專利名稱：壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器，特別涉及不使用作為壓力傳感器的受壓介 質(zhì)的油的壓力傳感器。
背景技術(shù)：
以往，公知有水壓計(jì)、氣壓計(jì)、壓力差計(jì)等使用壓電振動(dòng)元件作為 感壓元件的壓力傳感器。所述壓電振動(dòng)元件例如在板狀的壓電基板上形 成電極圖案，在力的檢測(cè)方向上設(shè)定檢測(cè)軸，當(dāng)在所述檢測(cè)軸的方向施 加壓力時(shí)，所述壓電振子的諧振頻率變化，根據(jù)所述諧振頻率的變化來 檢測(cè)壓力。在專利文獻(xiàn)1 3中，公開了使用壓電振動(dòng)元件作為感壓元件 的壓力傳感器。通過壓力導(dǎo)入口對(duì)波紋管施加壓力時(shí)，與所述波紋管的 有效面積對(duì)應(yīng)的力經(jīng)由以樞軸(撓曲鉸鏈)為支點(diǎn)的力傳遞單元，以壓
縮力或拉伸力的形式將力F施加到壓電振動(dòng)元件上。在所述壓電振子中 產(chǎn)生與所述力F對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，通過所述應(yīng)力使諧振頻率變化。所述壓力 傳感器通過檢測(cè)在壓電振子上產(chǎn)生的諧振頻率的變化來測(cè)定壓力。
下面，使用專利文獻(xiàn)1等中公開的例子說明現(xiàn)有的壓力傳感器。圖 13是示出現(xiàn)有的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖13所示的現(xiàn)有的壓力傳感器501具有具有對(duì)置配置的第1和第 2壓力輸入口 502、 503的框體504;和框體504內(nèi)部的力傳遞部件505， 以?shī)A持力傳遞部件505的一端的方式連接第1波紋管506和第2波紋管 507。而且，第1波紋管506的另一端與第1壓力輸入口 502連接，第2 波紋管507的另一端與第2壓力輸入口 503連接。迸而，在力傳遞部件 505的另一端和基板508的不是樞軸(支點(diǎn))側(cè)的端部之間配置有雙音叉 型振子509作為感壓元件。
這里，在壓力傳感器中，在高精度地檢測(cè)壓力的情況下，在波紋管內(nèi)部填充有液體。作為所述液體，一般使用粘性高的硅油等油，以防止 氣泡進(jìn)入波紋管的內(nèi)部或內(nèi)部的波紋部分或者積存。
這樣，在第1波紋管506內(nèi)部填充具有粘性的油510，并構(gòu)成為在 壓力測(cè)定的對(duì)象為液體的情況下，通過在第1壓力輸入口 502上開設(shè)的 幵口部511使液體與油510接觸并相對(duì)。另外，開口部511的開口直徑 被設(shè)定為不會(huì)使油510泄漏到外部。
在這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器501中，在通過作為壓力測(cè)定對(duì)象的液體 對(duì)填充在第1波紋管506內(nèi)部的油510施加壓力F時(shí)，壓力F經(jīng)由第1 波紋管506施加到力傳遞部件505 (被樞軸支承的擺動(dòng)桿)的一端。另一 方面，在第2波紋管507上施加大氣壓，與大氣壓相當(dāng)?shù)牧κ┘釉诹?遞部件505的一端。
其結(jié)果，經(jīng)由力傳遞部件505的另一端，與通過作為壓力測(cè)定對(duì)象 的液體施加的壓力F和大氣壓之間的壓力差相當(dāng)?shù)牧σ曰?08的樞軸 為支點(diǎn)，作為壓縮力或者拉伸力施加到雙音叉型振子509上。對(duì)雙音叉 型振子509施加壓縮力或者拉伸力時(shí)，在雙音叉型振子509上產(chǎn)生應(yīng)力， 諧振頻率根據(jù)所述應(yīng)力的大小而變化，所以，通過測(cè)定該諧振頻率，能 夠檢測(cè)壓力F的大小。
另一方面，在專利文獻(xiàn)4中提出了如下結(jié)構(gòu)的壓力傳感器采用在 所述壓力傳感器中使用的以樞軸(撓曲鉸鏈)為支點(diǎn)的擺動(dòng)桿，而不采 用高價(jià)的力傳遞單元(懸臂)。在傳感器外殼內(nèi)，在一條直線上排列2個(gè) 波紋管，并在波紋管之間夾入支座，利用沿著波紋管的伸縮方向的支座 的動(dòng)作，來檢測(cè)由于被導(dǎo)入到各個(gè)波紋管中的壓力差所引起的壓力變動(dòng)。 因此，在第1波紋管的一端和第2波紋管的一端之間夾入振子粘接用支 座，利用第2波紋管的外周側(cè)，將感壓元件的兩端分別固定于所述支座 和第2波紋管的另一端側(cè)的外殼壁面上。而且，采用如下結(jié)構(gòu)在之間 夾持第2波紋管的線對(duì)稱位置上配置加強(qiáng)板，將該加強(qiáng)板的兩端分別固 定于所述支座和所述外殼壁面上。
進(jìn)而，在專利文獻(xiàn)5中，關(guān)于專利文獻(xiàn)4所公開的所述壓力傳感器， 為了解決針對(duì)來自與波紋管的壓力檢測(cè)軸方向正交的方向的沖擊的強(qiáng)度較弱的課題，提出了如下的壓力傳感器在與壓力檢測(cè)軸方向正交的方 向上，使用加強(qiáng)用彈性部件(所謂的彈簧片)連接所述支座和外殼。
接著，在專利文獻(xiàn)6中，公開了為了檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的油壓而固定 在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上使用的壓力傳感器。該壓力傳感器由輸出與所施加的壓 力對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的傳感部、承受壓力的受壓用膜片部、以及用于從膜片 向傳感部傳遞壓力的壓力傳遞部件構(gòu)成，具體而言，在中空金屬管的一 個(gè)端面設(shè)置受壓用的第1膜片，在另一端面設(shè)置檢測(cè)用的第2膜片，在 管內(nèi)，在所述第l、第2膜片之間夾設(shè)力傳遞部件。力傳遞部件是由金屬 或陶瓷構(gòu)成的中心軸，將其以施加有預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)夾設(shè)于一對(duì)膜片之間。 而且，在第2膜片的外端面上貼附有作為壓力檢測(cè)元件的具有應(yīng)變儀功 能的芯片，通過力傳遞部件將由第1膜片承受的壓力傳遞到第2膜片，
并通過應(yīng)變儀芯片將第2膜片的變形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓。
在專利文獻(xiàn)7中公開了如下結(jié)構(gòu) 一種壓力傳感器，具有受壓用 膜片，其一面作為作用有被測(cè)定壓力的受壓面，承受被測(cè)定壓力而產(chǎn)生 應(yīng)變；壓力傳遞部件，其一端部與受壓用膜片的另一面接觸；金屬管的 應(yīng)變部，其設(shè)于所述壓力傳遞部件的另一端部側(cè)，經(jīng)由所述壓力傳遞部 件被施加來自所述受壓用膜片的被測(cè)定壓 力；以及由半導(dǎo)體芯片構(gòu)成的 傳感部，其根據(jù)所述應(yīng)變部的應(yīng)變而產(chǎn)生信號(hào)，在所述壓力傳感器中， 受壓用膜片具有多次折回的波型形狀。公開了如下結(jié)構(gòu)在所述受壓用 膜片中，設(shè)與壓力傳遞單元接觸的膜片的中央部為厚壁，所述厚壁的中 央部的周圍為波型形狀，由此，確保了彈簧性并提高了機(jī)械強(qiáng)度。另外， 膜片通過沖壓或切削形成。
接著，在專利文獻(xiàn)8 9中提出了壓力傳感器中使用的受壓用膜片的 具體結(jié)構(gòu)。
在專利文獻(xiàn)8中記載了截面具有凹凸形狀的膜片，在受壓部的屮央 具有薄壁的平坦部。如專利文獻(xiàn)8的圖1所記載的那樣，設(shè)外周部為厚 壁，由此，抑制了對(duì)外殼熔接膜片時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變對(duì)膜片中央部造成影響。 另外，膜片通過從金屬制薄板的兩面進(jìn)行半蝕刻，從而形成凹凸。在專利文獻(xiàn)9中示出高溫用耐壓傳感器，示出如下結(jié)構(gòu)在承受被 測(cè)定壓力的受壓用膜片的中央部和應(yīng)變感應(yīng)元件之間夾設(shè)壓力傳遞部 件，將受壓用膜片的撓曲傳遞到應(yīng)變感應(yīng)元件進(jìn)行壓力檢測(cè)。當(dāng)膜片在 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)一步成為高溫時(shí)，膜片膨脹而變形，為了防止在傳感中產(chǎn)生 誤差，特別地，使與膜片的周邊相比為厚壁的中央部凹陷，由此，希望 降低由于膜片的熱撓曲量伴隨膜片厚度方向的溫度差的變動(dòng)而發(fā)生變化 所引起的輸出誤差。
