JP2009068882A - 圧力センサ、およびダイヤフラムに対する圧電振動片の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合面に十分な接合強度を得ることができ、かつビーム側への接着剤のはみ出しに起因する振動特性の劣化も防ぐことができる圧力センサを提供する。
【解決手段】上記課題を解決するための圧力センサは、双音叉型圧電振動片２０を感圧素子とするダイヤフラム型の圧力センサ１０であって、ダイヤフラム部３４に形成された載置部３６に接合される前記双音叉型圧電振動片２０の結合部２４に貫通孔２８を設け、前記載置部３６における載置面３８と前記結合部２４における接合面とを接着剤１２にて固定し、前記接着剤１２を前記貫通孔２８に充填したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラム型の圧力センサに係り、特に小型化傾向にある双音叉型圧電振動片を用いた圧力センサ、およびダイヤフラムに対する圧電振動片の実装方法に関する。

ダイヤフラムと双音叉型圧電振動片を用いた圧力センサとしては、特許文献１に開示されているような物が知られている。特許文献１に開示されている圧力センサは、図９に示すように、双音叉型圧電振動片２と、これを収容するパッケージ８とを基本として構成されている。具体的には、パッケージ８は、ダイヤフラム部５ａ，６ａを有する２つのベース５，６を接合する事で構成しており、一方のベース５におけるダイヤフラム形成面に、双音叉型圧電振動片２を接合するための２つの載置部５ｂを備える構成としている。

そして、双音叉型圧電振動片２は、前記２つの載置部５ｂ間に掛け渡すように載置する。載置部５ｂに対しては、双音叉型圧電振動片２の振動部を構成するビーム３の両端に位置する結合部４を接合する。このような構成とする事で、載置部５ｂを形成したダイヤフラム部５ａが撓む事により、載置部５ｂに載置した双音叉型圧電振動片２のビーム３が引張りの力を受けることとなる。これによりビーム３によって奏される振動の周波数に変化が生じ、付与された圧力の検出が可能となるのである。

また、特許文献１に開示されている圧力センサ１は、一方のベース５と他方のベース６との間に双方のダイヤフラム部５ａ，６ａに付与された力を伝達するための柱７を設け、相対圧の検出を可能な構成としている。なお、図９において、図９（Ａ）は圧力センサの正面断面を示す図であり、図９（Ｂ）はベース６を接合していない圧力センサの平面構成を示す図である。
特開２００４−１３２９１３号公報

上記のような構成の圧力センサは、小型化の要請に伴い、双音叉型圧電振動片、ベース（ダイヤフラム構成面）共に小型・薄型化が進んできている。そうした場合、双音叉型圧電振動片とベースとの接合面、すなわち載置部と結合部との接合面の面積も必然的に縮小されることとなる。

接合面の面積の縮小化が進むと、有効な接合面に微量の接着剤を過不足無く厳密に制御して塗布し、機械的な強度として必要な接合強度を得る必要が生ずる。しかし、接着剤塗布装置が塗布した接着剤の塗布量のばらつき量は塗布量の多少に関わらずほぼ一定の範囲である。
従って、接着剤の塗布量が僅かである場合は、目標とする接着剤の量に対して過不足の割合が大きくなってしまう。
その為、接着剤の塗布量が少ない場合には強度不足、多い場合には接着剤のはみ出しに起因する振動特性の劣等、更にはダイヤフラム部の可動性能の低下が起こり、圧力変化に対する感度性能が劣等な圧力センサを発生させてしまうことが問題となる。

そこで本発明では、小型化された双音叉型圧電振動片であっても、接合面に十分な強度を得ることができ、かつビーム側へのはみ出しによる振動特性の劣化の虞も無い圧力センサ、および当該圧力センサを製造する際のダイヤフラムに対する圧電振動片の実装方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］双音叉型圧電振動片を感圧素子とするダイヤフラム型の圧力センサであって、ダイヤフラム部に形成された載置部に接合される前記双音叉型圧電振動片の結合部に貫通孔を設け、前記載置部における載置面と前記結合部における接合面とを接着剤にて固定し、前記接着剤を前記貫通孔に充填したことを特徴とする圧力センサ。

