JP4332859B2

JP4332859B2 - 圧力センサ

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Description

本発明は、ダイヤフラム方式の圧力センサに関するものである。

圧力センサには、ダイヤフラムを用いたものがある。このダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムの受圧部の両面に加わる圧力の差によってこの受圧部が撓むので、この撓みを感圧素子が検出することを利用して圧力を測定している。

そしてダイヤフラム式の圧力センサについて開示したものには特許文献１がある。特許文献１に開示された圧力センサは、相対圧および絶対圧の何れも測定可能なものである。この圧力センサは、ベース側およびリッド側の水晶ダイヤフラムを備えており、各水晶ダイヤフラムに凹部が形成してある。圧力センサは、各水晶ダイヤフラムの凹部を向かい合わせて、これらの水晶ダイヤフラムを積層方向に結合して、内部に空間を形成している。双音叉振動子は、この空間内におけるベース側の水晶ダイヤフラムの凹部に配設してある。すなわち双音叉振動子は、その両端部をベース側の水晶ダイヤフラムに接合しており、双音叉振動子を構成する振動腕の長さ方向が水晶ダイヤフラムの平面方向に沿っている。そして水晶ダイヤフラムが圧力を受けて湾曲すると、これに伴って双音叉振動子も湾曲する。双音叉振動子には、伸張または圧縮のストレスが加わるので、発振周波数が変化する。圧力センサは、この発振周波数の変化から圧力等を測定している。
特開２００４−１３２９１３号公報

前述した感圧素子には、水晶振動片、一例としては水晶を用いた双音叉振動片を利用する場合がある。このような双音叉振動片に用いる水晶には人工の水晶を用いるが、この水晶には結晶構造の欠陥が存在している。そして双音叉振動片を形成するときに水晶素板をウエットエッチングすると、結晶構造の欠陥の部分が選択的にエッチングされて、水晶にエッチチャネル等が形成されてしまう。

このようなエッチチャネルが形成された水晶を用いた双音叉振動片では、引張りの応力が加わる場合に比べて圧縮の応力が加わる場合の方が、破壊荷重が大きくなっている。すなわち双音叉振動片に引張りまたは圧縮の応力を加えた場合、破壊限界点は、圧縮のときが引張りのときよりも大きくなる。なお一般的に言って、引張りの応力または圧縮の応力を材料に加えた場合、この材料の破壊限界点は、圧縮の応力を加えた方が引張りの応力を加えた場合に比べて大きくなる。

そして、この双音叉振動片を圧力センサに用いた場合、圧力センサでは、双音叉振動片の破壊限界点よりも低い範囲で圧力を測定するように設定している。すなわち圧力センサは、双音叉振動片が破壊されない範囲での圧力測定を行うことになる。このため破壊限界点が小さいと、圧力センサが圧力測定を行える範囲が狭くなってしまう。また双音叉振動片は、これに加わる応力の大きさに応じて発振周波数が変化するが、破壊限界点が小さいと大きな応力を加えることができず、可変できる発振周波数の範囲が狭くなってしまい、圧力測定の分解能が悪くなってしまう。

また双音叉振動片は、引張りの応力を受けると、大きな機械的ストレスが加わることになる。このため双音叉振動片が破断する可能性が高くなり、また双音叉振動片に設けた電極パターンの断線という問題も生じる可能性があるので、圧力センサの寿命が短くなってしまう。

本発明は、使用圧力範囲を広くするとともに、長寿命の圧力センサを提供することを目的とする。

本発明に係る圧力センサは、２つの受圧部と、前記２つの受圧部の周囲に設けた支持枠部と、当該支持枠部の対向する内側縁部同士を結ぶ方向であって、前記２つの受圧部に挟まれた領域を貫通する方向に前記受圧部の厚みよりも厚い厚肉部を有する撓み抑制部と、を有するダイヤフラムと、振動部と該振動部の両端に配置された一対の基部とを有する感圧素子と、を有し、前記感圧素子の一対の基部を前記２つの受圧部に夫々設けられた載置部に各々固定すると共に、前記振動部が前記撓み抑制部を跨ぐように感圧素子を配置し、前記載置部の中央部は、前記受圧部の中央よりも前記撓み抑制部の端部側に寄った位置に設けてある、ことを特徴としている。これにより受圧部が両面に加わる圧力差によって湾曲すると、感圧素子には、一方の端部から他方の端部側へ向かう圧縮の応力を加えることができる。このため感圧素子の破壊限界点を、引張りの応力が働く場合に比べて大きくできるので、圧力センサの使用圧力範囲を広くできる。また感圧素子の破壊限界点を大きくできるので、長寿命の圧力センサを得ることができる。

前記撓み抑制部は、前記支持枠の対向する内側縁部同士を架け渡してなることを特徴としている。これにより感圧素子は撓み抑制部を跨ぐ構成となり、感圧素子の両側から圧縮の応力が均等に加わる。よって圧力センサの使用圧力範囲を広くでき、また長寿命の圧力センサを得ることができる。

前記撓み抑制部が、前記受圧部の厚みと同じ厚みの領域を有していることを特徴としている。これにより圧力センサを低背化できる。また圧力センサは、感圧素子の両側から圧縮の応力が加わるので、使用圧力範囲を広くでき、また長寿命の圧力センサを得ることができる。

また本発明に係る圧力センサは、前記受圧部と固着している前記端部の前記感圧素子の内側に位置する縁部と、この縁部に対向している支持部の縁辺との間をａとし、前記縁部に対して交差する方向に設けた前記端部の縁部と、この縁部に対向している前記受圧部の縁辺との間をｃとすると、このａとｃは、ｃ＞ａ＞０の関係を満たすことを特徴としている。これにより受圧部を湾曲しやすくできるとともに、感圧素子に圧縮の応力を加え易くできる。

また本発明に係る圧力センサは、前記ダイヤフラムにおける前記感圧素子を設けた面を覆う為の蓋部を有し、前記支持枠部に蓋部を固定して、前記ダイヤフラムと前記蓋部との間に形成される内部空間を気密封止したことを特徴としている。感圧素子は、気密封止された内部空間（気密空間）内で駆動できる。そして内部空間を真空にしておけば、感圧素子は真空中で駆動できる。このため気密空間内で駆動させる感圧素子、例えば双音叉振動片を利用できる。また感圧素子が枠部を有している場合でも、感圧素子の振動部を内部空間に配置できる。

また前述した受圧部には、感圧素子が固着する箇所に肉厚の載置部を設けたことを特徴としている。これにより受圧部が薄い場合であっても、感圧素子を受圧部に配設できる。

また本発明に係る圧力センサは、感圧素子に発振回路が接続し、発振回路に周波数測定演算手段が接続したことを特徴としている。これにより圧力センサは圧力値を得ることができる。

以下に、本発明に係る圧力センサの実施形態について説明する。まず第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図１（Ａ）は圧力センサの平面図、図１（Ｂ）は圧力センサの断面図である。圧力センサ１０は、ダイヤフラム１２と、このダイヤフラム１２に配設した感圧素子３０と、ダイヤフラム１２の一方の面に接合して、感圧素子３０を気密封止した蓋部５０とを有している。

具体的には、ダイヤフラム１２は、支持部１８および受圧部１４を有している。支持部１８は、支持枠部２０と撓み抑制部２２を有している。支持枠部２０は、枠型の部材で形成してある。また撓み抑制部２２は、支持枠部２０における一の部分からこれに対向する他の部分に部材を架け渡して形成してある。受圧部１４は、支持枠部２０および撓み抑制部２２に囲まれる部分にそれぞれ設けてある。

換言するとダイヤフラム１２は、受圧部１４として第１受圧部１４ａおよび第２受圧部１４ｂを有しており、第１受圧部１４ａと第２受圧部１４ｂの間に撓み抑制部２２を設けるとともに、この撓み抑制部２２を設けた第１，２受圧部１４ａ，１４ｂの周縁部分を除く他の周縁部に支持枠部２０を設けている。そして受圧部１４は、この上面に加わる圧力と下面に加わる圧力との差によって、湾曲するようになっている。また受圧部１４は、支持部１８の厚さよりも薄くなっており、支持部１８の厚さ方向の中央部に設けてある。

この受圧部１４の下面（感圧素子３０を配設する面）には、感圧素子３０を固着するために載置部１６を設けている。載置部１６は、感圧素子３０を受圧部１４に固着したときに、この感圧素子３０の両端部を結ぶ方向（図１（Ａ）に示す場合では図面の左右方向）において、受圧部１４の中央（破線α）よりも撓み抑制部２２側に、感圧素子３０と受圧部１４とが接合する部分の中央（破線β）を配置するように設けてある。

換言すると載置部１６は、受圧部１４の図１（Ａ）に示す左右方向において、撓み抑制部２２の縁部（受圧部１４の縁辺）とこれに対向した載置部１６の縁部との距離をａとするとともに、支持枠部２０の内側縁部（受圧部１４の縁辺）とこれに対向した載置部１６の縁部との距離をｂとすれば、ｂ＞ａ＞０の関係を満たすように、受圧部１４に配設してある。このようにαとβ、ａとｂの関係を規定すると、感圧素子３０に圧縮の応力を加えることができる。

また載置部１６は、感圧素子３０を受圧部１４に固着したときに、この感圧素子３０の両端部を結ぶ方向に交差する方向（図１（Ａ）に示す場合では図面の上下方向）において、支持枠部２０の内側縁部（受圧部１４の縁辺）とこれに対向した載置部１６の縁部（別の縁部）との距離をｃとすれば、ｃ＞ａ＞０の関係を満たすように、受圧部１４に配設してある。このようにａとｃの関係を規定すると、感圧素子３０に圧縮の応力を加えやすくなる。なおｂ＞ａ、ｃ＞ａの関係を維持しつつ、ｂ：ａやｃ：ａの寸法比を変えることで、受圧感度を変化させることができる。このような支持部１８、受圧部１４、載置部１６は、一体に形成してある。

なおａとｂおよびｃの関係を上記の通り規定すると、載置部１６の周縁部は、受圧部１４における距離ａの間の部分に対して距離ｂの間および距離ｃの間の部分の剛性が低い構造となる。そのため後述の作用の如く受圧部１４に湾曲が起きると載置部１６は、距離ａの間の付近を支点として広い範囲で可動することができる。したがって圧力センサ１０は、感圧素子３０に効率的に圧縮の応力を加えやすい構造となるので高い感度特性を有すると共に、発振周波数が可変する範囲が広いものとなる。

また感圧素子３０は、本実施形態の場合、双音叉振動片３２を用いている。図２は双音叉振動片の平面図である。双音叉振動片３２は２本の振動腕３４を有しており、振動腕３４が互いに平行になるように配置してある。また双音叉振動片３２は、振動腕３４の両端に配設した基部３８を有している。そして励振電極３６が各振動腕３４の各面に設けてある。励振電極３６は、正と負の極性を有するように１対設けてあり、同じ極性の励振電極３６同士を導通させる接続パターン（図示せず）が設けてある。なお図２に示す励振電極３６は、振動腕３４の上面に設けたもののみを示している。また基部３８には、１対のマウント電極４０が設けてある。このマウント電極４０は、正と負の極性を有するようなっている。また同じ極性のマウント電極４０と励振電極３６を導通させる接続パターン（図示せず）が双音叉振動片３２に設けてある。そして双音叉振動片３２に電気信号（駆動信号）を供給すると、この駆動信号がマウント電極４０および前記接続パターンを介して励振電極３６に供給され、２つの振動腕３４が互いに近づいたり離れたりする屈曲振動を行う。

このような感圧素子３０は、図１（Ｂ）に示すように、受圧部１４に設けた載置部１６にその端部を固着している。すなわち双音叉振動片３２の基部３８を、接合材４２を用いて載置部１６に接合している。この接合材４２は、受圧部１４で受けた圧力を感圧素子３０にそのまま伝達できるように、硬い接合材４２を用いればよい。接合材４２の具体的な一例としては、エポキシ系の接着剤を挙げることができる。

感圧素子３０とダイヤフラム１２の接合について具体的に説明すると、以下のようになる。すなわち載置部１６を設けてあるダイヤフラム１２の下面に配線パターン（図示せず）を１対設けて、一方の載置部１６の上に配置した前記配線パターンの端部に接合材４２として導電性接着剤を塗布するとともに、他方の載置部１６に接合材４２を設けておく。そして感圧素子３０は、マウント電極４０を設けた面をダイヤフラム１２に向けて、接合材４２を用いて載置部１６に固着する。このときマウント電極４０と前記配線パターンは、導電性接着剤を介して同じ極性のもの同士が導通する。

また他の具体例として、次のように接合することもできる。すなわち前記配線パターンの端部を載置部１６から離して設けておく。そして載置部１６に接合材４２を設けた後、マウント電極４０を設けた面をダイヤフラム１２とは反対側に向けて感圧素子３０を載置部１６に固着する。そしてマウント電極４０と前記配線パターンの端部とにワイヤをボンディングして、同じ極性のもの同士を導通する。

また蓋部５０は、ダイヤフラム１２の感圧素子３０が配設してある面に接合しており、ダイヤフラム１２と蓋部５０で形成する内部空間２６の密閉性を保っている。具体的に説明すると、蓋部５０は、板部の上面に凹部５２が形成してあり、枡形になっている。この凹部５２を形成する側壁５４部分は、ダイヤフラム１２の支持枠部２０と平面形状が同様になっている。この側壁５４と支持枠部２０が、接合材２４を介して接合している。そして蓋部５０は、ダイヤフラム１２の平面形状と同じになっている。すなわち図１に示す場合では、蓋部５０とダイヤフラム１２の平面形状がそれぞれ矩形になっている。また蓋部５０の底部には、凹部５２の底面から蓋部５０の下面にかけて貫通した封止孔５６が設けてある。この封止孔５６は、内部空間２６を真空にするときに用いる。

また圧力センサ１０は、センサ回路を備えている。図３はセンサ回路のブロック図である。センサ回路６０は、発振回路６２と周波数測定演算手段６４を備えている。発振回路６２は、入力側が感圧素子３０に接続している。この発振回路６２は、感圧素子３０に駆動信号を供給して発振・増幅させる回路である。また周波数測定演算手段６４は、入力側が発振回路６２に接続している。周波数測定演算手段６４は、発振回路６２から出力する信号の周波数、すなわち感圧素子３０の発振周波数を測定し、この測定結果から圧力を求めるものである。

このような圧力センサ１０は、次のようにして製造することができる。まずダイヤフラム１２は、様々な材料を用いて形成でき、材料をエッチング加工や機械加工等することにより製造できる。このため以下では、水晶を用いてダイヤフラム１２を形成する場合の一例を説明する。すなわちダイヤフラム１２を形成するには、支持部１８および載置部１６を形成する部分を覆うマスクを水晶素板の表面に被せて、このマスクに覆われていない部分をエッチングする。そして受圧部１４を形成するのに必要な厚さになるまで水晶素板がエッチングされると、エッチングを止める。この後、水晶素板上のマスクを除去すれば、ダイヤフラム１２を得る。なおエッチング時間を始めとするエッチング条件を適宜設定することにより、受圧部１４の厚さ等を正確に制御できる。このためダイヤフラム１２は生産性に優れ、またダイヤフラム１２の個体差が生じ難いので、各圧力センサ１０の特性が均一になる。

次に、ダイヤフラム１２の載置部１６に感圧素子３０を配設する。この後、ダイヤフラム１２の下面（感圧素子３０を配設した面）と、蓋部５０の上面（凹部５２の開口部分がある面）とを向かい合わせて、接合材２４を用いてダイヤフラム１２と蓋部５０を接合する。このとき支持枠部２０と側壁５４とが接合するので、ダイヤフラム１２と蓋部５０で形成される内部空間２６内に感圧素子３０が収容される。そして封止孔５６を介して内部空間２６を真空にして基準気圧を零にした後、封止材料５８を封止孔５６に充填して、封止孔５６を封止する。これにより内部空間２６が真空になっている状態を維持でき、感圧素子３０が真空中で発振することになる。

次に、圧力センサ１０の作用について説明する。まず圧力を測定する環境に圧力センサ１０を配置する。そして圧力センサ１０を駆動する。すなわち発振回路６２から感圧素子３０に駆動信号を供給して、これらの間で信号を増幅・発振させる。そして発振回路６２は、感圧素子３０が屈曲振動するときの周波数と同じ周波数となっている電気信号（検出信号）を周波数測定演算手段６４へ出力する。周波数測定演算手段６４は、検出信号の周波数を測定する。

そして圧力センサ１０の外部から受圧部１４に加わる圧力Ｐ１が、圧力センサ１０の内部空間２６の圧力Ｐ２と同じ場合は、受圧部１４に変化が生じてない。このとき周波数測定演算手段６４では、検出信号の周波数ｆ０を測定する。周波数測定演算手段６４は、予め記憶してある基準周波数と周波数ｆ０を比較して、両周波数間に新たに差が生じないので、予め登録してある周波数ｆ０に応じた圧力値を出力する。具体的な一例としては、基準周波数としてＰ１＝Ｐ２のときの検出信号の周波数ｆ０を周波数測定演算手段６４に予め登録しておき、基準周波数ｆ０と検出された周波数ｆ０との差分を求め、この差分が零であるから、予め１対１に登録してある基準周波数ｆ０のときの圧力値を出力する。

また圧力センサ１０の外部の圧力Ｐ１が圧力センサ１０の内部の圧力Ｐ２よりも大きくなった場合、図４に示すように、受圧部１４に加わる圧力Ｐ１によって、圧力センサ１０の内部に向かって各受圧部１４が湾曲（変形）する。なお図４に示す破線は、Ｐ１＝Ｐ２のときの載置部１６の位置を示しており、Ｐ１＞Ｐ２の圧力を受圧部１４が受けると実線で示すように変化する。すなわち各受圧部１４は、感圧素子３０がその中央部に向かって絞り込まれるように変形する。これにより感圧素子３０も湾曲して、感圧素子３０に圧縮の力が加わる。このとき感圧素子３０は、基部３８が振動腕３４よりも蓋部５０側に位置するように湾曲するので、感圧素子３０の発振周波数が低くなる。すると周波数測定演算手段６４で測定される検出信号の周波数ｆ１が、前述したＰ１＝Ｐ２のときの周波数ｆ０に比べて低くなる。周波数測定演算手段６４は、基準周波数ｆ０と周波数ｆ１との差を求め、予め登録してあるこの差分の圧力値を出力する。具体的な一例としては、基準周波数ｆ０と検出信号の周波数との差分と、圧力値との関係を周波数測定演算手段６４に予め求めて登録しておき、この後、周波数測定演算手段６４は、測定した検出信号の周波数ｆ１と基準周波数ｆ０との周波数差を求め、予め登録してある前記関係を利用して、この周波数差のときの圧力値を求めて出力すればよい。

このような圧力センサ１０によれば、感圧素子３０に圧縮の応力を加えることができる。このため圧力センサ１０の破壊限界点を、引張りの応力が働く場合に比べて大きくでき、使用圧力範囲を広くできる。

また使用圧力範囲を広くできると、感圧素子３０の発振周波数が可変する範囲も広くできる。図５は感圧素子の周波数変化量（ｄＦ／Ｆ）と使用圧力範囲との関係を説明するグラフである。周波数変化量と使用圧力範囲とは、図５に示すように、使用圧力範囲（感圧素子３０が受ける圧力）が大きくなると周波数変化量も大きくなる関係がある。このため感圧素子３０に圧縮の応力を加えるようにして、破壊限界点を大きくすれば使用圧力範囲Ｂｐも大きくできる。なお感圧素子３０に引張りの応力を加えるときは、破壊限界点が小さくなるので使用圧力範囲Ａｐも小さくしておく必要があり、Ａｐ＜Ｂｐの関係になる。そして使用圧力範囲が大きくなると、図５に示す関係から周波数変化量も大きくできる。すなわち使用圧力範囲Ｂｐのときの周波数変化量はＢｆとなる一方、使用圧力範囲Ａｐのときの周波数変化量はＡｆとなり、Ａｆ＜ｂｆの関係になる。

ところで受圧部１４の厚みを変えれば、圧力センサ１０が圧力測定できる範囲を変えることができる。すなわち受圧部１４が薄ければ湾曲し易く、受圧部１４の上下面に加わる圧力のわずかな差によってでも受圧部１４が湾曲し、感圧素子３０も湾曲する。これに対して、受圧部１４が厚ければ湾曲し難くなり、受圧部１４の上下面に加わる圧力が大きくないと湾曲せず、感圧素子３０も湾曲しない。したがって感圧素子３０に圧縮の応力が加わる場合と引張りの応力が加わる場合とで受圧部１４の厚さが同じであれば、圧縮の応力が加わる場合の使用圧力範囲Ｂｐが使用圧力範囲Ａｐに比べて広くなる。よって圧力センサ１０は、分解能を維持したまま、広い範囲の圧力を測定できる。

また感圧素子３０に圧縮の応力が加わる場合と引張りの応力が加わる場合とで受圧部１４の厚さを変えて、使用圧力範囲Ｂｐの場合と使用圧力範囲Ａｐの場合とで、圧力センサ１０が同じ圧力の範囲を測定できるようにすれば、使用圧力範囲Ｂｐを用いた場合の方が周波数変化量Ｂｆになって周波数変化量Ａｆに比べて広くなるので、分解能が良くなる。

また圧力センサ１０は、感圧素子３０の破壊限界点を大きくできるので、感圧素子に引張力が加わる場合に比べて寿命を長くできる。特に、感圧素子３０として双音叉振動片３２を用いている場合は、振動腕３４が極めて細く引張りに対して破断し易いものであるのに加え、水晶製の双音叉振動片３２としたときには水晶が硬質な材料であることから引張力に対して柔軟に力を逃すことができないものである。このため本実施形態に係る圧力センサ１０は、感圧素子３０に圧縮力が加わるようになっているので、振動腕３４を破断し難くでき、水晶であっても同様となる。

また感圧素子３０には、励振電極３６や前記接続パターン等の電極パターンを設けているが、引張り力が加わる場合と比較して圧縮力が加わる場合の方が、前記電極パターンの断線を心配する必要が無くなる。したがって圧力センサ１０の信頼性を向上できる。

なお図１に示す載置部１６は、平面形状が矩形になっているが、本発明は、載置部１６の平面形状を矩形に限定することはない。すなわち載置部１６の形状は、矩形以外の他の形状、一例としては台形や三角形、半円形等になっていてもよい。そして載置部１６は、この平面形状が台形になっていれば、この上底を下底よりも短くするとともに、撓み抑制部２２側に下底を設け、撓み抑制部２２に対向する支持枠部２０に上底を向けて受圧部１４に配設してあればよい。これにより受圧部１４が圧力を受けて湾曲した時に、感圧素子３０に圧縮の応力を加え易くできる。

次に、第２の実施形態について説明する。なお第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図６は第２の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図６（Ａ）はダイヤフラムの斜視図、図６（Ｂ）は圧力センサの断面図、図６（Ｃ）は受圧部が圧力を受けて湾曲したときの圧力センサの断面図である。

第２の実施形態のダイヤフラム７０は、一方の面を平らにしておき、他方の面に支持部１８および載置部１６を設けている。すなわち受圧部１４の上面と支持部１８の上面とで同一面を形成し、支持部１８および載置部１６の下面が受圧部１４の下面よりも下方に突出している。なお感圧素子３０と受圧部１４が接合する位置、すなわち載置部１６を設ける位置は、第１の実施形態で説明した構成と同じになっているので、感圧素子３０に圧縮の応力を加えることができる。

このようなダイヤフラム７０は、第１の実施形態で説明したのと同様にして形成することができる。例えば、第２の実施形態のダイヤフラム７０を水晶で形成するには、水晶素板の上面および側面をマスクで覆うとともに、支持部１８および載置部１６を形成する部分を覆うマスクを水晶素板の下面に設ける。そしてマスクで覆われていない部分の水晶素板をエッチングし、その後、受圧部１４を形成するのに必要な厚さになるとエッチングを止める。この後、水晶素板上のマスクを除去すれば、ダイヤフラム７０を得る。

このようにダイヤフラム７０の下面に、支持枠部２０、撓み抑制部２２および載置部１６を設けた形態であっても、第１の実施形態と同様にして感圧素子３０を載置部１６に配設するとともに、ダイヤフラム７０の下面に蓋部５０を接合して感圧素子３０を気密封止することで、図６（Ｂ）に示す圧力センサ１０を得る。このような圧力センサ１０であっても、図６（Ｃ）に示すように、感圧素子３０を収容している内部空間２６の圧力Ｐ２が、圧力センサ１０の外部の圧力Ｐ１に比べて小さくなると、圧力センサ１０の内部に向けて受圧部１４が湾曲して、感圧素子３０に圧縮の力が加わる。これは第１の実施形態で説明した動作と同様である。したがって第２の実施形態に係る圧力センサ１０は、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお第１の実施形態に係る圧力センサ１０の場合では、水晶素板の両面をエッチング加工してダイヤフラム７０を形成する必要があるが、第２の実施形態に係る圧力センサ１０の場合は、水晶素板の一方面のみをエッチング加工することで、ダイヤフラム７０を得ることができる。したがって、第２の実施形態に係る圧力センサ１０は、第１の実施形態の場合と比較して生産性に優れたものである。

次に、第３の実施形態について説明する。前述した第１，２の実施形態では、ダイヤフラム１２，７０に載置部１６を設けた形態である。しかし本発明は、載置部１６を設けていない構成であってもよい。このため第３の実施形態では、ダイヤフラムに載置部を設けていない構成について説明する。なお第３の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図７は第３の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図７（Ａ）はダイヤフラムの斜視図、図７（Ｂ）は圧力センサの断面図である。

図７に示すダイヤフラム７２は、一方の面を平らにしておき、他方の面に支持部１８を設けている。すなわち受圧部１４の上面と支持部１８の上面とで同一面を形成し、支持部１８の下面が受圧部１４の下面よりも下方に突出している。このようなダイヤフラム７２は、第１，２の実施形態で説明したのと同様にして形成することができる。

また、この圧力センサ１０に用いる感圧素子３０は、その両端部を中央部に比べて肉厚にしている。すなわち感圧素子３０として双音叉振動片３２を用いる場合は、基部３８の厚さを振動腕３４よりも厚くして、感圧素子３０が撓み抑制部２２を跨ぐことができるようにしている（図７（Ｂ）参照）。このような感圧素子３０は、感圧素子３０と受圧部１４の接合位置を第１の実施形態で説明した場合と同じにして、受圧部１４における図７（Ａ）の破線で示す部分に接合材４２を用いて固着してあればよい。このため感圧素子３０に圧縮の応力を加えることができる。また蓋部５０は、凹部５２をダイヤフラム７２に向けつつ、このダイヤフラム７２の下面に接合している。そして蓋部５０とダイヤフラム７２で形成される内部空間２６を真空にして、感圧素子３０を気密封止している。

このような圧力センサ１０は、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０と同様の動作を行う。したがって第３の実施形態に係る圧力センサ１０は、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

また第３の実施形態における基部３８は、例えば第１の実施形態における載置部１６と基部３８とを一体構成したものである。したがって第３の実施形態の場合、第１の実施形態の場合に必要な載置部１６と基部３８との位置合わせが不要（位置ズレは起きない）であるので生産性に優れると共に、位置ズレが起きないので感度特性など個体間の性能のばらつきを小さくすることができる。

なお図７に示すダイヤフラム７２は、第２の実施形態で説明したダイヤフラム１２に載置部１６を設けていない構成となっている。しかし本実施形態のダイヤフラム７２は、第１の実施形態で説明したダイヤフラム１２に載置部１６を設けていない構成としてもよい。

また図７（Ｂ）に示す感圧素子３０は、その両端部を基部３８に比べて厚くした構成になっている。しかし本実施形態では、第１の実施形態で説明した感圧素子３０を用い、基部３８と受圧部１４の間に設ける接合材４２を厚くすることで、感圧素子３０が撓み抑制部２２を跨ぐようにしてもよい。

次に、第４の実施形態について説明する。なお第４の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図８は第４の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図８（Ａ）はダイヤフラムの斜視図、図８（Ｂ）は感圧素子を配設したダイヤフラムの底面図、図８（Ｃ）は圧力センサの断面図、図８（Ｄ）は撓み抑制部の断面図である。

第４の実施形態のダイヤフラム７４は、支持部１８、受圧部１４および載置部１６を有しており、支持部１８と受圧部１４の各上面が同一面を形成し、支持部１８および載置部１６の下面が受圧部１４の下面よりも下側に突出している。また支持部１８の下面は、載置部１６の下面よりも下側に突出している。支持部１８は、支持枠部２０および撓み抑制部７６を有している。撓み抑制部７６は、第１受圧部１４ａおよび第２受圧部１４ｂの間に設けてあり、支持枠部２０は、第１受圧部１４ａおよび第２受圧部１４ｂの全体を囲むようになっている。

撓み抑制部７６は、支持枠部２０における対向箇所のそれぞれから、支持枠部２０の内側に向けて突出しており、各先端部が接合することなく、離れている。すなわち撓み抑制部７６は、図８（Ｂ）に示すように、支持枠部２０を構成する一方の長辺部２０ａの中央部から一方の撓み抑制部７６ａが突出しているとともに、他方の長辺部２０ｂの中央から他方の撓み抑制部７６ｂが突出している。このような支柱状の撓み抑制部７６同士の間、すなわち一方の撓み抑制部７６ａと他方の撓み抑制部７６ｂとの間に接続部７８が設けてある。この接続部７８は、各受圧部１４ａ，１４ｂと同じ厚さになっており、受圧部１４と連続して設けてある。すなわち受圧部１４、接続部７８、載置部１６および支持部１８が一体に形成してある。また一方の撓み抑制部７６ａの先端部と他方の撓み抑制部７６ｂの先端部との間を、載置部１６を用いて受圧部１４に配設された感圧素子３０が通過するようになっている（図８（Ｂ）参照）。

なお感圧素子３０と受圧部１４とを接合する位置、すなわち載置部１６を設ける位置は、第１の実施形態で説明した構成と同じになっているので、感圧素子３０に圧縮の応力を加えることができる。また蓋部５０は、凹部５２をダイヤフラム７４に向けつつ、このダイヤフラム７４の下面に接合している。そして蓋部５０とダイヤフラム７４で形成される内部空間２６を真空にして、ダイヤフラム７４に配設された感圧素子３０を気密封止している（図８（Ｃ）参照）。

このような圧力センサ１０は、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０と同様の動作を行う。したがって第４の実施形態に係る圧力センサ１０は、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

また第４の実施形態に係る圧力センサ１０では、受圧部１４に配設した感圧素子３０が一方の撓み抑制部７６ａと他方の撓み抑制部７６ｂとの間を通っているので、前述した実施形態のように感圧素子３０が撓み抑制部７６を跨ぐことはない。したがって第４の実施形態に係る圧力センサ１０では、受圧部１４に配設した感圧素子３０の高さを、撓み抑制部７６の高さよりも低くすることが可能になっているので、低背化できる。

