JPH0420830A - 静電容量式圧力／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〕 本発明は、ダイヤフラムの変位を静電容量の変化（変位
することによってこのダイヤフラムに、切起変位を生成
した圧力または差圧（以後、圧力また蚤：差圧を単に圧
力ということがある。）を検出するようにした静［容量
式圧力／差圧検出器、特に、この検出器を用いて該検出
器が検出した圧力を表す測定信号を出力する圧力／差圧
測定装＠でおける４ＴＪ記測定信号の検出圧力に対する
比例性（以後、この比例性を直線性ということがある。

）の向上を図ることができ、かつダイヤフラムに対する
機械的信頼度の高い検出器に関する。

〔従来の技術〕

第５図は従来の靜電容黛式圧力／差圧検出器ｌを用いた
差圧測定装置２の構ｅ、図で、第４図は検６器１の構成
を示す縦断面図である。

まず、第４図−について説明する。すなわち、第４図に
おいて、３はその平面状電極取付面３ａＫ円形の第１電
極４と円環状の第２電極５とが同心状に設けられた厚さ
の厚い円板状のアルミナ製基板、６は電極取付面３ａｖ
ｃ対向する面６ｍに電極４．５に共通して対向する大き
さの第３電極７が設けられかつ電極４及び５と電極７と
がそれぞれルミナ製ダイヤフラム、９は導圧パイプｌＯ
［よって導かれてきた圧力Ｐ、を、さらに、基板３とガ
ラス接合部１２とダイヤ７ラム６とでとり囲まれた空所
１１に導入するように基板３に投げた導圧孔で、１３．
１４ｔＳいずれも基板３に気密に貫設されて各一端がそ
れぞれ電極４．５に接続されたいずれも電極ピンである
。そうして、１５は図示のように設けられること和よっ
て一端がダイヤ７ラム６に設けた電極リード１６を介し
て第３電極７に接続された電極ピンで、前述した検出器
１は上述の各部で構成されている。

検出器１は上述のように構成されているので。

今、ダイヤ７ラム６の上面からＰ、とは異なる圧力Ｐ、
が加えられるとダイヤ７ラム６が差圧Ｐ１−Ｐ、＝ΔＰ
に応じてたわんで２この結果ダイヤ７ラム６の中心が（
１）式に示す最大のたわみＷ−を示すことになる。そう
して、（１）式におけるＲはダイヤ７ラム６の半径、Ｄ
はダイヤ７ラム６の曲げ剛性で、これらのＲ，Ｄは共に
このダイヤ７ラム６に固有の定数である。

Ｗｆｆｌ＝（ΔＰ）・Ｒ’／６４Ｄ　　　・・・・・・
（１）そうして、また、ダイヤ７ラム６ｒｃ差圧ΔＰが
加えられると該ダイヤフラムが上述のようにたわんで、
この結果、電極４と７との間の静電容量Ｃ１及び電極５
と７との間の静電容量Ｃ２がそれぞれ（２）式に示した
ようになる。（２）式において、εは空所ｌｌ内の圧力
媒体の誘電率、ｄはΔＰ＝Ｏの時の電極４及び５のそれ
ぞれと電極７との間の各距離。

人は電極４．５のそれぞれの面積で、この場合。

前記したように電極４と５は共に等しい面積Ａ（形成さ
れている。そうして、（２）式におけるＷ、　ＩＷ！Ｉ
エダイヤ７ラム６ｖｃ差圧ΔＰを加えた時に容量Ｃ，、
Ｃ，のそれぞれを形成するダイヤ７ラム６の部分の各変
位である。

Ｃ１＝ε配べｄ−Ｗ、）、Ｃ，＝εＡ／（ｄ　−Ｗｉ　
）　　・・・・・・（２）そこで、今、　Ｆ　”　（ｃ
、　−ｃ、　）／ＣＩなる量を（２）式を用いて算出す
ると（３）式が得られ、ここで、ｋを比例定数としてＷ
ｌ＝ｋＷ１！ｌとすると（４）式が得られて、この（４
）式と（１）式とからＦが差圧ΔＰをほぼ表しているこ
とが明らかである。

Ｆ＝　（Ｃｔ　−Ｃｔ　＞／Ｃｔ−（Ｗｌ／ｄ）　−（
１−（ＷＩＶｒ　）　ｒ　−ｒ１＋ＩＮｖ／ｄ）　ｒ・
・・・・・（３） Ｆ＝（ｋＷ−／ｄ）・（１−（Ｗｔ　Ａ　ｋＷｍ　）ｌ
　）・ｔｔ　＋ｃ？Ｖｄ　）　＋・・・・・・（４） 第５図に示した１７は、検出器１が電極ピン１３〜１５
から出力する上述の静電容量Ｃ，、Ｃ，を表す検出信号
１ａが入力され、信号１ａが表す容量Ｃ，、Ｃ，を用い
て上述のＦを求める演算を行ってＰＫ応じた信号１７ａ
を測定信号として出力するよつにシた演算器で、ｆｖＪ
述した差圧測定装置２は検出器１とこの演算器１７とで
構成されている。

そうして、測定装置２はこのように構成されているので
、信号１７ａによって差圧ΔＰを測定しうろことが明ら
かであり２また。圧力Ｐ、　、　Ｐ、の−方を基準圧力
とすること九よって他方の圧力を信号１７１により測定
しうろことが明らかである。

〔発明が解決しようとする課題〕

測定！ｆＪｉ２７ｊおいては上述のようにして差圧ΔＰ
や圧力Ｐ、　、　Ｐ、が測定されるが、この場合、測定
信号１７ａが表すＦが（４）式で表され、かつ（４）式
中のＷ、がΔＰ′で応じて変化し、かつ容ＪｔＣｔを形
成するダイヤフラム６０部分がΔＰ　ＶＣ応じた曲率で
湾曲した惰様となるためｋが定数とならないので、測定
信号１７ａがΔＰｖＣ比例した信号にならないことが明
らかである。すなわち２上述した検出器ＩＫおいＣは、
ΔＰＷ′ｃ応じた変位Ｗ２が発生しかつ容Ａｃｔを形成
するダイヤ７ラム６の部分（以後、この部分をダイヤフ
ラム中央部６ｂということがある。）が湾曲するので、
測定装置２における測定信号１７ａの差圧ΔＰｉｃ対す
る直線性（以後この直ＮＡ性を単に信号１７ａの直線性
ということがある。）が悪くなるという問題点がある。

そうして、また、検出器１は上述のように構成されてい
るため、Ｐ、　）Ｐ、である過大差圧がダイヤ７ラム６
に加えられた場合ダイヤ７ラム６の変位Ｗが基板面３ａ
ｃよって抑制されるが、Ｐ、〉Ｐｌである過大差圧がダ
イヤフラム６に加えられた場合変位Ｗが抑制されること
はないのでダイヤ７ラム６が破損する恐れがあり、した
がって、検出器ＩＫは検出対象圧力や差圧に対して機械
的信頼度が低いという問題点がある。

本発明の目的は、上述の変位Ｗ！が無視できるくらい小
さくなるようにしかつ上述のｋが１（ｘｉとみなせるよ
うにして信号１７１の直線性の改善を図ることができる
ようにすることにあり、また。

ダイヤ７ラム６の基板３側とは反対側への変位を抑制で
きるようにして検出器ｌの機械的信頼度の向上を図るこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため１本発明によれば。

平面状電極取付面に円形り第１電極と円環状の第２電極
とが同心状に設げられた基板と、前記電極取付面に対向
する面に前記第１及び第２電極に共通して対向する大き
さの第３亀駕が設けられかつ前記第１及び第２電極と前
記第３電極とが空隙を介して対向するようにしてｍｓが
前記基板で固定されたダイヤフラムとを備え、前記第１
及び第２電極のそれぞれと前記募３電極との間つ各静電
容ｔてもとづいて前記ダイヤフラムに加えられる圧力ま
たは差圧が測定される静電容量式圧力／差圧検出器であ
って、前記ダイヤフラムを前記基板の前記電極取付面に
おける前記第１電極と前記１ＩＸ２電極との間の環状部
に対向するように前記ダイヤフラムに設けた円頃状ｆ′
Ｊ町禰部と前記可撓部以外の厚肉部とで形成して静電容
量式圧力／差圧検出器を構成する。

そうして、また、この検出器において、ダイヤフラムの
基板とを：反対側に前記ダイヤフラムの前記反対側へ７
）変位を抑制するストッパを設けて静電容量式圧力／差
圧検出器を構成する。

〔作用〕

上記のように構成すると、ダイヤ７ラムに圧力または差
圧が加えられた時ｖｃ該ダイヤフラムに生成するたわみ
が該ダイヤフラムの町廟部で殆どすべて負われることに
なって、二〇ため、可撓部よりも外側のダイヤフラムの
部分の変位である上述のＷ、がほぼ零と入なせるよって
なり、また、可撓部よりも内鍔のダイヤフラムの部分が
湾曲することがなくて比例定数ｋを１とみなせるようで
なるので、上述の演算器出力信号１７ａの直線ｌ！！ｎ
改善を図ることができる静電容量式圧力／差圧検出器が
得られることになる。

そうして、また、上記のように構成すると、ダイヤフラ
ムに過大な圧力または差圧が加えられた時、このダイヤ
フラムの基板側への変位はこの基板によって抑制され、
また、ダイヤフラムのストッパ側への変位はこのストッ
パによって抑制されるので１機械的信頼度の高い静電容
量式圧力／差圧検出器が得られることになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実癩例の構成を示す第４図に対応し
た縦断面・刃である。そうＬ℃、第１図の第４図と異な
る所は、第４図のダイヤ７ラム６ＶＣ対応したダイヤフ
ラム１８が、ダイヤ７ラム中央部６で対応しかつ第１電
極４の半径にほぼ等しい半径を有するよって形成された
厚内円板状のアルにほぼ等しくかつ厚さがダイヤフラム
中央部１８ａの厚さ（ｄぼ等しくなるように形成された
厚内日頃状のアルミナＳｌ！闇喰！ｌ５１８ｂと、中央
部１８１と＠彎部１８ｂとを固定的に給金しかつ上面１
８ｃ１の中央部１８ａまたはｗ８縁部１８ｂの上面に対
する段差Ｔ、とＦ面１８Ｃ２７）中央部１８厘または聞
縁部１８ｂのＦ面ンて対する段差Ｔ、とがはぼ等しくな
るように形成された薄肉のアルミナ製円環状町１部１８
ｃとで構成されていることと、第４図の！３電極７ｉＣ
対↓６した第３電極１９が中央部１８１と可撓部１８０
と周徽部１８ｂとにわたるようにして図示したようにダ
イヤフラム１８に蒸層によって設けられていることで、
もちろん、この場合、電極１９をダイヤフラム１８の厚
さ方向に投影すると円形になって、この円の直径が第２
電極５の外縁の直径に等しくなるように電極１９が形成
されている。２０は図示の各部からなる静電容量式圧力
／差圧検出器である。

検出器２０は上述のよ５ｃ構成されているので。

この検出器２０によって圧力または差圧を検出し得るこ
とが明らかであるが、この場合、ダイヤフラム１８の中
央部１８ａ及びＩｉｆ部１８ｂが肉厚に形成されている
ため、ダイヤフラム１８に圧力または差圧が加えられた
時、このダイヤフラム１８に発生するたわみはその殆ど
すべてが可撓部１８Ｃに生じて、中央部１８ａが湾曲す
ることがなくまた周縁部１８ｂに変位Ｗ８を生じること
は殆どないので１ｍ述した（４）式のｋがＩＫ等しくな
りまたＷ。

がはぼ零になって、したがって、この検出器２０と第５
図の演算器１７とで差圧測定装置を構成した時の測定信
号１７ａＬｒ）［練性の改善を図ることができる検出器
２０が得られることになる。そうして、検出器２０では
ダイヤフラム１８においてＴｌ＝Ｔ、となっているので
、この検出器２０においては、圧力の絶対値に応じた絶
対値Ｄダイヤフラム変位が該圧力の正負によらず得られ
る利点がある。

第２囚は本発明のｇｔ図とは異なる実施例２２の構成を
示す縦断面図で１本図の第１図と異なる所は、第１図に
おけるダイヤフラム１８に対応したダイヤフラム２１の
基板３側の面が平面状となっていて、前述のダイヤフラ
ム１８におけるような段差Ｔ、が設げられていないこと
である。第２図に示した静電容量式圧力／差圧検出器２
２は上記のように構成されているので、この検出器２２
によっても第１図の場合と同様に測定信号１７１の直線
性を改善しうることが明らかであり、また。

この検出器２２の場合、ダイヤフラム２１の基板３側の
面が平面状であるため電極７の蒸着厚さを一様にするこ
とが容易であって、ｉ１１図に示した検出器２０（おけ
るような、ダイヤ７ラム中央部１８ａまたは周縁部１８
ｂとダイヤフラム可撓部１８Ｃとの境界である稜＠に発
生し勝ちな電極１９の蒸着厚さの不均一（もとづくひび
割れ等の電極異常が生じることはないという利点がある
。

第３図は本発明の第１図及び第２図に示した実施例とは
異なる実施例としての静電容量式圧力／差圧検出器２３
の構成を示す縦断面図で１本図の第２図と異なる所は、
ダイヤフラム２１の外聞とはぼ同じ直径を有するアルミ
ナ製厚肉円板状のストッパ２４が、空１１ｍ！２５を介
してダイヤフラム２１の上面に対向するようにし℃、該
ストッパ２４０闇辺で低融点ガラス２６によりダイヤフ
ラム２１に接合、固定されていることで、この場合、図
示したように、ストッパ２４にはこのストッパ２４とガ
ラス接合部２６とダイヤフラム２１とでとり囲まれた空
所２７＃ｃ圧力Ｐ、を導入するための貫通孔２４暑が設
けられている。

検出器２３は上述のように構成されているので。

この検出器２３が第２図（示した検出器２２と同様な圧
力または差圧を検出するうえでの利点ならびに電極７を
形成するうえでの利点を有していることは明らかである
が、さらに、この場合、ダイヤフラム２１が上方に者し
く変位するような過大な差圧が該ダイヤフラム２１［加
えられてもストッパ２４によってダイヤフラム２１の変
位が抑制されるので、このような抑制の行われない上述
の検出器２２ｖＣ比べてダイヤフラム２１が＆Ｉ債し難
いという利点がある。したがって、検出器２３は検出器
２２に比べて機械的信頼ｆｎ高い検出器であるというこ
とができる。

第３図の実施例は第２図の１！怖例にストッパ２４を追
加した構成であったが１本発明でおいては、第１図の実
施例にストッパ２４と同様な機能な膚するストッパを設
けて機械的信頼度力高い静電容量式圧力／差圧検出器を
得るようにしてもよいものであることは説明するまでも
なく明らかである。

〔発明の効果〕

上述したように２本発明においては、平面状電極取付面
（円形の第１電極と円環状の第２電極とが同心状に設け
られた基板と、電極取付面に対向する面に第１及び第２
電極に共通して対向する大きさの第３電極が設けられか
つ第１及び第２電極と第３電極とが空隙を介して対向す
るようにして８縁が前記基板に一固定されたダイヤフラ
ムとを備え、第１及び第２電極のそれぞれと第３電極と
の間の各静電容量にもとづいてダイヤフラムに加えられ
る圧力または差圧が測定される静電容量式圧力／差圧検
出器であって、ダイヤフラムを前記基板の電極取付面に
おける第１電極と第２電極との間の環状部に対向するよ
うｖｃ該ダグイヤフラム投げた円環状の可撓部とこの可
撓部以外の厚肉部とで形成して静電容量式圧力／差圧検
出器を構成した。

そうして、また１本発明においては、上記の検出器だお
いて、ダイヤフラム力基板とは反対側にこのダイヤフラ
ムの前記反対側への変位を抑制するストッパを設けて静
電容量式圧力／差圧検出器を構成した。

このため、上記のように構成すると、ダイヤフラムに圧
力または差圧が加えられた時に該ダイヤフラムに生成す
るたわみが該ダイヤフラムの可撓部で殆どすべて負われ
ることになって、このため。

可撓部よりも外側のダイヤフラムの部分の変位である上
述のＷ、がほぼ零とみなせるようになり、また、可撓部
よりも内側のダイヤフラム力部分が湾曲することがなく
て前述の比例定数ｋを１とみなせるようになるので１本
発明には上述の演算器出力信号１７１の直線性の改善を
図る二とができる静電容量式圧力／差圧検出器が得られ
る効果がある。

そうして、また、上記のように構成すると、ダイヤフラ
ムに過大な圧力または差圧が加えられた時、このダイヤ
フラムの基板側への変位はこの基板によって抑制され、
また、ダイヤフラムのストッパ側への変位はこのストッ
パによって抑制されるので１本発明＃Ｃは機械的信頼電
の高い静電容量式圧力／差圧検出器が得られる効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す縦断面図、 第２図は本発明の第２実施例の構成を示す縦断面図。 第３図は本発明の第３実施例の構成を示す縦断面図。 第４図は従来の静電容量式圧力／差圧検出器の構成を示
す縦断面図。 第５図は第４図（示した従来の静電容量式圧力／差圧検
出器を用いた差圧測定装置の構成図である。 １、２０．２２．２３・・・・・・静電容量式圧力／差
圧検出器、３・・・・・・基板、　３ａ・・・・・・を
極取付面、４・・・・・・ｉｌｌ電琢、５・・・・・・
第２電極、６．１８．２１・−・・・・ダイヤフラム。 ７．１９・・・・・・第３電極、１８Ｃ・・・・・・可
撓部、２４・・・・・・　ス蔦 図 り 箋 凹 箋 箋 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）平面状電極取付面に円形の第１電極と円環状の第２
   電極とが同心状に設けられた基板と、前記電極取付面に
   対向する面に前記第１及び第２電極に共通して対向する
   大きさの第３電極が設けられかつ前記第１及び第２電極
   と前記第３電極とが空隙を介して対向するようにして周
   縁が前記基板に固定されたダイヤフラムとを備え、前記
   第１及び第２電極のそれぞれと前記第３電極との間の各
   静電容量にもとづいて前記ダイヤフラムに加えられる圧
   力または差圧が測定される静電容量式圧力／差圧検出器
   であって、前記ダイヤフラムを前記基板の前記電極取付
   面における前記第１電極と前記第２電極との間の環状部
   に対向するように前記ダイヤフラムに設けた円環状の可
   撓部と前記可撓部以外の厚肉部とで形成したことを特徴
   とする静電容量式圧力／差圧検出器。 ２）特許請求の範囲第１項に記載の検出器において、ダ
   イヤフラムの基板とは反対側に前記ダイヤフラムの前記
   反対側への変位を抑制するストッパを設けたことを特徴
   とする静電容量式圧力／差圧検出器。