このような特徴を有する圧力センサであれば、小型化された双音叉型圧電振動片であっても、接合面に十分な強度を得ることができる。また、接合に余剰となる接着剤は貫通孔に充填されることとなるため、振動部であるビーム側への接着剤のはみ出しも抑えることができる。よって、接着剤のはみ出しに起因する振動特性の劣化が生ずる虞も無い。

［適用例２］適用例１に記載の圧力センサであって、前記貫通孔は、前記載置面と接合する接合面側の主面に設けられた開口部が他方の主面に設けた開口部よりも大きな面積を有することを特徴とする圧力センサ。

貫通孔の形状を上記のようなものとする事により、貫通孔に対する余剰分の接着剤の導入効率が向上するため、双音叉型圧電振動片を押圧した際に接着剤がビーム側へはみ出す確率を下げることができる。また、テーパ面の傾斜方向を逆にした場合に比べ、双音叉型圧電振動片に曲げ方向の力が作用した際に接着剤が剥離する可能性を低くすることができる。

［適用例３］適用例１に記載の圧力センサであって、前記貫通孔は、少なくとも前記接合面側の開口部よりも、貫通孔内部における貫通部の開口面積を小さいことを特徴とする圧力センサ。

貫通孔の形状を上記のようなものとする事により、貫通孔に対する余剰分の接着剤の導入効率が向上するため、双音叉型圧電振動片を押圧した際に接着剤がビーム側へはみ出す確率を下げることができる。また、テーパ面の傾斜方向を逆にした場合に比べ、双音叉型圧電振動片に曲げ方向の力が作用した際に接着剤が剥離する可能性を低くすることができる。さらに、貫通部の開口面積を小さくした事により、接合面側から貫通部の上側まで回り込んだ接着剤が硬化した場合には、貫通部が抜け止めの作用を成すこととなる。よって、高いアンカー効果を奏することができる。

［適用例４］適用例１乃至３のいずれかに記載の圧力センサであって、前記貫通孔は、振動領域を構成するビームと前記結合部との境界部近傍に設け、前記載置部と前記結合部との接合個所は、前記貫通孔を含む前記結合部の外側端部側としたことを特徴とする圧力センサ。

このような特徴を有する圧力センサによれば、貫通孔の存在により、接着剤がビーム側へはみ出す事を効果的に抑制することが可能となる。また、貫通孔をビームと結合部との境界部近傍に設ける事により、圧力センサ稼動時に双音叉型圧電振動片に作用する曲げ応力の影響が振動部であるビームに及ぶことを抑制することができる。

［適用例５］ダイヤフラム構成面に形成された載置部の載置面に対して結合部に貫通孔を備えた双音叉型圧電振動片の前記結合部を実装する方法であって、前記載置面には、接合時に前記双音叉型圧電振動片が所定の力で押圧された場合に前記結合部における接合面からはみ出す余剰分を含む量の接着剤を塗布し、接着剤の塗布後、前記双音叉型圧電振動片の結合部を前記載置面に重ねて載置し、載置した前記双音叉型圧電振動片を所定の力で押圧し、前記余剰分の接着剤を前記貫通孔に充填することを特徴とするダイヤフラムに対する圧電振動片の実装方法。

このような特徴を有する圧電振動片の実装方法によれば、小型化された双音叉型圧電振動片であっても、接合面全体に十分な接着剤を行き渡らせた上で両者の接合を行う事ができ、十分な強度を得ることができる。また、余剰分の接着剤を貫通孔に充填する事により、接着剤がビーム側へのはみ出す虞も無い。よって、接着剤のはみ出しに起因する振動特性の劣化も無い。

以下、本発明の圧力センサ、およびダイヤフラムに対する圧電振動片の実装方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る圧力センサの基本構成について説明する。なお、図１（Ａ）は圧力センサの正面断面図であり、図１（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ圧力センサを構成する部品の平面図である。
本実施形態に係る圧力センサ１０は、パッケージ５０と当該パッケージ５０に収容される双音叉型圧電振動片（以下、実施形態においては圧電振動片と称す）２０とを基本として構成される。

