JPS5844324A - 静電容量形圧力トランスジユ−サ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は差動圧カドランスジューサ、特に静電容量膨圧
力トランスジエーサに関する。

圧力検知器はしばしばメタライズ部分即ち電極を設けた
少なくとも一枚の可撓性ダイアフラムを有し、この電極
と同様にメタライズ部分を有する別のダイアフラムと共
同して感圧コンデンサを形成している。これらの圧力ト
ランスジューサは圧力に対する静電容量の変化が非直線
性である特有の欠点を有する。このため、従来の圧力静
電容童形圧カトランスジエーサの静電容量変化をより直
線的なものにするため各種の技術が開発されて老友。こ
の種の技術には、電極の各所を除去して複雑な電極パタ
ーンを作シ、総合出力がよシ直綜状にするため、圧力検
知器の個有な非直線性と電子回路的非直線性とを組合せ
た電子回路を利用する技術がある。しかしながらこのよ
うな技術によれば、技巧的な電極パターンと複雑な電子
回路が必要となシ、検知器が複雑となり、検知器は更に
高１ｆｌｉＫなり、その信頼性は低下する。

本発明は貫通孔を有する中央部材と、印加される圧力差
に応答して変形し、且つ該中央部材の両側で該貫通孔を
中心に対向して配置された一対の電気絶縁性弾性ダイア
クラムとを有する静電容量形圧力検知優即ちトランスジ
ューサに関する。これらのダイアフラムは、相互に間隔
を介して分離され、ガラス状シールによって中央部材の
両側に接着されて雨間に密封キャビティを形成している
。

このトランスジユーサは更に上記貫通孔を貫通し各ダイ
アフラムの内面と接続して各ダイアフラムの偏位量を他
方のダイアフラムに伝達する支柱部材と、中央部材の両
面に設けた第１対の導電層、即ち電極と、各ダイアフラ
ムの内面に設けた第２対導電層とを有し、これら対向す
る導電層によって第１圧力応動コンデンサＣ１ｌおよび
ｇ２圧力応動コンデンサＣｉ２を形成し、これによって
これら２つのコンデンサの容量変化を等しく且つ極性が
逆になるよう構成している。トランスジユーサは更に信
号発生装置を有し、該装置は第１．第２３ンデンサの容
量値変化に応じて出力信号を発生すると共に圧力の関数
としての静電容量の変化に生じる非直線性成分を減少さ
せ、とれによって発生用力信号の特性を弾性ダイア７２
ムに印加された圧力差に応じて直線状とし良ものである
。

従って、本発明の目的拡より直線状の出力信号を有する
差動圧カトランスジエーサを提供することである。本発
明のその他の目的は上述した非直錬性を相当に瀘少し、
複雑な補償用電子回路を必要としない静電容量膨圧力ト
ランスジエーサを提供することである。本発明の別の目
的は高感度の静電容量膨圧カドランスジューサを提供す
ゐことであゐ。

本発明の利点はダイアクラムとこれに対応する電極の対
称性から誘導される。この関係は本発明の製品が温度便
化に不感であると共に共通モードの除去が可能であるこ
とを示す。

ζこで圧カドランスジューサ２０の主要部分を示す第１
図ないし第４図を参照する。圧カドランスジューサ２０
は開孔２４が貫通している中央支持体２２を有する、好
ましい実施例では、中央支持体は端部で支持される円板
である６この端部支持は第１図には図示してないが、１
第５図に横形的に示しである。中央支持体２２は、好ま
しくは、はぼ零のヒステレクス特性と低熱膨張率を有す
る材料で形成される。この種類の材料としてアルミナ、
パイレックスおよび溶融石英などかあ八本発明の好まし
い実施例として、円形の中央支持体２２を使ってはいる
が、その他の形状の中央支持体でありてもよい。トラン
スジユーサは更に可撓性ダイアフラム３０および３２か
らなる２枚の小形円板を有し、これらは好ましくは中央
支持体２２の中心軸と同軸関係にある。可撓ダイアフラ
ム３０および３２は中央支持体２２と同一材料で作ると
よい。ダイアフラムは例えば環状のガラスフリット封止
体３４．３１！のような公知の一対の環状封止体によっ
てその相互間および中央支持体２２と離隔平行関係に保
持される。環状封止体３４．３５は公知の方法、例えば
シルクスクリーニング、真空蒸着、ｔたはスパッタリン
グで中央支持体に被着できる。

