(57)【要約】【課題】小型で且つ大きなセンサ感度を得ることができる圧力センサを提供する。【解決手段】反射器２２の直下に位置する圧電基板１０の厚みを、インターデジタルトランスデューサ２１の近傍でインターデジタルトランスデューサ２１の直下領域と略等しくなし、且つインターデジタルトランスデューサ２１より離れるに従って漸次厚くする。【選択図】図１
2005181305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板の上面にインターデジタルトランスデューサを形成するとともに、該インターデジタルトランスデューサに対して弾性表面波の伝搬方向両側に反射器を配置させてなり、前記インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の変形によって圧力変動を検出するようにした圧力センサであって、
前記反射器の直下に位置する圧電基板の厚みを、前記インターデジタルトランスデューサの近傍でインターデジタルトランスデューサの直下領域と略等しくなし、且つ前記インターデジタルトランスデューサより離れるに従って漸次厚くなしたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記インターデジタルトランスデューサの直下の圧電基板の底面には凹部が形成されているとともに、該凹部の底面と内壁面との角部に曲面をなしていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばタイヤ状態監視装置（ＴＰＭＳ）等に用いられる圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波の伝搬特性を利用した弾性表面波共振器や弾性表面波フィルタ等の弾性表面波装置は、マイクロ波帯を利用する各種無線通信機器や車載用機器、医療用機器等に幅広く用いられている。また、弾性表面波の伝搬特性を利用した別の応用例として、弾性表面波の伝搬時間の遅延差により圧力や温度等を検知する弾性表面波センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
かかる弾性表面波センサは、一定の厚みを有する水晶等から成る圧電基板上に一対の反射器を所定の間隔をあけて配置させるとともに、この２つの反射器間に、一対のくし歯状電極をインターデジタルに組み合わせてなるすだれ状電極を配置させた構造を有している。
【０００４】
このような圧力センサによれば、圧電基板に応力が加えられると基板の弾性係数の変化に伴う表面弾性波の伝搬速度の変化と、すだれ状電極の電極指の配列ピッチの変化とが起こり、共振周波数が変化し、この変化を測定することにより圧力の変化を測定することができるというものである。
【特許文献１】特開昭５９−１７１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の圧力センサにおいては、加えられた応力によって圧電基板の弾性係数を変化させて表面弾性波の伝搬速度を変化させているが、圧電基板として用いられる水晶等は硬度が高いのでその弾性係数の変化率は小さく、センサとしての感度が低いという問題点を有していた。また、例えば走行中のタイヤの空気圧を測定するような場合には、車の走行中に発生するノイズも大きくこのノイズにより誤動作する危険性もあり、より感度の高いセンサが求められるようになってきている。
【０００６】
そこで、すだれ状電極の直下に位置する圧電基板の厚みを反射器の直下に位置する圧電基板の厚みよりも薄くしておくことにより、圧電基板に圧力が印加される際のたわみ量を大となすとともに、共振周波数の変化量を大きくすることで、圧力センサの感度を高めることが検討されている。
【０００７】
図７はそのような改良型の圧力センサを模式的に示す図である。
【０００８】
この圧力センサ１００は主に圧電基板１１０とこの上面に形成されたインターデジタルトランスデューサ１２１、反射器１２２、パッド電極１２３からなる圧力検出用共振器１２０を有しており、インターデジタルトランスデューサ１２１の直下に凹部１４０が形成され、インターデジタルトランスデューサ１２１の直下に位置する圧電基板１１０の厚みが他の領域よりも薄くなっている構造を有している。
【０００９】
この圧力センサ１００によれば、インターデジタルトランスデューサ１２１の直下に位置する圧電基板１１０の厚みが他の領域よりも薄くなっていることから、圧力の変化に応じてインターデジタルトランスデューサ１２１直下の圧電基板１１０が良好にたわむことにより共振周波数の変化量が大きくなり、圧力の検出感度を高くすることができる。
【００１０】
しかしながら、上述の圧力センサ１００は、圧力の変化により、共振特性が劣化する傾向があり、正確な圧力を検知するためにはこの共振特性の劣化を改良する必要があった。
【００１１】
本発明は上述の課題に鑑み考案されたもので、その目的は、圧力の変化により、共振特性が劣化することの少ない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】
【００１２】
本発明の圧力センサは、圧電基板の上面にインターデジタルトランスデューサを形成するとともに、該インターデジタルトランスデューサに対して弾性表面波の伝搬方向両側に反射器を配置させてなり、前記インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の変形によって圧力変動を検出するようにした圧力センサであって、前記反射器の直下に位置する圧電基板の厚みを、前記インターデジタルトランスデューサの近傍でインターデジタルトランスデューサの直下領域と略等しくなし、且つ前記インターデジタルトランスデューサより離れるに従って漸次厚くなしたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記インターデジタルトランスデューサの直下の圧電基板の底面には凹部が形成されているとともに、該凹部の底面と内壁面との角部に曲面をなしていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の圧力センサによれば、反射器の直下に位置する圧電基板の厚みを、インターデジタルトランスデューサの近傍でインターデジタルトランスデューサの直下領域と略等しくなし、且つインターデジタルトランスデューサより離れるに従って漸次厚くなしたことから、インターデジタルトランスデューサと反射器により形成される弾性表面波のエネルギー閉じ込め状態が圧力変動で大きく変動することがないので、共振器の共振特性も圧力変動により大きく変動することもなく、安定した共振特性を得ることができる。
【００１５】
しかもこの場合、反射器はインターデジタルトランスデューサより離れるに従って漸次厚くなしたことから、圧力変動を検出するインターデジタルトランスデューサのみが薄くなっているため、小型化が可能であるとともに大きなセンサ感度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の圧力センサを添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施形態にかかる圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面、（ｂ）は断面図である。
【００１８】
同図に示す圧力センサ１は、大略的に、圧電基板１０と、この上面に形成されたインターデジタルトランスデューサ２１および反射器２２からなる圧力検出用共振器２０と、インターデジタルトランスデューサ３１及び反射器３２からなる局部発振用共振器３０とから構成されている。
【００１９】
また、本実施形態の圧力センサは、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０の下面に凹部４０が形成されて、この部分の厚みが他の領域よりも薄くなっており、しかも、反射器２２の直下に位置する圧電基板１０の厚みをインターデジタルトランスデューサ２１から離れるに従って漸次厚くした構造を有している。
【００２０】
このような圧電基板１０は、例えば、水晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、四ホウ酸リチウム単結晶等の圧電性の単結晶、あるいはチタン酸鉛、ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスから成り、圧力検出用共振器２０を介して圧電基板１０に電力が印加されると、その一主面で所定の弾性表面波を発生させる作用を為す。
【００２１】
また、圧力検出用共振器２０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金等の金属材料から成り、弾性表面波を励振するインターデジタルトランスデューサ２１、弾性表面波の伝搬方向に沿ってインターデジタルトランスデューサ２１の両側に配置される反射器２２、インターデジタルトランスデューサ２１に電気的に接続される外部接続用のパッド電極２３等によって構成される。
【００２２】
圧力検出用共振器２０を構成するインターデジタルトランスデューサ２１は、各々が帯状の共通電極とこの共通電極に対し直交する方向に延びる複数の電極指とで形成されている一対の櫛歯状電極２１ａ、２１ｂを、その共通電極同士が平行に配置され、かつ両共通電極の対向領域内で櫛歯状電極２１ａ、２１ｂの電極指が弾性表面波の伝搬方向に交互に配置されるようにかみ合わせた状態で対向配置させて構成される。
【００２３】
このようなインターデジタルトランスデューサ２１は、外部から所定の電力が印加されると、圧電基板１０の上面に電極指の配列ピッチに対応した所定の弾性表面波、具体的には、電極指の配列ピッチを１／２波長とする弾性表面波を発生する作用を為す。
【００２４】
他方、反射器２２は、インターデジタルトランスデューサ２１の形成領域内で発生する弾性表面波のエネルギーを一対の反射器２２ａ、２２ｂの間に閉じ込めて定在波を効果的に発生させる作用を為す。
【００２５】
そして、この一対の反射器２２ａ、２２ｂと、その間に配置されるインターデジタルトランスデューサ２１とで一端子対共振器が構成されている。
【００２６】
また、圧電基板１０の表面には、一般的にはインターデジタルトランスデューサ２１と電気的に接続するようにパッド電極２３が形成されており、このパッド電極２３は、外部との電気的接続をなす金属細線やバンプが接合され、インターデジタルトランスデューサ２１に外部からの所定の電力を印加する機能を有する。
【００２７】
更に、圧電基板１０の表面には、圧力検出用共振器２０や局部発振用共振器３０などを囲繞するように環状電極５１が形成されており、圧力センサ１が搭載される基板に形成される環状導体と半田などを介して接続することによって、振動空間を形成する作用を為す。
【００２８】
なお、局部発振用共振器３０は、先に述べた圧力検出用共振器２０と同様の構成を有する。
【００２９】
このような圧力センサ１は以下に述べる方法によって製作される。
【００３０】
まず、水晶等からなる単結晶の母基板（ウェハ）を用意し、これに従来周知の蒸着法やスパッタリング法によってウェハ上に電極膜を形成する。次に、この電極膜上にレジストをスピンコートし、さらにステッパー装置等を用いて露光・現像した後に、ＲＩＥ装置等を用いてエッチングしてウェハ上にインターデジタルトランスデューサや反射器等の電極パターンを形成する。これによって、ウェハの表面の縦横に多数の圧力検出用共振器２０や局部発振用共振器３０などが形成される。
【００３１】
次に、このウェハの圧力検出用共振器２０等の電極形成面をダイシングテープに貼り付け、この状態でエッチングまたは、サンドブラスト法により、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０の厚みが他の領域よりも薄くなるように加工を行なう。そしてしかる後、ウェハをダイシングカットすることにより、圧力センサの個片が完成する。
【００３２】
なお、圧力センサ１のチップサイズは用いる共振器の共振周波数によって異なるが、共振周波数３００ＭＨｚ程度で用いる場合、チップサイズ（長さ×幅×厚み）は１０ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ程度である。
【００３３】
また、圧電基板１０のインターデジタルトランスデューサ２１直下の厚みは、所望のセンサ感度と圧力検出用共振器２０の共振周波数の関係により１０μｍ〜１００μｍの範囲に設定することが好ましい。厚みが１０μｍ以下であると圧電基板１０の強度が脆くなり、その部分から割れる等の不具合が発生する傾向がある。また、厚みが１００μｍ以上であると、圧力によるたわみ量が減少するため感度が劣化する傾向がある。
【００３４】
次に、本発明の圧力センサ１の圧力を検知する圧力検出用共振器２０について、その動作および実際の圧力測定方法について説明する。本発明においては、圧力検出用共振器２０での圧力変動前後の共振周波数の変化により圧力を検知している。また、局部発振用共振器３０については、圧力変動前後の共振周波数の変動がないように、圧力検出用共振器２０から距離を隔てて配置されている。ここで、局部発振用共振器３０は、圧力検出用共振器２０と弾性表面波の伝搬方向が同一方向となるように圧電基板１０上にインターデジタルトランスデューサ３１、反射器３２が形成されている。
【００３５】
図２は、本発明の圧力センサ１を基板６０上に実装した状態を示す断面図である。
【００３６】
図２において、圧電基板１０の表面に形成された環状電極５１と、基板６０に形成された環状導体６１とが、半田６２を介して接続されることによって、気密性を有する振動空間６３が形成されており、更にその外側は樹脂５０によって被覆されている。
【００３７】
尚、図示していないが、パッド電極２３及び３３は、基板６０上に形成された接続電極と半田バンプにより電気的に接続されている。
【００３８】
図３は実際の圧力測定系を模式的に示す図である。この図において、圧力センサ１はガスチャンバー９０内で窒素ボンベ９１から注入される窒素により加圧される。そして、圧力計９２で圧力上昇を確認しながら、圧力検出用共振器２０の共振周波数をネットワークアナライザ９３で測定する。これら図２、図３に示す圧力センサ１において、圧電基板１０と基板６０間は大気圧に保持されて気密封止されており、この大気圧と加圧された圧力との差圧を測定することで圧力を測定している。
【００３９】
次に、本発明の圧力センサ１において、圧電基板１０上面に形成された圧力検出用共振器２０の拡大図とこの圧力変動前（大気圧状態）と変動後（加圧状態）の共振特性を図４に示す。図４（ａ）は本発明の主要部である圧力検出用共振器２０断面の拡大図であり、図４（ｂ）は圧力検出用共振器２０の圧力変動前後の共振特性である。図４（ｂ）の縦軸は挿入損失（ｄＢ）、横軸は周波数（ＭＨｚ）である。
【００４０】
なお、この実験では、共振器としてＲＫＥ（Remote Keyless Entry Security）用の弾性表面波共振器（共振周波数：３１５．０ＭＨｚ）を用いた。
【００４１】
ここで、図４（ｂ）に示す点線の共振特性は圧力変動前（大気圧状態）であり、実線の共振特性は圧力変動後（加圧状態）である。図４（ｂ）からわかるように圧力変動前後の共振特性を比較すると圧力変動後（加圧状態）の共振特性は共振周波数が低周波側にシフトしている。これは圧力変動により、圧力検出用共振器２０のインターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０が凸状に変形したためである。即ち、圧電基板１０の歪みが生じた部分の弾性表面波の伝搬速度が変化すると共に、インターデジタルトランスデューサ２１の電極指の配列ピッチが変化し、この２つの作用によって共振周波数が低周波側にシフトしたことになる。
【００４２】
ここで共振周波数の変化量と圧力の関係を事前に求めておくことにより、共振周波数の変化を測定することで、圧力に換算することができる。
【００４３】
ここで、本発明の圧力センサにおいて特徴的な点は、図４（ｂ）に実線で示す圧力検出用共振器２０の圧力変動後（加圧状態）の共振特性において、共振周波数の挿入損失の劣化がないことである。
【００４４】
比較のために、図７に示した圧力センサ１００において、圧電基板１１０上面に形成される圧力検出用共振器１２０の拡大図とこの圧力変動前（大気圧状態）と変動後（加圧状態）の共振特性を図８に示す。
【００４５】
図８（ａ）は図７に示した圧力センサ１００の圧力検出用共振器１２０の断面の拡大図であり、図８（ｂ）は圧力検出用共振器１２０の圧力変動前後の共振特性を示している。図８（ｂ）における点線の共振特性は圧力変動前（大気圧状態）であり、実線の共振特性は圧力変動後（加圧状態）である。
【００４６】
図８（ｂ）において、実線で示す圧力変動後（加圧状態）の共振特性は、本発明である図４（ｂ）の圧力変動後（加圧状態）の共振特性と同様に共振周波数が低周波側にシフトしているが、図８（ｂ）においては圧力変動後（加圧状態）の挿入損失に劣化がみられるのがわかる。これは、圧力変動によるインターデジタルトランスデューサ２１の変形にその両側の反射器２２が連動せず、反射器２２の反射効率が低下したため、圧力検出用共振器２０のエネルギー閉じ込め効果が十分でないためと考えられる。
【００４７】
以上の実験結果より明らかなように、本発明の圧力センサにおいては、圧力検出用共振器２０の反射器２２直下での圧電基板１０の厚みをインターデジタルトランスデューサ２１の近傍でインターデジタルトランスデューサ２１の直下領域と等しくし、且つインターデジタルトランスデューサ２１より離れるに従って漸次厚くしたことから、圧力変動によるインターデジタルトランスデューサ２１の変形にその両側の反射器２２も追随するため、圧力変動による反射器２２の反射効率低下が抑制されるので、圧力検出用共振器２０内への弾性表面波のエネルギー閉じ込め効果の大きい、損失の少ない共振特性を得ることができる。
【００４８】
また、本発明の圧力センサはタイヤ状態監視装置（ＴＰＭＳ）等に用いることができる。その場合の送信系のブロック図を図５に示す。図５においては、本発明の圧力センサを圧力検出用回路７０と局発・リファレンス回路８０に応用した例である。すなわち、圧力検出用共振器２０は圧力検出用回路７０の共振器として、また、局部発振用共振器３０は局発・リファレンス回路８０の共振器として使用される。
【００４９】
ここで局部発振用共振器３０は図１（ａ）に示すように、圧電基板１０とこの上面に形成されたインターデジタルトランスデューサ３１、反射器３２、パッド電極３３から構成される。そして、局部発振用共振器としての機能の他に、圧力検出用共振器の温度変化による影響を補正する為のリファレンスとして機能させることも可能である。
【００５０】
次に本発明の他の実施形態に係る圧力センサについて図６を用いて説明する。尚、本実施形態においては先に述べた実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の構成要素については同一の参照符を用いて重複する説明を省略するものとする。
【００５１】
図６は本実施形態の圧力センサ２を模式的に示す断面図である。本実施形態の圧力センサ２が先に述べた圧力センサ１と異なる点は、圧電基板１０に形成された凹部４０の内壁面と底面とが交差する角部に曲面（凹曲面）４１が形成されていることである。これによって、凹部４０の内壁面と底面との接続部に角が形成されておらず、曲面４１としているため、凹部４０に圧力が印加された際に、内壁面と底面との接続部への応力集中を防止し、機械的強度を向上させることが出来る。また、凹部４０の内壁面と底面との接続部に曲面が形成されることにより、その部分によるバルク波の反射方向が分散されることになる。インターデジタルトランスデューサにおいては弾性表面波の他にバルク波も発生し、それが圧電基板の底面で反射して再びインターデジタルトランスデューサに達するとバルク波スプリアスとなって電気特性を悪化させるが、バルク波の反射方向が分散されることによって電気特性の悪化を抑制する効果も奏することができる。
【００５２】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更・改良などが可能である。
【００５３】
例えば、上述した実施形態においては、圧電基板１０の上に圧力検出用共振器２０と局部発振用共振器３０を形成した例を示したが、圧力検出用共振器２０のみを形成するようにしても構わない。
【００５４】
また、上述した実施形態においては、インターデジタルトランスデューサ２１の形成領域付近のみに凹部４０を形成したが、凹部４０の形成領域を弾性表面波の伝搬方向に対して垂直な方向に拡張しても良く、その方向において圧電基板１０の端部に達するようにしても構わない。これにより、圧電基板１０のインターデジタルトランスデューサ２１の直下の領域における、圧力による変形量を大きくし、圧力に対する感度を高めることが出来る。
【００５５】
更に、上述した実施形態においては、環状電極５１と、環状導体６１と、両者を接続する半田６２とによって振動空間６３を気密封止するようにしたが、これらには樹脂の流入を防ぐダムとしての機能のみを持たせ、樹脂５０によって気密封止するようにしても構わない。
【００５６】
また更に、上述の実施形態においては、本発明を一端子対共振器に適用した例について説明したが、本発明と同様に弾性表面波のエネルギー閉じ込め効果を利用した設計手法を用いた共振器やフィルタ等に適用可能である。
【００５７】
また本発明は、二端子対共振器や多重モードフィルタ等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態にかかる圧力センサの上面図、（ｂ）は（ａ）の圧力センサのＡ―Ａ’線断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる圧力センサを基板に実装した状態を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる圧力センサの圧力測定系を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の一実施形態にかかる圧力センサの主要部に用いられる圧検出用共振器の断面図、（ｂ）は（ａ）の圧力検出用共振器の共振特性を示す図である。
【図５】本発明の圧力センサをタイヤ状態監視装置（ＴＰＭＳ）に適用した場合の実施形態を示す送信系のブロック図である。
【図６】本発明の他の実施形態にかかる圧力センサを模式的に示す断面図である。
【図７】（ａ）は従来の圧力センサの課題を解決すべく検討されている圧力センサを模式的に示す平面図、（ｂ）は（ａ）の圧力センサの断面図である。
【図８】（ａ）は従来の圧力センサの課題を解決すべく検討されている圧力センサに用いられる圧力検出用共振器の断面図、（ｂ）は（ａ）の圧力センサの圧力検出用共振器の共振特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、２・・・圧力センサ
１０・・・圧電基板
２０・・・圧力検出用共振器
２１・・・インターデジタルトランスデューサ
２１ａ、２１ｂ・・・櫛歯状電極
２２・・・反射器
２３・・・パッド電極
３０・・・局部発振用共振器
３１・・・インターデジタルトランスデューサ
３２・・・反射器
３３・・・パッド電極
４０・・・凹部
５０・・・樹脂
５１・・・環状電極
６０・・・基板
６１・・・環状導体
６２・・・半田
６３・・・振動空間
７０・・・圧力検出用回路
８０・・・局発・リファレンス回路
９０・・・ガスチャンバー
９１・・・窒素ボンベ
９２・・・圧力計
９３・・・ネットワークアナライザ
【図１】
2005181305.tif 000003
【図２】
2005181305.tif 000004
【図３】
2005181305.tif 000005
【図４】
2005181305.tif 000006
【図５】
2005181305.tif 000007
【図６】
2005181305.tif 000008
【図７】
2005181305.tif 000009
【図８】
2005181305.tif 000010