JP2008076075A - 絶対圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】絶対圧を容易に高精度、高分解能で測定できる絶対圧センサを提供する。
【解決手段】一方の主面に第１の凹陥部、他方の主面に第１及び第２の肉厚部、端子部を有する第２の凹陥部及び両主面を貫通するスルーホールを形成した第１のダイヤフラムと、一方の主面に第３の凹陥部を形成した第２のダイヤフラムと、平行に延長する１対の振動ビーム、前記振動ビームの両端にそれぞれ連結する基端部、及び前記振動ビームの表面に形成された駆動電極からなる双音叉型圧電振動素子と、を備え、前記双音叉型圧電振動素子の両基端部をそれぞれ前記第１ダイヤフラムの第１及び第２の肉厚部に結合し、第１ダイヤフラムの第２の凹陥部と、第２ダイヤフラムの凹陥部とを対向するように結合し、該凹陥部内を真空とした絶対圧センサを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に上部のダイヤフラムの凹陥部と下部の基台の凹陥部とで形成される空間内部を真空とし、印加される圧力を双音叉型圧電振動素子の周波数変化を利用して測定する絶対圧センサ関する。

圧電振動素子に応力を加えると周波数が変化する現象を利用した圧力センサが従来から知られている（非特許文献１）。また、特許文献１には応力感応素子と、支柱の先のヒンジに支えられた揺動アームと、ベローズとをベースに固定し、全体を容器に収容した圧力センサが開示されている。原理はベローズを通して圧力は揺動アームに伝達され、ヒンジを介して応力感応素子に伝わり、応力感応素子により圧力が周波数変化に変換され、電子回路を介して圧力が測定される。

特許文献２には図５に示すような圧力センサが開示されている。図５（ａ）は圧力センサ４０の概略平面透視図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける概略断面図である。圧力センサ４０は上部のダイヤフラム４１と、該ダイヤフラム４１と対向する下部のダイヤフラム４２と、圧電振動素子４６とを備えている。上部ダイヤフラム４１は円形であり、その図中下面の中央部に円形の凹陥部４３ａが形成されている。下部ダイヤフラム４２も円形であり、その図中上面の中央部に力伝達用の２つの支柱４４と、該力伝達用の２つの支柱４４と直交して２つの載置部４５ａ、４５ｂを設け、これらの周囲に円形の凹陥部４３ｂが形成されている。凹陥部４３ａ、４３ｂ同士は上下対向するように形成されている。圧電振動素子４６には応力感度のよい双音叉型圧電振動素子を用い、双音叉型圧電振動素子４６の両基端部が載置部４５ａ、４５ｂに搭載され、接着剤で固定される。

双音叉型圧電振動素子４６に応力が加えられた場合の応力と周波数変化との関係は、図６に示した要部断面図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と、図７の応力差−周波数特性を用いて説明される。下部ダイヤフラム４２に加わる圧力をＰ１、双音叉型圧電振動素子４６に加わる圧力をＰ２とすると、図６（ａ）の状態は圧力Ｐ１と圧力Ｐ２とが等しい状態であり、このときの双音叉型圧電振動素子４６の共振周波数をｆ０とする。図６（ｂ）は下部ダイヤフラム４２加わる圧力Ｐ１がＰ２より大きい状態で、双音叉型圧電振動素子４６には伸張ストレスが加わり、共振周波数は図７に示す直線ようにｆ０より高くなる。一方、双音叉型圧電振動素子４６に加わる圧力Ｐ２が下部ダイヤフラム４２に加わる圧力Ｐ１より大きくなると、双音叉型圧電振動素子４６には圧縮応力が加わり、周波数はｆ０より低くなる。つまり、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）と周波数変化量とは極めてよい比例関係にあり、図７のように直線性を示すと開示されている。

特許文献３には双音叉型圧電振動素子の電極構造が開示されている。図８（ａ）に示すように双音叉型圧電振動素子５０は２つの音叉型圧電振動素子の自由端同士を結合したように構成した圧電振動素子であり、２つの振動ビーム５１、５２はＸ軸に対して対称な屈曲振動をするように電極を配置する。図８（ｂ）はある瞬間に電極上に発生する電荷であり、図８（ｃ）のように電極同士を結線する。つまり、図８（ｃ）のように電極同士を結線することにより、図８（ａ）の破線で示すような対称な屈曲振動を駆動することができる。
特開昭６４−９３３１号公報 特開２００４−１３２９１３公報 特開昭６４−３９９１１号公報 栗原正雄、外３名，「双音叉振動素子を用いた水晶圧力センサ」，東洋通信機技報，東洋通信機株式会社，１９９０年，Ｎｏ．４６，ｐ．１−８

