KR20100042596A - 압력 센서 및 수압 수단 - Google Patents

Abstract

수압면(受壓面)의 휘어짐 감도를 열화시키지 않고 다이어프램의 진동을 억제하는 압력 센서 및 수압 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 압력 센서(10)는, 감압부와 당해 감압부의 양단과 접속되는 한 쌍의 기부(36)를 가지는 감압 소자와, 한쪽의 주면에 수압면(43)을 가지고, 당해 수압면의 뒤측의 다른쪽의 주면에 상기 감압 소자의 한쪽의 주면측을 덮음과 더불어, 상기 감압 소자의 상기 한 쌍의 기부(36)를 각각 지지하는 한 쌍의 지지부(45)가 설치된 수압 수단을 구비한 압력 센서(10)이고, 상기 수압 수단은, 상기 다른쪽의 주면의 중심을 지나 상기 한 쌍의 지지부(45)가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선, 및 상기 중심을 지나 상기 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 후육부(厚肉部)(50)를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

압력 센서 및 수압 수단{PRESSURE SENSOR AND PRESSURE RECEIVING MEANS}

본 발명은, 특히 압력 검출 소자로서 압전 소자를 이용한 압력 센서 및 수압 수단에 관한 것이다.

피측정 압력을 수압하여 휘어지는 가요부를 가지는 수압 수단으로서의 다이어프램과, 당해 다이어프램의 지지부에 지지 고정되는 감압 소자로서의 쌍음차 진동편으로 구성되는 압력 센서로서 특허 문헌 1, 2가 개시되어 있다.

특허 문헌 1에 개시되어 있는 압력 센서는, 압력을 수압한 다이어프램이 휘어지면, 그 휘어짐에 기인한 힘이 상기 지지부를 통해 쌍음차 진동자에 전달되고, 상기 쌍음차 진동자에도 휘어짐이 생김으로써, 진동자의 진동팔(빔) 방향으로 신축 작용이 생긴다. 이 신축 작용에 의해 생긴 내부 응력에 의해 쌍음차 진동자의 공진 주파수에 변화가 생긴다. 이 공진 주파수의 변화를 압력의 변화로 변환함에 의한 압력 변동을 검출할 수 있다.

상기 감압 소자는, 감압부와 감압부의 양단에 접속된 한 쌍의 기부를 가지고, 힘의 검출 방향을 검출 축으로 하여 설정하고, 감압 소자의 상기 한 쌍의 기부가 나열되는 방향은 상기 검출축과 평행 관계에 있다. 쌍음차형 압전 진동자일 경 우는, 빔이 늘어날 방향과 검출축이 평행 관계가 되어 있다.

그렇지만, 다이어프램의 휘어짐이 커지면, 원호 형상으로 휘어진 다이어프램의 중앙부가 쌍음차 진동편에 접촉하게 되고 쌍방으로 손상 등이 발생하게 되는 문제가 있었다.

그래서, 특허 문헌 2에서, 이 문제를 해결하기 위해, 도 9에 나타낸 바와 같이 다이어프램(1)의 중앙 영역에 후육부(2)를 설치함으로써, 다이어프램(1)의 휘어짐이 커졌을 때에도 다이어프램(1)의 중앙 영역이 원호 형상으로 변형하지 않고 다이어프램(1)이 휘어지도록 했다. 이에 의해 다이어프램(1)의 중앙부(3)가 쌍음차 진동편(4)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

[특허 문헌 1: 일본국 특허 공개 2004－132913호 공보]

[특허 문헌 2: 일본국 특허 공개 2007－327992호 공보]

여기에서 특허 문헌 1과 같이, 다이어프램의 두께가 균일한 경우, 쌍음차 진동편의 진동이 지지부를 통해 다이어프램에 전해지면 다이어프램 자신이 진동을 시작하여 다이어프램의 고유 진동수가 쌍음차 진동자의 공진 주파수에 결합하게 된다. 이때, 다이어프램의 고유 진동의 공진 주파수가 쌍음차 진동자의 공진 주파수의 근방에 있으면, 다이어프램의 공진 주파수가 쌍음차 진동자의 공진 주파수의 근방에 복공진, 스퓨리어스로서 출현하게 되고, 쌍음차 진동자가 전기적으로 접속된 발진 회로로부터 발진되는 주파수에 변동이 생긴다는 문제가 있었다.

또, 쌍음차 진동자의 진동 상태는 CI값에 의해 나타낼 수 있다. 도 10 (1)은 CI값과 압력의 관계를 나타낸 그래프이다. (2)는 다이어프램의 평면 형상의 진동 상태를 모식적으로 나타낸 도이다. (1)에 나타낸 바와 같이 압력(㎪)을 변화시키면 특정한 압력하에서 CI(k－ohm)가 변화하는 개소(포인트 A 등)가 있다. CI값이 변화하는 개소(CI값 특이점, 즉 Dip가 발생하는 개소)에서는, 다이어프램의 진동이 격렬하게 일어난다.

