JP3969442B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、双音叉型圧電振動素子、及びそれを用いた圧力センサに関する。

従来から、水圧計、気圧計、差圧計等として水晶振動素子を感圧素子として使用した圧力センサが知られている。水晶振動素子は、板状の水晶基板上に電極パターンを形成した構成を備え、水晶振動素子の軸方向に圧力が加わった際に共振周波数が変化する性質を利用して圧力の変化を検出するようにしたのが圧力センサである。
水晶振動素子を用いた圧力センサにあっては、印加した圧力にほぼ比例（２次曲線）して共振周波数が変化するため、周波数変化量と印加圧力との関係を２次方程式を用いて補正することによって、高精度の圧力測定が可能となる。
しかし、高精度な圧力測定を実現するためには、構造の複雑化、製造コストの増大という問題が生じる。即ち、特許文献１に開示された従来の圧力センサは、対向する２つの壁面に夫々第１及び第２の圧力入力口を備え、且つ内部を真空又は不活性な雰囲気に保持されたケースと、一端開口側を第１の壁面に固定された第１の電着ベローズと、一端開口側を第２の壁面に固定され且つ第２の電着ベローズと直列に配置された第２の電着ベローズと、両ベローズの他端間に介在する力伝達部材と、撓みヒンジを介して力伝達部材と連結された振動素子支持部材と、力伝達部材と振動素子支持部材とによって夫々両端部を支持された板状の水晶振動素子とを備えている。振動素子支持部材は基部をケース内壁に固定されると共に、力伝達部材との連結部に撓みヒンジ（ピボット）を備えている。
この従来例にあっては、高精度な測定を実現するために、気体や液体の圧力を機械的な力に変換するためのバネ定数の非常に小さい電着ベローズや、くびれ部の細い撓みヒンジを用いる必要があり、これらの部品コストが高いために製品全体の高コスト化を避けることができなかった。
また、低価格化のために、低価格の成形ベローズや、撓みヒンジをなくした構造の力伝達部材を用いたタイプも提案されているが、このタイプの圧力センサにあっては印加する圧力を増加させてゆくと、水晶振動素子への軸方向の力以外に曲げ応力成分が発生してくるため、直線的な周波数変化（２次方程式）が得られなくなり、３次の係数を含む３次曲線の関係が発生し、周波数変化量と印加圧力との関係を２次方程式により補正する方式では精度が劣化するという欠点があった。
このような不具合を解消するために本出願人は、特許文献２において、気密ケース内に低価格の二つの円筒型の成形ベローズを直列状、或いは同心円状に配置すると共に、両ベローズの端部間に配置した台座により水晶振動素子を支持した圧力センサを提案した。
しかし、このタイプの圧力センサは、円筒型のベローズの軸方向と直交する方向（Ｘ軸方向）からの衝撃に対する強度が弱いという欠点を有していることが判明している。

次に、本出願人は特許文献３において、二本の細幅帯状の振動子部を所定のスリットを介して並行に配置すると共に、両振動部の両端部を夫々小面積の接続部材を介して広面積の保持部材によって保持した薄板形状の双音叉型圧電振動素子を提案した。この双音叉型圧電振動素子は、ベローズや揺動アーム及び支持体等の複雑な機構部品を必要としないため、圧力センサの感圧素子として使用されることにより、センサの小型化、簡素化、低価格化、高感度化に貢献することができる。
しかし、この双音叉型圧電振動素子は、二本の振動子部の両端に夫々接続部材と保持部材を直列状に連設した構成を有しているため、この双音叉型圧電振動素子を感圧素子として用いた圧力センサを構築するためには、２枚の水晶ダイアフラム間に形成した気密空所内に双音叉型圧電振動素子を張架した状態で保持する必要があり、支持構造が複雑化し、組付け手数が増大する虞があった。
特開昭５６−１１９５１９号公報 特願２００４−２０５５６６ 特公平７−１０９９７０号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、並行に配置された二本のアーム部、及び該各アーム部の両端を支持する第１及び第２の支持部を備えた圧電素子と、該各アーム部の表面に形成した励振用電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子であって、感圧素子として圧力センサに組み込むに適した構造を備えたものを提供することを目的としている。
更に、上記双音叉型圧電振動素子をダイアフラム基板間に形成される気密空所内に組み込んだ圧力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る圧力センサは、並行して離間配置された二本のアーム部、及び該各アーム部の両端を夫々支持する第１及び第２の支持部を備えた圧電素子と、該各アーム部の表面に形成した励振用電極と、を備え、前記第１及び第２の支持部間を環状連設片により連設することにより、前記二本のアーム部を前記環状連設片の内部空間内に配置した双音叉型圧電振動素子と、該双音叉型圧電振動素子の表裏両面側に夫々接合されることにより前記二本のアーム部を気密封止する第１及び第２のダイアフラム基板と、を備えた圧力センサであって、前記第１、及び第２の支持部は、前記二本のアーム部の各端部の全幅よりも狭い幅を有しており、前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の環状連設片の表裏両面に夫々接合されることにより、該環状連設片の内部空間に形成される気密空間内に前記二本のアーム部を該気密空間内壁と非接触状態で収容することを特徴とする。
また、本発明に係る圧力センサは、前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された板状部と、該各板状部の外周縁に設けられて前記環状連設片の表裏両面に夫々密着する環状厚肉部と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧力センサは、前記環状連設片は、前記二本のアーム部よりも厚肉であり、前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された平板状の板状部から成り、該各板状部の外周縁に沿った内側面は、前記厚肉の環状連設片の表裏両面に夫々密着することを特徴とする。
また、本発明に係る圧力センサは、前記第１及び第２のダイアフラム基板の各外側面に、圧力印加時に前記二本のアーム部に引張り応力を集中させるための凹所を形成したことを特徴とする。
また、本発明に係る圧力センサは、並行して離間配置された二本のアーム部、及び該各アーム部の両端を夫々支持する第１及び第２の支持部を備えた圧電素子と、該各アーム部の表面に形成した励振用電極と、を備え、前記第１及び第２の支持部間を環状連設片により連設することにより、前記二本のアーム部を前記環状連設片の内部空間内に配置した双音叉型圧電振動素子と、該双音叉型圧電振動素子の表裏両面側に夫々接合されることにより前記二本のアーム部を気密封止する第１及び第２のダイアフラム基板と、を備えた圧力センサであって、前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の環状連設片の表裏両面に夫々接合されることにより、該環状連設片の内部空間に形成される気密空間内に前記二本のアーム部を該気密空間内壁と非接触状態で収容し、前記第１及び第２のダイアフラム基板の各外側面に、圧力印加時に前記二本のアーム部に引張り応力を集中させるための凹所を形成したことを特徴とする。
また、本発明に係る圧力センサは、前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された板状部と、該各板状部の外周縁に設けられて前記環状連設片の表裏両面に夫々密着する環状厚肉部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る圧力センサは、前記環状連設片は、前記二本のアーム部よりも厚肉であり、前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された平板状の板状部から成り、該各板状部の外周縁に沿った内側面は、前記厚肉の環状連設片の表裏両面に夫々密着することを特徴とする。

本発明によれば、並行に配置された二本のアーム部、及び該各アーム部の両端を支持する第１及び第２の支持部を備えた圧電素子と、該各アーム部の表面に形成した励振用電極と、を備えた双音叉型圧電振動素子において、第１及び第２の支持部間を環状連設片により連設することにより、二本のアーム部を環状連設片の内部空間内に配置したので、感圧素子として圧力センサに組み込むに適した構造を備えたものを提供することができる。
更に、双音叉型圧電振動素子をダイアフラム基板間に形成される気密空所内に組み込んだ高感度の圧力センサを提供することができる。

以下、図示した実施形態例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る双音叉型圧電振動素子を用いて構築した圧力センサの分解斜視図、（ｂ）は各構成要素の組付け状態を示す外観図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、図２（ａ）及び（ｂ）は双音叉型圧電振動素子の平面図、及びＢ−Ｂ断面図、図３（ａ）及び（ｂ）は圧力センサの組立て状態を示す平面図、及び正面図である。
この圧力センサ１は、双音叉型圧電振動素子２を、第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０によってサンドイッチ状に積層一体化した構成を有している。即ち、圧力センサ１は、双音叉型圧電振動素子２と、双音叉型圧電振動素子２の外周部を構成する環状連設片８の表裏両面に夫々接合されることにより環状連設片８の内部空間Ｓに形成される気密空間Ｓ内に二本のアーム部４、４を気密空間内壁と非接触状態で収容する第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０を備えている。この例では、双音叉型圧電振動素子２と第２のダイアフラム基板３０は外形輪郭線が整合するように構成される一方、第１のダイアフラム基板２０は双音叉型圧電振動素子２の一端部側上面を露出させるように短尺寸法に構成される。露出した双音叉型圧電振動素子２の一端張出し面上には後述する外部との導通用のリードパターンのパッド７ｄが露出配置される。
双音叉型圧電振動素子２は、水晶等の圧電材料から構成され且つ並行に配置された二本のアーム部（振動部）４、４、及び各アーム部４、４の長手方向両端部を支持して連結一体化する第１及び第２の支持部５、６を備えた圧電素子３と、各アーム部４、４の表面に形成した励振用電極７と、第１及び第２の支持部５、６間を連設する環状連設片８と、を備え、二本のアーム部４、４を環状連設片８の内部空間Ｓ内に配置した構成を備えている。各アーム部４、４の肉厚と、第１及び第２の支持部５、６と、環状連設片８の肉厚は同一である。

この実施形態では、励振用電極７は、図２（ｂ）に示すように断面形状が矩形の各アーム部４、４、の四面に夫々形成された主パターン７ａと、各主パターン７ａの一端部間を第２の支持部６側で接続するリードパターン７ｂと、各主パターン７ａの他端部から夫々環状連設片８上に導出されたリードパターン７ｃと、各リードパターン７ｃの終端部に位置するパッド７ｄと、を備えている。各パッド７ｄは、双音叉型圧電振動素子２の一端縁から張り出した張出し面上に露出配置される。
第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０は、双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された板状部２１、３１と、各板状部２１、３１の外周縁に設けられて環状連設片８の表裏両面に夫々密着する環状厚肉部２２、３２と、を有している。第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０は、水晶等の圧電材料から構成されている。
この実施形態に係る圧力センサ１は、双音叉型圧電振動素子２を構成する圧電素子３を均一肉厚に構成すると共に、第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０の板状部２１、３１の外周縁に一体化した環状厚肉部２２、３２を双音叉型圧電振動素子２の環状連設片８の表裏両面側に密着接合するようにしたので、環状厚肉部２２、３２をスペーサとして機能させて気密空所Ｓを形成することが可能となる。即ち、各アーム部４、４は、気密空所内において気密空所内壁を構成する板状部２１、３１と非接触状態を維持することができるため、自由振動が保証されることとなり、高感度の感圧素子として機能することができる。

また、この圧力センサ１は図示しないケーシング内に収容され、ケーシングに設けた圧力導入穴から内部の第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０の外面に圧力が加わるように構成される。各ダイアフラム基板２０、３０の外面に圧力が加わると、ダイアフラムが内側へ撓み、周辺部に外周方向へ向かう応力が発生するので、この応力により各アーム部４、４の長軸方向への引張り力が発生して共振周波数が上昇することとなり、印加された圧力を電気信号として検出することが可能となる。
なお、環状連設片８の一端張出し部上に露出配置されたパッド７ｄは、主パターン７ａへの入出力端子となっており、センサ外部との導通用のリード端子として利用される。
このように本発明の双音叉型圧電振動素子２は、感圧素子として圧力センサに組み込むに適した環状構造を備えているので、圧力センサの構築が容易となる。即ち、ダイアフラム基板２０、３０を、双音叉型圧電振動素子２の環状連設片８と接合一体化することで組み付け作業性が向上すると共に、小型化、部品点数の減少による低コスト化を図ることができる。また、構造の単純化により耐衝撃性や耐振動性に関する大幅な改善効果を発揮でき、信頼性を向上することができる。
更に、感圧素子としてのアーム部４、４を水晶から成るダイアフラム基板により気密封止することにより、外部温度変化による影響を減殺することができる。

次に、図４（ａ）は本発明の他の実施形態に係る双音叉型圧電振動素子を用いて構築した圧力センサの分解斜視図、（ｂ）は各構成要素の組付け状態を示す外観図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ断面図であり、図１の圧力センサの各構成要素と同一部分には同一符号を付して説明する。なお、図２に示した双音叉型圧電振動素子の構成図、及び図３に示した圧力センサの組立て状態の説明図は本実施形態の説明にそのまま流用する。
本実施形態に係る双音叉型圧電振動素子２は、各アーム部４、４の肉厚が外周に位置する環状連設片８の肉厚よりも薄く構成されている。一方、第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０の少なくとも一方は、双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部４、４の表裏両面側に夫々離間して対向配置された平板状の板状部２１、３１のみから構成される（図１の実施形態における環状厚肉部２２、３２を有しない）。このため、各板状部２１、３１の外周縁に沿った内側面が、厚肉の環状連設片８の表裏両面に夫々密着することにより、両ダイアフラム基板２０、３０間に十分な上下幅を有した気密空所Ｓを形成することができ、感圧素子としてのアーム部４、４を気密空所内壁から離間させて、その自由振動を保証することができる。従って、アーム部４、４による検出感度を高めることが可能となる。
上記以外の構成は、図１の実施形態と同様である。

次に、図５（ａ）は本発明の他の実施形態に係る双音叉型圧電振動素子を用いて構築した圧力センサの分解斜視図、（ｂ）は各構成要素の組付け状態を示す外観図、（ｃ）は（ｂ）のＤ−Ｄ断面図であり、図１の圧力センサの各構成要素と同一部分には同一符号を付して説明する。なお、図２に示した双音叉型圧電振動素子の構成図、及び図３に示した圧力センサの組立て状態の説明図は本実施形態の説明にそのまま流用する。
本実施形態に係る圧力センサ１を構成する双音叉型圧電振動素子２は、図１の実施形態に係る双音叉型圧電振動素子２と同様に各アーム部４、４の肉厚が環状連設片８の肉厚と同等である。一方、第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０は、外周縁に環状厚肉部２２、３２を有すると共に、各ダイアフラム基板の各外側面に、圧力印加時に二本のアーム部に引張り応力を集中させるための凹所２５、３５、厚肉部２６、３６を形成している。
このように第１及び第２のダイアフラム基板２０、３０の外側面に夫々二個のコ字状の凹所２５、３５を対称位置関係となるように配置することにより、各アーム部４、４と対面する板状部２１、３１が部分的に厚肉となると共に、コ字状の凹所内底面に薄肉部が形成される。このように各ダイアフラム基板２０、３０に薄肉部２５、３５と厚肉部２６、３６を設けたので、ダイアフラム基板外面に圧力が印加された場合に、各アーム部４、４の長軸方向に加わる引張り応力が集中することとなり、圧力検出感度を高めることができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る双音叉型圧電振動素子を用いて構築した圧力センサの分解斜視図、（ｂ）は各構成要素の組付け状態を示す外観図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図。 （ａ）及び（ｂ）は双音叉型圧電振動素子の平面図、及びＢ−Ｂ断面図。 （ａ）及び（ｂ）は圧力センサの組立て状態を示す平面図、及び正面図。 （ａ）は本発明の他の実施形態に係る双音叉型圧電振動素子を用いて構築した圧力センサの分解斜視図、（ｂ）は各構成要素の組付け状態を示す外観図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ断面図。 （ａ）は本発明の他の実施形態に係る双音叉型圧電振動素子を用いて構築した圧力センサの分解斜視図、（ｂ）は各構成要素の組付け状態を示す外観図、（ｃ）は（ｂ）のＤ−Ｄ断面図。

符号の説明

１…圧力センサ、２…双音叉型圧電振動素子、３…圧電素子、４…アーム部、５、６…支持部、７…励振用電極、７ａ…各主パターン、７ｂ…リードパターン、７ｃ…リードパターン、７ｄ…各パッド、８…環状連設片、２０、３０…ダイアフラム基板、２１、３１…板状部、２２、３２…環状厚肉部、２５、３５…凹所、２６、３６…厚肉部。

Claims (7)

1. 並行して離間配置された二本のアーム部、及び該各アーム部の両端を夫々支持する第１及び第２の支持部を備えた圧電素子と、該各アーム部の表面に形成した励振用電極と、を備え、前記第１及び第２の支持部間を環状連設片により連設することにより、前記二本のアーム部を前記環状連設片の内部空間内に配置した双音叉型圧電振動素子と、該双音叉型圧電振動素子の表裏両面側に夫々接合されることにより前記二本のアーム部を気密封止する第１及び第２のダイアフラム基板と、を備えた圧力センサであって、
   前記第１、及び第２の支持部は、前記二本のアーム部の各端部の全幅よりも狭い幅を有しており、
   前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の環状連設片の表裏両面に夫々接合されることにより、該環状連設片の内部空間に形成される気密空間内に前記二本のアーム部を該気密空間内壁と非接触状態で収容することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された板状部と、該各板状部の外周縁に設けられて前記環状連設片の表裏両面に夫々密着する環状厚肉部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記環状連設片は、前記二本のアーム部よりも厚肉であり、
   前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された平板状の板状部から成り、該各板状部の外周縁に沿った内側面は、前記厚肉の環状連設片の表裏両面に夫々密着することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記第１及び第２のダイアフラム基板の各外側面に、圧力印加時に前記二本のアーム部に引張り応力を集中させるための凹所を形成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の圧力センサ。
5. 並行して離間配置された二本のアーム部、及び該各アーム部の両端を夫々支持する第１及び第２の支持部を備えた圧電素子と、該各アーム部の表面に形成した励振用電極と、を備え、前記第１及び第２の支持部間を環状連設片により連設することにより、前記二本のアーム部を前記環状連設片の内部空間内に配置した双音叉型圧電振動素子と、該双音叉型圧電振動素子の表裏両面側に夫々接合されることにより前記二本のアーム部を気密封止する第１及び第２のダイアフラム基板と、を備えた圧力センサであって、
   前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の環状連設片の表裏両面に夫々接合されることにより、該環状連設片の内部空間に形成される気密空間内に前記二本のアーム部を該気密空間内壁と非接触状態で収容し、
   前記第１及び第２のダイアフラム基板の各外側面に、圧力印加時に前記二本のアーム部に引張り応力を集中させるための凹所を形成したことを特徴とする圧力センサ。
6. 前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された板状部と、該各板状部の外周縁に設けられて前記環状連設片の表裏両面に夫々密着する環状厚肉部と、を備えたことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記環状連設片は、前記二本のアーム部よりも厚肉であり、
   前記第１及び第２のダイアフラム基板は、前記双音叉型圧電振動素子の二本のアーム部の表裏両面側に夫々離間して対向配置された平板状の板状部から成り、該各板状部の外周縁に沿った内側面は、前記厚肉の環状連設片の表裏両面に夫々密着することを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。

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