JPH039232A - 圧力検出方法および圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は圧力検出方法およびその方法を用いた圧力セン
サに関し、更に詳しくは相対向する２つま電極から構成
される一対、またはそれ以上の複数対の電極部を有し、
各電Ｉの間に流れろ電流値、または、対向する電極間に
印加する印加電圧が電極間距離の変化により変動するこ
とを利用して圧力の検出を行うようにした圧力検出方法
ならびにその方法を用いた圧力センサと、圧力の変動を
距離変動に変換する変換機構に関する乙のである。

（ロ）従来の技術 従来のこの種の圧力検出方法を用いた圧力センサとして
は、　■水銀、水、油などの液性の長さの圧力による変
位により検出を行うマノメータ、■Ｎｉ−Ｃｒ、Ｆｅ−
Ｎｉなどの金属片を用いて圧力変動により生じたひずみ
により変化する抵抗値より検出を行うひずみゲージ、 ■圧力変動により生じたひずみによって素子内部の分子
構造に分極が起こる結果、素子に電圧が生じる圧電効果
を利用する圧電素子など、■圧力の減少にともない熱伝
導度が低下することをｆＩＪ用してＮｒＣｒ−Ｎｉなど
の金属線の温度により変化する熱起電力を検出する熱電
対真空計、ピラニゲージなど、 ■放電が開始される電圧が圧力に依有することを利用し
たガイスラ管、 ■気体の電離現象を利用した電離真空計などがある。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかし、上記従来の方法では、例えば■のマノメータで
は、小型の素子を構成することは困難であり、■のびず
みゲージ、■の圧電素子などでは、各々の素子に特有の
感度が、その材料定数、形状などから一意的に決まって
しまうため、−個の素子から異なった感度を得ることは
期待できない。

また、■、■の方法では、センシングを行う圧力の範囲
が限定されてしまうといった欠点があった。このような
ことから、小型の圧力センサで、高感度の圧力検出がで
き、かつ圧力の検出範囲が広くとれて一個の素子で異な
った感度を得られるものが望まれていた。

本発明は、従来に提案されていない新しい圧力検出方法
と、それを応用した圧力センサ（素子）について提案す
るものである。

（ニ）課題を解決するための手段 請求項第１項、第２項、第３項の発明に係る圧力検出方
法は、上記の問題を解決するために２つまたはそれ以上
の電極を、ある微小なギャップ間隔をあけて対向させて
、これら電極間に電圧を印加した時に流れる電流、例え
ばトンネル電流または電界放出電流などを利用して圧力
の検出を行うことを特徴とするものである。

すなわち、請求項第１項の方法では、圧力の変動により
電極間の距離が変化したときに、電極間に印加する電圧
を一定または制御した状態で、電流値の変化を検出する
ことにより圧力検出を行う。

請求項第２項の方法では、圧力の変動により電極間の距
離が変化した時に電極間に流れる電流値を一定または制
御した状態で、電圧値の変化を検出することにより圧力
検出を行う。

請求項第３項の方法では、圧力の変動により電極間の距
離が変化した時に、電極間に印加する電圧および電極間
に流れる電流値を一定または制御した状態に保つために
、ｉＪ電極間距離を変動さ仕るための電極間変化補正手
段、たとえば圧電素子などにより電極間の距離を変動さ
せて、このとき距離変動手段を駆動するための信号を検
出することにより圧力検出を行う。

請求項第４項、第５項、第６項の発明では、上記請求項
第１項、第２項、第３項に述べた圧力検出方法を応用し
た圧力センサでは、電極を、バネ鋼などの金属、セラミ
ックス、プラスチックス、合成樹脂などからなる弾性材
を含めた固定部材で支持し、素子に加わった圧力により
、これら弾性部材が弾性変形を起こすことにより電極間
の距離の変化に変換することを特徴としている。

また、特に、請求項第６項の圧力センサでは、該センサ
に電極間距離を補正するための電極間距離変化補正手段
を有することを特徴としている。

このように上記の圧力検出方法を用いて圧力センサを構
成することにより、小型の素子を構成することか可能と
なり、また電極間に流れる電流の特性は、例えばトンネ
ル電流の場合、電極間に印加する電圧の大きさにより電
照間距離に対する電流値の変化率が変化するので、印υ
０電圧により、圧力センサの感度が変化できろ。また、
圧力センサを構成する電極、固定部材の材質や形状を変
化させろことによっても圧力センサの感度およびセンシ
ングできる圧力の範囲か変化できる。