またダイヤフラム７４が、水晶を始めとする結晶構造に異方性を有する材料を用いて形成されている場合において、これをエッチングにより形成すると、エッチング結晶面が露出することがある。すなわち異方性を持った結晶をエッチングすると、結晶軸毎に異なったエッチングレートによって、結晶面が露出することがある。例えば、水晶素板をエッチングして凹部５２を形成する場合、水晶の結晶軸毎に異なったエッチングレートによって凹部５２のある側面が水晶素板の表面に対して垂直にならず、斜めになることが知られている。そして、この斜めになった部分が水晶の結晶面になっている。

このため本実施形態で用いるダイヤフラム７４が異方性を持った結晶、一例としては水晶を用いて形成する場合、図８（Ｄ）に示すように、撓み抑制部７６のいずれかの側面がこの上面に対して斜めになって、この斜めになった箇所に水晶の結晶面（エッチング結晶面）８０が露出している。すなわち撓み抑制部７６は、一方の受圧部１４ｃ側の側面７６ｃとこの上面７６ｅとのなす角Ｃと、他方の受圧部１４ｄ側の側面７６ｄと上面７６ｅとのなす角Ｄとが異なっている。この場合、一方の受圧部１４ｃと他方の受圧部１４ｄが可動する特性（撓み特性）が異なる。そして本実施形態の撓み抑制部７６は、第１ないし３の実施形態の撓み抑制部２２の中間が途切れた構造になっているから、側面７６ｃ，７６ｄと上面７６ｅとのなす角ＣとＤが異なっている部分を少なくできる。すなわちエッチング結晶面８０の面積を少なくできる。これにより本実施形態の撓み抑制部７６は、一方の受圧部１４と他方の受圧部１４が撓むときの特性を等しくできる。

なお図８に示すダイヤフラム７４は、第２の実施形態で説明したダイヤフラム７０の撓み抑制部７６を分割した構成となっている。しかし本実施形態のダイヤフラム７４は、第１の実施形態で説明したダイヤフラム１２の撓み抑制部２２を分割した構成であってもよい。

さらに図８に示すダイヤフラム７４は、受圧部１４に載置部１６を設けた構成となっている。しかし本実施形態のダイヤフラム７４は、第３の実施形態で説明したように、ダイヤフラム７４に載置部１６を設けない構成としてもよい。

次に、第５の実施形態について説明する。前述した実施形態では、ダイヤフラムに２つの受圧部を設けた形態である。しかし本発明は、受圧部が１つであってもよい。このため第５の実施形態では、ダイヤフラムに１つの受圧部を設けた構成について説明する。なお第５の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図９は第５の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図９（Ａ）は圧力センサの平面図、図９（Ｂ）は圧力センサの断面図である。

第５の実施形態のダイヤフラム８２は、第１の実施形態で説明したダイヤフラム１２の構成において、２つある受圧部１４のうちの一方を支持部１８にした構成である。このようなダイヤフラム８２に感圧素子３０を配設するには、図９（Ｂ）に示すように、感圧素子３０の一方の端部（一方の基部３８ａ）を受圧部１４に設けた載置部１６に固着するとともに、他方の端部（他方の基部３８ｂ）を支持部１８に固着する。なお感圧素子３０と受圧部１４とを接合する位置、すなわち載置部１６を設ける位置は、第１の実施形態で説明した構成と同じになっているので、感圧素子３０に圧縮の応力を加えることができる。また蓋部５０は、凹部５２をダイヤフラム８２に向けつつ、このダイヤフラム８２の下面に接合している。そして蓋部５０とダイヤフラム８２で形成される内部空間２６を真空にして、感圧素子３０を気密封止している。

このような圧力センサ１０は、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０と同様の動作を行う。すなわち感圧素子３０は、他方の基部３８ｂが支持部１８に固着してあるので、圧力センサ１０の内側に向けて受圧部１４が湾曲すると、一方の基部３８ａ側から圧縮の応力を受けて湾曲する。そして圧力センサ１０は、感圧素子３０が変形したときの周波数をセンサ回路６０で検出することで、圧力を測定することができる。したがって第５の実施形態に係る圧力センサ１０は、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお本実施形態のダイヤフラム８２は、図６等に示すように、その上面が平面になっていてもよい。また本実施形態のダイヤフラム８２は、図７に示すように、受圧部１４に載置部１６を設けていない構成であってもよい。

次に、第６の実施形態について説明する。前述した実施形態では、ダイヤフラムと蓋部５０とで形成する内部空間２６に感圧素子３０を収容した形態である。しかし本発明の圧力センサ１０は、枠部を備えた感圧素子をダイヤフラム１２と蓋部５０とで挟み込んだ３層構造になっていてもよい。このため第６の実施形態では、３層構造の圧力センサ１０について説明する。なお３層構造の圧力センサ１０は、前述した第１ないし３の実施形態および第５の実施形態に適用できるので、以下では、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０を３層構造にした構成について説明する。そして第６の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図１０は第６の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図１０（Ａ）は圧力センサの断面図、図１０（Ｂ）は感圧素子の平面図である。

図１０（Ｂ）に示す感圧素子８４は、振動部８８および枠部８６とを有している。振動部８８は、第１の実施形態で説明した双音叉振動片３２と同様の構成になっている。枠部８６は、振動部８８の周囲に配置してあり、振動腕３４に沿っている長辺方向の枠と、振動部８８の基部３８とが支持手段９０を介してつながっている。そして振動部８８の基部３８に設けてあるマウント電極４０は、支持手段９０および枠部８６に設けた接続パターン９２を介して、枠部８６に設けた枠部側マウント電極９４に導通している。枠部側マウント電極９４は、感圧素子８４をダイヤフラム１２と蓋部５０で挟み込んだときに、ダイヤフラム１２の支持部１８および蓋部５０の側壁５４と平面視して重なる位置に設けてある。そして枠部側マウント電極９４は、図示しない接続パターンによって圧力センサ１０の外部に設けた電極と導通している。

なお感圧素子８４は、これの枠部８６とダイヤフラム１２の支持部１８とが接合材２４で接合してあるとともに、これの枠部８６と蓋部５０の側壁５４とが接合材２４で接合している。また振動部８８の基部３８は、接合材４２によって、受圧部１４に設けた載置部１６に固着している。これにより蓋部５０とダイヤフラム１２の間に形成される内部空間２６に振動部８８が配置され、この内部空間２６を真空にして感圧素子８４を気密封止している。

このような圧力センサ１０は、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０と同様の動作を行う。すなわち枠部８６を備えた感圧素子８４であっても、受圧部１４が内部空間２６に向けて湾曲すると、振動部８８に圧縮の応力を加えることができる。したがって第６の実施形態に係る圧力センサ１０は、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお第１ないし６の実施形態で説明した感圧素子３０，８４は、双音叉振動片３２を用いた形態である。しかし本発明に用いる感圧素子は、双音叉振動片３２を用いる場合のみに限定されることはない。すなわち感圧素子は、例えば弾性表面波（ＳＡＷ）共振片であってもよい。このＳＡＷ共振片は、圧縮応力を受けると、これに伝搬するＳＡＷの周波数が変わるので、圧力センサ１０は、この周波数変化を利用して圧力を求めることができる。さらに感圧素子は、シリコンを微細加工して作製した振動素子（ＭＥＭＳ）や、金属体に圧電材料を設けた振動素子であってもよい。なお感圧素子として圧電体を用いたもの、特に水晶を用いたものであれば、周波数温度特性等の様々な特性が他の材料を用いたものに比べて良好になっているので、高精度の測定を行える。このような感圧素子であっても、圧縮の応力を受ける場合の破壊限界点が大きくなる。

第１の実施形態に係る圧力センサの説明図である。双音叉振動片の平面図である。センサ回路のブロック図である。受圧部が湾曲したときの断面図である。感圧素子の周波数変化量（ｄＦ／Ｆ）と使用圧力範囲との関係を説明するグラフである。第２の実施形態に係る圧力センサの説明図である。第３の実施形態に係る圧力センサの説明図である。第４の実施形態に係る圧力センサの説明図である。第５の実施形態に係る圧力センサの説明図である。第６の実施形態に係る圧力センサの説明図である。

符号の説明

１０…圧力センサ、１２，７０，７２，７４，８２…ダイヤフラム、１４…受圧部、１６…載置部、１８…支持部、２０…支持枠部、２２，７６…撓み抑制部、２６…内部空間、３０…感圧素子、３４…振動腕、３８…基部、５０…蓋部、５２…凹部、５４…側壁、６０…センサ回路。

Claims

２つの受圧部と、
前記２つの受圧部の周囲に設けた支持枠部と、
当該支持枠部の対向する内側縁部同士を結ぶ方向であって、前記２つの受圧部に挟まれた領域を貫通する方向に前記受圧部の厚みよりも厚い厚肉部を有する撓み抑制部と、
を有するダイヤフラムと、
振動部と該振動部の両端に配置された一対の基部とを有する感圧素子と、
を有し、
前記感圧素子の一対の基部を前記２つの受圧部に夫々設けられた載置部に各々固定すると共に、前記振動部が前記撓み抑制部を跨ぐように感圧素子を配置し、
前記載置部の中央部は、前記受圧部の中央よりも前記撓み抑制部の端部側に寄っている、
ことを特徴とする圧力センサ。
前記撓み抑制部は、前記支持枠の対向する内側縁部同士を架け渡してなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記撓み抑制部が、前記受圧部の厚みと同じ厚みの領域を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記載置部同士が対向する側の前記載置部の縁部と、当該縁部に対向する撓み抑制部の縁辺との間の距離をａとし、
前記縁部と交差する方向の前記載置部の縁部と、当該縁部に対向する前記受圧部の縁辺との間の距離をｃとすると、
前記ａと前記ｃとの関係は、
ｃ＞ａ＞０
を満たす、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記ダイヤフラムの前記感圧素子を搭載した側の面を覆う蓋部であって、
前記支持枠部と前記蓋部とを固定することによって、前記ダイヤフラムと前記蓋部との間に形成される内部空間を気密封止したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記載置部は、前記感圧素子を搭載した前記受圧部の表面から突出している、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の圧力センサ。
前記感圧素子に発振回路を接続し、前記発振回路に周波数測定演算手段を接続したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の圧力センサ。