JPH06229792A - 流体振動検出装置 - Google Patents

流体振動検出装置

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JPH06229792A
JPH06229792A JP5037385A JP3738593A JPH06229792A JP H06229792 A JPH06229792 A JP H06229792A JP 5037385 A JP5037385 A JP 5037385A JP 3738593 A JP3738593 A JP 3738593A JP H06229792 A JPH06229792 A JP H06229792A
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JP
Japan
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pressure chamber
pair
pressure
diaphragm
electret film
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Withdrawn
Application number
JP5037385A
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English (en)
Inventor
Takahiro Kudo
高裕 工藤
Michihiko Tsuruoka
亨彦 鶴岡
Naohiro Konosu
直広 鴻巣
Noriyuki Hirayama
則行 平山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤフラムに対向する背極の電極板の絶縁
性を増し耐久性および検出精度を高める。 【構成】 片面に電極10が形成されたエレクトレット
膜11からなるダイヤフラム5により1対の圧力室1
5,16の中央をそれぞれ仕切る。エレクトレット膜1
1と対向する位置にそれぞれ電極板7を形成するととも
に、この電極板7を絶縁膜6および絶縁フィルム8で覆
い絶縁性を高める。電極板7の外周部を圧力室内壁部に
より支持・固定する。これらの電極板7とエレクトレッ
ト膜11とから1対の可変容量型圧力検出素子4a,4
bを形成する。さらに、各圧力室の片側15a,16a
にそれぞれ1対の導圧口17を形成し、一方の圧力室の
片側15aと他方の圧力室の反対側16bとを連通路1
8により接続するとともに、一方の圧力室の反対側15
aと他方の圧力室の片側16aとを連通路19により接
続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、流体中の圧力振動の周
波数を検出して流体の流速あるいは流量を計測するカル
マン渦流量計やフルイディック流量計等に用いられる流
体振動検出装置に係り、特に気体に適用した場合に外部
振動や圧力変動の影響を受けずに低速流域の弱い渦から
の流体圧力信号を検出することができる流体振動検出装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の流体振動検出装置として
は、特開昭62−110121号公報に記載のものが知
られている。この流体振動検出装置は、図5に示すよう
に、ダイヤフラム104とこれに対向して設置した背極
120とで1個のコンデンサを構成しており、ダイヤフ
ラム104により区画された2つの圧力室である第1検
出室105と第2検出室106に振動圧力を導くと、そ
の差圧によりダイヤフラム104に変位が生じる。それ
により、コンデンサの容量が変化して圧力が検出され
る。このダイヤフラム104は素材をPET、テフロン
等のプラスチックとし、その一面に電極を形成し、他面
には電荷を帯電させたエレクトリック膜とすることで、
バイアス電圧を加えずに膜の変位から直接電圧に変換す
ることができるコンデンサマイクを構成する。
【0003】この従来例では特に説明されていないが、
このようなコンデンサマイクであるダイヤフラム104
の帯電面に対して、通常は、絶縁スペーサにより数十μ
