(57)【要約】【課題】地熱発電設備、工業用ガスタービンおよび航空機のジェットエンジン等の、雰囲気温度が４００℃以上となるような高温環境下においても圧力を精度よく検出できるようにするために、共振型圧力センサの耐熱性を向上させつつ、耐久性を向上させる。【解決手段】圧力に応じて共振周波数が変化する振動子を有するセンサ素子と、圧力をセンサ素子に伝達する圧力伝達部と、を備える共振型圧力センサであって、振動子は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む材料により形成されることを特徴とする。【選択図】図１
2017020821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力に応じて共振周波数が変化する振動子を有するセンサ素子と、
前記圧力を前記センサ素子に伝達する圧力伝達部と、
を備える共振型圧力センサであって、
前記振動子は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む材料により形成されることを特徴とする、共振型圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の共振型圧力センサであって、
内孔を有し、前記内孔に前記センサ素子を収容する筒状の収容部をさらに備え、
前記圧力伝達部は、前記内孔を閉塞し、前記圧力に応じて撓む可撓面を備えるダイヤフラムを有し、
前記センサ素子は、前記可撓面に配置され、前記可撓面の撓みの度合いに応じて前記圧力を検出することを特徴とする、共振型圧力センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の共振型圧力センサであって、
前記ダイヤフラムは、金属により形成されることを特徴とする、共振型圧力センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の共振型圧力センサであって、
前記圧力伝達部は、軸状に延びて前記圧力に応じて軸方向に変形する軸部材を有し、
前記センサ素子は、前記軸部材の側面に配置され、前記軸部材の変形の度合いに応じて前記圧力を検出することを特徴とする、共振型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下で使用される共振式圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種形態の圧力センサが知られている。例えば、特許文献１には、振動子に直交する磁界と駆動電流により生じるローレンツ力により振動子を共振させる圧力センサが開示されている。特許文献２には、シリコン（Ｓｉ）により形成された振動子を有し、静電気力を利用した共振振動により圧力に応じた振動周波数の変化を検出する圧力センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０４６９６７号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、地熱発電所、ガスタービンおよびジェットエンジン等の、雰囲気温度が４００℃以上となるような高温環境下において、圧力を精度よく検出したいという要請がある。しかしながら、特許文献１の圧力センサは、磁性材料の耐熱性の観点から１００℃以上の使用には適さない。また、特許文献２の圧力センサは、シリコンにより形成された振動子を用いるため、上述のような高温環境下での使用は、耐熱性および耐久性の観点から望ましくなく測定精度を低下させるおそれがある。また、地熱発電設備等における圧力測定では、雰囲気のガスによりシリコンの化学的安定性が損なわれて、測定精度が低下するおそれがある。このため、圧力センサの耐熱性および耐久性をより一層向上させ、高温環境下においても圧力を精度よく検出できる技術が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、共振型圧力センサが提供される。この共振型圧力センサは、圧力に応じて共振周波数が変化する振動子を有するセンサ素子と、前記圧力を前記センサ素子に伝達させる圧力伝達部と、を備える共振型圧力センサであって；前記振動子は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む材料により形成されることを特徴とする。この形態の共振型圧力センサによれば、高い耐熱性を有するＳｉＣを含む材料により振動子が形成されているので、共振型圧力センサの耐熱性および耐久性を向上できる。
【０００７】
（２）上記形態の共振型圧力センサにおいて、内孔を有し、前記内孔に前記センサ素子を収容する筒状の収容部をさらに備え；前記圧力伝達部は、前記内孔を閉塞し、前記圧力に応じて撓む可撓面を備えるダイヤフラムを有し；前記センサ素子は、前記可撓面に配置され、前記可撓面の撓みの度合いに応じて前記圧力を検出してもよい。この形態の共振型圧力センサによれば、センサ素子がダイヤフラムの可撓面に配置されているので、共振型圧力センサの感度を向上できる。
【０００８】
（３）上記形態の共振型圧力センサにおいて、前記ダイヤフラムは、金属により形成されてもよい。この形態の共振型圧力センサによれば、ダイヤフラムの耐久性を向上でき、高圧環境下におけるダイヤフラムの破損を抑制できる。
【０００９】
（４）上記形態の共振型圧力センサにおいて、前記圧力伝達部は、軸状に延びて前記圧力に応じて軸方向に変形する軸部材を有し；前記センサ素子は、前記軸部材の側面に配置され、前記軸部材の変形の度合いに応じて前記圧力を検出してもよい。この形態の共振型圧力センサによれば、軸部材が圧力を伝達するので、共振型圧力センサを細径化できる。