しかしながら、特許文献１に示された圧力センサは、機構部品であるベローズがアルミニウムブロックを削り出して型を作り、これにニッケルメッキを施した後、このアルミニウムの型を溶かして除去し、ニッケル材のジャバラ機構体を作るので、ベローズが非常に高価になり、ひいては圧力センサが高価になるという問題があった。
また、特許文献２に示された圧力センサは双音叉型圧電振動素子の共振周波数ｆ０を基準にとり、この周波数ｆ０より周波数が高いか、或いは低いかにより、応力Ｐ２に対して応力Ｐ１が正圧であるのか、負圧であるかの相対圧を測定できるものの、絶対圧を測定しようとすると、応力Ｐ２側を真空密閉された空間に露出しておき、応力Ｐ１側を被測定圧力として測定する必要があり、絶対圧測定に非常に手間がかかるという問題があった。
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶対圧を容易に測定できる高精度かつ高分解能で、小型、軽量な絶対圧センサを低価格で提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は高性能、高分解能の絶対圧センサを小型、軽量に構成するため、基台と、該基台との間に真空室を形成する変形領域、該変形領域の外周縁を支持し且つ該基台上面に接合される接合領域を有した弾性材料から成るダイヤフラムと、ダイヤフラムの変形領域内壁に形成された素子搭載部によって支持された応力感応素子と、を備えるようにした。具体的には、一方の主面に第１の凹陥部、他方の主面に第１及び第２の肉厚部、端子部を有する第２の凹陥部を形成したダイヤフラムと、一方の主面に凹陥部を形成した基台と、平行に延長する１対の振動ビーム、振動ビームの両端にそれぞれ連結する基端部、及び振動ビームの表面に形成された駆動電極からなる応力感応素子と、を備え、応力感応素子の両基端部をそれぞれダイヤフラムの第１及び第２の肉厚部に結合し、ダイヤフラムの第２の凹陥部と、基台の凹陥部とを対向するように結合し、凹陥部内を真空とした絶対圧センサを構成するようにした。
このように構成すると、絶対圧を容易に測定できるのみならず、応力感応素子を用いるので、高精度、高分解能であり、小型、軽量で低価格の絶対圧センサを実現できるという効果がある。

また本発明の絶対圧センサは、応力感応素子の基材及びダイヤフラムを水晶で形成し、基台をガラス材で形成した。このように構成すると、応力感応素子とダイヤフラムとの線膨張係数が同じであり、温度変化による精度への影響を除去し、高精度、高分解能、小型、軽量で低価格の絶対圧センサを実現できる。

また本発明の絶対圧センサは、応力感応素子の基材と、ダイヤフラム及び基台とを共に水晶で形成した。このように構成すると、応力感応素子、ダイヤフラム及び基台とが同一の線膨張係数を有するので、温度変化による精度への影響を除去し、高精度、高分解能、小型、軽量で低価格の絶対圧センサを実現できる。

また本発明の絶対圧センサは、ダイヤフラムの接合領域と、接合領域を貫通するスルーホールの内壁面及び上下周縁部とにそれぞれ金属膜を備え、応力感応素子の両基端部の端子電極と、ダイヤフラムの金属膜及び接合領域を貫通するスルーホールの周縁の金属膜と、をそれぞれ導通接続すると共に、それぞれの金属膜同士を真空中において熱圧着で結合するようにした。
このように構成すると、絶対圧を容易に測定できるのみならず、応力感応素子を用いるので、高精度、高分解能であり、小型、軽量で低価格の絶対圧センサを実現することができる。

また本発明の絶対圧センサは、ダイヤフラムの接合領域及びスルーホールの周縁部と、基台の内側面とを接着剤を用い真空中で結合するようにした。
このように構成すると、ダイヤフラムと基台との接合が容易であり、高精度、高分解能、小型の絶対圧センサが低価格で実現することができる。

