(57)【要約】【課題】形状が小型で、高感度、高精度の圧力検知ユニットを得る。【解決手段】開口部を有するパッケージ本体と、応力感応部と該応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、前記パッケージ本体の開口部を封止するための蓋体と、を有する力検知ユニットであって、前記蓋体は貫通孔を有する蓋体本体と、力伝達部として機能するブロック状の力伝達部材と、を備えたものであり、前記貫通孔に前記力伝達部材を挿入すると共に、前記蓋体本体と前記力伝達部材とを固定した力検知ユニットを構成する。【選択図】図１
2009075037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有するパッケージ本体と、応力感応部を挟むように該応力感応部と連結した２
つの固定端とを有する応力感応素子と、前記パッケージ本体の開口部を封止する蓋体と、
を備え、
前記蓋体は、可撓性を有すると共に、少なくとも外面側に突設した第１の力伝達部を備
え、
前記応力感応素子の一方の固定端は、前記パッケージ本体の内部に固定され、前記応力
感応素子の他方の固定端は、その先端部の上面に前記第１の力伝達部が固定されているこ
とを特徴とする力検知ユニット。
【請求項２】
前記第１の力伝達部は、前記蓋体の内面に突設するように形成されていることを特徴と
する請求項１に記載の力検知ユニット。
【請求項３】
前記蓋体は貫通孔を有する蓋体本体と、前記第１の力伝達部として機能する力伝達部材
とにより構成され、
前記貫通孔に前記力伝達部材を挿入すると共に、前記蓋体本体と前記力伝達部材とを固
定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力検知ユニット。
【請求項４】
前記応力感応素子は、前記２つの固定端と応力感応部とが前記パッケージ本体の開口部
面と対面するよう前記パッケージ本体に載置したものであることを特徴とする請求項１乃
至３の何れかに記載の力検知ユニット。
【請求項５】
前記蓋体には、前記第１の力伝達部を中心として対称な凹凸が形成されていることを特
徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の力検知ユニット。
【請求項６】
請求項１に記載の力検知ユニットと、複数の開口部を有するハウジングと、可撓性を有
する第２の蓋体と、を備えた圧力検知ユニットであって、
第２の蓋体は、前記ハウジングの一つの前記開口部を封止すると共に、前記第２の蓋体
の内面側に第２の力伝達部を備え、
前記第１の力伝達部と前記第２の力伝達部とを直交させて一体化したことを特徴とする
圧力検知ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検知ユニット及び圧力検知ユニットに関し、特に構造を簡素化し、力と圧
力の測定精度を改善した力検知ユニット及び圧力検知ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
力検知ユニットは、例えば圧力センサとして自動車、航空機、ロッケット、ダムから各
種プラントの異常振動監視装置等まで、広く使用されている。特許文献１には図５に示す
ような圧力センサが開示されている。図５において、５０はハウジング、６０は圧力導入
口、７０ａ、７０ｂはベローズであって、該ベローズ７０ａ、７０ｂには力伝達部材８０
が連結され、該力伝達部材８０の可撓部８０ａと固定部８０ｂとの間に感圧素子９０が接
着固定されている。図５に示す圧力センサの圧力導入口よりベローズ７０ａ、７０ｂに圧
力が加わると、ベローズの有効面積に応じた力が力伝達部材８０の上下にかかり、差圧に
相当する力がピボット１００を支点にして感圧素子９０に圧縮力、あるいは引張り力とし
て加わり、この力に応じて感圧素子９０の共振周波数が変化し、これを検知することによ
り圧力を測定するものである。
【０００３】
ベローズ７０ａ、７０ｂ、力伝達部材８０、感圧素子９０及びハウジング５０は、それ
ぞれ異なった材料により構成されているので、使用環境の温度変化等により熱歪みが発生
し、圧力測定精度を劣化させることになる。そこで、感圧素子９０の支持部を力伝達部材
可撓部８０ａと、該力伝達部材と隔設し、且つ圧力センサのハウジング内に設けた感圧素
子９０の固定部材１１０との間に橋架固定することにより、周囲温度の変化に伴う熱歪み
の影響を感圧素子９０に加えることのないよう構成する。そして、ベローズライン、力伝
達部材、力伝達部材支柱と感圧素子固定部に分けて熱歪みの解析を行い、例えばハウジン
グにステンレス、ベローズにニッケル、力伝達部材に燐青銅、感圧素子に水晶を用い、そ
れぞれの線膨張係数を適用し、各部材の寸法を設定し、感圧素子９０の固定部材の線膨張
係数を設定すれば、その最適な長さを求めることができ、熱歪みの影響を受けることのな
い圧力センサを構成できると開示されている。
【０００４】
特許文献２には、アンテナコイルと、共振周波数が８ＭＨｚ近傍の水晶振動子Ｘと、セ
ラミック振動子を用いた超音波トランスジューサと、を並列接続した温度センサ、あるい
は圧力センサが開示されている。圧力センサとして用いる場合には、圧電振動素子をダイ
ヤフラムやベローズで密封した構造とし、該ダイヤフラムやベローズに加わる圧力により
、圧電振動子の周波数が変化することを利用した圧力センサが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、音叉型水晶振動子を圧力応動容器内に封入した略同一構成の２
つのセンサと、発振回路、分周回路、演算回路等からなる圧力測定装置と、からなる圧力
センサユニットが開示されている。圧力センサは全体として円柱形状であり、一端が開口
した金属製のベローズと、該ベローズの開口部に接続する金属製の基台と、この基台に取
り付けられた音叉型水晶振動子と、を備えている。一方を圧力センサとし、他方を圧力あ
るいは温度の基準器として用いるので、圧力センサから出力される周波数と圧力基準器か
ら出力される周波数の差を求めることにより、圧力センサユニットの温度特性の補正が自
動的に行われる。つまり、非加圧時には圧力センサ、圧力基準器に対して、温度による音
叉型水晶振動子の周波数を変化させる要因（音叉型水晶振動子自体の熱による周波数変化
、ベローズの熱膨張、センサ内部のガスの熱膨張によるもの）は両者とも同じである。そ
して、加圧時には圧力センサにかかった圧力に対する周波数変化分は温度等の他の要因を
除いた圧力のみに対応し、高精度の圧力を測定できる。
【特許文献１】特開平２−２２８５３４号公報
【特許文献２】特開昭６３−５２２８号公報
【特許文献３】特開平３−２４８０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された圧力センサにおいては、熱ひずみの影響は改良
されるものの、２個のベローズを同一材質、同一の形状にて構成しても、ベローズの寸法
バラツキ、例えば直径のバラツキ、ベローズの襞厚のバラツキ等により、２つのベローズ
の導入口に掛かる圧力差（差圧）を正確に測定することは難しいという問題があった。ま
た、特許文献２に開示された圧力センサを２個用いて差圧を測定しようとしても、個々の
精度のバラツキにより差圧を高精度に測定するには難しいという問題がある。また、特許
文献３に開示された圧力センサにおいては、音叉型水晶振動子の温度特性の補正は行える
ものの、上述したように、２個のベローズの問題は解決されていないという問題があった
。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、構造を簡素化し、測定精度を改善
した力検知ユニット及び圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の力検知ユニットは、開口部を有するパッケージ本体と、応力感応部を挟むよう
に該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子と、パッケージ本体の開
口部を封止する蓋体と、を備え、蓋体は、可撓性を有すると共に、少なくとも外面側に突
設した第１の力伝達部を備え、応力感応素子の一方の固定端は、パッケージ本体の内部に
固定され、応力感応素子の他方の固定端は、その先端部の上面に第１の力伝達部が固定さ
れていることを特徴とする。このように力検知ユニットを構成すると、構成する部品点数
を少なくすることが可能となり、しかも応力感応素子を真空中にて保持するので、応力感
度も良好であるという利点がある。
また本発明の力検知ユニットは、第１の力伝達部が蓋体の内面に突設するように形成さ
れている。このように力検知ユニットを構成すると、内面に突設するように形成された第
１の力伝達部と、応力感応素子の固定端との固定が容易となり、良好な応力感度が得られ
るという利点がある。
【０００８】
また本発明の力検知ユニットは、蓋体は貫通孔を有する蓋体本体と、第１の力伝達部と
して機能する力伝達部材とにより構成され、貫通孔に力伝達部材を挿入すると共に、蓋体
本体と力伝達部材とを固定したことを特徴とする。このように力検知ユニットを構成する
と、印加される力が力伝達部材を介して応力感応素子に直接伝達されるので、最もよい応
力感度が得られるという利点がある。
また本発明の力検知ユニットは、応力感応素子が、２つの固定端と応力感応部とがパッ
ケージ本体の開口部面と対面するようパッケージ本体に載置したものであることを特徴と
する。このように力検知ユニットを構成すると、応力感応素子の感度を良好な状態に保持
できるという利点がある。
【０００９】
また本発明の力検知ユニットは、蓋体には、第１の力伝達部を中心として対称な凹凸が
形成されていることを特徴とする。このように力検知ユニットを構成すると、蓋体は十分
な可撓性を有するようになり、印加された力の伝達損失も極めて小さくなり、測定精度が
向上するという利点がある。
また本発明の圧力検知ユニットは、本発明の力検知ユニットと、複数の開口部を有する
ハウジングと、可撓性を有する第２の蓋体と、を備えた圧力検知ユニットであって、第２
の蓋体は、ハウジングの一つの開口部を封止すると共に、第２の蓋体の内面側に第２の力
伝達部を備え、第１の力伝達部と第２の力伝達部とを直交させて一体化したことを特徴と
する。このように圧力検知ユニットを構成すると、形状の小型化、高感度で高精度の圧力
検知ユニットが得られ、微小な差圧からダムの水深測定まで、広範囲の差圧測定が可能と
なるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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は本発明の実施の形態に係る力検知ユニット１の構造を示す図であり、同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）は上部の蓋体本体を除いた平面図、同図（ｃ）は側面図である。力
検知ユニット１は、開口部を有するパッケージ本体５と、応力感応部と該応力感応部を挟
むように該応力感応部と連結した２つの固定端とを有する応力感応素子１０と、パッケー
ジ本体５の開口部を封止するための蓋体２０と、を備えた力検知ユニットである。
パッケージ本体５は、例えばセラミック材を用いて構成する場合は、底板５ａの上に枠
体５ｂを載置し、段差部５ｃを底板５ａと枠体５ｂの側壁に接するように配置し、枠体５
ｂの上部周縁にはメタライズ材６を塗布し、高温にて焼成して形成する。底板５ａの底部
にはパッケージ本体５の内部、例えば段差部５ｃの上面に設けた電極（図示せず）と導通
した外部端子電極２５を同時に形成する。
【００１１】
応力感応素子１０は、例えば応力感度がよく、温度特性の良好な双音叉型圧電振動素子
を用いる。双音叉型圧電振動素子１０は、図１（ｂ）に示すように、２つの振動ビームに
励振電極（図示せず）を形成した応力感応部１１と、該応力感応部１１を挟むように該応
