JP2546013B2 - 静電容量式差圧検出器 - Google Patents

静電容量式差圧検出器

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JP2546013B2
JP2546013B2 JP2053079A JP5307990A JP2546013B2 JP 2546013 B2 JP2546013 B2 JP 2546013B2 JP 2053079 A JP2053079 A JP 2053079A JP 5307990 A JP5307990 A JP 5307990A JP 2546013 B2 JP2546013 B2 JP 2546013B2
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differential pressure
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満 玉井
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
この発明は、差圧に応じて変位するダイヤフラムと、
その各側に配設される固定電極との間にそれぞれ形成さ
れる静電容量に基づいて差圧が測定される検出器であっ
て、とくに温度特性の向上を図った静電容量式差圧検出
器に関する。 なお、この静電容量式差圧検出器は、導入圧力の一方
が大気圧または真空であることによって、ゲージ圧用ま
たは絶対圧用になる。
【従来の技術】
第4図は従来例の構成を示す断面図である。第4図に
おいて、ダイヤフラム10の各側に一対の各固定電極15,2
0が取付けられている。一方の固定電極15は、ダイヤフ
ラム10に対向配置されたシリコンからなる第1の導電性
板12と、この第1導電性板12に接合されたコージライト
の絶縁板13と、この絶縁板13に接合されたシリコンから
なる第2の導電性板14とからなり、第1導電性板12と第
2導電性板14とが導体膜27を介して電気的に接続され
る。 そして固定電極15には、第1導電性板12を取り囲む円
環状溝23を隔てて、絶縁板13に接合される環状の支持体
21が設けられる。この支持体21はダイヤフラム10に所定
の厚みのガラス接合部11で接合される。第1導電性板12
と支持体21とは電気的に絶縁されている。なお、支持体
21は絶縁体,導電体いずれでもよいが、製作のしやすさ
と温度特性の向上とのため第1導電性板12と同じシリコ
ンが選ばれる。また、固定電極15には、ダイヤフラム10
との間に形成された空隙29に圧力P1を導く導圧孔25があ
けられる。 他方の固定電極20も同様の構成である。固定電極20に
は、ダイヤフラム10との間に形成された空隙30に圧力P2
を導く導圧孔26があけられる。 ダイヤフラム10と、固定電極15とによって第1のコン
デンサが形成され、このコンデンサの静電容量Caが各リ
ードピンA,Cを介して取出される。また、同様にダイヤ
フラム10と固定電極20とによって第2のコンデンサが形
成され、このコンデンサの静電容量Cbが各リードピンB,
Cを介して取出される。 いま、各圧力P1,P2がダイヤフラム10に作用すると、
その差圧(P1〜P2)に応じてダイヤフラム10が変位す
る。この変位に応じて静電容量Ca,Cbが変化し、この変
化に基づいて差圧を測定することができる。 第4図に示した従来例は、各圧力P1,P2を受圧する、
ここには図示してないシールダイヤフラムによって密閉
されたハウジング内に収納され、このハウジング内に圧
力伝達用の非圧縮性流体たとえばシリコーンオイルが封
入される。つまり、各空隙29,30および各導圧孔25,26に
はシリコーンオイルが充填されることになる。
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したような従来の技術では、次に詳しく説明
するように、周囲温度の変化によって検出器の差圧信号
のスパン特性と直線性が影響を受ける、言いかえれば、
温度特性が悪化するという問題がある。なお、スパン特
性とは、差圧の100%変化幅に対する静電容量の変化
幅、言いかえればダイヤフラムの変位幅の特性である。 各固定電極は、シリコンからなる両側の第1,第2の各
導電性板と、中間のコージライトからなる絶縁板との3
層構造体であるから、熱膨脹係数の異なる板状部材を貼
り合わせた一種のバイメタルと見なすことができる。各
固定電極が周囲温度の変化によって変形したとき、各固
定電極に周縁部で固着されシリコンからなるダイヤフラ
ムには、半径方向の応力が生じる。この応力に起因する
ダイヤフラムの変位が、差圧に基づく本来の変位によっ
て発生する差圧信号の直線性を阻害する要因になる。 周囲温度の変化によってダイヤフラムに生じる半径方
向の応力、およびこの応力によるダイヤフラムの変位な
どについて、以下に具体的に詳しく説明する。 第1図において、従来の各固定電極15,20の合成的な
熱膨脹係数αは、 α=K1(A−K2/B)(α1−α2)+α2 …(1) ただし、α1,α2:コージライト,シリコンの熱膨脹係
数、E1,E2:同じくそのヤング率、H1,H2:同じくその厚
さ、H3:各支持体の厚さである。 また、K1,K2は、それぞれE1,E2,H1,H2によって決まる
定数、また A=(H1+2H3)/2,B=1/(H1・E1) である。 E1=8,000、E2=15,300(単位:kg/mm2)、α1=1.1,α
2=3.1(単位:10-6/℃)、であり、H1=0.5,H2=1.5,H
3=1.5(単位:mm)とすると、α=2.53×10-6/℃にな
る。 したがって、周囲温度の変化ΔTのとき、ダイヤフラ
ムに生じ半径方向の応力σは、 σ=E・Δα・ΔT/(1−ν) …(2) ここで、E,ν:それぞれダイヤフラムのヤング率,ポ
アソン比、Δα:固定電極とダイヤフラムとの熱膨脹係
数の差、である。 半径方向の応力σを受けた状態で差圧Pが作用すると
きのダイヤフラムの変位Wは、 W=P/〔K+(4H/R2)σ〕 …(3) ここで、H,R:それぞれダイヤフラムの厚さ,半径、K:
E,ν,H,Rによって決まる定数である。 変位Wは、(3)式から明らかなように、ダイヤフラ
ムの材料,寸法に係る第1の要素と、半径方向の応力に
係る第2の要素とによって決まる。とくに、微小な差圧
Pを感度良く測定するには、厚さHを小さくする必要が
あり、同時に応力σが阻害要因になる。 第5図に、0.1m水柱,3.2m水柱の各測定用のダイヤフ
ラムの厚さを各々0.03mm,0.1mmとした場合の、値W/Gの
熱応力σに対する特性を示す。実線は0.1m水柱、破線は
3.2m水柱にそれぞれ対応する。ここに、Gは差圧零のと
きのダイヤフラム・固定電極間の空隙寸法である。 たとえば、周囲温度が±60℃(120℃の範囲)で変化
したときには、(2)式から熱応力σは、0.62kg/m2
変化となり、これに起因するダイヤフラムの変位に係る
値W/Gは、0.1m水柱の場合で約82%だけ、3.2m水柱の場
合で約6%だけそれぞれ変化する。 この発明の課題は、従来の技術がもつ以上の問題点を
解消し、差圧信号のスパン特性と直線性に対する温度変
化の影響を抑制する、言いかえれば、温度特性の向上を
図った静電容量式差圧検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明に係る静電容量式
差圧検出器は、 差圧に応じて変位するダイヤフラムと、このダイヤフ
ラムの各側に配設され導圧孔をもつ固定電極との間にそ
れぞれ形成される静電容量に基づき、前記差圧が測定さ
れる検出器において、 前記各固定電極は、前記ダイヤフラムの中心部表面に
近接対向し、このダイヤフラムに近似した熱膨脹係数を
もつ第1の導電性板と; この第1導電性板の外周面から隔たってこれを取り囲
み、前記ダイヤフラムの周縁部表面に接合される環状支
持体と; この環状支持体と前記第1導電性板との、前記ダイヤ
フラムとは逆側の各表面にそれぞれ接合され、共通な厚
さでその各表面と同じ形状,寸法をもつ各絶縁板と; この各絶縁板の他方の表面に共通に接合され、前記第
1導電性板に近似した熱膨脹係数をもち、かつこれと電
気的に接続される第2の導電性板と;を備える。
【作 用】
絶縁板が、第1導電性板と支持体とにそれぞれ対応す
る中心部と環状部とに分離される構造であるから、各固
定電極は、熱膨脹の面から見ると等価的には、絶縁板を
中間にして各側にダイヤフラムと近似した熱膨脹係数を
もち同じ面積の導電性板を接合した3層構造体である。
したがって、各層のヤング率,厚さの選定によって、こ
の3層構造体の合成熱膨脹係数をダイヤフラムのそれに
近似させることができる。
【実施例】
本発明に係る静電容量式差圧検出器の実施例につい
て、その断面図である第1図を参照しながら説明する。 第1図において、この実施例が第4図に示した従来例
と異なる点は固定電極の構造にある。すなわち、従来例
における左側の固定電極15は、その絶縁板13が実施例に
おいては、中心の絶縁板13aと環状絶縁板13bとに分割さ
れて、固定電極15Aになる。言いかえれば、従来例での
空隙23が実施例では空隙23Aになって、従来例での絶縁
板13を深く掘り込んで二つの部分、中心の絶縁板13aと
環状絶縁板13bとに分ける。なお、第1図における右側
の固定電極20Aについても同様である。 したがって、各固定電極15A,20Aは、熱膨脹の面から
見ると等価的には、第2図に示すように、絶縁板を中間
にして各側にダイヤフラムと近似した熱膨脹係数をもつ
導電性板を接合した3層構造体である。したがって、導
電性板と絶縁板との熱膨脹係数が異なるときでも、上層
の導電性板と絶縁板との間の熱膨脹係数の違いによる熱
変形、つまりバイメタル効果は、下層の導電性板と絶縁
板との間のそれによって相殺され、各層のヤング率,厚
さの選定によって、この3層構造体の合成熱膨脹係数を
導電性板、すなわちダイヤフラムのそれに近似させるこ
とができる。 いま、第2図における3層構造体で、導電性板がシリ
コン、絶縁板がコージライトのときの合成熱膨脹係数を
βとすると、公式により β=α2+(α1−α2)/(1+G) ただし、G=2H2・E2/H1・E1 なお、その他の各符号は前記と同じである。 数値計算すると、β=2.94×10-6/℃ となり、シリコンの熱膨脹係数α2に近似することがわ
かる。 さて、第3図は実施例を組み込んだ差圧検出装置の断
面図である。第3図において、50は第1図に示した静電
容量式差圧検出器である。この検出器50は有底円筒体51
の内室52に収納されており、絶縁体53を介して金属パイ
プ54に結合されている。そして、この金属パイプ54は取
付板55に溶接結合されており、この取付板55がさらに有
底円筒体51の開口部に溶接結合されている。さらに、有
底円筒体51の開口部にはキャップ56が溶接結合されてい
る。このキャップ56は貫通孔57を有し、シールダイヤフ
ラム58が取付けられて、その間に受圧室61を形成してい
る。一方、有底円筒体51の底部も貫通孔60を有し、シー
ルダイヤフラム59が取付けられて、その間に受圧室62に
を形成している。そして、有底円筒体51の側壁には、各
リードピンA,B,Cを有するハーメチックシール端子63が
設けられている。 各シールダイヤフラム58,59の間に形成されている空
間、つまり内室52、各貫通孔57,60、各受圧室61,62内に
は、非圧縮性流体たとえばシリコーンオイルが充填され
ている。このシリコーンオイルを介して、各シールダイ
ヤフラム58,59にそれぞれ作用する圧力は検出器50のダ
イヤフラムの各側に伝達される。
【発明の効果】
以上説明したように、この発明においては、絶縁板
が、第1導電性板と支持体とにそれぞれ対応する中心部
と環状部とに分離される構造であるから、各固定電極
は、熱膨脹の面から見ると等価的には、絶縁板を中間に
して各側にダイヤフラムと近似した熱膨脹係数をもつ導
電性板を接合した3層構造体であり、各層のヤング率,
厚さの選定によって、この3層構造体の合成熱膨脹係数
をダイヤフラムのそれに近似させることができる。 したがって、この発明によれば、従来の技術に比べと
くに微小差圧測定に対しても全体の構成寸法を大きくす
ることなく、差圧信号のスパン特性と直線性に対する周
囲温度の影響を抑制することができ、検出器の温度特性
を向上させることができる、というすぐれた効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る実施例の断面図、 第2図は実施例における固定電極の等価的構造図、 第3図は実施例を組み込む差圧検出装置の断面図、 第4図は従来例の断面図、 第5図は測定ダイヤフラム変位の熱応力に対する特性図
である。 符号説明 10:ダイヤフラム、11,16:ガラス接合部、 13a,13b,18a,18b:絶縁板、 12,14,17,19:導電性板、15A,20A:固定電極、 21,22:支持体、23A,24A:円環状溝、 25,26:導圧孔、27,28:導体膜、29,30:空隙、 31,32,33:導体、50:検出器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】差圧に応じて変位するダイヤフラムと、こ
    のダイヤフラムの各側に配設され導圧孔をもつ固定電極
    との間にそれぞれ形成される静電容量に基づき、前記差
    圧が測定される検出器において、前記各固定電極は、前
    記ダイヤフラムの中心部表面に近接対向し、このダイヤ
    フラムに近似した熱膨脹係数をもつ第1の導電性板と;
    この第1導電性板の外周面から隔たってこれを取り囲
    み、前記ダイヤフラムの周縁部表面に接合される環状支
    持体と;この環状支持体と前記第1導電性板との、前記
    ダイヤフラムとは逆側の各表面にそれぞれ接合され、共
    通な厚さでその各表面と同じ形状,寸法をもつ絶縁板
    と;この各絶縁板の他方の表面に共通に接合され、前記
    第1導電性板に近似した熱膨脹係数をもつとともに、こ
    れと電気的に接続される第2の導電性板と;を備えるこ
    とを特徴とする静電容量式差圧検出器。
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