JP6184006B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力差に基づいて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、透孔内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（特許文献１参照）。
この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に反応して圧電素子が振動するので、この圧電素子の電圧変化に基づいて圧力変動を検出することが可能とされる。

特開平４−２０８８２７号公報

ところで、上記特許文献１の圧力センサの検出感度としては、圧電素子の形状や、透孔又は凹部の容積や、透孔又は凹部と外気との間を出入りする流量等によって決定がなされ、特に圧電素子の形状によって大きく左右され易い。この点、圧電素子は、圧電体の両面に電極膜等を具備する両面電極構造とされるので、その構造上、厚みが増してしまい大きな変形量を確保することが難しい。従って、共振周波数が高くなり且つ感度を上げ難かった。また、測定できる下限周波数を下げることが難しいうえ、例えば１Ｈｚ以下等の低周波帯域における感度が低いものであった。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、圧力変動の検出を精度良く行うことができると共に、検出できる下限周波数を下げることができ、且つ低周波帯域の圧力変動を感度良く検出することができる圧力センサを提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様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、キャビティと、該キャビティの内部と外部とを連通する連通開口と、が形成されたセンサ本体と、先端部が自由端とされると共に、基端部が前記センサ本体に片持ち状に支持された状態で前記連通開口を塞ぐように配設され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形する複数のレバー片と、複数の前記レバー片のうち、少なくともいずれか１つのレバー片の変位を測定する変位測定部と、を備え、複数の前記レバー片は、それぞれの前記先端部同士が所定のギャップをあけて向かい合うように配設されている。

この態様に係る圧力センサによれば、センサ外部の圧力が変動すると、キャビティの外部と内部との間に圧力差が生じ、この圧力差に応じて複数のレバー片が同時且つ同方向に撓み変形する。また、この変形後、時間の経過と共にギャップを通じて圧力伝達媒体がキャビティの内部と外部との間を流動するので、キャビティの内部と外部との圧力が徐々に均衡状態となる。そのため、複数のレバー片の撓みが徐々に小さくなって元の状態に復元変形する。従って、変位測定部により、少なくとも１つのレバー片の変位測定（撓み変形測定）を行うことで、その測定結果から圧力変動を検出することができる。

特に、上記圧力差が生じた際に、複数のレバー片が同時且つ同方向に変形する。そのため、各レバー片の先端部同士の間に形成されているギャップが、レバー片の変形に伴って大きくなることを抑制することができる。つまり、レバー片の変形が進むにしたがって大きくなるギャップの開きを小さく抑えることができる。
従って、ギャップを通じた圧力伝達媒体の流動量（出入り量）を小さくすることができ、キャビティ内部の圧力上昇をできるだけ抑えて、レバー片を十分に変形させることができる。従って、センサ感度を向上でき、圧力変動の検出を精度良く行うことができる。

しかも、レバー片の変形後、該レバー片をゆっくりと復元変形させることができ、元の状態に戻るまでの緩和時間を大きく確保できる。従って、圧力差を長い時間に亘って維持できるので、従来よりも低い例えば１Ｈｚ以下の低周波数帯域の圧力変動であっても感度良く検出することが可能となり、検出できる下限周波数を下げることができる。
以上のことから、特に低周波帯域の圧力変動の検出を感度良く行うことができる高性能な圧力センサを得ることができる。

（２）上記（１）に記載の圧力センサにおいて、複数の前記レバー片は、前記圧力差に対して同一の変位特性を有していることが好ましい。

この場合には、キャビティの内部と外部との間に圧力差が生じた際、圧力差に応じて複数のレバー片を同一の変形量で撓み変形させることができる。従って、各レバー片の先端部同士の間に形成されているギャップの開き具合を、より小さく抑えることができる。そのため、上述した作用効果をより効果的に奏効させることができる。

（３）上記（１）または（２）に記載の圧力センサにおいて、複数の前記レバー片は、該レバー片の外周縁と前記連通開口における内周縁との間に隙間が形成されることを防止するように配設されていることが好ましい。

この場合には、キャビティの内部と外部とが、各レバー片の先端部同士の間に形成されているギャップを通じてのみ連通することになるので、キャビティの内部と外部との間における圧力伝達媒体の流動量をさらに小さくできる。従って、センサ感度をさらに向上でき、圧力変動の検出をより精度良く行い易い。