力感応部１１と連結した２つの固定端１２、１３と、を備えている。双音叉型圧電振動素
子は、２つの振動ビームが長手方向に対して対称な屈曲振動を行うように、上記の励振電
極を配置する。応力感応素子１０の一方の固定端１２を、前記パッケージ本体５の段差部
５ｃに載置し、導電性の接着材を用いて接着固定する。つまり、応力感応素子１０は、２
つの固定端１２、１３と応力感応部１１とがパッケージ本体の開口部と対面するようパッ
ケージ本体５に載置される。このとき応力感応素子１０の励振電極から延在した、固定端
１２上の引き出し電極（図示せず）と、段差部５ｃに形成した端子電極（図示せず）とが
夫々接続、導通されるように導電性接着剤にて接着固定する。そして、応力感応素子１０
の他方の固定端１３には、ブロック状の力伝達部材（第１の力伝達部）１５を応力感応素
子１０に垂直に固定する。
力伝達部材１５は、後述する蓋体本体２０と共に蓋体を形成している。
【００１２】
蓋体は、貫通孔を有する蓋体本体２０と、力伝達部として機能するブロック状の力伝達
部材１５と、を備えたものであり、前記貫通孔に力伝達部材１５を挿入すると共に、蓋体
本体２０と力伝達部材１５とを鑞材を用いて気密裏に固定する。そして、蓋体本体２０の
周縁部と、パッケージ本体５の上部周縁に形成したメタライズ部６とを鑞材２６を用いて
気密裏に固定する。つまり、パッケージ本体５内部を真空とし、応力感応素子１０のＱ値
の劣化を防止する。
また、蓋体本体２０には、力伝達部材１５を中心として対称な波形の凹凸を形成し、図
１（ａ）に示す蓋体本体２０の長手方向、即ち応力感応素子１０のビーム方向に力伝達部
材１５が変形し易いような形状とする。
【００１３】
図２は、図１に示す力検出ユニット１の力伝達部材１５の先端部にＹ方向の力Ｆを加え
た場合の側面図である。力伝達部材１５は応力感応素子１０の厚さに対し十分に厚くして
いるので、加えられた力Ｆによる変形は無く、力Ｆは応力感応素子１０を変形し、応力感
応部１１に歪みが生じることになる。
双音叉型水晶振動素子はＹ軸に沿った伸張・圧縮応力に対する周波数変化で表される感
度が良好であり、高度計用、或いは深度計用の応力感応素子として使用した場合には、分
解能力が優れるために僅かな気圧差から高度差、深度差を知ることができる。また、双音
叉型水晶振動素子が呈する周波数温度特性は、上に凸の二次曲線となり、その頂点温度が
常温（２５℃）になるように各パラメータを設定する。
【００１４】
一方、双音叉型水晶振動素子は、Ｚ軸に沿った力に対しては感度特性は鈍い。
即ち、Ｚ軸方向に沿った力が双音叉型水晶振動子１０に加わると、双音叉型水晶振動子
１０の一主面側に発生した圧縮力と他方主面側に発生した伸張力との作用が相殺する。
その為、Ｚ軸に沿った力の変化に対しては双音叉型水晶振動子１０の周波数変化は起き
ないのである。
双音叉型振動子に作用するＹ軸に沿った力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方
向）を正としたとき、力Ｆと共振周波数の関係は、力Ｆが圧縮力では共振周波数が減少し
、伸張（引張り）力では増加する。しかし、応力感応素子としては、双音叉型水晶振動子
に限らず、伸張・圧縮応力によって周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなも
のを用いても良い。
図１に示す力検知ユニットの構造は、力伝達部材１５が蓋体本体２０を貫通した構造を
例に挙げたが、蓋体２０を構成する力伝達部材１５は、少なくとも外面側に突設するよう
に形成したものであっても良い。
【００１５】
図３は、本発明の他の実施の形態に係る力検知ユニット２の構造を示す側面図であって
、パッケージ本体５の底板５ａ’はガラス材を用いて形成する。セラミック材を用いて枠
体５ｂと、該枠体５ｂに接する段差部５ｃと、枠体５ｂの上面の一部を覆う上板５ｄと、
枠体５ｂと上板５ｄに設けたメタライズ材と、を高温にて焼成して上部及び下部に開口部
