JP5293413B2 - 圧力センサー及びその製造方法 - Google Patents
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Description
、圧力周波数特性を多項式で近似し、これらの多項式の係数を実測して記憶部に格納し、
圧力測定の都度前記係数を呼び出して演算処理することにより、精度を改善した圧力セン
サー及びその製造方法に関するものである。
れている。圧電振動子に双音叉型圧電振動子を用いることにより、応力に対する感度が良
好となり、僅かな圧力差から高度差、深度差を検知することができる。
特許文献1には、感圧素子として圧電振動片を用いた圧力検出ユニットが開示されてい
る。
図14(a)は、圧力検出ユニットの側断面図、同図(b)は、(a)のQ−Qにおけ
る断面図である。
圧力検出ユニット60は、一方の主面(外側の主面)に受圧面を有するダイヤフラム6
1と、該ダイヤフラム61の他方の主面(内側の主面)と対向して設けられる基台75と
、感圧素子としての圧電振動片70と、を備えた絶対圧センサーである。
前記感圧素子は、感圧部と感圧部の両端に接続された一対の基部とを有し、力の検出方
向を検出軸として設定し、感圧素子の前記一対の基部の並ぶ方向は前記検出軸と平行関係
にある。双音叉型圧電振動子の場合は、梁(ビーム)の延びる方向と検出軸とが平行関係
になっている。
図14(a)に示すように、ダイヤフラム61は、受圧面に対して垂直な方向からの圧
力を前記受圧面で受圧すると前記受圧面が撓み変形する薄肉部63と、該薄肉部63の周
縁に形成される枠部69と、を備えている。ダイヤフラム61の他方の面であって前記薄
肉部63の一方の主面には、圧電振動片70を固定するための一対の支持部65を有し、
圧電振動片70はその一対の基部71を支持部65により支持されている。また、薄肉部
63の他方の主面には、圧電振動片70の感圧部である振動部72に対向する部位を含む
領域に、突出部67が設けられている。薄肉部63の一部を厚肉化して突出部67とする
ことにより、当該部分の変形を防ぐことができ、圧力が印加された時に、薄肉部63の中
心が圧電振動片70に接触するとことを防止することができる。
両端部に固定端(基部)71を有し、この2つの固定端71の間に2つの振動ビーム(振
動部)が形成されている。双音叉型振動素子は、その感圧部(振動部72)である前記2
つの振動ビームに引張り応力(伸長応力)あるいは圧縮応力が印加されると、その共振周
波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。
図14に示す圧力検出ユニット60では、ダイヤフラム61の薄肉部63に形成された
一対の支持部65の載置面66に、双音叉型振動素子70の両固定端(基部)71が固定
されている。ダイヤフラム61の上部に圧力が加わると、薄肉部63に撓みが生じ、薄肉
部63は図14(a)の下方へ変形する。支持部65の載置面66は薄肉部63の変形状
態に伴って傾き、載置面66は夫々ダイヤフラム61の重心に対し外側へ傾く。このため
、2つの載置面66間の間隔は広がり、該載置面66に固定された双音叉型振動素子70
の振動部72には伸長応力が加わる。振動部72に伸長応力が加わると双音叉型振動素子
70は、その共振周波数が増加する。
温度変化が大きな環境下で使用する場合には圧力検出精度に誤差が生じるという問題があ
った。
そこで、温度を検出する温度センサーを付加することにより、双音叉型振動素子70の
周波数温度特性を補償し、圧力検出精度を改善する方法が検討された。
図15は圧力センサー80のブロック図であり、圧力検出ユニット60の共振周波数の
変化と、温度センサー82が検出する温度とを処理装置に取り入れ、これらを演算処理し
て周波数変化を温度補償して、ダイヤフラム61に加わる圧力を検出する。
温度センサーとしては、特許文献2、3、4、5に開示された音叉型水晶振動子が、精
度、形状、コスト等を考慮して適している。音叉型水晶振動子の周波数温度特性は、一般
的に上に凸の二次特性であり、上記の特許文献には、図16に示すように水晶Zカット板
をX軸(水晶結晶の電気軸)の回りにθ回転した音叉型水晶振動子と、その2次温度特性
の頂点温度との関係等が開示されている。
特許文献5によると、X軸の回りの回転角θと周波数温度特性の1次係数α1との関係
は、図17に示すような関係がある。
また図18は、温度検出用の音叉型水晶振動子の周波数温度特性を示しており、温度T
に対し周波数変化Δf/fがほぼ直線的に変化し、温度変化がデジタル量として得られの
で、温度センサーとして適している。
を用いて、圧力検出ユニット60の双音叉型振動素子の周波数温度特性を補正するように
構成した。
温度変化のない環境下で圧力センサー80を使用する場合、記憶部85に格納されてい
る圧力検出ユニット60の圧力(応力)P−周波数f特性を表す多項式の係数を読みだし
て、処理装置で圧力P−周波数fの多項式を生成し、変化した周波数を前記多項式に適用
することにより、圧力センサー80に加わる圧力Pを求める。
また、温度変化のある環境下で圧力センサー80を使用する場合、まず、温度センサー
82から温度信号を受けて温度を算出する。
次に、記憶部85に格納されている圧力検出ユニット60の周波数温度特性(温度T−
周波数Δf/f特性)を表す多項式の係数を読みだして、処理装置で周波数温度特性(温
度T−周波数Δf/f)の多項式を生成し、これに前記温度を適用し、温度変化による圧
力検出ユニット60の周波数変動を計算する。この周波数変動を用いて圧力検出ユニット
60の周波数を補償し、この補償した周波数変化を処理装置で生成した圧力(応力)P−
周波数fの多項式に適用することにより、圧力センサーに加わる圧力Pを求める。
高精度な仕様が要求され、検出値の誤差、バラツキ、精度等に係る仕様に関し厳格なもの
が求められるようになってきた。
しかしながら、上記のように構成した圧力センサー80では、このような厳格な仕様を
十分に満たすことができなくなってきているという新たな問題に直面した。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、高精度、高分解能、高安定度を有
する圧力センサーとその製造方法を提供することにある。
形態又は適用例として実現することが可能である。
近似に比べ圧力センサーの検出精度が向上するという効果がある。
に向上させることが可能となるという効果がある。
より、各部の線膨張係数を同一にできるので、温度変化に起因する歪による検出精度の劣
化を少なくできるという効果がある。
図1は、本発明の一実施形態に係る圧力センサー1の構成を示すブロック図である。
圧力センサー1は、圧力(気圧)に応じて周波数が変化する感圧ユニット11と、感圧
ユニット11の温度を感知し温度信号を出力する温度センサー(Ts)12と、感圧ユニ
ット11の感圧素子を励振する発振回路(OSC)13と、発振回路13の出力信号を計
数するカウンター(Counter)14と、を備えている。更に、カウンター14に基準信号
を供給する温度補償型基準発振器(TCXO)15と、感圧ユニット11が有する諸特性
を、多項式で近似した場合の各係数を記憶させておく記憶部(EEPROM)16と、温
度センサー12の温度信号とカウンター14の周波数信号と記憶部16からの係数信号と
を演算する演算処理部(CPU)17と、演算処理部17と外部機器とを電気的に接続す
るインターフェイス部(I/F)18と、を備えている。
おける水平方向の断面図でQ1−Q1から上方を見た図である。
感圧ユニット11は、圧力を加えると可撓するダイヤフラム20と、応力を加えると周
波数が変化する感圧素子25と、ダイヤフラム20と接合して密閉空間を形成する基台3
0と、を備えている。
図3(a)は、感圧ユニット11のダイヤフラム20の平面図であり、同図(b)はQ
2−Q2における断面図である。
ダイヤフラム20の外形は、矩形状であり周縁の額縁状の厚肉部(枠部)21と、該厚
肉部21に連結する薄板状の薄肉部22と、該薄肉部22上でその中央部より外寄りにそ
の重心に対し対称な一対の支持部23、24と、を備える。つまり、薄肉部22には、感
圧素子25の一対の基部27a、27bに対応する部位に、一対の支持部23、24が設
けられている。
図2、図3にはダイヤフラム20の一例を挙げたが、本発明の圧力センサー1は、他の
形状の、例えば同心円状のダイヤフラム等を用いてもよい。
における断面図である。
基台30は、矩形状であり周縁の枠部31と、枠部31に連結する平板部32と、該平
板部32の中央部に貫通した孔33と、を有する。孔33の端部は広口に加工されており
、メタライズ化されている。枠部31と平板部32とは一方の平面側は同一平面上にあり
、他方の平面側においては平板部32の厚さは枠部31の厚さより薄く板部32の平面と
同一平面上になく、基台30の中央部に凹部が形成される。
図3(a)に示すダイヤフラム20の外形寸法と、図4(a)に示す基台30の外形寸
法とは略同一であり、ダイヤフラム20の周縁の厚肉部21と、基台30の周縁の枠部3
1とが互いに対応して密着するように形成されている。
ダイヤフラム20は、例えば平板状の水晶板にフォトリソグラフィ技法とエッチング手
法を適用し、水晶板の両面から所定の部位(薄肉部22)をエッチングすることにより、
容易に構成することができる。また、基台30は、例えば平板状の水晶板に片側から所定
の部位をエッチング加工して平板部32を形成し、更に、平板部32の中央にエッチング
により孔33を加工して構成することができる。
子25は、互いに平行に延在する一対の振動部(振動ビーム)26a、26bと、該一対
の振動部26a、26bの両端部に夫々連結され一体化された一対の基部27a、27b
と、を備えている。
感圧ユニット11の構成は、図2(a)に示すようにダイヤフラム20の一方の面の支
持部23、24に感圧素子(双音叉型振動素子)25の基部27a、27bを接着剤、例
えば低融点ガラスを塗布し、加熱して接着、固定する。ダイヤフラム20の感圧素子(双
音叉型振動素子)25が搭載された側の厚肉部面21aと、基台30の枠部面31aとを
接着剤、例えば低融点ガラスを塗布し、加熱して接着、固定する。
そして、基台30の平板部32に形成した貫通孔33を介して、ダイヤフラム20と基
台30とで形成された密閉空間を真空とし、貫通孔33に充填物34、例えば金錫AuS
n、金ゲルマAuGeを充填して密閉空間を真空状態とする。
接着剤として低融点ガラスの例を示したが、他の接着剤、例えばエポキシ系の接着剤で
もよいし、直接接合、アルコキシド、オルガノシロキシ基などを含む接合部材を用い、紫
外線やプラズマ照射により接合する接合方法、金錫合金被膜などの金属被膜を接合部材に
用いた共晶接合方法など、感圧ユニット11の応力緩和が図られることが望ましい。
温度センサー12は、例えば図16に示した音叉型振動素子を用いる。発振回路13は
、例えば増幅用のICと容量とにより構成することができる。カウンター14は、一般的
なカウンター用ICを用いる。基準信号用の基準発振器15は、ATカット水晶振動素子
と温度補償用ICとで構成された温度補償水晶発振器を用いる。記憶部16は、例えば書
き込み、消去が可能なEEPROMを、演算処理部17は、一般的なマイクロプロセッサ
ーを用いる。インターフェイス(I/F)18は、外部回路に合わせて適切に回路を選ぶ
。
双音叉型水晶振動素子25は、図5(a)に示すような一対の基部27a、27b及び
該基部27a、27b間を連設する一対の柱状ビームからなる振動部(感圧部)26a、
