(57)【要約】【課題】測定精度が環境の温度変化や実装の状態に影響されにくい圧力センサーを提供すること。【解決手段】本発明にかかる圧力センサーは、感圧部と該感圧部の両端に接続される一対の基部２４とを有する感圧素子と、一方の主面に受圧面１４を有し、受圧面１４の裏側が感圧素子の一方の主面に対向すると共に、感圧素子の一対の基部を夫々支持する一対の突起が設けられたダイヤフラム１０と、ダイヤフラム１０の受圧面１４の裏側に対向すると共に、感圧素子の他方の主面に対向するベース３０と、からなる圧力センサー素子１００を容器２００に収納してなる圧力センサーであって、感圧素子の一対の基部２４の並ぶ方向を検出軸とし、圧力センサー素子１００は、検出軸の方向に自由端を有するように容器２００に固定されていることを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧部と該感圧部の両端に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、当該受圧面の裏側が前記感圧素子の一方の主面に対向すると共に、前記感圧素子の一対の基部を夫々支持する一対の突起が設けられたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの前記受圧面の裏側に対向すると共に、前記感圧素子の他方の主面に対向するベースと、
からなる圧力センサー素子を容器に収納してなる圧力センサーであって、
前記感圧素子の前記一対の基部の並ぶ方向を検出軸とし、
前記圧力センサー素子は、前記検出軸の方向に自由端を有するように前記容器に固定されていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
請求項１において、
前記感圧部が、少なくとも一以上の柱状ビームから構成されていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記圧力センサー素子は、前記ベースの外側底面の片端部を前記容器に固定していることを特徴とする圧力センサー。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記圧力センサー素子は、前記ベースの外側底面の中央部を前記容器に固定していることを特徴とする圧力センサー。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
前記容器は、内側底面に固定台を有し、
前記圧力センサー素子は、前記固定台に固定され、
前記固定台は一部が切り欠かれており、
前記圧力センサー素子は、前記固定台の切り欠かれた部分によって支持されていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記容器は、内側底面に載置台を有し、
前記圧力センサー素子は、前記載置台に前記自由端が載置され、
前記載置台は一部が切り欠かれていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項７】
請求項６において、
前記圧力センサー素子の少なくとも前記自由端側の側面は、前記載置台と離間していることを特徴とする圧力センサー。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか一項において、
前記容器内に、少なくとも前記ベースの外側の面の高さまで、ポッティング剤が充填されていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項において、
前記圧力センサー素子は、導電性接着剤によって固定され、前記容器内に形成された配線に、前記導電性接着剤によって電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項において、
前記圧力センサー素子は、接着剤によって固定され、前記容器内に形成された配線に、ワイヤーによって電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子などの振動子は、基準周波数を発生するために用いられている。他方、振動子は、微小な応力や変位を検出するために利用することができる。一般に、振動子は、共振周波数を有して振動する。振動子が振動している状態で、応力が印加されると、見かけ上のヤング率が変化するため、共振周波数が変化する。このとき、共振周波数をモニターすれば、振動子に印加された応力を電気的に検出することができる。振動子の共振周波数の変化を電気的に測定するので、極めて感度良く応力や変位を検出することができる。このようなことから振動子は、各種の物理量を検出するためのセンサーに利用されることも多い。
【０００３】
物理量のセンサーに振動子が利用される例の一つとして、大気や密閉空間の圧力を測定する圧力センサーがある。たとえば、特許文献１、特許文献２等には、外力や圧力によって変形可能な可撓部を有するダイヤフラムに、支持部を介して両持ち梁状の振動片が接続された構造を有する圧力センサーが開示されている。この圧力センサーは、被測定圧力を受圧したダイヤフラムが撓むと、その撓みが前記支持部を介して感圧素子に伝達されて、感圧素子の振動片に引張り応力或いは圧縮応力の内部応力が生じ、当該内部応力によって振動片の共振周波数の変化を検出して、信号変換部で共振周波数から圧力値に変換されて前記被測定圧力を測定することができる。そして、圧力センサーとしては、このような感圧センサー素子がパッケージに収められた構成となっており、該パッケージによって感圧素子を発振させる回路基板や前記信号変換部などが実装されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３３４５２号公報
