JPH0365850B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、圧力変化を可動板の変位あるいはト
ルクとして検出する圧力センサに関するものであ
る。更に詳しくは、本発明は、例えば0.01μm水
柱といつた程度の微小圧力測定を行なう場合に使
用して特に有効な圧力センサに関するものであ
る。

〔従来技術の説明〕

従来、微小圧力測定の可能な圧力センサとし
て、コンデンサマイクロホンが知られている。こ
れは、圧力を受ける金属膜と、この金属膜に対向
設置された固定電極とで構成されており、圧力に
よる金属膜の変位を金属膜と固定電極の間の静電
容量変化として検出するものである。

しかしながら、この装置においては、金属膜を
全面に亘つて均一に張力がかかるように張らない
と、検出感度にばらつきを生じ良好な特性が得ら
れないという問題点がある。

〔本発明の目的〕

本発明は、従来技術におけるこれらの問題点や
欠点に鑑みてなされたもので、構成が簡単で検出
感度にバラツキが生ずることはなく、高い精度で
圧力差の測定が行える圧力センサを実現すること
を目的とする。

〔本発明の概要〕

本発明に係る装置は、スリツト孔を有した固定
板と、この固定板と対向配置され測定すべき圧力
が与えられる可動板と、この可動板が回転できる
ようにその重心を通る直線上の２点で当該可動板
を支持する支持部と、可動板の変位又はトルクを
検出する検出手段、この検出手段からの信号を入
力し当該信号に応じた力を可動板に与える力帰還
手段とで構成される。

〔実施例による説明〕

第１図は、本発明に係る圧力センサの一例を示
す構成断面図、第２図は一部を断面で示す要部斜
視図、第３図は要部の組立構成図である。ここで
は圧力P₁と圧力P₂の差圧を検出する場合を例示
する。これらの図において、１は容器、２ａ，２
ｂは容器１の外側に設置され、矢印φに示すよう
な磁束を与える永久磁石、２０はヨークで、永久
磁石２ａ，２ｂを挾んで容器１を外側より覆つて
いる。２１，２２はこの容器内を２部分に仕切る
隔壁である。隔壁２１，２２で仕切られた各部屋
１ａ，１ｂには、圧力導入孔１１，１２から測定
すべき圧力P₁，P₂が導入されている。

３は本発明において特徴としている圧力検知部
で、隔壁２１，２２に固定された固定板４と、ス
ペーサ５を介して固定板４と対向配置された可動
部６とで構成されている。

固定板４には、部屋１ｂの圧力を導びく複数個
のスリツト（ここでは５個のスリツト）４１が設
けられている。また可動部６は、フレーム６１、
このフレーム６１に支持部６３を介して支持され
るとともに、固定板４に対して対向するように設
置された可動板６２とから成り、可動板６２には
複数個のスリツト（ここでは５個のスリツト）６
４が固定板４の複数個のスリツト４１とは対向し
ない位置に設けられている。ここで、可動板６２
を支持する支持部６３は、ばねとしても機能する
ものであり、この可動板が回転できるように、可
動部６２の重心Ｐ（第３図参照）を通る直線l₁上
の２点でこの可動板６２を支持している。

なお、この例では、可動板６２には、２つの支
持部６３を結ぶ直線l₁（回転軸に相当）に対して、
左側にのみスリツト孔６４が設けてある。

７１は固定板４に設けた電極板、７２は電極板
７１に対向して、可動板６２に設けた電極板で、
これらは可動板６２の変位検出手段を構成してい
る。８は可動板６２の周縁部に形成させたコイル
で、ここに流れる電流に応じた力を可動板６２に
与えるものである。

この様に構成した装置の動作を次に説明する。

圧力導入孔１１，１２に圧力を導入しない状態
（部屋１ａと１ｂ内の圧力が等しい状態）では、
可動板６２は固定板４との間でスペーサ５の厚さ
と等しい僅かな間隔ｄを保つて保持されている。
なお、スペーサ５としては、固定板４上に設けた
メツキ層を利用し、僅かな間隔を得るようにして
もよい。

