(57)【要約】【課題】  熱膨張の影響で圧力センサの精度が悪化することを防止するとともに量産性の高い圧力センサを提供する。【解決手段】  圧力センサ（１００）は、水晶振動片（２１）及びこの水晶振動片を囲む外枠を有する水晶フレーム（２０）と、外枠の一方の面にシロキサン結合する水晶リッド（１０）と、外枠の他方の面にシロキサン結合する水晶ベース（３０）とを有する水晶振動子（９０）と、水晶振動片（２１）の振動周波数と水晶振動子の周囲の圧力との関係を記憶した記憶部（６０）と、振動周波数を計測する周波数計測部（５０）と、を備える。【選択図】図１
2010025786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動片及びこの水晶振動片を囲む外枠を有する水晶フレームと、前記外枠の一方の面にシロキサン結合する水晶リッドと、前記外枠の他方の面にシロキサン結合する水晶ベースとを有する水晶振動子、を備え
前記水晶リッドは、その一部に弾性変形する弾性変形領域を有し、前記弾性変形領域は前記水晶リッドの外側の圧力によって変形することを特徴とする感圧素子。
【請求項２】
前記水晶振動片は、ＡＴ振動片又は音叉型水晶振動片であることを特徴とする請求項１又は請求項１に記載の感圧素子。
【請求項３】
前記水晶振動片は前記外枠から片持ち梁の状態で形成されており、前記片持ち梁の先端と前記水晶リッドとがシロキサン結合していることを特徴とする請求項１に記載の感圧素子。
【請求項４】
前記水晶振動片は前記外枠の一方から他方につながった両持ち梁の状態で形成されており、前記両持ち梁の中間部と前記水晶リッドとがシロキサン結合していることを特徴とする請求項１に記載の感圧素子。
【請求項５】
前記水晶振動片は前記外枠から片持ち梁の状態で形成されており、前記片持ち梁の中間部と前記水晶リッドとがシロキサン結合し、前記片持ち梁の先端と前記水晶ベースとがシロキサン結合していることを特徴とする請求項１に記載の感圧素子。
【請求項６】
前記水晶振動片は前記外枠から片持ち梁の状態で形成されており、前記片持ち梁の中間部と前記水晶リッドとがシロキサン結合し、前記水晶リッドが一方向に弾性変形した際には前記水晶ベースと前記片持ち梁の先端とが接せず、前記水晶リッドが他方向に弾性変形した際には前記水晶ベースと前記片持ち梁の先端とが接することを特徴とする請求項１に記載の感圧素子。
【請求項７】
前記水晶振動片と前記外枠との接続部分にたわみ変形領域を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項８】
前記水晶振動片はＡＴ振動片であり、前記水晶リッドの一部が前記水晶振動片側に伸びた柱状部材を有していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項９】
前記水晶振動片はＡＴ振動片であり、前記水晶振動片の一部が前記水晶リッド側に伸びた柱状部材を有していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の感圧素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の感圧素子と、
前記水晶振動片の振動周波数と前記水晶振動子の外側の圧力との関係を記憶した記憶部と、
前記振動周波数を計測する周波数計測部と、
を備えた圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動片を用いた感圧素子及び圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水圧計、気圧計として水晶振動子を用いた圧力センサが知られている。水晶振動子の軸方向に圧力が加わった際に共振周波数が変化する性質を利用している。圧力センサは水晶振動子の共振周波数の変化を検出することで高精度の圧力計測を行うことができる。特許文献１は、ＡＴカット振動板の上面及び下面との間に第１気密空間と第２気密空間を形成し、その一方の気密空間に水晶を薄くした薄肉部を有する圧力センサを開示している。この圧力センサは、ＡＴカット振動板にゴミ等が付着することによる検出精度の低下を防止するとともに、圧力の感度を高めている。
【特許文献１】特開２００６−０２９８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この圧力センサは、第１気密空間と第２気密空間とを形成するために環状金属膜を使って接合されているため、気温の変化などによっても水晶と金属との熱膨張の違いにより薄肉部が変形してしまう問題が生じるおそれがある。また第１気密空間と第２気密空間とを形成する水晶の大きさが異なり、ひとつ１つの圧力センサを作成しなければならず量産性に不向きであった。
【０００４】
本発明の目的は、熱膨張の影響で感圧素子の精度が悪化することを防止するとともに量産性の高い感圧素子を提供することである。またこの感圧素子を使った圧力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点の感圧素子は、水晶振動片及びこの水晶振動片を囲む外枠を有する水晶フレームと、外枠の一方の面にシロキサン結合する水晶リッドと、外枠の他方の面にシロキサン結合する水晶ベースとを有する水晶振動子を備え、水晶リッドはその一部に弾性変形する弾性変形領域を有し、弾性変形領域は水晶リッドの外側の圧力によって変形する。
水晶振動子のリッド及びベースもすべて水晶でできているため、熱膨張による圧力計測の誤差が生じにくい。また、ベース単位で水晶振動子を製造することもできるため、生産コストを下げることが可能となる。さらに圧力変化の影響を受け易くするため、水晶リッドの一部は弾性変形しやすくなっている。
【０００６】
第２の観点の水晶振動片は、ＡＴ振動片又は音叉型水晶振動片である。
【０００７】
