(57)【要約】【課題】製造バラツキによる受圧感度の劣化を防ぎ、かつ高い受圧感度を実現することのできるダイアフラム式圧力センサーを提供する。【解決手段】上記課題を解決するためのダイアフラム式圧力センサーは、ダイアフラム１２と、ダイアフラム１２の可撓部１４に設けられた２つの支持部１６間に端部を固定される振動片２６とを備え、支持部１６は、可撓部１４における受圧時の応力が最も大きくなる領域を通過する軸線上に、可撓部１４の縁辺から可撓部１４の長さの５％から１０％の範囲内に支持部１６の端部が位置するように配置したことを特徴とする。【選択図】図１
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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、
一方の面が圧力を受圧する受圧部であって、他方の面に前記感圧素子の前記一対の基部を固定するための一対の支持部を有し、前記受圧部が受圧したときに撓む領域を可撓部とするダイアフラムと、
を備え、
前記支持部を、前記受圧部が前記圧力を受圧したときに前記可撓部に生じる応力が最も大きくなる領域を通過する軸線上であって、前記可撓部の縁辺から前記可撓部の長さの４％から９％の範囲内に、前記支持部の端部が位置するように配置したことを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサーであって、
前記支持部は、前記可撓部から突設した島部であることを特徴とする圧力センサー。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧力センサーであって、
前記感圧素子は圧電振動素子であることを特徴とする圧力センサー。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の圧力センサーであって、
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５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の圧力センサーであって、
前記ダイアフラムは矩形であり、前記軸線は前記ダイアフラムの一方の対を成す辺に対して平行であることを特徴とする圧力センサー。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の圧力センサーであって、
前記感圧素子との間に空間を有するように、前記ダイアフラムにベースを積層したことを特徴とする圧力センサー。
【請求項７】
請求項６に記載の圧力センサーであって、
前記ベースの前記ダイアフラムに対向する側の面に発振回路を備えた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、ダイアフラム式の圧力センサーに係り、特に受圧感度のバラツキを抑え、かつ感度の向上を図る圧力センサーに関する。  
【背景技術】
【０００２】
ダイアフラム式の圧力センサーとしては、特許文献１〜３に開示されているようなものが知られている。特許文献１〜３に開示されている圧力センサーはいずれも、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を備えており、当該感圧素子として双音叉圧電振動片を用いて、前記一対の基部と対応するようにダイアフラム上に形成された２つの支持部に前記双音叉圧電振動片の前記２つの基部を固定するという構成が採られている。
【０００３】
このような基本構成を有する圧力センサーにおいて特許文献１に開示されているものは、固定状態にある基部と感圧部として音叉を構成するアームとの間に面方向の溝を設けている。このような構成とすることで、ダイアフラムの撓みによって生ずる面方向の応力が解消され、アームの前記一対の基部を結ぶ方向に対して引張り方向または圧縮方向の応力のみが作用することとなり、圧力の検出精度の劣化を防ぐことができる。
【０００４】
また、特許文献２に開示されているものは、ダイアフラム上に形成された２つの支持部を結ぶ直線を跨ぐ領域であって、支持部が形成された面とは反対側の受圧面に厚肉部を形成している。このような構成とすることで、ダイアフラム中心部が円弧状に撓む事が無くなり、ダイアフラムと双音叉圧電振動片のアームとが接触してしまう事を防ぐことができ、圧力の検出精度の劣化を防ぐことができる。
【０００５】
さらに特許文献３に開示されているものは、ダイアフラム形状を矩形とし、支持部の形状を中心に向けて幅が狭くなるような形態としている。このような構成とすることで、ダイアフラムの生産性が向上し、かつダイアフラム形状を矩形とした場合であっても、撓みの偏りによる検出感度の劣化を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３３３４５２号公報
【特許文献２】特開２００７−３２７９２２号公報
【特許文献３】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】
【０００７】
上記のようなダイアフラム式の圧力センサーにおいて共通な課題となるのが検出感度の向上である。そして、検出感度を向上させるためには、被測定圧力の受圧時におけるダイアフラムの撓み量を大きくする必要があり、１つの対策としてダイアフラムの厚みを薄くするという手段が講じられている。
【０００８】
