JP2000039374A - 圧力検出ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特にノイズ成分の影響を受けずに小流量時に
も優れた検出感度を得ることができる圧力検出ユニット
を得る。 【解決手段】 センサ取付基板２１の両面に互いに背中
合わせに静電容量型圧力センサ１を装備すると共に、各
静電容量型圧力センサ１の周囲に受圧空間２２を画成す
るセンサカバー２３をセンサ取付基板２１の両面にそれ
ぞれ装備し、各センサカバー２３には内部の静電容量型
圧力センサ１に測定すべき圧力を導入するための測定圧
導入口２３ａを形成し、前記センサ取付基板２１上の１
個又は２個の静電容量型圧力センサ１の出力から前記測
定圧導入口２３ａに導入された圧力を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノイズ成分の影響
を受けずに小流量から大流量まで広域の流量範囲で高精
度に圧力測定を行うことができ、しかも、構造が簡単の
ため小型化や製造コストの低減を図ることができ、例え
ばフルイディック素子と組み合わせることでガスメータ
等における流量測定に有効利用することができる圧力検
出ユニットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、流体の圧力を検出する半導体圧
力センサの従来例を示したものである。この半導体圧力
センサ３０は、センサ取付板３１と、このセンサ取付板
３１の上に取り付けたセンサカバー３２とによって受圧
室３３を画成し、受圧室３３内に一つのセンサ素子３４
を装備したものである。センサカバー３２には、圧力測
定するガス流等の圧力を受圧室３３内に導くための測定
圧導入口３２ａが一つ装備されている。センサ素子３４
は、センサ取付板３１に固定される厚板状の台座３５
と、この台座３５との間に基準圧力室３６を画成して測
定圧導入口３２ａから供給される被測定圧により変形す
るダイヤフラム３７と、ダイヤフラム３７表面に拡散形
成されてダイヤフラム３７の変形に応じて抵抗値が変化
する起歪抵抗３８と、起歪抵抗３８の抵抗値を検出する
べく起歪抵抗３８に電気接続された一対のリード線３
９、４０とを具備し、測定圧導入口３２ａに作用する圧
力変動を起歪抵抗３８の抵抗値の変化として検出する。

【０００３】以上のように被測定流体の圧力変動をダイ
ヤフラム３７の変形によって受ける半導体圧力センサ３
０は、前記のダイヤフラム３７をシリコン単結晶板等で
形成することで、軽量小型化を図ることができる。そこ
で、最近では、このようなダイヤフラムを利用する圧力
センサを、ガス流の圧力変動を検出するフルイディック
素子と組み合わせることによって、ガスメータ等での流
量測定を実現する試みがなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した半
導体圧力センサ３０においては、基準圧力室３６は密封
空間で、微小な圧力変動に対する検出感度を向上させる
ために、通常、その内圧が真空状態またはそれに近い状
態に設定され、さらに、ダイヤフラム３７は可能な限り
に薄肉化される。しかし、このような構成では、例え
ば、大気圧程度の大きな圧力が作用した時に、ダイヤフ
ラム３７が簡単に破損してしまう虞があり、保守・管理
が難しいという問題が生じた。

【０００５】そこで、図５に示すように、台座３５とダ
イヤフラム３７との間の基準圧力室３６に、例えば大気
圧程度の不活性ガス４２を封入したセンサ素子４３も提
案されている。このような構成とすれば、大気圧の作用
でダイヤフラム３７が破損することがなくなり、保守・
管理を容易にすることができる。ところが、このように
密封空間である基準圧力室３６に不活性ガス４２を封入
する構成では、不活性ガス圧がダイヤフラムの変位を抑
制する抵抗として作用するため、ガス流の微小な圧力変
動に対しては、検出感度を高めることが難しいという問
題が生じた。