26bを備えた圧電基板からなる応力感応部と、該圧電基板の振動領域上に形成した励振
電極と、を備えている。
図5(a)の破線は双音叉型水晶振動素子25の振動姿態を示す平面図である。双音叉
型水晶振動素子25の振動モードが、一対の振動部26a、26bの長手方向の中心軸に
対して、互いに対称な振動モードで振動するように励振電極を配置する。図5(b)は双
音叉型水晶振動素子25に形成する励振電極の一例と、ある瞬間に励起される励振電極上
の電荷の符号を示した平面図である。また、図4(c)は励振電極の結線を示す模式断面
図である。
双音叉型水晶振動素子25は、例えばフォトリソグラフィ技法とエッチング手法を用い
て、Zカット水晶基板、又はZ’ カット水晶基板(X軸の回りに回転した基板)を所望
の形状に加工し、真空蒸着法等を用いて励振電極、リード電極等を形成して構成される。
用、或いは深度計用の感圧素子(応力感応素子)として使用した場合には、分解能力が優
れているために僅かな気圧差から高度差、深度差を検知することができる。
双音叉型水晶振動素子の周波数温度特性は、上に凸の二次曲線であり、その頂点温度は
、水晶結晶のX軸(電気軸)の回りの回転角度に依存する。一般的には頂点温度が常温(
25℃)になるように各パラメータを設定する。
双音叉水晶振動素子の一対の振動部に外力Fを加えたときの共振周波数fFは以下の如
くである。
fF=f0×(1−(K×L2×F)/(2×E×I))1/2・・・(1)
ここで、f0は外力がないときの双音叉型水晶振動素子の共振周波数、Kは基本波モー
ドによる定数(=0.0458)、Lは振動ビームの長さ、Eは縦弾性定数、Iは断面2
次モーメントである。断面2次モーメントIはI=d×w3/12より、式(1)は次式の
ように変形することができる。ここで、dは振動ビームの厚さ、wは幅である。
fF=f0×(1−SF×σ)1/2・・・(2)
但し、応力感度SFと、応力σとはそれぞれ次式で表される。
SF=12×(K/E)×(L/w)2・・・(3)
σ=F/(2×A)・・・(4)
ここで、Aは振動ビームの断面積(=w×d)である。
向)を正としたとき、力Fと共振周波数fFの関係は、力Fが圧縮力で共振周波数fFが減
少し、伸張(引張り)力では増加する。また応力感度SFは振動ビームのL/wの2乗に
比例する。
また、感圧素子としては、双音叉型水晶振動子に限らず、伸張・圧縮応力によって周波
数が変化する圧電振動素子であればどのようなものも用いることが可能である。
また、感圧部を構成する柱状ビームの本数は、2本に限定されるものではなく、少なく
とも1以上の柱状ビームから構成されていればよい。振動漏れ等を抑制しやすい点で、2
本であることが好ましい。柱状ビームの本数が2本である場合は、音叉型振動片を向かい
合わせに接合したような前述の如き双音叉型の振動子の態様となる。
感圧ユニット11は、ダイヤフラム20と基台30とで構成する密閉空間を真空状態と
して用いるため、ダイヤフラム20の受圧面には当該受圧面の垂直方向から圧力、例えば
1気圧がかかる。ダイヤフラム20の受圧面に圧力が加わると、薄肉部22に撓みが生じ
、薄肉部22はダイヤフラム20の受圧面の裏面側へ撓み変形する。支持部23、24の
載置面23a、24aは薄肉部22の変形に伴って傾き、載置面23a、24aは夫々薄
肉部22の重心から外側へ向けて傾く。このため、載置面23a、24a間の間隔は広が
り、該載置面23a、24aに固定された双音叉型水晶振動素子25の振動部26a、2
6bには伸長(引張り)応力が加わる。振動部26a、26bに伸長応力が加わると、双
音叉型水晶振動素子25の共振周波数は増加する。
音叉型水晶振動素子の周波数温度特性は、応力が印加されていない状態の周波数温度特性
と異なる。図6の実線で示す曲線S0は、双音叉型水晶振動素子25に応力が加わらない