しかしこのような手段を採った場合であっても、支持部の配置形態の製造バラツキやレイアウトによっては、受圧感度に劣化が生ずることがあり、また、ダイアフラムの機械的強度も劣化してしまっていた。
【０００９】
そこで本発明では上記課題を解決し、所定の範囲内における製造バラツキによる受圧感度の劣化を防ぎ、かつ高い受圧感度を実現することのできる圧力センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記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、以下の形態また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、一方の面が圧力を受圧する受圧部であって、他方の面に前記感圧素子の前記一対の基部を固定するための一対の支持部を有し、前記受圧部が受圧したときに撓む領域を可撓部とするダイアフラムと、を備え、前記支持部を、前記受圧部が前記圧力を受圧したときに前記可撓部に生じる応力が最も大きくなる領域を通過する軸線上であって、前記可撓部の縁辺から前記可撓部の長さの４％から９％の範囲内に、前記支持部の端部が位置するように配置したことを特徴とする圧力センサー。
このような特徴を有する圧力センサーによれば、製造バラツキによる受圧感度の劣化を防ぎ、かつ高い受圧感度を持つことを実現することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載のダイアフラム式圧力センサーであって、前記支持部は、前記可撓部から突設した島部であることを特徴とする圧力センサー。
このような特徴を有することにより、支持部は可撓部上において一定の位置となる。よって、接合時にズレ等が生ずる虞が無い。
【００１２】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の圧力センサーであって、前記感圧素子は圧電振動素子であることを特徴とする圧力センサー。
このような特徴を有することにより、感圧素子の制御が容易となる。
【００１３】
［適用例４］適用例１乃至適用例３のいずれか１つに記載の圧力センサーであって、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。
このような構成の感圧部を有する感圧素子とすることで、他の振動素子に比べて圧力検出の感度を良好に保つことができる。
【００１４】
［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１つに記載の圧力センサーであって、前記ダイアフラムは矩形であり、前記軸線は前記ダイアフラムの一方の対を成す辺に対して平行であることを特徴とする圧力センサー。
ダイアフラムを矩形とすることにより、ウエハからの個片化に無駄が無くなり、生産性を向上させることが可能となる。
【００１５】
［適用例６］適用例１乃至適用例５のいずれか１つに記載の圧力センサーであって、前記感圧素子との間に空間を有するように、前記ダイアフラムにベースを積層したことを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることで、感圧素子の感圧部がキャビティ内において他の構成要素と接触する虞が無い。
【００１６】
［適用例７］適用例６に記載の圧力センサーであって、
前記ベースの前記ダイアフラムに対向する側の面に発振回路を備えたことを特徴とする圧力センサー。
このような構成とすることにより、１パッケージで圧力センサーとして動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る圧力センサーの構成を示す側断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧力センサーの上下を反転させた状態の分解斜視図である。
【図３】ダイアフラムを加圧した場合における応力分布を示す図である。
【図４】ダイアフラムの平面構成を示す図である。
【図５】支持部の配置位置と受圧感度との関係を示す図である。
【図６】支持部の配置位置と受圧感度のばらつきとの関係を示す図である。
【図７】ダイアフラムの部分拡大断面を示す図である。
【図８】枠部を持たない振動片を採用する場合の圧力センサーの形態を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る圧力センサーの構成を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る圧力センサーの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のダイアフラム式圧力センサーに係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１、図２を参照して、実施形態に係る構造を有するダイアフラム式圧力センサーの基本的構成について説明する。なお、図１は、ダイアフラム式圧力センサーにおける長辺方向断面を示す図である。また、図２は、図１を反転載置した場合における分解斜視図である。
【００１９】
本実施形態に係る圧力センサー１０は、ダイアフラム１２と、ベース３４、およびこのダイアフラム１２とベース３４によって挟持される枠付き振動片２２とを基本構成とする絶対圧計である。
【００２０】