【０００６】また、以上のようダイヤフラムを使用する
圧力センサでは、基準圧力室３６に不活性ガスを封入す
る、しないに拘わらず、例えば、測定するガス圧の変動
特性やダイヤフラムのばね特性に応じて、ダイヤフラム
の振動を加振するノイズ成分が発生する。このノイズ成
分の影響は検出圧が微弱な小流量範囲での測定時ほど大
きく、小流量範囲での測定精度を低下させるという問題
を招く。結局、前述した従来の圧力センサでは、ノイズ
成分の影響のために、高精度に圧力測定できる流量範囲
が狭くなるという問題が発生した。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、ノイズ成分の影響を受けずに小流量時の微小な圧力
変動に対しても優れた検出感度を得ることができると同
時に、検出出力の増大を図って、小流量から大流量まで
広域の流量範囲で高精度に圧力測定を行うことができ、
しかも、構造が簡単なため小型化や製造コストの低減を
図ることができて、例えばフルイディック素子と組み合
わせることでガスメータ等における流量測定に有効利用
することができる圧力検出ユニットを提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る圧力検出ユニットは、両面にセンサ取付
部を設定すると共に各センサ取付部にセンサの圧力導入
口に連通されるセンサ用開口を透設したセンサ取付基板
と、前記センサ取付部に取り付けて前記センサ用開口か
ら前記圧力導入口に導かれる圧力によって変位するダイ
ヤフラムを装備した圧力静電容量型圧力センサと、前記
センサ取付基板の各面上で前記静電容量型圧力センサと
前記センサ用開口との周囲を覆う受圧空間を画成すると
共に該受圧空間に測定すべき圧力を導入する測定圧導入
口を形成した一対のセンサカバーとを具備し、前記セン
サ取付基板上の両面に装備された１個又は２個の静電容
量型圧力センサの出力から前記測定圧導入口に導入され
る圧力を検出することを特徴とする。

【０００９】そして、上記構成によれば、センサ取付基
板に二つの静電容量型圧力センサを装備した形態で使用
する場合、それぞれの静電容量型圧力センサは取り付け
向きが互いに逆になり、測定動作時にそれぞれの静電容
量型圧力センサのダイヤフラムに発生する信号成分及び
ノイズ成分が逆向きの加振力となるため、信号成分の絶
対値を加算することで出力の増大が図れる一方、ノイズ
成分を加算することで、ノイズ成分を相殺することがで
きる。また、このような信号成分の増大効果効果及びノ
イズ成分の相殺効果は、測定する流量範囲に拘わらず授
受することができる。従って、小流量から大流量まで広
域の流量範囲で高精度に圧力測定を行うことができる。
また、センサ取付基板に装備する静電容量型圧力センサ
を一つに制限した形態で使用する場合には、前述したノ
イズ成分の相殺効果は得られなくなるが、使用する静電
容量型圧力センサ数の低減により構造が更に単純にな
り、コストの低減を図ることができる。更に、圧力検出
用に装備するセンサは静電容量型圧力センサで、基本構
造は、測定圧を受けて変位するダイヤフラムと該ダイヤ
フラムに対向する上部絶縁基板とにそれぞれ電極板を配
置する簡単な構造で小型化に適する。

【００１０】なお、前記センサ取付基板に取り付けられ
る静電容量型圧力センサは、好ましくは、圧力導入口を
有してセンサ取付基板上に取り付けられる下部絶縁基板
と、この下部絶縁基板上に装着され前記下部絶縁基板と
の間に前記圧力導入口に連通した圧力室を画成し前記圧
力導入口に導かれる圧力に応じて変位するダイヤフラム
と、前記ダイヤフラムの変位を許容する離間距離を設け
て前記ダイヤフラムに対応配置される上部絶縁基板と、
前記ダイヤフラムの前記上部絶縁基板と対向する表面に
積層形成され前記ダイヤフラムと一体に変位する移動電
極板と、前記上部絶縁基板の前記移動電極板と対向する
表面に積層形成される固定電極板と、前記ダイヤフラム
と前記固定電極板との間に画成される空間を外部に連通
させる連通孔とを備えて、前記ダイヤフラムが変位した
時の両電極板間の静電容量の変化から前記圧力導入口に
作用する圧力を検出する構成とするとよい。

【００１１】このようにすると、ダイヤフラムが変位す
る際にダイヤフラム上の移動電極板と固定電極板との間
の空間がダイヤフラムの変位を抑制する抵抗として作用
することを防止でき、また、大気圧の変化に起因するダ
イヤフラムの静止位置の変動を防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る圧力検出ユニ
ットの好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。図１及び図３は本発明に係る圧力検出ユニットの一
実施形態を示したもので、図１は一実施形態の圧力検出
ユニットの要部断面図、図２は図１中の静電容量型圧力
センサの拡大断面図、図３は一実施形態の圧力検出ユニ
ットにおいて装備する静電容量型圧力センサを一つに制
限した使用形態における要部断面図である。

