JP2008026064A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力を正確に測定することができる圧力センサを提供すること。
【解決手段】受ける圧力に応じて変化する圧電振動片３２の周波数を検出することで、圧力を測定するようにした圧力センサ１０であって、圧電振動片３２は、開口部４０を有するパッケージ３０内に収容されており、パッケージ３０の開口部４０は、パッケージ４０の外側から内側に水蒸気が透過することを抑制し、かつ、通気性を有する被覆シート６０で覆われていることを特徴とする圧力センサ。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電振動片を利用した圧力センサに関する。

圧力変化に対応して周波数が変化する圧電振動片の性質を利用して、従来から、圧力センサが用いられている。
図６は、従来の圧電振動片を利用した圧力センサの概略斜視図である（例えば、特許文献１参照）。
この図に示されるように、従来の圧力センサ１は、一対の振動腕２，２を支持する基部３を有する音叉型の圧電振動片４と、この圧電振動片４と電気的に接続された端子５，５とを備えている。

そして、端子５，５を通じて圧電振動片４に一定の駆動電圧を印加すると、振動腕２，２が互いに接近・離間する方向に振動し、この振動に基づく所定の周波数を電気信号として取り出すことができる。
この際、圧電振動片４が晒されている気体圧力が変化すると、この圧力の変化に応じて圧電振動片４の周波数は変化する。そこで、この変化した周波数を検出することで、圧力が測定できるようになっている。

特開平１−２４４３２４号公開特許公報

ところで、このような圧力センサ１は周辺環境の圧力を測定するために、大気に晒されている。ところが、圧電振動片４は、大気中の湿気によっても周波数が変化してしまう。このため、圧力に対応して変化した周波数を検出しようとしても、この湿気による周波数の変化が加味されて、周辺環境の圧力を正確に測定することができないという問題がある。

本発明は、圧力を正確に測定することができる圧力センサを提供することを目的とする。

上述の目的は、第１の発明によれば、受ける圧力に応じて変化する圧電振動片の周波数を検出することで、前記圧力を測定するようにした圧力センサであって、前記圧電振動片は、開口部を有するパッケージ内に収容されており、前記パッケージの前記開口部は、前記パッケージの外側から内側に水蒸気が透過することを抑制し、かつ、通気性を有する被覆シートで覆われている圧力センサにより達成される.

第１の発明の構成によれば、圧電振動片はパッケージに収容されているが、このパッケージの開口部は被覆シートで覆われ、被覆シートは通気性を有するため、パッケージの外側の気圧と内側の気圧とを同じにすることができる。このため、圧電振動片は、たとえパッケージ内に収容されていても、周辺環境と同じ圧力を受けることになり、この圧力に応じた周波数変化を検出して、周辺環境の圧力を測定できる。
そして、この被覆シートはパッケージの外側から内側に水蒸気が透過することを抑制しているため、パッケージ内に湿気が入ることを抑えて、圧電振動片の湿気による周波数変動を有効に防止し、正確な圧力を測定できる。
したがって、圧力を正確に測定することができる圧力センサを提供することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記被覆シートは、その厚み方向に変位可能なように、撓ませた状態で前記開口部を覆うようになっていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、被覆シートは、その厚み方向に変位可能なように、撓ませた状態で開口部を覆うようになっている。このため、被覆シートは、受ける圧力に対応してパッケージの内側あるいは外側に変位し、パッケージ内の体積を変化させることになる。したがって、被覆シートは、その通気性だけでなく、パッケージ内の体積を変化させることによっても、パッケージ内の圧力を調整し、周辺環境の圧力を素早く測定できる。

第３の発明は、第１または第２の発明の構成において、前記パッケージの内側には、吸湿材が設けられていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、パッケージの内側には、吸湿材が設けられているため、パッケージ内に湿気が入ったとしても、この吸湿材により湿気をとることができる。

第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記パッケージは、全体が略四角形体からなり、前記圧電振動片の主面と対向する面が前記開口部となっている表面実装型であることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、パッケージは、全体が略四角形体からなる表面実装型であるため、圧力センサの低背化を図ることができる。そして、このような表面実装型であって、圧電振動片の主面と対向する面が開口部であるため、開口部が湿気の入り易い大きな面積を有していても、第１ないし第３の発明と同様の作用によって、パッケージ内の湿度を下げることができる。

