(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、基部１８から延出する３つの振動腕１９ａ〜１９ｃの外側に側辺部２０ａ，２０ｂを有する圧電振動片１２が、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、基部において片持ちに固定支持される。圧電振動片の側辺部は、隣接する振動腕の側面と平行をなしかつその間に所定寸法の狭い隙間２７ａ，２７ｂを画定する平坦な側面２６ａ，２６ｂを有する。振動腕を面外方向に屈曲振動させると、側辺部と振動腕との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
2011232264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部から互いに並列に延出し、その配列方向及び延出方向を含む平面である上下主面及び前記主面に直交する左右側面をそれぞれ有する３つの振動腕と、前記各振動腕を前記主面の面外方向にかつ隣接する前記振動腕を互いに逆相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、
少なくとも１つの前記振動腕のいずれか一方又は両方の前記側面と平行をなしかつ前記側面との間に所定寸法ｓの隙間を画定する平坦面を有する固定壁とを備え、
前記隙間の寸法ｓが、前記振動腕を前記面外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】
前記圧電振動片の前記振動腕が、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、
前記振動腕の前記平坦な端面と平行をなしかつ前記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面を有する第２固定壁を更に備え、
前記第２隙間の寸法ｓ’が、前記振動腕を前記主面の面外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】
前記パッケージの内壁部によって前記固定壁が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の圧電センサー素子。
【請求項５】
前記パッケージの内壁部によって前記第２固定壁が形成されることを特徴とする請求項３記載の圧電センサー素子。
【請求項６】
前記圧電振動片が、前記基部から少なくとも一方の外側の前記振動腕と並列に延長する側辺部を有し、前記側辺部によって前記固定壁が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の圧電センサー素子。
【請求項７】
前記圧電振動片が、前記振動腕を囲繞するように、各外側の前記振動腕とそれぞれ並列に延長する２つの側辺部と前記両側辺部の先端を連結する端辺部とからなる外枠を有し、前記側辺部によって前記固定壁が形成され、前記端辺部によって前記第２固定壁が形成されることを特徴とする請求項３記載の圧電センサー素子。
【請求項８】
前記パッケージが、前記圧電振動片の前記外枠の上下各面にそれぞれ接続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圧電振動片を収容する前記内部が画定されることを特徴とする請求項７記載の圧電センサー素子。
【請求項９】
前記圧電振動片が、隣接する前記振動腕の間を前記振動腕と並列に延長する固定部材を有し、前記固定部材によって、それに隣接する一方又は両方の前記振動腕の側面との間に前記隙間を画定する前記固定壁が形成される請求項１乃至８のいずれか記載の圧電センサー素子。
【請求項１０】
基部と、前記基部から互いに並列に延出し、その配列方向及び延出方向を含む平面である上下主面及び前記主面に直交する左右側面をそれぞれ有する３つの振動腕と、前記基部から少なくとも一方の外側の前記振動腕と並列に延長する側辺部と、前記各振動腕を前記主面の面外方向にかつ隣接する前記振動腕を互いに逆相に屈曲振動させるための励振電極とを有し、
前記側辺部が、隣接する前記振動腕の外側側面と平行をなしかつ前記外側側面との間に所定寸法ｓの隙間を画定する平坦面を有し、前記隙間の寸法ｓが、前記振動腕を前記面外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】
前記振動腕を囲繞するように、各外側の前記振動腕とそれぞれ並列に延長する２つの前記側辺部と前記両側辺部の先端を連結する端辺部とからなる外枠を有し、
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、
前記端辺部が、前記振動腕の前記平坦な端面と平行をなしかつ前記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外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１０記載の圧電振動片。
【請求項１２】
請求項１乃至９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。
【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）。