を有するパッケージ本体５を形成する。段差部５ｃに応力感応素子１０の固定端１２を載
置し、導電性の接着材にて接着固定する。
他方の固定端１３にブロック状の力伝達部材１５を応力感応素子１０の固定端１３に垂
直に固定する。パッケージ本体５の底面の開口部にガラス底板５ａ’を、接着剤等を用い
て固定する。
蓋体本体２０に孔を空け、力伝達部材１５を貫通させて、力伝達部材１５と孔との隙間
を鑞材にて密封すると共に、蓋体２０の周縁部をパッケージ本体５の上面に形成したメタ
ライズ部に、鑞材にて気密裏に封止する。底板５ａ’にガラス材を用いたことにより、レ
ーザを使って応力感応素子１０の共振周波数を所定の周波数に微調整することが可能とな
るという利点がある。
【００１６】
図４は、図１に示すような力検知ユニット１を応用した圧力検知ユニットであり、上記
の力検知ユニット１と、複数の開口部８、９を有するハウジング７と、可撓性を有する第
２の蓋体２２と、を備えた圧力検知ユニットである。
第２の蓋体２２は可撓性を有すると共に、ハウジング７の一方の前記開口部９を封止す
るものであり、第２の蓋体２２は内面側に突設するように形成した第２の力伝達部１７を
備えている。そして、第１の力伝達部１６と第２の力伝達部１７とを直交するように一体
化して圧力検知ユニットを構成する。図４の例は第１の力伝達部１６が蓋体２０を貫通し
た例を示している。
【００１７】
図４に示す圧力検知ユニットの一方の開口部８に基準の圧力Ｐ１を加え、第２の蓋体２
２に測定すべき圧力Ｐ２を加えることにより、差圧（Ｐ２−Ｐ１）を精度よく測定するこ
とができる。つまり、圧力Ｐ２が第２の蓋体２２に接続する第２の力伝達部１７に加わり
、第２の力伝達部１７をＹ方向に動かす。第３の力伝達部１７がＹ方向に動くことにより
、第２の力伝達部１７と第１の力伝達部１６との連結部はＹ方向に動かされ、力伝達部１
６の他方の端に固定された応力感応素子１０にＺ方向に曲げの力が作用し、応力感応素子
１０の周波数を変化させることになる。
図４に示す圧力検知ユニットは、例えばダムの水量の測定に用いることができる。圧力
検知ユニットをダムの所定に位置に設置し、開口部８に大気圧を導くことにより、大気圧
の変動を取り除いたダムの水量による圧力を測定でき、水深を正確に求めることができる
。
即ち、大気圧Ｐ１の圧力変化に対しては、力検出ユニット１の内部と大気圧Ｐ１との圧
力差に応じて蓋体本体２０はＺ軸方向に撓む為、応力感応素子１０いはＺ軸に沿った力が
加わる。
そして上述の通り、応力感応素子１０はＺ軸に沿った力の変化に対して周波数変化が生
じ難い構成であるので大気圧の変化を無視して大気圧Ｐ１と測定すべき圧力Ｐ２との差圧
を精度良く測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る力検知ユニットの構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は蓋体を除いた平面図、（ｃ）は側面図。
【図２】力検知ユニットの作用を説明するための図。
【図３】他の実施例の力検知ユニットの構造を示す側面図。
【図４】圧力検知ユニットの構造を示す側面図。
【図５】従来の圧力センサの構造を示す側面図。
【符号の説明】
【００１９】
１、２  力検知ユニット、３  圧力検知ユニット、５  パッケージ本体、５ａ  底板、
５ｂ  枠体、５ｃ  段差部、５ｄ  上板、５ａ’  ガラス底板、６  メタライズ部、７  
ハウジング、８、９  開口部、１０  応力感応素子、１１  応力感応部、１２、１３  固
定端、１５  １６  第１の力伝達部、１７  第２の力伝達部、２０  蓋体、２１  波形の
凹凸、２２  第２の蓋体、２５  端子電極、２６  鑞材
【図１】
2009075037.tif 000003
【図２】
2009075037.tif 000004
【図３】
2009075037.tif 000005
【図４】
2009075037.tif 000006
【図５】
2009075037.tif 000007