JP5305028B2

JP5305028B2 - 圧力センサー

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Publication number: JP5305028B2
Application number: JP2009177797A
Authority: JP
Inventors: 健太佐藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-07-30
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Description

本発明は、特に圧力検出素子として圧電素子を用いた圧力センサー及び受圧手段に係る。

被測定圧力を受圧して撓む可撓部を有する受圧手段としてのダイアフラムと、当該ダイアフラムの支持部に支持固定される感圧素子としての双音叉振動片とから構成される圧力センサーとして、特許文献１，２が開示されている。

特許文献１に開示されている圧力センサーは、圧力を受圧したダイアフラムが撓むと、その撓みに起因した力が前記支持部を介して双音叉振動子に伝達されて、前記双音叉振動子にも撓みが生じることによって、振動子の振動腕（ビーム）方向に伸縮作用が生じる。この伸縮作用によって生じた内部応力により双音叉振動子の共振周波数に変化が生じる。この共振周波数の変化を圧力の変化に変換することによる圧力変動を検出することができる。

前記感圧素子は、感圧部と感圧部の両端に接続された一対の基部とを有し、力の検出方向を検出軸として設定し、感圧素子の前記一対の基部の並ぶ方向は前記検出軸と平行関係にある。双音叉型圧電振動子の場合は、梁（ビーム）の延びる方向と検出軸とが平行関係になっている。

しかしながら、ダイアフラムの撓みが大きくなると、円弧状に撓んだダイアフラムの中央部が双音叉振動片に接触してしまい双方に損傷等が発生してしまう問題があった。

そこで、特許文献２において、この問題を解決するため、図９に示すようにダイアフラム１の中央領域に厚肉部２を設けることにより、ダイアフラム１の撓みが大きくなったときでもダイアフラム１の中央領域が円弧状に変形することなくダイアフラム１が撓むようにした。これによりダイアフラム１の中央部３が双音叉振動片４に接触することを防止できる。

特開２００４−１３２９１３号公報特開２００７−３２７９２２号公報

ここで特許文献１のように、ダイアフラムの厚みが均一の場合、双音叉振動片の振動が支持部を介してダイアフラムへ伝わるとダイアフラム自身が振動を始め、ダイアフラムの固有振動数が双音叉振動子の共振周波数に結合してしまう。このとき、ダイアフラムの固有振動の共振周波数が双音叉振動子の共振周波数の近傍にあると、ダイアフラムの共振周波数が双音叉振動子の共振周波数の近傍に複共振、スプリアスとして出現してしまい、双音叉振動子が電気的に接続された発振回路から発振される周波数に変動が生じるという問題があった。

また双音叉振動子の振動状態はＣＩ値によって表すことができる。図１０（１）はＣＩ値と圧力の関係を示したグラフである。（２）はダイアフラムの平面状の振動状態を模式的に示した図である。（１）に示すように圧力（ｋＰａ）を変化させると特定の圧力下でＣＩ（ｋ−ｏｈｍ）が変化する箇所（ポイントＡなど）がある。ＣＩ値が変化する箇所（ＣＩ値特異点、すなわちＤｉｐが発生している箇所）では、ダイアフラムの振動が激しく起こっている。

次にＤｉｐが発生している圧力３０（ｋＰａ）のポイントＡと、Ｄｉｐの発生していない圧力１００（ｋＰａ）のポイントＢにおける矩形のダイアフラムの振動状態を（２）に示す。ＤｉｐがあるポイントＡの場合、ダイアフラム中央部の振動が大きいことが観測され、それに対して、ＤｉｐのないポイントＢの場合、ポイントＡに比べてダイアフラム中央部の振動が小さいことが観測された。

以上の検証結果から圧力測定環境下において、圧力が変動した過程で、図１１（１）に示すように、Ｄｉｐがない圧力下では圧力変化による双音叉振動片の共振周波数が移動することがない。しかしながら（２）に示すようにＤｉｐがある圧力下では、双音叉振動片の共振周波数がダイアフラムの振動数に接近することにより周波数のズレ、変動が生ずるものと推察される。