第５の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記パッケージは、全体が略円柱体からなり、前記圧電振動片の側面と対向する面が前記開口部となっているシリンダー型であることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、パッケージは、全体が略円柱体からなり、圧電振動片の側面と対向する面が開口部となっているシリンダー型であるため、開口部は圧電振動片の側面に対応した小さな外形となっている。したがって、被覆シートを設ける面積が小さくて済み、また、外部から水蒸気が侵入する間口が狭くなって、パッケージ内の湿気をより有効に防止できる。

第６の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記パッケージは、全体が略四角形体からなる表面実装型であって、蓋体により封止されており、前記蓋体の一部に前記開口部が形成されていることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、圧力センサの低背化を図った表面実装型であったとしても、開口部は、パッケージを封止する蓋体の一部に形成されているだけなので、被覆シートを設ける面積が小さくて済み、また、外部から水蒸気が侵入する間口が狭くなって、パッケージ内の湿気をより有効に防止できる。

図１ないし図３は、本発明の実施形態に係る圧力センサ１０を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ線概略切断断面図、図３は圧力センサ１０に用いられる圧電振動片３２の概略斜視図である。
なお、図１および図２では、図面が複雑になることを避けるため、後述する励振電極や引出し電極を全て図示していない。また、図１および図３の平行斜線で示す部分は理解の便宜のために図示したもので、断面を表すものではない。

これらの図において、圧力センサ１０は、受ける圧力に応じて周波数が変化する圧電振動片３２と、この圧電振動片３２を収容するようにしたパッケージ３０とを備えている。
パッケージ３０は、本実施形態の場合、全体が略四角形体からなり、圧電振動片３２の主面と対向する面が開口部４０や実装面となっている表面実装型であり、圧力センサ１０の低背化を図っている。
具体的には、パッケージ３０は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成型して形成される複数の基板を積層した後に、焼結して形成されている。この実施形態のパッケージ３０は、図２に示すように、下から第１の基板３０ａ、第２の基板３０ｂを重ねて形成されている。

第２の基板３０ｂは、枠状部を残すようにして内側に、厚み方向に貫通した孔を形成することで、第１の基板３０ａに積層した場合に、パッケージ３０の内側に内部空間Ｓを形成するようにされている。この内部空間Ｓが圧電振動片３２を収容する空間である。
また、第２の基板３０ｂの内側の孔は開口部４０ともなり、この開口部４０から圧電振動片３２をパッケージ３０内に挿入するようになっている。すなわち、本実施形態のパッケージ３０は、開口部４０の外形が圧電振動片３２の主面の外形よりも大きく、マウンター等で圧電振動片３２の主面を吸着して、圧電振動片３２をマウントできるようになっている。

第１の基板３０ａの内部空間Ｓに露出した領域には、図１および図２に示すように、実装端子部４３，４３と電気的に接続されたマウント電極４２，４２が設けられている。
マウント電極４２，４２は、図１における右端部付近であって、圧電振動片３２の幅方向の両端に、例えば、金または金合金により形成され、このマウント電極４２，４２の上には、導電性接着剤４６，４６が塗布されている。

そして、圧電振動片３２の主面がパッケージ３０の内底（第１の基板３０ａの内部空間Ｓに露出した上面）と平行になるようにして、導電性接着剤４６，４６の上に圧電振動片３２が載置されて、導電性接着剤４６，４６が硬化することにより、圧電振動片３２とパッケージ３０とが接合されている。
なお、導電性接着剤４６には、エポキシ系またはポリイミド系、またはシリコーン系等の接着剤を用いることができるが、本実施形態では、エポキシ系の導電性接着剤等よりも柔軟性を有し、振動の際に発生する応力等の様々な応力を緩和することができるシリコーン系の導電性接着剤を使用している。

圧電振動片３２は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができ、本実施形態の場合、小型に形成しても所定の周波数を得ることができるように、音叉型圧電振動片となっている。
すなわち、圧電振動片３２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いており、一対の振動腕３５，３６と、この振動腕３５，３６と一体に形成され、一対の振動腕３５，３６を支持する基部５１とを備えている。

基部５１は、一対の振動腕３５，３６を支持すると共に、マウント電極４２，４２に接合される部分でもあり、図１および図３に示すように、幅方向両端の表裏面に引出電極５４，５５が形成され、この引出電極５４，５５とマウント電極４２，４２とが電気的機械的に接続されている。

一対の振動腕３５，３６は、基部５１から互いに平行に延びるように形成されており、図３に示すように、それぞれに励振電極３３，３４が設けられている。励振電極３３，３４は振動腕３５，３６に駆動電圧を印加して、振動腕３５と振動腕３６とが互いに接近・離間する方向に振動させるようにしている。
なお、励振電極３３，３４には、例えばクロムメッキによる下地層の上に金メッキを被覆した構成が適している。