專利文獻(xiàn)1日本特開昭56-119519號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開昭64-9331號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開平2-228534號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4日本特開2005-121628號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5日本特開2007-57395號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6日本特開2006-194736號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)7日本特開2007-132697號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)8日本特開平8-159900號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)9日本特開平7-19981號(hào)公報(bào)
但是，在專利文獻(xiàn)1 3的發(fā)明中，如圖13所示的壓力傳感器501 那樣，填充于第1波紋管506中的油510與構(gòu)成壓力傳感器501的要素、 例如力傳遞部件505、雙音叉型振子509等相比，熱膨脹系數(shù)較大，所以， 構(gòu)成壓力傳感器501的各部件因溫度變化而產(chǎn)生熱應(yīng)變。這樣的熱應(yīng)變 作為不必要的應(yīng)力而作用在雙音叉型振子509上，因此，存在所測(cè)定的 壓力值產(chǎn)生誤差從而使壓力傳感器的特性惡化的問題。
并且，填充于第1波紋管506中的油610與作為壓力測(cè)定對(duì)象的液 體接觸并相對(duì)，但是，根據(jù)壓力傳感器的設(shè)置方法不同，有時(shí)油510會(huì) 流出到作為壓力測(cè)定對(duì)象的液體側(cè)，或者液體流入到第1波紋管506便IJ， 所以，有時(shí)會(huì)在填充于第1波紋管506中的油510內(nèi)產(chǎn)生氣泡。當(dāng)在油 510內(nèi)產(chǎn)生氣泡時(shí)，作為壓力的傳遞介質(zhì)發(fā)揮功能的油510無法經(jīng)由力傳 遞部件505將力穩(wěn)定地傳遞到雙音叉型振子，因此，壓力測(cè)定有可能產(chǎn) 生誤差。進(jìn)而，如上所述，由于油510與作為壓力測(cè)定對(duì)象的液體接觸并相
對(duì)，因此根據(jù)壓力傳感器的設(shè)置方法不同，油510可能會(huì)流出到作為壓
力測(cè)定對(duì)象的液體側(cè)，在用于對(duì)忌諱有異物混入的潔凈液體進(jìn)行壓力測(cè)
定時(shí)，存在無法使用采用了油510的現(xiàn)有壓力傳感器的問題。
進(jìn)而，現(xiàn)有的壓力傳感器501的力傳遞部件505具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在
使壓力傳感器小型化時(shí)成為障礙。并且，由于力傳遞部件505構(gòu)成為需
要有徑部較細(xì)的撓曲鉸鏈，因此成為高成本的部件，存在使壓力傳感器
的制造成本升高的問題。
專利文獻(xiàn)4和5中提出的壓力傳感器在姿勢(shì)傾斜時(shí)，波紋管會(huì)發(fā)生
下垂，所以，對(duì)雙音叉型振子等感壓元件施加的力產(chǎn)生變化，由此，存 在諧振頻率也發(fā)生變動(dòng)的問題。
進(jìn)而，由于構(gòu)成為將內(nèi)部填充有油的管與壓力傳感器的壓力導(dǎo)入口 連接，并使該管的另一端與被測(cè)定液體接觸，因此如專利文獻(xiàn)1 3中所 揭示的那樣，填充于波紋管或管中的油與作為壓力測(cè)定對(duì)象的液體接觸 并相對(duì)，因而根據(jù)壓力傳感器的設(shè)置方法不同，有時(shí)油會(huì)流出到作為壓 力測(cè)定對(duì)象的液體側(cè)，或者液體流入到波紋管側(cè)，所以，有時(shí)在填充于 波紋管中的油內(nèi)產(chǎn)生氣泡，當(dāng)在油內(nèi)產(chǎn)生氣泡時(shí)，作為壓力的傳遞介質(zhì) 發(fā)揮功能的油無法經(jīng)由支座將力穩(wěn)定地傳遞到雙音叉型振子，所以，存 在壓力測(cè)定產(chǎn)生誤差的問題。
在專利文獻(xiàn)5中，構(gòu)成為利用由板簧構(gòu)成的加強(qiáng)用彈性部件將夾在 波紋管之間的支座支承在外殼側(cè)面，因此不可否認(rèn)的是會(huì)作用有抑制支 座伴隨波紋管的軸向移動(dòng)而動(dòng)作的力。因此，有可能導(dǎo)致壓力檢測(cè)靈敏 度劣化。并且，當(dāng)為了使支承變得堅(jiān)固而增大加強(qiáng)用彈性部件的硬度時(shí)， 存在抑制波紋管的運(yùn)動(dòng)從而使壓力檢測(cè)靈敏度劣化的問題。
進(jìn)而，在專利文獻(xiàn)4、 5中，由于加強(qiáng)板與感壓元件隔著波紋管對(duì)置 配置于線對(duì)稱位置上，因此存在抑制波紋管的運(yùn)動(dòng)從而使壓力檢測(cè)靈敏 度劣化的問題。
在專利文獻(xiàn)6、7中，雖然膜片和中心軸以施加有預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)接觸， 但由于壓力傳感器在高溫高壓下使用，因此進(jìn)行剛性固定時(shí)，有可能l大l各部件的熱膨脹的不同而使機(jī)構(gòu)被破壞，所以，考慮到該熱膨脹，只不 過將膜片和中心軸點(diǎn)接觸，并未使用粘接劑等粘接單元進(jìn)行粘接。因此， 由于壓力變動(dòng)而使膜片和中心軸工作時(shí)，點(diǎn)接觸部偏離的可能性非常高， 在接觸點(diǎn)偏離的過程中，作用于膜片和中心軸兩者上的力會(huì)泄漏，因而
存在無法進(jìn)行高精度的壓力檢測(cè)的問題。并且，由于專利文獻(xiàn)6、 7中記
載的壓力傳感器原本就是在高溫高壓下使用的壓力傳感器，因此為了在 受壓部和傳感部之間留出距離以避免對(duì)傳感部的芯片等產(chǎn)生熱影響，優(yōu) 選力傳遞部件盡量長(zhǎng)，因此，并不優(yōu)選應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)小型化的技術(shù)。此外，
在專利文獻(xiàn)6、 7的情況下，在一對(duì)膜片之間夾設(shè)有中心軸來進(jìn)行力的傳 遞，但是，由于構(gòu)成為在傳感部的膜片上安裝傳感器芯片，因此膜片的 性狀在受壓側(cè)和傳感部側(cè)是不同的，因而存在無法提高計(jì)測(cè)精度的較大 缺點(diǎn)。
接著，專利文獻(xiàn)8所記載的膜片的受壓部的中央為薄壁，所以，當(dāng) 壓力等外力施加到所述中央部時(shí)，容易受到損壞而損傷，所以，考慮了 專利文獻(xiàn)7、 9所記載的中央部為厚壁。例如，在專利文獻(xiàn)7的發(fā)明中， 不產(chǎn)生上述專利文獻(xiàn)1 3的問題，但是，膜片構(gòu)成為以沖壓加工為前提， 所以，存在膜片的材料限定為不銹鋼等金屬且不利于小型化的問題。而 且，專利文獻(xiàn)7所公開的基于沖壓加工的波型的膜片存在需要去除沖壓 時(shí)施加的殘留應(yīng)力的處理作為后續(xù)處理的問題。進(jìn)而，在專利文獻(xiàn)7屮， 當(dāng)希望使用專利文獻(xiàn)8所記載的影印石版蝕刻技法制造膜片時(shí)，在專利 文獻(xiàn)7、 8中，膜片的結(jié)構(gòu)本身都很復(fù)雜，所以，在影印石版加工時(shí)，表 里的基準(zhǔn)線容易產(chǎn)生偏離，不得不說難以進(jìn)行成品率高的影印石版蝕刻。 進(jìn)而，專利文獻(xiàn)7所述的壓力傳遞部件與膜片點(diǎn)連接，所以，應(yīng)力集中 于連接部位，存在容易經(jīng)年劣化的問題。
在專利文獻(xiàn)9所記載的膜片中，針對(duì)圖1的結(jié)構(gòu)，與專利文獻(xiàn)7同 樣存在沖壓加工所涉及的所述問題，針對(duì)專利文獻(xiàn)9的圖2 6的結(jié)構(gòu)， 存在必須將由熱遮蔽板構(gòu)成的保護(hù)部件設(shè)置在膜片的受壓部上的制造所 涉及的煩雜性的問題。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明正是鑒于如上所述的各種問題點(diǎn)而完成的，其目的在 于提供不使用作為受壓介質(zhì)的油的壓力傳感器，該壓力傳感器能夠以很 少的工序進(jìn)行制造，成品率良好且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，難以引起經(jīng)年劣化， 靈敏度良好。
