JP2011095188A - 圧力センサー素子及び圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲振動モードの圧電振動片を用いた圧力センサーにおいて、振動漏れの抑制、絶対圧力及び相対圧力を測定可能にし、センサー感度の向上を図る。
【解決手段】圧力センサー素子板２１は、振動ビーム２７の少なくとも一方の基端部２８から幅方向に延出して該振動ビームと平行に延長する力伝達アーム３４ａ，３４ｂを有する圧電振動片２５と、その外側に配置されて圧電振動片の基端部に結合される支持フレーム２６と、基端部２８と支持フレーム間を連結する連結部３２とを備え、連結部には振動ビームの長手方向に沿ってかつその厚さ方向の中心線２７ａに関して上下非対称に形成された薄肉部３３を有する。圧力センサー素子板を上下に挟んで積層した第１及び第２ダイヤフラム板２２，２３は、その薄板部３７，４０内面に形成した突起部３８ａ，３８ｂ，４１ａ，４ｂが、対応する力伝達アームの上下面にそれぞれ固着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば気圧、水圧等の流体圧や水位等を測定するために使用する圧力センサーに関し、特に屈曲振動モードの圧電振動片を用いた圧力センサー素子及びそれを用いた圧力センサーに関する。

一般に圧電振動子は、応力が印加されるとその大きさによって共振周波数が変化する性質を有する。特に屈曲振動モードの圧電振動子は、他の振動モードに比して印加応力に対する周波数変化率が大きいことが知られている。そこで従来から、この圧電振動子の周波数変化を利用した様々なセンサーが開発されている。

例えば、平行な２本の振動ビームとそれらの両端を結合する基端部とからなる双音叉圧電振動片を、両基端部において接着剤等によりダイヤフラムの表面に固定した圧力センサーが知られている（特許文献１を参照）。この構造では、ダイヤフラムが圧力を受けて撓むと、それに対応して圧電振動片が撓み、ダイヤフラムが受ける圧力の向きによって振動ビームにその両端から圧縮方向又は引張方向の力が作用する。従って、圧電振動片の周波数変化から、ダイヤフラムが受けた絶対圧力を測定することができる。

同様に、双音叉圧電振動片をその両端の基端部でダイヤフラムの表面に固定した圧力センサーにおいて、ダイヤフラムの外側受圧面に突起部を設ける構造が提案されている（特許文献２を参照）。この突起部によって、ダイヤフラムは、双音叉圧電振動片の各基端部を固定するための支持部間が厚肉に形成されるので、高い圧力が作用しても、ダイヤフラム内面が円弧状に大きく変形して双音叉圧電振動片に接触することを防止し、圧力センサーの精度劣化を抑制することができる。

また、２枚の圧電ダイヤフラムを積層し、それらの対向面に設けた凹部により画定される内部空間の底面に双音叉圧電振動子の両基端部を固定した感圧素子からなる圧力センサーが知られている（例えば、特許文献３を参照）。両圧電ダイヤフラムは、凹部の中央近傍で力伝達用柱により互いに連結されており、その各面に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２の大きさによって上向き又は下向き凸に、一体となって同様に変形する。従って、双音叉圧電振動子の両端には、圧力Ｐ１，Ｐ２の大きさに対応して圧縮方向又は引張方向の力が作用するので、圧力の正負を区別して検知でき、絶対圧力及び相対圧力のいずれも測定することができる。

上述した従来の圧力センサーは、ダイヤフラムに圧電振動子を支持する構造が比較的複雑で、製造時の組み付け工数が増える虞がある。そこで、双音叉圧電振動片の外側に矩形フレームを配置しかつ該フレームと双音叉圧電振動片の各基端部とを結合して一体化し、フレームの表裏各面にそれぞれダイヤフラム板を積層して一体に接合した圧力センサーが提案されている（例えば、特許文献４を参照）。

図１２（Ａ）、（Ｂ）は、特許文献４に記載される構造の圧力センサーの典型例を示している。この圧力センサー１は、圧力センサー素子２と第１及び第２ダイヤフラム板３，４とを一体に積層して気密に接合した３層構造を有する。圧力センサー素子２は、双音叉圧電振動片５とその外側に配置した矩形フレーム６とを備える。双音叉圧電振動片５は、平行に延長する２本の振動ビーム７ａ，７ｂと、それらの両端をそれぞれ結合する基端部８，９と、前記両振動ビームの表面にパターン形成した励振電極１０ａ，１０ｂとを有する。圧力振動片５はフレーム６の内側略中央に配置され、各基端部において連結部１１，１２によりフレーム６と連結されている。第１及び第２ダイヤフラム板３，４は、それらの内面に凹部１３，１４を有し、前記両ダイヤフラム板の周辺部とフレーム６の上下面とを接合することにより、それらの間に画定される内部空間に圧力振動片５を気密に封止している。

第１及び第２ダイヤフラム板３，４は、図１２（Ｂ）に示すように外部圧力Ｐ１，Ｐ２が印加されると、内側即ち圧力振動片５側へ湾曲する。この力は、前記各ダイヤフラム板の周辺部から圧力センサー素子２のフレーム６に伝達され、該フレームに外向きの力Ｆを作用させる。これによって、圧力振動片５の両基端部８，９には引張方向の力が作用し、前記圧力振動片の周波数が上昇する向きに変化する。

実開平１−１０２７３６号公報（実願昭６２−１９８４０６） 特開２００７−３２７９２２号公報 特開２００４−１３２９１３号公報 特許第３９６９４４２号公報

しかしながら、上述した従来の圧力センサーは、いずれも双音叉圧電振動片の両基端部をダイヤフラム側の支持部に直接結合し、かつこの結合部分から外部圧力によるダイヤフラムの変形を圧電振動片に直接伝達する構造となっている。そのため、励振中の圧電振動片から振動が支持部を介してダイヤフラム側に漏れる虞があった。通常ダイヤフラム側の固有振動数は、外部圧力が無い状態では圧電振動片の発振周波数とは共振しないように設計されている。ところが、圧電振動片の共振周波数が外部圧力の作用で変化したとき、漏れた圧電振動片の振動とダイヤフラム側の固有振動数とがカップリングして共振するような周波数が存在する虞がある。そのような共振が発生した場合、圧電振動片の共振周波数が大きく変動して圧力センサーの検出精度を大幅に低下させるという不都合が生じる。

特に、特許文献１，２に記載される構造の圧力センサーは、絶対圧力しか測定できないという問題がある。これに対し、特許文献３記載の圧力センサーは、２枚の圧電ダイヤフラムが力伝達用柱により同じ向きに変形するので、それぞれが受ける圧力Ｐ１，Ｐ２の相対圧力をも検出することができる。しかしながら、圧電振動片を支持する下側のダイヤフラムと上側のダイヤフラムとが上下に非対称な構造のため、同じ外部圧力を受けた場合でも両ダイヤフラムの変形量に差が生じる。そのため、検出される圧力の測定値に誤差が発生する虞がある。

また、特許文献４記載の圧力センサーは、圧力Ｐ１，Ｐ２の大小に拘わらず、第１及び第２ダイヤフラム板から圧電振動片の基端部には引張方向の力しか作用しないので、絶対圧力しか測定できないという問題がある。更に、一般に環状のフレームを外向きに変形させるためには、相当大きな力が必要である。しかも、各ダイヤフラム板が受けた圧力を９０°異なる向きに変換して伝達するので、フレームの変形量はダイヤフラムの変形量に比して大幅に減少する虞がある。そのため、圧力センサーの感度が低下するという問題が発生する。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、屈曲振動モードの圧電振動片からなる圧力センサー素子と、外部から圧力等を受けるためのダイヤフラムのような受圧部材とを備え、圧力センサー素子を圧電振動片の長手方向両端の基端部で支持する圧力センサーにおいて、圧電振動片の外部への振動漏れを有効に抑制し、絶対圧力及び相対圧力のいずれも測定可能にし、センサー感度の向上を図ることにある。

本発明の別の目的は、かかる圧力センサーに適した圧力センサー素子を提供することにある。

本発明の圧力センサー素子は、上記目的を達成するために、振動ビーム、振動ビームの長手方向両端の基端部、振動ビームの表面に形成されて該振動ビームを屈曲振動モードで励振するための励振電極、及び少なくとも一方の基端部から延出して振動ビームと平行に延長する力伝達アームを有する圧電振動片と、圧電振動片を支持するために各基端部にそれぞれ結合される支持部と、少なくとも一方の基端部から振動ビームと同軸上にかつそれとは反対向きに延長して支持部との間に設けられる連結部とを備え、連結部が振動ビームの長手方向に沿って形成される薄肉部を有することを特徴とする。

この圧力センサー素子は、力伝達アームが、ダイヤフラム等の受圧部材から伝達された力を受けて、該力伝達アームを結合する基端部を支点として弾性変形する。この変形が基端部から振動ビームに伝達されて、その長手方向に力伝達アームの変形に応じた大きさの力を作用させる。この力によって振動ビームの周波数が変化するので、その変化量を検出することによって受圧部材が受けた力を測定することができる。このとき、励振中の振動ビームから基端部を介して力伝達アームに漏れた振動は、力伝達アーム中を伝搬する間に減衰されるので、外部への振動漏れを有効に抑制することができる。また、力伝達アームが受けた力は、基端部を支点としたてこの作用で増幅されるので、高精度で高いセンサー感度を実現することができる。

或る実施例では、連結部の薄肉部が振動ビームの厚さ方向の中心線に関して上下非対称に設けられる。これにより、振動ビームには、力伝達アームの変形の向きによって圧縮方向又は引張方向の力が作用するので、その作用方向によって振動ビームの周波数が上昇又は下降する向きに変化する。従って、振動ビームの周波数変化量から、力伝達アームが受けた力の向きを判別することができる。

