(57)【要約】【課題】リーク電流の発生によって検出結果へ与える影響を最小限に留め、より正確な圧力の検出を可能にする圧力センサを提供すること。【解決手段】変位センサ用圧電体１を二枚の変位センサ用電極層２で挟み込んで一体形成した変位センサと、該変位センサに接合されたアクチュエータよりなり、変位センサに加わる変位センサ圧力を検出する圧力センサであって、アクチュエータが発生させる変位センサ圧力と同じ大きさで逆向きのアクチュエータ圧力を検出することにより変位センサ圧力を検出する圧力センサ。【選択図】  図１
2007187450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体を二枚の電極層で挟み込んで一体形成した変位センサと、該変位センサに接合されたアクチュエータよりなり、
変位センサに加わる変位センサ圧力を検出する圧力センサであって、
アクチュエータが発生させる変位センサ圧力と同じ大きさで逆向きのアクチュエータ圧力を検出することにより変位センサ圧力を検出することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
変位センサに発生する電圧を検出し、
該電圧の大きさに応じた信号をアクチュエータに発信するための測定制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
アクチュエータ圧力は、
アクチュエータが測定制御部からの信号を受信することで発生するものであることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
【請求項４】
測定制御部が変位センサに発生した電圧を検出し、
最終的にアクチュエータ圧力が発生するまでに要する時間が時定数よりも短いことを特徴とする請求項３記載の圧力センサ。
【請求項５】
圧電体の材料が窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項６】
パッシブ型圧力センサを備え、
該パッシブ型圧力センサが計測した圧力と、
アクチュエータ圧力を加算することで、変位センサ圧力を検出することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項７】
圧力センサがアレイ化されてなることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体を用いた圧力センサに関し、更に詳しくは圧電体を二枚の電極層で挟み込んだ構造の変位センサ及びアクチュエータの組み合わせにより圧力の直流成分及び低周波成分を検出する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧力センサには圧電体を用いて計測を行う（以降、パッシブ型圧力センサと表記する）ものがあり、その圧力センサの測定原理は以下の通りである。
パッシブ型圧力センサに外圧が加わると同時にその検出用の構造部品である圧電体にも圧力が加わる。
その結果、圧電体に歪が生じ、圧力に応じた電荷が該圧電体に発生する。
圧電体に発生した電荷が作る電場によって、該圧電体を挟むように形成された一対の電極層に圧電体に発生した電荷量と同量の電荷が発生する。
そして電極層に発生した電荷をアンプなどで電圧などの電気信号に変換し、これを測定装置で測定することで圧力センサに加えられている圧力の大きさを特定するのである（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１２６６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなパッシブ型圧力センサの大きな問題点は、圧力の直流成分（圧力の大きさが時間に関係なく常に一定である圧力）と低周波成分（圧力の大きさが低周波数で変化する圧力）を正確に測定できないことである。
その理由は電極層に発生した電荷がリーク電流により減少する原因による。
すなわち時刻ｔにおいて電極層に残っている電荷量Ｑは次の式（１）で表される。
Ｑ＝Ｑ0exp（―ｔ／ＣＲ）      …（１）
Ｑ0 ：圧電体が圧力を受けることで発生した電荷量( Ｃ)
Ｃ  ：圧電体の静電容量(F)
