JPH09304209A - 静電容量式圧力センサ及びこのセンサを用いたガス異常監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気密性に優れ、高精度の圧力センサを実現す
る。 【解決手段】 前記センサ素子を内包し、圧力導入孔８
ａを有したケース８を設けている。また、センサ素子の
固定基板５とケース８との間にシール材９を介在させて
いる。これによって、温度特性が良く高精度の圧力セン
サを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電容量式圧力セン
サ及びこのセンサを用いたガスの圧力調整器やガスメー
タ等のガス異常監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市ガスあるいはＬＰガス設備の
安全性を向上するために、例えばガスメータについて
は、ガスメータから下流側で乗じたいが発生した場合、
ガスの供給を自動的に遮断するガス異常監視装置をガス
メータの中に組み込むことが検討されている。また、圧
力調整器については、圧力調整手段の調整圧異常やＬＰ
ガスボンベからガスメータまでのガス漏洩検出等の安全
管理のチェックを自動的に行えるガス異常監視装置の組
み込みが検討されている。ＬＰガスの圧力調整器の圧力
調整機能が正常に動作している場合、ガス器具使用状態
ではガスの供給圧力は２３０〜３３０mmH2Oの間に保た
れている。従って、ガス供給圧が正常であるか否かを圧
力センサでこの供給圧力を監視することにより自動的に
判定できる。

【０００３】またガス設備内でガス漏れ等の異常の有無
については、例えば遮断弁等によりガス配管を閉じ、も
しもガス漏れがあればガス圧が徐々に低下（数mmH2O〜
数１０mmH2O）し、ガス漏れがなければこのような低下
現象がない。

【０００４】よって、このガス圧低下の有無を圧力セン
サにより監視することによってガス設備のガス漏れ等の
異常の有無を自動的に検知できる。これらの圧力を高精
度かつ短時間に検知するための従来の圧力センサは、特
開昭５８−７３１号公報に示すものが一般的であった。
以下その構成について、図１０を参照しながら説明す
る。

【０００５】図１０に示すように、従来の静電容量式圧
力センサは、表面に第一の電極１が形成されたダイアフ
ラム２と、表面に第二の電極３が形成され、通気孔４を
設けた固定基板５とを備え、前記第一の電極１と前記第
二の電極３とが対抗配置し前記電極の外周部で接着層６
によって一定間隔に保持し接着してセンサ素子を構成
し、センサ素子とケースとは、センサ素子のダイアフラ
ム２上に設けられたシール材９によって気密性を保持し
てケーシングしていた。

【０００６】さらに、この静電容量を電気信号に変換す
る変換手段１０を接続部７を介してセンサ素子に備える
ことによって、容量を電圧値や周波数値等に変換して静
電容量型圧力センサを他の機器、例えばガスメータ等に
設置し幅広く使用していた。また、これらの装置は通常
電池で１０年以上動作することが望まれ、圧力センサは
１０年間電池駆動できるように消費電力が小さいことが
望まれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来、圧
力調整器及びガスメータ等のガス異常監視装置に用いる
ことが可能なほどに、ガス圧力を高精度に検出できるこ
と、そして精度が長期間にわたって変化しないことを満
足できる、高性能・高信頼性の圧力センサｇなかった。
つまり、静電容量式圧力センサは、ガスの微圧（数百mm
H2O程度）を高感度で検知するために、ダイアフラム２
の厚みを数百μm程度まで薄くする必要がある。図１２
で示す従来の静電容量式圧力センサにおいて、高感度
化、高精度化のために第一の電極１と第二の電極３の電
極間距離を約１〜３０μmと、非常に小さくすると、わ
ずかな電極間隔の変動が容量の変動、ばらつきを引き起
こしてしまう。同様にダイアフラム２の厚みを薄くする
と上記の傾向が大きく現れる。さらに、ケース８をダイ
アフラム２上に固定する際、シール材９からのわずかな
応力が出力に反応し、個々のセンサ特性のばらつきを引
き起こしていた。また、温度が変化することによって、
シール材９が膨張収縮し、ダイアフラム２がごくわずか
であるが変動し、第一の電極１と第二の電極３の電極間
隔が変動する。このため、出力である容量値が変動して
しまう。この結果、出力が温度に依存してしまうという
課題があった。

【０００８】さらに、圧力センサの精度が低いと、ガス
設備内のガス漏れ等の異常を検知するとき、圧力測定の
時間及び正常・異常の判定時間が長くなると、圧力セン
サが測定・動作している時間に応じて消費電力が大きく
なり電池の消耗が早いという課題があった。

