JPH09105U - ガス圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 真空度の高い雰囲気中に於いても圧電振動子
の直列等価抵抗が圧力によって大幅に変化し、その真空
度の計測を可能としたガス圧力センサを提供すること。 【構成】 輪郭圧電振動子をとりまく気体の圧力変化を
前記振動子の等価直列抵抗の変化によって検知するセン
サに於いて、無電極の振動子を内壁面が該振動子表面と
所要の間隙を介して対面するよう構成した剛体のケース
内に固定し、該ケースにこれを貫通するガス導入口を設
けると共にケース内壁面適所に励振電極を付着すること
によって振動子のＱを向上し広範囲の気体圧力の測定を
可能ならしめた。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本発明は気圧センサ、殊に気圧の変動に対する圧電振動子の直列等価抵抗の変 化に基づき高真空度の測定を可能としたガス圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来から気体圧力をベローズ、リンク等適当な変位への変換装置を用いて水晶 等の圧電振動子に作用せしめ、そのストレスに基づく共振周波数の変化から気体 圧力を検出する気体圧力のセンサが提案されており、殊に圧力変化の影響の少な いＡＴカット系の厚みすべり振動モードを利用したものが一般的であるが、斯か るガス圧力センサは圧力の変換機構が複雑且つ外的振動又は衝撃の影響を受けや すいのみならず感度、分解能共満足すべきものではないという欠陥があった。

【０００３】 上述のごとき事情に鑑み、本願考案者らは既に特願昭５７−１４６６５３号（ 特開昭５９−３５１２２号公報）に於いて輪郭振動モードを利用する圧電振動子 がこれを包囲する雰囲気の圧力の変動に伴い、その等価直列抵抗が直線的に変動 する性質を利用し極めて高感度且つ格別のガス圧力ストレス変換機構すなわち、 ダイヤフラム等を必要としない圧力センサを提案している。

【０００４】 しかしながら上述の圧力センサのうち最も感度良好な幅広音叉型水晶振動子を 用いてもその直列等価抵抗と圧力との関係が大幅に変化する範囲は概ね１０-3気 圧程度までであり、これにより高真空領域については圧力に対する直列等価抵抗 の変化量が飽和状態となり、計測不可能であることが判明していた。

【０００５】

【考案の目的】

本考案は上述した如き従来の圧力センサの欠陥を除去し、真空度の高い雰囲気 中に於いても圧電振動子の直列等価抵抗が圧力によって大幅に変化し、その真空 度の計測を可能としたガス圧力センサを提供することを目的としている。

【０００６】

【考案の概要】

上述の目的を達成する為、本考案は輪郭圧電振動子のＱを高めるべくその励振 電極を振動子表面に対し所要の距離だけ離隔せしめるよう構成したものである。

【０００７】

【考案の実施例】

以下、本考案を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明する。 本発明に係るガス圧力センサの実施例を説明するに先立ってまず本願発明者が 既に出願した音叉型ガス圧力センサについて簡単に言及する。 図２（ａ）は従来の音叉型水晶振動子を利用したガス圧力センサの構成を示す 斜視図であり、音叉型水晶振動子１の基板の音叉脚２、３四面に夫々通常の電極 付着手段を用いて電極４、４、・・・を付着したものである。

【０００８】 このような音叉型水晶振動子の音叉脚間隔ｇと板厚ｔとの比ｔ／ｇを変化させ その直列等価抵抗Ｒ（同図（ｃ）参照）がこれを包囲する雰囲気の圧力によって いかに変化するかを調べると、図３の如くなり概ね０．１ Ｔｏｒｒより等圧側 では等価抵抗が飽和し、計測不能であること前述の通りである。

【０００９】 この理由を考察するに振動子基板への電極付着は周知のごとくその振動子固有 のＱを大幅に低下させるので高真空下における雰囲気への振動子からのエネルギ ー伝播に基づくわずかな損失はマスクされてしまい検出し得ないためであると考 えられる。

【００１０】 この問題を解決するため、本考案は図１に示す如き構成をとる。図１（ａ）乃 至（ｃ）は夫々本考案に係る電極離隔音叉型水晶ガス圧力センサの構成を示す側 面図、Ａ−Ａ断面図及び一部破断面図である。

【００１１】 本図において、音叉型水晶振動子基板１の外周四面を該基板１と同一カットの 水晶基板５乃至８にて包囲すると共に前記音叉脚２及び３の間に同様の水晶基板 ９を挿入する。