そこで振動する弦楽器の弦を指で押さえると、振動が抑止されるように、特許文献２で開示された前記可撓部が撓んだときの前記中央部の変形を防止するために前記中央部に厚肉部を設けることにより、ダイアフラムの共振を抑制する効果を期待できる。

ここでダイアフラムの振動を抑止するためにダイアフラムに厚肉部を配置するにあたり、本発明者はダイアフラムの可撓部の感度と厚肉部の配置場所との相関関係についてシュミレーションした結果、特許文献２に示すようにダイアフラムの中央部に厚肉部を配置した構成では、可撓部の撓み感度の損失が大きくなるという問題が判明した。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するため、可撓部の撓み感度を劣化させることなくダイアフラムの振動を抑止する圧力センサー及び受圧手段を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明のある実施形態に係る圧力センサーは、感圧部と、前記感圧部を挟んで接続されている一対の基部とを有する感圧素子と、一方の主面に受圧面を有し、当該受圧面の裏側の他方の主面に前記感圧素子の一方の主面側を覆うと共に、前記感圧素子の前記一対の基部を夫々支持する一対の支持部を含んでいる受圧手段と、前記受圧手段と共に前記感圧素子を収容するための内部空間を構成する基板と、を備えた圧力センサーであって、前記受圧手段は、前記他方の主面の中心を通り前記一対の支持部の並ぶ方向に向かって伸びる第１の仮想線、及び前記中心を通り前記第１の仮想線と直交する方向に向かって伸びる第２の仮想線のうち、少なくともいずれか一方の仮想線に対して線対称となる位置であって、前記受圧面の中心を通る前記仮想線を挟むように分割して配置され、前記感圧素子及び前記基板との間に空間を構成している厚肉部を有することを特徴としている。
本発明の別のある実施形態に係る圧力センサーは、前記厚肉部が、前記第１の仮想線及び前記第２の仮想線を挟むように分割して配置されていることを特徴としている。
本発明の別のある実施形態に係る圧力センサーは、前記厚肉部は、前記受圧手段の前記一方の主面及び前記他方の主面のうち、少なくともいずれかの主面に一体的に構成されていることを特徴としている。
本発明の別のある実施形態に係る圧力センサーは、前記厚肉部は、前記受圧手段の前記一方の主面及び前記他方の主面のうち、少なくともいずれかの主面に接着して構成されていることを特徴としている。
本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
〔適用例１〕感圧部と当該感圧部の両端と接続される一対の基部とを有する感圧素子と、一方の主面に受圧面を有し、当該受圧面の裏側の他方の主面に前記感圧素子の一方の主面側を覆うと共に、前記感圧素子の前記一対の基部を夫々支持する一対の支持部が設けられた受圧手段と、を備えた圧力センサーであって、前記受圧手段は、前記他方の主面の中心を通り前記一対の支持部の並ぶ方向に向かって伸びる第１の仮想線、及び前記中心を通り前記第１の仮想線と直交する方向に向かって伸びる第２の仮想線のうち、少なくともいずれか一方の仮想線に対して線対称となる位置に厚肉部を有することを特徴とする圧力センサー。

これにより、受圧手段の振動を抑止する効果のある厚肉部を、他方の主面の中心を通り一対の支持部の並ぶ方向に向かって伸びる第１の仮想線、及び前記中心を通り第１の仮想線と直交する方向に向かって伸びる第２の仮想線のうち、少なくともいずれか一方の仮想線に対して線対称となる位置に形成している。このためＤｉｐを抑制するとともに、受圧手段の撓み感度を劣化させることがない。

〔適用例２〕前記厚肉部は、前記受圧手段の前記一方の主面及び前記他方の主面のうち、少なくともいずれかの主面に一体的に形成されていることを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
これにより、受圧手段の製造工程と一緒に厚肉部を形成することができ、厚肉部の製造工程を短略化できる。

〔適用例３〕前記厚肉部は、前記受圧手段の前記一方の主面及び前記他方の主面のうち、少なくともいずれかの主面に接着して形成されていることを特徴とする適用例１に記載の圧力センサー。
これにより、厚肉部の厚みを受圧手段の厚みに係りなく、厚みを調整することができる。また、受圧手段の製造後、後工程で厚肉部を形成することができる。

〔適用例４〕一方の主面に受圧面を有し、当該受圧面の裏側の他方の主面に感圧素子の両端に接続される一対の基部を夫々支持する一対の支持部が設けられた受圧手段であって、前記他方の主面の中心を通り前記一対の支持部の並ぶ方向に向かって伸びる第１の仮想線、及び前記中心を通り前記第１の仮想線と直行する方向に向かって伸びる第２の仮想線のうち、少なくともいずれか一方の仮想線に対して線対称となる位置に厚肉部を有することを特徴とする受圧手段。

本発明の圧力センサーの分解斜視図である。圧力センサーの断面図である。本発明の受圧手段の平面図である。ダイアフラムの曲率の説明図である。ダイアフラムの曲率微分の説明図である。圧力センサー用ダイアフラムの厚肉部の変形例の平面図である。厚肉部の説明図である。厚肉部を部分拡大した断面図である。従来の圧力センサーの構成概略を示す図である。ＣＩ値と圧力の関係を示す図である。振動強度と周波数の関係を示すグラフである。

本発明の圧力センサー及び受圧手段の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の圧力センサーの分解斜視図である。（Ａ）は基板の内側（凹部側）を上方から見た斜視図であり、（Ｂ）はダイアフラムの内側（支持部側）を上方から見た斜視図である。図２は圧力センサーの断面図である。図３は受圧手段の平面図である。図示のように本発明の圧力センサー１０は、基板２０と、枠付き振動子３０と、ダイアフラム（受圧手段）４０とを有している。

図１に示すように、ダイアフラム４０は、一方の主面が被測定圧力を受圧する受圧面４３となっており、当該受圧面に対して垂直な方向から被測定圧力を前記受圧面４３で受圧すると撓み変形する可撓部４１と、該可撓部４１の周縁に形成される枠部４２と、を備えている。ダイアフラム４０の他方の主面であって前記可撓部４１の前記受圧面４３の裏側となる密閉側の主面４４には、感圧素子となる圧電振動片３１を固定するための一対の支持部４５ａ、４５ｂを有し、圧電振動片３１の一対の基部３６を支持部４５ａ、４５ｂにより支持している。

感圧素子には、いわゆる双音叉型振動子を用いている。双音叉型振動子は、両端部に基部３６を有し、この２つの基部３６の間に感圧部となる振動部に２つの振動ビームが形成されている。前記振動ビームは一方の基部３６から他方の基部３６に向かって伸びている。双音叉型振動子は、その感圧部（振動腕３４，３５）である前記２つの振動ビームに引張り応力（伸長応力）あるいは圧縮応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性を有している。

前記圧電振動片３１は、感圧部と、感圧部の両端に形成された一対の基部３６とを有し、力の検出方向を検出軸として設定し、圧電振動片３１の前記一対の基部３６の並ぶ方向は、前記検出軸と平行関係にある。双音叉型圧電振動子の場合は、梁（ビーム）の伸びる方向と検出軸とが平行関係になっている。

基板２０は、枠付き振動子３０の圧電振動片３１を収容する内部空間Ｓを密封するためのパッケージ或いはリッドとしての役割を果たす部材である。基板２０は、図１又は図２に示すように、その内側に凹部２２が形成されており、この凹部２２の開口側の周縁の環状囲繞部となる端面２４に、枠付き振動子３０の枠状部３２と、ダイアフラム４０の周縁部４２と順に積層して接合することで、凹部２２の内側が密封された内部空間Ｓとなる。

このような基板２０はガラス、セラミック板、硬質プラスチック等の非導電性材料により形成することができ、例えばセラミックを利用する場合、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを形成して、図示の形状とすることができる。本実施形態の場合、基板２０は熱膨張係数などを考慮して、圧電振動片３１を囲む枠状部３２と同様の材料でたとえば水晶にて形成されている。

