(57)【要約】【課題】周波数温度特性の影響を抑えた圧力検出を行うことができる感圧素子を提供すること。【解決手段】弾性部材１１に凹部２２を形成し、この開口領域２２Ａとは反対側の薄肉領域２２Ｂをダイヤフラムとし、各々前記開口領域２２Ａを跨ぐように第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂを、前記ダイヤフラムに曲げ応力が加わったときに前記開口領域２２Ａが広がることにより引張り応力が作用するように、弾性的な境界領域を介して互いに前記凹部２２の開口面に沿って離間して設ける。これら水晶振動子３Ａ，３Ｂは、その引張り応力に応じた周波数を出力すると共に、各々互いに異なる周波数で発振するように構成されており、引張り応力が作用したときに各々取り出される互いの発振周波数の差分に基づいて測定雰囲気の圧力を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性部材に形成された凹部の開口領域とは反対側の薄肉領域をなすダイヤフラムと、
各々前記開口領域を跨ぐように設けられ、前記ダイヤフラムに曲げ応力が加わったときに前記開口領域が広がることにより引張り応力が作用し、その引張り応力に応じた周波数を出力すると共に、各々互いに異なる周波数で発振するように構成された第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子と、を備え、
これら第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、互いの発振周波数の差分に基づいて測定雰囲気の圧力を検出するために、弾性的な境界領域を介して互いに前記凹部の開口面に沿って離間して配置されることを特徴とする感圧素子。
【請求項２】
前記第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、前記開口領域が広がることにより引張り応力が作用する方向を長手方向とする短冊状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の感圧素子。
【請求項３】
第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、振動領域が非振動領域を介して長手方向に複数に分割されて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の感圧素子。
【請求項４】
前記弾性的な境界領域は空間であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の感圧素子。
【請求項５】
第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の一端側同士を連結する連結部と、
第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の他端側同士を連結する連結部と、を備え、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、弾性的な境界領域を形成するように前記連結部に固定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の感圧素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を含んだ感圧素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子を利用した圧力センサとしては、水晶をＸＹカットにより切断した音叉型水晶振動子を用いたタイプや、Ｘカットの水晶振動子を備えた気圧計、ＳＢＴＣカットの水晶振動子を利用した石油探査用の圧力センサ等が知られている。しかしながらこれらの圧力センサに用いられる水晶振動子の周波数温度曲線は負の二次曲線となり、温度に対する発振周波数の変化幅が大きく、温度に対する周波数安定性が問題となることから、常温付近で周波数温度特性がほぼゼロとなるＡＴカットの水晶振動子を用いた圧力センサの開発が要請されている。
【０００３】
ところで特許文献１には、厚みすべり振動モードで発振する双音叉型水晶振動子を用いた感圧素子が提案されている。この感圧素子は、双音叉型水晶振動子の厚さ方向に加えられた曲げ応力を、当該水晶振動子の軸方向へ伸長させる引張り応力に変換し、この引張り応力に基づいて圧力を検出するように構成されている。
【０００４】
