JPH03504161A

JPH03504161A - 容量性圧力センサ

Info

Publication number: JPH03504161A
Application number: JP1504987A
Authority: JP
Inventors: シユケデイ，ズヴイ; リツプス，ドナルド　シー．; マツコーマツク，ウイリアム　エイチ．
Original assignee: アライド・シグナル・インコーポレーテツド
Priority date: 1988-04-19
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1991-09-12
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: EP0412100B1; EP0412100A1; WO1989010546A1; JP2610532B2; US4864463A

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】容量性圧力センサ（技術分野）本発明は可変の気圧を示す可変キャパシタンスを有した圧力センサ、特に外部から受ける圧力を極めて正確に示す可変のデュアルキャパシタンスを有した容量性圧力センサに関する。

（背景技術）航空機の状態に関する空気圧力を検出し、例えば航空機の高度、マツハ数、空気速度、迎え角、片揺れ角を示すキャパシタンス信号を発生する圧力センサは航空分野では周知である。これにより得られた情報は極めて精度の高いことが要求サレ、センサの精度または信頼性も高くする要があり、センサが受ける電気干渉の影響も小さいことが必要である。圧力を測定するシステムには通常、外部に取り付けられるピトー管、圧力管、圧力管の圧力を受ける容量性センサ、及び圧力センサから可変キャパシタンスを入力として受ける電子回路が包有される。技術の向上により従来のセンサシステムの容積は５〜１０立方インチ（８２〜１６４ｃｍ”）に減少されている。更にシリコンの微細加工技術の進歩により、集積回路のサイズに匹敵する容量性圧力センサの製造も可能となっている。

（発明の開示）本発明によれば、コンプライアンスが整合される第１及び第２の離間されたダイヤフラムを含むハウジングが振動力あるいは加速力に応答して実質的に一体に振動したりたわみを生じ、第１のダイヤスラムが外圧に応答するダイヤフラムであり、ハウジングと可動状態で協働して基準圧力室を区画し、基準圧力室内には第２のダイヤフラムが可動に配設され、第２のダイヤフラムの、第１のダイヤフラムと対向面には第１の対をなす離間平坦電極と第１の平坦なシールド電極とが具備され、各対電極は所定の幾何学的形状を有し、シールド電極は対電極を囲繞する環形部と対電極間に配置されるクロスバ一部とを有し、第１のダイヤフラムの第２のダイヤフラムとの対向面には所定の幾何学的形状を有し第２の対をなす離間平坦電極が形成され、第１の対電極及び第２の対電極は整合されて夫々一対の可変コンデンサを形成し、コンデンサのキャパシタンス値は実質的に同一であり、外部流圧に応じて第１のダイヤフラムが変位する際同時に一体的に変化し、これにより外部流圧を受けたときも可変コンデンサの値が実質的に同一に維持され、キャパシタンス値が振動力あるいは加速力の影響を受けない容量性圧力センサが提供される。

望ましくは、第２のダイヤフラムの第１のダイヤフラムから離間した対向面にも各々所定の幾何学的形状の第３の対の離間平坦電極と第２の平坦シールド電極とが形成され、第１の対の電極及び第３の対の電極が電気的に接続され、第２の７ −ルド電極が第３の対電極及び第３の対電極間を直径方向に横切るクロスバ一部を有し、第１のシールド電極及び第２のシールド電極が電気的に接続される。

また、第２のダイヤフラムには一対の貫通路が形成され、各貫通路は反対端部において第１及び第３の対電極の位置で開口され、一対の貫通路には６対の電極の −と６対の内の他方の対の電極の他とを電気的に接続する導通性金属が塗布されることが好ましい。

一般に、本発明の好ましい実施例によれば、互いに対向する２対の電極が減圧されたハウジング内に装着される。ハウジングは等質の融解シリカガラス若しくは融解石英材料で作られ、密封シールドされる。本発明によるセンサには外部にシリコン単結晶材料あるいは絶縁金属材料をも含む各種材料が使用され得る。また対向電極によりコンデンサプレートが構成される。ハウジングが外圧を受けて物理的に変形されると、６対の電極が物理的に分離される。従って外圧の変化によりキャパシタンスが変化されることになる。ハウジングの受ける全体の設計圧力の範囲に亙り、６対の電極によるキャパシタンスが同時に変化するので、対の電極・のキャパシタンス値が実質的に同一になる。

更に詳述するに、本発明の特に好ましい実施例によれば、圧力センサのハウジングには外部の圧力を受けて動作するダイヤフラムと内部の加速補償ダイヤフラムとが具備され、各ダイヤフラムには互いに対向する面に金属被膜が施される。

２つのダイヤフラムの対向面の金属面は２つの整合する半内部分に分割される。

これらの半内部分により１対のコンデンサが構成され、このコンデンサのキャパシタンス値は２つのダイヤフラム間の間隔の変化に応じて変化する。金属面の他の部分にはシールド部分が形成され、コンデンサ内の電磁干渉が防止される。また、このシールド部分により、コンデンサ電極間の相対的な動作が抑止され、センサのキャパシタンス変化による電化保持構造の形成が阻止される。

センサの２つのダイヤフラムのコンプライアンスが正確に整合されるので、加速若しくは振動によりダイヤフラムが個別ではなく一体に移動される。この結果、対のコンデンサのキャパシタンス値が振動力あるいは加速力の影響を実質的に受けない。また圧力センサ内の基準圧力に対し外側のダイヤフラムの受ける外圧に応じて２つのコンデンサのキャパシタンス値が同時に同量だけ変化することになる。従って対のコンデンサのキャパシタンス値は常に実質的に同一である。

本発明の他の利点は以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面から明らかとなろう。

（図面の簡単な説明）第１図は本発明による容量性圧力変換器の側面図、第２図は第１図の容量性圧力変換器の分解斜視図、第３図は第１図の容量性圧力変換器の線３−３から見た内部正面図、第４図は第１図の容量性圧力変換器の線４−４から見た正面図、第５図は第１図の容量性圧力変換器の線５−５から見た内部底面図、第６図は第１図の容量性圧力変換器の線６−６から見た内部底面図、第７図は第１図の容量性圧力変換器の底面図、第８図は第７図の線８−８に沿った、第１図及び第７図の容量性圧力変換器の部分簡略断面図、第９図は第７図の線９−９に沿った、第１図及び第７図の容量性圧力変換器の部分簡略断面図、第１０図は第７図の線９−９に沿った、第１図及び第７図の容量性圧力変換器の部分簡略断面図である。

（発明を実施するための最良の形態）第１図を参照するに、本発明を具現化したセンサｌＯの側面図が示されている。

センサｌＯの本体１２は全体として円筒状であり、平坦な上面１４と平坦な下面１６とを有している。取付ステム部材１８は本体１２の中央部に本体１２の下面１６から軸方向に突出して配置され、回路板若しくはシャーシのような取付構造体に対しセンサｌＯを物理的に付設可能な手段を構成している。本体１２の下面１６からは更に複数のリード線若しくは端子ビンを取り付ける端子ビン取付アンカ２０が突出され、各端子ビン取付アンカ２０には軸方向に延びるリード線２２若しくはビンが支承される。端子ビン取付アンカ２０及びリード線２２の数は５個であり、各リード線２２には軸方向に延びる形状保持部２４が付設される。リード線２２には後述するように、軸方向及び半径方向にフレキシブルにする手段が具備され得る。

更に第１図〜第７図を参照するに、センサｌＯの外面のバンド２６は金属で作られ、下面１６に近接する本体１２の側面２８を囲繞する。金属バンド２６は外周部に沿って一連になるように設けられ、直径方向に対向し軸方向に延びる一対の金属外面部３０（第１図にはその一方のみが図示される）がバンド２６に連設される。この金属外面部３０は側面２８に沿って軸方向に上面１４へ向かって延びる。後述の如く金属によりセンサｌＯの下面１６の殆ど全て並びに上面１４の殆んど全てが被覆される。センサｌＯ上に被覆された金属外面は端子ビン取付アンカ２０の−及び端子ビン取付アンカ２０から延びる各リード線２２と電気的に接続されている。

本体１２は軸方向に積み重ねられ、密封せしめられて連結された３つの部分、即ち下面層３２、中間層３４、上面層３６からなることは第１図〜第７図より理解されよう。下面層３２には端子ビン取付アンカ２０、取付ステム部材１８及び金属バンド２６が支承される。下面層３２の上には中間層３４及び上面層３６が順次積層される。中間層３４の軸方向の厚さは下面層３２の厚さより大幅に小さくされる。上面層３６の軸方向の寸法は実質的に中間層３４と同一である。

ここで特に第２図を参照するに、下面層３２の上面３８は中間層３４と対向することが理解されよう。下面層３２には円周方向に離間した５つの貫通路４０が形成され、貫通路４０は下面１６まで貫通して延びる。貫通路４０の各々がこれと対応する端子ビン取付アンカ２０に連通されることは以下に詳述する。５つの貫通路４０にはこれと対応する５本のフレキシブルなリード線４２が通される。リード線４２はこれと対応する端子ビン取付アンカ２０及びリード線２２と電気的に接続される。第２図に示す如く中間層３４には半径方向外側の外リム部４４と上面層３６と対向する中央上溝４６とが包有される。上面層３６の中央外面部４８は対設され半径方向に延びる一対の金属面部５０を介し、軸方向に延びる外側の金属外面部３０に電気的に接続される。

第１図及び第２図に関連して上述したことに留意して特に第３図〜第６図を参照する：こ、中間層３４の、上面層３６と対向する上面には電気的に絶縁された３個の分離金属面部５２．５４．５６が形成される（特に第４図参照）。ここで分離金属面部５２．５４は周縁が弧状に設けられると共に離間分離される、即ち夫々半円状をなして対設されている。一方、これらと分離した金属面部５６は環形部５８と環形部５８を連結するクロス／＜一部６０とで構成され、クロスバ一部６０を介在させて金属面部５２及び５４が分離される。一方センサの下面層３２のリード線２２と内部の各部分との間の電気的接続を与える特徴構成を容易に理解し得るよう、第３図〜第６図にはアルファベット文字を付して示しである。

中間層３４の下面にも中間層３４の反対側の上面の外リム部４４と同様な環形リム部６２が設けられいることが第５図から理解されよう。同様に、中間層３４の下面には環形リム部６２内に設けられた溝部６４と３つの金属面６６．６８．７０が形成される。３つの金属面６６．６８．７０の形状は中間層３４の上面の金属面部５２．５４．５６と実質的に同一である。一方金属面６６．６８には半径方向に延びる突出部７２．７４が夫々設けられており、下１面層３２の貫Ｊ路４ｏと整合されてフレキシブルなリード［１４２（整合番号“ａ”と“ｂ”の）と電気的に接続される。金属面部５６と同様に金属面７０にも環形部７６とクロスバ一部材７８が包有されることは理解されよう。第５図を参照するに、クロスフィ一部材７８の右端部と金属面７０の環形部７６との交差部が下面層３２の貫通路４０（整合番号“Ｃ”）に相当することは理解されよう。

従ってこの貫通路４０に通されるリード線４２はこの交差部の近傍において蚕属面７０に接続される。

中間層３４には４つの貫通路８０．８２．８４．８６が形成されることも理解されよう。この内の２つの貫通路８０．８２は夫々金属面部５２．６６及び金属面部５４．６８において開口される。これら金属面部を電気的に接続するため、２つの貫通路８０．８２の円筒状面にも金属被覆が施される。残りの２つの貫通路８４．８６は金属面部５６．７０の環形部と連結されることは理解されよう。

貫通路８４．８６の直径は貫通路８０．８２より大きく、貫通路８４．８６には中間層３４の対向面に近接してチャンバ領域が形成される。金属面部５６．７０を電気的に接続するため、貫通路８４．８６の円錐状のチャンバ面にも金属が被覆される。

次に第６図を参照するに、上面層３６の上側には環形リム８８が包有されることは理解されよう。環形リム８８内には、中間層３４の中央の溝４６．６４と整合する溝９０が形成される。上面層３６の溝９０内には２つの金属面９２．９４が設けられ、これら金属面の形状は同一の半円にされ、金属面部５２．５４と対向して配置され、少なくとも一部、金属面部５６と重なるように構成されている。

金属面６６．６８と同様に金属面９２．９４には中間層３４の貫通路８４．８６と整合する整合面９６．９８が包有されており、リード線４２と金属面９２．９４との電気的接続を行うように構成される（参照符号“ｄ”と“ｅ”の位置）。

更に一部上述した整合構成を考察するに、第３図の文字“ａ”は貫通路４０あるいはリード線４２の位置を示し、第５図に示した金属面６６の半径方向に延びる突出部７２と整合するので、リード線４２は突出部７２に接続される。同様に第３図の文字“ｂ”は、第５図の金属面６８の突出部７４と整合する貫通路４０あルイはリード線４２の位置を示しているので、リードｌ１１４２が突出部７４に接続される。第３図に文字“Ｃ”で示される貫通路４０あるいはリード線４２は第５図の金属部７０のクロスバ一部材７８と環形部７６との交差部と整合するので、リード線４２は交差部に接続される。第３図に示される文字“ｄ”と“ｅ” は貫通路４０あるいはリード線４２の位置を示しており、第３図及び第５図に示すように中間層３４の貫通路８４および貫通路８６と各々整合し、貫通路８４あるいは貫通路８６を貫通して第６図に示すように上面層３６の金属面９２．９４の整合面９６．９８に接続される。

センサ１０の構造説明の最後段として第７図に注目するに、センサの下側からみた図が示される。各リード線２２は、軸方向に延びる形状保持部２４と湾曲部１０２と形状保持部２４並びに湾曲部１０２間を連結する直線部１００とからなることは第７図から理解されよう。湾曲部１０２は端子ビン取付アンカ２０から離間されて、連結部１０４において機械的及び電気的に連結される前に実質的に３６０度に亙り端子ビン取付アンカ２０の周囲を囲繞するように延びている。リード線２２がこのように構成されることにより、端子ビン取付アンカ２０に対しセンサｌＯの本体１２内に大きな荷重を与える事なく、軸方向に延びる形状保持部２４が半径方向及び軸方向に移動可能になる。

次いで第８図、第９図及び第１Ｏ図を参照するに、センサ１０の構造及び各構成部材の機能動作を説明するためセンサｌＯの断面図が幾分簡略化して示されている。容易に理解出来るよう第３図〜第６図に沿う説明で上述した整合文字“ａ” 〜“ｅ”が第８図〜第１Ｏ図においても使用されている。第８図〜第１０図に示す如く、中間層３４のクロスバ一部６０は下面層３２の平坦な上面３８と協働し、チャンバ＋０６が区画される。同様に中間層３４及び上面層３６の中央の溝４６及び溝９０が協働してチャンバ１０８が区画される。この場合、チャンバ１０６．１０８は貫通路８０、貫通路８２、貫通路８４．８６を経て互いに連通される。チャンバ１０６．１０ｇは協働してセンサ１０の基準圧力室を構成する。

チャンバ１０６．１０８から一部抽気されることにより、センサのキャパシタンス値はセンサに加わる絶対圧力レベルを示すことになる。チャンバ１０６．１０Ｂ内の圧力はできる限り理想的な真空に近い状態に保つことが好ましい。

図示の端子ビン取付アンカ２０はセンサｌＯの下面層３２の下面１６に対し密封して連結され、貫通路４０及びチャンバ１０６．１０ｇを大気圧に近ずける導通カップ部材をなすことが第３図〜第６図図から理解されよう。センサ１０の下面１６は実質的に完全に外金属面１１０で被覆され、外金属面１１０は金属バンド２６と連設される。外金属面１１０は整合文字“Ｃ′″の部分においてはその貫通路４０に近接し、これを囲繞している。この貫通路の端子ビン取付アンカ２０は外金属面１１０に対し固定され、リード線４２は中間層３４の金属面７０に接続される。従って金属バンド２６、金属外面部３０、中央外面部４８、金属面部５０、分離金属面部５６、金属面７０を含むアースシールド構造体が形成される。

外金属面＋１０が貫通路４０の周囲を所定の距離離間して囲繞する。残りの各貫通路４０（整合文字“ａ”、“ｂ″、“ｄ”、“ｅ”）の周囲は環形金属面部１１２で囲繞される。各貫通路の端子ビン取付アンカ２０はそのリード線４２と共に夫々の金属面に固定される。このとき、第１図及び第７図のリード線２２は上述した様に端子ビン取付アンカ２０の外面に接続されることは理解されよう。

特に第１Ｏ図を参照するに、センサの上面層３６において溝９０間はフレキシブルなダイヤフラム部材１１４が形成されることは理解されよう。同様に中間層３４には中央の溝４６とクロスバ一部６０との間にダイヤフラム部材１１６が形成される。フレキシブルなダイヤフラム部材１１４．１１６は実質的に同一の柔軟度を有する。従って第１０図のセンサ１０が図の垂直方向の加速力あるいは振動力を受けると、ダイヤプラム部材１１４．１１６は実質的に一体的に偏位あるいは振動を行う。このため、中間層３４及び上面層３６上の金属部間の間隔は変化しない。よってセンサｌＯは振動力あるいは加速力の影響を受けないことが理解されよう。

一部センサ１０が矢印１１８のような流圧を受けると、上面層３６のダイヤフラム部材１１４はチャンバ１０８に向かって内側へ湾曲し、その結果ダイヤフラム部材上の金属層が互いに接近するような力をうけることは容易に理解されよう。

このとき互いに整合した各金属部によって形成される可変コンデンサのキャパシタンスの値がセンサ１０に対し外部から与えられる流圧レベルに従って変化するものと考えられる。更に金属層により形成されるコンデンサは対抗するコンデンサプレート面積に対し実質的に同一であり、外部圧力に応答するこれらコンデンサプレートの間隔変化が２つの各コンデンサに対し実質的に同一であることが理解されよう。従って、対をなすコンデンサのキャパシタンス値が同量、変化するため、センサ１０の全設計流圧範囲に亙り常にキャパシタンス値が実質的に同− になる。

加えて各ダイヤフラム部材１１４．１１６の対抗する金属面の面積が実質的に等しいことが理解されよう。この特徴は金属フィルムがエージングを受け、応力も低下するので、変換器における所定時間に対する校正を維持する際重要になる。

２つの対向する金属面面積が実質的に等しい場合、ダイヤフラムは金属フィルムの応力が時間と共に低下しても、バイメタル効果に応答して湾曲する。本発明によれば、実質的に等しい金属面積のダイヤフラムが提供される。またダイヤフラムのクロスバ一部６０．７８がセンサｌＯの左右同型の対称な平面上にあることが理解されよう。即ち平面の片側のクロスバ一部は他方の側のクロスバ一部に実質的に重なる。この特徴はセンサに加わる外圧が変化しても可変コンデンサのキャパシタンス値変化を等しくする場合に重要となる。

国際調査報告・鋼・ダ１ＩＩｌｌｓＡ−１＾１シーｔｅｌｌｓ祠←−ａ、ＰＣＴ／ＵＳ８９１０１１８Ｂ国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

（１）コンプライアンスが整合される第１及び第２の互いに離間されたダイヤフラムを含むハウジングが振動力あるいは加速力に応答して実質的に一体に振動したりたわみを生じ、第１のダイヤフラムが外圧に応答するダイヤフラムであり、ハウジングと可動状態で協働して基準圧力室を区画し、基準圧力室内には第２のダイヤフラムが可動に配設され、第２のダイヤフラムの、第１のダイヤフラムとの対向面には第１の対をなす離間平坦電極と第１の平坦なシールド電極とが具備され、各対電極は所定の幾何学的形状を有し、シールド電極は対電極を囲撓する環形部と対電極間に配設されるクロスバー部とを有し、第１のダイヤフラムの第２のダイヤフラムとの対向面には所定の幾何学的形状を有し第２の対をなす離間平坦電極が形成され、第１の対電極及び第２の対電極は互いに整合されて夫々一対の可変コンデンサを形成し、コンデンサのキャパシタンス値は実質的に同一であり外部流圧に応じて第１のダイヤフラムが変位するとき同時に一体的に変化し、これにより外部流圧を受けたときも可変コンデンサの値が実質的に同一に維持され、キャパシタンス値が振動力あるいは加速力の影響を受けない容量性圧力センサ。
（２）第２のダイヤフラムの第１のダイヤフラムから離間した対向面にも各々所定の幾何学的形状の第３の対の離間平坦電極と第２の平坦シールド電極とが形成され、第１の対の電極及び第３の対の電極が電気的に接続され、第２のシールド電極が第３の対電極及び第３の対電極間を直径方向に横切るクロスバー部を有し、第１のシールド電極及び第２のシールド電極が電気的に接続されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセンサ。
（３）第２のダイヤフラムには一対の貫通路が形成され、各貫通路は反対端部において第１及び第３の対電極の位置で開口され、一対の貫通路には各対の電極の一と各対の内の他方の対電極の他とを電気的に接続する導通性金属が塗布されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のセンサ。
（４）金属フイルムシールド電極によりハウジングの外面の少なくとも一部が覆われることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項記載のセンサ。
（５）金属フイルムシールド電極が第１のダイヤフラムに形成され、第１及び第２の対電極と整合される金属面でなることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のセンサ。
（６）第２のダイヤフラムには貫通路が形成され、貫通路の反対端部が第１及び第２のシールド電極の位置で開口され、貫通路に塗布された金属フイルムとシールド電極とが電気的に接続されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のセンサ。
（７）ハウジングにはディスク状ベース部と降伏可能なディスク状中間部とディスク状で降伏可能な上部とが包有され、これらのベース部、中間部及び上部は積み重ねて密封連結され基準圧力室を区画し、上部には第１のダイヤフラムが形成され中間部には第２のダイヤフラムが形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれか一項記載のセンサ。
（８）ベース部には、第１及び第２の対電極、更に第１及び第２のシールド電極と各々電気的に接続する電気接続手段が具備されることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載のセンサ。
（９）電気接続手段には、ベース部に形成される複数の貫通路と、これと対応する貫通路内に通されへ内端部が電極と電気的に接続される同一数の複数のフレキシブルな導線と、各々ベース部と密封されて係合され貫通路をふさぎ、フレキシブルな導線の外端部と内部において電気的に接続する同一数の複数のカップ状アンカ部材とが包有されることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のセンサ。
（１０）電気接続手段には更にアンカ部材と接続される電気リード線が包有され、リード線は軸方向に延びセンサと外部回路とのインターフェースをなす自由端部を有した形状保持部と、形状保持部と連結される湾曲弾性部と内連結部とからなり、湾曲弾性部がアンカ部材の周囲を実質的に３６０度に亙り円形状に巻かれ且つアンカ部材から離間し形状保持部に対し軸方向及び半径方向にフレキシブルに移動可能にし、内連結部を介し湾曲弾性部が外側のアンカ部材に係止されることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載のセンサ。