JP6041309B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

この発明は、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、たとえば、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）。
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と、この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される。

特開平４−２０８８２７号公報

ところで、上記従来技術に係る圧力センサの検出感度は、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応じて変化する。しかしながら、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を有するので、厚みを小さくすることによって大きな変形量を確保することが難しいという問題が生じる。これによって、共振周波数を低下させつつ感度を増大させることが困難であり、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所望の感度を確保することが難しいという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、圧力変動の検出を精度良く行うことができるとともに、検出できる下限周波数を下げることができ、か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を目的としている。

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、内部にキャビティを形成し、前記キャビティと外部とを連通する連通開口を有する中空のセンサ本体と、先端部が自由端かつ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置され、前記キャビティと前記センサ本体の外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を検出する変位検出部と、前記カンチレバーの先端部との間に前記連通開口の一部を構成するギャップを形成するギャップ形成部材と、を備え、前記カンチレバーおよび前記ギャップ形成部材のうち少なくとも何れかは、前記ギャップの大きさを変更するようにして相対的に近接または離間する方向に変位可能である。

（２）上記（１）に記載の圧力センサは、前記変位検出部によって検出された前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位に基づき、前記ギャップの大きさを制御するギャップ制御手段を備えてもよい。

（３）上記（２）に記載の圧力センサでは、前記ギャップ形成部材は、前記カンチレバーの先端部に対向する先端部を変位可能な可変部材と、電磁相互作用または伸縮によって前記可変部材の前記先端部を変位させるアクチュエータと、を備え、前記ギャップ制御手段は、前記アクチュエータの電磁相互作用または前記アクチュエータの伸縮を制御してもよい。

（４）上記（２）に記載の圧力センサでは、前記ギャップ形成部材は、前記カンチレバーの先端部に向かい伸縮可能なアクチュエータを備え、前記ギャップ制御手段は、前記アクチュエータの伸縮を制御してもよい。

（５）上記（２）〜（４）の何れか一項に記載の圧力センサでは、前記ギャップ制御手段は、電磁相互作用または伸縮によって前記ギャップ形成部材の先端部に対向する前記カンチレバーの先端部を変位させるレバーアクチュエータを備え、前記レバーアクチュエータの電磁相互作用または前記レバーアクチュエータの伸縮を制御してもよい。

（６）上記（２）〜（５）の何れか一項に記載の圧力センサでは、前記ギャップ制御手段は、前記圧力差に応じた前記カンチレバーの撓み変形時に、前記圧力差または前記撓み変形が無い場合に比べて、前記カンチレバーの先端部および前記ギャップ形成部材の先端部の少なくとも何れかを相対的に近接するように変位させてもよい。

（７）上記（２）〜（６）の何れか一項に記載の圧力センサでは、前記ギャップ制御手段は、前記圧力差に応じた前記カンチレバーの撓み変形時に前記ギャップの大きさが一定値となるように制御してもよい。

（８）上記（２）〜（７）の何れか一項に記載の圧力センサでは、前記ギャップ制御手段は、前記圧力差または前記撓み変形が所定上限値よりも大きい場合に、前記ギャップの大きさを増大させてもよい。

上記（１）に記載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ともに、検出できる下限周波数を下げることができ、か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。
また、複数の圧力センサのギャップに製造時などのばらつきが存在する場合であっても、ギャップの大きさを均一化することができるとともに、圧力センサが適用される状況などに応じてギャップの大きさを調整可能であり、圧力センサの特性を最適化することができる。
上記（２）に記載の態様に係る圧力センサによれば、圧力変動に起因するカンチレバーの撓み変形に応じた変位に基づき、ギャップの大きさを制御することによって、検出期間中において常に圧力センサの特性を最適化することができる。また、過大な圧力変動に起因して圧力センサが損傷することを防止することができる。
上記（３）に記載の態様に係る圧力センサによれば、圧電アクチュエータまたは電磁アクチュエータなどの各種のアクチュエータを用いることができ、構成の自由度を向上させることができる。
上記（４）に記載の態様に係る圧力センサによれば、圧力センサの構成が複雑化することを防止することができる。
上記（５）に記載の態様に係る圧力センサによれば、カンチレバーを変位させるレバーアクチュエータによって構成の自由度を向上させることができる。
上記（６）または（７）に記載の態様に係る圧力センサによれば、カンチレバーの撓み変形の有無にかかわらずにギャップの大きさを均一化することができる。
上記（８）に記載の態様に係る圧力センサによれば、過大な圧力変動に起因して圧力センサが損傷することを防止することができる。

本発明の実施形態に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る圧力センサの動作を示す断面図である。 本発明の実施形態および比較例に係る圧力センサのセンサ出力、キャビティの内圧、外圧と内圧との差圧および可動電極部の変位量の変化の一例を示す図である。 本発明の実施形態および比較例に係る圧力センサのセンサ感度を示す図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図６に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図８に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施形態の第３変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１０に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施形態の第４変形例に係る圧力センサのギャップ制御部の主要部の構成図である。

（圧力センサの構成）
以下、本発明の実施形態に係る圧力センサについて添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態の圧力センサ１は、所定の周波数帯域の圧力変動を検出するセンサであり、適宜の圧力伝達媒体（例えば、空気などの気体や液体など）が存在する空間などに配置さている。
図１および図２に示すように、圧力センサ１は、例えば、ＳＯＩ基板２とセンサ本体３とを一体的に固定した形状からなり、ＳＯＩ基板２に形成されたカンチレバー４と、カンチレバー４に接続されてカンチレバー４の変位を検出する変位検出部５と、ＳＯＩ基板２に形成されたギャップ形成部材６と、ギャップ制御部７と、を備えている。

ＳＯＩ基板２は、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て形成されている。
センサ本体３は、例えば樹脂材で構成された中空の箱型の形状を有し、内部に形成されたキャビティ１０と、キャビティ１０と外部とを連通する連通開口１１と、を備えている。センサ本体３は、キャビティ１０として機能する凹部１０ａを備え、この凹部１０ａの開口をキャビティ１０の内部と外部とを連通する連通開口１１としている。
センサ本体３に一体的に固定されたＳＯＩ基板２は、センサ本体３の壁部３ａと同様の環状に形成されたシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂと、カンチレバー４を成すシリコン活性層２ｃとを備えている。環状に形成されたシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂは、箱型のセンサ本体３の環状の壁部３ａによって形成された連通開口１１と同一形状の連通開口２Ａを有し、センサ本体３の環状の壁部３ａに環状のシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂが積層されることによって、センサンサ本体３の連通開口１１と、シリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂの連通開口２Ａとは互いに臨んで連通している。

カンチレバー４は、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃからなり、平板状のシリコン活性層２ｃからカンチレバー４と枠部１２とを形成するようにギャップ１３を切り出すことによって形成されている。カンチレバー４は、先端部４ｂを自由端とし、基端部４ａを、シリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂを介してセンサ本体３の壁部３ａに固定された固定端とし、片持ち梁構造を形成している。カンチレバー４は、環状のシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂによって形成された連通開口２Ａの大きさよりも小さく形成されているので、カンチレバー４の先端部４ｂと環状のシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂとの間には間隙が設けられている。つまり、カンチレバー４を形成するようにしてシリコン活性層２ｃに設けられたギャップ１３は、環状のシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂによって形成された連通開口２Ａの一部を成すように（あるいは、連通開口２Ａに含まれるように）配置されている。ここで、ＳＯＩ基板２全体として見た場合、ＳＯＩ基板２は、センサ本体３の連通開口１１を塞ぐようにしてセンサ本体３に積層され、一体的に固定されている。このＳＯＩ基板２のうち、センサ本体３の壁部３ａと同様の環状に形成されたシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂは、センサ本体３の壁部３ａに連続して、この壁部３ａを延長するように設けられている。そして、カンチレバー４を成すシリコン活性層２ｃは、センサ本体３の連通開口１１に連続するシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂの連通開口２Ａを塞ぐように配置されているので、カンチレバー４を形成するようにしてシリコン活性層２ｃに設けられたギャップ１３は、センサ本体３の連通開口１１の一部を成すように（あるいは、連通開口１１に含まれるように）配置されている。
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によって、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（つまりギャップ１３を介してキャビティ１０の内部と外部との間を流通可能な圧力伝達媒体による圧力の差）に応じて撓み変形可能とされている。
カンチレバー４の基端部４ａには、該カンチレバー４が撓み変形し易くなるようにして、貫通孔１５が形成されている。

変位検出部５は、カンチレバー４の基端部４ａの表面上に設けられたピエゾ抵抗２０と、ピエゾ抵抗２０に接続された配線部２１と、カンチレバー４の変位を検出する検出回路２２と、を備えている。
ピエゾ抵抗２０は、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り、図１におけるカンチレバー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。検出回路２２は一対のピエゾ抵抗２０に接続され、ピエゾ抵抗２０の電気抵抗値変化に基づいてカンチレバー４の変位を検出する。

この変位検出部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。これによって、検出回路２２は、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である。変位検出部５は、この出力信号（センサ出力）に基づいて、カンチレバー４の変位を測定可能であり、キャビティ１０の内部と外部との間に発生した圧力差を検出する。

なお、ピエゾ抵抗２０は、例えばリンなどのドープ剤（不純物）がイオン注入法や拡散法などの各種の方法によりドーピングされることで形成される。また、双方のピエゾ抵抗２０は配線部２１のみで電気的に導通するように形成されている。これによって、カンチレバー４周囲のシリコン活性層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、エッチングされている。
また、ピエゾ抵抗２０は、圧電薄膜であってもよい。この場合、カンチレバー４の基端部４ａに加わる応力に応じて、起電力が発生する。検出回路２２は、この起電力を検出することで、カンチレバー４の変位を検出する。

ギャップ形成部材６は、例えば静電アクチュエータであって、２つの櫛歯型の第１および第２固定電極部３１，３２と、平板状の第３固定電極部３３と、可動電極部３４と、可動電極部３４に弾性力を作用させる板ばね部３５と、板ばね部３５を支持する固定部３６と、を備えている。
可動電極部３４は、２つの櫛歯型の第１および第２固定電極部３１，３２に噛み合うように配置される櫛歯型の２つの第１および第２電極部３４ａ，３４ｂを備え、センサ本体３に固定された第３固定電極部３３に積層されるようにして配置されている。可動電極部３４は、先端部３４ｃとカンチレバー４の先端部４ｂとの間に連通開口１１の一部を構成するギャップ１３を形成している。

板ばね部３５は、可動電極部３４と固定部３６とに接続され、可動電極部３４を所定の基準位置に維持するようにして可動電極部３４に弾性力を作用させる。所定の基準位置は、例えば、可動電極部３４の先端部３４ｃを、所定距離を置いてカンチレバー４の先端部４ｂに対向配置させるとともに、可動電極部３４を、積層方向に所定距離を置いて第３固定電極部３３に対向配置させる位置である。なお、可動電極部３４と板ばね部３５と固定部３６とは電気的にも接続されている。

可動電極部３４は、板ばね部３５の弾性力に抗うように作用する第１固定電極部３１と第１電極部３４ａとの間の静電力によって、カンチレバー４の先端部４ｂに対向配置された先端部３４ｃをカンチレバー４の先端部４ｂに向かい近接させるように変位可能である。また、可動電極部３４は、板ばね部３５の弾性力に抗うように作用する第２固定電極部３２と第２電極部３４ｂとの間の静電力によって、先端部３４ｃをカンチレバー４の先端部４ｂから離間させるように変位可能である。また、可動電極部３４は、板ばね部３５の弾性力に抗うように作用する可動電極部３４と第３固定電極部３３との間の静電力によって、第３固定電極部３３に向かい近接および接触するように変位可能である。

ギャップ制御部７は、所定値記憶部４１と、比較回路４２と、信号処理回路４３と、駆動回路４４と、駆動回路４４から出力される信号（駆動出力）に応じて通電が制御される第１〜第３電圧可変直流電源４５ａ，４５ｂ，４５ｃと、を備えている。

所定値記憶部４１は、カンチレバー４の変位に対する目標値とされる所定値を記憶している。所定値記憶部４１に記憶されている所定値は、例えばキャビティ１０の内部と外部との間の圧力差がゼロ（またはゼロを含む所定値以下）である場合または圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形が無い場合（または撓み変形が所定程度以下である場合）に、検出回路２２から出力されるカンチレバー４の変位の検出値などである。

なお、カンチレバー４の撓み変形による変位の大きさは、可動電極部３４の先端部３４ｃとカンチレバー４の先端部４ｂとの間に設けられるギャップ１３の大きさに関連しており、カンチレバー４の撓み変形による変位が増大することに伴い、ギャップ１３は増大傾向に変化する。これによって、所定値記憶部４１に記憶されている所定値は、例えばキャビティ１０の内部と外部との間の圧力差がゼロ（またはゼロを含む所定値以下）である場合または圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形が無い場合（または撓み変形が所定程度以下である場合）における、ギャップ１３の大きさ（つまり、ギャップ１３の大きさの目標値）に対応した値である。
なお、所定値記憶部４１に記憶されている所定値は、圧力センサ１の状態などに応じて適宜に変更されてもよい。

比較回路４２は、検出回路２２から出力された検出出力、つまり検出回路２２によって検出されたカンチレバー４の変位の検出値と、所定値記憶部４１に記憶されている所定値とを比較し、比較結果（例えば、検出値と所定値との差など）を出力する。

信号処理回路４３は、比較回路４２から出力された比較結果に基づき、検出回路２２によって検出されたカンチレバー４の変位の検出値に応じたギャップ１３の大きさを、所定値記憶部４１に記憶されている所定値に応じたギャップ１３の大きさに追従させるようにして、フィードバック制御などを行なう。そして、この検出値に応じたギャップ１３の大きさを、所定値に応じたギャップ１３の大きさに追従させるために必要とされる指令値（例えば、可動電極部３４の先端部３４ｃとカンチレバー４の先端部４ｂとの間に設けられたギャップ１３の大きさに対する指令値など）を出力する。つまり、この指令値は、キャビティ１０の内部と外部との間の圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形にかかわらずにギャップ１３の大きさおよびギャップ１３を流通する圧力伝達媒体の流量を一定にすることを指示する。

なお、信号処理回路４３は、指令値が所定の上限値を超えた場合、または指令値に応じて後述する駆動回路４４から第１〜第３電圧可変直流電源４５ａ，４５ｂ，４５ｃに出力される駆動出力の値が所定上限値を超える場合には、ギャップ形成部材６に対する制御状態を所定の初期状態に戻すことを指示するリセット信号を出力する。これによって、ギャップ１３の大きさを増大させる。
また、信号処理回路４３は、検出回路２２から出力された検出出力、つまり検出回路２２によって検出されたカンチレバー４の変位の検出値が、所定の下限閾値を超えた場合、または所定の許容範囲内の値となった場合、または所定条件を満たした場合などにおいて、ギャップ形成部材６による制御動作を許可し、この制御動作を開始する。

駆動回路４４は、信号処理回路４３から出力された指令値に応じてギャップ形成部材６を作動させるための信号（駆動出力）を出力する。より詳細には、第１〜第３電圧可変直流電源４５ａ，４５ｂ，４５ｃからギャップ形成部材６への通電を指示する信号によって、可動電極部３４の変位を制御する。

第１電圧可変直流電源４５ａは、第１固定電極部３１と可動電極部３４とに接続されている。第１電圧可変直流電源４５ａは、第１固定電極部３１と可動電極部３４との間に所定電圧を印加することによって、第１固定電極部３１と可動電極部３４の第１電極部３４ａとの間に静電引力を発生させ、可動電極部３４の先端部３４ｃがカンチレバー４の先端部４ｂに向かい近接するように可動電極部３４を変位させる。
第２電圧可変直流電源４５ｂは、第２固定電極部３２と可動電極部３４とに接続されている。第２電圧可変直流電源４５ｂは、第２固定電極部３２と可動電極部３４との間に所定電圧を印加することによって、第２固定電極部３２と可動電極部３４の第２電極部３４ｂとの間に静電引力を発生させ、可動電極部３４の先端部３４ｃがカンチレバー４の先端部４ｂから離間するように可動電極部３４を変位させる。
第３電圧可変直流電源４５ｃは、可動電極部３４と第３固定電極部３３とに接続されている。第３電圧可変直流電源４５ｃは、可動電極部３４と第３固定電極部３３との間に静電引力を発生させ、可動電極部３４が第３固定電極部３３に向かい近接および接触するように可動電極部３４を変位させる。

これらによって、駆動回路４４は、可動電極部３４の先端部３４ｃとカンチレバー４の先端部４ｂとの間に設けられたギャップ１３の大きさを制御し、検出回路２２から出力されるカンチレバー４の変位の検出値に応じたギャップ１３の大きさを、所定値記憶部４１に記憶されている所定値に応じたギャップ１３の大きさに追従させる。
さらに、駆動回路４４は、可動電極部３４を第３固定電極部３３に接触させることによって、カンチレバー４に対する可動電極部３４の相対位置を固定する。

例えば、駆動回路４４は、キャビティ１０の内部と外部との間の圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形時に、圧力差または撓み変形が無い場合に比べて、カンチレバー４の先端部４ｂおよび可動電極部３４の先端部３４ｃの少なくとも何れかを相対的に近接するように変位させる。駆動回路４４は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１電圧可変直流電源４５ａによって第１固定電極部３１と可動電極部３４との間に所定電圧を印加することによって、可動電極部３４の先端部３４ｃをカンチレバー４の先端部４ｂに向かい近接させる。
また、可動電極部３４と第３固定電極部３３とを接触させて、カンチレバー４に対する可動電極部３４の相対位置を固定する場合には、駆動回路４４は、図３（Ｃ）に示すように、第３電圧可変直流電源４５ｃによって第３固定電極部３３と可動電極部３４との間に所定電圧を印加する。

（圧力センサの動作）
まず、上述した圧力センサ１を用いて、微小な圧力変動を検出する場合について、図４を用いて説明する。なお、図４においては、上述した本実施形態と、本実施形態の圧力センサ１からギャップ形成部材６およびギャップ制御部７が省略された比較例とに対して、センサ出力、キャビティ１０の内圧、外圧と内圧との差圧および可動電極部３４の変位量の変化を示した。

先ず、図４に示す時刻ｔ１以前の期間のように、キャビティ１０の外部の圧力（以下、外圧）と、キャビティ１０の内部の圧力（以下、内圧）との圧力差がゼロである場合には、カンチレバー４は圧力差によって撓み変形せず、検出回路２２から出力されるカンチレバー４の変位の検出値は所定値である。
そして、時刻ｔ１以降の期間のように、外圧が上昇すると、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、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。これに伴い、カンチレバー４の撓み変形に応じてピエゾ抵抗２０に歪みが生じ、電気抵抗値が変化するので、圧力センサ１のセンサ出力が増大する。

ここで、本実施形態の圧力センサ１では、カンチレバー４の撓み変形にかかわらずにギャップ１３の大きさが一定値になるように、可動電極部３４の先端部３４ｃがカンチレバー４の先端部４ｂに向かい近接するようにして可動電極部３４が変位させられる。すると、キャビティ１０の外部と内部との間の圧力差に応じてギャップ１３を介してキャビティ１０の外部から内部へと流動する圧力伝達媒体の流動量の増大が抑制される。
これに対して、ギャップ形成部材６およびギャップ制御部７が省略された比較例では、カンチレバー４の撓み変形の増大に伴ってギャップ１３の開き（つまり、カンチレバー４の先端部４ｂと枠部１２との間の間隔）が大きくなり、圧力差に応じてキャビティ１０の外部から内部へと流動する圧力伝達媒体の流動量は本実施形態よりも増大する。
これによって、キャビティ１０の外部から内部へと流動する圧力伝達媒体の流動量の増大が抑制される本実施形態の圧力センサ１に比べて、より流動量が増大する比較例では、外圧の上昇がカンチレバー４の変位に適正に反映されずに内圧が上昇して、センサ出力がより小さくなる。

さらに、本実施形態および比較例において、外圧の上昇終了後には、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とに伴い、内圧は時間の経過とともに、外圧よりも遅れながら、かつ外圧の変動よりも緩やかな応答で上昇する。その結果、内圧が外圧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、カンチレバー４の撓みが徐々に小さくなり、センサ出力が徐々に低下する。そして、内圧が外圧に等しくなると、圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、圧力センサ１のセンサ出力が再びゼロになる。

