JPH1090097A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寄生容量の増加を抑制できる静電容量型圧力
センサを得る。 【解決手段】 ダイアフラム（可動側基体）１０は、表
面にダイアフラム電極（可動側電極パターン）１４を備
えていて、裏面にオイル，水等の流体の圧力が加わると
その圧力の大きさに応じて撓む。ベース基板９は、表面
にダイアフラム電極１４と対向する固定側電極パターン
１２と該固定側電極パターン１２に接続し且つベース基
板（固定側基体）９の表面上を並んで延びる２つの固定
側端子パターン１３ａ，１３ｂとを有する。オイル，水
等の流体がダイアフラム１０の裏面上に存在することに
より発生する寄生容量を減少させるように、ダイアフラ
ム１０の外周部側に延びて固定側端子パターン１３ａ，
１３ｂと対向する円板状電極パターンによりダイアフラ
ム電極１４を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電容量型圧力セン
サに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に静電容量型圧力センサは、図７
（Ａ），（Ｂ）に示すような固定側基体を構成するベー
ス基板１０１と可動側基体を構成するダイアフラム１０
２とを環状の絶縁体１０３を介して対向させた構造を有
している。ベース基板１０１のダイアフラム１０２と対
向する面には、図７（Ａ）に示すように、固定側電極パ
ターン１０４と該固定側電極パターン１０４に接続され
た複数（２つ）の固定側端子パターン１０５ａ，１０５
ｂとが形成されている。固定側電極パターン１０４は、
主容量電極１０４ａと基準容量電極１０４ｂとから構成
されている。第１の固定側端子パターン１０５ａ及び第
２の固定側端子パターン１０５ｂは、主容量電極１０４
ａ及び基準容量電極１０４ｂの端子電極をそれぞれ構成
しており、固定側電極パターン（１０４ａ，１０４ｂ）
からベース基板１０１の外周部に向かって延びている。

【０００３】また、ダイアフラム１０２のベース基板１
０１と対向する面には、図７（Ｂ）に示すように、ダイ
アフラム電極（可動側電極パターン）１０６と該ダイア
フラム電極１０６に接続されたダイアフラム側端子（可
動側端子パターン）１０７とが形成されている。ダイア
フラム電極１０６は第１の電極部１０６ａと第２の電極
部１０６ｂとから構成されている。第１の電極部１０６
ａと第２の電極部１０６ｂとはダイアフラム側端子１０
７により電気的に相互に接続されている。ダイアフラム
側端子１０７は固定側端子パターン１０５ａ，１０５ｂ
に沿うようにダイアフラム電極１０６からダイアフラム
１０２の外周部に向かって延びている。

【０００４】この静電容量型圧力センサを用いてオイ
ル、水等の圧力を測定する場合には、まず、ダイアフラ
ム１０２の裏面にオイル、水等の流体により圧力が加わ
ることによりダイアフラム１０２が撓んで、主容量電極
１０４ａと第１の電極部１０６ａとの間の静電容量が変
化する。そこで、主容量電極１０４ａと第１の電極部１
０６ａとの間の主静電容量と、基準容量電極１０４ｂと
第２の電極部１０６ｂとの間の基準静電容量とに基づい
て圧力の値を算出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
静電容量型圧力センサでは、固定側端子パターン１０５
ａ，１０５ｂとダイアフラム側端子１０７との間におけ
る寄生容量が増加して、主静電容量及び基準静電容量に
基づいて測定した容量に寄生容量が加わってしまい、流
体の圧力測定に誤差が生じるという問題があった。寄生
容量は下記のような理由により増加するものと考えられ
る。図８は図７のダイアフラム側端子１０７と固定側端
子パターン１０５ａ，１０５ｂとが対応する部分におけ
る静電容量型圧力センサの断面図である。本図に示すよ
うに、ダイアフラム側端子１０７と固定側端子パターン
１０５ａ及び１０５ｂとは斜め向いに位置している。ま
た、ダイアフラム１０２の裏面にはオイル等の誘電物質
または水等の導電物質からなる被測定流体Ｅが存在して
いる。このような静電容量型圧力センサにおいては、ダ
イアフラム側端子１０７から外側に出た電気力線Ｄ1 …
の一部は、被測定流体Ｅを通って、斜め向いに位置して
いる固定側端子パターン１０５ａ，１０５ｂに戻る。こ
のため被測定流体Ｅが誘電物質の場合には、固定側端子
パターン１０５ａ，１０５ｂとダイアフラム側端子１０
７との間に誘電率の高い物質が存在することにより寄生
容量が増加すると考えられる。また被測定流体Ｅが水等
の導電性物質の場合には、電気力線Ｄ1 …が導電性物質
を通ることにより、電気力線Ｄ1の一部が曲げられて極
めて短い距離で、固定側端子パターン１０５ａ，１０５
ｂに戻る。これによって固定側端子パターン１０５ａ，
１０５ｂとダイアフラム側端子１０７との間の寄生容量
が増加すると考えられる。