第３の観点の水晶振動片は、外枠から片持ち梁の状態で形成されており、片持ち梁の先端と水晶リッドとがシロキサン結合している。
外枠から水晶振動片が片持ち梁の状態で形成されており、その水晶振動片の先端が水晶リッドと結合しているため、気圧が変化して水晶リッドが変形すると、水晶振動片が変形する。このため感圧素子は、小さな圧力変化に対しても周波数の変動が発生し、圧力を計測することができる。
【０００８】
第４の観点の水晶振動片は、外枠の一方から他方につながった両持ち梁の状態で形成されており、両持ち梁の中間部と水晶リッドとがシロキサン結合している。
外枠から水晶振動片が両持ち状態で形成されており、その水晶振動片の中間部が水晶リッドと結合しているため、気圧が変化して水晶リッドが変形すると水晶振動片が変形する。このため感圧素子は、小さな圧力変化に対しても周波数の変動が発生し、圧力を計測することができる。
【０００９】
第５の観点の水晶振動片は外枠から片持ち梁の状態で形成されており、片持ち梁の中間部と水晶リッドとがシロキサン結合し、片持ち梁の先端と水晶ベースとがシロキサン結合している。
外枠から水晶振動片が片持ち梁の状態で形成されており、その水晶振動片の先端がベースに結合しているため水晶振動片が両持ち梁の状態になっている。また水晶振動片の中間部が水晶リッドに結合し、気圧が変化して水晶リッドが変形すると水晶振動片が変形する。このため感圧素子は、小さな圧力変化に対しても周波数の変動が発生し、圧力を計測することができる。
【００１０】
第６の観点の水晶振動片は外枠から片持ち梁の状態で形成されており、片持ち梁の中間部と水晶リッドとがシロキサン結合し、水晶リッドが一方向に弾性変形した際には水晶ベースと片持ち梁の先端とが接せず、水晶リッドが他方向に弾性変形した際には水晶ベースと片持ち梁の先端とが接する。
外枠から水晶振動片が片持ち梁の状態で形成されており、水晶リッドが一方向に弾性変形した際には水晶振動片の先端がベースに接しないが、他方向に弾性変形した際には水晶振動片の先端がベースに接する。このため、周波数の変化の傾向に特徴を持たせることができるため、ある特定の圧力を計測することができる。
【００１１】
第７の観点の感圧素子は、水晶振動片と外枠との接続部分にたわみ変形領域を有する。
接続部分にたわみ変形領域を有するため、水晶リッドの変形が容易に水晶振動片に伝わる。
【００１２】
第８の観点の感圧素子の水晶振動片はＡＴ振動片であり、水晶リッドの一部が水晶振動片側に伸びた柱状部材を有している。
水晶リッドの変形を水晶振動片に伝えるために、水晶リッド側に柱状部材を形成する。水晶リッド側の柱状部材はエッチングにより容易に形成される。
第９の観点の感圧素子の水晶振動片はＡＴ振動片であり、水晶振動片の一部が水晶リッド側に伸びた柱状部材を有している。
【００１３】
第１０の観点の圧力センサは、第１の観点から第９のいずれかの観点の感圧素子と、水晶振動片の振動周波数と水晶振動子の周囲の圧力との関係を記憶した記憶部と、振動周波数を計測する周波数計測部と、を備える。
この圧力センサは、熱膨張による圧力計測の誤差が生じにくく、正確な圧力の計測が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の感圧素子は熱膨張による圧力計測の誤差が生じにくく、一度に多くの水晶振動子を製造することができるため生産コストを下げることができる。また、外気圧などにより周波数が変化し易い形状としたため、精度良い感圧素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜圧力センサ１００＞
圧力センサ１００は、図１に示されるように、水晶振動デバイス９０、周波数計測回路５０及び周波数と外気圧との関係を記憶した記憶部６０で構成されている。水晶振動デバイス９０はリッド１０と水晶フレーム２０とベース３０との３層で構成されている。圧力センサ１００として水晶振動デバイス９０を用いるためには、水晶振動デバイス９０のリッド１０の表面が大気もしくは対象物と触れていることが必要であり、対象物の圧力を計測する際には、リッド１０の表面に圧力伝達用のプローブを設置することで圧力を計測することができる。
【００１６】
本実施形態では大気（外気圧ＰＯ）にリッド１０が触れている場合の圧力センサ１００を示すが、プローブを設置した場合においても同様に圧力を計測することができる。水晶振動デバイス９０は、ある気圧の内部圧ＰＩである。圧力センサ１００は、水晶振動デバイス９０内の音叉型水晶振動片２１の共振周波数の変化を計測することで圧力センサとして利用できる。このような圧力センサ１００はタイヤの空気圧を計測したり、チャンバー内の圧力を計測したりする際に使用される。標準で２気圧の空気圧のタイヤの圧力を計測する圧力センサに使用される場合には、水晶振動デバイス９０の内部圧ＰＩは例えば２気圧に設定され、１気圧のチャンバー内の圧力を計測する圧力センサに使用される場合には水晶振動デバイス９０の内部圧ＰＩは例えば１気圧に設定される。
【００１７】
＜＜第１実施形態＞＞
＜水晶振動デバイス９０の構成＞
図２は表面実装（ＳＭＤ）タイプの水晶振動デバイス９０をベース３０のベース部側からみた図である。水晶振動デバイス９０は図２に示されるようにリッド１０と、水晶フレーム２０と、ベース３０との３層で形成されている。水晶フレーム２０の音叉型水晶振動片２１は支持腕２５が接続部２６でフレーム部２２と一体に形成されている。水晶フレーム２０のフレーム部２２はリッド１０とベース３０との外周部で挟み、封止することができる。
【００１８】
この水晶振動デバイス９０は、いわゆるシロキサン結合によって水晶フレーム２０のフレーム部２２にリッド１０とベース３０とが結合される。水晶振動デバイス９０はすべてが水晶材料で形成されるため温度変化があって熱膨張した際にも互い影響を与えることがない。後述するようにリッド１０が弾性変形することによって外気圧を計測する際に、外気温の変化によるリッド１０の弾性変形が発生しない。シロキサン結合については図７を使って説明する。
