JP2021105519A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極とメンブレンとの間の静電容量の変化について高い線形性を得る。【解決手段】圧力センサは、ベース部材１２と、ベース部材１２に設けられた固定電極１４と、固定電極１４に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレン１６と、固定電極１４に設けられ、メンブレン１６と対向する誘電体２０と、メンブレン１６と接触して誘電体２０の一部分とメンブレン１６との接触を制限する接触制限部材１８ｂとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、気圧などの圧力を測定するための圧力センサに関する。

従来より、例えば特許文献１に記載するように、静電容量型圧力センサとして、タッチモード圧力センサが知られている。このようなタッチモード圧力センサは、固定電極と、固定電極に対して間隔をあけて配置され、圧力を受けてたわむダイアフラム（メンブレン）と、固定電極に設けられてメンブレンに対向する誘電体膜（誘電体）とを備えている。まず、メンブレンに圧力が作用してメンブレンがたわむと、固定電極とメンブレンとの間の距離が減少し、固定電極とメンブレンとの間の静電容量が増加する。メンブレンが誘電体に接触した後、すなわちタッチモード中は、メンブレンに対する誘電体の接触面積が増加することにより固定電極とメンブレンとの間の静電容量が増加する。このような圧力−容量特性を用いて、タッチモード圧力センサは、静電容量値から圧力を算出し、その算出結果を圧力測定値として出力する。

特開２０１５−１５２４５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された圧力センサの場合、メンブレンが誘電体に接触した後では、圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性は低い。そのため、静電容量値から圧力測定値を算出するための算出式が複雑化するとともに算出精度が低い。その結果、圧力センサの測定精度（圧力の算出精度）が低い。

そこで、本発明は、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができ、それにより高精度に圧力を測定することができる圧力センサを提供することを課題とする。

上記技術的課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、
ベース部材と、
前記ベース部材に設けられた固定電極と、
前記固定電極に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレンと、
前記固定電極に設けられ、前記メンブレンと対向する誘電体と、
前記メンブレンと接触して前記誘電体の一部分と前記メンブレンとの接触を制限する接触制限部材と、を有する、圧力センサが提供される。

本発明の第２の態様によれば、
前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、前記メンブレンの中央部分に対向する前記誘電体の中央部分を挟むくびれを備える形状である、第１の態様の圧力センサが提供される。

本発明の第３の態様によれば、
前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である、第１または第２の態様の圧力センサが提供される。

本発明の第４の態様によれば、
前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する外側に突出する２つの円弧と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、第１から第３の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。

本発明の第５の態様によれば、
前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、第１から第３の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。

本発明の第６の態様によれば、
前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、略十字形状である、第１から第３の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。

本発明の第７の態様によれば、
前記接触制限部材として、前記メンブレンと前記誘電体との対向方向に対して直交する第１の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第１の接触制限部材を有する、第１から第６の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。

本発明の第８の態様によれば、
前記接触制限部材として、前記対向方向および前記第１の方向に対して直交する第２の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第２の接触制限部材を有する、第７の態様に記載の圧力センサが提供される。

本発明の第９の態様によれば、
前記誘電体が、円形状、正方形状、長方形状のいずれかである、第１から第８の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。

本発明の第１０の態様によれば、
前記メンブレンが、前記メンブレンの外周縁部分を支持する支持部材を介して前記ベース部材に設けられ、
前記接触制限部材が、前記支持部材から前記誘電体の中央に向かって内側に突出する突出部として前記支持部材に設けられている、第１から第９の態様のいずれか一の圧力センサが提供される。

本発明の第１１の態様によれば、
前記突出部は一対であって、前記メンブレンと前記誘電体の対向方向に対して直交する方向に前記誘電体を挟んで対向するように設けられている、第１０の態様の圧力センサが提供される。

本発明によれば、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができ、それにより高精度に圧力を測定することができる圧力センサを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の斜視図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の部分的分解斜視図 図２のＡ−Ａ線に沿った圧力センサ素子の断面図 図２のＢ−Ｂ線に沿った圧力センサ素子の断面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサの概略的構成図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子の圧力−容量特性を示す図 圧力が作用した状態における、図２のＡ−Ａ線に沿った圧力センサ素子の断面図 圧力が作用した状態における、図２のＢ−Ｂ線に沿った圧力センサ素子の断面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の増加によって起こるメンブレンと誘電体の接触領域の変化を示す上面図 本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の変化とメンブレンと誘電体の接触面積の変化との関係を示す図 本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図 本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図 本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図 本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図 本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図 本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の斜視図である。図２は、本実施の形態に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の部分的分解斜視図である。図３Ａは図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図であって、図３Ｂは図２におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。なお、図に示すＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系は本発明の理解を容易にするためのものであって、発明を限定するものではない。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０は、静電容量型圧力センサ、特にタッチモード圧力センサに使用される圧力センサ素子である。圧力センサ素子１０は、ベース部材１２と、ベース部材１２に設けられた固定電極１４と、固定電極１４に対して間隔をあけて配置された導電性のメンブレン１６と、メンブレン１６の外周縁部分を支持する環状の支持部材１８と、固定電極１４に設けられた誘電体２０とを有する。なお、本実施の形態の場合、上方視すなわちＺ軸方向視で、圧力センサ素子１０は円形状であって、すなわちベース部材１２、固定電極１４、メンブレン１６、および支持部材１８の外形が円形状である。また、誘電体２０も円形状である。

ベース部材１２は、例えば絶縁材料から作製された絶縁基板である。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、固定電極１４は、ベース部材１２上に設けられた円形状の導体であって、例えば導電性ポリシリコン材料から作製された導体である。また、固定電極１４は、メンブレン１６と対向する電極面１４ａを備える。

メンブレン１６は、例えば導電性シリコン材料から作製されることにより、弾性と導電性とを備える円形状の導体である。また、メンブレン１６は、圧力を受ける受圧面１６ａと、受圧面１６ａに対して反対側であって固定電極１４の電極面１４ａと対向する電極面１６ｂとを備える。本実施の形態の場合、メンブレン１６は、電極面１６ｂの外周縁部分が、支持部材１８によって支持されている。そのため、受圧面１６ａに圧力が作用すると、外周縁部分を除くメンブレン１６の中央部分が固定電極１４側にたわむ、すなわちメンブレン１６の電極面１６ｂが固定電極１４の電極面１４ａに接近する。

支持部材１８は、例えば絶縁材料から作製された環状、すなわち枠状の部材である。本実施の形態の場合、支持部材１８は、固定電極１４を介して、ベース部材１２上に設けられている。本実施の形態の場合、支持部材１８が固定電極１４とメンブレン１６との間に介在した状態で該メンブレン１６の外周縁部分を支持することにより、メンブレン１６が固定電極１４に対して間隔をあけて対向した状態で配置される。言い換えると、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、固定電極１４、メンブレン１６、および支持部材１８により、内部空間２２が画定されている。

誘電体２０は、例えば誘電材料から作製され、また固定電極１４の電極面１４ａ上に形成された円形状の膜または層である。また、誘電体２０は、支持部材１８に囲まれるように、具体的には支持部材１８の内壁面１８ａから等しい距離をあけるように、固定電極１４の電極面１４ａの中央部分上に配置されている。さらに、誘電体２０は、メンブレン１６の電極面１６ｂに対して間隔をあけて対向する対向面２０ａを備える。

図４は、本実施の形態に係る圧力センサの概略的構成図である。

図４に示すように、圧力センサ３０は、圧力センサ素子１０と、センサコントローラ４０とを有する。

圧力センサ素子１０における固定電極１４は、固定電極用配線３２を介してセンサコントローラ４０に接続されている。また、圧力センサ素子１０におけるメンブレン１６は、メンブレン用配線３４を介してセンサコントローラ４０に接続されている。

センサコントローラ４０は、圧力センサ素子１０の固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量に基づいて、メンブレン１６の受圧面１６ａが受ける圧力の検出値として出力圧力値Ｐｏｕｔを算出し、その算出した出力圧力値Ｐｏｕｔを外部に出力するように構成されている。

具体的には、センサコントローラ４０は、固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量を検出する静電容量検出部４２を有する。また、静電容量検出部４２によって検出された静電容量から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための算出式である補正式Ｅｑを記憶する記憶部４４を有する。さらに、静電容量検出部４２によって検出された静電容量の値と記憶部４４に記憶された補正式Ｅｑとを用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する圧力算出部４６を有する。

静電容量検出部４２は、固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量を検出する静電容量型センサまたは回路の一部として組み込まれているキャパシタで構成される。メンブレン１６の受圧面１６ａが受ける圧力である実圧力値Ｐｉｎの変化に応じて、静電容量検出部４２によって検出される静電容量も変化する。

記憶部４４は、例えばメモリなどの記憶装置であって、静電容量検出部４２によって検出された静電容量を補正して出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための補正式Ｅｑ（算出式）を記憶している。出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための補正式Ｅｑは、圧力センサ素子１０の圧力−容量特性に基づく静電容量の関数であって、例えば高次多項式である。

圧力算出部４６は、静電容量検出部４２によって検出された静電容量を静電容量信号として取得し、記憶部４４から補正式Ｅｑを補正式データとして取得し、静電容量信号と補正式データとに基づいて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出することができる、例えばプロセッサである。プロセッサは、例えば、記憶部４４に記憶されている、補正式Ｅｑを用いて静電容量検出部４２によって検出された静電容量を補正するためのプログラムを実行することにより、出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。

図５は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子の圧力−容量特性を示す図である。圧力センサ３０の動作について、図５に示す圧力センサ素子１０の圧力−容量特性を参照しながら説明する。

圧力センサ３０においては、まず、圧力センサ素子１０におけるメンブレン１６の受圧面１６ａに圧力が作用すると、外周縁部分を除くメンブレン１６の中央部分が固定電極１４側にたわみ、メンブレン１６の中央部分が固定電極１４側に接近する。これにより、固定電極１４とメンブレン１６との間の距離が減少し、固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量が増加する。メンブレン１６の電極面１６ｂが誘電体２０の対向面２０ａに接触するまでの動作モードは、ノンタッチモードと呼ばれる。

メンブレン１６の受圧面１６ａに作用する圧力がさらに増加すると、メンブレン１６の電極面１６ｂの中央部分と誘電体２０の対向面２０ａの中央部分とが接触する。さらにメンブレン１６の受圧面１６ａに作用する圧力が増加すると、メンブレン１６を介して誘電体２０に圧力が作用する。そこからさらにメンブレン１６の受圧面１６ａに作用する圧力が増加すると、メンブレン１６の電極面１６ｂと誘電体２０の対向面２０ａとの接触している部分の面積、すなわちメンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加する。すなわち、誘電体２０の対向面２０ａにおけるメンブレン１６の電極面１６ｂと接触する部分が対向面２０ａの中央から外側に向かって拡がっていく。このメンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加していく動作モードは、タッチモードと呼ばれる。

図５に示すように、タッチモードにおいて、メンブレン１６に作用する圧力の変化に対する固定電極１４と該メンブレン１６との間の静電容量の変化の線形性は、高い方が好ましい。すなわち、タッチモードにおけるメンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して該メンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加するのが好ましい。その方が、静電容量検出部４２によって検出された静電容量から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する際に用いる補正式Ｅｑをより簡易化することができる。その結果、圧力センサ３０が静電容量から高精度に圧力を算出することができ、圧力センサ３０がより高精度に圧力を測定することが可能になる。

本実施の形態では、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して該メンブレン１６と誘電体２０との接触面積が増加するように、図２に示すように、支持部材１８に一対の突出部１８ｂが設けられている。一対の突出部１８ｂは、メンブレン１６と接触することにより、作用する圧力によって固定電極１４側にたわむメンブレン１６の変形を部分的に制限し、誘電体２０の対向面２０ａの一部分とメンブレン１６の電極面１６ｂとの接触を制限するように構成されている。

具体的には、一対の突出部１８ｂそれぞれは、支持部材１８の内壁面１８ａから誘電体２０の中央に向かって内側に突出している。また、一対の突出部１８ｂは、メンブレン１６と誘電体２０の対向方向であるＺ軸方向に対して直交する方向、すなわちＸ軸方向に誘電体２０を挟んで対向するように設けられている。また、突出部１８ｂの先端形状は、Ｚ軸方向視で円弧状である。

一対の突出部１８ｂが作用する圧力によってたわむメンブレン１６に接触することにより、誘電体２０の対向面２０ａの一部分とメンブレン１６の電極面１６ｂとの接触が制限される。このように、突出部１８ｂが接触制限部材として機能する。このことを、具体的に、図６Ａ、図６Ｂ、および図７を参照しながら説明する。

図６Ａおよび図６Ｂは、圧力が作用した状態、具体的には測定上限の圧力が作用した状態の圧力センサ素子１０の断面図である。図６Ａは図２のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図６Ｂは図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図７は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図７において、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。

図６Ａに示すように、メンブレン１６における突出部１８ｂから遠い部分では、中央部分から支持部材１８の内壁面１８ａ近傍の部分まで、固定電極１４側にたわむことができる。それにより、図７に示すように、メンブレン１６の電極面１６ｂは、誘電体２０の対向面２０ａの中央部分から外周縁の部分のうち突出部１８ｂから遠い部分までと接触することが可能である。

一方、図６Ｂに示すように、メンブレン１６における突出部１８ｂ近傍の部分では、突出部１８ｂにより、支持部材１８の内壁面１８ａ近傍の部分が固定電極１４側にたわむことができない。そのため、図７に示すように、メンブレン１６の電極面１６ｂは、誘電体２０の対向面２０ａにおける突出部１８ｂ近傍の部分と接触することができない。言い換えれば、メンブレン１６の電極面１６ｂは、誘電体２０の対向面２０ａの突出部１８ｂ近傍の部分を除く部分と接触することが可能である。

すなわち、図７に示すように、一対の突出部１８ｂにより、誘電体２０の対向面２０ａにおいて、メンブレン１６の電極面１６ｂに接触可能な接触可能領域ＡＣＲと、メンブレン１６の電極面１６ｂに接触できない非接触領域ＮＣＲが発生する。すなわち、一対の突出部１８ｂにより、接触可能領域ＡＣＲは上方視すなわちＺ軸方向視で、メンブレン１６の中央部分に対向する誘電体２０の中央部分を挟む１つのくびれを備える形状である。また、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、互いに対向する外側に突出する２つの円弧と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である。さらに、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である。

図８は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の増加によって起こるメンブレンと誘電体の接触領域の変化を示す上面図である。なお、図８において、接触領域ＣＲはクロスハッチングで示されている。図８に示すように、誘電体２０の対向面２０ａとメンブレン１６の電極面１６ｂが接触する接触領域ＣＲは、メンブレン１６に作用する圧力が大きくなるにともなって拡大し、面積が増加する。そして、誘電体２０の対向面２０ａとメンブレン１６の電極面１６ｂが接触する接触領域ＣＲの形状は、メンブレン１６に作用する圧力が大きくなるにともなって上方視すなわちＺ軸方向視で円形からくびれを備える形状に変わっていく。

図９は、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンに作用する圧力の変化とメンブレンと誘電体の接触面積の変化との関係を示す図である。図９において、実線は本実施の形態に係る圧力センサ素子１０を示し、破線は比較例に係る圧力センサ素子を示している。比較例に係る圧力センサ素子は、支持部材に一対の突出部が設けられておらず、支持部材が平面視して円環状である点のみが本実施の形態に係る圧力センサ素子１０と異なっている。

図９に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０に比べて、比較例に係る圧力センサ素子では、接触領域ＣＲの面積、すなわち誘電体２０の対向面２０ａとメンブレン１６の電極面１６ｂの接触面積は、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して増加する。

このことについて具体的に説明する。まず、タッチモードにおいて、圧力センサ素子１０では、一対の突出部１８ｂが存在するために、メンブレン１６は一対の突出部１８ｂを備えていない比較例に係る圧力センサ素子に比べてたわみにくい。そのため、メンブレン１６に作用する圧力が同一である場合、圧力センサ素子１０の接触面積は、比較例に係る圧力センサ素子の接触面積に比べて小さい。

また、一対の突出部１８ｂの有無に関係なく、タッチモードでは、メンブレン１６に作用する圧力が測定上限圧力に近づくほど、接触面積の増加速度、すなわち単位圧力あたりの接触面積の増加量は小さくなる。これは、メンブレン１６における支持部材１８に近い外周縁部分が中央部分に比べてたわみにくいからである。すなわち、メンブレン１６では、中央部分のたわみ量は外周縁部分のたわみ量より大きい。

本実施の形態に係る圧力センサ素子１０では、一対の突出部１８ｂを設けられていることにより、メンブレン１６に作用する圧力が測定上限圧力に近づくより早い時点において、接触面積の増加速度が比較例に係る圧力センサ素子より低い。すなわち、図８に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０では、接触領域ＣＲの形状が上方視すなわちＺ軸方向視で円形からくびれを備える形状に変わり始めてから接触面積の増加速度が低下する。その結果、メンブレン１６に作用する圧力の変化にともなう接触面積の増加速度が測定上限圧力に至るまで略一様になり、その結果として、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して接触面積が増加する。

したがって、図９に示すように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１０では、一対の突出部１８ｂを設けることにより、一対の突出部が設けられていない比較例に係る圧力センサ素子に比べて、メンブレン１６と誘電体２０の接触面積は、メンブレン１６に作用する圧力の増加に比例して増加する。それにより、メンブレン１６に作用する圧力の変化に対する固定電極１４とメンブレン１６との間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。その結果として、このような圧力センサ素子１０を用いる圧力センサ３０は、高精度に圧力を測定することができる。

このような本実施の形態によれば、メンブレンへの圧力の変化に対する固定電極と該メンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができ、それにより高精度に圧力を測定することができる圧力センサを提供することができる。

以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明の実施の形態はこれに限らない。

例えば、上述の実施の形態の場合、図１および図２に示すように、圧力センサ素子１０は、メンブレン１６と誘電体２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で円形状である。また、誘電体２０もＺ軸方向視で円形状である。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。

図１０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図である。

図１０Ａに示すように、第２の実施の形態に係る圧力センサ素子１１０は、図示されていないメンブレンと誘電体１２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で、矩形状、特に正方形状であって、誘電体１２０もＺ軸方向視で正方形状である。

また、圧力センサ素子１１０では、支持部材１１８に一対の突出部１１８ｂが設けられている。一対の突出部１１８ｂそれぞれは、支持部材１１８の内壁面１１８ａから、誘電体１２０の中央に向かって内側に突出している。また、一対の突出部１１８ｂは、メンブレンと誘電体１２０の対向方向であるＺ軸方向に対して直交する方向、すなわちＸ軸方向に誘電体１２０を挟んで対向するように設けられている。また、突出部１１８ｂの先端形状は、Ｚ軸方向視で円弧状である。図１０Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図１０Bにおいて、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。図１０Ｂに示すように、一対の突出部１１８ｂにより、誘電体１２０の対向面１２０ａにおいて、メンブレンの電極面に接触可能な接触可能領域ＡＣＲと、メンブレンの電極面に接触できない非接触領域ＮＣＲが発生する。すなわち、一対の突出部１１８ｂにより、接触可能領域ＡＣＲは上方視すなわちＺ軸方向視で、メンブレンの中央部分に対向する誘電体１２０の中央部分を挟む１つのくびれを備える形状である。また、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である。さらに、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である。

このような圧力センサ素子１１０においても、上述の第１の実施の形態の圧力センサ素子１０と同様に、一対の突出部１１８ｂを設けることにより、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極１１４とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。これにより、圧力センサ素子１１０を用いる圧力センサは、高精度に圧力を測定することができる。

しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。図１１Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図である。図１１Ａに示すように、第３の実施の形態に係る圧力センサ素子２１０は、図示されていないメンブレンと誘電体２２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視）で、長方形状であって、誘電体２２０もＺ軸方向視で長方形状である。図１１Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図１１Bにおいて、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。図１１Aおよび図１１Bに示すように、このような圧力センサ素子２１０においても、上述の第２の実施の形態の圧力センサ素子１１０と同様に、一対の突出部２１８ｂを設けることにより、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極２１４とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。これにより、圧力センサ素子２１０を用いる圧力センサは、高精度に圧力を測定することができる。

図１２Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子におけるメンブレンを取り除いた状態の上面図である。

図１２Ａに示すように、第４の実施の形態に係る圧力センサ素子３１０は、図示されていないメンブレンと誘電体３２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で正方形状であって、誘電体３２０もＺ軸方向視で正方形状である。

また、圧力センサ素子３１０では、支持部材３１８に二対の突出部３１８ｂ，３１８ｃが設けられている。二対の突出部３１８ｂ，３１８ｃそれぞれは、支持部材３１８の内壁面３１８ａから、誘電体３２０の中央に向かって内側に突出している。第１の接触制限部材である一対の突出部３１８ｂは、メンブレンと誘電体３２０の対向方向であるＺ軸方向に対して直交する第１の方向に誘電体３２０を挟んで対向するように設けられている。具体的には、第１の方向は、Ｚ軸方向視で正方形状の誘電体３２０における一方の対角方向である。

第２の接触制限部材である別の一対の突出部３１８ｃは、メンブレンと誘電体３２０の対向方向であるＺ軸方向および一対の突出部３１８ｂの対向方向である第１の方向に対して直交する第２の方向に誘電体３２０を挟んで対向するように設けられている。具体的には、第２の方向は、Ｚ軸方向視で正方形状の誘電体３２０における他方の対角方向である。

図１２Ｂは、本実施の形態に係る圧力センサが備える圧力センサ素子における、メンブレンと誘電体との接触可能領域を示す上面図である。なお、図１２Bにおいて、接触可能領域ＡＣＲはクロスハッチングで示されている。図１２Ｂに示すように、一対の突出部３１８ｂと別の一対の突出部３１８ｃとにより、誘電体３２０の対向面３２０ａにおいて、メンブレンの電極面に接触可能な接触可能領域ＡＣＲと、メンブレンの電極面に接触できない非接触領域ＮＣＲが発生する。すなわち、一対の突出部３１８ｂと別の一対の突出部３１８ｃとにより、接触可能領域ＡＣＲは上方視すなわちＺ軸方向視で、メンブレンの中央部分に対向する誘電体３２０の中央部分を挟み、互いに直交する方向に設けられた２つのくびれを備える形状である。すなわち、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状が２つ互いに直交する方向に重なり合った形状、すなわち、略十字形状である。さらに、接触可能領域ＡＣＲは、上方視すなわちＺ軸方向視で、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である。

このような圧力センサ素子３１０においても、上述の第１の実施の形態の圧力センサ素子１０と同様に、メンブレンに作用する圧力の変化に対する固定電極３１４とメンブレンとの間の静電容量の変化についてより高い線形性を得ることができる。これにより、圧力センサ素子３１０を用いる圧力センサは、高精度に圧力を測定することができる。

さらに、上述の第１の実施の形態の場合、図２に示すように、固定電極１４とメンブレン１６との間に配置されている支持部材１８に設けられている一対の突出部１８ｂが、作用する圧力によってたわむメンブレン１６に接触することにより誘電体２０の対向面２０ａの一部分とメンブレン１６の電極面１６ｂとの接触を制限するための接触制限部材である。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。例えば、接触制限部材は、支持部材と別部材であってもよい。また、接触制限部材は、メンブレンと誘電体との間に配置されてもよい。

加えて、上述の第１の実施の形態の場合、図２に示すように、固定電極１４の電極面１４ａにおける中央部分に誘電体２０が設けられている。すなわち、メンブレン１６と誘電体２０との対向方向視すなわちＺ軸方向視で、誘電体２０の面積が固定電極１４の面積に比べて小さい。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。メンブレンと誘電体との対向方向視で、誘電体は固定電極と同一の面積を有していてもよい。

すなわち、本発明の実施の形態に係る圧力センサは、広義には、ベース部材と、前記ベース部材に設けられた固定電極と、前記固定電極に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレンと、前記固定電極に設けられ、前記メンブレンと対向する誘電体と、前記メンブレンと接触して前記誘電体の一部分と前記メンブレンとの接触を制限する接触制限部材と、を有する圧力センサである。

以上、複数の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、ある実施の形態に対して少なくとも１つの実施の形態を全体としてまたは部分的に組み合わせて本発明に係るさらなる実施の形態とすることが可能であることは、当業者にとって明らかである。

本発明は、静電容量型圧力センサに適用可能である。

１２ ベース部材
１４ 固定電極
１６ メンブレン
１８ｂ 突出部
２０ 誘電体

Claims (11)

1. ベース部材と、
   前記ベース部材に設けられた固定電極と、
   前記固定電極に対して間隔をあけて対向して設けられ、可撓性及び導電性を有するメンブレンと、
   前記固定電極に設けられ、前記メンブレンと対向する誘電体と、
   前記メンブレンと接触して前記誘電体の一部分と前記メンブレンとの接触を制限する接触制限部材と、を有する圧力センサ。
   
2. 前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、前記メンブレンの中央部分に対向する前記誘電体の中央部分を挟むくびれを備える形状である、請求項１に記載の圧力センサ。
   
3. 前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、中心から外周部までの直線距離が異なる部分を有する形状である、請求項１または２に記載の圧力センサ。
   
4. 前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する外側に突出する２つの円弧と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
   
5. 前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、互いに対向する平行な２つの直線と互いに対向する内側に突出する２つの円弧からなる外形を有する形状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
   
6. 前記誘電体におけるメンブレンと接触可能な領域が、略十字形状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
   
7. 前記接触制限部材として、前記メンブレンと前記誘電体との対向方向に対して直交する第１の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第１の接触制限部材を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
   
8. 前記接触制限部材として、前記対向方向および前記第１の方向に対して直交する第２の方向に前記誘電体を挟んで対向し合う一対の第２の接触制限部材を有する、請求項７に記載の圧力センサ。
   
9. 前記誘電体が、円形状、正方形状、長方形状のいずれかである、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力センサ。
   
10. 前記メンブレンが、前記メンブレンの外周縁部分を支持する支持部材を介して前記ベース部材に設けられ、
    前記接触制限部材が、前記支持部材から前記誘電体の中央に向かって内側に突出する突出部として前記支持部材に設けられている、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧力センサ。
    
11. 前記突出部は一対であって、前記メンブレンと前記誘電体の対向方向に対して直交する方向に前記誘電体を挟んで対向するように設けられている、請求項１０に記載の圧力センサ。

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