(57)【要約】【課題】温度変化による誤差を補正し、且つ温度センサーが低消費電流である圧力検出ユニットを得る。【解決手段】圧力検出ユニットは、一対の振動腕２５ａ、２５ｂ及び一対の振動腕の両端部に夫々一体化された基部２４ａ、２４ｂを有する第１の圧電振動片２３と、振動腕２８及び振動腕の一端部に一体化された基部２７を有する第２の圧電振動片２６と、前記第１の圧電振動片２３の基部２４ａ、２４ｂ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。前記第２の圧電振動片２６の基部２７は前記第１の圧電振動片２３の一方の基部２４ａに同一面内で連結されている。【選択図】図８
2010197374.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の圧電振動片の基部は前記第１の圧電振動片の一方の基部に同一面内で連結さ
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、前記
第１の圧電振動片を囲む枠部と、前記枠部と各前記基部とを接続する支持片とを有する第
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の圧電振動片と、
前記第１の圧電振動片層の一方の主面側を覆うと共に、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ダイヤフラム層と、
前記第１の圧電振動片層の他方の主面側を覆う基台層と、を備え、
前記第２の圧電振動片の基部は前記外枠部の一辺に連結され、
前記第２の圧電振動片と前記第１の圧電振動片とは同一平面内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】
請求項１又は２に記載の圧力検出ユニットおいて、
前記第１の圧電振動片は上に凸の二次特性の周波数温度特性を有し、
負荷が加えられたときに周波数温度特性の頂点が使用温度範囲内に位置するように前記
第１の圧電振動片の切断角度が設定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又は２に記載の圧力検出ユニットおいて、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５】
請求項１又は２に記載の圧力検出ユニットにおいて、前記第２の圧電振動片が音叉型振
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６】
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圧電振動片と、
前記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、
前記圧電振動片は上に凸の二次特性の周波数温度特性を有し、
負荷が加えられたときに周波数温度特性の頂点が使用温度範囲内に位置するように前記
圧電振動片の切断角度が設定されていることを特徴とする圧力検出ユニット。
【請求項７】
請求項１乃至６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の周波数カウンターと、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の周波数カウンター
と、前記第２の周波数カウンターから出力される周波数カウント信号を、前記第１の周波
数カウンター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ー。
【請求項８】
請求項１乃至６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ーと、該周波数
カウンター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ー。
【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、及び圧力センサーに関し、特に温度検出用の感温素子を
内蔵して圧力検出精度を上げると共に、圧力感度を改善するのに好適なものである。
【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１９（ａ）は、特許文献１に開示されている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、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１９（ａ）の上方からの圧力を受けて変形する薄肉部６３と、
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１９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１２（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、この載置面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）としてサーミスター、又はトラ
ンジスターを備え、その電気的特性の変化により温度を検出し、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ー、又はトランジスターを
設けることは容易に考えられる。
例えば、図２０に示す圧力センサー８０のブロック図のように、温度センサー８２の出
力をＡ／Ｄコンバーター８５に接続し、このＡ／Ｄコンバーター８５の出力を処理装置８
６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、この
発振回路８３の出力を、周波数カウンター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コンバーター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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【特許文献６】特開昭５３−２０９７号公報
【特許文献７】特開昭５４−１５８１５０号公報
【特許文献８】特開昭５８−２０８６３２号公報
【特許文献９】特公昭６２−５８１７３号公報
【特許文献１０】特開２００５−１９７９４６公報
【特許文献１１】特公平６−１０３２３１号公報
【特許文献１２】特開２００８−１７０１６７公報
【特許文献１３】特開２００８−１７０２０３公報
【特許文献１４】特開２００８−１９７０３１公報
【特許文献１５】特開２００８−１９７０３２公報
【特許文献１６】特開２００８−２２４３４５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２０に示したような温度センサー８２にアナログ方式、例えばサーミスターを用いた
温度計の例が、特許文献５に開示されている。図２１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とサーミスター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、サーミスターの温度−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コンバーターは大きな電
流を消費する。例えば、サーミスーを用いた温度センサーでは約２００μＡの電流が、１
２ビットのＡ／Ｄコンバーターで約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。
【０００８】
この問題を解決すべく、温度センサーに音叉型水晶振動素子を適用する加速度センサー
が提案されている。双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性は、音叉型水晶振動素子の周
波数温度特性と同等である。音叉型水晶振動素子の基板の切断角度と、その周波数温度特
性との関係は、特許文献６〜１０に開示されており、切断角度はＸＹ平面（Ｚ板）をＸ軸
回りにθ（＝０〜±１５°、１５〜２５°、３０〜６０°等）回転した基板を用いている
。
双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性は、上に凸の２次特性を有し、その頂点が常温
付近となるように設定され、温度による周波数変動が小さいこと特徴としている。
更に、特許文献１１には、音叉型振動素子、双音叉型振動素子及びカンチレバーを一体
化させた加速度センサーが開示されており、前記音叉型振動素子を温度センサーとして用
いることが提案されている。このような構成にすれば、温度補償を施した精度の高い加速
度センサーが実現できると開示されている。
【０００９】
ところが、双音叉型振動素子とカンチレバーとを組合せてなる加速度センサーについて
開示された特許文献１２乃至１６には、双音叉型水晶振動素子に加わる応力と、周波数温
度特性の頂点温度との関係について、双音叉型水晶振動素子に伸張応力が加わると頂点温
度は低音側へシフトし、圧縮応力が加わると高温側へシフトすると開示されている。
即ち、特許文献１１に開示された加速度センサーについて、その使用温度範囲において
、双音叉型水晶振動素子の周波数変化が小さくなるように、その頂点温度を使用温度範囲
の中間点に設定したとする。このように、水晶基板の切断角度を設定しても、加速度に応
じた応力負荷が双音叉型水晶振動素子の内部に生じると、図２５に示すように、双音叉型
水晶振動素子内に生じる圧縮応力により、周波数温度特性の頂点温度が高温側にシフトす
るという問題が起きる。また、加速度の大きさに応じて圧縮応力の大きさも変わるため、
高温側へのシフト量も変動してしまうので、温度センサーを用いて加速度センサーの温度
補償を試みても、双音叉型水晶振動素子は、その使用温度範囲において、周波数温度特性
の頂点温度から離れた領域で動作することになる。つまり、周波数温度特性が直線的に変
動する領域で、加速度を検出することになる。そのため、僅かな温度変化が双音叉型水晶
振動素子の周波数変化を来たし、検出する加速度に温度変化に伴う周波数変動のノイズが
重畳され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
叉型振動素子の温度特性を補正して、圧力センサー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ーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
［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の圧電振動片の基部は前記第１の
圧電振動片の一方の基部に同一面内で連結されていることを特徴とする圧力検出ユニット
である。
【００１２】
第１の圧電振動片の基部と第２の圧電振動片の基部とを同一として共用することにより
、圧力検出ユニットを小型化することができる。
更に、圧力（応力）を検出する第１の圧電振動片に接して、温度を検出する第２の圧電
振動片を設けることにより、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の圧電振動片の温度による周波数変動を補正し、被測定媒体の圧力の測定精
度を大幅に改善することができるという効果がある。
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。
【００１３】
［適用例２］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、前記第１の圧電振動片を囲む枠部と、前記枠部と各前記基部とを接続する支持片
とを有する第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の圧電振動片と、前記第１の圧電振動片層の一方の主面側を覆うと共に、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ダイヤフラム層と、前記第１の圧
電振動片層の他方の主面側を覆う基台層と、を備え、前記第２の圧電振動片の基部は前記
外枠部の一辺に連結され、前記第２の圧電振動片と前記第１の圧電振動片とは同一平面内
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。
【００１４】
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可能となり、小型化、コ
スト低減が可能となる。
更に、ダイヤフラム及び基台の枠部と、第１の圧電振動片及び第２の圧電振動片を連結
する外枠と、を合わせるように圧力検出ユニットの組み立てることにより、組み立て精度
が改善されると共に、組み立てが容易となる。
また、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。
【００１５】
［適用例３］適用例１又は２に記載の圧力検出ユニットおいて、前記第１の圧電振動片
は上に凸の二次特性の周波数温度特性を有し、負荷が加えられたときに周波数温度特性の
頂点が使用温度範囲内に位置するように前記第１の圧電振動片の切断角度が設定されてい
ることを特徴とする圧力検出ユニットである。
【００１６】
前記第１の圧電振動片の切断角度を適切に設定することにより、その周波数温度特性の
頂点温度を使用温度範囲内に位置するようにすることができ、温度変化による圧力検出ユ
ニットの検出精度を高めることができるという効果がある。
【００１７】
［適用例４］適用例１又は２に記載の圧力検出ユニットおいて、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。
【００１８】
上記のように双音叉型圧電振動素子を用いることにより、圧力（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、弾性表面波振動等を用いた圧力検出ユニット
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
。
【００１９】
［適用例５］適用例１又は２に記載の圧力検出ユニットにおいて、前記第２の圧電振動
片が音叉型振動素子であることを特徴とする圧力検出ユニット。
【００２０】
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、
温度検出の精度が大幅に改善される。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。
【００２１】
［適用例６］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圧電振動片と
、前記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、前記圧電振動片は上に凸の二次特性の周波数温
度特性を有し、負荷が加えられたときに周波数温度特性の頂点が使用温度範囲内に位置す
るように前記圧電振動片の切断角度が設定されていることを特徴とする圧力検出ユニット
である。
【００２２】
前記圧電振動片の切断角度を適切に設定することにより、動作状態でその周波数温度特
性の頂点温度を使用温度範囲内に位置するようにすることができ、温度変化による圧力検
出ユニットの検出精度を高めることができるという効果がある。
【００２３】
［適用例７］適用例１乃至６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の周波数カウンターと
、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
カウンターと、前記第２の周波数カウンターから出力される周波数カウント信号を、前記
第１の周波数カウンター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ーである。
【００２４】
上記のように構成すると、第２の圧電振動片の温度信号に基づいて、第１の圧電振動片
の周波数に温度補正を行うことにより、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。
【００２５】
［適用例８］適用例１乃至６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ーと
、該周波数カウンター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ーである。
【００２６】
上記のように構成すると、小型な圧力センサーが構成できると共に、消費電流を大幅に
低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）、（ｂ）は解析用圧力検出ユニットの分解斜視図であり、（ａ）はダイヤフラム基板、（ｂ）は双音叉型振動素子基板、（ｃ）は弾性定数、（ｄ）は弾性定数の温度計数、（ｅ）は弾性定数の温度関係式。
【図２】圧力（応力）Ｐ−周波数ｆ特性。
【図３】圧力をパラメータとした周波数温度特性。
【図４】温度と感度変化率との関係を示す図で、菱型マーク◆の曲線は計算で、正方形マーク■の曲線は実測で求めた曲線。
【図５】圧力検出ユニットに０気圧、１気圧を負荷したときの周波数温度特性を有限要素法を用いて求めた図。
【図６】圧力検出ユニットに０気圧、１気圧を負荷したときの周波数温度特性を測定で求めた図。
【図７】（ａ）は圧力検出ユニットの圧力Ｐと共振周波数ｆとの関係を示す図、（ｂ）は無負荷時及び負荷時の双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性を示す図。
【図８】本発明に係る第１の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。
【図９】ダイヤフラム構成を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図１０】基台の構成を示す、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図１１】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。
【図１２】第２の実施形態の応力検出ユニットの、（ａ）は断面図、（ｂ）は枠付圧電振動片の平面図、（ｃ）は（ｂ）の側面図。
【図１３】（ａ）はリード電極を示した枠付圧電振動片の平面図、（ｂ）は（ａ）を用いた第２の実施形態の応力検出ユニットの断面図。
【図１４】（ａ）複合圧電振動片を枠付圧電振動片とした平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。
【図１５】（ａ）はダイヤフラムの平面図、（ｂ）はダイヤフラムの薄肉部の寸法Ｌと応力感度との関係を示す図、（ｃ）は薄肉部の寸法Ｗと応力感度との関係を示す図。
【図１６】第３の実施形態の応力検出ユニットの、（ａ）は断面図、（ｂ）は枠付圧電振動片の平面図、（ｃ）は（ｂ）の側面図。
【図１７】他の実施形態の応力検出ユニットの概略構成を示す斜視図。
【図１８】（ａ）（ｂ）は圧力センサーの構成を示すブロック図。
【図１９】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。
【図２０】圧力センサーの構成を示すブロック図。
【図２１】従来の温度計の構成を示す回路図。
【図２２】音叉型圧電振動子と結晶軸との関係を示す図。
【図２３】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。
【図２４】温度計測用音叉型圧電振動子の周波数温度特性図。
【図２５】無負荷時及び負荷時の双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
まず、本願発明者は、双音叉型振動素子に加わる応力と、その頂点温度のシフトとの関
係について、解析評価を行った。特許文献１２乃至１６では、双音叉型振動素子に加える
応力と、２次曲線を呈する周波数温度特性の所謂、頂点温度との関係について、伸張応力
を加えると頂点温度は低温側へシフトし、圧縮応力を加えると高温側へシフトすると開示
されている。しかし、本願発明者による解析結果では、頂点温度のシフト方向が逆である
ことが判明した。
初めに、双音叉型振動素子を内蔵した圧力検出ユニットの周波数温度特性の頂点温度が
、高温側にシフトする現象を定性的に説明する。圧力検出ユニットの圧力（応力）Ｐ−周
波数ｆ特性は、図２に示すように、圧力検出ユニットの呈する温度Ｔにより、圧力対周波
数感度（ｄｆ／ｄＰ）が異なる。常温（２５℃）の圧力対周波数感度に対し、低温（−３
５℃）では圧力対周波数感度（ｄｆ／ｄＰ）は小さくなり、高温（８５℃）では圧力対周
波数感度（ｄｆ／ｄＰ）は大きくなる。この現象に加え、双音叉型水晶振動素子には伸長
（引張り）応力が加わる。
【００２９】
図３は、圧力検出ユニットに加わる圧力が０気圧から１気圧に変化する場合、圧力検出
ユニットの周波数温度特性（温度Ｔ−周波数Δｆ／ｆ特性）の頂点温度が高温側にシフト
する現象を説明する図である。密閉空間内部を真空にしたタイプの圧力検出ユニットは、
ダイヤフラムに加わる圧力が０気圧の場合、圧力検出ユニットの双音叉型水晶振動素子に
は応力が加わらない。
ダイヤフラムに加える圧力を例えば、１気圧にすると、双音叉型水晶振動素子には伸長
（引張り）応力が加わることになり、双音叉型水晶振動素子の周波数は上昇する。このと
き低温では、図２に示すように圧力対周波数感度（ｄｆ／ｄＰ）が低く、高温では圧力対
周波数感度（ｄｆ／ｄＰ）が高くなる。この２つの現象が加算されると、図３に示すよう
にＪ0で示す０気圧のときの周波数温度特性（温度Ｔ−周波数Δｆ／ｆ特性）が、Ｊ1で示
す１気圧のときの周波数温度特性にシフトする。
【００３０】
次に、双音叉型振動素子を内蔵した圧力検出ユニットを、有限要素法を用いて解析した
結果について説明する。
図１は、解析に用いた圧力検出ユニットの構造を示す斜視図で、同図（ａ）はダイヤフ
ラム基板Ａ１であり、同図（ｂ）は双音叉型振動素子基板Ｂ１である。双音叉型振動素子
Ｂ２は、双音叉型振動素子基板Ｂ１に支持片Ｂ３で保持されている。解析ではダイヤフラ
ム基板Ａ１、双音叉型振動素子基板Ｂ１とも水晶を用い、密度は２．６５×１０3［ｋｇ
／ｍ3］、ポアソン比は０．１３５とした。
図１（ａ）、（ｂ）で構成する圧力検出ユニットの解析を、有限要素法を用いて行った
。圧力検出ユニットの解析に用いる運動方程式の歪と応力との関係を結びつける弾性定数
（ヤング率）Ｃｉｊは、図１（ｃ）に示す定数を用いた。水晶の弾性定数（ヤング率）Ｃ
ｉｊは異方性を有すると共に温度依存性を有している。そこで、次の近似式（１）
Ｃｉｊ（Ｔ）＝Ｃｉｊ（１＋αＴ＋βＴ2＋γＴ3）            （１）
を用いて、任意の温度Ｔにおける弾性定数を求めた。式（１）における弾性定数Ｃｉｊの
１次係数α、２次係数β、３次係数γは、夫々図１（ｄ）の定数を用いた。
【００３１】
図２に示した圧力対周波数感度（ｄｆ／ｄＰ）が温度により変化する原因を調べること
にした。弾性定数Ｃｉｊを式（１）のように温度Ｔの関数とし、圧力検出ユニットの共振
周波数を、有限要素法を用いて解析した。
図４は温度Ｔと感度変化率との関係を示す図である。０気圧のときの圧力検出ユニット
の周波数をｆ0、１気圧の周波数をｆ1とし、｜ｆ0−ｆ1｜／ｆ1を感度変化率と定義し、
２５℃のときを０とする。温度Ｔを変化させ感度変化率を解析により求めた、温度Ｔ−感
度変化率曲線を菱型マーク◆で示す。正方形マーク■で示す曲線は、圧力検出ユニットを
試作し、測定で求めた温度Ｔ−感度変化率曲線である。
圧力検出ユニットの周波数温度特性の頂点温度が、加わる圧力により変化する理由は、
周波数温度特性を表す多項式の１次係数が変化するからである。温度が上昇すると、水晶
の弾性係数Ｃｉｊが小さくなり、図４の感度変化率が増加する。感度変化率は温度Ｔの増
加に対し、ほぼ直線的に増加するため、圧力検出ユニットの周波数温度特性を表す多項式
の１次係数が変化する。その結果として、頂点温度がシフトするように見えるのである。
【００３２】
図５は、ダイヤフラムに加わる圧力を０気圧、１気圧としたとき、解析で求めた圧力検
出ユニットの周波数温度特性を示した図である。各気圧において温度Ｔを変化させて圧力
検出ユニットの周波数変化Δｆ／ｆを計算した。０気圧の場合を菱型マーク◆で示し、１
気圧の場合を正方形マーク■で示す。温度Ｔと計算により求めた０気圧、１気圧における
周波数変化Δｆ／ｆとを滑らかな線で結んだ曲線（細線）と、温度Ｔと周波数変化Δｆ／
ｆとを多項式で近似した曲線（太線）とを重ねて表示している。０気圧の場合の周波数温
度特性の頂点温度は−６℃であるが、１気圧の場合では頂点温度は高温側にシフトし、２
０℃となることが解析結果により求められた。０気圧、１気圧の場合に圧力検出ユニット
の周波数温度特性を表す多項式式ｙ（＝Δｆ／ｆ）をｘ（＝温度Ｔ）に関する２次式で表
し、図面下部に示した。
【００３３】
図６は、試作した圧力検出ユニットに０気圧、１気圧の負荷をかけて、圧力検出ユニッ
トの周波数温度特性を測定したときの曲線で、０気圧の場合を菱型マーク◆で示し、１気
圧の場合を正方形マーク■で示す。０気圧の場合、周波数温度特性の頂点温度が−７℃で
あったが、１気圧の場合では頂点温度は２０℃にシフトしている。０気圧、１気圧の場合
に圧力検出ユニットの周波数温度特性を表す多項式ｙ（＝Δｆ／ｆ）をｘ（＝温度Ｔ）に
関する２次式で表し、図面下部に示した。図５に示した解析結果と、図６に示した測定結
果とを比べ、圧力検出ユニットに圧力（１気圧）を加えた場合に、頂点温度の高温側への
シフト量は、解析の結果と数パーセントの誤差で一致することが判明した。
この解析結果と実測結果から、周波数温度特性の頂点温度が変化する理由は、周波数温
度特性を表す多項式の１次係数の変化に起因することが分かる。
【００３４】
本発明では圧力検出ユニットの周波数温度特性を表す多項式を第１の近似式ｆとし、次
の３次多項式（２）を用いた。
ｆ＝ａ1Ｔ3＋ａ2Ｔ2＋ａ3Ｔ＋ａ4・・・（２）
図７（ａ）は、圧力検出ユニットに圧力（応力）Ｐを加えたときの共振周波数ｆの変化
を示す圧力Ｐ−周波数ｆ特性を表す曲線である。この圧力周波数特性を表す多項式を第２
の近似式Ｐとし、次の３次多項式（３）を用いた。
Ｐ＝ｂ1ｆ3＋ｂ2ｆ2＋ｂ3ｆ＋ｆc・・・（３）
ここでｆｃは、例えば１気圧の圧力を圧力検出ユニットに負荷したときの周波数温度特
性を表している。式（３）の１次の係数ｂ3は、温度依存性を表す係数で、第３の近似式
ｂ3とし、次の２次多項式（４）を用いた。
ｂ3＝ｃ1Ｔ2＋ｃ2Ｔ＋ｃ3・・・(４）
式（２）、（３）、（４）の全ての係数を実測する。始めに、使用気圧範囲内の気圧Ｐ
をパラメータとして、周波数温度特性（Ｔ−ｆ特性）を測定し、式（２）の係数ａ1、ａ2
、ａ3、ａ4を求める。次に、使用温度範囲内の温度Ｔをパラメータとして、圧力周波数特
性（Ｐ−ｆ特性）を測定し、式（３）の係数ｂ1、ｂ2、ｂ3を求める。
そして、温度Ｔｉをパラメータとし、圧力Ｐを変化させて圧力検出ユニットの共振周波
数を求め、圧力対周波数感度（ｄｆ／ｄＰ）ｉを求める。温度Ｔｉと圧力対周波数感度（
ｄｆ／ｄＰ）ｉをプロットし、この曲線から式（４）の係数ｃ1、ｃ2、ｃ3を求める。
【００３５】
図７（ｂ）は、無負荷時の双音叉型水晶振動素子、及び音叉型水晶振動素子の周波数温
度特性の頂点温度が、例えば−１０度になるように、水晶基板の切断角度を設定する。双
音叉型水晶振動素子に伸長（引張り）応力の負荷をかけると、頂点温度が高温側にシフト
し頂点温度はほぼ常温（２５℃）近傍になる。この際、音叉型水晶振動素子の動作領域は
周波数温度特性の直線領域を用いることになり、感温素子としても望ましい。
負荷をかけた場合、双音叉型水晶振動素子の頂点温度のシフト量は、負荷の大きさに依
存するので、被検出圧力の圧力値の検出範囲に応じて双音叉型水晶振動素子に生じる負荷
（応力）の範囲に応じて無負荷時の頂点温度を設定すれば良いこととなる。
【００３６】
図８は、本発明の一実施形態に係る圧力検出ユニット１の構成を示す概略図であり、同
図（ａ）は（ｂ）のＱ２−Ｑ２における断面図、同図（ｂ）は（ａ）のＱ１−Ｑ１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、このダイヤフラム１
０と対向して設けられた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複合振動片２０と、を備えている。
複合振動片２０は、第１の圧電振動片２３と、この第１の圧電振動片２３の一対の基部
２４ａ、２４ｂの一方の基部２４ａと一体的に形成され、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２６と、を備えている。
【００３７】
図９（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９（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、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、複合圧電振動片２０の基部２４ａ、２４ｂを支持、
固定するための一対の支持部１３ａ、１３ｂを有する。
第１の圧電振動片２３はその両基部２４ａ、２４ｂを支持部１３ａ、１３ｂにより支持
、固定される。第２の振動片２６の基部２７は、第１の圧電振動片２３の基部２４ａと同
一であり、共用しているので、第２の振動片２６も支持部１３ａに支持、固定されている
ことになる。
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の熱膨張の影響を考慮する
と、複合圧電振動片２０（第１及び第２の圧電振動片２３、２６）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、上記の材料の平板を加工し、形成することができる。
【００３８】
図１０（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、この薄肉部１６の周縁に形成される枠部１７と、
を備えている。
基台１５の薄肉部１６は、ダイヤフラム１０に加わる圧力により変形しない程度の厚み
を有した絶縁材料、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。
基台１５の枠部１７は、接合材を介してダイヤフラム１０の枠部１２と接合されるので
、温度変化による基台１５の熱膨張の影響を考慮すると、ダイヤフラム１０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。
【００３９】
図８（ｂ）に示す複合圧電振動片２０の第１の圧電振動片２３は、一対の振動腕２５ａ
、２５ｂ及びこの一対の振動腕２５ａ、２５ｂの両端部に夫々一体化された基部２４ａ、
２４ｂを有する双音叉型圧電振動素子である。また、複合圧電振動片２０の第２の圧電振
動片２６は、一対の振動腕２８及びこの振動腕２８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である。ここで、基部２７は、第１の圧電振動片２３の一方の基
部２４ａを共用している。つまり、基部２７と基部２４ａは同一であるが、発明を分かり
易くするため、同一部材に２つの符号を付した。
双音叉型圧電振動素子２３の振動腕２５ａ、２５ｂの振動のエネルギは、基部２４ａ、
２４ｂでは大きく減衰するので、基部２４ａ、２４ｂを支持、固定しても双音叉型圧電振
動素子２３の振動への影響、例えばＣＩ値（クリスタル・インピーダンス、電気的等価回
路の抵抗値）の増加は極めて小さい。
また、音叉型圧電振動素子２６の振動腕２８の振動のエネルギーは、基部２７では大幅
に減衰するので、基部２７を支持、固定しても音叉型圧電振動素子２６の振動への影響は
極めて小さい。そこで、音叉型圧電振動素子２６の基部２７と、双音叉型圧電振動素子２
３の基部２４ａと、を同一として形成した複合圧電振動片２０が、図８（ｂ）に示す複合
型の圧電素子である。
【００４０】
第１の圧電振動片２３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２３は、図１１（ａ）に示すような一対の基部２４ａ、２４ｂ及
びこの基部２４ａ、２４ｂ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２５ａ、２５ｂと、この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１１（ａ）は双音叉型水晶振動素子２３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１１（ｂ）は双音叉型水晶振動素子２３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１１（ｃ）は励振電極の結線を示す模式断面図である。
【００４１】
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・・・（５）
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（５）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・・・（６）
但し、応力感度ＳFと、応力σとはそれぞれ次式（７）、（８）で表される。
ＳF＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2・・・（７）
σ＝Ｆ／（２Ａ）・・・（８）
ここで、Ａは振動ビームの断面積（＝ｗ・ｄ）である。
【００４２】
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。
なお、応力感応素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、周波数温度特性が上に凸
の二次特性を有すると共に、伸張・圧縮応力によって周波数が、頂点温度がシフトする特
性を有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。
【００４３】
感温素子（温度センサー）として機能する第２の圧電振動片２６には、一対の振動腕２
８及びこの振動腕２８の一端部に一体化された基部２７（２４ａ）を有する音叉型圧電振
動素子を用いる。例えば、図２２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２３のような関係があると開示されている。また、図２４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。
複合圧電振動片２０の形成は、音叉型水晶振動子の基板加工、及び電極形成に用いられ
ているフォトグラフィ技法とエッチング手法を用いて、水晶Ｚ板を加工し、形成すること
ができる。
【００４４】
はじめに、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、本願発明者らが導き出した前述の見識によれ
ば前記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（引張り）応力を加え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、基板
の切断角度（Ｘ軸の周りの角度）を決めることになる。
一例として、圧力検出ユニットの使用する温度範囲を０℃から５０℃（中心温度２５℃
）とする。第１の圧電振動片（双音叉型水晶振動素子）２３の頂点温度Ｔｃ１を、応力負
荷（１気圧）の状態で２５℃に設定するのが望ましい。双音叉型水晶振動素子に１気圧の
伸張（引張り）応力を負荷すると、頂点温度Ｔｃ１は高温側へ約３５℃シフトする。１気
圧負荷の状態で双音叉型水晶振動素子２３の頂点温度Ｔｃ１を２５℃に設定するには、応
力無負荷の状態でＴｃ１は、−１０℃程度に設定する必要がある。そこで、複合圧電振動
片２０の基板の角度θを、頂点温度Ｔｃ１が−１０℃程度になるように設定する。音叉型
水晶振動素子２６の頂点温度Ｔｃ２も−１０℃程度になる。音叉型水晶振動素子２６の周
波数温度特性は上に凸の２次曲線であるので、頂点温度Ｔｃ２より高温側の温度−周波数
曲線を用いて圧力検出ユニットの温度を測定することになる。音叉型水晶振動素子２６の
使用する温度範囲としては、頂点温度Ｔｃ２よりも高い温度に設定している。前記１例に
おいては、頂点温度Ｔｃ２＝−１０℃よりも温度が高い０℃から５０℃の範囲に使用温度
範囲を設定している。
【００４５】
図９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、この接着剤の上に複合圧電振動片２０の基部２４ａ、２４ｂを
載置し、硬化させて固定する。そして、図１０に示す基台１５の枠部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、複合圧電振動片２０を形成する双音叉型水晶振動素子
２３及び音叉型水晶振動素子２６のＣＩ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２３及び音叉型水晶振動素子２６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、ダイヤフラム１０の一対の支持部１３ａ、１３ｂと、複合圧電振動片２０の基部
２４ａ、２４ｂとの接着剤には、応力緩和が大きいエポキシ等の有機接合剤は好ましくな
い。
【００４６】
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８（ａ）の図では支持部１３
ａは図中右側方向（外側方向）に、支持部１３ｂは左側方向（外側方向）に変形する。そ
の結果、複合圧電振動片２０の双音叉型水晶振動素子２３に伸長（引張り）応力が働くこ
とになる。しかし、複合圧電振動片２０の基部２４ａ（２７）に連設された音叉型水晶振
動素子２６には、ダイヤフラム１０の薄肉部１１の撓みによる応力は加わらない。
【００４７】
絶対圧力を測定する対象は気体、液体等であるが、液体を例として説明する。被測定液
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２３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２３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、被測定液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２３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。
被測定液体の温度により、双音叉型水晶振動素子２３の共振周波数が変動する。そこで
、感温素子（温度センサー）として複合圧電振動片２０の音叉型水晶振動素子２６を用い
て、基準圧を測定したときの圧力検出ユニットの温度Ｔ０と、被測定液体の中に入れたと
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２３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２３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
定液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２３に加わる応力を求め、この応力からダイヤフラム１０に
印加された圧力を求める。
【００４８】
以上説明したように、第１の圧電振動片の基部と第２の圧電振動片の基部とを同一とし
て共用することにより、圧力検出ユニットを小型化することがきる。更に、圧力（応力）
を検出する第１の圧電振動片に接して、温度を検出する第２の圧電振動片を設けることに
より、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
動片の温度による周波数変動を補正し、被測定媒体の圧力の測定精度を大幅に改善するこ
とができるという効果がある。更に、アナログの温度検出法に比べ、後述するように消費
電力を大幅に削減できるという効果がある。
また、圧力（応力）検出に双音叉型圧電振動素子を用いることにより、圧力（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、弾性表面波振動等を用いた圧力
検出ユニット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、温度検
出の精度が大幅に改善される。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。前記第１の圧電振動片の切断角度を適切に調整することに
より、その周波数温度特性の頂点温度を使用温度範囲内に位置するようにすることができ
、温度変化による圧力検出ユニットの検出精度を高めることができるという効果がある。
【００４９】
図１２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）は枠付圧電振動片３０の平面図、同図（ｃ）は（ｂ）の側面図である
。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、このダイヤフラム１
０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３０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３６と有する枠付圧電振動片３０と、を備えている。
ダイヤフラム１０及び基台１５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及び基台１５と同様に構成されている。
枠付圧電振動片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、この第１の圧電振動片３２の基部３３を支持する支持片３４と、第２の圧電
振動片（音叉型水晶振動素子）３５と、を備えている。
枠付圧電振動片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、第２の圧電振動片３５の一対の振動
腕と、外枠３１の内側とを、連結して構成される。なお、外枠３１と、第１の圧電振動片
３２と、支持片３４と、第２の圧電振動片３５とは、同一平面上にある。
枠付圧電振動片３０は、音叉型水晶振動子の製造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、水晶Ｚ板を加工し、形成することができる。
【００５０】
圧力検出ユニット２の構成は、まずダイヤフラム１０の枠部１２及び薄肉部１１に設け
た一対の支持部１３ａ、１３ｂと、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、枠付圧電振動片３０、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２の動作は、図８に示した圧力検出ユニット１の動作と同様であるの
で、説明を省く。
圧力検出ユニット２の特徴は、図８の圧力検出ユニット１と異なり、第１の圧電振動片
３２と、第２の圧電振動片３５とが離れており、音響的結合が極めて小さくなり、相互の
音響的干渉による圧力検出精度の劣化がないという点である。
【００５１】
図１３（ａ）は、枠付圧電振動片３０に形成される双音叉型水晶振動素子３２及び音叉
型水晶振動素子３５から延在するリード電極（引出電極）の一例を示す平面図である。
双音叉型水晶振動素子３２及び音叉型水晶振動素子３５それ自体の励振電極については
周知されているので省く。双音叉型水晶振動素子３２の電極端子をｔ３、ｔ４とし、この
電極端子ｔ３、ｔ４からそれぞれ支持片３４上と、外枠３１上を経由して外枠３１の端部
に設けた端子電極Ｔ３、Ｔ４までリード電極Ｌ３、Ｌ４を延在する。また、音叉型水晶振
動素子３５の電極端子をｔ１、ｔ２とし、この電極端子ｔ１、ｔ２からそれぞれ外枠３１
の端部に設けた端子電極Ｔ１、Ｔ２までリード電極Ｌ１、Ｌ２を延在する。このようにリ
ード電極Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４と、端子電極Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を設けることによ
り、端子電極Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を介して音叉型水晶振動素子３５と双音叉型水晶振
動素子３２とを励振することができる。
図１３（ｂ）は圧力検出ユニット２の一例であって、ダイヤフラム１０の長手方向（双
音叉型水晶振動素子３２のビーム方向）の寸法を、基台１５及び枠付圧電振動片３０の寸
法より短くした例である。枠付圧電振動片３０の外枠３１の端部に設けた端子電極Ｔ１、
Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４が、圧力検出ユニット２の外面に露出するので、外部の電気回路との接
続が容易となる。
図８に示した圧力検出ユニット１は、フォトリソグラフィ技法を用いて、複合振動片２
０を形成し、この複合振動片２０をダイヤフラム１０の支持部１３ａ、１３ｂに接着して
、圧力検出ユニット１を構成した。しかし、図１２の圧力検出ユニット２と同様に、図１
４（ａ）の平面図、同図（ｂ）の側面図に示すように、枠付圧電振動片２０’を形成し、
圧力検出ユニット１’を構成してもよい。このような構成法の方が、プロセス技術が活用
できるので、コスト低減と品質の安定化が図れる。
【００５２】
図１５（ａ）はダイヤフラム１０の内部からみた平面図であり、薄肉部１１のＹ’軸方
向の寸法をＬ、Ｘ軸方向の寸法をＷとする。ダイヤフラム１０の外面に一定の圧力を加え
た際の、寸法Ｌ、Ｗと、応力感度との関係をシミュレーションにより求めた。図１５（ｂ
）は、Ｘ軸方向の寸法Ｗを一定（Ｗ＝２ｍｍ）とし、Ｙ’軸方向の寸法Ｌを４．０ｍｍか
ら４．６ｍｍまで変化させた場合の寸法Ｌと応力感度との関係を示す曲線である。また、
図１５（ｃ）はＹ’軸方向の寸法Ｌを一定（Ｌ＝４．０ｍｍ）とし、Ｘ軸方向の寸法Ｗを
２．０ｍｍから２．６ｍｍまで変化させた場合の寸法Ｗと応力感度との関係を示す曲線で
ある。図８（ｂ）よりＹ’軸方向の寸法Ｌを増加しても応力感度はむしろ劣化するが、同
図（ｃ）よりＸ軸方向の寸法Ｗを増加すると応力感度は大きくなることが分かる。
【００５３】
図１６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）は枠付圧電振動片３０’の平面図、同図（ｃ）は（ｂ）の側面図であ
る。
図１６に示した薄肉部１１の形状寸法と応力感度とのシミュレーション結果に基づき、
応力感度を増すためには圧力検出ユニットのＸ軸方向の寸法を大きくすることが、効果が
あることが判明した。図１６（ｂ）では第２の圧電振動片（音叉型水晶振動素子）３５は
、Ｙ’軸方向の外枠３１に連結した構成になっている。これに対し、図１２（ｂ）の枠付
圧電振動片３０では、第２の圧電振動片３５は、Ｘ軸方向の外枠３１に連結するように設
けてあり、この構成ではＹ’軸方向の寸法が長くなり、応力感度の改善効果は小さい。
圧力検出ユニット３の動作は、図８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。
【００５４】
圧力検出ユニット３の特徴は、第１の圧電振動片３２と、第２の圧電振動片３５との相
互の音響的干渉による圧力検出精度の劣化がないという点と、Ｘ軸方向の寸法を大きくす
ることにより応力感度が、圧力検出ユニットに比べ改善されている点である。
また、同一の外枠に連結して形成されている第１の圧電振動片及び第２の圧電振動片を
用いて圧力検出ユニットを構成するので、大型ウエハを用いたプロセス処理が可能となり
、小型化、コスト低減が可能となる。更に、ダイヤフラム及び基台の枠部１２、１７と、
第１の圧電振動片及び第２の圧電振動片を連結する外枠３１と、を合わせるように圧力検
出ユニットの組み立てることにより、組み立て精度が改善されると共に容易になる。また
、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。
圧力検出ユニット１におけるダイヤフラム１０と基台１５の接合、圧力検出ユニット２
、３におけるダイヤフラム１０と、枠付圧電振動片３０、３０’と、基台１５との接合に
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。
【００５５】
また、上記実施形態及び各変形例では、圧力センサー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１７に示すような感圧素子を用いても
よい。
図１７は、他の実施形態の圧力センサー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１７に示すように、圧力センサーは、感圧部としての
振動片部が一つである柱状ビーム５８からなる（シングルビームともいう）振動素子が、
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、圧力センサーは、上記実施形態の圧力センサーと同様に、圧力の変化に伴
い前記振動素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。
前記振動素子の切断角度を適切に設定することにより、動作状態でその周波数温度特性
の頂点温度を使用温度範囲内に位置するようにすることができ、温度変化による圧力検出
ユニットの検出精度を高めることができるという効果がある。
【００５６】
図１８（ａ）は、応力センサーの構成を示すブロック図である。
応力センサー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
ンター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
周波数カウンター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の周波数カウンター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の周波数カウンター５２
ｂ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の周波数カウンター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。
【００５７】
このように構成される応力センサー５では、発振回路の消費電流は２０μＡ、基準２０
ＭＨｚで２４ビット、非同期式の周波数カウンターの消費電流は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ー
等からなる応力検出回路５０とを用いて圧力センサーを構成するので、小型な圧力センサ
ーが構成できると共に、温度補正により圧力測定精度が改善され、消費電流を大幅に低減
できるという効果がある。
【００５８】
図１８（ｂ）は応力センサーの他の構成例を示すブロック図である。
この図１８（ｂ）に示す応力センサー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、周波数カウンター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
ウンター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、周波数カウンター５
２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、周波数カウンター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ー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１８（ａ）に示した応力センサー５と比較して発
振回路、周波数カウンターをそれぞれ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１８（ａ）の
圧力センサーと同等で、消費電流はそれより低減できるという効果がある。
【符号の説明】
【００５９】
Ａ１…ダイヤフラム基板、Ｂ１…双音叉型振動素子基板、Ｂ２…双音叉型振動素子、Ｂ３
…支持片、１、１’、２、３…圧力検出ユニット、５、６…圧力センサー、１０…ダイヤ
フラム、１１…薄肉部、１２…枠部、１３ａ、１３ｂ…支持部、１５…基台、１６…薄肉
部、１７…枠部、１９…内部、２０…複合圧電振動片、２３、３２…第１の圧電振動片、
２４ａ、２４ｂ…基部、２５ａ、２５ｂ…応力感応部（振動腕）、２６、３５…第２の圧
電振動片、２７…基部、２８…振動腕、２０’、３０、３０’…枠付圧電振動片、３１…
外枠、３３…基部、３４…支持片、５０、５６…応力検出回路、５１、５１ａ、５１ｂ…
発振回路、５２、５２ａ、５２ｂ…周波数カウンター、５３…処理回路、５４…出力、５
５…切換器、ｔ１、ｔ２．ｔ３、ｔ４…電極端子、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４…端子電極、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４…リード電極、５８…柱状ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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