JP2005208043A - Pressure sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力の変動を検出して所定の電気信号を発信する圧力センサ装置に関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor device that detects a change in pressure and transmits a predetermined electrical signal.
従来より、気体や液体などの圧力の変動を検出する圧力センサとして、センサ部に印加される圧力の変動を発振周波数の変化として検出する圧力センサが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, pressure sensors that detect fluctuations in pressure applied to a sensor unit as changes in oscillation frequency are known as pressure sensors that detect fluctuations in pressure of gas or liquid.
かかる従来の圧力センサ100としては、例えば図12に示す如く、圧電基板101の肉薄部102に形成される弾性表面波素子103と、この弾性表面波素子103に配線部105を介して接続される発振器106とで構成されたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
As such a conventional pressure sensor 100, for example, as shown in FIG. 12, a surface
このような圧力センサ100においては、センサ部を構成する弾性表面波素子103が圧電基板101の肉薄部102に形成されており、圧力を受けると肉薄部に歪みが生じ、その部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波素子103の電極104の間隔が変化する。そして、それぞれの作用によって弾性表面波素子103の共振周波数が変化する。そして弾性表面波素子103の共振周波数の変化に基づいて、発振器106に組み込まれた発振回路により電気信号が発信されるようになっている。このようにして得られる電気信号をモニタリングすることにより圧力の検出が行われる。
In such a pressure sensor 100, the surface
また、上記の圧力センサ100を、例えば車載用としてタイヤ空気圧の圧力センサとして用いる場合、圧力センサの発振回路を動作させるために必要な電力は、タイヤ内に内蔵された電池等の給電手段から供給されるようになっている。この場合、電源から発振回路に対して常に電力が供給される状態になっていると、消費電力が大きくなり、電池の寿命が短命となってしまうという問題が生じる。 Further, when the above pressure sensor 100 is used as a tire pressure sensor for in-vehicle use, for example, power necessary for operating the oscillation circuit of the pressure sensor is supplied from a power supply means such as a battery built in the tire. It has come to be. In this case, if power is constantly supplied from the power source to the oscillation circuit, there is a problem that power consumption increases and the life of the battery becomes short.
そこで消費電力を抑えるために、タイヤの回転によって発生する加速度を検出することにより、車両が一定以上の速さで走行しているときにだけ、発振回路に対して電力が供給されるようにし、車両が停止しているとき、あるいは車両の速さが一定以下の場合には発振回路への電力供給をオフにすることで発振回路の消費電力を抑えるようにした圧力センサ装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。 Therefore, in order to reduce power consumption, by detecting the acceleration generated by the rotation of the tire, power is supplied to the oscillation circuit only when the vehicle is traveling at a certain speed or more, There is known a pressure sensor device that suppresses power consumption of an oscillation circuit by turning off power supply to the oscillation circuit when the vehicle is stopped or when the vehicle speed is below a certain level. (For example, refer to Patent Document 2).
このような圧力センサ装置は、圧電基板及び該圧電基板に被着された電極から成る加速度検出素子と、この加速度検出素子からの電気信号に基づいて、電池から発振回路への電力供給を制御する給電制御回路とを設けた加速度センサを、配線部を介して圧力センサ100と接続することにより形成されている。
しかしながら、上述した従来の圧力センサ装置は、圧力センサ100と加速度センサをそれぞれ別個に設けているため、そのユニット形状が大型化してしまい、タイヤ内への内蔵が困難となる問題を有していた。 However, the conventional pressure sensor device described above has a problem that the pressure sensor 100 and the acceleration sensor are separately provided, so that the unit shape becomes large and it is difficult to incorporate the unit into the tire. .
また上述した従来の圧力センサ装置は、圧力センサ100及び加速度センサの組み立て作業がそれぞれ必要となり生産性の低下を招くという問題も有していた。 In addition, the above-described conventional pressure sensor device has a problem in that the assembly work of the pressure sensor 100 and the acceleration sensor is required, leading to a decrease in productivity.
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、その目的は、加速度検出素子を圧力検出部と圧電基板上に一体化することにより、圧力センサ装置の小型化及び生産性の向上に供することができる圧力センサ装置を提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a pressure sensor device that is miniaturized and improved in productivity by integrating an acceleration detection element on a pressure detection unit and a piezoelectric substrate. An object of the present invention is to provide a pressure sensor device capable of
本発明の圧力センサ装置は、圧力検出部を有し、該圧力検出部の変形によって圧力変動を検出する圧電基板と、
該圧電基板が上面に載置・固定される支持基板と、前記圧力検出部からの圧力変動情報に基づいて所定周波数の電気信号を発信する発振回路と、加速度の印加による変形によって加速度変動を検出する加速度検出素子を有し、該加速度検出素子からの加速度変動情報に基づいて所定の電気信号を発信する加速度検出回路と、前記発振回路に電力を供給する給電手段と、前記給電手段から前記発振回路への電力供給を制御する給電制御回路と、を含んでなる圧力センサ装置であって、前記圧電基板の少なくとも一端側を前記支持基板の上面より離間させた状態で前記支持基板に対する固定箇所よりも外側に延出させるとともに、該延出部に前記加速度検出素子を形成したことを特徴とするものである。
A pressure sensor device of the present invention includes a piezoelectric substrate that includes a pressure detection unit and detects pressure fluctuations by deformation of the pressure detection unit;
A support substrate on which the piezoelectric substrate is mounted / fixed, an oscillation circuit that transmits an electric signal of a predetermined frequency based on pressure variation information from the pressure detection unit, and acceleration variation detected by deformation due to application of acceleration An acceleration detection circuit for transmitting a predetermined electrical signal based on acceleration fluctuation information from the acceleration detection element, a power supply means for supplying power to the oscillation circuit, and an oscillation from the power supply means A power supply control circuit for controlling power supply to the circuit, wherein at least one end side of the piezoelectric substrate is separated from the upper surface of the support substrate from a fixed portion with respect to the support substrate. And the acceleration detecting element is formed in the extending portion.
また本発明の圧力センサ装置は、前記圧力検出部及び前記加速度検出素子の双方がインターデジタルトランスデューサを含む弾性表面波素子により形成されていることを特徴とするものである。 The pressure sensor device of the present invention is characterized in that both the pressure detection unit and the acceleration detection element are formed by surface acoustic wave elements including an interdigital transducer.
更に本発明の圧力センサ装置は、前記圧電基板を、スペーサを介して前記支持基板上に載置させたことを特徴とするものである。 Furthermore, the pressure sensor device of the present invention is characterized in that the piezoelectric substrate is placed on the support substrate via a spacer.
また更に本発明の圧力センサ装置は、上記構成において好ましくは、前記支持基板上面及び/または前記圧力基板下面に前記発振回路に電気的に接続されるアンテナ素子が設けられていることを特徴とするものである。 In the pressure sensor device according to the present invention, preferably, an antenna element that is electrically connected to the oscillation circuit is provided on the upper surface of the support substrate and / or the lower surface of the pressure substrate. Is.
更にまた本発明の圧力センサ装置は、前記アンテナ素子と前記発振回路との間に、前記発信回路からの電気信号を増幅するアンプを接続するとともに、前記給電手段から前記アンプへの電力供給を前記給電制御回路で制御することを特徴とするものである。 Furthermore, in the pressure sensor device of the present invention, an amplifier that amplifies an electric signal from the transmission circuit is connected between the antenna element and the oscillation circuit, and power is supplied from the power feeding means to the amplifier. Control is performed by a power supply control circuit.
本発明の圧力センサ装置によれば、圧電基板の少なくとも一端側を支持基板の上面より離間させた状態で支持基板に対する固定箇所よりも外側に延出させるとともに延出部に加速度検出素子を形成して、圧電基板上に圧力検出部と加速度検出素子とを一体化したことから、加速度検出素子用の基板を別に用意する必要もなく、部品点数を削減することができ、圧力センサ装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。 According to the pressure sensor device of the present invention, at least one end side of the piezoelectric substrate is separated from the upper surface of the support substrate so as to extend outside the fixed portion with respect to the support substrate, and the acceleration detecting element is formed in the extension portion. Since the pressure detection unit and acceleration detection element are integrated on the piezoelectric substrate, there is no need to prepare a separate substrate for the acceleration detection element, reducing the number of parts and downsizing the pressure sensor device In addition, the weight can be reduced.
また、本発明の圧力センサ装置によれば、圧力検出部及び加速度検出素子の双方がインターデジタルトランスデューサを含む弾性表面波素子により形成することにより、圧力検出部と加速度検出素子とを同一の製造プロセスで双方同時に形成できるので、製造工程を短縮することができ、生産性の向上が可能となる。 In addition, according to the pressure sensor device of the present invention, both the pressure detection unit and the acceleration detection element are formed by surface acoustic wave elements including an interdigital transducer, so that the pressure detection unit and the acceleration detection element are manufactured in the same manufacturing process. Since both can be formed simultaneously, the manufacturing process can be shortened and the productivity can be improved.
