(57)【要約】【課題】本発明は、圧力検出装置又はタイヤ空気圧検出システムにおいて、消費電力を低減しつつ、容易に軽量、小型化した圧力検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】圧力検出素子２０は、固定電極３と、前記固定電極３に対向して配置され、圧力に応じて位置が変化するダイヤフラム５に設けられた可動電極６とを備え、前記固定電極３と前記可動電極６が、圧力が所定の圧力Ｐ以上のとき接触状態となり、前記所定の圧力Ｐ未満のとき非接触状態となるように構成されている。圧力検出装置は、前記圧力検出素子２０を同一の半導体基板２上に２以上形成した圧力検出素子群を有し、前記それぞれの圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃが、前記固定電極３と前記可動電極６が接触する前記所定の圧力Ｐが異なっている。【選択図】図１
2008300228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、圧力に応じて位置が変化するダイヤフラムに設けられた可動電極とを備え、前記固定電極と前記可動電極が、圧力が所定の圧力Ｐ以上のとき接触状態となり、前記所定の圧力Ｐ未満のとき非接触状態となるように構成された圧力検出素子を同一の半導体基板上に２以上形成した圧力検出素子群を有する圧力検出装置であって、前記それぞれの圧力検出素子は、前記固定電極と前記可動電極が接触する前記所定の圧力Ｐが異なることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力検出装置において、前記固定電極と前記可動電極とが異なる金属材料で構成されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧力検出装置において、前記固定電極又は可動電極の表面が凹凸形状であることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、前記それぞれの圧力検出素子はダイヤフラムの径が異なることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、前記それぞれの圧力検出素子はダイヤフラムの高さが異なることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、前記それぞれの圧力検出素子はダイヤフラムの空洞室の圧力が異なることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、該圧力検出装置は前記それぞれの圧力検出素子の前記固定電極と前記可動電極とが接触状態か非接触状態かを外部へ通信する手段を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、該圧力検出装置は前記それぞれの圧力検出素子の前記固定電極と前記可動電極とが接触状態のときのみ、外部へ通信する手段を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、該圧力検出装置はあらかじめ選択した前記圧力検出素子のみの前記固定電極と前記可動電極が接触状態か非接触状態かを外部へ通信する手段を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項１０】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力検出装置において、該圧力検出装置はあらかじめ選択した前記圧力検出素子のみの前記固定電極と前記可動電極が接触したときのみ、外部へ通信する手段を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０までのいずれか一項に記載の圧力検出装置において、前記外部へ通信する手段は無線で通信することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の圧力検出装置をタイヤに装着したことを特徴とするタイヤ空気圧検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の圧力を検出する圧力検出装置又はこの圧力検出装置を利用して、自動車などに使用されるタイヤの内部の気体圧力を検出するタイヤ空気圧検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車に使用されるタイヤ内部の気体圧力を測定し、圧力の低下時に警告を通知するシステムに注目が集まっている。このシステムに注目が集まっている理由として、タイヤ内の気体圧力は、乗用車であれば常温において２２０ｋＰａ程度に保っておく必要があるが、タイヤ内の気体圧力が低下すると乗り心地や燃費が悪化するだけでなく、場合によってはタイヤの破裂につながることもあるからである。また、米国においては、法規制により自動車にタイヤ内の気体圧力を監視するシステムの搭載が義務付けられている。