さらに、請求項第７項の発明は、素子の距離変化によっ
て圧力の変化を検出する圧力センサ、例えば請求項第１
項、第２項、第３項の検出方法を応用した圧力センサな
どで、これは素子の一部に弾性ヒンジ機構を用いること
により素子にかかる圧力による素子の変位を拡大して伝
達を行うものである。

請求項第８項の発明は、素子の距離変化、ひずみによっ
て圧力の検出を行う圧力センサで、素子を構成する部材
の強度に対して圧力が非常に大きい場合、素子の部材が
塑性変形し、圧力が除去された後も素子には残留歪が生
じることを利用して、素子が経験した圧力の検出を行う
ものである。

（ホ）作用 請求項第１項、第２項、第３項に示した圧力検出方法に
よると、相対向する２つの電極から構成される一対また
はそれ以上の複数対の電極部の各電極間に電圧を印加し
たときに流れる電流を検出して電極間の距離変化から圧
力を検出するので、この方法を用いた圧力センサとして
は非常に簡単な構造で小型のものが作製可能となり、圧
力検出の感度およびその範囲は、電極間の距離と電流と
の関係、素子の材質、形状などで決めることができる。

請求項第７項に示した弾性ヒンジ機構により、圧力によ
る素子の距離変化が拡大されるので、検出感度を向上さ
せることができる。

請求項第８項に示した素子によれば、非常に小型の素子
であっても非常に大きな圧力の検出を行うことができる
。

（へ）実施例 本発明を第１図ないし第１２図に示す実施例に基づき詳
述する。しかし、これによってこの発明が限定されるも
のではない。

本発明の圧力検出方法および圧力センサでは、圧力を検
出するための検出部としての電極の数は２個とは限らず
、２個以上の複数量であってもよい。特に、素子に加わ
る圧力が等方的でなく、これらの圧力の向きと大きさを
検出する場合には、それに応じた電極の数をもった素子
により検出を行う。

以下説明する実施例では、特に断りのない限り２個の電
極をもつ場合について説明を行うが、さらに多くの電極
をもつ場合であっても原理的には同じである。

第１図は本発明である圧力センサの動作原理を示した図
である。

圧力センサの構成は、基本的に電極部１ａ、１ｂと、電
極を固定する固定部２から成り、固定部２は外力が働く
前の状態で電極１ａ、１ｂを一定の距離ｄだけ離れた状
態に保ち、外力が加わったとき外力の大きさに応じて電
極間の距離をｄ＋△ｄに変位させる弾性部３を有する。

この際、弾性部３に加わる力Ｆと変位△ｄの関係が線形
の場合Ｆ＝ｋ・△ｄ　・・・・・（Ａ） なる関係式が成立する。ここで、ｋは弾性部３の変位方
向の全体でのばね定数である。

しかし、弾性部３の材質、構造により、（Ａ）式が成立
するとは限らない。また、固定部２は、弾性部３の他に
、電極間距離の変位に直接寄与しない支持部４をもって
いてもよい。

而して電極１ａ、ｌｂの間に電圧■を印加すると、電極
１ａ、ｌｂの間隔ｄが十分に微小であれば電極間に、例
えば、トンネル電流、電界放出電流などの電流■が流れ
る〔第１図（ａ）参照〕。このとき、電極の単位面積当
りから放出される電子の量、つまり電流密度Ｊは電界強
度Ｆに対してＪｏｃｅｘｐ（−１／Ｆ）なる関係をもつ
ことが知られており、電極間の印加電圧Ｖを一定とした
とき、Ｆ＝Ｖ／ｄであるので Ｊ　ｏｃ６Ｘｐ　（−ｄ　）・・・・・（Ｂ）か成り立
ち、電流密度Ｊは電極間距離ｄの変化に対して指数関数
的な変化を示す。

以上のような、電極間に流れる電流値を理論的に計算し
た例を第２図に示す。第２図は“ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ
　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ　　ＶＯＬ、３４．
　　ＮＯ，６（１９６３）　　Ｐ１７９３〜、のＪ、Ｇ
、ＳＩＭＭＯＮＳの論文［論文タイトル’Ｇｅ−ｎｅｒ
ａｌｉｚｅｄ　Ｆｏｒｍｕｌａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ　ＴｕｎｎｅｌＥｆｆｅｃｔ　　ｂｅｔｗ
ｅｅｎ　　５１ｍ１ｌａｒ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　
　５ｅｐａｒａＬｅｄｂｙ　ａ　Ｔｈ１ｎ　Ｉｎｓｕｌ
ａｔｉｎｇ　Ｆｉｌｍ”］をらとにして、大阪大学工学
部精密工学科、森勇蔵教授の研究室でシミュレーション
計算を行った計算結果である。

