JP2015068704A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力化でき、かつ瞬間的な圧力変動の検知できるピエゾ抵抗方式の圧力センサを提供する。
【解決手段】 起動機能付圧力センサ１は、電力を供給する電源３０と、電力消費を伴わずに圧力変動の検知を行い、所定の出力値を出力する圧力スイッチ部２０と、圧力変動に応じて電気抵抗値の変化するピエゾ抵抗を有し、電源３０より供給された電力に基づいてピエゾ抵抗の電気抵抗値の変化量を計測することで、圧力変動による変動量を検出する圧力センサ部１０と、圧力スイッチ部２０の出力値を取得し、取得した出力値が予め定めた第一の電圧範囲を上回る場合に電源３０の電力を圧力センサ部１０に供給する電源制御回路４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力変動が生じたことを検知して起動し、微細な圧力変動量を検出する圧力センサに関する。

近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコン半導体基板の表面に小型の圧力センサを形成した装置が提案されている。

この種の装置としては、例えば、特開２００９−２６４９０５号公報等に記載されたものがあげられる。ここで、上記公報記載の装置に備わる圧力センサは、真空の空隙と空隙の一面を覆う薄膜のダイアフラムから構成される。そして、当該圧力センサは、外気の圧力変動量に応じてダイアフラムの変形量が変化するため、ダイアフラムの変形量を検出することで外気の圧力変動量を出力することができる。なお、上記圧力センサでは、このダイアフラム変形時の変形量を検出するため、ダイアフラム上にピエゾ抵抗素子が配される。ここで、ピエゾ抵抗素子は、シリコンに不純物を導入した素子であり、加わる応力によって電気抵抗値が変化する特性を有する。このため、上記圧力センサでは、ダイアフラムの剛性にほとんど影響を与えることなく、ダイアフラムの変形量を検出することができる。

特開２００９−２６４９０５号公報

上記の通り、従来技術に係る圧力センサによると、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値の変化量を計測することで圧力変動量を検出するものである。つまり、圧力変動量を検出するには、ピエゾ抵抗素子に電流を流して電気抵抗値を計測しなければならない。このため、従来技術に係る圧力センサでは、圧力変動が発生しない状態でも常に電流を流し続ける必要があり、低消費電力化できなかった。そこで、ピエゾ抵抗素子に間欠的に電流を流すことで圧力センサの低消費電力化を図ることが考えられる。

しかしながら、上記の従来技術のピエゾ抵抗方式の圧力センサでは、間欠的に電力を供給すると、電力を供給していない瞬間に発生した圧力変動を検知し逃すという課題があった。
このため、低消費電力化でき、かつ瞬間的な圧力変動の検知できるピエゾ抵抗方式の圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の圧力センサの第１の特徴は、電力を供給する電源と、電力消費を伴わずに圧力変動の検知を行い、所定の出力値を出力する圧力スイッチ部と、前記圧力変動に応じて電気抵抗値の変化するピエゾ抵抗素子を有し、前記電源より供給された電力に基づいて前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値の変化量を計測することで、前記圧力変動による変動量を検出する圧力検出部と、前記圧力スイッチ部の出力値を取得し、取得した出力値が予め定めた第１の閾値を上回る場合に前記電源の電力を前記圧力検出部に供給する電力供給部と、を備えることを要旨とする。
かかる特徴によれば、圧力スイッチ部によって無電力で圧力変動が生じたことを検知した上で、ピエゾ抵抗方式の圧力検出部に電力を供給して微小な圧力変動を計測することできる。そのため、本発明に係る圧力センサによると、圧力変動の検知に電力消費を伴わず且つ圧力変動が生じない場合に圧力検出部に給電されないので低消費電力化が実現できる。さらに、本発明に係る圧力センサによると、圧力検出部に間欠的に電力供給を行う場合の、電力非供給時の圧力変動を検知し逃すということが無いので、瞬間的な圧力変動の検知を確実に行うことができる。

さらに、本発明の圧力センサの第２の特徴は、前記圧力検出部は、内部にキャビティの形成されたセンサ本体と、前記キャビティを塞ぐように片持ち状に配置され、前記キャビティの内部と当該キャビティ外部との圧力差に応じて撓み変形し、上面に前記ピエゾ抵抗素子が形成された第１のカンチレバーと、前記第１のカンチレバーの撓み変形に応じた前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量を検出する抵抗検出部と、を備えることを要旨とする。
かかる特徴によれば、キャビティと外気との間の差圧を、その差圧に応じて変形しやすいカンチレバーの上面に形成されたピエゾ抵抗素子で検出するため、外気の微小な圧力変動を精確に検出することが可能となる。