【０００３】
ところで、タイヤ圧検出モジュールは回転体であるタイヤ内に設置される。このことから、タイヤ圧検出モジュールは、外部から電源供給を受けることが難しいため、電池を内蔵していることが多い。しかしながら、電池で供給できる電力量が限られているにもかかわらず、自動車は長期（例えば１０年）にわたって使用されるため、タイヤ圧検出モジュールの低消費電力化が必要不可欠となっている。また、タイヤにタイヤ圧検出モジュールを装着することによるホイールバランスの崩れを小さくするため、タイヤ圧検出モジュールの軽量、小型化も必要不可欠となっている。このタイヤ圧検出モジュールとして例えば、特許文献１や特許文献２などに記載されている圧力センサおよび、タイヤ用空気圧センサが知られている。特許文献１に記載の圧力センサは、基板の表と裏に対称に同一のダイヤフラムを備えており、基板とダイヤフラムの変形による静電容量変化量、または、電気抵抗変化量を測定し、その平均値から圧力を算出する構成になっている。また、特許文献２に記載のタイヤ用空気圧センサは、プリント基板に設けた固定電極である接点ねじと可動電極であるダイヤフラムとからなり、タイヤの空気圧が所定値以上のときダイヤフラムが接点ねじと接触し、タイヤの空気圧が所定値未満のときダイヤフラムが接点ねじと非接触状態となることにより信号の周波数を変化させ、タイヤ空気圧の低下を警報する構成になっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９５４２３号公報
【特許文献２】特開平８−８６７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の圧力センサは、基板とダイヤフラムの変形による静電容量変化量、または、電気抵抗変化量を測定し、その平均値から圧力を算出しており、静電容量変化量または電気抵抗変化量が微量であるため、外部回路を設けて変化量を増幅させる必要があり、そのための電力を常に消費する。また、特許文献２に記載のタイヤ用空気圧センサでは、固定電極である接点ねじがねじ案内にねじ込まれた構成であり、構成するための部品数が多く、その構造が複雑で軽量化、小型化することが容易ではない。
【０００６】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、圧力検出装置において消費電力を低減しつつ、軽量化、小型化を図る圧力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の圧力検出装置は、固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、圧力に応じて位置が変化するダイヤフラムに設けられた可動電極とを備え、前記固定電極と前記可動電極が、圧力が所定の圧力Ｐ以上のとき接触し、前記所定の圧力Ｐ未満のとき非接触となるように構成された圧力検出素子を同一の半導体基板上に２以上形成した圧力検出素子群を有し、前記それぞれの圧力検出素子は、前記固定電極と前記可動電極が接触する前記所定の圧力Ｐが異なることを特徴としている。
【０００８】
本発明では、圧力検出素子が固定電極とダイヤフラムに設けられた可動電極とで構成され、圧力によりダイヤフラムが変形して可動電極が固定電極に接触することにより圧力を検出する圧力スイッチの構成であるため、構成が簡単で小型化でき、増幅回路等が不要で外部回路を簡略できて消費電力を少なくでき、また、それぞれの圧力検出素子は、可動電極が固定電極に接触する圧力Ｐが異なるため複数の圧力を検出することができる。
【０００９】
本発明の圧力検出装置は、固定電極と可動電極とが異なる金属材料で構成されていることを特徴としており、本発明では、固定電極と可動電極とを異なる金属材料で構成することにより、可動電極と固定電極とが接触している間に癒着することを防止できる。
【００１０】
本発明の圧力検出装置は、固定電極又は可動電極の表面が凹凸形状であることを特徴としており、本発明では、固定電極又は可動電極の表面を凹凸形状に形成することにより、可動電極と固定電極との接触面積を小さくし、可動電極と固定電極とが接触している間に癒着することを防止できる。
【００１１】
本発明の圧力検出装置は、具体的には、それぞれの圧力検出素子を、ダイヤフラムの径が異なるように構成することにより、それぞれの圧力検出素子を、ダイヤフラムの高さが異なるように構成することにより、又はそれぞれの圧力検出素子を、ダイヤフラムの空洞室の圧力が異なるように構成することにより、可動電極が固定電極に接触する圧力Ｐがそれぞれの圧力検出素子で異なるように構成している。
【００１２】
また、本発明の圧力検出装置は、それぞれの圧力検出素子固定電極と可動電極とが接触状態か非接触状態かを外部へ通信する手段を有しており、本発明の圧力検出装置は、それぞれの圧力検出素子の固定電極と前記可動電極とが接触状態のときのみ、外部へ通信するように構成している。
【００１３】
本発明の圧力検出装置は、あらかじめ選択した圧力検出素子のみの固定電極と可動電極が接触状態か非接触状態かを外部へ通信する手段を有することを特徴としている。本発明では、選択した圧力検出素子で所定の圧力を検出することができ、１つの圧力検出装置で圧力の異なる複数の車種のタイヤ等の圧力を検出することに利用できる。
【００１４】
さらに、本発明のタイヤ空気圧検出システムは、前述した圧力検出装置をタイヤに装着したことを特徴としている。本発明では、小型・軽量で、しかも、消費電力が少ない圧力検出装置をタイヤに装着したことにより、ホイールバランスを崩すことなく、長期間に亘りタイヤ圧を検出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧力検出装置によれば、圧力検出装置を軽量・小型化するとともに圧力検出装置の消費電力量を低減できる。また、圧力検出装置をタイヤに装着したタイヤ空気圧検出システムでは、ホイールバランスを崩すことなく、長期間に亘りタイヤ圧を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る圧力検出装置の第１の実施形態を図により説明する。
図１は本実施形態の圧力検出装置１の断面模式図である。図１に示すように、圧力検出装置１は、半導体基板であるシリコン基板２、シリコン基板２上に形成された固定電極３、ダイヤフラム５、ダイヤフラム５内に形成された可動電極６より構成された圧力検出素子２０を同一のシリコン基板２上に２以上形成した圧力検出素子群により構成されている。この例では圧力検出装置１は３個の圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃで構成されている。
【００１７】
はじめに、圧力検出素子の構成について説明する。図２は本発明の圧力検出装置１の構成要素である圧力検出素子２０aの断面模式図である。図２に示すように、圧力検出素子２０aは、シリコン基板２上に金属膜などの導電性の膜を成膜することにより固定電極３を形成し、その固定電極３に対向する可動電極６を有するダイヤフラム５を形成している。ダイヤフラム５は、外部からの圧力Ｐに応じて変形し、外部の圧力が大きくなると、可動電極６と固定電極３の距離が短くなり、やがて、可動電極６が固定電極３に接触する。固定電極３と可動電極６への通電は半導体シリコン基板２上に形成された図示しない配線及び、ダイヤフラム５の図示しない配線を介して行なわれる。圧力検出素子２０aは、固定電極３と可動電極６とで構成され、圧力によってオン・オフする圧力スイッチ構造になっている。
【００１８】
固定電極３と可動電極６とは同じ材料で構成してもよいが、固定電極３と可動電極６を、それぞれ異なる材料（例えば、固定電極３はポリシリコン、可動電極６はタングステンシリサイド）を用いて形成すると、可動電極６と固定電極３とが接触状態において癒着するのを防止することができる。更に、図３に示すように固定電極３の表面にドライエッチング又はウエットエッチングにより凹凸形状を形成し、凹凸型固定電極７として、可動電極６と固定電極３との接触面積を小さくすることで、癒着を防止することができる。可動電極６の表面に凹凸形状を形成し、凹凸型の可動電極６としてもよい。
【００１９】
他の圧力検出素子２０b，２０cは、圧力検出素子２０aと同様の構成であるが、圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、ダイヤフラム形成プロセスにおいて、空洞室４a，４b，４c内の圧力が異なるように構成されている。したがって、圧力検出素子２０aは圧力が圧力P1になると電極が接触してオンし、圧力検出素子２０ｂは圧力が圧力P2になると電極が接触してオンし、圧力検出素子２０ｃは圧力が圧力P3になると電極が接触してオンするように構成されており、圧力検出装置は、異なった圧力P1，P2，P3を検知することができる。
【００２０】
