(57)【要約】【課題】  圧力その他の検出対象を測定するために圧電共振子を利用した圧電センサモジュールを小型化し、かつ簡単な構成により測定結果を無線送信し得る圧電センサシステムを提供する。【解決手段】  圧電センサモジュール１は、圧電基板４に設けられＳＡＷ共振子部２とセンサ部３とを備える。ＳＡＷ共振子部は、カバー５により気密に封止される圧電基板表面に形成したＩＤＴ９及び反射器１０を有する。センサ部は、カバーを部分的に薄肉化したダイヤフラム１３の下面に形成した電極膜１４ａと、それに対向して圧電基板表面に形成した電極膜１４ｂとからなるコンデンサ１４を有する。ＩＤＴとコンデンサとは電気的に直列に接続され、圧力の変化によるダイヤフラムの変形が両電極膜間の離隔距離即ちコンデンサの静電容量を変化させて、ＳＡＷ共振子部の励振周波数を変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板の表面に形成した励振電極を有する共振子部と、前記圧電基板の表面に形成した電極膜とそれに対向配置した電極膜とからなるコンデンサを有するセンサ部とを備え、
前記共振子部の前記励振電極と前記センサ部の前記コンデンサとが電気的に直列に接続され、
検出対象の作用により前記両電極膜間の離隔距離が変化して、前記コンデンサの静電容量を変化させるようにしたを特徴とする圧電センサモジュール。
【請求項２】
前記圧電基板の表面に対向配置されかつ前記圧電基板との間に画定されるキャビティを気密に封止するダイヤフラムを更に有し、前記ダイヤフラムの前記圧電基板との対向面に一方の前記電極膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電センサモジュール。
【請求項３】
前記共振子部及び前記センサ部を気密に封止するように圧電基板表面に接合されるカバーを更に有し、前記カバーに前記ダイヤフラムが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電センサモジュール。
【請求項４】
前記圧電基板の姿勢の変化に対応して変位する可動部材を更に有し、前記圧電基板表面に対向する一方の前記電極膜が前記可動部材の表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電センサモジュール。
【請求項５】
前記共振子部の前記励振電極が前記圧電基板表面に形成した交差指電極対からなるＩＤＴであり、前記共振子部が、前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬方向に沿って前記ＩＤＴの両側にそれぞれ配設された反射器を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電センサモジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電センサモジュールと、前記圧電センサモジュールの出力に接続された伸長コイルとを備えることを特徴とする圧電センサシステム。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電センサモジュールと、前記圧電センサモジュールの出力に接続された高周波集積回路とを備えることを特徴とする圧電センサシステム。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電センサモジュールと、前記圧電センサモジュールの前記励振電極と前記コンデンサとの間を選択的に接続又は切断するスイッチとを備えることを特徴とする圧電センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶共振子を利用して圧力や姿勢などの対象を検出するための圧電センサモジュール、及びそれを用いた圧電センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ダイヤフラムに印加する圧力を、その変形による圧電共振子の周波数変化を検出して測定する圧力センサが知られている。このような圧力センサとして、ダイヤフラムの表面にＳＡＷ（弾性表面波）素子を配置し、ダイヤフラムが変形するとＳＡＷ素子の周波数が変化するようにしたものがある（例えば、特許文献１，２を参照）。また、弾性表面波装置を配置して気密に封止したチャンバの蓋部にダイヤフラムを形成し、かつその突起を弾性表面波装置の基板に押圧させ、共鳴振動数の変化を圧力の変化として測定する圧力モニタが知られている（例えば、特許文献３を参照）。更に、２つのＩＤＴ電極を設けた圧力基板と対向配置したダイヤフラムとの間に液体を充填し、該液体中に一方のＩＤＴ電極から放射したＳＡＷをダイヤフラムで反射させ、他方のＩＤＴ電極で受信するようにした圧力センサが提案されている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００３】