ダイアフラム３０．３２の外面に圧力が加わったとき中
央支持体２２が曲がるのを防止するため、中央支持体２
２を各ダイアクラム３０．３２よシも強固に作る仁とが
望ましい。更に１温変の影響を低減するためにダイアフ
ラムと中央支持体を同一材料から作るとよい。更に１検
知器内に生じる機械的応力を減少させるため、封止体３
４．３８の機械的特性をダイアフラムおよび中央支持体
の特性と類似させるとよい。典形的な封着材は；ネチカ
ット州ダンベリ所在のヴイツタ（ｖｌｔｔａ）　　コー
ポレーシ冒ン製のガラス転写テープ０１０１５　　のよ
うな溶融石英ガラスである。ダイア７２ム３０および３
２、封着部３４および３６および中央支持体２２は共同
してこれらの関に気密封止室４０を作る。

圧力カプセル２０は更に中央スペーサ、リンク或いは支
柱５０を有し、これは前記開孔２４中を貫通してダイア
フラム３０および３２の内側に接続している。支柱ＳＯ
はダイアフラムにガラスと類似の封着材５２および５４
で接続している。支柱ＳＯの長さおよび封着材５２およ
び５４の厚さ紘、平常状態即ちダイアフラムに圧力が加
わっていない時に１一対のダイアフラムが平行で事実上
無応力状１１に一致するように決められる。トランスジ
ユーサ２０は更に中央部材の両面およびダイア７ラム３
０．３２に接着その他の方法で職付けられた複数個の電
極を有する。これらの電極は少なくとも２個の圧力応動
コンデンサを形成する。

これらの感圧コンデンサを形成する電極の形状は多種類
ある。実施例として、２種の電極形状を図示するがダイ
アプラム３０と中央支持体２２０間並びに中央支持体２
２とダイアフラム３２の関にある電極は如何なる外形を
とってもよいが、両者の電極形状は実質上等しいもので
あることに注目されたい。

ダイアフラム３０の内面５６上の電極Ｂｏａの平面図は
第２図に示される。第１図に示す電極と同じ形状の電極
Ｂｏｂはダイアフラム３２の内面５８上にも設けられる
。ダイアフラム３０は中央に位置する環状電極６０＆を
有し封着部３４に取囲まれて位置している。電極Ｂｏａ
は電極リード６２ｍと６４＆を含んでいる。リー“ドロ
２ｍおよび６４ｍの環状電極Ｂｏａからダイアフラム３
０の縁部まで伸びている。第２図は更に封着部５２と電
極６０ｍとの間の関係４示し忙いる。

本発明の一実施例によれば、中央支持体と両ダイアフラ
ム上の電極配列によって第１感圧コンデンサＣ１ｌと第
２感圧コンデンサＣ１を形成している。別の実施例によ
れば、電極配列は第１および第２感圧コンデンサＣａｌ
およびＣ１２のほかに第１および第２基準コンデンサＣ
ｒｔ　、　Ｃｒ２をも形成している。

第３図は電極１１０ｍおよび６０ｂと協働して２個の感
圧コンデンサＣｓｌおよびＣｓ２を形成する中央支持板
上の電極配列の一実施例を示す。この配列は第６図また
は第７図に示すブリッジ回路のどちらＫも利用される。

この構成において、中央支持体２２には放射状に延びる
リード８２に接続した中央に位置する環状電極８０を有
する。電極ｓＯは環状封着部３４および／または３６の
内方に位置し、開孔２４を包囲している。

第４図は中央支持体上に設ける電極配列の他の実施例を
示すもので、この配列によって２個の感圧コンデンサＣ
■１およびＣｍｓと２個の基準コンデンサＣｒｌおよび
Ｃｒｚを形成する。詳細には、中央支持体２２０両側に
は開孔２４の周囲を取囲み中央に位置する環状電極ｓＯ
を有している。放射状に伸びるリードｓ２が電極９０か
ら支持体２２０縁部に延びている。支持体２２は更に第
２のほぼ環状に近いＣ形をした電極ｓ４を有し、部分的
にではあるが環状電極９０を包囲している。電極９４も
また放射状に延びているリード９６を有する。

電極６０ｍと９０間の撓みは電極９４とＢｏａ間の撓み
よシ大きいことは明らかである。従って、電極９４と１
Ｉｏａとの間に形成されたコンデンサは、その静電容量
は目立った変化をしないので基準；ンデンサｃｒとして
使用し、ダイアクラム３０または３２の圧力応動部内の
中心部に位置する電極ｌＩＯと６０ｍ間のコンデンサは
感圧コンデンサＣｓとして使用される。圧力トランスジ
ユーサ２０の製造中、各電極にあるリード８２．９２．
９４は各ダイアフラム３０．３２の内面にあるリード６
２および６４から等間隔に方向付けされていることが望
ましい。

