(57)【要約】【課題】液体の粘度や密度、気体の圧力や真空度を広い測定範囲で高感度、高精度にリアルタイムで測定できる圧電センサーを提供する。【解決手段】圧電センサー素子１１は、被測定流体を外部から導入しかつ流通可能に連通孔１７を設けたパッケージ１３内に音叉型圧電振動片１２を備える。圧電振動片は基部１８において片持ちに固定支持され、振動腕１９の下側主面１９ａが平坦なキャビティ底面１６ａと平行をなしかつそれらの間に所定寸法ｓ１の狭い隙間２２を画定するように配置する。振動腕を屈曲振動させると、その下側主面が移動壁として固定壁であるキャビティ底面に対して所定の速度で往復移動し、隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じる。このとき振動腕が被測定流体から受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片のＣＩ値の変化として検出し、被測定流体の圧力等の測定対象の変化を検出する。【選択図】図１
2011232263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部から平行に延出する１対の振動腕と、前記振動腕の両主面及び両側面に形成されて、前記振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させるための励振電極とを有する圧電振動片と、
内部に前記圧電振動片を収容しかつ前記基部において固定支持し、前記内部を外部の被測定流体に連通可能なパッケージとを備え、
前記圧電振動片が前記パッケージ内部に、前記振動腕の少なくとも一方の前記主面を前記パッケージ内部に設けられた平坦な固定面と平行に、かつそれらの間に所定寸法ｓの狭い隙間を画定するように配置され、前記隙間の寸法ｓが、前記振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、前記隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする圧電センサー素子。
【請求項２】
前記隙間の寸法ｓが２００μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の圧電センサー素子。
【請求項３】
前記パッケージが、前記圧電振動片を前記基部において固定支持するベースを有し、前記ベースが前記パッケージ内部の前記平坦な固定面を形成し、前記振動腕の下側主面との間に前記隙間を画定することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電センサー素子。
【請求項４】
前記パッケージが、前記圧電振動片を前記基部において固定支持するベースと、前記ベースに接合されて前記内部を画定するリッドとを有し、前記リッドが、前記パッケージ内部の前記平坦な固定面を形成し、前記振動腕の上側主面との間に前記寸法ｓの前記隙間を画定することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電センサー素子。
【請求項５】
前記圧電振動片が音叉型圧電振動片であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の圧電センサー素子。
【請求項６】
前記音叉型圧電振動片の振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、前記音叉型圧電振動片が、前記平坦な端面を前記パッケージ内部に設けられた平坦な第２固定面と平行に、かつそれらの間に所定寸法ｓ’の狭い第２隙間を画定するように配置され、前記第２隙間の寸法ｓ’が、前記振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、前記第２隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする請求項５記載の圧電センサー素子。
【請求項７】
前記音叉型圧電振動片が、前記振動腕を囲繞するように前記基部に結合された外枠を有し、前記振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、前記外枠が、前記振動腕先端の前記平坦な端面と平行をなしかつ該端面との間に所定寸法ｓ’の狭い第２隙間を画定する平坦な内側面を有し、前記第２隙間の寸法ｓ’が、前記振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、前記第２隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定され、
前記パッケージが、前記外枠の上下各面にそれぞれ接合される上側及び下側基板からなり、前記上側及び下側基板と前記外枠との間に前記音叉型圧電振動片を収容する前記内部を画定することを特徴とする請求項５記載の圧電センサー素子。
【請求項８】
前記圧電振動片が双音叉圧電振動片であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の圧電センサー素子。
【請求項９】
前記圧電振動片に加えてそれと同一の第２圧電振動片を更に有し、前記第２圧電振動片が、その振動腕をその主面の面内方向に屈曲振動させたとき、前記パッケージ内部の壁面との間で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じないように、該壁面から離隔して配置されることを特徴とする請求項１乃至６，８のいずれか記載の圧電センサー素子。
【請求項１０】
基部と、前記基部から平行に延出する１対の振動腕と、前記振動腕を囲繞するように前記基部に結合された外枠と、前記振動腕の両主面及び両側面に形成されて、前記振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させるための励振電極とを有し、
前記振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、
前記外枠が、前記振動腕先端の前記平坦な端面と平行をなしかつ該端面との間に所定寸法の狭い隙間を画定する平坦な内側面を有し、前記隙間の寸法が、前記振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、前記隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする圧電振動片。
【請求項１１】
請求項１乃至８のいずれか記載の圧電センサー素子と、前記圧電センサー素子の圧電振動片のＣＩ値を検出する電気回路とを備えることを特徴とする圧電センサー。
【請求項１２】
請求項９記載の圧電センサー素子と、前記圧電センサー素子の圧電振動片のＣＩ値と第２圧電振動片のＣＩ値とを検出しかつそれらの差分を取り出す電気回路とを備えることを特徴とする圧電センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の圧力や粘性を測定するために、屈曲振動モードの圧電振動片を用いた圧電センサー素子及びそれを用いた圧電センサー、それに適した圧電振動片に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液体や気体の圧力、真空度、流体の粘性を測定するために、圧電振動片を感応素子として用いた様々な圧電センサーが開発されている。一般に圧電振動片は、応力が印加されると、その大きさに対応して共振周波数が変化する性質を有する。特に屈曲振動モードの圧電振動片は、他の振動モードに比して、印加応力に対する周波数の変化率が大きい。
【０００３】
このような特性を利用して、平行な２本の振動腕を有する双音叉圧電振動片をその両端の基端部でダイヤフラムの表面に固定した圧力センサーが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。この圧力センサーは、ダイヤフラムが圧力を受けて撓むと、それに対応して圧電振動片の両基端部から振動腕に引張方向又は圧縮方向の力が作用し、その周波数が増大又は減少する。この周波数変化を検出することによって、ダイヤフラムが受けた圧力を測定することができる。
【０００４】
他方、圧電素子を用いて測定対象の流体の粘性又は密度を測定する様々なセンサーが提案されている。例えば、互いに板面を平行に対向させて基台に固着した２つの細長い板状振動片の一端側にそれぞれ圧電素子を貼り付けた音叉型圧電振動子を、軽油等の被測定物中に浸漬して使用する粘度センサーが知られている（特許文献３を参照）。この音叉型圧電振動子は、ウインブリッジ発振回路にこれを構成する２つのコンデンサの一方と置換して接続され、その一方の接続点から電圧変化を検出して軽油の粘度変化を測定する。
【０００５】
同様に被検液体の粘度及び密度を測定するために、基部で結合された１対の角柱状振動部を備えた音叉型圧電振動子を用いた液体性状センサーが知られている（例えば、特許文献４を参照）。被検液体の粘度及び密度は、振動周波数と音叉型圧電振動子の二次側出力電圧の実効値とを検出して測定する。この音叉型圧電振動子は、各振動部がそれぞれ断面方向に延長する２本のスリットで本体部とその両側の固定部とに分離されており、圧電体を接着した本体部が振動する際に液体から受ける粘性抵抗を、スリット中に侵入した液体によって増加させて、測定精度の向上を図っている。
【０００６】
また、厚み滑り振動モードの水晶振動片を用いて被検出液の粘性を検出する粘度センサー用水晶振動子が知られている（例えば、特許文献５を参照）。この水晶振動子を測定器の発振回路に接続してオイル中に投入し、そのＣＩ（クリスタルインピーダンス：直列等価抵抗）値を測定することによって、予め計測されたＣＩ値と粘性との関係からオイルの粘性を検出することができる。
【０００７】
同様に両面に電極を形成した厚み滑り振動モードの圧電体を被測定液体中に浸漬する粘性検出センサーにおいては、圧電体の発振周波数の変化を検出したり、圧電体から発生する出力のコンダクタンスを検出することによって、被測定液体の粘性変化を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献６，７を参照）。更に、１対のカンチレバー部を有する音叉型振動体を、液体中に浸漬しかつ一方のカンチレバー部に固定した振動子に電圧を印加して共振周波数で振動させ、この振動を他方のカンチレバー部に固定した振動センサーから電気信号に変換して出力し、振動子の入力信号と振動センサーの出力信号との位相差に基づいて液体の粘度を検出する音叉型粘度センサーが知られている（例えば、特許文献８を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３２７９２２号公報
【特許文献２】特開２００８−７０２４０号公報
【特許文献３】特開平９−２５７６８２号公報
【特許文献４】特開平１１−９４７２６号公報
【特許文献５】特開２００４−１２８９７９号公報
【特許文献６】特開平９−１１９８９１号公報
【特許文献７】特開平８−２６１９０９号公報
【特許文献８】特開平１１−１７３９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した従来の圧力センサーは、双音叉圧電振動片が高い周波数分解能を有することもあり、非常に高い検出精度及び直線性に優れた圧力応答特性を発揮する。しかしながら、圧電振動片における周波数の変化は、これを検出してから安定してカウントできるようになるまでに或る程度の時間を要する。そのため、実際に圧力の変化が生じてから検出されるまでに多少のタイムラグが発生する、という問題がある。このタイムラグの問題は、特許文献４，６記載のように圧電体の周波数を検出する従来の粘度センサーにおいても、同様に発生する。これに対し、圧電振動片のＣＩ値を検出するタイプのセンサーは、かかるタイムラグが発生しないという点で有利である。
【００１０】
また、双音叉圧電振動片を用いた従来の圧力センサーでは、振動腕の両端の基部がダイヤフラムの支持部に接着剤や直接接合等により固定される。かかる構造は、ダイヤフラムが受けた圧力が該支持部を介して伝達されるので、その接合部分が経年劣化することによって、検出感度が低下する虞がある。更に、圧電振動片の振動が、両端基部から支持部を介してダイヤフラム側に漏洩し、容器の固有振動数と機械的結合するなどして振動特性を低下させ、検出精度及び感度の低下を招く虞がある。また、圧電振動片とダイヤフラム又は容器とで熱膨張係数が大きく異なる場合には、使用環境の温度変化が検出精度及び感度に影響を及ぼす虞がある。
【００１１】
他方、特許文献４に記載されるセンサーは、振動する圧電体（１４）の本体部（１６）がその両側を挟む固定部（１８）との間のスリット（１３）内に侵入する液体の粘性抵抗を受けて、振動周波数が変化する。このとき、本体部の振動面が受ける粘性抵抗Ｆの大きさは次式で表され、該本体部の振動面に接する液体の速度勾配ｄＶ／ｄｚに比例し、その比例定数ηが液体の粘度になる。
Ｆ＝Ａ・η・（ｄＶ／ｄｚ）
ここで、Ａは振動面の面積、ｚは振動面からの距離である。
【００１２】
更に特許文献４によれば、スリット内の液体の速度分布は、静止液体中に振動面がある場合、振動面に接する液体が振動面と同方向、同速度で運動し、振動面から離れた位置にある液体では、振動面から離れるに従って自己の粘性抵抗によって速度が低下する。従って、本体部と固定部間のスリットの幅も、本体部（１６）の振動面に作用する粘性抵抗に影響を及ぼすという問題が考えられる。
【００１３】
本願発明者は、上述したように音叉型圧電振動子を空気や液体等の流体中に浸漬して用いる従来構造の圧電センサーについて、その圧力（気圧）の変化に対するＣＩ値の変動を測定し評価した。この測定結果を図１４に示す。同図に示すように、気圧が非常に低い即ち真空度が高い範囲では、ＣＩ値の変化が比較的急峻で高い感度が得られる。これに対し、気圧が高い即ち真空度が低い範囲では、ＣＩ値の変化が比較的滑らかであり、そのために圧力を高感度、高精度に測定することが困難になる虞がある。
【００１４】
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、屈曲振動モードで振動する圧電振動片を被測定対象の流体中に配置し、該圧電振動片がその表面に接する流体から受ける粘性抵抗の変化を、圧電振動片のＣＩ値として検出することによって、液体等の非圧縮性流体についてその粘度、密度を、気体等の圧縮性流体についてその圧力、真空度を、広い測定範囲に亘って高感度、高精度にかつ高応答で測定し得る圧電センサーを提供することにある。