ここで、ギャップ１３の開きの増大が抑制されることによって、キャビティ１０の外部から内部への圧力伝達媒体の流動量の増大が抑制される本実施形態の圧力センサ１では、カンチレバー４の撓み変形は緩やかに解消される。これによって、元の状態に戻るまで（つまり圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形が無くなるまで）の緩和時間が長く確保され、圧力変動が長時間に亘って維持される。
これに対して、ギャップ形成部材６およびギャップ制御部７が省略された比較例では、カンチレバー４の撓み変形は急速に解消され、元の状態に戻るまで（つまり圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形が無くなるまで）の緩和時間がより短くなる。

このように、本実施形態の圧力センサ１では、図５に示すように、ギャップ形成部材６およびギャップ制御部７が省略された比較例に比べて、より低い、例えば０．１以上かつ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。さらに、検出できる下限周波数（例えば、所望のセンサ感度Ａに対する下限周波数Ｆｃ）を比較例の下限周波数（例えば、所望のセンサ感度Ａに対する下限周波数Ｆｃ０＞Ｆｃ）よりも下げることができる。
そして、カンチレバー４の変位に基づいたセンサ出力（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を用いて半導体プロセス技術によりカンチレバー４およびギャップ形成部材６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。

上述したように本実施形態の圧力センサ１によれば、外圧の圧力変動に対してギャップ１３の大きさの増大を抑制することができ、圧力変動の検出を精度良く行うことができるとともに、検出できる下限周波数を下げることができ、か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。さらに、ダイナミックレンジを増大させることができるとともに、カンチレバー４の変位とキャビティ１０の外部の圧力変動の検出値との対応関係の線形性を向上させることができる。
さらに、複数の圧力センサ１のギャップ１３の大きさに製造時などのばらつきが存在する場合であっても、ギャップ１３の大きさを均一化することができるとともに、圧力センサ１が適用される状況などに応じてギャップ１３の大きさを調整可能であり、圧力センサ１の特性を最適化することができる。
また、信号処理回路４３から出力される指令値が所定の上限値を超えた場合などにおいて、リセット信号を出力して、ギャップ１３の大きさを増大させることによって、過大な圧力変動に起因して圧力センサ１が損傷することを防止することができる。

なお、上述した実施形態において、信号処理回路４３はフィードバック制御を行なうとしたが、これに限定されず、単に、キャビティ１０の内部と外部との間の圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形時あるいは圧力センサ１の作動時に、圧力差または撓み変形が無い場合あるいは圧力センサ１の作動停止時に比べて、カンチレバー４の先端部４ｂおよび可動電極部３４の先端部３４ｃの少なくとも何れかを相対的に所定距離だけ近接するように変位させてもよい。
なお、上述した実施形態において、ギャップ形成部材６を静電アクチュエータとしたが、これに限定されず、電磁アクチュエータなどの他のアクチュエータであってもよい。
なお、上述した実施形態において、信号処理回路４３がリセット信号を出力する機能は省略されてもよい。
また、上述した実施形態において、第３電圧可変直流電源４５ｃおよび第３固定電極部３３と、駆動回路４４が可動電極部３４を第３固定電極部３３に向かい近接および接触させる機能と、は省略されてもよい。
なお、上述した実施形態において、可動電極部３４の変位に応じて変形または変位する膜状部材やベローズ型の伸縮管などを備え、可動電極部３４の変位に応じて膜状部材またはベローズ型の伸縮管の端部をカンチレバー４の先端部４ｂに対して近接または離間させてもよい。

（第１変形例）
なお、上述した実施形態においては、ギャップ形成部材６を静電アクチュエータとしたが、これに限定されず、例えば図６および図７に示す第１変形例のように、ギャップ形成部材６を枠部１２とし、ギャップ制御部７がカンチレバー４の基端部４ａに一体に接続された静電アクチュエータを備えてもよい。
この第１変形例のギャップ制御部７は、上述した実施形態での所定値記憶部４１と、比較回路４２と、信号処理回路４３と、駆動回路４４と、第１〜第３電圧可変直流電源４５ａ，４５ｂ，４５ｃと、に加えて、静電アクチュエータとして、２つの櫛歯型の第１および第２固定電極部３１，３２と、平板状の第３固定電極部３３と、可動電極部３４と、可動電極部３４に弾性力を作用させる板ばね部３５と、板ばね部３５を支持する固定部３６と、を備えている。
この第１変形例の可動電極部３４はカンチレバー４に一体に接続されており、可動電極部３４の先端部３４ｃは対向するカンチレバー４の基端部４ａに接続されている。第１変形例のギャップ１３は、カンチレバー４の先端部４ｂと枠部１２の内周端部１２ａとの間に形成されている。

これらによって、可動電極部３４は、板ばね部３５の弾性力に抗うように作用する第１固定電極部３１と第１電極部３４ａとの間の静電力によって、枠部１２の内周端部１２ａに対向配置されたカンチレバー４の先端部４ｂを枠部１２の内周端部１２ａに向かい近接させるように変位可能である。また、可動電極部３４は、板ばね部３５の弾性力に抗うように作用する第２固定電極部３２と第２電極部３４ｂとの間の静電力によって、カンチレバー４の先端部４ｂを枠部１２の内周端部１２ａから離間させるように変位可能である。また、可動電極部３４は、板ばね部３５の弾性力に抗うように作用する可動電極部３４と第３固定電極部３３との間の静電力によって、第３固定電極部３３に向かい近接および接触するように変位可能である。

（第２変形例）
なお、上述した実施形態および第１変形例においては、ギャップ形成部材６またはギャップ制御部７は静電アクチュエータを備えるとしたが、これに限定されず、静電アクチュエータの代わりに圧電アクチュエータを備えてもよい。

例えば図８および図９に示す上述した実施形態の第２変形例の圧力センサ１は、ギャップ形成部材６として板状の圧電アクチュエータ５１を備えている。圧電アクチュエータ５１は、基端部５１ａがＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃに固定され、先端部５１ｂがカンチレバー４の先端部４ｂに対向するように設けられている。圧電アクチュエータ５１は、例えばピエゾアクチュエータなどであって、駆動回路４４から出力された信号に応じて、圧電アクチュエータ５１の先端部５１ｂに向かい伸縮可能である。これによって、駆動回路４４は、圧電アクチュエータ５１の先端部５１ｂとカンチレバー４の先端部４ｂとの間に設けられたギャップ１３の大きさを制御し、検出回路２２から出力されるカンチレバー４の変位の検出値に応じたギャップ１３の大きさを、所定値記憶部４１に記憶されている所定値に応じたギャップ１３の大きさに追従させる。
この第２変形例によれば、圧力センサ１の構成が複雑化することを防止することができる。

（第３変形例）
なお、上述した実施形態および第１変形例においては、ギャップ形成部材６またはギャップ制御部７は静電アクチュエータを備えるとしたが、これに限定されず、静電アクチュエータの代わりに、各種のアクチュエータによって可変部材を変形または変位させるアクチュエータ部５２を備えてもよい。

例えば図１０および図１１に示す上述した実施形態の第３変形例の圧力センサ１は、ギャップ形成部材６としてアクチュエータ部５２を備えている。このアクチュエータ部５２は、変形または変位によって、カンチレバー４の先端部４ｂに対向する先端部５３ａをカンチレバー４の先端部４ｂに近接または離間させる可変部材５３と、伸縮変形によって可変部材５３を変形または変位させるアクチュエータ５４と、を備えている。
この可変部材５３の先端部５３ａは、例えば膜状部材によって形成され、カンチレバー４の先端部４ｂに近接または離間するように撓み変形可能である。

アクチュエータ５４は、例えば圧電アクチュエータまたは電磁アクチュエータなどであって、ＳＯＩ基板２に固定された中空箱型の固定部材５５の内部に支持されるとともに、固定部材５５の開口部を覆うように設けられた膜状部材から成る可変部材５３の先端部５３ａに接続されている。アクチュエータ５４は、駆動回路４４から出力された信号に応じて伸縮変形することによって、可変部材５３の先端部５３ａをカンチレバー４の先端部４ｂに近接または離間させるように撓み変形させる。これによって、駆動回路４４は、可変部材５３の先端部５３ａとカンチレバー４の先端部４ｂとの間に設けられたギャップ１３の大きさを制御する。そして、検出回路２２から出力されるカンチレバー４の変位の検出値に応じたギャップ１３の大きさを、所定値記憶部４１に記憶されている所定値に応じたギャップ１３の大きさに追従させる。

この第３変形例によれば、アクチュエータ５４として圧電アクチュエータまたは電磁アクチュエータなどの各種のアクチュエータを用いることができ、構成の自由度を向上させることができる。
なお、この第３変形例において、可変部材５３は、膜状部材の代わりに、内部に配置されたアクチュエータ５４によって伸縮変形するベローズ型の伸縮管（図示略）を備え、この伸縮管の伸縮変形によって、カンチレバー４の先端部４ｂに対向する伸縮管の先端部をカンチレバー４の先端部４ｂに近接または離間させてもよい。

（第４変形例）
なお、上述した実施形態においては、例えば図１２に示す第４変形例のように、所定値記憶部４１の代わりに、ローパスフィルタ６１を備えてもよい。
この第４変形例のローパスフィルタ６１は、検出回路２２から出力されるカンチレバー４の変位の検出値に対して、所定の低域通過処理を行ない、処理後の検出値を比較回路４２に出力する。比較回路４２は、検出回路２２から出力された検出出力、つまり検出回路２２によって検出されたカンチレバー４の変位の検出値と、ローパスフィルタ６１から出力された処理後の検出値とを比較し、比較結果（例えば、差など）を出力する。
この第４変形例によれば、圧力センサ１の出力が不安定な場合などであっても、フィードバック制御を適正に行なうことができる。

１…圧力センサ ３…センサ本体 ４…カンチレバー ４ａ…基端部 ４ｂ…先端部
５…変位検出部 ６…ギャップ形成部材 ７…ギャップ制御部（ギャップ制御手段、レバーアクチュエータ） １０…キャビティ １１…連通開口 １２…枠部（ギャップ形成部材） ３４…可動電極部（可変部材） ３１，３２…第１および第２固定電極部（アクチュエータ） ３４ａ，３４ｂ…第１および第２電極部（アクチュエータ） ５１…圧電アクチュエータ（アクチュエータ） ５３…可変部材 ５３ａ…先端部 ５４…アクチュエータ

Claims (8)

1. 圧力変動を検出する圧力センサであって、
   内部にキャビティを形成し、前記キャビティと外部とを連通する連通開口を有する中空のセンサ本体と、
   先端部が自由端かつ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置され、前記キャビティと前記センサ本体の外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
   前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を検出する変位検出部と、
   前記カンチレバーの先端部との間に前記連通開口の一部を構成するギャップを形成するギャップ形成部材と、
   を備え、
   前記カンチレバーおよび前記ギャップ形成部材のうち少なくとも何れかは、前記ギャップの大きさを変更するようにして相対的に近接または離間する方向に変位可能である、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記変位検出部によって検出された前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位に基づき、前記ギャップの大きさを制御するギャップ制御手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ギャップ形成部材は、前記カンチレバーの先端部に対向する先端部を変位可能な可変部材と、電磁相互作用または伸縮によって前記可変部材の前記先端部を変位させるアクチュエータと、を備え、
   前記ギャップ制御手段は、前記アクチュエータの電磁相互作用または前記アクチュエータの伸縮を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記ギャップ形成部材は、前記カンチレバーの先端部に向かい伸縮可能なアクチュエータを備え、
   前記ギャップ制御手段は、前記アクチュエータの伸縮を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記ギャップ制御手段は、
   電磁相互作用または伸縮によって前記ギャップ形成部材の先端部に対向する前記カンチレバーの先端部を変位させるレバーアクチュエータを備え、
   前記レバーアクチュエータの電磁相互作用または前記レバーアクチュエータの伸縮を制御する、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４の何れか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記ギャップ制御手段は、前記圧力差に応じた前記カンチレバーの撓み変形時に、前記圧力差または前記撓み変形が無い場合に比べて、前記カンチレバーの先端部および前記ギャップ形成部材の先端部の少なくとも何れかを相対的に近接するように変位させる、
   ことを特徴とする請求項２から請求項５の何れか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記ギャップ制御手段は、前記圧力差に応じた前記カンチレバーの撓み変形時に前記ギャップの大きさが一定値となるように制御する、
   ことを特徴とする請求項２から請求項６の何れか１つに記載の圧力センサ。
8. 前記ギャップ制御手段は、前記圧力差または前記撓み変形が所定上限値よりも大きい場合に、前記ギャップの大きさを増大させる、
   ことを特徴とする請求項２から請求項７の何れか１つに記載の圧力センサ。

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