JP2005351744A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出結果の精度及び線形性を従来より向上することができる静電容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】 静電容量型圧力センサ１０は、圧力に応じて変形するダイアフラム１２と、ダイアフラム１２に対向して配置された固定基板１３と、ダイアフラム１２の変形に応じて変化する静電容量であるアクティブ容量を発生させるアクティブ電極１４と、ダイアフラム１２が変形しても略一定の静電容量である参照容量を発生させる参照電極１５と、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に浮遊容量が発生することをガードするためのガード電極１６とを備え、アクティブ電極１４、参照電極１５及びガード電極１６は、固定基板１３上に配置され、ガード電極１６は、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に配置されたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力を検出する静電容量型圧力センサに関するものである。

従来、圧力を検出する静電容量型圧力センサとして、圧力に応じて変形するダイアフラムと、ダイアフラムに対向して配置された対向基板と、ダイアフラムの変形に応じて変化する静電容量であるアクティブ容量を発生させるアクティブ電極と、ダイアフラムが変形しても略一定の静電容量である参照容量を発生させる参照電極とを備え、アクティブ電極及び参照電極が対向基板上に配置され、アクティブ電極及び参照電極からの信号に基づいて圧力を検出するものが知られている（例えば特許文献１参照。）。
特開平８−２７８２１６号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、従来の静電容量型圧力センサにおいては、アクティブ電極及び参照電極の間に発生する浮遊容量によって検出結果の精度及び線形性が低下するという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、検出結果の精度及び線形性を従来より向上することができる静電容量型圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサは、圧力に応じて変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに対向して配置された対向基板と、前記ダイアフラムの変形に応じて変化する静電容量であるアクティブ容量を発生させるアクティブ電極と、前記ダイアフラムが変形しても略一定の静電容量である参照容量を発生させる参照電極と、前記アクティブ電極及び前記参照電極の間に浮遊容量が発生することをガードするためのガード電極とを備え、前記アクティブ電極、前記参照電極及び前記ガード電極は、前記対向基板上に配置され、前記ガード電極は、前記アクティブ電極及び前記参照電極の間に配置された構成を有している。

この構成により、本発明の静電容量型圧力センサは、アクティブ電極及び参照電極の間に浮遊容量が発生することをガード電極によって抑制することができるので、検出結果の精度及び線形性を従来より向上することができる。

また、本発明の静電容量型圧力センサは、前記アクティブ電極及び前記参照電極から信号を入力して前記アクティブ容量及び前記参照容量に基づいた出力を生成する信号処理回路を備え、前記ガード電極は、前記信号処理回路の基準電位の入力部に接続された構成を有している。

この構成により、本発明の静電容量型圧力センサは、外部のノイズや導体がガード電極の電位に与える影響を抑制することができるので、検出結果を安定させることができる。

本発明は、検出結果の精度及び線形性を従来より向上することができる静電容量型圧力センサを提供することができるものである。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。

まず、本実施の形態に係る静電容量型圧力センサの構成について説明する。

図１から図３までに示すように、本実施の形態に係る静電容量型圧力センサ１０は、導電性のケース１１と、ケース１１内に設置されて圧力に応じて変形する金属製のダイアフラム１２と、ケース１１内に設置されてダイアフラム１２に対向して配置された対向基板としての固定基板１３と、ダイアフラム１２の変形に応じて変化する静電容量であるアクティブ容量１４ａを発生させる円状のアクティブ電極１４と、ダイアフラム１２が変形しても略一定の静電容量である参照容量１５ａを発生させる環状の参照電極１５と、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に浮遊容量が発生することをガードするための環状のガード電極１６と、ダイアフラム１２、アクティブ電極１４及び参照電極１５から信号を入力してアクティブ容量１４ａ及び参照容量１５ａに基づいた出力を生成する信号処理回路１７と、ダイアフラム１２からの信号を信号処理回路１７に導くリード線１８と、アクティブ電極１４からの信号を信号処理回路１７に導くリード線１９と、参照電極１５からの信号を信号処理回路１７に導くリード線２０と、信号処理回路１７の基準電位の入力部２１と、信号処理回路１７の出力部２２と、ガード電極１６を入力部２１に接続するリード線２３とを備えている。

ここで、ケース１１は、圧力を測定する流体を導入する測定ポート１１ａと、ダイアフラム１２によって分割された空隙１１ｂ及び空隙１１ｃとが形成されている。なお、空隙１１ｂは、測定ポート１１ａに連通している。また、空隙１１ｃは、高真空に気密封止されている。

また、アクティブ電極１４、参照電極１５及びガード電極１６は、固定基板１３上に配置されている。また、ガード電極１６は、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に配置されている。

なお、ダイアフラム１２は、セラミックの上に金属膜が形成されたものであっても良い。

次に、静電容量型圧力センサ１０の動作について説明する。

測定ポート１１ａから導入された流体によってダイアフラム１２に圧力が加わると、圧力の大きさに応じてダイアフラム１２が変形する。

ダイアフラム１２が変形すると、ダイアフラム１２と、アクティブ電極１４との間の距離が変化して、ダイアフラム１２と、アクティブ電極１４との間に生じる静電容量であるアクティブ容量１４ａが変化する。同様に、ダイアフラム１２が変形すると、ダイアフラム１２と、参照電極１５との間の距離が変化して、ダイアフラム１２と、参照電極１５との間に生じる静電容量である参照容量１５ａが変化する。

したがって、ダイアフラム１２、アクティブ電極１４及び参照電極１５からの信号に基づいて信号処理回路１７が生成した出力、即ち、出力部２２の出力によって測定ポート１１ａから導入された流体の圧力を知ることができる。

ここで、アクティブ電極１４から参照電極１５に向かう電界や、参照電極１５からアクティブ電極１４に向かう電界は、ガード電極１６によって遮蔽される。即ち、ガード電極１６は、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に浮遊容量が発生することを抑制することができる。したがって、静電容量型圧力センサ１０は、検出結果の精度及び線形性を従来より向上することができる。

また、ガード電極１６がリード線２３によって信号処理回路１７の基準電位の入力部２１に接続されているので、ガード電極１６の電位は、信号処理回路１７の基準電位と同じ電位となって安定する。したがって、静電容量型圧力センサ１０は、外部のノイズや導体がガード電極１６の電位に与える影響を抑制することができるので、検出結果を安定させることができる。

次に、外部の導体から静電容量型圧力センサ１０の出力が受ける影響を検証した結果の一例について説明する。

図４に示すように、外部の導体から静電容量型圧力センサ１０の出力が受ける影響を検証するための検証システム３０は、圧力が検出される気体が内部に存在する真空チャンバ４０と、真空チャンバ４０の内部の気体の圧力を一定に保つ真空ポンプ５０と、真空チャンバ４０の内部の気体の圧力を検出する静電容量型圧力センサ１０と、静電容量型圧力センサ１０と構成が一部異なり真空チャンバ４０の内部の気体の圧力を検出する静電容量型圧力センサ６０と、導体８０とを備えている。

静電容量型圧力センサ６０の構成は、図５から図７までに示すように、ガード電極１６（図１参照。）及びリード線２３（図１参照。）を静電容量型圧力センサ１０（図１参照。）から取り除いた構成と同様である。なお、静電容量型圧力センサ６０の構成については、静電容量型圧力センサ１０の同様な構成について静電容量型圧力センサ１０の構成に付した符号と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

静電容量型圧力センサ６０は、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に浮遊容量６１が発生し、信号処理回路１７での信号処理に浮遊容量６１が影響を及ぼすので、検出結果の精度及び線形性が低下する。また、アクティブ電極１４及び参照電極１５の間に発生する浮遊容量６１が外部の導体８０（図４参照。）の接近距離によって変化するので、静電容量型圧力センサ６０は、外部の導体８０の接近距離によって検出結果が不安定になる。一方、静電容量型圧力センサ１０は、上述したように、検出結果の精度及び線形性を向上することができるとともに、検出結果を安定させることができる。

例えば、図４に示すように矢印８０ａで示す方向に静電容量型圧力センサ１０及び静電容量型圧力センサ６０に対して導体８０を接近及び離隔すると、静電容量型圧力センサ１０の出力は、図８に示す実線１０ａのようになり、静電容量型圧力センサ６０の出力は、図８に示す破線６０ａのようになる。なお、図８において、時間０から時間Ｔ１までの間や、時間Ｔ１から時間Ｔ２までの間は、静電容量型圧力センサ１０及び静電容量型圧力センサ６０に対して導体８０が離隔しているときの出力であり、時間Ｔ１から時間Ｔ２までの間は、静電容量型圧力センサ１０及び静電容量型圧力センサ６０に対して導体８０が接近しているときの出力である。

図８に示すように、静電容量型圧力センサ１０は、外部の導体８０が接近すると、出力が０．０１Ｐａから０．０２Ｐａに変化している。即ち、外部の導体８０が接近及び離隔したときの静電容量型圧力センサ１０の出力変動は、０．０１Ｐａである。一方、静電容量型圧力センサ６０は、外部の導体８０が接近すると、出力が０．０４Ｐａから０．４Ｐａに変化している。即ち、外部の導体８０が接近及び離隔したときの静電容量型圧力センサ６０の出力変動は、０．３６Ｐａである。したがって、外部の導体８０が接近及び離隔したときの静電容量型圧力センサ１０の出力変動は、外部の導体８０が接近及び離隔したときの静電容量型圧力センサ６０の出力変動と比較して１／３６である。

本発明の一実施の形態に係る静電容量型圧力センサの側面断面図である。 図１に示す静電容量型圧力センサの固定基板の上面図である。 図１に示す静電容量型圧力センサの等価回路図である。 図１に示す静電容量型圧力センサの出力が外部の導体から受ける影響を検証するための検証システムの概略構成図である。 図１に示す静電容量型圧力センサと比較するための静電容量型圧力センサの側面断面図である。 図５に示す静電容量型圧力センサの固定基板の上面図である。 図５に示す静電容量型圧力センサの等価回路図である。 図１に示す静電容量型圧力センサの出力と、図５に示す静電容量型圧力センサの出力とを示す図である。

符号の説明

１０ 静電容量型圧力センサ
１２ ダイアフラム
１３ 固定基板（対向基板）
１４ アクティブ電極
１４ａ アクティブ容量
１５ 参照電極
１５ａ 参照容量
１６ ガード電極
１７ 信号処理回路
２１ 入力部
８０ 導体

Claims (2)

1. 圧力に応じて変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムに対向して配置された対向基板と、前記ダイアフラムの変形に応じて変化する静電容量であるアクティブ容量を発生させるアクティブ電極と、前記ダイアフラムが変形しても略一定の静電容量である参照容量を発生させる参照電極と、前記アクティブ電極及び前記参照電極の間に浮遊容量が発生することをガードするためのガード電極とを備え、
   前記アクティブ電極、前記参照電極及び前記ガード電極は、前記対向基板上に配置され、
   前記ガード電極は、前記アクティブ電極及び前記参照電極の間に配置されたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記アクティブ電極及び前記参照電極から信号を入力して前記アクティブ容量及び前記参照容量に基づいた出力を生成する信号処理回路を備え、
   前記ガード電極は、前記信号処理回路の基準電位の入力部に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。

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