【００１５】
更に本発明の目的は、かかる圧電センサーに使用するのに適した圧電センサー素子及び圧電振動片を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の圧電センサー素子は、上記目的を達成するために、基部と、該基部から平行に延出する１対の振動腕と、該振動腕の両主面及び両側面に形成されて、振動腕を主面の面内方向に屈曲振動させるための励振電極とを有する圧電振動片と、
内部に圧電振動片を収容しかつその基部において固定支持し、該内部を外部の被測定流体に連通可能なパッケージとを備え、
圧電振動片がパッケージ内部に、振動腕の少なくとも一方の主面をパッケージ内部に設けられた平坦な固定面と平行に、かつそれらの間に所定寸法ｓの狭い隙間を画定するように配置され、該隙間の寸法ｓが、振動腕を主面の面内方向に屈曲振動させたとき、隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定されることを特徴とする。
【００１７】
振動腕の屈曲振動は、その一方／又は両方の主面に作用する被測定流体の粘性抵抗によって抑制されるから、振動腕の屈曲振動中に被測定流体の粘性抵抗が変化すれば、その大きさによって圧電振動片のＣＩ値等の電気的特性は変化する。屈曲振動している圧電振動片の主面が移動壁として、それに隣接する平行な固定壁であるパッケージ内部の平坦な固定面に対して所定の速度で往復移動する際、それらの隙間を適当な大きさに設定すると、該隙間内に被測定流体の定常的な速度分布の流れが発生する。
【００１８】
この隙間内の流れ状態においては、被測定流体の粘度や密度の変化、それによる粘性抵抗の変化が、後述するように一定の関係をもって圧電振動片のＣＩ値を変化させ、かつＣＩ値の変動検出感度が良好なことを、本願発明者は見出した。従って、本発明の圧電センサー素子は、圧電振動片のＣＩ値から被測定流体の粘度や密度、それらを変化させる圧力等の測定対象の変化を高感度かつ高精度に測定することができる。しかも、圧電振動片のＣＩ値は、周波数のカウントのようなタイムラグを生じることなく検出できるので、応答性に優れた測定が可能である。
【００１９】
或る実施例では、前記隙間の寸法ｓが２００μｍ以下の範囲にあることが好ましい。これにより、特に気体の圧力を測定する場合、真空度の低い範囲を含む広い測定範囲に亘って測定対象を高感度に測定できることが分かった。
【００２０】
或る実施例では、パッケージが、圧電振動片をその基部において固定支持するベースを有し、該ベースがパッケージ内部の平坦な固定面を形成し、振動腕の下側主面との間に前記隙間を画定する。このようにパッケージのベースを直接利用することによって、寸法ｓの前記隙間を画定するために別個の部材や複雑な構造を用いる必要が無いので、圧電センサー素子の構成を簡単にし、かつ従来の組立工程を利用して圧電振動片を実装することができる。
【００２１】
別の実施例では、パッケージが、圧電振動片を基部において固定支持するベースと、該ベースに接合されてパッケージ内部を画定するリッドとを有し、該リッドがパッケージ内部の平坦な固定面を形成し、振動腕の上側主面との間に寸法ｓの前記隙間を画定する。このようにパッケージのリッドを直接利用することによって、同様に寸法ｓの前記隙間を画定するために別個の部材や複雑な構造を用いる必要が無く、圧電センサー素子の構成を簡単にし、かつ従来の組立工程を利用して圧電振動片を実装することができる。
【００２２】
或る実施例では、圧電振動片が音叉型圧電振動片である。
この場合、或る実施例では、音叉型圧電振動片の振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、該平坦な端面をパッケージ内部に設けられた平坦な第２固定面と平行にかつそれらの間に所定寸法ｓ’の狭い第２隙間を画定するように、音叉型圧電振動片が配置され、第２隙間の寸法ｓ’が、振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、第２隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定される。被測定流体の粘性抵抗は、前記主面に加えて、移動速度が最も大きい振動腕先端の端面からも振動腕に作用するので、その変化をＣＩ値の変化として、より高感度に検出することができる。
【００２３】
別の実施例では、音叉型圧電振動片が、振動腕を囲繞するように基部に結合された外枠を有し、振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、前記外枠が、振動腕先端の平坦な端面と平行をなしかつ該端面との間に所定寸法ｓ’の狭い第２隙間を画定する平坦な内側面を有し、第２隙間の寸法ｓ’が、振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、第２隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定され、パッケージが、前記外枠の上下各面にそれぞれ接合される上側及び下側基板からなり、該上側及び下側基板と外枠との間に音叉型圧電振動片を収容するパッケージ内部を画定する。
【００２４】
この外枠を有する音叉型圧電振動片は、例えば水晶ウエハからウエットエッチング等の公知方法を用いて一体に加工でき、振動腕先端の隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成することができる。更に、かかるパッケージ構造を採用することによって、高感度の圧電センサー素子を少ない部品点数で簡単に組み立てることができる。
【００２５】
従って、本発明の別の側面によれば、基部と、該基部から平行に延出する１対の振動腕と、該振動腕を囲繞するように基部に結合された外枠と、振動腕の両主面及び両側面に形成されて、振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させるための励振電極とを有し、振動腕が、その先端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面を有し、前記外枠が、振動腕先端の平坦な端面と平行をなしかつ該端面との間に所定寸法の狭い隙間を画定する平坦な内側面を有し、該隙間の寸法が、振動腕を前記主面の面内方向に屈曲振動させたとき、隙間内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように設定される圧電振動片が提供される。この圧電振動片は、外枠を有しない通常の音叉型圧電振動片と同様に、ベースとそれに接合されるリッドとにより画定されるパッケージの内部に実装することによっても、同様に本発明の圧電センサー素子を構成することができる。
【００２６】
また本発明の別の実施例による圧電センサー素子は、圧電振動片が双音叉圧電振動片である。一般に双音叉圧電振動片は、高いＱ値（共振尖鋭度）、高精度、高安定性及び速い応答速度を有するので、測定対象の急激な変動をも検出し得る高い応答性が得られる。
【００２７】
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ー素子と、該圧電センサー素子の圧電振動片のＣＩ値を検出する電気回路とを備えることにより、被測定流体の粘度、密度、圧力等の測定対象を高感度、高精度かつ高応答で測定し得る圧電センサーが提供される。
【００２８】
更に本発明の別の実施例による圧電センサー素子は、パッケージ内部の固定面との間で被測定流体の定常的な速度分布の流れを生じる前記圧電振動片に加えて、それと同一の第２圧電振動片を更に有し、該第２圧電振動片が、その振動腕をその主面の面内方向に屈曲振動させたとき、パッケージ内部の壁面との間で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じないように、該壁面から離隔して配置される。これら両圧電振動片からそれぞれ検出されるＣＩ値の差分を取り出すことによって、それらの温度特性や外部環境からの汚染等による影響をキャンセルし、高精度な測定を行うことができる。
【００２９】
従って、本発明の別の側面によれば、この圧電センサー素子と、該圧電センサー素子の圧電振動片のＣＩ値と第２圧電振動片のＣＩ値とを検出しかつそれらの差分を取り出す電気回路とを備える圧電センサーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（Ａ）図は本発明による圧電センサー素子の第１実施例を示す縦断面図、（Ｂ）図はそのリッドを省略して示す平面図。
【図２】パッケージ内の隙間ｓ１における被測定流体の流れを説明する模式図。
【図３】第１実施例及び比較例における気圧とＣＩ値との関係を示す線図。
【図４】第１実施例において、振動腕の振動面とベースの固定面間の隙間ｓ１とＣＩ値変動量との関係を示す線図。
【図５】第１実施例の圧電センサー素子を組み込んだ圧電センサーの圧力検出回路を例示する回路図。
【図６】（Ａ）〜（Ｅ）図は図５の圧力検出回路における各信号ａ〜ｅの波形図。
【図７】第１実施例の変形例の圧電センサー素子を示す縦断面図。
【図８】第１実施例の別の変形例の圧電センサー素子を示す縦断面図。
【図９】（Ａ）図は本発明による圧電センサー素子の第２実施例を示す縦断面図、（Ｂ）図はそのリッドを省略して示す平面図。
【図１０】第２実施例の変形例の圧電センサー素子を示す縦断面図。
【図１１】図１０の変形例に使用する圧電振動片の平面図。
【図１２】本発明による圧電センサー素子の第３実施例を示す縦断面図。
【図１３】（Ａ）図は本発明による圧電センサー素子の第４実施例を示す縦断面図、（Ｂ）図はそのリッドを省略して示す平面図。
【図１４】従来構造の圧電センサーにおける気圧とＣＩ値との関係を示す線図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、各図において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して表すものとする。
【００３２】
図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明による圧電センサー素子の第１実施例の構成を示している。本実施例の圧電センサー素子１１は、流体の圧力や粘度、密度を測定するためのもので、音叉型圧電振動片１２と、これを収容するためのパッケージ１３とを備える。パッケージ１３は、上部を開放した矩形箱型のベース１４と、その上端に接合された矩形平板のリッド１５とを有する。ベース１４は、例えばセラミックス等の絶縁材料薄板を積層して形成される。リッド１５は、例えばコバール、４２アロイ、ＳＵＳ等の金属材料や、ガラス、シリコン、水晶、セラミック等の絶縁材料で形成される。
【００３３】
パッケージ１３内部に画定されるキャビティ１６に被測定流体を外部環境から導入しかつ流通可能にするため、リッド１５には連通孔１７が貫設されている。連通孔１７は、前記リッドではなく、ベース１４に設けることもでき、前記リッド及びベースの双方に設けることもできる。この連通孔によって、圧電センサー素子１１を被測定流体内に配置したとき、キャビティ１６内は外部環境から被測定流体が満たされ、自在に流通可能な状態に置かれる。
【００３４】
音叉型圧電振動片１２は、例えば水晶材料のような公知の圧電材料で形成され、基部１８と、該基部から平行に延出する１対の振動腕１９，１９とを有する。図示しないが、前記各振動腕の上下主面及び両側面には励振電極が形成され、前記励振電極からそれぞれ引き出された１対のマウント電極が前記基部に形成されている。
【００３５】
圧電振動片１２の実装面を構成するベース１４のキャビティ底面１６ａは平坦で、その長手方向の一方の端部付近に１対の接続電極２０，２０が形成されている。圧電振動片１２は、基部１８において各前記マウント電極をキャビティ底面１６ａの対応する前記接続電極に導電性接着剤２１，２１で固定することにより、ベース１４に電気的に接続されかつ機械的に片持ちで支持される。振動腕１９，１９の下側主面１９ａは、キャビティ底面１６ａと平行をなし、かつそれらの間に所定寸法ｓ１の狭い隙間２２を画定するように配置する。
【００３６】
キャビティ底面１６ａの接続電極２０，２０は、その上面に導電材料の支持部を所定の高さに予め形成しておくことが好ましい。例えば、この支持部を帯状やドット状のバンプで形成したりその上面に凹みを形成することにより、圧電振動片１２を固定する際に余分な導電性接着剤が該支持部上に残らないので、前記圧電振動片をキャビティ底面１６ａに対して所望の高さにかつ平行に、より正確に配置することができる。このような圧電振動片の支持構造は、従来から当業者によく知られている。
【００３７】
圧電振動片１２の前記励振電極に所定の電圧を印加すると、振動腕１９，１９は、その主面１９ａの面内方向に即ち前記キャビティ底面と平行に、互いに接近離反する向きに所定の周波数で屈曲振動する。前記振動腕の下側主面１９ａは移動壁として、固定壁であるキャビティ底面１６ａに対して所定の速度で往復移動する。このとき、キャビティ１６内の被測定流体が隙間２２内で、その速度分布が時間によって変化しない定常的な流れを生じるように、隙間の大きさｓ１は決定される。
【００３８】
別の実施例では、前記振動腕の下側主面１９ａとの間に隙間２２を画定する固定壁として、前記ベースのキャビティ底面１６ａを直接利用する代わりに、別個の平坦面部材をキャビティ１６内に配置することができる。また、接続電極２０，２０を形成した前記キャビティ底面とは異なる高さの段差等を前記ベースに形成することによって、隙間２２を画定する固定壁構造を設けることもできる。
【００３９】
図２は、圧電振動片１２の励振時にキャビティ１６内の隙間２２に生じる被測定流体Ｆの流れを模式的に説明している。図中、キャビティ底面１６ａから垂直上向きをｙ軸、該キャビティ底面と平行に右向きをｘ軸にとる。振動腕１９がｘ方向に速度Ｕで移動するとき、その下側主面１９ａに接している被測定流体が同じ速度Ｕで動くのに対し、キャビティ底面１６ａに接している被測定流体の速度は０である。それらの間では、被測定流体Ｆが、キャビティ底面１６ａからの距離ｙにおいてその上側の部分と下側の部分とで異なる速度の層流となって互いにずれながら移動している。
【００４０】
隙間２２内でクエット流れが発生しているとした場合、被測定流体Ｆのキャビティ底面１６ａから距離ｙにおけるｘ方向の速度ｕは、次式となる。
