JP2011107018A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサーを提供する。
【解決手段】パッケージ１２と、前記パッケージ１２の一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラム３６と、前記ダイアフラム３６に形成され、シングルビーム構造の感圧素子２２の長手方向（Ｘ軸方向）の両端を支持する一対の支持部３８と、を有する圧力センサー１０であって、前記一対の支持部３８は、それぞれ先端部４０と末広がり部４２を有するテーパー状に形成され、前記先端部４０が互いに対向して配置されたものである。また前記感圧素子２２は、前記長手方向に沿って延びた振動腕２４と、前記振動腕２４の両端に接続された基部２６と、を有し、前記先端部４０は、それぞれ前記振動腕２４と前記基部２６との境界２６ａを支持し、前記末広がり部４２は、それぞれ前記基部２６の前記長手方向の端部２６ｂを支持するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、シングルビーム型の圧電振動子を感圧素子として用いた圧力センサーについて、特に圧電振動子からダイアフラムへの振動漏れを抑制した圧力センサーに関する。

従来から、水圧計、気圧計、差圧計などとして圧電振動子を感圧素子として使用した圧力センサーが知られている。前記圧電振動子は、例えば、板状の圧電基板上に電極パターンが形成されて固有の共振周波数で振動する振動部と、振動部の両端に設けられ、ダイアフラムに固定された一対の基部を有し、一対の基部を互いに結ぶ線の方向を力の検出軸とするものである。そして、前記検出軸の方向に直交する方向から被測定圧力がダイアフラムの受圧部で受圧すると前記受圧部が撓み、これにより前記圧電振動子に力が加わると、前記圧電振動子には検出軸の方向に引張り応力が生じるため共振周波数が変化し、前記共振周波数の変化から前記被測定圧力の圧力値を検出する。このような圧力センサーをより高精度にするための従来技術が開示されている。

図８に特許文献１に開示された第１の従来技術に係る圧力センサー素子を示す。図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。図８に示すように圧力センサー素子１０１は、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹部１０４、１０９を有する２つの圧電ダイアフラム１０３、１０８を前記凹部１０４、１０９同士が向き合うように積層して形成される内部空間中に圧電振動子１０２を配置した圧力センサー素子１０１において、前記圧電振動子１０２の両端を前記圧電ダイアフラム１０３の凹部１０４内底面に形成された載置部１１０、１１１に固定するとともに、前記２つの圧電ダイアフラム１０３、１０８の凹部１０４、１０９内底面同士を力伝達用柱１０５、１０６にて連結した構成が開示されている。これにより圧電ダイアフラム１０３、１０８の変形の方向によって圧電振動子１０２に加わるストレスが圧縮方向か、あるいは伸長方向かになるよう機能するので、相対圧を測定可能な圧力センサー素子１０１となっている。

また図９には、特許文献２に開示された第２の従来技術に係る圧力センサー素子を示す。図９に示すように圧力センサー素子２２０は、ダイアフラム２１２を有する圧力センサー２１０における前記ダイアフラム２１２に形成された対をなす支持部２１８に載置される圧力センサー素子２２０であって、前記圧力センサー素子２２０は前記支持部２１８に固定される２つの基部２２２と前記基部間に位置する振動部２２４とを有し、前記基部２２２の固定部から前記振動部２２４までの間に切欠き２２２ａ、２２２ｂを設けた構成が開示されている。これによりダイアフラム２１２による振動部２２４に対する曲げ変形、すなわち厚み方向の変位は前記切欠き２２２ａ、２２２ｂの形成箇所に集中するため、振動部２２４に対して作用する非線形的な力を抑制し、圧力センサー素子２２０の振動部２２４に対する悪影響を低減している。

これらの圧力センサーの構成要素は、ダイアフラムの変位量を双音叉素子等の感圧素子に伝える構造であることから、受圧する被測定圧力に対する変位量が大きいほうが、より高い感度を得ることができる。

ところで、近年、圧力センサーの小型化の要求が高まり、それに伴って、ダイアフラムに搭載される感圧素子の小型化が試みられている。
しかし、感圧素子を構成する双音叉振動子は、２本の柱状ビームが平行に配置され、２本の柱状ビーム間には間隙（スリット）が設けられているため、フォトリソグラフィー技法とエッチング技法を用いて、水晶等の圧電基板から双音叉振動子を形成するのにあたり、双音叉振動子のサイズが小さければ小さいほどスリットを鮮鋭度良く形成することは困難であり、エッチングアンダー、残渣などに起因した電極間のショートが発生する問題があった。

また更に、受圧した圧力によりダイアフラムが撓むと、支持部に搭載された双音叉振動子には引張力または圧縮力が加わり、双音叉振動子の内部に引張り応力または圧縮応力が生じることとなるが、このとき応力は前記２本の柱状ビームに分散されるため、応力の感度としては約１／２となってしまう問題がある。

そこで、双音叉振動子を１本の柱状ビームで構成することにより、双音叉振動子の内部に生じる引張り応力及び圧縮応力を１本ビームに集中させることによって感度を２本の柱状のビームの場合の感度の２倍とすることが試みられている。シングルビームを用いた両持ち支持型振動子を使用した圧力センサーは特許文献３乃至８に開示されている。

特開２００４−１３２９１３号公報 特開２００７−３３３４５２号公報 ＵＳＰ４３２１５００ ＵＳＰ４４０６９６６ ＵＳＰ４４５５８７４ ＵＳＰ４３７２１７３ ＵＳＰ４３８２３８５ ＵＳＰ４６５１５６９

第３の従来技術に係る圧力センサー素子を図１０に示す。図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、図１０（ｃ）は圧力センサー素子を構成する振動部の模式図である。圧力センサー素子３００は、パッケージ３０２と、パッケージ３０２の一面に形成された±Ｚ方向に変位するダイアフラム３０４と、パッケージ３０２内部に配置された感圧素子３０６と、を有し、感圧素子３０６は、長手方向の両端に形成された一対の基部３０８と、前記一対の基部３０８の間にシングルビームとして形成された振動部３１０と、を有し、前記一対の基部３０８が前記ダイアフラムに接続された構成である。そして、振動部３１０は一対の基部３０８を支点として±Ｙ方向に所定の共振周波数で振動する。

しかしながら、ツインビームの振動が、一対の基部（支持部）を結ぶ線に対して２本のビームの振動が線対称となって、互いに振動を相殺するように振動するのに対して、シングルビームとして形成された振動部３１０の振動は、１本のビームが単独で振動しているため相殺することができず、振動が支持部３１２を介してダイアフラム３０４に漏洩し、漏洩した振動によりダイアフラム３０４自身が振動をするという問題があった。

すなわち、図１０（ｃ）に示すように、柱状ビーム型の振動部３１０は支持部３１２を回転軸とした回転方向の振動を起し、ダイアフラム３０４へ振動エネルギーが漏洩し、Ｑ値が低下するとともに、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）が上昇するので、シングルビーム構造の感圧素子は共振し難くなってしまうという問題があった。
そこで本発明は、上記問題点に着目し、感度を劣化させることなくダイアフラムの振動を抑止した圧力センサー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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］パッケージと、前記パッケージの一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに形成され、シングルビーム構造の感圧素子の長手方向の両端を支持する一対の支持部と、を有する圧力センサーであって、前記一対の支持部は、それぞれ先端部と末広がり部を有するテーパー状に形成され、前記先端部が互いに対向して配置されたことを特徴とする圧力センサー。

シングルビーム構造の振動腕は、上述のように振動腕の長手方向を回転軸とした回転振動を行う。このとき振動腕に接続した基部も回転振動を行なう。そのため感圧素子に接続した支持部も振動腕からの回転振動を受けて回転振動を行なうことになる。またダイアフラムは中心に行くほど圧力に対する変位が大きい、すなわち変形しやすく感圧素子からの振動も受けやすくなる特性を有している。

よって、上記構成により、振動腕からの回転振動を受けて支持部が回転振動を行なった場合、末広がり部はダイアフラムの圧力による変位の小さい位置、すなわち変形しにくい位置にあるため、末広がり部はダイアフラムから抗力を受け、そのため末広がり部に接続する基部全体の回転振動の振幅を抑制することができる。特に末広がり部の幅が大きいほど回転軸に対する抗力に起因したモーメントが大きくなるため回転振動の抑制の効果が大きくなる。一方、先端部は幅が小さいため、先端部の幅方向の端部のダイアフラムの法線方向の振幅は小さく、さらに末広がり部が支持部全体の回転振動の振幅を抑制するため先端部からの漏れ振動の振幅を大幅に抑えることができる。したがってダイアフラムへの回転振動の漏れを抑制してＱ値の低下を抑制した圧力センサーを構築することができる。

［適用例２］前記感圧素子は、前記長手方向に沿って延びた振動腕と、前記振動腕の両端に接続された基部と、を有し、前記先端部は、それぞれ前記振動腕と前記基部との境界を支持し、前記末広がり部は、それぞれ前記基部の前記長手方向の端部を支持することを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。

シングルビーム構造の振動腕の基本振動は、振動腕の両端を支点としてダイアフラムの面に沿った方向に振動する。よって上記構成により、支持部の先端部は、それぞれ振動腕の振動の支点を支持するため、振動腕の支点のダイアフラムの面に沿った方向の変位を抑制し、これによるダイアフラムへの振動漏れを抑制することができる。

［適用例３］前記支持部において、前記先端部から前記末広がり部までの外形が内側に湾曲して形成されたことを特徴とする適用例１または２に記載の圧力センサー。
これにより、末広がり部の幅を変えることなく支持部の幅の平均値を小さくすることができるので、感圧素子の感度を劣化させることになる振動漏れをより効果的に抑制することができる。

［適用例４］前記末広がり部は、前記ダイアフラムの撓み変形における面内応力が集中する領域に形成されたことを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧力センサー。

これにより、末広がり部はダイアフラムから強い応力を受けることになるので、末広がり部に接続する基部及び振動腕は強い応力を受けることになり感圧素子の感度を向上させることができる。

［適用例５］前記パッケージは、ベース層、感圧素子層、ダイアフラム層の積層構造により形成され、前記感圧素子層は、前記感圧素子と、前記感圧素子を囲み前記ベース層に接合する支持枠と、前記振動腕の長手方向に交差する方向に延びて形成され前記感圧素子と前記支持枠とを連結する連結部と、を有し、前記ダイアフラム層は、前記支持枠に対応して形成され前記支持枠に接合する周縁部と、前記周縁部の内側に形成され前記ダイアフラム形成する凹部と、前記凹部に形成され前記支持部を形成する凸部と、を有することを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧力センサー。

これにより、圧力センサーを積層構造により形成できるので量産化が可能となりコストを抑制することができる。また連結部は振動腕の回転運動の方向に延びた成分を有することになる。したがって連結部は支持枠からの抗力を受けて振動腕の回転運動に伴う振動を受けて抑制し、支持部にその振動が及ぶことを抑制してダイアフラムへの漏れ振動を抑制することができる。

本実施形態に係る圧力センサーの模式図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。 本実施形態に係る振動腕及び支持部の回転振動の様子を示す図である。 ダイアフラムに撓み変形を与えた場合の変位分布を示す図である。 ダイアフラムに撓み変形を与えた場合の面内の応力分布を示す図である。 圧力センサーの感度と振動漏れの支持部の形状を変えた場合の比較を示す図である。 支持部の変形例を示す模式図であり、図６（ａ）は第１の変形例、図６（ｂ）は第２の変形例である。 本実施形態の変形例を示す模式図である。 第１の従来技術に係る圧力センサーの模式図であり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。 第２の従来技術に係る圧力センサーの模式図である。 第３の従来技術に係る圧力センサーの模式図であり、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、図１０（ｃ）は圧力センサー素子を構成する振動部の模式図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。また以下の実施形態の説明及び図面においては直交座標（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を用いる。

図１に本実施形態に係る圧力センサーを示す。図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。本実施形態に係る圧力センサー１０は、パッケージ１２と、前記パッケージ１２の一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラム３６と、前記ダイアフラム３６に形成され、シングルビーム構造の感圧素子２２の長手方向（Ｘ軸方向）の両端を支持する一対の支持部３８と、を有する圧力センサー１０であって、前記一対の支持部３８は、それぞれ先端部４０と末広がり部４２を有するテーパー状に形成され、前記先端部４０が互いに対向して配置されたものである。

また前記感圧素子２２は、前記長手方向に沿って延びた振動腕２４と、前記振動腕２４の両端に接続された基部２６と、を有し、前記先端部４０は、それぞれ前記振動腕２４と前記基部２６との境界２６ａを支持し、前記末広がり部４２は、それぞれ前記基部２６の前記長手方向の端部２６ｂを支持するものである。

パッケージ１２と、前記パッケージ１２の一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラム３６と、シングルビーム構造の振動腕２４と、前記振動腕２４の長手方向の両端に形成された一対の基部２６と、を有する感圧素子２２と、前記ダイアフラム３６の中心を挟んで一対に形成され、前記一対の基部２６をそれぞれ支持し、前記撓み変形により前記一対の基部２６を互いに反対方向に変位させて前記振動腕２４に応力を印加する一対の支持部３８と、を有する圧力センサー１０であって、前記一対の支持部３８は、それぞれ先端部４０と末広がり部４２からなるテーパー状に形成されるとともに前記先端部４０を互いに対向させて形成され、前記先端部４０は、それぞれ前記振動腕２４と前記基部２６との境界２６ａを支持し、前記末広がり部４２は、それぞれ前記基部２６の前記長手方向の端部２６ｂを支持するものである。

またパッケージ１２は、ベース層１４、感圧素子層２０、ダイアフラム層３２の積層構造により形成されている。圧力センサー１０を積層構造により形成することにより量産化が可能となりコストを抑制することができる。

ベース層１４、感圧素子層２０、ダイアフラム層３２は、それぞれ水晶等の圧電材料をエッチング工程またはサンブラスト工程により形成されたものであり、平面視して同一の外形（本実施形態では矩形）を有している。またベース層１４と感圧素子層２０とはＣ−Ｃ’線が境界であり、感圧素子層２０とダイアフラム層３２はＡ−Ａ’線（Ｂ−Ｂ’線）が境界となっており、それぞれの境界で固相接合、低融点ガラスを接合剤として用いた接合等の接合方法により接合されている。

感圧素子層２０は、感圧素子２２と、感圧素子２２を囲みベース層１４及びダイアフラム層３２に接続する支持枠３０と、振動腕２４の長手方向に交差する方向に延びて形成され感圧素子２２の基部２６と支持枠３０とを連結する連結部２８と、を有する。

感圧素子層２０に形成された感圧素子２２は、シングルビーム型の振動腕２４と振動腕２４の長手方向（Ｘ方向）の両端に接続された一対の基部２６とを有する。また感圧素子２２の基部２６と支持枠３０が、連結部２８により連結されている。そして振動腕２４には励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）に接続された引き出し電極（不図示）が基部２６、連結部２８、支持枠３０に形成され、外部にある駆動回路（不図示）に電気的に接続している。これにより感圧素子２２は図１（ｃ）に示すように、振動腕２４の両端にある境界２６ａを支点として矢印が示す方向に固有の共振周波数で振動する。なお、図１（ｃ）における矢印が示す方向は振動腕２４の長手方向（Ｘ方向）及びダイアフラム３６の法線方向（Ｚ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）である。

連結部２８は、支持枠３０の長辺３０ａから振動腕２４の長手方向に交差する方向（本実施形態ではＹ方向）に延出し、基部２６にＹ軸方向の辺に接続している。連結部２８は細身に設計され、基部２６の振動腕２４の長手方向（Ｘ方向）の変位を阻害しないようになっている。

ダイアフラム層３２は、感圧素子層２０の支持枠３０に対応して形成された周縁部３４と、周縁部３４の内側に形成された薄肉のダイアフラム３６と、ダイアフラム３６の前記基部２６に対向する位置に形成された一対の支持部３８と、を有する。そして周縁部３４の下端と支持枠３０の上端とが接合する。ダイアフラム層３２は、凹部３６ａを凸部３８ａの高さまでエッチング等により掘り込む工程と、凸部３８ａを残して凹部３６ａの深さまで掘り込む工程により形成することができる。この凹部３６ａにより薄肉のダイアフラム３６とダイアフラム３６の周囲を囲む周縁部３４が形成され、凸部３８ａがそのまま支持部３８となる。

支持部３８は、テーパー状に形成され、ダイアフラム３６の中心を挟んでＸ軸方向から先端部４０を対向させた態様でダイアフラム上に形成されている。よって先端部４０は、ダイアフラム３６の中心に近いところに形成され、末広がり部４２はダイアフラム層３２の周縁部３４の短辺３４ａに近いところに形成される。ここで感圧素子２２において、振動腕２４と振動腕２４の基部２６との境界２６ａが平面視して先端部４０に重なる位置に接合され、基部２６のＸ軸方向の端部２６ｂは平面視して末広がり部４２に重なる位置に接合される。

ベース層１４は、感圧素子層２０の支持枠３０の形状に対応して形成された周縁部１６と、周縁部１６の内側に形成された凹部１８とを有し、周縁部１６の上端は支持枠３０の下端と接合する。

このベース層１４、感圧素子層２０、ダイアフラム層３２を真空チャンバー（不図示）等において積層することによりパッケージ１２が形成される。よってダイアフラム３６はパッケージ１２外部が真空のときは撓み変形することはないが、パッケージ１２外部が一定の気圧を有する場合には、ダイアフラム１２はその気圧に応じた変位でパッケージ１２内部側（Ｚ方向）に撓み変形する。このとき支持部３８は互いに離れる方向（Ｘ方向）に変位するため、支持部３８に支持された基部２６も互いに離れる方向に変位する。よって振動腕２４には引張り応力が印加されるので振動腕２４の共振周波数は高くなる。この共振周波数はダイアフラム３６の変位、すなわち、外部の圧力の大きさに対応して変化する。よって真空を基準とし、絶対圧を測定可能な圧力センサー１０となる。

図２に本実施形態に係る振動腕及び支持部の回転振動の様子を示す。図２において、実線の回転方向と実線の抗力Ｎ１、Ｎ２が対応し、破線の回転方向と破線の抗力Ｎ１、Ｎ２が対応する。

上述のように、シングルビーム構造の振動腕２４の基本振動は、振動腕の両端を支点としてダイアフラムの面に沿った方向（Ｙ方向）に振動する（図１（ｃ）参照）。このとき、支持部３８の先端部４０は、振動腕２４の振動の支点（境界２６ａ）を支持するため、振動腕２４の支点のダイアフラム３６の面に沿った方向（ＸＹ方向）の変位を抑制し、これによるダイアフラム３６への振動漏れを抑制している。ここで図２の斜線部分は支持部３８のダイアフラム３６と接続する部分である。

また振動腕２４は上述の基本振動以外にも、振動腕２４の長手方向（Ｘ軸方向）を回転軸とした回転振動を行う。このとき振動腕２４に接続した基部２６も回転振動を行なう。そのため感圧素子２２に接続した支持部３８も振動腕２４からの回転振動を受けてＸ軸方向を回転軸とした回転振動を行なうことになる。またダイアフラム３６は、中心に行くほど圧力に対する変位が大きい、すなわち変形しやすく感圧素子２２からの振動も受けやすくなる特性を有している。一方、本実施形態において、支持部３８はテーパー状に形成され、ダイアフラム３６の中心に近い方を長手方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）の幅の小さい先端部４０とし、逆に遠い方をＹ軸方向の幅の大きい末広がり部４２としている。

よって、振動腕２４からの回転振動を受けて支持部３８が回転振動を行なった場合、末広がり部４２はダイアフラム３６の圧力による変位の小さい位置、すなわち変形しにくい位置にあるため、末広がり部４２はダイアフラム３６から抗力Ｎ１を受け、そのため末広がり部４２に接続する基部２６全体の回転振動の振幅を抑制することができる。特に末広がり部４２のＹ軸方向の幅が大きいほど回転軸に対する抗力Ｎに起因したモーメントが大きくなるため回転振動の抑制の効果が大きくなる。一方、先端部４０は幅が小さいため、先端部４０の幅方向（Ｙ軸方向）の端部４０ａのダイアフラム３６の法線方向（Ｚ軸方向）の振幅は小さく、さらに末広がり部４２が支持部３８全体の回転振動の振幅を抑制するため先端部４０からの漏れ振動の振幅を大幅に抑えることができる。したがってダイアフラム３６への回転振動の漏れを抑制してＱ値の低下を抑制した圧力センサー１０を構築することができる。

さらに本実施形態においては、同様に回転振動を行なう基部２６がパッケージ１２に接続された連結部２８に接続され、連結部２８は基部２６の幅方向（Ｙ軸方向）から延びて基部２６に接続している。このため基部２６は連結部２８からの抗力Ｎ２を受けて回転振動の振幅が抑制され、これにより基部２６に接続された支持部３８の回転振動の振幅も抑制され、Ｑ値の低下をより効果的に抑制することができる。

図３にダイアフラムに撓み変形を与えた場合の変位分布、図４にダイアフラムに撓み変形を与えた場合の面内の応力分布を示す。
本願発明者は、ダイアフラムに撓み変形を与えた場合のダイアフラムの変位分布と面内の応力分布についてシミュレーションを行った。図３に示すように、ダイアフラムに撓み変形を与えた場合、中心付近で最も大きく変位し、周縁に行くに従って小さくなることが分かった。また変位の大きいところほど外部から受ける振動の振幅が大きくなるところでもある。これによりＸ軸方向を回転軸とした回転振動を行なう感圧素子２２に接続する支持部３８の形状はダイアフラム３６の中心に近いほどＹ軸方向の幅を小さくすればよいことがわかる。

またダイアフラムに撓み変形を与えるとダイアフラムの表面積が増えることになるので、ダイアフラムのいずれかの領域で引張応力を受けて面積が大きくなることになる。そこで図４に示すように撓み変形による応力分布を求めると、パッケージの内側方向（Ｚ軸方向）に撓み変形を与えた場合には、ダイアフラムの長手方向（Ｘ軸方向）の端部のＹ軸方向に広がった領域４４において応力が集中していることが分かった。この領域４４に支持部３８（末広がり部４２）を形成し、ダイアフラム３６に撓み変形を与えることにより支持部３８がダイアフラムから応力を受ける。これにより支持部３８に接続された基部２６も応力を受けることになり、基部２６に接続された振動腕２４に応力を与えることができる。この一対の支持部３８に与えられる応力の方向は互いに遠ざかる方向となるので、結果的に振動腕２４には引張り応力が与えられることになる。支持部３８を構成する末広がり部４２とダイアフラム３６の応力の集中する領域４４との平面視して重なる領域が小さい場合は、支持部３８はダイアフラム３６から受ける応力が小さくなるので、振動腕２４に与える引張り応力が小さくなり圧力センサー１０の感度が低下する。よって支持部３８（末広がり部４２）は、このダイアフラム３６の撓み変形における応力が集中する領域４４を覆うように形成することにより圧力センサー１０の感度を高めることができる。

なお、この領域４４に支持部３８を形成しない場合は、感圧素子２２はダイアフラム３６の変位に伴ってダイアフラム３６の法線方向（Ｚ軸方向）に変位することになるが、支持部３８は引っ張り応力を受けることはないので振動腕２４に引張り応力を与えることはできず、圧力センサー１０として機能しないことになる。

図５に圧力センサーの感度と振動漏れの支持部の形状を変えた場合の比較を示す。
本願発明者は、感圧素子２２が上述のような回転振動を行なった場合のダイアフラム３６への振動漏れと感圧素子２２の感度の支持部の形状による影響について調査した。感圧素子として本実施形態に係る感圧素子２２を共通に用い、ダイアフラム３６に形成され感圧素子２２を支持する支持部（図５の実線部分）の形状として、Ａ（正方形）、Ｂ（逆三角形）、Ｃ（菱形）、Ｄ（円形）、Ｅ（三角形、本実施形態の支持部３８）とした場合の比較を行なった。図５においてダイアフラム３６を省略しているが、図１の配置と同様である。なお、いずれの支持部の形態も５００μｍ角に納まる寸法に設計している。また感圧素子２２の全体の寸法は全長４．２ｍｍ、幅２．４ｍｍ、高さ０．７ｍｍとしている。

図５に示すようにＢ、Ｃ、Ｄにおいて感度がＡ及びＥに比べて低いのは、それぞれ支持部のＸ軸方向の端部４６（本実施形態における末広がり部４２）におけるＹ軸方向の幅が狭く、また図４に示す応力が集中する領域４４と平面視して重なる面積が小さいため、ダイアフラム３６から受けるトータルの応力が小さくなったためと考えられる。

またＢ、Ｃ、Ｄは、Ａ及びＥに比べて振動漏れが大きくなっている。前述の端部４６に接続するダイアフラム３６の領域はダイアフラム３６の圧力に対する変位量が小さく、そのため支持部がダイアフラム３６から抗力を受けやすい領域である。しかし前述の端部４６のＹ軸方向の幅が狭いため回転振動に対する抗力に起因したモーメントが小さくなるため、支持部全体の回転振動を抑制する効果が小さくなっているものと考えられる。特にＢにおいて最も振動漏れが大きいのは、Ｂ、Ｃ、Ｄの最も大きな幅を持つ領域のうち、Ｂの最も大きな幅を持つ領域がダイアフラム３６の中心に最も近い位置となっており、Ｃ、Ｄに比べてダイアフラム３６が振動を受けやすいことが考えられる。

一方、Ｅは端部４６（末広がり部４２）のＹ軸方向の幅がＡと同様に広いため、ダイアフラム３６の応力を充分に受けることができ、Ａと遜色のない感度を得ることができると考えられる。またＥはダイアフラム３６の中心に近いところ（先端部４０）は最もＹ軸方向の幅が狭いため、振動腕２４のＸ軸方向を回転軸とした回転振動において、先端部４０のＹ軸方向の端部４０ａのダイアフラム３６の法線方向（Ｚ軸方向）の振幅がＡの場合より小さくなるので、Ａよりも振動漏れを抑制することができると考えられる。

図６に支持部の変形例を示す。図６（ａ）は第１の変形例、図６（ｂ）は第２の変形例である。図６（ａ）に示すように支持部４８において、先端部５０から末広がり部５２までの外形を内側に湾曲して形成することもできる。これにより、末広がり部５２（４２）の幅を変えることなく支持部４８（３８）の幅の平均値を小さくすることができるので、感圧素子２２の感度を劣化させることとなる振動漏れをより効果的に抑制することができる。また支持部４８は図４に示す領域４４を覆うように形成すると感圧素子２２の感度が向上することが考えられる。そこで図６（ｂ）に示すように、末広がり部５２ａを周縁部３４の短辺３４ａに干渉しない位置まで延ばす構成としてもよい。ここでダイアフラム３６の変位時の支持部４８（３８）のＸ軸方向の変位は極わずかであるので、末広がり部５２ａは短辺３４ａに近接して形成することができる。

図７に本実施形態の変形例を示す。
本実施形態においては、圧力センサー１０をベース層１４、感圧素子層２０、ダイアフラム層３２の３層構造を前提にして述べてきたが、図７に示すように、ベース層５４と、ダイアフラム層５６の２層構造にし、ダイアフラム層５６の支持部３８に感圧素子２２を接続した状態で、ベース層５４とダイアフラム層５６とを接続する構成としてもよい。この場合、連結部２８を不要とするので感圧素子２２の基部２６のＸ軸方向の変位を阻害するものがなくなり、その分感圧素子２２の感度を高めることができる。この場合、電気的な接続は支持部３８に基部２６に形成された引き出し電極（不図示）と、パッケージ１２外部にあり外部の駆動回路（不図示）に接続可能な外部電極５８とを接続する貫通電極６０を支持部３８に形成すればよい。

１０………圧力センサー、１２………パッケージ、１４………ベース層、１６………周縁部、１８………凹部、２０………感圧素子層、２２………感圧素子、２４………振動腕、２６………基部、２６ａ………境界、２６ｂ………端部、２８………連結部、３０………支持枠、３０ａ………長辺、３２………ダイアフラム層、３４………周縁部、３４ａ………短辺、３６………ダイアフラム、３６ａ………凹部、３８………支持部、３８ａ………凸部、４０………先端部、４０ａ………端部、４２………末広がり部、４４………領域、４６………端部、４８………支持部、５０………先端部、５２………末広がり部、５４………ベース層、５６………ダイアフラム層、５８………外部電極、６０………貫通電極、１０１………圧力センサー素子、１０２………圧電振動子、１０３………圧電ダイアフラム、１０４………凹部、１０５………力伝達用柱、１０６………力伝達用柱、１０８………圧電ダイアフラム、１０９………凹部、１１０………載置部、１１１………載置部、２１０………圧力センサー、２１２………ダイアフラム、２１８………支持部、２２０………圧力センサー素子、２２２………基部、２２４………振動部、３００………圧力センサー素子、３０２………パッケージ、３０４………ダイアフラム、３０６………感圧素子、３０８………基部、３１０………振動部、３１２………支持部

Claims (5)

1. パッケージと、
   前記パッケージの一面に形成され圧力を受けて撓み変形するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムに形成され、シングルビーム構造の感圧素子の長手方向の両端を支持する一対の支持部と、を有する圧力センサーであって、
   前記一対の支持部は、それぞれ先端部と末広がり部を有するテーパー状に形成され、前記先端部が互いに対向して配置されたことを特徴とする圧力センサー。
2. 前記感圧素子は、前記長手方向に沿って延びた振動腕と、前記振動腕の両端に接続された基部と、を有し、
   前記先端部は、それぞれ前記振動腕と前記基部との境界を支持し、
   前記末広がり部は、それぞれ前記基部の前記長手方向の端部を支持することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記支持部において、前記先端部から前記末広がり部までの外形が内側に湾曲して形成された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ー。
4. 前記末広がり部は、前記ダイアフラムの撓み変形における面内応力が集中する領域に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサー。
5. 前記パッケージは、ベース層、感圧素子層、ダイアフラム層の積層構造により形成され、
   前記感圧素子層は、
   前記感圧素子と、前記感圧素子を囲み前記ベース層に接合する支持枠と、前記振動腕の長手方向に交差する方向に延びて形成され前記感圧素子と前記支持枠とを連結する連結部と、を有し、
   前記ダイアフラム層は、
   前記支持枠に対応して形成され前記支持枠に接合する周縁部と、前記周縁部の内側に形成され前記ダイアフラム形成する凹部と、前記凹部に形成され前記支持部を形成する凸部と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサー。