JP2021165636A - 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、高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得る。【解決手段】圧力センサ４０は、ベース部材１２と、ベース部材１２に対して間隔をあけて配置されたメンブレン１８と、メンブレン１８に対向するようにベース部材１２に設けられ、誘電体層２４を備える第１の固定電極１４と、メンブレン１８に対向するようにベース部材１２に設けられた第２の固定電極１６とを有する。メンブレン１８に作用する圧力Ｐｉｎが増加してメンブレン１８がベース部材１２に向かってたわんでいくと、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が一定になる前に、メンブレン１８が第１の固定電極１４の誘電体層２４に接触する。【選択図】図３

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メンブレンとを備えている。固定電極には、メンブレンに対向する誘電体層が設けられている。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。メンブレンが固定電極の誘電体層に接触した後、すなわちタッチモード中は、メンブレンに対する誘電体層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２０１３−１０４７９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているタッチモード圧力センサの場合、メンブレンが固定電極の誘電体層に接触し始める圧力から所定圧力までの圧力範囲においては、圧力の変化に対する静電容量の変化が他の圧力範囲に比べて異なり、線形性が低い。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。

特に、特許文献１に記載されたタッチモード圧力センサの場合、メンブレンの中央部分に対向する誘電体層の中央部分が他の部分に比べて窪んでいる。そのため、メンブレンが誘電体層の窪んだ部分に接触し始める圧力から第１の所定圧力までの第１の圧力範囲と、メンブレンが誘電体層の窪んでいない部分に接触し始める圧力から第２の所定圧力までの第２の圧力範囲とにおいて、すなわち２つの異なる圧力範囲において、圧力の変化に対する静電容量の変化の線形性が低い。

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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができ、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、本発明の一態様によれば、
ベース部材と、
前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、
前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、
前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、
を有し、
前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触する、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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができ、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。

本発明の実施の形態１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の斜視図 実施の形態１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図 実施の形態１に係る圧力センサの概略的構成図 実施の形態１に係る圧力センサの圧力−容量特性図 本発明の実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図 実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図 実施の形態２に係る圧力センサの圧力−容量特性図 本発明の実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図 実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図 実施の形態３に係る圧力センサの圧力−容量特性図

本発明の一態様の圧力センサは、ベース部材と、前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、を有し、前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触する。

この態様によれば、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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができ、それにより圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。

例えば、前記第２の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近くてもよい。

例えば、前記第１の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、前記第２の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第１の固定電極を囲む環状であり、前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近くてもよい。

例えば、前記第２の固定電極が、前記メンブレンの中央部分に対向し、前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極が、前記ベース部材の同一平面に設けられてもよく、この場合、圧力センサが、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極よりも厚い接触制限部材を有する。

例えば、前記接触制限部材が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲みつつ前記第１の固定電極に囲まれる筒状部材であってもよい。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１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１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図である。図３は、本実施の形態１に係る圧力センサの概略的構成図である。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１に係る圧力センサ素子１０は、静電容量型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に設けられた第１の固定電極１４および第２の固定電極１６と、ベース部材１２に対して間隔をあけて配置された導電性のメンブレン１８と、メンブレン１８を支持する支持部材２０とを有する。

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２に示すように、第１の固定電極１４は、貫通穴１４ａを備える円環状であって、ベース部材１２に固定される電極である。また、第１の固定電極１４は、図３に示すように、ベース部材１２上に設けられ、例えば導電性ポリシリコン材料から作製された導体２２と、メンブレン１８に対向する導体２２上の表面に設けられた誘電体層２４とを備える。

図２に示すように、第２の固定電極１６は、円板状であって、ベース部材１２に固定される電極である。また、第２の固定電極１６は、図３に示すように、ベース部材１２上に設けられ、例えば導電性ポリシリコン材料から作製された導体２６と、メンブレン１８に対向する導体２６上の表面に設けられた誘電体層２８とを備える。さらに、メンブレン１８とベース部材１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第２の固定電極１６は、第１の固定電極１４の貫通穴１４ａ内に収容される大きさである。すなわち、Ｚ軸方向視で、第１の固定電極１４の内径は第２の固定電極１６の外径に比べて大きい。

メンブレン１８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導体である。また、メンブレン１８は、圧力を受ける受圧面１８ａと、受圧面１６ａに対して反対側であって第１および第２の固定電極１４、１６に対向する電極面１８ｂとを備える。

