JP5217163B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
自動車等のゴムタイヤ内に装備されて空気圧を測定する空気圧センサとして、特開2001−174357公報には、セラミクスから成るダイヤフラムとセラミクスから成るベースとを接合し、両者間に形成される隙間内の静電容量変化を圧力に変換する技術が開示されている。しかし、セラミクスを検出片として使用した空気圧センサは、検出精度の点で問題があり改善が望まれている。
このような不具合を有さない空気圧センサとして、最近では図6に示すようにシリコン(Si)から成る検出片を用いたタッチモード容量型圧力センサが注目されている。この圧力センサは、基台としてのガラス板101上に下部電極膜102、誘電体薄膜103、電極膜104を順次積層して成る底板100上に、シリコン製の検出片110を組み付けた構成を備えている。この圧力センサは、圧力によって検出片110の薄肉部(ダイヤフラム)110aが変形して誘電体薄膜103に直接接触することによって生じる静電容量変化を圧力検出に利用している。この種の空気圧センサは、例えば電気学会論文誌 2003年 Vol.123−E「タイヤ圧モニタリングシステム用タッチモード容量型圧力センサ」に開示されている。
シリコン製の検出片を用いた空気圧センサにあっては、シリコンウェハのダイヤフラム110aの肉厚を3μm程度までエッチングによって薄く加工する必要があるばかりでなく、ダイヤフラム110aと誘電体薄膜103との間のギャップを3μm程度の極小寸法に設定する必要がある。しかし、シリコンをエッチングする場合には厚さを正確にコントロールすることが難しく、この程度に微小な寸法レベルで高い精度を確保することが困難である。その結果、製造のばらつきが大きくなる。
また、シリコン材料はその結晶構造の物性から、弾性変形の繰り返し再現性の点で問題がある。
この不具合については、実開昭63−175833号に開示されているようにシリコンよりも安定した物性を有する水晶を圧力センサの検出片として利用することにより、シリコン製の検出片を用いた圧力センサの欠点であった弾性変形における繰り返し再現性の悪さを解消することができる。
即ち、図7(a)(b)はダイヤフラムの肉厚が均一なタイプのタッチモード式圧力センサの動作を説明する断面図であり、この圧力センサは、絶縁材料から成る基台101上に下部電極膜102、誘電体膜103を順次積層した底板100上に、検出片110を組み付けた構成を備えている。検出片110のダイヤフラム110aの下面には上部電極111が形成され、この上部電極111は誘電体膜103と所定の微小ギャップを隔てて対向配置されている。
図7(a)はダイヤフラム110aが下向きに変形してその中央部下面が底板上面に接触した測定開始状態を示しており、これはダイヤフラム110aの腰が折れ始めた状態である。これ以上の撓み量は、ダイヤフラム110aと基台101との接合部構造の剛性のみによりほぼ決定されるので、ダイヤフラムは(a)の状態を更に越えて底板側へ撓み難い状態にある。従って、(a)の状態にあるときに、更に僅かに高い圧力が加わった場合であってもダイヤフラムは大きく変形して(b)の状態に移行する。しかし、(b)の状態は既にダイヤフラムの撓み可能範囲の限界に近い状態であるため、その後は、検出片と底板との接合部の剛性による影響によってダイヤフラム110aの撓み変形量は極めて限られた範囲となる。このため、図示した従来の圧力センサは測定可能な圧力範囲が極めて狭かった。
従って、このように測定可能な圧力範囲が狭い圧力センサを自動車のタイヤに適用する場合には、標準の空気圧が異なるタイヤ毎に最適の感度を備えた圧力センサを用意する必要があり、他種類の圧力センサを製造する必要が生じるため、コストアップをもたらす原因となっている。
本発明は、前記第一の部分は、前記一端側の根元から前記他端側に向かって延出するにつれて厚みが小さくなるように変化している構成であることを特徴とする。
本発明は、前記第一の部分は、前記一端側の根元から前記他端側に向かって延出するにつれて厚みが漸減していることを特徴とする。
本発明は、前記第一の部分は、少なくとも一つの段差部を有していることを特徴とする。
本発明は、前記第二の部分は均一な厚さであることを特徴とする。
本発明は、前記ダイヤフラムは、前記基台の面と対向する側の面が平坦面であることを特徴とする。
本発明は、前記ダイヤフラムと前記基台との間は気密空間であることを特徴とする。
本発明は、前記段差部は、ダイヤフラムの基材上に金属層を付加することによって形成したものであることを特徴とする。
本発明は、ダイヤフラムの基材上に金属層を付加することによって形成したものであることを特徴とする。
本発明は、前記基台及び前記ダイヤフラムは、圧電結晶材料からなることを特徴とする。
本発明は、前記ダイヤフラムが水晶板から成り、前記水晶板の主面に対する法線が水晶結晶軸Zに対して0°以外の角度を成しており、前記ダイヤフラムは前記水晶板をウェットエッチングによって薄く加工することにより得られることを特徴とする。
本発明は、前記ダイヤフラムを構成する圧電結晶材料は、厚みすべりモードを有することを特徴とする。
本発明は、前記ダイヤフラムを構成する圧電結晶材料は、ATカット水晶板であることを特徴とする。
本発明では、まず、増厚領域は、薄肉部の肉厚がテーパー状をなし且つ直線的に漸増するため、厚さが連続的な傾斜構造となり、高圧力測定時には薄肉部の腰の強さを維持し、圧力センサ感度の直線性を向上できる。また、増厚領域は少なくとも一つの段差部を有した階段状の構成を有するため、高圧力測定時には薄肉部の腰の強さを維持し、圧力センサ感度の直線性を向上できる。
本発明では、検出片は、薄肉部の外周縁に厚肉環状部を一体化した構成を有するため、検出片の強度を高め、耐久性を向上することができる。
本発明では、検出片の薄肉部は、一方の面が平坦面であり、他方の面が傾斜面、或いは階段状であるため、平坦面を底板上面と対向配置することによって、均一ギャップの気密空間を形成することが可能となり、圧力センサの性能を安定させることができる。
本発明では、前記検出片と前記基台とを同一種の圧電結晶材料から構成し、検出片の結晶軸と基台の結晶軸とを一致させたので、両者の熱膨張特性を厳密に一致させることができ、熱歪みによる影響を回避できる。
本発明では、検出片が水晶材料から構成されているので、経年変化が少なく、機械変形による再現性が高い(ヒステリシスが少ない)。また、ダイヤフラムとしての薄肉部の肉厚を厳密に管理することが容易であり、個片毎に薄肉部の肉厚差のない均一板厚のダイヤフラムを得ることができる。
本発明では、水晶から成る検出片の主面に対する放線が水晶結晶軸Zに対して0°以外の角度をなしており、水晶板をウェットエッチングによって薄く加工した薄肉部を有するので、異方性エッチングを実現するための、検出片の材料を特定することができる。これにより、ウェットエッチングする際に、容易に薄肉部に傾斜面を形成することができる。
本発明では、検出片を構成する水晶板は、厚味すべりモードを有するので、厚さ管理が容易となる。
本発明では、検出片を構成する水晶板は、ATカット水晶板であるので、上記と同等の効果を得ることができる。
本発明では、圧力センサがタッチモード容量圧力センサであるため、強い圧力が加わる環境での使用が可能となる。
本発明では、段差部は、薄肉部の基材上に金属層を付加することによって形成できるので、製造が容易である。
図1は本発明の一実施形態に係るタッチモード容量型圧力センサの構成を示す縦断面図であり、(a)(b)及び(c)はダイヤフラムの変化状態を示している。
このタッチモード容量型圧力センサ(以下、圧力センサ、という)1は、底板2と、底板2上に組み付けられた検出片10と、底板2上面と検出片10の下面との間に微小ギャップの気密空間Sを介在させた状態で両者を接合する接合部材20と、から概略構成されている。
底板2は、水晶、ガラス、セラミック等の絶縁材料から成る基台3と、基台3上に順次形成した下部電極膜4、誘電体膜5と、を備えている。
検出片10は、例えば水晶板から構成されており、下部電極膜4上の誘電体膜5と対面する薄肉部(ダイヤフラム)11と、薄肉部11の外周を一体的に包囲する厚肉環状部12と、から構成されている。