【０００９】さらに、圧力センサの特性ばらつきが多い
と、圧力センサの調整を行う必要が生じ、その結果量産
性が悪くなり、製造コストが高くなるという課題があっ
た。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の静電容量式圧力センサは、表面に第一の電
極が形成されたダイアフラム、表面に第二の電極が形成
された固定基板及び前記第一の電極と前記第二の電極と
を対向配置し前記ダイアフラムと前記固定基板とを一定
間隔に保持し接着する接着層とからなるセンサ素子と、
圧力導入孔を有し前記センサ素子を内包するケースとを
備え前記センサ素子の固定基板と前記ケースとの間にシ
ール材を介在させて前記ケースに前記センサ素子を固定
し、シール材とダイアフラムとが接しない構成にしてい
る。

【００１１】これによって温度特性が低減し、特性ばら
つきが小さくなり、したがって精度向上と量産性が向上
する。

【００１２】また、ガス異常監視装置において、ガス設
備内のガス圧を検出する圧力検出手段の精度を向上し
て、ガス設備内のガス漏れ等の異常を判定する時間を短
縮して、電池の消耗を抑制することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、表面に第一の電極が形
成されたダイアフラム、表面に第二の電極が形成された
固定基板及び前記第一の電極と前記第二の電極とを対向
配置し前記ダイアフラムと前記固定基板とを一定間隔に
保持し接着する接着層とからなるセンサ素子と、圧力導
入孔を有し前記センサ素子を内包するケースとを備え前
記ケースに前記センサ素子を固定するために、前記セン
サ素子の固定基板と前記ケースとの間に介在させたシー
ル材を有するものである。

【００１４】そして、センサ素子とケースとを固定する
ために用いるシール材をダイアフラムに接しないように
固定基板の側面に設けることで、シール材の温度特性の
影響を受けないため、圧力センサの温度特性が低減でき
る。さらに応力もかからないため、特性ばらつきを抑え
ることができるので量産性が向上する。

【００１５】また、シール材を第二の電極が形成された
固定基板の反対側に設けたものである。

【００１６】また、固定基板の外周端の上部に上部切欠
部を設け、この上部切欠部にシール材を介在させたもの
である。

【００１７】また、固定基板の外周端の下部に下部切欠
部を設け、この下部切欠部にシール材を介在させたもの
である。

【００１８】また、固定基板の外周端の上部及び下部に
上部切欠部及び下部切欠部をそれぞれ設け、これら上部
切欠部及び下部切欠部にシール材を介在させたものであ
る。

【００１９】また、シール材の断面形状が略三角形にな
るようにケースの内面及び固定基板の外周端面をテーパ
形状にしたものである。

【００２０】また、固定基板の外周端面に凹部を設け、
この凹部にシール材を介在させたものである。

【００２１】さらに上記の静電容量式圧力センサを用い
たガス設備内のガス圧を検出する圧力検出手段と、ガス
設備内のガス流量を検出する流量検出手段と、前記圧力
検出手段と前記流量検出手段からの電気信号でガス設備
内の異常を判定する判定手段と、判定手段からの信号に
より動作する動作手段とを備えたガス異常監視装置であ
る。

【００２２】そして、ガス設備内のガス圧を検出する圧
力検出手段の検知精度を向上させることによって、ガス
漏れ等の異常を判定する時間を短縮することができるた
め、電池の消耗を抑制することができる。

【００２３】（実施例１）以下、本発明の実施例１を図
１を参照しながら説明する。

【００２４】図１は本発明による静電容量式圧力センサ
の断面図である。なお、従来例と同じ構成要素には同じ
番号を付し、説明は省略する。

【００２５】図１に示すように、表面に第一の電極１が
形成されたダイアフラム２、表面に第二の電極３が形成
された通気孔４を設けた固定基板４及び前記第一の電極
１と前記第二の電極３とを対向配置し前記ダイアフラム
１と前記固定基板４とを一定間隔に保持し接着する接着
層６とからなるセンサ素子と、圧力導入孔を有し前記セ
ンサ素子を内包するケース８とを備え前記センサ素子の
固定基板４と前記ケース８との間にシール材９を介在さ
せて前記ケースに前記センサ素子を固定し、シール材９
がダイアフラム２に接しないように構成している。ま
た、第二の電極３と容量を電気信号に変換する変換手段
１０は接続部７によって接続されている。

【００２６】本発明の静電容量式圧力センサを３０度の
環境下で０〜５００mmH2Oの圧力を測定すると、０．５
％フルスケール（２．５mmH2O）の精度で測定できた。

【００２７】さらに、−３０度及び６０度の環境下で同
様に０〜５００mmH2Oの圧力を測定したが、３０度で測
定した場合と同様に０．５フルスケールの精度で測定で
きた。さらに−３０度と６０度での０mmH2Oの出力変化
は約０．１％しかなかった。

【００２８】（実施例２）図２に実施例１で述べた静電
容量式圧力センサのシール材９を第二の電極３が形成さ
れた固定基板４の反対側に設けた本発明の静電容量式圧
力センサを示す。他の構造は実施例１と同じである。上
記の静電容量式圧力センサを実施例１と同様に３０度の
環境下で０〜５００mmH2Oの圧力を測定すると、０．５
％フルスケール（２．５mmH2O）の精度で測定できた。

【００２９】さらに、−３０度及び６０度の環境下で同
様に０〜５００mmH2Oの圧力を測定したが、３０度で測
定した場合と同様に０．５フルスケールの精度で測定で
きた。さらに−３０度と６０度での０mmH2Oの出力変化
は約０．１％しかなかった。

【００３０】（実施例３）図３に実施例１の固定基板５
のの外周端の上部に上部切欠部を設け、この上部切欠部
にシール材９を介在させた静電容量式圧力センサを示
す。このとき、固定基板４は金型成形によって製造し
た。上記構成の場合、シール材９を多量に塗布した場合
においても、ケース８のセット時にはシール材９は上部
欠部に流れ込むため、シール材９がダイアフラム２に接
することがない。上記の静電容量式圧力センサを実施例
１と同様に３０度の環境下で０〜５００mmH2Oの圧力を
測定すると、０．５％フルスケール（２．５mmH2O）の
精度で測定でき、また、−３０度及び６０度の環境下で
同様に０〜５００mmH2Oの圧力を測定したが、３０度で
測定した場合と同様に０．５フルスケールの精度で測定
できた。さらに−３０度と６０度での０mmH2Oの出力変
化は約０．１％しかなく実施例１と同様の効果が得られ
た。

【００３１】（実施例４）図４に、固定基板４の外周端
の下部に下部切欠部を設け、この下部切欠部にシール材
９を介在させた静電容量式圧力センサを示す。実施例３
と同様に固定基板４は金型成形にて製造した。実施例１
と同様に評価をした結果、実施例１〜３と同様の結果が
得られた。

【００３２】（実施例５）図５に、固定基板４の外周端
の上部及び下部に上部切欠部及び下部切欠部をそれぞれ
設け、これら上部切欠部及び下部切欠部にシール材９を
介在させた静電容量式圧力センサを示す。

【００３３】実施例１と同様の評価をした結果、実施例
１〜４と同様の結果が得られた。 （実施例６）図６に、シール材９の断面形状が略三角形
になるようにケース８の内面及び固定基板４の外周端面
をテーパ形状にした静電容量式圧力センサを示す。図６
に示すように、固定基板４及びケース８にテーパを設け
ることによって、センサ素子をケース８に設置する際の
位置きめが容易になる。つまり、従来はケース８の内部
に凸部を設け、固定基板５の表面と接する構成で位置き
めを行っていたため、ダイアフラム２とも接しやすく、
ケースの成形にはかなりの精度が必要であった。しか
し、本実施例の構成では、固定基板５の側面で位置きめ
が可能となるので、ケース８の構造もテーパをつけるだ
けの簡単なものになる。さらに、ケース８とダイアフラ
ム２が接することがなくなるとともにケース８との接触
面積も増加するのでシール性が向上し、実施例１と同様
の評価をした結果、実施例１〜５と同様の結果が得られ
た。

【００３４】（実施例７）図７に、固定基板４外周端面
に凹部を設け、この凹部にシール材を介在させた静電容
量式圧力センサを示す。実施例１と同様の評価をした結
果、実施例１〜６と同様の結果が得られた。

【００３５】（実施例８）図８は本発明のガス異常監視
装置として圧力調整器に適用した場合のブロック図であ
る。図８において、３１はガス供給源、３２は圧力調整
器、３３はガスメータである。圧力調整器３２は、圧力
調整手段４０、圧力検出手段４１（例えば圧力センサ）
と流量検出手段４２（例えば流量計）と判定手段４３
（例えばマイコン）と出力手段４４（例えば遮断弁）と
で構成されている。

【００３６】また図９は圧力調整器のガス漏洩検知の動
作を示すフローチャートである。本装置がスタートして
いる状態では、出力手段４４（例えば遮断弁）を動作し
て（ステップ１）、ガス供給源３１から供給され圧力調
整手段４０で調圧されたガス圧は圧力検出手段４１で測
定され（ステップ２）、流量検出手段４２で流量を測定
してガス流量が０であることを確認する（ステップ
３）。

【００３７】微量のガスが漏洩しているのであれば、ガ
ス流量が０のとき配管内のガス圧は時間と共にわずかづ
つ低下するので、ガス圧の変化を圧力検出手段４１でモ
ニターし、マイコン等の判定手段４３で判定し、圧力低
下が所定の値より大きければ、ガス漏れと判断する（ス
テップ４）。ガス漏れと判断すると、出力手段４４（例
えば遮断弁）を動作させてガス供給をストップする（ス
テップ５）。またガス設備を点検して異常を取り除くか
あるいは異常がないことが確認されれば、再び出力動作
（ステップ１）に戻り、継続して測定・判定を行うこと
により、圧力調整器３２の長期間のガス漏れをモニター
する。

【００３８】圧力検出手段４１として、実施例１から８
で述べた本発明の静電容量式圧力センサを用いた場合、
遮断弁４４、流量検出手段４２、及び圧力検出手段４１
を動作させて、圧力調整器３２のガス圧が３１５mmH2O
（別の基準の圧力センサで測定）であったものを、配管
内の微少な圧力変動（３０５mmH2Oが２９５mmH2Oに低
下）を測定した結果、ガス配管内の微少なガス漏れを約
２０秒で判定することができた。また、この測定を−３
０度及び６０でも行ったが両温度においてものガス漏れ
を約２０秒で判定することができた。短時間でガスの圧
力変動を検知・判別することができたので、圧力センサ
及びガス異常監視装置としての消費電力を低減すること
ができ、電池を１０年間交換する必要がなかった。ま
た、圧力センサの特性ばらつきが小さいので、製造コス
トも従来の約半分になった。

【００３９】（比較例）表面に第一の電極１が形成され
たダイアフラム２（例えばアルミナ、厚み１５０μm）
と第二の電極３が形成された通気孔４を設けた固定基板
５（例えばアルミナ）の固定基板５を備え、第一の電極
１と第二の電極３とが対抗配置し前記電極の外周部で前
記ダイアフラム２と固定基板５とを一定間隔に保持して
接着する接着層６（例えばガラスフリット）とでセンサ
素子を構成しており、センサ素子は接続部７によって変
換手段１２と接続される。センサ素子は圧力導入孔を有
し前記センサ素子を内包するケースにケーシングされる
が、ケーシングはダイアフラム２とケースとの間に介在
させたシール材９によって固定される構成である。

【００４０】実施例１で用いた充放電時間検出型の検知
回路に接続し、非直線性補正及び利得、オフセット調整
を施して所定の電圧出力に変換した。０〜５００mmH2O
の圧力を測定したが、−３０度では４．３％フルスケー
ル、６０度では３．９％フルスケールの精度でしか測定
できなかった。また、−３０度と６０度での０mmH2Oの
出力変化は約２．３％もあった。

【００４１】実施例２と同じガスメータの圧力検出手段
４１として、この静電容量式圧力センサを組み込んだ場
合、ガスメータ３３のガス圧が２５０mmH2O（別の基準
の圧力センサで測定）であったものを、遮断弁３４、流
量検出手段３２及び圧力検出手段４１を動作させて、配
管内の微少な圧力変動（２５０mmH2Oが２３０mmH2Oに低
下）を約２０秒で検知させると、微少なガス漏れありと
判定することができなかった。そこで配管内の微少な圧
力変動を５０mmH2O（２５０mmH2Oが２００mmH2Oに低
下）に設定すると、ガス配管内の微少なガス漏れがある
と正確に判定することができたが判定までに約９０秒か
かり、また、電池の寿命は約７．５年であった。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の静電容量式圧力センサ及びこのセンサを用いたガス異
常監視装置によれば次の効果が得られる。