さらに、本発明の圧力センサの第３の特徴は、前記センサ本体の前記キャビティの上端周縁を介して当該センサ本体と接続され、前記センサ本体との接続面側が開口した凹部と、前記凹部と外部とを連接する貫通孔と、を有する蓋部を備え、前記蓋部は、前記電源より供給された電力に基づいて、前記貫通孔を閉塞する状態と前記貫通孔を開放する状態とを切り替え可能な孔切り替え部と、を有し、前記電力供給部は、前記出力値が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を上回る場合、前記孔切り替え部に前記電力を供給して前記貫通孔を閉塞させることを要旨とする。
かかる特徴によれば、設計値以上の圧力変動（第２の閾値を上回る出力値）が加わった場合に、孔切り替え部で貫通孔を閉塞することができるので、圧力センサの破損を回避することが可能となる。

さらに、本発明の圧力センサの第４の特徴は、前記電力供給部は、前記出力値が前記第１の閾値を上回り且つ前記第２の閾値を下回る場合にのみ前記電源の電力を前記圧力検出部に供給することを要旨とする。
かかる特徴によれば、一定の圧力変動量でのみ圧力検出部を起動でき、貫通孔が閉塞された状態において不要な電力消費を伴わないので、一層の省電力化が実現できる。

さらに、本発明の圧力センサの第５の特徴は、前記圧力スイッチ部は、前記圧力変動が生じた際の圧力変動量に応じて発電する圧電素子を有し、当該発電時の電圧値を前記所定の出力値として出力することを要旨とする。
かかる特徴によれば、圧力変動が生じた際に圧電素子の発電時の電圧値が出力されるので、電力供給部は複雑な信号処理を行うことなく容易に第１の閾値との大小関係を判断することが出来る。

さらに、本発明の圧力センサの第６の特徴は、前記圧力スイッチ部は、内部にキャビティの形成されたスイッチ本体と、前記キャビティを塞ぐように片持ち状に配置され、前記キャビティの内部と当該キャビティ外部との圧力差に応じて撓み変形し、上面に前記圧電素子の形成された第２のカンチレバーと、前記第２のカンチレバーの撓み変形に応じた圧電素子の発電時の電圧値を検出する電圧検出部と、を備えることを特徴とする。
かかる特徴によれば、圧力スイッチ部は、キャビティと外気との間の差圧を、その差圧に応じて変形しやすいカンチレバーの上面に形成された圧電素子で検出するため、外気の微小な圧力変動を精確に検出することが可能となる。

さらに、本発明の圧力センサの第７の特徴は、前記電源供給部は、前記電源の電力を予め定めた時間のみ前記圧力検出部に供給することを特徴とする。
かかる特徴によれば、圧力検出部にて圧力変動量を検出可能な時間等が経過した後、圧力スイッチ部にて次回の圧力変動を検知するまでの間、圧力センサ部による圧力検出部を停止させることができるので、一層の省電力化を実現することが出来る。

本発明は、低消費電力であり、かつ瞬間的な圧力変化を検出可能なピエゾ抵抗方式の圧力センサを提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサの構成図である。 本発明の第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサを構成する圧力センサの構造図である。 本発明の第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサを構成する圧力スイッチの構造図である。 本発明の第一の実施形態に係る圧力センサに加わる差圧と圧力センサ及び圧力スイッチの出力の関係を示す説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサの動作の流れを示す説明図である。 本発明の第二の実施形態に係る起動機能付圧力センサの構成図である。

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。
（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサ１（圧力センサ）の構成を示す構成図である。

（全体構成について）
第一の実施形態の起動機能付圧力センサ１は、圧力変動量を検出するための圧力センサ部１０（圧力検出部）と、圧力変動が生じた際に圧力センサ部１０を起動させるための圧力スイッチ部２０と、各部に供給される電力源である電源３０と、圧力センサ部１０に対して電源３０より出力される電力の供給を制御するための電源制御回路４０（電力供給部）と、圧力センサ部１０の動作制御等を実現するためのマイコン５０とを備えている。

圧力センサ部１０は、所定の周波数帯域（例えば、０．０５Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）の圧力変動量を検出する構成であって、気圧計測用カンチレバー１１（第１のカンチレバー）と、センサ本体１２と、上縁部１４と、変位測定部１３（抵抗検出部）と、を有する。当該圧力センサ部１０の詳細な構造については後段で詳述する。

圧力スイッチ部２０は、所定の周波数帯域（例えば、４Ｈｚ〜６ｋＨｚ）の圧力変動を検知して、所定の圧力変動以上が加わった場合に信号を出力するスイッチであって、圧電カンチレバー２１（第２のカンチレバー）と、スイッチ本体２２と、トリガー検出部２３と、上縁部１４とを有する。当該圧力スイッチ部２０の詳細な構造については後段で詳述する。

電源３０は、電源制御回路４０と、マイコン５０と、トリガー検出部２３（電圧検出部）とに接続され、上記の構成に対して所定の電力を供給する電力源である。
電源制御回路４０は、圧力センサ部１０と、圧力スイッチ部２０と、電源３０とに接続されている。電源制御回路４０は、圧力スイッチ部２０からの出力信号が入力された瞬間から所定期間だけ、電源３０から供給された電力を圧力センサ部１０に供給する制御を行う。

マイコン５０は、圧力センサ部１０と、圧力スイッチ部２０と、電源３０とに接続されている。マイコン５０は、通常、待機（スリープ）状態にあり、圧力スイッチ部２０からの出力信号が入力され、当該出力信号が所定の条件を満たしていると判断した場合に、待機状態から駆動状態に移行する。そして、マイコン５０は、駆動状態において、圧力センサ部１０の出力信号に対し各種の加工・出力処理などを行う。なお、上記所定の条件に関しては、後述のフローチャートにて説明する。 次に個別の構成について詳細に説明する。

（圧力センサ部の構成について）
まず、圧力センサ部１０の構成について述べる。図２（ａ）は、圧力センサ部１０の構成を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）中に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサ部１０の断面図である。
圧力センサ部１０は、気圧計測用カンチレバー１１と、センサ本体１２と、上縁部１４と、変位測定部１３と、を有する。

気圧計測用カンチレバー１１は、例えば、シリコン支持層１６ａ、シリコン酸化膜等の酸化層１６ｂ、及びシリコン活性層１６ｃを熱的に張り合わせたＳＯＩ基板１６を加工することで形成することができる。具体的には、気圧計測用カンチレバー１１は、ＳＯＩ基板１６におけるシリコン活性層１６ｃよりなり、平板上のシリコン活性層１６ｃより、平面視コ字状に形成されたギャップ１７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１１は、基端部１１ａを固定端とし、先端部１１ｂを自由端とした片持ち梁構造となっている。

センサ本体１２は、その内部にキャビティ１５を有する。センサ本体１２は、例えば、キャビティ１５を区画し、かつ樹脂よりなる第一の部分１２−１と、第一の部分１２−１上に配置され、かつシリコン支持層１６ａ、及びシリコン酸化膜等の酸化層１６ｂよりなる第二の部分１２−２と、を有する。

キャビティ１５は、センサ本体１２の内部に形成された凹状の窪みであり、気圧計測用カンチレバー１１により上面が覆われている。つまり、気圧計測用カンチレバー１１は、ギャップ１７を除いてキャビティ１５の開口を閉塞している。ギャップ１７は、気圧計測用カンチレバー１１とセンサ本体１２の内壁（上縁部１４）との間に形成される間隙であり、キャビティ１５内外の空気を流通させる構成となっている。

ここで、気圧計測用カンチレバー１１は、センサ本体１２における第二の部分１２−２上において基端部１１ａを介して一体的に固定されることで、キャビティ１５を塞ぐように片持ち支持される。これにより、気圧計測用カンチレバー１１は、基端部１１ａを中心としてキャビティ１５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。

なお、気圧計測用カンチレバー１１の基端部１１ａには、平面視コ字状の貫通孔１８が形成されているので、気圧計測用カンチレバー１１が撓み変形しやすい。ただし、この貫通孔１８の形状は、気圧計測用カンチレバー１１の撓み変形を容易にする形状ならば、上記コ字状に限定されるものではない。

上縁部１４は、平面視で、ギャップ１７を介して気圧計測用カンチレバー１１の周囲を取り囲むように配置されている。上縁部１４は、シリコン活性層１６ｃで構成される。上縁部１４は、キャビティ１５の上方に配置される。

変位測定部１３は、気圧計測用カンチレバー１１の撓み量（変位量）に応じて電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗１３１と、この電気抵抗値変化を取り出す検出回路１３２から構成される。図２（ａ）に示すように、ピエゾ抵抗１３１は、気圧計測用カンチレバー１１の短手方向において、貫通孔１８を挟んだ両側に対となって配置される。
これら一対のピエゾ抵抗１３１は、導電性材料からなる配線部１３３を介して相互に電気的に接続されている。

なお、この配線部１３３及びピエゾ抵抗１３１を含む全体的な形状は、例えば平面視Ｕ字状とすることもできる。また、ピエゾ抵抗１３１には、ピエゾ抵抗１３１の電気抵抗値変化に基づいて気圧計測用カンチレバー１１の変位を測定する検出回路１３２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１３において、検出回路１３２を通じてピエゾ抵抗１３１に所定電圧が印加された際に発生する電流は、貫通孔１８を回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗１３１から配線部１３３を経由して他方のピエゾ抵抗１３１に流れる。

このため、気圧計測用カンチレバー１１の変位（撓み変形）に応じて変化するピエゾ抵抗１３１の電気抵抗値変化を、検出回路１３２は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１３は、検出回路１３２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１１の変位を測定することが可能である。キャビティ１５の内部と外部との差圧に基づいて気圧計測用カンチレバー１１が変形するため、キャビティ１５外部の気圧変化を出力信号として取り出すことが可能となる。

なお、上記ピエゾ抵抗１３１は、例えば、イオン注入法や拡散法等の各種方法により、リン等のドープ剤（不純物）をシリコン活性層１６ｃ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１３１は、配線部１３３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１１の周囲に位置するシリコン活性層１６ｃは、配線部１３３以外でピエゾ抵抗１３１双方が導通しないようにエッチングされている。

（圧力スイッチ部の構成について）
次に、圧力スイッチ部２０の構成について図３を用いて説明する。ここで、図３（ａ）は圧力スイッチ部２０の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面線に沿った縦断面図である。 圧力スイッチ部２０は、圧電カンチレバー２１と、スイッチ本体２２と、トリガー検出部２３と、上縁部２４と、を有する。

圧電カンチレバー２１は、ＳＯＩ基板１６のシリコン活性層１６ｃと、より、略Ω字状に形成されたギャップ２７を切り出すことで形成される。これにより、圧電カンチレバーは、基端部２１ａを固定端とし、先端部２１ｂを自由端とした片持ち梁構造となっている。

スイッチ本体２２は、前述の圧力センサ部１０と同様に、内部にキャビティ２５を有した構成である。また、キャビティ２５は、スイッチ本体２２の内部に形成された凹状の窪みであり、圧電カンチレバー２１により上面が覆われることで略閉塞され、ギャップ２７を介してキャビティ２５内外の空気を流通させる構成となっている。

ここで、圧電カンチレバー２１の基端部２１ａはスイッチ本体２２に固定され、圧電カンチレバー２１はキャビティ２７を塞ぐよう構成されていることから、圧電カンチレバー２１は、キャビティ２７内外の圧力差に応じた撓み変形が可能となる。
上縁部２４は、上縁部１４と同様にシリコン活性層１６ｃで構成され、平面視で、ギャップ２７を介して圧電カンチレバー２１の周囲を取り囲むように配置される。

トリガー検出部２３は、圧電カンチレバー２１の上部に設けられ当該圧電カンチレバー２１の撓み（変位量）に応じて起電力を発する圧電薄膜２１１（圧電素子）と、圧電薄膜２１１の上下両面に設けられた一対の電極２１２と、電極２１２と電気的に接続されて圧電薄膜２１１の起電力を所定の波形に処理する処理回路２３１とから構成される。つまり、トリガー検出部２３によると、キャビティ２５内外に圧力差が生じた際、カンチレバー２１の撓みに応じて圧電薄膜２１１に応力が加わることで、圧電薄膜２１１に起電力が発生する。すると、処理回路２３１は、この起電力を電極２１２を介して入力し、増幅や波形変換等の所定の処理を行って、電源制御回路４０とマイコン５０に対して出力する。
したがって、トリガー検出部２３は、圧力変動が加わった場合に発生する圧電カンチレバー２１の撓みに基づいて、出力信号を発することが可能となる。

（圧力センサ部及び圧力スイッチ部の動作について）
次に、図４を参照して上述した起動機能付圧力センサ１に微小な圧力変動が生じた場合の、圧力センサ部１０及び圧力スイッチ部２０の動作について説明する。

ここで、図４（Ａ）は起動機能付圧力センサ１の内外（キャビティ１５，２５の内外）の圧力値、図４（Ｂ）は圧力スイッチ部２０の出力信号（出力電圧信号）、図４（Ｃ）は圧力センサ部１０の出力信号（ピエゾ抵抗１３１の抵抗値変化率）、の経時変化の一例を模式的に示す図である。

初めに、図４（Ｃ）の期間Ａでは、図４（Ａ）に示すように、起動機能付圧力センサ１の外部の圧力（以下「外圧Ｐｏｕｔ」）が一定である場合、圧力センサ部１０及び圧力スイッチ部２０双方のキャビティ１５，２５外部の圧力Ｐｏｕｔと内部の圧力（以下、内圧Ｐｉｎ）との間に圧力差は生じないので、気圧計測用カンチレバー１１と圧電カンチレバー２１は撓み変形しない。そのため、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、圧力スイッチ部２０の出力電圧と圧力センサ部１０の出力信号は、ともにゼロとなる。

ここで、図４（Ｃ）の時刻ｔ０より、外圧Ｐｏｕｔが図４（Ａ）に示すようにステップ状に上昇すると、双方のキャビティ１５，２５の内外に差圧が発生する。この場合、キャビティ１５，２５外部の圧力（外圧Ｐｏｕｔ）が内部の圧力（内圧Ｐｉｎ）よりも大きいため気圧計測用カンチレバー１１と圧電カンチレバー２１はともに、キャビティ１５内部に向けて変形する。

そして、いずれのカンチレバーも、外圧Ｐｏｕｔの上昇以降（時刻ｔ０以降）の時間において、ギャップ１７，２７を介してキャビティ１５，２５の外部から内部へと圧力伝達媒体（空気）が流動する。このため、図４（Ａ）に示すように、内圧Ｐｉｎは時間経過とともに外圧Ｐｏｕｔに遅れ、かつ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１５の外部と内部との圧力はやがて均衡状態となる。したがって、双方のカンチレバーは、撓み量が徐々に小さくなり、終には撓み変形状態が解消されて、元の状態（期間Ａにおける状態）に復帰する。

ここで、双方のカンチレバーが上記の動作を行う際、気圧計測用カンチレバー１１に設けられたピエゾ抵抗１３１は、加わる応力（撓み変形量）に応じて電気抵抗値が変化する。同時に、圧電カンチレバー２１に設けられた圧電薄膜２１１は、加わる応力の時間微分値（撓み変形の速度）に応じた起電力を発生させる。

ここで、電源制御回路４０は、圧電カンチレバー２１の起電力が所定の電圧範囲：＋Ｖｃ〜−Ｖｃ（第一の電圧範囲；第1の閾値）を超えた場合に圧力センサ部２０に出力信号（起動信号）を出力するように設定されている。すなわち、電源制御回路４０は、図４（Ｃ）における時刻ｔ１のタイミングで、接続された電源３０の電力を圧力センサ部１０に一定時間供給する。したがって圧力センサ部１０の出力信号は、時刻ｔ１以降から検出されることとなる（図４（Ｃ）中の実線部分）。このため、圧力変動が生じた瞬間（時刻ｔ０〜ｔ１の間）は圧力センサ部１０の出力信号は得られない。ただし、前述のように、圧電スイッチ部２０の出力信号は、圧力変動量の時間微分、すなわち圧力センサ部１０の出力信号の時間微分に類似した波形を示すため、圧力センサの出力信号がゼロと極大値の間で極大値を示す。このように、圧電スイッチ部２０の出力信号が圧力センサ部１０の出力信号に比較して立ち上がりが早いため、時刻ｔ０〜ｔ１の時間間隔が非常に短く、気圧計測用カンチレバー１１は、圧力変動が生じた直後から圧力センサ部１０の出力を測定することができる。

なお、上記第一の電圧範囲や圧力センサ部１０へ電力供給を行う一定時間は、図示しない入力インターフェースを介してユーザが適宜に設定できるものとしてもよいし、気圧計測用カンチレバー１１に検出させたい圧力変動量や検出時間に応じて予め電源制御回路４０に設定されるものとしても良い。

（起動機能付圧力センサの処理フローについて）
次に、本実施形態に係る起動機能付圧力センサ１の処理の流れについて、図５のフローチャートを用いて説明する。なお、マイコン５０は、初期状態で待機状態（スリーブモード）にあるものとする。
まず、外気の圧力変動が生じると、圧力スイッチ部２０において、圧電カンチレバー２１が圧力差に応じて撓み変形し、圧電薄膜２１１が変形量に応じた起電力を発生させる（ステップＳ１００）。

次いで、処理回路２３１は、電極２１２を介して上記起電力を取得し、増幅等の所定の波形処理を行った出力信号を生成して、電源制御回路４０とマイコン５０に出力する（ステップＳ１０１）。
次いで、マイコン５０は、ステップＳ１０１にて入力された出力信号に基づいて、起電力が第一の電圧範囲を超えているか否かを判断する（ステップＳ１０２）。

次いで、マイコン５０は、ステップＳ１０２にて起電力が第一の電圧範囲を超えていないと判断した場合（ステップＳ１０２；Ｎ）、第一の電圧範囲を超えた起電力が入力されるまで待機する。一方、マイコン５０は、ステップＳ１０２にて起電力が第一の電圧範囲を超えたと判断した場合（ステップＳ１０２；Ｙ）、マイコン５０は、自機を待機状態から駆動状態に移行させる処理を行う（ステップＳ１０３）。この際、マイコン５０は、タイマー（図示省略）により駆動状態を継続する時間のカウントを開始する。

次いで、電源制御回路４０は、ステップＳ１０１にて入力された出力信号に基づいて、起電力が第一の電圧範囲を超えているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。
次いで、電源制御回路４０は、ステップＳ１０４にて起電力が第一の電圧範囲を超えていないと判断した場合（ステップＳ１０４；Ｎ）、第一の電圧範囲を超えた起電力が入力されるまで待機する。

次いで、電源制御回路４０は、起電力が第一の電圧範囲を超えていると判断する場合（ステップＳ１０４；Ｙ）、接続された電源３０から供給される電力を、圧力センサ部１０へ供給開始する（ステップＳ１０５）。この際、電源制御回路４０は、タイマー（図示省略）により圧力センサ部１０への電力供給時間のカウントを開始する。

次いで、圧力センサ部１０において、圧力スイッチ部１０と同様に、外気の圧力変動に応じて、キャビティ１５の内外に差圧が生じ、気圧計測用カンチレバー１１が変形する。すると、検出回路１３２は、この時の気圧計測用カンチレバー１１の撓み変形量に応じたピエゾ抵抗１３１の電気抵抗値を検出する（ステップＳ１０６）。

次いで、検出回路１３２は、ステップＳ１０６で検出した電気抵抗値に対して増幅やノイズカット、波形処理等の処理を行った圧力変動情報を生成し、マイコン５０へと送信する（ステップＳ１０７）。
次いで、マイコン５０は、入力された圧力変動情報を処理し、図示しない記憶部に当該圧力変動情報を記憶し、外部への出力動作を行う（ステップＳ１０８）。

次いで、電源制御回路４０は、ステップＳ１０５にて電力供給を開始してから所定時間に達したか否かを判断し（ステップＳ１０９）、達していないと判断する場合（ステップＳ１０９；Ｎ）、所定時間経過まで待機する。一方で、電源制御回路４０は、ステップＳ１０９にて所定時間に達したと判断する場合（ステップＳ１０９；Ｙ）、圧力センサ部１０への電力供給を停止する（Ｓ１１０）。

次いで、マイコン５０は、ステップＳ１０３にて駆動状態に移行後所定時間に達したか否かを判断し（ステップＳ１１１）、達していないと判断する場合（ステップＳ１１１；Ｎ）、所定時間経過まで待機する。一方で、マイコン５０は、ステップＳ１１１にて所定時間に達したと判断する場合（ステップＳ１１１；Ｙ）、駆動状態から待機状態に移行する（Ｓ１１２）。

以上、本発明の起動機能付圧力センサ１によると、圧力変動が生じた瞬間を検知して起動し、その後の微小な圧力変動を検出できる。また、圧力変動が生じないときは、圧力センサへの電力供給を行わないため、電力消費を非常に小さくすることが可能となる。

「第二の実施形態」
以下、本発明に係る第二の実施形態の起動機能付圧力センサ１について、図６を用いて説明する。第二の実施形態に係る起動機能付圧力センサ１のうち、第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサと同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る起動機能付圧力センサ１が第一の実施形態に係る起動機能付圧力センサと異なる点は、圧力センサ部１０に対して差圧解消部６０を設ける点と、電源制御回路４０が後述する２種類の電圧範囲を有する点である。

差圧解消部６０（蓋部）は、差圧制御部６１（孔切り替え部）と、遮蔽器６２（孔切り替え得部）と、貫通孔付筐体６３と、から構成される。貫通孔付筐体６３は、底面側が開口した略凹状の筐体であり、圧力センサ部１０（センサ本体１２）の上蓋に相当する構成である。また、貫通孔付筐体６３には、筐体の内外を貫通し、流体を流通させる貫通孔が設けられる。

遮蔽器６２は、貫通孔付筐体６３の貫通孔近傍に設けられ、貫通孔の口径よりも大きく貫通孔を閉塞可能な平板状の蓋部材を含む。また、遮蔽器６２は、上記蓋部材と接続され、供給された電力により蓋部材を直線方向に移動させるソレノイド等のアクチュエータを備えることで、貫通孔を蓋部材で閉塞した状態と開放した状態とを切り替える機能を有する。

