(57)【要約】【課題】圧力センサの機械的性質から生ずることがある検出精度の劣化を抑制、あるいは防止することのできる圧力センサ用感圧素子を提供する。【解決手段】ダイヤフラム１２を有する圧力センサ１０における前記ダイヤフラム１２に形成された対を成す支持部１８に載置される圧力センサ用感圧素子であって、前記感圧素子（圧電振動片２０）は前記支持部１８に固定される２つの基部２２と前記基部２２間に位置する振動部２４とを有し、前記基部２２の固定部から前記振動部２４までの間に切欠き２２ａ，２２ｂを設けたことを特徴とする。このような構成の感圧素子において、前記切欠き２２ａ，２２ｂは、前記圧電振動片２０を構成する素子片の幅方向に沿って形成することが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムを有する圧力センサにおける前記ダイヤフラムに形成された対を成す支持部に載置される圧力センサ用感圧素子であって、
前記感圧素子は前記支持部に固定される２つの基部と前記基部間に位置する感圧部とを有し、前記基部の固定部から前記感圧部までの間に切欠きを設けたことを特徴とする圧力センサ用感圧素子。
【請求項２】
前記切欠きは、前記感圧素子を構成する素子片の幅方向に沿って形成したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ用感圧素子。
【請求項３】
前記切欠きは、間欠的に形成したことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ用感圧素子。
【請求項４】
前記切欠きは、前記素子片の表裏側から、それぞれの切欠きが互い違いな位置関係となるように複数形成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧力センサ用感圧素子。
【請求項５】
前記切欠きは、前記感圧素子を構成する素子片の厚み方向に沿って形成したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ用感圧素子。
【請求項６】
前記感圧素子は双音叉型圧電振動片とし、前記切欠きは、素子片の幅方向端部の対称位置に形成したことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ用感圧素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧力センサ用感圧素子を支持部に固定したダイヤフラムを有する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、圧力センサ用感圧素子、及びこの感圧素子を搭載した圧力センサに係り、特に圧電素子とダイヤフラムを介して圧力を検出する圧力センサに好適な圧力センサ用感圧素子、及びこの感圧素子を搭載した圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子とダイヤフラムを用いた圧力センサとしては、特許文献１に開示されているようなものを挙げることができる。特許文献１に開示されている圧力センサとは、図６に示すような形態のものである。なお、図６において図６（Ａ）は、同図（Ｂ）におけるＡ−Ａ断面を示す図であり、図６（Ｂ）は、圧力センサの断面図である。その具体的構成は、対向して配置される一対のダイヤフラム２，４を基本とする。そして前記対を成すダイヤフラム２，４のうちの一方のダイヤフラム２には、その薄肉部２ａに、感圧素子としての圧電振動片３を配置、固定するための対を成す支持部２ｂが形成されている。そして、圧力センサ１は、前記支持部２ｂ間に配置される圧電振動片３と、一対のダイヤフラム２，４の薄肉部２ａ，４ａ間に配置され、一対のダイヤフラム２，４の薄肉部２ａ，４ａの変形を互いに伝達することを可能とする支柱５を有する。
【０００３】
このような構成の圧力センサ１によれば、ダイヤフラム２における薄肉部２ａの変位に伴い、感圧素子としての圧電振動片３に引張、あるいは圧縮方向の力が負荷される。そして、圧電振動片３は、上述のようにして引張あるいは圧縮方向の力（応力）が加えられると、発振周波数（共振周波数）に変化が生じる。圧電振動片３が、図６に示すような双音叉型振動片である場合には、弦楽器の弦のような作用効果を有する。そして、ダイヤフラム２に負荷された圧力の検出は、圧力の負荷によって変化した周波数を読み取り、その変化の割合に応じてルックアップテーブル等によって定められた圧力が導き出される。
【特許文献１】特開２００４−１３２９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような構成の圧力センサ１では、感圧素子としての圧電振動片３にはダイヤフラム２の変形に倣った変形（変位）が加えられることとなる。すなわち、引張、あるいは圧縮の力が加えられる長手方向の変位と、ダイヤフラムの撓みによって生じる曲げ方向の力によって生ずる厚み方向の変位である。このような場合、図７に示すように、厚み方向の変位が、振動部３ａ、すなわち検出部にまで及ぶことがある。このような場合、ダイヤフラム２の変形に伴って生じる非線形的な変位である厚み方向の変位が振動部３ａの発振に影響を与える。このため、引張り、あるいは圧縮によって生じる周波数変化に基づいてダイヤフラム２に負荷された圧力を求めた場合には、実際の圧力との間にズレが生じ、検出精度が劣化するという虞がある。
そこで本発明では、圧力センサの機械的性質から生ずることがある検出精度の劣化を抑制、あるいは防止することのできる圧力センサ用感圧素子、及びこの感圧素子を搭載した圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためには、感圧素子の基部における固定部から、感圧素子の感圧部にかけて生ずる曲げ変形の範囲をできるだけ狭い範囲に抑え、感圧部に対して非線形な力が及ばないようにすることができれば良い。
そこで、上記目的を達成するための本発明に係る圧力センサ用感圧素子は、ダイヤフラムを有する圧力センサにおける前記ダイヤフラムに形成された対を成す支持部に載置される圧力センサ用感圧素子であって、前記感圧素子は前記支持部に固定される２つの基部と前記基部間に位置する感圧部とを有し、前記基部の固定部から前記感圧部までの間に切欠きを設けたことを特徴とする。このような構成とすることにより、曲げ変形、すなわち厚み方向の変位は、前記切欠き形成箇所に集中することとなる。このため、感圧部に対して作用する非線形な力を抑制することが可能となる。
【０００６】
また、上記構成の圧力センサ用感圧素子において、前記切欠きは、前記感圧素子を構成する素子片の幅方向に沿って形成すると良い。素子片の幅方向に沿って切欠きを形成することにより、切欠き形成部における素子片の厚みは減少することとなる。したがって当該部分における曲がり易さは増大することとなり、切欠き形成部分は他の部分よりも大きく曲がることとなる。したがって、厚み方向の変位は当該部分に集中することとなり、感圧部にまで及ぶことが無くなる。
【０００７】
また上記のような特徴を有する圧力センサ用感圧素子では、前記切欠きは、間欠的に形成することが望ましい。切欠きを間欠的に設けるようにすることによれば、素子片の機械的強度を極端に劣化させることなく、素子片の曲がり易さを増加させることが可能となる。
【０００８】
また上記のような特徴を有する圧力センサ用感圧素子では、前記切欠きは、前記素子片の表裏側から、それぞれの切欠きが互い違いな位置関係となるように複数形成するようにすると良い。素子片の表裏にそれぞれ切欠きを形成することにより、変位の生じ易い箇所に切欠きを設けることが可能となる。また、切欠きを複数形成する構成とすることにより、個々の切欠きの深さ、幅を小さくした場合であっても高い効果を得ることが可能となる。したがって、素子片の機械的強度を極端に劣化させることなく高い効果を得ることが可能となる。
【０００９】
また、上記構成の圧力センサ用感圧素子において、前記切欠きは、前記感圧素子を構成する素子片の厚み方向に沿って形成するようにしても良い。このような構成とした場合であっても、切欠き形成部分の曲げ易さを向上させることができ、感圧部に対する厚み方向の変位の影響を抑制することが可能となる。
【００１０】
また、上記のような特徴を有する圧力センサ用感圧素子では、前記感圧素子は双音叉型圧電振動片とし、前記切欠きは、素子片の幅方向端部の対称位置に形成することが望ましい。双音叉型圧電振動片は、負荷応力の検出精度が高く、圧力センサの精度を向上させることができる。また、切欠きを対象位置に設けるようにすることで、感圧部（振動部）によって発生された振動が素子片の一部へ偏った影響を及ぼすという事態を避けることが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る圧力センサは、上記いずれかに記載の圧力センサ用感圧素子を支持部に固定したダイヤフラムを有することを特徴とする。このような構成とすることにより、感圧部に作用する非線形な力を抑制することができるため、圧力センサの精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の圧力センサ用感圧素子、及び圧力センサに係る実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であり、本発明の技術的範囲は以下の実施形態に拘束されるものでは無い。
【００１３】
まず、図１を参照して本発明の圧力センサに係る実施の形態について説明する。なお、図１において図１（Ａ）は圧力センサの断面図を示し、図１（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示すものである。
本実施形態の圧力センサ１０は、ダイヤフラム１２と、このダイヤフラム１２と対向して設けられる容器１９、及び感圧素子としての圧電振動片２０とを基本構成とする絶対圧計である。
【００１４】
上記のような基本構成を有する圧力センサ１０のうち、前記ダイヤフラム１２は、外部（図１では下方）からの圧力を受け、この圧力によって変形する（撓みを生じさせる）薄肉部１６と、この薄肉部１６の周囲に形成される枠部１４とを基本構成とする。そして本実施形態のダイヤフラムは薄肉部１６の一方の面に、前記圧電振動片２０を載置、固定するための支持部１８を有する。前記支持部１８は詳細を後述する圧電振動片２０を２点で支持するために設けられるものであり、圧電振動片２０の両端部を固定するために、対を成すように形成されている。
【００１５】
本実施形態で採用する圧電振動片２０は、いわゆる双音叉型の振動片である。双音叉型の振動片は、両端部に基部２２を有し、この２つの基部２２の間に双音叉形状を成す振動部（感圧部）２４を有する。このような構成の双音叉型の振動片では、双音叉形状を成す振動部２４に与える張力を変化させることで、その振動状態、すなわち共振周波数を変化させるという特性を持つ。具体的には、振動部２４に引張の力が加えられた場合には周波数が高くなり、圧縮の力が加えられた場合には周波数が低くなるのである。
【００１６】
そして、本実施形態の圧電振動片２０には、前記基部２２における前記支持部１８への固定部分と、前記振動部２４との間に、複数の切欠き２２ａ，２２ｂが設けられている。前記切欠き２２ａ，２２ｂは、圧電振動片２０の幅方向に形成されたいわゆる溝であり、圧電振動片２０の表裏面に対してそれぞれ互い違いな位置関係となるように形成されている。本実施形態に係る圧力センサ１０では、詳細を後述するように、感圧時には圧電振動片２０の基部２２と振動部２４との間に変位が生ずる。
【００１７】
このため、当該部分に上記のような切欠き２２ａ，２２ｂを形成することで、基部２２から振動部２４にかけての曲がり易さを増加させることができる。よって、ダイヤフラム１２の変形に伴って圧電振動片２０に負荷される曲げ応力を、前記切欠き２２ａ，２２ｂ形成部分に集中させることができる。したがって、振動部２４に対して曲げ応力、すなわち厚み方向の変位が作用することを抑制することができ、図２に示すように、厚み方向の変位が作用する範囲を振動部２４の手前までに抑えることができる。すなわち、図２に示すような形態の場合、切欠き２２ａの開口部が広がる方向へ変形し、切欠き２２ｂの開口が狭まる方向へ変形することで、圧電振動片２０の部材表面に作用する圧縮、あるいは引張りの力を緩和することができ、結果として厚み方向の変位を狭い範囲に留めることが可能となるのである。
【００１８】
上記のような構成の圧電振動片２０を搭載した圧力センサ１０では、圧電振動片２０の周波数変化に作用する力が線形な力のみとなるため、周波数変化に伴う圧力の算出が容易となり、圧力検出の精度を向上させることができる。また、上記のような構成の圧電振動片２０では、変位を持ちやすい箇所に対して切欠き２２ａ，２２ｂを設けて当該部分の曲がり易さを増加させるようにしているため、曲げ応力による破壊が生じることを避けることができる。
【００１９】
本実施形態の圧力センサ１０は、上記のような圧電振動片２０の特性を利用して圧力の検出を行うことを可能としたものである。具体的には、上記のような特性を有する圧電振動片２０の２つの基部２２を、上記構成のダイヤフラム１２の薄肉部１６に形成した２つの支持部１８の載置面１８ａに固定する。このようにして圧電振動片２０をダイヤフラム１２に搭載し、前記ダイヤフラム１２の薄肉部１６に撓みを生じさせた場合、薄肉部１６は図２に示すような状態となる。薄肉部１６にこのような変形が生ずると、前記支持部１８の載置面１８ａは薄肉部１６の一方の面の変形状態に伴って傾くこととなる。図２のように、図中下側から上側へ向けて負荷をかけられた場合には、前記支持部１８の載置面１８ａは薄肉部１６の外側へ向けて傾くこととなる。このため、前記載置面１８ａ間の距離は実質的に増加することとなり、前記載置面１８ａに固定された圧電振動片２０の振動部２４には引張の力（張力）が負荷されることとなる。
【００２０】
振動部２４に張力が負荷されると圧電振動片２０は上述したように、出力される発振信号、すなわち周波数が増大させる。そして図示しない検出部ではこの周波数の変化を検出し、周波数の変化に基づく圧力の変化を導き出すことで、ダイヤフラム１２に負荷された圧力を検出することが可能となるのである。
【００２１】
上述したように、本実施形態の圧力センサ１０は絶対圧計である。したがって、圧力センサ１０を構成するためには、圧力の基準となる真空封止部を構成する必要がある。前記容器１９は、前記真空封止部を構成するための凹部１９ａを備えたものである。前記容器１９の構成材料は、ガラスや水晶等であれば良く、前記ダイヤフラム１２との接合は、封止部の気密性を保つために、直接接合や、陽極接合とすると良い。なお、ダイヤフラム１２と容器１９との接合によって構成されるキャビティ１０ａを真空とする観点から、両者（ダイヤフラム１２と容器１９）の接合は、真空中で行うようにする。
【００２２】
なお、上記実施形態では、切欠き（溝）２２ａ，２２ｂは圧電振動片２０の表裏面に複数形成する旨記載した。しかしながら、振動部２４に作用する厚み方向の変位を抑制する効果を奏するためには、必ずしも複数の切欠き２２ａ，２２ｂを形成する必要は無い。例えば、図３に示すように、圧電振動片２０の基部２２における下面側、すなわちダイヤフラム１２に負荷をかけた際に生じる曲がりの内側となる面、あるいは上面側のいずれか一方の面のみに切欠き２２ａあるいは切欠き２２ｂ（不図示）を形成するようにしても良い。
【００２３】
このような構成とすることにより、切欠き２２ａ（２２ｂ）を形成した部分における圧電振動片２０の材料厚みは、切欠き２２ａの底部から反対側の面までとなる。したがって切欠き２２ａを形成した部分の断面係数Ｚは小さくなる。ここで、切欠き２２ａを形成した部分に作用する曲げモーメントをＭとした場合、曲げ応力σは、
【数１】
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で表すことができるため、断面係数Ｚが小さくなることにより、当該部分に作用する曲げ応力は大きくなるということができる。したがって、作用する曲げ応力が大きくなることにより、当該部分の曲がりは大きくなり、厚み方向の変位が作用する範囲を狭めることが可能となるのである。
【００２４】
次に、図４を参照して本発明の圧力センサ用感圧素子に係る第２の実施形態について説明する。本実施形態の感圧素子も、第１の実施形態と同様に、双音叉型の圧電振動片を例に挙げて説明する。なお、図４において、図４（Ａ）は圧電振動片の一方の基部の平面形状を示す図であり、図４（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を、図４（Ｃ）は同図（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面をそれぞれ示す図である。
【００２５】
本実施形態の圧電振動片１２０の基本的構成は上述した第１の実施形態に係る圧電振動片２０と同様である。したがって、その作用を同様とする箇所には図面に１００を足した符号を付してその詳細な説明は省略することとする。第１の実施形態に係る圧電振動片２０と本実施形態に係る圧電振動片１２０との相違点は、切欠き２２ａ，２２ｂの形成形態にある。すなわち、本実施形態の圧電振動片１２０では、基部１２２に形成する切欠き１２２ａ，１２２ｂを、幅方向に対して間欠的なものとしているのである。また、好適には、図４に示すように、表裏に形成する切欠き１２２ａと切欠き１２２ｂとの位置（間欠状態）を相互にずらして形成することが望ましい。
【００２６】
切欠き１２２ａ，１２２ｂの形成を幅方向に対して間欠的とすることにより、切欠き１２２ａ，１２２ｂを形成しない部分により圧電振動片２０の機械的強度を保つことが可能となる。このため、切欠き１２２ａ，１２２ｂを形成する部分の切欠き深さを深くすることができる。矩形断面における断面係数Ｚは、
【数２】
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で表すことができるため、このような構成とした場合であっても、切欠き１２２ａ，１２２ｂの形成部分の曲げ易さを増大させることができる。
【００２７】