【００１９】
＜リッド１０の構成＞
図３はリッド１０の構成図であり、枠部１２と天板部１３とで構成されている。図３（ａ）はリッド１０を裏面から見た図であり、図３（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
リッド１０は水晶材料からなり、枠部１２と天板部１３とを有している。天板部１３は水晶を薄くエッチングされて形成されている。天板部１３は内部圧と外気圧との差に耐えうる強度が必要であり、必要であれば天板部１３にアルミニュウム、クロム又はニッケルなどの金属膜を形成してもよい。天板部１３が外気圧の変化によりその形状が弾性変形し易いように、天板部１３の厚さｄが決められる。また天板部１３の厚さｄは、水晶振動デバイス９０の取り扱いやすさも考慮して決められる。
【００２０】
枠部１２は天板部１３の外縁部に沿って取り囲むように形成されている。また枠部１２の高さｈは天板部１３が変形しても、水晶フレーム２０の音叉型水晶振動片２１（図１参照）が振動するに十分な空間部１１を確保するよう形成されている。枠部１２を除いてできるだけ大きな面積の天板部１３である方が圧力を計測するには好ましい。弾性変形する領域が大きくなるからである。
【００２１】
＜水晶フレーム２０の構成＞
図４は水晶フレーム２０の構成を示す図である。水晶フレーム２０は図４に示されるように、同じ厚さで音叉型水晶振動片２１とフレーム部２２とから構成されている。音叉型水晶振動片２１は基部２３及び振動腕２４からなり、振動腕２４には溝部２７が形成されている。支持腕２５は音叉型水晶振動片２１の基部２３からＹ軸方向に伸びている。音叉型水晶振動片２１は支持腕２５の端部でＸ軸方向に伸びる接続部２６とで接続されている。
【００２２】
一対の振動腕２４は基部２３の中央部からＹ軸方向に伸びており、振動腕２４の表裏両面には溝部２７が形成されている。例えば、一本の振動腕２４の表面には１箇所の溝部２７が形成されており、振動腕２４の裏面側にも同様に１箇所の溝部２７が形成されている。
【００２３】
振動腕２４の先端付近では幅広に形成されており、ハンマー型の形状をしている。また、振動腕２４のハンマー型の部分には金属膜が形成されており錘の役目をさせている。錘は振動腕２４に電圧をかけた際に振動しやすくさせ、また安定した振動をするために形成されている。
【００２４】
一対の支持腕２５は基部２３のＸ軸方向の端部から振動腕２４の先端を超えない長さでＹ軸方向に伸びている。一対の支持腕２５は振動腕２４の振動を水晶振動デバイス９０の外部へ振動漏れとして伝え難くさせる効果を持つ。
【００２５】
接続部２６は支持腕２５の先端部でＸ軸方向に伸びて、フレーム部２２と接続している。接続部２６は幅広に形成しておくことで、周波数調整の際に幅狭にすることで周波数を調整することもできる。
【００２６】
水晶フレーム２０はフレーム部２２と基部２３と支持腕２５と接続部２６との表面に第１基部電極４１と第２基部電極４２とが形成され、裏面にも同様に第１基部電極４１と第２基部電極４２とが形成されている。
【００２７】
一対の振動腕２４は、表面、裏面及び側面に第１励振電極４３と第２励振電極４４とが形成されている。振動腕２４の表面及び裏面と、側面とは互いに異なる電極が形成されている。第１励振電極４３は第１基部電極４１につながっており、第２励振電極４４は第２基部電極４２につながっている。水晶フレーム２０は第１基部電極４１及び第２基部電極４２に電圧をかけることで、第１励振電極４３及び第２励振電極４４に囲まれた振動腕２４を振動させる。
【００２８】
＜ベース３０の構成＞
図５はベース３０の構成図である。図５（ａ）はベース３０を表面側から見た図であり、図５（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。ベース３０は水晶材料からなり、ベース凹部３２を水晶フレーム側の片面に有している。
ベース３０はエッチングによりベース凹部３２を設ける際、同時に第１スルーホール３３と第２スルーホール３４とを形成する。ベース３０の表面には、第１接続電極４６及び第２接続電極４７を備えている。
【００２９】
第１ベース３１は、底面にタングステン・メタライジングされた第１外部電極４８及び第２外部電極４９を備える。第１接続電極４６は、第１スルーホール３３を通じて第１ベース３１の底面に設けた第１外部電極４８に接続する。第２接続電極４７は、第２スルーホール３４を通じて第１ベース３１の底面に設けた第２外部電極４９に接続する。
【００３０】
図４に示された第１基部電極４１と第２基部電極４２とは、それぞれ第１ベース３１の表面の第１接続電極４６及び第２接続電極４７に接続する。つまり、第１基部電極４１は第１外部電極４８と電気的に接続し、第２基部電極４２は第２外部電極４９と電気的に接続している。
【００３１】
＜水晶振動デバイス９０の製造＞
図６は、水晶振動デバイス９０の製造時の概念図である。
本実施形態では１つの水晶振動デバイス９０について説明してきたが、実際の製造においては、１枚のリッド用の水晶ウエハＬＷに数百から数千のリッド１０と、１枚の振動片用の水晶ウエハＶＷに数百から数千の水晶フレーム２０と、１枚のベース用の水晶ウエハＢＷに数百から数千のベース３０とを用意し、それらをウエハ単位でシロキサン結合して一度に数百から数千の水晶振動デバイス９０を製造する。
【００３２】
リッド用の水晶ウエハＬＷと振動片用の水晶ウエハＶＷとベース用の水晶ウエハＢＷとはシロキサン結合され、その後所定の気圧中において第１スルーホール３３と第２スルーホール３４とを金ゲルマニウムなどの金属材料で封止する。２気圧前後のタイヤの圧力を計測する圧力センサとして使用される場合には、水晶振動デバイス９０は例えば２気圧の不活性ガス中で封止される。このシロキサン結合した３枚のウエハから水晶振動デバイス９０を一つずつ切り離すことで水晶振動デバイス９０が完成する。
