JP2009085807A - Pressure sensor and pressure-measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、一対のダイヤフラム部とそれぞれのダイヤフラム部に接合された双音叉振動片を備えた圧力センサ及び圧力測定装置に関する。 The present invention relates to a pressure sensor and a pressure measurement device including a pair of diaphragm portions and a double tuning fork vibrating piece joined to each diaphragm portion.
従来、一対の圧電ダイヤフラム(以下、ダイヤフラム部と呼ぶ。)が積層されることで形成される内部空間に双音叉振動子(以下、双音叉振動片と呼ぶ。)を配置した感圧素子(以下、圧力センサと呼ぶ。)が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この圧力センサにおいて、対向するダイヤフラム部の内底面同士が力伝達用柱で連結され、双音叉振動片の両端(以下、基部と呼ぶ。)が一方のダイヤフラム部の内底面に固定されている。圧力センサは、一方のダイヤフラム部の外面を被測定圧力P1の被測定体に、他方ダイヤフラム部の外面を比較圧P2の比較体に曝すように設置される。両外面に働く圧力が同一(P1=P2)のときに、圧力センサには変形が生じない。両外面に働く圧力が異なる(P1>P2、またはP1<P2)ときに、圧力センサには変形が生じる。具体的には、一対のダイヤフラム部の中央が圧力の小さい側に押し出され、これにより一対のダイヤフラム部は湾曲する。一方のダイヤフラム部に基部が固定された双音叉振動片は、ダイヤフラム部の湾曲に応じて湾曲する。双音叉振動片が固定されたダイヤフラム部の内底面が凹状態となるようダイヤフラム部が湾曲したとき、双音叉振動片には振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。また、双音叉振動片が固定されたダイヤフラム部の内底面が凸状態となるようダイヤフラム部が湾曲したとき、双音叉振動片には振動腕部の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。ここで、双音叉振動片の共振周波数は、双音叉振動片の振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が加わったときに減少し、引張力が加わったときに増加することが広く知られている。よって、この圧力センサは、湾曲していない状態の双音叉振動片の共振周波数を基準にとり、この周波数より高いか低いかにより、比較圧P2に対して被測定圧力P1が正圧であるのか負圧であるのかを検出することができる。 Conventionally, a pressure sensitive element (hereinafter referred to as a double tuning fork vibrating piece) is disposed in an internal space formed by stacking a pair of piezoelectric diaphragms (hereinafter referred to as diaphragm portions). Are referred to as pressure sensors) (see, for example, Patent Document 1). In this pressure sensor, the inner bottom surfaces of the opposing diaphragm portions are connected to each other by a force transmission column, and both ends (hereinafter referred to as a base portion) of the double tuning fork vibrating piece are fixed to the inner bottom surface of one diaphragm portion. The pressure sensor is installed so that the outer surface of one diaphragm portion is exposed to the measured body at the measured pressure P1, and the outer surface of the other diaphragm portion is exposed to the compared body at the comparative pressure P2. When the pressures acting on both outer surfaces are the same (P1 = P2), the pressure sensor is not deformed. When the pressures acting on both outer surfaces are different (P1> P2 or P1 <P2), the pressure sensor is deformed. Specifically, the center of the pair of diaphragm portions is pushed out to the side where the pressure is small, and the pair of diaphragm portions is thereby curved. The double tuning fork vibrating piece whose base is fixed to one diaphragm portion bends according to the curvature of the diaphragm portion. When the diaphragm portion is curved so that the inner bottom surface of the diaphragm portion to which the double tuning fork vibrating piece is fixed is concave, a compressive force acts on the double tuning fork vibrating piece in a direction crossing the vibration direction of the vibrating arm portion. In addition, when the diaphragm portion is curved so that the inner bottom surface of the diaphragm portion to which the double tuning fork vibrating piece is fixed is convex, a tensile force acts on the double tuning fork vibrating piece in a direction crossing the vibration direction of the vibrating arm portion. . Here, the resonance frequency of the double tuning fork vibrating piece generally decreases when a compressive force is applied in a direction crossing the vibration direction of the vibrating arm portion of the double tuning fork vibrating piece, and increases when a tensile force is applied. Are known. Therefore, this pressure sensor is based on the resonance frequency of the untwisted double tuning fork vibrating piece, and whether the measured pressure P1 is positive or negative with respect to the comparison pressure P2 depending on whether it is higher or lower than this frequency. It is possible to detect whether the pressure is applied.
しかしながら、従来の圧力センサには、圧力だけでなく、加速度により生じる慣性力が働く。圧力センサが加速度を受ける方向に対し、加速度により生じる慣性力が働く方向は反対方向になる。そして、圧力センサが加速度を受ける方向が一定でないことから、圧力センサに加速度により生じる慣性力が働く方向も一定ではない。よって、圧力センサに慣性力が働いても、圧力が働いたときと同様に、圧力センサが変形し、双音叉振動片が固定されたダイヤフラム部の内底面は、凹状態にも凸状態にも湾曲する。したがって、圧力センサで被測定圧力P1が検出されても、圧力センサに働いた圧力によるものなのか、または加速度により生じる慣性力によるものなのかを区別することができない。つまり、従来の圧力センサには、加速度の影響を除外して圧力を検出できないという課題がある。 However, not only the pressure but also inertial force generated by acceleration acts on the conventional pressure sensor. The direction in which the inertial force generated by acceleration acts is opposite to the direction in which the pressure sensor receives acceleration. Since the direction in which the pressure sensor receives the acceleration is not constant, the direction in which the inertial force generated by the acceleration acts on the pressure sensor is not constant. Therefore, even if an inertial force is applied to the pressure sensor, the pressure sensor is deformed and the inner bottom surface of the diaphragm portion to which the double tuning fork vibrating piece is fixed is either concave or convex as in the case of pressure. Bend. Therefore, even if the pressure to be measured P1 is detected by the pressure sensor, it cannot be distinguished whether it is due to the pressure acting on the pressure sensor or due to the inertial force generated by the acceleration. That is, the conventional pressure sensor has a problem that pressure cannot be detected without the influence of acceleration.
本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例にかかる圧力センサは、対向する周状の端面と中央部分に形成された貫通孔とを有したケース部と、前記ケース部の一方の前記端面の全周に接合された第1接合部と、前記第1接合部の内側に形成された第1薄肉部と、前記第1薄肉部の内側に形成された第1保持部と、前記第1保持部の内側に形成され、前記第1保持部の肉厚より薄い肉厚の第1中央板部とを有した第1ダイヤフラム部と、前記ケース部の他方の前記端面の全周に接合された第2接合部と、前記第2接合部の内側に形成された第2薄肉部と、前記第2薄肉部の内側に形成された第2保持部と、前記第2保持部の内側に形成され、前記第2保持部の肉厚より薄い肉厚の第2中央板部とを有した第2ダイヤフラム部と、前記ケース部と、対向するように形成された前記第1ダイヤフラム部及び前記第2ダイヤフラム部とで形成された密閉空間と、前記第1保持部の前記密閉空間側に接合された2つの第1基部と、前記第1中央板部を跨ぎ、2つの前記第1基部間に形成された一対の第1振動腕部とを有し、前記第1ダイヤフラム部に対向した第1双音叉振動片と、前記第2保持部の前記密閉空間側に接合された2つの第2基部と、前記第2中央板部を跨ぎ、2つの前記第2基部間に形成された一対の第2振動腕部とを有し、前記第2ダイヤフラム部に対向した第2双音叉振動片とを備えていることを特徴とする。 Application Example 1 A pressure sensor according to this application example is bonded to a case portion having opposed circumferential end surfaces and a through hole formed in a central portion, and the entire circumference of one end surface of the case portion. The first joint portion formed, the first thin portion formed inside the first joint portion, the first holding portion formed inside the first thin portion, and the inside of the first holding portion. A first diaphragm portion that is formed and has a first central plate portion that is thinner than a thickness of the first holding portion, and a second joint portion that is joined to the entire circumference of the other end surface of the case portion. A second thin part formed inside the second joint part, a second holding part formed inside the second thin part, and formed inside the second holding part, A second diaphragm portion having a second central plate portion having a thickness thinner than the thickness of the holding portion, and the case portion are formed to face each other. A sealed space formed by the first diaphragm portion and the second diaphragm portion, two first base portions joined to the sealed space side of the first holding portion, and the first central plate portion. A first double tuning fork vibrating piece having a pair of first vibrating arms formed between the two first bases and facing the first diaphragm; and the sealed space of the second holding part Two second base portions joined to each other, and a pair of second vibrating arm portions formed between the two second base portions so as to straddle the second central plate portion, and the second diaphragm portion It has the 2nd double tuning fork vibrating piece which opposes, It is characterized by the above-mentioned.
このような構成によれば、圧力センサは、ケース部と、対向するように形成された第1ダイヤフラム部及び第2ダイヤフラム部とで密閉空間が形成されている。そして、圧力センサには、圧力センサが受ける加速度により生じる慣性力及び密閉空間外の圧力が働く。 According to such a configuration, in the pressure sensor, a sealed space is formed by the case portion and the first diaphragm portion and the second diaphragm portion that are formed to face each other. In addition, an inertial force generated by acceleration received by the pressure sensor and a pressure outside the sealed space act on the pressure sensor.
前者の圧力センサが受ける加速度により生じる慣性力は、以下のように圧力センサの内部に作用する。圧力センサが、加速度を下方向に受けるとき、圧力センサには、加速度により生じる慣性力が加速度の方向とは反対方向の上方向に働く。よって、慣性力は第1ダイヤフラム部及び第2ダイヤフラム部に対しても、上述の上方向である一方向に働く。 The inertial force generated by the acceleration received by the former pressure sensor acts on the inside of the pressure sensor as follows. When the pressure sensor receives the acceleration in the downward direction, the inertial force generated by the acceleration acts on the pressure sensor in the upward direction opposite to the direction of the acceleration. Therefore, the inertial force acts on the first diaphragm portion and the second diaphragm portion in one direction which is the above-described upward direction.
第1ダイヤフラム部では、第1ダイヤフラム部の第1薄肉部がケース部に接合された第1接合部に直接繋がり、薄い肉厚であることから、慣性力が働くことにより、第1薄肉部は第1薄肉部と第1接合部との接点を支点にして傾く。第1薄肉部が傾くことで第1薄肉部に形成された第1保持部も、第1薄肉部と第1接合部との接点を支点にして傾く。第1保持部が傾くことにより、第1保持部は変位するとともに第1保持部の中心点を起点とした回転力が生じる。第1双音叉振動片の2つの第1基部が接合された第1保持部の両箇所は、第1ダイヤフラム部の第1中央板部を挟んだ位置にあることから、一方の箇所が例えば時計回りに、他方の箇所は反時計回りに回転するように移動する。このように、一方の箇所と他方の箇所とでは、互いに反対方向に回転するように移動する。上述の回転力により第1双音叉振動片の2つの第1基部が接合された第1保持部の両箇所同士が近づくとき、第1双音叉振動片には第1振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。また、第1双音叉振動片の2つの第1基部が接合された第1保持部の両箇所同士が遠ざかるとき、第1双音叉振動片には第1振動腕部の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。 In the first diaphragm portion, the first thin portion of the first diaphragm portion is directly connected to the first joint portion joined to the case portion, and since it is thin, the inertia force acts, so that the first thin portion is It tilts with the contact point between the first thin portion and the first joint as a fulcrum. The first holding part formed in the first thin part by tilting the first thin part also tilts with the contact point between the first thin part and the first joint as a fulcrum. By tilting the first holding part, the first holding part is displaced and a rotational force is generated starting from the center point of the first holding part. Since the two places of the first holding part where the two first base parts of the first double tuning fork vibrating piece are joined are in a position sandwiching the first central plate part of the first diaphragm part, one place is, for example, a timepiece Around, the other part moves to rotate counterclockwise. In this way, the one part and the other part move so as to rotate in opposite directions. When the two portions of the first holding portion where the two first bases of the first double tuning fork vibrating piece are joined by the rotational force described above approach each other, the first double tuning fork vibrating piece moves in the vibration direction of the first vibrating arm portion. A compressive force acts in the crossing direction. In addition, when the two portions of the first holding portion where the two first base portions of the first double tuning fork vibrating piece are joined away from each other, the first double tuning fork vibrating piece has a direction crossing the vibration direction of the first vibrating arm portion. A tensile force acts on the.
また、第2ダイヤフラム部にも、上述の第1ダイヤフラム部と同様に慣性力、回転力が働く。但し、第2ダイヤフラム部に対する第2双音叉振動片の位置は、第1ダイヤフラム部に対する第1双音叉振動片の位置と真逆になる。このことから、第2双音叉振動片には、第1双音叉振動片に第1振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用したときに、第2振動腕部の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。また、第2双音叉振動片には、第1双音叉振動片に第1振動腕部の振動方向に交差する方向に引張力が作用したときに、第2振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。このように、加速度により生じる慣性力が圧力センサに働いたとき、第1双音叉振動片と第2双音叉振動片とでは、互いに反対方向の力が作用する。 In addition, the inertial force and the rotational force act on the second diaphragm portion as well as the above-described first diaphragm portion. However, the position of the second double tuning fork vibrating piece with respect to the second diaphragm portion is exactly opposite to the position of the first double tuning fork vibrating piece with respect to the first diaphragm portion. From this, when a compressive force is applied to the second double tuning fork vibrating piece in a direction intersecting the vibration direction of the first vibrating arm portion on the first double tuning fork vibrating piece, A tensile force acts in the crossing direction. The second twin tuning fork vibrating piece intersects the vibration direction of the second vibrating arm when a tensile force acts on the first double tuning fork vibrating piece in a direction intersecting the vibration direction of the first vibrating arm. A compressive force acts in the direction. As described above, when the inertial force generated by the acceleration acts on the pressure sensor, forces in opposite directions act on the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork vibrating piece.
後者の密閉空間外の圧力は、以下のように圧力センサの内部に作用する。圧力センサに働く力である密閉空間外の圧力は、前者の慣性力と異なり、密閉空間内の中心点に向かうように、または中心点から外周に向かうように働く。また、第1ダイヤフラム部及び第2ダイヤフラム部は、密閉空間を挟むように対向して備えられている。よって、密閉空間外の圧力は第1ダイヤフラム部及び第2ダイヤフラム部に対し、互いに反対方向に働く。また、第1ダイヤフラムに対する第1双音叉振動片の位置と第2ダイヤフラムに対する第2双音叉振動片の位置とは、上述のように真逆になる。このことから、第2双音叉振動片には、第1双音叉振動片に第1振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用したときに、第2振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。また、第2双音叉振動片には、第1双音叉振動片に第1振動腕部の振動方向に交差する方向に引張力が作用したときに、第2振動腕部の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。このように、密閉空間外の圧力が圧力センサに働いたとき、第1双音叉振動片と第2双音叉振動片とでは、互いに同一方向の力が作用する。 The pressure outside the latter sealed space acts on the inside of the pressure sensor as follows. Unlike the former inertial force, the pressure outside the sealed space, which is a force acting on the pressure sensor, works toward the center point in the sealed space or from the center point toward the outer periphery. Moreover, the 1st diaphragm part and the 2nd diaphragm part are provided facing each other so as to sandwich the sealed space. Therefore, the pressure outside the sealed space acts in opposite directions to the first diaphragm portion and the second diaphragm portion. Further, the position of the first double tuning fork vibrating piece with respect to the first diaphragm and the position of the second double tuning fork vibrating piece with respect to the second diaphragm are opposite to each other as described above. From this, when a compressive force is applied to the second double tuning fork vibrating piece in a direction intersecting the vibration direction of the first vibrating arm portion on the first double tuning fork vibrating piece, A compressive force acts in the crossing direction. The second twin tuning fork vibrating piece intersects the vibration direction of the second vibrating arm when a tensile force acts on the first double tuning fork vibrating piece in a direction intersecting the vibration direction of the first vibrating arm. A tensile force acts in the direction. Thus, when the pressure outside the sealed space acts on the pressure sensor, forces in the same direction act on the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork vibrating piece.
ここで、双音叉振動片の共振周波数は、双音叉振動片の振動腕部の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用したときに減少し、引張力が作用したときに増加することが広く知られている。よって、圧力センサが加速度を受けても、加速度により生じる慣性力での第1双音叉振動片の共振周波数の変化分(増加分または減少分)と、第2双音叉振動片の共振周波数の変化分(増加分または減少分)とは、変化の方向が真逆であることから、相殺することが可能である。そして、密閉空間外の圧力での第1双音叉振動片の共振周波数の変化分及び第2双音叉振動片の共振周波数の変化分は、変化の方向が一致していることから、上述の加速度により生じる慣性力での第1双音叉振動片の共振周波数の変化分及び第2双音叉振動片の共振周波数の変化分と区分することが可能である。よって、第1双音叉振動片の共振周波数の変化分と第2双音叉振動片の共振周波数の変化分との和(具体的には前記和の半数。)から、圧力センサは密閉空間外の圧力を近似して求めることが可能である。したがって、加速度が一定である環境及び加速度が変化する環境のいずれの環境においても、圧力センサは、加速度の影響を除外して圧力の検出を行うことが可能である。 Here, the resonance frequency of the double tuning fork vibrating piece generally decreases when a compressive force is applied in a direction intersecting the vibration direction of the vibrating arm portion of the double tuning fork vibrating piece, and increases when a tensile force is applied. Are known. Therefore, even if the pressure sensor receives acceleration, a change (increase or decrease) of the resonance frequency of the first double tuning fork vibrating piece due to an inertial force generated by the acceleration and a change of the resonance frequency of the second double tuning fork vibration piece. Minutes (increase or decrease) can be offset because the direction of change is the opposite. Since the change in the resonance frequency of the first double tuning fork vibrating piece and the change in the resonance frequency of the second double tuning fork vibrating piece due to the pressure outside the sealed space coincide with each other, It is possible to discriminate between a change in the resonance frequency of the first double tuning fork vibrating piece and a change in the resonance frequency of the second double tuning fork vibrating piece due to the inertial force generated by the above. Therefore, from the sum of the change in the resonance frequency of the first twin tuning fork resonator element and the change in the resonance frequency of the second twin tuning fork resonator element (specifically, half the sum), the pressure sensor is outside the sealed space. The pressure can be approximated. Therefore, in any environment where the acceleration is constant and the environment where the acceleration changes, the pressure sensor can detect the pressure without the influence of the acceleration.
[適用例2]上記適用例にかかる圧力センサは、対向する前記第1ダイヤフラム部と前記第2ダイヤフラム部とが平行になるように形成され、前記第1双音叉振動片と前記第2双音叉振動片とが平行に対向するように形成されていることが好ましい。 Application Example 2 The pressure sensor according to the application example is formed so that the first diaphragm portion and the second diaphragm portion facing each other are parallel to each other, and the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork are formed. It is preferable that the vibrating piece is formed so as to face in parallel.
このような構成によれば、第1ダイヤフラム部、第2ダイヤフラム部、第1双音叉振動片、及び第2双音叉振動片が、相互に平行に対向するように形成されていることから、低背化された圧力センサを実現することが可能である。 According to such a configuration, the first diaphragm portion, the second diaphragm portion, the first double tuning fork vibrating piece, and the second double tuning fork vibrating piece are formed so as to face each other in parallel. It is possible to realize a backed pressure sensor.
[適用例3]上記適用例にかかる圧力センサは、前記第1保持部は、前記第1ダイヤフラム部の第1重心に対し対称位置に形成され、前記第2保持部は、前記第2ダイヤフラム部の第2重心に対し対称位置に形成され、前記第1双音叉振動片の一対の前記第1振動腕部は、前記第1重心と前記第2重心とを結んだ直線を通過するように前記第1中央板部を跨ぎ、前記第2双音叉振動片の一対の前記第2振動腕部は、前記直線を通過するように前記第2中央板部を跨いでいることが好ましい。 Application Example 3 In the pressure sensor according to the application example, the first holding part is formed at a symmetrical position with respect to the first center of gravity of the first diaphragm part, and the second holding part is the second diaphragm part. The pair of first vibrating arms of the first double tuning fork vibrating piece is formed so as to pass through a straight line connecting the first center of gravity and the second center of gravity. It is preferable that the pair of second vibrating arm portions of the second double tuning fork vibrating piece straddle the second central plate portion so as to pass through the straight line, straddling the first central plate portion.
このような構成によれば、第1保持部は、第1ダイヤフラム部の第1重心に対し対称位置に形成され、第2保持部は、第2ダイヤフラム部の第2重心に対し対称位置に形成されている。また、第1双音叉振動片の一対の第1振動腕部は、第1重心と第2重心とを結んだ直線を通過するように第1中央板部を跨いでいる。また、第2双音叉振動片の一対の第2振動腕部は、上記の直線を通過するように第2中央板部を跨いでいる。 According to such a configuration, the first holding portion is formed at a symmetrical position with respect to the first center of gravity of the first diaphragm portion, and the second holding portion is formed at a symmetrical position with respect to the second center of gravity of the second diaphragm portion. Has been. Further, the pair of first vibrating arm portions of the first double tuning fork vibrating piece straddles the first central plate portion so as to pass a straight line connecting the first gravity center and the second gravity center. Further, the pair of second vibrating arm portions of the second double tuning fork vibrating piece straddles the second central plate portion so as to pass through the straight line.
このことにより、加速度により生じる慣性力及び密閉空間外の圧力が第1ダイヤフラム部に働き、第1ダイヤフラム部の第1保持部の両箇所(第1双音叉振動片の2つの第1基部が接合されている。)は、互いが反対方向に向かう略同程度の回転をするように移動する。このことから第1双音叉振動片には、第1振動腕部の振動方向に交差する方向に略均等な圧縮力または引張力が作用する。略均等な圧縮力または引張力が第1双音叉振動片に作用することから、変化した後の第1双音叉振動片の共振周波数は安定している。 As a result, the inertial force generated by acceleration and the pressure outside the sealed space act on the first diaphragm portion, and both locations of the first holding portion of the first diaphragm portion (the two first base portions of the first double tuning fork vibrating piece are joined together). ) Move so that they rotate about the same degree toward each other in the opposite direction. From this, a substantially equal compressive force or tensile force acts on the first double tuning fork vibrating piece in a direction intersecting the vibration direction of the first vibrating arm portion. Since a substantially uniform compressive force or tensile force acts on the first double tuning fork vibrating piece, the resonance frequency of the first double tuning fork vibrating piece after the change is stable.
また、加速度により生じる慣性力及び密閉空間外の圧力が第2ダイヤフラム部に働き、第2ダイヤフラム部の第2保持部の両箇所(第2双音叉振動片の2つの第2基部が接合されている。)は、互いが反対方向に向かう略同程度の回転をするように移動する。このことから第2双音叉振動片には、第2双音叉振動片の第2振動腕部の振動方向に交差する方向に略均等な圧縮力または引張力が作用する。略均等な圧縮力または引張力が第2双音叉振動片に作用することから、変化した後の第2双音叉振動片の共振周波数は安定している。よって、加速度が一定である環境及び加速度が変化する環境のいずれの環境においても、加速度の影響をより除外して高精度な圧力の検出を行うことが可能である。 In addition, the inertia force generated by acceleration and the pressure outside the sealed space act on the second diaphragm portion, and both locations of the second holding portion of the second diaphragm portion (the two second base portions of the second double tuning fork vibrating piece are joined together) ) Move so that they rotate about the same degree toward each other in the opposite direction. For this reason, a substantially equal compressive force or tensile force acts on the second double tuning fork vibrating piece in a direction crossing the vibration direction of the second vibrating arm portion of the second double tuning fork vibrating piece. Since a substantially equal compressive force or tensile force acts on the second double tuning fork vibrating piece, the resonance frequency of the second double tuning fork vibrating piece after the change is stable. Therefore, in any environment where the acceleration is constant and the environment where the acceleration changes, it is possible to detect the pressure with high accuracy by excluding the influence of the acceleration.
[適用例4]上記適用例にかかる圧力センサは、前記密閉空間が、減圧状態となるように形成されていることが好ましい。 Application Example 4 The pressure sensor according to the above application example is preferably formed so that the sealed space is in a reduced pressure state.
このような構成によれば、第1双音叉振動片と第2双音叉振動片とは減圧状態の密閉空間内に設置されている。このことにより、第1双音叉振動片及び第2双音叉振動片の振動を阻害する空気抵抗を抑えることができ、第1双音叉振動片及び第2双音叉振動片の安定した振動特性を得ることが可能になる。よって、より高精度な圧力の検出を行うことが可能である。 According to such a configuration, the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork vibrating piece are installed in a sealed space in a reduced pressure state. As a result, it is possible to suppress the air resistance that hinders the vibration of the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork vibrating piece, and to obtain stable vibration characteristics of the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork vibrating piece. It becomes possible. Therefore, it is possible to detect pressure with higher accuracy.
[適用例5]上記適用例にかかる圧力センサは、前記ケース部、前記第1ダイヤフラム部、前記第2ダイヤフラム部、前記第1双音叉振動片、及び前記第2双音叉振動片は、同一のカット角でカットされた水晶で形成されていることが好ましい。 Application Example 5 In the pressure sensor according to the application example, the case portion, the first diaphragm portion, the second diaphragm portion, the first double tuning fork vibrating piece, and the second double tuning fork vibrating piece are the same. It is preferably formed of quartz cut at a cut angle.
このような構成によれば、ケース部、第1ダイヤフラム部、第2ダイヤフラム部、第1双音叉振動片、及び第2双音叉振動片は、同一のカット角でカットされた水晶で形成されている。このことにより、ケース部、第1ダイヤフラム部、第2ダイヤフラム部、第1双音叉振動片、及び第2双音叉振動片の線膨張係数は略等しい。このことから、圧力センサが設置される環境の温度が変化しても、ケース部、第1ダイヤフラム部、第2ダイヤフラム部、第1双音叉振動片、及び第2双音叉振動片は、略同一の比率で膨張または縮小する。よって、圧力センサの構成部間に生じる歪みを最小にすることが可能である。したがって、圧力センサは、環境の温度変化の影響を最小限に抑えて圧力の検出を行うことが可能である。 According to such a configuration, the case portion, the first diaphragm portion, the second diaphragm portion, the first double tuning fork vibrating piece, and the second double tuning fork vibrating piece are formed of crystal cut at the same cut angle. Yes. Accordingly, the linear expansion coefficients of the case portion, the first diaphragm portion, the second diaphragm portion, the first double tuning fork vibrating piece, and the second double tuning fork vibrating piece are substantially equal. Therefore, even if the temperature of the environment in which the pressure sensor is installed changes, the case portion, the first diaphragm portion, the second diaphragm portion, the first double tuning fork vibrating piece, and the second double tuning fork vibrating piece are substantially the same. Inflate or shrink at a ratio of. Therefore, it is possible to minimize the distortion generated between the components of the pressure sensor. Therefore, the pressure sensor can detect pressure while minimizing the influence of environmental temperature changes.
[適用例6]本適用例にかかる圧力測定装置は、上記記載の圧力センサと、前記密閉空間内に前記圧力センサの少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部とを備えていることを特徴とする。 Application Example 6 A pressure measurement device according to this application example includes the pressure sensor described above and a circuit unit having a function of at least driving and controlling the pressure sensor in the sealed space. And
このような構成によれば、圧力測定装置が、圧力センサと圧力センサの密閉空間内に圧力センサの少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部とを備えていることから、圧力測定装置は、圧力の検出から算出までの測定を行うことが可能である。 According to such a configuration, the pressure measuring device includes the pressure sensor and the circuit unit having a function of performing at least driving and control of the pressure sensor in the sealed space of the pressure sensor. Measurements from pressure detection to calculation can be performed.
[適用例7]本適用例にかかる圧力測定装置は、上記記載の圧力センサと、前記密閉空間外に前記圧力センサの少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部とを備えていることを特徴とする。 Application Example 7 A pressure measuring device according to this application example includes the pressure sensor described above and a circuit unit having a function of at least driving and controlling the pressure sensor outside the sealed space. And
このような構成によれば、圧力測定装置が、圧力センサと圧力センサの密閉空間外に圧力センサの少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部とを備えていることから、圧力測定装置は、圧力の検出から算出までの測定を行うことが可能である。 According to such a configuration, the pressure measuring device includes the pressure sensor and a circuit unit having a function of performing at least driving and control of the pressure sensor outside the sealed space of the pressure sensor. Measurements from pressure detection to calculation can be performed.
以下、実施形態を図面に沿って説明する。以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺が実際とは異なる模式図である。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The drawings referred to in the following description are schematic views in which the vertical and horizontal scales of members or portions are different from actual ones for convenience of illustration.
(第1の実施形態)
図1(a)は、第1の実施形態の圧力センサを示す平面図であり、図1(b)は、同図(a)のA−A線断面図である。図1に示すように、圧力センサ1は、ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第1双音叉振動片40、第2ダイヤフラム部30、及び第2双音叉振動片50を備えている。ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第1双音叉振動片40、第2ダイヤフラム部30、及び第2双音叉振動片50は水晶板を用い、フォトリソグラフィー法及びエッチング法などによって形成されている。なお、水晶板は、水晶の結晶軸のX軸回りに所定の角度回転させたZ’軸方向を厚さ方向とし、X軸方向及びY軸方向を平面方向として切り出されたZ板である。
(First embodiment)
Fig.1 (a) is a top view which shows the pressure sensor of 1st Embodiment, FIG.1 (b) is the sectional view on the AA line of the same figure (a). As shown in FIG. 1, the
ケース部10、第1ダイヤフラム部20、及び第2ダイヤフラム部30は、密閉空間90を形成している。また、第1ダイヤフラム部20と第2ダイヤフラム部30とが略平行に対向するように形成されている。また、第1双音叉振動片40と第2双音叉振動片50とが略平行に対向するように形成されている。また、ケース部10は、表裏関係となる対向する周状の端面11,12、貫通孔13及び封止された封止孔部60を有している。また、第1ダイヤフラム部20は、ケース部10の端面11の全周に接合された第1接合部21、第1接合部21の内側に形成された第1薄肉部22、第1薄肉部22の内側に形成された第1保持部23、及び第1保持部23の内側に形成され、第1保持部23の肉厚より薄い肉厚の第1中央板部24を有している。また、第1保持部23は、第1ダイヤフラム部20の第1重心25に対し対称位置に形成されている。また、第1双音叉振動片40は、第1基部41と第1基部42間に形成された第1振動腕部43,44とを有している。また、第1基部41,42は、第1保持部23の端面12側の箇所26,27に接合されている。第1振動腕部43,44は、第1重心25と後述の第2重心35とを結んだ直線Lを通過するように第1中央板部24を跨いでいる。
The
また、第2ダイヤフラム部30は、ケース部10の端面12の全周に接合された第2接合部31、第2接合部31の内側に形成された第2薄肉部32、第2薄肉部32の内側に形成された第2保持部33、及び第2保持部33の内側に形成され、第2保持部33の肉厚より薄い肉厚の第2中央板部34を有している。また、第2保持部33は、第2ダイヤフラム部30の第2重心35に対し対称位置に形成されている。また、第2双音叉振動片50は、第2基部51,52と第2基部51,52間に形成された第2振動腕部53,54とを有している。また、第2基部51,52は、第2保持部33の端面11側の箇所36,37に接合さている。第2振動腕部53,54は、第1重心25と第2重心35とを結んだ直線Lを通過するように第2中央板部34を跨いでいる。
The
ここで、第1ダイヤフラム部20と第1双音叉振動片40、第2ダイヤフラム部30と第2双音叉振動片50とは、エポキシ系の接着剤によって接合されている。また、ケース部10と第1ダイヤフラム部20、ケース部10と第2ダイヤフラム部30とは、低融点ガラスによって接合されている。また、上述の接合の後に密閉空間90が減圧され、減圧後にAu−Sn系の低融点金属を用いた溶融法によって、封止孔部60は封止される。このことによって封止孔部60が封止部となり、密閉空間90は減圧状態が維持される。
Here, the
図2及び図3を用い、双音叉振動片の電極の構成と振動形態の概略について、第1双音叉振動片40を一例として説明する。図2は双音叉振動片の電極の構成を示す概略図である。図3は双音叉振動片の振動形態を示す概略図である。
With reference to FIGS. 2 and 3, the configuration of the electrode of the double tuning fork vibrating piece and the outline of the vibration form will be described by taking the first double tuning
図2に示すように、第1双音叉振動片40の第1振動腕部43,44の表面には、第1振動腕部43,44を励振させるための電極形状の一例としての励振電極71,72が形成されている。励振電極71は、第1振動腕部43の中央部分の上面および下面に設けられた電極77と、第1振動腕部43の中央部分の側面に設けられた励振電極83、84と、第1振動腕部43の第1基部41,42との接続部に近い部分(励振電極71の両側の部分。)の上面および下面に設けられた電極73,74と、第1振動腕部43の第1基部41,42との接続部に近い部分(励振電極71の両側の部分。)の側面に設けられた電極79、80、81、82とから構成されている。励振電極72は、第1振動腕部44の中央部分の上面および下面に設けられた電極78と、第1振動腕部44の中央部分の側面に設けられた電極89、92と、第1振動腕部44の第1基部41,42との接続部に近い部分(励振電極72の両側の部分。)の上面および下面に設けられた電極75,76と、第1振動腕部44の第1基部41,42との接続部に近い部分(励振電極72の両側の部分。)の側面に設けられた電極85〜88とから構成されている。
As shown in FIG. 2,
図3を参照しながら振動について説明する。先ず、図3(b)に示すように、励振電極71を構成する電極73,74,83,84にマイナス(−)電位、電極77,79,80,81,82にプラス(+)電位を印加する。同時に励振電極72を構成する電極75,76,89,92にプラス(+)電位、電極78,85,86,87,88にマイナス(−)電位を印加する。このような電位を印加することにより、図3(a)で示すように略平行状態であった第1振動腕部43,44が、図3(b)で示すように外側に湾曲するように撓む。
The vibration will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3B, a negative (−) potential is applied to the
続いて、図3(c)に示すように、それぞれの電極に図3(b)で示す電位とは逆の電位を印加する。即ち、励振電極71を構成する電極73,74,83,84にプラス(+)電位、電極77,79,80,81,82にマイナス(−)電位を印加する。同時に励振電極72を構成する電極75,76,89,92にマイナス(−)電位、電極78,85,86,87,88にプラス(+)電位を印加する。このような電位を印加することにより、第1振動腕部43,44が、図3(c)で示すように内側に湾曲するように撓む。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a potential opposite to the potential shown in FIG. 3B is applied to each electrode. That is, a positive (+) potential is applied to the
上述の図3(b)と図3(c)とに示す状態の電位を繰り返し印加することにより、所定の共振周波数で第1振動腕部43,44がX方向に振動することになる。本実施形態では、共振周波数が約40KHzとなるように形成された第1双音叉振動片40を用いている。
By repeatedly applying the potentials shown in FIGS. 3B and 3C, the first vibrating
上述のように、所定の共振周波数(約40KHz)で振動する第1双音叉振動片40は、第1振動腕部43,44の振動方向に交差する方向(図2に示すY軸方向。)に圧縮力が加えられたり、逆に引張力が加えられたりするとその共振周波数は変化する。詳述すれば、第1双音叉振動片40は、第1振動腕部43,44の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用すると共振周波数が減少し、逆に引張力が作用すると共振周波数が増加する。なお、この共振周波数の変化は、作用する力の大きさと比例関係を有している。
As described above, the first double tuning
次に、圧力センサ1が受ける加速度により生じる慣性力の圧力センサ1内部への作用について図4(a)に沿って説明する。図4(a)は、図1(a)のA−A線断面を示し、慣性力の圧力センサ内部への作用の説明図である。
Next, the action of the inertia force generated by the acceleration received by the
図4(a)に示すように、圧力センサ1が加速度を矢印αで示す下方向に受けるとき、圧力センサ1には、加速度により生じる慣性力が矢印αとは反対方向の矢印Fで示す上方向に働く。第1ダイヤフラム部20では、第1ダイヤフラム部20の第1薄肉部22がケース部10に接合された第1接合部21に直接繋がり、薄い肉厚であることから、慣性力が働くことにより、第1薄肉部22は第1薄肉部22と第1接合部21との接点を支点にして傾く。第1薄肉部22が傾くことで第1薄肉部22に形成された第1保持部23も、第1薄肉部22と第1接合部21との接点を支点にして傾く。第1保持部23が傾くことにより、第1保持部23は変位するとともに第1保持部23の中心点23a,23bを起点として回転する。第1双音叉振動片40の第1基部41,42が接合された第1保持部23の箇所26,27は、第1ダイヤフラム部20の第1中央板部24を挟んだ位置にあることから、箇所26が矢印R1で示す反時計回りに、箇所27は矢印R2で示す時計回りに回転するように移動する。このように、箇所26と箇所27とは、互いに反対方向に回転するように移動する。上述の回転により第1双音叉振動片40の第1基部41,42が接合された第1保持部23の箇所26,27同士が離れることから、第1双音叉振動片40には第1振動腕部43,44の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。
As shown in FIG. 4 (a), when the
また、第2ダイヤフラム部30にも、第1ダイヤフラム部20と同様に慣性力、回転力が働く。但し、第2ダイヤフラム部30に対する第2双音叉振動片50の位置は、第1ダイヤフラム部20に対する第1双音叉振動片40の位置と真逆になる。このことから、第2双音叉振動片50には、第2双音叉振動片50の第2振動腕部53,54の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。このように、加速度により生じる慣性力が圧力センサ1に働いたとき、第1双音叉振動片40と第2双音叉振動片50とでは、互いに反対方向の力が作用する。また、圧力センサ1が図4(a)に示す矢印αの方向の反対方向に加速度を受けたときは、加速度により生じる慣性力、慣性力が作用し生じる回転、第1双音叉振動片40及び第2双音叉振動片50に作用する力の方向が全て反対方向となる。
In addition, the inertial force and the rotational force act on the
次に、重力の圧力センサ1内部への作用について図4(b)に沿って説明する。図4(b)は、図1(a)のA−A線断面を示し、重力の圧力センサ内部への作用の説明図である。図4(b)に示すように、圧力センサ1に重力が矢印Fgの方向に働くと、重力によって、圧力センサ1は矢印gの方向に重力加速度を得る。重力の圧力センサ1内部への作用は、上述の加速度により生じる慣性力の圧力センサ1内部への作用の理屈と同様であり、第1双音叉振動片40に引張力、第2双音叉振動片50に圧縮力が作用する。
Next, the action of gravity on the
次に、密閉空間90外の圧力の圧力センサ1内部への作用について図4(c)に沿って説明する。図4(c)は、図1(a)のA−A線断面を示し、密閉空間外の圧力の圧力センサ内部への作用の説明図である。圧力センサ1に上述の慣性力及び密閉空間90外の圧力が働くが、密閉空間90外の圧力のみの圧力センサ1内部への作用を説明するため、圧力センサ1には慣性力が働いていないと仮定する。また、一例として、密閉空間90外の圧力は、密閉空間90内の圧力より大きい場合とする。
Next, the action of the pressure outside the sealed
図4(c)に示すように、圧力センサ1には、密閉空間90内の中心点91に向かうように、矢印P3,P4で示す方向に密閉空間90外の圧力が働く。第1ダイヤフラム部20に働く密閉空間90外の圧力の方向である矢印P3は、上述の第1ダイヤフラム部20に働く慣性力の方向の矢印Fと同じ方向である。よって、慣性力が働いたときと同じ理屈で、第1双音叉振動片40には、第1振動腕部43,44の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。他方、第2ダイヤフラム部30は、密閉空間90を挟むように第1ダイヤフラム部20に対向して備えられている。また、第2ダイヤフラム部30に対する第2双音叉振動片50の位置は、第1ダイヤフラム部20に対する第1双音叉振動片40の位置と真逆になっている。このことから、第2双音叉振動片50には、第2振動腕部53,54の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。このように、密閉空間90外の圧力が圧力センサ1に働いたとき、第1双音叉振動片40と第2双音叉振動片50とでは、互いに同一方向の力が作用する。
As shown in FIG. 4C, the pressure outside the sealed
なお、密閉空間90外の圧力が密閉空間90内の圧力より小さい場合については、密閉空間90外の圧力が働く方向は、図示しないが矢印P3,P4の反対方向となる。よって、第1双音叉振動片40には、第1振動腕部43,44の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用し、第2双音叉振動片50には、第2振動腕部53,54の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。
In the case where the pressure outside the sealed
次に、圧力の検出について図に沿って説明する。図5は、圧力の検出についての説明図である。横軸が第1双音叉振動片40、または第2双音叉振動片50に作用する力(プラス方向が引張力、マイナス方向が圧縮力。)を示し、縦軸が、第1双音叉振動片40、または第2双音叉振動片50の共振周波数を示す。なお、圧力の検出を行う際に、上述の加速度により生じる慣性力と密閉空間90外の圧力とが、共に圧力センサ1内部へ作用している。このことから、図4(a)に示すように、加速度により生じる慣性力によって、第1双音叉振動片には引張力が、第2双音叉振動片には圧縮力が作用し、図4(c)に示すように、密閉空間90外の圧力が矢印P3,P4の方向に働き、第1双音叉振動片及び第2双音叉振動片には引張力が作用している場合について以下に一例として説明する。
Next, detection of pressure will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is an explanatory diagram of pressure detection. The horizontal axis indicates the force acting on the first double tuning
図5に示すように、密閉空間90外の圧力Fpによる第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δfp1、第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δfp2から、第1双音叉振動片40の共振周波数及び第2双音叉振動片50の共振周波数は共振周波数fpとなっている。また、上述のように、加速度により生じる慣性力によって、第1双音叉振動片40には引張力ΔF1が作用し、第2双音叉振動片50には圧縮力ΔF2が作用している。その結果、第1双音叉振動片40の共振周波数は変化分Δf1変化し、第2双音叉振動片50の共振周波数は変化分Δf2変化する。第1双音叉振動片40に作用する引張力ΔF1と、第2双音叉振動片50に作用する圧縮力ΔF2とは作用する方向が真逆であることから、それぞれに対応する共振周波数の変化分Δf1と変化分Δf2とは、変化の方向が真逆になる。よって、第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δf1と、第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δf2とは相殺することができる。そして、後者の密閉空間90外の圧力Fpによる第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δfp1及び第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δfp2は、変化の方向が一致していることから、上述の加速度により生じる慣性力での第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δf1及び第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δf2と区分できる。したがって、第1双音叉振動片40の共振周波数(fp+Δf1)と第2双音叉振動片50の共振周波数(fp−Δf2)との和(具体的には前記和の半数。)から、圧力センサ1は密閉空間90外の圧力Fpを加速度の影響を除外し、近似して求めることができる。
As shown in FIG. 5, from the change Δfp 1 of the resonance frequency of the first double tuning
上述の第1の実施形態では、以下の効果が得られる。
(1)加速度により生じる慣性力による第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δf1と、第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δf2とは、変化の方向が真逆であることから、相殺することができる。密閉空間90外の圧力Fpによる第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δfp1及び第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δfp2は、変化の方向が一致していることから、上述の加速度により生じる慣性力での第1双音叉振動片40の共振周波数の変化分Δf1及び第2双音叉振動片50の共振周波数の変化分Δf2と区分できる。よって、第1双音叉振動片40の共振周波数(fp+Δf1)と第2双音叉振動片50の共振周波数(fp−Δf2)との和の半数から、圧力センサ1は加速度による影響を除外して密閉空間90外の圧力Fpを検出することができる。したがって、加速度が一定である環境及び加速度が変化する環境のいずれの環境においても、圧力センサ1は、加速度の影響を除外して圧力Fpの検出を行うことができる。
In the first embodiment described above, the following effects are obtained.
(1) The direction of change between the change Δf 1 of the resonance frequency of the first double tuning
(2)第1ダイヤフラム部20、第2ダイヤフラム部30、第1双音叉振動片40、及び第2双音叉振動片50が、相互に略平行に対向するように形成されていることから、低背化された圧力センサ1を実現することができる。例えば、特許文献1の圧力センサを反対向きに2個用いた場合は、結果として、密閉空間を2つ形成することになり、本実施形態と比べると大型になる。また、本実施形態の圧力センサ1は密閉空間が1つで済むため、製造コスト低減と歩留り向上の効果が得られる。
(2) Since the
(3)第1保持部23は、第1ダイヤフラム部20の第1重心25に対し対称位置に形成され、第2保持部33は、第2ダイヤフラム部30の第2重心35に対し対称位置に形成されている。また、第1双音叉振動片40の第1振動腕部43,44は、第1重心25と第2重心35とを結んだ直線Lを通過するように第1中央板部24を横切っている。また、第2双音叉振動片50の第2振動腕部53,54は、直線Lを通過するように第2中央板部34を横切っている。このことにより、加速度により生じる慣性力及び密閉空間90外の圧力Fpが第1ダイヤフラム部20に働き、第1ダイヤフラム部20の第1保持部23の箇所26,27は、互いが反対方向に向かう略同程度の回転をするように移動する。このことから第1双音叉振動片40には、Y方向に略均等な圧縮力または引張力が作用する。略均等な圧縮力または引張力が第1双音叉振動片40に作用することから、変化した後の第1双音叉振動片40の共振周波数は安定している。また、加速度により生じる慣性力及び密閉空間90外の圧力Fpが第2ダイヤフラム部30に働き、第2ダイヤフラム部30の第2保持部33の箇所36,37は、互いが反対方向に向かう略同程度の回転をするように移動する。このことから第2双音叉振動片50には、Y方向に略均等な圧縮力または引張力が作用する。略均等な圧縮力または引張力が第2双音叉振動片50に作用することから、変化した後の第2双音叉振動片50の共振周波数は安定している。よって、加速度が一定である環境及び加速度が変化する環境のいずれの環境においても、圧力センサ1は、加速度の影響をより除外して高精度な圧力Fpの検出を行うことができる。
(3) The first holding
(4)第1双音叉振動片40と第2双音叉振動片50とは減圧状態の密閉空間90内に設置されている。このことにより、第1双音叉振動片40及び第2双音叉振動片50の振動を阻害する空気抵抗を抑えることができ、第1双音叉振動片40及び第2双音叉振動片50の安定した振動特性を得ることができる。よって、より高精度な圧力Fpの検出を行うことができる。
(4) The first double tuning
(5)ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第2ダイヤフラム部30、第1双音叉振動片40、及び第2双音叉振動片50は、同一のカット角でカットされた水晶で形成されている。このことにより、ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第2ダイヤフラム部30、第1双音叉振動片40、及び第2双音叉振動片50の線膨張係数は等しい。このことから、圧力センサ1が設置される環境の温度が変化しても、ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第2ダイヤフラム部30、第1双音叉振動片40、及び第2双音叉振動片50は、略同一の比率で膨張または縮小する。よって、圧力センサ1の構成部間に生じる歪みを最小にすることができる。したがって、圧力センサ1は、環境の温度変化の影響を最小限に抑えて圧力Fpの検出を行うことができる。
(5) The
(第2の実施形態)
本実施形態では、上述の実施形態と同じ内容については説明を省き、異なる内容を説明する。図6(a)は、第2の実施形態の圧力測定装置を示す平面図であり、図6(b)は、同図(a)のB−B線断面図である。図6に示すように、圧力測定装置2は、圧力センサ1と回路部3とを備えている。また、回路部3は、密閉空間90内のケース部10に形成され、圧力センサ1の少なくとも駆動及び制御を行う機能を有している。なお、ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第2ダイヤフラム部30には、図示しない金属配線などの回路パターンが形成されている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, description of the same content as the above-described embodiment will be omitted, and different content will be described. FIG. 6A is a plan view showing a pressure measuring device according to the second embodiment, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. As shown in FIG. 6, the
上述の第2の実施形態では、以下の効果が得られる。
(6)圧力測定装置2が、圧力センサ1と圧力センサ1の密閉空間90内に圧力センサ1の少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部3とを備えていることから、圧力測定装置2は圧力Fpの検出から算出までの測定を行うことができる。
In the second embodiment described above, the following effects are obtained.
(6) Since the
(第3の実施形態)
本実施形態では、上述の実施形態と同じ内容については説明を省き、異なる内容を説明する。図7は、第3の実施形態の圧力測定装置を示す断面図である。図7に示すように、圧力測定装置5は、圧力センサ1と回路部3と実装基板4とを備えている。また、回路部3は、圧力センサ1の少なくとも駆動及び制御を行う機能を有している。なお、実装基板4には、図示しない金属配線などの回路パターンが形成されている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, description of the same content as the above-described embodiment will be omitted, and different content will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a pressure measuring device according to the third embodiment. As shown in FIG. 7, the
上述の第3の実施形態では、以下の効果が得られる。
(7)圧力測定装置5が、圧力センサ1と圧力センサ1の密閉空間90外に圧力センサ1の少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部3とを備えていることから、圧力測定装置5は、圧力Fpの検出から算出までの測定を行うことができる。
In the above-described third embodiment, the following effects can be obtained.
(7) Since the
(比較例)
本比較例では上述の実施形態と比較するため、従来から使用されるひとつの圧力センサについて説明する。ここでは、上述の実施形態と同じ内容については説明を省き、異なる内容を説明する。図8(a)は、本比較例の圧力センサを示す平面図であり、図8(b)は、同図(a)のC−C線断面図である。図8に示すように、圧力センサ101は、ケース部110、ダイヤフラム部120、第1双音叉振動片140、第2双音叉振動片150、及びカバー部170を備えている。カバー部170も、他の構成部同様に水晶板を用い、フォトリソグラフィー法及びエッチング法などによって形成されている。
(Comparative example)
In this comparative example, for comparison with the above-described embodiment, a conventional pressure sensor will be described. Here, a description of the same content as the above-described embodiment will be omitted, and a different content will be described. FIG. 8A is a plan view showing a pressure sensor of this comparative example, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 8A. As shown in FIG. 8, the
ケース部110、ダイヤフラム部120及びカバー部170は、密閉空間190を形成している。ケース部110は、平板部111と、平板部111上の外周に形成された枠部112と、平板部111に形成された封止された封止孔部160を有している。また、ダイヤフラム部120は、枠部112の全周に接続された接合部121、接合部121の内側に形成された薄肉部122、薄肉部122の内側に形成された保持部123、及び保持部123の内側に形成された貫通孔部124を備えている。第1双音叉振動片140は、保持部123のケース部110側の箇所126,127に接合されている。第2双音叉振動片150は、保持部123のカバー部170側の箇所128,129に接合されている。このように、1つのダイヤフラム部120の表裏に重心125を挟んで略平行に対向して、第1双音叉振動片140と第2双音叉振動片150とが接合されている。カバー部170は、保持部123の反ケース部110部側の箇所128,129に第2双音叉振動片150を覆うように接合されている。ここで、ダイヤフラム部120とカバー部170とは、低融点ガラスによって接合されている。
The
次に、圧力センサ101が受ける加速度により生じる慣性力の圧力センサ101内部への作用について図9(a)に沿って説明する。図9(a)は、図8(a)のC−C線断面を示し、慣性力の圧力センサ内部への作用の説明図である。
Next, the action of the inertia force generated by the acceleration received by the
図9(a)に示すように、圧力センサ101が加速度を矢印αで示す下方向に受けるとき、圧力センサ101には、加速度により生じる慣性力が矢印αとは反対方向の矢印Fで示す上方向に働く。ダイヤフラム部120では、ダイヤフラム部120の薄肉部122が枠部112に接合された接合部121に直接繋がり、薄い肉厚であることから、慣性力が働くことにより、薄肉部122は薄肉部122と接合部121との接点を支点にしてカバー部170側に傾く。薄肉部122が傾くことで保持部123も傾き、保持部123は変位するとともに保持部123の中心点123a,123bを起点として回転する。保持部123の箇所126,128と箇所127,129とは、ダイヤフラム部120の貫通孔部124を挟んだ位置にあることから、箇所126,128が矢印R1で示す反時計回りに、箇所127,129は矢印R2で示す時計回りに回転するように移動する。このように、箇所126,128と箇所127,129とは、互いに反対方向に回転するように移動する。上述の回転により保持部123の箇所128,129同士が遠ざかることから、第2双音叉振動片150には第2振動腕部153,154(図8参照)の振動方向に交差する方向に引張力が作用する、また、箇所126,127同士が近づくことから、第1双音叉振動片140には第1振動腕部143,144の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。
As shown in FIG. 9A, when the
次に、重力の圧力センサ101内部への作用について図9(b)に沿って説明する。図9(b)は、図8(a)のC−C線断面を示し、重力の圧力センサ内部への作用の説明図である。図9(b)に示すように、圧力センサ101に重力が矢印Fgの方向に働くと、重力によって、圧力センサ101は矢印gの方向の重力加速度を得る。重力の圧力センサ101内部への作用は、上述の加速度により生じる慣性力の加速度センサ101内部への作用の理屈と同様であり、第1双音叉振動片140に引張力、第2双音叉振動片150に圧縮力が作用する。
Next, the action of gravity on the
次に、圧力センサ1が密閉空間90外の圧力Fpの圧力センサ1内部への作用について図9(c)に沿って説明する。図9(c)は、図8(a)のC−C線断面を示し、密閉空間外の圧力の圧力センサ内部への作用の説明図である。圧力センサ101には慣性力が働いていないと仮定する。また、一例として、密閉空間190外の圧力Fpは、密閉空間190内の圧力より大きい場合とする。
Next, the action of the pressure Fp outside the sealed
図9(c)に示すように、圧力センサ101には、密閉空間190内に向かうように、矢印P5で示す方向に密閉空間190外の圧力Fpが働く。ダイヤフラム部120では、ダイヤフラム部120の薄肉部122が枠部112に接合された接合部121に直接繋がり、薄い肉厚であることから、密閉空間190外の圧力Fpが働くことにより、薄肉部122は薄肉部122と接合部121との接点を支点にしてケース部110側に傾く。薄肉部122が傾くことで保持部123も傾き、保持部123は変位するとともに保持部123の中心点123a,123bを起点として回転する。保持部123の箇所126,128と箇所127,129とは、ダイヤフラム部120の貫通孔部124を挟んだ位置にあることから、箇所126,128が矢印R3で示す時計回りに、箇所127,129は矢印R4で示す反時計回りに回転するように移動する。このように、箇所126,128と箇所127,129とは、互いに反対方向に回転するように移動する。上述の回転により保持部123の箇所128,129同士が近づくことから、第2双音叉振動片150には第2振動腕部153,154の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用する。また、箇所126,127同士が遠ざかることから、第1双音叉振動片140には第1振動腕部143,144の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。
As shown in FIG. 9C, the pressure Fp outside the sealed
なお、密閉空間190外の圧力Fpが密閉空間190内の圧力より小さい場合については、密閉空間190外の圧力Fpが働く方向は、図示しないが矢印P5の反対方向となる。よって、第1双音叉振動片140には、第1振動腕部143,144の振動方向に交差する方向に圧縮力が作用し、第2双音叉振動片150には、第2振動腕部153,154の振動方向に交差する方向に引張力が作用する。
When the pressure Fp outside the sealed
圧力Fpの検出を行う際に、上述の加速度により生じる慣性力と密閉空間190外の圧力Fpとが、共に圧力センサ101内部へ作用している。前者の加速度により生じる慣性力による第1双音叉振動片140の共振周波数の変化分(増加分または減少分)と、第2双音叉振動片150の共振周波数の変化分(増加分または減少分)とが変化の方向が真逆であることから、第1双音叉振動片140の共振周波数の変化分と、第2双音叉振動片150の共振周波数の変化分とは、上述の実施形態の圧力センサ1と同様に相殺することができる。しかしながら、後者の密閉空間190外の圧力Fpによる第1双音叉振動片140の共振周波数の変化分と、第2双音叉振動片150の共振周波数の変化分とが、上述の実施形態の圧力センサ1と異なり、変化の方向が一致していない(変化の方向が真逆である。)。このことから、上述の加速度により生じる慣性力での第1双音叉振動片140の共振周波数の変化分及び第2双音叉振動片150の共振周波数の変化分と区分できない。したがって、圧力センサ101は、加速度の影響を除外して圧力Fpの検出を行うことができない。
When the pressure Fp is detected, the inertial force generated by the acceleration and the pressure Fp outside the sealed
なお、上記実施形態は上述の内容に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲において上述の内容以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、ケース部10、第1ダイヤフラム部20、第1双音叉振動片40、第2ダイヤフラム部30、及び第2双音叉振動片50の材料は、一例として酸化亜鉛、タンタル酸リチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウムなどであってもよい。
In addition, the said embodiment is not limited to the above-mentioned content, In the range which does not deviate from the main point, it is possible to perform a various change other than the above-mentioned content. For example, the material of the
