JPS6034687B2 - 圧力電子変換素子 - Google Patents

圧力電子変換素子

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JPS6034687B2
JPS6034687B2 JP51150679A JP15067976A JPS6034687B2 JP S6034687 B2 JPS6034687 B2 JP S6034687B2 JP 51150679 A JP51150679 A JP 51150679A JP 15067976 A JP15067976 A JP 15067976A JP S6034687 B2 JPS6034687 B2 JP S6034687B2
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conductive
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ロバ−ト・ウイリング
フレツド・カブリ
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0082—Transmitting or indicating the displacement of capsules by electric, electromechanical, magnetic, or electromechanical means
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧力電気変換素子、特に電気回路に接続され
て使用される容量型圧力電気変換素子に関する。
一般に計測又は制御のために液体又はガスの圧力を知る
ことが必要であり、特に原動機、その他の機械装置にお
いて液体又はガスの圧力を検知するための装置を設ける
ことがいまいま必要とされる。
このような必要に応じて従来種々の圧力測定装置が提案
されている。これらの装置の一種としてピェゾ効果を有
するピェゾ素子が用いられている。ピェゾ素子を有する
装置に被測定圧力を加えると、加えた圧力に比例した電
圧が装置から発生する。このようなピェゾ素子を有する
装置によれば圧力を測定することができるが、この圧力
測定は圧力の変化量のみを測定するために用いられ、静
的圧力の測定には用いられない、更にピェゾ素子は比較
的その感度が鈍く、且つ精度が低いという欠点を有する
。圧力測定に用いられる他の素子としては、ストレーン
ゲージ素子が知られている。
ストレーンゲージ素子は加えた圧力に応じてその抵抗値
が変化する抵抗素子であり、このストレーンゲージ素子
は静的圧力を測定することが出来る。しかしながら、こ
の素子は大きな圧力変化に対して小さな出力変化しか得
ることができず、更に温度及び経時変化に対する安定性
が低いという欠点があった。前述した素子とは別に圧力
の変化によってその電気容量が変化する容量型素子が知
られている。この容量型素子は前述した素子に比べ温度
及び経時時間に対する良好な安定性を有し、且つストレ
ーンゲージ素子よりも優れた感度を有する。しかしなが
ら、この種の素子は極めて複雑な製造工程を必要とし、
このため極めて高価である。更に一般的にこの種の素子
は複数の異なる材質を組合わせて得られるために、異な
る熱膨脹率に起因して再現性が低くなるという欠点を有
していた。この種の容量型素子は米国特許第２９９９斑
５号、同第３０２７７６ｙ号及び同第３８５９５７５号
に開示されている。本発明は上記従来の課題に鑑みてな
されたものであり、その主たる目的は、製造が容易で且
つ低価格の容量型圧力電気変換素子を提供することであ
る。本発明の他の目的は、長期間に渡り且つ広範囲の温
度領域において高度の精度と安定性を有する容量型圧力
電気変換素子を提供することである。
本発明の更に他の目的は、圧力の変化に対して良好な感
度を有する容量型圧力電気変換素子を提供することであ
る。本発明に従うと、上記した目的及び他の目的が、本
質的に零ヒステリシス特性を有する一対の非導電性部材
であって、該非導電性部材の少なくとも一方が弾性ダイ
アフラムによって構成されており、該一対の非導電性部
材の向かい合う表面がそれらの全面において実質的に平
坦である一対の非導電性部材を具備し；該一対の非導電
性部材の向かい合う表面の外周縁にガラスフリットから
成るシール部村が設けられ、これにより該一対の非導電
性部材の向かい合う表面の外周緑以外の中央部は一定の
空間をおいて平行な関係で固定され：該一対の非導亀性
部村の空間をおいて向かい合う表面の各々に「導電性物
質の平坦な層が固着されており；該導電性物質の平坦な
層の各々が、中央導電層部と、外部ＩＪ−Ｎこ接続する
該中央導電層部から外側に延びている外側導電層部とを
備えており；該向かい合う表面の該中央導電層部が、間
隙をおいて平行に配置され、該非導電性部材の弾性ダイ
ヤフラムに加わる圧力に応じて弾性ダイヤフラムが該非
導電性部材の他方に対して偏位することによって電気容
