(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体又は液体の圧力を検出する圧力センサであって、
前記圧力を伝達するピストンと、
該ピストンをピストン摺動部に沿って摺動させるピストンガイド手段と、
該ピストンガイド手段の上端部に、前記ピストンの上端部を覆うように設けられ、該ピストンガイド手段の内部と測定すべき外部とを隔離する圧力隔壁膜と、
前記ピストンの変位を電気信号に変換して検知する圧力検知素子と
からなり、
前記圧力隔壁膜は、その裏面周辺部に粘着剤が塗布されて前記ピストンガイド手段の上端面に接着され、前記圧力隔壁膜の裏面中央部には、前記ピストンの断面よりも大きい面積を有し、前記粘着剤の前記ピストン摺動部への混入を防止する粘着剤混入防止膜が形成されていることをことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記ピストンの上端部と前記ピストンガイド手段の上端部は、略同一平面になるよう形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記ピストンは下部に鍔部を有し、負圧時には該鍔部が上記ピストンガイド手段に当接して前記ピストンの外部への突出が防止されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記ピストン摺動部には、固体潤滑剤が塗布されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された圧力検知素子で外部圧力を検知する圧力センサに関する。特に、圧力をピストンで精度よく伝達させ、そのピストンを圧力検知素子に作用させて検出する高精度な圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、歪抵抗を用いた圧力センサがある。それは、ダイヤフラム上に歪抵抗であるピエゾ抵抗素子を形成し、圧力によるダイヤフラムの撓みをそのピエゾ抵抗素子で検出して圧力に変換するものである。
他に、例えば特開平６−９４５５６がある。図６にその構成断面図を示す。これは、主に頭頂部１２０を有するピストン１１４とそのピストン１１４を変位させるピストンガイド１１３とピストン１１４による押圧を検知するダイヤフラム１１２から構成されている。詳細には、スプリング１１８によってピストン１１４の頭頂部１２０を常時ダイヤフラム１１２に押圧させておき、圧力印加時のピストン１１４の変位即ち圧力変動をダイヤフラム１１２上に形成した歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄで検出するセンサである。
【０００３】
上記構成の特徴は、ピストン１１４の他端に頭頂部１２０を形成したことである。これは、ダイヤフラム１１２との接触点を常に同一点とし再現性よく圧力を検出する構成である。又、それによりセンサ間の検出値のバラツキを減少させる構成である。
又、この頭頂部１２０とダイヤフラム１１２の中央部が突出した中央剛体部１２２による受圧構造も特徴である。これにより、センサが耐高圧化される。通常、圧力センサを耐高圧化する場合は、センサの破壊防止のためダイヤフラムを厚くする必要がある。ダイヤフラムを厚くすると撓み量が減少し感受率が減少することになる。
しかしながら、上記受圧構造はダイヤフラム１１２裏面の歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄ近傍をより効率的に湾曲させ、歪感受率即ち圧力感受率を増大させている。即ち、ダイヤフラムを厚くしても高圧力を精度よく検出する構成である。
【０００４】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、従来のダイヤフラムのみを用いた圧力センサでは、高圧下ではそのダイヤフラム自身が破損する可能性があった。又、高圧を測定するためにはダイヤフラムを厚くすることが考えれが、上述のようにダイヤフラムを厚くするとダイヤフラム全体の歪量（感受率）が減少し、高圧を精度良く検出することはできなかった。
又、上記特開平６−９４５５６は、図６に示すようにＯリング１１６でピストン１１４を囲み、測定すべき外部とセンサである歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄがおかれている内部とを隔離している。しかしながら、この構成では圧力印加時にはピストン１１４とＯリング１１６間に摩擦力及び弾性剪断応力が生じ、正確に外部圧力を歪抵抗１１８ａ〜１１８ｄに伝達することができなかった。即ち、正確には外部圧力を検出することができなかった。
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は圧力隔壁膜で完全に外圧部と内圧部を遮断して圧力漏れを防止するとともにそのピストンの受圧面積を一定とし、外部圧力を高精度に検出する高精度圧力センサを提供することである。
又、ピストン下部に鍔部を設け、負圧時にはその鍔部がピストンガイドに当接してセンサ自体が破壊されない安全な圧力センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために請求項１の圧力センサは、気体又は液体の圧力を検出する圧力センサであって、圧力を伝達するピストンと、そのピストンをピストン摺動部に沿って摺動させるピストンガイド手段と、ピストンガイド手段の上端部に、ピストンの上端部を覆うように設けられ、ピストンガイド手段の内部と測定すべき外部とを隔離する圧力隔壁膜と、ピストンの変位を電気信号に変換して検知する圧力検知素子とからなり、圧力隔壁膜は、その裏面周辺部に粘着剤が塗布されてピストンガイド手段の上端面に接着され、圧力隔壁膜の裏面中央部には、ピストンの断面よりも大きい面積を有し、粘着剤のピストン摺動部への混入を防止する粘着剤混入防止膜が形成されていることをことを特徴とする。
【０００７】
又、請求項２の圧力センサは、ピストンの上端部とピストンガイド手段の上端部とが略同一平面になるよう形成されることを特徴とする。
【０００８】
【０００９】
又、請求項３の圧力センサはピストン下部に鍔部を有し、負圧時にはその鍔部が上記ピストンガイド手段に当接してピストンの外部への突出が防止されることを特徴とする。
又、請求項４の圧力センサは、ピストン摺動部に固体潤滑剤が塗布されていることを特徴とする。
【００１０】
【作用及び効果】
請求項１の圧力センサによれば、ピストンガイド手段の内部にはピストンが内挿され、ピストンガイド手段内部の摺動部に沿って変位自在に構成されている。そして、ピストンガイド手段の上端部には外部と内部を隔離する圧力隔壁膜が設けられ、ピストンの下方にはピストンの変位を電気信号に変換する圧力検知素子が配置されている。
外部から圧力が印加されると、圧力隔壁膜を介してピストンが圧力を受けピストンガイド手段に沿って変位し、ピストン下方に設けられた圧力検知素子を押圧する。そして、圧力検知素子がその押圧による例えば歪量に比例した電気信号を出力する。
この時、押圧はピストンの変位によって生じる。よって、圧力検知素子はピストンの変位を物理量の変化で検出する全ての素子を含む。例えば、圧力検知素子は変位を検出する静電容量型検出素子、ホール素子、光学素子、歪抵抗素子等を含む。
【００１１】
この構成により、圧力隔壁膜は測定すべき外部と圧力検出素子が配置される内部を完全に隔離する。即ち、外部圧力を内部に漏溢させることはない。よって、圧力漏れによって誤差を生じさせない圧力センサとなる。
又、ピストンは従来のようにその側面をＯリングでシールされていない。よって、それによる摩擦力、弾性剪断応力がない。即ち、従来のように摩擦力、弾性剪断応力によって外部応力が緩和される事がない。従って、極めて精度良く外部圧力を検出する圧力センサとなる。
又、本発明の圧力センサによれば、圧力隔壁膜はその裏面周辺部には粘着剤が塗布されてピストンガイド手段上端部に接着されている。これにより、ピストンの外部と内部が完全にシールされて隔離される。よって、ピストンの外部圧力のピストン内部への漏溢、又は内部圧力の外部への漏溢が完全に防止される。よって、外部圧力は誤差なく検出される。又、ピストン下方に設置される圧力検知素子を外部媒体から完全に保護することができる。
更に、圧力隔壁膜の裏面中央部には粘着剤のピストン摺動部への混入を防止する粘着剤混入防止膜が形成されている。これにより、粘着剤の摺動部への混入はない。よって、ピストンは滑らかに変位することができる。即ち、粘着剤の影響を受けることなく、正確に外部圧力を検出する圧力センサとなる。
【００１２】
又、請求項２の圧力センサは、ピストンの上端部とピストンガイド手段の上端部とが略同一平面になるよう形成されている。例えば、図５に示すようにピストン１０がピストンガイド手段より突出すると、圧力隔壁膜１３が図５（ｃ）、（ｂ）、（ａ）のように変形し有効受圧面積が変化する。有効受圧面積をＳ1 、Ｓ2 、Ｓ3 で表せばＳ1 ＞Ｓ2 ＞Ｓ3 となり、突出量が大きければ大きいほど受圧する圧力が増大する。換言すれば、突出量に応じて圧力感受率が異なるセンサとなる。即ち、非線形な圧力センサとなる。
本発明の構成によれば、ピストンの上端部とピストンガイド手段の上端部とは略同一平面になるよう形成されている。即ち、圧力隔壁膜の変形の影響を受けない構成、即ち常に有効受圧面積が一定（＝Ｓ3 ）になる構成である。よって、外部圧力がピストンによって線形に正確に伝達される。即ち、本発明の構成によれば正確に外部圧力を検出することができる。
【００１３】
【００１４】