また、メンブレン１８は、図３に示すように、電極面１８ｂの外周縁部分が、支持部材２０によって支持されている。それにより、メンブレン１８は、ベース部材１２に対して間隔をあけて配置される。また、受圧面１８ａに圧力が作用すると、支持部材２０によって支持されている外周縁部分を除くメンブレン１８の部分がベース部材１２に向かってたわむ、すなわちメンブレン１８の電極面１８ｂが第１および第２の固定電極１４、１６に接近する。

支持部材２０は、図２に示すように、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。図３に示すように、ベース部材１２、メンブレン１８、および支持部材２０により、第１および第２の固定電極１４、１６を収容する内部空間３０が画定されている。

本実施の形態１に係る圧力センサにおける圧力センサ素子１０のさらなる特徴について説明する。

図２に示すように、メンブレン１８に対向するベース部材１２の表面１２ａには、第１の底面１２ｂを備える第１の凹部１２ｃが設けられている。さらに、その第１の底面１２ｂには、第２の底面１２ｄを備える第２の凹部１２ｅが設けられている。また、第１の底面１２ｂが円環状であって、第２の底面１２ｄが円形状である。なお、第１の底面１２ｂと第２の底面１２ｄは、メンブレン１８とベース部材１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で同心に、ベース部材１２に設けられている。

図３に示すように、円環状の第１の底面１２ｂは、円形状の第２の底面１２ｄに比べてメンブレン１８に近い。また、第２の底面１２ｄがメンブレン１８の中央部分に対向し、その中央部分を囲むメンブレン１８の外周側部分に第１の底面１２ｂが対向している。

円環状の第１の底面１２ｂには、円環状の第１の固定電極１４が設けられている。円形状の第２の底面１２ｄには、円板状の第２の固定電極１６が設けられている。その結果、第１の固定電極１４が、第２の固定電極１６に比べてメンブレン１８に近くなるように配置されている。また、第２の固定電極１６がメンブレン１８の中央部分に対向する。なお、メンブレン１８とベース部材１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極１４と第２の固定電極１６は同心にベース部材１２に設けられている。それにより、その対向方向視で、第１の固定電極１４が第２の固定電極１６を囲んでいる。このような配置で第１の固定電極１４と第２の固定電極１６とをベース部材１２に設ける理由については後述する。

図３に示すように、本実施の形態１に係る圧力センサ４０は、圧力センサ素子１０と、それに接続されたセンサコントローラ５０とを有する。

具体的には、圧力センサ素子１０における第１の固定電極１４は、固定電極用配線４２を介してセンサコントローラ５０に接続されている。また、第２の固定電極１６は、固定電極用配線４４を介してセンサコントローラ５０に接続されている。そして、メンブレン１８は、メンブレン用配線４６を介してセンサコントローラ５０に接続されている。

センサコントローラ５０は、圧力センサ素子１０の第１の固定電極１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１および第２の固定電極１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２に基づいて、メンブレン１８の受圧面１８ａに作用する圧力を算出し、その算出値を出力圧力値Ｐｏｕｔとして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５０は、第１の固定電極１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１を検出する第１の容量検出部５２と、第２の固定電極１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２を検出する第２の容量検出部５４とを有する。また、センサコントローラ５０は、記憶部５６と、その記憶部５６に記憶された第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を用いて第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する圧力算出部５８とを有する。

第１および第２の容量検出部５２、５４は、第１および第２の固定電極１４、１６それぞれとメンブレン１８との間の第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２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。図４は、本実施の形態１に係る圧力センサの圧力−容量特性図である。図４に示すように、メンブレン１８の受圧面１８ａが受ける圧力である実圧力値Ｐｉｎの変化に応じて、第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出される第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２も変化する。なお、図４において、第１の静電容量Ｃ１の変化は実線で、第２の静電容量Ｃ２の変化は破線で示されている。

記憶部５６は、例えばメモリなどの記憶装置であって、第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出された第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を記憶している。出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するための第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２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５８は、第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出された第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２を静電容量信号として取得し、記憶部５６から第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を算出式データとして取得し、静電容量信号と算出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５６に記憶されている、第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を用いて第１および第２の容量検出部５２、５４によって検出された第１および第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出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。