第２図（ａ）は上記シミュレーション計算を行うための
電極のモデルを示している。モデルとして一方を平板の
電極１２Ｌとし、もう一方の電極を先端曲率半径Ｒの回
転楕円体状の電極１ｂとし、これらの電極１ユとｔｂが
距離ｄを隔てて対向しており、平板層ｉ１ａが電極１ｂ
に対して負の電圧−■に印加されているものとする。

このとき、電極ｔｂより電極１ａに流れる電流値を第２
図（ｂ）、　（ｃ）、　（ｄ）に示す。また、これら図
中に計算の条件を記す。φ１は電極１ａの仕事関数、φ
、は電極１ｂの仕事関数、■は電極１ａ、ｔｂ間の印加
電圧、Ｒは回転楕円体状の電極１ｂの先端曲率半径を示
す。

この際、第２図（ｂ）は、電極１ａ、Ｉｂ間の印加電圧
Ｖを０．０１ボルト、０．１ボルト、１ポルトと変化さ
せた場合の電極間距離ｄの変化に対する電流値Ｉの変化
を示している。

ここで、電極の材質としてタングステンＷでは仕事関数
φは、φ＝　４．５５ｅＶ　（エレクトロン・ボルト）
、Ａｕではφ＝５．ｌｅＶ程度であり、この仕事関数に
より電極間を移動する電子か受けるエネルギー障壁の高
さが決まり、Ｉ−ｄ特性がφにより変化する。

使用する電極材料としては、他にＭＯあるいはＷ−Ｒｅ
、Ｗ−Ｏｓ、Ｗ−Ｔｒなどの合金や、アルカリ・アルカ
リ土類金属、希土類金属を基調とするもの、およびそれ
らにＢａＯやＺｒＯの単原子層を吸着または含浸さ仕た
もの、その他の金属及び■族、■−■族、ＩＩ−ＶＩ族
の半導体、導電性のセラミックスや高分子材料を用いる
ことができる。

第２図（ｃ）は平板電極１ａの材質を変えて仕事関数φ
、を４ｅＶ、５ｅＶ、６ｅＶと変化させた場合の電極間
距離ｄの変化に対する電流１直Ｉの変化を示している。

シミュレーションの条件は第２図（Ｃ）中に示した通り
である。

第２図（ｄ）は、回転楕円体状の電極１ｂの先端曲率半
径Ｒを１００人、１０００人、１μｍ、ｌ０４ｏ＋＋と
変化させた場合の電極間型Ｍｄの変化に対する電流値■
の変化をシミュレーション計算によって示した乙のであ
る。この際のシミュレーションの条件は、第２図（ｄ）
中に示した通りである。

以上のシミュレーション結果かられかるように、第２図
（ｂ）、　（ｃ）、　（ｄ）によれば電極間距離ｄの変
化に対して、流れる電流の値Ｉは指数関数的な変化を示
す。

また、印加電圧、電極の材質、電極の形状により電極間
型ｔ！ｌｉｄに対する電流値［の対数１ｏｇ［の傾きは
相異なることがわかり、上記の３つの条件のうちのどれ
かを変えて、他は同一の素子を作製すれば距離ｄの変化
に対する電流値■の感度が異なる素子を得ることができ
る。

例えば、同一の素子を用いて電極間の印加電圧■を変化
さ仕れば同じ素子て感度の異なるものが得られる。

また、電極１ａ、Ｉｂ間に印加する電圧の極性を上記シ
ミュレーションでは電極１ａを電極【ｂに対して負の電
圧としたが、逆の極性であっても、前記の場合と比べ、
若干の感度の変化を示すものの、同様に、■はｄに対し
て指数関数的変化を示す。

第１図（ａ）で説明したような構造をもつ素子を用いた
場合、２つの電極１ａとＩｂが十分に近づいていれば、
電極間に電圧を印加すると、第２図で説明したような特
性をもつ電流が流れる。

すなわち、第１図（ａ）では素子に力が動いておらず電
極間の距離りはＤ＝ｄで一定しており、この時電流値■
の電流が流れる。

次に、第１図（ｂ）で示したように、素子の電極ｌａと
１ｂを接近させるような方向で素子に圧力ＦＩが加わる
と固定部２の中の弾性部３が変形して△ｄ１だけ縮む。

このとき電極間の距ＨＤはＤ＝ｄ−△ｄ１となり、電流
値は、指数関数的に増加して■＋△ｒｌとなる。

逆に、第１図（ｃ）で示したように、素子の電極ｌａと
１ｂを引き離す方向で素子に圧力Ｆ、が加わると、固定
部２の中の弾性部３が変形して△ｄ、たけ伸長し、電極
間型ＨＤはＤ＝ｄ＋△ｄｔとなり電流値は指数的に減少
して■−△１、となる。

以上、説明したように、第１図（ａ）の素子に圧力がか
かるに従って素子は変形し、Ｔ１１極間距離が変化する
。このとき、電極間の印加電圧を一定とすると流れる電
流値は電極間の距離変化に応じて増減する。したかって
、印加電圧を一定にした状態でこの増減する電流値を検
出することによって、素子に加わる圧力を高感度にセン
ソングすることが可能となる。

また、逆に、１４流値が常に一定となるように印加電圧
を制御し、この電圧値の変化を検出することによっても
同様に、素子に加わる圧力のセンシングを行うことがで
きる。以上に述べたような電流、電圧の制御を行う制御
系の例は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などでよく紹
介されている。

なお、第２図のシミュレーション計算では、方の電極を
平板とし、もう一方の電極を回転楕円体としたが、それ
によって圧力センサの電極形状を制限するものではない
。電極の形状、大きさは、圧力センサとして要求される
感度特性を満たすものであれば良く、必要に応じて任意
の形状を取れば良い。

第３図（ａ）〜（ｇ）に電極Ｌａ、ｌｂの形状の例をそ
の断面で示す。

第３図（ａ）は、平面形状の平板電極であり、最も製作
が容易であり、例えば基板上に蒸着、電鋳などによって
形成することができる。

第３図（ｂ）は、半球状のドーム型電極であり、素子が
変位した際に電極が傾いても、その傾きに依存せずに球
の中心から対向する電極までの距離の変動のみで電流値
が決まり、電極の傾きによる誤差等が生じにくい。

第３図（Ｃ）は、第２図のシミュレーションで述べた回
転楕円体状の電極である。

第３図（ｄ）、　（ｅ）、　（Ｄは、断面の形状か三角
形状になるものであり、対向する電極との組み合わせに
より、電極間距離と電流との関係に変化を与えることが
できる。

第３図（ｇ）は、半球状の凸部を多数形成してなる電極
で、その表面積を大きく取るように工夫したものである
。第３図（ｈ）は電極の平面図で、そのｇ−ｇ断面か第
３図（ｇ）に示した図である。

以上に述べた電極形状以外にら様々のものが考えられ、
これらの電極をうまく組み合わけて用いることにより圧
力検出の感度、素子全体の形状、圧力検出の方向性、加
工性などの点で特性の異なるものが作製可能であり、用
途に合った最適のものを設計すればよい。

以上に述べた圧力検出方法を応用した圧力センサの実施
例について、第４図から第９図までを用いて説明する。

第４図はこの発明における圧力センサの第１実施例を示
す。

第４図の例では、回転楕円体状の電（Ｊｉｌａおよび［
ｂがそれぞれ、楕円断面形状の弾性部３２Ｌ、３ｂに固
定され、これらが、リング状の支持部４を介して接合さ
れた構造を持っている。弾性部３ａ、３ｂは、例えばプ
ラスチックスなどの高分子材料、ゴム、あるいはＡｌ、
Ｃｕ、Ｚｎなどの金属やセラミックスなどを材質とした
薄膜でできている。支持部４は弾性部３よりも剛なる材
質のものを使用して、偏平なカプセル状とする。

このような素子の形状のために、素子に等方向な圧力が
加わっても、この圧力の変化は電極間の距離の変化とし
て効率よく変換される。

また、弾性部３ａ、３ｂの材質として導電性の材料を用
いた場合、電極１２Ｌおよびｌｂとこれらに対応する弾
性部３ａおよび３ｂの間、または弾性部３ａと３ｂの間
に、電気的な絶縁体を配することを必要とする。

さらに、電極１ａと弾性部３ｉｌＬ、電極１ｂと弾性部
３ｂをそれぞれ一体として構成することも可能であり、
この場合には支持部４の材質として電気的な＠縁材料、
例えば、Ｓ　ｉ　Ｏｖ、　Ａ　ｌ　ｔｏｓ、ゴム材料、
プラスチックスなどを用いれば良い。

第４図（ａ）の素子の圧力による変形を第４図（Ｃ）お
よび（ｄ）に示す。電極１２Ｌ、ｌｂを、接近させるよ
うな方向で素子に圧力Ｆ、が加わったり［第４図（Ｃ）
参照］、引き離す方向で素子に圧力Ｆ、が加わったり［
第４図（ｄ）］して変形する様子は第１図の原理図です
でに説明しており、重複するので説明を省略する。また
、この素子を含め以下に紹介する素子に、保護膜を塗布
、コーティングすることにより素子の耐環境性を向上さ
せることができる。