다음에 Dip가 발생하는 압력 30(㎪)의 포인트 A와, Dip가 발생하지 않는 압력 100(㎪)의 포인트 B에서의 직사각형의 다이어프램의 진동 상태를 (2)에 나타낸다. Dip가 있는 포인트 A일 경우, 다이어프램 중앙부의 진동이 큰 것이 관측되고, 그에 대해, Dip가 없는 포인트 B일 경우, 포인트 A에 비해 다이어프램 중앙부의 진동이 작은 것이 관측되었다.

이상의 검증 결과로부터 압력 측정 환경하에서, 압력이 변동한 과정에서, 도 11 (1)에 나타낸 바와 같이, Dip가 없는 압력하에서는 압력 변화에 의한 쌍음차 진동편의 공진 주파수가 이동하지 않는다. 그러나 (2)에 나타낸 바와 같이 Dip가 있는 압력하에서는, 쌍음차 진동편의 공진 주파수가 다이어프램의 진동수에 접근함으로써 주파수의 엇갈림, 변동이 발생하는 것으로 추측된다.

그래서 진동하는 현악기의 현을 손가락으로 누르면, 진동이 억제되듯이, 특허 문헌 2에서 개시된 상기 가요부가 휘어졌을 때의 상기 중앙부의 변형을 방지하기 위해 상기 중앙부에 후육부를 설치함으로써, 다이어프램의 공진을 억제하는 효과를 기대할 수 있다.

여기에서 다이어프램의 진동을 억제하기 위해 다이어프램에 후육부를 배치하는데 있어서, 본 발명자는 다이어프램의 가요부의 감도와 후육부의 배치 장소의 상관 관계에 대해 시뮬레이션한 결과, 특허 문헌 2에 나타낸 바와 같이 다이어프램의 중앙부에 후육부를 배치한 구성에서는, 가요부의 휘어짐 감도의 손실이 커진다는 문제가 판명되었다.

본 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 가요부의 휘어짐 감도를 열화시키지 않고 다이어프램의 진동을 억제하는 압력 센서 및 수압 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기의 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어지게 된 것으로서, 이하의 형태 또는 적용예로 실현하는 것이 가능하다.

〔적용예 1〕감압부와 당해 감압부의 양단과 접속되는 한 쌍의 기부를 가지는 감압 소자와, 한쪽의 주면에 수압면을 가지고, 당해 수압면의 뒤측의 다른쪽의 주면에 상기 감압 소자의 한쪽의 주면측을 덮음과 더불어, 상기 감압 소자의 상기 한 쌍의 기부를 각각 지지하는 한 쌍의 지지부가 설치된 수압 수단을 구비한 압력 센서로서, 상기 수압 수단은, 상기 다른쪽의 주면의 중심을 지나고 상기 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선, 및 상기 중심을 지나 상기 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선 대칭이 되는 위치에 후육부를 가지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.

이에 의해, 수압 수단의 진동을 억제하는 효과가 있는 후육부를, 다른쪽의 주면의 중심을 지나 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선 및 상기 중심을 지나 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 형성한다. 이 때문에 Dip를 억제함과 더불어, 수압 수단의 휘어짐 감도를 열화시키지 않다.

〔적용예 2〕상기 후육부는, 상기 수압 수단의 상기 한쪽의 주면 및 상기 다른쪽의 주면 중, 적어도 어느 한 주면에 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적용예 1에 기재된 압력 센서.

이에 의해, 수압 수단의 제조 공정과 더불어 후육부를 형성할 수 있고 후육부의 제조 공정을 단략화할 수 있다.

〔적용예 3〕상기 후육부는, 상기 수압 수단의 상기 한쪽의 주면 및 상기 다른쪽의 주면 중, 적어도 어느 한 주면에 접착하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적용예 1에 기재된 압력 센서.

이에 의해, 후육부의 두께를 수압 수단의 두께에 관련되고, 두께를 조정할 수 있다. 또, 수압 수단의 제조 후, 후 공정에서 후육부를 형성할 수 있다.

〔적용예 4〕한쪽의 주면에 수압면을 가지고, 당해 수압면의 뒤측의 다른쪽의 주면에 감압 소자의 양단에 접속되는 한 쌍의 기부를 각각 지지하는 한 쌍의 지지부가 설치된 수압 수단으로서, 상기 다른쪽의 주면의 중심을 지나 상기 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선 및 상기 중심을 지나 상기 제1 가상선과 직행하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가 상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 후육부를 가지는 것을 특징으로 하는 수압 수단.

이에 의해, 수압 수단의 진동을 억제하는 효과가 있는 후육부를, 다른쪽의 주면의 중심을 지나 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선 및 상기 중심을 지나 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 형성한다. 이 때문에 Dip를 억제함과 더불어, 수압 수단의 휘어짐 감도를 열화시키지 않는다.

