JPH11248574A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低い圧力領域では感度が高く、測定可能な圧力
範囲が広い静電容量式の圧力センサを提供する。 【解決手段】薄肉部で囲まれた厚肉部を可動電極とする
ダイアフラムと固定電極を備えた固定板とで構成される
圧力センサにおいて、ダイアフラム1aの第１の厚肉部11
を囲む薄肉部の中間に第２の厚肉部14を設け、第２の厚
肉部14と固定板２及び３とのギャップを、第１の厚肉部
11と固定電極21及び31とのギャップより小さくし、圧力
印加時に、第１の厚肉部11が固定電極21あるいは31に接
触するより低い圧力で、第２の厚肉部14が固定板２ある
いは３に接触するようにしている。第２の厚肉部が固定
板に接触するまでの低い圧力領域では感度が高く、両者
が接触した後の圧力領域では感度が低くなって測定圧力
範囲が広がる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、印加した圧力に
よるダイアフラムの変位を静電容量値の変化として圧力
を測定する静電容量式の圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力値を測定する方法としては多くの方
法がある。その中でも、圧力をダイアフラムの変位に置
き換え、その変位をダイアフラムとそれに対向する固定
電極との間の静電容量値の変化として測定する方法は、
広く利用されている方法である。

【０００３】図６は、そのような静電容量式の圧力セン
サの従来技術による一例の構造を示すものである。この
例はダイアフラムを挟んで両側に対称に固定電極が配置
されている、いわゆる差動式の圧力センサである。ダイ
アフラム１は、導電性の弾性板、例えば 0.1Ωcm程度の
抵抗率をもつ単結晶シリコン板、からなり、圧力により
変位する可動電極としての円形の厚肉部11と、圧力によ
って変形して厚肉部11を変位させる厚肉部11と同心の円
環状の薄肉部12と、外周部13とで構成されている。この
ダイアフラム１の両側には、ダイアフラム１に近い熱膨
張係数をもつ絶縁性板、例えばパイレックスガラス板あ
るいはセラミックス板、からなる２つの固定板２及び３
が、ダイアフラム１の外周部13に接合されている。この
固定板２及び３にはそれぞれに、圧力を導入する導圧孔
22及び32が形成されており、ダイアフラム１の厚肉部11
に対向する位置には固定電極21及び31が形成されてい
る。ダイアフラム１の厚肉部11及び薄肉部12は、それぞ
れ両面からその厚さに応じた深さずつエッチングされて
形成される。したがって、ダイアフラム１に圧力が印加
されていない状態においては、厚肉部11と固定電極21あ
るいは31との距離（ギャップ）はほぼ同じである。

【０００４】この状態において、導圧孔32から圧力が印
加されるとダイアフラム１の薄肉部12が撓んで厚肉部11
が上方に変位し、厚肉部11と固定電極21及び31との距離
がそれぞれ減少及び増加し、それぞれの静電容量値が増
加及び減少し、それらを測定することによって圧力が測
定できる。以下に、測定した静電容量値を演算して圧力
を算出する方法の一例を示す。

【０００５】厚肉部11と固定電極21との間の静電容量値
をC1、厚肉部11と固定電極31との間の静電容量値をC2、
厚肉部11と固定電極21及び31との間の空間の誘電率を
ε、厚肉部11の面積をＡ、圧力を印加していない状態の
厚肉部11と固定電極21あるいは31との距離は共に同じで
Ｇ、圧力Ｐによる厚肉部11の変位をΔとすると、 C1＝εＡ／（Ｇ−Δ）、 C2＝εＡ／（Ｇ＋Δ） となる。

【０００６】このC1及びC2を用いて、次の演算式により
Ｆ値を求めると、 Ｆ≡（C1−C2）／（C1＋C2）＝Δ／Ｇ となる。すなわち、Ｇは個々の圧力センサによって決ま
っている一定値であるから、Ｆ値はΔに比例するという
関係を得る。

【０００７】薄肉部12の撓みが小さい状態においては、
変位Δは圧力Ｐに比例するので、Ｆ値を求めることによ
って、圧力Ｐを求めることができる。圧力Ｐを受けたダ
イアフラム１に生ずる最大応力σは薄肉部12の外周部に
生じ、圧力Ｐに比例する。圧力Ｐが上昇してダイアフラ
ム１の厚肉部11が固定板２の固定電極21に接触し、上方
への変位を阻止された状態においては、圧力の増加に対
する最大応力σの増加の割合が小さくなる。この傾向
は、梁の最大応力と同様に考えることができる。すなわ
ち、厚肉部11が固定板２の固定電極21に接触するまでは
片持ち梁の状態であり、接触してからは両端固定梁の状
態と考えればよい。この最大応力σと圧力Ｐとの関係を
図４に点線で示した。厚肉部11が固定板２の固定電極21
に接触する圧力がP1であり、その時の最大応力がσ₁ で
ある。

【０００８】また、Ｆ値として示される出力信号の相対
値と圧力Ｐとの関係を図３に点線で示した。圧力がP1に
達するまでは直線的に増加し、圧力がP1以上では出力は
一定値となる。なお、この例ではダイアフラム１の両側
に固定板２及び３が接合されている場合を説明したが、
片側だけに固定板が接合されている圧力センサにおいて
も、静電容量値の変化の傾向は同じである。ただし、こ
の場合にはＦ値が求められないので、静電容量値から圧
力を計算することになる。上述したように静電容量値は
（Ｇ−Δ）あるいは（Ｇ＋Δ）に反比例する。

【０００９】このような圧力センサにおいて、感度を高
めて測定精度を向上させるためにダイアフラム１の薄肉
部12を薄くすると、測定精度は向上するが、測定できる
圧力値の上限値であるP1が小さくなる。また、逆に、P1
を大きくするために薄肉部12を厚くすると、測定精度は
低下する。言い換えれば、従来の圧力センサにおいて
は、必要な感度を確保しようとすると測定できる圧力の
範囲が狭くなるという問題点をもっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
述の問題点を解決して、低い圧力領域では感度が高く、
かつ測定可能圧力範囲が広い圧力センサを提供すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明においては、外
周部を形成する保持部、それに囲まれた薄肉部及び薄肉
部に囲まれ保持部より薄い厚肉部を有し、導電性材料か
らなり、かつ印加された圧力によって厚肉部及び薄肉部
を変位させるダイアフラムと、厚肉部に対向する位置に
固定電極を有し、ダイアフラムに印加する圧力を導入す
る導圧孔を有し、かつ保持部に接合されている固定板と
を備え、厚肉部と固定電極とが形成するコンデンサの静
電容量値によってダイアフラムに印加された圧力を測定
する圧力センサにおいて、ダイアフラムの保持部と厚肉
部との中間位置にあって薄肉部に挟まれて形成されてお
り、かつ圧力印加時には厚肉部が固定電極に接触する圧
力より低い圧力において固定板に接触する第２の厚肉部
を備えている（請求項１の発明）。

【００１２】第２の厚肉部が固定板に接触するまでは、
薄肉部全体の撓みによって厚肉部が変位するので、単位
圧力変化に対する厚肉部の変位が大きく、高い感度が得
られる。第２の厚肉部が固定板に接触してからは、第２
の厚肉部の内側の薄肉部の撓みだけが厚肉部を変位させ
るので、単位圧力変化に対する厚肉部の変位が小さくな
り、測定できる圧力範囲が高い圧力領域まで拡がり、薄
肉部の最大応力の増加傾向も緩やかとなる。

【００１３】また、請求項１の発明において、ダイアフ
ラムの第２の厚肉部に対向する位置の固定板上に第２の
電極が形成されている（請求項２の発明）。第２の厚肉
部と第２の電極とは、厚肉部と第１の電極とが接触する
前に接触する。言い換えれば、第２の厚肉部と第２の電
極とが形成しているコンデンサの方が、厚肉部と第１の
電極とが形成しているコンデンサより感度が高い。した
がって、第２の電極を設けることによって、第２の厚肉
部が固定板に接触するまでの感度を更に高めることがで
きる。

