JPH04357429A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体あるいは液体の圧
力を受けてダイアフラムが変位することにより圧力を測
定するセンサに関するものである。さらに詳しくは、ダ
イアフラムの変位による固定電極板と前記ダイアフラム
に結合した可動電極板との間隔の変化に伴うこれら電極
板間の静電容量の変化により圧力を測定するものである
。

【０００２】

【従来の技術】従来の静電容量式圧力センサは、図４に
示すように、気体あるいは液体の圧力を受けて変位する
感圧ダイアフラム（１１）の一方の面に可動電極板（１
２）を固定し、この可動電極板（１２）に対峙させて固
定した固定電極板（２３）を設けたものがあった。

【０００３】また、図５に示すように、両側をダイアフ
ラム（２４）（２５）で密閉して作動液（７）を封入し
、チャンバー（２６）の中央を可動電極板としての感圧
ダイアフラム（１１）で密閉して区画し、この感圧ダイ
アフラム（１１）の両側のチャンバー（２６）内部に固
定電極板（２７）（２８）を設けた差圧式ものがあった
。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の静電容量式圧力
センサのうち、前者は構造が非常に簡単であるが、絶縁
性が低く、温度、湿度の影響を受け易い。また、圧力変
化に対する出力信号の変化、すなわち静電容量の変化を
大きくするためには、可動電極板（１２）と固定電極板
（２３）の有効面積大きくする必要があり、センサ全体
が大きなものとなるという問題点があった。

【０００５】また、後者のものは、絶縁性が高く、圧力
変化に対する出力を大きくすることができるが、温度変
化による作動液（７）の誘電率などの変化が出力に影響
し、さらに、３枚のダイアフラム（１１）（２４）（２
５）を用いているために高価であるという問題点があっ
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は以上のような課
題を解決するためになされたもので、第１に被測定圧力
を受けることにより変位する感圧ダイアフラムをチャン
バー内に設けて、チャンバーを被測定圧力導入室と圧力
基準室とに気密に区画し、前記感圧ダイアフラムの変位
にしたがって進退する可動電極板を感圧ダイアフラムに
固着し、この可動電極板と隙間をもって第１の固定電極
板を対峙させて設け、さらにこの第１の固定電極板の前
記可動電極板とは反対側に隙間をもって第２の固定電極
板を対峙させて設けたものである。

【０００７】また、第２に被測定圧力導入室を隔膜によ
り気密に区画して、この被測定圧力導入室と圧力基準室
との間に作動室を設け、この作動室内に可動電極板およ
び第１、第２の固定電極板を設けるとともに、この作動
室内に高誘電率を有する作動液を封入したものである。

【０００８】さらに、第３に前記可動電極板をオペレー
ショナルアンプの出力側に接続し、前記第１の固定電極
板を前記オペレーショナルアンプのマイナス（−）側に
接続し、前記第２の固定電極板を交流電源に接続し、前
記オペレーショナルアンプのプラス（＋）側をグランド
ラインに接続したものである。

【０００９】

【作用】導入室に被測定圧力が導入されると、被測定圧
力に応じた量だけ隔膜が変位し、同時に感圧ダイアフラ
ムも可動電極板とともに変位する。可動電極板が変位す
ることにより、この可動電極板と第１の固定電極板との
隙間が変化して、これらの間の静電容量が変化するが、
その一方で、第１と第２の固定電極板の間の静電容量は
変化しない。そして、可動電極板および第１の固定電極
板が接続されたオペレーショナルアンプの出力は、前記
可動電極板と第１の固定電極板の間の距離に比例して出
力される。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図３に基づい
て説明する。図１において（１）は本体ケース、（２）
はカバーケースであり、この本体ケース（１）の略上半
分およびカバーケース（２）によってチャンバー（３）
が形成され、本体ケース（１）の残りの下半分にはプリ
ント基盤（４）などの収納室（５）が設けられている。 チャンバー（３）は、被測定圧力の導入室（６）と作動
液（７）が封入された作動室（８）と大気に開放された
圧力基準室（９）とで構成されており、導入室（６）と
作動室（８）の間は、本体ケース（１）とカバーケース
（２）に挾持された軟らかい隔膜（１０）により気密に
区画され、作動室（８）と圧力基準室（９）の間は、本
体ケース（１）に固定された感圧ダイアフラム（１１）
により気密に区画されている。

【００１１】前記感圧ダイアフラム（１１）の作動室（
８）側には、この感圧ダイアフラム（１１）の変位に伴
って上下する可動電極板（１２）が固着され、この可動
電極板（１２）と隙間ｄをもって対峙して第１の固定電
極板（１３）が固定され、さらに、第１の固定電極板（
１３）と隙間ｄｒをもって対峙して前記可動電極板（１
２）と反対側に第２の固定電極板（１４）が固定されて
いる。これらの第１、第２の固定電極板（１３）（１４
）は、作動室（８）内の周辺部に植立された絶縁性のボ
ス（１５）…を介して固定されている。

【００１２】図２に示すように、第２の固定電極板（１
４）は電源（１６）に接続され、第１の固定電極板（１
３）はオペレーショナルアンプ（１７）のマイナス（−
）側に接続され、可動電極板（１２）は前記オペレーシ
ョナルアンプ（１７）の出力側に接続されている。 前記オペレーショナルアンプ（１７）のプラス（＋）側
はグランドラインに接続され、出力側は絶対値回路（１
８）および増幅回路（１９）を介して、表示器（２０）
に接続されている。

【００１３】つぎに、以上の構成における圧力センサの
動作を説明する。まず、図１に基づいて機械的な部分の
動作について説明する。導入室（６）に大気圧と等しい
被測定圧力が与えられているときは、図１に示すように
、隔膜（１０）および感圧ダイアフラム（１１）は変位
せず、第１の固定電極板（１３）と可動電極板（１２）
との隙間ｄも変化せず、また、第１の固定電極板（１３
）と第２の固定電極板（１４）との隙間ｄｒは固定され
ている。

【００１４】導入室（６）に大気圧より高い被測定圧力
が導入されると、隔膜（１０）が図面下方向に押され、
同時に作動液（７）を介して感圧ダイアフラム（１１）
も下方向に変位する。そして、感圧ダイアフラム（１１
）に固着された可動電極板（１２）と第１の固定電極板
（１３）の隙間ｄが、導入室（６）に与えられた被測定
圧力に応じて広げられる。このときも、第１の固定電極
板（１３）と第２の固定電極板（１４）との隙間ｄｒは
変化しない。また、隔膜（１０）は、感圧ダイアフラム
（１１）に比して充分に軟らかい素材が用いられている
ので、温度変化などによる作動液（７）の膨張あるいは
収縮はこの隔膜（１０）に吸収される。

【００１５】つぎに、図３の等価回路に基づいて、オペ
レーショナルアンプ（１７）の出力について説明する。 図３において、Ｃは可動電極板（１２）と第１の固定電
極板（１３）との間に生ずるキャパシタンス、Ｃｒは第
１の固定電極板（１３）と第２の固定電極（１４）との
間に生ずるキャパシタンスであり、また、Ｅ０は電源（
１６）の電圧、Ｅａはオペレーショナルアンプ（１７）
の出力電圧である。

【００１６】まず、キャパシタンスＣｒの両端の間の電
圧は電源の電圧Ｅ０であるので、その電荷Ｑは、Ｑ＝Ｅ
０・Ｃｒ となり、また、キャパシタンスＣの両端の間の電圧は出
力電圧Ｅａであるので、その電荷Ｑａは、Ｑａ＝Ｅａ・
Ｃ となっている。ここで、キャパシタンスＣｒとＣを流れ
る電流は同じであるので、 Ｑａ＝Ｑ すなわち、 Ｅａ・Ｃ＝Ｅ０・Ｃｒ である。故に、オペレーショナルアンプ（１７）の出力
Ｅａは、 Ｅａ＝（Ｅ０・Ｃｒ）／Ｃ　　　　　　…式（１）であ
る。

【００１７】また、キャパシタンスＣとＣｒの静電容量
は、それぞれ、 Ｃ＝（Ｓ・ε０・ε）／ｄ Ｃｒ＝（Ｓｒ・ε０・ε）／ｄｒ であり、この式中、Ｓは、可動電極板（１２）と第１の
固定電極板（１３）の間の有効面積、ｄは、可動電極板
（１２）と第１の固定電極板（１３）の間隔、ε０は、
真空の誘電率、εは、作動液（７）の比誘電率、Ｓｒは
、第１と第２の固定電極板（１３）（１４）の間の有効
面積、ｄｒは、第１と第２の固定電極板（１３）（１４
）の間の間隔である。