厳密に言えば、センサコントローラ５０の圧力算出部５８は、第１の容量検出部５２によって検出された第１の静電容量Ｃ１と第２の容量検出部５４によって検出された第２の静電容量Ｃ２の両方を同時に用いて１つの出力圧力値Ｐｏｕｔを算出するわけではない。すなわち、圧力算出部５８は、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。具体的には、圧力センサ４０の圧力測定範囲の一部分においては第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出し、圧力測定範囲の残りの部分においては第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。このことについて、図４を参照しながら具体的に説明する。

図４に示すように、実圧力値Ｐｉｎの変化に対して、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２は異なる変化を示す。このような異なる変化は、図３に示すように、メンブレン１８に対する第１および第２の固定電極１４、１６それぞれの相対位置が異なるために生じる。すなわち、第２の固定電極１６がメンブレン１８の中央部分に対向すること、その中央部分を囲むメンブレン１８の外周側部分に第１の固定電極１４が対向すること、そして、第１の固定電極１４が第２の固定電極１６に比べてメンブレン１８に近いことによって生じる。

具体的に説明すると、実圧力値Ｐｉｎがゼロから増加するにしたがい、メンブレン１８は、その中央部分からベース部材１２に向かってたわんでいく。これにより、メンブレン１８と第１および第２の固定電極１４、１６それぞれとの間の距離が減少し、その結果として、図４に示すように第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２それぞれが増加する。

実圧力値Ｐｉｎがさらに増加して所定の圧力Ｐｃｅに達すると、第１の固定電極１４にメンブレン１８が接触する。その接触タイミングの前後で、メンブレン１８は、図２および図３に示すように、第２の凹部１２ｅの開口縁１２ｆに接触する。

メンブレン１８が第１の固定電極１４に接触することにより、第１の静電容量Ｃ１が急激に増加する。そして、実圧力値Ｐｉｎの増加にしたがい、メンブレン１８に対する第１の固定電極１４の接触面積および接触圧が増加し、それにともない第１の静電容量Ｃ１が急激に増加していく。このようにメンブレン１８と第１の固定電極１４とが接触して第１の静電容量Ｃ１が急激に増加する二点鎖線で囲む移行期間Ｔｒ後は、実圧力値Ｐｉｎの増加にしたがい、第１の静電容量Ｃ１は線形的に増加する（実圧力値Ｐｉｎに略比例して第１の静電容量Ｃ１が増加していく）。

一方、メンブレン１８が第１の固定電極１４や開口縁１２ｆに接触すると、メンブレン１８の中央部分が第２の固定電極１６に接近しにくくなる。それにより、実圧力値Ｐｉｎの増加に対する第２の静電容量Ｃ２の増加が鈍化する。最終的には、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定（ゼロではない一定値）になり、それにより第２の静電容量Ｃ２も実質的に一定（一定値）になる。なお、本実施の形態１の場合、圧力センサ４０の圧力測定範囲において、メンブレン１８と第２の固定電極１６が接触しないように、例えばメンブレン１８の厚さや第２の凹部１２ｅの深さなどが決定されている。

図４に示すように、本実施の形態１の場合、実圧力値Ｐｉｎが増加してメンブレン１８がベース部材１２に向かってたわんでいくと、第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前に、すなわちメンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定になる前に、メンブレン１８が圧力Ｐｃｅで第１の固定電極１４に接触する。具体的には、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定になる前に、第１の静電容量Ｃ１が急激に増加する移行期間Ｔｒが発生する。

すなわち、本実施の形態１の場合、第１の静電容量Ｃ１の移行期間Ｔｒでの圧力に比べて高く、且つ、メンブレン１８と第２の固定電極１６との間の距離が実質的に一定になる圧力に比べて低い圧力Ｐｔｈが存在する。この圧力Ｐｔｈを基準として、圧力算出部５８は、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。

圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲では、圧力算出部５８は、第２の静電容量Ｃ２を用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。これは、この圧力範囲においては、第１の静電容量Ｃ１はその値が急激に増加する移行期間Ｔｒが存在するために線形性が低く、第２の静電容量Ｃ２の方が第１の静電容量Ｃ１に比べて線形性が高いからである。

圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲では、圧力算出部５８は、第１の静電容量Ｃ１を用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。これは、この圧力範囲においては、第２の静電容量Ｃ２はその値が実質的に一定になる圧力範囲が存在するために線形性および感度が低く、第１の静電容量Ｃ１の方が第２の静電容量Ｃ２に比べて線形性および感度が高いからである。なお、ここで言う「感度」は、実圧力値Ｐｉｎの単位変化量あたりの静電容量の変化量、すなわち、図４に示す静電容量曲線の傾きに対応する。この傾きが大きいほど、「感度」が高い。

このように第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けることにより、圧力センサ４０の圧力測定範囲全体にわたって、圧力の変化に対して高い線形性で変化する静電容量を出力圧力値Ｐｏｕｔの算出に使用することができる。それにより、第１の静電容量Ｃ１のみまたは第２の静電容量Ｃ２のみを用いて出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する場合に比べて、第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２を簡素化することができる。

すなわち、第１の算出式Ｅｑ１は、圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲において、圧力の変化に対して高い線形性で変化する第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。言い換えると、第１の算出式Ｅｑ１は、圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲において、移行期間Ｔｒの存在によって圧力の変化に対して低い線形性で変化する第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出しない。その結果、圧力測定範囲全体において第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する場合に比べて、第１の算出式Ｅｑ１は簡素化される。

圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲においては、第２の算出式Ｅｑ２が、圧力の変化に対して高い線形性で変化する第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する。言い換えると、第２の算出式Ｅｑ２は、圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲において、実質的に一定の第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出しない。その結果、圧力測定範囲全体において第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔを算出する場合に比べて、第２の算出式Ｅｑ２は簡素化される。

このように、圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲においては、第２の算出式Ｅｑ２を用いて第２の静電容量Ｃ２から出力圧力値Ｐｏｕｔが算出される。また、圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲においては、第１の算出式Ｅｑ１を用いて第１の静電容量Ｃ１から出力圧力値Ｐｏｕｔが算出される。その結果、圧力センサ４０の圧力測定範囲全体にわたって、圧力の変化に対して高い線形性で変化する静電容量から出力圧力値Ｐｏｕｔが算出される。また、第１および第２の算出式Ｅｑ１、Ｅｑ２が簡素化された式であるために、出力圧力値Ｐｏｕｔの算出精度が高い、すなわち実圧力値Ｐｉｎとの誤差が小さい。したがって、圧力センサ４０は、高精度に圧力を測定することができる。

なお、出力圧力値Ｐｏｕｔの算出に使用する静電容量の切り替えは、すなわち第２の静電容量Ｃ２から第１の静電容量Ｃ１への切り替えは、図４に示すように、圧力Ｐｔｈに対応する静電容量値Ｃｔｈを第２の容量検出部５４が検出したタイミングに実行される。

このような本実施の形態１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高い線形性を圧力測定範囲全体にわたって得ることができる。それにより、圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、第１および第２の固定電極それぞれの形状とメンブレンに対する配置が異なる以外、上述の実施の形態１と実質的に同一である。したがって、その異なる点を中心に、本実施の形態２を説明する。なお、上述の実施の形態１における構成要素と実質的に同一の本実施の形態２における構成要素には、同一の符号が付されている。

図５は、本実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図である。また、図６は、本実施の形態２に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図である。

図５に示すように、本実施の形態２に係る圧力センサの圧力センサ素子１１０において、第１の固定電極１１４は円板状であって、第２の固定電極１１６は貫通穴１１６ａを備える円環状である。メンブレン１８とベース部材１１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極１１４は、第２の固定電極１１６の貫通穴１１６ａ内に収容される大きさである。すなわち、Ｚ軸方向視で、第２の固定電極１１６の内径は第１の固定電極１１４の外径に比べて大きい。

図５に示すように、メンブレン１８に対向するベース部材１１２の表面１１２ａには、底面１１２ｂを備える凹部１１２ｃと、頂面１１２ｄを備える凸部１１２ｅが設けられている。また、底面１１２ｂは円環状であって、頂面１１２ｄは円形状である。なお、底面１１２ｂと頂面１１２ｄは、メンブレン１８とベース部材１１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で同心に、ベース部材１１２に設けられている。

図６に示すように、円形状の頂面１１２ｄは、円環状の底面１１２ｂに比べてメンブレン１８に近い。また、頂面１１２ｄがメンブレン１８の中央部分に対向し、その中央部分を囲むメンブレン１８の外周側部分に底面１１２ｂが対向している。

円環状の底面１１２ｂには、円環状の第２の固定電極１１６が設けられている。円形状の頂面１１２ｄには、円板状の第１の固定電極１１４が設けられている。その結果、第１の固定電極１１４が、第２の固定電極１１６に比べてメンブレン１８に近くなるように配置されている。また、第１の固定電極１１４がメンブレン１８の中央部分に対向する。なお、メンブレン１８とベース部材１１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極１１４と第２の固定電極１１６は、同心にベース部材１１２に設けられている。それにより、その対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第２の固定電極１１６が第１の固定電極１１４を囲んでいる。

図７は、本実施の形態２に係る圧力センサの圧力−容量特性図である。

図７に示すように、第１の固定電極１１４とメンブレン１８は、第２の固定電極１１６とメンブレン１８との間の距離が実質的に一定になる前に、すなわち第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前に、圧力Ｐｃｅで接触する。なお、本実施の形態２の場合、圧力センサの圧力測定範囲において、メンブレン１８と第２の固定電極１１６が接触しないように、例えばメンブレン１８の厚さや凹部１１２ｃの深さなどが決定されている。

本実施の形態２に係る圧力センサのセンサコントローラにおける圧力算出部は、圧力Ｐｃｅより高く、且つ、第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前の圧力である圧力Ｐｔｈを基準として、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。

圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲では、第１の固定電極１１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１は、第２の静電容量Ｃ２に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第１の静電容量Ｃ１を用いて出力圧力値が算出される。

圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲では、第２の固定電極１１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２は、第１の静電容量Ｃ１に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第２の静電容量Ｃ２を用いて出力圧力値が算出される。

このような本実施の形態２も、上述の実施の形態１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圧力測定範囲全体にわたって得ることができる。それにより、圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、メンブレンに対する第１および第２の固定電極の配置が異なる以外、上述の実施の形態１と実質的に同一である。したがって、その異なる点を中心に、本実施の形態３を説明する。なお、上述の実施の形態１における構成要素と実質的に同一の本実施の形態３における構成要素には、同一の符号が付されている。

図８は、本実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の分解斜視図である。また、図９は、本実施の形態３に係る圧力センサにおける圧力センサ素子の断面図である。

図８に示すように、本実施の形態３に係る圧力センサの圧力センサ素子２１０において、第１の固定電極２１４は貫通穴２１４ａを備える円環状であって、第２の固定電極２１６は円板状である。メンブレン１８とベース部材２１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第２の固定電極２１６は、第１の固定電極２１４の貫通穴２１４ａ内に収容される大きさである。すなわち、Ｚ軸方向視で、第１の固定電極２１４の内径は第２の固定電極２１６の外径に比べて大きい。

図８に示すように、メンブレン１８に対向するベース部材２１２の表面２１２ａには、底面２１２ｂを備える凹部２１２ｃが設けられている。また、底面２１２ｂは円形状である。

図９に示すように、円形状の底面２１２ｂには、円環状の第１の固定電極２１４と円板状の第２の固定電極２１６が設けられている。すなわち、これらは同一平面に設けられている。また、第２の固定電極２１６は、メンブレン１８の中央部分に対向する。なお、メンブレン１８とベース部材２１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６は、同心にベース部材２１２に設けられている。それにより、その対向方向視で、第１の固定電極２１４が第２の固定電極２１６を囲んでいる。

図９に示すように、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６が同一平面である底面２１２ｂに設けられ、第２の固定電極２１６がメンブレン１８の中央部分に対向している。そのため、メンブレン１８が圧力を受けてたわむと、メンブレン１８は、第１の固定電極２１４よりも第２の固定電極２１６に近づいていく。

圧力センサ素子２１０には、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６よりも厚い接触制限部材２３２が設けられている。接触制限部材２３２は、メンブレン１８と接触することにより、メンブレン１８と第２の固定電極２１６との接触を制限する。

本実施の形態３の場合、接触制限部材２３２は、図８に示すように筒状部材であって、図９に示すように、第１の固定電極２１４と第２の固定電極２１６との間に位置するようにベース部材２１２の円形状の底面２１２ｂに設けられている。すなわち、メンブレン１８とベース部材２１２の対向方向視（Ｚ軸方向視）で、接触制限部材２３２は、第２の固定電極２１６を囲みつつ、第１の固定電極２１４に囲まれている。

なお、接触制限部材２３２は、筒状部材に限らない。例えば、第２の固定電極２１６の外周に沿って等間隔に設けられた少なくとも３本以上の柱状部材であってもよい。

図１０は、本実施の形態３に係る圧力センサの圧力−容量特性図である。

図１０に示すように、第１の固定電極２１４とメンブレン１８は、第２の固定電極２１６とメンブレン１８との間の距離が実質的に一定になる前に、すなわち第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前に、圧力Ｐｃｅで接触する。その圧力Ｐｃｅに比べて低い圧力Ｐｃｓでメンブレン１８が接触制限部材２３２に接触する。これにより、圧力センサの圧力測定範囲において、メンブレン１８と第２の固定電極２１６との接触が制限される。

本実施の形態３に係る圧力センサのセンサコントローラにおける圧力算出部は、圧力Ｐｃｅより高く、且つ、第２の静電容量Ｃ２が実質的に一定になる前の圧力である圧力Ｐｔｈを基準として、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２を使い分けるように構成されている。

圧力Ｐｔｈに比べて高い圧力範囲では、第１の固定電極２１４とメンブレン１８との間の第１の静電容量Ｃ１は、第２の静電容量Ｃ２に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第１の静電容量Ｃ１を用いて出力圧力値が算出される。

圧力Ｐｔｈに比べて低い圧力範囲では、第２の固定電極２１６とメンブレン１８との間の第２の静電容量Ｃ２は、第１の静電容量Ｃ１に比べて線形性が高い。したがって、この圧力範囲では、第２の静電容量Ｃ２を用いて出力圧力値が算出される。

このような本実施の形態３も、上述の実施の形態１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圧力測定範囲全体にわたって得ることができる。それにより、圧力センサは高精度に圧力を測定することができる。

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１の場合、図３に示すように、圧力センサ４０の圧力測定範囲においてメンブレン１８に接触しない第２の固定電極１６は、メンブレン１８と対向する誘電体層２８を備えている。測定環境における圧力が圧力センサ４０の圧力測定範囲で安定しているのであれば、すなわち圧力測定範囲の圧力でメンブレン１８と第２の固定電極１６との接触の可能性が実質的にないのであれば、第２の固定電極１６は、誘電体層２８を備えることなく、導体２６のみで構成されてもよい。

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、前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、を有し、前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触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 第１の固定電極
１６ 第２の固定電極
１８ メンブレン
２４ 誘電体層
４０ 圧力センサ
Ｐｉｎ 圧力（実圧力値）

Claims (5)

1. ベース部材と、
   前記ベース部材に対して間隔をあけて配置されたメンブレンと、
   前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられ、誘電体層を備える第１の固定電極と、
   前記メンブレンに対向するように前記ベース部材に設けられた第２の固定電極と、
   を有し、
   前記メンブレンに作用する圧力が増加して前記メンブレンが前記ベース部材に向かってたわんでいくと、前記メンブレンと前記第２の固定電極との間の距離が一定になる前に、前記メンブレンが前記第１の固定電極の誘電体層に接触する、圧力センサ。
   
2. 前記第２の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、
   前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、
   前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近い、請求項１に記載の圧力センサ。
   
3. 前記第１の固定電極が前記メンブレンの中央部分に対向し、
   前記第２の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第１の固定電極を囲む環状であり、
   前記ベース部材における前記第１の固定電極が設けられている部分が前記第２の固定電極が設けられている部分に比べて前記メンブレンに近い、請求項１に記載の圧力センサ。
   
4. 前記第２の固定電極が、前記メンブレンの中央部分に対向し、
   前記第１の固定電極が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲む環状であり、
   前記第１の固定電極と前記第２の固定電極が、前記ベース部材の同一平面に設けられ、
   前記第１の固定電極と前記第２の固定電極よりも厚い接触制限部材を有する、請求項１に記載の圧力センサ。
   
5. 前記接触制限部材が、前記メンブレンと前記ベース部材の対向方向視で、前記第２の固定電極を囲みつつ前記第１の固定電極に囲まれる筒状部材である、請求項４に記載の圧力センサ。

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