【特許文献２】特開２００８−２４１２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、感圧素子とダイヤフラムを備えた圧力センサーは、ダイヤフラムの変形を検出する感度が極めて高い。したがって高感度な圧力センサーを構成することができる。しかしながら、圧力以外の外乱によってダイヤフラムがわずかに変形した場合でも、高感度に変形を検出してしまうことがあった。たとえば、環境の温度変化によってパッケージが熱膨張または熱収縮した場合に、ダイヤフラムまたは振動片に応力や変形が生じて、感圧素子の被測定圧力の変化に起因したものではない共振周波数の変化が検出されてしまうことがあった。このような場合、圧力センサーの測定誤差を生じることがあった。また外乱としては、温度に限られず重力によるダイヤフラムの変形も無視できない場合があった。
【０００６】
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、測定精度が環境の温度変化や実装の状態に影響されにくい圧力センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上述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、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００８】
［適用例１］
本発明にかかる圧力センサーの一態様は、
感圧部と該感圧部の両端に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、当該受圧面の裏側が前記感圧素子の一方の主面に対向すると共に、前記感圧素子の一対の基部を夫々支持する一対の突起が設けられたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの前記受圧面の裏側に対向すると共に、前記感圧素子の他方の主面に対向するベースと、
からなる圧力センサー素子を容器に収納してなる圧力センサーであって、
前記感圧素子の前記一対の基部の並ぶ方向を検出軸とし、
前記圧力センサー素子は、前記検出軸の方向に自由端を有するように前記容器に固定されていることを特徴とする。
【０００９】
このような圧力センサーは、容器および圧力センサー素子の相対的な寸法変化が生じても、感圧素子に応力が印加されにくい。また、検出軸方向において、測定対象である圧力以外の要因による応力が生じにくい。そのため、圧力検出の精度を高く維持することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１において、
前記感圧部が、少なくとも一以上の柱状ビームから構成されていることを特徴とする圧力センサー。
【００１１】
このような圧力センサーは、感圧部が柱状ビームから構成されるため、圧力検出の精度をが高い。
【００１２】
［適用例３］
適用例１又は２において、
前記圧力センサー素子は、前記ベースの外側底面の片端部を前記容器に固定していることを特徴とする圧力センサー。
【００１３】
このような圧力センサーは、ベースの外側底面の片端部によって容器に固定されるため、他方の端部が自由端となっており、より感圧素子に応力が印加されにくくすることができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１又は２において、
前記圧力センサー素子は、前記ベースの外側底面の中央部を前記容器に固定していることを特徴とする圧力センサー。
【００１５】
このような圧力センサーは、ベースの外側底面の中央部によって容器に固定されるため、中央部の両側に形成される端部が自由端となっており、より感圧素子に応力が印加されにくくすることができる。
【００１６】
［請求項５］
適用例１ないし適用例４のいずれか一例において、
前記容器は、内側底面に固定台を有し、
前記圧力センサー素子は、前記固定台に固定され、
前記固定台は一部が切り欠かれており、
前記圧力センサー素子は、前記固定台の切り欠かれた部分によって支持されていることを特徴とする圧力センサー。
【００１７】
このような圧力センサーは、容器に感圧素子を実装する際のアライメントをより容易化することができる。
【００１８】
［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一例において、
前記容器は、内側底面に載置台を有し、
前記圧力センサー素子は、前記載置台に前記自由端が載置され、
前記載置台は一部が切り欠かれていることを特徴とする圧力センサー。
【００１９】
このような圧力センサーは、容器に感圧素子を実装する際のアライメントをより容易化することができる。
【００２０】
［適用例７］
適用例６において、
前記圧力センサー素子の少なくとも前記自由端側の側面は、前記載置台と離間していることを特徴とする圧力センサー。
【００２１】
このような圧力センサーは、圧力以外の要因による応力が、感圧素子に加わることを抑制することができる。
【００２２】
［適用例８］
適用例５乃至適用例７のいずれか一例において、
前記容器内に、少なくとも前記ベースの外側の面の高さまで、ポッティング剤が充填されていることを特徴とする圧力センサー。
【００２３】
このような圧力センサーは、余分な応力が感圧素子に加わることが抑制されるとともに、容器内への感圧素子の実装の信頼性を高めることができる。
【００２４】
［適用例９］
適用例１ないし適用例８のいずれか一例において、
前記圧力センサー素子は、導電性接着剤によって固定され、前記容器内に形成された配線に、前記導電性接着剤によって電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサー。
【００２５】
このような圧力センサーは、導電性接着剤が感圧素子の固定と電気的な接続を兼ねるため、より小型化が可能である。
【００２６】
［適用例１０］
適用例１ないし適用例９のいずれか一例において、
前記圧力センサー素子は、接着剤によって固定され、前記容器内に形成された配線に、ワイヤーによって電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサー。
【００２７】
このような圧力センサーは、感圧素子がワイヤーによって電気的に接続されるため、容器内の感圧素子の配置の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態の圧力センサー素子１００の断面の模式図。