本發(fā)明正是為了解決上述課題的至少一部分而完成的，能夠作為下 面的應(yīng)用例來實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用例1一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有 外殼；壓力輸入口，其在形成于所述外殼上的接頭部開口； 一面為受壓 面的膜片，其封閉所述壓力輸入口；以及感壓部，其以力的檢測(cè)方向?yàn)?檢測(cè)軸，該感壓部的一端與所述膜片的另一面的中央?yún)^(qū)域連接，所述感 壓部的另一端與所述外殼連接，所述檢測(cè)軸與所述受壓面大致垂直，所 述中央?yún)^(qū)域和所述感壓部的一端的接觸部分的外周位于所述中央?yún)^(qū)域的 外周的內(nèi)側(cè)，所述中央?yún)^(qū)域的厚度比所述中央?yún)^(qū)域的周圍的部位的厚度 厚。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由于不使用油作為結(jié)構(gòu)要素，因此不產(chǎn)生上述的漏
油等問題。而且，膜片進(jìn)行僅從感壓部的檢測(cè)軸方向?qū)Ω袎翰抠x予力的
運(yùn)動(dòng)，所以，壓力傳感器的靈敏度提高。并且，不僅在感壓部和中央?yún)^(qū)
域的連接部分的外周，在中央?yún)^(qū)域的外周也容易集中應(yīng)力，所以，降低
了膜片和感壓部的連接部分的應(yīng)力集中，將應(yīng)力可靠地傳遞到感壓部，
由此，提高了膜片的靈敏度，并且，能夠降低反復(fù)出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致 的經(jīng)年劣化。進(jìn)而，中央?yún)^(qū)域的外側(cè)為彎曲性良好的薄壁狀態(tài)，所以，
成為防止由于膜片整體的彎曲性降低而引起靈敏度降低的壓力傳感器。
應(yīng)用例2根據(jù)應(yīng)用例1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述 周圍的部位為平坦面，且形成為與所述中央?yún)^(qū)域具有階梯。
通過這樣構(gòu)成，能夠構(gòu)成制作簡(jiǎn)易的膜片，并且，中央?yún)^(qū)域的撓曲 變形小，所以，能夠避免與感壓部的連接部位的應(yīng)力集中，所以，能夠 提咼檢測(cè)精度。
應(yīng)用例3根據(jù)應(yīng)用例1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述感壓部由以下部分構(gòu)成力傳遞單元，其一端與所述膜片的另一面的中 央?yún)^(qū)域接觸；可動(dòng)單元，其固定在所述力傳遞單元上；以及感壓元件， 其一個(gè)端部與所述固定單元接觸，另一個(gè)端部與外殼連接。
由此，由于來自與感壓元件的檢測(cè)軸相同方向的可動(dòng)單元的力和來 自固定單元的阻力，而承受壓縮/拉伸力，所以，感壓元件的檢測(cè)效率變 高。進(jìn)而，感壓元件經(jīng)由可動(dòng)單元承受來自膜片的力，所以，能夠制造 與使用目的對(duì)應(yīng)的各種形態(tài)的壓力傳感器，而不拘泥于膜片的設(shè)置位置。
應(yīng)用例4根據(jù)應(yīng)用例1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述
感壓部由感壓元件構(gòu)成，該感壓元件的一個(gè)端部與所述膜片的另一面的 中央?yún)^(qū)域連接，另一個(gè)端部與外殼連接。
由此，膜片能夠利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)將從外部承受的力傳遞到感壓元件，
并且，與應(yīng)用例2不同，感壓元件不經(jīng)由力傳遞單元和可動(dòng)單元而直接
承受來自膜片的力，所以，能夠防止力的損失，能夠提高壓力傳感器的
靈敏度。進(jìn)而，與應(yīng)用例2相比，減少了部件數(shù)量，簡(jiǎn)化了制造工藝，
能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低。
應(yīng)用例5根據(jù)應(yīng)用例1 3中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特 征在于，所述中央?yún)^(qū)域的周圍的部位通過蝕刻來形成。
由此，金屬以外的例如壓電材料等也成為膜片的材料，所以，能夠 根據(jù)使用環(huán)境構(gòu)筑各種類型的壓力傳感器。并且，與沖壓加工不同，通 過影印石版蝕刻加工，容易形成小型化的膜片，并且，在影印石版蝕刻 加工時(shí)，不對(duì)膜片材料施加應(yīng)力，不需要去除殘留應(yīng)力的工藝，所以， 成為制造工序簡(jiǎn)化的壓力傳感器。進(jìn)而，影印石版蝕刻加工能夠利用--次蝕刻工藝進(jìn)行中央?yún)^(qū)域的周圍部位的形成，所以，不存在基準(zhǔn)線偏離 的問題，能夠以高成品率形成小型化的壓力傳感器。
應(yīng)用例6根據(jù)應(yīng)用例1 4中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特 征在于，所述感壓元件具有設(shè)置于兩端部的基部，在設(shè)置于所述兩端部 的基部之間具有振動(dòng)部。
通過使感壓元件為上述結(jié)構(gòu)，振動(dòng)部的諧振頻率相對(duì)于壓縮/拉伸力 的變化極大，諧振頻率的可變幅度大，所以，能夠形成檢測(cè)微小壓力差的分解能力優(yōu)良的高精度的壓力傳感器。
應(yīng)用例7
一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有外殼，其具有壓力輸入口；外表面為受壓面的膜片，其封閉該外殼的所述壓力輸入口；力傳遞單元，其在所述外殼內(nèi)部與所述膜片的中央?yún)^(qū)域連接，與該膜片連動(dòng)地在與該膜片的受壓面垂直的方向上運(yùn)動(dòng)；以及感壓部，其與該力傳遞單元和所述外殼連接，沿著與所述膜片的受壓面垂
直的軸設(shè)定檢測(cè)軸，所述膜片在平板體上形成槽，從而將所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，膜片進(jìn)行僅從感壓部的檢測(cè)軸方向?qū)Ω袎翰抠x予力的運(yùn)動(dòng)，所以，壓力傳感器的靈敏度提高。并且，降低了膜片和感壓部的連接部分的應(yīng)力集中，將應(yīng)力可靠地傳遞到感壓部，由此，提高了膜片的靈敏度，并且，能夠降低反復(fù)出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致的經(jīng)年劣化。進(jìn)而，中央?yún)^(qū)域的外側(cè)為彎曲性良好的薄壁狀態(tài)，所以，能夠防止由于膜片整體的彎曲性降低而引起靈敏度降低。特別地，由于利用平板體形成膜片，因此得到制作非常簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用例8根據(jù)應(yīng)用例7所述的壓力傳感器，其特征在于，所述
槽形成于膜片的單面?zhèn)取?br>
在該結(jié)構(gòu)中，成為靈敏度良好的壓力傳感器，并且，特別地，存在膜片的制作容易的優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用例9根據(jù)應(yīng)用例8所述的壓力傳感器，其特征在于，形成有所述槽的面為所述可動(dòng)部的連接面?zhèn)取?br>
在這種結(jié)構(gòu)中，能夠可靠地緩和感壓部和膜片的接合部的應(yīng)力集中。應(yīng)用例10根據(jù)應(yīng)用例7所述的壓力傳感器，其特征在于，所述
槽形成于膜片的兩面。
與在單面形成槽的情況相比，膜片的厚壁部的彎曲變形防止效果更加良好。
應(yīng)用例11
一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有外殼； 一對(duì)壓力輸入口，其同軸地設(shè)置在該外殼的對(duì)置的端面板上；外表面為受壓面的第l、第2膜片，其封閉所述壓力輸入口；力傳遞單元，其在所述外殼內(nèi)部連接所述膜片的內(nèi)表面的中央?yún)^(qū)域彼此；以及感壓元
