(57)【要約】【課題】高い感度を有しかつ構造が簡易である圧力検出装置を提供すること。【解決手段】水晶からなる容器１１と、容器１１内に片持ちで支持された水晶振動子３と、水晶振動子３表面に形成された励振電極３２、３３及び可動電極３７と、容器１１内部に設けられ可動電極３７との間で可変容量を形成する固定電極４１とを備えるように圧力検出装置１を構成する。当該構成による圧力検出装置１に圧力が加わると、容器１１の撓みに基づく前記可動電極３７と前記固定電極４１との間の静電容量の変化と、水晶振動子３における等価並列容量の変化とが発生する。よって圧力検出装置１全体として静電容量が変化することにより発振周波数の変化が生じることから、当該発振周波数の変化を測定することによって圧力検出装置１に加わる圧力を検出する。【選択図】図１
2015166678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の支持部に一端側が支持された片持ちの支持片と、
前記容器における前記支持部側を保持する容器保持部と、
前記支持片において他端側に設けられた第１の電極と、
前記支持片とは離間して、前記第１の電極に対向するように前記容器に設けられ、前記容器の撓みにより前記第１の電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する第２の電極と、
前記可変容量に接続された発振回路と、を備え、
前記容器の撓みに基づく可変容量の変化に基づく発振回路の発振周波数の変化により容器に加わる圧力を検出することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
前記発振回路の発振周波数を測定する周波数測定部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
【請求項３】
前記発振回路は、水晶発振回路として構成され、
前記支持片は水晶片であり、当該水晶片の両面に励振電極を構成して、水晶発振回路の一部をなす水晶振動子が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力検出装置。
【請求項４】
前記容器は、水晶により構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子の発振周波数の変化に基づいて圧力を感知する圧力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力検出装置の構造においては、気体や液体の圧力を金属やセラミックス製のダイヤフラム等を介して感圧素子にて計測し、電気信号に変換して出力する構造が一般的である。感圧素子としては機械を用いたもの、半導体を用いたものなどがあるが、最近は水晶振動子等の圧電素子を用いたものが実用化されている。水晶振動子を用いた圧力検出装置は、例えば自動車のピストン内のような１５０℃を超えるような環境下であっても耐熱性に優れている点に特色がある。このような環境下においては、圧力検出装置を治具等に取り付けた上で圧力を計測する部位に配置する方法が採られる。
【０００３】
特許文献１においては、水晶振動子の保持容器にダイヤフラム構造を採用し、保持容器を圧力によって撓むように構成し、保持容器から水晶振動子に対する応力によって水晶振動子の容量を変化させることにより発振周波数を変化させ、当該変化を測定することにより圧力を感知する方法が開示されている。
【０００４】
また、保持容器を用いた圧力検出装置においては、保持容器の材質としては金属、セラミックス、ガラス等が選択される。しかし金属はばね性により検出装置としての分解能が低くなり、またセラミックスやガラスは過度に撓むと割れが生じるなどの短所がある。このため、圧力検出装置について、これらの課題を解決すると共に感度の高い測定を可能にし、かつ低コストにて製造を可能とする技術への要請がある。
【０００５】
特許文献２には、圧力検出装置の保持容器を水晶とし、上面にダイヤフラムを形成し、内部の気密空間内の上下面に電極を形成し、両電極間の静電容量の変化分を検出することにより圧力の大きさを検出する圧力検出装置が開示されている。しかし、当該圧力検出装置は本発明と原理及び構成が異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１５４８１３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２５３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、高い感度を有しかつ構造が簡易である圧力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の圧力検出装置は、
容器内の支持部に一端側が支持された片持ちの支持片と、
前記容器における前記支持部側を保持する容器保持部と、
前記支持片において他端側に設けられた第１の電極と、
前記支持片とは離間して、前記第１の電極に対向するように前記容器に設けられ、前記容器の撓みにより前記第１の電極との間の容量が変化してこれにより可変容量を形成する第２の電極と、
前記可変容量に接続された発振回路と、を備え、
前記容器の撓みに基づく可変容量の変化に基づく発振回路の発振周波数の変化により容器に加わる圧力を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の圧力検出装置によれば、水晶からなる容器内に水晶振動子を片持ちにて支持し、当該容器は測定雰囲気の圧力に応じて撓むように構成されている。この容器の撓みにより水晶振動子の可変容量が変化することから、水晶振動子の発振周波数が変化する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧力検出装置の縦断側面図である。
【図２】前記圧力検出装置に用いられる水晶振動子の平面図である。
【図３】前記圧力検出装置の配線図である。
【図４】前記圧力検出装置の等価回路図である。
【図５】前記圧力検出装置の作用図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る圧力検出装置の縦断側面図及び作用図である。
【図７】他の圧力検出装置に係る縦断側面図及び作用図である。
【図８】評価試験及び比較試験の結果を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る圧力検出装置１について、図１から図５を参照しながら説明する。
圧力検出装置１は、図１に示すように例えば蓋体２１とベース２２からなる略矩形状の保持容器である容器１１が構成され、容器１１内に気密に形成された内部空間１２に圧電振動子である水晶振動子３が設けられている。容器１１は例えばセラミックスからなる支持部である支持器９により片持ちにて支持されており、支持器９の内部にはプリント基板９１と発振回路１６とが設けられている。発振回路１６はプリント基板９１を介して後述する導電路１４及び１５と電気的に接続されている。
【００１２】
一方、容器１１の内部空間１２内は不活性ガス例えば窒素ガスが封入されているか、あるいは真空である。蓋体２１及びベース２２は水晶例えばＡＴカットの水晶からなり、破損防止のため夫々角部はエッチング等の加工により丸みを持たせている。容器１１の寸法としては例えば長さ２５ｍｍ×幅６ｍｍ×厚さ１．０ｍｍである。容器１１内には基台２３が設けられており、この基台２３の上面に導電性接着剤２４により圧電振動子である水晶振動子３の基端部（一端部）が固定されている。即ち水晶振動子３は基台２３により片持ち支持されており、基台２３は水晶振動子３の一端部を支持する支持部に相当する。また基台２３上には導電路４３が設けられ、導電性接着剤２４による接着部に対して電気的に接続されている。
また、ベース２２は例えば薄い２枚の水晶片を貼り合わせて構成されており、これらの水晶片の間に導電路１４が形成されている。蓋体２１の肉厚寸法としては例えば５０μｍ、ベース２２の肉厚寸法としては例えば１００μｍである。
【００１３】
水晶振動子３は、圧電片として例えばＡＴカットの水晶片３１を備え、水晶片３１は短冊状に形成されている。水晶片３１は図２（ａ）に示すように、上面の中央部に一方の励振電極３２が設けられ、また図２（ｂ）に示すように、水晶片３１の下面側の励振電極３２と対応する位置に他方の励振電極３３が設けられている。励振電極３２からは引き出し電極３４が水晶片３１の長辺方向中央に沿って基端部側へ引き出され、導電性接着剤２４による接着部まで延伸される。また励振電極３３からは引き出し電極３５が水晶片３１の長辺の片側に沿って引き出され、導電性接着剤２４による接着部まで延伸される。
【００１４】
水晶振動子３の先端部の下面には、図２（ｂ）に示すように、励振電極３３に引き出し電極３６を介して電気的に接続された可動電極３７が設けられ、容器１１のベース２２には当該可動電極３７と対向するように固定電極４１が設けられている。
水晶振動子３において水晶片３１としてＡＴカットの水晶片を用いる場合、寸法としては例えばＸ軸方向２０ｍｍ×Ｚ軸方向２ｍｍ×厚み０．０２１ｍｍであり、固有周波数としては例えば７８ＭＨｚである。これらの寸法等は所望の感度によって適宜選定される。
【００１５】
固定電極４１は、導電路１４の一端に電気的に接続され、導電路１４の他端は後述の導電路１５に接続される。また導電路４３からは導電路１５が延伸され、発振回路１６に接続される。さらに、発振回路１６の後段には圧力検出装置１から出力された信号の周波数を計測すると共に計測された周波数に基づいて測定雰囲気の圧力を計測する計測部１０１が設けられている。
【００１６】
図３に上述した圧力検出装置１の配線の接続状態を示す。なお、図３においては引き出し電極３４、３５、３６の図示を省略している。また図４に圧力検出装置１の等価回路の回路図を示す。図３及び図４において、前記可動電極３７と固定電極４１との間に介在する可変容量をＣｖとする。図４においてＣ０は電極間容量を含む実効並列容量、Ｃ１は直列容量、Ｌ１は水晶振動子の質量に対応する直列インダクタンス、Ｒ１は直列抵抗、ＣＬは発振回路１６の負荷容量を示している。
【００１７】
図５に測定雰囲気からの圧力が加わった状態における圧力検出装置１の作用図を示す。圧力検出装置１において一端側を固定する。そして他端側に容器１１全体が下方に撓むように圧力を印加すると、容器１１の上面に圧力が加わり、容器１１が撓む。そして圧力が加わっていないときに比して可動電極３７と固定電極４１との離間距離が図５に示すように大きくなる。
【００１８】
圧力が加わっていないときの、可動電極３７と固定電極４１との間の可変容量をＣｖ１、間隔をｄ０とする。図５において容器１１全体がｘだけ下方に変位すると、可動電極３７と固定電極４１との間隔ｄはｄ＝ｄ０＋Δｄとなる。ここで、静電容量は電極間の距離と反比例するため、容器１１が変位することにより、Ｃｖ２はＣｖ１より減少する。
【００１９】
ここで、国際規格ＩＥＣ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は次式（１）にて表される。
ＦＬ＝Ｆｒ×（１＋ｘ）
ｘ＝（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ＣＬ）……（１）
ＦＬは、水晶振動子に負荷が加わったときの発振周波数であり、Ｆｒは水晶振動子そのものの共振周波数である。
本実施形態においては、図４に示すように、水晶振動子の負荷容量は、ＣＬにＣｖが加わったものである。従って、（１）式におけるＣＬの代わりとして次式（２）によって表されるｙが代入される。
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ）……（２）
【００２０】
従って水晶振動子３上の可動電極３７と水晶容器１１内の固定電極４１との距離がｄ０からｄに変化し、これにより可変容量ＣｖがＣｖ１からＣｖ２に変化したとすると、周波数の変化ｄＦＬは次式（３）によって表される。
ｄＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ０＝Ａ×ＣＬ２×（Ｃｖ２−Ｃｖ１）／（Ｂ×Ｃ）……（３）
ここで、
Ａ＝Ｃ１×Ｆｒ／２
Ｂ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ１
Ｃ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ２
である。
【００２１】
また、可動電極３７と固定電極４１との対向領域の面積をＳ、比誘電率をεとすると、次式（４）が成立する。
Ｃｖ１＝Ｓ×ε／ｄ０
Ｃｖ２＝Ｓ×ε／ｄ……（４）
ここでｄ０は既知であることから、ｄＦＬとｄとが対応関係にあることがわかる。
また、本願の発明者は、容器１１を水晶にて構成した場合、従来の水晶以外からなる容器を用いた圧力検出装置に比して、容器１１の撓みにより水晶振動子３における等価並列容量Ｃ０に含まれる浮遊容量が顕著に変化することを把握している。よって図４においてＣ０は可変容量として示している。  
【００２２】
上述してきたことから、圧力検出装置１に圧力が加わると、結果として発振回路１６から出力される発振周波数が変化して、計測部１０１へと出力される。計測部１０１は、当該発振周波数の周波数信号を計測し、当該周波数信号に基づいて測定雰囲気の圧力を検出する。例えば予め作成してメモリに記憶した周波数と圧力との関係データから、周波数の計測値に対応する圧力値を読み出して圧力を求めるようにしてもよいし、あるいは周波数が圧力に対応していることから、異常圧力に対応する周波数の閾値を設定し、周波数信号が閾値から外れたときに異常信号を出力してもよい。
【００２３】
上述の圧力検出装置１によれば、水晶からなる容器１１内に水晶振動子３を片持ちにて支持し、当該容器１１は片持ち支持されることにより測定雰囲気の圧力に応じて撓むように構成されている。一方水晶振動子３は変位しないため、可動電極３７と、固定電極４１との間の静電容量の変化分に応じて水晶振動子３の発振周波数が変化する。また当該容器１１の撓みにより水晶振動子３の等価並列容量に含まれる浮遊容量が変化することによっても、水晶振動子３の発振周波数が変化する。よって測定雰囲気の圧力を発振周波数の変化として捉えることができる。また本実施形態の圧力検出装置１においては、後述の実験結果からも明らかなように、圧力検出装置１の容器１１を水晶にて構成することにより、従来のセラミックス等により構成された容器を有する圧力検出装置と比して発振周波数の変化において顕著な効果を得ることができることから、特段に高い分解能を得ることができる。
【００２４】
上述してきた本実施形態において、固定電極４１は容器１１の内部下面に設け、容器１１に対して下方向に圧力が加わるものとしてきたが、固定電極４１を容器１１の内部上面に設け、容器１１に対して上方向に圧力が加わる構成としても同様の結果が得られる。また、可動電極３７は水晶片の上側に設ける構成としてもよい。さらに、水晶振動子と、可動電極を備えた水晶片とを別々に設ける構成としてもよい。この場合、水晶振動子は水晶片上の可動電極及び発振回路と電気的に接続されており、発振ループの回路図は図４と同様である。
【００２５】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る圧力検出装置８について、図６（ａ）を参照しながら主に第１の実施形態に係る圧力検出装置１との差異を中心として説明する。なお、圧力検出装置１と同一の部位については同符号を附し説明を省略する。  
夫々水晶からなる蓋体８１及びベース８２により形成される容器８０は、外形については圧力検出装置１の容器１１と同様の矩形状に形成され、角部も同様に加工により丸みが付けられている。蓋体８１は中央部の厚みが薄くなっている、いわゆるダイヤフラム構造を有している。蓋体８１の中央部（ダイヤフラム部）の肉厚寸法としては例えば１０００μｍ、ベース８２の肉厚寸法としては例えば１０００μｍである。水晶振動子７については、水晶片３１と同様の水晶片７１の一面に可動電極７２が形成されており、水晶片７１は容器８０内部の支持部８５にて一端側が片持ち支持されている。可動電極７２からは引き出し電極７３が夫々水晶片７１の長辺中央に沿って支持部方向に引き出され、水晶片７１の裏側まで引き回されている。
【００２６】
ベース８２の中央部には、水晶振動子７の他面側に臨む凹部８４が形成されている。ベース８２において支持部８５の外周部から内周部にかけて導電膜からなる導電路８３が形成されている。水晶振動子７の引き出し電極７３は導電路８３と電気的に接続される。水晶振動子７の支持部８５への固定方法としては導電性接着剤による固定等があるが、図６においては図示を省略している。
【００２７】
また蓋体８１のダイヤフラム部の中央には、可動電極７２と対向するように固定電極８６が設けられている。そして可動電極７２は引き回し電極７３、導電路８３、及び導電路１５を介し、発振回路１６に電気的に接続され、一方固定電極８６は導電路１４を介して発振回路１６に電気的に接続されている。
【００２８】
そして圧力検出装置８の両端を支持器９にて支持し、測定雰囲気の圧力が大きくなり、圧力検出装置８に対して圧力が加わると、図６（ｂ）に示すように圧力検出装置８において容器８０全体が撓む。従って可動電極７２と固定電極８６との間の距離が変化する。また、本実施形態においても、水晶にて構成された容器８０の撓みにより、水晶振動子７における等価並列容量に含まれる浮遊容量が顕著に変化する。よって圧力検出装置１と同様に、発振回路１６から出力される発振周波数が変化して、計測部１０１へと出力される。
上述してきた本実施形態において、固定電極８６は容器８０の内部下面に設け、容器１１に対して下方向に圧力が加わるものとしてきたが、固定電極８６を容器１１の内部上面に設け、容器８０に対して上方向に圧力が加わる構成としても同様の結果が得られる。
【００２９】
また、他の実施形態に係る圧力検出装置６について、図７（ａ）を参照しながら主に第１の実施形態に係る圧力検出装置１との差異を中心として説明する。なお、圧力検出装置１と同一の部位については同符号を附し説明を省略する。  
夫々水晶からなる蓋体６１及びベース６２により形成される容器６０は、外形については圧力検出装置１の容器１１と同様の矩形状に形成され、角部も同様に加工により丸みが付けられている。蓋体６１は中央部の厚みが薄くなっている、いわゆるダイヤフラム構造を有している。蓋体６１の中央部（ダイヤフラム部）の肉厚寸法としては例えば１０００μｍ、ベース６２の肉厚寸法としては例えば１０００μｍである。水晶振動子５については、水晶片３１と同様の水晶片５１の両面に励振電極５２及び５３が形成され、励振電極５２及び５３からは引き出し電極５４及び５５が夫々水晶片５１の長辺中央に沿って逆方向に引き出され、引き出し電極５４については水晶片５１の裏側まで引き回されている。
【００３０】
ベース６２の中央部には、水晶振動子５の他面側に臨む凹部６５が形成されている。凹部６５の寸法は、長さ方向が水晶振動子５の長さ方向よりも短くなるように設定される。ベース６２において長さ方向に沿って外周から凹部６５の開口縁に向けて導電膜からなる導電路６３、６４が互いに逆方向に伸びている。
【００３１】
水晶振動子５は、その長さ方向の両端がベース６２の凹部６５の外周縁部に固定され両持ち梁構造となっており、引き出し電極５４、５５は導電路６３、６４と夫々電気的に接続される。水晶振動子５のベース６２への固定方法としては導電性接着剤による固定等があるが、図７においては図示を省略している。
【００３２】
そして測定雰囲気の圧力が大きくなり、圧力検出装置６に対して圧力が加わると、図７（ｂ）に示すように圧力検出装置６全体が撓む。図７（ｂ）は例えば圧力検出装置６の両端を支持器９により固定した場合において中央部に圧力が加わった場合の圧力検出装置６の撓み方を示している。圧力検出装置６が撓むと図７（ｂ）に示すように水晶振動子５も撓んで引っ張られるため、水晶振動子５の静電容量が変化し、従って振動周波数が変化する。また、本実施形態においても、水晶にて構成された容器６０の撓みにより、水晶振動子５における等価並列容量に含まれる浮遊容量が変化する。よって圧力検出装置１と同様に、発振回路１６から出力される発振周波数が変化して、計測部１０１へと出力される。
【実施例】
【００３３】
（評価試験１）
第１の実施形態に係る圧力検出装置に対して圧力を加え、発振周波数の変化を測定した。結果を図８に実線のグラフにて示した。図８において横軸は印加した圧力、縦軸は圧力が０のときの周波数を基準とした周波数偏差（絶対値）である。
【００３４】
（比較試験１）
第１の実施形態に係る圧力検出装置と、容器がセラミックス製である以外は同一構造を持つ圧力検出装置を用い、評価試験１と同様に圧力を加え、発振周波数の変化を測定した。結果を図８に点線のグラフにて示した。
【００３５】
評価試験１及び比較試験１の結果から、第１の実施形態に係る容器が水晶製である圧力検出装置は、容器がセラミックス製である圧力検出装置と比して、発振周波数の変化量が１０倍以上であることが明らかとなった。よって、本発明の水晶製容器を用いた圧力検出装置は、従来の圧力検出装置と比して周波数変化が顕著であることから、特筆すべき格別の効果を得ることができるといえる。
【符号の説明】
【００３６】
１            圧力検出装置
１１          容器
１６          発振回路
３            水晶振動子
３２、３３    励振電極
３７          可動電極
４１          固定電極
９            支持部
１０１        計測部
【図１】
2015166678.tif 000003
【図２】
2015166678.tif 000004
【図３】
2015166678.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015166678.tif 000007
【図６】
2015166678.tif 000008
【図７】
2015166678.tif 000009
【図８】
2015166678.tif 000010