JPH08271364A - 圧力センサ - Google Patents
圧力センサInfo
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- JPH08271364A JPH08271364A JP7132295A JP7132295A JPH08271364A JP H08271364 A JPH08271364 A JP H08271364A JP 7132295 A JP7132295 A JP 7132295A JP 7132295 A JP7132295 A JP 7132295A JP H08271364 A JPH08271364 A JP H08271364A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】出力の直線性が充分確保され、測定範囲に比し
て耐圧性能が充分大きい圧力センサの提供。 【構成】厚肉の基板20と、薄肉のダイアフラム10と、こ
れらの基板20およびダイアフラム10の各々に設けた電極
11,21,22とを有し、ダイアフラム10に加わる圧力を電極
11,21,22間の静電容量の変化により検出する圧力センサ
に、ダイアフラム10の変位を制限するリング状のストッ
パ27, 28を設ける。ダイアフラム10に生じる変位はスト
ッパ27, 28により制限されるので、過大な圧力が加わっ
てもダイアフラム10の内部には大きな応力が発生せず、
ダイアフラム10の機能が損なわれず、電極間の距離を大
きくでき、出力の非直線性が改善される。
て耐圧性能が充分大きい圧力センサの提供。 【構成】厚肉の基板20と、薄肉のダイアフラム10と、こ
れらの基板20およびダイアフラム10の各々に設けた電極
11,21,22とを有し、ダイアフラム10に加わる圧力を電極
11,21,22間の静電容量の変化により検出する圧力センサ
に、ダイアフラム10の変位を制限するリング状のストッ
パ27, 28を設ける。ダイアフラム10に生じる変位はスト
ッパ27, 28により制限されるので、過大な圧力が加わっ
てもダイアフラム10の内部には大きな応力が発生せず、
ダイアフラム10の機能が損なわれず、電極間の距離を大
きくでき、出力の非直線性が改善される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、測定流体の圧力を検出
する静電容量式の圧力センサ、特に、耐圧性能を改善し
た圧力センサに関する。
する静電容量式の圧力センサ、特に、耐圧性能を改善し
た圧力センサに関する。
【０００２】
【背景技術】従来より、静電容量式の圧力センサが利用
されている。図６には、静電容量式の圧力センサに用い
られる従来の一般的な圧力変換素子50が示されている
（特公昭60-34687号）。この圧力変換素子50は、厚肉の
基板51と、この基板51に所定の間隔を置いて対向配置さ
れた薄肉のダイアフラム52と、これらの基板51およびダ
イアフラム52の各々の対向面にそれぞれ設けられた電極
53, 54とを有するものである。ダイアフラム52に圧力が
加えられると、ダイアフラム52が弾性変形し、ダイアフ
ラム52の変形量に応じて電極53, 54の静電容量Ｃが変化
するので、この静電容量Ｃの変化から、ダイアフラム52
に加わる圧力が検出される。すなわち、電極53, 54が形
成する静電容量Ｃは、電極面積Ａ、電極間物質の誘電率
をε、電極間距離ｄとすると、 Ｃ＝ε＊Ａ／ｄ‥‥‥‥ で表される。従って、ダイアフラム52に圧力が加えられ
ると、ダイアフラム52が変形し、ダイアフラム52に加わ
る圧力に応じて距離ｄが変位することから、静電容量Ｃ
に基づいてダイアフラム52に加わる圧力を検出すること
ができる。
されている。図６には、静電容量式の圧力センサに用い
られる従来の一般的な圧力変換素子50が示されている
（特公昭60-34687号）。この圧力変換素子50は、厚肉の
基板51と、この基板51に所定の間隔を置いて対向配置さ
れた薄肉のダイアフラム52と、これらの基板51およびダ
イアフラム52の各々の対向面にそれぞれ設けられた電極
53, 54とを有するものである。ダイアフラム52に圧力が
加えられると、ダイアフラム52が弾性変形し、ダイアフ
ラム52の変形量に応じて電極53, 54の静電容量Ｃが変化
するので、この静電容量Ｃの変化から、ダイアフラム52
に加わる圧力が検出される。すなわち、電極53, 54が形
成する静電容量Ｃは、電極面積Ａ、電極間物質の誘電率
をε、電極間距離ｄとすると、 Ｃ＝ε＊Ａ／ｄ‥‥‥‥ で表される。従って、ダイアフラム52に圧力が加えられ
ると、ダイアフラム52が変形し、ダイアフラム52に加わ
る圧力に応じて距離ｄが変位することから、静電容量Ｃ
に基づいてダイアフラム52に加わる圧力を検出すること
ができる。
【０００３】ここで、式から判るように、静電容量Ｃ
は、電極間距離ｄに反比例するものとなっており、圧力
変換素子50に入力される圧力が直線的に変化しても、圧
力変換素子50から出力される静電容量Ｃの変化は、非直
線的となる。この非直線性が著しいと、直線近似を行う
補正回路で補正する際に、補正回路が複雑となり、圧力
センサ50のコストが高価となる。この出力の非直線性
は、電極間距離ｄと、電極間距離の最大変位ｆとによっ
て決まり、ｆ／ｄの値を０に近づけることにより改善さ
れる。また、電極間距離ｄが小さいと、測定範囲におけ
る静電容量および静電容量の変化量のばらつきが大きく
なり、調整回路が複雑となり、この点からも圧力センサ
50のコストは高価となる。そこで、測定範囲が充分確保
されるように、電極間距離の最大変位ｆを決め、この最
大変位ｆに対して電極間距離ｄを充分大きくすることに
より、圧力変換素子50の出力特性を直線に近づけ、補正
回路や調整回路が複雑にならないようにしている。一般
的には、電極間距離ｄは、電極間距離の最大変位ｆの３
倍以上にすることが好ましい。
は、電極間距離ｄに反比例するものとなっており、圧力
変換素子50に入力される圧力が直線的に変化しても、圧
力変換素子50から出力される静電容量Ｃの変化は、非直
線的となる。この非直線性が著しいと、直線近似を行う
補正回路で補正する際に、補正回路が複雑となり、圧力
センサ50のコストが高価となる。この出力の非直線性
は、電極間距離ｄと、電極間距離の最大変位ｆとによっ
て決まり、ｆ／ｄの値を０に近づけることにより改善さ
れる。また、電極間距離ｄが小さいと、測定範囲におけ
る静電容量および静電容量の変化量のばらつきが大きく
なり、調整回路が複雑となり、この点からも圧力センサ
50のコストは高価となる。そこで、測定範囲が充分確保
されるように、電極間距離の最大変位ｆを決め、この最
大変位ｆに対して電極間距離ｄを充分大きくすることに
より、圧力変換素子50の出力特性を直線に近づけ、補正
回路や調整回路が複雑にならないようにしている。一般
的には、電極間距離ｄは、電極間距離の最大変位ｆの３
倍以上にすることが好ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極間
距離ｄを大きくすると、ダイアフラム52に測定範囲以上
の圧力が加わった際に、図７に示されるように、ダイア
フラム52が基板51に接触するまで変形し、ダイフラム52
の内部応力が大きくなり、ダイアフラム52は機能を維持
できなくなる。このため、従来の圧力変換素子50では、
測定における耐圧性能を測定範囲に比して大きくとるこ
とができないという問題があった。
距離ｄを大きくすると、ダイアフラム52に測定範囲以上
の圧力が加わった際に、図７に示されるように、ダイア
フラム52が基板51に接触するまで変形し、ダイフラム52
の内部応力が大きくなり、ダイアフラム52は機能を維持
できなくなる。このため、従来の圧力変換素子50では、
測定における耐圧性能を測定範囲に比して大きくとるこ
とができないという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、出力の直線性が充分確保
され、測定範囲に比して耐圧性能が充分大きい圧力セン
サを提供することにある
され、測定範囲に比して耐圧性能が充分大きい圧力セン
サを提供することにある
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、厚肉の基板
と、所定の間隔を置いて前記基板と対向して配置された
薄肉のダイアフラムと、これらの基板およびダイアフラ
ムの互いに対向する面にそれぞれ設けられた電極とを有
し、前記ダイアフラムに加わる圧力を前記電極間の静電
容量の変化により検出する圧力センサであって、前記ダ
イアフラムの変位を制限するリング状のストッパを複数
備え、これらのストッパの高さがそれぞれ異なることを
特徴とする。以上において、前記ストッパの各々は、前
記基板に同軸となるように設けたリング状の凸部である
とともに、その高さが内側のものほど低くされているこ
とが望ましい。また、前記ストッパの各々は、前記基板
に設けられた前記電極の上側に積層した誘電体からなる
ことが好ましい。
と、所定の間隔を置いて前記基板と対向して配置された
薄肉のダイアフラムと、これらの基板およびダイアフラ
ムの互いに対向する面にそれぞれ設けられた電極とを有
し、前記ダイアフラムに加わる圧力を前記電極間の静電
容量の変化により検出する圧力センサであって、前記ダ
イアフラムの変位を制限するリング状のストッパを複数
備え、これらのストッパの高さがそれぞれ異なることを
特徴とする。以上において、前記ストッパの各々は、前
記基板に同軸となるように設けたリング状の凸部である
とともに、その高さが内側のものほど低くされているこ
とが望ましい。また、前記ストッパの各々は、前記基板
に設けられた前記電極の上側に積層した誘電体からなる
ことが好ましい。
【０００７】
【作用】このような本発明では、ダイアフラムに生じる
変位がストッパにより制限されるので、過大な圧力が加
わってもダイアフラムの内部には、大きな応力が発生し
ないので、電極間の距離を大きくすることができる。こ
のため、出力の直線性が充分確保可能となるうえ、過大
な圧力が加わってもダイアフラムの機能が損なわれなく
なるので、測定範囲に比して充分大きい耐圧性能が確保
され、これにより前記目的が達成される。この際、基板
にリング状の凸部を設け、この凸部をストッパとして採
用すれば、この凸部でダイアフラムの変位を制限できる
うえ、この凸部の位置や大きさを適宜設定すれば、電極
が構成する静電容量Ｃを大きくしない、すなわち見かけ
上の電極間距離ｄを低下させないので、測定精度が充分
確保されるようになる。また、凸部の高さを内側のもの
ほど低くすれば、各ストッパの先端がダイアフラムの変
形範囲に応じた位置に配置され、測定範囲の圧力に対し
てはダイアフラムの変形を充分許容する一方、過大な圧
力に対してはストッパがダイアフラムの変位を確実に抑
制するので、所望の測定範囲および充分な耐圧性能の両
方が確保される。
変位がストッパにより制限されるので、過大な圧力が加
わってもダイアフラムの内部には、大きな応力が発生し
ないので、電極間の距離を大きくすることができる。こ
のため、出力の直線性が充分確保可能となるうえ、過大
な圧力が加わってもダイアフラムの機能が損なわれなく
なるので、測定範囲に比して充分大きい耐圧性能が確保
され、これにより前記目的が達成される。この際、基板
にリング状の凸部を設け、この凸部をストッパとして採
用すれば、この凸部でダイアフラムの変位を制限できる
うえ、この凸部の位置や大きさを適宜設定すれば、電極
が構成する静電容量Ｃを大きくしない、すなわち見かけ
上の電極間距離ｄを低下させないので、測定精度が充分
確保されるようになる。また、凸部の高さを内側のもの
ほど低くすれば、各ストッパの先端がダイアフラムの変
形範囲に応じた位置に配置され、測定範囲の圧力に対し
てはダイアフラムの変形を充分許容する一方、過大な圧
力に対してはストッパがダイアフラムの変位を確実に抑
制するので、所望の測定範囲および充分な耐圧性能の両
方が確保される。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１および図２には、本実施例に係る圧力セン
サの圧力変換素子１が示されている。この圧力変換素子
１は、図示しない圧力センサに内蔵され、測定流体の圧
力を検出するものである。圧力変換素子１には、セラミ
ック等からなる円板状のダイアフラム10および基板20と
が備えられている。ダイアフラム10および基板20は、筒
状の接合体２を挟んで接合され、互いに所定の間隔を置
いて対向配置されている。ダイアフラム10は、測定流体
の圧力を受けて変形する薄肉の絶縁体である。ダイアフ
ラム10には、基板20と対向する面のほぼ全面を覆う円板
状のコモン電極11が設けられている。このコモン電極11
は、接合体２および基板20を貫通するスルーホール12を
介して、基板20の外側に設けられた外部接続端子13と電
気的に接続されている。なお、スルーホール12は、内側
面に導電性物質が被覆されたものである。
明する。図１および図２には、本実施例に係る圧力セン
サの圧力変換素子１が示されている。この圧力変換素子
１は、図示しない圧力センサに内蔵され、測定流体の圧
力を検出するものである。圧力変換素子１には、セラミ
ック等からなる円板状のダイアフラム10および基板20と
が備えられている。ダイアフラム10および基板20は、筒
状の接合体２を挟んで接合され、互いに所定の間隔を置
いて対向配置されている。ダイアフラム10は、測定流体
の圧力を受けて変形する薄肉の絶縁体である。ダイアフ
ラム10には、基板20と対向する面のほぼ全面を覆う円板
状のコモン電極11が設けられている。このコモン電極11
は、接合体２および基板20を貫通するスルーホール12を
介して、基板20の外側に設けられた外部接続端子13と電
気的に接続されている。なお、スルーホール12は、内側
面に導電性物質が被覆されたものである。
【０００９】基板20は、セラミック等からなる厚肉の絶
縁体である。基板20には、ダイアフラム10と対向する面
に、円板状の測定電極21と、リング状のリファレンス電
極22とが同軸となるように設けられている。測定電極21
およびリファレンス電極22の各々は、基板20を貫通する
スルーホール23, 24を介して、基板20の外側に設けられ
た外部接続端子25, 26とそれぞれ電気的に接続されてい
る。なお、スルーホール23, 24は、スルーホール12と同
様に、内側面に導電性物質が被覆されたものである。こ
こで、ダイアフラム10側のコモン電極11および基板20側
の測定電極21が静電容量Ｃ1 を構成し、ダイアフラム10
側のコモン電極11および基板20側のリファレンス電極22
が静電容量Ｃ2 を構成している。ダイアフラム10に圧力
が加わると、ダイアフラム10が変形するため、静電容量
Ｃ1 、Ｃ2 は、ダイアフラム10に加わる圧力に応じて変
化する。静電容量Ｃ1 、Ｃ2 の変化は、図示しない補正
回路で変換され、圧力に比例した電気信号として出力さ
れるようになっている。
縁体である。基板20には、ダイアフラム10と対向する面
に、円板状の測定電極21と、リング状のリファレンス電
極22とが同軸となるように設けられている。測定電極21
およびリファレンス電極22の各々は、基板20を貫通する
スルーホール23, 24を介して、基板20の外側に設けられ
た外部接続端子25, 26とそれぞれ電気的に接続されてい
る。なお、スルーホール23, 24は、スルーホール12と同
様に、内側面に導電性物質が被覆されたものである。こ
こで、ダイアフラム10側のコモン電極11および基板20側
の測定電極21が静電容量Ｃ1 を構成し、ダイアフラム10
側のコモン電極11および基板20側のリファレンス電極22
が静電容量Ｃ2 を構成している。ダイアフラム10に圧力
が加わると、ダイアフラム10が変形するため、静電容量
Ｃ1 、Ｃ2 は、ダイアフラム10に加わる圧力に応じて変
化する。静電容量Ｃ1 、Ｃ2 の変化は、図示しない補正
回路で変換され、圧力に比例した電気信号として出力さ
れるようになっている。
【００１０】測定電極21の上側には、ガラス等の誘電体
からなるリング状の凸部27が形成されている。この凸部
27の外側には、測定電極21の外周縁およびリファレンス
電極22の内周縁にまたがってリング状の凸部28が形成さ
れている。内側の凸部27は、高さが凸部28よりも低くさ
れている。これらの凸部27, 28の各々は、ダイアフラム
10の変位を制限するリング状のストッパとなっている。
からなるリング状の凸部27が形成されている。この凸部
27の外側には、測定電極21の外周縁およびリファレンス
電極22の内周縁にまたがってリング状の凸部28が形成さ
れている。内側の凸部27は、高さが凸部28よりも低くさ
れている。これらの凸部27, 28の各々は、ダイアフラム
10の変位を制限するリング状のストッパとなっている。
【００１１】次に、本実施例のストッパの作用について
説明する。ダイアフラム10に測定範囲内の圧力が加わる
と、図３（Ａ）に示されるように、ダイアフラム10が変
形し、電極11,21,22が構成する静電容量Ｃ1 、Ｃ2 が変
化し、この静電容量Ｃ1 、Ｃ2 の変化から圧力が検出さ
れる。ここで、ダイアフラム10に加わる圧力は、測定範
囲内にあるので、ダイアフラム10は、変形しても凸部2
7, 28と接触しない。この状態から圧力が増大し、測定
範囲外に逸脱すると、ダイアフラム10は、図３（Ｂ）に
示されるように、さらに変形して凸部27, 28と接触し、
凸部27, 28との接触により、ダイアフラム10の変形は抑
制される。このため、ダイアフラム10の変位は、凸部2
7, 28がない場合のダイアフラム52の変位（図中二点鎖
線で示す）よりも小さい。同一形状のダイアフラム10,
52に生じる内部応力は、変形が小さい程小さくなるの
で、同じ大きさの応力を発生させるには、凸部27, 28と
接触するダイアフラム10の方がダイアフラム52よりも大
きな圧力を加える必要がある。そして、圧力がさらに増
大すると、ダイアフラム10は、図３（Ｃ）に示されるよ
うに、凸部27, 28の角部27A, 28Aの近傍が下方に折れ曲
がるように変形する。これにより、ダイアフラム10の角
部27A, 28Aに近い部分には、曲げモーメントＭが発生す
る。この曲げモーメントＭは、ダイアフラム10に加わる
圧力Ｐによる応力と反対方向に働き、この結果、ダイア
フラム10の内部に発生する応力が低減される。従って、
ストッパを設けることにより、ダイアフラム10の機能を
維持可能な最大圧力が増大され、圧力変換素子１の耐圧
性能が向上する。
説明する。ダイアフラム10に測定範囲内の圧力が加わる
と、図３（Ａ）に示されるように、ダイアフラム10が変
形し、電極11,21,22が構成する静電容量Ｃ1 、Ｃ2 が変
化し、この静電容量Ｃ1 、Ｃ2 の変化から圧力が検出さ
れる。ここで、ダイアフラム10に加わる圧力は、測定範
囲内にあるので、ダイアフラム10は、変形しても凸部2
7, 28と接触しない。この状態から圧力が増大し、測定
範囲外に逸脱すると、ダイアフラム10は、図３（Ｂ）に
示されるように、さらに変形して凸部27, 28と接触し、
凸部27, 28との接触により、ダイアフラム10の変形は抑
制される。このため、ダイアフラム10の変位は、凸部2
7, 28がない場合のダイアフラム52の変位（図中二点鎖
線で示す）よりも小さい。同一形状のダイアフラム10,
52に生じる内部応力は、変形が小さい程小さくなるの
で、同じ大きさの応力を発生させるには、凸部27, 28と
接触するダイアフラム10の方がダイアフラム52よりも大
きな圧力を加える必要がある。そして、圧力がさらに増
大すると、ダイアフラム10は、図３（Ｃ）に示されるよ
うに、凸部27, 28の角部27A, 28Aの近傍が下方に折れ曲
がるように変形する。これにより、ダイアフラム10の角
部27A, 28Aに近い部分には、曲げモーメントＭが発生す
る。この曲げモーメントＭは、ダイアフラム10に加わる
圧力Ｐによる応力と反対方向に働き、この結果、ダイア
フラム10の内部に発生する応力が低減される。従って、
ストッパを設けることにより、ダイアフラム10の機能を
維持可能な最大圧力が増大され、圧力変換素子１の耐圧
性能が向上する。
【００１２】続いて、本実施例のストッパによる測定へ
の影響について考察する。図４には、ダイアフラム10の
変位による静電容量の変化を求めるための模式図が示さ
れている。ここでは、電極11および電極21の静電容量を
Ｃ1 、電極11および電極22の静電容量をＣ2 とし、静電
容量Ｃ1,Ｃ2 の各々の変化分を求める。図において、電
極11および電極21, 22の各々は、凸部27, 28の有無に応
じて領域Ｕ〜Ｚに区分けされている。例えば、領域Ｕ
は、圧力変換素子１の中心にある領域であり、電極11お
よび電極21の間には、空気等の電極間物質のみが介在す
る。また、領域Ｖは、圧力変換素子１の内側の凸部27が
形成された領域であり、電極11および電極21の間には、
電極間物質および凸部27が介在する。ここで、電極11お
よび電極21, 22を無限長の平行平板とみなし、領域Ｖの
静電容量ＣV を求めてみる。電極間物質の誘電率を
ε1 、凸部27の誘電率をε2 、電極11, 21の間隔を
Ｓ1、電極11および凸部27の間隔をＳ2 、領域Ｖの対向
電極の面積をＡV 、電極間物質のみによる静電容量をＣ
a 、凸部27のみによる静電容量Ｃb とすると、静電容量
Ｃa ，Ｃb は、 Ｃa ＝ε1 ＊ＡV ／Ｓ2 Ｃb ＝ε2 ＊ＡV ／（Ｓ1 −Ｓ2 ） となる。一方、静電容量ＣV は、 ＣV ＝Ｃa ＊Ｃb ／（Ｃa ＋Ｃb ） で求められる。ここで、凸部27は誘電体なので、ε1 ≪
ε2 となり、Ｃa ≪Ｃbとなることから、 ＣV ≒Ｃa ＝ε1 ＊ＡV ／Ｓ2 が求まる。
の影響について考察する。図４には、ダイアフラム10の
変位による静電容量の変化を求めるための模式図が示さ
れている。ここでは、電極11および電極21の静電容量を
Ｃ1 、電極11および電極22の静電容量をＣ2 とし、静電
容量Ｃ1,Ｃ2 の各々の変化分を求める。図において、電
極11および電極21, 22の各々は、凸部27, 28の有無に応
じて領域Ｕ〜Ｚに区分けされている。例えば、領域Ｕ
は、圧力変換素子１の中心にある領域であり、電極11お
よび電極21の間には、空気等の電極間物質のみが介在す
る。また、領域Ｖは、圧力変換素子１の内側の凸部27が
形成された領域であり、電極11および電極21の間には、
電極間物質および凸部27が介在する。ここで、電極11お
よび電極21, 22を無限長の平行平板とみなし、領域Ｖの
静電容量ＣV を求めてみる。電極間物質の誘電率を
ε1 、凸部27の誘電率をε2 、電極11, 21の間隔を
Ｓ1、電極11および凸部27の間隔をＳ2 、領域Ｖの対向
電極の面積をＡV 、電極間物質のみによる静電容量をＣ
a 、凸部27のみによる静電容量Ｃb とすると、静電容量
Ｃa ，Ｃb は、 Ｃa ＝ε1 ＊ＡV ／Ｓ2 Ｃb ＝ε2 ＊ＡV ／（Ｓ1 −Ｓ2 ） となる。一方、静電容量ＣV は、 ＣV ＝Ｃa ＊Ｃb ／（Ｃa ＋Ｃb ） で求められる。ここで、凸部27は誘電体なので、ε1 ≪
ε2 となり、Ｃa ≪Ｃbとなることから、 ＣV ≒Ｃa ＝ε1 ＊ＡV ／Ｓ2 が求まる。
【００１３】同様にして他の各領域Ｕ，Ｗ〜Ｚの静電容
量を求め、領域Ｕ〜Ｘの静電容量を加算して静電容量Ｃ
1 を求める一方、領域Ｙ，Ｚの静電容量を加算して静電
容量Ｃ2 を求める。すなわち、静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 は次
のように表される。 Ｃ1 ＝ ε1 ＊ＡU ／Ｓ1 ＋ε1 ＊ ＡV ／Ｓ2 ＋ε1
＊ＡW ／Ｓ3＋ε1 ＊ＡX ／Ｓ4 Ｃ2 ＝ ε1 ＊ＡY ／Ｓ4 ＋ε1 ＊ＡZ ／Ｓ5 ただし、各領域Ｕ〜Ｚにおける、対向電極の面積をＡU
〜ＡZ 、電極の間隔をＳ1 〜Ｓ5 とする。次いで、静電
容量Ｃ1 、Ｃ2 から変化分δＣ1 、δＣ2 を求めてみ
る。測定範囲では、各領域Ｕ〜Ｚの電極間隔Ｓ1 〜Ｓ5
は、それぞれ最大値Ｓ10〜Ｓ50から最小値Ｓ11〜Ｓ51の
間で変化するとすれば、 δＣ1 ＝ ε1 ＊ＡU ／（Ｓ11−Ｓ10）＋ε1 ＊ＡV ／
（Ｓ21−Ｓ20）＋ε1 ＊ＡW ／（Ｓ31−Ｓ30）＋ε1 ＊
ＡX ／（Ｓ41−Ｓ40） δＣ2 ＝ ε1 ＊ＡY ／（Ｓ41−Ｓ40）＋ε1 ＊ＡZ ／
（Ｓ51−Ｓ50） ここで、凸部27, 28が各領域で占める面積は、電極21,
22の占める面積に比べて充分小さく、ＡU ≫ＡV 、ＡU
≫ＡX 、ＡZ ≫ＡY となるので、Ｓ20、Ｓ21、Ｓ40、Ｓ
41の影響は無視できる。つまり、ダイアフラム10の過大
な変位を抑制するために、基板20に凸部27, 28を設けて
も、測定される静電容量の変化には、実質的な影響を与
えない。
量を求め、領域Ｕ〜Ｘの静電容量を加算して静電容量Ｃ
1 を求める一方、領域Ｙ，Ｚの静電容量を加算して静電
容量Ｃ2 を求める。すなわち、静電容量Ｃ1 ，Ｃ2 は次
のように表される。 Ｃ1 ＝ ε1 ＊ＡU ／Ｓ1 ＋ε1 ＊ ＡV ／Ｓ2 ＋ε1
＊ＡW ／Ｓ3＋ε1 ＊ＡX ／Ｓ4 Ｃ2 ＝ ε1 ＊ＡY ／Ｓ4 ＋ε1 ＊ＡZ ／Ｓ5 ただし、各領域Ｕ〜Ｚにおける、対向電極の面積をＡU
〜ＡZ 、電極の間隔をＳ1 〜Ｓ5 とする。次いで、静電
容量Ｃ1 、Ｃ2 から変化分δＣ1 、δＣ2 を求めてみ
る。測定範囲では、各領域Ｕ〜Ｚの電極間隔Ｓ1 〜Ｓ5
は、それぞれ最大値Ｓ10〜Ｓ50から最小値Ｓ11〜Ｓ51の
間で変化するとすれば、 δＣ1 ＝ ε1 ＊ＡU ／（Ｓ11−Ｓ10）＋ε1 ＊ＡV ／
（Ｓ21−Ｓ20）＋ε1 ＊ＡW ／（Ｓ31−Ｓ30）＋ε1 ＊
ＡX ／（Ｓ41−Ｓ40） δＣ2 ＝ ε1 ＊ＡY ／（Ｓ41−Ｓ40）＋ε1 ＊ＡZ ／
（Ｓ51−Ｓ50） ここで、凸部27, 28が各領域で占める面積は、電極21,
22の占める面積に比べて充分小さく、ＡU ≫ＡV 、ＡU
≫ＡX 、ＡZ ≫ＡY となるので、Ｓ20、Ｓ21、Ｓ40、Ｓ
41の影響は無視できる。つまり、ダイアフラム10の過大
な変位を抑制するために、基板20に凸部27, 28を設けて
も、測定される静電容量の変化には、実質的な影響を与
えない。
【００１４】続いて、本実施例の圧力変換素子１の製造
手順について説明する。図５には、圧力変換素子１の断
面模式図が示されている。図において、基板20は、既に
測定電極21およびリファレンス電極22（図示せず）等が
設けられたものである。この基板20に、凸部27、凸部2
8、および、接合体２を形成した後、ダイアフラム10を
接合することにより、圧力変換素子１が製造される。す
なわち、基板20の所定位置にガラスペーストを印刷した
後焼成し、これにより、同じ高さのガラスフリット271,
281, 201 を形成する。ここで、ガラスフリット271 に
より凸部27が完成する。次いで、ガラスフリット281, 2
01の図中上側に、ガラスペーストを印刷した後焼成し、
ガラスフリット282, 202が同じ高さになるように形成す
る。ここで、ガラスフリット281, 282により凸部28が完
成する。続いて、ガラスフリット202 の図中上側に、接
合用ガラスペーストを印刷して接合部203 を形成し、こ
の接合部203 でダイアフラム10を接合する。この後、各
部の仕上げ、配線、調整等の工程を経て圧力変換素子１
が完成する。
手順について説明する。図５には、圧力変換素子１の断
面模式図が示されている。図において、基板20は、既に
測定電極21およびリファレンス電極22（図示せず）等が
設けられたものである。この基板20に、凸部27、凸部2
8、および、接合体２を形成した後、ダイアフラム10を
接合することにより、圧力変換素子１が製造される。す
なわち、基板20の所定位置にガラスペーストを印刷した
後焼成し、これにより、同じ高さのガラスフリット271,
281, 201 を形成する。ここで、ガラスフリット271 に
より凸部27が完成する。次いで、ガラスフリット281, 2
01の図中上側に、ガラスペーストを印刷した後焼成し、
ガラスフリット282, 202が同じ高さになるように形成す
る。ここで、ガラスフリット281, 282により凸部28が完
成する。続いて、ガラスフリット202 の図中上側に、接
合用ガラスペーストを印刷して接合部203 を形成し、こ
の接合部203 でダイアフラム10を接合する。この後、各
部の仕上げ、配線、調整等の工程を経て圧力変換素子１
が完成する。
【００１５】前述のような本実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、ダイアフラム10に生じる変位
を制限する凸部27, 28を設け、過大な圧力によるダイア
フラム10の変位を凸部27, 28で制限したので、電極11と
電極21, 22との間の距離である電極間隔を大きくして
も、ダイアフラム10が大きく変形することがなくなり、
大きな圧力が加わってもダイアフラム10の機能を維持す
ることができる。このため、電極間隔を拡大して出力の
直線性を充分確保できるうえ、測定範囲に比して耐圧性
能を充分大きくできる。
な効果がある。すなわち、ダイアフラム10に生じる変位
を制限する凸部27, 28を設け、過大な圧力によるダイア
フラム10の変位を凸部27, 28で制限したので、電極11と
電極21, 22との間の距離である電極間隔を大きくして
も、ダイアフラム10が大きく変形することがなくなり、
大きな圧力が加わってもダイアフラム10の機能を維持す
ることができる。このため、電極間隔を拡大して出力の
直線性を充分確保できるうえ、測定範囲に比して耐圧性
能を充分大きくできる。
【００１６】また、基板20に設けた凸部27, 28の断面積
を電極21, 22の面積に比べて充分小さくするとともに、
ガラス等の誘電体で凸部27, 28を形成したので、凸部2
7, 28を電極11と電極21, 22との間に設け、ダイアフラ
ム10の変位を制限するようにしても、直接測定される静
電容量の変化には、実質的な影響を与えず、測定精度を
損なう等の問題を何ら発生させない。
を電極21, 22の面積に比べて充分小さくするとともに、
ガラス等の誘電体で凸部27, 28を形成したので、凸部2
7, 28を電極11と電極21, 22との間に設け、ダイアフラ
ム10の変位を制限するようにしても、直接測定される静
電容量の変化には、実質的な影響を与えず、測定精度を
損なう等の問題を何ら発生させない。
【００１７】さらに、凸部27の高さを外側の凸部28より
も低くし、凸部27, 28とダイアフラム10との接触位置を
中心部分に向かって次第に大きくし、凸部27, 28の高さ
がダイアフラム10の変位に対応するようにしたので、測
定範囲の圧力に対してはダイアフラム10が充分変位し、
過大な圧力に対してはダイアフラム10の変位を凸部27,
28が抑制するようになり、所望の測定範囲および充分な
耐圧性能の両方を確保することができる。
も低くし、凸部27, 28とダイアフラム10との接触位置を
中心部分に向かって次第に大きくし、凸部27, 28の高さ
がダイアフラム10の変位に対応するようにしたので、測
定範囲の圧力に対してはダイアフラム10が充分変位し、
過大な圧力に対してはダイアフラム10の変位を凸部27,
28が抑制するようになり、所望の測定範囲および充分な
耐圧性能の両方を確保することができる。
【００１８】また、印刷および焼成で基板20に凸部27,
28等を形成するので、圧力変換素子１を製造するにあた
り充分な量産性が確保され、良好な生産性を付与するこ
とができる。
28等を形成するので、圧力変換素子１を製造するにあた
り充分な量産性が確保され、良好な生産性を付与するこ
とができる。
【００１９】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明は、この実施例に限られるもので
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改
良並びに設計の変更が可能である。例えば、ストッパと
しては、基板側に設けられるものに限らず、ダイアフラ
ム側に設けられたものでもよい。また、ストッパとして
は、リング状に凸部が連続する連続体に限らず、円弧状
に形成した凸部をリング状に離散させて複数配列した断
続体でもよく、要するに、ストッパはダイアフラムの変
位を有効に制限可能な形状であればよい。さらに、リン
グ状のストッパは、基板に形成した二条の凸部からなる
ものに限らず、基板に形成した三条以上の凸部からなる
ものでもよい。また、ストッパの材質は、ガラスに限ら
ず、他の誘電体や絶縁体でもよい。
て説明したが、本発明は、この実施例に限られるもので
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改
良並びに設計の変更が可能である。例えば、ストッパと
しては、基板側に設けられるものに限らず、ダイアフラ
ム側に設けられたものでもよい。また、ストッパとして
は、リング状に凸部が連続する連続体に限らず、円弧状
に形成した凸部をリング状に離散させて複数配列した断
続体でもよく、要するに、ストッパはダイアフラムの変
位を有効に制限可能な形状であればよい。さらに、リン
グ状のストッパは、基板に形成した二条の凸部からなる
ものに限らず、基板に形成した三条以上の凸部からなる
ものでもよい。また、ストッパの材質は、ガラスに限ら
ず、他の誘電体や絶縁体でもよい。
【００２０】
【発明の効果】前述のように本発明によれば、出力の直
線性を充分確保できるうえ、測定範囲に比して耐圧性能
を充分大きくすることができる。
線性を充分確保できるうえ、測定範囲に比して耐圧性能
を充分大きくすることができる。
【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のII─II線における断面図である。
【図３】前記実施例のダイアフラムの変形の様子を示す
断面図である。
断面図である。
【図４】前記実施例のストッパの影響を説明するたの断
面模式図である。
面模式図である。
【図５】前記実施例の要部を示す断面模式図である。
【図６】従来例を示す図１に相当する図である。
【図７】前記従来例のダイアフラムの変形の様子を示す
断面図である。
断面図である。
１ 圧力センサを構成する圧力変換素子 10 ダイアフラム 11 コモン電極 20 基板 21 測定電極 22 リファレンス電極 27, 28 ストッパとしての凸部
Claims (3)
- 【請求項１】厚肉の基板と、所定の間隔を置いて前記基
板と対向して配置された薄肉のダイアフラムと、これら
の基板およびダイアフラムの互いに対向する面にそれぞ
れ設けられた電極とを有し、前記ダイアフラムに加わる
圧力を前記電極間の静電容量の変化により検出する圧力
センサであって、前記ダイアフラムの変位を制限するリ
ング状のストッパを複数備え、これらのストッパの高さ
がそれぞれ異なることを特徴とする圧力センサ。 - 【請求項２】請求項１に記載の圧力センサにおいて、前
記ストッパの各々は、前記基板に同軸となるように設け
たリング状の凸部であるとともに、その高さが内側のも
のほど低くされていることを特徴とする圧力センサ。 - 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の圧力セン
サにおいて、前記ストッパの各々は、前記基板に設けら
れた前記電極の上側に積層した誘電体からなることを特
徴とする圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07132295A JP3399688B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07132295A JP3399688B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08271364A true JPH08271364A (ja) | 1996-10-18 |
| JP3399688B2 JP3399688B2 (ja) | 2003-04-21 |
Family
ID=13457222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07132295A Expired - Fee Related JP3399688B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3399688B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002357498A (ja) * | 2001-06-01 | 2002-12-13 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 静電容量型物理量センサと検出装置 |
| JP2004233107A (ja) * | 2003-01-28 | 2004-08-19 | Kyocera Corp | 圧力検出装置用パッケージ |
| JP2004245696A (ja) * | 2003-02-13 | 2004-09-02 | Kyocera Corp | 圧力検出装置用パッケージ |
| JP2005037314A (ja) * | 2003-07-18 | 2005-02-10 | Myotoku Ltd | 光干渉型圧力センサ |
| JP2013104797A (ja) * | 2011-11-14 | 2013-05-30 | Omron Corp | 静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置 |
| JP2016075562A (ja) * | 2014-10-06 | 2016-05-12 | 大日本印刷株式会社 | 力学量センサおよび力学量測定装置 |
| CN107850505A (zh) * | 2015-06-15 | 2018-03-27 | 芬兰国家技术研究中心股份公司 | Mems电容式压力传感器以及制造方法 |
| CN108341394A (zh) * | 2017-01-24 | 2018-07-31 | 苏州明皜传感科技有限公司 | 微机电***装置 |
| WO2019220772A1 (ja) * | 2018-05-16 | 2019-11-21 | 株式会社村田製作所 | 圧力センサ |
| EP4261513A1 (en) * | 2022-04-14 | 2023-10-18 | Infineon Technologies Dresden GmbH & Co . KG | Pressure sensing device |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9719872B2 (en) * | 2015-09-29 | 2017-08-01 | Rosemount Inc. | High over-pressure capable silicon die pressure sensor with extended pressure signal output |
| US11237043B2 (en) | 2018-08-17 | 2022-02-01 | Invensense, Inc. | Stress reduced diaphragm for a micro-electro-mechanical system sensor |
-
1995
- 1995-03-29 JP JP07132295A patent/JP3399688B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002357498A (ja) * | 2001-06-01 | 2002-12-13 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 静電容量型物理量センサと検出装置 |
| JP2004233107A (ja) * | 2003-01-28 | 2004-08-19 | Kyocera Corp | 圧力検出装置用パッケージ |
| JP2004245696A (ja) * | 2003-02-13 | 2004-09-02 | Kyocera Corp | 圧力検出装置用パッケージ |
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| JP2013104797A (ja) * | 2011-11-14 | 2013-05-30 | Omron Corp | 静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置 |
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| CN107850505A (zh) * | 2015-06-15 | 2018-03-27 | 芬兰国家技术研究中心股份公司 | Mems电容式压力传感器以及制造方法 |
| JP2018521317A (ja) * | 2015-06-15 | 2018-08-02 | テクノロジアン テュトキムスケスクス ヴェーテーテー オサケ ユキチュア | Ｍｅｍｓ容量式圧力センサおよびその製造方法 |
| CN108341394A (zh) * | 2017-01-24 | 2018-07-31 | 苏州明皜传感科技有限公司 | 微机电***装置 |
| CN108341394B (zh) * | 2017-01-24 | 2020-11-20 | 苏州明皜传感科技有限公司 | 微机电***装置 |
| WO2019220772A1 (ja) * | 2018-05-16 | 2019-11-21 | 株式会社村田製作所 | 圧力センサ |
| US11604111B2 (en) | 2018-05-16 | 2023-03-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Pressure sensor enabling high linearity of change in electrostatic capacitance |
| EP4261513A1 (en) * | 2022-04-14 | 2023-10-18 | Infineon Technologies Dresden GmbH & Co . KG | Pressure sensing device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3399688B2 (ja) | 2003-04-21 |
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