JP2004132913A - 感圧素子、及びこれを用いた圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】２枚の圧電ダイヤフラムを積層した構造の感圧素子、及びこれを用いた圧力センサにおいて、相対圧及び絶対圧の何れにも適用可能な感圧素子、及びこれを用いた圧力センサを提供する。
【解決手段】双音叉振動子２を、凹部４を有する水晶ダイヤフラム３の内部底面５に設けた載置部７ａ及び７ｂに固定し、凹部９を有する水晶ダイヤフラム８と水晶ダイヤフラム３とを互いに凹部開口面を向き合わせて結合するが、このとき、水晶ダイヤフラム８と水晶ダイヤフラム３とを中央近傍にて結合する力伝達用柱部６ａ及び６ｂを備えて感圧素子１を構成する。この構造により、応力Ｐ１とＰ２の圧力差による感圧素子１の変形方向に応じて、双音叉振動子２の発振周波数が上昇または下降する方向に変化するので、前記圧力差の極性（正圧／負圧の関係）を検知することができる。
【選択図】　　　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感圧素子、及びこれを用いた圧力センサに関し、特に、圧電振動子と圧電ダイヤフラムとを用いて構成する感圧素子にて相対圧及び絶対圧の何れにも適用可能とする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧電振動子（例えば、水晶振動子）に応力を加えると共振周波数が変化する性質を利用した圧力センサが実用化されている。これに関する先行文献として当出願人が発表した論文「双音叉振動子を用いた水晶センサ」（東洋通信機技報Ｎｏ．４６　１９９０　ｐ１〜８）がある。この論文による水晶センサについて図７及び図８を用いて簡単に説明する。
【０００３】
図７は、水晶振動子を用いた従来の圧力センサの構成例を示す要部断面図である。この例に示す圧力センサは、水晶振動子としての双音叉振動子２０と、圧力を力に変換するためのベローズ２１と、この圧力の力を双音叉振動子２０に伝達する揺動アーム２２及び、これを支持する支持体２３とを真空状態のステンレスケース２４内部に配置するとともに、双音叉振動子２０を励振するための発振回路２５をステンレスケース２４外部側面に備えて構成される。
前記ベローズ２１は、金属薄板から成るジャバラ構造体であって、一種のバネとして機能するものであり、これによりケース２４内部を外気と遮断している。
【０００４】
図８は、上述の双音叉振動子２０の構造例を示す斜視図である。
この例に示す双音叉振動子は、時計用の音叉振動子２つを平面上に向き合わせて結合したような構造をもち、具体的には、２本の振動ビーム２６を保持部２７ａ、２７ｂ間に橋渡しした構成である。言い換えれば、平板の水晶基板の中央部に方形の穴が開口した形状となっている。
【０００５】
以下、図８を参照しつつ図７に示した圧力センサの機能について説明する。
まず、被測定圧力Ｐがベローズ２１内に流入すると、ベローズ２１は、この圧力を有効面積に応じた力に変換して揺動アーム２２に伝達する。この力は支持体２３の支点２３ａまわりのモーメントＦとして双音叉振動子２０に到達され、双音叉振動子２０の軸方向（図７の矢印方向）に応力を生じさせる。
周知のように振動子の軸方向に応力が生じると振動子の共振周波数が変化するので、この周波数の変化を、発振回路２５を介して測定すれば、共振周波数の変化に応じた応力の発生源である圧力値を算出することができる。
【０００６】
ところで、上述の圧力センサを構成する機構部品であるベローズ２１は、アルミブロックを削り出して型を作り、これにニッケルメッキを施した後、このアルミの型のみを溶かし除去し、ニッケル材のジャバラ構造体とするものである。従って、ベローズは製造に複雑な加工工程を必要とするため高価なものとなる。
また、揺動アーム２２と、その下部に配置された支持体２３は、幅１ｍｍ以下の支点２３ａを介して一体の金属ブロックから削り出し加工により製造されるヒンジ構造を有するため加工が難しく、これらの製造費用も高価なものとなる。
これらの理由から、ベローズや、揺動アームおよび支持体を用いることなく、製造コストを低減した圧力センサが開発されている。このような圧力センサとして、例えば、２枚の圧電ダイヤフラムを積層した構造の感圧素子を用いた圧力センサがある。以下にその圧力センサについて図を用いて説明する。
【０００７】
図９は、従来技術における２枚の圧電ダイヤフラムを積層した構造の感圧素子を用いた圧力センサの構成例を示す要部断面図である。
この例に示す圧力センサは、金属台座１１の凹陥部１１ａ上に、後述する構造の感圧素子３０を配置し、これを、Ｏリング１２を介して下面に凹陥部１３ａを有する金属スペーサ１３にて固定するとともに、前記金属台座１１の凹陥部１１ａの下部には圧力導入孔１４ａを有する第１のコネクタ１４を配置し、金属スペーサ１３の凹陥部１３ａの上部には大気導入孔１５ａを有する第２のコネクタ１５を配置する。
また、金属台座１１の上方にはリード線１６を介して感圧素子３０に接続された発振回路１７を備え、これを発振回路の出力端子１７ａが突出するようにケース１８にて覆って構成される。
【０００８】
ここで前記圧力センサに用いる感圧素子３０について詳しく説明する。
図１０は、従来技術における圧力センサに用いられる感圧素子３０の構造例を示す図である。なお、同図（ａ）は、平面透視図であり、同図（ｂ）は平面透視図におけるＡ−Ａ´間を側面から見た断面図である。
この例に示す感圧素子３０は、上面に円環状凹部３１ａを有する第１の水晶（圧電）ダイヤフラム３１と、所定寸法の双音叉振動子（圧電振動子）３２と、下面に円環状凹部３３ａを有する第２の水晶（圧電）ダイヤフラム３３とを前記２つの円環状凹部３１ａ、３３ａの各開口面が前記双音叉振動子３２を介して対面するように順次積層して構成される。
【０００９】
また、図１１は、従来技術における圧力センサに用いられる感圧素子３０の動作を説明する図である。
【００１０】
以下、図１０及び図１１を参照しつつ、図９に示した従来技術における圧力センサの動作について説明する。
まず、被測定圧力Ｐ１を第１のコネクタ１４の圧力導入孔１４ａを介して感圧素子３０の下面に、他方、大気圧Ｐ２を第２のコネクタ１５の大気導入孔１５ａを介して感圧素子３０の上面にそれぞれ導く。この機能により被測定圧力Ｐ１から大気圧Ｐ２の影響を除去することができる。
この際に、感圧素子３０は、被測定圧力Ｐ１と大気圧Ｐ２との差の圧力を受けて、例えば図１１（ｂ）に示すように変形する。このとき、感圧素子３０の内部に配置された双音叉振動子３２も同時に変形し、図１１（ｃ）に示すように引っ張り応力Ｂを振動子の軸方向に生じる。
【００１１】
このようにして双音叉振動子３２の軸方向に応力が生じると振動子の共振周波数が変化するので、これを発振回路１７の出力端子１７ａを介して測定すれば、共振周波数の変化に応じた応力の発生源である圧力値Ｐ１を算出することができる。また、感圧素子３０の振動子とダイヤフラムの材質を、同一の水晶を用いて構成したので、温度変化に対して熱膨張係数の違いによる熱歪みに基づく振動子への応力が発生せず、正確な圧力測定を可能としている。
【００１２】
以上のように、２枚の圧電ダイヤフラムを積層した構造の感圧素子を用いた圧力センサは、双音叉振動子３２を円板状の水晶ダイヤフラム３１、３３により挟んだ構造とすることにより、被測定圧力を直接、感圧素子３２に導くようになっているため、ベローズや揺動アームおよび支持体などの複雑な機構部品を必要とせず、安価に製造することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の感圧素子、及びこれを用いた圧力センサにおいては、以下に示すような問題点があった。
図１２は、従来技術における感圧素子の応力−周波数特性を示すグラフ図である。このグラフは、感圧素子の両面に加わる応力が同一（Ｐ１＝Ｐ２）のときを基準とした場合の共振周波数をｆ_０とすると、Ｐ１がＰ２よりも高い（正圧）応力が加わる場合と、Ｐ１がＰ２よりも低い（負圧）応力が加わる場合の、何れにおいてもｆ_０から周波数が上昇する変化を示している。
