(57)【要約】【課題】高感度な圧力センサを提供すること。【解決手段】ベース体２２と蓋部２１とで密閉収納される水晶振動子２３を備え、外部から加えられた圧力によって水晶振動子２３の固有の周波数が変化することで圧力を感知する圧力センサにおいて、水晶振動子２３の基端部をベース体２２の環状壁２２ｂの上面部と蓋部２１の環状壁２１ｂの下面部とで挟み込み、また水晶振動子２３の先端部を蓋部２１の円板部２１ａの中央部に形成された突起２４の先端面に固定させた片持ち梁構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
前記容器内に前記ダイヤフラムと隙間を介して対向するように設けられると共にその基端部及び先端部が夫々容器及びダイヤフラムの中央部に固定され、当該ダイヤフラムにより押圧されて撓む圧電振動子と、を備えたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記容器は、ベース体と、前記ダイヤフラムを含む蓋体とを貼り合わせて構成され、前記圧電振動子の基端部はベース体と蓋体との間に挟持されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記圧電振動子の先端部に突起部が設けられると共にこの突起部には圧電振動子の電極に接続された導電路が形成され、この突起部の先端面と前記ダイヤフラムとが接合され、前記道電路と前記ダイヤフラムに形成された導電路とが接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のタイヤの空気圧を常時モニタリングし、設定された空気圧以下になると警報を発するＴＰＭＳ（タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム）においては、当該空気圧を測定するために圧電振動子に例えば水晶を用いた圧力センサを使用することが検討されている。
【０００３】
この圧力センサとして例えば双音叉型圧電振動子を用いた場合、圧力センサの感度は、前記圧電振動子に軸方向に伸長させる引っ張り応力を増大させることで向上する。この種の圧力センサとしては、従来図８（ａ）、（ｂ）に示す構造が知られている。即ちこの圧力センサ１０は蓋部をなすダイヤフラム１１と、前記ダイヤフラム１１に形成された突起１３ａ、１３ｂに両端が接合された短冊形状の圧電振動子１４と、前記ダイヤフラム１１に接合された圧電振動子１４を密閉するベース体１２と、から構成される。このような構成では、図９に示すようにダイヤフラム１１に外部より圧力が加わると当該ダイヤフラム１１が凹んで突起１３ａ、１３ｂの先端が外方向へ広げられ、これに伴い圧電振動子１４が長手方向に引っ張られて、撓むこと（引っ張り応力を受けること）により圧電振動子１４の固有の共振周波数が変化し、圧力を感知することができる。
【０００４】
また、図１０は圧力に対するダイヤフラム１１の位置と変位量との関係曲線Ａを示した図であり、縦軸は変位量、横軸はダイヤフラム１１の位置を示している。この関係曲線Ａよりダイヤフラム１１の圧力に対する変位量は、中央部では大きいが周縁部に向かうにつれて減少していることが分かる。従って、従来の圧力センサ１０ではダイヤフラム１１の変位量の小さい位置にて圧電振動子１４の両端を突起１３ａ、１３ｂに接合させているため、当該圧電振動子１４へかかる引っ張り応力（撓み）も小さい。この結果、圧力センサ１０の感度はあまり良いとは言えなかった。なお、圧電振動子１４を小型化すれば突起１３ａ、１３ｂの位置はダイヤフラム１１の中央に近くなるが、圧電振動子１４を小さくすることによりその特性が悪くなることから、このような構造は採用し難い。
【０００５】
一方、特許文献１に掲載の圧力センサは、短冊形状の圧電振動子の両端をダイヤフラムに形成された２つの素子搭載部に保持させて、これら素子搭載部より内側のダイヤフラムの領域を内側連接部、外側のダイヤフラムの領域を外側連接部とし、外側連接部を内側連接部より低い位置に設定して、ダイヤフラムの上面に凹部が形成されるように構成している。これにより圧力がよりダイヤフラムを変形し易く、圧力を圧電振動子に効率的に伝え、感度を向上させている。しかし、薄いダイヤフラムに内側連接部や外側連接部を形成して凹部を形成することは、手間と時間のかかる作業である。また、特許文献２についても、ダイヤフラムの圧電振動子と対向する反対の面に凹部を形成しているが、同様の問題が存在することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０７０２４０
【特許文献２】特開２００８−０７６０７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、高感度な圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る圧力センサは、
