JP6150565B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力差に基づいて、微細な圧力変動を検出する圧力センサに関する。

従来、圧力変動を検出する圧力センサ（「差圧センサ」ともいう）として、例えば、透孔又は凹部を有する基板と、通気孔を有する収納容器と、収納容器内に配設され、透孔又は凹部内で振動可能に基板に片持ち支持された圧電素子と、を具備した圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記構成とされた圧力センサによれば、通気孔を介して収納容器内に伝わる圧力変動と、該圧力変動に遅れて追従する透孔又は凹部内部の圧力との差圧の大きさに応じて圧電素子が振動する。その結果、上記圧力センサは、圧電素子に生ずる電圧変化に基づいて、収納容器に伝わる圧力変動を検出することが可能となる。

特開平４−２０８８２７号公報

ところで、この種の圧力センサ（特許文献１に開示された圧力センサを含む）では、その用途に応じて仕様が決定され、該仕様を満たすべくセンサが設計される。このとき、圧力センサの仕様を決定する要因としては、例えば、圧電素子の形状、透孔又は凹部の容積、圧電素子と透孔又は凹部との隙間の形状、透孔又は凹部内部と外部との間を出入りする流量等が挙げられる。

圧力センサの性能を定める一つの要素としては、例えば、圧力変動を検知可能な周波数帯域がある。圧力センサが検出可能な圧力変動の上限周波数は、圧電素子の共振周波数近傍であると考えられる。

一方、下限周波数については、透孔又は凹部の容積を大きく、また透孔又は凹部内部と外部との間を出入りする流量を小さくするほど、低周波数化しやすいことが分かっている。
すなわち、このような透孔又は凹部の容積が大きな構成にすると、当該透孔又は凹部外部の圧力変動に対して、透孔又は凹部内部の圧力変動の遅れ時間が長くなる。

つまり、透孔又は凹部外部が非常にゆっくりと圧力変動しても、該圧力変動以上に透孔又は凹部内部の圧力が遅れて変動すると、外部の圧力と透孔又は凹部内部の圧力との差圧が得られ、圧力センサの出力を得ることができる。

ただし、このように非常にゆっくりとした圧力変動を検出できる構成の圧力センサは、急激な圧力変動や大きな圧力変化を受けた場合に問題が生じる。
例えば、透孔又は凹部外部が急激に圧力変動した場合、外部の圧力変動に追従して、透孔又は凹部内部の圧力も遅れて変化する。

また、急激な圧力変動が加わった直後は、透孔又は凹部外部の圧力と内部の圧力との差圧は非常に大きく、該差圧は徐々に小さくなっていく。この差圧が減少する過程において、圧力センサは、外部の圧力が変動しない定圧状態であるにもかかわらず、センサ出力が得られる状態を形成する。

したがって、急激な圧力変動直後の圧力センサの出力が、実際に透孔又は凹部外部の圧力変動によるものなのか、或いは、急激な圧力変動で生じた透孔又は凹部内部の圧力と外部の圧力との差圧によるものなのか判別できなくなるという課題があった。

そこで、本発明は、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出可能な圧力センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
（１）本発明に係る圧力センサは、圧力変動を検出する圧力センサであって、圧力変動を検出する圧力センサであって、キャビティを有するセンサ本体と、前記キャビティと対向するように配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する気圧計測用カンチレバーと、前記気圧計測用カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、前記キャビティ内外の空気を流通させることで、前記キャビティ内の圧力を調整する圧力調整機構と、を有し、前記圧力調整機構は、前記気圧計測用カンチレバーの周囲に配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する圧力調整用カンチレバーを含むことを特徴とする。

本発明に係る圧力センサによれば、キャビティ内外の空気を流通させることで、キャビティ内の圧力を調整する圧力調整機構を有することにより、キャビティ外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合においても、キャビティ内外の差圧をほとんど無くす（言い換えれば、ゼロに復帰させる）ことが可能となる。
これにより、キャビティ外部の急激もしくは非常に大きな圧力変動直後における微小な圧力変動を正確に検出することができる。
また、気圧計測用カンチレバーの周囲に配置され、片持ち状に支持されると共に、キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する圧力調整用カンチレバーを有することにより、キャビティ外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ内外の空気を流通させて、キャビティ内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。
これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。
また、気圧計測用カンチレバーの周囲に圧力調整用カンチレバーを配置することで、気圧計測用カンチレバー及び圧力調整用カンチレバーを一括形成することが可能となるので、圧力センサの製造工程を簡略化することができる。

（２）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力調整用カンチレバーは、前記キャビティを介して、前記気圧計測用カンチレバーと対向するように配置されていてもよい。

このように、キャビティを介して、気圧計測用カンチレバーと圧力調整用カンチレバーとを対向するように配置させることで、キャビティ外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ内外の空気を流通させて、キャビティ内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。
これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。
また、センサ本体の同じ側に、気圧計測用カンチレバーと圧力調整用カンチレバーとを配置させた場合と比較して、圧力センサの小型化を図ることができる。

（３）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力調整機構は、前記センサ本体上に配置された蓋部を貫通する第１及び第２の連通開口と、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形することで、前記第１の連通開口を開閉する第１のプリロード用カンチレバーと、前記キャビティの外部に配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形することで、前記第２の連通開口を開閉する第２のプリロード用カンチレバーと、を有し、前記第１のプリロード用カンチレバーは、前記キャビティの外部の圧力が該キャビティの内部の圧力よりも高くなり、前記キャビティ内外の圧力差が所定の値を超えた際、前記第１の連通開口を開け、前記第２のプリロード用カンチレバーは、前記キャビティの内部の圧力が該キャビティの外部の圧力よりも高くなり、前記キャビティ内外の圧力差が所定の値を超えた際、前記第２の連通開口を開けてもよい。

このように、キャビティの外部の圧力が該キャビティの内部の圧力よりも高くなり、キャビティ内外の圧力差が所定の値を超えた際、第１の連通開口を開ける第１のプリロード用カンチレバーと、キャビティの内部の圧力が該キャビティの外部の圧力よりも高くなり、キャビティ内外の圧力差が所定の値を超えた際、第２の連通開口を開ける第２のプリロード用カンチレバーと、を有することにより、キャビティ外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ内外の空気を流通させて、キャビティ内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。
これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。

（４）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記第１のプリロード用カンチレバーは、前記第１の連通開口を塞ぐ先端部を有し、前記第２のプリロード用カンチレバーは、前記第２の連通開口を塞ぐ先端部を有してもよい。

このように、第１のプリロード用カンチレバーが第１の連通開口を塞ぐ先端部を有し、第２のプリロード用カンチレバーが第２の連通開口を塞ぐ先端部を有することにより、外気の圧力が急上昇した場合に第１のプリロード用カンチレバーを使用し、外気の圧力が急低下した場合に第２のプリロード用カンチレバーを利用することが可能となるので、外気の圧力が正負どちらに変動した場合でも所定の動作を行うことができる。

（５）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記第２のプリロード用カンチレバーの内側に、前記気圧計測用カンチレバーを配置してもよい。

このように、第２のプリロード用カンチレバーの内側に、気圧計測用カンチレバーを配置させることで、第２のプリロード用カンチレバー及び気圧計測用カンチレバーを一括形成することが可能となるので、圧力センサの製造工程を簡略化することができる。

（６）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力調整用カンチレバーの外形は、前記気圧計測用カンチレバーの外形よりも大きくしてもよい。

このように、圧力調整用カンチレバーの外形を気圧計測用カンチレバーの外形よりも大きくすることで、大きな圧力を圧力調整用カンチレバーが受けた場合のみ、圧力調整用カンチレバーを変形させて、キャビティの内外の差圧を解消することができる。