ｕ＝Ｕ×(ｙ／ｓ１)
即ち、図２で斜めの直線で示すように、距離ｙに関して０からＵまで直線的に変化する速度分布となる。図中、この速度分布に沿って示す水平右向きの矢印は、速度ベクトルである。
【００４１】
このとき、振動腕の下側主面１９ａにそれに接している被測定流体から作用する単位面積当たりの摩擦力がせん断応力τ0 であり、次式で表わすことができる。
τ0 ＝μ×(Ｕ／ｓ１)
隙間２２内の被測定流体内部においても、ｘ方向に異なる速度で移動している部分同士の間に摩擦力が働く。単位面積当たりの摩擦力即ちせん断応力τは、次式で表わすことができる。
τ＝μ×(ｄｕ／ｄｙ)
この比例定数μが、粘度又は粘性係数と呼ばれる被測定流体に固有な値である。速度勾配(ｄｕ／ｄｙ)とせん断応力τとの間にμ一定の比例関係がある流体がニュートン流体、そのような比例関係が無い流体が非ニュートン流体と呼ばれている。
【００４２】
また、これらのせん断応力は、次式のように書き換えることができる。
τ0 ＝ρν×(Ｕ／ｓ１)
τ＝ρν×(ｄｕ／ｄｙ)
ここで、ρは被測定流体の密度、ν＝μ／ρは被測定流体の動粘性係数である。一般に、温度が上昇すると、圧縮性流体である気体の動粘性係数は大きくなり、非圧縮性流体である液体の動粘性係数は小さくなることが知られている。
【００４３】
実際、一般に移動壁と固定壁との間に発生する流体の流れは、クエット流れのような単純な層流ではなく、乱流である場合が多いと考えられる。その場合、振動している前記振動腕の下側主面１９ａにそれに接している被測定流体から作用する単位面積当たりの摩擦力即ちせん断応力τ0 は、次式で表わすことができる。
τ0 ＝μ×(Ｕ／ｓ１)−ρ(ｕ'の時間平均)(ｖ'の時間平均)
この式の右辺第２項はレイノルズ応力と呼ばれ、ｕ'は被測定流体のｘ方向の速度変動、ｖ'は被測定流体のｙ方向の速度変動である。振動腕１９の下側主面１９ａとキャビティ底面１６ａ間の隙間２２も、このような被測定流体の粘性に対応した定常的な流れが発生していると考えられる。
【００４４】
本明細書中、前記振動腕の表面に作用してその屈曲振動を抑制するように働く摩擦力を被測定流体の粘性抵抗と呼ぶこととする。この粘性抵抗の大きさによって、圧電振動片１２の電気的特性が変化する。被測定流体が圧縮性流体の場合、圧力が上昇すると、容積が減少して密度が高くなるので、粘性抵抗が大きくなる。逆に圧力が降下すると、容積が増大して密度が低くなるので、粘性抵抗が小さくなる。被測定流体が非圧縮性流体の場合、密度は圧力に対して一定であるが、液体は温度によって密度が変化し、その結果粘性抵抗が増減する場合がある。
【００４５】
本実施例では、振動腕１９の下側主面１９ａが隙間２２内の被測定流体から受ける粘性抵抗の変化を、圧電振動片１２のＣＩ値の変化として検出する。これによって、振動腕への粘性抵抗を変化させる圧力等の測定対象の変化を高感度に検出することができる。しかも、ＣＩ値の検出は、周波数のカウントのようなタイムラグを発生しないので、測定対象をリアルタイムで測定できる。
【００４６】
第１実施例の圧電センサー素子１１において、被測定流体を空気、隙間２２の大きさｓ１を２００μｍに設定して、気圧に対する圧電振動片１２のＣＩ値の変化を測定した。比較例として、音叉型圧電振動片を被測定流体の空気中に置いた従来構造の圧電センサーにおいて、同様に気圧に対する圧電振動片のＣＩ値の変化を測定した。これらの測定結果を図３に示す。同図から、圧電センサー素子１１は、気圧の高い（真空度の低い）範囲においても、ＣＩ値の変化が比較例に比して十分に大きいことが分かる。これは、圧電センサー素子１１が、気体の圧力変化に対して高いＣＩ値検出感度を有することを示している。
【００４７】
更に第１実施例の圧電センサー素子１１において、隙間２２の大きさｓ１に関するＣＩ値の変動量を測定した。振動腕１９のサイズ及び共振周波数が異なる大小２つの音叉型圧電振動片１２を用意した。大きいサイズの圧電振動片は、振動腕を腕長＝５３００μｍ、腕幅＝２００μｍ、共振周波数＝４０ｋＨｚに設定した。小さいサイズの圧電振動片は、振動腕を腕長＝５３００μｍ、腕幅＝２００μｍ、共振周波数＝１１０〜２２０ｋＨｚに設定した。
【００４８】
その測定結果を図４に示す。同図から、第１実施例の場合、音叉型圧電振動片１２の大きさ及び共振周波数に拘わらず、隙間２２の大きさｓ１が２００μｍ以下の範囲では、ＣＩ値の変化を十分に検出可能であることが分かる。このように第１実施例の圧電センサー素子１１は、被測定流体を空気、測定対象を気圧とした場合に、ＣＩ値を検出することによって、気圧センサー又は真空度センサーとして十分に広い圧力範囲で高い感度を発揮することができる。
【００４９】
上述した隙間２２における被測定流体の流れに関する考察や図３、図４の結果から、第１実施例の圧電センサー素子１１が、空気以外の被測定流体、気圧以外の測定対象についても同様に適用されることは、容易に理解される。隙間２２内で被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように、前記隙間の大きさｓ１が決定されている限り、様々な圧縮性流体及び非圧縮性流体について、振動腕への粘性抵抗を変化させ得る圧力、粘度、密度等の様々な測定対象の変化を、ＣＩ値の変化として高感度に検出することができる。
【００５０】
図５は、第１実施例の圧電センサー素子１１を組み込んだ圧電センサーの圧力検出回路の構成例を示している。この圧力検出回路３０は、圧電センサー素子１１の発振回路３１と、互いに直列に接続されたフィルター回路３２、整流回路３３、積分回路３４及び直流増幅回路３５とを備える。これら各回路３１〜３５における信号ａ〜ｅを、図６に横軸を時間Ｔ、縦軸を電圧として模式的に表す。
【００５１】
発振回路３１は、圧電センサー素子１１の圧電振動片１２を発振させるための増幅器として、前記圧電振動片の両端子間に直列に接続されたインバーターINV１〜３を有する。１段目のインバーターINV１は入力端子を圧電振動片１２の一方の端子に、出力端子を２段目のインバーターINV２の入力端子に接続し、２段目のインバーターINV２は出力端子を３段目のインバーターINV３の入力端子に接続し、３段目のインバーターINV３は出力端子を前記水晶振動片の他方の端子に接続している。インバーターINV１の入力端子と接地電位との間にコンデンサーＣ１が接続され、インバーターINV３の出力端子と接地電位との間にコンデンサーＣ２が接続されている。
【００５２】
更に発振回路３１は、圧電振動片１２の両端子間に、抵抗ＲＡ，ＲＢ，ＲＣを直列に接続した回路からなる抵抗Ｒ１を有する。抵抗Ｒ１の一方の端子即ち抵抗ＲＡの端子はインバーターINV１の入力端子に、抵抗Ｒ１の他方の端子即ち抵抗ＲＣの一方の端子はインバーターINV３の出力端子に接続されている。抵抗ＲＡと抵抗ＲＢとの接続中点はインバーターINV１の出力端子に接続され、抵抗ＲＢと抵抗ＲＣとの接続中点はインバーターINV２の出力端子に接続されている。抵抗Ｒ１の他方の端子即ち抵抗ＲＣの端子と前記水晶振動片の他方の端子との間には、位相制御用の抵抗ＲＤが接続されている。このように構成することによって、発振回路３１は、圧電振動片１２を発振させた発振信号OUTをインバーターINV３の出力端子から出力する。
【００５３】
