(57)【要約】【課題】耐圧と感度のトレードオフの問題を解消するとともに、チップサイズを大きくすることなく、ワンチップでマルチレンジかつワイドレンジ測定を可能とする。【解決手段】ストッパ部材の凹部の形状を、最外周の点を始点Ｐｓ、この始点Ｐｓから底部に至る前の始点Ｐｓ寄りの点を第１の中間点Ｐ１、底部寄りの点を第２の中間点Ｐ２、底部を終点Ｐｅとし、始点Ｐｓから第１の中間点Ｐ１までを第１の曲面Ｒ１とし、第１の中間点Ｐ１から第２の中間点Ｐ２までを段差面ＦＬとし、第２の中間点Ｐ２から終点Ｐｅまでを第２の曲面Ｒ２とする。【選択図】  図２
2017110959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にその周縁部を対面させて接合され、前記センサダイアフラムへ測定圧を導く導圧孔を有する第１および第２の保持部材とを備えた圧力センサチップにおいて、
前記第１の保持部材は、
前記センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止するそのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備え、
前記第１の保持部材の凹部は、
前記センサダイアフラムの一方の面に対向する最外周の点を始点、この始点から底部に至る前の始点寄りの点を第１の中間点、底部寄りの点を第２の中間点、底部を終点とし、
前記始点から前記第１の中間点までが第１の曲面として形成され、
前記第１の中間点から前記第２の中間点までが段差面として形成され、
前記第２の中間点から前記終点までが第２の曲面として形成され、
前記センサダイアフラムは、
前記圧力差が大きくなるにつれ、前記第１の保持部材の凹部の内周面に沿って撓み、前記第１の曲面、前記段差面、前記第２の曲面の順に当接し着座する
ことを特徴とする圧力センサチップ。
【請求項２】
請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
前記第１の保持部材の凹部の段差面は、
前記第１の中間点と前記第２の中間点との間に少なくとも平坦な面を有する
ことを特徴とする圧力センサチップ。
【請求項３】
請求項２に記載された圧力センサチップにおいて、
前記センサダイアフラムは、
前記センサダイアフラムが前記段差面に着座するまでの前記圧力差を高精度でセンシングする第１の歪抵抗ゲージ群と、
前記センサダイアフラムが前記段差面に着座してから前記第２の曲面に着座するまでの前記圧力差を高精度でセンシングする第２の歪抵抗ゲージ群と
を備えることを特徴とする圧力センサチップ。
【請求項４】
請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
前記第２の保持部材は、
前記センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止するそのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備え、
前記第２の保持部材の凹部は、
前記センサダイアフラムの他方の面に対向する最外周の点を始点、この始点から底部に至る前の始点寄りの点を第１の中間点、底部寄りの点を第２の中間点、底部を終点とし、
前記始点から前記第１の中間点までが第１の曲面として形成され、
前記第１の中間点から前記第２の中間点までが段差面として形成され、
前記第２の中間点から前記終点までが第２の曲面として形成され、
前記センサダイアフラムは、
前記圧力差が大きくなるにつれ、前記第２の保持部材の凹部の内周面に沿って撓み、前記第１の曲面、前記段差面、前記第２の曲面の順に当接し着座する
ことを特徴とする圧力センサチップ。
【請求項５】
請求項１に記載された圧力センサチップにおいて、
前記第１の保持部材の凹部の第１および第２の曲面は、
前記センサダイアフラムの半径をｒ、厚みをｔ、およびその曲げ剛性をＤとしたとき、前記センサダイアフラムの中心からの距離ｘでの深さｙが、その曲面に要求される過大圧保護動作圧力ｐに対して、下記（１）式および(２)式で表される４次関数で示されるものである
ことを特徴とする圧力センサチップ。
ｙ ＝ｐ・ｒ4（１−ｘ2／ｒ2）2／６４Ｄ・・・・（１）
Ｄ＝Ｅ・ｔ3／１２（１−ν2）・・・・(２)
但し、Ｅはヤング率、νはポアソン比。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップ、例えば圧力を受けて変位する薄板状のダイアフラム上に歪抵抗ゲージを形成し、ダイアフラムに形成された歪抵抗ゲージの抵抗値変化からダイアフラムに加わった圧力を検出する圧力センサチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工業用の差圧センサとして、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた圧力センサチップを組み込んだ差圧センサが用いられている。
【０００３】
この差圧センサは、高圧側および低圧側の受圧ダイアフラムに加えられる各測定圧を、圧力伝達媒体としての封入液によってセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に導き、そのセンサダイアフラムの歪みを例えば歪抵抗ゲージの抵抗値変化として検出し、この抵抗値変化を電気信号に変換して取り出すように構成されている。
【０００４】
このような差圧センサは、例えば石油精製プラントにおける高温反応塔等の被測定流体を貯蔵する密閉タンク内の上下２位置の差圧を検出することにより、液面高さを測定するときなどに用いられる。
【０００５】
図８に従来の差圧センサの概略構成を示す。この差圧センサ１００は、センサダイアフラム（図示せず）を有する圧力センサチップ１をメータボディ２に組み込んで構成される。圧力センサチップ１におけるセンサダイアフラムは、シリコンやガラス等からなり、薄板状に形成されたダイアフラムの表面に歪抵抗ゲージが形成されている。メータボディ２は、金属製の本体部３とセンサ部４とからなり、本体部３の側面に一対の受圧部をなすバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）５ａ，５ｂが設けられ、センサ部４に圧力センサチップ１が組み込まれている。
【０００６】
メータボディ２において、センサ部４に組み込まれた圧力センサチップ１と本体部３に設けられたバリアダイアフラム５ａ，５ｂとの間は、大径のセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介してそれぞれ連通され、圧力センサチップ１とバリアダイアフラム５ａ，５ｂとを結ぶ連通路８ａ，８ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体９ａ，９ｂが封入されている。
【０００７】
なお、シリコーンオイル等の圧力媒体が必要となるのは、センサダイアフラムに対する計測媒体中の異物付着を防ぐこと、センサダイアフラムを腐食させないため、耐食性を持つ受圧ダイアフラムと応力（圧力）感度を持つセンサダイアフラムとを分離する必要があるためである。
【０００８】
この差圧センサ１００では、図９Ａに定常状態時の動作態様を模式的に示すように、プロセスからの第１の流体圧力（第１の測定圧）Ｐａがバリアダイアフラム５ａに印加され、プロセスからの第２の流体圧力（第２の測定圧）Ｐｂがバリアダイアフラム５ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム５ａ，５ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂがセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介し、圧力伝達媒体９ａ，９ｂを通して、圧力センサチップ１のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、圧力センサチップ１のセンサダイアフラムは、その導かれた圧力Ｐａ，Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。
【０００９】
これに対して、例えば、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わると、図９Ｂに示すようにバリアダイアフラム５ａが大きく変位し、これに伴ってセンタダイアフラム６が過大圧Ｐoverを吸収するように変位する。そして、バリアダイアフラム５ａがメータボディ２の凹部１０ａの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ａを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。バリアダイアフラム５ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、バリアダイアフラム５ｂがメータボディ２の凹部１０ｂの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ｂを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加による圧力センサチップ１の破損、すなわち圧力センサチップ１におけるセンサダイアフラムの破損が未然に防止される。
【００１０】
この差圧センサ１００では、メータボディ２に圧力センサチップ１を内包させているので、プロセス流体など外部腐食環境から圧力センサチップ１を保護することができる。しかしながら、センタダイアフラム６やバリアダイアフラム５ａ，５ｂの変位を規制するための凹部１０ａ，１０ｂを備え、これらによって圧力センサチップ１を過大圧Ｐoverから保護する構造をとっているので、その形状が大型化することが避けられない。
【００１１】
そこで、圧力センサチップに第１のストッパ部材および第２のストッパ部材を設け、この第１のストッパ部材および第２のストッパ部材の凹部をセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に対峙させることによって、過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止し、これによってセンサダイアフラムの破損・破壊を防止する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
図１０に特許文献１に示された構造を採用した圧力センサチップの概略を示す。同図において、１１−１はセンサダイアフラム、１１−２および１１−３はセンサダイアフラム１１−１を挟んで接合された第１および第２のストッパ部材（保持部材）、１１−４および１１−５はストッパ部材１１−２および１１−３に接合された第１および第２の台座である。ストッパ部材１１−２，１１−３や台座１１−４，１１−５はシリコンやガラスなどにより構成されている。
【００１３】
この圧力センサチップ１１において、ストッパ部材１１−２，１１−３には凹部１１−２ａ，１１−３ａが形成されており、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａをセンサダイアフラム１１−１の一方の面１１−１ａに対峙させ、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａをセンサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂに対峙させ、ストッパ部材１１−２の周縁部１１−２ｃをセンサダイアフラム１１−１の一方の面１１−１ａに対面させて接合し、ストッパ部材１１−３の周縁部１１−３ｃをセンサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂに対面させて接合している。
【００１４】
ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａは、センサダイアフラム１１−１の変位に沿った曲面（非球面）とされており、その頂部に圧力導入孔（導圧孔）１１−２ｂ，１１−３ｂが形成されている。また、台座１１−４，１１−５にも、ストッパ部材１１−２，１１−３の導圧孔１１−２ｂ，１１−３ｂに対応する位置に、圧力導入孔（導圧孔）１１−４ａ，１１−５ａが形成されている。
【００１５】
このような圧力センサチップ１１を用いると、センサダイアフラム１１−１の一方の面１１−１ａに過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａの曲面によって受け止められる。また、センサダイアフラム１１−１の他方の面１１−１ｂに過大圧が印加されてセンサダイアフラム１１−１が変位したとき、その変位面の全体がストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの曲面によって受け止められる。
