JPH07243929A

JPH07243929A - 静電容量型圧力センサ

Info

Publication number: JPH07243929A
Application number: JP6459494A
Authority: JP
Inventors: Toshio Tate; 敏夫舘; Satoshi Nakao; 悟志中尾; Hideto Ishikawa; 秀人石川
Original assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で、測定精度が高く、直線性も良
いものにする。【構成】流体の圧力が印加される絶縁体のダイヤフラ
ム１１と、ダイヤフラム１１の裏面に平面的に形成され
た第一電極１３と、ダイヤフラム１１と一定間隔を隔て
て対面して設けられた絶縁体のベース基板１２と、ベー
ス基板１２の表面に形成され、第一電極１３と対面して
同様に設けられた第二電極１４とを有する。ベース基板
１４の表面の中央部に、第二電極１４の外周縁部で囲ま
れる部分の面積に対して０．２５％〜２５％の面積の凹
部１６を形成し、ダイヤフラム１１とベース基板１２と
を一定間隔隔てて接続したスペーサ部材１５が設けられ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流体圧力をダイヤフ
ラムに導いてその歪を電気的に検出し、圧力の値を電気
的出力として得る静電容量型圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量型圧力センサは、特公昭
６０−３４６７８号公報及び図７に示すように、セラミ
ックス等の円板状の薄板からなるダイヤフラム１と、そ
の裏面側の一部に形成された円板状の第一電極３を有
し、これと対面するように第二電極４が形成されたベー
ス基板２が設けられている。そして、第一電極３と第二
電極４との間隔は、ダイヤフラム１及びベース基板２の
周縁部に設けられたガラスフリット等の封着剤５により
１０〜数十μｍ程度の一定の間隔に保持されている。さ
らに、この接着剤５により、ダイヤフラム１及びベース
基板２の両者が、気密状態で接合されている。

【０００３】この静電容量型圧力センサは、ダイヤフラ
ムに圧力がかかると、そのダイヤフラムが変位し、第一
電極３と第二電極４の間の距離が変わり、その電極間の
静電容量が変化により、圧力を電気的に検知するもので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術の場
合、第一電極３と第二電極４との間隔が１０〜数十μｍ
と微小であり、ダイヤフラム１に加わった圧力によって
ダイヤフラム１が撓み、第一電極３が第二電極４に接触
してしまい、測定不能となってしまうということがあっ
た。また、ダイヤフラム１の厚みを増して撓みを少なく
すると、感度が落ちてしまうという相反する問題があっ
た。さらに、この従来の静電容量型圧力センサは、初期
静電容量に対する加圧時の静電容量の変化に大きなばら
つきがあり、測定精度が良くないものであった。また、
ダイヤフラム１は、中心部ほど撓み量が大きく、周縁部
に向かうに従い撓み量が小さくなるので、圧力に対する
静電容量の変化が直線的ではないという問題もあった。

【０００５】そこで、特開平５−１７２６７５号公報及
び図６に示すように、ダイヤフラム１に形成された第一
電極３をリング状に形成したものも提案されている。こ
れによって、電極面積が減少するので、静電容量が落ち
感度も低下するが、曲線的に撓む中心部に電極がないの
で、感度のばらつきが減少し、さらに、圧力に対する静
電容量変化の直線性が向上するというものである。

【０００６】しかし、ダイヤフラム１側の第一電極３を
リング状にすることによる弊害である感度の低下に対し
て、感度の変動が少なくなり直線姓が向上するという効
果が相対的に小さく、十分な改善がなされないものであ
った。即ち、第一電極３のリング内径を大きくしていく
と感度変動及び直線性が良くなり、感度自体は逆に低下
する。そして、この従来技術の場合、第一電極３の内径
を大きくすればするほど、感度変動の減少より感度低下
の割合が大きく、結果的に測定精度が悪化しているもの
であった。従って、直線性を良くしようとすると測定精
度が低下するという相反する問題があった。

