JPH08278217A

JPH08278217A - 高感度圧力センサ

Info

Publication number: JPH08278217A
Application number: JP9946895A
Authority: JP
Inventors: Yuuki Murayama; 勇樹村山
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1995-04-03
Filing date: 1995-04-03
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】気体の圧力変化を高感度に検出する圧力セン
サを提供する。【構成】気体の圧力変化を熱により検知するために、
焦電素子を圧力センサの気体流入用開口部に設置すると
共に該開口部に熱源を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、防犯装置、呼吸センサ
等に用いられる高感度圧力センサに関し、特に気体の圧
力変化を熱により感知する高感度圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】防犯上、扉の開閉を検出するため、空気
の振動を検出しうる圧電素子とインピーダンス変換回路
の組合せからなる空気圧変化検出器（圧力センサ）が開
示されている（特開平４−２０８８２７号公報、特開平
５−９１５９３号公報）。これによれば、微弱で極低周
波の空気振動を圧力−電気変換で検出できる。すなわ
ち、特開平４−２０８８２７号公報によれば、図４に示
すように、開口部１４を有する容器１０内において、圧
電素子１６の形状をストリップ状にすると共に、穴３２
に対して張り出すように片持ち式に支持すると、圧力変
化によって外気が矢印のように侵入して圧電素子１６が
振動し、これが電気的信号に変換されリード２４を介し
て出力される。一方、図６に示すように、焦電素子と電
磁弁制御回路の組合せからなる酸素供給装置が開示され
ている（特開昭６２−２７０１７０号公報、特開昭６３
−１４３０８２号公報）。焦電気は、結晶の一部を加熱
したとき焦電素子（結晶）の表面に現われる電気であっ
て、制御回路内の外部負荷を接続するとリード２４を介
して焦電流が出る。焦電素子１６は、被測定対象の空気
などが衝突するようにセンサー容器１０内に置かれる。
この構成では、焦電素子を反応させるものは気体の流れ
による振動ではなく、気体の流れによる温度の変化であ
る。焦電素子は温度変化に対する応答性がよく、呼吸に
応じてＯ₂を矢印のように鼻孔などに供給できる。しか
し、これらの従来技術の場合、温度変化により気体の流
れの存在の有無を検知するだけで、空気圧力の変動は検
出しない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記圧力−電気変換方
式の圧力センサは、感度が比較的悪い欠点がある。従っ
て、本発明の目的は、従来より、高感度の検出が可能で
あって、しかも、小型、軽量で壊れにくく、防犯装置、
医療用呼吸センサ等の用途に最適な高感度圧力センサを
提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の空
気圧変化検出器すなわち圧力センサの感度をさらに向上
させるため、外気の風上に熱源を配置し、焦電素子にあ
たるガス気体を強制的に暖めることによってこれを実現
した。これにより、従来の圧力−電気変換方式の圧力セ
ンサよりも感度の高い圧力センサを得られることを見出
した。すなわち、本発明の高感度圧力センサは、上面に
開口部を有する容器と、該容器の開口部の外側近傍に配
置された熱源と、該容器内の開口部直下に配置された焦
電素子と、該焦電素子に生じた電気的信号を取り出す電
極と、該電気的信号を処理する信号処理部とからなり、
該容器上面の開口部外側の圧力が高くなると、該熱源に
よって暖められた気体が該容器内に侵入して該焦電素子
を反応させ、一定の電気的信号を出力する。この構成に
よれば、圧力の正の変化を感知する。この圧力センサを
正圧センサと呼ぶ。

【０００５】また、本発明の高感度圧力センサは、他の
態様によれば、上面に開口部を有すると共に側面部に出
口部を有する容器と、該容器の開口部の外側近傍に配置
された熱源と、該容器内の開口部直下に配置された焦電
素子と、該焦電素子に生じた電気的信号を取り出す電極
と、該電気的信号を処理する信号処理部とからなり、該
容器側面の出口部外側の圧力が低くなると、該熱源によ
って暖められた気体が前記開口部から該容器内に侵入し
て該焦電素子を反応させ、一定の電気的信号を出力す
る。この構成によれば、圧力の負の変化を感知する。こ
のセンサを負圧センサと呼ぶ。