前記パッケージ５０は、ベース３０とリッド４０とより成る。本実施形態に係るベース３０は、詳細を後述するリッド４０における枠部４２または詳細を後述する圧電振動片２０における支持部２９との接合部を構成する枠部３２と、前記枠部３２よりも薄肉に、かつ押圧による可撓性を得るように構成されたダイヤフラム部３４、および前記ダイヤフラム部３４に形成された突起状の載置部３６とを有する。なお、２つの載置部３６はその上面に、詳細を後述する圧電振動片２０を載置するための載置面３８を有する。２つの載置部３６における載置面３８は、同一平面状に位置するように形成される。

ベース３０の構成部材としては、金属やガラス、結晶等、様々なものを種々選択することが可能であるが、詳細を後述する圧電振動片２０の構成部材と同一とすることが望ましい。例えば、本実施形態の場合、水晶（SiO₂）である。

また、本実施形態に係るリッド４０は、上述したベース３０における枠部３２または詳細を後述する圧電振動片２０における支持部２９との接合部を構成する枠部４２と、前記枠部４２よりも薄肉に形成され、圧電振動片２０を収容するためのキャビティ１４を構成する薄肉部４４とを有する。リッド４０の構成部材も上述したベース３０と同様に、種々選択可能であるが、ベース３０と同じ構成部材とすることが望ましい。ベース３０とリッド４０との構成部材を同一とすることにより、線膨張率の違いから生ずる反りや歪み、およびこれらに起因する接合部の剥離、クラックの発生等を抑制することが可能となるからである。なお、図１に示す形態では、リッド４０は枠部４２と薄肉部４４を有する構成としているが、押圧時における圧電振動片２０との接触を避けることができれば、リッド４０の形態を平板状としても良い。

前記双音叉型圧電振動片（圧電振動片）２０は、振動部を構成する２本のビーム２２と、２本のビーム２２双方の基部である結合部２４、および前記ビーム２２と結合部２４から成る振動片本体２６を支持する支持部（本実施形態においては枠部）２９とを基本として構成される。なお、支持部２９と振動片本体２６とは、機械的拘束力の少ない連結部２７により連結すれば良く、連結部２７には図示しない引出電極等を配置し、図示しない励振電極と支持部２９等に配置された図示しない入出力電極との電気的接続を図るようにしても良い。ここで、圧電振動片２０における励振電極や入出力電極等は、既に知られている構成を種々適用できるため、その詳細については図面に記載しないこととする。

このような基本構成を有する圧電振動片２０の特徴部分としては、結合部２４に貫通孔２８を有する点である。貫通孔２８は、ビーム２２の屈曲方向に沿った方向（Ｘ軸方向）に長軸を配置した楕円形状とし、図２に示すように、一方の主面に設けた開口部から他方の主面に設けた開口部に向けてテーパ面２８ａを構成するような断面形状とすることが望ましい。このような貫通孔２８を有する圧電振動片２０では、開口面積の大きい開口部を有する主面側に接着剤１２を塗布することにより、貫通孔２８に対する接着剤１２の流れ込み易さ、すなわち導入効率が増すこととなる。このため、載置面３８と結合部２４の面との間に収まりきらなかった余剰分の接着剤１２を効率的に貫通孔２８に導くことができるため、載置面３８と結合部２４との間に接着剤を満たした充填の状態を得ながら、接着剤１２がビーム２２側へ漏れ出す事を効果的に防止することが可能となる。

貫通孔２８の形成位置は、結合部２４とビーム２２との境界近傍であって、具体的には、結合部２４の中心よりもビーム２２側に設けると良く、望ましくは、貫通孔２８のビーム２２側開口端部がベース３０における載置部３６の内側端部と垂直方向に重なるように設けると良い。圧電振動片２０が固定される載置部３６と圧電振動片２０がフリーとなる部位との境界部には、ダイヤフラム部３４が応力を受けた際に生ずる曲げ応力が集中する。このため、境界部分における圧電振動片２０の断面積を減らすことで、当該部分に作用する曲げ応力をさらに狭い範囲に集中させることができ、断面積を減少させた部分の屈曲率が増え、他の部分、すなわちビーム２２に対する曲げ応力の影響を緩和することが可能となる。このため、圧力の検出精度が向上することとなる。

