の支持部材１４は、例えば、固着工程温度で軟化しないガラス或いはガラスとセラミックスとの混合体から成るものであって、例えば、9(mm)程度の内径と、ダイヤフラム１２の直径よりも十分に小さい10(mm)程度の外径と、0.1(mm)程度の厚さ寸法(高さ寸法)とを有している。この厚さ寸法は、固定側電極２４および可動側電極２６の相互間隔を決定するものであって、検出しようとする圧力に応じて定められており、例えば10(μm)程度の微少な値にも設定され得る。また、この支持部材１４の構成材料は、固着層１６の構成材料(例えば後述するガラス材料)の熔融温度においてその寸法および形状を維持し得るものが選ばれている。また、前記の可動側電極２６の直径は、この支持部材１４の内径よりも十分に小さくなるように定められている。本実施例においては、この支持部材１４が堰き止め部に相当する。
【００３０】
また、前記固定板１８は、例えばアルミナ等から成るものであって、例えばダイヤフラム１２と同程度の直径と、4(mm)程度の厚さ寸法とを備えている。また、前記の固定側電極２４は、Au膜等から成るものであって、固定板内面２０上に可動側電極２６と同一の面積および厚さ寸法で同軸に形成されている。
【００３１】
このようなダイヤフラム１２、固定板１８、および支持部材１４に囲まれた円板状(或いは円柱状)の空間２８は、気体や液体等の作動流体が蓄えられる圧力室であって、ダイヤフラム１２は、その圧力室２８内の作動流体圧とダイヤフラム１２の外部の圧力(例えば気圧)との差圧に応じて図１における上方或いは下方(すなわち固定側電極２４に接近する方向または離隔する方向)に撓み変形させられる。上記の固着層１６は、ダイヤフラム１２および固定板１８を外周縁部において相互にその作動流体が漏れ出ない程度の気密或いは液密に固着するものである。すなわち、厳密に言えば、圧力室２８はその固着層１６の内周縁の内側に形成されている。また、上記の固定板１８の中央部には、その厚み方向に貫通する例えば直径2(mm)程度の作動流体出入口３０が備えられており、圧力室２８内の圧力は、測定対象となる作動流体或いは測定対象の圧力変化に対応して圧力が変化する作動流体が流入させられることにより高められる一方、その作動流体が流出させられることによって低められる。本実施例においては、固定板１８が固定部に相当し、圧力室２８および作動流体出入口３０が力学量伝達部を構成している。
【００３２】
なお、ダイヤフラム１２は、支持部材１４がその内周側に位置させられていることから、その支持部材１４の内周縁３２よりも内周側の部分のみが上記の圧力変化に応じて撓み変形させられる。そのため、本実施例において、ダイヤフラム１２の有効領域はこの支持部材内周縁３２よりも内側の範囲であり、可動側電極２６はその有効領域内に形成されているのである。また、固定側電極２４および可動側電極２６は、それぞれ図示しない取出し端子を介して、圧力室２８の外側に備えられた配線に接続されている。
【００３３】
また、前記の固着層１６は、例えばSiO2-B2O3-PbO系等のガラス或いはそれらガラスとアルミナ等のセラミックス粉体との混合材料から成るものであって、例えば、図３(ａ)、(ｂ)に接合工程の実施状態を模式的に示すように、ダイヤフラム１２および固定板１８間に介在させられた状態で熔融させられることにより、これらを固着したものである。図３(ａ)において、固定板１８上の所定位置に支持部材１４が固定或いは適当な位置決め方法を用いて配置されており、その外周側に固着層１６を形成するためのガラス封着材３４が例えば塗着されている。ガラス封着材３４は、支持部材１４よりも僅かに上側に盛り上がって設けられており、図３(ｂ)に示すように、その上にダイヤフラム１２が載置される。この状態で封着材３４の種類に応じて定められる所定温度まで加熱することによりこれを熔融させると、流動性および粘着性が増したガラスが固定部材１８およびダイヤフラム１２上で広がりつつこれに固着され、ダイヤフラム１２が固定部材１８に接合される。
【００３４】