また最近は、このような圧力センサを動力車のタイヤの中に配置し、測定したタイヤ内部の圧力を無線送信する装置が知られている（例えば、特許文献５を参照）。特に圧力センサにＳＡＷデバイスを用いることにより、電池を不要にすることができるタイヤ空気圧監視システムが報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。この報告によれば、３つのＳＡＷデバイスを１つの基板上に適当な角度で配置することにより、温度と圧力を独立に抽出することができる。更に、このタイヤ空気圧監視システムでは、ＳＡＷセンサにＲＦバースト信号を注入することにより、電池無しで応答信号を無線送信することを可能にしている。
【０００４】
【非特許文献１】デビッド・マーシュ，「ワイヤレス・センサーがタイヤを守る」，ＥＤＮ  Ｊａｐａｎ，リード・ビジネス・インフォメーション株式会社，２００４年１２月，ｐ．３９−５５
【特許文献１】特開平５−２６７５１号公報
【特許文献２】特開平８−２８５７０８号公報
【特許文献３】特開２００４−５１１７６６号公報
【特許文献４】特開平８−２８５７０８号公報
【特許文献５】特表２０００−５１７０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のタイヤ空気圧監視システムでは、３個のＳＡＷデバイスを使用しなければならず、センサ全体を小型化することが困難である。そのため、タイヤへの装着が困難になったり、その大きさによっては用途が限定されるなどの問題点が生じる。
【０００６】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力その他の検出対象を測定するために圧電共振子を利用した圧電センサモジュールにおいて、装置全体をより小型化し得る新規な構成を提供することにある。
更に本発明の目的は、簡単な構成により、測定結果を無線送信できる圧電センサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電基板の表面に形成した励振電極を有する共振子部と、該圧電基板の表面に形成した電極膜及びそれに対向配置した電極膜からなるコンデンサを有するセンサ部とを備え、共振子部の励振電極とセンサ部のコンデンサとが電気的に直列に接続され、検出対象の作用により両電極膜間の離隔距離が変化して、コンデンサの静電容量を変化させるようにした圧電センサモジュールが提供される。
【０００８】
この構成により、目的とする検出対象をコンデンサの静電容量の変化として感知し、その結果を共振子部からその発振周波数の変化として出力することができる。このようにセンサ素子としてのセンサ部と、その検出結果を表す信号を生成するための素子としての共振子部とを、共通の圧電基板に形成した１個のモジュール部品として構成することによって、装置全体を小型化することができる。また、このような一体化構造によって、センサ感度及び出力周波数の調整が容易である。
【０００９】
或る実施例では、圧電基板の表面に対向配置されかつ該圧電基板との間に画定されるキャビティを気密に封止するダイヤフラムを更に有し、ダイヤフラムの圧電基板との対向面に一方の電極膜が形成されている。圧電センサモジュールの周囲の圧力の変化でダイヤフラムが撓むことにより、コンデンサの電極膜間の離隔距離が変化し、その静電容量が変化するので、圧力センサとして用いることができる。
【００１０】
このとき、別の実施例では、共振子部及びセンサ部双方を気密に封止するように圧電基板表面に接合されるカバーを更に有し、該カバーにダイヤフラムが形成される。これにより、部品点数を少なくして全体の構成及びその製造を簡単にし、コストを低減することができる。
【００１１】
また、別の実施例では、圧電基板の姿勢の変化に対応して変位し、かつ圧電基板表面に対向する一方の電極膜をその表面に形成した可動部材を更に有することにより、圧電センサモジュールの姿勢の変化を、同様に共振子部が励振する周波数の変化として検出することができる。
【００１２】
また、或る実施例では、共振子部が、励振電極として圧電基板表面に形成した交差指電極対からなるＩＤＴと、該ＩＤＴにより励振される弾性表面波の伝搬方向に沿ってその両側にそれぞれ配設された反射器とを有するＳＡＷ共振子である。ＳＡＷ共振子は、そのまま無線周波数として使用可能な高周波を励振でき、しかも比較的小電力で動作する特性を有するので、これを動作させるバッテリの消費電力を少なくしてその寿命を長くでき、有利である。
【００１３】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧電センサモジュールと、該圧電センサモジュールの出力に接続された伸長コイルとを備える圧電センサシステムが提供される。伸長コイルを挿入することにより、共振子部の周波数可変範囲が広がり、センサの感度が向上することに加えて、インピーダンスの変化を小さくできるので、センサの検出結果を無線送信する場合に、通信が安定するので好ましい。
【００１４】
また本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧電センサモジュールと、該圧電センサモジュールの出力に接続された高周波集積回路とを備えることにより、圧電センサモジュールを検出結果を無線送信できる圧電センサシステムが提供される。特に、圧電センサモジュールの共振子部がＳＡＷ共振子の構成を有する場合には、センサ部の検出結果を共振子部からそのまま無線周波数の変化として外部に送信することができる。
【００１５】
本発明の更に別の側面によれば、上述した本発明の圧電センサモジュールと、該圧電センサモジュールの励振電極とコンデンサとの間を選択的に接続又は切断するスイッチとを備える圧電センサシステムが提供される。スイッチを閉じた状態では、目的の測定を実施するセンサシステムとして使用でき、更にスイッチを開いた状態で共振子部を励振させ、その発振周波数を把握しておくことにより、その周波数変化から温度変化を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、説明を簡単にするため、同一又は類似の構成要素には同じ参照符号を付すこととする。
図１（Ａ）〜（Ｄ）は本発明を適用した圧電センサモジュールの第１実施例を示している。本実施例の圧電センサモジュール１は圧力センサとして使用され、ＳＡＷ共振子部２とセンサ部３とを一体化した構造を有する。圧電センサモジュール１は、矩形の水晶薄板からなる共通の圧電基板４と、それと同じ長さ及び幅を有する矩形薄板からなる共通のカバー５とを備える。圧電基板４及びカバー５の対向面には、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、それぞれ全周縁に沿って所定幅の金属接合部６，７が設けられている。圧電基板４とカバー５とは、金属接合部６，７同士を熱圧着又は共晶接合することにより一体に接合され、その間に画定されるキャビティ８を気密に封止している。
【００１７】
圧電基板４には、リチウムタンタレート、リチウムニオベートなど、水晶以外の様々な圧電材料を用いることができる。また、シリコンなどの半導体材料やパイレックスガラスなどのガラス材料、セラミックス材料、ポリイミド又はポリカーボネイトなどの樹脂材料からなる基板上に、例えばダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜などのような多結晶ダイヤモンドの薄膜からなるダイヤモンド層と、例えばＺｎＯ、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｋ４Ｎｂ６Ｏ１７（ニオブ酸カリウム）などの様々な圧電材料からなる圧電体層とを積層したものを用いることもできる。
【００１８】
カバー５は、本実施例において水晶で形成されている。カバー５には、水晶と同程度又は近似した熱膨張率を有するソーダガラスなどのガラス材料や絶縁性材料を用いることもできる。また、圧電基板４を水晶以外の圧電材料で形成した場合、それと同程度又は近似の熱膨張率を有する絶縁性材料の薄板でカバー５を形成することが好ましい。
【００１９】
ＳＡＷ共振子部２は、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示すように、１ポート型のＳＡＷ共振子からなり、圧電基板４の上面に形成された１対の交差指電極９ａ，９ｂからなるＩＤＴ９と、その長手方向両側に形成された反射器１０，１０とを有する。各交差指電極９ａ，９ｂは、そのバスバーから圧電基板４の長手方向の辺縁に向けて引き出された取出電極１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続されている。前記交差指電極及び反射器は、一般に使用されているＡｌ膜やＡｌ／ＣｕのようなＡｌ合金などの導電性金属材料で形成されている。前記取出電極及び金属接合部は、Ｃｒ／Ａｕ膜またはＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ膜で形成されている。
【００２０】
センサ部３は、カバー５上面にエッチング又は機械加工などで凹部１２を形成することにより薄肉化したダイヤフラム１３を有する。ダイヤフラム１３の厚さは、要求される圧力感度に応じて薄く又は厚くすることができ、水晶の場合には例えば１０μｍ以下まで薄く形成することができる。ダイヤフラム１３の下面には、第１電極膜１４ａが形成され、これと対をなす第２電極膜１４ｂが、対向する圧電基板４上面に形成されている。第１電極膜１４ａは、カバー５の長手方向の一方の辺縁に向けて引き出された取出電極１５ａに接続されている。圧電基板４上面には、第２電極膜１４ｂから、第１電極膜１４ａの取出電極１５ａとは反対側の長手方向の辺縁に向けて取出電極１５ｂが引き出されている。更に圧電基板４上面には、カバー５の取出電極１５ａに対応する位置に、補助電極膜１５ｃが形成されている。
【００２１】
前記第１及び第２電極膜は、ＳＡＷ共振子部２の前記交差指電極及び反射器と同様に、Ａｌ膜やＡｌ合金などの導電性金属材料で形成される。特に第２電極膜１４ｂは、フォトリソグラフィ技術を用いて圧電基板４上にＳＡＷ共振子部２の前記交差指電極及び反射器をパターニングする際に、それと同時に形成することができる。取出電極１５ａ，１５ｂ及び補助電極膜１５ｃは、ＳＡＷ共振子部２の前記取出電極及び金属接合部と同様に、Ｃｒ／Ａｕ膜またはＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ膜で形成される。同様に、取出電極１５ａはカバ−５下面に金属接合部７を形成する際に、取出電極１５ｂ及び補助電極膜１５ｃは圧電基板４上に金属接合部６を形成する際に、それらのフォトリソグラフィ技術を用いたパターニングと同時に形成することができる。