（７）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力調整用カンチレバーに、圧電薄膜を設けてもよい。

このように、圧力調整用カンチレバーに圧電薄膜を設けることで、圧力調整用カンチレバーにアクチュエータの機能を付与することができる。

（８）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記第１及び第２のプリロード用カンチレバーの外形は、前記気圧計測用カンチレバーの外形よりも大きくてもよい。

このように、第１及び第２のプリロード用カンチレバーの外形を気圧計測用カンチレバーの外形よりも大きくすることで、大きな圧力を第１及び第２のプリロード用カンチレバーが受けた場合のみ、第１及び第２のプリロード用カンチレバーのうち、いずれか一方のプリロード用カンチレバーを変形させて、キャビティの内外の差圧を解消することができる。

（９）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記第１及び第２のプリロード用カンチレバーは、圧電薄膜を含んでもよい。

このように、第１及び第２のプリロード用カンチレバーが圧電薄膜を含むことで、第１及び第２のプリロード用カンチレバーに反り（言い換えれば、プリロード）を付与することができる。

（１０）本発明に係る圧力センサは、圧力変動を検出する圧力センサであって、キャビティを有するセンサ本体と、前記キャビティと対向するように配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する気圧計測用カンチレバーと、前記気圧計測用カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、前記キャビティ内外の空気を流通させることで、前記キャビティ内の圧力を調整する圧力調整機構と、を有し、前記圧力調整機構は、前記センサ本体を貫通する連通開口と、前記連通開口を開閉する開閉器と、を有してもよい。

本発明に係る圧力センサによれば、キャビティ内外の空気を流通させることで、キャビティ内の圧力を調整する圧力調整機構を有することにより、キャビティ外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合においても、キャビティ内外の差圧をほとんど無くす（言い換えれば、ゼロに復帰させる）ことが可能となる。
これにより、キャビティ外部の急激もしくは非常に大きな圧力変動直後における微小な圧力変動を正確に検出することができる。
また、センサ本体を貫通する連通開口と、連通開口を開閉する開閉器と、を有することにより、キャビティ外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ内外の空気を流通させて、キャビティ内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。
これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。

（１１）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記圧力調整機構は、前記開閉器の開閉動作を制御する開閉制御部を有してもよい。

このように、開閉器の開閉動作を制御する開閉制御部を有することで、開閉制御部により、開閉器の開閉動作を実行するタイミングを適宜に制御することができる。

（１２）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記開閉制御部は、前記変位測定部の出力が所定の範囲を超えた際に、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力してもよい。

このように、変位測定部の出力が所定の範囲を超えた際に、開閉器の開動作を行う制御信号を開閉制御部が出力することにより、所定の範囲以上の圧力変動を検知した際に、センサ出力をリセットすることが可能となるため、所定の範囲以上の圧力変動の検知直後において微小な圧力変動を正確に検出することができる。
また、開閉器を開閉してセンサ出力をリセットする圧力範囲を自在に設定することができる。

（１３）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記開閉制御部は、前記キャビティ外部の圧力を検出する検知器を含み、前記開閉制御部は、前記キャビティ外部の圧力が所定の値を超えたことを前記検知器が検知した際に、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力してもよい。

このように、キャビティ外部の圧力が所定の値を超えたことを検知器が検知した際に、開閉器の開動作を行う制御信号を出力することにより、実際のキャビティ外部の圧力変動の変化量に基づいて圧力センサの出力をリセットすることが可能となるため、微細な圧力変動を正確に検出できる。

（１４）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記開閉制御部は、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力した時点から所定時間経過後、前記開閉器の閉動作を行う制御信号を出力してもよい。

このように、開閉器の開動作を行う制御信号を出力した時点から所定時間経過後、開閉器の閉動作を行う制御信号を出力することで、開閉制御器の制御信号により開閉器の開閉動作を制御可能となる。これにより、確実にキャビティ内外の差圧を解消可能となるため、圧力変動直後の微小な気圧を正確に検出できる。

（１５）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記開閉制御部は、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力した後、前記変位測定部の出力信号に基づいて、前記開閉器の閉動作を行う制御信号を出力してもよい。

このように、開閉器の開動作を行う制御信号を出力した後、変位測定部の出力信号に基づいて、開閉器の閉動作を行う制御信号を出力することで、変位測定部の出力信号に基づいて開閉器の開閉動作を制御することが可能となるため、急激もしくは非常に大きな圧力変動が印加された場合でも、確実にキャビティ内外の差圧を解消できる。
これにより、急激もしくは非常に大きな圧力変動の直後でも、微小な気圧を正確に検出できる。

（１６）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記変位測定部は、前記気圧計測用カンチレバーの基端部に設けられたピエゾ抵抗を有してもよい。

このように、カンチレバーの基端部に、カンチレバーの基端部に加わる応力を電気抵抗値の変化に変換可能なピエゾ抵抗を有することにより、ピエゾ抵抗の電気抵抗値を検出することで、簡易にカンチレバーの変位を検出することが可能となるので、圧力変動を正確に検出できる。

（１７）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記変位測定部は、前記気圧計測用カンチレバーの基端部に設けられた圧電薄膜を有してもよい。

このように、カンチレバーの基端部に、カンチレバーの基端部に加わる応力を起電力に変換可能な圧電薄膜を有することにより、圧電薄膜の起電力を検出して、簡易にカンチレバーの変位を検出ですることが可能となる。これにより、圧力変動を正確に検出することができる。

本発明の圧力センサによれば、低周波数帯域におけるゆっくりとした圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動直後の出力をリセットすることで、急激な圧力変動直後の微細な圧力変化を検知できる。

本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサの断面図である。 図１に示す圧力センサの出力の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）はキャビティ内外の圧力の経時変化を示す図であり、（Ｂ）は圧力センサの出力の経時変化を示す図である。 図１に示す圧力センサの動作の一例を模式的に示す断面図であり、（Ａ）は初期状態の圧力センサの断面図を示しており、（Ｂ）はキャビティ外部の圧力が内部の圧力より高い場合の圧力センサの断面図を示しており、（Ｃ）はキャビティ内外の圧力が等圧に戻ったときの圧力センサの断面図を示している。 図１に示す圧力センサに急激な圧力変動が生じた場合の出力の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）はキャビティ内外の圧力の経時変化を示す図であり、（Ｂ）は圧力センサの出力の経時変化を示す図であり、（Ｃ）は開閉制御部の出力信号の経時変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。 図７に示す圧力センサの主要部の平面図であり、気圧計測用カンチレバー及び圧力調整用カンチレバーの位置関係を説明するための図である。 本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す斜視図である。 図１１に示すＢ−Ｂ線に沿った圧力センサの断面図である。 キャビティ外の圧力とキャビティ内の圧力との圧力差が大きくなった際の第１のプリロード用カンチレバー及び気圧計測用カンチレバーの変位を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施の形態の変形例に係る圧力センサを分解させた斜視図である。 図１３に示すＪ−Ｊ線に沿った圧力センサの断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。 図１６に示す圧力センサの主要部の平面図であり、気圧計測用カンチレバー及び第２のプリロード用カンチレバーの位置関係を説明するための図である。 プリロード用カンチレバーの他の例を示す断面図（その１）である。 プリロード用カンチレバーの他の例を示す断面図（その２）である。 プリロード用カンチレバーの他の例を示す断面図（その３）である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の圧力センサの寸法関係とは異なる場合がある。

（第１の実施の形態）
＜第１の実施の形態に係る圧力センサの構成の説明＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサの断面図である。

図１及び図２を参照するに、第１の実施の形態の圧力センサ１は、所定の周波数帯域（例えば、０．０５Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）の圧力変動を検出するセンサであって、センサ本体３と、気圧計測用カンチレバー４と、蓋部１２と、変位測定部５と、連通開口１１ｂ、開閉器６、及び開閉制御部７を含む圧力調整機構８と、を有する。
圧力調整機構８は、キャビティ１０（空気室）内外の空気を流通させることで、キャビティ１０内の圧力を調整するため（具体的には、キャビティ１０内外の圧力差をほとんど無くすため）の機構である。