【００１８】この式を式（１）に代入すると、　　　　
　　　　　　Ｅａ＝Ｅ０・（Ｓ・ε０・εｒ／ｄ）／（
Ｓｒ・ε０・εｒ／ｄｒ）　　　　　　　　　　　　　
　＝Ｅ０・（Ｓ／ｄ）／（Ｓｒ／ｄｒ）　　　　　　…
式（２）ここで、Ｅ０・（Ｓ／Ｓｒ・ｄｒ）＝ｘと置け
ば、Ｅａ＝ｘ・ｄ となり、オペレーショナルアンプ（１７）の出力電圧は
、可動電極板（１２）と第１の固定電極板（１３）の間
隔ｄに比例する。また、式（２）からわかるように、温
度によって変化する真空の誘電率ε０および作動液の比
誘電率εｒは、相殺される。

【００１９】以上の実施例では、チャンバー（３）の圧
力基準室（９）を大気に開放して、ゲージ圧を測定する
ようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、
圧力基準室（９）を密閉して真空とし、絶対圧を測定す
るようにしてもよいし、測定目的に合わせた特定の圧力
に設定してもよい。以上の実施例では、圧力基準室（９
）に対して正圧を測定するようにしたが、本発明はこれ
に限られるものではなく、圧力基準室（９）に対して負
圧を測定するようにしてもよい。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成したので、
第１の電極板と第２の電極板の間の静電容量が温度や湿
度の変化に従って変化し、可動電極板と第１の固定電極
板の間の温度や湿度による静電容量変化を補償すること
ができる。したがって、温度や湿度の変化に影響されず
圧力変化を正確に出力することができ、オペレーショナ
ルアンプを利用したごく簡単な回路で、感圧ダイアフラ
ムの変位をリニアな信号として出力できる。また、作動
室に作動液を封入することにより、高い絶縁性を確保す
ることができる。さらに、ダイアフラムを最低限の１枚
しか用いていないので、安価であるという効果を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す静電容量式圧力センサ
の断面図である。

【図２】本発明の一実施例を示す静電容量式圧力センサ
の回路図である。

【図３】図１および図２の等価回路図である。

【図４】第１の従来例を示す断面図である。

【図５】第２の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

（１）…本体ケース、（２）…カバーケース、（３）…
チャンバー、（４）…基盤、（５）…収納室、（６）…
導入室、（７）…作動液、（８）…作動室、（９）…圧
力基準室、（１０）…隔膜、（１１）…感圧ダイアフラ
ム、（１２）…可動電極板、（１３）…第１の固定電極
板、（１４）…第２の固定電極板、（１５）…ボス、（
１６）…電源、（１７）…オペレーショナルアンプ、（
１８）…絶対値回路、（１９）…増幅回路、（２０）…
表示器、（２１）（２２）…隙間。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定圧力を受けることにより変位する感
   圧ダイアフラムをチャンバー内に設けて、チャンバーを
   被測定圧力導入室と圧力基準室とに気密に区画し、前記
   感圧ダイアフラムの変位にしたがって進退する可動電極
   板を感圧ダイアフラムに固着し、この可動電極板と隙間
   をもって第１の固定電極板を対峙させて設け、さらにこ
   の第１の固定電極板の前記可動電極板とは反対側に隙間
   をもって第２の固定電極板を対峙させて設けたことを特
   徴とする静電容量式圧力センサ。
2. 【請求項２】被測定圧力導入室を軟らかい隔膜により気
   密に区画して、この被測定圧力導入室と圧力基準室との
   間に作動室を設け、この作動室内に可動電極板および第
   １、第２の固定電極板を設けたことを特徴とする請求項
   １記載の静電容量式圧力センサ。
3. 【請求項３】作動室内に高誘電率を有する作動液を封入
   したことを特徴とする請求項２記載の静電容量式圧力セ
   ンサ。
4. 【請求項４】可動電極板をオペレーショナルアンプの出
   力側に接続し、第１の固定電極板を前記オペレーショナ
   ルアンプのマイナス（−）側に接続し、第２の固定電極
   板を交流電源に接続し、前記オペレーショナルアンプの
   プラス（＋）側をグランドラインに接続したことを特徴
   とする請求項１、２または３記載の静電容量式圧力セン
   サ。