【００１２】 該基板５乃至８の前記音叉型水晶振動子１外周表面と対面する側には夫々電極 １０乃至１３を、又前記基板９の両面には夫々電極１４及び１５を蒸着等の手法 にて付着する。更に前記電極付着基板５乃至８は夫々前記音叉型水晶振動子基板 １の基部に於いて適当な接着剤層１６、１６、・・・にて固定すると共に前記基 板１表面との間に所要の間隙を形成するようにする。又、前記音叉型脚間に挿入 する電極両面付着基板９と前記基板５及び６との間の固定も同様とする。 尚、前記音叉脚２、３先端部において前記電極付着基板５及び６の間に挿入固 定する基板１７は前記基板５及び６と音叉型水晶振動子基板１表面との平行を確 保するためのものである。

【００１３】 尚更に、前記音叉脚２、３間に挿入する電極両面付着基板９及び音叉の側面に 位置する電極付着基板７及び８は前記音叉脚２、３の基部近傍にのみ配置すれば 、音叉の歪みが最大となる位置に電荷を供給することになるので効率的であると 同時に前記脚２及び３の屈曲に伴う前記基板７、８及び９との干渉の懸念がなく 好都合である。

【００１４】 前述した水晶基板間の接着を行う接着層１６、１６、・・・としては、アルミ ニウム−銀−インジウム或はクロム−クロム金−金を積層して接着層を形成しこ れに所要の熱と圧力を印加すれば良く、このようにすることによって水晶基板間 の固定と共に電極と振動子基板表面との距離として必要な０．５乃至数μの間隙 を任意に形成することができる。

【００１５】 このように構成した電極離隔音叉型水晶振動子を用いたガス圧力センサについ て従来のそれと比較実験を行った結果を図４に示す。 本図から明らかな如く上述のセンサを包囲する雰囲気の気圧の変動に対しセン サの等価直列抵抗の値が大幅に変化し得る範囲は電極離隔型の方が電極付着型に 比して前記ｔ／ｇの値が１の場合も３の場合も共にほぼ１０乃至１０2 Ｔｏｒｒ 程度低圧側に拡大していることが理解されよう。 尚、高圧側については両者同等である為、図示を省略した。

【００１６】 このような現象の生じる理由は前述した如く電極の離隔によって振動子のＱが 向上したことに伴い高真空下において雰囲気への振動子からのエネルギ伝播に基 づく僅かな損失をも検知得るようになったためと解される。 従って上述した如きガス圧力センサを用いればほぼ１０-2〜１０-3Ｔorr まで の真空を極めて容易かつ精度よく測定することが可能となる。

【００１７】 以上、音叉型振動子を利用した実施例についてのみ説明したが本発明は必ずし もこれに限定さるべきものではなく輪郭振動を呈する他の振動子を利用すること も可能である。 例えば輪郭縦振動を呈するＸカット水晶基板を利用する場合には図５(a) に示 す如く振動子基板１８の振動の節となる基板長手（Ｙ軸）方向西側縁中央から共 振波長λの（１／４＋ｎ／２）倍の長さのアーム１９，１９を延長しその先に該 基板１８の保持部２０，２０を形成するようエッチングの手法を用いて一体成形 する（同図(a) ）。

【００１８】 而して前記保持部２０，２０に於いて電極付着水晶基板２１，２１を前記振動 子基板１８の表裏に固定すると共に前記基板２１，２１相互の平行を確保する為 その長手方向両端部にやはり水晶ブロック２２，２２を挿入固定すればよい（同 図(b) 乃至(d) ）。

【００１９】 尚、この際電極２３，２３は全面電極とすればよいことはいうまでもない。 又、ＸカットＹＺ面内屈曲振動モードの水晶振動子を利用する場合には図６(a ) 及び(b) に示す如く振動の節となる振動子２４の長手（Ｙ´軸）方向に沿った 両側縁に於いて両端部からその全長ｌの０．２２４ｌの位置にアーム２５，２５ ，‥‥‥を延長しその先端に保持部２６，２６を形成する。この際電極の構造は 図上一点鎖線で描く如く振動子基板２４の長手方向に平行な２個の分割電極２７ ，２７となる如く同一面内逆相且つ表裏互に逆相となるようにする必要がある。 従って離隔電極２７，２７，‥‥‥は同図(b) に示す如く電極付着基板２８，２ ８の夫々一面に分離平行して形成すればよい。