본 발명의 압력 센서 및 수압 수단의 실시 형태를 첨부의 도면을 참조하면서 이하에 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 압력 센서의 분해 사시도이다. (A)는 기판의 내측(오목부측)을 위쪽으로부터 본 사시도이고, (B)는 다이어프램의 내측(지지부측)을 위쪽으로부터 본 사시도이다. 도 2는 압력 센서의 단면도이다. 도 3은 수압 수단의 평면도이다. 도시와 같이 본 발명의 압력 센서(10)는, 기판(20)과, 프레임 진동자(30)와, 다이어프램(수압 수단)(40)을 가진다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 다이어프램(40)은, 한쪽의 주면이 피측정 압력을 수압하는 수압면(43)이 되어 있고, 당해 수압면에 대해 수직 방향으로부터 피측정 압력을 상기 수압면(43)에서 수압하면 휘어짐 변형하는 가요부(41)와, 그 가요부(41)의 가장자리에 형성되는 프레임부(42)를 구비한다. 다이어프램(40)의 다른쪽의 주면이고, 상기 가요부(41)의 상기 수압면(43)의 뒤측이 되는 밀폐측의 주면(44)에는, 감압 소자가 되는 압전 진동편(31)을 고정하기 위한 한 쌍의 지지 부(45a, 45b)를 가지고, 압전 진동편(31)의 한 쌍의 기부(36)를 지지부(45a, 45b)에 의해 지지한다.

감압 소자에는, 이른바 쌍음차형 진동자를 이용한다. 쌍음차형 진동자는, 양단부에 기부(36)를 가지고, 이 2개의 기부(36) 사이에 감압부가 되는 진동부에 2개의 진동 빔이 형성되어 있다. 상기 진동 빔은 한쪽의 기부(36)로부터 다른쪽의 기부(36)를 향해 신장한다. 쌍음차형 진동자는, 그 감압부(진동팔(34, 35))인 상기 2개의 진동 빔에 인장 응력(신장 응력) 혹은 압축 응력이 인가되면, 그 공진 주파수가 인가되는 응력에 거의 비례하여 변화하는 특성을 가진다.

상기 압전 진동편(31)은, 감압부와, 감압부 양단에 형성된 한 쌍의 기부(36)를 가지고, 힘의 검출 방향을 검출 축으로 설정하고, 압전 진동편(31)의 상기 한 쌍의 기부(36)가 나열되는 방향은, 상기 검출축과 평행 관계에 있다. 쌍음차형 압전 진동자일 경우는, 보(빔)가 신장하는 방향과 검출축이 평행 관계가 되어 있다.

기판(20)은, 프레임 진동자(30)의 압전 진동편(31)을 수용하는 내부 공간 S를 밀봉하기 위한 패키지 혹은 리드로서의 역할을 완수하는 부재이다. 기판(20)은, 도 1 또는 도 2에 나타낸 바와 같이, 그 내측에 오목부(22)가 형성되어 있고, 이 오목부(22)의 개구측의 가장자리의 환상 위요부(圍繞部)가 되는 단면(24)에, 프레임 진동자(30)의 프레임 형상부(32)와, 다이어프램(40)의 가장자리부(42)와 순서대로 적층하여 접합함으로써, 오목부(22)의 내측이 밀봉된 내부 공간 S가 된다.

이러한 기판(20)은 유리, 세라믹판, 경질 플라스틱 등의 비도전성 재료에 의해 형성할 수 있고, 예를 들면 세라믹을 이용할 경우, 산화 알루미늄질의 세라믹 그린 시트를 형성하여, 도시의 형상으로 할 수 있다. 본 실시 형태일 경우, 기판(20)은 열팽창계수 등을 고려해, 압전 진동편(31)을 둘러싸는 프레임 형상부(32)와 같은 재료로 예를 들어 수정으로 형성되어 있다.

그리고 도 1에 나타내는 기판(20)의 주면 외형은, 수정 결정축의 X축방향으로 병행하여 신장하는 2개의 변과 수정 결정축의 Y방향으로 병행하여 신장하는 2개의 변으로 이루어지는 대략 사각형 형상(즉, 대략 장방형)이다.

또한, 도시하지 않지만, 기판(20)의 외부에 노출한 면에는 전극 단자가 설치되어 있고, 이 전극 단자는 도시하지 않는 도전 패턴을 통해 압전 진동편(31) 사이에 신호의 입출력을 실시하게 되어 있다.

프레임 진동자(30)는, 프레임 형상부(32) 및 이 프레임 형상부(32)와 접속된 압전 진동편(31)을 가진다. 그리고 프레임 진동자(30)는, 압전 재료로서 예를 들면 수정을 에칭하여 형성되어 있고, 수정 이외에 탄탈산 리튬이나 니오브산 리튬 등을 이용할 수 있다. 또 도 1에 나타내는 프레임 형상부(32)의 외형은, X축방향으로 병행하여 신장하는 2개의 변과 Y축방향으로 신장하는 2개의 변으로 이루어지는 대략 직사각형 형상이다.

