JP2012189330A - センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電性基板11と、圧電性基板の一方の面11aに接合され、圧電性基板との間に気密封止されたキャビティを画成させる封止基板12と、を具備するパッケージ13と、圧電性基板の一方の面に形成され、キャビティ内に配設されたIDT16と、両基板のうちの少なくとも一方に形成され、パッケージ外部に露出すると共に引出し電極を介してIDTに導通された外部接続電極18と、を備え、圧電性基板が、パッケージ外部から作用する力学量に応じて変位する変位部21を有し、圧電性基板には変位部を圧電性基板の他方の面側に露出させる開放部Eが設けられているセンサ10を提供する。
【選択図】図3
Description
しかしながら、圧力を精度良く検出するには、圧電性基板が応答性良く撓み変形するように該基板との位置関係を考慮しながら蓋部に突出部を精度良く形成する必要がある。そのため、容器及び蓋部からなるパッケージングの構造が複雑化し易いうえ、効率の良い製造が難しくコスト高に繋がり易かった。特に、突出部を圧電性基板に対して直接物理的に押し当てる構造のため、長期的な作動信頼性を確保することが難しいものと考えられる。
(1)本発明に係るセンサは、圧電性基板と、該圧電性基板の一方の面に接合され、圧電性基板との間に気密封止されたキャビティを画成させる封止基板と、を具備するパッケージと、前記圧電性基板の一方の面に形成され、前記キャビティ内に配設されたIDTと、前記圧電性基板及び前記封止基板のうちの少なくとも一方に形成され、前記パッケージ外部に露出すると共に引出し電極を介して前記IDTに導通された外部接続電極と、を備え、前記圧電性基板が、前記パッケージ外部から作用する力学量に応じて変位する変位部を有し、前記圧電性基板には、前記変位部を該圧電性基板の他方の面側に露出させる開放部が設けられていることを特徴とする。
これらのことにより、励振されたSAWのQ値の低下を抑制することができ、一定のQ値を確保してSAWの信号強度及び検出感度を向上することができるうえ、長期的な作動信頼性を確保することができる。また、従来のようにパッケージに突出部を設ける等の複雑な構成が不要であり、構成のシンプル化を図ることができる。従って、製造容易化及び低コスト化を図り易い。
また、プレート基板に開口部を形成するだけの簡略な構成で開放部を形成することができるうえ、変位部を圧電性基板の他方の面側に露出させることができる。従って、さらなるセンサの製造容易化を図ることができる。
以下、本発明に係るセンサの第1実施形態について説明する。
なお、本実施形態ではセンサの一例として、力学量の1つである圧力を検出する圧力センサを例に挙げて説明する。より詳しくは、自動車のタイヤ内の空気圧を検出する空気圧センサを例に挙げて説明する。
本実施形態の空気圧センサ(センサ)10は、図1に示すように、空気圧監視モジュール1を構成する一部品とされている。これら空気圧監視モジュール1は、各タイヤUに取り付けられており、車体A側に取り付けられた空気圧監視本体部2からの指示を受けて、タイヤU内の空気圧を検出している。
モジュール制御部1cは、送受信器1bで受信したバースト信号S1を空気圧センサ10に送り、SAW(表面弾性波)を励振させると共に、空気圧センサ10によって電気信号に変換された検出信号S2を送受信器1bから空気圧監視本体部2に送信させる。
そして、この空気圧センサ10は、空気圧監視モジュール1の図示しない回路基板上に外部接続電極18を下側に向けた状態(図2参照)で表面実装されている。
圧電性基板11の一方の面11a(封止基板12に対する接合面)には、上記した接合膜14及びIDT16と、反射器19と、がそれぞれ導電性材料のパターニングによって形成されている。即ち、本実施形態の空気圧センサ10は、反射器19を利用した遅延線型のパッシブセンサとされている。
IDT16は、圧電性基板11による圧電効果を利用して、SAWを励振及び受信するための電極であって、SAWの伝播方向である長手方向に沿って配設された第1の櫛歯電極25及び第2の櫛歯電極26を備えている。
同様に第2の櫛歯電極26は、圧電性基板11の長手方向他方側に配置されたマウント部26aと、マウント部26aに接続され、長手方向一方側に向かって延びたバスバー26bと、バスバー26bに接続され、短手方向に延びた複数の電極指26cと、を備えている。また、マウント部25a、マウント部26aは、圧電性基板11と封止基板12との接合部に形成されている。
これにより、IDT16によって励振されるSAWの励振周波数Fは、V(圧電性基板11によって決定される伝播速度)/P(IDT16の周期2d)で規定される。
この凹部30は、第1の櫛歯電極25及び第2の櫛歯電極26のうちの各電極指25c、26c及び各バスバー25b、26bと、反射器19と、がキャビティC内に収納されるようにそのサイズが決定されている。