状態の周波数温度特性であり、その頂点温度Tm0が常温となるように双音叉型水晶振動
素子の諸定数、例えば切断角度θを設定する。破線で示す曲線S1は双音叉型水晶振動素
子に伸長(引張り)応力を加えた状態の周波数温度特性であり、その頂点温度Tm1はT
m0より高温側へシフトする。また、一点鎖線で示す曲線S2は、双音叉型水晶振動素子
に圧縮応力を加えた状態の周波数温度特性であり、その頂点温度Tm2はTm0より低温
側へシフトする。
感圧ユニット11の圧力(応力)P−周波数f特性は、図7に示すように感圧ユニット
11が曝されている環境下の温度Tにより、圧力対周波数感度(df/dP)が異なる。
常温(25℃)の圧力対周波数感度に対し、低温(−35℃)では圧力対周波数感度(d
f/dP)は小さくなり、高温(85℃)では圧力対周波数感度(df/dP)は大きく
なる。この現象に、双音叉型水晶振動素子に伸長(引張り)応力が加わることによって、
周波数が増加する現象が同時に誘起されるのではないかと考えた結果、図6に示すように
2次曲線の頂点温度が応力の印加によりシフトする現象を説明することができるのではな
いかと考え至った。
ット11の周波数温度特性(温度T−周波数f特性)の頂点温度が高温側にシフトする現
象を説明する図である。感圧ユニット11に加わる圧力が0気圧の場合、密閉空間内部を
真空にした感圧ユニット11の双音叉型水晶振動素子25には応力が加わらない。
感圧ユニット11に加える圧力を1気圧にすると、双音叉型水晶振動素子25には伸長
(引張り)応力が加わることになり、双音叉型水晶振動素子25の周波数は上昇する。こ
のとき低温では圧力対周波数感度(df/dP)が小さく、高温では圧力対周波数感度(
df/dP)が大きくなる。この2つの現象が加算されるとJ0で示す0気圧のときの周
波数温度特性(温度T−周波数f特性)が、J1で示す1気圧のときの周波数温度特性(
温度T−周波数f特性)にシフトする。つまり、感圧ユニット11に加わる圧力により周
波数温度特性の頂点温度が高温側にシフトする現象を定性的に説明することができる。
温度のシフトを補償し、圧力センサー1の精度を改善すべく、有限要素法を用いて感圧ユ
ニット11の解析を試みた。感圧ユニット11を構成するダイヤフラム20、感圧素子(
双音叉型水晶振動素子)25、基台30は、全て水晶材料を用いることにした。水晶の定
数として、密度ρは2.65×103(kg/m3)、ポアソン比は0.135を用いた。
また、感圧ユニット11の解析に用いる運動方程式の歪と応力との関係を結びつける弾性
定数(ヤング率)Cijは、図9(a)に示す行列の定数を用いた。水晶の弾性定数(ヤ
ング率)Cijは異方性を有すると共に温度依存性を有している。
そこで、次の近似式を用いて、任意の温度Tにおける弾性定数を求めた。式(5)にお
ける弾性定数Cijの1次係数α、2次係数β、3次係数γは、夫々図9(b)の定数を
用いた。
Cij(T)=Cij×(1+α×T+β×T2+γ×T3)・・・(5)
いて鋭意分析を試みた。弾性定数Cijを式(5)のように温度Tの関数とし、感圧ユニ
ット11の共振周波数を、有限要素法を用いて解析を行った。
図10は、温度Tと感度変化率との関係を示す図である。
0気圧のときの感圧ユニット11の周波数をf0、1気圧の周波数をf1とし、|f0−
f1|/f1を感度変化率と定義し、25℃のときを0とする。温度Tを変化させ感度変化
率を解析により求めた温度T−感度変化率曲線を菱型マーク◆で示す。正方形マーク■で
示す曲線は、実際に感圧ユニット11測定して求めた温度T−感度変化率曲線である。
感圧ユニット11の周波数温度特性の頂点温度が加わる圧力により変化する理由は、周
波数温度特性を表す多項式の1次係数が変化するからである。即ち、温度が上昇すると、
水晶の弾性係数Cijが小さくなり、図10の感度変化率が増加する。感度変化率は温度
Tの増加に対し、ほぼ直線的に増加するため、感圧ユニット11の周波数温度特性を表す
多項式の1次係数が変化する。その結果として、頂点温度がシフトするように見えていた
ことが判明した。
ョン解析で求めた感圧ユニット11の周波数温度特性を示した図である。各気圧において
温度Tを変化させて感圧ユニット11の周波数変化Δf/fを計算した。0気圧の場合を
菱型マーク◆でしめし、1気圧の場合を正方形マーク■で示す。0気圧及び1気圧の各々
において、周波数変化Δf/fを求めた。細線は、各温度Tにおいて有限要素法により算
出された周波数変化Δf/fをプロットして滑らかな線で結んだ曲線である。太線は、前
記各温度Tにおいて算出された周波数変化Δf/fを最小二乗法を用いて近似して得られ
た多項式による曲線である。0気圧の場合の周波数温度特性の頂点温度は−6℃であるが
、1気圧の場合では頂点温度は高温側にシフトし、20℃となることが解析結果により求
められた。0気圧、1気圧の場合に感圧ユニット11の周波数温度特性を表す多項式yを
図面下部に示した。
0気圧のとき:y=−0.0476x2−0.595x+41.498 ・・・(a)
1気圧のとき:y=−0.0464x2+1.7737x−15.342・・・(b)
ト11の周波数温度特性を測定したときの曲線で、0気圧の場合を菱型マーク◆で示し、
1気圧の場合を正方形マーク■で示す。0気圧の場合、周波数温度特性の頂点温度が−7
℃であったが、1気圧の場合では頂点温度は20℃にシフトしている。0気圧、1気圧の
場合に感圧ユニット11の周波数温度特性を表す多項式yを図面下部に示した。
0気圧のとき:y=−0.0383x2−0.5123x+32.126・・・(c)
1気圧のとき:y=−0.0308x2+1.2514x−11.312・・・(d)
図11に示したシミュレーション解析結果と、図12に示した実験による測定結果とを
比べ、感圧ユニット11に圧力(1気圧)を加えた場合に、頂点温度の高温側へのシフト
量は、シミュレーション解析でも数パーセントの誤差範囲で算出できることが判明した。
この解析結果と実測結果からも、周波数温度特性の頂点温度が変化する理由は、周波数温
度特性を表す多項式の1次係数の変化に起因することが実証できた。
本願発明者らは、前述の如き研究成果により本願に係る発明に想到したのである。
本実施形態では、感圧ユニット11の周波数温度特性を表す多項式を第1の近似式fとし
、次の3次多項式を用いた。
f=a1T3+a2T2+a3T+a4・・・(6)
す圧力P−周波数f特性を表す曲線である。この圧力周波数特性を表す多項式を第2の近
似式Pとし、次の3次多項式を用いた。
P=b1f3+b2f2+b3f+fc・・・(7)
ここでfcは、例えば1気圧の圧力を感圧ユニット11に負荷したときの周波数温度特
性を表している。式(7)の1次の係数b3は、温度依存性を表す係数で、第3の近似式
b3とし、次の2次多項式を用いた。
b3=c1T2+c2T+c3・・・(8)
7)、(8)の全ての係数を実測し、圧力センサー1の記憶部16に格納することにした
。始めに、使用気圧範囲内の一定気圧Poの環境下において、周波数温度特性(T−f特
性)を測定し、式(6)の係数a1、a2、a3、a4を求める。次に、使用温度範囲内の
温度Tをパラメータ(3点以上、例えば−35℃、25℃、85°)として、圧力周波数
特性(P−f特性)を測定し、式(7)の係数b1、b2、b3を求める。
そして、温度Tiをパラメータとし、圧力Pを変化させて感圧ユニット11の共振周波
数を求め、圧力対周波数感度(df/dP)iを求める。温度Tiと圧力対周波数感度(
df/dP)iをプロットし、この曲線から式(8)の係数c1、c2、c3を求める。
測定によって求められた全ての係数a1〜a4、b1〜b3、c1〜c3を圧力センサー1の
記憶部16に格納する。
f特性)を多項式で近似し、且つ圧力周波数特性(P−f特性)の1次項の係数を多項式
で近似し、これらの多項式の係数を測定し、記憶部16に格納して圧力センサー1を構成
した。本発明の圧力センサー1の動作は、温度センサー12からの温度信号と、カウンタ
ー14を介して感圧ユニット11の周波数信号とを演算処理部17に取り込み、予め格納
してある周波数温度特性(T−f特性)、圧力周波数特性(P−f特性)、温度依存特性
項b3の各係数を呼びだして、上記信号に補正を加えることにより、圧力センサー1に加
わる圧力を求めることができる。このように圧力センサー1を構成すると、圧力検出精度
が大幅に改善されることが判明した。
例えば、使用圧力範囲は0.5気圧から1.5気圧程度とする。図11において温度が
15℃では0気圧と1気圧の周波数差(Δf/f)は略80ppmであり、略200Pa
に相当する。0.5気圧幅では略100Paとなる。本発明に係る圧力センサー1では精
度は5Pa程度であり、圧力検出精度は略1/20と大幅に改善された。
波数特性を表す式(7)を3次多項式、温度依存特性式を表す式(8)を2次多項式で近
似したが、圧力センサーの精度を上げるには更に次数の高い多項式を用いればよい。しか
し、次数を高くするとこれらの係数を格納する記憶部が大きくなり、ICが大型になると
いう問題もあり、要求精度との兼ね合いで各多項式の次数を決めることになる。
圧力センサーの周波数温度特性を第1の近似多項式で関係づけ、圧力対周波数特性を第
2の近似多項式で関係づけ、第2の近似多項式の1次の係数を第3の近似多項式で関係づ
け、これらの多項式の全ての係数を実測して求めた後、記憶部に格納し、圧力センサーを
使用する際に前記全ての係数を呼び出して、圧力センサーの周波数を補償するので、測定
で得られる圧力の検出精度が大幅に改善され、再現性、高安定性とも改善でき、使用温度
範囲、使用圧力範囲が広がるという効果がある。
でも一例であり、圧力センサー1の低消費電力化を図るために、電流を多く消費する演算
処理部17とインターフェイス部(I/F)18との機能を、電気的に接続する外部機器
に持たせ、演算処理部17とインターフェイス部(I/F)18を除いて圧力センサーを
構成するとよい。圧力センサーの中で最も消費電力の大きな演算処理部17の機能を、外
部機器の有するCPUに移すことにより、圧力センサーの小型化が可能であると共に、低
諸費電力化が図られるという効果がある。また、その際は演算処理部17に接続される温
度センサー11は感圧ユニット11の近傍に配置すれば外部機器に設けることが可能にな
る。
従って、本実施形態の圧力センサー1は、感圧ユニット11と、記憶部16とにより構
成することが可能になり、圧力センサー1の小型化、低消費電力化を図ることが可能にな
る。
イヤフラム20と基台30とを全て水晶で構成することにより、各部の線膨張係数を同一
にできるので、温度変化に起因する歪による検出精度の劣化を少なくできるという効果が
ある。
また、本実施形態の圧力センサー1の周波数温度特性を3次多項式で近似することによ
り2次多項式で近似した場合に比べ圧力センサーの検出精度が向上するという効果がある
。また、圧力センサー1の圧力対周波数特性を3次多項式で近似することにより、従来の
1次式の近似に比べ圧力センサーの検出精度が向上するという効果がある。また、第2の
近似多項式の1次の係数に温度依存性を持たして2次多項式とすることにより、従来は考
慮してない温度依存性を取り入れて周波数を補正したので圧力センサーの検出精度が向上
するという効果がある。
が有する諸特性を記憶する記憶部と、備えた圧力センサー1の製造方法であって、一定圧
力の環境下おいて前記圧力センサー1の温度と周波数とを関係づける周波数温度特性を表
す第1の近似多項式の係数を求める工程と、互いに異なる複数の温度環境下において前記
圧力センサー1の圧力と周波数とを関係づける圧力対周波数特性を表す第2の近似多項式