압전 진동편(31)은, 본 실시 형태일 경우, 더해진 힘에 대해 주파수의 변화가 크고, 압력을 고감도로 검출할 수 있는 쌍음차 진동편을 이용한다. 즉, 쌍음차 진동편은, 굴곡 진동 모드를 가지는 진동편이고, 도 1에 나타낸 바와 같이 2개의 음차형 진동편의 자유단측의 단면끼리를 대향시켜 결합시킨 구조를 가지고, 서로 병행하게 Y축방향으로 길이 방향이 신장하는 2개의 진동팔(34, 35)과, 이 진동 팔(34, 35)의 길이 방향의 양단에 접속되고, 진동팔(34, 35)과 일렬로 나열한 2개의 기부(36)를 가진다.

진동팔(34, 35)은 Y축방향으로 가늘고, 그 표면에 설치된 여진 전극(39a)에 의해 구동 전압이 인가되어 굴곡 진동하는 부분이며, 이 부분에 Y축방향으로 신장 및/또는 압축하도록 스트레스 혹은 텐션이 걸리면, 주파수가 변화하는 부분이다. 따라서 그 주파수 변화를 검지함으로써 압력 변화를 감지할 수 있다.

기부(36)는, 압전 진동편(31)을 다이어프램(40)에 고정하기 위한 양단부이고, 또한 본 실시 형태일 경우, 진동팔(34, 35)과 외부 사이에 신호의 입출력을 행하기 위한 중계가 되는 전극(39b)을 가지는 부분이기도 한다.

후술하는 다이어프램(40)의 지지부(45) 측의 표면에는, 상술의 중계가 되는 전극(39b)과 도통하기 위한 인출 전극(39c)을 가지고, 이 인출 전극(39c)은, 입출력 전극(39d)을 통해 상술한 기판(20)에 설치된 단자와 전기적으로 접속한다.

프레임 형상부(32)는, 기판(20)의 오목부와 더불어 압전 진동편(31)을 수용하는 내부 공간 S를 형성하는 부재이고, 또한, 다이어프램(40)의 가장자리부(42)에 적층하여 고정하는 부재이다. 구체적으로는, 프레임 형상부(32)는 적어도 진동팔(34, 35) 사이에 공간을 가지고, 압전 진동편(31)의 양단의 기부(36)에 접속부(38)를 통해 연결됨과 더불어, 압전 진동편(31) 및 접속부(38)와 일체적으로 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태일 경우, 프레임 형상부(32), 접속부(38)와 압전 진동편(31)과는, 1장의 수정 웨이퍼로, 예를 들면 포트리소그래피 기술과 에칭 기법을 이용하여 형성되어 있다.

접속부(보)(38)는 기부(36)보다도 가는 형상이다. 즉 접속부(38)는, 기부(36)와 다이어프램(40)의 지지부(45)와 접합한 후는, 진동팔(34, 35)의 휘어짐을 저해하는 것이기 때문에 존재하지 않는 것이 바람직하고, 이 때문에 본 실시 형태에서는, 프레임 진동자(30)와 다이어프램(40)을 접합할 때에, 기부(36)와 지지부(45)를 위치 조절하여 접합할 수 있는 정도로 가늘게 형성한다.

그리고 접속부(38)는, 한 쌍의 기부(36)가 연결하는 방향(Y축방향), 즉 접속부(38)와 기부(36)로 이루어지는 부분과, 프레임 형상부(32)의 X축방향으로 신장하는 프레임변 사이에는, 그들의 두께 방향으로 관통한 관통 구멍(38a)이 설치되어 있다. 이와 같이 접속부(38)를 가늘게 구성하여, 또한 관통 구멍(38a)을 설치한 구성으로 함으로써, 도 2에 나타낸 바와 같이 외부로부터 피측정 압력 P를 다이어프램(40)의 수압면(43)에서 수압했을 때에, 압전 진동편(31)의 진동팔(34, 35)이 한 쌍의 기부(36)가 나열되는 방향(Y축방향)으로 신축하기 쉽게 되고, 그 Y축방향으로의 신축을 접속부(38)가 저해하는 사태를 방지할 수 있다.

또한 접속부(38)는, 각 기부(36)의 폭방향(즉, 도면의 기부끼리를 연결하는 Y축방향과 직교하는 X축방향)의 양단으로부터, 각각 폭방향을 따라, 서로 이간되도록 늘어나고 형성된 보로 한다. 이 보는, Y축방향의 휘어짐을 저해하지 않도록 Y축방향으로 프레임에 대해 교차한다(도 1에서는 직교시킨 접속부(38)를 나타낸다).

이러한 보의 구성에 의해 프레임 진동자(30)의 구성(강성)이 Y축방향을 따른 중심선을 경계로 좌우 대칭이 된다. 그리고 이러한 좌우 대칭의 구성에 의해, 압전 진동자의 휘어지는 양이 Y축방향을 따른 중심선을 경계로 좌우 균등이 되므로, 다 이어프램(40)으로부터 압전 진동편(31)에 전달된 힘을 2개의 진동팔(34, 35)에 같도록 분배할 수 있다.

또한, 이 접속부(38)는 진동 누설을 경감하기 위해, 될 수 있으면 진동팔(34, 35)로부터 멀어진 위치에 형성하는 것이 바람직하고, 도시와 같이 기부(36)의 진동팔측(34, 35)과 반대측의 단부에서의 폭방향의 양단으로 접속되어 있다.

압전 진동자의 진동팔(34, 35)로 형성된 여진 전극(39a)은 접속부(보) 상에 형성된 인출 전극(39c)을 통해 바깥 프레임에 형성한 단자 전극과 전기적으로 접속되어 있다.

다이어프램(40)은 외부와 내부 공간 S를 나누어, 외부로부터 받은 압력 P를 압전 진동편(31)에 전달하는 부재이다. 다이어프램(40)은, 미세한 압력 P를 전달할 수 있도록 박막 상태인 가요부(41)와, 가요부(41)를 둘러싸는 가장자리부(42)를 가진다. 또 다이어프램(40)은, 가요부(41)의 수압면(43)의 면과는 반대측의 밀폐측의 주면(다른쪽의 주면)(44)에 지지부(45)와 후육부(50)를 가진다.

가장자리부(42)는, 박육(薄肉)의 가요부(41)보다 후육부에 형성하고, 상술의 프레임 진동자(30)의 프레임 형상부(32)와 기판(20)을 순서대로 적층하여 접합한다.

다이어프램(40)은, 가장자리부(42)가 프레임 진동자(30)의 프레임 형상부(32)를 통해 기판(20)에 개구측의 가장자리부(42)의 단면(24)과 접합하여 고정되도록 되어 있기 때문에, 프레임 형상부(32)의 열팽창계수와 같은 열팽창계수를 가지는 재료로 형성되어 있다.

여기에서 본 발명의 다이어프램(40)은, 도 3에 나타낸 바와 같이 가요부(41)에서 가장 변위량이 큰 개소를 밀폐측의 주면(44)의 중심 C로 한다.

지지부(45a, 45b)는, 상기 밀폐측의 주면(44)의 중심 C를 사이에 끼우도록 밀폐측의 주면(44)에 한 쌍을 형성한다. 지지부(45a, 45b)는, 압전 진동편(31)의 기부(36)를 접합하는 대좌가 된다. 지지부(45a, 45b)에 의해 지지 고정된 감압 소자(31)가 밀폐측의 주면(44)의 중심 C를 걸치도록 상기 감압 소자(31)를 배치함으로써, 감압부인 진동팔(34, 35)에 가장 큰 스트레스가 작용하여, 압력 변동의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.

후육부(50)는, 다이어프램(40)을 평면시하고, 상술의 한 쌍의 지지부(45a, 45b) 사이의 영역, 및 한 쌍의 지지부(45a, 45b)에 나열되는 방향으로 평행한 다이어프램(40)의 가장자리부(42)와 상기 영역 사이에 끼워진 영역에, 박육의 가요부(41)보다 두께를 두껍게 형성한다.

다음에 본 발명의 후육부(50)의 배치 개소에 대해 설명한다. 도 4는 다이어프램의 가요부(41)가 휘어졌을 때의 다이어프램(40)의 휘어짐의 곡율을 해설한 도면이다. (1)은 다이어프램(40)을 수압면(43)의 중심 C와 한 쌍의 지지부(45)의 각 중심을 지나는 직선 방향 및 수압면(43)의 중심을 지나 상기 직선 방향과 직교 방향으로 절단된 일부를 확대한 사시도이고, (2)의 그래프는, 가로축은 (1)의 화살표에 나타낸 바와 같이 다이어프램의 수압면(43)의 중심 C로부터 가요부(41)의 단부까지의 단면의 위치를 나타내고, 세로축은 곡율(파선) 및 Z축 방향으로의 변형(실선)을 나타낸다.