上記のような基本構成を有する圧力センサー１０のうち、前記ダイアフラム１２は、振動片２６に対向する面とは反対側の面を受圧部とし、当該受圧部が外部（図１では紙面に向かって上方）からの圧力を受圧し、この圧力によって変形する（撓みを生じさせる）可撓部１４と、この可撓部１４の周囲に形成される枠部１８とを基本構成とする。本実施形態に係るダイアフラム１２は、その平面形状を矩形とする。平面形状を矩形としたのは、ダイアフラムの平面形状を円形とする場合に比べ、ウエハからの切り取りに無駄が無く、ダイシングによる切り出しが容易となるからである。
【００２１】
そして本実施形態のダイアフラム１２は可撓部１４の一方の面、具体的には詳細を後述する枠付き振動片２２と対向する面に、前記枠付き振動片２２を載置、固定するための支持部１６を有する。前記支持部１６は詳細を後述する振動片２６を２点で支持するために設けられるものであり、振動片２６の振動部（感圧部）の両側に形成された一対の基部３０を固定するために、対を成すように島部として突設されている。
【００２２】
ベース３４は、前述したダイアフラム１２と同一な平面形状を有する平板の外縁部に枠部３８を残し、振動片２６に対向する側の面であって、枠部３８の内側に凹部３６を形成することで構成される。ここで枠部３８の幅は、上述したダイアフラム１２の枠部１８と同等とすると良い。なお枠部はダイアフラム１２、ベース３４、および枠付き振動片２２を接合するための部位であるため、接合時の気密性を確保できるだけの幅を持たせるようにする。
【００２３】
枠付き振動片２２は、上記ダイアフラム１２の枠部１８や、ベース３４の枠部３８により挟持、接合される枠部２４と、感圧素子として機能する振動片２６とより成る。枠部２４の幅は、ダイアフラム１２の枠部１８やベース３４の枠部３８に合わせると良い。また、本実施形態で採用する振動片２６は、いわゆる双音叉型の圧電振動片である。双音叉型の振動片は、長手方向の両端部に基部３０を有し、この２つの基部３０の間に振動部となる一対のアーム２８を有する。このような構成の双音叉型の振動片では、双音叉形状を成すアーム２８に与える張力を変化させることで、その振動状態、すなわち共振周波数を変化させるという特性を持つ。具体的には、アーム２８に引張の力が加えられた場合には周波数が高くなり、圧縮の力が加えられた場合には周波数が低くなるのである。
【００２４】
このような構成の枠部２４と振動片２６とは、基部３０に設けられた支持アーム３２により互いに接続されており、図示しない励振電極等に接続された引出し電極は、当該支持アーム３２を介して枠部２４へと引き回される。
【００２５】
本実施形態の圧力センサー１０では、上記のような構成の枠付き振動片２２を圧電部材、例えば水晶で構成し、感圧素子としての振動片２６を圧電振動片（双音叉型圧電振動片）としている。そしてこのような構成の圧力センサー１０では、双音叉型の振動片２６の特性を利用して圧力の検出を行うことを可能としている。具体的には、上記のような特徴を有する振動片２６の２つの基部３０を、上記構成のダイアフラム１２の可撓部１４に形成した２つの支持部１６の載置面２０に固定する。このようにして振動片２６をダイアフラム１２に搭載して前記ダイアフラム１２の可撓部１４に撓みを生じさせた場合、前記支持部１６の載置面２０は可撓部１４の変形状態に伴って傾くこととなる。図１において、図中上側から下側へ向けて負荷をかけられた場合には、前記支持部１６の載置面２０は可撓部１４の中心に対して外側へ向けて傾くこととなる。このため、載置面２０間の距離は実質的に増加することとなり、載置面２０に固定された振動片２６のアーム２８には引張の力（張力）が負荷されることとなる。
【００２６】
アームに張力が負荷されると振動片２６は上述したように、出力される発振信号、すなわち周波数が上昇する。そして図示しない検出部ではこの周波数の変化を検出し、周波数の変化に基づく圧力の変化を導き出すことで、ダイアフラム１２（実際には可撓部１４）に負荷された圧力を検出することが可能となるのである。
【００２７】
上記のような構成の圧力センサー１０において、ダイアフラム１２やベース３４は、ガラスや水晶等により構成すると良く、枠付き振動片２２の枠部２４との接合は、接合剤として低融点ガラスを用いているが、封止部の気密性を保つために、直接接合や、陽極接合としても良い。なお、上記構成の圧力センサー１０は絶対圧計であることより、振動片２６を収容するキャビティを真空とする必要がある。このような観点からダイアフラム１２と枠付き振動片２２、およびベース３４の接合は、真空中で行うようにすると良い。
【００２８】
上記のような基本構成を有する圧力センサー１０において、被測定圧力の受圧感度を向上させるには、感圧素子としての振動片２６を支持する支持部１６の、可撓部１４上での配置位置を最適化すれば良い。
【００２９】
図３は、ダイアフラム１２の受圧部に対して可撓部１４を中心にして圧力を負荷した際にダイアフラム１２に掛かる応力を示す。図３においては、色が濃い部分ほど応力が大きく、撓みが大きいということができる。図３では、短辺の枠部１８近傍が最も応力が強いという事を読み取ることができる。本実施形態に係る圧力センサー１０では、ダイアフラム１２の支持部１６を、前記応力が最も強い２つの領域を通過する軸線上に配置している。
【００３０】
ここで、ダイアフラム式の圧力センサー１０では、支持部１６の傾きにより、振動片２６の基部３０間の距離が変化することで、負荷された圧力を検出する。このため、ダイアフラム１２における可撓部１４の撓みが大きい部分、すなわち応力が大きい部分に支持部１６を配置することで、受圧時における支持部１６の傾きを大きくすることができ、圧力センサー１０の受圧感度を向上させることができると考えられる。
【００３１】
そこで本実施形態では平面図を図４に示すように、ダイアフラム１２の枠部１８（可撓部１４の縁辺）と支持部１６の端部までの距離を隙間距離ａとし、ダイアフラム１２における可撓部１４の長さ（支持部配置方向の長さ）をＬとして受圧感度をシミュレーションし、可撓部１４の長さに対する隙間距離ａの百分率ｋ（％）を求めることとした。ここで、ｋは可撓部１４の長さＬと隙間距離ａとの距離の百分率であるため、数式１として示すことができる。
【数１】
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【００３２】
このような条件下において、受圧感度が最高となる部位を感度１００（％）とした場合における、可撓部１４の長さＬに対する隙間距離ａの変化に伴う受圧感度の変化を図５に示す。なお、図５に示すグラフは、支持部１６の長さＸを考慮して複数回計測した結果である。図５に示す例は、図４に示すダイアフラム１２における長編の寸法を１８．５ｍｍ、短辺の寸法を１１．５ｍｍ、支持部１６における短辺に沿った辺の寸法Ｙを３ｍｍとして、Ｘの寸法を１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍと変化させた際の結果である。
【００３３】
図５からは、支持部１６におけるＸの寸法に関わらず、ｋが４％〜９％の間にある時に、受圧感度が１００％近傍にあることを読み取ることができる。また、ｋが９％を超えることにより、受圧感度は急激に劣化して行くことも読み取ることができる。また、図５に示す受圧感度を微分すると図６のように示すことができる。図６からは、ｋが４％〜９％の範囲内では、受圧感度のばらつきが少ないということを読み取ることができる。
【００３４】
このような傾向から、隙間距離ａは、可撓部１４の長さＬの４％〜９％の範囲内とすることが望ましいということができる。なお、ダイアフラム１２を水晶等で形成する場合、可撓部１４の形成はエッチングにて行うこととなる。この場合において図７に示すように、エッチング部に結晶面が現れた場合、可撓部１４の長さＬや隙間距離ａは、平坦となる部分を基本として測定される。
【００３５】
ダイアフラム式圧力センサー１０の構造を上記のようなものとすることで、製造バラツキによる受圧感度の劣化を防ぎ、かつ高い受圧感度を実現することができる。
なお、上記実施形態では圧力センサー１０は、枠付き振動片２２を採用する旨記載した。しかしながら本実施形態に係る圧力センサー１０は図８に示すように、枠の無い振動片２６ａを採用することもできる。この場合、ダイアフラム１２とベース３４ａとを直接的に接合させることとなる。このため、ベース３４ａにおける凹部３６の深さを深くし、支持部１６に固定した振動片２６ａとの間にキャビティが確保できるようにすると良い。
【００３６】
次に、本発明のダイアフラム式圧力センサーに係る第２の実施形態について図９を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサー１１０は、ダイアフラム１１２の可撓部１１４から島状の支持部を排除した点を上述した第１の実施形態に係る圧力センサー１０と異にする。
【００３７】
本実施形態に係る圧力センサー１１０では、ダイアフラム１１２の可撓部１１４に、支持部を定め、当該支持部に振動片１２６を固定する構成とした。具体的には、振動片１２６の長手方向両端部に形成された基部１３０を厚肉化し、支持片１３１を構成したのである。このように構成した支持片１３１をダイアフラム１１２の可撓部１１４に定めた支持部に固定することで、上記第１の実施形態に係る圧力センサー１０と同様に受圧感度の高い圧力センサーとすることができる。
【００３８】
なお、振動片１２６の形態を本実施形態のようなものとする場合、ダイアフラム１１２に島状の支持部を形成する必要が無くなる。このため、ダイアフラム１１２の枠部１１８の高さを支持部の高さと合わせる必要がなくなるため、枠部１１８を高く（エッチングにより深く掘り込む）することができる。よって、ベース１３４を平板状のものとすることも可能となる。
【００３９】
また、本発明に係るダイアフラム式圧力センサーは、図１０に示すように、ベース３４の凹部３６にＩＣ５０を備えるようにしても良い。ＩＣ５０に、発振回路を備えるようにすれば、従来個別に設けた回路が不要となるため、１パッケージで圧力センサー２１０として動作させることが可能となる。また、ＩＣ５０に温度補償回路等を備えるようにすれば、広い温度領域で良好な圧力検出を行うことが可能となる。
【００４０】
なお、上記実施形態ではいずれも、振動片として双音叉型の圧電振動片を採用するように記載した。しかしながら、振動片は感圧部の振動腕を１つとした、いわゆるシングルビーム型の振動片としても良い。
また、上記実施形態では、ダイアフラムの平面形状は矩形としていた。しかしながらダイアフラムの平面形状は、円形等、種々の形態とすることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０………圧力センサー、１２………ダイアフラム、１４………可撓部、１６………支持部、１８………枠部、２０………載置面、２２………枠付き振動片、２４………枠部、２６………振動片、２８………アーム、３０………基部、３２………支持アーム、３４………ベース、３６………凹部、３８………枠部。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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