JPH03175329A - 静電容量式差圧検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、差圧に応じて変位するダイヤフラムとその
各側に配設される固定電極との間にそれぞれ形成される
静電容量に基づいて差圧が測定される静電容量式差圧検
出器に関する。なお、この静電容量式差圧検出器は、導
入圧力の一方が大気圧または真空であることによって、
ゲージ圧用または絶対圧用検出器になる。

【従来の技術】

第６図は従来の一静電容量式差圧検出器の構成を示す断
面図である。ダイヤフラムｌＯの各側に各固定電極１５
．２０が取付けられている。固定電極１５は、ダイヤフ
ラム１０に対向配置された第１の導電性板１２と、この
第１導電性板１２に接合された絶縁板１３と、この絶縁
板１３に接合された第２の導電性板１４とからなり、第
１導電性板１２と第２導電性板１４とが、貫通してあけ
られた導圧孔２５の内周内に被覆された導体膜２７を介
して電気的に接続される。 そして、固定電極１５には、絶縁板１３に接合されて第
１導電性板１２を取り囲む円環状溝２３を隔てて環状の
支持体２１が設けられ、この支持体２１がダイヤフラム
１０に所定の厚みのガラス結合部１１で接合され、かつ
第１導電性板１２と支持体２１とは電気的に絶縁されて
いる。なお、支持体２１は絶縁体、導電体いずれでもよ
い。また、固定電極１５には、ダイヤフラム１０との間
に形成された空隙２９に圧力Ｐ１を導く前記の導圧孔２
５があけられる。 他方の固定電極２０についても同様の構成であるから、
詳細な説明は省略する。固定電極２０には、ダイヤフラ
ム１０との間に形成された空隙３０に圧力Ｐ２を導く導
圧孔２６があけられている。 ダイヤフラム１０と、固定電極１５とによって第１のコ
ンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量Ｃａが
各リードビンＡ、Ｃを介して取出される。また、同様に
ダイヤフラム１０と固定電極２０とによって第２のコン
デンサが形成され、このコンデンサの静電容量ｃｂが各
リードビンＢ、Ｃを介して取出される。 いま、各圧力Ｐ１．Ｐ２がダイヤフラム１０に作用する
と、その差圧（ＰＩ〜Ｐ２）に応じてダイヤフラム１０
が変位し、この変位に応じて各静電容量Ｃａ、Ｃｂが変
化し、この変化に基づいて差圧を測定することができる
。 ところで、第６図に示した差圧検出器は、各圧力ＰＩ、
Ｐ２を受圧する二つの図示してないシールダイヤフラム
によって密閉されたハウジング内に収納され、このハウ
ジング内に圧力伝達用の非圧縮性流体たとえばシリコー
ンオイルが封入される。 つまり、各空隙２９．３０および各導圧孔２５，２６に
はシリコーンオイルが充填されることになる。 第２５図は従来の別の静電容量式差圧検出器の要部の構
成を示す断面図であり、第２６図は同じくその静電容量
に関する等価回路図である。第２５図において、１０〇
八はシリコンからなるダイヤフラムであり、２Ａ、３Ａ
は所定の厚さを有する各ガラス接合部４Ａ、５Ａを介し
てダイヤフラム１００Ａに接合された固定電極である。 ８八はダイヤフラム１００Ａと固定電極２Ａとの間に形
成された空隙、９＾はダイヤフラム１００Ａと固定電極
３Ａとの間に形成された空隙である。６Ａは固定電極２
Ａにあけられて、空隙８Ａに圧力Ｐ１を導く導圧孔、７
Ａは固定電極３Ａにあけられて、空隙９Ａに圧力Ｐ２を
導く導圧孔である。 ダイヤフラム１００Ａと固定電極２Ａとによって第１の
コンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量Ｃａ
が各リードビンＡ、Ｃを介して取り出される。また、ダ
イヤフラム１０〇八と固定電極３Ａとによって第２のコ
ンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量ｃｂ各
がリードビンＢ、Ｃを介して取り出される。なお、第２
６図におけるＣｓａ。 Ｃｓｂはそれぞれ各ガラス接合部４Ａ、５Ａにおける静
電容量で一定値をとる。 いま、各圧力ＰＬ、Ｐ２がダイヤフラム１００＾に作用
すると、その差圧（ＰＩ〜Ｐ２）に応じてダイヤフラム
１００＾が変位し、この変位に応じて各静電容量Ｃａ、
Ｃｂが変化し、この変化に基づいて差圧を測定すること
ができる。 なお、第２５図に示した静電容量式差圧検出器は、通常
は各圧力ＰＬ、Ｐ２を受圧する図示していない二つのシ
ールダイヤフラムによって密閉された同じく図示してい
ないハウジング内に収納され、かつ、このハウジング内
に圧力伝達用の非圧縮性流体たとえばシリコーンオイル
が封入される。それゆえ、各空隙８Ａ、９Ａならびに各
導圧孔６Ａ、７Ａにはシリコーンオイルが充填されるこ
とになる。

【発明が解決しようとする課題】

第７図に従来の静電容量式差圧検出器のダイヤフラム１
０と固定電極２０との間で形成される静電容量の模式図
を示す。第７図から明らかなように、ダイヤフラム１０
と固定電極２０との間に４個のコンデンサが形成される
。まずダイヤフラム１〇−空隙３〇−第１導電性板１７
によって１個のコンデンサが形成される。このコンデン
サの静電容量をｃｂとする。さらに、支持体２２−絶縁
板１８−第２導電性板１９によって１個のコンデンサが
形成される。このコンデンサの静電容量をＣｓｂとする
。また、ダイヤフラム１〇−円環状溝２４−絶縁板工８
−第２導電性板１９によって２個のコンデンサが形成さ
れる。 この各コンデンサの静電容量をＣｓｂＬ　Ｃｓｂ２とす
る。なお、Ｃｓｂｌは空隙２４における誘電率に関係す
る容量、Ｃ５ｂ２は絶縁板１８の誘電率に関係する容量
である。なお、ダイヤフラム１０と支持体２２とは静電
容量取出し用導体３３によって電気的に接続されている
ので、ダイヤフラム１０−ガラス接合部１６−支持体２
２によってはコンデンサは形成されない。 前記したように固定電極１５と固定電極２０とは同一構
成で、かつ鏡像的に配置されているから、固定電極１５
に関しても前記と同様に静電容量が形成される。固定電
極２０の静電容量に対応する固定電極１５側の静電容量
は、各静電容量Ｃｂ、　Ｃｓｂ、　Ｃ５ｂｌ。 Ｃ５ｂ２．の添字すをａに変えて、Ｃａ、　Ｃｓａ、　
　Ｃ５ａｌ。 Ｃｓａ２で表すものとする。その結果、第６図に示した
圧力検出器における静電容量は、電気的には第８図（ａ
）の等価回路のように接続されていると見做すことがで
きる。なお、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれリードビンである。 いま、各リードビンＡ、Ｃ間の総合静電容量をＣＩ、各
リードピンＢ、Ｃ間の総合静電容量を０２とすると、 ＣＩ　−Ｃａ＋Ｃｓａ ＋　Ｃ５ａｌ　・Ｃ５ａ２／　（Ｃｓａｌ＋　Ｃ５ａ２
）　−−−（１）Ｃ２＝Ｃｂ＋Ｃｓｂ ＋　Ｃ５ｂｌ　・Ｃ５ｂ２／　（Ｃｓｂｌ＋　Ｃ５ｂ２
）　−−−−（２）ここで、たとえば（２）について考
察すると、第６図において第１導電性板１７の面積をＳ
ｂ、空隙３０における誘電率をＥｂ、空隙３０の厚さを
Ｔｂとすると、静電容量ｃｂは次式のように表される。 Ｃｂ　＝Ｅｂ　　−Ｓｂ　／Ｔｂ　　　　　　　　・−
（３）また、支持体２２の面積をＳｓｂ、絶縁体１日の
誘電率をＥｓｂ、絶縁体１８の厚さをＴａｂとすると、
静電容量Ｃｓｂは次式のように表される。 Ｃ５ｂ＝　Ｅｓｂ−３ｓｂ／　Ｔｓｂ　　　　　　　　
−（４）また、円環状溝２４の面積を５ｓｂｌ　、円環
状溝２４の深さをＴ　ｓ　ｂ　１とすると、各静電容ｉ
１　Ｃ５ｂｌ、　Ｃ５ｂ２は次式のように表される。 Ｃ５ｂｌ　＝Ｅｂ　　−３ｓｂｌ　／　（Ｔｓｂｌ　＋
Ｔｂ）−（５）Ｃｓｂ２　　＝　Ｅｓｂ−３ｓｂｌ　／
　Ｔｓｂ　　　　　　　　−（６）一般にＣｓｂｌおよ
びＣ５ｂ２の直列容量は、静電容量Ｃｂ、Ｃｓｂに比べ
極めて小さくなるように設計することによって無視でき