件，其一端與該力傳遞單元的中途連接，另一端與所述外殼連接，并且，與垂直于所述膜片的受壓面的軸平行地排列檢測(cè)軸，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述力傳遞單元的所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，作為相對(duì)壓傳感器，能夠使用無油的小型壓力傳感器，并且，能夠可靠地緩和感壓部和膜片的接合部的應(yīng)力集中。
應(yīng)用例12
一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有
外殼；壓力輸入口，其設(shè)置在該外殼的端面板上；外表面為受壓面的膜
片，其封閉所述壓力輸入口；力傳遞單元，其在所述外殼內(nèi)部，在所述
膜片的內(nèi)表面的中央?yún)^(qū)域配置在與該膜片的受壓面垂直的軸線上，且與
對(duì)置的外殼端面板連接；以及感壓元件，其一端與該力傳遞單元的中途連接，另一端與所述外殼連接，并且，與垂直于所述膜片的受壓面的軸同軸地設(shè)定檢測(cè)軸，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述力傳遞單元的所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，作為絕對(duì)壓傳感器，能夠使用無油的小型壓力傳感器，并且，能夠可靠地緩和感壓部和膜片的接合部的應(yīng)力集中。
應(yīng)用例13根據(jù)應(yīng)用例7 12中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于，在所述外殼的內(nèi)部與所述檢測(cè)軸平行地設(shè)置有支柱。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠僅使檢測(cè)軸方向的力作用于感壓元件，所以，能夠提高檢測(cè)精度。
應(yīng)用例14根據(jù)應(yīng)用例7 12中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于，由中心軸形成所述力傳遞單元，與所述中心軸平行地配置感壓元件。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠減小外殼高度，能夠促進(jìn)小型化。應(yīng)用例15根據(jù)應(yīng)用例7 12中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜片嵌入到形成于所述外殼的端面板的外表面上的凹陷部中，與所述端面板排列在同一平面上。
由此，不需要在外殼上設(shè)置突起部，能夠減小外殼高度，能夠促進(jìn)小型化。
應(yīng)用例16
一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有外殼，其由形成相互對(duì)置的端面板的第1、第2殼體以及包圍該第1、第2殼體的周圍而形成側(cè)面部件的第3殼體形成；第l、第2膜片，其封閉在所述第l、第2殼體上開口的壓力輸入口；中心軸，其在所述外殼內(nèi)，在所述第1、第2膜片的中央?yún)^(qū)域連接所述第1、第2膜片彼此而一體化，能夠進(jìn)行力的傳遞；感壓元件，其兩端部安裝在固定于該中心軸上的可
動(dòng)臺(tái)和設(shè)置于所述外殼內(nèi)表面部上的固定臺(tái)上，與所述中心軸平行地設(shè)
定檢測(cè)軸；以及多個(gè)支柱，其配置在所述中心軸的周圍，連接第K第2殼體彼此，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述中心軸的所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，作為相對(duì)壓傳感器，能夠使用無油的小型壓力傳感器，并且，能夠僅使檢測(cè)軸方向的力作用于感壓元件，檢測(cè)精度提高。
應(yīng)用例17
一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有外殼，其由形成相互對(duì)置的端面板的第1、第2殼體以包圍該第1、第2殼體的周圍而形成側(cè)面部件的第3殼體形成；第1膜片，其封閉在所述第1殼體上開口的壓力輸入口；中心軸，其在所述外殼內(nèi)，在所述第1膜片的中央?yún)^(qū)域連接而一體化，能夠進(jìn)行力的傳遞；感壓元件，其兩端部安裝在固定于該中心軸的端部的可動(dòng)支承臺(tái)和設(shè)置于所述第2殼體內(nèi)表面部上的固定支承臺(tái)上，與所述中心軸同軸地設(shè)定檢測(cè)軸；以及多個(gè)支柱，其配置在所述中心軸的周圍，連接第l、第2殼體彼此，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述中心軸的所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，作為絕對(duì)壓傳感器，能夠使用無油的小型壓力傳感器，并且，能夠僅使檢測(cè)軸方向的力作用于感壓元件，檢測(cè)精度提高。
圖1是第1實(shí)施方式的壓力傳感器的剖面圖。圖2是第2實(shí)施方式的壓力傳感器的剖面圖。
16圖3是第3實(shí)施方式的壓力傳感器的剖面圖。
圖4是示出本發(fā)明的壓力傳感器的制造工序的圖。
圖5是示出相對(duì)于膜片的中央?yún)^(qū)域的寬度變化的、中央?yún)^(qū)域的位移
和對(duì)膜片的最大應(yīng)力的變化的圖。
圖6是第4實(shí)施方式的壓力傳感器。圖7是該壓力傳感器的剖切立體圖。
圖8是第4實(shí)施方式的壓力傳感器的主要部件的概略立體圖。
圖9是第5實(shí)施方式的壓力傳感器。
圖IO是該壓力傳感器的剖切立體圖。
圖11是第6實(shí)施方式的壓力傳感器的剖面圖。
圖12是第7實(shí)施方式的壓力傳感器的剖面圖。
圖13是示出現(xiàn)有的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
標(biāo)號(hào)說明
10:壓力傳感器；12:外殼；14:第l部件；16:第2部件；18:支承桿；20:第3部件；22:接頭；24:第l壓力輸入口； 26:第2壓力輸入口； 28:貫通孔；30:固定部件；32:膜片；34:力傳遞單元；36:中心軸；38:感壓元件；40:中央?yún)^(qū)域；42:薄壁部；44:周緣部；46:安裝零件；50:壓力傳感器；52:外殼；54:膜片；56:力傳遞單元；58:中心軸；60:感壓元件；70:壓力傳感器；72:感壓元件；74:膜片；76:中央?yún)^(qū)域；78:外殼；80:母基板；82:光致抗蝕膜；84:光掩模；138:感壓元件；139:凸臺(tái)部；140:中央?yún)^(qū)域；142:圓周槽；144:周緣部；157:可動(dòng)部；160:密封端子；200:壓力傳感器(第5);232:膜片；240:中央?yún)^(qū)域；242:圓周槽；244:周緣部；300:壓力傳感器(第6); 312:外殼；314:密封端子板；315:支座；316:凸緣端面板；326:壓力輸入口； 318:支承桿；320:圓筒側(cè)壁；328:貫通孔；332:膜片；336:中心軸；338:感壓元件；340:中央?yún)^(qū)域；342:圓周槽；344:周緣部；357:可動(dòng)部；400:壓力傳感器；442:膜片；440:中央?yún)^(qū)域；442:圓周槽；444:周緣部；501:壓力傳感器；502:第1壓力輸入口； 503:第2壓力輸入口； 504:框體；505:力傳遞部件；506:第l波紋管；507:第2波紋管；508:基板；509:雙音叉型振子；510:油；511:開口部；136:中心軸。
具體實(shí)施例方式
下面，使用圖示的實(shí)施方式詳細(xì)說明本發(fā)明的壓力傳感器。但是，該實(shí)施方式所記載的結(jié)構(gòu)要素、種類、組合、形狀及其相對(duì)配置等只要沒有特定記載，則不是將本發(fā)明的范圍僅限定于其中的主旨，只不過是簡(jiǎn)單的說明例。
圖1示出本發(fā)明的壓力傳感器的第1實(shí)施方式。圖1 (a)是壓力傳感器的概要圖，圖l (b)是構(gòu)成壓力傳感器的膜片的詳細(xì)圖，圖l (c)是膜片的變形例。第1實(shí)施方式的壓力傳感器IO具有圓筒形的外形，具有外殼12、膜片32、構(gòu)成感壓部的力傳遞單元34即中心軸36、以及感壓元件38等。