別の実施例では、力伝達アームが振動ビームの長手方向両端の基端部にそれぞれ設けられ、連結部が振動ビームの長手方向両端の各基端部と支持部との間にそれぞれ設けられ、各連結部の薄肉部が、互いに振動ビームの厚さ方向の中心線に関して上下同じ側に設けられる。これにより、力伝達アームの変形が、振動ビームにその長手方向両端から対称的に伝達されるので、振動ビームに好ましくない非対称な振動を発生させる虞が無く、より安定して高精度なセンサー感度を得ることができる。

また、別の実施例によれば、圧電振動片が平行に延長する２本の振動ビームを有し、かつ各振動ビームについてそれぞれ連結部が、力伝達アームを設けた側の基端部と支持部との間に設けられ、両振動ビームの連結部は、薄肉部が互いに振動ビームの厚さ方向の中心線に関して上下反対側に設けられる。これにより、力伝達アームがいずれの向きに変形しても、常に一方の振動ビームの周波数は他方の振動ビームの周波数と逆向きに変化するので、両振動ビーム間で周波数温度特性の影響がキャンセルされる。従って、圧力センサーやその制御検出回路に温度補償手段を設ける必要が無く、装置全体の構成及び制御を簡単にし、その小型化及び低コスト化を図ることができる。

更に別の実施例では、支持部が、圧電振動片の外側に配置される支持フレームであり、該支持フレームの上下各面にダイヤフラム板やベースを積層して接合することによって、積層構造の圧力センサーを簡単に組み付けることができる。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧力センサー素子と、受圧部材と、該受圧部材への圧力を圧力センサー素子の力伝達アームに、該力伝達アームを弾性変形させるように伝達するための伝達手段とを備える圧力センサーが提供される。これにより、圧電振動片の外部への振動漏れを有効に抑制し、必要に応じて絶対圧力及び相対圧力のいずれも測定可でき、センサー感度を向上させ得る圧力センサーが実現される。

或る実施例では、受圧部材がダイヤフラム板であり、該ダイヤフラム板から圧力センサー素子の力伝達アームに向けて突出する突起部によって、ダイヤフラム板が受けた圧力を力伝達アームに直接伝達することができ、比較的簡単な構造により高精度で高いセンサー感度が得られる。

別の実施例では、受圧部材が、圧力センサー素子の力伝達アームを挟んで配置された２つのダイヤフラム板であり、各ダイヤフラム板からそれぞれ力伝達アームに向けて互いに対向する向きに突出する突起部によって、各ダイヤフラム板が受けた圧力が力伝達アームに直接伝達される。これにより、力伝達アームは、両ダイヤフラム板に作用する圧力の差圧に対応した向きに変形するので、圧力センサーに作用する圧力を相対圧力として測定することができる。

（Ａ）図は本発明による圧力センサーの第１実施例を示す斜視図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における断面図。 （Ａ）図は第１実施例の圧力センサーの圧力センサ素子を示す平面図、（Ｂ）図はそのII−II線における断面図。 第１実施例の圧力センサーの第１ダイヤフラム板を下方から見た斜視図。 第１実施例の圧力センサーの第２ダイヤフラム板を示す斜視図。 （Ａ）図は第１実施例の圧力センサーの動作状態を示す断面図、（Ｂ）図は部分拡大図。 （Ａ）図は第１実施例の圧力センサーの別の動作状態を示す断面図、（Ｂ）図は部分拡大図。 （Ａ）図は第１実施例の圧力センサーの変形例を示す断面図、（Ｂ）図は部分拡大図。 （Ａ）図は第１実施例の圧力センサーの別の変形例を示す断面図、（Ｂ）図は部分拡大図。 （Ａ）図は本発明による圧力センサーの第２実施例を示す斜視図、（Ｂ）図はそのIX−IX線における断面図。 （Ａ）図は本発明による圧力センサーの第３実施例を示す斜視図、（Ｂ）図はそのＸ−Ｘ線における断面図。 （Ａ）図は本発明による圧力センサーの第４実施例を示す斜視図、（Ｂ）図はそのＸＩ−ＸＩ線における断面図。 （Ａ）図は、従来の圧力センサーを上側の第１ダイヤフラム板を省略して示す平面図、（Ｂ）図はそのＸII−ＸII線における断面図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による圧力センサーの第１実施例を示している。本実施例の圧力センサー２１は、圧力センサー素子板２２と第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４とを備える。前記圧力センサー素子板２２を挟んでその上下に前記第１及び第２ダイヤフラム板が積層され、一体に接合されている。

圧力センサー素子板２２は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧力振動片２５とその外側に配置した矩形の支持フレーム２６とを備える。圧力振動片２５は、１本の真直ぐな振動ビーム２７と、その長手方向両端の基端部２８，２９と、前記振動ビームの表面にパターン形成した励振電極３０，３１とを有する。振動ビーム２７は、前記励振電極に所定の電圧を印加することによって、図２（Ａ）に想像線で示すように前記両基端部を節として面内で矢印の向きに屈曲振動する。

圧力振動片２５には、一方の基端部２８から振動ビーム２７と同軸上にかつそれとは反対方向に延長する連結部３２が設けられている。連結部３２には、その下面側に全幅に亘って溝を形成することによって、厚さ一定の薄肉部３３が設けられている。更に圧力振動片２５には、基端部２８からその幅方向両側に延出しかつＬ字形に折曲して振動ビーム２７に沿って平行に延長する力伝達アーム３４ａ，３４ｂが、該振動ビームの中心線に関して対称に設けられている。

圧力振動片２５は、支持フレーム２６の内側に、振動ビーム２７の幅方向に見てその中心線が前記支持フレームの中央に位置するように配置され、連結部３２及び基端部２９において支持フレーム２６と連結されている。本実施例では、基端部２９が支持フレーム２６に含まれるように設けられている。このような圧力センサー素子板２２は、水晶又はタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムのような圧電材料の基板から公知のフォトエッチング技術等を用いて一体に容易に形成することができる。

第１ダイヤフラム板２３は、圧力センサー素子板２２と略同じ寸法の矩形形状を有し、図３に示すように、その内面即ち前記圧力センサー素子板との対向面に、支持フレーム２６の内側形状に対応する矩形の凹部３６を設けて、受圧部であるダイヤフラムとして薄板部３７が形成されている。凹部３６の底面には、圧力振動片２５の力伝達アーム３４ａ，３４ｂの先端部に対応する位置に台座形状の突起部３８ａ，３８ｂが形成されている。

第２ダイヤフラム板２４は、第１ダイヤフラム板２３と実質的に同一で上下対称をなし、圧力センサー素子板２２と略同じ寸法の矩形形状を有し、図４に示すように、その内面即ち前記圧力センサー素子板との対向面に、支持フレーム２６の内側形状に対応する矩形の凹部３９を設けて、受圧部であるダイヤフラムとして薄板部４０が形成されている。凹部３９の底面には、圧力振動片２５の力伝達アーム３４ａ，３４ｂの先端部に対応する位置に台座形状の突起部４１ａ，４１ｂが形成されている。

第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４は、圧力センサー素子板２２と同じ圧電材料を用いて形成することが好ましい。また、前記第１及び第２ダイヤフラム板には、圧力センサー素子板２２の圧電材料と実質的に同じ又はそれに近い熱膨張率の材料を用いることができる。

第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４は、それぞれ凹部３６，３９の矩形周辺部を支持フレーム２６の対応する上下面と接着剤等で気密に接合することにより、それらの間に画定される内部空間に圧力振動片２５を気密に封止している。このとき、本実施例によれば、圧力振動片２５の力伝達アーム３４ａ，３４ｂの先端部が、その上下面において第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４の対応する突起部３８ａ，３８ｂ及び４１ａ，４１ｂと接着剤等で固着されている。

次に、図５及び図６を用いて、第１実施例の圧力センサー２１の動作及び機能を説明する。上述したように、第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４の薄板部３７，４０と圧力振動片２５の力伝達アーム３４ａ，３４ｂとは、突起部３８ａ，３８ｂ及び４１ａ，４１ｂを介して一体に結合されているので、前記第１又は第２ダイヤフラム板の一方に作用した圧力は、その他方及び力伝達アーム３４ａ，３４ｂにそのまま伝達される。

図５（Ａ）は、上側の第１ダイヤフラム板２３に作用する圧力Ｐ１が第２ダイヤフラム板２４に作用する圧力Ｐ２より大きい場合の動作状態を示している。このとき、薄板部３７，４０は、それらの差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２（＞０）によって下向き凸に湾曲する。これら薄板部の変形に対応して、力伝達アーム３４ａ，３４ｂは、その先端部が元の水平位置から下向きに変位し、図示するように基端部２８を支点に下方へ弾性変形する。

このとき、基端部２８を介して伝達される力がどのように振動ビーム２７に作用するかを、公知の解析手法を用いてシミュレーションした。その結果を図５（Ｂ）に示す。同図において、丸に＋印は圧縮応力の発生を、丸に−印は圧縮応力の発生をそれぞれ示している。同図から分かるように、差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２が正の場合には、振動ビーム２７の上面側に圧縮応力が、下面側に引張応力が分かれて分布する。その結果、圧力振動片２５の周波数は、Ｐ１＝Ｐ２の場合の共振周波数ｆ0 を基準として下降する向きに変化することを、周波数の実測値によっても確認した。

図６（Ａ）は、上側の第１ダイヤフラム板２３に作用する圧力Ｐ１が第２ダイヤフラム板２４に作用する圧力Ｐ２より小さい場合の動作状態を示している。このとき、薄板部３７，４０は、それらの差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２（＜０）によって上向き凸に湾曲する。これら薄板部の変形に対応して、力伝達アーム３４ａ，３４ｂは、その先端部が元の水平位置から上向きに変位し、図示するように基端部２８を支点に上方へ弾性変形する。

このとき、基端部２８を介して伝達される力が振動ビーム２７に及ぼす影響を、同様にシミュレーションした。その結果を図６（Ｂ）に示す。同図から分かるように、差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２が負の場合には、振動ビーム２７の上面側に引張応力が、下面側に圧縮応力が分かれて分布する。その結果、圧力振動片２５の周波数は、Ｐ１＝Ｐ２の場合の共振周波数ｆ0 を基準として上昇する向きに変化することを、周波数の実測値によっても確認した。

このように本発明によれば、第１、第２ダイヤフラム板２３，２４に作用する圧力が、それと同じ向きに力伝達アーム３４ａ，３４ｂに伝達され、振動ビーム２７に直接作用する。更にこの力は、前記力伝達アームから基端部２８を支点としたてこの作用で増幅される。その結果、高精度で高いセンサー感度を実現することができる。より高いセンサー感度を得るためには、突起部３８ａ，３８ｂ及び４１ａ，４１ｂを、圧力による変位が最大となる薄肉部３７，４０の中央位置にできる限り近く配置することが好ましい。

また、前記力伝達アームと前記第１又は第２ダイヤフラム板との結合位置が、基端部２８から大きく離隔して設けられるので、振動ビーム２７から基端部２８を介して力伝達アーム３４ａ，３４ｂに漏れた振動は、該力伝達アーム中を伝搬する間に減衰する。そのため、前記力伝達アームと突起部３８ａ，３８ｂ及び４１ａ，４１ｂとを介して第１又は第２ダイヤフラム板２３，２４に漏れる振動を有効に抑制できる。これにより、圧電振動片２５の振動と第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４の固有振動数とのカップリングを防止して、圧力センサーの検出精度の低下を抑制することができる。

更に、圧電振動片２５の基端部２８と支持フレーム２６間の連結部３２に薄肉部３３を設けることによって、第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧の正負を判別することができる。これにより、絶対圧力及び相対圧力のいずれも測定可能な圧力センサーが実現される。

この相対圧力の測定は、連結部３２の薄肉部３３を振動ビーム２７の厚さ方向にその中心線に関して非対称に設けられている限り、可能である。図７（Ａ）、（Ｂ）は、そのような第１実施例の変形例の圧力センサー２１’を示している。同図において、圧力センサー素子板２２’の圧電振動片２５’は、基端部２８と支持フレーム２６間の連結部３２にその上下両面から溝を形成することによって、薄肉部４３が設けられている。図７（Ｂ）に示すように、薄肉部４３は、振動ビーム２７の厚さ方向の中心線２７ａよりも上側に、即ち該中心線に関して上下非対称に配置されているので、図５及び図６の場合と同様に、第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２の大小によって圧縮応力又は引張応力が振動ビーム２７に作用し、差圧の正負を判別することができる。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の別の変形例の圧力センサー２１”を示している。圧力センサー素子板２２”の圧電振動片２５”は、同様に基端部２８と支持フレーム２６間の連結部３２にその上下両面から溝を形成することによって、薄肉部４４が設けられている。この変形例では、薄肉部４４が、振動ビーム２７の厚さ方向の中心線２７ａ上に、即ち該中心線に関して上下対称に配置されている。その結果、第１及び第２ダイヤフラム板２３，２４に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧の正負は判別できないが、同様に振動ビーム２７からの振動漏れを抑制し、かつ高いセンサー感度を得ることができる。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による圧力センサーの第２実施例を示している。本実施例の圧力センサー５１は、上記各実施例と同様に、圧力センサー素子板５２を挟んでその上下に第１及び第２ダイヤフラム板５３，５４が積層されて気密にかつ一体に接合されている。圧力センサー素子板５２は、圧力振動片５５とその外側に配置した矩形の支持フレーム５６とを備え、圧力振動片５５は１本の真直ぐな振動ビーム５７を有し、その長手方向両端の基端部５８，５９からそれぞれ前記振動ビームと同軸上に延長する連結部６０，６１により支持フレーム５６と連結されている。

各連結部６０，６１には、それぞれ下面側に全幅に亘って溝を形成して厚さ一定の薄肉部６２，６３が設けられている。圧力振動片５５には、基端部５８から幅方向両側に延出しかつＬ字形に折曲して振動ビーム５７に沿って平行に延長する力伝達アーム６４ａ，６４ｂと、基端部５９から幅方向両側に延出しかつＬ字形に折曲して振動ビーム５７に沿って平行に延長する力伝達アーム６５ａ，６５ｂとが、互いに対向する向きにかつ該振動ビームの中心線に関して対称に設けられている。圧力振動片５５の基端部５８，５９、連結部６０，６１、及び力伝達アーム６４ａ，６４ｂ及び６５ａ，６５ｂは、該圧力振動片の幅方向の中心線に関して対称に配置されている。

第１ダイヤフラム板５３は、その内面に矩形の凹部６６を設けて受圧部であるダイヤフラムとして薄板部７７が形成されている。凹部６６の底面には、圧力振動片５５の前記力伝達アームの先端部に対応する位置に台座形状の突起部６８ａ，６８ｂ及び６９ａ，６９ｂが形成されている。第２ダイヤフラム板５４は、第１ダイヤフラム板５３と実質的に同一で上下対称をなし、その内面に矩形の凹部７１を設けて、受圧部であるダイヤフラムとして薄板部７２が形成されている。凹部７１の底面には、圧力振動片５５の前記力伝達アームの先端部に対応する位置に台座形状の突起部７３ａ，７３ｂ及び７４ａ，７４ｂが形成されている。

第１及び第２ダイヤフラム板５３，５４は、それぞれ周辺部を支持フレーム５６の上下面と接着剤等で気密に接合して、その内部空間に圧力振動片５５を気密に封止している。圧力振動片５５の力伝達アーム６４ａ，６４ｂ及び６５ａ，６５ｂの先端部は、その上下面において第１及び第２ダイヤフラム板５３，５４の対応する前記突起部と接着剤等で固着されている。

本実施例によれば、このように圧力振動片５５をその長手方向及び幅方向の中心線に関して対称に構成することによって、前記各力伝達アームの変形が、振動ビーム５７にその長手方向両端から対称に伝達されるので、該振動ビームに好ましくない非対称な振動を発生させる虞が無い。その結果、圧力振動片５５の振動がより安定するので、より安定して高精度なセンサー感度を得ることができ、好都合である。更に、前記第１及び第２ダイヤフラム板から振動ビームへの力伝達経路が増えるので、センサー感度が安定する。また、圧力振動片５５の長手方向の両端において支持フレーム５６との連結部に薄肉部が設けられることによって、圧力振動片５５から支持フレーム５６を介して起こり得る振動漏れを有効に抑制することができる。

第２実施例の変形例では、連結部６０，６１の薄肉部６２，６３の一方又は両方を、図７のように上下両面に溝を設けて形成することができる。別の変形例では、振動ビーム５７の厚さ方向の中心線に関して薄肉部６２，６３の一方を上側にかつ他方の下側に配置することができる。この場合、図８の実施例と同様に、第１及び第２ダイヤフラム板５３，５４に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧の正負を判別できない虞があるが、同様に振動ビーム５７からの振動漏れを抑制し、かつ高いセンサー感度を得ることができる。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による圧力センサーの第３実施例を示している。本実施例の圧力センサー８１は、上記各実施例と同様に、圧力センサー素子板８２を挟んでその上下に第１及び第２ダイヤフラム板８３，８４が積層されて気密にかつ一体に接合されている。圧力センサー素子板８２は、圧力振動片８５とその外側に配置した矩形の支持フレーム８６とを備え、圧力振動片８５は１本の真直ぐな振動ビーム８７を有し、第２実施例と同様に、その長手方向両端の基端部８８，８９からそれぞれ前記振動ビームと同軸上に延長する連結部９０，９１により支持フレーム８６と連結されている。

各連結部９０，９１には、それぞれ下面側に全幅に亘って溝を形成して厚さ一定の薄肉部９２，９３が設けられている。圧力振動片８５には、基端部８８から幅方向の片側に延出しかつＬ字形に折曲して振動ビーム８７に沿って平行に延長する力伝達アーム９４と、基端部８９から幅方向の反対側に延出しかつＬ字形に折曲して振動ビーム８７に沿って平行に延長する力伝達アーム９５とが、該振動ビームの中心に関して回転対称に設けられている。圧力振動片８５の基端部８８，８９及び連結部９０，９１は、該圧力振動片の幅方向の中心線に関して対称に配置されている。

第１ダイヤフラム板８３は、第１実施例と同様に、その内面に矩形の凹部９７を設けて受圧部であるダイヤフラムとして薄板部９８が形成されている。凹部９７の底面には、圧力振動片８５の前記各力伝達アームの先端部に対応する位置に台座形状の突起部９９ａ，９９ｂが形成されている。第２ダイヤフラム板８４は、第１ダイヤフラム板８３と実質的に同一で上下対称をなし、その内面に矩形の凹部１００を設けて受圧部であるダイヤフラムとして薄板部１０１が形成されている。凹部１００の底面には、圧力振動片８５の前記各力伝達アームの先端部に対応する位置に台座形状の突起部１０２ａ，１０２ｂが形成されている。

第１及び第２ダイヤフラム板８３，８４は、それぞれ周辺部を支持フレーム８６の上下面と接着剤等で気密に接合して、その内部空間に圧力振動片８５を気密に封止している。圧力振動片８５の力伝達アーム９４及び９５の先端部は、その上下面において第１及び第２ダイヤフラム板８３，８４の対応する前記突起部と接着剤等で固着されている。

本実施例によれば、第１実施例に比して、圧力振動片８５がその幅方向の中心線に関して対称に構成されるので、好ましくない非対称な振動が発生し難く、圧力振動片８５の振動が比較的安定する。また、圧力振動片８５の長手方向の両端において支持フレーム８６との連結部に薄肉部が設けられることによって、圧力振動片８５から支持フレーム８６を介して起こり得る振動漏れを有効に抑制することができる。

第３実施例も、第２実施例と同様に、連結部９０，９１の薄肉部９２，９３の一方又は両方を、図７のように上下両面に溝を設けて形成することができる。別の変形例では、振動ビーム８７の厚さ方向の中心線に関して薄肉部９２，９３の一方を上側にかつ他方の下側に配置することができる。この場合、図８の実施例と同様に、第１及び第２ダイヤフラム板８３，８４に作用する圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧の正負を判別できない虞があるが、同様に振動ビーム８７からの振動漏れを抑制し、かつ高いセンサー感度を得ることができる。

図１０（Ａ）、（Ｂ）は、本発明による圧力センサーの第４実施例を示している。本実施例の圧力センサー１１１は、上記各実施例と同様に、圧力センサー素子板１１２を挟んでその上下に第１及び第２ダイヤフラム板１１３，１１４が積層されて気密にかつ一体に接合されている。圧力センサー素子板１１２は、圧力振動片１１５とその外側に配置した矩形の支持フレーム１１６とを備える。

圧力振動片１１５は、上記各実施例と異なり、２本の平行な振動ビーム１１７，１１８と、それらの長手方向両端をそれぞれ結合する基端部１１９，１２０とを有する。一方の基端部１１９には、前記各振動ビームと同軸上にかつそれとは反対方向に延長する連結部１２１，１２２が設けられている。圧力振動片１１５は、支持フレーム１１６の内側中央に配置され、両連結部１２１，１２２及び他方の基端部１２０において支持フレーム１１６と連結されている。本実施例では、基端部１２０が支持フレーム１１６に含まれるように設けられている。

一方の連結部１２１にはその上面側に全幅に亘って溝を形成して、他方の連結部１２２にはその下面側に全幅に亘って溝を形成して、それぞれ厚さ一定の薄肉部１２３，１２４が設けられている。更に、一方の基端部１１９の中央位置から両振動ビーム１１７，１１８の間をそれらと平行に延長する１本の力伝達アーム１２５が設けられている。

第１ダイヤフラム板１１３は、その内面に矩形の凹部１２７を設けて受圧部であるダイヤフラムとして薄板部１２８が形成され、力伝達アーム１２５の先端部に対応する凹部１２７の底面中央に、台座形状の突起部１２９が形成されている。第２ダイヤフラム板１１４は、第１ダイヤフラム板１１３と実質的に同一で上下対称をなし、その内面に矩形の凹部１３０を設けて受圧部であるダイヤフラムとして薄板部１３１が形成され、凹部１３０の底面中央に台座形状の突起部１３２が形成されている。

第１及び第２ダイヤフラム板１１３，１１４は、それぞれ周辺部を支持フレーム１１６の上下面と接着剤等で気密に接合して、その内部空間に圧力振動片１１５を気密に封止している。圧力振動片１１５の力伝達アーム１２５の先端部は、その上下面において第１及び第２ダイヤフラム板１１３，１１４の前記突起部と接着剤等で固着されている。

本実施例によれば、各連結部１２１，１２２の薄肉部１２３，１２４を互いに上下逆の位置に設けたことによって、上述した第１実施例の特徴に加えて、振動ビーム１１７，１１８の間で周波数温度特性の影響をキャンセルできる、という利点を有する。外部からの圧力による前記第１及び第２ダイヤフラム板の変形に対して、前記各振動ビームの周波数は逆向きに、即ち一方が下降するときは他方が上昇する向きに変化する。

例えば、図５のように上側の第１ダイヤフラム板１１３に作用する圧力Ｐ１が下側の第２ダイヤフラム板１１４に作用する圧力Ｐ２より大きい場合を考える。各振動ビーム１１７，１１８の周波数ｆ1，ｆ2は、Ｐ１＝Ｐ２の場合の共振周波数をｆ0 とし、差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２による周波数変化量をΔｆP とし、使用温度による周波数変化量即ち温度依存項をｆ(Ｔ)とすると、ｆ1 ＝ｆ0 ＋ΔｆP ＋ｆ(Ｔ)、ｆ2 ＝ｆ0 −ΔｆP ＋ｆ(Ｔ)で表される。

これらの式から差圧ΔＰによる周波数変化量ΔｆP を求めると、ｆ1 −ｆ2 ＝２ΔｆP となり、温度依存項ｆ(Ｔ)がキャンセルされている。従って、圧力センサー又はその制御検出回路に温度補償手段を設ける必要が無くなるので、装置全体の構成及び制御を簡単にして、その小型化及び低コスト化を図ることができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものではない。例えば、第１〜第３実施例において支持フレームに対する振動ビームの位置は、その幅方向の中央位置に必ずしも配置する必要が無く、センサー感度向上の観点からは、ダイヤフラム即ちダイヤフラム板の薄肉部の中央に配置することが好ましい。

また、別の実施例では、圧力センサー素子板の上面又は下面の一方に、ダイヤフラム板ではなく、受圧部材としてのダイヤフラムを有しない単なるベースを接合することができる。この場合には、１枚のダイヤフラム板が受ける圧力を絶対圧力として測定することができる。

更に別の実施例では、圧電振動片の力伝達アームとダイヤフラム板の突起部との間に僅かな隙間を設け、それらを固着しないように構成することもできる。この場合、外部圧力によるダイヤフラム板の変形が一定量を超えると、突起部が力伝達アームに接触して変形させる。これにより、或る一定値以上の圧力を測定又は検出するような圧力センサーが提供される。

また、上記各実施例では、圧電振動片とその外側に配置した支持フレームとを一体化した圧力センサー素子板として圧力センサー素子を構成したが、圧電振動片の支持部には、フレーム以外の様々な構造を採用することができる。例えば、第１実施例において圧電振動片２５の他方の基端部２９と連結部３２の薄肉部３３よりも先端側を支持部として、圧力センサーのダイヤフラムまたは他の受圧部分以外の部分に固定支持されるように変形しても、少なくとも一方の基端部から延出する力伝達アームと連結部の薄肉部とを備える限り、第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。

また、ダイヤフラム板及び圧力センサー素子板の支持フレームは、矩形だけでなく、円形のものも用いることができる。更に、圧力センサー素子の圧電振動片と平行に延長する力伝達アームに受圧部材からの力が伝達される限り、圧力センサーの受圧部材として、ダイヤフラム以外の様々な部材又は構造を用いることができる。このように、本発明の技術的範囲内において、上記各実施例に様々な変形又は変更を加えて実施し得ることは、当業者に明らかである。

１，２１，２１’，２１”，５１，８１，１１１…圧力センサー、２…圧力センサー素子、３，２３，５３，８３，１１３…第１ダイヤフラム板、４，２４，５４，８４，１１４…第２ダイヤフラム板、５，２５，２５’，２５”，５５，８５，１１５…圧電振動片、６，２６，５６，８６，１１６…フレーム、７ａ，７ｂ，２７，５７，８７，１１７…振動ビーム、８，９，２８，２９，５８，５９，８８，８９，１１９，１２０…基端部、１０ａ，１０ｂ，３０，３１…励振電極、１１，１２，３２，６０，６１，９０，９１，１２１，１２２…連結部、１３，１４，３６，３９，６６，７１，９７，１００，１２７，１３０…凹部、２２，２２’，２２”，５２，８２，１１２…圧力センサー素子板、３３，４３，４４，６２，６３，９２，９３，１２３，１２４…薄肉部、３４ａ，３４ｂ，６４ａ，６４ｂ，６５ａ，６５ｂ，９４，９５，１２５…力伝達アーム、３７，４０，６７，７２，９８，１０１，１２８，１３１…薄板部、３８ａ，３８ｂ，４１ａ，４１ｂ，６８ａ，６８ｂ，６９ａ，６９ｂ，７３ａ，７３ｂ，７４ａ，７４ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１２９，１３２…突起部。

Claims (8)

1. 振動ビーム、前記振動ビームの長手方向両端の基端部、前記振動ビームの表面に形成されて該振動ビームを屈曲振動モードで励振するための励振電極、及び少なくとも一方の前記基端部から延出して前記振動ビームと平行に延長する力伝達アームを有する圧電振動片と、前記圧電振動片を支持するために前記各基端部にそれぞれ結合される支持部と、前記少なくとも一方の前記基端部から前記振動ビームと同軸上にかつそれとは反対向きに延長して前記支持部との間に設けられる連結部とを備え、前記連結部が前記振動ビームの長手方向に沿って形成される薄肉部を有することを特徴とする圧力センサー素子。
2. 前記連結部の前記薄肉部が、前記振動ビームの厚さ方向の中心線に関して上下非対称に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサー素子。
3. 前記力伝達アームが前記振動ビームの長手方向両端の前記基端部にそれぞれ設けられ、前記連結部が、前記振動ビームの長手方向両端の前記各基端部と前記支持部との間にそれぞれ設けられ、前記各連結部の前記薄肉部が、互いに前記振動ビームの厚さ方向の中心線に関して上下同じ側に設けられることを特徴とする請求項１記載の圧力センサー素子。
4. 前記圧電振動片が平行に延長する２本の前記振動ビームを有し、前記各振動ビームについてそれぞれ前記連結部が、前記力伝達アームを設けた側の前記基端部と前記支持部との間に設けられ、前記両振動ビームの前記連結部の前記薄肉部が、互いに前記振動ビームの厚さ方向の中心線に関して上下反対側に設けられることを特徴とする請求項１記載の圧力センサー素子。
5. 前記支持部が、前記圧電振動片の外側に配置される支持フレームであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の圧力センサー素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載の圧力センサー素子と、受圧部材と、前記受圧部材への圧力を前記圧力センサー素子の前記力伝達アームに、該力伝達アームを弾性変形させるように伝達するための伝達手段とを備えることを特徴とする圧力センサー。
7. 前記受圧部材がダイヤフラム板であり、前記伝達手段が、前記ダイヤフラム板から前記力伝達アームに向けて突出する突起部からなることを特徴とする請求項６記載の圧力センサー。
8. 前記受圧部材が、前記力伝達アームを挟んで配置された２つのダイヤフラム板であり、前記伝達手段が、前記各ダイヤフラム板からそれぞれ前記力伝達アームに向けて互いに対向する向きに突出する突起部からなることを特徴とする請求項６記載の圧力センサー。

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