（４）上記（１）から（３）の何れか１つに記載の圧力センサにおいて、前記変位測定部は、前記レバー片の基端部に形成されたピエゾ抵抗を備えることが好ましい。

この場合には、ピエゾ抵抗を利用して自己変位検出型のレバー片とすることができ、レバー片の変位測定をより精度良く行うことが可能であり、圧力変動の検出を高精度に行い易い。

（５）上記（１）から（３）の何れか１つに記載の圧力センサにおいて、前記変位測定部は、前記レバー片の基端部に圧電センサを備えることが好ましい。

この場合には、圧電センサを利用して自己変位検出型のレバー片とすることができ、レバー片の変位測定をより精度良く行うことが可能であり、圧力変動の検出を高精度に行い易い。

（６）上記（１）から（５）の何れか１つに記載の圧力センサにおいて、前記レバー片の基端部には、該レバー片を貫通する貫通孔が形成されていることが好ましい。

この場合には、レバー片の基端部に貫通孔が形成されているので、該レバー片を撓み変形させ易くすることができる。そのため、キャビティの内部と外部との間に圧力差が生じた際、レバー片をより大きく変形させることができ、センサ感度をさらに向上させることができる。
また、各レバー片が容易に撓み変形し易いので、上記圧力差が生じた際に、複数のレバー片をより同期させた状態で同時且つ同方向に撓み変形することが可能になる。従って、変形の違いに起因するギャップ変化を防止でき、センサ感度のより一層の向上を期待できる。

上記の態様に係る圧力センサによれば、圧力変動の検出を精度良く行うことができると共に、検出できる下限周波数を下げることができ、且つ低周波帯域の圧力変動を感度良く検出することができる。

本発明に係る実施形態を示す図であって、圧力センサの平面図である。 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に示す検出回路の構成図である。 図１に示す圧力センサの出力の一例を示す図であり、（Ａ）は外気圧と内気圧との関係を示し、（Ｂ）は（Ａ）に対応したセンサ出力を示す図である。 図１に示す圧力センサの動作の一例を示す図であり、（Ａ）は外気圧と内気圧とが同じ状態における圧力センサの状態を示し、（Ｂ）は外気圧が内気圧よりも上昇したときの圧力センサの状態を示し、（Ｃ）は外気圧と内気圧とが平衡状態になったときの圧力センサの状態を示す図である。 （Ａ）は比較例としてレバー片を１つだけ具備する圧力センサの断面図であり、（Ｂ）は本実施形態の圧力センサの断面図である。 （Ａ）は図６（Ａ）に示す圧力センサのレバー片が撓み変形した図であり、（Ｂ）は図６（Ｂ）に示す圧力センサのレバー片が撓み変形した図である。 図７（Ａ）、（Ｂ）に示す差圧センサのそれぞれにおいて、ギャップ幅が差圧によってどのように変化するかを示す図である。 図７（Ａ）、（Ｂ）に示す差圧センサのそれぞれにおいて、ギャップ幅が差圧によってどのように変化するかを示す別の図である。 図７（Ａ）、（Ｂ）に示す差圧センサのそれぞれが出力するセンサ出力の一例を示す図である。 本発明に係る圧力センサの第１変形例を示す平面図である。 本発明に係る圧力センサの第２変形例を示す図であり、３つのレバー片を具備する圧力センサの平面図である。 本発明に係る圧力センサの第３変形例を示す図であり、４つのレバー片を具備する圧力センサの平面図である。 本発明に係る圧力センサの第４変形例を示す図であり、５つのレバー片を具備する圧力センサの平面図である。 本発明に係る圧力センサの第５変形例を示す図であって、圧力センサの平面図である。 図１５に示すＢ−Ｂ線に沿った圧力センサの断面図である。 図１５に示す検出回路の一例の構成図である。 図１５に示す検出回路の一例の構成図である。 本発明に係る圧力センサの第６変形例を示す図であり、３つのレバー片を具備する圧力センサの平面図である。 本発明に係る圧力センサの第６変形例を示す図であり、４つのレバー片を具備する圧力センサの平面図である。 本発明に係る圧力センサの第６変形例での検出回路の一例の構成図である。 本発明に係る圧力センサの第６変形例での検出回路の一例の構成図である。

以下、本発明に係る圧力センサの実施形態について図面を参照して説明する。
（圧力センサの構成）
図１及び図２に示すように、本実施形態の圧力センサ１は、圧力変動を検出するセンサであって、例えばシリコン支持層２ａ、シリコン酸化膜等の酸化層２ｂ、及びシリコン活性層２ｃを熱的に張り合わせたＳＯＩ基板２を利用して形成され、センサ本体３と、２つのレバー片４Ａ、４Ｂ（カンチレバー）と、変位測定部５と、を備えている。

上記センサ本体３は、ＳＯＩ基板２によって、上方に開口する有底筒状に形成されている。センサ本体３の内部空間は、キャビティ（空気室）１０として機能し、上方に開口した部分はキャビティ１０の内部と外部とを連通する連通開口１１として機能する。
なお、図示の例では、センサ本体３は平面視長方形状に形成されているが、この形状に限定されるものではない。

上記レバー片４Ａ、４Ｂは、それぞれセンサ本体３の長手方向に沿いながら基端部４ａから自由端とされた先端部４ｂに向けて一方向に延びる板状に形成されており、基端部４ａがセンサ本体３に片持ち状に支持された状態で連通開口１１を塞ぐように配設されている。
より具体的には、レバー片４Ａ、４Ｂは、例えばＳＯＩ基板２におけるシリコン活性層２ｃにより、それぞれ平面視長方形状に形成され、基端部４ａを介してセンサ本体３における周壁部３ａの開口端の内側（連通開口１１の内周端）に一体的に固定されることで、片持ち支持されている。

この際、２つのレバー片４Ａ、４Ｂは、それぞれの先端部４ｂ同士が微小なギャップ１２をあけて向かい合うように配設されている。また、各レバー片４Ａ、４Ｂの外周縁と連通開口１１における内周端との間にも、微小な隙間であるギャップ１３があいている。
つまり、２つのレバー片４Ａ、４Ｂは、上記した微小なギャップ１２、１３を僅かにあけた状態で、連通開口１１を略閉塞している。これにより、２つのレバー片４Ａ、４Ｂ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て撓み変形可能とされている。

なお、２つのレバー片４Ａ、４Ｂは、材質、外形形状及び厚みが同じであり、上記圧力差に対して同一の変位特性（応答特性）を有するように形成されている。また、図示の例では、レバー片４Ａ、４Ｂの先端部４ｂ同士の間に形成されているギャップ１２の幅と、レバー片４Ａ、４Ｂと連通開口１１の内周端との間のギャップ１３の幅とは、共に同じギャップ幅Ｇで形成されている場合を例にしている。

各レバー片４Ａ、４Ｂの基端部４ａには、該レバー片４Ａ、４Ｂを貫通する平面視コの字状の貫通孔１５が形成されており、該レバー片４Ａ、４Ｂが撓み変形し易い設計とされている。但し、この貫通孔１５は必須なものではなく形成されていなくても構わないし、その形状は上記形状に限定されるものではない。
なお、上記貫通孔１５は、連通開口１１の内側に位置しており、レバー片４Ａ、４Ｂを撓み易くしている。

更に、各レバー片４Ａ、４Ｂの基端部４ａには、該レバー片４Ａ、４Ｂの撓み量（変位量）に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗２０が、貫通孔１５をセンサ本体３の短手方向から挟み込むようにそれぞれ形成されている。そして、これらピエゾ抵抗２０には、該ピエゾ抵抗２０の抵抗値変化に基づいてレバー片４Ａ、４Ｂの変位を測定する検出回路２２が接続されている。

なお、図示の例では、上記２つのピエゾ抵抗２０を接続するように銅等の導電性材料からなる配線部２１が接続されており、配線部２１及び２つのピエゾ抵抗２０を含む全体的な形状が平面視Ｕ字状とされている。但し、この配線部２１は、必須なものではなく具備しなくても構わない。この場合には、シリコン活性層２ｃを通じて２つのピエゾ抵抗２０が導通する。しかしながら、必要以上に抵抗値が大きくならないようにピエゾ抵抗２０を配線部２１で接続することが好ましい。

これにより、検出回路２２を通じて、例えば各レバー片４Ａ、４Ｂにおける一方のピエゾ抵抗２０に所定電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、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。
そのため、検出回路２２は、レバー片４Ａ、４Ｂの変位（撓み変形）に応じて変化するピエゾ抵抗２０の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されている。従って、この出力信号（センサ出力）に基づいて各レバー片４Ａ、４Ｂの変位を測定でき、圧力変動を検出することが可能となる。