外殼12將內(nèi)部真空密封并收納后述的各結(jié)構(gòu)要素。由此，壓力傳感器10能夠提高感壓元件38的Q值，確保穩(wěn)定的諧振頻率，因此能夠確保壓力傳感器10的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
并且，外殼12整體的外形由以下部分構(gòu)成構(gòu)成上端面板的圓盤狀的第1部件14、構(gòu)成下端面板的圓盤上的第2部件16、接合第1部件14和第2部件16的支承桿18、以及形成覆蓋第1部件14和第2部件16的側(cè)面的圓筒側(cè)壁的第3部件20。第1部件14和第2部件16是具有同--直徑的部件。第1部件14和第2部件16使分別向外部突出的接頭22在構(gòu)成同心圓的位置突出，使第l壓力輸入口 24、第2壓力輸入口 26在該接頭22上開口。而且，連通第1部件14和第1壓力輸入口 24 (第2部件16和第2壓力輸入口 26)的貫通孔28形成在所述同心圓的中心位置。
支承桿18具有一定的剛性，形成在第1部件14和第2部件16相互對(duì)置的位置，通過插入到模仿支承桿18的截面外形的形狀的細(xì)長(zhǎng)孔(未圖示)中來進(jìn)行接合，由此，在第1部件14、第2部件16和支承桿18之間獲得剛性，能夠在壓力傳感器10的組裝時(shí)和使用時(shí)，抑制相對(duì)于后述感壓元件38的不必要的應(yīng)變。另外，在圖示中記載了2根支承桿18，但是，也可以使用1根或3根以上。
關(guān)于外殼12的材質(zhì)，為了緩和由于熱膨脹而引起的壓力傳感器10的誤差，優(yōu)選收納支承桿18和感壓元件38的部分的周圍為熱膨脹系數(shù)小的金屬或陶瓷。
而且，在第1壓力輸入口 24和第2壓力輸入口 26上安裝有根據(jù)測(cè)定對(duì)象的液體或氣體的壓力而撓曲的膜片32 (第1膜片32a、第2膜片32b)，將貫通孔28密封并露出于外部。
膜片32 (第1膜片32a、第2膜片32b)的一面為面向外部的受壓面，
所述受壓面承受作為被測(cè)定壓力的來自外部的壓力而撓曲變形，對(duì)與膜片32的另一面的中央?yún)^(qū)域40接觸(連接)的后述的力傳遞單元34即中心軸36的端面施加力。如圖l (b)所示，膜片32使厚壁的中央?yún)^(qū)域40、位于中央?yún)^(qū)域40周圍的薄壁部42、以及位于薄壁部42外周的厚壁的周緣部44形成為同心圓狀。膜片32的材料可以是不銹鋼這種金屬、陶瓷等耐腐蝕性優(yōu)良的材料，也可以是石英這種單結(jié)晶體及其他非結(jié)晶體。并且，優(yōu)選使用不會(huì)像沖壓加工那樣產(chǎn)生殘留應(yīng)力、有利于小型化的影印石版技法和蝕刻技法(以下兼用兩者并將其稱為影印石版蝕刻加工)來形成這種膜片32。在利用影印石版加工形成膜片32的情況下，如圖4(a)所示，如下所述進(jìn)行工序[1] [6]的工藝準(zhǔn)備作為材料的母基板80，在母基板80的表面涂布陽型的光致抗蝕膜82，使用與膜片32的表面形狀對(duì)應(yīng)的光掩模84曝光，使所述光致抗蝕膜82感光，進(jìn)行顯影，去除感光的光致抗蝕膜82a，以規(guī)定深度對(duì)母基板80露出的區(qū)域進(jìn)行蝕刻，由此形成凹部(薄壁部42)，剝離光致抗蝕膜82。
并且，如圖1 (c)所示，也可以從基板的兩面對(duì)薄壁部42a進(jìn)行半蝕刻來形成膜片32。如圖4 (b)所示，如下所述進(jìn)行工序[1] [6]的工藝[l]準(zhǔn)備作為材料的母基板80，[2]在母基板80的兩表面涂布陽型的光致抗蝕膜82，[3]使用與膜片32的表面形狀對(duì)應(yīng)的光掩模84進(jìn)行曝光，在兩側(cè)使
所述光致抗蝕膜82感光，該情況下，可以同時(shí)感光，也可以單側(cè)按順序
曝光，進(jìn)行顯影，去除感光后的光致抗蝕膜82a，以規(guī)定深度對(duì)母基板80露出的區(qū)域進(jìn)行蝕刻，由此從母基板80的兩側(cè)形成凹部(薄壁部42a)，[6]剝離光致抗蝕膜82。
如果從母基板80的兩面進(jìn)入的深度分別相同，則能夠利用一次的蝕刻工序來形成薄壁部42a。進(jìn)而，如果薄壁部42a的厚度與利用上述單面蝕刻形成的薄壁部42的厚度相同，則能夠以單面蝕刻的一半時(shí)間進(jìn)行蝕刻處理。
另外，可以對(duì)露出于外部的表面實(shí)施涂敷，以使膜片不會(huì)被液體或氣體等腐蝕。例如，如果是金屬制的膜片，則可以涂敷鎳的化合物，如果膜片是石英這種壓電結(jié)晶體，則只要涂敷硅即可。
在第1膜片32a和第2膜片32b之間，以插通貫通孔28的方式安裝有力傳遞單元34即中心軸36，中心軸36的兩端部分別與第1膜片32a和第2膜片32b的中央?yún)^(qū)域40的面垂直接合。由此，即使對(duì)膜片32施加壓力，中心軸36與第1膜片32a和第2膜片32b的位移方向也相同。此時(shí)，壓力高的一側(cè)的膜片32向外殼12的內(nèi)側(cè)位移，壓力低的一側(cè)的膜片32向外殼12的外側(cè)位移，但是，由于中心軸36的長(zhǎng)度沒有變化，因此位移的絕對(duì)值在兩側(cè)是一致的。并且，在中心軸36的規(guī)定位置固定有可動(dòng)部件36a，該可動(dòng)部件36a也具有與中心軸36相同的位移方向。
中心軸36根據(jù)壓力傳感器的用途，選擇使用強(qiáng)度穩(wěn)定的材質(zhì)即不銹鋼或鋁、或者容易加工的陶瓷等，從而能夠構(gòu)成精度高且穩(wěn)定的壓力傳感器。特別地，當(dāng)使中心軸36的材料為熱膨脹系數(shù)小的金屬或陶瓷時(shí)，壓力傳感器的溫度特性幾乎依賴于感壓元件的溫度特性。進(jìn)而，中心軸36的兩端部?jī)?yōu)選為圓形，且連接成與中央?yún)^(qū)域40形成同心圓。由此，在中央?yún)^(qū)域40和所述兩端部的接觸部分、以及中央?yún)^(qū)域40和薄壁部42的邊界部分，能夠防止向特定部位的應(yīng)力集中，能夠提高膜片32的靈敏度。
感壓元件38使用石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等壓電材料，形成為雙音叉型壓電振子、SAW振子、厚度剪切振子等。使感壓元件38的兩端部分別與可動(dòng)部件36a和第1部件14的固定部件30連接來支承。此時(shí)，感壓元件38將力的檢測(cè)方向設(shè)定為檢測(cè)軸，連接感壓元件38的所述兩端部的方向與所述檢測(cè)軸為平行關(guān)系。并且，感壓元件38與安裝在外殼12上的振蕩電路(未圖示)電連接，通過來自振蕩電路(未圖示)的交流電壓而以固有的諧振頻率進(jìn)行振動(dòng)。并且，感壓元件38承受來自可動(dòng)部件38a的伸長(zhǎng)(拉伸)應(yīng)力或者壓縮應(yīng)力，從而使諧振頻率變化。特別地，與厚度剪切振子等相比，雙音叉型壓電振動(dòng)片的諧振頻率相對(duì)于伸長(zhǎng)/壓縮應(yīng)力的變化極大、且諧振頻率的可變幅度大，所以，適用于檢測(cè)微小的壓力差這樣的分解能力優(yōu)良的壓力傳感器。雙音叉型壓電振子承受伸長(zhǎng)應(yīng)力時(shí)，振幅臂(振動(dòng)部)的振幅幅度減小，因而諧振頻率變高，承受壓縮應(yīng)力時(shí)，振幅臂(振動(dòng)部)的振幅幅度增大，因而諧振頻率降低。另外，優(yōu)選采用溫度特性優(yōu)良的石英作為雙音叉型壓電振子的壓電基板。
如圖1所示，例如使接頭22的外周為外螺紋結(jié)構(gòu)，使用具有與所述外螺紋對(duì)應(yīng)的內(nèi)螺紋的安裝零件46等，將這樣構(gòu)成的壓力傳感器安裝到作為測(cè)定對(duì)象的液體或氣體的收納容器上，使任意一個(gè)膜片32直接與測(cè)定對(duì)象接觸。安裝零件46需要根據(jù)作為測(cè)定對(duì)象的液體等的壓力的大小以及收納容器的結(jié)構(gòu)而具有規(guī)定的形狀和壁厚。
由此，根據(jù)第1實(shí)施方式的壓力傳感器，由于不使用油作為結(jié)構(gòu)要素，因此不產(chǎn)生漏油等問題。而且，力傳遞單元34進(jìn)行僅傳遞來自感壓元件38的端面方向的力的運(yùn)動(dòng)，所以，壓力傳感器10的靈敏度提高。并且，不僅在力傳遞單元34和中央?yún)^(qū)域40的接觸部分的外周401，而且在中央?yún)^(qū)域40的外周421、即中央?yún)^(qū)域40和薄壁部42的邊界部分也容易集中應(yīng)力，所以，降低了膜片32和力傳遞單元34的接觸部分的應(yīng)力集中，將應(yīng)力可靠地傳遞到力傳遞單元34，由此，能夠提高壓力傳感器10的靈敏度，并且，降低反復(fù)出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致的經(jīng)年劣化。進(jìn)而，中央?yún)^(qū)域40的外側(cè)(薄壁部42)為彎曲性良好的薄壁狀態(tài)，所以，成為防止由于膜片32整體的彎曲性降低而引起靈敏度降低的壓力傳感器10。進(jìn)而，膜片32能夠通過影印石版蝕刻加工來形成，所以成為適于小型化的壓力傳感器10。