また、圧電振動片２０の表面側に形成する切欠き１２２ａの形成位置と、裏面側に形成する切欠き１２２ｂの形成位置とを相互にずらす構成とすることにより、一方の面において溝形成が無い箇所に生ずる曲げ応力を、他方の面に形成した溝部で相殺することができるようになる。このため、全体としての機械的強度を保ちながら、曲げの発生する範囲、すなわち厚み方向の変位の生ずる範囲を狭めることが可能となる。
【００２８】
次に、図５を参照して本発明に係る圧力センサ用感圧素子に係る第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態の感圧素子も、上記第１、第２の実施形態と同様に、双音叉型の圧電振動片を例に挙げることとする。
本実施形態の圧電振動片２２０も、その基本的構成は上述した第１の実施形態に係る圧電振動片と同様である。したがって、その作用を同様とする箇所には図面に２００を足した符号を付してその詳細な説明は省略することとする。第１の実施形態に係る圧電振動片２０と本実施形態に係る圧電振動片２２０との相違点は、切欠き（溝）の形成形態にある。本実施形態の圧電振動片２２０では、上記第１、第２の実施形態と異なり、切欠き２２２ｃを、厚さ方向に向かって形成したことを特徴とする。そして前記切欠き２２２ｃは、基部２２２の幅方向端部の対称位置に形成するようにし、基部２２２と振動部２２４との間にくびれ部を形成するようにしている。
【００２９】
本実施形態のような構成の圧電振動片２２０であっても、上記第１、第２の実施形態に係る圧電振動片２０，１２０と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態に係る圧電振動片２２０のように、厚み方向に対して切欠き２２２ｃを形成した場合であっても、その断面における幅が減少することとなる。この場合、上記数式２より、断面係数Ｚも減少するということができる。断面係数Ｚが減少した場合、当該部分に作用する曲げ応力σは増大することとなるため、前記くびれ部の曲がりは他の部分よりも大きくなる。したがって、厚み方向の変位が作用する範囲をくびれ部に集中させることができ、厚み方向の変位が作用する範囲を狭めることが可能となるのである。
【００３０】
上記実施形態ではいずれも、感圧素子として双音叉型圧電振動片を例に挙げて説明したが、本発明は、感圧素子をＡＴカット圧電振動片や、ＳＡＷ素子片とした場合であっても適用することができる。また、感圧素子をＡＴカット圧電振動片やＳＡＷ素子片とした場合には、第３の実施形態における切欠きは、素子片の幅方向における中央に設けるようにすることもできる。
【００３１】
また、上記実施形態では、本発明に係る圧力センサとして絶対圧計を挙げて説明したが、本発明の感圧素子は、相対圧計を構成する場合にも適用することができる。具体的構成は、例えば従来技術の項で説明した図６に示す圧力センサにおける感圧素子を、本発明に係る感圧素子に置き換えることによって構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る圧力センサの構成を示す図である。
【図２】ダイヤフラムの変形に伴う感圧素子の変形状態を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る感圧素子の変形形態である。
【図４】第２の実施形態に係る感圧素子を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る感圧素子を示す図である。
【図６】従来の圧力センサの形態を示す図である。
【図７】従来の圧力センサにおけるダイヤフラムの変形に伴う感圧素子の変形状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０………圧力センサ、１２………ダイヤフラム、１４………枠部、１６………薄肉部、１８………支持部、１９………容器、２０………圧電振動片、２２………基部、２４………振動部。
【図１】
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【図２】
2007333452.tif 000006
【図３】
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【図４】
2007333452.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
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