또, 도 5는 다이어프램의 휘어짐의 곡율의 변화율을 곡율 미분으로 나타낸 해설도이다. (2)의 가로축은 (1)에 나타낸 다이어프램(40)의 수압면(43)의 중심 C로부터 X축방향인 폭 방향(화살표)까지의 단면에서의 다이어프램(40)의 중심 C를 0으로 하고, 가요부(41)의 단부를 1로 했을 때의 단면 위치를 나타내고, 세로축은 곡율 미분을 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 다이어프램(40)의 곡율은, 가요부(41)의 중심 C 및 상기 단부에서 급격하게 높아지고 있지만, 중심 C로부터 상기 단부를 향해 약 0.5㎜로부터, 상기 단부로부터 상기 중심 C를 향해 약 0.5㎜까지의 범위, 즉 위치: 약 0.5㎜~약 4.0㎜에서는 곡율이 낮아진다. 또 도 5에 나타낸 바와 같이 다이어프램의 곡율 미분은, 도 4의 곡율과 같이, 가요부(41)의 중심 C로부터 상기 단부를 향해 약 0.05까지의 범위와, 단부로부터 상기 중심 C를 향해 약 0.05까지의 범위에서 곡율 미분이 급격하게 증가하여, 화살표 S의 범위(0.1에서 0.9의 범위)에서는 현저하게 저하한다. 또한 도 4 및 도 5는 다이어프램의 폭 방향의 단면 위치에 대해 검토했지만, 다이어프램의 길이 방향의 단면 위치에 대해서도 마찬가지로 가요부의 중심 C 및 단부에서 곡율 및 곡율 미분이 증가하는 경향에 있다. 따라서, 이 곡율이 큰 개소가 되는 가요부의 중심 C와 단부 부근에 강성을 구비하는 후육부(50)를 형성하면 다이어프램(40)의 휘어짐이 현저하게 저해되는 것이 판명되었다.

그래서 본 발명의 후육부(50)는, 밀폐측의 주면(44) 상의 지지부(45a, 45b) 및 가장자리부(42)에 접촉하지 않는 영역이고, 도 3에 나타내는 다이어프램(40)의 밀폐측의 주면(44)의 사선 영역에는 후육부(50)를 설치하지 않는 구성으로 했다. 구체적으로 후육부(50)는, 밀폐측의 주면(44)의 중심 C와, 한 쌍의 지지부(45a, 45b)의 각 중심을 지나는 방향의 직선을 직선(제1 가상선) L1로 하고, 밀폐측의 주면(44)의 중심 C를 지나 상기 직선 L1과 직교하는 방향의 직선을 직선(제2 가상선) L2로 하고, 상기 직선 L1, L2의 각각에 따라, 후육부(50)를 분할하도록 절삭 깊이(51)를 형성하여 후육부(50)를 4개로 분할했다. 상기 절삭 깊이(51)의 폭은, 직선 L1 및 L2의 각각을 중심으로 한 선대칭인 소정의 폭을 가지도록 하고 십자 형상으로 형성한다.

이와 같이, 상기 수압 수단은, 다른쪽의 주면(밀폐측의 주면)의 중심을 지나 상기 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선, 및 상기 중심을 지나 상기 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 후육부를 가진다.

또 다이어프램(40)의 지지부(45a, 45b) 사이의 수압면(41) 상의 가장자리부(42)와 지지부(45a, 45b) 부근의 후육부(50)를 둘러싸는 지사각형의 프레임 형상 영역이다. 이 사선 영역은 곡율이 큰 개소가 되고, 후육부(50)를 설치하지 않았다.

또한 후육부(50)는, 박막 형상인 가요부(41)보다 두께를 두껍게 형성하고, 강성을 가지도록 했다.

이에 의해, 수압 수단의 진동을 억제하는 효과가 있는 후육부를, 다른쪽의 주면의 중심을 지나 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선, 및 상기 중심을 지나 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 형성한다. 이 때문에 Dip 를 억제함과 더불어, 수압 수단의 휘어짐 감도를 열화시키지 않다.

도 6은 압력 센서용 다이어프램의 후육부의 변형예의 설명도이다. 본 발명의 압력 센서용 다이어프램(40)은 도 3에 나타내는 구성 외에, 이하에 나타내는 구성으로 할 수도 있다.

(1)은 다이어프램의 외형 형상이 원형이고, 도 3에 나타내는 다이어프램(40)과 같이 후육부(50)를 분할하기 위한 절삭 깊이(51)를 직선 L1 및 직선 L2의 각각을 중심으로 한 선대칭으로 소정의 폭을 가지도록 하고 십자 형상으로 형성하여, 후육부(50)를 4개로 분할한다. 이에 의해 도 3에 나타내는 다이어프램과 같은 효과를 얻을 수 있다.

(2)는 다이어프램의 외형 형상이 직사각형이고, 후육부(50)를 2개로 분할된 절삭 깊이(51)를 직선 L1을 중심으로 한 선대칭으로 소정의 폭을 가지도록 형성한다.

(3)은 다이어프램의 외형 형상이 원형이고, 후육부(50)를 2개로 분할된 절삭 깊이(51)를 중심으로 한 선대칭으로 소정의 폭을 가지도록 형성한다.

(2), (3)에 나타내는 다이어프램에 의하면, 직선 L1을 중심으로 2개로 분할된 후육부(50)를 직선 L1을 축으로 한 선대칭으로 형성했기 때문에, 도 3 및 (1)의 후육부에 비해, 다이어프램의 가요부의 휘어짐 감도는 약간 약해지지만, CI값의 Dip의 억제 효과가 있다.

