(57)【要約】【課題】過大な圧力が加えられた場合でも破損し難く、また組み立ての容易な圧力センサーを提供すること。【解決手段】ダイヤフラム２３の凹部２３ａの外周縁に水晶振動子３０の両端を夫々接合し、当該ダイヤフラム２３の凹部２３ａの形成された面の下側には水晶振動子３０を取り囲みように第２のスペーサー２２ｂ、第１のスペーサー２２ａ、ベース体２１がこの順番に設けられている。第１スペーサー２２ａとベース体２１とを接合する接着剤はダイヤフラム２３と第２のスペーサー２２ｂとを接着する接着剤よりもヤング率が小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定された圧電振動子と、
この圧電振動子に対してダイヤフラムの反対側に対向するベース体と、
前記圧電振動子を囲むように前記ダイヤフラムとベース体との間に介在して設けられ、互いに積層された複数の囲み部材と、
これら囲み部材同士の間、及び囲み部材とベース体との間を接合するための接着層と、を備え、
前記ダイヤフラム、囲み部材及びベース体により容器が構成されたことを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
前記接着層は、低融点ガラス、樹脂接着剤または、無機接着剤からなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項３】
前記接着層のヤング率は、ダイヤフラムと囲み部材との接合部分のヤング率と同じかまたは小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子の振動数の変化に基づいて圧力を感知する圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のタイヤの内部の圧力を測定し、設定された空気圧以下になると警報を発するＴＰＭＳ（タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム）が実用化されている。このＴＰＭＳのセンサーとして、水晶を用いたものが提案されており、例えば応力感応素子（圧電振動子）に双音叉型水晶振動子を用いた場合には、軸方向（厚さ方向と直角）へ伸張させる引っ張り応力を加えるようにすると感度が良くなる。このため、センサーのパッケージ（容器）には、軸方向へ伸張させる引っ張り応力に変換するための応力変換部やダイヤフラムを薄くするなどの工夫がなされている。
【０００３】
この種の圧力センサーとしては、図９に示すように、蓋部を成し、その中央部が円形に凹んだ凹部１１ａを有するダイヤフラム１１と、前記ダイヤフラム１１の凹部１１ａの外周縁に両端が接着剤１２を介して固着された短冊形状の水晶振動子１３と、前記ダイヤフラム１１と接着剤１２を介して接合することで水晶振動子１３を密閉する容器（筐体）１４と、から構成されたものが知られている。このような構成では、図１０に示すようにダイヤフラム１１に外部より圧力が加わると当該ダイヤフラム１１が凹んで前記凹部１１ａの外縁部が外方向へ広げられる。これに伴って水晶振動子１３が長手方向に引っ張られて、撓むこと（引っ張り応力を受けること）により水晶振動子１３の振動数（周波数）が変化し、圧力を感知することができる。
【０００４】
圧力センサーでは水晶振動子１３とダイヤフラム１１との貼り合わせる部分だけに少量の接着剤１２を塗布し、当該水晶振動子１３が両持ち梁構造となるように構成している。この場合、圧力センサーに使用する接着剤の量を減らしているため、水晶振動子１３からダイヤフラム１１への振動エネルギーの漏れは少なく、圧力センサーの感度は良いが、水晶振動子１３とダイヤフラム１１との貼り合わせ部に応力が集中するため、大きな圧力が加わったときに水晶振動子１３が破損するおそれがある。
【０００５】
また、前記容器１４は、製造コスト削減、製造工程削減のため、例えばウエハの片面から加工（例えばエッチング等）して、容器１４の空洞を形成して作成している。このため、容器１４は底面部と側壁部とが一体となった一体型であり、容器１４とダイヤフラム１１とを貼り合わせるためには、容器１４に薄いダイヤフラム１１を固定するのと同時に容器１４の内部を気密とするため、位置決めを正確に行いながら、気密を取らなければいけなく、圧力センサーの組み立てが難しいといった課題がある。
【０００６】
一方、特許文献１には圧力センサーの気密性を向上させると共に、圧力センサーの製造工程を簡易にするために、容器を側壁部、底面部に分割して作成し、底面部、側壁部及びダイヤフラムの順に接着剤を介して積層した圧力センサーが掲載されている。しかし、圧力センサーに過剰な圧力が加わったときに、当該圧力センサーの破損を免れる構造については記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１２８７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、破損し難い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】
【０００９】
本発明に係る圧力センサーは、
外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定された圧電振動子と、
この圧電振動子に対してダイヤフラムの反対側に対向するベース体と、
前記圧電振動子を囲むように前記ダイヤフラムとベース体との間に介在して設けられ、互いに積層された複数の囲み部材と、
これら囲み部材同士の間、及び囲み部材とベース体との間を接合するための接着層と、を備え、
前記ダイヤフラム、囲み部材及びベース体により容器が構成されたことを特徴とする。
【００１０】
「互いに積層された複数の囲み部材」の「積層された」は、囲み部材の厚さ方向に積層する場合に限られず、囲み部材の径方向に重ねる場合（図８参照）も含まれる。
前記接着層としては、例えば低融点ガラス、樹脂接着剤または、無機接着剤などが挙げられる。更にまた前記接着層は、例えばエポキシ樹脂であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、圧電振動子を収納する容器を、ダイヤフラム、互いに積層された複数の囲み部材、及びベース体に分割し、囲み部材同士、及び囲み部材とベース体との間には接着層を設けている。このため、圧力センサーに過剰な圧力が加わった場合でも各接着層が圧力を吸収するので、圧力センサーの例えば一部に過度の応力が集中せずに、分散されるため圧力センサーが破損し難くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧力センサーの縦断側面図である。
【図２】前記圧力センサーに用いられる水晶振動子の表面及び裏面を示す説明図である。
【図３】前記圧力センサーの内部を示す模式図である。
【図４】前記圧力センサーの製造工程を説明する模式図である。
【図５】前記圧力センサーの製造工程を説明する模式図である。
【図６】前記圧力センサーの製造工程を説明する模式図である。
【図７】前記圧力センサーの製造工程を説明する模式図である。
【図８】他の実施の形態に係る圧力センサーの縦断面図及び横断面図である。
【図９】従来の圧力センサーの縦断面図である。
【図１０】従来の圧力センサーに外部より圧力が加わった様子を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る圧力センサーの実施形態を説明する。圧力センサーは、図１に示すように容器２０を構成するためのベース体２１、囲み部材であるスペーサー２２及びダイヤフラム２３とがこの順番に下側から上側へ向けて積層されて設けられ、容器２０の内部は、気密空間とされ、当該気密空間内に圧電振動子である水晶振動子３０が設けられている。前記ベース体２１、スペーサー２２及びダイヤフラム２３は、例えば水晶を用いて作製されるが、ガラス板、シリコン基板などを用いても良い。
【００１４】
容器２０の蓋体をなすダイヤフラム２３の下面には、水晶振動子３０の表面側に臨む円形の凹部２３ａが形成されている。この凹部２３ａの直径は、水晶振動子３０の長手方向の長さより、短く形成されている。凹部２３ａが形成されることにより、ダイヤフラム２３の中央部の厚みが１．４ｍｍに設定され、薄くなり、より大きな可撓性を得ることができる。またダイヤフラム２３の上面は、例えば車両に設けられたタイヤの内部空間などの測定雰囲気に面し、ダイヤフラム２３はその測定雰囲気の圧力に応じて変形する。即ち、測定雰囲気の圧力が容器２３内の圧力よりも大きくなったときにダイヤフラム２３は容器の内側へ撓むことになる。
【００１５】
水晶振動子３０は、その両端部がダイヤフラム２３の凹部２３ａの外周縁部分に夫々接着剤２４ａを用いて貼り合わされて固定され、両持ち梁構造としてダイヤフラム２３に支持されている。従って、ダイヤフラム２３が圧力により、その中央部が撓み、凹部２３ａの外周縁部分が外方へ押し広げられることで、水晶振動子３０の長さ方向に引っ張り応力が働き、当該水晶振動子３０が撓む。ダイヤフラム２３と水晶振動子３０との貼り合わせ構造としては、例えば水晶同士の直接接合、陽極接合、金属薄膜を使った拡散接合あるいは樹脂接着剤を使った接合等が用いられる。図１では樹脂接着剤２４ａを用いた例を記載している。
【００１６】
水晶振動子３０は、例えばＡＴカットの短冊形状の水晶片３１からなり、図２（ａ）、（ｂ）に示すように水晶片３１の表面及び裏面には当該水晶片３１を励振させるための励振電極３２ａ、３２ｂが形成されている。また、励振電極３２ａから水晶片３１の長さ方向の一方側の周縁に向かって引き出された引き出し電極３３ａが形成され、励振電極３２ｂから水晶片３１の長さ方向の他方側の周縁に向かって引き出された引き出し電極３３ｂが形成されている。水晶片３１の表面及び裏面の電極のレイアウトは、互いに点対称としてい形成されている。
【００１７】
前記囲み部材であるスペーサー２２は、容器２０の側壁部をなし、この例では第１のスペーサー２２ａ及び第２のスペーサー２２ｂの２層から構成されている。第１のスペーサー２２ａは、接着剤２４ｂを用いて平らな底板であるベース体２１の表面に接合されている。また第２のスペーサー２２ｂは、第１のスペーサー２２ａの上面に接着剤２４ｂを用いて接合されている。前記スペーサー２２ａ、２２ｂは、図３に示すようにリング状に形成され、スペーサー２２で囲まれる空間２５は、水晶振動子３０より大きく形成されている。スペーサー２２は、容器２０内に水晶振動子３０を収納するスペースを確保するための役割を有し、水晶振動子３０の収納空間の高さをスペーサー２２の厚みを調整することで変えることができる。
【００１８】
前記第２のスペーサー２２ｂの上面には、ダイヤフラム２３が設けられ、第２のスペーサー２２ｂの上面とダイヤフラム２３の下面とが貼り合わされている。この貼り合わせ方法としては、例えば低融点ガラスを使った接合、水晶同士の直接接合、陽極接合、金属薄膜を使った拡散接合、樹脂接着剤を使った接合などが挙げられる。図１では低融点ガラスを接着剤２４ｃとして用いた例を挙げている。
【００１９】
またスペーサー２２ａ、２２ｂ同士の接合あるいはスペーサー２２ａとベース体２１との接合に用いられる接着剤２４ｂとしては、例えば低融点ガラス、樹脂接着剤あるいは無機接着剤などが用いられる。この接着剤２４ｂはダイヤフラム２３とスペーサー２２と接着剤２４ａで貼り合わせる場合には当該接着剤２４ａよりも弾性力が大きい（ヤング率が小さい）方が、ダイヤフラム２３に加わる応力を分散させる点で好ましい。なお、接着剤２４ａ、２４ｂは特許請求の範囲の接着層に相当する。
【００２０】
図３に示すようにダイヤフラム２３の下面は、２つの導電路３４ａ、３４ｂが夫々ダイヤフラム２３の周縁から凹部２３ａの周縁へ向けて伸びだして設けられている。導電路３４ａ、３４ｂは例えばＣｒ、Ａｕとの積層膜である金属膜により形成されている。導電路３４ａは銀ペーストにより引き出し電極３３ａに接続され、さらにこの引き出し電極３３ａを介して励振電極３２ａに接続されている。また、導電路３４ｂは、銀ペースト３５により引き出し電極３３ｂに接続され、さらに引き出し電極３３ｂを介して励振電極３２ｂに接続されている。導電路３４ａ、３４ｂの他端側は、圧力センサーの外部に設けられた図示しない検出部に電気的に接続されている。従って、圧力センサーが外部からの圧力により水晶振動子３０が撓み、水晶振動子３０の振動数の変化を電極を介して外部の検出部によって検出される。
【００２１】
次に、本発明に係る圧力センサーの製造方法の一例を説明する。先ず、ダイヤフラム２３用のウエハ４１、水晶振動子３０用のウエハ４２、第１のスペーサー２２ａ用のウエハ４３、第２のスペーサー２２ｂ用のウエハ４４及びベース体２１用のウエハ４５を用意する。これらウエハの材料は例えばＺカットの水晶板であり、水晶板の他にはガラス板、シリコン基板でもよい。そして、各々のウエハに対してフォトグラフィー工程によるマスクの形成及びウエットエッチング工程を行うことにより、図４（ａ）に示すようにウエハ４１に複数のダイヤフラム２３の外形が作製され、図４（ｂ）に示すようにウエハ４２に複数の水晶振動子３０の外形が作製され、図４（ｃ）及び図５（ａ）に示すようにウエハ４３、４４に夫々複数の第１のスペーサー２２ａ、第２のスペーサー２２ｂの外形が作製され、また図５（ｂ）に示すようにウエハ４５に複数のベース体２１の外形が作製される。
【００２２】
続いて、図６（ａ）に示すダイヤフラム２３の下面に導電路を形成し、図６（ｂ）に示すように容器２０の蓋体を形成する。また水晶振動子３０の表面及び裏面に励振電極３２ａ、３２ｂ及び引き出し電極３３ａ、３３ｂを形成する。そして、図６（ｃ）に示すように、水晶振動子３０の上面の両端部をダイヤフラム２３の凹部２３ａの外周縁部に接着剤２４ａ例えば低融点ガラスペーストを使い４００℃〜５００℃の温度で大気中にて貼り合わせを行う。次に、図６（ｄ）に示すように励振電極３２ａ、３２ｂと導電路３４ａ、３４ｂの電気的導通を取るために、銀ペースト３５を塗布し、当該銀ペースト３５中の溶媒とバインダーを飛ばすといった理由から酸素を含んだ雰囲気で４００℃〜５００℃の温度で焼成する。
【００２３】
続いて、図７（ａ）に示すように、ダイヤフラム２３と第２のスペーサー２２ｂの位置合わせを行い、ダイヤフラム２３の下面と第２のスペーサー２２ｂの上面を接着剤２４ｃ例えばエポキシ樹脂を用いて貼り合わせ、例えば１００℃〜２００℃の温度でエポキシ樹脂を硬化させる。更に、図７（ｂ）に示すように第２のスペーサー２２ｂと第１のスペーサー２２ａの位置を合わせて、第２のスペーサー２２ｂの下面と第１のスペーサー２２ａの上面を接着剤２４ｂ例えばエポキシ樹脂を用いて貼り合わせ、１００℃〜２００℃の温度でエポキシ樹脂を硬化させる。これにより第１のスペーサー２２ａと第２のスペーサー２２ｂからなる容器２０の側壁部が作成されることとなる。
【００２４】
次に図７（ｃ）に示すように第１のスペーサー２２ａの下面とベース体２１の上面を接着剤２４ｂ例えばエポキシ樹脂を用いて貼り合わせるとともに容器内を真空雰囲気として、１００℃〜２００℃の温度でエポキシ樹脂を硬化させる。
各々ウエハの貼り合わせの終わった後、ダイシングを行うことにより、個々の圧力センサーの本体部分に切り分けることによって、圧力センサーが作製される。
なお、圧力センサーを製造する方法としては、夫々ダイヤフラム２３、水晶振動子３０、第１のスペーサー２２ａ、第２のスペーサー２２ｂ及びベース体２１を予めダイシングして、個片化し、各部材の貼り合わせを行い、圧力センサーを作製してもよい。
【００２５】
次に、上述の実施形態に係る圧力センサーの作用を説明する。圧力センサーのベース体側２１を例えばタイヤのバルブに取り付ける。このときタイヤの内部は加圧状態（大気圧以上の雰囲気）であり、その圧力に応じてダイヤフラム２３、詳しくは凹部２３ａの形成された領域が内側（容器内側）に撓む。この撓み量に応じて、凹部２３ａの外縁が外方へ押し広げられて、水晶振動子３０が長手方向に引っ張り応力を受け、これにより当該水晶振動子３０が撓む。この撓みにより水晶振動子３０の共振周波数が変化し、その周波数信号が導電路３４ａ、３４ｂから図示しない外部導電路及び発振回路を介して計測回路部により計測され、これにより圧力が検出される。
【００２６】
上述の実施の形態によれば、容器２０の一部をベース体２１、第１のスペーサー２２ａ、第２のスペーサー２２ｂをこの順番に積層し、これらの接合には接着剤２４ｂ例えばエポキシ樹脂からなる接着剤を用いて作製している。この接着剤２４ｂとしては、ダイヤフラム２３と第２のスペーサー２２ｂとを接合する接着剤２４ｃとヤング率が同じか小さいものが用いられるため、圧力センサーに外部より過剰な圧力が加わった場合でも、接着剤２４ｂからなる接着層が、圧力の一部を吸収する。従って、ダイヤフラム２１が変形した部分に沿って損傷したり、水晶振動子３０とダイヤフラム２３との貼り合わせ部位が損傷するといったことが抑えられる。
【００２７】
なお、ダイヤフラム２３と第２のスペーサー２２ｂとを接着剤２４ｃを用いないで接合した場合、ダイヤフラム２３と第２のスペーサー２２ｂとは直接接合となるため、前記接着剤２４ｂはダイヤフラム２３あるいは第２のスペーサー２２ｂの材質よりもヤング率が同じか小さいことが好ましい。
【００２８】
また、容器２０をダイヤフラム２３と、ベース体２１と、スペーサー２２とに分けて作成しているため、ダイヤフラム２３とスペーサー２２とを貼り合わせ、その後、容器２０内を真空雰囲気に保ちながら、スペーサー２２とベース体２１との貼り合わせを行うことができる。従って、圧力センサーの製造工程が容易となることから作業時間及び作業コストの削減に寄与することとなる。更にまた、既述のようにスペーサー２２とベース体２１の貼りあわせを最後に行うことができるため、ダイヤフラム２３とスペーサー２２の貼り合わせるための接着剤の選択の幅が広がる。また、スペーサー２２はウエハＷの両面から加工することができ、自由な形状のものを作製することができる。なお、本実施形態では圧力センサーは平面形状が円形な容器を用いているが、平面形状が角型の容器を用いても良い。
【００２９】
次に、本発明の係る圧力センサーの他の実施形態を説明する。上述の実施形態と同じ構成部位には同一の符号を付し、相違する部分を中心に説明する。この例では図８に示すように、スペーサーを積層しない代わりに、第１のスペーサー１２２ａと、この第１のスペーサー１２２ａの貫通孔に収まる大きさの第２のスペーサー１２２ｂと、をベース体２１の表面に設け、第１のスペーサー１２２ａの内壁面と第２のスペーサー１２２ｂの側壁面とを接着剤２４ｂで接合している。なお、第２のスペーサー１２２ｂの貫通孔は水晶振動子３０よりも大きく形成されている。また、既述のようにスペーサー１２２の下面とベース体２１の上面は接着剤２４ｂで接合している。この実施形態では、各スペーサー１２２ａ、１２２ｂ同士を接合する接着剤２４ｂの層と、スペーサー１２２及びベース体２１を接合する接着剤２４ｂの層と、が接続しているため、前述の実施形態に比べて圧力がセンサー内に分散されやすい。さらに、スペーサー自身は大きくなるので圧力センサーの内部の気密を取りやすくなる。
【００３０】
本発明は、複数の囲み部材（実施形態ではスペーサー）を積層している構造を特徴の一つとしているが、「囲み部材を積層する」とは、図１の実施形態のように囲み部材の厚さ方向に重ねた構成だけでなく、図８の例のように径方向に（ダイヤフラム２３を上面、ベース体２１を下面とすると、横方向に）重ねた構成も含んでいる。
【００３１】
次に、本発明に係る圧力センサーの評価試験を説明する。
試験方法
圧力センサーに外部から６００ｋＰａの圧力を加えた場合の応力の分布を３次元ＦＥＭ（Finite Element Method:有限要素法）シミュレータ３ＧＡを用いて測定した。
【００３２】
試料
比較例には、図９に示す従来の圧力センサーを用いた。この圧力センサーは、外形直径が１４ｍｍであり、またダイヤフラム、スペーサー及びベース体の厚みが夫々０．３３ｍｍに設定されている。さらに、水晶振動子は、幅が１．６ｍｍ、長さが８．０ｍｍ、厚みが１７０μｍに設定されている。また、ダイヤフラムと容器の貼り合わせの接着剤はヤング率７．９ＧＰａの低融点ガラスペーストを用い、貼り合わせ後は接着剤の厚みが５０μｍとなるように設定した。
実施例には、図１に示す本発明に係る圧力センサーを用いた。第１のスペーサーと第２のスペーサー及び第１のスペーサーとベース体との接合に使用した接着剤はヤング率１．５５ＧＰａのエポキシ樹脂を用い、その他の条件は比較例と同様とした。
【００３３】
結果及び考察
比較例では、水晶振動子の中央部に加わる応力は、３３．３６ＭＰａであり、水晶振動子とダイヤフラムの貼り合わせ部分に加わる応力は、１８．８５ＭＰａであった。実施例では、水晶振動子の中央部に加わる応力は、３２．０１ＭＰａであり、水晶振動子とダイヤフラムの貼り合わせ部分に加わる応力は、２５．７６ＭＰａであった。従って、実施例では水晶振動子の中央部に加わる応力が１．２５ＭＰａだけ少なくなり、水晶振動子の貼り合わせ部分に加わる応力が６．９１ＭＰａ多くなっている。すなわち、実施例では各スペーサー間及びスペーサーとベース体とを接着剤で貼り合わせているため、ダイヤフラムに加えられた圧力の一部が当該接着剤にまで伝わって、水晶振動子に加わる応力の一部を緩和したと考えることができる。また、各スペーサー間及びスペーサーとベース体との貼り合わせは、エポキシ樹脂を用いたが、ダイヤフラムと第１のスペーサーを貼り合わせる接着剤よりもヤング率が小さければ、応力の緩和効果があると思われるため、エポキシ樹脂に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３４】
２０          容器
２１          ベース体
２２、２２ａ、２２ｂ  スペーサー
２３          ダイヤフラム
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ  接着剤
３０          水晶振動子
３１          水晶片
３２ａ、３２ｂ  励振電極
３４ａ、３４ｂ  導電路
【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】
2011058944.tif 000008
【図７】
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【図８】
2011058944.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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