そして図１に示す基板２０の主面外形は、水晶結晶軸のＸ軸方向に並行して延びる２本の辺と水晶結晶軸のＹ方向に並行して延びる２本の辺とからなる略四角形状（すなわち略長方形）である。

なお、図示されていないが、基板２０の外部に露出した面には電極端子が設けられており、この電極端子は図示しない導電パターンを介して圧電振動片３１との間で信号の入出力を行うようになっている。

枠付き振動子３０は、枠状部３２及びこの枠状部３２と接続された圧電振動片３１とを有している。そして枠付き振動子３０は、圧電材料として例えば水晶をエッチングして形成されており、水晶以外にタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等を用いることができる。また図１に示す枠状部３２の外形は、Ｘ軸方向に並行して延びる２本の辺とＹ軸方向に延びる２本の辺とからなる略矩形形状である。

圧電振動片３１は、本実施形態の場合、加えられた力に対して周波数の変化が大きく、圧力を感度よく検出できる双音叉振動片を用いている。すなわち双音叉振動片は、屈曲振動モードを有する振動片であって、図１に示すように２つの音叉型振動片の自由端側の端面どうしを対向させて結合させた構造を有しており、互いに並行にＹ軸方向に長手方向が延びる２本の振動腕３４，３５と、この振動腕３４，３５の長手方向の両端に接続され、振動腕３４，３５と一列に並んだ２つの基部３６とを有している。

振動腕３４，３５はＹ軸方向に細長く、その表面に設けられた励振電極３９ａにより駆動電圧を印加されて屈曲振動する部分であり、この部分にＹ軸方向に伸張及び／又は圧縮するようにストレス或いはテンションがかかると、周波数が変化する部分である。したがってその周波数変化を検知することで圧力変化を感知することができる。

基部３６は、圧電振動片３１をダイアフラム４０に固定するための両端部であり、さらに本実施形態の場合、振動腕３４，３５と外部との間で信号の入出力を行うための中継となる電極３９ｂを有する部分でもある。

後述するダイアフラム４０の支持部４５側の表面には、上述の中継となる電極３９ｂと導通するための引出電極３９ｃを有しており、この引出電極３９ｃは、入出力電極３９ｄを介して上述した基板２０に設けられた端子と電気的に接続している。

枠状部３２は、基板２０の凹部とともに圧電振動片３１を収容する内部空間Ｓを形成する部材であり、かつ、ダイアフラム４０の周縁部４２に積層し固定する部材である。具体的には、枠状部３２は少なくとも振動腕３４，３５との間に空間を有しており、圧電振動片３１の両端の基部３６に接続部３８を介して連結されると共に、圧電振動片３１及び接続部３８と一体的に形成されている。すなわち、本実施形態の場合、枠状部３２、接続部３８と圧電振動片３１とは、１枚の水晶ウェハから、例えばフォトリソ技術とエッチング技法とを利用して形成されている。

接続部（梁）３８は基部３６よりも細い形状である。すなわち接続部３８は、基部３６とダイアフラム４０の支持部４５と接合した後は、振動腕３４，３５の撓みを阻害するものとなるので存在しないほうが好ましく、このため本実施形態では、枠付き振動子３０とダイアフラム４０とを接合する際に、基部３６と支持部４５とを位置合わせして接合できる程度に細く形成している。

そして接続部３８は、一対の基部３６が結ぶ方向（Ｙ軸方向）、すなわち接続部３８と基部３６とからなる部分と、枠状部３２のＸ軸方向に延びる枠辺との間には、それらの厚み方向に貫通した貫通孔３８ａが設けられている。このように接続部３８を細く構成し、かつ貫通孔３８ａを設けた構成とすることにより、図２に示すように外部から被測定圧力Ｐをダイアフラム４０の受圧面４３で受圧したときに、圧電振動片３１の振動腕３４，３５が一対の基部３６が並ぶ方向（Ｙ軸方向）へ伸縮し易くし、そのＹ軸方向への伸縮を接続部３８が阻害してしまう事態を防止することができる。

なお接続部３８は、各基部３６の幅方向（すなわち図の基部どうしを結ぶＹ軸方向と直交するＸ軸方向）の両端から、それぞれ幅方向に沿って、互いに離間するように延びて形成された梁としている。この梁は、Ｙ軸方向の撓みを阻害しないようにＹ軸方向に枠に対して交差している（図１では直交させた接続部３８を示している）。

このような梁の構成により枠付き振動子３０の構成（剛性）がＹ軸方向に沿った中心線を境に左右対称となる。そしてこのような左右対称の構成により、圧電振動子の撓み量がＹ軸方向に沿った中心線を境に左右均等となるので、ダイアフラム４０から圧電振動片３１に伝達された力を２本の振動腕３４，３５に等しく分配することができる。

さらに、この接続部３８は振動漏れを軽減するために、できるだけ振動腕３４，３５から離れた位置に形成することが好ましく、図示のように基部３６の振動腕側３４，３５と反対側の端部における幅方向の両端に接続されている。

圧電振動子の振動腕３４，３５に形成された励振電極３９ａは接続部（梁）上に形成された引き出し電極３９ｃを介して外枠に形成した端子電極と電気的に接続されている。

ダイアフラム４０は外部と内部空間Ｓとを仕切って、外部から受けた圧力Ｐを圧電振動片３１に伝達する部材である。ダイアフラム４０は、微細な圧力Ｐを伝達できるように薄膜状の可撓部４１と、可撓部４１を囲む周縁部４２を有している。またダイアフラム４０は、可撓部４１の受圧面４３の面とは反対側の密閉側の主面（他方の主面）４４に支持部４５と厚肉部５０を有している。
周縁部４２は、薄肉の可撓部４１よりも厚肉に形成し、前述の枠付き振動子３０の枠状部３２と基板２０とを順に積層し接合している。

ダイアフラム４０は、周縁部４２が枠付き振動子３０の枠状部３２を介して基板２０に開口側の周縁部４２の端面２４と接合して固定されるようになっているため、枠状部３２の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する材料で形成されている。
ここで本発明のダイアフラム４０は、図３に示すように可撓部４１で最も変位量が大きい箇所を密閉側の主面４４の中心Ｃとしている。

支持部４５ａ，４５ｂは、前記密閉側の主面４４の中心Ｃを挟むように密閉側の主面４４に一対形成している。支持部４５ａ，４５ｂは、圧電振動片３１の基部３６を接合する台座となる。支持部４５ａ，４５ｂにより支持固定された感圧素子３１が密閉側の主面４４の中心Ｃを跨ぐように前記感圧素子３１を配置することにより、感圧部である振動腕３４，３５に最も大きなストレスが作用し、圧力変動の検出感度を向上させることができる。

厚肉部５０は、ダイアフラム４０を平面視して、前述の一対の支持部４５ａ，４５ｂの間の領域、及び一対の支持部４５ａ、４５ｂに並ぶ方向に平行なダイアフラム４０の周縁部４２と前記領域とに挟まれた領域に、薄肉の可撓部４１よりも厚みを厚く形成している。

次に本発明の厚肉部５０の配置箇所について説明する。図４はダイアフラムの可撓部４１が撓んだときのダイアフラム４０の撓みの曲率を解説した図である。（１）はダイアフラム４０を受圧面４３の中心Ｃと一対の支持部４５の各中心を通る直線方向、及び受圧面４３の中心を通り前記直線方向と直交方向に切断した一部を拡大した斜視図であり、（２）のグラフは、横軸は（１）の矢印に示すようにダイアフラムの受圧面４３の中心Ｃから可撓部４１の端部までの断面の位置を示し、縦軸は曲率（破線）及びＺ軸方向への変形（実線）を示している。