更に、本発明の圧力センサ装置によれば、圧電基板を、スペーサを介して支持基板上に載置させておくことにより、圧電基板と支持基板との間に所定の間隔が設けられるため、圧電基板を支持基板上に搭載する際に、加速度検出部と支持基板の上面との間に所定の間隔を設けておくことができる。 Furthermore, according to the pressure sensor device of the present invention, since the piezoelectric substrate is placed on the support substrate via the spacer, a predetermined interval is provided between the piezoelectric substrate and the support substrate. When the substrate is mounted on the support substrate, a predetermined interval can be provided between the acceleration detection unit and the upper surface of the support substrate.
また更に、本発明の圧力センサ装置によれば、支持基板上面及び/または圧力基板下面に前記発振回路に電気的に接続されるアンテナ素子を設けておくことにより、発振回路より出力される発振信号を、受信回路を有する他の機器に無線伝送することができ、圧力センサ装置より離れた場所においても圧力情報を得ることができる。 Furthermore, according to the pressure sensor device of the present invention, an oscillation signal output from the oscillation circuit is provided by providing an antenna element electrically connected to the oscillation circuit on the upper surface of the support substrate and / or the lower surface of the pressure substrate. Can be wirelessly transmitted to another device having a receiving circuit, and pressure information can be obtained even at a location distant from the pressure sensor device.
更にまた、本発明の圧力センサ装置によれば、アンテナ素子と発振回路との間に、発振回路からの電気信号を増幅するアンプを接続するとともに、給電手段からアンプへの電力供給を給電制御回路で制御するようにしたことから、発振回路より出力される発振信号の出力レベルを増加させて、受信回路を有する他の機器へ、より確実に無線伝送することができるようになるとともに、アンプの消費電力を抑えて、電源を長持ちさせることができるようになる。 Furthermore, according to the pressure sensor device of the present invention, an amplifier for amplifying an electric signal from the oscillation circuit is connected between the antenna element and the oscillation circuit, and power supply from the power supply means to the amplifier is a power supply control circuit. Therefore, it is possible to increase the output level of the oscillation signal output from the oscillation circuit so that it can be wirelessly transmitted to other devices having the reception circuit more reliably. Power consumption can be reduced and the power supply can be made longer.
以下、本発明の圧力センサ装置を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a pressure sensor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施形態にかかる圧力センサ装置の断面図、図2は図1の圧力センサ装置に用いられる圧電基板の下面を示す平面図、図5は図1の圧力センサ装置に用いられる支持基板の上面を示す平面図、図6は図1の圧力センサ装置のブロック回路図である。 1 is a cross-sectional view of a pressure sensor device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing a lower surface of a piezoelectric substrate used in the pressure sensor device of FIG. 1, and FIG. 5 is a pressure sensor device of FIG. FIG. 6 is a block circuit diagram of the pressure sensor device of FIG. 1.
これらの図に示す圧力センサ装置1は、大略的に、圧電基板10、圧力検出部11、加速度検出素子21、支持基板30から構成されている。
The
圧電基板10は、圧電基板10に印加される圧力の変動を検出する圧力検出部11と、圧電基板10に印加される加速度の変動を検出する加速度検出素子21とを有している。
The
このような圧電基板10の材質としては、外部からの圧力(図1の上方からの圧力P)及び加速度(図1の上方からの加速度G)を受けると比較的容易に変形し得るものが好ましく、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料が好適に用いられる。
The material of the
圧電基板10に形成される圧力検出部11は、例えば、圧電体15とインターデジタルトランスデューサ(以下、IDT電極と略記する。)16とを含む弾性表面波素子17から構成されており、前記IDT電極16が引出電極13を介して電極パッド12と電気的に接続されている。
The
弾性表面波素子17を形成する圧電体15の材質としては、例えば、圧電基板10と同様の材料、すなわち、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料が用いられ、かかる圧電体15の表面に、例えば、アルミニウムや金等の金属材料を従来周知のスパッタリングや蒸着等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィー技術等を採用し、2000Å程度の厚みにてパターン形成することによりIDT電極16が形成される。
As a material of the
また、電極パッド12や引出電極13は、先に述べたIDT電極16と同様に、アルミニウムや金等の金属材料を薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術等によってパターン形成することによって得られる。尚、電極パッド12については、下地に対する密着強度を向上させるために膜厚を厚く形成しておくことが好ましい。
Similarly to the
これらの圧力検出部11、電極パッド12、引出電極13の周囲には、圧電基板10の支持基板30への固定箇所となる固定領域14が設けられている。
Around the
このような圧電基板10は、固定領域14に接合されたスペーサ50を介して支持基板30上に載置・固定されている。
Such a
支持基板30に求められる特性としては、外部からの圧力に対して変形することが殆どなく、十分な強度を有していることが重要であり、その材質としては、例えば、ガラス−セラミック材料などのセラミック材料を用いた多層回路基板等が用いられる。
As the characteristics required for the
かかる支持基板30の上面には、発振用電子部品40aや、後述する加速度検出用電子部品40b、給電制御用電子部品40c、アンテナ素子95、アンプ91等が搭載されている。
On the upper surface of the
前記発振用電子部品40aの周囲には、発振用電子部品40aと接続される接続パッド18が形成され、この接続パッド18は、導電性接合材60を介して電極パッド12と電気的に接続している。
A
また、上述した発振用電子部品40a及び接続パッド18の周囲に、先に述べた固定領域14と対向するようにして固定領域32が設けられており、この固定領域32にスペーサ50が接合される。
Further, a fixing region 32 is provided around the oscillation electronic component 40a and the
更に、支持基板30の下面には、複数個の外部端子電極33が形成されており、これらの外部端子電極33は支持基板30の内部配線パターン34やビアホール導体35等を介して支持基板30上面の発振用電子部品40a等と電気的に接続されている。また、電池等の電源を圧力センサ装置1とは別個に設けた場合には、電源と外部端子電極33とを配線等を介して電気的に接続することにより、電源から発振回路へ電力が供給されるようになっている。尚、電源を圧力センサ装置1とは別個に設けた場合、本発明における給電手段とは、電源と電気的に接続している外部端子電極33を指す。
Further, a plurality of external
このような支持基板30は、例えば、従来周知のグリーンシート積層法、具体的には、内部配線パターン34やビアホール導体35となる導体ペーストが印刷・塗布されたグリーンシートを複数枚、積層・圧着させた上、これを一体焼成することによって製作される。
Such a
また、発振用電子部品40aは、例えば、IC,トランジスタなどの能動部品や抵抗,コンデンサなどの受動部品等からなり、弾性表面波素子17と電気的に接続することによって所定周波数の電気信号を発振する発振回路を構成している。図7は、トランジスタを用いた発振回路を示す回路図であり、かかる発振回路80には、抵抗やコイル,コンデンサ等が弾性表面波素子17の共振周波数など、個々の条件に応じて適宜選択配置される。このような発振回路80に対して制御端子Vccより所定の電源電圧を印加することにより所定の発振周波数foscが出力される。
The oscillation electronic component 40a is composed of, for example, an active component such as an IC or a transistor, or a passive component such as a resistor or a capacitor, and oscillates an electric signal having a predetermined frequency by being electrically connected to the surface
また、上述した圧電基板10と支持基板30との間に介在されるスペーサ50は、例えば、樹脂や金属材料等から成り、これによって、圧電基板と支持基板との間に所定の間隔が設けられるため、圧電基板を支持基板上に搭載する際に、加速度検出部と支持基板の上面との間に所定の間隔を設けておくことができる。
In addition, the
このスペーサ50を、弾性表面波素子17や発振用電子部品40aを囲繞するように枠体状に形成しておけば、その内側、具体的には、圧電基板10と支持基板30とスペーサ50とで囲まれる領域(封止領域51)内で、弾性表面波素子17及び発振用電子部品40a等を気密封止することができる。これによって封止領域51内に配置されるIDT電極16や発振用電子部品40a等の酸化腐食等を有効に防止することができる。従って、スペーサ50は枠体状になしておくことが好ましい。更に、スペーサ50を枠体状に形成した上、半田等の導体材料により形成しておけば、これを支持基板下面の外部端子電極33のうち、グランド端子に接続させておくことにより、圧力センサ装置1の使用時、スペーサ50はグランド電位に保持されることとなるため、スペーサ50によるシールド効果により、外部からの不要なノイズをスペーサ50でもって良好に低減することができる。
If the
また、圧電基板10と支持基板30とスペーサ50とで囲まれる領域内には、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを充填しておくことが好ましい。これによって、IDT電極16や発振用電子部品40a等の酸化腐食をより効果的に防止することが可能となる。
In addition, it is preferable that an area surrounded by the
尚、前記導電性接合材19は、例えば、半田や導電性ペーストなどから成り、圧電基板10の電極パッド12と支持基板30の接続パッド18とを接続することで、弾性表面波素子17のIDT電極16と発振用電子部品40aとを電気的に接続している。
The
一方、圧電基板10の一端側は、固定領域14よりも外側に延出されており、該延出部36の下面に加速度検出素子21が形成されている。この加速度検出素子21は、加速度Gの印加により、加速度検出素子21が変形し加速度を検出するようになっており、例えば、圧電体25とIDT電極26とを含む弾性表面波素子27から形成されている。前記IDT電極26は、引出電極23を介して電極パッド22に接続されている。また、加速度検出素子21の先端部に、重り70を設けておくことにより、加速度Gの検出感度を向上させることができる。
On the other hand, one end side of the
加速度検出素子21を構成する圧電体25の材質としては、例えば、先に述べた圧力検出部11を構成する圧電体15と同様の材料、即ち、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料が用いられ、かかる圧電体15の表面に、例えば、アルミニウムや金等の金属材料を従来周知のスパッタリングや薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術等を利用し、2000Å程度の厚みにてパターン形成することによりIDT電極が形成される。
The material of the
尚、延出部36の短辺の幅は任意に設定できる。延出部36の短辺の幅を圧電基板10の圧力検出部11が形成されている部分の幅よりも狭くなしておけば、加速度の印加によって延出部36が撓みやすくなり加速度の検出感度を向上させることができるという利点がある。また、延出部36の短辺の幅と圧電基板10の圧力検出部11が形成されている部分の幅とを同一になしておけば、延出部36を形成するにあたって圧電基板10を削るといった工程を省くことができ、圧力検出装置1の製造プロセスを簡略化することができるという利点がある。
In addition, the width | variety of the short side of the
上述のように、圧力検出部11及び加速度検出素子21の双方をIDT電極を含む弾性表面波素子27によって形成することにより、圧力検出部11と加速度検出素子21とを同一の製造プロセスで形成することができるので、圧力センサ装置1の生産性向上に供することができる。
As described above, by forming both the
また、電極パッド22や引出電極23も、先に述べた圧力検出部11の周囲に形成した電極パッド12や引出電極13と同様に、アルミニウムや金等の金属材料を薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術等によってパターン形成することによって得られる。
The
尚、重り70は、例えば金属やセラミック等からなる板や積層体を接着剤によって延出部36の端部に接合することによって形成される。
The
また、加速度検出素子21を上述のように弾性表面波素子27により形成する場合、弾性表面波素子27を気密封止するようにケース20を設けておくことが好ましい。これによって、IDT電極26の酸化腐食を防止することができる。
When the
かかる加速度検出素子21を構成している弾性表面波素子27は、電極パッド22を導電性接合材29を介して、接続パッド28と電気的に接続している。また、この接続パッド28は、先に述べた加速度検出用電子部品40b及び給電制御用電子部品40cと電気的に接続している。従って、弾性表面波素子27と加速度検出用電子部品40b及び給電制御用電子部品40cとが電気的に接続されることになる。加速度検出用電子部品40b及び給電制御用電子部品40cは、例えば、IC,トランジスタなどの能動部品や抵抗,コンデンサなどの受動部品等からなり、弾性表面波素子27と電気的に接続することによって、図8に示すような加速度検出回路86や給電制御回路87を構成している。
In the surface
ところで、支持基板30の上面には上述した発振用電子部品40a、加速度検出用電子部品40b、給電制御用電子部品40cの他に、アンテナ素子95及びアンプ91等が搭載されている。このアンテナ素子95は、先に述べた発振回路80と接続されており、これによって発振回路80より出力される所定周波数の電気信号を、受信回路を有する他の機器に無線伝送することができ、圧力センサ装置1より離れた場所においても圧力情報を得ることができる。かかるアンテナ素子95としては、例えば、誘電体セラミック等を利用した表面実装型のチップアンテナ等が用いられ、半田付け等によって支持基板30上に実装されている。
Meanwhile, in addition to the above-described oscillation electronic component 40a, acceleration detection electronic component 40b, and power feeding control electronic component 40c, an
また、アンプ91はアンテナ素子95及び発振回路80に接続されており、これによって、発振回路より出力される発振信号の出力レベルを増加させて、受信回路を有する他の機器へ、より確実に無線伝送することができるようになる。更に、上述した給電制御回路をアンプ91にも接続して、給電手段からアンプへの電力供給を給電制御回路で制御するようにしておくことにより、アンプの消費電力を抑えて、電源を長持ちさせることができるようになる。
In addition, the
次に、上述した圧力センサ装置1を用いて加速度及び圧力を検出する際の動作について、図6、図7及び図8の回路図を用いて説明する。尚、ここでは圧力センサ装置1を車両のタイヤ内に内蔵した場合を想定して説明する。
Next, operations when detecting acceleration and pressure using the
まず加速度を検出する際の動作について説明する。車両が走行し始めるとタイヤの回転数が増加し、回転による加速度Gが発生する。この加速度Gが加速度検出素子21に印加されると、延出部36及び重り70に作用する力によって加速度検出素子21に曲げモーメントが作用し加速度検出素子21が撓み、弾性表面波素子27が変形する。その結果、圧電体25の歪みが生じた部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波素子27のIDT電極26の電極指配列ピッチd(図9に示す。)が変化し、その両方の作用によって弾性表面波素子27の共振周波数が変化する。すると、その変化量に比例した起電力が発生し、この起電力に基づいて加速度検出回路86において加速度が検出されるとともに、共振周波数の変化またはインピーダンス変化に比例した制御信号が得られる。そして、この制御信号が給電制御回路87に入力されると、制御信号のレベルが、設定された閾値を超えたときには、電池等の給電手段85から発振回路80へ電力が供給され、制御信号のレベルが閾値以下の場合には、給電手段85から発振回路80へ電力が供給されないようになっている。従って、車両が一定以上の速さで走行している場合にのみ、電力を供給することができるので、圧力センサ装置1の消費電力を有効に抑えることができる。尚、制御信号の閾値は、給電制御回路87を構成する回路素子を適宜選択することにより任意に設定できる。
First, the operation when detecting acceleration will be described. When the vehicle starts to travel, the number of rotations of the tire increases and an acceleration G due to the rotation is generated. When this acceleration G is applied to the
かかる加速度検出回路86は、図8に示す如く弾性表面波素子27、ダイオードからなる保護回路及びオペアンプからなり、また給電制御回路87は、図7に示す如くコンデンサと抵抗からなるハイパスフィルタ、比較電圧源及びオペアンプから構成されている。
The
一方、タイヤ内の圧力の検出は次のようにして行われる。タイヤ内の空気が抜ける等してタイヤ内の圧力が変化すると、圧電基板10に対してかかる圧力が変化して、圧力検出部11を構成する弾性表面波素子17が変形する。その結果、圧電体15の歪みが生じた部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波素子17のIDT電極16の電極指配列ピッチd(図9に示す。)が変化して、その両方の作用によって弾性表面波素子17の共振周波数が変化する。これに伴って、図7に示す発振回路80の発振周波数foscも変化するため、圧電基板10に加わる圧力変動は最終的に発振回路80の発振周波数foscの変化として検出される。尚、この発振回路80への電力供給は、前述のように給電制御回路87により制御されている。
On the other hand, the pressure in the tire is detected as follows. When the pressure in the tire changes due to, for example, air in the tire being removed, the pressure applied to the
このように本実施形態における圧力センサ装置1は、図6のブロック回路図に示すように、加速度検出回路86から出力される制御信号を、給電制御回路87でモニタリングして制御信号が、ある閾値以上の場合にだけ、給電手段85から発振回路80及びアンプ91に対して電力が供給されるようにするとともに、圧力検出部において検出した圧力情報を発振回路80により所定周波数の発振信号とし、これをアンテナから無線伝送するようにしている。
Thus, as shown in the block circuit diagram of FIG. 6, the
以上のような圧力センサ装置1は、圧電基板10の少なくとも一端側を支持基板30の上面より離間させた状態で支持基板30に対する固定箇所よりも外側に延出させるとともに延出部36に加速度検出素子21を形成して、圧電基板10上に圧力検出部11と加速度検出素子21とを一体化したことから、加速度検出素子21用の基板を別途用意する必要もなく、部品点数を削減することができ、圧力センサ装置1の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
In the
次に、本発明の第2の実施形態にかかる圧力センサ装置について説明する。図3は本発明の第2の実施形態にかかる圧力センサ装置1の断面図、図4(a)は図3の圧力センサ装置に用いられる圧電基板10の上面を示す平面図、図4(b)は図3の圧力センサ装置に用いられる圧電基板10の下面を示す平面図、図5は図3の圧力センサ装置に用いられる支持基板30の上面を示す平面図である。尚、図1に示した第1の実施形態と同一のものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
Next, a pressure sensor device according to a second embodiment of the present invention will be described. 3 is a cross-sectional view of the
図3に示す圧力センサ装置1は、第1の実施形態における圧力センサ装置1の加速度検出素子21を、弾性表面波素子27に代えてバイモルフ素子37で構成したものである。バイモルフ素子37は、圧電基板10のバルク振動を利用するものであり、圧電基板10の延出部36の上下両面に振動電極31を被着することにより形成されている。
In the
振動電極31には銀等の金属材料が用いられ、例えば、従来周知のスパッタリングや蒸着法等の成膜形成技術等により形成される。 The vibrating electrode 31 is made of a metal material such as silver, and is formed by, for example, a conventionally known film forming technique such as sputtering or vapor deposition.
このようなバイモルフ型の加速度検出素子21は次のようにして加速度を検出する。まず、加速度Gが延出部36及び重り70に印加されると、加速度検出素子21が撓み、延出部36に形成されたバイモルフ素子37が変形する。このとき、バイモルフ素子37の一方の振動電極31に引張応力が作用するとともに、他方の振動電極31には圧縮応力が作用することになる。その結果、両振動電極31の変化量に比例した起電力が発生し、これによって加速度を検出することができる。
Such a bimorph type
上述のように加速度検出素子21をバイモルフ素子37により構成した場合には、そのパターン形状をベタ塗りパターンで形成できるとともに、気密封止する必要がないため、比較的簡単に形成することができ、圧電センサ装置1の生産性向上に供することができる。
When the
次に、本発明の第3の実施形態に係る圧力センサ装置について図10を用いて説明する。尚、本実施形態においても先に述べた実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の構成要素については同一の参照符を用いて重複する説明を省略するものとする。 Next, a pressure sensor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, only differences from the above-described embodiment will be described, and the same components will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図10は本実施形態の圧力センサ装置に用いられるセンサ基板10の下面を示す平面図である。
FIG. 10 is a plan view showing the lower surface of the
本実施形態の圧力センサ装置が先に述べた圧力センサ装置と異なる第1の点は、圧力検出部11を構成する弾性表面波素子47が、圧電基板10の下面に間隔をあけて配置された一対のIDT電極16と、その間の弾性表面波の伝搬路38とで構成される弾性表面波遅延線とされていることである。また、圧電基板10の下面で、弾性表面波素子47の弾性表面波の伝播方向に係る両側には、シリコン樹脂などから成るダンピング材39が形成されている。このダンピング材39は、弾性表面波を減衰させ、圧電基板10の端部での弾性表面波の反射や、他の領域への弾性表面波の漏洩を防止する働きをするものである。
The first difference between the pressure sensor device of the present embodiment and the pressure sensor device described above is that the surface
このような弾性表面波遅延線を、増幅回路を有する発振用電子部品40aに接続すると、弾性表面波遅延線によって生じる電気信号の遅延時間に対応した周波数で発振する発振回路を構成することができる。そして、圧電基板10に外部からの圧力が印加され、弾性表面波素子47の弾性表面波の伝搬路38に応力が加わって歪みが生じると、その部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波の伝搬路38の長さが変化する。そして、その両方の作用によって電気信号の遅延時間が変化し、これによって弾性表面波素子47と、それに接続される増幅回路を有する発振用電子部品40aとで構成される発振回路の発振周波数が変化する。よって、本実施形態における弾性表面波素子47も先に述べた実施形態における弾性表面波素子17と同様に圧力検出素子として機能する。
When such a surface acoustic wave delay line is connected to an oscillation electronic component 40a having an amplifier circuit, an oscillation circuit that oscillates at a frequency corresponding to the delay time of an electric signal generated by the surface acoustic wave delay line can be configured. . When external pressure is applied to the
本実施形態の圧力センサ装置が先に述べた圧力センサ装置と異なる第2の点は、加速度検出素子21を構成する弾性表面波素子57も、圧電基板10の下面に間隔をあけて配置された一対のIDT電極26と、その間の弾性表面波の伝搬路38とで構成される弾性表面波遅延線とされていることである。また、弾性表面波素子57の弾性表面波の伝播方向の両側にも、シリコン樹脂などから成るダンピング材39が形成されている。
The second difference of the pressure sensor device of the present embodiment from the pressure sensor device described above is that the surface
この弾性表面波遅延線を、増幅回路を有する発振用電子部品40aに接続すると、弾性表面波遅延線によって生じる電気信号の遅延時間に対応した周波数で発振する発振回路を構成することができる。そして、加速度Gが加速度検出素子21に印加されると、延出部36及び重り70に作用する力によって加速度検出素子21に曲げモーメントが作用し加速度検出素子21が撓み、弾性表面波素子57が変形する。これによって、弾性表面波素子57の弾性表面波の伝搬路38に応力が加わって歪みが生じると、その部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波の伝搬路38の長さが変化する。そして、その両方の作用によって電気信号の遅延時間が変化し、これによって弾性表面波素子57と、それに接続される増幅回路を有する発振用電子部品40aとで構成される発振回路の発振周波数が変化する。よって、本実施形態における弾性表面波素子57も先に述べた実施形態における弾性表面波素子27と同様に加速度検出素子として機能する。
When this surface acoustic wave delay line is connected to an oscillation electronic component 40a having an amplifier circuit, an oscillation circuit that oscillates at a frequency corresponding to the delay time of an electric signal generated by the surface acoustic wave delay line can be configured. When the acceleration G is applied to the
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change and improvement are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、本発明の第1の実施形態においては、加速度検出素子21を構成する弾性表面波素子27を、延出部36の下面のみに形成したが、これに換えて、図11に示す如く、延出部36の上下両方の面に弾性表面波素子27を形成するようにしても良い。延出部36の上下両面に形成された2つの弾性表面波素子27のうち、一方を温度変化などの影響を補正する補正用のセンサ素子として用いることにより、加速度検出素子21の測定精度を向上させることが可能となる。
For example, in the first embodiment of the present invention, the surface
また、本実施形態においては、圧力検出部11を圧電基板10の下面側に形成するようにしたが、これに代えて、圧力検出部11を圧電基板10の上面側に形成するようにしても構わない。
In the present embodiment, the
更に、本実施形態においては、アンテナ素子95としてチップアンテナを用いるようにしたが、これに代えて例えばミアンダ状の導体パターンによって構成されるアンテナパターンを支持基板30上に形成するようにしても良い。これにより、部品点数を削減することができるとともに、外形寸法の低背化にも供することができる。
Furthermore, in this embodiment, a chip antenna is used as the
また、本発明の第2の実施形態においては、加速度検出素子21の振動電極31を延出部36の上下両面に被着してなるバイモルフ素子37としたが、これに換えて振動電極31を圧電基板10の上下面のどちらか一方に形成したユニモルフ素子としても良い。
In the second embodiment of the present invention, the vibration electrode 31 of the
更に、本発明の第3の実施形態においては、圧力検出部11を構成する弾性表面波素子47と、加速度検出素子21を構成する弾性表面波素子57の両方が、弾性表面波遅延線とされている例を示したが、一方のみを弾性表面波遅延線とするようにしても構わない。その場合の他方の弾性表面波装置については、第1の実施形態のように、IDT電極と反射器電極とからなる弾性表面波共振器とすれば良い。また、加速度検出素子21については、第2の実施形態のようにバイモルフ素子で構成しても良いし、ユニモルフ素子としても構わない。
Furthermore, in the third embodiment of the present invention, both the surface
1・・・・・・・圧力センサ装置
10・・・・・・圧電基板
11・・・・・・圧力検出部
12、22・・・電極パッド
13、23・・・引出電極
14・・・・・・圧電基板側の固定領域
15、25・・・圧電体
16、26・・・IDT電極
17、27、47、57・・・弾性表面波素子
18、28・・・接続パッド
19、29・・・導電性接合材
21・・・・・・加速度検出素子
24・・・・・・スルーホール
20・・・・・・ケース
37・・・・・・バイモルフ素子
30・・・・・・支持基板
31・・・・・・振動電極
32・・・・・・支持基板側の固定領域
33・・・・・・外部端子電極
34・・・・・・内部配線パターン
35・・・・・・ビアホール導体
40・・・・・・電子部品
50・・・・・・スペーサ
51・・・・・・封止領域
70・・・・・・重り
80・・・・・・発振回路
85・・・・・・給電手段
86・・・・・・加速度検出回路
87・・・・・・給電制御回路
91・・・・・・アンプ
95・・・・・・アンテナ素子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該圧電基板が上面に載置・固定される支持基板と、
前記圧力検出部からの圧力変動情報に基づいて所定周波数の電気信号を発信する発振回路と、
加速度の印加による変形によって加速度変動を検出する加速度検出素子を有し、該加速度検出素子からの加速度変動情報に基づいて所定の電気信号を発信する加速度検出回路と、
前記発振回路に電力を供給する給電手段と、
前記給電手段から前記発振回路への電力供給を制御する給電制御回路と、を含んでなる圧力センサ装置であって、
前記圧電基板の少なくとも一端側を前記支持基板の上面より離間させた状態で前記支持基板に対する固定箇所よりも外側に延出させるとともに、該延出部に前記加速度検出素子を形成したことを特徴とする圧力センサ装置。 A piezoelectric substrate having a pressure detector and detecting pressure fluctuations by deformation of the pressure detector;
A support substrate on which the piezoelectric substrate is placed and fixed;
An oscillation circuit for transmitting an electrical signal of a predetermined frequency based on pressure fluctuation information from the pressure detector;
An acceleration detection circuit that has an acceleration detection element that detects acceleration fluctuations by deformation caused by application of acceleration, and that transmits a predetermined electrical signal based on acceleration fluctuation information from the acceleration detection elements;
Power supply means for supplying power to the oscillation circuit;
A power supply control circuit for controlling power supply from the power supply means to the oscillation circuit, and a pressure sensor device comprising:
The piezoelectric substrate is extended outward from a fixed portion with respect to the support substrate in a state where at least one end side of the piezoelectric substrate is separated from the upper surface of the support substrate, and the acceleration detecting element is formed in the extension portion. Pressure sensor device.
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JP2007121107A (en) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Nec Lcd Technologies Ltd | Pressure sensor |
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JP2014208534A (en) * | 2008-08-29 | 2014-11-06 | ミシュラン ルシェルシュ エ テクニーク ソシエテ アノニム | 1-D tire patch device and method |
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2004
- 2004-10-27 JP JP2004312460A patent/JP2005208043A/en active Pending
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