JP7443833B2 - 圧力センサ - Google Patents
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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、たとえば、ステムと呼ばれる金属製の受圧部材の一部に、圧力を受けて弾性変形するメンブレンを形成し、この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、メンブレンに形成される抵抗体の抵抗変化には温度依存性があるため、温度変化が生じる環境にこのような圧力センサを設置する場合には、検出値の精度を向上させる技術が必要となる。たとえば、圧力センサの温度補償に関する技術として、ブリッジ回路と、ブリッジ回路に電流を供給する電源との間に、温度依存性が少ない抵抗を接続する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、ブリッジ回路の外に抵抗を配置する圧力センサでは、電源の電圧がブリッジ回路の外の抵抗によって降下し、ブリッジ回路に印加される電圧が下がるため、検出の感度が低下する問題がある。また、この場合、検出の感度を上げるために電源電圧を大きくすることも考えられるが、そうすると消費電流が増加する問題が生じる。
本発明は、このような実情に鑑みてなされ、温度変化が生じる環境でも検出感度が高く、消費電流の増加も防止できる圧力センサを提供する。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、
前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分と、を有する。
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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、
前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分と、を有する。
本発明の第１の観点に係る圧力センサでは、ブリッジ回路を構成する第１～第４抵抗体の少なくとも１つは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分とを直列接続した合成抵抗である。このような合成抵抗は、温度変化による抵抗値の変化を低減または解消することが可能であり、温度変化が生じる環境でも、抵抗値と歪の関係から、圧力の検出感度が高い。また、ブリッジ回路の外部に抵抗を直列接続する技術とは異なり、消費電流の増加も防止できる。
また、たとえば、前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体は、それぞれ、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ第２部分と、を有してもよい。
このような第１～第４抵抗体を有する圧力センサでは、検出回路であるブリッジ回路を形成する個々の抵抗体について、温度による抵抗値の変化を低減または解消することができる。そのため、検出回路は、個々の抵抗値および抵抗値のバランスを含めたブリッジ回路全体の温度変化を好適に抑制でき、このような検出回路を有する圧力センサは、温度変化が生じる環境でも精度よく圧力を検出可能である。また、ブリッジ回路の外部に抵抗を直列接続する技術とは異なり、消費電流の増加も防止できる。
また、たとえば、前記第１抵抗体の第１部分と前記第３抵抗体の第１部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されていてもよく、
前記第１抵抗体の第２部分と前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれており前記第１の円周とは異なる第３の円周上に配置されていてもよく、
前記第２抵抗体の第１部分と前記第４抵抗体の第１部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されていてもよく、
前記第２抵抗体の第２部分と前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれており前記第２の円周とは異なる第４の円周上に配置されていてもよい。
前記第１抵抗体の第２部分と前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれており前記第１の円周とは異なる第３の円周上に配置されていてもよく、
前記第２抵抗体の第１部分と前記第４抵抗体の第１部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されていてもよく、
前記第２抵抗体の第２部分と前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれており前記第２の円周とは異なる第４の円周上に配置されていてもよい。
２つの抵抗体の第１部分と第２部分とを、異なる円周上に分けて配置することにより、狭いスペースに正と負の温度抵抗係数を有する抵抗を容易に配置可能であり、小型化に資する。また、第１部分同士および第２部分同士は同じ円周上に配置することにより、メンブレン上における歪の大きい部分に抵抗体を配置しやすい。
また、たとえば、前記第１抵抗体の第１部分と、前記第３抵抗体の第１部分と、前記第１抵抗体の第２部分と、前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されていてもよく、
前記第２抵抗体の第１部分と、前記第４抵抗体の第１部分と、前記第２抵抗体の第２部分と、前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されていてもよい。
前記第２抵抗体の第１部分と、前記第４抵抗体の第１部分と、前記第２抵抗体の第２部分と、前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されていてもよい。
２つの抵抗体の第１部分と第２部分とを、同じ円周上に配置することにより、メンブレン上における歪の大きい部分に抵抗体を配置できるため、検出回路の感度を最大限に向上させることができる。