又、請求項３の圧力センサによれば、ピストンは下部に鍔部を有している。この鍔部は、負圧時にはピストンガイド手段に当接してその動作が制止される。即ち、ピストンの外部への突出が防止される。よって、負圧時にも破壊されることのない安全な圧力センサとなる。
【００１５】
又、請求項４の圧力センサによれば、ピストン摺動部には固体潤滑剤が塗布されている。このピストン摺動部は、ピストンガイド手段内部とピストンの側面を意味する。そのピストン摺動部には、固体潤滑剤が塗布されているのでピストンは無給油で常に滑らかに摺動することができる。即ち、ピストンは摺動による摩擦力の影響を受けず、精度良く外部圧力を伝達することができる。即ち、本請求項の圧力センサは、より精度良く外部圧力を検出することができる。
尚、ここで固体潤滑剤は、例えば二硫化モリブデン等の微粒子であり、その塗布は例えば分散メッキで行われる。上記微粒子は、ピストンの摺動により露出され、ピストンはその微粒子の自己潤滑性によって滑らかに摺動するのである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
（第１実施例）
図１に本発明の圧力センサの第１実施例を示す。図は、構成断面図である。本実施例の圧力センサは、油圧等の圧力を伝達するピストン１０、ピストンガイド手段であるピストンガイド部１１を有するハウジング１８、ピストンガイド部１１の外部と内部を隔離する圧力隔壁膜１３、圧力隔壁膜１３をピストンガイド部１１の上端部に密着させるためのＯリング１５、液体等の圧力媒体を導入する圧力導入部１２を有しＯリング１５を介し圧力隔壁膜１３を固定する固定蓋１７、ピストン１０の変位を検出する圧縮剛性の高い圧力検知部２０、圧力検知部２０からの検出信号を取り出すためのリード線１６から構成される。
【００１７】
上記構成において、ピストン１０の上端部とピストンガイド部１１の上端部はほぼ同一平面になるように設置されている。即ち、圧力印加時においてもピストンの変位を数μｍに設計し、この数μｍの変位で高圧を検出する構成である。
又、上記圧力隔壁膜１３は裏面周辺部に粘着剤が塗布された例えばテフロンテープである。このテフロンテープは上記圧力導入部１２からの圧力に応じて変形自在とするとともに隙間（ピストン摺動部１４）からの圧力漏れを防止するものである。
【００１８】
図２に圧力検知部２０を示す。圧力検知部２０は、基板２５、基板２５上に形成された歪抵抗素子２３、電極２４、そして圧力を伝達する高剛性の半球状の圧力伝達体２１と方形状の圧力伝達体２２から構成される。ここで、基板２５は例えばシリコン基板であり、歪抵抗素子２３は例えばそのシリコン基板上に薄膜形成技術によって形成されたピエゾ抵抗素子である。
【００１９】
次に、その動作を説明する。ここでは、例えば油圧を検出する圧力センサとして説明する。油圧が上昇すると圧力導入部１２から圧力が導入され、圧力隔壁膜１３が押圧される。圧力隔壁膜１３は変形自在であるので、圧力は圧力隔壁膜１３に緩和されずにピストン１０にそのまま伝達される。そしてピストン1 ０は、その圧力を下部の圧力検知部２０に伝達する。尚、後述するが、この伝達は詳細には上記圧力隔壁膜１３とこのピストン１０の数ミクロンオーダーの変位である。
【００２０】
圧力検知部２０は、この圧力を上記半球状の圧力伝達体２１で受圧する。半球状であるのでピストン１０からの圧力を中心部のほぼ一点で受け、それを等方的に分散して伝達する。そして、等方的に分散された圧力は方形状の圧力伝達体２２によって上記歪抵抗素子２３を押圧しそれを変形させる。即ち、上記圧力が等方的に分散されて歪抵抗素子２３に伝達される。
歪抵抗素子２３は、歪（応力変形）に応じてその抵抗率が変化する素子である。そして、図示しない検出器によってこの抵抗率の変化が検知され、圧力導入部１２の圧力変動が検知される。歪抵抗素子２３の変形はミクロンオーダーの微小変形であるが、図示しない増幅器を用いれば大きな電気信号として検知される。
【００２１】
この時、ピストン１０とピストンガイド部１１の上端部は同一平面となっている。これにより、ピストン１０の有効受圧面積を印加圧力によらずほぼ一定となる。即ち、圧力は線形的に正確に検出される。
又、圧力隔壁膜１３は上述の様にピストン１０の上端部を覆うようにピストンガイド部１１の上端部に形成されている。即ち、測定すべき外部と圧力検出部２０が配置される内部が完全に隔離されている。よって、外部圧力がピストンガイド部１１の内部に漏溢することはない。即ち、確実に誤差なく圧力を検知する圧力センサとなる。又、この圧力隔壁膜１３によって圧力検知部２０は油等の油圧媒体から完全に保護される。
【００２２】
又、ピストン１０は従来のようにその側面でＯリングでシールされていない。よって、ピストン１０はピストン摺動部１４に沿って変位自在となっている。従って、従来のようにシール材による摩擦力、弾性剪断応力によって外部応力が緩和される事がない。即ち、極めて精度良く外部圧力を検出する圧力センサとなる。