【００１０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、センサ素子、センサ素子の製造方法、共振型圧力センサの製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態としての共振型圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】センサ素子１０の概略構成を示す斜視図である。
【図３】振動子１００の概略構成を示す斜視図である。
【図４】センサ素子１０の基板１１における各部位ごとの断面構成を示す概略断面図である。
【図５】電極部１５０における振動の発生を説明するための模式図である。
【図６】センサ素子１０を駆動するための励振回路３０の構成を示す概略図である。
【図７】振動子１００の共振状態を説明するための模式図である。
【図８】外力によるセンサ素子１０の共振周波数の変化を説明するための模式図である。
【図９】本実施形態のセンサ素子１０の周波数特性を説明するための説明図である。
【図１０】第２実施形態としての圧力センサ４００Ａの概略構成を示す断面図である。
【図１１】第３実施形態としての圧力センサ４００Ｂの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．共振型圧力センサの構造：
図１は、本発明の第１実施形態としての共振型圧力センサの概略構成を示す断面図である。共振型圧力センサ（以下、「圧力センサ」とも呼ぶ）４００は、共振式センサにより構成され、高温環境下における気体圧力等の計測に用いられる。例えば、地熱発電設備における蒸気圧の測定、オイルまたはガスプラントにおけるガス圧の測定、工業用ガスタービン内の圧力測定、航空機のジェットエンジン内の圧力測定等に用いられる。図１では、圧力センサ４００の中心軸ＣＬ１を一点鎖線で示し、中心軸ＣＬ１とそれぞれ直交し、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を示している。以降の説明では、中心軸ＣＬ１に沿った一端側であって、後述する開口端部部材４１５が配置されている側を先端側と呼び、中心軸ＣＬ１に沿った他端側であって、後述するセラミック基板４６０が配置されている側を後端側と呼ぶ。図１では、測定対象の圧力を受ける方向を白抜きの矢印で示し、圧力が伝達される方向を実線の矢印で示している。
【００１３】
圧力センサ４００は、ケーシング４１０と、開口端部部材４１５と、圧力伝達部４５０と、センサ素子１０と、セラミック基板４６０とを備える。
【００１４】
ケーシング４１０は、円筒状の外観形状を有し、中心軸ＣＬ１に沿って配置されている。ケーシング４１０は、外部ケーシング４１１と、内部ケーシング４１２とを備える。外部ケーシング４１１は、両端が開口している円筒状の外観形状を有し、圧力センサ４００の筐体として機能する。内部ケーシング４１２は、両端が開口し先端側が鍔状の略円筒状の外観形状を有し、外部ケーシング４１１の内孔に外部ケーシング４１１と軸線が一致する状態で収容されている。内部ケーシング４１２は、内孔４１３を有し、かかる内孔に、圧力伝達部４５０の一部とセンサ素子１０とセラミック基板４６０とを収容している。
【００１５】
開口端部部材４１５は、円環状の外観形状を有し、圧力センサ４００の先端側の端部に配置されている。開口端部部材４１５は、外部ケーシング４１１の外径とほぼ同じ外径を有すると共に、内部ケーシング４１２の内径とほぼ同じ内径を有する。
【００１６】
圧力伝達部４５０は、受圧板４２０と、圧力伝達ロッド４２１と、ダイヤフラム４３０とを有する。圧力伝達部４５０は、測定対象の圧力をセンサ素子１０に伝達する。
【００１７】
受圧板４２０は、円盤状の外観形状を有し、ケーシング４１０と開口端部部材４１５との間に配置されている。受圧板４２０の外周縁部は、内部ケーシング４１２の先端側の端面と、開口端部部材４１５の後端側の端面とにより狭持されている。これにより、受圧板４２０は、ケーシング４１０の先端側の開口を密閉している。受圧板４２０は、圧力の測定対象となる気体に曝され、その圧力に応じて厚み方向（中心軸ＣＬ１に沿った方向）に湾曲する。
【００１８】
圧力伝達ロッド４２１は、円柱状の外観形状を有し、受圧板４２０とダイヤフラム４３０とを連結している。圧力伝達ロッド４２１の先端側の端面は、受圧板４２０の後端側の端面の中央部と面接触している。圧力伝達ロッド４２１は、受圧板４２０の湾曲変形によって中心軸ＣＬ１に沿った方向に生じる力をダイヤフラム４３０に伝達する。
【００１９】
ダイヤフラム４３０は、内部ケーシング４１２の内孔４１３を閉塞している。ダイヤフラム４３０は、可撓部４３１と、外周縁部４３２と、連結軸部４３３とを有する。可撓部４３１は、平面視略円形の薄膜状の外観形状を有し、圧力センサ４００の中心軸ＣＬ１と直交して配置され、厚み方向（中心軸ＣＬ１に沿った方向）に弾性的に撓む。外周縁部４３２は、円環状の外観形状を有し、先端側が可撓部４３１の外周に接続されている。外周縁部４３２は、その外周において、内部ケーシング４１２の内孔４１３に固定されている。連結軸部４３３は、可撓部４３１の中央部と圧力伝達ロッド４２１とを連結し、圧力伝達ロッド４２１から伝達される力に応じて可撓部４３１を撓ませる。本実施形態において、ダイヤフラム４３０は、ＳＵＳ６３０により形成されている。
【００２０】
センサ素子１０は、ダイヤフラム４３０の可撓部４３１において、連結軸部４３３とは反対側の面Ｓ１（以下、「可撓面Ｓ１」と呼ぶ）の中央部に配置されている。センサ素子１０は、後述するビーム部１１１の延伸方向が、可撓面Ｓ１に沿った方向と一致するように配置されている。センサ素子１０は、可撓面Ｓ１の撓みの度合いに応じて外力を受け、その外力に応じた周波数の信号を出力することで、圧力を検出する。センサ素子１０の詳細な構成については、後述する。
【００２１】