圖2示出第2實(shí)施方式的壓力傳感器50。第1實(shí)施方式的壓力傳感器10測(cè)定以大氣壓為零基準(zhǔn)進(jìn)行表示的標(biāo)準(zhǔn)壓力，但是，第2實(shí)施方式的壓力傳感器50測(cè)定以真空狀態(tài)為零基準(zhǔn)的絕對(duì)壓力，所以壓力傳感器50具有與外殼52連接的一個(gè)膜片54;構(gòu)成感壓部的以下結(jié)構(gòu)要素、即與膜片54連接的力傳遞單元56即中心軸58;固定在中心軸58上的可動(dòng)部件58a、固定在外殼52上的固定部件52a、使兩端與可動(dòng)部件58a和固定部件52a連接來支承的感壓元件60，外殼52內(nèi)部被真空密封。
在外部壓力為真空的情況下，施加給膜片54的壓力為零，膜片54為平板狀。而且，在外部壓力具有一定的壓力的情況下，膜片54向外殼52內(nèi)部側(cè)位移，與此相伴，中心軸58和可動(dòng)部件58a位移，由此，從感壓元件60的端面方向作為壓縮力進(jìn)行施加。
圖3示出第3實(shí)施方式的壓力傳感器70。圖3的壓力傳感器70是第2實(shí)施方式的又一變形例，構(gòu)成為將感壓部作為感壓元件自身。即，構(gòu)成為位于感壓元件72的一端的支承部72a與膜片74的中央?yún)^(qū)域76連接，位于另一端的支承部72b與固定在外殼78上的固定部件78a連接，將外殼內(nèi)部真空密封。由此，不需要第1實(shí)施方式和第2實(shí)施方式中的中心軸36、 58以及可動(dòng)部件36a、 58a，所以，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低，而且，感壓元件72不經(jīng)由中心軸而直接承受膜片74的位移作為力，因此，能夠防止力的損失，能夠提高壓力傳感器70的靈敏度。
本申請(qǐng)發(fā)明人調(diào)查了相對(duì)于中央?yún)^(qū)域的寬度(直徑)的變化的、中央?yún)^(qū)域的位移以及施加給膜片和中心軸的接觸部分的外周的最大應(yīng)力(彎曲應(yīng)力)的關(guān)系。這里，用于調(diào)查的膜片的材料為不銹鋼，薄壁部通過對(duì)單面進(jìn)行半蝕刻而得到。并且，設(shè)膜片的直徑為12mm，周緣部的寬度為1.2mm，與中央?yún)^(qū)域連接的中心軸(圖1 (b)的配置)的直徑為2mm，薄壁部的厚度為100pm，中央?yún)^(qū)域和周緣部的厚度為200pm。并
22且，設(shè)外部壓力為大氣壓，安裝有膜片的外殼側(cè)(中心軸側(cè))為真空。
而且，使中央?yún)^(qū)域的寬度在2.1mm 8.0mm之間變化。
圖5示出相對(duì)于中央?yún)^(qū)域40的寬度的變化的、施加給中央?yún)^(qū)域40和中心軸的接觸部分的外周401的最大應(yīng)力以及中央?yún)^(qū)域40的位移。在圖5中，橫軸示出中央?yún)^(qū)域40的寬度。即，膜片32的直徑為12mm是恒定的，所以，中央?yún)^(qū)域40的寬度(直徑)越大(小)，薄壁部42的寬度越小(大)。左側(cè)的縱軸表示中央?yún)^(qū)域40的位移，右側(cè)的縱軸表示施加給膜片32和中心軸36的接觸部分的外周401的最大應(yīng)力。這里，中央?yún)^(qū)域40的位移越大，膜片的靈敏度越大。并且，最大應(yīng)力越小，越不會(huì)使應(yīng)力僅集中于所述接觸部分的外周，應(yīng)力還分散到中央?yún)^(qū)域40和薄壁部42的邊界部分421，最大應(yīng)力越大，應(yīng)力越集中于所述接觸部分的外周401。
如圖5所示，最大應(yīng)力存在隨著中央?yún)^(qū)域40的寬度減小而變大的傾向，但是，當(dāng)中央?yún)^(qū)域40的直徑小于等于3mm時(shí)，最大應(yīng)力急劇增大。此時(shí)，認(rèn)為應(yīng)力不集中于所述邊界部分，應(yīng)力集中于所述接合部分的外周。
因此，在中心軸的直徑為2mm的情況下，當(dāng)中央?yún)^(qū)域40的直徑大于等于3mm時(shí)，認(rèn)為能夠降低所述接觸部分的應(yīng)力集中。另外，當(dāng)中央?yún)^(qū)域40的直徑為4mm，薄壁部42的寬度為2.8mm時(shí)，上述膜片的靈敏度最大。
圖6示出第4實(shí)施方式的壓力傳感器100，圖7、圖8示出該壓力傳感器的局部剖切立體圖、主要部件立體圖。圖示的第4實(shí)施方式的例子是第1實(shí)施方式所示的用于檢測(cè)相對(duì)壓力的壓力傳感器(圖1 (a))的變形例。
該壓力傳感器100具有由中空?qǐng)A筒體構(gòu)成的外殼112。該外殼U2將第1部件(上端面板)作為密封端子板114,并且將第2部件(下端面板)作為凸緣端面板116，通過第3部件即圓筒側(cè)壁120將隔開配置的端面板的周圍包圍起來，從而構(gòu)成中空密閉容器。在密封端子板114和凸緣端面板116的各外表面部，形成有與外殼內(nèi)部空間連通的第1壓力輸入口 124、第2壓力輸入口 126作為凹陷部，在其底板部分穿設(shè)有與外殼U2的軸芯同芯的貫通孔128，將內(nèi)外連通。在該壓力輸入口 124、 126的凹陷部分別嵌入第1膜片132A、第2膜片132B，其周圍與密封端子板114和凸緣端面板116 —體結(jié)合，由此遮蔽內(nèi)外。密封端子板114側(cè)的第1膜片132A為大氣壓設(shè)定用。凸緣端面板116的第2膜片132B為受壓用。這種外殼112也形成為遮斷內(nèi)外的狀態(tài)，并且，能夠通過未圖示的空氣抽取單元將內(nèi)部保持為真空狀態(tài)，這一點(diǎn)與第1實(shí)施方式相同。在所述外殼112的內(nèi)部，沿外殼112的軸芯配置有中心軸(力傳遞單元)136，該中心軸136將所述第1、第2膜片132A、 132B的內(nèi)表面的中央?yún)^(qū)域相互連接起來，貫通于所述貫通孔128中，將兩者粘接連接起來。而且，在該中心軸136的中途一體地設(shè)有作為感壓元件支承臺(tái)的可動(dòng)部157，在該可動(dòng)部157上安裝有由雙音叉振子構(gòu)成的感壓元件138的一端部，所述感壓元件138將檢測(cè)軸設(shè)定為平行于與所述第1、第2膜片132 (132A、 132B)的受壓面垂直的軸。感壓元件138的另一端部與作為感壓元件支承臺(tái)的凸臺(tái)部139連接，所述凸臺(tái)部139設(shè)于所述外殼112的密封端子板114上并向內(nèi)側(cè)突出。由此，當(dāng)通過受壓用第2膜片132B和大氣壓用第1膜片132A的壓力差使中心軸136沿軸向移動(dòng)時(shí)，可動(dòng)部157的位置隨之變動(dòng)，該力對(duì)感壓元件138產(chǎn)生檢測(cè)軸方向的作用力。
該第4實(shí)施方式的所述膜片132如圖4 (a)所示，通過對(duì)平板體即母基板80的單面進(jìn)行影印石版蝕刻加工，在連接有中心軸136的中央?yún)^(qū)域140的周圍挖入圓周槽142來形成。由此，連接有所述力傳遞單元即中心軸136的所述中央?yún)^(qū)域140與其周邊部具有階梯并形成為厚壁。使用與在第1實(shí)施方式中使用的在單面挖入槽的膜片(圖1 (b))相同的膜片。在平板體上挖入圓周槽142，由此，中央?yún)^(qū)域140和周緣部144成為相同厚度的厚壁部分，槽143部分為薄壁。
在上述外殼112的內(nèi)部，與所述中心軸136平行地在其周圍配置有多個(gè)支柱即支承桿118。這些支承桿118將第2部件即凸緣端面板116和第1部件即密封端子板114之間的間隔保持為恒定，檢測(cè)精度不會(huì)由于外力造成的外殼112的變形或任意姿勢(shì)而降低，這點(diǎn)與第1實(shí)施方式相同。
在該第4實(shí)施方式中，特別地，將上部端面板作為密封端子板114，使密封端子160貫通端子板114，將感壓元件138的信號(hào)取出到外部。