また、第1保持部23は、第1中央板部24を挟んで形成された複数個の保持部であってもよく、第2保持部33は、第2中央板部34を挟んで形成された複数個の保持部であってもよい。
Further, the first holding
また、第1ダイヤフラム部20と第1双音叉振動片40、第2ダイヤフラム部30と第2双音叉振動片50との接合は、アクリル系、イミド系、ウレタン系、ポリサルフォン系などの接着剤を用いてもよい。
Further, the
また、封止孔部60の封止は、Au−Ge系などの低融点金属を用いてもよい。
The sealing
また、封止孔部60は、第1ダイヤフラム部20または第2ダイヤフラム部30に形成されていてもよい。
Further, the sealing
1…圧力センサ、2,5…圧力測定装置、3…回路部、10…ケース部、11,12…端面、13…貫通孔、20…第1ダイヤフラム部、21…第1接合部、22…第1薄肉部、23…第1保持部、24…第1中央板部、25…第1重心、30…第2ダイヤフラム部、31…第2接合部、32…第2薄肉部、33…第2保持部、34…第2中央板部、35…第2重心、40…第1双音叉振動片、41,42…第1基部、43,44…第1振動腕部、50…第2双音叉振動片、51,52…第2基部、53,54…第2振動腕部、90…密閉空間、L…直線。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ケース部の一方の前記端面の全周に接合された第1接合部と、前記第1接合部の内側に形成された第1薄肉部と、前記第1薄肉部の内側に形成された第1保持部と、前記第1保持部の内側に形成され、前記第1保持部の肉厚より薄い肉厚の第1中央板部とを有した第1ダイヤフラム部と、
前記ケース部の他方の前記端面の全周に接合された第2接合部と、前記第2接合部の内側に形成された第2薄肉部と、前記第2薄肉部の内側に形成された第2保持部と、前記第2保持部の内側に形成され、前記第2保持部の肉厚より薄い肉厚の第2中央板部とを有した第2ダイヤフラム部と、
前記ケース部と、対向するように形成された前記第1ダイヤフラム部及び前記第2ダイヤフラム部とで形成された密閉空間と、
前記第1保持部の前記密閉空間側に接合された2つの第1基部と、前記第1中央板部を跨ぎ、2つの前記第1基部間に形成された一対の第1振動腕部とを有し、前記第1ダイヤフラム部に対向した第1双音叉振動片と、
前記第2保持部の前記密閉空間側に接合された2つの第2基部と、前記第2中央板部を跨ぎ、2つの前記第2基部間に形成された一対の第2振動腕部とを有し、前記第2ダイヤフラム部に対向した第2双音叉振動片とを備えていることを特徴とする圧力センサ。 A case portion having opposing circumferential end faces and a through hole formed in the central portion;
A first joint part joined to the entire circumference of one end face of the case part, a first thin part formed inside the first joint part, and a first joint part formed inside the first thin part. A first diaphragm portion having one holding portion and a first central plate portion formed on the inner side of the first holding portion and having a thickness smaller than a thickness of the first holding portion;
A second joint part joined to the entire circumference of the other end surface of the case part; a second thin part formed inside the second joint part; and a second joint part formed inside the second thin part. A second diaphragm portion having two holding portions and a second central plate portion formed on the inner side of the second holding portion and having a thickness smaller than a thickness of the second holding portion;
A sealed space formed by the case portion and the first diaphragm portion and the second diaphragm portion formed to face each other;
Two first base parts joined to the sealed space side of the first holding part, and a pair of first vibrating arm parts formed between the two first base parts across the first central plate part A first double tuning fork vibrating piece facing the first diaphragm portion;
Two second base parts joined to the sealed space side of the second holding part, and a pair of second vibrating arm parts formed between the two second base parts across the second central plate part And a second double tuning fork vibrating piece facing the second diaphragm portion.
対向する前記第1ダイヤフラム部と前記第2ダイヤフラム部とが平行になるように形成され、
前記第1双音叉振動片と前記第2双音叉振動片とが平行に対向するように形成されていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1.
The first diaphragm part and the second diaphragm part facing each other are formed in parallel,
The pressure sensor, wherein the first double tuning fork vibrating piece and the second double tuning fork vibrating piece are formed to face each other in parallel.
前記第1保持部は、前記第1ダイヤフラム部の第1重心に対し対称位置に形成され、
前記第2保持部は、前記第2ダイヤフラム部の第2重心に対し対称位置に形成され、
前記第1双音叉振動片の一対の前記第1振動腕部は、前記第1重心と前記第2重心とを結んだ直線を通過するように前記第1中央板部を跨ぎ、
前記第2双音叉振動片の一対の前記第2振動腕部は、前記直線を通過するように前記第2中央板部を跨いでいることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 1 or 2,
The first holding part is formed at a symmetrical position with respect to the first center of gravity of the first diaphragm part,
The second holding part is formed at a symmetrical position with respect to the second center of gravity of the second diaphragm part,
A pair of the first vibrating arms of the first double tuning fork vibrating piece straddles the first central plate so as to pass through a straight line connecting the first center of gravity and the second center of gravity,
The pair of second vibrating arm portions of the second double tuning fork vibrating piece straddles the second central plate portion so as to pass through the straight line.
前記密閉空間は、減圧状態となるように形成されていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3,
The pressure sensor, wherein the sealed space is formed to be in a reduced pressure state.
前記ケース部、前記第1ダイヤフラム部、前記第2ダイヤフラム部、前記第1双音叉振動片、及び前記第2双音叉振動片は、同一のカット角でカットされた水晶で形成されていることを特徴とする圧力センサ。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 4,
The case portion, the first diaphragm portion, the second diaphragm portion, the first double tuning fork vibrating piece, and the second double tuning fork vibrating piece are formed of crystal cut at the same cut angle. A featured pressure sensor.
前記密閉空間内に前記圧力センサの少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部とを備えていることを特徴とする圧力測定装置。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 5,
A pressure measuring apparatus comprising: a circuit unit having a function of at least driving and controlling the pressure sensor in the sealed space.
前記密閉空間外に前記圧力センサの少なくとも駆動及び制御を行う機能を有する回路部とを備えていることを特徴とする圧力測定装置。 The pressure sensor according to any one of claims 1 to 5,
A pressure measuring device comprising a circuit unit having a function of at least driving and controlling the pressure sensor outside the sealed space.
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