JP2011247659A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量型圧力センサを小径化する。
【解決手段】ダイアフラムが接合される本体部２１と、本体部２１に形成された電極固定孔２１１に挿入される固定電極２２と、小径部２３ａ及び大径部２３ｃを有するガード電極２３と、ガード電極２３の大径部２３ｃ及び固定電極２２を連結する第１封止ガラス２４と、ガード電極２３の小径部２３ａ及び本体部２１を連結する第２封止ガラス２５とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサに関するものである。

従来の静電容量型圧力センサは、例えば特許文献１に示すように、固定電極（電極１３２）と本体部（電極構造体１１０）との間に直円筒形状をなすガード電極（電極シールド１３４）を設けて、固定電極及び本体部の間に生じる浮遊容量の発生を抑制するものがある。

そして、この静電容量型圧力センサにおいて固定電極は、当該固定電極及びガード電極の間に設けられた第１の同心状絶縁体（第１封止ガラス）によって、ガード電極から絶縁されるとともにガード電極に固定される。また、ガード電極は、当該ガード電極及び本体部との間に設けられた第２の同心状絶縁体（第２封止ガラス）によって、本体部から絶縁されるとともに本体部に固定される。つまり、従来の静電容量型圧力センサは、それぞれ円筒形状をなすガード電極、第１封止ガラス及び第２封止ガラスが、径方向に同心円状に配置された構造である。

一方、近年において、静電容量型圧力センサがマスフローコントローラユニットに組み込まれて使用されるようになっている。また、ガスラインの省スペース化に伴って、マスフローコントローラは高性能化、低コスト化とともに、小型化が望まれている。このようなことから、１つのマスフローコントローラユニット内に静電容量型センサを組み込むに際して、ユニットの小型化のために、静電容量型センサの小径化が望まれている。さらに、マスフローコントローラユニットに組み込まれるその他の機器（例えば流量センサや流量制御バルブ等）の配置等の設計自由度を増す等の目的のためにも静電容量型センサの小径化が望まれている。

ここで上記構成の静電容量型圧力センサを小径化するためには、固定電極を小径化する方法又はガード電極や封止ガラスの肉厚を薄くする方法などが考えられる。

しかしながら、固定電極の小径化、ガード電極又は封止ガラスの肉薄化は、センサ感度の低下や加工コストの増大に繋がる恐れがあり、また、封止ガラスの肉薄化は、固定電極及びガード電極間、ガード電極及び本体部幹の封着の歩留まり悪化に繋がる恐れがあり、小径化に限界がある。

また別の方法としてガード電極を用いないことによって小径化を実現することも考えられるが、浮遊容量が発生することによって感度が著しく低下するため得策ではなく、特に高感度用途の圧力センサには適用できない。

特表２００６−５２１５５３号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、センサ感度の低下、加工コストの増大及び封着歩留まりの悪化を招くことなく、静電容量型圧力センサを径方向に小型化することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る静電容量型圧力センサは、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサであって、ダイアフラムが接合される本体部と、前記本体部に形成された電極固定孔に挿入され、先端面が前記ダイアフラムに対向して設けられる固定電極と、前記固定電極及び前記本体部との間に設けられて浮遊容量の発生を抑制するものであり、小径部及び当該小径部に連続する大径部を有するガード電極と、前記固定電極及び前記ガード電極の間を絶縁するとともに、前記ガード電極の大径部及び前記固定電極を連結する第１封止ガラスと、前記ガード電極及び前記本体部の間を絶縁するとともに、前記ガード電極の小径部及び前記本体部を連結する第２封止ガラスとを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、ガード電極が小径部及び大径部を有し、大径部においてガード電極及び固定電極を連結し、小径部においてガード電極及び本体部を連結する構成としており、第１封止ガラス及び第２封止ガラスが径方向ではなく軸方向に沿って配置される。これによって、静電容量型圧力センサを径方向に小型化することができる。

部品を共通化することによってコストダウンを図るとともに、組み立て時における作業性を向上させるためには、前記第１封止ガラス及び前記第２封止ガラスが同一形状をなすものであることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、静電容量型圧力センサを小径化することができる。

本発明の一実施形態に係る静電容量型圧力センサの模式的構成図である。 変形実施形態に係る静電容量型圧力センサの模式的構成図である。

以下に、本発明に係る静電容量型圧力センサの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、全圧真空計の絶対圧計測型に該当する静電容量型ダイアフラム真空計であり、圧力により変位するダイアフラム３と固定電極２２との間の静電容量の変位量を検出して、その変位量を圧力に換算して圧力を測定するものである。なお、圧力に換算される静電容量は、ダイアフラム３と固定電極２２との距離に反比例する。また、この静電容量型圧力センサ１００は、マスフローコントローラユニットや圧力コントローラユニットに組み込まれて使用される。なお、本実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、圧力センサ単体で用いることも可能である。

具体的にこのものは、図１に示すように、センサ本体２と、センサ本体２に接合されるダイアフラム３とを備えている。

センサ本体２は、固定電極２２が一端側である下端部に露出するように固定されたものであり、ダイアフラム３が接合される本体部２１と、本体部２１に形成された電極固定孔２１１に挿入され、先端面がダイアフラム３に対向して設けられる固定電極２２と、固定電極２２及び本体部２１との間に設けられて浮遊容量の発生を抑制するガード電極２３と、固定電極２２及びガード電極２３の間を絶縁するとともにそれらを連結する第１封止ガラス２４と、ガード電極２３及び本体部２１の間を絶縁するとともにそれらを連結する第２封止ガラス２５とを備えている。

本体部２１は、概略円柱形状をなすものであり、その中心部分には固定電極２２を挿入して固定するための電極固定孔２１１が形成されている。また、本体部２１の一端側である下端部の周縁部にはダイアフラム３がレーザ溶接、電子ビーム溶接又はアーク溶接等により接合されている。本体部２１は、耐食及び耐熱性を有する例えばステンレス鋼により形成されている。

ダイアフラム３は、固定電極２２のダイアフラム側を向く端面である一端面とともにコンデンサを構成する円板形状をなすものである。このダイアフラム３は、外部の微小な圧力変化により弾性変形するものであり、耐食及び耐熱性に優れた例えば主成分をニッケル、コバルトとし、タングステン、モリブデン、チタン、クロム等を含むニッケル−コバルト合金等からなる金属薄板である。薄板の厚みは、外部の圧力変化に対する感度を上げるために例えば数十μｍである。

固定電極２２は、金又は白金等の簡単に腐食しない金属からなる導体から形成されるものである。本実施形態の固定電極２２は、本体部２１に形成された電極固定孔２１１に挿入されるため、概略円柱形状をなす。また、固定電極２２の後端部には、静電容量の変化を検出するためのリード線（不図示）が接続されている。このリード線は、センサ本体２の例えば上部に形成された出力端子に接続されている。なお、この出力端子には、静電容量の変化量を圧力信号に変換する演算部（図示しない）が接続される。

ガード電極２３は、固定電極２２の側周面全周を囲むように設けられて、固定電極２２及び本体部２１の間に生じる浮遊容量を低減するものである。このガード電極２３は、回転体形状であり、ダイアフラム３側から順に等断面の小径部２３ａ及び当該小径部２３ａに段部２３ｂを介して連続する等断面の大径部２３ｃを有する段付きの概略円筒形状をなすものである。これら小径部２３ａ及び大径部２３ｃは、軸方向から見て同心円状となるように形成されている。また、小径部２３ａの内径は、固定電極２２の外径よりも若干（例えば０．１ｍｍ程度）大きく設定されている。なお、段部形状としては、図１に示すように、断面直角形状の他、断面傾斜形状や断面湾曲形状等であってもよい。

第１封止ガラス２４は、周壁が等厚の概略円筒形状をなすものであり、ガード電極２３の上段部である大径部２３ｃの内周面に嵌められて、当該大径部２３ｃ及び固定電極２２を封着して連結する。なお、第１封止ガラス２４によりガード電極２３の大径部２３ｃ及び固定電極２２が封着された状態で、ガード電極２３の小径部２３ａと固定電極２２とは全周に亘って間隙が形成されて接触しない。

第２封止ガラス２５は、前記第１封止ガラス２４と同様、周壁が等厚の概略円筒形状をなすものであり、ガード電極２３の下段部である小径部２３ａの外周面に嵌められて、当該小径部２３ａ及び本体部２１を封着して連結する。なお、第２封着ガラスによりガード電極２３の小径部２３ａ及び本体部２１が封着された状態で、ガード電極２３の大径部２３ｃと本体部２１とは全周に亘って間隙が形成されて接触しない。

このようにガード電極２３の大径部２３ｃに第１封止ガラス２４が嵌って固定電極２２を封着するとともに、小径部２３ａに第２封止ガラス２５が嵌って本体部２１を封着することにより、第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５は、ガード電極２３の軸方向に沿って配置される構成となる。

また、本実施形態の第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５は同一形状をなすものであり、また、第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５を同一形状とできるように、ガード電極２３の大径部２３ｃ及び小径部２３ａの径および本体部２１の電極固定孔２１１の径等が規定されている。第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５を共通化することによって、製造コストを削減できるだけでなく、組み立て時において部品の取り違いを防止することができる。

最後に静電容量型圧力センサ１００の組み立て方法の一例について簡単に説明する。

まず、本体部２１に形成された電極固定孔２１１に第２封止ガラス２５を挿入するとともに、当該第２封止ガラス２５にガード電極２３の小径部２３ａを挿入する。また、ガード電極２３の大径部２３ｃに第１封止ガラス２４を挿入するとともに、当該第１封止ガラス２４に固定電極２２を挿入する。そして、図示しない治具により本体部２１に対して固定電極２２、ガード電極２３、第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５を固定し、炉内で加熱して第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５を融解させて、本体部２１に固定電極２２及びガード電極２３をガラス融着により固定する。

その後、ダイアフラム３をセンサ本体２の一端側にレーザ溶接、電子ビーム溶接又はアーク溶接等により溶接して接合する。このようにして、静電容量型圧力センサ１００が組み立てられる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の静電容量型圧力センサ１００によれば、ガード電極２３が小径部２３ａ及び大径部２３ｃを有し、大径部２３ｃにおいてガード電極２３及び固定電極２２を連結し、小径部２３ａにおいてガード電極２３及び本体部２１を連結する構成としており、第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５が径方向ではなく軸方向に沿って配置される。これによって、静電容量型圧力センサを径方向に小型化することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態のガード電極２３は上段部が大径部２３ｃであり下段部が小径部２３ａとなるように構成されているが、図２に示すように、上段部を小径部２３ａとし下段部を大径部２３ｃとしても良い。このとき第１封止ガラス２４が下側に位置し、第２封止ガラス２５が上側に位置する構成となる。このように構成することで、本体部２１及びダイアフラム３により形成される密閉空間（真空室）の容積を大きくすることができ、圧力測定の安定性を向上させることができる。

また、前記実施形態の第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５が同一形状となるにガード電極２３等を構成しているが、第１封止ガラス２４及び第２封止ガラス２５は同一形状でなくても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・静電容量型圧力センサ
３ ・・・ダイアフラム
２１ ・・・本体部
２１１・・・電極固定孔
２２ ・・・固定電極
２３ ・・・ガード電極
２３ａ・・・小径部
２３ｃ・・・大径部
２４ ・・・第１封止ガラス
２５ ・・・第２封止ガラス

Claims (3)

1. 圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサであって、
   ダイアフラムが接合される本体部と、
   前記本体部に形成された電極固定孔に挿入され、先端面が前記ダイアフラムに対向して設けられる固定電極と、
   前記固定電極及び前記本体部との間に設けられて浮遊容量の発生を抑制するものであり、小径部及び当該小径部に連続する大径部を有するガード電極と、
   前記固定電極及び前記ガード電極の間を絶縁するとともに、前記ガード電極の大径部及び前記固定電極を連結する第１封止ガラスと、
   前記ガード電極及び前記本体部の間を絶縁するとともに、前記ガード電極の小径部及び前記本体部を連結する第２封止ガラスとを具備する静電容量型圧力センサ。
2. 前記第１封止ガラス及び前記第２封止ガラスが同一形状をなすものである請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
3. 請求項１又は２記載の静電容量型圧力センサを用いて構成されたマスフローコントローラ。