JPH06744Y2 - コンデンサマイクロフォン型差圧検出器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は第１圧力流体と第２圧力流体との差圧を検出す
るのに用いられるコンデンサマイクロフォン型差圧検出
器の改良に関する。

〔従来の技術〕

第５図は、一般的な非分散型の赤外線ガス分析計の構成
を概略的に示すもので、この図において、ａはＮ₂ガス
などの不活性ガスが封入された比較セル、ｂは非測定ガ
スが連続的に導入される測定セル、ｃ，ｄは比較セル
ａ、測定セルｂに対してそれぞれ赤外線を照射する光
源、ｅは光源ｃ，ｄからの赤外光を一定周期で断続する
チョッパである。

そして、ｆ，ｇは比較セルａ、測定セルｂをそれぞれ通
過した赤外光がそれぞれ入射する第１受光室、第２受光
室であり、各受光室ｆ，ｇにはそれぞれ入射される赤外
線のエネルギーを吸収して膨張するガス（非測定ガスま
たはそれと同等の吸収スペクトルを有するガス）が封入
されている。以下、第１受光室ｆに封入されたガスを第
１圧力流体Ｆ₁、第２受光室ｇ内に封入されたガスを第
２圧力流体Ｆ₂という。

また、ｘは実際の測定時において第１圧力流体Ｆ₁（圧
力Ｐ₁）と第２圧力流体Ｆ₂（圧力Ｐ₂）との間に生ずる
圧力差（差圧：Ｐ₁−Ｐ₂）を検出するために設けられた
コンデンサマイクロフォン型差圧検出器（以下、差圧検
出器という）であって、可撓性のダイヤフラムからなる
可動電極ｈが固定電極ｉに対して適宜の間隔を隔てて電
気的絶縁状態で張設されてなる１個のコンデンサマイク
ロフォン型感圧センサ（以下、感圧センサという）から
構成され、この感圧センサには、その両側から管路ｊ，
ｋを介して第１受光室ｆからの第１圧力流体Ｆ₁の圧力
Ｐ₁および第２受光室ｇからの第２圧力流体Ｆ₂の圧力Ｐ
₂がそれぞれ与えられており、その差圧検出信号は、増
幅器、記録器、指示器などからなる外部回路系ｌに取り
出されている。

ところで、上述のような赤外線ガス分析計において利用
される差圧検出器ｘにおいては、極めて微弱な圧力差を
も検出できるといった高感度な性能が要求されると共
に、差圧検出器ｘに作用する外部からの振動や衝撃、特
に、チョッパｅによる光断続周期に一致するようなセン
サ軸方向のものによるノイズ混入などの影響を受けにく
いといった高Ｓ／Ｎが要求される。

そこで、この種の差圧検出器ｘの高感度化および振動ノ
イズの低減を図るため、従来から種々の工夫がなされて
いる。

その代表的な従来技術として、実公昭５０−３９１８５
号公報に開示されたものがある。第６図は、この公報に
係る差圧検出器ｘを示すもので、この差圧検出器ｘは、
上述した一般的構成のもののように固定電極ｉを設けた
ものではなく、互いに対向配置した２つの可撓性のダイ
ヤフラム（可動電極）₁．ｈ₂によって感圧センサを構成
したものである。

そして、２つの可動電極ｈ₁．ｈ₂の間の間隙内に第１受
光室ｆからの第１圧力流体ｆ₁が導入されると共に、可
動電極ｈ₁．ｈ₂のそれぞれの外面側に第２受光室ｇから
の第２圧力流体Ｆ₂が導入されている。

このように構成された差圧検出器ｘにおいては、測定時
における第１圧力流体Ｆ_１と第２圧力流体Ｆ₂との差圧
（Ｐ₁−Ｐ₂）の変化に応じて、２つの可動電極ｈ₁．ｈ₂
が互いに反対の方向に変位することになるので、第５図
に示した差圧検出器ｘと比べて、同じ大きさの圧力変化
に対してより大きな容量変化を得ることがでい、感度を
ほぼ２倍に向上させることができる。

一方、第６図に示した差圧検出器ｘが外乱振動を受けた
場合には、２つの可動電極ｈ₁．ｈ₂が振動による外力を
受けて同時に同じ方向に変位することになるので、振動
によって２つの可動電極ｈ₁．ｈ₂の相対位置関係は殆ど
変化することがない。従って、第５図に示した差圧検出
器ｘのように、可動電極ｈのみが振動して固定電極ｉと
の間の間隙が変化し、そのため容量変化が生じてしまう
といった不都合が生じないので、振動ノイズをかなり低
減できる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

このように、第６図に示した構成によれば、差圧検出器
の高感度化および振動ノイズの低減化という所期の目標
はある程度達成されるものの、次のような欠点が残存し
ている。