mの間隔をおき、かつ絶縁枠によりケース118に対し
て高い絶縁性を保持しながら背極120を設置し、第2
検出室106内に電界効果型トランジスタ122を設け
た基板121が積層される。この検出室106内部は検
出流体が自在に通過するので、内部に配置されているト
ランジスタ122は検出流体にさらされる構造である。
【0004】また、このコンデンサマイクの原理を用い
た場合、ダイヤフラムと背極間との間の静電容量のなか
に圧力検出に作用しない寄生容量が含まれており、この
寄生容量を減らす方法として、特開昭59−28799
号公報に記載の方法が知られている。これは、図6に示
すように、背極120の周縁部分に切欠き部117を形
成することでダイヤフラムと背極との間に生じる寄生容
量を低減し、圧力を検出する際の障害となる寄生容量を
少なくしてコンデンサマイクの感度を向上させている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者に
は次のような問題がある。 (1)高湿度雰囲気中では、背極とケースとの間の絶縁
を保持する絶縁枠が吸湿して絶縁抵抗値が低下するとと
もに、結露により背極とダイヤフラム電極との絶縁性が
低下することにより、感度が低下する。 (2)電界効果型トランジスタが検出対象のガス中にさ
らされる構造であるため、湿気を含んだガスについては
使用できない。 (3)背極と電界効果型トランジスタを設けた基板を積
層する構造であるため装置の厚みが増し、小型化が困難
である。 (4)電界効果型トランジスタを設置するため圧力室の
容積が大きくなり、微小圧力に対する感度が低下する。 (5)そのため、周波数が高い振動に対しての応答性が
悪い。
【0006】また、後者についても次のような問題があ
る。 (6)背極の周縁部分に切欠き部を形成したため、絶縁
スペーサ、絶縁枠を介してダイヤフラムと背極を固定す
る部分の強度が不足して耐振性が劣る。 (7)同様に背極の剛性が小さいため、振動の大きい用
途には使用できない。 そこで本発明は上記問題点を解決するためになされたも
ので、その目的とするところは耐振性および感度にすぐ
れた流体振動検出装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第1の発明は、片面に電極が形成されたエレクトレ
ット膜からなる1対のダイヤフラムと、これらのダイヤ
フラムにより中央がそれぞれ仕切られた1対の圧力室
と、各ダイヤフラムのエレクトレット膜と対向する位置
にそれぞれ形成されるとともに、外周部が圧力室内壁部
に支持・固定された1対の電極板と、これらの電極板と
前記ダイヤフラムのエレクトレット膜とから形成される
1対の可変容量型圧力検出素子と、各圧力室の片側にそ
れぞれ接続される1対の導圧口と、一方の圧力室の片側
と他方の圧力室の反対側とを接続する連通路と、一方の
圧力室の反対側と他方の圧力室の片側とを接続する連通
路とを備えた流体振動検出装置において、前記電極板を
絶縁膜で覆うことを特徴とする。
【0008】第2の発明は、片面に電極が形成されたエ
レクトレット膜からなる1対のダイヤフラムと、これら
のダイヤフラムにより中央がそれぞれ仕切られた1対の
圧力室と、各ダイヤフラムのエレクトレット膜と対向す
る位置にそれぞれ形成されるとともに、外周部が圧力室
内壁部に支持・固定された1対の電極板と、これらの電
極板と前記ダイヤフラムのエレクトレット膜とから形成
される1対の可変容量型圧力検出素子と、各圧力室の片
側にそれぞれ接続される1対の導圧口と、一方の圧力室
の片側と他方の圧力室の反対側とを接続する連通路と、
一方の圧力室の反対側と他方の圧力室の片側とを接続す
る連通路と、前記各電極板に入力端が接続された1対の
インピーダンス変換素子とを備えた流体振動検出装置に
おいて、前記1対の圧力室とほぼ同一のレベル上に収納
室を並設してインピーダンス変換素子を収納し封止した
ことを特徴とする。
【0009】第3の発明は、片面に電極が形成されたエ
レクトレット膜からなる1対のダイヤフラムと、これら
のダイヤフラムにより中央がそれぞれ仕切られた1対の
圧力室と、各ダイヤフラムのエレクトレット膜と対向す
る位置にそれぞれ形成されるとともに、外周部が圧力室
内壁部に支持・固定された1対の電極板と、これらの電