センサ本体３は、キャビティ１０を有する。センサ本体３は、例えば、キャビティ１０を区画し、かつ樹脂よりなる第１の部分３−１と、第１の部分３−１上に配置され、かつシリコン支持層２ａ、及びシリコン酸化膜等の酸化層２ｂよりなる第２の部分３−２と、を有する。

気圧計測用カンチレバー４は、例えば、シリコン支持層２ａ、シリコン酸化膜等の酸化層２ｂ、およびシリコン活性層２ｃを熱的に張り合わせたＳＯＩ基板２を加工することで形成することができる。
気圧計測用カンチレバー４は、ＳＯＩ基板２におけるシリコン活性層２ｃよりなり、平板状のシリコン活性層２ｃより、平面視コ字状に形成されたギャップ１３を切り出すことで形成される。

これにより、気圧計測用カンチレバー４は、基端部４ａを固定端とし、先端部４ｂを自由端とした片持ち梁構造とされている。
また、気圧計測用カンチレバー４は、センサ本体３に形成されたキャビティ１０の上面を囲うよう配置される。つまり、気圧計測用カンチレバー４は、キャビティ１０の開口を略閉塞している。

気圧計測用カンチレバー４は、基端部４ａを介してセンサ本体３に第２の部分３−２上に対して一体的に固定されることで、片持ち支持される。
これにより、気圧計測用カンチレバー４は、基端部４ａを中心としてキャビティ１０の内部と外部との圧力差に応じた撓み変形が可能となる。
気圧計測用カンチレバー４の基端部４ａには、平面視コ字状の貫通孔１５が形成されており、該気圧計測用カンチレバー４が撓み変形しやすい設計としている。ただし、この貫通孔１５の形状は、上記コ字状に限定されるものではなく、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形を容易にする形状へ変更が適宜可能である。

蓋部１２は、ギャップ１３を介して、気圧計測用カンチレバー４の周囲に配置されている。蓋部１２は、シリコン活性層２ｃで構成されている。蓋部１２は、キャビティ１０の上方に配置されている。

変位測定部５は、気圧計測用カンチレバー４の基端部４ａ上面に設けられたピエゾ抵抗２０と、ピエゾ抵抗２０の上部に接続された配線部２１と、気圧計測用カンチレバー４の変位を検出する検出回路２２と、を有する。

ピエゾ抵抗２０は、気圧計測用カンチレバー４の撓み量（変位量）に応じて電気抵抗値が変化する抵抗素子である。図１に示すように、ピエゾ抵抗２０は、気圧計測用カンチレバー４の短手方向において、貫通孔１５を挟んだ両側に対となって配置されている。
これら一対のピエゾ抵抗２０は、導電性材料からなる配線部２１を介して相互に電気的に接続されている。

この配線部２１及びピエゾ抵抗２０を含む全体的な形状は、例えば、平面視Ｕ字状とすることができる。また、ピエゾ抵抗２０には、ピエゾ抵抗２０の電気抵抗値変化に基づいて気圧計測用カンチレバー４の変位を測定する検出回路２２が電気的に接続されている。

上記構成とされた変位測定部５において、検出回路２２を通じてピエゾ抵抗２０に所定電圧が印加された際に発生する電流は、貫通孔１５を回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗２０から配線部２１を経由して他方のピエゾ抵抗２０に流れる。
このため、検出回路２２は、気圧計測用カンチレバー４の変位（撓み変形）に応じて変化するピエゾ抵抗２０の電気抵抗値変化を電気的な出力信号として取り出すことが可能となる。

したがって、変位測定部５は、この出力信号（センサ出力）に基づいて、気圧計測用カンチレバー４の変位を測定することが可能であるので、キャビティ１０の内部と外部との差圧を検出することができる。

なお、上記ピエゾ抵抗２０は、例えば、イオン注入法や拡散法等の各種の方法により、リン等のドープ剤（不純物）をシリコン活性層２ｃにドーピングすることで形成される。
また、一対のピエゾ抵抗２０は、配線部２１のみで電気的導通するよう構成されている。このため、図示していないが、気圧計測用カンチレバー４の周囲に位置するシリコン活性層２ｃは、配線部２１以外でピエゾ抵抗２０双方が導通しないようにエッチングされている。

また、上記ピエゾ抵抗２０に替えて、圧電薄膜を用いてもよい。
この場合、気圧計測用カンチレバー４の基端部４ｂに加わる応力に応じて、起電力が発生し、該起電力を検出することで、気圧計測用カンチレバー４の変位を検出することが可能となる。

連通開口１１ｂは、気圧計測用カンチレバー４のギャップ１３と別体に設けられている。連通開口１１ｂは、センサ本体３の底部を貫通するように設けられている。連通開口１１ｂは、その一端が外気に接触すると共に、他端がキャビティ１０と連通する筒状の外気流通口である。

連通開口１１ｂの口径は、ギャップ１３の開口面積よりも開口面積が大きくなるように設定するとよい。このように、ギャップ１３の開口面積よりも開口面積が大きくなるように、連通開口１１ｂの口径を構成することにより、キャビティ１０と外気間の圧力差が加わった場合でも、ギャップ１３より連通開口１１ｂのほうが、キャビティ１０と外気と間の空気流量を大きくすることができる。

開閉器６は、センサ本体３に設けられた連通開口１１ｂに取り付けられており、連通開口１１ｂを開閉する機能を有する。開閉器６としては、例えば、小型のソレノイドバルブを用いることができる。

開閉制御部７は、変位測定部５の検出回路２２及び開閉器６と電気的に接続されている。開閉制御部７は、開閉器６へ制御信号を出力し、開閉器６に開動作／閉動作を逐次実行させる。なお、具体的な開閉制御部７による開閉器６の動作制御は、後ほど詳細に説明する。

＜第１の実施の形態に係る圧力センサの動作の説明＞
図３は、図１に示す圧力センサの出力の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）はキャビティ内外の圧力の経時変化を示す図であり、（Ｂ）は圧力センサの出力の経時変化を示す図である。
図４は、図1に示す圧力センサの動作の一例を模式的に示す断面図であり、（Ａ）は初期状態の圧力センサの断面図を示しており、（Ｂ）はキャビティ外部の圧力が内部の圧力より高い場合の圧力センサの断面図を示しており、（Ｃ）はキャビティ内外の圧力が等圧に戻ったときの圧力センサの断面図を示している。
図４においいて、図２に示す圧力センサ１と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図４では、圧力センサ１を構成する開閉制御部７及び検出回路２２の図示を省略する。

次に、図３及び図４を参照して、上述した圧力センサ１を利用して、微小な圧力変動を検出する場合の圧力センサ１の動作について説明する。
初めに、図３（Ａ）に示す期間Ａのように、キャビティ１０の外部の圧力（以下、「外圧Ｐｏｕｔ」という）と、キャビティ１０内部の圧力（以下、「内圧Ｐｉｎ」という）との圧力差がゼロである場合には、図４（Ａ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４は撓み変形しない。

ここで、図３（Ａ）に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、例えば、外圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇すると、キャビティ１０の外部と内部との間に差圧が生じるため、図４（Ｂ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４はキャビティ１０内部に向けて撓み変形する。
すると、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形に応じてピエゾ抵抗２０に歪が生じ、電気抵抗値が変化するので、図３（Ｂ）に示すように、圧力センサ１の出力信号が増大する。

また、外圧Ｐｏｕｔの上昇以降において、ギャップ１３を介してキャビティ１０の外部から内部へと圧力伝達媒体が流動する。このため、図３（Ａ）に示すように、内圧Ｐｉｎは時間の経過とともに、外圧Ｐｏｕｔよりも遅れながら、かつ外圧Ｐｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。

