JP3083115B2 - 静電容量型圧力センサ素子 - Google Patents
静電容量型圧力センサ素子Info
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】この発明は、油圧、空気圧などの
測定に用いられる静電容量型圧力センサ素子に関する。
測定に用いられる静電容量型圧力センサ素子に関する。
【０００１】
【従来の技術】従来からダイヤフラムタイプの圧力セン
サが広く用いられているが、これには信頼性、感度、残
留歪み、温度特性、耐圧性、生産性、コストなどきびし
い要求がなされている。その構造は、測定すべき圧力を
ダイヤフラムに与え、この変化を電気的手段で検出する
点で共通するもので、これを図示すれば図９及び図１０
の通りである。
サが広く用いられているが、これには信頼性、感度、残
留歪み、温度特性、耐圧性、生産性、コストなどきびし
い要求がなされている。その構造は、測定すべき圧力を
ダイヤフラムに与え、この変化を電気的手段で検出する
点で共通するもので、これを図示すれば図９及び図１０
の通りである。
【０００２】図９で、１は例えばアルミナを主成分とす
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム１は、圧力を受けると変形するように、例えば厚
さを約０．５〜０．９mmと薄膜である。２はアルミナな
どの絶縁性の円板状基板である。３は第１電極でダイヤ
フラム１の内側に設けられ、また４は第２電極で基板２
の内側に取り付けられ、これらの第１電極、第２電極は
いずれも円板状である。５はシ−ル材で、ダイヤフラム
１と基板２が所定の間隔で配置されるようにその外縁に
所定の厚さで介在されてあり、中央部に気密な圧力室６
が形成されている。そして、第１電極３、第２電極４に
は、図１０に示すように導電性シ−ル材７でリ−ド部材
８1 、８2 に接続されている。
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム１は、圧力を受けると変形するように、例えば厚
さを約０．５〜０．９mmと薄膜である。２はアルミナな
どの絶縁性の円板状基板である。３は第１電極でダイヤ
フラム１の内側に設けられ、また４は第２電極で基板２
の内側に取り付けられ、これらの第１電極、第２電極は
いずれも円板状である。５はシ−ル材で、ダイヤフラム
１と基板２が所定の間隔で配置されるようにその外縁に
所定の厚さで介在されてあり、中央部に気密な圧力室６
が形成されている。そして、第１電極３、第２電極４に
は、図１０に示すように導電性シ−ル材７でリ−ド部材
８1 、８2 に接続されている。
【０００３】さらに、かかる従来の圧力センサ素子は、
シ−ル材５でシ−ル固定する際に電極間距離がバラツ
キ、静電容量の不均一を生じるという問題が指摘されて
いた。このため、図９に示すように、ダイヤフラム１と
基板２とが常に一定の電極間で組み立てられるように、
予めシ−ル材５の中に、その間隔に相当する大きさを有
しかつシ−ル時に軟化或いは溶融しな粒状の間隔調整部
材９を埋設する方法も知られていた（特開昭５５−８０
０２９号）。
シ−ル材５でシ−ル固定する際に電極間距離がバラツ
キ、静電容量の不均一を生じるという問題が指摘されて
いた。このため、図９に示すように、ダイヤフラム１と
基板２とが常に一定の電極間で組み立てられるように、
予めシ−ル材５の中に、その間隔に相当する大きさを有
しかつシ−ル時に軟化或いは溶融しな粒状の間隔調整部
材９を埋設する方法も知られていた（特開昭５５−８０
０２９号）。
【０００４】こうした圧力センサで信号を取出す場合、
これにかかる圧力の変化と静電容量の値は比例関係で応
答し、直線的に変化する関係で得られることが望まれて
いた。しかしながら、従来のものでは必ずしもこれが十
分に達成されなかった。例えば、従来の圧力センサにか
かる圧力と静電容量の変化をコンピュ−タ−を用いてシ
ュミレ−ションしてみると図４の如くである。
これにかかる圧力の変化と静電容量の値は比例関係で応
答し、直線的に変化する関係で得られることが望まれて
いた。しかしながら、従来のものでは必ずしもこれが十
分に達成されなかった。例えば、従来の圧力センサにか
かる圧力と静電容量の変化をコンピュ−タ−を用いてシ
ュミレ−ションしてみると図４の如くである。
【０００５】即ち、同図に示すように、定格圧力３０kg
／cm2 の半分程度しか直線性がなく、それ以上では静電
容量は急激に増加して直線性が失われるという欠点があ
り、そのため従来は、静電容量を電気的に変換する回路
でこれを補正することが必要とされていた。
／cm2 の半分程度しか直線性がなく、それ以上では静電
容量は急激に増加して直線性が失われるという欠点があ
り、そのため従来は、静電容量を電気的に変換する回路
でこれを補正することが必要とされていた。
【０００６】
【発明がを解決しようとする課題】この発明は、圧力セ
ンサで信号を取出す場合、これにかかる圧力と静電容量
が直線的に変化する関係で得られるようにするもので、
ダイヤフラムに設ける第１電極にその中心部に空所を設
けた円輪状のものを使用し、前記課題を解決しようとす
るものである。
ンサで信号を取出す場合、これにかかる圧力と静電容量
が直線的に変化する関係で得られるようにするもので、
ダイヤフラムに設ける第１電極にその中心部に空所を設
けた円輪状のものを使用し、前記課題を解決しようとす
るものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、電気絶縁性
の固定基板と、これと対向した位置に配設し圧力で変位
する電気絶縁性のダイヤフラムと、電気絶縁性の固定基
板と電気絶縁性のダイヤフラムとの間で周縁にシ−ル材
を介在してシ−ル固定することで前記ダイヤフラムと固
定基板との間で気密に形成された圧力室と、ダイヤフラ
ムに設けられた円輪状の電極で、この電極の中心部に設
けた空所の直径をＡ、該電極の外径をＢとしてＡ／Ｂを
０．２〜０．５とした第１電極と、この第１電極と対向
して設けられた第２電極と、上記の第１電極、第２電極
のそれぞれと電気的に接続した各導電性リ−ド部材とか
らなる静電容量型圧力センサ素子である。
の固定基板と、これと対向した位置に配設し圧力で変位
する電気絶縁性のダイヤフラムと、電気絶縁性の固定基
板と電気絶縁性のダイヤフラムとの間で周縁にシ−ル材
を介在してシ−ル固定することで前記ダイヤフラムと固
定基板との間で気密に形成された圧力室と、ダイヤフラ
ムに設けられた円輪状の電極で、この電極の中心部に設
けた空所の直径をＡ、該電極の外径をＢとしてＡ／Ｂを
０．２〜０．５とした第１電極と、この第１電極と対向
して設けられた第２電極と、上記の第１電極、第２電極
のそれぞれと電気的に接続した各導電性リ−ド部材とか
らなる静電容量型圧力センサ素子である。
【０００８】
【作用】この発明の静電容量型圧力センサ素子は、ダイ
ヤフラムに設けられる第１電極を、円輪状でその中心部
に空所を設けたものとし、かつその空所の直径をＡ、電
極の外径をＢとしたときのＡ／Ｂの値を０．２〜０．５
とすることによって、圧力センサの圧力の変化が静電容
量の値に直線的に変化して示されるようにし、これによ
って静電容量を電気的に変換する回路でこれを補正する
必要がないようにしたものである。
ヤフラムに設けられる第１電極を、円輪状でその中心部
に空所を設けたものとし、かつその空所の直径をＡ、電
極の外径をＢとしたときのＡ／Ｂの値を０．２〜０．５
とすることによって、圧力センサの圧力の変化が静電容
量の値に直線的に変化して示されるようにし、これによ
って静電容量を電気的に変換する回路でこれを補正する
必要がないようにしたものである。
【０００９】
【実施例】図１で、１０は例えばアルミナを主成分とす
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム１０は、圧力を受けると変形するように、例えば
厚さを約０．５〜０．９mmと薄膜とする。１１はアルミ
ナなどの絶縁性の円板状の固定基板である。１２は第１
電極でダイヤフラム１０の内側に設けられている。この
第１電極１２は、円輪状で中央部に空所１３が設けてあ
る。この第１電極は、中心部に設けた空所の直径をＡ、
該電極の外径をＢとしたとき、Ａ／Ｂを０．２〜０．５
％の関係とする。１４は第２電極である。１５はシ−ル
材で第１電極１２と第２電極１４を所定の間隔にしてシ
−ル固定し、ここに圧力室１６を形成する。１７は、シ
−ル材１５でシ−ル固定する際に、電極間距離を一定に
するためにこの間に挿入した長柱の間隔調整部材であ
る。
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム１０は、圧力を受けると変形するように、例えば
厚さを約０．５〜０．９mmと薄膜とする。１１はアルミ
ナなどの絶縁性の円板状の固定基板である。１２は第１
電極でダイヤフラム１０の内側に設けられている。この
第１電極１２は、円輪状で中央部に空所１３が設けてあ
る。この第１電極は、中心部に設けた空所の直径をＡ、
該電極の外径をＢとしたとき、Ａ／Ｂを０．２〜０．５
％の関係とする。１４は第２電極である。１５はシ−ル
材で第１電極１２と第２電極１４を所定の間隔にしてシ
−ル固定し、ここに圧力室１６を形成する。１７は、シ
−ル材１５でシ−ル固定する際に、電極間距離を一定に
するためにこの間に挿入した長柱の間隔調整部材であ
る。
【００１０】図２に示す１８1 ，１８2 は、第１電極１
２、第２電極１４の各導電性リ−ド部である。また１９
は、第１電極１０と導電性リ−ド部１８1 を接合するた
めの導電性シ−ル材、２０は、第２電極１４と導電性リ
−ド部１８2 を接合するための導電性シ−ル材である。
図３は図１のＡ−Ａ矢印断面で、この発明の圧力センサ
素子の第１電極のリ−ド部の構造を示したものである。
２、第２電極１４の各導電性リ−ド部である。また１９
は、第１電極１０と導電性リ−ド部１８1 を接合するた
めの導電性シ−ル材、２０は、第２電極１４と導電性リ
−ド部１８2 を接合するための導電性シ−ル材である。
図３は図１のＡ−Ａ矢印断面で、この発明の圧力センサ
素子の第１電極のリ−ド部の構造を示したものである。
【００１１】静電容量型圧力センサでの静電容量Ｃは、
固定基板の電極面積をＡ1 、圧力室内の気体の誘電率を
ε、電極間の距離をδとすると、Ｃ＝ε・Ａ1 ／δで示
される。
固定基板の電極面積をＡ1 、圧力室内の気体の誘電率を
ε、電極間の距離をδとすると、Ｃ＝ε・Ａ1 ／δで示
される。
【００１２】しかしながら、こうしたダイヤフラム型圧
力センサでは、圧力変化に対して２つの電極が常に平行
移動する場合に、圧力変化に対して静電容量の変化が直
線的に対応したものとなる。
力センサでは、圧力変化に対して２つの電極が常に平行
移動する場合に、圧力変化に対して静電容量の変化が直
線的に対応したものとなる。
【００１３】即ち、直径２ａのダイヤフラムの変位δ
は、圧力ｐに対してダイヤフラムの中心からの距離ｒの
関数として、次の式で与えられる。ただし、Ｋはダイヤ
フラムの材質、板厚によって決まる定数である。
は、圧力ｐに対してダイヤフラムの中心からの距離ｒの
関数として、次の式で与えられる。ただし、Ｋはダイヤ
フラムの材質、板厚によって決まる定数である。
【００１４】δ＝ｐ／64K （ａ2 −ｒ2 ）2 従って、δの最大値はｒ＝０、即ちダイヤフラムの中心
で、またｒ＝ａ、即ちダイヤフラムの最外側でダイヤフ
ラムの変位δは０となる。即ち、電気的にはダイヤフラ
ムの中央で静電容量の変化が大きく、外周側で静電容量
の変化が小さくなり、その結果として圧力に対して静電
容量の変化の直線性が失われることになる。
で、またｒ＝ａ、即ちダイヤフラムの最外側でダイヤフ
ラムの変位δは０となる。即ち、電気的にはダイヤフラ
ムの中央で静電容量の変化が大きく、外周側で静電容量
の変化が小さくなり、その結果として圧力に対して静電
容量の変化の直線性が失われることになる。
【００１５】こうしたものの一例として、３０kg／cm2
定格センサで、直径２ａを１３．２mm、ダイヤフラムの
板厚を０．７mm、電極外径を１１．４mmの場合で示す
と、圧力１０kgまでは０．４ｐＦ／kg/cm 2 であるのに
対し、１０kg／cm2 以上では０．４６ｐＦ／kg/cm 2 と
なって、圧力１kg／cm2 当たりの静電容量変化が、かな
り大きくなってしまう。
定格センサで、直径２ａを１３．２mm、ダイヤフラムの
板厚を０．７mm、電極外径を１１．４mmの場合で示す
と、圧力１０kgまでは０．４ｐＦ／kg/cm 2 であるのに
対し、１０kg／cm2 以上では０．４６ｐＦ／kg/cm 2 と
なって、圧力１kg／cm2 当たりの静電容量変化が、かな
り大きくなってしまう。
【００１６】そこで本発明は、第１電極を円輪状とし、
かつこの電極の中心部に設けた空所の直径をＡ、該電極
の外径をＢとしてＡ／Ｂの値を０．２〜０．５の範囲の
ものとしたものである。第１電極をこうした構成とする
ことによって、圧力が０のときの静電容量は減少する
が、図４と同様なシュミレ−ションを行うと、図５に示
すように０〜３０kg／cm2 の範囲で、圧力に対する静電
容量の変化の直線性が大幅に改善されるようになる。こ
の点についてさらに説明すると以下の通りである。
かつこの電極の中心部に設けた空所の直径をＡ、該電極
の外径をＢとしてＡ／Ｂの値を０．２〜０．５の範囲の
ものとしたものである。第１電極をこうした構成とする
ことによって、圧力が０のときの静電容量は減少する
が、図４と同様なシュミレ−ションを行うと、図５に示
すように０〜３０kg／cm2 の範囲で、圧力に対する静電
容量の変化の直線性が大幅に改善されるようになる。こ
の点についてさらに説明すると以下の通りである。
【００１７】図６は、円輪状で中央に空所を設けた第１
電極を用いた圧力センサにおいて、中心部に設けた空所
の直径をＡ、該電極の外径をＢとしてＡ／Ｂの値を変化
させた場合の、圧力変化と静電容量の関係（Ｃ−Ｐ特
性）を示したものである。これによると、Ａ／Ｂ値が大
きくなるほど、即ち電極の中央部の空所が大きくなるほ
ど圧力センサに加えられる圧力変化と静電容量の関係
は、図示したように直線性が得られることがわかる。
電極を用いた圧力センサにおいて、中心部に設けた空所
の直径をＡ、該電極の外径をＢとしてＡ／Ｂの値を変化
させた場合の、圧力変化と静電容量の関係（Ｃ−Ｐ特
性）を示したものである。これによると、Ａ／Ｂ値が大
きくなるほど、即ち電極の中央部の空所が大きくなるほ
ど圧力センサに加えられる圧力変化と静電容量の関係
は、図示したように直線性が得られることがわかる。
【００１８】また、図７は横軸にＡ／Ｂを示し、縦軸の
１つに静電容量の圧力０kg／cm2 と１つの定格圧力点、
４５kg／cm2 のときの静電容量との変化△Ｃ（ｐＦ）、
いま１つの縦軸に、センサに加えられる圧力(Kg ／c
m2 ) を示したものである。図中のｐｌ曲線は、図６で
示した円輪状の電極で、Ａ／Ｂの値と直線性の得られる
圧力の関係を示したものである。この曲線によれば、Ａ
／Ｂが大きければ、高い圧力でも直線性の得られること
が示されている。
１つに静電容量の圧力０kg／cm2 と１つの定格圧力点、
４５kg／cm2 のときの静電容量との変化△Ｃ（ｐＦ）、
いま１つの縦軸に、センサに加えられる圧力(Kg ／c
m2 ) を示したものである。図中のｐｌ曲線は、図６で
示した円輪状の電極で、Ａ／Ｂの値と直線性の得られる
圧力の関係を示したものである。この曲線によれば、Ａ
／Ｂが大きければ、高い圧力でも直線性の得られること
が示されている。
【００１９】また、図７の曲線△ｃは、Ａ／Ｂの値と圧
力による静電容量の変化の関係を示したものである。こ
れによれば、圧力による静電容量の変化は、Ａ／Ｂが大
きくなれば、即ち円輪の中空部が大きくなると小さくな
って、測定装置として使用が出来なくなることがわか
る。
力による静電容量の変化の関係を示したものである。こ
れによれば、圧力による静電容量の変化は、Ａ／Ｂが大
きくなれば、即ち円輪の中空部が大きくなると小さくな
って、測定装置として使用が出来なくなることがわか
る。
【００２０】こうした理由から、本願発明ではＡ／Ｂを
０．２〜０．５の範囲として、測定時の圧力と静電容量
との関係の直線性を維持しつつ、しかも所定の測定範囲
を確保しようとしたものである。
０．２〜０．５の範囲として、測定時の圧力と静電容量
との関係の直線性を維持しつつ、しかも所定の測定範囲
を確保しようとしたものである。
【００２１】このように直線性と圧力による静電容量の
大きいことが理想であり、この両者を両立させるものと
しては、図８に示されている。即ち、同図で横軸にＡ／
Ｂ、縦軸に前記両者の積Ｐｌ・△ｃをとると、この積が
大きいところは０．２〜０．５で、これがこの発明で特
定したＡ／Ｂの範囲である。
大きいことが理想であり、この両者を両立させるものと
しては、図８に示されている。即ち、同図で横軸にＡ／
Ｂ、縦軸に前記両者の積Ｐｌ・△ｃをとると、この積が
大きいところは０．２〜０．５で、これがこの発明で特
定したＡ／Ｂの範囲である。
【００２２】なお、上記実施例ではダイヤフラムの第１
電極を円輪状としたが、固定基板に取り付ける第２電極
の方を円輪状にしても同一の効果が得られるが、電気絶
縁性基板と電極との接着強度の点ではダイヤフラム側の
電極を円輪状とする方が有利である。
電極を円輪状としたが、固定基板に取り付ける第２電極
の方を円輪状にしても同一の効果が得られるが、電気絶
縁性基板と電極との接着強度の点ではダイヤフラム側の
電極を円輪状とする方が有利である。
【００２３】
【発明の効果】以上の本発明によれば、圧力センサの定
格圧力の略全域にわたって、単位圧力変化を一定にで
き、圧力変化に直線性をもたせることができるようにな
り、静電容量より電気的変換する回路において非直線性
を補正する別の回路を設ける必要もなくなった。
格圧力の略全域にわたって、単位圧力変化を一定にで
き、圧力変化に直線性をもたせることができるようにな
り、静電容量より電気的変換する回路において非直線性
を補正する別の回路を設ける必要もなくなった。
【図１】本発明の実施例になる圧力センサの断面図。
【図２】図１に示す圧力センサの導電性リ−ド部を含む
部分の断面図。
部分の断面図。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視の断面図。
【図４】従来の静電容量型圧力センサの圧力と静電容量
の関係をシュミレ−トして示した線図。
の関係をシュミレ−トして示した線図。
【図５】この発明の静電容量型圧力センサの圧力と静電
容量の関係をシュミレ−トして示した線図。
容量の関係をシュミレ−トして示した線図。
【図６】円輪状の第１電極の中心部の空所の直径Ａと電
極の外径Ｂの割合を変化させた場合の、圧力と静電容量
の関係を示す線図。
極の外径Ｂの割合を変化させた場合の、圧力と静電容量
の関係を示す線図。
【図７】Ａ／Ｂの値と、静電容量△Ｃ（ｐＦ）、或いは
圧力(KgG／cm2 ) の関係を示した線図。
圧力(KgG／cm2 ) の関係を示した線図。
【図８】Ａ／ＢとＰｌ・△ｃの関係を示す線図。
【図９】従来の圧力センサの断面図。
【図１０】図９に示す圧力センサの導電性リ−ド部を含
む部分の断面図。
む部分の断面図。
１０…ダイヤフラム、１１…固定基板、１２…第１電
極、１３…空所、１４…第２電極、１５…シ−ル材、１
６…圧力室、１７…間隔調整部材、１８1 ，１８2 …導
電性リ−ド部、１９，２０…導電性シ−ル材．
極、１３…空所、１４…第２電極、１５…シ−ル材、１
６…圧力室、１７…間隔調整部材、１８1 ，１８2 …導
電性リ−ド部、１９，２０…導電性シ−ル材．
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 9/12
Claims (1)
- 【請求項１】 電気絶縁性の固定基板と、これと対向し
た位置に配設し圧力で変位する電気絶縁性のダイヤフラ
ムと、電気絶縁性の固定基板と電気絶縁性のダイヤフラ
ムとの間で周縁にシ−ル材を介在してシ−ル固定するこ
とで前記ダイヤフラムと固定基板との間で気密に形成さ
れた圧力室と、ダイヤフラムに設けられた円輪状の電極
で、この電極の中心部に設けた空所の直径をＡ、該電極
の外径をＢとしてＡ／Ｂを０．２〜０．５とした第１電
極と、この第１電極と対向して設けられた第２電極と、
上記の第１電極、第２電極のそれぞれと電気的に接続し
た各導電性リ−ド部材とからなる静電容量型圧力センサ
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03344834A JP3083115B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 静電容量型圧力センサ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03344834A JP3083115B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 静電容量型圧力センサ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05172675A JPH05172675A (ja) | 1993-07-09 |
| JP3083115B2 true JP3083115B2 (ja) | 2000-09-04 |
Family
ID=18372338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03344834A Expired - Fee Related JP3083115B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 静電容量型圧力センサ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3083115B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5965821A (en) * | 1997-07-03 | 1999-10-12 | Mks Instruments, Inc. | Pressure sensor |
| US6993973B2 (en) | 2003-05-16 | 2006-02-07 | Mks Instruments, Inc. | Contaminant deposition control baffle for a capacitive pressure transducer |
-
1991
- 1991-12-26 JP JP03344834A patent/JP3083115B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05172675A (ja) | 1993-07-09 |
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