【００１４】更に、請求項１の発明において、ダイアフ
ラムの両側にそれぞれ固定板を備えており、かつ圧力が
印加されていない状態における両側のコンデンサの静電
容量値をほぼ等しくする（請求項３の発明）。差動式の
圧力センサとすることによって前述のＦ値の演算が利用
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、この発明による圧力セン
サの実施の形態について実施例を用いて説明する。な
お、従来技術と同じ機能をもつ部分については同じ符号
を用いた。 〔第１の実施例〕図１は、この発明による圧力センサの
第１の実施例の構造を示す断面図である。この実施例
は、図６に示した従来技術による圧力センサの一例と同
様の差動式の圧力センサであり、全体的な構成は従来例
と同じであるが、ダイアフラム1aが従来例とは異なる。

【００１６】このダイアフラム1aは、導電性の弾性板、
例えば 0.1Ωcm程度の抵抗率をもつ単結晶シリコン板、
からなり、圧力により変位する可動電極としての円形の
第１の厚肉部11と、第１の厚肉部11と同心の円環状であ
り、かつ圧力によって変形して第１の厚肉部11を変位さ
せる第１の薄肉部12a と、その外側を囲み、第１の厚肉
部11と同心の円環状であり、かつ第１の厚肉部11より厚
い第２の厚肉部14と、その外側を囲み、第１の厚肉部11
と同心の円環状であり、かつ圧力によって変形して第１
の厚肉部11及び第２の厚肉部14を変位させる第２の薄肉
部12b と、外周部13とで構成されている。

【００１７】このダイアフラム1aの両側には、従来例と
同様に、ダイアフラム1aに近い熱膨張係数をもつ絶縁性
板、例えばパイレックスガラス板あるいはセラミックス
板、からなる２つの固定板２及び３が、ダイアフラム1a
の外周部13に接合されている。この固定板２及び３には
それぞれに、圧力を導入する導圧孔22及び32が形成され
ており、ダイアフラム1aの第１の厚肉部11に対向する位
置には固定電極21及び31が形成され、可変静電容量のコ
ンデンサが形成されている。

【００１８】ダイアフラム1aの第１の厚肉部11、第２の
厚肉部14、第１の薄肉部12a 及び第２の薄肉部12b は、
両面からそれぞれの厚さに応じてほぼ対称にエッチング
されて形成される。第２の厚肉部14の厚さは、外周部13
よりは薄く、第１の厚肉部11よりは厚く、かつ圧力印加
時には、第１の厚肉部11が固定電極21あるいは31に接触
する圧力より低い圧力において固定板２あるいは３に接
触する厚さに設定されている。

【００１９】次に、この実施例の特性について、図３及
び図４を用いて説明する。図３は圧力−出力信号特性で
あり、図中の太線がこの実施例の圧力に対する出力信号
を示す（点線は既述の従来例の特性）。従来例において
厚肉部11が固定電極21あるいは31に接触する圧力である
圧力P1より低い圧力P2で、第２の厚肉部14が固定板２あ
るいは３に接触する。圧力P2まで（低圧側）は、従来例
の点線よりやや緩やかな勾配で増加し、圧力P2以上（高
圧側）では、第２の厚肉部14が固定板２あるいは３に保
持されるので、コンデンサを形成している第１の厚肉部
11の変位は第１の薄肉部12a の撓みのみに依存し、更に
緩やかな勾配で増加し、圧力P3で第１の厚肉部11が固定
電極21あるいは31に接触して、第１の厚肉部11の変位は
止まり、出力は増加しなくなる。

【００２０】このように、この実施例の圧力センサは、
低圧側では高い感度を有し、高圧側では感度を下げ、測
定できる圧力範囲を広げている。なお、圧力P2における
感度の変化は信号処理回路で補正することができる。図
４は圧力−最大応力特性であり、細線がこの実施例の第
１の薄肉部12a の最大応力を示し、太線が第２の薄肉部
12b の最大応力を示す（点線は既述の従来例の特性）。
低圧側では、第２の薄肉部12b の最大応力が従来例の点
線よりやや緩やかな勾配で増加し、第１の薄肉部12a の
最大応力は遙に緩やかに増加する。高圧側では、第２の
厚肉部14が固定板２あるいは３に保持されるので、第２
の薄肉部12b の最大応力の増加がずっと緩やかになり、
第１の薄肉部12a の最大応力の増加が急になる。しか
し、全体としての最大応力は従来例に比べて小さく、信
頼性が向上する。

【００２１】以上のように、第２の厚肉部14を設けるこ
とによって、低圧側での感度をそれほど下げることな
く、測定圧力範囲を拡大することができ、しかも、最大
応力を従来例以下に抑えることができるので、信頼性が
向上する。なお、この実施例において、第２の厚肉部14
の位置及び厚さ（厳密には固定板２あるいは３とのギャ
ップ）を変えることによって、圧力P1の大きさ及び低圧
側及び高圧側の感度を調整することができる。

【００２２】また、この実施例のように、第１の薄肉部
12a の厚さと第２の薄肉部12b の厚さとを同じにする場
合は、従来例と同じ加工工程で製作することができる。 〔第２の実施例〕この実施例は、第２の薄肉部12b の厚
さを第１の薄肉部12a の厚さより薄くする。第２の薄肉
部12b の厚さを薄くすることによって、圧力の低い領域
の感度を従来例より高くするのである。

【００２３】図３の細線がこの実施例の圧力−出力信号
特性である。図５はこの実施例の圧力−最大応力特性を
示し、細線と太線がそれぞれ第１の薄肉部12a 及び第２
の薄肉部12b に対応し、点線は従来例に対応する。第２
の薄肉部12b の厚さを薄くしているため、第２の薄肉部
12b の撓みが大きく、第２の厚肉部14が圧力P2より低い
圧力P4で固定板２あるいは３に接触する。したがって、
この領域においては出力信号は従来例よりも急勾配で増
加する。すなわち、感度が高くなっている。圧力がP4を
越えると第２の厚肉部14が固定板２あるいは３に保持さ
れるので、第２の薄肉部12b の最大応力の増加が緩やか
になり、第１の薄肉部12a の最大応力の増加が急にな
る。しかし、全体としての最大応力は従来例より小さく
なり、圧力測定範囲は従来例より広がる。

【００２４】以上のように、第２の厚肉部14を設け、第
２の薄肉部12b の厚さを薄くすることによって、低圧側
での感度を従来例以上に高くし、測定圧力範囲を拡大す
ることができ、しかも、最大応力を従来例以下に抑える
ことができる。なお、この実施例において、第２の厚肉
部14の位置及び厚さ（厳密には固定板２あるいは３との
ギャップ）、第１の薄肉部12a の厚さと幅、及び第２の
薄肉部12b の厚さと幅を適当な値に選択することによっ
て、P4の値、低圧側の感度、最大応力、高圧側の感度及
び圧力測定範囲を調整することができ、幅広い設計が可
能となり、信頼性を向上させることも可能となる。

【００２５】〔第３の実施例〕図２は、第３の実施例の
構造を示す断面図である。この実施例は、第１の実施例
あるいは第２の実施例において、第２の厚肉部14に対向
している固定板２及び３の表面にそれぞれ第２の固定電
極23及び33を設けたものである。第２の厚肉部14は、低
い圧力範囲において第２の固定電極23あるいは33に接触
するので、第２の厚肉部14と第２の固定電極23及び33と
が形成する２つのコンデンサのＦ値は、第１の厚肉部11
と固定電極21及び31とが形成する２つのコンデンサのＦ
値に比べて大きく、感度の高い測定が可能である。

【００２６】したがって、第２の固定電極23及び33を設
けることによって、低圧側においてより一層感度の高い
測定が可能となる。以上に説明した３つの実施例は２つ
のコンデンサをもつ差動式の圧力センサであるが、固定
電極が一つの圧力センサにおいても全く同様に有効であ
ることは言うまでもないであろう。

【００２７】また、第１の厚肉部11が円形であり、第１
及び第２の薄肉部12a 及び12b と第２の厚肉部14の形状
が同心円環状の例を説明してきたが、他の形状でも同様
に有効であることも言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】この発明によれば、外周部を形成する保
持部、それに囲まれた薄肉部及び薄肉部に囲まれ保持部
より薄い厚肉部を有し、導電性材料からなり、かつ印加
された圧力によって厚肉部及び薄肉部を変位させるダイ
アフラムと、厚肉部に対向する位置に固定電極を有し、
ダイアフラムに印加する圧力を導入する導圧孔を有し、
かつ保持部に接合されている固定板とを備え、厚肉部と
固定電極とが形成するコンデンサの静電容量値によって
ダイアフラムに印加された圧力を測定する圧力センサに
おいて、ダイアフラムの保持部と厚肉部との中間位置に
あって薄肉部に挟まれて形成されており、かつ圧力印加
時には厚肉部が固定電極に接触する圧力より低い圧力に
おいて固定板に接触する第２の厚肉部を備えているの
で、第２の厚肉部が固定板に接触するまでは、薄肉部全
体の撓みによって厚肉部が変位するので、単位圧力変化
に対する厚肉部の変位が大きく、高い感度が得られ、第
２の厚肉部が固定板に接触してからは、第２の厚肉部の
内側の薄肉部の撓みだけが厚肉部を変位させるので、単
位圧力変化に対する厚肉部の変位が小さくなり、測定で
きる圧力範囲が高い圧力領域まで拡がり、薄肉部の最大
応力の増加傾向も緩やかとなる。したがって、低い圧力
領域では感度が高く、測定可能圧力範囲が広く、かつ信
頼性の高い圧力センサを提供することができる（請求項
１の発明）。

【００２９】また、請求項１の発明において、ダイアフ
ラムの第２の厚肉部に対向する位置の固定板上に第２の
電極が形成されているので、第２の電極と第２の厚肉部
とのコンデンサによって、第２の厚肉部が固定板に接触
するまでの感度が更に高められる。したがって、低い圧
力領域での感度がより一層高い圧力センサを提供するこ
とができる（請求項２の発明）。

【００３０】更に、請求項１の発明において、ダイアフ
ラムの両側にそれぞれ固定板を備えており、かつ圧力が
印加されていない状態における両側のコンデンサの静電
容量値をほぼ等しくしているので、前述のＦ値の演算が
利用できる。したがって、厚肉部の変位に比例した出力
信号を簡単な演算で出力することができ、低い圧力領域
では感度が高く、測定可能圧力範囲が広く、かつ信頼性
の高い圧力センサを提供することができる（請求項３の
発明）。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による圧力センサの第１の実施例の構
造を示す断面図

【図２】第３の実施例の構造を示す断面図

【図３】従来例と実施例（第１及び第２）との特性の差
を示す圧力−出力信号線図

【図４】従来例と第１の実施例との差を示す圧力−最大
応力線図

【図５】従来例と第２の実施例との差を示す圧力−最大
応力線図

【図６】従来技術による圧力センサの一例の構造を示す
断面図

【符号の説明】１ , 1a ダイアフラム 11 厚肉部、第１の厚肉部 12 薄肉部 12a 第１の薄肉部 12b 第２の薄肉部 13 外周部 2, 3, 2a, 3a 固定板 21, 31 固定電極 22, 32 導圧孔 23, 33 第２の固定電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 公弘 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外周部を形成する保持部、それに囲まれた
   薄肉部及び薄肉部に囲まれ保持部より薄い厚肉部を有
   し、導電性材料からなり、かつ印加された圧力によって
   厚肉部及び薄肉部を変位させるダイアフラムと、厚肉部
   に対向する位置に固定電極を有し、ダイアフラムに印加
   する圧力を導入する導圧孔を有し、かつ保持部に接合さ
   れている固定板とを備え、厚肉部と固定電極とが形成す
   るコンデンサの静電容量値によってダイアフラムに印加
   された圧力を測定する圧力センサにおいて、 ダイアフラムの保持部と厚肉部との中間位置にあって薄
   肉部に挟まれて形成されており、かつ圧力印加時には厚
   肉部が固定電極に接触する圧力より低い圧力において固
   定板に接触する第２の厚肉部を備えていることを特徴と
   する圧力センサ。
2. 【請求項２】ダイアフラムの第２の厚肉部に対向する位
   置の固定板上に第２の電極が形成されていることを特徴
   とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】ダイアフラムの両側にそれぞれ固定板を備
   えており、かつ圧力が印加されていない状態における両
   側のコンデンサの静電容量値がほぼ等しいことを特徴と
   する請求項１に記載の圧力センサ。