その結果、内圧Ｐｉｎが外圧Ｐｏｕｔに徐々に近づくので、キャビティ１０の外部と内部との圧力が均衡状態になり始め、気圧計測用カンチレバー４の撓みが徐々に小さくなり、図３（Ｂ）に示すように上記出力信号が徐々に低下する。

そして、図３（Ａ）に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように、内圧Ｐｉｎが外圧Ｐｏｕｔに等しくなると、図４（Ｃ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、図３（Ｂ）に示すように、圧力センサ１の出力信号が再びゼロになる。

このように、気圧計測用カンチレバー４の変位に基づいた出力信号の変動をモニタすることで、キャビティ１０の外部の圧力変動を検出することができる。
特に、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃを利用して半導体プロセス技術により気圧計測用カンチレバー４を形成できるので、従来の圧電素子に比べて薄型化（例えば、数十〜数百ｎｍ）し易い。したがって、微小な圧力変動の検出を精度よく行うことができる。

図５は、図１に示す圧力センサに急激な圧力変動が生じた場合の出力の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）はキャビティ内外の圧力の経時変化を示す図であり、（Ｂ）は圧力センサの出力の経時変化を示す図であり、（Ｃ）は開閉制御部の出力信号の経時変化を示す図である。
なお、図５（Ｂ）において、開閉器６および開閉制御部７を動作させた場合の圧力センサ１の出力信号を実線で、開閉器６および開閉制御部７が動作しない場合（つまり、従来の圧力センサ）の出力信号を破線で示す。

次に、図５を参照して、急激な圧力変動が加わった場合の圧力センサ１の動作について説明する。
まず、開閉器６及び開閉制御部７を動作させる場合について説明する。図５（Ａ）に示す時刻ｔ３のように、外圧Ｐｏｕｔが非常に大きく上昇すると、前述と同様に、キャビティ１０の外部と内部との差圧が発生して気圧計測用カンチレバー４が変形し、図５（Ｂ）に示すように、圧力センサ１の出力信号が増大する。

ここで、圧力センサ１の出力信号が閾値Ｖｃを超えると、開閉制御部７が開閉器６へ制御信号を出力し、開閉器６を所定の時間（期間ｔ３ｃ〜ｔ４）だけ開放させる。すると、キャビティ１０内には、連通開口１１ｂを介して外気が導入される。

そして、上述の通り連通開口１１ｂの開口面積がギャップ１３の開口面積よりも大きいため、開閉器６の流動量（言い換えれば、連通開口１１ｂの流動量）は、気圧計測用カンチレバー４周囲のギャップ１３の流動量よりも大きくなり、キャビティ１０の外部と内部との差圧がほぼゼロに戻る。

このため、気圧計測用カンチレバー４の変形が解消され、出力信号もゼロに復帰するので、圧力センサ１は再び微小な圧力変動の検出が可能な状態となる。
ここで、上記出力信号の閾値Ｖｃや開閉器６を開放する所定の時間は、圧力センサ１の基本性能(例えば、圧力分解能等)や、圧力センサ１を構成するキャビティ１０の容積、気圧計測用カンチレバー４の剛性、ギャップ１３の幅の寸法、開閉器６を経由する空気流量等によって適宜に定まる値である。

例えば、圧力センサ１が、１Ｐａの圧力差で先端が０．1μｍ変位する気圧計測用カンチレバー４と、幅５μｍのギャップ１３と、容積１ｍＬのキャビティ１０と、口径１ｍｍの連通開口１１ｂを経由して接続された開閉器６と、から構成され、閾値Ｖｃを１Ｖとした場合に、キャビティ１０内外で３０Ｐａの圧力差が生じているとする。

この場合、圧力差３０Ｐａで連通開口１１ｂ及び開閉器６を流動する空気流量は、約５．５ｍＬ／ｓｅｃとなる。すると、キャビティ１０内外の圧力差３０Ｐａを相殺し、圧力差をゼロにするには、約０．３μＬの空気がキャビティ１０に出入りする必要がある。
このため、開閉器６が１ｍｓｅｃ程度の開動作をすることで、キャビティ１０内外の数十Ｐａ程度の圧力差を相殺することができる。よって、所定の時間は、数ｍｓｅｃ程度となる。

なお、キャビティ１０の容積をさらに大きくすると、圧力差を相殺する空気量が大きくなるので、所定の時間を長くする必要がある。また、連通開口１１ｂの口径や開閉器６の空気流量が大きくすれば、所定の時間を数ｍｓｅｃより短くしても圧力差を相殺することができる。

また、当該閾値Ｖｃや所定の時間は、開閉制御部７に予め設定された値であってもよいし、圧力センサ１に表示部や操作入力部（図示せず）を設け、必要に応じてユーザが入力／設定できるものとしてもよい。

この後、図５（Ａ）に示す時刻ｔ５のように、外圧Ｐｏｕｔが微小に減少すると、再び、キャビティ１０外部と内部との間に差圧が発生する。この差圧により、気圧計測用カンチレバー４がキャビティ１０外部方向へ変形し、圧力センサ１の出力信号が減少することとなる。

次に、開閉器６が開閉動作しない場合について説明する。この場合、図５（Ａ）の時刻ｔ３における大きな圧力上昇後、図５（Ｂ）の期間Ｂにおいて、センサ出力信号が緩やかに減少する。
このため、差圧が減少する過程において、圧力センサ１は、外圧Ｐｏｕｔが変動しない状態であるにもかかわらず、センサ出力が得られる状態となるので、微小な圧力変動の検出を正確に検出することができない。

また、図５（Ａ）の時刻ｔ５において、外圧Ｐｏｕｔが微小に減少すると、センサ出力信号の減少勾配が変化する。このときの減少勾配の変化をとらえても、外圧Ｐｏｕｔが減少したことは判別できるが、どの程度圧力減少したかを正確に検出することが困難となる。また、外圧Ｐｏｕｔの変化が急激かつ大きいほど、センサ出力信号が減少する期間Ｂが長いため、正確な検出ができない期間が長くなる。

第１の実施の形態の圧力センサによれば、キャビティ１０を有するセンサ本体３と、キャビティ１０と対向するように配置され、片持ち状に支持されると共に、キャビティ１０の内部と該キャビティ１０の外部との圧力差により撓み変形する気圧計測用カンチレバー４と、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部５と、キャビティ１０内外の空気を流通させることでキャビティ１０内の圧力を調整し、連通開口１１ｂ、開閉器６、及び開閉制御部７を含む圧力調整機構８と、を有することにより、開閉器６及び開閉制御部７が動作することで、キャビティ１０外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合においても、キャビティ１０内外の差圧をほとんど無くす（言い換えれば、ゼロに復帰させる）ことが可能となる。
これにより、外圧Ｐｏｕｔが極端に急激かつ大きな変動があっても、変動直後の微細な圧力変化を圧力センサ１は正確に検出することができる。

また、ギャップ１３の幅を小さくする（例えば、数μｍ以下とする）ことで、キャビティ１０と外気と間の空気流量を非常に小さく制限することが可能となる。
これにより、キャビティ１０と外気間との圧力差を長時間維持することが可能となるので、低周波数帯域の圧力変動を検出できる。

なお、第１の実施の形態では、一例として、開閉器６が所定時間だけ開放する方式を例に挙げて説明したが、開閉制御部７が、変位測定部５の測定値に基づいて、差圧を解消し得ると判断した場合に、開放している開閉器６を閉動作する制御信号を出力するように構成してもよい。
この構成では、必ずしも設定された開放時間を待たなくとも差圧が解消され、変形した気圧計測用カンチレバー４が復元して開閉器６が閉塞するので、再び圧力変動を検出することができる。