根據(jù)這種第4實(shí)施方式，通過中心軸136連接一對(duì)膜片132彼此，設(shè)于中心軸136中途的可動(dòng)部157根據(jù)膜片132的動(dòng)作而一體地沿軸方向移動(dòng)(這是由一對(duì)膜片50、 52受到的壓力差引起的運(yùn)動(dòng))，成為與對(duì)雙音叉振子即感壓元件138的檢測(cè)軸方向作用的力對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。因而，能夠不使用油而構(gòu)成檢測(cè)精度高的壓力傳感器，并且，成為小型且容易組裝的結(jié)構(gòu)。并且，凸緣端面板116、密封端子板114以及圓筒側(cè)壁120形成作為真空容器的外殼112，密封端子板114與第1膜片132A成為- 體，凸緣端面板116與第2膜片132B成為一體，能夠簡(jiǎn)便地進(jìn)行組裝。為了將該壓力傳感器100安裝到下沉(浸入)于測(cè)定對(duì)象液體中的容器上，將凸緣端面板116經(jīng)由O型密封圈面接合并通過螺栓緊固而安裝到測(cè)定對(duì)象液體容器上，所述O型封閉圈配置成包圍第2膜片132B的周圍。該安裝作業(yè)時(shí)，由于不是像第1實(shí)施方式那樣利用具有與中心軸連接的膜片的接頭部分來擰入的結(jié)構(gòu)，因此能夠防止由于中心軸的伸長(zhǎng)而引起對(duì)感壓元件賦予拉伸力的不良情況。
另外，在該第4實(shí)施方式中，中心軸136和作為感壓元件固定用支承臺(tái)的可動(dòng)部157也可以由一個(gè)部件經(jīng)過切削加工而一體形成。這樣，可動(dòng)部157不會(huì)在軸的固定部晃動(dòng)、偏移。
特別地，在該第4實(shí)施方式中，連接有中心軸136的一對(duì)膜片132的中央?yún)^(qū)域140與其周邊部相比為厚壁，所以，承受壓力而使應(yīng)力集中于薄壁部和厚壁部的階梯部分，但是，厚壁的中央?yún)^(qū)域140承受壓力而上下位移，但中央?yún)^(qū)域140的彎曲變形小，所以，避免了中心軸136和膜片132的接合部分的應(yīng)力集中。由此，不會(huì)對(duì)中心軸136作用與軸方向力不同方向的不必要的力，能夠提高壓力檢測(cè)精度。
并且，在第4實(shí)施方式中，將膜片132嵌入安裝于在密封端子板114和凸緣端面板116的外表面上作為凹陷部形成的壓力輸入口 124、 126上，所以，在外殼112上沒有向外部突出的部分，能夠縮短高度尺寸，能夠促進(jìn)小型化。
接著，圖9、圖10示出第5實(shí)施方式的壓力傳感器200。上述第4實(shí)施方式的膜片132通過在單面挖入圓周槽142而形成，相對(duì)于此，該實(shí)施方式的不同點(diǎn)僅在于，使用在兩面挖入圓周槽242而形成的膜片232(232A、 232B)。其他與第4實(shí)施方式相同，所以，標(biāo)注共同的部件編號(hào)并省略說明。
在該第5實(shí)施方式的壓力傳感器200中，特別地，膜片232在其中央?yún)^(qū)域240的周邊從兩面挖入圓周槽242，使中央?yún)^(qū)域240和周緣部244為厚壁部，相對(duì)地使圓周槽242為薄壁，所以，即使膜片232承受壓力而撓曲變形，也能夠保持中央?yún)^(qū)域240部分的平坦度，能夠更加可靠地對(duì)與其連接的中心軸136傳遞軸方向力位移，能夠提高檢測(cè)精度。特別地，由于表里面成為對(duì)象，因此作為部件的組裝作業(yè)極其簡(jiǎn)易。
接著，圖11示出第6實(shí)施方式的壓力傳感器300的剖面圖。圖示的例子是如下的例子使用在平板體的單面形成圓周槽從而使連接有中心軸的中央?yún)^(qū)域與其周邊部相比形成為厚壁的膜片，成為用于檢測(cè)絕對(duì)壓力的壓力傳感器。即，去除第4實(shí)施方式的大氣壓檢測(cè)用的第1膜片132A，僅將第1部件形成為密封端子板來密閉外殼。而且，特別地，同芯配置中心軸和感壓元件，將它們配置在通過受壓用膜片的中央?yún)^(qū)域的軸線上，這一點(diǎn)與之前的實(shí)施方式不同。
該壓力傳感器300具有由中空?qǐng)A筒體構(gòu)成的外殼312。該外殼312將第1部件(上端面板)作為密封端子板314，并且將構(gòu)成第2部件(下端面板)的端面板作為與第4實(shí)施方式相同的凸緣端面板316，通過第3殼體即圓筒側(cè)壁320將隔開配置的端面板周圍包圍起來，從而構(gòu)成中空密閉容器。在凸緣端面板316上，與外殼312的軸芯同芯地貫通有與內(nèi)部空間連通的壓力輸入口 326，形成凹陷部并在其中央部形成貫通孔328，在凹陷部中嵌入膜片332對(duì)外殼的內(nèi)外進(jìn)行遮蔽。膜片332與壓力輸入口 326的凹陷部?jī)?nèi)壁粘接而一體結(jié)合。膜片332是測(cè)定對(duì)象液體的受壓用膜片。對(duì)于密封端子板314，構(gòu)成為省略了壓力流入口和膜片的端面板。這種外殼312也形成為遮斷內(nèi)外的狀態(tài)，并且，能夠通過未圖示的空氣抽取單元將內(nèi)部保持為真空狀態(tài)，這一點(diǎn)與其他實(shí)施方式相同。
在所述外殼312的內(nèi)部，在所述膜片332的內(nèi)表面的中央?yún)^(qū)域340上垂直立設(shè)有中心軸(力傳遞單元)336，該中心軸336沿著外殼312的軸芯配置。而且，在該中心軸336的前端部一體地設(shè)有作為感壓元件支承臺(tái)的可動(dòng)部357，在該可動(dòng)部357上安裝有由雙音叉振子構(gòu)成的感壓元件338的一端部，所述感壓元件338將檢測(cè)軸設(shè)定為與中心軸336同軸。感壓元件338的另一端部與支座315連接，所述支座315設(shè)于所述外殼312的密封端子板314的中央?yún)^(qū)域并向內(nèi)側(cè)突出。由此，當(dāng)受壓用膜片332承受測(cè)定對(duì)象液體的壓力而撓曲時(shí)，中心軸336沿軸向移動(dòng)，追隨于此，與可動(dòng)部357連接的感壓元件338產(chǎn)生檢測(cè)軸方向的作用力。
連接有中心軸336的膜片332如圖4 (a)所示，通過對(duì)平板體即母基板80的單面進(jìn)行影印石版蝕刻加工，在連接有中心軸336的中央?yún)^(qū)域340的周圍挖入圓周槽342來形成。由此，連接有所述力傳遞單元即中心軸336的所述中央?yún)^(qū)域340與其周邊部具有階梯并形成為厚壁。使用與在第1實(shí)施方式中使用的在單面挖入槽的膜片(圖1 (b))相同的膜片。在平板體上挖入圓周槽342，由此，中央?yún)^(qū)域340和周緣部344成為相同厚度的厚壁部分，槽342部分為薄壁。
并且，在上述外殼312的內(nèi)部，與所述中心軸336平行地在其周圍配置有多個(gè)支柱即支承桿318。這些支承桿318將第2部件即凸緣端面板316和第1殼體即密封端子板314之間的間隔保持為恒定，檢測(cè)精度不會(huì)由于外力造成的外殼312的變形或任意姿勢(shì)而降低，這一點(diǎn)與其他實(shí)施方式相同。
該第6實(shí)施方式與第4實(shí)施方式同樣，將上部端面板作為密封端子板314，使未圖示的密封端子貫通端子板314，將感壓元件338的信號(hào)取出到外部。
根據(jù)這種第6實(shí)施方式，凸緣端面板316、密封端子板314以及圓筒側(cè)壁320形成作為真空容器的外殼312，凸緣端面板316與膜片332成為一體，能夠簡(jiǎn)便地進(jìn)行組裝。受壓用的膜片332和中心軸336同心地
2連接在一條直線上，設(shè)于中心軸336前端的可動(dòng)部357根據(jù)膜片332的動(dòng)作而沿軸方向移動(dòng)，產(chǎn)生沿雙音叉振子即感壓元件338的檢測(cè)軸方向作用的力。因而，能夠不使用油而構(gòu)成檢測(cè)精度高的壓力傳感器，并且，成為小型且容易組裝的結(jié)構(gòu)。
另外，在該第6實(shí)施方式中，中心軸336和作為感壓元件固定用支承臺(tái)的可動(dòng)部357也可以由一個(gè)部件經(jīng)過切削加工而一體形成。這樣，可動(dòng)部86不會(huì)在軸的固定部晃動(dòng)、偏移。
接著，圖12示出第7實(shí)施方式的壓力傳感器400。上述第6實(shí)施方式的膜片332通過在單面挖入圓周槽342而形成，相對(duì)于此，該實(shí)施方式的不同點(diǎn)僅在于，使用在兩面挖入圓周槽442而形成的膜片432。其他與第6實(shí)施方式相同，所以，標(biāo)注共同的部件編號(hào)并省略說明。
在該第7實(shí)施方式的壓力傳感器400中，特別地，膜片432在其中央?yún)^(qū)域440的周邊從兩面挖入圓周槽442，使中央?yún)^(qū)域440和周緣部444為厚壁部，相對(duì)地使圓周槽442為薄壁，所以，即使膜片432承受壓力而撓曲變形，也能夠保持中央?yún)^(qū)域440部分的平坦度，能夠更加可靠地對(duì)與其連接的中心軸336傳遞軸方向力位移，能夠提高檢測(cè)精度。特別地，由于表面背面成為對(duì)象，因此作為部件的組裝作業(yè)極其簡(jiǎn)易。