セラミック基板４６０は、ダイヤフラム４３０の後端側に配置され、センサ素子１０と電気的に接続されている。セラミック基板４６０には、センサ素子１０と、後述する励振回路３０とを電気的に接続するための導電パターンが形成されている。
【００２２】
Ａ−２．センサ素子の構成：
図２は、センサ素子１０の概略構成を示す斜視図である。センサ素子１０は、共振式センサにおける感応部として用いられる。センサ素子１０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む基板１１に振動子１００が形成された構造を有する。振動子１００は、基板１１の表面に沿った所定の方向に付与される外力に応じて、その共振周波数が変化する。基板１１は、ＳｉＣ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒにより形成されている。このため、振動子１００は、ＳｉＣを含む材料により形成されている。
【００２３】
ここで、ＳｉＣの耐熱温度（ＳｉＣ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒとしての耐熱温度）は、約５００℃であり、シリコンの耐熱温度は、約４００℃である。このため、本実施形態におけるセンサ素子１０は、振動子１００をシリコンにより形成する構成と比べて耐熱性を向上できる。したがって、圧力センサ４００の耐熱性を向上でき、高温環境下における圧力の測定精度を向上できる。高温環境の例として、地熱発電設備では約３７５℃、工業用ガスタービンおよび航空機のジェットエンジンでは約６００℃、オイルまたはガスプラントでは約２７５℃の耐熱性が要求される。なお、磁力を利用して圧力を検出する圧力センサは、磁性材料の耐熱性が１００℃程度であるため、このような高温環境下での使用には適さない。しかしながら、本実施形態の圧力センサ４００は、このような高温環境下での使用に耐え得る耐熱性を有し、特に４００℃以上の高温環境下においても、好適に使用することができる。
【００２４】
図３は、振動子１００の概略構成を示す斜視図である。図３には、センサ素子１０の基板１１の表面に平行な、互いに直交する矢印Ｘ，Ｙを示している。図３における矢印Ｘ，Ｙは、図１におけるＸ軸およびＹ軸とそれぞれ対応する。矢印Ｘは、後述する本体振動部１１０におけるビーム部１１１の延伸方向と平行な方向を示す。矢印Ｙは、ビーム部１１１の振動方向と等しい。以降の説明では、矢印Ｘの示す方向に平行な方向を「Ｘ軸方向」と呼び、矢印Ｙが示す方向に平行な方向を「Ｙ軸方向」と呼ぶ。
【００２５】
振動子１００は、本体振動部１１０と、２つの電極部１５０とを備える。本体振動部１１０は、枠形状を有する音叉振動子によって構成されており、２本のビーム部１１１と、２つの連結部１１２と、２つの固定部１１３とを備える。２本のビーム部１１１は略直線状に延びる柱状の部位であり、互いに平行に配列されている。２つの連結部１１２は各ビーム部１１１の端部同士をそれぞれ連結している。２つの固定部１１３は、各ビーム部１１１の両端側にそれぞれ配置されている略板状の部位であり、連結軸１１３ｓを介して各連結部１１２の中央に接続されている。本体振動部１１０は、２つの略Ｕ字状の音叉が開放端部において互いに結合された双音叉構造のものに相当する。
【００２６】
２つの電極部１５０は、本体振動部１１０を中心として、Ｙ軸方向に対称に配置されている。各電極部１５０は、可動電極１２０と、外側固定電極１３０と、内側固定電極１４０とを備える。なお、図３では、紙面手前側に図示された電極部１５０が有する外側固定電極１３０および内側固定電極１４０の図示を省略している。可動電極１２０は、中央基体部１２１と、延伸部１２２と、櫛歯部１２３ａ，１２３ｂとを有する。中央基体部１２１は、連結軸１１１ｓを介してビーム部１１１の中央部と連結されている。
【００２７】
延伸部１２２は、中央基体部１２１を中心としてＸ軸方向に対称な柱状の部位であり、本体振動部１１０のビーム部１１１と平行に延びている。櫛歯部１２３ａ，１２３ｂは、Ｙ軸方向に互いに並列に延びている複数（例えば数十個以上）の突起部によって構成されている。櫛歯部１２３ａ，１２３ｂの各突起部は、等間隔で配列されている。櫛歯部１２３ａ，１２３ｂは、延伸部１２２の本体振動部１１０と対向する側の面とその反対側の面とにそれぞれ設けられている。
【００２８】
外側固定電極１３０は、後述する励振回路３０から電圧が印加される駆動電極であり、可動電極１２０の外側に配置されている。ここで、「可動電極１２０の外側」とは、可動電極１２０に対して本体振動部１１０が配置されている側とは反対の側を意味する。外側固定電極１３０は、延伸部１３１と、櫛歯部１３２とを有する。外側固定電極１３０の延伸部１３１は、可動電極１２０の延伸部１２２と平行に延びている。
【００２９】
外側固定電極１３０の櫛歯部１３２は、延伸部１３１の側面に、櫛歯状の複数の並列な突起部として形成されている。外側固定電極１３０の櫛歯部１３２は、可動電極１２０の外側の櫛歯部１２３ａに対して互いに噛み合うように配置されている。すなわち、外側固定電極１３０の櫛歯部１３２と、可動電極１２０の外側の櫛歯部１２３ａとは、互いの各突起部が離間した状態で交互に配列されるように配置されている。
【００３０】
内側固定電極１４０は、可動電極１２０との間の静電容量の変動に伴って変動する電荷量を後述する励振回路３０に出力する検知電極であり、可動電極１２０の内側に配置されている。ここで、「可動電極１２０の内側」とは、可動電極１２０に対して、本体振動部１１０が配置されている側を意味する。各内側固定電極１４０は、２つに分離された延伸部１４１と、櫛歯部１４２とを有する。内側固定電極１４０の２つの延伸部１４１は、本体振動部１１０と可動電極１２０との間の連結軸１１１ｓを挟んでＸ軸方向に互いに対称に設けられており、可動電極１２０の延伸部１２２と平行に延びている。
【００３１】