そして、第１の実施の形態の圧力センサ１は、以下の各種用途に適用することができる。 第１の実施の形態の圧力センサ１は、例えば、自動車用ナビゲーション装置に適用することが可能である。
この場合、例えば、圧力センサ１を利用して高低差に基づく圧力差を検出することが可能となるので、高架道路と高架下道路とを正確に判断してナビゲーション結果に反映させることができる。さらに、立体駐車場から出庫した直後のスロープ等も正確に検出することができる。

第１の実施の形態の圧力センサ１は、例えば、携帯用ナビゲーション装置に適用することも可能である。この場合、例えば、圧力センサ１を利用して高低差に基づく圧力差を検出することが可能となるので、ユーザが建物内の何階に位置しているのかを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。

また、エレベーターで複数階移動した直後の段差昇降、空調制御されたビル出入り直後の階段昇降等も正確に検出することが可能となる。
さらには、室内の圧力変化を検出することが可能であるので、例えば、建物や自動車の扉開閉を検出する防犯装置に適用することもできる。
このように、第１の実施の形態の圧力センサ１は、各種用途に適用することが可能であり、このような用途に適用した場合において、使用時に生じる不測の急激な圧力変化が加わった場合でも、直後にリセットして再び微細な圧力変化を検出することができる。

図６は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。図６において、第１の実施の形態の圧力センサ１と同一構成部分には、同一符号を付す。

図６を参照するに、第１の実施の形態の変形例に係る圧力センサ２５は、第１の実施の形態の圧力センサ１０を構成する開閉制御部７に替えて、検出器である絶対圧センサ２６を含む開閉制御部２７を有すること以外は、圧力センサ１と同様に構成される。

絶対圧センサ２６は、検出回路２２と電気的に接続されている。絶対圧センサ２６は、真空のキャビティ（図示せず）の一面を薄膜で覆い、該薄膜の変形量で外圧（絶対圧）を検出するセンサである。一般的に、絶対圧は、ピエゾ抵抗を形成した半導体薄膜、歪ゲージを形成した金属薄膜、水晶やシリコンの発振器を内蔵した薄膜によって検出する方法が知られている。

このような絶対圧センサ２６は、真空との差圧である絶対圧を検出可能であり、検出できる圧力範囲が広い。
ここで、開閉制御部７は、外圧Ｐｏｕｔが急激に変化した場合、絶対圧センサ２６の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した際、開閉器６に対して制御信号を出力し、開閉器６を、所定の時間（例えば数〜数十ｍｓｅｃの期間）だけ開放する。

そして、開閉器６が開放されると、キャビティ１０の外部と内部との差圧がほぼゼロになり、圧力センサ２５の出力がゼロ近傍に復帰する。その後、外圧Ｐｏｕｔが微小に変化したとしても、圧力センサ２５は、正確に当該微小な変化を検出することができる。
このように、第１の実施の形態の変形例に係る圧力センサ２５によれば、大幅な圧力変化が加わっても、絶対圧センサ２６の出力を元に、圧力センサ２５の出力を復帰可能となるので、大幅な圧力変化直後の微細な圧力変化を正確に検出することができる。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。図８は、図７に示す圧力センサの主要部の平面図であり、気圧計測用カンチレバー及び圧力調整用カンチレバーの位置関係を説明するための図である。
なお、図７及び図８では、第２の実施の形態の圧力センサ３０を構成する図１に示す変位測定部５の図示を省略する。

図７及び図８を参照するに、第２の実施の形態の圧力センサ３０は、第１の実施の形態の圧力センサ１を構成する圧力調整機構８に替えて、圧力調整機構３１を有すること以外は圧力センサ１と同様に構成される。
圧力調整機構３１は、圧力調整用カンチレバー３２と、ギャップ３３と、を有する。圧力調整用カンチレバー３２は、気圧計測用カンチレバー４の周囲に配置され、片持ち状に支持されると共に、キャビティ１０の内部と該キャビティ１０の外部との圧力差により撓み変形する。圧力調整機構３１は、気圧計測用カンチレバー４を収容する貫通部３５を有する。

圧力調整用カンチレバー３２の外形は、気圧計測用カンチレバー４の外形よりも大きくなるように構成されている。このように、圧力調整用カンチレバー３２の外形を気圧計測用カンチレバー４の外形よりも大きくすることで、大きな圧力を圧力調整用カンチレバー３２が受けた場合のみ、圧力調整用カンチレバー３２を変形させて、キャビティ１０の内外の差圧を解消することができる。

また、圧力調整用カンチレバー３２と蓋部１２との間に配置されるギャップ３３の幅Ｗ２は、圧力調整用カンチレバー３２と気圧計測用カンチレバー４との間に配置されるギャップ１３の幅Ｗ１よりも小さくする（できるだけ小さい値にする）とよい。
圧力調整用カンチレバー３２及び気圧計測用カンチレバー４の変形が小さい場合、ギャップ１３よりもギャップ３３の方が、キャビティ１０と外気との間の空気流量を小さくすることが可能となる。これにより、気圧計測用カンチレバー４の検出可能範囲の圧力変動では、外気とキャビティ１０との間の空気流量を小さく制限することが可能となるため、低周波数帯域の圧力変動を検出することができる。

一方で、大きな圧力変動が生じた場合、圧力調整用カンチレバー３２は、気圧計測用カンチレバー４より大きく変形するので、ギャップ３３の幅Ｗ２はギャップ１３の幅Ｗ１より非常に大きくなり、外気とギャップ１０との間の空気流量が大きくなるため、外気とキャビティ１０との間の差圧を短時間で解消することができる。

また、圧力調整用カンチレバー３２に圧電薄膜を設けてもよい。このように、圧力調整用カンチレバー３２に圧電薄膜を設けることで、圧力調整用カンチレバー３２にアクチュエータの機能を付与することができる。

第２の実施の形態の圧力センサによれば、気圧計測用カンチレバー４の周囲に配置され、片持ち状に支持されると共に、キャビティ１０の内部と該キャビティ１０の外部との圧力差により撓み変形する圧力調整用カンチレバー３２を有することにより、キャビティ１０外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ１０内外の空気を流通させて、キャビティ１０内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。
これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。

また、気圧計測用カンチレバー４及び圧力調整用カンチレバー３２を同一平面上に配置することで、気圧計測用カンチレバー４及び圧力調整用カンチレバー３２を一括形成することが可能となるので、圧力センサ３０の製造工程を簡略化することができる。

さらに、第１の実施の形態で説明した開閉器６及び開閉制御部７が不要となるため、圧力センサ３０の構成を簡略化することができる。

（第３の実施の形態）
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。図９において、図７に示す第２の実施の形態の圧力センサ３０と同一構成部分には、同一符号を付す。
なお、図９では、第３の実施の形態の圧力センサ４０を構成する図１に示す変位測定部５の図示を省略する。

図９を参照するに、第３の実施の形態の圧力センサ４０は、第２の実施の形態の圧力センサ３０を構成する圧力調整機構３１に替えて、圧力調整機構４１を有すること以外は、圧力センサ３０と同様に構成される。

圧力調整機構４１は、圧力調整機構３１を構成する圧力調整用カンチレバー３２に替えて、キャビティ１０を介して、気圧計測用カンチレバー４と対向配置される圧力調整用カンチレバー４３を有すること以外は、圧力調整機構３１と同様に構成される。
圧力調整用カンチレバー４３は、圧力調整用カンチレバー３２に形成された貫通部３５（図８参照）を有していないこと以外は、圧力調整用カンチレバー３２と同様に構成される。

第３の実施の形態の圧力センサによれば、キャビティ１０を介して、気圧計測用カンチレバー４と対向するように配置され、かつキャビティ１０の内部と該キャビティ１０の外部との圧力差により撓み変形する圧力調整用カンチレバー４３を有することにより、キャビティ１０外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ１０内外の空気を流通させて、キャビティ１０内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。