極板と前記ダイヤフラムのエレクトレット膜とから形成
される1対の可変容量型圧力検出素子と、各圧力室の片
側にそれぞれ接続される1対の導圧口と、一方の圧力室
の片側と他方の圧力室の反対側とを接続する連通路と、
一方の圧力室の反対側と他方の圧力室の片側とを接続す
る連通路とを備えた流体振動検出装置において、ダイヤ
フラム上に形成されたエレクトレット膜の可動変形する
部分に対向する範囲のみに前記電極板を形成したことを
特徴とする。
【0010】
【作用】第1の発明においては、電極板が絶縁膜で覆わ
れたことにより、電極板とエレクトレット膜との間の絶
縁性が向上するとともに、電極板の腐食が防止される。
【0011】第2の発明においては、圧力室とは別なる
収納室内にインピーダンス変換素子が収納・封止された
ことにより、インピーダンス変換素子が検出流体に直接
さらされなくなる。また、圧力室の容積が小さくなり、
その分、感度が向上する。また、収納室は圧力室とほぼ
同一のレベル上に並設されることにより、装置の厚み方
向の寸法はほぼ従来通りとなる。
【0012】第3の発明においては、電極板がダイヤフ
ラム上のエレクトレット膜の可動部に対向する範囲のみ
に形成され、それにより電極板における寄生容量が減少
して感度が向上するとともに電極板の剛性が増して耐振
性が向上する。
【0013】
【実施例】以下、図に沿って本発明の実施例を説明す
る。図1は本発明に係る第1の実施例の内部構成を示す
断面図であり、図2は図1の要部の縦断面図である。図
において、1はカルマン流量計の管路、2は渦発生体、
3は流体振動検出装置本体である。本体3にはそれぞれ
第1の可変容量型圧力検出素子4a、第2の可変容量型
圧力検出素子4bが形成される。検出素子4a,4bは
エレクトレット膜11a,11bからなるダイヤフラム
5a,5bと、固定電極であるところの背極14a,1
4bとから構成される。この背極14a,14bは、誘
電率の低いすなわち絶縁抵抗の高い、厚さ数十μmの絶
縁スペーサ9a,9bを挟んで積層される。
【0014】ダイヤフラム5a,5bは、FEPテフロ
ン等の無極性高分子材料の片面の全面にスパッタリング
等により電極10a,10bを形成し、コロナ放電等に
よりフィルム面に正または負の電荷をチャージさせてエ
レクトレット膜11a,11bを生成する。このエレク
トレット膜11a,11bからなる電極10a,10b
を円筒形の導電性枠12a,12bと電気的に導通を保
ちながら、かつ半径方向に一様な張力を加えた状態で接
合する。
【0015】背極14a,14bは、数μmのFEPテ
フロン等の無極性高分子フィルム8a,8bの片面であ
ってダイヤフラム5a,5bと対向する部分にスパッタ
リング等により電極7a,7bを形成し、これを剛性の
ある数mmのPET等の無極性高分子材料の絶縁板6
a、6bに接着して構成される。すなわち、電極7a,
7bは両面がいずれも絶縁材により被覆されて、検出流
体に直に接触されることがなくなる。
【0016】また、電極7a,7bは、ダイヤフラム5
a,5bに対向する部分にのみ、すなわちリング状をし
た絶縁スペーサ9a,9bの内側中空部に対向する範囲
にのみ形成される。さらに、背極14a,14bには、
開口13a,13bが形成されて検出流体の通過を自在
とする。なお、開口13a,13bの位置は、電極7
a,7bを貫通しないように電極7a,7bの位置を避
けて形成される。この電極7a、7bと、電極10a,
10bとで静電容量が形成され、両極間の電圧変化が検
出素子4a,4bの出力となる。
【0017】ダイヤフラム5a、5bの下面側には圧力
室15a,16aが形成され、ダイヤフラム5a、5b
の上面側であって背極14a、14bを含む空間として
それぞれ圧力室15b,16bが形成される。圧力室1
5aは導圧口17aおよび連通路18を介して圧力室1
6bに連通し、圧力室16aは導圧口17bおよび連通
路19を介して圧力室15bに連通する。導圧口17
a,17bには、フィルタ34a、34bがそれぞれ配
設されて流体中に浮遊する塵埃が内部に進入するのを防
ぐ。
【0018】導電性の第1ハウジング20に形成された
圧力室15a,16aの底面外周部に嵌入・支持されて
いる導電性枠12a,12bは、第1ハウジング20と
電気的に接続され、また、第1ハウジング20にはリー
ド線30cが接続され、さらにリード線30cはGND
に接続されている。すなわち、導電性枠12a,12b
に当接している電極10a,10bはともにGNDと接
続される。第1ハウジング20は、導圧口17a、17
bが形成された厚板状の第2ハウジング21と接着によ
り固定されている。
【0019】第1ハウジング20と背極14a、14b
とを絶縁するため、絶縁枠22a、22bをスペーサ9
a、9bの上方から第1ハウジング20内に挿入して背
極14a、14bを絶縁枠22a、22bの内側に嵌合
する。次いで、絶縁枠22a、22bの上方からバネ2
3a、23bを挿入し、蓋24により下方へ押圧するこ
とにより絶縁枠22a、22bを支持・固定する。蓋2
4は、図示しないネジ等により第1ハウジング20に固
定される。
【0020】このようにして、背極14a,14bは上
方から強力に押圧・支持されるとともに、さらにスペー
サ9a、9bを介してダイヤフラム5a,5bも強力に
押圧・支持する。それにより、ダイヤフラム5a,5b
の剛性が増すことにより、外部から振動が加えられても
慣性力によるダイヤフラム5a,5bの変位が少なくな
り、耐振性が向上する。また、第1ハウジング20は、
図2に示されるように、検出素子4a,4bの収納部に
隣接して、インピーダンス変換素子であるところの電界
効果型トランジスタ26の収納室36が形成されてお
り、トランジスタ26の下面を収納室36の底面に当接
した状態で、収納室36内に耐ガス性および絶縁性を有
する樹脂35が充填されトランジスタ26が固定・支持
される。
【0021】トランジスタ26の入力端子25a、25
bは導電性の接着剤により、背極14a、14bの電極
7a,7bに接続され、さらにトランジスタ26の出力
端子28a、28bはリード線29a、29bにより差
動増幅器27と接続される。また、導圧口17a,17
bはカルマン渦流量計の渦発生体2の両側面に形成され
た開口31a,31bと導管32a,32bを介して接
続される。このようにして流体振動検出装置本体3が構
成される。
【0022】次に、流体振動検出装置本体3の動作を説
明する。管路1内の流速に応じた間隔で渦発生体2から
カルマン渦が発生し、それにより開口31a,31bで
は、互いに逆位相の圧力振動が発生する。今、開口31
aの圧力が開口31b側よりも下がると、圧力室15
a、16bは圧力室15b,16aよりも圧力が低下す
るので、ダイヤフラム5aは下向きに、ダイヤフラム5
bは上向きにそれぞれ変形する。それにより、電極10
aと背極14aの間隔は拡がり、電極10bと電極7b
の間隔は狭まる。ここでエレクトレット膜11a,11
bからなる電極10a,10bがともに正に帯電させら
れているものとすると、検出素子4aからは“−”の電
圧が、検出素子4bからは“+”の電圧が発生する。
【0023】また、この本体3は、互いに対称の動作を
する1対の検出素子4a,4bから構成されており、外
部振動として例えば上から下向きに加速されると、ダイ
ヤフラム5a,5bはともに上向きに同一の変位を発生
し、検出素子4a,4bは等しく“+”の電圧を発生す
る。これら検出素子4a,4bからの出力はトランジス
タ26a,26bにより変換されてから差動増幅器27
へ入力される。差動増幅器27は両出力の差を求めるこ
とにより、正規な信号出力は増幅され、外部振動による
ノイズはキャンセルされる。
【0024】この実施例の第1の特徴として、背極14
a,14bの電極7a,7がともに高絶縁性を有する絶
縁板6a,6bおよびフィルム8a,8bにより覆われ
たうえに絶縁枠22a,22bにより支持されている。
そのため、この装置を高湿度の雰囲気中で動作させた場
合、高湿度のガスが圧力室15a,15bおよび圧力室
16a,16bに導かれ、絶縁枠22a,22bが吸湿
して絶縁抵抗が低下しても、電極7a,7bと第1ハウ
ジング20の絶縁性は保持される。
【0025】また、検出ガスの相対湿度が100%を越
えて結露しても、背極14a,14bと電極10a,1
0bとの間の絶縁性が同様に保たれる。そのため、高湿
度雰囲気においても感度が低下せず安定な計測が可能に
なる。また、電極7a,7bについては、腐食のおそれ
がないため、電極材の選択が自由になり、低コスト、長
寿命化が可能になる。
【0026】この実施例の第2の特徴として、検出素子
4a,4bと同一のレベルに形成した第1ハウジング2
0内の収納室36に、トランジスタ26が設置される。
そのため、トランジスタ26を設置したにもかかわら
ず、第1ハウジング20は、検出素子4a,4bを収納
する厚み内におさまるため、装置全体を薄型にすること
が可能になる。
【0027】また、この装置を高湿度の雰囲気中で動作
させる場合、電界効果型トランジスタ26が高湿度のガ
スに直接さらされることがなくなり、計測対象が拡がる
とともに耐久性も増す。さらには、圧力室内に電界効果
型トランジスタを設置していた従来の装置に比べて、圧
力室16a,16bの容積が小さくなる。そのため、微
小な圧力変動に対しての感度が増し、より高い周波数に
ついての計測が可能になる。
【0028】この実施例の第3の特徴として、電極7
a,7bがダイヤフラム5a,5bに対向する部分にの
み形成されていることにより、背極電極7a,7bとダ
イヤフラム電極10a,10bとの間の寄生容量が低減
される。それにより、有効静電容量の変化率が増し、感
度が良くなる。また、同時に電極7a,7bの寄生容量
部分に電極が形成されない分だけ、電極7a,7bの固
定力および剛性が増し、振動に対してダイヤフラム5
a,5bが動きにくくなる。また、背極14a,14b
の剛性が増したことにより、慣性力による変位が少なく
なり耐振性が増す。すなわち、感度が向上するとともに
耐振性も向上して、S/N比の良い出力が得られる。な
お、この第1〜第3の特徴は第1の実施例によりそれぞ
れ実現されているが各特徴はそれぞれ単独で実現するこ
とも可能である。
【0029】次に、図3は本発明に係る第2の実施例の
内部構成を示す断面図であり、図4は図3の要部の縦断
面図である。この実施例は背極の部分を除いて全体の構
成が第1の実施例と共通であるので、共通な部分は第1
の実施例と同一な番号を付し、異なる部分についてのみ
説明する。この実施例が第1の実施例と異なるところ
は、開口13a,13bを形成した金属円板からなる背
極33a,33bをトランジスタ26の入力端子25
a,25bと接続した後、SiO2等の絶縁物37で背
極33a,33bの両面および開口13a,13b内を
コーティングしたことである。この実施例は、第1の実
施例における第1および第2の特徴を実現したものであ
る。
【0030】
【発明の効果】以上述べたように第1の発明によれば、
電極板が絶縁膜で覆われて電極板とエレクトレット膜と
の間の絶縁性および耐食性が向上する。それにより、耐
久性が増すとともに結露のおそれがある高湿度ガスに対
しても感度が低下することなく高精度の検出が可能にな
る。
【0031】第2の発明によれば、圧力室とは別なる収
納室内にインピーダンス変換素子が収納され、インピー
ダンス変換素子が検出流体に直接さらされなくなる。そ
れにより、インピーダンス変換素子の耐久性が向上する
とともに、圧力室の容積がその分減少可能となり、従来
のインピーダンス変換素子を備えた検出装置に比べ、感
度、応答性が向上し、高周波の振動の検出が可能にな
る。また、収納室が圧力室とほぼ同一のレベル上に並設
されるため、装置の厚み方向の寸法がそのままですみ、
従来の装置よりも薄型化が可能になる。
【0032】第3の発明によれば、電極板がダイヤフラ
ム上のエレクトレット膜の可動部に対向する範囲のみに
形成され、電極板における寄生容量が減少するとともに
電極板の剛性が増す。それにより、感度および耐振性が
向上して高精度の検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1の実施例の内部構成を示す断
面図である。
【図2】図1の要部の縦断面図である。
【図3】本発明に係る第2の実施例の内部構成を示す断
面図である。
【図4】図3の要部の縦断面図である。
【図5】従来例を示す断面図である。
【図6】他の従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
3 流体振動検出装置本体 4a,4b 可変容量型圧力検出素子 5a,5b ダイヤフラム 6a,6b 絶縁板 7a,7b 電極 8a,8b 無極性高分子フィルム 9a,9b 絶縁スペーサ 10a,10b 電極 11a,11b エレクトレット膜 12a,12b 導電性枠 13a,13b 開口 14a,14b 背極 15a,15b 16a,16b 圧力室 17a,17b 導圧口 18,19 連通路 20 第1ハウジング 22a,22b 絶縁枠 25a,25b 入力端子 26 電界効果型トランジスタ 33a,33b 背極 35 樹脂 36 収納室 37 絶縁物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 則行 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 片面に電極が形成されたエレクトレット
    膜からなる1対のダイヤフラムと、 これらのダイヤフラムにより中央がそれぞれ仕切られた
    1対の圧力室と、 各ダイヤフラムのエレクトレット膜と対向する位置にそ
    れぞれ形成されるとともに、外周部が圧力室内壁部に支
    持・固定された1対の電極板と、 これらの電極板と前記ダイヤフラムのエレクトレット膜
    とから形成される1対の可変容量型圧力検出素子と、 各圧力室の片側にそれぞれ接続される1対の導圧口と、 一方の圧力室の片側と他方の圧力室の反対側とを接続す
    る連通路と、 一方の圧力室の反対側と他方の圧力室の片側とを接続す
    る連通路と、 を備えた流体振動検出装置において、 前記電極板を絶縁膜で覆うことを特徴とする流体振動検
    出装置。
  2. 【請求項2】 片面に電極が形成されたエレクトレット
    膜からなる1対のダイヤフラムと、 これらのダイヤフラムにより中央がそれぞれ仕切られた
    1対の圧力室と、 各ダイヤフラムのエレクトレット膜と対向する位置にそ
    れぞれ形成されるとともに、外周部が圧力室内壁部に支
    持・固定された1対の電極板と、 これらの電極板と前記ダイヤフラムのエレクトレット膜
    とから形成される1対の可変容量型圧力検出素子と、 各圧力室の片側にそれぞれ接続される1対の導圧口と、 一方の圧力室の片側と他方の圧力室の反対側とを接続す
    る連通路と、 一方の圧力室の反対側と他方の圧力室の片側とを接続す
    る連通路と、 前記各電極板に入力端が接続された1対のインピーダン
    ス変換素子と、 を備えた流体振動検出装置において、 前記1対の圧力室とほぼ同一のレベル上に収納室を並設
    してインピーダンス変換素子を収納し封止したことを特
    徴とする流体振動検出装置。
  3. 【請求項3】 片面に電極が形成されたエレクトレット
    膜からなる1対のダイヤフラムと、 これらのダイヤフラムにより中央がそれぞれ仕切られた
    1対の圧力室と、 各ダイヤフラムのエレクトレット膜と対向する位置にそ
    れぞれ形成されるとともに、外周部が圧力室内壁部に支
    持・固定された1対の電極板と、 これらの電極板と前記ダイヤフラムのエレクトレット膜
    とから形成される1対の可変容量型圧力検出素子と、 各圧力室の片側にそれぞれ接続される1対の導圧口と、 一方の圧力室の片側と他方の圧力室の反対側とを接続す
    る連通路と、 一方の圧力室の反対側と他方の圧力室の片側とを接続す
    る連通路と、 を備えた流体振動検出装置において、 ダイヤフラム上に形成されたエレクトレット膜の可動変
    形する部分に対向する範囲のみに前記電極板を形成した
    ことを特徴とする流体振動検出装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100794571B1 (ko) * 2003-11-04 2008-01-17 콸콤 인코포레이티드 배터리 소모를 최소화하면서 핸드오프 후보자들에 대한주파수 채널들을 스캐닝하는 방법 및 장치
JP2017012270A (ja) * 2015-06-29 2017-01-19 富士通株式会社 フィルム型圧力センサ及びその製造方法

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