JP7294009B2

JP7294009B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP7294009B2
Application number: JP2019164001A
Authority: JP
Inventors: 哲也笹原; 健海野; 正典小林; 孝平縄岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: WO2021049245A1; EP4030158A4; EP4030158A1; JP2021043017A

Description

本発明は、メンブレンの変形による歪を抵抗変化により検出する圧力センサに関する。

圧抵抗効果（ピエゾ抵抗効果ともいう）を利用して、メンブレン（ダイアフラムともいう）の歪を抵抗変化により検出する圧力センサが知られている。このような圧力センサでは、メンブレンの変形による歪を、メンブレン上に設けられた抵抗体の抵抗変化により検出する。

また、近年、圧力センサの低消費電力化が求められており、たとえば、圧力センサに含まれるブリッジ回路への電力供給を、パルス駆動によって間欠的に行う技術が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、間欠的に電力供給を行う圧力センサでは、電力供給がＯＦＦのタイミングでは発生した瞬間的な圧力異常を検出できないという課題を有している。

特開平６－１９４２４３号公報

本発明は、低消費電力化が可能であって、圧力変化の検出漏れを防止可能な圧力センサを提供する。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、
圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、
前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、を有する。

本発明に係る圧力センサでは、圧力の変化を検出するブリッジ回路とは独立して歪を検出可能な第２回路を有するため、たとえ第１回路に電力が供給されていなくても、第２回路がメンブレンの発生した歪を検出することができる。また、第２回路が有する第５抵抗体は、メンブレンにおいて、第１回路の第１～第４抵抗体が配置される第１歪位置若しくは第２歪位置、又はこれらと同方向の歪特性を生じる位置に配置されるため、圧力センサが検出すべき圧力変化が生じたことを精度良く検出できる。したがって、本発明に係る圧力センサは、第２回路により圧力変化の検出漏れを防止しつつ、第１回路への電力供給を低減して低消費電力化が可能である。

また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記第２回路からの検出信号を用いて、前記第１回路への電力供給を切り換える切換部を有してもよい。

このような圧力センサは、たとえば、第２回路が信号を検出しない間は第１回路への電力供給を停止させることにより、低消費電力化が可能である。また、たとえば、第２回路が信号を検出したことをトリガーとして第１回路への電力供給を再開させることにより、圧力変化の検出漏れを防止できる。

また、たとえば、前記第５抵抗体の少なくとも一部は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されていてもよい。

第１歪位置は、第２歪位置より外周側に位置するため、第５抵抗体を配置可能なスペースが、第２歪位置より広い。したがって、このような圧力センサは、比較的サイズが大きく抵抗値の高い第５抵抗体を、第２回路に用いることが可能であり、第２回路での消費電力を効果的に低減できる。

また、たとえば、前記第５抵抗体は、薄膜による薄膜抵抗体を複数有してもよく、
前記第２回路は、前記薄膜抵抗体同士を直列接続する接続部を有してもよい。

第２回路が、複数の薄膜抵抗体による第５抵抗体と、これを直列接続する接続部とを有することにより、第５抵抗体の抵抗値を高め、第２回路での消費電力を効果的に低減できる。また、薄膜抵抗体を用いた圧力センサは、抵抗値の異なる複数の薄膜抵抗体を効率的にメンブレン上に形成して製造することが可能であり、生産性が良好である。

また、たとえば、前記第５抵抗体は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されている薄膜による第１薄膜抵抗体と、前記メンブレン上において前記第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域に配置されている薄膜による第２薄膜抵抗体と、を有してもよく、
前記第２回路は、前記第１薄膜抵抗体と前記第２薄膜抵抗体とを直列接続する接続部を有してもよい。

このような圧力センサは、第１歪位置だけでなく、第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域を用いて、第５抵抗体を配置することにより、第５抵抗体の抵抗値を高め、第２回路での消費電力を、より効果的に低減できる。

前記第５抵抗体の抵抗値は、前記メンブレンに変形が生じていない状態において、前記第１～第４抵抗体のいずれの抵抗値より高くてもよい。

このような第５抵抗体を有することにより、第２回路での消費電力を効果的に低減できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの模式断面図である。図２は、第１実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置を示す概念図である。図３は、第１実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例を示す概念図である。図４は、第１実施形態に係る圧力センサから出力される信号出力と歪または圧力との関係を表す概念図である。図５は、第２実施形態に係る圧力センサを用いて形成される回路の一例を示す概念図である。図６は、第２実施形態に係る圧力センサから出力される信号出力と歪または圧力との関係を表す概念図である。図７は、第３実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と、圧力センサで形成される回路の一例を示す概念図である。図８は、第４実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と、圧力センサで形成される回路の一例を示す概念図である。図９は、第５実施形態に係る圧力センサにおける抵抗体および電極部の配置と、圧力センサで形成される回路の一例を示す概念図である。図１０は、本発明の第６実施形態に係る圧力センサの模式断面図である。図１１は、本発明の実施例に係る圧力センサを用いて形成した回路を示す概念図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

第１実施形態
図１は、本発明に係る圧力センサ１０の概略断面図である。圧力センサ１０は、圧力に応じた変形を生じるメンブレン２２を有する。図１に示す実施形態では、ステム２０の上底が、メンブレン２２になっている。圧力センサ１０は、メンブレン２２を有するステム２０の他に、ステム２０へ圧力を伝える流路１２ｂが形成されている接続部材１２、接続部材１２に対してステム２０を固定する抑え部材１４、メンブレン２２上の電極部などに対して配線される基板部７０などを有する。

図１に示すように、接続部材１２の外周には、圧力センサ１０を測定対象に対して固定するためのねじ溝１２ａが形成されている。ねじ溝１２ａを介して圧力センサ１０を固定することにより、接続部材１２の内部に形成されている流路１２ｂは、測定対象である圧力室に対して気密に連通する。

図１に示すように、ステム２０は、有底（上底）筒状の外形状を有しており、接続部材１２における流路１２ｂの一方の端部に設けられる。ステム２０は、開口部側にフランジ部２１が設けられており、抑え部材１４と接続部材１２との間にフランジ部２１が挟み込まれることにより、接続部材１２に対して固定される。ステム２０の開口部と接続部材１２の流路１２ｂとは、抑え部材１４を用いて気密に連結されており、測定対象の圧力が、ステム２０のメンブレン２２に伝えられる。

ステム２０の上底であるメンブレン２２は、側壁など、ステム２０における他の部分に比べて肉薄になっており、流路１２ｂから伝えられる圧力に応じた変形を生じる。メンブレン２２は、圧力流体に接触する内面２２ａと、内面２２ａとは反対側の外面２２ｂとを有しており、メンブレン２２の外面２２ｂ側には、後述する第１回路３２、第２回路３４（図２参照）や電極部などが設けられる。

抑え部材１４には、メンブレン２２の外面２２ｂに形成された第１回路３２および第２回路３４に対して電気的に接続される配線や電極部などを有する基板部７０が固定されている。基板部７０の電極部とメンブレン２２上の電極部とは、ワイヤボンディングなどにより形成される接続配線９２などを介して、電気的に接続されている。基板部７０はリング状の外形状を有しており、ステム２０は、基板部７０の中央に形成される貫通穴を挿通している。

図２は、第１実施形態に係る圧力センサ１０における抵抗体および電極部の配置を示す概念図である。図２の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図２の下部は、メンブレン２２の外面２２ｂ側である上方側からステム２０を見た概略平面図である。

図２に示すように、圧力センサ１０は、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路３２と、第１回路３２とは独立して歪を検出可能な第２回路３４とを有する。第１回路３２と、第２回路３４とは、メンブレン２２の外面２２ｂに形成されている。

図２下部の概略平面図に示されるように、第１回路３２は、第１抵抗体Ｒ１と、第２抵抗体Ｒ２と、第３抵抗体Ｒ３と、第４抵抗体Ｒ４とを含む。第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、メンブレン２２の内面２２ａに加えられる圧力に応じて所定の歪特定を生じる第１歪位置である第１円周２４上と、第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置である第２円周２６上とに、分けて配置されている。

図２に示すように、第１円周２４は、第２円周２６より大きい半径を有する円の円周であり、メンブレン２２において、第１円周２４は、第２円周２６より外周側に位置する。たとえば、メンブレン２２が内面２２ａから所定の正圧を受けた場合に、第１円周２４上では負の歪－ε（圧縮歪）を生じるのに対して、第２円周２６では正の歪＋ε（引張歪）を生じる。このように、第１歪位置である第１円周２４上における歪特性と、第２歪位置である第２円周２６上における歪特性は、互いに異なる方向（符号が異なり打ち消しあう関係）であることが好ましい。

第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のうち、第１抵抗体Ｒ１および第３抵抗体Ｒ３は、第１円周２４上に配置されている。これに対して、第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のうち、第２抵抗体Ｒ２および第４抵抗体Ｒ４は、第２円周２６上に配置されている。

図３は、圧力センサ１０を用いて形成される回路の一例を示す概念図である。図３に示すように、第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、ブリッジ回路を形成している。第１回路３２の出力信号Ｓ１は、アンプ７３を介して、マイクロプロセッサ８０の圧力信号入力部８２に入力される。図２に示すように、メンブレン２２上には、第１回路３２に対して電力を供給し、または、第１回路３２の出力信号Ｓ１を伝えるための第１電極部４１～４４が形成されている。第１回路３２は、第１電極部４１～４４および接続配線９２（図１参照）を介して、基板部７０に電気的に接続されている。

図２下部の概略平面図に示されるように、第２回路３４は、第１歪位置である第１円周２４上に配置されている第５抵抗体Ｒ５を含む。なお、第２回路３４の第５抵抗体Ｒ５は、第２円周２６上に配置されていてもよいが、第２円周２６より外周側に位置する第１円周２４上に配置されるほうが、第５抵抗体Ｒ５の抵抗値を大きくする観点から好ましい。第１円周２４上のほうが、第５抵抗体Ｒ５を配置可能なスペースが広いためである。特に、第５抵抗体Ｒ５が薄膜による薄膜抵抗体（後述）である場合は、配置スペースが広いほど第５抵抗体Ｒ５の抵抗値を大きくできる。また、第５抵抗体Ｒ５の一部又は全部は、第１円周２４と同方向の歪特性を生じるが、第１円周２４とは異なる大きさの歪を生じる位置に配置されていてもよい。

図２に示すように、第５抵抗体Ｒ５は、第１円周２４上に配置されており薄膜による第１薄膜抵抗体Ｒ５１を複数有している。また、第２回路３４は、第１薄膜抵抗体Ｒ５１同士を接続する接続部３５を有しており、複数の第１薄膜抵抗体Ｒ５１は、接続部３５によって直列接続されることにより、第５抵抗体Ｒ５を構成している。

第２回路３４は、少なくともメンブレン２２上では第１回路３２に対して接続しておらず、第１回路３２とは独立して歪を検出可能である。図２に示すように、メンブレン２２上には、第２回路３４に対して電力を供給し、第２回路３４の検出信号Ｓ２を伝えるための第２電極部４６、４７が形成されている。

図３に示すように、第５抵抗体Ｒ５を有する第２回路３４からの検出信号Ｓ２は、マイクロプロセッサ８０の圧力信号入力部８２に入力される。図３に示すように、圧力センサ１０は、第１回路３２への電力供給を切り換える切換部７２を有する。なお、図３に示すマイクロプロセッサ８０、切換部７２、およびアンプ７３は、たとえば、基板部７０に配置することができるが、これらの配置場所は特に限定されない。

切換部７２は、基板部７０（図１参照）に配置されるスイッチを有し、スイッチがＯＮになると第１回路３２へ電力が供給され、スイッチがＯＦＦになると第１回路３２への電力供給が停止される。切換部７２のＯＮ／ＯＦＦは、マイクロプロセッサ８０のスイッチ制御部８１によって制御される。

スイッチ制御部８１は、第２回路３４からの検出信号Ｓ２を用いて、切換部７２を制御する。図４は、図３に示す回路を有する圧力センサ１０における、検出信号Ｓ２と出力信号Ｓ１の出力結果の一例を表すグラフである。なお、図４に示すグラフの横軸は、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪又はメンブレン２２が受ける圧力を表す。また、図４に示すグラフは、第５抵抗体Ｒ５に正の歪が生じる場合を想定しているが、図２に示すように、第５抵抗体Ｒ５に負の歪が生じる場合であっても、たとえば歪を絶対値とすれば同様に考えることができる。

図４の左側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が低く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１より小さい場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１より小さい。図３に示すスイッチ制御部８１は、検知信号入力部８３を介して、検出信号Ｓ２が所定値Ｙ１より小さいことを認識し、切換部７２のスイッチをＯＦＦの状態に維持する。

図３に示す切換部７２のスイッチがＯＦＦの状態では、第１回路３２に電力が供給されない。そのため、図４に示すように、第１回路３２は歪を検出せず、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は変化しない。なお、電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える所定値Ｘ１は、圧力センサ１０による圧力検出が不要な範囲の上限か、又は圧力検出が不要な範囲の上限より小さい値に設定される。

図４の右側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が高く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１以上である場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１以上となる。図３に示すスイッチ制御部８１は、検知信号入力部８３を介して、検出信号Ｓ２が所定値Ｙ１以上であることを認識し、切換部７２のスイッチをＯＮの状態に維持する。

図３に示す切換部７２のスイッチがＯＮの状態では、第１回路３２に電力が供給される。そのため、図４に示すように、第１回路３２は圧力によって生じる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の歪を検出し、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は、歪および圧力によって変化する。このように、圧力センサ１０では、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１より小さい場合にはブリッジ回路を形成する第１回路３２には電力が供給されない。そのため、圧力センサ１０は、低消費電力化を実現できる。また、圧力センサ１０は、第２回路３４を用いて、常に測定対象の圧力を検出しているため、瞬間的な圧力上昇が生じた場合であっても、切換部７２による電力供給を適切に切り換え、圧力変化の検出漏れを防止できる。

第２回路３４による圧力の検出精度は、切換部７２による電力供給を適切に切り換えられる程度であれば足り、ブリッジ回路を形成する第１回路３２による圧力の検出精度より低くてもよい。また、第２回路３４における第５抵抗体Ｒ５の抵抗値は、歪が生じていない状態において、第１回路３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４のいずれの抵抗値より高いことが、第２回路３４を流れる電流値を小さくして、第２回路３４での消費電力を低減する観点から好ましい。

図２に示すようなメンブレン２２を有するステム２０およびメンブレン２２上に設けられる第１回路３２および第２回路３４は、たとえば、以下のようにして作製される。まず、メンブレン２２を有するステム２０を機械加工により作製する。ステム２０の材質は、適切な弾性変形を生じるものであれば特に限定されず、例えばステンレスなどの金属や合金が挙げられる。

次に、メンブレン２２の上に、絶縁膜を挟んで半導体薄膜または金属薄膜を形成し、これらの薄膜に対してレーザー加工や、スクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工などを行うことにより、図２に示すような第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４を含む第１回路３２、第５抵抗体Ｒ５を含む第２回路３４、第１電極部４１～４４および第２電極部４６、４７を形成する。なお、必要に応じて、第１回路３２や第２回路３４の上表面など、第１および第２電極部４１～４４、４６、４７以外の部分には、絶縁性の表面層が形成されてもよい。

第２実施形態
図５は、第２実施形態に係る圧力センサ１１０を用いて形成される回路の一例を示す概念図である。第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、基板部７０に配置される切換部１７２およびマイクロプロセッサ１８０が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第２実施形態に係る圧力センサ１１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。

圧力センサ１１０は、メンブレン２２上に形成される第１回路３２および第２回路３４については、図２に示す圧力センサ１０と同様である。しかしながら、第１実施形態に係る圧力センサ１０の切換部７２が、マイクロプロセッサ８０のスイッチ制御部８１によって制御されるのに対して、圧力センサ１１０の切換部１７２は、これとは異なる。すなわち、圧力センサ１１０の切換部１７２は、図５に示す抵抗Ｒо１、Ｒо２、Ｒо３、Ｒо４と、コンパレータ１７６と、トランジスタ１７５による回路により実現されている。

図５に示す切換部７２では、電源電圧ＶＤＤから第１回路３２への入り口にトランジスタ１７５が配置されており、トランジスタ１７５によって、第１回路３２への電力の供給が切り換えられる。トランジスタ１７５の３番目の端子には、コンパレータ１７６によって２値化された検出信号Ｓ２が入力される。これにより、第１回路３２への電力供給のＯＮ／ＯＦＦが、第２回路３４からの検出信号Ｓ２を用いて切り換えられる。

図５に示す圧力センサ１１０も、図３に示す圧力センサ１０と同様に、図４に示すように、所定の圧力以上の場合のみに第１回路３２に対して電力供給を行うように、電力供給の切り換えを行うことができる。また、圧力センサ１１０は、コンパレータ１７６への入力を入れ替えることにより、図６に示すように、所定の圧力より低い圧力の場合のみに第１回路３２に対して電力供給を行うように、電力供給の切り換えを行うことができる。

図６は、図５に示す回路を有する圧力センサ１１０における、検出信号Ｓ２と出力信号Ｓ１の出力結果の一例を表すグラフである。なお、図６に示すグラフの横軸は、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪又はメンブレン２２が受ける圧力を表しており、図６に示すグラフは、図４と同様に、第５抵抗体Ｒ５に正の歪が生じる場合を想定している。

図６の左側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が低く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１より小さい場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１より小さい。図５に示すトランジスタ１７５の３番目の端子には、コンパレータ１７６を介してＨｉに変換された検出信号Ｓ２が入力し、トランジスタ１７５は、電源電圧ＶＤＤによる第１回路３２への電力供給を可能にする。

この状態では、図６の左側の領域に示すように、第１回路３２は圧力によって生じる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の歪を検出し、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は、流体の圧力に応じて変化する。

図６の右側の領域に示すように、圧力センサ１０の測定対象である圧力流体の圧力が高く、第５抵抗体Ｒ５に生じる歪が所定値Ｘ１以上である場合、第２回路３４で検出される検出信号Ｓ２の出力値は、所定値Ｙ１以上となる。図５に示すトランジスタ１７５の３番目の端子には、コンパレータ１７６を介してＬｏｗに変換された検出信号Ｓ２が入力し、トランジスタ１７５は、電源電圧ＶＤＤによる第１回路３２への電力供給を不可能にする。

この状態では、第１回路３２に電力が供給されない。そのため、図６の右側の領域に示すように、第１回路３２は歪を検出せず、第１回路３２からの出力信号Ｓ１の値は変化しない。なお、電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換える所定値Ｘ１は、圧力センサ１０による圧力検出が必要な範囲の上限か、又は圧力検出が必要な範囲の上限より大きい値に設定される。

第２実施形態に係る圧力センサ１１０は、第１回路３２と共通の電源電圧ＶＤＤを用いて第２回路１３４を駆動させるため、第２回路１３４の第５抵抗体Ｒ５に加える電圧を別途生成する必要がない。また、圧力センサ１１０は、切換部１７２をシンプルな回路によって実現しているため、切換部１７２の動作信頼性が高く、また、出力信号Ｓ１を処理するマイクロプロセッサ１８０の演算量を抑制できる。

第３実施形態
図７は、第３実施形態に係る圧力センサ２１０における第１回路３２、第２回路１３４および電極部の配置と、第１回路３２および第２回路１３４の等価回路を示す概念図である。第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、第２回路１３４の第５抵抗体Ｒ１５が、第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２を有している点が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第３実施形態に係る圧力センサ２１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。

図７（ａ）に示すように、第２回路１３４の第５抵抗体Ｒ１５は、第１円周２４上の２か所に分けて配置される第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２とを有する。第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２は、図２に示す第５抵抗体Ｒ５と同様であり、３つの第１薄膜抵抗体Ｒ５１が接続部３５によって直列接続された構造を有する（図２参照）。

図７（ａ）に示すように、第１円周２４において、第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２との間には、第１回路３２の第１抵抗体Ｒ１と第３抵抗体Ｒ３とが配置される。第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２とは、第２電極部１４８、１４６を介して電気的に接続される。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、圧力センサ２１０の第１回路３２によって形成されるブリッジ回路は、圧力センサ１０の第１回路３２と同様である。図７（ｃ）に示すように、圧力センサ２１０の第２回路１３４に含まれる第５抵抗体Ｒ１５は、第１部分Ｒ１５－１と第２部分Ｒ１５－２とを接続部３５によって直列接続して構成される。なお、接続部３５は、図１に示す基板部７０を経由するものであってもよく、メンブレン２２上でダイレクトに接続するものであってもかまわない。図７に示す第２電極部１４９、１４７の一方が検知信号入力部８３（図３参照）に接続され、他方が接地される。

第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、第５抵抗体Ｒ１５を第１円周２４上の２か所に分けて配置することにより、第５抵抗体Ｒ１５の抵抗値を高め、第２回路１３４の消費電力を低減することができる。また、第５抵抗体Ｒ１５が、第１回路３２の第１抵抗体Ｒ１および第３抵抗体Ｒ３と同じ第１円周２４上に配置されるため、圧力センサ２１０は、電力供給を切り換える圧力および歪を、精度良く検出することができる。その他、第３実施形態に係る圧力センサ２１０は、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。

第４実施形態
図８は、第４実施形態に係る圧力センサ３１０における第１回路３２、第２回路３３４および電極部の配置と、第１回路３２および第２回路３３４の等価回路を示す概念図である。第４実施形態に係る圧力センサ３１０は、第２回路３３４の第５抵抗体Ｒ２５が、第１部分Ｒ２５－１と第２部分Ｒ２５－２と第３部分Ｒ２５－３とを有している点が異なることを除き、第１実施形態に係る圧力センサ１０と同様である。第３実施形態に係る圧力センサ３１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。

図８（ａ）に示すように、第２回路３３４の第５抵抗体Ｒ２５は、第１歪位置である第１円周２４上と、メンブレン２２上において第１円周２４上とは異なる大きさ（例えば１／２）であるが同じ方向（たとえば圧縮）の歪を生じる第３歪領域としての第３円周３２７上および第４円周３２８上の３か所に分けて配置される。第５抵抗体Ｒ２５のうち、第１円周２４上に配置されている第１部分Ｒ２５－１は、図２に示す第５抵抗体Ｒ５と同様であり、３つの第１薄膜抵抗体Ｒ５１が接続部３５によって直列接続された構造を有する（図２参照）。

図８（ａ）に示すように、第５抵抗体Ｒ２５のうち、第３円周３２７上に配置されている第２部分Ｒ２５－２は、薄膜による第２薄膜抵抗体Ｒ５２が接続部によって直列接続された構造を有する。同様に、第５抵抗体Ｒ２５のうち、第４円周３２８上に配置されている第３部分Ｒ２５－３は、薄膜による第３薄膜抵抗体Ｒ５３が接続部によって直列接続された構造を有する。

図８（ａ）に示すように、第３円周３２７は、第１円周２４より内周側に位置し、第４円周３２８は第１円周２４より外周側に位置するが、いずれも第１円周２４上と同じ方向の歪を生じる。図８（ｃ）に示すように、圧力センサ３１０の第２回路３３４は、第１薄膜抵抗体Ｒ５１による第１部分Ｒ２５－１と第２薄膜抵抗体Ｒ５２による第２部分Ｒ２５－２とを直列接続する接続部３３７を有する。また、圧力センサ３１０の第２回路３３４は、第１薄膜抵抗体Ｒ５１による第１部分Ｒ２５－１と第３薄膜抵抗体Ｒ５３による第３部分Ｒ２５－３とを直列接続する接続部３３８を有する。なお、図８（ａ）に示す第２電極部３４６、３４７の一方が検知信号入力部８３（図３参照）に接続され、他方が接地される。

図８（ｃ）に示すように、圧力センサ３１０の第２回路３３４では、第１円周２４上に配置される第１部分Ｒ２５－１だけでなく、第３円周３２７上および第４円周３２８上に配置される第２部分Ｒ２５－２および第３部分Ｒ２５－３を有し、これらを接続部３３７、３３８によって直列接続して第５抵抗体Ｒ２５を構成している。このような第２回路３３４は、限られたメンブレン２２上の面積の中で、抵抗値を効果的に高めることができるので、低消費電力の観点で有利である。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、圧力センサ３１０の第１回路３２によって形成されるブリッジ回路は、圧力センサ１０の第１回路３２と同様である。その他、第４実施形態に係る圧力センサ３１０は、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。

第５実施形態
図９は、第５実施形態に係る圧力センサ４１０における第１回路３２、第２回路４３４および電極部の配置と、第１回路３２および第２回路４３４の等価回路を示す概念図である。第５実施形態に係る圧力センサ４１０は、第２回路４３４の第５抵抗体Ｒ３５が、第４部分Ｒ３５－４と第５部分Ｒ３５－５と第６部分Ｒ３５－６とを有している点が異なることを除き、第４実施形態に係る圧力センサ３１０と同様である。第５実施形態に係る圧力センサ４１０については、第３実施形態に係る圧力センサ３１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。

図９（ａ）に示すように、第２回路４３４の第５抵抗体Ｒ３５は、図８（ａ）に示す第２回路３３４の第５抵抗体Ｒ２５と同様の第１～第３部分Ｒ２５－１～Ｒ２５－３を有する。これに加えて、第５抵抗体Ｒ３５は、第４～第６部分Ｒ３５－４～Ｒ３５－６を有する。第５抵抗体Ｒ３５の第４部分Ｒ３５－４は、第１部分Ｒ２５－１と同じ第１円周２４上に配置されており、第５抵抗体の第５部分Ｒ３５－５は、第２部分Ｒ２５－２と同じ第３円周３２７上に配置されており、第５抵抗体Ｒ３５の第６部分Ｒ３５－６は、第３部分Ｒ２５－３と同じ第４円周３２８上に配置されている。第４～第６部分Ｒ３５－４～Ｒ３５－６は、第１～第３円周２４、３２７、３２８上の位置が異なることを除き、第１～第３部分Ｒ２５－１～Ｒ２５－３と同様である。

図９（ｃ）に示すように、第５抵抗体Ｒ３５の第１～第３部分Ｒ２５－１～Ｒ２５－３および第４～第６部分Ｒ３５－４～Ｒ３５－６は、接続部４３９などを介して直列的に接続される。このような第２回路４３４は、限られたメンブレン２２上の面積の中で、抵抗値を効果的に高めることができるので、低消費電力の観点で有利である。その他、第５実施形態に係る圧力センサ４１０は、圧力センサ３１０と同様の効果を奏する。

第６実施形態
図１０は、第６実施形態に係る圧力センサ５１０の概略断面図である。第６実施形態に係る圧力センサ５１０は、メンブレン５２２が平板状の金属板であり、ステム２０の底面ではない点が異なることを除き、第６実施形態に係る圧力センサ５１０と同様である。第５実施形態に係る圧力センサ５１０については、第１実施形態に係る圧力センサ１０との相違点のみ説明をおこない、共通点の説明は省略する。

メンブレン５２２は、ハウジング５１２の流路５１２ｂを塞ぐように、ハウジング５１２の端面５１２ａに固定される。メンブレン５２２の上面には、絶縁膜５１５を介して、圧力検出回路５１６が形成される。圧力検出回路５１６には、図２に示す第１回路３２および第２回路３４が含まれる。また、圧力センサ５１０は、図１に示す圧力センサ１０と同様の基板部７０を有する。

平板状のメンブレン５２２は、ハウジング５１２の端面５１２ａに対して、溶接等によって固定される。絶縁膜５１５の面積がメンブレン５２２より狭く、メンブレン５２２の一部が絶縁膜５１５から露出していることにより、メンブレン５２２は、露出したメンブレン５２２に電極を接触させて抵抗溶接することにより、ハウジング５１２に容易に固定することができる。

また、圧力センサ５１０は、金属板のメンブレン５２２を有するため小型化に対して有利であり、また、ステム２０（図１参照）とは異なり、金属板であれば一般的な半導体工場で処理しやすく、生産性が良好である。第５実施形態に係る圧力センサ５１０は、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。

以上のように、実施形態を挙げて本発明にかかる圧力センサを説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではなく、他の多くの実施形態や変形例を含むことは言うまでもない。たとえば、図１、図１０に示すステム２０およびメンブレン２２、５２２の形状および固定構造は一例にすぎず、本発明の圧力センサは、メンブレンが圧力に応じて適切に変形する、他の任意の形状および固定構造を採用できる。また、圧力センサのメンブレンは、実施形態で示したステムや金属板のみには限定されず、その他形状および材質のメンブレンを用いることも可能である。

実施例
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明するが、これらの実施例の記載は、本発明を何ら限定するものではない。

実施例では、第２実施形態に係る圧力センサ１１０を用いて、圧力センサ１１０に含まれる回路の各部分Ａ１～Ａ５において、センサＯＮ時とセンサＯＦＦ時に消費される電流の値を算出した。計算に用いた抵抗値は、ブリッジ回路の抵抗Ｒｂｒ（第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４によるブリッジ回路の抵抗）：２．５ｋΩ、第５抵抗体Ｒ５：１．５ｋΩ、抵抗Ｒо１：２０ｋΩ、抵抗Ｒо２：１ＭΩ、抵抗Ｒо３：１ＭΩ、抵抗Ｒо４：２５０ｋΩとした。また、電源電圧ＶＤＤは５Ｖとした。結果を表１に示す。

表１からは、圧力センサ１１０では、センサＯＦＦ時において、センサＯＮ時に対して消費電流を１０分の１程度に低減できることが確認できる。また、第２回路３４を有さず、常時ブリッジ回路に通電させる圧力センサを想定すると、その消費電力は２ｍＡ(表１のＡ５に相当）となる。これと圧力センサ１１０による表１の結果とを比較すると、センサＯＦＦ時間が駆動時間全体の約１１％を超える条件であれば、圧力センサ１１０は、第２回路３４を有さず常時通電する圧力センサに比べて、消費電流を低減できると考えられる。

１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０…圧力センサ
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ、５１２ｂ…流路
１４…抑え部材
２０…ステム
２１…フランジ部
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
２２、５２２…メンブレン
２４…第１円周
２６…第２円周
３２７…第３円周
３２８…第４円周
３２…第１回路
３４、３２４、４３４…第２回路
３５、３３７、３３８…接続部
Ｒ１…第１抵抗体
Ｒ２…第２抵抗体
Ｒ３…第３抵抗体
Ｒ４…第４抵抗体
Ｒ５、Ｒ２５、Ｒ３５…第５抵抗体
Ｒ２５－１…第１部分
Ｒ２５－２…第２部分
Ｒ２５－３…第３部分
Ｒ３５－４…第４部分
Ｒ３５－５…第５部分
Ｒ３５－６…第６部分
Ｒ５１…第１薄膜抵抗体
Ｒ５２…第２薄膜抵抗体
Ｒ５３…第３薄膜抵抗体
４１、４２、４３、４４…第１電極部
４６、４７、３４６、３４７…第２電極部
７０…基板部
７２、１７２…切換部
７３…アンプ
１７５…ドランジスタ
１７６…コンパレータ
８０、１８０…マイクロプロセッサ
８１…スイッチ制御部
８２…圧力信号入力部
８３…検知信号入力部
９２…接続配線
ＶＤＤ…電源電圧
Ｒо１、Ｒо２、Ｒо３、Ｒо４…抵抗
５１２…ハウジング
５１２ａ…端面
５１５…絶縁膜
５１６…圧力検出回路

Claims

圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、
前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、
前記第２回路からの検出信号を用いて、前記第１回路への電力供給を切り換える切換部と、を有する圧力センサ。
圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、
前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、を有し、
前記第５抵抗体は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されている薄膜による第１薄膜抵抗体と、前記メンブレン上において前記第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域に配置されている薄膜による第２薄膜抵抗体と、を有し、
前記第２回路は、前記第１薄膜抵抗体と前記第２薄膜抵抗体とを直列接続する接続部を
を有する圧力センサ。
圧力に応じた変形を生じるメンブレンと、
前記メンブレン上において所定の歪特性を生じる第１歪位置に配置される第１抵抗体及び第３抵抗体と、前記第１歪位置とは異なる方向の歪特性を生じる第２歪位置に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、ブリッジ回路を形成して歪を検出する第１回路と、
前記メンブレンにおける前記第１歪位置又は前記第２歪位置と同方向の歪特性を生じる位置に配置される第５抵抗体を含み、前記第１回路とは独立して歪を検出可能な第２回路と、を有し、
前記第５抵抗体の抵抗値は、前記メンブレンに変形が生じていない状態において、前記第１～第４抵抗体のいずれの抵抗値より高いことを特徴とする圧力センサ。
前記第２回路からの検出信号を用いて、前記第１回路への電力供給を切り換える切換部を有する請求項２または請求項３に記載の圧力センサ。
前記第５抵抗体の少なくとも一部は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３まで、または、請求項３を引用する請求項４のいずれかに記載の圧力センサ。
前記第５抵抗体は、薄膜による薄膜抵抗体を複数有し、
前記第２回路は、前記薄膜抵抗体同士を直列接続する接続部を有する請求項１、請求項３、請求項３を引用する請求項４、請求項１または請求項３を引用する請求項５、または、請求項３を引用する請求項４を引用する請求項５のいずれかに記載の圧力センサ。
前記第５抵抗体は、前記メンブレン上において前記第２歪位置より外周側に位置する前記第１歪位置に配置されている薄膜による第１薄膜抵抗体と、前記メンブレン上において前記第１歪位置とは異なる大きさであるが同方向の歪を生じる第３歪領域に配置されている薄膜による第２薄膜抵抗体と、を有し、
前記第２回路は、前記第１薄膜抵抗体と前記第２薄膜抵抗体とを直列接続する接続部を有する請求項３、請求項３を引用する請求項４、請求項１または請求項３を引用する請求項５、または、請求項３を引用する請求項４を引用する請求項５のいずれかに記載の圧力センサ。