この接合過程において、本実施例によれば、熔融させられたガラス(封着材３４)は、四方に広がるように流動しようとするが、内周側への流動は支持部材１４によって妨げられるため、専ら外周側にのみ広がることとなる。支持部材１４は、このように封着材３４の内周側への流動を妨げ得るように、ダイヤフラム１２の下面２２(すなわち圧力室２８側の一面)にその端面が密接させられるのである。そのため、固着層１６の内周縁は支持部材１４の外周縁に沿って形成され、それよりも内周側には広がらない。この結果、ダイヤフラム１２の有効領域は支持部材１４のみによって決定されており、固着層１６が内周側に広がることによる寸法変化や形状変化は何ら生じていない。本実施例においては、この固着層１６が固着部に相当し、支持部材１４および固着層１６によって支持部が構成されており、その支持部は固定板１８とは別部材で構成されている。
【００３５】
要するに、本実施例によれば、封着材３４の溶融温度では形状の変化しない環状の支持部材１４がその端面においてダイヤフラム１２に密接して設けられ、固着層１６はその外周に沿って形成されることから、固着層１６を形成する際に封着材３４が熔融させられても、その支持部材１４より内周側に流れ込むことが抑制される。そのため、ダイヤフラム１２の有効領域がその支持部材１４の内周縁より内側に安定して形成されるので、その支持部材１４の寸法および形状精度に応じた高精度の有効領域が得られる。また、この結果、支持部材１４は、ダイヤフラム１２と固定板１８との相互間隔を決定するスペーサを兼ねるものとなっている。
【００３６】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述した実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４に示される圧力センサ３６は、ダイヤフラム１２の上に有底円筒状を成す電極固定部材３８がその開口端面において固着されており、ダイヤフラム１２の上面に可動側電極４０が、その電極固定部材３８の内面に固定側電極４２がそれぞれ固着形成されている。電極固定部材３８は、例えばアルミナ等から成るものであって、その内側底面は検出しようとする圧力に応じた20(μm)程度の距離だけダイヤフラム１２の上面から離隔させられている。なお、この実施例では、固定板１８上およびダイヤフラム１２の下面に電極は何ら形成されておらず、それらと支持部材１４とに囲まれた空間２８は、ダイヤフラム１２に測定対象圧力を伝達する機能のみを有している。
【００３７】
また、電極固定部材３８は、その内周縁４４が支持部材１４の内周縁３２よりも十分に外周側に形成されている。そのため、ダイヤフラム１２の上面側には堰き止め部として機能するものが何ら設けられていないことから、電極固定部材３８の接合端面からはみ出した封着材はそれよりも内周側に広がり得る。しかしながら、ダイヤフラム１２の有効領域は最も内周側の固着部分すなわち内周縁３２により定められることとなるので、このように構成しても、高精度で有効領域を形成することが可能である。
【００３８】
図５は、本発明が歪抵抗型圧力センサ４６に適用された場合の構成例を示したものであって、図１に対応する図である。図５において、ダイヤフラム１２の上面４８の適宜の箇所には、ピエゾ抵抗素子５０が固着されている。この抵抗素子５０は、例えば、厚膜や薄膜等によって構成されるものである。また、抵抗素子５０は、図示しない取出電極を介して外部配線に接続され、その抵抗値および抵抗値変化が測定され得るようになっている。ダイヤフラム１２が撓み変形させられるとそれに応じた応力が抵抗素子５０に作用するので、それら抵抗素子５０の抵抗値が変化し、測定された抵抗値変化に基づいて、ダイヤフラム１２を撓み変形させた圧力が検出されるのである。
【００３９】
なお、上述した圧力センサ１０，３６，４６では、固定板１８に作動流体出入口３０が設けられ、圧力室２８が測定圧力検出部として機能するように構成されているが、この作動流体出入口３０を設けず圧力室２８を閉空間に構成すれば、その圧力を一定に保つことにより基準圧力部として機能させられる。この場合には、ダイヤフラム１２の圧力室２８とは反対側の一面の圧力変化を検出することになる。
【００４０】
図６は、本発明が静電容量型の加速度センサ５２に適用された構成例を示した図１に対応する図である。図６において、ダイヤフラム１２の下方には円環状の固定部材５４が配置されており、その環状端面上に支持部材１４が配置され、且つその外周側に設けられた固着層１６でダイヤフラム１２が固定されている。そのため、ダイヤフラム１２の下面は開放状態になっており、その下面には、固定部材５４の内周面よりも内側位置に例えば円柱状の重錘体５６が固着されている。この重錘体５６は、測定しようとする加速度の大きさに応じてその大きさや質量等が定められたものである。