さらに、一対の振動腕３５，３６は、表裏面のそれぞれに長手方向に沿って延びる長溝２４，２５が形成されており、幅方向の縦断面が略Ｈ型となっている。そして、図３に示すように、長溝２４，２５内には励振電極３３，３４が形成され、長溝２４内の励振電極３３と対向するようにして、振動腕３５の側面に励振電極３４が形成されており、長溝２５内の励振電極３４と対向するようにして、振動腕３６の側面に励振電極３３が形成されている。また、励振電極３３は基部５１の引出電極５４と接続され、励振電極３４は、基部５１の引出電極５５と接続されて、励振電極３３と励振電極３４とは、互いに異極となっている。これにより、各腕内の電界効率は高まって、クリスタルインピーダンス値（ＣＩ値）が低くなるようにしている。

ここで、図１及び図２に示すように、パッケージ３０の開口部４０は、パッケージ３０の外側から内側（内部空間Ｓ）に水蒸気が透過することを抑制し、かつ、通気性を有する被覆シート６０で覆われている。
この被覆シート６０は、パッケージ外部の圧力を圧電振動片３２に伝えると共に、内部空間Ｓ内を乾燥状態に保持するためのものである。
すなわち、被覆シート６０は、図１の平行斜線で示す部分に配置されて、開口部４０全体を覆っており、外部から内部空間Ｓ内に水蒸気を透過し難くし、かつ、パッケージ３０の内側と外側の気圧差がある場合に、その気圧差を無くすべくガス等の気体を透過する性質を備えていればよく、材質としては、その性質を備えた高分子系の素材を用いることができ、具体的には、塩化ビニール等を用いることができる。

具体的には、被覆シート６０は、接着剤５８を用いて、パッケージ３０の開口部４０側の端面全周に接合されている。
そして、パッケージ３０に接合される際、被覆シート６０は、その厚み方向に変位可能なように、撓ませた状態で開口部４０を覆うようになっている。
すなわち、被覆シート６０は、柔軟性を有しており、図２に示すように、張りつめた状態でパッケージ３０に接合されず、表面が波打つように部分的に可撓した状態でパッケージ３０に接合されている。これにより、被覆シート６０は、受ける圧力に応じてパッケージ３０の内側あるいは外側に変位することで、内部空間Ｓの体積を変化させ、パッケージ３０内の圧力を素早く変化させることができる。
したがって、被覆シート６０が水蒸気を透過し難くするシートであるため、この被覆シート６０を介した気体分子の移動に時間がかかるような場合であっても、素早く圧力を測定できる。

なお、被覆シート６０で湿気がパッケージ３０内に侵入することを完全に防止することは困難な場合があり、このため、本実施形態では、図２に示すように、パッケージ３０の内側に吸湿材６２が設けられている。
すなわち、吸湿材６２は、パッケージ３０内に湿気が入ったとしても、その湿気をとるものであり、例えばシリカゲル等を用いることができる。具体的には、圧電振動片３２が振れても、圧電振動片３２が接触しない領域に配置され、図２の場合、パッケージ３０の第１の基板３０ａ上の隅に固定されている。

本発明の実施形態は以上のように構成されており、パッケージ３０の開口部４０を覆う被覆シート６０は通気性を有するため、圧力センサ１０の周辺環境の圧力が変化すると、例えば外部大気が内部空間Ｓに入ってくる等して、パッケージ３０の外側と内側の気圧差を解消し、内部空間Ｓ内の圧力を周辺環境と同じにすることができる。このため、圧電振動片３２は、パッケージ３０が外側で受けた圧力と同じ圧力を受けて、周波数が変化する。そこで、この変化した周波数を検出することで、周辺環境の圧力を測定できる。
そして、この被覆シート６０はパッケージ３０の外側から内側に水蒸気が透過することを抑制しているため、パッケージ３０内に湿気が入ることを抑えて、圧電振動片３２の湿気による周波数変動を有効に防止し、正確な圧力を測定できる。

図４は、本発明の上述した実施形態の第１の変形例に係る圧力センサ１２の概略縦断面図である。なお、この図では、作図の便宜上、上述した励振電極を図示していない。
この図において、上述した圧力センサ１０の説明で用いた符号と同一の符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複した説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。

