(57)【要約】【課題】  圧力センサの構造において、センサシステムの構造の簡略化とシステムの小型化を実現する圧力センサを構成することを目的とする。【解決手段】  課題を解決するために、固定部を支点として外圧に応じて厚み方向に変形する板状基板の片側の主面に、高さを持った支持体を複数（2点以上）、その距離を保って固着し、その支持体の先端部にセンシング用部材を固定する構造を有し、支持基板が板厚と平行方向の外力を受けて変形したとき、支持体先端は外力と直交する方向の変形、すなわち、支持体先端間距離が変動することになり、その結果センシング用部材に伸縮力（応力）が加わることになる。この応力の変化を、周波数、抵抗値、光の反射などを用いてセンシングすることで、簡単な構造で、しかも安価で正確に検知することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状基板の一方向の主面上に、その高さが調節可能な支持体を複数個距離を持って固定し、該板状基板の外周の一部、又は、外周全体部分を固定する構造として、基板の厚み方向に外力が加わったとき、固定部分を支点（固定端）として外力に応じて厚み方向に反る様に変形する構造を持ち、前記支持体の頂点部が外力方向と直交する方向に変動し前記支持体の頂点位置が変化する支持基板を持つことを特徴とする圧力感応容器。
【請求項２】
請求項１記載の板状基板において、外力による変位が最大の主面上部位を中心として同心円状に板厚を厚い部分と薄い部分を交互に構築した支持基板を持つことを特徴とする圧力感応容器。
【請求項３】
請求項１記載の板状基板において、外力による変位が最大の主面上部位を中心として同心円状に波型（蛇腹状）加工を施した支持基板を持つことを特徴とする圧力感応容器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３記載の支持基板において、基板外周を固定部として、固定部と凹形状ベースのフチ部を接合・固定して気密構造としたことを特徴とする圧力感応容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサの構造において、センサシステムの構造の簡略化とシステムの小型化を実現する圧力センサ容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＴＳ構想の実現化に伴い自動車の安全に対する関心が高まっている。その様な中で、特に高速道路上でのタイヤのバーストなど、空気圧トラブルによる事故は周辺車両までも巻き込んで大事故に発展する可能性が大きく、走行中のタイヤの空気圧モニタリングは欠かせない状況に成りつつあり、本圧力センサはこの様な社会的背景、必要性から開発されたものである。
【０００３】
近年、市場では、製造法の簡便さからシリコンＭＥＭＳを利用した半導体圧力センサが多く使用されている。これらのセンサ構造の多くはＭＥＭＳ加工技術を用いてシリコンウェハを薄壁化（ダイヤフラム）して凹部構造を形成し、パッケージ底部に固定してチャンバを構成する。この空間に導入する被測定空気の圧力変化による薄壁の変動を薄壁背面に構築したピエゾ抵抗を介して抵抗値変化として検知するものである。
【特許文献１】特開２００５−０１７０５０号公報  なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本出願までに発見するに至らなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に使用される流体の圧力を測る圧力センサの例として、図４に機械的な動作で圧力を検知するものを示す。図４では加圧により変形する二重式ダイヤフラムに連動する棒がついており、その棒の動作変化量を読み取ることで加圧量を検知する構造である。
棒の直進動作（変動量）はラック＆ピニオン機構を用いて回転機構に変換され、回転機構に付随する指針により変化量が表示される。
【０００５】
この様なシステムでは、全体の装置が大掛かりで、更に、機構が複雑となり、全体のシステム価格も高価なものになる可能性が高い。
【０００６】