の係数を求める工程と、前記第2の近似多項式の1次の係数を構成する第3の近似多項式
の係数を求める工程と、前記記憶部に求めた前記全ての係数を記憶させる工程と、を含む
圧力センサーの製造方法である。
以上のように周波数温度特性を表す係数と、圧力対周波数特性を表す係数と、圧力対周
波数特性の1次の係数の温度依存性を表す係数を実測により求める工程と、これら全ての
係数を記憶部に記憶させる工程を有することにより、圧力センサーの圧力検出精度を大幅
に改善し、再現性、高安定性を改善でき、使用温度範囲、使用圧力範囲を広げることがで
きる圧力センサー1を製造することが可能になるという効果がある。
(OSC)、14…カウンター、15…基準発振器(TCXO)、16…記憶部、17…
演算処理部(CPU)、18…インターフェイス部(I/F)、20…ダイヤフラム、2
1…厚肉部、22…薄肉部、23、24…支持部、25…感圧素子(双音叉振動素子)、
26a、26b…振動部、27a、27b…基部、30…基台、31…枠部、32…平板
部、33…孔
Claims (8)
- 圧力に応じて共振周波数が変化する感圧ユニットと、
記憶部と、を備え、
前記記憶部は、
前記感圧ユニットの周波数温度特性に関係する3次多項式である近似多項式の係数と、
温度によって決定する係数を有する1次の項を含み、複数の温度環境下における前記感圧ユニットの圧力周波数特性に関係する近似多項式の係数と、
前記1次の項の係数を構成する近似多項式の係数と、
を記憶していることを特徴とする圧力センサー。 - 前記記憶部に記憶されている係数は、
前記感圧ユニットの温度に基づく温度信号と、
前記感圧ユニットの共振周波数に基づく周波数信号と、
を用いた演算処理により圧力値の補正を行うデータであることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサー。 - 前記圧力周波数特性に関係する近似多項式が3次多項式であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧力センサー。
- 前記1次の項の係数を構成する近似多項式が2次多項式であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の圧力センサー。
- 前記感圧ユニットは、
感圧部、前記感圧部の両端と接続されている一対の基部、を有する感圧素子と、
一方の主面に受圧面を有し、前記受圧面の裏側の面に前記感圧素子の一対の基部を夫々接続しているダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと供に前記感圧素子を挟むように前記裏側の面と対向して配置されている基台と、を備えていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の圧力センサー。 - 前記感圧部が、一以上の柱状ビームから構成されていることを特徴とする請求項5に記載の圧力センサー。
- 前記感圧素子、前記ダイヤフラム、及び前記基台が水晶材料で構成されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の圧力センサー。
- 圧力に応じて共振周波数が変化する感圧ユニットと、記憶部と、備えている圧力センサーの製造方法であって、
前記圧力センサーの周波数温度特性に関係する3次多項式である近似多項式の係数を求める工程と、
複数の温度環境下における前記圧力センサーの圧力周波数特性に関係する近似多項式の係数を求める工程と、
前記圧力周波数特性に関係する近似多項式の1次の項の係数を構成する近似多項式の係数を求める工程と、
前記記憶部に前記全ての係数を記憶させる工程と、
を含むことを特徴とする圧力センサーの製造方法。
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