【００４１】
このような加速度センサ５２においては、図６における左右方向、例えば水平方向に加速度が生ずると、重錘体５６の慣性力によってダイヤフラム１２が専ら厚み方向に変形させられるので、可動側電極４０および固定側電極４２間の静電容量が変化し、発生した加速度が検出される。本発明は、このような加速度センサ５２にも利用される。
【００４２】
図７は、前記図１に示される圧力センサ１０等における支持部の他の構成例を説明するための要部を拡大して示す図である。図７において、この圧力センサ５８の固定板６０には、内面２０側の外周縁部に段部６２が形成されている。段部６２は、内面２０から外周側に向かうに従って急激に厚さ寸法が減じられ、外周面近傍ではその厚さ寸法が略一定となる曲面に形成されている。そのため、ダイヤフラム１２が接合された図示の状態において、その外周端縁では内周側よりもダイヤフラム１２と固定板６０との相互間隔が例えば略２倍程度に拡大されている。そのため、この部分に形成された固着層６４は、固定板６０が全体に亘って一様な厚さ寸法に形成された場合に比較して略２倍程度の厚さ寸法(高さ寸法)を備えたものとなっている。
【００４３】
したがって、このような圧力センサ５８によれば、例えば内面２０，２２の相互間隔が20(μm)程度と極めて小さい場合にも、固着強度や気密性を確保するために必要な封着層厚さが確保される利点がある。すなわち、ガラス封着材による接合では、十分な接着力を発揮するための最適厚みが存在することが知られているが、本実施例によれば、電極間隔と封着厚みとを独立してそれぞれ最適値に設定できるのである。
【００４４】
図８に示す静電容量型センサ６６は、図４、図６に示されるセンサ３６，５２の左端部の構成が異なる他はそれらと同様に構成されたものである。この実施例においては、前記の電極固定部材３８に代えて略平坦な電極固定板６８が用いられ、その電極固定板６８が支持部材７０でダイヤフラム１２上に支持された状態で固着層７２によって気密に固着されている。これら支持部材７０および固着層７２は、支持部材１４および固着層１６と同様に構成されたものである。すなわち、同様な材料で構成され、且つ支持部材７０の内径および外径は支持部材１４と同一に構成されている。また、支持部材１４，７０は同軸的に設けられており、それらの内周面は一円筒面上に位置する。
【００４５】
そのため、この態様によれば、ダイヤフラム１２がその両面において支持部材１４，７０によって有効領域を高精度に決定されていることから、圧力や加速度の増減に伴って上下両面の何れにも撓み変形させられ得る場合において、その増減の何れの場合でも同様な測定精度を確保できる利点がある。また、図における上側に撓み変形させられる際には、図４、図６に示される態様ではダイヤフラム１２の固着部分の内周縁に応力が集中して支持部材１４からの剥離が生じ易いが、本実施例によれば、同程度の内径を有し且つ同軸的に設けられた支持部材１４，７０で両面が押さえられているので、そのような応力集中が生じても剥離が生じ難い利点がある。すなわち、大きな圧力や加速度が繰り返し作用するような環境下で使用しても長寿命を得ることができる。
【００４６】
なお、前述した実施例においては、ダイヤフラム１２がアルミナ・セラミックスで構成されていたが、金属材料で構成することもできる。このようにすれば、金属はセラミックスに比べて安価であり、しかも、例えば、0.05(mm)程度の一層薄く且つ高精度のダイヤフラム１２を容易に製造し得るので、一層高精度の測定が可能となる利点がある。また、ろう付けによる接合が可能であるため、強度確保が容易な利点もある。但し、歪抵抗型および静電容量型の何れに用いる場合にも、工夫すべき点があるのでこれを説明する。
【００４７】
先ず、金属材料は導電性を有するので、複数個のピエゾ抵抗素子５０が形成される歪抵抗型センサにおいては、それらを相互に電気的に絶縁するために抵抗素子５０とダイヤフラム１２との間を電気的に絶縁する必要がある。この絶縁処理は、例えば、ガラス被覆(琺瑯)等の金属表面処理技術を用い得る。なお、絶縁処理が必要となるのは抵抗素子５０の形成面のみであるが、片面だけにガラス膜を形成するとその形成過程では高温の加熱処理が施されることから、熱膨張係数の相違や熱伝導率の相違等に起因してダイヤフラム１２に反りが生ずるので、両面に同材料で同様な厚さ寸法のガラス膜を形成し、両面の応力を相殺することが好ましい。また、このようなガラス膜は、金属から成るダイヤフラム１２に絶縁性を与えると同時に、その耐環境性を高める利点がある。