なお、上記ピエゾ抵抗２０は、例えばリン等のドープ剤（不純物）をイオン注入法や拡散法等の各種の方法によりドーピングされることで形成されている。また、ピエゾ抵抗２０及び配線部２１上には、図示しない絶縁膜が保護膜として被膜されており、外部との電気的な接触の防止がなされている。
また、上記したピエゾ抵抗２０、配線部２１及び検出回路２２は、レバー片４Ａ、４Ｂの変位を測定する変位測定部５として機能する。

上記検出回路２２は、図３に示すように、ブリッジ回路３０（ホイートストンブリッジ回路）と、基準電圧発生回路３１と、作動増幅回路３２と、を備えている。

ブリッジ回路３０は、一方のレバー片４Ａのピエゾ抵抗２０〔以下、第１ピエゾ抵抗３５（抵抗値Ｒ１）と称する〕、及び固定抵抗３６（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗３７（抵抗値Ｒ３）、及び他方のレバー片４Ｂのピエゾ抵抗２０〔以下、第２ピエゾ抵抗３８（抵抗値Ｒ４）と称する〕が直列接続されてなる枝辺と、が基準電圧発生回路３１に対して並列に接続されている。

また、ブリッジ回路３０において、第１ピエゾ抵抗３５と固定抵抗３６との接続点（中点電圧Ｅ１）は、作動増幅回路３２の反転入力端子（−端子）に接続され、第２ピエゾ抵抗３８と固定抵抗３７との接続点（中点電圧Ｅ２）は、作動増幅回路３２の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。

基準電圧発生回路３１は、ブリッジ回路３０に対して所定の基準電圧Ｖｃｃを印加する。作動増幅回路３２は、上記した中点電圧Ｅ１と中点電圧Ｅ２との間の電位差を検出し、その電位差を所定増幅率にて増幅して出力する。なお、この電位差は、２つのレバー片４Ａ、４Ｂの変位に基づいた出力信号に応じた値となる。

この点、詳細に説明する。
キャビティ１０の外部と内部との間に圧力差が生じ、２つのレバー片４Ａ、４Ｂが撓み変形すると、第１ピエゾ抵抗３５及び第２ピエゾ抵抗３８の抵抗値は共に変化する。この時の変化分（抵抗増加量）を△Ｒ１、△Ｒ４とすると、第１ピエゾ抵抗３５に関しては電源側である基準電圧発生回路３１側に接続されているので、△Ｒ１が増加した分、中点電圧Ｅ１が低下する。これに対して、第２ピエゾ抵抗３８に関してはグランド側に接続されているので、△Ｒ４が増加した分、中点電圧Ｅ２が増加する。
このように中点電圧Ｅ１が低下し、中点電圧Ｅ２が増加するので、その差は両方の変化電圧の和となる。そして、作動増幅回路３２により、この差を任意の倍率で増幅することで、２つのレバー片４Ａ、４Ｂの変位に基づいた出力信号を得ることができる。特に、この検出回路２２によれば、ブリッジ回路３０に２つのレバー片４Ａ、４Ｂのピエゾ抵抗２０を組み込んでいるので、レバー片を１つだけ組み込む場合よりも２倍の出力信号を得ることが可能である。

（圧力センサの作動）
次に、上述した圧力センサ１を利用して、圧力変動を検出する場合について説明する。
はじめに、図４（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、外気圧Ｐ_ｏｕｔと称する）と、キャビティ１０の内部の圧力（以下、内気圧Ｐ_ｉｎと称する）との圧力差がゼロである場合には、図５（Ａ）に示すように、各レバー片４Ａ、４Ｂは撓み変形することがない。

ここで、図４（Ａ）に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、例えば外気圧Ｐ_ｏｕｔ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圧力差が生じるので、図５（Ｂ）に示すように２つのレバー片４Ａ、４Ｂは同時、且つ同方向に（キャビティ１０の内部に向けて）撓み変形する。なお、図５で示す黒矢印は圧力を示し、白矢印はレバー片４Ａ、４Ｂの動きを示している。
すると、各レバー片４Ａ、４Ｂの撓み変形に応じてピエゾ抵抗２０に歪が生じ、それにより抵抗値が変化するので、図４（Ｂ）に示すように出力信号が増大する。

また、外気圧Ｐ_ｏｕｔの上昇以降、ギャップ１２、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ので、図４（Ａ）に示すように、内気圧Ｐ_ｉｎが時間の経過と共に外気圧Ｐ_ｏｕｔよりも遅れながら、且つ外気圧Ｐ_ｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。
これにより、内気圧Ｐ_ｉｎが外気圧Ｐ_ｏｕｔ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はじめ、各レバー片４Ａ、４Ｂの撓みが徐々に小さくなり、図４（Ｂ）に示すように上記出力信号が徐々に低下する。

そして、内気圧Ｐ_ｉｎが外気圧Ｐ_ｏｕｔに等しくなると、図５（Ｃ）に示すように、レバー片４Ａ、４Ｂの撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、図４（Ｂ）に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように上記出力信号が再びゼロになる。

このように、変位測定部５により、２つのレバー片４Ａ、４Ｂの変位に基づいた出力信号の変動をモニタすることで、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レバー片４Ａ、４Ｂ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。従って、微小な圧力変動の検出を精度良く行うことができる。

しかも、本実施形態の圧力センサ１によれば、２つのレバー片４Ａ、４Ｂが同時且つ同方向に変形するので、各レバー片４Ａ、４Ｂの先端部４ｂ同士の間に形成されているギャップ１２が、レバー片４Ａ、４Ｂの変形に伴って大きくなることを抑制することができる。つまり、レバー片４Ａ、４Ｂの変位が進むにしたがって大きくなるギャップ１２の開きを小さく抑えることができる。

この点、詳細に説明する。
比較例として、図６（Ａ）に示すように、センサ本体３に基端部４１ａが片持ち支持されたレバー片４１が１つだけ配設された圧力センサ４０を例に挙げる。この圧力センサ４０においては、レバー片４１の先端部４１ｂと連通開口１１の内周端との間にギャップ１２が形成される。
ここで、図６（Ａ）に示す比較例における圧力センサ４０のギャップ１２と、図６（Ｂ）に示す本実施形態の圧力センサ１のギャップ１２と、が共に同じギャップ幅Ｇ０である場合において、キャビティ１０の内部と外部との間に圧力差が生じて各レバー片４Ａ、４Ｂ、４１が変形した状態を図７（Ａ）、（Ｂ）に示す。

なお、比較例における圧力センサ４０のキャビティ１０と、本実施形態の圧力センサ１のキャビティ１０とは、同じ容積とされる。また、比較例における圧力センサ４０のレバー片４１と、本実施形態における圧力センサ１のレバー片４Ａ、４Ｂとは、同一の変位特性とされている。

図７（Ａ）に示すように、比較例における圧力センサ４０においては、連通開口１１の内周端に対してレバー片４１の先端部４１ｂが変位するので、ギャップ幅Ｇ０がギャップ幅ＧＡまで大きく広がってしまう。
これに対して、図７（Ｂ）に示すように、本実施形態の圧力センサ１においては、２つのレバー片４Ａ、４Ｂが同時且つ同方向に変形するので、ギャップ幅Ｇ０がほとんど変化せず、上記ギャップ幅ＧＡよりも遥かに小さいギャップ幅ＧＢとなる。しかも、２つのレバー片４Ａ、４Ｂは、圧力差に対して同一の変位特性を有しているので同期して撓み変形する。よって、ギャップ１２の開きを極力抑えることができ、上記したようにギャップ幅ＧＢとすることができる。

ここで、比較例における圧力センサ４０と、本実施形態における圧力センサ１と、でギャップ幅の開きがどの程度異なるかという点について、実際に試験を行った結果を図８及び図９に示す。

図８は、圧力センサ１、４０においてギャップ幅Ｇ０を共に５μｍに設定し、その状態から外気圧Ｐ_ｏｕｔが△Ｐ（Ｐａ）上昇、即ち△Ｐの圧力差が生じたときに、それぞれのギャップ幅Ｇ０が増大して、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４１の変形後にギャップ幅ＧＡ、ＧＢとしての値がその程度になったかを試験した結果である。
図９は、ギャップ幅Ｇ０を共に１μｍに設定した場合において、上記と同様の試験を行った結果である。

これら図８及び図９から明らかなように、比較例における圧力センサ４０に比べて、本実施形態の圧力センサ１の方がギャップ幅の開きが遥かに小さいことが実際に確認できた。しかも、ギャップ幅Ｇ０が小さいほど、その効果が顕著であることが確認できた。