容器と、
この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
前記容器内に前記ダイヤフラムと隙間を介して対向するように設けられると共にその基端部及び先端部が夫々容器及びダイヤフラムの中央部に固定され、当該ダイヤフラムにより押圧されて撓む圧電振動子と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る圧力センサは以下の構成を取っても良い。
【００１０】
前記容器は、ベース体と、前記ダイヤフラムを含む蓋体とを貼り合わせて構成され、前記圧電振動子の基端部はベース体と蓋体との間に挟持されていることを特徴とする構成。
【００１１】
前記圧電振動子の先端部に突起部が設けられると共にこの突起部には圧電振動子の電極に接続された導電路が形成され、この突起部の先端面と前記ダイヤフラムとが接合され、前記導電路と前記ダイヤフラムに形成された導電路とが接続されていることを特徴とする構成。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電振動子の基端部を容器内に固定すると共に先端部を当該ダイヤフラムの中央部に固定したいわば片持ち構造としている。従って、圧電振動子の先端部が、ダイヤフラムの圧力に対する変位量の大きい位置にて押圧されることになるため、高感度で圧力を感知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサの縦断面図及び平面透視図である。
【図２】前記圧力センサに用いられる水晶振動子の表面図及び裏面図である。
【図３】前記圧力センサの製造工程を説明する模式図である。
【図４】前記圧力センサに圧力が加わった様子を模式的に示した模式図である。
【図５】両梁支え構造と片持ち梁構造の模式図である。
【図６】他の実施の形態に係る圧力センサの縦断面図である。
【図７】他の実施の形態に係る圧力センサの縦断面図及び側面図である。
【図８】従来の圧力センサの縦断面図及び平面透視図である。
【図９】従来の圧力センサに圧力が加わった様子を模式的に示した模式図である。
【図１０】圧力に対するダイヤフラムの位置及び変位量の関係を示した関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る圧力センサの実施形態を説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように圧力センサ２０は、容器を構成するための蓋部２１及びベース体２２と、圧電振動子である水晶振動子２３と、を備えている。前記蓋部２１はその材料として例えば水晶が用いられ、円板部２１ａと、この周縁に全周に亘って形成された環状壁２１ｂとを含む、一面が開口した偏平な円筒体として構成されると共にその円板部２１ａの直径が例えばおよそ１０ｍｍに設定されている。円板部２１ａは厚さが例えば１４ｍｍであり、押圧されると撓む弾性板（ダイヤフラム）として構成されている。
【００１５】
また、蓋部２１の円板部２１ａの中央部、即ち圧力に対する変位量の大きい部分には突起２４が形成されている。この突起２４は、その長辺が水晶振動子２３の幅方向と同じ寸法に設定された角型に形成されている。前記円板部２１ａの中心及び突起２４の中心には垂直方向にスルーホール２８が形成され、このスルーホール２８には導電材料である金属例えばペースト状の銀が充填されている。また、蓋部２１の上面には導電路２７が、当該蓋部２１の中央部より周縁へ向けて形成されている。前記ベース体２２は、例えば水晶を用いて作製され、円板部２２ａの周縁に全周に亘って環状壁２２ｂを形成してなる、一面が開口した偏平な円筒体として構成される。前記円板部２２ａの直径は円板部２１ａの直径と等しくなるように設定されている。
【００１６】
前記水晶振動子２３は例えば短冊形状のＡＴカット板２３ａが用いられ、その両面に図２（ａ）、（ｂ）に示すように電極２５ａ、２５ｂが形成され、電極２５ａ、２５ｂが重なり合う領域で励振される。水晶振動子２３の一端（基端部）は環状の水晶片（環状枠部）２３ｂに一体的に連接されており、この環状枠部２３ｂ及び水晶振動子２３の基端部はベース体２２の環状壁２２ｂの上面部と前記蓋部２１の環状壁２１ｂの下面部との間に挟み込まれている。環状壁２２ｂと水晶振動子２３の一面、及び環状壁２１ｂと水晶振動子２３の他面とは各々接合されており、これにより水晶振動子２３は蓋部２１及びベース体２２により囲まれ、気密空間内に置かれることなる。また、水晶振動子２３の他端（先端部）は突起２４の先端面（下端面）に接合され、当該水晶振動子２３はダイヤフラム２１ａと平行に、つまりダイヤフラム２１と対向して配置されていることになる。水晶振動子２３と蓋部２１及びベース体２２との接合は、例えば低融点ガラスペーストを大気中にて４００℃で１０分間焼成することによって行なわれ、水晶振動子２３と突起２４との接合は、前記方法や例えば樹脂（エポキシ）接着剤を１００〜１５０℃で３０分程度加熱硬化させることによって行われる。これらにより水晶同士、水晶と金属膜（電極２５ａあるいは２５ｂ）、導電路２７の先端と金属膜（電極２５ａ）とが接合されることとなる。