内側固定電極１４０の櫛歯部１４２は、各延伸部１４１における可動電極１２０側の側面に、櫛歯状の複数の並列な突起部として形成されている。内側固定電極１４０の櫛歯部１４２は、可動電極１２０の内側の櫛歯部１２３ｂに対して互いに噛み合うように配置されている。すなわち、内側固定電極１４０の櫛歯部１４２と、可動電極１２０の内側の櫛歯部１２３ｂとは、互いの各突起部が離間した状態で交互に配列されるように配置されている。
【００３２】
図４は、センサ素子１０の基板１１における各部位ごとの断面構成を示す概略断面図である。図４（Ａ）は、本体振動部１１０が形成されている部位（図３のＡ−Ａ切断に相当する部位）の断面構成を示す。図４（Ｂ）は、可動電極１２０の櫛歯部１２３ａを構成する突起部と、外側固定電極１３０の櫛歯部１３２を構成する突起部とが交互に配列されている部位（図３のＢ−Ｂ切断に相当する部位）の断面構成を示す。図４（Ｃ）は、可動電極１２０の櫛歯部１２３ｂを構成する突起部と、内側固定電極１４０の櫛歯部１４２を構成する突起部とが交互に配列されている部位（図３のＣ−Ｃ切断に相当する部位）の断面構成を示す。
【００３３】
センサ素子１０の基板１１は、Ｓｉ基板１１ｂの上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の薄膜層である中間酸化膜層１１ｍと、Ｓｉ層１１ｎと、表面ＳｉＣ層１１ｓとが積層された積層構造を有する。振動子１００は、基板１１の表面ＳｉＣ層１１ｓとＳｉ層１１ｎと中間酸化膜層１１ｍとがエッチングされることによって形成されている。
【００３４】
図４（Ａ）に示すように、本体振動部１１０の固定部１１３は、中間酸化膜層１１ｍを挟んでＳｉ基板１１ｂ上にＳｉ層１１ｎと表面ＳｉＣ層１１ｓとが配置されることによって位置が固定されている。これに対して、本体振動部１１０の固定部１１３以外の部位（ビーム部１１１、連結部１１２、連結軸１１１ｓ，１１３ｓ）は、直下の中間酸化膜層１１ｍが除去されることによって、Ｓｉ層１１ｎと表面ＳｉＣ層１１ｓとがＳｉ基板１１ｂから離間して浮いた状態で固定部１１３に支持されている。
【００３５】
図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すように、電極部１５０の外側固定電極１３０および内側固定電極１４０は、中間酸化膜層１１ｍを挟んでＳｉ基板１１ｂ上にＳｉ層１１ｎと表面ＳｉＣ層１１ｓとが配置されることによって位置が固定されている。これに対して、電極部１５０の可動電極１２０の全体は、直下の中間酸化膜層１１ｍが除去されることによって、Ｓｉ層１１ｎと表面ＳｉＣ層１１ｓとがＳｉ基板１１ｂから離間して浮いた状態となり、連結軸１１１ｓを介して本体振動部１１０のビーム部１１１に支持されている。
【００３６】
本実施形態において、振動子１００は、センサ素子１０の表面ＳｉＣ層１１ｓの上に配置される図示しないガラス板により密封空間に収容されている。この密封空間は、基板１１とガラス板との接合が真空環境下で行なわれることにより、大気圧よりも減圧されている。なお、振動子１００は、ガラス板以外の部材によって形成された密封空間に収容されていてもよく、密封空間に収容されていなくてもよい。また、密封空間は、大気圧よりも減圧されていなくてもよい。
【００３７】
本実施形態において、ケーシング４１０は、請求項における収容部の下位概念に相当する。
【００３８】
Ａ−３．センサ素子の駆動：
図５は、電極部１５０における振動の発生を説明するための模式図である。図５は、電極部１５０における一部（可動電極１２０の櫛歯部１２３ａと外側固定電極１３０の櫛歯部１３２とが互いに噛み合っている部位）を斜視図によって模式的に示している。センサ素子１０の駆動時には、可動電極１２０と外側固定電極１３０との間に電圧が印加され、互いに対向している櫛歯部１２３ａ，１３２の間に静電気力が生じる。
【００３９】
上述したとおり、可動電極１２０の全体は、Ｓｉ基板１１ｂ（図４）から離間して浮いた状態で保持されているため、前記の静電気力の周期的な変動に応じて、外側固定電極１３０との間の距離が変動して振動する。可動電極１２０の振動によって、可動電極１２０と内側固定電極１４０との間の距離が変動して両電極１２０，１４０間の静電容量が変化するため、内側固定電極１４０における電荷量が変動する。
【００４０】
図６は、センサ素子１０を駆動するための励振回路３０の構成を示す概略図である。センサ素子１０は、励振回路３０と共に正帰還型の発振回路を構成し、固有の共振周波数で自励発振する。励振回路３０は、チャージアンプ部３１と、フィルター部３２と、コンパレーター部３３とを備える。
【００４１】
チャージアンプ部３１は、オペアンプ３１ａと、帰還抵抗器３１ｒと、帰還コンデンサー３１ｃとを備えた反転増幅回路として構成されている。オペアンプ３１ａのマイナス側入力端子は、検知端子１６ａを介してセンサ素子１０に接続されている。チャージアンプ部３１は、振動子１００の内側固定電極１４０における電荷量の変化を電圧信号に変換し、フィルター部３２に出力する。
【００４２】
フィルター部３２は、カップリングコンデンサー３２ｃと、入力抵抗器３２ｒａと、オペアンプ３２ａと、帰還抵抗器３２ｒｂとを備えた反転増幅回路として構成されている。カップリングコンデンサー３２ｃは、チャージアンプ部３１とのカップリングを行う。フィルター部３２は、カップリングコンデンサー３２ｃを通過した所定の周波数以上の信号を増幅するフィルターとして機能する。
【００４３】
コンパレーター部３３は、オペアンプ３３ａを備え、２つの入力端子の電圧を比較する非反転増幅回路として構成されておりフィルター部３２の出力を整形する。オペアンプ３３ａは、２つのコンプリメンタリーな出力を有する。オペアンプ３３ａのプラス側出力は、帰還抵抗器３３ｒを介してコンデンサー３３ｃが接続されたマイナス側の入力端子に接続されている。オペアンプ３３ａのマイナス側出力は、出力端子３３ｏに接続され、外部の図示しない信号検出部に対して、センサ素子１０を含んだ回路の共振周波数を示す信号を出力する。