また図５はダイアフラムの撓みの曲率の変化率を曲率微分で示した解説図である。（２）の横軸は（１）に示すダイアフラム４０の受圧面４３の中心ＣからＸ軸方向である短辺方向（矢印）までの断面におけるダイアフラム４０の中心Ｃを０とし、可撓部４１の端部を１としたときの断面位置を示し、縦軸は曲率微分を示している。図４に示すように、ダイアフラム４０の曲率は、可撓部４１の中心Ｃ及び前記端部において急激に高くなっているが、中心Ｃから前記端部に向かって約０．５ｍｍから、前記端部から前記中心Ｃに向かって約０．５ｍｍまでの範囲、すなわち位置：約０．５ｍｍ〜約４．０ｍｍでは曲率が低くなっている。また図５に示すようにダイアフラムの曲率微分は、図４の曲率と同様に、可撓部４１の中心Ｃから前記端部に向かって約０．０５までの範囲と、端部から前記中心Ｃに向かって約０．０５までの範囲で曲率微分が急激に増加し、矢印Ｓの範囲（０．１から０．９の範囲）では著しく低下している。なお図４及び図５はダイアフラムの短辺方向の断面位置について検討したが、ダイアフラムの長辺方向の断面位置についても同様に可撓部の中心Ｃ及び端部において曲率及び曲率微分が増加する傾向にある。したがって、この曲率の大きい箇所となる可撓部の中心Ｃと端部付近に剛性を備えた厚肉部５０を形成するとダイアフラム４０の撓みが著しく阻害されることが判明した。

そこで本発明の厚肉部５０は、密閉側の主面４４上の支持部４５ａ，４５ｂ及び周縁部４２に接触することがない領域であって、図３に示すダイアフラム４０の密閉側の主面４４の斜線領域には厚肉部５０を設けない構成とした。具体的に厚肉部５０は、密閉側の主面４４の中心Ｃと、一対の支持部４５ａ，４５ｂの各中心とを通る方向の直線を直線（第１の仮想線）Ｌ１とし、密閉側の主面４４の中心Ｃを通り前記直線Ｌ１と直交する方向の直線を直線（第２の仮想線）Ｌ２とし、前記直線Ｌ１、Ｌ２のそれぞれに沿って、厚肉部５０を分割するように切り込み５１を形成して厚肉部５０を４つに分割した。前記切り込み５１の幅は、直線Ｌ１及びＬ２の各々を中心とした線対称に所定の幅を持たせて十字状に形成している。

このように、前記受圧手段は、他方の主面（密閉側の主面）の中心を通り前記一対の支持部の並ぶ方向に向かって伸びる第１の仮想線、及び前記中心を通り前記第１の仮想線と直交する方向に向かって伸びる第２の仮想線に対して線対称となる位置に厚肉部を有している。

またダイアフラム４０の支持部４５ａ，４５ｂの間の受圧面４１上の周縁部４２と支持部４５ａ，４５ｂ付近の厚肉部５０を囲う矩形の枠状領域である。この斜線領域は曲率の大きい箇所となり、厚肉部５０を設けていない。
なお厚肉部５０は、薄膜状の可撓部４１よりも厚みを厚く形成して、剛性を持たせている。

図６は圧力センサー用ダイアフラムの厚肉部の変形例の説明図である。本発明の圧力センサー用ダイアフラム４０は図３に示す構成の他、以下に示す構成とすることもできる。

（１）はダイアフラムの外形形状が円形であって、図３に示すダイアフラム４０と同様に厚肉部５０を分割するための切り込み５１を直線Ｌ１及び直線Ｌ２の各々を中心とした線対称に所定の幅を持たせて十字状に形成し、厚肉部５０を４つに分割している。これにより図３に示すダイアフラムと同様の効果を得ることができる。

（２）はダイアフラムの外形形状が矩形であって、厚肉部５０を２つに分割した切り込み５１を直線Ｌ１を中心とした線対称に所定の幅を持たせて形成している。
（３）はダイアフラムの外形形状が円形であって、厚肉部５０を２つに分割した切り込み５１を中心とした線対称に所定の幅を持たせて形成している。