薄肉部11の下面には、下部電極膜4と対向するように上部電極膜13が形成されている。
圧力センサ1は、自動車等の車両のタイヤ内の適所にトランスポンダーに組み付けられた状態で固定配置されて使用される。トランスポンダーは、アンテナコイルを備え、車両側のアンテナから出力された電磁波によってアンテナコイルに誘起される電流によって圧力センサを作動させ、測定された圧力情報を電磁波として車両側へ出力する。タイヤ内の空気圧は、圧力センサ1の薄肉部11に加わり、大気圧に設定された気密空間S内の圧力を越えた圧力が加わった場合に薄肉部11を撓み変形させる。
即ち、外部気圧が気密空間S内の気圧を上回った場合に、薄肉部1が下方に撓んで上部電極膜13の下面が誘電体膜5に接触したときの上部電極膜13と誘電体膜5との接触面積の変化を容量値として検出して外部圧力をセンシングすることが可能となる。
この圧力センサ1をタイヤ内に組み込んだ場合には、主としてタイヤ内の空気圧の減少状態をモニタするために使用される。空気圧が許容値を下回ったことをリアルタイムに検出し、ドライバー等に対して速やかに警告表示させるためには、圧力感度特性の直線性が重要である。
接合部材20は、接着手段、及びスペーサを兼ねており、薄肉部11の下面と底板2の上面との間に基準圧力を得るための気密空間Sを形成している。
即ち、この実施形態の圧力センサ1における増厚領域11bは、気密空間S側の主面が平坦(底板上面と平行)であり、気密空間と反対側の主面がテーパー状、且つ直線的な傾斜面となっている。即ち、均一厚領域11aの終端部Aから薄肉部の他端部Bに至る範囲では、板厚が傾斜状に漸増するように構成されている。つまり、均一厚領域11aでは、上下の主面が平行であるが、増厚領域11bでは下側の主面に対して上側の主面が非平行であり、テーパー状に拡開するように延びている。
このように構成することにより、高圧測定においても圧力感度特性の直線性を、測定可能な圧力の限界値まで、十分に維持することが可能となる。また、測定が不能となる飽和圧力値まで、直線性を有した圧力検出が可能となるため、空気圧が異なる種類のタイヤ、例えば乗用車のタイヤ(空気圧は2kg/cm2)と、トラックのタイヤ(空気圧は8kg/cm2)に対して同一構造の圧力センサを使用することが可能となる。
なお、図2(b)に示すように、均一厚領域11aを設けず、増厚領域11bのみを備えた薄肉部11の構成としてもよい。即ち、薄肉部の一端縁から他端縁に向けて肉厚が傾斜状に漸増したり、階段状に増大するようにした構成であってもよい。
一方、薄肉部の増厚領域11bは、十分な腰を有しているため、測定圧力が高くなるに連れて、徐々に底板側に押し付けられる。
本実施形態では、増厚領域11bの断面形状が、傾斜(テーパー)形状となるように厚み差が設けられているため、図1(b)の状態以降において、測定圧力が一定の変化を示す場合に、薄肉部の動作をよりスムーズ且つ定量的に制御することが可能となる。
また、この実施形態では、基台3の上面に設けた下部電極膜4から図示しない下部引き出し電極を基台の外縁部へ向けて延長形成する一方で、薄肉部11の下面に形成した上部電極13からも図示しない上部引き出し電極を検出片の外縁部へ延長形成する。両引き出し電極から通電し、気密空間及び誘電体膜5を介して対向配置された各電極膜4、13間の容量値Cの変化にもとづいて外部の圧力を算出することが可能となる。
即ち、各電極膜4、13間に形成されるコンデンサの容量値Cは、
C=ε・(S/d)(ε:誘電体の誘電率、S:電極の面積、d:電極の間隔)
で表される。
つまり、電極膜4、13間の間隔dを狭く(広く)設定すると、容量値Cが大きく(小さく)なる。一方、対向する2つの電極膜の対向面積を大きく(小さく)すると、容量値Cが大きく(小さく)なるという性質を有する。
接触面積がS1の場合には、C1=ε・(S1/d)となり、
接触面積がS2の場合には、C2=ε・(S2/d)となる。
このように外部圧力が、気密空間Sの圧力(大気圧)よりも大きくなると、薄肉部が変形し、上部電極膜13が誘電体膜5と接触するので、このときの上部電極膜13と誘電体膜5との接触面積の変化を容量値として検出して圧力をセンシングすることが可能となる。
