JP2009133838A - 静電容量型隔膜式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 環境温度の影響を受けにくく、センサ全体の温度を均一かつ一定に保つことが容易な静電容量型隔膜式圧力センサを提供すること。
【解決手段】 対向配置された固定電極とダイヤフラムを有し、ダイヤフラムが外力によって変形され、この変形に応じて変化する固定電極とダイヤフラムの間の静電容量によって圧力を求める静電容量型隔膜式圧力センサは、センサの本体を囲う外側ケースと、外側ケースの内面に配置されたヒータと、外側ケースの内部の温度を測定するための温度センサと、温度センサにより得た温度信号を所定値と比較し、比較結果に基づいてヒータを駆動するための駆動信号を出力する温度調整回路と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、精度よく動作させるため温度を一定に保つように調整する静電容量型隔膜式圧力センサに関するものである。

真空装置等の内部圧力を測定するための圧力センサの一例として静電容量型隔膜式圧力センサがある。

図５は、従来の技術の静電容量型隔膜式圧力センサの断面図である。

静電容量型隔膜式圧力センサ（以下、単に「圧力センサ」ともいう）は、その内部に備わった基準圧力室２の一部がダイヤフラム１で仕切られた構造をしている。ここで、貫通孔（スルーホール）３を通してダイヤフラム１に大気の圧力が加わると、ダイヤフラム１は圧力の強さに応じて変位する。そこで、ダイヤフラム１を一方の電極として、これと対向して基準圧力室２の内部に固定電極４を形成しておけば、ダイヤフラム１と固定電極４間の静電容量が変化する。端子ピン５を通してその変化量を電気回路７で検出して電気信号に変換し、電気信号コネクタ８を通してその電気信号を外部に出力する。また、上記電気回路や圧力を検出するための構造体は金属や樹脂材料などから成るセンサケース６で覆われた構造となっている。

しかしながら、例えば上記圧力センサが設置された環境温度が変化すると、ダイヤフラム１及び基準圧力室２は環境温度の変化に伴って熱伸縮し、ダイヤフラム１にストレスが発生して事実上ダイヤフラム１に変位が生ずる。その結果、本来圧力計が検出すべき圧力が一定の場合でも、電気信号コネクタ８から出力される電気信号には変化が発生して圧力測定値に誤差が生じてくる。このため圧力センサを精度よく動作させることができない。

一方、環境温度を測定するための温度センサを備えた静電容量型隔膜式圧力センサが知られている（特許文献１参照）。このことから、静電容量型隔膜式圧力センサが環境温度の影響を受けづらくするための手段が考えられる。すなわち、環境温度を測定するための温度センサを図５における電気回路７に取り付け、圧力センサの温度を測定し、その温度から熱膨張係数の違いに起因して生ずるダイヤフラム変位量を電気回路７で補正を行う温度補正方式を使用するものがある。しかし、前記温度補正方式は測定温度が必ずしもダイヤフラムの温度と一致していなかったり、温度モニタの精度に問題があった。そして、温度補正を行うための補正データ（温度に対する補正係数のデータ）を予め測定して補正回路にインプットする作業が必要である。補正関数は、センサの動作可能温度領域において温度を等間隔で選びその時得られた温度とセンサの値にフィッティングして作成するが、サンプリングしていなかった温度で誤差を生じるため高精度の圧力測定器として使用するには限界がある。

この問題を解決するために、環境温度変化に関係なく圧力センサの温度を一定にする温度調整方式の静電容量型隔膜式圧力センサがある。

図６は、温度調整方式を施した静電容量型隔膜式圧力センサの断面図である。

圧力センサ内部のダイヤフラム１や基準圧力室２の温度が常に一定温度となるようにカバー４１及びヒータ４２を組み込み、電気回路７によって圧力センサ内部を加熱・温度調整する温度調整方式の静電容量型隔膜式圧力センサである。温度調整方式では、例えば、基準圧力室にヒータを設置し、更にその周囲の空間を同じくヒータを設置したカバー等で囲い、それら各ヒータ近傍に設置した温度センサを温度調整回路に取り付けて、温度調整を行っている。この温度調整方式は、圧力センサ全体の温度が殆ど一定で且つ温度調整されているために環境温度の影響を受けにくく、温度補正方式よりも高精度の圧力センサを実現できる。
特開２００１−１３０２５号公報

従来の温度調整方式は、圧力センサ全体を常に一定温度に保つためにダイヤフラム周囲の様々な部材にヒータを組み込み、それらのヒータに対し温度調整を行っている。また、温度調整を行うために温度調整回路に温度センサを取り付けて、この温度センサをこれら部材の中に組み込んでそのポイントを一定温度に保つように温度調整を行っている。

しかし、環境温度が変化すると圧力センサの温度が変化してしまうが、温度調整により再び圧力センサの温度が一定温度になるまでの間はダイヤフラム周囲部材の温度が不均一になりやすい。圧力センサ温度が一定でなくなるとダイヤフラムの面内の温度分布が悪化し、ダイヤフラムにストレスが発生しダイヤフラムに変位が生じてしまう。また、近年ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）技術により製造した圧力センサなど圧力センサ本体の小型化が進むと、温度調整方式を採用した場合、圧力センサ本体の熱容量は小さくなる。これにより周囲環境温度の変化に伴い圧力センサ全体の温度が更に急峻に変動しやすくなり、圧力センサの温度が一定になるまでの温度調整の間に圧力センサ全体の温度がハンチングしやすくなり、一定温度に保つことがより困難になるなどの問題が生じる。このように測定値が温度の影響を受ける問題は、圧力センサに限らず、センサ一般についていえることである。

そこで、本発明の目的は、環境温度の影響を受けにくく、センサ全体の温度を均一かつ一定に保つことが容易な静電容量型隔膜式圧力センサを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明にかかる静電容量型隔膜式圧力センサは、対向配置された固定電極とダイヤフラムを有し、当該ダイヤフラムが外力によって変形され、この変形に応じて変化する前記固定電極と前記ダイヤフラムの間の静電容量によって圧力を求める静電容量型隔膜式圧力センサにおいて、
前記センサの本体を囲う外側ケースと、
前記外側ケースの内面に配置されたヒータと、
前記外側ケースの内部の温度を測定するための温度センサと、
前記温度センサにより得た温度信号を所定値と比較し、前記比較結果に基づいて前記ヒータを駆動するための駆動信号を出力する温度調整回路と、を有することを特徴とする。

あるいは、上記の目的を達成する本発明にかかる静電容量型隔膜式圧力センサは、対向配置された固定電極とダイヤフラムを有し、当該ダイヤフラムが外力によって変形され、この変形に応じて変化する前記固定電極と前記ダイヤフラムの間の静電容量によって圧力を求める静電容量型隔膜式圧力センサにおいて、
前記センサの本体を囲う外側ケースと、
前記外側ケースの内面に配置されたヒータと、
前記外側ケースの内部の温度を測定するための第１の温度センサと、前記外側ケースの外部の温度を測定するための第２の温度センサと、
前記第１の温度センサにより得た前記外側ケースの内部の温度信号を所定値と比較し、前記比較結果に基づいて前記ヒータを駆動するための駆動信号を出力し、且つ前記第２の温度センサにより得た前記外側ケースの外部の温度変化分に応じて、前記ヒータの動作を修正するための修正出力を演算し、前記修正出力を前記駆動信号に加算する温度調整回路と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、環境温度の影響を受けにくく、センサ全体の温度を均一かつ一定に保つことが容易な静電容量型隔膜式圧力センサを提供することが可能になる。本発明にかかる静電容量型隔膜式圧力センサは、従来の温度補正方式よりも環境温度の影響を受けにくく、また従来の温度調整方式よりもセンサ全体の温度を均一且つ一定に保つことが容易にできる。このためセンサ部品に対する熱ストレスの影響が少なく、測定精度の向上ができる。

本発明によれば、外側ケースの内部と外部の温度を個々に測定するための温度センサを設け、温度調整回路によりフィードバック制御とフィードフォワード制御を行っている。これにより上記効果に加えて、環境温度が変化しても均一に相殺できるのでセンサ全体の温度を常に一定に保つ効果を更に高めることができる。

以下において、第１の実施形態、及び第２の実施形態としてＭＥＭＳ技術を用いて製造し小型化した静電容量型隔膜式圧力センサについて説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る静電容量型隔膜式圧力センサを示す断面図である。

図中１から８に示す部分は、図５に示したＭＥＭＳ技術を用いた静電容量型隔膜式圧力センサを構成する部材と同じである。対向配置された固定電極４とダイヤフラム１を有し、ダイヤフラム１が外力によって変形され、この変形に応じて変化する固定電極４とダイヤフラム１の間の静電容量によって圧力を求める。

圧力センサの全体を厚みが均一で低熱伝導性の樹脂からなる外側ケース９で囲い、外側ケース９の内面には単位面積当りのパワーを等しくしたラバーヒータのようなシート状もしくはフィルム状のヒータ１０を設置している。この場合、ヒータ１０は、外側ケース９の内面と両面テープを用いて、互いに接着されていてもよい。外側ケース９の内部に温度センサ１１を配置し、外側ケース９の内部の温度を測定する。温度調整回路１２は、温度センサ１１が感知した温度信号を入力し、所定値と比較してヒータ１０の駆動信号を出力し、外側ケース９の内部の温度、すなわち圧力センサの温度を調整する。この調整は、通常の制御であるフィードバック制御である。

例えば、加熱温度はケース内部空間の温度を環境温度（例えば１５℃〜３５℃）以上の４５℃とし、外側ケース９の内部の温度センサ１１により感知した外側ケース９の内部の温度を調整する温度調整回路１２によりＰＩＤ制御した。

温度調整回路１２は、外側ケース９の上部に設けた電気信号コネクタ１３に接続し電源を供給する。更に外側ケース９の上部に設けられた電気信号コネクタ１３は、圧力センサ本体の電気信号コネクタ８と接続している。なお、貫通孔３は外側ケース９とヒータ１０も貫通している。

このように、圧力センサの全体を厚みが均一で低熱伝導性の樹脂製の外側ケース９で囲うことで、断熱性を高め周囲環境との熱のやりとりが均一且つ少なくできる。更に圧力センサ全体の温度を均一に加熱するために外側ケース９の内面に単位面積当りのパワーが均一となるようなヒータ１０を配置している。外側ケース９の内部の温度は、外側ケース９の内部の温度センサ１１と温度調整回路１２により制御され、外部環境の温度が変化しても均一で緩やかに変化する。外側ケース９の内部の温度は、均一となりハンチングしづらく一定に保つことが容易になる。圧力センサ温度及びその周囲の温度の均一性が向上するため圧力センサのダイヤフラムへの熱ストレスが緩和され、圧力測定値が安定となる効果が得られる。

本実施形態を用いればＭＥＭＳ技術を用いて小型化した静電容量型隔膜式圧力センサを従来の温度補正方式よりも環境温度の影響を受けにくい。また、従来の温度調整方式よりも小型化が可能であり、省スペース性に優れ、圧力センサ全体の温度を均一且つ一定に保つことが容易にでき、圧力測定精度を向上することができる。

また、既存の温度補正方式の静電容量型隔膜式圧力センサに対しても本実施形態の温度調整のための機構を付加的に装着することにより、温度補正機能と温度調整機能を併せもつという機能の向上が図れるという大きなメリットがある。

［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態に係る静電容量型隔膜式圧力センサを示す断面図である。

図中１から８に示す部分は、図５に示したＭＥＭＳ技術を用いた静電容量型隔膜式圧力センサを構成する部材である。次に、本実施形態の構成と第１の実施形態の構成との相違する部分を主に説明する。

外側ケース９の内部に第１の温度センサ１４を配置し、外側ケース９の内部の温度を測定する。外側ケース９の外部に第２の温度センサ１５を配置し、外側ケース９の外部の温度を測定する。温度調整回路１６には、第１の温度センサ１４が感知した温度信号を入力し、所定値と比較してヒータ１０の駆動信号を出力する回路部が有る。これにより外側ケース９の内部の温度、すなわち圧力センサの温度を、通常の制御であるフィードバック制御により調整する点は、第１の実施形態と共通する。

温度調整回路１６には、更に第２の温度センサ１５が感知した外側ケース９の外部の温度信号を入力し、温度変化分（微分値）に応じた出力、すなわち温度変化分に係数を乗じた出力を、ヒータ１０の動作を修正するための修正出力として演算し、この修正出力を、ヒータ１０の駆動信号に加算する回路部が有る。回路部は、修正出力を駆動信号に加算することにより外側ケース９の内部の温度、すなわち圧力センサの温度に関する影響を前もって極力抑えるように、ヒータ１０の修正動作をフィードフォワード制御により調整する。

本実施形態では、外側ケースの外部と内部の温度を個々に測定するための温度センサを設け、温度調整回路１６により第１の実施形態のフィードバック制御に加えてフィードフォワード制御を行っている。それにより、第１の実施形態の効果に加えて外部環境の温度が変化しても均一に相殺できるので圧力センサの温度を常に一定に保ちやすくなり、圧力測定精度が増し圧力測定値がより早く安定となる効果が得られる。

次に、第１、第２の実施形態に追加し適用できる外側ケース構造の例を説明する。

図３は、外側ケース９とその内面に配置されたヒータ１０との間に高熱伝導率材料であるカーボンシート１７を挟みこんでいる場合の断面図である。

ここでは、低熱伝導率性の材料である外側ケース９とその内面に配置されたヒータ１０の間に、高熱伝導率性の材料からなる板またはシートを挟みこんでいる。すなわち、厚みが均一で低熱伝導率性の樹脂からなる外側ケース９とその内面に配置された単位面積当りのパワーを等しくしたラバーヒータのようなヒータ１０との間に高熱伝導率性のカーボンシート１７を設置する。このカーボンシート１７が均熱板として作用し、外側ケース９の内面の温度がより均一になる。外側ケース９の内部の温度がより均一となり、圧力測定精度が増すという効果が得られる。ここではカーボンシートを使用しているが、その他の高熱伝導率性の部材でも代用は可能である。

図４は、外側ケース９とその内面に配置されたヒータ１０との間に高熱伝導率性の材料であるカーボンシート１７を挟み、更に外側ケース９の外面に高熱伝導率性の材料であるＡｌ板１８を付設した場合の断面図である。

ここでは、図３に示された外側ケース９において、更にその外側の面に高熱伝導率性の材料からなる板またはシートを付設する。すなわち、図３に示された外側ケース９と同様に、厚みが均一で低熱伝導率性の樹脂からなる外側ケース９の内面と、単位面積当りのパワーを等しくしたラバーヒータのようなヒータ１０と、の間に高熱伝導率性のカーボンシート１７を設置する。このカーボンシート１７が均熱板として作用し外側ケース９の内面の温度がより均一になり、外側ケース９の内部の温度がより均一となる。加えて、外側ケース９の外面に高熱伝導率性のＡｌ板１８が追加されているので、均熱板として作用し外側ケース９の外部の環境温度との熱のやり取りも均一にできる。このため、外側ケース９の内部の温度をより一層均一にできるので、圧力測定精度を更に増すことができる。

本発明の第１の実施形態に係る静電容量型隔膜式圧力センサを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る静電容量型隔膜式圧力センサを示す断面図である。 外側ケース９とその内面に配置されたヒータ１０との間に高熱伝導率材料であるカーボンシート１７を挟みこんでいる場合の断面図である。 外側ケース９とその内面に配置されたヒータ１０との間に高熱伝導率材料であるカーボンシート１７を挟み、更に外側ケース９の外面に高熱伝導率材料であるＡｌ板１８を付設した場合の断面図である。 従来技術の静電容量型隔膜式圧力センサを示す断面図である。 従来技術の温度調整方式を施した静電容量型隔膜式圧力センサを示す断面図である。

符号の説明

１ ダイヤフラム
２ 基準圧力室
３ 貫通孔
４ 固定電極
５ 端子ピン
６ センサケース
７ 電気回路
８ 電気信号コネクタ
９ 外側ケース
１０ ヒータ
１１ 温度センサ
１２ 温度調整回路
１３ 電気信号コネクタ

Claims (8)

1. 対向配置された固定電極とダイヤフラムを有し、当該ダイヤフラムが外力によって変形され、この変形に応じて変化する前記固定電極と前記ダイヤフラムの間の静電容量によって圧力を求める静電容量型隔膜式圧力センサにおいて、
   前記センサの本体を囲う外側ケースと、
   前記外側ケースの内面に配置されたヒータと、
   前記外側ケースの内部の温度を測定するための温度センサと、
   前記温度センサにより得た温度信号を所定値と比較し、前記比較結果に基づいて前記ヒータを駆動するための駆動信号を出力する温度調整回路と、
   を有することを特徴とする静電容量型隔膜式圧力センサ。
2. 前記外側ケースは、低熱伝導率性の材料であり、
   前記外側ケースの内面と、前記ヒータとの間に、高熱伝導率の部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型隔膜式圧力センサ。
3. 前記外側ケースの外面に高熱伝導率性の部材が付設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型隔膜式圧力センサ。
4. 対向配置された固定電極とダイヤフラムを有し、当該ダイヤフラムが外力によって変形され、この変形に応じて変化する前記固定電極と前記ダイヤフラムの間の静電容量によって圧力を求める静電容量型隔膜式圧力センサにおいて、
   前記センサの本体を囲う外側ケースと、
   前記外側ケースの内面に配置されたヒータと、
   前記外側ケースの内部の温度を測定するための第１の温度センサと、前記外側ケースの外部の温度を測定するための第２の温度センサと、
   前記第１の温度センサにより得た前記外側ケースの内部の温度信号を所定値と比較し、前記比較結果に基づいて前記ヒータを駆動するための駆動信号を出力し、且つ前記第２の温度センサにより得た前記外側ケースの外部の温度変化分に応じて、前記ヒータの動作を修正するための修正出力を演算し、前記修正出力を前記駆動信号に加算する温度調整回路と、
   を有することを特徴とする静電容量型隔膜式圧力センサ。
5. 前記外側ケースは、低熱伝導率性の材料であり、
   前記外側ケースの内面と、前記ヒータとの間に、高熱伝導率性の部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型隔膜式圧力センサ。
6. 前記外側ケースの外面に高熱伝導率性の部材が付設されていることを特徴とする請求項４または５に記載の静電容量型隔膜式圧力センサ。
7. 前記ヒータは、前記外側ケースの内面と両面テープを用いて、互いに接着されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型隔膜式圧力センサ。
8. 前記ヒータは、前記外側ケースの内面と両面テープを用いて、互いに接着されていることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型隔膜式圧力センサ。

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