【００４３】本発明の静電容量式圧力センサにおいて、
センサ素子と、圧力導入孔を有し前記センサ素子を内包
するケースとを、前記センサ素子の固定基板と前記ケー
スとの間に介在させたシール材によっ固定することによ
って、固定する際のごくわずかな負荷の影響を受けるこ
とがないので、センサ特性のばらつきがなくなり、製造
コストを抑えることができる。さらにダイアフラムにシ
ール材の温度特性によって膨張、収縮の影響を受けない
ので、センサ出力が温度に依存することがなくなり圧力
センサの精度が向上する。

【００４４】また、シール材を第二の電極が形成された
固定基板の反対側に設けることによっても同様の効果が
得られる。

【００４５】また、固定基板の外周端の上部に上部切欠
部、あるいは下部に下部切欠部、あるいは両者を設け、
この切欠部にシール材を介在させることによって、固定
基板とシール材との接触面積が増加するのでシール性も
増加する。また、センサ特性のばらつきを抑えることが
でき、温度特性も低減できる。

【００４６】さらに、シール材の断面形状が略三角形に
なるようにケースの内面及び固定基板の外周端面をテー
パ形状にした構成にした場合では、センサ素子をケース
に設置する際の位置きめが容易になる。さらに、ケース
とダイアフラムが接することがなくなり特性ばらつきや
温度特性を低減するとともにケースとの接触面積も増加
するのでシール性が向上する。

【００４７】また、上記の静電容量式圧力センサを用い
たガス異常監視装置において、ガス設備内のガス漏れ等
の異常の判定時間を短縮することができる。

【００４８】また、ガス異常監視装置を駆動する電池の
消耗を抑制することができる。さらに、ガス異常監視装
置の製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の静電容量式圧力センサの断
面図

【図２】本発明の実施例２の静電容量式圧力センサの断
面図

【図３】本発明の実施例３の静電容量式圧力センサの断
面図

【図４】本発明の実施例４の静電容量式圧力センサの断
面図

【図５】本発明の実施例５の静電容量式圧力センサの断
面図

【図６】本発明の実施例６の静電容量式圧力センサの断
面図

【図７】本発明の実施例７の静電容量式圧力センサの断
面図

【図８】本発明の実施例８のガス異常監視装置としての
圧力調整器を示すブロック図

【図９】同圧力調整器のフローチャート

【図１０】従来の静電容量式圧力センサの断面図

【符号の説明】

１ 第一の電極 ２ ダイアフラム ３ 第二の電極 ４ 固定基板 ５ 通気孔 ６ 接着層 ７ 変換手段 ８ ケース ９ シール材

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に第一の電極が形成されたダイアフラ
   ム、表面に第二の電極が形成された固定基板及び前記第
   一の電極と前記第二の電極とを対向配置し前記ダイアフ
   ラムと前記固定基板とを一定間隔に保持し接着する接着
   層とからなるセンサ素子と、圧力導入孔を有し前記セン
   サ素子を内包するケースとを備え前記センサ素子の固定
   基板と前記ケースとの間にシール材を介在させて前記ケ
   ースに前記センサ素子を固定した静電容量式圧力セン
   サ。
2. 【請求項２】シール材を第二の電極が形成された固定基
   板の反対側に設けた請求項１記載の静電容量式圧力セン
   サ。
3. 【請求項３】固定基板の外周端の上部に上部切欠部を設
   け、この上部切欠部にシール材を介在させた請求項１記
   載の静電容量式圧力センサ。
4. 【請求項４】固定基板の外周端の下部に下部切欠部を設
   け、この下部切欠部にシール材を介在させた請求項１記
   載の静電容量式圧力センサ。
5. 【請求項５】固定基板の外周端の上部及び下部に上部切
   欠部及び下部切欠部をそれぞれ設け、これら上部切欠部
   及び下部切欠部にシール材を介在させた請求項１記載の
   静電容量式圧力センサ。
6. 【請求項６】シール材の断面形状が略三角形になるよう
   にケースの内面及び固定基板の外周端面をテーパ形状に
   した請求項１記載の静電容量式圧力センサ。
7. 【請求項７】固定基板の外周端面に凹部を設け、この凹
   部にシール材を介在させた請求項１記載の静電容量式圧
   力センサ。
8. 【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電
   容量式圧力センサを用いたガス設備内のガス圧を検出す
   る圧力検出手段と、ガス設備内のガス流量を検出する流
   量検出手段と、前記圧力検出手段と前記流量検出手段か
   らの電気信号でガス設備内の異常を判定する判定手段
   と、この判定手段からの信号により動作する動作手段と
   を備えたガス異常監視装置。