【００１３】圧力検出ユニット２０は、両面にセンサ取
付部２１ａが設定されると共に、各センサ取付部２１ａ
に、後述するセンサ１の圧力導入口２ａに連通されるセ
ンサ用開口２１ｂを透設した一枚のセンサ取付基板２１
と、このセンサ取付基板２１を挟んで互いに背中合わせ
となるように前記センサ取付部２１ａに取り付けられ、
上記のセンサ用開口２１ｂから導かれる圧力変動を静電
容量の変化として検出する静電容量型圧力センサ１と、
センサ取付基板２１の各面上で静電容量型圧力センサ１
とセンサ用開口２１ｂとの周囲を覆う受圧空間２２を画
成すると共に、この受圧空間２２に測定すべき圧力を導
入する測定圧導入口２３ａが装備された一対のセンサカ
バー２３とを備えて構成され、センサ取付基板２１上に
装備された１個又は２個の静電容量型圧力センサ１の出
力から測定圧導入口２３ａに導入された圧力を検出する
ようになっている。この実施形態の場合、一対の測定圧
導入口２３ａには、測定すべき流体の圧力変動がフルイ
ディック素子１５を介して導入されるようになってお
り、各静電容量型圧力センサ１の検出信号は流量測定に
利用される。

【００１４】ここに、静電容量型圧力センサ１は、図２
に示すように、中央に圧力導入口２ａを有して前記セン
サ取付基板２１に密着して取り付けられる下部絶縁基板
２と、この下部絶縁基板２の上に装着されて下部絶縁基
板２との間に圧力導入口２ａに連通する圧力室３を画成
すると共に、圧力導入口２ａに作用する圧力に応じて変
位するダイヤフラム４と、ダイヤフラム４の変位を許容
する離間距離を持ってダイヤフラム４に対向配置された
上部絶縁基板５と、ダイヤフラム４の、上部絶縁基板５
と対向する表面に積層形成されてダイヤフラム４と一体
に変位する移動電極板７と、上部絶縁基板５の、移動電
極板７と対向する表面に積層形成される固定電極板９
と、これらの電極板７、９間に所定のバイアス電圧を印
加する図示せぬ電源とを備えて、ダイヤフラム４が変位
した時の移動電極板７及び固定電極板９間の静電容量の
変化から圧力導入口２ａに作用する圧力変動を検出す
る。

【００１５】下部絶縁基板２及び上部絶縁基板５は、何
れもガラス製である。また、ダイヤフラム４は、シリコ
ン単結晶板に圧力室３となる窪みを形成したものであ
る。また、上部絶縁基板５の周縁は直接移動電極板７の
上に重ねた状態で固定されるが、電極同士が重なる部分
には、ＳｉＯ₂等で形成された絶縁板１０を介在させ
て、電極同士の接触が防止されている。

【００１６】移動電極板７は、拡散法によりダイヤフラ
ム４上に所定の膜厚に形成されている。また、固定電極
板９は、金属材を上部絶縁基板５の表面に蒸着させるこ
とによって、所定の膜厚に形成されている。さらに、こ
の固定電極板９は、移動電極板７に対向する表面に圧電
材料による高分子エレクトレット層１２を形成したエレ
クトレット構造としている。高分子エレクトレット層１
２は、ポリ尿素等の圧電材料を蒸着法により所定の膜厚
に形成したものである。

【００１７】下部絶縁基板２に当接するダイヤフラム４
の支持部（周縁部）は、高温、高電圧下での陽極接合に
より下部絶縁基板２に密着状態に接合されている。ま
た、ダイヤフラム４上の移動電極板７の上に重ねられる
上部絶縁基板５も、移動電極板７との当接箇所は適宜接
着剤等により、密着状態に接合されている。但し、本実
施形態の場合、ダイヤフラム４と固定電極板９との間に
画成される空間１３を外部に連通する連通孔１４が上部
絶縁基板５に貫通形成されて、空間１３が非密封空間と
されている。

【００１８】移動電極板７及び固定電極板９は、それぞ
れ端部に電気接続したリード線７ａ、９ａが図示せぬ電
源に接続されて、所定のバイアス電圧が印加されるよう
になっている。

