JPH112578A

JPH112578A - 静電容量型圧力センサ

Info

Publication number: JPH112578A
Application number: JP15629497A
Authority: JP
Inventors: Yuko Fujii; 優子藤井; Kenzo Ochi; 謙三黄地
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】複数接続された暖房端末器に要求通りの温度
の温水を供給する。【解決手段】エアコン等の高温暖房端末器１４につな
がる温水回路は、熱交換器１で加熱された高温水が直接
搬送される回路と、熱交換器１の手前で分岐された低温
水が流れるパイパス経路１５と、高温端末器につながる
往き接続口手前から分岐した回路を流れる加熱された高
温水とが合流して床暖房等の低温暖房端末器１３に供給
する回路で構成されている。これによって、バイパス経
路１５に低温水量を制御する水量可変装置が設けられて
いるため、低温暖房端末器１３に送る温水温度を高温水
温度に影響されることなく任意に調整することができ
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
ンサに関し、さらに詳しく言えば、固定基板に固着した
電極とダイヤフラムに固着した電極とによりコンデンサ
を構成し、そのダイヤフラムに作用する圧力をそれら両
電極間の静電容量に変換して出力する静電容量型圧力セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の静電容量型圧力センサは
特開平５−２３１９７４号公報に記載されているような
ものが一般的であった。この静電容量型圧力センサは図
５に示すように、アルミナ製のダイアフラム１と、その
ダイアフラム１とほぼ同じ直径を持つアルミナ製の円形
の固定基板２を備えている。ダイヤフラム１の下面に
は、その外周縁から内側に離れて円板状の第一の電極３
が固着してある。この第一の電極３の直径はダイヤフラ
ム１の直径よりも小さく、したがって、第一の電極３の
外周縁とダイヤフラム１の外周縁の間には環状部が形成
されている。

【０００３】固定基板２の上面の中央には、その外周縁
から内側に離れて円板状の第二の電極４が固着してあ
る。この第二の電極４の直径は固定基板２の直径よりも
小さいため、第二の電極４の外周縁と固定基板２の外周
縁の間には環状部が形成されている。さらに、この環状
部には溝５が形成されている。また、第一の電極３の直
径は、固定基板３の第二の電極４の直径にほぼ等しく形
成されている。

【０００４】接着層６は、断面が矩形のソルダガラス製
で、固定基板２とダイヤフラム１の周縁部を円環状に接
合、封止している。第一の電極３と接着層６の間、第二
の電極４と接着層６の間には間隙がそれぞれ形成してあ
る。また、第一の電極３と第二の電極４の間には間隙が
形成され、その間隙と第一の電極３と第二の電極４によ
ってコンデンサを構成している。第一の電極３と第二の
電極４は、図示しないリード線を介して図示しない電気
回路に接続される。

【０００５】固定基板２にダイヤフラム１を接合する際
には、固定基板２の環状部上に流動状としたソルダガラ
スをスクリーン印刷などにより付着させた後、その上に
ダイヤフラム１を電極を互いに対向させるように重ね合
わせ、さらに加圧して焼付けを行なって硬化し接合させ
る。また、加熱、加圧の際に環状部上に付着された溝５
にソルダガラスが流れ込み、それ以上第二の電極４側に
流れ込むことが無いように構成されている。

【０００６】そして、上記従来の静電容量型圧力センサ
では、ダイヤフラム１のたわみ径、すなわち圧力の作用
を受けて撓むことができる範囲が、接着層６の内周縁の
位置によって決定される。このため、接着層６の内周縁
の位置は、ダイヤフラム１の有効範囲の大きさ、すなわ
ちたわみ径に直接影響を与える。

【０００７】上記従来の容量型圧力センサでは、接着層
６の材料として流動状のソルダガラスを用いており、し
かも、固定基板２にダイヤフラム１を接合する工程で、
第一の電極３と第二の電極４の間隙が所定の小さな値、
例えば約３０〜４０／μmになるまで固定基板２上の流
動状ソルダガラスを加圧して焼き付ける。このため、加
圧、焼付けの際に、その接着層６であるソルダガラスが
第一の電極３と第二の電極４側のそれぞれに流れ込み、
接着層６の半径方向幅が所定値よりも大きくなることが
あるという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記する問題を防ぐた
めに固定基板２に溝５を設ける手段が知られているが、
溝５が第二の電極４側のみに設けられているので、加熱
した際に接着層６のソルダガラスが第二の電極４側に流
動し図６に示すように偏りが生じる。つまり接着層６が
第二の電極４側に傾いてしまうため、ダイアフラム１が
撓み初期特性にばらつきが生じてしまう。さらに、ソル
ダガラスの流動が１方向におこることからダイアフラム
１に内部応力が加わってしまい、温度特性などの基本特
性についても悪影響を及ぼしていた。

【０００９】また、接着層６の流動を防ぐために固定基
板２に溝５を図に示すように接着層６の内側に設けてい
るが、ダイアフラム１には設けていないため、加圧焼成
した際にダイアフラム１の第一の電極３側に接着層６の
ソルダガラスが流動してしまう。このため、図７に示す
ようにダイアフラム１の撓み径が減少してしまい、感度
が低下するとともに、感度にばらつきが生じるという問
題がある。

【００１０】そこで、本発明の目的は、簡単な構成で静
電容量特性のばらつきを小さくすることができる静電容
量型圧力センサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の静電容量型圧力
センサは上記課題を解決するために、第一の電極を有す
るダイヤフラムと、前記第一の電極に所定の間隔をあけ
て対向し第二の電極を有する固定基板と、前記固定基板
およびダイヤフラムを接合する接着層とを備えていて、
前記ダイヤフラムに作用する圧力を前記第一の電極と第
二の電極間の静電容量の変化として検知する静電容量型
圧力センサにおいて、前記固定基板に前記接着層を囲む
環状の溝を有しており、その溝によって前記接着層の流
動を抑制したものである。

【００１２】上記発明によれば固定基板上の接着層を囲
むように設けられた溝が加圧、焼成時に接着層が固定基
板上において第二の電極側接着層の外側に流動するのを
均一に抑制するため、接着層が偏ることがない。さらに
は撓み径を変化させることがないため、センサの初期容
量のばらつきを抑制し、センサ特性のばらつきも低減す
ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は各請求項に記載の形態に
て実施できるものであり、請求項１に記載のように、第
一の電極を有するダイヤフラムと、前記第一の電極に所
定の間隔をあけて対向し第二の電極を有する固定基板
と、前記固定基板およびダイヤフラムを接合する接着層
とを備えていて、前記ダイヤフラムに作用する圧力を前
記第一の電極と第二の電極間の静電容量の変化として検
知する静電容量型圧力センサにおいて、前記固定基板に
前記接着層を囲む環状の溝を形成することにより、硬化
前の流動状の接着層が前記第二の電極側に流動しようと
しても、その溝により妨げられ、それより内側に入り込
む恐れがない。このため、接着層の幅（半径方向長さ）
がほぼ一定になり、その結果、ダイヤフラムの有効範囲
の直径もほぼ一定になる。そこで、静電容量特性のばら
つきをほとんどなくすことができる。さらに、溝を電極
側のみならず、接着層の外側にも設けているので接着層
の流動が均一におこり、接着層が一方に偏ることがな
い。このため、ダイアフラムが撓むことが無いので初期
容量のばらつきも低減することができる。

【００１４】また、請求項２に記載のようにダイヤフラ
ムにも接着層を囲む環状の溝を設けることによって硬化
前の流動状の接着層が第一の電極側に流動しようとして
も、その溝により妨げられ、それより内側に入り込む恐
れがない。このため、接着層の幅（半径方向長さ）がほ
ぼ一定になり、その結果、ダイヤフラムの有効範囲の直
径もほぼ一定になる。そこで、静電容量特性のばらつき
をほとんどなくすことができる。

【００１５】また、請求項３に記載のように、固定基板
またはダイアフラムに形成する環状の溝をレーザ加工に
より形成することにより、溝の深さを容易に変更でき、
さらにダイアフラムのような板厚の薄い基板にも溝を形
成することができる。

【００１６】また、請求項４に記載のように、固定基板
またはダイアフラムに形成する環状の溝を超音波加工に
より形成することにより、溝の深さを容易に変更でき、
さらにダイアフラムのような板厚の薄い基板にも溝を形
成することができる。

【００１７】また、請求項５に記載のように、固定基板
またはダイアフラムに溝を形成した後、熱処理を行うこ
とにより、固定基板やダイアフラムに溝を設けたことに
より発生した内部応力を除去し、初期特性のばらつきや
センサの温度特性などの基本特性のばらつきを抑制する
ことができる。

【００１８】また、請求項６に記載のように、固定基板
またはダイアフラムをアルミナで構成し、アルミナ基板
に溝を形成した後、熱処理を約８００〜１１００℃で行
うことにより、熱処理はアルミナ基板の原子の移動が起
こる８００℃から、アルミナ粒界がすべりをおこさない
１１００℃でおこなうことになり、固定基板やダイアフ
ラムに溝を設けたことにより発生した内部応力を除去
し、初期特性のばらつきやセンサの温度特性などの基本
特性のばらつきを抑制することができる。

【００１９】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づ
いて詳細に説明する。なお、図５ないし図７に示す従来
例における部分と同じ部分については同一符号を付与し
詳細な説明を省略する。

【００２０】（実施例１）図１は、本発明の容量型圧力
センサの一実施例の断面図である。

【００２１】図１において、静電容量型圧力センサは、
円形の固定基板２と、その固定基板２とほぼ同じ直径を
持つ円形のダイヤフラム１とを備えている。固定基板２
の上面の中央には、固定基板２の外周縁から内側に離れ
て円板状の第二の電極４が固着してある。この第二の電
極４の直径は固定基板２の直径よりも小さいため、固定
基板２の上面には、その外周縁と第二の電極４の外周の
間に環状部が形成されている。固定基板２およびダイヤ
フラム１は、ここではいずれもアルミナ製としてある。
しかし、他の絶縁性材料ももちろん使用可能であり、ダ
イアフラム１及び固定基板２の形状についても円形にか
ぎらない。

【００２２】環状部には、第二の電極４の外周縁に近接
して、接着層６を囲むように環状の溝７、８が形成して
ある。この溝７、８は、断面形状がＶ字形であり、硬化
する前の流動状の接着層６が半径方向内側及び外側に流
動するのを抑制する作用をするものである。さらに、溝
７、８は、ここでは断面Ｖ字形としているが、他の形状
（例えば断面矩形、Ｕ字形）としてもよい。この溝７、
８は、アルミナ製の固定基板２を例えば金型でプレス成
形する際に、その金型に溝７、８に対応する形状の環状
突起を形成しておくことにより容易に形成できる。

【００２３】また、レーザ加工や超音波加工によっても
容易に形成できる。レーザ加工や超音波加工の場合は前
述の環状突起を形成する場合と比較して容易に溝の深さ
を調節することができ、さらに板厚の薄い基板にも容易
に溝が形成できる。

【００２４】ダイヤフラム１の下面には、ダイヤフラム
１の外周縁から内側に離れて円板状の第一の電極３が固
着してある。この第一の電極３の直径はダイヤフラム１
の直径よりも小さいため、ダイヤフラム１の下面には、
その外周縁と第一の電極３の外周縁との間に環状部が形
成されている。第一の電極３の直径は、固定基板３上に
設けられた第二の電極４の直径にほぼ等しい。

【００２５】第一の電極３、第二の電極４は、例えば、
固定基板２またはダイヤフラム１の面上に金あるいは銀
ペーストをスクリーン印刷してから焼き付けたり、スパ
ッタリングにより付着させたりして固着させることがで
きる。第一の電極３、第二の電極４には、それぞれリー
ド線（図示省略）が接続してあり、それらのリード線を
介して所定の電気回路に接続する。

【００２６】接着層６はソルダガラス製で、第一の電極
３、第二の電極４間に所定の間隙が形成されるように固
定基板２およびダイヤフラム１の外周部を接合すると共
に、それらの間を封止している。接着層６の断面形状は
略矩形で、その下面は、固定基板２の環状部に、その外
周縁側と電極側に設けられた溝７、８の間で接着してあ
る。第二の電極４と接着層６の間には、環状の間隙が形
成してある。接着層６の上面は、ダイヤフラム１の環状
部に接着してあり、その接着面の半径方向幅は接着層６
の下面の接着面の半径方向幅とほぼ同じである。第一の
電極３と接着層６の間にも、環状の間隙が形成してあ
る。

【００２７】ダイヤフラム１は、外周部を接着層６に接
着されているので、その撓むことのできる範囲すなわち
有効範囲は、接着層６の内周縁よりも内側すなわち中心
側の部分である。その有効範囲の直径は、接着層６の内
周縁の直径にほぼ等しい。

【００２８】接着層６によって固定基板２とダイヤフラ
ム１とを接合する際には、まず、固定基板２の環状部に
設けられた溝７、８の間の環状部に、スクリーン印刷な
どにより流動状のソルダガラスを塗布する。次に、その
ソルダガラスの上にダイヤフラム１を第一の電極３を下
に向けて重ね合わせる。その後、ダイヤフラム１を一定
圧力で加圧しながら加熱し、そのソルダガラスを焼き付
けて固定基板２とダイヤフラム１を接合、封止する。こ
のとき、第一の電極３と第二の電極４間との間隙が所定
値になるように圧力などを調整する。こうして固定基板
２とダイヤフラム１は、図１に示すように一体化され
る。

【００２９】この静電容量型圧力センサでは、固定基板
２の第二の電極４の外側に溝７と接着層６の外側に溝８
が設けてあるため、加圧、加熱の際に、環状部上に付着
されたソルダガラスが電極側に流動しようとしても、そ
のソルダガラスは溝７及び８内に流れ込み、その流動性
によりそれ以上内側には流れ込むことができない。さら
に、接着層６の外側にも溝８が設けていることから、ソ
ルダガラスの流動が内側と外側に均一におこるため接着
層が一方にかたよることがない。

【００３０】上記工程で３０個の静電容量型圧力センサ
を作成し初期容量のばらつきを測定した。この結果、初
期容量の平均値が６２．０７pFとなり標準偏差が３．２
pFとなった。従来の図５に示した静電容量型圧力センサ
では、平均値が７８．５６pFで標準偏差が１０．０pFで
あったことから、ばらつきを約１／３に抑制することが
でき歩留まりを向上することが可能となった。

【００３１】さらに、−３０℃〜６０℃の環境下で初期
特性を測定して温度特性を評価した。この結果、本発明
の圧力センサは１．５％FSの温度特性を有するのに対
し、図５に示した従来の圧力センサは３．２％FSもあり
温度特性を約１／２に低減することが可能となった。

【００３２】（実施例２）図２は本発明の実施例２にお
ける静電容量型圧力センサの断面図である。

【００３３】本実施例２において、実施例１と異なる点
はダイアフラム１に溝９、１０を設けて、接着層６の加
圧・焼成時にダイアフラム１の電極内部へ接着層６が流
動するのを抑制する点である。

【００３４】次に動作、作用を説明する。固定基板２の
環状部上にスクリーン印刷などによって、流動状のソル
ダガラスを塗布された接着層６は加圧、焼成することに
よってダイアフラム１と固定基板２をシールするが、第
一の電極３と第二の電極４を所定の間隔になるよう最適
な圧力を印加し焼成することによって所定の電極間隔に
設定する。

【００３５】接着層６を加圧、焼成する際に接着層６は
加圧されることによって電極側に押し出される。さらに
焼成することで流動し図７に示すようにダイアフラム１
の撓み径が減少する。

【００３６】静電容量型圧力センサはダイアフラム１が
被測定物によって撓み、それによって変化する電極間隔
を容量変化として検知し圧力を検出するものであり、特
性や感度に電極間隔は非常に大きな影響力をもつ。この
電極間隔にはダイアフラム１の板厚や撓み径（接着層６
の内径）が大きく関与しており、板厚は３乗分の１に比
例し、撓み径（半径）は、２乗に比例する。このため、
接着層６の流動により撓み径が若干変化しても感度に大
きな影響を及ぼす。

【００３７】しかし、本実施例の静電容量型圧力センサ
はダイアフラム１に接着層６の流動を抑制する溝９、１
０が設けられているため、接着層６を加圧、焼成した時
点においても余剰の接着層６が溝９、１０に入りこむた
め、撓み径が変化することがない。

【００３８】本実施例２の静電容量型圧力センサを３０
個作成し、感度を測定した。感度については、圧力を印
加しない時の出力（容量値）と２００mmH₂Oの圧力を印
加した時の出力を測定しその変化率を算出した。その結
果、感度の平均値が３５．８％で標準偏差が３．８％で
あった。図５に示した従来の静電容量型圧力センサでは
感度の平均値が２９．８％で標準偏差が９．４％であ
り、ダイアフラム１に溝９及び１０を設けることによっ
て感度のばらつきが約２．５分の１に抑制することがで
きた。

【００３９】（実施例３）図３は本発明の実施例３の製
造工程を示すフローチャートである。

【００４０】本実施例３において、実施例１および実施
例２と異なる点はダイアフラム１と固定基板２にレーザ
加工や超音波加工を施して溝を形成し、溝を形成した後
に熱処理を行う点である。これは、溝を形成することに
よって基板内に内部応力が生じるため、基板に反りが発
生してしまい、さらには温度特性などの圧力センサの特
性にばらつきや誤差が生じる。これを防ぐため、本発明
では溝を形成した基板に熱処理を施して基板内の内部応
力を取り除いた。

【００４１】特に、実施例１及び実施例２で説明したア
ルミナ基板を使用した場合について、高温処理温度を５
００℃〜１５００℃に設定し反りと温度特性の関係を評
価した。この結果を図４に示す。この結果から解るよう
に、熱処理温度は８００℃〜１１００℃が望ましいこと
が判明した。つまり、８００℃以下では、原子の移動が
なく、アルミナ基板の結晶化が行われないため完全に内
部歪みが取り除かれない。

【００４２】さらに１１００℃を越えるとフラックス成
分としてのガラスが高温域で軟化を起こしてしまうた
め、アルミナ粒界がすべりをおこす。

【００４３】このため、ダイアフラム１および固定基板
２が反ってしまう結果となる。つまり、ダイアフラム１
と固定基板２を使用したばあいは熱処理温度を約８００
℃〜１１００℃で行うことにより基板内の内部応力を取
り除くことができ反りや温度変化による基板の変動を抑
制することが可能となった。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
係る静電容量型圧力センサは接着層を取り囲むように固
定基板上に溝を設けているので、接着層が均一に溝に流
動するため、接着層が一方に流動することによって生じ
る偏りがなく、ダイアフラムが反ることがない。さら
に、溝を形成しているため撓み径が変動することがない
ためセンサ特性のばらつきが低減でき、初期容量のばら
つきも低減できるという効果がある。

【００４５】また、請求項２に係る静電容量型圧力セン
サはダイアフラムにも接着層を取り囲むように溝を形成
しているので、加圧・焼成しても撓み径が減少すること
が無いため、センサ特性のばらつきが低減できるという
効果がある。

【００４６】また、請求項３に係る静電容量型圧力セン
サは請求項１または２の溝をレーザ加工により形成して
いるので、容易に溝の深さを変更及び調節でき、さらに
は板厚の薄い基板にも溝を形成可能となる。

【００４７】また、請求項４に係る静電容量型圧力セン
サは請求項１または２の溝を超音波加工により形成して
いるので、容易に溝の深さを変更及び調節でき、さらに
は板厚の薄い基板にも溝を形成可能となる。

【００４８】また、請求項５に係る静電容量型圧力セン
サは溝を形成したダイヤフラムまたは固定基板に熱処理
を行うことで、内部応力を取り除き基板の反りを低減す
る。さらに、温度変化による基板の変動を低減できるた
め温度特性を低減することが可能となる。

【００４９】また、請求項６に係る静電容量型圧力セン
サは溝を形成したアルミナで構成されたダイヤフラムま
たは固定基板に８００℃〜１１００℃で熱処理を行うこ
とで、内部応力を効果的に効率良く取り除き基板の反り
を低減する。さらに、温度変化による基板の変動を低減
できるため温度特性を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における静電容量型圧力セン
サの断面図

【図２】本発明の実施例２における静電容量型圧力セン
サの断面図

【図３】本発明の実施例３における静電容量型圧力セン
サの製造工程を示すチャート

【図４】同実施例３における静電容量型圧力センサの熱
処理温度と反り及び温度特性の関係を示す特性図

【図５】従来の静電容量型圧力センサの断面図

【図６】従来の静電容量型圧力センサの一例を示す断面
図

【図７】従来の静電容量型圧力センサの他の例を示す断
面図

【符号の説明】

１ダイアフラム３第一の電極２固定基板４第二の電極６接着層５、６、７、８、９、１０溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の電極を有するダイヤフラムと、前記
第一の電極に所定の間隔をあけて対向し第二の電極を有
する固定基板と、前記ダイアフラムおよび前記固定基板
を接合する接着層とを備えていて、前記ダイヤフラムに
作用する圧力を前記第一の電極と第二の電極間の静電容
量の変化として検知する静電容量型圧力センサにおい
て、前記固定基板に前記接着層を囲む環状の溝を有し、
前記溝によって前記接着層の流動を抑制するようにした
ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
【請求項２】ダイアフラムに接着層を囲む環状の溝を有
しており、前記溝によって前記接着層の流動を抑制する
ようにしたことを特徴とする請求項１記載の静電容量型
圧力センサ。
【請求項３】固定基板またはダイアフラムに設けられた
溝はレーザ加工により形成されたことを特徴とする請求
項１または２記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項４】固定基板またはダイアフラムに設けられた
溝は超音波加工により形成されたことを特徴とする請求
項１または２記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項５】固定基板またはダイアフラムに溝を形成し
た後、熱処理を行うことを特徴とする請求項１ないし４
のいずれか１項記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項６】固定基板またはダイアフラムをアルミナで
構成し、アルミナ基板に溝を形成した後、熱処理を約８
００〜１１００℃で行うことを特徴とする請求項１ない
し５のいずれか１項記載の静電容量型圧力センサ。