【００４８】
また、ダイヤフラム１２の固定板１８或いは固定部材５４への接合時にも、前述したように加熱処理が行われるので、支持部材１４は、ダイヤフラム１２と熱膨張係数の近似する材料で構成することが好ましい。但し、ダイヤフラム１２の熱膨張係数が支持部材１４の熱膨張係数よりも若干大きくなるようにそれらの構成材料を選択すれば、接合工程の冷却過程でダイヤフラム１２に張力が作用することになるため、接合後にダイヤフラム１２に緩みが生じず一層好ましい。このような条件を満たす材料としては、例えば、Fe-Ni合金、Fe-Ni-Cr合金、Fe-Ni-Co合金、或いはこれらの系の各種の合金等を挙げることができる。なお、これらの合金は、高温で酸化されることにより変色させられると共に半田付け性が悪化し、また、耐蝕性が比較的低いので、NiやAu等で鍍金処理を施すことが好ましい。但し、ガラス等から成る封着材３４との固着部分は、濡れ性を高めるために酸化させる方が好ましい。
【００４９】
また、金属から成るダイヤフラム１２は、静電容量型センサにおいては可動側電極と兼用させることができるので、可動側電極２６，４０を別途形成する手間が省略できると共に、端子の取出しが容易になる利点がある。但し、電極がダイヤフラム１２の撓み変形範囲よりも外側の支持部材１４上すなわち電極固定部材３８が接合される部分にまで存在することになるので、測定対象物よりも一般に誘電率の大きいその電極固定部材３８の容量も計測され、測定感度が低下する問題もある。このような問題は、例えば、以下のような方法で回避し得る。
【００５０】
第１の方法は、例えば、可動側電極２６と固定側電極２４との間隔をできるだけ小さくし、或いは、固定側電極２４をできるだけ小面積とすることにより、固定側電極２４とダイヤフラム１２の接合部分とを結ぶ線が固定板１８と成す角度を小さくすることである。
【００５１】
また、第２の方法は、ダイヤフラム１２と電極固定部材３８との接合部において、そこに存在する金属の面積を小さくするか、電極間距離を大きくすることである。例えば、ダイヤフラム１２の周縁部に切欠きや貫通孔等を設けることにより、面積を減少させることが可能であり、ダイヤフラム１２の固定側電極２４側の一面の外周縁部に凹部を形成すれば、電極間距離を大きくすることができる。
【００５２】
また、これらの他に、固定側電極２４の周囲に補助電極を設けて形成される電界を分離する方法もある。
【００５３】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施例の圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図２】図１の圧力センサのII−II視断面図である。
【図３】(ａ)，(ｂ)は図１の圧力センサの製造工程の要部である接合工程を説明する図である。
【図４】本発明の他の実施例の静電容量型圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図５】本発明の更に他の実施例の歪み抵抗式圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図６】本発明の更に他の実施例の静電容量型加速度センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図７】本発明の更に他の実施例の静電容量型センサの断面構造の要部を説明する図である。
【図８】本発明の更に他の実施例の静電容量型センサの断面構造の要部を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０：静電容量型圧力センサ、１２：ダイヤフラム、１４：支持部材、１６：固着層、１８：固定板、２８：圧力室
【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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