WO2014049769A1

WO2014049769A1 - 静電容量型圧力センサ

Info

Publication number: WO2014049769A1
Application number: PCT/JP2012/074856
Authority: WO
Inventors: 茂信戸田; 敏久坂根
Original assignee: 株式会社エー・アンド・デイ
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-03

Abstract

【課題】簡素な構造とすることができる静電容量型圧力センサを提供する。【解決手段】固定電極板３を基板２の一方の面２ａに固定する一方、金属製ダイヤフラム６もフランジ部８をもって一方の面２ａに固着して、ダイヤフラム６の凹部底部７ａを可動電極板とすると共に、その凹部７内に固定電極板３を内包した状態とする。これにより、基板２の一方の面２ａを、固定電極板３を取付けるための取付け部として利用すると共に、ダイヤフラム６を、実質上の可動電極板及び固定電極板のカバーとして利用することとし、特別に封止基板を固定電極板３の取付け部材及びカバー部材として用意する必要性をなくす。また、金属製ダイヤフラム６のフランジ部８を有効に利用して、そのフランジ部８に、ダイヤフラム６の凹部底部７ａに電圧を印加するための電線としての役割をもたせる。さらに、ダイヤフラム６を金属製とすることにより、加工を容易にすると共に、そのダイヤフラム６のフランジ部８を、ハンダ付けをもって基板２に簡単に取付けることができるようにする。

Description

静電容量型圧力センサ

　本発明は、静電容量型圧力センサに関する。

　電子血圧計等には、測定者の血圧を測定すべく静電容量型圧力センサが広く用いられている。この静電容量型圧力センサには、例えば特許文献１に示すように、基板の一方の面側に固定電極板と可動電極板とを対向して配置し、固定電極板に対して可動電極板を、圧力の導出入によるダイヤフラムの変動作用に基づき接近、離間動可能とし、これにより、固定電極板と可動電極板との間の静電容量を変化させるものがある。
　具体的には、上記静電容量型圧力センサにおいては、基板における一方の面に、ダイヤフラム、封止基板を順次、積層配置し、基板に他方の面から一方の面（ダイヤフラム）に向けて圧力導出入孔を形成する一方、封止基板に、該封止基板とダイヤフラムとの間において凹所を形成して、その凹所内に圧力導出入孔をダイヤフラムを介して臨むようにしている。そしてその上で、封止基板の凹所底部に固定電極板を取付け、ダイヤフラムにはその凹所内に臨むようにして可動電極板を取付けている。これにより、この静電容量型圧力センサにおいては、上述の通り、圧力導出入孔からの圧力の導出入に基づいてダイヤフラムが変動して、可動電極板が固定電極板に接近、離間動することになり、固定電極板と可動電極板との間の静電容量が変化される。

特開２０１０－９１４６７号公報

　しかし、上記静電容量型圧力センサにおいては、基板に加えて、封止基板を別途用意しなければならないばかりか、封止基板の凹所底部に固定電極板が設けられると共にダイヤフラム外面に可動電極が設けられて、電極板のいずれもが基板から離間して配置される構成とされており、両電極板に電圧を印加するための配線が必要となっている。このため、このような静電容量型圧力センサにおいては、各電極板から基板に至らしめるまでの配線構造が複雑にならざるを得ない。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、極力、簡素な構造と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。

　前記目的を達成するために本発明（請求項１に係る発明）にあっては、
　基板の一方の面側に固定電極板と可動電極板とが対向して配置され、前記固定電極板に対して前記可動電極板が、圧力の導出入によるダイヤフラムの変動作用に基づき接近、離間動可能とされて、該固定電極板と該可動電極板との間の静電容量が変化される静電容量型圧力センサにおいて、
　前記固定電極板が、前記基板の一方の面に固定され、
　前記ダイヤフラムが、扁平状の凹部と該凹部の開口周縁より径方向外方に拡径される拡径部とを一体的に有する金属製部材により形成され、
　前記ダイヤフラムの拡径部が、該ダイヤフラムの凹部内に前記固定電極板を内包した状態で前記一方の面に固着され、
　前記ダイヤフラムにおける凹部の底部が、前記可動電極板として用いられ、
　前記基板に、前記ダイヤフラムの凹部内に開口する圧力導出入孔が形成されている構成とされている。この請求項１の好ましい態様としては、請求項２以下の記載のとおりとなる。