【図２】実施形態の圧力センサー素子１００の断面の模式図。
【図３】実施形態の振動片２０およびダイヤフラム１０を模式的に示す下面図。
【図４】変形例の感圧素子１２０の断面の模式図。
【図５】変形例の振動片２０およびダイヤフラム１０を模式的に示す下面図。
【図６】実施形態にかかる圧力センサー１０００の断面の模式図。
【図７】実施形態にかかる圧力センサー１０００を模式的に示す平面図。
【図８】実施形態にかかる圧力センサー１０２０の断面の模式図。
【図９】実施形態にかかる圧力センサー１０２０を模式的に示す平面図。
【図１０】実施形態にかかる圧力センサー１０４０の断面の模式図。
【図１１】実施形態にかかる圧力センサー１０４０を模式的に示す平面図。
【図１２】実施形態にかかる圧力センサー１０６０の断面の模式図。
【図１３】実施形態にかかる圧力センサー１０８０の断面の模式図。
【図１４】実施形態にかかる圧力センサー１０８０を模式的に示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に本発明の好適な実施形態のいくつかについて、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。
【００３０】
本実施形態にかかる圧力センサーは、圧力センサー素子と、該圧力センサー素子を収容する容器と、を有する。
【００３１】
１．圧力センサー素子
本実施形態にかかる圧力センサーが有する圧力センサー素子は、振動方式の感圧素子を有している。振動方式の感圧素子としては、双音叉型振動片、一本の梁の両端が支持された振動片などが挙げられる。本実施形態の圧力センサーが有する感圧素子は、振動片の共振周波数の変化を利用する方式であるかぎり特に限定されない。本実施形態で例示する圧力センサー素子は、感圧として双音叉型振動片を搭載した構造である。
【００３２】
尚、感圧素子は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用い、前記双音叉型振動片の他、ＳＡＷ共振子、厚みすべり振動子等を適用することができる。即ち、感圧素子は、感圧部（振動部に該当）と感圧部の両端に接続された一対の基部とを有している。
【００３３】
感圧素子は力の検出方向を検出軸として設定しており、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。双音叉振動片の場合は、梁の延びる方向と検出軸が平行である。
【００３４】
また感圧素子は圧力センサー若しくは該圧力センサーが搭載される回路基板に形成された発振回路（不図示）と電気的に接続され、前記発振回路（不図示）からの交流電圧により固有の共振周波数により振動する。
【００３５】
そして、ダイヤフラムが受圧して撓むと、前記撓みが突起（支持部）１２を介して感圧素子に伝達されるので、感圧素子には伸長（引張り）応力または圧縮応力の内部応力が生じ、当該内部応力により共振周波数が変動する。
【００３６】
特に双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、伸長・圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサーにおいては好適である。
【００３７】
双音叉型圧電振動子は、伸長応力を受けると振動腕（振動部）の振幅幅が小さくなるので共振周波数が高くなり、圧縮応力を受けると振動腕（振動部）の振幅幅が大きくなるので共振周波数は低くなる。なお、双音叉型圧電振動子の圧電基板としては温度特性に優れた水晶が望ましい。
【００３８】
図１は、本実施形態の圧力センサー素子１００の断面の模式図である。図２は、本実施形態の圧力センサー素子１００の振動片２０およびダイヤフラム１０を模式的に示す下面図である。図２は、封止板としてのベース３０を省略して描いてある。図１は、図２のＡ−Ａ線の断面に対応する。
【００３９】
圧力センサー素子１００は、ダイヤフラム１０と、振動片２０と、封止板としてのベース３０と、を含む。
【００４０】
ダイヤフラム１０は、圧力を受圧して撓むことが可能な可撓部を有する平板状の部材である。本明細書では、ダイヤフラム１０における圧力の測定対象である流体と接触する表面のことを受圧面１４と称する。ダイヤフラム１０は、たとえば、圧力センサー素子１００の主面の一方に設けられる。図１の例では、圧力センサー素子１００が備えるダイヤフラム１０の外側の面が受圧面１４となっている。
【００４１】
ダイヤフラム１０の平面的な外形形状は、特に限定されず、矩形や円形とすることができる。図１および図２の例では、ダイヤフラム１０の平面的な外形形状は、矩形となっている。ダイヤフラム１０の厚みは、圧力センサー素子１００に圧力が印加されたときにわずかでも撓み、変形できる範囲であれば任意である。ダイヤフラム１０の厚みが大きすぎると、圧力センサー素子１００の圧力に対する感度が不足する場合がある。またダイヤフラム１０の厚みが小さすぎると、機械的強度が不足する場合がある。
【００４２】
ダイヤフラム１０は、圧力センサー素子１００が圧力を受けた場合に撓み・変形することができる。これにより、振動片２０に引張または圧縮の応力を生じさせることができる。すなわち、受圧面１４に対して垂直方向の圧力を突起（支持部）１２を介して、振動片２０の振動ビーム（梁）に対して平行な直線方向に生じる応力に変換することができる。
【００４３】
ダイヤフラム１０は、圧力が印加されて撓むことができ、該圧力が取り去られたときに撓みが復元できる程度の弾性を有する材質で形成される。ダイヤフラム１０の材質としては、水晶、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどが好適である。また、ダイヤフラム１０の材質の熱膨張係数は、感圧素子（振動片２０）の熱膨張係数と近いことがより好ましい。
【００４４】