【００１６】
これにより、センサダイアフラム１１−１に過大圧が印加された時の過度な変位が阻止され、センサダイアフラム１１−１の周縁部に応力集中が生じないようにして、過大圧の印加によるセンサダイアフラム１１−１の不本意な破壊を効果的に防ぎ、その過大圧保護動作圧力（耐圧）を高めることが可能となる。また、図８に示された構造において、センタダイアフラム６や圧力緩衝室７ａ，７ｂをなくし、バリアダイアフラム５ａ，５ｂからセンサダイアフラム１１−１に対して直接的に測定圧Ｐａ，Ｐｂを導くようにして、メータボディ２の小型化を図ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−６９７３６号公報
【特許文献２】特開２０１５−１９４３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、この圧力センサチップ１１では、圧力を測定することができる範囲がセンサダイアフラム１１−１が着底するまでの圧力に限られてしまう。すなわち、センサダイアフラム１１−１が着底するまでの圧力しか測定することができず、測定レンジが狭いという難点がある。
【００１９】
ここで、測定レンジを拡げる方法として、(1)凹部１１−２ａ，１１−３ａの曲面(非球面)を深くする、(2)センサダイアフラム１１−１の厚さを厚くする、などの方法が考えられる。しかし、(1)の方法では、応力増大による破壊リスクが高まり、(2)の方法では感度の低下が発生するなど、耐圧と感度のトレードオフの問題は解消できない。
【００２０】
なお、本出願人は、先に、凹部の曲面(非球面)を深くしたり、センサダイアフラムの厚さを厚くしたりすることなく、ワンチップでマルチレンジかつワイドレンジ測定が可能な圧力センサチップを提案している（特許文献２参照）。図１１にその概略構成を示す。
【００２１】
この圧力センサチップ１１’では、図１２に示すように、基板１１−０の中央部に低圧差圧用ダイアフラムＤ１を設け、この低圧差圧用ダイアフラムＤ１の周囲を囲むようにして円環状のダイアフラムを高圧差圧用ダイアフラムＤ２として設ける。そして、高圧差圧用ダイアフラムＤ２の上面に低圧差圧用ダイアフラムＤ１の上面への測定圧力Ｐａを分岐して導き、高圧差圧用ダイアフラムＤ２の下面に低圧差圧用ダイアフラムＤ１の下面への測定圧力Ｐｂを分岐して導く。
【００２２】
この圧力センサチップ１１’では、低圧差圧用ダイアフラムＤ１に設けられている歪抵抗ゲージ群（図示せず）によって低圧レンジの圧力差ΔＰがセンシングされ、高圧差圧用ダイアフラムＤ２に設けられている歪抵抗ゲージ群（図示せず）によって高圧レンジの圧力差ΔＰがセンシングされる。これにより、曲面（非球面）を深くすることなく、またセンサダイアフラムの厚さを厚くすることなく、ワンチップでマルチレンジかつワイドレンジ測定が可能となり、耐圧と感度のトレードオフの問題を解消することができる。
【００２３】
しかしながら、この圧力センサチップ１１’では、耐圧と感度のトレードオフの問題を解消することはできるが、ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａの外周の低圧差圧用ダイアフラムＤ１に対応する位置に円環状の溝１１−２ｄ，１１−３ｄを形成する必要があり、その分、チップサイズが大きくなってしまうという難点があった。
【００２４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、耐圧と感度のトレードオフの問題を解消するとともに、チップサイズを大きくすることなく、ワンチップでマルチレンジかつワイドレンジ測定が可能な圧力センサチップを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
このような目的を達成するために本発明は、一方の面および他方の面に受ける圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にその周縁部を対面させて接合され、センサダイアフラムへ測定圧を導く導圧孔を有する第１および第２の保持部材とを備えた圧力センサチップにおいて、第１の保持部材は、センサダイアフラムに過大圧が印加された時の当該センサダイアフラムの過度な変位を阻止するそのセンサダイアフラムの変位に沿った曲面状の凹部を備え、第１の保持部材の凹部は、センサダイアフラムの一方の面に対向する最外周の点を始点、この始点から底部に至る前の始点寄りの点を第１の中間点、底部寄りの点を第２の中間点、底部を終点とし、始点から第１の中間点までが第１の曲面として形成され、第１の中間点から第２の中間点までが段差面として形成され、第２の中間点から終点までが第２の曲面として形成され、センサダイアフラムは、圧力差が大きくなるにつれ、第１の保持部材の凹部の内周面に沿って撓み、第１の曲面、段差面、第２の曲面の順に当接し着座することを特徴とする。
【００２６】
本発明において、センサダイアフラムの他方の面に高圧の測定圧がかかった場合、センサダイアフラムは第１の保持部材側に撓み、第１の保持部材の曲面状の凹部に着底する。ここで、第１の保持部材の凹部は、始点（凹部の最外周の点）から第１の中間点（始点から底部に至る前の始点寄りの点）までが第１の曲面として形成され、第１の中間点から第２の中間点（始点から底部に至る前の底部寄りの点）までが段差面として形成され、第２の中間点から終点（凹部の底部）までが第２の曲面として形成されており、センサダイアフラムは、圧力差が大きくなるにつれ、第１の保持部材の凹部の内周面に沿って撓み、第１の曲面、段差面、第２の曲面の順に当接し着座（着底）する。
【００２７】
このように、本発明では、第１の保持部材の凹部の曲面の形状をセンサダイアフラムが段階的に着座（着底）するような形状にすることによって、着底圧をコントロールすることが可能となり、曲面（非球面）を深くすることなく、またセンサダイアフラムの厚さを厚くすることなく、マルチレンジかつワイドレンジ測定が可能となる。また、凹部の外周に円環状の溝を必要としないので、チップサイズの小型化を図ることも可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、第１の保持部材の凹部の最外周の点を始点、始点から底部に至る前の始点寄りの点を第１の中間点、底部寄りの点を第２の中間点、底部を終点とし、始点から第１の中間点までを第１の曲面として形成し、第１の中間点から第２の中間点までを段差面として形成し、第２の中間点から終点までを第２の曲面として形成し、圧力差が大きくなるにつれ、センサダイアフラムが第１の保持部材の凹部の内周面に沿って撓み、第１の曲面、段差面、第２の曲面の順に当接し着座（着底）するようにしたので、着底圧をコントロールすることが可能となり、耐圧と感度のトレードオフの問題を解消するとともに、チップサイズを大きくすることなく、ワンチップでマルチレンジかつワイドレンジ測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサチップの概略を示す断面図である。
【図２】図２は、この圧力センサチップにおけるストッパ部材の凹部の曲面の形状を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、センサダイアフラムに測定圧Ｐａが印加され始めた時の状態を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、センサダイアフラムが段差面に着座（着底）した時の状態を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、センサダイアフラムが第２の曲面に着座（着底）した時の状態を示す図である。
【図４】図４は、本願のストッパ形状において圧力印加によりセンサダイアフラムが着底（第２の曲面に着座（着底））した後のセンサダイアフラム上の径方向の応力分布を示す図である。
【図５】図５は、センサダイアフラムにおける第１の歪抵抗ゲージ群および第２の歪抵抗ゲージ群の配置状態を示す断面図および平面図である。
【図６】図６は、この圧力センサチップの印加圧力に対する出力傾向を示す図である。
【図７】図７は、圧力センサのセンサ部として用いる場合の圧力センサチップの概略を示す断面図である。
【図８】図８は、従来の差圧センサの概略構成を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、この差圧センサの正常時の動作態様を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、この差圧センサの過大圧印加時の動作態様を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、特許文献１に示された構造を採用した圧力センサチップの概略を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本出願人が先に提案している圧力センサチップの概略を示す断面図である。
【図１２】図１２は、この圧力センサチップに設けられている低圧差圧用ダイアフラムおよび高圧差圧用ダイアフラムを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態に係る圧力センサチップの概略を示す図である。
【００３１】
図１において、２１−１はセンサダイアフラム、２１−２および２１−３はセンサダイアフラム２１−１を挟んで接合された第１および第２のストッパ部材（保持部材）、２１−４および２１−５はストッパ部材２１−２および２１−３に接合された第１および第２の台座である。ストッパ部材２１−２，２１−３や台座２１−４，２１−５はシリコンやガラスなどにより構成されている。
【００３２】
この圧力センサチップ２１において、ストッパ部材２１−２，２１−３には凹部２１−２ａ，２１−３ａが形成されており、ストッパ部材２１−２の凹部２１−２ａをセンサダイアフラム２１−１の一方の面２１−１ａに対峙させ、ストッパ部材２１−３の凹部２１−３ａをセンサダイアフラム２１−１の他方の面２１−１ｂに対峙させ、ストッパ部材２１−２の周縁部２１−２ｃをセンサダイアフラム２１−１の一方の面２１−１ａに対面させて接合し、ストッパ部材２１−３の周縁部２１−３ｃをセンサダイアフラム２１−１の他方の面２１−１ｂに対面させて接合している。
【００３３】
ストッパ部材２１−２，２１−３の凹部２１−２ａ，２１−３ａは、センサダイアフラム２１−１の変位に沿った曲面（非球面）とされており、その頂部に圧力導入孔（導圧孔）２１−２ｂ，２１−３ｂが形成されている。また、台座２１−４，２１−５にも、ストッパ部材２１−２，２１−３の導圧孔２１−２ｂ，２１−３ｂに対応する位置に、圧力導入孔（導圧孔）２１−４ａ，２１−５ａが形成されている。
【００３４】
この圧力センサチップ２１の図１０に示した従来の圧力センサチップ１１と異なる点は、ストッパ部材２１−２，２１−３の凹部２１−２ａ，２１−３ａの曲面の形状にある。
【００３５】
すなわち、従来の圧力センサチップ１１において、ストッパ部材１１−２，１１−３の凹部１１−２ａ，１１−３ａの形状（以下、従来のストッパ形状と言う。）は、図２に点線で示すように、センサダイアフラム１１−１の一方の面１１−１ａに対向する最外周の点を始点Ｐｓ、底部を終点Ｐｅとした場合、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでが１つの曲面とされていた。
【００３６】
これに対し、本実施の形態の圧力センサチップ２１において、ストッパ部材２１−２，２１−３の凹部２１−２ａ，２１−３ａの形状（以下、本願のストッパ形状と言う。）は、図２に実線で示すように、センサダイアフラム２１−１の一方の面２１−１ａに対向する最外周の点を始点Ｐｓ、この始点Ｐｓから底部に至る前の始点Ｐｓ寄りの点を第１の中間点Ｐ１、底部寄りの点を第２の中間点Ｐ２、底部を終点Ｐｅとした場合、始点Ｐｓから第１の中間点Ｐ１までが第１の曲面Ｒ１とされ、第１の中間点Ｐ１から第２の中間点Ｐ２までが段差面ＦＬとされ、第２の中間点Ｐ２から終点Ｐｅまでが第２の曲面Ｒ２とされている。
【００３７】
本願のストッパ形状において、第１の曲面Ｒ１は、従来のストッパ形状の対応する部分の曲面形状と同じとされている。また、段差面ＦＬは、センサダイアフラム２１−１の受圧面とほゞ平行とされた面（平坦な面）とされ、第１の曲面Ｒ１および第２の曲面Ｒ２に緩やかなカーブでつながっている。この例において、段差面ＦＬは、第１の中間点Ｐ１と第２の中間点Ｐ２との間に平坦な面を備えているが、この平坦な面は必ずしもセンサダイアフラム２１−１の受圧面と平行とされていなくてもよく、緩やかな傾斜面であっても構わない。また、第２の曲面Ｒ２は、第２の中間点Ｐ２から終点Ｐｅまで、従来のストッパ形状の底部を中心とする対応する部分の曲面形状を平行移動させた形とされ、その底部の位置は従来のストッパ形状の底部よりも浅い位置とされている。
【００３８】
本願のストッパ形状において、第１の曲面Ｒ１および第２の曲面Ｒ２は、センサダイアフラム２１−１の半径をｒ、厚みをｔ、およびその曲げ剛性をＤとしたとき、センサダイアフラム２１−１の中心からの距離ｘでの深さｙが、その曲面に要求される過大圧保護動作圧力ｐに対して、下記（１）式および(２)式で表される４次関数で示されるものである。
ｙ ＝ｐ・ｒ4（１−ｘ2／ｒ2）2／６４Ｄ・・・・（１）
Ｄ＝Ｅ・ｔ3／１２（１−ν2）・・・・(２)
但し、Ｅはヤング率、νはポアソン比。
【００３９】
本願のストッパ形状において、第１の曲面Ｒ１は従来のストッパ形状と同じ形状であるため、その曲面上の応力傾向は従来のストッパ形状と同じである。これに対し、第２の曲面Ｒ２では、その上面に段差面ＦＬが形成されており、この段差面ＦＬを内段面としてセンサダイアフラム２１−１が撓むので、別の応力傾向が得られる。
【００４０】
すなわち、本願のストッパ形状では、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃにストッパ部材２１−２側を例として示すように、センサダイアフラム２１−１に測定圧Ｐｂよりも高い測定圧Ｐａが印加されると、この測定圧ＰａとＰｂとの圧力差ΔＰが大きくなるにつれ、センサダイアフラム１１−１はストッパ部材２１−２の凹部２１−２ａの内周面に沿って撓み、第１の曲面Ｒ１、段差面ＦＬ、第２の曲面Ｒ２の順に当接し着座（着底）する。
【００４１】
図３Ａはセンサダイアフラム２１−１に測定圧Ｐａが印加され始めた時の状態を示し、図３Ｂはセンサダイアフラム２１−１が段差面ＦＬに着座（着底）した時の状態を示し、図３Ｃはセンサダイアフラム２１−１が第２の曲面Ｒ２に着座（着底）した時の状態を示している。
【００４２】
図４に、本願のストッパ形状において、圧力印加によりセンサダイアフラム２１−１が着底（第２の曲面Ｒ２に着座（着底））した後のセンサダイアフラム２１−１上の径方向の応力分布を従来のストッパ形状での応力分布と比較して示す。
【００４３】
図４において、横軸はセンサダイアフラム２１−１の中心からの距離を示し、縦軸はセンサダイアフラム２１−１上の応力σを示す。なお、センサダイアフラム２１−１の中心からの距離において、「０」はセンサダイアフラム２１−１の受圧領域の中心の位置（終点Ｐｅに対応する位置）を示し、「１」はセンサダイアフラム２１−１の受圧領域の最外周（始点Ｐｓに対応する位置）を示す。また、実線は本願のストッパ形状におけるセンサダイアフラム２１−１上の応力分布を示し、点線は従来のストッパ形状におけるセンサダイアフラム１１−１上の応力分布を示す。
【００４４】
図４に示した応力分布からも分かるように、本願のストッパ形状において、第１の曲面Ｒ１は従来のストッパ形状と同じ形状であるため、その曲面上の応力傾向（以下、この応力傾向のピークを外側の応力ピーク（Ｐｍａｘ１）と呼ぶ。）は従来のストッパ形状と同じとなる。これに対し、第２の曲面Ｒ２では、その上面に段差面ＦＬが形成されており、この段差面ＦＬを内段面としてセンサダイアフラム２１−１が撓むので、第１の曲面Ｒ１よりも広いレンジの応力傾向（以下、この応力傾向のピークを内側の応力ピーク（Ｐｍａｘ２）と呼ぶ。）が得られる。
【００４５】
そこで、本実施の形態では、この２つの応力傾向を利用し、図５に示すように、外側の応力ピーク（Ｐｍａｘ１）が得られる位置に歪抵抗ゲージｒａ１〜ｒａ４を第１の歪抵抗ゲージ群ＲＡとして配置し、内側の応力ピーク（Ｐｍａｘ２）が得られる位置に歪抵抗ゲージｒｂ１〜ｒｂ４を第２の歪抵抗ゲージ群ＲＢとして配置し、第１の歪抵抗ゲージ群ＲＡでセンサダイアフラム２１−１が段差面ＦＬに着座するまでの圧力差ΔＰを高精度でセンシングするようにし、第２の歪抵抗ゲージ群ＲＢでセンサダイアフラム２１−１が段差面ＦＬに着座してから第２の曲面ＦＬに着座するまでの圧力差ΔＰを高精度でセンシングするようにしている。
【００４６】
すなわち、第１の歪抵抗ゲージ群ＲＡを従来のストッパ形状と同じ位置に配置し、この第１の歪抵抗ゲージ群ＲＡを低レンジ用のセンサゲージとし、センサダイアフラム２１−１に加わる圧力差ΔＰの低レンジ側を高精度にセンシングするようにし、第２の歪抵抗ゲージ群ＲＢを内側の別の位置に配置し、この第２の歪抵抗ゲージ群ＲＢを高レンジ用のセンサゲージとし、センサダイアフラム２１−１に加わる圧力差ΔＰの高レンジ側を高精度にセンシングするようにしている。
【００４７】
図６にこの圧力センサチップ２１の印加圧力に対する出力傾向を示す。同図において、横軸は印加圧力比（低レンジ着底圧を基準（従来着底時を基準））を示し、縦軸はセンサ出力比（低レンジ着底時の出力を基準（従来着底時の出力を基準））を示す。また、実線は高レンジ側の印加圧力に対する出力傾向を示し、点線は低レンジ側の印加圧力に対する出力傾向（従来の印加圧力に対する出力傾向に相当）を示す。
【００４８】
図６に示した出力傾向からも分かるように、本実施の形態の圧力センサチップ２１では、２段着底型のストッパ形状（本願のストッパ形状）とすることにより、従来の１段着底型のストッパ形状（従来のストッパ形状）よりも約１３倍程度の圧力まで測定可能となる。つまり、ワンチップでマルチレンジかつワイドレンジ測定が可能となる。
【００４９】
以上の説明から分かるように、本実施の形態の圧力センサチップ２１によれば、ストッパ部材２１−２，２１−３の凹部２１−２ａ，２１−３ａの曲面（非球面）を深くすることなく、またセンサダイアフラム２１−１の厚さを厚くすることなく、マルチレンジかつワイドレンジ測定が可能となる。また、凹部２１−２ａ，２１−３ａの外周に図１１に示したような円環状の溝を必要としないので、チップサイズの小型化を図ることも可能となる。
【００５０】
なお、上述した実施の形態では、ストッパ部材２１−２，２１−３の凹部２１−２ａ，２１−３ａの曲面の形状を２段着底型のストッパ形状としたが、２段に限られるものではなく、さらに段数を増やしてもよいことは言うまでもない。
【００５１】
また、上述した実施の形態では、測定圧ＰａとＰｂとの差圧ΔＰを測定する差圧センサのセンサ部として用いる例について説明したが、測定圧Ｐａと大気圧との差圧を測定する圧力センサのセンサ部として用いるようにしてもよい。
【００５２】
圧力センサのセンサ部として用いる場合、図７に圧力センサチップ２１’として示すように、センサダイアフラム２１−１の例えば他方の面２１−１ｂを大気に解放するものとすれば、このセンサダイアフラム２１−１の他方の面２１−１ｂに対向するストッパ部材２１−３の凹部２１−３ａ側のみをセンサダイアフラム２１−１の変位に沿った曲面（非球面）とし、この曲面の形状を２段着底型のストッパ形状（本願のストッパ形状）とすればよい。
【００５３】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、工業要の差圧センサや圧力センサに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
２１，２１’…圧力センサチップ、２１−１…センサダイアフラム、２１−１ａ…一方の面、２１−１ｂ…他方の面、２１−２，２１−３…ストッパ部材、２１−２ａ，２１−３ａ…凹部、２１−２ｂ，２１−３ｂ…圧力導入孔（導圧孔）、２１−２ｃ，２１−３ｃ…周縁部、ＲＡ…第１の歪抵抗ゲージ群、ｒａ１〜ｒａ４…歪抵抗ゲージ、ＲＢ…第２の歪抵抗ゲージ群、ｒｂ１〜ｒｂ４…歪抵抗ゲージ、Ｒ１…第１の曲面、Ｒ２…第２の曲面、ＦＬ…段差面。
【図１】
2017110959.tif 000003
【図２】
2017110959.tif 000004
【図３Ａ】
2017110959.tif 000005
【図３Ｂ】
2017110959.tif 000006
【図３Ｃ】
2017110959.tif 000007
【図４】
2017110959.tif 000008
【図５】
2017110959.tif 000009
【図６】
2017110959.tif 000010
【図７】
2017110959.tif 000011
【図８】
2017110959.tif 000012
【図９Ａ】
2017110959.tif 000013
【図９Ｂ】
2017110959.tif 000014
【図１０】
2017110959.tif 000015
【図１１】
2017110959.tif 000016
【図１２】
2017110959.tif 000017