(4)는 다이어프램의 외형 형상이 직사각형이고, 후육부(50)를 2개로 분할된 절삭 깊이(51)를 직선 L1에 직교하는 직선 L2를 중심으로 한 선대칭으로 소정의 폭 을 가지도록 하여 형성한다.

(5)는 다이어프램의 외형 형상이 원형이고, 후육부(50)를 2개로 분할된 절삭 깊이(51)를 직선 L1에 직행하는 직선 L2를 중심으로 한 선대칭으로 소정의 폭을 가지도록 형성한다.

(4), (5)에 나타내는 다이어프램에 의하면, 직선 1에 직교하는 직선 L2를 중심으로 2개로 분할한 후육부(50)를 직선 L2를 축으로 한 선대칭으로 형성하기 때문에, 도 3 및 (1)에 나타내는 후육부에 비해, 다이어프램의 가요부의 휘어짐 감도는 약간 약해지지만, CI값의 Dip 억제 효과가 있다.

또 (2), (3)의 후육부의 형성 구조는, (4) 및 (5)의 형성 구조에 비해, 후육부와 대향하는 감압부의 영역의 면적이 작기 때문에, 결과적으로 후육부와 압전 진동편의 거리가 멀어지기 때문에, 점성 저항이 작아지고 감압 소자의 공진이 안정된다는 효과가 얻어진다.

본 발명의 후육부(50)는, 다음에 나타내는 방법에 의해 제조할 수 있다. 도 7은 후육부의 설명도이다. (1)~(3)는 일체 형성한 다이어프램(40)의 단면도를 나타내고, (4)~(6)은 접착 형성한 다이어프램(40)의 단면도를 나타낸다. (1) 및 (4)는, 후육부를 다이어프램(40)의 가요부(41)의 밀폐측의 주면(44)에 형성한 구성이다. (2) 및 (5)는, 후육부를 다이어프램(40)의 가요부(41)의 양면, 즉 수압면(43) 및 밀폐측의 주면(44)에 형성한 구성이다. (3) 및 (6)은, 후육부를 다이어프램(40)의 가요부(41)의 수압면(43)에 형성한 구성이다.

(1)~(3)에 나타내는 후육부(50a)은, 다이어프램(40)의 제조와 동시에 형성한 다. 구체적으로 다이어프램(40)은, 예를 들면 수정 기판 상의 가장자리부(42)와 지지부(45)와 후육부(50)를 마스크로 덮는다. 그리고 마스크에 덮이지 않은 부분을 가장자리부(42)와 지지부(45)와 후육부(50)의 필요한 두께가 될 때까지 에칭 처리를 실시한다. 혹은 또 기판 상의 가장자리부(42)와 지지부(45)와 후육부(50)를 마스크한 후, 마스크에 덮이지 않은 부분을 가장자리부(42)와 지지부(45)와 후육부(50)의 필요한 두께가 될 때까지 샌드 블래스트 처리를 실시한다. 이러한 방법에 의하면, 다이어프램의 제조 공정과 후육부의 제조 공정을 함께 행할 수 있다. 따라서 후육부만의 제조 공정을 단략화할 수 있다.

한편, (4)~(6)에 나타내는 후육부(50b)은, 다이어프램과 열팽창계수가 대략 같은 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 혹은 에폭시 수지 등의 유기계 재료, 저융점 유리나 세라믹 등의 무기계 재료를 이용할 수 있다. 이러한 재질의 후육부(50b)를 도 3 및 도 6에 나타내는 다이어프램(40)의 설치 위치에 접착제를 이용하여 접합한다. 이러한 방법에 의하면, 후육부(50b)의 두께를 다이어프램(40)의 두께에 관련 없이, 두께를 조정할 수 있다. 또, 다이어프램(40)의 제조 후, 후 공정에서 후육부(50b)를 형성할 수 있다.

그런데 결정 구조가 이방성이 되어 있는 재료, 예를 들면 수정 기판을 웨트 에칭 하면, 요철을 설치하는 위치에 따라 그 단면 형상이 바뀌고, 볼록부의 단위길이당의 체적이 바뀌게 된다. 도 8은 후육부를 부분 확대한 단면도이다. (A) 및 (B)는 에칭 처리에 의해 제조한 후육부의 부분 단면도이고, (C)는 샌드 블래스트 처리에 의해 제조한 후육부의 부분 단면도이다. 도시와 같이 다이어프램은 Z축에 대해 수직으로 잘라낸 Z판의 수정을 이용한다. 그리고 (A)에 나타낸 후육부(50)는, 수정의 결정축 중, X축과 Z축으로 형성되는 XZ평면에 대해 수직 방향으로 형성되어 있다. 또, (B)에 나타내는 후육부(50)는, 수정의 결정축 중 Y축과 Z축으로 형성되는 YZ평면에 대해 수직 방향으로 형성되어 있다. (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, 후육부(50)를 설치한 위치에 의해 다이어프램의 가요부(41)와 후육부(50)의 자락 부분(52a, 52b)의 경사각이 다르기 때문에 단면적이 다르다. 이러한 다이어프램의 박막 형상의 가요부(41)에 대해 두께가 두꺼운 부분은, 감도가 저하하기 때문에 본 실시 형태에서는 두꺼운 부분, 즉 자락 부분(52)을 포함하여 후육부(50)로 한다. (C)에 나타내는 샌드 블레스트에 의해 제조된 후육부(50)는, 자락 부분(52c)이 완만한 테이퍼, 즉 둥그스름하다. 이러한 경우, 가요부(41)로부터 돌출한 후육부(50)의 꼭대기부의 높이를 L로 하고, L/10의 사이를 후육부(50)로 한다.