【０００８】
また、複数の振動腕を面外方向に即ちその上下主面に対して垂直方向にかつ隣接する振動腕同士を逆相で屈曲振動させる、所謂ウォークモードで励振する圧電振動片が知られている（例えば、特許文献９，１０を参照）。ウォークモードの圧電振動片は、その共振周波数が振動腕の幅寸法に依存しないので、同等の共振周波数を維持しつつ、小型化を図ることができる。更にウォークモードの圧電振動片は、圧電体膜の上下に電極膜を積層した圧電体素子を振動腕の一方の主面に形成することにより、面積効率を高め、高いＱ値及びより小型化を実現することができる（例えば、特許文献１１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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
【特許文献９】特開昭５８−１１１５１５号公報
【特許文献１０】特開２００１−１９６８９１号公報
【特許文献１１】特開２００９−５０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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１２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。
【００１５】
そこで本発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑み、隣接する複数の振動腕が面外方向にかつ互いに逆相に屈曲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。
【００１６】
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】
【００１７】
周知のように、２本の振動腕が面内方向に即ちその上下主面と平行にかつ互いに接近離反するように屈曲振動する音叉型圧電振動片は、小型化するとき、振動腕の長さに対する幅の寸法比率を小さくしない限り、振動腕の長さに関連して共振周波数が上昇するという問題がある。これに対し、振動腕が面外方向に屈曲振動するウォークモードの圧電振動片は、上述したように、振動腕の幅を小さくすることなく、同等の共振周波数を維持しながら小型化できるという利点がある。
【００１８】
本願発明者は、ウォークモードの圧電振動片について、振動腕の表面に作用する被測定流体の粘性抵抗とＣＩ値との関係を検証した。その結果、屈曲振動する振動腕の側面に対して平行で平坦な固定面を設けたとき、それらの隙間の大きさに関して、圧電振動片のＣＩ値が変動することを確認した。更に本願発明者は、鋭意検討を進めた結果、真空度を広い測定範囲に亘って高感度、高精度かつ高応答性をもって測定し得る圧電センサーを実現するに至った。
【００１９】
本発明の圧電センサー素子は、かかる知見に基づいてなされてもので、上記目的を達成するために、
基部と、該基部から互いに並列に延出し、その配列方向及び延出方向を含む平面である上下主面及び該主面に直交する左右側面をそれぞれ有する３つの振動腕と、各振動腕を前記主面の面外方向にかつ隣接する振動腕を互いに逆相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、
少なくとも１つの振動腕のいずれか一方又は両方の側面と平行をなしかつ該側面との間に所定寸法ｓの隙間を画定する平坦面を有する固定壁とを備え、
前記隙間の寸法ｓが、振動腕を面外方向に屈曲振動させたとき、該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。
【００２０】
振動腕の屈曲振動は、前記隙間内でその側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側面が移動壁として、固定壁の平坦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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
或る実施例では、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、圧電センサー素子が、振動腕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面を有する第２固定壁を更に備え、第２隙間の寸法ｓ’が、振動腕を面外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、振動腕の側面に加えて、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。
【００２４】
或る実施例では、パッケージの内壁部によって前記固定壁が形成される。このようにパッケージの通常の構造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。
【００２５】
更に或る実施例では、パッケージの内壁部によって前記第２固定壁が形成される。これによって、同様に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。
【００２６】