　本発明（請求項１に係る発明）によれば、固定電極板が基板の一方の面に固定される一方、金属製部材からなるダイヤフラムが拡径部をもって基板の一方の面に固着されて、そのダイヤフラムの凹部底部が可動電極板とされると共に、そのダイヤフラムの凹部内に固定電極板を内包した状態とされることから、基板の一方の面を、固定電極板を取付けるための取付け部として利用すると共に、ダイヤフラムを、実質上の可動電極板及び固定電極板のカバーとして利用することになり、特別に封止基板を固定電極板の取付け部材及びカバー部材として用意する必要がなくなる。また、固定電極板が基板の一方の面に固定される一方、可動電極板をなすダイヤフラムの凹部底部に対しては、金属製部材からなるダイヤフラム自体を有効に利用して、そのダイヤフラムに、電圧を印加するための電線の役割をもたせることができ、基板に至るまでの電圧印加のための配線構造を極めて簡素にすることができる（部品点数の低減）。さらには、ダイヤフラムが金属製部材であることを利用して、凹部と該凹部の開口周縁より径方向外方に拡径される拡径部とを一体的に有する形状に簡単に加工できると共に、その金属製の拡径部をもってダイヤフラムを基板に簡単に取付けることができる。
　これにより、極力、簡素な構造とすることができると共に、取付け性を高めることができる静電容量型圧力センサを提供できる。

　請求項２に係る発明によれば、ダイヤフラムの凹部の底部に、少なくとも凹部の底部の径方向外方側において、複数の膨出部が同心状に形成され、その複数の膨出部のうち、拡径部に隣り合う膨出部が、基板から離間する方向に最も膨出される最大膨出部とされていることから、ダイヤフラム内に圧力が導入されると、最大膨出部の側面部が他の膨出部の側面部よりも長いモーメント腕として機能することになり、その最大膨出部の側面部は、その膨出部（基部開口）を開くように変形される。このため、ダイヤフラム内への圧力の導入に伴い、ダイヤフラムの凹部のうち、最大膨出部よりも径方向内方側部分は、全体的に固定電極板から離間動することになる。また、ダイヤフラム内への圧力の導入に伴い、最大膨出部の側面部が、その膨出部を開くように変形されると、それに伴い、最大膨出部以外の膨出部の側面部が径方向内方に押圧されて、その最大膨出部以外の膨出部の幅が狭まり、その最大膨出部以外の膨出部における側面部の勾配が増大して、その断面係数が高くなる。このため、ダイヤフラムにおける凹部底部の外周部は勿論、ダイヤフラム全体においても、ダイヤフラム内への圧力の導入により該ダイヤフラムが固定電極板から離間するに従って、剛性を高めることができることになり、ダイヤフラム全体を固定電極板に略平行な状態をもって移動させることができ、ダイヤフラムの凹部底部が固定電極板から離間動する際、全体的に膨出するような形状となることを抑制できる（ダイヤフラム凹部底部の径方向中央部分を中心としてそれよりも径方向外方部分が撓むことを抑制できる。）。これにより、当該静電容量型圧力センサにおいて、固定電極板と可動電極板との間の離間距離変化（導入圧力変化）と、静電容量の変化と、を直線的且つ比較的大きな勾配をもって把握できることになり、圧力の検出精度を高めることができる。

　請求項３に係る発明によれば、固定電極板に対する電圧印加線が、圧力導出入孔を通って基板の他方の面側に至っていることから、固定電極板に対する電圧印加線の配線に関し、圧力導出入孔を有効に利用できる。