第６図および第７図は２種の測定用ブリッジを示してい
るが、これは周知の方法でトランスジューｔ２０のコン
デンサを形成している各電極で形成出来るかも知れない
。第６図に示すブリッジ１００は４個のコンデンサ０１
〜Ｃ４を有する。第６図に示す測定ブリッジ回路は容量
性電極構成である。第６図に示すコンデンサＣ１とＣ２
は感圧コンデンサＣ１およびＣｓ２に対応させて考える
ことが出来る。またコンデンサＣ３およびＣ４は基準コ
ンデンサに対応するが、これらにトランスジューサ２０
内にある基準コンデンサを使用してもよいし、トランス
ジユーサに無関係の個別のコンデンサを使用してもよい
。ブリッジ１００の出力電圧拡その静電容量値に比例す
ることが明らかである。この関係は下記の（１）式で与
えられる。

第７図は別の測定ブリッジ１１０を示すが、これは４Ｉ
Ｋ感圧コンデンサＣ１およびＣ２に接続され九ダイオー
ドＤ１〜Ｄ４で構成されている。このブリッジの出力電
圧は同様に静電容量値に比例し欠配の（２）式で与えら
れる。

第６図および第７図の測定ブリッジは本発明によって得
られる多段感圧コンデンサのみならず単一感圧コンデン
サを有する圧力トランスジューサの容量変化を測定する
のく使用することが出来る。

従来技術の単一感圧コンデンサを有する感圧器において
は、第６図のコンデンサブリッジの出力電圧は式（１）
で与えられる。更に１式（１）の有頂は定数なので、出
力電圧に組合わされて変形出力電圧ＥＯ’　、　Ｅｏを
形成する。式（３）はその結果の出力電圧関係式である
。

可変静電容量Ｃｓは次式で与えられる。

ここでＡは比例定数で、ノｄ１はコンデンサＣｓを形成
する電極板間の定格間隙ｄ１の変化量である。

式（４）を式（３）に代入して次項を導入すると、（３
）式は次の様になる、 式（６）を２項展開に、よって展開すると式（７）を得
るが、これは従来形圧力検知器が変移に対して非直線的
に変化することを明白にしている。

Ｅｏ’＝１−ｘ＋ｘ２−ｘ”＋ｘ’−＠＠＠＠　　　　
　　（７）コンデンサ板間の間隔は印加圧力に比例する
ので、式（７）はｔ九出力電圧が圧力に対して非直線状
に変化することを示している。

これに反し、第６図または第７図のどちらかのブリッジ
回路と組合わせたトランスジューサ２０によって発生し
た出力電圧はコンデンサ板の分離の仕方の変化によって
直線状に変化する。

例示すると、トランスジューサが第６図のブリッジ回路
に接続され、Ｃ１とＣ２がＣａｌと０２と忙それぞれ等
しいとすると、出方電圧ＥＯは式（８）％式％ コンデンサＣ１とＣ１２の初期値が等しいことを考えれ
ば、比例常数Ａ１とＡ２および初期間隔ｄ１とｄ２が等
しいこととなる。更にΔｄｌとｊｄ２とが数値が等しく
、また符号は反対の関係にある。

それ故、式（８）で表示された出力電圧Ｅｏは次のよう
に書くことが出来る。

ｄ２＋Δｄ２ Ｅｏ　Ｏｅ　−（ｇ） ｄｚ 式（９）は、出力電圧ＥＯが各コンデンサｃ１および／
を九ｆｉｃｍ２の極板間の間隙の変化に直線状に比例す
ることを示している。あるいは、出力電圧が印加圧力差
に比例していることが見られる。出力電圧の直線性の改
善を示す類似の関係が第７図のダイオードプリクジ回路
に関しても誘導し得る。

更に１本発明の非常に好ましい特性は、これが高度に共
通モード除去を示すこと、即ち、圧力カプセルおよび付
属電子回路は圧力差のみに応答して印加された絶対圧力
値には応答しない、ということである。この特性はダイ
アフラム３０および３２および付属電極の対称性に起因
するもので、この対称性は支持体２２に対するダイアフ
ラムの曲がシの第一次相殺を生じる。多くの動作姿態に
おいて、カプセルは高い基礎圧力を受けてこの基礎圧力
を中心とする変動を測することが要求される。この動作
姿態は第８図に模式的に示されるが、この時印加圧力即
ち基礎圧力Ｐ１およびＰ２は事実上等しい。これらの圧
力に応答してダイアフラムは図示の様に変形する８圧力
検知コンデンサＣｓｌとＣＩ２は等変化をするので、ブ
リッジ回路１００および１１Ｇは平衡状態において印加
圧力がわずかに変化して圧力差が生じるまでは出力信号
を生じない。

この状態はダイアフラム３０ｔ７ｔは３２のような１枚
のダイアフラムと支持体２２のよう主支持体との間にあ
る単一感圧コンデンサを有するトランスジューサで例示
される従来技術の動作に対比される。共通モード状態に
おいては、即ち印加圧力ＰｌとＰ２が等しいとき、トラ
ンスジューサは単一感圧コンデンサの値の変化のために
出力信号を発生することとなろう。

第３図および第４図に示す様な電極形状がダイアフラム
３Ｇと３２および支持体２２上に位置する圧力カプセル
２ａをブリッジ１００と組合わせて利用し、更に１基準
コンデンサＣｒｌとＣｒ２および感圧コンデンサＣｓｌ
とＣＩ！２の公称値が等しいとすると、温度変化に応じ
て全コンデンサは同一量同一方向に変化し、従ってブリ
ッジ１００をやはや平衡状態に保持する、上述の温度補
償作用はブリッジ１００によって同様に表示される。

動作に際し、圧力カプセル２０はハウジング中にここで
引用文献として採用するアナスタシア（Ａｎａｓｔａｓ
ｉａ　　）　Ｋよる米国特許出願（Ｕ、Ｓ、８．Ｎ、）
１６４．７５８　　号明細書中の開示と類似した要領で
Ｘ中央支持体２２の周囲に端部クランプを設け、第１圧
力をダイアフラム３０の受圧間に１第２圧力がダイアフ
ラム３２の受圧面につながる様に支持体２２で隔てられ
た２−個の受圧室を作るように設置する　圧力がないか
、または同一圧力が両ダイアフラムに印加されると、両
ダイアフラムは中央支持体２２から等距離ｄ１およびａ
Ｘに維持される、圧力差が存在すると、ダイアフラム３
ｏおよび３２は第５図に示すように曲がるｊ例えば圧力
Ｐ１が圧力Ｐ２よりも大きいとすると、ダイアフラム３
０と中央支持体２２との間隔が減少し、一方ダイア７ラ
ム３２と中央支持体２２との間隔は増加する。出力信号
が上述の弐忙従って発生し。

静電容量の変化と印加圧力また社印加圧力差の間に事実
上更に直線状の関係を生じる、。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるｉ電容量形差動圧カドランスジュ
ーサの断面図、第２図は電極パターンを有する一方の弾
性ダイアフラムの平面図、第３図は中央部材上に設けた
電極形状の一実施例平面図、第４図は中央部材上に設け
た電極形状の他の実施例を示す図、第５図は曲がり九位
置での圧力トランスジューサを示す断面図、Ｉｓ６図は
コンデンサ測定ブリッジを示す図、第７図は他のダイオ
ード測定ブリッジを示す図、第８図は共通モードを説明
するための差動圧カドランスジューサの断面図である、 ２Ｇ−・・・圧カドランスジューサ、２２・・・―中央
部材、２４・−拳・貫通孔、８０．３２ｅ・・・弾性ダ
イアフラム、３４．３ｇ・・働・ガラス状シール、４０
・・・拳密封キャビティ、５０・・―会友柱部材、６０
ａ、ｂ　　・・・・導電層第１対、８Ｇ、９０．９２・
・・・導電部材第２対、１１４．！１８・・・・基準＝
ンデンサ装置、１００・・・・コンデンサブリッジ回路
、１００　、１１０−・・―信号発生装置。 特許出願人　　ザ・ペンデイックス・コーポレーシ冒ン
代理人　山川政−樹（ほか１名） 図面の浄杏（内容に変更なＬ唱 θグ３ 昭和５；７手持　　許願第ｔｌｏｇＥｓＧ号２１発日■
の名称 ｍｆ１３３を部用〃トラシスジ′＝−サ３、補正をする
者 事件との関係　　　　特　　　許出願人名称（氏名）　
ザ°ベンデイツクス０ コーポレーシ一ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）貫通孔（２４）を有する中央部材（２２）と、印
   加された圧力に応じて偏位し、上記貫通孔の周囲で相互
   に並行関係に配置されると共にガラス状シール（３４，
   ３６）を介して上記中央部材の側面に接着して両者間に
   密封キャビティ（４０）を形成している一対の電気絶縁
   性弾性ダイアフラム（＄０゜３２）と、 前記孔を貫通し、一方のダイア７−ｙムの偏位を他方の
   ダイアフラムの偏位と関係をもたせるために、各ダイア
   フラムに接続した支柱部材（５０）と、前記中央部材の
   両面に設けた第１対導電層（ＩＯａ。 ｓｏｂ　）と、 前記各ダイアフラムの内面に設けられ、上記中央部材に
   設けた導電層と協働してＭｌおよび第２圧力可変コンデ
   ンサを形成し、これら；ンデンナの容量値変化が実質的
   に”郷しく且つ逆極性となるような第２対導電体（８Ｇ
   、１１０．９２）　ト、を有することを特徴とする静電
   °容量形圧力トランスジエーサ。 （２５前記第１および前記第２圧力町変コンデンサの静
   電容量値は、前記両ダイアフラムにゼロまたは岬圧力が
   印加されたとき、はぼ等しいことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のトランスジューサ。 （３）印加圧力に対してほぼ不感の一対のコンデンサを
   作る九めに前記両ダイアフラムと前記中央部材に配置さ
   れた基準コンデンサ装蓋を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載のトランスジューサ。 （４）前記中央部材を支持し前記中央部材と共同して第
   １印加圧力を前記ダイア７２ムの一方に伝適し第２印加
   圧力を前記ダイアフラムの他方に伝達する部材をなす外
   囲部材を有することを特徴とする特許請求の範囲第３項
   に記載のトランスジ具−サ。 （呻貫通孔（２４）を有する中央部材（２２）と、印加
   圧力に応じて偏位し、上記貫通孔の周囲で相互に並行関
   係に配置されると共にガラス状１シール（３４，３８）
   を介して上記中央部材の側面に接着して両者間に密封キ
   ャビティ（４０）を形成している一対の電気絶縁性弾性
   ダイアフラム（３０，３２）と、前記孔を貫通し、一方
   のダイアフラムの偏位を他方のダイアクラムの偏位と関
   係をもたせるために、各ダイアフラムに！！続した支柱
   部材（５０）と、前記中央部材の両面に設けた第１対導
   電層（６０）と、 前記各ダイアフラムの内面に設けられ、上記中央部材に
   設けて導電層と協働して第１および第２圧力町変コンデ
   ンサを形成し、これらコンデンサの容量値変化が実質的
   に等しく且つ逆極性となるような第２導電体（８０，９
   ０，８２）と、前記第１および前記第２コンデンサの値
   に応じて圧力の関数としての静電容量変化の非直馨性成
   分を最小限にする出力信号を発生する信号装置とから成
   シ、上記出力信号は前記弾性ダイアフラムに印加され九
   圧力差に応動して実質的によ抄直線性であることを特徴
   とする静電容量膨圧力トランスジエーサ。 （６）前記トランスジューサは前記圧力可変コンデンサ
   に付属する基準コンデンサ装置（９４，１１１１）を有
   することをＩｌ！！黴とする特許請求の範囲第５項に記
   載のトランスジューサ。 （η前記基準コンデンサは前記密封キャビティ内に位置
   している仁とを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
   のトランスジューサ。 （６）前記中央部材を支持するため、および前記中央部
   材と共同して第１印加圧力を前記ダイアフラムの１つに
   伝達し第２印加圧力を前記ダイアフラムの他方に伝達す
   る部材を定めるために外囲部材を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第７項に記載のトランスジューサ。 （９）貫通孔（２４）を有する中央部材（２２）と、印
   加された圧力に応じて偏位し、上記貫通孔の周囲で相互
   に並行関係に配！されると共にガラス状シール（３４，
   ３６）を介して上記中央部材の側面に接着して両者間に
   密封キャビティ（４０）を形成している一対の電気絶縁
   性弾性ダイアクラふと、前記孔を貫通し、一方のダイア
   フラムの優位を他方のダイアフラムの偏位と関係をもた
   せるためＫ、各ダイアフラムに接続した支柱部材（ＳＯ
   ）と、少なくとも２個の圧力検知コンデンサの電極を形
   成する九めに前記ダイアフラムの内面に設けた電極装ｆ
   ｔ（６Ｇ、９０．９２）と、 前記少なくとも２個の圧力検知コンデンサのそれぞれに
   接続し、前記少なくとも２個の圧力検知コンデンサ間の
   間隔の変化に応動して出力信号を発生するコンデンサブ
   リッジ回路（１００）を含む検出装置とからなり、上記
   コンデンサブリッジ回路は前記少なくとも２個の圧力検
   知コンデンサの対応間隙が実質上等しいときは、出力信
   号がゼｐであるように平衡状態に保持されていることを
   特徴とする静電容量形トランスジューサ。