量が実質的に変化する素子を形成することを特徴とする
圧力電気変換素子を提供することによって達成される。
本発明の素子において非導電性部材に圧力が加わると、
非導電性部材は変形しその結果圧力電気変換素子の電気
容量が変化する。
この電気容量の変化は電気回路によって検出され、その
指示値はこの容量型圧力電気変換素子に加えられた圧力
の値に対応している。以下、図面を参照して、本発明の
好適実施例（第３図）および本発明に従う圧力電気変換
素子を構成する際に、参考することができる第１乃至第
５の態様（第１図、第２図、第４図乃至第８図）を説明
する。
まず、第１図及び第２図を参照して、本発明に従う圧力
電気変換素子を構成する際に、参考にすることができる
第１の態様を説明する。
第１図及び第２図に示された第１の態様の容量型圧力電
気変換素子は非導電性材料則ら絶縁材料からなる２のデ
ィスク２及び４を含む。
この２枚のディスク２枚及び４の空間をおいて向かい合
う表面の各々に、導電性物質の平坦な層（導電層）が固
着されており、この導電層は、中央導電層部６及び８と
外側導電層部１０及び１２とを含む。この中央導電層部
６及び８はほぼ円形の形状を有する。外側導電層部１０
及び１２によって、ディスク２及び４の外端部に向けて
中央導電層部６及び８から延びる導電路が形成されてい
る。外側導電層部１０及び１２にはそれぞれ外部リード
１４及び１６が接続され、電気的接続が保たれている。
両ディスク２及び４の一方の面は非導電性材料則ち絶縁
材料からなるスベーサ１８に結合されて容量型圧力電気
変換素子２１を形成し、中央導電層部６及び８は互いに
対向し適当なギャップによつて分離されている。
実際上、ディスク２及び４そしてスベーサ１８はいかな
る非導電性材料から形成するともできるが、これらの材
料は各部が同一の材料もしくは実質上類似する材料によ
って形成されるよう選択されることが望ましい。
好ましい態様においては、非導電性材料即ち絶縁材料は
ほぼ零ヒステリシス特性を有するアルミナ、溶融シリカ
もしくはパィレックスのようなガラスから選択される。
本発明中にて用いられる『零ヒステリシス』もしくは『
ほぼ雫ヒステリシス』なる用語はその特定の使用状態に
おいてその値が最小でありもし〈は無視出来る程度の値
しか有していないことを意味する。更に、導亀層はメッ
キ、エッチング、スパッタリング、スクリ−ン印刷及び
焼付けもしくは通常用いられる他の種々の手段によって
形成することが出釆る。また、絶対圧力測定が必要とさ
れるような装置においてはキヤパシタの対向電極を形成
する中央導電層部６及び８の間のギャップは排気される
。また、ディスク２及び４は、例えば、次のようにして
スベーサ１８に結合固定することができる。即ち、ディ
スク２及び４とスベーサ１８との間に少量のガラスフリ
ツト（ガラス質陶器原料）を介在された後、圧力電気変
換素子として組合せられた状態で過熱しガラスフリット
を溶解させることによって各部の間のシールする。好適
な態様において、導電層は導電ペーストを用いディスク
２及び４の上にスクリーン印刷され、又、少量のシール
材料がディスク２１及び４とスベーサ１８との間に挿入
される。このようにして組立てられた圧力電気変換素子
は加熱されて、素子を完成する。この種の素子によれば
以下のような作用が得られる。
即ち、圧力が容量型圧力電気変換素子２１に加えられる
と一方又は双方のディスクがダイアフラムとして作用し
ディスクの間隙が変化する。そしてディスクの変形によ
って、素子の電気容量が変化する。このようにして、電
気容量は圧力の関数として変化し、素子はその如何なる
電気容量値においても素子に加えられた特定の圧力と対
応するように構成されることができる。この電気容量の
変化は従来周知の種々の形成の電気回路によって測定す
ることができる。このような装置の一例として従来周知
の交流ホィートストーンリアクタンスブリッジ回路が好
適である。第３図には、本発明に係る容量型圧力電気変
換素子の好適実施例が示されている。
第３図の実施例は第１図及び第２図に示した態様と類似
しているのでその断面図のみが示されている。第３図に
おいて第１図及び第２図と類似する部材には同一の参照
符号が示されている。第３図において、実質的に円形の
中央導電層部６及び８がディスク２及び４上に設けられ
ている。
又、ディスク２及び４の上にはそれぞれディスク２及び
４の外端部に向って中央導電層部６及び８から延びる導
電路を形成するように外側導軍層部１０及び１２が設け
られている。同様に外側導電層部１０及び１２にはそれ
ぞれ外部リード１４及び１６が接続されている。この実
施例による容量型圧力電気変換素子３１は次のようにし
て組立てられる。
あらかじめ中央導電層部６及び８が設けられたディスク
２及び４の一方又は双方の表面周囲近接僕にガラスフリ
ット３２が配設される。しかる後、ディスク２が、中央
導電層部６が中央導電層部８と対向し且つギャップによ
って離されるように、ディスク４の上に配置される。こ
うして初期状態の組立てが終った容量型圧力電気変換素
子３１は加熱され、ガラスフリット３２が溶解される。
ガラスフリツト３２が溶解すると、ディスク２及び４が
互いに結合されるばかりでなく、それらの間にはその周
囲に渡ってシールが形成される。更にこの実施例におい
ては、第１図及び第２図の態様におけるスベーサ１８の
ような如何なるスベーサも必要とされず、この結果、圧
力電気変換素子３１を構成する部品点数を減少すること
ができる。第３図に示したディスク２及び４用の材料は
、本質的に零ヒステリシスでで非導電性特性を有する材
料、例えばアルミナ、溶融シリカ、パィレックスのよう
なガラスである。
更に、圧力電気変換素子３１は、好ましくは、導電層が
導電ペーストを用いてディスク２及び４の上にスクリー
ン印刷及び焼付けられ、次にガラスフリットがディスク
２及び４の一方又は双方の周囲に設けられ、そしてディ
スク２がディスク４の上に配置され、このように組立て
られた後、加熱することによって形成される。第４図に
は本発明に従う容量型圧力電気変換素子を構成する際に
、参考にすることができる第２の態様が示されている。
第４図の第２態様は第１図及び第２図に示した第１の態
様と類似するのでその断面図のみが示されている。第４
図において、第１図及び第２図の態様における都材と類
似する部材には同一の符号が付されている。第４図にお
いて、この態様の容量型圧力電気変換素子４１は２枚の
非導電性板を含み、これらの板は組合せ配置されたとき
実質的に円形の断面を有するギャップ４６が板４２及び
４４の間に形成されるように構成されている。
板４２及び４４の円表面上には円形の中央導電層部６及
び８が設けられている。更に各板４２，４４の上にはそ
れぞれ外側導電層部１０及び１２が設けられ、これによ
って、板４２，４４の外端部へ向かって中央導電層部６
及び８から延びる導電路が形成されている。外側導電層
部１０及び１２にはそれぞれ外部リード１４及び１６が
接続されている。この態様の容量型圧力電気変換素子４
１は次のようにして組立てられる。
まず板４４の内周面に少量のガラスフリットが付着され
る。次に板４２がその中央導電層部６を中央導電層部８
に対向配設するように板４４の上に配置される。この初
期状態に組立てられた容量型圧力電気変換素子４１は加
熱されガラスフリットが溶解される、ガラスフリットが
溶解されると板４２及び４４はその周囲に形成される薄
いガラスシールによって互いに結合される。この態様に
おいても、第１図の態様におけるスベーサ１８のような
如何なるスベーサも必要としない。更に２枚の４２及び
板４４の間には極めて薄いガラスシールのみが形成され
る。この態様においては、シールの厚みは０．０２５４
ミクロンから０．０２５４ミリメートル（１マイクロイ
ンチから１ミリィンチ）程度の範囲に設定される。他の
態様と同様に、板４２及び４４は霧ヒステリシスの非導
電性である材料である例えばアルミナ、溶融シリカもし
くはパィレックスのようなガラスからなる材料とするこ
とが好ましい。更に圧力電気変換素子４１の好適な態様
においては導電は導電ペーストを用いて板４２及び４４
の上に形ょ成され、次に板４４の周囲近傍に少量のガラ
スフリットが置かれる、次に板４２は板４４の上に配置
され、このようにして組立てられた圧力電気変換素子は
加熱されて、ガラスフリットがシールを形成するように
溶解される。更に、板４２及び４４の形状は両者の内面
の間にギャップ４６が形成される種々の形状に構成でき
る。
板４２及び４４は第４及び５図に示されるようにそれら
の一端が他よりも厚く形成されるか、皿状もしくは凹面
形状として形成されるか、もしくは少なくともいづれか
一方の板がわん曲して形成された形状とすることもでき
る。第５図には、本発明に従う圧力電気変換素子を構成
する際に、参考にすることができる第３の態様が示され
ている。
第５図の態様は、第１図、第２図及び４図に示された態
様と類似しているのでその断面図のみが示されている。
第５図において他の態様と類似する部材には同一の符号
が示されている。第５図において、板４２及び４４、中
央導電層部６及び８、外側導電層部１０及び１２はほぼ
前述したように形成されている。
外側導電層部１０及び１２には外部リード５２及び５４
が接続されている。この容量型圧力電気変換素子５１を
組立てるために、板４２及び４４は中央導電層部６及び
８が互いに隣接して対向するように配置され、外部リー
ド５２及び５４は板４４の周囲に沿って屈曲され、電気
的な接続点を板４４の底面から取ることができるように
配置されている。
次にガラスフリツト５６がディスクの外側端に設けられ
加熱されることによってガラスフリットが溶解される。
この態様において外部リード５２及び５４を板４４の側
面に沿って下方へ伸張させ、外部リード５２および５４
を外側導電層部１０及び１２に側面にてハンダ付けする
ことができるということは明らかである。正方形もしく
は長方形の板はこの態様の変形例として認められる。第
６図には、本発明に従う圧力電気変換素子を構成する際
に、参考にすることができる第４の態様が示されている
。
第６図の態様は第４図に示した態様と類似ているのでそ
の断面図のみが示されている。第６図において他の態様
と類似する部材には同一の符号が付されている。第６図
において板４２には透孔６２が設けられ、容量型圧力電
気変換素子６１の内部がその外周園の圧力媒体と蓮通さ
れている。
透孔６２はフィル夕６４を通して外部の媒体を蓮通され
ている。この構成によって板４２及び４４の間のギャッ
プに塵挨が侵入することを防止することが出来る。この
容量型圧力電気変換素子６１はその構成及び作用が第４
図に示された素子４１と全く同様に与えられることが出
来る。更に実際上、種々の使用形態において外部の圧力
媒体は、空気、油もしくはその他の媒体とすることが出
来る。第７図には、本発明に従う圧力電気変換素子を構
成する際に、参考にすることができる第５の態様が示れ
ている。
第７図の態様は第４図の態様と類似するのでその断面の
みが示されている。第７図において他の態様と類似する
部材には同一の符号が付されている。第７図の容量型圧
力電気変換素子７１は、２個の非導電性部材からなる板
４２及び７２を含み、これらの板４２及び７２は互いに
所定位置に配遣されれたとき板４２と円柱状板７２との
間に実質的に円形の断面を有するギャップ４６が形成さ
れるように構成されている。
円柱状板７２は実質的に板４２よりも厚くなるように構
成されている。板４２と円柱状板７２の内面上には円形
の中央導電層部６及び８が設けられている。更に各板４
２及び円柱状板７２の上には、それぞれ、板４２及び７
２の外端部に向って中央導電層部６及び８から延びた外
側導電層部１０及び１２が形成されている。外側導電層
部１０及び１２にはそれぞれ外部リード１４及び１６が
接続されている。この容量型圧力電気変換素子７１は第
４図に示した容量型圧力電気変換素子４１と実質上同一
の方法によって組立てられる。
円柱状板７２は板４２よりも相当厚いので、この容量型
圧力電気変換素子７１においては、板４２のみがダイヤ
フラムとして働く、圧力が容量型圧力電気変換素子７１
に加えられたとき、板４２、従って中央導電層部６のみ
が中央導電層部８に対して変形して、その電気容量を変
化させる。
第８図は、第７図の態様の容量型圧力電気変換素子にハ
イブリッド回路８２を設けたことを除き、第７図と実質
的に同一であり、各部材には第７図に示した対応する部
材と同一の符号が付されている。第８図においては、円
柱状板７２にはその外面にハイブリッド回路８２が設け
られている。
ハイブリッド回路８２は別個に製作した後に円柱状板７
２に結合してもよく、又、円柱状板７２の上にそれを基
板として利用して形成してもよい。このハイブリッド回
路３２は十分に利用可能な面積を有する如何なる面上に
も配置することができる。尚、ハイブリッド回路８２を
円柱状板７２の上に形成されたキャパシタの電極近傍に
設けることは好ましい。これは、キャパシタの空隙内に
おいては、外部部村から保護されるからである。本発明
に係る容量型圧力電気変換素子は、板の間に形成される
ギャップが実際上０．００２５４乃至０．５０８ミリメ
ートル（０．１乃至２０ミリインチ）程度とするのが好
ましい。
通常の場合、板の屈曲部の厚みは板がアルミナで形成さ
れている場合ほぼ０．０２５４ミリメートル（０．００
１インチ）から１２．７ミリメートル（０．５００イン
チ）の範囲に設定される。又、板の形状は本発明をなん
ら限定するものではなく、圧力電気変換素子は正方形も
しくは矩形の非導電性材料からなる板により容易に形成
することができる。更に、中央導電層部は円形である必
要はなく、正方形、矩形あるいはその他の必要な形状と
することができる。上述した如く、本発明の実施例は第
３図に示されており、この実施例は本発明に従う構成の
典型的な例を示している。本発明は、例えば、第１図、
第２図、第４図乃至第８図に示された構成の教示内容に
従い、種々の修正、変更が可能である。図面の簡単な説
明第１図は、本発明に従う圧力電気変換素子を構成する
際に、参考にすることができる第１の態様第２図は、第
１図の２一２線に沿った断面図。
第３図は、本発明の好適実施例に従う圧力電気変換素子
の断面図。第４図は、本発明に従う圧力電気変換素子を
構成する際に、参考にすることができる第２の態様の断
面図。第５図は、本発明に従う圧力電気変換素子を構成
する際に、参考にすることができる第３の態様の断面図
。第６図は、本発明に従う圧力電気変換素子を構成する
際に、参考することができる第４の態様の断面図。第７
図は、本発明に従う圧力電気変換素子を構成する際に、
参考にすることができる第５の態様の断面図。第８図は
、第７図の態様に電気回路を設けた状態を示す断面図。
２，４・・・ディスク（非導電性部村）、６，８・・・
中央導電層部、１０，１２・・・外側導電層部、Ｉ４，
１６・・・外部リード、３２・・・ガラスフリット。
り歌．〆＾空，２ 九沙，３ 瓦趣，〆 瓦靴Ｓ 力凶，６ 有期７ 瓦空３

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 本質的に零ヒステリシス特性を有する一対の非導電
    性部材であつて、該非導電性部材の少なくとも一方が弾
    性ダイアフラムによつて構成されており、該一対の非導
    電性部材の向かい合う表面がそれらの全面において実質
    的に平坦である一対の非導電性部材を具備し； 該一対
    の非導電性部材の向かい合う表面の外周縁にガラスフリ
    ツトから成るシール部材が設けられ、これにより該一対
    の非導電性部材の向かい合う表面の外周縁以外の中央部
    は一定の空間をおいて平行な関係で固定され； 該一対
    の非導電性部材の空間をおいて向かい合う表面の各々に
    、導電性物質の平坦な層が固着されており； 該導電性
    物質の平坦な層の各々が、中央導電層部と、外部リード
    に接続する該中央導電層部から外側に延びている外側導
    電層部とを備えており； 該向かい合う表面の該中央導
    電層部が、間隙をおいて平行に配置され、該非導電性部
    材の弾性ダイヤフラムに加わる圧力に応じて弾性ダイヤ
    フラムが該非導電性部材の他方に対して偏位することに
    よつて電気容量が実質的に変化する素子を形成すること
    を特徴とする圧力電気変換素子。
JP51150679A 1976-03-12 1976-12-14 圧力電子変換素子 Expired JPS6034687B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US66618876A 1976-03-12 1976-03-12
US666188 1976-03-12

Publications (2)

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JPS52123283A JPS52123283A (en) 1977-10-17
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ID=24673185

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP51150679A Expired JPS6034687B2 (ja) 1976-03-12 1976-12-14 圧力電子変換素子

Country Status (4)

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JP (1) JPS6034687B2 (ja)
DE (1) DE2709945C2 (ja)
FR (1) FR2344006A1 (ja)
GB (1) GB1563894A (ja)

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