【００２２】
対向配置された第１電極膜１４ａと第２電極膜１４ｂとによって、所望の静電容量を有するコンデンサ１４が構成される。コンデンサ１４の静電容量は、前記両電極膜の寸法、それらの離隔距離などにより決定される。両電極膜の離隔距離は、金属接合部６，７により制御されるが、更にこれを調整するために、本実施例では、カバー５下面に凹所１６が形成されている。コンデンサ１４の静電容量は、ダイヤフラム１３が外部圧力の変化により撓むと、第１及び第２電極膜１４ａ，１４ｂ間の離隔距離が変化し、その変化量に応じて変動する。このとき前記第１、第２電極膜間が電気的に短絡しないように、そのいずれか一方の表面を例えばＳｉＯ２などの絶縁薄膜（図示せず）で被覆しておくことが好ましい。
【００２３】
カバー５には、ＳＡＷ共振子部２の各取出電極１１ａ，１１ｂに対応する位置に、それぞれ上面から下面に向けてテーパ状をなす貫通孔１７ａ，１７ｂが形成されている。カバー５の上面には、前記各貫通孔の開口周縁にそれぞれ外部電極１８ａ，１８ｂが形成されている。更にカバー５には、センサ部３の取出電極１５ａ及び電極膜１５ｃ、並びに取出電極１５ｂに対応する位置に、それぞれ上面から下面に向けてテーパ状をなす貫通孔１９ａ，１９ｂが形成されている。同様にカバー５の上面には、各貫通孔１９ａ，１９ｂの開口周縁にそれぞれ外部電極２０ａ，２０ｂが形成されている。
【００２４】
各貫通孔１７ａ，１７ｂ及び１９ａ，１９ｂ内には、それぞれ導電材料からなる封止材２１，２１及び２２，２２が充填されている。前記封止材は、ＳＡＷ共振子部２の取出電極１１ａ，１１ｂ即ちＩＤＴ９の前記各交差指電極と対応する外部電極１８ａ，１８ｂとを、並びにセンサ部３の取出電極１５ａ，１５ｂ即ち前記第１及び第２電極膜と対応する外部電極２０ａ，２０ｂとを互いに電気的に接続するように充填する。更に、前記充填材によってキャビティ８内が気密に閉塞される。センサ部３の取出電極１５ａは、圧電基板４上面の補助電極膜１５ｃとの間に封止材２２が充填されることによって、外部電極との導通をより確実にしている。
【００２５】
前記封止材には、例えばＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、はんだ材料、高温はんだなどを用いることができる。前記各貫通孔の内周面を金属膜で予め被覆すると、封止材の導入が容易になるので有利である。また、カバー５下面に形成される取出電極１５ａは、対応する貫通孔１９ａ内周面に形成した前記金属膜で、対応する外部電極２０ａと電気的に接続することができる。その場合にも、キャビティ８を気密に封止するために、貫通孔１９ａは封止材２２で気密に封止するが、それにより前記外部電極との導通をより信頼性の高いものにすることができる。
【００２６】
また、カバー５の下面には、ＩＤＴ９、その取出電極１１ａ，１１ｂ及び反射器１０，１０に対応する領域に凹所２３が形成されている。凹所２３により、前記ＩＤＴ及び反射器の上端とカバー５下面とが接触しないように、それらの間に十分な空隙が画定されるので、予め期待されるＳＡＷの励振動作を確保することができる。
【００２７】
図２に示すように、圧電センサモジュール１を用いた圧電センサシステムは、ＳＡＷ共振子部２の入力側の交差指電極９ａが外部電極１８ａを介して外部の入力端子２４に接続され、出力側の交差指電極９ｂが外部電極１８ｂを介してスイッチング回路２５に接続されている。スイッチング回路２５は、外部の出力端子２６に接続されると共に、センサ部３の第１及び第２電極膜１４ａ，１４ｂに接続されている。
【００２８】
スイッチング回路２５を閉じると、ＳＡＷ共振子部２のＩＤＴ９とセンサ部３のコンデンサ１４とが直列に接続される。スイッチング回路２５を開いた状態でＳＡＷ共振子部２を励振させかつその発振周波数を把握しておくことにより、その周波数変化から温度変化を測定することができる。
【００２９】
図３は、圧電センサモジュール１を用いた圧電センサシステムの構成を示す電気回路図である。同図において、圧電センサモジュール１は電気的等価回路で示されている。センサ部３のコンデンサ１４は、その静電容量をＣｓ、電極面積即ち第１及び第２電極膜１４ａ，１４ｂが重複する面積をＳ、第１及び第２電極膜１４ａ，１４ｂ間の距離をｄとしたとき、それらの間には、Ｃｓ∝Ｓ／ｄの関係がある。ダイヤフラム１３に作用する外部圧力をＰとすると、第１及び第２電極膜１４ａ，１４ｂの離隔距離ｄとの間には、ｄ∝１／Ｐの関係がある。従って、コンデンサ１４の静電容量Ｃｓと外部圧力Ｐとの間には、Ｃｓ∝Ｓ・Ｐで表される比例関係がある。
【００３０】
圧電センサモジュール１は、図３に示すように、その出力側に別個の伸長コイルＬｓを直列に接続することができる。このように伸長コイルＬｓを挿入することによって、静電容量Ｃｓの変化に対するＳＡＷ共振子部２の周波数の可変範囲を広げることができる。図４は、インダクタンスＬｓを０（Ｈ）、４０（ｎＨ）とした場合に、ＳＡＷ共振子部２の共振周波数を３１５ＭＨｚとして、コンデンサ１４の静電容量Ｃｓ（ｐＦ）に関する周波数ｆｓ（ｐｐｍ）の変化を示している。同図から、いずれの場合にも、静電容量Ｃｓが増加すると、周波数ｆｓは低くなるように変化するが、その周波数変動はＬｓ＝４０の場合の方が大きいことが分かる。
【００３１】
図５は、静電容量Ｃｓを１ｐＦから無限大まで６段階に変化させた場合に、ＳＡＷ共振子部２の周波数（ｐｐｍ）に関する圧電センサモジュール１全体のインピーダンスＺ（Ω）の変化を示している。図５（Ａ）は、前記伸長コイルのインダクタンスＬｓ＝０（Ｈ）とした場合、図５（Ｂ）は、Ｌｓ＝４０（ｎＨ）とした場合である。これらを比較すると、インピーダンスＺの変化は、Ｌｓ＝４０の場合の方が小さいことが分かる。図４及び図５の結果から、伸長コイルＬｓを直列に接続した場合の方が、通信が安定するので、無線周波数として好ましい。
【００３２】
更に本発明によれば、図３における圧電センサモジュール１の出力側に高周波集積回路（ＲＦ−ＩＣ：radio frequency-integrated circuit）を接続して、圧電センサシステムを構成することができる。圧電センサモジュール１のＳＡＷ共振子部２は、無線通信用の周波数を励振するように設定する。前記高周波集積回路は、一般に良く知られた構造のもので、内蔵するパワーアンプで圧電センサモジュール１の出力を増幅し、アンテナから送信する。従って、本発明の圧電センサシステムによれば、外部圧力の変化が、センサ部３において静電容量の変化として検出され、かつＳＡＷ共振子部２により励振される周波数の変化に変換されて圧電センサモジュール１から出力され、前記高周波集積回路との組合せによってそのまま無線周波数の変化として外部に送信される。
【００３３】
本発明の圧電センサモジュールは、このように圧力センサとしての素子と、それが感知した圧力変化を表す信号を生成する無線周波数発生用の素子とが、１個のモジュール部品として構成されるので、従来よりも小型化が可能である。また、このような一体化構造によって、圧力の測定感度及び無線周波数の調整が容易である。更に、ＳＡＷ共振子部２は比較的小電力で動作する特性を有するので、バッテリの消費電力を少なくしてその寿命を長くでき、有利である。
【００３４】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の圧電センサモジュールの第２実施例を示している。本実施例の圧電センサモジュール３１は、センサ部３から外部に配線を引き出すための構造が、第１実施例と異なる。本実施例のカバー５は、センサ部３の貫通孔が省略され、かつその幅が圧電基板４より幾分短く形成されている。カバー５下面は、図７（Ａ）に示すように、その長手方向の側縁まで第１電極膜１４ａからの取出電極１５ａが引き出され、かつその側面に形成した電極膜３２を介してカバー５上面の外部電極２０ａに接続されている。カバー５下面には、その全周縁に第１実施例と同様に金属接合部７が形成されているが、取出電極１５ａと交差する部分は、それらの間に例えばＳｉＯ２などの絶縁膜３３を形成して電気的に絶縁している。
【００３５】
圧電基板４は、図７（Ｂ）に示すように、第２電極膜１４ｂからの取出電極１５ｂが、それに隣接する長手方向の側縁まで引き出されている。図６（Ａ）に示すように、圧電基板４上面は、取出電極１５ｂを引き出した長手方向の側辺部分を或る一定の幅だけ露出させて、カバー５が一体に接合される。これにより取出電極１５ｂの先端部分が外部に露出するので、これを第２電極膜１４ｂの外部電極としてスイッチング回路２５に接続することができる。圧電基板４上面には、カバー５の金属接合部７に対応する金属接合部６が形成され、その取出電極１５ｂと交差する部分は、両者の間に例えばＳｉＯ２などの絶縁膜３４を形成して電気的に絶縁している。また、本実施例では、圧電基板４上面に凹所３５が形成され、かつ該凹所内に第２電極膜１４ｂを形成して、第１電極膜１４ａとの離隔距離を調整している。
【００３６】
また、第２実施例では、金属接合部６，７による金属接合に代えて、低融点ガラスを圧電基板４とカバー５とを一体に接合して気密に封止することもできる。この場合には、絶縁膜３３，３４を形成する必要がない点で、有利である。
【００３７】
図８（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の圧電センサモジュールの第３実施例を示している。第３実施例の圧電センサモジュール４１は、前記スイッチング回路を省略して、ＳＡＷ共振子部２のＩＤＴ９とセンサ部３のコンデンサ１４とを直接接続した点で、第１及び第２実施例と異なる。図９（Ｂ）に示すように、圧電基板４上面には、出力側の交差指電極９ｂの取出電極１１ｂと第２電極膜１４ｂの取出電極１５ｂとを直接接続するリード線４２が形成されている。リード線４２は、前記交差指電極及び反射器と同じＡｌ膜又はＡｌ合金で、それらと同時にフォトリソグラフィ技術を利用して形成することができる。
【００３８】
このように圧電センサモジュール４１の内部にリード線４２を配線したことによって、カバー５は、図９（Ａ）に示すように、出力側の交差指電極９ｂに対応する貫通孔及び外部電極と、第２電極膜１４ｂの取出電極１５ｂに対応する貫通孔及び外部電極とを省略することができる。従って、圧電センサモジュール４１の構造及びその製造をより簡単にすることができる。更に、圧電センサモジュール４１を用いた圧電センサシステムは、スイッチング回路を省略することにより、全体の構成を簡単にできることに加えて、外部の配線が少なくなるので、外部から受けるノイズの影響を減らすことができる。
【００３９】
図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の圧電センサモジュールの第４実施例を示している。第４実施例の圧電センサモジュール５１は、ＳＡＷ共振子部２及びセンサ部３から外部に配線を引き出すための構造が、上記各実施例と異なる。本実施例のカバー５は、その幅が第２実施例よりも更に短く形成されている。図１０（Ａ）に示すように、圧電基板４上面は、長手方向の両側辺部分を或る一定の幅だけ露出させて、カバー５が一体に接合される。図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、カバー５下面には、その全周縁に第１実施例と同様に金属接合部７が形成され、それに対応する金属接合部６が、圧電基板４上面に形成されている。
【００４０】
圧電基板４は、図１１（Ｂ）に示すように、前記各交差指電極からの取出電極１１ａ，１１ｂと、第２電極膜１４ｂからの取出電極１５ｂ及び補助電極膜１５ｃが、ぞれ隣接する長手方向の側縁まで引き出されている。これにより、取出電極１１ａ，１１ｂ，１５ｂ及び補助電極膜１５ｃの各先端部分が外部に露出するので、これらをそれぞれ外部電極としてスイッチング回路２５及び入力端子２４に接続することができる。また、取出電極１１ａ，１１ｂ，１５ｂ及び補助電極膜１５ｃが金属接合部６と交差する部分は、それらの間に例えばＳｉＯ２などの絶縁膜５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂを形成して電気的に絶縁している。
【００４１】
本実施例のカバー５は、全ての外部電極と貫通孔とが省略されており、その代わりに第１電極膜１４ａの取出電極１５ａに対応する位置に、上記各実施例の貫通孔よりも幾分小さい貫通孔５４が穿設されている。従って、カバー５は、上記各実施例よりも簡単に構成されかつ形成することができる。図１０（Ｄ）に示すように、貫通孔５４には上記各実施例と同様に封止材５５が充填され、それにより取出電極１５ａと補助電極膜１５ｃとを電気的に接続し、かつ貫通孔５４を気密に閉塞している。また、本実施例では、カバ−５下面に凹所１６が形成され、かつ該凹所内に第１電極膜１４ａを形成して、第２電極膜１４ｂとの離隔距離を調整している。
【００４２】
更に、本実施例の圧電センサモジュール５１を用いた圧電センサシステムでは、入力端子２４と出力端子２６との間に、発振回路５６が、ＳＡＷ共振子部２及びセンサ部３並びにそれらに接続したスイッチング回路２５と並列に接続されている。発振回路５６には、例えば従来から使用されている高周波用のコルピッツ型発振回路などを用いることができる。
【００４３】
また、第４実施例においても、金属接合部６，７による金属接合に代えて、低融点ガラスを圧電基板４とカバー５とを一体に接合して気密に封止することができる。この場合にも、絶縁膜５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂを形成する必要がない点で、有利である。
【００４４】
図１２（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の圧電センサモジュールの第５実施例を示している。第５実施例の圧電センサモジュール６１は、上記各実施例の圧力センサではなく、水準器として使用することを目的とする。圧電センサモジュール６１は、全体的に図１及び図２の第１実施例に類似した構成を有し、ＳＡＷ共振子部６２とセンサ部６３とが一体化されている。矩形の水晶薄板からなる共通の圧電基板６４と、それと同じ長さ及び幅を有する矩形薄板からなる共通のカバー６５とは、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、それぞれ対向面の全周縁に沿って設けられた金属接合部６６，６７を熱圧着又は共晶接合して、それらの間にキャビティ６８を画定するように一体に接合されている。
【００４５】
ＳＡＷ共振子部６２は、図１３（Ｂ）に示すように、圧電基板６４上面に１対の交差指電極６９ａ，６９ｂからなるＩＤＴ６９と反射器７０，７０とを有する１ポート型のＳＡＷ共振子からなる。前記各交差指電極は、圧電基板６４の隣接する長手方向の辺縁に向けて取出電極７１ａ，７１ｂが引き出されている。センサ部６３は、カバー６５上面にエッチング又は機械加工などによる凹部７２が形成され、その底部の薄肉部７３に後述する水準器が設けられている。
【００４６】
カバー６５には、ＳＡＷ共振子部６２の取出電極７１ａ，７１ｂに対応する位置に貫通孔７４ａ，７４ｂが穿設され、その上面には前記貫通孔の開口周縁に外部電極７５ａ，７５ｂが形成されている。更にカバー６５には、センサ部６３から配線を引き出すために、第１実施例と同様の貫通孔７６ａ，７６ｂが穿設され、その上面にはそれら貫通孔の開口周縁に外部電極７７ａ，７７ｂが形成されている。貫通孔７４ａ，７４ｂ内には、導電材料からなる封止材７８，７８が充填され、ＳＡＷ共振子部２の取出電極７１ａ，７１ｂと対応する外部電極７５ａ，７５ｂとを電気的に接続し、かつ該貫通孔を気密に閉塞している。