しかしながらこの感圧素子では良好な周波数温度特性を得ることについては想定されておらず、測定温度に応じて発振周波数が変化してしまうことから、精度の高い圧力検出は困難であり、特許文献１によっても本発明の課題を解決することはできない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７０２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、周波数温度特性の影響を抑えた圧力検出を行うことができる感圧素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため本発明は、弾性部材に形成された凹部の開口領域とは反対側の薄肉領域をなすダイヤフラムと、
各々前記開口領域を跨ぐように設けられ、前記ダイヤフラムに曲げ応力が加わったときに前記開口領域が広がることにより引張り応力が作用し、その引張り応力に応じた周波数を出力すると共に、各々互いに異なる周波数で発振するように構成された第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子と、を備え、
これら第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、互いの発振周波数の差分に基づいて測定雰囲気の圧力を検出するために、弾性的な境界領域を介して互いに前記凹部の開口面に沿って離間して配置されることを特徴とする。
【０００８】
前記第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、前記開口領域が広がることにより引張り応力が作用する方向を長手方向とする短冊状に形成されることが好ましい。また第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、振動領域が非振動領域を介して長手方向に複数に分割されているものであってもよい。
【０００９】
前記弾性的な境界領域は空間とすることができ、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の一端側同士を連結する連結部と、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の他端側同士を連結する連結部と、を備え、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、弾性的な境界領域を形成するように前記連結部に固定されるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、感圧素子に、その引張り応力に応じた周波数を出力すると共に、各々互いに異なる周波数で発振するように構成された第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子を設け、同じ測定温度においてこれらから発振周波数を取りし、互いの発振周波数の差分に基づいて測定雰囲気の圧力を検出している。このように両者の発振周波数の差分をとることにより、測定温度の変化による周波数の変化分が相殺され、周波数温度特性の影響を抑えることができるので、信頼性の高い圧力検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第１の実施の形態に係る感圧素子１について、その縦断側面を示した図１を参照しながら説明する。この感圧素子１は、弾性部材１１、スペーサー１２、ベース１３が図中上側から下側に向けてこの順に積層されて構成されている。これら弾性部材１１、スぺーサー１２及びベース１３は、この例では弾性部材として水晶を用いて形成されている。また感圧素子１の内部には、スぺーサー１２からベース１３に亘って形成された第１の凹部２１と、弾性部材１１の裏面側に形成された第２の凹部２２とにより気密空間２０が形成されており、気密空間２０内には水晶振動子ユニット３が設けられている。
【００１２】
弾性部材１１の表面１４（図中上側）は測定雰囲気Ｓ１に面し、弾性部材１１は後述するようにその測定雰囲気Ｓ１の圧力に応じて変形する。図２は弾性部材１１をその裏面側から見た様子を示したものである。前記第２の凹部２２は弾性部材１１の裏面１５の中央側に形成されており、例えば図１に示すようにその縦断面形状は下側が広がる台形状に形成されている。またこの凹部２２においては、その下側の開口領域２２Ａに対向する領域はダイヤフラムをなす薄肉領域２２Ｂとして構成されており、この例では開口領域２２Ａと薄肉領域２２Ｂとは共に平面形状が四角形状に形成されている。
【００１３】
水晶振動子ユニット３は、例えば図２にその底面図、図３にその斜視図を示すように、第１の振動領域を構成する第１の水晶振動子３Ａ及び、第２の振動領域を構成する第２の水晶振動子３Ｂを備えている。これら水晶振動子３Ａ，３Ｂは夫々同様に構成されているので、一方の水晶振動子３Ａを例にしてその構造について説明する。水晶振動子３Ａ（３Ｂ）は、ＡＴカットされた短冊状の水晶片３１Ａ（３１Ｂ）を備え、この水晶片３１Ａ（３１Ｂ）は、その長手方向（図３中Ｘ方向）が水晶の結晶軸のＸ軸方向に揃うように形成されている。