つまり、この圧力センサでは、圧力導入孔からの被測定圧力Ｐ１が、他方の大気圧Ｐ２に対し正圧あるのか負圧であるのかを検知できないという問題点があった。言うなれば、この圧力センサは、絶対圧測定には適用できるが、相対圧測定には不向きなものであった。
【００１４】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、製造コスト低減に有効な、２枚の圧電ダイヤフラムを積層した構造の感圧素子、及びこれを用いた圧力センサにおいて、相対圧及び絶対圧の何れにも適用可能な感圧素子、及びこれを用いた圧力センサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係わる感圧素子の請求項１の発明は、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹部を有する二つの圧電ダイヤフラムを前記凹部同士が向き合うように積層して形成される内部空間中に圧電振動子を配置した感圧素子において、前記圧電振動子の両端を前記圧電ダイヤフラムの一方の凹部内底面に固定すると共に、前記二つの圧電ダイヤフラムの凹部内底面同士を力伝達用柱にて連結したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係わる感圧素子の請求項２の発明は、前記請求項１記載の感圧素子において、前記圧電振動子として双音叉振動子を用いたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係わる感圧素子の請求項３の発明は、前記請求項１または２記載の感圧素子において、前記力伝達用柱は、前記圧電振動子を挟んで対称的に配置した２本の柱からなることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係わる感圧素子の請求項４の発明は、前記力伝達用柱は、圧電ダイヤフラムのほぼ中心に配置した１本の柱からなり、該力伝達用柱が双音叉振動子を構成する２本の振動ビームの間を貫通することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係わる圧力センサの請求項５の発明は、前記請求項１乃至４の何れかに記載の感圧素子と、前記感圧素子内の圧電振動子を発振させるための発振回路とを備え、前記感圧素子の双方の面に、それぞれに測定すべき圧力を導くことにより前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変化を測定し、この測定結果に基づき相対圧レベルを算出するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係わる圧力センサの請求項６の発明は、前記請求項１乃至４の何れかに記載の感圧素子と、前記感圧素子内の圧電振動子を発振させるための発振回路とを備え、前記感圧素子の片方の面側を真空状態の密閉室とし、他方の面側に測定すべき圧力を導くことにより前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変化を測定し、この測定結果に基づき絶対圧レベルを算出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施の形態例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる感圧素子の構造例を示す平面透視図及び側面断面図であり、更に、その感圧素子の構造について図２（ａ）は分解図を、同図（ｂ）は斜視図をそれぞれ示す。
【００２２】
この図１及び図２に示す感圧素子１は、双音叉振動子２を、凹部４を有する水晶ダイヤフラム３の内部底面５に設けた載置部７ａ及び７ｂに固定し、凹部９を有する水晶ダイヤフラム８と水晶ダイヤフラム３とを互いに凹部開口面を向き合わせて結合して構成する。また、ここで特徴的な構造は、水晶ダイヤフラム８と水晶ダイヤフラム３とを中央近傍にて結合する力伝達用柱部６ａ及び６ｂを備えて構成したところにある。
【００２３】
前記水晶ダイヤフラム３、及び８は円形であり、それぞれが有する凹部４及び９も互いに合致する円形の凹部である。水晶ダイヤフラム３をベース側とし、水晶ダイヤフラム８をリッド側とすれば、ベース側の水晶ダイヤフラム３のほうに、双音叉振動子２を固定するための載置部７ａ、７ｂと力伝達用柱部６ａ、６ｂを形成しておくようにする。この力伝達用柱部６ａ、６ｂにより、水晶ダイヤフラム３の凹部４と水晶ダイヤフラム８の凹部９のそれぞれの内底面同士を連結して感圧素子１が構成される。
なお、載置部の上面には図示しない電極部があり、双音叉振動子２の固定にあっては、導電性接着材などにより双音叉振動子２が電極部に固着される。
双音叉振動子２は、その中心を水晶ダイヤフラムの中心に合わせて配置されており、力伝達用柱部６ａ及び６ｂは、双音叉振動子を挟んで対称的に配置される。
【００２４】
次に、図３は本発明に係る感圧素子の動作を説明するための図である。なお、この図においては、リッド側の水晶ダイヤフラム８及び力伝達用柱部６の図示を省略しているが、実際には図中に太矢印で示す応力Ｐ２は水晶ダイヤフラム８に加わり、力伝達用柱部６を介してベース側の水晶ダイヤフラム３にも伝達されるようになっている。つまり、力伝達用柱部６により水晶ダイヤフラム３及び８は一体となって同様の変形がなされるよう作用する。
以下、この図３を参照しつつ、上述の図１及び図２に示した感圧素子の動作について説明する。
【００２５】
まず、図３（ａ）は、感圧素子１の両面にかかる応力Ｐ１とＰ２とが同じ（Ｐ１＝Ｐ２）である場合を示し、このとき感圧素子には変形が生じない。即ち、この状態においては、双音叉振動子２にストレスが加わっていないため、双音叉振動子２が有する基準の共振周波数ｆ_０にて発振することになる。
【００２６】
また、図３（ｂ）は、応力Ｐ１が応力Ｐ２よりも高い（Ｐ１＞Ｐ２）である場合を示し、このとき感圧素子１には変形が生じる。変形の生じ方は、水晶ダイヤフラムの中央が応力Ｐ２の加わる側へ押し出され、これにより水晶ダイヤフラム平面は湾曲する。即ち、この状態においては、双音叉振動子２に対し同図中の細矢印で示す如く伸張ストレスが加わるため、双音叉振動子２の発振周波数は、周波数ｆ_０より上昇する方向に変化することになる。
【００２７】
また、図３（ｃ）は、応力Ｐ１が応力Ｐ２よりも低い（Ｐ１＜Ｐ２）である場合を示し、このとき感圧素子１には変形が生じる。変形の生じ方は、水晶ダイヤフラムの中央が応力Ｐ１の加わる側へ押し出され、これにより水晶ダイヤフラム平面は湾曲する。即ち、この状態においては、双音叉振動子２に対し同図中の細矢印で示す如く圧縮ストレスが加わるため、双音叉振動子２の発振周波数は、周波数ｆ_０より下降する方向に変化することになる。
【００２８】
図４は、本発明に係る感圧素子の応力−周波数特性を示すグラフ図である。縦軸が圧力であり横軸が周波数であって、ここでは応力Ｐ１を被測定側として、応力Ｐ２に対する正負の極性を述べることとする。
このグラフは、感圧素子１の両面に加わる応力が同一（Ｐ１＝Ｐ２）のときを基準とした場合の共振周波数をｆ_０とすると、Ｐ１がＰ２よりも高い（正圧）応力が加わる場合には、周波数が上昇する変化を示している。
また一方、Ｐ１がＰ２よりも低い（負圧）応力が加わる場合には、周波数が下降する変化を示している。
つまり、本発明に係る感圧素子１は、双音叉振動子２の共振周波数ｆ_０を基準にとり、この周波数より高いか低いかにより、応力Ｐ２に対して応力Ｐ１が正圧あるのか負圧であるのかを検知することができる。
【００２９】
以上のように、本発明に係る感圧素子１は、正圧、負圧の極性を検知することができるので、この感圧素子１を用いて圧力センサを構成すれば、相対圧測定可能な圧力センサを得ることができる。なお、この感圧素子１を用いて構成する圧力センサは、相対圧測定のみならず、例えば、感圧素子１の片面の応力Ｐ２側を、真空密閉された空間の壁面に露出しておき、感圧素子１の反対面に加える応力ｐ１を被測定圧力として測定するよう構成すれば、絶対圧測定が可能となることは言うまでもない。
【００３０】
以上説明した本発明の実施の形態例においては、感圧素子１の力伝達用柱部として、双音叉振動子２の振動ビーム部分の両外側に、双音叉振動子２を挟んで対称的に配置した２本の力伝達用柱部６ａ及び６ｂを設けるという例を示したが、本発明の実施にあってはこの例に限らず、例えば、図５に示す如く１本の力伝達用柱部６として構成してもよい。
【００３１】
図５は、本発明に係る感圧素子の他の構造例を示す（ａ）分解図及び（ｂ）斜視図である。この例に示す感圧素子は、水晶ダイヤフラム３の中心点に１本の円柱状の力伝達用柱部６を立てた状態を示している。この場合、双音叉振動子２は、振動ビーム間を、力伝達用柱部６の直径よりも広くなるよう間隔を置いたものとする。即ち、双音叉振動子２は、力伝達用柱部６が双音叉振動子２の開口部を貫通するようにして水晶ダイヤフラム３の載置部７ａ、７ｂ上に固定するように構成しても良い。これによれば、感圧素子は水晶ダイヤフラムの中心部１点を中心とする簡素なメカニズムの変形になるため、水晶ダイヤフラムに生ずる歪ストレスによる圧力測定時の影響を低減することができる。
【００３２】
次に、上述の実施の形態例に示した発明に係る感圧素子を用いて圧力センサを構成した場合を説明する。
図６は本発明に係る圧力センサの構成例を示す要部断面図である。なお、従来例として上述の図９に示したものと同様の機能部分については同一の符号を付してその説明を省略する。即ち、この図に示す圧力センサは、金属台座１１と金属スペーサ１３との間に感圧素子１を備えて構成したものである。
【００３３】
この図に示す圧力センサにより相対圧測定を行なう場合は、次のように機能する。即ち、被測定圧力とする応力Ｐ１を第１のコネクタ１４の圧力導入孔１４ａを介して感圧素子１の下面に導く。他方、大気圧等の応力Ｐ２を第２のコネクタ１５の大気導入孔１５ａを介して感圧素子１の上面に導く。
すると、感圧素子１は、応力Ｐ１と応力Ｐ２との差圧に応じて変形する。ここでの変形は、図３により説明したものとなる。そして、この変形により、感圧素子１が内蔵する双音叉振動子２の発振周波数が変化する。ここでの周波数変化は、図４により説明したものとなる。したがって、双音叉振動子２の発振周波数を発振回路１７の出力端子１７ａを介して測定すれば、周波数の変化に応じた差分応力、即ち、相対圧値Ｐを算出することができる。
【００３４】
また、図に示す圧力センサにより絶対圧測定を行なう場合は、金属スペーサ１３の凹陥部１３ａで形成される空間内の空気を抜き去って真空状態とした上で、第２のコネクタ１５を図示しない蓋で封印して密閉室にする。つまり、感圧素子１の上面にかかる応力Ｐ２を０気圧とし、他方、感圧素子１の下面に既知の基準応力Ｐｒｅｆを与えてオフセット周波数ｆ_０を求める。その後、被測定圧力とする応力Ｐ１を第１のコネクタ１４の圧力導入孔１４ａを介して感圧素子１の下面に導くようにして、上述と同様に双音叉振動子２の発振周波数を発振回路１７の出力端子１７ａを介して測定すれば、周波数の変化に応じた応力、即ち、絶対圧値Ｐを算出することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明に係わる感圧素子を構成したので、圧電ダイヤフラムの変形の方向によって圧電振動子に加わるストレスが圧縮方向か、あるいは伸張方向かになるよう機能するので、圧電振動子の発振周波数を測定することで、応力Ｐ１とＰ２との関係において、正圧であるか負圧であるかの極性を検知することができる。したがって、この感圧素子を用いて圧力センサを構成すれば、相対圧及び絶対圧の何れも適用可能な圧力センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る感圧素子の構造例を示す平面透視図及び側面断面図である。
【図２】本発明に係る感圧素子の構造例を示す分解図及び斜視図である。
【図３】本発明に係る感圧素子の動作原理を説明するための図である。
【図４】本発明に係る感圧素子の応力−周波数特性を示すグラフ図である。
【図５】本発明に係る感圧素子の他の構造例を示す分解図及び斜視図である。
【図６】本発明に係る圧力センサの構成例を示す要部断面図である。
【図７】従来の圧力センサの構造例を示す要部断面図である。
【図８】圧力センサに用いる双音叉振動子の構造を説明する斜視図である。
【図９】従来技術における圧力センサの構成例を示す要部断面図である。
【図１０】従来技術における感圧素子の構造例を示す平面透視図及び側面断面図である。
【図１１】従来技術における感圧素子の動作原理を説明するための図である。
【図１２】従来技術における感圧素子の応力−周波数特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１・・・感圧素子
２・・・圧電振動子（双音叉型水晶振動子）
３・・・水晶ダイヤフラム（ベース側）
４、９・・・凹部
５・・・内部底面
６、６ａ、６ｂ・・・力伝達用柱部
７ａ、７ｂ・・・載置部
８・・・水晶ダイヤフラム（リッド側）
１０・・・感圧素子
１１・・・金属台座
１１ａ・・・凹陥部
１２・・・Ｏリング
１３・・・金属スペーサ
１３ａ・・・凹陥部
１４・・・第１のコネクタ
１４ａ・・・圧力導入孔
１５・・・第２のコネクタ
１５ａ・・・大気導入孔
１６・・・リード線
１７・・・発振回路
１７ａ・・・出力端子
１８・・・ケース
２０・・・双音叉振動子
２１・・・ベローズ
２２・・・揺動アーム
２３・・・支持体
２３ａ・・・支点
２４・・・ステンレスケース
２５・・・発振回路
２６・・・振動ビーム
２７ａ、２７ｂ・・・保持部
３０・・・感圧素子
３１・・・第１の水晶ダイヤフラム
３１ａ・・・円環状凹部
３２・・・双音叉振動子
３３・・・第２の水晶ダイヤフラム
３３ａ・・・円環状凹部

Claims (6)

1. 圧電基板の少なくとも一方の主面に凹部を有する二つの圧電ダイヤフラムを前記凹部同士が向き合うように積層して形成される内部空間中に圧電振動子を配置した感圧素子において、
   前記圧電振動子の両端を前記圧電ダイヤフラムの一方の凹部内底面に固定すると共に、
   前記二つの圧電ダイヤフラムの凹部内底面同士を力伝達用柱にて連結したことを特徴とする感圧素子。
2. 前記圧電振動子として双音叉振動子を用いたことを特徴とする請求項１記載の感圧素子。
3. 前記力伝達用柱は、前記圧電振動子を挟んで対称的に配置した２本の柱からなることを特徴とする請求項１または２記載の感圧素子。
4. 前記力伝達用柱は、圧電ダイヤフラムのほぼ中心に配置した１本の柱からなり、
   該力伝達用柱が双音叉振動子を構成する２本の振動ビームの間を貫通することを特徴とする請求項２記載の感圧素子。
5. 前記請求項１乃至４の何れかに記載の感圧素子と、前記感圧素子内の圧電振動子を発振させるための発振回路とを備え、
   前記感圧素子の双方の面に、それぞれに測定すべき圧力を導くことにより前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変化を測定し、この測定結果に基づき相対圧レベルを算出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
6. 前記請求項１乃至４の何れかに記載の感圧素子と、前記感圧素子内の圧電振動子を発振させるための発振回路とを備え、
   前記感圧素子の片方の面側を真空状態の密閉室とし、他方の面側に測定すべき圧力を導くことにより前記圧電振動子に生ずる共振周波数の変化を測定し、この測定結果に基づき絶対圧レベルを算出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。

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