【００３３】
図６において、リッド１０、水晶フレーム２０及びベース３０は、各ウエハと空間ＳＰ（斜線領域）を介して形成されている。そして、リッド１０は接続バーＣＮでリッド用の水晶ウエハＬＷにつながり、水晶フレーム２０は接続バーＣＮで振動片用の水晶ウエハＶＷにつながり、ベース３０は接続バーＣＮでベース用の水晶ウエハＢＷにつながっている。このため、接続バーＣＮを切り折ることで水晶振動デバイス９０が切り離される。このような方式のほかに、空間ＳＰ及び接続バーＣＮを設けることなく、ダイシングソーでシロキサン結合した３枚のウエハを切断して、水晶振動デバイス９０が完成させてもよい。ウエハ単位で水晶振動デバイス９０が製造されるため、水晶振動デバイス９０の製造コストを下げることができる。
【００３４】
シロキサン結合は以下のようにして行われる。最初にリッド用の水晶ウエハＬＷの結合面、振動片用の水晶ウエハＶＷの両面、ベース用の水晶ウエハＢＷの結合面が鏡面研磨される。そして、リッド用の水晶ウエハＬＷの結合面、振動片用の水晶ウエハＶＷの両面、及びベース用の水晶ウエハＢＷの結合面に対して、酸素含有する雰囲気中で紫外線を照射する。酸素含有雰囲気中で短波長の紫外線に曝すことで、相互結合面となるウエハ面の汚れ、ガス吸着層、さらにはパーティクル等を原子レベルでとり除く清浄化作用が得られる。
【００３５】
この鏡面研磨及び紫外線照射により、リッド用の水晶ウエハＬＷの結合面、振動片用の水晶ウエハＶＷの両面、及びベース用の水晶ウエハＢＷの結合面は親水化されているため、水分の吸着により水晶ウエハの表面に−ＯＨ基が形成され、水素結合による強固な結合力が得られる。このリッド用の水晶ウエハＬＷ、振動片用の水晶ウエハＶＷ、及びベース用の水晶ウエハＢＷが結合したウエハを１００℃以上の温度で熱処理する。これにより原子レベルでの結合が得られる。つまり、水晶ウエハの表面では、Ｓｉ−ＯＨ‥‥‥‥ＨＯ−Ｓｉという結合からＳｉ−Ｏ−Ｓｉという原子間の結合となり、強い結合力が得られる。
【００３６】
＜水晶振動デバイス９０の外気圧による動作＞
図７は圧力センサとして利用する水晶振動デバイス９０の概略断面図を示している。所定圧の気圧（内部圧Ｐ１）の不活性ガス中で封止した水晶振動デバイス９０が圧力センサの使用される所定圧（気圧ＰＯ２）の中に置かれると、図７（ａ）に示されるように、天板部１３が弾性変形することなく、気圧ＰＯ２と内部圧ＰＩとで均衡を保っている。
【００３７】
水晶振動デバイス９０が内部圧ＰＩより低い気圧ＰＯ１に置かれると、図７（ｂ）に示されるように天板部１３が外側（凸方向）へ変形する。天板部１３は外側に変形した状態で気圧ＰＯ３と天板部１３の張力及び内部圧ＰＩとが均衡を保っている。このとき矢印ＲＦで示されるようにリッド１０の枠部１２を介して水晶フレーム２０にリッド１０で引っ張られるような力が働く。すると、音叉型水晶振動片２１の共振周波数に変化が生じ、例えば周波数が上がる。
【００３８】
水晶振動デバイス９０が内部圧ＰＩより高い気圧ＰＯ３に置かれると、図７（ｃ）に示されるように、天板部１３が内側に向けて変形する。天板部１３が内側に変形した状態で気圧ＰＯ１と天板部１３の張力及び内部圧ＰＩとが均衡を保っている。このとき矢印ＲＦで示されるようにリッド１０の枠部１２を介して水晶フレーム２０にリッド１０から押されるような力が働く。すると、音叉型水晶振動片２１の共振周波数に変化が生じ、例えば周波数が下がる。
【００３９】
図８は、気圧と周波数との関係を示されたグラフである。水晶振動デバイス９０は不活性ガスの内部圧ＰＩで封止して製造されると、気圧ＰＯ２のときの水晶振動デバイス９０の周波数が３２．７６８ＫＨｚとする。そして外気圧ＰＯが気圧ＰＯ２からＰＯ１に下がると、水晶振動デバイス９０の周波数は例えば３２．７６７ＫＨｚとなる。外気圧ＰＯが気圧ＰＯ２からＰＯ３に上がると、水晶振動デバイス９０の周波数は例えば３２．７６９ＫＨｚになる。
【００４０】
図１で示された記憶部６０には、図８に示されるような周波数と気圧との関係が記憶されている。この周波数と気圧との関係は実験などにより求められる。このため、音叉型水晶振動片２１の共振周波数に変化によって圧力を計測することができる。共振周波数の変化は小さいので温度変化の影響を受け易いが、実施形態１の水晶振動デバイス９０はすべて水晶材料でできているため、熱膨張が同じであり温度変化の影響が極めて小さい。
【００４１】
＜＜第２実施形態＞＞
＜第２水晶振動デバイス９０Ａの構成＞
図９は表面実装（ＳＭＤ）タイプの第２水晶振動デバイス９０Ａをベース３０のベース部側からみた図である。本発明の第２水晶振動デバイス９０Ａは図９に示されるようにリッド１０と、第２水晶フレーム２０Ａと、ベース３０との３層で形成されている。第１実施形態では音叉型水晶振動片２１が使用されていたが、第２実施形態では第２ＡＴ振動片２１Ａが使用されている。またリッド１０及びベース３０は第１実施形態と同じ構造である。
【００４２】
第２水晶フレーム２０Ａの第２ＡＴ振動片２１Ａはフレーム部２２から両持ち梁の状態で一体に形成され、その中間部に薄肉部２９を有している。この薄肉部２９に図示されない励振電極が形成されており、この励振電極により所定の周波数で振動する。
【００４３】
この第２水晶振動デバイス９０Ａは、いわゆるシロキサン結合によって第２水晶フレーム２０Ａのフレーム部２２にリッド１０とベース３０とが結合される。
【００４４】
＜第２水晶フレーム２０Ａの構成＞
図１０は第２水晶フレーム２０Ａの構成を示す図である。図１０（ａ）はリッド側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００４５】
