JP5422880B2

JP5422880B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP5422880B2
Application number: JP2007214676A
Authority: JP
Inventors: 修島田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: JP2009047580A

Description

本発明は、気体、液体、固体等によって印加される圧力を検出するための圧力センサに関する。

従来から圧力を検出するための圧力センサとしては、抵抗値の変化に基づいて圧力を検出する圧力センサ（例えば、特許文献１参照。）、容量値の変化に基づいて圧力を検出する圧力センサ（例えば、特許文献２参照。）、インダクタンス値の変化に基づいて圧力を検出する圧力センサ（例えば、特許文献３参照。）、圧電素子による起電力の変化に基づいて圧力を検出する圧力センサ（例えば、特許文献４参照。）が知られている。

上記の従来の圧力センサのうち、抵抗値に基づいて圧力を検出する圧力センサでは、電流を流す必要があるので、消費電流が大きいという問題があり、また、抵抗体の形成にコストがかかり、安定な抵抗体を形成することが困難であるという問題がある。

また、容量値に基づいて圧力を検出する圧力センサでは、容量値が数十〜数百ｐＦ程度であるため、変化量が小さく、他の浮遊容量がノイズになりやすいという問題があり、一方、容量を増やすと、充放電にかかる消費電力が大きくなり、かつ、容量値を確保するためサイズが大型化するという問題がある。

また、インダクタンス値に基づいて圧力を検出する圧力センサでは、磁歪素子を用いた場合は、安定した素子の形成が難しく、コストもかかるという問題と、外部からの電磁界ノイズの影響が大きいという問題がある。また、コイルに対してコア磁性体を出入りさせる電磁結合を利用した場合は、サイズが大きくなり構造が複雑になりコストも高くなるという問題がある。

また、圧電素子を用いた圧力センサでは、圧電素子からの出力信号が小さいので信号取り出し回路が複雑になり、ノイズに弱いという問題と、安定した性能の圧電素子が得られず、検出精度が悪いという問題がある。

また、平面状のコイルに対向するように導電体からなるダイヤフラムを設け、ダイヤフラムが圧力により変形した際に、平面状のコイルの中央部と周辺部、又は積層配置した２つの平面状コイルにインダクタンスの差が生じることをブリッジ回路の電位差により検知して圧力を検出する圧力センサも知られている（例えば、特許文献５参照。）。この圧力センサでは、交流電源として１ＭＨｚ程度の周波数のものを使用しており、ダイヤフラムに渦電流を生じさせて、渦電流による磁束により平面状のコイルのインダクタンスを変化させている。このため、強力な磁界を発生させる必要があり、コイル（インダクタ）のサイズが大きくなり、消費電力も大きくなるという問題がある。
実開昭６３−３６０５９号公報特開昭６１−２６８３４号公報特開昭６２−９０５２０号公報実開昭６０−５３５号公報特開平６−１７４５７４号公報

上述したように、従来技術においては、センササイズの小型化、検出精度の向上、消費電力の低減、製造コストの低減を同時に充足することが困難であるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来に比べて小型化を図ることができるとともに、検出精度の向上、消費電力の低減及び製造コストの低減を図ることのできる圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、平面状に形成されたインダクタと、前記インダクタに対向して配設された導体部と、前記インダクタに接続され、所定の容量を有するコンデンサと、を具備し、前記インダクタと前記導体部の少なくとも一方が、他方に対して接近及び離間するよう変位可能に構成するとともに、前記インダクタと前記コンデンサとを含む高周波ＬＣ発振回路であって、その共振周波数が１０ＭＨｚ以上、かつ前記共振周波数による前記インダクタ中の信号波長が前記インダクタの長さよりも短い、高周波ＬＣ発振回路を構成し、前記インダクタと前記導体部との間隔の変化によって生じる当該高周波ＬＣ発振回路の前記共振周波数の変化から圧力を検出することを特徴とする圧力センサが提供される。

上記構成の圧力センサでは、前記インダクタと、前記導体部との間に絶縁性部材が設けられた構成とすることができる。また、前記高周波ＬＣ発振回路の出力をカウンタに入力し、当該カウンタのカウント値に基づいて圧力を検知する構成とすることができる。前記インダクタは、渦巻き状又はメアンダ状に形成することができる。

本発明によれば、従来に比べて小型化を図ることができるとともに、検出精度の向上、消費電力の低減及び製造コストの低減を図ることのできる圧力センサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１〜３は、本実施形態における圧力センサの構成を模式的に示すものである。図１，２に示すように、圧力センサ１は、インダクタ２を具備している。このインダクタ２は、図２に示すように、基材２０に平面状に形成されており、基材２０に形成した金属薄膜をエッチングする方法等によって形成されている。このインダクタ２は、図２に示すような渦巻き形状の他、図４に示すように、四角型渦巻き状としても良く、図５に示すように、折り返し型（メアンダ状）に形成しても良い。

上記インダクタ２に対向するように、導体からなるダイヤフラム（導体部）３が設けられている。ダイヤフラム３は、図１に矢印Ｐで示すように圧力が印加されると変位可能とされており、これによって、インダクタ２とダイヤフラム３との間の間隔が、印加された圧力の大きさに応じて変動するよう構成されている。これらのインダクタ２とダイヤフラム３との間の間隔は、狭い方が好ましく、例えば１ｍｍ程度とされている。これによって、インダクタ２とダイヤフラム（導体部）３とが静電的に強く結合された状態とすることができる。

図３は、上記圧力センサ１の回路構成を示すものである。この図３（ａ）に示すように、上記したインダクタ２には、所定容量とされたキャパシタ４と、発振用インバータ５が接続されており、高周波ＬＣ発振回路１０が形成されている。なお、図３において６は、バッファ用のインバータである。この高周波ＬＣ発振回路１０の共振周波数は、１０ＭＨｚ以上（例えば１００ＭＨｚ）に設定されている。

ＬＣ発振回路における共振周波数はｆ₀＝１／［２π（ＬＣ）^1/2］である。したがって、容量Ｃ、インダクタンスＬが変化することによって、共振周波数が変動する。容量値はせいぜい数十ｐＦしか形成できなく、微少な変化を制御するには小さい値である。インダクタンスは、数百ｎＨの形成が容易で微少な変化もとらえられる。ＬＣ発振回路の共振周波数が、例えば、１００ＭＨｚの場合、規定容量を３ｐＦとすると約８００ｎＨのインダクタンス値となる。

上記構成の圧力センサ１では、図８に模式的に示すように、インダクタ２と導体部を構成するダイヤフラム３とが静電的に結合され、信号が伝送することによりインダクタ２に生じる電位変動である周波数が高い場合（１０ＭＨｚ以上）には、静電結合によって生じた分布キャパシタンスを経由してダイヤフラム３に部分電位が生じる。従来技術（例えば特許文献５参照）の１ｋＨｚや１ＭＨｚといった低周波で測定する場合には、信号波長がインダクタの長さに比べて十分に長いのでインダクタを一つの素子と捉えることができる。そのためインダクタに安定的な電流が発生するので、圧力変化に伴うダイヤフラムの渦電流の強弱を利用して測定していた。しかし本発明でのように高周波（１０ＭＨｚ以上）発振を行うと、インダクタの長さが無視できなくなり、個々の時間に対してインダクタ中の各部分の電位は部分ごとに異なる電位を持つようになる。これが分布キャパシタンスとなり、従来例での渦電流では無く、インダクタ中の部分間での電流変動となる。よって、ダイヤフラム３に流れる電流によって発生する磁束と、インダクタ２に流れる電流によって発生する磁束が電気磁気的に結合し、互いに打ち消す。すなわち、インダクタ２のインダクタンス値はみかけ上減少する。そして、ダイヤフラム３に圧力が加わり、ダイヤフラム３がインダクタ２側に接近するように変位すると、分布キャパシタンスが増加するために、インダクタ２のインダクタンス値がその分さらに見かけ上減少し、共振周波数ｆ_０は増加する。この共振周波数ｆ_０と、実際の圧力との関係を予め調べてデータ化しておくことによって、共振周波数ｆ_０の計測結果から圧力値を求めることができる。なお、共振周波数ｆ_０は、図３（ａ）に示すように、周波数カウンタ１１によってカウントすることにより、計測できる。このカウント値をそのまま圧力数値として利用することもできる。また、図３（ｂ）に示すように、カウント値をＣＰＵ１２に入力し、ＲＯＭ（例えばＥＥＰＲＯＭ）に格納された換算データに基づいてカウント値を圧力正規化値に換算して出力することもできる。このようにデジタル信号処理により圧力を検出することができるので、ノイズに対して強く、精度良く圧力を検出することができる。

本実施形態の圧力センサ１では、例えば、液体、気体、固体による圧力等を精度良く検出することができる。また、基板等の基材２０上にインダクタ２を形成し、これに近接してダイヤフラム３を設ける単純な構造となっているので、容易にかつ安価に製造することができ、サイズ的にも小型化することができる。また、高周波ＬＣ発振回路１０の共振周波数を１０ＭＨｚ以上に設定し、インダクタ２と導体部としてのダイヤフラム３とを静電的に結合させてインダクタ２のインダクタンス値を見かけ上変化させるので、導体に渦電流を発生させ、渦電流による磁束によってインダクタンス値を変化させる場合に比べてエネルギーの消費が少なく消費電力の低減を図ることができる。なお、上記の実施形態では、ダイヤフラム３を導体によって形成した場合について説明したが、ダイヤフラムは樹脂等の絶縁体で形成し、この絶縁体の樹脂に金属等からなる導体部を形成した構成とすることもできる。

図６は、他の実施形態にかかる圧力センサ１ａの構成を示すもので、前述した圧力センサ１と対応する部分には同一の符号が付してある。この圧力センサ１ａでは、インダクタ２の上に弾性を有する絶縁性部材３０が設けられており、この絶縁性部材３０の表面に金属等の導体からなる導体部３ａが形成されている。弾性を有する絶縁性部材１０は、樹脂等から構成することができる。

なお、図６に示すように、導体部３ａは、インダクタ２の全面ではなく、その一部に対向するように、インダクタ２の外形よりも小さく形成することができる。また、導体部３ａの形状は、どのようなものでも良く、例えば、三角形状等、インダクタ２の外形と異なった形状としても良い。

上記構成の圧力センサ１ａでは、図６に矢印Ｐで示すように圧力が印加されると、絶縁性部材３０が変形することによって、導体部３ａがインダクタ２に接近するように変位する。これによって、インダクタ２のインダクタンス値が見かけ上減少するため、共振周波数ｆ₀は増加する。この共振周波数ｆ₀をカウンタによってカウントすることにより、圧力の変動を検出することができる。

上記の圧力センサ１ａでは、インダクタ２と導体部３ａとの静電的な結合が、絶縁性部材３０を介して行われることから、絶縁性部材３０の誘電率が高い方が静電的な結合が強くなるため好ましい。絶縁性部材３０として有機系材料からなる樹脂を用いた場合、一般的に比誘電率は３〜４程度になり、比誘電率が高いものでは８程度のものもある。

また、上記の圧力センサ１ａでは、インダクタ２と導体部３ａとの間に絶縁性部材３０が介在しているため、強い圧力が加わった場合においても、インダクタ２と導体部３ａとが直接接触することがない。このため、高い圧力まで測定することができる。さらに、絶縁性部材３０の厚さを、例えば数十μｍ〜数百μｍ程度に薄く設定することができるので、圧力センサ１ａのトータルの厚さを１ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍ程度に薄くすることができる。なお、上記の圧力センサ１ａでは、基材２０にインダクタ２を形成し、絶縁性部材３０に導電部３ａを形成した場合について説明したが、逆に、基材２０に導電部３ａを形成し、絶縁性部材３０にインダクタ２を形成することもできる。

図７は、他の実施形態にかかる圧力センサ１ｂの構成を示すもので、前述した圧力センサ１，１ａと対応する部分には同一の符号が付してある。この圧力センサ１ｂでは、インダクタ２の上に弾性を有する絶縁性部材３０が設けられており、この絶縁性部材３０の表面に金属等の導体からなる導体部３ａが形成されている。また、絶縁性部材３０の表面及び導体部３ａの表面の一部（周縁部）は、樹脂４０によって封止されている。この圧力センサ１ｂのように、圧力印加部分を除いて樹脂封止した構成とし、過酷な環境下においても耐え得る構造とすることができる。

本発明の一実施形態に係る圧力センサの断面構成を模式的に示す図。図１の圧力センサの構成を模式的に示す分解斜視図。図１の圧力センサの回路構成を示す図。インダクタの形状の変形例を模式的に示す図。インダクタの形状の変形例を模式的に示す図。本発明の他の実施形態に係る圧力センサの断面構成を模式的に示す図。本発明の他の実施形態に係る圧力センサの断面構成を模式的に示す図。実施形態における圧力測定原理を模式的に示す図。

符号の説明

１……圧力センサ、２……インダクタ、３……ダイヤフラム（導体部）、４……キャパシタ、５……発振用インバータ、６……波形整形用インバータ、１０……高周波ＬＣ発振回路、２０……基材、３０……絶縁性部材、４０……樹脂。

Claims

平面状に形成されたインダクタと、
前記インダクタに対向して配設された導体部と、
前記インダクタに接続され、所定の容量を有するコンデンサと、
を具備し、
前記インダクタと前記導体部の少なくとも一方が、他方に対して接近及び離間するよう変位可能に構成するとともに、
前記インダクタと前記コンデンサとを含む高周波ＬＣ発振回路であって、その共振周波数が１０ＭＨｚ以上、かつ前記共振周波数による前記インダクタ中の信号波長が前記インダクタの長さよりも短い、高周波ＬＣ発振回路を構成し、前記インダクタと前記導体部との間隔の変化によって生じる当該高周波ＬＣ発振回路の前記共振周波数の変化から圧力を検出することを特徴とする圧力センサ。
請求項１記載の圧力センサであって、
前記インダクタと、前記導体部との間に絶縁性部材が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
請求項１又は２記載の圧力センサであって、
前記高周波ＬＣ発振回路の出力をカウンタに入力し、当該カウンタのカウント値に基づいて圧力を検知することを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至３いずれか１項記載の圧力センサであって、
前記インダクタが、渦巻き状に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至３いずれか１項記載の圧力センサであって、
前記インダクタが、メアンダ状に形成されていることを特徴とする圧力センサ。