具体的に説明すると、次のように言うことができる。所定断面に作用する曲げ応力σは、

と表すことができる。このため、応力が作用する部分の断面積の縮小に伴い断面係数Ｚが小さくなることにより、当該部分に作用する曲げ応力は大きくなるのである。したがって、所定断面に作用する曲げ応力が大きくなることにより、当該部分の曲がりが大きくなり、厚み方向の変位、すなわち曲げ応力が作用する範囲を狭めることが可能となる。よって、ビーム２２に対する曲げ応力の影響が緩和されると言うことができる。

圧電振動片２０の構成部材としては、圧電気特性を有する部材であれば良いため、上述したベース３０やリッド４０と同様に種々選択する余地はあるが、上述したベース３０やリッド４０と同様に、水晶とすることが望ましい。本実施形態に係る圧電振動片２０を構成する水晶素板は、いわゆるＸカット（例えば＋２°Ｘカット）と呼ばれるカット角で切り出されたものであり、図示しない励振電極に電圧が印加されることにより、対を成すビーム２２間の距離が拡縮するような動きを示す屈曲振動を奏するものである。

このような構成の圧電振動片２０の外形形状は、ウエットエッチングにより得ることができる。Ｘカットの水晶素板は、結晶構造の異方性から、ウエットエッチングにより外形形状の形成を行うと、特にビーム２２の延設方向（Ｙ’軸方向）と直交する断面（エッチング面）に、一定方向に傾斜を有するテーパ面２８ａが現れることとなる。本実施形態の圧電振動片２０は、載置部３６における載置面３８に対向する接合面側からウエットエッチングを施して形状形成したものである。

上記のようなパッケージに対する圧電振動片の収容は、次のように成されれば良い。
まず、ベース３０における枠部３２、及び載置部３４の載置面３８にそれぞれ接着剤１２を塗布する（図３（Ａ）参照）。枠部３２に対する接着剤１２の塗布は、圧電振動片２０における支持部２９を接合した際に余剰接着剤が生じないように塗布量の調整が行われる。載置面３８に対する接着剤１２の塗布は、結合部２４の接合面と載置面３８とを接合するのに必要十分な量として算出される塗布量よりも若干多い量の接着剤１２が塗布される。載置面３８に対する接着剤１２の塗布量をこのように定めることで、接合面積が縮小され、接着剤塗布量の微調整が限界に達した既存の装置をそのまま使用することが可能となる。また、載置面３８に対する接着剤１２の塗布位置は、接合対象とする結合部２４における貫通孔２８の形成位置よりも外周側、すなわち結合部２４の外側端部側とすると貫通孔２８から接着剤１２が溢れ過ぎることが無く、載置面２８と結合部２４との間に接着剤１２を確実に充填できるので良い。接着剤１２としては、低融点ガラスやエポキシ系の樹脂等を挙げることができ、枠部３２と載置面３８とに塗布する接着剤をそれぞれ異ならせるようにしても良い。
尚、全ての載置面２８と接合部２４との接合に対して低融点ガラスを使用した場合は、ダイヤフラム部３４側の電極と圧電振動片２０側の電極とを導通接続する為に金属ワイヤー等でボンディングすれば良い。

ベース３０における枠部３２、および載置面３８に対する接着剤１２の塗布が終了した後、枠部３２と支持部２９、載置部３６と結合部２４の垂直位置がそれぞれ重なるように、ベース３０に圧電振動片２０を重ね合わせる（図３（Ｂ）参照）。ベース３０に対して圧電振動片２０を重ね合わせた後、圧電振動片２０を所定の力で押圧し、ベース３０と圧電振動片２０との密着性を向上させる。この押圧により、載置面３８と結合部２４との対向面からはみ出ようとする余剰分の接着剤１２は、貫通孔２８へと充填される（図３（Ｃ）参照）。

上記のようにしてベース３０に対して圧電振動片２０を実装した後、圧電振動片２０における支持部２９に接着剤１２を塗布し（図３（Ｄ）参照）、支持部２９に対して枠部４２を重ね合わせるようにしてリッド４０を接合する。なお、リッド４０の接合は、真空中で行うようにする（図３（Ｅ）参照）。