尚、上記実施例では油を媒体とする圧力センサを説明したが、気体を媒体とする圧力センサにも適用できる。
【００２３】
（第2 実施例）
図３に本発明の圧力センサの第２実施例を示す。図は、構成断面図である。第１実施例の圧力センサと同じ部位には同じ記号が記してある。
この圧力センサの特徴は、粘着剤混入防止膜１３ａが圧力隔壁膜１３の裏面に形成されたことである。この粘着剤混入防止膜１３ａは、例えばテフロン膜、アルミ箔等である。
圧力センサを長期間使用する場合、圧力隔壁膜１３の裏面に塗布された粘着剤がピストン摺動部１４に混入することが考えられる。本実施例では、ピストン１０の断面より大きい粘着剤混入防止膜１３ａが圧力隔壁膜１３の裏面に形成されている。従って、粘着剤の脱落が防止される。即ち、ピストン摺動部１４への粘着剤の混入が防止される。これにより、圧力センサの性能が長期間に渡り保証される。
【００２４】
（第３実施例）
図４に本発明の圧力センサの第３実施例を示す。図は、構成断面図である。尚、第１実施例の圧力センサと同じ部位には同じ記号が記してある。この圧力センサの特徴は、ピストン１０の下部に鍔部３０を形成したことである。
第１実施例又は第２実施例の圧力センサに負圧が印加された場合、ピストン１０は図５（ａ）、（ｂ）の様にピストンガイド部の上端部から突出することになる。その負圧が大きい場合は、上記圧力隔壁膜１３を破壊することが想定される。
本実施例では、ピストン１０の下部に鍔部３０を形成し（図４）、負圧時にはその鍔部３０がピストンガイド部１１の下部端面に当接する。即ち、ピストン１０の外部への突出が防止される。よって、負圧時にも破壊されることのない安全な圧力センサとなる。
【００２５】
（第４実施例）
この圧力センサの特徴は、ピストン１０の側面とピストンピンガイド部１１の内面、即ちピストン摺動部１４に固体潤滑剤を塗布したことである。
固体潤滑剤は、自己潤滑作用を有する二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化黒鉛、フッ素樹脂等であり、それらの自己潤滑剤が例えばＮｉ分散メッキによって塗布されている。
ピストン１０がピストンガイド部１１内で摺動すると、Ｎｉメッキ中に分散された固体潤滑剤がピストン摺動部１４に露出され、ピストン１０の摺動を潤滑にする。即ち、ピストン１０は長期間、無給油で滑らかに摺動することができる。  これにより、ピストン１０の摺動時の摩擦力が常に低減される。即ち、ピストンは摺動による摩擦力の影響を受けず、常に精度良く外部圧力を伝達することができる。即ち、本請求項の圧力センサによれば、長期間に渡り精度良く外部圧力を検出することができる。
【００２６】
（変形例）
上記実施例は本発明の１実施例であり、他に様々な変形が可能である。例えば、第１実施例乃至第３実施例では圧力検知を歪抵抗素子２３で行った。これは、ピストン１０の変位による歪量を歪抵抗素子２３により電気信号に変換した例である。このピストン１０の変位は、他の形式の高剛性なセンサで検知することもできる。
例えば、ピストン１０の下面と基板２５間に高剛性なバネを設け、その対向する面に電極を形成する。そして、その静電容量の変化でピストン１０の変位、即ち外部圧力を検知してもよい。又、同様に高剛性のバネを設けピストン１０の変位を光学式センサ、磁気センサで検知してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る圧力センサの構成断面図。
【図２】本発明の第１実施例に係る圧力検知部の構成俯瞰図。
【図３】本発明の第２実施例に係る圧力センサの構成断面図。
【図４】本発明の第３実施例に係る圧力センサの構成断面図。
【図５】ピストンの突出量と受圧面積の関係を示す説明図。
【図６】従来の圧力センサを説明する構成断面図。
【符号の説明】
１０                ピストン
１１                ピストンガイド部
１２                圧力導入部
１３                圧力隔壁膜
１３ａ              粘着剤混入防止膜
１４                ピストン摺動部
１５                Ｏリング
１６                リード線
２０                圧力検知部
２１                圧力伝達体
２２                圧力伝達体
２３                歪抵抗素子
２４                電極
２５                基板
３０                鍔部
【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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