(57)【要約】【課題】外部からの圧力が、ダイヤフラムの平板部から支持部へ効率的に伝達される圧力センサーの提供。【解決手段】圧力センサー１は、振動片部１３と振動片部１３の両端に接続される一対の基部１４とを有する双音叉素子１５と、可撓性を有する平板部２１と平板部２１から突出し、双音叉素子１５の各基部１４を支持する一対の支持部２３とを有するダイヤフラム層２０と、を備え、ダイヤフラム層２０の支持部２３における、平板部２１の延在方向に沿った断面の面積が、双音叉素子１５と接合される接合部から平板部２１側の根元部に向かうに連れて大きくなるように、支持部２３の側面２３ａが傾斜して形成され、側面２３ａと平板部２１の接続面２１ａとの成す角度をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧部と該感圧部の両端に接続される一対の基部とを有する感圧素子と、
可撓性を有する平板部と該平板部から突出し前記感圧素子の前記各基部を支持する一対の支持部とを有するダイヤフラムと、を備え、
前記ダイヤフラムの前記支持部における、前記平板部の延在方向に沿った断面の面積が、前記感圧素子と接合される接合部から前記平板部側の根元部に向かうに連れて大きくなるように、前記支持部の側面が傾斜して形成され、
前記側面と前記平板部の接続面との成す角度をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°であることを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサーにおいて、前記感圧素子及び前記ダイヤフラムが、水晶基板を基材としていることを特徴とする圧力センサー。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力センサーにおいて、前記感圧部が、少なくとも一以上の柱状ビームを有して構成されている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、感圧素子を用いた圧力センサーに関し、特にダイヤフラムを備えて構成された圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイヤフラムと、容器と、ダイヤフラムに設けられた支持部に搭載された双音叉振動子（以下、双音叉素子という）などの感圧素子とを有して構成された圧力センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３３４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記圧力センサーは、外部から加わる圧力によるダイヤフラムの変位（撓み）を、支持部を介して感圧素子に伝達する構造であることから、圧力の検出感度を向上させるために、ダイヤフラムの変位する部分である平板部の薄型化が図られている。
ところで、上記圧力センサーは、特許文献１の図１（Ａ）によれば、ダイヤフラムの支持部の側面と平板部（薄肉部）の接続面との成す角度が略直角に形成されている。
このことから、上記圧力センサーは、外部から圧力が加わり、ダイヤフラムの平板部が変位する際に、外部からの圧力が支持部の周辺に分散し、支持部へ効率的に伝達されない虞のあることが、発明者らの応力分析により判明した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例にかかる圧力センサーは、感圧部と該感圧部の両端に接続される一対の基部とを有する感圧素子と、可撓性を有する平板部と該平板部から突出し前記感圧素子の前記各基部を支持する一対の支持部とを有するダイヤフラムと、を備え、前記ダイヤフラムの前記支持部における、前記平板部の延在方向に沿った断面の面積が、前記感圧素子と接合される接合部から前記平板部側の根元部に向かうに連れて大きくなるように、前記支持部の側面が傾斜して形成され、前記側面と前記平板部の接続面との成す角度をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°であることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、圧力センサーは、ダイヤフラムの支持部における、平板部の延在方向に沿った断面の面積が、感圧素子との接合部から根元部に向かうに連れて大きくなるように、支持部の側面が傾斜して形成され、側面と平板部の接続面との成す角度をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°である。
このことから、圧力センサーは、例えば、外部から圧力が加わり、ダイヤフラムの平板部が変位する（撓む）際に、支持部に応力が集中し、外部からの圧力が支持部へ効率的に伝達される。
なお、４５°≦θ＜９０°については、外部からの圧力が支持部へ効率的に伝達される支持部の側面と平板部の接続面との成す角度の範囲として、発明者らの応力分析によって得られた知見である。
【０００８】
［適用例２］上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧素子及び前記ダイヤフラムが、水晶基板を基材としていることが好ましい。
【０００９】
これによれば、圧力センサーは、感圧素子及びダイヤフラムが水晶基板を基材としていることから、感圧素子及びダイヤフラムの線膨張率が略同一である。このことから、圧力センサーは、周囲の温度変化に伴う両者の伸縮が発生した際に、両者の伸縮の度合いが略同一であることにより、両者の伸縮の差に起因する応力の発生が殆どない。
これにより、圧力センサーは、周囲の温度変化に起因する感度、精度などの特性の変化を抑制できる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧部が、少なくとも一以上の柱状ビームを有して構成されていることが好ましい。
【００１１】
これによれば、圧力センサーは、感圧素子の感圧部が、少なくとも一以上の柱状ビームを有して構成されていることから、他の感圧素子と比較して、圧力の検出精度が高い特性を有し、圧力センサーの精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図。
【図２】圧力センサーの基本動作を説明する模式断面図。
【図３】支持部の側面の傾斜角度と支持部に発生する応力との関係を示すグラフ。
【図４】変形例１の圧力センサーの概略構成を示す模式展開斜視図。
【図５】変形例２の圧力センサーの概略構成を示す模式展開斜視図。
【図６】支持部のバリエーションを示す模式斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、圧力センサーの実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態）
図１は、本実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は、展開斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。
【００１４】
図１に示すように、圧力センサー１は、感圧素子層１０と、感圧素子層１０の一方の主面１１側を覆うダイヤフラムとしてのダイヤフラム層２０と、感圧素子層１０の他方の主面１２側を覆うベース層３０と、を備えている。
圧力センサー１は、上記各層が、平面視において輪郭が互いに重なり合うように積層されることにより、略直方体形状に形成されている。
圧力センサー１の各層は、複数個取りが可能なウエハー状の水晶基板を基材として、フォトエッチング、サンドブラストなどの加工方法により所定の形状に形成されている。
【００１５】
感圧素子層１０は、感圧部としての互いに略平行な角柱状の一対の振動片部（柱状ビーム）１３と、振動片部１３の両端に接続される一対の略矩形の基部１４とを有する感圧素子としての双音叉素子１５と、双音叉素子１５を囲む略矩形の枠部１６と、枠部１６と双音叉素子１５の各基部１４とを接続する各一対の梁状の腕部１７とを有している。
感圧素子層１０は、平面視において外形形状が略矩形に形成され、各構成要素の厚みが略同一に形成されている。なお、双音叉素子１５の図示しない電極は、腕部１７を介して枠部１６に引き出されている。
【００１６】
ダイヤフラム層２０は、平面視において外形形状が略矩形に形成されている。
そして、ダイヤフラム層２０は、感圧素子層１０の一方の主面１１側を覆うように配置されている。
ダイヤフラム層２０は、可撓性を有する平板部２１と、平板部２１から突出し、双音叉素子１５の各基部１４を支持する一対の支持部２３と、平板部２１の外周にあって、平板部２１から支持部２３側に突出し、一対の支持部２３を囲む枠部２２とを一体で有している。
【００１７】
ダイヤフラム層２０は、支持部２３における、平板部２１の延在方向に沿った断面（平板部２１の接続面２１ａと平行に切断された断面）の面積が、双音叉素子１５と接合される接合部から平板部２１側の根元部に向かうに連れて大きくなるように、支持部２３の側面２３ａが傾斜して形成されている。
そして、ダイヤフラム層２０は、支持部２３の側面２３ａと平板部２１の接続面２１ａとの成す角度をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°となっている。
【００１８】
圧力センサー１は、ダイヤフラム層２０の各支持部２３と双音叉素子１５の各基部１４とが接合されている。
これにより、圧力センサー１は、双音叉素子１５の振動片部１３と、ダイヤフラム層２０の平板部２１との間に空間が形成されている。
なお、ダイヤフラム層２０の枠部２２は、感圧素子層１０の枠部１６と接合されている。
【００１９】
ベース層３０は、平面視において外形形状が略矩形に形成されている。ベース層３０は、双音叉素子１５との間に空間を形成するための凹部３１が、感圧素子層１０側に形成されている。
そして、ベース層３０は、感圧素子層１０の他方の主面１２側を覆うように配置され、凹部３１を囲む外周枠部３２が感圧素子層１０の枠部１６と接合されている。
なお、感圧素子層１０の腕部１７は、ダイヤフラム層２０、ベース層３０のいずれにも接合されておらず、フリーな状態になっている。
【００２０】
なお、圧力センサー１の各層間の接合、及び双音叉素子１５の各基部１４とダイヤフラム層２０の各支持部２３との接合には、（１）低融点ガラスによる接合方法、（２）互いの接合面をプラズマ照射などにより親水化処理して表面を活性化させ、接合面同士を貼り合わせることで水素結合させるなどの直接接合方法、（３）アルコキシド、オルガノシロキシ基などを含む接合部材を用い、紫外線やプラズマ照射により接合する接合方法、（４）金錫合金被膜などの金属被膜を接合部材に用いた共晶接合方法などを用いることができる。
【００２１】
上記の構成により、圧力センサー１は、ダイヤフラム層２０と双音叉素子１５の振動片部１３との間、及び双音叉素子１５とベース層３０との間に空間が形成された状態で、双音叉素子１５の各基部１４が、ダイヤフラム層２０の各支持部２３に接合されている。
これにより、圧力センサー１は、双音叉素子１５が各支持部２３間に架け渡された状態となっている。
【００２２】
以上のように構成された圧力センサー１は、内部が気密に封止され、真空状態に保持されており、絶対圧を検出する圧力センサーとなっている。
【００２３】
ここで、圧力センサー１の基本動作について、図面を参照して概略を説明する。
図２は、圧力センサーの基本動作を説明する模式断面図である。
圧力センサー１は、ベース層３０側が外部機器の搭載面５０などに搭載されるように構成されている。また、圧力センサー１は、外部からの圧力を双音叉素子１５の振動片部１３の共振周波数の変化によって検出する構成となっている。
【００２４】
図２に示すように、圧力センサー１は、外部からの圧力を受けるとダイヤフラム層２０の平板部２１が、可撓性により２点鎖線で示すように矢印Ｂ方向に撓む（変位する）。
このとき、圧力センサー１は、このダイヤフラム層２０の平板部２１の撓みにより、ダイヤフラム層２０の各支持部２３が、互いの間隔が広がる矢印Ｃ方向に変位する。
これにより、各支持部２３間に架け渡された状態で接合されている双音叉素子１５は、矢印Ｃ方向に引張力が加わり変位する。
これにより、双音叉素子１５は、例えば、巻き上げられた弦楽器の弦のように、振動片部１３の共振周波数が高くなる方に変化する。
【００２５】
なお、仮に、外部からの圧力が内部の真空状態より低い圧力の場合には、圧力センサー１は、ダイヤフラム層２０の平板部２１が、破線で示すように矢印Ｄ方向に撓み、各支持部２３が、互いの間隔が狭まる矢印Ｅ方向に変位する。
これにより、双音叉素子１５は、矢印Ｅ方向に圧縮力が加わって変位し、例えば、巻き戻された弦楽器の弦のように、振動片部１３の共振周波数が低くなる方に変化する。
【００２６】
圧力センサー１は、この共振周波数の変化を検出している。外部からの圧力は、この検出された共振周波数の変化の割合に応じて、ルックアップテーブルなどによって定められた数値に変換することで導出される。
【００２７】
ここで、圧力センサー１は、ダイヤフラム層２０の支持部２３における、平板部２１の延在方向に沿った断面の面積が、双音叉素子１５と接合される接合部から平板部２１側の根元部に向かうに連れて大きくなるように、支持部２３の側面２３ａが傾斜して形成されている。
そして、ダイヤフラム層２０は、支持部２３の側面２３ａと平板部２１の接続面２１ａとの成す角度（以下、傾斜角度ともいう）をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°となっている。
これにより、圧力センサー１は、外部から圧力が加わり、ダイヤフラム層２０の平板部２１が変位する際に、支持部２３に応力が集中し、外部からの圧力が支持部２３へ効率的に伝達される。そして、圧力センサー１は、外部からの圧力が支持部２３を介して双音叉素子１５へ効率的に伝達される。
【００２８】
ここで、傾斜角度θの設定範囲について説明する。
図３は、支持部の側面の傾斜角度と支持部に発生する応力との関係を示すグラフである。なお、横軸は支持部２３の側面２３ａの傾斜角度θを表し、縦軸は支持部２３に発生する応力を表す。
【００２９】
本願発明者らは、支持部２３の側面２３ａの最適な傾斜角度θの範囲を導出すべく、シミュレーションなどにより応力分析を行い、図３に示す結果を得た。
従来技術に開示されている支持部の構造、即ち、ダイヤフラム層２０の支持部２３の側面２３ａと平板部２１（薄肉部）の接続面２１ａとの成す角度が略直角に形成されたθ＝０°から徐々に傾斜角度を付けていき、各傾斜角度θに対する支持部２３に生じる応力の大きさについて評価分析を行った。ここでは、傾斜角度θを０°〜９０°の範囲で、１５°ステップで大きくしていった。
【００３０】
図３からも明らかなように、単に支持部２３の側面２３ａに傾斜を持たせただけでは、θ＝０°のときよりも支持部２３に応力を集中させることはできない。つまり、θ＝０°のときの支持部２３に集中する応力１００（ｋＰａ）に対して、例えば、θ＝１５°のときに支持部２３に生じる応力は約９５（ｋＰａ）となり、θ＝３０°としたときに支持部２３に生じる応力は約７４（ｋＰａ）となり、θ＝０°のときの支持部２３に集中する応力値より減少してしまうということが、この分析により判明した。
【００３１】
図３に示すように、平板部２１に一定の等分布荷重を加えた際に、傾斜角度θが４５°から大きくなるに連れて応力値が高まり、傾斜角度θが７５°でピークに達し、支持部２３に応力が集中しているのが分かる。
この分析結果から、発明者らは、支持部２３の側面２３ａの最適な傾斜角度θの範囲を、４５°≦θ＜９０°と導出した。なお、４５°≦θ≦７５°が、より好ましい範囲である。
なお、この応力分析に当たっては、図１（ｂ）に示す支持部２３の断面積が、各傾斜角度θにおいて等しくなるように設定した。
【００３２】
これまで、特許文献１などの先行技術に開示されている双音叉素子が、ダイヤフラムに搭載された圧力センサーにおいては、ダイヤフラムが被測定圧力を受圧したとき、如何にダイヤフラムを撓み易くするかという撓み感度の改善に着目して技術開発がなされてきた。
これに対して、本願発明者らは、撓み感度ではなくダイヤフラムが受圧した被測定圧力などの外力を漏洩することなく如何にして支持部を介して双音叉素子に伝達するかという新たな技術課題を想起して本発明に想到したのである。
【００３３】
なお、圧力センサー１は、ダイヤフラム層２０と双音叉素子１５との間、及び双音叉素子１５とベース層３０との間に空間が形成されていることから、ダイヤフラム層２０の平板部２１が撓んだ際の、上記構成要素間の干渉が回避されている。
【００３４】
上述したように、圧力センサー１は、ダイヤフラム層２０の支持部２３における、平板部２１の延在方向に沿った断面の面積が、双音叉素子１５と接合される接合部から平板部２１側の根元部に向かうに連れて大きくなるように、支持部２３の側面２３ａが４面共に傾斜して形成されている。
そして、ダイヤフラム層２０は、支持部２３の側面２３ａと平板部２１の接続面２１ａとの成す角度（傾斜角度）をθとしたときに、４５°≦θ＜９０°となっている。
これにより、圧力センサー１は、外部から圧力が加わり、ダイヤフラム層２０の平板部２１が変位する際に、支持部２３に応力が集中し、外部からの圧力が支持部２３へ効率的に伝達される。そして、圧力センサー１は、外部からの圧力が支持部２３を介して双音叉素子１５へ効率的に伝達される。
【００３５】
また、圧力センサー１は、感圧素子が、二つの振動片部１３を感圧部とする双音叉素子１５であることから、他の感圧素子と比較して、圧力の検出精度が高い特性を有し、圧力センサー１の検出精度を向上させることができる。
【００３６】
また、圧力センサー１は、双音叉素子１５及びダイヤフラム層２０が水晶基板を基材としていることから、双音叉素子１５及びダイヤフラム層２０の線膨張率が略同一である。
このことから、圧力センサー１は、周囲の温度変化に伴う両者の伸縮が発生した際に、両者の伸縮の度合いが略同一であることにより、両者の伸縮の差に起因する応力の発生が殆どない。
これにより、圧力センサー１は、周囲の温度変化に起因する感度、精度などの特性の変化を抑制できる。
【００３７】
また、圧力センサー１は、各層を複数個取りのウエハー状に形成し、各層をウエハー状のまま積層することにより、複数の圧力センサー１を一括して製造することができる。
なお、一括して製造された複数の圧力センサー１は、分割手段により個別に分割される。
【００３８】
ここで、上記実施形態の圧力センサー１の変形例について説明する。
（変形例１）
図４は、変形例１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。
【００３９】
図４に示すように、圧力センサー１０１は、感圧部としての振動片部１１３が一つである柱状ビームからなる（シングルビームともいう）音叉素子１１５が、感圧素子として感圧素子層１１０に形成されている。
これにより、圧力センサー１０１は、上記実施形態の圧力センサー１と同様に、圧力の変化に伴う音叉素子１１５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。
【００４０】
（変形例２）
図５は、変形例２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。
【００４１】
図５に示すように、変形例２の圧力センサー２０１は、感圧素子層１０（図１参照）の枠部１６と、腕部１７とが削除されている。つまり、圧力センサー２０１は、双音叉素子１５が層としてではなく、単体で構成されている。
これにより、圧力センサー２０１は、ダイヤフラム層２０の枠部２２とベース層３０の外周枠部３２との少なくともいずれか一方が、双音叉素子１５の厚み分、各層の厚み方向に沿って延在され、両者が互いに接合されている。
【００４２】
これによれば、圧力センサー２０１は、双音叉素子１５が層としてではなく、単体で構成されていることから、上記実施形態と比較して、ウエハー状の水晶基板に、より多くの双音叉素子１５を形成できる。
また、圧力センサー２０１は、ダイヤフラム層２０とベース層３０との２層構成となることから、上記実施形態と比較して、各層間の接合箇所が減ることにより接合工数を削減できる。
【００４３】
なお、上記実施形態及び各変形例においては、支持部２３の形状が、図６の支持部のバリエーションを示す模式斜視図に示すような形状に形成されていてもよい。
例えば、図６（ａ）に示すように、支持部２３の各側面２３ａにスリット（縦溝）２３ｂが形成されていてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）のスリット２３ｂより奥行きが深く、双音叉素子１５（音叉素子１１５）との接合面２３ｃを切り欠いたスリット２３ｄが形成されていてもよい。
【００４４】
これによれば、圧力センサー（１など）は、双音叉素子１５（音叉素子１１５）の支持部２３への接合時に、流動性を有する例えば、低融点ガラスなどの接合部材がスリット２３ｂ，２３ｄに入り込むことで、双音叉素子１５（音叉素子１１５）の接合強度を向上させることができる。
なお、スリット２３ｂ，２３ｄは、各側面２３ａに複数形成されていてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態及び各変形例においては、ダイヤフラム層２０の支持部２３の側面２３ａの一部が、曲面状に形成されていてもよい。
例えば、圧力センサー（１など）は、支持部２３の側面２３ａの、平板部２１の接続面２１ａとの接続部分が、曲面状に形成されていてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態及び各変形例においては、ダイヤフラム層２０に線膨張率が水晶基板に近似するガラス基板、セラミック基板などを用いてもよい。
また、感圧素子層１０，１１０（双音叉素子１５）の基材は、水晶基板に限定するものではなく、タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板などの圧電性を有する基板でもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１，１０１，２０１…圧力センサー、１０，１１０…感圧素子層、１１…一方の主面、１２…他方の主面、１３，１１３…振動片部、１４…基部、１５…感圧素子としての双音叉素子、１６…枠部、１７…腕部、２０…ダイヤフラムとしてのダイヤフラム層、２１…平板部、２１ａ…接続面、２２…枠部、２３…支持部、２３ａ…側面、２３ｂ，２３ｄ…スリット、２３ｃ…接合面、３０…ベース層、３１…凹部、３２…外周枠部、１１５…感圧素子としての音叉素子。
【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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