上記のようにして製造される圧力センサ１０は、図４（Ａ）で示す矢印Ａの方向からダイヤフラム部３４に付与される圧力を検出する絶対圧センサである。ダイヤフラム部３４に圧力が付与されると、２つの載置部３６の載置面３８が拡開するようにダイヤフラム部３４が撓むこととなる（図４（Ｂ）参照）。このため、載置部３６に固定された振動片本体２６にも曲げ方向の力が加えられると共に、載置面３８の拡開に伴う引張り（長手方向に向けた延び）の力が加えられる。本実施形態で採用した双音叉型の圧電振動片２０は、振動部であるビーム２２に引張りの力が付与されると、発振周波数が高くなる。付与された圧力の大きさは、前述した発振周波数の変化量を検出し、これに基づいて導き出すこととなる。

ここで、上記構成を有する圧力センサ１０では、図４（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム部３４に圧力が付与された事に伴って振動片本体２６に曲げ応力が付与された際、貫通孔２８の作用により応力集中個所が限定されるため、曲げ応力が作用する範囲が狭められる。このため、曲げ応力が振動部であるビーム２２に与える影響を軽減することができる他、載置面３８と結合部２４における接合面との間に配置された接着剤１２の剥離等も生じ難くなる。

また、接着剤１２が充填された貫通孔２８は、載置面３８と対向する主面側に設けた開口部の開口面積が大きくなるように配置されているため、曲げ応力が付与された際には貫通孔２８を満たすように充填された接着剤１２をテーパ面２８ａにより挟み込むような状態となる。つまり、結合部２４側のテーパ面２８ａは、接着剤１２に対し、矢印Ｂで示す方向の力を付与することとなる。このため、貫通孔２８に充填された接着剤１２も、圧力付与に伴って剥離を生じさせる虞が無い。

なお、上記実施形態では、ベース３０と圧電振動片２０の接合、圧電振動片２０とリッド４０の接合は、それぞれ接着剤１２を用いて行う旨記載した。しかしながら、ベース３０の枠部３２と圧電振動片２０の支持部２９との接合、圧電振動片２０の支持部２９とリッド４０の枠部４２との接合の形態は、接着剤１２を用いない陽極接合や、直接接合等であっても良い。高い接合強度で振動片本体２６を封止することができればその形態は問わないからである。

また、実施形態では結合部２４に設ける貫通孔２８の平面形状を楕円形状とする旨記載した。しかしながら、貫通孔２８の平面形状は、図５に示すような矩形形状としても良い。長辺をＹ’軸に直行するように矩形形状の貫通孔を設けた場合であっても、その長辺側断面には、図４に示すようなテーパ面が形成され、同様な効果を奏することができるからである。つまり、結合部２４に設ける貫通孔２８の平面形状は、その効果を奏するために特に限定されるものでは無く、例えば図６に示すように、ビーム２２の延長線上に２つの貫通孔２８を設けるような形態であっても良い。貫通孔２８をこのような形態とした場合であっても、接着剤１２がビーム２２に触れる確率を下げることができ、上記楕円形状の貫通孔と同様な効果を奏することができるからである。

また、上記実施形態では、圧電振動片２０に枠状の支持部２９を設け、パッケージ５０を構成するベース３０とリッド４０により支持部２９を挟み込む構成を採る旨記載した。しかしながら、振動片本体２６には必ずしも支持部２９を設ける必要は無い。なお、圧電振動片として、振動部であるビーム２２と結合部２４のみから成るものを採用した場合には、図７に示すように、ベース３０における枠部３２とリッド４０における枠部４２とを直接的に接合する形態を採れば良い。

次に、本発明の圧力センサに係る第２の実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサの殆どの構成は、上述した第１の実施形態に係る圧力センサと同様である。よって、その機能を同一とする構成要素には、図面に１００を足した符号を付してその詳細な説明は省略すると共に、特徴部分のみを示すこととする。