圧力導入孔１１から圧力Ｐ１が、圧力導入孔１
２から圧力Ｐ２が導入された場合（Ｐ１＜Ｐ２と
する）、２つの部屋１ａ，１ｂを仕切つている圧
力検出部３の両側には、差圧（Ｐ２−Ｐ１）が加
わる。この様な圧力差が存在すると、圧力の高い
方の部屋１ｂからの圧力流体が、固定板４に形成
したスリツト孔を通過し、さらに固定板と可動板
の僅かな〓間を通過して、可動板６２に形成した
スリツト孔を通つて部屋１ａ側に移動しようとす
る。

第４図ａは、可動板６２に加わる圧力の状態を
示す図であり、第４図ｂはこの状態を電気回路で
等価的に示した図である。

固定板４と可動板６２との間の微小な〓間（間
隔）に流体が流れると、その流体の速度に比例し
た流体抵抗が発生する。すなわち、固定板４と可
動板６２との間であつて、固定板と可動板のいず
れの側にもスリツト孔が形成されていない回転軸
を横切る位置付近や、スリツト孔４１からフレー
ム６１と可動板６２との〓間に至る部分には、ｂ
図に示すように、流体抵抗Ｒ１，Ｒ２が生ずるこ
ととなる。これに対して、複数のスリツト孔が形
成された部分は、流体抵抗の発生はほとんど無
い。

このために、可動板６２において、可動板６２
が受ける部屋１ａ内の圧力Ｐ１は、複数のスリツ
ト孔６４をそのまま通過し、ａに示すように、回
転軸に対して可動板６２のスリツト孔が設けられ
ている一方の側の裏面にも加わる。

また、固定板４において、固定板４が受ける部
屋１ｂ内の圧力Ｐ２は、複数のスリツト孔４１を
そのまま通過して、回転軸に対して可動板６２の
スリツト孔が設けられていない他方の側の裏面に
加わる。従つて、ａに示すように、可動板６２に
おいて、スリツト孔が形成されている一方の側
（回転軸に対して左側）の両面（表面と裏面）は、
同じ圧力Ｐ１が加わり、スリツト孔が形成されて
いない他方の側（回転軸に対して右側）の両面
（表面と裏面）には、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２が加る
こととなる。

このため、可動板６２には圧力Ｐ１と圧力Ｐ２
の差に比例したトルクが発生し、支持部６３のね
じりバネ剛さと釣り合う角度まで傾斜（回転）す
る。

なお、可動板６２と固定板４との間隔ｄは、例
えば10ミクロン程度の微小間隔で、可動板６２や
固定板４に形成するスリツト孔の大きさや、可動
板６２とフレーム６１との間隔ｄ１に比べて充分
小さくすることで、第４図ｂのような等価回路が
構成でき、可動板６２を圧力差（Ｐ２−Ｐ１）に
対応して傾斜させることができる。そして、可動
板６２と固定板４との微小間隔で形成される流体
抵抗の値は、非常に大きく等価的にここでシール
された状態になつている。

可動板６２の変位（傾斜角変化）は、電極板７
１と７２間の静電容量C_xの変化となる。

第５図は電極７１，７２に接続される電気回路
の一例を示す構成ブロツク図である。

電極７１，７２間の静電容量C_xは、静電容量
測定回路７３で検出され、C_xに対応した電圧e_xを
出力する。加算回路７４は、静電容量測定回路７
３からの電圧信号e_xと、初期容量C₀（圧力P₁，P₂
が零の状態）に対応した電圧信号e_sとの差を求
め、その偏差ε（＝e_S−e_x）を増幅器７５に与え
る。増幅器７５は、偏差εを増幅し、その出力を
可動板６２に設けられているコイル８に与えると
ともに、コイル８に流れる電流に対応した電圧
（抵抗７６の両端電圧）をメータ７７で測定する
ようにしている。

増幅器７５の増幅度は十分大きく、また、コイ
ル８に流れる電流によつて可動板６２に発生する
トルクは、圧力P₁，P₂の差圧によつて生ずるト
ルクの向きと逆（傾斜がなくなる向き）になるよ
うに、すなわち負帰還されるようになつており、
これにより、可動板６２はアンプ７５の入力電圧
εが零となるように力平衡する。力平衡状態で
は、可動板６２は、電極間容量C_xが、初期容量
C₀に等しい点でバランスしており、メータ７７
の指示値は、圧力P₁とP₂の差圧によつて可動板
６２にあたえられるトルクに対応したものとな
り、この指示値からP₁とP₂の圧力差を知ること
ができる。

このように構成した装置は、可動板６２がその
重心を通る直線上の２点で回転可能に支持される
構成であり、従来のコンデンサマイクロホンのよ
うに金属膜を全面で一様に張力がかかるように張
る必要はない。このため、検出感度にバラツキが
生ずることはなく、また、張力が温度によつて変
わると言うこともない。

また、可動板に生ずるトルクと帰還された力と
を平衡させるようにしたものであるから、平衡状
態では支持部でのバネ定数の特性変化などによる
影響を受けず圧力差の測定を高い感度で行うこと
ができる。

第６図は、圧力検知部３の他の例を示す要部平
面図及び断面図である。

第６図に示す実施例は、可動板６２において、
回転軸l₁に対して左片方側６２ａに、ほぼ全面に
亘つてピツチP₁で複数個（ここでは９個）のス
リツト孔６４ａを形成するとともに、右片方側６
２ｂの上下周縁部に、スリツト孔６４ａと同じ数
で、同じ形状のスリツト孔６４ｂを形成させたも
のである。

この実施例によれば、可動板６２の左右のバラ
ンスを容易にとることができ、回転軸l₁をこの可
動板６２の対称位置にもつてくることができる。

なお、上記の各実施例ではいずれも可動板６２
の変位又はトルクを、電極間の静電容量変化とし
て検出するようにしたものであるが、他の手段、
例えば光信号を利用したり、ノズルフラツパ機構
を利用したり、あるいは、支持部６３の歪又は応
力等を検出したりしてもよい。また、可動板６２
に帰還力を与える手段として、可動板に設けたコ
イルの電磁力を利用したものであるが、静電力
等、他の手段を用いてもよい。この場合、磁石２
ａ，２ｂは不要となる。

〔本発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、容器内
に設置される検知部は、可動板や固定板を例えば
単結晶の水晶基板等を利用して構成することが可
能であり、また可動板と固定板との間隔を維持さ
せるスペーサはメツキ膜等を利用して構成するこ
とができるので、全体構成が簡単で、検出感度に
バラツキが生ずることはなく、しかも高い精度で
圧力差の測定が行える圧力センサを実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧力センサの一例を示す
構成断面図、第２図は一部を断面で示す要部斜視
図、第３図は要部の組立構成図、第４図は可動板
に加わる圧力の状態を示す説明図、第５図は電気
回路の一例を示す構成ブロツク図、第６図は圧力
検知部の他の例を示す要部平面図及び断面図であ
る。 １…容器、２０…ヨーク、２ａ，２ｂ…磁石、
３…圧力検知部、４…固定板、５…スペーサ、６
…可動部、６１…フレーム、６２…可動板、６３
…支持部、７１，７２…電極板、８…コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部が圧力検知部で仕切られる２つの部屋を
   有し、各部屋に変動する被測定圧力が導入される
   ようにした容器を備え、 前記圧力検知部は、 重心を通る直線上の２点でフレームに回転可能
   に支持されると共に、回転軸に対して少なくとも
   一方の側に被測定圧力流体を通す複数のスリツト
   孔が形成された可動板と、 この可動板との間でシール状態が維持されるよ
   うな僅かな間隔を隔てて設置され、可動板の回転
   軸に対して他方の側に面した部分に被測定圧力流
   体を通す複数のスリツト孔が形成された固定板
   と、 前記可動板の変位またはトルクを検出する手段
   と、 この検出手段からの信号を入力し、当該信号に
   応じた力を可動板に与える力帰還手段と で構成され、 前記可動板は、回転軸に対して一方の面と他方
   の面が受ける圧力の差に応じてトルクが発生して
   回転し、前記力帰還手段は、トルクに応じた力を
   可動板に与えてバランスさせ、 前記力帰還手段に与えられる信号から前記２つ
   の部屋に与えられる圧力の差を知るようにしたこ
   とを特徴とする圧力センサ。