JPH05312662A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】２個の固定電極板と感圧ダイアフラムに結合し
た可動電極板の間の静電容量の変化により、気体や液体
の圧力を間接測定するものである。 【構成】変位方向に平行な面を有する可動電極板を２個
の固定電極板と重畳させて感圧ダイアフラムに結合し、
感圧ダイアフラムの変位にしたがって２個の固定電極板
と可動電極板との重畳幅(静電容量)を変化させる。これ
ら電極板の重畳部の静電容量の比率に等しい幅を有する
パルスを発生するパルス発生回路と、このパルス発生回
路からのパルス出力をパルス幅の比率に比例する直流電
圧に変換するデューティ比変換回路とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体あるいは液体の圧
力を受けて感圧ダイアフラムが変位することにより圧力
を測定するセンサに関するものである。さらに詳しく
は、感圧ダイアフラムの変位による固定電極板と前記感
圧ダイアフラムに結合した可動電極板との間の静電容量
の変化により圧力を間接測定するセンサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量式圧力センサは、図４に
示すように、気体あるいは液体の圧力を受けて変位する
感圧ダイアフラム(１１)の一方の面に可動電極板(１２)
を固定し、この可動電極板(１２)に対峙させて固定した
固定電極板(２６)を設けたものがあった。

【０００３】また、図５に示すように、両側をダイアフ
ラム(２７)(２８)で密閉して作動液(２９)を封入し、チ
ャンバー(３０)の中央を可動電極板としての感圧ダイア
フラム(１１)で密閉区画し、この感圧ダイアフラム(１
１)の両側のチャンバー(３０)内部に固定電極板(３１)
(３２)を設けた差圧式ものがあった。これらの静電容量
式圧力センサは、いずれも固定電極板と可動電極板との
間隔の変化に伴う電極板間の静電容量の変化により圧力
を測定するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の静電容量式圧力
センサのうち、前者は構造が非常に簡単であるが、絶縁
性が低く、温度、湿度の影響を受け易い。また、圧力変
化に対する出力信号の変化、すなわち静電容量の変化を
大きくするためには、可動電極板(１２)と固定電極板
(２６)の有効面積大きくする必要があり、センサ全体が
大きなものとなるという問題点があった。

【０００５】また、後者のものは、絶縁性が高く、圧力
変化に対する出力を大きくすることができるが、温度変
化による作動液(２９)の誘電率などの変化が出力に影響
するという問題点があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は以上のような課
題を解決するためになされたもので、被測定圧力を受け
ることにより変位する感圧ダイアフラムをチャンバー内
に設けることによりチャンバーを被測定圧力導入室と圧
力基準室とに気密に区画し、前記感圧ダイアフラムの変
位方向に平行な面を有し、感圧ダイアフラムの変位にし
たがって進退する可動電極板を感圧ダイアフラムに連結
し、この可動電極板と隙間をもって第１および第２の固
定電極板を対面させて固着し、感圧ダイアフラムの変位
にしたがって可動電極と第１および第２の固定電極との
重畳幅が変化するようにしたものである。感圧ダイアフ
ラムをばねで保持して被測定圧力によりばね圧に抗して
感圧ダイアフラムおよび可動電極板を変位させるように
してもよい。

【０００７】また、このセンサ本体からの出力信号を処
理するために、第１の固定電極板と可動電極板とで形成
される第１のキャパシタにより負のパルス幅が設定さ
れ、第２の固定電極板と可動電極板とで形成される第２
のキャパシタにより正のパルス幅が設定されるパルス発
生回路を設けて被測定圧力に応じた幅のパルスを発生
し、このパルス出力をパルス幅の比率に比例する直流電
圧に変換するデューティ比変換回路を設けたものであ
る。

【０００８】導入室に被測定圧力が導入されると、被測
定圧力に応じた量だけ感圧ダイアフラムが変位し、可動
電極板と第１、第２の固定電極板との重畳面積が変化す
る。これにより、第１のキャパシタの静電容量および第
２のキャパシタの静電容量が変化する。そして、これら
の第１と第２のキャパシタの静電容量により負のパルス
幅と正のパルス幅とが設定されて第１、第２の固定電極
板と可動電極板の重畳幅、すなわち被測定圧力に応じた
幅のパルスが出力される。このパルスがデューティ比変
換回路により被測定圧力に応じた直流電圧に変換され
る。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図３に基づい
て説明する。図１において(１)は円筒形の本体ケースで
あり、この本体ケース(１)の上部に圧力導入ポート(２
５)を設けたカバーケース(２)が取付けられてチャンバ
ー(３)が形成され、チャンバー(３)は本体ケース(１)と
カバーケース(２)との間に気密に挾まれた感圧ダイアフ
ラム(１１)により区画されている。チャンバー(３)の上
側はカバーケース(３)と感圧ダイアフラム(１１)による
被測定圧力の導入室(６)が形成され、下側は本体ケース
(１)と感圧ダイアフラム(１１)による圧力基準室(９)が
形成されている。この圧力基準室(９)は本体ケース(１)
の底部に設けられた孔(２４)によって大気に開放されて
いる。

【００１０】本体ケース(１)の圧力基準室(９)の内側面
には、内径の等しい円筒形の第１の固定電極板(１３)お
よび第２の固定電極板(１４)が上下に配置されて固着さ
れ、これらの固定電極板(１３)(１４)は前記ダイアフラ
ム(１１)の変位方向に対して平行な内面を有している。
これらの第１の固定電極板(１３)と第２の固定電極板
(１４)の内側には円筒形の可動電極板(１２)が設けら
れ、この可動電極板(１２)はブラケット(１０)を介して
前記感圧ダイアフラム(１１)に連結されている。第１、
第２固定電極板(１３)(１４)と可動電極板(１２)の間に
は、間隔を一定に保ち、かつ短絡させないための絶縁体
(誘電体)(２６)が摺動抵抗とならないように設けられて
いる。これにより、第１の固定電極板(１３)と可動電極
板(１２)の重畳面に静電容量Ｃ₁を生じて図２の回路図
に示す第１のキャパシタ(１８)が形成され、第２の固定
電極板(１４)と可動電極板(１２)の重畳面に静電容量Ｃ
₂を生じて図２に示す第２のキャパシタ(１９)が形成さ
れる。

【００１１】前記ブラケット(１０)の上側には感圧ダイ
アフラム(１１)を挾んで上押さえ板(４)が設けられ、こ
の上押さえ板(４)とカバーケース(２)の下面の間にばね
(７)を挾んで感圧ダイアフラム(１１)と可動電極板(１
２)が下に向かって付勢されている。また可動電極板(１
２)の下側には下押さえ板(５)が設けられ、この下押さ
え板(５)と本体ケース(１)の底面に設けられた調整ねじ
(１５)との間にばね(８)を挾んで感圧ダイアフラム(１
１)と可動電極板(１２)が上に向かって付勢されてい
る。

【００１２】図２において、(３３)は第１、第２の単安
定マルチバイブレータ(１６)(１７)からなるパルス発生
回路であり、第１、第２の単安定マルチバイブレータ
(１６)(１７)の中のＡ₁、Ａ₂は正のトリガ入力端子、Ｂ
₁、Ｂ₂は負のトリガ入力端子、ＣＤ₁、ＣＤ₂はクリア入
力端子、ＱＦ₁、ＱＦ₂は正相出力端子、ＱＲ₁、ＱＲ₂は
反転出力端子、Ｔ１₁、Ｔ１₂はコンデンサアース端子、
Ｔ２₁、Ｔ２₂は抵抗とキャパシタの共通端子である。

【００１３】第１の単安定マルチバイブレータ(１６)の
コンデンサアース端子Ｔ１₁はアースに接続されるとと
もに可動電極板(１２)が接続され、共通端子Ｔ２₁は第
１の固定電極板(１４)が接続されるとともに抵抗(２０)
を介して電源Ｅｐに接続されている。すなわち、コンデ
ンサアース端子Ｔ１₁と共通端子Ｔ２₁の間に第１のキャ
パシタ(１８)が接続されている。第２の単安定マルチバ
イブレータ(１７)のコンデンサアース端子Ｔ１₂はアー
スに接続されるとともに可動電極板(１２)に接続され、
共通端子Ｔ２₂は第１の固定電極板(１３)に接続される
とともに抵抗(２１)を介して前記電源Ｅｐに接続されて
いる。すなわち、コンデンサアース端子Ｔ１₂と共通端
子Ｔ２₂の間に第２のキャパシタ(１９)が接続されてい
る。

【００１４】第２の単安定マルチバイブレータ(１７)の
正相出力端子ＱＦ₂は、デューティ比変換回路(２２₁)を
介して差動増幅器(２３)の＋側に接続されるとともに、
第１の単安定マルチバイブレータ(１６)の負のトリガ入
力端子Ｂ₁に接続され、反転出力ＱＲ₂はデューティ比変
換回路(２２₂)を介して差動増幅器(２３)の−側に接続
されている。第１の単安定マルチバイブレータ(１６)の
反転出力端子ＱＲ₁は第２の単安定マルチバイブレータ
(１７)の正のトリガ入力端子Ａ₂に接続され、正のトリ
ガ入力端子Ａ₁はアースに接続されている。

【００１５】前記電源Ｅｐは前記抵抗(２０)(２１)に接
続されるとともに、第２の単安定マルチバイブレータ
(１７)のクリア入力端子ＣＤ₂と負のトリガ入力端子Ｂ₂
および第１の単安定マルチバイブレータ(１６)のクリア
入力端子ＣＤ₁に接続されている。以上の第１、第２の
単安定マルチバイブレータ(１６)(１７)からなるパルス
発生回路(３３)には、電源を投入してから一定時間後に
起動パルスを与える起動回路(３４)が接続されている。
前記デューティ比変換回路(２２₁)(２２₂)は、２段の積
分回路(３５)(３６)で構成されるている。

【００１６】つぎに、以上の構成における圧力センサの
動作を説明する。まず、本体ケース(１)の底面に設けら
れた調整ねじ(１５)によって、可動電極板(１２)の位置
を調整する。導入室(６)に大気圧と等しい被測定圧力が
与えられているときは、感圧ダイアフラム(１１)は変位
せず、第１、第２の固定電極板(１３)と可動電極板(１
２)とのそれぞれの重畳面の幅ｌ₁、ｌ₂も変化しない。
圧力導入ポート(２５)を介して、導入室(６)に大気圧よ
り高い被測定圧力Ｐが導入されると、被測定圧力Ｐに比
例した距離ｄ＝Ｐ／(ｋ₁＋ｋ₂)だけ、ばね(７)(８)に抗
して感圧ダイアフラム(１１)が下方に変位する。この感
圧ダイアフラム(１１)の変位により、被測定圧力Ｐに比
例した幅だけ、第１の固定電極板(１３)と可動電極板
(１２)との重畳面の幅ｌ₁が狭く、そして第２の固定電
極板(１４)と可動電極板(１２)との重畳面の幅ｌ₂が広
くなるように変位する。但し、ｋ₁およびｋ₂は、ばね
(７)(８)のばね定数である。

【００１７】第１、第２のキャパシタ(１８)(１９)の静
電容量Ｃ₁、Ｃ₂は、常に Ｃ₁＝２π・ε₀・εｒ・ｌ₁／ｌｏｇ(ｒｏ／ｒｉ) …式(１) Ｃ₂＝２π・ε₀・εｒ・ｌ₂／ｌｏｇ(ｒｏ／ｒｉ) …式(２) で表わされる。但し、ε₀は真空の誘電率、εｒは絶縁
体(２６)の誘電率、ｒｏは第１、第２の固定電極板(１
３)(１４)の内径の半径、ｒｉは可動電極板(１２)の外
径の半径である。

【００１８】図２に示す回路において、電源を投入直後
は第１および第２の単安定マルチバイブレータ(１６)
(１７)は安定状態、すなわち、正相出力ＱＦ₁とＱＦ₂は
０、反転出力ＱＲ₁とＱＲ₂は１である。そこで、電源を
投入して一定時間後に、第１または第２のマルチバイブ
レータ(１６)または(１７)のいずれかの入力Ａ₁、Ｂ₁、
Ａ₂またはＢ₂に起動回路(３４)から起動用トリガパルス
を与えて起動する。

【００１９】起動すると、第２の単安定マルチバイブレ
ータ(１７)は、第１の単安定マルチバイブレータ(１６)
の反転出力ＱＲ₂による負のパルスが正のトリガ入力端
子Ａ₂に与えられて負のパルスの立上りでトリガされ、
正相出力端子ＱＦ₂からステーブル時間Ｃ₂・Ｒ₂の幅の
正のパルスが出力される。Ｒ₂は抵抗(２１)の抵抗値で
ある。この正のパルスが第１の単安定マルチバイブレー
タ(１６)の負のトリガ入力端子Ｂ₁に与えられて正のパ
ルスの立ち下がりでトリガされ、反転出力端子ＱＲ₁か
らステーブル時間Ｃ₁・Ｒ₁の幅の負のパルスが出力され
る。Ｒ₁は抵抗(２０)の抵抗値である。

【００２０】この負のパルスが第２の単安定マルチバイ
ブレータ(１７)の正のトリガ入力端子Ａ₂に与えられて
再び負のパルスの立上りでトリガされ、以下同様にし
て、第１および第２の単安定マルチバイブレータ(１６)
(１７)が交互にトリガされてゆく。この間、第２の単安
定マルチバイブレータ(１７)の正相出力端子ＱＦ₂から
は、図３(ｂ)に示すように、Ｔ₁＝Ｃ₂・Ｒ₂の幅の１レ
ベルとＴ₀＝Ｃ₁・Ｒ₁の幅の０レベルを交互に繰り返す
パルスが出力され、反転出力端子ＱＲ₂からはこれの反
転したパルスが出力される。

【００２１】この第２の単安定マルチバイブレータ(１
７)の正相出力ＱＦ₂は、デューティ比変換回路(２２₁)
により、図２(ｂ)の破線で示すように、パルスを平均化
して１レベルの時間の比率を表わすデューティ比の直流
電圧Ｅ₁として出力され差動増幅器(２３)の＋側に入力
される。すなわち、１レベルの電圧をＥｐとして、 Ｅ₁＝Ｅｐ・Ｔ₁／(Ｔ₁＋Ｔ₀) ＝Ｅｐ・(Ｃ₂・Ｒ₂／(Ｃ₁・Ｒ₁＋Ｃ₂・Ｒ₂)) …式(３) である。ここで、Ｒ₁＝Ｒ₂＝ＲとすればＲが消去され
て、 Ｅ₁＝Ｅｐ・(Ｃ₂／(Ｃ₁＋Ｃ₂)) …式(４) である。式(１)(２)を式(４)に代入し、Ｅｐを左辺に移
項すると、 Ｅ₁／Ｅｐ＝ｌ₂／(ｌ₁＋ｌ₂) …式(５) となり、また、可動電極板(１２)と第１および第２の固
定電極板(１３)(１４)の重畳面の和(ｌ₁＋ｌ₂)は常に一
定の幅ｌｃであり、 Ｅ₁／Ｅｐ＝ｌ₂／ｌｃ …式(６) である。

【００２２】すなわち、デューティ比変換回路(２２₁)
の出力電圧Ｅ₁と電源電圧Ｅｐとの比は、第１および第
２の固定電極板(１３)(１４)と可動電極板(１２)の重畳
面の幅の和ｌｃと第２の固定電極板(１４)と可動電極板
(１２)の重畳面の幅ｌ₂との比となる。また、被測定圧
力Ｐの導入により、可動電極板(１２)がｄ＝Ｐ／(ｋ₁＋
ｋ₂)だけ移動したとすれば、 Ｅ₁／Ｅｐ＝ｄ／ｌｃ＋ｌ₂／ｌｃ ＝Ｐ／(ｌｃ・(ｋ₁＋ｋ₂))＋(ｌ₂／ｌｃ) …式(７) となり、(ｌｃ・(ｋ₁＋ｋ₂))＝Ａ、ｌ₂／ｌｃ＝Ｂ₁とお
けば、 Ｅ₁／Ｅｐ＝Ｐ・Ａ＋Ｂ₁ …式(８) となる。すなわち、被測定圧力Ｐが０のときの出力を定
数Ｂ₁として、被測定圧力Ｐが加えられたときの出力の
増加分は被測定圧力Ｐに比例する。

【００２３】また、同様にして、この第２の単安定マル
チバイブレータ(１７)の反転出力ＱＲ₂は、デューティ
比変換回路(２２₂)により、パルスを平均化して１レベ
ルの時間の比率を表わすデューティ比の直流電圧Ｅ₀と
して出力され差動増幅器(２３)の−側に入力される。こ
の直流電圧Ｅ₀は、正相出力ＱＦ₂の０レベルの時間の比
率を表わすものとなる。デューティ比変換回路(２２₂)
の出力は、正相出力ＱＦ₂と同様に、 Ｅ₀／Ｅｐ＝−ｄ／ｌｃ＋ｌ₁／ｌｃ ＝−Ｐ／(ｌｃ・(ｋ₁＋ｋ₂))＋(ｌ₁／ｌｃ) …式(７’) で表わされ、ｌ₁／ｌｃ＝Ｂ₀とおけば、 Ｅ₀／Ｅｐ＝−Ｐ・Ａ＋Ｂ₀ …式(８’) となる。

【００２４】ここで、被測定圧力Ｐ＝０のときの第１の
固定電極板(１３)と固定電極板(１２)の重畳幅ｌ₁、と
第２の固定電極板(１４)と固定電極板(１２)の重畳幅ｌ
₂を、調整ねじ(１５)で調整してｌ₁＝ｌ₂とすれば、Ｂ₁
＝Ｂ₀＝Ｂとなり、差動増幅器(２３)の出力Ｅは、 Ｅ＝Ｐ・Ａ＋Ｂ−(−Ｐ・Ａ＋Ｂ)＝２Ｐ・Ａ となる。

【００２５】以上の実施例では、圧力基準室(９)を大気
に開放してゲージ厚を測定するようにように構成した
が、本発明はこれに限られるものではなく、圧力基準室
(９)を密閉して真空とし、絶対圧を測定するようにして
もよいし、測定目的に合わせた特定の圧力に設定しても
よい。また、圧力基準室(９)に対して正圧のみならず負
圧を測定するようにしてもよい。

【００２６】以上の実施例では、円筒形の可動電極板を
内側に、そして円筒形の第１、第２の電極板を外側とし
て計算・その他を説明したが、本発明はこれに限られる
ものではなく、多角筒形や平板状、これらを組み合わせ
たものでもよく、また、電極板の内外などの位置関係が
限定されるものでもない。すなわち、感圧ダイアフラム
の変位方向に対して平行なキャパシタの有効面積を有
し、第１および第２の固定電極板の幅が、可動電極板の
幅と感圧ダイアフラムの変位量を充分にカバーできる形
状であればよい。

【００２７】以上の実施例では、第１の単安定マルチバ
イブレータ(１６)の反転出力端子ＱＲ₁を第２の単安定
マルチバイブレータ(１７)の正のトリガ入力端子Ａ₂に
接続し、第２の単安定マルチバイブレータ(１７)の反転
出力端子ＱＲ₂を第１の単安定マルチバイブレータ(１
６)の正のトリガ入力端子Ａ₁に接続したが、本発明はこ
れに限られるものではなく、負のパルス幅と正のパルス
幅がそれぞれ第１、第２のキャパシタ(１８)(１９)で設
定される構成ならどのようなものでもよい。

【００２８】以上の実施例では、第２の単安定マルチバ
イブレータ(１７)の正相出力ＱＦ₂と反転出力ＱＲ₂の双
方ををデューティ比の直流電圧に変換して差動増幅する
ようにしたが、本発明はこれに限られるものではない。
例えば、第２の単安定マルチバイブレータ(１７)の正相
出力ＱＦ₂のみをデューティ比変換回路によって直流電
圧に変換して増幅するようにしてもよい。さらに、第１
の単安定マルチバイブレータ(１６)の出力ＱＦ₁、ＱＲ₁
を逆に用いてデューティ比変換回路(２２₁)(２２₂)に入
力するようにしてもよく、第１、第２の単安定マルチバ
イブレータ(１６)(１７)の出力の取り方が限定されるも
のではない。

【００２９】以上の実施例では、２段の積分回路(３５)
(３６)によって、デューティ比変換回路(２２₁)(２２₂)
を構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、
パルス幅の比率を正確に直流電圧に変換できるものなら
ばどのようなものでもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成したので、
可動電極板と第１、第２の固定電極板間の静電容量の温
度・湿度特性を補償し、温度や湿度による影響を受けず
に、常に電源電圧に対しての正確な比率のリニア出力と
して圧力を測定することができる。したがって、温度や
湿度の変化に影響されず圧力変化を正確に出力すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す静電容量式圧力センサ
の断面図である。

【図２】本発明の一実施例を示す静電容量式圧力センサ
の回路図である。

【図３】図２の回路図の各点の出力を示すタイムチャー
ト図である。

【図４】第１の従来例を示す断面図である。

【図５】第２の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

(１)…本体ケース、(２)…カバーケース、(３)…チャン
バー、(４)…上押さえ板、(５)…下押さえ板、(６)…導
入室、(７)(８)…ばね、(９)…圧力基準室、(１０)…ブ
ラケット、(１１)…感圧ダイアフラム、(１２)…可動電
極板、(１３)…第１の固定電極板、(１４)…第２の固定
電極板、(１５)…調整ねじ、(１６)…第１のマルチバイ
ブレータ、(１７)…第２のマルチバイブレータ、(１８)
…第１のキャパシタ、(１９)…第２のキャパシタ、(２
０)(２１)…抵抗、(２２₁)(２２₂)…デューティ比変換
回路、(２３)…増幅回路、(２４)…孔、(２５)…圧力導
入ポート、(２６)…絶縁体(誘電体)、(３３)…パルス発
生回路、(３４)…起動回路、(３５)(３６)…積分回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定圧力を受けることにより変位する感
   圧ダイアフラムをチャンバー内に設けることによりチャ
   ンバーを被測定圧力導入室と圧力基準室とに気密に区画
   し、前記感圧ダイアフラムの変位方向に平行な面を有
   し、感圧ダイアフラムの変位にしたがって進退する可動
   電極板を感圧ダイアフラムに連結し、この可動電極板と
   隙間をもって第１および第２の固定電極板を対面させて
   固着し、感圧ダイアフラムの変位にしたがって第１、第
   ２の固定電極と可動電極との重畳幅が変化することを特
   徴とする静電容量式圧力センサ。
2. 【請求項２】感圧ダイアフラムをばねで保持し、被測定
   圧力によりばね圧に抗して感圧ダイアフラムおよび可動
   電極板を変位させることを特徴とする請求項１記載の静
   電容量式圧力センサ。
3. 【請求項３】第１の固定電極板と可動電極板とで形成さ
   れる第１のキャパシタにより負のパルス幅が設定され、
   第２の固定電極板と可動電極板とで形成される第２のキ
   ャパシタにより正のパルス幅が設定されるパルス発生回
   路と、このパルス発生回路からのパルス出力をパルス幅
   の比率に比例する直流電圧に変換するデューティ比変換
   回路とを具備してなる請求項１記載の静電容量式圧力セ
   ンサ。