【０００６】さらに、別の態様によれば、気体が通過す
る開口部を有し、かつ、該開口部を通過した気体を排出
可能な室を有する容器と、該開口部の近くに配置され該
開口部を通る気体を熱する熱源と、該容器内に侵入した
気体が衝突するように前記室内に配置された焦電素子
と、該焦電素子に生じた電荷を電気的信号として取り出
す信号処理部とにより構成される。さらに、別の態様に
よれば、本発明の高感度圧力センサは、上面に開口部を
有する容器と、該容器の開口部の外側近傍に配置された
熱源と、該容器内の開口部直下に配置された焦電素子
と、該焦電素子に生じた電気的信号を取り出す電極とか
らなり、該容器上面の開口部外側の圧力が高くなると、
該熱源によって暖められた気体が該容器内に侵入して該
焦電素子を反応させ、一定の電気的信号を出力する。こ
の構成によれば、圧力の正の変化を感知する。この圧力
センサは正圧センサである。

【０００７】さらに、本発明の高感度圧力センサは、他
の態様によれば、上面に開口部を有すると共に側面部に
出口部を有する容器と、該容器の開口部の外側近傍に配
置された熱源と、該容器内の開口部直下に配置された焦
電素子と、該焦電素子に生じた電気的信号を取り出す電
極とからなり、該容器側面の出口部外側の圧力が低くな
ると、該熱源によって暖められた気体が前記開口部から
該容器内に侵入して該焦電素子を反応させ、一定の電気
的信号を出力する。この構成によれば、圧力の負の変化
を感知する。このセンサは負圧センサである。

【０００８】さらに、別の態様によれば、気体が通過す
る開口部を有し、かつ、該開口部を通過した気体を排出
可能な室を有する容器と、該開口部の近くに配置され該
開口部を通る気体を熱する熱源と、該容器内に侵入した
気体が衝突するように前記室内に配置された焦電素子と
により構成される。なお、前記開口部の外の圧力上昇を
検出するために、焦電素子を配置した室内の液体を平衡
的に移行させるか、該室内に留めるようにしてもよく、
また開口部を有する室が、吸引源に接続可能な出口部に
連通し、該出口部の外側の負圧により気体が開口部を介
して前記室に侵入するようにしてもよい。

【０００９】

【作用】図１を参照して本発明の圧力センサの作用を説
明する。センサ容器１０は、外部からの電磁誘導による
静電ノイズ、電磁ノイズの影響を考え、導電性が高く、
かつ、透磁率の高い材料で作ることが望ましいが、ある
程度の強度と耐食性をもっていれば十分である。例え
ば、一般的な炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金
等を利用できる。センサ容器１０は、熱源側開口部１４
と側面開口部すなわち出口部１８とを有する。熱源１２
は、センサ容器内の温度より好ましくは２０℃以上、少
なくとも１０℃以上高ければ十分な感度が得られる。あ
まり熱源１２の温度を高くするとエネルギー消費量が増
えて好ましくない。熱源１２には公知の発熱体を用いる
ことができるが、低消費電力、高耐久性、小型軽量、低
価格である点から、チップ抵抗の使用が好ましい。チッ
プ抵抗では消費電力１５０ｍＷ程度で実現できる。熱源
１２はセンサ容器１０の熱源側開口部１４の外側近傍に
配置される。熱源１２によってセンサ容器１０の温度が
上昇しないように、センサ容器１０と熱源１２の間を隔
離して空気層を挟むか、断熱材を挟むことが望ましい。

【００１０】正圧センサの場合、センサ容器１０の熱源
側開口部１４は、外気圧の正の変化による外部からの気
体の流れが熱源を通って直接焦電素子１６に十分に当た
るようにすることが感度向上の点から望ましい。外部か
ら流入した気体は、センサ容器１０内に留まるか、極め
てゆっくりした動きで流路１９を介して所定体積部へ流
通させる。負圧センサの場合、流路１９を介してセンサ
容器１０内の気体が吸引されて開口部１４から気体が流
入する。しかし、側面側開口部１８からの逆流で焦電素
子１６を冷却したりすると誤動作する可能性があるの
で、側面側開口部１８の大きさ、位置、焦電素子１６の
配置等に注意を要する。

【００１１】焦電素子１６は公知のものが利用できる。
例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バ
リウム（ＢａＴｉＯ₃）、ＰｂＴｉＯ₃、ＬｉＮｂ
Ｏ₂、ＬｉＴａＯ₃、ＳＢＮ、ＢａＳｒＮｂＯ₆、Ｐｂ
₅Ｇｅ₃Ｏ等の材料を用いることができる。焦電素子１６
はセンサ容器１０内の熱源側開口部１４直下に配置され
る。なお、焦電素子の保持は、本発明の実施例では片持
ち式で説明したが、片持ち式に限定されず、電極間から
電気的信号を取り出す構造がとれればよい。正圧センサ
では、該センサ容器１０上面の熱源側開口部１４の外側
の圧力が高くなると、該熱源１２によって暖められた気
体が該センサ容器１０内に侵入して、該焦電素子１６を
反応させ、一定の電気的信号を該電極２０ａ、２０ｂ間
に出力する。負圧センサでは、該センサ容器側面側開口
部１８の外側の圧力が低くなると、該熱源１２によって
暖められた気体が該センサ容器１０内に侵入して、該焦
電素子１６を反応させ、一定の電気的信号を該電極２０
ａ、２０ｂ間に出力するようにして、圧力の負の変化を
感知する。焦電素子１６の機能により電極２０ａ、２０
ｂ間に発生した特定の電気的信号が、信号処理部２２内
の電子回路で増幅・検知される。信号処理部２２は、通
常はセンサ容器の外部にあって、例えばプリント基板上
に設けられる。しかし、センサ容器１０内のスペースが
許せば、信号処理部２２をセンサ容器１０内に設けても
よい。

【００１２】焦電素子１６が発生する電気的信号は微弱
であるので、通常増幅する必要がある。このために、セ
ンサ容器１０内に、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）
およびリーク抵抗を配置するのが好ましい。しかし、こ
のＦＥＴ等をセンサ容器の外の信号処理部２２に配置す
ることも可能である。また、焦電センサ１６からの信号
の直流成分は外部の温度変化などの気圧の変化以外の要
因に影響されるので、信号処理部２２では、ローカット
フィルタ回路を使用した方がよい。さらに、高周波のノ
イズを除去することが望ましいので、ハイカットフィル
タも使用した方がよい。増幅回路に０．１から１００Ｈ
ｚ程度の周波数信号のみを増幅するバンドパスフィルタ
を用いるとなおよい。増幅率は７０ｄＢ程度で十分であ
る。焦電素子１６からの電気的信号により検出した圧力
変化は、バンドパスフィルタで増幅された後、コンパレ
ータで、ある閾値を信号が超えたか否かがアナログ処理
的に判断され、その結果が出力される。この出力信号を
用いて例えば、トランジスタ、リレー等を作動させるこ
とができる。なお、負圧センサーの場合、チューブなど
の流路１９を介して特定の箇所から吸引を行うときに
は、図１のように熱源１２を開放のまま設置してもよい
が、周囲空気の負圧を検出するような場合は、熱源１２
の周囲空間は、流出空気に影響されない密閉空間とす
る。

【００１３】

【実施例】以下、図２、図３に基づき本発明による圧力
センサ、すなわち、空気圧変化検出器の一実施例を説明
する。該空気圧変化検出器の慨略構成を示した図２にお
いて、透孔３２を有するアルミナ、セラミックスまたは
エポキシ樹脂等で形成された基板３０に、チタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸バリウム（ＢａＴｉ
Ｏ₃）等の焦電セラミックスを厚さ３００μｍ以下のス
トリップ状に成形加工した焦電素子１６が片持ち式に取
り付けられている。該焦電素子１６の両面に金、銀また
はニッケル等の金属が蒸着法等により形成されてなる電
極２０ａ、２０ｂが付設されている。片持ち式の支持の
場合、焦電素子１６は図２に示したように、基板３０の
透孔３２の上側に設けられ、その一端部がエポキシ樹脂
等の接着剤により基板３０に固着せしめられる。また、
焦電素子１６は基板３０の透孔３２の内幅よりも幅狭に
なっていて、基板３０に固着された状態では焦電素子１
６の他端部が該透孔３２の内側領域に配置されるように
なっている。センサ容器１０は、基板３０に連結・固着
した支持脚２４を介して該基板３０を固定する基盤３４
と該基盤３４に冠着する蓋体３６とからなり、上記基板
３０および上記焦電素子１６を収納し得る導電性の容器
である。蓋体３６は、通気孔（開口部）１４を有する。
通気孔１４の大きさは直径１ｍｍ程度に設定され、その
加工性の点からは０．５ｍｍ以上であることが好まし
い。基盤３４は、プリント基板（図示せず）に取り付け
られる。また、このプリント基板にセンサ容器１０をま
たぐようにアーチ形の支柱１１がプリント基板（図示せ
ず）に取り付けられ、この支柱の頂部１１ａの開口部１
２の上における部分に開口部１２に面して熱源１４がハ
ンダ等で固着されている。なお、熱源１４は断熱材を介
してセンサ容器１０に直接に取り付けてもよい。この場
合、支柱１１は不要である。

【００１４】電極２０ａ、２０ｂからの電気的信号を増
幅するために、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）と１
０⁷〜１０¹⁰Ω程度のリーク抵抗器からなるインピーダ
ンス変化回路をセンサ容器１０内に配置する。そして、
上記焦電素子１６の一方の電極２０ａはＦＥＴのゲイト
に接続されると共に他方の電極２０ｂが接地されてい
て、さらに上記ゲイトおよび該電極２０ａ、２０ｂの接
地側間に上記リーク抵抗器が接続される。焦電素子１６
の電極にインピーダンス変換回路を接続するのは、焦電
素子１６の内部抵抗が大きいため、そのままではその出
力を取り出すことができないからである。なお、ＦＥＴ
のドレイン、ソースおよびアースは３本の支持脚２４の
各々に接続する。焦電素子１６の電極２０ａ、２０ｂの
リード部は、センサ容器の外部に設けられた信号処理部
２２と接続されている。信号処理部２２は、フィルタ機
能と増幅機能を有するバンドパスフィルタと、検出機能
を有するコンパレータとで構成される。焦電素子１６を
構成するチタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸バリウム
等の焦電特性のため、熱源による温度変化の影響で焦電
気が発生して電気的信号が生じる。特に、外圧の変化が
高いほど著しい急速な温度変化があるから、大きな焦電
気が瞬間的に発生して多量の電荷がＦＥＴのゲイトＧに
蓄積する。このために、圧力変化に対する感度が極めて
よい。

【００１５】［実施例１］センサ容器１０には、型番Ｔ
Ｏ５の規格品を使用した。この規格品の上部に、直径
０．８ｍｍの穴（熱源側開口部）１４をあけた。熱源１
２には、大きさ２ｍｍ×１．２５ｍｍ×０．６ｍｍチッ
プ抵抗を使用し、図２に示すように、該チップ抵抗をセ
ンサ容器１０に支柱１１により前記穴１４を覆うように
固定した。前記チップ抵抗に１５０ｍＷの消費電力を加
えて、約３０℃に加熱した。熱源１２とセンサ容器１０
との間は、０．８ｍｍの間隔をあけた。測定時の気温は
２０℃であった。なお、図２では、支柱１１、基盤３４
を固定する基板は省略してある。焦電素子１６には、Ｐ
ＺＴを用いた。ＰＺＴは、基盤３４の上側に固定し、基
盤３４の下側にＦＥＴとチップ抵抗を固定した。当該Ｆ
ＥＴのソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）が支持脚２４を介
して外部の電子回路部（信号処理部）２２に接続され
た。センサ容器１０の外部に設けた電子回路部２２にお
いて、中心周波数２８．２Ｈｚ、下限周波数７．１Ｈ
ｚ、上限周波数１００Ｈｚ、中心周波数の増幅率６３．
７ｄＢの増幅器で信号を増幅した。空気圧源（図示せ
ず）としてハンドブロア（カメラ等の清掃用の市販物）
をソレノイドで機械的に圧縮、復元する装置を作成し、
正圧センサの試験のために、ブロアを体積変化を０．１
６ｃｍ³に設定して穴１４の周囲の圧力を変化させて電
気的信号の波形を取り出した。

【００１６】［実施例２］センサ容器１０には、型番Ｔ
Ｏ５の規格品を使用した。この規格品の上部に、直径
０．８ｍｍの穴（熱源側開口部）１４をあけ、側面に、
直径１ｍｍの側面側開口部（出口部）１８をあけて樹脂
製のチューブ１９（図１）を該出口部１８に接続した。
熱源１２には、大きさ２ｍｍ×１．２５ｍｍ×０．６ｍ
ｍのチップ抵抗を使用し、図２に示すように、該チップ
抵抗をセンサ容器１０に支柱１１により前記穴１４を覆
うように固定した。前記チップ抵抗に１５０ｍＷの消費
電力で、約３０℃に加熱した。熱源１２とセンサ容器１
０との間は、０．８ｍｍの間隔をあけた。測定時の気温
は２０℃であった。焦電素子１６には、ＰＺＴを用い
た。ＰＺＴは、基盤３４の上側に固定し、基盤３４の下
側にＦＥＴとチップ抵抗を固定した。当該ＦＥＴのソー
ス（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）が支持脚２４を介して外部の
電子回路部（信号処理部）２２に接続された。電子回路
部２２において、中心周波数２８．２Ｈｚ、下限周波数
７．１Ｈｚ、上限周波数１００Ｈｚ、中心周波数の増幅
率６３．７ｄＢの増幅器で信号を増幅した。空気圧源
（図示せず）としてハンドブロア（カメラ等の清掃用の
市販物）をソレノイドで機械的に圧縮、復元する装置を
作成し、ブロアの体積変化を０．１６ｃｍ³に設定し
て、負圧センサの試験のために、チューブ１９を介した
吸引により出口部１８の周囲の圧力を変化させて電気的
信号の波形を取り出した。図３にこの波形の例を示す。

【００１７】［比較例］熱源を用いなかったほかは、実
施例と同様にした。比較例における電気的信号の波形の
例を図５に示す。

【００１８】前述のような波形の電気的信号に対し、一
定の閾値を越えたものを信号と認め、かつ、閾値を越え
ないものをノイズと認めて、Ｓ／Ｎ比を求めた。比較例
では、ノイズが閾値を越えてしまうことがしばしば認め
られた。これに対し、実施例ではＳ／Ｎ比がよく、信号
の感度が極めて良好であることが認められた。実施例と
比較例のＳ／Ｎ比を表１に示す。

【表１】なお、実施例および比較例の圧力センサを疑似呼吸器に
よる呼吸の検出に利用したところ、実施例の圧力センサ
は安定して使用できたが、比較例の圧力センサでは、吸
気検知のエラー率は測定開始後５０回は０％だったのに
対し、次の５０回では８％となり、さらに測定を続ける
うちに電気的信号が少しづつ小さくなり、ついには全く
出なくなってしまった。

【００１９】

【発明の効果】本発明の圧力センサは以上のように構成
されるているので、従来より高感度の検出可能である。
本発明の高感度圧力センサは、小型、軽量で壊れにく
く、防犯装置、医療用呼吸センサ等の用途に最適であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高感度圧力センサおよび信号処理回路
の概念図である。

【図２】本発明の高感度圧力センサの分解斜視図であ
る。

【図３】本発明の高感度圧力センサによる圧力変化を示
すグラフである。

【図４】従来の圧力センサの一例を示す断面説明図であ
る。

【図５】図４の形式の圧力センサによる圧力変化を示す
グラフである。

【図６】従来の焦電センサの一例を示す断面説明図であ
る。

【符号の説明】

１０センサ容器１１支柱１２熱源１４開口部（通気孔）１６焦電素子１８出口部（開口部）１９流路（チューブ）２０ａ、２０ｂ電極２２信号処理部３０基板３２透孔３４基盤３６蓋体ＥアースＳソースＤドレインＧゲイト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上面に開口部を有する容器と、該容器の
開口部の外側近傍に配置された熱源と、該容器内の開口
部直下に配置された焦電素子と、該焦電素子から電荷を
取り出す電極と、取り出した電荷を電気的信号として処
理する信号処理部とからなり、該容器上面の開口部外側
の圧力が高くなると該熱源によって暖められた気体が該
容器内に侵入して該焦電素子を反応させ、一定の電気的
信号を出力するようにした高感度圧力センサ。
【請求項２】上面に開口部を有すると共に側面部に出
口部を有する容器と、該容器の開口部の外側近傍に配置
された熱源と、該容器内の開口部直下に配置された焦電
素子と、該焦電素子から電荷を取り出す電極と、取り出
した電荷を電気的信号として処理する信号処理部とから
なり、該容器の側面部の出口部外側の圧力が低くなると
該熱源によって暖められた気体が前記開口部から該容器
内に侵入して該焦電素子を反応させ、一定の電気的信号
を出力するようにした高感度圧力センサ。
【請求項３】気体が通過する開口部を有し、かつ、該
開口部を通過した気体を排出可能な室を有する容器と、
該開口部の近くに配置され該開口部を通る気体を熱する
熱源と、該容器内に侵入した気体が衝突するように前記
室内に配置された焦電素子と、該焦電素子に生じた電荷
を電気的信号として取り出す信号処理部とからなる高感
度圧力センサ。
【請求項４】開口部の外の圧力上昇を検出するため
に、焦電素子を配置した室内の気体を平衡的に移行させ
るか、該室内に留めるようにした請求項１〜３のいずれ
かに記載の高感度圧力センサ。
【請求項５】開口部を有する室が、吸引源に接続可能
な出口部に連通し、該出口部の外側の負圧により気体が
開口部を介して前記室に侵入するようにした請求項１〜
３のいずれかに記載の高感度圧力センサ。
【請求項６】上面に開口部を有する容器と、該容器の
開口部の外側近傍に配置された熱源と、該容器内の開口
部直下に配置された焦電素子と、該焦電素子から電荷を
取り出す電極とからなり、該容器上面の開口部外側の圧
力が高くなると該熱源によって暖められた気体が該容器
内に侵入して該焦電素子を反応させ、一定の電気的信号
を出力するようにした高感度圧力センサ。
【請求項７】上面に開口部を有すると共に側面部に出
口部を有する容器と、該容器の開口部の外側近傍に配置
された熱源と、該容器内の開口部直下に配置された焦電
素子とからなり、該容器の側面部の出口部外側の圧力が
低くなると該熱源によって暖められた気体が前記開口部
から該容器内に侵入して該焦電素子を反応させ、一定の
電気的信号を出力するようにした高感度圧力センサ。
【請求項８】気体が通過する開口部を有し、かつ、該
開口部を通過した気体を排出可能な室を有する容器と、
該開口部の近くに配置され該開口部を通る気体を熱する
熱源と、該容器内に侵入した気体が衝突するように前記
室内に配置された焦電素子とからなる高感度圧力セン
サ。
【請求項９】開口部の外の圧力上昇を検出するため
に、焦電素子を配置した室内の気体を平衡的に移行させ
るか、該室内に留めるようにした請求項６〜８のいずれ
かに記載の高感度圧力センサ。
【請求項１０】開口部を有する室が、吸引源に接続可
能な出口部に連通し、該出口部の外側の負圧により気体
が開口部を介して前記室に侵入するようにした請求項６
〜８のいずれかに記載の高感度圧力センサ。