【００１７】
また、図１中の２６ａ、２６ｂはキャスタレーション電極である。キャスタレーション電極２６ａは容器（蓋部２１及びベース体２２）の外周面に形成された窪み２９ａに設けられ、キャスタレーション電極２６ｂはベース体２２の外周面に形成された窪み２９ｂに設けられている。前記キャスタレーション電極２６ａの上端は導電路２７の一端と電気的に接続され、導電路２７の他端は前記スルーホール２８に充填された導電材料である例えば銀を介して、電極２５ａに電気的に接続されている。前記キャスタレーション電極２６ｂはその上端部が電極２５ｂと接続されている。これらキャスタレーション電極２６ａ、２６ｂは、図示しない外部の導電路と電気的に接続される。
【００１８】
次に、圧電センサ２０の製造方法の一例を説明する。先ず、蓋部２１用のウエハ３１、水晶振動子２３用のウエハ３２、ベース体２２用のウエハ３３を用意する。これらウエハ３１、３２、３３の材料は例えば水晶である。そして、各ウエハ３１、３２、３３に対してフォトリソグラフィー工程によるマスクの形成及びエッチング工程を行うことにより、図３（ａ）に示すようにウエハ３１に複数の蓋部２１の外形が作製され、図３（ｂ）に示すようにウエハ３２に複数の水晶振動子２３の外形が作製され、図３（ｃ）に示すようにウエハ３３に複数のベース体２２の外形が作製される。次に、蓋部２１にエッチング工程を行いスルーホール２８を形成し、既述したように導電材料である例えば銀を充填させ配線を形成する。続いて、蓋部２１の上面に導電路２７を形成して、スルーホール２８（配線）上面と導電路２７の下面とを接触させて、電気的に接続させる。また既述したように水晶振動子２３の両面に電極２５ａ、２５ｂを形成する。前記導電路２７及び電極２５ａ、２５ｂは、例えばクロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）を積層した金属膜である。
【００１９】
次に、３枚のウエハ３１、３２、３３の位置合わせを行い、例えば低融点ガラスペーストを用いて環状壁２１ｂの下面部と水晶振動子２３の上面、環状壁２２ｂの上面部と水晶振動子２３の下面を貼り合わせると共に、水晶振動子２３の先端部と突起２４の下端面とを貼り合わせる。このとき電極２５ａとスルーホール２８（配線）の下端面とが電気的に接続される。その後、ダイシングを行うことによって、個々の圧力センサ２０の本体部分に切り分ける。そして、既述のように圧力センサ２０の外周面に窪み２９ａ、２９ｂをサンドブラストによって形成し、各窪み２９ａ、２９ｂに夫々キャスタレーション電極２６ａ、２６ｂを成膜する。また、圧力センサ２０を製造する方法としては、夫々蓋部２１、水晶振動子２３、ベース体２２を予めダイシングして、個片化し、各部材の貼り合わせを行い、その後キャスタレーション電極２６ａ、２６ｂを形成することによって圧力センサ２０を作製してもよい。また、ウエハ３１、３２、３３の材料には水晶の他にガラス板やＳｉ基板を用いてもよい。また、ウエハ３１、３２、３３や個片化された各部材の貼り合わせ方法としては、水晶同士の直接接合、陽極接合、金属膜を用いた拡散接合を用いてもよい。
【００２０】
次に、上述の実施形態に係る圧力センサ２０の作用を説明する。圧力センサ２０のベース側２２を例えばタイヤのバルブに取り付ける。このときタイヤの内部は加圧状態（大気圧以上の雰囲気）であり、その圧力に応じてダイヤフラム２１、詳しくは円板部２１ａが内側（容器内側）に撓む。この撓み量に応じて図４に示すように、突起２４が水晶振動子２３を内方側（図４の下方側）へ押圧し、これにより当該水晶振動子２３が撓む。この撓みにより水晶振動子２３の共振周波数が変化し、その周波数信号がキャスタレーション電極２６ａ、２６ｂから図示しない外部導電路及び発振回路を介して計測回路部により計測され、これにより圧力値が検出される。
【００２１】
次に両梁支え構造と片持ち梁構造とを図５を参照して比較する。梁１００の撓み量をｖ、この梁１００に加えられる圧力をＰ、梁１００の長さをａとし、又材料定数をＥ、形状定数をＩとする。両梁支え構造の場合（図５（ａ））ではｖ＝５Ｐａ３/３８４ＥＩの計算式となり、片持ち梁構造（図５（ｂ））の場合ではｖ＝Ｐａ３/８ＥＩとなる。このため片持ち梁構造の方が両梁支え構造の場合よりも９．６倍撓み量が大きく、上述の実施形態の支持構造は片持ち梁構造に類似していることから、結果として上述の圧力センサ２０の方が図８の構造に比べて高感度であることが理解される。
【００２２】