すなわち、前記高感度化および振動ノイズの低減化とい
う目標を達成するための手段が、２つの可動電極ｈ₁．
ｈ₂からなるという特殊な構成の感圧センサの機械的特
性自体にのみ依存しているため、十分な精度で前記目標
を達成するには、感圧センサの試作に極めて高い精度が
要求され、従って、製作が困難になると共に製作コスト
が非常に高くなるという問題点がある。

また、２つの可動電極ｈ₁．ｈ₂の間の間隙内に圧力流体
を導入させる際しては、圧力流体を可動電極ｈ₁．ｈ₂の
側周部から導入せざるを得ないが、可動電極ｈ₁．ｈ₂の
間の間隙は例えば５０μｍ程度というように狭小である
ため、圧力流体の圧力変化が各可動電極ｈ₁．ｈ₂の中心
部まで良好に伝達されないという不都合があり、そのた
めに、測定精度が大幅に悪化するといった問題点があ
る。

本考案は、上述の事柄に留意してなされたもので、その
目的は、高感度で振動ノイズの影響を受けにくく、しか
も、シンプルかつコンパクトかつ安価な差圧検出器を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本考案においては、第１圧力
流体と第２圧力流体との差圧を検出するのに用いられる
差圧検出器において、全体として一枚の金属薄膜から構
成され固定用外周部分に対して中央可動部分が３個以上
の支持用ばね部分を介して軸方向に変移可能に連結され
た可撓性のダイヤフラムからなる可動電極が固定電極に
対して適宜の間隔を隔てて電気的絶縁状態で張設されて
なり、機械的特性および電気的特性が実質的に等しい２
つの感圧センサを、互いに適宜の間隔を隔て、かつ、そ
れらの固定電極同士または可動電極同士が対向する状態
に設けると共に、前記２つの圧力流体の一方を前記各感
圧センサにおける可動電極と固定電極との間の間隙内に
導入するように構成すると共に、前記両圧力流体の他方
を前記各感圧センサにおける可動可動電極の外面側に導
入するように構成した点に特徴がある。

〔作用〕

第３図は、本考案に係る差圧検出器の動作を説明するた
めの模式図で、第１圧力流体Ｆ₁と第２圧力流体Ｆ₂との
差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）の変化に対しては、同図（イ）、
（ロ）に示すように、機械的特性および電気的特性が実
質的に等しい２個の感圧センサＳ，Ｓにおける可動電極
１と固定電極２との間の間隙が同じように拡大または縮
小し、感圧センサＳ，Ｓが共に前記差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）の
変化に対応する静電容量の変化を発生させる。従って、
両感圧センサＳ，Ｓの出力を合成することにより、第５
図に示した差圧検出器における出力のほぼ２倍の出力を
得ることができる。

そして、可動電極１は、第２図（イ）、（ロ）に示すよ
うに、全体として一枚の金属薄膜から構成された固定用
外周部分Ｂに対して中央可動部分Ｃが３個以上の支持用
ばね部分Ｄを介して軸方向に変移可能に連結された可撓
性のダイヤフラム１からなるので、前記差圧（Ｐ₁−
Ｐ₂）が極めて小さい場合であっても、同図（ロ）に模
式的に示すように、支持用ばね部分Ｄで比較的大きな撓
みおよび伸びが発生し、中央可動部分Ｃが大きく変位す
ることになり、高感度に検出できる。

また、外乱振動を受けた場合は、第２図（ハ）、（ニ）
に示すように、感圧センサＳ，Ｓの可動電極１，１が振
動による外力を受けて同時に同じ方向に同じ量変位する
が、両感圧センサＳ，Ｓは、固定電極２，２同士が互い
に対向する状態に設けられているので、一方の感圧セン
サＳにおける可動電極１と固定電極２との間の間隙が拡
大してその静電容量が減少したとき、他方の感圧センサ
Ｓにおける可動電極１と固定電極２との間の間隙は縮小
してその静電容量が増大することになるため、両感圧セ
ンサＳ，Ｓの出力を合成することにより、全体として、
前記振動に起因する容量変化が生じないことになる。

さらに、高感度化および振動ノイズの低減化という目標
を達成するため、可動電極１と固定電極２とからなり、
機械的特性および電気的特性が実質的に等しい２つの感
圧センサＳ，Ｓを２個組合せただけであるから、差圧検
出器を非常にシンプルかつコンパクトなものに構成で
き、その製作が極めて容易かつ安価に行なえる。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を、図面に基づいて説明する。

第１図（イ）、（ロ）は、それぞれ本考案に係る差圧検
出器Ｘの外観を示す斜視図、縦断側面図で、同図（ハ）
は、差圧検出器Ｘを圧力室ブロックＹに着脱自在に組み
込んだ状態を示す断面図である。

差圧検出器Ｘは、次のように構成されている。すなわ
ち、第１図（イ）において、Ｓは感圧センサで、ダイヤ
フラムからなる可動電極１を、絶縁性スペーサ３を介し
て、導電性金属部材からなる固定電極２に対して所定の
間隙を隔てて電気的絶縁状態で張設して構成されてい
る。そして、このように構成された２個の感圧センサ
Ｓ，Ｓを、同図（ロ）に示すように、アルミニムなどの
導電性部材からなる円柱状のベース部材４からその軸方
向片面側に一体的に延設されたアルミニウムなどの導電
性部材からなる板状の支持部材５の表裏両面に、固定電
極２，２を当接させるようにして取り付けることによ
り、２個の感圧センサＳ，Ｓが互いに所定間隙を隔てる
と共に、固定電極２，２同士が対向した状態の差圧検出
器Ｘが形成されている。

この場合、２つの感圧センサＳ，Ｓとしては、機械的特
性および電気的特性が実質的に等しいものを用いるのが
よい。そして、前記機械的特性とは、圧力変動や振動に
よる力に対する変形特性のことをいい、また、電気的特
性とは、変形による出力特性をいう。

そして、前記可動電極１としては、本願出願人が昭和６
１年５月３１日付けにて特許出願（特願昭６１−１２８
９３０号）しているダイヤフラムを用することが望まし
い。

すなわち、可動電極１を構成するダイヤフラムは、第２
図（イ）、（ロ）に示すように、例えばエレクトロフォ
ーミングまたはフォトエッチングなどのように、比較的
容易に大量生産が可能かつ高精度な微細加工ができるマ
イクロ加工技術を用いることによって、全体としては１
枚の金属薄膜（例えばチタン膜）Ａによって構成されな
がらも、その外周部分を固定用部分Ｂに形成すると共
に、その中央部分をその両側間の差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）によ
って変形変位する可動部分Ｃに形成し、さらに、中央可
動部分Ｃを、３個以上の支持用ばね部分（例えば板ばね
状部分）Ｄのみによって支承してなるものである。

再び第１図に戻り、ベース部材４の基端面には、同図
（イ）に示すように、両固定電極２，２と電気的に接続
された基準リード７および両可動電極１，１に対して電
気的に接続された測定リード端子８，８が導出されてい
る。９，９はベース部材４と測定リード端子８，８との
間の電気的絶縁を保つためのハーメチックシールであ
る。

また、両固定電極２，２の中央部には、同図（ロ）に示
すように、圧力流体の流通孔１０，１０がそれぞれ形成
されている。さらに、支持部材５の内部には、流通孔１
０，１０と連通するＴ字状の圧力流体通路１１が形成さ
れると共に、この圧力流体通路１１に連なる接続部６が
支持部材５の端部に突設されている。

上述のように構成された差圧検出器Ｘは、同図（ハ）に
示すように、圧力室ブロックＹに装着することにより、
測定に供される。

すなわち、圧力室ブロックＹは、例えば赤外線ガス分析
計における第１受光室、第２受光室などを構成する第１
圧力室Ｒ₁、第２圧力室Ｒ₂を備えていると共に、差圧検
出器Ｘを着脱自在に装着しうる凹部１２を備えている。
この凹部１２は、ベース部材４の外周面に対して気密状
態に適合する大径開口部と、支持部材５の両感圧センサ
Ｓ，Ｓの周囲に余裕空間を形成する中径中間部と、支持
部材５の接続部６の外周面に対して気密状態に適合する
小径底部とを備えている。

また、圧力室ブロックＹには、第１圧力室Ｒ₁から凹部
１２の小径底部に至る第１圧力流体Ｆ₁用の通路１３お
よび第２圧力室Ｒ₂から凹部１２の中径中間部に至る第
２圧力流体Ｆ₂用の通路１４が形成されている。

従って、この圧力室ブロックＹの凹部１２内に差圧検出
器Ｘを装着すれば、第１圧力室Ｒ₁からの第１圧力流体
Ｆ₁が圧力室ブロックＹ内の通路１３、支持部材５内の
圧力流体通路１１、両固定電極２，２における流通孔１
０，１０を介して、各感圧センサＳ，Ｓにおける可動電
極１と固定電極２との間の間隙内に導入される一方、第
２圧力室Ｒ₂からの第２圧力流体Ｆ₂が圧力室ブロックＹ
内の通路１４、凹部１２の中径中間部における余裕空間
を介して、各感圧センサＳ，Ｓにおける可動電極１の外
面側に導入され、これによって、所定の差圧測定が行わ
れる。

そして、上述の差圧検出器Ｘにおいては、可動電極１
を、その固定用外周部分Ｂにおいて絶縁性スペーサ３を
介して固定電極２に対して極めて容易に取り付けること
ができる。そして、中央可動部分Ｃの膜張力を非常に小
さくかつ均一に設定することができるので、第２（ロ）
に模式的に示すように、中央可動部分Ｃの両側間の差圧
（Ｐ₁−Ｐ₂）が極めて小さい場合であっても、支持用ば
ね部分Ｄで比較的大きな撓みおよび伸びが発生して、中
央可動部分Ｃが大きく変位する。従って、差圧検出器Ｘ
を非常にコンパクトに構成し、かつ、高感度なものとす
ることができる。

なお、支持用ばね部分Ｄを、第４図（イ）、（ロ）に示
すように、撓み剛性が小さくかつその長手方向に極めて
伸縮しやすい平面コイルばね状に形成したもよく、この
ように構成した場合、差圧検出器Ｘをより一層コンパク
トかつ高感度なものとすることができる。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば、従来の一つの可
動電極と一つの固定電極よりなる差圧検出器に比べて、
出力がほぼ２倍の差圧検出器を得ることができる。そし
て、特に、２個の感圧センサにおける可動電極が、全体
として一枚の金属薄膜から構成された固定用外周部分に
対して中央可動部分が３個以上の支持用ばね部分を介し
て軸方向に変移可能に連結された可撓性のダイヤフラム
からなるので、差圧が極めて小さい場合であっても、支
持用ばね部分で比較的大きな撓みおよび伸びが発生し、
中央可動部分が大きく変位することになり、高感度に検
出できる。

また、外乱振動を受けた場合は、感圧センサの可動電極
が振動による外力を受けて同時に同じ方向に同じ量変位
するが、両感圧センサは、固定電極同士が互いに対向す
る状態に設けられているので、一方の感圧センサにおけ
る可動電極と固定電極との間の間隙が拡大してその静電
容量が減少したとき、他方の感圧センサにおける可動電
極と固定電極との間の間隙は縮小してその静電容量が増
大することになるため、両感圧センサの出力を合成する
ことにより、全体として、振動に起因する容量変化が生
じないことになり、振動ノイズが低減する。

従って、本考案によれば、高感度でしかも振動ノイズの
影響を受けにくい差圧検出器を得ることができる。

さらに、本考案によれば、上述のように優れた特性を有
する差圧検出器を、非常にシンプルかつコンパクトに構
成できると共に、極めて容易かつ安価に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本考案の一実施例を示し、第１図
（イ）は差圧検出器の斜視図、同図（ロ）はその縦断側
面図、同図（ハ）は差圧検出器の使用状態を説明するた
めの縦断側面図であり、第２図（イ）は前記差圧検出器
における可動電極の一例を示す平面図、同図（ロ）はそ
の作用を説明するための第２図（イ）のII−II線断面図
であり、第３図（イ）〜（ニ）は前記差圧検出器の動作
を説明するための模式図である。 第４図（イ），（ロ）はそれぞれ可動電極における支持
用ばね部分の他の構成例を示す部分平面図である。 第５図は一般的な差圧検出器を用いた赤外線ガス分析計
の構成を概略的に示す図であり、第６図は従来の差圧検
出器の縦断側面図である。 １…可動電極、２…固定電極、Ａ…金属薄膜、Ｂ…固定
用外周部分、Ｃ…中央可動部分、Ｄ…支持用ばね部分、
Ｆ₁…第１圧力流体、Ｆ₂…第２圧力流体、Ｐ₁−Ｐ₂…差
圧、Ｓ…コンデンサマイクロフォン型感圧センサ、Ｘ…
コンデンサマイクロフォン型差圧検出器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】第１圧力流体と第２圧力流体との差圧を検
   出するのに用いられるコンデンサマイクロフォン型差圧
   検出器において、全体として一枚の金属薄膜から構成さ
   れ固定用外周部分に対して中央可動部分が３個以上の支
   持用ばね部分を介して軸方向に変移可能に連結された可
   撓性のダイヤフラムからなる可動電極が固定電極に対し
   て適宜の間隔を隔てて電気的絶縁状態で張設されてな
   り、機械的特性および電気的特性が実質的に等しい２つ
   のコンデンサマイクロフォン型感圧センサを、互いに適
   宜の間隔を隔て、かつ、それらの固定電極同士または可
   動電極同士が対向する状態に設けると共に、前記２つの
   圧力流体の一方を前記各コンデンサマイクロフォン型感
   圧センサにおける可動電極と固定電極との間の間隙内に
   導入するように構成すると共に、前記両圧力流体の他方
   を前記各コンデンサマイクロフォン型感圧センサにおけ
   る可動電極の外面側に導入するように構成したことを特
   徴とするコンデンサマイクロフォン型差圧検出器。