次に、図2(a)は本発明の圧力センサの他の実施形態を示す断面図であり、この圧力センサ1は、検出片10が厚肉環状部12を有していない点において、図1の実施形態と異なっている。この実施形態は、検出片10の最大厚さを小さくできるので、圧力センサを薄型化する上で有効である。
図2(b)は図2(a)の変形例であり、基台3が、凹陥部3aと、凹陥部外周を包囲する外枠3bとを有し、且つ凹陥部3aの内底面上に下部電極膜4と誘電体膜5を積層した構成を備えている。そして、基台の外枠3bの上面により検出片10の底面を支持することにより薄肉部11と誘電体膜5との間に微小ギャップを形成している。この検出片10は、図2(a)の検出片と異なり、均一厚領域を有しておらず、薄肉部全体が増厚領域11bとなっている。
以上の構成において、外部(タイヤ内)の圧力が気密空間S内の圧力と同等の場合には図3(a)に示すように薄肉部11は変形していないが、測定圧力が高い状態では図3(b)に示すように薄肉部11の均一厚領域11aの腰(保形力)がいち早くなくなって折れ曲がり、底板上面(誘電体膜5)と接触する。
一方、薄肉部の増厚領域11bは、均一厚領域11aよりも厚肉であり、十分な腰を有しているため、測定圧力が高くなるに連れて、徐々に底板側に押し付けられる。
本実施形態では、増厚領域11bの断面形状が、均一厚領域11aよりも厚く、且つ均一厚となるように設定されているため、図3(b)の状態以降において測定圧力が一定の変化を示す場合に、薄肉部の動作をよりスムーズ且つ定量的に制御することが可能となる。従って、誤差の少ない高精度の圧力測定が可能となる。
更に、図4の圧力センサは、増厚領域11bが複数の段差部15a、15bを有した階段状であり、段差部15aよりも、段差部15bの厚さが厚くなるように設定されているため、均一厚領域11aが底板上面に接した段階以降に測定圧力が高くなるに連れて、薄肉部の動作をよりスムーズ且つ定量的に制御することが可能となる。
図3、図4に示した如き段差部15、15a、15bを有した薄肉部11を製造する際には、均一厚の薄肉部の主面上に、金属膜を成膜することによって増厚領域11bを形成するようにしてもよい。
次に、検出片10を構成する材料としては、水晶材料を使用することが好ましい。即ち、検出片10の材料として、従来使用されていたシリコンに代えて水晶を使用することにより、次のような優位性を得ることができる。即ち、水晶はシリコンに比べて物性的に安定した素材であり、経年変化が少なく、機械変形による再現性が高い(ヒステリシスが少ない)。また、水晶によれば、ダイヤフラムとしての薄肉部の肉厚を厳密に管理することが容易であり、個片毎に薄肉部の肉厚差のない均一板厚のダイヤフラムを得ることができる。即ち、薄肉部11を目標肉厚に加工するためには、まず水晶板に対するエッチングによって薄肉部11を形成した後で、薄肉部11に電極を付着させて通電して薄肉部の固有周波数を測定することにより目標周波数(目標肉厚)と比較する。目標周波数と一致しない場合には、目標周波数に達するまで微調エッチングを行う。その結果、個片毎に薄肉部の肉厚差のない均一板厚の薄肉部を得ることができる。
なお、水晶等の圧電材料の薄肉部10aの肉厚を微調整するためにその固有周波数を測定する技術は、例えば特開平06−021740号公報に開示されているように、本出願人による超薄板圧電振動子の加工技術として周知であり、この技術をそのまま応用することができる。
使用する水晶材料としては、厚味すべりモードを有する材料、例えばATカット水晶板が好ましい。
特に、水晶板面の法線と、水晶結晶のZ軸とのなす角度θがθ≠0°である場合には、異方性に起因してエッチング面に傾斜面を形成し易いという利点があり、所望の傾斜面を得ることができる。
即ち、検出片10を水晶板から構成する場合には、検出片の主面に対する放線が水晶結晶軸Zに対して0°以外の角度をなすように構成するのが好ましい。
更に、検出片を、ATカット水晶板等の厚味すべりモードを有する材料にて構成する場合には、異方性による利点に加えて、厚味を周波数換算してモニタリングすることが可能であるため、薄肉部を精度良く加工することができる。
