JP4099505B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents
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Description
かかる従来の圧力センサ装置としては図16、図17に示すように、圧電基板51上に、櫛歯状電極より構成される弾性表面波素子54及び弾性表面波素子57を形成するとともに、弾性表面波素子54が形成された領域が、弾性表面波素子57が形成された領域よりも厚みを薄く設定された構造のものが知られている(例えば下記特許文献1参照。)。
また、参照用弾性表面波素子の出力信号に基づき、圧力検出用弾性表面波素子の出力信号を参照して、第2圧電基板に作用する圧力を検出することができる。
そこで消費電力を抑えるために、移動体の運行によって発生する加速度を検出することにより、移動体が一定以上の速さで走行しているときにだけ、発振回路に対して電力が供給されるようにし、移動が停止しているとき、あるいは移動体の速さが一定以下の場合には発振回路への電力供給をオフにすることで発振回路の消費電力を抑えるようにした圧力センサ装置が知られている(例えば、特開2002−264618号公報参照。)。
そこで、本発明の圧力センサ装置は、第2圧電基板の一端側を、他方の圧電基板より離間させた状態で、延出させて延出部を形成し、この延出部に、弾性表面波素子により形成され、加速度を検出する加速度検出素子を設けたものである。これによって、加速度検出素子用の基板を別に用意する必要もなく、加速度が検出でき、部品点数を削減することができ、圧力センサ装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
また、前記加速度検出素子が弾性表面波素子により形成されているので、圧力検出部と加速度検出素子とを同一の製造プロセスで双方同時に形成できるので、製造工程を短縮することができ、生産性の向上が可能となる。
更に前記第1圧電基板及び前記第2圧電基板は、少なくとも一方向における熱膨張係数が略同一であることが好ましい。この配置により、両圧電基板において同一方向における熱膨張係数が等しくなるので、第1圧電基板上に第2圧電基板を搭載した場合に、熱履歴が加わることによるクラックの発生等の不具合を低減することができる。
更にまた本発明の圧力センサ装置は、前記第2圧電基板の下面で、前記封止材の内側に、前記圧力検出用弾性表面波素子に電気的に接続される電極パッドが設けられ、前記第1圧電基板の上面で、前記封止材の内側に、前記電極パッドに導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッドが設けられている構造とすれば、参照用弾性表面波素子及び圧力検出用弾性表面波素子に加え、両素子の電気的な接続部についても、電磁遮蔽性を高めることができ、外部環境より良好に保護することができる。
また、前記第1圧電基板又は第2圧電基板に、前記発振回路に電気的に接続されるアンテナパターンを設けておくこととすれば、発振回路より出力される出力信号を、受信機器に無線伝送することができ、受信機器は、圧力センサ装置より離れた場所においても圧力情報を得ることができる。
前記アンテナパターンを、蛇行状に形成すれば、アンテナパターンの実効長を長くとれ、アンテナの利得を上げることができる。
図1は本発明の一実施形態に係る圧力センサ装置1の断面図、図2は同外観斜視図である。図3は圧力センサ装置1に用いられる支持用電基板上の参照用弾性表面波素子の構成を示す外観斜視図である。
なお、図1の支持用圧電基板3は、図3のA−A線に沿った断面が示されている。また図2において保護材15の図示は省略している。
前記支持用圧電基板3は第1圧電基板に相当し、圧力検出用圧電基板2は第2圧電基板に相当する。
支持用圧電基板3の上面には参照用弾性表面波素子4a及び接続パッド4bが被着され、下面には外部端子9が被着されている。支持用圧電基板3の上面と下面とを電気的に接続するためのビアホール導体8が形成されている。
ビアホール導体8は、支持用圧電基板3を貫通する孔をサンドブラスト法等により形成した後に、その孔の内面にNi、Cu、Au等の導体材料をメッキしたり、孔に充填したりすることにより形成される。
圧力検出用圧電基板2は、支持用圧電基板3と同一組成の圧電結晶から成り、支持用圧電基板3に対して、カット角及び、圧電結晶の結晶軸に対する弾性表面波の伝搬方向が略同一若しくは結晶学的に等価となるようにされている。ここで"略同一"とは、完全に同一である場合に加えて、±0.5°以内の範囲内でずれている場合を含み、また"結晶学的に等価"なカット角とは、そのカットによって切り出された圧電基板の主面が結晶学的に等価な面であることを意味し、"結晶学的に等価"な面とは、結晶の有する対称性によって等価となる面のことである。同様に"結晶学的に等価"な方向とは、結晶の有する対称性によって等価となる方向である。例えば、正方晶であるLBO(Li2B4O7)では、例えばX面とY面とは等価な面であり、例えば、X方向とY方向とは等価な方向である。
圧力検出用圧電基板2は、支持用圧電基板よりも厚みが薄く成るように設定されている。例えば、支持用圧電基板3の厚みが200〜300μmに設定されるのに対し、圧力検出用圧電基板の厚みは50〜75μmに設定される。このように、圧力検出用圧電基板の厚みを薄くする理由は、圧力を受けたときの圧力検出用圧電基板2の変形量を、支持用圧電基板3の変形量よりも大きくして、正味の圧力の変化を検出するためである。
電極パッド7bは、後述する導電性接合材6を介して先述した接続パッド4bと電気的に接続するためのものであり、接続パッド4bと同様に厚みを厚く形成しておくことが好ましい。
なお、AuSnの他にはAuSiやSnAgCu等を用いても同様の効果が得られるので、これらを採用してもかまわない。
封止材5は、樹脂を用いてもよく、導電性材料を用いても良い。
また、圧力検出用圧電基板2と支持用圧電基板3と封止材5とで囲まれる領域内には、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを充填しておくことが好ましい。これによって、IDT電極等の酸化腐食をより効果的に防止することが可能となる。
厚みを薄くした圧力検出用圧電基板2は、外部からの圧力を受けると変形して弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、圧力検出用弾性表面波素子7aのIDTの電極指の間隔も変化し、この両者の作用によって弾性表面波素子7aの共振周波数が変化する。そして、この共振周波数の変化によって圧力の変化を検出することができる。
よって、温度変化によるドリフトの影響を取り除く必要があり、そのために参照用弾性表面波素子4aが使用される。すなわち、参照用弾性表面波素子4aは、厚みが厚いので外部からの圧力を受けても上述したような変形は起こりにくい。このため、その共振周波数は温度の変化のみに応じて変化することとなり、これを利用して圧力検出用弾性表面波素子7aの共振周波数の変化データを補正し、温度変化による影響をほぼ取り除くことができる。
また本実施形態の圧力センサ装置1は、支持用圧電基板3及び圧力検出用圧電基板2を同一の圧電結晶から成るとともに、圧電結晶の対応する結晶軸の向きが略平行となるように配置したことから、2つの圧電基板の任意の同一方向における熱膨張係数が同じになるので、熱履歴が加わることによるクラックの発生等の不具合が低減される。
次に、上述した支持用圧電基板3と圧力検出用圧電基板2とを接続する方法について説明する。
次に、第1ウエハー及び第2ウエハーを加熱して半田ペーストを溶融させる。
このようにして、参照用弾性表面波素子4a及び圧力検出用弾性表面波素子7aが封止材5で封止されるとともに、各接続パッド4bが導電性接合材6を介して各電極パッド7bに電気的に接続される。
次に、ダイシングにより、第2ウエハーのみを切断して、第2ウエハーを複数個の圧力検出用圧電基板に分割させた後、隣接する圧力検出用圧電基板間の間隙を埋めるように、液状の樹脂を塗布し、熱硬化させる。なお、本実施形態においては、液状樹脂を塗布した際、間隙を効果的に埋める必要があるので、真空印刷を用いると良い。
かくして構成した圧力センサ装置1は、例えば、前述したような発信回路80と接続し、これに電力増幅器、電源及びアンテナを組み合わせることによって、例えば、自動車のタイヤに取り付けられてタイヤの空気圧の変化に応じて無線信号を送信出力するような圧力センサ装置1とすることができる。
図4は、本実施形態の圧力センサ装置1に用いる支持用圧電基板3を示す外観斜視図である。
また、圧力検出用圧電基板2の圧力検出用弾性表面波素子7aも同様に、弾性表面波遅延線のタイプである。すなわち、圧力検出用圧電基板2の下面に所定の間隔をあけて配置された一対のIDTと、その間の弾性表面波の伝搬路とで構成されている。また、両弾性表面波素子の弾性表面波の伝播方向の両側には、弾性表面波を減衰させ、圧電基板の端部などで弾性表面波が反射するのを防止するために、シリコン樹脂などから成るダンピング材4hが形成されている。
また、参照用弾性表面波素子4aも同様に、参照用弾性表面波素子4aによって生じる電気信号の遅延時間に対応した周波数で発振する発振回路を構成する。
そして、先の実施形態の場合と同様に、これらの2つの発振回路の出力をミキサー回路に入れ、両周波数の差に相当する周波数の信号を出力することによって、容易に温度変化による影響を殆ど取り除くことができ、正味の圧力変化を検出することができる。
図5は、加速度センサ付き圧力センサ装置1の断面図である。図6は加速度センサ付き圧力センサ装置1に用いられる圧力検出用圧電基板2の下面を示す平面図である。
これらの図に示す加速度センサ付き圧力センサ装置1は、参照用弾性表面波素子4aを搭載した支持用圧電基板3、圧力検出用弾性表面波素子7a及び加速度検出素子21を搭載した圧力検出用圧電基板2、封止材5及び導電性接合材6で主に構成されている。
この加速度検出素子21は、加速度Gの印加により、加速度検出素子21が変形し加速度を検出するようになっている。
加速度検出素子21は、例えば、前記圧力検出用弾性表面波素子7aと同様に、IDT電極とその弾性表面波伝搬方向の両側に形成された一対の反射器とから構成される弾性表面波共振子となっている。
また、加速度検出素子21を上述のように弾性表面波素子により形成する場合、弾性表面波素子を気密封止するようにケース20を設けておくことが好ましい。これによって、IDT電極26の酸化腐食を防止することができる。
この圧力センサ装置1は、図5に示すようにマザー基板10に搭載される。
かかるマザー基板10の上面には、発信回路80や、後述する加速度検出回路86、給電制御回路87、アンテナ素子95、電力増幅器91等が搭載されている。
発信回路80は、例えばコンパレータ、演算手段、メモリ手段などが集積化されたICと、弾性表面波素子7aを含む圧力検出発振回路及び弾性表面波素子4aを含むリファレンス発振回路を構成するトランジスタ、抵抗、コンデンサなどの受動部品等とから構成されている。
また、例えばリファレンス発振回路からの出力信号を、外部に無線電送するための搬送信号として用いることもできる。この場合、上述の圧力検出信号をこの搬送波に変調して、高周波無線信号を作成する。
更に、上述した給電制御回路87を発信回路80と電力増幅器91に接続して、電源85から発信回路80と電力増幅器91への電力供給を給電制御回路87で制御するようにしている。このことにより、電力増幅器の消費電力を抑えて、電源を長持ちさせることができるようになる。
図8は、発信回路80の詳細な回路図である。かかる発信回路80は、圧力検出用発振回路80a、参照用発振回路80b、検出演算用回路から構成されている。
まず、圧力検出用発振回路80aは、圧力検出用圧電基板2に形成した圧力検出用弾性表面波素子7aと、該圧力検出用弾性表面波素子7aの出力信号に基づいて発振し得る発振条件を整える発振トランジスタ、コンデンサ、抵抗からなる発振段とから構成されている。
また、検出演算用回路では、圧力検出用発振回路80aから得られる圧力検出用弾性表面波素子7aの出力信号と、参照用発振回路80bから得られる参照用弾性表面波素子4aの出力信号とを、たとえばコンパレータにて比較・参照して、このデータを演算部に渡す。演算部では、圧力検出信号を、外部に無線にて伝送するための搬送波に変調して高周波信号を生成する。
また、上述の発信回路80では、圧力検出用弾性表面波素子7aの出力信号と、参照用弾性表面波素子4aの出力信号とを、コンパンレータを用いて比較しているが、圧力検出用弾性表面波素子7aの出力信号と参照用弾性表面波素子4aの出力信号をミキサー及びバンドパスフィルタを用いて混合することにより、これらの2つの出力信号に基づく圧力検出信号を抽出しても構わない。
図9は、加速度検出回路86及び給電制御回路87を示す回路図である。加速度検出回路86は、図9に示す如く加速度検出素子21、ダイオードからなる保護回路及び演算電力増幅器からなり、また給電制御回路87は、コンデンサと抵抗からなるハイパスフィルタ、比較電圧源及び演算電力増幅器から構成されている。
まず加速度を検出する際の動作について説明する。車両が走行し始めるとタイヤの回転数が増加し、回転による加速度Gが発生する。この加速度Gが加速度検出素子21に印加されると、延出部36及び錘70に作用する力によって加速度検出素子21に曲げモーメントが作用し加速度検出素子21が撓み、加速度検出素子21が変形する。その結果、圧力検出用圧電基板2の歪みが生じた部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、加速度検出素子21のIDT電極26の電極指配列ピッチd(図10に示す。)が変化し、その両方の作用によって加速度検出素子21の共振周波数が変化する。
一方、タイヤ内の圧力の検出は、すでに述べたとおりであるが、再度説明すると、次のようにして行われる。
また、圧力検出用圧電基板2に形成された加速度検出素子21も、図4に示したような、間隔をあけて配置された一対のIDT電極4aaと、その間の弾性表面波の伝搬路4afとで構成される弾性表面波遅延線で構成してもよい。
図11は本発明の加速度センサ付き圧力センサ装置1の断面図、図12は加速度センサ付き圧力センサ装置1に用いられる圧力検出用圧電基板2の上面を示す平面図、図13は加速度センサ付き圧力センサ装置1に用いられる圧力検出用圧電基板2の下面を示す平面図である。なお、図5に示した加速度センサ付き圧力センサ装置1と同一の部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。
前記振動電極31には銀等の金属材料が用いられ、例えば、従来周知のスパッタリングや蒸着法等の成膜形成技術等により形成される。
上述のように加速度検出素子21をバイモルフ素子37により構成した場合には、そのパターン形状をベタ塗りパターンで形成できるとともに、気密封止する必要がないため、比較的簡単に形成することができ、圧電センサ装置1の生産性向上に供することができる。
次にアンテナパターンを取り付けた圧力センサ装置1について、図面に基づいて詳説する。
なお、本実施形態においては先に述べた図1乃至図3の実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の構成要素については同一の参照符を用いて重複する説明を省略するものとする。
このアンテナパターン32は、発信回路80、電力増幅器91より出力される所定周波数の電気信号を、他の受信機器に無線送信するためのものである。
このアンテナパターン32のパターン形成は、アルミニウムや銅箔等の金属材料を厚膜印刷等により形成している。ここで用いられるアンテナパターン32のパターン線幅と膜厚は線幅約100μm、膜厚約10μm程度であり、また、パターン長さは、送信される周波数の波長の約λ/4又は約5λ/8に相当する長さをパターンの蛇行回数(長さ)を変えることにより形成している。
かかるマザー基板10の上面には、発信回路80とともに、加速度検出回路86、給電制御回路87、電力増幅器91等が搭載されている。
本実施形態の圧力センサ装置1においては、発信回路80、電力増幅器91などの、電子部品素子とアンテナパターン32とが近接配置されることによって両者を接続する給電線33を短くすることができるため、配線部による伝送損失の影響を極力排除して、発信回路80より出力される電気信号を殆ど減衰させることなく伝送することができる。それとともに、バッテリの消費電力を少なくでき、圧力センサ装置1モジュールに用いられるバッテリを長寿命化することができる。
なお、本実施形態においては、圧力検出用圧電基板2上面のアンテナパターン32に、蛇行状のループ系アンテナを形成したが、これに変えて、ダイポール系アンテナ素子等を形成しても良い。
例えば、上述した実施形態においては、2つの圧電基板に単結晶圧電材料を用いているが、これに代えて、多結晶圧電材料を用いても構わない。特にこの場合、支持用圧電基板3及び圧力検出用圧電基板2が、矩形状を成すとともに、同一組成の圧電多結晶により形成し、更に両圧電基板の長手方向の熱膨張係数を略同一(同一及び±10%以内の範囲内)に設定することにより、例えば支持用圧電基板3上に圧力検出用圧電基板2を搭載する際など大きな温度変化が生じる場合に、熱膨張係数の違いによって接合部に大きな応力が生じ、クラックの発生等の不具合が生じるのを有効に抑制することができる。
また、本実施形態においては、圧力検出用弾性表面波素子7aを圧力検出用圧電基板2の下面側に形成するようにしたが、これに代えて、圧力検出用弾性表面波素子7aを圧力検出用圧電基板2の上面側に形成するようにしても構わない。
その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
3 第1圧電基板
4a 参照用弾性表面波素子
5 封止材
7a 圧力検出用弾性表面波素子
21 加速度検出素子
36 延出部
S 封止空間
Claims (11)
- 上面に参照用弾性表面波素子が形成された第1圧電基板と、
該第1圧電基板よりも厚みが薄く、下面に圧力検出用弾性表面波素子が形成された第2圧電基板と、
前記第1圧電基板の上面及び前記第2圧電基板の下面に接合され、且つ、前記両基板の間で前記圧力検出用弾性表面波素子及び前記参照用弾性表面波素子を封止する封止空間を構成する封止材とを有してなり、
前記第2圧電基板の一端側が第1圧電基板と離間した状態で延出した延出部が形成されているとともに、該延出部の下面に、弾性表面波素子により形成された加速度検出素子が設けられていることを特徴とする圧力センサ装置。 - 前記圧力検出用弾性表面波素子及び前記参照用弾性表面波素子は、少なくとも一部が対向するようにして配置されることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ装置。
- 前記両基板は、少なくとも一方向における熱膨張係数が略同一であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧力センサ装置。
- 前記両基板は、同一組成の圧電単結晶から成るとともに、両基板のカット角及び、前記圧電単結晶の結晶軸に対する弾性表面波の伝搬方向が略同一若しくは結晶学的に等価であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧力センサ装置。
- 前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が前記第1圧電基板に設けられるグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧力センサ装置。
- 前記第2圧電基板の下面で、前記封止材の内側に、前記圧力検出用弾性表面波素子に電気的に接続される電極パッドが設けられ、
前記第1圧電基板の上面で、前記封止材の内側に、前記電極パッドに導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッドが設けられていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の圧力センサ装置。 - 前記圧力検出用弾性表面波素子及び前記参照用弾性表面波素子の出力信号に基づく圧力検出信号を外部に発信する発信回路と、
前記加速度検出素子からの加速度検出信号に基づいて所定の電気信号を出力する加速度検出回路と、
前記発信回路に電力を供給する給電手段と、
前記給電手段から前記発信回路への電力供給を制御する給電制御回路とを含み、
前記給電制御回路は、前記加速度がしきい値を超えたかどうかに基づいて、給電手段からの電力供給を制御することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の圧力センサ装置。 - 前記第1圧電基板又は前記第2圧電基板にアンテナパターンが形成され、該アンテナパターンが前記圧力検出用弾性表面波素子及び前記参照用弾性表面波素子の出力信号に基づく圧力検出信号を外部に発信する発信回路に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の圧力センサ装置。
- 前記アンテナパターンを、前記第2圧電基板の上面に被着させてなることを特徴とする請求項8に記載の圧力センサ装置。
- 前記アンテナパターンが、前記圧力検出用弾性表面波素子の直上領域を除く領域に形成されていることを特徴とする請求項9に記載の圧力センサ装置。
- 前記アンテナパターンが蛇行状であることを特徴とする請求項8から請求項10のいずれかにに記載の圧力センサ装置。
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