JP2011232264A - Piezoelectric sensor, piezoelectric sensor element and piezoelectric vibration chip - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の圧力や粘性を測定するために、屈曲振動モードの圧電振動片を用いた圧電センサー素子及びそれを用いた圧電センサー、それに適した圧電振動片に関する。 The present invention relates to a piezoelectric sensor element using a flexural vibration mode piezoelectric vibrating piece, a piezoelectric sensor using the same, and a piezoelectric vibrating piece suitable for the piezoelectric vibration element in order to measure the pressure and viscosity of a fluid.
従来より、液体や気体の圧力、真空度、流体の粘性を測定するために、圧電振動片を感応素子として用いた様々な圧電センサーが開発されている。一般に圧電振動片は、応力が印加されると、その大きさに対応し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片は、他の振動モードに比して、印加応力に対する周波数の変化率が大きい。 Conventionally, various piezoelectric sensors using a piezoelectric vibrating piece as a sensitive element have been developed to measure the pressure of a liquid or gas, the degree of vacuum, and the viscosity of a fluid. In general, a piezoelectric vibrating piece has a property that when a stress is applied, a resonance frequency changes in accordance with the magnitude of the stress. In particular, the flexural vibration mode piezoelectric vibrating piece has a larger frequency change rate with respect to applied stress than the other vibration modes.
このような特性を利用して、平行な2本の振動腕を有する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が知られている(例えば、特許文献1,2を参照)。この圧力センサーは、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の両基端部から振動腕に引張方向又は圧縮方向の力が作用し、その周波数が増大又は減少する。この周波数変化を検出することによって、ダイヤフラムが受けた圧力を測定することができる。 Using such characteristics, a pressure sensor is known in which a double tuning fork piezoelectric vibrating piece having two parallel vibrating arms is fixed to the surface of a diaphragm at the base ends of both ends (for example, Patent Document 1). , 2). In this pressure sensor, when the diaphragm is bent under pressure, a force in the tension direction or the compression direction acts on the vibrating arm from both base end portions of the piezoelectric vibrating piece correspondingly, and the frequency increases or decreases. By detecting this frequency change, the pressure applied to the diaphragm can be measured.
他方、圧電素子を用いて測定対象の流体の粘性又は密度を測定する様々なセンサーが提案されている。例えば、互いに板面を平行に対向させて基台に固着した2つの細長い板状振動片の一端側にそれぞれ圧電素子を貼り付けた音叉型圧電振動子を、軽油等の被測定物中に浸漬して使用する粘度センサーが知られている(特許文献3を参照)。この音叉型圧電振動子は、ウインブリッジ発振回路にこれを構成する2つのコンデンサの一方と置換して接続され、その一方の接続点から電圧変化を検出して軽油の粘度変化を測定する。 On the other hand, various sensors for measuring the viscosity or density of a fluid to be measured using a piezoelectric element have been proposed. For example, a tuning-fork type piezoelectric vibrator having a piezoelectric element attached to one end of two elongated plate-like vibrating pieces fixed to a base with their plate surfaces facing each other in parallel is immersed in a measured object such as light oil. Viscosity sensors used are known (see Patent Document 3). This tuning fork type piezoelectric vibrator is connected to the Winbridge oscillation circuit by replacing one of the two capacitors constituting the tuning fork type piezoelectric vibrator, and changes in the viscosity of the light oil are measured by detecting a voltage change from one of the connection points.
同様に被検液体の粘度及び密度を測定するために、基部で結合された1対の角柱状振動部を備えた音叉型圧電振動子を用いた液体性状センサーが知られている(例えば、特許文献4を参照)。被検液体の粘度及び密度は、振動周波数と音叉型圧電振動子の二次側出力電圧の実効値とを検出して測定する。この音叉型圧電振動子は、各振動部がそれぞれ断面方向に延長する2本のスリットで本体部とその両側の固定部とに分離されており、圧電体を接着した本体部が振動する際に液体から受ける粘性抵抗を、スリット中に侵入した液体によって増加させて、測定精度の向上を図っている。 Similarly, in order to measure the viscosity and density of a test liquid, a liquid property sensor using a tuning-fork type piezoelectric vibrator having a pair of prismatic vibrating portions coupled at a base is known (for example, a patent (Ref. 4). The viscosity and density of the test liquid are measured by detecting the vibration frequency and the effective value of the secondary output voltage of the tuning fork type piezoelectric vibrator. In this tuning fork type piezoelectric vibrator, each vibration part is separated into a main body part and fixed parts on both sides thereof by two slits extending in the cross-sectional direction, and when the main body part to which the piezoelectric material is bonded vibrates. The viscous resistance received from the liquid is increased by the liquid that has entered the slit, thereby improving the measurement accuracy.
また、厚み滑り振動モードの水晶振動片を用いて被検出液の粘性を検出する粘度センサー用水晶振動子が知られている(例えば、特許文献5を参照)。この水晶振動子を測定器の発振回路に接続してオイル中に投入し、そのCI(クリスタルインピーダンス:直列等価抵抗)値を測定することによって、予め計測されたCI値と粘性との関係からオイルの粘性を検出することができる。 There is also known a quartz vibrator for a viscosity sensor that detects the viscosity of a liquid to be detected using a quartz crystal vibrating piece in a thickness-shear vibration mode (see, for example, Patent Document 5). This crystal resonator is connected to an oscillation circuit of a measuring instrument and poured into oil, and the CI (crystal impedance: series equivalent resistance) value is measured to determine the oil from the relationship between the CI value measured in advance and the viscosity. The viscosity of can be detected.
同様に両面に電極を形成した厚み滑り振動モードの圧電体を被測定液体中に浸漬する粘性検出センサーにおいては、圧電体の発振周波数の変化を検出したり、圧電体から発生する出力のコンダクタンスを検出することによって、被測定液体の粘性変化を検出する方法が提案されている(例えば、特許文献6,7を参照)。更に、1対のカンチレバー部を有する音叉型振動体を、液体中に浸漬しかつ一方のカンチレバー部に固定した振動子に電圧を印加して共振周波数で振動させ、この振動を他方のカンチレバー部に固定した振動センサーから電気信号に変換して出力し、振動子の入力信号と振動センサーの出力信号との位相差に基づいて液体の粘度を検出する音叉型粘度センサーが知られている(例えば、特許文献8を参照)。 Similarly, in a viscosity detection sensor that immerses a piezoelectric material in thickness-shear vibration mode with electrodes on both sides in the liquid to be measured, it detects changes in the oscillation frequency of the piezoelectric material, and conducts the conductance of the output generated from the piezoelectric material. There has been proposed a method for detecting a change in viscosity of a liquid to be measured by detection (see, for example, Patent Documents 6 and 7). Further, a tuning fork type vibrator having a pair of cantilever parts is vibrated at a resonance frequency by applying a voltage to a vibrator immersed in a liquid and fixed to one cantilever part, and this vibration is applied to the other cantilever part. A tuning-fork type viscosity sensor that detects the viscosity of a liquid based on the phase difference between the input signal of the vibrator and the output signal of the vibration sensor is known (for example, for example) (See Patent Document 8).
また、複数の振動腕を面外方向に即ちその上下主面に対して垂直方向にかつ隣接する振動腕同士を逆相で屈曲振動させる、所謂ウォークモードで励振する圧電振動片が知られている(例えば、特許文献9,10を参照)。ウォークモードの圧電振動片は、その共振周波数が振動腕の幅寸法に依存しないので、同等の共振周波数を維持しつつ、小型化を図ることができる。更にウォークモードの圧電振動片は、圧電体膜の上下に電極膜を積層した圧電体素子を振動腕の一方の主面に形成することにより、面積効率を高め、高いQ値及びより小型化を実現することができる(例えば、特許文献11を参照)。 There is also known a piezoelectric vibrating piece that excites a plurality of vibrating arms in a so-called walk mode in which a plurality of vibrating arms are bent in the out-of-plane direction, that is, in a direction perpendicular to the upper and lower main surfaces and adjacent vibrating arms are bent in opposite phases. (For example, see Patent Documents 9 and 10). Since the resonant frequency of the walk mode piezoelectric vibrating piece does not depend on the width dimension of the vibrating arm, it is possible to reduce the size while maintaining the same resonant frequency. Furthermore, the piezoelectric vibrator element in the walk mode has a high Q value and a smaller size by forming a piezoelectric element having electrode films laminated on the upper and lower sides of the piezoelectric film on one main surface of the vibrating arm. This can be realized (see, for example, Patent Document 11).
上述した従来の圧力センサーは、双音叉圧電振動片が高い周波数分解能を有することもあり、非常に高い検出精度及び直線性に優れた圧力応答特性を発揮する。しかしながら、圧電振動片における周波数の変化は、これを検出してから安定してカウントできるようになるまでに或る程度の時間を要する。そのため、実際に圧力の変化が生じてから検出されるまでに多少のタイムラグが発生する、という問題がある。このタイムラグの問題は、特許文献4,6記載のように圧電体の周波数を検出する従来の粘度センサーにおいても、同様に発生する。これに対し、圧電振動片のCI値を検出するタイプのセンサーは、かかるタイムラグが発生しないという点で有利である。 In the conventional pressure sensor described above, the double tuning fork piezoelectric vibrating piece may have a high frequency resolution, and exhibits a very high detection accuracy and pressure response characteristic with excellent linearity. However, a change in frequency in the piezoelectric vibrating piece requires a certain amount of time from when it is detected until it can be counted stably. Therefore, there is a problem that a slight time lag occurs between the actual change of pressure and the detection. The problem of this time lag also occurs in the conventional viscosity sensor that detects the frequency of the piezoelectric body as described in Patent Documents 4 and 6. In contrast, a sensor that detects the CI value of the piezoelectric vibrating piece is advantageous in that such a time lag does not occur.
また、双音叉圧電振動片を用いた従来の圧力センサーでは、振動腕の両端の基部がダイヤフラムの支持部に接着剤や直接接合等により固定される。かかる構造は、ダイヤフラムが受けた圧力が該支持部を介して伝達されるので、その接合部分が経年劣化することによって、検出感度が低下する虞がある。更に、圧電振動片の振動が、両端基部から支持部を介してダイヤフラム側に漏洩し、容器の固有振動数と機械的結合するなどして振動特性を低下させ、検出精度及び感度の低下を招く虞がある。また、圧電振動片とダイヤフラム又は容器とで熱膨張係数が大きく異なる場合には、使用環境の温度変化が検出精度及び感度に影響を及ぼす虞がある。 In the conventional pressure sensor using the double tuning fork piezoelectric vibrating piece, the bases at both ends of the vibrating arm are fixed to the support portion of the diaphragm by an adhesive or direct bonding. In such a structure, since the pressure received by the diaphragm is transmitted through the support portion, there is a possibility that the detection sensitivity may be lowered due to deterioration of the joint portion over time. Furthermore, the vibration of the piezoelectric vibrating piece leaks from the bases at both ends to the diaphragm side through the support, and mechanically couples with the natural frequency of the container, thereby reducing the vibration characteristics, leading to a decrease in detection accuracy and sensitivity. There is a fear. In addition, when the thermal expansion coefficient differs greatly between the piezoelectric vibrating piece and the diaphragm or the container, a change in the temperature of the usage environment may affect the detection accuracy and sensitivity.
他方、特許文献4に記載されるセンサーは、振動する圧電体(14)の本体部(16)がその両側を挟む固定部(18)との間のスリット(13)内に侵入する液体の粘性抵抗を受けて、振動周波数が変化する。このとき、本体部の振動面が受ける粘性抵抗Fの大きさは次式で表され、該本体部の振動面に接する液体の速度勾配dV/dzに比例し、その比例定数ηが液体の粘度になる。
F=A・η・(dV/dz)
ここで、Aは振動面の面積、zは振動面からの距離である。
On the other hand, in the sensor described in Patent Document 4, the viscosity of the liquid entering the slit (13) between the main body portion (16) of the vibrating piezoelectric body (14) and the fixing portion (18) sandwiching both sides thereof. In response to resistance, the vibration frequency changes. At this time, the magnitude of the viscous resistance F received by the vibration surface of the main body is expressed by the following equation, which is proportional to the velocity gradient dV / dz of the liquid in contact with the vibration surface of the main body, and the proportional constant η is the viscosity of the liquid. become.
F = A · η · (dV / dz)
Here, A is the area of the vibration surface, and z is the distance from the vibration surface.
更に特許文献4によれば、スリット内の液体の速度分布は、静止液体中に振動面がある場合、振動面に接する液体が振動面と同方向、同速度で運動し、振動面から離れた位置にある液体では、振動面から離れるに従って自己の粘性抵抗によって速度が低下する。従って、本体部と固定部間のスリットの幅も、本体部(16)の振動面に作用する粘性抵抗に影響を及ぼすという問題が考えられる。 Furthermore, according to Patent Document 4, when the liquid has a vibrating surface in the stationary liquid, the liquid velocity distribution in the slit moves in the same direction and at the same speed as the vibrating surface and is separated from the vibrating surface. In the liquid at the position, the velocity decreases due to its own viscous resistance as it moves away from the vibration surface. Therefore, there is a problem that the width of the slit between the main body portion and the fixed portion also affects the viscous resistance acting on the vibration surface of the main body portion (16).
本願発明者は、上述したように音叉型圧電振動子を空気や液体等の流体中に浸漬して用いる従来構造の圧電センサーについて、その圧力(気圧)の変化に対するCI値の変動を測定し評価した。この測定結果を図12に示す。同図に示すように、気圧が非常に低い即ち真空度が高い範囲では、CI値の変化が比較的急峻で高い感度が得られる。これに対し、気圧が高い即ち真空度が低い範囲では、CI値の変化が比較的滑らかであり、そのために圧力を高感度、高精度に測定することが困難になる虞がある。 As described above, the inventor of the present application measures and evaluates the fluctuation of the CI value with respect to the change in pressure (atmospheric pressure) of a piezoelectric sensor having a conventional structure in which a tuning fork type piezoelectric vibrator is immersed in a fluid such as air or liquid. did. The measurement results are shown in FIG. As shown in the figure, in the range where the atmospheric pressure is very low, that is, the degree of vacuum is high, the change in the CI value is relatively steep and high sensitivity can be obtained. On the other hand, in the range where the atmospheric pressure is high, that is, the degree of vacuum is low, the change in the CI value is relatively smooth, which may make it difficult to measure the pressure with high sensitivity and high accuracy.
そこで本発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み、隣接する複数の振動腕が面外方向にかつ互いに逆相に屈曲振動する圧電振動片を被測定対象の流体中に配置し、該圧電振動片がその表面に接する流体から受ける粘性抵抗の変化を、圧電振動片のCI値として検出することによって、液体等の非圧縮性流体についてその粘度、密度を、気体等の圧縮性流体についてその圧力、真空度を、広い測定範囲に亘って高感度、高精度にかつ高応答で測定し得る圧電センサーを提供することにある。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to dispose a piezoelectric vibrating piece in which a plurality of adjacent vibrating arms bend and vibrate in an out-of-plane direction and in opposite phases to each other in a fluid to be measured. By detecting the change in the viscous resistance received from the fluid in contact with the surface of the piezoelectric vibrating piece as the CI value of the piezoelectric vibrating piece, the viscosity and density of the incompressible fluid such as liquid can be determined for the compressible fluid such as gas. An object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor capable of measuring the pressure and the degree of vacuum with high sensitivity, high accuracy and high response over a wide measurement range.
更に本発明の目的は、かかる圧電センサーに使用するのに適した圧電センサー素子及び圧電振動片を提供することにある。 A further object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor element and a piezoelectric vibrating piece suitable for use in such a piezoelectric sensor.
周知のように、2本の振動腕が面内方向に即ちその上下主面と平行にかつ互いに接近離反するように屈曲振動する音叉型圧電振動片は、小型化するとき、振動腕の長さに対する幅の寸法比率を小さくしない限り、振動腕の長さに関連して共振周波数が上昇するという問題がある。これに対し、振動腕が面外方向に屈曲振動するウォークモードの圧電振動片は、上述したように、振動腕の幅を小さくすることなく、同等の共振周波数を維持しながら小型化できるという利点がある。 As is well known, the tuning fork type piezoelectric vibrating piece that flexibly vibrates so that the two vibrating arms are in the in-plane direction, that is, parallel to the upper and lower main surfaces thereof and away from each other, is reduced in length. Unless the dimensional ratio of the width to is reduced, there is a problem that the resonance frequency increases in relation to the length of the vibrating arm. In contrast, the walk mode piezoelectric vibrating piece in which the vibrating arm bends and vibrates in the out-of-plane direction can be reduced in size while maintaining the same resonance frequency without reducing the width of the vibrating arm, as described above. There is.
本願発明者は、ウォークモードの圧電振動片について、振動腕の表面に作用する被測定流体の粘性抵抗とCI値との関係を検証した。その結果、屈曲振動する振動腕の側面に対して平行で平坦な固定面を設けたとき、それらの隙間の大きさに関して、圧電振動片のCI値が変動することを確認した。更に本願発明者は、鋭意検討を進めた結果、真空度を広い測定範囲に亘って高感度、高精度かつ高応答性をもって測定し得る圧電センサーを実現するに至った。 The inventor of the present application verified the relationship between the viscous resistance of the fluid to be measured acting on the surface of the vibrating arm and the CI value for the walk mode piezoelectric vibrating piece. As a result, it was confirmed that the CI value of the piezoelectric vibrating piece fluctuated with respect to the size of the gap when a flat and fixed surface parallel to the side surface of the vibrating arm that vibrates and vibrates was provided. Furthermore, as a result of diligent study, the present inventor has realized a piezoelectric sensor that can measure the degree of vacuum with high sensitivity, high accuracy, and high response over a wide measurement range.
本発明の圧電センサー素子は、かかる知見に基づいてなされてもので、上記目的を達成するために、
基部と、該基部から互いに並列に延出し、その配列方向及び延出方向を含む平面である上下主面及び該主面に直交する左右側面をそれぞれ有する3つの振動腕と、各振動腕を前記主面の面外方向にかつ隣接する振動腕を互いに逆相に屈曲振動させるための励振電極とを有する圧電振動片と、
内部に圧電振動片を収容しかつ基部において固定支持し、該内部を外部の被測定流体に連通可能なパッケージと、
少なくとも1つの振動腕のいずれか一方又は両方の側面と平行をなしかつ該側面との間に所定寸法sの隙間を画定する平坦面を有する固定壁とを備え、
前記隙間の寸法sが、振動腕を面外方向に屈曲振動させたとき、該隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする。
Since the piezoelectric sensor element of the present invention is made based on such knowledge, in order to achieve the above object,
A base, three vibrating arms each extending in parallel from the base, each having a top and bottom main surface that is a plane including the arrangement direction and the extending direction, and left and right side surfaces perpendicular to the main surface; A piezoelectric vibrating piece having excitation electrodes for bending and vibrating the vibrating arms adjacent to each other in the out-of-plane direction of the main surface in opposite phases;
A package containing a piezoelectric vibrating piece inside and fixedly supported at the base, and capable of communicating the inside with an external fluid to be measured;
A fixed wall having a flat surface parallel to one or both side surfaces of at least one vibrating arm and defining a gap of a predetermined dimension s between the side surfaces,
The dimension s of the gap is set such that when the vibrating arm is bent and vibrated in an out-of-plane direction, the fluid to be measured generates a steady velocity distribution flow in the gap.
振動腕の屈曲振動は、前記隙間内でその側面に作用する被測定流体の粘性抵抗によって抑制されるから、振動腕の屈曲振動中に被測定流体の粘性抵抗が変化すれば、その大きさによって圧電振動片のCI値等の電気的特性は変化する。屈曲振動している圧電振動片の側面が移動壁として、固定壁の平坦面に対して所定の速度で往復移動する際、それらの隙間を適当な大きさに設定すると、該隙間内に被測定流体の定常的な速度分布の流れが発生する。 Since the bending vibration of the vibrating arm is suppressed by the viscous resistance of the fluid to be measured acting on the side surface in the gap, if the viscosity resistance of the fluid to be measured changes during the bending vibration of the vibrating arm, the magnitude depends on the magnitude. The electrical characteristics such as the CI value of the piezoelectric vibrating piece change. When the side surface of the piezoelectric vibrating piece that is flexibly vibrating moves back and forth at a predetermined speed with respect to the flat surface of the fixed wall as a moving wall, if the gap is set to an appropriate size, the object to be measured will be measured in the gap. A flow with a steady velocity distribution of the fluid is generated.
この隙間内の流れ状態においては、被測定流体の粘度や密度の変化、それによる粘性抵抗の変化が、後述するように一定の関係をもって圧電振動片のCI値を変化させ、かつCI値の変動検出感度が良好なことを、本願発明者は見出した。従って、本発明の圧電センサー素子は、圧電振動片のCI値から被測定流体の粘度や密度、それらを変化させる圧力等の測定対象の変化を高感度かつ高精度に測定することができる。しかも、圧電振動片のCI値は、周波数のカウントのようなタイムラグを生じることなく検出できるので、応答性に優れた測定が可能である。 In the flow state in this gap, the change in the viscosity and density of the fluid to be measured and the resulting change in the viscous resistance change the CI value of the piezoelectric vibrating piece with a certain relationship as will be described later, and the fluctuation of the CI value. The inventor of the present application has found that the detection sensitivity is good. Therefore, the piezoelectric sensor element of the present invention can measure the change of the measurement object such as the viscosity and density of the fluid to be measured and the pressure to change them from the CI value of the piezoelectric vibrating piece with high sensitivity and high accuracy. In addition, since the CI value of the piezoelectric vibrating piece can be detected without causing a time lag such as frequency counting, measurement with excellent responsiveness is possible.
或る実施例では、前記隙間の寸法sが200μm以下の範囲にあることが好ましい。これにより、特に気体の圧力を測定する場合、真空度の低い範囲を含む広い測定範囲に亘って測定対象を高感度に測定できることが分かった。 In one embodiment, it is preferable that the dimension s of the gap is in the range of 200 μm or less. Thereby, when measuring the pressure of gas especially, it turned out that a measuring object can be measured with high sensitivity over a wide measurement range including a range with a low degree of vacuum.
或る実施例では、圧電振動片の振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、圧電センサー素子が、振動腕の平坦な端面と平行をなしかつ該端面との間に所定寸法s’の狭い第2隙間を画定する平坦面を有する第2固定壁を更に備え、第2隙間の寸法s’が、振動腕を面外方向に屈曲振動させたとき、第2隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定される。被測定流体の粘性抵抗は、振動腕の側面に加えて、移動速度が最も大きい振動腕先端の端面から作用するので、その変化をCI値の変化として、より高感度に検出することができる。 In one embodiment, the vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece has a flat end surface orthogonal to the extending direction of the vibrating arm at the tip, and the piezoelectric sensor element is parallel to the flat end surface of the vibrating arm and A second fixed wall having a flat surface that defines a narrow second gap having a predetermined dimension s ′ between the end face and the end face is further provided, and the dimension s ′ of the second gap causes the vibrating arm to bend and vibrate in an out-of-plane direction. At this time, the fluid to be measured is set so as to generate a flow with a steady velocity distribution in the second gap. Since the viscous resistance of the fluid to be measured acts from the end surface of the tip of the vibrating arm having the largest moving speed in addition to the side surface of the vibrating arm, the change can be detected as a change in the CI value with higher sensitivity.
或る実施例では、パッケージの内壁部によって前記固定壁が形成される。このようにパッケージの通常の構造を直接利用することによって、寸法sの前記隙間を画定するために別個の部材や複雑な構造を用いる必要が無く、圧電センサー素子の構成を簡単にし、かつ従来の組立工程を利用して圧電振動片を実装することができる。 In one embodiment, the fixed wall is formed by the inner wall of the package. By directly using the normal structure of the package in this way, it is not necessary to use a separate member or a complicated structure to define the gap of the dimension s, simplifying the configuration of the piezoelectric sensor element, and The piezoelectric vibrating piece can be mounted using an assembly process.
更に或る実施例では、パッケージの内壁部によって前記第2固定壁が形成される。これによって、同様に圧電センサー素子の構成を簡単にし、かつ従来の組立工程を利用して圧電振動片を実装することができる。 Furthermore, in one embodiment, the second fixed wall is formed by an inner wall portion of the package. Accordingly, the configuration of the piezoelectric sensor element can be similarly simplified, and the piezoelectric vibrating piece can be mounted using a conventional assembly process.
別の実施例では、圧電振動片が、基部から少なくとも一方の外側の振動腕と並列に延長する側辺部を有し、該側辺部によって前記固定壁が形成される。このような圧電振動片は、例えば水晶ウエハからウエットエッチング等の公知方法を用いて一体に加工でき、前記隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成することができる。更に、圧電振動片のパッケージへの実装作業が容易になる。 In another embodiment, the piezoelectric vibrating piece has a side portion extending in parallel with at least one outer vibrating arm from the base portion, and the fixing wall is formed by the side portion. Such a piezoelectric vibrating piece can be integrally processed from a quartz wafer, for example, using a known method such as wet etching, and the gap can be easily formed in a desired dimension with high accuracy. Further, the mounting work of the piezoelectric vibrating piece on the package becomes easy.
また、別の実施例では、圧電振動片が、振動腕を囲繞するように、各外側の振動腕とそれぞれ並列に延長する2つの側辺部と両側辺部の先端を連結する端辺部とからなる外枠を有し、その側辺部によって前記固定壁が形成され、端辺部によって前記第2固定壁が形成される。同様に、このような圧電振動片は、例えば水晶ウエハからウエットエッチング等の公知方法を用いて一体に加工でき、前記隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成することができる。更に、圧電振動片のパッケージへの実装作業が容易になる。 In another embodiment, the piezoelectric vibrating piece includes two side portions extending in parallel with the outer vibrating arms so as to surround the vibrating arms, and an end portion connecting the tips of both side portions, The fixed wall is formed by the side part, and the second fixed wall is formed by the end part. Similarly, such a piezoelectric vibrating piece can be integrally processed from a quartz wafer using a known method such as wet etching, and the gap can be easily formed with high accuracy and a desired dimension. Further, the mounting work of the piezoelectric vibrating piece on the package becomes easy.
この場合、或る実施例では、パッケージが、圧電振動片の前記外枠の上下各面にそれぞれ接続される上側及び下側基板からなり、該上側及び下側基板と前記外枠との間に圧電振動片を収容する内部が画定される。かかるパッケージ構造を採用することによって、高感度の圧電センサー素子を少ない部品点数で簡単に組み立てることができる。 In this case, in one embodiment, the package includes upper and lower substrates respectively connected to upper and lower surfaces of the outer frame of the piezoelectric vibrating piece, and between the upper and lower substrates and the outer frame. An interior for accommodating the piezoelectric vibrating piece is defined. By adopting such a package structure, a highly sensitive piezoelectric sensor element can be easily assembled with a small number of parts.
更に別の実施例では、圧電振動片が、隣接する振動腕の間を該振動腕と並列に延長する固定部材を有し、該固定部材によって、それに隣接する一方又は両方の振動腕の側面との間に前記隙間を画定する固定壁が形成される。これによって、より大きな粘性抵抗を振動腕に作用させることができ、CI値の変化検出感度を高めて、測定対象の変化をより高感度に検出することができる。 In still another embodiment, the piezoelectric vibrating piece has a fixing member that extends in parallel with the vibrating arm between adjacent vibrating arms, and the fixing member allows the side of one or both of the vibrating arms to be adjacent to the vibrating arm. A fixed wall defining the gap is formed therebetween. As a result, a larger viscous resistance can be applied to the vibrating arm, the change detection sensitivity of the CI value can be increased, and the change of the measurement object can be detected with higher sensitivity.
本発明の別の側面によれば、基部と、該基部から互いに並列に延出し、その配列方向及び延出方向を含む平面である上下主面及び該主面に直交する左右側面をそれぞれ有する3つの振動腕と、基部から少なくとも一方の外側の振動腕と並列に延長する側辺部と、各振動腕をその主面の面外方向にかつ隣接する振動腕を互いに逆相に屈曲振動させるための励振電極とを有し、
側辺部が、隣接する振動腕の外側側面と平行をなしかつ外側側面との間に所定寸法sの隙間を画定する平坦面を有し、該隙間の寸法sが、振動腕を面外方向に屈曲振動させたとき、前記隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定される圧電振動片が提供される。この圧電振動片は、例えば水晶ウエハをウエットエッチングする等の従来方法により、前記隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成できる。そして、外枠を有しない通常の圧電振動片と同様に、従来の製造工程に従って、ベースとそれに接合されるリッドとにより画定される従来のパッケージに実装することによって、本発明の圧電センサー素子を構成することができる。
According to another aspect of the present invention, there are provided a base portion, upper and lower main surfaces that are parallel to each other and extend from the base portion, and a right and left side surface perpendicular to the main surface. Two vibrating arms, a side portion extending in parallel with at least one outer vibrating arm from the base, and each vibrating arm in the out-of-plane direction of its main surface, and adjacent vibrating arms flexibly vibrate in mutually opposite phases. And an excitation electrode of
The side portion has a flat surface that is parallel to the outer side surface of the adjacent vibrating arm and defines a gap of a predetermined dimension s between the outer side surface, and the dimension s of the gap makes the vibrating arm in an out-of-plane direction. A piezoelectric vibrating piece is provided that is set so that the fluid to be measured generates a flow with a steady velocity distribution within the gap when it is bent and vibrated. In this piezoelectric vibrating piece, the gap can be easily formed with high accuracy and a desired dimension by a conventional method such as wet etching of a quartz wafer. Then, in the same manner as a normal piezoelectric vibrating piece having no outer frame, the piezoelectric sensor element of the present invention is mounted on a conventional package defined by a base and a lid bonded thereto according to a conventional manufacturing process. Can be configured.
或る実施例において、本発明の圧電振動片は、振動腕を囲繞するように、各外側の振動腕とそれぞれ並列に延長する2つの側辺部と該両側辺部の先端を連結する端辺部とからなる外枠を有し、振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、該端辺部が、振動腕の前記平坦な端面と平行をなしかつ該端面との間に所定寸法s’の狭い第2隙間を画定する平坦面を有し、該第2隙間の寸法s’が、振動腕を主面の面外方向に屈曲振動させたとき、第2隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定される。同様に、圧電振動片は、例えば水晶ウエハをウエットエッチングする等の従来方法により、前記隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成でき、被測定流体の粘性抵抗を、より高感度に検出することができる。 In one embodiment, the piezoelectric vibrating piece according to the present invention includes two side portions that extend in parallel with each outer vibrating arm so as to surround the vibrating arm, and an end portion that connects the tips of the two side portions. And the vibrating arm has a flat end surface perpendicular to the extending direction of the vibrating arm at the tip, and the end side is parallel to the flat end surface of the vibrating arm. None and has a flat surface that defines a narrow second gap having a predetermined dimension s ′ between the end face and the dimension s ′ of the second gap causes the vibrating arm to bend and vibrate in the out-of-plane direction of the main surface. At this time, the fluid to be measured is set so as to generate a flow with a steady velocity distribution in the second gap. Similarly, the piezoelectric vibrating reed can be formed with high accuracy and simpleness in a desired dimension by a conventional method such as wet etching of a quartz wafer, and the viscosity resistance of the fluid to be measured can be detected with higher sensitivity. can do.
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧電センサー素子と、該圧電センサー素子の圧電振動片のCI値を検出する電気回路とを備えることにより、被測定流体の粘度、密度、圧力等の測定対象を高感度、高精度かつ高応答で測定し得る圧電センサーが提供される。 According to another aspect of the present invention, by including the above-described piezoelectric sensor element of the present invention and an electric circuit for detecting the CI value of the piezoelectric vibrating piece of the piezoelectric sensor element, the viscosity, density, A piezoelectric sensor capable of measuring a measurement object such as pressure with high sensitivity, high accuracy, and high response is provided.
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。尚、各図において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して表すものとする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same or similar reference numerals.
図1は、本発明による圧電センサー素子の第1実施例の構成を示している。本実施例の圧電センサー素子11は、流体の圧力や粘度、密度を測定するためのもので、圧電振動片12と、これを収容するためのパッケージ13とを備える。パッケージ13は、上部を開放した矩形箱型のベース14と、その上端に接合された矩形平板のリッド15とを有する。ベース14は、例えばセラミックス等の絶縁材料薄板を積層して形成される。リッド15は、例えばコバール、42アロイ、SUS等の金属材料や、ガラス、シリコン、水晶、セラミック等の絶縁材料で形成される。
FIG. 1 shows the configuration of a first embodiment of a piezoelectric sensor element according to the present invention. The
パッケージ13内部に画定されるキャビティ16に被測定流体を外部環境から導入しかつ流通可能にするため、リッド15には連通孔17が貫設されている。連通孔17は、前記リッドではなく、ベース14に設けることもでき、前記リッド及びベースの双方に設けることもできる。この連通孔によって、圧電センサー素子11を被測定流体内に配置したとき、キャビティ16内は外部環境から被測定流体が満たされ、自在に流通可能な状態に置かれる。
A
圧電振動片12は、図2(A)に示すように、基部18と、該基部から並列に延出する3つの振動腕19a〜19cとを有し、例えば水晶材料のような公知の圧電材料で形成される。更に圧電振動片12は、各外側の振動腕19a,19cの外側にそれぞれ基部18から前記振動腕と並列に延出する側辺部20a,20bを有する。
As shown in FIG. 2A, the piezoelectric vibrating
振動腕19a〜19cは、それらの配列方向及び延出方向を含む平面で該平面の垂直方向を上下方向とする上側及び下側主面と、該主面に直交する左右側面とをそれぞれ有する。前記各振動腕の上側主面には、図2(C)に例示するように、下側電極膜21と圧電体膜22と上側電極膜23とを順に積層した励振電極24が形成されている。下側電極膜21と上側電極膜23とには、互いに逆極性の電圧が印加される。基部18には、図示しないが、前記各振動腕の励振電極24から1対のマウント電極が形成されている。当然ながら、前記各振動腕には、その上側及び下側主面と左右側面とに成膜される電極膜からなる、異なる電極構造の励振電極を形成することができる。
The resonating
側辺部20a,20bはそれぞれ内側に、隣接する外側の振動腕19a,19bの外側の側面25a,25bと平行をなす平坦な側面26a,26bを有する。側辺部20a,20bは、側面26a,26bと対面する前記振動腕の側面25a,25bとの間に、それぞれ所定寸法s1の狭い隙間27a,27bを画定するように形成される。圧電振動片12は、例えば水晶ウエハからウエットエッチング等の公知方法により一体に成形され、隙間27a,27bを高精度にかつ簡単に調整することができる。
The
ベース14のキャビティ底面16aには、長手方向の一方の端部付近に1対の接続電極28が形成されている。圧電振動片12は、基部18において前記マウント電極をキャビティ底面16aの前記接続電極に導電性接着剤29で固定することにより、ベース14に電気的に接続されかつ機械的に片持ちで支持される。
On the cavity
圧電振動片12に所定の電圧を、隣接する前記振動腕で互いに逆位相となるように印加すると、振動腕19a〜19cは、所定の周波数でそれぞれ面外方向に即ち前記主面に対して垂直方向に、かつ隣接する前記振動腕が互いに逆相で屈曲振動する。前記各外側の振動腕は、その側面25a,25bが移動壁として、固定壁である前記両側辺部の側面26a,26bに対して所定の速度で往復移動する。このとき、被測定流体が隙間27a,27b内で、その速度分布が時間によって変化しない定常的な流れを生じるように、隙間の大きさs1は決定される。
When a predetermined voltage is applied to the piezoelectric vibrating
図3は、例示として一方の隙間27aについて、圧電振動片12の励振時に生じる被測定流体Fの流れを模式的に説明している。図中、固定壁である側面26aから垂直方向に移動壁の側面25aに向けてy軸、両側面と平行に振動腕19aの下向き移動方向をx軸にとる。振動腕19aがx方向に速度Uで移動するとき、その側面26aに接している被測定流体が同じ速度Uで動くのに対し、側面26aに接している被測定流体の速度は0である。それらの間では、被測定流体Fが、側面26aからの距離yにおいてその外側の部分と内側の部分とで異なる速度の層流となって互いにずれながら移動している。
FIG. 3 schematically illustrates the flow of the fluid F to be measured that occurs during excitation of the piezoelectric vibrating
隙間27a内でクエット流れが発生しているとした場合、被測定流体Fの側面26aから距離yにおけるx方向の速度uは、次式となる。
u=U×(y/s1)
即ち、図3で斜めの直線で示すように、距離yに関して0からUまで直線的に変化する速度分布となる。図中、この速度分布に沿って示す垂直下向きの矢印は、速度ベクトルである。
When a Couette flow is generated in the
u = U × (y / s1)
That is, as shown by an oblique straight line in FIG. 3, the velocity distribution changes linearly from 0 to U with respect to the distance y. In the figure, a vertical downward arrow shown along this velocity distribution is a velocity vector.
このとき、振動腕の側面25aにそれに接している被測定流体から作用する単位面積当たりの摩擦力がせん断応力τ0 であり、次式で表わすことができる。
τ0 =μ×(U/s1)
隙間27a内の被測定流体内部においても、x方向に異なる速度で移動している部分同士の間に摩擦力が働く。単位面積当たりの摩擦力即ちせん断応力τは、次式で表わすことができる。
τ=μ×(du/dy)
この比例定数μが、粘度又は粘性係数と呼ばれる被測定流体に固有な値である。速度勾配(du/dy)とせん断応力τとの間にμ一定の比例関係がある流体がニュートン流体、そのような比例関係が無い流体が非ニュートン流体と呼ばれている。
At this time, the frictional force per unit area acting on the
τ0 = μ × (U / s1)
Also in the fluid to be measured in the
τ = μ × (du / dy)
This proportionality constant μ is a value unique to the fluid to be measured, which is called viscosity or viscosity coefficient. A fluid having a constant μ proportional relationship between the velocity gradient (du / dy) and the shear stress τ is called a Newtonian fluid, and a fluid having no such proportional relationship is called a non-Newtonian fluid.
また、これらのせん断応力は、次式のように書き換えることができる。
τ0 =ρν×(U/s1)
τ=ρν×(du/dy)
ここで、ρは被測定流体の密度、ν=μ/ρは被測定流体の動粘性係数である。一般に、温度が上昇すると、圧縮性流体である気体の動粘性係数は大きくなり、非圧縮性流体である液体の動粘性係数は小さくなることが知られている。
Further, these shear stresses can be rewritten as the following equation.
τ = ρν × (du / dy)
Here, ρ is the density of the fluid to be measured, and ν = μ / ρ is the kinematic viscosity coefficient of the fluid to be measured. In general, it is known that the kinematic viscosity coefficient of a gas that is a compressible fluid increases and the kinematic viscosity coefficient of a liquid that is an incompressible fluid decreases as the temperature rises.
実際、一般に移動壁と固定壁との間に発生する流体の流れは、クエット流れのような単純な層流ではなく、乱流である場合が多いと考えられる。その場合、振動している前記振動腕の側面25aにそれに接している被測定流体から作用する単位面積当たりの摩擦力即ちせん断応力τ0 は、次式で表わすことができる。
τ0 =μ×(U/s1)−ρ(u'の時間平均)(v'の時間平均)
この式の右辺第2項はレイノルズ応力と呼ばれ、u'は被測定流体のx方向の速度変動、v'は被測定流体のy方向の速度変動である。隙間27a内も、このような被測定流体の粘性に対応した定常的な流れが発生していると考えられる。
In fact, it is generally considered that the fluid flow generated between the moving wall and the fixed wall is often a turbulent flow rather than a simple laminar flow such as a Couette flow. In this case, the frictional force per unit area, that is, the
The second term on the right side of this equation is called Reynolds stress, u ′ is the velocity fluctuation in the x direction of the fluid to be measured, and v ′ is the velocity fluctuation in the y direction of the fluid to be measured. It is considered that a steady flow corresponding to the viscosity of the fluid to be measured is also generated in the
本明細書中、前記振動腕の表面に作用してその屈曲振動を抑制するように働く摩擦力を被測定流体の粘性抵抗と呼ぶこととする。この粘性抵抗の大きさによって、圧電振動片12の電気的特性が変化する。被測定流体が圧縮性流体の場合、圧力が上昇すると、容積が減少して密度が高くなるので、粘性抵抗が大きくなる。逆に圧力が降下すると、容積が増大して密度が低くなるので、粘性抵抗が小さくなる。被測定流体が非圧縮性流体の場合、密度は圧力に対して一定であるが、液体は温度によって密度が変化し、その結果粘性抵抗が増減する場合がある。
In this specification, the frictional force that acts on the surface of the vibrating arm to suppress the bending vibration is referred to as the viscous resistance of the fluid to be measured. The electrical characteristics of the piezoelectric vibrating
本実施例では、外側の振動腕19a,19bの側面25a,25bが隙間27a,27b内の被測定流体から受ける粘性抵抗の変化を、圧電振動片12のCI値の変化として検出する。これによって、振動腕への粘性抵抗を変化させる圧力等の測定対象の変化を高感度に検出することができる。しかも、CI値の検出は、周波数のカウントのようなタイムラグを発生しないので、測定対象をリアルタイムで測定できる。
In this embodiment, the change in the viscous resistance that the side surfaces 25a and 25b of the outer vibrating
第1実施例の圧電センサー素子11において、被測定流体を空気、隙間27a,27bの大きさs1を200μmに設定して、気圧に対する圧電振動片12のCI値の変化を測定した。比較例として、図12の圧電センサー素子1において、同様に気圧に対する圧電振動片2のCI値の変化を測定した。これらの測定結果を図3に示す。同図から、本実施例の圧電センサー素子11は、気圧の高い(真空度の低い)範囲においても、CI値の変化が比較例に比して十分に大きいことが分かる。これは、圧電センサー素子11が、気体の圧力変化に対して高いCI値検出感度を有することを示している。
In the
更に圧電センサー素子11において、隙間27a,27bの大きさs1に関するCI値の変動量を測定した。各振動腕19a,19bのサイズ及び共振周波数が異なる大小2つの圧電振動片12を用意した。大きいサイズの圧電振動片は、振動腕を腕長=5300μm、腕幅=200μm、共振周波数=40kHzに設定した。小さいサイズの圧電振動片は、振動腕を腕長=5300μm、腕幅=200μm、共振周波数=110〜220kHzに設定した。
Further, in the
その測定結果を図5に示す。同図から、第1実施例の場合、圧電振動片12の振動腕の大きさ及び共振周波数に拘わらず、隙間27a,27bの大きさs1が200μm以下の範囲では、CI値の変化を十分に検出可能であることが分かる。このように第1実施例の圧電センサー素子11は、被測定流体を空気、測定対象を気圧とした場合に、CI値を検出することによって、気圧センサー又は真空度センサーとして十分に広い圧力範囲で高い感度を発揮することができる。
The measurement results are shown in FIG. From the figure, in the case of the first embodiment, regardless of the size of the vibrating arm of the piezoelectric vibrating
上述した隙間27a,27bにおける被測定流体の流れに関する考察や図4、図5の結果から、第1実施例の圧電センサー素子11が、空気以外の被測定流体、気圧以外の測定対象についても同様に適用されることは、容易に理解される。隙間27a,27b内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように、前記隙間の大きさs1が決定されている限り、様々な圧縮性流体及び非圧縮性流体について、振動腕への粘性抵抗を変化させ得る圧力、粘度、密度等の様々な測定対象の変化を、CI値の変化として高感度に検出することができる。
Based on the above-described consideration regarding the flow of the fluid to be measured in the
別の実施例では、一方の前記外側の振動腕についてのみ、基部18から延出する側辺部20a又は20bを設けることができる。この場合、圧電振動片全体として被測定流体から受ける粘性抵抗は小さくなるが、圧電振動片及び圧電センサー素子の小型化を図ることができる。
In another embodiment, the
また、別の実施例では、隣接する前記振動腕の間、即ち中央の振動腕19cとその両側又は片側の振動腕19a,19bとの間に固定壁を設けることができる。この固定壁は、隣接する前記振動腕の側面に平行な平坦面を有し、該平坦面と前記振動腕の側面との間に、前記振動腕の屈曲振動時に被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるような所定寸法の狭い隙間を画定する。これにより、図1の第1実施例の場合よりも大きな粘性抵抗を振動腕19a〜19cに作用させ、CI値の変化検出感度を高め、測定対象の変化をより高感度に検出することができる。このような固定壁は、例えば圧電振動片12の基部18から前記振動腕と並列に延出する固定腕部によって提供される。
In another embodiment, a fixed wall may be provided between the adjacent vibrating arms, that is, between the central vibrating
図6は、第1実施例の圧電センサー素子11を組み込んだ圧電センサーの圧力検出回路の構成例を示している。この圧力検出回路30は、圧電センサー素子11の発振回路31と、互いに直列に接続されたフィルター回路32、整流回路33、積分回路34及び直流増幅回路35とを備える。これら各回路31〜35における信号a〜eを、図7に横軸を時間T、縦軸を電圧として模式的に表す。
FIG. 6 shows a configuration example of a pressure detection circuit of a piezoelectric sensor incorporating the
発振回路31は、圧電センサー素子11の圧電振動片12を発振させるための増幅器として、前記圧電振動片の両端子間に直列に接続されたインバーターINV1〜3を有する。1段目のインバーターINV1は入力端子を圧電振動片12の一方の端子に、出力端子を2段目のインバーターINV2の入力端子に接続し、2段目のインバーターINV2は出力端子を3段目のインバーターINV3の入力端子に接続し、3段目のインバーターINV3は出力端子を前記水晶振動片の他方の端子に接続している。インバーターINV1の入力端子と接地電位との間にコンデンサーC1が接続され、インバーターINV3の出力端子と接地電位との間にコンデンサーC2が接続されている。
The
更に発振回路31は、圧電振動片12の両端子間に、抵抗RA,RB,RCを直列に接続した回路からなる抵抗R1を有する。抵抗R1の一方の端子即ち抵抗RAの端子はインバーターINV1の入力端子に、抵抗R1の他方の端子即ち抵抗RCの一方の端子はインバーターINV3の出力端子に接続されている。抵抗RAと抵抗RBとの接続中点はインバーターINV1の出力端子に接続され、抵抗RBと抵抗RCとの接続中点はインバーターINV2の出力端子に接続されている。抵抗R1の他方の端子即ち抵抗RCの端子と前記水晶振動片の他方の端子との間には、位相制御用の抵抗RDが接続されている。このように構成することによって、発振回路31は、圧電振動片12を発振させた発振信号OUTをインバーターINV3の出力端子から出力する。
Further, the
フィルター回路32は、インバーターINV1の入力端子及び圧電振動片12の前記一方の端子と整流回路33の入力端子との間に接続されたコンデンサーC3を有する。コンデンサーC3の前記他方の端子と接地電位との間には、抵抗R3が接続されている。
The
フィルター回路32には、インバーターINV1の入力端子側に接続された圧電振動片12の前記一方の端子から出力した電流である振動子電流の一部からなる、図7(A)に示す信号aが入力する。この入力信号aは、直流成分が重畳した正弦波の交流信号であり、その振幅(電圧)Vpp1は、圧電振動片12のCI値の大きさに比例して変化する。フィルター回路32は、図7(B)に示すように、入力信号aから前記直流成分を取り除いた信号bを出力する。
In the
整流回路33は、フィルター回路32のコンデンサーC3と積分回路34との間に接続されたダイオードD1を有する。整流回路33は、フィルター回路32の出力信号bを入力し、図7(C)に示すように半波整流した信号cを出力する。
The
積分回路34は、整流回路33のダイオードD1の出力と直流増幅回路35との間に接続された抵抗R4を有する。抵抗R4と接地電位との間に、コンデンサーC4が接続されている。積分回路34は、整流回路33の出力信号cを入力し、図7(D)に示すように積分した信号dを出力する。
The integrating
直流増幅回路35は、比較回路35aと、該比較回路のプラス端子と積分回路34の出力との間に接続された抵抗R5とを有する。比較回路35aには、そのマイナス端子と接地電位との間に抵抗R6が接続され、該マイナス端子と出力端子との間に抵抗R7が接続されている。直流増幅回路35は、積分回路34の出力信号dを入力し、図7(E)に示すように増幅した電位Voutの信号eを圧力検出信号として出力する。出力信号eの検出は、発振周波数のカウントと異なり、例えば数msecレベルの瞬時で行うことができる。
The
圧力検出回路30は、その全体を圧電センサー素子11の外部要素として構成することができ、又はその一部の構成要素を圧電センサー素子11のパッケージ13内部に配置することができる。また、発振回路31の増幅器を構成するインバーターは、上述した3段構成以外に、該発振回路の設計条件によって1段でも良く、又は3段以外の複数(奇数)段に構成することができる。更に、積分回路34の出力信号dが、圧力の検出に十分な大きさ(電位)を有する場合には、直流増幅回路35を省略することもできる。
The
図8(A)〜(C)は、第1実施例の圧電センサー素子の変形例を示している。本実施例の圧電センサー素子41は、圧電振動片42とこれを収容するためのパッケージ13とを備える。圧電振動片42は、図1の圧電振動片12から両側辺部20a,20bを省略した従来構造のもので、基部18から並列に延出する3つの振動腕19a〜19cを有する。パッケージ13は、第1実施例と同様に、矩形箱型のベース14とキャビティ16への連通孔17を設けた矩形平板のリッド15とを有する。圧電振動片42は、図1の圧電振動片12と同様に、前記各振動腕の表面に励振電極が形成され、該励振電極から引き出したマウント電極が基部18に形成されている。圧電振動片42は、基部18において前記マウント電極をキャビティ底面16aの接続電極28に導電性接着剤29で固定して、片持ちに支持されている。
8A to 8C show a modification of the piezoelectric sensor element of the first embodiment. The
パッケージ13のベース14は、圧電振動片42の外側の振動腕19a,19bに沿って延長する側壁部分14a,14bが平坦な内壁面43a,43bを有する。本実施例では、圧電振動片42が、前記外側の振動腕の外側の側面25a,25bを隣接するベース14の内壁面43a,43bと平行に、かつそれらの間にそれぞれ所定寸法s2の隙間44a,44bを画定するように配置される。
The
圧電振動片42の前記励振電極に所定の電圧を印加すると、振動腕19a〜19cは、所定の周波数で面外方向にかつ隣接する前記振動腕が互いに逆相で屈曲振動する。外側の振動腕19a,19bの外側の側面25a,25bは移動壁として、固定壁であるベース14の内壁面43a,43bに対して所定の速度で往復移動する。このとき、連通孔17からキャビティ16内に入っている被測定流体が隙間44a,44b内で定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさs2は決定される。
When a predetermined voltage is applied to the excitation electrode of the piezoelectric vibrating
このように圧電振動片42をパッケージ13内に実装することによって、外側の振動腕19a,19bは側面25a,25bが、図3に関連して上述したように、隙間44a,44b内の被測定流体から粘性抵抗を受ける。この粘性抵抗の大きさによって、振動腕19a,19bの屈曲振動が抑制され、圧電振動片42のCI値が変化する。従って、前記振動腕が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片42のCI値の変化として検出することによって、被測定流体の圧力等の測定対象の変化を高感度に検出することができる。
By mounting the piezoelectric vibrating
別の実施例では、前記各外側の振動腕との間に隙間44a,44bを画定する固定壁として、ベース14の前記内壁面を直接利用する代わりに、別個の平坦面部材をキャビティ16内に配置することができる。また、前記ベース14の側壁部分14a,14bに、圧電振動片42の前記振動腕に対応する領域にのみ、隙間44a,44bを画定する固定壁構造を突設することもできる。
In another embodiment, instead of directly using the inner wall surface of the base 14 as a fixed wall that defines the
図9は、第1実施例の圧電センサー素子に使用する圧電振動片の変形例を示している。本実施例の圧電振動片51は、第1実施例の圧電振動片12の構成に加えて、基部18とは長手方向反対側に、振動腕19a〜19cを囲繞する矩形の外枠52を形成するように両側辺部20a,20bの先端を連結する端辺部20cを有する。
FIG. 9 shows a modification of the piezoelectric vibrating piece used in the piezoelectric sensor element of the first embodiment. In addition to the configuration of the piezoelectric vibrating
振動腕19a〜19cは、それぞれ先端即ち自由端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面53a〜53cを有する。端辺部20cは、前記振動腕の各端面53a〜53cに対向する平坦な内側の側面26cを有する。側面26cが前記振動腕の各端面53a〜53cと平行をなしかつそれらの間に所定寸法s3の狭い隙間54a〜54cを画定するように、端辺部20cは配置する。圧電振動片51は、例えば水晶ウエハからウエットエッチング等の公知方法により一体に成形され、前記振動腕の先端側の隙間54a〜54cを高精度にかつ簡単に調整することができる。
The vibrating
被測定流体を導入した適当なパッケージ内に圧電振動片51を配置して所定の電圧を印加し、上記実施例と同様に振動腕19a〜19cを屈曲振動させる。前記各外側の振動腕は、その側面25a,25bが移動壁として、固定壁である前記両側辺部の側面26a,26bに対して所定の速度で往復移動する。同時に、前記各振動腕の端面53a〜53cが移動壁として、固定壁である端辺部20cの側面26cに対して所定の速度で往復移動する。このとき、前記被測定流体が隙間54a〜54c内で、定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさs3は設定する。
The piezoelectric vibrating
振動腕19a〜19cの屈曲振動は、前記外側の振動腕の各側面25a,25b及び全部の前記振動腕の各端面53a〜53cが被測定流体の粘性抵抗を受けることによって抑制される。特に前記振動腕先端の端面は、移動速度が最も大きいから、その面積は小さくても比較的大きな粘性抵抗を受ける。従って、本実施例は、図1の第1実施例の場合よりも大きな粘性抵抗を振動腕19a〜19cに作用させることができる。この粘性抵抗の変化を圧電振動片52のCI値の変化として検出することにより、被測定流体の圧力等の測定対象の変化をより高感度に検出することができる。
The bending vibrations of the vibrating
図10(A)、(B)は、図9の圧電振動片51を組み込むのに適した本発明による圧電センサー素子の第2実施例を示している。本実施例の圧電センサー素子61は、圧電振動片51を中間圧電基板として、その上下に接合されてパッケージを構成する上側基板62と下側基板63とを備える。
FIGS. 10A and 10B show a second embodiment of the piezoelectric sensor element according to the present invention suitable for incorporating the piezoelectric vibrating
上側及び下側基板62,63は、それぞれ圧電振動片51との対向面に凹部62a,63aが形成されている。前記上側及び下側基板は、凹部62a,63aを囲繞する周辺部で、それ自体が前記圧電振動片を収容するパッケージの一部を構成する外枠52の上下面に接合される。これにより、圧電センサー素子61の内部に振動腕19a〜19cを収容するキャビティが画定される。前記キャビティに被測定流体を外部環境から導入しかつ流通可能にするために、上側基板62の凹部62aには連通孔64が貫設されている。この構成によって、圧電センサー素子を小型化することができる。
The upper and
図11(A),(B)は、図8の圧電センサー素子の変形例を示している。本実施例の圧電センサー素子71は、図8の実施例と同様に、図1の圧電振動片12から両側辺部20a,20bを省略した従来構造の圧電振動片42と、これを収容するためのパッケージ13とを備える。パッケージ13は、矩形箱型のベース14とキャビティ16への連通孔17を設けた矩形平板のリッド15とを有する。圧電振動片42は、前記各振動腕の表面に励振電極が形成され、該励振電極から引き出したマウント電極が基部18に形成されている。圧電振動片42は、基部18において前記マウント電極をキャビティ底面16aの接続電極28に導電性接着剤29で固定して、片持ちに支持されている。
11A and 11B show a modification of the piezoelectric sensor element of FIG. As in the embodiment of FIG. 8, the
圧電センサー素子71は、図8の構成に加えて、圧電振動片42の振動腕19a〜19cの先端に隣接するベース14の側壁部分14cが、平坦な内壁面43cを有する。振動腕19a〜19cは、それぞれ先端即ち自由端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面72a〜72cを有する。本実施例では、圧電振動片42を、前記外側の振動腕の外側側面25a,25bが隣接するベース14の内壁面43a,43bと平行をなし、かつそれらの間にそれぞれ所定寸法s2の隙間44a,44bを画定すると共に、側壁部分14cの内壁面43cが前記振動腕の各端面72a〜72cと平行をなし、かつそれらの間に所定寸法s4の狭い隙間73a〜73cを画定するように配置する。
In the
圧電振動片42の前記励振電極に所定の電圧を印加すると、振動腕19a〜19cは、所定の周波数で面外方向にかつ隣接する前記振動腕が互いに逆相で屈曲振動する。外側の振動腕19a,19bの外側の側面25a,25bは移動壁として、固定壁であるベース14の内壁面43a,43bに対して所定の速度で往復移動する。同時に、前記各振動腕の端面72a〜72cが移動壁として、固定壁である側壁部分14cの内壁面43cに対して所定の速度で往復移動する。このとき、連通孔17からキャビティ16内に入っている被測定流体が隙間73a〜73c内で定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさs4は設定する。
When a predetermined voltage is applied to the excitation electrode of the piezoelectric vibrating
振動腕19a〜19cの屈曲振動は、前記外側の振動腕の各側面25a,25b及び3つ全部の前記振動腕の各端面72a〜72cが被測定流体の粘性抵抗を受けることによって抑制される。特に前記振動腕先端の端面は、移動速度が最も大きいから、その面積は小さくても比較的大きな粘性抵抗を受ける。従って、本実施例では、図8の実施例よりも大きな粘性抵抗を振動腕19a〜19cに作用させることができる。この粘性抵抗の変化を圧電振動片42のCI値の変化として検出することにより、被測定流体の圧力等の測定対象の変化をより高感度に検出することができる。
Bending vibrations of the vibrating
図8、図9、図11の各実施例においても、前記圧電振動片の隣接する前記振動腕の間に固定壁を設けることができる。この固定壁は、隣接する前記振動腕の側面に平行な平坦面を有し、該平坦面と前記振動腕の側面との間に、前記振動腕の屈曲振動時に被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるような狭い隙間を画定する。これにより、上記各実施例の場合よりも大きな粘性抵抗を前記振動腕に作用させ、CI値の変化検出感度を高め、測定対象の変化をより高感度に検出することができる。このような固定壁は、例えば図8及び図11の実施例では、パッケージ13のベース14に一体に又は別の部材を配置して形成し、図9の実施例では、圧電振動片51の基部18と端辺部20cとの間を連結する中間枠部によって提供される。
In each of the embodiments shown in FIGS. 8, 9, and 11, a fixed wall can be provided between the vibrating arms adjacent to the piezoelectric vibrating piece. The fixed wall has a flat surface parallel to the side surface of the adjacent vibrating arm, and the fluid to be measured has a steady velocity between the flat surface and the side surface of the vibrating arm during bending vibration of the vibrating arm. Define narrow gaps that produce a distributed flow. Thereby, a larger viscous resistance than the case of each said Example is made to act on the said vibrating arm, the change detection sensitivity of CI value can be raised, and the change of a measuring object can be detected more highly. For example, in the embodiment shown in FIGS. 8 and 11, such a fixed wall is formed integrally with another
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、圧電センサー素子のパッケージは、上記実施例以外の様々な構造が可能であり、例えば、連通孔の代わりにパッケージの上部又は側部を外部の被測定流体に開放した構造にすることもできる。更に本発明の圧電センサーにおいて、圧電センサー素子に接続する圧力検出回路には、図5以外の様々な構成の回路が考えられる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented with various modifications or changes within the technical scope thereof. For example, the package of the piezoelectric sensor element can have various structures other than the above-described embodiment. For example, instead of the communication hole, the upper or side of the package can be opened to an external fluid to be measured. . Furthermore, in the piezoelectric sensor of the present invention, various configurations other than those shown in FIG. 5 are conceivable as the pressure detection circuit connected to the piezoelectric sensor element.
11,41,61,71…圧電センサー素子、12,42,51…圧電振動片、13…パッケージ、14…ベース、14a〜14c…側壁部分、15…リッド、16…キャビティ、16a…キャビティ底面、17,64…連通孔、18…基部、19a〜19c…振動腕、20a,20b…側辺部、20c…端辺部、21…下側電極膜、22…圧電体膜、23…上側電極膜、24…励振電極、25a,25b,26a,26b,26c…側面、27a,27b,44a,44b,54a〜54c,73a〜73c…隙間、28…接続電極、29…導電性接着剤、30…圧力検出回路、31…発振回路、32…フィルター回路、33…整流回路、34…積分回路、35…直流増幅回路、35a…比較回路、43a,43b…内壁面、52…外枠、53a〜53c,72a〜72c…端面、62…上側基板、62a,63a…凹部、63…下側基板。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
内部に前記圧電振動片を収容しかつ前記基部において固定支持し、前記内部を外部の被測定流体に連通可能なパッケージと、
少なくとも1つの前記振動腕のいずれか一方又は両方の前記側面と平行をなしかつ前記側面との間に所定寸法sの隙間を画定する平坦面を有する固定壁とを備え、
前記隙間の寸法sが、前記振動腕を前記面外方向に屈曲振動させたとき、前記隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする圧電センサー素子。 A base portion, three vibrating arms each extending in parallel from the base portion, each having a vertical main surface that is a plane including the arrangement direction and the extending direction thereof, and left and right side surfaces orthogonal to the main surface; A piezoelectric vibrating piece having excitation electrodes for bending and vibrating the vibrating arms adjacent to each other in the out-of-plane direction of the main surface in mutually opposite phases;
A package that accommodates the piezoelectric vibrating piece inside and is fixedly supported at the base, and is capable of communicating the inside with an external fluid to be measured;
A fixed wall having a flat surface that is parallel to the side surface of either one or both of the at least one vibrating arm and that defines a gap of a predetermined dimension s between the side surface, and
The piezoelectric element characterized in that the dimension s of the gap is set so that the fluid to be measured generates a steady flow of velocity distribution in the gap when the vibrating arm is bent and vibrated in the out-of-plane direction. Sensor element.
前記振動腕の前記平坦な端面と平行をなしかつ前記端面との間に所定寸法s’の狭い第2隙間を画定する平坦面を有する第2固定壁を更に備え、
前記第2隙間の寸法s’が、前記振動腕を前記主面の面外方向に屈曲振動させたとき、前記第2隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする請求項1又は2記載の圧電センサー素子。 The vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece has a flat end surface orthogonal to the extending direction of the vibrating arm at the tip,
A second fixed wall having a flat surface that is parallel to the flat end surface of the vibrating arm and that defines a narrow second gap having a predetermined dimension s ′ between the end surface and the second fixed wall;
The dimension s ′ of the second gap is set so that the fluid under measurement generates a steady velocity distribution flow in the second gap when the vibrating arm is bent and vibrated in the out-of-plane direction of the main surface. The piezoelectric sensor element according to claim 1, wherein the piezoelectric sensor element is provided.
前記側辺部が、隣接する前記振動腕の外側側面と平行をなしかつ前記外側側面との間に所定寸法sの隙間を画定する平坦面を有し、前記隙間の寸法sが、前記振動腕を前記面外方向に屈曲振動させたとき、前記隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする圧電振動片。 At least one of the base, three vibrating arms each extending in parallel from the base, each having an upper and lower main surface which is a plane including the arrangement direction and the extending direction, and left and right side surfaces perpendicular to the main surface; A side portion extending in parallel with the vibrating arm on the outside, and an excitation electrode for bending and vibrating each vibrating arm in the out-of-plane direction of the main surface and the adjacent vibrating arms in opposite phases to each other. And
The side portion has a flat surface which is parallel to the outer side surface of the adjacent vibrating arm and defines a gap of a predetermined dimension s between the side surface and the dimension s of the gap is the vibrating arm. The piezoelectric vibrating piece is set so that the fluid to be measured generates a flow with a steady velocity distribution in the gap when it is bent and vibrated in the out-of-plane direction.
前記振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、
前記端辺部が、前記振動腕の前記平坦な端面と平行をなしかつ前記端面との間に所定寸法s’の狭い第2隙間を画定する平坦面を有し、前記第2隙間の寸法s’が、前記振動腕を前記主面の面外方向に屈曲振動させたとき、前記第2隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする請求項10記載の圧電振動片。 An outer frame comprising two side portions extending in parallel with the outer vibrating arms and end portions connecting the tips of the side portions so as to surround the vibrating arms;
The vibrating arm has a flat end surface perpendicular to the extending direction of the vibrating arm at a tip thereof;
The end side portion has a flat surface that is parallel to the flat end surface of the vibrating arm and defines a narrow second gap having a predetermined dimension s ′ between the end surface and the dimension s of the second gap. Is set such that when the vibrating arm is bent and vibrated in an out-of-plane direction of the main surface, the fluid to be measured generates a steady flow of velocity distribution in the second gap. The piezoelectric vibrating piece according to claim 10.
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