ダイヤフラム１０は、受圧面１４の裏面側に一対の突起１２を有する。突起１２は、ダイヤフラム１０と一体的に形成されることができる。突起１２は、ダイヤフラム１０とは別体であってもよく、その場合は、突起１２は、ダイヤフラム１０の受圧面１４の反対側の面に、プラズマ溶接、超音波接合、接着剤、低融点ガラス等を用いて接着されることができる。
【００４５】
突起１２は、振動片２０の両端の基部２４を支持するための支持部としての機能を有するとともに、ダイヤフラム１０が変形したときに振動片２０に引張または圧縮の応力を発生させる機能を有する。図３は、圧力センサー素子１００の断面の模式図であり、ダイヤフラム１０が圧力Ｐによって変形した状態を示している。図３は、圧力センサー素子１００の外側から内側への力（圧力Ｐ）が作用することにより、ダイヤフラム１０が素子の内側に向かって凸となる変形が生じた例である。この場合、一対の突起１２の間の間隔は大きくなる。他方、図示しないが、圧力センサー素子１００の内側から外側への力が作用する場合は、ダイヤフラム１０が素子の外側に向かって凸となる変形が生じ、一対の突起１２の間の間隔は小さくなる。したがって、振動片２０の両端が一対の突起１２にそれぞれ固定されている場合は、一対の突起１２の作用により、圧力の変化によって、振動片２０の振動ビーム（梁）に平行な方向に引張または圧縮の応力を生じさせることができる。
【００４６】
一対の突起１２が設けられる位置は、特に限定されないが、平面視においてダイヤフラム１０の可動部の中央に関して対称に配置されることが好ましい。このようにすれば、たとえば振動片２０が設けられたときに、振動片２０に対するねじれ等の応力の成分を抑制することができる。また、突起１２の高さは、ダイヤフラム１０の変形によってダイヤフラム１０と振動片２０とが接触しない程度であるかぎり限定されない。突起１２の高さは、高いほどダイヤフラム１０が変形したときの一対の突起１２間の間隔の変化を大きくすることができるが、圧力センサー素子１００の大きさ等の設計に従って選択される。
【００４７】
振動片２０は、梁２２および該梁２２の両端に形成された一対の基部２４を有する。梁２２は、一対の基部２４の間に両持ち梁状に形成される。梁２２の本数は、限定されないが、振動漏れ等を抑制しやすい点で、２本であることが好ましい。梁２２が２本である場合は、音叉型振動片を向かい合わせに接合したような双音叉型振動片の態様となる。図１および図２は、振動片２０が双音叉型振動片である場合の例を示している。梁２２の断面形状は特に限定されない。梁２２には図示せぬ電極が適宜設けられ、梁２２は屈曲振動することができる。梁２２の屈曲振動は、一定の共振周波数を有することができる。
【００４８】
一対の基部２４は、梁２２の両端に形成される。一対の基部２４の形状は特に限定されない。図示の例では直方体となっている。一対の基部２４は、ダイヤフラム１０に形成された一対の突起１２にそれぞれ固定される。基部２４の突起１２への固定は、プラズマ溶接、超音波接合、接着剤、低融点ガラス等を用いて行うことができる。
【００４９】
振動片２０は、圧電性を有する材料で形成される。振動片２０の材質としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料が挙げられる。振動片２０の梁２２および基部２４は、一体的に形成することができる。図２の例では、振動片２０は、支持梁２６によって枠部２８に支持されている。支持梁２６および枠部２８は、必要に応じて設けられることができる。図２の例では、振動片２０、支持梁２６および枠部２８は、一体的に形成されている。支持梁２６および枠部２８を設けることにより、たとえば、製造時の振動片２０の取り扱いを容易化することができる。また、支持梁２６および枠部２８を設けることにより、振動片２０の電極に接続する配線は、ダイヤフラム１０に形成しなくて済み、ダイヤフラム１０の変形を阻害しないようにすることができる。
【００５０】
振動片２０の一対の基部２４が、ダイヤフラム１０の一対の突起１２にそれぞれ固定されることにより、ダイヤフラム１０の変形に従って基部２４間の間隔を変化させることができる。すなわち、圧力センサー素子１００に圧力が印加されたときに、梁２２に引張または圧縮の応力を生じさせることができる。梁２２の屈曲振動の周波数は、梁２２に引張の応力が加わったときには高くなり、梁２２に圧縮の応力が加わったときには低くなるため、梁２２の共振周波数を測定することによって、圧力センサー素子１００に加えられた圧力を検知することができる。
【００５１】
ベース３０は、ダイヤフラム１０と接合されて、ダイヤフラム１０との間にキャビティー３２を形成する。ベース３０は、ダイヤフラム１０に対向するように設けられる。ベース３０は、ダイヤフラム１０の受圧面１４の側と反対側に設けられる。ベース３０は、振動片２０を封止するように設けられる。ベース３０は、振動片２０と接触しないように設けられる。ベース３０は、ダイヤフラム１０との間に密閉空間であるキャビティー３２を形成する。そして、キャビティー３２内に振動片２０が封止される。ベース３０の形状は、ダイヤフラム１０との間にキャビティー３２を形成できるかぎり限定されない。図１および図２の例では、ベース３０は、平面的に見てダイヤフラム１０と同じ外形を有している。ベース３０のダイヤフラム１０に向かう面には、キャビティー３２を形成するために、必要に応じて凹状の窪みを設けることができる。図示の例ではダイヤフラム１０の可動部に対応する大きさの窪みが設けられている。
【００５２】
ベース３０の機能の一つは、圧力センサー素子１００の支持体となることである。また、ベース３０の機能の一つとしては、キャビティー３２を形成することにより、圧力センサー素子１００に加えられる圧力によって、ダイヤフラム１０が変形できるようにすることが挙げられる。さらに、ベース３０の機能の一つとしては、キャビティー３２を減圧空間とすることにより、振動片２０のＱ値を高める（ＣＩ値を小さくする）ことが挙げられる。
【００５３】
ベース３０の材質は、特に限定されないが、水晶、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどが好適であり、加工の容易さから水晶であることがより好ましい。図１および図２の例ではベース３０およびダイヤフラム１０は、枠部２８を介して接合されている。ベース３０の接合は、プラズマ溶接、超音波接合、接着剤、低融点ガラス等を用いて行うことができる。
【００５４】
ベース３０の外側面（底面）には、図示しないパッドを設けることができる。パッドは、外部への電気的な接続に用いられることができる。パッドは、振動片２０に形成された電極に電気的に接続されることができる。パッドの数および形成される位置は、特に限定されない。
【００５５】
図４は、変形例にかかる感圧素子１２０の断面の模式図である。図５は、変形例にかかる感圧素子１２０の振動片２０およびダイヤフラム１０を模式的に示す下面図である。図５は、ベース３０を省略して描いてある。
【００５６】
圧力センサー素子１００は、ダイヤフラム１０が設けられた側の主面において、外部への電気的な接続を行うこともできる。このような変形は、たとえば、ベース３０の平面的な外形形状をダイヤフラム１０よりも大きくし、ダイヤフラム１０の外側にパッドを形成することによって行うことができる。図４および図５に示す変形例の感圧素子１２０では、ダイヤフラム１０および枠部２８の外側にはみ出させた、ベース３０の上面にパッド４０を形成した例である。たとえば、このようにすれば、感圧素子１２０の上面側にパッド４０を形成することができる。
【００５７】
２．容器
図６は、本実施形態にかかる圧力センサー１０００の断面の模式図である。図７は、圧力センサー１０００を模式的に示す平面図である。図６は、図７のＡ−Ａ線の断面に対応する。圧力センサー１０００は、上述の圧力センサー素子１００と、容器２００と、を有する。
【００５８】
容器２００は、圧力センサー素子１００を収容する筐体である。容器２００は、少なくともケース体２２０、およびリード２４０を有する。
【００５９】
ケース体２２０は、器状の形状を有する。ケース体２２０は、圧力センサー素子１００を内部に導入できる程度の開口部２２２を有する。圧力センサー素子１００は、開口部２２２に設置される。ケース体２２０の外形形状は、特に限定されない。ケース体２２０の開口部２２２の平面的な形状は、圧力センサー素子１００の平面的な形状よりも大きく形成される。すなわち、ケース体２２０の開口部２２２は、圧力センサー素子１００の側面が、ケース体２２０に接触しないような形状を有する。図６および図７の例では、開口部２２２の内側側面は、圧力センサー素子１００の側面から離間した矩形形状となっている。圧力センサー素子１００の側面とケース体２２０の内側側面とが接触すると、ケース体１００が温度等の外乱によって変形したときに圧力センサー素子１００に応力等が生じるため好ましくない。ケース体２２０の機能としては、圧力センサー素子１００に外部の物体が接触しにくくして、圧力センサー素子１００を保護することが挙げられる。ケース体２２０の材質としては、特に限定されないが、樹脂やセラミックスなどを用いることができる。ケース体２２０の材質に樹脂を選択すれば、リード２４０等を貫通させる場合、成型を容易に行うことができる。ケース体２２０に用いられる樹脂としては、半導体等で用いられるモールド用の樹脂がより好適である。
【００６０】
ケース体２２０は、内側に設けられる圧力センサー素子１００と外部とを電気的に接続するリード２４０を有する。リード２４０の個数および配置は任意である。図５および図６の例では、２つのリード２４０は、ケース体２２０の内側底面から、ケース体２２０の側面に貫通しており、さらにケース体２２０の底面側に向かって折り曲げられている。リード２４０の機能としては、圧力センサー１０００を図示せぬ実装基板に実装させること、および圧力センサー素子１００を外部に電気的に接続させることが挙げられる。
【００６１】
なお、ケース体２２０には、圧力センサー素子１００を駆動、制御するための回路素子（ＩＣ）が設けられてもよい。このようなＩＣは、圧力センサー素子１００およびリード２４０に配線によって適宜電気的に接続される。またこのようなＩＣは、ケース体２２０の表面に設けることができる他、ケース体２２０と一体的にモールドされてもよい。
【００６２】
容器２００は、ケース体２２０に対する蓋体２６０を有することができる。図示の例では、蓋体２６０は、ケース体２２０の開口部２２２を覆うように設けられている。蓋体２６０は、圧力センサー素子１００を、外部の物体が接触しにくいように機械的に保護する機能を有することができる。蓋体２６０が設けられる場合には、蓋体２６０には、圧力導入口としての通気孔２６２が形成される。通気孔２６２は、圧力センサー１０００が設置された被測定環境下において、被測定圧力を、圧力センサー１０００の内部に導入して、圧力センサー素子１００に伝達させるために形成される。図示の例では、通気孔２６２は、蓋体２６０の中央付近に形成されているが、その他の位置に形成されてもよい。通気孔２６２を介して埃等の異物が圧力センサー１０００の内部に侵入し難いように、通気孔２６２は、閉塞しない範囲で小さく形成されることがより好ましい。また、通気孔２６２を介して埃等が侵入してもダイヤフラム１０の動作に影響を及ぼしにくくするために、通気孔２６２を屈曲させることや、通気孔２６２を平面的に見て圧力センサー素子１００を避けた領域に形成することもさらに好ましい。
【００６３】
３．圧力センサー素子の固定
本実施形態の圧力センサー素子は、ダイヤフラムのわずかな変形を高感度に検出することができる。そのため、圧力センサー素子は、圧力センサーの測定対象である圧力以外の応力に対しても高感度となっている。したがって、圧力センサーにおいて、圧力センサー素子は、力または変形を受けにくい状態で、容器内に固定されることが望ましい。すなわち、圧力センサー素子は、容器内に前記感圧素子に検出軸の方向に自由端を有するように固定される。以下、圧力センサー素子１００を固定する態様について、圧力センサー１０００を例にとって説明する。
【００６４】
図６および図７に示すように、圧力センサー素子１００は、ケース体２２０の内側底面に平行に固定される。圧力センサー素子１００は、圧力センサー１０００の例では、一方の端部が導電性接着剤３００を用いて、ケース体２２０の内側底面に平行に接着固定されており、所謂、片持ち梁状に支持されている。そして、ベース３０の前記外側底面の前記一方の端部に対向する側の他方の端部は、ケース体２２０に接着固定されていない。換言すると、片持ち梁状に支持された圧力センサー素子１００の前記他方の端部は、自由端となっており、応力フリーな状態となっている。したがって、導電性接着剤３００の硬化による収縮によって圧力センサー素子１００に作用する実装歪みに起因した残留応力や圧力センサー素子１００、ケース体２２０、導電性接着剤３００等との熱膨張係数の差に起因して容器２００または圧力センサー素子１００が温度変化によって伸縮した場合に、圧力センサー素子１００へ作用する残留応力は、圧力センサー素子１００の前記自由端となっている前記他方の端部で開放されるので、このような残留応力の発生を防止することができる。そのため、圧力センサー１０００は、ダイヤフラム１０や振動片２０に圧力以外の応力が加わりにくく、圧力測定の精度を高く維持することができる。
【００６５】
平面的に見た固定部分（導電性接着剤３００）の面積は、圧力センサー素子１００の面積の１０％以上３０％以下であることが好ましい。平面的に見た固定部分の面積が圧力センサー素子１００の面積の１０％よりも小さいと、圧力センサー素子１００を固定するための強度が不足する場合があり、３０％よりも大きいと、圧力センサー素子１００を応力フリーの状態で固定する効果が小さくなることがある。また、圧力センサー素子１００の少なくとも自由端側の側面がケース体２２０に接触しないように配置されることにより圧力センサー素子１００に不要な応力を発生させにくくすることができる。
【００６６】
なお、圧力センサー１０００における導電性接着剤３００は、圧力センサー素子１００を容器２００に固定する機能および圧力センサー素子１００とリード２４０とを電気的に接続する機能を有している。導電性接着剤３００の数は、図示の例では２箇所に設けられているが、圧力センサー素子１００に自由端を形成できる限り限定されない。圧力センサー素子１００を容器２００に固定する方法として、ここでは、導電性接着剤３００を用いる例を示しているが、バンプ接合等の方法で固定してもよい。
【００６７】
圧力センサー素子１００は、自由端を有するように固定されるかぎり各種の配置を採ることができる。図８は、変形例にかかる圧力センサー１０２０の断面の模式図である。図９は、圧力センサー１０２０を模式的に示す平面図である。図８は図９のＡ−Ａ線の断面に対応する。
【００６８】
圧力センサー１０２０の例では、矩形の圧力センサー素子１００は、長手方向の中央付近において、容器２００に導電性接着剤３００によって固定されている。そして圧力センサー素子１００の長手方向の両端は、ケース体２２０に固定されていない。すなわち、圧力センサー１０２０では、圧力センサー素子１００は、中央部で支持され、両端部分が自由端となっている。この場合も、圧力センサー１０００の場合と同様に、容器２００または圧力センサー素子１００が温度変化によって伸縮した場合に、圧力センサー素子１００に応力が発生しにくいようになっている。そのため、圧力センサー１０００は、ダイヤフラム１０や振動片２０に圧力以外の応力が加わりにくく、圧力測定の精度を高く維持することができる。圧力センサー１０２０の例のように、圧力センサー素子１００が中央部分によって支持される場合も、平面的に見た固定部分（導電性接着剤３００）の大きさは、圧力センサー素子１００の面積の１０％以上５０％以下であることが好ましい。圧力センサー素子１００を容器２００に固定する方法として、ここでは、導電性接着剤３００を用いる例を示しているが、バンプ接合等の方法で固定してもよい。
【００６９】
平面視における圧力センサー素子１００の固定部の位置は、自由端が形成される限り限定されないが、固定部の位置からみた自由端の方向は、振動片２０の梁２２の延びる方向に沿うことがより好ましい。換言すると、圧力センサー素子１００の自由端は、感圧素子の基部の並ぶ方向、すなわち梁２２の延びる方向にあることがより好ましい。圧力センサー素子１００は、梁２２の延びる方向の応力に特に敏感であるため、このような配置を採ることにより、さらに圧力測定の精度を高く維持することができる。
【００７０】
前述の通り、感圧素子は力の検出方向を検出軸として設定しており、感圧素子の前記両端部を結ぶ方向、つまり双音叉振動片の梁２２の延びる方向と検出軸が平行であるため、圧力センサー素子１００の前記検出軸に平行な方向に作用する応力には細心の注意が必要である。
【００７１】
従って、圧力センサー素子１００の両端部を容器に固定する、所謂、両持ち支持をし、前記両端部を結ぶ方向が梁２２の延びる方向（検出軸の方向）に平行である場合、前述の通り、硬化した導電性接着剤３００の収縮によって圧力センサー素子１００へ作用する実装歪みに起因した残留応力や圧力センサー素子１００、容器と導電性接着剤３００等との熱膨張係数の差に起因して容器２００または圧力センサー素子１００が温度変化によって伸縮した場合に圧力センサー素子１００へ作用する残留応力が開放されることなく全て圧力センサー素子１００に悪影響を及ぼすこととなり、その結果として被測定圧力以外の応力がダイヤフラムに作用し、突起１２を介して感圧素子の感圧部（梁２２）に伝達されて検出される圧力値に誤差が生じることとなる。
【００７２】
故に、圧力センサー素子１００を固定する際には、梁２２の延びる方向に自由端を設けることによって、前述の如き残留応力を前記自由端で開放し、圧力検出の精度を高く維持できる。
【００７３】
また、本発明に係る圧力センサーにおいては、圧力センサー素子１００のダイヤフラム１０側ではなくベース３０側を容器に固定している。そのため、ダイヤフラム１０に対して実装に係る歪みが直接作用するのを防止することができる。即ち、応力に敏感な感圧素子（振動片２０）やダイヤフラム１０を実装領域から遠ざけた状態で、圧力センサー素子１００を容器に接着固定している。これにより、ダイヤフラム１０に実装歪みが生じることをさらに抑制することができる。
【００７４】