また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記温度第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路を有してもよい。
温度検出回路についても、正の温度抵抗係数を持つ抵抗と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗とを直列接続した抵抗を用いることにより、温度検出回路における消費電流の温度変化を低減または解消することができる。また、温度検出回路の検出出力として、２つの抵抗である温度第１部分と温度第２部分の抵抗分圧値を検出することができるため、２つの抵抗以外に、分圧用の抵抗を別途外部に設ける必要がない。
また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、前記温度検出回路の出力を用いて、前記検出回路の出力を補正する温度補正部を有してもよい。
このような圧力センサは、検出回路の出力を適切に温度補正できる。また、ブリッジ回路に含まれる第１～第４抵抗体の抵抗値に温度依存性が残っているような場合にでも、温度補正部による補正により、適切に圧力を検出できる。
本発明の第２の観点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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、
前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路と、を有する。
前記メンブレン上において所定方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、
前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路と、を有する。
このような圧力センサは、温度検出回路について正の温度抵抗係数を持つ抵抗と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗とを直列接続した抵抗を用いることにより、温度検出回路での消費電流の温度変化を低減または解消することができる。また、２つの抵抗である温度第１部分と温度第２部分の抵抗分圧値を検出することができるため、２つの抵抗以外に分圧用の抵抗を用意する必要がなく、このような温度検出回路は、使用する抵抗に無駄がなく、小型化に資する。
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４１などに対して配線される基板部７０などを有する。
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４１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２０ａ（図２参照）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、後述する検出回路３２や、電極部４１などが設けられる（図２参照）。
図１に示す抑え部材１４には、基板部７０が固定されている。基板部７０は、メンブレン２２の外面２２ｂに形成された検出回路３２および電極部４１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の電極部とメンブレン２２上の電極部４１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、メンブレン２２の外面２２ｂにおける検出回路３２などの配置状態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の上部に示すように、メンブレン２２には、所定方向の歪特性を生じる第１歪領域２４と、第１歪領域２４とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域２７とが形成される。メンブレン２２の第１歪領域２４は、内面２２ａからの圧力（正圧）を受けて、負方向の歪ε－（圧縮歪）を生じるのに対して、メンブレン２２の第２歪領域２７は、内面２２ａからの圧力（正圧）を受けて、正方向の歪ε＋（引張歪）を生じる。
図２の上部に示すように、第１歪領域２４と第２歪領域２７は、メンブレン２２に同心円上に形成される。第２歪領域２７が、メンブレン２２の中心部に形成され、第１歪領域２４が第２歪領域２７の外周に形成される。メンブレン２２の外縁部２３は、ステム２０の側壁２０ａに接続している。
図２の下部に示すように、圧力センサ１０は、第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４によるブリッジ回路（図３参照）を形成する検出回路３２を有する。図３に示すように、ブリッジ回路では、第１および前記第３抵抗体Ｒ１、Ｒ３の一方と第２および第４抵抗体Ｒ２、Ｒ４の一方とを直列接続し、第１および第３抵抗体Ｒ１、Ｒ３の他方と第２および第４抵抗体Ｒ２、Ｒ４の他方とを直列接続する。また、図２の下部および図３に示すように、検出回路３２を形成する第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４は、それぞれ、第１部分と第２部分の２つの異なる性質の抵抗を有する。
すなわち、図３に示すように、第１抵抗体Ｒ１は、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを有し、第２抵抗体Ｒ２は、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂとを有する。また、第３抵抗体Ｒ３は、第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとを有し、第４抵抗体Ｒ４は、第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと、第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとを有する。