また、エッチングにより肉厚が漸増する増厚領域11bを形成する場合には、図1に示すように検出片の上面中央部のみをエッチングして凹陥部を形成し、下面をフラット形状に保つ。そして、フラットな下面を底板2の上面に対向させるように組み付けることが好ましい。このようにすることにより、気密空間Sのギャップが均一化するため、測定精度を高めることが可能となる。
なお、ガスエッチングによって、図1、図2、図3に示した如き構造の検出片を加工する場合には、エッチング面を覆うマスクの位置をずらすことにより、各部のエッチング時間を異ならせる作業を行う必要がある。
従って、本発明では、同一の圧力センサを空気圧力の異なるタイヤに共用することができる。つまり、空気圧力の異なるタイヤごとに異なった圧力センサを製造し、適用する必要が無くなる。
本発明の圧力センサは、タイヤ等の閉空間内の気体の圧力変化を測定する以外にも、流体一般の圧力測定に適用することができる。
Claims (13)
- 基台と、
圧力の変化に応じて変位し、且つ変位の方向と前記基台の面とが交差するように前記基台と対向しているダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの外周を一体的に包囲し、且つ前記基台に固定されている枠と、
を備え、
前記ダイヤフラムと前記基台とが接触するタッチモード容量圧力センサであり、
前記ダイヤフラムは、断面形状において前記枠の一端側の根元の厚さが、前記枠の他端側の根元の厚さよりも厚く、且つ前記一端側の根元から前記他端側に向かって延出している第一の部分と、前記第一の部分から前記他端側に向かって延出しており、前記第一の部分よりも厚みが薄い第二の部分と、を含むことを特徴とする圧力センサ。 - 前記第一の部分は、前記一端側の根元から前記他端側に向かって延出するにつれて厚みが小さくなるように変化している構成であることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記第一の部分は、前記一端側の根元から前記他端側に向かって延出するにつれて厚みが漸減していることを特徴とする請求項2に記載の圧力センサ。
- 前記第一の部分は、少なくとも一つの段差部を有していることを特徴とする請求項2に記載の圧力センサ。
- 前記第二の部分は均一な厚さであることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムは、前記基台の面と対向する側の面が平坦面であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムと前記基台との間は気密空間であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の圧力センサ。
- 前記枠は、前記第一の部分の根元よりも厚みが厚いことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の圧力センサ。
- 前記段差部は、前記ダイヤフラムの基材上に金属層を付加することによって形成したものであることを特徴とする請求項4に記載の圧力センサ。
- 前記基台及び前記ダイヤフラムは、圧電結晶材料からなることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムが水晶板から成り、前記水晶板の主面に対する法線が水晶結晶軸Zに対して0°以外の角度を成しており、前記ダイヤフラムは前記水晶板をウェットエッチングによって薄く加工することにより得られることを特徴とする請求項10に記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムを構成する圧電結晶材料は、厚みすべりモードを有することを特徴とする請求項10又は11に記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムを構成する圧電結晶材料は、ATカット水晶板であることを特徴とする請求項11又は12に記載の圧力センサ。
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