第５図はこの発明における圧力センサの第２実施例を示
す。

第５図の応用例では、電極１ａ、ｌｂは支持部４ａ、４
ｂに固定されたうえで、支持部４ａ、４ｂよりも柔軟な
材質でできた弾性部３で連結された構造の素子を示して
いる。

第５図（ａ）の素子の圧力による変形を第５図（ｂ）お
よび（ｃ）に示す。第５図（ｂ）では素子に加わる圧縮
の力Ｆ、が、電極間距離を垂直に縮める方向に加わり、
弾性体３が、その軸方向（弾性体の長手方向）に変形し
て電極間距離を縮める。

また、第５図（ｃ）は、逆に索子に引っ張りの力Ｆ、が
働き、−弾性体３が軸方向に伸長し電極１ａ。

１ｂを引き離す。

第５図の例では、弾性体３に加わる軸方向の力により素
子の変形が起こる例であったか、軸方向と垂直な方向（
弾性体の短手方向）に力がかかることにより、対向する
電Ｉの重なり合う面積が変化して圧力を検出できる圧力
センサの第２実施例を第６図に示す。

第６図の例の素子では第５図のものとほぼ同じ構造をと
っており、断面でみると、支持部４ａ。

４ｂが電極部１ａ、Ｉｂと弾性部３ａ、３ｂを互いに連
結する部分１０４ａ、１０４ｂと、弾性部を覆うように
して弾性部３ａ、３ｂの軸方向と平行にある部分１０４
ｃ、１０４ｄとからできており、Ｌ字型を成している。

第６図（ｂ）、　（ｃ）に示したように、このＬ字型の
支持部４ａ、４ｂの、弾性部３ａ、３ｂの軸方向と平行
な部分１０４ｃ、１０４ｄに軸方向に垂直な方向に圧縮
力Ｆ、あるいは引っ張り力Ｆ、が加わると弾性部３ａと
３ｂは軸方向と垂直な方向に曲がり、その結果、電極１
ａとｔｂの対向して重なり合う面積がＳから、Ｓ−△Ｓ
、あるいはＳ−へＳ、に変化し、また、同時に図示はし
ていないがＩＩ電極間距離ｄも若干変化するために、素
子に加わった圧力の変化により、電極間に流れる電流値
か変化することを利用して圧力を検出できることになる
。

第７図の応用例では、電極１ａ、ｌｂが弾性部３ａ、３
ｂ上に固設され、この弾性部３ａ、３ｂが支持部４によ
り連結された構造をとっている。

第７図（ｂ）、　（ｃ）に示した、電極１ａ、ｌｂの隔
離された方向に圧縮の力Ｆ３．引つ張りの力Ｆ２が働く
と、弾性部３ａ、３ｂは、電極の距離方向に曲げ変形を
起こす結果、電極間の距離が変化することになる。

第８図の応用例では、固定部全体が圧縮の力Ｆ１．引っ
張りの力Ｆ、によってｉｉ極間距離の変化に寄与する変
形を引き起こし、それぞれ第８図（ｂ）、（Ｃ）のよう
な変形をする。

第９図の応用例では、Ｓｉなどの半導体、または金属、
その他導電性材料の基板１１上に、数十〜１０００人程
度の厚さの酸化膜などの絶縁層１２と、電極１３順次を
形成した素子を示し、さらに素子の保護のために表面に
保護膜■４をもうけている。

このような構造の素子で、電［＋１３と基板１１間に流
れる電流については、例えば、ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶ
ＩＥＷ　Ｂ　ｌ１０Ｌ、２５　ＮＯ，１２（１９８２）
　Ｐ７１７４〜”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｌｅｓｔ
　ｏｆ　ｑｕａｎｔｕ＋Ｉｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　
ｉｍａｇｅ（ｏｒｃｅｔｈｅｏｒｙ″ｂｙ＾、Ｈａｒｓ
ｔｅｉｎ、　Ｚ、Ａ、Ｙｅｉｎｂｅｒｇ他゛にＡｌ−５
ｉｏ、−Ｓ　ｔ、Ａｕ−５ｉｏ、’−９ｉの素子に流れ
るトンネル電流について、Ａ　Ｉ　　Ｓ　ｉＯ、。

Ａｕ５ｉＯｔ界面の障壁の取り扱いについて述べられて
いる。特に、絶縁層として微細な空孔を多く含む層を持
った酸化膜や材質的に柔軟な材料、例えば、ゴム材料、
プラスチックスなどによる膜形成を行うことにより、素
子の感度を向上することができる。

すなわち、第９図の例では、第９図（ｂ）で示したよう
に、一方向からの力Ｆが加わったとき、基板２、絶縁層
１２、電極１３がともに変形を起こし、その結果、基板
ＩＩと電極１３間に流れる電流か変化する。

この時の電流が変化する原因として、 （ｉ）上記のような基板１１と電極１３間の距離の変化
によるものや、 （１１）基板１１と電極１３自身が変形するためや、（
ｉｉｉ）基板２と電極１３間の電界強度分布が変化する
ことによる影響、 （ＩＶ）基板１Ｋ、絶縁層１２、電極１３が各々変形し
た時の内部の歪みにより、基板１１、絶縁層１２、電極
１３の電子のエネルギー状態が変化することによる影響
などが考えられる。これらの原因により、素子に圧力が
加わった時の基板２と電極１３の間に流れる電流を検出
することにより、圧力の大きさを検知するこが可能とな
る。第９図のような素子では、特に小形化、微細化が可
能となる。

以上、述べてきたように、相対向した一対の電極部と、
電極を支持する弾性部を含む固定部で構成される簡単な
素子を用いて、電極間に流れる電流を利用して圧力セン
サを構成することができ、また、電極、支持部材、弾性
部材の材質、形状などを変えることによって感度の異な
ったセンサか実現可能である。

第１０図は第１図で説明した圧力検出方法で用いた素子
の構造で、電極１ａ、Ｉｂのどちらか一方、または両方
に電極１ａと１ｂの間の距離を調整するための電極間距
離変化補正手段５、例えば圧電素子を電極と固定部の間
に配した構造の素子を用いた圧力検出方法を説明するた
めの図である。

第１０図に示した素子では、電極１ａとＩｂ間に印加す
る電圧Ｖを一定として、電ｉ１ａとＩｂ間に流れる電流
■を検出する。そして、この電流■と基準電流値Ｉ０と
の差Ｔ−ｔ、を零とするように、言いかえると■が常に
基準電流値■。で一定となっているように電極ｌλとＩ
ｂ間の距離を一定の距離ｄ。に保つために上記電極間距
離変化補正手段５によってｉ極１２Ｌ、Ｉｂ間の距離を
調整する。

例えば、第１０図（ｂ）に示すように、素子に外部から
の圧力Ｆが加わり、弾性部３が△ｄだけ電極１ａ、ｌｂ
間の距離を縮める方向に変位したとき、この変位Δｄを
打ち消すために、圧電素子５が△ｄだけ収縮することに
より電極間距離を一定（ａｄｏに保持できる。このとき
の圧電素子５を△ｄだけ収縮させるために圧電素子５に
入力した信号を検出することにより逆に素子に加わった
圧力Ｆか検出されることになる。

第１Ｏ図で説明した圧力検出方法により、第４図から第
９図までに示した応用例で用いたのと同様の素子であっ
て、その素子中の電極と固定部の間に少なくとも１つの
電極間距離変化補正手段５を設けることによって圧力の
検出が行われる。また、さらに圧力センサが電極間距離
変化補正手段５を有することにより、電極１ａ、ｌｂ間
の距離の週整補正を容易に行うことができるという効果
ら同時に発生する。

第１１図は素子にかかる圧力の変化を素子の変形に変換
するために、弾性ヒンジ機構を用いた例である。

第ｔｉ図（ａ）に図示した素子は、素子にかかる圧力の
変位を拡大して素子内の点０１１点Ｏ１間の変位として
伝達する例を示している。素子は、変位に寄与せず、池
の部材よりも剛性の高い支持部４１．４２．４３と、素
子外部から圧力を直接受けて変位を起こす弾性部４４と
、支持部４１４２．４３と弾性部４４にヒンジ部４５．
４６を介して連結されたてこ部４７からできており、素
子に加わった圧力により生じた弾性部４４の変位を、ヒ
ンジ部４６を通して、てこ部４７中の点Ｐ１へ伝達する
。このとき、てこ部４７は支持部４１゜４２．４３に対
して、ヒンジ部４５を中心として回動可能に連結されて
いるので、てこ部４７はヒンジ部４５の中心の点Ｐ。を
中心として回転し、点Ｐ、の変位を点Ｐ！へＰ、Ｐ、／
Ｐ、Ｐ、倍に拡大して伝達する。このとき、例えば、点
Ｐ、の下方の点Ｏ１゜点Ｏ１に電極を配して第１図、第
２図で説明した圧力検出方法を実行することにより、圧
力検出の感度を向上させることができる。

また、点０１１点０．間に電極のかわりにその他の方式
の圧力センサのうち、変位の検出により圧力の検出が行
えるものを配することによっても、従来の圧力センサの
感度が向上する。

第１１図（ｂ）に示した素子は、素子にかかる圧力を拡
大して素子内の点０．，０．の間に伝達するものである
。素子の構成は第１１図（ａ）とほぼ同じであり、その
働きが同じ部分に同じ番号を用いである。第１１図（ａ
）と異なる点は、力のかかる力点Ｐ１と、検出を行う作
用点Ｐ、の位置関係だけである。

すなわち、第１１図（ｂ）で素子に圧力が加わると、ヒ
ンジ部４６を伝わった変位△ｄ、と力Ｆ、はてこの原理
によって点０１１点０４間に縮小あるいは拡大して伝達
され、変位△ｄ！は△ｄ　ｓ　＝　（ＰｏＰｔ／　Ｐｏ
Ｐ　＋　）　ｘ△ｄ１に、力Ｆ！はＦ　ｔ＝　（ＰｏＰ
、／　Ｐ、Ｐ、）ＸＦ、となる。

従って、点ｏ３、点０４間に、圧電素子などの圧力セン
サを配することにより、感度の向上を行うことが可能と
なる。

さらに、上記変位、圧力の拡大あるいは縮小の関係を前
述とは逆に利用することにより、大き過ぎる変位を、圧
力センサの使用可能な範囲へ縮小したり、大き過ぎる圧
力を圧力センサの使用可能な範囲へ縮小する応用法も考
えられる。

上記実施例の構造体を、電子ビーム加工、イオンエツチ
ング、フォト・リソグラフィーなどの除去的な微細加工
技術と、蒸着、電鋳、スパッタリング、ＣＶＤなどの耐
着的な微細加工技術を用いて製造することにより、極め
て小型な圧力センサの作成が可能となり、また、この圧
力センサを多数配列することにより、圧力の分布をイメ
ージ化することが可能である。

また、上記第１図から第１１図までに示した例では、素
子にかかる圧力による弾性部の変位は、常に弾性的な変
形を意味していた。従って、圧力を除去した後に素子は
もとの状部に戻る。

一方、第１１図までに示した同様の素子で、弾性部が塑
性変形を起こすような強大な圧力が加わる時、圧力の除
去後、素子には第１２図に示Ｖたような残留ひずみが生
じて元の状態にもどらない。

この残留ひずみによる素子内の電極間の変位を第１図、
第２図で述べたのと同様な方法で検出して、圧力センサ
がおかれていた環境で経験した最大の圧力の値を第１２
図に示した応力とひずみの関係が正確にわかっている材
料、たとえば、Ｆｅ。

Ｃｕなどを弾性部に用いることによって検出が可能とな
る。

（ト）発明の効果 以上のようにこの発明によれば、対向した電極間に流れ
る電流が電極間の距離の変化に対して指数関数的に変化
することを利用して、素子にかかる圧力が、素子を変形
させて、電極間の距離を変位させるときの電流の変化を
検出することにより、素子にか、かった圧力の検出が可
能となる。

また、この方法を用いて、素子を構成する材質、形状、
電極の形状、印加電圧などを変化させることによってセ
ンサの測定範囲、感度を容易に変えることができる。

また、塑性変形による残留ひずみを利用することにより
、素子から出たリード線が腐食されやすい雰囲気や強大
な圧力が加わる場合、移動体の受ける圧力を測定するた
めにリード線の取り付けが不可能な場合など、同時測定
が不可能な場合の圧力の検出が可能となる。

さらに、弾性ヒンジ機構を用いることにより。

素子の受ける変位、力を拡大、縮小して素子に適切な範
囲での測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す圧力検出方法を説明す
るための原理図、第２図（ａ）は上記実施例におけるト
ンネル電流の流れを示すための構成説明図、第２図（ｂ
）、　（ｃ）、　（ｄ）はそれぞれ上記実施例における
電極間に流れるトンネル電流のシミュレーション結果を
示す特性図、第３図は上記実施例における圧力検出方法
を用いた圧力センサに使用する電極を示す構成説明図、
第４図、第５図、第６図、第７図、第８図および第９図
は上記実施例における圧力検出方法を応用してなる圧力
センサの第■〜第６実施例を示す構成説明図、第１０図
は上記各実施例における電極間の距離変動手段を備えた
圧力検出方法を説明するための原理図、第１１図は上記
実施例における圧力検出方法により弾性ヒンジ機構を用
いて圧力または変位を拡大して検出を行う圧力センサの
一実施例を示す構成説明図、第１２図は素子の塑性変形
を利用する圧力検出方法を用いた圧力センサの変形部に
かかる応力とひずみの関係を示す特性図である。 １４・・・・・・保護層、 ４１．４２．４３・・・・・・支持部（非変形部）、４
４・・・・・・弾性部または変形部、４５．４６・・・
・・・ヒンジ部、 ４７・・・・・・てこ部 １０４ａ　、　１０４ｂ　、　１０４ｃ　、　１０４ｄ
　−支持部。 Ｉａ、ｌｂ・・・・・・電極、 ２・・・・・・固定部、 ３．３　ａ、３　ｂ、３　ｃ、３　ｄ−弾性部または変
形部、 ４．４ａ、４ｂ・・・・・・支持部（変形部を含む）ま
たは非変形部、 ５・・・・・・圧電素子（電極間距離変化補正手段）、
２・・・・・・基板、 １２・・・・・・絶縁層、 【３・・・・・・電極、 第 １ 図（ａ） 第 図 （ａ） （ｂ） 一５＝＝コー −４ｆζＮ− （ｅ） （ｆ） （９） （ｈ） ：＋’：　　２　１囚 （Ｃ’） （ｄ） 濱 冑 （ｂ） （Ｃ） 第１１７ （ａ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相対向する２つの電極から構成される一対またはそ
   れ以上の複数対の電極部を有する素子を用い、各電極間
   の距離が、素子に加わった圧力の変化によって変化した
   時に、上記各電極間に印加した定電圧により流れる電流
   値の変化を利用することによりその圧力の変化を検出す
   る圧力検出方法。 ２、相対向する２つ電極から構成される一対またはそれ
   以上の複数対の電極部を有する素子を用い、各電極間の
   距離が、素子に加わった圧力の変化によって変化した時
   に、上記各電極間に流れる電流値が一定になるように、
   電極間に印加する電圧値を変化させ、その時の電圧値の
   変化を利用することにより、その圧力の変化を検出する
   圧力検出方法。 ３、相対向する２つの電極から構成される一対またはそ
   れ以上の複数対の電極部と、各電極間の距離を変化させ
   るための電極間距離変化補正手段とを有する素子を用い
   、この素子に加わった圧力の変化によって電極間の距離
   が変化した時に、上記各電極間に流れる電流値と、上記
   各電極間に印加した電圧をともに一定に保つために、圧
   力変化による上記各電極間距離の変化を打ち消す方向に
   電極間の距離を変化させて電極間距離を一定に保つよう
   に、該電極間距離変化補正手段を駆動し、この時、該電
   極間距離変化補正手段に与えた駆動信号を利用すること
   により、圧力の変化を検出する圧力検出方法。 ４、相対向する２つの電極から構成される一対またはそ
   れ以上の複数対の電極部および各電極間の距離を弾性的
   に固定するための固定部材より成る圧力センサであって
   、該固定部材が圧力変化により弾性的に変形する材質、
   例えば、バネ鋼などの金属、セラミックス、プラスチッ
   クスなどの高分子材料などの材料から成ることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力検出方法
   を用いた圧力センサ。 ５、相対向する２つの電極から構成される一対またはそ
   れ以上の複数対の電極部および各電極間の距離を弾性的
   に固定するための固定部材より成る圧力センサであって
   、該固定部材が圧力変化により弾性的に変形する材質、
   例えばバネ鋼などの金属、セラミックス、プラスチック
   スなどの高分子材料などの材質より成る弾性部およびそ
   の弾性部よりも剛性の高い材料より成る剛体部から成り
   、圧力変化による電極間距離の変化が実質的に前記弾性
   部の変形によることを特徴とする請求項１ないし３のい
   ずれかに記載の圧力検出方法を用いた圧力センサ。 ６、相対向する２つの電極から構成される一対またはそ
   れ以上の複数対の電極部および各電極間の距離を弾性的
   に固定する固定部材と、圧力の変化によって変化しよう
   とする電極間の距離を一定に保つための電極間距離変化
   補正手段、例えば圧電素子とを具備することを特徴とす
   る請求項３記載の圧力検出方法を用いた請求項４または
   ５記載の圧力センサ。７、圧力の変動を距離の変化に変
   換する素子であって、前記の圧力の変動を距離の変化に
   変換する手段として、素子を構成する要素の中に、弾性
   ヒンジ機構を用いたことを特徴とする圧力−距離変換機
   構及びこの機構を用いた圧力センサ。 ８、圧力の変動を距離の変化に変換する素子であって、
   前記圧力の変動により、該素子の構成要素が塑性変形を
   起こし、圧力が変動した後に初期の圧力に復帰しても、
   該素子の一部の構成要素の距離は、初期の状態には復帰
   せず、素子が経験した圧力の大きさに応じて素子の構成
   要素に残留した距離の変化の大きさが変わり、それによ
   ってこの距離の変化により、該素子が経験した圧力変動
   の大きさを検知できる圧力センサ。