図２の下部に示すように、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを有する第１抵抗体Ｒ１と、第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとを有する第３抵抗体Ｒ３とは、メンブレン２２の第１歪領域２４に配置されている。また、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第３抵抗体第１部分Ｒ３ａとは、第１歪領域２４に含まれる第１の円周２５上に配置されており、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂと、第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとは、第１歪領域２４に含まれており第１の円周２５とは異なる第３の円周２６上に配置されている。
これに対して、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂとを有する第２抵抗体Ｒ２と、第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとを有する第４抵抗体Ｒ４とは、メンブレン２２の第２歪領域２７に配置されている。また、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第４抵抗体第１部分Ｒ４ａとは、第２歪領域２７に含まれる第２の円周２８上に配置されており、第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂと、第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとは、第２歪領域２７に含まれており第２の円周２８とは異なる第４の円周２９上に配置されている。
第２および第４抵抗体第１部分Ｒ２ａ、Ｒ４ａと第２および第４抵抗体第２部分Ｒ２ｂ、Ｒ４ｂを、互いに異なる円周２８、２９上に配置することにより、狭い第２歪領域２７に、第１部分Ｒ２ａ、Ｒ４ａと第２部分Ｒ２ｂ、Ｒ４ｂの双方を、効率的に配置できる。このため、このような圧力センサ１０は、小型化の観点で有利である。
第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第３抵抗体第１部分Ｒ３ａとが配置されている第１の円周２５と、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第４抵抗体第１部分Ｒ４ａとが配置されている第２の円周２８とは、発生する歪が互いに打ち消し合う関係（方向（正負）が逆）であることが好ましい。また、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂと第３抵抗体第２部分Ｒ３ｂとが配置されている第３の円周２６と、第２抵抗体第２部分Ｒ２ｂと第４抵抗体第２部分Ｒ４ｂとが配置されている第４の円周２９とは、発生する歪が互いに打ち消し合う関係（方向（正負）が逆）であることが好ましい。ただし、第１の円周２５、第２の円周２８、第３の円周２６および第４の円周２９の関係は、これのみには限定されない。
図２の下部に示すように、メンブレン２２の外縁部２３には、検出回路３２に接続する電極部４１が設けられている。メンブレン２２上の検出回路３２には、電極部４１を介して電流ＩＤＤが供給され、また、検出回路３２の検出出力Ｖоｕｔは、電極部４１を介して外部へ伝えられる（図３参照）。
図３は、図２に示す圧力センサ１０における検出回路３２の回路図を表している。検出回路３２では、第１および第３抵抗体Ｒ１、Ｒ３と第２および第４抵抗体Ｒ２、Ｒ４とをそれぞれ対向する辺に配置するブリッジ回路を形成する。また、図３に示すように、検出回路３２は、電源からの電圧ＶＤＤによる駆動される。検出回路３２を形成するブリッジ回路の一辺である第１抵抗体Ｒ１は、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを直列接続して構成されている。これと同様に、ブリッジ回路の他の辺である第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４も、第１抵抗体Ｒ１と同様に、第２～第４抵抗体第１部分Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと、第２～第４抵抗体第２部分Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂとを直列接続して構成されている。
ここで、、第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗であり、第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂは、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である。したがって、第１～第４抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、正の温度抵抗係数を持つ抵抗と、負の温度抵抗係数を持つ抵抗とを直列接続した合成抵抗となっている。
図４の左側のグラフは、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂと、これらを直列接続した合成抵抗である第１抵抗体Ｒ１の温度依存性を示したものである。図４の左側のグラフに示すように、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が上昇する。また、第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂは、負の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が下降する。
したがって、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１ｂとを直列接続した合成抵抗である第１抵抗体Ｒ１は、第１部分Ｒ１ａと第２部分Ｒ１ｂの温度依存性の一部または全部が打ち消されることにより、各部分より小さい温度依存性を有するか、または、所定の温度範囲で略一定の抵抗値を有する。このように、第１抵抗体Ｒ１は、温度依存性の小さい抵抗体を実現できる。また、たとえば、第１抵抗体Ｒ１は、第１部分Ｒ１ａまたは第２部分Ｒ１ｂとして単位歪当たりの抵抗変化が大きく圧力検出感度の高い抵抗を採用する一方、これと組み合わせる第１部分Ｒ１ａまたは第２部分Ｒ１ｂとして、正負が逆の関係になる温度抵抗係数を有する抵抗を採用することにより、検出感度が高く温度依存性の小さい抵抗を実現できる。
第２～第４抵抗体Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４についても、図４の左側のグラフに示す第１抵抗体Ｒ１と同様に、各部分より小さい温度依存性を有するか、または、所定の温度範囲で略一定の抵抗値を有する。これにより、図４の右側のグラフに示すように、図３に示す検出回路３２に流れる電流ＩＤＤの値は、相互に同じ傾向の温度抵抗係数を有する抵抗を用いるか、一方の抵抗として温度抵抗係数の非常に小さい抵抗を用いた検出回路に比べて、温度変化を小さくすることができるか、または、所定の温度範囲で略一定とすることができる。したがって、検出回路３２は、広い温度範囲において高い検出感度を有することができ、消費電流の増加も防止できる。
第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａとして採用し得る正の温度抵抗係数を有する抵抗材料としては、たとえば、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃоなどの金属や、チタン酸バリウム系セラミックスなどが挙げられる。また、第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂとして採用し得る負の温度抵抗係数を有する抵抗材料としては、たとえば、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃо系酸化物や、シリコン系半導体などが挙げられる。ただし、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、正の温度抵抗係数を有する抵抗と、負の温度抵抗係数を有する抵抗とを直列接続するものであれば、第１部分と第２部分を構成する抵抗材料は、特に限定されない。
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～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４および電極部４１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および電極部４１を形成する。なお、必要に応じて、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４など、メンブレン２２上において外部への配線を接続する電極部４１以外の部分には、絶縁性の表面層が形成されてもよい。
図１から図４に示す圧力センサ１０は、検出回路３２を構成するブリッジ回路に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の温度変化による抵抗値の変化を低減または解消することが可能であり、温度変化が生じる環境でも、抵抗値と歪の関係から、圧力を精度よく検出できる。また、圧力センサ１０は、第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂの両方がメンブレンの歪による抵抗変化を生じるため（図７参照）、ブリッジ回路の外部に抵抗を直列接続する従来技術とは異なり、検出感度が高く、消費電流の増加も防止できる。
第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１１０のメンブレン２２に配置される検出回路１３２の構成を示す概念図である。図５の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図５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。圧力センサ１１０は、検出回路１３２に含まれる第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂ、第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂ、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂおよび第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂの配置が異なることを除き、図２に示す圧力センサ１０と同様である。圧力センサ１１０の説明では、圧力センサ１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ１０との共通点については説明を省略する。
図５は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ１１０のメンブレン２２に配置される検出回路１３２の構成を示す概念図である。図５の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図５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。圧力センサ１１０は、検出回路１３２に含まれる第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂ、第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂ、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂおよび第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂの配置が異なることを除き、図２に示す圧力センサ１０と同様である。圧力センサ１１０の説明では、圧力センサ１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ１０との共通点については説明を省略する。
図５に示すように、圧力センサ１１０は、メンブレン２２の第１歪領域２４に配置される第１抵抗体Ｒ１１および第３抵抗体Ｒ１３と、第２歪領域２７に配置される第２抵抗体Ｒ１２および第４抵抗体Ｒ１４とを有する。図５に示すように、第１抵抗体Ｒ１１は、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂを有し、第３抵抗体Ｒ１３は、第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂとを有する。また、第２抵抗体Ｒ１２は、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂを有し、第４抵抗体Ｒ１４は、第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと、第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂとを有する。
図６は、図５に示す圧力センサ１１０における検出回路１３２の回路図を表している。図６に示すように、検出回路１３２の第１～第４抵抗体Ｒ１１～Ｒ１４は、図３に示す第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４と同様に、第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと、第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１３ｂ、Ｒ１４ｂを直列接続して構成されている。
図５の下部に示すように、圧力センサ１１０では、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第３抵抗体第１部分Ｒ３ａと、第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂと、第３抵抗体第２部分Ｒ１３ｂとは、第１歪領域２４に含まれる第１の円周２５上に配置されている。また、第２抵抗体第１部分Ｒ２ａと第４抵抗体第１部分Ｒ４ａと、第２抵抗体第２部分Ｒ１２ｂと、第４抵抗体第２部分Ｒ１４ｂとは、第２歪領域２７に含まれる第２の円周２８上に配置されている。
第１および第３抵抗体Ｒ１１、Ｒ１３が配置されている第１の円周２５上は、第１歪領域２４において最も歪の大きい位置とすることができる。また、第２および第４抵抗体Ｒ１２、Ｒ１４が配置されている第２の円周２８上は、第２歪領域２７において最も歪の大きい位置とすることができる。このような圧力センサ１１０は、検出回路１３２に含まれる各抵抗体Ｒ１１～Ｒ１４の第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａおよび第２部分Ｒ１１ｂ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１３ｂ、Ｒ１４ｂをメンブレン上の歪の大きい位置に配置し、検出回路１３２の感度を高めることができる。
図７は、圧力センサ１１０の検出回路１３２に含まれる第１抵抗体Ｒ１１、第１抵抗体第１部分Ｒ１ａ、第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂの抵抗値と、メンブレン２２が受ける圧力の関係を表すグラフである。図７に示すように、圧力センサ１１０の検出回路１３２では、相互の特性により温度補償を行う第１抵抗体第１部分Ｒ１ａと第１抵抗体第２部分Ｒ１１ｂが、メンブレン２２が受ける圧力に応じて、いずれも抵抗値の変化を生じる。したがって、検出回路１３２に含まれる第１抵抗体Ｒ１１の抵抗値は、圧力変化に応じて大きく変化する。このような圧力センサ１１０は、単に感度の温度補償を実現するだけでなく、温度補償のための抵抗を検出回路１３２の外部に配置する従来の圧力センサに比べて、良好な検出感度を奏する。
また、圧力センサ１１０は、圧力センサ１０との共通点については、圧力センサ１０と同様の効果を奏する。
第３実施形態
図８は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサ２１０のメンブレン２２に配置される検出回路１３２と温度検出回路２６０の構成を示す概念図である。図８の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図８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。圧力センサ２１０は、温度検出回路２６０および電極部２４２を有する点を除き、図５に示す圧力センサ１１０と同様である。圧力センサ２１０の説明では、圧力センサ１１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ１１０との共通点については説明を省略する。
図８は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサ２１０のメンブレン２２に配置される検出回路１３２と温度検出回路２６０の構成を示す概念図である。図８の上部は、ステム２０の模式断面図であり、図８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。圧力センサ２１０は、温度検出回路２６０および電極部２４２を有する点を除き、図５に示す圧力センサ１１０と同様である。圧力センサ２１０の説明では、圧力センサ１１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ１１０との共通点については説明を省略する。
図８の下部に示すように、圧力センサ２１０におけるメンブレン２２の外面２２ｂには、圧力を検出する検出回路１３２に加えて、温度を検出する温度検出回路２６０が設けられている。なお、圧力センサ２１０の検出回路１３２は、図５に示す圧力センサ１１０の検出回路１３２と同様である。
図８に示すように、温度検出回路２６０は、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分ＲＴａと、負の温度抵抗係数を持つ温度第２部分ＲＴｂとを有する。温度検出回路２６０が有する温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂとは、メンブレン２２上において第１～第４抵抗体Ｒ１１～Ｒ１４のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されている。
図８に示すように、温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂとは、メンブレン２２においてステム２０の側壁２０ａに接続する外縁部２３に配置されている。図８の上部に示すように、外縁部２３は、圧力による変形はほとんど生じない。
図８の下部に示すように、メンブレン２２の外縁部２３には、温度検出回路２６０に接続する電極部２４２が設けられている。メンブレン上の温度検出回路２６０には、電極部２４２を介して電流Ｉｔｅｍｐが供給され、また、温度検出回路２６０の検出出力Ｖｔｅｍｐは、電極部４１を介して外部へ伝えられる（図９（ｂ）参照）。
図９（ａ）は、図８に示す圧力センサ２１０における検出回路１３２の回路図を表しており、図９（ｂ）は、圧力センサ２１０における温度検出回路２６０の回路図を表している。図９（ａ）に示す検出回路１３２の回路図は、図６に示す回路図と同様である。
図９（ｂ）に示すように、温度検出回路２６０では、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分ＲＴａと、負の温度抵抗係数を持つ温度第２部分ＲＴｂとが直列接続されている。温度検出回路２６０は、検出出力Ｖｔｅｍｐとして、温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂの抵抗分圧値を検出する。
図１０（ｂ）は、温度検出回路２６０において、温度第１部分ＲＴａと、温度第２部分ＲＴｂと、これらを直列接続した合成抵抗ＲＴａ＋ＲＴｂの温度依存性を表したものである。図１０（ｂ）に示すように、温度第１部分ＲＴａは、正の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が上昇する。また、温度第２部分ＲＴｂは、負の温度抵抗係数を持つ抵抗であるため、温度上昇に伴い抵抗値が下降する。
したがって、これらを直列接続した合成抵抗ＲＴａ＋ＲＴｂでは、２つの抵抗の温度依存性の一部または全部が打ち消されることにより、各部分より小さい温度依存性を有するか、または、所定の温度範囲で略一定の抵抗値を有する。これにより、図１０（ｃ）に示すように、温度検出回路２６０に流れる電流Ｉｔｅｍｐの値は、一方の抵抗として温度抵抗係数の非常に小さい抵抗を用いた検出回路に比べて、温度変化を小さくすることができるか、または、所定の温度範囲で略一定とすることができる。したがって、温度検出回路２６０は、消費電流の温度変化を低減または解消することができる。
また、図１０（ａ）に示すように、温度検出回路２６０は、検出出力Ｖｔｅｍｐとして温度第１部分ＲＴａと温度第２部分ＲＴｂの抵抗分圧値を検出することにより、メンブレン２２の温度を検出できる。このような圧力センサ２１０は、２つの抵抗以外に、分圧を検出するための抵抗を別途外部に設ける必要がない。
また、圧力センサ２１０は、圧力センサ１１０との共通点については、圧力センサ１１０と同様の効果を奏する。
第４実施形態
図１１は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサ３１０の回路図である。圧力センサ３１０は、温度補正部３８０を有する点を除き、図８および図９に示す圧力センサ２１０と同様である。圧力センサ３１０の説明では、圧力センサ２１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ２１０との共通点については説明を省略する。
図１１は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサ３１０の回路図である。圧力センサ３１０は、温度補正部３８０を有する点を除き、図８および図９に示す圧力センサ２１０と同様である。圧力センサ３１０の説明では、圧力センサ２１０との相違点を中心に説明を行い、圧力センサ２１０との共通点については説明を省略する。
図１１に示すように、圧力センサ３１０の温度補正部３８０には、検出回路１３２からの検出出力Ｖоｕｔと、温度検出回路２６０からの検出出力Ｖｔｅｍｐが入力される。なお、圧力センサ３１０の検出回路１３２および温度検出回路２６０は、図９に示す圧力センサ２１０の検出回路１３２および温度検出回路２６０と同様である。
温度補正部３８０は、温度検出回路２６０の検出出力Ｖｔｅｍｐを用いて、検出回路１３２の検出出力Ｖоｕｔを補正し、補正出力Ｖоｕｔ２を出力する。温度補正部３８０は、マイクロプロセッサやＡＳＩＣなどを有し、図１に示す基板７０など、メンブレン２２の外部に設けられる。
図１１に示す検出回路１３２からの検出出力Ｖоｕｔは、図４の左側のグラフに示すように、検出回路１３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の抵抗値が温度依存性を有さない理想的な状態であれば、温度補正を行う必要がない。しかしながら、圧力センサ３１０は、温度補正部３８０を有するため、たとえ検出回路１３２に含まれる第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４の抵抗値が温度依存性を示す温度範囲であっても、温度検出回路２６０の検出出力Ｖｔｅｍｐを用いて補正を行うことにより、高い精度で圧力を検出できる。したがって、圧力センサ３１０は、広い温度範囲において圧力を検出する必要がある場合などに、特に好適に使用できる。
また、圧力センサ３１０は、圧力センサ２１０との共通点については、圧力センサ２１０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係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に示すステム２０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、検出回路３２、１３２において、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４、Ｒ１１～Ｒ１４は、それぞれ２つの抵抗を有しているが、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４、Ｒ１１～Ｒ１４が有する抵抗の数は２つのみには限定されない。また、図２に示す検出回路３２において、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１～第４抵抗体第１部分Ｒ１ａ、Ｒ２ａ、Ｒ３ａ、Ｒ４ａと、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１～第４抵抗体第２部分Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂとの配置は、入れ替わってもよい。また、図９および図１１に示す温度検出回路２６０に関しても、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分ＲＴａと、負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分ＲＴｂとの配置は、入れ替わってもよい。
１０、１１０、２１０、３１０…圧力センサ
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ…流路
１４…抑え部材
２０…ステム
２０ａ…側壁
２１…フランジ部
２２ａ…内面
２２…メンブレン
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
２３…外縁部
２４…第１歪領域
２５…第１の円周
２６…第３の円周
２７…第２歪領域
２８…第２の円周
２９…第４の円周
３２、１３２…検出回路
Ｒ１、Ｒ１１…第１抵抗体
Ｒ１ａ…第１抵抗体第１部分
Ｒ１ｂ、Ｒ１１ｂ…第１抵抗体第２部分
Ｒ２、Ｒ１２…第２抵抗体
Ｒ２ａ…第２抵抗体第１部分
Ｒ２ｂ、Ｒ１２ｂ…第２抵抗体第２部分
Ｒ３、Ｒ１３…第３抵抗体
Ｒ３ａ…第３抵抗体第１部分
Ｒ３ｂ、Ｒ１３ｂ…第３抵抗体第２部分
Ｒ４、Ｒ１４…第４抵抗体
Ｒ４ａ…第４抵抗体第１部分
Ｒ４ｂ、Ｒ１４ｂ…第４抵抗体第２部分
４１、２４２…電極部
ＶＤＤ…電圧
ＩＤＤ、Ｉｔｅｍｐ…電流
Ｖоｕｔ、Ｖｔｅｍｐ…検出出力
９２…接続配線
７０…基板部
２６０…温度検出回路
ＲＴａ…温度第１部分
ＲＴｂ…温度第２部分
３８０…温度補正部
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ…流路
１４…抑え部材
２０…ステム
２０ａ…側壁
２１…フランジ部
２２ａ…内面
２２…メンブレン
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
２３…外縁部
２４…第１歪領域
２５…第１の円周
２６…第３の円周
２７…第２歪領域
２８…第２の円周
２９…第４の円周
３２、１３２…検出回路
Ｒ１、Ｒ１１…第１抵抗体
Ｒ１ａ…第１抵抗体第１部分
Ｒ１ｂ、Ｒ１１ｂ…第１抵抗体第２部分
Ｒ２、Ｒ１２…第２抵抗体
Ｒ２ａ…第２抵抗体第１部分
Ｒ２ｂ、Ｒ１２ｂ…第２抵抗体第２部分
Ｒ３、Ｒ１３…第３抵抗体
Ｒ３ａ…第３抵抗体第１部分
Ｒ３ｂ、Ｒ１３ｂ…第３抵抗体第２部分
Ｒ４、Ｒ１４…第４抵抗体
Ｒ４ａ…第４抵抗体第１部分
Ｒ４ｂ、Ｒ１４ｂ…第４抵抗体第２部分
４１、２４２…電極部
ＶＤＤ…電圧
ＩＤＤ、Ｉｔｅｍｐ…電流
Ｖоｕｔ、Ｖｔｅｍｐ…検出出力
９２…接続配線
７０…基板部
２６０…温度検出回路
ＲＴａ…温度第１部分
ＲＴｂ…温度第２部分
３８０…温度補正部
Claims (4)
- 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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、
前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体は、それぞれ、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である第２部分と、を有し、
前記第１抵抗体の第１部分と前記第３抵抗体の第１部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されており、
前記第１抵抗体の第２部分と前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれており前記第１の円周とは異なる第３の円周上に配置されており、
前記第２抵抗体の第１部分と前記第４抵抗体の第１部分とは、前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されており、
前記第２抵抗体の第２部分と前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第２歪領域に含まれており前記第２の円周とは異なる第４の円周上に配置されている圧力センサ。 - 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方向の歪特性を生じる第１歪領域に配置される第１抵抗体および第３抵抗体と、前記第１歪領域とは逆方向の歪特性を生じる第２歪領域に配置される第２抵抗体および第４抵抗体とを含み、前記第１～第４抵抗体によるブリッジ回路を形成する検出回路と、を有し、
前記第１抵抗体、前記第２抵抗体、前記第３抵抗体および前記第４抵抗体は、それぞれ、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である第１部分と、前記第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ第２部分と、を有し、
前記第１抵抗体の第１部分と、前記第３抵抗体の第１部分と、前記第１抵抗体の第２部分と、前記第３抵抗体の第２部分とは、前記第１歪領域に含まれる第１の円周上に配置されており、
前記第２抵抗体の第１部分と、前記第４抵抗体の第１部分と、前記第２抵抗体の第２部分と、前記第４抵抗体の第２部分とは、前記第１の円周と同心で前記第２歪領域に含まれる第２の円周上に配置されている圧力センサ。 - 前記メンブレン上において前記第１～第４抵抗体のいずれの配置位置より圧力による変形が小さい位置に配置されており、正の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第１部分と、前記温度第１部分に直列接続されており負の温度抵抗係数を持つ抵抗である温度第２部分と、を有する温度検出回路を有する請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
- 前記温度検出回路の出力を用いて、前記検出回路の出力を補正する温度補正部を有する請求項３に記載の圧力センサ。
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