このように、本実施形態の圧力センサ１によれば、先端部４ｂ同士が向かい合うように２つのレバー片４Ａ、４Ｂを具備しているので、レバー片４Ａ、４Ｂの変位が進むにしたがって大きくなるギャップ１２の開きを小さく抑えることができる。
従って、このギャップ１２を通じた圧力伝達媒体の流動量（出入り量）を小さくすることができ、キャビティ１０内部の圧力上昇をできるだけ抑えてレバー片４Ａ、４Ｂを十分に変形させることができる。そのため、図４（Ｂ）に示すように、大きなセンサ出力を得ることができる。従って、本実施形態の圧力センサ１によれば、センサ感度を向上でき、圧力変動の検出を精度良く行うことができる。
なお、図４（Ｂ）で示す点線は、上記した比較例における圧力センサ４０のように、レバー片を１つだけ具備する場合のセンサの出力信号を示している。

更に、図４（Ｂ）で示すように、レバー片４Ａ、４Ｂの変形後、該レバー片４Ａ、４Ｂをゆっくりと復元変形させることができ、元の状態に戻るまでの緩和時間を大きく確保できる。従って、圧力変動を長時間に亘って維持することが可能となり、図１０に示すように、従来よりも低い、例えば０．１以上、１Ｈｚ以下の周波数帯域の圧力変動であっても感度良く検出することができ、検出できる下限周波数を下げることができる。
なお、図１０で示す点線は、上記した比較例における圧力センサ４０のように、レバー片を１つだけ具備する場合のセンサの出力信号を示している。

以上のことから、本実施形態の圧力センサ１によれば、圧力変動の検出を精度良く行うことができると共に、検出できる下限周波数を下げることができ、且つ低周波帯域の圧力変動を感度良く検出できる高性能なセンサとすることができる。

なお、ギャップ幅を小さくするほど、キャビティ１０の内部と外部との圧力差を維持し易いので、微小な圧力変動であっても検出し易く、圧力変動の下限周波数が低下することが理論上知られているが、本発明によれば、複数のレバー片４Ａ、４Ｂを利用した具体的な構成により、この理論通りの効果を奏効できる。

そして、本実施形態の圧力センサ１は、上記したような作用効果を発揮できるため、以下の各種用途に適用することができる。
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気圧差を検出できるので、高架道路と高架下道路と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、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気圧差を検出できるので、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。

更には、室内の気圧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防犯装置に適用することも可能である。特に、１Ｈｚ以下の周波数帯域の圧力変動であっても感度良く検出することができるので、ドアや引き戸の開閉等に基づく圧力変動であっても検出することが可能であり、防犯装置等の適用に好適である。

（変形例）
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、２つのレバー片４Ａ、４Ｂを圧力差に対して同一の変位特性を有するように形成したが、変位特性が異なっていても構わない。つまり、一方のレバー片４Ａが他方のレバー片４Ｂよりも若干大きく撓み変形するように設計しても構わない。この場合であっても、同様の作用効果を奏効することができる。
但し、２つのレバー片４Ａ、４Ｂを、同一の変位特性を有するように形成することで、各レバー片４Ａ、４Ｂの先端部４ｂ同士の間に形成されているギャップ１２の開き具合をより小さくできるので好ましい。

（第１変形例）
また、上記実施形態では、２つのレバー片４Ａ、４Ｂの先端部４ｂ同士の間に形成されているギャップ１２の幅と、レバー片４Ａ、４Ｂと連通開口１１の内周端との間のギャップ１３の幅とを同じギャップ幅Ｇで形成したが、図１１に示すように、上記ギャップ１２のギャップ幅Ｇよりも、上記ギャップ１３のギャップ幅Ｇ１を小さくしても良い。
このようにすることで、ギャップ１３を通じた圧力伝達媒体の流動量を小さくできるので、上述した作用効果をより効果的に奏効することができる。

（第２変形例）
また、上記実施形態では、２つのレバー片４Ａ、４Ｂを具備する構成としたが、３つ以上のレバー片を具備する構成としても構わない。
例えば、図１２に示すように、３つのレバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃを具備し、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃの先端部４ｂ同士がギャップ１２をあけて向かい合うように配設された圧力センサ５０としても構わない。なお、図示の例では、平面視六角形状のセンサ本体３としている。
この場合であっても、同様の作用効果を奏効することができる。それに加え、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃと連通開口１１の内周端との間のギャップ１３の形成領域を上記実施形態の圧力センサ１よりも小さくし易いので、このギャップ１２を通じた圧力伝達媒体の流動量を小さくでき好ましい。

（第３および第４変形例）
また、図１３に示すように、４つのレバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを具備し、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの先端部４ｂ同士がギャップ１２をあけて向かい合うように配設された圧力センサ６０としても構わない。なお、図示の例では、平面視正方形状のセンサ本体３としている。
更には、図１４に示すように、５つのレバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅを具備し、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの先端部４ｂ同士がギャップ１２をあけて向かい合うように配設された圧力センサ７０としても構わない。なお、図示の例では、平面視五角形形状のセンサ本体３としている。

図１３及び図１４に示す場合であっても、同様の作用効果を奏効することができる。それに加え、図示のように各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅを平面視三角形状にすることで、連通開口１１における各辺に対して各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの基端部４ａを接続することが可能であるので、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの外周縁と連通開口１１の内周端との間に形成されていた上記ギャップ１３を無くすことができる。従って、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの先端部４ｂ同士の間で形成されるギャップ１２を通じてのみ、圧力伝達媒体を流通させることができるので、流動量をさらに小さくできる。

従って、センサ感度をさらに向上でき、圧力変動の検出をより精度良く行い易い。さらにこの場合には、各レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの形状が平面視三角形状であるので、剛性を高めることができ、レバー片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの作動信頼性を高めることができる。

（他の変形例）
なお、本実施形態においてレバー片の数は６つ以上としても良いし、形状も片持ち支持されるのであれば自由に設計して構わない。また、センサ本体３の形状としては、レバー片の数や形状等に適宜変更して構わない。

また、上記実施形態では、ピエゾ抵抗２０を利用してレバー片の変位を測定する構成としたが、例えば、レバー片に検出光を照射し、その反射光の受光位置に基づいてレバー片の変位を測定する方式（いわゆる光てこ方式）であっても構わない。
但し、上記実施形態のように、ピエゾ抵抗２０を利用することで自己変位検出型のレバー片とすることができるので、外光等の影響を受けることなく、圧力変動の検出を高精度に行い易い。

また、本実施形態では、複数のレバー片が同時且つ同方向に撓み変形するので、変位測定部５により、複数のレバー片のうち少なくともいずれか１つのレバー片の変位を測定すれば良く、圧力変動を検出することができる。
例えば、図３に示す検出回路２２において、２つのレバー片４Ａ、４Ｂのうちの、どちらか一方のピエゾ抵抗２０だけをブリッジ回路３０に組み込んでも構わない。この場合であっても、同様に検出信号を得ることができる。但し、上述したように、同一の変位特性を有する２つのレバー片４Ａ、４Ｂのピエゾ抵抗２０をブリッジ回路３０に組み込むことで、レバー片を１つだけ組み込む時よりも２倍の出力信号を得ることができるので、より好ましい。

（第５変形例）
なお、上記実施形態では、図１５および図１６に示すように、ピエゾ抵抗２０の代わりに圧電センサを用いてレバー片の変位を測定してもよい。つまり、上記実施形態では、ピエゾ抵抗２０の抵抗値変化に基づいてレバー片４Ａ、４Ｂの変位を測定する構成としたが、レバー片４Ａ、４Ｂの変位に応じて撓む圧電素子より生ずる起電力を検出することで、レバー片４Ａ、４Ｂの変位を測定する構成とすることも可能である。この第５変形例の圧力センサ８０は、図１および図２に示す圧力センサ１においてピエゾ抵抗２０の代わりに圧電センサ８１を備えたものである。
圧電センサ８１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）またはＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの薄膜圧電体８２と、薄膜圧電体８２を厚さ方向の両側から挟み込むＰｔ／Ｔｉ電極（チタン基材の表面にプラチナがめっきされた電極）などの第１および第２電極８３，８４と、第１および第２電極８３，８４の各々と検出回路２２とを接続するＡｕ（金）などからなる第１および第２取り出し電極８５，８６と、を備えている。圧電センサ８１は、２つのレバー片４Ａ、４Ｂの各々の基端部４ａに第２電極８４が装着されることによって実装されている。