【００４４】
励振回路３０は遅れのある正帰還回路として働くため、センサ素子１０は振動子１００の固有振動数に応じた共振状態で振動する。センサ素子１０を駆動するための励振回路としては、図６に示す励振回路３０に代えて、正帰還となる他の任意の励振回路を用いてもよい。
【００４５】
信号検出部は、クロック信号を生成するクロック生成部を備える。信号検出部は、センサ素子１０の出力信号と、クロック生成部で生成されたクロック信号とに基づいて、センサ素子１０の共振周波数を検出する。なお、信号検出部は、分周器をさらに備えていてもよく、分周された分周信号による共振周波数の変化を取得してもよい。
【００４６】
図７は、振動子１００の共振状態を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、静止状態のときの振動子１００の概略正面図であり、図７（Ｂ）は、共振状態のときの振動子１００の概略正面図である。なお、図７では、外側固定電極１３０および内側固定電極１４０の図示を省略している。また、図７には、振動子１００の仮想中心軸ＣＬ２を一点鎖線で示している。振動子１００は、センサ素子１０の駆動時に共振状態となる。
【００４７】
ここで、振動子１００の「共振状態」とは、本体振動部１１０の２本のビーム部１１１が仮想中心軸ＣＬ２を中心として左右対称に撓み振動している状態を意味する。本実施形態のセンサ素子１０では、共振状態のときには、本体振動部１１０の２本のビーム部１１１が可動電極１２０の変位によって、互いに反対方向に、同じ周期および同じ振幅で撓み振動する。
【００４８】
また、本実施形態のセンサ素子１０では、２つの可動電極１２０が、本体振動部１１０の２本のビーム部１１１と共に撓み振動する。可動電極１２０は、可動電極１２０の長さ太さ、密度および剛性を、本体振動部１１０の形状に応じて調整されることによって、共振状態のときに撓み振動する。
【００４９】
図８は、外力によるセンサ素子１０の共振周波数の変化を説明するための模式図である。図８は、振動子１００における本体振動部１１０の音叉部分を抜き出して模式的に示している。図８の上段は、静止状態のときの本体振動部１１０の音叉部分の概略斜視図であり、図８の下段は、共振状態のときの本体振動部１１０の音叉部分の概略正面図である。
【００５０】
本体振動部１１０の音叉部分は、２本のビーム部１１１のそれぞれに対して、Ｙ軸方向の励振力Ｆを同じタイミングで外部から付与されると共振状態になる。２本のビーム部１１１に対して励振力Ｆと直交する方向（Ｘ軸方向）に外力Ｐが付与されると、２本のビーム部１１１に応力が生じる。これによって、各ビーム部１１１の撓みやすさが変化し、本体振動部１１０の音叉部分の共振周波数が変化する。なお、本実施形態のセンサ素子１０において、励振力Ｆは可動電極１２０から付与され、外力ＰはＳｉ基板１１ｂ（図４）に固定されている本体振動部１１０の固定部１１３を介して付与される。
【００５１】
図９は、本実施形態のセンサ素子１０の周波数特性を説明するための説明図である。図９に示す周波数特性グラフにおいて、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅を示している。図９では、外力が付与されていない状態のときのセンサ素子１０の周波数特性グラフの一例を実線で示し、外力が付与されたときのセンサ素子１０の周波数特性グラフの一例を破線で示している。周波数特性グラフは、外部からセンサ素子１０の外側固定電極１３０に印加した交流電圧の周波数を変化させたときに、内側固定電極１４０に接続されている励振回路３０から出力される信号の振幅の変化を示している。
【００５２】
周波数特性グラフ中の共振峰におけるセンサ素子１０の共振周波数ｆｒは、センサ素子１０に付与された外力に応じて横軸方向にシフトする。従って、初期状態の振動子１００の共振周波数ｆｒからの共振周波数の変化量Δｆｒを検出することによって、センサ素子１０に付与されている外力を検出することができる。
【００５３】
本実施形態の可動電極１２０は、根元が固定された片持ち梁の振動モデルとして捉えることができ、印加電圧を大きくして出力信号の振幅を大きくしたときであっても、ハードスプリング効果の影響が抑制されるので撓み振動できる。振動子１００の共振状態のときには、ビーム部１１１の振幅が大きいほど、可動電極１２０における撓み振動の振動成分の影響が大きくなる。このため、振動子１００全体で見たときに、振幅が大きいときのハードスプリング効果の影響が緩和され、振動子１００の線形的な周波数特性が改善される。
【００５４】
本実施形態の振動子１００の固有振動数ｆｄは、ビーム部１１１のバネ定数をｋとし、可動電極１２０の質量をｍとしたときに、下記の式（１）を満たしている。
ｆｄ＜（ｋ／ｍ）０．５／２π  ・・・（１）
【００５５】
振動子１００において、共振状態のときの本体振動部１１０の振幅に対して共振状態のときの可動電極１２０の振幅を大きくすれば、安定した振動が確保され、センサ素子１０の線形的な周波数特性が向上する。振動子１００の共振状態における本体振動部１１０の可動電極１２０の最大振幅は、ビーム部１１１の最大振幅に対して２倍以上であることが好ましく、３倍以上であることがより好ましい。
【００５６】
センサ素子１０では、振動子１００の共振における可動電極１２０の撓み振動の影響が大きいほど、出力信号におけるノイズを低減できる一方で、外力に対する感度が低下してしまう。このため、センサ素子１０では、電極共振比Ｒｆが適切な範囲で規定されることにより、出力信号における低ノイズ性と外力に対する感度とが高いレベルで両立されることがより望ましい。ここで、「電極共振比Ｒｆ」とは、下記の式（２）で表されるように、振動子１００全体の共振周波数（外力が付与されていないときのセンサ素子１０の共振周波数）ｆｗに対する可動電極１２０のみの共振周波数（振動子１００から可動電極１２０のみを抜き出して撓み振動させたときの可動電極１２０単体の共振周波数）ｆｅの比の値を意味する。