また本発明の絶対圧センサは、ダイヤフラムの接合領域及びスルーホールの周縁部と、基台の内側面とを直接接合を用い真空中で結合するようにした。
このよう構成すると、絶絶対圧を容易に測定できるのみならず、高精度、高分解能であり、小型、軽量で低価格の絶対圧センサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る絶対圧センサの構成を示す図であって、図１（ａ）は概略平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。
絶対圧センサ１は、基台３と、基台３との間に気密空間Ｓ（真空室）を形成する変形領域Ｆ、変形領域Ｆの外周縁を支持し、且つ、基台上面に接合される接合領域Ｈを有した弾性材料から成るダイヤフラム２と、ダイヤフラムの変形領域内壁に形成された素子搭載部２Ａによって支持された応力感応素子である双音叉型圧電振動素子５と、を備えて構成される。

このように構成される絶対圧センサ１においては、ダイヤフラム２に応力が加わると、ダイヤフラム２に曲げ応力が加わりダイヤフラム２に接続された双音叉型圧電振動素子５が引張応力又は圧縮応力を受けることになる。双音叉振動子５に引張応力が加わると双音叉型圧電振動素子５の振動周波数は高くなり、逆に圧縮応力が加わると双音叉型圧電振動素子５の振動周波数は低くなる。従って、絶対圧センサ１では、双音叉型圧電振動素子５の振動周波を検出することにより絶対圧を検出するようにしている。

ここで、双音叉型圧電振動素子の特性、即ち外力Ｆを加えたときの共振周波数について説明しておく。
外力Ｆを２本の振動ビームに加えたときの共振周波数

を求めると、

但し Ｋ：基本波モードによる定数（＝0.0458）で表され、断面２次モーメント

より、（１）式は、次式のように変形することができる。

但し

以上から双音叉型圧電振動素子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、引張り方向を正としたとき、力Ｆと共振周波数

の関係は力Ｆが圧縮で共振周波数

が減少し、引張りでは増加する。また応力感度

は振動ビームの

の２乗に比例する。
なお、本実施形態では応力感応素子として双音叉型圧電振動子を用いるようにしているが、これはあくまでも一例であり、引張・圧縮応力に反応する素子、例えば、他のＡＴカット圧電振動素子、ＳＡＷ素子、音叉型圧電振動素子等を用いることもできる。

本実施形態における絶対圧センサ１の具体的な構成は以下の通りである。
即ち、絶対圧センサ１は、一方の主面に第１の凹陥部２ａを形成し、他方の主面に第１及び第２の肉厚部２ｂ、２ｃ、端子部２ｄを有する第２の凹陥部２ｅ及び両主面を貫通するスルーホール２ｆを形成したダイヤフラム２と、一方の主面に凹陥部３ａを形成した基台３と、平行に延長する１対の振動ビーム（基材）、前記振動ビームの両端にそれぞれ連結する基端部（基材）、及び前記振動ビームの表面に形成された駆動電極からなる双音叉型圧電振動素子５とを備え、双音叉型圧電振動素子５の両基端部をそれぞれダイヤフラムの第１及び第２の肉厚部２ｂ、２ｃに結合し、ダイヤフラム２の第２の凹陥部２ｅと、基台３の凹陥部３ａとを対向するように結合し、これらの凹陥部２ｅ、３ａ内（気密空間Ｓ）を真空として構成する。

図２（ａ）は、絶対圧センサ１の内部の様子を示すべく、ダイヤフラム２の下面を上向きにして表示した平面図である（上面は図１（ａ））。図２（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。ダイヤフラム２はフォトリソグラフィ技術とエッチング技法を用いて水晶板、例えばＡＴカット水晶板の両面をエッチングして形成する。
図２（ｂ）に示すようにダイヤフラム２の図中下面には第１の凹陥部２ａを形成し、ダイヤフラム２の図中上面には第１及び第２の肉厚部２ｂ、２ｃと端子部２ｄとを残すようにエッチングし、第２の凹陥部２ｅを形成する。
さらに、ダイヤフラム２の上下両面からエッチングし、スルーホールホール２ｆを形成する。水晶は結晶軸方向によりエッチングスピードが異なり、エッチングにより形成された第１及び第２の凹陥部２ａ、２ｅ、スルーホールホール２ｆの壁面は斜面となる。
このとき、ダイヤフラム２にＡＴカットの水晶板を用いることで、厚み滑り振動の周波数から適正な厚みであるかを検査することができる。