別の実施例では、圧電振動片が、基部から少なくとも一方の外側の振動腕と並列に延長する側辺部を有し、該側辺部によって前記固定壁が形成される。このような圧電振動片は、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、前記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、圧電振動片のパッケージへの実装作業が容易になる。
【００２７】
また、別の実施例では、圧電振動片が、振動腕を囲繞するように、各外側の振動腕とそれぞれ並列に延長する２つの側辺部と両側辺部の先端を連結する端辺部とからなる外枠を有し、その側辺部によって前記固定壁が形成され、端辺部によって前記第２固定壁が形成される。同様に、このような圧電振動片は、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、前記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、圧電振動片のパッケージへの実装作業が容易になる。
【００２８】
この場合、或る実施例では、パッケージが、圧電振動片の前記外枠の上下各面にそれぞれ接続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前記外枠との間に圧電振動片を収容する内部が画定される。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。
【００２９】
更に別の実施例では、圧電振動片が、隣接する振動腕の間を該振動腕と並列に延長する固定部材を有し、該固定部材によって、それに隣接する一方又は両方の振動腕の側面との間に前記隙間を画定する固定壁が形成される。これによって、より大きな粘性抵抗を振動腕に作用させることができ、ＣＩ値の変化検出感度を高めて、測定対象の変化をより高感度に検出することができる。
【００３０】
本発明の別の側面によれば、基部と、該基部から互いに並列に延出し、その配列方向及び延出方向を含む平面である上下主面及び該主面に直交する左右側面をそれぞれ有する３つの振動腕と、基部から少なくとも一方の外側の振動腕と並列に延長する側辺部と、各振動腕をその主面の面外方向にかつ隣接する振動腕を互いに逆相に屈曲振動させるための励振電極とを有し、
側辺部が、隣接する振動腕の外側側面と平行をなしかつ外側側面との間に所定寸法ｓの隙間を画定する平坦面を有し、該隙間の寸法ｓが、振動腕を面外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圧電振動片が提供される。この圧電振動片は、例えば水晶ウエハをウエットエッチングする等の従来方法により、前記隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成できる。そして、外枠を有しない通常の圧電振動片と同様に、従来の製造工程に従って、ベースとそれに接合されるリッドとにより画定される従来のパッケージに実装することによって、本発明の圧電センサー素子を構成することができる。
【００３１】
或る実施例において、本発明の圧電振動片は、振動腕を囲繞するように、各外側の振動腕とそれぞれ並列に延長する２つの側辺部と該両側辺部の先端を連結する端辺部とからなる外枠を有し、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、該端辺部が、振動腕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面を有し、該第２隙間の寸法ｓ’が、振動腕を主面の面外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。同様に、圧電振動片は、例えば水晶ウエハをウエットエッチングする等の従来方法により、前記隙間を所望の寸法に高精度にかつ簡単に形成でき、被測定流体の粘性抵抗を、より高感度に検出することができる。
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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。
【図２】（Ａ）図は図１の圧電振動片の平面図、（Ｂ）図はそのII−II線における拡大断面図、（Ｃ）図は振動腕の拡大断面図。
【図３】圧電振動片の隙間ｓ１における被測定流体の流れを説明する模式図。
【図４】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５】圧電振動片の隙間ｓ１とＣＩ値変動量との関係を示す線図。
【図６】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７】（Ａ）〜（Ｅ）図は図６の圧力検出回路における各信号ａ〜ｅの波形図。
【図８】（Ａ）図は第１実施例の変形例の圧電センサー素子のリッドを省略して示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図は（Ａ）図のVIII−VIII線における拡大断面図。
【図９】図２の圧電振動片の変形例を示す平面図。
【図１０】（Ａ）図は図９の圧電振動片を用いた本発明による圧電センサー素子の第２実施例を示す断面図、（Ｂ）図はそのＸ−Ｘ線における部分拡大縦断面図。
【図１１】（Ａ）図は第２実施例の変形例の圧電センサー素子のリッドを省略して示す平面図、（Ｂ）図は縦断面図。
【図１２】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】
【００３４】
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。
【００３５】
図１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、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。
【００３６】
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。
【００３７】
圧電振動片１２は、図２（Ａ）に示すように、基部１８と、該基部から並列に延出する３つの振動腕１９ａ〜１９ｃとを有し、例えば水晶材料のような公知の圧電材料で形成される。更に圧電振動片１２は、各外側の振動腕１９ａ，１９ｃの外側にそれぞれ基部１８から前記振動腕と並列に延出する側辺部２０ａ，２０ｂを有する。
【００３８】
振動腕１９ａ〜１９ｃは、それらの配列方向及び延出方向を含む平面で該平面の垂直方向を上下方向とする上側及び下側主面と、該主面に直交する左右側面とをそれぞれ有する。前記各振動腕の上側主面には、図２（Ｃ）に例示するように、下側電極膜２１と圧電体膜２２と上側電極膜２３とを順に積層した励振電極２４が形成されている。下側電極膜２１と上側電極膜２３とには、互いに逆極性の電圧が印加される。基部１８には、図示しないが、前記各振動腕の励振電極２４から１対のマウント電極が形成されている。当然ながら、前記各振動腕には、その上側及び下側主面と左右側面とに成膜される電極膜からなる、異なる電極構造の励振電極を形成することができる。
【００３９】
側辺部２０ａ，２０ｂはそれぞれ内側に、隣接する外側の振動腕１９ａ，１９ｂの外側の側面２５ａ，２５ｂと平行をなす平坦な側面２６ａ，２６ｂを有する。側辺部２０ａ，２０ｂは、側面２６ａ，２６ｂと対面する前記振動腕の側面２５ａ，２５ｂとの間に、それぞれ所定寸法ｓ１の狭い隙間２７ａ，２７ｂを画定するように形成される。圧電振動片１２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され、隙間２７ａ，２７ｂを高精度にかつ簡単に調整することができる。
【００４０】
ベース１４のキャビティ底面１６ａには、長手方向の一方の端部付近に１対の接続電極２８が形成されている。圧電振動片１２は、基部１８において前記マウント電極をキャビティ底面１６ａの前記接続電極に導電性接着剤２９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。
【００４１】
圧電振動片１２に所定の電圧を、隣接する前記振動腕で互いに逆位相となるように印加すると、振動腕１９ａ〜１９ｃは、所定の周波数でそれぞれ面外方向に即ち前記主面に対して垂直方向に、かつ隣接する前記振動腕が互いに逆相で屈曲振動する。前記各外側の振動腕は、その側面２５ａ，２５ｂが移動壁として、固定壁である前記両側辺部の側面２６ａ，２６ｂに対して所定の速度で往復移動する。このとき、被測定流体が隙間２７ａ，２７ｂ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。
【００４２】
図３は、例示として一方の隙間２７ａについて、圧電振動片１２の励振時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、固定壁である側面２６ａから垂直方向に移動壁の側面２５ａに向けてｙ軸、両側面と平行に振動腕１９ａの下向き移動方向をｘ軸にとる。振動腕１９ａがｘ方向に速度Ｕで移動するとき、その側面２６ａに接している被測定流体が同じ速度Ｕで動くのに対し、側面２６ａ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、側面２６ａからの距離ｙにおいてその外側の部分と内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。
【００４３】
隙間２７ａ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の側面２６ａ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３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垂直下向きの矢印は、速度ベクトルである。
【００４４】
このとき、振動腕の側面２５ａ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２７ａ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。
【００４５】
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。
【００４６】
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側面２５ａ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。隙間２７ａ内も、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。
【００４７】
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。
【００４８】
本実施例では、外側の振動腕１９ａ，１９ｂの側面２５ａ，２５ｂが隙間２７ａ，２７ｂ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。
【００４９】
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２７ａ，２７ｂ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、図１２の圧電センサー素子１において、同様に気圧に対する圧電振動片２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、本実施例の圧電センサー素子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。
【００５０】
更に圧電センサー素子１１において、隙間２７ａ，２７ｂの大きさｓ１に関するＣＩ値の変動量を測定した。各振動腕１９ａ，１９ｂのサイズ及び共振周波数が異なる大小２つの圧電振動片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。
【００５１】
その測定結果を図５に示す。同図から、第１実施例の場合、圧電振動片１２の振動腕の大きさ及び共振周波数に拘わらず、隙間２７ａ，２７ｂ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。
【００５２】
上述した隙間２７ａ，２７ｂにおける被測定流体の流れに関する考察や図４、図５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２７ａ，２７ｂ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。
【００５３】
別の実施例では、一方の前記外側の振動腕についてのみ、基部１８から延出する側辺部２０ａ又は２０ｂを設けることができる。この場合、圧電振動片全体として被測定流体から受ける粘性抵抗は小さくなるが、圧電振動片及び圧電センサー素子の小型化を図ることができる。
【００５４】
また、別の実施例では、隣接する前記振動腕の間、即ち中央の振動腕１９ｃとその両側又は片側の振動腕１９ａ，１９ｂとの間に固定壁を設けることができる。この固定壁は、隣接する前記振動腕の側面に平行な平坦面を有し、該平坦面と前記振動腕の側面との間に、前記振動腕の屈曲振動時に被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるような所定寸法の狭い隙間を画定する。これにより、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１９ａ〜１９ｃに作用させ、ＣＩ値の変化検出感度を高め、測定対象の変化をより高感度に検出することができる。このような固定壁は、例えば圧電振動片１２の基部１８から前記振動腕と並列に延出する固定腕部によって提供される。
【００５５】
図６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７に横軸を時間Ｔ、縦軸を電圧として模式的に表す。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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７（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７（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。
【００６０】
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７（Ｃ）に示すように半波整流した信号ｃを出力する。
【００６１】
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７（Ｄ）に示すように積分した信号ｄを出力する。
【００６２】
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７（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。
【００６３】
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。
【００６４】
図８（Ａ）〜（Ｃ）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、圧電振動片４２とこれを収容するためのパッケージ１３とを備える。圧電振動片４２は、図１の圧電振動片１２から両側辺部２０ａ，２０ｂを省略した従来構造のもので、基部１８から並列に延出する３つの振動腕１９ａ〜１９ｃを有する。パッケージ１３は、第１実施例と同様に、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４２は、図１の圧電振動片１２と同様に、前記各振動腕の表面に励振電極が形成され、該励振電極から引き出したマウント電極が基部１８に形成されている。圧電振動片４２は、基部１８において前記マウント電極をキャビティ底面１６ａの接続電極２８に導電性接着剤２９で固定して、片持ちに支持されている。
【００６５】
パッケージ１３のベース１４は、圧電振動片４２の外側の振動腕１９ａ，１９ｂに沿って延長する側壁部分１４ａ，１４ｂが平坦な内壁面４３ａ，４３ｂを有する。本実施例では、圧電振動片４２が、前記外側の振動腕の外側の側面２５ａ，２５ｂを隣接するベース１４の内壁面４３ａ，４３ｂと平行に、かつそれらの間にそれぞれ所定寸法ｓ２の隙間４４ａ，４４ｂを画定するように配置される。
【００６６】
圧電振動片４２の前記励振電極に所定の電圧を印加すると、振動腕１９ａ〜１９ｃは、所定の周波数で面外方向にかつ隣接する前記振動腕が互いに逆相で屈曲振動する。外側の振動腕１９ａ，１９ｂの外側の側面２５ａ，２５ｂは移動壁として、固定壁であるベース１４の内壁面４３ａ，４３ｂ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４４ａ，４４ｂ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。
【００６７】
このように圧電振動片４２をパッケージ１３内に実装することによって、外側の振動腕１９ａ，１９ｂは側面２５ａ，２５ｂが、図３に関連して上述したように、隙間４４ａ，４４ｂ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１９ａ，１９ｂの屈曲振動が抑制され、圧電振動片４２のＣＩ値が変化する。従って、前記振動腕が受ける粘性抵抗の変化を圧電振動片４２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。
【００６８】
別の実施例では、前記各外側の振動腕との間に隙間４４ａ，４４ｂを画定する固定壁として、ベース１４の前記内壁面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、前記ベース１４の側壁部分１４ａ，１４ｂに、圧電振動片４２の前記振動腕に対応する領域にのみ、隙間４４ａ，４４ｂを画定する固定壁構造を突設することもできる。
【００６９】
図９は、第１実施例の圧電センサー素子に使用する圧電振動片の変形例を示している。本実施例の圧電振動片５１は、第１実施例の圧電振動片１２の構成に加えて、基部１８とは長手方向反対側に、振動腕１９ａ〜１９ｃを囲繞する矩形の外枠５２を形成するように両側辺部２０ａ，２０ｂの先端を連結する端辺部２０ｃを有する。
【００７０】
振動腕１９ａ〜１９ｃ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５３ａ〜５３ｃを有する。端辺部２０ｃは、前記振動腕の各端面５３ａ〜５３ｃに対向する平坦な内側の側面２６ｃを有する。側面２６ｃが前記振動腕の各端面５３ａ〜５３ｃと平行をなしかつそれらの間に所定寸法ｓ３の狭い隙間５４ａ〜５４ｃを画定するように、端辺部２０ｃは配置する。圧電振動片５１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され、前記振動腕の先端側の隙間５４ａ〜５４ｃを高精度にかつ簡単に調整することができる。
【００７１】
被測定流体を導入した適当なパッケージ内に圧電振動片５１を配置して所定の電圧を印加し、上記実施例と同様に振動腕１９ａ〜１９ｃを屈曲振動させる。前記各外側の振動腕は、その側面２５ａ，２５ｂが移動壁として、固定壁である前記両側辺部の側面２６ａ，２６ｂに対して所定の速度で往復移動する。同時に、前記各振動腕の端面５３ａ〜５３ｃが移動壁として、固定壁である端辺部２０ｃの側面２６ｃに対して所定の速度で往復移動する。このとき、前記被測定流体が隙間５４ａ〜５４ｃ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は設定する。
【００７２】
振動腕１９ａ〜１９ｃの屈曲振動は、前記外側の振動腕の各側面２５ａ，２５ｂ及び全部の前記振動腕の各端面５３ａ〜５３ｃが被測定流体の粘性抵抗を受けることによって抑制される。特に前記振動腕先端の端面は、移動速度が最も大きいから、その面積は小さくても比較的大きな粘性抵抗を受ける。従って、本実施例は、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１９ａ〜１９ｃに作用させることができる。この粘性抵抗の変化を圧電振動片５２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。
【００７３】
図１０（Ａ）、（Ｂ）は、図９の圧電振動片５１を組み込むのに適した本発明による圧電センサー素子の第２実施例を示している。本実施例の圧電センサー素子６１は、圧電振動片５１を中間圧電基板として、その上下に接合されてパッケージを構成する上側基板６２と下側基板６３とを備える。
【００７４】
上側及び下側基板６２，６３は、それぞれ圧電振動片５１との対向面に凹部６２ａ，６３ａが形成されている。前記上側及び下側基板は、凹部６２ａ，６３ａを囲繞する周辺部で、それ自体が前記圧電振動片を収容するパッケージの一部を構成する外枠５２の上下面に接合される。これにより、圧電センサー素子６１の内部に振動腕１９ａ〜１９ｃを収容するキャビティが画定される。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に、上側基板６２の凹部６２ａには連通孔６４が貫設されている。この構成によって、圧電センサー素子を小型化することができる。
【００７５】
図１１（Ａ），（Ｂ）は、図８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、図８の実施例と同様に、図１の圧電振動片１２から両側辺部２０ａ，２０ｂを省略した従来構造の圧電振動片４２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４２は、前記各振動腕の表面に励振電極が形成され、該励振電極から引き出したマウント電極が基部１８に形成されている。圧電振動片４２は、基部１８において前記マウント電極をキャビティ底面１６ａの接続電極２８に導電性接着剤２９で固定して、片持ちに支持されている。
【００７６】
圧電センサー素子７１は、図８の構成に加えて、圧電振動片４２の振動腕１９ａ〜１９ｃの先端に隣接するベース１４の側壁部分１４ｃが、平坦な内壁面４３ｃを有する。振動腕１９ａ〜１９ｃ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７２ａ〜７２ｃを有する。本実施例では、圧電振動片４２を、前記外側の振動腕の外側側面２５ａ，２５ｂが隣接するベース１４の内壁面４３ａ，４３ｂと平行をなし、かつそれらの間にそれぞれ所定寸法ｓ２の隙間４４ａ，４４ｂを画定すると共に、側壁部分１４ｃの内壁面４３ｃが前記振動腕の各端面７２ａ〜７２ｃと平行をなし、かつそれらの間に所定寸法ｓ４の狭い隙間７３ａ〜７３ｃを画定するように配置する。
【００７７】
圧電振動片４２の前記励振電極に所定の電圧を印加すると、振動腕１９ａ〜１９ｃは、所定の周波数で面外方向にかつ隣接する前記振動腕が互いに逆相で屈曲振動する。外側の振動腕１９ａ，１９ｂの外側の側面２５ａ，２５ｂは移動壁として、固定壁であるベース１４の内壁面４３ａ，４３ｂに対して所定の速度で往復移動する。同時に、前記各振動腕の端面７２ａ〜７２ｃが移動壁として、固定壁である側壁部分１４ｃの内壁面４３ｃ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７３ａ〜７３ｃ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ｓ４は設定する。
【００７８】
振動腕１９ａ〜１９ｃの屈曲振動は、前記外側の振動腕の各側面２５ａ，２５ｂ及び３つ全部の前記振動腕の各端面７２ａ〜７２ｃが被測定流体の粘性抵抗を受けることによって抑制される。特に前記振動腕先端の端面は、移動速度が最も大きいから、その面積は小さくても比較的大きな粘性抵抗を受ける。従って、本実施例では、図８の実施例よりも大きな粘性抵抗を振動腕１９ａ〜１９ｃに作用させることができる。この粘性抵抗の変化を圧電振動片４２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。
【００７９】
図８、図９、図１１の各実施例においても、前記圧電振動片の隣接する前記振動腕の間に固定壁を設けることができる。この固定壁は、隣接する前記振動腕の側面に平行な平坦面を有し、該平坦面と前記振動腕の側面との間に、前記振動腕の屈曲振動時に被測定流体が定常的な速度分布の流れを生じるような狭い隙間を画定する。これにより、上記各実施例の場合よりも大きな粘性抵抗を前記振動腕に作用させ、ＣＩ値の変化検出感度を高め、測定対象の変化をより高感度に検出することができる。このような固定壁は、例えば図８及び図１１の実施例では、パッケージ１３のベース１４に一体に又は別の部材を配置して形成し、図９の実施例では、圧電振動片５１の基部１８と端辺部２０ｃとの間を連結する中間枠部によって提供される。
【００８０】
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。
【符号の説明】
【００８１】
１１，４１，６１，７１…圧電センサー素子、１２，４２，５１…圧電振動片、１３…パッケージ、１４…ベース、１４ａ〜１４ｃ…側壁部分、１５…リッド、１６…キャビティ、１６ａ…キャビティ底面、１７，６４…連通孔、１８…基部、１９ａ〜１９ｃ…振動腕、２０ａ，２０ｂ…側辺部、２０ｃ…端辺部、２１…下側電極膜、２２…圧電体膜、２３…上側電極膜、２４…励振電極、２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…側面、２７ａ，２７ｂ，４４ａ，４４ｂ，５４ａ〜５４ｃ，７３ａ〜７３ｃ…隙間、２８…接続電極、２９…導電性接着剤、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、４３ａ，４３ｂ…内壁面、５２…外枠、５３ａ〜５３ｃ，７２ａ〜７２ｃ…端面、６２…上側基板、６２ａ，６３ａ…凹部、６３…下側基板。
【図１】
2011232264.tif 000003
【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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