フィルター回路３２は、インバーターINV１の入力端子及び圧電振動片１２の前記一方の端子と整流回路３３の入力端子との間に接続されたコンデンサーＣ３を有する。コンデンサーＣ３の前記他方の端子と接地電位との間には、抵抗Ｒ３が接続されている。
【００５４】
フィルター回路３２には、インバーターINV１の入力端子側に接続された圧電振動片１２の前記一方の端子から出力した電流である振動子電流の一部からなる、図６（Ａ）に示す信号ａが入力する。この入力信号ａは、直流成分が重畳した正弦波の交流信号であり、その振幅（電圧）Ｖpp1は、圧電振動片１２のＣＩ値の大きさに比例して変化する。フィルター回路３２は、図６（Ｂ）に示すように、入力信号ａから前記直流成分を取り除いた信号ｂを出力する。
【００５５】
整流回路３３は、フィルター回路３２のコンデンサーＣ３と積分回路３４との間に接続されたダイオードＤ１を有する。整流回路３３は、フィルター回路３２の出力信号ｂを入力し、図６（Ｃ）に示すように半波整流した信号ｃを出力する。
【００５６】
積分回路３４は、整流回路３３のダイオードＤ１の出力と直流増幅回路３５との間に接続された抵抗Ｒ４を有する。抵抗Ｒ４と接地電位との間に、コンデンサーＣ４が接続されている。積分回路３４は、整流回路３３の出力信号ｃを入力し、図６（Ｄ）に示すように積分した信号ｄを出力する。
【００５７】
直流増幅回路３５は、比較回路３５ａと、該比較回路のプラス端子と積分回路３４の出力との間に接続された抵抗Ｒ５とを有する。比較回路３５ａには、そのマイナス端子と接地電位との間に抵抗Ｒ６が接続され、該マイナス端子と出力端子との間に抵抗Ｒ７が接続されている。直流増幅回路３５は、積分回路３４の出力信号ｄを入力し、図６（Ｅ）に示すように増幅した電位Ｖoutの信号ｅを圧力検出信号として出力する。出力信号ｅの検出は、発振周波数のカウントと異なり、例えば数msecレベルの瞬時で行うことができる。
【００５８】
圧力検出回路３０は、その全体を圧電センサー素子１１の外部要素として構成することができ、又はその一部の構成要素を圧電センサー素子１１のパッケージ１３内部に配置することができる。また、発振回路３１の増幅器を構成するインバーターは、上述した３段構成以外に、該発振回路の設計条件によって１段でも良く、又は３段以外の複数（奇数）段に構成することができる。更に、積分回路３４の出力信号ｄが、圧力の検出に十分な大きさ（電位）を有する場合には、直流増幅回路３５を省略することもできる。
【００５９】
図７は、第１実施例の圧電センサー素子の変形例を示している。本実施例の圧電センサー素子４１は、図１の第１実施例と同じ音叉型圧電振動片１２とこれを収容するためのパッケージ１３とを備える。パッケージ１３は、矩形箱型のベース１４とキャビティ１６への連通孔１７を設けた矩形平板のリッド１５とを有する。圧電振動片１２は、基部１８においてキャビティ底面１６ａに片持ちに固定支持されている。
【００６０】
本実施例では、圧電振動片１２が、振動腕１９の上側主面１９ｂをリッド１５の平坦な下面１５ａと平行に、かつそれらの間に所定寸法ｓ２の隙間４２を画定するように配置する。圧電振動片１２に所定の電圧を印加すると、振動腕１９は、主面１９ｂの面内方向に即ちリッド１５の下面１５ａと平行に、互いに接近離反する向きに所定の周波数で屈曲振動する。前記振動腕の上側主面１９ｂは移動壁として、固定壁であるリッド下面１５ａに対して所定の速度で往復移動する。このとき、連通孔１７からキャビティ１６内に入っている被測定流体が隙間４２内で定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさｓ２は決定される。
【００６１】
このように圧電振動片１２をパッケージ１３内に実装することによって、振動腕１９は上側主面１９ｂが、図２に関連して上述したように、隙間４２内の被測定流体から粘性抵抗を受ける。この粘性抵抗の大きさによって、振動腕１９の屈曲振動が抑制され、圧電振動片１２のＣＩ値が変化する。従って、振動腕１９が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片１２のＣＩ値の変化として検出することによって、被測定流体の圧力等の測定対象の変化を高感度に検出することができる。
【００６２】
別の実施例では、前記振動腕の上側主面１９ｂとの間に隙間４２を画定する固定壁として、前記リッドの下面１５ａを直接利用する代わりに、別個の平坦面部材をキャビティ１６内に配置することができる。また、隙間４２を画定する固定壁として、前記リッド下面に段差等の突出構造を形成することもできる。
【００６３】
図８は、第１実施例の圧電センサー素子の別の変形例を示している。本実施例の圧電センサー素子５１も、図１の第１実施例と同じ音叉型圧電振動片１２とこれを収容するためのパッケージ１３とを備える。パッケージ１３は、矩形箱型のベース１４とキャビティ１６への連通孔１７を設けた矩形平板のリッド１５とを有する。圧電振動片１２は、基部１８においてキャビティ底面１６ａに片持ちに固定支持されている。
【００６４】
本実施例では、圧電振動片１２が、振動腕１９の下側主面１９ａを平坦なキャビティ底面１６ａと平行にかつそれらの間に所定寸法ｓ１の隙間２２を画定すると同時に、前記振動腕の上側主面１９ｂを平坦なリッド下面１５ａと平行にかつそれらの間に所定寸法ｓ２の隙間４２を画定するように配置する。隙間２２及び隙間４２の寸法ｓ１，ｓ２は、上記第１及び第２実施例の場合と同様に決定する。即ち、圧電振動片１２の振動腕１９を上側及び下側主面１９ａ，１９ｂの面内方向に所定の周波数で屈曲振動させたとき、移動壁である前記上側及び下側主面と固定壁である前記キャビティ底面及びリッド下面との隙間２２，４２内で、それぞれキャビティ１６内の被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるように、それらの大きさｓ１，ｓ２は決定される。
【００６５】
このように圧電振動片１２をパッケージ１３内に実装することによって、振動腕１９の屈曲振動は、下側及び上側主面１９ａ，１９ｂが、図２に関連して上述したように各隙間２２，４２内の被測定流体から粘性抵抗を受けることにより、抑制される。その結果、本実施例では、図１及び図７の実施例よりも大きな粘性抵抗が振動腕１９に作用する。前記振動腕が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片１２のＣＩ値の変化として検出することによって、被測定流体の圧力等の測定対象の変化をより高感度に検出することができる。この場合、前記下側及び上側各主面に作用する粘性抵抗が等しくなるように、寸法ｓ１，ｓ２は同一に設定することが好ましい。それによって、図１及び図７の実施例の略２倍の高感度を得ることができる。
【００６６】
別の実施例では、リッド１５ではなく、別個の固定部材をキャビティ１６内の圧電振動片１２の上方に配設することによって、振動腕１９の上側主面１９ｂに対する固定壁として、その間に隙間４２と同様の狭い隙間を画定することができる。この別個の部材は、圧電センサー素子の組立時に上側主面１９ｂとの寸法関係だけを注意すればよいので、リッド１５をベース１４に接合する場合よりも作業が容易である。これによって、圧電センサー素子は、図７，図８の実施例よりも寸法全体が高背化するが、キャビティ１６の容積が大きくなるので、パッケージ１３の外部との間で被測定流体の流通性が良くなる。
【００６７】
図９（Ａ），（Ｂ）は、本発明による圧電センサー素子の第２実施例の構成を示している。本実施例の圧電センサー素子６１は、図１の第１実施例の構成に加えて、音叉型圧電振動片１２の両振動腕１９，１９とパッケージ１３のキャビティ１６内壁面との間に追加の隙間６２を有する。前記両振動腕は、その先端即ち自由端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面１９ｃ，１９ｃを有する。ベース１４は、キャビティ１６の長手方向の接続電極２０とは反対側の端部に、平坦かつ垂直な内側面１６ｂを有する。圧電振動片１２は、ベース１４のキャビティ底面１６ａに実装する際に、前記両振動腕の下側主面１９ａが前記キャビティ底面と寸法ｓ１の狭い隙間２２をもって平行をなすと共に、その端面１９ｃ，１９ｃが、隣接するキャビティ内側面１６ｂと平行をなしかつそれらの間に所定寸法ｓ３の狭い隙間６２を画定するように配置する。
【００６８】
このように圧電振動片１２をパッケージ１３内に実装して前記励振電極に所定の電圧を印加すると、屈曲振動する振動腕１９は、端面１９ｃ，１９ｃが移動壁として、固定壁であるキャビティ内側面１６ｂに対して所定の速度で往復移動する。このとき、前記キャビティ内の被測定流体が隙間６２内で、定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさｓ３は決定される。
【００６９】
その結果、振動腕１９の屈曲振動は、下側主面１９ａ及び端面１９ｃが各隙間２２，６２内の被測定流体から粘性抵抗を受けることにより、抑制される。特に振動腕１９先端の端面１９ｃは、その移動速度が最も大きいから、その面積は小さくても実質的に十分な大きさの抑制抵抗を受ける。従って、本実施例では、図１の第１実施例の場合よりも大きな粘性抵抗を振動腕１９に作用させることができる。前記振動腕が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片１２のＣＩ値の変化として検出することにより、被測定流体の圧力等の測定対象の変化をより高感度に検出することができる。
【００７０】
図１０は、第２実施例の圧電センサー素子の変形例を示している。本実施例の圧電センサー素子７１は、音叉型圧電振動片を有する中間圧電基板７２と、その上下に接合されて前記音叉型圧電振動片を収容するためのパッケージを構成する上側基板７３及び下側基板７４とを備える。
【００７１】
図１１に示すように、中間圧電基板７２は、全体として一様な厚さの水晶等の圧電材料薄板からなり、音叉型圧電振動片７５がそれを囲繞する矩形の外枠７６を有する。音叉型圧電振動片７５は、その基部７７から平行に延出する１対の振動腕７８，７８を有し、前記基部に外枠７６が一体に結合されている。
【００７２】
振動腕７８，７８は、それぞれ先端即ち自由端に該振動腕の延出方向に直交する平坦な端面７８ｃ，７８ｃを有する。外枠７６は、基部７７とは長手方向反対側に側辺部７９を有し、該側辺部は、前記振動腕の各端面７８ｃ，７８ｃと対向する平坦な内側面７９ａを有する。この内側面７９ａが前記振動腕の各端面７８ｃ，７８ｃと平行をなしかつそれらの間に所定寸法ｓ４の狭い隙間８０，８０を画定するように、中間圧電基板７２は、例えば水晶ウエハからウエットエッチング等の公知方法により一体に成形する。そのため、前記振動腕の先端側の隙間８０を、図９の第２実施例よりも、高精度にかつ簡単に調整することができる。
【００７３】
上側及び下側基板７３，７４は、それぞれ中間圧電基板７２との対向面に凹部７３ａ，７４ａが形成されている。前記上側及び下側基板は、凹部７３ａ，７４ａを囲繞する周辺部で前記中間圧電基板の外枠７６と接合され、圧電センサー素子７１の内部に圧電振動片７５を基部７７で片持ちに保持するためのキャビティを画定している。前記キャビティに被測定流体を外部環境から導入しかつ流通可能にするため、上側基板７３の凹部７３ａには連通孔８１が貫設されている。凹部７３ａ，７４ａの底面は、それぞれ隣接する圧電振動片７５の前記振動腕の上側又は下側主面７８ａ，７８ｂと平行をなしかつそれらとの間に所定寸法ｓ５，ｓ６の狭い隙間８２，８３を画定するように平坦に形成されている。この平坦面は、少なくとも凹部７３ａ，７４ａの圧電振動片７５の前記振動腕と対向する領域に設ければ良い。
【００７４】
圧電振動片７５の前記励振電極に所定の電圧を印加すると、振動腕７８は、上側及び下側主面７８ａ，７８ｂの面内方向に即ち凹部７３ａ，７４ａの平坦な底面と平行に、互いに接近離反する向きに所定の周波数で屈曲振動する。このとき、前記振動腕の上側及び下側主面７８ａ，７８ｂは移動壁として、固定壁である凹部７３ａ，７４ａ底面に対して所定の速度で往復移動する。同時に、前記振動腕の端面７８ｃ，７８ｃが移動壁として、固定壁である外枠側辺部７９の内側面７９ａに対して所定の速度で往復移動する。
【００７５】
各隙間８０，８２，８３の寸法ｓ４，ｓ５，ｓ６は、上記各実施例と同様に、連通孔８１から前記キャビティ内に入っている被測定流体が前記各隙間内で定常的な速度分布の流れを生じるように決定する。その結果、振動腕７８の屈曲振動は、上側及び下側主面７８ａ，７８ｂ及び端面７８ｃが前記各隙間内の被測定流体からの粘性抵抗を受けて抑制される。振動腕７８が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片７５のＣＩ値の変化として検出することによって、被測定流体の圧力等の測定対象の変化をより高感度に検出することができる。
【００７６】
図１２は、本発明による圧電センサー素子の第３実施例の構成を示している。本実施例の圧電センサー素子９１は、２つの音叉型圧電振動片９２，９３と、これらを収容するためのパッケージ９４とを備える。パッケージ９４は、第１実施例と同様に、上部を開放した矩形箱型のベース９５と、その上端に接合された矩形平板のリッド９６とを有する。リッド９６には連通孔９８が貫設され、パッケージ９４内部のキャビティ９７に被測定流体を外部環境から導入しかつ流通可能にしている。連通孔９８は、ベース９５に又は前記リッド及びベースの双方に設けることもできる。
【００７７】
音叉型圧電振動片９２は、基部９９から平行に延出する１対の振動腕１００を有し、音叉型圧電振動片９３は、基部１０１から平行に延出する１対の振動腕１０２を有する。両圧電振動片９２，９３は、例えば同じ製造ロットの水晶ウエハ等の圧電材料から同一の寸法・形状に形成され、同一の発振周波数、温度特性等の振動特性をもって動作する。
【００７８】
ベース９５のキャビティ９７には、その長手方向の一方の端部に段差１０３が設けられている。前記キャビティの底面９７ａは平坦で、段差１０３付近には１対の接続電極１０４が形成されている。一方の圧電振動片９２は、基部９９を導電性接着剤１０５で接続電極１０４に固定して片持ちに支持される。他方の圧電振動片９３は、段差１０３上に形成された１対の接続電極１０６に基部１０１を導電性接着剤１０７で固定して、圧電振動片９２の上方に片持ちに支持される。
【００７９】
圧電振動片９２は、振動腕１００の下側主面１００ａがキャビティ底面９７ａと平行をなしかつその間に所定寸法ｓ７の狭い隙間１０８を画定するように配置する。圧電振動片９２に所定の電圧を印加して、振動腕１００を下側主面１００ａの面内方向に即ちキャビティ底面９７ａと平行に、互いに接近離反する向きに所定の周波数で屈曲振動させると、該下側主面は移動壁として、固定壁である前記キャビティ底面に対して所定の速度で往復移動する。このときキャビティ９７内の被測定流体が隙間１０８内で定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさｓ７は決定される。振動腕１００の屈曲振動は、下側主面１００ａが隙間１０８内の被測定流体から粘性抵抗を受けて抑制される。前記振動腕が受ける粘性抵抗の変化は、圧電振動片９２のＣＩ値の変化として検出される。
【００８０】
これに対し、圧電振動片９３は、振動腕１０２の上側及び下側主面並びに先端面がキャビティ９７の内面、即ちその底面９７ａ及び側面、リッド９６の下面、並びに圧電振動片９２との間に十分な間隔が確保されるように配置する。これにより、振動腕１０２を屈曲振動させたとき、その表面とキャビティ９７の内面及び圧電振動片９２との間に、隙間１０８におけるような被測定流体の定常的な流れが発生することはない。従って、キャビティ９７内における被測定流体の密度の変化が、実質的に圧電振動片９３の振動腕１０２への粘性抵抗を変化させてＣＩ値に影響を及ぼすことはない。
【００８１】
本実施例では、圧電振動片９２から検出されるＣＩ値と圧電振動片９３から検出されるＣＩ値との差分を取り出し、その変化から圧力等の測定対象を測定する。両圧電振動片９２，９３が、上述したように同じ振動特性を有すると共に、同じパッケージ９４のキャビティ９７内に配置されて温度等の環境条件が同一であるので、それらの温度特性が測定値に及ぼす影響をキャンセルさせ、高精度な測定を行うことができる。
【００８２】
更に、本発明の圧電センサー素子は、被測定流体が常に外部からキャビティ内に流通可能な状態にあるので、外部環境の汚染がキャビティ内に及び、圧電振動片の動作に影響する虞がある。本実施例では、外部環境からの汚染が両圧電振動片９２，９３に及ぼす影響が同程度であるので、それがＣＩ値に与える影響を略キャンセルさせることができ、より高精度な測定が可能になる。
【００８３】
図１３（Ａ），（Ｂ）図は、本発明による圧電センサー素子の第４実施例の構成を示している。本実施例の圧電センサー素子１１１は、音叉型圧電振動片に代えて、双音叉圧電振動片１１２を備える点において、上記各実施例と異なる。前記双音叉圧電振動片を収容するためのパッケージ１１３は、第１実施例と同様に、上部を開放した矩形箱型のベース１１４と、その上端に接合された矩形平板のリッド１１５とを有する。リッド１１５には連通孔１１７が貫設され、パッケージ１１３内部のキャビティ１１６に被測定流体を外部環境から導入しかつ流通可能にしている。連通孔１１７は、ベース１１３に又は前記リッド及びベースの双方に設けることもできる。
【００８４】
双音叉圧電振動片１１２は、両端の基部１１８，１１８間を平行に延長する１対の振動腕１１９，１１９を有する。図示しないが、前記振動腕の上下主面及び両側面には、励振電極が形成され、前記励振電極からそれぞれ引き出された１対のマウント電極が一方の前記基部に形成されている。ベース１１４のキャビティ底面１１６ａには、長手方向の両端付近に各１対の接続電極１２０，１２０が形成されている。双音叉圧電振動片１１２は、各基端部１１８，１１８を対応する接続電極１２０，１２０に導電性接着剤１２１，１２１で固定して両持ちで支持される。
【００８５】
振動腕１１９，１１９の下側主面１１９ａは、キャビティ底面１１６ａと平行をなし、かつそれらの間に所定寸法ｓ８の狭い隙間１２２を画定するように配置する。圧電振動片１１２を両持ち支持することによって、その振動腕の全長に亘って隙間１２２を所望の寸法に調整することが容易になる。当然ながら、前記双音叉圧電振動片は、上記実施例の音叉型圧電振動片と同様に、前記マウント電極を形成した前記一方の端部において片持ちに固定支持することもできる。
【００８６】
圧電振動片１１２に所定の電圧を印加すると、振動腕１１９，１１９は下側主面１１９ａの面内方向に即ちキャビティ底面１１６ａと平行に、互いに接近離反する向きに所定の周波数で屈曲振動し、該下側主面は移動壁として、固定壁である前記キャビティ底面に対して所定の速度で往復移動する。このときキャビティ１１６内の被測定流体が隙間１２２内で定常的な速度分布の流れを生じるように、該隙間の大きさｓ８は決定される。振動腕１１９，１１９の屈曲振動は、その下側主面が隙間１２２内の被測定流体から粘性抵抗を受けて抑制される。前記振動腕が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片１１２のＣＩ値の変化として検出することによって、被測定流体の圧力等の測定対象の変化をより高感度に検出することができる。
【００８７】
双音叉圧電振動片は、一般に高いＱ値（共振尖鋭度）を有し、高精度、高安定性及び速い応答速度という特徴を有する。これらの特長を生かして、本実施例の圧電センサー素子１１１は、測定対象の急激な変動をも検出し得る高い応答性が得られる。当然ながら、本実施例の双音叉圧電振動片及びその実装構造は、図７、図８、図１２に示す他の実施例についても適用することができる。
【００８８】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、圧電センサー素子のパッケージは、上記実施例以外の様々な構造が可能であり、例えば、連通孔の代わりにパッケージの上部又は側部を外部の被測定流体に開放した構造にすることもできる。更に本発明の圧電センサーにおいて、圧電センサー素子に接続する圧力検出回路には、図５以外の様々な構成の回路が考えられる。また、上記実施例では、各圧電振動片の励振電極について詳細な説明を省略したが、従来公知の様々な構造の振動腕及び電極を採用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１１，４１，５１，６１，７１，９１，１１１…圧電センサー素子、１２，７５，９２，９３…音叉型圧電振動片、１３，９４，１１３…パッケージ、１４，９５，１１４…ベース、１５，９６，１１５…リッド、１５ａ…下面、１６，９７，１１６…キャビティ、１６ａ，９７ａ，１１６ａ…キャビティ底面、１６ｂ，７９ａ…内側面、１７，８１，９８，１１７…連通孔、１８，７７，９９，１０１…基部、１９，７８，１００，１０２，１１９…振動腕、１９ａ，７８ｂ，１１９ａ…下側主面、１９ｂ，７８ａ…上側主面、１９ｃ，７８ｃ…端面、２０，１０４，１０６，１２０…接続電極、２１，１０５，１０７，１２１…導電性接着剤、２２，４２，６２，８０，８２，８３，１０８，１２２…隙間、３０…圧力検出回路、３１…発振回路、３２…フィルター回路、３３…整流回路、３４…積分回路、３５…直流増幅回路、３５ａ…比較回路、７２…中間圧電基板、７３…上側基板、７３ａ，７４ａ…凹部、７４…下側基板、７６…外枠、７９…側辺部、１０３…段差、１１２…双音叉圧電振動片、１１８…基端部。
【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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