第２水晶フレーム２０Ａは、第２ＡＴ振動片２１Ａとフレーム部２２とから構成されている。第２ＡＴ振動片２１Ａはフレーム部２２から両持ち梁の状態で一体に形成され、その中間部に薄肉部２９が形成されている。薄肉部２９の表裏には第１励振電極５３と第２励振電極５４とが形成されており、この第１励振電極５３と第２励振電極５４とそれぞれフレーム部２２の伸びる第１接続電極５１と第２接続電極５２とが形成される。第２水晶フレーム２０Ａは第１接続電極５１及び第２接続電極５２に電圧をかけることで、第１励振電極５３及び第２励振電極５４で挟まれた薄肉部２９が所定の周波数、例えば５０ＭＨｚで振動する。
【００４６】
この第２ＡＴ振動片２１Ａはリッドの薄い天板部１３（図９）の変形による力を受け易いように幅Ｗ１（Ｘ方向）を調整して変形しやすくしたほうがよい。
【００４７】
＜＜第３実施形態＞＞
＜第３水晶振動デバイス９０Ｂの構成＞
図１１は表面実装（ＳＭＤ）タイプの第３水晶振動デバイス９０Ｂをベース３０のベース部側からみた図である。本発明の第３水晶振動デバイス９０Ｂは図１１に示されるように第３リッド１０Ｂと、第３水晶フレーム２０Ｂと、ベース３０との３層で形成されている。
【００４８】
第３水晶フレーム２０Ｂの第３ＡＴ振動片２１Ｂはフレーム部２２から片持ち梁の状態で一体に形成されている。第３ＡＴ振動片２１Ｂはその中間部に薄肉部２９を有している。この薄肉部２９に図示されない励振電極が形成されており、この励振電極により所定の周波数で振動する。
【００４９】
また第３リッド１０Ｂは枠部１２と天板部１３とを有している。天板部１３は外気圧の変化によりその形状が弾性変形し易いように、天板部１３の厚さが薄くなっており、その周りに厚い枠部１２が形成されている。薄い天板部１３には柱状部材１５が形成されている。この柱状部材１５は片持ち梁の状態の第３ＡＴ振動片２１Ｂの先端に対応する位置に形成される。
【００５０】
この第３水晶振動デバイス９０Ｂは、いわゆるシロキサン結合によって第３水晶フレーム２０Ｂのフレーム部２２に第３リッド１０Ｂとベース３０とが結合される。また、天板部１３の柱状部材１５は第３ＡＴ振動片２１Ｂの先端にシロキサン結合する。第３水晶振動デバイス９０Ｂはすべてが水晶材料で形成されるため温度変化があって熱膨張した際にも互い影響を与えることがない。
【００５１】
＜第３水晶フレーム２０Ｂ’の構成＞
図１２は第３水晶フレーム２０Ｂ’の構成を示す図である。図１２（ａ）はリッド側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００５２】
第３水晶フレーム２０Ｂ’は、第３柱状部材１５Ｂが形成されている点で図１１に示された第３水晶フレーム２０Ｂと異なる。図示されないが、図１２に示される第３水晶フレーム２０Ｂ’を使用する場合には、図１１で示された第３リッド１０Ｂを使用する代わりに図２又は図３で示されたリッド１０を使用する。
【００５３】
第３水晶フレーム２０Ｂ’は、第３ＡＴ振動片２１Ｂとフレーム部２２とから構成されている。第３ＡＴ振動片２１Ｂはその中間部に薄肉部２９を有し、先端にリッド側に伸びる柱状部材１５Ｂが形成されている。薄肉部２９の表裏には第１励振電極５３と第３励振電極５４とが形成されており、この第１励振電極５３と第３励振電極５４とそれぞれフレーム部２２の伸びる第１接続電極５１と第３接続電極５２とが形成される。第３水晶フレーム２０Ｂ’は第１接続電極５１及び第３接続電極５２に電圧をかけることで、第１励振電極５３及び第３励振電極５４で挟まれた薄肉部２９が所定の周波数、例えば５０ＭＨｚで振動する。
【００５４】
第３ＡＴ振動片２１Ｂはフレーム部２２から片持ち梁の状態で一体に形成されている。この第３ＡＴ振動片２１Ｂはリッドの薄い天板部１３（図１１）の変形を受け易いようにしなければならない。このため、第３ＡＴ振動片２１Ｂの強度などを考慮した範囲内で第３ＡＴ振動片２１Ｂの厚みｄ２（Ｚ方向）ができるだけ薄くまた幅Ｗ２（Ｘ方向）ができるだけ狭く形成し、たわみ変形しやすくしたほうがよい。図示しないが、第３ＡＴ振動片２１Ｂとフレーム部２２との接続部分だけ厚みｄ２（Ｚ方向）が薄くまた幅Ｗ２（Ｘ方向）が狭く形成されるようにしてもよい。
【００５５】
＜第３水晶振動デバイス９０Ｂの外気圧による動作＞
図１３は圧力センサとして利用する図１１で示された第３水晶振動デバイス９０Ｂの概略断面図を示している。所定圧の不活性ガス中で封止した第３水晶振動デバイス９０Ｂが所定圧の外気中（気圧ＰＯ２）に置かれると、図１３（ａ）に示されるように、第３リッド１０Ｂの天板部１３が、気圧ＰＯ２と内部圧ＰＩとで均衡を保っている。
【００５６】
第３水晶振動デバイス９０Ｂが内部圧ＰＩより低い気圧ＰＯ３に置かれると、図１３（ｂ）に示されるように天板部１３が外側（凸方向）へ変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第３ＡＴ振動片２１の先端が柱状部材１５に引っ張り上げられるような力が働く。すると、第３ＡＴ振動片２１Ｂの周波数に変化が生じる。
【００５７】
第３水晶振動デバイス９０Ｂが内部圧ＰＩより高い気圧ＰＯ１に置かれると、図１３（ｃ）に示されるように、天板部１３が内側に向けて変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第３ＡＴ振動片２１の先端が柱状部材１５で下に押されるような力が働き、第３ＡＴ振動片２１Ｂの周波数に変化が生じる。
【００５８】
第１実施形態では、図７に示されたように天板部１３の変形がリッド１０の枠部１２を介して水晶フレーム２０に伝わっていたが、第３実施形態では、図１３に示されるように天板部１３の変形が柱状部材１５を介して第３ＡＴ振動片２１Ｂに伝わるので微小な圧力変化にも第３ＡＴ振動片２１Ｂの周波数に変化が生じる。
【００５９】
＜＜第４実施形態＞＞
＜第４水晶振動デバイス９０Ｃの構成＞
図１４は表面実装（ＳＭＤ）タイプの第４水晶振動デバイス９０Ｃをベース３０のベース部側から見た図である。第４水晶振動デバイス９０Ｃは図１４に示されるように第４リッド１０Ｃと、第４水晶フレーム２０Ｃと、ベース３０との３層で形成されている。