【００２０】 尚、以上はＸカットＹＺ面内屈曲振動の基本波モードを使用する場合の実施例 であるが振動子基板の構造がやや複雑となるので、二次振動モードを利用しても よい。この場合には振動子基板２４の長手方向中央が変位もストレスも零となる ので振動子基板を図７(a) に示す如く簡単な構造とすることができる。もっとも この際には電極配置は同図一点鎖線で示す如く四分割となり同一面内互に逆相且 つ表裏互に逆相となる。

【００２１】 このような四分割電極２９，２９は同図(b) に示す如く振動子基板２４の表裏 に固定する電極付着基板３０，３０の夫々一面に互に対称形の電極パターンを形 成すると共にリード３１，３１，‥‥‥にて所要の電極間を接続しその端子３２ ，３２，‥‥‥を前記振動子基板２４の保持部２６，２６に延長することによっ て該部から給電すればよい。

【００２２】 又、ＮＴカット水晶基板を利用する場合も同様の構成をとればよく、更に輪郭 すべり振動を呈するＣＴ，ＤＴ，ＳＬ或はＨＴカットの水晶振動子を使用する場 合は前述のＸカット水晶の場合と同様である。 尚更にＧＴカット水晶振動子を使用する場合には図示は省略するが基板の相対 する側縁にクッションを介して保持部を延長する構成をとれば同様の離隔電極に よって励振することが可能である。

【００２３】 以上、水晶振動子を使用する場合についてのみ説明したが本発明はこれに限定 されるものではなく輪郭振動が可能なあらゆる圧電振動子について適用可能であ ることはいうまでもあるまい。

【００２４】

【発明の効果】 本発明は以上説明した如く構成するものであるからベローズ，レバ，挺等の圧 力−変位変換機構を有しないのでセンサ自体が構造単純安価であり振動、衝撃の 影響を受けることがないのみならず圧力の測定は単に振動子の直列等価抵抗を測 定するだけで足りるので測定系を簡単安価に構成する効果がある。

【００２５】 更に電極を振動子基板表面から離隔することによって比較的高い真空度まで精 密に測定可能となるので航空機用の高度計、対気速度計或は昇降計等に好適であ ると共に一般的な真空計、希ガス流量計、流速計等に適用すればその測定系を簡 素化する上で著しい効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a),(b) 及び(c) は夫々本発明に係る電極離隔
音叉型ガス圧力センサの構造を示す一部破断側面図、Ａ
−Ａ断面図及び一部破断平面図である。

【図２】(a),(b) 及び(c) は夫々従来の電極付着音叉型
ガス圧力センサ用振動素子の構造を示す斜視図、電極配
置図及び等価回路図である。

【図３】第２図に示したセンサ特性を示す実験結果の図
である。

【図４】第１図に示した本発明に係るガス圧力センサの
特性を示す実験結果の図である。

【図５】(a) 乃至(d) は夫々本発明に係るガス圧力セン
サの他の実施例を示す振動基板構造斜視図、一部破断側
面図、Ｂ−Ｂ断面図及び一部破断平面図である。

【図６】(a) 及び(b) は夫々本発明に係るガス圧力セン
サの更に他の実施例を示す振動基板の構造及び電極配置
を示す図及び正面図である。

【図７】(a) 及び(b) は夫々他の実施例を示す振動基板
構造と電極配置を示す図及び電極付着基板上の電極構造
を示す展開図である。

【符号の説明】

１，１８及び２４・・・輪郭圧電振動子、１０，１１，
１２，１３，１４，１５，２３，２７及び２９・・・離
隔電極、５，６，７，８，９，２１，２８及び３０・・
・電極付着圧電基板。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 輪郭圧電振動子をとりまく気体の圧力変
   化を前記振動子の等価直列抵抗の変化によって検知する
   センサに於いて、無電極の振動子を内壁面が該振動子表
   面と所要の間隙を介して対面するよう構成した剛体のケ
   ース内に固定し、該ケースにこれを貫通するガス導入口
   を設けると共にケース内壁面適所に励振電極を付着する
   ことによって振動子のＱを向上し広範囲の気体圧力の測
   定を可能ならしめたことを特徴とするガス圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記振動子が音叉型振動子であって、そ
   の音叉脚間隔ｇと板厚ｔとの比ｔ／ｇを適当な値に選択
   することによって所望のセンサ感度と分解能を得るよう
   にしたことを特徴とする請求項１記載のガス圧力セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記ケースを前記振動子と同一材質の圧
   電基板で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載
   のガス圧力センサ。