CN101273256B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压力传感器，其具有双音叉型压电振动元件及第一和第二薄膜基板，双音叉型压电振动元件具有：压电元件(3)，其具有并联地分离配置的两个臂部(4、4)，和分别支撑各臂部的长度方向两端部并连接为一体的第一和第二支撑部(5、6)；以及激励用电极7，其形成在各臂部的四面上，通过用环状连接设置片(8)将第一和第二支撑部之间连接起来设置，来将两个臂部配置在环状连接设置片的内部空间内，通过将上述第一和第二薄膜基板分别接合在上述双音叉型压电振动元件的环状连接设置片的表背两面，而在作为气密空间的该环状连接设置片的内部空间内，以上述两个臂部不与上述气密空间的内壁接触的状态收纳上述两个臂部。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及双音叉型压电振动元件及使用了该双音叉型压电振动元件的压力传感器。
背景技术
以往，作为水压计、气压计、差压计等，已知有使用水晶振动元件来作为压敏元件的压力传感器。水晶振动元件具有在板状的水晶基板上形成有电极图案的结构，压力传感器是利用在水晶振动元件的轴向上施加压力时共振频率发生变化的性质来检测压力的变化的。
在使用了水晶振动元件的压力传感器中，由于共振频率与所施加的压力大致成比例(二次曲线)地变化，所以通过使用二次方程式来修正频率变化量与施加压力的关系，能够进行高精度的压力测定。
但是，为了实现高精度的压力测定，产生了构造的复杂化、制造成本的增大这样的问题。即，专利文献1中公开的现有压力传感器具有：盒体，其在对置的两个壁面上分别具有第一和第二压力输入口，并且将内部保持为真空或惰性气氛；第一电沉积波纹管，其一端开口侧固定在第一壁面上；第二电沉积波纹管，其一端开口侧固定在第二壁面上，并且该第二电沉积波纹管与第一电沉积波纹管串联配置；力传递部件，其介于两波纹管的另一端之间；振动元件支撑部件，其通过挠性铰链与力传递部件连接；以及板状的水晶振动元件，其由力传递部件和振动元件支撑部件来分别支撑两端部。振动元件支撑部件其基部固定在盒体内壁上，并且在与力传递部件的连接部处具有挠性铰链(枢轴)。
在该现有例中，为了实现高精度的测定，需要使用用于将气体或液体的压力转换为机械力的弹簧常数非常小的电沉积波纹管和缩颈部细的挠性铰链，由于这些部件成本高，所以无法避免产品整体的高成本化。
此外，虽然为了实现低价格化，而提出了使用低价格的成形波纹管和没有挠性铰链的构造的力传递部件的类型，但在这样的型的压力传感器中，当增加施加的压力时，除了对水晶振动元件作用的轴向力之外，还产生了弯曲应力成分，所以无法得到直线性的频率变化(二次方程式)，而产生了含有三次系数的三次曲线的关系，具有在通过二次方程式来修正频率变化量和施加压力的关系的方式下精度恶化的缺点。
为消除这样的不良情况，本申请人在专利文献2中提出了这样的压力传感器：在气密的盒体内呈串联状或同心圆状地配置低价格的两个圆筒形的成形波纹管，并且通过配置于两波纹管的端部间的基座来支撑水晶振动元件。
但是，该类型的压力传感器已判明具有这样的缺点：针对来自与圆筒形波纹管的轴向正交的方向(X轴方向)的冲击的强度弱。
接着，本申请人在专利文献3中提出了以下的薄板形状的双音叉型压电振动元件：将两个窄宽度的带状的振子部隔着预定的狭槽并联配置，并且将两个振动部的两端部分别经小面积的连接部件用大面积的保持部件保持。该双音叉型压电振动元件由于不需要波纹管和摆动臂及支撑体等复杂的机构部件，所以通过用作压力传感器的压敏元件，能够有助于传感器的小型化、简化、低价格化和高灵敏度化。
但是，该双音叉型压电振动元件具有在两个振子部的两端分别呈串联状地连接设置有连接部件和保持部件的结构，所以为了构建将该双音叉型压电振动元件用作压敏元件的压力传感器，需要在形成于两片水晶薄膜之间的气密空间内将双音叉型压电振动元件以架设的状态保持，存在支撑构造复杂化、组装手续增加的可能。
专利文献1日本特开昭56-119519号公报
专利文献2日本特开2005-121628号公报
专利文献3日本特公平7-109970号公报
发明内容
本发明鉴于上述问题而完成，其目的是提供一种双音叉型压电振动元件，该双音叉型压电振动元件具有：压电元件，其具有并联地配置的两个臂部、和分别支撑该各臂部的两端的第一和第二支撑部；以及激励用电极，其形成在上述各臂部的表面，该双音叉型压电振动元件具有适于作为压敏元件组装到压力传感器中的构造。
再有，其目的是提供一种将上述双音叉型压电振动元件组装到形成于薄膜基板之间的气密空间内的压力传感器。
为实现上述目的，方案1的本发明的压力传感器，具有：双音叉型压电振动元件以及第一和第二薄膜基板，上述双音叉型压电振动元件具有压电元件以及激励用电极，上述压电元件具有：并联地分离配置的两个臂部；以及支撑各臂部的长度方向两端部并连接为一体的第一和第二支撑部，上述激励用电极分别配置在截面形状为矩形的各臂部的四面上，上述双音叉型压电振动元件通过环状连接设置片将上述第一和第二支撑部连接起来设置，从而将上述两个臂部配置在上述环状连接设置片的内部空间内，上述第一和第二薄膜基板通过分别接合在该双音叉型压电振动元件的表背两面侧，来气密密封上述两个臂部，其特征在于，
通过将上述第一和第二薄膜基板分别接合在上述双音叉型压电振动元件的环状连接设置片的表背两面，而在作为气密空间的该环状连接设置片的内部空间内，以上述两个臂部不与上述气密空间的内壁接触的状态收纳上述两个臂部。
方案2的发明，在方案1中，其特征在于，上述第一和第二薄膜基板具有：在上述双音叉型压电振动元件的两个臂部的表背两面侧分别分离地对置配置的板状部；和设置在该各板状部的外周缘、且分别紧贴在上述环状连接设置片的表背两面的环状较厚部。
方案3的发明，在方案1中，其特征在于，上述环状连接设置片比上述两个臂部要厚，上述第一和第二薄膜基板由在上述双音叉型压电振动元件的两个臂部的表背两面侧分别分离地对置配置的平板状的板状部构成，该各板状部的沿着外周缘的内侧面分别紧贴在上述较厚的环状连接设置片的表背两面上。
方案4的发明，在方案1～3中的任一项中，其特征在于，在上述第一和第二薄膜基板的各外侧面，形成有用于在压力施加时使拉伸应力集中在上述两个臂部的凹部。
根据本发明，双音叉型压电振动元件具有：压电元件，其具有并联地配置的两个臂部、和分别支撑该各臂部的两端的第一和第二支撑部；以及激励用电极，其形成在上述各臂部的表面上，在该双音叉型压电振动元件中，通过用环状连接设置片将第一和第二支撑部之间连接起来设置，来将两个臂部配置在环状连接设置片的内部空间内，所以能够提供具有适于作为压敏元件组装到压力传感器中的构造的双音叉型压电振动元件。
再有，能够提供将双音叉型压电振动元件组装在形成于薄膜基板之间的气密空间内的高灵敏度的压力传感器。
附图说明
图1a是使用本发明的一个实施方式的双音叉型压电振动元件构建而成的压力传感器的分解立体图，图1b是表示各构成要素的组装状态的外观图，图1c是沿图1b中的A-A线的剖视图。
图2a和图2b是双音叉型压电振动元件的俯视图及沿B-B线的剖视图。
图3a和图3b是表示压力传感器的组装状态的俯视图和主视图。
图4a是使用本发明的另一实施方式的双音叉型压电振动元件构建而成的压力传感器的分解立体图，图4b是表示各构成要素的组装状态的外观图，图4c是沿图4b中的C-C线的剖视图。
图5a是使用本发明的其它实施方式的双音叉型压电振动元件构建而成的压力传感器的分解立体图，图5b是表示各构成要素的组装状态的外观图，图5c是沿图5b中的D-D线的剖视图。
具体实施方式
下面根据图示的实施方式示例来详细说明本发明。
图1a是使用本发明的一个实施方式的双音叉型压电振动元件构建而成的压力传感器的分解立体图，图1b是表示各构成要素的组装状态的外观图，图1c是沿图1b中的A-A线的剖视图，图2a和图2b是双音叉型压电振动元件的俯视图和沿B-B线的剖视图，图3a和图3b是表示压力传感器的组装状态的俯视图和主视图。
该压力传感器1具有这样的结构：将双音叉型压电振动元件2通过第一和第二薄膜基板20、30呈夹层状地层叠成一体。即，压力传感器1具有：双音叉型压电振动元件2；以及第一和第二薄膜基板20、30，它们通过分别接合在构成双音叉型压电振动元件2的外周部的环状连接设置片8的表背两面，而在形成于环状连接设置片8的内部空间S中的气密空间S内，以两个臂部4、4不与气密空间内壁接触的状态收纳两个臂部4、4。在该示例中，双音叉型压电振动元件2和第二薄膜基板30以外形轮廓线匹配的方式构成，另一方面，第一薄膜基板20构成为短尺寸，以使双音叉型压电振动元件2的一个端部侧上表面露出。在双音叉型压电振动元件2的露出的一端伸出面上，露出配置后述的与外部导通用的导线图案的焊盘7d。
双音叉型压电振动元件2具有：压电元件3，其具有由水晶等压电材料构成且并联配置的两个臂部(振动部)4、4，和支撑各臂部4、4的长度方向两端部并连接为一体的第一和第二支撑部5、6；激励用电极7，其形成在各臂部4、4的表面上；以及环状连接设置片8，其连续设置在第一和第二支撑部5、6之间，双音叉型压电振动元件2具有将两个臂部4、4配置在环状连接设置片8的内部空间S内的结构。各臂部4、4的厚度、第一和第二支撑部5、6以及环状连接设置片8的厚度相同。
在该实施方式中，激励用电极7具有：如图2b所示分别形成在截面形状为矩形的各臂部4、4的四面上的主图案7a；在第二支撑部6侧将各主图案7a的一个端部之间连接起来的导线图案7b；从各主图案7a的另一端部分别导出到环状连接设置片8上的导线图案7c；以及位于各导线图案7c的终端部的焊盘7d。各焊盘7d露出配置在从双音叉型压电振动元件2的一个端缘伸出的伸出面上。
第一和第二薄膜基板20、30具有：在双音叉型压电振动元件的两个臂部的表背两面侧分别分离地对置配置的板状部21、31；和设置在各板状部21、31的外周缘、且分别紧贴在环状连接设置片8的表背两面的环状较厚部22、32。第一和第二薄膜基板20、30由水晶等压电材料构成。
该实施方式的压力传感器1将构成双音叉型压电振动元件2的压电元件3构成为厚度均一，并且将与第一和第二薄膜基板20、30的板状部21、31的外周缘一体化的环状较厚部22、32，紧密接合在双音叉型压电振动元件2的环状连接设置片8的表背两面侧，所以能够使环状较厚部22、32作为垫片发挥功能从而形成气密空间S。即，各臂部4、4可在气密空间内维持与构成气密空间内壁的板状部21、31非接触的状态，所以保证了自由振动，能够作为高灵敏度的压敏元件发挥功能。
此外，该压力传感器1构成为：收纳在未图示的壳体内，从设置在壳体上的压力导入孔向内部的第一和第二薄膜基板20、30的外表面施加压力。当向各薄膜基板20、30的外表面施加压力时，薄膜向内侧挠曲，在周边部会产生向外周方向的应力，所以通过该应力，产生向各臂部4、4的长轴方向的拉伸力，共振频率上升，从而能够将所施加的压力作为电信号检测出来。
再有，露出配置在环状连接设置片8的一端伸出部上的焊盘7d成为向主图案7a的输入输出端子，其被用作与传感器外部的导通用的导线端子。
这样，本发明的双音叉型压电振动元件2具有适于作为压敏元件组装到压力传感器中的环状构造，所以压力传感器的构建变得容易。即，通过将薄膜基板20、30与双音叉型压电振动元件2的环状连接设置片8接合成一体，组装操作性得以提高，并能够实现小型化、部件数量的减少所带来的低成本化。此外，可通过构造的简化来发挥与耐冲击性和耐振动性有关的大幅度的改善效果，能够提高可靠性。
再有，通过用由水晶构成的薄膜基板来对作为压敏元件的臂部4、4进行气密密封，能够减小外部温度变化所产生的影响。
下面，图4a是使用本发明的另一实施方式的双音叉型压电振动元件构建而成的压力传感器的分解立体图，图4b是表示各构成要素的组装状态的外观图，图4c是沿图4b中的C-C线的剖视图，对于与图1中的压力传感器的各构成要素相同的部分标以相同标号来进行说明。再有，图2所示的双音叉型压电振动元件的构成图及图3所示的压力传感器的组装状态的说明图直接沿用到本实施方式的说明中。
本实施方式的双音叉型压电振动元件2的各臂部4、4的厚度构成为比位于外周的环状连接设置片8的厚度要薄。另一方面，第一和第二薄膜基板20、30的至少一方仅由在双音叉型压电振动元件的两个臂部4、4的表背两面侧分别分离地对置配置的平板状的板状部21、31构成(没有图1的实施方式中的环状较厚部22、32)。因此，通过使各板状部21、31的沿着外周缘的内侧面分别紧贴在较厚的环状连接设置片8的表背两面，能够在两薄膜基板20、30间形成具有足够的上下宽度的气密空间S，能够使作为压敏元件的臂部4、4与气密空间内壁分离，从而保证其自由振动。因此，能够提高臂部4、4的检测灵敏度。
除上述以外的结构与图1的实施方式相同。
接下来，图5a是使用本发明的其它实施方式的双音叉型压电振动元件构建而成的压力传感器的分解立体图，图5b是表示各构成要素的组装状态的外观图，图5c是沿图5b中的D-D线的剖视图，对于与图1中的压力传感器的各构成要素相同的部分标以相同标号并进行说明。再有，图2所示的双音叉型压电振动元件的构成图以及图3所示的压力传感器的组装状态的说明图直接沿用到本实施方式的说明中。
本实施方式的构成压力传感器1的双音叉型压电振动元件2，与图1的实施方式的双音叉型压电振动元件2一样，各臂部4、4的厚度与环状连接设置片8的厚度相等。另一方面，第一和第二薄膜基板20、30在外周缘具有环状较厚部22、32，并且在各薄膜基板的各外侧面形成有用于在压力施加时使拉伸应力集中在两个臂部的凹部25、35、较厚部26、36。
这样，通过在第一和第二薄膜基板20、30的外侧面分别将两个コ字状的凹部25、35以成为对称位置关系的方式配置，与各臂部4、4相对的板状部21、31局部地变厚，并且在コ字状的凹部内底面形成较薄部。这样，由于在各薄膜基板20、30设置较薄部25、35和较厚部26、36，所以在对薄膜基板外表面施加压力的情况下，施加在各臂部4、4的长轴方向上的拉伸应力集中，从而能够提高压力检测灵敏度。

Claims (4)

1.一种压力传感器，其具有双音叉型压电振动元件及第一和第二薄膜基板，
上述双音叉型压电振动元件具有压电元件以及激励用电极，
上述压电元件具有：并联地分离配置的两个臂部；以及支撑各臂部的长度方向两端部并连接为一体的第一和第二支撑部，
上述激励用电极分别配置在截面形状为矩形的各臂部的四面上，
上述双音叉型压电振动元件通过环状连接设置片将上述第一和第二支撑部连接起来设置，从而将上述两个臂部配置在上述环状连接设置片的内部空间内，
上述第一和第二薄膜基板通过分别接合在该双音叉型压电振动元件的表背两面侧，来气密密封上述两个臂部，其特征在于，
通过将上述第一和第二薄膜基板分别接合在上述双音叉型压电振动元件的环状连接设置片的表背两面，而在作为气密空间的该环状连接设置片的内部空间内，以上述两个臂部不与上述气密空间的内壁接触的状态收纳上述两个臂部。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
上述第一和第二薄膜基板具有：在上述双音叉型压电振动元件的两个臂部的表背两面侧分别分离地对置配置的板状部；和设置在该各板状部的外周缘、且分别紧贴在上述环状连接设置片的表背两面的环状较厚部。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
上述环状连接设置片比上述两个臂部要厚，
上述第一和第二薄膜基板由在上述双音叉型压电振动元件的两个臂部的表背两面侧分别分离地对置配置的平板状的板状部构成，该各板状部的沿着外周缘的内侧面分别紧贴在较厚的上述环状连接设置片的表背两面上。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
在上述第一和第二薄膜基板的各外侧面，形成有用于在压力施加时使拉伸应力集中在上述两个臂部的凹部。
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