【００４７】
カバー６５の薄肉部７３に設けられる前記水準器は、中央に配置した矩形の可動プレート７９と、その長手方向の両側辺に沿って延長する１対の可動アーム８０とを有する。可動アーム８０は、図１４に示すように、ＳＡＷ共振子部６２とは反対側の端部が薄肉部７３に結合され、これを基端部として片持ちに支持されている。可動プレート７９は、ＳＡＷ共振子部６２側の側辺が可動アーム８０の自由端即ちＳＡＷ共振子部６２側の端部に結合され、これを基端部として可動アーム８０とは逆向きに片持ちに支持されている。可動プレート７９及び可動アーム８０は、ＳＡＷ共振子部６２側とは逆向きのコ字形の溝８１とその直ぐ内側に逆向きのコ字形の溝８２とを、例えばエッチング又は機械加工により薄肉部７３に形成することによって、形成することができる。
【００４８】
可動プレート７９の下面には第１電極膜８３ａが形成され、かつこれに対向させて圧電基板６４上面に第２電極膜８３ｂが形成されている。第１電極膜８３ａは、可動アーム８０の下面に形成されたリード線８０ａを介して、カバー６５の長手方向の一方の辺縁に向けて引き出された取出電極８４ａに接続されている。圧電基板４上面には、第２電極膜８３ｂから、第１電極膜８３ａの取出電極８４ａとは反対側の長手方向の辺縁に向けて取出電極８４ｂが引き出されている。更に圧電基板６４上面には、カバー６５の取出電極８４ａに対応する位置に、補助電極膜８５が形成されている。
【００４９】
貫通孔７６ａ，７６ｂ内には、導電材料からなる封止材８６，８６が充填されて、取出電極８４ａ，８４ｂと対応する外部電極７７ａ，７７ｂとを互いに電気的に接続し、かつ該貫通孔を気密に閉塞している。特に取出電極８４ａは、圧電基板６４上面の補助電極膜８５との間に封止材８６が充填されることによって、前記外部電極との導通をより確実にしている。
【００５０】
可動プレート７９下面の第１電極膜８３ａと、これに対向する圧電基板６４上面の第２電極膜８３ｂとは、それらの寸法、離隔距離により決定される静電容量のコンデンサ８３を構成する。圧電センサモジュール６１が水平に維持される通常の状態では、可動プレート７９及び可動アーム８０は、図１４に想像線で示すように、水平に即ち圧電基板６４上面と平行に保持される。外力が作用して圧電センサモジュール６１が移動したり、その姿勢が変化すると、それに対応して可動アーム８０が図１４に実線で示すように撓み、可動プレート７９が元の位置から変位する。これにより第１、第２電極膜８３ａ，８３ｂ間の離隔距離が変化するので、その変化に応じてコンデンサ８３の静電容量が変動する。本実施例も、前記第１、第２電極膜間が電気的に短絡しないように、そのいずれか一方の表面を例えばＳｉＯ２などの絶縁薄膜（図示せず）で被覆しておくことが好ましい。
【００５１】
図１３に示すように、圧電センサモジュール６１を用いた圧電センサシステムは、ＳＡＷ共振子部２の入力側の交差指電極７１ａが、外部電極７５ａを介して外部の入力端子８６に接続されている。出力側の交差指電極７１ｂは、外部電極７５ｂからスイッチング回路８７を介して外部の出力端子８８に接続されている。更にスイッチング回路８７には、センサ部６３の第１及び第２電極膜８３ａ，８３ｂが接続されている。このスイッチング回路を切り換えることにより、ＳＡＷ共振子部６２のＩＤＴ６９とセンサ部６３のコンデンサ８３とが直列に接続され又は切断される。
【００５２】
本実施例の圧電センサモジュール６１は、ＳＡＷ共振子部６２及びセンサ部６３に共通のカバー６５に、前記水準器を一体に設けるために溝８１，８２を形成したので、そのままではキャビティ６８が外部に開放されている。従って、カバー６５上面の凹部７２を別個の蓋（図示せず）で気密に封止したり、圧電センサモジュール６１自体を別個のパッケージ内に気密に収容することが好ましい。また、ＳＡＷ共振子部６２を気密に封止するカバー部分と、センサ部６３の前記水準器を構成するカバー部分とを別個に用意し、共通の圧電基板に接合して一体化することもできる。
【００５３】
更に、第１電極膜８３ａ及びリード線８０ａを設けた可動プレート７９及び可動アーム８０を、カバー６５とは別個の部品として用意し、これを圧電基板６５上面に取り付けて水準器を形成することができる。この場合、図１３（Ａ）のカバー６５から凹部７２及び可動プレート７９などを形成した薄肉部７３を省略したものを共通のカバーとして、圧電基板６５上面に一体に接合し、キャビティ６８を気密に封止すればよい。
【００５４】
また、本実施例の水準器は、圧電センサモジュール６１の移動や姿勢の変化などによってその静電容量が変化するように対向配置された電極膜の対からなるコンデンサを有する限り、上述したもの以外に様々な構造のものを使用することができる。更に、そのような電極膜の構造によって、水準器以外の目的に使用することも可能である。
【００５５】
また、本実施例の圧電センサモジュール６１には、第２乃至第４実施例の構成を組み合わせて適用することができる。例えば、カバー６５から貫通孔７４ａ，７４ｂ，７６ａ，７６ｂの全部又は一部を省略したり、圧電基板６５上面にリード線を形成してＩＤＴ６９と第２電極膜８３ｂとを直接接続することができる。更に、圧電センサモジュール６１には、図３のように伸長コイルを接続したり、発振回路を接続して圧電センサシステムを構成することができる。また、圧電センサモジュール６１の出力側に高周波集積回路を接続することによって、センサ部６５の測定結果をそのまま無線周波数の変化として外部に送信することができる。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、上記各実施例は圧電基板にカバーを直接接合する２層構造であるが、圧電基板に中間層を挟んでカバーを接合する３層以上の多層構造や、圧電基板を収容したパッケージのベースにカバーを接合封止する構造についても、同様に適用することができる。また、圧電基板とカバーとは、上述した金属接合に代えて、陽極接合で接合することもできる。更に、ＳＡＷ共振子に代えて、厚み滑り振動モードのＡＴカット水晶共振子を用いることができる。その場合には、水晶共振子の発振周波数を、オーバートーンで所望の無線用周波数に調整する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（Ａ）図は本発明による圧電センサモジュールの第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はそのＩＣ−ＩＣ線における断面図、（Ｄ）図はそのＩＤ−ＩＤ線における断面図。
【図２】（Ａ）図は図１のカバーを示す下面図、（Ｂ）図は図１の圧電基板を示す平面図。
【図３】第１実施例の圧電センサモジュールの電気的等価回路図。
【図４】コンデンサの静電容量Ｃｓに関する周波数ｆｓの変化を示す線図。
【図５】（Ａ）図及び（Ｂ）図は、それぞれインダクタンスＬｓ＝０（Ｈ）、Ｌｓ＝４０（ｎＨ）とした場合に、ＳＡＷ共振子部の周波数に関する圧電センサモジュールのインピーダンスＺ（Ω）の変化を示す線図。
【図６】（Ａ）図は本発明による圧電センサモジュールの第２実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はそのVIＣ−VIＣ線における断面図、（Ｄ）図はそのVIＤ−VIＤ線における断面図。
【図７】（Ａ）図は図６のカバーを示す下面図、（Ｂ）図は図６の圧電基板を示す平面図。
【図８】（Ａ）図は本発明による圧電センサモジュールの第３実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はそのVIIIＣ−VIIIＣ線における断面図、（Ｄ）図はそのVIIIＤ−VIIIＤ線における断面図。
【図９】（Ａ）図は図８のカバーを示す下面図、（Ｂ）図は図８の圧電基板を示す平面図。
【図１０】（Ａ）図は本発明による圧電センサモジュールの第４実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はそのＸＣ−ＸＣ線における断面図、（Ｄ）図はそのＸＤ−ＸＤ線における断面図。
【図１１】（Ａ）図は図１０のカバーを示す下面図、（Ｂ）図は図１０の圧電基板を示す平面図。
【図１２】（Ａ）図は本発明による圧電センサモジュールの第５実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はそのXIIＣ−XIIＣ線における断面図、（Ｄ）図はそのXIIＤ−XIIＤ線における断面図。
【図１３】（Ａ）図は図１２のカバーを示す下面図、（Ｂ）図は図１２の圧電基板を示す平面図。
【図１４】第５実施例のセンサ部を示す部分拡大図。
【符号の説明】
【００５８】
１，３１，４１，５１，６１…圧電センサモジュール、２，６２…ＳＡＷ共振子部、３，６３…センサ部、４，６４…圧電基板、５，６５…カバー、６，７，６６，６７…金属接合部、８，６８…キャビティ、９，６９…ＩＤＴ、９ａ，９ｂ，６９ａ，６９ｂ…交差指電極、１０，７０…反射器、１１ａ，１１ｂ，７１ａ，７１ｂ…取出電極、１２…凹部、１３…ダイヤフラム、１４…コンデンサ、１４ａ，８３ａ…第１電極膜、１４ｂ，８３ｂ…第２電極膜、１５ａ，１５ｂ，７１ａ，７１ｂ，８４ａ，８４ｂ…取出電極、１５ｃ，８５…補助電極膜、１６，２３…凹所、１７ａ，１７ｂ，１９ａ，１９ｂ，５４，７４ａ，７４ｂ，７６ａ，７６ｂ…貫通孔、１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ，７５ａ，７５ｂ…外部電極、２１，２２，５５，７８，８６…封止材、２４，８６…入力端子、２５，８７…スイッチング回路、２６，８８…出力端子、３２…電極膜、３３，３４，５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂ…絶縁膜、３５…凹所、４２…リード線、５６…発振回路、７３…薄肉部、７９…可動プレート、８０…可動アーム、８０ａ…リード線、８１，８２…溝。
【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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