差圧制御部６１は、遮蔽器６２に接続され、遮蔽器６２による貫通孔の閉塞状態／開放状態との切り替え制御を実行するための信号を出力する回路である。ここでは、差圧制御部６１は、例えば、遮蔽器６２に電力を供給すると貫通孔を閉塞し、電力を供給しない場合、貫通孔を開放するという制御を行う。

ここで、貫通孔付筐体６３は、底面の開口周縁と、圧力センサ部１０のＳＯＩ基板１６上（シリコン活性層１６ｃ表面）とが接着もしくは接合されて設置される。この時、少なくとも気圧計測用カンチレバー１１は、貫通孔付筐体６３の開口内部に設置した構成とされる。

電源制御回路４０は、電源３０と、圧力センサ部１０と、差圧解消部６０と、接続され、電源３０の電力を圧力センサ部１０及び差圧解消部６０に供給する制御を行う。ここで、電源制御回路４０には、第二の電圧範囲（−Ｖｔ２〜＋Ｖｔ２）と、第二の電圧範囲より広範囲の第三の電圧範囲（−Ｖｔ３〜＋Ｖｔ３）と、が設定されている（｜Ｖｔ３｜＞｜Ｖｔ２｜）。

そして、電源制御回路４０は、処理回路２３１を介して入力される圧電薄膜２１１の起電力（Ｖ）が、第二の電圧範囲内にある場合（｜Ｖ｜＜｜Ｖｔ２｜）、圧力センサ部１０及び差圧解消部６０の双方に電源３０の電力を供給しない。また、電源制御回路４０は、圧電薄膜２１１の起電力（Ｖ）が、第二の電圧範囲（第１の閾値）を超えており且つ第三の電圧範囲（第２の閾値）内にある場合（｜Ｖｔ２｜＜｜Ｖ｜＜｜Ｖｔ３｜）、圧力センサ部１０に電源３０の電力を供給する一方、差圧解消部６０には電力を供給しない。さらに、電源制御回路４０は、圧電薄膜２１１の起電力（Ｖ）が、第三の電圧範囲を超えている場合（｜Ｖ｜＞｜Ｖｔ３｜）、差圧解消部６０に電源３０の電力を供給する一方、圧力センサ部１０には電力を供給しない。

次に圧力センサ部１０の動作について説明する。
外気に圧力変動が生じ、圧力センサ部１０が圧力変動量を測定する場合、外気が貫通孔付筐体６３の貫通孔を経て貫通孔付筐体６３内部に達する。この時、貫通孔付筐体６３内部の空気（外気）とキャビティ１５内部の空気との間に差圧が生じるので、その差圧に応じて気圧計測用カンチレバー１１が変形する。そして、貫通孔付筐体６３内部とキャビティ１５内部との差圧は、ギャップ１７を介して貫通孔付筐体６３内部とキャビティ１５内部とを空気が流動することにより、時間経過とともに徐々に解消されていく。したがって、ある程度の時間が経過することで、気圧計測用カンチレバー１１は元の状態（外気に圧力変動が生じる前の状態）に復帰する。

次に、起動機能付圧力センサ１の動作について、差圧解消部６０の機能を中心に説明する。
第１の実施形態における起動機能付圧力センサ１の動作と同様、気圧変動を検知した圧力スイッチ部２０が起電力を発する。当該起電力に基づく信号は、処理回路２３１を経て電源制御回路４０とマイコン５０へと伝達される。そして、電源制御回路４０は、入力された信号（起電力）が、第二の電圧範囲を超え、第三の電圧範囲内である場合、圧力検出部１０に対して電力を供給し、圧力変動の測定を開始する。

ここで、電源制御回路４０は、入力された信号が第三の電圧範囲を超過する場合、差圧制御部６１に対して電力供給を行うことで、遮蔽器６２を駆動して貫通孔付筐体６３の貫通孔を閉塞状態にする。同時に、電源制御回路４０は、圧力検出部１０に対しては電力供給を行わない。

つまり、電源制御回路４０が上記制御を行うことにより貫通孔が閉塞状態となるので、外気の圧力変動は貫通孔付筐体６３外で遮断される（外気の圧力変動を貫通孔付筐体６３内部に伝搬させない）。そのため、外気の圧力変動が非常に大きくても、貫通孔が閉塞状態になるまでの時間に伝達した外気によるわずかな気圧変動が生じた直後に、貫通孔付筐体６３内部の圧力は一定となる。ここで、このわずかな圧力変動により、貫通孔付筐体６３内部とキャビティ１５との間には差圧が発生する。そして、その差圧に応じて気圧計測用カンチレバー１１は変形するが、圧力センサ部１０（変位測定部１３）に電力が供給されていないため、圧力変動情報は出力されない。また、その閉塞状態となった後、貫通孔付筐体６３内部の圧力が一定のまま保たれることから、ギャップ１７を介してキャビティ１５との間で空気の流動が発生し、貫通孔付筐体６３内部とキャビティ１５との差圧が徐々に解消されることとなる。

そして電源制御回路４０は、一定時間後、圧力スイッチ２０からの出力信号が第二の電圧範囲内であると判断した場合に、差圧解消部６０への電力供給を停止して、貫通孔を開放状態にする。

なお、本実施形態におけるマイコン５０は、圧電薄膜２１１の起電力が第二の電圧範囲を超え且つ第三の電圧範囲内にあると判断した場合にのみ、待機状態から駆動状態に移行する。

これにより、本実施形態に係る圧力センサ１によると、測定可能範囲の圧力変動を検知して、圧力変動を測定することができると同時に、安全範囲を超えた圧力変動が加わった場合に、圧力センサ部１０を外気と遮断して気圧計測用カンチレバー１１の破損を防止することが可能となる。

１ 起動機能付圧力センサ（圧力センサ）
１０ 圧力センサ部（圧力検出部）
１１ 気圧計測用カンチレバー（第１のカンチレバー）
１２ センサ本体
１３ 変位測定部
１４ 上縁部
１５ キャビティ
１６ ＳＯＩ基板
１７ ギャップ
１８ 貫通孔
２０ 圧力スイッチ部
２１ 圧電カンチレバー（第２のカンチレバー）
２２ スイッチ本体
２３ トリガー検出部（電圧検出部）
２４ 上縁部
２５ キャビティ
２７ ギャップ
３０ 電源
４０ 電源制御回路（電力供給部）
５０ マイコン
６０ 差圧解消部（蓋部）
６１ 差圧制御部（孔切り替え部）
６２ 遮蔽器（孔切り替え部）
６３ 貫通孔付筐体（凹部、貫通孔）
１３１ ピエゾ抵抗（ピエゾ抵抗素子）
１３２ 検出回路
１３３ 配線部
２１１ 圧電薄膜（圧電素子）
２１２ 電極
２３１ 処理回路

Claims (7)

1. 電力を供給する電源と、
   電力消費を伴わずに圧力変動の検知を行い、所定の出力値を出力する圧力スイッチ部と、
   前記圧力変動に応じて電気抵抗値の変化するピエゾ抵抗素子を有し、前記電源より供給された電力に基づいて前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗値の変化量を計測することで、前記圧力変動による変動量を検出する圧力検出部と、
   前記圧力スイッチ部の出力値を取得し、取得した出力値が予め定めた第１の閾値を上回る場合に前記電源の電力を前記圧力検出部に供給する電力供給部と、
   を備えることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力検出部は、
   内部にキャビティの形成されたセンサ本体と、
   前記キャビティを塞ぐように片持ち状に配置され、前記キャビティの内部と当該キャビティ外部との圧力差に応じて撓み変形し、上面に前記ピエゾ抵抗素子が形成された第１のカンチレバーと、
   前記第１のカンチレバーの撓み変形に応じた前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量を検出する抵抗検出部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記センサ本体の前記キャビティの上端周縁を介して当該センサ本体と接続され、前記センサ本体との接続面側が開口した凹部と、前記凹部と外部とを連接する貫通孔と、を有する蓋部を備え、
   前記蓋部は、前記電源より供給された電力に基づいて、前記貫通孔を閉塞する状態と前記貫通孔を開放する状態とを切り替え可能な孔切り替え部と、を有し、
   前記電力供給部は、前記出力値が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を上回る場合、前記孔切り替え部に前記電力を供給して前記貫通孔を閉塞させることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記電力供給部は、前記出力値が前記第１の閾値を上回り且つ前記第２の閾値を下回る場合にのみ前記電源の電力を前記圧力検出部に供給することを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記圧力スイッチ部は、前記圧力変動が生じた際の圧力変動量に応じて発電する圧電素子を有し、当該発電時の電圧値を前記所定の出力値として出力することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧力センサ。
6. 前記圧力スイッチ部は、
   内部にキャビティの形成されたスイッチ本体と、
   前記キャビティを塞ぐように片持ち状に配置され、前記キャビティの内部と当該キャビティ外部との圧力差に応じて撓み変形し、上面に前記圧電素子の形成された第２のカンチレバーと、
   前記第２のカンチレバーの撓み変形に応じた圧電素子の発電時の電圧値を検出する電圧検出部と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記電源供給部は、前記電源の電力を予め定めた時間のみ前記圧力検出部に供給することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の圧力センサ。