【００１４】
この水晶片３１Ａ（３１Ｂ）の表面及び裏面の中央部には、当該水晶片３１Ａ（３１Ｂ）を励振させるための励振電極３２Ａ，３３Ａ（３２Ｂ，３３Ｂ）が設けられている。また表面側の励振電極３２Ａ（３２Ｂ）には、水晶片３１の長手方向の一方側の周縁に向かって引き出されるように引き出し電極３４Ａ（３４Ｂ）が接続されると共に、裏面側の励振電極３３Ａ（３３Ｂ）には、その長手方向の他方側の周縁に向かって引き出されるように引き出し電極３５Ａ（３５Ｂ）が接続されている。これら表面側の励振電極３２Ａ（３２Ｂ）及び引き出し電極３４Ａ（３４Ｂ）、裏面側の励振電極３３Ａ（３３Ｂ）及び引き出し電極３５Ａ（３５Ｂ）は夫々一体的に形成されており、これら電極は例えばクロム（Ｃｒ）及び金（Ａｕ）の積層膜により形成されている。また水晶片３１Ａ（３１Ｂ）の表面、裏面でそれぞれ引き出し電極の形成された向きが異なることを除き、各電極は同様のレイアウトで形成されている。なお図では、各電極は１層の金属膜のように示しているが、実際には水晶と接合性の高いＣｒ膜が水晶の表面に設けられ、その上にＡｕ膜が積層されている。後述する各配線もこのような積層構造となっているが、各図では便宜上一層の膜のように示す。
【００１５】
他方の水晶振動子３Ｂは、例えば水晶振動子３Ａを取得するウエハと同一のウエハから得たものが用いられる。水晶振動子３Ａ，３Ｂは設計上同一寸法に形成され、励振電極３２Ａ，３２Ｂについても同一の大きさであって同一の膜厚に形成されるが、寸法や膜厚は完全に同一になるものではなく、微小ながら差が生じることから、例えばメガヘルツオーダの水晶振動子であれば、互いの周波数差は例えば数百〜数千ヘルツの差異が生じる。
【００１６】
これら水晶振動子３Ａ，３Ｂは、夫々の長手方向が互いに平行になるように、所定空間をなす溝部３６を介して並ぶように配列され、その長手方向の両端側は夫々連結部材３０Ａ，３０Ｂに例えば接着剤により固着されている。前記溝部３６は、第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂの間に弾性的な境界領域を形成するものである。
【００１７】
前記連結部材３０Ａ，３０Ｂは例えば水晶やガラス等の誘電体材料より構成され、こうして２つの水晶振動子３Ａ，３Ｂが互いに絶縁された状態で一体化された水晶振動子ユニット３が形成される。このような水晶振動子ユニット３では、第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂは、互いに独立して振動し、これらの間に形成された境界領域としての溝部３６により弾性波の伝播が止められる。
【００１８】
この水晶振動子ユニット３は、例えば水晶振動子３Ａ，３Ｂが第２の凹部２２の開口領域２２Ａ内に位置するように、連結部材３０Ａ，３０Ｂの上面が第２の凹部２２の外側領域にて弾性部材１１の下面に固着されている。こうして第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂは、弾性的な境界領域を介して互いに前記第２の凹部２２の開口面に沿って離間して配置されることになる。
【００１９】
一方弾性部材１１の裏面側には、当該弾性部材１１の長さ方向の両端部から凹部２２の若干手前に向かって夫々伸びる４本の配線１７（１７Ａ，１７Ｂ），１８（１８Ａ，１８Ｂ）が形成されている。これら配線１７，１８は例えばＣｒ及びＡｕの積層膜により形成されている。そして銀ペースト３７Ａ，３７Ｂにより引き出し電極３４Ａ，３４Ｂと配線１７Ａ，１７Ｂとが夫々電気的に接続されると共に、銀ペースト３８Ａ，３８Ｂにより引き出し電極３５Ａ，３５Ｂと配線１８Ａ，１８Ｂとが電気的に接続されている。
【００２０】
前記スぺーサー１２は扁平なリング状に形成され、水晶振動子ユニット３を収納できるように気密空間２０の大きさを調整するために設けられており、前記気密空間２０を構成する貫通孔２３を備えている。またベース１３には上方側が開口して前記貫通孔２３に接続される凹部２４が形成され、この凹部２４と前記貫通孔２３とにより前記第１の凹部２１が形成されている。このベース１３を介して感圧素子１は例えばプリント基板や取り付け金具などに固定されて使用される。なお、感圧素子１が取り付けられる方向としては、図１のようにベース１３が下側、弾性部材１１が上側になることに限られず、例えば弾性部材１１が下側、ベース１２が上側になっていてもよく、弾性部材１１について重力が作用する方向と測定雰囲気Ｓ１からの圧力を受ける方向とが一致することに限られない。
【００２１】