また、圧力センサー素子１００は、極めて高感度であるため、測定対象である圧力以外の力として、重力の影響を受ける場合がある。そのため、圧力センサー１０００が水平な実装基板に実装される場合に備え、ダイヤフラム１０の受圧面１４は、容器２００（ケース体２２０）の底面と平行になるように設けられることがより好ましい。このようにすれば、ダイヤフラム１０の法線方向と異なる方向にかかる重力等の力を低減することができる。したがって、圧力センサーの測定精度をさらに高く維持することができる。
【００７５】
なお、本実施形態に係る圧力センサーは、例えば移動体（自動車など）に搭載され、該移動体が凹凸のある道路などを移動するなどして、落下衝撃や急激な動きによるを受ける場合がある。このような場合においても、圧力センサー素子１００に作用する慣性力は、圧力センサー素子１００の自由端が撓むことによって減衰されることができ、自由端側で開放される効果を奏するので、ダイヤフラムに被測定圧力以外の前記慣性力に起因した力が作用することを抑制することができる。従って、本発明に係る圧力センサーは移動体に搭載しても高精度に圧力を測定可能であり、加速度が生じるような環境下においても広く利用可能である。
【００７６】
４．変形例
本実施形態の圧力センサーは、各種の変形が可能である。
【００７７】
図１０は、変形例にかかる圧力センサー１０４０の断面の模式図である。図１１は、圧力センサー１０４０を模式的に示す平面図である。図１０は図１１のＡ−Ａ線の断面に対応する。
【００７８】
圧力センサー１０４０は、ケース体２２０に固定台２２４および載置台２２６を有し、リード２４０が固定台２２４の上に形成される以外は、圧力センサー１０００と同様である。したがって、その他の部材には、圧力センサー１０００の場合と同様の符号を付して、説明を省略する。
【００７９】
固定台２２４は、ケース体２２０の内側底面に設けられる。固定台２２４は、図示の例では２つ形成されているが１つでも３つ以上であってもよい。固定台２２４の設けられる位置は限定されない。図示の例ではケース体２２０の内側底面の隅に設けられているが、圧力センサー素子１００の中央が固定される態様では、中央部に設けられてもよい。固定台２２４は、直方体状の形状を有することができる。固定台２２４の高さは特に限定されない。固定台２２４の機能の一つとしては、上面に圧力センサー素子１００を固定することで、ケース体２２０の内側底面と圧力センサー素子１００との接触を抑制することが挙げられる。固定台２２４の材質はケース体２２０の材質と同様とすることができる。
【００８０】
圧力センサー１０４０の例では、固定台２２４の上面にリード２４０が設けられている。リード２４０は、たとえば、ケース体２２０を成形する際に、あらかじめリード２４０を折り曲げておくことによって固定台２２４の上面に配置することができる。そして、圧力センサー１０４０では、圧力センサー素子１００は、導電性接着剤３００によって、固定台２２４の上に固定され、リード２４０に電気的に接続されている。
【００８１】
固定台２２４は、図示のような切り欠き２２４ａを有することができる。切り欠き２２４ａは、固定台２２４の一部に形成されることができる。切り欠き２２４ａが形成される場合は、圧力センサー素子１００は、固定台２２４の切り欠かれた部分に固定されることができる。これにより、圧力センサー素子１００をケース体２２０に搭載する際のアライメントを容易化することができる。切り欠き２２４ａは、圧力センサー素子１００を切り欠かれた部分に固定できるように形成される。なお、切り欠き２２４ａは、必要に応じて形成されることができ、切り欠き２２４ａが無い場合でも、圧力センサー素子１００を不要な応力が生じにくい状態で保持する効果は十分に得ることができる。
【００８２】
載置台２２６は、ケース体２２０の内側底面に配置される。載置台２２６は、図示の例では２つ形成されているが１つでも３つ以上であってもよい。載置台２２６の設けられる位置は限定されないが、圧力センサー素子１００の自由端は、ケース体２２０の周縁部に形成されやすいため、内側底面の隅に設けられることが好ましい。載置台２２６は、直方体状の形状を有することができる。載置台２２６の高さは、圧力センサー素子１００の自由端側の底面が載置され、圧力センサー素子１００に応力を生じない程度であることが好ましい。したがって、載置台２２６の高さは、固定台２２４の高さ、および固定台２２４と圧力センサー素子１００との間の距離を考慮して設計される。載置台２２６の機能の一つとしては、上面に圧力センサー素子１００の自由端を載置する（固定しない）ことで、自由端の変位を拘束することなく、ケース体２２０の内側底面および圧力センサー素子１００の接触を抑制することが挙げられる。載置台２２６の材質は、ケース体２２０の材質と同様とすることができる。
【００８３】
載置台２２６は、図示のような切り欠き２２６ａを有することができる。切り欠き２２６ａは、載置台２２６の一部に形成されることができる。切り欠き２２６ａが形成される場合は、圧力センサー素子１００は、載置台２２６の切り欠かれた部分に載置（支持）されることができる。これにより、圧力センサー素子１００をケース体２２０に搭載する際のアライメントを容易化することができる。切り欠き２２６ａは、圧力センサー素子１００を切り欠かれた部分に載置できる形状に形成される。圧力センサー素子１００の自由端側の側面は、載置台２２６（ケース体２２０）と接触しないように（離間して）設けられることが好ましい。なお、切り欠き２２６ａは、必要に応じて形成されることができ、切り欠き２２６ａが無い場合でも圧力センサー素子１００を不要な応力が生じにくい状態で保持する効果は十分に得ることができる。
【００８４】
本実施形態の圧力センサーは、ポッティングが施されることができる。図１２は、変形例にかかる圧力センサー１０６０の断面の模式図である。圧力センサー１０６０は、ポッティング４００が施される以外は、上述の変形例の圧力センサー１０４０と同様である。
【００８５】
ポッティング４００は、容器２００内に施される。ポッティング４００は、少なくとも圧力センサー素子１００のベース３０の外側の面（圧力センサー素子１００のダイヤフラム１０と反対側の面）の高さまで充填されることが好ましい。図１２の例では、ポッティング４００は、固定台２２４および載置台２２６の上面まで充填されている。ポッティング４００は、ダイヤフラム１０を覆わないように充填されることが好ましい。ポッティング４００を施すことにより、圧力センサー素子１００の固定をより安定化し、容器２００内への圧力センサー素子１００の実装の信頼性をさらに高めることができる。
【００８６】
ポッティング４００の材質としては、硬化前に低粘度であって、容器２００内への充填が容易であり、硬化後の弾性率の小さいものが好ましい。ポッティング４００の材質としては、たとえば、シリコーン樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリオール系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ゲル状の樹脂、およびこれらから選択される少なくとも２種を混合した樹脂などを挙げることができる。ポッティング４００は、熱による膨張収縮が比較的小さく、弾性率が比較的小さいため、圧力センサー素子１００に不要な応力を与えにくい。これにより、圧力センサー１０６０は、測定精度が高く維持されつつ、容器２００内への圧力センサー素子１００の実装の信頼性が高まっている。
【００８７】
応力フリーの観点から自由端側には何もない上述した実施形態の方が、実装歪みや熱歪みに起因した残留応力、加速度に起因した慣性力を自由端側で開放する効果が高いのは言うまでもないが、要求仕様等に応じて圧力センサー素子１００の実装の信頼性を優先し図１２に示すような態様を適宜選択してもよい。
【００８８】
本実施形態の圧力センサーは、導電性を有さない接着剤によって、圧力センサー素子１００を容器２００内に固定することもできる。図１３は、変形例にかかる圧力センサー１０８０の断面の模式図である。図１４は、圧力センサー１０８０を模式的に示す平面図である。図１３は図１４のＡ−Ａ線の断面に対応する。
【００８９】
圧力センサー１０８０は、感圧素子１２０を有する。圧力センサー１０８０では、感圧素子１２０は、接着剤３２０によって容器２００に固定されている。さらに、感圧素子１２０は、ワイヤー５００によってリード２４０に電気的に接続されている。その他の構成は、上記の変形例の圧力センサー１０６０と同様であるため、説明を省略する。
【００９０】
感圧素子１２０は、先に説明した通り、上面にパッド４０を有している。感圧素子１２０は、ケース体２２０（容器２００）の内側底面に片持ち梁状に、接着剤３２０によって固定される。図示の例では、感圧素子１２０は、固定台２２４の切り欠き２２４ａに固定されている。接着剤３２０の数、位置および面積等は、圧力センサー１０００における導電接着剤３００と同様である。本変形例の圧力センサー１０８０では、接着剤３２０に電気的な接続の役割を担わせないため、１箇所に接着剤３２０が形成されている。そのため、感圧素子１２０をさらに強固に固定することができる。
【００９１】
圧力センサー１０８０における感圧素子１２０の電気的な接続は、ワイヤー５００によって行われている。ワイヤー５００は、感圧素子１２０の上面に形成されたパッド４０と、ケース体２２０の内側面に形成されたリード２４０を電気的に接続している。また、パッド４０は、接着剤３２０の上方に設けられている。そのため、ワイヤー５００を設けるボンディング工程等において、感圧素子１２０に対する不要な応力が発生しにくくなっている。ワイヤー５００の材質としては、たとえば、金、銅などの導電性の金属を挙げることができる。ワイヤー５００が金で形成される場合には、ワイヤー５００が比較的柔軟となるため、感圧素子１２０に不要な応力をさらに生じさせにくくすることができる。
【００９２】
また、図示しないが、感圧素子１２０は、下面にもパッドを形成することができる。感圧素子１２０が２系統の電気的接続を要する場合、感圧素子１２０の上面側と下面側にそれぞれ１系統ずつ電気的接続を行うこともできる。すなわち、感圧素子１２０の底面に形成された１個のパッドによって、容器２００への固定と一方の電気的接続とを行うとともに、上面に形成された１個のパッドによって他方の電気的接続を行うことができる。
【００９３】
以上説明した本発明にかかる圧力センサーは、感圧素子が容器内に自由端を有するように固定されるため、容器および感圧素子の相対的な寸法変化が生じても、感圧素子に応力が印加されにくく、圧力の測定精度を高く維持することができる。
【００９４】
以上実施形態および変形例で述べた変形は、単独あるいは複数を互いに組み合わせて、実施形態の圧力センサーに対して適用することができる。これにより各変形の単独の効果または各変形の組み合わせによる相乗的な効果を得ることができる。
【００９５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００９６】
１０…ダイヤフラム、１２…突起、１４…受圧面、２０…振動片、２２…梁、
２４…基部、２６…支持梁、２８…枠部、３０…ベース、３２…キャビティー、
４０…パッド、１００，１２０…圧力センサー素子、２００…容器、２２０…ケース体、
２２２…開口部、２２４…固定台、２２６…載置台、２２４ａ，２２６ａ…切り欠き、
２４０…リード、２６０…蓋体、２６２…通気孔、３００…導電性接着剤、
３２０…接着剤、４００…ポッティング、５００…ワイヤー、
１０００，１０２０，１０４０，１０６０，１０８０…圧力センサー
【図１】
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【図２】
2010281573.tif 000004
【図３】
2010281573.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010281573.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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