【００６０】
第４水晶フレーム２０Ｃの第４ＡＴ振動片２１Ｃはフレーム部２２の両側から両持ち梁の状態で一体に形成されている。第４ＡＴ振動片２１Ｃはその中間部に薄肉部２９を有し、その両端でフレーム部２２と接続している接続部分２８Ｃはたわみ変形し易く厚みが薄くなっている。この薄肉部２９に図示されない励振電極が形成されており、この励振電極により所定の周波数で振動する。
【００６１】
また第４リッド１０Ｃは枠部１２と天板部１３とを有している。天板部１３は外気圧の変化によりその形状が弾性変形し易いように、天板部１３の厚さが薄くなっており、その周りに厚い枠部１２が形成されている。薄い天板部１３の中間部には２つの柱状部材１６が形成されている。これら柱状部材１６は第４ＡＴ振動片２１Ｃの薄肉部２９の周囲に対応する位置に形成される。但し柱状部材１６は薄肉部２９に接していない。なお、柱状部材１６が第４リッド１０Ｃ側ではなく、第４ＡＴ振動片２１Ｃに形成されていてもよい。
【００６２】
この第４水晶振動デバイス９０Ｃは、いわゆるシロキサン結合によって第４水晶フレーム２０Ｃのフレーム部２２に第４リッド１０Ｃとベース３０とが結合される。また、天板部１３には柱状部材１６は第４ＡＴ振動片２１Ｃの薄肉部２９の周囲にシロキサン結合する。第４水晶振動デバイス９０Ｃはすべてが水晶材料で形成されるため温度変化があって熱膨張した際にも互い影響を与えることがない。
【００６３】
＜第４水晶振動デバイス９０Ｃの外気圧による動作＞
図１５は圧力センサとして利用する図１４で示された第４水晶振動デバイス９０Ｃの概略断面図を示している。所定圧の不活性ガス中で封止した第４水晶振動デバイス９０Ｃは所定圧の外気中（気圧ＰＯ２）に置かれると、図１５（ａ）に示されるように、天板部１３が、気圧ＰＯ２と内部圧ＰＩとで均衡を保っている。
【００６４】
第４水晶振動デバイス９０Ｃが内部圧ＰＩより低い気圧ＰＯ３に置かれると、図１５（ｂ）に示されるように天板部１３が外側（凸方向）へ変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第４ＡＴ振動片２１Ｃの中間が柱状部材１６に引っ張り上げられるような力が働く。すると、第４ＡＴ振動片２１Ｃの周波数に変化が生じる。
【００６５】
第４水晶振動デバイス９０Ｃが内部圧ＰＩより高い気圧ＰＯ１に置かれると、図１５（ｃ）に示されるように、天板部１３が内側に向けて変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第４ＡＴ振動片２１Ｃの中間が柱状部材１６で下に押されるような力が働く。すると、第４ＡＴ振動片２１Ｃの周波数に変化が生じる。
【００６６】
第３実施形態では、天板部１３からの柱状部材１５が第４ＡＴ振動片２１Ｃの先端を変形させ結果として薄肉部２９を変形させていたが、第４実施形態では薄肉部２９の周囲を柱状部材１６が押すため微小な圧力変化にも第４ＡＴ振動片２１Ｃの周波数に変化が生じる。
【００６７】
＜第４水晶フレーム２０Ｃの別構成＞
図１６は第４水晶フレーム２０Ｃの第１変形例及び第２変形例の構成を示す図である。図１６（ａ）は第１変形例をリッド側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１６（ｃ）は第２変形例をリッド側から見た平面図であり、（ｄ）は（ｃ）のＣ−Ｃ断面図である。図１０で示された部材と同じ機能の部材は同じ符号を付けて説明を割愛する。また、図１０に示された励振電極及び接続電極と特に差異がないので、図１６では電極が描かれていない。
【００６８】
図１４に示された第４水晶フレーム２０Ｃは、その両端の接続部分２８Ｃで厚みが薄くなってたわみ変形し易くしていた。しかし、図１６（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１変形例の第４水晶フレーム２０Ｃ’は、第４ＡＴ振動片２１Ｃ’の両端の接続部分２８Ｃ’は幅Ｗ３を狭くしてたわみ変形し易くしている点で異なる。
【００６９】
また、図１６（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、第２変形例の第４水晶フレーム２０Ｃ”は、第４ＡＴ振動片２１Ｃ”の両端の接続部分２８Ｃ”は貫通孔が形成されておりたわみ変形し易くしている。貫通孔の代わりに溝部が形成されていてもよい。
【００７０】
第４ＡＴ振動片２１Ｃはフレーム部２２から両持ち梁の状態で一体に形成されている。この第４ＡＴ振動片２１Ｃはリッドの薄い天板部１３（図１４）の変形を受け易いようにしなければならない。このため、図１４で示されたように、接続部分２８Ｃの肉厚を薄くして幅Ｗ３を狭くしたり、貫通孔を空けたりしていろいろな組み合わせを試みて、薄肉部２９の周囲を柱状部材１６が押すに適した形状にしてもよい。
【００７１】
＜＜第５実施形態＞＞
＜第５水晶振動デバイス９０Ｄの構成＞
図１７は表面実装（ＳＭＤ）タイプの第５水晶振動デバイス９０Ｄを第５ベース３０Ｄのベース部側から見た図である。第５水晶振動デバイス９０Ｄは図１７に示されるように第５リッド１０Ｄと、第５水晶フレーム２０Ｄと、第５ベース３０Ｄとの３層で形成されている。
【００７２】
第５水晶フレーム２０Ｄの第５ＡＴ振動片２１Ｄはフレーム部２２の片側から片持ち梁の状態で一体に形成されている。第５ＡＴ振動片２１Ｄはその中間部に薄肉部２９を有し、その片端でフレーム部２２と接続している接続部分２８Ｄはたわみ変形し易く幅が細くなっている。この薄肉部２９に図示されない励振電極が形成されており、この励振電極により所定の周波数で振動する。
【００７３】
また第５リッド１０Ｄは枠部１２と天板部１３とを有している。この第５リッド１０Ｄは第３実施形態で説明した第３ＡＴ振動片２１Ｂと同じ構造である。
第５ベース３０Ｄは図５で示されたベース３０と略同じ形状であり、ベース凹部３２（図１８参照）にベース柱状部材３７が形成されている点である。このベース柱状部材３７は第５ＡＴ振動片２１Ｄの先端に対応する位置に形成されている。
【００７４】
この第５水晶振動デバイス９０Ｄは、いわゆるシロキサン結合によって第５水晶フレーム２０Ｄのフレーム部２２に第５リッド１０Ｄと第５ベース３０Ｄとが結合される。また、天板部１３には柱状部材１６は第５ＡＴ振動片２１Ｄの薄肉部２９の周囲にシロキサン結合する。第５ベース３０Ｄのベース柱状部材３７は第５水晶振動デバイス９０Ｄの先端にシロキサン結合する。このため、片持ち梁の状態の第５ＡＴ振動片２１Ｄが両持ち梁の状態になる。
なお、第５ＡＴ振動片２１Ｄが両持ち梁の状態になればよく、ベース柱状部材３７が長くなり第５ＡＴ振動片２１Ｄの先端がＺ方向に反った状態にしてもよい。
【００７５】
＜第５水晶振動デバイス９０Ｄの外気圧による動作＞
図１８は圧力センサとして利用する図１７で示された第５水晶振動デバイス９０Ｄの概略断面図を示している。所定圧の不活性ガス中で封止した第５水晶振動デバイス９０Ｄは所定圧の外気中（気圧ＰＯ２）に置かれると、図１８（ａ）に示されるように、天板部１３が、気圧ＰＯ２と内部圧ＰＩとにより均衡を保っている。
【００７６】
第５水晶振動デバイス９０Ｄが内部圧ＰＩより低い気圧ＰＯ３に置かれると、図１８（ｂ）に示されるように天板部１３が外側（凸方向）へ変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第５ＡＴ振動片２１Ｄの中間が柱状部材１６に引っ張り上げられるような力が働く。すると、第５ＡＴ振動片２１Ｄの周波数に変化が生じる。
【００７７】
第５水晶振動デバイス９０Ｄが高い気圧ＰＯ１に置かれると、図１８（ｃ）に示されるように、天板部１３が内側に向けて変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第５ＡＴ振動片２１Ｄの中間が柱状部材１６で下に押されるような力が働く。すると、第５ＡＴ振動片２１Ｄの周波数に変化が生じる。このように、第５実施形態では第３実施形態と同じように、薄肉部２９の周囲を柱状部材１６が押すため微小な圧力変化にも第５ＡＴ振動片２１Ｄの周波数に変化が生じる。
【００７８】
＜＜第６実施形態＞＞
＜第６水晶振動デバイス９０Ｅの構成及び動作＞
図１９は圧力センサとして利用する第６水晶振動デバイス９０Ｅの概略断面図を示している。
第６水晶振動デバイス９０Ｅは第６リッド１０Ｅと、第６水晶フレーム２０Ｅと、第６ベース３０Ｅとの３層で形成されている。この第６リッド１０Ｅは第３実施形態で説明した第３ＡＴ振動片２１Ｃ（図１４参照）と同じ構造である。第６水晶フレーム２０Ｅの第６ＡＴ振動片２１Ｅは第５実施形態の第５ＡＴ振動片２１Ｄと同じ構造である。第６ベース３０Ｅは第５実施形態の第５ベース３０Ｄとほぼ同じであるが、第６ベース３０Ｅに形成された第６ベース柱状部材３７Ｅは、第５ベース３０Ｄのベース柱状部材３７と比べて長さが短い点で異なっている。後述するが圧力センサの用途によって、第６ベース柱状部材３７Ｅの長さが決定される。
【００７９】
この第６水晶振動デバイス９０Ｅは、いわゆるシロキサン結合によって第６水晶フレーム２０Ｅのフレーム部２２に第６リッド１０Ｅと第６ベース３０Ｅとが結合される。また、天板部１３には柱状部材１６は第６ＡＴ振動片２１Ｅの薄肉部２９の周囲にシロキサン結合する。しかし、第６ベース３０Ｅの第６ベース柱状部材３７Ｅは第６水晶振動デバイス９０Ｅの先端に結合しない。このため、第６ＡＴ振動片２１Ｅは片持ち梁の状態のままである。
【００８０】
次に第６水晶振動デバイス９０Ｅの動作について説明する。
図１９（ａ）に示されように、所定圧の不活性ガス中で封止した第６水晶振動デバイス９０Ｅは所定圧の外気中（気圧ＰＯ２）に置かれると、天板部１３が、気圧ＰＯ２と内部圧ＰＩとにより均衡を保っている。
【００８１】
第６水晶振動デバイス９０Ｅが内部圧ＰＩより低い気圧ＰＯ３に置かれると、図１９（ｂ）に示されるように天板部１３が外側（凸方向）へ変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第６ＡＴ振動片２１Ｅの中間が柱状部材１６に引っ張り上げられるような力が働く。すると、第６ＡＴ振動片２１Ｅの周波数に変化が生じる。なお、第６ＡＴ振動片２１Ｅが柱状部材１６に引っ張られる状態は、図１３（ｂ）で示された第３ＡＴ振動片２１Ｂのような、片持ち梁と似た変形状態になる。
【００８２】
第６水晶振動デバイス９０Ｅが内部圧ＰＩより高い気圧ＰＯ１に置かれると、図１９（ｃ）に示されるように、天板部１３が内側に向けて変形する。このとき矢印ＲＦで示されるように、第６ＡＴ振動片２１Ｅの中間が柱状部材１６で下に押されるような力が働く。すると、第６ＡＴ振動片２１Ｅが徐々に変形して行き周波数に変化が生じる。さらに第６ＡＴ振動片２１Ｅが変形すると第６ベース柱状部材３７Ｅに接して、第６ＡＴ振動片２１Ｅが両持ち梁の状態になる。さらに柱状部材１６が第６ＡＴ振動片２１Ｅを押すと、第６ＡＴ振動片２１Ｅの中間が凹むように変形し周波数に変化が生じる。このように第６ＡＴ振動片２１Ｅが第６ベース柱状部材３７Ｅに接した時点で周波数の変調傾向が変わる。この周波数の変調傾向で圧力センサは圧力を計測することができる。
【００８３】