なお、第2の櫛歯電極26は、他方の外部接続電極18を介して接地されている。また、上述した接続膜31及び貫通電極33は、引出し電極17として機能している。
次に、上記のように構成された空気圧センサ10を利用してタイヤU内の空気圧を検出すると共に、検出したタイヤU内の空気圧が正常値であるか否かを監視する場合について説明する。
まず、エンジン始動等により車体Aに電力が供給されると、車体A側に取り付けられている空気圧監視本体部2のシステム電源部2cがONになり、本体制御部2bが作動する。すると、本体制御部2bは、図1に示すように、送受信器2aを作動させて各タイヤUに取り付けられた空気圧監視モジュール1に向けてバースト信号S1を送信させる。
そして、本体制御部2bは、算出した現在のタイヤU内の空気圧を基準空気圧と比較する。比較した結果、タイヤU内の現在の空気圧が基準空気圧よりも低い場合には、インターフェース部2eを介して表示ランプRを点灯させる。その結果、運転者はタイヤU内の空気圧が低下していることを速やかに視覚によって把握することができ、適切な対処を直ちに行うことができる。
これらのことにより、励振されたSAWのQ値の低下を抑制することができ、一定のQ値を確保してSAWの信号強度及び検出感度を共に向上することができるうえ、長期的な作動信頼性を確保することができる。また、従来のようにパッケージ13に突出部を設ける等の複雑な構成が不要であり、構成のシンプル化を図ることができる。従って、製造容易化及び低コスト化を図り易い。
また、圧電性基板11に凹部20を形成するだけの簡略な構成で圧電性基板11の変位部21を他方の面11b側に露出させることができるので、空気圧センサ10のシンプル化及び製造容易化を図ることができる。
この場合であっても、空気圧監視本体部2から送られてきたバースト信号S1を送受信アンテナ1aで受信し、空気圧センサ10のIDT16に印加してSAWを励振させることができると共に、IDT16で電気信号変換された検出信号S2を送受信アンテナ1aを介して空気圧監視本体部2に送信することが可能である。
次に、上述した空気圧センサ10の製造方法の一例について簡単に説明する。
ここでは、図8に示すように、圧電性基板用ウエハ40と封止基板用ウエハ41とを利用して、空気圧センサ10を一度に複数製造する場合を例に挙げて説明する。
まず、図9に示すように、圧電性基板用ウエハ40の他方の面11bに、加熱プレス成形やエッチング等により行列方向に凹部20を複数形成する工程を行う。これにより、圧電性基板用ウエハ40には、ダイヤフラムの如く変位する変位部21が複数形成される。次いで、圧電性基板用ウエハ40の一方の面11aに導電性材料をパターニングして接合膜14を形成すると共にIDT16及び反射器19をそれぞれ複数形成する工程を行う。
なお、図8及び図9に示す点線Mは、後に圧電性基板用ウエハ40を切断する切断線を図示している。
まず、図10に示すように、封止基板用ウエハ41の一方の面12aに、加熱プレス成形やエッチング等により行列方向にキャビティ用の凹部30を複数形成すると共に、封止基板用ウエハ41を貫通する貫通孔32を複数形成する工程を行う。次いで、複数の貫通孔32の内周面に導電性材料を被膜させて貫通電極33を複数形成すると共に、封止基板用ウエハ41の一方の面12aに導電性材料をパターニングして、図11に示すように接合膜15を形成すると共に、接続膜31をそれぞれ複数形成する工程を行う。
なお、図10及び図11に示す点線Mは、後に封止基板用ウエハ41を切断する切断線を図示している。
なお、この際の接合方法としては、半田接合や熱圧着接合や陽極接合等、既に知られている周知な接合方法を採用すれば良い。
そして最後に、接合されたウエハ体42を図8に示す切断線Mに沿って切断して小片化する工程を行う。その結果、図2に示す空気圧センサ10を一度に複数製造することができる。
特に、SAWの受信反射波W2に関しては、ピーク位置が明瞭に現れ難いため受信反射波W2の受信時間を正確に把握できない場合も考えられる。このような場合には、遅延時間Tの変化ではなく位相差の変化をモニタすることで、空気圧の検出をより高精度に行うことができるものと考えられるので有効である。
この場合の空気圧センサ50は、圧電性基板11の一方の面11aに、第1封止基板52と第2封止基板53とからなる封止基板12が接合されている。封止基板51は、第2封止基板53を圧電性基板11の一方の面11aに重ね合わせた状態で接合されている。また、第1封止基板52と第2封止基板53とは、それぞれの接合膜55を介して強固に接合されている。
なお、プレート基板61の開口部61aの内側は、変位部21を露出させる開放部Eとして機能している。
また、プレート基板61に開口部61aを形成するだけの簡略な構成で開放部Eを形成でき、圧電性基板11に凹部20を形成する場合よりも変位部21を圧電性基板11の他方の面11b側に容易に露出させ易い。従って、さらなる製造の容易化を図ることができる。なお、それ以外については、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏効することができる。
