JPH0746069B2 - 静電溶量型圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、２枚の平行平板により形成される静電容量
が、加えられた圧力に応じて変化する静電容量型圧力セ
ンサに関する。

従来の技術 ２枚の平行平板により形成された静電容量が、加えられ
た圧力により変化することを利用した静電容量型圧力セ
ンサにおいて、電極の径を特定の値に選択する先行技術
としては、特開昭58−198739号公報に記載の静電容量型
圧力センサがある。これはダイアフラムの中心部に感圧
容量電極を、周辺部に基準容量電極を形成し、両者の容
量の比を計測して温度依存性を取り除く方式において、
基準容量電極と絶縁層（ガラス層）との距離を一定範囲
（４〜15％）に設定することで、基準電極の絶縁層との
浮遊容量を抑えようとするものである。

発明が解決しようとする問題点 ところがこのような従来の構成では、温度依存性を取り
除くことはできても、感圧容量の感度（荷重−静電容量
特性）を改善することはできない。つまり上記公報に示
す従来例は、自動車用に搭載するものであり、厳しい温
度特性の要求のみを改善することに苦心しており、セン
サの感度そのものについては何ら考慮が加えられていな
い。

本発明は、従来例に示された電極の設計に制約を加える
という着想を参考にし、センサの感度を高めることをめ
ざすものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するために、感圧容量電極
の径ｒと、絶縁層の径Ｒとの比r/Rを33％〜75％の間に
選択するものである。

作用 本発明の静電容量型圧力センサは、感圧容量電極の径ｒ
と、絶縁層の径Ｒとの比r/Rを33％〜75％の間に選択す
ることにより、感圧容量として寄与していない電極周辺
部を削ぎ落とし、無荷重時の初期容量を低減させること
で、感圧容量の感度（荷重−静電容量特性）を改善する
ことができる。

実施例 以下、本発明の一実施例の静電容量型圧力センサを図面
を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す静電容量型圧力センサ
の分解斜視図、第２図は同断面模式図である。

両図において、ダイアフラム１はその内面に電極２を備
えており、絶縁層３を介してある距離をもってダイアフ
ラム４と対向している。一方、ダイアフラム４にも電極
５が設けられており、このわずかな距離をもって対向す
る電極２と電極５との間に静電容量が形成される。

さてダイアフラム１および４は、アルミナ焼結体によつ
て構成され、内面の電極２および電極５は金ペーストを
アルミナ焼結体に印刷後、焼成により形成される。電極
２および５からは引き出し部６、７を経て半田づけ電極
８、９に接続される。

絶縁層３はビーズ入りガラスによって構成され、ビーズ
の粒径によってギャップが決定される。ビーズ径は、例
えば45ミクロン程度が選択され、電極が焼成された後、
電極の上に重ねて印刷される。次いで２枚のダイアフラ
ムは重ねられ、荷重を加えながら焼成されて完成する。

半田電極８、９は、電極２、５の引き出し部６、７上に
構成され、銀パラジウムを塗布して形成される。静電容
量の変化は、この半田電極８、９を経て、リード線等で
検知回路に入力される。

さて第３図はダイアフラム１の中央に荷重Ｐを加えた時
のダイアフラム１のたわみ方をコンピュータでシミュレ
ーションした結果を示す線図である。

図中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは第２図に示す通り、絶縁層３と
ダイアフラム１および４が接する固定点であり、本デー
タを算出したサンプルの条件は、ギャップ（粒径）が45
μｍ、アルミナ焼結体より成るダイアフラム１の厚みが
0.5mmである。

第３図を見れば、実際に大きくたわんでいるのはダイア
フラムの中央部に限られ、周辺は動きが少ない。つまり
電極の周辺部は、感度にはほとんど寄与していない。と
ころが無荷重時の静電容量Coは Co＝εS/d ただし ε：誘電率 S:電極面積 d:ギャップ で表され、当然周辺部の電極も無荷重時の初期容量Coに
は大きな影響を与える。

つまり周辺部の電極は、初期容量を増大させるが、感圧
容量としては寄与度が低い。そこで周辺の電極を削り取
れば、感度を向上させることができる。

第４図は検知回路の一実施例として、静電容量型圧力セ
ンサを、発振回路に取り付けた状態を示す。発振回路は
オペアンプ10を２回路用いた三角波・方形波発振器であ
り、圧力センサCsが三角波回路に接続され、出力端Vout
にCsに応じた周波数の方形波を出力する。

第５図はかかる回路における圧力センサの初期容量と回
路感度の関係を示したものである。図より、初期容量を
減らせば回路感度は向上することがわかる。すなわち電
極の周辺部は感圧容量としてはほとんど寄与しないばか
りか、初期容量を増大させ、容量変化量を相対的に低下
せしめているという形で感度を低下させる悪い働きがあ
ることが、図より明らかである。

さて従来の静電容量型センサとして、ギャップ45μｍ、
電極径Φ18mm、絶縁層径Φ24mmなるものが実用化され、
電子レンジを中心に搭載されている。

これは初期容量が40〜50pF、回路感度が1.5Hz/gであ
り、第５図より感度面では決して良好なものとは言えな
い。

本発明では、この従来例r/R＝75％よりも電極径ｒを相
対的に小さくすることで、感度の向上を図る。

一方、r/R値をどんどん小さくしていくと、第５図の斜
線部分に示すように、出力がフラフラと定まらずに、見
かけ上、回路感度が不安定になる。これは電極径が小さ
くなりすぎて、回路の浮遊容量が無視できなくなり、出
力が影響を受けてフラつくためである。このような浮遊
容量としては、通常数pF〜十数pF程度が考えられるの
で、初期容量はこの値よりも大きくとる必要がある。本
発明において、r/R比の下限を33％としたのは、この浮
遊容量に起因する感度の不安定さを避けるためである。

さて以上の構成により、感圧容量の感度を高くしかも安
定にすることが可能となる。

発明の効果 以上のように本発明の静電容量型圧力センサは、感圧容
量電極の径ｒが絶縁層の径Ｒに対して、ある特定の値に
選択されるので、無荷重時の初期容量を安定に低減させ
ることができ、荷重時の感圧容量の変化量を相対的に大
きくすることができる。

さらにこのような電極は金ペーストを印刷・焼成するこ
とで形成されるので、電極径を小さく構成することでコ
ストを大幅に低減できる。また金ペースト印刷時の塗り
ムラなど、工程上の問題発生件数も減らすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す静電容量型圧力センサ
の分解斜視図、第２図は同断面模式図、第３図は同ダイ
アフラムの変位をシミュレートした結果を示す線図、第
４図は同検知回路の一実施例を示す発振回路、第５図は
同回路による静電容量型圧力センサの初期容量と回路感
度の関係を示す特性図である。 １……ダイアフラム、２……電極、３……絶縁層、４…
…ダイアフラム、５……電極、ｒ……電極径、Ｒ……絶
縁層径。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対のダイアフラムと、これらダイアフラ
   ムの内面に設けられた電極と、前記ダイアフラムの外周
   部において両者を結合する絶縁層とより成り、前記電極
   の径ｒと前記絶縁層の径Ｒとの比r/Rを33％〜75％の間
   に選択したことを特徴とする静電容量型圧力センサ。