JPS59163513A

JPS59163513A - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JPS59163513A
Application number: JP3751483A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Nakamura; 公弘中村; Mitsuru Tamai; 満玉井
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1984-09-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術分野〕この発明は圧力、差圧、荷重またはレベル等（以下、圧
力で代表する。）の物理的な量を静電容量的に検出する
検出部（センサ）の構造に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

第１図は静電容量式圧力センサの従来例を示す断面図、
第１Ａ図はその電極部の構造を示す上面図、第１Ｂ図は
センサの電気的な等価回路を示す回路図である。第１図
において、１はハウジング、２．３は電極、４は圧力測
定ダイアフラム、５は絶縁体、６，９は連通孔、７，８
は電極管、１０〜１２Ｆｉ端子である。すなわち、電極
２，３が取り付けられた絶縁体５Ｖｉ、金属性のハウジ
ング１にメタライズ等の方法によって接合され、該ハウ
ジング１は電子ビーム溶接等によって金属製の測定ダイ
アフラム４に取り付けられる。第１Ａ図に示されるよう
に、電極２と３は互いに同心円状に配置されるとともに
、その断面積Ｓｌ　、　ｓ２は互いに等しくなるように
選ばれている（　５１＝８２＝Ｓ）。

そして、中央の電極３には外部へ通じる連通孔６を有す
る電極管７が取り付けられていて、圧力測定ダイアフラ
ム４へ圧力が伝達される如く構成されており、また、外
周の電極２には同じく連通孔９を有する電極管８が取り
付けられている。なお、電極３とダイアフラム４および
電極２とダイアフラム４によってそれぞれ静電容量ｃ１
．ｃ２なるコンデンサが形成される。したがって、例え
ば連通孔６より圧力が導入されるとダイアフラム４が変
位することになるが、この変位を、従来は測定ダイアフ
ラム４の中央部付近では大きく、その外周では殆んどな
い、つまり第１Ｂ図の等価回路に示すように容量Ｃ２は
不変であると考え、以下の如き演算式から求める↓うに
していた。

＋１１　、　Ｃ２１式よりなお、Ｃ０は電極間の誘電率、ＳＶｉ電極の面積、ｄ。

は電極間の間隙、Δｄは測定ダイアクラムの平均変位で
ある。

ところが、実際にはダイアフラム４の固定端近傍におい
ても変位が生じて容量Ｃ２が変化するため、直線性が悪
くなり測定精度が低下するという欠点があるばかシでな
く、以下に列記する如き欠点がある。

イ）２つの電極が互いに隣接して配置されるため、これ
らの間で浮遊容量が形成され易い。

口）測定ダイアフラムに対向して２つの電極を設けるも
のであるため、それぞれの静電容量値が小さくなり、そ
の結果、上記の如き浮遊容量の影響を受は易い。

ハ）金属と絶縁体の複合体を設けなければならないため
、一般に高価となる。

二）金属ダイアフラムによって圧力を測定するものであ
るため、金属ダイアフラムのヒステリシスが測定結果に
含まれ、高精度の測定が困難である。

ホ）２つの電極の形状が互いに異なるために生じる浮遊
容量の差が測定値の直線性に影響を与える。

〔発明の目的〕

この発明は上記の諸点に鑑みてなされたもので、高精度
の測定が可能で、しかも小型化が容易な静電容量式セン
サを提供することを目的とするものである。

〔発明の要点〕

その特徴は、略同形状で同じ面積を有する第１゜第２電
極部が所定の位置関係をもって並設されてなる支持板と
、その第１．第２電極部と対向する面に第３電極部を備
え□該第３電極部の少なくとも第１．第２電極部のいず
れかと対応する位置に物理的な力に応動するダイアフラ
ム部が形成されてなる基板とを、第１．第２電極部と第
３電極部との間に所定の間隙が生じるように向かい合わ
せて接合するようにした点にある。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第２図はこの発明の実施例を示す構造図であり、（イ）
はその断面図を示し、（ロ）は支持体の下面図を示す。

