(57)【要約】【課題】温度の影響を除去し、圧力測定精度を改善した低消費電流型の圧力検出ユニットを得る。【解決手段】圧力検出ユニット１は、一対の振動腕及び該一対の振動腕の両端部に夫々一体化された基部を有する第１の圧電振動片２０と、振動腕及び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片２５と、前記第１の圧電振動片２０の基部が接合される一対の支持部１３ａ、１３ｂを有するダイヤフラム１０と、前記ダイヤフラム１０と対向配置される基台１５と、を備えている。そして、前記第２の圧電振動片２５は、前記ダイヤフラム１０の厚み方向において前記第１の圧電振動片２０と重なり合わない位置に配置されている。【選択図】図１
2010175263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部と該振動部の両端に接続される一対の基部とを有する第１の圧電振動片と、
振動腕及び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片と、
前記第１の圧電振動片の基部が接合される一対の支持部を有するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと対向配置される基台と、を備え、
前記第２の圧電振動片は、前記ダイヤフラムの厚み方向において前記第１の圧電振動片
と接触しない位置に配置されていることを特徴とする圧力検出ユニット。
【請求項２】
振動部及び該振動部の両端部に夫々一体化された基部を有する第１の圧電振動片の前記
基部を支持片にて矩形状枠に連結した枠付第１の圧電振動片層と、
振動腕及び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片の前記基部
と矩形状枠の一辺が連結する枠付第２の圧電振動片層と、
前記第１圧電振動片の基部が接合される一対の支持部を有するダイヤフラム層と、
前記ダイヤフラム層と対向配置される基台層と、を備え、
前記ダイヤフラム層と前記基台層との間に、前記枠付第１の圧電振動片層と前記枠付第
２の圧電振動片とが配置され、
前記第２の圧電振動片が前記ダイヤフラム層の厚み方向において前記第１の圧電振動片及
び前記支持片と接触しない位置に配置されていることを特徴とする圧力検出ユニット。
【請求項３】
振動部及び該振動部の両端部に夫々一体化された基部を有する第１の圧電振動片の前記
基部を支持片にて矩形状枠に連結した枠付第１の圧電振動片層と、
振動腕及び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片の前記基部
と矩形状枠の一辺が連結する枠付第２の圧電振動片層と、
枠状のスペーサ層と、
前記第１の圧電振動片の基部が接合される一対の支持部を有するダイヤフラム層と、
前記ダイヤフラムと対向配置される基台層と、を備え、
前記ダイヤフラム層と前記基台層との間に、前記枠付第１の圧電振動片層と前記枠付第
２の圧電振動片層とが配置され、
前記スペーサ層が、前記枠付第１の圧電振動片層と前記枠付第２の圧電振動片層との間に
配置されていることを特徴とする圧力検出ユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧力検出ユニットにおいて、前記第１の圧電振動
片が双音叉型圧電振動素子であることを特徴とする圧力検出ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧力検出ユニットにおいて、前記振動部が、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検出ユニット。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧力検出ユニットと、応力検出回路と、を有し、
前記応力検出回路は、前記応力検出ユニットの第１の圧電振動片を動作させる第１の発
振回路と、前記第２の圧電振動片を動作させる第２の発振回路と、前記第１の発振回路か
ら出力される応力検出信号の周波数をカウントする第１の周波数カウンタと、前記第２の
発振回路から出力される温度検出信号の周波数をカウントする第２の周波数カウンタと、
前記第１の周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を、前記第２の周波数カウ
ンタから出力される周波数カウント信号により補正処理を行う処理回路と、を備えたこと
を特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧力検出ユニットと、応力検出回路と、を有し、
前記応力検出回路は、切換器を介して接続される第１の圧電振動片、又は第２の圧電振
動片を動作させる発振回路と、該発振回路から出力される第１の圧電振動片の出力信号、
又は第１の圧電振動片の出力信号の周波数をカウントする周波数カウンタと、該周波数カ
ウンタから出力される周波数カウント信号の補正処理を行う処理回路と、を備えたことを
特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出ユニット、及び圧力センサに関し、特に温度検出用の感温素子を内
蔵した圧力検出ユニットと、それを用いた圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子に加わる応力と共振周波数変化との関係を利用した圧力計が実用化されてい
る。圧電振動子に双音叉型圧電振動子を用いることにより、応力に対する感度が良好とな
り、僅かな圧力差から高度差、深度差を検知することができる。
特許文献１には、感圧素子として圧電振動片を用いた圧力検出ユニットが開示されてい
る。
【０００３】
図９（ａ）は圧力検出ユニットの側断面図、同図（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑにおける断
面図である。圧力検出ユニット６０は、ダイヤフラム６１と、該ダイヤフラム６１と対向
して設けられる基台７５と、感圧素子としての圧電振動片７０と、を備えた絶対圧計であ
る。
ダイヤフラム６１は、図９（ａ）の上方からの圧力を受けて変形する薄肉部６３と、該
薄肉部６３の周縁に形成される枠部６９と、を備えている。ダイヤフラム６１は、薄肉部
６３の一方の面に、圧電振動片７０を固定するための一対の支持部６５を有し、圧電振動
片７０はその両固定端を支持部６５により支持されている。また、薄肉部６３の他方の面
には、圧電振動片７０の振動部７２に対応する部位に、突出部６７が設けられている。薄
肉部６３の一部を厚肉化して突出部６７とすることにより、当該部分の変形を防ぐことが
でき、圧力が印加された時に、薄肉部６３の中心が圧電振動片７０に接触するとことを防
止することができる。
【０００４】
圧電振動片７０には、いわゆる双音叉型振動素子を用いている。双音叉型振動素子は、
両端部に固定端７１を有し、この２つの固定端７１の間に２つの振動ビームが形成されて
いる。双音叉型振動素子に引張り応力（伸長応力）あるいは圧縮応力を印加すると、その
共振周波数が印加する応力にほぼ比例して変化するという特性がある。
図９に示す圧力検出ユニット６０では、ダイヤフラム６１の薄肉部６３に形成された一
対の支持部６５の載置面６６に、双音叉型振動素子７０の両固定端７１が固定されている
。ダイヤフラム６１の上部に圧力が加わると、薄肉部６３に撓みが生じ、薄肉部６３は図
９（ａ）の下方へ変形する。支持部６５の載置面６６は薄肉部６３の変形状態に伴って傾
き、載置面６６は薄肉部６３の外側へ向けて傾く。このため、載置面６６間の間隔は大き
くなり、該載置面６６に固定された双音叉型振動素子７０の振動部７２には伸長応力が加
わる。
振動部７２に伸長応力が加わると双音叉型振動素子７０は、その共振周波数が増加する
。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応力
の変化を導き出すことで、ダイヤフラム６１に加わる圧力を検出することが可能となる。
【０００５】
しかし、双音叉型振動素子７０の周波数温度特性は、上に凸の二次特性を有するので、
温度変化が大きい環境で使用する場合には応力検出精度に誤差が生じるという問題があっ
た。特許文献２、３、４には、温度検出素子（感温素子）としてサーミスタ、又はトラン
ジスタを備え、その電気的特性の変化より温度を検出し、制御部にフィードバックする装
置が開示されている。
そこで、圧力検出ユニット６０に感温素子としてサーミスタ、又はトランジスタを設け
ることは容易に考えられる。
例えば、図１０に示す圧力センサのブロック図のように、温度センサ８２の出力をＡ／
Ｄコンバータ８５に接続し、該Ａ／Ｄコンバータ８５の出力を処理装置８６の一方の入力
に接続する。また、応力検出ユニット８１を発振回路８３に接続し、該発振回路８３の出
力を、周波数カウンタ８４を介して処理装置８６の他方の入力に接続する。処理装置８６
はＡ／Ｄコンバータ８５からの信号を演算して温度を求め、この温度に基づいて応力検出
ユニット８１の周波数温度特性を補正し、応力検出ユニット８１に加わった応力のみを高
精度に検出する。そして、ダイヤフラムの構造を加味してダイヤフラムに印加された圧力
を算出する。
【特許文献１】特開２００７−３２７９２２公報
【特許文献２】特開２００６−２８４３０１公報
【特許文献３】特開２００６−３２４６５２公報
【特許文献４】特開２００８−１１１７６１公報
【特許文献５】特公昭６１−２９６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１０に示したような感温素子（温度センサ）８２にアナログ方式、例えばサーミスタ
を用いた温度計の例が、特許文献５に開示されている。図１１に示すように、温度計９０
は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を用いてブリッジ回路を形成し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３と
の接続点と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ４との接点と、をＯＰアンプ９２の２つの入力に接続し、
その出力をＡ／Ｄ変換器９３の入力に接続する。Ａ／Ｄ変換器９３の出力を処理回路９４
で処理して温度を求める装置である。ここで、抵抗Ｒ３は可変抵抗器Ｒｖ３２とサーミス
タＴｈとの並列回路に、可変抵抗器Ｒｖ３１を直列接続した回路である。
しかしながら、サーミスタの温度−抵抗特性は指数関数的である共に、温度計測時には
、例えば電流源９１から電流を流す必要である。また、Ａ／Ｄコンバータは大きな電流を
消費する。例えば、サーミスを用いた温度センサでは約２００μＡの電流が、１２ビット
のＡ／Ｄコンバータで約３００μＡの電流が消費される。更に、アナログ量をデジタル値
に変換する際にノイズ等の影響で、温度検出の精度が落ちる。このようにアナログ方式の
温度検出法は測定精度の問題と、大きな電流（約５００μＡ）を消費するという問題があ
った。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、温度の検出精度を向上させて双音
叉振動素子の温度特性を補正して、圧力センサの測定精度を改善すると共に消費電流を大
幅に低減した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】
【０００７】
本発明は、上記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
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］振動部と該振動部の両端に接続される一対の基部とを有する第１の圧電振
動片と、振動腕及び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片と、
前記第１の圧電振動片の基部が接合される一対の支持部を有するダイヤフラムと、前記ダ
イヤフラムと対向配置される基台と、を備え、前記第２の圧電振動片は、前記ダイヤフラ
ムの厚み方向において前記第１の圧電振動片と接触しない位置に配置されていることを特
徴とする圧力検出ユニットである。
【０００９】
上記のように構成すると、圧力検出ユニットが設置される媒体の温度を正確に検出する
ことができ、この温度を用いて第１の圧電振動片が検出する圧力に温度補正を行うことが
できるので、圧力測定精度が大きく改善される。更に、アナログの温度検出法に比べ、消
費電力を大幅に削減できるという効果がある。
【００１０】
［適用例２］振動部及び該振動部の両端部に夫々一体化された基部を有する第１の圧電
振動片の前記基部を支持片にて矩形状枠に連結した枠付第１の圧電振動片層と、振動腕及
び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片の前記基部と矩形状枠
の一辺が連結する枠付第２の圧電振動片層と、前記第１圧電振動片の基部が接合される一
対の支持部を有するダイヤフラム層と、前記ダイヤフラム層と対向配置される基台層と、
を備え、前記ダイヤフラム層と前記基台層との間に、前記枠付第１の圧電振動片層と前記
枠付第２の圧電振動片とが配置され、前記第２の圧電振動片が前記ダイヤフラム層の厚み
方向において前記第１の圧電振動片及び前記支持片と接触しない位置に配置されているこ
とを特徴とする圧力検出ユニット。
【００１１】
上記のように構成すると、大型ウエハを用いたプロセス処理ができるのでコスト低減が
可能となる。更に、圧力検出ユニットの組み立て精度が改善されると共に容易になる。ま
た、応力感応素子（第１の圧電振動片）の温度をデジタル量として正確に検出できるので
、第１の圧電振動片が検出する応力の温度変化による誤差を補正することができ、圧力の
測定精度が大きく改善される。その上、電流の低消費化に大いに効果がある。
【００１２】
［適用例３］振動部及び該振動部の両端部に夫々一体化された基部を有する第１の圧電
振動片の前記基部を支持片にて矩形状枠に連結した枠付第１の圧電振動片層と、振動腕及
び該振動腕の一端部に一体化された基部を有する第２の圧電振動片の前記基部と矩形状枠
の一辺が連結する枠付第２の圧電振動片層と、枠状のスペーサ層と、前記第１の圧電振動
片の基部が接合される一対の支持部を有するダイヤフラム層と、前記ダイヤフラムと対向
配置される基台層と、を備え、前記ダイヤフラム層と前記基台層との間に、前記枠付第１
の圧電振動片層と前記枠付第２の圧電振動片層とが配置され、前記スペーサ層が、前記枠
付第１の圧電振動片層と前記枠付第２の圧電振動片層との間に配置されていることを特徴
とする圧力検出ユニットである。
【００１３】
上記のように構成すると、第１の圧電振動片及び支持片と第２の圧電振動片とが交差す
ることが無いので、第２の圧電振動片の形状を最適な形状とすることができると共に、圧
力検出ユニットの組み立て精度が改善されると共に容易になる。更に、圧力検出ユニット
の内部の温度を正確に検出し、補正を行うことにより、圧力測定の精度が大きく改善され
る。その上、温度をデジタルで検出できるので電流の低消費化に大いに効果がある。
【００１４】
［適用例４］適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧力検出ユニットにおいて、前記第
１の圧電振動片が双音叉型圧電振動素子であることを特徴とする圧力検出ユニットである
。
【００１５】
上記のように応力検出に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、応力検出感度が他
の振動モード、例えば厚み滑り振動、縦振動、弾性表面波振動等に比べてはるかに優れて
おり、高感度の圧力検出ユニットが構成できるという効果がある。
【００１６】
［適用例５］適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧力検出ユニットにおいて、前記振
動部が、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検出ユ
ニットである。
【００１７】
上記のように応力検出ユニットの温度検出に音叉型圧電振動素子を用いることにより、
応力検出ユニットが小型となり、しかも精度のよい温度検出が可能となる。その上、温度
検出のための消費電流を極めて小さくすることができるという効果がある。
【００１８】
［適用例６］適用例１乃至５の何れか一項に記載の圧力検出ユニットと、応力検出回路
と、を有し、前記応力検出回路は、前記応力検出ユニットの第１の圧電振動片を動作させ
る第１の発振回路と、前記第２の圧電振動片を動作させる第２の発振回路と、前記第１の
発振回路から出力される応力検出信号の周波数をカウントする第１の周波数カウンタと、
前記第２の発振回路から出力される温度検出信号の周波数をカウントする第２の周波数カ
ウンタと、前記第１の周波数カウンタから出力される周波数カウント信号を、前記第２の
周波数カウンタから出力される周波数カウント信号により補正処理を行う処理回路と、を
備えたことを特徴とする圧力センサである。
【００１９】
上記のように構成すると、温度補正により圧力測定精度が改善できると共に、消費電流
を大幅に低減できるという効果がある。
【００２０】
［適用例７］適用例１乃至５の何れか一項に記載の圧力検出ユニットと、応力検出回路
と、を有し、前記応力検出回路は、切換器を介して接続される第１の圧電振動片、又は第
２の圧電振動片を動作させる発振回路と、該発振回路から出力される第１の圧電振動片の
出力信号、又は第１の圧電振動片の出力信号の周波数をカウントする周波数カウンタと、
該周波数カウンタから出力される周波数カウント信号の補正処理を行う処理回路と、を備
えたことを特徴とする圧力センサである。
【００２１】
上記のように構成すると、より小型で圧力測定精度が改善できると共に、消費電流を大
幅に低減できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧力検出ユニットの構成を示す概略図であり、同図
（ａ）はＱ２−Ｑ２における断面図、同図（ｂ）はＱ１−Ｑ２における断面図である。
圧力検出ユニット１は、圧力により変形するダイヤフラム１０と、該ダイヤフラム１０
と対向して設けられ圧力により変形しない基台１５と、ダイヤフラム１０の変形により共
振周波数が変化する第１の圧電振動片２０と、温度変化により共振周波数が変化する第２
の圧電振動片２５と、を備えている。
図２（ａ）はダイヤフラム１０のＱ３−Ｑ３における断面図、同図（ｂ）は（ａ）の図
中下方からみた平面図である。ダイヤフラム１０は、図２（ａ）の図中上方からの圧力を
受けて変形する（撓む）薄肉部１１と、該薄肉部１１の周縁に形成される枠部１２と、を
備えている。更に、ダイヤフラム１０は、薄肉部１１の一方の面に、第１の圧電振動片２
０を支持、固定するための一対の支持部１３を有し、第１の圧電振動片２０はその両基部
２１を支持部１３により支持、固定される。
ダイヤフラム１０は圧力により変形する恒弾性の材料、例えばセラミック、ガラス、単
結晶等を用いて形成される。温度変化によるダイヤフラム１０の膨張の影響を考慮すると
、第１の圧電振動片２０と同一の材料、例えば水晶材料を用いて構成することが望ましい
。また、ダイヤフラム１０の形成方法としては、音叉型水晶振動子の基板加工に用いられ
ているフォトグラフィ技法とエッチング手法を用いて、上記の材料の平板状基板を加工し
、形成することができる。
【００２３】
図３（ａ）は、基台１５のＱ４−Ｑ４における断面図、同図（ｂ）は平面図である。基
台１５は、中央部の薄肉部１６と、該薄肉部１６の周縁に形成される枠部１７と、を備え
ている。図３（ｂ）に示す枠部１７の図中左辺上部に第２の圧電振動片２５の基部２７を
嵌め込む凹部１８が形成されている。凹部１８の幅は第２の圧電振動片２５の基部２７の
幅より少し広い程度とし、深さは基部２７の厚みより少し深い程度とする。
基台１５は圧力により変形しない絶縁材料、例えばセラミック、ガラス、単結晶等を用
いて形成されている。温度変化による基台１５の膨張の影響を考慮するとダイヤフラム１
０と同一の材料、例えば水晶材料を用いて構成することが望ましい。また、基台１５はダ
イヤフラム１０と同様な加工法により形成される。
【００２４】
第１の圧電振動片２０に双音叉型水晶振動素子を用いた例について説明する。双音叉型
水晶振動素子２０は、図４（ａ）に示すような一対の基部２１及び基部２１間を連設する
２つの振動ビームを備えた圧電基板からなる応力感応部２２ａ、２２ｂと、該圧電基板の
振動領域上に形成した励振電極と、を備えている。
図４（ａ）は双音叉型水晶振動素子２０の振動姿態を示す平面図である。双音叉型水晶
振動素子２０の振動モードが、長手（振動ビーム）方向の中心軸に対して対称なモードで
振動するように励振電極を配置する。図４（ｂ）は双音叉型水晶振動素子２０に形成する
励振電極と、ある瞬間に励起される励振電極上の電荷の符号を示した平面図である。図４
（ｃ）は励振電極の結線を示す模式断面図である。
双音叉型水晶振動素子は伸張・圧縮応力に対する感度が良好であり、高度計用、或いは
深度計用の応力感応素子として使用した場合には分解能力が優れるために僅かな気圧差か
ら高度差、深度差を知ることができる。また、双音叉型水晶振動素子が呈する周波数温度
特性は、上に凸の二次曲線であり、その頂点温度はＸ軸（水晶結晶の電気軸）の回りの回
転角度に依存する。一般的には頂点温度が常温（２５℃）になるように各パラメータを設
定する。
双音叉型水晶振動素子の２本の振動ビームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは以
下の如くである。
ｆF＝ｆ0（１−（ＫＬ2Ｆ）／（２ＥＩ））1/2・・・（１）
【００２５】
ここで、ｆ0は外力がないときの双音叉型水晶振動素子の共振周波数、Ｋは基本波モー
ドによる定数（＝０．０４５８）、Ｌは振動ビームの長さ、Ｅは縦弾性定数、Ｉは断面２
次モーメントである。断面２次モーメントＩはＩ＝ｄｗ3／１２より、式（１）は次式の
ように変形することができる。ここで、ｄは振動ビームの厚さ、ｗは幅である。
ｆF＝ｆ0（１−ＳFσ）1/2・・・（２）
但し、応力感度ＳFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
ＳF＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2・・・（３）
σ＝Ｆ／（２Ａ）・・・（４）
【００２６】
ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。
以上から双音叉型振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、伸張方向（引張り方向）
を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆFの関係は、力Ｆが圧縮力で共振周波数ｆFが減少し
、伸張（引張り）力では増加する。また応力感度ＳFは振動ビームのＬ／ｗの２乗に比例
する。
しかし、応力感応素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、伸張・圧縮応力によっ
て周波数が変化する圧電振動素子であればどのようなものを用いても良い。
【００２７】
所望の共振周波数になるように双音叉型水晶振動素子の形状寸法を設定する。周知のよ
うに、双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性の頂点温度は、Ｘ軸（水晶結晶の電気軸）
の回りの回転角に依存し、また、頂点温度は双音叉型水晶振動素子に加わる応力にも依存
する。双音叉型水晶振動素子に伸張応力を付加すると頂点温度は高温側へシフトし、圧縮
応力を加えると低温側へシフトする特性を有している。そのため、圧力検出ユニットの測
定する圧力範囲と、使用する温度範囲を考慮して、双音叉型水晶振動素子が最適な動作を
するようにその切断角度（Ｘ軸の周りの角度）を決めることになる。
感温素子としての第２の圧電振動片２５には、振動腕２６及び該振動腕２６の一端部に
一体化された基部２７を有する音叉型圧電振動素子を用いる。例えば、図１２に示すよう
に水晶Ｚカット板をＸ軸（水晶結晶の電気軸）の回りにθ回転した音叉型水晶振動素子を
用いる。一般的な音叉型水晶振動子の周波数温度特性は、上に凸の二次特性であり、頂点
温度が常温になるように設定する。しかし、特許第３０１０９２２号によると、Ｘ軸の回
りの回転角θと周波数温度特性の１次係数αとの関係は、図１３のような関係があると開
示されている。また、図１４は温度検出用の音叉型水晶振動子の周波数温度特性であり、
温度Ｔに対し周波数変化Δｆ／ｆがほぼ直線的に変化する。
【００２８】
図２に示すダイヤフラム１０の薄肉部１１の一方の面に形成した一対の支持部１３ａ、
１３ｂに接着剤を塗布し、該接着剤の上に双音叉型水晶振動素子（第１の圧電振動片）２
０を載置し、硬化させて固定する。また、図３に示す基台１５の枠部１７に形成した凹部
１８に接着剤を塗布し、該接着剤の上に音叉型振動素子（第２の圧電振動片）２５の基部
２７を嵌め込むように載置し、接着剤を硬化させて固定する。
そして、ダイヤフラム１０及び基台１５のそれぞれの枠部１２、１７に接着剤を塗布し
、真空中で両枠部１２、１７の外周を合わせるように接着し、硬化させる。圧力検知ユニ
ット１の内部１９は真空となり、双音叉型水晶振動素子２０及び音叉型水晶振動素子２５
のＣＩ値（クリスタルインピーダンスで、電気的等価回路の抵抗値）を低くする（Ｑ値を
高くする）ことが可能となる。
双音叉型水晶振動素子２０及び音叉型水晶振動素子２５のそれぞれの励振電極から伸び
るリード電極は、図示しないがダイヤフラム１０あるいは基台１５の枠部１２、１７の一
部を介して外部に導出されている。
圧力検知ユニット１の内部１９を真空とする方法は、ダイヤフラム１０あるいは基台１
５の一部に小孔を開けておき、ダイヤフラム１０と基台１５とを接合した後、前記小孔を
介して内部１９を真空とし、前記小孔を塞ぐ方法でもよい。
また、音叉型水晶振動素子（第２の圧電振動片）２５は、ダイヤフラム１０の厚み方向
、あるいは面内方向において双音叉型水晶振動素子（第１の圧電振動片）２０と接触した
り重なり合わない位置に配置する。
【００２９】
圧力検出ユニット１の動作について説明する。圧力検出ユニット１の内部１９は真空と
してあるので、ダイヤフラム１０の外側の面には常温で１気圧（基準圧）が加わり、薄肉
部１１は内部に撓むように変形する。薄肉部１１が撓むことにより、薄肉部１１に形成し
た一対の支持部１３ａ、１３ｂはそれぞれ外方向、つまり図１（ａ）の図では支持部１３
ａは図中左側方向に、支持部１３ｂは右側方向に変形する。その結果、双音叉型水晶振動
素子２０に伸長応力が働くことになる。
絶対圧力を測定する対象は気体、液体等であるが、気体を例として説明する。被測定気
体の中に圧力検出ユニット１を設置すると、被測定圧力が基準圧より高い場合には、ダイ
ヤフラム１０の薄肉部１１は、基準圧のときより更に内部方向へ撓むことになり、双音叉
型水晶振動素子２０の共振周波数は、基準圧のときの周波数から変化する。また、被測定
圧力が基準圧より低い場合にはダイヤフラム１０の薄肉部１１は撓み量が減ることになり
、双音叉型水晶振動素子２０の共振周波数は、基準圧のときの周波数から変化する。
基準圧のときの周波数と、被測定気体の中に入れたときの周波数との差周波数を測定す
ることにより、双音叉型水晶振動素子２０に加わっている応力を求めることができ、この
応力より圧力検出ユニット１に印加されている絶対圧を求めることができる。
【００３０】
被測定気体の温度により、双音叉型水晶振動素子２０の共振周波数が変動する。そこで
、感温素子（温度センサ）として圧力検出ユニット１に設けた音叉型水晶振動素子２５を
用いて、基準圧を測定したときの温度（常温）Ｔ０と、被測定気体の中に入れたときの温
度Ｔ１とを測定する。この温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ０）を求め、計測される双音叉型水晶
振動素子２０の周波数に補正を加える。つまり、温度差ΔＴによる双音叉型水晶振動素子
２０の周波数の変動分を、計測された周波数変化量に対して補正し、基準圧と被測定気体
の圧力との差による周波数変化分のみを求める。このように温度変化の影響を除去して、
双音叉型水晶振動素子２０に加わる応力を求め、該応力からダイヤフラム１０に印加され
た圧力を求める。
【００３１】
以上説明したように、応力感応素子（第１の圧電振動片）の近くに温度をデジタル量と
して検出できる第２の圧電振動片を配置することにより、圧力検出ユニットが設置される
媒体の温度を正確に検出することができる。この温度を用いて第１の圧電振動片が検出す
る周波数変化に温度補正を行うことができるので、ダイヤフラムに係る圧力の測定精度が
大きく改善されるという効果がある。
また、応力検出に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、応力検出感度が他の振動
モード、例えば厚み滑り振動、縦振動、弾性表面波振動等に比べてはるかに優れており、
高感度の圧力検出ユニットが構成できるという効果がある。
また、応力検出ユニットの温度検出に音叉型圧電振動素子を用いることにより、応力検
出ユニットが小型となり、しかも温度をデジタル量として扱えるので精度のよい温度検出
が可能となる。その上、温度検出のための消費電流を極めて小さくすることができるとい
う効果がある。
【００３２】
図５は、第２の実施形態の圧力検出ユニット２の構成を示す図であり、同図（ａ）は断
面図、同図（ｂ）は枠付第１の圧電振動片３０の平面図、同図（ｃ）は枠付第２の圧電振
動片３６の平面図である。圧力検出ユニット２は、圧力により変形するダイヤフラム１０
と、該ダイヤフラム１０と対向して設けられ圧力により変形しない基台１５’と、ダイヤ
フラム１０の変形により共振周波数が変化する枠付第１の圧電振動片３０と、温度変化に
より共振周波数が変化する枠付第２の圧電振動片３６と、を備えている。
ダイヤフラム１０は、第１の実施形態の圧力検出ユニット１のダイヤフラム１０と同様
に構成されている。また、基台１５’は、第１の実施形態の圧力検出ユニット１の基台１
５において、凹部１８を設けない構造であり、他は基台１５と同様に構成されている。
【００３３】
枠付第１の圧電振動片３０は、矩形状の外枠３１と、第１の圧電振動片（双音叉型水晶
振動素子）３２と、支持片３４と、を備えている。枠付第１の圧電振動片３０は、第１の
圧電振動片３２の一対の基部３３と、外枠３１の内側とを、それぞれ２つの支持片３４に
て一体的に連結して構成される。
また、枠付第２の圧電振動片３６は、矩形状の外枠３７と、第２の圧電振動片（音叉型
水晶振動素子）３８と、を備えている。枠付第２の圧電振動片３６は、第２の圧電振動片
３８の基部３９と、矩形状の外枠３７の内側と一体的に連結して構成される。
圧力検出ユニット２の構成は、ダイヤフラム１０の枠部１２及び薄肉部１１に設けた一
対の支持部１３ａ、１３ｂと、枠付第２の圧電振動片３６の外枠３７と、基台１５’の枠
部１７の上面と、に接着剤を塗布する。そして、ダイヤフラム１０、枠付第１の圧電振動
片３０、枠付第２の圧電振動片３６、基台１５’の順にそれぞれの外周を合わせるように
積層して構成する。
また、音叉型水晶振動素子（第２の圧電振動片）３８は、ダイヤフラム１０の厚み方向
、あるいは面内方向において双音叉型水晶振動素子（第１の圧電振動片）３２と接触した
り重なり合わない位置に配置する。
圧力検出ユニット２の動作は、図１に示した圧力検出ユニット１の動作と同様であるの
で説明は省略する。
【００３４】
以上説明したように、圧力検出ユニット２は、枠付第１の圧電振動片と、枠付第２の圧
電振動片とを用いて圧力検出ユニットを構成すると、大型ウエハを用いたプロセス処理が
できるのでコスト低減が可能となる。更に、圧力検出ユニットの組み立ての精度が改善さ
れると共に、容易になる。また、応力感応素子（第１の圧電振動片）及びその近傍の温度
をデジタル量として正確に検出できるので、第１の圧電振動片が検出する周波数変化に対
し正確の温度補正することができ、圧力の測定精度が大きく改善される。その上、電流の
低消費化に大いに効果がある。
【００３５】
図６は、第３の実施形態の圧力検出ユニット３の構成を示す図であり、同図（ａ）は断
面図、同図（ｂ）は枠付第１の圧電振動片３０の平面図、同図（ｃ）は矩形状の中空スペ
ーサの平面図、同図（ｄ）は枠付第２の圧電振動片３６’の平面図である。
圧力検出ユニット３は、圧力により変形するダイヤフラム１０と、該ダイヤフラム１０
と対向して設けられ圧力により変形しない基台１５’と、ダイヤフラム１０の変形により
共振周波数が変化する枠付第１の圧電振動片３０と、矩形状のスペーサ４０と、温度変化
により共振周波数が変化する枠付第２の圧電振動片３６’と、を備えている。
ダイヤフラム１０は、第１の実施形態の圧力検出ユニット１のダイヤフラム１０と同様
に構成されている。また、基台１５’は、第２の実施形態の圧力検出ユニット２の基台１
５’と同様に構成されている。
【００３６】
図６（ｂ）の枠付第１の圧電振動片３０は、図５に示した圧力検出ユニット２の枠付第
１の圧電振動片３０と同様に構成される。図６（ｄ）の枠付第２の圧電振動片３６’は、
図５（ｃ）の枠付第２の圧電振動片３６とほぼ同様に構成される。しかし、枠付第１の圧
電振動片３０と、枠付第２の圧電振動片３６’とは、スペーサ４０を介して接合されるの
で、音叉型水晶振動素子３８’と、双音叉型水晶振動素子３２及び支持片３４とが交差す
ることがない。そのため、音叉型水晶振動素子３８’の形状がより自由に設計できるよう
になる。矩形状のスペーサ４０は、中央部が中空４２で四辺に薄板の枠４１を備えている
。
圧力検出ユニット３は、ダイヤフラム１０の枠部１２及び薄肉部１１に設けた一対の支
持部１３ａ、１３ｂと、矩形状のスペーサ４０の枠部４１と、枠付第２の圧電振動片３６
’の外枠３７と、基台１５’の枠部１７の上面と、に接着剤を塗布し、ダイヤフラム１０
、枠付第１の圧電振動片３０、スペーサ４０、枠付第２の圧電振動片３６’、基台１５’
の順にそれぞれの外周を合わせるように積層して構成する。
圧力検出ユニット３の動作は、図１に示した圧力検出ユニット１の動作と同様であるの
で説明は省略する。
【００３７】
以上説明したように、圧力検出ユニット３は、枠付第１の圧電振動片と、スペーサと、
枠付第２の圧電振動片とを用いて圧力検出ユニットを構成すると、第１の圧電振動片及び
支持片と第２の圧電振動片とが交差することが無いので、第２の圧電振動片の形状を最適
な形状とすることができる。また、圧力検出ユニットの組み立て精度が改善されると共に
、容易になる。更に、圧力検出ユニットの内部の温度を正確に検出し、補正を行うことに
より、圧力測定の精度が大きく改善され、温度をデジタルで検出できるので電流の低消費
化に大いに効果がある。
圧力検出ユニット１においてダイヤフラム１０と基台１５の接合、圧力検出ユニット２
においてダイヤフラム１０、枠付第１の圧電振動片３０、枠付第２の圧電振動片３６、基
台１５’の接合に接着剤を用いると説明した。また、圧力検出ユニット１においてダイヤ
フラム１０、枠付第１の圧電振動片３０、スペーサ４０、枠付第２の圧電振動片３６’、
基台１５’の接合に接着剤を用いると説明した。しかし、接合は接着剤のみに限定するも
はではなく、無機の接合材料、例えば低融点ガラスを用いた接合、又は直接接合であって
もよい。
【００３８】
図７（ａ）は、応力センサの構成を示すブロック図である。
応力センサ５は、応力検出ユニット１（２、３）と、応力検出回路５０とからなる。応
力検出ユニット１（２、３）については、既に説明したので詳細な説明は省略する。応力
検出回路５０は、第１及び第２の発振回路５１ａ、５１ｂ、第１及び第２の周波数カウン
タ５２ａ、５２ｂ、処理回路５３を備える。
第１の発振回路５１ａは、応力検出ユニット１の第１の圧電振動片２３（３２）を動作
させる。第２の発振回路５１ｂは、第２の圧電振動片２６（３５）を動作させる。第１の
周波数カウンタ５２ａは、第１の発振回路５１ａから出力される応力検出信号の周波数を
カウントする。第２の周波数カウンタ５２ｂは、第２の発振回路５１ｂから出力される温
度検出信号の周波数をカウントする。処理回路５３は、第２の周波数カウンタ５２ｂから
出力される周波数カウント信号を演算して温度を検出し、この温度検出結果に基づいて、
第１の周波数カウンタ５２ａから出力される周波数カウント信号を補正する処理を行う。
また補正した信号を演算して応力を求める処理を行う。
このように構成される応力センサ５では、発振回路の消費電流は２０μＡ、基準２０Ｍ
Ｈｚで２４ビット、非同期式の周波数カウンタの消費電流は２０μＡであり、アナログ方
式の温度検出方式に比べて１／１０の消費電流と、大幅に低減することができる。
また、既に説明した圧力検出ユニット１（２、３）と、発振回路及び周波数カウンタ等
からなる応力検出回路５０とを用いて圧力センサを構成するので、温度補正により圧力測
定精度が改善されると共に、消費電流を大幅に低減できるという効果がある。
【００３９】
図７（ｂ）は、応力センサの他の構成例を示すブロック図である。
この図７（ｂ）に示す応力センサ６は、応力検出ユニット１（２、３）と、応力検出回
路５６とからなる。応力検出回路５６は、発振回路５１、周波数カウンタ５２、処理回路
５３、及び切換器５５と、を備えている。
発振回路５１は、切換器５５を介して接続される応力検出ユニット１（２、３）の第１
の圧電振動片２３（３２）、又は第２の圧電振動片２６（３５）を動作させる。周波数カ
ウンタ５２は、発振回路５１から出力される応力、又は温度検出信号の周波数をカウント
する。処理回路５３は、例えば切換回路５５を時分割に制御して、周波数カウンタ５２か
ら時分割的に出力される周波数カウント信号を演算して温度を検出し、この温度検出結果
に基づいて、周波数カウンタ５２から時分割的に出力される周波数カウント信号を補正す
る処理を行う。また補正した信号を演算して応力を求める処理を行う。
このように構成される応力センサ６は、応力検出ユニット１に切換器５５を介して発振
回路５１が接続されることにより、図７（ａ）に示した応力センサ５と比較して発振回路
、周波数カウンタをそれぞれ１個削減することが可能となる。
よって、小型な圧力検出ユニットが構成できると共に、圧力測定精度が図７（ａ）の圧
力センサと同等で、消費電流はそれより低減できるという効果がある。
【００４０】
また、上記実施形態及び各変形例では、圧力センサの感圧素子として双音叉型水晶振動
子を用いたが、これに限定するものではなく、図８に示すような感圧素子を用いてもよい
。
図８は、他の実施形態の圧力センサの概略構成を示す模式展開斜視図である。なお、上
記実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異
なる部分を中心に説明する。
図８に示すように、圧力センサは、感圧部としての振動片部が一つである柱状ビーム５
８からなる（シングルビームともいう）音叉型振動子が感圧素子として感圧素子層に形成
されている。
これにより、圧力センサは、上記実施形態の圧力センサと同様に、圧力の変化に伴う音
叉型振動子の共振周波数の変化により、外部からの圧力を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る第１実施形態の応力検出ユニットの、（ａ）はＱ２−Ｑ２の断面図、（ｂ）はＱ１−Ｑ１の断面図である。
【図２】ダイヤフラム構成を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】基台の構成を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】双音叉型圧電振動子の、（ａ）は振動姿態を説明する平面図、（ｂ）は電極構成を説明する平面図、（ｃ）は電極の結線図である。
【図５】第２の実施形態の応力検出ユニットの、（ａ）は断面図、（ｂ）は枠付第１の圧電振動片の平面図、（ｃ）は枠付第２の圧電振動片の平面図である。
【図６】第３の実施形態の応力検出ユニットの、（ａ）は断面図、（ｂ）は枠付第１の圧電振動片の平面図、（ｃ）枠状スペーサの平面図、（ｄ）は枠付第２の圧電振動片の平面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は圧力センサの構成を示すブロック図である。
【図８】他の実施形態の圧力センサの概略構成を示す模式展開斜視図である。
【図９】従来の応力検出ユニットの、（ａ）は断面図、（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。
【図１０】圧力センサの構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の温度計の構成を示す回路図である。
【図１２】音叉型圧電振動子と結晶軸との関係を示す図である。
【図１３】音叉型圧電振動子の切断角度θと１次温度係数αとの関係を示す図である。
【図１４】温度計測用音叉型圧電振動子の周波数温度特性図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２、３…圧力検出ユニット、５、６…圧力センサ、１０…ダイヤフラム、１１…薄
肉部、１２…枠部、１３ａ、１３ｂ…支持部、１５、１５’…基台、１６…薄肉部、１７
…枠部、１８…凹部、１９…内部、２０…第１の圧電振動片、２１…基部、２２ａ、２２
ｂ…応力感応部（振動腕）、２５…第２の圧電振動片、２６…振動腕、２７…基部、３０
…枠付第１の圧電振動片、３１…枠部、３２…第１の圧電振動片、３３…基部、３４…支
持片、３６…枠付第２の圧電振動片、３７…枠部、３８、３８’…第２の圧電振動片、３
９、３９’…基部、４０…スペーサ、４１…枠部、４２…中空、５０、５６…応力検出回
路、５１ａ、５１ｂ…発振回路、５２ａ、５２ｂ…周波数カウンタ、５３…処理回路、５
４…出力、５５…切換器、５８…柱状ビーム
【図１】
2010175263.tif 000003
【図２】
2010175263.tif 000004
【図３】
2010175263.tif 000005
【図４】
2010175263.tif 000006
【図５】
2010175263.tif 000007
【図６】
2010175263.tif 000008
【図７】
2010175263.tif 000009
【図８】
2010175263.tif 000010
【図９】
2010175263.tif 000011
【図１０】
2010175263.tif 000012
【図１１】
2010175263.tif 000013
【図１２】
2010175263.tif 000014
【図１３】
2010175263.tif 000015
【図１４】
2010175263.tif 000016