(57)【要約】【課題】測定する圧力により変化する感圧素子の共振周波数を、複雑な補正回路を用いて補正することなく、高精度な圧力測定が可能な絶対圧センサを提供する。【解決手段】容器１内の底部に設けられたベース２の一端の側面には、支柱３がベース２の主面と略垂直に固定されている。また、支柱３の上端部分には揺動腕４が、ベース２の主面と略平行に突設されるように固定されている。支柱３から突設された揺動腕４の先端側とベース２との間には、双音叉水晶振動子２０が前記支柱３と略平行となるように固定されている。また、揺動腕４とベース２との間には、支柱３と双音叉水晶振動子２０とに挟まれた位置にベローズ５が固定されている。ベローズ５のベース２に固定されている側は、ベローズ５の内部と容器１の外側との連通路を形成し被測定圧力の導入部となる受圧部Ｃ１が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を気密に封止することが可能な容器と、該容器内のベース上に略垂直に設けられた支柱と、前記支柱に梁様に支持された揺動腕と、前記ベースと前記揺動腕との間に固定されたベローズおよび圧電振動片からなる感圧素子と、前記ベローズの内部と前記容器の外側とを連通させるように貫設された受圧部と、を有し、前記受圧部から導入され前記ベローズを介して前記揺動腕に伝えられた圧力を、前記揺動腕と前記支柱との支点まわりのモーメントとして前記感圧素子に伝達し、前記感圧素子の抵抗域または共振周波数の変化により前記圧力を検出する絶対圧センサであって、
前記ベローズが、前記揺動腕の設置方向に対して前記支柱と前記感圧素子との間に配設されていることを特徴とする絶対圧センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の絶対圧センサにおいて、
前記感圧素子が双音叉水晶振動子であることを特徴とする絶対圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧素子として圧電振動子を用いた絶対圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定する圧力を力に変換するためのベローズと、該ベローズにより変換された力を感圧素子に伝達する揺動腕により構成され、感圧素子の抵抗域または共振周波数の変化から圧力を検出するタイプの圧力センサ（絶対圧センサ）が、例えば特許文献１に紹介されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載の絶対圧センサの概略構造を説明する模式断面図である。図５に示すように、絶対圧センサ７０は、容器６１の底部に固定されたベース６２上に支柱６３が立設され、該支柱６３にはヒンジ６６を介して支柱６３と互いに直交する一体構造の揺動腕（揺動アーム）６４が設けられている。また、揺動腕６４とベース６２との間には、支柱６３を挟んだ一端側に感圧素子８０が固定され、他端側にはベローズ６５が固定されている。ベース６２のベローズ６５が固定された部分には、ベローズ６５内部と容器６１の外側とを連通し流体圧力を導入するための受圧部（バイブ）Ｃ３が貫設されている。容器６１内において、ベローズ６５は受圧部Ｃ３からベローズ６５内部に導入される外気を遮断するシール材となっていて、容器６１内は気密に封止されている。
【０００４】
上記の絶対圧センサ７０において、受圧部Ｃ３から導入されベローズ６５を介して揺動腕６４に伝えられた圧力は、揺動腕６４と支柱６３との支点まわりのモーメントとして感圧素子８０に伝達される。このとき、受けた応力に応じた感圧素子８０の抵抗域または共振周波数の変化により、受圧部Ｃ３から導入された圧力が検出される。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６４−９３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者は、上記のような構成の圧力センサにおいて、感圧素子として双音叉水晶振動子を用いて、感圧素子に作用する力の方向と共振周波数の関係を調査し、下記の知見を得た。図４は、感圧素子に力が作用していないとき（力＝０）の共振周波数をｆ０とし、力が圧縮のときを負、引張りのときを正としたときの、感圧素子に作用する力と感圧素子の共振周波数との関係を示したグラフである。図４に示すように、感圧素子に加わる力が圧縮方向のとき共振周波数は減少し、力が引張りのとき共振周波数は増加する。さらに、力が引張りのときの力と周波数変化の関係は略直線的な比例関係を示しているのに対して、力が圧縮のとき、圧縮方向の力が大きくなるに従い共振周波数変化量が少しずつ大きくなる傾向を示し、グラフに非直線性が表れている。
【０００７】
図５に示すように、特許文献１の絶対圧センサ７０は、受圧部Ｃ３から導入された圧力がベローズ６５を介して揺動腕６４に伝わり、さらに、支柱６３のヒンジ６６を支点とした揺動腕６４により感圧素子８０に、感圧素子８０を圧縮する力として伝達される。上述したように、感圧素子に圧縮する力が作用したときの、力と共振周波数の変化との関係は非直線性をもっている。このため、絶対圧センサ７０において、受圧部Ｃ３から導入される圧力を正確に測定するには、感圧素子８０に作用する力の大きさに応じて、共振周波数の実測データを実際の圧力値に補正（リニアライズ）する必要がある。特に、精密な圧力測定を行なうためには、圧力に応じて変化する感圧素子の共振周波数を精緻に補正するための複雑な補正回路が必要になるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされるものであり、その目的は、測定する圧力により変化する感圧素子の共振周波数を、複雑な補正回路を用いて補正することなく、高精度な圧力測定が可能な絶対圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の絶対圧センサは、内部を気密に封止することが可能な容器と、該容器内のベース上に略垂直に設けられた支柱と、支柱に梁様に支持された揺動腕と、ベースと揺動腕との間に固定されたベローズおよび圧電振動片からなる感圧素子と、ベローズの内部と容器の外側とを連通させるように貫設された受圧部と、を有し、受圧部から導入されベローズを介して揺動腕に伝えられた圧力を、揺動腕と支柱との支点まわりのモーメントとして感圧素子に伝達し、感圧素子の抵抗域または共振周波数の変化により圧力を検出する絶対圧センサであって、ベローズが、揺動腕の設置方向に対して支柱と感圧素子との間に配設されていることを要旨とする。
【００１０】
この構成によれば、受圧部から導入された圧力はベローズを介して揺動腕を押し上げる方向に伝わり、この力は揺動腕と支柱との支点まわりのモーメントとして感圧素子を引張る力として伝達される。そして、この引張り方向の力が加わったことによって変化する感圧素子の抵抗域または共振周波数を検出することにより、受圧部から導入された圧力を検出する。感圧素子に加わった力に対する抵抗域または共振周波数の変化は、感圧素子に加わる力が圧縮方向のときよりも、引張り方向のときの方がより比例関係に近くなる。これにより、感圧素子に圧縮方向の力が加わる構造の場合のように、複雑な補正回路により検出圧力値を補正する必要がないので、補正回路を用いることなく、若しくは簡便な補正回路により、高精度にて圧力を測定することが可能な絶対圧センサを提供することができる。
【００１１】
本発明では、感圧素子が双音叉水晶振動子であることを特徴とする。
【００１２】
音叉型の振動子を二つ結合した構造を有する双音叉水晶振動子は、Ｑ（共振尖鋭度）が高く、速い反応性や共振時における高い拡大度を有している。このような双音叉水晶振動子を感圧素子として用いることにより、反応性が速く、高精度な圧力検出が可能な絶対圧センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
図１は、本発明にかかる絶対圧センサ１０の概略構造を説明する模式断面図である。
【００１４】
図１に示す絶対圧センサ１０は、容器１と、該容器１内の底部に設けられたベース２上に略垂直に設けられた支柱３と、支柱３に梁様に支持された揺動腕４を有している。ベース２と揺動腕４との間には、支柱３に隣接する位置に固定されたベローズ５と、さらにベローズ５に隣接する位置の揺動腕４の端部に固定された感圧素子としての双音叉水晶振動子２０とを有している。ベース２のベローズ５が固定された部分には、ベローズ５の内部と容器１の外側とを連通させるように貫設された受圧部Ｃ１が設けられている。
【００１５】
容器１は、本実施形態では、金属または複数の金属に炭素などの元素が添加された合金鋼などからなる板金材を加工することにより、内部を気密に封止可能な略立方体形状を有して形成されている。容器１の底部には、受圧部Ｃ１を形成するための貫通孔と、後述する真空引きパイプ１５を植設するための貫通孔がそれぞれ設けられている。
【００１６】
容器１内の底部に設けられたベース２は、本実施形態では、真鍮などの板材からなり、容器１上にろう付けなどの方法により接着固定されている。ベース２は、容器１が変形したときの応力が支柱３、揺動腕４、ベローズ５、双音叉水晶振動子２０を変形させるなどの影響を及ぼさないように、所定の厚みとそれによる機械的な強度を有している。また、ベース２の平面視で容器１の受圧部Ｃ１と重なる位置には、ベローズ５を固定して受圧部Ｃ１へ連通させるための貫通孔が設けられている。
【００１７】
ベース２の一端の側面には金属などからなる支柱３が、本実施形態ではネジ１２によりベース２の主面と略垂直に固定されている。また、支柱３の上端部分には揺動腕４が、本実施形態ではネジ１４により、ベース２の主面と略平行に突設されるように固定されている。
【００１８】
支柱３から突設された揺動腕４の先端側とベース２との間には、双音叉水晶振動子２０が前記支柱３と略平行となるように固定されている。また、揺動腕４とベース２との間には、支柱３と双音叉水晶振動子２０とに挟まれた位置にベローズ５が固定されている。ベローズ５のベース２に固定されている部分は、上記したベース２の貫通孔および容器１の貫通穴に挿入されて容器１の外側に露出され、ベローズ５の内部と容器１の外側との連通路となる受圧部Ｃ１が形成されている。ベローズ５の容器１から突出された部分と容器１とはろう材９８により封止されるように接合されていて、容器１内において、受圧部Ｃ１からベローズ５内部に導入される外気は遮断され容器１内は気密に封止されている。
【００１９】
上記したように、容器１の底部に形成された一つの貫通孔には、銅などの比較的柔らかい金属からなる真空引きパイプ１５が、両端部分を容器の内側と容器の外側とにそれぞれ突出させるように植設されている。真空引きパイプ１５は、図示しないろう材などの接合材により、容器内部が密閉されるように接合されている。
【００２０】
また、双音叉水晶振動子２０の後述する電極端子にはリード線２９ａ，２９ｂが接続されて引き出され、このリード線２９ａ，２９ｂの絶縁材料により被覆された部分が、金属などの比較的固い材質の材料からなる皮脂管１６にまとめて挿入されている。さらに、皮脂管１６は真空引きパイプ１５に挿入され、リード線２９ａ，２９ｂが容器１の外部に向けて引き出されている。このとき、リード線２９ａ，２９ｂが挿入された皮脂管１６は、管内の少なくとも一部に樹脂などを充填することにより封鎖される。
【００２１】
そして、皮脂管１６が挿入された状態の真空引きパイプ１５を介して容器１内部を減圧し、真空状態になったところで真空引きパイプ１５の容器１の外側部分をつぶして完全に封鎖することにより、容器１内部が真空に封止されている。
【００２２】
容器１外部に引き出されたリード線２９ａ，２９ｂは、双音叉水晶振動子２０を励振するための発振回路（図示せず）に接続されている。
【００２３】
（双音叉水晶振動子）
次に、本実施形態の絶対圧センサ１０において、感圧素子として使用する双音叉水晶振動子の構造について図面に沿って説明する。図２は、双音叉水晶振動子の概略構造を説明する模式斜視図である。
【００２４】
図２に示すように、双音叉水晶振動子２０は、板状の水晶基板２１をフォトリソグラフィ技術を用いてエッチング加工することにより、中央部に位置する振動ビーム部２２と、この振動ビーム部２２を挟んで両端側に形成される支持部２３，２４とが形成されている。また、振動ビーム部２２の略中央には、平面略矩形状の貫通孔２９が形成されている。
【００２５】
振動ビーム部２２の両主面には対向電極である励振電極２５が形成されている。また、励振電極２５からは引き回し配線が引き出され、支持部２３上に形成された電極端子２６，２７に接続されている。励振電極２５、電極端子２６，２７、および引き出し配線は、一般に電極材料のスパッタリングまたは蒸着によって形成される電極膜である。以上説明したように、双音叉水晶振動子２０は、二つの音叉型振動子の振動ビーム部を向かい合わせに結合した構造となっている。
【００２６】
次に、上記した構造の絶対圧センサ１０の動作について説明する。
図１に示す絶対圧センサ１０において、容器１の外側に備わる発振回路（図示せず）から双音叉水晶振動子２０に駆動電圧を印加して励振させると、双音叉水晶振動子２０は真空状態における共振周波数（図４における共振周波数ｆ０）にて屈曲振動を繰り返す。このときの屈曲運動は、図１における双音叉水晶振動子２０の紙面奥側と手前側の方向に繰り返される。
【００２７】
受圧部Ｃ１から導入された測定対象である圧力は、ベローズ５の有効面積に応じた力に変換される。この力は、揺動腕４によって、揺動腕４と支柱３との支点まわりのモーメントとして双音叉水晶振動子２０に引張り方向の力として伝達される。引張り方向の力が加わった双音叉水晶振動子２０の共振周波数ｆ０は、図４に示すように共振周波数が増加する方向に変化する。このときの共振周波数の変化量を、発振回路に備わるマイコンにより圧力換算することにより、受圧部Ｃ１に印加されている圧力（絶対圧）値を出力する。
【００２８】
以下、上記実施形態の効果を記載する。
【００２９】
（１）上記実施形態の絶対圧センサ１０は、真空状態に密閉された容器１内の底部にベース２を固定し、このベース２の一端の側面に、ベース２の主面と略垂直となるように支柱３を固定した。支柱３の上端部分には、ベース２の主面と略平行に突設されるように揺動腕４を固定した。また、支柱３から突設された揺動腕４の先端側とベース２との間には、双音叉水晶振動子２０を前記支柱３と略平行となるように固定した。そして、揺動腕４とベース２との間の、支柱３と双音叉水晶振動子２０とに挟まれた位置にベローズ５を固定し、ベローズ５の内部と容器１の外側とを連通する受圧部Ｃ１を貫設した。
【００３０】
この構成によれば、受圧部Ｃ１から導入された測定対象である圧力は、ベローズ５により揺動腕４を押し上げる力として伝わり、この力は揺動腕４と支柱３との支点まわりのモーメントとして双音叉水晶振動子２０を引張る力として伝達される。上記したように、双音叉水晶振動子２０に加わる力に対する共振周波数の変化は、双音叉水晶振動子２０に加わる力の方向が圧縮方向のときよりも、引張り方向のときの方がより直線性を有した比例関係を示す。これにより、双音叉水晶振動子２０に圧縮方向の力が加わる構造の場合のように、複雑な補正回路により検出圧力値を補正する必要がないので、補正回路を用いることなく、若しくは簡便な補正回路により、高精度にて圧力を測定することが可能となる。
【００３１】
（２）上記実施形態では、感圧素子として双音叉水晶振動子２０を用いた。
【００３２】
この構成によれば、双音叉水晶振動子２０はＱ（共振尖鋭度）が高く、速い反応性や共振時における高い拡大度を有しているので、反応性が速く、高精度な圧力検出が可能な絶対圧センサ１０を提供することができる。
【００３３】
（３）上記実施形態では、支柱３をベース２にネジ１２により固定し、また、揺動腕４を支柱３にネジ１４により固定する構成とした。
【００３４】
この構成によれば、ネジ留めによる簡便な方法にて支柱３および揺動腕４を確実に固定することができるので、低コストにて絶対圧センサ１０を製造するのに供する。
【００３５】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、以下の変形例を実施することもできる。
【００３６】
（変形例）上記実施形態では、別々の部品である支柱３と揺動腕４とを、ネジ１４により固定する構成としたが、これに限らない。支柱と揺動腕とを一体加工により形成する構成としても構わない。図３は、支柱と揺動腕とを一体加工により形成した絶対圧センサ４０を説明する模式断面図である。なお、本変形例において、上記実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図３に示す絶対圧センサ４０は、容器１と、該容器１内の底部に設けられたベース２上に略垂直に設けられた支柱３３と、支柱３３から略直角に屈曲されベース３２に対して平行に延出された揺動腕３４とが一体に形成されて設けられている。本実施形態では、支柱３３と揺動腕３４との境界となる屈曲部分にハーフエッチング部３９が形成されている。ベース２と揺動腕３４との間には、支柱３３に隣接する位置に固定されたベローズ５と、さらにベローズ５に隣接する位置の揺動腕３４の端部に固定された双音叉水晶振動子２０とを有している。ベース２のベローズ５が固定された部分には、ベローズ５の内部と容器１の外側とを連通させるように貫設された受圧部Ｃ１が設けられている。
【００３８】
この構成によれば、支柱３３と揺動腕３４は同一材料を折り曲げ加工することにより一体に形成されるので、支柱と揺動腕とを接合する必要がなく、製造工程の簡略化が可能となる。また、支柱３３と揺動腕３４の折り曲げ部分にはハーフエッチング部３９が形成されているので、支柱３３および揺動腕３４それぞれの部位の機械的強度を確保しながら、折り曲げ加工を容易にすることができる。さらに、バッチ処理によるハーフエッチング部３９の形成と折り曲げ加工のみによって、支柱３３と揺動腕３４の支持構造を形成することができる。これにより、上記した特許文献１に記載の絶対圧センサ７０の支柱６３および揺動腕６４のように高精度な切削加工を必要とせず、比較的簡便な工程により低コスト製造が可能となる。
【００３９】
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、容器１内の底部にベース２を設置したが、容器の底板部分が必要な機械的強度を有しているのであれば、容器の底板部分そのものをべースとして用いた構成とすることが可能である。
【００４１】
また、上記実施形態では、筒状外縁が蛇腹形状を有するベローズ５を用いたが、これに限らない。ベローズ５は、受圧部Ｃ１から取り込んだ圧力に応じて変位することにより該圧力を力として揺動腕４（３４）に伝え、且つ、圧力の減衰に伴って形状の復元性を有する筒状容器であればよく、例えば断面楕円形状のベローズを用いてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、ベース２と支柱３（３３）との接合、および支柱３と揺動腕４との接合を、ネジ１２，１４によってネジ留めする方法により行なったが、これに限らない。ろう付けや溶接あるいは接着剤を用いて接着する方法などの他の接合方法を用いてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、ベローズ５と容器１の外部とを連通し測定する圧力の導入部分となる受圧部Ｃ１を、ベローズ５の圧力導入部分の直下となる容器１の底板部分に設けたが、これに限らず、受圧部を容器の側面に設ける構成とすることも可能である。同様に、真空引きパイプ１５を、容器１の側面あるいは上面に設ける構成としてもよく、また、真空引きパイプ１５を用いる方法に限らず、ろう材や封止用樹脂などにより容器１を封止する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかる絶対圧センサの実施形態の概略構造を説明する模式断面図。
【図２】感圧素子としての双音叉水晶振動子を模式的に示す斜視図。
【図３】絶対圧センサの変形例を説明する模式断面図。
【図４】感圧素子に作用する力と感圧素子の共振周波数との関係を示したグラフ。
【図５】従来の絶対圧センサの概略構造を説明する模式断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１，６１…容器、２，６２…ベース、３，３３，６３…支柱、４，３４，６４…揺動腕、５，６５…ベローズ、１０，４０，７０…絶対圧センサ、２０…感圧素子としての双音叉水晶振動子、８０…感圧素子、Ｃ１，Ｃ３…受圧部。
【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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