【０００６】また、図９に示すように、ダイアフラム側
端子１０７を２つの電極１０７ａ，１０７ｂに分極し、
電極１０７ａ，１０７ｂを固定側端子パターン１０５
ａ，１０５ｂとにそれぞれ対向させた場合は、電極１０
７ａの端部から外側に出た電気力線Ｄ2 …の一部が誘電
物質または導電物質である被測定流体Ｅを通って固定側
端子パターン１０５ａに戻り、電極１０７ｂの端部から
外側に出た電気力線Ｄ3…の一部が誘電物質または導電
物質である被測定流体Ｅを通って固定側端子パターン１
０５ｂに戻る。

【０００７】本発明の目的は、寄生容量の増加を抑制で
きる静電容量型圧力センサを提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、上記目的に加えて組
立ての容易な静電容量型圧力センサを提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面に可動側
電極パターンが設けられて、裏面に加わる圧力を受ける
とその圧力の大きさに応じて撓む絶縁性材料からなる可
動側基体と、可動側基体と間隔をあけて配置され表面に
可動側電極パターンと対向する固定側電極パターンと該
固定側電極パターンに接続された複数の固定側端子パタ
ーンとが設けられて支持手段に支持された絶縁性材料か
らなる固定側基体とを具備し、複数の固定側端子パター
ンが固定側電極パターンから固定側基体の外周部に向か
って延びている静電容量型圧力センサを対象にする。本
発明では、可動側基体の表面に複数の固定側端子パター
ンと対向して寄生容量の増加を抑制する寄生容量増加抑
制用電極部を設ける。

【００１０】本発明のように寄生容量増加抑制用電極部
を設けると、寄生容量増加抑制用電極部から外側に出た
電気力線は、可動側基体の裏面に存在するオイル等の誘
電物質または水等の導電物質（圧力を測定する被測定流
体）を通って相手方の固定側端子ターンに戻るためにか
なり長い距離を必要とする。そのため、電気力線が誘電
物質を通る場合でも、距離が長くなる分、寄生容量の増
加の影響を小さくできる。また電気力線が導電物質を通
る場合でも、短い距離で戻ってくる電気力線の数が減る
ことにより、寄生容量の増加を抑制することができる。

【００１１】寄生容量増加抑制用電極部は、例えば、寄
生容量の増加を抑制するように、可動側電極パターンを
可動側基体の外周部側に延ばして複数の固定側端子パタ
ーンと対向させることにより構成することができる。可
動側電極パターンを延ばして、寄生容量増加抑制用電極
部を可動側電極パターンにより形成する場合に寄生容量
の増加を抑制させるためには、寄生容量増加抑制用電極
部から出て可動側基体の裏面に位置する誘電物質または
導電物質を通る電気力線が固定側端子パターンに至るま
での距離が十分長くなって寄生容量の増加が小さくなる
ように寄生容量増加抑制用電極部の大きさ（面積）及び
形状を定める。この大きさ及び形状は、固定側端子パタ
ーンの大きさ及び形状に応じて異なってくる。特に寄生
容量増加抑制用電極部の端部が固定側端子パターンの端
部を超える距離が長くなればなるほど、電気力線の距離
が長くなる。なお、寄生容量増加抑制用電極部は、可動
側電極パターンと電気的に接続されていてもよいし、可
動側電極パターンと電気的に接続されていなくても構わ
ない。