また、シリコンMEMSを使用した圧力センサでは、導入される被測定空気（環境中空気）が感知部となる薄壁に直接接触するため非測定空気が汚染されている場合、チャンバ内への汚染物付着・蓄積によりる感度劣化問題や、温度特性を悪化させる原因となる。また、システムを構成するダイヤフラムの薄壁厚みや、ピエゾ抵抗の造り込みなどの加工精度が直接製品の特性のバラツキに反映するため、これを使用してシステム構成する生産工程に於いてセンサ出力値を個々に調整する必要があり、この様な工賃上でもコストを押し上げる要因となる課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述する現状の課題を改善するため本発明は、固定部を支点として外圧に応じて厚み方向に変形する板状基板の片側の主面に、高さを持った支持体を複数（2点以上）、その距離を保って固着し、その支持体の先端部にセンシング用部材を固定する構造を有し、支持基板が板厚と平行方向の外力を受けて変形したとき、支持体先端は外力と直交する方向の変形、すなわち、支持体先端間距離が変動することになり、その結果センシング用部材に伸縮力（応力）が加わることになる。この応力の変化を、周波数、抵抗値、光の反射などを用いてセンシングすることで、簡単な構造で、しかも安価で正確に検知することができる。
【０００８】
本発明の一例として、支持基板の外周囲全体（固定部）と凹部構造ベースのフチ部を接合し、密閉容器構造とした円筒形の圧力センサ用容器とした場合、例えば、形状が円板状の支持基板、これには外圧（圧力）感応に応じて凹凸や波型構造を構築しておき、その主面片側に、高さを有する支持体２個を、円の中心から適当な距離を離して固着する。なお、この支持体は、センシング用部材の性質に応じて、例えば電気的導通が必要であれば基板など周囲との絶縁処理を施しながら外部まで導通部を確保するなどの処置をした構造物となる。
【０００９】
そして、センシング部材として伸縮力に応じて抵抗値が変化する弾性抵抗体を選別すれば、弾性抵抗体の両端をこの支持体先端部に固着後、凹形状ベースの周囲（フチ）と、支持基板外周囲とを接合し密閉する。また、周波数変化で圧力変化を知るならば、水晶のＡＴカットなどの圧電振動子をセンシング部材として用い、支持固着した2点間の応力変化により発生する周波数変化を見ることで可能となる。
なお、密封容器内は外圧に応じて一定圧の不活性ガスを封入することが望ましく、センサ素子が容器内に有る場合は経時変化を最小限に留める処置ともなる。この様に密閉容器内にセンサ素子を閉じ込めた構造は、流体の種類が液体などセンサ素子に触れて問題となる様な場合に有効である。
【００１０】
一方、今まで、支持体（センサ素子）を容器内側に構築する方法について述べて来たが、容器外側に配置して測定する例として、清浄な気体や、低真空などの流体圧力を測定する場合、支持基板が変形したとき基板主表面に傾きが発生する部位に支持体を固着し、その先端部にカガミのような反射体を固着する。この場合の支持体は1個でも良く、外部から反射体にレーザ光などの光束を照射しその反射光の変動を検出することで圧力変化を検知することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明の流体圧力センサ用容器は、構造が簡単であることから製作コストを低減することが出来ると共に、圧力伝達の構造が簡単であり、センサ部に直接伝達されるので誤動作の無い圧力センサを実現することが出来る。また、外圧としては、気体、液体などの流体の他、直接、支持基板に外力が加わった場合に正確に外圧量を検知することができる。この場合は撓みを発生する被計測物表面上に、撓みの方向を考慮して支持体を介してセンサ素子を搭載した支持基板面を直接固定すれば、被計測物表面の撓みが直接基板に伝達され、基板が変形し支持体間の間隔が変動することからセンサ素子の支持部に伸縮力が発生するため、凹形状ベースを付加しなくても外力変化を検知可能で、基板それだけで外力圧センサとして使用することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。なお、支持体（２）間に搭載するセンサ素子としては、シリコン（ピエゾ抵抗値変化を利用）、単結晶圧電振動子（周波数や、共振抵抗の変化を利用）、弾性抵抗体（弾力性を持つ有機物中に抵抗粉体を分散して、圧力が加わると外力に応じてその2点間の抵抗値が変化）、容量（対向する支持体電極間の容量変化）などのセンサ素子形態が利用できる。また、図には記載しないが前述したように1個の支持体上に反射体を固定して光束の反射角度変化を利用することも可能である。
【００１３】
図1は本発明の流体圧力センサとして複数の支持体を利用する場合について、その概要を説明する断面図である。金属材料、セラミック材料、ガラス材料など弾性体薄板材を利用し支持基板１を作製、その主面片側に一定の高さを持った2個の支持体２を固着し、それぞれの頂点位置にセンサ素子を固定保持をしている。そして、上述の様に、センサ素子の多くは外力の変化を電気的に検出する手法であるため、２支持体からは電気的短絡が無いよう独立して外部に電極が取り出せる構造としている。
【００１４】
そして、流体圧力変化を受けて支持基板の変形を作り出す目的で、弾性材料を用い凹加工して成る凹形状ベース４構造体を作製し、この外周部と支持基板外周部を接合してこの部分を支点とする密閉された構造体（チャンバ）を形成する。なお、支持基板主面に構築する凹凸・波型形状は、圧力の大きさに対応して最大の感度を引き出す手段であり、その寸法やピッチなどは感知する圧力に応じて設計される。
【００１５】
圧力容器の支持基板形状は、板面に圧力が加わり均等に変形するように円形にする事が望ましく、支持体の構築位置も円の中心から点対称の距離に構築する事が望ましいが、設計時にシミュレーション解析を充分行うことにより形状の自由度を広げることが出来る。
【００１６】
この様なチャンバを形成して流体中に設置したとき、流体圧力が変動することにより支持基板が外周部を支点として中心部が板厚方向に変動するので支持基板に高さを持って固定されている支持体の頂点部は、基板の主面と平行方向の変位を持つことになり、接合部材を介して伸縮力としてセンサ素子に伝達作用し、センサ素子の種類に応じて周波数変化、抵抗値変化などにより検知する事が可能となる。
【００１７】
図２は、図１に基づき本発明の圧力検出手法の概念を示した模式図である。なお、模式による説明のため支持基板１主面上に構築した支持体２の動作に着目して描画しており、支持基板１に加わる外力により、２個の支持体２頂点間の距離が変化する状態を図２（ａ）から図２（ｃ）に連続して示したものである。
【００１８】
即ち、チャンバ内圧力に対し外圧が大きいとき、大きさに応じて図２（ｂ）に示すように外周部に当たる両端部を支点として支持基板１中央部が凹む様に変形して、２個の支持体２間の間隔が拡がり、逆に、チャンバ内圧力に対し外圧が小さいときは、同様に大きさに応じて図２（ｃ）に示すように外周部に当たる両端部を支点として支持基板１中央部が膨らむ様に変形し、２個の支持体２間の間隔が縮むように変形することから、接合部材により支持体先端に実装されるセンサ素子両端には外圧変化に応じた伸縮力が働くことを示している。
【００１９】
従って、状況に応じて任意に選択されたセンサ素子が伸縮力を受けその大きさに応じて、周波数値、抵抗値、容量値などを変化させることで圧力の状態を検知する事が出来る。
なお、外力が直接加わる支持基板は、その感度を最大限に引き出す目的で図３（ａ）の平板のみでは無く、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、変形が最大に成る中央部を中心に同心円状に板厚を変更して凹凸にしたり、波型に加工して、感知する圧力に応じて有効な変形が発生できるように加工処理をすることも必要となる。
【００２０】
以上の様に、本発明は支持基板主面上に構築された支持体にセンサ素子を取り付けた構造を基本としており、このままの形状で非測定物に支持基板背面を固定すれば、非測定物に外力が加わり変形すれば、その度合いを検出する「撓みセンサ」として使用することも出来れば、更に、支持基板の外周部を凹形状ベースの外周部とを接合して気密チャンバを構成し流体環境に挿入すれば、その流体圧力を検知できる「圧力センサ」として使用することが出来る構造を持つ「圧力センサ容器」を提案するものである。なお、この場合支持体２で挟まれる格好で支持するセンサ素子との位置関係は、センサ素子の側面を保持する形態が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の密閉型圧力容器の概念図を示す。
【図２】本発明による外力伝達・検知の動作を示す模式図を示す。
【図３】本発明の支持基板形態の断面形状例を示す。
【図４】従来の機械式圧力検出方式の一例を示す概念図。
【符号の説明】
【００２２】
１  支持基板
２  支持体
３  圧力容器
４  凹形状ベース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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