上述の実施形態によれば、水晶振動子２３の基端部を蓋部２１の環状壁２１ｂの下面部とベース体２２の環状壁２２ｂの上面部とで挟み込み、水晶振動子２３の先端部を蓋部２１の円板部２１ａの中央部に形成した突起２４の先端面に固定させている。従って、水晶振動子２３が片持ち梁構造のように支持され、その先端部が押圧により変位量の大きいダイヤフラム２１ａの中央部により押圧されるため、高感度で圧力を測定することができる。更にまた、ダイヤフラム２１ａは水晶振動子２３の先端部を押圧する構造であるため、ダイヤフラム２１ａにおいて、水晶振動子２３を固定した部位の周辺を薄くするなどして柔軟性を大きくする構成を採用できるので、つまり図８に示す両梁支え構造のように水晶振動子２３と対向する領域及びその周辺領域といった広い領域に亘って大きな柔軟性を確保しなくてもよいので、機械的強度の向上を図ることもできる。なお、本発明では水晶振動子２３の対向領域全体の柔軟性を大きくしてもよいことは勿論である。
【００２３】
また、水晶振動子２３の寸法は予め設定されていることから、水晶振動子２３の基端部を蓋部２１とベース体２２とで挟みこむことにより、突起４０と円板部２１ａの中心部との位置が合うため、図８に示す両梁支え構造よりも位置合わせが容易になる。なお、本発明では水晶振動子２３の基端部を蓋部２１とベース体２２とで挟みこまずに、ベース体２２の内側側壁あるいは蓋部２１の内側側壁に例えば接着剤を用いて固着した構成を取っても良い。
【００２４】
次に、本発明に係る圧力センサの他の実施形態を説明する。上述の実施形態と同じ構成部位には同一の符号を付し、相違する部分を中心に説明する。この例では図６に示すように、蓋部２１の円板部２１ａ中央部に突起２４を形成しない代わりに、水晶振動子２３の先端部には突起４０が形成されている。この突起４０の表面には圧電振動子２３の表面に形成されている電極２６ａに連続して金属膜からなる導電路が形成されている。一方、蓋部２１の中央部のスルーホール２８には金属が充填されて配線が形成されており、このスルーホール２８の下端面に露出している金属（配線）と突起４０の上面の電極２５ａとが接合された状態で突起４０と蓋部２１とが接合されて固定されている。このように水晶振動子２３側に突起４０を設けるようにすれば、突起４０の導電路を電極２５ａと同時に形成することができるので、蓋部２１側に突起２４をスルーホール２８に配線を形成する場合に比べて製造工程が簡単となる。
【００２５】
また、圧力センサは図７に示す実施形態をとっても良い。この例においても、上述の実施形態と同じ構成部位には同一の符号を付し、相違する部分を中心に説明する。上述の実施形態では蓋部２１の中央部にスルーホール２８（配線）を設け、このスルーホール２８に接続する導電路２７を蓋部２１の表面に形成して、電極を外部へ引き出しているが、本実施形態では図７（ａ）に示すように、蓋部２１に対向する側の水晶振動子２３の表面の基端部に導電路５０を形成する。この導電路５０の一端は電極２５ａに接続され、他端は容器（蓋部２１及びベース体２２）の外周面に形成された外部電極５１に接続されている。図７（ｂ）に示すように、外部電極５１及びキャスタレーション電極（外部電極）２６ｂは、ベース体２２の周方向に互いに離間して形成されている。
【００２６】
このように水晶振動子２３の電極２５ａ、２５ｂに接続された外部電極５１、２６ｂを水晶振動子２３の基端部を介して外部へ引き出すようにすれば、薄い円板部２１ａ（ダイヤフラム）に配線用のスルーホールや導電路を形成する上記の実施形態の場合に比べ、圧力センサ２０の作製が容易となる。また、円板部２１ａ（ダイヤフラム）に配線を形成することによって、ダイヤフラムの圧力に対する撓み量が減少することも無く、圧力センサ２０の感度への悪影響も少ない。
【符号の説明】
【００２７】
２０          圧力センサ
２１          蓋部
２１ａ        円板部（ダイヤフラム）
２１ｂ        環状壁
２２          ベース体
２２ｂ        環状壁
２３          水晶振動子
２４、４０    突起
２５ａ、ｂ    電極
２６ａ、ｂ    キャスタレーション電極
２７          導電路
２８          スルーホール
【図１】
2010181183.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010181183.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010181183.tif 000007
【図６】
2010181183.tif 000008
【図７】
2010181183.tif 000009
【図８】
2010181183.tif 000010
【図９】
2010181183.tif 000011
【図１０】
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