JPH109985A - 静電容量式圧力センサとその製造方法およびその静電容量式圧力センサを用いたガス異常監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス設備内の微小なガスの漏洩の有無を判断
したり、圧力調整器の圧力調整機能が正常であるかどう
かを正確に判断したりするための圧力センサを提供する
こと。 【解決手段】 固定基板１０上のセンシング電極１１と
参照電極で極１２とを隔離電極１３で完全に隔離し、セ
ンシング電極１１と参照電極１２と隔離電極１３とで構
成される第一の電極ならびに第一の電極に直交する導通
用微小孔を備えた固定基板を、第二の電極を形成したダ
イアフラムと対向配置している。これによって、温度特
性の優れた静電容量式圧力センサにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体の圧力変化を検
知するための圧力センサ、特に微圧なガス圧の圧力変化
を検知する手段としての小型・高性能・高信頼性の静電
容量式圧力センサとその製造方法およびこの圧力センサ
を用いたガス異常監視装置に関するものである。

【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異常事態が発生した場合、
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を安全管
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
込みについて検討されている。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
に保たれており、ガス供給圧が正常であるかを圧力セン
サで監視している。またガス設備内でガス漏れ等の異常
がある場合、例えば遮断弁を動作させてガス配管を閉じ
るとガス圧がガス漏れによって徐々に低下（数mmＨ₂Ｏ
〜数１０mmＨ₂Ｏ程度低下）するので、このガス圧低下
を監視することによってガス設備にガス漏れ等の異常が
起こっているかどうかを検知できる。

【０００３】従来この種の圧力センサとして、特表昭６
３−５０１３８０号公報に記載されている図６のような
静電容量式圧力センサがあった。この静電容量式圧力セ
ンサは、圧力によって円板状ダイアフラム１が変形し、
基板２と円板状ダイアフラム１との間における電極間距
離が変化することによって共通電極３およびセンシング
電極４で形成される静電容量が大きく変化することを利
用したものである。そしてセンシング電極４と参照電極
５との間に隔離電極６を設けることで、センシング電極
４と参照電極５との間あるいは参照電極５と接着層７と
の間に寄生容量が生じることを防止していると考えられ
る。基板２に形成したセンシング電極４、参照電極５お
よび各隔離電極６の外部への電極取り出しは、接着層７
の位置まで引き出されたあとスルーホール８によって行
われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の静
電容量式圧力センサは、センシング電極４および参照電
極５を接着層７とが完全には隔離されていないで電極の
一部が接着層７に局部的に近接しているので、センシン
グ電極４と接着層７との間および参照電極５と接着層７
との間での寄生容量が生じていた。この寄生容量は固定
基板材料や接着層材料が誘電体として作用したものと考
えられ、これらの誘電率の温度係数は空気の誘電率の温
度係数より大きいのが普通である。この寄生容量が電極
間によってそれぞれ異なるのでセンシング電極４による
容量の温度特性と参照電極５による容量の温度特性が異
なっていた。したがって廣い温度範囲でセンサの特性を
測定すると、センサ特性の温度変動が大きく温度特性が
悪いという課題を有していた。

【０００５】そしてガス異常監視装置に圧力センサを組
み込む場合、温度による圧力センサの特性変動が大きい
と、温度補償が難しくなり回路が複雑になる。微小な温
度でセンサ特性が変化すると、圧力変化を正確にセンシ
ングできなくなる。したがって温度変化を検知するため
の回路を付加する必要があるので、回路が複雑になった
り圧力センサが動作中に消費する電力が大きくなってガ
ス異常監視装置の電池の消耗が早いという課題があっ
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上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、第一の電極と、
前記第一の電極に直交して設けた導通用微小孔とを備え
た固定基板と、第二の電極を形成したダイアフラムと、
前記第一の電極と前記第二の電極とが対向配置し前記固
定基板と前記ダイアフラムとを微小な間隙をもって接合
した接着層とを有するものである。そして第一の電極が
センシング電極と参照電極と隔離電極とから構成され、
センシング電極と参照電極との間および接着層と参照電
極との間を隔離電極で隔離した静電容量式圧力センサで
ある。

【０００７】上記発明によれば、第一の電極と第二の電
極とで形成される本来の静電容量以外の容量すなわちセ
ンシング電極と参照電極との間および第二の電極である
共通電極と参照電極との間に生じる寄生容量を小さくす
ることができるので、センサ特性の温度変化を小さくす
ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は、第一の電極と前記第一
の電極に直交して設けた導通用微小孔を備えた固定基板
と、第二の電極を形成したダイアフラムと、前記第一の
電極と前記第二の電極とが対向配置し前記固定基板と前
記ダイアフラムとを微小な間隙をもって接合した接着層
を有する静電容量式圧力センサとしたものであり第一の
電極をセンシング電極と参照電極と隔離電極とで構成
し、第二の電極を共通電極とし、センシング電極と参照
電極との間および接着層と参照電極との間を隔離電極を
隔離して寄生容量が小さく、センサ特性の良い静電容量
式圧力センサを実施できる。

【０００９】また、隔離電極を回路のアースに接続した
り隔離電極を共通電極に接続したりして実施することが
できる。

【００１０】また、第一の電極と前記第一の電極に直交
して設けた導通用微小孔と前記第一の電極を形成した反
対面に設けたリード電極と前記導通用微小孔の内面に形
成し前記第一の電極と前記リード電極とをつなぐリード
部とを有する固定基板と、第二の電極を形成したダイア
フラムと、前記第一の電極と前記第二の電極とが対向配
置し前記固定基板と前記ダイアフラムとを微小な間隙を
もって接合した接着層とを有する構成にすることができ
る。

【００１１】さらに、静電容量式圧力センサの製造方法
として、導電性インクを用いて固定基板に第一の電極ま
たはリード電極を弱い吸引力でスクリーン印刷したあ
と、強い吸引力で再び吸引して導通用微小孔の内面に形
成して両者をつなぐリード部を形成して接続を確実なも
のにすることができる。

【００１２】また、上記の静電容量式圧力センサと、静
電容量式圧力センサからの電気信号で前記の静電容量式
圧力センサの異常を判定する判定手段と、静電容量式圧
力センサによってガス圧が検出されるガス設備と、ガス
設備のガス流量を検出する流量検出手段と、静電容量式
圧力センサ流量検出手段からの電気信号でガス設備の異
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ることにより、ガスの微小な圧
力変化を広い温度範囲で高精度に検知するとともに、シ
ンプルなセンサ構造と小型でガス異常監視装置の高精度
化と小型化を実現することができる。

【００１３】以下、本発明の実施例を図１、図２、図３
を参照しながら説明する。 （実施例１）図１において、１０は電気絶縁性材料の固
定基板であり、この固定基板１０にはセンシング電極１
１と参照電極１２と隔離電極１３とから構成された第一
の電極が形成され、これらの電極は、電極に直交して設
けた導通用微小孔１４に形成したリード部１５によって
反対の面のリード電極１６に電気的な接続が可能になっ
ている。また１７は電気絶縁性材料のダイアフラムであ
り、このダイアフラム１７に第二の電極１８が形成され
ている。固定基板１０とダイアフラム１７とが微小な間
隔を保つように接着層１９を介して接着している。また
第一の電極を図１のようにセンシング電極１１と参照電
極１２と隔離電極１３とから構成することで、センシン
グ電極１１と参照電極１２とが隔離電極１３によって完
全に隔離されて寄生容量がカットされることで、第二の
電極１８とセンシング電極１１間の静電容量および第二
の電極１８と参照電極１２間の静電容量の比は温度が変
化しても変化しない。すなわち温度によってセンサの特
性が変化しないことを意味する。

【００１４】次に製造法について具体的に説明する。直
径１５mm、板厚１．６mm円板状であり所定の位置に０．
５mmの導通用微小孔１４をあけたアルミナからなる固定
基板１０に、導電性インクを用いて第一の電極またはリ
ード電極１６を弱い吸引力でスクリーン印刷して導通用
微小孔１４に導通性インクをたくわえたあと、強い吸引
力で再び吸引して導通用微小孔１４の表面に両者をつな
ぐリード部１５を形成することで、第一の電極とリード
電極１６とを確実に接続することができた。また導電性
インクを用いて固定基板１０にリード電極１６を弱い吸
引力でスクリーン印刷したあと、第一の電極を強い吸引
力でスクリーン印刷して導通用微小孔１４の内面に形成
して第一の電極とリード電極１６とをつなぐリード部１
５を形成しても第一の電極とリード電極１６とを確実に
接続することができた。直径１２mm、板厚０．６３５mm
の円板状のアルミナ基板を研磨して０．２mmの板厚に
し、第二の電極１８を表面に形成してダイアフラム１７
とした。表面に第一の電極が形成されたアルミナからな
る固定基板１０と、前述のダイアフラム１７とを、第一
の電極と第二の電極１８との少なくとも一方の周縁部に
形成したガラスからなる接着層１９で熱圧着して、固定
基板１０とダイアフラム１７とを接合し隔離電極１３を
回路のアースに接続してセンサ素子とした。圧力変化と
静電容量との関係をリニアに補正する回路に接続し、本
発明の静電容量式圧力センサに５００mmＨ₂Ｏのガス圧
を引火したとき、３Ｖの出力電圧が得られるように調整
した。基準となる別の圧力計で、本発明の圧力センサを
計測すると、−４０℃〜８０℃の温度でセンサ精度は
０．５％ＦＳであり広い温度範囲で極めて精度が高かっ
た。

【００１５】（実施例２）センサの構成は実施例１とほ
とんど同じであるが、隔離電極１３を第二の電極１８に
接続する構成にした。その結果実施例１と同様に、セン
シング電極１１と参照電極１２とが隔離電極１３によっ
て完全に隔離されて寄生容量がカットされることで、第
二の電極１８とセンシング電極１１間の静電容量と第二
の電極１８と参照電極１２間の静電容量の比は温度が変
化しても変化しないので、−４０℃〜８０℃の温度でセ
ンサ精度は０．５％ＦＳであり広い温度範囲で極めて精
度が高かった。

【００１６】（実施例３）次に、本発明の実施例３につ
いて図１、図２、図３、図４および図５を参照しながら
説明する。図４は本発明のガス異常監視装置の一実施例
のブロック図である。図４において、２０は圧力調整
器、２１はガス異常監視装置、２３はガス設備である。
ガス異常監視装置２１は、静電容量式圧力センサ２３と
流量検出手段２４（例えば流量計）と判定手段２５（例
えばマイコン）と動作手段２６（例えば遮断弁）とで構
成されている。

【００１７】また図５はガス異常監視装置２１の動作を
示すフローチャートである。ガスの漏洩検出は、動作手
段２６（例えば遮断弁）を動作して、ガス設備２２を使
用していない時の流量および圧力変動の有無をステップ
１、２で流量検出手段２４および圧力センサ２３により
検出し、ステップ３で判定手段２５により判断すること
によって行う。すなわち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
にわずかずつ低下する。このガス圧のわずかな変化の状
態を圧力センサ２３でモニターし、マイコン等の判定手
段２５で判定し、圧力低下が所定の値より大きければ、
ガス漏洩ありと判断して、ステップ４で動作手段２６
（遮断弁）を動作させる。また判定手段２５がガス漏洩
が無いと判定したときは再び動作手段２６と圧力センサ
２３と流量検出手段２４とを動作させてガス設備２２の
圧力と流量を測定して長期間のガス漏れをモニターす
る。

【００１８】実施例１および２で説明した静電容量式圧
力センサ２３をガス異常監視装置２１に組み込み、ガス
配管から僅かな漏れがあるように擬似的に作成したガス
配管システムを用いて、経過時間とガス圧との関係を調
べた。すなわちガス設備２２の実際のガス圧が２００mm
Ｈ₂Ｏ（別の基準の圧力センサで測定）であったもの
を、ガス設備２２のコックと動作手段２６としての遮断
弁を閉にしてガス流量を０にした状態でガス異常監視装
置２１とガス設備２２との間のガス配管の圧力変化を調
べた結果、ガス圧が２０秒で約６mmＨ₂Ｏ低下したこと
が測定でき、ガス配管からの僅かな漏れの有無を短時間
で検知することができた。

【００１９】（比較例）次に比較例として、センシング
電極と参照電極が隔離電極で完全に分離されていない静
電容量式圧力センサについて説明する。

【００２０】センサ素子は図６のように基板２にセンシ
ング電極４と電極電極５と隔離電極６が形成され、円板
状ダイアフラム１に第二の電極である共通電極３が形成
され、基板２と円板状ダイアフラム１とを接着層７を介
して接着したものである。実施例１と同じ直径１２mm、
板圧０．２mmの円板状のアルミナ基板を円板状ダイアフ
ラム１として用いた場合、センシング電極４と参照電極
５とが隔離電極６によって完全に隔離されておらず寄生
容量をカットすることが不十分であったので温度によっ
て特性が変動して精度が１．２％ＦＳであった。

【００２１】なお、本発明の静電容量式圧力センサとそ
の製造方法およびそ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、静電容量式圧力センサの各種
材料（ダイアフラム、固定基板、接着層等）、センサ形
状（径、電極パターン、厚み、ギャップ、ダイアフラ
ム、導通用微小孔等）、設置場所、回路構成、測定圧
力、ガス異常監視装置の構成等は本実施例に限定される
ものではない。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、第一の電
極と前記第一の電極に直交して設けた導通用微小孔を備
えた固定基板と、第二の電極を形成したダイアフラム
と、前記第一の電極と前記第二の電極とが対向配置し、
前記固定基板と前記ダイアフラムとを微小な間隙をもっ
て接合した接着層を有する静電容量式圧力センサとした
もので、第一の電極がセンシング電極と参照電極と隔離
電極とから構成され、第二の電極が共通電極から構成さ
れ、センシング電極と参照電極との間および接着層と参
照電極との間を隔離電極で隔離している。従って、第一
の電極と第二の電極とで形成される本来の静電容量以外
の容量すなわちセンシング電極と参照電極との間および
第二の電極である共通電極と参照電極との間に生じる寄
生容量を小さくすることができるので、センサ特性の温
度変化を小さくすることができるという有利な効果を有
する。

【００２３】また本発明の圧力センサがガスの微小な圧
力変化を高精度に検知するとともに、シンプルなセンサ
構造と小型であることで、ガス異常監視装置の高精度化
と小型化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１〜３における圧力センサの要
部断面図

【図２】同圧力センサのダイアフラムの模式図

【図３】同圧力センサの固定基板の模式図

【図４】本発明の実施例３におけるガス異常監視装置を
示すブロック図

【図５】同装置のフローチャート

【図６】（ａ）従来の静電容量式圧力センサの要部断面
図 （ｂ）同圧力センサのダイアフラムの模式図 （ｃ）同圧力センサの固定基板の模式図

【符号の説明】

１０ 固定基板 １１ センシング電極 １２ 参照電極 １３ 隔離電極 １４ 導通用微小孔 １７ ダイアフラム １８ 第二の電極 １９ 接着層

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一の電極と、前記第一の電極に直交して
   設けた導通用微小孔を備えた固定基板と、第二の電極を
   形成したダイアフラムと、前記第一の電極と前記第二の
   電極とを対向配置し、前記固定基板と前記ダイアフラム
   とを微小な間隙をもって接合した接着層を有する静電容
   量式圧力センサ。
2. 【請求項２】第一の電極がセンシング電極と参照電極と
   隔離電極とを有し、第二の電極が共通電極から構成され
   ている請求項１記載の静電容量式圧力センサ。
3. 【請求項３】センシング電極と参照電極との間および接
   着層と参照電極との間を隔離電極で隔離した請求項１ま
   たは２記載の静電容量式圧力センサ。
4. 【請求項４】隔離電極を回路のアースに接続した請求項
   １から３のいずれか１項記載の静電容量式圧力センサ。
5. 【請求項５】隔離電極を共通電極に接続した請求項１か
   ら３のいずれか１項記載の静電容量式圧力センサ。
6. 【請求項６】第一の電極と、前記第一の電極に直交して
   設けた導通用微小孔と前記第一の電極を形成した反対面
   に設けたリード電極と前記導通用微小孔の内面に形成し
   前記第一の電極と前記リード電極とをつなぐリード部と
   を有する固定基板と、第二の電極を形成したダイアフラ
   ムと、前記第一の電極と前記第二の電極とを対向配置し
   前記固定基板板と前記ダイアフラムとを微小な間隙をも
   って接合した接着層とを有する静電容量式圧力センサ。
7. 【請求項７】第一の電極がセンシング電極と参照電極と
   隔離電極とから構成され、第二の電極が共通電極から構
   成されている請求項６記載の静電容量式圧力センサ。
8. 【請求項８】センシング電極と参照電極との間および接
   着層と参照電極との間を隔離電極で隔離した請求項６ま
   たは７記載の静電容量式圧力センサ。
9. 【請求項９】隔離電極を回路のアースに接続した請求項
   ６から８のいずれか１項記載の静電容量式圧力センサ。
10. 【請求項１０】隔離電極を共通電極に接続した請求項６
    から８のいずれか１項記載の静電容量式圧力センサ。
11. 【請求項１１】導電性インクを用いて固定基板に第一の
    電極を弱い吸引力でスクリーン印刷したあと、強い吸引
    力で再び吸引して導通用微小孔の内面に形成し前記第一
    の電極と前記リード電極とをつなぐリード部を形成する
    請求項６または７記載の静電容量式圧力センサの製造方
    法。
12. 【請求項１２】導電性インクを用いて固定基板にリード
    電極を弱い吸引力でスクリーン印刷したあと、前記第一
    の電極を強い吸引力でスクリーン印刷して導通用微小孔
    の内面に形成し前記第一の電極と前記リード電極とをつ
    なぐリード部を形成する請求項６または７記載の静電容
    量式圧力センサの製造方法。
13. 【請求項１３】請求項１から１０のいずれか１項記載の
    静電容量式圧力センサと、前記静電容量式圧力センサか
    らの電気信号で前記静電容量式圧力センサの異常を判定
    する判定手段と、前記静電容量式圧力センサによってガ
    ス圧が検出されるガス設備と、前記ガス設備のガス流量
    を検出する流量検出手段と、前記静電容量式圧力センサ
    と前記流量検出手段からの電気信号で前記ガス設備の異
    常を判定する判定手段と、前記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。