同図において、２１は溶融石英、水晶、ガラス、セラミ
ックスまたはサファイア等の材料からなる電極支持体、
２２は該支持体２１と同様の材料からなる基板である。

支持体２２にははソ同じ大きさの２つのざぐり（座繰）
が形成され、その中にそれぞれ電極２４．２５が形成さ
れている。

なお、ざぐシ（座繰）の形状は、同図（ロ）に点線３４
で示す如く、例えば円形であシ、電極２４　、２５は該
円形のざぐり内に蒸着等によって形成される。

一方、基板２２には、上記電極のいずれか一方（この図
では電極２４）と対向する部分に肉薄部２６が形成され
るとともに、所定形状の電極２３が蒸着等の手段によっ
て形成され、該電極２３と肉薄部２６によって測定ダイ
アフラムとしての機能を有する如く構成されている。こ
うすることによって、電極２３と電極２４とによって可
変コンデンサ（Ｃ１）が、また電極２３と電極２５とに
よって固定（基準）コンデンサ（Ｃ２〕を形成すること
ができる。なお、２７および２８．２９は第１図と同様
の連通孔および電極管であり、３１〜３３はボンディン
グ、はんだ付は等の手段によって作られる端子である。

また、３０は基板２２を支持体２１に接着するだめの有
機接着剤、低融点ガラスまたはガラス等からなる絶縁性
接着層である。

このように構成されるセンサにおいて、連通孔２７を介
して圧力等が導入されると、測定ダイアフラム部２６が
変位し、これにより電極２３と２４によって形成される
測定コンデンサの容量ｃｌが変化する。一方、−電極２
３と２５によって形成される静電容量Ｃ２は、電極２３
を支持する部材２２の厚みが充分に厚い（肉薄部２６の
厚みをｈｌ、肉厚部のそれをｈ２とすると、ｈ　２／ｈ
１≧３となるようにすると好適であることが実験的に確
かめられている。）ので、該容量Ｃ２は変化しない、つ
まり固定（標準）と考えてよい。したがって、この場合
の静電容量ｃ１　、　Ｃ２は、（４）　、　（５）式よりの如く衣わすことができる。なお、（４）〜（６）式に
おいて、εは電極間の誘電率、Ａは電極の有効面積、ｄ
ｏＦｉ電極間の間隙、Δｄは圧力に比例する量である。

また、（４）〜（６）の演算式は圧力等の方向を一致さ
せれば、（１）〜（３）式と同じになることは云う迄も
ない。したがって、静電容量値ｃｌ　Ｉ　Ｃ２等を測定
することによジ、圧力等に比例する量を得ることができ
る。

第３図、第４図および第５図は、この発明のそれぞれ異
なる別の実施例を示す構成断面図である。

すなわち、第３図に示されるものは、第２図の如く支持
体にざぐりを形成しその中に電極を形成するかわ９に、
支持体２１の表面に電極２４．２５を形成し、所定厚さ
の接着層３０を介して支持体２１と基板２２とを接着し
たものである。こうすることにより、支持体２１にざぐ
りを形成しなくても済むので、製造工程を簡単にするこ
とができる。

また、第４図に示されるものは、第３図に示される基板
２２から肉薄部を除去し、基板２２全体をの肉薄にしたもので、これにより基板２２にざぐりを形
成する手間をも省略したものである。なお、基板全体を
肉薄にしたも°のでは、圧力等に応じて測定用コンデン
サＣ１、基準コンデンサＣ２がともに変位することにな
るので、基準コンデンサＣ２側には圧力等を伝達しない
ようにするための工夫が別途必要である。

さらに、第５図に示されるものは、第４図に示されるも
のを、いわばその中心で切断して２つに分けた例である
ということができ、したがってその効果も第４図と同様
であるが、浮遊容量の影響をより一層低減しうる利点を
有するものである。

なお、第６図は第２〜５図に示される各センサの電気的
な等価回路図であり、第１Ｂ図に示されるものと同じで
ある。なお、Ｃ１は測定用コンデンサ、Ｃ２は標章コン
デンサ、３１〜３３は端子である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、支持体およびダイアフラム（基板を
含む）を溶融石英、水晶、ガラス、セラミックスまたは
サファイア等で形成するようにしているため、金属性の
ものに比べて測定精度を向上させることができる。その
理由は、これらの材料の物理的特性（弾性特性）が一般
的に金属よりもすぐれている。また、これらの材料は微
細加工に適しており、特に半導体製造技術を用いるこ七
により数ミクロン程度の加工が可能であるため、小型化
しつるという利点をもたらすものである。

さらに、この発明によれば、次の如き効果を期待するこ
とができる。

イ）測定コンデンサと基準コンデンサとを別個にし、標
準コンデンサの容量変化を実質的に零となるようにした
ので、直線性が良くなり、したがって測定精度を向上さ
せることができる。

口）測定用コンデンサと基準コンデンサとを横に並べて
一体的に形成するとともに、これらコンデンサを浮遊容
量が生じない程度に近付けて配置することができるため
、温度特性をはソ同じにすることができる。

ハ）測定用と基準用コンデンサの電極形状が同じである
ため、浮遊容量のアンバランスを転減することができ、
したがって直線性の良い測定が可能となる。

二）基準および測定用コンデンサを互いに分離して形成
することができるので、これらコンデンサにて形成され
る浮遊容量を殆んど無視することができる。

なお、上記の説明では支持体、基板（ダイヤフラム）を
ともに溶融石英、水晶、ガラス、セラミックスまたはサ
ファイア等の材料で形成するようにしたが、少なく、と
もダイヤフラム部の方だけにかかる材料を用いるだけで
充分である。

この発明は上述の如き圧力測定ばかりでなく、機械的ま
たは物理的な量を測定するセンサとして広く適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は静電容量式圧力センサの従来例を示す構造断面
図、第１Ａ図は電極部の構造を示す上面図、第１Ｂ図は
第１図に示されるセンサの電気的な等価回路を示す回路
図、第２図はこの発明の実施例を示す構造図、第３図、
第４図および第５図はそれぞれこの発明の他の実施例を
示す構造断面図、第６図は第３〜５図に示されるセンサ
の電気的な等価回路を示す回路図である。符号説明１・・・ハウジング、２，３，２３，２４．２５・・・
電極、４，２６・・・圧力測定ダイアフラム、５・・絶
縁体、６，９．２７・・・連通孔、７　、８　、２８．
２９・・・電極管、１０〜１２．３１〜３３・・・端子
、３゜・・・接着層。代理人　弁理士　並　木　昭　夫代理人　弁理士　松　崎　　　　清第　１　因第１Ａ図　　　　　　　　　　　　第１Ｂ図第２図第３　図

Claims

【特許請求の範囲】１）略同形状で同じ面積を有する第１．第２電極部が並
設されてなる支持板と、該第１．第２電極部と対向する
面に第３電極部を有し該第３電極部の少なくとも前記第
１または第２電極部のいずれかと対応する位置に物理的
な力に応動するダイアフラム部が形成されてなる基板と
を、前記第１゜第２電極部と第３電極部との間に所定の
間隙が生じるように向かい合わせて接合してなることを
特徴とする静電容量式センサ。２、特許請求の範囲第１項に記載の静電容量式センサに
おいて、＠記基板のみまた１′ｌ：該基板と支持体の双
方を溶融石英、水晶ガラス、セラミックスまたはサファ
イア等の材料にて形成することを特徴とする静電容量式
センサ。３）特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかに記
載の静電容量式センサにおいて、前記支持板に２つのざ
ぐり部を形成し、該ざぐり部にそれぞれ第１．第２電極
部を形成することを特徴とする静電容量式センサ。４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
載の静電容量式センサにおいて、前記基板にざぐり部を
形成し、該ざぐ９部によってダイアフラム部を形成する
ことを特徴とする静電容量式センサ。５）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
載の静電容量式センナにおいて、前記基板の厚さを所定
厚さとし、該基板全体をダイアフラム部とすることを特
徴とする静電容量式センサ。