Ｒ  ：電荷リークの原因となる抵抗( Ω)
よって、常に一定の大きさの圧力が圧力センサに加わっている場合、測定装置が測定する電荷量は時間と共に減少し見かけ上圧力が減少しているような測定結果となる。
また、圧力センサに加えられている圧力の周期が時定数Ｔ（＝ＣＲ）よりも長い場合も同様に、リーク電流によって大きく減少した電荷量を測定するので、実際の圧力とは異なる測定結果となる。
【０００４】
ちなみにリーク電流は、圧電体の抵抗及びチャージアンプ等の計測機器に存在する入力抵抗や帰還抵抗が原因で形成される回路に流れる電流をいう。
このリーク電流が流れることで圧電体に発生した電圧（電荷）が自発的に減少することになる。
【０００５】
本発明はかかる実状を背景に開発されたものである。
すなわち本発明は、リーク電流の発生によって検出結果へ与える影響を最小限に留め、より正確な圧力の検出を可能にする圧力センサ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】
【０００６】
かくして、本発明者はこのような課題背景を考慮し鋭意研究を重ねた結果、アクチュエータが変位センサに対して変位センサに加わっている圧力と同じ大きさで逆向きの圧力を加えることで、リーク電流の影響を抑制し、より正確な圧力の直流成分、低周成分を検出できることを見出し、その知見により本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は、（１）圧電体を二枚の電極層で挟み込んで一体形成した変位センサと、該変位センサに接合されたアクチュエータよりなり、変位センサに加わる変位センサ圧力を検出する圧力センサであって、アクチュエータが発生させるアクチュエータ圧力を検出することにより変位センサ圧力を検出する圧力センサに存する。
【０００８】
また、本発明は、（２）、変位センサに発生する電圧を検出し、該電圧の大きさに応じた信号をアクチュエータに発信するための測定制御部を備える上記（１）記載の圧力センサに存する。
【０００９】
また、本発明は、（３）、アクチュエータ圧力は、アクチュエータが測定制御部からの信号を受信することで発生するものである上記（２）記載の圧力センサに存する。
【００１０】
また、本発明は、（４）、測定制御部が変位センサに発生した電圧を検出し、
最終的にアクチュエータ圧力が発生するまでに要する時間が時定数よりも短い上記（３）記載の圧力センサに存する。
【００１１】
また、本発明は、（５）、圧電体の材料が窒化アルミニウム薄膜である上記（１）記載の圧力センサに存する。
【００１２】
また、本発明は、（６）、パッシブ型圧力センサを備え、該パッシブ型圧力センサが計測した圧力と、アクチュエータ圧力を加算することで、変位センサ圧力を検出する上記（１）記載の圧力センサに存する。
【００１３】
また、本発明は、（７）、圧力センサがアレイ化されてなる上記（１）記載の圧力センサに存する。
【００１４】
なお、本発明の目的に添ったものであれば上記（１）から（７）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧力センサは、  圧電体を二枚の電極層で挟み込んで一体形成した変位センサと、該変位センサに接合され（貼り付けられ）、変位センサ圧力と同じ大きさで逆向きのアクチュエータ圧力を変位センサに対して加えるアクチュエータとを備えているので、変位センサの変位（撓み）を元に戻し、リーク電流の発生を防いで、正確な圧力を検出することができる。
また変位センサに発生した電圧（または電荷）を測定制御部が検出し、最終的にアクチュエータ圧力が発生するまでに要する時間が時定数よりも短いことで、リーク電流の影響をより軽減し、より正確な圧力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】
〔第一の実施形態〕
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の圧力センサ（以降、「アクティブ型圧力センサ」と表記する）の構造を模式的に説明する図である。
アクティブ型圧力センサは、変位センサ用圧電体１、変位センサ用電極層２、アクチュエータ用圧電体３、アクチュエータ用電極層４、及び測定制御部５を備える。
【００１７】
変位センサは変位センサ用圧電体１を二枚の変位センサ用電極層２で挟み込み一体化させてなり、同様にアクチュエータもアクチュエータ用圧電体３を二枚のアクチュエータ用電極層４で挟み込み一体化させてなる。
そしてアクティブ型圧力センサは、これら変位センサとアクチュエータを接合し一体化させる。
変位センサ用電極層２及びアクチュエータ用電極層４は、それぞれ測定制御部５に接続されている。
測定制御部５は変位センサ用電極層２に発生した電圧（または電荷）を検出し、その電圧の大きさに応じた信号をアクチュエータに発信し、変位センサに加わる圧力( 以降、「変位センサ圧力」と表記する) と同じ大きさで逆向きの圧力をアクチュエータに発生させる（以降、アクチュエータが発生させる圧力を「アクチュエータ圧力」と表記する）。
【００１８】
ここで、使用する圧電体の材料はセンサを使う環境、測定範囲、必要とする感度等によって決まり、例えば窒化アルミニウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン等がある。
例えば高温環境下で使用する場合は耐熱温度とキュリー温度が高い窒化アルミニウムを用いることが好ましい。
【００１９】
同様に電極層の材料についても自由に選ぶことが可能であるが、高温環境下で使用する場合は白金、インコネル、シリコンカーバイド等の耐熱性導電材料を用いる。
【００２０】
以下、アクティブ型圧力センサの検出原理について図を用いて説明する。
図２〜図５は本発明のアクティブ型圧力センサにおける圧力の検出原理を模式的に示した図である。
アクティブ型圧力センサが変位センサ圧力を受けると変位センサがある一定量変位する（すなわち撓む）。
【００２１】
その変位量に応じた電荷Ｑが変位センサ用圧電体１の表面に発生し、さらに変位センサ用圧電体１の表面に発生した電荷が作る電場の影響により変位センサ用電極層２の表面に同量の電荷が発生する（図２参照）。
その結果、変位センサ用電極層２には電圧が発生する。
測定制御部５は変位センサ用電極層２に発生した電圧（または電荷）を検出し、該電圧の大きさに応じた電圧信号をアクチュエータに発信する。
そしてアクチュエータはその信号を受信すると、その信号に応じた大きさのアクチュエータ圧力を発生させる。
【００２２】
この結果、変位センサ用圧電体１に加わる圧力は釣り合い、変位センサ用圧電体１は元の水平な状態に戻る。
変位センサ用圧電体１の変位量が零になることで、変位センサ用圧電体１の表面から電荷が消滅する（図３参照）。
【００２３】
この時、アクチュエータ圧力の大きさは変位センサ圧力の大きさに等しいので、測定制御部５はアクチュエータ圧力を検出することで変位センサ圧力の大きさを間接的に検出することができる。
【００２４】
その後、変位センサ圧力の大きさが変化して変位センサ用電極層２に電荷ｑが発生し、同時に電圧が発生する（図４参照）。
測定制御部５は発生した電圧（または電荷）を検出し、再び測定制御部５は該電圧の大きさに応じた信号をアクチュエータに発信し、アクチュエータにアクチュエータ圧力を発生させる。
【００２５】
アクチュエータ圧力を受けた変位センサ用圧電体１は再び水平な状態に戻り、変位センサ用圧電体１表面の電荷は全て消滅する（図５参照）。
図５に示す状態は、図３の状態と比べた場合、変位センサ圧力の大きさが異なる以外は全て同じ状況であるので、以後図４〜図５の状態が繰り返されることになる。
【００２６】
以上、図４〜図５を用いて説明した一連の動作をできるだけ短い時間ｔ０（例えば時定数Ｔよりも短い時間）で行うことで、圧力検出におけるリーク電流の影響を低減させ、より正確な圧力の検出を可能にする。
すなわち、従来の圧力センサでは時間が経過するに従い、リーク電流の影響により変位センサ用電極層２表面の電荷は失われ、電圧は低下し続ける。
【００２７】
しかし、電荷が発生した直後にアクチュエータがアクチュエータ圧力を発生させることで、変位センサ表面の電荷を強制的に零にし、この結果、測定制御部は、それ以降リーク電流の影響を受けた圧力の検出を行わずに済む。
そして、変位センサの表面の電荷が零になった後は、アクチュエータ圧力を検出することで変位センサ圧力を間接的に検出することができる。
【００２８】
以上から分かるように、アクティブ型圧力センサは圧力の直流成分を検出する場合には極めて有効に働く。
そしてまた、処理時間ｔ０よりも長い周期で大きさが変化する圧力の低周波成分も同様に極めて正確に圧力を検出することができる。
【００２９】
〔第二の実施形態〕
図６は、アクティブ・パッシブ併用型圧力センサを模式的に説明する図である。
アクティブ・パッシブ併用型圧力センサは、広帯域な圧力の検出を可能にするものであり、以下その動作原理を説明する。
【００３０】
アクティブ・パッシブ併用型圧力センサは、上記アクティブ型圧力センサＡとパッシブ型圧力センサＰとを隣接させた構造となっている（図６参照）。
そして、アクティブ型圧力センサＡが圧力の直流成分と低周波成分の検出を担当し、パッシブ型圧力センサＰが圧力の高周波成分の検出を担当し、測定制御部５と測定装置６が検出したそれぞれの圧力の値を、図示しないコンピュータ等の計算装置によって加算する。
【００３１】
二種類のセンサのそれぞれが最も正確に検出できる帯域の圧力を検出し、それぞれの検出結果を加算し、該加算結果を最終的な検出結果とすることで、より広帯域且つ正確な圧力検出を行うことができる。
【００３２】
〔第三の実施形態〕
第一の実施形態であるアクティブ型圧力センサを複数用いて、規則正しく整列配置し、すなわちアレイ化することで、面に加わる圧力の分布を従来よりも正確に検出することが可能となる（図７参照）。
【００３３】
このアレイ化されたアクティブ型圧力センサにおいて、各電極層に導電性薄膜、各圧電体に圧電薄膜を用いた場合には、センサ全体として極めて薄いものとなる。
そのため、周囲の圧力状態に影響を与えることなく検出を行うことが可能になる。
【００３４】
そして、アレイ化する圧力センサにアクティブ・パッシブ併用型圧力センサを用いることで、より広帯域の圧力検出を可能にする。
この場合に圧電体の材料を、例えば窒化アルミニウムとすることで高温環境下での検出も十分可能となる。
【００３５】
以上、本発明を説明してきたが、本発明は実施の形態に限定されることなく種々の変形例が可能である。
例えば、図面では変位センサを上に、アクチュエータを下にして書いているが、その位置を逆にして変位センサを下に、アクチュエータを上にすることも可能である。
アクティブ型圧力センサは、通常ケースに入れて使用するため、変位センサとアクチュエータの配置を逆にすることで、変位センサはケースのより内部に配置され、その結果、アクティブ型圧力センサの周囲の熱が、変位センサ用圧電体に伝わりにくくなる。
圧電体が発生させる電荷量は、圧電体自身の温度によって変化するので、上記のようにすることで、より正確な圧力の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、アクティブ型圧力センサの構成を模式的に説明する図である。
【図２】図２は、アクティブ型圧力センサにおける圧力の検出原理を模式的に説明する図である。
【図３】図３は、アクティブ型圧力センサにおける圧力の検出原理を模式的に説明する図である。
【図４】図４は、アクティブ型圧力センサにおける圧力の検出原理を模式的に説明する図である。
【図５】図５は、アクティブ型圧力センサにおける圧力の検出原理を模式的に説明する図である。
【図６】図６は、アクティブ・パッシブ併用型圧力センサを模式的に説明する図である。
【図７】図７は、アクティブ型圧力センサをアレイ化した様子を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    変位センサ用圧電体
２    変位センサ用電極層
３    アクチュエータ用圧電体
４    アクチュエータ用電極層
５    測定制御部
６    測定装置
Ａ    アクティブ型圧力センサ
Ｐ    パッシブ型圧力センサ
ＡＰ  アクティブ・パッシブ併用型圧力センサ
【図１】
2007187450.tif 000003
【図２】
2007187450.tif 000004
【図３】
2007187450.tif 000005
【図４】
2007187450.tif 000006
【図５】
2007187450.tif 000007
【図６】
2007187450.tif 000008
【図７】
2007187450.tif 000009