JP3107441B2 - 静電容量形圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、静電容量形圧力セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量形圧力センサは、たとえば一般
産業用機器、車載用機器、あるいは民生用機器における
油圧力や空気圧力の検出に用いる。

【０００３】従来の静電容量形圧力センサは、特開昭６
３−２６５１２８号公報で開示されているような構造で
ある。すなわち、従来の静電容量形圧力センサは、電気
絶縁性の第１基板と、その第１基板の内面に形成された
第１電極と、シール材を介して封着した剛性の高い電気
絶縁性の第２基板と、第１電極に対向する第２基板の面
に設けられた第２電極を有する。

【０００４】第１基板に圧力をかけると、その圧力によ
る第１基板の変位により、第１電極と第２電極間の距離
が変化する。この距離の変化による第１電極と第２電極
間の静電容量の変化を検出する。この場合、圧力が加わ
っていない時の第１電極と第２電極間の初期距離は、第
１基板と第２基板の間に融点の高い球や直方体のフリッ
トを入れて封着材（ガラスフリット等）によりシールす
ることにより確保している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
静電容量形圧力センサにあっては次の（Ａ）〜（Ｃ）の
問題がある。

【０００６】（Ａ）第１電極と第２電極間の初期距離を
一定にして封着するのが困難である。このため、作られ
た個々の静電容量形圧力センサにおいて初期すなわち圧
力がゼロの時の静電容量にバラツキが生じる。

【０００７】（Ｂ）第１電極と第２電極間の静電容量を
測定する時に、第１電極と第２電極間の電圧印加時の電
気力線が、図１０に示すように、第１電極と第２電極に
対して垂直方向の他に、第１電極と第２電極の端面にお
いて外側に曲がり、フリンジング（電気力線が外に出る
こと）により計算値と異なる静電容量となる。このため
圧力測定における直線性がなくなる。

【０００８】（Ｃ）構成部材である電気絶縁性の第１基
板と第２基板は、ともに誘電性の材料であるため、第１
電極と第２電極間の静電容量の他に、第１基板と第２基
板との間の静電容量が存在する。この構成部材の静電容
量による誘電体損（ストレーロス）となり、圧力測定精
度が悪くなる。

【０００９】この発明は、加圧力がゼロのときの静電容
量にバラツキがなく、圧力測定における直線性を確保
し、しかも誘電体損（ストレーロス）がなく圧力測定精
度を向上できる静電容量形圧力センサを提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１基板
と、第２基板と、第１基板の第２基板と対向する面に設
けた第１電極と、第２基板の第１基板と対向する面に設
けた第２電極とを有し、第１基板と第２基板の周囲を封
着材で封着した第１電極と第２電極との間での静電容量
変化を検出する静電容量形圧力センサにおいて、第１電
極と第２電極の間隔を維持するとともに、第１電極と第
２電極との間に生じる電気力線を第１電極と第２電極の
端面間に集中させるリング状もしくはアーク状の第３電
極を設けたことを特徴とする。

【００１１】この発明では、リング状の電極とは、円形
のリング形の電極の他に三角形、正方形や長方形、ひし
形などの多角形のもので、連続的又は非連続的なリング
形状の電極も含む。また、アーク状の電極とは厳密な円
弧のみでなく円弧に近い任意の形状の電極を含む。

【００１２】

【作用】リング状もしくはアーク状の電極は、第１基板
と第２基板の電気的距離（初期距離）を確保する。

【００１３】リング状もしくはアーク状の電極は、第１
電極と第２電極間で生じる電気力線が外周にはみ出すの
を防止するガード電極としての役割を果たす。さらにリ
ング状もしくはアーク状の電極は接地が容易にでき、誘
電体損（ストレーロス）がなくなる。

【００１４】

【実施例】図１はこの発明の静電容量形圧力センサの好
適な実施例を示している。

【００１５】静電容量形圧力センサは、第１基板１、第
２基板２、第１電極３、第２電極４、第３電極５、封着
材６を有している。

【００１６】第１基板１は、典型的にはダイヤフラムで
あり、電気絶縁性材料たとえばアルミナ、シリコン又は
溶融石英などのセラミック基板により作られている。第
１基板１は、円形で圧力Ｐを外部からかけることにより
変位可能である。この第１基板１に対向して第２基板２
が配置されている。第２基板２は円形であり、たとえば
アルミナ等と同材質の剛性の高い材料で作られている。
本実施例では第２基板２の直径と第１基板１の直径は同
じである。

【００１７】第１基板１の内面には第１電極３が配置さ
れている。一方第２基板２の内面には第２電極４が配置
されている。このため第１電極３と第２電極４は向い合
っている。

【００１８】図２に示すように第１電極３は円形であ
り、第１基板１に円心状に配置されている。第１電極３
には延長接続部７が半径方向に形成されている。この延
長接続部７にはリード線８が接続されている。リード線
８は図１に示すように封着材６を通り、基板８のスルー
ホール９を通って下方に導き出されている。このスルー
ホール９のすき間には導電ペーストを流し込む。これに
より、第２基板２に対してリード線８を封着し、リード
線８と延長接続部７の電気的接続を確実にしている。

【００１９】図３に示すように第２電極４は円形であ
り、第２基板２と同心状に配置されている。第２電極４
にはリード線１０が接続されている。リード線１０は、
図１に示すように第２基板２のスルーホール１１を通っ
て下方に導き出されている。このスルーホール１１のす
き間には導電ペーストを流し込む。これにより第２基板
２に対してリード線１０を封着し、リード線１０と第２
電極４の電気的接続を確実にしている。

【００２０】第３電極５は、図１と図３に示すようにリ
ング状であり、第２電極４の周囲において円心状に配置
されている。第３電極５はリード線１２に接続されてい
る。リード線１２は図１で示すように、第２基板２のス
ルーホール１３を介して第２基板２の下方へ導き出され
ている。このスルーホール１３のすき間に導電ペースト
を流し込む。これにより第２基板２に対してリード線１
２を封着して、リード線１２と第３電極５の電気的接続
を確実にしている。

【００２１】第３電極５の材質としては、金属、特に炭
素Ｃを有する金属が好ましく、特に電気抵抗値ρが大き
くない材料であれば採用できる。たとえば第３電極５
は、スチール、Ｃｕから作ったり、市販のＮｉ細線やＣ
ｕ細線である。リング状の第３電極５は、切欠部２０を
有している。この切欠部２０には、図１で明確に示すよ
うに第１電極３の延長接続部７を通す。

【００２２】第３電極５の第１番目の役割は、第１電極
３と第２電極４の間の初期距離ともいう間隔ｄを保持す
るためのものである。第３電極５の断面は円形であり、
その直径は間隔ｄに相当し、十分に全長にわたり寸法精
度が高い。第３電極５はこのようなワイヤ状でリング状
であり、従来のシリカ等のボールや直方体を用いるのに
比べて、第３電極５の形状の精度により第１電極３と第
２電極４の間隔ｄを精度よく高品位に維持できる。この
ため静電容量形圧力センサを製作する度に測定回路定数
を修正する必要がない。

【００２３】また第３電極５の第２番目の役割は、図４
に示すように第１電極３と第２電極４の間に生じる電気
力線２２を第１電極３と第２電極４の端面間に集中させ
て、図１０の従来例のように外側に電気力線が出ないよ
うにすることである。すなわち図１の第３電極５は、リ
ード線１２を接地することにより、電気力線のガード電
極の役割を果たさせるのである。これにより、フリンジ
ングやストレーロスを防止し、電気力線が外側にはみ出
さないようにする。

【００２４】しかも第３電極５は、図１のシール部とし
て機能する封着材６の内周側に配置している。封着材６
はガラスペースト等のシールド材であり、封着材６によ
り第３電極５を一体に封着している。封着部６は好まし
くは印刷により形成する。これにより、第１基板１と第
２基板２および第３電極５により、圧力応答領域として
構成された圧力室Ｒを形成している。

【００２５】このように第３電極５は、第１電極３と第
２電極４の間隔ｄの保持と、電気力線のガード電極の役
割すなわち電気的特性の改善の両方を果たすのである。
なお図１における寸法Ａはゼロに近いのが望ましい。

【００２６】第３電極５の寸法精度は、たとえば２０μ
ｍ±１μｍである。従来のボールや直方体等のビーズを
用いるやり方では、ビーズの寸法精度は２０μｍ±５μ
ｍであるので、第３電極５の寸法精度が大幅に改善され
る。

【００２７】図５は、図１の静電容量形圧力センサの等
価回路を示している。第１電極３と第２電極４の間の基
準の検出用の静電容量をＣｘとする。第１基板１を圧力
Ｐで押すと、第１基板１が変形し、空気を誘電媒体とし
て第１電極３と第２電極４間の静電容量Ｃｘを圧力とし
て検出する。

【００２８】第１電極３と第２電極４よりみると、基準
の検出用の静電容量Ｃｘの他に、絶縁性の第１基板１と
第２基板２および封着材６の誘電体による静電容量Ｃｓ
が、図５に示すように並列に接続されたことになる。も
し静電容量Ｃｓが大きいと、基準の検出用の静電容量Ｃ
ｘの変化がうまく検出されず、しかも第１電極３と第２
電極４の間に測定回路より印加された電圧によるストレ
ーロス（誘電体損）を生じ、回路の消費電流も大きくな
ることが考えられる。

【００２９】しかし、この発明では、上述のように第３
電極５をリード線１２を介して接地するので、ストレー
ロス分の静電容量Ｃｓがなくなる。このため基準の検出
用の静電容量Ｃｘに基づいて測定精度を向上し、圧力と
静電容量Ｃｘの直線性を良くする。当然静電容量Ｃｓを
起因とするストレーロス（誘電体損）がなくなり、圧力
測定回路の消費電力も少くできる。

【００３０】図６と図７はこの発明の静電容量形圧力セ
ンサにおける第２基板の別の実施例を示している。いず
れの実施例においても図２の第１基板１と第１電極３は
同じものを用いることができる。

【００３１】図６の実施例では、第２基板５２と第２電
極６０および２つのアーク状の第３電極６２を示してい
る。第２基板５２は図３の第２基板２と同様のものであ
る。第２電極６０は、円形部６０ａと延長接続部６０ｂ
から成る。延長接続部６０ｂはリード線７０に接続され
ている。

【００３２】２つの第３電極６２はほぼ１８０度の角度
を有するアーク状のものであり、両者の間に間隙７２が
設定されている。２つの第３電極６２は全体としてリン
グ状になっている。１つの間隙７２には、第２電極６０
の延長接続部６０ｂが通っている。もう１つの間隙７２
には、図２で示した第１電極３の延長接続部７が通って
いる。

【００３３】図７の実施例では、第２基板８２と第２電
極８０と第３電極９０，９２を有している。第２電極８
０は円形部８０ａと延長接続部８０ｂを有する。ほぼリ
ング状の第３電極９０の間にもう１つの短いアーク状の
第３電極９２が配置されている。第３電極９０はリード
線９６に接続され、第３電極９２は必要に応じて図示し
ないリード線９６に接続されている。第２電極８０の延
長接続部８０ｂはリード線９８に接続されている。第３
電極９０，９２の隙間１００には図２の第１電極３の延
長接続部７が通っている。第３電極９０，９２の隙間１
０２には延長接続部８０ｂが通っている。

【００３４】図８と図９は、さらに別の実施例を示して
いる。第２基板２の内面には第２電極１４０が配置さ
れ、その周囲に封着材６が設けられている。リング状の
第３電極１３０が封着材６の上にのっている。第３電極
１３０の断面は長方形である。この第３電極１３０は金
属板をリング状に打抜いたものである。

【００３５】この発明は上述の実施例に限定されない。
たとえば第３電極の断面形状は円形に限らず楕円形や正
方形などでもよい。また第３電極は金属ワイヤを用いる
他に薄板状の円輪を用いることも可能であり、第３電極
は好ましくは金属で寸法精度が良好に加工されたものが
よい。第３電極は、図３のようにすき間を備えたもの以
外に連続して円形などに形成してもよい。

【００３６】また、図示の実施例では、第１基板と第２
基板として絶縁性の基板を用いて、第１基板の内面に第
１電極を形成し、第２基板の内面に第２電極を形成して
いる。しかし、これに限らず絶縁性の基板でなくシリコ
ンなどの導電性の基板を第１基板と第２基板に用いても
よい。このように導電性の第１基板と第２基板を用いた
場合、第１電極と第２電極は省略される。そして導電性
の第１基板と第２基板の間にリング状の電極を設けると
きは、この電極との第１基板および第２基板と、電極と
の間の電気的接触のないようにする。

【００３７】

【発明の効果】この発明によれば、リング状もしくはア
ーク状の電極により、初期距離（間隔）が一定にでき、
加圧力がゼロのときの静電容量にバラツキが生じにく
い。

【００３８】また、リング状もしくはアーク状の電極が
あるので、電圧印加時に電気力線が外側に曲がって出て
しまうこと、すなわちフリンジングを防ぐことができ、
圧力測定精度圧力測定時の圧力変化の直線性と静電容量
変化の直線性を確保できる。フリンジングをなくすと、
測定すべき検出用の静電容量Ｃｘを設計通りの値に設定
できる。

【００３９】さらに従来のビーズを用いたものと異な
り、本発明によれば、リング状もしくはアーク状の電極
を簡単に接地することができるので、検出用の基準の静
電容量以外の途分な静電容量がなくなり、誘電体損（ス
トレーロス）を防ぐことができる。ストレーロスをなく
することにより、圧力測定回路の消費電力の低下をなく
し、圧力測定精度を向上できる。

【００４０】また、本発明によれば、従来のような多数
のフリットを配置しなくてすみ生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の静電容量形圧力センサの好適な実施
例を示す断面図。

【図２】この発明の静電容量形圧力センサの好適な実施
例における第１基板の内面を示す図。

【図３】この発明の静電容量形圧力センサの好適な実施
例における第２基板の内面を示す図。

【図４】この発明の静電容量形圧力センサの好適な実施
例における電気力線の分布を示す図。

【図５】この発明の静電容量形圧力センサの好適な実施
例における等価回路を示す図。

【図６】この発明の静電容量形圧力センサの別の実施例
である第２基板の内面を示す図。

【図７】この発明の静電容量形圧力センサのさらに別の
実施例である第２基板の内面を示す図。

【図８】この発明の静電容量形圧力センサのさらに別の
実施例である第２基板の内面を示す図。

【図９】図８における実施例のＸ−Ｘ線における断面
図。

【図１０】従来の静電容量形圧力センサにおける電気力
線の分布を示す図。

【符号の説明】

１ 第１基板 ２ 第２基板 ３ 第１電極 ４ 第２電極 ５ 第３電極 ６ 封着材 ７ 延長接続部 ８ リード線 １０ リード線 １２ リード線 ◆

───────────────────────────────────────────────────── 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 G01L 1/14 G01P 15/125

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１基板と、第２基板と、第１基板の第
   ２基板と対向する面に設けた第１電極と、第２基板の第
   １基板と対向する面に設けた第２電極とを有し、第１基
   板と第２基板の周囲を封着材で封着した第１電極と第２
   電極との間での静電容量変化を検出する静電容量形圧力
   センサにおいて、 第１電極と第２電極の間隔を維持するとともに、第１電
   極と第２電極との間に生じる電気力線を第１電極と第２
   電極の端面間に集中させるリング状もしくはアーク状の
   第３電極を設けたことを特徴とする静電容量形圧力セン
   サ。