JP3083115B2 - 静電容量型圧力センサ素子 - Google Patents
静電容量型圧力センサ素子Info
- Publication number
- JP3083115B2 JP3083115B2 JP03344834A JP34483491A JP3083115B2 JP 3083115 B2 JP3083115 B2 JP 3083115B2 JP 03344834 A JP03344834 A JP 03344834A JP 34483491 A JP34483491 A JP 34483491A JP 3083115 B2 JP3083115 B2 JP 3083115B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- pressure
- diaphragm
- capacitance
- pressure sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】この発明は、油圧、空気圧などの
測定に用いられる静電容量型圧力センサ素子に関する。
測定に用いられる静電容量型圧力センサ素子に関する。
【0001】
【従来の技術】従来からダイヤフラムタイプの圧力セン
サが広く用いられているが、これには信頼性、感度、残
留歪み、温度特性、耐圧性、生産性、コストなどきびし
い要求がなされている。その構造は、測定すべき圧力を
ダイヤフラムに与え、この変化を電気的手段で検出する
点で共通するもので、これを図示すれば図9及び図10
の通りである。
サが広く用いられているが、これには信頼性、感度、残
留歪み、温度特性、耐圧性、生産性、コストなどきびし
い要求がなされている。その構造は、測定すべき圧力を
ダイヤフラムに与え、この変化を電気的手段で検出する
点で共通するもので、これを図示すれば図9及び図10
の通りである。
【0002】図9で、1は例えばアルミナを主成分とす
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム1は、圧力を受けると変形するように、例えば厚
さを約0.5〜0.9mmと薄膜である。2はアルミナな
どの絶縁性の円板状基板である。3は第1電極でダイヤ
フラム1の内側に設けられ、また4は第2電極で基板2
の内側に取り付けられ、これらの第1電極、第2電極は
いずれも円板状である。5はシ−ル材で、ダイヤフラム
1と基板2が所定の間隔で配置されるようにその外縁に
所定の厚さで介在されてあり、中央部に気密な圧力室6
が形成されている。そして、第1電極3、第2電極4に
は、図10に示すように導電性シ−ル材7でリ−ド部材
81 、82 に接続されている。
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム1は、圧力を受けると変形するように、例えば厚
さを約0.5〜0.9mmと薄膜である。2はアルミナな
どの絶縁性の円板状基板である。3は第1電極でダイヤ
フラム1の内側に設けられ、また4は第2電極で基板2
の内側に取り付けられ、これらの第1電極、第2電極は
いずれも円板状である。5はシ−ル材で、ダイヤフラム
1と基板2が所定の間隔で配置されるようにその外縁に
所定の厚さで介在されてあり、中央部に気密な圧力室6
が形成されている。そして、第1電極3、第2電極4に
は、図10に示すように導電性シ−ル材7でリ−ド部材
81 、82 に接続されている。
【0003】さらに、かかる従来の圧力センサ素子は、
シ−ル材5でシ−ル固定する際に電極間距離がバラツ
キ、静電容量の不均一を生じるという問題が指摘されて
いた。このため、図9に示すように、ダイヤフラム1と
基板2とが常に一定の電極間で組み立てられるように、
予めシ−ル材5の中に、その間隔に相当する大きさを有
しかつシ−ル時に軟化或いは溶融しな粒状の間隔調整部
材9を埋設する方法も知られていた(特開昭55−80
029号)。
シ−ル材5でシ−ル固定する際に電極間距離がバラツ
キ、静電容量の不均一を生じるという問題が指摘されて
いた。このため、図9に示すように、ダイヤフラム1と
基板2とが常に一定の電極間で組み立てられるように、
予めシ−ル材5の中に、その間隔に相当する大きさを有
しかつシ−ル時に軟化或いは溶融しな粒状の間隔調整部
材9を埋設する方法も知られていた(特開昭55−80
029号)。
【0004】こうした圧力センサで信号を取出す場合、
これにかかる圧力の変化と静電容量の値は比例関係で応
答し、直線的に変化する関係で得られることが望まれて
いた。しかしながら、従来のものでは必ずしもこれが十
分に達成されなかった。例えば、従来の圧力センサにか
かる圧力と静電容量の変化をコンピュ−タ−を用いてシ
ュミレ−ションしてみると図4の如くである。
これにかかる圧力の変化と静電容量の値は比例関係で応
答し、直線的に変化する関係で得られることが望まれて
いた。しかしながら、従来のものでは必ずしもこれが十
分に達成されなかった。例えば、従来の圧力センサにか
かる圧力と静電容量の変化をコンピュ−タ−を用いてシ
ュミレ−ションしてみると図4の如くである。
【0005】即ち、同図に示すように、定格圧力30kg
/cm2 の半分程度しか直線性がなく、それ以上では静電
容量は急激に増加して直線性が失われるという欠点があ
り、そのため従来は、静電容量を電気的に変換する回路
でこれを補正することが必要とされていた。
/cm2 の半分程度しか直線性がなく、それ以上では静電
容量は急激に増加して直線性が失われるという欠点があ
り、そのため従来は、静電容量を電気的に変換する回路
でこれを補正することが必要とされていた。
【0006】
【発明がを解決しようとする課題】この発明は、圧力セ
ンサで信号を取出す場合、これにかかる圧力と静電容量
が直線的に変化する関係で得られるようにするもので、
ダイヤフラムに設ける第1電極にその中心部に空所を設
けた円輪状のものを使用し、前記課題を解決しようとす
るものである。
ンサで信号を取出す場合、これにかかる圧力と静電容量
が直線的に変化する関係で得られるようにするもので、
ダイヤフラムに設ける第1電極にその中心部に空所を設
けた円輪状のものを使用し、前記課題を解決しようとす
るものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、電気絶縁性
の固定基板と、これと対向した位置に配設し圧力で変位
する電気絶縁性のダイヤフラムと、電気絶縁性の固定基
板と電気絶縁性のダイヤフラムとの間で周縁にシ−ル材
を介在してシ−ル固定することで前記ダイヤフラムと固
定基板との間で気密に形成された圧力室と、ダイヤフラ
ムに設けられた円輪状の電極で、この電極の中心部に設
けた空所の直径をA、該電極の外径をBとしてA/Bを
0.2〜0.5とした第1電極と、この第1電極と対向
して設けられた第2電極と、上記の第1電極、第2電極
のそれぞれと電気的に接続した各導電性リ−ド部材とか
らなる静電容量型圧力センサ素子である。
の固定基板と、これと対向した位置に配設し圧力で変位
する電気絶縁性のダイヤフラムと、電気絶縁性の固定基
板と電気絶縁性のダイヤフラムとの間で周縁にシ−ル材
を介在してシ−ル固定することで前記ダイヤフラムと固
定基板との間で気密に形成された圧力室と、ダイヤフラ
ムに設けられた円輪状の電極で、この電極の中心部に設
けた空所の直径をA、該電極の外径をBとしてA/Bを
0.2〜0.5とした第1電極と、この第1電極と対向
して設けられた第2電極と、上記の第1電極、第2電極
のそれぞれと電気的に接続した各導電性リ−ド部材とか
らなる静電容量型圧力センサ素子である。
【0008】
【作用】この発明の静電容量型圧力センサ素子は、ダイ
ヤフラムに設けられる第1電極を、円輪状でその中心部
に空所を設けたものとし、かつその空所の直径をA、電
極の外径をBとしたときのA/Bの値を0.2〜0.5
とすることによって、圧力センサの圧力の変化が静電容
量の値に直線的に変化して示されるようにし、これによ
って静電容量を電気的に変換する回路でこれを補正する
必要がないようにしたものである。
ヤフラムに設けられる第1電極を、円輪状でその中心部
に空所を設けたものとし、かつその空所の直径をA、電
極の外径をBとしたときのA/Bの値を0.2〜0.5
とすることによって、圧力センサの圧力の変化が静電容
量の値に直線的に変化して示されるようにし、これによ
って静電容量を電気的に変換する回路でこれを補正する
必要がないようにしたものである。
【0009】
【実施例】図1で、10は例えばアルミナを主成分とす
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム10は、圧力を受けると変形するように、例えば
厚さを約0.5〜0.9mmと薄膜とする。11はアルミ
ナなどの絶縁性の円板状の固定基板である。12は第1
電極でダイヤフラム10の内側に設けられている。この
第1電極12は、円輪状で中央部に空所13が設けてあ
る。この第1電極は、中心部に設けた空所の直径をA、
該電極の外径をBとしたとき、A/Bを0.2〜0.5
%の関係とする。14は第2電極である。15はシ−ル
材で第1電極12と第2電極14を所定の間隔にしてシ
−ル固定し、ここに圧力室16を形成する。17は、シ
−ル材15でシ−ル固定する際に、電極間距離を一定に
するためにこの間に挿入した長柱の間隔調整部材であ
る。
る電気絶縁性の円板状ダイヤフラムである。このダイヤ
フラム10は、圧力を受けると変形するように、例えば
厚さを約0.5〜0.9mmと薄膜とする。11はアルミ
ナなどの絶縁性の円板状の固定基板である。12は第1
電極でダイヤフラム10の内側に設けられている。この
第1電極12は、円輪状で中央部に空所13が設けてあ
る。この第1電極は、中心部に設けた空所の直径をA、
該電極の外径をBとしたとき、A/Bを0.2〜0.5
%の関係とする。14は第2電極である。15はシ−ル
材で第1電極12と第2電極14を所定の間隔にしてシ
−ル固定し、ここに圧力室16を形成する。17は、シ
−ル材15でシ−ル固定する際に、電極間距離を一定に
するためにこの間に挿入した長柱の間隔調整部材であ
る。
【0010】図2に示す181 ,182 は、第1電極1
2、第2電極14の各導電性リ−ド部である。また19
は、第1電極10と導電性リ−ド部181 を接合するた
めの導電性シ−ル材、20は、第2電極14と導電性リ
−ド部182 を接合するための導電性シ−ル材である。
図3は図1のA−A矢印断面で、この発明の圧力センサ
素子の第1電極のリ−ド部の構造を示したものである。
2、第2電極14の各導電性リ−ド部である。また19
は、第1電極10と導電性リ−ド部181 を接合するた
めの導電性シ−ル材、20は、第2電極14と導電性リ
−ド部182 を接合するための導電性シ−ル材である。
図3は図1のA−A矢印断面で、この発明の圧力センサ
素子の第1電極のリ−ド部の構造を示したものである。
【0011】静電容量型圧力センサでの静電容量Cは、
固定基板の電極面積をA1 、圧力室内の気体の誘電率を
ε、電極間の距離をδとすると、C=ε・A1 /δで示
される。
固定基板の電極面積をA1 、圧力室内の気体の誘電率を
ε、電極間の距離をδとすると、C=ε・A1 /δで示
される。
【0012】しかしながら、こうしたダイヤフラム型圧
力センサでは、圧力変化に対して2つの電極が常に平行
移動する場合に、圧力変化に対して静電容量の変化が直
線的に対応したものとなる。
力センサでは、圧力変化に対して2つの電極が常に平行
移動する場合に、圧力変化に対して静電容量の変化が直
線的に対応したものとなる。
【0013】即ち、直径2aのダイヤフラムの変位δ
は、圧力pに対してダイヤフラムの中心からの距離rの
関数として、次の式で与えられる。ただし、Kはダイヤ
フラムの材質、板厚によって決まる定数である。
は、圧力pに対してダイヤフラムの中心からの距離rの
関数として、次の式で与えられる。ただし、Kはダイヤ
フラムの材質、板厚によって決まる定数である。
【0014】δ=p/64K (a2 −r2 )2 従って、δの最大値はr=0、即ちダイヤフラムの中心
で、またr=a、即ちダイヤフラムの最外側でダイヤフ
ラムの変位δは0となる。即ち、電気的にはダイヤフラ
ムの中央で静電容量の変化が大きく、外周側で静電容量
の変化が小さくなり、その結果として圧力に対して静電
容量の変化の直線性が失われることになる。
で、またr=a、即ちダイヤフラムの最外側でダイヤフ
ラムの変位δは0となる。即ち、電気的にはダイヤフラ
ムの中央で静電容量の変化が大きく、外周側で静電容量
の変化が小さくなり、その結果として圧力に対して静電
容量の変化の直線性が失われることになる。
【0015】こうしたものの一例として、30kg/cm2
定格センサで、直径2aを13.2mm、ダイヤフラムの
板厚を0.7mm、電極外径を11.4mmの場合で示す
と、圧力10kgまでは0.4pF/kg/cm 2 であるのに
対し、10kg/cm2 以上では0.46pF/kg/cm 2 と
なって、圧力1kg/cm2 当たりの静電容量変化が、かな
り大きくなってしまう。
定格センサで、直径2aを13.2mm、ダイヤフラムの
板厚を0.7mm、電極外径を11.4mmの場合で示す
と、圧力10kgまでは0.4pF/kg/cm 2 であるのに
対し、10kg/cm2 以上では0.46pF/kg/cm 2 と
なって、圧力1kg/cm2 当たりの静電容量変化が、かな
り大きくなってしまう。
【0016】そこで本発明は、第1電極を円輪状とし、
かつこの電極の中心部に設けた空所の直径をA、該電極
の外径をBとしてA/Bの値を0.2〜0.5の範囲の
ものとしたものである。第1電極をこうした構成とする
ことによって、圧力が0のときの静電容量は減少する
が、図4と同様なシュミレ−ションを行うと、図5に示
すように0〜30kg/cm2 の範囲で、圧力に対する静電
容量の変化の直線性が大幅に改善されるようになる。こ
の点についてさらに説明すると以下の通りである。
かつこの電極の中心部に設けた空所の直径をA、該電極
の外径をBとしてA/Bの値を0.2〜0.5の範囲の
ものとしたものである。第1電極をこうした構成とする
ことによって、圧力が0のときの静電容量は減少する
が、図4と同様なシュミレ−ションを行うと、図5に示
すように0〜30kg/cm2 の範囲で、圧力に対する静電
容量の変化の直線性が大幅に改善されるようになる。こ
の点についてさらに説明すると以下の通りである。
【0017】図6は、円輪状で中央に空所を設けた第1
電極を用いた圧力センサにおいて、中心部に設けた空所
の直径をA、該電極の外径をBとしてA/Bの値を変化
させた場合の、圧力変化と静電容量の関係(C−P特
性)を示したものである。これによると、A/B値が大
きくなるほど、即ち電極の中央部の空所が大きくなるほ
ど圧力センサに加えられる圧力変化と静電容量の関係
は、図示したように直線性が得られることがわかる。
電極を用いた圧力センサにおいて、中心部に設けた空所
の直径をA、該電極の外径をBとしてA/Bの値を変化
させた場合の、圧力変化と静電容量の関係(C−P特
性)を示したものである。これによると、A/B値が大
きくなるほど、即ち電極の中央部の空所が大きくなるほ
ど圧力センサに加えられる圧力変化と静電容量の関係
は、図示したように直線性が得られることがわかる。
【0018】また、図7は横軸にA/Bを示し、縦軸の
1つに静電容量の圧力0kg/cm2 と1つの定格圧力点、
45kg/cm2 のときの静電容量との変化△C(pF)、
いま1つの縦軸に、センサに加えられる圧力(Kg /c
m2 ) を示したものである。図中のpl曲線は、図6で
示した円輪状の電極で、A/Bの値と直線性の得られる
圧力の関係を示したものである。この曲線によれば、A
/Bが大きければ、高い圧力でも直線性の得られること
が示されている。
1つに静電容量の圧力0kg/cm2 と1つの定格圧力点、
45kg/cm2 のときの静電容量との変化△C(pF)、
いま1つの縦軸に、センサに加えられる圧力(Kg /c
m2 ) を示したものである。図中のpl曲線は、図6で
示した円輪状の電極で、A/Bの値と直線性の得られる
圧力の関係を示したものである。この曲線によれば、A
/Bが大きければ、高い圧力でも直線性の得られること
が示されている。
【0019】また、図7の曲線△cは、A/Bの値と圧
力による静電容量の変化の関係を示したものである。こ
れによれば、圧力による静電容量の変化は、A/Bが大
きくなれば、即ち円輪の中空部が大きくなると小さくな
って、測定装置として使用が出来なくなることがわか
る。
力による静電容量の変化の関係を示したものである。こ
れによれば、圧力による静電容量の変化は、A/Bが大
きくなれば、即ち円輪の中空部が大きくなると小さくな
って、測定装置として使用が出来なくなることがわか
る。
【0020】こうした理由から、本願発明ではA/Bを
0.2〜0.5の範囲として、測定時の圧力と静電容量
との関係の直線性を維持しつつ、しかも所定の測定範囲
を確保しようとしたものである。
0.2〜0.5の範囲として、測定時の圧力と静電容量
との関係の直線性を維持しつつ、しかも所定の測定範囲
を確保しようとしたものである。
【0021】このように直線性と圧力による静電容量の
大きいことが理想であり、この両者を両立させるものと
しては、図8に示されている。即ち、同図で横軸にA/
B、縦軸に前記両者の積Pl・△cをとると、この積が
大きいところは0.2〜0.5で、これがこの発明で特
定したA/Bの範囲である。
大きいことが理想であり、この両者を両立させるものと
しては、図8に示されている。即ち、同図で横軸にA/
B、縦軸に前記両者の積Pl・△cをとると、この積が
大きいところは0.2〜0.5で、これがこの発明で特
定したA/Bの範囲である。
【0022】なお、上記実施例ではダイヤフラムの第1
電極を円輪状としたが、固定基板に取り付ける第2電極
の方を円輪状にしても同一の効果が得られるが、電気絶
縁性基板と電極との接着強度の点ではダイヤフラム側の
電極を円輪状とする方が有利である。
電極を円輪状としたが、固定基板に取り付ける第2電極
の方を円輪状にしても同一の効果が得られるが、電気絶
縁性基板と電極との接着強度の点ではダイヤフラム側の
電極を円輪状とする方が有利である。
【0023】
【発明の効果】以上の本発明によれば、圧力センサの定
格圧力の略全域にわたって、単位圧力変化を一定にで
き、圧力変化に直線性をもたせることができるようにな
り、静電容量より電気的変換する回路において非直線性
を補正する別の回路を設ける必要もなくなった。
格圧力の略全域にわたって、単位圧力変化を一定にで
き、圧力変化に直線性をもたせることができるようにな
り、静電容量より電気的変換する回路において非直線性
を補正する別の回路を設ける必要もなくなった。
【図1】本発明の実施例になる圧力センサの断面図。
【図2】図1に示す圧力センサの導電性リ−ド部を含む
部分の断面図。
部分の断面図。
【図3】図1のA−A矢視の断面図。
【図4】従来の静電容量型圧力センサの圧力と静電容量
の関係をシュミレ−トして示した線図。
の関係をシュミレ−トして示した線図。
【図5】この発明の静電容量型圧力センサの圧力と静電
容量の関係をシュミレ−トして示した線図。
容量の関係をシュミレ−トして示した線図。
【図6】円輪状の第1電極の中心部の空所の直径Aと電
極の外径Bの割合を変化させた場合の、圧力と静電容量
の関係を示す線図。
極の外径Bの割合を変化させた場合の、圧力と静電容量
の関係を示す線図。
【図7】A/Bの値と、静電容量△C(pF)、或いは
圧力(KgG/cm2 ) の関係を示した線図。
圧力(KgG/cm2 ) の関係を示した線図。
【図8】A/BとPl・△cの関係を示す線図。
【図9】従来の圧力センサの断面図。
【図10】図9に示す圧力センサの導電性リ−ド部を含
む部分の断面図。
む部分の断面図。
10…ダイヤフラム、11…固定基板、12…第1電
極、13…空所、14…第2電極、15…シ−ル材、1
6…圧力室、17…間隔調整部材、181 ,182 …導
電性リ−ド部、19,20…導電性シ−ル材.
極、13…空所、14…第2電極、15…シ−ル材、1
6…圧力室、17…間隔調整部材、181 ,182 …導
電性リ−ド部、19,20…導電性シ−ル材.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 9/12
Claims (1)
- 【請求項1】 電気絶縁性の固定基板と、これと対向し
た位置に配設し圧力で変位する電気絶縁性のダイヤフラ
ムと、電気絶縁性の固定基板と電気絶縁性のダイヤフラ
ムとの間で周縁にシ−ル材を介在してシ−ル固定するこ
とで前記ダイヤフラムと固定基板との間で気密に形成さ
れた圧力室と、ダイヤフラムに設けられた円輪状の電極
で、この電極の中心部に設けた空所の直径をA、該電極
の外径をBとしてA/Bを0.2〜0.5とした第1電
極と、この第1電極と対向して設けられた第2電極と、
上記の第1電極、第2電極のそれぞれと電気的に接続し
た各導電性リ−ド部材とからなる静電容量型圧力センサ
素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03344834A JP3083115B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 静電容量型圧力センサ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03344834A JP3083115B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 静電容量型圧力センサ素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05172675A JPH05172675A (ja) | 1993-07-09 |
JP3083115B2 true JP3083115B2 (ja) | 2000-09-04 |
Family
ID=18372338
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03344834A Expired - Fee Related JP3083115B2 (ja) | 1991-12-26 | 1991-12-26 | 静電容量型圧力センサ素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3083115B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5965821A (en) * | 1997-07-03 | 1999-10-12 | Mks Instruments, Inc. | Pressure sensor |
-
1991
- 1991-12-26 JP JP03344834A patent/JP3083115B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05172675A (ja) | 1993-07-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4388668A (en) | Capacitive pressure transducer | |
US4207604A (en) | Capacitive pressure transducer with cut out conductive plate | |
US4426673A (en) | Capacitive pressure transducer and method of making same | |
EP0041886B1 (en) | Capacitive pressure transducer | |
US4227419A (en) | Capacitive pressure transducer | |
US4951174A (en) | Capacitive pressure sensor with third encircling plate | |
US4358814A (en) | Capacitive pressure sensor | |
US4168518A (en) | Capacitor transducer | |
US5150275A (en) | Capacitive pressure sensor | |
US4168517A (en) | Capacitive pressure transducer | |
US4879627A (en) | Differential capacitive pressure sensor with over-pressure protection | |
US4998179A (en) | Capacitive semiconductive sensor with hinged diaphragm for planar movement | |
US5020377A (en) | Low pressure transducer using metal foil diaphragm | |
JPH04290936A (ja) | 容量式マノメータのためのセンサ | |
WO1987003088A1 (en) | Dual diaphragm differential pressure transducer | |
JP2000000011U (ja) | 容量型センサ | |
WO1986002447A1 (en) | Capacitive sensing cell made of brittle material | |
JP3399688B2 (ja) | 圧力センサ | |
JP3083115B2 (ja) | 静電容量型圧力センサ素子 | |
US4475402A (en) | Pressure sensing apparatus | |
JP3144647B2 (ja) | 静電容量型圧力センサ素子 | |
JPS5845533A (ja) | 圧力検出器 | |
JP3106939B2 (ja) | 静電容量式圧力検出装置 | |
JPS5844324A (ja) | 静電容量形圧力トランスジユ−サ | |
JPH0727645A (ja) | 静電容量式圧力センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |