JPH11295176A

JPH11295176A - 差圧センサ

Info

Publication number: JPH11295176A
Application number: JP10102846A
Authority: JP
Inventors: Toru Yamakawa; 透山川; Kenji Nagasawa; 健二長澤; Tomohiro Hirabayashi; 智宏平林
Original assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Current assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】種類の異なる流体にも容易に対応でき、かつ
薄型化を促進できる差圧センサを提供すること。【解決手段】圧力Ｐ１，Ｐ２を基板１０が設けられた
側とは反対側から第１、第２有効受圧面２４，２５に作
用させる。このため、第１、第２固定電極１２，１３お
よび第１、第２可動電極２２，２３に測定流体が接触せ
ず、第１、第２固定電極１２，１３および第１、第２可
動電極２２，２３から出力される電気信号を流体の種類
に関係なく電気的に一様に処理でき、容易に差圧を求め
ることができる。また、各センサ部５１，５２を同一平
面内に設けたため、差圧センサ１全体の薄型化を図るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、差圧センサに係
り、例えばダイアフラムの撓み量を歪みゲージの抵抗変
化や、電極間の静電容量の変化に変換することで圧力を
求める差圧センサに関する。

【０００２】

【背景技術】従来より、弾性変形するダイアフラムに流
体圧を作用させ、この時のダイアフラムの撓みを電気的
に処理することでその圧力を測定できるようにした圧力
センサが知られている。また、圧力センサの中でも、一
枚のダイアフラムの両側に異なる流体圧を作用させ、そ
の差圧分だけダイアフラムを撓ませたり、あるいは基板
の両側にダイアフラムを設け、各ダイアフラムに異なる
流体圧を作用させてそれらを撓ませるといった構成の差
圧センサが周知である。

【０００３】図１２には、一枚のダイアフラムを用いて
構成された従来の差圧センサ１００が示されている。こ
の差圧センサ１００では、ダイアフラム１０１の一方の
面に圧力Ｐ１が作用し、他方の面に基板１０２の圧力導
入口１０３から導かれた圧力Ｐ２が作用する。従って、
ダイアフラム１０１は圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧分だけ撓
み、この撓み量が各電極１０４，１０５間の静電容量の
変化として電気的に処理され、あるいはダイアフラム１
０１側にのみ電極としての歪みゲージ（１０６）を設け
る場合には、その撓み量が歪みゲージ（１０６）の抵抗
変化として電気的に処理され、差圧が求められる。

【０００４】一方、図１３には、二枚のダイアフラムを
用いて構成された従来の差圧センサ２００が示されてい
る。この差圧センサ２００では、一方のダイアフラム２
０１に圧力Ｐ１が作用し、他方のダイアフラム２０２に
圧力Ｐ２が作用する。また、基板２０３には各ダイアフ
ラム２０１、２０２との間に形成された各空隙を連通さ
せる連通孔２０４が設けられ、連通した各空隙内には流
体が充填されている。このため、各ダイアフラム２０
１，２０２は圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧分だけ同じ方向に撓
み、それらの撓み量が各電極２０５，２０６間の静電容
量の変化、および各電極２０７，２０８間の静電容量の
変化等として電気的に処理され、差圧が求められる。な
お、差圧センサ２００において、高い測定精度が要求さ
れない場合には、二組の電極のうち一組を省略すること
も考えられる。さらに、このような差圧センサ２００で
は、連通孔２０４を設けず、各空隙を真空にするなどし
て、各ダイアフラム２０１，２０２を各圧力Ｐ１，Ｐ２
に応じた分だけ撓ませ、電気的な処理の過程で差圧を求
めることもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１２に示
すような差圧センサ１００では、圧力Ｐ２側の測定流体
が空隙内に入り込んで電極１０４，１０５間に介在す
る。従って、特に静電容量の変化によって差圧を求めよ
うとすると、測定流体の種類によってその比誘電率が異
なり、これに伴って、出力される電気信号も異なるた
め、測定流体の種類を変える毎にその種類に応じた変換
回路等を用いなければならず、対応に手間がかかるとい
う問題がある。

【０００６】これに対し、図１３に示す差圧センサ２０
０においては、空隙内が常に同じ封入物で満たされてい
るから、前述のような問題は生じない。しかし、差圧セ
ンサ２００では、基板２０３の両側にダイアフラム２０
１，２０２が設けられているので、厚さ寸法が大きくな
り、薄型化が難しいという問題がある。さらに、基板２
０３の両側にダイアフラム２０１，２０２を設けること
で、変換回路用の回路基板２０９（図１３）をセンサ自
身に一体に取り付けることができないため、その設置ス
ペースを別途確保する必要があるなど、構造がより複雑
になって製作が一層難しくなる。

【０００７】本発明の目的は、種類の異なる流体にも容
易に対応でき、かつ薄型化を促進できる差圧センサを提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の差圧センサは、
基板と、この基板に対して間隔を空けて弾性変形可能に
対向配置されたダイアフラムとで構成される複数のセン
サ部を備え、ダイアフラムには基板が設けられた側とは
反対側から圧力が作用する有効受圧面を設け、複数のセ
ンサ部のうちの少なくともいずれかのセンサ部において
（全てのセンサ部であってもよい）、基板およびダイア
フラムの各対向面に電極を設けるとともに、それらのセ
ンサ部を圧力の作用方向に対して交差する方向に並設す
ることを特徴とするものである。

【０００９】このような差圧センサにおいては、各セン
サ部への圧力を常に基板が設けられた側とは反対側から
ダイアフラムの有効受圧面に作用させるから、各基板と
ダイアフラムとの各対向面に設けた電極に流体を接触さ
せることなく流体の圧力が測定される。従って、各セン
サ部から出力される電気信号が流体の種類に関係なく一
様に処理されるようになり、差圧が容易に求められるよ
うになる。また、各センサ部を圧力の作用する方向に対
して交差する方向に並設するため、各センサ部を構成す
る基板同士およびダイアフラム同士、ひいては各センサ
部同士を同一平面内に配置可能となり、差圧センサ全体
の薄型化が図られる。

【００１０】この際、各センサ部を構成する基板および
ダイアフラムのうち、少なくともいずれか一方の部材を
一体に設けることが好ましい。

【００１１】また、本発明の差圧センサでは、少なくと
も一対のセンサ部に形成された基板およびダイアフラム
間の空隙同士を連通させ、この連通した各空隙内に絶縁
性流体を充填してもよい。そして、この際、一対のセン
サ部のうちの一方のセンサ部においてのみ、基板および
ダイアフラムの各対向面に電極を設てもよい。

【００１２】さらに、以上の差圧センサにおいて、各セ
ンサ部でのダイアフラムの有効受圧面の剛性をそれぞれ
異ならせてもよい。また、本発明の差圧センサでは、基
板のダイアフラムと対向する面とは反対の面に、センサ
部から出力される電気信号を圧力値に変換する変換回路
を形成することが望ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態を図面
に基づいて説明する。〔第１実施形態〕図１は、本発明の第１実施形態に係る
差圧センサ１を示す分解斜視図、図２は、図１のII−II
線断面図、図３は、図１のIII−III線断面図である。

【００１４】差圧センサ１は、例えばセラミックス、シ
リコーン、ガラス等からなる絶縁性を有した基板１０
と、この基板１０の一方の面側に対向配置された弾性変
形可能なダイアフラム２０とを備え、このダイアフラム
２０は、基板１０と同様な材質で一様な厚さに設けられ
ている。また、基板１０とダイアフラム２０との間には
ガラスフリット等からなる接合部材３０が介装されてい
るとともに、この接合部材３０によって基板１０とダイ
アフラム２０とが所定間隔に隔てられ、接合部材３０に
設けられた丸孔開口３１，３２によってそれらの間に空
隙３３，３４が形成されている。なお、丸孔開口３１，
３２の径寸法は同じであり、また、本実施形態では、こ
れらによって形成される空隙３３，３４内を真空とする
ことが好ましい。

【００１５】基板１０のダイアフラム２０と対向した平
坦な対向面１１には、空隙３３，３４に対応した位置
に、金属の蒸着あるいはフォトレジスト法等によってそ
れぞれ同じ大きさとされた第１固定電極１２および第２
固定電極１３が設けられている。第１，第２固定電極１
２，１３の略中央には、基板１０の反対側の面と連通し
たスルーホール１４，１５が設けられ、また、第１，第
２固定電極１２，１３から外れた位置であって、接合部
材３０と重なる位置にも、別のスルーホール１６，１７
が設けられ、これらのスルーホール１４〜１７の内壁面
および端部周縁には導電性を有する金属膜が形成されて
いる。

【００１６】ダイアフラム２０の基板１０と対向した平
坦な対向面２１には、空隙３３，３４に対応した位置
に、それぞれ同じ大きさとされた第１可動電極２２およ
び第２可動電極２３が設けられ、これらの第１、第２可
動電極２２，２３が基板１０の第１、第２固定電極１
２，１３と対向している。ダイアフラム２０の対向面２
１とは反対の面は、空隙３３，３４と対応した部分がそ
れぞれ同一面積とされた第１有効受圧面２４および第２
有効受圧面２５となっており（図１、図２中に二点鎖線
で図示）、これらの第１、第２有効受圧面２４，２５に
基板１０とは反対側から圧力Ｐ１，Ｐ２が作用するよう
になっている。

【００１７】すなわち、本実施形態では、圧力Ｐ１が作
用する側が本発明の第１センサ部５１であるとともに、
圧力Ｐ２が作用する側が本発明の第２センサ部５２であ
る。そして、第１、第２センサ部５１，５２の各々は、
共通の基板１０およびダイアフラム２０を備えた静電容
量型のセンサを構成し、圧力Ｐ１，Ｐ２が作用する方向
に対して直交する同一面内に並設されている。

【００１８】このような差圧センサ１は、基板１０に取
り付けられた回路基板４０を備えており、この回路基板
４０には各センサ部５１，５２からの電気信号を処理し
て圧力値に変換する変換回路７０が設けられている。ま
た、回路基板４０は、例えば基板１０の各スルーホール
１４〜１７に挿入されて半田付け等される接合ピン４１
を介してその基板１０に固定され、これと同時に、変換
回路７０が接合ピン４１およびスルーホール１４，１５
を介して第１、第２固定電極１２、１３と導通し、別の
接合ピン４１、スルーホール１６，１７、および接合部
材３０の貫通孔３５，３６を介して第１、第２可動電極
２２，２３の各引出部２２Ａ、２３Ａと導通するように
なっている。

【００１９】つまり、図３に示すように、スルーホール
１７と連通した貫通孔３６内には、そのスルーホール１
７の金属膜と第２可動電極２３の引出部２３Ａとを導通
させる導電ペースト３７が充填され、これによって第２
可動電極２３と変換回路７０とを導通させることが可能
になっている。なお、第１可動電極２２側も同様であ
る。

【００２０】このような差圧センサ１では、圧力Ｐ１，
Ｐ２に応答して第１、第２有効受圧面２４，２５がそれ
ぞれ撓み、それらの撓みによる第１固定電極１２および
第１可動電極２２間の静電容量の変化、第２固定電極１
３および第２可動電極２３間の静電容量の変化により、
差圧が求められる。

【００２１】このような本実施形態によれば、以下のよ
うな効果がある。１）差圧センサ１では、圧力Ｐ１，Ｐ２が基板１０が
設けられた側とは反対側からダイアフラム２０の第１、
第２有効受圧面２４，２５に作用するため、基板１０と
ダイアフラム２０との各対向面１１，２１に設けられた
第１、第２固定電極１２，１３および第１、第２可動電
極２２，２３に測定流体を接触させずに流体圧を測定で
きる。従って、第１、第２有効受圧面２４，２５の撓み
に応じて出力される第１、第２固定電極１２，１３およ
び第１、第２可動電極２２，２３の電気信号を、流体の
種類に関係なく電気的に一様に処理でき、容易に差圧を
求めることができる。

【００２２】２）各センサ部５１，５２は、圧力Ｐ
１，Ｐ２が作用する方向に対して交差する方向に並設さ
れているので、構造を簡単にして差圧センサ１全体の薄
型化を図ることができるうえ、容易に製作できる。そし
て、基板１０が一体ものとされ、さらにはダイアフラム
２０も一体ものとされ、これによって基板１０およびダ
イアフラム２０を各センサ部５１，５２で共通なものと
されているから、各センサ部５１，５２でそれらを個別
に設ける場合に比し、部品点数を減らすことができる。

【００２３】３）ダイアフラム２０が一体ものである
ことにより、第１、第２有効受圧面２４，２５を同一平
面内に設けて圧力Ｐ１，Ｐ２を同一方向から作用させる
ことができ、基板１０の背面側（ダイアフラム２０が設
けられていない側）に回路基板４０を取り付けることが
できる。この際、ダイアフラム２０が基板１０の一方側
にのみ設けられているので、基板１０や接合部材３０に
スルーホール１４〜１７および貫通孔３５，３６を設け
て第１、第２固定電極１２，１３および第１、第２可動
電極２２，２３を回路基板４０側に容易に引き出すこと
ができ、構造を簡単にできる。このため、差圧センサ１
を安価に製作することが可能である。

【００２４】〔第２実施形態〕図４には、本発明の第２
実施形態に係る差圧センサ２が示されている。差圧セン
サ２では、第２有効受圧面２５の面積が第１有効受圧面
２４の面積よりも小さく、その剛性が高められている
点、およびそれに伴って第２固定電極１３、第２可動電
極２３、空隙３４も小さく設けられている点で第１実施
形態の差圧センサ１とは異なる。他の構成は差圧センサ
１と同じである。なお、第１実施形態と同じ構成部材に
は同一符号を付し、それらの説明を省略する。

【００２５】このような差圧センサ２では、前記１）〜
３）の各効果に加え、以下の効果がある。４）第１、第２有効受圧面２４、２５の面積が相違す
ることでそれらの剛性が異なるため、剛性の大きい第２
有効受圧面２５により大きな圧力Ｐ２を作用させること
ができ、第１，第２センサ部５１，５２では、対応でき
る圧力レンジを変えることが可能である。

【００２６】〔第３実施形態〕図５、図６には、本発明
の第３実施形態に係る差圧センサ３が示されている。差
圧センサ３では、空隙３３，３４が基板１０に設けられ
た溝１８および接合部材３０に設けられた切欠部３８で
連通している点、第１センサ部５１にのみ固定電極１２
および可動電極２２が設けられている点、および連通し
た空隙３３，３４内に例えばシリコーンオイル等の絶縁
性流体６０が充填封入されている点で第１実施形態の差
圧センサ１とは大きく異なる。他の構成は差圧センサ１
とほぼ同じであり、他の構成部材の説明を省略する。な
お、空隙３３，３４を連通させるのには、溝１８または
切欠部３８のいずれかを設ければよく、あるいは他の手
段として、接合部材３０にパイプ等で埋設してもよく、
任意の構造を適用できる。

【００２７】このような差圧センサ３では、前記１）〜
３）の各効果に加え、以下の効果がある。５）空隙３３，３４が溝１８および切欠部３８で連通
し、それらの内部に絶縁性流体６０が充填されているか
ら、第１、第２有効受圧面２４，２５を圧力Ｐ１，Ｐ２
の差圧分に対応した同じ量だけ撓ませることができる。
従って、第１センサ部５１にのみ固定電極１２および可
動電極２２を設けるだけで差圧を測定でき、構造をより
簡素化して一層安価に製作できる。

【００２８】〔第４実施形態〕図７、図８には、本発明
の第４実施形態に係る差圧センサ４が示されている。差
圧センサ４では、前述と同様な溝１８および切欠部３８
が設けられて空隙３３，３４が連通している点、面積の
小さい第２有効受圧面２５を備えた第２センサ部５２に
のみ固定電極１３および可動電極２３が設けられている
点、および空隙３３，３４内に絶縁性流体６０が充填封
入されている点で第２実施形態の差圧センサ２とは異な
る。他の構成は差圧センサ２と同じである。

【００２９】このような差圧センサ４では、前述したよ
うに、第２有効受圧面２５の剛性が第１有効受圧面２４
の剛性に比して大きくなるから、空隙３３，３４内の絶
縁性流体６０が周囲の温度変化によって例えば熱膨張
し、体積が増えると、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すよう
に、剛性の小さい第１有効受圧面２４が第２有効受圧面
２５よりも大きく撓むようになる。ここで、有効受圧面
の撓みωは、空隙内の内圧力をＰ、有効受圧面の半径を
ａ、ダイアフラムの曲げ剛性に関する定数をＤとする
と、以下の式（１）で表される。

【００３０】

【数１】

【００３１】従って、例えば、第１有効受圧面２４の半
径ａ１を第２有効受圧面２５の半径ａ２の２倍とすれ
ば、第２有効受圧面２５の撓みω２は、式（１）から第
１有効受圧面２４の撓みω１の２^-4倍となり、撓みが著
しく小さくなることがわかる。

【００３２】すなわち、本実施形態では、１）〜３）、
５）の効果に加え、以下の効果がある。６）第１有効受圧面２４の面積を第２有効受圧面２５
の面積より大きくし、その剛性を小さくしたので、絶縁
性流体６０の温度変化に伴う体積変化を剛性の小さい第
１有効受圧面２４側で吸収することができる。このた
め、第２有効受圧面２５と同じ面積の有効受圧面を二つ
設けた場合に比べ、第２有効受圧面２５の撓みが２⁴／
２となり、よって、第２センサ部５２側にのみ固定電極
１３および可動電極２３を設ければ、温度係数も２⁴／
２に改善され、より精度の高い差圧センサを得ることが
できる。

【００３３】〔第５実施形態〕図９には、本発明の第５
実施形態に係る差圧センサ５が示されている。差圧セン
サ５では、基板１０の背面側にスクリーン印刷等によっ
て回路パターンや絶縁膜が形成されており、この回路パ
ターンにＩＣ、コンデンサ、抵抗等の種々の電子回路部
品が実装され、これらによって前述の変換回路７０が形
成されているつまり、この点において差圧センサ５は第
１実施形態の差圧センサ１と異なり、前記１）〜３）の
効果の他、以下の効果を奏する。７）差圧センサ５では、変換回路７０が基板１０の背面
に直に設けられているため、前述来の回路基板４０を不
要にでき、部品点数をより減らすことができる。

【００３４】なお、本発明は、前記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等
を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、基板１０とダイアフラム
２０とを丸孔開口３１，３２を備えた接合部材３０で接
合することで空隙３３，３４が形成されていたが、基板
およびダイアフラムのいずれか一方、あるいは両方に凹
部を設ることで空隙を設けてもよい。このような場合に
は、基板とダイアフラムとを例えば鑞付けによって直に
接合でき、所定の厚さ寸法の接合部材を省くことができ
る。

【００３５】前記各実施形態では、基板１０、ダイアフ
ラム２０，および接合部材３０が平面矩形状であった
が、それらの形状は、例えば第１、第２有効受圧面２
４，２５の形状に応じたひょうたん形（めがね形）であ
ってもよく、加工性や材質等を勘案して任意に決められ
てよい。

【００３６】前記第２，第４実施形態では、第１，第２
有効受圧面２４，２５の面積を変えることによってそれ
らの剛性を変えていたが、剛性を変える方法としては、
これに限定されるものではなく、例えば図１０に示すよ
うに、形状の異なる有効受圧面２４，２５を設けること
で剛性を変えたり、図１１に示すように、有効受圧面２
４，２５（ダイアフラム２０）の厚さ寸法を変えること
で剛性を変えてもよく、その実施にあたって適宜な方法
を適用できる。なお、厚さ寸法によって剛性を変える場
合には、電極の形状や接合部材の開口形状を変える必要
がなく、他の差圧センサと部材を共用できるというメリ
ットがある。

【００３７】さらに、第１実施形態で説明した差圧セン
サ１において、各空隙３３，３４を連通させて絶縁性流
体を充填するか、あるいは第３実施形態で説明した差圧
センサ３において、第２センサ部５２にも電極を設ける
かしてもよい。このような場合には、同じ量だけ撓む第
１，第２有効受圧面２４，２５の両方で静電容量の変化
を検出するため、静電容量の変化を周知の補正式等を用
いて演算すれば、出力される圧力値の直線性誤差、温度
特性、経時変化などによる誤差を補正できる。

【００３８】前記各実施形態の差圧センサ１〜５は、静
電容量型であったが、本発明に係る差圧センサとして
は、歪みゲージの抵抗変化によって圧力測定を行うもの
であってもよい。さらに、前記各実施形態の差圧センサ
１〜５では、基板１０およびダイアフラム２０が第１，
第２センサ部５１，５２で共通とされた一体ものであっ
たが、基板やダイアフラムを二枚ずつ用い、それらを一
枚のベース部材上に並設して一対のセンサ部を設けた場
合等でも本発明に含まれる。要するに、各センサ部が同
一平面で並設されるように構成されていればよい。

【００３９】また、前記各実施形態では、センサ部が一
対設けられていたが、三つ以上並設されていてもよく、
センサ部の数は、差圧センサの使用目的等を勘案して任
意に決められてよい。

【００４０】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
種類の異なる流体にも容易に対応でき、かつ薄型化を促
進できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る差圧センサを示す
分解斜視図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】図１のIII−III線断面図である。

【図４】本発明の第２実施形態に係る差圧センサを示す
分解斜視図である。

【図５】本発明の第３実施形態に係る差圧センサを示す
分解斜視図である。

【図６】図５のVI−VI線断面図である。

【図７】本発明の第４実施形態に係る差圧センサを示す
分解斜視図である。

【図８】第４実施形態の変化状態を説明するための断面
図である。

【図９】本発明の第５実施形態に係る差圧センサを示す
断面図である。

【図１０】本発明の変形例を示す分解斜視図である。

【図１１】本発明の他の変形例を示す分解斜視図であ
る。

【図１２】従来技術を示す断面図である。

【図１３】他の従来技術を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２，３，４，５差圧センサ１０基板１２，１３，２２，２３電極２０ダイアフラム２４，２５有効受圧面３３，３４空隙５１，５２センサ部６０絶縁性流体７０変換回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、この基板に対して間隔を空けて
弾性変形可能に対向配置されたダイアフラムとで構成さ
れる複数のセンサ部を備え、前記ダイアフラムには前記
基板が設けられた側とは反対側から圧力が作用する有効
受圧面が設けられ、前記複数のセンサ部のうちの少なく
ともいずれかのセンサ部には前記基板および前記ダイア
フラムの各対向面に電極が設けられ、前記各センサ部が
前記圧力の作用方向に対して交差する方向に並設されて
いることを特徴とする差圧センサ。
【請求項２】請求項１に記載の差圧センサにおいて、
前記各センサ部を構成する前記基板および前記ダイアフ
ラムのうち、少なくともいずれか一方の部材が一体に設
けられていることを特徴とする差圧センサ。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の差圧セ
ンサにおいて、前記複数のセンサ部うちの少なくとも一
対のセンサ部に形成された前記基板および前記ダイアフ
ラム間の空隙同士が連通し、この連通した各空隙内には
絶縁性流体が充填されていることを特徴とする差圧セン
サ。
【請求項４】請求項３に記載の差圧センサにおいて、
前記一対のセンサ部のうちの一方のセンサ部にのみ、前
記基板および前記ダイアフラムの各対向面に電極が設け
られていることを特徴とする差圧センサ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の差圧セ
ンサにおいて、前記各センサ部では前記ダイアフラムの
有効受圧面の剛性がそれぞれ異なることを特徴とする差
圧センサ。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の差圧セ
ンサにおいて、前記基板の前記ダイアフラムと対向する
面とは反対の面には前記センサ部から出力される電気信
号を圧力値に変換する変換回路が形成されていることを
特徴とする差圧センサ。