（２），（３）に示すダイアフラムによれば、直線Ｌ１を中心に２つに分割した厚肉部５０を直線Ｌ１を軸とした線対称に形成しているため、図３及び（１）の厚肉部に比べ、ダイアフラムの可撓部の撓み感度は若干弱くなるものの、ＣＩ値のＤｉｐの抑制効果がある。

（４）はダイアフラムの外形形状が矩形であって、厚肉部５０を２つに分割した切り込み５１を直線Ｌ１に直交する直線Ｌ２を中心とした線対称に所定の幅を持たせて形成している。

（５）はダイアフラムの外形形状が円形であって、厚肉部５０を２つに分割した切り込み５１を直線Ｌ１に直行する直線Ｌ２を中心とした線対称に所定の幅を持たせて形成している。

（４），（５）に示すダイアフラムによれば、直線１に直交する直線Ｌ２を中心に２つに分割した厚肉部５０を直線Ｌ２を軸とした線対称に形成しているため、図３及び（１）に示す厚肉部に比べ、ダイアフラムの可撓部の撓み感度は若干弱くなるものの、ＣＩ値のＤｉｐ抑制効果がある。

また（２），（３）の厚肉部の形成構造は、（４）及び（５）の形成構造に比べ、厚肉部と対向する感圧部の領域の面積が小さいので、結果的に厚肉部と圧電振動片との距離が遠くなるため、粘性抵抗が小さくなり感圧素子の共振が安定するという効果が得られる。

本発明の厚肉部５０は、次に示す方法により製造することができる。図７は厚肉部の説明図である。（１）〜（３）は一体形成したダイアフラム４０の断面図を示し、（４）〜（６）は接着形成したダイアフラム４０の断面図を示している。（１）及び（４）は、厚肉部をダイアフラム４０の可撓部４１の密閉側の主面４４に形成した構成である。（２）及び（５）は、厚肉部をダイアフラム４０の可撓部４１の両面、即ち受圧面４３及び密閉側の主面４４に形成した構成である。（３）及び（６）は、厚肉部をダイアフラム４０の可撓部４１の受圧面４３に形成した構成である。

（１）〜（３）に示す厚肉部５０ａは、ダイアフラム４０の製造と同時に形成している。具体的にダイアフラム４０は、例えば水晶基板上の周縁部４２と支持部４５と厚肉部５０をマスクで覆う。そしてマスクに覆われていない部分を周縁部４２と支持部４５と厚肉部５０の必要な厚みになるまでエッチング処理を行う。あるいはまた基板上の周縁部４２と支持部４５と厚肉部５０をマスクした後、マスクに覆われていない部分を周縁部４２と支持部４５と厚肉部５０の必要な厚みになるまでサンドブラスト処理を行う。このような方法によれば、ダイアフラムの製造工程と厚肉部の製造工程を一緒に行うことができる。よって厚肉部のみの製造工程を短略化できる。

一方、（４）〜（６）に示す厚肉部５０ｂは、ダイアフラムと熱膨張係数が略等しい材質を用いるのが望ましい。あるいはエポキシ樹脂などの有機系材料、低融点ガラスやセラミックなどの無機系材料を用いることができる。このような材質の厚肉部５０ｂを図３及び図６に示すダイアフラム４０の取り付け位置に接着剤を用いて接合する。このような方法によれば、厚肉部５０ｂの厚みをダイアフラム４０の厚みに係りなく、厚みを調整することができる。また、ダイアフラム４０の製造後、後工程で厚肉部５０ｂを形成することができる。

ところで結晶構造が異方性になっている材料、例えば水晶基板をウェットエッチングすると、凹凸を設ける位置によってその断面形状が変わり、凸部の単位長さ当たりの体積が変わることになる。図８は厚肉部を部分拡大した断面図である。（Ａ）及び（Ｂ）はエッチング処理により製造した厚肉部の部分断面図であり、（Ｃ）はサンドブラスト処理により製造した厚肉部の部分断面図である。図示のようにダイアフラムはＺ軸に対して垂直に切り出したＺ板の水晶を用いている。そして（Ａ）に示す厚肉部５０は、水晶の結晶軸のうち、Ｘ軸とＺ軸で形成されるＸＺ平面に対して垂直方向に形成してある。また（Ｂ）に示す厚肉部５０は、水晶の結晶軸のうちＹ軸とＺ軸で形成されるＹＺ平面に対して垂直方向に形成してある。（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、厚肉部５０を設ける位置によってダイアフラムの可撓部４１と厚肉部５０の裾部分５２ａ，５２ｂの傾斜角が違うため断面積が異なっている。このようなダイアフラムの薄膜状の可撓部４１に対して厚みの厚い部分は、感度が低下するため本実施形態では厚い部分、すなわち裾部分５２を含めて厚肉部５０とする。（Ｃ）に示すサンドブラストにより製造した厚肉部５０は、裾部分５２ｃがなだらかなテーパ、すなわち丸みを帯びている。このような場合、可撓部４１から突出した厚肉部５０の頂部の高さＬとし、Ｌ／１０の間を厚肉部５０としている。

また本発明の圧力センサー１０は、枠付き振動子３０の枠状部３２を基板２０とダイアフラム４０とで挟んで接着剤などの接合部材で接合し三層構造としている。具体的に圧力センサー１０は、ダイアフラム４０と枠付き振動子３０と基板２０を、圧電振動片のカット角に合わせた材料、一例としてＺ軸に対して垂直に切り出したＺ板の水晶であって熱膨張係数αが略等しい材料を用いる。そして図２に示すように、ダイアフラム４０と枠付き振動子３０の間と、枠付き振動子３０と基板２０の間に接着部材６０として無機接着剤を用いる。これにより硬化した後に所定の硬度が得られるため、ＣＩ値が良好となる。また接着部分の応力の緩和が少なくなり、経年劣化が少ない。

あるいはまた接着部材６０として熱膨張係数αをダイアフラム等の材質と合わせた接着剤を用いてもよい。これにより温度特性を良好にできる。
このような本発明の圧力センサー及び受圧手段によれば、Ｄｉｐを抑制するとともに、ダイアフラムの撓み感度を劣化させることがない。

１………ダイアフラム、２………厚肉部、３………中央部、４………双音叉振動片、１０………圧力センサー、２０………基板、２２………凹部、２４………端面、３０………枠付き振動子、３１………圧電振動片、３２………枠状部、３４，３５………振動腕、３６………基部、３８………接続部、４０………ダイアフラム、４１………可撓部、４２………周縁部、４３………受圧面、４４………密閉側の主面、４５………支持部、５０………厚肉部、５１………切り込み、６０………接着部材。

Claims

感圧部と、前記感圧部を挟んで接続されている一対の基部とを有する感圧素子と、
一方の主面に受圧面を有し、当該受圧面の裏側の他方の主面に前記感圧素子の一方の主面側を覆うと共に、前記感圧素子の前記一対の基部を夫々支持する一対の支持部を含んでいる受圧手段と、
前記受圧手段と共に前記感圧素子を収容するための内部空間を構成する基板と、
を備えた圧力センサーであって、
前記受圧手段は、前記他方の主面の中心を通り前記一対の支持部の並ぶ方向に向かって伸びる第１の仮想線、及び前記中心を通り前記第１の仮想線と直交する方向に向かって伸びる第２の仮想線のうち、少なくともいずれか一方の仮想線に対して線対称となる位置であって、前記受圧面の中心を通る前記仮想線を挟むように分割して配置され、前記感圧素子及び前記基板との間に空間を構成している厚肉部を有することを特徴とする圧力センサー。
前記厚肉部が、前記第１の仮想線及び前記第２の仮想線を挟むように分割して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
前記厚肉部は、前記受圧手段の前記一方の主面及び前記他方の主面のうち、少なくともいずれかの主面に一体的に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサー。
前記厚肉部は、前記受圧手段の前記一方の主面及び前記他方の主面のうち、少なくともいずれかの主面に接着して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサー。