JP3201058B2 - 圧力センサ構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体（ガス等）の圧力
を検出し、圧力に応じた信号を出力する圧力センサ構造
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の圧力センサとして特開昭
５９−１７１８２６号公報に開示された技術がある。こ
の開示技術は、ハウジング、ダイヤフラムおよびスペー
サの温度係数を合わせて温度補償しょうとするものであ
り、金属材料よりなるハウジングに、可動電極を半田付
けにて支持しているダイヤフラムが半田付けにて固定さ
れており、プラスチック材よりなる環状のスペーサがハ
ウジングにねじにより固定されると共に、固定電極とし
ての鉄板が可動電極に対向するごとくねじにより固定さ
れている。

【０００３】また、従来のこの種の圧力センサとして実
開昭６３−２００３９号公報に開示された技術がある。
この開示技術は、ダイヤフラムの中央部に可動電極を押
す連結体を設け、可動電極からリード線を取り出すセン
サ構造である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
特開昭５９−１７１８２６号公報に開示された技術の場
合、ダイヤフラムに可動電極を半田付けする構造である
ため、ダイヤフラムの材質が限定され、用途が限定され
る。また、生産するためには半田付け用の特殊な設備が
必要になり、量産性に劣る。また、性能の面からは、一
対の可動および固定電極で構成されているために、寄生
容量によるセンサ直線性の劣化が避けられないし、この
直線性を得るためには、一品対応のマイコン補正が必要
となり、制度が必要な用途では使用できない。また、湿
度補正が不可能である為、産業用には使用できないとい
う問題点があった。

【０００５】また、上記の実開昭６３−２００３９号公
報に開示された技術の場合には、上記公報の開示技術に
類似の問題点があったし、可動電極からリード線を取り
出す構成であるために、組立性が悪かったし、負の圧力
が印加されると過大な応力がダイヤフラムの中心部に加
わり、性能変化または破壊に至るという問題点があっ
た。

【０００６】本発明は、上記の問題点に着目して成され
たものであって、その第１の目的とするところは、組立
性に優れ、また、個々に検査ができるため性能歩留りも
良いし、また、回路処理により特性の絶対値を補正でき
て使用中の原点補正等の複雑な処理が不要になるばかり
か、温度、湿度に影響されにくいセンサ直線性を有する
圧力センサ構造を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、本発明は、圧力流体の圧力を感知する受圧
ユニットと、第１および第２の固定電極、ならびに受圧
ユニットが感知した圧力に応じて移動し且つ第１および
第２の固定電極の間に絶縁保持された可動電極とからな
る差動型センサ部と、第３および第４の固定電極、なら
びに前記第３および第４の固定電極の間にはさまれた円
環状の絶縁フィルムからなるリファレンス部と、前記差
動型センサ部の２つの静電容量に基づく２つの発振周波
数の信号、および前記リファレンス部の基準静電容量に
基づく基準周波数の信号を出力し、前記基準周波数の周
期内の前記２つの発振周波数の周波数差に応じてパルス
信号を生成し、信号処理を施す信号処理ユニットとを備
えたことを特徴とする。また、受圧ユニットが受圧部に
金属ベローズを備えていてもよい。

【０００８】

【作用】本発明の構成により、圧力を受ける受圧ユニッ
ト、性能を決めるセンサユニットおよび信号処理ユニッ
トのユニット単位で構成されるために、組立性に優れ、
また、個々に検査ができるため性能歩留りも良いし、ま
た、前記リファレンス部を内蔵しており、回路処理によ
り特性の絶対値を補正できるため、使用中の原点補正等
の複雑な処理が不要になる。また。前記センサユニット
においては、差動型センサ構造を採用しているため、セ
ンサ直線性は、温度、湿度に影響されにくい。

【０００９】また、本発明の構成により、絶縁フィルム
の厚さ精度のみでリファレンス部の性能確保ができるた
めに、特殊な材料を必要とせず、安価に構成できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明に係わる圧力センサ構造の縦断面
図、図２は同圧力センサ構造の分解状態の斜視図であ
る。本発明に係わる圧力センサ構造は、受圧ブロックで
ある受圧ユニットＡとセンサブロックであるセンサユニ
ットＢと信号処理ブロックである信号処理ユニットＣと
に大別される。

【００１１】前記受圧ユニットＡは、ベース１とＯリン
グ２とダイヤフラム３とダイヤフラム押え４から構成さ
れている。ベース１は平面視で円形状の収容部５を有
し、この収容部５の底面部５ａには、この底面部５ａの
中心を中心とした同心円状の複数のストッパ部（負圧用
ストッパ）６ａ、６ｂ、６ｃと、ストッパ部６ｃより外
方に位置してこれと同心のＯリング嵌合溝部７とが形成
してある。また、前記底面部５ａには、これの中心から
半径方向に凹陥部８が形成してあり、この凹陥部８は、
ベース１の周面部に突出形成された接続管部９に連通し
ており、これらで流入口１０を構成している。

【００１２】前記ダイヤフラム３は金属製で、図３乃至
図５に示すように面部３ａの周部に取付部３ｂを有する
皿状であり、その中心部にはプランジャ受け部１１が形
成してあり、ダイヤフラム３の面部３ａには、プランジ
ャ受け部１１を中心とした円環状の下方（図５におい
て）に凸の突出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、
突出部１２ｄの外方に位置して上方に凸の突出部１３と
が形成してあり、面部３ａの上面側は突出部１３を除い
て平坦面にしてある。

【００１３】前記ダイヤフラム押え４は、前記ベース１
の円形状の収容部５に挿入されるように平面視で円形を
なし、その底部外面が平坦なストッパ部（正圧用ストッ
パ）１４にしてあり、このストッパ部１４の中心部には
孔部１５が形成してある。

【００１４】そして、前記ベース１の収容部５には、こ
れのＯリング嵌合溝部７にＯリング２を嵌合し、前記ダ
イヤフラム３とダイヤフラム押え４とが収容してあり、
このダイヤフラム押え４はダイヤフラム３の周部の取付
部３ｂを押えていて、このダイヤフラム３を固定してお
り、このダイヤフラム３は、収容部５の底面部５ａとダ
イヤフラム押え４のストッパ部１４とが画成するダイヤ
フラム室１６に位置していて、このダイヤフラム室１６
の受圧側は前記流入口１０に連通している。

【００１５】前記センサユニットＢは、電極ホルダ１７
と差動型センサ部１８とスペーサ１９とリファレンス部
２０と電極押え２１とにより構成してある。電極ホルダ
１７の中心部には保持孔２２が形成してあり、この保持
孔２２に可動体であるプランジャ２３が移動可能に保持
されている。また、電極ホルダ１７の底部には電極受け
部２４が形成してあり、電極ホルダ１７の内周面部には
端子挿入溝２５が複数形成してある。

【００１６】前記差動型センサ部１８は、円盤状の一方
の固定電極２６と円環状の一方の絶縁フィルム２７と円
盤状の可動電極２８と円環状の他方の絶縁フィルム２９
と円盤状の他方の固定電極３０とを備えており、固定電
極２６、３０および可動電極２８にはそれぞれ端子部２
６ａ、３０ａ，２８ａが形成してある。一方の固定電極
２６の中心部には孔部３１が形成してあり、また、可動
電極２８はその周部が押え部２８ｂであり、中央部が可
動部２８ｃであって、押え部２８ｂと可動部２８ｃとの
間には周方向に複数のスリット２８ｄが形成してあっ
て、スリット２８ｃ間の支え部２８ｅにより可動部２８
ｃは保持されている。

【００１７】また、前記リファレンス部２０は、円盤状
の一方の固定電極３２と円環状の絶縁フィルム３３と円
盤状の他方の固定電極３４とを備えており、固定電極３
２、３４にはそれぞれ端子部３２ａ、３４ａが形成して
ある。

【００１８】前記電極押え２１は、その下部に押え部３
５を有し、上部に信号処理ユニット収容部３６を有して
おり、この信号処理ユニット収容部３６の周部には複数
の端子孔３７が形成してある。

【００１９】そして、前記電極ホルダ１７内には、前記
差動型センサ部１８の、一方の固定電極２６と一方の絶
縁フィルム２７と可動電極２８と他方の絶縁フィルム２
９と他方の固定電極３０とがこの順序に重ねて収容して
あり、前記可動電極２８は、その押え部２８ｂが上下か
ら絶縁フィルム２７、２９により挟持されており、端子
部２６ａ、３０ａ，２８ａは電極ホルダ１７の内周面部
の端子挿入溝２５に挿入されている。

【００２０】また、前記電極ホルダ１７内には、前記差
動型センサ部１８に重ねてスペーサ１９と、リファレン
ス部２０の一方の固定電極３２と絶縁フィルム３３と他
方の固定電極３４とが収容してあり、固定電極３２、３
４の端子部３２ａ、３４ａは電極ホルダ１７の内周面部
の端子挿入溝２５に挿入されている。そして、前記電極
ホルダ１７内には、前記差動型センサ部１８とスペーサ
１９とリファレンス部２０に重ねて前記電極押え２１の
押え部３５が挿入してあり、この電極押え２１の端子孔
３７から信号処理ユニット収容部３６に向けて前記端子
部２６ａ、３０ａ，２８ａ、３２ａ、３４ａが突出して
いる。

【００２１】上記のように構成されたセンサユニットＢ
は、前記前記受圧ユニットＡのベース１の収容部５に収
容してあり、前記プランジャ２３の一端部（下端部）
は、前記ダイヤフラム３のプランジャ受け部１１に接
し、プランジャ２３の他端部（上端部）は前記可動電極
２８の可動部２８ｃに下から接している。

【００２２】前記信号処理ユニットＣは、前記信号処理
ユニット収容部３６に嵌合できる形状の基板３８を有
し、この基板３８には図６に示すゲートアレー１０３と
パルス出力回路１０４とが組み込まれている。

【００２３】そして、信号処理ユニットＣは、前記電極
押え２１の信号処理ブロック収容部３６に収容してあ
り、前記端子部２６ａ、３０ａ，２８ａ、３２ａ、３４
ａは、その対応する基板３８の接続部に接続してある。
そして、電極押え２１の上からカバー３９が被せてあっ
て、カバー３９はねじ４０により前記ベース１に固定し
てあり、前記基板３８に接続されたリード線４１、４
２、４３がカバー３９外に導出されている。この場合、
リード線４１、４２、４３は電極押え２１とカバー３９
に設けられた突起部４４、４５間で挟み込まれており、
リード線４１、４２、４３の引き出し強度が大きく取っ
てある。

【００２４】前記センサユニットＢにおいて、２つの固
定電極２６、３０および可動電極２８で構成される差動
型センサ部１８は、一方の固定電極２６と可動電極２８
との間の静電容量Ｃ１と他方の固定電極３０と可動電極
２８との間の静電容量Ｃ２とを有する。２つの固定電極
３２、３４で構成されるリファレンス部２０は、基準と
なる静電容量ＣＲを有する。

【００２５】前記ゲートアレー１０３の内部には、差動
型センサ部１８およびリファレンス部２０に接続されて
静電容量Ｃ１、Ｃ２、ＣＲと図示せぬ抵抗で定まる発振
周波数ｆ１、ｆ２、ｆｒの信号をそれぞれ出力するＣＲ
発振回路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃがあり、また、
これらの信号をうけてＣＲ発振回路１０３ｃからの基準
の発振信号の１周期において、前半１／２周期での発振
周波数ｆ１、後半１／２周期でのｆ２の周波数差に応じ
てパルス信号を生成する周波数測定回路１０３ｄがあ
る。前記パルス出力回路１０４は前記ゲートアレー１０
３から出力されるパルス信号に増幅、レベル調整等の信
号処理を施す。

【００２６】前記受圧ユニットＡにセンサユニットＢを
徐々に圧入していくことにより、センサとして適正な出
力が得られる位置で固定される。受圧ユニットＡとセン
サユニットＢの固定方法は、経時的に寸法変化の生じる
ことのないように圧入と接着剤の充填による補強にして
ある。この接着剤充填は、組み立てたときにベース１と
センサユニットＢの間に円周方向にできる溝部になさ
れ、必要な部分のみを固定するようにしてある。前記ベ
ース１には１つを接着剤の充填用、１つを空気抜き用と
して２つの小孔（図示せず）が設けてある。

【００２７】次に、上記のように構成された圧力センサ
構造の作動について説明する。前記ダイヤフラム室１６
の受圧側の圧力がゼロの場合、差動型センサ部１８にお
ける可動電極２８が変位しないので、静電容量Ｃ１およ
びＣ２が等しくなっている。したがって、発振周波数ｆ
１およびｆ２も等しくなり、ＣＲ発振回路１０３ｃから
の基準の発振信号の前半１／２周期での発振周波数ｆ
１、後半１／２周期でのｆ２の周波数差がゼロとなるの
で、ゲートアレー１０３からはパルス信号は出力されな
い。

【００２８】前記流入口１０からダイヤフラム室１６の
受圧側に圧力流体（例えばガス）が導入されると前記ダ
イヤフラム３が図１において上方に変位する。このダイ
ヤフラム３の上方への変位によりプランジャ２３を介し
て可動電極２８の可動部２８ｃが押されて図１において
上方に変位し、静電容量Ｃ１およびＣ２が異なる値をな
る。したがって、ＣＲ発振回路１０３ｃからの基準の発
振信号の前半１／２周期での発振周波数ｆ１、後半１／
２周期でのｆ２の周波数差が生じるので、ゲートアレー
１０３からはその周波数差、すなわち検出すべき圧力に
比例した数のパルス信号が出力される。

【００２９】ところで、静電容量Ｃ１、Ｃ２は、周囲の
環境、すなわち温度や、圧力を測定する圧力流体の物質
構成等により変化する。したがって、ＣＲ発振回路１０
３ａおよび１０３ｂにおける発振周波数ｆ１，ｆ２も変
化することになるが、前記リファレンス部１０２の静電
容量ＣＲも同時に変化するので補正回路等を設けること
なく周囲の環境の変化による測定誤差を解消することが
できる。

【００３０】上記の実施例にあっては、圧力を受ける受
圧ユニットＡ、性能を決めるセンサユニットＢおよび信
号処理ユニットＣのユニット単位で構成されるために、
組立性に優れ、また、個々に検査ができるため、性能歩
留りも良い。また、各ユニットＡ、Ｂ、Ｃは一方向組立
が可能であり、量産性に優れ自動化できる。また、特殊
な工法が不要であり、投資を押さえることが可能で安価
なセンサ構造を提供できる。

【００３１】また、前記受圧ユニットＡにおいては、ダ
イヤフラム３は変位方向に対し垂直な平坦面を有してお
り、ストッパ形状（前記ダイヤフラム押え４の正圧用の
ストッパ）を精度よく設定できるため耐圧力性能が向上
できる。また、ダイヤフラム３を交換することで出力性
能を可変できるため、多くの用途（圧力仕様）に対応で
きる。

【００３２】前記センサユニットＢにおいては、差動型
センサ構造（差動型センサ部１８）を採用しているた
め、センサ直線性は、温度、湿度に影響されにくい。ま
た、前記絶縁フィルム２７、２９の厚さ精度のみで性能
確保ができるために、特殊な材料を必要とせず、安価に
構成できる。また、前記リファレンス部１０２を内蔵し
ており、回路処理により特性の絶対値を補正できるた
め、使用中の原点補正等の複雑な処理が不要になる。

【００３３】上記の実施例にあっては、過負荷によるダ
イヤフラムの変形防止のための負圧用ストッパおよび正
圧用ストッパが設けてあるが、片側だけでもよい。

【００３４】また、前記リファレンス部２０は、差動型
センサ部１８との相互の干渉を避けるために前記スペー
サ１９を介して間隔を離して配置してあるが、この間隔
を離すかわりに、リファレンス部２０と差動型センサ部
１８との間にアース電極を設ける構造によって、同等の
効果を上げても良い。

【００３５】前記差動型センサ部１８において、固定電
極２６、３０および可動電極２８は、可能な限り有効面
積のみを対向するような構造とすることにより、寄生容
量を低減させている。前記固定電極３０の一部に絶縁体
からなる突起部を設け、過負荷がかかったときに固定電
極３０と可動電極２８が接触して電気的にショートする
のを防止するようにしても良いし、この突起部の代わり
に固定電極３０、あるいは可動電極２８の表面に絶縁体
からなる膜をコーティングしても良い。

【００３６】また、金属体からなる外部シールド板でハ
ウジング全体を覆うことによって、外部電場の影響によ
る出力の変動をなくすようにしてもよい。

【００３７】また、図７に示すように差動型センサ部１
８の固定電極２６、３０を縦に配置し、これらの固定電
極２６、３０間に可動電極２８を上下動可能に設け、こ
の可動電極２８をプランジャ２３の突き上げにより移動
させて、差動型センサ部１８を面積可変型とすることも
できる。この場合にはセンサ直線性が改善できる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、圧力流
体の圧力を感知する受圧ユニットと、第１および第２の
固定電源、ならびに受圧ユニットが感知した圧力に応じ
て移動し且つ第１および第２の固定電極の間に絶縁保持
された可動電極とからなる差動型センサ部と、第３およ
び第４の固定電極、ならびに前記第３および第４の固定
電極の間にはさまれた円環状の絶縁フィルムからなるリ
ファレンス部と、前記差動型センサ部およびリファレン
ス部の静電容量を処理し周波数測定回路を少なくとも含
む、信号処理ユニットとを備えたことから、圧力を受け
る受圧ユニット、性能を決めるセンサユニットおよび信
号処理ユニットのユニット単位で構成されるために、組
立性に優れ、また、個々に検査ができるため性能歩留り
も良いし、また、前記リファレンス部を内蔵しており、
回路処理により特性の絶対値を補正できるため、使用中
の原点補正等の複雑な処理が不要になる。また。前記セ
ンサユニットにおいては、差動型センサ構造を採用して
いるため、センサ直線性は、温度、湿度に影響されにく
い。

【００３９】また、本発明は、リファレンス部を第３お
よび第４の固定電極、並びに第３および第４の固定電極
の間にはさまれた円環状の絶縁フィルムで構成したか
ら、絶縁フィルムの厚さ精度のみでリファレンス部の性
能確保ができるために、特殊な材料を必要とせず、安価
に構成できる。

【００４０】なお、本発明において、センサユニットの
差動型センサ部を面積可変にすると、センサ直線型がよ
り向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる圧力センサ構造の縦断面図であ
る。

【図２】同圧力センサ構造の分解状態の斜視図である。

【図３】ダイヤフラムの平面図である。

【図４】同ダイヤフラムの一部断面した側面図である。

【図５】同ダイヤフラムの一部省略した断面図である。

【図６】本発明に係わる圧力センサ構造の概略ブロック
図である。

【図７】差動型センサ部の他の実施態様を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

Ａ 受圧ユニット Ｂ センサユニット Ｃ 信号処理ユニット １８ 差動型センサ部 ２０ リファレンス部 ２３ プランジャ（可動体） ２６，３０，３２，３４ 固定電極 ２８ 可動電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅内 芳浩 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−263133（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−214727（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−372817（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−174249（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01H 35/34 G01L 9/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力流体の圧力を感知する受圧ユニット
   と、第１および第２の 固定電極、ならびに受圧ユニットが感
   知した圧力に応じて移動し且つ第１および第２の固定電
   極の間に絶縁保持された可動電極とからなる差動型セン
   サ部と、 第３および第４の固定電極、ならびに前記第３および第
   ４の固定電極の間にはさまれた円環状の絶縁フィルムか
   らなる リファレンス部と、 前記差動型センサ部の２つの静電容量に基づく２つの発
   振周波数の信号、および前記リファレンス部の基準静電
   容量に基づく基準周波数の信号を出力し、前記基準周波
   数の周期内の前記２つの発振周波数の周波数差に応じて
   パルス信号を生成し、信号処理を施す 信号処理ユニット
   とを備えたことを特徴とする圧力センサ構造。