Ｒｆ＝ｆｅ／ｆｗ  ・・・（２）
【００５７】
電極共振比Ｒｆは、低ノイズ性と感度とを両立するために、６．０以下であることが好ましく、４．０以下であることがより好ましく、３．０以下であることがさらに好ましい。また、１．５以上であることが好ましく、２．０以上であることがより好ましく、２．５以上であることがさらに好ましい。
【００５８】
以上説明した第１実施形態の圧力センサ４００では、センサ素子１０の振動子１００が高い耐熱性を有するＳｉＣを含む材料により形成されている。このため、高温環境下、例えば４００℃以上の環境下で使用されても、測定精度の低下を抑制できる。加えて、振動子１００の高い耐熱性から、圧力センサ４００の耐久性を向上できるので、長期間にわたって高温環境下で使用される場合にも、圧力の測定精度の低下を抑制できる。
【００５９】
圧力センサ４００は、地熱発電設備等で使用される場合、雰囲気中の各種のガスに曝される。このような環境下においても、本実施形態の圧力センサ４００は、センサ素子１０の振動子１００が化学的安定性に優れるＳｉＣを含む材料により形成されているので、振動子１００の物性の変化を抑制でき、耐久性を向上でき、圧力の測定精度の低下を抑制できる。
【００６０】
本実施形態の圧力センサ４００では、センサ素子１０の耐熱性が高いため、高温の気体に曝される先端側に近付けてセンサ素子１０を配置できる。すなわち、受圧板４２０と、センサ素子１０が配置されたダイヤフラム４３０とを連結する圧力伝達ロッド４２１の軸方向の長さを短くできる。このため、圧力伝達ロッド４２１の長さに起因する、圧力の測定精度の低下を抑制できる。
【００６１】
本実施形態の圧力センサ４００は、共振式センサにより構成されている。一般に、共振式センサは、ゲージ率が数１０〜数１０００である。他方、ピエゾ抵抗式センサは、ゲージ率が５０〜１００である。このため、共振式圧力センサは、ピエゾ抵抗式センサと比べて１０倍程度高い感度を有するので、より少ない歪みによっても圧力を検出できる。このため、圧力センサ４００の構造負荷を低減できると共に、センサ素子１０の破損および金属部材の塑性変形を抑制できる。
【００６２】
本実施形態の圧力センサ４００におけるダイヤフラム４３０は、ＳＵＳ６３０の金属により形成されている。このため、ダイヤフラム４３０の耐久性を向上でき、高圧環境下におけるダイヤフラム４３０の破損を抑制できる。また、ダイヤフラム４３０が金属により形成されているので溶接が可能であり、圧力センサ４００の製造特性を向上できる。
【００６３】
本実施形態の圧力センサ４００は、ダイヤフラム４３０の可撓部４３１の可撓面Ｓ１にセンサ素子１０が配置されている。このため、センサ素子１０に大きな歪みを与えることができ、圧力センサ４００の感度を向上できる。また、本実施形態の圧力センサ４００は、外部ケーシング４１１および内部ケーシング４１２の二重構造のケーシング４１０を備え、ダイヤフラム４３０が内部ケーシング４１２に収容されているので、圧力センサ４００を取り付けた際の外部ケーシング４１１の歪みによる測定誤差を低減できる。
【００６４】
本実施形態の圧力センサ４００におけるセンサ素子１０は、基板１１における表面ＳｉＣ層１１ｓのＳｉＣを含んで振動子１００が形成されている。このため、振動子１００の機械的Ｑ値を向上でき、振動子１００の振動の安定性を向上できる。また、振動子１００の共振周波数のばらつきを低減できるので、圧力センサ４００の測定精度を向上できる。また、ＳｉＣを含む基板１１上に形成されたマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ）として構成されているセンサ素子１０を用いるため、圧力センサ４００の小型化および軽量化を図ることができる。
【００６５】
本実施形態の圧力センサ４００におけるセンサ素子１０は、基板１１の表層がガラス板によって被覆され、振動子１００が密封空間内に収容されている。このため、振動子１００の各櫛歯部１２３ａ，１２３ｂ，１３２，１４２の間に微小粉塵などの異物が混入することを抑制でき、振動子１００の保護性を向上できる。加えて、密封空間内が大気圧よりも低い減圧状態にされているので、振動子１００の振動が空気によって阻害されることを抑制でき、振動子１００の振動効率および振動の安定性を向上できる。
【００６６】
本実施形態の圧力センサ４００におけるセンサ素子１０は、可動電極１２０の撓み振動によって共振状態における振動子１００の振動の安定性が向上されるため、その周波数特性が改善される。また、本体振動部１１０の共振周波数と可動電極１２０の共振周波数との関係を適切に規定することによって、振動子１００における振動の安定性と、センサ素子１０の感度とを両立させることができる。
【００６７】
Ｂ．第２実施形態：
図１０は、第２実施形態としての圧力センサ４００Ａの概略構成を示す断面図である。第２実施形態の圧力センサ４００Ａは、ケーシング４１０に代えてケーシング４１０Ａを備える点と、圧力伝達部４５０に代えて圧力伝達部４５０Ａを備える点とにおいて、第１実施形態の圧力センサ４００と異なる。その他の構成は第１実施形態の圧力センサ４００と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。
【００６８】
第２実施形態のケーシング４１０Ａは、内部ケーシング４１２が省略されており、先端側ケーシング部４８１と、後端側ケーシング部４８２とに分離されている。ケーシング４１０Ａには、内孔４１３Ａが形成されている。第２実施形態の圧力伝達部４５０Ａは、ダイヤフラム４３０に代えてダイヤフラム４３０Ａを備える。ダイヤフラム４３０Ａは、可撓部４３１Ａおよび外周縁部４３２Ａの構成において、第１実施形態のダイヤフラム４３０と異なる。外周縁部４３２Ａは、ケーシング４１０Ａの外径と同じ外径を有する。外周縁部４３２Ａは、２つのケーシング部４８１，４８２の端面同士に狭持されることによって、ケーシング４１０Ａに固定されている。第２実施形態の可撓部４３１Ａの可撓面Ｓ１Ａの面積は、第１実施形態の可撓部４３１の可撓面Ｓ１の面積よりも大きい。本実施形態において、ケーシング４１０Ａは、請求項における収容部の下位概念に相当する。
【００６９】
以上説明した第２実施形態の圧力センサ４００Ａは、第１実施形態の圧力センサ４００と同様な効果を奏する。加えて、第２実施形態の圧力センサ４００Ａは、ダイヤフラム４３０Ａの可撓部４３１Ａの可撓面Ｓ１Ａの面積が大きいので、圧力に応じた可撓面Ｓ１Ａの撓みの度合いを増大できる。このため、センサ素子１０が可撓面Ｓ１Ａから受ける外力をより大きくでき、圧力センサ４００Ａの感度を向上できる。
【００７０】
Ｃ．第３実施形態：
図１１は、第３実施形態としての圧力センサ４００Ｂの概略構成を示す断面図である。第３実施形態の圧力センサ４００Ｂは、圧力伝達部４５０に代えて圧力伝達部４５０Ｂを備える点と、終端部４９０を備える点と、センサ素子１０の配置位置と、ケーシング４１０Ｂおよび開口端部部材４１５Ｂの形状とにおいて、第１実施形態の圧力センサ４００と異なる。その他の構成は第１実施形態の圧力センサ４００と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。なお、図１１では、振動子１００のビーム部１１１の延伸方向をＸ軸として示している。
【００７１】
第３実施形態の圧力伝達部４５０Ｂは、キャップ部材４２５と、受圧軸４２６とを備える。キャップ部材４２５は、後端側の端部が開口している有底円筒状の形状を有する。キャップ部材４２５の先端側の端面は、圧力の測定対象となる気体に曝され、白抜きの矢印で示す方向から圧力を受ける。受圧軸４２６は、軸状（細長い円柱状）の外観形状を有し、測定対象である圧力に応じた外力を端面に受けたときに、その外力に応じて軸方向に沿って実線の矢印で示す方向に収縮変形する。受圧軸４２６の先端側は、キャップ部材４２５に収容されている。受圧軸４２６の先端側の端面は、キャップ部材４２５の底面の中心部と面接触し、受圧軸４２６の後端側の端面は、終端部４９０の先端側の端面の中心部と面接触している。終端部４９０は、円柱状の外観形状を有し、受圧軸４２６を支持する。
【００７２】
センサ素子１０は、受圧軸４２６の側面に配置されている。センサ素子１０は、振動子１００のビーム部１１１の延伸方向（Ｘ軸方向）が受圧軸４２６の軸方向と一致するように配置されている。センサ素子１０は、受圧軸４２６の軸方向の収縮変形の度合いに応じて外力を受け、圧力を検出する。本実施形態において、センサ素子１０の数は１つであるが、２つ以上の複数のセンサ素子１０が受圧軸４２６の側面に配置されていてもよい。なお、受圧軸４２６は、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃以下の部材によって形成されることが望ましい。これにより、環境温度の変化に起因する受圧軸４２６の変形を抑制でき、圧力センサ４００Ｂの測定誤差を低減できる。
【００７３】
ケーシング４１０Ｂは、外部ケーシング４１１Ｂと、内部ケーシング４１２Ｂとを備える。外部ケーシング４１１Ｂは、内部ケーシング４１２Ｂを収容する。内部ケーシング４１２Ｂの先端側の開口端部には、キャップ部材４２５が摺動可能に嵌め込まれており、内部ケーシング４１２Ｂの後端側の開口端部には、終端部４９０が固定的に嵌め込まれている。これによって、受圧軸４２６は、中心軸ＣＬ１上に配置される。開口端部部材４１５Ｂは先端側が傘状に拡大された円筒状の形状を有する。開口端部部材４１５Ｂの後端側の端部は、外部ケーシング４１１Ｂの内孔の先端側に収容されている。
【００７４】
本実施形態において、受圧軸４２６は、請求項における軸部材の下位概念に相当する。
【００７５】
以上説明した第３実施形態の圧力センサ４００Ｂは、第１実施形態の圧力センサ４００と同様な効果を奏する。加えて、第３実施形態の圧力センサ４００Ｂは、圧力伝達部４５０Ｂの受圧軸４２６が軸状の部材であるため、圧力センサ４００Ｂを細径化できる。
【００７６】
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．変形例１：
各実施形態の圧力センサ４００，４００Ａ，４００Ｂにおいて、振動子１００はＳｉＣを含む材料により形成されていたが、共振が可能であれば、振動子１００の一部にＳｉＣ以外の材料を含んでいてもよい。また、振動子１００は、ＳｉＣの基板１１に形成されていたが、基板１１に形成されていなくてもよい。また、振動子１００は、エッチングにより形成されていたが、エッチングに代えて、他の任意の方法により形成されてもよい。これらの構成によっても、各実施形態の圧力センサ４００，４００Ａ，４００Ｂと同様な効果を奏する。
【００７７】
Ｄ−２．変形例２：
第１実施形態および第２実施形態の圧力センサ４００，４００Ａにおいて、ダイヤフラム４３０，４３０Ａは、ＳＵＳ６３０により形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。ＳＵＳ６３０に代えて、他のステンレスやニッケル合金等、他の任意の金属により形成されていてもよく、金属ガラスおよびセラミックス等により形成されていてもよい。かかる構成によっても、第１実施形態および第２実施形態の圧力センサ４００，４００Ａと同様な効果を奏する。
【００７８】
Ｄ−３．変形例３：
各実施形態における圧力センサ４００，４００Ａ，４００Ｂの構成は、あくまでも一例であり、種々変更可能である。例えば、受圧板４２０と圧力伝達ロッド４２１とダイヤフラム４３０（または４３０Ａ）とが一体化した一つの部材により構成されていてもよく、キャップ部材４２５と受圧軸４２６とが一体化した一つの部材により構成されていてもよい。これらの構成によっても、各実施形態の圧力センサ４００，４００Ａ，４００Ｂと同様な効果を奏する。
【００７９】
Ｄ−４．変形例４：
各実施形態の圧力センサ４００，４００Ａ，４００Ｂにおける振動子１００の構成は、あくまでも一例であり、種々変更可能である。例えば、電極部１５０において、外側固定電極１３０および内側固定電極１４０の間に可動電極１２０の両側が配置されていたが、外側固定電極１３０および内側固定電極１４０のうちのいずれか一方が省略されてもよい。また、各電極１２０，１３０，１４０において、互いに対向する面に、突起部が等間隔に交互に配列された櫛歯部１２３ａ，１２３ｂ，１３２，１４２が設けられていたが、各電極１２０，１３０，１４０の櫛歯部１２３ａ，１２３ｂ，１３２，１４２は、他の構成を有していてもよい。各電極１２０，１３０，１４０の櫛歯部１２３ａ，１２３ｂ，１３２，１４２において、一部または全ての突起部が異なる間隔で配列されていてもよい。また、各電極１２０，１３０，１４０において、櫛歯部１２３ａ，１２３ｂ，１３２，１４２自体が省略されていてもよい。これらの構成によっても、各実施形態の圧力センサ４００，４００Ａ，４００Ｂと同様な効果を奏する。ただし、電極部１５０は、静電気力によって可動電極１２０が振動可能に構成されていることが好ましい。
【００８０】
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態および変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…センサ素子
１１…基板
１１ｂ…Ｓｉ基板
１１ｍ…中間酸化膜層
１１ｎ…Ｓｉ層
１１ｓ…表面ＳｉＣ層
１６ａ…検知端子
３０…励振回路
３１…チャージアンプ部
３１ａ…オペアンプ
３１ｃ…帰還コンデンサー
３１ｒ…帰還抵抗器
３２…フィルター部
３２ａ…オペアンプ
３２ｃ…カップリングコンデンサー
３２ｒａ…入力抵抗器
３２ｒｂ…帰還抵抗器
３３…コンパレーター部
３３ａ…オペアンプ
３３ｃ…コンデンサー
３３ｏ…出力端子
３３ｒ…帰還抵抗器
１００…振動子
１１０…本体振動部
１１１…ビーム部
１１１ｓ…連結軸
１１２…連結部
１１３…固定部
１１３ｓ…連結軸
１２０…可動電極
１２１…中央基体部
１２２…延伸部
１２３ａ，１２３ｂ…櫛歯部
１３０…外側固定電極
１３１，１４１…延伸部
１３２，１４２…櫛歯部
１４０…内側固定電極
１５０…電極部
４００，４００Ａ，４００Ｂ…共振型圧力センサ（圧力センサ）
４１０，４１０Ａ，４１０Ｂ…ケーシング
４１１，４１１Ｂ…外部ケーシング
４１２，４１２Ｂ…内部ケーシング
４１３，４１３Ａ…内孔
４１５，４１５Ｂ…開口端部部材
４２０…受圧板
４２１…圧力伝達ロッド
４２５…キャップ部材
４２６…受圧軸
４３０，４３０Ａ…ダイヤフラム
４３１，４３１Ａ…可撓部
４３２，４３２Ａ…外周縁部
４３３…連結軸部
４５０，４５０Ａ，４５０Ｂ…圧力伝達部
４６０…セラミック基板
４８１…先端側ケーシング部
４８２…後端側ケーシング部
４９０…終端部
ＣＬ１…中心軸
ＣＬ２…仮想中心軸
ｆｄ…固有振動数
ｆｒ…共振周波数
Ｆ…励振力
Ｐ…外力
Ｒｆ…電極共振比
Ｓ１，Ｓ１Ａ…可撓面
【図１】
2017020821.tif 000003
【図２】
2017020821.tif 000004
【図３】
2017020821.tif 000005
【図４】
2017020821.tif 000006
【図５】
2017020821.tif 000007
【図６】
2017020821.tif 000008
【図７】
2017020821.tif 000009
【図８】
2017020821.tif 000010
【図９】
2017020821.tif 000011
【図１０】
2017020821.tif 000012
【図１１】
2017020821.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月2日(2015.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
受圧板４２０は、円盤状の外観形状を有し、ケーシング４１０と開口端部部材４１５との間に配置されている。受圧板４２０の外周縁部は、内部ケーシング４１２の先端側の端面と、開口端部部材４１５の後端側の端面とにより挟持されている。これにより、受圧板４２０は、ケーシング４１０の先端側の開口を密閉している。受圧板４２０は、圧力の測定対象となる気体に曝され、その圧力に応じて厚み方向（中心軸ＣＬ１に沿った方向）に湾曲する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
第２実施形態のケーシング４１０Ａは、内部ケーシング４１２が省略されており、先端側ケーシング部４８１と、後端側ケーシング部４８２とに分離されている。ケーシング４１０Ａには、内孔４１３Ａが形成されている。第２実施形態の圧力伝達部４５０Ａは、ダイヤフラム４３０に代えてダイヤフラム４３０Ａを備える。ダイヤフラム４３０Ａは、可撓部４３１Ａおよび外周縁部４３２Ａの構成において、第１実施形態のダイヤフラム４３０と異なる。外周縁部４３２Ａは、ケーシング４１０Ａの外径と同じ外径を有する。外周縁部４３２Ａは、２つのケーシング部４８１，４８２の端面同士に挟持されることによって、ケーシング４１０Ａに固定されている。第２実施形態の可撓部４３１Ａの可撓面Ｓ１Ａの面積は、第１実施形態の可撓部４３１の可撓面Ｓ１の面積よりも大きい。本実施形態において、ケーシング４１０Ａは、請求項における収容部の下位概念に相当する。