【００１２】前述の通り、寄生容量増加抑制用電極部
は、寄生容量の増加を抑制できるものであれば、その形
状及び寸法は適宜に定めることができる。例えば、複数
の固定側端子パターンが形成される表面の１つの領域と
全面的に対向するように可動側電極パターンの一部を突
出させて寄生容量増加抑制用電極部を形成することがで
きる。また、可動側電極パターンを固定側電極パターン
及び複数の固定側端子パターンの両方と対向する直径を
有する円板状電極パターンにより形成して、円板状電極
パターンの外周部を寄生容量増加抑制用電極部とするこ
ともできる。このように円板状電極パターンを形成すれ
ば、寄生容量増加抑制用電極部が全周に亘って形成され
るため、固定側基体と可動側基体とが相対する位置関係
が本来の位置よりずれていても、寄生容量の増加を抑え
ることができる。そのため、固定側基板と可動側基板と
の位置決めが容易になる。

【００１３】なお、寄生容量は、裏面に誘電率または導
電率の高い流体の圧力が加わる可動側基体を用いる静電
容量型圧力センサ、即ちオイル，水等の流体の圧力を測
定する静電容量型圧力センサにおいて顕著に増加する。
また、複数の固定側端子パターンが固定側基体の表面上
を延びている静電容量型圧力センサにおいても寄生容量
は増加しやすい。そこで、このように寄生容量の増加し
やすい静電容量型圧力センサに本発明を適用すれば、有
効的に効果を得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施
の形態の一例の静電容量型圧力センサを備えた圧力セン
サモジュールの概略断面図である。図１に示すように圧
力センサモジュールはコネクタアセンブリ１が圧力セン
サアセンブリ２に固定された構造を有している。コネク
タアセンブリ１はコネクタ３に環状支持体４が係合され
た構造を有している。また圧力センサアセンブリ２は、
静電容量型圧力センサ５と回路基板６とハウジング７と
から構成されている。

【００１５】この圧力センサモジュールでは、ハウジン
グ７の高圧力流体供給路７ａを通して供給されたオイル
や水からなる被測定流体が圧力センサ５のダイアフラム
１０に圧力を作用させる。これにより、圧力センサ５が
被測定流体の圧力の変化を容量の変化として測定し、測
定した信号は、圧力センサ５のベース基板９上の回路基
板６の回路に送られる。そして、圧力値を示す信号は、
回路基板６上の回路で処理された後に、コネクタ３の端
子部材３ａを介して該端子部材３ａと接続された図示し
ない機器に更に送られる。

【００１６】静電容量型圧力センサ５は、図２の断面図
に示すように、固定側基体を構成するベース基板９と可
動側基体を構成するダイアフラム１０とを環状の絶縁体
１１を介して対向させた構造を有しており、ベース基板
９がハウジング７，コネクタ３及び環状支持体４からな
る支持手段に支持された状態で、静電容量型圧力センサ
５はハウジング７内に配置されている。ベース基板９は
セラミックから形成されており、ダイアフラム１０と対
向する面には、図３（Ａ）に示すように、固定側電極パ
ターン１２と複数（２つ）の固定側端子パターン１３
ａ，１３ｂとが形成されている。固定側電極パターン１
２は、径方向に間隔をあけて形成された主容量電極１２
ａ及び基準容量電極１２ｂから構成されている。主容量
電極１２ａは、金ペーストを用いてスクリーン印刷によ
り形成されており、厚みが０．７μｍ、直径が７．８ｍ
ｍの円環状の形状を有している。基準容量電極１２ｂは
主容量電極１２ａと同様に金ペーストを用いてスクリー
ン印刷により形成されており、その厚みは０．７μｍで
あり、外周の直径は１５ｍｍである。基準容量電極１２
ｂは、主容量電極１２ａを部分的に囲む円弧形状を有し
ている。第１の固定側端子パターン１３ａは、主容量電
極１２ａに接続されており、第２の固定側端子パターン
１３ｂは、基準容量電極１２ｂの一端に接続されてい
る。固定側端子パターン１３ａ，１３ｂは固定側電極パ
ターン１２からベース基板９の外周部に向かって並んで
延びている。