【０００７】この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑
みて成されたもので、簡単な構成で、測定精度が高く、
直線性も良い静電容量型圧力センサを提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、流体の圧力
が印加されるアルミナ等のセラミックスやジルコニア、
シリコン、水晶等の絶縁体のダイヤフラムと、このダイ
ヤフラムの裏面に平面的に印刷または真空蒸着等により
形成された第一電極と、上記ダイヤフラムと一定間隔を
隔てて対面して設けられたアルミナまたはジルコニア等
の絶縁体のベース基板と、このベース基板の表面に形成
され、上記第一電極と対面して同様に設けられた第二電
極と、上記ベース基板表面の中央部に上記第二電極外周
縁部で囲まれる部分の面積に対して０．２５％〜２５％
の面積の凹部と、上記ダイヤフラムと上記ベース基板と
を一定間隔隔てて接続したガラス等のスペーサ部材とか
ら成る静電容量型圧力センサである。

【０００９】上記第一電極及び第二電極は、ほぼ等しい
外径の円形に形成され、上記第二電極の凹部は上記第二
電極の外形に対して５％〜５０％の径の円形に形成さ
れ、上記第二電極は、上記凹部よりわずかに外側に内縁
部が位置したリング状に形成されているものである。ま
た、特に、上記第二電極の凹部は、上記第二電極の外径
に対して１０％〜４０％の径の円形に形成されているも
のである。さらに、上記凹部の深さは、上記第一電極と
第二電極の間隔よりも深いものである。

【００１０】

【作用】この発明の静電容量型圧力センサは、ダイアフ
ラムと対面したベース基板表面の中央部に、凹部が形成
されているので、ダイアフラムの撓みに対して、その撓
んだ先端部が第二電極に容易に接触することがないもの
である。また、第二電極中央部に凹部が形成されている
ことにより、曲面的に湾曲するダイアフラム中央部によ
る非直線的な容量変化の影響や、その他の浮遊容量によ
る感度の変動等の影響が少なく、広い範囲で、圧力に対
して直線性の良い静電容量の変化を得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下この発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図１、図２はこの発明の第一実施例を示す
もので、この実施例の静電容量型圧力センサ１０は、流
体の圧力が印加されるアルミナ製の円形のダイヤフラム
１１と、このダイヤフラム１１は、例えば厚さが０，８
１ｍｍに形成され、その裏面に平面的に円形に形成され
第一電極１３が設けられている。第一電極１３は、銀ペ
ーストや銀パラジウム等の導電性ペーストにより印刷形
成されたものである。さらに、ダイヤフラム１１と一定
間隔を隔てて対面した、アルミナ製の円形のベース基板
１２が設けられている。このベース基板１２の表面に
は、第一電極１３と対面して同様に形成され、ほぼ等し
い外径の第二電極１４が設けられている。

【００１２】第二電極１４は、第一電極１３と等しい外
径のリング状に形成されている。ベース基板１２の表面
の、第二電極１４のリング内径より内側の表面中央部に
は、例えば、深さが１ｍｍ以下で、第一，第二電極１
３，１４間の間隔より深く、約０．０５〜３．０ｍｍ程
度の深さの、円形の凹部１６が形成されている。この凹
部１６の径は、第二電極１４の外径に対して５％〜５０
％の範囲内の円形に形成されている。そして、第二電極
１４は、凹部１６の側縁部よりわずかに外側に内縁部が
位置したリング状に形成されているものである。また、
第二電極１４の外側縁部には、図２に示すように、この
第二電極１４に接続される端子接続部１７が延長されて
形成され、端子接続部１７の中央部に端子挿入孔１８が
位置している。

【００１３】ダイヤフラム１１とベース基板１２とは、
その周縁部にガラスフリットによるスペーサ部材である
封着剤１５が設けられ、第一電極１３と第二電極１４と
が、互いに１０〜３０μｍの範囲内で一定の間隔を隔て
て対面し、その内部空間が気密状態に形成されている。
この封着剤１５には、一定間隔に形成するために、中に
一定の大きさのセラミックビーズが混合されている。

【００１４】この実施例の静電容量型圧力センサ１０に
ついて、第二電極１４の外形を一定にして、内径及び凹
部１６を変化させたものの性能測定結果を表１に示す。
このデータは、各々の凹部１６の径毎にサンプル数ｘ＝
１００の平均値を示すものである。

【００１５】

【表１】

【００１６】ここで、Ｃ₀は圧力がかからない状態での
初期静電容量、Ａは第一電極１３の面積、εは第一，第
二電極１３，１４間の気体の誘電率、δは第一，第二電
極１３，１４間の距離である。これにより、この静電容
量型圧力センサ１０の静電容量Ｃは、Ｃ＝ε・Ａ／δ （１）とあらわされる。また、感度の変動係数（σ／ｘ×１０
０％）は、各グループ毎の平均感度に対する各サンプル
の感度のばらつきの平均値である。直線性（ＬＩＮ）はＬＩＮ（％）＝ΔＮＬ／（Ｃ_FS−Ｃ₀）×１００（２） ΔＮＬ＝Ｃ_n−｛Ｃ₀＋ｎ（Ｃ_FS−Ｃ₀）／ＦＳ｝（３）Ｃ_nは圧力ｎｋｇ／ｃｍ²のときの静電容量であり、ＦＳ
はその測定範囲のフルスケール圧力値であり、Ｃ_FSはフ
ルスケール圧力ＦＳｋｇ／ｃｍ²のときの静電容量であ
る。

【００１７】また、比較例として、上記従来技術の図６
に示す静電容量型圧力センサ１０の性能測定結果を表２
に示す。このデータは、各々の第一電極３の内径を変え
て、その径毎に、感度、感度の変動係数、及び直線性に
ついて計測したもので、サンプル数ｘは、ｘ＝１００で
ある。

【００１８】

【表２】

【００１９】この実施例の静電容量型圧力センサ１０に
おいて、ダイヤフラム１１の中心から距離ｒでの変位量
Δδ_rは、ダイヤフラム１１の半径をａとすると、 Δδ_r＝Ｋ・Ｐ（ａ²−ｒ²）² （４）であらわされ（Ｋは、ダイアフラム１１の材質による定
数）、式（１）、（４）より第一電極１３の中央部と周
縁部とでは大きく静電容量が異なり、中央部が撓みが大
きく、静電容量変化も大きいものとなる。従って、感度
の変動や、直線性に対しても大きく影響しているのが、
電極中央部の静電容量であると言える。

【００２０】そこで、この実施例と、上記図６の従来技
術とを比較すると、上記図６の従来技術では、ダイアフ
ラム１の、中央部の電極を除去したリング状の第一電極
３を形成して、直線性を向上させ感度の変動を抑えてい
るものである。しかし、表２に示すように、第一電極３
のリング内径を大きくしていくと感度変動及び直線性は
良くなるが、感度自体は逆に低下し、第一電極３の内径
を大きくすればするほど、感度変動の減少より感度低下
の割合が大きくなり、結果的に測定精度が悪化している
ものであった。

【００２１】他方、この実施例の静電容量型圧力センサ
１０は、表１に示すように、凹部１６の形成により、第
二電極１４をリング状にしているので、感度は、上記従
来の技術と同様に、第二電極１４の内径を大きくすると
低下してくるが、感度の変動係数が従来技術の約６５％
以下に小さくなる。また、直線性も、従来技術の表２の
ものと比較して大きく向上していることが分かる。特
に、電極外径が１０ｍｍに対して、凹部１６の径が、
０．５〜５．０ｍｍの範囲で大きな効果が得られている
ことが分かる。また、感度の低下と変動係数との関係で
は、凹部１６の径が１．０〜４．０ｍｍの範囲が良好な
性能を示している。又、凹部１６の径が、０．５ｍｍ
（外径に対して５％）未満では、表１に示すように、変
動係数や直線性の改善効果が小さく、５．０ｍｍ（外径
に対して５０％）を越えると、感度の低下が大きくなる
過ぎて、測定精度が落ちてしまうものである。

【００２２】このように、上記図６に示す従来技術とこ
の実施例との、感度変動及び直線性の性能の差は、第
一，第二電極１３，１４間の静電容量には、第一電極１
３とベース基板１２との間の浮遊容量Ｃ_S1も加えられ、
この浮遊容量Ｃ_S1が感度変動や直線性に影響しているも
のである。

【００２３】従って、この実施例の静電容量型圧力セン
サ１０と、図６に示す従来の静電容量型圧力センサとを
比べると、図４、図５に示すように、第一電極１３とベ
ース基板１２との間の浮遊容量Ｃ_S1と、図５の従来技術
の場合の浮遊容量Ｃ_S2とで電極との間隔の違いから大き
な差が生じるものである。即ち、この実施例の静電容量
型圧力センサ１０の場合、浮遊容量Ｃ_S1は、凹部１６に
より第一電極１３と凹部１６の底部との間で形成され、
その間隔δ_S1が相対的に大きいものとなっている。これ
に対して従来技術の場合、図５に示すように、間隔δ_S2
が電極間距離と等しい。従って、浮遊容量Ｃ_S2は、浮遊
容量Ｃ_S1と比較して相対的に大きいものとなり、浮遊容
量をより少なくすることができるこの実施例の静電容量
型圧量センサ１０の、感度変動及び直線性が、従来のも
のと比較して、非常に良いものとなっているものであ
る。特に、凹部１６の深さを、第一電極１３と第二電極
１４の間隔よりも深いものにすることにより、より大き
な効果が得られるものである。

【００２４】尚、この発明の静電容量型圧力センサは、
上記の実施例に限定されるものではなく、凹部の形状
は、円形以外に方形や他の多角形状に形成しても良いも
のである。また、第一電極や第二電極の外形も、円形の
他方形や他の多角形に形成しても良い。さらに、電極の
形成は、導電性ペーストを印刷する他、真空蒸着等の薄
膜形成技術を用いて、形成しても良いものである。ま
た、場合によっては、凹部内にも、第二電極から連続し
て導体部が形成されていても良い。

【００２５】

【発明の効果】この発明の静電容量型圧力センサは、ベ
ース基板中央部に凹部を形成して、その周囲に第二電極
を形成したもので、圧力を検知する感度の変動が少な
く、しかも、直線性の良い検知が可能となるものであ
る。

【００２６】また、特に、第二電極は上記凹部よりわず
かに外側に内縁部が位置したリング状に形成することに
より、ダイアフラムが大きく撓んでも第一電極が第二電
極と接触しにくく、たとえ凹部の周縁部に第一電極が接
触しても、周縁部角部には、電極が形成されていないの
で、第一電極と第二電極が接触することがないものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の静電容量型圧力センサの
縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】この実施例の静電容量型圧力センサのベース基
板及び第二電極の縦断面図である。

【図４】この実施例の静電容量型圧力センサの縦断面図
である。

【図５】従来の静電容量型圧力センサの拡大縦断面図で
ある。

【図６】従来の静電容量型圧力センサの縦断面図であ
る。

【図７】他の従来の静電容量型圧力センサの縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１，１１ダイアフラム２，１２ベース基板３，１３第一電極４，１４第二電極５，１５封着剤（スペーサ部材）１０静電容量型圧力センサ１６凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の圧力が印加される絶縁体のダイヤ
フラムと、このダイヤフラムの裏面に平面的に形成され
た第一電極と、上記ダイヤフラムと一定間隔を隔てて対
面して設けられた絶縁体のベース基板と、このベース基
板の表面に形成され上記第一電極と対面して設けられた
第二電極と、上記ベース基板表面の中央部に形成され上
記第二電極外周縁部で囲まれる部分の面積に対して０．
２５％〜２５％の面積の凹部と、上記ダイヤフラムと上
記ベース基板とを一定間隔隔てて接続したスペーサ部材
とから成る静電容量型圧力センサ。
【請求項２】上記第一電極及び第二電極は円形に形成
され、上記第二電極の凹部は上記第二電極の外径に対し
て５％〜５０％の径の円形に形成され、上記第二電極は
上記凹部よりわずかに外側に内縁部が位置したリング状
に形成されている請求項１記載の静電容量型圧力セン
サ。
【請求項３】上記第一電極及び第二電極はほぼ等しい
外径の円形に形成され、上記第二電極の凹部は上記第二
電極の外径に対して１０％〜４０％の径の円形に形成さ
れている請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項４】上記凹部の深さは、上記第一電極と第二
電極の間隔よりも深いものである請求項１，２又は３記
載の静電容量型圧力センサ。