次に、圧力検出素子２０aの動作について説明する。図４に圧力検出素子２０aの動作図、図５に簡略回路図を示す。図４（Ａ）に示す圧力検出素子２０aにおいて、外部からの圧力Pが大きくなると共にダイヤフラム５が変形し、可動電極６と固定電極３の距離dが短くなる。そして、ある所定の圧力Ｐ１において、図４（Ｂ）に示すように、可動電極６と固定電極３が接触して導通するようになり、圧力スイッチがオンの状態となる。そして、圧力検出装置１はアンテナ１０が設けられた無線送信回路９を備えており、圧力検出素子２０aの可動電極６が電圧ＶBに接続され、固定電極３が無線送信回路９に接続されている。圧力検出素子２０aである圧力スイッチがオンの状態になると、図５（Ｂ）に示すように、電極の片側は電源電圧ＶBに接続されているのでＶINへ電圧ＶBが出力され、無線送信回路９に入力することにより、アンテナ１０から信号が送信される。一方、外部からの圧力Ｐが小さくなり、ある所定の圧力Ｐ１未満となると、ダイヤフラム５の形が元に戻ることにより、図４（Ａ）に示すように、可動電極６と固定電極３は非接触となり、圧力スイッチがオフの状態となる。圧力スイッチがオフの状態になると、図５（Ａ）に示すように、ＶINはプルダウン抵抗８を介してＧＮＤ電圧となる。このように、本実施形態の圧力検出素子２０aは、圧力スイッチとして圧力を検出する単純な構成となっているため、外部回路を簡略化できて、消費電力をおさえることが可能である。また、それにより、電池と圧力検出素子２０の小型化を図ることが可能であり、圧力検出装置１を容易に軽量、小型化することができる。
【００２１】
次に、圧力検出装置１の構成及び動作について図１、図６を用いて説明する。圧力検出装置１は、３つの圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えており、圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、図１に示すように、ダイヤフラム形成プロセスにおいて、空洞室４a，４b，４c内の圧力が異なるように構成されている。圧力検出素子２０aは圧力が圧力P1になると電極が接触してオンし、圧力検出素子２０ｂは圧力が圧力P2になると電極が接触してオンし、圧力検出素子２０ｃは圧力が圧力P3になると電極が接触してオンする。本実施形態では、圧力検出素子２０ａ，２０b，２０cの各々は、異なった圧力P1，P2，P3で電極が接触して圧力スイッチがオンするように構成されているので、圧力検出装置１により複数の圧力P1，P2，P3を簡単な構成で検知して測定することができる。
【００２２】
図６に示すように、圧力検出装置１は、それぞれの圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃの圧力スイッチがオンかオフかの状態を外部へ送信する手段としてアンテナ１０が設けられた無線送信回路９を備えており、圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ各々からの出力は無線送信回路９に入力され、無線送信回路９に設けられたアンテナ１０を介して、信号の送信がおこなわれる構成となっている。それぞれの圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃの圧力スイッチが異なった圧力P1，P2，P3（P1＞P2＞P3）でオンするようになっており、圧力スイッチがオンの状態になると、各出力VＩＮ1、VＩＮ2、VＩＮ3がＲＦ送信回路で構成された無線送信回路９に入力され、アンテナから信号が送信されるように構成されている。圧力検出装置１から送信される信号を受信機で受信することにより、圧力検出装置１で検出した圧力P1，P2，P3を知ることができる。
【００２３】
上記実施形態では、ダイヤフラムの空洞室４a，４b，４c内の圧力を異なるように構成して圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃが異なる圧力を検知するようにしているが、図７に示すように、ダイヤフラム２１ａ，２１ｂ，２１ｃの径を異ならせることにより、圧力検出素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの各々が異なった圧力P1，P2，P3で電極が接触し、圧力スイッチがオンするように構成してもよい。また、図８に示すように、ダイヤフラム２２a，２２b，２２cの高さを異ならせることにより、圧力検出素子１０２a，１０２b，１０２cの各々が異なった圧力P1，P2，P3で電極が接触し、圧力スイッチがオンするように構成してもよい。
【００２４】
図９は圧力検出装置１の他の実施形態を示し、圧力検出素子２０a，２０b，２０cから無線送信回路９への回路に選択スイッチ１５a、１５b、１５cを設けて、所定の圧力P1を検出するようにする場合は選択スイッチ１５aを、所定の圧力P2を検出するようにする場合は選択スイッチ１５bを、所定の圧力P3を検出するようにする場合は選択スイッチ１５cをそれぞれオンすることにより、あらかじめ使用する圧力検出素子を選択し、所定の圧力Ｐを変更することができるような構成にしている。このように圧力検出装置１を構成することにより１つの圧力検出装置１によって異なる圧力の検出装置として用いることができる。したがって、タイヤ圧力が異なる普通車、大型車等の車種が異なる場合にも、この圧力検出装置１を用いることによってタイヤ内の圧力を検出することができる。
【００２５】
図１０は本発明によるタイヤ空気圧検出システムの車体取付け概略図であり、この図１０を用いて圧力検出装置１を有するタイヤ空気圧検出システムの構成及び動作について説明する。図１０に示すように、タイヤ圧検出モジュール１１は電源として用いる図示しない電池を有しており、タイヤ圧検出モジュール１１全体がホイール１２に設置されてタイヤ１３の内部に収納されている。車体３０には、受信アンテナ３２を介して受信する受信手段３１と情報を表示する機能を備えたタイヤ空気圧警報装置３３が設置されている。
【００２６】
タイヤ内のタイヤ圧検出モジュール１１の送信アンテナ１４を介して送信される無線信号を受信する受信手段３１は、車体３０のエンジン始動にともないタイヤ内のタイヤ圧検出モジュール１１より送信される信号の受信を開始し、タイヤ圧が正常であると圧力検出装置１がオンして送信アンテナ１４を介して無線信号が送信され、受信手段３１がその無線信号を受信してタイヤ圧が正常であると判断し、そのことをタイヤ空気圧警報装置３３に表示してドライバーに知らせる。また、タイヤ圧が少なくなると圧力検出装置１がオフになって送信アンテナ１４から無線信号が送信されなくなるので、タイヤ圧検出モジュール１１より送信される信号を一定時間受信できなくなると、タイヤ圧が異常であるか、または、電池切れであると判断し、そのことをタイヤ空気圧警報装置３３に表示してドライバーに警報する。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。上記実施形態では圧力検出装置が圧力検出素子を３つ備えているが、圧力検出素子は２以上であればいくつでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧力検出装置の断面構造を示す断面模式図。
【図２】本実施形態の圧力検出装置における圧力検出素子の断面構造を示す断面模式図。
【図３】他の実施形態である、凹凸型固定電極を有する圧力検出素子の断面構造を示す断面模式図。
【図４】本実施形態の圧力検出装置における圧力検出素子の動作を示す動作図。
【図５】本実施形態の圧力検出装置における圧力検出素子の回路を示す簡略回路図。
【図６】本実施形態の圧力検出装置の回路を示す簡略回路図。
【図７】他の実施形態である圧力検出装置の断面構造を示す断面模式図。
【図８】さらに他の実施形態である圧力検出装置の断面構造を示す断面模式図。
【図９】他の実施形態である圧力検出装置の回路を示す簡略回路図。
【図１０】本発明に係るタイヤ空気圧検出システムの車体取付け概略図。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・圧力検出装置、２・・・シリコン基板、３・・・固定電極、４・・・空洞室、５・・・ダイヤフラム、６・・・可動電極、７・・・凹凸型固定電極、８・・・プルダウン抵抗、９・・・無線送信回路、１０・・・アンテナ、１１・・・タイヤ圧検出モジュール、１２・・・ホイール、１３・・・タイヤ、１４・・・送信アンテナ、１５・・・選択スイッチ、２０・・・圧力検出素子、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・・径が異なるダイヤフラム、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ・・・高さが異なるダイヤフラム、３０・・・車体、３１・・・受信手段、３２・・・受信アンテナ、３３・・・タイヤ空気圧警報装置、１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ・・・ダイヤフラムの径が異なる圧力検出素子、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・ダイヤフラムの高さが異なる圧力検出素子
【図１】
2008300228.tif 000003
【図２】
2008300228.tif 000004
【図３】
2008300228.tif 000005
【図４】
2008300228.tif 000006
【図５】
2008300228.tif 000007
【図６】
2008300228.tif 000008
【図７】
2008300228.tif 000009
【図８】
2008300228.tif 000010
【図９】
2008300228.tif 000011
【図１０】
2008300228.tif 000012