本実施形態に係る圧力センサの特徴部分は、圧電振動片に形成された貫通孔１２８の貫通方向の断面形状にある。本実施形態に係る圧電振動片における貫通孔１２８の断面形状は、Ｘ軸に沿った方向、すなわちＹ’軸と直行する方向に現れるエッチング面が凸状の山形を成す点である。このため、貫通孔１２８は、一方の主面に設けられた開口部から、貫通孔の中央部にかけて開口面積が小さくなるようなテーパ面１２８ａを有し、凸部の先端、すなわち貫通孔の中央部（貫通部１２８ｂ）から他方の主面に設けられた開口部にかけて開口面積が大きくなるようなテーパ面１２８ａを有する。つまり、本実施形態に係る圧電振動片の貫通孔１２８の断面形状は、くびれを有する鼓形状であるという事ができる。

貫通孔１２８の断面形状を上記のような形状とすることにより、上述した第１の実施形態に記載した貫通孔２８の効果に加え、貫通孔１２８のくびれ部分（貫通部１２８ｂ）が、その上部にまで充填された接着剤１１２の抜け止めを成し、高いアンカー効果を奏することが可能となる。

なお、上記実施形態ではいずれも、圧電振動片の外形形状の形成、並びに貫通孔の形成はウエットエッチングにより行う旨記載した。しかしながら、貫通孔に同様なテーパ面を形成する精密加工手段として、プラズマＣＶＭといった他の手段も挙げることができる。よって、本発明を実施するにあたっては、その加工手段は特に限定されるものでは無い。

第１の実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る圧力センサの特徴部分を示す図である。 双音叉型圧電振動片をベースとリッドとの間に封止する際の手順を示す図である。 特徴部分を構成する貫通孔の作用を説明するための図である。 貫通孔の平面形状を変形させた第１の例を示す図である。 貫通孔の平面形状を変形させた第２の例を示す図である。 圧電振動片の封止形態を異ならせた圧力センサの例を示す図である。 第２の実施形態に係る圧力センサにおける特徴部分を示す図である。 従来の圧力センサの構成を示す図である。

符号の説明

１０………圧力センサ、１２………接着剤、１４………キャビティ、２０………双音叉型圧電振動片（圧電振動片）、２２………ビーム、２４………結合部、２６………振動片本体、２８………貫通孔、２８ａ………テーパ面、２９………支持部、３０………ベース、３２………枠部、３４………ダイヤフラム部、３６………載置部、３８………載置面、４０………リッド、４２………枠部、４４………薄肉部、５０………パッケージ。

Claims (5)

1. 双音叉型圧電振動片を感圧素子とするダイヤフラム型の圧力センサであって、
   ダイヤフラム部に形成された載置部に接合される前記双音叉型圧電振動片の結合部に貫通孔を設け、
   前記載置部における載置面と前記結合部における接合面とを接着剤にて固定し、
   前記接着剤を前記貫通孔に充填したことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサであって、
   前記貫通孔は、前記載置面と接合する接合面側の主面に設けられた開口部が他方の主面に設けた開口部よりも大きな面積を有することを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１に記載の圧力センサであって、
   前記貫通孔は、少なくとも前記接合面側の開口部よりも、貫通孔内部における貫通部の開口面積を小さいことを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力センサであって、
   前記貫通孔は、振動領域を構成するビームと前記結合部との境界部近傍に設け、前記載置部と前記結合部との接合個所は、前記貫通孔を含む前記結合部の外側端部側としたことを特徴とする圧力センサ。
5. ダイヤフラム構成面に形成された載置部の載置面に対して結合部に貫通孔を備えた双音叉型圧電振動片の前記結合部を実装する方法であって、
   前記載置面には、接合時に前記双音叉型圧電振動片が所定の力で押圧された場合に前記結合部における接合面からはみ出す余剰分を含む量の接着剤を塗布し、
   接着剤の塗布後、前記双音叉型圧電振動片の結合部を前記載置面に重ねて載置し、
   載置した前記双音叉型圧電振動片を所定の力で押圧し、
   前記余剰分の接着剤を前記貫通孔に充填することを特徴とするダイヤフラムに対する圧電振動片の実装方法。

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