權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有外殼；壓力輸入口，其在形成于所述外殼上的接頭部開口；一面為受壓面的膜片，其封閉所述壓力輸入口；以及感壓部，其以力的檢測(cè)方向?yàn)闄z測(cè)軸，該感壓部的一端與所述膜片的另一面的中央?yún)^(qū)域連接，所述感壓部的另一端與所述外殼連接，所述檢測(cè)軸與所述受壓面大致垂直，所述中央?yún)^(qū)域和所述感壓部的一端的接觸部分的外周位于所述中央?yún)^(qū)域的外周的內(nèi)側(cè)，所述中央?yún)^(qū)域的厚度比所述中央?yún)^(qū)域的周圍的部位的厚度厚。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于， 所述周圍的部位為平坦面，且形成為與所述中央?yún)^(qū)域具有階梯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于， 所述感壓部由以下部分構(gòu)成力傳遞單元，其一端與所述膜片的另一面的中央?yún)^(qū)域接觸；可動(dòng)單元，其固定在所述力傳遞單元上；以及感壓元件，其一個(gè)端部與所述固定單元接觸，另一個(gè)端部與外殼連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述感壓部由感壓元件構(gòu)成，該感壓元件的一個(gè)端部與所述膜片的 另一面的中央?yún)^(qū)域連接，另一個(gè)端部與外殼連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于， 所述中央?yún)^(qū)域的周圍的部位通過蝕刻來形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于， 所述感壓元件具有設(shè)置于兩端部的基部， 在設(shè)置于所述兩端部的基部之間具有振動(dòng)部。
7. —種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有-外殼，其具有壓力輸入口；外表面為受壓面的膜片，其封閉該外殼的所述壓力輸入口； 力傳遞單元，其在所述外殼內(nèi)部與所述膜片的中央?yún)^(qū)域連接，與該 膜片連動(dòng)地在與該膜片的受壓面垂直的方向上運(yùn)動(dòng)；以及感壓部，其與該力傳遞單元和所述外殼連接，沿著與所述膜片的受壓面垂直的軸設(shè)定檢測(cè)軸，所述膜片在平板體上形成槽，從而將所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊 部厚。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力傳感器，其特征在于， 所述槽形成于膜片的單面?zhèn)取?br>
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，其特征在于， 形成有所述槽的面為所述可動(dòng)部的連接面?zhèn)取?br>
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力傳感器，其特征在于， 所述槽形成于膜片的兩面。
11. 一種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有-外殼；一對(duì)壓力輸入口，其同軸地設(shè)置在該外殼的對(duì)置的端面板上； 外表面為受壓面的第l、第2膜片，其封閉所述壓力輸入口； 力傳遞單元，其在所述外殼內(nèi)部連接所述膜片的內(nèi)表面的中央?yún)^(qū)域 彼此；以及感壓元件，其一端與該力傳遞單元的中途連接，另一端與所述外殼 連接，并且，與垂直于所述膜片的受壓面的軸平行地排列檢測(cè)軸，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述力傳遞單元的所述 中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
12. —種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有 外殼；壓力輸入口，其設(shè)置在該外殼的端面板上； 外表面為受壓面的膜片，其封閉所述壓力輸入口；力傳遞單元，其在所述外殼內(nèi)部，在所述膜片的內(nèi)表面的中央?yún)^(qū)域配置在與該膜片的受壓面垂直的軸線上，且與對(duì)置的外殼端面板連接； 以及感壓元件，其一端與該力傳遞單元的中途連接，另一端與所述外殼 連接，并且，與垂直于所述膜片的受壓面的軸同軸地設(shè)定檢測(cè)軸，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述力傳遞單元的所述 中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7 12中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于， 在所述外殼的內(nèi)部與所述檢測(cè)軸平行地設(shè)置有支柱。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7 12中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于，由中心軸形成所述力傳遞單元， 與所述中心軸平行地配置感壓元件。
15. 根據(jù)權(quán)利要求7 12中的任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜片嵌入到形成于所述外殼的端面板的外表面上的凹陷部中， 與所述端面板排列在同一平面上。
16. —種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有 外殼，其由形成相互對(duì)置的端面板的第1、第2殼體以及包圍該第1、第2殼體的周圍而形成側(cè)面部件的第3殼體形成；第1 、第2膜片，其封閉在所述第1 、第2殼體上開口的壓力輸入口 ； 中心軸，其在所述外殼內(nèi)，在所述第1、第2膜片的中央?yún)^(qū)域連接所述第l、第2膜片彼此而一體化，能夠進(jìn)行力的傳遞；感壓元件，其兩端部安裝在固定于該中心軸上的可動(dòng)臺(tái)和設(shè)置于所述外殼內(nèi)表面部上的固定臺(tái)上，與所述中心軸平行地設(shè)定檢測(cè)軸；以及 多個(gè)支柱，其配置在所述中心軸的周圍，連接第l、第2殼體彼此，所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述中心軸的所述中央 區(qū)域形成為比其周邊部厚。
17. —種壓力傳感器，其特征在于，該壓力傳感器具有 外殼，其由形成相互對(duì)置的端面板的第1、第2殼體以及包圍該第1、 第2殼體的周圍而形成側(cè)面部件的第3殼體形成；第1膜片，其封閉在所述第l殼體上開口的壓力輸入口；中心軸，其在所述外殼內(nèi)，在所述第1膜片的中央?yún)^(qū)域連接而一體化，能夠進(jìn)行力的傳遞；感壓元件，其兩端部安裝在固定于該中心軸的端部的可動(dòng)支承臺(tái)和設(shè)置于所述第2殼體內(nèi)表面部上的固定支承臺(tái)上，與所述中心軸同軸地設(shè)定檢測(cè)軸；以及多個(gè)支柱，其配置在所述中心軸的周圍，連接第l、第2殼體彼此， 所述膜片在平板體上形成槽，從而將連接有所述中心軸的所述中央?yún)^(qū)域形成為比其周邊部厚。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠?qū)崿F(xiàn)小型化且具有良好的靈敏度的壓力傳感器。壓力傳感器具有外殼(12)；一面為受壓面的膜片(32)，其封閉所述外殼(12)的接頭(22)；以及感壓部，其以力的檢測(cè)方向?yàn)闄z測(cè)軸，該感壓部的一端與所述膜片(32)的另一面的中央?yún)^(qū)域(40)連接，所述感壓部的另一端與所述外殼(12)連接，所述檢測(cè)軸與所述受壓面大致垂直，所述中央?yún)^(qū)域(40)和所述感壓部的一端的接觸部分的外周位于所述中央?yún)^(qū)域(40)的外周的內(nèi)側(cè)，所述中央?yún)^(qū)域(40)的厚度比所述中央?yún)^(qū)域(40)的周圍的部位的厚度厚。
文檔編號(hào)G01L9/08GK101603869SQ20091013928
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者本山久雄 申請(qǐng)人:愛普生拓優(yōu)科夢(mèng)株式會(huì)社
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