【００１７】ダイアフラム１０は裏面に流体の圧力が加
わるとその圧力の大きさに応じて撓むセラミックからな
る絶縁性材料により形成されており、その裏面は、Ｏリ
ング８ａと、該Ｏリング８ａの外側に同心的に配置され
たバックアップリング８ｂとを介してハウジング７の圧
力センサ収納室７ｂの底面７ｂ1 と対向している。ダイ
アフラム１０のベース基板９と対向する面（表面）に
は、図３（Ｂ）に示すように、ダイアフラム電極（可動
側電極パターン）１４とダイアフラム側端子（可動側端
子パターン）１５とが形成されている。ダイアフラム電
極１４は金ペーストを用いてスクリーン印刷により形成
されている。このダイアフラム電極１４は厚み０．７μ
ｍ、直径１８．６ｍｍの円板状電極パターンにより形成
されており、測定流体のオイルまたは水がダイアフラム
１０の裏面上に存在することにより発生する寄生容量の
増加を減少させる大きさを有している。具体的には、オ
イルが付着する範囲（Ｏリング８ａで囲まれた範囲）に
対応する部分をやや上回る大きさに形成されており（図
２）、固定側電極パターン１２及び２つの固定側端子パ
ターン１３ａ，１３ｂと対向する直径を有している。

【００１８】ダイアフラム側端子１５は、ダイアフラム
電極１４からダイアフラム１０の外周部に向かって延び
ている。このダイアフラム側端子１５は、固定側端子パ
ターン１３ａ，１３ｂと沿うように延びているが、ダイ
アフラム側端子１５が延びている部分は、オイルが付着
する範囲（Ｏリング８ａで囲まれた範囲）に対応する部
分を外れているため、この部分で寄生容量が大幅に増加
することはない。

【００１９】この静電容量型圧力センサ５では、高圧力
流体供給路７ａを流れる流体（オイル，水）によりダイ
アフラム１０の裏面に圧力が加わるとダイアフラム１０
が撓み、固定側電極パターン１２の主容量電極１２ａと
ダイアフラム電極１４との間の間隔が変化して主容量電
極１２ａとダイアフラム電極１４との間の静電容量が変
化する。この静電容量型圧力センサ５を用いて流体の圧
力を測定する場合には、主容量電極１２ａとダイアフラ
ム電極１４との間の主静電容量と、基準容量電極１２ｂ
とダイアフラム電極１４との間の基準静電容量とに基づ
いて圧力の値を算出する。本実施例の静電容量型圧力セ
ンサ５では、図４に示すように、オイル（誘電物質）ま
たは水（導電物質）からなる被測定流体Ｅが存在する部
分に対応する部分では固定側端子パターン１３ａ，１３
ｂと該固定側端子パターン１３ａ，１３ｂを大きく上ま
わる面積のダイアフラム電極１４とが対向している。別
の見方をすると、ダイアフラム電極１４の固定側端子パ
ターン１３ａ，１３ｂと対向する部分は、寄生容量の増
加を抑制する寄生容量増加抑制用電極部を構成してい
る。そのため、ダイアフラム電極５の固定側端子パター
ン１３ａ，１３ｂと対向する部分（寄生容量増加抑制用
電極部）から外側に出た電気力線Ｄ…は被測定流体Ｅを
通って固定側端子パターン１３ａ，１３ｂに戻るのにか
なり長い距離を必要とする。その結果、寄生容量は非常
に小さくなる。特に寄生容量増加抑制用電極部の端部１
４ａ，１４ｂが固定側端子パターン１３ａ，１３ｂの端
部１３ａ1 ，１３ｂ1 を超える距離が長くなればなるほ
ど、電気力線の距離が長くなる。

【００２０】次に本実施例の静電容量型圧力センサと図
７に示す従来の静電容量型圧力センサとに固定側端子パ
ターンに対応するダイアフラムの裏面の部分にそれぞれ
同量のオイル（誘電物質）または水（導電物質）を存在
させて容量値２５ｐＦに対する変化量を測定した。なお
従来の静電容量型圧力センサはダイアフラム電極を除い
ては本実施例の静電容量型圧力センサと同じ構造を有し
ている。表１はその測定結果を示している。

【００２１】

【表１】 本表より、オイル（誘電物質）及び水（導電物質）のい
ずれが存在する場合においても、本実施例の静電容量型
圧力センサでは、寄生容量の増加を抑制でき、容量の変
化量（誤差）を少なくできるのが分る。

【００２２】図５は、本発明の他の実施の形態の静電容
量型圧力センサ２０５のダイアフラム電極２１４の形状
を示している。この例では、ダイアフラム電極２１４を
除いては、前述の静電容量型圧力センサ５と同じ構造を
有している。なお、本図では、理解を容易にするため、
固定側電極パターン１２及び固定側端子パターン１３
ａ，１３ｂを実線及び点々で示し、固定側電極パターン
１２及び固定側端子パターン１３ａ，１３ｂに対応する
位置におけるダイアフラム電極２１４を破線で示してい
る。この例では、ダイアフラム電極２１４は固定側電極
パターン１２と対応する円板状電極パターン２１４ａと
寄生容量増加抑制用電極部２１４ｂとから構成されてい
る。寄生容量増加抑制用電極部２１４ｂは、複数の固定
側端子パターン１３ａ，１３ｂが形成される表面の１つ
の領域と全面的に対向するように円板状電極パターン２
１４ａから突出して形成されている。

【００２３】図６は、本発明の更に他の実施の形態の静
電容量型圧力センサ３０５のダイアフラム電極３１４の
形状を示している。この例も、ダイアフラム電極を除い
ては、前述の静電容量型圧力センサ５と同じ構造を有し
ている。この例では、ダイアフラム電極３１４は、主容
量電極１２ａに対応する第１の電極部３１４ａと基準容
量電極１２ｂに対応する第２の電極部３１４ｂと寄生容
量増加抑制用電極部３１４ｃとから構成されている。寄
生容量増加抑制用電極部３１４ｃは、前述の寄生容量増
加抑制用電極部２１４ｂと同様に複数の固定側端子パタ
ーン１３ａ，１３ｂが形成される表面の１つの領域と全
面的に対向するように第１の電極部３１４ａから突出し
て形成されている。言い換えるならば、このダイアフラ
ム電極３１４は、従来の図７（Ｂ）に示すダイアフラム
電極（可動側電極パターン）１０６に寄生容量増加抑制
用電極部３１４ｃを組み合わせたものに相当する。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、寄生容量増加抑制用電
極部を設けるので、寄生容量増加抑制用電極部から外側
に出た電気力線は、可動側基体の裏面に存在するオイル
等の誘電物質または水等の導電物質（圧力を測定する被
測定流体）を通って相手方の固定側端子ターンに戻るた
めにかなり長い距離を必要とする。そのため、電気力線
が誘電物質を通る場合でも、距離が長くなる分、寄生容
量の増加の影響を小さくできる。また電気力線が導電物
質を通る場合でも、短い距離で戻ってくる電気力線の数
が減ることにより、寄生容量の増加を抑制することがで
きる。その結果、流体の圧力測定に誤差が生じるのを抑
制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の一例の静電容量型圧力
センサを配置した圧力センサモジュールの断面図であ
る。

【図２】 本発明の実施の形態の一例の静電容量型圧力
センサの断面図である。

【図３】 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態の
一例の静電容量型圧力センサのベース基板（固定側基
体）及びダイアフラム（可動側基体）の平面図である。

【図４】 本発明の実施の形態の一例の静電容量型圧力
センサにおいて、誘電物質または導電物質が存在する部
分に対応する部分における断面図である。

【図５】 本発明の他の実施の形態の静電容量型圧力セ
ンサのダイアフラム電極の形状を示す図である。

【図６】 本発明の更に他の実施の形態の静電容量型圧
力センサのダイアフラム電極の形状を示す図である。

【図７】 （Ａ）及び（Ｂ）は、従来の静電容量型圧力
センサのベース基板（固定側基体）及びダイアフラム
（可動側基体）の平面図である。

【図８】 従来の静電容量型圧力センサにおいて、ダイ
アフラム側端子と固定側端子パターンとが対応する部分
における断面図である。

【図９】 従来の他の例の静電容量型圧力センサにおい
て、ダイアフラム側端子と固定側端子パターンとが対応
する部分における断面図である。

【符号の説明】

５ 静電容量型圧力センサ ７ ハウジング（支持手段） ８ａ Ｏリング ９ ベース基板 １０ ダイアフラム １２ 固定側電極パターン １３ａ，１３ｂ 固定側端子パターン １４，１１４，２１４ ダイアフラム電極（可動側電極
パターン） Ｄ 電気力線 Ｅ 被測定流体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に可動側電極パターンが設けられ
   て、裏面に加わる圧力を受けるとその圧力の大きさに応
   じて撓む絶縁性材料からなる可動側基体と、 前記可動側基体と間隔をあけて配置され表面に前記可動
   側電極パターンと対向する固定側電極パターンと該固定
   側電極パターンに接続された複数の固定側端子パターン
   とが設けられて支持手段に支持された絶縁性材料からな
   る固定側基体とを具備し、 前記複数の固定側端子パターンが前記固定側電極パター
   ンから前記固定側基体の外周部に向かって延びている静
   電容量型圧力センサにおいて、 前記可動側基体の前記表面に前記複数の固定側端子パタ
   ーンと対向して寄生容量の増加を抑制する寄生容量増加
   抑制用電極部を設けたことを特徴とする静電容量型圧力
   センサ。
2. 【請求項２】 前記寄生容量増加抑制用電極部は前記複
   数の固定側端子パターンが形成される前記表面の１つの
   領域と全面的に対向するように前記可動側電極パターン
   の一部が突出して形成されている請求項１に記載の静電
   容量型圧力センサ。
3. 【請求項３】 表面に可動側電極パターンが設けられ、
   裏面に流体の圧力が加わるとその圧力の大きさに応じて
   撓む絶縁性材料からなる可動側基体と、 前記可動側基体と間隔をあけて配置され表面に前記可動
   側電極パターンと対向する固定側電極パターンと該固定
   側電極パターンに接続された複数の固定側端子パターン
   とが設けられて支持手段に支持された絶縁性材料からな
   る固定側基体とを具備し、 前記複数の固定側端子パターンが前記固定側電極パター
   ンから前記固定側基体の外周部に向かって前記固定側基
   体の前記表面上を延びている静電容量型圧力センサにお
   いて、 前記流体が前記可動側基体の裏面上に存在することによ
   り発生する寄生容量の増加を抑制させるように、前記可
   動側電極パターンが前記可動側基体の外周部側に延びて
   前記複数の固定側端子パターンと対向していることを特
   徴とする静電容量型圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記可動側電極パターンは、前記固定側
   電極パターン及び前記複数の固定側端子パターンの両方
   と対向する直径を有する円板状電極パターンからなる請
   求項３に記載の静電容量型圧力センサ。