(57)【要約】【課題】構造を簡易化し小型化が可能となる高感度かつ高精度の圧力センサを提供する。【解決手段】双音叉振動子１の一方の基部１３ａは、導電性接着剤８により固定部４および端子部３に固定され、双音叉振動子１に設けられた励振電極と端子部３とが接続されている。そして、双音叉振動子１の他方の基部１３ｂは、接着剤７により受圧部５の凸部６に固定されている。このため、一対の基部１３ａ，１３ｂは気密容器２に直接固定されていることから、構造を簡易化し小型化が可能となる圧力センサ１０を提供することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に基部を設けた圧電素子と、
前記圧電素子が収納され、固定部と受圧部とが対向して配置された気密容器とを備え、
前記圧電素子の一方の基部が前記固定部に固定され、前記圧電素子他方の基部が前記受圧部に固定され、さらに前記圧電素子に接続された端子部が前記気密容器の外面に配置されたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記圧電素子は、双音叉振動子であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、
前記圧電素子の一方の基部と前記固定部とが導電性接着剤で固定され、前記圧電素子と前記端子部が導電性接着剤で接続されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、
前記気密容器の形状が円筒形を成し、対向する二平面の一方が前記固定部であり、他方が前記受圧部であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、
前記気密容器の形状が四角形以上の正多角形を成す角管状であり、対向する正多角形の二平面の一方が前記固定部であり、他方が前記受圧部であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、
前記気密容器内が減圧雰囲気であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力センサにおいて、
前記気密容器の受圧部が受圧部以外の厚みと同等もしくは薄いことを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水晶振動子に代表される圧電素子に応力が加えられると、圧電素子の共振周波数が変化するという特性を有していることが知られている。そして、この特性を利用した圧力センサが提案されている。
たとえば、特許文献１のような圧力センサが知られている。この圧力センサは、不活性ガス雰囲気または減圧雰囲気に圧電素子が気密容器に気密封止された圧力センサのおいて、気密容器に形成された受圧部としての圧力流入口と、圧電素子の一方の基部が固定された振動素子接着台座と、圧力流入口と振動素子接着台座との間に固定されたベローズとで構成されている。なお、圧電素子の一方の基部に対向する他方の基部は気密容器に固定されている。
圧力流入口に加えられた外部圧力により、ベローズが伸縮し振動素子接着台座の位置が移動することにより、外部圧力による応力が圧電素子に伝えられる構造としている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２１６２８号公報（５〜７頁、図１〜図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の圧力センサの構造においては、受圧部としての圧力流入口と圧電素子としての振動子素子との間に、ベローズおよび振動素子接着台座など複数の部材が介在しているため、構造が複雑であり圧力センサの小型化を図ることが困難である。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、構造を簡易化し小型化かつ低価格化が可能となる高感度かつ高精度の圧力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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、両端に基部を設けた圧電素子と、前記圧電素子が収納され、固定部と受圧部とが対向して配置された気密容器とを備え、前記圧電素子の一方の基部が前記固定部に固定され、前記圧電素子他方の基部が前記受圧部に固定され、さらに前記圧電素子に接続された端子部が前記気密容器の外面に配置されたことを要旨とする。
【０００７】
この構成によれば、圧電素子の一方の基部は固定部に固定され、圧電素子に接続されている。そして、圧電素子の他方の基部は、受圧部に固定されている。このため、圧電素子は、気密容器内に直接固定されていることから、構造を簡易化し小型化が可能となる圧力センサを実現することができる。
【０００８】
本発明の圧力センサは、前記圧電素子は、双音叉振動子であることを要旨とする。
【０００９】
この構成によれば、屈曲振動する一対の振動アームの略中間に位置する中間線の延長方向から応力を加えると、共振周波数が大きく変化するという特性を有する双音叉振動子を用いることにより、感度良くかつ精度良く外部圧力を検知することができる。
【００１０】
本発明の圧力センサは、前記圧電素子の一方の基部と前記固定部とが導電性接着剤で固定され、前記圧電素子と端子部が導電性接着剤で接続されていることを要旨とする。
【００１１】
この構成によれば、固定と接続との役割を併せ持つ導電性接着剤により、圧電素子の一方の基部と固定部とが固定され、且つ、圧電素子と端子部とが接続されている。このため、構造が簡易化でき、固定および接続の工程を簡略化することができる。
【００１２】
本発明の圧力センサは、前記気密容器の形状が円筒形を成し、対向する二平面の一方が前記固定部であり、他方が前記受圧部であることを要旨とする。
【００１３】
この構成によれば、気密容器の円筒形状を成したケース外周部に加えられる外部圧力は互いに打ち消しあうように作用するため、耐圧性が向上し外周部の厚さを薄くでき、小型化かつ軽量化することができる。
【００１４】
本発明の圧力センサは、前記気密容器の形状が四角形以上の正多角形を成す角管状であり、対向する正多角形の二平面の一方が前記固定部であり、他方が前記受圧部であることを要旨とする。
【００１５】
この構成によれば、気密容器の外側の形状が、四角形以上の正多角形であるため、正多角形の一つの面が実装面に対向して安定に配置され、表面実装することができる。
【００１６】
本発明の圧力センサは、前記気密容器内が減圧雰囲気であることを要旨とする。
【００１７】
この構成によれば、双音叉振動子が空気抵抗の低い減圧雰囲気で屈曲振動するため、効率良く屈曲振動し消費電流を低減することができる。
【００１８】
本発明の圧力センサは、前記気密容器の受圧部が受圧部以外の厚みと同等もしくは薄いことを要旨とする。
【００１９】
この構成によれば、受圧部が外部圧力の変化に対して感度良く撓むため、さらに感度良く外部圧力を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
（第一実施形態）
【００２１】
以下の実施形態では、圧電素子としての水晶振動子を用いた圧力センサの例を挙げて説明する。
図１は、第一実施形態の圧力センサ１０の構成を示し、図１（ａ）は、気密容器を断面で示した概略平面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図である。また、図２は、図１（ｂ）の概略左側面図である。
【００２２】
圧力センサ１０は、圧電素子としての双音叉振動子１と、金属などからなる気密容器２とを備えている。そして、双音叉振動子１は、気密容器２に収納されている。
【００２３】
気密容器２は、ケース１６とプラグ体１２とから構成されている。
ケース１６は円筒形状を成し、円筒形状の一方は開放され、他方は受圧部５を形成している。受圧部５は金属などからなり、円形に形成されている。そして、受圧部５には、気密容器２内側へ向かって突出した角柱形状の凸部６が金属などにより形成されている。なお、凸部６は角柱形状としたが、気密容器２内側へ向かって突出した凸形状であれば何れの形状であってもよい。
ここで、受圧部５は、気密容器２外部の圧力の方向Ｐに応じて撓む構造となっている。なお、受圧部５は円形に形成されているとしたが、外部圧力の方向Ｐに応じて受圧部５に撓みが発生する形状であれば、多角形または楕円形など何れの形状であってもよい。また、円形を成した受圧部５の厚さは、ケース１６の円筒形状を成した外周と内周との差である外周部の厚さ以下になるように形成されている。
プラグ体１２は、固定部４と端子部３とを備えている。
固定部４は、金属およびガラスにより形成され、ケース１６の開放された一方に圧入されることにより、気密容器２内は減圧雰囲気に気密封止されている。ここで、固定部４はケース１６の受圧部５に対向して配置されている。そして、端子部３は金属などからなり、ガラスなどの絶縁体により固定部４から絶縁され、固定部４の一部から引き出されている。
【００２４】
双音叉振動子１は単結晶の水晶板からなり、屈曲振動する一対の振動アーム１１ａ，１１ｂと、矩形状の一対の基部１３ａ，１３ｂとを備えている。振動アーム１１ａ，１１ｂは、一方の基部１３ａから延長して形成され、他方の基部１３ｂに連結されている。
このような構成の双音叉振動子１は、屈曲振動する一対の振動アーム１１ａ，１１ｂの略中間に位置する中間線の延長方向から応力を加えると、共振周波数が大きく変化するという特性を有している。
【００２５】
双音叉振動子１の一方の基部１３ａは、導電性接着剤８により固定部４および端子部３に固定され、双音叉振動子１に設けられた励振電極（図示せず）と端子部３とが電気的に接続されている。これにより、双音叉振動子１を気密容器２の外部と接続可能にし、双音叉振動子１が振動可能な構成としている。
そして、双音叉振動子１の他方の基部１３ｂは、接着剤７により受圧部５の凸部６に固定されている。これにより、双音叉振動子１の一対の基部１３ａ，１３ｂは、気密容器２に直接固定されている。
ここで、双音叉振動子１は、振動アーム１１ａ，１１ｂの略中間に位置する中間線の延長方向に、円形の受圧部５の略中心が位置するように配置され、固定されている。
【００２６】
圧力センサ１０に加えられる外部圧力に応じて受圧部５が撓むことにより、外部圧力の方向Ｐに応じた応力が、受圧部５の凸部６に固定されている双音叉振動子１に直接伝えられる。そして、応力により変化する双音叉振動子１の共振周波数を検出することによって、圧力センサ１０は外部圧力を検知することができる構造となっている。
なお、圧力センサ１０に加えられる外部圧力のうち気密容器２の円筒形状を成したケース１６外周部に加えられる外部圧力は互いに打ち消しあうように作用する。このため、圧力センサ１０に加えられる外部圧力の方向Ｐに応じた応力が、双音叉振動子１に伝えられる。
【００２７】
なお、受圧部５の凸部６に、双音叉振動子１の基部１３ｂが固定されるとしたが、凸部６を形成せず受圧部５に基部１３ｂが直接固定されていてもよい。また、基部１３ｂの形状は矩形状としたが、基部１３ｂの略中心が受圧部５の方向に延長して形成された突起部を有する形状でもよく、基部１３ｂの突起部が受圧部５に直接固定されていてもよい。
【００２８】
ここで、本実施形態の圧力センサ１０を用いて、外部圧力の変化に対する双音叉振動子１の共振周波数の変化を測定した。なお、圧力センサ１０に用いた双音叉振動子１は１４ｍｍ×３ｍｍ、厚さ０．２ｍｍに形成されている。その測定結果を、図３に示す。縦軸は共振周波数を示し、横軸は外部圧力を示している。図３より、外部圧力の増加とともに共振周波数が低下する変化を示し、外部圧力と共振周波数との良好な線形性を保っていることが確認できる。
【００２９】
以下、本実施形態の圧力センサ１０によれば、以下に示す効果がある。
（１）双音叉振動子１の一方の基部１３ａは、導電性接着剤８により固定部４および端子部３に固定され、双音叉振動子１に設けられた励振電極と端子部３とが接続されている。そして、双音叉振動子１の他方の基部１３ｂは、接着剤７により受圧部５の凸部６に固定されている。このため、双音叉振動子１の一対の基部１３ａ，１３ｂは、気密容器２に直接固定されていることから、構造を簡易化し小型化が可能となる圧力センサ１０を提供することが可能となる。
（２）屈曲振動する一対の振動アーム１１ａ，１１ｂの略中間に位置する中間線の延長方向から応力を加えると、共振周波数が大きく変化するという特性を有している双音叉振動子１を用いることにより、外部圧力を高感度かつ高精度に検知することができる。
（３）固定と接続との役割を併せ持つ導電性接着剤８により、双音叉振動子１の一方の基部１３ａと固定部４とが固定され、且つ、双音叉振動子１と端子部３とが接続されている。このため、構造が簡易化でき、固定および接続の工程を簡略化することができる。
（４）気密容器２の円筒形状を成したケース１６外周部に加えられる外部圧力は互いに打ち消しあうように作用するため、耐圧性が向上し外周部の厚さを薄くでき、小型化かつ軽量化することができる。
（５）双音叉振動子１の振動アーム１１ａ，１１ｂが空気抵抗の低い減圧雰囲気で屈曲振動するため、効率良く屈曲振動し消費電流を低減することができる。
（６）受圧部５が外部圧力の変化に対して感度良く撓むため、さらに感度良く外部圧力を検知することができる。
（第二実施形態）
【００３０】
図４は、第二実施形態の圧力センサ２０の構成を示し、図４（ａ）は、気密容器を断面で示した概略平面図であり、図４（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図である。また、図５は、図４（ｂ）の概略左側面図である。
【００３１】
圧力センサ２０は、圧電素子としての双音叉振動子２１と、金属などからなる容器２２とを備えている。そして、双音叉振動子２１は、気密容器２２に収納されている。
【００３２】
気密容器２２は、ケース２６とプラグ体１２とから構成されている。
ケース２６は円筒形状を成し、円筒形状の一方は開放され、他方は受圧部２５を形成している。受圧部２５は金属などからなり、円形に形成されている。そして、受圧部２５の略中央に、貫通部２９が形成されている。
ここで、受圧部２５は、気密容器２２外部の圧力の方向Ｐに応じて撓む構造となっている。なお、受圧部２５は円形に形成されているとしたが、外部圧力の方向Ｐに応じて受圧部２５に撓みが発生する形状であれば、多角形または楕円形など何れの形状であってもよい。また、円形を成した受圧部２５の厚さは、ケース２６の円筒形状を成した外周と内周との差である厚さ以下になるように形成されている。
プラグ体１２は、固定部４と端子部３とを備えている。
固定部４は、金属およびガラスにより形成され、ケース２６の開放された一方に圧入されている。ここで、固定部４はケース２６の受圧部２５に対向して配置されている。そして、端子部３は金属などからなり、ガラスなどの絶縁体により固定部４から絶縁され、固定部４の一部から引き出されている。
【００３３】
双音叉振動子２１は単結晶の水晶板からなり、屈曲振動する一対の振動アーム２１ａ，２１ｂと、矩形状の一対の基部２３ａ，２３ｂとを備えている。振動アーム２１ａ，２１ｂは、一方の基部２３ａから延長して形成され、他方の基部２３ｂに連結されている。そして、振動アーム２１ａ，２３ｂが連結されている基部２３ｂの一辺と対向する他辺から延長して突起部２３ｃが形成されている。
このような構成の双音叉振動子２１は、屈曲振動する一対の振動アーム２１ａ，２１ｂの略中間に位置する中間線の延長方向から応力を加えると、共振周波数が大きく変化するという特性を有している。
【００３４】
双音叉振動子２１の一方の基部２３ａは、導電性接着剤８により固定部４および端子部３に固定され、双音叉振動子２１に設けられた励振電極（図示せず）と端子部３とが電気的に接続されている。これにより、双音叉振動子２１を気密容器２２の外部と接続可能にし、双音叉振動子２１が振動可能な構成としている。
そして、双音叉振動子２１における他方の基部２３ｂの突起部２３ｃは、受圧部２５の貫通部２９を貫通している。そして、突起部２３ｃと貫通部２９との間を塞ぐように接着剤２７が形成され、接着剤２７により突起部２３ｃは受圧部２５の貫通部２９に固定されている。
これにより、双音叉振動子２１の一対の基部２３ａ，２３ｂは気密容器２２に直接固定され、気密容器２２内は減圧雰囲気に気密封止されている。
ここで、双音叉振動子２１は、振動アーム２１ａ，２１ｂの略中間に位置する中間線の延長方向に、円形の受圧部２５の略中心が位置するように配置され、固定されている。
【００３５】
圧力センサ２０に加えられる外部圧力に応じて受圧部２５が撓むことにより、外部圧力の方向Ｐに応じた応力が、受圧部２５の貫通部２９に固定されている双音叉振動子２１に直接伝えられる。そして、応力により変化する双音叉振動子２１の共振周波数を検出することによって、圧力センサ２０は外部圧力を検知することができる構造となっている。
なお、圧力センサ２０に加えられる外部圧力のうち気密容器２２の円筒形状を成したケース２６外周部に加えられる外部圧力は互いに打ち消しあうように作用する。このため、圧力センサ２０に加えられる外部圧力の方向Ｐに応じた応力が、双音叉振動子２１に伝えられる。
【００３６】
ここで、本実施形態の圧力センサ２０を用いて、第一実施形態と同様の測定を行った。その測定結果は、図３に示す第一実施形態の測定結果と同様に、外部圧力の増加とともに共振周波数が低下する変化を示し、外部圧力と共振周波数との良好な線形性を保っていることが確認できた。
【００３７】
以下、本実施形態の圧力センサ２０によれば、以下に示す効果がある。
（１）双音叉振動子２１の一方の基部２３ａは、接合力を有する樹脂に銀などの導電性粒子が含有された導電性接着剤８により固定部４および端子部３に固定され、双音叉振動子２１に設けられた励振電極と端子部３とが接続されている。そして、双音叉振動子２１における他方の基部２３ｂの突起部２３ｃは、接着剤２７により受圧部２５の貫通部２９に固定されている。このため、双音叉振動子２１の一対の基部２３ａ，２３ｂは、気密容器２２に直接固定されていることから、構造を簡易化し小型化が可能となる圧力センサ２０を提供することが可能となる。
（２）屈曲振動する一対の振動アーム２１ａ，２１ｂの略中間に位置する中間線の延長方向から応力を加えると、共振周波数が大きく変化するという特性を有している双音叉振動子２１を用いることにより、外部圧力を高感度かつ高精度に検知することができる。
（３）固定と接続との役割を併せ持つ導電性接着剤８により、双音叉振動子２１の一方の基部２３ａと固定部４とが固定され、且つ、双音叉振動子２１と端子部３とが接続されている。このため、構造が簡易化でき、固定および接続の工程を簡略化することができる。
（４）気密容器２２の円筒形状を成したケース２６外周部に加えられる外部圧力は互いに打ち消しあうように作用するため、耐圧性が向上し外周部の厚さを薄くでき、小型化かつ軽量化することができる。
（５）双音叉振動子２１の振動アーム２１ａ，２１ｂが空気抵抗の低い減圧雰囲気で屈曲振動するため、効率良く屈曲振動し消費電流を低減することができる。
（６）受圧部２５が外部圧力の変化に対して感度良く撓むため、さらに感度良く外部圧力を検知することができる。
【００３８】
前述の実施形態において、気密容器の形状は円筒形状としたが、接地の容易さを考慮し、気密容器外側の形状は楕円形状または４角形以上の正多角形状など何れの形状であればよく、気密容器内側の形状も圧電素子を収納できる凹部を有していれば何れの形状であってもよい。
以下、前述の実施形態における気密容器の形状に関する変形例を記載する。
（変形例）
【００３９】
図６（ａ）〜（ｃ）は、図２および図５の変形例を示す概略図である。
図６（ａ）は、圧力センサ３０の気密容器３２外側の形状が楕円形を成し、気密容器３２内側の形状も楕円形を成して、円形の受圧部３５の略中心に圧電素子としての双音叉振動子３１が位置するように配置され、固定されている。
図６（ｂ）は、圧力センサ４０の気密容器４２外側の形状が八角形を成し、円形の受圧部４５の略中心に圧電素子としての双音叉振動子４１が位置するように配置され、固定されている。
図６（ｃ）は、圧力センサ５０の気密容器５２外側の形状が四角形を成し、円形の受圧部５５の略中心に圧電素子としての双音叉振動子５１が位置するように配置され、固定されている。
以上のように、気密容器３２の形状が楕円形を成した圧力センサ３０においても、前述の実施形態と同様な効果を享受することができる。
そして、圧力センサ４０およびに圧力センサ５０は、気密容器４２，５２の形状が、四角形以上の正多角形であるため、正多角形の一つの面が実装面に対向して安定に配置され、表面実装することができる。
【００４０】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述の実施形態では、圧電素子として双音叉振動子を用いたが、弾性表面波共振子または厚みすべり振動子などを用いてもよい。
また、圧電素子の材料としては、単結晶からなる水晶に限らず、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などを用いることができる。
そして、圧電素子の一方の基部は、接着剤により容器の受圧部に固定されるとしたが、導電性接着剤、はんだまたはロウ材などの合金を用いて固定されていてもよい。
また、圧電素子の他方の基部は、導電性接着剤により容器の固定部および外部端子に固定され、圧電素子に設けられた励振電極と外部端子とが接続されているとしたが、はんだまたはロウ材などの合金を用いて固定および接続されていてもよい。または、圧電素子の基部が、接着剤により容器の固定部に固定され、金属ワイヤなどにより外部端子に接続されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は、気密容器を断面で示した概略平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図。
【図２】図１（ｂ）の概略左側面図。
【図３】外部圧力の変化に対する共振周波数の変化を示すグラフ。
【図４】（ａ）は、気密容器を断面で示した概略平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う概略断面図。
【図５】図４（ｂ）の概略左側面図。
【図６】変形例を示す概略図。
【符号の説明】
【００４２】
１…圧電素子としての双音叉振動子、２…気密容器、３…端子部、４…固定部、５…受圧部、１０…圧力センサ、１３ａ…双音叉振動子の一方の基部、１３ｂ…双音叉振動子の他方の基部、２０…圧力センサ、２１…双音叉振動子、２２…気密容器、２３ａ…一方の基部、２３ｂ…他方の基部、２５…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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【図６】
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