(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力により変形するダイアフラムと、
前記ダイアフラム上に配置され、前記ダイアフラムの変形により伸縮し、抵抗値を変える四つの歪ゲージと、前記各歪ゲージに接続される導電部とを備える圧力センサにおいて、
第一の歪ゲージは、第一の導電部によって第二の歪ゲージに接続され、前記第二の歪ゲージは、第二の導電部によって第三の歪ゲージに接続され、前記第三の歪ゲージは、第三の導電部によって第四の歪ゲージに接続され、前記第四の歪ゲージは、第四の導電部によって前記第一の歪ゲージに接続され、
前記第一の導電部は、所定の電圧が加えられる第一の端子部と、前記第一の端子部と前記第一の歪ゲージ及び前記第二の歪ゲージとを接続する第一の配線部とで構成され、
前記第二の導電部は、前記第二の歪ゲージ及び前記第三の歪ゲージの信号を取り出す第二の端子部と、前記第二の端子部と前記第二の歪ゲージ及び前記第三の歪ゲージとを接続する第二の配線部とで構成され、
前記第三の導電部は、前記所定の電圧が加えられる第三の端子部と、前記第三の端子部と前記第三の歪ゲージ及び前記第四の歪ゲージとを接続する第三の配線部とで構成され、
前記第四の導電部は、前記第四の歪ゲージ及び前記第一の歪ゲージの信号を取り出し、二つの端子からなる第四の端子部と、前記第四の端子部の一方の端子と前記第四の歪ゲージとを接続する第四の配線部と、前記第四の端子部の他方の端子と前記第一の歪ゲージとを接続する第五の配線部とで構成され、
前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記配線部のうち少なくとも一つの配線部の一部の幅を、他の部分の幅よりも広くすることにより、前記各導電部の面積を等しくした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】
前記配線部のうち少なくとも一つの配線部の長さを、他の配線部の長さよりも長くすることにより、前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記端子部のうち少なくとも一つの端子部の大きさを、他の端子部の大きさよりも大きくすることにより、前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は油圧、水圧、空気圧等の圧力の作用により動作する機械に用いられる圧力センサに関し、特にノイズによる影響の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧力センサは、図８に示すように、４つの歪ゲージ１〜４がダイアフラム上に配置されている。これらの歪ゲージは配線部６により接続され、ブリッジを構成しており、各歪ゲージの両端からは検出回路に信号を出力する端子Ａ〜Ｅが配線部６により引き出されている。図９に従来の圧力センサの歪ゲージの接続回路を示す。４つの歪ゲージ１〜４は順に接続されており、各歪ゲージの両端は端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅが設けられている。このとき端子Ａと端子Ｅとが接続され、４つの歪ゲージ１〜４はブリッジを構成している。図１０は従来の圧力センサの断面図である。歪ゲージ１〜４はシリコン半導体であり、配線部及び端子Ａ〜Ｅはアルミニウム膜で構成されている。シリコン半導体とアルミニウム電極膜は金属ダイアフラムの表面の二酸化シリコンによる絶縁膜８上に設けられおり、シリコン半導体上とアルミニウム電極膜上の、端子Ａ〜Ｅを除く箇所には二酸化シリコンの保護膜９が設けられいる。金属ダイアフラム５には下方向から圧力が加わり（図中に矢印で示す）、これにより周囲を支持された金属ダイアフラム５が変形し、歪ゲージの伸縮によりその抵抗値が変化して圧力を検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の圧力センサは、歪ゲージ間又は歪ゲージと端子を接続する配線部６及び端子Ａ〜Ｅで構成される導電部に金属ダイヤフラム５内を流れる電流により各端子に信号が誘起され、この信号がノイズとして検出される。各端子に誘起される信号の強さが等しいときは、この信号は互いに打ち消し合い圧力の検出に支障がない。しかし、このノイズの強さは金属ダイヤフラム５と導電部で構成されるコンデンサの浮遊容量により定まるので、端子ごとに導電部の面積が異なるときは、端子ごとの浮遊容量が異なり、誘起する信号強度が異なるので、ノイズが打ち消し合わず、正確に圧力を測定することができなかった。
【０００４】
本発明はノイズの影響を受けず、正確に圧力を検出できる圧力センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、圧力により変形するダイアフラムと、前記ダイアフラム上に配置され、前記ダイアフラムの変形により伸縮し、抵抗値を変える四つの歪ゲージと、前記各歪ゲージに接続される導電部とを備える圧力センサにおいて、第一の歪ゲージは、第一の導電部によって第二の歪ゲージに接続され、前記第二の歪ゲージは、第二の導電部によって第三の歪ゲージに接続され、前記第三の歪ゲージは、第三の導電部によって第四の歪ゲージに接続され、前記第四の歪ゲージは、第四の導電部によって前記第一の歪ゲージに接続され、前記第一の導電部は、所定の電圧が加えられる第一の端子部と、前記第一の端子部と前記第一の歪ゲージ及び前記第二の歪ゲージとを接続する第一の配線部とで構成され、前記第二の導電部は、前記第二の歪ゲージ及び前記第三の歪ゲージの信号を取り出す第二の端子部と、前記第二の端子部と前記第二の歪ゲージ及び前記第三の歪ゲージとを接続する第二の配線部とで構成され、前記第三の導電部は、前記所定の電圧が加えられる第三の端子部と、前記第三の端子部と前記第三の歪ゲージ及び前記第四の歪ゲージとを接続する第三の配線部とで構成され、前記第四の導電部は、前記第四の歪ゲージ及び前記第一の歪ゲージの信号を取り出し、二つの端子からなる第四の端子部と、前記第四の端子部の一方の端子と前記第四の歪ゲージとを接続する第四の配線部と、前記第四の端子部の他方の端子と前記第一の歪ゲージとを接続する第五の配線部とで構成され、前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴とする圧力センサである。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において前記配線部のうち少なくとも一つの配線部の一部の幅を、他の部分の幅よりも広くすることにより、前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、前記配線部のうち少なくとも一つの配線部の長さを、他の配線部の長さよりも長くすることにより、前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴としている。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明において、前記端子部のうち少なくとも一つの端子部の大きさを、他の端子部の大きさよりも大きくすることにより、前記各導電部の面積を等しくしたことを特徴としている。
【００１０】
なお、上記において導電部の面積を等しくすることには、圧力の検出に支障がない程度に、ノイズ信号が相殺できるように導電部の面積を略等しくすることも含まれる。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
第１の発明は、各導電部の面積を等しくしているので、導電部により形成されるコンデンサの浮遊容量を等しくして、金属ダイアフラムから受けるノイズの影響を相殺することができ、正確に圧力を検出することができる。
【００１２】
また、第１の発明は、４つの前記歪ゲージを接続して、ブリッジを構成しているので、微小な圧力変化でも正確に検出することができる。
【００１３】
第２の発明は、配線部のうち少なくとも一つの配線部の一部の幅を、他の部分の幅よりも広くしているので、金属ダイアフラム上の他の配線に影響しない部分で浮遊容量を調整して、ノイズの影響を相殺することができる。
【００１４】
第３の発明は、前記配線部のうち少なくとも一つの配線部の長さを、他の配線部の長さよりも長くしているので、配線の太さを変えることなく、金属ダイアフラム上の他の配線に影響しない部分で浮遊容量を調整して、ノイズの影響を相殺することができる。
【００１５】
第４の発明は、端子部のうち少なくとも一つの端子部の大きさを、他の端子部の大きさよりも大きくしているので、配線部は細いままでも浮遊容量を調整して、ノイズの影響を相殺することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第一の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明の圧力センサの構成図である。４つの歪ゲージ１〜４が周囲を固定された金属ダイアフラム５上に設けられており、歪ゲージ１と歪ゲージ３とが金属ダイアフラム５の中心部に、歪ゲージ２と歪ゲージ４とが金属ダイアフラム５の周辺部に設けられている。歪ゲージ１〜４は配線部６により接続されており、各歪ゲージからは検出回路に信号を出力する端子Ａ〜Ｅが配線部６により引き出されている。
【００１８】
図２は本発明の圧力センサの回路図である。歪ゲージは１、２、３、４の順で接続されており、各歪ゲージの両端には検出回路に信号を出力する端子が設けられている。具体的には、歪ゲージ１は一端を端子Ａに接続されており、他端を歪ゲージ２に接続されている。歪ゲージ１と歪ゲージ２とが接続されている箇所からは端子Ｂが引き出されている。歪ゲージ２の歪ゲージ１と接続した他の端は歪ゲージ３と接続されており、ここから端子Ｃが引き出されている。同様に、歪ゲージ３の歪ゲージ２と接続した他の端は歪ゲージ４と接続されており、ここから端子Ｄが引き出されている。さらに、歪ゲージ４の歪ゲージ３と接続した他の端からは端子Ｅが引き出されている。端子Ａは端子Ｅと接続され、４つの歪ゲージ１〜４はブリッジを構成している。
【００１９】
このとき、前述したように金属ダイアフラムを流れる電流により各端子にノイズが誘起されるが、この影響を相殺するために導電部（配線部及び端子）の面積を等しくするように配線の幅や長さ、端子の面積を変化させる。すなわち図２において丸で囲った４箇所の面積を等しくする。図の右側の丸で囲った箇所は、端子Ａと、端子Ｅと、端子Ａと歪ゲージ１との間の配線部６と、端子Ｅと歪ゲージ４との間の配線部６との合計の面積を、他の端子の導電部の面積と等しくする。
【００２０】
歪ゲージを図８に示す従来例のように接続すると、端子Ｂ、Ｃ、Ｄの箇所の導電部の面積が端子Ａの導電部の面積と端子Ｅの導電部の面積とを合計した面積よりも小さくなる。そこで本実施の形態では図１に示すように、歪ゲージ１と歪ゲージ２とを接続する配線部に幅広部７を設けている。これにより歪ゲージ間の配線と金属ダイヤフラムが作るコンデンサの浮遊容量を大きくすることができ、各端子に表れるノイズの影響を相殺して、圧力を正確に検出することができる。このように配線部の幅を変えると、端子の大きさを変えなくてもよいので、端子を機械的に認識し、配線の自動接続をする場合等に端子の認識が困難となることはない。
【００２１】
また、本実施の形態では別な方法によっても浮遊容量の調整をしている。図１に示す圧力センサの端子Ｃと端子Ｄの箇所の導電部において、配線部の幅は他の配線部の幅と同じであるが、この２つの端子は他の端子より大きい。この２つの端子の面積は図９に示す従来例と比較しても大きい。これらの端子の面積を広くすることによっても導電部と金属ダイヤフラムとが作るコンデンサの浮遊容量を大きくすることができ、各端子に表れるノイズの影響を相殺することができる。このように端子の大きさを変えると、配線部６の幅を変なくてもよいので、圧力センサの配線が混み合っていて配線部を太くすることができないときでも、浮遊容量の調整をすることができ、正確に圧力を検出することができる。
【００２２】
さらに、図１には図示されていないが、配線部６の長さを変えて浮遊容量を調整することができる。図１において幅広部７を有する歪ゲージ１と歪ゲージ２との間の配線部を同じ幅にしても、上方に迂回して配線することにより導電部の面積を他の導電部と等しくすることができる。
【００２３】
図３は本実施の形態の圧力センサの断面図である。図１０に示す従来の圧力センサの断面図と同様に、歪ゲージ１と歪ゲージ３とは金属ダイアフラム５の中心部に、歪ゲージ２と歪ゲージ４とが金属ダイアフラム５の周辺部に設けられている。よって詳細な説明は省略する。
【００２４】
図４は本実施の形態の圧力センサの検出回路も含めた接続図である。金属ダイアフラム５上に配置された圧力センサには、端子Ｂと端子Ｄとの間に定電圧回路１０から供給される一定の電圧が加えられている。端子Ａと端子Ｅとは接続され、同電位となっており、端子Ｃと端子Ａ（又はＥ）の間に生じる電圧を検出回路１１で検出する。検出回路１１は差動増幅回路１２と、その出力を増幅する出力アンプ１３からなり、出力アンプ１３の出力により圧力を表示したり、他の機器を制御したりする。
【００２５】
歪ゲージはブリッジを構成しており、端子Ｂと端子Ｄとの間は、端子Ｂ−歪ゲージ１−端子Ａ−端子Ｅ−歪ゲージ４−端子Ｄで構成される第一の回路と、端子Ｂ−歪ゲージ２−端子Ｃ−歪ゲージ３−端子Ｄで構成される第二の回路との、２つの回路を有している。歪ゲージ１と歪ゲージ３とはダイアフラムの中心部に配置されているので、ダイアフラムに圧力が加わることによる抵抗値の変化が大きい。歪ゲージ１は第一の回路の高電位側に配置されており、歪ゲージ３は第二の回路の低電位側に配置されている。金属ダイアフラムに圧力が加わり歪ゲージの抵抗値が低下すると、端子Ｃの電位は低下し、端子Ａの電位は上昇する。よって、端子Ｃと端子Ａ（又はＥ）の間の電圧を測定すると、一つの歪ゲージの抵抗変化の倍の電圧変化を検出することができ、微小な圧力の変化でも正確に検出することができる。
【００２６】
図５は本実施の形態の圧力センサを油圧回路に取り付けた状態を示す組立図である。油圧回路１５の途中に本発明の圧力センサ埋め込んだホルダ１６が配置されている。ホルダ１６の先端には孔１７があけられており、ここから入ってきた油の圧力により金属ダイアフラム５が変形し、歪ゲージの抵抗値が変化する。ホルダ内には歪ゲージに一定の電圧を加える定電圧回路１０を有する電源部と、歪ゲージの抵抗変化による電圧の変化を検出する検出回路１１と、圧力に応じた信号を出力するコネクタ１４を備える。
【００２７】
次に、本発明の第二の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
図６は本発明の別な実施の形態に係る圧力センサの構成図である。歪ゲージ１と歪ゲージ３とが金属ダイアフラム５の中心部に、歪ゲージ２と歪ゲージ４とが金属ダイアフラム５の周辺部に設けられている。歪ゲージ１〜４の両端には検出回路と接続する端子Ａ〜Ｅが配線部６により引き出されている。
【００２９】
図７は本実施の形態の圧力センサの回路図である。歪ゲージは両端に端子が接続されている。歪ゲージ１は端子Ａと端子Ｂ１に、歪ゲージ２は端子Ｂ２と端子Ｃ１に、歪ゲージ３は端子Ｃ２と端子Ｄ１に、歪ゲージ４は端子Ｄ２と端子Ｅに接続されており、各歪ゲージは圧力センサ内では互いに接続されていない。
【００３０】
このとき図７に長円で示す８カ所の端子の導電部（配線部及び端子）の面積を等しくする。このため、端子と歪ゲージ間の配線部６に幅広部７を設け、配線部６の長さを変え、また端子の面積を変えることにより、金属ダイアフラム５と導電部との間の浮遊容量を等しくしている。
【００３１】
本実施の形態では歪ゲージの両端は端子に接続されており、各歪ゲージは相互に接続されていないので歪ゲージ１又は歪ゲージ３のみに電圧を加え電圧変化を測定して圧力を検出することができる。
【００３２】
また、端子Ｂ１とＢ２、Ｃ１とＣ２、Ｄ１とＤ２を各々圧力センサの外部で接続し、図１に示す圧力センサのように歪ゲージがブリッジ状に接続された圧力センサとして使用することもできる。
【００３３】
さらに、端子ＡとＥ及びＣ１とＣ２を接続し、端子Ｂ１−歪ゲージ１−端子Ａ−端子Ｅ−歪ゲージ４−端子Ｄ２で構成される第一の回路と、端子Ｂ２−歪ゲージ２−端子Ｃ１−端子Ｃ２−歪ゲージ３−端子Ｄ１で構成される第二の回路との２つの回路を作り、双方に電圧を加え端子Ａ（又はＥ）及び端子Ｃ１（又はＣ２）の各端子の端子Ｄ１又は端子Ｄ２に対する電位を測定して、圧力を検出することができる。これにより２回路のうち一つが破損しても圧力を検出できる信頼性の高い圧力センサとすることができる。このとき第一の回路と第二の回路とに異なる電圧を加えることもできる。異なる電圧で動作している複数の検出回路があるときに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施の形態に係る圧力センサの構成図である。
【図２】  本発明の第一の実施の形態に係る圧力センサの回路図である。
【図３】  本発明の第一の実施の形態に係る圧力センサの断面図である。
【図４】  本発明の第一の実施の形態に係る圧力センサの検出回路も含めた接続図である。
【図５】  本発明の第一の実施の形態に係る圧力センサの取付状態を示す組立図である。
【図６】  本発明の第二の実施の形態に係る圧力センサの構成図である。
【図７】  本発明の第二の実施の形態に係る圧力センサの回路図である。
【図８】  従来の圧力センサの構成図である。
【図９】  従来の圧力センサの回路図である。
【図１０】  従来の圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
１    歪ゲージ
２    歪ゲージ
３    歪ゲージ
４    歪ゲージ
５    金属ダイアフラム
６    配線部
７    幅広部
８    絶縁膜
９    保護膜
１０    定電圧回路
１１    検出回路
１２    差動増幅回路
１３    出力アンプ
１４    コネクタ
１５    油圧回路
１６    ホルダ
１７    孔
Ａ    端子Ａ
Ｂ    端子Ｂ
Ｃ    端子Ｃ
Ｄ    端子Ｄ
Ｅ    端子Ｅ
Ｂ１    端子Ｂ１
Ｂ２    端子Ｂ２
Ｃ１    端子Ｃ１
Ｃ２    端子Ｃ２
Ｄ１    端子Ｄ１
Ｄ２    端子Ｄ２
【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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【図９】
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【図１０】
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