る。このことは固定電極１５についても同様である。し
たがって第８図（ａ）の回路は、近似的に同図（ｂ）の
ように表すことができ、かつ、（１）式および（２）式
は次のように書き直せる。 ＣＩ　−Ｃａ　＋　Ｃｓａ　　　　　　　　　　　　−
（７）Ｃ２−Ｃｂ　＋Ｃｓｂ　　　　　　　　　　−（
８）いま第６図において、各圧力Ｐ１．Ｐ２の差圧によ
って、ダイヤフラム１０が左方向にΔだけ変位したとす
ると、静電容量Ｃａ、Ｃｂは次のように表される。 Ｃａ　−Ｅａ　　−３ａ　／　（Ｔａ　−Δ）　　　　
　−（９）Ｃｂ　＝Ｅｂ　　−Ｓｂ　／　（Ｔｂ　＋Δ
）　　　　　−ＧＯ）ここで、Ｅａ、Ｅｂは各空隙２９
．３０における誘電率であるから、Ｅａ　＝Ｅｂ　＝Ｅ
とし、またＴａ、Ｔｂは各空隙２９．３０の非変位状態
における厚さであるから、Ｔａ　＝Ｔｂ　＝Ｔとして、
（９）式と００式を書き直すと、 Ｃａ　＝　Ｅ−３ａ　／　（Ｔ−Δ）−ａυＣｂ＝Ｅ−
３ｂ／（Ｔ＋Δ）　　　　−・面各静電容量Ｃｓａ、　
Ｃｓｂについても同じ取扱いをする。すなわち、Ｔｓａ
＝Ｔｓｂ＝Ｔｓ　、Ｅｓａ＝Ｅｓｂ＝Ｅｓ　とする。 したがって、（７）式および（８）式は次のように書き
直せる。 Ｃ１＝Ｃａ　＋Ｃ５ａ ＝Ｅ−３ａ／（Ｔ−Δ）　＋　Ｃｓａ　　　−・・０３
）Ｃ２＝Ｃｂ　＋Ｃ５ｂ ＝Ｅ−３ｂ　／　（Ｔ−１−Δ）　＋Ｃｓｂ　　　−・
・−Ｑ４）ところで、よく知られているように、一対の
各静電容量Ｃ１，Ｃ２が差動的に変化する場合、次の演
算式によってダイヤフラム変位Δに比例する信号Ｆを得
るようにしている。 Ｆ＝　（Ｃ１−Ｃ２）／　（Ｃ１＋Ｃ２）　　　　・−
ｑωここで、Ｃａ　＝Ｃｂ、（Ｃｓａ−Ｃｓｂ）／　（
Ｃａ　＋Ｃｂ）＜１、（Ｃｓａ十Ｃ５ｂ）／　（Ｃａ　
＋　Ｃｂ）＜　１、とすれば、０■、０４）、　０５）
式から、Ｆ＝Δ／Ｔｏｃ（Ｐ２〜ＰＩ）　　　　　　　
　−−−Ｑωとなり、変位Δすなわち差圧（Ｐ２〜ＰＩ
）に比例した信号Ｆが得られる。 ところが、Ｃａ＝Ｃｂでない場合、またはＣａ）Ｃｓａ
、かつＣｂ）Ｃｓｂでない場合には、変位Δないし差圧
（Ｐ２〜ＰＩ）に比例した信号Ｆが得られない。 第６図の従来例の場合、必ずしもＣａ　＝Ｃｂの条件は
成り立たない、これは各第１導電性板１２゜１７の形状
を超音波加工または研削等によって機械的に加工してい
るため、その加工寸法誤差（一般ニ５０〜１０１００ｔ
１や加工部周辺の欠け、チッピング等があるからである
。したがって、信号Ｆの差圧Ｐ　（＝Ｐ２〜ＰＩ）に対
する比例関係が著しく阻害される。 これを防止するには、加工寸法誤差を低減させなければ
ならず、これは加工コスト等の経済面で不利である。こ
れが第１の解決すべき問題点である。 第２の問題点として次のことがある。第６図に示した構
造で過大圧が一方の導圧孔、例えば導圧孔２５から導入
された場合に、ダイヤフラム１０は対向する固定電極２
０と接し、変位がダイヤフラム１０と固定電極２０を接
合しているガラス接合部１６の厚み以上にならないよう
に制限され、過大圧によるダイヤフラム１０の破壊が防
止される。ところが、接すべき対向の固定電極２０の第
１導電性板１７の中心部には、導圧孔２６が前記と同じ
く機械加工によってあけられているため、加工面端部に
は加工上の欠け、尖り等が生じ、これらがダイヤフラム
１０との接触時に、ダイヤフラム１０に損傷を与える。 特に、ダイヤフラム１０がシリコン等の脆性材料からな
る場合にはダイヤフラム１０が破壊される。 第３の問題点として次のことがある。第６図に示される
ように、ダイヤフラム１０は、支持体２１に例えばガラ
スやアルミ等で接合される。その際、支持体２１のダイ
ヤフラム１０に対向する面全体に、ガラスやアルミ等を
塗布または付着し、第１導電性板１２とダイヤフラム１
０の可動部有効径（圧力によって変位する領域の直径）
との同軸度、つまりガラス接合部１１の内径との同軸度
を一致させて、支持体２１にダイヤフラム１０を接合す
る。ここで−船釣には、支持体２１は固定電極１５上の
第１導電性板１２を機械加工して形成されるから、前記
と同様に加工上の寸法誤差や欠は等によって支持体２１
の内径に誤差が生じ、最終的にはダイヤフラム１０の可
動部有効径寸法に誤差が生じる。いま、ダイヤフラム１
０の可動部有効径をａ、その板厚をｈとすれば、差圧（
ＰＩ〜Ｐ２）によるダイヤフラム変位Δは、 Δ−Ｋ　　（ａ／２）’・　（１／ｈ）３　　　　−−
−ｆｆ７）で示される。ここでＫは、ヤング率とポアソ
ン比を用いて決められるダイヤフラム１０の材料に基づ
く定数である。（１７１弐から明らかなように可動部有
効径ａの加工誤差は、加工誤差ｄａと可動部有効径ａと
の相対比の約４倍の大きさで変位Δの値を変動させる。 前記したように支持体２１の内径をｂとすればダイヤフ
ラム１０の可動部有効径ａと支持体２１の内径すは等し
いとみなせる。したがって、可動部有効径ａの誤差ｄａ
は支持体２１の内径の加工誤差ｄｂに等しい。以下、具
体例として数値的に説明する。いま、 ａ＝ｂ＝７ｍｍ ｄ　ａ　＝　ｄ　ｂ　＝　０．２　ｍｍここに加工誤差
ｄｂは、内径を機械加工しているため通常の加工誤差０
．１　ｍｍの２倍となる。加工誤差を含んだ変位Δ１と
含まない変位Δとの比は、Δ１／Δ＝Ｋ　（（ａ＋ｄａ
）／２）’（１／ｈ）３／Ｋ　（ａ／２）’（１／ｈ）
″ （（ａ　十ｄａ）／ａ　）　’ （（ｂ　十ｄｂ）／ｂ　）　’ ＝　１．１１９２８ したがって、支持体２１の内径すの加工誤差ｄｂによる
、変位Δの相対誤差は約１２％となり、支持体２１の内
径すの相対誤差２．８６％の約４倍である。 そのため、可動部有効径の加工精度が悪いと静電容量式
圧力検出器の精度にバラツキを生じさせ望ましくない。 この発明の第１の課題は、従来の技術がもつ以上の問題
点を解消し、良好な直線性をもつとともに、測定精度の
バラツキが少なく、過大圧時にダイヤフラムが損傷を受
けるおそれがない静電容量式圧力検出器を提供すること
にある。 また、以上説明したような一従来例では、次に詳しく説
明するように、過大な差圧が象、に除去されたとき、こ
れにダイヤフラム変位が迅速に追従しない、つまりダイ
ヤフラム変位の応答性が悪いという問題がある。 第１３図は一従来例の動作を示す要部の断面図である。 同図において、各導圧孔２５．２６からの導入圧力の差
によって（導圧孔２６からの圧力の方が、導圧孔２５か
らの圧力より極めて大きいとする）、ダイヤフラム１０
は左方向に凸に湾曲変形し、左側面が導電性板１２の右
側面に押圧された形で接触している。 封入液のシリコーンオイルが完全に非圧縮性であり、ま
たダイヤフラム１０と導電性板１２との各表面が完全に
平面に仕上げられて、これらの間で封入液が全く漏れる
ことがない理想条件の下では、ダイヤフラム１０は、そ
の左側面の中心部が変位して導圧孔２５の右側開口部を
封鎖した後にはさらに変形し得ない。したがって、ダイ
ヤフラム１０と導電性板１２との接触面積は、差圧が増
しても導圧孔２５の右側開口部より若干大きい面積に一
定に保持される。 第１４図はダイヤフラム・固定電極間の接触面積の差圧
に対する特性図で、横軸に差圧Ｐを、縦軸に接触面積Ｓ
をそれぞれとる。差圧Ｐが小さい値のときには接触面積
Ｓは零であり、差圧Ｐａで、導圧孔２５の右側開口部よ
り若干大きい面積である接触面積Ｓａになり、先程の理
想条１件の下では差圧Ｐの増加に対応する接触面積Ｓは
一点鎖線のように一定値Ｓａを保持する。しかし実際に
は、先程の理想条件は存在しないから、差圧Ｐの値Ｐａ
からの増加に対応して接触面積Ｓは値Ｓａから実線のよ
うに増大する。 したがって、過大な差圧がダイヤフラム１０に作用した
状態では、ダイヤフラム１０と導電性板１２とはかなり
広い面積で接触している。この過大な差圧が急に除去さ
れたとき、まずダイヤフラム１０の中心部が右方向に変
位して導圧孔２５の右側開口部の封鎖を解除し、次にこ
の封鎖の解除によって導圧孔２５からの導入圧力がダイ
ヤフラム１０の左側面に作用してダイヤフラム１０をさ
らに復帰させることになる。このように、従来例ではダ
イヤフラムｌＯの変位の復帰が、過大な差圧の急速な除
去に迅速に追従しない、言いかえれば、ダイヤフラム１
０の変位の応答性が悪い、という問題がある。 この発明の第２の課題は、従来の技術がもつ以上の問題
点を解′消し、過大な差圧が除去されたとき、これにダ
イヤフラム変位が迅速に追従するような、つまりダイヤ
フラム変位の応答性が良い静電容量式差圧検出器を提供
することにある。 さらにまた、以上説明したような一従来例では、次のよ
うな問題がある。 すなわち、差圧（＝Ｐ２−Ｐｉ　）が非常に大きいとき
には、その差圧によって固定電極１５が右方向に凸に湾
曲するように変位し、この変位だけによってダイヤフラ
ム１０と各固定電極１５．２０との間の静電容量が変化
する。なお、このことは−従来例が差圧検出装置に組み
込まれたときの、第５図のような構成から明らかである
。すなわち、第５図の検出器５０の代りに一従来例を置
き換えて考えると、符゛号を付けてない左側の固定電極
（第６図の固定電極１５に相当）は左側から圧力Ｐ２、
右側から圧力Ｐ１を受ける。なお、第５図については、
第１発明に係る実施例の説明の箇所で詳しく後述する。 いま、固定電極１５の差圧による変位をΔｅ、この変位
Δｅと先程の変位Δとを同時に生じたときのダイヤフラ
ム１０と各固定電極１５．２０とで形成される各静電容
量Ｏ１ｅ、　Ｃ２ｅ　　は、Ｃ１ｅ＝ε・Ａ／（Ｔ−Δ
−Δｅ　）　　　−（４ｃ）Ｃ２ｅ＝Ｃ２＝ｅ　・Ａ／
　（Ｔ＋Δ）　　　＝（５ｃ）になる。各静電容１１ｃ
１ｅ、　　Ｃ２ｅは、正確には差動的に変化しないから
、（１５１式によって演算される差圧信号をＦｅとする
と、 Ｆｅ　＝　（Ｃ１ｅ−Ｃ２ｅ）　／　（Ｃ１ｅ＋Ｃ２ｅ
）＝（２Δ＋Δｅ）／（２Δ−Δｅ）−（６ｃ）（６ｃ
）式から明らかなように、ΔｅがΔに対して無視できな
い大きさの場合には、差圧信号Ｆｅは差圧（＝Ｐ２−Ｐ
Ｉ　）に比例しない、言いかえれば直線性が崩れる。 この発明の第３課題は、従来の技術がもつ以上の問題点
を解消し、とくに差圧が大きいときでも差圧信号が良好
な直線性をもつ静電容量式差圧検出器を提供することに
ある。 なおまた、以上説明したような一従来例では、次に詳し
く説明するように、周囲温度の変化によって検出器の差
圧信号のスパン特性と直線性が影響を受ける、言いかえ
れば、温度特性が悪化するという問題がある。なお、ス
パン特性とは、差圧の１００％変化幅に対する静電容量
の変化幅、言いかえればダイヤフラムの変位幅の特性で
ある。 各固定電極は、シリコンからなる両側の第１゜第２の各
導電性板と、中間のコージライトからなる絶縁板との３
層構造体であるから、熱膨脹係数の異なる板状部材を貼
り合わせた一種のバイメタルと見なすことができる。各
固定電極は周囲温度の変化によって変形し、周縁部で固
着されシリコンからなるダイヤフラムには、半径方向の
応力が生じる。この応力に起因するダイヤフラムの変位
が、差圧に基づく本来の変位によって発生する差圧信号
の直線性を阻害する要因になる。 周囲温度の変化によってダイヤフラムに生じる半径方向
の応力、およびこの応力によるダイヤフラムの変位など
について、以下に具体的に詳しく説明する。 第６図において、従来の各固定電極１５．２０の合成的
な熱膨脹係数αは、 α−Ｋｌ（Ａ−に２／Ｂ）（α１−α２）十α２・・・
（１ｄ）ただし、α１．α２　：コージライト　シリコ
ンの熱膨脹係数、Ｅｌ、Ｅ２　　：同しくそのヤング率
、Ｈｌ。 Ｉ−（２：同じくその厚さ、Ｈ３：各支持体の厚さであ
る。 また、Ｋｌ、に２は、それぞれＥｌ、　Ｅ２．　Ｈｌ、
　Ｈ２によって決まる定数、また Ａ−（Ｈｌ　＋−２Ｈ３）／２．　　Ｂ＝１／（Ｈｌ　
　・Ｅｌ）である。 Ｅｌ　＝８，０００　、Ｅ２　＝１５，３００（単位：
廟／　ｍｍ　”　）、α１　＝１．１．α２＝３．１　
　（単位：　１０−’／”Ｃ）　、であり、Ｈｌ　＝０
．５．Ｈ２＝１．５．Ｈ３＝１．５（単位：薗）とする
と、α−２，５３ｘｌＯ−’／”ｃになる。 したがって、周囲温度の変化ΔＴのとき、ダイヤフラム
に生じる半径方向の応力σは、σ−Ｅ・Δα・ΔＴ／（
１−ν）　　・・・（２ｄ）ここで、Ｅ、ν２それぞれ
ダイヤフラムのヤング率、ポアソン比、Δα：固定電極
とダイヤプラムとの熱膨脹係数の差、である。 半径方向の応力σを受けた状態で差圧Ｐが作用するどき
のダイヤフラムの変位Ｗは、 Ｗ＝Ｐ／（Ｋ＋（４Ｈ／Ｒ”）σ）　　　・　（３ａ）
ここで、Ｈ，Ｒ：それぞれダイヤフラムの厚さ。 半径、Ｋ：Ｅ、　　シ、Ｈ，Ｒによって決まる定数であ
る。 変位Ｗは、（３ｄ）式から明らかなように、ダイヤフラ
ムの材料１寸法に係る第１の要素と、半径方向の応力に
係る第２の要素とによって決まる。 とくに、微小な差圧Ｐを感度良く測定するときには、厚
さＨを小さくする必要があり、同時に応力σが感度良い
測定に対する阻害要因になる。 第１８図に、０．１ｍ水柱、　３．２　ｍ水柱の各測定
用のダイヤフラムの厚さを各々０．０３ｍｍ、　０．１
　ｍｍとした場合の、値Ｗ／Ｇの熱応力σに対する特性
を示す。実線は０．１ｍ水柱、破線は３．２ｍ水柱にそ
れぞれ対応する。ここに、Ｇは差圧零のときのダイヤフ
ラム・固定電極間の空隙寸法である。 たとえば、周囲温度が±６０’Ｃ（１２０°Ｃの範囲）
で変化したときには、（２ｄ）式から熱応力σは、０．
６２ｋｇ／ｍｍ”の変化となり、これに起因するダイヤ
フラムの変位に係る値Ｗ／Ｇは、０．１ｍ水柱の場合で
約８２％だけ、３．２ｍ水柱の場合で約６％だけそれぞ
れ変化する。 この発明の第４の課題は、従来の技術がもつ以上の問題
点を解消し、差圧信号のスパン特性と直線性に対する温
度変化の影響を抑制する、言いかえれば、温度特性の向
上を図った静電容量式差圧検出器を捉供することにある
。 以上説明したように、別の従来例では、特に明記されて
いないが、ダイヤフラムは全て平板で作られている。し
かし、平板で作られたダイヤフラムでは、次のような問
題がある。 （１）高い圧力差で使用される場合には、周辺のガラス
接合などによるダイヤフラムと支持体との接合部の内縁
部に非常に大きい応力が発生し、接合部あるいはダイヤ
フラムが破壊するおそれがある。 特に、ダイヤフラムがシリコンのような脆性材料で作製
されている場合は破壊の危険性が高い。 （２）圧力を受けた場合のダイヤフラムの主に中心部の
動きが平行移動的でないため、圧力に対する静電容量の
変化が高次の成分をもち、そのため補正が難しく、した
がって検出精度が悪くなる。 （３）検出器を小形、軽量化するためには、ダイヤフラ
ムの厚さを薄くしなければならず、そのため組立時の取
り扱いが困難になる。特に、低圧・低差圧レンジでは、
この問題が深刻である。 この発明の第５の課題は、従来の技術がもつ以上の問題
点を解消し、ダイヤフラムがその周縁接合部で過大圧時
においても過大な応力を生じることがなく、測定精度が
高く、かつ組立が容易な静電容量式圧力検出器を提供す
ることにある。

【課題を解決するための手段】

第１課題を解決するために、第１の発明に係る静電容量
式差圧検出器は、 各固定電極が、ダイヤフラムの中心部表面に近接対向す
る第１の導電性板と； この第１導電性板の外周面から隔たってこれを取り囲み
かつ前記ダイヤフラムの周縁部表面と接合される環状支
持体と； この支持体と前記第１導電性板との、前記ダイヤフラム
とは逆側の各表面に共通に接合される絶縁板と； この絶縁板の他方の表面に接合され前記第１導電性板と
電気的に接続される第２の導電性板と；を備え、 前記の第１．第２の各導電性板と絶縁板との中心部を貫
通して前記圧力用導圧孔があけられ、かつこの導圧孔の
前記ダイヤフラム側の開口稜線部と前記第１導電性板の
前記ダイヤフラム側の外周稜線部と前記支持体の前記ダ
イヤフラム側の内周稜線部とにそれぞれ凹状面取りが施
される。 第２の発明に係る静電容量式圧力検出器は、各固定電極
が、その中心部を貫通する圧力用導圧孔と、 この導圧孔のダイヤフラム側の開口稜線部に施される凹
状面取り部と、 この凹状面取り部と隣接しその遠心外方に前記ダイヤフ
ラムの表面と平行にかつこれと近接対向して環状に設け
られる中心平面部と、 この中心平面部と隣接しその遠心外方に設けられる環状
凹部と、 少なくとも前記中心平面部の表面に施され前記静電容量
の取出し用を兼ねる導電性膜とを備え、前記環状凹部の
遠心外方に位置する周縁部において前記ダイヤフラムと
電気的に絶縁して接合される絶縁体である。 第２課題を解決するために、第３の発明に係る静電容量
式差圧検出器は、 差圧に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフラム
の各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそれぞ
れ形成される静電容量に基づいて前記差圧が測定される
検出器において、 前記各固定電極には、その導圧孔と交差して前記ダイヤ
フラム側の表面に溝が形成される。 第３課題を解決するために、第４の発明に係る静電容量
式差圧検出器は、 差圧に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフラム
の各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそれぞ
れ形成される静電容量に基づき前記差圧が測定される検
出器において、 一方の前記固定電極の外側表面と所定距離を隔ててその
周縁部で接合されるとともに導圧孔をもつ基板を備え、 他方の前記固定電極の側から導入される圧力を同時に前
記の基板、各固定電極の外側表面にも作用させる。 第４課題を解決するために、第５の発明に係る静電容量
式差圧検出器は、 差圧に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフラム
の各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそれぞ
れ形成される静電容量に基づいて前記差圧が測定される
検出器において、 前記各固定電極は、 前記ダイヤフラムの中心部表面に近接対向しこのダイヤ
フラムに近似した熱膨脹係数をもつ材料、たとえばダイ
ヤフラムと同じシリコンからなる第１の導電性板と； この第［導電性板の外周面から隔たってこれを取り囲み
前記ダイヤフラムの周縁部表面に接合される環状支持体
と； この環状支持体と前記第１導電性板との、前記ダイヤフ
ラムとは逆側の各表面に共通に接合され前記第１導電性
板に近似した熱膨脹係数をもつ、たとえばコージライト
とムライトとが所定比率で混成されたセラミックスから
なる絶縁板と；この絶縁板の他方の表面に接合され前記
第１導電性板と同じ材料、たとえばシリコンからなりか
つこれと電気的に接続される第２の導電性板と；を備え
る。 第５課題を解決するために、第６の発明に係る静電容量
式差圧検出器は、 ダイヤフラムが、 中心部に位置し圧力に応じて主に変位する変位部と、 周縁部に位置し各固定電極と電気的に絶縁して接合され
る接合部と、 この接合部と前記変位部とを連結する、幅がこの変位部
の直径の１／２ないし１１５であり、厚さがこの変位部
の厚さの１／２以下である環状可撓部とを一体的に備え
る。

【作用】

第１発明に係る静電容量式差圧検出器においては、支持
体のダイヤフラム側の内周稜線部に施された凹状面取り
部によって、ダイヤフラムの可動部有効径が正確に規定
され、第１導電性板のダイヤフラムの外周稜線部と導圧
孔のダイヤフラム側の開口稜線部とにそれぞれ施された
凹状面取り部によって、ダイヤフラム、第１導電性板間
の対向面積が正確に規定され、かつ過大圧時にダイヤフ
ラム、第１導電性板間で接触が起こったとしても、ダイ
ヤフラムは損傷を受けるおそれがない。 第２発明に係る静電容量式差圧検出器においては、中心
平面部の遠心外方に施された凹状面取り部によって、ダ
イヤフラムの可動部有効径が正確に規定され、前記中心
平面部の遠心外方に施された凹状面取り部と、導圧孔の
ダイヤフラム側の開口稜線部に施された凹状面取り部と
によって、ダイヤフラム、固定電極間の対向面積が正確
に規定され、かつ過大圧時にダイヤフラム、固定電極間
で接触が起こったとしても、ダイヤフラムは損傷を受け
るおそれがない。 第３発明に係る静電容量式差圧検出器においては、ダイ
ヤフラムの一方の表面が部分的に、過大な差圧によって
対向する固定電極表面に強く押圧されても、同時にこの
固定電極側の導入圧が、導圧孔と交差して形成された溝
を通して対向するダイヤフラム表面に作用している。こ
のダイヤフラム表面に作用している導入圧が、過大差圧
が除去されたときのダイヤフラム変位の復帰追従性、つ
まり応答性を良くする。 第４発明に係る静電容量式差圧検出器においては、基板
は、その各側に作用する圧力の差によって変位するが、
各固定電極は、その各側に作用する圧力がそれぞれ同一
であるから、差圧によって変位することがない。したが
って、ダイヤフラムと各固定電極とで形成された各静電
容量は正確に差動的に変化する。 第５発明に係る静電容量式差圧検出器においては、ダイ
ヤフラムと、固定電極を構成する両側の第１．第２の各
導電性板と、中間の絶縁板とが、いずれも同じか近似の
熱膨脹係数をもつ材料からなるから、周囲温度の変化に
よって、ダイヤフラムに半径方向の応力が発生すること
がなく、この応力に起因するダイヤフラムの変位は生じ
ない。 したがって、周囲温度の変化があっても、差圧信号のス
パン特性と直線性が維持される。 第６発明に係る静電容量式差圧検出器においては、環状
可撓部によって、圧力に応じて接合部の内周縁部分に生
じる応力が減少し、圧力によって変位部が平行移動的に
変位する。また、ダイヤフラムの元の板厚は薄くする必
要がない。

【実施例】

第１発明に係る静電容量式差圧検出器の実施例について
、以下に図を参照しながら説明する。 第１図はこの実施例を示す断面図で、基本的には第６図
に示した従来例と同じ構成である。ダイヤフラム１０の
両側に配設された各固定電極１５１゜２００上に、ダイ
ヤフラム１０側の周縁部および導圧孔の開口陵線部に所
定の巾と深さをもつ階段状ないし段差状の各面取り部１
２１ａ、　１２１ｂ、　１７１ａ、　１７１ｂをもつ導
電性板１２１，１７１と、それを取り囲むようにダイヤ
フラム１０側で各導電性板１２１．１７１側に前記と同
じ（所定の巾と深さの各階段状面取り部２１１ａ２２１
ａをもつ環状の各支持体２１１．２２１が設けられる。 なお、この各支持体２１１．２２１は絶縁体、導電体い
ずれでもよい。 ここで、ダイヤフラムＩＯと導電性板１５１とで第１の
コンデンサが形成され、ダイヤフラム１０と導電性板１
７１とで第２のコンデンサが形成され、これらの静電容
量が各リードピンＡ、Ｃ２同じ＜Ｂ。 Ｃを介して取り出される。 いま、各圧力Ｐ１．Ｐ２がダイヤフラム１０に作用する
と、その差圧に応じてダイヤフラム１０が変位し、その
変位に基づいて差圧を測定することができる。 各固定電極１５１．２００の製作方法の一例を第３図を
参照しながら説明する。各固定電極１５１．２００は同
じように製作されるので、固定電極１５１について代表
的に述べる。 第３図において、先ず同図（ａ）に示すように、正方形
に成形されたシリコンの導電性板３５を用意する。次に
同図（ｂ）に示すように、この導電性板３５にガラス粉
末焼付けによって正方形状に絶縁板１３が接合される。 その後、同図（Ｃ）に示すように、この絶縁板１３に正
方形に成形されたシリコンの導電性板１４がガラス粉末
焼付けによって接合される。 次に同図（ｄ）に示すように、導電性板３５に対してエ
ツチング時の耐食材となる金またはアルミニウムの膜を
、階段状面取り部となるべき部分以外の箇所に付着形成
させ、その後エツチングによって階段状面取りを所定の
深さに加工する。さらに同図（ｅ）に示すように、超音
波加工によって円環状溝２３が形成される。この円環状
溝２３は絶縁板１３まで達しているので、導電性板３５
から分割されて導電性板１２１と支持体２１１とが形成
される。その後、超音波加工によって導圧孔２５があけ
られ、同図（ｆ）に示すように、この導圧孔２５の内面
に導体膜２７が被覆され、固定電極１５１が完成する。 このように構成された第１の発明に係る静電容量式圧力
検出器の実施例における静電容量について説明する。第
２図はこの実施例において形成される静電容量の模式図
で、同図から明らかなように、ダイヤフラム１０と固定
電極２００との間に５個のコンデンサが形成される。従
来の静電容量式圧力検出器に比べて、ダイヤフラム１０
と導電性板１７１とがつくる、第７図のｃｂに相当する
静電容量ｃｂｂが、階段状面取り部１７１ａ　（第１図
参照）、ダイヤフラム１０間の静電容量Ｃｂｌと、空隙
３０を隔てるダイヤフラム１０．導電性板１７１間の静
電容量Ｃｂ３と、階段状面取り部１７１ｂ　（第１図参
照）、ダイヤフラム１０間の静電容量Ｃｂ２とになった
以外は同じである。 同様のことがダイヤフラム１０と導電性板１２１がつく
る静電容量Ｃａａについても言える。したがって、 Ｃａａ＝　Ｃａｌ＋　Ｃａ２＋　Ｃａ３　　　　　　　
　−−−０８）Ｃｂｂ＝　Ｃｂｌ＋　Ｃｂ２＋　Ｃｂ３
　　　　　　　　−Ｑ’ｊ）導電性板１７１の外周縁部
の面取り部１７１ａの面積をＳｂｌ、深さをＴｂｌとし
、同様に導圧孔２６の外周縁部の面取り部１７１ｂの面
積をＳｂ２、さらに面取り部のない部分の面積をＳｂ３
とする。空隙３０における厚さをＴｂとし、また空隙３
０における誘電率をＥｂとすれば、各静電容量Ｃｂｌ、
　　Ｃｂ２．　　Ｃｂ３は次式によって表される。 Ｃｂｌ＝Ｅｂ　　−Ｓｂｌ／　（Ｔｂ　＋Ｔｂ１）　　
　−ｔ２１）Ｃｂ２＝Ｅｂ　　−Ｓｂ２／　（Ｔｂ　＋
Ｔｂ２）　　　　−・−（２１）Ｃｂ３＝Ｅｂ　　−Ｓ
ｂ３／Ｔｂ　　　　　　　　　−（２２）したがって、
０９）、　ｅｌ）、　（２１）、（２２）式からＣｂｂ
＝　（Ｅｂ　　−Ｓｂｌ／　（Ｔｂ　＋Ｔｂ１））＋（
Ｅｂ　　−Ｓｂ２／　（Ｔｂ　＋Ｔｂ２）　）　＋（Ｅ
ｂ　　−Ｓｂ３／Ｔｂ）　　　　　　　　　−（２３）
ところで、第２図に示すように、導電性板１７１の外径
をＤｌ、周縁部の段差部までの径をＤｌｌ、導圧孔２６
の段差部の径をＤｌ２、導圧孔２６の径をＤｏとすると
、Ｄｌ、Ｄｏは円環状溝２４．導圧孔２６を形成する際
の超音波加工等の加工誤差（５０〜１００μｍ）を含む
。一方、Ｄｌｌ、　Ｄｌ２は半導体等でよく用いるフォ
トエツチングないしエツチングの加工によって定められ
るから、その加工誤差は数μｍないし１ｅｍ以下に抑え
ることができる。 ここで、機械加工などによる寸法誤差をｅで表わせば、 ５ｂｌ＝　ｚ　（ＤＩ”　−Ｄｌｌ”）／　４　　　　
　・−（２４）Ｓｂ２＝π（０１２”　−Ｄｏ”）　／
　４　　　−（２５）Ｓｂ３＝　ｘ　（Ｄｌｌ”　−Ｄ
１２ｚ）／　４　　　−−−（２６）とすることができ
る。ただし、（Ｄｉ　−Ｄｌｌ）　＞２８、（Ｄｌ２−
Ｄｏ）＞２ｅである。前記のようにＳｂ１．　Ｓｂ２は
、機械加工の誤差を含むＤｉ、Ｄｏのため変動する。一
方、Ｓｂ３はＤｌｌ、　Ｄｌ２が機械加工の影響を受け
ないような方法としているため、Ｓｂｌ、　　Ｓｂ２に
比べれば実質的に変化しない。したがって、（２３）式
からＣｂｌおよびＣｂ２の影響、つまり加工により変動
するＳｂＬ　　Ｓｂ２の影響を除くには、段差部の深さ
ＴｂＬ　Ｔｂ２をＴｂに比べて大きくとればよい。例え
ば、Ｔｂｌ、　Ｔｂ２の値をＴｂの１０倍程度にとると
Ｓｂｌ、　　Ｓｂ２の影響は約１／１１になるので、機
械加工の誤差を受けて変動する各静電容量Ｃｂｌ、　　
Ｃｂ２は、Ｃｂ３に比べてはるかに小さ（できることか
られかる。同様のことが他方の導電性板１２１について
もいえる。 したがって、各導電性板１２１，１７１によって各固定
電極１５１，２００の加工時における加工誤差の影響を
　僅少にできるため、ダイヤフラム１０と各導電性板１
２Ｌ１７１とがつくる各静電容量Ｃａａ、　　Ｃｂｂに
ついて、はぼＣａａ＝Ｃｂｂにできる。その結果、Ｑ６
）弐で示される特性が得られる。 さらに、第１図から明らかなように、各円環状溝２３．
２４や各導圧孔２５，２６を加工する際の欠は尖りの寸
法より、各段差部の深さを大きくとることが加工上可能
である。したがって、過大圧によってダイヤフラム１０
が各導電性板１２１　、１７１に接触しても、これらの
加工時の欠け、尖りでダイヤフラム１０を損傷すること
はない。また、各段差部の加工はエツチングによってな
されるので、欠け。 尖りはほとんどなく前記と同様、ダイヤフラム１０に損
傷を与えることはない。 さらにまた、第１図から明らかに、各支持体１２１．２
２１とダイヤフラム１０とを接合する面積が段差加工に
よって決定される。ダイヤフラム１０の可動部有効径も
段差部の深さを各ガラス接合部１１゜１６より十分に深
く、しかも段差部の巾を機械加工の誤差以上にとること
により、再現性がよくかつ安定な寸法である段差部の径
Ｄ２１（第２図参照）で決定することができる。したが
って、ダイヤフラム１０の変位が安定し、再現性のよい
静電容量式検出器を製作できる。 以上、段差部の加工をエツチングで実施した場合につい
てのべたが、これを研摩等の加工に変えても同様の利点
を得ることができる。 ところで、第１図における各面取り部は、その形状が段
差状ないし階段状であるが、これに限定されることはな
く、一般には凹状であれば同様の効果を得ることができ
る。 第２発明に係る静電容量式差圧検出器の実施例について
、その断面図である第４図を参照しながら説明する。 第４図において、固定電極としての各絶縁板４２゜４３
が、ダイヤフラム４１の左右各側にその周縁部において
、それぞれ各ガラス接合部４４．４５を介して接合され
る。各絶縁板４２．４３はその構成が同じであるから、
絶縁板４２で代表して説明する。 絶縁板４２は、中心部に導圧孔４６が貫通し、その遠心
外方のダイヤフラム４１に対向する側に平面部４２ｃを
、それに隣接してさらに外方に環状凹部４２ａを備える
。この環状凹部４２ａの外方が絶縁板４２の周縁部に相
当する。また、導圧孔４６のダイヤフラム４１例の開口
稜線部には段差状ないし階段状の面取り部４２ｂが施さ
れる。なお、この面取り部４２ｂの形状は一般には凹状
であればよい。 導体４２１が、平面部４２ｃと、面取り部４２ｂと、環
状凹部４２ａの一部とに被覆され、絶縁板４２の周縁部
とガラス接合部４４との間をへて絶縁板４２の外周に出
て、リードピンＡに対する静電容量取出し用接触部とな
る。 面取り部４２ｂと環状凹部４２ａとは、それぞれ第１図
に示した第１発明に係る実施例における面取り部１２１
ｂと各面取り部１２１ａ、２１１ａとにそれぞれ相当し
、これらと同様の効果をもつものである。 なお、絶縁板４２側の導圧孔４６と、面取り部４２ｂ。 平面部４２ｃ、環状凹部４２ａと、導体４２１とに対応
して、絶縁板４３側に導圧孔４７と、面取り部４３ｂ、
平面部４３Ｃ１環状凹部４３ａと、導体４３１とがそれ
ぞれ設けられる。ダイヤフラム４１の各側表面と、各平
面部４２ｃ、　４３ｃとの間に各空隙４８．４９が形成
される。 各リードビンＡ、Ｃ間と、各リードビンＢ、Ｃ間との静
電容量に基づいて差圧（Ｐｉ〜Ｐ２）が測定されるのは
前記のとおりである。 さて、第５図は第１発明に係る実施例を組み込んだ差圧
検出装置の断面図である。第５図において、５０は第１
図に示した静電容量式検出器である。 この検出器５０は有底円筒体５１の内室５２に収納され
ており、絶縁体５３を介して金属パイプ５４に結合され
ている。そして、この金属バイブ５４は取付板５５に溶
接結合されており、この取付板５５がさらに有底円筒体
５１の開口部に溶接結合されている。さらに、有底円筒
体５１の開口部にはキャップ５６が溶接結合されている
。このキャップ５６は貫通孔５７を有し、シールダイヤ
フラム５８が取付けられて、その間に受圧室６１を形成
している。一方、有底円筒体５１の底部も貫通孔６０を
有し、シールダイヤフラム５９が取付けられて、その間
に受圧車６２にを形成している。そして、有底円筒体５
１の側壁には、各リードピンＡ、Ｂ、Ｃを有するハーメ
チックシール端子６３が設けられている。 各シールダイヤフラム５８．５９の間に形成されている
空間、つまり、内室５２、各貫通孔５７．６０　、各受
圧室６１．６２内には、非圧縮性流体たとえばシリコー
ンオイルが充填されている。このシリコーンオイルを介
して、シールダイヤフラム５８．５９に作用する圧力が
検出器５０のダイヤフラムに伝達される。 第３発明に係る静電容量式差圧検出器の実施例について
以下に図面を参照しながら説明する。 第９図は一実施例の断面図、第２図は同じくその主要部
材の正面図である。第９図、第１０図において、この一
実施例が第６図に示した従来例と異なる点は、各導電性
板１２．１７のダイヤフラム１０例の対向表面に、その
直径に沿って多溝１２ａ、１７ａが各導圧孔２５．２７
と交差して形成されていることである。したがって、第
６図におけるのと同じ部材には同じ符号が付けである。 一実施例の動作について第１２図を参照しながら説明す
る。同図は過大な差圧を受けて変位したダイヤフラム１
０が導電性板１２と接触する箇所の周辺を詳細に示す断
面図である。同図において、ダイヤフラム１０の左側面
の中心部が導電性板１２の右側面に押圧され接触してい
る。しかし、第１３図における従来例のときと異なり、
同時に導圧孔２５がらの導入圧が、溝１２ａを介してダ
イヤフラム１０の左側面に作用している。このダイヤフ
ラム１ｏの左側面に作用している導入圧によって、過大
差圧が除去されたときのダイヤフラム変位の復帰は極め
て追従性良く、つまり応答性良くおこなわれる。 ところで、ダイヤフラム変位の追従性ないし応答性を良
くするには、溝１２ａの幅はなるべく広い方が有利であ
るが、他方では溝１２ａの幅が広いと導電性板１２の表
面積をその分だけ減少させるため、導電性板１２とダイ
ヤフラムＩＱとの間に形成される静電容量が減少するこ
とになり、その点で不利になる。したがって、設計上ダ
イヤフラム１０の変位の応答性と静電容量との折衷が図
られることになる。以上のことは、導電性板１７につい
ても同様に言えることである。 第１１図は別の実施例の各導電性板１２．１７の正面図
で、この別の実施例で多溝１２ａ、１２ｂ　、１７ａ、
１７ｂが各導圧孔２５．２６と交差し、かつ互いに十文
字に交差するように形成される。これによって、導入圧
をダイヤフラム１０の異なる箇所に同時に作用させるか
ら、一実施例におけるよりダイヤフラム１０の変位の復
帰追従性ないし応答性を良くする。もっとも、十文字の
溝を設けることによる静電容量上の不利があるので、先
程述べたような設計上の折衷を図る必要がある。 第４発明に係る静電容量式差圧検出器の実施例について
以下に図面を参照しながら説明する。 第１５図はこの実施例の断面図である。同図において、
この実施例が第６図の従来例と異なる点は、第１に中心
部に導圧孔８１をもつ基板８０が、固定電極１５に属す
る導電性板１４の左側面に、その周縁部でガラス接合部
４２を介して接合されること、第２に導体３１の代わり
に導体３４が導電性板１４と基板４０とを跨ぐ形でその
外周部に設けられること、である、なお、第１図におけ
る部材で、第３図におけるのと同じものには同じ符号を
付けである。 なお、基板４０は絶縁体、導体のいずれでもよいが、こ
こでは製作し易さと温度変化に対する影響の抑制とのた
めに、導電性板１４と同じ導電性材料たとえばシリコン
で作られる。ガラス接合部４２は、Ａｌ−３ｔ共晶によ
る接合部であってもよい。また、導体３４によって、基
板４０と導電性板１４とは同電位になる。 第１６図は前記実施例を組み込んだ差圧検出装置の断面
図である。同図において、この差圧検出装置が第５図に
示した差圧検出装置と異なる点は、有底円筒体７１が従
来の有底円筒体５１と代わったこと、内室７２が従来の
絶縁室５２と代わったこと、貫通孔７３が従来の貫通孔
６０と代わったこと、である。 要するに、検出器８２の横方向寸法が、先の検出器５０
より基板８０が付加された分だけ大きくなったことに関
連する。 この実施例の動作について、第１５図を主に、第１６図
を補助的に参照しながら説明する。第１５図において、
左側からの圧力Ｐ１に対して右側からの圧力Ｐ２の方が
非常に大きいとする。圧力Ｐ２は同時に、第１６図に示
すように検出器７０の外周にも作用する。したがって、
基板８０の左側面には圧力Ｐ２が、同じくその右側面に
は圧力Ｐｉが作用することになり、その差圧（＝Ｐ２−
ＰＬ　）　　によって基板８０は、右方向に凸に湾曲す
るように変位する。これに対し、各固定電極１５．２０
は、その各側面に作用するのがそれぞれ同一な各圧力Ｐ
Ｌ、Ｐ２であるから、変位することがない。 その結果、ダイヤフラム１０と各固定電極１５．２０と
で形成された各静電容量は正確に差動的に変化すること
になり、０ω式による演算によって、検出器８２に係る
差圧信号は、差圧に対して正確な直線性を示すことにな
る。 第５発明に係る実施例について以下に図面を参照しなが
ら説明する。第１７図はこの実施例の断面図である。第
１７図において、各固定電極８５．８６を構成する各絶
縁板８３．８８は、その材料が熱膨脹係数の異なる二つ
のセラミックスを混合、焼成してつくられ、合成的な熱
膨脹係数をシリコンのそれに極めて近似させである。そ
の外の部材は既に述べた従来例におけるのと同じであり
、それと同じ符号を付けである。 いま、コージライトとムライトとの配合比率を種々変え
て、そのときの混成セラミックスの熱膨脹係数と、シリ
コンのそれとの差値を求めると、第１９図に示すように
なる。第１９図において、横軸のＣはムライトの比率（
χ）、継軸のβは混成セラミックスの熱膨脹係数とシリ
コンのそれとの差値である。第１９図から明、らかなよ
うに、ムライトの比率Ｃが５０％以上になると、β＝±
１０−’／”Ｃ以下になる。 （１ｄ）弐から、α−２，７１Ｘ１０−ｂ／’Ｃを、ま
た（２ｄ）式から、σ＝０．４３ｋｇ／ｍｍ”をそれぞ
れ求め、これらの多値と（３）式とから、Ｗ／Ｇを求め
ると、微小差圧測定用の０．１ｍ水柱用の場合には、１
２０°Ｃ変化に対して４７％の変化となって、従来例の
８２％に比べて約半分になる。 ところで、第１９図において、ムライトの比率Ｃが８０
％のときには、βはほぼ零になり、前記よりさらに温度
変化の影響は抑制され、温度特性は向上する。 第２０図、第２１図は第６発明の実施例に用いられるダ
イヤフラムチップを示す。第２０図はその断面図、第２
１図はその平面図である。第２０図において、９１はシ
リコン製ダイヤフラムチップ、９２は円環状溝部であり
、図の上下各面に対称に設けられ、この溝部９２を除い
た部分が特許における環状可撓部である。９３は固定電
極との間にコンデンサを形成する部分で、圧力を受けた
ときに平行移動的に変位する特許における変位部である
。９４は図示してない支持体にガラス接合などの方法で
接合される特許における接合部である。チップ９１は９
ｍｍ角の大きさで、天板厚は使用レンジにより０．２ｍ
ｍから３１のものが適宜使用される。溝部９２は内径４
．２ｍｍ、外径７．Ｏｎ＋ｎで、厚さは使用レンジによ
り３０μｍから１．５１％ｍＯものが使用される。 次に、このようなダイヤフラムの製作工程を第２２図（
ａ）〜（濁の各製作工程図を用いて簡単に説明する。ま
ず、必要な板厚と比抵抗をもつシリコンウェハ１０１を
準備しく同図（ａ）参照）、その両面にエツチングのた
めの各保護膜１１１，１１２を蒸着や塗布法などにより
被着する（同図（ｂ）参照）。次に、フォトエツチング
あるいは機械加工により、溝部を形成するべき部分の保
護膜を除去しく同図（Ｃ）参照）、機械加工の場合は必
要な深さまで加工する（同図（ｄ）参照）。その後、ウ
ェットエツチングあるいはドライエツチングにより、必
要な厚さになるまでエツチングしく同図（ｅ）参照）、
その後に保護膜を除去しく同図げ）参照）、切断してダ
イヤフラムチップ９１が完成する（同図（６）参照）。 第２３図はこのようなダイヤフラムを用いて構成した静
電容量式差圧検出器の一実施例の断面図であり、１００
がダイヤフラムである。他の部分は第２５図と全く同じ
である。 さて、この一実施例において、溝９２の内径が４．２ｍ
ｍ　　同じくその外径が７．０ｍｍ、ダイヤフラム１０
０の元板厚に対する溝部９２の残存部板厚の割合である
厚さ比が３の場合には、ガラス接合部４Ａ。 ５Ａの内縁部の最大応力は、溝部４２の両端で発注する
最大応力の約１７９となる。一方、発明者の実験結果に
よれば、ガラス接合部４Ａ、５Ａの端部のシリコンの最
小破断強度は１０ｋｇｆ／ｍｍ”程度であり、溝部９２
の最小破断強度は１００ｋｇｆ／ｍｍ２である。この１
００ｋｇｆ／ｍｍ２という値は文献によれば、シリコン
が本来もっている破断強度と同等であり、ガラス接合部
４Ａ、５Ａの強度はシリコン本来の強度の１０％程度の
強度に低下していることを示している。この強度の低下
原因は、前工程におけるシリコンウェハ表面の損傷によ
るか、ガラス接合に伴う応力集中の影響によるかの少な
くともいずれかと考えられる。 以上のように、厚さ比が３のときには、ガラス接合部４
Ａ、５Ａの端部と溝部９２とのそれぞれの発生最大応力
と破断強度との比はバランスがとれ、シリコンの機械的
強度を有効に生かすことができる。なお、厚さ比をさら
に大きくすれば、ガラス接合部４Ａ、５Ａの機械的破壊
の心配はな（なり、溝部９２の強度だけに注目すればよ
いことになる。 また、この一実施例のように、溝部９２の巾を１．４ｍ
ｍとし、厚さ比を３とすると、各固定電極２Ａ、３＾と
対向してコンデンサを構成するダイヤフラム１００の変
位部としての中心部の動きが、はぼ平行移動的になる。 具体的には、ダイヤフラム１００が圧力を受けて変位す
る場合、溝部９２の変形に基づく変位量に比べて、変位
部の反り量は１割以下に抑えられ、平行移動に近い動き
となる。この効果は、溝部９２の巾を広くすればするほ
ど、また厚さ比を大きくすればするほど、大きくなる。 さらにまた、溝部９２で変位部を限定しているため、溝
部９２の加工にフォトエツチングなどの加工精度の高い
加工方法を採用することにより、変位部の面積を高精度
に製作でき、コンデンサの静電容量のバラツキを低減さ
せて検出器の測定精度を高めることができる。 溝部９２の加工にフォトエツチングなどの加工精度の高
い加工方法が採用できるので、溝部９２の形状１寸法、
同軸度１表裏各面の対称性などをともに正確に製作する
ことができる。したがって、平板状ダイヤフラムでは精
度が出しにくかったダイヤフラム支持部の位置精度が大
巾に向上し、先程の測定精度の向上をさらに支援する。 次に、検出器の大きさを実施例と同じ９１１ＩＩｌｌ角
とした場合には、４．９＋ｅＨ２０以下の低圧・低差圧
レンジでは、平板状ダイヤプラムのときは、ダイヤフラ
ムが１００μ−以下の板厚となり、加工、取り扱いとも
に非常に困難になる。これに対して一実施例における溝
付きダイヤフラムにすれば、その板厚を取り扱いの容易
な２００μｍ以上にすることができ、検出器の小形化の
ために非常に有効である。 ところで、ダイヤフラム１００の溝部９２の底面は平面
状であるが、これに限定されることはなく、一般にはこ
の部分の板厚が少なくとも部分的に薄くなればよいわけ
で、これ以外の形状がとり得る。 第２４図はこのようなダイヤフラムを用いて構成した静
電容量式差圧検出器の別の実施例の断面図である。この
別の実施例は、前記の一実施例において検出信号の直線
性向上を図ったもので、主な構成を説明すると、前記と
同じダイヤフラム１００と、一対の各固定電極１５．２
０とが配設される。ダイヤフラム１００は、一対の各固
定電極１５．２０の各導電性板１２．１７と適当を空隙
２９．３０を介して対向するよう配設され、この各導電
性板１２．１７を取り囲んで、各絶縁板１３．１８に接
合されている支持体２１．２２と、ダイヤフラム１００
とが、ガラス接合部１１．１６によって接合される。２
５　、２６はダイヤフラムに各圧力Ｐ１．Ｐ２を導くた
めの導圧孔であり、その各内面には導体膜２７．２８が
被覆されて、これが各導電性板１２．１７と各導電性板
１４．１９とをそれぞれ電気的に接続する。 なお、ダイヤフラム１００に基づくこの別の実施例の作
用ないし効果は、支持体２１．２２が固定電極１５．２
０からそれぞれ電気的に絶縁されているため、第２６図
の等価回路におけるＣｓａ、　　Ｃｓｂが大幅に低減で
きて測定精度が大幅に向上することである。 また、これ以外は先程の一実施例と全く同じである。

【発明の効果】

したがって、第１．第２の各発明によれば、従来の技術
に比べ次のようなすぐれた効果がある。 （１）良好な直線性をもつとともに、測定精度の再現性
が良い、言いかえればバラツキが少ない。 （２）過大圧時に固定電極側と接触してもダイヤフラム
が損傷を受けるおそれがない。 （３）　　（１）項に関連して、検出器の製品歩留り率
が高く安定供給が可能となる。 第３発明においては、ダイヤフラムの一方の表面が部分
的に、過大な差圧によって対向する固定電極表面に強く
押圧されても、同時にこの固定電極側の導入圧が、導圧
孔と交差して形成された溝を通して対向するダイヤフラ
ム表面に作用している。したがって、このダイヤフラム
表面に作用している導入圧が、過大差圧が除去されたと
きのダイヤフラム変位の復帰追従性つまり応答性を良く
する、しかもその手段が簡単で追加的に実施しやすい、
というすぐれた効果がある。 第４発明においては、基板は、その各側に作用する圧力
の差によって変位するが、各固定電極は、その各側に作
用する圧力がそれぞれ同一であるから、差圧によって変
位することがなく、ダイヤフラムと各固定電極とで形成
された各静電容量は正確に差動的に変化する。 したがって、第４発明によれば、従来の技術に比べ、差
圧が大きいときでも検出信号の差圧に対する直線性が良
く、しかも構造的に簡単であるから製造しやすくコスト
低減が図れる、というすぐれた効果がある。 第５発明においては、ダイヤフラムと、固定電極を構成
する両側の第１．第２の各導電性板と、中間の絶縁板と
が、いずれも同じか近似の熱膨脹係数をもつ材料からな
るから、周囲温度の変化によって、ダイヤフラムに半径
方向の応力が発生せず、この応力に起因するダイヤフラ
ムの変位は生じることがなく、差圧信号のスパン特性と
直線性が維持される。 したがって、第５発明によれば、従来の技術に比べ、と
くに微小差圧測定に対しても全体の構成寸法を大きくす
ることなく、差圧信号のスパン特性と直線性に対する周
囲温度の影響を抑制することができ、検出器の温度特性
を向上させることができる、というすぐれた効果がある
。 第６発明によれば、従来の技術に比べ次のようなすくれ
た効果がある。 （１）ダイヤフラムに発生する応力水準が低下し機械的
破壊のおそれが少なくなる。 （２）測定のバラツキの減少と精度の向上が図れる。 （３）ダイヤフラムの取扱いと組立が容易になる。 （４）検出器の小形、軽量化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明に係る実施例の断面図、第２図はこの
実施例において形成される静電容量の模式図、 第３図はこの実施例の製作工程を示し、同図（ａ）〜（
ｆ）は各製作工程図、 第４図はは第２発明に係る実施例の断面図、第５図は第
１発明に係る実施例を組み込んだ圧力検出装置の断面図
、 第６図は一従来例の断面図、 第７図はこの一従来例において形成される静電容量の模
式図、 第８図はこの一従来例における静電容量に係る等価回路
図で、同図（ａ）は整理前の等価回路図、同図（ｂ）は
整理後の等価回路図、 第９図は第３発明に係る一実施例の断面図、第１０図は
この一実施例の主要部材の正面図、第１１図は別の実施
例の主要部材の正面図、第１２図は一実施例の動作を示
す要部の断面図、第１３図は一従来例の動作を示す要部
の断面図、第１４図は一従来例におけるダイヤフラム・
固定電極間の接触面積の差圧に対する特性図、第１５図
は第４発明に係る実施例の断面図、第１６図はこの実施
例を組み込んだ差圧検出装置の断面図、 第１７図は第５発明に係る実施例の断面図、第１８図は
ダイヤフラム変位の熱応力に対する特性図、 第１？図はコージライト・ムライトの熱膨脹係数の混成
比率に対する特性図、 ７第２０図は第６発明に係る各実施例に共通に用いられ
る主要部材の断面図、 第２１図は同じくその正面図、 第２２図は同じくその製作工程を示し、同図（ａ）〜（
２）は各製作工程図、 第２３図は第６発明に係る一実施例の断面図、第２４図
は同じくその別の実施例の断面図、第２５図は別の従来
例の断面図、 第２６図はこの別の従来例における静電容量に関する等
価回路図である。 符号説明 １０．４１．１００　　：ダイヤフラム、１２．１４．
１？、１９，１２１，１７１　　：導電性板、１２ａ、
１７ｂ　　：溝、１３，１８．４２．４３，８３，８８
　：絶縁板、１５．２０．８５，８６，１５１．２００
　：固定電極、２３．２４　　：円環状溝、２５，２６
．８１　：導圧孔、２７．２８　　：導体膜、２９．３
０，４８，４９　：空隙、３１．３２．３３，４２１．
４３１　：導体、４２ａ、４３ａ　　：環状凹部、４２
ｂ、４３ｂ　　：面取り部、４２ｃ、４３ｃ　　：平面
部、５０．８２　　：検出器、８０：基板、９１：ダイ
ヤフラムチップ、９２：溝部、９３：変位部、９４：接
合部、 １２１ａ、１２１ｂ、１７１ａ、１７１ｂ、２１１ａ、
２２１ａ　　：面取り部、５０検出都 １４．１９，１２１．１７１　：肩剣扱、　１Ｂ、１８
：蒋信詠１２１ｉａ、１２ｔｂ、１７１ａ、１７１ｂ、
２１１ａ、２２１ａ：　面ｎマリイカ）χ１０ 富２図 第３図 Ａ 里４ 図 ％ 図 第７１刀 亮８図 １２．１７：菫電＋ｉ敬 屍 ９防 不１０図 亮１１Σ 叩 欣獣器 １２．１４，１７，１９　：辱電柱該 １３．１８　：馳部 第１７図 勢 第１８図 不１９図 第２０図 畜２１図 （ａ） ２ （ｇ） 纂２２図 丙２３Ｖ １ ２２ ：交刊篠 ２５．２Ｇ：苓圧３し 第２４図 第２５図 不２６２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）圧力に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフ
   ラムの各側に配設される固定電極との間にそれぞれ形成
   される静電容量に基づき前記圧力が測定される検出器に
   おいて、前記各固定電極は、前記ダイヤフラムの中心部
   表面に近接対向する第１の導電性板と；この第１導電性
   板の外周面から隔たってこれを取り囲みかつ前記ダイヤ
   フラムの周縁部表面と接合される環状支持体と；この支
   持体と前記第１導電性板との、前記ダイヤフラムとは逆
   側の各表面に共通に接合される絶縁板と；この絶縁板の
   他方の表面に接合され前記第１導電性板と電気的に接続
   される第２の導電性板と；を備え、前記の第１、第２の
   各導電性板と絶縁板との中心部を貫通して前記圧力用導
   圧孔があけられ、かつこの導圧孔の前記ダイヤフラム側
   の開口稜線部と前記第１導電性板の前記ダイヤフラム側
   の外周稜線部と前記支持体の前記ダイヤフラム側の内周
   稜線部とにそれぞれ凹状面取りが施されることを特徴と
   する静電容量式差圧検出器。 ２）圧力に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフ
   ラムの各側に配設される固定電極との間にそれぞれ形成
   される静電容量に基づき前記圧力が測定される検出器に
   おいて、前記各固定電極は、中心部を貫通する前記圧力
   用導圧孔と、この導圧孔の前記ダイヤフラム側の開口稜
   線部に施される凹状面取り部と、この凹状面取り部と隣
   接しその遠心外方に前記ダイヤフラムの表面と平行にか
   つこれと近接対向して環状に設けられる中心平面部と、
   この中心平面部と隣接しその遠心外方に設けられる環状
   凹部と、少なくとも前記中心平面部の表面に施され前記
   静電容量の取出し用を兼ねる導電性膜とを備え、前記環
   状凹部の遠心外方に位置する周縁部において前記ダイヤ
   フラムと電気的に絶縁して接合される絶縁体であること
   を特徴とする静電容量式差圧検出器。 ３）差圧に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフ
   ラムの各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそ
   れぞれ形成される静電容量に基づいて前記差圧が測定さ
   れる検出器において、前記各固定電極は、その導圧孔と
   交差して前記ダイヤフラム側の表面に形成された溝を備
   えることを特徴とする静電容量式差圧検出器。 ４）差圧に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフ
   ラムの各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそ
   れぞれ形成される静電容量に基づき前記差圧が測定され
   る検出器において、一方の前記固定電極の外側表面と所
   定距離を隔ててその周縁部で接合されるとともに導圧孔
   をもつ基板を備え、他方の前記固定電極の側から導入さ
   れる圧力を同時に前記の基板、各固定電極の外側表面に
   も作用させるようにしたことを特徴とする静電容量式差
   圧検出器。 ５）差圧に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフ
   ラムの各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそ
   れぞれ形成される静電容量に基づき前記差圧が測定され
   る検出器において、前記各固定電極は、前記ダイヤフラ
   ムの中心部表面に近接対向しこのダイヤフラムに近似し
   た熱膨脹係数をもつ第１の導電性板と；この第１導電性
   板の外周面から隔たってこれを取り囲み前記ダイヤフラ
   ムの周縁部表面に接合される環状支持体と；この環状支
   持体と前記第１導電性板との、前記ダイヤフラムとは逆
   側の各表面に共通に接合され前記第１導電性板に近似し
   た熱膨脹係数をもつ絶縁板と；この絶縁板の他方の表面
   に接合され前記第１導電性板と同じ材料からなりかつこ
   れと電気的に接続される第２の導電性板と；を備えるこ
   とを特徴とする静電容量式差圧検出器。 ６）圧力に応じて変位するダイヤフラムとこのダイヤフ
   ラムの各側に配設される固定電極との間にそれぞれ形成
   される静電容量に基づいて前記圧力が測定される検出器
   において、前記ダイヤフラムは、中心部に位置し前記圧
   力に応じて主に変位する変位部と、周縁部に位置し前記
   各固定電極と電気的に絶縁して接合される接合部と、こ
   の接合部と前記変位部とを凍結する、幅がこの変位部の
   直径の１／２ないし１／５であり、厚さがこの変位部の
   厚さの１／２以下である環状可撓部とを一体的に備える
   ことを特徴とする静電容量式差圧検出器。