例えば、空気圧が２気圧のタイヤの圧力センサとして第６ＡＴ振動片２１Ｅが使用され、３気圧になったら圧力センサが信号を出す場合を想定する。第６ベース柱状部材３７Ｅの長さを変えて、気圧ＰＯ１が３気圧のときに第６ＡＴ振動片２１Ｅが第６ベース柱状部材３７Ｅに接するようにする。すると気圧ＰＯ１が３気圧になって周波数の変調傾向が変わる。第６実施形態では第６ベース柱状部材３７Ｅの長さを変えることで特定の圧力を計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。柱状部材は矩形断面の棒形状であったが円形断面でもよく、リッド又はベースと振動片とが結合できればその形状は限定されない。また、例えば、上記実施形態では広く使われているＡＴカットの水晶振動片で説明したがＡＴカットの水晶振動片の代わりに、ＢＴカットなど他の角度で切り出した水晶振動片でも同様に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】圧力センサ１００の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の水晶振動デバイス９０の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は、リッド１０を裏面から見た図である。  （ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】水晶フレーム２０の構成を示す図である。
【図５】（ａ）は、ベース３０を表面側から見た図である。  （ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】水晶振動デバイス９０の製造時の概念図である。
【図７】気圧変化による水晶振動デバイス９０の変化を示す断面図である。
【図８】気圧と水晶振動デバイス９０の周波数との関係を示されたグラフである。
【図９】表面実装（ＳＭＤ）タイプの第２水晶振動デバイス９０Ａをベース３０部側からみた図である。
【図１０】第２水晶フレーム２０Ａの構成を示す図である。  （ａ）はリッド側から見た平面図である。  （ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】表面実装（ＳＭＤ）タイプの第３水晶振動デバイス９０Ｂをベース３０のベース部側からみた図である。
【図１２】第３水晶フレーム２０Ｂ’の構成を示す図である。  （ａ）はリッド側から見た平面図である。  （ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図１３】圧力センサとして利用する図１１で示された第３水晶振動デバイス９０Ｂの概略断面図を示している。
【図１４】表面実装（ＳＭＤ）タイプの第４水晶振動デバイス９０Ｃをベース３０のベース部側から見た図である。
【図１５】圧力センサとして利用する図１４で示された第４水晶振動デバイス９０Ｃの概略断面図を示している。
【図１６】第４水晶フレーム２０Ｃの第１変形例及び第２変形例の構成を示す図である。  （ａ）は第１変形例をリッド側から見た平面図である。  （ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。  （ｃ）は第２変形例をリッド側から見た平面図である。  （ｄ）は（ｃ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図１７】表面実装（ＳＭＤ）タイプの第５水晶振動デバイス９０Ｄを第５ベース３０Ｄのベース部側から見た図である。
【図１８】圧力センサとして利用する図１７で示された第５水晶振動デバイス９０Ｄの概略断面図を示している。
【図１９】圧力センサとして利用する第６水晶振動デバイス９０Ｅの概略断面図を示している。
【符号の説明】
【００８６】
１０、１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ    …  リッド、第１リッド、第２リッド、第３リッド
１１    …  空間部、１２    …  枠部、１３    …  天板部
１５、１６    …  柱状部材
２０、２０Ａ，２０Ｂ、２０Ｃ    …  水晶フレーム、第１水晶フレーム、第２水晶フレーム、第３水晶フレーム
２１    …  音叉型水晶振動片
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ    …  第１ＡＴ振動片、第２ＡＴ振動片、第３ＡＴ振動片
２２    …  フレーム部
２３    …  基部、２４    …  振動腕
２５    …  支持腕、２６    …  接続部、２７    …  溝部
２８    …  接続部分、２９    …  薄肉部
３０、３０Ｃ    …  ベース、第３ベース  
３２    …  ベース凹部
３３    …  第１スルーホール、３４    …  第２スルーホール
３７    …  ベース柱状部材
４０    …  錘金属膜
４１    …  第１基部電極、５２    …  第２基部電極
４３    …  第１励振電極、５４    …  第２励振電極
４５    …  接続金属膜
４６    …  第１接続電極、４７    …  第２接続電極
４８    …  第１外部電極、４９    …  第２外部電極
５０    …  周波数計測回路
５１    …  第１基部電極、５２    …  第２基部電極
５３    …  第１励振電極、５４    …  第２励振電極
６０    …  記憶部
９０，９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ    …  水晶振動デバイス
１００  …  圧力センサ
ＰＩ    …  内部圧
ＰＯ    …  外気圧
ＬＷ    …  リッド用の水晶ウエハ、ＶＷ    …  振動片用の水晶ウエハ、ＢＷ    …  ベース用の水晶ウエハ
【図１】
2010025786.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010025786.tif 000005
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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