こうすることで、接合時に例えば熱圧着等、熱を加えながら接合を行ったとしても、封止基板12及びプレート基板61の熱膨張係数が同じであるので、両基板12、61の熱膨張の違いに起因する反りが圧電性基板11に影響することがない。従って、接合方法のバリエーションを増やすことができると共に、熱を加えながら接合をより強固に行ってキャビティC内の気密封止をより確実なものにすることができる。従って、作動信頼性をさらに高めることができると共に、より高品質なセンサとすることができる。
また、封止基板12、プレート基板61および圧電性基板11が、同一材料で形成されていても良い。
こうすることで、圧電性基板11、封止基板12及びプレート基板61が同一材料で形成されているので、接合時に例えば熱圧着等、熱を加えながら接合を行ったとしても、封止基板12、プレート基板61、圧電性基板11の熱膨張係数が同じであるので各基板の熱膨張の違いに起因する熱残留応力が圧電性基板に影響することがない。従って、接合方法のバリエーションを増やすことができると共に、熱を加えながら接合をより強固に行ってキャビティ内の気密封止をより確実なものにすることができる。これにより、作動信頼性をさらに高めることができ、より高品質なセンサとすることができる。
次に、本発明に係るセンサの第2実施形態について説明する。なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では反射器19を利用した遅延線型のパッシブセンサとしたが、第2実施形態では4端子(4つの外部接続電極18)を具備する遅延線型のセンサとされている点である。
接続膜31は、封止基板12の一方の面12a上において、入力用IDT72の2つのマウント部74a、75aと、出力用IDT73の2つのマウント部76a、77aと、に対してそれぞれ向かい合う部分に形成されており、各マウント部74a、75a、76a、77aに対してそれぞれ強固に接合されている。
なお、入力用IDT72及び出力用IDT73の第2の櫛歯電極75、77は、外部接続電極18を介して接地されている(図21参照)。
なお、本実施形態の場合であっても、遅延時間Tの変化に基づいてタイヤU内の空気圧を検出するのではなく、SAWの送信時と受信時とによる位相差の変化をモニタすることで空気圧を検出するように構成しても構わない。
この場合には、タイヤU内の空気圧の変化がSAWの発振周波数の変化となって出力される。そのため、この発振周波数の変化に基づいて圧力を検出できるように、空気圧監視本体部2の本体制御部2bを構成しておけば良い。特に、発振周波数の変化に基づいて空気圧を検出する場合には、高い分解能を期待できる。
次に、本発明に係るセンサの第3実施形態について説明する。なお、この第3実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第3実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では反射器19を利用した遅延線型のパッシブセンサとしたが、第3実施形態では共振子型のセンサとされている点である。
なお、本実施形態の空気圧センサ80の等価回路は、図26に示すように水晶振動子と同じ等価回路となるものである。図中において、Coは並列容量、L1は等価直列インダクタンス、C1は等価直列容量、R1は等価直列抵抗を示す。
従って、これらの変化に基づいて圧力を検出できるように、空気圧監視本体部2の本体制御部2bを構成することで、タイヤU内の空気圧を検出することが可能である。このように本実施形態の場合であっても、タイヤU内の空気圧を精度良く検出することができる。
次に、本発明に係るセンサの第4実施形態について説明する。なお、この第4実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第4実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では外部接続電極18が封止基板12側に形成されていたが、第4実施形態では圧電性基板11側に形成されている点である。それに加え、第1実施形態では、圧電性基板11と封止基板12との2枚の基板でパッケージ13を構成したが、第4実施形態では、3枚の基板でパッケージ13を構成している点が異なる。
プレート基板91は、圧電性基板11を封止基板12との間で挟み込むように、圧電性基板11の他方の面11b側にそれぞれの接合膜92を介して接合されている。また、プレート基板91は、圧電性基板11よりも厚みを有する基板とされており、長手方向の中央部に開口部91aが形成されている。そのためプレート基板91は、途中が分断されて、圧電性基板11の長手方向の両端部分にのみ接合された状態となっている。また、圧電性基板11の変位部21は、プレート基板91の開口部91aを介して該圧電性基板11の他方の面11b側に露出されている。従って、プレート基板91の開口部91aの内側は、変位部21を露出させる開放部Eとして機能している。
そのため、一方の外部接続電極18は、側面電極膜93、接合膜92及び貫通電極33を介して第1の櫛歯電極25に導通しており、他方の外部接続電極18は、側面電極膜93、接合膜92及び貫通電極33を介して第2の櫛歯電極26に導通している。
なお、第2の櫛歯電極26は、他方の外部接続電極18を介して接地されている。また、上述した接合膜92、貫通電極33及び側面電極膜93は、引出し電極17として機能している。
但し、外部接続電極18を下側にして図示しない回路基板上に空気圧センサ90を表面実装した際、変位部21が回路基板側を向くので、第1実施形態の構成の方がより好ましい。
ここでは、図30に示すように、圧電性基板用ウエハ100と封止基板用ウエハ101とプレート基板用ウエハ102とを利用して、空気圧センサ90を一度に複数製造する場合を例に挙げて説明する。
即ち、圧電性基板用ウエハ100に貫通孔32及び貫通電極33をそれぞれ複数形成した後、圧電性基板用ウエハ100の一方の面11aに接合膜14を形成すると共に、IDT16及び反射器19をそれぞれ複数形成する。また、圧電性基板用ウエハ100の他方の面11bに接合膜92を形成する。これにより、図30に示す圧電性基板用ウエハ100を得ることができる。
そして最後に、接合されたウエハ体103を図30に示す切断線Mに沿って切断して小片化する工程を行う。その結果、図27に示す空気圧センサ90を一度に複数製造することができる。
特に、このように構成した場合には、空気圧センサ90を表面実装した際に、側面電極膜93が形成されていない分、電気的ショートが発生する可能性を低減できるのでより好ましい。
いずれにしても、気圧、圧力や応力等の各種力学量を検出するセンサとして幅広く適用することができる。特に、第1実施形態のようにパッシブ型センサとした場合には、バッテリレス無線センサに適用することが可能である。
更に、貫通孔は、ストレート形状ではなく、例えば断面テーパ状となるように形成しても構わない。この場合には、サンドブラスト等により貫通孔を容易に形成することが可能である。
E…開放部
10、50、60、70、80、90…空気圧センサ(センサ)
11…圧電性基板
11a…圧電性基板の一方の面
11b…圧電性基板の他方の面
12…封止基板
13…パッケージ
16、71…IDT
17…引出し電極
18…外部接続電極
20…凹部
21…変位部
33…貫通電極
61、91…プレート基板
61a、91a…プレート基板の開口部
Claims (6)
- 圧電性基板と、該圧電性基板の一方の面に接合され、圧電性基板との間に気密封止されたキャビティを画成させる封止基板と、を具備するパッケージと、
前記圧電性基板の一方の面に形成され、前記キャビティ内に配設されたIDTと、
前記圧電性基板及び前記封止基板のうちの少なくとも一方に形成され、前記パッケージ外部に露出すると共に引出し電極を介して前記IDTに導通された外部接続電極と、を備え、
前記圧電性基板は、前記パッケージ外部から作用する力学量に応じて変位する変位部を有し、
前記圧電性基板には、前記変位部を該圧電性基板の他方の面側に露出させる開放部が設けられていることを特徴とするセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記引出し電極は、前記封止基板を厚み方向に貫通すると共に前記IDTに導通された貫通電極を有し、
前記外部接続電極は、前記貫通電極に導通された状態で前記封止基板に形成されていることを特徴とするセンサ。 - 請求項1又は2に記載のセンサにおいて、
前記圧電性基板の前記他方の面には凹部が形成され、該凹部の内側が前記開放部とされていることを特徴とするセンサ。 - 請求項1又は2に記載のセンサにおいて、
前記圧電性基板を前記封止基板との間で挟み込むように、該圧電性基板の他方の面側に接合されたプレート基板を備え、
前記プレート基板は、前記封止基板と同一材料で形成され、
前記プレート基板には、前記変位部を露出させる開口部が形成され、該開口部の内側が前記開放部とされていることを特徴とするセンサ。 - 請求項4に記載のセンサにおいて、
前記封止基板、前記プレート基板および前記圧電性基板は、同一材料で形成されていることを特徴とするセンサ。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載のセンサにおいて、
前記キャビティ内は、真空封止されていることを特徴とするセンサ。
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JP2007333500A (ja) * | 2006-06-14 | 2007-12-27 | Epson Toyocom Corp | 圧力センサの製造方法および圧力センサ |
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