前記配線１７Ａ，１８Ａは夫々信号線４０ａ，４０ｂを介して、配線１７Ａ，１８Ｂは夫々信号線４０ｃ，４０ｄを介して検出部４に接続されている。この検出部４について図４を用いて説明する。図４中４１Ａ，４１Ｂは、第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂから各々発振周波数を取り出すために、これら第１及び第２の水晶振動子３Ａ、３Ｂに対して直列に接続されたコルピッツ型の発振回路である。
【００２２】
前記第１及び第２の発振回路４１Ａ，４１Ｂはスイッチ部４２を介して測定回路部４３に接続されている。この測定回路部４３は例えば入力信号である周波数信号をディジタル処理して各水晶振動子３Ａ，３Ｂの発振周波数を測定する役割を果たす。また前記スイッチ部４２は、各水晶振動子３Ａ，３Ｂの発振周波数を並行して求めるために、２つの発振回路４１Ａ，４１Ｂからの周波数信号を時分割して取り込む役割を果たす。
【００２３】
さらに検出部４は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）５１、データ処理プログラム５２を格納した記憶手段、第１のメモリ５３、第２のメモリ５４、圧力検出プログラム５５及び既述の測定回路部４３がデータバス５を介して互いに接続された構成となっている。更にデータバス５には、モニタ等の表示部５６やキーボード等の入力手段５７が接続され、また図４には示していないが、検出部４はパーソナルコンピュータ等に接続された構成となっている。
【００２４】
データ処理プログラム５２は測定回路部４３から出力される信号に基づいて各水晶振動子３Ａ，３Ｂの発振周波数に係わる時系列データを取得し、第１のメモリ５３に格納する役割を果たす。またこのデータ取得動作と同時に、同一の時間帯における第１の水晶振動子３Ａから取得した第１の発振周波数Ｆ１、第２の水晶振動子３Ｂから取得した第２の発振周波数Ｆ２の各時系列データの差分「Ｆ１−Ｆ２」を夫々演算し、当該差分データの時系列データを取得して第２のメモリ５４に格納する機能も備えている。またユーザの選択に応じてこれらのデータを表示部５６に表示することができるようにも構成されている。これらの機能を実現するＣＰＵ５１やデータ処理プログラム５２及び各メモリ５３，５４は発振周波数を測定する手段を成している。
【００２５】
また圧力検出プログラム５５は、予め第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２の差分データ「Ｆ１−Ｆ２」の変化量と、圧力の値との相関関係を予め取得して第３のメモリに格納しておき、圧力測定時に得られる第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２の差分データ「Ｆ１−Ｆ２」に基づいてこの第３のメモリから、この差分データ「Ｆ１−Ｆ２」に対応する圧力値を読み出して、圧力の検出値を決定する手段である。そしてこのデータが圧力値として表示部５６に表示される。
【００２６】
続いて本発明の感圧素子１の作用について説明する。測定雰囲気Ｓ１の圧力が変化すると、弾性部材１１においてその厚さ方向に加わる圧力（曲げ応力）が変化し、圧力が高いほど弾性部材１１の中央部が周縁部に対してへこむように歪む。図５は図１の状態に比べて測定雰囲気Ｓ１の圧力が高い状態を示している。この弾性部材１１の中央部がへこむと、第２の凹部２２の開口領域２２Ａが外方へ向かって広げられ、この弾性部材１１のへこみ（曲げ量）が大きくなるほど、前記開口領域２２Ａの広がりが大きくなる。
【００２７】
そして水晶振動子ユニット３は前記開口領域２２Ａにその長手方向（図５Ｘ方向）の両端部である連結部材３０Ａ，３０Ｂが固着されているので、前記開口領域２２Ａが広がるほど、図中矢印で示すように水晶振動子ユニット３の長手方向に作用する引張り応力が大きくなる。前記第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂは、その引張り応力に応じて水晶振動子３Ａの発振周波数（固有振動数）が変化する。そして検出部４において、既述のように発振周波数の変化量に基づいて測定雰囲気Ｓ１の圧力値を求める。
【００２８】
続いて圧力の検出方法について具体的に説明する。既述のように第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂは、夫々引張り応力に応じて発振周波数が変化し、このときの発振周波数の変化量と引張り応力とは比例関係にある。従って引張り応力を水晶振動子３Ａ，３Ｂに作用する圧力に換算することにより、発振周波数の変化量と圧力との比例関係を求めることができる。また水晶振動子３Ａ，３Ｂは、その周波数温度特性がほぼ同じであるが、各々の発振周波数の変化量と圧力との比例係数が異なる水晶片３０Ａ，３０Ｂを用いて構成されている。このため第１の水晶振動子３Ａの発振周波数Ｆ１（以下第１の発振周波数Ｆ１という）と第２の水晶振動子３Ｂの発振周波数Ｆ２（以下第２の発振周波数Ｆ２という）の差分データ「Ｆ１―Ｆ２」の変化量と圧力とは互いに対応し、両者は比例関係を有する。
【００２９】
本発明では、この第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２の差分データの変化量と圧力との関係に基づいて圧力を検出しているので、予め基準温度例えば２５℃における第１及び第２の発振周波数Ｆ１、Ｆ２を把握して前記差分データの変化量と圧力との相関関係（検量線）を取得し、第３のメモリに格納しておく。ここで差分データの変化量とは、第１の水晶振動子３Ａの固有振動数と第２の水晶振動子３Ｂの固有振動数との差分を基準データとした場合における、この基準値からの変化量をいう。
【００３０】
そして感圧素子１を圧力を測定しようとする測定雰囲気Ｓ１に配置すると、各第１の発振回路４１Ａ及び第２の発振回路４１Ｂが夫々発振を開始する。このとき第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂから夫々出力される周波数信号は、スイッチ部４２を介して順次測定回路部４３に取り込まれ、Ａ／Ｄ変換された後、各ディジタル値が信号処理されて、これら２つの水晶振動子３Ａ，３Ｂの周波数信号から夫々第１の発振周波数Ｆ１及び第２の発振周波数Ｆ２が取り出され、これらの周波数をほぼ同時に、第１のメモリ５３に記憶する動作を継続する。
【００３１】
またこの間、測定雰囲気Ｓ１の温度が変化した場合には、第１及び第２の発振周波数Ｆ１，Ｆ２の値は、当該温度変化に合わせて上昇し、または低下することになる。このようにして各第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂから出力された周波数の時系列データは第１のメモリ５３に記憶されると共に、これら第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２との差分が演算され、これら差分の時系列データが第２のメモリ５４に記憶される。差分の周波数は、第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂの周波数を順次取り込むタイミングの中で求めるようにしてもよく、例えば第１の発振周波数Ｆ１を取り込み、次いで第２の発振周波数Ｆ２を取り込んだ後、第２の発振周波数Ｆ２から第１の発振周波数Ｆ１を差し引いて、その差分を第２のメモリ５４に書き込むといった手法でもよいし、各水晶振動子３，３Ｂの周波数の時系列データを取得した後、これらデータの時間軸に合わせて、差分の時系列データを作成してもよい。
【００３２】
こうした一連の動作の過程で周囲の温度が変化して各水晶振動子３Ａ，３Ｂからの周波数Ｆ１，Ｆ２が変化する場合であっても、これら水晶振動子３Ａ，３Ｂはその周波数温度特性が似通っている水晶片３０Ａ，３０Ｂを用いて構成されているので、これらの周波数の差分をとることにより、温度変化の影響がほぼ相殺される。こうして第２のメモリ５４に記憶されている差分データにおける周波数の変化は、水晶振動子ユニット３に作用する圧力のみに起因するものであるとみなせる。
【００３３】
そして圧力検出プログラム５５により、前記差分データにおける前記基準データからの変化量を求め、この差分データの変化量に基づいて、第３のメモリ内の差分データの変化量と圧力との関係式（検量線）を用いて、測定雰囲気Ｓ１の圧力を求める。なお差分データの変化量の決定や検量線を用いた測定雰囲気Ｓ１の圧力の決定は、ユーザが例えば表示部５６に表示されたデータを読み取って行ってもよい。
【００３４】
本発明によれば、周波数温度特性がほぼ同じである第１の水晶振動子３Ａと第２の水晶振動子３Ｂとを、互いに絶縁した状態で一体化した水晶振動子ユニット３を用い、これら第１の水晶振動子３Ａの発振周波数Ｆ１と第２の水晶振動子３Ｂの発振周波数Ｆ２との差分データ「Ｆ１−Ｆ２」を取得し、この差分データ「Ｆ１−Ｆ２」の変化量に基づいて圧力を検出している。これにより温度変化に伴う周波数の変化量については、両者の発振周波数の差分を取ることによりほぼ相殺することができる。このため圧力検出プログラム５５にて処理される周波数変化分は、圧力の大きさによる周波数変化分とみなすことができるので、測定温度の影響が少ない、信頼性の高い圧力検出を行うことができる。
【００３５】
また水晶振動子ユニット３では、引張り応力の作用方向が水晶の結晶軸であるＸ軸に揃うように構成されており、各水晶片３０Ａ，３０Ｂでは、Ｘ軸方向に力が作用すると、最も周波数の変化が大きくなることから、高い感度で圧力検出を行うことができる。
【００３６】
続いて本発明の感圧素子１の検出部６の他の構成例について図６を参照して説明する。この例の検出部６は、第１の発振回路４１Ａ及び第２の発振回路４１Ｂの後段に、これら発振回路４１Ａ，４１Ｂからの発振周波数の差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数取り出し手段をなす混合器であるヘテロダイン検波器６１を備えており、このヘテロダイン検波器６１の後段には、ローパスフィルタ６２、アンプ６３及び周波数信号（パルス）をカウントするカウンタ６４、データ処理部６５、圧力検出部６６が設けられている。
【００３７】
この例では、第１の発振回路４Ａの発振周波数と第２の発振回路４Ｂの発振周波数との差に相当する周波数の周波数信号がヘテロダイン検波器６１から取り出され、その周波数信号がローパスフィルタ６２を介してアンプ６３に入力され、ここで増幅されてカウンタ６４に入力される。カウンタ６４にて周波数信号がカウントされてデータ処理部６５にてその周波数が求められると共に、基準周波数とこの周波数との変化量が求められる。
【００３８】
前記圧力検出部６６には、第１の水晶振動子３Ａと第２の水晶振動子３Ｂとの発振周波数の差分データの変化量と圧力との検量線が格納されており、前記データ処理部６５にて求められた周波数の変化量に基づいて前記検量線により、圧力が求められる。
【００３９】
また本発明の水晶振動子ユニット７１は、図７のように構成してもよい。この水晶振動子ユニット７１における上述の水晶振動子ユニット３と同様の部分には同じ符号を付し、説明を省略する。この水晶振動子ユニット７１は、第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂにおける長手方向の途中の部分に補強材７２を備えた構成である。この補強材７２は誘電体や金属により構成され、例えば連結部材３０Ａ，３０Ｂと平行にこれらの間に設けられ、共通の補強材７２に第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂが取り付けられている。つまり補強材７２の左右に水晶振動子３Ａ及び水晶振動子３Ｂが例えば接着剤により固着されていて、前記励振電極３２Ａ，３２Ｂ（３３Ａ，３３Ｂ）は補強材７２の表面に亘って設けられている。その他の構成は上述の水晶振動子ユニット３と同様である。
【００４０】
このような構成の水晶振動子ユニット７１では、補強材７２により第１及び第２の水晶振動子３Ａ，３Ｂの強度が強化されているので、これら水晶振動子３Ａ，３Ｂに大きな引張り応力が作用しても、水晶片３０Ａ，３０Ｂの中間部において変形したり、破損したりすることが抑えられる。また補強材７２を設けたとしても、水晶片の振動は阻害されず、周波数信号の発振には問題がない。
【００４１】
また水晶振動子ユニット７３は図８に示すように構成してもよい。この水晶振動子ユニット７３は、一つの水晶片７４の中間に非振動領域をなす溝部７４ａを形成して、互いに弾性的に分離された２つの振動領域７５Ａ，７５Ｂを構成したものである。この溝部７４ａは弾性的な境界領域をなすものであり、振動領域の長さ方向の全体に亘って設けられており、この溝部７４ａにより、第１の発振周波数が取り出される第１の振動領域７５Ａ及び第２の発振周波数が取り出される第２の振動領域７５Ｂが形成されると共に、これらは互いに弾性波の伝播が止められ、互いに独立して振動する。この水晶振動子ユニット７３においても、第１及び第２の振動領域７５Ａ，７５Ｂの長手方向が、水晶の結晶軸のＸ軸に揃うように構成されている。また第１及び第２の振動領域７５Ａ，７５Ｂの表面には夫々励振電極７６Ａ，７６Ｂ及び引き出し電極７７Ａ，７７Ｂが形成されると共に、第１及び第２の振動領域７５Ａ，７５Ｂの裏面にも夫々図示しない励振電極及び引き出し電極が形成されている。前記第１及び第２の振動領域７５Ａ,７５Ｂでは、互いに発振周波数が異なる必要があるため、振動領域７５Ａ，７５Ｂの厚さや、励振電極７６Ａ，７６Ｂの厚さを変えることによって互いの発振周波数が同じにならないように調整される。その他の構成は上述の水晶振動子ユニット３と同様である。
【００４２】
このような構成の水晶振動子ユニット７３では、一つの水晶片７４を利用して２つの振動領域７５Ａ，７５Ｂが形成されているので、これら振動領域７５Ａ，７５Ｂでは周波数温度特性が同じになる。このため、第１及び第２の振動領域７５Ａ，７５Ｂの発振周波数の差分データをとることにより、温度変化による周波数変化分を確実に相殺でき、より精度の高い圧力検出を行うことができる。
【００４３】
さらに水晶振動子ユニット８は図９に示すように構成してもよい。この水晶振動子ユニット８は、４つの水晶振動子８１Ａ〜８１Ｄより構成されている。この例では、２つの水晶振動子８１Ａ，８１Ｂをその長手方向が図中Ｘ方向に向くように並べ、接合部材８０ａを介して互いに接合すると共に、２つの水晶振動子８１Ｃ，８１Ｄをその長さ方向が図中Ｘ方向に向くように並べ、例えば接合部材８０ｂを介して互いに接合している。これら水晶振動子８１Ａ〜８１Ｄはその長さ方向が、水晶の結晶軸のＸ軸に揃うように設けられ、水晶振動子８１Ａの接合部材８０ａ側が＋Ｘ軸、水晶振動子８１Ｂの接合部材８０ａ側が−Ｘ軸になり、水晶振動子８１Ｃの接合部材８０ｂ側が＋Ｘ軸、水晶振動子８１Ｄの接合部材８０ｂ側が−Ｘ軸になるように構成されている。
【００４４】
そしてこれら水晶振動子８１Ａと水晶振動子８１Ｃが共通の連結部材８５Ａに固定されると共に、水晶振動子８１Ｂと水晶振動子８１Ｄが共通の連結部材８５Ｂに固定されている。こうして水晶振動子８１Ａ，８１Ｂと水晶振動子８１Ｃ，８１Ｄとは、その長手方向において互いに平行に設けられ、これらの間にはその長手方向に亘って弾性的な境界領域をなす空間である溝部８２が形成される。前記接合部材８０ａ，８０ｂは例えば共晶合金により構成され、前記連結部材８５Ａ，８５Ｂは誘電体や金属により構成されている。
【００４５】
これら水晶振動子８１Ａ〜８１Ｄの両面には、夫々励振電極８２Ａ〜８２Ｄ及び引出電極８３Ａ〜８３Ｄ、８４Ａ〜８４Ｄ（裏面側の励振電極及び引出電極の一部は図示を省略する）が形成されている。この例では水晶振動子８１Ｂ（８１Ｄ）の引き出し電極８３Ｂ（８３Ｄ）は、接合部８０ａ（８０ｂ）の表面に亘って隣接する水晶振動子８１Ａ(８１Ｃ)まで伸び出し、この水晶振動子８１Ａ(８１Ｃ)の励振電極８２Ａ(８２Ｃ)に接続されている。裏面側については図示していないが、表面側と同様に構成されている。そして引き出し電極８３Ａ、８３Ｃは、既述の配線１７Ａ，１７Ｂ，１８Ａ，１８Ｂ（図示を省略する）及び信号線４０ａ〜４０ｄを介して既述の検出部４に接続されている。検出部４は図６のように構成してもよい。
【００４６】
このような水晶振動子ユニット８では、２つの水晶振動子８１Ａ，８１Ｂ（８１Ｃ，８１Ｄ）を長さ方向に並べて、その励振電極８２Ａ，８２Ｂ（８２Ｃ，８２Ｄ）同士を引き出し電極８３Ｂ(８３Ｄ)で接続することにより一方側の水晶振動子群を構成し、このような水晶振動子群を長手方向に互いに平行に配列している。
【００４７】
そして前記一方側の水晶振動子群（８１Ａと８１Ｂ）の周波数と、他方側の水晶振動子群（８１Ｃと８１Ｄ）の周波数との差分データを求め、この差分データに基づいて既述のように圧力が検出される。このように水晶振動子の数を後述する実施例からも明らかなように、引張り応力に対する周波数偏差（周波数の変化量）が大きくなるので、測定感度を向上させることができる。この実施の形態においては、水晶振動子の数は、４個に限られず、４個以上の偶数個であればよい。
【００４８】
以上において、水晶振動子としては周波数温度特性が良好なことからＡＴカットされた水晶振動子を用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。また形状しても短冊状のものに限られず、例えば双音叉型水晶振動子を用いるようにしてもよいし、励振電極の形状も上述の例には限られない。
【実施例】
【００４９】
Ａ．実施例１
図３の構成の水晶振動子ユニット３を用いて、第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂの周波数温度特性を、水晶のＸ軸方向に加重を与えない場合と、１ｋｇの加重を与えた場合について調べた。このとき第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂは、基準温度２５℃における発振周波数が以下のように設定されたものを用いた。
【００５０】
第１の水晶振動子の発振周波数Ｆ１：２０.０００ＭＨｚ
第２の水晶振動子の発振周波数Ｆ２：２０.１００ＭＨｚ
周波数差ΔＦ＝｜Ｆ１−Ｆ２｜＝１００ＫＨｚ
この結果を加重を与えない場合を図１０に、荷重を与えた場合を図１１に夫々示す。図中横軸は水晶振動子ユニット３が置かれている雰囲気の温度を示し、縦軸は基準温度２５℃に対して、周囲の温度を変化させたときの発振周波数の変化量を、基準温度における発振周波数に対する百万分率（ｐｐｍ）で表示した結果（以下、周波数変化率という）を示している。各図中、第１の発振周波数の周波数変化率を◆でプロットし、第２の発振周波数を■でプロットしてある。
【００５１】
図１０、図１１に示した結果によれば、加重を与えない場合、１ｋｇの加重を与えた場合は、いずれも第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２の周波数の周波数変化率は、温度変化に対して互いにほぼ一致する曲線を描いて変化した。これは、第１の発振周波数Ｆ１と第２の発振周波数Ｆ２とが、周囲の温度の変化に対してほぼ一致した周波数温度特性を有しており、これら差分データ「Ｆ１−Ｆ２」を求めることにより、互いの温度変化による周波数の変化分を相殺できることを意味している。
Ｂ．実施例２
１つの水晶振動子を用いて、当該水晶振動子のＸ軸方向に加重を与えたときの周波数変化率について調べた。このときの水晶振動子として、ＡＴカットの短冊状であって、基準温度２５℃における発振周波数が２０ＭＨｚのものを用い、その長さ方向（結晶のＸ軸方向）の大きさが７ｍｍ、その幅方向（結晶のＺ´軸方向）の大きさが５ｍｍとした。
【００５２】
この結果を図１２に示す。図中横軸は水晶振動子に与えられる加重、縦軸は加重を変化させたときの発振周波数の変化量を、基準温度における発振周波数に対する百万分率（ｐｐｍ）で表示した周波数変化率を示している。各図中、理論値を◆でプロットし、実測結果を■でプロットしてある。
【００５３】
ここで周波数の変化率（df/f）の理論値は、次式によって求めた。
【００５４】
df/f＝Kf（係数）×（加重）×（周波数定数）／(水晶振動子の厚さ)
この結果によれば、周波数変化率は力重の大きさに比例して増加することが認められた。なお理論値と実測値とでは誤差があるが、これは水晶片の寸法や形状、厚み等が若干異なるためと考えられる。
Ｃ．実施例３
図３に示す一対の水晶振動子３Ａ，３Ｂを用いて、これらの水晶振動子３Ａ，３ＢのＸ軸方向に加重を与えたときの周波数変化率について調べた。このときの水晶振動子として、ＡＴカットの長方形状であって、その長さ方向（結晶のＸ軸方向）の大きさが７ｍｍ、その幅方向（結晶のＺ´軸方向）の大きさが５ｍｍのものを用いた。このとき第１の水晶振動子３Ａ及び第２の水晶振動子３Ｂは、基準温度２５℃における発振周波数が以下のように設定されたものを用いた。
【００５５】
第１の水晶振動子の発振周波数Ｆ１：２０.０００ＭＨｚ
第２の水晶振動子の発振周波数Ｆ２：２０.１００ＭＨｚ
周波数差ΔＦ＝｜Ｆ１−Ｆ２｜＝１００ＫＨｚ
この結果を図１３に示す。図中横軸は水晶振動子に与えられる加重、縦軸は加重を変化させたときの発振周波数の変化量を、基準温度における発振周波数に対する百万分率（ｐｐｍ）で表示した周波数変化率を示している。図中、実施例３の実測結果を×でプロットし、実施例２の理論値を◆で、実施例の実測値を■で夫々プロットしてある。
【００５６】
この結果によれば、水晶振動子を２つにしても周波数変化率は加重の大きさに比例して増加すること、しかも水晶振動子が１つの場合よりも加重に対する周波数変化率が大きくなるということが認められ、水晶振動子を増やすことにより測定感度を向上できることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態の感圧素子を示す縦断側面図である。
【図２】前記感圧素子を構成する弾性部材を示す下面図である。
【図３】前記感圧素子に設けられる水晶振動子ユニットを示す概略斜視図である。
【図４】前記感圧素子に設けられる検出部の一例を示す構成図である。
【図５】前記感圧素子が変形する様子を示す縦断側面図である。
【図６】前記感圧素子に設けられる検出部の他の例を示す説明図である。
【図７】本発明の水晶振動子ユニットの他の例を示す平面図である。
【図８】本発明の水晶振動子ユニットのさらに他の例を示す概略斜視図である。
【図９】本発明の水晶振動子ユニットのさらに他の例を示す平面図である。
【図１０】温度に対する周波数変化率を示す特性図である。
【図１１】水晶振動子に加重を与えた場合の温度に対する周波数変化率を示す特性図である。
【図１２】水晶振動子に加重を与えた場合の周波数変化率を示す特性図である。
【図１３】水晶振動子に加重を与えた場合の周波数変化率を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５８】
１          感圧素子
１１        弾性部材
２２        第２の凹部
２２Ａ      開口領域
２２ｂ      ダイヤフラム
３Ａ，３Ｂ  水晶振動子
３０Ａ，３０Ｂ  連結部材
４，６      検出部
【図１】
2010151769.tif 000003
【図２】
2010151769.tif 000004
【図３】
2010151769.tif 000005
【図４】
2010151769.tif 000006
【図５】
2010151769.tif 000007
【図６】
2010151769.tif 000008
【図７】
2010151769.tif 000009
【図８】
2010151769.tif 000010
【図９】
2010151769.tif 000011
【図１０】
2010151769.tif 000012
【図１１】
2010151769.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010151769.tif 000019
【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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