　請求項４に係る発明によれば、固定電極板に、ダイヤフラムにおける凹部底部の径方向中央部が臨む領域において、該固定電極板を肉厚方向に貫通する貫通孔が形成され、圧力導出入孔が固定電極板の貫通孔に連なっていることから、ダイヤフラムの凹部内に圧力を的確に導入できる。

第１実施形態に係る静電容量型圧力センサを示す斜視図。第１実施形態に係る静電容量型圧力センサの内部構造を説明する一部断面斜視図。第１実施形態に係る静電容量型圧力センサを示す拡大縦断面図。第１実施形態に係る静電容量型圧力センサを他方の面側から示す斜視図。第１実施形態に係るダイヤフラムの作動を説明する説明図。各ダイヤフラムに関しての圧力導入に伴う静電容量変化特性（性能）を示す特性図。第２実施形態に係るダイヤフラムを示す平面図。第２実施形態に係るダイヤフラムを示す縦断面図。第３実施形態に係るダイヤフラムを示す平面図。第３実施形態に係るダイヤフラムを示す縦断面図。第４実施形態に係るダイヤフラムを示す平面図。第４実施形態に係るダイヤフラムを示す縦断面図。第５実施形態に係るダイヤフラムを示す平面図。第５実施形態に係るダイヤフラムを示す縦断面図。

　以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
　図１～図３において、符号１は、実施形態に係る静電容量型圧力センサを示している。この静電容量型圧力センサ１においては、基板２が備えられており、その基板２には、その一方の面２ａにおいて、円板状の固定電極板３が固定されている。この固定電極板３には、その径方向中央部において貫通孔４が形成されており、基板２には、その貫通孔４に直列的に連なる圧力導出入孔５が形成されている。

　前記基板２の一方の面２ａ側には、図１～図３に示すように、金属製部材（例えば燐青銅等）からなるダイヤフラム６も設けられている。ダイヤフラム６は、扁平状の凹部７と該凹部７の開口周縁より径方向外方に拡径される拡径部としてのフランジ部８とを一体的に有する構造とされており、このダイヤフラム６のフランジ部８は、その凹部７開口を基板２側に向けた状態で、基板２の一方の面２ａにハンダ付け等を利用することにより固着されている。このダイヤフラム６の凹部７は、固定電極板３より大きな直径を有する有底円筒形状に形成されており、その凹部７内には固定電極板３が収納されている。この凹部７の内周面及び底部７ａ内面は、固定電極板３に対して離間された状態となっており、ダイヤフラム６と固定電極板３とは、電気的に非導通の状態となっている。このダイヤフラム６における凹部７の底部７ａは、可動電極板として利用されている。この可動電極板としての凹部底部７ａ（内面）は、固定電極板３に平行に対向した状態で配置されていて、ダイヤフラム６の性質に基づき固定電極板３に対して接近、離間動可能となっている。

　前記固定電極板３及び前記凹部底部（可動電極板）７ａに対しては電圧が印加されている。このため、固定電極板３に対しては、図３に示すように、電圧印加線９が接続されている。この電圧印加線９については、線幅が細いため、その存在を示すべく、図３においては便宜上、一点差線をもって各部材（基板２等）上に表示した。固定電極板３に対する電圧印加線９は、固定電極板３から、その貫通孔４、基板２の圧力導出入孔５を通って基板２の他方の面２ｂ側に延ばされ、その電圧印加線９は、基板２における配線パターン（図示略）を介して、電圧を印加するための一方の電圧印加端子（図示略）に接続されている。一方、凹部底部（可動電極板）７ａに関しては、金属製ダイヤフラム６のフランジ部８が電圧印加線の役割を果たしている。凹部底部７ａは、フランジ部８を介して基板２に接続されており、そのフランジ部８は、基板２における配線パターン（図示略）を介して、電圧を印加するための他方の電圧印加端子（図示略）に接続されている。このため、凹部底部７ａが固定電極板３に対して接近、離間動して、凹部底部７ａと固定電極板３との間の距離が変化したときには、静電容量が変化することになり、それに伴う電圧変動を検出することによりダイヤフラム６内の圧力を検出することになる。

　前記凹部底部７ａには、図１～図３に示すように、複数の膨出部１１が形成されている。複数の膨出部１１は、凹部底部７ａの径方向中央部よりもやや径方向外方側から径方向外周縁部の範囲において、凹部底部７ａの径方向中央部を中心として同心状に配置されており、その複数の膨出部１１のうち、フランジ部８に隣り合う膨出部１１ａが、基板２の一方の面２ａから離間する方向に最も膨出される最大膨出部１１ａとされ、その他の膨出部１１ｂは、最大膨出部１１ａよりも小さく且つ等しい膨出量（突出量）とされている。

　前記基板２の他方の面２ｂには、図２～図４に示すように、樹脂製の口金１２が取付けられている。この口金１２は、円筒部１２ａと、その一端外周から周囲に拡張されるフランジ部１２ｂと、を一体的に有しており、そのフランジ部１２ｂが基板２の他方の面２ｂに接着剤を用いて固定されている。このとき、円筒部１２ａ内は、前記基板２の圧力導出入孔５に直列的に連なっており、円筒部１２ａは、圧力を基板２における圧力導出入孔５に導く案内孔としての役割を果たしている。勿論この場合、口金１２としては、樹脂に限らず、金属等、種々の材料を用いて形成されたものを用いることができる。

　したがって、このような静電容量型圧力センサ１においては、測定すべき圧力が、口金１２の円筒部１２ａ内、基板２の圧力導出入孔５、貫通孔４を介して静電容量型圧力センサ１のダイヤフラム６内に導出入されると、図５の仮想線に示すように、ダイヤフラム６における凹部底部７ａが可動電極板として固定電極板３に対して接近、離間動することになり、凹部底部７ａ（可動電極板）と固定電極板３との間の静電容量が変化することになる。これに伴い、凹部底部７ａ（可動電極板）と固定電極板３との間に印加された電圧が変化することになり、その電圧を検出することにより測定圧力が検出される。

　この場合、ダイヤフラム６の凹部底部７ａは、固定電極板３に対して略平行の状態を維持しつつ接近、離間動することになっている。
　すなわち、図５に示すように、ダイヤフラム６の凹部７外周部寄りに複数の膨出部１１があり、そのうち、凹部７の最外周部に位置してフランジ部８に隣接する膨出部１１が最も大きく膨出する最大膨出部１１ａとされていることから、ダイヤフラム６内に圧力が導入されると、最大膨出部１１ａにおける側面部１１ａａの長さＬＳａがモーメント腕長さとして他の膨出部１１ｂにおける側面部１１ｂｂの長さＬＳｂよりも長いことに基づき、その最大膨出部１１ａの側面部１１ａａがその膨出部開口（基端開口）を開くように変形され（図５中、仮想線参照）、それに伴い、小さな他の膨出部１１ｂの側面部１１ｂｂが凹部底部７ａの径方向内方に押圧され、その小さな各膨出部１１ｂの幅がＬＲ１からＬＲ２に狭まる。このため、小さな各膨出部１１ｂの側面部の勾配がθ１からθ２に増大して、その断面係数が高くなり、ダイヤフラム６における凹部底部７ａの外周部は勿論、ダイヤフラム６全体においても、ダイヤフラム６内への圧力の導入により該ダイヤフラム６が固定電極板３から離間するに従って、剛性が高まる。これにより、ダイヤフラム６内への圧力の導入に際して、ダイヤフラム６における凹部底部７ａ全体を固定電極板３に略平行な状態をもって移動させることができ、ダイヤフラム６凹部底部７ａの径方向中央部分を中心としてそれよりも径方向外方部分が撓むことを抑制できる。

　図６は、静電容量変化特性（性能）に関し、前述の本実施形態と前述の先行技術（段落［０００２］参照）とを比較したものを示している（図６において、本実施形態に係るものを「本件」、先行技術に係るものを「現行」として示している）。この図６から明らかなように、本実施形態に係るダイヤフラム６においては、固定電極板３に対するその凹部底部７ａの接近、離間動に際して、両者３、７ａの平行度を高い状態で維持できることから、固定電極板３と凹部底部７ａとの間の離間距離の変化（導入圧力の変化）に伴い、静電容量（電圧）が直線的且つ比較的大きな勾配をもって変化し、先行技術に係るダイヤフラムの場合に比して、圧力の検出精度が格段に高いことを示した。
　この場合、図６の特性線の向きに関し、本実施形態に係る構造の場合と先行技術の場合とでは異なっているが、これは、本実施形態に係る構造においては、導入圧力が高まるにつれて可動電極板７ａが固定電極板３から離間するのに対して、先行技術に係る構造の場合には、本実施形態に係る構造の場合とは逆に、導入圧力が高まるにつれて可動電極板が固定電極板に接近することになるためである。

　また、本実施形態においては、ダイヤフラム６が金属製部材により形成されていることから、基板の配線パターン（図示略）に対してダイヤフラム６のフランジ部８をハンダ付けをもって簡単に取付けることができる。
　しかもこのとき、ハンダが飛散しても、その飛散したハンダを最大膨出部１１ａ内に受け止めて、最大膨出部１１ａよりもさらに径方向内方に飛散することを防止できる。
　また、最大膨出部１１ａを外側に配置したことにより、ハンダがその濡れ性によってダイヤフラム６の内側に滲み出して最大膨出部１１ａの根元部分に付着した場合であっても、この最大膨出部１１ａの根元部分（基板２との接触部分）は、その最大膨出部１１ａよりも小さい膨出部１１ｂを外側に配置した場合とは異なり、殆ど変形しない。このため、ダイヤフラム６の変形に基づき特性に大きな悪影響が生じることはない。

　このような静電容量型圧力センサ１は、圧力を測定する種々の装置に用いることができる。例えば血圧計に用いる場合には、上腕部を締め付けるカフ（図示略）と静電容量型圧力センサ１の口金１２の円筒部１２ａとを図示を略す導圧管を介して接続して、その導圧管内の圧力を、口金１２の円筒部１２ａ内、基板２の圧力導出入孔５、貫通孔４を介して静電容量型圧力センサ１のダイヤフラム６内に導出入する。これにより、前述の如く、ダイヤフラム６が変動することになり、それに基づき導圧管内の圧力（測定圧力）の変動が検出される。

　図７、図８は第２実施形態、図９、図１０は第３実施形態、図１１、図１２は第４実施形態、図１３、図１４は第５実施形態を示す。この各実施形態において、前記第１実施形態と同一構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

　図７、図８に示す第２実施形態は、前記第１実施形態の変形例を示す。この第２実施形態においては、凹部底部７ａには、最大膨出部１１ａよりも凹部底部７ａの径方向内方側全体において、最大膨出部１１ａよりも小さく且つ等しい膨出量（突出量）とされた複数の膨出部１１ｂが形成され、可動電極板７ａにおいても、複数の膨出部１１ｂが設けられている。これにより、可動電極板７ａの表面積を増やすことができることになり、静電容量を増大させ、分解能を高めることができる。

　図９、図１０に示す第３実施形態も、前記第１実施形態の変形例を示す。この第３実施形態においては、凹部底部７ａの径方向中央部に平面視円形状の平面部１５が形成されていると共に、その平面部１５よりも径方向外方側の複数の膨出部１１ｂ間において、その複数の各膨出部１１ｂと同心状に平面部１６が形成されている。本実施形態においては、平面部１６は、最大膨出部１１ａに径方向内方側において隣り合う膨出部１１ｂ１と、その膨出部１１ｂ１に隣り合う膨出部１１ｂ２との間に配置されている。

　図１１、図１２に示す第４実施形態も、前記第１実施形態の変形例を示す。この第４実施形態においては、凹部底部７ａの外周側に、その径方向内方側に向けて順に、複数の最大膨出部１１ａ１、１１ａ２、１１ａ３が形成され、そのうちの最大膨出部１１ａ３よりも径方向内方側部分１７に膨出部１１ｂが形成されている。また、最大膨出部１１ａ１と１１ａ２との間に平面部１８が形成されている。
　このダイヤフラム６においては、最大膨出部１１ａ３が最も径方向内方側に位置するが、圧力が凹部底部７ａに作用したときには、その最大膨出部１１ａ３の側面部１１ａａの長さが最も長いこと（長いモーメント腕長さ）を利用して、直径が比較的短くされた径方向内方側部分１７が円滑に持ち上げられることになる。このため、圧力が凹部底部７ａに作用したときには、径方向内方側部分（実質的な可動電極板）１７は固定電極板（図１１、図１２では図示略）に対して極力平行状態を維持しつつ離間する。しかもこの場合、径方向内方側部分１７における膨出部１１ｂが、その径方向内方側部分の剛性を高めており、固定電極板に対する径方向内方側部分１７の離間時の平行状態は、一層精度が高められる。勿論、径方向内方側部分１７における膨出部１１ｂは、表面積を増やし、静電容量を増大させる。

　図１３、図１４に示す第５実施形態においては、ダイヤフラム６における凹部底部７ａに、その径方向外方側から径方向内方側に向けて順に、複数の膨出部１１、平面視円形状の平面部１９が形成されている。複数の各膨出部１１は、突出量が等しくされており、その膨出部１１のうちの最も内側に位置する膨出部１１ｉの側面部１１ｃｃの長さが，固定されていない側面部１１ｃｃのうちで最も長くされている。このため、ダイヤフラム６に圧力が作用したときには、膨出部１１ｉにおける側面部１１ｃｃの長さが長いこと（長いモーメント腕長さ）を利用して、平面部１９（実質上の可動電極板）全体を固定電極板（図１３、図１４では図示略）に対して円滑に離間動させることができる。

　１　静電容量型圧力センサ
　２　基板
　２ａ　一方の面
　３　固定電極板
　４　貫通孔
　５　圧力導出入孔
　６　ダイヤフラム
　７　凹部
　７a　凹部底部（可動電極板）
　８　フランジ部（拡径部）
　９　電圧印加線
　１１　膨出部
　１１ａ　最大膨出部

Claims

　基板の一方の面側に固定電極板と可動電極板とが対向して配置され、前記固定電極板に対して前記可動電極板が、圧力の導出入によるダイヤフラムの変動作用に基づき接近、離間動可能とされて、該固定電極板と該可動電極板との間の静電容量が変化される静電容量型圧力センサにおいて、
　前記固定電極板が、前記基板の一方の面に固定され、
　前記ダイヤフラムが、扁平状の凹部と該凹部の開口周縁より径方向外方に拡径される拡径部とを一体的に有する金属製部材により形成され、
　前記ダイヤフラムの拡径部が、該ダイヤフラムの凹部内に前記固定電極板を内包した状態で前記一方の面に固着され、
　前記ダイヤフラムにおける凹部の底部が、前記可動電極板として用いられ、
　前記基板に、前記ダイヤフラムの凹部内に開口する圧力導出入孔が形成されている、
ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
　請求項１において、
　前記ダイヤフラムの凹部の底部に、少なくとも該凹部の底部の径方向外方側において、複数の膨出部が同心状に形成され、
　前記複数の膨出部のうち、前記拡径部に隣り合う膨出部が、前記基板から離間する方向に最も膨出される最大膨出部とされている、
ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
　請求項１又は２において、
　前記固定電極板に対する電圧印加線が、前記圧力導出入孔を通って前記基板の他方の面側に至っている、
ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
　請求項１～３のいずれか１項において、
　前記固定電極板に、前記ダイヤフラムの凹部の径方向中央部が臨む領域において、該固定電極板を肉厚方向に貫通する貫通孔が形成され、
　前記圧力導出入孔が、前記固定電極板の貫通孔に連なっている、
ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。