또 본 발명의 압력 센서(10)는, 프레임 진동자(30)의 프레임 형상부(32)를 기판(20)과 다이어프램(40) 사이에 끼워 접착제 등의 접합 부재로 접합해 3층 구조로 한다. 구체적으로 압력 센서(10)는, 다이어프램(40)과 프레임 진동자(30)와 기판(20)을, 압전 진동편의 컷 각에 맞춘 재료, 일례로서 Z축에 대해 수직으로 잘라낸 Z판의 수정이고 열팽창계수α가 대략 같은 재료를 이용한다. 그리고 도 2에 나타낸 바와 같이, 다이어프램(40)과 프레임 진동자(30) 사이와, 프레임 진동자(30)와 기판(20) 사이에 접착 부재(60)로 무기 접착제를 이용한다. 이에 의해 경화된 후에 소정의 경도가 얻어지기 때문에, CI값이 양호해진다. 또 접착 부분의 응력의 완화가 적게 되고, 경년 열화가 적다.

혹은 또 접착 부재(60)로서 열팽창계수α를 다이어프램 등의 재질과 합친 접착제를 이용해도 된다. 이에 의해 온도 특성을 양호하게 할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 압력 센서 및 수압 수단에 의하면, Dip를 억제함과 더불어, 다이어프램의 휘어짐 감도를 열화시키지 않는다.

도 1은 본 발명의 압력 센서의 분해 사시도이다.

도 2는 압력 센서의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 수압 수단의 평면도이다.

도 4는 다이어프램의 곡율의 설명도이다.

도 5는 다이어프램의 곡율 미분의 설명도이다.

도 6은 압력 센서용 다이어프램의 후육부의 변형예의 평면도이다.

도 7은 후육부의 설명도이다.

도 8은 후육부를 부분 확대한 단면도이다.

도 9는 종래의 압력 센서의 구성 개략을 나타내는 도이다.

도 10은 CI값과 압력의 관계를 나타내는 도이다.

도 11은 진동 강도와 주파수의 관계를 나타내는 그래프이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 다이어프램 2 후육부

3 중앙부 4 쌍음차 진동편

10 압력 센서 20 기판

22 오목부 24 단면

30 프레임 진동자 31 압전 진동편

32 프레임 형상부 34, 35 진동팔

36 기부 38 접속부

40 다이어프램 41 가요부

42 가장자리부 43 수압면

44 밀폐측의 주면 45 지지부

50 후육부 51 절삭 깊이

60 접착부재

Claims (4)

1. 감압부(感壓部)와 당해 감압부의 양단과 접속되는 한 쌍의 기부(基部)를 가지는 감압 소자와,

   한쪽의 주면에 수압면(受壓面)을 가지고, 당해 수압면의 뒤측의 다른쪽의 주면에 상기 감압 소자의 한쪽의 주면측을 덮음과 더불어, 상기 감압 소자의 상기 한 쌍의 기부를 각각 지지하는 한 쌍의 지지부가 설치된 수압 수단을 구비한 압력 센서로서,

   상기 수압 수단은,

   상기 다른쪽의 주면의 중심을 지나 상기 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선, 및 상기 중심을 지나 상기 제1 가상선과 직교하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 후육부(厚肉部)를 가지는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 후육부는, 상기 수압 수단의 상기 한쪽의 주면 및 상기 다른쪽의 주면 중, 적어도 어느 한 주면에 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 후육부는, 상기 수압 수단의 상기 한쪽의 주면 및 상기 다른쪽의 주면 중, 적어도 어느 한 주면에 접착하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
4. 한쪽의 주면에 수압면을 가지고, 당해 수압면의 뒤측의 다른쪽의 주면에 감압 소자의 양단에 접속되는 한 쌍의 기부를 각각 지지하는 한 쌍의 지지부가 설치된 수압 수단으로서,

   상기 다른쪽의 주면의 중심을 지나 상기 한 쌍의 지지부가 나열되는 방향을 향해 신장하는 제1 가상선, 및 상기 중심을 지나 상기 제1 가상선과 직행하는 방향을 향해 신장하는 제2 가상선 중, 적어도 어느 한쪽의 가상선에 대해 선대칭이 되는 위치에 후육부를 가지는 것을 특징으로 하는 수압 수단.

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