JP2000121471A - 圧力検出素子及び圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】機械的な部品を追加せずに自己診断を行える圧
力センサを提供する。 【解決手段】基板上に可動電極と補助電極を形成し、補
助電極をスイッチ６７を介して一定電位に接続できよう
に構成する。圧力センサを動作させる前に、スイッチ６
７を閉じ、補助電極に一定電圧が印加された状態にし、
可動電極と固定電極の間の容量成分６１測定すると共
に、スイッチ６７を開け、補助電極をフローティングに
し、可動電極、固定電極、及び補助電極で構成される容
量成分６１、６２、６３が合成された容量成分を測定す
る。圧力センサに異常があった場合、スイッチが開状態
のときと閉状態のときの容量値の関係が、正常な場合の
関係とは異なるので、圧力センサの自己診断を行うこと
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力センサの技術分
野にかかり、特に、静電容量型の圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧力センサは油圧機器や自動
車等の部品として広く用いられており、一般には、圧力
変化に応じて変化する抵抗値や静電容量の値を検出し、
加わった圧力を測定する方法が用いられている。

【０００３】従来技術の圧力センサのうち、静電容量型
の圧力センサを、図４(ａ)、(ｂ)の符号１０５に示す。
この圧力センサ１０５は、金属製の筺体１１１を有して
おり、該筺体１１１内には、台座１１８と、該台座１１
８上に着座された圧力検出素子１３０とが配置されてい
る。

【０００４】圧力検出素子１３０は、図５に示すよう
に、セラミックス製の基台１３１と、基板１３２と、ス
ペーサ１３３を有している。基台１３１は円盤状に成形
されており、基板１３２は、薄板状に成形されている。
また、スペーサ１３３は、基台１３１や基板１３２より
もやや小径のリング状に成形されている。

【０００５】基台１３１と基板１３２とは、スペーサ１
３３を間に挟み、互いの表面が平行に対向するように固
定されている。基台１３１と基板１３２とが互いに対向
する表面には、基台１３１側に固定電極１３５が形成さ
れ、基板１３２側に可動電極１３６が形成されている。
従って、固定電極１３５と可動電極１３６とで平行平板
型のコンデンサが構成されている。

【０００６】また、基台１３１表面には、固定電極１３
５の周囲位置に、リング状の補助電極１３７が形成され
ており、補助電極１３７と固定電極１３５、補助電極１
３７と可動電極１３６との間にもコンデンサが構成され
ている。

【０００７】筺体１１５には、内部に導入路１１５が形
成されており、該導入路１１５の一端は、筺体１１５先
端の外部雰囲気と導通路１１５内部とを接続する開口部
１１６にされ、他端は基板１３２裏面位置で終端されて
いる。従って、基板１３２裏面は、導入路１１５を介し
て、筺体１１１の外部雰囲気に接続されるようになって
いる。

【０００８】基板１３２の裏面と筺体１１１の突部分と
の間には、オーリング１１７が設けられており、基板１
３２裏面は筺体１１１の外部雰囲気と接するが、基板１
３２の電極側(基板１３２と基台１３１との間)には、外
部雰囲気が侵入できないようになっている。

【０００９】スペーサ１３３は非弾性材料で構成され、
基板３２周囲はそのスペーサ１３３によって基台１３１
表面に固定されているのに対し、基板１３９は薄板状に
成形され、その結果、可撓性が付与されているため、外
部雰囲気の圧力が基板１３２と基台１３１間の圧力より
も大きくなると、基板１３２の中央部分が基台１３１方
向に撓むようになっている。

【００１０】この圧力センサ１０５を使用する場合、筺
体１１１の先端部１１２を測定対象である図示しない装
置に気密に取り付け、導入路１１５と測定対象の装置の
内部とを連通させておき、測定対象の装置内の圧力が基
板１３２裏面に加わるようにしておく。

【００１１】測定対象の圧力が変化すると、その変化量
に応じて基板１３２が撓み、その結果、固定電極１３５
と可動電極１３６との間の静電容量が変化する。図６の
符号１６１は、固定電極１３５と可動電極１３６との間
の静電容量を示しており、測定回路１６５によって、そ
の静電容量の値を測定すると、測定値から、逆に基板１
３２に加えられた圧力を算出できるようになっている。

【００１２】上記のような構成の圧力検出素子１３０で
は、静電容量１６１の変動成分は微小であるため、リー
ク電流やノイズ等があると、精度のよい圧力測定を行う
ことができない。

【００１３】上記補助電極１３７はその対策のために設
けられており、固定電極１３５と可動電極１３６との間
のコンデンサの容量変化を検出する際に、固定電極１３
５の周囲に配置された補助電極１３７を一定電位に置
き、固定電極１３５に生じたリーク電流等が、測定結果
に影響を与えないようにされている。

【００１４】上記図６中、符号１６２は、固定電極１３
５と補助電極１３７との間の容量成分を示しており、符
号１６３は、可動電極１３６と補助電極１３７との間の
容量成分を示している。補助電極１３７が一定電位に置
かれているため、交流的にはグラウンド電位に接続され
ており、従って、固定電極１３５と可動電極１３６の間
のコンデンサに交流電圧を印加して容量値を測定する際
に、補助電極１３７によって固定電極１３５がシールド
されるようになっている。

【００１５】しかしながら固定電極１３５と補助電極１
３７との間にパーティクルが付着した場合や、測定回路
１６５の特性が変動した場合、測定結果が不正確になっ
てしまう。

【００１６】上記の圧力検出素子１３０では、基板１３
２に所定の圧力を印加し、そのときの容量値を測定する
と、自己診断を行うことも可能であるが、基板１３２を
強制的に動かすためのコイルや機械部品が必要となり、
コスト高になるという問題がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、ソレノイド等の機械的な部品を追加することな
く、自己診断を行える容量型の圧力センサを提供するこ
とにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、固定電極が形成された基台
と、可動電極が形成された基板とを有し、前記固定電極
と前記可動電極が平行に対向配置され、前記基板に圧力
が加わり、前記基板が撓むことで前記電極間の容量値が
変化するように構成された圧力検出素子であって、前記
基台表面には補助電極が形成され、前記補助電極には、
スイッチが接続され、該スイッチが閉状態のときに、前
記補助電極には一定電圧が印加され、前記スイッチが開
状態のときに、前記補助電極はフローティング電位にお
かれるように構成されたことを特徴とする。

【００１９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の圧
力検出素子であって、前記固定電極は、前記補助電極の
内側に配置されたことを特徴とする。

【００２０】請求項３記載の発明は、圧力センサであっ
て、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の圧力検
出素子が筺体内に設けられ、前記筺体に形成された開口
部底面には、前記シールド電極表面が露出するように構
成されたことを特徴とする。

【００２１】請求項４記載の発明は、請求項３記載の圧
力センサが正常な状態であるか否かを判断する圧力セン
サの診断方法であって、前記スイッチを閉状態にしたと
きと、開状態にしたときとの容量値を測定し、前記圧力
検出素子の状態を判断することを特徴とする。

【００２２】本発明は上記のように構成されており、固
定電極が形成された基台と、可動電極が形成された基板
とを有している。固定電極と可動電極とは平行に対向配
置されており、固定電極と可動電極との間に平行平板型
のコンデンサが形成されている。基板に圧力が加わり、
基板が撓むとコンデンサの容量値が変化するので、容量
値から、基板に加わった圧力を測定できるようになって
いる。

【００２３】この圧力検出素子では、基台表面に補助電
極が形成されており、その補助電極には、スイッチが接
続されている。補助電極には、スイッチが閉状態のとき
に、一定電圧が印加されるように構成されており、その
結果、補助電極は交流的に接地電位に置かれるため、補
助電極が関与するコンデンサの容量成分は、固定電極と
可動電極とで構成されるコンデンサに影響を与えず、そ
の結果、固定電極と可動電極とで構成されるコンデンサ
の大きさだけが測定できるようになっている。この場
合、固定電極に生じたリーク電流やノイズによる電流は
補助電極に流れるため、固定電極と可動電極との間の容
量を測定する際に影響がないようになっている。

【００２４】他方、スイッチを開状態にした場合、補助
電極が一定電圧から切り離され、フローティング電位に
なるようにしておくと、固定電極と可動電極とで構成さ
れるコンデンサに対し、固定電極と補助電極とで構成さ
れるコンデンサと、補助電極と可動電極とで構成される
コンデンサが直列接続された容量成分が並列接続される
ようになる。

【００２５】固定電極と可動電極とで構成されたコンデ
ンサの容量値と、そのコンデンサに対し、補助電極が関
与しているコンデンサが並列接続された場合の容量値と
の間には一定の関係がある。

【００２６】固定電極にパーティクルが付着した場合
や、基板にクラックが入った場合には、その関係が変化
するため、予めスイッチが閉状態の場合と開状態の場合
の容量値の関係を測定し、その関係を記憶しておき、実
際に使用する前に、スイッチを開閉させて容量値を測定
し、記憶内容と照合することで、圧力検出素子が正常で
あるか否かが判断できるようになっている。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面を用いて
説明する。図１を参照し、符号３０は、本発明の圧力検
出素子であり、上記従来技術の圧力検出素子１３０と同
様に、金属製の筺体１１１内に納められている。また、
この圧力検出素子３０も、セラミックス製の基台３１
と、薄板状の基板３２と、セラミックスがリング形状に
成形されたスペーサ３３とを有している。基台３１上に
は円形の固定電極３５が形成されており、その周囲に
は、円形リング形状の補助電極３７が形成されている。
また、基板３２表面には、円形の可動電極３７が形成さ
れている。

【００２８】スペーサ３３は、補助電極３７よりも大径
に形成されており、基台３１と基板３２とは、スペーサ
３３を間に挟み、固定電極３５と可動電極３７とを対向
させて、平行に配置されている。

【００２９】本発明の圧力検出素子３０も、台座１１８
上に着座されており、上記圧力センサ１３０と同様に、
測定対象物の圧力雰囲気が、導入路１１５を介して基板
３２の裏面に加わり、圧力の大きさに応じて基板３２が
撓み、固定電極３５と可動電極３７とで構成されるコン
デンサの容量値が変化するように構成されている。

【００３０】図３の符号６１は、固定電極３５と可動電
極３６との間に形成される容量成分を示しており、符号
６２と符号６３は、固定電極３５と補助電極３７との間
に形成される容量成分と、可動電極３６と補助電極３７
との間に形成される容量成分をそれぞれ示している。

【００３１】固定電極３５と可動電極３６とは、それぞ
れ測定回路６５に接続されており、補助電極３７は、ス
イッチ６７を介して電源６４に接続されている。測定回
路６５は、交流電圧を固定電極３５と可動電極３６の間
に出力し、その間の容量値を測定できるようになってい
る。

【００３２】圧力検出素子３０を使用する場合、スイッ
チ６７を閉じ、補助電極３７を電源６４に接続し、交流
的に接地させておく。測定回路６５により、その状態で
固定電極３５と可動電極３６との間に交流電圧を印加す
ると、補助電極３７が関与する容量成分は測定されず、
固定電極３５と可動電極３６の間の容量成分だけが測定
される。その容量値は、基板３２の裏面に加わる圧力の
大きさに応じて変化するため、容量値から、測定対象の
圧力を求めることができる。

【００３３】他方、スイッチ６７を閉じず、スイッチ６
７を開けると、補助電極３７が関与する上記２個の容量
成分６２、６３が直列接続された容量成分が、固定電極
３５と可動電極３６で構成される容量成分６１に対して
並列接続される。その状態で固定電極３５と可動電極３
６との間に交流電圧を印加すると、並列接続された容量
成分の容量値が測定される。

【００３４】圧力検出素子３０が正常な場合には、スイ
ッチが開状態のときの容量値と閉状態のときの容量値の
関係は一定であるが、例えば固定電極３５と補助電極３
７の間にパーティクルが付着した場合等、異常があった
場合には、容量値の関係が正常な場合の関係とは異なる
ようになる。

【００３５】本発明の圧力センサは、測定装置に組み込
まれる前に、前もって、スイッチ６７が閉じた状態での
容量値と開放された状態での容量値とが測定され、その
関係が測定回路ないの記憶回路に記憶されている。

【００３６】そして、圧力センサが測定装置に組み込ま
れ、実際に使用される場合には、起動時に、少なくとも
一回は、スイッチ６７を開状態と閉状態にして容量値を
測定し、記憶されている関係と比較すると、圧力検出素
子３０が正常な状態にあるか、異常な状態にあるかを判
断することができる(自己診断)。

【００３７】例えば、固定電極３５と可動電極３６の間
の容量成分６１(Ｃ₆₁)が１８ｐＦ、固定電極３５と補助
電極３７の間の容量成分６２(Ｃ₆₂)が１．５ｐＦ、可動
電極３６と補助電極３７の間の容量成分６３(Ｃ₆₃)が１
３ｐＦのとき、スイッチ６７を開状態にしたときに、固
定電極３５と可動電極３６の容量成分６１に対し、並列
接続される容量値(Ｃ₆₂とＣ₆₃を直列接続した容量値)は
１．３４ｐＦになるが、パーティクルの付着等により、
可動電極３６と補助電極３７の間の容量成分６３が仮に
４ｐＦ増加したとすると、並列接続される容量値は１．
３８ｐＦになる。その差０．０４ｐＦ(検出精度が１Ｖ
／１ｐＦの場合、出力電圧にすると、約４０ｍＶの差が
検出される。)から、異常を検出することができる。

【００３８】そして正常であった場合には、通常通り動
作し、容量値から圧力を求められる。他方、異常があっ
た場合には、警報を出力する等の異常処理を行う。

【００３９】このように、固定電極３５と可動電極３６
とで構成されるコンデンサ(圧力測定に必要なコンデン
サ)の容量値だけでなく、補助電極３７が関与するコン
デンサの容量成分も間接的に測定するので、一つの圧力
検出素子３０に対し、２種類の容量成分を測定し、それ
らの容量値の関係を、正常なときの容量値の関係と比較
することで、圧力検出素子３０の状態を判断できるよう
になっている。

【００４０】なお、上記固定電極３５と可動電極３６は
円形であり、補助電極３７はリング形状であったが、本
発明はそれ図２(ａ)に示すように、矩形の基板４２上に
矩形の固定電極４５を形成し、その周囲に四角リング形
状の補助電極４７を設けてもよい。この場合は、可動電
極も矩形にするとよい。

【００４１】また、図２(ｂ)に示すように、基板５２上
に形成した固定電極５５の側方に、補助電極４７を配置
してもよい。この場合、固定電極５５と補助電極５７の
周囲に、更にリング形状のガード電極を配置してもよ
い。

【００４２】

【発明の効果】コイル等の部品を用いずに自己診断を行
うことができる。その結果、圧力検出素子や圧力センサ
の信頼性が増す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧力センサに用いられる圧力検出素子
の一例を説明するための図

【図２】(ａ)、(ｂ)：本発明に用いられる圧力検出素子
の他の電極形状を説明するための図

【図３】本発明の圧力センサの回路ブロック図

【図４】(ａ)：従来技術の圧力センサと本発明の圧力セ
ンサの外形図 (ｂ)：その断面図

【図５】従来技術の圧力センサに用いられる圧力検出素
子の一例

【図６】従来技術の圧力センサの回路ブロック図

【符号の説明】

３０……圧力検出素子 ３１……基台 ３２‥‥基
板 ３５、４５、５５……固定電極 ３６……可動
電極 ３７、４７、５７……補助電極 ６７‥‥ス
イッチ １０５‥‥圧力センサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定電極が形成された基台と、可動電極が
   形成された基板とを有し、 前記固定電極と前記可動電極が平行に対向配置され、前
   記基板に圧力が加わり、前記基板が撓むことで前記電極
   間の容量値が変化するように構成された圧力検出素子で
   あって、 前記基台表面には補助電極が形成され、 前記補助電極には、スイッチが接続され、該スイッチが
   閉状態のときに、前記補助電極には一定電圧が印加さ
   れ、前記スイッチが開状態のときに、前記補助電極はフ
   ローティング電位におかれるように構成された圧力検出
   素子。
2. 【請求項２】請求項１記載の圧力センサであって、前記
   固定電極は、前記補助電極の内側に配置された圧力検出
   素子。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２のいずれか１項記載
   の圧力検出素子が筺体内に設けられ、前記筺体に形成さ
   れた開口部底面には、前記シールド電極表面が露出する
   ように構成された圧力センサ。
4. 【請求項４】請求項３記載の圧力センサが正常な状態で
   あるか否かを判断する圧力センサの診断方法であって、
   前記スイッチを閉状態にしたときと、開状態にしたとき
   との容量値を測定し、前記圧力検出素子の状態を判断す
   る圧力センサの診断方法。