また、圧力調整用カンチレバー４３と気圧計測用カンチレバー４とを対向配置させることで、圧力調整用カンチレバー４３と気圧計測用カンチレバー４とを同一平面上に配置させた場合と比較して、圧力センサ４０の小型化を図ることができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す斜視図である。図１１は、図１２に示すＢ−Ｂ線に沿った圧力センサの断面図である。図１０及び図１１において、図２に示す第１の実施の形態の圧力センサ１と同一構成部分には、同一符号を付す。
なお、図１０及び図１１では、第４の実施の形態の圧力センサ５０を構成する図１に示す変位測定部５の図示を省略する。また、図１０では、第４の実施の形態の圧力センサ５０を構成する第１の支持部材５４、及び第１のプリロード用カンチレバー５６の図示を省略する。

図１０及び図１１を参照するに、第４の実施の形態の圧力センサ５０は、第１の実施の形態の圧力センサ１を構成する圧力調整機構８に替えて、圧力調整機構５１を有すること以外は圧力センサ１と同様に構成される。

圧力調整機構５１は、第１の連通開口５２と、第２の連通開口５３と、第１の支持部材５４と、第２の支持部材５５と、第１のプリロード用カンチレバー５６と、第２のプリロード用カンチレバー５７と、を有する。

第１及び第２の連通開口５２、５３は、蓋部１２を貫通するように設けられている。第１及び第２の連通開口５２、５３は、気圧計測用カンチレバー４を介して、対向するように配置されている。第１及び第２の連通開口５２、５３の形状は、例えば、溝形状とすることができる。第１及び第２の連通開口５２、５３は、キャビティ１０の内外に空気を流通させるための開口として機能する。

第１の支持部材５４は、キャビティ１０内であって、端に位置するセンサ本体３の底部上に固定されている。第１の支持部材５４としては、例えば、接着剤、或いは、第１のプリロード用カンチレバー５６の母材となるＳＯＩ基板を用いることができる。
第２の支持部材５５は、第１の支持部材５４の配設位置とは反対側に位置する蓋部１２の端上に固定されている。第２の支持部材５５としては、例えば、接着剤、或いは、第２のプリロード用カンチレバー５７の母材となるＳＯＩ基板を用いることができる。

第１のプリロード用カンチレバー５６は、その基端部５６ａが第１の支持部材５４に対して固定、或いは第１の支持部材５４と一体とされている。第１のプリロード用カンチレバー５６は、プリロードに起因する反りを有した形状とされており、キャビティ１０内外の圧力差がない場合には、その先端部５６ｂが蓋部１２の内面に当接されている（図１１参照。）。
第１のプリロード用カンチレバー５６は、例えば、ＳＯＩ基板を加工することで形成されるカンチレバー本体（図示せず）と、該カンチレバー本体の一面を覆う圧電薄膜（図示せず）と、で構成することができる。
第１のプリロード用カンチレバー５６の外形は、気圧計測用カンチレバー４の外形よりも大きくなるように構成されている。これにより、キャビティ１０の外部から大きな圧力が印加された場合のみ、第１のプリロード用カンチレバー５６を変位させることができる。

図１２は、キャビティ外の圧力とキャビティ内の圧力との圧力差が大きくなった際の第１のプリロード用カンチレバー及び気圧計測用カンチレバーの変位を模式的に示す図である。
図１２において、Ｄは、プリロードが無いカンチレバーの変位の推移を示しており、Ｃは、第１のプリロード用カンチレバー５６の変位の推移を示している。
また、図１２において、Ｅは、第１のプリロード用カンチレバー５６が存在しない場合の気圧計測用カンチレバー４の変位の推移を示しており、Ｆは、第１のプリロード用カンチレバー５６が存在する場合の気圧計測用カンチレバー４の変位を示している。

ここで、図１２を参照して、キャビティ１０外の圧力とキャビティ１０内の圧力との差が大きくなった際の第１のプリロード用カンチレバー５６及び気圧計測用カンチレバー４の変位について説明する。なお、第１のプリロード用カンチレバー５６は、キャビティ１０外の圧力がキャビティ内の圧力の場合よりも大きくなった際に変位するので、この場合について説明する。

図１２を参照するに、キャビティ１０外の圧力とキャビティ１０内の圧力との圧力差が小さい初期段階（図１２に示す領域Ｇの範囲、言い換えれば、圧力差が所定の値Ｈよりも小さい段階）では、第１のプリロード用カンチレバー５６が有するプリロードにより、先端部５６ａと蓋体１２とが接触した状態にある。よって、図１２のＣに示すように、第１のプリロード用カンチレバー５６は、上記圧力差により変位しない。

一方、気圧計測用カンチレバー４は、第１のプリロード用カンチレバー５６よりも外形が小さいため、上記差圧により変位させられる。しかしながら、上記差圧が小さい場合は、該差圧に起因する気圧計測用カンチレバー４の変位が小さいため、問題なく、微細な圧力変動を検出することができる。

その後、第１のプリロード用カンチレバー５６は、キャビティ１０内外の圧力差が所定の値Ｈを超えると、キャビティ１０の外部からの圧力により押圧されて、下方に押し下げられる。これにより、蓋体１２から先端部５６ｂが離間し、第１の連通開口５２が開けられ、キャビティ１０内外の空気が流通し、キャビティ１０内外の圧力差（差圧）がほとんど無くなる。

これにより、図１２のＦに示すように、気圧計測用カンチレバー４の変位は、徐々に小さくなり、ほとんど変位はなくなるため、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。
一方、第１のプリロード用カンチレバー５６が存在しない場合には、Ｅに示すように、気圧計測用カンチレバー４の変位がどんどん大きくなるため、微細な圧力変化を検出することはできない。

図１１を参照するに、第２のプリロード用カンチレバー５７は、その基端部５７ａが第２の支持部材５５に対して固定、或いは第２の支持部材５５と一体とされている。第２のプリロード用カンチレバー５７は、先に説明した第１のプリロード用カンチレバー５６と同様な構成とされている。
第２のプリロード用カンチレバー５７は、図１１に示す第１のプリロード用カンチレバー５６を左に１８０度回転させた状態で、先端部５７ｂが第２の連通開口５３を塞ぐように配置されている。

第２のプリロード用カンチレバー５７は、キャビティ１０の内部の圧力がキャビティ１０の外部の圧力よりも高くなり、キャビティ１０内外の圧力差が所定の値Ｈ（図１２参照）を超えた際、先端部５７ｂが蓋体１２から離間し、第２の連通開口５３を開けること以外は、先に図１２を参照して説明した第１のプリロード用カンチレバー５６と同様な変位を行う。

第４の実施の形態の圧力センサによれば、センサ本体３上に配置された蓋部１２を貫通する第１及び第２の連通開口５２、５３と、キャビティ１０の外部の圧力が該キャビティ１０の内部の圧力よりも高くなり、キャビティ１０内外の圧力差が所定の値Ｈを超えた際、第１の連通開口５２を開ける第１のプリロード用カンチレバー５６と、キャビティ１０の内部の圧力が該キャビティ１０の外部の圧力よりも高くなり、キャビティ１０内外の圧力差が所定の値を超えた際、第２の連通開口５３を開ける第２のプリロード用カンチレバー５７と、を有することにより、キャビティ１０外部の圧力が急激もしくは非常に大きく圧力変動した場合において、キャビティ１０内外の空気を流通させて、キャビティ１０内外の差圧をほとんど無くすことが可能となる。
これにより、低周波数帯域において圧力変動を検出できると共に、急激な圧力変動が生じた直後においても微細な圧力変化を検出することができる。

図１３は、本発明の第４の実施の形態の変形例に係る圧力センサの分解させた斜視図である。図１４は、図１３に示すＪ−Ｊ線に沿った圧力センサの断面図である。
なお、図１３及び図１４において、図１０及び図１１に示す第４の実施の形態の圧力センサ５０と同一構成部分には、同一符号を付す。
また、図１３及び図１４では、第４の実施の形態の変形例に係る圧力センサ６０を構成する図１に示す変位測定部５の図示を省略する。さらに、図１３では、圧力センサ６０を構成する第１の支持部材６４、及び第１のプリロード用カンチレバー６６の図示を省略する。

図１３及び図１４を参照するに、第４の実施の形態の変形例に係る圧力センサ６０は、第４の実施の形態の圧力センサ５０を構成する圧力調整機構５１に替えて、圧力調整機構６１を有すること以外は圧力センサ５０と同様に構成される。

圧力調整機構６１は、第１の連通開口６２と、第２の連通開口６３と、第１の支持部材６４と、第２の支持部材６５と、第１のプリロード用カンチレバー６６と、第２のプリロード用カンチレバー６７と、を有する。
第１の連通開口６２は、センサ本体の一方の壁を貫通するように設けられている。第２の連通開口６３は、第１の連通開口６２と対向する他方の壁を貫通するように設けられている。

第１の支持部材６４は、キャビティ１０内であって、端に位置するセンサ本体３の底部上に固定されている。第１の支持部材６４の材料としては、先に説明した第１の支持部材５４と同様な材料を用いることができる。
第２の支持部材６５は、キャビティ１０の外側で、かつ第１の支持部材６４の配設位置とは反対側に配置されている。第２の支持部材６５の材料としては、先に説明した第２の支持部材５５と同様な材料を用いることができる。

第１のプリロード用カンチレバー６６は、その基端部６６ａが第１の支持部材６４に対して固定、或いは第１の支持部材６４と一体とされている。第１のプリロード用カンチレバー６６は、第１の連通開口６２を塞ぐ先端部６６ｂを有すること以外は、先に説明した第１のプリロード用カンチレバー５６と同様な構成とされている。

第２のプリロード用カンチレバー６７は、その基端部６７ａが第２の支持部材６５に対して固定、或いは第２の支持部材６５と一体とされている。第２のプリロード用カンチレバー６７は、第２の連通開口６３を塞ぐ先端部６７ｂを有すること以外は、先に説明した第２のプリロード用カンチレバー５６と同様な構成とされている。

上記構成とされた第４の実施の形態の変形例に係る圧力センサ６０は、第１の連通開口６２を塞ぐ先端部６６ｂを有する第１のプリロード用カンチレバー６６と、第２の連通開口６３を塞ぐ先端部６７ｂを有する第２のプリロード用カンチレバー６７と、を有することで、外気の圧力が急上昇した場合に第１のプリロード用カンチレバー６６を使用し、外気の圧力が急低下した場合に第２のプリロード用カンチレバー６７を利用することが可能となるので、外気の圧力が正負どちらに変動した場合でも所定の動作を行うことができる。

（第５の実施の形態）
図１５は、本発明の第５の実施の形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。図１６は、図１５に示す圧力センサの主要部の平面図であり、気圧計測用カンチレバー及び第２のプリロード用カンチレバーの位置関係を説明するための図である。
図１５及び図１６において、図１１に示す第４の実施の形態の圧力センサ５０と同一構成部分には、同一符号を付す。
なお、図１５及び図１６では、第５の実施の形態の圧力センサ７０を構成する図１に示す変位測定部５の図示を省略する。

図１５及び図１６を参照するに、第５の実施の形態の圧力センサ７０は、第４の実施の形態の圧力センサ５０の圧力調整機構５１を構成する第２の連通開口５３、及び第２のプリロード用カンチレバー５７に替えて、第２の連通開口７２、及び第２のプリロード用カンチレバー７３を備えた圧力調整機構７１を有すること以外は圧力センサ５０と同様に構成される。

第２の連通開口７２は、蓋部１２を貫通しており、気圧計測用カンチレバー４を収容可能な大きさとされている。
第２のプリロード用カンチレバー７３は、気圧計測用カンチレバー４を収容可能な貫通部７５を有すること以外は、先に説明した第２のプリロード用カンチレバー５７と同様に構成されている。気圧計測用カンチレバー４は、第２のプリロード用カンチレバー７３に対して一体とさている。

第５の実施の形態の圧力センサによれば、気圧計測用カンチレバー４と第２のプリロード用カンチレバー７３とを体的に構成することで、気圧計測用カンチレバー４及び第２のプリロード用カンチレバー７３を一括形成することが可能となるので、圧力センサ７０の製造工程を簡略化することができる。
また、上記構成とされた圧力センサ７０は、第４の実施の形態の圧力センサ５０と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

具体的には、例えば、第１の実施の形態の圧力センサ１、及び第１の実施の形態の変形例に係る圧力センサ２５では、一例として、センサ本体３の底部に１つの連通開口１１ｂのみ設けた場合を例に挙げて説明したが、連通開口１１ｂの配設位置及び数は、図２及び図６に示す構成に限定されない。例えば、連通開口１１ｂは、複数設けてもよいし、センサ本体３の側壁に設けてもよい。
ただし、複数の連通開口１１ｂを設ける場合には、各連通開口１１ｂに対して開閉器６を設ける必要がある。

また、上記説明した圧力センサ１、２５では、連通開口１１ｂの一例として、筒状の部材に配置された円筒状の開口を例に挙げて説明したが、連通開口１１ｂのうち、キャビティ１０側に位置する部分の形状を拡径した湾曲形状（漏斗状）にしてもよい。
このような形状とされた連通開口１１ｂを設けることで、圧力センサ１、２５は、開閉器６の開放時にキャビティ１０への外気の導入を促進させることが可能となるので、開閉器６の開放時間（具体的には、急激な圧力変動後、再び微小な圧力変動の検出が可能となるまでに要する時間）をより短縮することができる。

なお、上記説明した圧力センサ１、２５のように、連通開口１１ｂをセンサ本体３の底に設ける場合、連通開口１１ｂは、気圧計測用カンチレバー４の長手方向において、基端部４ａ寄りに配置される方が、圧力センサ１、２５の過渡応答を防止する観点から好ましい。

さらに、第１の実施の形態では、開閉器６の一例として、ソレノイドバルブを例示したが、開閉器６は、電磁的に開閉動作する弁に限られるものではない。
開閉器６として、例えば、外圧Ｐｏｕｔと内圧Ｐｉｎとの差圧に応じてスプリングが伸縮し、開閉が機械的に切り替わる機械弁などを用いてもよい。この場合、圧力センサ１、２５は、開閉制御部７を設けることなく、急激な圧力変動直後の出力をリセットすることが可能となるため、圧力センサ１、２５の小型化（構成の簡素化）、省電力化、製造コスト低減等の効果が期待できる。

また、第４及び第５の実施の形態の圧力センサ５０、７０を構成する第１のプリロード用カンチレバー５６、６６、及び第２のプリロード用カンチレバー５７、６７として、後述する図１７〜図１８に示す構造を適用してもよい。
図１７〜図１８は、プリロード用カンチレバーの他の例を示す断面図である。図１７〜図１８において、図１１に示す圧力センサ５０と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図１８において、図１７に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図１７（Ａ）に示すように、第２の支持部材５５と一体とされ、かつＳＯＩ基板を加工して得られるカンチレバー本体８２の一面に圧電薄膜８３を備えたプリロード用カンチレバー８１を準備し、その後、図１７（Ｂ）に示すように、プリロード用カンチレバー８１が第２の連通開口５３と対向するように、第２の支持部材５５を蓋部１２に取り付け、プリロード用カンチレバー８１がまっすぐになるように支持する支持部材８５により、プリロード用カンチレバー８１の先端部８１ａを支持してもよい。
また、第２の支持部材５５に対する支持部材８５の厚さを調整することで、第２の連通開口５３が開閉される際の圧力を調整することができる。

図１８（Ａ）に示すように、第２の支持部材５５と一体とされ、カンチレバー本体８２よりなるプリロード用カンチレバー９０（この段階では、プリロードがない状態であり、かつ図１７に示すカンチレバー本体８２と同様な構成とされたカンチレバー）を準備し、その後、図１８（Ｂ）に示すように、プリロード用カンチレバー９０が第２の連通開口５３と対向するように、第２の支持部材５５を蓋部１２に取り付け、プリロード用カンチレバー９０が上方に反るように支持する支持部材９１（第２の支持部材５５よりも厚さの厚い部材）により、プリロード用カンチレバー９０の先端部９０ａを支持してもよい。
このような構成とすることで、プリロードを付与することが可能となる。
また、第２の支持部材５５に対する支持部材９１の厚さを調整することで、第２の連通開口５３が開閉される際の圧力を調整することができる。

図１９（Ａ）に示すように、カンチレバー本体９６と、カンチレバー本体９６と一体とされ、離間した状態で、カンチレバー本体９６を挟み込む枠体９７と、カンチレバー本体９６の両側に配置され、かつカンチレバー本体９６と枠体９７とを接続するバネ部９８と、突出した先端部９９と、を有するプリロード用カンチレバー９５を準備し、図１９（Ｂ）に示すように、蓋部１２の上面よりも上方に延在する支持部材１０２に形成された連通開口１０１を先端部９９が塞ぐように、第２の支持部材５５を蓋部１２に配置させてもよい。
このような構造とすることで、バネ部９８により、第２の連通開口５３が開閉される際の圧力を調整することができる。
なお、図１７〜図１９に示す構造を組み合わせて、圧力センサ５０、６０、７０を構成してもよい。

本発明は、圧力差に基づいて、微細な圧力変動を検出する圧力センサに適用できる。

１、２５、３０、４０、５０、６０、７０…圧力センサ、２…ＳＯＩ基板、２ａ…シリコン支持層、２ｂ…酸化層、２ｃ…シリコン活性層、３…センサ本体、３−１…第１の部分、３−２…第２の部分、４…気圧計測用カンチレバー、４ａ、５６ａ、５７ａ、６６ａ、６７ａ…基端部、４ｂ、５６ｂ、５７ｂ、６６ｂ、６７ｂ、８１ａ、９０ａ、９９…先端部、５…変位測定部、６…開閉器、７、２７…開閉制御部、８、３１、４１、５１、６１、７１…圧力調整機構、１０…キャビティ、１１ｂ…連通開口、１２…蓋部、１３、３３…ギャップ、１５…貫通孔、２０…ピエゾ抵抗、２１…配線部、２２…検出回路、２６…絶対圧センサ、３２、４３…圧力調整用カンチレバー、３５、７５…貫通部、５２、６２…第１の連通開口、５３、６３、７２…第２の連通開口、５４、６４…第１の支持部材、５５、６５…第２の支持部材、５６、６６…第１のプリロード用カンチレバー、５７、６７、７３…第２のプリロード用カンチレバー、８１、９０、９５…プリロード用カンチレバー、８２、９６…カンチレバー本体、８３…圧電薄膜、８５、９１、１０２…支持部材、９７…枠体、９８…バネ部、１０１…連通開口、Ｇ…領域、Ｗ１、Ｗ２…幅

Claims (17)

1. 圧力変動を検出する圧力センサであって、
   キャビティを有するセンサ本体と、
   前記キャビティと対向するように配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する気圧計測用カンチレバーと、
   前記気圧計測用カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、
   前記キャビティ内外の空気を流通させることで、前記キャビティ内の圧力を調整する圧力調整機構と、
   を有し、
   前記圧力調整機構は、前記気圧計測用カンチレバーの周囲に配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する圧力調整用カンチレバーを含むことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力調整用カンチレバーは、前記キャビティを介して、前記気圧計測用カンチレバーと対向するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記圧力調整機構は、前記センサ本体上に配置された蓋部を貫通する第１及び第２の連通開口と、
   片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形することで、前記第１の連通開口を開閉する第１のプリロード用カンチレバーと、
   前記キャビティの外部に配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形することで、前記第２の連通開口を開閉する第２のプリロード用カンチレバーと、
   を有し、
   前記第１のプリロード用カンチレバーは、前記キャビティの外部の圧力が該キャビティの内部の圧力よりも高くなり、前記キャビティ内外の圧力差が所定の値を超えた際、前記第１の連通開口を開け、
   前記第２のプリロード用カンチレバーは、前記キャビティの内部の圧力が該キャビティの外部の圧力よりも高くなり、前記キャビティ内外の圧力差が所定の値を超えた際、前記第２の連通開口を開けることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記第１のプリロード用カンチレバーは、前記第１の連通開口を塞ぐ先端部を有し、
   前記第２のプリロード用カンチレバーは、前記第２の連通開口を塞ぐ先端部を有することを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記第２のプリロード用カンチレバーの内側に、前記気圧計測用カンチレバーを配置することを特徴とする請求項３または４に記載の圧力センサ。
6. 前記圧力調整用カンチレバーの外形は、前記気圧計測用カンチレバーの外形よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
7. 前記圧力調整用カンチレバーに、圧電薄膜を設けることを特徴とする請求項１、２、６のうち、いずれか１項に記載の圧力センサ。
8. 前記第１及び第２のプリロード用カンチレバーの外形は、前記気圧計測用カンチレバーの外形よりも大きいことを特徴とする請求項３ないし５のうち、いずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 前記第１及び第２のプリロード用カンチレバーは、圧電薄膜を含むことを特徴とする請求項３ないし５、８のうち、いずれか１項に記載の圧力センサ。
10. 圧力変動を検出する圧力センサであって、
    キャビティを有するセンサ本体と、
    前記キャビティと対向するように配置され、片持ち状に支持されると共に、前記キャビティの内部と該キャビティの外部との圧力差により撓み変形する気圧計測用カンチレバーと、
    前記気圧計測用カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、
    前記キャビティ内外の空気を流通させることで、前記キャビティ内の圧力を調整する圧力調整機構と、
    を有し、
    前記圧力調整機構は、前記センサ本体を貫通する連通開口と、前記連通開口を開閉する開閉器と、を有することを特徴とする圧力センサ。
11. 前記圧力調整機構は、前記開閉器の開閉動作を制御する開閉制御部を有することを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ。
12. 前記開閉制御部は、前記変位測定部の出力が所定の範囲を超えた際に、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力することを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ。
13. 前記開閉制御部は、前記キャビティ外部の圧力を検出する検知器を含み、
    前記開閉制御部は、前記キャビティ外部の圧力が所定の値を超えたことを前記検知器が検知した際に、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力することを特徴とする請求項１１に記載の圧力センサ。
14. 前記開閉制御部は、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力した時点から所定時間経過後、前記開閉器の閉動作を行う制御信号を出力することを特徴とする請求項１１ないし１３のうち、いずれか１項に記載の圧力センサ。
15. 前記開閉制御部は、前記開閉器の開動作を行う制御信号を出力した後、前記変位測定部の出力信号に基づいて、前記開閉器の閉動作を行う制御信号を出力することを特徴とする請求項１０または１２に記載の圧力センサ。
16. 前記変位測定部は、前記気圧計測用カンチレバーの基端部に設けられたピエゾ抵抗を有することを特徴とする請求項１０、１２、１５のうち、いずれか１項に記載の圧力センサ。
17. 前記変位測定部は、前記気圧計測用カンチレバーの基端部に設けられた圧電薄膜を有することを特徴とする請求項１０、１２、１５のうち、いずれか１項に記載の圧力センサ。

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