この第５変形例において、検出回路２２は、例えば図１７に示す電荷電圧変換型の検出回路２２Ａまたは図１８に示す電圧増幅型の検出回路２２Ｂであって、各圧電センサ８１の第１取り出し電極８５を正極かつ第２取り出し電極８６を負極として、２つのレバー片４Ａ、４Ｂに装着された２つの圧電センサ８１，８１を直列に接続して、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

図１７に示す電荷電圧変換型の検出回路２２Ａは、オペアンプ９１と、帰還抵抗（抵抗値Ｒａ）９２と、帰還抵抗９２に並列に接続されたコンデンサ（容量値Ｃａ）９３と、を備えている。直列に接続された２つの圧電センサ８１，８１の正極はオペアンプ９１の反転入力端子（−）に接続され、負極はオペアンプ９１の非反転入力端子（＋）に接続されるとともに接地されている。この検出回路２２Ａの出力電圧Ｖｏｕｔは、直列に接続された２つの圧電センサ８１，８１の正極に生じる正電荷（＋ｑ）により、例えば下記数式（１）に示すように記述される。

図１８に示す電圧増幅型の検出回路２２Ｂは、オペアンプ９５と、帰還抵抗（抵抗値Ｒｄ）９６と、オペアンプ９１の非反転入力端子（＋）と接地点との間に接続された第１抵抗（抵抗値Ｒｂ）９７と、オペアンプ９１の反転入力端子（−）と接地点との間に接続された第２抵抗（抵抗値Ｒｃ）９８と、を備えている。直列に接続された２つの圧電センサ８１，８１の正極はオペアンプ９５の非反転入力端子（＋）に接続され、負極は接地点にて接地されている。この検出回路２２Ｂの出力電圧Ｖｏｕｔは、直列に接続された２つの圧電センサ８１，８１の正極の電位Ｖｉｎにより、例えば下記数式（２）に示すように記述される。

（第６変形例）
なお、上述した第６変形例においては、図１９および図２０に示すように、上述した第２〜第４変形例と同様に３つ以上のレバー片を備えてもよく、３つ以上のレバー片の各々に圧電センサ８１を備えてもよい。この場合の検出回路２２は、図２１に示す電荷電圧変換型の検出回路２２Ａまたは図２２に示す電圧増幅型の検出回路２２Ｂのように、３つ以上のレバー片に装着された３つ以上の圧電センサ８１，…，８１を直列に接続して、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

第５変形例および第６変形例によれば、複数の圧電センサ８１を直列に接続して出力電圧Ｖｏｕｔを増大させることができ、検出感度を向上させることができる。
なお、第５変形例および第６変形例において、圧電センサ８１の厚さに起因する感度低下が生じる場合には、各レバー片を長くしたり、各レバー片の先端部を基端部に比べて幅広に形成することによって、感度上昇に対するレバー片の寄与を増大させてもよい。

１、５０、６０、７０、８０…圧力センサ ３…センサ本体 ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ…レバー片 ４ａ…レバー片の基端部 ４ｂ…レバー片の先端部 ５…変位測定部 １０…キャビティ １１…連通開口 １２…ギャップ １３…ギャップ（間隔） １５…貫通孔 ２０…ピエゾ抵抗 ８１…圧電センサ

Claims (6)

1. 圧力変動を検出する圧力センサであって、
   キャビティと、該キャビティの内部と外部とを連通する連通開口と、が形成されたセンサ本体と、
   先端部が自由端とされると共に、基端部が前記センサ本体に片持ち状に支持された状態で前記連通開口を塞ぐように配設され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形する複数のレバー片と、
   複数の前記レバー片のうち、少なくともいずれか１つのレバー片の変位を測定する変位測定部と、を備え、
   複数の前記レバー片は、それぞれの前記先端部同士が所定のギャップをあけて向かい合うように配設されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   複数の前記レバー片は、前記圧力差に対して同一の変位特性を有していることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１又は２に記載の圧力センサにおいて、
   複数の前記レバー片は、該レバー片の外周縁と前記連通開口における内周縁との間に隙間が形成されることを防止するように配設されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記変位測定部は、前記レバー片の基端部に形成されたピエゾ抵抗を備えることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記変位測定部は、前記レバー片の基端部に圧電センサを備えることを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記レバー片の基端部には、該レバー片を貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする圧力センサ。

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