【００１９】以上の圧力検出ユニット２０では、図１に
示したようにセンサ取付基板２１に二つの静電容量型圧
力センサ１を装備した形態で使用する場合、それぞれの
静電容量型圧力センサ１は取り付け向きが互いに逆にな
り、測定動作時にそれぞれの静電容量型圧力センサ１の
ダイヤフラム４に発生する信号成分及びノイズ成分が逆
向きの加振力となるため、それぞれの静電容量型圧力セ
ンサ１に生じた信号成分の絶対値を加算して出力の増大
が図れる一方、ノイズ成分を加算することで、ノイズ成
分を相殺することができる。従って、特にダイヤフラム
４に作用するノイズ成分の測定精度への影響が大きくな
る小流量範囲での測定用としては、センサ取付基板２１
上に二つの静電容量型圧力センサ１を装備した形態とす
ることで、ノイズ成分の影響を受けずに小流量時の微小
な圧力変動に対しても高ＳＮ比の優れた検出感度を得る
ことができる。勿論、このような信号成分の加算効果及
びノイズ成分の相殺効果は、測定する流量範囲に拘わら
ず授受することができる。従って、小流量から大流量ま
で広域の流量範囲で高ＳＮ比で高精度に圧力測定を行う
ことができる。

【００２０】但し、ノイズ成分の測定精度への影響度
は、測定範囲が中流量又は大流量の場合には比較的に小
さい。そこで、測定範囲が中流量又は大流量の場合に
は、図３に示すように、センサ取付基板２１に装備する
静電容量型圧力センサ１を一つに制限し、使用しないセ
ンサ用開口２１ｂは栓２１ｃにより封止しておくこと
で、使用する静電容量型圧力センサ数を減らして、コス
トの低減を図ることができる。

【００２１】また、圧力検出用に装備するセンサは静電
容量型圧力センサで、基本構造は、測定圧を受けて変位
するダイヤフラム４とこのダイヤフラム４に対向する上
部絶縁基板５とにそれぞれ電極板を配置する簡単な構造
で小型化に適するため、圧力検出ユニット２０全体とし
ても構造の単純化により小型化や製造コストの低減を図
ることができる。そして、本実施形態のようにフルイデ
ィック素子１５と組み合わせることで、ガスメータ等に
おける流量測定に有効利用することができる。

【００２２】また、静電容量型圧力センサ１は、移動電
極板７を有したダイヤフラム４と固定電極板９との間に
画成される空間１３を外部に連通させた連通孔１４を備
えた構成として、空間１３が外部に連通する非密封空間
となるため、ダイヤフラム４が変位する際に空間１３が
ダイヤフラム４の変位を抑制する抵抗として作用するこ
とを防止でき、また、大気圧の変化に起因するダイヤフ
ラム４の静止位置の変動を防止することができ、この結
果、ダイヤフラム４の応答性や動作精度が向上するた
め、圧力検出ユニット２０として、更に、検出感度の向
上、測定精度の向上を図ることができる。

【００２３】しかも、本実施形態の場合、ダイヤフラム
４の変位によって移動電極板７と固定電極板９との間の
離間距離が変わる場合の静電容量の変化が、固定電極板
９上に形成した高分子エレクトレット層１２の存在によ
り増幅強化される。従って、移動電極板７と固定電極板
９との間に作用させておくバイアス電圧を、極めて低電
圧にしても、微小な圧力変動に対して優れた検出感度を
得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の圧力検出ユニットによれば、１
〜２個の静電容量型圧力センサが選択的にセンサ取付基
板に取り付けできて、しかも、同一センサカバーで形成
される同一パッケージを使用して構成されることによ
り、低コストで且つ複数のバリエーションに対応可能な
圧力検出ユニットを製作できる。そして、センサ取付基
板に二つの静電容量型圧力センサを装備した形態で使用
する場合、それぞれの静電容量型圧力センサは取り付け
向きが互いに逆になり、測定動作時に各静電容量型圧力
センサのダイヤフラムに発生する信号成分及びノイズ成
分が逆向きの加振力となるため、信号成分の絶対値を加
算して出力増大が図れる一方、ノイズ成分を加算するこ
とで、ノイズ成分を相殺することができる。従って、特
にダイヤフラムに作用するノイズ成分の測定精度への影
響が大きくなる小流量範囲での測定用としては、センサ
取付基板上に二つの静電容量型圧力センサを装備した形
態とすることで、ノイズ成分の影響を受けずに小流量時
の微小な圧力変動に対しても高ＳＮ比の優れた検出感度
を得ることができる。一方、ノイズ成分の測定精度への
影響度は、中流量又は大流量の測定範囲では小流量に較
べて小さいので、中流量又は大流量での測定用として
は、センサ取付基板に装備する静電容量型圧力センサを
一つに制限することで、センサ数を減らして、コスト低
減を図ることができる。

【００２５】また、使用する静電容量型圧力センサを、
移動電極板を有したダイヤフラムと固定電極板との間に
画成される空間を外部に連通させた連通孔を備えた構成
とした場合には、空間が外部に連通する非密封空間とな
るため、ダイヤフラムが変位する際この空間がダイヤフ
ラムの変位を抑制する抵抗として作用することを防止で
き、また、大気圧の変化に起因するダイヤフラムの静止
位置の変動を防止することができ、その結果、ダイヤフ
ラムの応答性や動作精度が向上するため、圧力検出ユニ
ットとして、更に、検出感度の向上、測定精度の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力検出ユニットの一実施形態の
要部断面図である。

【図２】図１の圧力検出ユニット中の静電容量型圧力セ
ンサの拡大断面図である。

【図３】図１の圧力検出ユニットにおいて装備する静電
容量型圧力センサを一つに制限した使用形態を示す要部
断面図である。

【図４】従来の圧力検出ユニットの縦断面図である。

【図５】従来の圧力検出ユニットに使用される改良型の
圧力センサの縦断面図である。

【符号の説明】

１ 静電容量型圧力センサ ２ 下部絶縁基板 ２ａ 圧力導入口 ３ 圧力室 ４ ダイヤフラム ５ 上部絶縁基板 ７ 移動電極板 ９ 固定電極板 ７ａ、９ａ リード線 １０ 絶縁板 １２ 高分子エレクトレット層 １３ 空間 １４ 連通孔 ２０ 圧力検出ユニット ２１ センサ取付基板 ２１ａ センサ取付部 ２１ｂ センサ用開口 ２２ 受圧空間 ２３ センサカバー ２３ａ 測定圧導入口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両面にセンサ取付部を設定すると共に各
   センサ取付部にセンサの圧力導入口に連通されるセンサ
   用開口を透設したセンサ取付基板と、前記センサ取付部
   に取り付けて前記センサ用開口から前記圧力導入口に導
   かれる圧力によって変位するダイヤフラムを装備した圧
   力静電容量型圧力センサと、 前記センサ取付基板の各面上で前記静電容量型圧力セン
   サと前記センサ用開口との周囲を覆う受圧空間を画成す
   ると共に該受圧空間に測定すべき圧力を導入する測定圧
   導入口を形成した一対のセンサカバーとを具備し、 前記センサ取付基板上の両面に装備された１個又は２個
   の静電容量型圧力センサの出力から前記測定圧導入口に
   導入される圧力を検出することを特徴とする作動出力型
   の圧力検出ユニット。
2. 【請求項２】 前記静電容量型圧力センサは、前記圧力
   導入口を有して前記センサ取付基板上に取り付けられる
   下部絶縁基板と、この下部絶縁基板上に装着され前記下
   部絶縁基板との間に前記圧力導入口に連通した圧力室を
   画成し前記圧力導入口に導かれる圧力に応じて変位する
   前記ダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの変位を許容す
   る離間距離を設けて前記ダイヤフラムに対応配置される
   上部絶縁基板と、前記ダイヤフラムの前記上部絶縁基板
   と対向する表面に積層形成され前記ダイヤフラムと一体
   に変位する移動電極板と、前記上部絶縁基板の前記移動
   電極板と対向する表面に積層形成される固定電極板と、
   前記ダイヤフラムと前記固定電極板との間に画成される
   空間を外部に連通させる連通孔とを備えて、前記ダイヤ
   フラムが変位した時の両電極板間の静電容量の変化から
   前記圧力導入口に作用する圧力を検出することを特徴と
   する請求項１記載の圧力検出ユニット。