この第１の変形例に係る圧力センサ１２が図１ないし図３の圧力センサ１０と異なるのは、パッケージ３０および被覆シート６０についてである。
すなわち、圧力センサ１２のパッケージ３０は、全体が略円柱体からなり、圧電振動片３２の側面と対向する面が開口部４０となっているシリンダー型である。

具体的には、パッケージ３０は、幅方向の断面が楕円形等でなる円筒状であって、この筒状の長手方向と圧電振動片３２の長手方向が沿うようにして、圧電振動片３２を収容している。また、この筒状の一方を絶縁部材２９で封止すると共に、この絶縁部材２９をリード端子２６，２７が挿通して、端子２６，２７と引出電極５４，５５とが電気的に接続されている。
そして、筒状の他方、すなわち、圧電振動片３２の先端側（振動腕３５，３６の先端側）に開口部４０を配置して、この開口部４０を被覆シート６０で覆うようにしている。

本発明の実施形態の第１の変形例は以上のように構成され、パッケージ３０は、全体が略円柱体からなり、圧電振動片３２の側面と対向する面が開口部４０となっているシリンダー型であるため、開口部４０は圧電振動片３２の側面に対応した小さな外形となっている。したがって、被覆シート６０を設ける面積が小さくて済み、また、外部から水蒸気が侵入する間口が狭くなって、パッケージ３０内の湿気をより有効に防止できる。

図５は、本発明の上述した実施形態の第２の変形例に係る圧力センサ１４の概略斜視図である。
この図において、上述した圧力センサ１０，１２の説明で用いた符号と同一の符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複した説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。

この第２の変形例に係る圧力センサ１４が図１ないし図４の圧力センサ１０，１２と異なるのは、パッケージ３０を封止する構造と被覆シート６０との関係についてである。
すなわち、圧力センサ１４のパッケージ３０は、全体が略四角形体からなる表面実装型であって、蓋体２８により封止されており、この蓋体２８の一部に開口部４０が形成されている。

具体的には、パッケージ３０は、図２に示すように、その内側に内部空間Ｓが形成され、図５に示すように、開口側端面にロウ材５９などで金属やガラス等でなる蓋体２８を接合して、内部空間Ｓ（図２参照）を封止するようにしている。
そして、この蓋体２８の一部、本実施形態の場合、蓋体２８の中央付近に開口部４０を形成して、この開口部４０を被覆シート６０で覆うようにしている。

本発明の実施形態の第２の変形例は以上のように構成されており、パッケージ３０は表面実装型であり低背化を図ることができる。そして、このように圧力センサ１４の低背化を図った表面実装型であったとしても、開口部４０は、パッケージ３０を封止する蓋体２８の一部に形成されているだけである。したがって、シリンダー型のパッケージと同様に、被覆シート６０を設ける面積が小さくて済み、また、外部から水蒸気が侵入する間口が狭くなって、パッケージ３０内の湿気をより有効に防止できる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や各変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。

本発明の実施形態に係る圧力センサの概略平面図。 図１のＡ−Ａ線概略切断断面図。 本発明の実施形態に係る圧力センサに用いられる圧電振動片の概略斜視図。 本発明の実施形態の第１の変形例に係る圧力センサの概略縦断面図。 本発明の実施形態の第２の変形例に係る圧力センサの概略斜視図。 従来の圧電振動片を利用した圧力センサの概略斜視図。

符号の説明

１０，１２，１４・・・圧力センサ、３０・・・パッケージ、３２・・・圧電振動片、４０・・・開口部、６０・・・被覆シート

Claims (6)

1. 受ける圧力に応じて変化する圧電振動片の周波数を検出することで、前記圧力を測定するようにした圧力センサであって、
   前記圧電振動片は、開口部を有するパッケージ内に収容されており、
   前記パッケージの前記開口部は、前記パッケージの外側から内側に水蒸気が透過することを抑制し、かつ、通気性を有する被覆シートで覆われている
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記被覆シートは、その厚み方向に変位可能なように、撓ませた状態で前記開口部を覆うようになっ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. 前記パッケージの内側には、吸湿材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記パッケージは、全体が略四角形体からなり、前記圧電振動片の主面と対向する面が前記開口部となっている表面実装型であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. 前記パッケージは、全体が略円柱体からなり、前記圧電振動片の側面と対向する面が前記開口部となっているシリンダー型であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力センサ。
6. 前記パッケージは、全体が略四角形体からなる表面実装型であって、蓋体により封止されており、
   前記蓋体の一部に前記開口部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力センサ。

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