図３は基台３の構成を示す図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。基台３の一方の面にフォトリソグラフィ技術とエッチング技法を用いて凹陥部３ａを形成する。図３はガラス材を用いた場合の例を示したが、水晶板を用いた場合は凹陥部の壁面は斜面となる。

図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイヤフラム２の凹陥部２ｅを設けた面の周縁部に金属膜４ａを、ダイヤフラム２のスルーホール２ｆの内壁面及びその上下周縁部に金属膜４ｂを真空蒸着等の手法を用いて付着する。さらに、基台３の上面、即ち凹陥部３ａを設けた面の周縁部に金属膜３ｂを、それよりやや内側よりでスルーホール２ｆの近傍の金属膜４ｂに対向して金属膜３ｃを付着する。
図２に示したようにダイヤフラム２の肉厚部２ｂ、２ｃに双音叉型圧電振動素子５の両基端部を載置し、双音叉型圧電振動素子５の一方の基端部の端子電極と、ダイヤフラム２の端子部２ｄに付着した金属膜４ａとをボンディングワイヤ６で接続し、双音叉型圧電振動素子５の他方の基端部の端子電極と、スルーホール２ｆの周縁の金属膜４ｂとをディングワイヤ６にて接続する。そして、図２に示すダイヤフラム２金属膜４ａ、４ｂと、基台３の上面の金属膜３ｂ、３ｃとを対向するように真空中で熱圧着にて結合する。このように構成すると対向する凹陥部２ｅ、３ａ同士で形成された空間は真空となると共に、電極膜４ａと４ｂとは互いに絶縁されているので、双音叉型圧電振動素子５の駆動用の電極となる。

図４（ａ）は本発明の絶対圧センサ１に用いた双音叉型圧電振動素子（応力感応素子）１０の構成を示す斜視図である。双音叉型圧電振動素子１０は平行に延長する１対の振動ビーム（基材）１０ａ、１０ｂと、振動ビーム１０ａ、１０ｂの両端にそれぞれ連結する基端部（基材）１０ｃ、１０ｄと、振動ビームの表面に形成された駆動電極１３ａ〜１８ｂと端子電極１１、１２とからなる。また、駆動電極１３ａ〜１８ｂを図４（ａ）のＢ、Ｃ、Ｄからみた断面図を同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。
各駆動電極の接続法は前述しように行う。即ち、振動ビーム１０ａ、１０ｂは双音叉型圧電振動素子１０の中心線１０Ｐに対して対称な屈曲振動をするので、ある瞬間に駆動電極１３ａ、１５ａ、１７ｂに＋電荷が、駆動電極１３ｂ、１５ｂ、１７ａに−電荷が発生する。また、側面の駆動電極１４ａ、１６ａ、１８ｂには−電荷が、駆動電極１４ｂ、１６ｂ、１８ａには＋電荷が発生する。従って、同符号の電荷が発生する駆動電極同士を接続するように配線し、電極１３ａは端子電極１２と、電極１３ｂは端子電極１１と接続する。図４（ａ）では端子電極１１、１２を基端部１０ｃに設けたが、両基端部１０ｃ、１０ｄに分けて端子電極を設けてもよい。図１、図２に示した絶対圧センサの実施形態例では後者の方を用いた。

以上、双音叉型圧電振動素子５の基材と、ダイヤフラム２とを共に水晶で形成し、基台３はガラス材を用いた例を説明したが、これは双音叉型圧電振動素子５を構成する基材と、該双音叉型圧電振動素子５を載置、固定するダイヤフラム２との線膨張係数を同じとすることにより、温度変化による双音叉型圧電振動素子５への歪みの影響を除去できるからである。さらに、基台３の材質としても水晶、例えばＡＴカット水晶板を用いれば、ダイヤフラム２と基台３との線膨張係数が同じとなり、温度の変化よるダイヤフラム２と基台３との歪みが除去され、絶対圧センサの測定精度が改善されることになる。

図２に示したダイヤフラム２の上面周縁部と、スルーホール２ｆの内壁面及びその上下周縁部とにそれぞれ金属膜４ａ、４ｂを、基台３の上面周縁部と、前記スルーホール２ｆと対向する位置とにそれぞれ金属膜３ｂ、３ｃを真空蒸着等の手法を用いて形成することを説明したが、金属膜としては金（Ａｕ）、インジューム等の金属が利用できる。また、ダイヤフラム２と基台３との接合には周知の直接接合、直接接合の一種である陽極接合装置を用いて対向する凹陥部２ｅ、３ａを接合し、スルーホール２ｆ部と対向する基台３の一部とを接合して、凹陥部２ｅ、３ａが形成する空間を真空とすることができる。
また、ダイヤフラム２及びスルーホール２ｆ部と、基台３との接合には真空中で、接着剤を硬化させることにより接合し、且つ対向する凹陥部２ｅ、３ａ内を真空にすることができる。また、低融点ガラスを用いて上記のダイヤフラム２と基台３との接合を行うことができる。

ダイヤフラム２と基台３との端部に外部との接続を容易にする端子電極を形成してもよい。端子電極としてはセラミックパッケージで用いられているように、ダイヤフラム２と基台３との端部にメタライズを施して形成することができる。

本発明に係る絶対圧センサの構成を示した概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 （ａ）はダイヤフラムを上下反転した平面図、（ｂ）は断面図。 （ａ）は基台３の平面図、（ｂ）は断面図。 （ａ）は双音叉型圧電振動素子の斜視図、（ｂ）〜（ｄ）はＢ〜Ｄにおける断面図。 従来の圧力センサの構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 双音叉型圧電振動素子の上下から圧力Ｐ２、Ｐ１が加わった場合の状態で、（ａ）はＰ１＝Ｐ２の場合の状態を示した図、（ｂ）はＰ１＞Ｐ２の場合の状態を示した図、（ｃ）はＰ１＜Ｐの場合の状態を示した図。 圧力差と周波数変化量との関係図。 （ａ）は双音叉型圧電振動素子の振動姿態を示す図、（ｂ）はある瞬間に電極上に発生する電荷を示した図、（ｃ）は各電極の接続図。

符号の説明

１ 絶対圧センサ、２ ダイヤフラム、２ａ、２ｅ、３ａ 凹陥部、２ｂ、２ｃ 肉厚部、２ｄ 端子部、２ｆ スルーホール、３ 基台、３ｂ、３ｃ、４ａ、４ｂ 電極膜、５ 双音叉型圧電振動素子、６ ボンディングワイヤ、１０ 双音叉型圧電振動素子、１０ａ、１０ｂ 振動ビーム、１０ｃ、１０ 基端部、１０Ｐ 中心線、１１、１２ 端子電極、１３ａ〜１８ｂ 駆動電極、

Claims (6)

1. 基台と、該基台との間に真空室を形成する変形領域、該変形領域の外周縁を支持し且つ該基台上面に接合される接合領域を有した弾性材料から成るダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの変形領域内壁に形成された素子搭載部によって支持された応力感応素子と、を備えたことを特徴とする絶対圧センサ。
2. 前記応力感応素子の基材及び前記ダイヤフラムを水晶で形成し、前記基台をガラス材で形成したことを特徴とする請求項１に記載の絶対圧センサ。
3. 前記応力感応素子の基材と、前記ダイヤフラム及び前記基台とを共に水晶で形成したことを特徴とする請求項１に記載の絶対圧センサ。
4. 前記ダイヤフラムの接合領域と、前記接合領域を貫通するスルーホールの内壁面及び上下周縁部とにそれぞれ金属膜を備え、
   前記応力感応素子の両基端部の端子電極と、前記ダイヤフラムの金属膜及び前記接合領域を貫通するスルーホールの周縁の金属膜と、をそれぞれ導通接続すると共に、前記それぞれの金属膜同士を真空中において熱圧着で結合したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の絶対圧センサ。
5. 前記ダイヤフラムの接合領域及び前記スルーホールの周縁部と、前記基台の内側面とを接着剤を用い真空中で結合したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに１項に記載の絶対圧センサ。
6. 前記ダイヤフラムの接合領域及び前記スルーホールの周縁部と、前記基台の内側面とを直接接合を用い真空中で結合したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の絶対圧センサ。

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